Бернулли (стр. 2 из 6)
В мае 1690 г. Я. Бернулли опубликовал в «Асtа Eruditirum» первую работу, связанную с исчислением бесконечно малых. В ней он дал решение поставленной Лейбницем в 1687 г. задачи о парацентрической изохроне. Необходимо было найти кривую, по которой материальная точка опускалась бы в равные промежутки времени на равные высоты. Я. Бернулли вывел дифференциальное уравнение кривой и проинтегрировал его. При этом он впервые употребил в печати термин «интеграл», указав, что из равенства двух выражений, связывающих дифференциалы, следует равенство интегралов.
В лекциях, читанных Лопиталю, И. Бернулли ход решения излагает так. Пусть искомой кривой будет АDС. Материальная точка за время ∆t перемещается из точки D в точку d и из точки С в точку с. По условию задачи проекции дуг Dd Сс на вертикаль одинаковы. Проведем через D и С касательные к кривой до пересечения с продолжением АF. Отрезки касательных будут DK и CL. Напишем тождествоDd/Сс=Dd/Hc • Hc/Cc.
Дуги Dd и Сс малы, поэтому фигуры GDd и НСс можно считать треугольниками.
Из подобия треугольников GDd и DEK, НСс и СFL получим
Dd/DG=DK/DE,Сс/Нс=CL/СF.
С помощью этих пропорций найдем
Dd/Сс=DG1Нс • DК/DЕ • СF/СL.
По условиям задачи dG/Нс=1, поэтому
Dd1Сс=DК/DЕ • СF/СL.
Проведем через точку С прямую СМ, параллельную DК. Тогда
DК/DЕ=СМ/СF, Dd/Сс=СМ/СL.
Но отношение Dd/Сс равно отношению скоростей (интервал ∆t один и тот же), квадраты же скоростей, по найденному Галилеем закону, относятся как пройденные высоты; это дает
Dd2/Сс2=СМ2/СL2=DЕ/CF, СМ2/СL2 =DЕ/СF.
Последнее равенство означает, что если через две произвольные точки кривой провести касательные СL и DК и через точку С провести СМ параллельно DК, то должна выполняться указанная пропорция. Таким свойством обладает искомая кривая.
Задача оказалась сведенной к классу обратных задач на касательные: найти кривую, касательные к которой удовлетворяют некоторому требованию. Подобную задачу впервые предложил Декарту Дебон, и Декарт с ней не справился. Разработанный Лейбницем метод позволяет решать и обратные задачи на касательные.
Выберем начало координат в точке А. Обозначим АЕ=х, ЕD=у. Тогда GD=dх, Gd=dу. Обозначим также СF=а, СL=b. Треугольники FСМ и СdD подобны, отсюда
Gd/Dd=FС/СМ.
Но Dd = √dx2+dy2, поэтому
dy/√ dx2+dy2= а/СМ, откуда
CM2= (a2dx2+a2dy2)/dy2.
Подставим найденное выражение в пропорцию СL2/СM2=СF/СЕ и получим дифференциальное уравнение
b2dy2/(a2dx2+a2dy2)=a/y, b2ydy2-a3dy2=a3dx2, (b2y-а3)dу2 = а3dx2,
√b2y-a3 dy=√a3 dx.
В уравнении переменные разделены, интегрирование его дает искомую кривую
2b2у — 2а3/3b2 √b2у - а3 == х√а3.
Парацентрическая изохрона оказалась полукубической параболой. Вид кривой раньше Я. Бернулли определили Лейбниц и Гюйгенс, но лишь Я. Бернулли дал решение средствами анализа бесконечно малых.
В приложении к другой работе о рядах (1694 г.) Я. Бернулли сформулировал несколько тезисов.
1. Существуют спирали, которые совершают бесконечное число витков вокруг полюса, но имеют конечную длину.
2. Существуют кривые, которые, подобно эллипсу, замкнуты и, подобно параболе, уходят в бесконечность, например ay2=х2(b+х).
3. Существуют кривые, состоящие из двух ветвей, например ау2=х{а2—х2),
4. Существуют неограниченные поверхности с конечной площадью.
5. Существуют неограниченные поверхности с бесконечной площадью, но такие, что соответствующие им тела вращения обладают конечным объемом.
Я. Бернулли увлекался также и изопериметрическими задачами. Древнейшая из них—задача легендарной основательницы Карфагена и его первой царицы Дидоны. Легенда такова. Дидона бежала от отца, тирского царя, и достигла Африки, где купила у туземцев участок земли на берегу моря «не больше, чем можно окружить воловьей шкурой». Она разрезала шкуру на узкие полоски и связала из них длинную ленту. Спрашивается, какой формы должна быть фигура, оцепленная лентой данной длины, чтобы площадь фигуры была наибольшей?
Ван-дер-Варден пишет, что Зенодор, живший вскоре после Архимеда, высказал 14 предложений относительно изопериметрических фигур. Он утверждал, что из всех фигур (кругов и многоугольников), имеющих одинаковый периметр, круг будет наибольшим, а также и то, что из всех пространственных тел с одинаковой поверхностью наибольшим будет шар.Решение задачи содержится в записных книжках Я. Бернулли и помещено в майском номере «Acta Eruditorum» за 1701 г. Я. Бернулли и здесь применил высказанный ранее принцип: поскольку площадь должна быть экстремальной, этим же свойством должна обладать и любая ее элементарная часть. Он получил дифференциальное уравнение третьего порядка и впоследствии проинтегрировал его.
К. А. Рыбников пишет: «Таким образом, решение изопериметрической задачи означало очень важный, принципиально новый этап в истории вариационного исчисления; оно дало возможность решать более сложные вариационные задачи, им был сделан важный шаг на пути решения вариационных задач».
При изучении свойств сочетаний и фигурных чисел Я. Бернулли встретился с суммированием степеней натуральных чисел Sm = å km
Эти вопросы интересовали математиков и ранее. Я. Бернулли составил таблицу фигурных чисел, ука зал их свойства и на основании отмеченных свойств нашел формулы для сумм степеней натуральных чисел. Он привел формулы сумм от S(п) до S(п10):
S (n) = n2/2 +n/2
S (n2) = n3/3 + n2/2+ n/6
S (n3) = n4/4 + n3/2 + n2/4
S (n4) = n5/5 + n4/2 + n3/3 – n/30
S (n5) = n6/6 + n5/2 + 5n4/12 - n2/12
S (n6) = n7/7 + n6/2 + n5/2 - n3/6 + n/42
S (n7) = n8/8 + n7/2 + 7n6/12 - 7n4/24 + n2/12
S (n8) = n9/9 + n8/2 + 2n7/3 - 7n5/15 + 2n3/9 – n/30
S (n9) = n10/10 + n9/2 + 3n8/4 - 7n6/10 + n4/2 - n2/12
S (n10) = n11/11 + n10/2 + 5n9/9 – n7 + n5 - n3/2 + 5n/66
Затем Я. Бернулли указал общую формулу
S(nc) = nc+1/c+1 + 1/2*nc + 1/2*( )Anc-1 + 1/4*( )Bnc-3 + 1/6*( )Cnc-5 + 1/8*( )Dnc-7+ …
Здесь ( ), ( ) … - числа сочетаний; показатели степени n убывают, последний член в правой части содержит n или n2. Числа A, B, C, D … - коэффициенты при n в выражениях S(n2), S(n4), S(n6), … Именно: А=1/6, В=-1/30, С=1/42, D=-1/30, …Бернулли формулирует общее правило для вычисления этих чисел: сумма коэффициентов в выражениях S(n), S(n2), S(n3), … равна единице. Например, 1/9+1/2+2/3-7/15+2/9+D=1. Отсюда D=-1/30.
Я. Бернулли подчеркивает удобство таблицы фигурных чисел и заявляет, что с ее помощью в течение «половины четверти часа» нашел сумму десятых степеней первой тысячи натуральных чисел. Она оказалась равной
91 409 924 241 424 243 424 241 924 242 500.
II
Роль И. Бернулли как одного из создателей, распространителей и, бесспорно, знатоков зарождавшегося тогда математического анализа отражает современная терминология: название «интегральное исчисление» (от латинского integer — целый, откуда и старинное русское «целственный анализ») ввел И. Бернулли. Как известно, Лейбниц предпочитал называть интеграл «суммой». Это впоследствии породило знак интеграла ∫, который представляет собой вытянутую букву S— первую букву латинского слова summa.
И. Бернулли занимался приложением рядов к интегрированию и на этом пути открыл общую формулу разложения в ряд интеграла от функции n(z) по степеням аргумента:
∫ n(z)dz = nz – z2/2 * dn/dz + z3/6 * d2n/dz2 – z4/24 * d3n/dz3 + …
В “Acta Eruditorium” за 1697 г. И. Бернулли поставил задачу о кривых, пересекающих некоторое плоское семейство однопараметрических линий под данным углом или под углом, меняющимся по определенному закону. В первом случае траектории называются изогональными, а если угол прямой, то ортогональными. И. Бернулли указал на возможность применения полученных закономерностей в теории света Гюйгенса. Через год он показал, что задача отыскания траекторий сводится к дифференциальному уравнению первого порядка.
Николай II Бернулли, сын И. Бернулли, в 1720 г. сформулировал задачу о взаимных траекториях, т. е. о траекториях, относящихся к тому же семейству кривых, что и кривые данного семейства. Этой задачей занимался И. Бернулли. Он в 1727 г. в качестве семейства взаимных траекторий назвал полукубические параболы y3 = ax2.
Лейбниц и И. Бернулли нашли метод интегрирования рациональных дробей, которые после выделения целой части они представляли в виде суммы простейших дробей. Осуществление этого метода стало возможным лишь тогда, когда сформировалось понятие логарифмической функции. В связи с интегрированием рациональных дробей в анализ вошли комплексные числа и возник спор о логарифмах отрицательных чисел.
В письмах Лейбницу 1702 г. И. Бернулли заметил, что рациональные дроби должны интегрироваться в рациональных, логарифмических и круговых функциях.
Представляет особый интерес работа «Решение одной задачи интегрального исчисления», напечатанная в ”Memoires” Парижской академии наук за 1702 г. (1704) и в “Acta Eruditorium” за 1703 г., в которой И. Бернулли рассмотрел случай действительных различных корней знаменателя рациональной дроби и в отличие от Лейбница, давшего готовые формулы, показал, как получать коэффициенты, вначале полагаемые неопределенными. Здесь же И. Бернулли заметил следующее важное качество. Подобно тому как дифференциал dz/(1-z2) с помощью подстановки z = (t-1)/(t+1) переходит в логарифмический дифференциал dt/2t, так и дифференциал действительного кругового сектора dz/(1 + z2) с помощью мнимой подстановки z = √-1(t-1)/(t+1) переходит в «мнимый дифференциал» -dt/2√-1t. Кроме того, очевидно, что dz/(1+z2) = 0,5dz/1 + z√-1 + 0,5dz/1 - z√-1
т. е. дифференциал действительного кругового сектора равен сумме дифференциалов мнимых логарифмов. Отсюда И. Бернулли сделал вывод, что мнимые логарифмы заменяют действительные круговые секторы.
Соотношением dz/(1+z2) = -dt/2√-1t по существу была установлена связь между функциями Arctg(z) и Ln t = ln (1 - z√-1)/(1 + z√-1). Но эту связь И. Бернулли не получил, так как не стал интегрировать уравнение, а выполнил еще одну подстановку
t = (√-1 + √1/r – 1)/(√-1 - √1/r – 1), что дало выражение дифференциала арксинуса действительного аргумента через дифференциал мнимого логарифма.