Содержание и значение математической символики (стр. 10 из 15)

Конечно, указание на то, как определить касательную плоскость к поверхности, следовало еще развить, что в рассматриваемом отрывке отсутствует, но мы видим здесь пример того, как Лейбниц постепенно, по разным поводам, возвращается к своему исчислению, расширяет область его применения, наряду с новыми результатами получает с его помощью известные старые.

В 1678 г. Чирнгаус заявил Лейбницу, что надо по возможности избегать новых обозначений, ибо это только затрудняет доступ к науке. Вот Виет заслуживает похвалы за то, что обходится буквенными обозначениями, не вводя новых чудовищных знаков. Лейбниц, возражая подчеркивал, что надо искать обозначения, которые кратко выражают сокровенную сущность предмета, облегчая путь к открытиям и значительно уменьшая затрату умственного труда. И таковы, продолжал Лейбниц, использованные мною знаки – я часто с их помощью в несколько строк решаю самые трудные задачи.

В 1684 г. в «Лейпцигских ученых заметках» появилась одна из самых знаменитых математических работ: «Новый метод максимумов и минимумов, а также касательных, для которого не являются препятствием ни дробные, ни иррациональные величины, и особый для этого род исчисления». В этой небольшой статье даны основы дифференциального исчисления. Правила дифференцирования приводятся без доказательств, хотя есть указания на то, что здесь все можно обосновать, рассматривая дифференциалы как бесконечно малые разности. Определение дифференциала функции дано как произведение производной (но производная задается геометрически как отношение ординаты к подкасательной) на дифференциал аргумента. Последний можно задавать произвольно. Еще не вводится определенное соглашение относительно выбора знака для длин отрезков, которыми оперирует Лейбниц, поэтому он привод некоторые формулы с двумя знаками. В статье были опечатки, затруднявшие чтение, были и ошибочные утверждения (относительно определения точек перегиба). Но в ней были и эффективные примеры применения нового алгоритма, и автор, приведя их, имел право заявить: «Во всех таких и много более сложных случаях наш метод обладает одной и той же поразительной и прямо беспримерной легкостью. Но это лишь начала некой более высокой Геометрии, которая распространяется на труднейшие и прекраснейшие задачи прикладной математики, и едва ли кому-нибудь удастся заняться с той же легкостью такими вещами, не пользуясь нашим дифференциальным исчислением или ему подобным».

Год 1690-й отмечает новый этап: начинается переписка и многолетнее научное общение Лейбница с Яковом Бернулли, а затем и его младшим братом Иоганном, напечатана первая работа по анализу старшего из братьев, и оба они, математики первого ранга, отныне все усилия приложат для развития нового исчисления.

Через посредство И. Бернулли с новым исчислением знакомится и становится его приверженцем самый значительный французский механик тех лет П. Вариньон.

На Лейбница появление приверженцев его метода и умножение примеров, показывающих плодотворность созданного им исчисления, действовало стимулирующе.

Новые результаты Лейбница достаточно разнообразны. Некоторые из них относятся к технике дифференцирования. Так, в «Новом методе...» 1684 г. дифференцируются только алгебраические функции, рациональные и иррациональные, и, в неявном виде, логарифм, а в 90-е годы Лейбниц, можно сказать, мимоходом в различных работах указывает дифференциалы синуса и арксинуса, функции вида u^v, где основание и показатель степени — функции независимого переменного, вводит дифференцирование по параметру. Позже Лейбниц дает носящую его имя формулу для дифференциала любого порядка от произведения функций. Можно сказать, что на этой стадии операция дифференцирования у Лейбница охватила весь запас известных тогда функций.

Другая группа результатов Лейбница относится к дифференциальной геометрии. Один из наиболее существенных – введение огибающей семейства плоских кривых, зависящих от некоторого параметра.

В третью группу можно объединить результаты по интегральному исчислению. Кроме формул, представляющих собой обращение упомянутых формул дифференцирования, Лейбниц дал две работы об интегрировании рациональных дробей (1701 и 1703 гг.). В первой из них он допустил ошибку, сделав вывод, что при наличии комплексных корней у знаменателя рациональной дроби с действительными коэффициентами интегрирование должно ввести новые трансцендентные функции, кроме обратных круговых и логарифмов. Когда же И. Бернулли указал правильный результат, Лейбниц с ним не согласился и повторил свое ошибочное заключение во второй работе. Эта ошибка Лейбница – не только математический недосмотр, она имеет любопытные корни. Утверждение, что интегралы вида

,

дают новые трансцендентные функции казалось ему и привлекательным и правдоподобным еще потому, что это соответствовало лейбницевой метафизике. Если бы все интегралы такого вида сводились, как выражается Лейбниц, только к квадратуре гиперболы (т. е. логарифмам) и к квадратуре круга (к обратным круговым функциям), то все было бы единообразно. «Но природа, мать вечного разнообразия, или, лучше сказать, божественный дух слишком цепко оберегает свою прекрасную многоликость, чтобы допустить слияние всего в одну породу. И таким образом он находит изящный и удивительный выход в этом чуде анализа, этом побочном порождении мира идей, двойственном существе как бы между бытием и небытием, что мы называем мнимым корнем. И посему всякий раз, когда знаменатель рациональной дроби имеет мнимые корни, что может получиться бесконечно многими способами, будет мнимой и гипербола, квадратура которой нам нужна, и ее никоим образом нельзя будет построить».

От Лейбница не ускользнуло и то, что интеграл можно рассматривать как дифференциал с показателем –1, и это привело его к введению дифференциалов любых отрицательных и дробных порядков с помощью бесконечных рядов. Теорию интегралов и производных дробного порядка развивали в XVIII в. Эйлер, в XIX в. – Лиувилъ, Риман, Летников, в XX в. – Г. Вейль, М. Рис и др., и сейчас она составляет один из разделов анализа. Лейбниц же первый в печати указал на то, что операция интегрирования вводит произвольную постоянную и на связь между определением первообразной функции и квадратурой. Он указал также, как интегрировать некоторые типы обыкновенных дифференциальных уравнений. Существенно то, что Лейбниц отчетливо определил взаимоотношение интегрирования дифференциальных уравнений и интегрирования функций (первое следует считать выполненным, если оно сведено ко второму), и, аналогично, интегрирования функций и алгебраических операций (например, определение корней знаменателя подынтегральной рациональной дроби считается при интегрировании задачей решенной).

Лейбниц много занимался также интегрированием иррациональностей (в конечном виде, как стали позже выражаться) и глубоко проник в суть этой проблемы.

Заслугой Лейбница является и применение к интегрированию и функций и дифференциальных уравнений бесконечных рядов с использованием метода неопределенных коэффициентов (последний метод восходит к Декарту). Немалое значение для успехов нового анализа имело достаточно общее введение такого понятия, как функция, и систематические выступления Лейбница против ограничения (по Декарту) предмета геометрии изучением алгебраических кривых. Наконец, Лейбниц на деле доказал достоинства своего исчисления, с успехом участвуя в конкурсах на решение таких трудных для того времени задач, как задача Галилея о цепной линии и задача И. Бернулли о брахистрохроне.

Историческое значение математического творчества Лейбница огромно. Оно длилось около сорока лет, и за такой сравнительно небольшой срок математика преобразилась. Наука, в которую вступил Лейбниц, и наука, которую он оставил, принадлежит разным эпохам, и это плод главным образом его трудов и трудов его школы. До Лейбница в обширную область неведомого пытались проникнуть то тут, то там, наскоками, пусть порою очень удачными, не имея общего плана. Благодаря Лейбницу разрозненные прежде усилия были подчинены общей программе, прояснились и близкие и далекие цели, средства для их достижения оказались в распоряжении не только сверходаренных одиночек и значительно выиграли в эффективности.

§ 4. Язык кванторов и основания математической логики.

В связи с тем, что элементы логики представляют собой неотъемлемую составную часть школьного обучения математике, они должны изучаться в единстве с собственно математическим материалом на всех этапах обучения. Соответствующий язык необходимо вводить постепенно для обозначения уже разъясненных математических и логических понятий, чтобы в дальнейшем он становился необходимым компонентом обиходного математического языка.

4.1 Алгебра высказываний.

Эта тема важна для школьной математики. Не овладев ее основными действиями, нельзя понять последующие темы, как, не овладев таблицами сложения и умножения, нельзя научиться арифметике и тем более алгебре.

Исходные объекты алгебры высказываний – это простые высказывания. Их будем обозначать строчными латинскими буквами a, b, c, …, x, y, z. Предполагается, что всякое простое высказывание обладает одним и только одним из двух свойств: либо оно истинно, либо ложно.

Будем пользоваться почти повсеместно принятой терминологией: свойства истинности (и) и ложности (л) мы будем называть значениями истинности высказываний. При такой терминологии значение истинности сложного высказывания есть функция от значений истинности простых высказываний; такая функция называется логической связкой.