Эйлер. Математический анализ

ГЛАВА 1 Базель, колыбель великого математика

Базель был прекрасным местом для начала научной карьеры, особенно в области математики.

Этот город был интеллектуальным центром высочайшего уровня, здесь располагался лучший университет Швейцарии и жили многие члены семьи Бернулли, самой знаменитой династии математиков в истории.

Именно они оказали покровительство молодому и многообещающему Эйлеру и привили ему любовь к анализу, которую он пронес через всю свою жизнь.

Базель — город в Швейцарии, занимающий стратегическое положение у границы с Францией и Германией. Он расположен на берегу Рейна недалеко от водопадов, которые делают невозможным речную навигацию. Сейчас в нем вместе с пригородами проживает 750 тысяч человек. Здесь находится самый старый в Швейцарии университет и многочисленные исторические памятники. В Базеле родились и жили такие выдающиеся деятели, как Андреас Везалий, Карл Густав Юнг, Эразм Роттердамский, Фридрих Ницше и Парацельс, а также семья Бернулли. Сегодня самый известный житель Базеля — теннисист Роджер Федерер. Более образованные горожане предпочитают упоминать Эразма Роттердамского, который, хоть и родился не здесь, жил и умер в Базеле. Среди ученых и в особенности математиков самым выдающимся сыном Базеля считается Леонард Эйлер, родившийся здесь более 300 лет тому назад.

Эйлер был математиком, инженером, физиком, астрономом, философом, архитектором, музыкантом и иногда теологом, одним из самых влиятельных ученых XVIII века и одним из самых плодовитых в истории науки. Его именем названо множество математических явлений. Привести их полный список было бы проявлением излишнего педантизма, но в качестве примера необходимо упомянуть хотя бы эти: формула Эйлера, углы Эйлера, характеристика Эйлера — Пуанкаре, прямая Эйлера, формула Эйлера — Маклорена, теорема Эйлера — Лагранжа, теорема вращения Эйлера, теорема Эйлера о треугольниках, эйлеров цикл, круги Эйлера, эйлеров параллелепипед и еще около 140 названий, в зависимости от источника.

Семья Эйлера ничем не была примечательна. Его отец, Пауль Эйлер, был пастором, а мать, Маргарита Брукер, — домохозяйкой и дочерью пастора. Леонард был старшим из четырех детей, у него было две сестры — Анна Мария и Мария Магдалена — и брат Иоганн Генрих, ставший довольно известным художником.

У Пауля Эйлера было неплохое математическое образование, поскольку в свое время он учился у Якоба Бернулли (1654-1705), выдающегося математика и основателя знаменитой династии, а также дружил с его братом Иоганном (1667— 1748), который был младше Якоба на 13 лет. Леонард Эйлер родился 15 апреля 1707 года. Отец хотел, чтобы он тоже стал пастором и в надлежащее время начал "пасти своих овец", но сыну была уготована другая судьба.

Юный Леонард уже в школе отличался большими способностями к языкам: хорошо говорил на немецком и французском, прекрасно знал латынь, достиг успехов в изучении иврита и греческого, как и ожидалось от будущего священника, и приступил к философии.

Считается, что, воспользовавшись дружбой своего отца с Иоганном Бернулли, Эйлер попросил его давать ему по субботам уроки математики. Так его преподаватель, один из крупнейших математиков эпохи, обнаружил у мальчика феноменальные способности к этой науке.

Гений Эйлера проявился в очень раннем возрасте: в 13 лет он поступил в университет, в 1723 году стал магистром философии, написав работу о теоретических различиях вселенных, вытекающих из учений Декарта и Ньютона. Иоганн Бернулли продолжал следить за успехами Эйлера и, хотя по характеру был очень скуп на похвалу, считал его гением.

Если попросить назвать четырех ученых, живших до XX века и занимающих математический олимп, то общепринятым ответом будет: Архимед, Ньютон, Эйлер, Гаусс. Если же попробовать выделить кого-то одного, задача усложнится. Многие проголосовали бы за разностороннего математика, представленного целой семьей Бернулли. Эта научная династия включала отцов, сыновей и братьев, которые оказывали влияние на науку на протяжении более 100 лет. В этой семье частенько возникали ссоры на почве математических расхождений, и некоторые из них имели серьезные последствия. Например, Якоб, основатель династии, написал в своем завещании, что запрещает своему брату Иоганну читать его научные записи; а тот, в свою очередь, обвинил своего сына Даниила в плагиате своей работы по гидродинамике. Более века (а точнее, 150 лет без перерыва) главой кафедры математики Базельского университета был представитель семьи Бернулли, и до середины XX века, то есть более 250 лет, в этом городе не было Бернулли без кафедры.

Самыми важными достижениями Бернулли считаются использование полярных координат, углубленное изучение лемнискаты и логарифмической спирали, решение различных задач по теории вероятностей и рядов, знаменитая задача по гидродинамике, названная их именем, и правило Бернулли — Лопиталя. Математический анализ получил огромное развитие именно благодаря этой семье и, усилиями Иоганна, стал любимой дисциплиной Эйлера.

Гравюра 1784 года, изображающая Иоганна и Якоба Бернулли, занятых решением геометрических задач.

Иоганн Бернулли оказал решающее влияние на образование и научные интересы Эйлера, а о важности его роли в науке стоит поговорить отдельно. Он был выдающимся математиком, возможно самым ярким из всей семьи, но его отец желал, чтобы тот стал торговцем, а затем врачом. В конце концов Иоганн посвятил себя математике, как и старший брат Якоб, всегда оказывавший ему поддержку, хотя их отношения периодически омрачались соперничеством и ссорами.

Иоганн был довольно самонадеян, часто оказывался в центре споров и дискуссий, в том числе и с членами своей семьи. Сделав открытие, он всегда претендовал на первенство, несмотря на то что другие сделали такое же открытие раньше него. Иоганна даже обвиняли в том, что он лгал, выдавая чужие открытия за свои.

Он был не только великим математиком, но и настоящим кладом для историков, которые благодаря ему смогли узнать множество анекдотов, например о случае с маркизом де Ло- питалем (1661-1704), богатым аристократом и великолепным математиком. Лопиталь заключил с Бернулли необычный интеллектуально-экономический договор: за плату маркиз получал право доступа к открытиям Иоганна и мог выдавать их за свои. Фундаментальные для математического анализа инструменты, такие как правило Лопиталя — Бернулли, увидели свет под именем маркиза, хотя на самом деле были открыты Иоганном. Великолепная книга маркиза де Лопиталя "Анализ бесконечно малых для исследования кривых линий" была встречена читателями с восторгом, но сегодня мы знаем, что авторство он должен разделить с Бернулли. После смерти маркиза Иоганн предъявил права на все, что на самом деле было открыто им, но прошло некоторое время, прежде чем ему поверили.

В июне 1696 года, еще до рождения Эйлера, на страницах первого научного журнала в истории Acta emditorum ("Деяния ученых"), издаваемого в Лейпциге, Иоганн Бернулли бросил вызов своим коллегам: на основе заданных точек А и В, где А находится на высоте, отличной от В, найти траекторию, которую опишет тело, двигаясь от одной точки к другой под действием только силы притяжения. Разумеется, у самого Иоганна уже было решение (которое, как выяснилось позже, было не совсем верным), и он просто хотел проверить своих коллег и в особенности брата Якоба. В мае 1697 года в Acta eruditorum были опубликованы правильные результаты, в которых искомой кривой признавалась циклоида с началом в точке А и максимумом в В (см. рисунок).

Циклоида — это кривая, описанная точкой на окружности, которая катится по прямой.

Среди знаменитых ученых, нашедших правильное решение, были Лейбниц и Якоб Бернулли. Превосходное, но анонимное решение пришло из Лондонского Королевского общества. Прочитав его, Иоганн понял, что за ним стоял гениальный Ньютон. Считается, что он сказал фразу "лев узнается по своим когтям", которая стала популярной как аллегорическая похвала английскому ученому.

Как мы уже видели, циклоида — это кривая, которая в определенном случае может быть названа брахистохроной (от греческого "брахистос" — "самый короткий" и "хронос" — "время"). Все вышеперечисленные события вошли в историю математики как задача о брахистохроне. Много лет спустя Эйлер также обратился к циклоиде и брахистохроне, занимаясь вариационным исчислением — сильнейшим методом, созданным им вместе с Жозефом Луи Лагранжем (1736-1813) и оказавшим огромное влияние на развитие механики.

Иоганн Бернулли пытался убедить Пауля, что будущее его сына заключается не в сане священника и не в теологии, а в математике. Эйлер подавал огромные надежды.

В 1726 году, в возрасте 19 лет, Эйлер уже был доктором наук. Его диссертация — назовем эту работу современным термином — была посвящена распространению звука и называлась Dissettatio physico de sono ("Диссертация по физике о звуке"). Научным руководителем юноши был Иоганн Бернулли. Эта работа могла обеспечить Эйлеру оставшуюся свободной кафедру в Базельском университете, но это было маловероятно, учитывая его юный возраст. Как и следовало ожидать, должности он не получил.

В 1727 году Эйлер принял участие в Grand Prix Парижской академии наук, предложив решение задачи о том, где лучше всего размещать мачты на корабле. Нельзя не увидеть в этом иронию судьбы: конкурс, посвященный навигации, собирался выиграть "сухопутный" Эйлер. Как пишет биограф Эйлера Эмиль Фельман, самой большой массой воды, которую тот видел в своей жизни, был Рейн, поэтому, как и большая часть населения Швейцарии, юноша был чрезвычайно далек от вопросов навигации. Так или иначе, Эйлер принял участие в конкурсе и, хоть и не выиграл его, получил медаль с отличием и приобрел известность в научном сообществе. Победителем стал Пьер Бугер, ординарный профессор 28 лет и непревзойденный специалист по гидродинамике. Юный Эйлер, изучив работы Вариньона, Галилея, Декарта, Ньютона, Ван Схотена, Германа, Тейлора, Валлиса и Якоба Бернулли, начинал демонстрировать первые проблески своего гения.

Якоб Бернулли, как истинный геометр, был поражен характеристиками и видом логарифмической спирали, этой винтообразной кривой, упрощенное уравнение которой в полярной системе координат выглядит так: r = а^α, где радиус r экспоненциально зависит от угла α. Ее называют spira mirabilis (удивительная спираль). Очарование Бернулли этой спиралью дошло до того, что он подал официальное прошение о том, чтобы она была высечена на его могиле вместе со словами Eadem mutata resurgo (измененная, я вновь воскресаю). Сказано — сделано. Однако Бернулли не принял в расчет скульптора, делавшего надгробие. Вместо логарифмической спирали тот высек архимедову спираль, поскольку для мраморных дел мастера все они были одинаковы. Зная, каким вспыльчивым характером обладает младший брат Якоба, которому тот передал свою страсть к этой спирали, можно только надеяться, что Иоганн не встретил скульптора на том свете.

На надгробии Якоба Бернулли была высечена не логарифмическая спираль, а спираль Архимеда (см. нижнюю часть иллюстрации), в которой расстояние между витками одинаково.

Логарифмическая спираль не имеет ни начала, ни конца. В природе она встречается в приближенном виде — спираль ураганов и некоторых галактик.

Тем временем выдающиеся математики из разных государств Европы (в особенности Германии и стран, находившихся под ее культурным влиянием), работавшие в то время в России, плели целую сеть, чтобы поймать в нее многообещающего молодого ученого. Одним из них был Кристиан Гольдбах (1690— 1764), с которым Эйлер вел переписку уже на протяжении нескольких лет и о котором мы поговорим позже.

Царь России Петр I (1672-1725), прозванный Великим, придерживался прозападных взглядов. Одним из способов интеграции своей обширной империи в европейскую цивилизацию было создание Российской академии наук по образу академий Парижа и Берлина или Лондонского королевского общества — оплотов просвещения и науки того времени.

Петр поручил искать талантливых ученых, готовых переехать в Россию. Николай и Даниил Бернулли, двое из четырех сыновей Иоганна, с которыми Эйлер был очень дружен и которые уже работали в Санкт-Петербурге, где впоследствии была открыта Академия, с согласия Гольдбаха горячо рекомендовали молодого Эйлера. Николай скоропостижно скончался от внезапного приступа аппендицита, и его место сразу же предложили Эйлеру. Тот согласился. Математик сделал это без особой охоты, но в Базеле отсутствовали какие-либо перспективы, и это стало решающим фактором.

Эйлер начал работать над созданием новых математических знаков еще в Базеле, до отъезда в Россию, и продолжал заниматься этим всю жизнь. Справедливо будет хотя бы вкратце рассказать об этом его вкладе в математику, прежде чем мы перейдем к рассказу о других его многочисленных достижениях. Главной целью использования знаков является создание синтетического языка, который позволил бы заменить длинный

Имя Пьера Бугера (1698-1758) редко упоминается в книгах по математике — в основном только в связи с ее применением в гидрографии. В этой области Бугер считается бесспорным авторитетом. Он также является одним из отцов кораблестроения. Дарование этого бретонского ученого проявилось уже в раннем возрасте: в 15 лет он обладал такими глубокими знаниями по физике и математике, что после смерти своего отца, одного из крупнейших специалистов того времени, занял его место на кафедре гидрографии. В 1727 году, когда Бугеру не было еще и 30 лет, он выиграл Grand Prix Парижской академии, решив задачу о наилучшем расположении мачт на корабле, после чего побеждал в этом конкурсе еще два раза. Эйлер в тот раз занял второе место, но впоследствии одерживал победу 12 раз.

Статуя Пьера Бугера недалеко от Луары, в его родном городе Круазик.

Едва Бугеру исполнилось 30 лет, как он сделал важнейшие открытия в фотометрии, проанализировав уменьшение света при прохождении слоев воздуха. В1747 году он изобрел гелиометр, впоследствии усовершенствованный Йозефом Фраунгофером (1787-1826) и позволивший сделать множество открытий в спектрографии в частности и в физике в целом. В 37 лет Бугер вместе с Шарлем Мари де ла Кондамином и Луи Годеном отправился в научную экспедицию в Перу. Ее целью было определить длину градуса меридиана, и в результате был установлен факт расширения земного шара в области экватора. Бугер также открыл гравитационную аномалию, названную его именем. В 1746 году он опубликовал "Трактат о корабле, его построении и движении", ставший главным трудом по кораблестроению той эпохи. В нем стабильность корабля измеряется по положению его метацентра, или киля. Ученый был избран членом Лондонского королевского общества, а слава его символически достигла небес — его именем были названы кратеры на Луне и Марсе. В истории математики Бугера помнят из-за довольно простого, но чрезвычайно полезного нововведения: в 1752 году он предложил использовать символы ≤ и ≥

словесный текст символами и символическими обозначениями. Хорошая система знаков устанавливает общие правила их использования и позволяет нам понимать друг друга. Современная система математических знаков несовершенна, но намного более развита по сравнению с прошлыми эпохами. С ее помощью можно записать практически любое математическое сообщение с существенной экономией выразительных средств. Если же мы попробуем прочитать классический математический текст, написанный до Франсуа Виета (1540-1603), создателя современной алгебраической терминологии, это окажется совсем непростой задачей. Без использования символов все понятия должны быть выражены обычным языком, при этом не избежать частых повторений и тяжеловесных фраз. Приведем один пример.

Сегодня теорему Пифагора можно было бы сформулировать следующим образом:

В треугольнике со сторонами а, b и c, угол А = 90º <=> а² = b² + с².

У Евклида же она записана в двух частях (книга 1, предложения 47 и 48):

В прямоугольных треугольниках квадрат на стороне, стягивающей прямой угол, равен вместе взятым квадратам на сторонах, заключающих прямой угол. Если в треугольнике квадрат на одной стороне равен вместе взятым квадратам на остальных двух сторонах, то заключенный между остальными двумя сторонами треугольника угол есть прямой. ("Начала")

Этот случай демонстрирует прогресс, достигнутый благодаря использованию знаков. Среди символов, созданных Эйлером или ставших благодаря ему популярными и использующихся и по сей день, особенно выделяются следующие.

Один из самых известных портретов Эйлера" написанный Якобом Эмануэлем Хандманом в 1753 году, когда ученый жил в Берлине. На картине уже заметна болезнь глаз, от которой Эйлер страдал с 1735 года. Ученый ослеп сначала на один глаз, а затем на другой, но никогда не прекращал интенсивных занятий математикой.

— π: ни один из знаков, введенных Эйлером, не имел такого успеха, как π — символ соотношения между длиной окружности и ее диаметром, иррациональное и трансцендентное число, приблизительно равное π = 3,1415926535... Впервые эта греческая буква была использована англичанином Уильямом Джонсом (1675- 1749), который выбрал ее потому, что с нее начиналось слово "периферия", но именно Эйлер сделал ее знаменитой, опубликовав в 1748 году свою книгу "Введение в анализ бесконечно малых".

— Постоянная е: Эйлер впервые обозначил символом "е" основание натуральных логарифмов еще в письме Гольдбаху 1731 года, говоря о пределе

lim_n→∞(1 + 1/n)ⁿ

и о сумме бесконечного ряда:

e = 1 + 1/1 + 1/(1·2) + 1/(1·2·3) + 1/(1·2·3·4 + ...)

Тем не менее только в уже упомянутом "Введении..." Эйлер углубил и развил свои идеи относительно е и даже вычислил первые 26 цифр:

е = 2,71828182845904523536028747...

Почему Эйлер выбрал именно букву е, неизвестно. Существует мнение, что выбор пал на нее, поскольку это первая буква его собственного имени или слова "экспонента", но это всего лишь догадка.

— i: на протяжении большей части своей жизни Эйлер, не обладая строгим и правильным определением предела, записывал как

ex = (1 + x/i)ⁱ,

то, что сегодня мы бы записали как

e^x = lim_n→∞(1 + x/n)^n.

В этом примере буква i символизирует бесконечное число. Но в 1777 году ученый передумал и стал использовать ее для обозначения мнимой единицы (комплексного числа). Статья 1777 года была опубликована только в 1794 году, но Гаусс, а с ним и все математическое сообщество, сразу же начали использовать i. Эта буква была выбрана как первая в немецком слове "мнимый".

— у = ƒ(x): Эйлер стал первым ученым, использовавшим современное понятие функции, связав заданное значение х с получившимся значением у посредством соотношения, названного ƒ. Область определения и значений ƒ были четко обозначены. Функция появляется уже в 1734-1735 годах в Commentarii academiae scientiarum imperialis Petropolitanae — первом журнале Петербургской академии наук. И хотя современное понятие функции немного отличается от того, которое имел в виду Эйлер, нельзя не признать, что он сделал огромный шаг вперед в том, что касается ясности определений и описания.

— Σ (сигма): Эйлер выбрал эту букву для обозначения суммы последовательности чисел, подчиняющейся какому-либо правилу, которое записывается над или под символом. В общем случае сумма элементов х, где i — "счетчик" слагаемых, идущих от m до n, записывается так:

Σ_i=mⁿx_i = x_m + x_m+1 + x_m+2 + ... + x_n-1 + x_n.

Сигма — греческий аналог буквы "с", с которой начинается слово "сумма", поэтому ее использование кажется вполне логичным. В течение жизни Эйлер вычислил сотни таких последовательностей, многие из которых были бесконечными. При n = ∞ последовательность называется рядом. Возможно, самая знаменитая в своей простоте последовательность Эйлера — это последовательность из Базельской задачи, которую он вычислил в 1735 году, на пике своего математического творчества (мы поговорим о ней подробней в следующей главе):

Σ_n=1^∞1/n² = π²/6.

Никто не ожидал, что в сумме этой последовательности будет задействовано число π, и его появление внесло настоящую неразбериху в умы ученых.

— Заглавные и строчные буквы: в любом треугольнике стороны обозначаются строчными буквами, а соответствующие углы — теми же буквами, но заглавными (рисунок 1).

РИС. 1

РИС . 2

РИС 3

Аналогичным образом буквами R и г обозначаются соответственно радиусы описанной (рисунок 2) и вписанной окружностей (рисунок 3).

— Использование первых букв алфавита (обычно строчных) — а, b, с, d — для обозначения известных величин в уравнениях, и последних — х, у, z, v — для неизвестных величин.

— Сокращенные латинские формы sin, cos, tang, cot, sec и cosec Эйлер впервые использовал в 1748 году в своей книге "Введение в анализ бесконечно малых" для обозначения тригонометрических функций. Затем они были адаптированы к разным языкам, хотя сейчас фактически универсальным является их английский вариант: sin х, cos х, tan х (в русской традиции tg x), cot х (или ctg х), sec х и cosec х.

— Обозначение для конечных разностей: это вычислительный инструмент, немного похожий на производные. Он не использует понятие предела и так называемые бесконечно малые. Конечные разности встречаются уже у Ньютона (1642-1727), Джеймса Грегори (1638-1675) и Колина Маклорена (1698-1746) и позволяют вычислять неизвестные многочлены на основе их значений, а также интерполировать и изучать последовательности и ряды. Изобретение компьютеров сделало их еще полезнее. Эйлер посвятил много сил изучению конечных разностей. Их обозначения, которые сегодня встречаются в книгах, принадлежат ему. В самом простом случае для последовательности {u_i} разность двух соседних членов будет обозначаться ∆:

∆u_k = u_k+1 - u_k.

Последующие конечные разности (второго порядка ∆², третьего порядка ∆³, четвертого порядка ∆⁴ и так далее) определяются, исходя из разностей первого порядка с помощью рекурсии, то есть каждая использует предыдущую:

∆^pu_k = ∆(∆^p-1u_k).

Таким образом строго определяются конечные разности любого порядка — ∆, ∆², ∆³,... — и с ними можно работать.

В серии работ, начатых еще в Базеле, Эйлер открыл формулу комплексных чисел, впоследствии ставшую знаменитой. Он использовал ее для нахождения значения математической категории, до той поры неизвестной, — отрицательных логарифмов. Как мы уже сказали, для обозначения мнимой единицы, √-1, Эйлер использовал символ i.

С этого момента подразумевается, что если в арифметической формуле есть i, то

i= √-1.

Во время работы в Базеле Эйлер открыл формулу

e^xi = cos x + isin x

и преобразовал ее так, как только он, великий жонглер символами, был способен. Из этого простого выражения, известного как формула Эйлера, которое связывает комплексные числа с тригонометрией, в последующие столетия произошла, как мы увидим в главе 3, большая часть математического анализа.

Во времена Эйлера пользовались большой популярностью логарифмы — инструмент вычисления, открытый в XVI веке. Однако их потенциал оставался невостребованным вплоть

до появления работ швейцарского ученого. Представим их определение: если а положительное число, называемое основанием, N также положительное число и верно равенство

N = α^x,

то говорится, что х — логарифм N и пишется х = log₂N. Или:

N = α^logN.

Если основание логарифма — число е, то пишется In N вместо log N.

Господа: это абсолютно верно и совершенно парадоксально, мы не можем понять этого и не знаем, что это означает, но мы это доказали и, следовательно, знаем: это правда.

Бенджамин Пирс (1809-1880), профессор Гарварда о так называемой

ФОРМУЛЕ КОМПЛЕКСНЫХ ЧИСЕЛ ЭЙЛЕРА

Число -1 можно записать как -1 =1 + 0i и, следовательно, рассматривать его в качестве комплексного числа. Подставим его в формулу Эйлера:

-1 = 1 + 0i = cosπ + isinπ = e^xi.

Теперь рассмотрим только начало и конец этого равенства и используем натуральный логарифм:

In(-1) = In(e^xi) = πi.

Таким образом, Эйлер получил точное значение натурального логарифма от -1, отрицательного числа. На этом ученый приостановил интеллектуальную атаку на данную область и уехал в Санкт-Петербург. Только в 1751 году, почти 25 лет спустя, Эйлер обнародовал этот результат в надлежащем виде вместе со многими другими в фундаментальном труде "Введение в анализ бесконечно малых".

Как древние воины, которые продолжали выпускать стрелы даже при отступлении, Эйлер уехал в Россию и отложил изучение отрицательных логарифмов, продемонстрировав, тем не менее, свое будущее оружие.