Искусство мыслить рационально. Шорткаты в математике и в жизни - [60]

Шрифт
Интервал

Поэтому, если вы еще не освоили матанализ, самое время это сделать. Для этого потребуется вникнуть в некоторое количество уравнений, но, можете мне поверить, дело того стоит.

Текучая вселенная

Еще до того, как Джон Гленн завершил орбитальный полет вокруг Земли, матанализ помог ему попасть на эту орбиту. Он ждал пуска на стартовой площадке, зная, что для преодоления гравитационного притяжения Земли корабль должен набрать определенную скорость, которую называют первой космической[87]. Но точное определение скорости космического аппарата в каждый момент его полета – задача непростая. Все непрерывно изменяется: масса корабля уменьшается по мере сгорания топлива, гравитационное притяжение ослабевает по мере удаления от Земли. Тяга реактивных двигателей состязается с гравитационным притяжением, и кажется, что все вместе образует совершенно неразрешимую головоломку. Но в том и состоит истинная сила математического анализа, что он позволяет видеть картину происходящего в невообразимо сложной системе изменяющихся переменных в любой момент времени.

А началось все с яблока, упавшего с дерева в саду принадлежавшей семье Ньютона усадьбы Вулсторп в графстве Линкольншир. Ньютон вернулся из Кембриджа в родной дом, когда началась эпидемия чумы. Кое для кого периоды изоляции во время пандемий, несомненно, бывали плодотворными. Утверждается, что именно когда театр «Глобус» закрылся на карантин, Шекспир закончил «Короля Лира». Сидя в саду, Ньютон пытался разобраться с задачей вычисления скорости падающего яблока в произвольной точке его пути от ветки до земли. Скорость равна отношению расстояния ко времени, которое занимает перемещение на это расстояние. Если скорость постоянна, все в порядке. Но проблема заключалась в том, что скорость непрерывно изменяется из-за гравитационного притяжения. Все измерения, которые проводил Ньютон, давали ему лишь среднюю скорость за период измерений.

Чтобы вычислять скорость с большей точностью, он мог использовать все меньшие временные интервалы. Но для определения точной скорости в любой момент нужно было взять бесконечно малый интервал. В пределе оказывалось, что расстояние нужно делить на нулевое время. Но как делить на 0? Эту операцию сделал осмысленной изобретенный Ньютоном математический анализ.

К тому времени Галилей уже открыл формулу, позволяющую установить, какое расстояние яблоко пролетает за любой временной промежуток. За t секунд падающее яблоко пролетает 5t>2 метров[88]. Число 5 играет здесь роль меры гравитационного притяжения Земли. Для яблони, растущей на Луне, этот коэффициент был бы меньше, потому что лунная сила тяжести меньше земной, и яблоко падало бы медленнее. Космическому аппарату Гленна нужно было учитывать изменения этого числа по мере удаления от Земли.

Возьмем яблоко и подбросим его вертикально вверх. Предположим, я бросил его со скоростью 25 метров в секунду. У бейсболистов, подающих мячи, скорость броска может превышать 40 метров в секунду, так что моя цифра не выходит за пределы разумного. Теперь высота положения яблока после броска определяется по формуле 25t – 5t>2.

При помощи этой формулы я могу рассчитать, через какое время яблоко снова долетит до моей руки, то есть его высота над моей рукой, равная 25t – 5t>2, опять станет равной 0. Если подставить в формулу t = 5, получим 0. Значит, суммарная длительность полета яблока вверх и вниз равна 5 секундам.

Но Ньютон хотел найти способ узнавать, какова скорость полета яблока в каждой точке его траектории. Однако эта скорость непрерывно изменяется, так как яблоко сперва замедляется, а затем снова ускоряется.

Попробуем вычислить при помощи нашей формулы – отношения пройденного расстояния ко времени, за которое это расстояние было пройдено, – скорость через 3 секунды. Итак, расстояние, которое пролетает яблоко между 3-й и 4-й секундами, равно

(25 × 4 – 5 × 4>2) – (25 × 3 – 5 × 3>2) = 20 – 30 = –10 м.

Минус показывает, что яблоко летит в направлении, противоположном тому, в котором я его бросил. Оно уже падает вниз. Таким образом, средняя скорость за этот период равна 10 метрам в секунду. Но это лишь средняя скорость за интервал длительностью в одну секунду. Она не равна действительной скорости яблока через 3 секунды после броска. Может быть, попробовать взять меньший интервал? Если делать этот интервал все меньше, оказывается, что скорость становится все ближе и ближе к 5 метрам в секунду. Но Ньютон хотел получить скорость моментальную, соответствующую нулевому временному промежутку. Его метод дал возможность понять, почему моментальная скорость через 3 секунды должна быть равна 5 метрам в секунду.


Рис. 6.2. График зависимости высоты полета яблока от времени. Средняя скорость между двумя значениями времени равна наклону прямой, проведенной через соответствующие точки графика


Скорость можно представить на графике зависимости пройденного расстояния от времени. Средняя скорость между 3-й и 4-й секундами – это наклон прямой, проведенной между двумя точками графика, соответствующими 3-й и 4-й секундам. Если уменьшать этот интервал, прямая будет приближаться к кривой, пока не попадет в положение, в котором она лишь касается ее в точке

Продолжить чтение
Еще от автора Маркус дю Сотой
Код креативности. Как искусственный интеллект учится писать, рисовать и думать

Знаменитый оксфордский профессор и популяризатор науки Маркус дю Сотой исследует природу творчества, освещая наиболее важные аспекты работы алгоритмов и математических правил, которые лежат в их основе. Он задается вопросом, насколько наш эмоциональный отклик на произведения искусства обусловлен реакцией мозга на закономерности и структуры и что именно означает заниматься творчеством в математике, изобразительном искусстве, литературе и музыке. На основе ярких примеров того, как «поверяется алгеброй гармония» мировых шедевров, среди которых «Евгений Онегин» Пушкина, «Песнь льда и пламени» Джорджа Р.

О том, чего мы не можем знать. Путешествие к рубежам знаний

«Хотя эта книга посвящена тому, чего мы знать не можем, также очень важно понять, что мы знаем. В этом путешествии к пределам знаний мы пройдем через области, уже нанесенные учеными на карты, до самых пределов последних на сегодняшний день достижений науки. В пути мы будем задерживаться, чтобы рассмотреть те моменты, когда ученые считали, что зашли в тупик и дальнейшее продвижение вперед невозможно, но следующее поколение исследователей находило иные пути. Это позволит нам по-новому взглянуть на то, что мы сегодня можем считать непознаваемым.

Тайны чисел: Математическая одиссея

«Умение математиков заглядывать в будущее наделило тех, кто понимает язык чисел, огромным могуществом. От астрономов древних времен, способных предсказать движения планет в ночном небе, до сегодняшних управляющих хедж-фондами, прогнозирующих изменения цен на фондовом рынке, – все они использовали математику, чтобы постичь будущее. Сила математики в том, что она может гарантировать стопроцентную уверенность в свойствах мира». Маркус дю Сотой Профессор математики Оксфордского университета, заведующий кафедрой Симони, сменивший на этой должности Ричарда Докинза, Маркус дю Сотой приглашает вас в незабываемое путешествие по необычным и удивительным областям науки, лежащей в основе каждого аспекта нашей жизни. В формате pdf A4 сохранен издательский дизайн.

Рекомендуем почитать
Историческое образование, наука и историки сибирской периферии в годы сталинизма

Настоящая монография посвящена изучению системы исторического образования и исторической науки в рамках сибирского научно-образовательного комплекса второй половины 1920-х – первой половины 1950-х гг. Период сталинизма в истории нашей страны характеризуется определенной дихотомией. С одной стороны, это время диктатуры коммунистической партии во всех сферах жизни советского общества, политических репрессий и идеологических кампаний. С другой стороны, именно в эти годы были заложены базовые институциональные основы развития исторического образования, исторической науки, принципов взаимоотношения исторического сообщества с государством, которые определили это развитие на десятилетия вперед, в том числе сохранившись во многих чертах и до сегодняшнего времени.

Интеллигенция в поисках идентичности. Достоевский – Толстой

Монография посвящена проблеме самоидентификации русской интеллигенции, рассмотренной в историко-философском и историко-культурном срезах. Логически текст состоит из двух частей. В первой рассмотрено становление интеллигенции, начиная с XVIII века и по сегодняшний день, дана проблематизация важнейших тем и идей; вторая раскрывает своеобразную интеллектуальную, духовную, жизненную оппозицию Ф. М. Достоевского и Л. Н. Толстого по отношению к истории, статусу и судьбе русской интеллигенции. Оба писателя, будучи людьми диаметрально противоположных мировоззренческих взглядов, оказались “versus” интеллигентских приемов мышления, идеологии, базовых ценностей и моделей поведения.

Князь Евгений Николаевич Трубецкой – философ, богослов, христианин

Монография протоиерея Георгия Митрофанова, известного историка, доктора богословия, кандидата философских наук, заведующего кафедрой церковной истории Санкт-Петербургской духовной академии, написана на основе кандидатской диссертации автора «Творчество Е. Н. Трубецкого как опыт философского обоснования религиозного мировоззрения» (2008) и посвящена творчеству в области религиозной философии выдающегося отечественного мыслителя князя Евгения Николаевича Трубецкого (1863-1920). В монографии показано, что Е.

Технологии против Человека. Как мы будем жить, любить и думать в следующие 50 лет?

Эксперты пророчат, что следующие 50 лет будут определяться взаимоотношениями людей и технологий. Грядущие изобретения, несомненно, изменят нашу жизнь, вопрос состоит в том, до какой степени? Чего мы ждем от новых технологий и что хотим получить с их помощью? Как они изменят сферу медиа, экономику, здравоохранение, образование и нашу повседневную жизнь в целом? Ричард Уотсон призывает задуматься о современном обществе и представить, какой мир мы хотим создать в будущем. Он доступно и интересно исследует возможное влияние технологий на все сферы нашей жизни.

История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия

Настоящая книга представляет собой интереснейший обзор развития инженерного искусства в истории западной цивилизации от истоков до двадцатого века. Авторы делают акцент на достижения, которые, по их мнению, являются наиболее важными и оказали наибольшее влияние на развитие человеческой цивилизации, приводя великолепные примеры шедевров творческой инженерной мысли. Это висячие сады Вавилона; строительство египетских пирамид и храмов; хитроумные механизмы Архимеда; сложнейшие конструкции трубопроводов и мостов; тоннелей, проложенных в горах и прорытых под водой; каналов; пароходов; локомотивов – словом, все то, что требует обширных технических знаний, опыта и смелости.

Лес. Как устроена лесная экосистема

Что такое, в сущности, лес, откуда у людей с ним такая тесная связь? Для человека это не просто источник сырья или зеленый фитнес-центр – лес может стать местом духовных исканий, служить исцелению и просвещению. Биолог, эколог и журналист Адриане Лохнер рассматривает лес с культурно-исторической и с научной точек зрения. Вы узнаете, как устроена лесная экосистема, познакомитесь с различными типами леса, характеризующимися по составу видов деревьев и по условиям окружающей среды, а также с видами лесопользования и с некоторыми аспектами охраны лесов. «Когда видишь зеленые вершины холмов, которые волнами катятся до горизонта, вдруг охватывает оптимизм.

Цифры не лгут. 71 факт, важный для понимания всего на свете

Канадский ученый, эколог и политолог Вацлав Смил знаменит своими работами о связи энергетики с экологией, демографией и реальной политикой, а также виртуозным умением обращаться с большими массивами статистических данных. Эта книга, которая так восхитила Билла Гейтса, обобщает самые интересные материалы, которые Смил пишет для журнала IEEE Spectrum – одного из ведущих научно-инженерных изданий мира, и представляет собой актуальное руководство для понимания истинного положения дел на нашей планете.

Как устроен мир на самом деле. Наше прошлое, настоящее и будущее глазами ученого

Наша сегодняшняя жизнь перенасыщена информацией, однако большинство людей все же не знают, как на самом деле устроен наш мир. Эта книга освещает основные темы, связанные с обеспечением нашего выживания и благополучия: энергия, производство продуктов питания, важнейшие долговечные материалы, глобализация, оценка рисков, окружающая среда и будущее человека. Поиск эффективного решения проблем требует изучения фактов — мы узнаем, например, что глобализация не была неизбежной и что наше общество все сильнее зависит от ископаемого топлива, поэтому любые обещания декарбонизации к 2050 году — не более чем сказка.

Придворный

Сочинение итальянского дипломата, писателя и поэта Бальдассаре Кастильоне (1478–1529) «Придворный», соединяющее воспоминания о придворной жизни герцогства Урбино в начале XVI века с размышлениями о морали, предназначении, стиле поведения дворянина, приближенного к государю, – одна из тех книг эпохи Возрождения, что не теряли популярности на протяжении последующих веков и восхищали блестящие умы своего и будущих столетий. Для истории культуры труд Кастильоне явился подлинной сокровищницей, и сложно представить, насколько более скудными оказались бы знания потомков об эпохе Возрождения, не будь он создан. Составленное в виде сборника занимательных и остроумных бесед, это ярко и непринужденно написанное произведение выходит за рамки источника сведений о придворных развлечениях своего времени и перечня достоинств совершенного придворного как всесторонне образованного и утонченно воспитанного человека, идеального с точки зрения гуманистических представлений.

Человеческий рой. Естественная история общества

«Эта книга посвящена захватывающей и важной для любого человека теме – осознанию себя как части общества и рассмотрению самого феномена общества под лупой эволюционных процессов в животном мире. Марк Моффетт сравнивает человеческое общество с социальными образованиями общественных насекомых, и эти сравнения вполне уместны. И его последующий интерес к устройству социальных систем у широкого круга позвоночных, от рыб до человекообразных обезьян, не случаен. Как эволюциониста, его интересы связаны с выявлением причин и факторов, влияющих на трансформации социального поведения у разных таксонов, роли экологии в усложнении общественных связей, с поиском связей между морфологическими и психологическими преобразованиями, в конечном итоге приведших к возникновению нашего вида.