Дмитрий Калюжный - Другая история науки. От Аристотеля до Ньютона
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, придерживался алгебры Виеты, 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 труднообозримое 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 естественно-научных 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 естественно-научных 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.
Следующее открытие связано с именем Кеплера.
Иоганн Кеплер (1571–1630) вошел в большую науку в 1600 году, когда императорский астроном Тихо Браге принял его на работу в Пражскую обсерваторию. Тщательно наблюдая за движением планет среди звезд в течение 30 лет, Браге накопил огромный запас точных данных, но не мог привести их в единую систему. Он быстро отверг давнюю геоцентрическую модель Птолемея и недавнюю гелиоцентрическую модель Коперника (в которой сохранилась система эпициклов, введенных Гиппархом). Но каковы истинные траектории полета планет в пространстве? В каком режиме они движутся по этим кривым? Браге поручил Кеплеру разобраться в движении Марса: оно более всего противоречит здравому смыслу, ибо временами Марс вдруг останавливается среди планет и пятится назад.
Кеплер сразу догадался: если орбита Марса не может быть окружностью, то, скорее всего, она – эллипс. Кажущееся движение Марса вспять можно объяснить просто: Солнце находится не в центре эллипса, а сдвинуто куда-то вбок. Куда? Видимо, в фокус эллипса, самую замечательную точку, связанную с этой кривой. Но в каком режиме движется Марс по своему эллипсу, можно выяснить только путем громоздких расчетов. Эта работа заняла у Кеплера 8 лет; он испытал и отверг около 20 разных гипотез, пока не нашел (в 1609 году) истинную: за равные отрезки времени вектор, соединяющий Солнце с Марсом, заметает в плоскости их общего движения секторы равной площади.
Чтобы справиться с огромным объемом вычислений, Кеплеру пришлось сделать два замечательных изобретения. Во-первых, он научился заменять умножение многозначных чисел сложением их логарифмов. Во-вторых, Кеплер научился вычислять путь, пройденный планетой за данное время, по известной (переменной) скорости планеты.
Переход от чисел к их логарифмам и обратно требует громоздких и точных таблиц. Сначала Кеплер составлял их сам; но в 1614 году появились подробные таблицы логарифмов Чарльза Непера. За 20 лет упорного труда этот шотландец рассчитал не только логарифмы чисел, но и логарифмы значений всех тригонометрических функций: они постоянно встречаются в астрономических расчетах.
Логарифмический метод
Умножение, деление, возведение в степень и извлечение корня – действия, гораздо более трудоемкие, чем сложение и вычитание, особенно тогда, когда нужно работать с многозначными числами. Настоятельная потребность в таких действиях впервые возникла в XVI веке в связи с развитием дальнего мореплавания, вызвавшим усовершенствование астрономических наблюдений и вычислений. На почве астрономических расчетов и возникли на рубеже XVI и XVII веков логарифмические вычисления, а в настоящее время они применяются повсюду, где приходится иметь дело с многозначными числами. Они выгодны уже при действиях с четырехзначными числами и совершенно необходимы в тех случаях, когда точность должна доходить до пятого знака. Большая точность на практике требуется очень редко.
Ценность логарифмического метода состоит в том, что он сводит умножение и деление чисел к сложению и вычитанию – действиям менее трудоемким. Возведение в степень, извлечение корня, а также и ряд других вычислений (например тригонометрических) также значительно упрощаются.
Выясним идею метода на примерах.
Пусть требуется помножить 10 000 на 100 000. Конечно, мы не станем выполнять этого действия по схеме умножения многозначных чисел. Мы просто сосчитаем число нулей в множимом (4) и множителе (5), сложим эти числа (4+5 =9) и сразу напишем произведение 1 000 000 000 (9 нулей). Законность такого вычисления основана на том, что сомножители суть (целые) степени числа 10: множится 10n на 10m; при этом показатели степеней складываются. Точно так же сокращенно выполняется и деление степеней десяти, здесь деление заменяется вычитанием показателей. Но так можно делить и умножать лишь немногие числа. Например, в пределах первого миллиона можно брать (не считая 1) лишь 6 чисел: 10, 100, 1000, 10 000, 100 000, 1 000 000. Чисел, допускающих подобное умножение и деление, будет гораздо больше, если взять вместо основания 10 другое, более близкое к 1. Возьмем, например, основание 2 и составим таблицу его первых 12 степеней.
Показатели степеней мы будем теперь называть логарифмами, а степени – просто числами.
