Jose Santonja - Физика учит новый язык. Лейбниц. Анализ бесконечно малых.

• Название: Физика учит новый язык. Лейбниц. Анализ бесконечно малых.
• Автор: Jose Santonja
• Жанр: Научпоп
• Год: 2015

Готфрид Вильгельм Лейбниц — один из самых гениальных ученых в истории науки. Он жил на рубеже XVII и XVIII веков, в эпоху больших социальных, политических и научных перемен. Его влияние распространяется практически на все области знания: физику, философию, историю, юриспруденцию... Но главный вклад Лейбница, без сомнения, был сделан в математику: кроме двоичного исчисления и одного из первых калькуляторов в истории он создал, независимо от Ньютона, самый мощный инструмент математического описания физического мира — анализ бесконечно малых.

---

(03+13)/(13+13) = 1/2 = 1/4+1/4.

Если взять три линии, то длины линий, находящихся в треугольнике, будут равны 0, 1 и 2, в то время как в квадрате во всех трех случаях они будут равны 2. Если взять четыре линии (см. рисунок), то в треугольнике измерения равны 0, 1, 2 и 3, в то время как в квадрате все линии имеют размер 3:

(03+13+23)/(23+23+23) = 9/24 = 6/24+3/24 = 1/4+1/8,

(03+13+23+33)/(33+33+33+33) = 36/108 = 27/108+9/108 = 1/4+1/12.

Как можно заметить, по мере увеличения числа линий результатом всегда является дробь 1/4 плюс каждый раз все меньшая дробь. При увеличении количества линий наступит момент, когда вторая дробь станет меньше любого заметного числа и, следовательно, практически равной нулю, так что площадь под кривой равна 1/4.

Метод Уоллиса для нахождения отношения между треугольником и квадратом в случае, когда имеется четыре линии.

Одним из самых серьезных ученых был англичанин Исаак Барроу (1630-1677), теолог и математик, преподаватель Ньютона на Лукасовской кафедре математики в Кембридже. На его трудах основывались Ньютон и Лейбниц.

Его главным вкладом в математику являются "Лекции по оптике и геометрии" (1669), в которых Барроу изложил свой анализ. Если бы не его чрезмерная увлеченность геометрическими методами, основателем математического анализа мог бы стать он сам. Обзор этой работы дает нам представление об элементах анализа: построение касательных, дифференцирование произведения и частного, дифференцирование степени, спрямление кривых, замена переменной в определенном интеграле и дифференцирование неявных функций. Барроу также осознавал, что вычисление квадратуры и дифференцирование были взаимно обратными операциями, о чем уже говорил шотландский ученый Джеймс Грегори, но тогда никто на это высказывание не обратил внимания. Барроу изложил свои идеи в геометрическом виде и только для некоторых функций.

ПРОБЛЕМЫ АНАЛИЗА

Один из наиболее связанных с математикой аспектов — это движение. Вспомним, что многие математики считали кривую точкой в движении. В связи с движением выделялось два вопроса: найти скорость и ускорение объекта, когда известно расстояние, которое он проходит в зависимости от времени, и обратная задача — найти скорость и пройденное расстояние, когда известно ускорение. Однако на самом деле основная задача состояла в том, чтобы выяснить, какова мгновенная скорость. Если мы проехали 90 км за один час, мы знаем, что средняя скорость этой поездки была 90 км/ч, но очень вероятно, что за этот час мы иногда набирали большую скорость, а иногда меньшую. Аналогично, если мы знаем скорость в определенный момент и время движения, мы также не можем знать пройденного расстояния, поскольку эта скорость постоянно меняется. Чтобы перейти от средней скорости к мгновенной, мы должны совершить переход к пределу, который был неизвестен в XVII веке.

Второй основной задачей было нахождение касательной к кривой. Практическое применение ее решения встречается непосредственно в оптике. В задачах с линзами важно знать угол, который образует луч с линзой, поскольку он будет таким же, как и угол преломления. Угол измеряется между лучом и перпендикуляром к касательной в точке падения луча. Также при криволинейном движении мгновенная скорость направлена по касательной к траектории. Можно представить себе очень простой эксперимент, чтобы проверить это: если привязать груз к веревке и быстро раскрутить его, то когда мы отпустим веревку, груз не будет продолжать вращаться, а переместится в направлении касательной к окружности, описываемой им ровно в тот момент, когда мы отпустили веревку.

Для древнегреческих ученых касательной к кривой была прямая, у которой была единственная общая точка с кривой и которая вся находилась с одной стороны от нее. Но в XVII веке ее определяли в терминах движения и сил.

МЕХАНИЧЕСКИЕ КРИВЫЕ: ЦИКЛОИДА

Для греков кривые могли быть плоскими (их можно получить только с помощью линейки и циркуля), коническими (они получаются при сечении конуса) или линейными (не входят в предыдущие группы, для их построения нужен какой-нибудь механический метод). Декарт, говоривший, что использование линейки и циркуля — это также способ построения кривых, назвал геометрическими кривыми те, уравнение которых является полиномиальной функцией вида f (х, у) = 0, то есть многочленом для х и у. Например, это окружность, центр которой — точка О (a, b), а радиус г соответствует уравнению (х - a)2 + (y - b)2 = r2 (рисунок 1). Остальные кривые Декарт назвал механическими. Это спирали, показательные и логарифмические функции или цепная линия, то есть кривая, форму которой принимает веревка, закрепленная с двух сторон, например кабели между двумя опорами линии электропередач. Без сомнения, главной механической кривой того времени была циклоида: кривая, описываемая точкой окружности, которая катится по полу, не проскальзывая (рисунок 2). Представим себе колесо велосипеда с приклеенной к шине жевательной резинкой: кривая, которую будет описывать резинка, когда мы приведем велосипед в движение, — это циклоида.

РИС. 1 Геометрическая кривая.

РИС. 2 Циклоида

Свое название циклоида получила благодаря Галилею. Робервалю удалось найти квадратуру сегмента циклоиды, и хотя он пытался выявить способ построения касательной, это получилось сделать только у Ферма. Паскаль поставил перед научным миром задачу нахождения площади любого сегмента циклоиды и центра его тяжести. Из всех откликнувшихся он наиболее высоко оценил работу Кристофера Рена. В свою очередь Гюйгенс сформулировал задачу построения кривой, имеющей минимум, или нижнюю точку, причем если уронить шарик, который катится без учета силы трения по этой кривой вследствие тяготения, он потратит одно и то же время, чтобы достичь нижней точки, независимо оттого, из какой точки кривой он начнет движение. Эту кривую Гюйгенс назвал таутохронной. Паскаль доказал, что решением данной задачи является обратная циклоида. Лейбниц переименовал кривые, назвав их вместо геометрических алгебраическими и поменяв название механических на трансцендентные. Эта терминология все еще используется сегодня.

Так, Роберваль считал, что на движущуюся точку влияют две силы, горизонтальная и вертикальная. Диагональ прямоугольника, образованного обеими прямыми, дает направление касательной (см. рисунок).

Направление касательной по Робервалю.

Третьей основной задачей было вычисление максимумов и минимумов. Такая проблема возникала во многих повседневных ситуациях. Считается, что задачи подобного рода появились, когда Кеплер начал изучать оптимальные формы, которые должны были иметь бочонки с вином. Он доказал, что из всех прямоугольных параллелепипедов с квадратным основанием и одной и той же площадью поверхности у куба наибольший объем. Подобного рода задачи также встречались в баллистике и при изучении движения планет.

Четвертой группой задач были измерения, предполагавшие спрямление кривых, то есть трансформацию фрагмента кривой в отрезок той же длины, в связи с чем можно было узнать размер этого фрагмента кривой: нахождение квадратуры кривой, то есть площади, ограниченной этой кривой, и нахождение кубатуры тела, то есть его объема. В данную группу задач входило также вычисление центров тяжести тел и гравитационного притяжения между ними.

И ПРИШЛИ ГЕНИИ

Практически все великие математики XVII века внесли что- нибудь в развитие анализа. Ферма, например, использовал тот же самый метод построения касательных и нахождения экстремальных значений, максимумов и минимумов. Грегори и Барроу выяснили, что вычисление квадратуры и нахождение касательной были взаимосвязаны.

Нужно было, чтобы пришел кто-то с еще лучшим зрением, чтобы увидеть связи между этими проблемами. Как Ньютон, так и Лейбниц сделали качественный скачок в создании анализа посредством двух фундаментальных аспектов. Во-первых, они нашли общий метод, который можно было применить к любому типу задач. Во-вторых, они доказали, что раз задачи по дифференцированию и нахождению квадратур взаимно обратны, то, чтобы решить одну из них, достаточно инвертировать метод и найти решение другой. Этот результат известен как основная теорема анализа. Таким образом после Лейбница и Ньютона четыре проблемы анализа свелись только к двум проблемам дифференцирования и интегрирования.

ИСААК НЬЮТОН

Исаак Ньютон (1642-1727) был математиком, физиком, алхимиком, теологом и изобретателем. Он учился в Кембриджском университете, где посещал лекции Барроу, которого он затем заменил на должности преподавателя. В 1665 году Ньютон вернулся в свою родную деревню, когда университет закрылся из-за чумы, в то время опустошавшей Англию. Два года вынужденных каникул ученый занимался исследованиями в трех больших областях: оптика, тяготение и движение тел и, наконец, анализ бесконечно малых.