Борис Тарасов - Паскаль
Письмами от 7 и 9 октября Амос Деттонвилль объявил о закрытии конкурса, а 24 ноября Каркави собрал «людей весьма сведущих в геометрии» для подведения итогов. На победу в конкурсе претендовал известный английский математик Валлис и иезуит из Тулузы Лалуэр. Валлис допустил серьезные просчеты в методе исследования и в самих вычислениях, что заставило жюри отклонить его решение. Англичанин обиделся, считая, что его работу нарочно недооценили. Недоволен он был и тем, что на его просьбы продлить столь неудобный для иностранцев срок конкурса (из-за различных задержек, связанных с почтой) следовали неминуемые отказы. Отношения между Паскалем жюри и вторым претендентом были такими же острыми. Лалуэр решил не все задачи, и его решения были малоинтересными, тем не менее он стремился доказать обратное. Между ним и Паскалем завязалась довольно длительная и изнуряющая переписка, в которой Блез уточнял конкурсные задачи, ставил дополнительные, пытаясь выяснить реальные познания Тулузского иезуита в математике. В конце концов Паскаль пришел к выводу, что результаты Лалуэра были «такими ложными, что это видно даже с первого взгляда». Тон Блеза по отношению к Лалуэру вскоре неожиданно стал весьма язвительным и напоминал интонации давнишнего письма к Ле Пайеру, в котором Паскаль, как известно, иронизировал по поводу познаний в физике другого иезуита — отца Ноэля. Предметы математики, пишет Блез в одном из трудов, посвященных истории рулетты, настолько серьезны сами по себе, что иногда полезно сделать их немного развлекательными; смехотворное непонимание поставленных на конкурсе задач и делает, по его мнению, математические сочинения Лалуэра «развлекательными».
Решения Паскаля жюри признало наилучшими, и в декабре 1658 года он сочинил «Письмо Амоса Деттонвилля к господину де Каркави», в котором изложил свои результаты и приводящие к ним методы. В следующем году оно пополнилось еще несколькими трактатами, и в печати появляются «Письма Амоса Деттонвилля, содержащие некоторые из его открытий в области геометрии».
О том, что суд жюри был действительно справедливым, свидетельствуют сами результаты и методы Паскаля, всеобщее одобрение и восхищение, которое они вызвали среди европейских ученых. Так, например, в феврале 1659 года Гюйгенс писал Блезу, что хотел бы называться его учеником в науке, где Паскаль продемонстрировал свое явное превосходство над многими. А в июне того же года, характеризуя «Письмо к Каркави», Гюйгенс сообщал Слюзу: «Работа выполнена столь тонко, что к ней нельзя ничего добавить». Действительно, отвечал Слюз знаменитому голландцу, «нельзя отрицать, что прекрасные, изобретательные и тонкие идеи, содержащиеся в этой книге, могут продвинуть вперед геометрию».
И Слюз был прав. Приемы и обобщения анализа бесконечно малых, которые Паскаль использовал в своих трудах по циклоиде, вели к изобретению дифференциального и интегрального исчисления.
Оно открыло целую эпоху в развитии естествознания и стало применяться не только во всех математических дисциплинах, но и повлияло на создание ряда новых разделов математики. Благодаря дифференциальному и интегральному исчислению математика стала гораздо шире проникать в область естественных наук и техники. Таким образом, в истории науки XVII века открытие этого исчисления было важнейшим событием, которое возникло как раз на основе методов исчисления бесконечно малых.
2
Своеобразие и эволюцию новых методов можно проследить, например, по исследованиям Кеплера и Кавальери. Так, Кеплер при определении целесообразной формы... винных бочек, когда при наименьшей затрате материала требуется получить наибольшую вместимость, разбивал идеальную поверхность изучаемого тела на элементарные части, суммировал их и тем самым непосредственно вводил бесконечно малые величины. Он применял способы исчисления бесконечно малых и в астрономических исследованиях.
Если использование этих способов у Кеплера ограничено конкретными задачами, возникавшими в ходе его научной деятельности, то в поисках более общих и систематизированных принципов образования и измерения поверхностей и тел Кавальери ввел и исследовал абстрактное понятие «неделимых». (Подобно Кавальери и независимо от него стал применять неделимые и Роберваль.) Неделимые у Кавальери — это элементы, из которых состоит площадь или объем того или иного геометрического объекта и размерность которых на единицу меньше размерности рассматриваемого объекта. Так, точка является неделимым для линии, прямая — для плоскости и т. д. При этом, например, площадь какой-то плоской фигуры определялась через уже известную площадь другой фигуры в результате сравнения отрезков прямых линий (неделимых), которыми эти фигуры покрывались.
Торричелли, отмечая особое воздействие метода неделимых на развитие математики, писал: «Несомненно, что геометрия Кавальери есть удивительное по своей экономии средство для нахождения теорем и дает возможность разрешить огромное число, казалось бы, неразрешимых теорем краткими, прямыми, наглядными доказательствами, что невозможно сделать по методу древних. Это — истинно царская дорога среди зарослей математического терновника... Метод Кавальери является действительно научным способом доказательства, всегда идущим путем прямым и свойственным самой природе. Жаль мне древней геометрии, что она либо не знала, либо не хотела признавать учения о неделимых...»
Однако, по замечанию советского историка математики Л. С. Фреймана, метод Кавальери страдал существенными логическими противоречиями: «Одним из таких противоречий является то, что неделимое (линия) имеет на одно измерение меньше числа измерений у площади, а совокупность неделимых уже имеет столько же измерений, сколько площадь!» Действительно, при наложении, скажем, друг на друга плоскостей, толщина которых равна нулю, нельзя получить какой-то объем определенной толщины — суммирование нулей дает в итоге нулевой результат.
В своих исследованиях Паскаль преодолел подобные противоречия: он рассматривал неделимые как однородные с измеряемым объектом бесконечно малые величины, из которых и составлялись интегральные суммы. Для демонстрации приемов Паскаля приведем простой пример, упоминаемый французским исследователем его научного творчества Умбертом. Предположим, что необходимо определить площадь криволинейной трапеции АВСД, составленной прямой AB, перпендикулярами к ней АС и ВД и кривой линией СД (см. рис. 4). На оси AB берется ряд близко расположенных друг к другу точек A1, A2, A3..., из которых проводятся перпендикуляры к AB до пересечения с СД в точках C1, С2, С3... Из этих точек проводятся отрезки CC'1, С1С'2, С2С'3..., параллельные AB. Если подсчитать и просуммировать площади прямоугольников ACC'1A1, A1C1C'2A2, А2С2С'3А3..., то получится приближенное значение искомой площади, отличаю-
щееся от нее на сумму площадей криволинейных треугольников CC1C'1, С1С2С'2, С2С3С'3... (заштрихованных на чертеже). Если же предположить, что точки разделения A1, A2, A3... на AB будут бесконечно увеличиваться в количестве и, следовательно, все более сближаться друг с другом, то получаемые бесконечно узкие прямоугольники и будут неделимыми Паскаля (маленькие заштрихованные треугольники в данном случае уменьшаются и как бы стремятся «раствориться» в кривой СД).
Но Паскаль, пишет Умберт, не удовлетворяется простым интуитивным решением: «Он доказывает строгими методами, что сумма площадей этих маленьких треугольников совсем не влияет на общий результат и ею можно пренебречь, ибо она бесконечно мала по сравнению с суммой площадей прямоугольников. Следовательно, для определения искомой поверхности следует подсчитать сумму площадей этих прямоугольников. Каждая из них в отдельности является бесконечно малой величиной (так как основание каждого прямоугольника бесконечно мало), но число прямоугольников бесконечно велико. Таким образом, речь идет о подсчете сумм бесконечно большого количества бесконечно малых величин, то есть о том, что современные математики называют интегрированием. Интегральное исчисление, по крайней мере в своем начале, было искусством подсчета этих сумм и вычисления с их помощью площадей и объемов».
В работах, связанных с циклоидой, Паскаль сделал шаг вперед по сравнению со своими предшественниками на пути дальнейшего совершенствования и обобщения методов интегрирования. Он преобразовал понятие совокупности Кавальери в понятие суммы. При этом, как пишет известный немецкий историк математики Вилейтнер, Паскаль проводил отчетливое различие между неделимыми и элементарными частями и «существенно более общим образом толковал понятие равенства фигур, чем это позволяло употребительное до того определение Евклида. Именно он считал равными две фигуры, если различие между ними меньше любой данной величины. Паскаль с полной ясностью проник в существо интеграционного процесса, заметив, что всякое интегрирование приводится к определению некоторых арифметических сумм. Паскаль подошел к определению интеграла ближе всех своих современников».
