Joaquin Sandalinas - До предела чисел. Эйлер. Математический анализ.

• Название: До предела чисел. Эйлер. Математический анализ.
• Автор: Joaquin Sandalinas
• Жанр: Физика

Леонард Эйлер, без всякого сомнения, был самым выдающимся математиком эпохи Просвещения и одним из самых великих ученых в истории этой науки. Хотя в первую очередь его имя неразрывно связано с математическим анализом (рядами, пределами и дифференциальным исчислением), его титаническая научная работа этим не ограничивалась. Он сделал фундаментальные открытия в геометрии и теории чисел, создал с нуля новую область исследований — теорию графов, опубликовал бесчисленные работы по самым разным вопросам: гидродинамике, механике, астрономии, оптике и кораблестроению. Также Эйлер обновил и установил систему математических обозначений, которые очень близки к современным. Он обладал обширными знаниями в любой области науки; его невероятный ум оставил нам в наследство непревзойденные труды, написанные в годы работы в лучших академиях XVIII века: Петербургской и Берлинской.

---

Циклоида — это кривая, описанная точкой на окружности, которая катится по прямой.

Среди знаменитых ученых, нашедших правильное решение, были Лейбниц и Якоб Бернулли. Превосходное, но анонимное решение пришло из Лондонского Королевского общества. Прочитав его, Иоганн понял, что за ним стоял гениальный Ньютон. Считается, что он сказал фразу "лев узнается по своим когтям", которая стала популярной как аллегорическая похвала английскому ученому.

Как мы уже видели, циклоида — это кривая, которая в определенном случае может быть названа брахистохроной (от греческого "брахистос" — "самый короткий" и "хронос" — "время"). Все вышеперечисленные события вошли в историю математики как задача о брахистохроне. Много лет спустя Эйлер также обратился к циклоиде и брахистохроне, занимаясь вариационным исчислением — сильнейшим методом, созданным им вместе с Жозефом Луи Лагранжем (1736-1813) и оказавшим огромное влияние на развитие механики.

ПЕРВЫЕ ШАГИ ГЕНИЯ

Иоганн Бернулли пытался убедить Пауля, что будущее его сына заключается не в сане священника и не в теологии, а в математике. Эйлер подавал огромные надежды.

В 1726 году, в возрасте 19 лет, Эйлер уже был доктором наук. Его диссертация — назовем эту работу современным термином — была посвящена распространению звука и называлась Dissettatio physico de sono ("Диссертация по физике о звуке"). Научным руководителем юноши был Иоганн Бернулли. Эта работа могла обеспечить Эйлеру оставшуюся свободной кафедру в Базельском университете, но это было маловероятно, учитывая его юный возраст. Как и следовало ожидать, должности он не получил.

В 1727 году Эйлер принял участие в Grand Prix Парижской академии наук, предложив решение задачи о том, где лучше всего размещать мачты на корабле. Нельзя не увидеть в этом иронию судьбы: конкурс, посвященный навигации, собирался выиграть "сухопутный" Эйлер. Как пишет биограф Эйлера Эмиль Фельман, самой большой массой воды, которую тот видел в своей жизни, был Рейн, поэтому, как и большая часть населения Швейцарии, юноша был чрезвычайно далек от вопросов навигации. Так или иначе, Эйлер принял участие в конкурсе и, хоть и не выиграл его, получил медаль с отличием и приобрел известность в научном сообществе. Победителем стал Пьер Бугер, ординарный профессор 28 лет и непревзойденный специалист по гидродинамике. Юный Эйлер, изучив работы Вариньона, Галилея, Декарта, Ньютона, Ван Схотена, Германа, Тейлора, Валлиса и Якоба Бернулли, начинал демонстрировать первые проблески своего гения.

СПИРАЛЬ БЕРНУЛЛИ

Якоб Бернулли, как истинный геометр, был поражен характеристиками и видом логарифмической спирали, этой винтообразной кривой, упрощенное уравнение которой в полярной системе координат выглядит так: r = аα, где радиус r экспоненциально зависит от угла α. Ее называют spira mirabilis (удивительная спираль). Очарование Бернулли этой спиралью дошло до того, что он подал официальное прошение о том, чтобы она была высечена на его могиле вместе со словами Eadem mutata resurgo (измененная, я вновь воскресаю). Сказано — сделано. Однако Бернулли не принял в расчет скульптора, делавшего надгробие. Вместо логарифмической спирали тот высек архимедову спираль, поскольку для мраморных дел мастера все они были одинаковы. Зная, каким вспыльчивым характером обладает младший брат Якоба, которому тот передал свою страсть к этой спирали, можно только надеяться, что Иоганн не встретил скульптора на том свете.

На надгробии Якоба Бернулли была высечена не логарифмическая спираль, а спираль Архимеда (см. нижнюю часть иллюстрации), в которой расстояние между витками одинаково.

Логарифмическая спираль не имеет ни начала, ни конца. В природе она встречается в приближенном виде — спираль ураганов и некоторых галактик.

Тем временем выдающиеся математики из разных государств Европы (в особенности Германии и стран, находившихся под ее культурным влиянием), работавшие в то время в России, плели целую сеть, чтобы поймать в нее многообещающего молодого ученого. Одним из них был Кристиан Гольдбах (1690— 1764), с которым Эйлер вел переписку уже на протяжении нескольких лет и о котором мы поговорим позже.

Царь России Петр I (1672-1725), прозванный Великим, придерживался прозападных взглядов. Одним из способов интеграции своей обширной империи в европейскую цивилизацию было создание Российской академии наук по образу академий Парижа и Берлина или Лондонского королевского общества — оплотов просвещения и науки того времени.

Петр поручил искать талантливых ученых, готовых переехать в Россию. Николай и Даниил Бернулли, двое из четырех сыновей Иоганна, с которыми Эйлер был очень дружен и которые уже работали в Санкт-Петербурге, где впоследствии была открыта Академия, с согласия Гольдбаха горячо рекомендовали молодого Эйлера. Николай скоропостижно скончался от внезапного приступа аппендицита, и его место сразу же предложили Эйлеру. Тот согласился. Математик сделал это без особой охоты, но в Базеле отсутствовали какие-либо перспективы, и это стало решающим фактором.

ВКЛАД ЭЙЛЕРА В СОЗДАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ НОТАЦИИ

Эйлер начал работать над созданием новых математических знаков еще в Базеле, до отъезда в Россию, и продолжал заниматься этим всю жизнь. Справедливо будет хотя бы вкратце рассказать об этом его вкладе в математику, прежде чем мы перейдем к рассказу о других его многочисленных достижениях. Главной целью использования знаков является создание синтетического языка, который позволил бы заменить длинный

ПЬЕР БУГЕР, ОТЕЦ КОРАБЛЕСТРОЕНИЯ

Имя Пьера Бугера (1698-1758) редко упоминается в книгах по математике — в основном только в связи с ее применением в гидрографии. В этой области Бугер считается бесспорным авторитетом. Он также является одним из отцов кораблестроения. Дарование этого бретонского ученого проявилось уже в раннем возрасте: в 15 лет он обладал такими глубокими знаниями по физике и математике, что после смерти своего отца, одного из крупнейших специалистов того времени, занял его место на кафедре гидрографии. В 1727 году, когда Бугеру не было еще и 30 лет, он выиграл Grand Prix Парижской академии, решив задачу о наилучшем расположении мачт на корабле, после чего побеждал в этом конкурсе еще два раза. Эйлер в тот раз занял второе место, но впоследствии одерживал победу 12 раз.

Статуя Пьера Бугера недалеко от Луары, в его родном городе Круазик.

Наследие Бугера

Едва Бугеру исполнилось 30 лет, как он сделал важнейшие открытия в фотометрии, проанализировав уменьшение света при прохождении слоев воздуха. В1747 году он изобрел гелиометр, впоследствии усовершенствованный Йозефом Фраунгофером (1787-1826) и позволивший сделать множество открытий в спектрографии в частности и в физике в целом. В 37 лет Бугер вместе с Шарлем Мари де ла Кондамином и Луи Годеном отправился в научную экспедицию в Перу. Ее целью было определить длину градуса меридиана, и в результате был установлен факт расширения земного шара в области экватора. Бугер также открыл гравитационную аномалию, названную его именем. В 1746 году он опубликовал "Трактат о корабле, его построении и движении", ставший главным трудом по кораблестроению той эпохи. В нем стабильность корабля измеряется по положению его метацентра, или киля. Ученый был избран членом Лондонского королевского общества, а слава его символически достигла небес — его именем были названы кратеры на Луне и Марсе. В истории математики Бугера помнят из-за довольно простого, но чрезвычайно полезного нововведения: в 1752 году он предложил использовать символы ≤ и ≥

словесный текст символами и символическими обозначениями. Хорошая система знаков устанавливает общие правила их использования и позволяет нам понимать друг друга. Современная система математических знаков несовершенна, но намного более развита по сравнению с прошлыми эпохами. С ее помощью можно записать практически любое математическое сообщение с существенной экономией выразительных средств. Если же мы попробуем прочитать классический математический текст, написанный до Франсуа Виета (1540-1603), создателя современной алгебраической терминологии, это окажется совсем непростой задачей. Без использования символов все понятия должны быть выражены обычным языком, при этом не избежать частых повторений и тяжеловесных фраз. Приведем один пример.

Сегодня теорему Пифагора можно было бы сформулировать следующим образом:

В треугольнике со сторонами а, b и c, угол А = 90º <=> а2 = b2 + с2.

У Евклида же она записана в двух частях (книга 1, предложения 47 и 48):