В течение всего процесса формирования анализа бесконечно малых, длившегося почти две тысячи лет, со времен Архимеда до эпохи Ньютона и Лейбница, было создано множество различных математических теорий и концепций. Было вновь открыто и осмыслено наследие древних греков, в особенности работы Архимеда; появилась более сложная система счисления, чем древнегреческая и римская; и, разумеется, возникла алгебра и аналитическая геометрия, позволившая использовать методы алгебры при работе с кривыми. Стало возможным решать задачи о касательных, вычислении площади, центров тяжести, максимумов и минимумов и подобные им алгебраическим путем. Алгебра и аналитическая геометрия, по сути, стали тем языком, на котором можно было описать ранние этапы развития математического анализа. Это случилось благодаря усилиям плеяды ученых, которые совершили множество важных открытий, особенно в XVII веке.

Этот процесс был очень сложным, интенсивным и интересным не только с научной, но и в большей степени с исторической точки зрения. На него влияли крупнейшие события в истории человечества, которые, в частности, привели к утрате классической греческой культуры и последующему возврату к ней, к научно -технической революции. Сказались на формировании этого раздела математики и проблемы обособленности, вызванные сложной политической ситуацией и многочисленными войнами в Европе в XVII веке. Не обошлось и без влияния интриг одних ученых против других, непримиримых споров, диспутов и оскорблений.

 

Бесконечность в Древней Греции

Мы начнем наш рассказ с экскурса в Древнюю Грецию. Именно тогда математики и философы предприняли первые попытки понять бесконечность — метафизическую основу математического анализа.

Для древних греков бесконечность была двухголовым монстром: с одной стороны — бесконечно малое, с другой — бесконечно большое. Бесконечность вскоре оказалась вовлечена в скандалы и споры. В некотором роде она проявилась в невозможности измерить одной мерой сторону квадрата и его диагональ, что разрушило пифагорейскую концепцию вселенной и привело к первому фундаментальному кризису в математике. Она также присутствовала в апориях Зенона о движении и множестве, в которых, помимо прочего, проявлялось диалектическое противоречие между различными философскими течениями той эпохи. Апории Зенона также показывают влияние этих противоречий на математику.

Эти события привели к тому, что использование бесконечности было запрещено, точнее ограничено. Поскольку отрицать бесконечные процессы было невозможно («И в малом ведь нет наименьшего, но везде есть меньшее, — писал Анаксагор, — но и в отношении к большему всегда есть большее»), Аристотель попытался запретить использование актуальной бесконечности: «Бесконечное не может существовать как сущность или как свойство», — пишет он в книге 3 «Физики». Однако далее сам же признает: «Много невозможного получается, если вообще отрицать существование бесконечного, — это тоже очевидно», «О бытии можно говорить либо в возможности, либо в действительности, а бесконечное получается либо прибавлением, либо отнятием», иными словами, «величина не может быть бесконечной актуально, об этом уже сказано, но она может быть беспредельно делимой». Например, по Аристотелю, отрезок нельзя рассматривать как бесконечное множество точек, выстроенных в линию, однако допускается деление отрезка пополам неограниченное число раз.

О роли бесконечности в математике Аристотель писал: «Наше рассуждение… не отнимает у математиков их исследования, ведь они теперь не нуждаются в таком бесконечном и не пользуются им; надо только, чтобы ограниченная линия была такой величины, как им [математикам] желательно».

Хотя с точки зрения математики важнее другое его высказывание: «Всякую конечную величину [всегда] можно исчерпать любой определенной величиной». Это так называемая аксиома Архимеда о непрерывности. В действительности эту аксиому впервые сформулировал и использовал Евдокс, ученик Платона. Этот принцип позволил Евдоксу преодолеть кризис, возникший после того, как были открыты несоизмеримые величины. Аксиома Архимеда позднее упоминается в «Началах» Евклида в виде определения: «Говорят, что величины имеют отношение между собой, если они, взятые кратно, могут превзойти друг друга». На основе этой аксиомы Евдокс построил так называемый метод исчерпывания — строгий метод расчета площадей и объемов, который использовался, помимо прочего, для доказательства того, что площади кругов относятся как квадраты их диаметров. Это отношение мы называем числом π. Метод исчерпывания и, в частности, это утверждение позднее использовал Евклид в «Началах».

 

Архимед

Однако настоящим мастером метода исчерпывания, вне всяких сомнений, был Архимед. В нескольких трудах он изложил свою аксиому о непрерывности: «Если имеются две неравные площади, то, постоянно прибавляя к самому себе избыток, на который большая площадь превосходит меньшую, можно получить площадь, которая была бы больше любой заданной ограниченной площади», — писал он в «Квадратуре параболы». Однако он признавал, что не был первооткрывателем этого метода: «Этой леммой пользовались и жившие ранее геометры», — писал он, имея в виду Евдокса.

Архимед применял метод исчерпывания для решения многих задач. Мы уделим внимание одной из них, посвященной расчету площади спирали. Ученый рассматривал спираль, определение которой мы приводили в главе 1: эта спираль получается равномерным движением точки вдоль луча, который, в свою очередь, равномерно вращается вокруг своего начала. Архимед показал, что площадь первого витка спирали равна трети площади круга, радиус которого равен длине пути, пройденного точкой вдоль прямой во время первого витка. Чтобы доказать это, он построил фигуру несколько меньшей площади, состоявшую из п круговых секторов, полученных делением окружности на п равных частей, и другую фигуру большей площади, также состоявшую из n круговых секторов, в которую была вписана спираль, как показано на рисунке:

Эти приближенные вычисления аналогичны тем, что используются сегодня при расчете площадей кривых в полярных координатах с помощью интегралов, и абсолютно эквивалентны разбиению площади под графиком кривой на прямоугольники при определении на заданном интервале определенного интеграла функции.

Именно по этой причине Архимед считается одним из авторов первых, примитивных аналогов интегрального исчисления.

Однако существует и другая причина, по которой Архимед удостоился этого почетного звания. К сожалению, эта причина никак не повлияла на математиков последующих эпох. Речь идет об утерянном трактате Архимеда «Метод».

Эвристические рассуждения Архимеда, приводимые в этой книге, также предшествовали созданию интегрального исчисления. Похожие идеи появились в математике лишь спустя две тысячи лет после Архимеда, в XVII веке. Идея Архимеда противоречила аристотелеву отрицанию актуальной бесконечности.

Его революционная гипотеза состояла в том, что площадь рассматривалась как совокупность отрезков, а объем — как совокупность площадей. Так, прямоугольник представлялся как совокупность отрезков, параллельных его стороне, а цилиндр — как совокупность кругов, параллельных его основанию. Эти совокупности обязательно должны были быть бесконечными — здесь и появляется актуальная бесконечность, которую отрицал Аристотель.

ПАЛИМПСЕСТ АРХИМЕДА

В 1906 году датский эрудит Йохан Людвиг Гейберг обнаружил в Константинополе палимпсест — древнюю рукопись, где сохранились следы более ранней рукописи с трудами Архимеда. Поверх этого математического трактата был написан молитвенник для воскресных служб и других христианских праздников. Среди найденных работ была и ранее неизвестная — «Метод». Судя по особенностям почерка, рукопись относится примерно к 975 году н. э., а религиозные тексты, написанные поверх нее, датируются примерно 1229 годом.

ЗНАЧЕНИЕ БЕСКОНЕЧНОСТИ

Архимед также был первым греческим математиком, вычислившим сумму бесконечного числа слагаемых. Он рассматривал следующую сумму:

Ее требовалось рассчитать, чтобы определить площадь, ограниченную участком параболы. Несмотря на бесконечное число слагаемых (все они являются степенями 1 / 4 ), значение суммы конечно. Чтобы вычислить его, Архимед применил следующий прием: он умножил сумму на 1 - 1 / 4 . Получим:

Теперь разделим результат на (1 - 1 / 4 ). Так как 1 - 1 / 4 = 3 / 4 , при делении получим:

Тот факт, что сумма бесконечного числа слагаемых равна конечному числу, доказывает, почему Ахиллес в действительности сможет догнать черепаху в знаменитой апории Зенона: сумма бесконечного числа временных интервалов, каждый из которых равен половине предыдущего, является конечной.

* * * 

Как мы уже говорили, эта идея снова появилась в математике лишь в XVII веке, в работах Бонавентуры Кавальери, Грегуара де Сен-Венсана и других, о чем мы расскажем позднее. Этим математикам были известны труды Архимеда, которые были напечатаны примерно в середине XVI века, но не «Метод», поэтому они были вынуждены заново открыть этот прием, сыгравший основную роль в появлении исчисления.

Согласно хроникам, Архимед погиб от рук солдата при захвате Сиракуз римлянами в 212 году до н. э. На иллюстрации — мозаика, найденная на раскопках Помпеи.

 

От Архимеда до XVII века

Лишь в XVII веке математики овладели приемами, описанными в трудах Архимеда, что ускорило появление анализа бесконечно малых. Следует упомянуть, что до того ученые Средневековья и эпохи Возрождения совершили несколько открытий, без которых было бы невозможно появление математического анализа. Однако важнейшие из них не связаны напрямую с исчислением, поэтому мы расскажем о них лишь вкратце. Речь идет в первую очередь о потере и повторном обретении и освоении наследия древних греков. Ключевую роль также сыграло распространение по всей Европе индийской системы счисления. Этот длительный и непростой процесс начался в X веке, а позднее, в XIII—XVI веках, на севере Италии возникли школы абака — образовательные центры для тех, кто занимался торговлей.

В конце XVI века десятичная система счисления также начала применяться для записи рациональных и иррациональных чисел. Решающую роль в ее распространении наряду с Франсуа Виетом (1540—1603) сыграл Симон Стевин (1548—1620), хотя использованная им нотация была не совсем удобной. Стевин, уроженец бельгийского города Брюгге, развил свою идею по причинам практического характера: «Десятичная система счисления есть класс арифметики, в основе которого лежит идея о прогрессии с основанием 10, где используются арабские цифры так, что в этой системе может быть записано любое число; и любая операция, с которой мы имеем дело в торговле, может быть выполнена с помощью только целых чисел, без использования дробей». Он предложил унифицировать единицы мер и весов, а также денежные единицы с применением новой системы счисления, но эта идея была воплощена в жизнь лишь после Великой французской революции.

Некоторое время спустя идее Стевина последовали другие авторы, которые использовали современную нотацию с точкой (или запятой) для отделения десятичной части от целой. Среди них был шотландский барон Джон Непер (1550—1617), один из создателей логарифмов. Логарифмы появились в начале XVII века и были тесно связаны с открытием анализа бесконечно малых. Независимо от Непера логарифмы придумал и швейцарец Иост Бюрги (1552—1632). Изначально они использовались как вспомогательные функции в числовых расчетах, чтобы упростить умножение больших чисел в астрономических вычислениях. Нетрудно представить, сколько времени нужно было потратить на умножение множества подобных чисел и сколь велик был риск ошибиться. Джон Непер писал: «Ничто не причиняет столько проблем при занятиях математикой и не делает вычисления столь неприятными и затруднительными, как умножение, деление и извлечение квадратных и кубических корней из больших чисел. Операции эти помимо потери времени в большинстве случаев являются источником ошибок».

Чтобы упростить умножение больших чисел, в то время использовался метод под названием простаферезис. В его основе лежала тригонометрическая формула, с помощью которой произведение преобразовывалось в сумму. По сути, Джон Непер создал логарифмы с целью упростить этот метод: ему были нужны таблицы, с помощью которых можно было бы напрямую преобразовывать произведения в суммы.

Метод простаферезиса заключается в следующем. Допустим, мы хотим перемножить два больших числа n и m. Пусть они состоят из восьми цифр каждое — стандартная ситуация для астрономических расчетов тех времен. Для этого найдем в таблице значений косинусов два числа а и b такие, что n = cos a, m = cos b. Затем с помощью таблицы определим значения cos (a — b) и cos (a + b), после чего применим следующую формулу:

Если бы мы выполняли умножение напрямую, нам нужно было бы последовательно восемь раз умножить первое число на каждую цифру второго, после чего сложить восемь полученных чисел из восьми или девяти цифр каждое. С помощью вышеприведенной формулы и тригонометрических таблиц мы свели умножение к трем операциям сложения и простому делению на 2.

Метод простаферезиса был в некотором роде техническим инструментом: он позволял сэкономить время при расчетах, и его можно считать примитивным алгоритмом для вычислительной машины. Поэтому в течение определенного времени он держался в секрете и был доступен лишь немногим избранным. Непер, например, узнал об этом методе не самым обычным способом. Эта история больше напоминает сюжет приключенческого романа. Джон Крэйг, врач шотландского короля и друг Непера, в конце XVI века совершил путешествие в Данию, чтобы подобрать королю невесту. Корабль попал в шторм, и ему пришлось причалить к побережью вблизи лучшей обсерватории того времени, которую Тихо Браге построил на острове Вен между Данией и Швецией. Путешественников приютили в обсерватории, и, пока бушевал шторм, Крэйг познакомился с методом простаферезиса, а по возвращении в Шотландию обучил ему Джона Непера.

До XVII века было совершено крайне мало открытий, напрямую связанных с анализом бесконечно малых. Можно упомянуть о французском философе Николае Орезмском (ок. 1323—1382). Он дал примитивное определение понятия функции и ее графического представления: «Всё, что изменяется — реально ли измерить его или нет — можно вообразить как непрерывную величину, представленную отрезком». Он также внес вклад в изучение бесконечных рядов, впервые доказав, что сумма

1 + 1 / 2 + 1 / 3 + 1 / 4 + 1 / 5 + …

равна бесконечности.

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО НИКОЛАЯ ОРЕЗМСКОГО

По словам самого Николая Орезмского, причина, по которой сумма гармонического ряда

1 + 1 / 2 + 1 / 3 + 1 / 4 + 1 / 5 + …

равна бесконечности, такова: «К величине, равной 1, прибавим 1 / 2 , 1 / 3 , 1 / 4 и следующие дроби, сумма которых равна бесконечности. В самом деле из членов этого ряда можно составить бесконечное число групп, сумма которых будет больше 1 / 2 .

Так, 1 / 3 + 1 / 4 больше 1 / 2 , так как каждое из двух слагаемых больше 1 / 4 .

Аналогично,

1 / 5 + 1 / 6 + 1 / 7 + 1 / 8

больше 1 / 2 , так как каждое из четырех слагаемых больше 1 / 8 .

Аналогично

1 / 9 + 1 / 10 + … + 1 / 16

больше 1 / 2 , так как каждое из восьми слагаемых больше 1 / 16 , и так до бесконечности».

 

Наука в Европе XVII века

Перед тем как рассказать об открытиях, совершенных в XVII веке, в результате которых появился анализ бесконечно малых, будет уместно описать ситуацию в европейской науке начала XVII века.

Во-первых, нужно уточнить, что математика и наука в целом тогда не были уделом профессионалов, как в наше время. В университетах не проводились научные исследования, а полученные результаты обычно не изучались более подробно — можно сказать, что это было не принято. Почти никто из ученых, о которых мы расскажем на следующих страницах, не был профессиональным математиком: некоторые были юристами, другие — архитекторами, дипломатами, богословами, и лишь очень немногие зарабатывали на жизнь математикой или же были как-то связаны с университетами. Поэтому когда мы называем кого-либо математиком, это означает, что этот ученый внес вклад в развитие математики, но мог иметь совершенно иную сферу профессиональных и научных интересов.

Это привело к ряду неудобств. Исследователи объединялись вокруг одного ученого или любителя науки, подобные группы часто были изолированными друг от друга или враждовали, что было вызвано вопросами патриотизма или спорами о научных состязаниях или турнирах, которые в ту эпоху проводились очень часто. По всем этим причинам полученные результаты распространялись неэффективно: как правило, о них упоминали в письмах друзьям или знакомым, далее, спустя некоторое время (иногда крайне длительное) эти знания оформлялись в виде книг, которые также не становились достоянием широкого круга.

В этих условиях лучшее математическое образование давали не университеты, а отдельные ученые. Одним из ведущих научных обществ первой половины XVII века была Accademia Nazionale dei Lincei (Национальная академия деи Линчей), в которой состоял Галилей. Академия была основана в Риме в 1603 году и прекратила свое существование спустя 30 лет. Центром, возможно, важнейшего научного общества был монах францисканского ордена минимов Марен Мерсенн (1588—1648). Мерсенн, который жил в Париже начиная с 1610-х годов, создал кружок математиков и ученых, встречи которого проводились еженедельно. Мерсенн помогал многим европейским ученым и философам поддерживать переписку с Дезаргом, Ферма и Паскалем (последний начал посещать встречи кружка в конце 1630-х, будучи еще подростком). Кружок также способствовал распространению философских трудов Декарта и астрономических трактатов Галилея. Помимо организаторской работы, Мерсенн также внес вклад в математику и акустику.

В начале XVII века было восстановлено практически все математическое и научное наследие Древней Греции, сохранившееся после бурных времен Средневековья. Хотя «Начала» Евклида и другие базовые труды были хорошо известны и изучены, более глубокие и сложные трактаты, в частности книги Архимеда, были поняты лишь несколько десятилетий спустя. Их освоение сыграло решающую роль в создании анализа бесконечно малых. Некоторые из отцов-основателей исчисления, в частности Валлис и Барроу, имели в личной библиотеке экземпляры трудов Архимеда. Достаточно сказать, что Архимед был наиболее цитируемым автором во всех книгах о вычислении площадей и объемов, написанных в течение всего этого столетия.

Однако один из аспектов математики Архимеда и древнегреческой математики вообще радикально изменился. Речь идет о логической строгости изложения. Математика XVII века была намного менее строгой и четкой, чем древнегреческая. Может показаться, что это был шаг назад, однако именно эта смена парадигмы в итоге позволила преодолеть границы, обозначенные в древнегреческой математике, и, в частности, создать математический анализ. В отличие от ученых Древней Греции, математиков XVII века интересовали открытия, а не безупречно строгие доказательства.

Чем была вызвана эта смена парадигмы? Этому можно привести различные объяснения, в том числе и философские: ученые XVII века не находились под влиянием философии Платона, которой и была обусловлена строгость логического изложения, свойственная греческой математике. Причины этому могут носить исторический характер: XVI и XVII века были временем самых разнообразных открытий: географических (открытие Америки в конце XV века стало результатом не точных логических рассуждений, а, напротив, ошибки Колумба при вычислении радиуса Земли), астрономических (гелиоцентрическая теория Коперника), медицинских (кровообращение) и технических (изобретение книгопечатания Гуттенбергом, создание микроскопа и телескопа).

Математики предпочитали уделять основное внимание разработке новых методов, с помощью которых можно было совершать открытия, не заботясь о логической строгости этих методов. В рамках такого подхода бесконечность использовалась без аристотелевских ограничений, и бесконечно малые и бесконечно большие величины стали применяться очень широко. Изначально они применялись для вычисления площадей, объемов, углов наклона касательных, центров тяжести, максимумов, минимумов и так далее. Решением этих задач занималась целая плеяда математиков начала XVII века, так называемые предшественники математического анализа. Позднее бесконечно малые позволили Ньютону и Лейбницу создать две похожие версии анализа бесконечно малых. Наконец, уже в XVIII веке Эйлер, несомненно, великий знаток бесконечного, создал математический анализ, в котором функции изучались с помощью методов анализа бесконечно малых.

Если говорить об обстоятельствах, способствовавших созданию исчисления, следует упомянуть еще об одном крупном направлении в математике XVII века — аналитической геометрии.

БЕСКОНЕЧНОСТЬ КАК НЕЧТО БОЖЕСТВЕННОЕ

Существует еще одна причина, которую можно назвать теологической, благодаря которой в XVII веке бесконечность стала использоваться более свободно, чем в Древней Греции. Это связано с восприятием бесконечности как атрибута всемогущего христианского Бога. Следуя заветам Аристотеля, богословы отказывали человеку в возможности понять актуальную бесконечность, но им не оставалось другого выбора, кроме как перевести это понятие в область богословия. Так, Фома Аквинский рассматривал Бога как полную и всеобъемлющую актуальную бесконечность.

Такая трактовка достаточно часто встречается в трудах философов XVII века. Подтверждение этому мы находим у Декарта: «Мыслю некоего вышнего Бога — вечного, бесконечного, всеведущего, всемогущего, творца всех сущих, помимо него самого, вещей», а также: «Что же до Бога, я считаю его столь бесконечным, что к его совершенству ничего уже нельзя добавить»; у Спинозы: «Под Богом я разумею существо абсолютно бесконечное (ens absolute infinitum), то есть субстанцию, состоящую из бесконечно многих атрибутов, из которых каждый выражает вечную и бесконечную сущность», а также у Лейбница: «Следует считать, что эта божественная субстанция, неделимая, универсальная и непреложная, не должна иметь пределов и содержать всю реальность, какую только возможно».

Некоторые из этих философов также были учеными и математиками. Лейбниц, например, был одним из создателей математического анализа. Ньютон, еще один из отцов-основателей анализа, также был богословом и верил во всемогущего Бога.

Аналитическая геометрия позволила сопоставить кривым уравнения. Например, окружности единичного радиуса, то есть кривой, все точки которой отстоят на одну единицу от фиксированной точки, называемой центром, соответствует уравнение x 2 + y 2 = 1. Также стало возможным сопоставить уравнениям кривые, в результате чего математики смогли изучить намного больше кривых. Теперь, чтобы задать новую кривую, вместо определения ее геометрических свойств требовалось лишь написать соответствующее уравнение. Кроме того, стало возможным применение алгебраических методов для решения геометрических задач, в частности задач на вычисление площадей, определение углов наклона касательных и так далее.

На смену частным геометрическим методам пришли более общие — алгебраические. Например, расчет угла наклона касательной для разных кривых радикально отличался, а методы алгебры, в частности нахождение производной, позволяли определять угол наклона касательной одним и тем же способом для всех кривых. Для этого достаточно было использовать алгоритм, созданный на основе правил вычисления производной.

Следует осознать всю важность открытия этих общих правил, скрытых за неимоверным числом частных результатов, которые были накоплены за первые три четверти XVII века, Именно общие правила аналитической геометрии позволили Ньютону и Лейбницу стать первооткрывателями математического анализа.

 

Вычисление квадратуры и кубатуры

Вернемся в начало XVII века и расскажем подробнее о методах анализа бесконечно малых, ставших основой математического анализа. Начнем с методов вычисления площадей и объемов, или, говоря языком той эпохи, расчета квадратур и кубатур.

Из всех методов, появившихся в первой трети этого столетия для решения подобных задач, наиболее важным был метод неделимых, предложенный учеником Галилея, преподавателем Болонского университета Бонавентурой Кавальери (1598— 1647). В одном ряду с ним стоят только методы вычисления объема, разработанные Кеплером, которые использовались австрийскими виноделами при изготовлении бочек.

Можно сказать, что в основе метода неделимых лежали принципы, предложенные еще Архимедом. Кавальери рассматривал площади фигур как множество линий, объемы — как множество плоских сечений. Множество линий, образующих плоскую фигуру, Кавальери называл omnes linae («все линии»). Стало возможным сравнение площадей любых двух плоских фигур путем сравнения соответствующих им omnes linae: согласно Кавальери, «фигуры относятся друг к другу, как все их линии, взятые по любой регуле», как показано на иллюстрации.

Метод Кавальери был применим не только для расчета площадей, но также для расчета объемов тел. Он попытался разработать целую теорию неделимых, которая позволила бы доказать полученные им результаты без использования понятия бесконечности (как строили свои доказательства древнегреческие математики). Однако в его рассуждениях очевидно используется актуальная бесконечность. Это стало определенным преимуществом, так как именно явное присутствие бесконечности привело к тому, что метод Кавальери оказался более гибким, пусть и менее строгим, чем метод исчерпывания, к которому прибегали греки. С помощью своего метода неделимых Кавальери вычислил площадь фигур, ограниченных параболой общего вида x n для n = 3, 4, 5, 6 и 9. Тем самым он намного опередил Архимеда, который провел расчеты площади лишь для параболы и спирали, которым соответствовала функция х2.

По сравнению с открытыми позднее способами вычисления площадей и объемов метод неделимых Кавальери обладает рядом недостатков: он недостаточно общий, слишком зависит от геометрических рассуждений, не говоря уже о логической небезупречности. Однако этот метод позволил найти новые квадратуры и кубатуры и превзойти результаты, полученные древнегреческими математиками.

Кроме того, недостатки этого метода вскоре удалось преодолеть. Так, Эванджелиста Торричелли (1608—1647), друг Кавальери, мастерски использовал этот метод и нашел различные строгие доказательства в стиле древнегреческих математиков, а Ферма, Паскаль и Валлис, а также Роберваль (1602—1675) и его метод бесконечно малых преобразовали геометрический метод Кавальери в алгебраический, благодаря чему он стал более общим и его стало возможно применять более широко.

Фрагмент мраморной статуи Бонавентуры Кавальери, хранящейся в Академии искусств Милана. Ученый изображен размышляющим над бесконечно малыми величинами.

Перед рассказом о том, как Валлис усовершенствовал метод Кавальери, остановимся на личности Грегуара де Сен-Венсана (1584—1667), иезуита, ученика Христофора Клавия и придворного учителя короля Испании Филиппа IV. По поручению папы Григория XIII Сен-Венсан разработал новый календарь и поощрял занятия математикой среди иезуитов. Он совершил значимые открытия во многих областях. Так, он расширил геометрический метод интегрирования, который позднее оказал влияние на работы Паскаля. Однако эта работа была опубликована с заметным опозданием — лишь в 1647 году, хотя была завершена в конце 1620-х годов. К тому времени Сен-Венсан стал уделять больше внимания алгебраическим методам, разработанным под влиянием аналитической геометрии. Он также был автором работы о геометрических рядах, которую Гюйгенс рекомендовал к изучению Лейбницу. Результаты, полученные в этой работе, Сен-Венсан использовал в обсуждении знаменитой апории Зенона об Ахиллесе и черепахе. Он указывал, что Зенон не учел, что отрезки, которые нужно пройти Ахиллесу, образуют геометрическую прогрессию со знаменателем 1/2 и, несмотря на то что эта прогрессия имеет бесконечное множество членов, ее сумма является конечной. Однако наиболее значимым вкладом Сен-Венсана, на наш взгляд, является обнаружение связи между логарифмами и площадью фигуры, ограниченной гиперболой. Выражаясь языком той эпохи, он доказал, что если длина интервалов возрастает геометрически, то площадь фигуры увеличивается арифметически, что показано на иллюстрации.

Теперь пришло время рассказать о Джоне Валлисе (1616—1703), одном из основателей Лондонского королевского общества и главе кафедры геометрии в Оксфорде с 1649 года. Возможно, этот пост был пожалован ему за то, что он расшифровал перехваченные сообщения роялистов во время Гражданской войны в Англии. В библиотеке Валлиса были двуязычные издания трудов греческих авторов (на латинском и греческом языках), в том числе Архимеда. Валлис также был автором грамматики английского языка (1653).

Он видоизменил метод неделимых Кавальери, присвоив им числовые значения. Таким образом, на смену геометрическим преобразованиям при вычислении площадей фигур пришли арифметические расчеты. Кроме того, Валлис ввел примитивную операцию, подобную переходу к пределу. Валлис достаточно свободно использовал бесконечные процессы (стоит напомнить, что именно он является автором знака бесконечности ∞, который мы используем и поныне), сделав тем самым еще один шаг от безупречной логической строгости к открытию новых, более мощных методов. Степень этих изменений можно увидеть, если обратить внимание на названия трудов Кавальери и Валлиса: труд Кавальери носил название Geometria indivisibilibus continuorum nova quadam ratione promota, книга Валлиса — Arithmetica infinitorum. Труд Валлиса отличается общим характером арифметических и алгебраических расчетов по сравнению с частными геометрическими доказательствами Кавальери; он также полностью использует широкие возможности бесконечности, в то время как Кавальери вынужден формулировать строгие и логичные доказательства в древнегреческом стиле, что, безусловно, накладывало свои ограничения. Показательным для того времени является следующий комментарий Валлиса относительно недостаточной логической строгости его метода: «Этот метод является в высшей степени еретическим, однако его можно подтвердить с помощью хорошо всем известного метода вписанных и описанных фигур, что излишне, поскольку частые повторения отвлекают читателя. Любой сведущий в этом предмете может выполнить такое доказательство». Это один из немногих случаев, когда в книге фигурирует термин «доказательство». Будучи под впечатлением от созданного им арифметического метода, с помощью неполной индукции и интуиции Валлис смог рассчитать площадь всех парабол вида xr, где r — любое рациональное число, не равное —1. Более того, ему удалось найти удивительную формулу для расчета числа π:

Арифметические методы Валлиса для вычисления площадей оказали огромное влияние на Ньютона, который подтвердил, что идеи о биноме и других основных понятиях математического анализа возникли у него после тщательного изучения книги Валлиса во время учебы в Кембридже. Сам Валлис предложил любопытную родословную анализа бесконечно малых.

1. Метод исчерпывания (Архимед).

2. Метод неделимых (Кавальери).

3. Арифметика бесконечного (Валлис).

4. Метод бесконечных рядов (Ньютон).

 

Центры тяжести

С расчетом площади и объема тесно связана задача об определении центра тяжести. В конце XVI века, после того как был обнаружен труд Архимеда «О равновесии плоских фигур», некоторые математики начали уделять внимание решению подобных задач. Среди них были два переводчика трудов Архимеда на латынь Франческо Мавролико (1494—1575) и Федерико Коммандино (1509—1575), а также Симон Стевин, который систематизировал и упростил методы Архимеда.

Несколько позднее появились работы швейцарского математика Пауля Гюльдена (1577—1643), который повторно открыл теорему об объемах тел вращения и центрах тяжести, известную как теорема Гюльдена, хотя она упоминается еще в «Собрании» Паппа Александрийского: «Объем тела вращения равен площади фигуры, умноженной на длину окружности, радиусом которой служит расстояние от оси вращения до центра тяжести фигуры». Гюльден вел ожесточенный спор с Кавальери (оба они были иезуитами) о методе неделимых: швейцарец обвинял Кавальери, с одной стороны, в плагиате кеплеровских идей, с другой — в отсутствии логической последовательности при рассмотрении площади как совокупности отрезков. Гюльдену удалось привести простое и элегантное геометрическое построение, где метод неделимых Кавальери вел к противоречию. Однако доказательство Гюльдена, которое он привел для своей теоремы, изобиловало метафизическими рассуждениями и было еще более спорным, чем методы Кавальери. Последний не замедлил указать на это в ответ на нападки Гюльдена.

 

Расчет угла наклона касательной

Методы анализа бесконечно малых, связанные с расчетами угла наклона касательной, наряду с задачами вычисления объемов и площадей относятся к числу задач, изучение которых привело к появлению математического анализа.

Само понятие касательной, «прямой, которая касается кривой в одной точке», вызвало множество трудностей, так как с помощью аналитической геометрии Ферма и Декарта можно было с легкостью вводить новые кривые, и, как следствие, предметом изучения математиков стал широкий спектр различных кривых. В этом смысле интересный пример представляют логарифмы, появившиеся как средство упрощения операций умножения, деления и извлечения корня из больших чисел, что использовалось в астрономических наблюдениях. Это позволило составить очень точные таблицы положений звезд и небесных тел. В итоге была введена логарифмическая функция и соответствующая ей кривая, для которой можно вычислить ограниченную ею площадь, угол наклона касательной и так далее. Рост числа изучаемых кривых привел к тому, что старое определение касательной как прямой, которая касается кривой в одной точке, стало не вполне удобным. Кроме того, потребовались новые методы нахождения касательных к новым кривым. Следует упомянуть метод, предложенный Ферма, также применимый в задачах определения максимумов и минимумов и для спрямления кривых. В знак признания этих и других работ о квадратурах некоторые французские математики XVII века (французом был и Ферма) считали его создателем математического анализа. Важность этих результатов Ферма несколько преувеличена, но сам Ньютон в письме, найденном в 1934 году, признавал, что в своих работах по математическому анализу он опирался на метод касательных Ферма: «Указание я получил из метода касательных Ферма. Применив его к абстрактным уравнениям прямым и обратным способом, я придал этому методу общий характер». Как бы то ни было, Ферма, «король среди любителей», как называл его шотландский математик и писатель Эрик Темпл Белл, имея в виду его непрофессиональные занятия математикой, занимает почетное место в истории науки. Это право он заслужил не только за предполагаемое доказательство своей знаменитой теоремы, для которого оказались «слишком узки» поля книги.

Другие математики, помимо Ферма, также разработали новые методы для определения углов наклона касательных, но практически во всех использовались бесконечно малые величины. Так, можно упомянуть Роберваля и его кинематический метод для нахождения касательной к спирали, который также использовали Галилей, Торричелли и Архимед. Заслуживает упоминания Декарт и его метод, представленный в труде «Геометрия», а также Барроу, Худде, де Слюза и их псевдодифференциальные методы. Все они обладали схожими недостатками: они были в достаточной степени применимы к алгебраическим кривым, но требовали изменений для каждой конкретной кривой, что было чрезвычайно сложно, а иногда и вовсе невозможно сделать для трансцендентных кривых. Все эти методы были унифицированы с помощью дифференциала, введенного Лейбницем, и флюксии, введенной Ньютоном. Эти понятия были близки к современной производной.

В середине этого же столетия возник важный класс задач, имевший большое историческое значение, в которых требовалось определить кривую по известным свойствам ее касательной. Первую задачу такого типа сформулировал юрист и ученик Декарта Флоримон де Бон (1601—1652). Возможно, самой известной из предложенных им задач является задача о нахождении кривой с постоянной подкасательной. Эту задачу не удалось решить самому Декарту, и вся слава досталась Лейбницу: как вы увидите чуть позже, он привел решение в первой в истории книге по анализу бесконечно малых и тем самым продемонстрировал всю мощь созданного им метода.

Для создания математического анализа обязательно (и неизбежно) требовалось признать, что задачи о касательной и о квадратуре являются обратными друг другу. Говоря современным языком, необходимо было показать, что дифференцирование и интегрирование — взаимно обратные операции. Именно в этом заключается основная теорема анализа, которая неспроста носит это название. Этот факт был известен Ферма, Торричелли и прежде всего Барроу, однако по причинам, о которых мы расскажем позднее, они не поняли всю его важность для решения задач, его значимость как связующего элемента двух классов задач — о касательных и квадратурах. Основная теорема анализа указала математикам путь, которым нужно следовать: выделять общее и наиболее значимое из множества частных случаев.

Исаак Барроу был учителем Ньютона. Его работы лежат в основе анализа бесконечно малых. 

Исаак Барроу (1630—1677) был одним их тех гигантов, о которых говорил Ньютон в письме Роберту Гуку в феврале 1676 года: «Если я видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов» (из главы 3 вы узнаете, что эта фраза допускает еще одно, достаточно нелицеприятное толкование). Барроу был учителем Ньютона в Кембридже и первым лукасовским профессором математики. Он оставил этот пост в 1669 году (его заменил Ньютон), занялся богословием (он был англиканским пастором с 1660 года) и стал духовником короля Англии Карла II. Возможно, он подошел ближе всех к открытию математического анализа, за исключением Ньютона и Лейбница. Ему не хватало самой малости — знаний аналитической геометрии. Барроу создал метод нахождения касательных, очень похожий на вычисление производной. Кроме того, он добился важных результатов при решении задач по расчету площадей, а также доказал, что задачи нахождения касательной и задачи на вычисление площади являются обратными. Возможно, он руководствовался идеями Торричелли, с которым познакомился во время путешествия во Францию, Италию, Германию, Голландию и Константинополь, когда ему пришлось по религиозным мотивам покинуть Англию, где в то время правил Оливер Кромвель. Его доказательство приводится в лекции X его книги Lectiones geometricae. Оно является чисто геометрическим и выполняется для монотонных кривых. В нем также используется старое определение касательной как прямой, которая касается кривой в единственной точке.

Чего же не хватило Барроу, чтобы открыть анализ бесконечно малых? Ему требовалось перейти от частной задачи нахождения касательной к общей задаче определения изменения функции, то есть ввести понятие, эквивалентное понятию флюксии у Ньютона или, с небольшими отличиями, понятию дифференциала у Лейбница, а также разработать алгоритм расчетов (правила нахождения производной). Однако для этого Барроу требовалась аналитическая геометрия: она позволила бы описать кривые (геометрические объекты) с помощью формул (алгебраических объектов) и перейти от задачи нахождения касательной к задаче определения производной функции. Алгебраические методы были также обязательными для создания правил вычисления производных. С другой стороны, без сведения процесса нахождения кривой (вычисления производной) к простому алгоритмическому методу с возможностью инвертирования (то, что мы называем вычислением первообразной) тот факт, что задачи нахождения касательной и определения квадратуры являются взаимно обратными, был бы не слишком полезен. По этой причине Барроу не осознал всю значимость доказанного им утверждения. Барроу не нравилась алгебраизация геометрии, выполненная Ферма и Декартом, что в итоге стоило ему авторства математического анализа. Он оставил этот почетный титул Лейбницу и Ньютону.

Математический анализ появился во время научной революции, продолжавшейся весь XVII век, и решающую роль в этом сыграли два ученых первой величины: Исаак Ньютон и Готфрид Лейбниц. О математическом анализе можно говорить тогда, когда обобщены два базовых понятия (прообразы современной производной и интеграла), разработаны алгоритмы их вычисления (правила вычисления производной) и показано, что эти понятия являются взаимно обратными (это утверждение сегодня известно как основная теорема анализа). Для решения задач нахождения касательной, максимумов и минимумов, квадратуры, центра тяжести и других, которыми занимались предшественники Лейбница и Ньютона, достаточно использовать эти базовые понятия, должным образом интерпретированные, и применять алгоритм их вычисления, основанный на правилах, о которых мы рассказали в главе 1.