Экспозиция · 7–9 класс
Музей алгебры и геометрии
В музее два зала. В первом — формулы, уравнения и графики. Во втором — фигуры: что это такое, как их считают и где они встречаются в жизни. Идите по порядку или выберите зал.
Зал I · Алгебра
Алгебра — язык, на котором говорит x
От аль-Хорезми до формул, которые сейчас пролетают мимо вас. Разбираем главное: выражения, уравнения, функции, степени и прогрессии.
Откуда слово
«Аль-джабр» — восстановление
Около 820 года багдадский учёный Мухаммад аль-Хорезми написал «Краткую книгу об исчислении аль-джабра и аль-мукабалы». Аль-джабр — перенос вычитаемого в другую часть уравнения, аль-мукабала — сокращение одинаковых членов.
Это задача из самой книги. Аль-Хорезми решал её геометрически, «достраивая квадрат». От его имени произошло слово алгоритм.
Основа
Переменные и выражения
Буква заменяет любое число. Так одно правило описывает бесконечно много случаев сразу.
Выучить наизусть
Формулы сокращённого умножения
Уравнения · шаг 1
Линейное уравнение
Главное правило: с обеими частями уравнения можно делать одно и то же действие, и равенство сохранится.
- 3x + 5 = 20 исходное уравнение
- 3x = 15 вычли 5 из обеих частей
- x = 5 разделили на 3 · проверка: 3·5 + 5 = 20
Уравнения · шаг 2
Квадратное уравнение
Функции
Формула превращается в картинку
Функция ставит каждому x в соответствие одно значение y. График показывает это сразу для всех x.
Попробуй сам
Двигай коэффициенты, и парабола ответит
Степени и корни
Правила для показателей
Показательная функция
Экспонента: рост, который взрывается
Бактерия делится каждые 20 минут. Через сутки (72 деления) их будет 2⁷² ≈ 4,7·10²¹. Пунктиром на графике — y = eˣ.
Последовательности
Прогрессии
Зал II · Геометрия
Геометрия — наука о формах
Каждая фигура в этом зале — экспонат. Для каждой узнаем, что это за фигура, по каким формулам её считают и где она встречается в жизни: от пирамид Египта до вирусов и термоядерных реакторов.
Экспонат № 1 · многогранник
Куб
Многогранник из 6 одинаковых квадратов. В каждой вершине сходятся 3 ребра под прямым углом. У куба 8 вершин и 12 рёбер.
Где используется
- Игры: игральная кость, кубик Рубика, блоки в Minecraft
- Стройка и склад: кирпичи, коробки, морские контейнеры
- Числа: «a в кубе» — это объём куба с ребром a
Как используется. Кубы заполняют пространство без щелей, поэтому коробки удобно ставить друг на друга. Вместимость тары считают по формуле V = a³: в кубе с ребром 1 м помещается 1000 литров.
Экспонат № 2 · многогранник
Тетраэдр
Треугольная пирамида: 4 грани-треугольника, 4 вершины, 6 рёбер. Самый простой многогранник: меньше граней не бывает.
Где используется
- Химия: молекула метана CH₄ и кристалл алмаза, атомы сидят в вершинах тетраэдра
- Упаковка: первые пакеты для молока «Тетра Пак»
- Мосты и вышки: фермы из треугольников
Как используется. Треугольник нельзя перекосить, не сломав сторону. Поэтому каркас из тетраэдров — самый жёсткий, и из него собирают опоры, краны и мосты.
Экспонат № 3 · многогранник
Пирамида
Четырёхугольная пирамида: квадрат в основании и 4 треугольные грани, сходящиеся в одной вершине.
Где используется
- Египет: пирамида Хеопса, высота ≈ 146 м, сторона основания ≈ 230 м
- Архитектура: стеклянная пирамида Лувра, крыши-шатры
- Кухня: пакетики чая-«пирамидки»
Как используется. Почти весь вес лежит на широком основании, поэтому пирамида устойчива тысячи лет. По формуле объёма камня в пирамиде Хеопса около ⅓ · 230² · 146 ≈ 2,6 млн м³.
Экспонат № 4 · многогранник
Октаэдр
8 треугольных граней, 6 вершин, 12 рёбер. Выглядит как две пирамиды, склеенные квадратными основаниями.
Где используется
- Минералы: кристаллы алмаза, флюорита, магнетита
- Настольные игры: восьмигранная кость d8
- Химия: многие молекулы, например SF₆, имеют форму октаэдра
Как используется. По форме кристалла геологи узнают минерал: алмаз и флюорит часто растут именно октаэдрами.
Экспонат № 5 · многогранник
Додекаэдр
12 правильных пятиугольников, 20 вершин, 30 рёбер. Одно из пяти «тел Платона»: Платон считал его формой всей Вселенной.
Где используется
- Календари: 12 граней — 12 месяцев на каждой
- Настольные игры: кость d12
- История: римские бронзовые додекаэдры, их назначение до сих пор загадка
Как используется. Все 12 граней одинаковы, поэтому кость d12 выпадает на каждую грань с равной вероятностью 1⁄12.
Экспонат № 6 · многогранник
Икосаэдр
20 треугольников, 12 вершин, 30 рёбер. Из всех правильных многогранников он ближе всех к шару.
Где используется
- Биология: оболочки многих вирусов имеют форму икосаэдра
- Спорт: футбольный мяч — усечённый икосаэдр, 12 пятиугольников и 20 шестиугольников
- Архитектура: геодезические купола
Как используется. Если «надуть» икосаэдр и дробить его треугольники, получится почти шар. Так строят купола из одинаковых балок и рисуют сферы в 3D-играх.
Экспонат № 7 · тело вращения
Шар
Все точки его поверхности на одном расстоянии r от центра. Получается, если вращать круг вокруг диаметра.
Где используется
- Природа: планеты, капли воды, мыльные пузыри
- Техника: шарики в подшипниках, газовые баки
- Спорт: мячи
Как используется. При одном и том же объёме у шара самая маленькая поверхность. Поэтому капли и пузыри круглые, а на шаровой бак уходит меньше всего металла.
Экспонат № 8 · тело вращения
Цилиндр
Два одинаковых круга, соединённые боковой поверхностью. Получается, если вращать прямоугольник вокруг стороны.
Где используется
- Дом и магазин: банки, стаканы, батарейки
- Город: трубы, цистерны, колонны
- Машины: цилиндры двигателя
Как используется. Объём двигателя в литрах — это сумма объёмов его цилиндров по формуле πr²h. Круглые трубы держат давление равномерно, без слабых углов.
Экспонат № 9 · тело вращения
Конус
Круг в основании и одна вершина. Получается, если вращать прямоугольный треугольник вокруг катета.
Где используется
- Улица: дорожные конусы
- Кухня: вафельный рожок, воронка
- Природа: вулканы, ёлки
Как используется. Если разрезать конус плоскостью, получатся окружность, эллипс, парабола или гипербола. По параболе летит брошенный мяч, а по эллипсу Земля движется вокруг Солнца.
Экспонат № 10 · поверхность вращения
Тор
Форма бублика: окружность радиуса r вращается вокруг оси на расстоянии R. У тора есть «дырка», и это меняет его свойства.
Где используется
- Быт: бублик, спасательный круг, кольцо
- Транспорт: шины колёс
- Наука: токамак — термоядерный реактор
Как используется. В токамаке горячую плазму держат магнитным полем в форме тора, чтобы она летала по кругу и не касалась стенок.
Экспонат № 11 · кривая в пространстве
Узел-трилистник
Самый простой настоящий узел: его нельзя развязать, не разрезав. Кривая обходит тор 2 раза вдоль и 3 раза сквозь отверстие.
Где используется
- Математика: теория узлов, раздел топологии
- Биология: длинные молекулы ДНК завязываются в узлы
- Искусство: кельтские орнаменты, морские узлы
Как используется. Клетка распутывает узлы ДНК особыми ферментами. Учёные сравнивают узлы до и после и понимают, как работают эти ферменты и лекарства, которые их останавливают.
Треугольник
Теорема Пифагора: a² + b² = c²
В прямоугольном треугольнике квадрат, построенный на гипотенузе, по площади равен двум квадратам на катетах вместе. Двигайте катеты и смотрите, как меняются квадраты.
Ещё запомните: сумма углов любого треугольника равна 180°. Тройка 3, 4, 5 была известна египетским строителям: верёвкой с 12 узлами они размечали прямые углы.
Окружность и круг
Число π живёт в каждом круге
Если длину любой окружности разделить на её диаметр, всегда получится одно и то же число: π ≈ 3,14159… Архимед доказал, что оно лежит между 3¹⁰⁄₇₁ и 3¹⁄₇, вписывая в круг 96-угольник.
Многоугольники
Сколько градусов в n-угольнике?
Любой выпуклый n-угольник можно разрезать диагоналями из одной вершины на n − 2 треугольника. В каждом 180°, поэтому сумма всех углов равна (n − 2)·180°.
Пчёлы строят соты из шестиугольников: при той же площади у них меньше всего стенок среди фигур, которыми можно замостить плоскость.
Объёмные фигуры
Пять идеальных тел Платона и тор
Все грани одинаковые правильные многоугольники, и в каждой вершине сходится одинаковое число граней. Таких тел всего пять, больше не бывает. Выберите фигуру и покрутите её мышью или пальцем.
Алгебра + геометрия
Сложные фигуры тоже считаются формулами
Каркасы, которые летают вокруг, — это многогранники, тор и торический узел. У каждой фигуры есть своя формула.
Проверь себя
Викторина: вопрос 1 из 5
Выберите ответ.
Выход из музея
Алгебра считает, геометрия показывает
- Деньги: рост вклада по формуле S = P(1 + r)ⁿ — это экспонента
- Навигация: телефон находит себя по расстояниям до спутников: d² = x² + y² + z²
- Игры и 3D: фигуры — сетки треугольников, а движение — уравнения