Текст книги "Истина в пределе. Анализ бесконечно малых"

Автор книги: Антонио Дуран

сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 12 страниц)

«Призраки исчезнувших величин»

Несмотря на огромный шаг вперед, который позволил совершить анализ бесконечно малых Ньютона и Лейбница, критика в адрес недостаточной прочности его основ была обоснованной.

Наиболее ярым критиком был английский епископ и философ Джордж Беркли. В 1734 году он опубликовал книгу под названием «Аналитик», где в критическом духе были рассмотрены основные идеи анализа с целью продемонстрировать их недостаточную логичность.

Так, Беркли заявил, что вывод формулы для вычисления производной произведения, приведенный Ньютоном в «Началах» (см. главу 3), был ошибочным. Приведя доказательство Ньютона, Беркли пишет: «Однако очевидно, что для получения момента или приращения прямоугольника АВ прямым и истинным методом необходимо взять стороны такими, какими они получились в результате увеличения их на полные приращения, и затем перемножить их (А + а) x (В + b), а полученное произведение (АВ + аВ + bА + ab) и есть увеличенный прямоугольник. Отсюда, если мы вычтем АВ, остаток (aВ + bА + ab) и будет истинным приращением прямоугольника, превышающим тот, который был получен предыдущим незаконным и непрямым методом, на величину ab. И это справедливо в любом случае, какими бы ни были величины а и b – большими или малыми, конечными или бесконечно малыми, приращениями, моментами или скоростями».

Говоря о методе вычисления флюксий с помощью исчезающих величин, он пишет: «Правда, надо признать, что он использовал флюксии подобно лесам при строительстве здания, которые нужно было отбросить в сторону или от которых нужно было избавиться, когда уже было найдено, что конечные линии пропорциональны этим флюксиям. Но ведь эти конечные показатели определяются с помощью флюксий. Поэтому все, что получается с помощью таких показателей и пропорций, необходимо отнести за счет флюксий, которые, следовательно, предварительно надо понять. А что такое эти флюксии? Скорости исчезающих приращений. А что такое эти самые исчезающие приращения? Они не есть ни конечные величины, ни величины бесконечно малые, но они и не нули. Разве мы не имеем права назвать их призраками исчезнувших величин?»

Эйлер и анализ бесконечно малых

Если Ньютон и Лейбниц считаются создателями дифференциального и интегрального исчисления, то Эйлера можно назвать создателем математического анализа – области математики, куда входят оба эти раздела. В этом смысле его книги «Введение в анализ бесконечно малых» (1748), «Наставление по дифференциальному исчислению» (1755) и «Интегральное исчисление» (1768—1770) сыграли ключевую роль в оформлении структуры этой новой дисциплины.

Трактат «Введение в анализ бесконечно малых» стал для математического анализа тем же, что «Начала» Евклида для геометрии. В этом трактате Эйлер указывает, что функция является основным предметом изучения в анализе, систематизирует работы предшественников об элементарных функциях, изучает их, не прибегая к дифференциальному или интегральному исчислению, однако обильно использует бесконечно большие и бесконечно малые величины (см. приложение). Он также всеми возможными способами старается избежать геометрических рассуждений и чертежей, отдавая предпочтение аналитике и формулам. Структуру дифференциального исчисления он изложил во второй книге трилогии.

Хотя Эйлер был последователем Лейбница, в «Наставлении по дифференциальному исчислению» он понимает дифференциал как разницу, однако вносит изменения в исчисление Лейбница. С учетом поправок Эйлера понятие дифференциала приближается к понятию ньютоновской «исчезающей величины».

Извечные сомнения, касающиеся бесконечно малых, Эйлер развеял так. По его мнению, важнее было не то, что такое бесконечно малые величины, а то, как они себя ведут. В этом смысле для Эйлера бесконечно малые были равны нулю или в итоге приравнивались к нулю; важнее то, что эти величины могут делиться друг на друга. Результат подобного деления, по сути эквивалентного ⁰/₀, может равняться четко определенному конечному числу. Так, дифференциалы dx, dy играют главную роль при определении значения дроби dy/dx.. Исчисление описывает, как вычислить эту дробь, когда приращения «исчезают». В «Наставлении по дифференциальному исчислению» Эйлер описывает «метод определения пропорции исчезающих приращений, которые получают функции, когда аргументы функции получают одно из таких приращений». Иными словами, в анализе Эйлера вводится отношение приращений

определяющее производную функции – понятие, которое заменило дифференциалы dx, dy, занимающие почетное место в исчислении Лейбница. Внесенные Эйлером изменения приблизили понятия дифференциального исчисления Лейбница к понятию предела, которое впоследствии использовал Коши.

В последнем труде трилогии Эйлера, «Интегральное исчисление», интегрирование описывается как операция, обратная дифференцированию. Интегрирование по-прежнему соответствовало понятию площади, но потеряло независимый характер, который отстаивал Лейбниц, что помогло Коши при введении понятия определенного интеграла.

ЭЙЛЕР ВЕЛИКИЙ

Эйлер был одним из величайших математиков всех времен и, вне всяких сомнений, лучшим математиком XVIII века. Он родился в 1707 году в Базеле, окончил местный университет, брал частные уроки у Иоганна Бернулли, одного из учеников Лейбница.

В 1727 году он переехал в Санкт-Петербург, был членом Петербургской академии наук с 1731 по 1741 год, затем переехал в Пруссию и был избран членом Берлинской академии наук. Несмотря на непростые отношения с прусским королем Фридрихом II, он прожил в Берлине 25 лет, после чего вернулся в Санкт-Петербург, где умер в 1783 году.

^{Портрет Леонарда Эйлера кисти Иоганна Георга Брюкнера.}

Д’Аламбер, Лагранж и Карл Маркс

Шел XVIII век, и Д’Аламбер, который обладал намного большим авторитетом в математике, чем Беркли, критически отнесся к понятию бесконечно малых: «Величина есть нечто или ничто; если она – нечто, то она еще не исчезла, если она ничто, то она исчезла в буквальном смысле. Предположение о том, что существует промежуточное состояние между этими двумя, есть химера».

Д’Аламбер во французской Энциклопедии дает примитивное определение предела, на которое Коши опирался при разработке фундамента математического анализа: «Одна величина называется пределом второй, если вторая может приблизиться к первой настолько, что будет отличаться от нее менее, чем на любую данную величину, но никогда не будет совпадать с ней». В своей статье о дифференциалах для этой же энциклопедии Д’Аламбер указал путь к четкому определению исчисления: «Ньютон использовал другой принцип, и можно сказать, что метафизика этого великого математика об исчислении флюксий очень точна и ясна, несмотря на то что допускает несовершенное толкование его мыслей. Я никогда не рассматривал дифференциальное исчисление как изучение бесконечно малых величин, но как метод первых и последних рассуждений, или, что есть одно и то же, метод нахождения пределов рассуждениям. Кто-то может счесть, что допущение бесконечно малых величин необходимо лишь для сокращения и упрощения рассуждений, но дифференциальное исчисление необязательно предполагает существование подобных величин. Более того, это исчисление заключается лишь в алгебраическом определении пределов рассуждения».

^{Мраморная статуя французского философа и математика Д’Аламбера.}

^{Карл Маркс проявлял большой интерес к построению фундамента математического анализа.} 

Совершенно иным путем следовал Лагранж, который в своей книге «Теория аналитических функций», опубликованной в 1797 году, определил производную f’(x) функции f(х) в точке x как коэффициент при h в разложении в степенной ряд функции f(x + h). Именно Лагранж ввел термин «производная» и первым стал обозначать производную функции f знаком апострофа – f’. К сожалению, его усилия оказались безуспешными и завершились неудачей, поскольку, как позднее показал Коши, функция f необязательно совпадает со степенным рядом, полученным на ее основе.

Стоит отметить, что работы Лагранжа по построению фундамента математического анализа очень ценил философ Карл Маркс, основатель марксизма. Маркс даже написал несколько трудов о производных и интегралах (1863—1883), однако в этот период уже появились работы Вейерштрасса, в которых была сформирована прочная основа математического анализа. Маркс рассматривал три этапа развития исчисления: мистическое дифференциальное исчисление Лейбница и Ньютона, рациональное дифференциальное исчисление Д’Аламбера и чисто алгебраическое исчисление Лагранжа. О математиках первого этапа он писал: «Они сами определили загадочный характер недавно открытого исчисления, что привело к получению верных результатов с помощью определенно ошибочных математических преобразований». К Д’Аламберу и Лагранжу он относился более снисходительно: «Д’Аламбер, лишив дифференциальное исчисление мистической завесы, совершил огромный шаг вперед. <…> Лагранж взял за основу теорему Тейлора, которая является наиболее общей и широкой, и в то же время описывает рабочую формулу дифференциального исчисления».

Огюстен Коши

В первой половине XIX века был окончательно сформирован четкий фундамент анализа бесконечно малых. Решение этой задачи начал Коши, а завершил Вейерштрасс. Значимый вклад также внес Бернард Больцано своими работами о непрерывных функциях, которые выходят за рамки этой книги.

Коши удалось создать математическое течение, целью которого было добиться большей строгости доказательств. Это течение стало основополагающим для математики XIX века.

Эту точку зрения он пытался донести до своих учеников в Политехнической школе, где преподавал с 1817 по 1830 год, а также излагал в своих работах. Основными его трудами, о которых мы упомянем, были «Курс анализа» (1821) и «Резюме лекций по исчислению бесконечно малых» (1823).

«Курс анализа» был ответом Коши на критику со стороны его коллег по ученому совету Политехнической школы, высказанную в адрес его методики преподавания механики и анализа студентам первого года обучения. Во введении он явно указывает цель своей работы: «Я попытался изложить методы, требуемые геометрией, никогда не обращаясь к аргументам, следующим из общности алгебры. Рассуждения такого типа, которые иногда допускаются, особенно при переходе от сходящихся рядов к расходящимся и от вещественных величин к мнимым, лишь указывают путь к истине и не связаны с точностью, которой должна гордиться математика». «Общность алгебры», о которой упоминает Коши, означает признанный всеми с конца XVI века факт, согласно которому все, что верно для вещественных чисел, так же верно и для комплексных; все, что верно для конечных величин, применимо и к бесконечным; все, что верно для сходящихся рядов, верно и для расходящихся.

В качестве основного понятия анализа бесконечно малых Коши предложил понятие предела, которое определил так: «Когда последовательные значения переменной бесконечно приближаются к конкретному значению так, что в итоге отличаются от него на произвольно выбранную величину, последнее значение называется пределом остальных».

Используя понятие предела, Коши определил бесконечно малые как переменные, которые стремятся к нулю: «Когда последовательные значения переменной бесконечно уменьшаются так, что становятся меньше любой заданной величины, эта переменная называется бесконечно малой. Предел таких переменных равен нулю».

Он также ввел понятие предела последовательности, которое с дополнениями Вейерштрасса используется и сейчас. Коши также установил, что можно говорить о сумме ряда лишь в том случае, когда он сходится, и определил ее как предел последовательности частичных сумм ряда.

На пятистах страницах «Курса анализа» также приводятся определения непрерывной функции, комплексного числа, формулируются критерии сходимости рядов и так далее.

Работы Коши о сходимости рядов вызвали большое возбуждение. Рассказывают, что после собрания Французской академии наук, где ученый изложил свои идеи о сходимости рядов, обеспокоенный Лаплас заперся у себя дома и не выходил, пока не проверил, что все ряды, использованные им в «Небесной механике», сходятся, и лишь тогда вздохнул с облегчением.

Коши планировал, что «Курс анализа» будет состоять из двух томов, но неблагоприятные отзывы заставили его отказаться от написания второго тома. Суть критики сводилась к тому, что книга, по мнению руководства Политехнической школы, не подходила для образования будущих инженеров. Поэтому Коши решил пересмотреть идею о публикации второго тома и вместо этого выпустил дополнение к «Курсу анализа», представлявшее собой краткое изложение его лекций. Первый том увидел свет в 1823 году под названием «Резюме лекций по исчислению бесконечно малых», где давалось современное определение производной как предела

когда h стремится к 0.

КОШИ: СТРОГОСТЬ ПРЕВЫШЕ ВСЕГО

Огюстен Луи Коши родился в 1789 году, спустя несколько месяцев после начала Великой французской революции. Он занимает почетное место среди ведущих математиков первой половины XIX века. Благодаря ему был сделан значимый шаг в сторону большей логической строгости математических рассуждений. Так, в статье Энциклопедии Британника о нем сказано: «Коши был одним из величайших математиков современности. Одним из наиболее значительных его достижений является четкость и строгость введенных им методов. Первый этап логической строгости, характерной для современной математики, берет начало в его лекциях и книгах по математическому анализу, написанных в 1820-1830 годах». Также всегда указывается, что он был разносторонне образованным человеком и интересовался классическими языками. Он был ревностным католиком и яростно защищал право Бурбонов на французский престол, дарованное Богом. «Его коллеги часто упрекали его в непреклонном ханжестве и агрессивном религиозном фанатизме»,– говорится об этом в уже упомянутой Энциклопедии Британника. Он был преподавателем Политехнической школы и членом Французской академии наук. По политическим мотивам ему пришлось покинуть Францию на период с 1830 по 1838 год. Умер Коши в 1857 году.

^{Французская марка, выпущенная в честь 200-летия со дня рождения Коши.}

В «Резюме лекций по исчислению бесконечно малых» также приводится определение интеграла непрерывной функции

как предела сумм Коши:

где a < х₁ < х₂ < … < x_n-1 < b – разбиение интервала [а, b], а искомый интеграл рассчитывается как предел при разбиении интервала на отрезки, длины которых стремятся к 0.

Как показано на иллюстрации, каждое слагаемое этой суммы соответствует площади прямоугольника, и мы можем выразить площадь подграфика функции с любой точностью.

Также в книге определяются и рассматриваются несобственные интегралы, главные значения несобственных интегралов и сингулярные интегралы, основная теорема анализа, формула Тейлора и так далее. Коши продемонстрировал функцию

ряд Тейлора для которой в точке 0 сходится, но отличается от функции в окрестности нуля. Это доказывает невозможность выстраивания анализа бесконечно малых поверх прочной основы, предложенной Лагранжем.

Мы не будем говорить о других работах Коши и резюме его лекций, а расскажем о значимости его трудов в формировании основы анализа бесконечно малых.

Несомненно, его попытки логически обосновать анализ бесконечно малых были значимым этапом, но тем не менее не окончательным. Нильс Абель, великий норвежский математик, одним из первых обратил внимание на важность работ Коши, отметив их строгость и вместе с тем неполноту. Одновременно с этим он указал, в чем именно заключаются недостатки работ Коши. Это был очередной шаг вперед на пути, который полностью был пройден в середине XIX века с появлением работ Вейерштрасса. Окончательное и четкое определение вещественных чисел было дано еще два десятилетия спустя. Сам Абель в статье, опубликованной в 1826 году, доказал, что одна из теорем «Курса анализа» Коши «допускала исключения» (оцените дипломатичность формулировки!). Эта теорема Коши была не единственной, «допускающей исключения».

УПРЯМ, НО ТОЧЕН

Нильс Хенрик Абель (1802-1829) был одним из наиболее ожесточенных противников отсутствия математической строгости: «В высшей математике, – писал он в 1826 году, – лишь некоторые предположения доказаны с неоспоримой строгостью. Неизменно встречается печальная привычка выводить общее из частного, и, несомненно, весьма заметно, что результатами подобных рассуждений чаще всего являются парадоксы». Поэтому неудивительно, что Абель изучал тексты Коши и ценил его стремление внести строгость и порядок в математику. «Коши упрям,– писал Абель, будучи в Париже в 1826 году,– и с ним нельзя договориться, но именно он сегодня лучше всех знает, как следует обращаться с математикой. Его работы удивительны, но достаточно запутаны. Сперва я ничего в них не понял, но теперь начинаю понимать их более ясно».

В статье о биноме Ньютона, опубликованной в 1826 году, он пишет: «Курс анализа» Коши следует прочитать всякому аналитику, который хочет действовать в своих математических исследованиях со всей строгостью».

^{Банкнота в 500 норвежских крон, на которой изображен Абель.}

Однако усилия Коши по приданию математическому анализу большей строгости были лишь очередным промежуточным этапом развития этой дисциплины. Доказательством этому служит то, что исследователи работ ученого не пришли к единому выводу об истинности или ошибочности его теорем. Это кажущееся противоречие вызвано тем, что определения, представленные Коши в «Курсе анализа», были неточными и нечеткими и порой допускали несколько толкований. Неоднозначность этих определений лучше всего объясняет Айвор Граттангиннес: «Достаточно сказать, что использованные им технические термины заслуживают внимания, и в теореме Коши, как и во всем его анализе, они применяются крайне свободно».

Эйлер, Коши и эстетическая ценность математики

Следует рассказать и об эстетическом начале, поскольку, вопреки мнению многих, эстетика не только не чужда математике, но и составляет ее значимую часть.

Название этой главы – «Укрощенные бесконечно малые» – указывает, что Коши совершил решающий шаг, преодолев с помощью теории пределов логические проблемы, возникавшие в анализе бесконечно малых с XVII века. Как мы уже говорили выше, бесконечно большим и бесконечно малым величинам изначально не было дано логически строгого и четкого определения. В этом смысле, например, «Введение в анализ бесконечно малых» Эйлера является недостаточно логичным. По этой причине математики в итоге стали отдавать предпочтение пределам. Однако теперь нам известно, что рассуждения Эйлера с использованием бесконечно малых столь же строги, как и современные рассуждения, в которых используются пределы. Строго говоря, логический фундамент анализа XVIII века сформировал Абрахам Робинсон в 1966 году. На основе теории моделей он показал, что вещественные числа можно расширить множеством бесконечно малых, с которыми можно производить стандартные арифметические операции. Созданный им раздел математики получил название «нестандартный анализ».

Теперь, как и было обещано, мы расскажем об эстетической составляющей математики, так как рассуждения Эйлера во «Введении в анализ бесконечно малых» намного красивее, чем рассуждения, записанные с использованием пределов.

Математику часто называют сухой наукой, которая изучает идеальные абстрактные объекты, числа и треугольники, наукой, в которой нет места эмоциям. Это совершенно не так. Профессиональные математики выбрали свою профессию по разным причинам, но всех их объединяет одно: математика представляет для них источник сильных эмоций. Эрнест Уильям Хобсон (1856—1933) сказал о «Введении в анализ бесконечно малых»: «Будет непросто найти другой труд в истории математики, который оставляет у читателя такое впечатление о гениальности его автора, как этот». Любой, кто читал его, полностью согласится с Хобсоном. Это впечатление создается потому, что труд Эйлера вызывает бурные эмоции, оставляет след. Гениальность Эйлера нашла воплощение в красоте его работы, в ее эстетической ценности, выходящей далеко за рамки простой математики. Иными словами, эта книга не только обладает свойствами, о которых говорит Харолд Харди (1877—1947) в своей знаменитой «Апологии математика», рассуждая о красоте математических идей. В ней также присутствуют общие эстетические категории, о которых писали Иммануил Кант, Теодор Адорно и Джордж Сантаяна.

Один из самых удивительных результатов, содержащихся в труде Эйлера, как с математической, так и с эстетической точки зрения – это разложение функции синуса в бесконечный ряд:

а также то, как Эйлер использует этот ряд вместе с разложением в степенной ряд для нахождения суммы следующих бесконечных степенных рядов:

Живительно, что эти потрясающе красивые результаты, которые не смогли найти Лейбниц, братья Бернулли и, возможно, сам Ньютон, Эйлер смог вывести с помощью бесконечно малых всего на нескольких строках. Его рассуждения просты и гениальны, и можно четко проследить, какие идеи позволили ему совершить эти открытия. Если попытаться переписать эти рассуждения, используя теорию пределов, они теряют значительную долю простоты и красоты. Чтобы убедиться в этом, достаточно сравнить выкладки Эйлера во «Введении в анализ бесконечно малых» и последние страницы «Курса анализа» Коши (примечания VIII и IX). Коши пытается подтвердить правильность результатов Эйлера с помощью пределов, в результате чего элегантные и краткие рассуждения Эйлера, занимающие несколько строк, превращаются в несколько десятков страниц вычислений. Можно без преувеличения сказать, что Коши превратил деликатный эротизм Эйлера в порнографию.