Бернулли (стр. 3 из 6)

Работа И. Бернулли, опубликованная в “Acta Eruditorium” за 1712 г., содержала продолжение того же исследования: в ней И. Бернулли проинтегрировал рациональную дробь с мнимым аргументом. Он решил дифференциальное уравнение

ndx/(x2 + 1) = dy/(y2 + 1), предварительно разложив дроби по указанному способу, и получил (x - √-1)n(y + √-1) = (x + √-1)n(y - √-1).

Продвижению вперед в применении мнимых чисел к анализу препятствовали неясности, связанные с понятием логарифма. Свидетельство этому — развернувшаяся между Лейбницем и И. Бернулли дискуссия о природе логарифмов отрицательных чисел.

В 1712 г. Лейбниц выступил со статьей, где, обсуждая парадокс Арно 1/-1 = -1/1, сказал, что отрицательным отношениям не соответствуют никакие логарифмы, поскольку положительным логарифмам соответствуют числа больше единицы, а отрицательным — правильные положительные дроби. Поэтому логарифм числа —1 не будет истинным, он мнимый. И еще: если бы этот логарифм был действительным, то его половина стала бы также действительной, т. е. действительным был бы логарифм мнимого числа √-1 а это неверно.

И. Бернулли возражал Лейбницу; он считал, что логарифмы отрицательных чисел действительны, и полагал lg (-a) = lg а, так как lg (-1) = 0. Он основывался на том, что из тождества d(-х)/-х=dх/х следует d lg (-х) = d lg х, т. е. lg (-x) = lg х. Приводились и другие аргументы.

Перечислим некоторые частные результаты И. Бернулли. Он получил и опубликовал в 1701 г. разложения sin n a и cos n a по произведениям степеней sin n a и cos n a. Он первый обнаружил и доказал расходимость гармонического ряда. До сих пор в учебной литературе находит себе место парадокс И. Бернулли. Запишем таблицу

1/1*2 1/2*3 1/3*4 1/4*5...

1/2*3 1/3*4 1/4*5...

1/3*4 1/4*5...

…………………………….

Просуммируем по строкам; найдем

S1 = 1/1*2 + 1/2*3 + 1/3*4 + 1/4*5+...= 1 – ½ + ½ - 1/3 + 1/3 – ¼ + … = 1,

S2 = ½ - 1/3 + 1/3 - ¼ +... = 1/2

S3 = 1/3 – ¼ + ¼ - 1/5 + … = 1/3

…………………………………….

Обозначим сумму строк буквой S:

S=S1+S2+S3+…=1 + ½ + 1/3 + ...

Просуммируем теперь столбцы и сложим результаты; получим

s1=1/2, s2=1/3, s3=1/4, …; s1+s2+s3 + … =1/2+1/3+1/4+ ... = S-1

Получается парадокс: S=S—1. Все объясняется просто: мы оперируем с расходящимся гармоническим рядом, не имеющим суммы.

Продолжим разговор о достижениях И. Бернулли. Он вслед за Я. Бернулли получил формулу для радиуса кривизны в дифференциалах абсциссы и ординаты, которая опубликована в «Анализе бесконечно малых» Лопиталя. И. Бернулли занимался изучением свойств эволют, эвольвент, каустик, касательных, точек перегиба, огибающих, кривизны. Он открыл точку возврата второго рода, описанную Лопиталем. И. Бернулли выполнил многие квадратуры, спрямления, кубатуры, в качестве приложения методов анализа решил мною геометрических и механических задач, в том числе задачу о парацентрической изохроне.

К середине девяностых годов XVII в., т. е. всего через десять лет после появления основополагающего труда Лейбница, усилиями Лейбница и братьев Бернулли идеи дифференциального и интегрального исчислений достигли такого развития, что появились суждения о завершении анализа в ближайшем будущем. Назрела необходимость собрать воедино и систематизировать разработанные методы с тем, чтобы ими мог пользоваться более широкий круг людей. Эту задачу блестяще выполнил И. Бернулли, написавший в 1691—1692 гг. «Лекции по исчислению дифференциалов» и «Математические лекции о методе интегралов и других вопросах, написанные для маркиза Лопиталя».

Завершение лекций дало возможность писать И. Бернулли в автобиографической заметке, что он «был первым, кто подумал об изобретении метода для перехода от бесконечно малых количеств к конечным, элементами которых эти бесконечно малые суть. Я назвал этот метод интегральным исчислением, не найдя более подходящего слова».

Хотя И. Бернулли лекции и не издал, они были доступны французским математикам и сыграли важную роль в прогрессе анализа. Как уже говорилось, лекции и материалы, полученные Лопиталем в письмах И. Бернулли (они переписывались с 1692 г. в течение десяти лет), послужили Лопиталю основой при написании им «Анализа бесконечно малых».

Лекции И. Бернулли, «Анализ» Лопиталя содержали небольшой набор основных аналитических понятий, иллюстрируемых чертежами, теорем и правил и множество задач геометрического, механического и физического характера.

Лекции по дифференциальному исчислению начинаются следующими постулатами:

«1. Величина, уменьшенная или увеличенная на бесконечно меньшую величину, не уменьшается, не увеличивается.

2. Всякая кривая линия состоит из бесконечно многих прямых, которые сами бесконечно малы.

3. Фигура, заключенная между двумя ординатами, разностью абсцисс и бесконечно малым куском любой кривой, рассматривается как параллелограмм».

Сразу же за вступлением И. Бернулли пишет: «Из предыдущего известно, что dx есть дифференциал х, что хdх есть дифференциал ½*х2 или ½*x2 плюс или минус постоянная, x2dx — дифференциал 1/3*x3 плюс или минус постоянная... также аdх — дифференциал ах и т. д., axdx – дифференциал ½*ax2 ах3dx— дифференциал ¼*ax4 и т. д.” После этого дается общее правило: «ахp есть дифференциал количества axp+1/(p+1). Иными словами: ∫хpdx = хp+1/(р+1)*(+С). И. Бернулли применяет это правило к случаю P=-1 и получает ∫ dx/x = ∞. Однако впоследствии он исправляет ошибку.

Затем рассматриваются некоторые вариации общей формулы: случаи, когда можно выделить дифференциал подкоренного выражения, и т. д.

Вторая лекция посвящена вычислению площадей. И в этом вопросе И. Бернулли развивал идеи Лейбница и писал: « Площади рассматривают как разложенные на части, каждую из которых можно считать дифференциалом площади. Если имеют интеграл этого дифференциала, т. е. сумму этих частей, то отсюда будет известна и искомая квадратура».

После обсуждения различных способов разбиения фигуры И. Бернулли делает заключение: когда частичные площадки ограничены ординатами и кривой, дифференциал каждой из них будет уdх. Если кривая задается, то у выражается через х вполне определенно, и уdх будет «полностью выражаться через х». Он приводит пример: дана парабола у2=ах; дифференциал площади будет √ах dх, его интеграл 2/3х√ах, или 2/3xу. С необычайной простотой И. Бернулли нашел результат, считающийся важнейшим достижением геометрии древних, состоящий в том, что площадь сегмента параболы равна 2/3 площади соответствующего прямоугольника ху.

Содержание следующих лекций весьма разнообразно: квадратуры площадей, кривых, «обратные задачи», соприкасающиеся кривые и эволюты, каустики; завершают книгу пять лекций, посвященных решению физико-механических задач, в том числе задачи и цепной линии — одной из первых задач механики нити. Поражает в тех и других лекциях, кроме содержания, высочайшее методическое мастерство. Все в них все как у опытного лектора, хотя ему было всего 24 года. И лекций по анализу бесконечно малых до него не читал никто.

Мало займет места изложение широко известного правила Лопиталя, но следует его выделить среди общего рассмотрения творчества И. Бернулли. В письме 22 июля 1694 г. И. Бернулли ответил Лопиталю на вопрос о том, как следует поступать, когда необходимо найти значение неопределенности вида О/О. И сообщил геометрическое доказательство высказанному правилу. Оно вошло в учебник Лопиталя «Анализ бесконечно малых».

Лопиталь формулирует задачу так: «.Пусть величина ординаты у кривой АМD (АР=х, РМ=у, АВ=а) выражается дробью, числитель и знаменатель которой обращаются в нуль при х=а, т. е. когда точка Р совпадает с данной точкой В. Спрашивается, какой должна быть при атом величина ординаты ВD».

Решение задачи выглядит так. На общей «оси» строятся кривые АNВ и СОВ, причем ордината РN входит в числитель, а РО — в знаменатель дроби для всех РМ, так что РМ=АМ•РN/РО.

Обе кривые пересекаются в точке В, поскольку, по предположению,

величины РN и РО обращаются в нуль, когда точка Р совпадает с В. Затем вводится ордината bd, близкая к ВD и пересекающая кривые в точках f и g. Для нее будет Bd=AB*bf/bg, что не отличается от ВD в силу одного из основных допущений, выдвинутых автором, о том, что если имеются две величины, отличающиеся друг от друга на бесконечно малую, то можно брать одну из них вместо другой. Следовательно, необходимо найти отношение bg к bf.

Когда АР обращается в АВ, обе ординаты РN и РО обращаются в нуль, «а когда АР обращается в Аb, ординаты обращаются в bf и bg». Значит, ординаты bf и bg являются дифференциалами кривых АNВ и СОВ в точках В и b. Поэтому для нахождения искомого значения bd иди ВD нужно дифференциал числителя разделить на дифференциал знаменателя, положив х=а=Аb или АВ, «что и требовалось найти»,— заключает Лопиталь.

В следующем параграфе правило применяется к нахождению предельного значения

y = (√2a3x – x4 - a√a2x)/(a - √ax3) при х=а.

Лопиталь пишет: нужно дифференциал числителя разделить на дифференциал знаменателя, положив х=а. Получим число 16а/9 «для искомой величины ВD».

В августе 1704 г., вскоре после смерти Лопиталя, И. Бернулли выступил с первым печатным заявлением, в котором предъявил претензии на описанные в «Анализе» методы. Это была заметка «Усовершенствование моего опубликованного в “Analyse des infiniment petits” § 163 метода для определения значения дроби, числитель и знаменатель которой иногда исчезают». Здесь И. Бернулли рассказал, что правило он сообщил в письме Лопиталю лет 10 назад, а также решил пример, помещенный в § 164, который французские математики и Лопиталь решить не могли. В той же заметке И. Бернулли, «движимый любовью к истине», отметил, что иногда однократное применение правила к цели не приводит, получается опять неопределенность вида 0/0, поэтому его приходится применять еще один или несколько раз.

Одновременно с развитием дифференциального и интегрального исчислений шла разработка методов решения дифференциальных уравнений. В интегрировании уравнений первого порядка были достигнуты значительные успехи. В «Математических лекциях о методе интегралов и о других вопросах, написанных для маркиза Лопиталя» решено однородное уравнение dy/dx=f(y/x) подстановкой у=хt. Там же изложен метод приведения к однородному уравнения dy/dx=f((ax+by+c/(a1x + b1y + c1)) подстановками x = ξ + h, у = η +h; при этом не упомянут случай ab1-a1b=0. В «Лекциях» И. Бернулли применил интегрирующий множитель к уравнению ахdу—уdх=0. Он умножил члены уравнения на уa-1/x2 и получил d(ya/x;)=0, откуда уa=bх. Непосредственное разделение переменных в этом уравнении И. Бернулли не выполнил, так как считал, что в соответствии с формулой ∫хndх=хп+1/(n+1) будет ∫dx/x=∞. (Как известно, впоследствии он выражал этот интеграл через ln x.)