İçeriğe geç

Tek şekille ispat

Ezberlediğin formülün
arkasındaki şekil

Her biri bir dakikalık bir fikir. Oynat düğmesine bas, şeklin formülü kendiliğinden söylemesini izle. Ortaokuldan üniversiteye 40’tan fazla ispat; seviyeye ve konuya göre süzebilirsin.

Seviye
Konu

Ortaokul · Geometri

Üçgenin iç açıları neden hep 180°?

Hangi üçgeni çizersen çiz, aynı sonuç. Neden?

Tepeden tabana paralel bir doğru çiz. Tabandaki iki açı, iç ters açı olarak tepeye taşınır ve üçü yan yana düz bir doğru oluşturur: 180°.

İspat adımları
  1. Tepe noktasından tabana paralel bir doğru çiz.
  2. Paralel doğrularda iç ters açılar eşittir: tabandaki α ve β tepeye taşınır.
  3. Tepede α, γ, β yan yana düz açı oluşturur: 180°.
  4. Dolayısıyla α + β + γ = 180°.

Ortaokul · Geometri

Dış açılar toplamı neden hep 360°?

Kenar sayısı değişiyor, toplam değişmiyor.

Çokgenin çevresinde yürüdüğünü düşün: her köşede dış açı kadar dönersin. Başladığın yere aynı yöne bakarak dönersin, yani toplam bir tam tur. Çokgeni küçültünce dış açılar bir noktada birleşip tam daireyi gösterir.

İspat adımları
  1. Çokgenin çevresinde dolaşırken her köşede dış açı kadar dönülür.
  2. Başlangıç noktasına aynı yöne bakarak dönülür: toplam dönüş 360°.
  3. Dolayısıyla dış açıların toplamı 360°’dir; kenar sayısından bağımsızdır.

Ortaokul · Sayılar

1 + 2 + … + n neden n(n+1)/2?

Küçük Gauss’un 1’den 100’e toplamı birkaç saniyede bulduğu söylenir.

Toplamı merdiven gibi diz. Aynı merdivenden bir tane daha alıp ters çevirerek üstüne koy: n’ye (n+1) boyutunda bir dikdörtgen olur. Merdiven bu dikdörtgenin tam yarısıdır.

İspat adımları
  1. Toplamı merdiven biçiminde diz: satırlarda 1, 2, …, n kare.
  2. Aynı merdivenin ters çevrilmiş kopyasını üstüne koy.
  3. Oluşan dikdörtgen n satır, n + 1 sütun: n(n+1) kare.
  4. Bir merdiven bunun yarısı: S = n(n+1)/2.

Ortaokul · Cebir

(a + b)² neden a² + 2ab + b²?

En sık yapılan hata: (a + b)² = a² + b² sanmak.

Kenarı a + b olan kareyi çiz ve kenarları a ile b’den böl. İçinde bir a², bir b² ve iki tane ab dikdörtgeni çıkar. İki dikdörtgeni unutmak, o yaygın hatanın ta kendisidir.

İspat adımları
  1. Kenarı a + b olan karenin alanı (a + b)².
  2. Kenarları a ve b’den böl: a², b² ve iki ab dikdörtgeni.
  3. Parçaların toplamı tüm kare: (a + b)² = a² + 2ab + b².

Lise · Analiz

1/2 + 1/4 + 1/8 + … neden tam 1?

Sonsuz tane sayı toplanıp sonlu bir sonuç çıkabilir mi?

Bir kareyi yarıya böl, kalanın yarısını boya, sonra kalanın yarısını… Her adımda boşluk yarıya iner ama boyalı alan karenin dışına asla taşmaz. Boşluk sıfıra yaklaştıkça toplam tam 1 kareye ulaşır.

İspat adımları
  1. Birim kareyi yarıya böl: 1/2 boyandı, 1/2 boş.
  2. Her adımda boş kalanın yarısı boyanır: boş alan 1/2ⁿ.
  3. n adımdan sonra boyalı alan 1 − 1/2ⁿ.
  4. 1/2ⁿ → 0 olduğundan toplam 1.

Ortaokul · Geometri

Dairenin alanı neden πr²?

Bir pizzayı dilimleyip yeniden dizersen ne olur?

Daireyi ince dilimlere ayır ve dilimleri bir aşağı bir yukarı bakacak şekilde yan yana diz. Ortaya, uzun kenarı çevrenin yarısı (πr), yüksekliği r olan bir dikdörtgene yaklaşan şekil çıkar. Alanı πr · r = πr².

İspat adımları
  1. Daireyi 2n eş dilime ayır ve dilimleri bir aşağı bir yukarı diz.
  2. Oluşan şeklin üst-alt kenarları toplamı çevre 2πr; her biri πr.
  3. Yükseklik r; n büyüdükçe şekil πr × r dikdörtgenine yaklaşır.
  4. Alan = πr · r = πr².

Ortaokul · Geometri

Pisagor’a bir başka bakış

Dört üçgen ve küçük bir kare: a² + b² = c² için yeter.

Hipotenüsü c olan kareyi, bacakları a ve b olan dört eş dik üçgen ve ortada kenarı b − a olan küçük bir kareyle doldur. Alan hesabı: c² = 4 · ab/2 + (b − a)² = a² + b².

İspat adımları
  1. Kenarı c olan kare, dört eş dik üçgen ve ortadaki kenarı b − a olan kareyle dolar.
  2. c² = 4 · (ab/2) + (b − a)².
  3. = 2ab + b² − 2ab + a² = a² + b².

Üniversite · Analiz

Türev ve integral neden birbirinin tersi?

Biri eğim, öbürü alan. Aralarındaki bağ ne?

Eğrinin altındaki alanı x’e kadar biriktiren A(x) fonksiyonunu düşün. x biraz (h kadar) ilerleyince alana yüksekliği f(x), eni h olan ince bir şerit eklenir. Yani A(x+h) − A(x) ≈ f(x)·h ve buradan A′(x) = f(x).

İspat adımları
  1. A(x): a’dan x’e kadar f’nin altındaki alan.
  2. A(x + h) − A(x), genişliği h, yüksekliği yaklaşık f(x) olan şerittir.
  3. Oran: (A(x+h) − A(x))/h ≈ f(x); h → 0 iken eşitlik.
  4. A′(x) = f(x): integralin türevi fonksiyonun kendisidir.

Lise · Analiz

Çarpımın türevi neden (fg)′ = f′g + fg′?

Neden türevlerin çarpımı değil de iki terimin toplamı?

Kenarları f ve g olan bir dikdörtgen düşün. f biraz, g biraz büyüyünce alana iki ince şerit (g·Δf ve f·Δg) ve köşede minicik bir kare (Δf·Δg) eklenir. Değişim sıfıra giderken köşe parçası yok olur, geriye iki şerit kalır.

İspat adımları
  1. Kenarları f ve g olan dikdörtgenin alanı fg.
  2. f → f + Δf, g → g + Δg: alan artışı gΔf + fΔg + ΔfΔg.
  3. Δx’e böl: g·Δf/Δx + f·Δg/Δx + Δf·Δg/Δx.
  4. Δx → 0: son terim sıfıra gider; (fg)′ = f′g + fg′.

Lise · Cebir

Aritmetik ortalama neden geometrik ortalamadan büyük?

(a + b)/2 ≥ √(ab): tek bir yarım çemberle.

Çapı a + b olan bir yarım çember çiz. Çapı a ve b uzunluğunda iki parçaya ayıran noktadan dik çık: bu dikmenin boyu √(ab) olur. Yarıçap ise (a + b)/2. Hiçbir dikme yarıçaptan uzun olamaz; eşitlik yalnızca a = b iken.

İspat adımları
  1. Çapı a + b olan yarım çemberde yarıçap (a + b)/2.
  2. Çapı a ve b parçalarına ayıran noktadan çıkan dikmenin boyu √(ab) (Öklid bağıntısı: h² = a·b).
  3. Dikme yarıçapı aşamaz: √(ab) ≤ (a + b)/2.
  4. Eşitlik yalnızca dikme merkezden çıkınca, yani a = b iken.

Ortaokul · Geometri

Yamuğun alanında neden ortalama var?

Alan = (a + c)/2 · h. Bu ikiye bölme nereden geliyor?

Yamuğun bir kopyasını yarım tur döndürüp yanına yapıştır. İki yamuk birlikte, tabanı a + c ve yüksekliği h olan bir paralelkenar oluşturur. Bir yamuk bunun yarısıdır: (a + c) · h / 2.

İspat adımları
  1. Yamuğun 180° döndürülmüş kopyasını yanına koy.
  2. Oluşan şekil tabanı a + c, yüksekliği h olan paralelkenar: alanı (a + c)·h.
  3. Yamuk bunun yarısı: (a + c)·h/2.

Lise · Cebir

Parabolün tepesi neden x = −b/2a’da?

Türev bilmeden tepe noktasını bulmak mümkün mü?

Parabol, simetri ekseninin iki yanında aynaya bakar gibi aynıdır. Bu yüzden iki kökün tam ortası tepe noktasının x’idir. Kökler toplamı −b/a olduğundan ortası (x₁ + x₂)/2 = −b/2a.

İspat adımları
  1. Parabol simetri eksenine göre simetriktir; kökler eksene eşit uzaklıktadır.
  2. Eksen, köklerin tam ortasından geçer: x = (x₁ + x₂)/2.
  3. Vieta: x₁ + x₂ = −b/a.
  4. Tepe noktası x = −b/(2a).

Lise · Cebir

i ile çarpmak neden bir dönüş?

Eksi birin karekökü düzlemde ne anlama gelir?

Bir karmaşık sayıyı i ile çarpınca ok, uzunluğu değişmeden çeyrek tur (90°) döner: i · (3 + 2i) = −2 + 3i. İki kez i ile çarpmak yarım tur demektir; yarım tur da sayıyı −1 ile çarpmakla aynıdır. İşte bu yüzden i² = −1.

İspat adımları
  1. z = x + yi için i·z = −y + xi: (x, y) noktası (−y, x)’e gider.
  2. Bu, orijin etrafında 90° dönmedir; uzunluk değişmez.
  3. İki kez 90° = 180°: i·i·z = −z.
  4. Dolayısıyla i² = −1.

Ortaokul · Cebir

Mutlak değer neden bir uzaklık?

|x − 1| ≤ 3 eşitsizliğini tek bakışta çözmek.

|x − 1|, x ile 1 arasındaki uzaklıktır. “Uzaklık en çok 3” demek, 1’in sağına ve soluna 3 birim gitmek demektir. Böylece çözüm doğrudan okunur: −2 ≤ x ≤ 4.

İspat adımları
  1. |x − 1|, sayı doğrusunda x ile 1 arasındaki uzaklıktır.
  2. |x − 1| ≤ 3: 1’e uzaklığı en çok 3 olan noktalar.
  3. 1’in 3 solu −2, 3 sağı 4.
  4. Çözüm: −2 ≤ x ≤ 4.

Ortaokul · Cebir

(a − b)² neden a² − 2ab + b²?

Eksi işareti nereye gidiyor, artı b² nereden geliyor?

Kenarı a olan kareden sağdan ve alttan b genişliğinde birer şerit çıkar. İki şerit köşede b² kadar üst üste biner; yani b²’yi iki kez çıkarmış olursun. Bir kez geri ekle: a² − 2ab + b², kalan da tam (a − b)² karesi.

İspat adımları
  1. Kenarı a olan karenin alanı a².
  2. Sağdan ab, alttan ab çıkarılır: a² − 2ab.
  3. Köşedeki b² iki şeride de dahil olduğundan iki kez çıkarılmıştır; bir kez geri eklenir.
  4. Kalan bölge kenarı a − b olan karedir: (a − b)² = a² − 2ab + b².

Ortaokul · Cebir

a² − b² neden (a − b)(a + b)?

Köşesi eksik bir kareden bir dikdörtgen çıkarmak.

Kenarı a olan kareden köşedeki b² karesini kes. Kalan L biçimli parçayı tek bir yerinden kesip alttaki parçayı yan çevirerek sağa yapıştır. Ortaya kısa kenarı a − b, uzun kenarı a + b olan bir dikdörtgen çıkar.

İspat adımları
  1. Kenarı a olan karenin köşesinden kenarı b olan kare çıkarılır: kalan alan a² − b².
  2. Kalan L parçası iki dikdörtgene ayrılır: a × (a − b) ve (a − b) × b.
  3. Küçük parça döndürülüp büyük parçanın sağına eklenir.
  4. Oluşan dikdörtgen (a + b) × (a − b) boyutundadır; alanlar eşit olduğundan a² − b² = (a + b)(a − b).

Ortaokul · Sayılar

1 + 3 + 5 + … neden hep bir kare?

Ardışık tek sayıları topla: 1, 4, 9, 16…

Bir kareyi L biçimli katmanlar hâlinde büyüt. Kenarı n olan karenin etrafına bir sonraki katman olarak 2n + 1 kare eklenir, çünkü yeni katman iki kenar artı köşe demektir. Katmanlar 1, 3, 5, 7… hep tek sayılardır ve n katman tam n² kare yapar.

İspat adımları
  1. 1 kare ile başla (1 = 1²).
  2. Kenarı k olan karenin sağına k, altına k, köşeye 1 kare ekle: 2k + 1 yeni kare.
  3. Sonuç kenarı k + 1 olan karedir: k² + (2k + 1) = (k + 1)².
  4. Böylece 1 + 3 + 5 + … + (2n − 1) = n².

Ortaokul · Sayılar

İki üçgensel sayı neden bir kare eder?

1+2+…+n ile 1+2+…+(n−1) yan yana gelince ne olur?

Tₙ = 1 + 2 + … + n sayısını merdiven gibi diz. Bir önceki merdiveni Tₙ₋₁ ters çevirip boşluğa oturt: tam n × n’lik bir kare olur. Yani Tₙ + Tₙ₋₁ = n².

İspat adımları
  1. Tₙ merdiveni: satırlarda 1, 2, …, n kare.
  2. n × n karede bu merdivenin dışında kalan kısım satırlarda n − 1, n − 2, …, 1 karedir: Tₙ₋₁.
  3. İkisi kareyi tam doldurur: Tₙ + Tₙ₋₁ = n².
  4. Örnek: 21 + 15 = 36 = 6².

Ortaokul · Geometri

Paralelkenarın alanı neden taban × yükseklik?

Yan yatmış bir dikdörtgenden farkı ne?

Paralelkenarın bir ucundan dik bir üçgen kes ve öbür uca taşı. Elinde tabanı a, yüksekliği h olan bir dikdörtgen kalır. Taşımak alanı değiştirmez; alan a · h.

İspat adımları
  1. Bir köşeden tabana dik indirilir; soldaki dik üçgen ayrılır.
  2. Üçgen tabanın uzunluğu kadar sağa kaydırılır; iki eğik kenar birbirine eştir, tam oturur.
  3. Oluşan şekil a × h dikdörtgenidir.
  4. Parçalar yalnızca yer değiştirdi: paralelkenarın alanı = a · h.

Ortaokul · Geometri

Üçgenin alanında neden 2’ye bölüyoruz?

Taban çarpı yükseklik, bölü iki. Peki neden?

Üçgenin bir kopyasını al, bir kenarının orta noktası etrafında yarım tur döndür. İki üçgen birlikte tabanı a, yüksekliği h olan bir paralelkenar oluşturur. Üçgen bunun tam yarısıdır.

İspat adımları
  1. Üçgen, bir kenarının orta noktası etrafında 180° döndürülür.
  2. Dönen kopya ile orijinal, karşılıklı kenarları eş ve paralel bir paralelkenar oluşturur.
  3. Paralelkenarın alanı a · h.
  4. İki eş üçgen bu alanı paylaşır: üçgenin alanı = a · h / 2.

Ortaokul · Geometri

π sayısı çemberin neresinde saklı?

Her çemberde çevre, çapın 3,14… katı. Neden hep aynı sayı?

Bir çemberi düz bir çizgi üzerinde tam bir tur yuvarla; bıraktığı iz çevre uzunluğudur. Bu izi çapla ölç: üç çap sığar, bir de küçük parça artar. Bütün çemberler birbirine benzer olduğundan bu oran, yani π, çember büyüse de küçülse de değişmez.

İspat adımları
  1. Çember bir doğru üzerinde kaymadan bir tam tur yuvarlanır; iz uzunluğu = çevre.
  2. Çap bu izin üzerine art arda konur: 3 tam çap + yaklaşık 0,14 çap artar.
  3. Bütün çemberler benzerdir; benzer şekillerde uzunluk oranları korunur.
  4. Dolayısıyla çevre / çap her çemberde aynı sabittir: π ≈ 3,14159… ve çevre = π · çap = 2πr.

Ortaokul · Sayılar

Güvercin yuvası ilkesi

10 güvercin, 9 yuva: biri mutlaka paylaşır.

Her yuvada en fazla bir güvercin olsaydı toplam güvercin sayısı en fazla yuva sayısı kadar olurdu. 10 > 9 olduğundan bu mümkün değil; en az bir yuvada iki güvercin oturur. Bu kadar basit bir fikir, matematikte çok şey kanıtlar.

İspat adımları
  1. Varsayım: her yuvada en fazla 1 güvercin var.
  2. O zaman toplam güvercin sayısı ≤ yuva sayısı = 9.
  3. Ama 10 güvercin var; çelişki.
  4. Genel hâli: n + 1 nesne n kutuya konursa bir kutuda en az 2 nesne bulunur.

Lise · Geometri

Kenar orta dikmeler neden tek noktada kesişir?

Üç doğru, hep aynı noktada buluşuyor. Tesadüf mü?

Bir doğru parçasının orta dikmesi, iki uca eşit uzaklıktaki noktaların tamamıdır. AB ve BC’nin orta dikmelerinin kesiştiği O noktası A’ya, B’ye ve C’ye eşit uzaklıktadır. Eşit uzaklık demek AC’nin orta dikmesinde de olmak demek. Üçüncü doğru mecburen oradan geçer; O da üçgenin çevrel çemberinin merkezidir.

İspat adımları
  1. Bir doğru parçasının orta dikmesi üzerindeki her nokta iki uca eşit uzaklıktadır (ve tersi).
  2. AB ile BC’nin orta dikmeleri O’da kesişsin: |OA| = |OB| ve |OB| = |OC|.
  3. Öyleyse |OA| = |OC|; O, AC’nin orta dikmesi üzerindedir.
  4. Merkezi O, yarıçapı |OA| olan çember üç köşeden geçer: çevrel çember.

Lise · Sayılar

Pascal üçgeninde her sayı neden üsttekilerin toplamı?

C(n,k) = C(n−1,k−1) + C(n−1,k) kuralının kısa hikâyesi.

n kişiden k kişilik bir takım seçerken bir kişiye, Ali’ye, bak. Ali takımda ise geri kalan n − 1 kişiden k − 1 kişi seçilir; takımda değilse n − 1 kişiden k kişi. Her takım bu iki durumdan tam birine girer, o yüzden sayılar toplanır.

İspat adımları
  1. n kişiden k kişilik takımların sayısı C(n,k).
  2. Belirli bir kişiyi içeren takımlar: C(n−1, k−1).
  3. O kişiyi içermeyen takımlar: C(n−1, k).
  4. Her takım bu iki sınıftan tam birindedir: C(n,k) = C(n−1,k−1) + C(n−1,k). Örnek: C(5,2) = 4 + 6 = 10.

Lise · Sayılar

Seçmek ile dışarıda bırakmak neden aynı sayı?

C(n, k) = C(n, n − k): 7’den 3 seçmek, 7’den 4 seçmekle aynı.

7 kişiden 3 kişilik bir takım seçtiğinde aslında dışarıda kalacak 4 kişiyi de seçmiş olursun. Her 3’lü seçime tam bir 4’lü dışarıda kalanlar kümesi karşılık gelir ve tersi. Birebir eşleşen iki küme aynı sayıda elemana sahiptir.

İspat adımları
  1. n elemanlı kümeden k elemanlı altküme seç.
  2. Bu altkümenin tümleyeni n − k elemanlıdır ve tek türlü belirlenir.
  3. Tümleyen alma işlemi k-altkümeler ile (n−k)-altkümeler arasında birebir eşlemedir.
  4. Birebir eşlenen kümeler eşit sayıdadır: C(n,k) = C(n,n−k).

Lise · Geometri

Çevre açı neden merkez açının yarısı?

Çemberin kenarından bakınca açı yarıya iniyor.

P noktasından merkez O’ya bir çap çiz. OA = OP olduğundan AOP ikizkenar; tabandaki açılar eşit. Bu üçgenin P’deki açısı α ise, O’daki dış açısı iki taban açısının toplamı 2α olur. Aynı şey öbür tarafta da geçerli; toplayınca merkez açı, çevre açının iki katı çıkar.

İspat adımları
  1. PO doğrusu çap olacak şekilde uzatılır; A ve B’yi ayrı ayrı ele al.
  2. OA = OP (yarıçap): AOP ikizkenar, ∠OAP = ∠OPA = α.
  3. Üçgenin O’daki dış açısı iki iç açının toplamıdır: 2α. Benzer şekilde öbür yanda 2β.
  4. ∠APB = α + β, ∠AOB = 2α + 2β = 2·∠APB.

Lise · Geometri

Çapı gören açı neden hep 90°? (Thales)

Yarım çemberin üzerindeki her nokta aynı dik açıyı görür.

P’den merkeze yarıçapı çiz: iki ikizkenar üçgen oluşur. Birinin taban açıları α, öbürününki β. Büyük APB üçgeninin açıları α, β ve α + β; toplamları 180° olduğundan 2α + 2β = 180°, yani P’deki açı α + β = 90°.

İspat adımları
  1. AB çap, O merkez, P çember üzerinde: OA = OB = OP.
  2. OAP ikizkenar: ∠OAP = ∠OPA = α. OBP ikizkenar: ∠OBP = ∠OPB = β.
  3. APB üçgeninde açılar toplamı: α + (α + β) + β = 180°.
  4. 2(α + β) = 180° ⇒ ∠APB = α + β = 90°.

Lise · Geometri

Kosinüs teoremi nereden çıkıyor?

c² = a² + b² − 2ab·cos γ: aslında bir Pisagor.

B köşesinden b kenarına dik indir. Yükseklik a·sin γ, dikmenin ayağı C’den a·cos γ uzakta. Dik üçgende Pisagor yaz: c² = (b − a·cos γ)² + (a·sin γ)². Parantezleri açınca sin² + cos² = 1 sadeleşir ve kosinüs teoremi kalır.

İspat adımları
  1. B’den CA kenarına dik indir, ayağı H olsun: |CH| = a·cos γ, |BH| = a·sin γ.
  2. |HA| = b − a·cos γ.
  3. BHA dik üçgeninde Pisagor: c² = (b − a·cos γ)² + (a·sin γ)².
  4. Açılım: b² − 2ab·cos γ + a²(cos²γ + sin²γ) = a² + b² − 2ab·cos γ.

Lise · Geometri

sin(a + b) formülü nereden geliyor?

sin a·cos b + cos a·sin b: iki yükseklik üst üste.

Uzunluğu 1 olan bir çubuğu yatayla a + b açısı yapacak şekilde tut; yüksekliği sin(a + b). Önce a açılı doğrultuda cos b kadar git, sonra o doğrultuya dik olarak sin b kadar çık; aynı uca varırsın. İlk parçanın yüksekliği cos b·sin a, ikincisininki sin b·cos a. Topla.

İspat adımları
  1. |OP| = 1, OP yatayla a + b açısı yapsın: P’nin yüksekliği sin(a + b).
  2. a açılı ışın üzerinde P’nin dik izdüşümü Q: |OQ| = cos b, |QP| = sin b.
  3. Q’nun yüksekliği |OQ|·sin a = cos b·sin a.
  4. QP doğrultusu düşeyle a açısı yapar; P’nin Q’ya göre yüksekliği |QP|·cos a = sin b·cos a. Toplam: sin(a+b) = sin a·cos b + cos a·sin b.

Lise · Analiz

1/4 + 1/16 + 1/64 + … neden tam 1/3?

Üç renk, hep eşit pay; biri tam üçte bir.

Kareyi dörde böl: bir çeyreği turuncu, birini mavi, birini sarı boya; dördüncüyü yine dörde böl ve aynısını yap. Sonsuza dek sürdür. Her adımda üç renk eşit pay alır, bu yüzden sonunda her renk karenin tam üçte biridir. Turuncunun toplamı 1/4 + 1/16 + 1/64 + … idi.

İspat adımları
  1. Her adımda kalan kare 4 eş parçaya bölünür; 3’ü boyanır (her renge bir), 1’i sonraki adıma kalır.
  2. k. adımda turuncu parça alanı 1/4ᵏ; turuncu toplamı 1/4 + 1/16 + 1/64 + …
  3. Boyanmamış parça 1/4ᵏ sıfıra gider; üç renk tüm kareyi paylaşır.
  4. Üç renk simetrik, dolayısıyla her biri 1/3: 1/4 + 1/16 + 1/64 + … = 1/3.

Lise · Sayılar

1³ + 2³ + … + n³ neden (1 + 2 + … + n)²?

Küplerin toplamı bir kare; hem de Gauss toplamının karesi.

Kenarı 1 + 2 + … + n olan büyük kareyi L biçimli şeritlere ayır. k’ıncı şeridin kalınlığı k, iki kolunun uzunlukları toplamı Tₖ + Tₖ₋₁ = k²; alanı k · k² = k³. Şeritler birleşince kare tamamlanır: küplerin toplamı karenin alanıdır.

İspat adımları
  1. Tₖ = 1 + 2 + … + k olsun; büyük karenin kenarı Tₙ.
  2. Kenarı Tₖ₋₁ olan kareyi kenarı Tₖ olan kareye büyüten L şeridi: kalınlık k, kollar Tₖ ve Tₖ₋₁.
  3. Alanı k·(Tₖ + Tₖ₋₁) = k·k² = k³ (çünkü Tₖ + Tₖ₋₁ = k²).
  4. Şeritler toplamı = büyük karenin alanı: 1³ + … + n³ = Tₙ² = (n(n+1)/2)².

Lise · Sayılar

√2 neden rasyonel olamaz?

Karesi 2 olan kesir olsaydı, kareler çelişirdi.

p² = 2q² olan en küçük tam sayılar olsun: kenarı p olan kare, kenarı q olan iki kare kadar yer kaplar. İki q karesini büyük karenin karşı köşelerine koy: ortada üst üste binen bir kare, köşelerde iki boş kare kalır. Alanlar eşit olduğundan üst üste binen alan boş alana eşittir: daha küçük bir çözüm bulduk. Bu, en küçük seçtiğimizle çelişir.

İspat adımları
  1. √2 = p/q olsun; p² = 2q², p en küçük seçilsin. q < p < 2q olur.
  2. Kenarı p olan kareye iki q karesi karşı köşelerden yerleştirilir: örtüşen kare kenarı 2q − p, boş köşe kareleri kenarı p − q.
  3. 2q² = p² ⇒ iki q karesinin alanı büyük kareye eşit ⇒ örtüşme = boşluk: (2q − p)² = 2(p − q)².
  4. (2q − p, p − q) daha küçük bir çözümdür; p en küçüktü, çelişki. Öyleyse √2 rasyonel değildir.

Lise · Sayılar

Asal sayılar neden sonsuz?

Öklid’in iki bin yıllık, hâlâ en zarif ispatı.

Elindeki bütün asalları çarp ve 1 ekle. Çıkan sayı listedeki her asala bölündüğünde 1 kalanını verir, yani hiçbiri onu bölmez. Ama her sayının bir asal böleni vardır; öyleyse listede olmayan bir asal daha var. Liste ne olursa olsun bu böyle sürer.

İspat adımları
  1. Asallar sonlu olsun: p₁, p₂, …, pₙ.
  2. N = p₁·p₂·…·pₙ + 1 sayısını kur.
  3. N’yi herhangi bir pᵢ’ye bölersen kalan 1: hiçbir pᵢ N’yi bölmez.
  4. 1’den büyük her sayının bir asal böleni vardır; N’nin asal böleni listede yok. Çelişki: asallar sonsuzdur.

Lise · Geometri

Euler formülü: V − E + F neden hep 2?

Köşe, kenar, yüz: ne çizersen çiz aynı sonuç.

Düzlemde tek bir noktayla başla: V = 1, E = 0, F = 1 (dış bölge), fark 2. Şekli kenar kenar kur. Her yeni kenar ya yeni bir köşeye gider (V ve E birlikte 1 artar) ya da iki eski köşeyi birleştirip bir bölgeyi ikiye böler (E ve F birlikte 1 artar). Her adımda V − E + F değişmez; sonuçta hep 2 kalır.

İspat adımları
  1. Tek nokta: V = 1, E = 0, F = 1 ⇒ V − E + F = 2.
  2. Bağlantılı düzlemsel çizim kenar kenar kurulur.
  3. Yeni kenar yeni köşeye giderse: V ve E birer artar, fark korunur.
  4. Yeni kenar var olan iki köşeyi bağlarsa bir yüzü ikiye böler: E ve F birer artar, fark korunur. Dolayısıyla V − E + F = 2 kalır.

Lise · Cebir

Harmonik ≤ Geometrik ≤ Aritmetik ≤ Kareli ortalama

Dört ortalama, tek yarım çember.

Çapı a + b olan yarım çemberde yarıçap aritmetik ortalama, çapı a ve b’ye bölen noktadan çıkan dikme geometrik ortalama. Dikmenin ucundan yarıçapa indirilen parça harmonik ortalamayı, çemberin tepesinden bölme noktasına çizilen eğik parça da kareli ortalamayı verir. Dik üçgenlerde hipotenüs dik kenardan uzundur; zincir buradan okunur.

İspat adımları
  1. A, B uçlar; |AD| = a, |DB| = b; O merkez: |OG| = |OC| = (a+b)/2 (aritmetik ortalama).
  2. D’den dikme G: |DG|² = a·b ⇒ |DG| = √(ab) (geometrik). ODG dik: DG ≤ OG.
  3. D’den OG’ye dikme ayağı H: |GH| = |DG|²/|OG| = 2ab/(a+b) (harmonik). GHD dik: GH ≤ DG.
  4. C tepe noktası: |CD|² = |OC|² + |OD|² = ((a+b)² + (a−b)²)/4 = (a²+b²)/2 ⇒ |CD| = kareli ortalama; OCD dik: OC ≤ CD.

Üniversite · Cebir

Cauchy–Schwarz eşitsizliği neden doğru?

|u·v| ≤ |u||v|: izdüşüm, okun kendisinden uzun olamaz.

İki okun iç çarpımı, birinin uzunluğu ile öbürünün onun üzerindeki izdüşümünün çarpımıdır: u·v = |u| · |v| cos θ. İzdüşüm, okun kendisinden hiçbir zaman uzun olamaz; cos θ en fazla 1’dir. Düzlemde bu, (ac + bd)² ≤ (a² + b²)(c² + d²) demektir.

İspat adımları
  1. u = (a, b), v = (c, d) için u·v = ac + bd = |u||v| cos θ.
  2. |cos θ| ≤ 1 olduğundan |u·v| ≤ |u||v|.
  3. Kare alınca: (ac + bd)² ≤ (a² + b²)(c² + d²).
  4. Cebirsel kontrol: (a² + b²)(c² + d²) − (ac + bd)² = (ad − bc)² ≥ 0; eşitlik u ∥ v iken.

Lise · Analiz

√x’in türevi neden 1/(2√x)?

Kenarı √x olan bir kare: alanı x.

Kenarı √x olan karenin alanı x’tir. Alanı Δx kadar artırınca kenar Δ(√x) kadar uzar; yeni alan iki ince şerit (her biri √x · Δ(√x)) ve köşede ihmal edilecek kadar küçük bir karedir. Δx ≈ 2√x · Δ(√x), bölünce türev 1/(2√x) çıkar.

İspat adımları
  1. s = √x olsun; kenarı s olan karenin alanı s² = x.
  2. Kenar Δs artınca alan artışı Δx = 2s·Δs + (Δs)².
  3. Δx / Δs = 2s + Δs → 2s (Δs → 0).
  4. Tersini al: ds/dx = 1/(2s) = 1/(2√x).

Üniversite · Geometri

Kürenin hacmi neden 4πr³/3? (Arşimet)

Yarım küre = silindir − koni. Kesitlere bak.

Yarım kürenin yanına yarıçapı ve yüksekliği r olan bir silindir koy, içinden tepesi tabanda olan bir koni çıkar. Tabandan h yükseklikte yarım kürenin kesiti yarıçapı √(r² − h²) olan bir daire: alanı π(r² − h²). Silindir eksi koninin kesiti ise πr² − πh²: aynı alan. Her yükseklikte kesitleri eşit olan cisimlerin hacimleri eşittir (Cavalieri).

İspat adımları
  1. h yükseklikte yarım kürenin kesiti: yarıçap √(r² − h²), alan π(r² − h²).
  2. Silindir eksi koninin kesiti: dış yarıçap r, iç yarıçap h; alan πr² − πh².
  3. Her h için kesit alanları eşit ⇒ hacimler eşit (Cavalieri ilkesi).
  4. Yarım küre = πr²·r − (1/3)πr²·r = 2πr³/3; tam küre = 4πr³/3.

Üniversite · Analiz

Harmonik seri neden ıraksar?

1 + 1/2 + 1/3 + 1/4 + …: terimler küçülüyor ama toplam durmuyor.

Terimleri gruplara ayır: 1/3 + 1/4, sonra 1/5 … 1/8, sonra 1/9 … 1/16. Her grupta terimlerin hepsini gruptaki en küçük terimle değiştir: 2 · 1/4, 4 · 1/8, 8 · 1/16… Her grup en az 1/2 eder. Sonsuz tane yarım toplanınca sonuç sınırsız büyür.

İspat adımları
  1. Terimleri 2ᵏ+1’den 2ᵏ⁺¹’e kadar gruplandır: 2ᵏ terim.
  2. Gruptaki her terim ≥ 1/2ᵏ⁺¹; grup toplamı ≥ 2ᵏ · 1/2ᵏ⁺¹ = 1/2.
  3. İlk 2ⁿ terimin toplamı ≥ 1 + n/2.
  4. n büyüdükçe sınırsız artar: seri ıraksar.

Üniversite · Sayılar

Cantor’un köşegeni: gerçel sayılar sayılamaz

Her listenin dışında kalan bir sayı var.

0 ile 1 arasındaki sayıları (ikilik açılımlarıyla) listelediğini varsay. Köşegene bak: birinci sayının birinci basamağı, ikincinin ikincisi… Bu basamakların her birini ters çevirerek yeni bir sayı kur. Yeni sayı birinci sayıdan birinci basamakta, ikinciden ikinci basamakta… yani listedeki her sayıdan en az bir basamakta farklıdır. Liste eksik; hiçbir liste tam olamaz.

İspat adımları
  1. Varsayım: (0,1)’deki sayılar s₁, s₂, s₃, … diye listelenebiliyor.
  2. d sayısı: n. basamağı, sₙ’nin n. basamağının tersi (0 ↔ 1).
  3. Her n için d ≠ sₙ (n. basamakta farklılar).
  4. d listede yok; varsayım çöker. (0,1) sayılamaz, dolayısıyla ℝ de sayılamaz.

Üniversite · Analiz

Ara değer teoremi: eksiden artıya çizgi ekseni geçer

Kalemi kaldırmadan çizilen eğri, aradaki her değere uğrar.

Sürekli bir fonksiyon, kalemi kaldırmadan çizilen bir eğridir. Eğri eksenin altında başlayıp üstünde bitiyorsa, bir yerde ekseni geçmek zorundadır: sıçrayamaz. O geçiş noktasında f(c) = 0. Aynı mantık sıfır yerine herhangi bir ara değer için de çalışır.

İspat adımları
  1. f, [a, b] üzerinde sürekli; f(a) < 0 < f(b).
  2. f(x) ≤ 0 sağlayan x’lerin en büyüğünü (supremumunu) c olarak al.
  3. Süreklilikten f(c) > 0 olamaz (c’nin hemen solunda da pozitif olurdu, c en büyük olmazdı) ve f(c) < 0 olamaz (c’nin sağında da negatif olurdu).
  4. Dolayısıyla f(c) = 0: eğri ekseni c’de keser.

Üniversite · Analiz

Ortalama değer teoremi: kirişe paralel bir teğet

Ortalama hızla giden araba, bir an tam o hızdadır.

Eğrinin iki ucunu birleştiren kirişi çiz ve kendine paralel olarak eğriye doğru kaydır. Eğriden ayrılmadan önce son dokunduğu nokta c’dir; orada kiriş eğriye teğettir. Yani eğimi kirişin eğimine, (f(b) − f(a))/(b − a)’ya eşit olan bir teğet mutlaka vardır.

İspat adımları
  1. g(x) = f(x) − [f(a) + m(x − a)], m = (f(b) − f(a))/(b − a): eğri ile kirişin düşey farkı.
  2. g(a) = g(b) = 0; g sürekli ve türevlenebilir.
  3. g, (a, b) içinde bir c’de en büyük ya da en küçük değerini alır; orada g′(c) = 0 (Rolle).
  4. g′(c) = f′(c) − m = 0 ⇒ f′(c) = (f(b) − f(a))/(b − a).
Her hafta yeni bir ispat Instagram ve YouTube’da kısa videolarla.