Eratosthenes Kalburu

Eratosthenes MÖ. 276-194 yılları arasında yaşamış bir Yunan bilgindir ve bilim tarihi boyunca pek çok alana önemli katkılar yapmıştır. En önemli buluşlarından biri, dünyanın çevresini etkin bir şekilde hesaplama yöntemidir. Bu yöntem kendi adıyla anılan "Eratosthenes kalburu" (veya Eratosthenes Gözü) olarak bilinir. 

Eratosthenes kalburu, antik dönemde yaşamış, matematik ve coğrafya alanlarında çalışmalarda bulunmuş Eratosthenes tarafından geliştirilmiş bir usturlab türüdür. Bir usturlab, genellikle gökyüzündeki cisimlerin yüksekliğini veya konumunu belirlemek için kullanılan bir astronomik alet türüdür. Usturlabın temel bileşenleri arasında genellikle bir halka şeklindeki ölçek, eğik bir iğne (çubuk) ve bir gözlem düzlemi yer alır. Gözlem düşey açıları ölçerken usturlabın halkasındaki ölçek ile referans alınarak gökyüzündeki nesnelerin konumları belirlenebilir. Geleneksel olarak denizcilikte de kullanılan usturlaplar, gökyüzündeki yıldızlar ve Güneş'in konumunu belirlemek için önemli bir araçtır. Eski zamanlarda oluşturulan usturlab modeli, Anadolu'da eş-benzerlik anlamına gelen "delik deseni" olarak da bilinir. Üzerinde çeşitli geometrik desenler bulunan bu modellerin genellikle astronomi bilimine ve çeşitli dini inanışlara hizmet ettiği düşünülmektedir. Anadolu'da bu delik deseni, seramiklerde, halı ve dokumalarda yaşatılarak, geometrik motiflerin kullanıldığı Anadolu çini sanatının özgün ve dikkat çekici bir özelliği haline gelmiştir. Dünyanın en eski tapınağı olarak kabul edilen, devasa taş sütunların bulunduğu dairesel yapısıyla tanınan Göbekli Tepe  de halk arasında "delik deseni" olarak da bilinir. Göbekli Tepe'deki delik desenleri, genellikle T şeklini temsil eder. Bazı araştırmacılar, bu delik desenlerinin astronomik gözlemlerle bağlantılı olduğunu düşünmektedir.

Eratosthenes kalburu, bir çeşit usturlab tekniğine dayanan dünyanın çevresini ve çapını yaklaşık olarak hesaplamak için kullanılan bir yöntemdir. Esas amacı güneş ışınlarının dik geldiği noktayı belirlemek ve mesafe ölçmek içindir. Bu yöntemde, aynı anda güneşin ışınlarına maruz kalan iki farklı noktadaki gölgelerin oluşturduğu açıya dayanarak yeryüzündeki bir noktanın enlemini hesaplamak mümkündür. Bu sayede, dünyanın çevresi ve çapı hakkında önemli bilgiler elde edilir. 

Eratosthenes, icat ettiği bu kalbur yardımıyla güneş ışınlarının dünya üzerinde dik geldiği noktayı ölçerek yaptığı hesaplamalarla dünya yüzeyinin çevresini günümüz dünyasındaki verilere göre kısmen doğru bir şekilde hesaplamış ve bugünkü coğrafyanın gelişimine önemli katkılarda bulunmuştur.

Eratosthenes'in bu kalbur yöntemini kullanması, Asvan ve İskenderiye gibi iki farklı yerleşim yerinin güneş ışınlarından nasıl etkilendiğini gözlemleyerek oldu. Raweh'deki (günümüzde Asvan) yaz günlerinde güneşin tam bir kuyu dibine düşmek suretiyle kuyunun dibini aydınlattığını gözlemledi. Ancak İskenderiye’de aynı tarihlerde güneş tam tepeden gelmediğini ve yer ile bir açı yaptığını gördü. Buna dayanarak Eratosthenes, yeryüzündeki Mesir (Assuan) şehrine dik bir kuyu (direnge) açarak, o kuyunun dibindeki çubuğa (dikme) dolan güneşin gölgesini ölçerek Güneş’in o yerden yüksekliğini hesapladı. Bu ölçüm sonucunu, yanındaki kentin gölgesiyle karşılaştırarak, kentin Güneş'e olan mesafesini hesapladı. Eratosthenes, daha sonra bu iki yerleşim yeri arasındaki mesafeyi hesapladı. Bu yöntemlere aynı şekilde devam ederek dünyanın çapını hesapladı Eratosthenes, dünyanın çevresini bulmak için bugünün biliminde bilinen trigonometrik hesaplamaların benzerlerini kullandı. Böylece dünyanın çevresini yaklaşık olarak 40000 km (39,375 km) olarak hesaplamış oldu ki bu ölçüm sonucu güncel bilgilere göre yaklaşık olarak doğrudur. 

Eratosthenes, Mısır'da gerçekleştirdiği ölçümlerde kullandığı yöntem, Firavun Ptolemy III tarafından desteklenmiştir. Eratosthenes Kalaburu, dünyanın çevresini doğru bir şekilde hesapladığı için yaşadığı dönem açısından önemli bir buluş olarak kabul edilir.

Eratosthenes'in yöntemini günümüzde kullanmak istediğimizde bu yöntem şöyle işler: İlk olarak, aynı anda güneş ışınlarının dik olarak düştüğü iki farklı konum veya noktada  (örneğin, bugün Türkiye ve Mısır arasında aynı anda iki çubuk dikilir) birer çubuk dikilir. Ardından, bu çubuklara göre güneş ışınlarından çubuğun gölgesinin uzunluğu tam olarak ölçülür. Aynı anda diğer yerde bulunan çubuğun gölgesinin uzunluğu da ölçülür. Bu sayede, iki gölge uzunluğu arasındaki farktan hareketle güneş ışınlarının bu iki noktaya geliş açıları bulunur. Bugün bildiğimiz trigonometrik toplam ve fark formülleri kullanılarak bu yerlerin güneşe uzaklıkları ve dünyanın şekli baz alınarak da dünyanın çapını ve çevresini hesaplamak mümkün hale gelir. 

Eratosthenes, asal sayıları hızlı bir şekilde belirlemek için de bir algoritma oluşturmuştur. "Eratosthenes kalburu" adı verilen yöntem ve asal sayıların tespitinde kullandığı algoritma, yazılım dünyası için bir döngü oluşturması açısından önemli bir buluştur. Bu yöntemde, bir sayı kümesindeki asal olmayan sayılar eleme yoluyla belirlenir. İlk adımda 2'den başlayarak sırasıyla tüm katları çıkarılarak elenir ve kalan sayılar asal olarak kabul edilir. Bu basit ve etkili yöntem, asal sayıları belirlemede yaygın olarak kullanılmaktadır. Eratosthenes'in keşfi, asal sayıları hızlı ve verimli bir şekilde belirlemede oldukça kullanışlıdır. Bu algoritma, bilgisayar biliminde ve kriptografi gibi alanlarda da yaygın olarak uygulanmaktadır. Eratosthenes kalburu, asal olmayan sayıları hızla eleme yöntemiyle çalışır ve büyük sayılar üzerinde de etkili bir şekilde işlev görür. 

Eratosthenes kalburu yoluyla asal sayıları bulmak için aşağıdaki adımlar sırayla izlenir:

1. İlk olarak, istenen belirli bir aralık içindeki sayıları bir liste şeklinde sıralarsınız. Örneğin 1 den 100'e kadar olan sayılardan asal olanları bulmak istiyorsak bütün bu sayılar sıralanır.

2. Listenin ikinci elemanından itibaren başlayarak, her bir sayının katlarından başlayarak listeden çıkartırsınız. Örneğin, listemizde ikinci sayı 2 olduğundan tüm 2'nin katı olan sayıları listeden çıkarırsınız. Geriye sadece tek sayılar ve 2 elemanı kalır.

3. Her seferinde bir sonraki elemandan başlayarak işlemi tekrar ederek, liste üzerinde ilerlersiniz. Her adımda yeni bir asal sayı ortaya çıkar. Listede 3 sayısına geçirip bunun katları tek tek elenir. Sonra 5 sayısına geçilip bunun katları elenir. Bu şekilde devam edilir.

4. İşlem sonucunda listenin son elemanına ulaşıncaya kadar devam edersiniz. Elenmeden kalan sayılar asal sayılardır.

Yazılım algoritması yardımıyla aşağıdaki işlem adımları ile elde edilir. 

1. adım: 2’den belirlenen bir n tamsayı değerine kadar ardışık tamsayılardan bir liste oluşturun. (n=100 olsun)

2. adım: Başlangıçta en küçük asalsayı olan 2’yi alarak işleme başlayın. 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15,... Oluşturulan listeden 2’nin tüm tam katlarını bulup (4,6,8,10,12,…) işaretleyerek listeden çıkarın.

3. adım: İşaretlenmemiş bir sonraki sayıyı alın, örneğin 3 ve tüm tam katlarını (6,9,12,15,18,....) işaretleyip bunları listeden çıkarın. 

4. adım: Aynı işlemlere 3.adımı algoritma sonlanana kadar tekrarlayarak devam edin. Tümsayılar işaretlenmişse veya bir sonraki işaretlenmemiş sayı artık bulunamıyorsa durun. 

5.adım: Listede işaretlenmemiş olarak kalan sayılar, n=100 tamsayısına kadar olan tüm asal sayılar bulunmuş olur. Artık İşlem tamamlanmıştır. Kalan asal sayıları yazarak işlemi bitirin.

Bu eleme yöntemi, asal sayıları belirlemek için oldukça etkili ve hızlı bir yöntemdir. Eratosthenes kalburu, küçük aralıklardaki asal sayıları bulmak için yaygın olarak kullanılan bir algoritmadır.Büyük aralıklarda bu yöntem, matematik ve bilgisayar bilimlerinde temel bir konsept olup, bugün bile önemini korumaktadır. Eratosthenes'in bu akıllıca icadı, sayı teorisindeki gelişmelere büyük katkı sağlamıştır.

Çokgenden Pi Sayısına

Pi sayısı, matematikte ilginç bir sayıdır. Herhangi iki sayının birbirine bölümü olarak ifade edilemeyen yani Rasyonel olmayan iraasyonel bir matematik sabitidir. Kısaca tanımlamak gerekirse bir pi sayısı; çemberin çevre uzunluğunun çapına bölümü olarak ifade edebiliriz. 

Pi sayısı için çokgenlerden yola çıkılarak sezgisel olarak yaklaşık bir değere ulaşılabilir. Düzgün çokgenler kullanılarak çevre uzunlukları çap diyebileceğimiz ağırlık merkezlerini herhangi bir köşeye birleştiren doğru parçasına bölerek işlemi sonsuza kadar devam ettiğimizde pi sayısının bilinen 3.14159265359.... değerine yaklaştığını görebiliriz. Bu işlem defalarca çeşitli çokgenler için denendiğinde pi'nin değeri ortaya çıkar. 

Üslü sayılar nerede kullanılır?

Üslü sayılar, matematikte kuvvetlerin basit ve etkili bir şekilde ifade edilmesinde kullanılır. Üslü sayılar sayesinde bir sayının bir başka sayı ile çarpılacağının kaç kez olduğu ifade edilir. Bu kavram, matematik problemlerini ve formülleri daha kompakt ve okunabilir hale getirir. Üslü sayılar, matematikte sıkça kullanılan bir kavramdır. Özellikle büyük sayıları daha kolay ve kısa bir şekilde ifade etmek için kullanılır. Bilimsel hesaplamalarda, mühendislik problemlerinde, fizik, jeoloji, coğrafya, biyoloji, kimya, istatistik, iktisat, ve astronomi gibi alanlarda da sıkça karşımıza üslü sayılar çıkar. Üslü sayılar, kuvvet ve kök işlemlerinde temel rol oynarlar ve hesaplamaları kolaylaştırır. Ayrıca bilgisayar programlama, veri şifreleme gibi alanlarda da üslü sayıların önemli rolü vardır.

Günlük hayatta pek işlevi olmasa da bazı bilim dallarında gösterilen çok büyük sayıları yazı dilinde kullanırken genellikle üslü yazım tercih edilir.

10³ Bin

10⁶ Milyon

10⁹ Milyar

10¹² Trilyon

10¹⁵ Katrilyon

10¹⁸ Kentilyon

10²¹ Sekstilyon

10²⁴ Septilyon

10²⁷ Oktilyon

10³⁰ Nonilyon

10³³ Desilyon

Sayıların bilimsel gösterimi bir sayının mantissa ve üs olmak üzere iki kısımdan oluşan matematiksel bir gösterimidir. Mantissa, sayının önünde yer alan ondalıklı rakamların tümünü ifade eder ve 1 ile 10 arasında bir sayıdır. Üs ise bu sayının sağa veya sola kaç basamak kaydırılması gerektiğini belirten 10'un pozitif veya negatif kuvvetini ifade eder. Bu bilimsel gösterim sayesinde, büyük sayılar daha kompakt bir şekilde yazılabilir. Örneğin, 123.000.000 sayısı bilimsel gösterimle 1,23.10⁸ olarak yazılabilir. Bilimsel gösterimde sayılarda bir mantissa (ön ek) ve üs olmak zorundadır. 3650 sayısı, bilimsel gösterimde yazıldığında mantissa 3,65 ve üs 10³ olur bunlar birlikte çarpım halinde 3,65.10³ şeklinde yazılır.

Armstrong Sayısı (Narsistik Sayılar)

Armstrong Sayısı Nedir? Armstrong sayıları, ismini Amerikalı matematikçi Michael F. Armstrong’dan almıştır. Armstrong, 1969 yılında bir matematik yarışmasında bu tür sayıları tanımlamıştır. Bu çeşit sayılar aslında daha öncesinden bilinmektedir. Hindu-Arap rakamlarının kullanımı ile ilgili eski eserlerde bu çeşit sayılara rastlanılmıştır. Armstrong, bu tür sayıları matematik dünyasında popüler hale getiren kişi olduğundan bu sayılar onun ismi ile anılmıştır. Armstrong sayılarına narsistik sayılar da denilmektedir. Herhangi bir sayı tabanındaki, her bir basamağı sayıdaki basamak sayısının kuvveti alınarak elde edilen bütün kuvvetler toplanıldığında eğer toplam sonucu aynı sayının kendisini veriyorsa bu sayı Armstrong sayısı olur. Sayıların tabanı farketmez. 2lik, 3lük, 4 lük ...şeklinde her tabanda bu tanıma uygun sayılar elde edilir. Sayının belirli bir sayı tabanındaki davranış biçimi nedeniyle Armstrong sayıları; bilgisayar yazılımcıları ve yeni bir programlama dili öğrenenler için özel bir ilgi alanı haline gelmiştir.

Sayılabilir Sonsuzluk Kavramı

Sonsuz kavramı, matematikte farklı bir tanımlamadır. "Lemniscate", “sonsuzluk” ya da “sekiz” şeklinde (∞) bir eğriyi ifade eden genel bir terimdir. Kelime, Latince lēmniscātus (“kurdeleli”) ve Yunanca λημνίσκος (lēmniskos) (“kurdele”) sözcüklerinden gelir. Genellikle matematik ve fizikte herhangi bir sonu olmayan kavramları veya sayıları tanımlamak için kullanılır. Matematiksel denklemi: (x²+y²)²−cx²−dy²=0 şeklinde olup d<0 olduğunda eğri bir lemniskattır. Proclus, Johann ve Jakob Bernoulli, Gerono, Cassini gibi matematikçiler çeşitli lemniscate eğrileri tanımlamıştır.

Matematikte “sonsuz” kavramı bazen sayı gibi ele alınır; örneğin “sonsuz sayıda terim” ifadesinde olduğu gibi burada sayılamayacak kadar çoklukta bir sayı adedi olduğunu ifade eder. Ancak gerçek sayılar kümesinde sonsuzluk bir sayı olarak yer almaz. Bazı sayı sistemlerinde ise "sonsuz küçük" değerler tanımlanabilir. Sonsuz küçük değer, sıfırdan büyük ama her gerçek sayıdan daha küçük olan bir önemsenmeyecek kadar küçük olan bir niceliktir. Yani “çok çok küçük ama sıfır olmayan” bir sayı gibi düşünülebilir. Matematikte, limit kavramı içindeki ε (epsilon) genellikle böyle "Sonsuz küçük" değeri temsil eder. Sonsuz küçük değer olanın çarpmaya göre tersi alınırsa ε’nin tersi (1/ε gibi) çok büyük bir sayı olur ve bu bir sonsuz sayı olarak düşünülebilir. Buradaki sonusz kavramı, normal sayılarla ifade edilemez; sürekli artan bir niceliği temsil eden ve büyüklüğünün bir sınırı olmayan değerdir.

19. ve 20. yüzyıllarda yaşamış matematikçiler bu alanda çalışmalar yapmıştı. Özellikle Georg Cantor, sonsuz ve sonsuz kümeler üzerine önemli çalışmaları ile bilinir. (Bkz. Georg Cantor) G. Cantor’un kuramına göre farklı boyutlarda sonsuz kümeler vardır. Örneğin, tamsayıların oluşturduğu küme “sayılabilir sonsuz” olarak adlandırılırken, gerçek sayıların oluşturduğu küme “sayılamayan sonsuz” olarak tanımlanır. Bu kavramlar başlangıçta anlaşılması zor ve hatta kabul edilmesi güç olsa da, günümüzde küme teorisi, analiz ve matematiksel mantığın temel taşlarından biri hâline gelmiştir. Matematikte bir küme sonsuz ise, elemanlarını tek tek sayarak sona ulaşmak mümkün değildir. Örneğin doğal sayılar kümesi (1, 2, 3, …) sonsuzdur. Cantor, sonsuzun yalnızca bir sıfat olmadığını, aynı zamanda ölçülebilir bir büyüklük olabileceğini göstermiştir. Eğer bir küme, doğal sayılarla bire bir eşleştirilebiliyorsa sayılabilir sonsuzdur; bu yapılamıyorsa sayılamayan sonsuzdur. Örnek vermek gerekirse, tüm tam sayılar ve rasyonel sayılar sayılabilir sonsuz kümelerdir, ancak gerçek sayılar sayılamaz sonsuzluktadır; bu nedenle gerçek sayılar daha büyük bir sonsuzluk olarak kabul edilir. Tüm çift sayılar her doğal sayıya bir çift sayı atayarak doğal sayılarla eşlenebilir. Rasyonel sayılar da bir listeye dizilebilir; böylece rasyonel sayılar sayılabilir sonsuz olarak kabul edilir. Buna göre doğal sayıları listeleyebilirsiniz, ama gerçek sayıları listeleyemezsiniz. G. Cantor’dan önce matematikçiler, bazı sonsuz kümelerin doğal sayılarla bire bir eşlenebileceğini fark etmelerine rağmen bunu kuramsallaştıran Cantor olmuştur. 

Doğal sayılar N={0,1,2,3,4......} ile pozitif tamsayılar Z+={1,2,3,...} aynı kardinaliteye sahiptir. Eşleme fonksiyonu şöyle yazılabilir: $f(n) = n+1$ 

Doğal sayılar $\mathbb{N}$ ile çift sayılar $2\mathbb{N}$ aynı kardinaliteye sahiptir. Eşleme fonksiyonu şöyle yazılabilir: $f(n)=2n$ 

Tüm tamsayılar $\mathbb{Z}$ da doğal sayılar ile aynı kardinalitededir. Eşleme fonksiyonu şöyle yazılabilir: n çift ise f(n)=​n/2 ve n tek ise f(n)= - (n+1)/2 olarak yazılır.

G. Cantor, 1872’de rasyonel sayılar kümesi üzerinde çalıştı. Rasyonel sayılar, doğal sayıları da içerir çünkü her tam sayı n, n/1 olarak yazılabilir. Her iki rasyonel sayı arasında sonsuz başka rasyonel sayı vardır. Görünüşte rasyonel sayılar doğal sayılardan çok daha fazla gibi görünse de, Cantor bunların sayıca eşit olduğunu kanıtlamıştır. Bu, rasyonel sayıları bir matrise yerleştirip diyagonal bir şekilde listeleyerek yapılabilir; bu sayede rasyonel sayılar doğal sayılarla bire bir eşlenebilir. Bu tür kümelere sayılabilir sonsuz kümeler denir ve kardinalitesi ℵ₀ (alef sıfır) ile gösterilir.   

Her rasyonel sayı iki tam sayının a ve b aralarında asal tam sayılar olacak biçimde a/b şeklinde yazılmasıyla oluşturulabilir. Buna göre bu sayı çiftleri bir ızgara gibi spirale yerleştirilir ve doğal sayılara birebir eşlenir. Böylece $\mathbb{Q}$ yoğun olmasına rağmen sayılabilir olur. Bunu izah ederken tüm tam sayı çiftlerini (a,b) iki boyutlu bir koordinat düzleminde düşünebiliriz. Her nokta bir rasyonel sayıyı temsil eder (geçerli olması için b ≠ 0 ve a, b aralarında asal olmalı). Örneğin: (1,2) noktası →1/2 ve (−3,5) noktası →-3/5 ve (0, 0) noktası → 0 sayısını temsil edecek şekilde yerleştirelim. Bu şekilde devam ettiğimizde düzlemdeki tüm noktaları bir sprial (örneğin merkezden dışa dönen bir yol) boyunca tek tek sıralayabiliriz. Böylece her (a,b) çifti, spiraldeki bir sıraya (doğal sayıya) karşılık gelir. Bu spiral yöntemiyle her nokta (a,b) sadece bir tane doğal sayıya denk gelir. Yani iki farklı nokta (örneğin (1,2) ve (3,4)) aynı doğal sayıya karşılık gelmez. Bu yüzden birebir eşleme vardır. Spiral her noktaya gider ama her nokta bir rasyonel sayıyı temsil etmez (bazıları geçersizdir, örneğin b=0 noktası için bir karşılık bulunamaz.) Yani bazı doğal sayılar “boş” kalır ama bu problem değildir, çünkü bizim için önemli olan birebir eşlemenin olmasıdır tam kapsama gerekli değildir. Sonuç olarak |Q| ≤ |N| olduğunu görürüz. Bu eşleme sayesinde rasyonel sayıların kümesi, doğal sayılardan daha fazla değil (en fazla o kadar) eleman içerir. Ayrıca, her doğal sayı da bir rasyonel sayıdır (örneğin 3 = 3/1), dolayısıyla |N| ≤ |Q| de doğrudur. Cantor–Bernstein Teoremi’ne göre bu |Q| ≤ |N| ve  |N| ≤ |Q| iki koşulu varsa o zaman |Q| = |N| olduğunu söyleyebiliriz. Sonuç olarak Rasyonel sayılar sonsuzdur, ama “doğal sayılar kadar” sonsuzdur. Yani sayıca aynı büyüklüktedirler — her rasyonel sayı bir doğal sayıyla eşleştirilebilir.

G. Cantor’un bir sonraki sorusu, gerçek sayıların kardinalitesi olmuştur. Gerçek sayılar, sürekli sayı doğrusu üzerindeki tüm noktaları içerir, irrasyonel sayıları da kapsar. Cantor, gerçek sayıların doğal ve rasyonel sayılardan “daha büyük” olduğunu kanıtladı. Bunu, diyagonal argüman ile gösterdi: 0 ile 1 arasındaki gerçek sayılar bir listeye alınmış olsa bile, listedeki her sayının ondalık basamaklarından yeni bir sayı türetmek mümkündür. Bu yeni sayı, listedeki hiçbir sayı ile aynı olmayacağı için, gerçek sayılar sayılamayan sonsuzluktur. Gerçek sayıların kardinalitesi kümelerin sürekliliği (c) olarak adlandırılır.

G. Cantor’un en dikkat çekici sonucu gerçek sayılar kümesinin doğal sayılarla bire bir eşlenemeyeceğini göstermesidir. Yani doğal sayılardan daha büyük bir sonsuzluk kavramı vardır. Bu düşünceyi destekleyen en ünlü kanıt Cantor’un diyagonal argümanıdır. Diyagonal argümanın özeti şöyledir: Varsayalım ki 0 ile 1 arasındaki tüm gerçek sayılar bir liste halinde yazılmış olsun. Bu dizide yer almayan bir sayı oluşturmak için listedeki her sayının i’inci ondalık basamağından farklı bir rakam seçerek yeni bir ondalık sayı oluşturulur. Bu yeni sayı listedeki hiçbir sayı ile aynı olamaz. Sonuç olarak, [0,1] aralığındaki gerçek sayılar listeye alınamaz; yani gerçek sayılar kümesi eşleştirme yapılamadığından gerçek sayılar "sayılamayan" sonsuzdur.

 

1874’te Cantor, 1 uzunluğundaki bir doğru ile 1 kenar uzunluğundaki bir kare arasındaki noktaların bire bir eşlenip eşlenemeyeceğini araştırdı. Sonuç, doğru ve karedeki noktaların aynı kardinaliteye sahip olduğuydu. Bu düşünce, küp veya n-boyutlu hiper-küp için de geçerlidir. Cantor bu sonucu görünce şaşkınlığını gizleyememiş ve “Görüyorum ama inanamıyorum!” demiştir. Cantor çalışmalarında farklı kardinal sayıları tanımladı ve ilkini ℵ₀ diğerlerini ℵ_1, ℵ_2, ℵ_3..... olarak gösterdi.

  

G. Cantor, doğal sayılar ($\mathbb{N}$) ve gerçel sayılar ($\mathbb{R}$) kümesi arasında başka bir büyüklükte sonsuz küme olup olmadığını merak etti. Yani şöyle soruyordu: Doğal sayılar sayılabilir sonsuzdur ve kardinalitesi ℵ_0, ℵ_1, ℵ_2, ℵ_3.....ile gösterilir. Gerçel sayılar sayılamayan sonsuzdur ve kardinalitesi c (süreklilik kardinalitesi) ile gösterilir. ℵ₀ $<\; ?\; <\; c$ olacak şekilde bir kardinal sayı var mıdır? Yani doğal sayılar ve gerçel sayılar arasında “orta büyüklükte” bir sonsuzluk var mı? Bu soru, Cantor’un zamanında sürekli hipotez (continuum hypothesis) olarak adlandırıldı. Hipotez, şöyle özetlenebilir: “Her sonsuz küme ya sayılabilir sonsuzdur ℵ₀ ya da gerçel sayılarla aynı kardinaliteye sahiptir (c). Arada başka bir sonsuzluk yoktur.” Cantor’un matematiksel araçları bu hipotezi çözmek için yeterli değildi. 1940’ta Kurt Gödel, hipotezin çürütülemeyeceğini yani standard matematik (ZFC aksiyomları) ile yanlışlanamayacağını gösterdi. 1963’te Paul Cohen, hipotezin kanıtlanamayacağını yani standart matematikle doğrulanamayacağını gösterdi. Böylece sürekli hipotez, modern matematikte bağımsız bir problem hâline geldi.

 

Georg Cantor’un bu kuramı, küme teorisi ve matematiğin temelleri açısından bir dönüm noktasıdır. Sayılamayan sonsuzluk kavramı analizde, topolojide ve mantıkta merkezi bir rol oynar. Sonsuzlukların farklı katmanlarının olması, matematiksel gerçeklik anlayışını değiştirmiştir. Bilgisayar biliminde diyagonal yöntemleri, Kurt Gödel’in eksiklik teoremleri ve Alan Turing’in durdurma problemi gibi çalışmalara temel oluşturmuştur. Başlangıçta Cantor’un fikirleri bazı matematikçiler tarafından felsefi sebeplerle reddedilmiş olsa da, günümüzde kuantum mekaniğinden karmaşık sistemlerin analizine kadar “sonsuzluk” ve “küme büyüklüğü” kavramları kritik hâle gelmiştir. Veri bilimi ve algoritma teorisinde sayılabilir ve sayılamayan kümeler arasındaki fark analizlerde kullanılmaktadır. 

 

Sonuç olarak, sonsuzluk kavramı sadece “sınırı olmayan, sayılamayan, çok büyük” bir kavram değildir; farklı türleri vardır ve bu türler birbirinden ciddi biçimde ayrılır. Georg Cantor sayesinde biliyoruz ki sonsuzluk tek bir büyüklük değildir; bazı sonsuz kümeler diğerlerinden daha büyüktür. 19.–20. yüzyıl dönümünde matematikçiler “sonsuzluk” kavramını ciddiye almaya başladılar. Bu sonsuzluk kavramı keşfi, gerçek sayılar, fonksiyonlar ve kümeler teorisinde büyük ilerlemelere yol açmasına rağmen aynı zamanda çelişkiler ve paradokslara neden olmuştur. Ünlü sonsuzluk paradokslarından ikisini burada açıklayarak yazıyı bitirelim. 

 

Hilbert’in Oteli, sonsuzluk kavramının tuhaf sonuçlarını göstermek için geliştirilen ünlü bir düşünce deneyidir. Bu otelde sonsuz sayıda oda vardır ve her oda dolu durumdadır. Buna rağmen, yeni bir misafir geldiğinde yine de ona yer açmak mümkündür.Otelin yöneticisi, her misafirin bir sonraki odaya geçmesini ister:1 numaralı odadaki kişi 2 numaralı odaya,2 numaralı odadaki kişi 3 numaralı odaya,3 numaralı odadaki kişi 4 numaralı odaya geçer,ve bu düzen sonsuza kadar devam eder.Böylece 1 numaralı oda boşalır ve yeni gelen misafir rahatça yerleşebilir. Aynı mantıkla, eğer sonsuz sayıda yeni misafir gelirse, mevcut misafirler odalarını ikiyle çarparak (1→2, 2→4, 3→6 …) yeni odalara geçer; böylece tüm tek numaralı odalar yeni misafirlere ayrılır.Bu düşünce deneyi, sonsuzluk kavramının sezgilerimize ters düşen yönlerini ortaya koyar: Otel tamamen dolu olsa bile, hala yer açılabilir; çünkü sonsuz bir otelde son oda yoktur. Bu da, matematikteki “sonsuzun bitmeyen” ve “sınır tanımayan” doğasını çarpıcı bir şekilde gösterir.

 

Zeno’nun paradoksu, hızlı koşucu Aşil ile yavaş bir kaplumbağa arasındaki hayali bir yarışı anlatır. Aşil, kendine güvendiği için kaplumbağaya küçük bir başlangıç avantajı verir. Zeno’ya göre, bu durumda Aşil kaplumbağayı asla yakalayamaz. Çünkü Aşil önce, kaplumbağanın başladığı noktaya ulaşmak zorundadır. Ancak Aşil o noktaya geldiğinde, kaplumbağa biraz daha ilerlemiş olur. Aşil bu yeni mesafeyi kat ederken, kaplumbağa yine az da olsa daha ileriye gider. Bu süreç sonsuza kadar sürer: Aşil her seferinde aradaki mesafenin bir kısmını kapatır ama kaplumbağa hep biraz öndedir. Bu nedenle, Zeno’ya göre, Aşil kaplumbağayı yakalamak için sonsuz sayıda adım atmak zorunda kalır; bu da sanki asla yetişemeyecekmiş gibi görünür. Paradoks, sonsuz bölünme ve hareketin doğası üzerine düşünmeye yönelten klasik bir felsefi sorudur. 

 

Kaynakça:
*Macgregor, P. (2008, 1 Haziran). A glimpse of Cantor's paradise, https://plus.maths.org/content/glimpse-cantors-paradise
*Infinity and Countability, https://www.su18.eecs70.org/static/notes/n10.html
*A Foundational Crisis, Ted Sider Philosophy of Mathematics,https://tedsider.org/teaching/math/HO_crisis_in_foundations.pdf *A Discrete Solution for the Paradox of Achilles and the Tortoise, (2015), Vincent Ardourel, https://hal.science/hal-01929811/file/A_discrete_solution_for_the_paradox_of_A.pdf
*The True (?) Story of Hilbert’s Infinite Hotel, (2014), Helge Kragh, Centre for Science Studies, Department of Physics and Astronomy, Aarhus University, https://arxiv.org/pdf/1403.0059

Bazı Ardışık Toplam Formülleri

Bilinen hikayeye göre Alman matematikçi Gauss'un, 1 den başlayarak herhangi bir sayıya kadar olan ardışık sayıların toplamı şeklinde (1+2+3+4+5.....100 gibi) yazılan ifadeyi formüle etmesiyle birlikte diğer ardışık toplamların da aynı şekilde formüle edilebileceği gözlemlenmiş ve matematikçiler tarafından bu kavramlara kafa yorulmuştur. Tümevarım ispat yönteminin geliştirilmesiyle birlikte ardışık olarak gelen terimler arasındaki toplam formülleri daha net olarak gözlemlenmiştir. Daha kolay hesaplama yapmak için formüller bazen çok elzem olabilmekte lakin bütün bu formüllerin ezberlenerek zihnimizi doldurmaya çabalamasına da izin vermemiz bizden beklenen bir davranıştır. Matematiksel alt yapısını bilmeden kuru bir ezber iyi bir matematik çalışma stratejisine uygun olmayacaktır. Burada paylaştığımız tüm formüller tümevarım yöntemi ile ispat edilerek ortaya rahatlıkla çıkarılabilir. Tümevarım yöntemi matematik gibi ilimlerde doğruluğunu gösterse de diğer ilim dallarında tutarlı sonuçlar vermekten maalesef uzak kalmıştır. (Bkz. Tümevarım ispat yöntemi)

Aşağıda işlemlerde zamandan kazanmak maksadıyla kullanılmak için bazı ardışık toplam formülleri verilmiştir. Bu formüller kullanım sıklıklarına göre sıralanmıştır. 

Burada yer alan formüllerin ispatları için Tümevarım ispatları yazımıza bakabilirsiniz.

Çapma İşlemi (Çin-Hint Metodu)

Çarpma, temel matematik işlemlerinden biridir. Sayılarda çarpma, çarpılan sayının çarpan sayı kadar adedinin toplamının alınması işlemidir. Aslında özel olarak bir toplama işlemidir. Çapma işlemi belli adetteki sayıların toplanmasının adıdır. Abaküs üzerinden toplama işlemleri yapılabildiği gibi çarpma işlemi de mental aritmetik metotlarıyla yapılabilir. 

Farklı bir çarpma yöntemi olarak Çinliler tarafından sıklıkla kullanılan tablo yöntemini anlatmak istiyorum. Bunun için çarpılacak sayılar satır ve sütun halinde kolonlara yazılır. Daha sonra satırdaki rakam ile sütundaki rakam tek tek çarpılarak altında yer alan kutucuğa birler ve onlar basamağı ayrı olacak şekilde iki bölmeli olarak yazılır. Bu şekilde bütün çarpma yapıldıktan sonra çaprazlama olarak bütün çarpım sonuçları altta gelecek şekilde toplanarak elde edilen sayılar bir kenara yazılır. Bu sayılar içerisinde 10 tabanını geçenler varsa bunlar elde olarak bir sonraki rakama devredilir. Bu şekilde çarpma işlemi bitirilmiş olur.

Örnek: Tablo üzerinden de gösterildiği gibi 45 x 256 = 11.520 işleminin Çin metodu ile çözümünü bulalım.
Bu yöntemde çarpılacak sayılar basamaklarına ayrılarak sütun ve satır başlarına yazılır. Her bir kutu çaprazlamasına ikiye bölünür. Satır ile sütunların çarpımları iki üçgen bölüme birler ve onlar basamağı ayrı olacak biçimde yerleştirilir. Örneğin şekilde 5 ve 2'nin çarpımı (10) 1 ve 0 olarak ilk iki üçgene sırasıyla yerleştirilir. Daha sonra çapraz kolonlar birbiriyle toplanır. Örneğin 5 + 3 + 4 = 12 işleminin birler basamağı olan 2 rakamı en sağa yazılır ve 1 rakamı elde olarak hemen solundaki çapraz kolona devreder. Toplamaların tamamı bu şekilde tamamlandıktan sonra en dıştan başlanarak soldan sağa rakamlar (koyu yazılanlar) işlemin sonucu 11520 sayısını verir.

İşlemin Youtube Videosundan farklı örnekleri inceleyebilirsiniz. https://www.youtube.com/watch?v=DMAAAgXTEeE

Çarpma İşlemi (Çin/Japon Metodu)

Japon ve Çin dünyasında sıklıkla kullanılan bir başka çarpma yöntemini daha şu şekilde paylaşmak istiyorum. “Chinese Stick Multiplication” adıyla bilinen ve çubuklar yardımıyla yapılan Çin/Japan çarpma tekniği geleneksel çarpma yöntemlerine etkili bir alternatif yöntem sunar.Yöntemin temelleri oldukça basittir ve günümüzde kullandığımız çarpma algoritmalarına benzer şekilde çalışır. Ancak en büyük avantajı, çarpma işlemini görselleştirme imkânı sunmasıdır. Özellikle ilkokul kademesinde eğlencelidir. Eskiden Çin, Japon coğrafyasında tahta çubuklar, kemik parçaları, bambu dalları gibi araçlar yardımıyla bu çarpma işlemi yapılmıştır. Çarpma işleminin görselliği ve eğlenceli özelliği sayesinde özellikle öğrenme sürecinde oldukça etkili bir araç olduğu gözlemlenmiştir. Bu yöntem, ilköğretim düzeyinde çocuklara çarpma kavramını daha iyi kavratmak amacıyla halen belli bölgelerde öğretilmektedir. Ayrıca, yöntemin öğrenme üzerindeki olumlu etkileri yapılan araştırmalarla desteklenmiştir. 

Bu çarpma yönteminde her sayı için bir düz çizgi çizilir. Yalnız basamaklarına göre uygun biçimde aralarında boşluk bırakmadan kaç rakamı varsa o sayıda yan yana düz çizgi çizilir. Daha sonra ikinci sayı için de aynı şekilde diğer çizgileri kesecek bir şekilde ters yönde düz çizgiler basamaklarda yer alan rakamların adedine göre çizilir. Bütün bu çizme işlemi bittikten sonra altta gelen çizgilerdeki tüm kesişim noktalarının tamamının adedi toplanarak çarpma işleminin sonucu bulunur.  Eğer sayılar iki ya da daha fazla basamaktan oluşan kesişim noktası verirse bunların sadece birler basamağı yazılır. Diğer basamakları elde olarak bir sonrakine devredilir. Bu şekilde sağdan sola doğru çarpma işlemi yapılarak elde edilen noktaların sayısına göre işlem bitirilmiş olur. 

Örnek: 98*67=6566 işleminin sonucunu bu çarpma metoduna göre çizerek bulalım.

 

Örnek: 321*123=39483 işleminin sonucunu bu çarpma metoduna göre çizerek bulalım. İşlemde eldeli toplamanın nasıl yapıldığını görelim. Aşağıdaki görselde her bir basamak, renkli bir çubukla gösterilerek metodun daha kolay kavranması amaçlanmıştır. 

 

Örnek: 102*23=2346 işleminin sonucunu bu çarpma metoduna göre çizerek bulalım. İşlemde basamakların hehangi birinde 0 olduğunda buna ait olan çizgi kırmızı ile çizilir fakat işlemin sonucunda toplama işleminde bu sonuçlar toplanmadan diğer noktalar sayılar işlemin sonucu hesaplanır. Aşağıdaki görselde her bir basamak, renkli bir çubukla gösterilerek metodun daha kolay kavranması amaçlanmıştır. 

“Chinese Stick Multiplication” çarpma metodu, özellikle küçük çocuklara çarpma işleminin temellerini öğretmek açısından oldukça değerlidir. Ancak büyük basamaklı sayılarla uğraşırken bu yöntem çizgi çizmenin zorluğu nedeniyle pek kullanışlı değildir. İşlemin farklı örnekleri için orjinal youtube videosunu aşağıdaki adresten izleyebilirsiniz.

 

 

 “Chinese Stick Multiplication”

Büyük basamaklı sayılarda çarpma işlemi yapılırken Rus Matematikçi Anatoly Karatsuba tarafından bulunan ve büyük basamaklı sayıların çarpımını hesaplamada daha kullanışlı olan bir çarpım algoritması tercih edilir. Karatsuba Algoritması'nda amaç; çarpılacak sayıları alt gruplara bölerek daha az sayıda işlem yaparak sonuca en kısa yoldan ulaşmaktır.

“Chinese Stick Multiplication” Youtube Video Adresi https://www.youtube.com/watch?v=AiOKSpGs758

“Chinese Stick Multiplication” Youtube Video Adresi https://youtu.be/scCfeJhJ2TA?si=uLwXNDsBLtMcGv9S