История математики. От счетных палочек до бессчетных вселенных - Ричард Манкевич

Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646–1716) родился в Лейпциге, там же он изучал богословие, право, философию и математику. Университет отказал ему в докторской степени по законоведению, потому что ученый был слишком молод — ему было всего двадцать лет, так что защищать диссертацию Лейбниц отправился в Альтдорф-Нюрнберг. После получения степени он отказался от предложения преподавать право и стал советником, историком, библиотекарем и дипломатом на службе у герцога Эрнеста-Августа Брауншвейг-Люнебургского (Ганновер). О нем нередко говорят как о последнем великом универсале, который особенно интересовался логикой и созданием основ всеобщего языка. Возможно, именно поэтому языком счисления, который используется сегодня, мы в значительной степени обязаны Лейбницу. Ему принадлежат термины «дифференциальное исчисление» и «интегральное исчисление», равно как запись dy/dx и dx. Дипломатическая должность давала Лейбницу возможность путешествовать. В 1613 году он посетил Лондон, где стал членом Королевского общества. А в 1676 году ученый вернулся туда, чтобы продемонстрировать новую механическую вычислительную машину. Во время этого визита он не был знаком с Ньютоном, но позднее историки науки много спорили о том, мог ли тогда Лейбниц прочитать «Анализ…». Эти два математика много переписывались, обмениваясь мнениями относительно бесконечного ряда.

Хотя исчисление Лейбница также выросло из анализа рядов, его вид был в значительной степени иным: он увлекся суммированием бесконечно малых величин. Будучи в Париже, он поставил задачу вычисления суммы обратных величин треугольных чисел (треугольное число — это число кружков, из которых можно составить равносторонний треугольник). Последовательность треугольных чисел Tn для n = 0, 1, 2… начинается так: 0,1, 3, 6,10,15…, выраженных общей формулой 2/[n(n+1)]. Он очень хитроумно переписал это как разницу между двумя членами, то есть 2 [1/n — 1/(n+1)]. Просто выписав первые несколько элементов ряда, он увидел, что все члены ряда взаимно уничтожаются за исключением первого и последнего. Увеличивая сумму до бесконечного числа элементов, Лейбниц получил ответ 2. Ученый рассмотрел много других рядов и постепенно научился определять, сходится он или расходится. Тогда он понял, что проблема обнаружения касательной к кривой сводится к вычислению отношения разницы в ординатах и абсциссах (значений х и у), в то время когда они становятся бесконечно малыми величинами, и квадратуры зависят от суммы ординат или бесконечно узких прямоугольников, из которых состоит область, располагающаяся под кривой. В случае с числовыми рядами суммы и разности были инверсиями друг друга. То же самое получалось в задачах о касательной и квадратуре. Все это основывается на характеристиках бесконечно малого треугольника, того самого, который Ньютон описал как «соотношение бесконечно малых величин». Ключевая концепция Лейбница заключалась в том, что дифференциал dx — бесконечно малое изменение значения х. Для функции у = ƒ(х) градиент вычисляется как dy/dx, а квадратура — как ∫ydx. Обозначение интеграла может символизировать утверждение, что это сумма прямоугольников со сторонами у и dx. Первые рукописи Лейбница датируются 1675 годом, а после небольшого изменения нотации он издал свои результаты в статьях. Первая вышла в 1684 году, а вторая — в 1686-м, обе напечатали в журнале «Acta eruditorum», соиздателем которого был сам Лейбниц. В них можно найти общеизвестные теоремы дифференциального и интегрального исчислений, включая фундаментальную теорему, что дифференцирование и интегрирование — прямо противоположные процессы. Лейбниц подчеркнул: новое исчисление дает универсальный алгоритм для решения задачи касательной и квадратуры в случае с целым диапазоном функций, включая трансцендентные (термин, придуманный Лейбницем для обозначения функций типа sin х и In х), которые могут быть выражены как бесконечные степенные ряды, но не представляют собой решения алгебраических уравнений.

Результаты, полученные Лейбницем, аналогичны тем, которые отказался опубликовать Ньютон. Возникший спор о приоритете в изобретении дифференциального и интегрального исчислений омрачил последние годы жизни обоих ученых. Если говорить о датах публикаций, первое издание «Начал» вышло в 1687 году, уже после статей Лейбница в «Acta eruditorum». Ньютон послал экземпляр «Начал» Лейбницу, полагая, что тот находится в Ганновере. Лейбниц, будучи в Италии, прочитал обзор книги в 1689 году в «Acta eruditorum» и, основываясь на этом обзоре, написал статьи по механике и оптике, в которых, конечно, использовались достижения Ньютона. Многие европейцы приписывали ему открытие дифференциального и интегрального исчислений лишь благодаря успеху его предшествующих статей, опубликованных на континенте. В 1699 году в работе малоизвестного математика, представленной Королевскому обществу, упоминалось, что Лейбниц позаимствовал свои идеи у Ньютона. Последовал жесткий ответ. Лейбниц закусил удила. Он использовал «Acta eruditorum», в то время как Ньютон опирался на поддержку Королевского общества, создавшего целый комитет, чтобы тщательно изучить этот вопрос. В 1705 году в «Acta eruditorum» был опубликован неблагоприятный обзор последней публикации Ньютона, а в 1712 году комитет Королевского общества принял решение, что именно Ньютон был первым изобретателем дифференциального и интегрального исчислений. В 1726 году, после смерти Лейбница, Ньютон удалил из третьего издания «Принципов» все ссылки на Лейбница. Если бы Ньютон открыто и полностью опубликовал свои «Принципы» еще в 1669 году, возможно, неприятных баталий можно было бы избежать. Британцы придерживались ньютоновых флюксий и флюентов вплоть до начала XIX столетия, но в других странах Европы дифференциальное и интегральное исчисления развились в невероятно мощный математический аппарат именно на языке Лейбница.

Ньютон старался избегать публичности, однако в последние годы жизни много занимался общественной деятельностью. В 1696 году его назначили смотрителем Монетного двора. В 1699 году он был повышен в должности. Теперь в его обязанности входило улучшение процесса чеканки и выявление фальшивомонетчиков, которых отправляли на виселицу. В 1701 году Ньютон во второй раз представлял Кембриджский университет в парламенте. А в 1699-м был избран вторым иностранным членом-корреспондентом Французской академии наук — первым был все тот же Лейбниц. В 1703 году Ньютона избрали президентом Королевского общества, и на этой должности он оставался вплоть до самой смерти. В 1705 году королева Анна посвятила его в рыцари. Ньютон похоронен в Вестминстерском аббатстве. Вольтер так сказал о Ньютоне: «Он жил, чтимый своими соотечественниками, и был погребен, как король, облагодетельствовавший своих подданных».

Лейбниц продолжал расширять свои познания в философии, религии и универсальной логике (тем самым предвосхитив Джорджа Буля — см. Главу 17). В 1700 году он помог создать Берлинскую академию наук и собирался сделать это же в Санкт-Петербурге, но эти планы были реализованы только после смерти ученого. В 1714 году казалось, что ему придется жить в Лондоне, потому что герцог Брауншвейгский стал первым представителем Ганноверской династии, восшедшим на английский престол. Но его, человека, оказавшего множество неоценимых услуг в качестве дипломата, историка, адвоката и воспитателя, попросили остаться в библиотеке, исследуя запутанное королевское генеалогическое древо. Возможно, предполагалось, что Ньютону и Лейбницу будет ни к чему встречаться при дворе.

Чтобы закончить этот рассказ на более радостной ноте, следует сообщить, что в 1701 году, в ответ на обращение королевы Пруссии, Лейбниц написал: «Если рассмотреть математику с начала мира до времени сэра Исаака, то, что он сделал, можно смело считать лучшей ее частью». А в письме, написанном Лейбницу в 1676 году, Ньютон говорит, что «метод Лейбница получения сходящихся рядов весьма изящен, и его было бы достаточно для того, чтобы показать гений автора, даже если бы он не написал ничего другого». К счастью, история всегда будет хранить память об этих двух гениях.

Доказанное относительно кривых линий и ограниченных ими площадей легко прилагается к кривым поверхностям и объемам.

Предыдущие леммы приведены, чтобы избежать утомительности длинных доказательств, основываясь по образцу древних на приведении к нелепости.

Доказательства делаются более краткими и при помощи способа неделимых, но так как самое представление неделимых грубовато (durior), то этот способ представляется менее геометричным, почему я и предпочел сводить доказательства всего последующего к пределам сумм исчезающих количеств и к пределам их отношений, поэтому я и предпослал сколь можно краткие доказательства свойств этих пределов. Способом пределов достигается то же, что и способом неделимых, и после того как его основания доказаны, мы можем им пользоваться с еще большею уверенностью. Поэтому, если во всем последующем изложении я рассматриваю какие-либо величины как бы состоящими из постоянных частиц, или если я принимаю за прямые линии весьма малые части кривых, то следует разуметь, что это — не неделимые, а исчезающие делимые величины, что это — не суммы и не отношения определенных конечных частей, а пределы сумм и пределы отношений исчезающих величин, и сущность этих доказательств в том и состоит, чтобы все приводить к предыдущим леммам.