Глава VII. Восемнадцатое столетие

Глава VII. Восемнадцатое столетие

Лейбниц (1646–1716)

С трудами этих ученых тесно связана деятельность группы французских математиков, прежде всего Клеро, Даламбера и Мопертюи, которые в свою очередь были связаны с философами эпохи Просвещения. К ним надо добавить швейцарских математиков Ламберта и Даниила Бернулли. Научная деятельность в основном была сосредоточена в академиях, среди которых выдающееся место занимали Парижская, Берлинская и Петербургская. Преподавание в университетах имело меньшее значение, а то и никакого. Это был период, когда некоторые из ведущих европейских стран управлялись теми, кого, смягчая выражения, называют просвещенными деспотами: это Фридрих II, Екатерина II, пожалуй, и Людовики XV и XVI. Притязания этих деспотов на славу частично основаны на том, что они любили окружать себя учеными людьми. Такая любовь была чем-то вроде интеллектуального снобизма, но он умерялся в известной мере пониманием значения естествознания и прикладной математики в деле улучшения мануфактур и повышения боеспособности вооруженных сил. Например, говорят, что отличные качества французского флота связаны с тем, что при конструировании фрегатов и линейных кораблей кораблестроители частично основывались на математической теории. Работы Эйлера изобилуют применениями к вопросам, имеющим значение для армии и флота. Астрономия продолжала играть свою выдающуюся роль в качестве приемной матери математических исследований, пользуясь покровительством королей и императоров.

Родоначальниками этой династии были два математика, Якоб и Иоганн Бернулли. Якоб изучал теологию, Иоганн изучал медицину, но когда в лейпцигских Acta Eruditorum появились статьи Лейбница, оба они решили стать математиками. Они стали первыми выдающимися учениками Лейбница. В 1687 г. Якоб занял кафедру математики в Базельском университете, где он преподавал до своей смерти в 1705 г. Иоганн в 1697 г. стал профессором в Гронингене (Голландия), а после смерти брата перешел на его кафедру в Базеле, где преподавал сорок три года. Якоб начал переписываться с Лейбницем в 1687 г. Затем, постоянно обмениваясь мыслями с Лейбницем и между собой, не раз вступая в ожесточенное соперничество друг с другом, оба брата начали открывать те сокровища, которые содержались в путепролагающем достижении Лейбница. Список их результатов длинен и содержит не только многое из того, что сейчас входит в наши элементарные учебники дифференциального и интегрального исчисления, но и интегрирование ряда обыкновенных дифференциальных уравнений. Якобу принадлежит применение полярных координат, исследование цепной линии (уже рассмотренной Гюйгенсом и другими), лемнискаты (1694 г.) и логарифмической спирали. В 1690 г. он нашел так называемую изохрону, которую Лейбниц в 1687 г. определил как кривую, вдоль которой тело падает с постоянной скоростью, – оказалось, что это полукубическая парабола. Якоб также исследовал изопериметрические фигуры (1701 г.), что привело его к задаче из вариационного исчисления. Логарифмическая спираль, которая обладает свойством воспроизводиться при различных преобразованиях (ее эволюта – тоже логарифмическая спираль, и они обе по отношению к полюсу являются подошвенной кривой и каустикой), настолько обрадовала Якоба, что он пожелал, чтобы эту кривую вырезали на его могильном камне с надписью: eadem mutata resurgo (изменившись, возникаю такой же).

Якоб Бернулли был также одним из первых исследователей в теории вероятностей, и по этому предмету он написал «Искусство предположения» (Ars conjectandi) – книгу, опубликованную посмертно, в 1713 г. В ее первой части перепечатан трактат Гюйгенса об азартных играх, в остальных частях рассматриваются перестановки и сочетания, а главным, результатом является «теорема Бернулли» о биномиальных распределениях. При рассмотрении треугольника Паскаля в этой книге появляются «числа Бернулли».

3. Работы Иоганна Бернулли тесно связаны с работами его старшего брата, и не всегда легко различить их результаты. Иоганна часто рассматривают как изобретателя вариационного исчисления вследствие его вклада в задачу о брахистохроне. Это – кривая быстрейшего спуска для материальной точки, которая движется в поле тяготения от заданной начальной к заданной конечной точке, кривая, которую исследовали Лейбниц и оба Бернулли в 1697 и в последующие годы. В это время они открыли уравнение геодезических линий на поверхности. Решением задачи о брахистохроне является циклоида. Эта кривая решает также задачу о таутохроне – кривой, вдоль которой материальная точка в гравитационном поле достигает наинизшей точки за время, которое не зависит от исходной точки движения. Гюйгенс открыл это свойство циклоиды и использовал его для построения таутохронных часов с маятником (1673 г.), период колебания которого не зависит от амплитуды.

В числе других Бернулли, повлиявших на развитие математики, есть два сына Иоганна: Николай и, особенно, Даниил. Николай, как и Даниил, был приглашен в Петербург, незадолго до того основанный Петром Великим; там он пробыл недолго. Задача по теории вероятностей, которую он предложил, находясь в этом городе, известна как Петербургская задача (или, более выразительно, Петербургский парадокс). Этот сын Иоганна умер молодым, но другой сын, Даниил, дожил до глубокой старости. До 1777 г. он был профессором Базельского университета. Его плодовитая деятельность посвящена главным образом астрономии, физике и гидродинамике. Его «Гидродинамика» появилась в 1738 г., и одна из теорем этой книги, о гидравлическом давлении, носит его имя. В том же году он заложил основы кинетической теории газов; вместе с Даламбером и Эйлером он изучал теорию колебаний струн. Его отец и дядя развивали теорию обыкновенных дифференциальных уравнений, Даниил же был пионером в области уравнений в частных производных.

Эйлеру принадлежат заметные результаты во всех областях математики, существовавших в его время. Он публиковал свои открытия не только в статьях различного объема, но и в многих обширных руководствах, где упорядочен и кодифицирован материал, который собирали поколения. В некоторых областях изложение Эйлера было почти что окончательным. Например, наша нынешняя тригонометрия с ее определением тригонометрических величин как отношений и с принятыми в ней обозначениями восходит к «Введению в анализ бесконечных» (Introductio in analysin infinitorum, 1748 г.) Эйлера. Колоссальный авторитет его руководств привел к упрочению ряда его обозначений в алгебре и в анализе; Лагранж, Лаплас и Гаусс знали Эйлера и следовали за ним во всей своей деятельности.

«Введение» 1748 г. в своих двух томах охватывает немалое разнообразие вопросов. В нем содержится изложение бесконечных рядов, в том числе рядов для  и соотношение  (уже открытое Иоганном Бернулли и другими, в различных видах). Исследование кривых и поверхностей с помощью их уравнений ведется настолько свободно, что мы, можем рассматривать «Введение» как первый учебник аналитической геометрии. Мы находим здесь также алгебраическую теорию исключения. Наиболее увлекательными частями этой книги является глава о функции дзета и об ее связи с теорией простых чисел, равно как и глава о partitio numerorum (разбиении чисел на слагаемые).

Другим большим и богатым по содержанию руководством Эйлера было «Дифференциальное исчисление» (Institutiones calculi differentialis, 1755 г.), за которым последовали три тома «Интегрального исчисления» (Institutiones calculi integralis, 1768–1774 г.). Здесь мы находим не только наше элементарное дифференциальное и интегральное исчисление, но также теорию дифференциальных уравнений, теорему Тейлора со многими приложениями, формулу суммирования Эйлера и эйлеровы интегралы В и Г. Раздел о дифференциальных уравнениях с его разграничением «линейных», «точных» и «однородных» уравнений все еще является образцом для наших элементарных учебников по этому предмету. «Механика, или наука о движении, изложенная аналитически» (1736 г.) Эйлера была первым учебником, в котором ньютоновская динамика материальной точки была развита аналитическими методами. За ней последовала «Теория движения твердых тел» (1765 г.), в которой таким же образом трактуется механика твердых тел. Этот трактат содержит эйлеровы уравнения для тела, вращающегося вокруг точки. «Полное введение в алгебру» (1770 г.), написанное по-немецки и продиктованное слуге, стало образцом для многих позднейших учебников по алгебре. В нем изложение доведено до теории уравнений третьей и четвертой степени.

В 1744 г. появилось сочинение Эйлера «Метод нахождения кривых линий, обладающих свойствами максимума или минимума» (Methodus inveniendi lineas curvas maximi minimivi proprietate gaudentes). Это было первое изложение вариационного исчисления, оно содержало эйлеровы уравнения и многие приложения, включая открытие того, что катеноид и прямой геликоид являются минимальными поверхностями. Многие другие результаты Эйлера вошли в его работы меньшего объема, содержащие немало драгоценностей, ныне мало известных. В числе более известных его открытий теорема, связывающая число вершин (), граней () и ребер () замкнутого многогранника (), эйлерова прямая в треугольнике, кривые постоянной ширины (Эйлер называл их кривыми orbiformi) и эйлерова постоянная

Несколько статей посвящены занимательной математике (семь кёнигебергских мостов, задача о шахматном коне). Одни лишь результаты Эйлера в области теории чисел (к его открытиям в этой области принадлежит закон квадратичной взаимности) дали бы ему место в пантеоне славы. Деятельность Эйлера в значительной мере была посвящена астрономии, причем особое внимание он уделял теории движения Луны, этому важному разделу задачи трех тел. Его «Теория движения планет и комет» (Theoria motus planetarum et cometarum, 1774 г.) является трактатом по небесной механике. С этим трудом Эйлера связаны его исследования о притяжении эллипсоидов (1768 г.).

У Эйлера есть книги по гидравлике, по кораблестроению, по артиллерии. В 1769–1771 гг. появились три тома его «Диоптрики» (Dioptrica) с теорией преломления лучей в системе линз. В 1739 г. появилась его новая теория музыки, о которой говорили, что она слишком музыкальна для математиков и слишком математична для музыкантов. Философское изложение Эйлера наиболее важных проблем естествознания в его «Письмах к одной немецкой принцессе» (написаны в 1760–1761 гг.) остается образцом популяризации.

Огромная продуктивность Эйлера была и остается поводом для изумления и восхищения каждого, кто пытался изучать его труды, – задача не столь трудная, как это кажется, так как латынь Эйлера очень проста и его обозначения почти современны, – пожалуй, было бы лучше сказать, что наши обозначения почти эйлеровы! Можно составить длинный список известных открытий, приоритет в которых принадлежит Эйлеру, и перечень его идей, которые еще заслуживают разработки. Большие математики всегда признавали, что они обязаны Эйлеру многим. «Читайте Эйлера,— обычно говорил молодым математикам Лаплас, – читайте Эйлера, это наш общий учитель». А Гаусс выразился еще более определенно: «Изучение работ Эйлера остается наилучшей школой в различных областях математики, и ничто другое не может это заменить». Риман хорошо знал труды Эйлера, и некоторые из наиболее глубоких его произведений обнаруживают влияние Эйлера. Самым лучшим делом было бы издать переводы некоторых трудов Эйлера с современными комментариями.

и

,

заключает, что

.

Все же нам надо соблюдать осторожность и не критиковать слишком поспешно Эйлера за его обращение с расходящимися рядами: он попросту не всегда пользовался некоторыми из наших нынешних признаков сходимости или расходимости как критериями законности своих рядов. Многое в его считавшихся необоснованных работах о рядах было строго истолковано современными математиками.

Однако мы не можем восторгаться тем способом, которым Эйлер обосновывает анализ, вводя нули различных порядков. Бесконечно малая величина, писал Эйлер в «Дифференциальном исчислении» (1755 г.), – это действительно нуль

.

«Стало быть, существует бесконечно много порядков бесконечно малых величин, и хотя все эти величины равны нулю, следует четко отличать их друг от друга, если мы обращаемся к их взаимозависимости, выражающейся геометрическим отношением».

В целом вопрос об основании анализа оставался предметом обсуждения, равно как и все вопросы, относившиеся к бесконечным процессам. «Мистический период» в обосновании анализа (мы пользуемся термином, предложенным Карлом Марксом) в свою очередь порождал мистицизм, заходивший гораздо дальше того, что мы находим у основателей анализа. Гвидо Гранди, монах и профессор в Пизе, известный своим исследованием лепестковых кривых и других кривых, напоминающих цветки, рассматривал формулу

следовательно , как символ творения из ничего. Он получил результат , применив такое истолкование: отец завещает драгоценный камень двум своим сыновьям с тем, что каждый может пользоваться драгоценностью поочередно один год; следовательно, камень принадлежит каждому сыну наполовину.

Пусть эйлерово обоснование анализа имело свои слабые стороны, но свою точку зрения Эйлер во всяком случае высказал вполне определенно. Даламбер в некоторых статьях «Энциклопедии» пытался дать такое обоснование другими средствами. Ньютон пользовался выражением «первое и последнее отношение» для «флюксии», имея в виду первое или последнее отношения двух только что возникших величин. Даламбер заменил это понятием предела: Он называет одну величину пределом другой, если вторая, приближаясь к первой, отличается от нее менее чем на любую заданную величину. «Дифференцирование уравнений состоит попросту в том, что находят пределы отношения конечных разностей двух переменных, входящих в уравнение». Это было, наряду с идеями Даламбера о бесконечных различных порядков, значительным шагом вперед. Однако его современников было не так легко убедить в важности этого шага, и когда Даламбер говорил, что секущая становится касательной при слиянии двух точек пересечения в одну, чувствовалось, что он не преодолел трудностей, присущих парадоксам Зенона. В конце концов, достигает ли переменная величина своего предела, или она никогда его не достигает?

Мы уже упоминали о критике ньютоновских флюксий епископом Беркли. Джордж Беркли, первый настоятель в Дерри, после 1734 г. – епископ в Южной Ирландии, а с 1729 до 1731 г. пребывавший в Ньюпорте, штат Род Айленд, прежде всего известен как крайний идеалист («быть – значит восприниматься»). Он был огорчен тем, что ньютонова наука поддерживает материализм, и он напал на теорию флюксий в своем «Аналисте» (Analyst, 1734 г.). Он издевался над бесконечно малыми как над «тенями усопших величин»; если  получает приращение , то приращение , разделенное на , есть

Это получается в предположении, что  отлично от нуля. Однако флюксию от , то есть , получают, считая  равным нулю, что сразу изменяет исходное предположение об отличии  от нуля. Это было «явным софизмом», который Беркли открыл в анализе, и он был убежден, что верные результаты анализа получаются за счет компенсации ошибок. Логически флюксии нельзя принимать во внимание. «Но тот, кто может переварить вторую или третью флюксию, вторую или третью разность, – восклицал Беркли, обращаясь к неверующему математику (Галлею), – не должен, как мне кажется, придираться к чему-либо в богословии». Это не единственный случай, когда серьезные трудности в науке использовались, чтобы поддержать идеалистическую философию.

Джон Ланден, английский математик-самоучка, чье имя осталось в теории эллиптических интегралов, пытался найти свой метод для преодоления основных затруднений анализа. В своем «Анализе остатков» (Residual analysis, 1764 г.) он ответил на критику Беркли тем, что полностью избегал бесконечно малых; например, производную от  он находил, заменяя  на , после чего

становится равным , когда . Так как этот метод приводит при более сложных функциях к бесконечным рядам, он находится в известном родстве с более поздним алгебраическим методом Лагранжа.