Антонио Дуран - Истина в пределе. Анализ бесконечно малых

• Название: Истина в пределе. Анализ бесконечно малых
• Автор: Антонио Дуран
• Издательство: Де Агостини
• Жанр: Научпоп
• Год: 2014
• ISBN: 978-5-9774-0708-3

Бесконечно малая величина — это числовая функция или последовательность, которая стремится к нулю. Исчисление бесконечно малых — общее понятие для дифференциальных и интегральных исчислений, составляющих основу современной высшей математики. Анализ бесконечно малых — вне всяких сомнений, наиболее мощное и эффективное средство изучения природы, когда-либо созданное учеными. Становление этого понятия связано с именами блистательных математиков: Архимеда, Исаака Ньютона, Готфрида Вильгельма Лейбница, Огюстена Луи Коши и Карла Вейерштрасса. В этой книге идет речь об анализе бесконечно малых и его удивительной истории.

---

По пути в Ганновер Лейбниц посетил Лондон и Амстердам. В Лондоне он пробыл десять дней и нанес визит Коллинзу. Вестфолл пишет: «Находясь под впечатлением от визитера, Коллинз открыл перед ним свой архив». Лейбниц, помимо прочих трудов, ознакомился с «Анализом» Ньютона и сделал некоторые пометки, касавшиеся разложения в ряд. Вновь приведем цитату Вестфолла: «Он увидел, что в этой области он может многому научиться у британских математиков. Отсутствие пометок, касающихся анализа флюксий, означает, что он не увидел в книге Ньютона ничего такого, о чем не знал бы сам. После отъезда Лейбница Коллинз вернулся к реальности и осознал, насколько опрометчиво поступил. Он никогда не рассказывал Ньютону о том, что показал Лейбницу его труды… Лейбниц, в свою очередь, также предпочел не упоминать об этом».

Позднее Лейбниц предпочел умолчать не только об этом, но и о других вещах, которые он узнал по дороге в Германию. В Амстердаме он в течение месяца несколько раз встретился с философом Бенедиктом Спинозой и ознакомился с частью рукописи его «Этики». Позднее Лейбниц отрицал идеи Спинозы (на момент визита Спинозе, которому оставался всего год до смерти, наскучило всякое общество) и предпочел не упоминать о том, как много он узнал во время бесед с ним, и также отказывался признавать значительное влияние «Этики» на свои философские взгляды.

Когда 25 лет спустя начался спор о том, кто же первым открыл математический анализ, решающую роль сыграло то, что Лейбниц увидел в Лондоне.

Портрет Бенедикта Спинозы. Доктрина этого философа, жившего в изгнании, оказала огромное влияние на многих философов, среди которых был и Лейбниц.

В 1677 году, уже будучи в Ганновере, Лейбниц получил правильные формулы для вычисления дифференциала произведений, дробей и степеней. Эти формулы он вывел не без труда, путем проб и ошибок.

В 1680 году он практически завершил работу над своим методом анализа и, в отличие от Ньютона, который не горел желанием отдавать рукописи в печать, опубликовал первую статью по этой теме в 1684 году. Эта статья стала первой в истории публикацией, посвященной анализу бесконечно малых. Она имела внушительное заглавие «Новый метод максимумов и минимумов, а также касательных, для которого не являются препятствием ни дробные, ни иррациональные величины, и особый для этого род исчисления». В этой статье объемом всего в шесть страниц крайне схематично, без доказательств и практически без примеров было изложено дифференциальное исчисление Лейбница. Эта работа была сложной и непонятной, «скорее, загадка, нежели объяснение», как отзывались о ней братья Бернулли, которые первыми изучили математический анализ Лейбница. Сложность статьи усугублялась опечатками, допущенными при публикации.

Особого упоминания заслуживает один из немногих примеров, приведенных в статье, которому Лейбниц посвятил заключительные строки. Речь идет о задаче нахождения кривой по известной касательной, предложенной де Боном: «Я с удовольствием приведу в качестве приложения решение задачи, предложенной де Боном, которую безуспешно пытался решить Декарт. Найти линию такой природы, что проекция любой из ее точек на ось и точка пересечения касательной в этой точке с указанной осью образуют отрезок постоянной длины». Чтобы найти решение с помощью своего метода и тем самым доказать его возможности, Лейбницу понадобилось всего полдюжины строк. Искомой кривой в этой задаче является логарифмическая кривая.

Также следует обратить внимание, насколько своеобразным способом Лейбниц распространял информацию о своем дифференциальном исчислении. Он опубликовал свою работу в научном журнале Acta eruditorum, в создании которого участвовал в 1682 году, ознаменовав тем самым начало новой эпохи в науке.

ПРОБЕЛЫ В РАССУЖДЕНИЯХ ГЕНИЯ

Приведем вывод формулы производной произведения функций, изложенный Лейбницем, так как в нем ярко отражена недостаточная логическая строгость, которой отличался Лейбниц при работе с бесконечно малыми величинами: «d(xy) — то же, что и разность между двумя смежными xy, из которых одним будет xy, другим — (x + dx) (у + dy). Следовательно, d(xy) — (x + dx) (у + dy) — xy, или xdy + ydx + dxdy, что равно xdy + ydx, если опустить величину dxdy, которая является бесконечно малой по отношению к прочим величинам, так как dx и dy предполагаются бесконечно малыми».

Как видите, четкость этого доказательства оставляет желать лучшего. В нем проявляется наиболее противоречивое свойство бесконечно малых величин: Лейбниц считает величину dxdy равной нулю, несмотря на то что ни dx, ни dy не равны нулю.

Спустя два года, в 1686 году, Лейбниц публикует в Acta eruditorum свою вторую статью, которая на этот раз посвящена интегральному исчислению. Статья носила название «О скрытой геометрии и анализе неделимых и бесконечных величин». Лейбниц начал эту статью с оправданий, объясняя, почему его первая статья была столь сложной: «Понимая, что некоторые вещи, опубликованные мной в Acta об открытиях в геометрии, не были в достаточной мере поняты некоторыми учеными людьми и, более того, использованы не совсем верно, будь то по ошибке либо по какой-либо другой причине, я посчитал, что крайне ценно добавить к этой статье все возможное, чтобы прояснить прошлые вопросы».

В этой статье впервые используется обозначение интеграла, хотя из-за сложностей при печати знак ∫, примененный Лейбницем в рукописи, был заменен на f, что было исправлено в последующих изданиях. В статье, как и в первой от 1684 года, используется буква d для обозначения дифференциала.

Во второй статье он указывает, что дифференцирование и интегрирование являются взаимно обратными операциями, и формулирует основную теорему анализа: «Подобно степеням и корням в обычном исчислении, а также сумме и разности, J и d являются обратными». Он применяет это утверждение для доказательства теоремы, которую приписывает Барроу, для чего, как и при решении задачи де Бона, которой оканчивается первая статья, он решает дифференциальное уравнение. «Из изложенного в методе касательных очевидно, что

Следовательно, обратной является

1/2∙x2 = ∫xdx».

Происхождение названия объясняется использованием латинского слова differentia — «разность». Отсюда понятие дифференциала и название «дифференциальное исчисление». Последовав совету Иоганна Бернулли, Лейбниц заменил изначальное название «суммарное исчисление» на «интегральное исчисление». Иоганн Бернулли также предлагал заменить символ ∫ буквой I — первой буквой слова «интеграл». В итоге они договорились сохранить название «интегральное исчисление», предложенное Бернулли, и символ ∫, предложенный Лейбницем. В письме, датированном 28 февраля 1695 года, Лейбниц пишет Иоганну Бернулли: «В будущем было бы лучше с целью единообразия и гармонии не только между нами, но и во всей области изучения использовать термины сумм вместо твоих интегралов. Тогда, например, ∫ydx будет означать сумму всех y, умноженных на соответствующий dx, или сумму всех этих прямоугольников. Я прошу этого главным образом потому, что в этой форме геометрические суммы, или квадратуры, лучше соответствуют арифметическим суммам и суммам рядов. Признаюсь, что открыл весь метод, рассматривая обоюдность сложения и вычитания, а затем в своих рассуждениях перейдя от последовательностей чисел к последовательностям отрезков и ординат».

Лейбниц опубликовал и другие статьи на тему анализа бесконечно малых. Профессор Норберто Куэста Дутари насчитал 27 статей, напечатанных в период с 1684 по 1708 год только в выпусках журнала Acta eruditorum. Первооткрыватели анализа различались и в этом: Лейбниц предпочитал публиковать статьи в научных журналах, чтобы быстрее познакомить общественность с полученными результатами, а Ньютон издавал их в виде книг и постоянно откладывал публикацию.

На службе у Ганноверской династии

Когда Лейбниц вернулся в Германию, он некоторое время оставался без работы, так как фон Бойнебург умер в конце 1672 года, а несколько месяцев спустя скончался сам курфюрст. Он не смог найти ничего лучше, чем должность библиотекаря на службе курфюрста Ганновера. К сожалению для него, должность требовала, чтобы он непрерывно находился в столице Нижней Саксонии, вдали от Парижа, который в те годы был центром европейской науки, культуры и философии.

Ганноверский герцог Брауншвейг-Люнебургский стал его покровителем до конца жизни, однако жизнь в доме герцога не всегда была ему по нраву. В 1678 году он стал личным советником герцога, а в 1685 году занялся изучением истории его семейства. Однако его обязанности на этом не заканчивались. С Лейбницем советовались по вопросам образования; также он занимался инженерным делом и геологией в шахтах, расположенных в горах Гарца, где спроектировал систему дренажа шахт с помощью ветряных мельниц. Затея с мельницами завершилась неудачей и ударила по карману Лейбница, так как ему пришлось оплатить расходы из своего жалования. Часть средств, которые планировалось получить от системы дренажа, должна была пойти на создание академии и развитие characteristica universalis, но этот проект так никогда не был осуществлен. Лейбниц также занимался созданием гидравлических прессов, часов и других устройств. Не будем забывать и о спроектированной им вычислительной машине.