Текст книги "Том 9. Загадка Ферма. Трехвековой вызов математике"

Автор книги: Альберт Виолант-и-Хольц

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 9 страниц)

Глава 3
Ферма, городской адвокат

Я не давал обета быть математиком, но всякий раз, когда выдается свободная минута, я наслаждаюсь занятиями математикой…

Франсуа Виет

Теорема Пифагора гласит, что в прямоугольном треугольнике сумма квадратов катетов равна квадрату гипотенузы. В современной записи это выглядит так: х² + у² = z². Как мы уже показали в прошлой главе, еще в древности были известны целые числа, которые являются решениями этого уравнения. Позднее такие числа стали называть пифагоровыми тройками. Используя эти решения, можно с легкостью построить прямоугольные треугольники, длины сторон которых выражены целыми числами. Со временем были открыты формулы для вычисления пифагоровых троек, и оказалось, что их бесконечно много.

Ферма пришло в голову заменить показатель степени, 2, другими числами: 3, 4, 3… Это не столь существенное изменение. Может показаться, что до этого мог додуматься любой. Однако с того момента, когда была открыта теорема Пифагора, до того, как Ферма внес в нее эти изменения, прошли тысячи лет. Удивительно, но, несмотря на все усилия, он никак не мог найти ни одного целого решения ни для одного из показателей степени. Невероятно. Лишь спустя много часов, потраченных на поиски, он понял, что таких решений не существует и что это можно доказать.

Он сформулировал свою знаменитую теорему и удалился на покой, не записав найденное им доказательство, оставив эту задачу потомкам. Кем был Ферма? Как он додумался до этого? Какое доказательство он нашел? Почему он не записал его?

Жизнь Ферма окутана завесой тайны. Он жил уединенной жизнью и общался с друзьями только по переписке, и только из писем нам известно о его достижениях. Он был страстным любителем математики и совершил множество удивительных открытий. Он развлекался тем, что предлагал современникам задачи, утверждая, что сам он решил их, однако же редко публиковал свои решения. О нем говорят разное, но тем не менее о нем известно куда меньше, чем хотелось бы.

Памятник Пьеру де Ферма, воздвигнутый в 1898 году Шарлем Барро. В настоящее время памятник находится в Зале знаменитостей Тулузской ратуши.

_{(фотография: Николя Гэрин, GFDL)}

Дата рождения, семья, образование

Вот первая из загадок Ферма: никому доподлинно не известно, когда он родился. Принято считать датой и местом его рождения 17 августа 1601 года, город Бомонде-Ломань в департаменте Тарн и Гаронна на юге Франции. Эту дату предложил в 1844 году Луи Топьяк, предполагая, что Ферма был сыном Доминика Ферма, буржуа и второго консула Бомона, и Клер де Лонг, дочери дворянина Клемента де Лонга. Однако в его свидетельстве о смерти, которое хранится в семейных архивах, указано, что Ферма умер в городе Кастр 12 января 1665 года. Надпись на его надгробии, которое находится в церкви августинцев в Тулузе, гласит, что Ферма умер в возрасте 57 лет. Если верить этой надписи, то получается, что Ферма родился примерно в 1608 году.

Еще одну версию предложил аббат Дюгро в 1980 году. По его мнению, Ферма был сыном Доминика Ферма и Франсуазы Казенев, дочери купца, жившего в окрестностях Бомона. Это предположение основано на том, что в 1603 году Доминик Ферма был женат на Франсуазе, а в 1607 году – уже на Клер де Лонг.

В 2002 году Пьер Герен снова занялся этим вопросом и тщательно изучил генеалогическое древо Ферма в поисках убедительного ответа. Он получил другую дату. Таким образом, окончательный ответ на этот вопрос до сих пор не найден. Ферма мог быть сыном Клер де Лонг, происходившей из благородной французской семьи, а предполагаемой датой его рождения может являться 1605 или, что более вероятно, 1606 год. Но и это противоречит надписи на его надгробии.

По всей видимости, у Ферма был брат и две сестры. В детстве его образованием занимались монахи-францисканцы из аббатства Грансельв. О первых годах его жизни известно очень немногое. Однако в течение всей жизни Ферма был очень привязан к родным местам и не соблазнился блеском Парижа.

Нам также неизвестно, какое образование получил Ферма. Вне всяких сомнений, он был очень эрудирован: переводил классические труды, в совершенстве владел латынью и древнегреческим, а его обширные знания математики бесспорны. Но где он обучался математике? Быть может, в университете? А может, с ним занимался один из друзей семьи? О его образовании и карьере известно далеко не все, но кое-что можно узнать из его писем. В юности он поступил в Тулузский университет, чтобы завершить начатое обучение. Он хотел изучать право, и его семья поддерживала его: в то время эта профессия была очень престижной и открывала многие двери, но предполагала очень хорошее образование.

Математические круги

Впоследствии Ферма переехал в Бордо. Часть биографов считают, что там он работал адвокатом и познакомился с Жаном Бограном, который принадлежал к местному математическому обществу. По всей видимости, это произошло в августе 1626 года. В начале XVII века в научном сообществе стала понятна польза от обмена идеями. Именно тогда начали формироваться сообщества математиков, которые непрерывно обменивались результатами своих работ. Их участники предлагали друг другу задачи, находили решения, объясняли новые методы, делились идеями. Бордо был одним из центров, где бурлила научная жизнь, где находили поддержку талант и творчество. Вне всяких сомнений, эта среда привлекла молодого Ферма.

Богран в кругу друзей всегда гордился тем, что именно он открыл Ферма и во многом благодаря его усилиям работы Ферма стали столь известны. Богран позднее стал членом высших политических кругов Парижа, а также приобрел известность благодаря способностям к математике. Говорят, что он учился у самого Франсуа Виета. В Париже он был завсегдатаем математического кружка, который возглавлял Марен Мерсенн, и постоянно делился с ним своими находками и открытиями Ферма.

Сообщить какую-то идею Мерсенну означало сообщить ее всему математическому сообществу того времени. Богран также совершил путешествие в Италию, куда его пригласил французский посол Бельевр. Там он посетил Кавальери в Болонье, Кастелли в Риме и Галилея в Арчетри близ Флоренции. После возвращения в Париж он поддерживал переписку с ними. Разумеется, он рассказал им о своем друге Ферма – иначе и быть не могло.

Портрет Галилео Галилея кисти Юстуса Сустерманса, 1636 год. Галилей познакомился с работами Ферма через их общего друга Жана Бограна.

* * *

ФРАНСУА ВИЕТ

Франсуа Виет родился в 1540 году в Фонтене-ле-Конт. По профессии он был адвокатом, как и Ферма, но его подлинной страстью была математика. Став учителем юной девушки по имени Каталина де Партенеи, он начал изучать астрономию, которая была особенно интересна его ученице. Когда Виет поступил на службу к французскому королю Генриху IV, он расшифровал переписку агентов испанского короля Филиппа II, взломав шифр, состоящий более чем из 500 символов. Математики при дворе короля Испании считали, что расшифровать его было невозможно. Когда об этом стало известно в Испании, Филипп II отправил письмо Папе Римскому Пию V, обвинив Генриха IV в использовании черной магии. Говорят, что степень сосредоточенности Виета была такова, что он часто проводил за работой по три дня подряд без сна и еды. Один из известнейших исторических случаев о нем рассказал Таллеман де Рео:

«Во времена Генриха IV некий голландец по имени Адрианус Романус, сведущий в математике, пусть и в меньшей степени, чем считал он сам, написал книгу, в которой сформулировал задачу для всех европейских математиков, перечислив их поименно. В своем списке Романус не упомянул ни одного из французов. Некоторое время спустя посол Голландии встретился с королем Франции в Фонтенбло. Король с удовольствием рассказал послу о разных достопримечательностях, упомянув, какие выдающиеся представители всех профессий жили в его королевстве. "Но, сир, – сказал посол, – в вашем королевстве нет ни одного математика, ведь Адрианус Романус не упоминает ни одного француза в своем списке". "Напротив, – ответил король, – у нас есть выдающийся ученый муж. Скажите, пусть пошлют за господином Виетом". Виет явился в Фонтенбло. Посол велел разыскать книгу Адриануса Романуса, чтобы показать Виету задачу из этой книги. Виет, расположившись у одного из окон галереи, где они находились, быстро написал два решения. Ночью он отправил послу еще несколько решений, добавив, что может привести столько решений, сколько тому заблагорассудится, поскольку их было бесконечное множество». Задача Адриануса Романуса заключалась в решении уравнения 45-й степени, в котором Виет незамедлительно узнал одно из тригонометрических соотношений. Он привел 22 положительных решения этой задачи – все, которые были допустимы в математике того времени. В 1595 году Виет опубликовал ответ Адрианусу Романусу и, чтобы оценить знания оппонента, предложил тому задачу Аполлония: «Найти окружность, касающуюся трех данных окружностей». Решение этой задачи было известно Виету.

* * *

В Бордо Ферма познакомился с д’Эспанье, Филоном, Праде. В беседах с ними он расширил кругозор и узнал о многих ученых. Этьен д’Эспанье, член парламента Бордо, познакомил Ферма с работами Виета и с обозначениями, которые тот использовал. Отец д’Эспанье был первым председателем парламента Бордо и другом Виета. Нужно помнить, что в те времена знания передавались в основном среди знакомых и друзей.

В Бордо были изданы первые работы Ферма. Именно там зародились многие его идеи, в частности идея переиздания книги Аполлония «Плоские места», Apollonii Pergaei libri dúo de loas planis restituti. Там же он открыл метод нахождения максимумов и минимумов, описанный в работе Methodus ad disquirendam maximam et minimam et de tangentibus linearum curvarum, а также провел некоторые исследования, посвященные магическим квадратам.

Административная и политическая карьера

Из Бордо Ферма переехал в Орлеан, где закончил изучать право, после чего перебрался в Тулузу, где началась его блестящая карьера. 14 мая 1631 года он получил должность советника парламента Тулузы и члена палаты по рассмотрению прошений, где обсуждались общественные проблемы. 30 декабря 1634 года он стал членом следственной палаты, а в 1638 году занял пост советника в суде. В августе 1648 года он получил должность советника палаты эдиктов, а в 1654 году впервые выступил в Верховной палате. Карьера Ферма строилась по всем правилам, и в итоге он занял очень ответственный пост. Он получил право сменить имя и называться Пьером де Ферма.

* * *

СЕМЬЯ ФЕРМА

1 июня 1631 года, спустя полтора месяца после того, как Ферма впервые получил должность советника, он женился на двоюродной сестре матери Луизе де Лонг. У них было пятеро детей: Клемент-Самуэль, который был членом суда, как и сам Ферма, и который частично опубликовал работы отца; Жан, который стал архидьяконом Фемарена; Клэр, чей внук Жан Гейяр занял пост советника вслед за Жаном Франсуа, сыном Самуэля Ферма; Катерина и Луиза, которые посвятили жизнь религии.

* * *

Возможно, столь бурным продвижением по службе он был обязан эпидемии, которая разразилась в той местности около 1650 года и унесла много жизней. Из-за этого освободилось множество государственных должностей, где определяющую роль играл опыт, поэтому данные посты занимали люди определенного возраста. Посреди этого беспорядка в 1653 году поступило ошибочное сообщение о смерти самого Ферма, которому также не удалось избежать недуга. Затем, разумеется, он опроверг это известие.

Разные источники расходятся во мнениях о том, как Ферма относился к службе. С одной стороны, в 1664 году адвокат Пьер Сапорта писал: «О нашем судье, который занимал эту должность большую часть жизни, я скажу, что он отличается удивительной честностью и компетентностью в делах. Он приобрел качества большого судьи, а также знания о многих других вещах, далеких от его профессии». Следует отметить, что Сапорта был другом Ферма и посвятил ему свой перевод на французский язык труда Торричелли о движении воды, опубликованный в том же 1664 году. С другой стороны, в 1663 году Жан Батист Кольбер утверждал: «Парламент Тулузы: Ферма, очень эрудированный человек, везде поддерживает отношения с умнейшими, но не слишком заинтересован в службе. Не особенно хорош как судья». Это цитата из секретного донесения Кольбера, который в то время был министром финансов короля Людовика XIV, о судьях и государственных чиновниках. Людовик XIV обычно был к ним весьма строг. Учитывая, что Ферма не входил в круг близких друзей первого министра Гаспара де Фьюбе, неудивительно, что в этом донесении он не удостоился хвалебных слов.

Портрет Жана Батиста Кольбера кисти Клода Лефевра, 1666 год. Министр финансов при короле Людовике XIV не слишком лестно отзывался о работе Ферма в суде.

Как бы то ни было, Ферма добросовестно исполнял свои обязанности и, по мере возможностей, старался избегать интриг. Служба была непростой, поскольку в то время Франция периодически испытывала серьезные потрясения: во-первых, между католиками и гугенотами сохранялись напряженные отношения, во-вторых, не прекращалась борьба за власть. То была эпоха кардинала Ришельё и кардинала Мазарини, время мушкетеров. Было нетрудно сегодня принимать одну сторону, а завтра впасть в немилость у другой. Сложнее было удерживаться посередине между противоборствующими сторонами. Именно этим принципом и руководствовался Ферма. Он не стремился к власти и, возможно, по этой причине избегал Парижа, селясь в небольших городах. Он всегда оставался поблизости от родных мест, а в течение девяти лет (в 1638, 1644 и 1643, 1648 и 1649, 1633 и 1656, 1663 и 1664 годах) он занимал пост судьи в небольшом городе Кастр лишь в нескольких километрах от его родного города Бомон-де-Ломань.

С другой стороны, Ферма не особенно поддерживал отношения с тогдашней буржуазией. Должность обязывала его сохранять разумную дистанцию от всех, кто в будущем мог обратиться в суд, чтобы уладить дела. В некотором смысле одиночество было свойственно его работе. В то время как другие представители его профессии в свободное время писали труды о суде и судьях, он занимался математикой.

Кардинал Ришельё на осаде Ла-Рошели. Картина кисти Анри Мотте, 1881 год. Осада этой крепости гугенотов произошла в 1628 году, и это лишь один из многочисленных примеров, показывающих, в сколь неспокойное время жил Ферма.

«Король среди любителей» и Пьер де Каркави

Ферма постоянно жаловался на недостаток времени. В июне 1640 года он писал своему другу Мерсенну: «Чувствую себя под давлением множества занятий, которые не оставляют времени для этого…» и позднее, в марте 1641 года: «Судебные тяжбы, которыми сейчас целиком забита моя голова, не позволяют мне спокойно прочитать труды, которые вы сделали честь прислать мне». Но и тогда, всякий раз, когда выпадала возможность, он находил время для математики и делился этой страстью с коллегами по профессии и другими математиками. Ферма – яркий пример того, как можно сочетать профессию и увлечение на высочайшем уровне. В этом смысле он был не одинок. Многие его коллеги также были видными математиками и совершили заметные открытия. Ферма выделяется из общего ряда благодаря числу и масштабу своих достижений, за что он был удостоен титула «король среди любителей». Американский автор Джулиан Кулидж не включил его в знаменитый перечень математиков-любителей, посчитав, что его следует рассматривать в профессиональной категории.

В Тулузе Ферма познакомился с Пьером де Каркави, который занимал пост советника парламента Тулузы в 1632–1636 годах и был большим любителем математики. Их дружба сыграла основополагающую роль в научной карьере Ферма. Хотя Каркави не получил университетского образования и не добился заметных успехов в математике, заслуживает упоминания его переписка со многими учеными той эпохи, которая показывает, насколько разносторонними были его знания. В течение всей жизни Каркави переписывался с Ферма, Гюйгенсом, Паскалем, Декартом, Мерсенном, Галилеем, Торричелли и многими другими.

Нужно учитывать, что многие открытия того времени никогда не публиковались и о них можно было узнать лишь из переписки, которую вели их авторы. В развитии математики большую роль сыграли те, кому принадлежали новые открытия, но не менее важны и те, кто посвящал свое время их распространению. В этих письмах не только сообщались какие-то новые результаты, но также вносились комментарии и предлагались новые идеи, которые впоследствии учитывались в других трудах.

Сколь волнующим, должно быть, было то время, когда каждое полученное письмо могло содержать море новых идей и побуждать работать дальше. Письма могли идти до получателя несколько недель, часто терялись в пути. Тогда течение времени было другим, а часы не имели ничего общего с современными точными электронными часами. В 1636 году Каркави получил должность советника в Совете Парижа и переехал в столицу. Ферма по-прежнему поддерживал с ним переписку и отправлял ему свои работы. Оказавшись в Париже, Каркави познакомился с Мерсенном – ключевой фигурой в истории математики.

Портрет Декарта кисти Франса Хальса, 1649 год. Он был одним из крупнейших философов XVII века и всегда интересовался математикой. Декарт вел обширную переписку со многими математиками своего времени.

Марен Мерсенн

Марен Мерсенн родился в 1388 году в скромной семье. В 16 лет он записался в Ла-Флеш – иезуитскую школу, где давали образование детям из любых семей, вне зависимости от их достатка. В этой школе также учился Декарт, с которым Мерсенн впоследствии поддерживал тесные отношения. Затем он перебрался в Париж и поступил в Коллеж де Франс, чтобы изучать философию, и в Сорбонну, чтобы постигать богословие. Он завершил обучение в 1611 году. Решив не изменять монашеской жизни, в июле 1611 года он записался во францисканский орден минимов и годом позже получил сан священника. Монахи этого ордена отличались аскетизмом, безукоризненным образованием и добродетелью. Первые работы Мерсенна посвящены богословию, но с течением времени в нем рос интерес к науке. Он был твердо убежден, что математика лежит в основе всех наук и что обмен идеями является залогом прогресса в науке вообще и в математике в частности. Ученые того времени жили в уединении, и многие их открытия становились известны лишь спустя годы после их смерти либо вовсе оставались в забвении. Мерсенн понял, что можно добиться большего, если действовать сообща. Примерно в 1623 году он начал формировать группу ученых, которые периодически собирались в его парижской обители. На этих встречах они говорили о науке и обменивались полученными результатами, открытиями, новыми способами вычислений. Этот кружок дал начало Французской академии наук.

Мерсенн не ограничивался этими встречами и вел обширную переписку со многими учеными со всего мира, создав таким образом настоящее международное научное сообщество. Ему были известны все современные научные достижения. Говорили, что, если он узнавал о каком-то открытии, о нем тут же узнавал весь мир, так как Мерсенн немедленно сообщал о нем всем, кто работал над этой темой и кому могло быть это интересно. Перечень тех, с кем он поддерживал переписку, огромен. В него входят Исаак Бекман, Бернар Френикль де Бесси, Чарльз Кавендиш, Флорианус Крузиус, Жерар Дезарг, Рене Декарт, Пьер Ферма, Галилео Галилей, Пьер Гассенди, Ян Баптиста ван Гельмонт, Томас Гоббс, Христиан и Константин Гюйгенсы, Клод Мидорж, Этьен и Блез Паскали, Никола-Клод Фабри де Пейреск, Джон Пелл, Жан Рей, Андре Риве, Жиль Роберваль, Мартин Руар, Самуэль Сачиери и Эванджелиста Торричелли. После его смерти в 1648 году в его келье были найдены письма от 78 разных корреспондентов.

Математик и богослов Марен Мерсенн.

Помимо этого, Мерсенн много путешествовал, налаживая контакты с растущими научными сообществами и наиболее видными учеными. В 1629–1630 годах он был в Нидерландах, в 1644 году – в Провансе и в Италии, где познакомился с Торричелли, в 1646 году – в Бордо, где позднее была основана Королевская академия наук. Его научные интересы охватывали самые разные области физики и математики, и его интерес служил путеводной нитью для заметной части научного сообщества той эпохи. Мерсенн работал над решением задач оптики, музыки, теории тепла, механики, гидростатики, анализа, алгебры, теории чисел и множества других наук.

Он моментально делился соображениями с другими учеными, которые расширяли и дополняли полученные им результаты. Таким образом, Мерсенн никогда не работал в одиночку. Для своих коллег он был исключительным собеседником, с которым можно было делиться идеями и дополнять его работы.

В 1627 году Мерсенн публикует книгу «Универсальная гармония». В предисловии к этой книге он отдает дань уважения математическому гению Ферма. Помимо прочих вопросов, в этой книге показывается, что частота вибрации струны пропорциональна квадратному корню из силы натяжения и обратно пропорциональна длине струны, ее диаметру и квадратному корню из ее массы при условии, что все прочие переменные остаются неизменными, когда меняется значение одной из этих величин.

Страница из книги Мерсенна «Универсальная гармония». В предисловии к этой книге автор отдает дань уважения математическому гению Ферма.

Когда Мерсенн познакомился с Христиа– ном Гюйгенсом, он поделился с ним этими результатами. Плодом их сотрудничества стала позднее опубликованная Гюйгенсом книга «Теория музыки». В 1646 году Гюйгенс попытался переехать в Париж, чтобы быть ближе к своему учителю, но ему удалось сделать это лишь спустя несколько лет после смерти Мерсенна.

Мерсенн также интересовался идеями Галилео Галилея и сыграл огромную роль в распространении его работ по всей Европе. 21 февраля 1632 года во Флоренции была напечатана книга «Диалог о двух главнейших системах мира» (Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo) – одна из фундаментальных работ Галилея, в которой он защищал гелиоцентрическую теорию Коперника.

Это, вне всяких сомнений, всколыхнуло верхушку католической церкви того времени, и в 1633 году Галилей предстал перед судом и был осужден Святой палатой Римской католической церкви. В результате книга была запрещена, но к тому времени ее копии уже разошлись по всей Европе и с книгой успели ознакомиться многие ученые. Среди них был Мерсенн, который был заинтригован теорией свободного падения тел, изложенной Галилеем в этой книге. Мерсенн решил самостоятельно провести серию экспериментов. В 1634 году он публикует полученные результаты, которые подтвердили соотношение между ускорением падения и квадратом времени. Он также пытался найти ответ на вопрос, является ли изменение скорости при свободном падении непрерывным, как считал Галилей, либо непостоянным, как утверждал Декарт.

Портрет голландского ученого Христиана Гюйгенса.

Фронтиспис книги Гэлилея Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo.

Переписка с Ферма

Когда Пьер де Каркави в 1636 году переехал в Париж и объяснил Мерсенну идеи Ферма, касавшиеся теории Галилея о свободном падении тел, Мерсенн немедленно заинтересовался мнением Ферма и написал ему письмо. Ферма подробно ответил ему на заданные вопросы 26 апреля того же года. Кроме этого, он сообщил Мерсенну о своей работе о спиралях, написанной по результатам изучения траектории тел при свободном падении, где применялись методы, описанные Архимедом в труде «О спиралях». Ферма также рассказал о работе над восстановлением книги «Плоские места» Аполлония. Вот что он пишет:

«Я также обнаружил множество способов анализа для разных задач, как численных, так и геометрических, для решения которых анализа Виета оказалось недостаточно. Я могу поделиться своими результатами, когда вы пожелаете, и сделаю это без тени тщеславия, от которого я свободен и далек более любого другого человека во всем мире».

Воссозданный образ Архимеда кисти Доменико Фетти, 1620 год. Ферма тщательно изучил труды этого древнегреческого ученого.

Кроме того, Ферма воспользовался моментом, чтобы рассказать Мерсенну о двух задачах о нахождении максимумов, и попросил его показать задачи парижским математикам. Первое же письмо дало Мерсенну понять, кто перед ним.

С одной стороны, это яркий пример эпистолярных отношений, существовавших в научном сообществе того времени, так как письма были одним из основных средств обмена идеями. С другой стороны, Ферма избегает любых проявлений нескромности. Он служит науке, а не стремится завоевать авторитет. В письме видна его тяга к новым задачам, которые помогали ему оценить проницательность современников. Его задачи были вдвойне интересны благодаря тому, что Ферма знал ответы на них. Если кому-то удавалось решить их, то возникали сомнения по поводу авторства решения, но если найти ответ долго никому не удавалось, то ценность найденного в итоге решения многократно возрастала – вместе со славой его автора. Разумеется, Мерсенн с радостью передавал задачи Ферма своим коллегам.

Задача о циклоиде

В 1632 году в Париж прибыл Жиль Роберваль, чтобы заняться преподаванием в Коллеж де Франс. Мерсенн моментально оценил его выдающийся талант и предложил ему решить несколько задач, на которые сам Мерсенн не смог найти ответа. Среди них была и задача о циклоиде. Так началась совместная работа над решением этой задачи. В 1599 году Галилей определил циклоиду как геометрическое место точек, которое описывает точка окружности при качении этой окружности вдоль некой прямой.

Мерсенн был очарован красотой циклоиды и решил заняться ее изучением. Его интересовали некоторые ее свойства: длина дуги, описываемая площадь и так далее. Чтобы определить площадь под аркой циклоиды, Галилей сконструировал металлическую модель и поместил ее на весы. Так ему удалось найти приближенное значение с высокой точностью, но этого ему показалось мало. Он хотел получить точный ответ.

Математические методы не ограничены несовершенством модели или неточностью весов. Только с их помощью можно достичь истинного совершенства.

* * *

ЗАДАЧА О ТАУТОХРОНЕ И БРАХИСТОХРОНЕ

Допустим, что мы хотим попасть из точки А в точку В наиболее быстрым способом, при этом исключительно под действием силы тяготения. Либо, что аналогично, нужно найти форму кривой, вдоль которой мы будем скатываться, чтобы как можно быстрее попасть из точки А в точку В. Эта кривая получила название брахистохроны (от греческого брахистос – кратчайший и хронос – время). Интуиция подсказывает, что быстрейшим путем из точки А в точку В будет кратчайший путь между ними, то есть прямая. Однако это не так. Кривой скорейшего спуска будет перевернутая арка циклоиды, проходящая через точку А и имеющая минимум в точке В.

В 1696 году Иоганн Бернулли нашел решение этой задачи и предложил ее другим ученым того времени. Независимо друг от друга ее решили Лейбниц, Ньютон, Якоб Бернулли и Лопиталь. В 1659 году Гюйгенс обнаружил, что при свободном падении вдоль арки циклоиды предмет окажется у ее основания в одно и то же время вне зависимости от высоты, с которой началось падение. Следовательно, циклоида также является решением задачи о таутохроне (от греческого тауго – равный и хронос – время).

При свободном падении как из точки А, так и из точки А' предмет достигнет точки В за одно и то же время.

* * *

Мерсенн посвятил изучению циклоиды много лет. Он опубликовал результаты в различных трудах: «Известные вопросы Книги Бытия» (1623), «Синопсис математики» (1626) и «Вопросы теологии, физики, морали и математики» (1634). Как и всегда, в письмах он сообщал полученные результаты и вопросы, на которые ему удалось найти ответы. Торричелли, Ферма, Декарт, Роберваль верно вычислили, что площадь под аркой циклоиды равна утроенной площади порождающего круга циклоиды. Роберваль и Рен определили, что длина арки в восемь раз превышает ее радиус. Какие красивые ответы на столь простые вопросы! И сколько вычислений потребовалось, чтобы найти эти несложные на вид ответы!

Благодаря новой организации работы, предложенной Мерсенном, к решению интересных задач приглашались все талантливые ученые. Найденные решения были не плодами труда одиночек-затворников, а, напротив, результатом взаимодействия и обмена идеями. История науки знает множество примеров, когда формулы и теории получали имя своих первооткрывателей. Но в этой новой среде достижения часто были результатом коллективного труда. Кто мог представить, что эта красивая кривая, которую впервые описал Галилей как движение точки окружности при качении вдоль прямой, спустя много лет окажется решением задачи о брахистохроне и таутохроне, и что Жерар Дезарг предложит придать зубцам часовых механизмов именно форму циклоиды!

Понте ди Меццо в Пизе, спроектированный учениками Галилея. Его арки имеют форму циклоиды. Мост был разрушен в 1944 году.

Метод максимумов и минимумов

Роберваль и Мерсенн заинтересовались результатами Ферма относительно максимумов и минимумов. Задачи, которые предлагал Ферма (равно как и ответы на них), были не случайны – при их решении использовались методы, неизвестные другим математикам той эпохи. Они поняли, что Ферма значительно опередил современников в решении задач о максимумах и минимумах, и попросили его объяснить методы, которые он использовал. Ответ не заставил себя долго ждать. Ферма отправил Мерсенну и Робервалю три текста («Методы нахождения максимумов и минимумов и построения касательных к кривым», «О плоских и телесных местах» и труд Аполлония «Плоские места» в двух книгах), чтобы их оценили парижские математики. Так Ферма стал известен как математик первой величины.

В своем «Методе максимумов и минимумов» Ферма отметил, что в точке максимума функции прямая, параллельная оси абсцисс, касается графика этой функции только в одной точке. Он также отметил, что в точках, очень близких к точке максимума, прямая, параллельная оси абсцисс, пересекает график этой функции в двух близких точках справа и слева от точки максимума.

Следовательно, значение функции в точке экстремума f(а) и значение, очень близкое к нему, f(а + е), где е – очень малая величина, практически одинаковы, следовательно, согласно Ферма, их можно «приравнять». В результате получим уравнение, исключив из которого величину е (так как она очень мала) мы сможем рассчитать а.

Рассмотрим пример. Пусть дана функция f(х) = х². Ее график представлен на рисунке ниже.

Пусть нужно вычислить минимум этой функции, f(а) = а². Для этого рассмотрим значение, очень близкое к нему: f(а + е) = (а + е)² = а² + 2ае + е². «Приравняем» их, то есть поставим между этими выражениями знак равенства: а² = а²  + 2ае + е². На следующем шаге решим полученное уравнение. Вычтя а²  из обеих частей равенства, получим 2ае + е² = 0, откуда, сократив на е, получим 2а + е = 0.