Том 14. Истина в пределе. Анализ бесконечно малых - [6]
О роли бесконечности в математике Аристотель писал: «Наше рассуждение… не отнимает у математиков их исследования, ведь они теперь не нуждаются в таком бесконечном и не пользуются им; надо только, чтобы ограниченная линия была такой величины, как им [математикам] желательно».
Хотя с точки зрения математики важнее другое его высказывание: «Всякую конечную величину [всегда] можно исчерпать любой определенной величиной». Это так называемая аксиома Архимеда о непрерывности. В действительности эту аксиому впервые сформулировал и использовал Евдокс, ученик Платона. Этот принцип позволил Евдоксу преодолеть кризис, возникший после того, как были открыты несоизмеримые величины. Аксиома Архимеда позднее упоминается в «Началах» Евклида в виде определения: «Говорят, что величины имеют отношение между собой, если они, взятые кратно, могут превзойти друг друга». На основе этой аксиомы Евдокс построил так называемый метод исчерпывания — строгий метод расчета площадей и объемов, который использовался, помимо прочего, для доказательства того, что площади кругов относятся как квадраты их диаметров. Это отношение мы называем числом π. Метод исчерпывания и, в частности, это утверждение позднее использовал Евклид в «Началах».
Архимед
Однако настоящим мастером метода исчерпывания, вне всяких сомнений, был Архимед. В нескольких трудах он изложил свою аксиому о непрерывности: «Если имеются две неравные площади, то, постоянно прибавляя к самому себе избыток, на который большая площадь превосходит меньшую, можно получить площадь, которая была бы больше любой заданной ограниченной площади», — писал он в «Квадратуре параболы». Однако он признавал, что не был первооткрывателем этого метода: «Этой леммой пользовались и жившие ранее геометры», — писал он, имея в виду Евдокса.
Архимед применял метод исчерпывания для решения многих задач. Мы уделим внимание одной из них, посвященной расчету площади спирали. Ученый рассматривал спираль, определение которой мы приводили в главе 1: эта спираль получается равномерным движением точки вдоль луча, который, в свою очередь, равномерно вращается вокруг своего начала. Архимед показал, что площадь первого витка спирали равна трети площади круга, радиус которого равен длине пути, пройденного точкой вдоль прямой во время первого витка. Чтобы доказать это, он построил фигуру несколько меньшей площади, состоявшую из п круговых секторов, полученных делением окружности на п равных частей, и другую фигуру большей площади, также состоявшую из n круговых секторов, в которую была вписана спираль, как показано на рисунке:
Эти приближенные вычисления аналогичны тем, что используются сегодня при расчете площадей кривых в полярных координатах с помощью интегралов, и абсолютно эквивалентны разбиению площади под графиком кривой на прямоугольники при определении на заданном интервале определенного интеграла функции.
Именно по этой причине Архимед считается одним из авторов первых, примитивных аналогов интегрального исчисления.
Однако существует и другая причина, по которой Архимед удостоился этого почетного звания. К сожалению, эта причина никак не повлияла на математиков последующих эпох. Речь идет об утерянном трактате Архимеда «Метод».
Эвристические рассуждения Архимеда, приводимые в этой книге, также предшествовали созданию интегрального исчисления. Похожие идеи появились в математике лишь спустя две тысячи лет после Архимеда, в XVII веке. Идея Архимеда противоречила аристотелеву отрицанию актуальной бесконечности.
Его революционная гипотеза состояла в том, что площадь рассматривалась как совокупность отрезков, а объем — как совокупность площадей. Так, прямоугольник представлялся как совокупность отрезков, параллельных его стороне, а цилиндр — как совокупность кругов, параллельных его основанию. Эти совокупности обязательно должны были быть бесконечными — здесь и появляется актуальная бесконечность, которую отрицал Аристотель.
В 1906 году датский эрудит Йохан Людвиг Гейберг обнаружил в Константинополе палимпсест — древнюю рукопись, где сохранились следы более ранней рукописи с трудами Архимеда. Поверх этого математического трактата был написан молитвенник для воскресных служб и других христианских праздников. Среди найденных работ была и ранее неизвестная — «Метод». Судя по особенностям почерка, рукопись относится примерно к 975 году н. э., а религиозные тексты, написанные поверх нее, датируются примерно 1229 годом.
Архимед также был первым греческим математиком, вычислившим сумму бесконечного числа слагаемых. Он рассматривал следующую сумму:
Ее требовалось рассчитать, чтобы определить площадь, ограниченную участком параболы. Несмотря на бесконечное число слагаемых (все они являются степенями >1/>4), значение суммы конечно. Чтобы вычислить его, Архимед применил следующий прием: он умножил сумму на 1 - >1/>4. Получим:
Теперь разделим результат на (1 - >1/>4). Так как 1 - >1/>4 = >3/>4, при делении получим:
Тот факт, что сумма бесконечного числа слагаемых равна конечному числу, доказывает, почему Ахиллес в действительности сможет догнать черепаху в знаменитой апории Зенона: сумма бесконечного числа временных интервалов, каждый из которых равен половине предыдущего, является конечной.
