Текст книги "Открытие без границ. Бесконечность в математике"

Автор книги: Энрике Грасиан

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 10 страниц)

Евдокс

Евдокс (ок. 408–355 гг. до н. э.) наряду с Архимедом (ок. 287–212 гг. до н. э.), Пифагором (570–500 гг. до н. э.) и Евклидом (ок. 325–265 гг. до н. э.) был одним из важнейших представителей греческой математики. В области концептуальной математики он, вне всяких сомнений, намного превосходил всех остальных.

В те времена греческая математика всё ещё переживала удар, вызванный открытием иррациональных чисел, несоизмеримых с целыми. Ясного критерия для сравнения величин разной природы не существовало. Евдокс первым дал этому чёткое определение (определение 5 книги V «Начал» Евклида): «Говорят, что величины находятся в том же отношении: первая ко второй и третья к четвёртой, если равнократные первой и третьей одновременно больше, или одновременно равны, или одновременно меньше равнократных второй и четвёртой каждая каждой при какой бы то ни было кратности, если взять их в соответственном порядке».

В переводе на более современный язык это означает, что два отношения a/b и c/d равны, если для двух любых натуральных чисел k и k' выполняется условие:

если k∙a < k'∙b, то k∙c < k'∙d;

если k∙a = k'∙b, то k∙c = k'∙d;

если k∙a > k'∙b, то k∙c > k'∙d.

Определение кажется тривиальным, но это совершенно не так. Нужно учитывать, что в формулировке Евдокса оно применимо к соотношениям корней чисел и даже к геометрическим фигурам. Например, первые две величины могут обозначать сферы, третья и четвёртая – кубы, построенные на диаметрах этих сфер. Более того, в этих правилах можно увидеть первые наброски будущего определения иррационального числа, данного в XIX веке Рихардом Дедекиндом с помощью метода, который он сам называл методом сечений.

* * *

ЕВДОКС И АСТРОЛОГИЯ

Евдокс родился около 408 г. до н. э. в Книде – древнегреческом городе в Карии, на территории современной Турции. Он также известен как астроном и географ, совершивший важные открытия в этих науках. Евдокс рассчитал траектории различных звёзд и определил, что солнечный год на 6 часов длиннее, чем принятый тогда календарный, состоявший из 365 дней, и первым разделил небесную сферу на градусы широты и долготы. Он также создал карту звёздного неба и календари, занимался исследованиями по метеорологии и определению смены времён года в долине Нила. Знания астрономии, которые он использовал в своих вычислениях, стали причиной его разногласий со жрецами. Евдокс, будучи противником астрологии, аргументировал свои взгляды не постулатами веры, о которых сложно вести спор, а методологическими положениями: «Когда делают предсказания о жизни человека по его гороскопам, основанным на дате его рождения, этим предсказаниям не стоит придавать значения, поскольку влияние звёзд столь сложно, что на всей Земле нет такого человека, который смог бы его вычислить».

* * *

Ещё одним важным открытием Евдокса стала так называемая аксиома о непрерывности, также известная как лемма Архимеда (сам Архимед писал, что автором этой леммы является Евдокс), которая гласит: «Для данных двух величин, между которыми существует соотношение, можно найти одну из них, превосходящую другую». Важность этой леммы заключается в том, что она позволяет доказать путём доведения до абсурда одно из самых важных утверждений в истории математики, благодаря которому Евдокс и многие другие учёные смогли вычислить площади и объёмы криволинейных фигур. Утверждение Евдокса звучит так: «Для двух заданных неравных величин, если от большей отнимается больше половины и от остатка больше половины, и это делается постоянно, то останется некоторая величина, которая будет меньше заданной меньшей величины».

На этом утверждении также основано первое чёткое и непротиворечивое определение предела, данное в XIX веке Карлом Вейерштрассом (1815–1897), которое стало важной вехой в истории математики.

Метод Евдокса для вычисления площадей и объёмов, основанный на этом утверждении, известен как метод исчерпывания. Неудивительно, что многие историки считают основание школы Платона моментом рождения греческой математики, так как Евдокс заложил основы нового раздела математики, который много веков спустя стал называться анализом бесконечно малых.

Метод исчерпывания позволял получить верные доказательства, если его предпосылки были верны (так было в большинстве случаев), но обладал определённым недостатком: с его помощью нельзя было получить новые результаты. Напомним, что в этом методе результат считался истинным и рассматривались возможные способы, которыми можно было прийти к этому результату. Например, было известно, что формулы объёма конуса и пирамиды, доказанные Евдоксом, были получены математиками прошлого, в частности Демокритом, без каких-либо выводов или доказательств.

В настоящее время нам известен метод интегрирования, позволяющий произвести необходимые вычисления по чётко определённому алгоритму. Это означает, что необходимые расчёты может произвести машина. В основе этого метода лежит сформулированная древнегреческими математиками идея, тесно связанная с аппроксимацией площади фигуры с помощью прямоугольников, о чём мы говорили выше (в некотором роде метод исчерпывания схож с современным методом суммирования по Риману).

Этот метод заключается в построении ряда прямоугольников, высота которых не превосходит высоту кривой, иными словами, прямоугольников, нижнее основание которых располагается на оси, а верхнее – под искомой кривой.

Сумма площадей всех прямоугольников, построенных по этому методу, будет очевидно меньше, чем площадь искомой фигуры. С увеличением числа прямоугольников их общая площадь будет всё ближе к значению площади фигуры, ограниченной кривой. Это же построение можно повторить так, чтобы верхние основания прямоугольников находились над кривой.

* * *

ИНТЕГРИРОВАНИЕ «ОТ РУКИ»

Существует простое механическое устройство – интегратор, позволяющий автоматически вычислять площадь, ограниченную плоской непрерывной кривой. Оно напоминает устройства, используемые для измерения расстояний на картах, и состоит из небольшого колеса и счётчика числа оборотов, который указывает расстояние, пройдённое колесом при перемещении по карте, например вдоль автомагистрали. Механический интегратор имеет схожий принцип действия. Если обвести интегратором замкнутую фигуру, ограниченную кривой, по контуру, счётчик укажет площадь этой фигуры. Это устройство используется при проектировании форм и образцов, так как позволяет определить, сколько материала потребуется для изготовления изделий.

* * *

Так мы гарантируем, что сумма площадей прямоугольников будет больше искомой площади. Теперь мы снова можем увеличить число прямоугольников, и сумма их площадей вновь будет приближаться к искомой, на этот раз сверху. Мы получим две последовательности площадей, приближающихся к искомой площади снизу и сверху соответственно. Так в схематичном и упрощённом виде происходит вычисление площадей. Похожий метод используется и для вычисления объёмов.

Результаты сравниваются со значением, которое, как предполагается, должна иметь данная величина (напомним, что метод исчерпывания используется для проверки уже известного результата). С помощью оценок данной величины сверху и снизу мы подтверждаем, что если эти оценки превосходят искомую величину, это приводит к противоречию. Позднее, в XVII веке, этот метод получил название «апагогия», или «доведение до абсурда».

В любом случае в методе неизбежно рассматривается актуальная бесконечность, для чего в современном анализе выполняется переход к пределу. Если бы древние греки применили этот подход при решении этой и других схожих задач, то добились бы потрясающих результатов.

Кеплер

Кеплер был одним из первых математиков Возрождения, который занялся вычислением объёмов, причём не совсем в обычных обстоятельствах: впервые он обратил внимание на эту задачу в тот самый день, когда сочетался вторым браком с Сюзанной Рейтингер (его первая жена скончалась годом ранее). Это был брак по расчёту, так как Кеплер искал женщину, которая позаботилась бы о нём и его детях и вела бы домашнее хозяйство. Сюзанна, должно быть, понимала, насколько необычным характером отличался её будущий муж, поскольку она не удивилась, когда он покинул свадебное торжество, чтобы подробно изучить, как трактирщик измеряет объём вина в бочках. Бочки не имели строго цилиндрическую форму, и объём измерялся с помощью мерного стержня, который опускался в них через отверстие в крышке.

Определив таким образом уровень вина в бочке, трактирщик узнавал, сколько его осталось. Результатом размышлений Кеплера стал вышедший в 1615 году трактат под названием «Новая стереометрия винных бочек». Для решения задачи Кеплер использовал метод неделимых, разработанный Архимедом. Можно сказать, что из задачи об объёме бочки вина впоследствии родился анализ бесконечно малых. Тем не менее следует отметить, что труды Кеплера в этой области носили скорее практический, чем теоретический характер, и в этом смысле их можно считать отчасти неполными. Например, для вычисления площади круга он рассматривал сумму площадей бесконечного числа треугольников, вершины которых совпадали с центром круга, а основания располагались на окружности. Аналогично для вычисления объёма сферы он рассчитывал сумму объёмов конусов, вершины которых совпадали с центром сферы, а основания находились на её поверхности. С помощью этого метода Кеплер пришёл к выводу, что объём сферы равен одной трети произведения её радиуса на площадь поверхности. Корректность всех этих операций Кеплер обосновывал принципом непрерывности, который при использовании его метода вычисления объёмов следовало принять за истину.

* * *

БОЧКИ КЕПЛЕРА

Задача о бочках, рассмотренная Кеплером, принадлежит к классическим задачам, решаемым с помощью интегрального исчисления. Общим случаем этой задачи является вычисление объёма жидкости, заключённой в сосуде определённой формы. Когда цистерна с бензином приезжает на автозаправку, оператор обычно опускает в неё длинный металлический стержень для измерения уровня жидкости в ёмкости. Очевидно, что отметки на этом стержне должны быть нанесены в зависимости от формы цистерны.

Как правило, она имеет форму цилиндра, основания которого являются полусферами или параболоидами вращения. В некоторых аэропортах можно встретить цистерны такой же формы с керосином.

Галилей

Галилео Галилей (1564–1642) совершил революцию во многих областях науки. Мы не будем рассказывать ни о его творчестве, ни о том, какое влияние оно оказало на науку в целом, – рассмотрим вкратце его размышления о бесконечности.

Во-первых, Галилей рассматривал движение как процесс, происходящий без пауз, то есть делал выбор в пользу непрерывного, а не дискретного, зная, что занимает рискованную позицию, так как это автоматически означало принятие перехода от потенциальной к актуальной бесконечности. Для этого задачи, связанные с движением, следует рассматривать с геометрической точки зрения. Графическое изображение движения с переменной скоростью может выглядеть, например, следующим образом.

Портрет Галилео Галилея кисти фламандского художника Юстуса Сустерманса (1636) и график, описывающий свободное падение тел.

На горизонтальной оси откладывается время, на вертикальной – скорость.

Неравномерное движение описывается, например, уравнением v = 2t. Это означает, что с течением времени скорость возрастает: по прошествии одной секунды она равна 2, по прошествии двух секунд – 4 и т. д. Если в треугольнике АВС сторона АВ представляет пройдённое время, сторона ВС – скорость, то пройденный путь будет равняться площади треугольника АВС. Галилея интересовало применение этого метода к более сложным разновидностям движения, например по параболической траектории, при этом неизбежно требовалось рассматривать кривые линии и площади фигур, ограниченных ими. В своих расчётах он использовал методы, схожие с методами Кеплера. Однако, как вы увидите чуть позже, его ученик Кавальери первым сформулировал рациональный метод для вычисления площадей подобных фигур.

Как мы уже говорили, Галилей неизбежно должен был столкнуться с парадоксами бесконечности и изучить её природу. Именно так он пришёл к парадоксу, который не смог разрешить. С формальной точки зрения эта задача даже не была парадоксом, но она содержала, как вы убедитесь чуть позже, возможное математическое определение бесконечности.

Эта задача-парадокс, которая впервые упоминается в диалогах Галилея в 1638 году, звучит так.

Рассмотрим в качестве исходного множества ряд чисел:

0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10….

Далее запишем ряд чисел, которые являются их квадратами:

0, 1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81, 100….

Очевидно, что оба этих множества бесконечны в том смысле, что мы можем неограниченно добавлять к ним всё новые и новые числа. Кроме того, Галилей заметил, что каждому элементу первого множества соответствует один из элементов второго, но, с другой стороны, кажется очевидным, что в первом множестве больше чисел, чем во втором. Вопрос, который поставил Галилей, заключается в том, какая бесконечность больше, первая или вторая, что ведёт к кажущемуся парадоксу. Он полагал, что либо в чём-то ошибался, либо сравнения, основанные на понятиях «больше», «меньше» и «равно», неприменимы, когда речь идёт о бесконечности.

В этом смысле он был прав, поскольку, как три столетия спустя доказал Георг Кантор,

«арифметика бесконечного отлична от арифметики конечного».

Кавальери

Бонавентура Кавальери (1598–1647), иезуит и преподаватель математики в Болонье, был одним из учеников Галилея и больше всего интересовался вычислениями площадей и объёмов. В 1635 году он опубликовал трактат на эту тему, озаглавленный «Геометрия, развитая новым способом при помощи неделимых непрерывного».

Название говорит само за себя: с одной стороны, Кавальери был сторонником принципа непрерывности, с другой – он был готов считать, что непрерывные объекты можно разделить на элементарные части – монады, подобные атомам, которые далее нельзя разделить на более мелкие части. Он полагал, что прямая состоит из точек, подобно тому, как ожерелье состоит из бусинок, а объёмное тело – из плоскостей, точно так же, как книга – из страниц. Иными словами, неделимыми для прямой являются точки, неделимыми для плоскости – прямые, равноудалённые между собой, неделимыми для твёрдого тела – множество параллельных плоскостей, удалённых друг от друга на равное расстояние. Кавальери понимал, что число этих неделимых должно было быть бесконечным, но деликатно обходил этот вопрос. Более того, свой метод он назвал методом бесконечных, но работу озаглавил «Трактат о неделимых».

* * *

ТЕОРЕМА КАВАЛЬЕРИ

Метод, использованный Кавальери для вычисления объёмов, можно наглядно объяснить так: представьте, что перед вами – две стопки монет или фишек казино одинаковой высоты. Сдвинем монеты во второй стопке так, что она перестанет иметь форму цилиндра. Вычислить объём полученной фигуры будет достаточно сложно. Тем не менее теорема Кавальери гласит, что объём обеих стопок одинаков. В этом примере каждая монета представляет собой неделимое.

По теореме Кавальери, объём обеих стопок монет одинаков, хотя в одном случае они уложены идеально ровно, в другом – нет.

* * *

Принцип Кавальери в современном виде формулируется так: если два тела имеют одинаковую высоту и площади их плоских сечений, взятых на одной высоте, равны, то объёмы этих тел одинаковы.

С помощью этого метода Кавальери доказал, что объём конуса равен 1/3 объёма описанного вокруг него цилиндра. Не стоит и говорить, что его подход вызвал жестокую критику современников, на которую учёный не мог возразить, поскольку не мог представить достаточное математическое обоснование своих рассуждений.

В защиту Кавальери следует сказать, что он не стремился создать строгий метод, а всего лишь хотел разработать алгоритм, применимый на практике. И ему это удалось: метод Кавальери с успехом использовали такие математики, как Ферма, Паскаль и Роберваль. Особенно значительных результатов достиг последний, вычислив площадь, ограниченную дугой циклоиды.

Декарт

Рене Декарт (1596–1650) является основателем и главным представителем рационализма. Наиболее важной его работой было «Рассуждение о методе», а ключевой фразой – «Я мыслю, следовательно, я существую», которая, по его мнению, была единственно возможной отправной точкой на пути преодоления сомнений. Его метод, как следует из названия, представляет собой множество правил, которые позволяют строить адекватные рассуждения в любой области человеческой мысли.

Нет сомнений, что Декарт был прежде всего философом, а не математиком, и полученные им математические результаты можно считать следствием использования его метода.

В настоящее время науки отделены от философии, но это не означает, что философия не оказывает на них никакого влияния – мы просто меньше осознаём их взаимосвязь.

Основные результаты Декарта, полученные им помимо других важных открытий, в частности классификации кривых и работ по коническим сечениям, изложены в труде «Геометрия». Декарт считал, что решение геометрических задач часто требует излишних умственных усилий, направленных на то, чтобы мысленно представить расположение фигур. Он создал систему, в которой фигуры представлялись как множество точек, каждой из которых можно было поставить в соответствие числа. Таким образом, геометрическая задача сводилась к алгебраической, а многие алгебраические задачи стало возможно решить геометрическими методами. Говорить о том, что в его работах заложены основы аналитической геометрии, было бы преувеличением, однако можно с абсолютной уверенностью утверждать, что в них была впервые описана декартова геометрия.

Декарт рассмотрел бесконечность в работе «Первоначала философии», в которой он говорил не о бесконечном, а о неопределённом. Он признавал существование бесконечно большого, заявляя, что число звёзд на небе не определено, и существование бесконечно малого, говоря, что материя бесконечно делима. Эта подмена понятий была умышленной, и Декарт оправдывал её тем, что слово «бесконечность» должно использоваться только применительно к Богу. Учёный принимал возможность того, что нечто бесконечное может иметь предел, недостижимый для нас. Таким образом, по мнению Декарта, невозможность существования актуальной бесконечности вызвана особенностями человеческой природы со всеми сопутствующими ограничениями, что не помешало учёному согласиться с существованием потенциальной бесконечности, так как, по его мнению, нельзя размышлять о конечном, если не существует бесконечного. «Невозможно, чтобы моя природа была такой, какая она есть, то есть конечной и содержащей представления о бесконечности, если бы бесконечности не существовало. Идея о Боге подобна отпечатку, который мастер ставит на своей работе, и ни в коей мере не требуется, чтобы этот отпечаток был чем-то, не принадлежащим работе мастера», – заключает Декарт, считавший наши представления о бесконечности врождёнными.

* * *

ОПАСНЫЕ ЧАСТНЫЕ УРОКИ

В 1649 году королева Кристина пригласила Декарта в Швецию: она хотела учиться у него философии. Декарт воспользовался возможностью покинуть среду, где философские споры с голландскими протестантами постепенно становились всё более и более ожесточёнными.

По легенде, королева любила прохладу, и аудиенции обычно проходили в залах с открытыми окнами, из-за чего длились очень недолго. Декарт счёл себя обязанным давать королеве уроки в таких же условиях. Кроме того, по привычке он начинал занятия очень рано: экипаж забирал его в половине пятого утра, занятия начинались спустя полчаса. Пять месяцев спустя Декарт заболел пневмонией и 11 февраля 1650 года умер.

Фрагмент картины «Диспут королевы Кристины и Декарта» французского художника Пьера-Луи Дюмениля. Версаль.

Глава 4. Математический анализ

История математического анализа очень увлекательна, а его постепенному развитию сопутствовали споры, касавшиеся бесконечности, в частности бесконечно малых величин, поэтому математический анализ также называется анализом бесконечно малых.

Анализ бесконечно малых

Почему он называется анализом и какое отношение к нему имеют бесконечно малые? Понятие «анализ» указывает, что в математическом анализе решение задачи рассматривается как рабочая гипотеза, после чего проводится анализ того, каким образом стало возможным прийти к этому решению. Одним из наиболее выдающихся учёных, которые использовали этот метод, был Декарт, а истоки метода восходят ко временам Евклида.

Название «анализ бесконечно малых» объясняется использованием величин, связанных с геометрическими элементами. Эти величины делятся произвольное число раз (бесконечное деление), а затем рассматриваются как основные и неделимые составляющие всего. Как вы уже поняли, анализ бесконечно малых восходит к знаменитому методу исчерпывания, придуманному Евдоксом, и был систематически описан математиками XVII столетия, в частности Робервалем, Барроу, Ньютоном и Лейбницем.

Отметим ещё одно важное совпадение. С одной стороны, математика к тому времени превратилась в самостоятельную дисциплину в том смысле, что в ней не использовались модели природы. Скорее наоборот: это природа должна была адаптироваться к математике, что следовало понимать не как гипотезу, а как методологию, позволяющую создать прочную теорию, которая, разумеется, должна была найти практическое применение. Пример: с помощью методов анализа стало возможным определить, что траектория снаряда представляет собой параболу – геометрическую фигуру, чётко определённую на языке функций. Наиболее вероятно, что траектория снаряда не является идеальной параболой, но, перефразируя Торричелли, «тем хуже для снаряда».

Другой важный момент – появление в теоретической физике двух новых понятий: тело и материальная точка. Первое ввёл Декарт, а второе – Ньютон. Яблоко, которое якобы упало на голову Ньютону, было не спелым фруктом, приятным на вкус, а телом конкретных размеров, которое методами анализа можно свести к материальной точке.

Также следует учитывать, что в то время физика носила ярко выраженный прикладной характер: её задачи имели исключительно практическую направленность.

Например, известный оптический закон о том, что угол падения луча равен углу его отражения, очень важен при конструировании оптических приборов, однако эти углы отсчитываются от нормали, проведённой к отражающей поверхности в заданной точке. Если эта поверхность является прямой, к ней достаточно провести перпендикуляр в заданной точке, но если речь идёт о криволинейной поверхности, как в большинстве оптических инструментов, то возникает интересная геометрическая задача. Как показано на рисунке, нормаль к криволинейной поверхности в точке – это прямая, перпендикулярная касательной к кривой в заданной точке, но алгоритм построения касательной к произвольной кривой в то время был неизвестен.

Касательная «прикасается» к кривой в единственной точке. Перпендикуляр к касательной в этой точке, по определению, является нормалью к кривой.

Ещё один пример связан с нахождением максимумов и минимумов. Вернёмся к примеру со снарядом. Очевидна необходимость вычисления максимальной дальности полёта снаряда (а в некоторых случаях – максимальной высоты) в зависимости от угла наклона орудия.

Следующие четыре нерешённые задачи предопределили зарождение математического анализа, или анализа бесконечно малых:

– построение касательной к кривой в точке;

– расчёт максимумов и минимумов функции;

– расчёт квадратур, то есть вычисление площади, ограниченной одной или несколькими кривыми;

– спрямление кривых, то есть вычисление длины кривой между двумя её точками.

Во всех этих задачах присутствуют бесконечно малые величины.

Ньютон и Лейбниц считаются родоначальниками математического анализа, в котором они систематизировали знания, накопленные их предшественниками. Они следовали разными путями, и им обоим пришлось столкнуться с загадками бесконечности, которые они решили каждый по-своему.

* * *

ИНТЕГРАЛЬНОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ ЭЙЛЕРА

С помощью интегралов можно рассчитывать не только площади плоских фигур, но также длины кривых, объёмы тел, ограниченных произвольными поверхностями, и тел вращения. В общем случае интегралы позволяют найти любое значение, выраженное в виде бесконечной суммы бесконечно малых величин, то есть почти всё что угодно. Сфера практического применения интегралов столь широка, что они образуют отдельный раздел прикладной математики. Вне зависимости от того, где выполняется вычисление интегралов, на маленьких калькуляторах или в мощных компьютерных программах, сложно представить инженера, которому не требовалось бы интегральное исчисление. В 1770 году швейцарский математик Леонард Эйлер (1707–1783) создал трёхтомный труд по интегральному исчислению. В некотором смысле все современные книги по математическому анализу являются всего лишь изменёнными и обновлёнными изданиями этого труда, в котором даже спустя 150 лет после публикации никто не смог найти ни единого недочёта. По этой причине «Интегральное исчисление» Эйлера считается важнейшей работой по математическому анализу из когда-либо написанных.

Обложка первого тома «Интегрального исчисления» Эйлера.