Χρυσή τομή

Ευθύγραμμα τμήματα σε χρυσή τομή

Ένα ορθογώνιο παραλληλόγραμμο με αναλογίες χρυσής τομής, με μεγαλύτερη την πλευρά a και μικρότερη την πλευρά b, όταν τοποθετείται δίπλα σε ένα τετράγωνο με πλευρές μήκους a, θα παραχθεί ένα όμοιο ορθογώνιο παραλληλόγραμμο με αναλογίες χρυσής τομής με μεγαλύτερη πλευρά την a + b και μικρότερη την a. Αυτό αναπαριστά η σχέση $\frac{a+b}{a} = \frac{a}{b} \equiv \varphi$.

Στα Μαθηματικά και την τέχνη, δύο ποσότητες έχουν αναλογία χρυσής τομής αν ο λόγος του αθροίσματος τους προς τη μεγαλύτερη ποσότητα είναι ίσος με το λόγο της μεγαλύτερης ποσότητας προς τη μικρότερη. Η εικόνα στα δεξιά αναπαριστά τη γεωμετρική ερμηνεία των παραπάνω. Εκφρασμένο αλγεβρικά:

$\frac{a+b}{a} = \frac{a}{b} \ \stackrel{\text{def}}{=}\ \varphi,$

όπου το γράμμα $\varphi$ αντιπροσωπεύει την χρυσή τομή. Η τιμή του είναι:

$\varphi = \frac{1+\sqrt{5}}{2} = 1.61803\,39887\ldots.$

Η χρυσή τομή αναφέρεται επίσης και ως χρυσός λόγος ή χρυσός κανόνας. Άλλα ονόματα είναι χρυσή μετριότητα και Θεική αναλογία ενώ στον Ευκλείδη ο όρος ήταν "άκρος και μέσος λόγος".

Πολλοί καλλιτέχνες και αρχιτέκτονες του 20ου αιώνα προσάρμοσαν τα έργα τους ώστε να προσσεγγίζουν την χρυσή αναλογία—ιδίως στη μορφή του χρυσού ορθογωνίου παραλληλογράμμου, στο οποίο ο λόγος της μεγαλύτερης πλευράς προς την μικρότερη είναι η χρυσή τομή—πιστεύοντας ότι αυτή η αναλογία είναι αισθητικά ευχάριστη. Οι Μαθηματικοί από την εποχή του Ευκλείδη μέχρι σήμερα έχουν μελετήσει τις ιδιότητες της χρυσής τομής, συμπεριλαμβανομένης της εμφάνισης της στις διαστάσεις ενός κανονικού πενταγώνου και ενός χρυσού ορθογωνίου παραλληλογράμμου, το οποίο (όπως φαίνεται και στην διπλανή εικόνα) μπορεί να χωριστεί σε ένα τετράγωνο και ένα παρόμοιο παραλληλόγραμμο με τον ίδιο λόγο πλευρών όπως το αρχικό. Η χρυσή τομή έχει χρησιμοποιηθεί επίσης για την ανάλυση των αναλογιών φυσικών αντικειμένων καθώς και τεχνητών συστημάτων όπως οι οικονομικές αγορές.

Μαθηματικός τύπος

Η χρυσή τομή δίνει το σημείο που πρέπει να διαιρεθεί ένα ευθύγραμμο τμήμα, ώστε ο λόγος του ως προς το μεγαλύτερο τμήμα να ισούται με τον λόγο του μεγαλύτερου τμήματος ως προς το μικρότερο.

$\frac{a+b}a=\frac{a}b=\phi.$

Από το (2)=(3) έχουμε $\,a=\phi b$ και αντικαθιστώντας στο (1)=(3) προκύπτει

$\,\phi^2-\phi-1=0.$

Η εξίσωση αυτή έχει μόνο μία θετική ρίζα, την: $\varphi = \frac{1+\sqrt{5}}{2} = 1.61803\,3988749894\ldots.$

Ιδιότητες

• Από την παραπάνω εξίσωση προκύπτει $\,\phi=1+1/\phi$ σύμφωνα με την οποία μπορούμε να εκφράσουμε το $\,\phi$ ως άπειρο διαδοχικό κλάσμα:

$\,\phi=1+\frac1{\phi}=1+\frac1{1+\frac1{\phi}}=\cdots=1+\frac1{1+\frac1{1+\frac1{1+\frac1{\dots}}}}$

• Το $\,\phi$ αποτελεί το όριο του πηλίκου δύο διαδοχικών αριθμών Φιμπονάτσι.

Κατασκευή με κανόνα και διαβήτη

1. Κατασκευάζουμε τετράγωνο πλευράς 1 (κόκκινο).

2. Φέρουμε ευθεία παράλληλη προς τη μια βάση και χωρίζουμε το τετράγωνο σε δύο ίσα ορθογώνια (πλευρών 1 και 1/2) και φέρνουμε μία διαγώνιο (γκρι).

3. Κατασκευάζουμε κύκλο με κέντρο το μέσο της μίας πλευράς του τετραγώνου και ακτίνα τη διαγώνιο του ορθογωνίου.

4. Προεκτείνουμε την πλευρά του τετραγώνου στην οποία έχουμε ορίσει το κέντρο του κύκλου εώς το σημείο του κύκλου που τελειώνει η διάμετρος

Το ευθύγραμμο τμήμα που αποτελείται από την πλευρά του τετραγώνου μαζί με την προέκταση έχει μήκος φ.

Ιστορία

Το σήμα των Πυθαγορείων μαζί με την επισήμανση του χρυσού λόγου

O Μαθηματικός Mark Barr πρότεινε να χρησιμοποιείται το πρώτο γράμμα του γλύπτη Φειδία για τον συμβολισμό της χρυσής τομής. Συνήθως χρησιμοποείται το "μικρό" γράμμα φ. Κάποιες φορές το κεφαλαίο Φ χρησιμοποιείται για για τον αντίστροφο της χρυσής τομής 1/φ.

Ο Michael Maestlin, πρώτος δημοσίευσε μια δεκαδική προσέγγιση της χρυσής τομής, το 1597.

Η χρυσή τομή συνεπαίρνει Δυτικούς διανοούμενους ποικίλων ενδιαφερόντων για τουλάχιστον 2,400 χρόνια.

Οι Αρχαίοι Έλληνες μαθηματικοί πρώτοι μελέτησαν αυτό που τώρα ονομάζουμε χρυσή τομή γιατί εμφανιζόταν συχνά στη γεωμετρία. Η διαίρεση ενός τμήματος σε "άκρο και μέσο λόγο" (εξού και η χρυσή τομη) είναι σημαντική στη γεωμετρία των πεντάγραμμων και πενταγώνων. Η αντίληψη αυτή αποδίδεται συνήθως στον Πυθαγόρα και τους ακολούθους του.

Ο χρυσός λόγος ήταν γνωστός στους Πυθαγόρειους. Στο μυστικό τους σύμβολο, την πεντάλφα, ο χρυσός λόγος εμφανίζεται στις πλευρές τους αστεριού καθώς και στο πηλίκο του εμβαδού του κανονικού πενταγώνου με κορυφές τις άκρες της πεντάλφα προς το εμβαδόν του κανονικού πενταγώνου που σχηματίζεται εντός του αστεριού.

Τα Στοιχεία του Ευκλείδη παρέχουν τον πρώτο γραπτό ορισμό αυτού που σήμερα ονομάζουμε χρυσή τομή: "Μια ευθεία γραμμή λέγεται ότι έχει "κοπεί σε άκρο και μέσο λόγο" όταν,ότι όλη η ευθεία είναι για το μεγαλύτερο κομμάτι, είναι το μεγαλυτέρο κομμάτι για το μικρότερο." Ο Ευκλείδης παραθέτει μια για το χώρισμα της γραμμής σε "άκρο και μέσο λόγο". Σε όλα τα Στοιχεία αρκετές προτάσεις και οι αποδείξεις τους εμπεριέχουν τον χρυσό λόγο.

Η πρώτη γνωστή προσέγγιση του (αντίστροφου) χρυσού λόγου από δεκαδικό κλάσμα, ως "περίπου 0.6180340", γράφτηκε το 1597 από τον Michael Maestlin του Πανεπιστήμιο του Τύμπιγκεν σε ένα γράμμα του προς τον πρώην φοιτητή του Γιοχάνες Κέπλερ.

Από τον 20ο αιώνα, η χρυσή τομή παριστάνεται με τον ελληνικό γράμμα Φ ή φ (φ, από το αρχικό γράμμα του γλύπτη Φειδία ο οποίος λέγεται ότι ήταν από τους πρώτους που τον χρησιμοποίησε στα έργα του) και πιο σπάνια από το τ το αρχικό γράμμα της λέξης τομή.

Χρονολόγιο

Χρονολόγιο σύμφωνα με τον Priya Hemenway:

• Ο Φειδίας (490–430 π.Χ.) έφτιαξε τα αγάλματα του Παρθενώνα τα οποία φαίνεται να ενσωματώνουν την χρυσή αναλογία.
• Ο Πλάτων (427–347 π.Χ.), στον Τίμαιο, περιγράφει τα πέντε Πλατωνικά στερεά: το τετράεδρο, τον κύβο, το οκτάεδρο, το δωδεκάεδρο, και το εικοσάεδρο), κάποια από τα οποία σχετίζονται με την χρυσή τομή.
• Ο Ευκλείδης (π. 325–π. 265 π.Χ.), στα Στοιχεία, έδωσε τον πρώτο γραπτό ορισμό της χρυσής τομής, την οποία ονόμασε "ἄκρος καὶ μέσος λόγος"
• Ο Φιμπονάτσι (1170–1250) ανέφερε την ακολουθία αριθμών που τώρα φέρει το όνομα του στο βιβλίο του Liber Abaci; ο λόγος διαδοχικών στοιχείων της ακολουθίας Φιμπονάτσι προσεγγίζει ασυμπτωτικά την χρυσή τομή.
• Ο Luca Pacioli (1445–1517) καθορίζει την χρυσή τομή ως "Θεική αναλογία" στο ομόνυμο έργο του Divina Proportione.
• Ο Michael Maestlin (1550–1631) δημοσιεύει την πρώτη γνωστή προσέγγιση του (αντίστροφου) χρυσού λόγου από δεκαδικό κλάσμα.
• Ο Γιοχάνες Κέπλερ (1571–1630) αποδεικνύει ότι η χρυσή τομή είναι το όριο της ακολουθίας των λόγων διαδοχικών όρων της ακολουθίας Φιμπονάτσι, ($\lim_{n\to\infty}\frac{F_{n+1}}{F_n}=\varphi$) και περιγράφει την χρυσή τομή ως "πολύτιμο κόσμημα": "Η Γεωμετρία έχει δύο θησαυρούς: ο ένας είναι το Πυθαγόρειο Θεώρημα, και ο άλλος η τμήση μιας ευθείας σε άκρο και μέσο λόγο· τον πρώτο μπορούμε να τον συγκρίνουμε με χρυσό, τον δεύτερο με ένα πολύτιμο κόσμημα." οι δύο αυτοί θησαυροί συνδυάζονται στο Τρίγωνο του Κέπλερ.
• Ο Charles Bonnet (1720–1793) επισημαίνει ότι στη φυλλοταξία φυτών που πηγαίνουν με την φορά των δεικτών του ρολογιού και αντίστροφα υπήρχαν συχνά δύο διαδοχικές ακολουθίες Φιμπονάτσι.
• Ο Martin Ohm (1792–1872) πιστεύεται ότι είναι ο πρώτος που χρησιμοποίησε τον όρο goldener Schnitt (χρυσή τομή) για να περιγράψει αυτό το λόγο, το 1835.
• Ο Édouard Lucas (1842–1891) δίνει στην ακολουθία που τώρα είναι γνωστή ως Φιμπονάτσι το σημερινό της όνομα.
• Ο Mark Barr (20ος αιώνας) προτείνει το ελληνικό γράμμα φ, το πρώτο γράμμα του γλύπτη Φειδία για τον συμβολισμό της χρυσής τομής.
• Ο Ρότζερ Πένροουζ (γεν.1931) ανακάλυψε ένα συμμετρικό μοτίβο που χρησιμοποιεί την χρυσή τομή στο πεδίο των απεριοδικών πλακοστρώσεων.

Βιβλιογραφία

• H. E. Huntley, The Divine Proportion: A Study in Mathematical Beauty, New York: 1970
• Mario Livio, The Golden Ratio: The Story of PHI, the World's Most Astonishing Number, 2003

Λογοτεχνία

Εκτενής αναφορά στον αριθμό "phi" γίνεται στο μυθιστόρημα του Νταν Μπράουν "Κώδικας Ντα Βίντσι".

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

• Ο χρυσός αριθμός - Φ - (από το www.asxetos.gr)
• Η χρυσή τομή στην τέχνη και την αρχιτεκτονική (Αγγλικά)