Другая история науки. От Аристотеля до Ньютона - Сергей Валянский

Однако его труд не пропал даром. С 1539 года кубическими уравнениями начинает заниматься Кардано (1501–1576). Услышав об открытии Тартальи, он приложил много усилий, чтобы выманить тайну у осторожного и недоверчивого ученого для публикации в своей книге «Великое искусство, или о правилах алгебры». Только когда Кардан поклялся над Евангелием и дал честное слово дворянина, что не откроет способа Тартальи для решения уравнений и даже запишет его в виде непонятной анаграммы, Тарталья согласился раскрыть свою тайну. Он показал правила решений кубических уравнений, изложив их в стихах, причем довольно туманно.

Однако Кардан не только понял эти правила, но и нашел доказательства для них. Невзирая на данное им обещание, он опубликовал способ Тартальи, и способ этот известен до сих пор под именем «правила Кардана». А книга появилась в 1545 году.

Вскоре было открыто и решение уравнений четвертой степени. Итальянский математик Д. Колла предложил задачу, для решения которой известных до той поры правил были недостаточно, а требовалось умение решать биквадратные уравнения. Большинство математиков считало эту задачу неразрешимою. Но Кардан предложил ее своему ученику Луиджи Феррари, который решил задачу, и даже нашел способ решать уравнения четвертой степени вообще, сводя их к уравнениям третьей степени.

Столь быстрые и поразительные успехи в нахождении формулы решения уравнений 3-й и 4-й степени поставили перед математиками проблему отыскания решений уравнений любых степеней. Огромное число попыток, усилия виднейших ученых не приносили успеха. В поисках протекло около 300 лет. Только в XIX веке Абель (1802–1829) доказал, что уравнения степени п>4, вообще говоря, в радикалах не решаются.

На пути создания общей теории алгебраических уравнений и способов их решения стояли еще два препятствия: сложность, неудобство получаемых формул и неразъясненность неприводимого случая. Первое составляло чисто практическое неудобство. Его Кардано устраняет, предлагая находить корни уравнений приближенно с помощью правила двух ложных положений, по существу применяемого и в наши дни в виде простой, или линейной, интерполяции. Второе препятствие имеет более глубокие корни, а попытки его преодоления привели к весьма важным следствиям.

Плодотворная и смелая попытка справиться с неприводимым случаем принадлежит итальянскому математику и инженеру Р. Бомбелли из Болоньи. В сочинении «Алгебра» (1572) он ввел формально правила действий над мнимыми и комплексными числами.

Алгебраическая символика

Рост содержания математических знаний всегда связан с развитием математической символики. Последняя, если она достаточно хорошо отражает реальную сущность математических операций, активно воздействует на математику и сама приобретает оперативные свойства. Единую систему алгебраических символов, последовательно проведенную, первым дал, по-видимому, Виета.

Франсуа Виета (1540–1603) — французский математик, юрист по образованию и роду деятельности. Главный труда его жизни — «Введение в искусство анализа», огромное и чрезвычайно обстоятельно написанное сочинение по новой алгебре.

Правда, он не был полностью завершен.

Замысел Виеты определялся следующими соображениями: крупные успехи итальянских математиков в решении уравнений 3-й и 4-й степени достигнуты благодаря применению эффективных алгебраических приемов. Но число отдельных видов алгебраических уравнений огромно и растет, достигнув, например, у Кардано шестидесяти шести; каждый из видов требовал особых приемов. Необходимо найти общие методы подхода к решению алгебраических уравнений; последние должны рассматриваться в возможно более общем виде с буквенными коэффициентами. Кроме того, необходимо сочетать эффективность алгебраических приемов со строгостью геометрических построений, хорошо знакомых Виете.

Благодаря созданной им символике впервые появилась возможность выражения уравнений и их свойств общими формулами. Объектами математических операций стали не числовые задачи, а сами алгебраические выражения. Именно этот смысл вкладывал Виета в характеристику своего исчисления как «искусства, позволяющего хорошо делать математические открытия». Символы Виеты были вскоре усовершенствованы его младшими современниками, особенно Гэрриотом (1560–1621).

В сочинениях Виеты подводится своеобразный итог математики эпохи Возрождения. Но его алгебра была еще несовершенной. Ее очень утяжеляла видовая трактовка величин, обладающих размерностью. В ней нет общей трактовки степеней, все степени натуральные. Принципиальное разделение чисел и алгебраических величин не позволяло ему употреблять радикалы для величин, а лишь для чисел. Эту алгебру скоро вытеснила алгебра Декарта. Однако известно, что Ферма, например, изучив алгебру Виеты, придерживался ее формы, когда строил аналитическую геометрию.

Алгебраисты завершили символическое оформление своей науки и пробовали формулировать и решать проблемы общей теории алгебраических уравнений. Тригонометрия отделилась от астрономии, ее результаты получили достаточную степень общности. Полностью освоено геометрическое наследие древних. Математика постоянных величин к концу XVI века завершала цикл своего формирования.

Центр тяжести научных исследований сместился в область переменных величин. В математике наступал новый период.

Аналитическая геометрия Декарта

Столетие в жизни науки — большой срок, в течение которого успевает происходить трудно обозримое множество событий. Воссоздание полной фактической картины — дело специалистов. Мы же можем в целях первоначального ознакомления лишь выделить главные линии развития, отметить закономерности этого развития.

В XVII веке начало учению о перспективе и проективной геометрии было положено в сочинениях Ж. Дезарга (1593–1661) и Б. Паскаля (1623–1662). Первую научную форму приобрела теория вероятностей, особенно благодаря открытию Я. Бернулли (1654–1705) простейшей формы закона больших чисел. Элементарная математика приобрела завершенную форму благодаря исчезновению риторической алгебры и замене ее символической, а также изобретению логарифмов.

Но главным и определяющим для XVII века является то, что математика преобразовалась, превращаясь в математику переменных величин. Произошло расширение ее предмета за счет включения в него движения и средств его математического отображения.

Рене Декарт (1596–1650) был выдающимся французским ученым: философом, физиком, математиком, физиологом. Образование, в силу принадлежности к древнему и знатному дворянскому роду, он получил в иезуитском колледже, славившемся постановкой обучения. Всю жизнь он продолжал совершенствоваться в науках, временами предаваясь им целиком. Целью естественнонаучных занятий Декарта была разработка общего дедуктивно-математического метода изучения всех вопросов естествознания. При этом он совершенно отделил этот род своих занятий от метафизических рассуждений идеалистического характера. В границах физики Декарта единственную субстанцию, единственное основание бытия и познания представляет материя.

Природой материи, утверждал Декарт, является ее трехмерная объемность; важнейшими свойствами ее — делимость и подвижность. Эти же свойства материи должна отображать математика. Она не может быть либо численной, либо геометрической. Она должна быть универсальной наукой, в которую входит все, относящееся к порядку и мере. Все содержание математики должно рассматриваться с единых позиций, изучаться единым методом; само название науки должно отражать эту ее всеобщность. Декарт предложил назвать ее универсальной математикой (Mathesis universalis).

Эти общие идеи конкретизировались к 1637 году, когда вышло в свет знаменитое Декартово «Рассуждение о методе», в котором, помимо общей характеристики метода естественнонаучных исследований, выделены в отдельные части приложения метода к диоптрике, метеорам и к математике. Последняя часть носит название «Геометрия»; она и представляет для нас наибольший интерес.

В основу всей «Геометрии» Декарта положены две идеи: введение переменной величины и использование прямолинейных (декартовых) координат. Переменная величина вводится в двоякой форме, в виде текущей координаты точки, движущейся по кривой, и в виде переменного элемента множества чисел, соответствующих точкам данного координатного отрезка. А сама «Геометрия» Декарта состоит из трех книг. Первая — «О задачах, которые можно построить, пользуясь только кругами и прямыми линиями», начинается с кратких разъяснений общих принципов. Затем следуют правила составления уравнений геометрических кривых.

Природа говорит с нами на языке математики. Вернее сказать, природа обращается к нам сразу на многих диалектах единого математического языка. Мы называем эти диалекты арифметикой, геометрией, алгеброй или математическим анализом, но не всегда чувствуем их единство, а многих диалектов мы еще не знаем.