|
Сто великих научных открытий
Дмитрий Самин
Могущественная математика
Дифференциальное и интегральное счисление
Задолго
до Ньютона и Лейбница многие философы и математики занимались вопросом о
бесконечно малых, но ограничились лишь самыми элементарными выводами. Еще
древние греки употребляли в геометрических исследованиях способ пределов,
посредством которого вычисляли, например, площадь круга. Особенное развитие
дал этому способу величайший математик древности Архимед, открывший с его
помощью множество замечательных теорем.
Кеплер
и в этом отношении ближе всех подошел к открытию Ньютона. По случаю чисто
житейского спора между покупщиком и продавцом из-за нескольких кружек вина
Кеплер занялся геометрическим определением емкости бочкообразных тел. В этих
исследованиях видно уже весьма отчетливое представление о бесконечно малых.
Так, Кеплер рассматривал площадь круга как сумму бесчисленных весьма малых
треугольников или, точнее, как предел такой суммы. Позднее тем же вопросом
занялся итальянский математик Кавальери. В особенности много сделали в этой
области французские математики XVII века Роберваль, Ферма и Паскаль. Но
только Ньютон и несколько позднее Лейбниц создали настоящий метод, давший
огромный толчок всем отраслям математических наук.
По
замечанию Огюста Конта, дифференциальное исчисление, или анализ бесконечно
малых величин, есть мост, перекинутый между конечным и бесконечным, между,
человеком и природой: глубокое познание законов природы невозможно при помощи
одного грубого анализа конечных величин, потому что в природе на каждом шагу
— бесконечное, непрерывное, изменяющееся.
Ньютон
создал свой метод, опираясь на прежние открытия, сделанные им в области
анализа, но в самом главном вопросе он обратился к помощи геометрии и
механики.
Когда
именно Ньютон открыл свой новый метод, в точности неизвестно. По тесной связи
этого способа с теорией тяготения следует думать, что он был выработан
Ньютоном между 1666 и 1669 годами и во всяком случае раньше первых открытий,
сделанных в этой области Лейбницем.
«Математику
Ньютон считал основным инструментом физических исследований, — отмечает В.А.
Никифоровский, — и разрабатывал ее для многочисленных дальнейших приложений.
После длительных размышлений он пришел к исчислению бесконечно малых на
основе концепции движения; математика для него не выступала как абстрактный
продукт человеческого ума. Он считал, что геометрические образы — линии,
поверхности, тела — получаются в результате движения: линия — при движении
точки, поверхность — при движении линии, тело — при движении поверхности. Эти
движения осуществляются во времени, и за сколь угодно малое время точка,
например, пройдет сколь угодно малый путь. Для нахождения мгновенной
скорости, скорости в данный момент, необходимо найти отношение приращения
пути (по современной терминологии) к приращению времени, а затем — предел
этого отношения, т. е. взять «последнее отношение», когда приращение времени
стремится к нулю. Так Ньютон ввел отыскание «последних отношений»,
производных, которые он называл флюксиями...
...Использование
теоремы о взаимной обратности операций дифференцирования и интегрирования,
известной еще Барроу, и знание производных многих функций дало Ньютону
возможность получить интегралы (по его терминологии, флюенты). Если интегралы
непосредственно не вычислялись, Ньютон разлагал подынтегральную функцию в
степенной ряд и интегрировал его почленно. Для разложения функций в ряды он
чаще всего пользовался открытым им разложением бинома, применял и
элементарные методы...»
Новый
математический аппарат был апробирован ученым уже ко времени создания основного
труда своей жизни — «Математических начал натуральной философии». В тот
период Ньютон свободно владел дифференцированием, интегрированием,
разложением в ряд, интегрированием дифференциальных уравнений,
интерполированием.
«Свои
открытия Ньютон, — продолжает В.А.Никифоровский, — сделал раньше Лейбница, но
своевременно не опубликовал их; все его математические сочинения были изданы
после того, как он стал знаменитым. Зимой 1664—1665 годов Ньютон нашел вид
общего разложения бинома с произвольным показателем степени. В 1666 году он
подготовил рукопись «Следующие предложения достаточны, чтобы решать задачи с
помощью движения», содержащую основные открытия по математике. Рукопись
осталась в черновом варианте и была опубликована только через триста лет.
В «Анализе
с помощью уравнений с бесконечным числом членов», написанном в 1665 году,
Ньютон изложил свои результаты в учении о бесконечно малых рядах, в
приложении рядов к решению уравнений...
...В
1670—1671 годах Ньютон стал готовить к изданию более полную работу — «Метод
флюксий и бесконечных рядов». Издателя найти не удалось: в то время книги по
математике приносили убыток. ...В «Методе флюксий» учение Ньютона выступает
как система: рассматривается исчисление флюксий, приложение их к определению
касательных, нахождению экстремумов, кривизны, вычисление квадратур, решение уравнений
с флюксиями, что соответствует современным дифференциальным уравнениям».
Лишь в
1704 году вышел первый из всех трудов Ньютона по анализу — написанное им в
1665—1666 годах. Еще через семь лет опубликовали «Анализ с помощью уравнений
с бесконечным числом членов». «Метод флюксий» увидел свет только после смерти
автора в 1736 году.
Долгое время
Ньютон и не подозревал, что на континенте успешно занимается подобной
проблемой немец Лейбниц До поры до времени высоко ценившие заслуги друг
друга, в конце концов, ученые втянулись в полемику о приоритете открытия
исчисления бесконечно малых.
Готфрид
Вильгельм Лейбниц (1646—1716) родился в Лейпциге. Мать Лейбница, заботясь об
образовании сына, отдала его в школу Николаи, считавшуюся в то время лучшей в
Лейпциге. Готфрид целыми днями просиживал в отцовской библиотеке. Без разбора
читал он Платона, Аристотеля, Цицерона, Декарта
Готфриду
не было еще четырнадцати лет, когда он изумил своих школьных учителей,
проявив талант, которого в нем никто не подозревал. Он оказался поэтом, — по
тогдашним понятиям истинный поэт мог писать только по-латыни или по-гречески.
Пятнадцатилетним
юношей Готфрид стал студентом Лейпцигского университета. Официально Лейбниц
считался на юридическом факультете, но специальный круг юридических наук
далеко не удовлетворял его. Кроме лекций по юриспруденции, он усердно посещал
и многие другие, в особенности по философии и математике.
Желая
пополнить свое математическое образование, Готфрид отправился в Иену, где
славился математик Вейгель. Возвратившись в Лейпциг, Лейбниц блистательно
выдержал экзамен на степень магистра «свободных искусств и мировой мудрости»,
то есть словесности и философии. Готфриду в то время не было и 18 лет. На
следующий год, на время обратившись к математике, он пишет «Рассуждение о
комбинаторном искусстве».
Осенью
1666 года Лейбниц уехал в Альторф, университетский город маленькой
Нюрнбергской республики. Здесь 5 ноября 1666 года Лейбниц блистательно
защитил докторскую диссертацию «О запутанных делах».
В 1667
году Готфрид отправился в Майнц к курфюрсту, которому был немедленно
представлен. В течение пяти лет Лейбниц занимал видное положение при майнцском
дворе Этот период в его жизни был временем оживленной литературной
деятельности. Лейбниц написал целый ряд сочинений философского и
политического содержания.
18
марта 1672 года Лейбниц выехал во Францию с важной дипломатической миссией.
Знакомство с парижскими математиками в самое короткое время доставило
Лейбницу те сведения, без которых он, при всей своей гениальности, никогда не
смог бы достичь в области математики ничего истинно великого. Школа Ферма,
Паскаля и Декарта была необходима будущему изобретателю дифференциального
исчисления.
Настоящие
занятия математикой начались для Лейбница лишь после посещения Лондона в 1675
году. По возвращении в Париж Лейбниц разделял свое время между занятиями
математикой и работами философского характера. Математическое направление все
более одерживало в нем верх над юридическим, точные науки привлекали его
теперь более, чем диалектика римских юристов.
В
последний год своего пребывания в Париже в 1676 году Лейбниц выработал первые
основания великого математического метода, известного под названием
«дифференциальное исчисление». Факты с достаточной убедительностью
доказывают, что Лейбниц хотя и не знал о методе флюксий, но был подведен к
открытию письмами Ньютона. С другой стороны, несомненно, что открытие
Лейбница по общности, удобству обозначения и подробной разработке метода
стало орудием анализа значительно могущественнее и популярнее Ньютонова
метода флюксий. Даже соотечественники Ньютона, из национального самолюбия
долгое время предпочитавшие метод флюксий, мало-помалу усвоили более удобные
обозначения Лейбница; что касается немцев и французов, они даже слишком мало
обратили внимания на способ Ньютона, в иных случаях сохранивший значение до настоящего
времени.
Математический
метод Лейбница находится в теснейшей связи с его позднейшим учением о монадах
— бесконечно малых элементах, из которых он пытался построить Вселенную.
Математическая аналогия, применение теории наибольших и наименьших величин к
нравственной области дали Лейбницу то, что он считал путеводною нитью в
нравственной философии.
Политическая
деятельность Лейбница в значительной мере отвлекала его от занятий
математикой. Тем не менее все свое свободное время он посвятил обработке изобретенного
им дифференциального исчисления и в промежуток времени между 1677 и 1684
годами успел создать целую новую отрасль математики.
В 1684
году Лейбниц напечатал в журнале «Труды ученых» систематическое изложение
начал дифференциального исчисления. Все опубликованные им трактаты, особенно
последний, появившийся почти тремя годами раньше появления в свет первого
издания «Начал» Ньютона, дали науке такой огромный толчок, что в настоящее
время трудно даже оценить все значение реформы, произведенной Лейбницем в
области математики. То, что смутно представлялось умам лучших французских и
английских математиков, исключая Ньютона, обладавшего своим методом флюксий,
стало вдруг ясным, отчетливым и общедоступным, чего нельзя сказать о
гениальном методе Ньютона.
«Лейбниц
в противовес конкретному, эмпиричному, осмотрительному Ньютону, — пишет В.П.
Карцев, — был в области исчисления крупным систематиком, дерзким новатором.
Он с юности мечтал создать символический язык, знаки которого отражали бы
целые сцепления мыслей, давали бы исчерпывающую характеристику явления. Этот амбициозный
и нереальный проект был, конечно, неосуществим; но он, видоизменившись,
превратился в универсальную систему обозначений исчисления малых, которой мы
пользуемся до сих пор. Он свободно оперирует знаками.., которые он
справедливо считает знаками обратных операций, и обращается с ними столь же
вольно и свободно, как с алгебраическими символами. Он легко оперирует
производными высших порядков, в то время как Ньютон вводит флюксии высшего
порядка строго ограниченно, если это необходимо для решения конкретной
задачи.
Лейбниц
видел в своих дифференциалах и интегралах всеобщий метод, сознательно
стремился к созданию жесткого алгоритма упрощенного решения ранее не решавшихся
задач.
Ньютон
же нисколько не заботился о том, чтобы сделать свой метод общедоступным. Его
символика введена им лишь для «внутреннего», личного потребления, он ее
строго не придерживался».
Вот
мнение советского математика А. Шибанова: «Склоняясь перед непререкаемым
авторитетом своего великого соотечественника, английские ученые впоследствии
канонизировали каждый штрих, каждую мельчайшую деталь его научной
деятельности, даже введенные им для личного употребления математические
знаки». «Над английской наукой тяготела традиция почитания Ньютона, и его
обозначения, неуклюжие по сравнению с обозначениями Лейбница, затрудняли
прогресс», — соглашается голландский ученый Д.Я. Стройк.
В
письме, написанном в июне 1677 года, Лейбниц прямо раскрывал Ньютону свой
метод дифференциального исчисления. Тот на письмо Лейбница не ответил. Ньютон
считал, что открытие принадлежит ему навечно. При этом достаточно того, что
оно было запрятано лишь в его голове. Ученый искренне считал: своевременная
публикация не приносит никаких прав. Перед Богом первооткрывателем всегда
останется тот, кто открыл первым.
|
