Укрощение бесконечности. История математики от первых чисел до теории хаоса Стюарт Иэн
Прежде всего математики сосредоточились на поиске четких формул для решения частных типов самых простых дифференциальных уравнений. И в некотором смысле это было неудачным шагом: как правило, формул для таких типов уравнений просто не существует. В итоге внимание оставалось прикованным скорее к уравнениям, которые можно решить с помощью формул, нежели к тем, которые точно описывают законы природы. Хороший пример – дифференциальное уравнение движения маятника, принимающее форму:
с соответствующей константой k, где t – время, а – угол отклонения маятника (при = 0 он принимает вертикальное положение). Для этого уравнения не существует решения в виде классических функций (многочленных, экспоненциальных, тригонометрических, логарифмических и т. д.). Но есть решение с использованием эллиптической функции, найденное век спустя. Однако если предположить, что угол сколько угодно мал, и мы видим, что маятник совершает совсем небольшие колебания, sin становится практически равен , и чем меньше угол , тем точнее приближение. А значит, дифференциальное уравнение можно заменить таким:
в итоге получим формулу для решения:
= A sin kt + B cos kt
для констант A и B, определяющих начальное положение и угловую скорость маятника.
Этот подход имеет ряд преимуществ: например, мы можем легко определить, что период колебаний маятника – время, необходимое на его полное движение, – равен 2/k. Главный недостаток с точки зрения математики в том, что решение делается неверным, когда становится достаточно большим (и здесь большим окажется даже угол в 20°, если мы хотим получить точный ответ). Тут уже возникает вопрос строгости: имеем ли мы тут случай, когда точное решение для приблизительного уравнения не противоречит приблизительному решению для точного? Ответ положительный, однако это удалось доказать только в 1900 г.
Второе уравнение можно решить точно, потому что оно линейное – содержит только первую степень неизвестной и ее производную, а коэффициенты – константы. Функция, которая является прототипом решения для всех линейных уравнений, – экспонента y = ex. Она удовлетворяет уравнению:
Таким образом, ex – собственная производная. Это свойство – одна из причин того, что логарифмы именно по основанию е принимаются как натуральные. Соответственно производная натурального логарифма ln x равна 1/x, а интеграл от 1/x равен ln x. Любое линейное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами может быть решено с использованием экспоненциальных и тригонометрических функций (последние, как мы уже видели, на самом деле являются экспоненциальными, только замаскированы).
Типы дифференциальных уравнений
Различают два типа дифференциальных уравнений. Обыкновенные дифференциальные уравнения (ОДУ) имеют дело с неизвестной функцией y от одной переменной х, а также с различными производными от y, такими как dy/dx или d2y/d2x. До сих пор приведенные здесь примеры дифференциальных уравнений относились к обыкновенным. Гораздо более сложной, но и более важной для математической физики является идея дифференциальных уравнений в частных производных (ДУЧП). Это уравнения, содержащие неизвестные функции от двух и более переменных, таких как f(x, y, t), где x и y – координаты на плоскости, а t – время. ДУЧП содержат эту функцию в выражении с частными производными относительно каждой переменной. Новое выражение используется для описания производных от одних переменных с учетом других, а все остальные остаются неизменными. Таким образом, x/t показывает скорость изменения x во времени, а y остается константой. Это называется частной производной, отсюда и термин «дифференциальные уравнения в частных производных».
Эйлер представил ДУЧП на суд ученых в 1734 г., а д’Аламбер опубликовал ряд работ по ним в 1743 г., но большинство ранних исследований проходило за закрытыми дверями. Первый большой прорыв случился в 1746 г., когда д’Аламбер вернулся к старой проблеме – колебаниям струны. Иоганн Бернулли обсуждал численный метод конечных элементов в 1727 г., учитывая колебания конечного числа точечных асс, расположенных равноудаленно друг от друга вдоль невесомой струны. Д’Аламбер рассматривает непрерывную струну с однородной плотностью, применяя вычисления Бернулли для n масс и предполагая, что число n стремится к бесконечности. Таким образом, непрерывная струна рассматривалась как бесконечное множество бесконечно малых сегментов, соединенных вместе.
Исходя из результатов Бернулли, основанных на открытом Ньютоном законе движения, и сделав некоторые упрощения (например, что размер колебаний небольшой), д’Аламбер пришел к формуле ДУЧП:
где y = y (x, t) описывает форму струны в момент времени t как функцию горизонтальной координаты x. Здесь a – константа, определяемая по натяжению и плотности струны. В продолжение научного спора д’Аламбер доказал, что общее решение для ДУЧП имеет вид:
y(x, t) = f(x + at) + f(x – at),
где f периодична, причем период вдвое длиннее струны, и f – нечетная функция, т. е. f(–z) = –f(z). Эта формула удовлетворяет естественному граничному условию, что концы струны неподвижны.
Уравнение волны
Сегодня мы называем ДУЧП д’Аламбера волновым уравнением и интерпретируем его решение как суперпозицию симметрично расположенных волн, из которых одна движется со скоростью а, а вторая со скоростью – а (они перемещаются в противоположных направлениях). Это стало одним из самых важных уравнений в математической физике, потому что в природе волны встречаются повсюду, причем самые разные.
Эйлер ознакомился с работой д’Аламбера и тут же постарался улучшить ее. В 1753 г. он показал, что без граничных условий общее решение будет выглядеть так:
y(x, t) = f(x + at) + g(x – at),
где f и g периодичны, но не удовлетворяют никаким другим условиям. В частности, эти функции могут иметь различные формулы для разных областей x – особенность, которую Эйлер считал свойством функций, имеющих разрывы, хотя в современной терминологии они непрерывны, но имеют разрывную первую производную.
В более ранних работах, опубликованных в 1749 г., он указывал, что (для простоты мы принимаем, что длина струны равна единице) простейшие нечетные периодические функции являются тригонометрическими:
f(x) = sin x, sin 2x, sin 3x, sin 4x…
и т. д. Эти функции представляют простые синусоидальные колебания с частотой 1, 2, 3, 4 и т. д. Эйлер утверждал, что общим решением здесь является наложение (суперпозиция) таких кривых. Базовая синусоида sin x является основной модой колебаний, а остальные будут более высокими модами, – в итоге получается то, что мы теперь называем гармониками.
Сравнение решений волнового уравнения, предложенных Эйлером и д’Аламбером, привело к фундаментальному кризису.
Д’Аламбер не признал возможности существования разрывных функций в интерпретации Эйлера. Более того, рассуждения Эйлера грешили одной нестыковкой, поскольку тригонометрические функции всегда непрерывны, и, следовательно, конечны наложения (суперпозиции) из них. Эйлер предпочел не углубляться в это противоречие между конечными и бесконечными суперпозициями. Впрочем, в те дни никто не был очень строгим в подобного рода вопросах и никто из ученых еще не ступил на этот сложный путь важности обоснования новых методов. Однако в итоге такое упущение привело к серьезным проблемам. На время разногласия утихли, пока новая работа Фурье не подлила масла в огонь.
Последовательность изображений волны, движущейся слева направо
Режимы колебаний струны
Музыка, свет, звук и электромагнетизм
Древним грекам было известно, что колебание струны может давать много разных музыкальных нот в зависимости от расположения узлов, или неподвижных точек. Для основной частоты неподвижными остаются только точки крепления. Если у струны есть узел посередине, получается нота на октаву выше, и чем больше таких узлов, тем выше частота ноты. Более высокие колебания называют обертонами.
Колебания скрипичной струны представляют собой стоячие волны: форма струны в любой момент времени остается неизменной, за исключением того, что она либо растягивается, либо сжимается под прямым углом к своей длине. Наибольшее растяжение – это амплитуда волны, которая физически определяет тон ноты. Форма волны наглядно изображается в виде синусоиды, а их амплитуды соответствуют изменению синусоиды во времени.
В 1759 г. Эйлер развил эти идеи, перейдя от струн к барабанам. И снова он вывел уравнение волны, описывающее продольные колебания барабанной мембраны во времени. Физической интерпретацией этого явления была закономерность, по которой ускорение отдельно взятой точки барабанной поверхности пропорционально среднему натяжению, полученному в результате совместного воздействия на этот участок соседних точек. Барабан отличается от струны не только количеством измерений (его поверхность – двумерная плоская мембрана), но и гораздо более интересными границами. Собственно, они здесь вообще играют решающую роль. Границей поверхности барабана может быть любая замкнутая кривая, и ключевым условием является ее фиксированность. Вся остальная поверхность барабана может двигаться, однако его обод надежно закреплен.
Математики XVIII в. были способны решить уравнения для колебаний мембраны барабанов разной формы. И снова они обнаружили, что любое колебание может быть составлено из более простых, и это дает нам уникальный набор разных частот. Самым простым случаем считается прямоугольный барабан, простейшие колебания которого являются комбинацией синусоидальных волн в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Более сложный случай – круговой барабан, который приводит к новым функциям – так называемым функциям Бесселя. Амплитуды этих волн всё еще представляют собой синусоиды, меняющиеся во времени, но их пространственная структура намного сложнее.
Уравнение волны очень важно для науки. Волны возникают не только в музыкальных инструментах, но и в физике света и звука. Эйлер открыл трехмерный вариант уравнения, который приложил к звуковым волнам. Примерно веком позже Джеймс Клерк Максвелл получил такое же математическое выражение из своих уравнений, описывающих электромагнитные волны, и предсказал существование радиоволн.
Колебания поверхности круглого барабана, а также настоящей гитары
Земное притяжение
Еще одна область приложения ДУЧП – притяжение, или теория потенциала. Главной движущей силой развития теории стало изучение силы тяжести – Земли и любой другой планеты. Ньютон представлял планеты как идеальные сферы, хотя их истинная форма ближе к эллипсоиду. И хотя сила притяжения к сфере одинакова с притяжением к точечной частице (для расстояний, выходящих за границы сферы), это нельзя сказать об эллипсоидах.
Колин Маклорен совершил важный рывок в этой области в удостоенном награды труде от 1740 г. «Трактат о флюксиях», изданном в 1742 г. Его первым шагом был поиск доказательства того, что если жидкость однородной плотности вращается с постоянной скоростью под влиянием своей силы тяжести, то наиболее равновесной формой обязательно будет сфероид – эллипсоид вращения. Затем он изучил силы притяжения, создаваемые таким сфероидом, но не очень успешно. Главным результатом было то, что если у двух эллипсоидов одинаковые фокусы и частица находится либо на экваториальной плоскости, либо на оси вращения, то сила притяжения любого сфероида будет пропорциональна их массе.
Эллипсоид
В 1743 г. Клеро продолжил работу над этой проблемой, опубликовав свой труд «Теория фигуры Земли, извлеченная из принципов гидростатики». Но настоящий прорыв совершил Адриен-Мари Лежандр. Он доказал основное свойство, характерное не только для сфероида, но для любого тела вращения. Если вам известна сила тяготения по всей длине оси вращения, вы можете вычислить ее в любой другой точке. Метод Лежандра позволял представить силы тяжести как интеграл в сферических полярных координатах. Умело обращаясь с этим интегралом, он выразил его величину как композицию сферических гармоник, которые определяются специальными функциями, получившими название многочленов Лежандра. В 1784 г. он продолжил работу в этой области, доказав много основных свойств открытых им многочленов. Фундаментальным ДУЧП в теории потенциала является уравнение Лапласа. Его можно найти в пятитомнике «Небесной механики», которую он начал издавать в 1799 г. Схожие идеи уже возникали у его предшественников, но именно Лаплас придал им четкость и завершенность. Уравнение имеет вид:
где V(x, y, z) – потенциал точки (x, y, z) в пространстве. Интуитивно он пришел к выводу, что величина потенциала в любой заданной точке составляет среднюю величину от размеров крошечной сферы вокруг нее. Уравнение действительно и вне границ тела: внутри него необходима модификация. Это выражение ныне известно как уравнение Пуассона.
Тепло и температура
Успехи в изучении звука и силы тяготения побудили математиков обратить взор и на другие физические явления. Одним из самых притягательных было тепло. В XIX в. наука о теплопередаче приобрела практичную основу, главным образом из-за нужд развивающейся металлообрабатывающей промышленности и благодаря возросшему интересу к внутренней структуре Земли, в частности температуре внутри планеты. Измерить напрямую температуру в областях, расположенных в тысячах километров под земной корой, тогдашними методами, конечно, было невозможно. Оставалось найти косвенные пути, основанные на знании того, как тепло распространяется в телах разной консистенции.
В 1807 г. Жозеф Фурье представил свой доклад о путях распространения тепла Французской академии наук, но его не утвердили из-за серьезных недоработок. Чтобы подтолкнуть ученого к дальнейшим исследованиям, Академия даже учредила к 1812 г. Большую премию за изучение теплопроводности. Поскольку о награде стало известно заранее, Фурье уже в 1811 г. успел оформить свои идеи в виде доклада на соискание премии и выиграл ее. Но его труд всё равно жестоко критиковали за недостаток логической строгости, и Академия не разрешила его публиковать в виде научной статьи. Фурье, в ярости из-за такого отношения, написал труд «Аналитическая теория тепла», изданный в 1822 г. Туда почти полностью и без изменений вошел доклад 1811 г., но было и много новых материалов. Наконец в 1824 г. ученого оценили по заслугам: он был избран секретарем Академии и уже без помех опубликовал в виде научной статьи свой доклад от 1811 г.
Первым шагом Фурье был вывод ДУЧП для описания теплопроводности. Там имелось множество упрощений и допущений: тело должно быть однородным (с одинаковыми свойствами по всему объему) и изотропным (его свойства не зависят от направления) и т. д. В итоге он получил выражение, которое теперь известно как уравнение теплопроводности. Оно описывает распределение температуры в любой точке трехмерного тела и в зависимости от времени. Уравнение теплопроводности очень похоже с виду на уравнение Лапласа и на волновое уравнение, но с частной производной по времени в первой степени, а не во второй. Это небольшое отличие очень важно для математики ДУЧП в целом.
Были выведены такие же уравнения для одномерных и двумерных тел (стержень и плоскость), полученные удалением переменной z (для двумерного тела) и y (для одномерного). Фурье решил уравнение теплопроводности для стержня (чью длину мы принимаем равной ), на концах которого сохраняется неизменная температура, с условием, что в момент времени t = 0 (начальное состояние) температура в точке x стержня принимает вид:
b1 sin x + b2 sin 2x + b3 sin 3x + …
(выражение, полученное с помощью предварительных вычислений), и сделал вывод, что температуру должно описывать схожее, но более сложное выражение, где каждый член умножается на соответствующую экспоненциальную функцию. Аналогия с гармониками в волновом уравнении поразительна. Но там каждая мода задана обычной синусоидой, колеблется бесконечно с одинаковой амплитудой, а здесь каждая синусоидальная мода распределения температуры убывает экспоненциально по времени, и более высокие моды убывают быстрее.
КАК РАБОТАЮТ РЯДЫ ФУРЬЕТипичный пример разрывной функции – прямоугольная волна S(x), которая принимает значение 1, когда < x 0, и равна 1, когда 0 < x , и имеет период 2. Применив формулу Фурье к прямоугольной волне, мы получаем ряд S(x) = sin x + 1/3 sin 3x + 1/5 sin 5x + …
Синусоиды складываются, как мы видим на схеме ниже.
Представление с помощью ряда Фурье прямоугольной волны: вверху ее компоненты, синусоиды, внизу – их сумма
Хотя волна прямоугольной формы разрывная, каждое ее приближение будет непрерывно. Но по мере добавления всё больших членов ряда колебания растут, делая график рядов Фурье всё более крутым около точек разрыва. Здесь мы видим, как бесконечный ряд непрерывных функций может превратиться в разрывную функцию.
Причина такого различия в том, что в волновом уравнении энергия сохраняется, и поэтому колебание не затухает. А в уравнении теплопроводности тепло распространяется по всему стержню и теряется на его концах, потому что они охлаждаются.
Результатом работы Фурье стало то, что мы можем разложить начальное распределение температуры в ряд Фурье – сумму синусов и косинусов, похожую на приведенную выше формулу, а значит, способны немедленно описать, как тепло распространяется по телу со временем. Фурье считал очевидным, что такое выражение можно составить для любого начального распределения температуры, – и здесь-то начинались его неприятности. Мало кому из современников ученого было интересно, какое отношение теплопроводность имеет к волнам. Ее изучение казалось гораздо более сложным занятием.
Доводы Фурье в пользу возможности разложить функцию на синусы и косинусы были слишком сложными, запутанными и недостаточно строгими. Ему пришлось воспользоваться всеми разделами математики, чтобы в конце концов получить простые выражения для коэффициентов b1, b2, b3 и т. д. Обозначив начальное распределение температуры как f(x), он получил:
В 1777 г. Эйлер уже вывел эту формулу во время работы над волновым уравнением для звука и доказал ее с помощью мудрого наблюдения, заметив, что разные моды, sin mx и sin nx, являются ортогональными, т. е.
равен 0, если m и n – разные целые числа, не равные 0, т. е. на самом деле равен /2, если m = n. Если предположить, что f(x) можно разложить в ряд Фурье, то, умножив обе стороны выражения на sin nx и проинтегрировав, мы избавимся от всех слагаемых, кроме одного, и в остатке получим формулу Фурье для bn.
Гидродинамика
Ни одно обсуждение ДУЧП в математической физике не будет полным без упоминания гидродинамики. И правда, эта область очень важна для практического применения, поскольку уравнения описывают, как вода обтекает подводные локи или воздух – воздушные суда, и даже показывают сопротивление воздуха во время гонок «Формулы-1».
Эйлер сделал первые шаги в этой области в 1757 г., выведя ДУЧП для движения жидкости с нулевой вязкостью («липкостью»). Это уравнение остается в силе для некоторых жидкостей, но из-за излишней упрощенности не очень практично. Уравнения для вязких жидкостей вывел в 1821 г. Клод Навье, а потом их получил в 1829 г. Пуассон. Уравнения включают различные частные производные скорости движения жидкости. В 1845 г. Джордж Стокс вывел те же уравнения исходя из базовых физических принципов, и в итоге они получили название уравнения Навье – Стокса.
ЧТО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ ДАЛИ ИМПредложенная Кеплером модель эллиптических орбит была не так точна. Она была бы надежной в случае двух тел в Солнечной системе, но уже появление третьего начинает менять (нарушать) эллиптическую орбиту. Огромные расстояния между планетами несколько смягчают это воздействие, отчего большинство орбит всё же остаются близкими к эллипсам. Но Юпитер и Сатурн ведут себя очень странно: то замедляются и не попадают вовремя в ожидаемую точку, то, наоборот, делают рывок вперед, опережая график. Этот эффект возникает из-за их взаимного притяжения, а также из-за притяжения к Солнцу.
Закон всемирного тяготения, открытый Ньютоном, не ограничивает число тел в системе, но вычисления по его формуле очень сложны, если тел три или больше. В 1748, 1750 и 1752 гг. Французская академия наук учреждала премии за точный расчет орбит движения Юпитера и Сатурна. В 1748 г. Эйлер с помощью дифференциальных уравнений описал, как притяжение Юпитера воздействует на орбиту Сатурна, и получил премию. Он повторил попытку в 1752 г., но на сей раз в его работу вкралось несколько серьезных ошибок. Однако идеи, заложенные им в основу метода в целом, оказались весьма полезны.
Юпитер и Сатурн, изображенные вместе
СОФЬЯ ВАСИЛЬЕВНА КОВАЛЕВСКАЯ 1850–1891
Софья Ковалевская была дочерью генерала артиллерии и могла гордиться благородным происхождением. Но случилось так, что стены ее детской были обклеены страницами лекции по математическому анализу. В 11 лет ее впервые заинтересовали странные обои, и девочка сама научилась основам исчисления. Она всерьез заинтересовалась математикой, предпочтя ее всем прочим наукам. Отец пытался воспрепятствовать такому странному увлечению, но ничего не смог поделать: девочка читала книги по алгебре, когда родители спали. Чтобы получить свободу передвижения и продолжить образование, ей пришлось выйти замуж, однако брак не был удачным. В 1869 г. она начала изучать математику в Гейдельберге, но, поскольку в этот университет не принимали женщин, Софья ценой немалых усилий получила разрешение слушать курсы лекций неофициально. Продемонстрировав недюжинный математический талант, в 1871 г. она перебралась в Берлин, где ее наставником стал выдающийся аналитик Карл Вейерштрасс. И снова ей не удалось стать полноправной студенткой, но Вейерштрасс давал ей частные уроки.
Она занималась собственными исследованиями, и к 1874 г. Вейерштрасс решил, что ее работа достойна докторской степени. Софья написала три статьи: о ДУЧП, эллиптических функциях и кольцах Сатурна. В тот же год ученая была удостоена докторской степени от Университета Гёттингена. Статья о ДУЧП опубликована в 1875 г.
В 1878 г. у Софьи родилась дочь, но уже в 1880 г. она вернулась в математику и стала изучать рефракцию света. В 1883 г. ее муж, с которым они давно жили раздельно, покончил с собой, а Софья всё глубже погружалась в математику в надежде заглушить чувство вины. Она получила место преподавателя в Стокгольмском университете в 1884 г. и читала там лекции. В 1889 г. она стала третьей женщиной, которой предложили стать профессором в европейском университете, после Марии Аньези (так и не решившейся занять этот пост) и физика Лауры Басси. Здесь Софья провела исследование о вращении твердого тела, выдвинула свою работу на конкурс, объявленный Академией наук в 1886 г., и выиграла. Жюри так восхитилось ее блестящей работой, что даже увеличило денежный приз. Следующая работа в той же области получила премию Шведской академии наук, а также стала поводом для избрания ее членом Императорской Санкт-Петербургской академии наук.
Обыкновенные дифференциальные уравнения
Мы посвятим этот раздел двум самым важным вкладам в применение ОДУ (обыкновенных дифференциальных уравнений) в механике. В 1788 г. Лагранж опубликовал свою «Аналитическую механику», с гордостью отметив во вступлении:
В этой работе нет чертежей. Излагаемые мною методы не требуют построений, геометрических или механических рассуждений, а только алгебраических действий, подчиненных регулярному и единообразному ходу.
К тому времени стали очевидны ловушки и недостатки наглядных доказательств, и Лагранж задался целью не прибегать к ним. Теперь схемы и рисунки снова были в деле, подкрепленные неопровержимой логикой и доказательствами, но упорство Лагранжа, решившего описать законы механики только формулами, дало бесценный толчок развитию новой области знаний. Любая система может быть описана с помощью самых разных переменных. Например, для маятника обычная координата – угол его отклонения, но расстояние по горизонтали от него до вертикали ничем не хуже.
Скорость глобального ветра и колебания температуры, вычисленные по расширенной версии уравнений Навье – Стокса
Уравнения движения могут выглядеть совершенно по-разному в различных системах координат, и Лагранжу это казалось неэлегантным. Он нашел способ так переписать их, что они становились схожими для любой системы координат. Первым его изобретением стали парные координаты. Для каждой координаты q (такой, например, как угол отклонения маятника) существовала соответствующая ей координата скорости (угловая скорость движения маятника). Если имеется k координат положения, то будет и k координат скорости. Вместо дифференциальных уравнений второго порядка Лагранж вывел уравнения первого порядка по положению и скорости. Он сформулировал это в терминах величины, сейчас называемой лагранжианом.
Уильям Гамильтон развил идеи Лагранжа, сделав их еще более элегантными. Физически он использовал импульс вместо скорости, чтобы определить дополнительные координаты. Математически он вычислил величину, известную сейчас как гамильтониан, или функция Гамильтона, которую можно интерпретировать – для многих систем – как энергию. В теоретических работах по механике, как правило, используется формализм Гамильтона, оказавшийся актуальным и для квантовой механики.
ЧТО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ ДАЮТ НАММежду волновым уравнением и современными радио и телевидением есть самая прямая связь.
Примерно в 1830 г. Майкл Фарадей занялся экспериментами по электричеству и магнетизму, исследуя возникновение магнитного поля под воздействием электрического тока и появление электрического поля при движении магнита. Современные генераторы и электромоторы – прямые потомки сконструированных им аппаратов. В 1864 г. Джеймс Клерк Максвелл преобразовал выкладки Фарадея в математические уравнения, описывающие электромагнетизм, – уравнения Максвелла. Это были ДУЧП, относившиеся к явлениям электричества и магнетизма.
Простой вывод из уравнений Максвелла приводит нас к волновому уравнению. Этот расчет показывает, что электрическое и магнитное поля могут передвигаться вместе, подобно волне, со скоростью света. А что движется с такой скоростью? Свет! А значит, свет – электромагнитная волна. Уравнение не ставит пределов для частоты волны, световые волны демонстрируют сравнительно небольшой диапазон частот. Из этого физики заключили, что должны существовать и другие электромагнитные волны с иными частотами. Генрих Герц продемонстрировал физическое существование таких волн, а Гульельмо Маркони обратил их к практической пользе, создав радио. Дальше число новых технологий стало расти как снежный ком. Телевизор и радар также работают на электромагнитных волнах, как и спутниковая навигационная система GPS, сотовые телефоны и беспроводные компьютерные сети.
Радиоволны
Физика становится математической
Невозможно переоценить значение для науки «Начал» Ньютона, заложивших математическую основу в описание самых сложных природных явлений. Но последующие события оказались не менее важными. Математики взялись за исследование всего, что прежде считалось предметом изучения физики: звука, тепла, света, гидродинамики, притяжения, электричества, магнетизма. И для всех этих явлений они вывели дифференциальные уравнения, поразительно точно описывавшие законы физики.
Еще более поразительными стали дальнейшие шаги науки. Множество самых выдающихся технических достижений, таких как изобретение радио и телевидения и обеспечение воздушных перевозок, зависело от математики дифференциальных уравнений. И эта область остается одной из наиболее активно развивающихся в науке, где практически каждый день совершаются новые открытия. Не будет преувеличением сказать, что изобретение Ньютоном дифференциальных уравнений, получивших практическое приложение благодаря его последователям в XVIIIXIX вв., во многом определило облик современного мира. Это очевидно, если вы дадите себе труд заглянуть за кулисы сегодняшней жизни.
Глава 10. Невозможные величины
Математики различают несколько видов чисел с разными свойствами. Главное здесь не отдельные числа, а «сообщество», к которому они принадлежат, – иными словами, то, с кем они водят компанию.
Четыре из этих систем чисел хорошо нам знакомы: натуральные: 1, 2, 3, …; целые, куда также входит 0 и отрицательные не дробные; рациональные, включающие дроби вида p/q, где p и q – целые числа, причем q не равно 0; и действительные числа, обычно представляемые десятичными дробями с бесконечным количеством знаков после запятой – что бы это ни значило. Они включают рациональные числа, в том числе периодические десятичные дроби, и иррациональные, такие как 2, e и , у которых в цифрах после запятой нет повторяющихся последовательностей.
Целые числа
Само название подразумевает нечто единое; остальные создают впечатление, что упомянутые системы представляют собой некие ощутимые, действительные вещи: натуральные, рациональные и, конечно, вещественные. Эти названия отражают и в то же время поддерживают давно сложившееся мнение, что числа – неотъемлемая черта окружающего нас мира.
Многие уверены, что единственный способ сделать открытие в математике – изобрести новые числа. И это убеждение ложно: многие разделы математики вообще не имеют дела с числами, и, во всяком случае, цель любого исследования – изобретение новых теорем, а не чисел. Однако порой появляются и «новые числа». И одно из таких изобретений – «невозможное», или «мнимое», число – коренным образом изменило облик математики, наделив ее поистине невероятной мощью. Этим числом стал квадратный корень из –1. Древним математикам сама эта идея показалась бы чушью, потому что в их времена квадрат любого числа мог быть только положительным. А значит, отрицательные числа не могут иметь квадратных корней. Но попробуйте представить, что они есть. Что тогда будет?
Математикам понадобилось очень много времени, чтобы понять: числа – не более чем искусственно созданные изобретения человеческого разума. Они незаменимы для постижения окружающего мира, но в то же время являются его частью не более, чем любой из треугольников Евклида или вычислительная формула. На протяжении истории нашей культуры математики противились этой философской проблеме, пока не убедились, что мнимые числа незаменимы, полезны и даже в чем-то схожи с более привычными нам действительными.
Проблемы с кубическим уравнением
Революционные идеи в математике редко зарождаются в простом и на поверку очевидном контексте. Чаще всего им необходима сложная почва. Так вышло с квадратным корнем из –1. Сейчас мы обычно вводим это число в квадратном уравнении x2 + 1 = 0, решением для которого становится –1 – что бы это ни значило. Первыми математиками, задавшимися вопросом, имеет ли это хоть какой-то смысл, стали алгебраисты эпохи Возрождения, пришедшие к проблеме квадратных корней из отрицательных чисел несколько необычным путем: в поисках решений для кубических уравнений.
Вспомним, как дель Ферро и Тарталья нашли решение для кубических уравнений, позже опубликованных Кардано в его труде «Великое искусство». В современных символах решение для кубического уравнения x3 + ax = b выглядит так:
Математики эпохи Возрождения описали это выражение словами, но методика вычислений была точно такой же.
Иногда эта формула работает безупречно, но порой чревата проблемами. Кардано заметил, что, когда формулу применяют к уравнению x3 = 15x + 4, с явным решением x = 4, результат выглядит так:
Но это выражение кажется не имеющим смысла, ведь у числа –121 не существует квадратного корня. Кардано зашел в тупик и написал Тарталье, попросив его объяснить это недоразумение, но Тарталья не уловил сути вопроса, и его ответ был невразумителен.
Решение проблемы нашел Рафаэль Бомбелли в своем трехтомном труде «Алгебра», изданном в Венеции в 1572 г. и в Болонье в 1579 г. Бомбелли не устраивали загадки и недоговоренности «Великого искусства» Кардано, и он взял на себя труд написать нечто более ясное. Он стал оперировать этим «нескладным» квадратным корнем, как если бы это было обычное число, отмечая:
и выводя из этого любопытную формулу:
Точно так же Бомбелли вывел формулу:
Теперь мы можем записать сумму двух кубических корней как
Итак, этот странный метод всё же привел нас к верному ответу – безупречно целому числу, хотя нам и пришлось манипулировать «невозможными» величинами.
Да, это всё очень интересно, но работает ли это?
Мнимые числа
В поисках ответа на этот вопрос математикам пришлось найти надежные пути рассуждений о квадратных корнях из отрицательных чисел и способы вычислений с их использованием. Первые ученые, в том числе Декарт и Ньютон, считали эти мнимые числа верным признаком того, что у задачи нет решения. Если вам надо найти число, чей квадрат равен –1, то формальное решение является мнимым числом, а значит, решения не существует. Но вычисления Бомбелли предполагают, что только мнимостью здесь не ограничиться. Эти числа можно использовать для поиска решения, они показывают, что оно существует.
В 1673 г. Джон Валлис изобрел простой способ представлять мнимые числа в виде точек на плоскости. Он исходил из привычного метода построения действительных чисел в виде прямой, расставив на ней положительные числа по правую сторону и отрицательные по левую.
Затем он ввел еще одну прямую, под прямым углом к первой, и уже на ней расположил мнимые числа.
Это похоже на алгебраический подход Декарта к геометрии с использованием координатных осей. Только здесь на одной оси мы видим действительные числа, а на второй – мнимые. Валлис несколько иначе выразил эту идею: его версия скорее была ближе к подходу Ферма, чем напоминала систему координат Декарта. Но основной принцип тот же. Оставшаяся поскость соотносится с комплексными числами, состоящими из двух частей: одна действительная, другая мнимая. В декартовой системе координат мы отмеряем действительную часть вдоль вещественной прямой, а мнимую – параллельно мнимой линии. Иными словами, число 3 + 2i будет отложено на три единицы вправо от начала координат и на две единицы вверх.
Линия действительных чисел
Идея Валлиса решила проблему придания смысла мнимым числам, но никому не пришло в голову обратить на это внимание. И всё же медленно, но верно идея распространялась на уровне подсознания. Все больше математиков переставали беспокоиться, что –1 не может занять место на действительной прямой, и понимали, что он разместится где-то в более просторном мире комплексной плоскости. Но были и такие, кто отвергал саму идею: в 1758 г. некто Франсуа Дэви де Фонсене категорически утверждал в своем труде, что совершенно не имеет смысла представлять, будто мнимые числа формируют линию, расположенную под прямым углом к линии действительных чисел. Но всё же больше было таких, кто искренне приветствовал идею Валлиса, понимая ее важность.
Две дублирующиеся линии с действительными числами, расположенные под прямым углом
Идея, что комплексная плоскость позволяет расширить вещественную прямую и дать приют мнимым числам, подразумевалась в работе Валлиса, хотя ее объяснение было несколько туманным. Более ясное изложение мы находим у норвежца Каспара Весселя в издании от 1797 г. Вессель был землемером, он стремился прежде всего представить геометрию плоскости с помощью чисел. И наоборот: его идеи можно рассматривать как способ представления комплексных чисел в терминах планиметрии. Но он опубликовал свою работу только в Дании, и она оставалась под спудом почти целый век, пока ее не перевели на французский. Французский математик Жан-Робер Арган опубликовал такой же способ представления комплексных чисел в 1806 г., а Гаусс открыл независимо от них то же самое в 1811 г.
Комплексная плоскость по Весселю
Комплексный анализ
Если бы комплексные числа так и остались полезны только для алгебры, им было бы суждено оставаться отвлеченным научным курьезом, занимающим исключительно математиков. Но по мере роста интереса к исчислению, который принял строгую форму математического анализа, люди стали замечать, что действительно интересное слияние вещественного анализа с комплексными числами – точнее, комплексный анализ – не только возможно, но и желательно. Действительно, для многих задач это существенно.
Это открытие выросло из первых попыток обдумать существование комплексных функций. Самые простые функции, такие как возведение в квадрат или в куб, зависят только от алгебраических операций, поэтому было легко определить их для комплексных чисел. Чтобы возвести в квадрат комплексное число, необходимо умножить его само на себя, и тот же прием годится для действительных чисел. Квадратные корни из комплексных чисел немного каверзнее, но приносят нам приятную награду за потраченные силы: каждое комплексное число имеет квадратный корень. И действительно, любое такое число, не равное 0, имеет ровно два квадратных корня (положительный и отрицательный, равные по модулю). Так мы обогатили действительные числа новым числом i, вдобавок обеспечив –1 квадратным корнем и определив квадратные корни для любого числа в расширенной системе комплексных чисел. А как быть с синусами, косинусами, экспонентами и логарифмами? На этом этапе они особенно интересны, но и более головоломны. Особенно логарифмы.
Как и число i само по себе, логарифмы комплексных чисел тут же превратились в очередную проблему. В 1702 г. Иоганн Бернулли исследовал процесс интегрирования, применив его к обратным полиномам второй степени. Он нашел изысканный способ решения этой задачи, когда у квадратного уравнения есть два действительных корня: r и s. Теперь мы можем переписать это подынтегральное выражение, используя так называемые простейшие дроби:
что приводит нас к интегралу
A ln (x – r) + B ln (x – s).
А что, если квадратное уравнение не имеет действительного корня? Как, например, проинтегрировать величину, обратную x2 + 1? Бернулли понимал, что раз уж вы занялись алгеброй комплексных чисел, трюк с простейшей дробью сработает и здесь, только в этом случае r и s будут комплексными числами. Например:
а интеграл этой функции принимает форму:
1/2 ln (x + i) + 1/2 ln (x – i).
Этот финальный шаг не совсем удовлетворителен, поскольку требует определения логарифма комплексного числа. Возможно ли сделать корректным такое утверждение?
Бернулли считал, что можно, и благодаря этой идее добился потрясающего эффекта. Той же позиции придерживался и Лейбниц. Однако математические детали всё еще требовали доработки. К 1712 г. оба ученых сошлись в споре по самой сути такого подхода. Забудем про комплексные числа, – что такое логарифм отрицательного действительного числа? Бернулли считал, что он тоже должен быть действительным, а Лейбниц утверждал, что он будет комплексным. Бернулли представил нечто вроде доказательства своей правоты: с помощью обычного вычислительного формализма уравнение
может быть проинтегрировано, получим
ln (-x) = ln (x).
Однако Лейбница это не убедило, и он по-прежнему утверждал, что интегрирование будет верно только для положительного действительного x.
Этот узконаправленный спор был разрешен в 1749 г. Эйлером, и оказалось, что Лейбниц был прав. Бернулли забыл, что любой интеграл включает произвольную константу. И вместо полученного Бернулли выражения должно быть
ln (-x) = ln (x) + c
для некой константы с. Но что это за константа? Если логарифм отрицательных (и комплексных) чисел должен иметь свойства логарифма действительных чисел, что и является целью всей игры, то верно, что
ln (-x) = ln (–1 x) = ln (–1) + ln x,
так что c = ln (–1). Затем Эйлер привел последовательность изящных преобразований, получив еще более явную формулу для с. Прежде всего он нашел способ манипулирования различными формулами, содержащими комплексные числа, придя к выводу, что они ведут себя очень похоже на действительные, и получил соотношение между тригонометрической функцией и экспоненциальной:
ei = cos + i sin .
Эта формула была предложена в 1714 г. Роджером Котсом. Установив, что = , Эйлер получил превосходный результат:
ei = –1,
связавший две основные математические константы: e и . Вызывает восхищение как само существование этой связи, так и ее простота. Эта формула по праву считается одной из самых красивых формул всех времен.
Взяв логарифм, мы получаем:
ln (–1) = i,
приоткрывая тайну этой непостижимой константы с из предыдущего текста: она равна i. В таком случае это мнимое число, т. е. Лейбниц был прав, а Бернулли ошибался.
Но и это еще не всё: ящик Пандоры едва успел открыться. Если принять, что = 2, то
e2i = 1.
Значит, ln (1) = 2i. Тогда уравнение x = x 1 приводит к выводу:
ln x = ln x + 2 i.
Тогда для любого целого
ln x = ln x + 2ni.
На первый взгляд, бессмыслица: это означает, что 2ni = 0 для любого n. Но есть и такой способ проинтерпретировать это выражение, что оно покажется осмысленным. В случае комплексных чисел логарифмическая функция многозначна. И действительно, кроме тех случаев, когда комплексное число z равно 0, функция ln z может принимать бесконечно много разных значений (когда z = 0, ее логарифм не определен).
ЧТО КОМПЛЕКСНЫЕ ЧИСЛА ДАЛИ ИМДействительные и мнимые части комплексной функции должны удовлетворять условиям Коши – Римана, что тесно связано с применением ДУЧП для гравитации, электричества, магнетизма и некоторых видов гидродинамики на плоскости. Это условие позволяет решать многие уравнения в математической физике – но только для двумерных систем.
Магнитное поле вокруг магнитного стержня, «увидеть» которое помогают железные опилки: комплексный анализ может быть использован при расчете таких полей
Математики привыкли пользоваться функциями, которые могут иметь несколько разных значений, и квадратный корень остается самым очевидным примером: здесь даже действительное число имеет два разных корня, положительный и отрицательный. Но бесконечно много значений? Это действительно странно.
Интегральная теорема Коши
Большой переполох в этой области учинило открытие, что вы можете заниматься исчислением – комплексным анализом – с комплексными функциями, а полученная в результате теория элегантна и полезна. Настолько полезна, что само логическое обоснование данной идеи перестало волновать кого бы то ни было. Когда что-то работает и вы понимаете, что без этого не обойтись, вы обычно не особо задаетесь вопросом, почему так получилось.
Два разных пути P и Q от –1 до 1 на комплексной плоскости
Использование комплексного анализа, судя по всему, стало осознанным выбором математического сообщества: это обобщение столь явное и убедительное, что любой математик, наделенный здравым смыслом, захотел бы увидеть, к чему это приведет. В 1811 г. Гаусс пишет письмо своему другу астроному Фридриху Бесселю, излагая свой подход к комплексным числам как к точкам на плоскости. Также он упоминает о некоторых глубинных результатах. Среди них – базовая теорема, заложившая фундамент комплексного анализа в целом. Сегодня она известна нам как интегральная теорема Коши, хотя Гаусс сформулировал ее гораздо раньше в своих неопубликованных работах.
ОГЮСТЕН ЛУИ КОШИ 1789–1857
Огюстен Луи Коши родился в Париже в самый разгар политических неурядиц. Друзьями его семьи были Лаплас и Лагранж, так что Коши с детских лет был знаком с миром высшей математики. Он поступил в Политехническую школу и закончил ее в 1807 г. В 1810 г. его пригласили работать инженером в Шербуре. Здесь он участвовал в подготовке планов вторжения Наполеона в Англию, но не оставил надежду заняться математикой и старательно штудировал «Небесную механику» Лапласа и «Теорию аналитических функций» Лагранжа. Несмотря на неудачные попытки получить академическую должность, Коши продолжил исследования в математике. Его знаменитая статья по интегрированию комплексных функций, давшая основу всему комплексному анализу, появилась в 1814 г. и наконец привела его к заветной цели: через год ему досталось место доцента по математическому анализу в Политехнической школе. Талантливый математик Коши опубликовал статью о волнах, принесшую ему в 1816 г. премию Академии наук. Он продолжил исследования в области комплексного анализа, и в 1829 г. в своем труде «Краткое изложение уроков о дифференциальном и интегральном исчислении» дал первое явное определение комплексной функции.
После революции 1830 г. Коши ненадолго эмигрировал в Швейцарию, а в 1831 г. стал профессором теоретической физики в Турине. Как преподаватель он проявил себя крайне неорганизованным. В 1833 г. он перебрался в Прагу, став преподавателем у внука Карла X. Однако принцу были одинаково противны как математика, так и физика, отчего Коши часто выходил из себя. Ученый вернулся в Париж в 1838 г., восстановился в качестве преподавателя в Академии, но не хотел преподавать, пока в 1848 г. не был низложен Луи-Филипп I. За свою научную карьеру Коши успел опубликовать 789 блестящих работ по математике.
Эта теорема касается определенных интегралов от комплексных функций, т. е. выражения:
где a и b – комплексные числа. В вещественном анализе это выражение можно оценить, найдя первообразную F(z) для f(z), т. е. такую функцию F(z), чтобы ее производная dF(z)/dz = f(z). Тогда определенный интеграл равен F(b) – F(a). В данном случае его величина зависит только от конечных точек a и b, а не от того, как вы движетесь от одной к другой.
В комплексном анализе, по словам Гаусса, всё иначе. Здесь величина интеграла может зависеть от пути, по которому переменная z движется от точки a к точке b. Поскольку комплексные числа формируют плоскость, их геометрия гораздо богаче, чем у вещественной прямой, и здесь очень важны дополнительные характеристики.
Например, представим, что вы интегрируете f(z) = 1/z от a = –1 до b = 1. Если упомянутый путь представляет собой полуокружность P, расположенную выше вещественной оси, то интеграл получается равным –i. Но если путь представляет собой полуокружность Q, расположенную ниже вещественной оси, интеграл будет равен i. Это две разные величины, и разница между ними равна 2i.
По мнению Гаусса, разница появляется, потому что функция 1/z ведет себя плохо. Она делается бесконечной в зоне, ограниченной двумя путями, а именно в точке z = 0, которая является центром окружности, образованной двумя путями. «Я утверждаю теперь, что интеграл ‹…› сохраняет одно и то же значение, если внутри части плоскости, заключенной между двумя путями, представляющими переход, функция нигде не равна бесконечности. Это прекрасная теорема, и доказательство к ней я при случае предоставлю». Однако последнего Гаусс так и не сделал.
Теорема была вновь открыта другим ученым, Огюстеном Луи Коши, подлинным основателем комплексного анализа. Да, Гаусс высказал много блестящих идей, но они бесполезны, пока лежат под спудом. Коши опубликовал свою работу. Он постоянно публиковал что-то новое. Говорят, что журнал Comptes Rendus de l’Academie Franaise принял негласное правило (действующее по сей день) не принимать статьи длиннее четырех печатных страниц как раз ради того, чтобы не позволить Коши заполонить все страницы. Но даже это не обескуражило ученого: он стал писать больше коротких статей. Основные принципы комплексного анализа с удивительной скоростью вылетали из-под его неутомимого пера. И он оказался гораздо более простой, изящной и во многом более полной теорией, чем вещественный анализ.
Например, в вещественном анализе функция может быть дифференцируемой, а ее производная – нет. Она может быть дифференцируемой 23 раза, а на 24-й – нет. Она может быть дифференцируема столько раз, сколько вам угодно, но не может быть представлена степенным рядом. Ни одна из этих неприятностей не грозит вам в комплексном анализе. Если функция дифференцируема, ее можно дифференцировать сколько угодно раз; более того, она может быть представлена степенным рядом. Причина – в тесном взаимодействии с теоремой Коши и, возможно, тем фактом, который Гаусс всё же применил в своем тайном доказательстве: чтобы быть дифференцируемой, комплексная функция должна отвечаь очень жестким стандартам, известным как условия Коши – Римана. Эти условия прямо приводят нас к результатам Гаусса, что интеграл между двумя точками может зависеть от выбранного пути. Соответственно, как отмечал Коши, интеграл по замкнутому пути не может не равняться 0. Он равен 0 при условии, что данная функция дифференцируема (в этом случае она не бесконечна) в любой точке на пути.
Была открыта теорема о вычетах, которая позволяет вычислить величину интеграла вокруг замкнутого пути, зависящую только от расположения этих точек, где функция становится бесконечной, а также поведение функции вблизи этих точек. В двух словах: сама структура комплексной функции определяется ее особыми точками, в которых она себя «плохо» ведет. А самые важные точки – полюсы, где функция становится бесконечной.
Квадратный корень из –1 ставил в тупик математиков на протяжении столетий. Хотя, похоже, такой величины и не было, она использовалась в расчетах. Были намеки на то, что сама по себе идея должна иметь какой-то смысл, поскольку может быть использована для получения достоверных результатов, которые сами по себе не связаны с квадратным корнем из отрицательного числа.
Поскольку успешное использование этой невозможной величины продолжало развиваться, математики стали активно ее применять. Ее статус оставался неопределенным, пока не стало очевидно существование логически последовательного расширения традиционной системы действительных чисел, в которой –1 – не более чем новая грань числа, подчиняющаяся всем привычным законам арифметики.
ЧТО КОМПЛЕКСНЫЕ ЧИСЛА ДАЮТ НАМВ наши дни комплексные числа широко применяются и в физике, и в инженерии. Простой пример – изучение колебаний – периодически повторяющихся движений. Вспомним колебания здания во время землетрясения, вибрации в движущемся автомобиле или передачу по проводам переменного тока.
Простейший и основной вид колебаний описывается выражением a cos t, где t – время, a – амплитуда колебаний, а – их частота. Удобно преобразовать эту формулу как действительную часть комплексной функции eit. Использование комплексных чисел упрощает подсчеты, поскольку экспонента проще косинуса. Поэтому инженеры, изучающие колебания, предпочитают работать с комплексными экспонентами и обращаются к их действительной части только в самом конце вычислений.
Комплексные числа также определяют устойчивость стационарных состояний динамических систем и широко применяются в теории управления. Это отрасль науки, посвященная методам стабилизации систем, иначе остающихся нестабильными. Пример – использование контролируемых компьютером подвижных управляемых панелей, стабилизирующих в полете положение космического шаттла. Без такого приложения комплексного анализа шаттлы попадали бы с неба, как кирпичи.
Геометрически действительные числа образуют прямую, а комплексные – плоскость, причем вещественная прямая является одной из двух осей на этой плоскости. Алгебраически комплексное число – просто пара действительных чисел со своими формулами для выполнения над ними действий сложения или умножения.
В наши дни признанные полноправными комплексные числа быстро распространяются среди математиков, потому что значительно упрощают подсчеты, избавляя от необходимости отдельно рассматривать положительные и отрицательные числа. Сегодня комплексные числа наряду с исчислением комплексных функций постоянно применяются как привычный инструмент почти во всех отраслях технических наук.
Глава 11. Прочные основы
Около 1800 математиков и физиков превратили исчисление в незаменимый инструмент познания мира, и возникшие в этой области проблемы дали толчок к открытию принципиально новых концепций и методов (например, способов решения дифференциальных уравнений), превративших исчисление в самую яркую и многообещающую область математики. Красота и сила его неотразимы. Но критические замечания о недостатках его логического обоснования, высказанные епископом Беркли, остались без ответа. А поскольку ученые уже успели продвинуться в более сложные области, здание в целом делалось всё более уязвимым. Первые приверженцы использования бесконечных рядов, еще не отдавая себе отчета в их огромном значении для науки, выдавали как заведомо ошибочные идеи, так и гениальные открытия. Фурье-анализ не имел основ, и разные математики требовали доказательств противоречивых теорем. В ход пошли такие термины, как «бесконечно малая», без четких определений; без конца возникали логические парадоксы; даже такое понятие, как функция, становилось предметом спора. Безусловно, столь плачевная ситуация не могла длиться вечно.
Чтобы разобраться в этом хаосе, требовались ясная голова и непоколебимая готовность заменить интуитивные построения точным знанием, даже ценой понимания. Главными игроками на этом поле стали Бернард Больцано, Коши, Нильс Абель, Петер Дирихле и – более всех – Вейерштрасс. Благодаря их усилиям к 1900 г. даже самые сложные манипуляции с рядами, пределами, производными и интегралами стали выполняться без опаски, четко и без парадоксов. Появилась новая отрасль математической науки – анализ. Исчисление стало одним из центральных ее аспектов; получили логическое обоснование такие отвлеченные и фундаментальные концепции, как непрерывность и пределы, лежащие в основе идеи исчисления. А вот бесконечно малые величины были запрещены.
Фурье
Пока Фурье не взбаламутил омут, математики купались в приятной уверенности, будто они точно знают, что такое функция. Это был некий определенный процесс f, когда берут число х и получают другое, f(x). Эти числа х вполне логично зависят от f. Если, например, f(x) = 1/x, то x не может быть равно 0. Если f(x) = x и мы имеем дело с действительными числами, то x должно быть положительным. Но когда дело дошло до точных определений, математики немного растерялись.
Как мы теперь понимаем, причиной затруднений было то, что они пытались свести сразу несколько различных свойств в единую концепцию функции: не просто сформулировать правило, по которому x связано с другим числом, f(x), но найти свойства, которыми обладает это правило: непрерывность, дифференцируемость, возможность быть выраженной в виде формулы и т. д.
В частности, они даже не были уверены, как трактовать функции, имеющие разрыв, например:
f(x) = 0, если x 0; f(x) = 1, если x > 0.
Эта функция внезапно скачет от 0 к 1, как только x минует 0. Все почему-то считают, что явной причиной такого прыжка становится изменение формулы: от f(x) = 0 к f(x) = 1. Интуитивно казалось, что это единственное объяснение появления такого скачка; что любая одинарная формула автоматически избавит нас от таких скачков, а значит, небольшое изменение x всегда повлечет за собой небольшое изменение f(x).
Еще одним источником трудностей стали комплексные числа, где – как мы уже видели – такие естественные функции, как квадратный корень, имеют два значения, а комплексные логарифмы – бесконечное множество таковых. Очевидно, что логарифм должен быть функцией, но когда есть бесконечное множество значений, по какому правилу мы получаем f(z) из z? Выходит, таких правил тоже должно быть бесконечно много, и все одинаково годные. Для разрешения всех этих умозрительных разногласий математикам предстояло переломать немало копий. И не кто иной, как Фурье, сумел разом решить их, предложив гениальный ход: рсписать любую функцию через бесконечный ряд синусов и косинусов, открытый им в ходе изучения теплопроводности.
Благодаря своей интуиции ученого Фурье понял, что его метод должен быть универсален. Теоретически вы можете представить себе, что удерживаете температуру металлического стержня на значении 0° на одной половине, но при этом сохраняете 10°, или 50°, или сколько необходимо, на остальной его длине. Физиков до сих пор не интересовали разрывные функции, чьи формулы внезапно меняются. Они вообще не имели обыкновения работать с формулами. Мы прибегаем к ним для отображения физической реальности, но это всего лишь техника, наш образ мышления. Конечно, температура окажется иной на стыке этих двух зон, но математические модели всегда имеют какие-то допущения по отношению к физической реальности. Метод Фурье для тригонометрических рядов, приложенный к разрывной функции такого рода, судя по всему, принес ощутимые результаты. Стальные стержни действительно продемонстрировали точно такое распределение температуры, как предсказывало его уравнение теплопроводности, решенное с помощью тригонометрических рядов. В своей «Аналитической теории тепла» он четко описал свою позицию: «В общем, функция f(x) представляет последовательность значений, или ординат, каждая из которых произвольна. Мы не предполагаем, что эти ординаты подлежат общему закону. Они взаимодействуют между собой каждый раз по-своему».
Прямоугольная волна и некоторые ее Фурье-аппроксимации
Отважное утверждение; к сожалению, приведенное доказательство идеи не имело достаточно убедительной математической базы. Фактически оно оказалось еще более ошибочным, чем аргументы Эйлера или Бернулли. Если утверждение Фурье соответствовало истине, то его ряды в итоге могли стать общим законом для разрывных функций. Функция, приведенная выше, со значениями 0 и 1, имеет периодическую родственную прямоугольную волну. И эта волна характеризуется единственным рядом Фурье, причем вполне изящным, работающим одинаково надежно и там, где функция равна 0, и там, где она равна 1. Иными словами, функция, которая кажется представленной двумя разными законами, может быть переписана в рамках одного правила.
Мало-помалу математики XIX в. научились разделять разные концептуальные вопросы в этой сложнейшей области. Первым стало значение самого термина «функция». Вторым – разные способы представления функций: в виде формулы, степенного ряда, ряда Фурье и т. д. Третий вопрос – какими свойствами обладают функции. Четвертый – какое представление функции гарантирует эти свойства. Простой многочлен, например, определяет непрерывную функцию. А обычный ряд Фурье, судя по всему, нет.
Очень быстро анализ Фурье превратился в тест для самой идеи функции. Это обострило проблемы, и важность приобрели скрытые различия технических приемов. Не кто иной, как Дирихле, в 1837 г. предложил современное определение функции в статье, посвященной рядам Фурье. В результате он согласился с Фурье: переменная y является функцией другой переменной x, если для каждого значения x (в определенном диапазоне) задано единственное значение y. Он недвусмысленно утверждал, что здесь не нужны специальный закон или формула – достаточно, чтобы у можно было определить некой четко прописанной последовательностью математических действий, примененных к x. На тот момент должен был казаться экстремальным пример, приведенный им ранее, а именно в 1829 г.: функция f(x) принимает одно значение, когда x – рациональное число, и другое, когда x – иррациональное. Эта функция разрывная в каждой своей точке. (В наше время функции, подобные этой, рассматриваются как довольно невинные, так как возможно гораздо худшее поведение.)
Для Дирихле квадратный корень не был одной двузначной функцией. Это были две однозначные функции. Для действительного x это естественно – но не существенно: взять положительный квадратный корень как одну из них и отрицательный как другую. Для комплексных чисел нет очевидного естественного выбора, хотя какое-то число решений можно найти, чтобы облегчить жизнь.
Непрерывные функции
У математиков до сих пор есть привычка: несмотря на великое множество определений понятия «функция», они всё равно то и дело открывают у нее еще какие-то качества, выходящие за рамки определения. В частности, они предположили, что любая разумная формула, например многочлен, автоматически определяет непрерывную функцию. Однако они никогда не доказывали этого – и прежде всего потому, что не определили термин «непрерывная». По большей части данная область всё еще находилась под властью интуитивных построений, отнюдь не всегда правильных.
Первым начал серьезно разбираться в этом беспорядке священник из Богемии, философ и математик Бернард Больцано. Он подвел надежный логический фундамент под большинство основных идей исчисления; главным исключением было то, что он принял как данность существование действительных чисел. Он настаивал, что бесконечно малые и бесконечно большие величины не существуют, а значит, не могут быть использованы, как бы соблазнительно это ни выглядело. И он же дал первое вразумительное определение непрерывной функции. А именно: f непрерывна, если разница f(x + a) – f(x) может быть настолько малой, насколько мы пожелаем, если а тоже достаточно мала. Предыдущие авторы предпочитали формулировки вроде «если а сколь угодно малая величина, то f(x + a) – f(x) также сколь угодно мала». Но для Больцано а была всего лишь числом, подобным другим. Он рассуждал так: каким бы малым ни было f(x + a) – f(x), вы всё равно должны найти для него соответствующую величину а. Не было необходимости, чтобы одна и та же величина использовалась каждый раз.
Например, f(x) = 2x непрерывна, потому что 2(x + a) – 2x = 2a. Если вы хотите, чтобы 2а было меньше определенного числа, скажем 10–10, вам нужно сделать а меньше 10–10/2. Если вы возьмете более сложную функцию, скажем f(x) = x2, вычисления будут немного сложнее, потому что правильное значение а зависит от x так же, как и от выбранной нами величины, 10–10, но любой опытный математик решит эту задачу за пару минут. Пользуясь таким определением, Больцано доказал – впервые в истории, – что полиномиальная функция непрерывна. Но на протяжении 50 лет до этого никому не было дела. Больцано опубликовал свою работу в журнале, который вообще не мог попасть в руки математика – не то чтобы его заинтересовать. В наши дни господства интернета в это трудно поверить, но еще 50 лет назад средства коммуникации не шли ни в какое сравнение с нашими. Что уж говорить о периодике 180-летней давности?
В 1821 г. Коши пришел практически к тому же выводу, но использовал несколько путанную терминологию. Его определение непрерывности функции f заключалось в том, что разница между f(x) и f(x + а) бесконечно мала, если бесконечно мала величина а, что на первый взгляд кажется старым, плохо определенным подходом. Однако бесконечно малой величиной для Коши было не отдельное число, почему-то бесконечно малое, а постоянно убывающая последовательность чисел. Например, последовательность 0,1, 0,01, 0,001, 0,0001 и т. д. бесконечно мала в понимании Коши, но каждое отдельное число, например 0,0001, – обычное действительное число. Возможно, малое, но не бесконечно. Учитывая терминологию, мы видим, что концепция непрерывности Коши в точности повторяет Больцано.
Очередным критиком недостатков в изучении бесконечных процессов стал Абель, жаловавшийся на то, что ученые используют бесконечные ряды, не дав себе труда поинтересоваться, имеет ли смысл их сумма. Его критика оказалась действенной, и мало-помалу в хаосе стали намечаться черты некоего порядка.
ЧТО АНАЛИЗ ДАЛ ИМРасцвет математической физики в XIX в. был ознаменован открытием ряда важнейших дифференциальных уравнений. Не имея современных высокоскоростных компьютеров, способных находить численные решения, математики того времени изобрели для уравнений новые специальные функции. И они работают по сей день. Примером может служить уравнение Бесселя. Первым его вывел Даниил Бернулли, а позже обобщил Бессель. Вот оно:
Здесь обычные функции, такие как экспонента, синус, косинус или логарифм, не помогут найти решение. Но можно воспользоваться методами анализа в виде степенного ряда. Он определяет новые функции, так называемые функции Бесселя. Простейшая функция Бесселя обозначается как Jk(x); но есть и другие. Степенные ряды позволяют вычислить Jk(x) с необходимой точностью.
Функции Бесселя естественным образом возникают в задачах, связанных с кругами и цилиндрами, такими как колебание круглой мембраны, распространение электромагнитных волн в цилиндрическом волноводе, теплопроводность в цилиндрическом металлическом стержне и физика лазеров.
Интенсивность лазерного излучения описывается функцией Бесселя J1(x)
Пределы
Идеи Больцано дали толчок дальнейшему усовершенствованию. Он сделал возможным определение предела бесконечной последовательности чисел и, следовательно, ряда, который является суммой бесконечной последовательности. Так, его формализм подразумевает:
1 + 1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/16 + …
и т. д. до бесконечности. Это осмысленная сумма, и ее величина точно равна 2. Не чуть-чуть меньше, не бесконечно малой величине меньше 2, а ровно 2. Чтобы понять, как это работает, предположим, что у нас есть последовательность чисел:
a0, a1, a2, a3, …
и т. д. до бесконечности. Мы можем сказать, что an стремится к пределу a по мере того, как n стремится к бесконечности, если для любого числа > 0 существует такое число N, что разница между an и а меньше, чем , для любого n > N. (Символ , один из традиционно используемых математиками, – греческая буква эпсилон.) В этом определении все числа конечные – никаких бесконечно малых или бесконечно больших. В дополнение к бесконечному ряду выше взглянем на его конечные суммы:
a0 = 1,
a1 = 1 + 1/2 = 3/2,
a2 = 1 + 1/2 + 1/4 = 7/4,
Читать бесплатно другие книги:
