XVII век был временем популярности сумм бесконечных рядов степеней, которые служили для поиска квадратуры фигур, ограниченных различными типами кривых, то есть площади сегмента какой-либо кривой.
ЛЕЙБНИЦ И БЕСКОНЕЧНЫЕ РЯДЫ
Когда в 1672 году Лейбниц навестил Гюйгенса в Париже, он рассказал ему о методе, над которым работал. Он использовался для нахождения суммы членов бесконечных рядов чисел и состоял в том, чтобы учитывать разность между членами последовательности. Если у нас есть ряд членов a>0<а>1<а>2<а>3<... a>n, то возьмем разности b>1= a>1-a>0; b>2= а>2-а>1; b>3= а>3-а>2; ..., и тогда нулевая сумма а>0-а>0 + а>1 - а>1 + а>2 - а>2 +...+ a>n-1 - a>n-1 + + a>n - a>n = а>0 + b>1 + b>2 +...+ b>n - a>n = 0, откуда следует, что сумма разностей равна:
b>1 + b>2 + b>3 + ... + b>n = a>n - a>0
Лейбниц утверждал, что его метод разностей может быть применен для нахождения суммы любого ряда чисел, построенного в соответствии с правилом, и даже для бесконечных рядов — при условии, что они сходятся.
На той же встрече Гюйгенс задал Лейбницу задачу, которую он сам уже решил, чтобы тот проверил свой метод, — найти сумму чисел, обратных треугольным, то есть следующий ряд:
1 + 1/3 + 1/6 + 1/10 + ...
Лейбниц разделил на два каждый член, разложив дроби на разность двух:
1/2+1/6+1/12+1/20+...+1/2+(1/2-1/3)+(1/3-1/4)+(1/4-1/5)+...+1/2+1/2 = 1
следовательно, значение искомой суммы членов данного ряда составляет 2(1 + 1).
Также Лейбниц сформулировал то, что известно как теорема сходимости знакочередующихся рядов, то есть рядов, в которых чередуются складываемые и вычитаемые члены. В основном это выражение вида:
>∞
∑(-1)>n • a>n = a>0 - a>1 + a>2 - a>3 + a>4 - ... при a>n ≥ 0.
>n=0
Данный критерий впервые появился в письме, адресованном Иоганну Бернулли (1667-1748) в 1713 году.
Для многих математиков критерии сходимости, которыми они пользовались, были основаны на том, чтобы найти частичные суммы ряда членов, например п членов. Они пытались найти упрощенное выражение, связанное с гг, а затем изучить, что произойдет, если число членов возрастет до бесконечности. Но не все математики были согласны с данным подходом, поскольку появлялись так называемые логические парадоксы, то есть ряды, расходящиеся при одном методе, а при применении других методов — наоборот.
Один из главных парадоксов того времени был связан с нахождением суммы знакочередующегося ряда, в котором an = 1 для любого n. То есть речь идет о ряде:
>∞
∑(-1)>n = 1-1+1-1+1-1+1-1+...
>n=1
Если взять четное число членов, частичная сумма равна 0, в то время как если взять нечетное число, частичная сумма равна 1. Лейбниц в итоге присвоил этой сумме значение 1/2.
Простое рассуждение для получения этого решения следующее:
5=1-1 + 1-1 + 1-1 + 1 -... = 1 - (1-1 + 1-1 + 1-1 +...) = 1-S,
откуда после упрощения получается 2S = 1, и, следовательно, искомая сумма равна S = 1/2.
Во время визита к Роберту Бойлю Пелл указал Лейбницу на то, что математик Франсуа Рейно уже опубликовал общий метод прерывания рядов с помощью разностей. Ученый ознакомился с данным исследованием, выяснил, что его метод отличается от метода Рейно, и написал свою работу для представления в Королевском обществе. Однако эта работа была встречена довольно холодно, и его даже обвинили в плагиате. Сам Лейбниц позже признал, что там действительно не содержалось никакого нового результата, а вся изюминка заключалась в новом представленном методе.
Провал работы заставил ученого понять, что ему очень не хватает математических сведений: он не знал о многом из того, что уже было опубликовано. Поэтому Лейбниц потратил почти год на самосовершенствование в этой области.
НОВОЕ ЗАНЯТИЕ
Когда Лейбниц покидал Париж, он уже был советником герцога Ганновера, то есть занимал должность, оставшуюся за ним до конца жизни. С 1677 года Лейбниц стал тайным советником герцога Иоганна Фридриха: это была наиболее ответственная и оплачиваемая должность. Решив свои финансовые проблемы, ученый смог использовать возможности, которые давало ему его новое положение, для исследования интересующих его научных проблем. Сначала Лейбниц нехотя согласился на эту должность, но позднее выражал свое удовлетворение ролью, которую играл.
Став библиотекарем герцога, он начал расширять библиотеку, заполняя ее книгами из всех самых важных областей знания, больше заботясь о качестве, чем о количестве, для чего использовал собственный опыт и связи в ученом мире. Новое
занятие позволяло ему ездить в другие города в поисках интересных книг для герцогской библиотеки. Например, в 1678 году Лейбниц посетил Гамбург, чтобы купить библиотеку Мартина Фогеля, последователя немецкого ученого Иоахима Юнга.
По возвращении он написал для герцога ряд сочинений на такие разнообразные темы, как улучшение государственного управления, организация архивов, практика сельского хозяйства и работа на фермах. В них Лейбниц доказывал, что, заботясь об увеличении благосостояния народа, нужно иметь четкое представление об имеющихся в распоряжении ресурсах, как человеческих, так и природных. Кроме того, он изложил герцогу идею, которая только начинала зарождаться в его голове: создать в Германии академию наук. Лейбниц даже представил ряд изобретений, предназначенных для повышения эффективности горнодобывающей промышленности, таким образом намереваясь получить средства на создание этого учреждения.
