WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |

«ont С.Г.Гиндикин РАССКАЗЫ О ФИЗИКАХ И МАТЕМАТИКАХ Издание третье, расширенное МЦНМО, НМУ 2001 ББК 22.1 Г49 Г49 С. Г. Гиндикин. Рассказы о физиках и математиках. — 3-е изд., расширенное. М.: МЦНМО, ...»

-- [ Страница 5 ] --

Эйлеру было в точности 19 лет, когда его учитель И. Бер нулли поставил ему задачу о бра хистохроне в среде с сопротив лением. Потом еще добавилась задача о кратчайших («геодези ческих») линиях на поверхностях.

Вариационные задачи постоян но в поле зрения у Эйлера, и к 1732 г. у него выкристалли зовался общий метод решения таких задач. Еще 12 лет ушло на совершенствование метода, и в 1744 г. выходит итоговый Жозеф Луи Лагранж мемуар о решении «изопери метрических задач в самом широком смысле». Метод иллю стрируется на решении более 60 самых разнообразных задач.

Сегодня мы ясно понимаем, в чем была трудность в решении вариационных задач: в некотором смысле они были преждевре менны в анализе XVIII века. В то время аналитики занимались в основном функциями от одного переменного, в меньшей степени функциями от нескольких переменных. Однако кривые, фигури рующие в вариационных задачах, не характеризуются конечным набором параметров. Фактически эти задачи имеют дело с функ циями от бесконечного числа переменных, а это уже вотчина ана лиза XX века (функционального анализа).

Основное наблюдение Эйлера состояло в том, что кривые, яв ляющиеся решениями изопериметрических задач, отвечают реше ниям некоторых дифференциальных уравнений. В выводе этих уравнений Эйлер и видит основную задачу. Он действует очень осторожно, чтобы остаться в рамках привычного анализа: заме няет кривые ломаными (ведь они зависят от конечного числа параметров, характеризующих вершины) и следит за изменени ем фигурирующей в задаче величины при изменении только од ной вершины. Искомое дифференциальное уравнение получает Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) ся, но путь к нему достаточно тернист. Как напишет Деламбр (1749 – 1822;

не путать с Даламбером!), верный друг и биограф Лагранжа, этот метод «не обладал всей той простотой, которая желательна в вопросе чистого анализа».

Эти слова, вероятно, отражают мнение Лагранжа. С реши тельностью, присущей молодости, он отваживается провести пол ностью схему, разработанную для функций, когда рассматривает ся главная линейная часть df приращения функции f(x), отвеча ющая приращению dx аргумента x, и ищутся x, в которых df(x) = 0. Он рассматривает функции от кривых — функционалы (разу меется, специального вида) I(l), не пугаясь, что фактически это функции от бесконечного числа переменных;

для фиксирован ной кривой l рассматривает произвольное малое «возмущение» l, определяет главную часть соответствующего приращения функ ционала — I и для определения кривых, на которых I = 0, получает дифференциальное уравнение, к которому Эйлер шел кружным путем, и которое ныне называется уравнением Эйлера– Лагранжа. Заметим, что Лагранж предусмотрительно вводит но вое обозначение, которое похоже на обозначение дифференциа ла d, но отличается от него. Удачно введенное обозначение очень помогало делу.

Короткой информации Эйлеру было достаточно, чтобы оце нить все преимущества усовершенствований Лагранжа. Начина ется оживленная переписка, высокая оценка великого ученого окрылила начинающего математика. В письмах обсуждаются все усложняющиеся постановки задач: ведь сила нового мето да должна быть продемонстрирована на решении новых задач, недоступных старой технике. Письмо Лагранжа возродило и у самого Эйлера интерес к экстремальным задачам. Уже в 1756 г.

он делает в Берлинской академии два сообщения, связанные с методом Лагранжа. В том же году Лагранж по представлению Эйлера был избран иностранным членом этой академии — редкая честь для молодого ученого, который еще не успел опубликовать своих трудов (впрочем, в то время такому избранию придавали меньше значения, чем в наши дни).

Эйлер не спешит публиковать свои новые результаты, предо ставляя своему молодому коллеге не торопясь подготовить к пе чати свою работу. Он разъясняет свою позицию в письме от 10 ок 256 Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) тября 1759 г.: «Твое аналитическое решение изопериметрической проблемы содержит, насколько я вижу, все, чего только можно желать в этой области, и я чрезвычайно рад, что эта теория, ко торой после первых моих попыток я занимался едва ли не один, доведена тобой до величайшего совершенства. Важность вопроса побудила меня к тому, что я с помощью твоего освещения сам вывел аналитическое решение. Я, однако, решил скрывать это, пока ты не опубликуешь свои результаты, так как я никоим об разом не хочу отнимать у тебя часть заслуженной тобой славы».

Замечательный пример научной этики!

Письмо Эйлера добавило решимости Лагранжу опубликовать сделанное, и во II томе «Туринских записок» за 1761 – 1762 гг. по является его мемуар «Опыт нового метода для определения мак симумов и минимумов неопределенных интегральных формул».

В 1764 г. публикует свои результаты и Эйлер, предваряя публи кацию словами: «После того как я долго и бесплодно трудился над решением этого вопроса, я с удивлением увидал, что в Туринских ” записках“ задача эта решена столь же легко, как и счастливо. Это прекрасное открытие вызвало у меня тем большее восхищение, что оно значительно отличается от данных мною методов и зна чительно их превосходит по простоте». Несколько удивляет, что Эйлер не упоминает предшествовавшей переписки. Эйлер пред лагает называть новый метод «вариационным исчислением» по аналогии с дифференциальным исчислением (I называется ва риацией).

Таким был научный дебют Лагранжа. В одном отношении он уникален. Известны и другие примеры, когда великие матема тики получали первые крупные результаты в том же возрасте, что и Лагранж. Однако при этом речь шла обычно о решении конкретных задач. Интерес же к совершенствованию метода как такового приходит с годами. Мы же видим, что уже в первой работе Лагранжа проявилось то, что будет всегда отличать его в дальнейшем: полное прояснение ситуации, совершенствование метода, поиск первопричины ценится выше конкретных задач.

Джузеппе Луиджи. Мы рассказали о первой великой работе Ла гранжа, но все же стоит сказать несколько слов о более ранних событиях его жизни. Жозеф Луи Лагранж родился 25 января Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) 1736 г. в Турине, в Италии. Впрочем, на родине его называли Джузеппе Луиджи. Его прадед приехал из Франции и поступил на службу к герцогу Савойскому, а дед и отец продолжали служить в должности казначея фабрик и строений. К рождению будущего математика семья разорилась. «Если бы я был богат, я, вероятно, не достиг бы моего положения в математике;

а в какой другой дея тельности я добился бы тех же успехов?» — говорил впоследствии ученый. Впрочем, поначалу семейные планы предназначали Жо зефу Луи карьеру адвоката, и в 14 лет он определяется в Турин ский университет. Однако вскоре он перешел в Артиллерийскую школу, что было связано с усилившимся интересом к математике.

В 19 лет он — профессор математики в этой школе (по некоторым сведениям, еще раньше).

Первые попытки открыть новое в математике привели Ла гранжа к открытию уже известного. Контакты с исключитель но оригинальным итальянским математиком графом ди Фаньяно (1682 – 1766) помогли юноше понять, что серьезное изучение со временной математики должно предшествовать самостоятельной работе. И мы видели, что первые результаты Лагранжа — это не счастливая находка юного дилетанта, а результат напряженной работы сложившегося профессионала. Умение всесторонне и кри тически осмысливать и перерабатывать предшествующий опыт отличало научную деятельность Лагранжа с первых его шагов.

Вокруг Лагранжа сложился кружок молодых математиков и физиков, который позднее преобразовался в Туринскую акаде мию наук. С 1759 г. начинают выходить «Философско-матема тические сборники частного Туринского научного общества», ко торые привыкли называть просто «Туринскими записками». Мы уже говорили, что во II томе записок появился мемуар Лагран жа о вариационном исчислении, а I том содержал две его работы, в том числе статью «Исследование о природе распространения звука». В математическом плане здесь очень поучительны ком ментарии к задаче о колебании струны. В 1747 – 48 гг. эта задача была рассмотрена тремя крупнейшими математиками того вре мени Даламбером (1707 – 1783), Эйлером и Даниилом Бернулли (1700 – 1782). Между их толкованиями были существенные рас хождения. Даламбер, первым решивший уравнение струны, счи тал, что начальное положение должно описываться функцией с 258 Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) единым аналитическим выражением (еще не было ясно, что это значит). Эйлер же настаивал, что эта функция может быть со вершенно произвольной (как бы мы сказали, непрерывной), и это был первый случай, когда в анализе появились функции общего вида, задаваемые графиками, а не аналитическими выражения ми. Наконец, Бернулли рассматривал гармонические колебания с разными частотами и утверждал, что что произвольное колебание разлагается в бесконечную суперпозицию гармонических колеба ний, во что не верили ни Даламбер, ни Эйлер.

Лагранж придумывает остроумный прием, рассматривая струну по стоянной плотности как предел невесомых струн с равномерно распре деленными одинаковыми грузами в конечном числе. Вопрос о колеба ниях такой струны с грузиками рассматривается элементарно. Делая предельный переход, Лагранж подтверждает мнение Эйлера. Позднее, повторяя это рассуждение в «Аналитической механике», он вспоминал:

«Этим именно путем я в первом томе Туринских записок“ доказал ” правильность построения Эйлера, которое не было достаточно обосно вано». Вскоре Лагранж имел еще одну возможность убедиться в том, насколько прав был Эйлер, настаивая на необходимости пользоваться в анализе общими (неаналитическими) функциями: при изучении движе ния воздуха в трубах постоянного сечения возникали кривые, которые в некоторой точке превращаются в прямые («смешанные» функции, по терминологии Эйлера). Те же рассмотрения с предельным переходом убедили Лагранжа в правоте Бернулли;

он был близок к доказатель ству возможности разложить произвольную функцию по гармоникам (в ряд Фурье), но точного доказательства пришлось ждать еще сорок лет.

Мы уже видели, какое одобрение у Эйлера получили первые работы Лагранжа. Работа о струне заставила обратить на него внимание другого из его великих современников — Даламбера:

«До свидания, сударь, Вы достойны, если я не ошибаюсь, иг рать великую роль в науках, и я аплодирую началу Вашего успе ха». Как скажет Деламбр, «среди этих знаменитейших геометров внезапно выступает двадцатитрехлетний молодой человек, при том не только как им равный, но как арбитр между ними, ко торый, чтобы прекратить трудную борьбу, указывает каждому из них, в чем он прав и в чем он ошибается, исправляет эти ошибки и дает истинное решение, которое хотя и было предугада но, но не могло быть получено». Это наблюдение точно передает стиль статьи Лагранжа, а письма к нему Эйлера и Даламбера Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) в самом деле отражают готовность воспринимать Лагранжа как арбитра.

Основания статики. Лагранж был душой Туринского кружка.

Опубликованные в «Туринских записках» статьи его товарищей несут отчетливый след сильного влияния Лагранжа. Особен но это относится к статье Фонсене, который был, по-видимому, лишь соучастником предпринятого Лагранжем систематическо го продумывания основ механики. Потом с сюжета этой статьи начнется его знаменитая «Аналитическая механика», и он очень выразительно демонстрирует, как основательно Лагранж взялся за дело.

Речь идет о сопоставлении двух важнейших начал статики: прин ципа рычага и принципа сложения сил, приложенных к одной точке.

Архимед положил в основу этой теории рычага аксиому о равновесии рычага с равными плечами и грузами и о двойной нагрузке на точку опоры в этой ситуации. Многие авторы пытались уточнить и дополнить рассуждения Архимеда, но они, по словам Лагранжа, «нарушив просто ту,... почти ничего не выиграли с точки зрения точности». Лагранж отмечает, что первую часть аксиомы естественно считать очевидной из соображений симметрии: «нельзя усмотреть основания, в силу которого один груз перетянул бы другой». Он, однако, не видит никаких логиче ских оснований к тому, что нагрузка на точку опоры при этом должна быть равна обязательно сумме весов грузов: «по-видимому, все механи ки рассматривали это допущение как результат повседневного наблю дения, которое учит нас, что тяжесть тела зависит только от его массы, но ни в какой мере не зависит от его формы». Лагранж предлагает вывод второй половины аксиомы Архимеда из первой. Он рассматри вает однородную треугольную пластину ABC, где основание AB равно бедренного треугольника горизонтально. Вершины A, B нагружаются равными грузами P, а вершина C — грузом 2P. Пластина опирается на среднюю линию MN, параллельную AB (рис. 31). Она будет нахо диться в равновесии, что следует из рассмотрения пары рычагов AC, CB с точками опоры M, N в силу первой части аксиомы Архимеда. Но тогда в равновесии будет и рычаг CF, где F — середина AB, точка опо ры E — середина CF (в ней пересекаются MN и CF ). Значит, нагрузка в точке F должна быть равна грузу 2P в точке C (строго говоря, здесь применяется обращение первой части аксиомы Архимеда, которое лег ко выводится), а это в точности нагрузка на точку опоры в рычаге AB.

Лагранж аккуратно отмечает, что прием с рассмотрением равновесия плоской пластины относительно стержня он почерпнул у Гюйгенса.

260 Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) Далее, Лагранж рассматривает принцип сло жения сил, приложенных к одной точке, кото рый легко обосновывается при помощи рассмот рения сложения движений. Существенная разни ца в принципах состоит в том, что в одном слу чае силы прикладываются к разным точкам, а в другом — к одной. Тем не менее многие утвер ждения статики можно выводить как из одного принципа, так и из другого. Возникает желание вообще отказаться от принятия принципа рычага за аксиому, но Лагранжа настораживает, что все известные выводы аксиомы Архимеда из зако Рис. 31.

на сложения сил весьма искусственные: «... хотя, строго говоря, оба принципа рычага и сложения движений всегда при водят к одним и тем же результатам, интересно отметить, что наибо лее простой случай для одного из этих принципов становится наиболее сложным для другого».

Интуиция позволила Лагранжу безошибочно обнаружить тонкое место, хотя он и не смог до конца объяснить его. Оно связано с взаи моотношением механики и геометрии. Дело в том, что закон сложения сил, приложенных к одной точке, не зависит от аксиомы параллельных, в то время как в пространстве Лобачевского нагрузка на точку опоры рычага всегда превышает сумму весов приложенных грузов. В выводе второй половины аксиомы Архимеда используется утверждение о том, что высота равнобедренного треугольника пересекается со средней ли нией в ее середине, что опирается на аксиому параллельных и неверно в геометрии Лобачевского. По-видимому, Лагранж еще не знал этого, хотя известно, что он размышлял над проблемой пятого постулата.

Принцип наименьшего действия. Во II томе «Туринских запи сок» вслед за мемуаром о вариационном исчислении была по мещена статья Лагранжа «Приложение метода, изложенного в предыдущем мемуаре, для решения различных задач динамики».

И здесь Лагранж следует по стопам Эйлера. В 1744 г. Мопертюи (1698 – 1759) сформулировал очень общий и туманный принцип, согласно которому все в природе, включая механическое дви жение, происходит так, чтобы некоторая величина — действие — достигала своего минимального значения. Эйлер для случая дви жения точки в центральном поле превратил это неопределенное утверждение в совершенно точное, определив действие в этом случае как интеграл скорости по пути v ds. Лагранж обобщил Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) принцип Эйлера на случай произвольной системы точек, между которыми имеются связи, и которые взаимодействуют произ вольным образом. Определив действие в этой общей ситуации, Лагранж, пользуясь разработанной им техникой вариационного исчисления, решает разнообразные задачи динамики, включая гидродинамику. У него нет сомнений, что при помощи этого принципа можно построить все здание механики. В «Аналити ческой механике» он напишет: «Таков тот принцип, которому, хоть и не вполне точно, я даю название принцип наименьше го действия и на который я смотрю не как на метафизический принцип, а как на простой и общий вывод законов механики. Во втором томе Туринских записок“ можно увидеть применение, ” которое я дал ему для разрешения многих трудных проблем ме ханики. Это принцип, будучи соединен с принципом живых сил и развит по правилам вариационного исчисления, даст тотчас же все уравнения, необходимые для решения каждой проблемы».

Как напишет Фурье (1768 — 1830), «Он сводит все законы рав новесия и движения к одному принципу и, что не менее удивитель но, он их подчиняет одному методу исчисления, изобретателем которого он сам является».

Первые астрономические работы. Мы видим, что деятельность Лагранжа начала развиваться в рамках традиционных для ма тематики XVIII века вопросов, проблематики, находившейся в сфере интересов его старших современников Эйлера и Даламбера.

Логика эпохи неминуемо должна была привести его к необходи мости попробовать свои силы в небесной механике. Не было более животрепещущей проблемы, чем проблема согласования наблю даемого движения небесных тел с законом всемирного тяготения.

Было необходимо выяснить, с одной стороны, объяснимы ли в рамках этого закона несомненные отклонения от законов Кепле ра, как тогда говорили, «неравенства», с другой стороны — чем вызваны различные дополнительные закономерности в небесной механике. Например, почему мы наблюдаем только одну сторону Луны? Объяснение этого феномена Парижская Академия наук выбирает в качестве темы для своей премии за 1764 г.

Надо сказать, что темы для академических премий в Париже выбирались с большим вкусом, а получение такой премии ма 262 Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) тематиком, особенно молодым, было очень престижным. Работа Лагранжа удостаивается первой премии и восторженного отзыва Даламбера: «Я прочел с большим удовольствием плоды Ваших прекрасных работ о либрации, они достойны премии, которую Вам вручат».

Собственно законы движения Луны были очень точно выведены из наблюдений Кассини (1626 – 1712): ось вращения Луны неподвижна от носительно поверхности, период вращения и период обращения вокруг Земли совпадают, ось вращения имеет постоянный угол с плоскостью эклиптики (земной орбиты) и, наконец, оси вращения Луны, эклипти ки и лунной орбиты находятся в одной плоскости. Лагранж показыва ет, что из-за того, что поверхность Луны отклоняется от сферической, притяжение Земли постепенно выравнивает периоды собственного вра щения Луны и вращения вокруг Земли. Лагранж близко подходит к объяснению последнего закона Кассини, что не удавалось прежде Да ламберу, но ошибается в оценках. Лишь в 1780 г. ему окончательно удается обосновать теорию Кассини.

Объяснение неравенств в движении спутников Юпитера вы бирается в качестве темы Парижской Академии наук за 1766 г.

Решение аналогичных вопросов для Луны принесло в свое вре мя славу Клеро (1713 – 1768) и Даламберу. В случае спутников Юпитера возникают дополнительные сложности, в частности, из за того, что спутников несколько, а также из-за близости Са турна. Эйлер удивлялся, что Лагранж смог справиться с этой задачей в работе, получившей премию: «Иррациональная фор мула, выражающая расстояние от Юпитера до Сатурна, не мо жет быть представлена достаточно сходящимся рядом, и в этом состоит основное препятствие. Я сильно сомневаюсь, чтобы его можно было преодолеть... Сейчас мне тем более интересно знать, каким образом г-н Лагранж преодолел те же трудности в сво ей работе, получившей премию, и так как я не имею оснований сомневаться в успешности его решений, то можно льстить себя надеждой, что теоретическая астрономия в настоящее время до ведена до наивысшей степени совершенства». Когда через 24 года Лаплас (1749 – 1827) вернулся к проблеме спутников Юпитера, чтобы закончить начатое Лагранжем, он с восхищением говорил о результатах своего предшественника, полученных при помощи «возвышенного (sublime) анализа».

Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) Посещение Парижа. В 1766 г. Лагранжу исполнилось 30 лет. Это был важный рубеж в его жизни. Провинциальный Турин ста новился тесен для научной деятельности Лагранжа. В личной жизни он был непритязателен, отличался слабым здоровьем, его скромность в общении с людьми нередко приобретала форму за стенчивости и даже нелюдимости. Но общение с коллегами он умел ценить и использовать. Поначалу его удовлетворяли кон такты с товарищами по туринскому кружку, в работу которых он вкладывал много сил и души, но этих своих коллег он давно перерос. Не было у него систематических контактов с Фаньяно, который был стар, а в 1766 г. умер. Он вел обширную перепис ку, но как много дает непосредственное общение с учеными, Ла гранж имел возможность убедиться во время поездки в Париж в 1755 г. Лагранж сопровождал своего друга Карачиоли, назначен ного посланником в Лондон. Впрочем, до Лондона Лагранж не доехал. «Опасно заболев после обеда у аббата Нолле, на котором Нолле угощал его кушаньями, приготовленными на итальянский лад, Лагранж не мог поехать в Лондон, а остался для лечения в Париже и по выздоровлении поспешил вернуться в Турин», — вспоминал Деламбр.

Дело было в том, что в северной Италии для приготовления пищи используют касторовое масло, предварительно сильно про жаренное. На кухне у Нолле, где решили приготовить обед «на итальянский лад», воспользовались касторовым маслом без необ ходимой подготовки, и оно в полной мере проявило свои известные лекарственные свойства. Однако в научном плане болезнь была плодотворной. Лагранж много общается с крупнейшими француз скими математиками Даламбером (1717 – 1783), Клеро, Кондорсе (1743 – 1794), но и среди менее знаменитых ученых были такие, которые остались его друзьями на всю жизнь. Лагранж неодно кратно повторял, что эти полгода, проведенные в Париже, были самым счастливым периодом в его жизни.

В 1766 г. Эйлер уезжает из Берлина в Петербург, освободив ме сто директора физико-математического класса Берлинской ака демии наук. Он предлагает Фридриху II в качестве своего пре емника Лагранжа. Эта кандидатура была энергично поддержана Даламбером, с мнением которого король считался в еще большей степени. Лагранжу было послано приглашение с выразительной 264 Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) мотивировкой: «необходимо, чтобы величайший геометр Европы проживал вблизи величайшего из королей». Быть может, в отно шении себя Фридрих был прав, но вряд ли при живых и рабо тающих Эйлере и Даламбере Лагранж воспринимался как вели чайший геометр Европы. Вероятно, король несколько успокаивал свое уязвленное самолюбие, поскольку он не смог заполучить в свою академию Даламбера и должен был расстаться с Эйлером.

И все же несомненно, что к своему тридцатилетию Лагранж был допущен на математический Олимп. Он уже сложился как математик;

основы всего, что он будет делать, были заложены, стал ясен стиль его занятий, его сильные и слабые стороны. Ла гранж начал свою математическую жизнь как ученик Эйлера и Даламбера в самом высоком смысле этого слова. Он продолжал разрабатывать начатые ими проблемы, находить в них новые ра курсы, неведомые его учителям. Их восхищение было тому сви детельством. Своеобразно преломилось у Лагранжа творчество его учителей: он усваивает постановки задач, почти угаданные гениальной интуицией Эйлера, разрабатывает их до полной яс ности, оттачивая необходимые понятия и технические средства, что было скорее характерно для Даламбера. И в дальнейшем си ла Лагранжа будет прежде всего не в открытии новых путей, но в поразительной способности углубить, прояснить, дополнить един ственно нужными штрихами картину, которую до него пытались нарисовать другие. И никакие трудности на этом пути Лагранжу не были страшны.

Лагранж в Берлине. Том «Туринских записок» за 1766 – 69 гг. еще содержит работу Лагранжа, восхитившую Эйлера: он сделал со вершенно ясной природу некогда угаданной Эйлером формулы для сложения эллиптических интегралов. И, как было уже од нажды, Эйлер с энтузиазмом возвращается к уже оставленному сюжету. А уже в ноябре 1766 г. Лагранж в Берлине, хотя король Сардинии неохотно расстался с ученым. Лагранж оказался в Ака демии не в лучшие ее дни. Здесь не было ни Эйлера, ни Далам бера, ни Мопертюи. Однако здесь работал очень оригинальный математик Ламберт (1728 – 1777), доказавший в частности, ирра циональность числа. У Лагранжа и Ламберта много точек со прикосновения в математике, чем-то они напоминают друг друга Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) и по-человечески. Их дружба продолжалась десять лет до смерти Ламберта и была очень существенна для них обоих. Нелегко было замкнутому Лагранжу приспособиться к жизни прусского двора.

Но он, в отличие от Эйлера, смог это сделать и избежать конфлик тов. Лагранж ведет размеренную жизнь: внешние обязанности, встречи, переписка занимают большую часть дня, но весь вечер после обязательной прогулки отдан занятиям наукой в тишине, за закрытыми дверями. Лагранж женился и в связи с этим произо шел обмен письмами с Даламбером. Даламбер: «Я узнал, что Вы сделали опасный скачок. Великий геометр должен прежде всего вычислить свое счастье. Я думаю, что результатом вычисления не было бы супружество». Лагранж: «Я не знаю, хорошо ли, худо ли я вычислил, или лучше — я совсем не вычислял, потому что я поступил бы как Лейбниц, который не мог решиться на женитьбу.

Признаюсь, что я никогда не имел склонности к супружеству...

надо было сделать добро одной из моих родственниц;

надо было, чтобы кто-нибудь имел попечение обо мне и моих делах». Но вы шло так, что Лагранжу вскоре пришлось ухаживать за женой, умиравшей от туберкулеза, и он безупречно выполнял свой долг.

«Аналитическая механика». Лагранж провел в Берлине чуть больше двадцати лет. Это была пора его зрелости, самый про дуктивный период его жизни. Есть несколько великих ученых, в наследии которых есть одна главная книга («Начала» у Ньюто на, «Маятниковые часы» у Гюйгенса). У Лагранжа такой книгой была «Аналитическая механика». Она вышла в 1788 году, когда Лагранж был уже в Париже. Но она вобрала в себя то главное, что было сделано в Берлине, а задумано еще в Турине.

Замысел книги лучше всего усвоить из слов самого автора:

«Имеется уже несколько руководств по механике, но план это го сочинения совершенно новый. Я имел в виду привести всю теорию этой науки и искусство решения относящихся к ней за дач к общим формулам, простое развитие которых давало бы все необходимые для решения всякой задачи уравнения. Я надеюсь, что тот способ, которым я старался этого достигнуть, не оставит желать ничего большего». «Это сочинение, кроме того, будет по лезно и в другом отношении: оно объединит и представит с общей точки зрения различные до сих пор уже найденные принципы, 266 Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) служащие для решения вопросов механики, покажет их взаим ную связь и зависимость и даст возможность иметь суждение об их верности и области их применимости.» Далее, об особенно стях изложения: «В этом сочинении нет чертежей. Методы, в нем излагаемые, не требуют ни геометрических построений, ни меха нических рассуждений, для них требуются лишь алгебраические операции, подчиненные правильному и однообразному ходу. Лю бители анализа с удовольствием увидят, что механика становится новою его отраслью, и будут мне признательны за такое расши рение его области».

Итак, коротко говоря, Лагранж собирается показать, что чи сто аналитических процедур достаточно для решения механиче ских задач (чтобы подчеркнуть это, Лагранж демонстративно не пользуется чертежами), что можно предложить «однообразные» (как мы бы сказали сегодня, алгоритмические) правила рассмот рения таких задач и что имеются простые общие принципы, на которых вся механика может быть построена. Насколько ориги нальной была эта точка зрения? Можно вспомнить, что Эйлер был первым, кто в своей «Механике» 1736 г. отказался от чисто геометрических рассмотрений Ньютона в пользу аналитического метода, основанного на рассмотрении изменения координат и си стем дифференциальных уравнений (Лагранж называет эту кни гу «первой большой работой, в которой к учению о движении был применен анализ»). С другой стороны, вышедшая в 1743 г. «Ди намика» Даламбера предваряется словами: «В настоящем сочине нии я поставил себе двойную цель: расширить рамки механики и сделать подход к этой науке гладким и ровным... Одним словом, я стремился расширить область применения принципов, сокра щая в то же время их число». И Лагранж очень высоко оценил трактат Даламбера: «... в нем предложен прямой и общий метод, с помощью которого можно разрешить, или во всяком случае вы разить в виде уравнений, все проблемы механики, какие только можно представить».

В чем же тогда новизна задуманного Лагранжем? В том, что он последовательно довел до конца намеченное его предшествен никами, превратил их замечательные этюды в универсальный рабочий аппарат. Он достаточно скромно оценивает свою про грамму и ни в коей мере не сопоставляет себя с Ньютоном, «на Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) долю которого выпало счастье объяснить мировую систему».

Лагранж тщательно изучает и излагает на страницах «Ана литической механики» предшествующие работы. Исторические страницы являются украшением книги. Впрочем, Лагранжу ставили в упрек, что в этот обзор попали определения основ ных механических понятий и они оказались недостаточно про работаны.

Итак, начало своей механики Лагранж «собирает» из того, что уже сделали другие. Механика делится на статику и динамику. Мы уже говорили о двух началах статики: принципах рычага и сложения дви жений. К ним еще присоединяется принцип виртуальных (возможных) скоростей (его теперь чаще называют принципом виртуальных переме щений или виртуальных работ), который восходит к Галилею и разраба тывался Стевином, братьями Бернулли, Даламбером. Принцип состоит в том, что в условиях равновесия равна нулю работа всех сил на любых бесконечно малых перемещениях, совместимых со связями, наложенны ми на элементы механической системы. Лагранж «лишь» записывает это условие в виде аналитического уравнения и стремится доказать не только работоспособность принципа, что уже было сделано другими, но прежде всего его универсальность, достаточность для обоснования всей статики. «Получив эту общую формулу, Лагранж с искусством, едва ли не ему одному присущим и, может быть, доселе непревзойден ным, развивает из этой формулы общие свойства равновесия сил и дает решение главнейших задач статики... » (А. Н. Крылов). Очень поучи тельно также предложенное в книге обоснование принципа при помощи рассмотрения системы блоков.

Переходя к динамике, Лагранж эксплуатирует идею Даламбера о свед динамики к статике. В несколько ином варианте ее на кон ении кретных задачах разрабатывали Герман и Эйлер. Речь идет о том, что если отделить ту часть сил, которая не направлена на движение, а уравновешивается реакциями связей (Даламбер говорил о потерян ных побуждениях к движению), то эти силы удовлетворяют условию на силы, под действием которых тело находится в равновесии. Исходя из этого Лагранж получает из основного уравнения для статики основ ное уравнение для динамики. Это эмоциональная вершина книги. Цель дальнейшего — продемонстрировать, что из основного уравнения (одной формулы!) может быть выведена вся механика.

Реализация этой программы начинается с вывода из основного урав нения всех «начал механики»: закона сохранения энергии, закона дви жения центра тяжести, принципа площадей. Кульминация этой части — вывод принципа наименьшего действия из основного уравнения. Ла гранж понимает, что, в свою очередь, его уравнение можно вывести из 268 Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) принципа наименьшего действия, и, возможно, его более ранние планы состояли в построении аналитической механики на основе этого прин ципа. Сегодня именно этот способ построения наиболее распространен, Лагранж же предпочел начинать с основного уравнения. Возможно, здесь сыграли роль тактические соображения: современники еще не бы ли готовы к восприятию вариационного изложения механики.

Следующая задача Лагранжа — научить работать с основным урав нением. Главное — учесть связи, наложенные на точки системы. По этой причине удобно перейти от декартовых координат точек, на которые на ложены соотношения, к каким-то обобщенным координатам, которые уже могут меняться независимо. Это может быть угол отклонения ма ятника или широта и долгота точки, двигающейся по сфере. Лагранж показывает, что для произвольных независимых координат уравнение движения записывается через кинетическую энергию T и потенциаль ную энергию U системы, причем достаточно их разности L = T - U — функции Лагранжа. Эти уравнения называют теперь уравнениями Ла гранжа второго рода.

Уравнения первого рода относятся к случаю, когда связи не уда ется или нежелательно разрешать до конца, т. е. остается несколько уравнений на координаты. Лагранж показывает, как написать уравне ния движения через уравнения связей, причем в эти уравнения входят величины, которые можно интерпретировать как силы реакции отдель ных связей. Так впервые появились множители Лагранжа, вероятно, самый популярный элемент его математического наследия (мы еще по говорим о них ниже).

Основная часть книги посвящена реализации разработанной схемы для ряда важных конкретных ситуаций: малые колебания, движение тел под действием взаимного притяжения (в основном, небесная меха ника), несвободные движения (в частности, маятники), движение твер дого тела.

Лагранж реалистически оценивает возможности разработан ной им программы. У него нет иллюзии, что редукция механиче ских задач к рассмотрению дифференциальных уравнений озна чает решение этих задач, поскольку «они (уравнения — С. Г.) тре буют еще интегрирований, которые зачастую превышают возмож ности известного нам анализа». В связи с этим он разрабатывает приближенные методы и с большим вниманием относится к спе циальным случаям, когда интегрирование может быть явно осу ществлено (это очень созвучно точке зрения современной матема тической физики). Под таким углом зрения он, вслед за Эйлером, рассматривает Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) задачу о вращении твердого тела — «волчка».

Лагранж был целеустремлен в доказательстве возможности превратить механику в главу анализа, вывести всю механику из простого общего принципа. Идея дедуктивного построения меха ники по образцу евклидовой геометрии не была новой. Недаром Ньютон назвал свою книгу «Началами», а свои законы — аксио мами. Но никто прежде не выполнял эту программу достаточно последовательно. Всякая последовательность сопряжена с само ограничениями, которые кажутся курьезными по прошествии вре мени, когда доказываемые предложения уже кажутся несомнен ными. В самом деле, зачем было Лагранжу совсем отказываться от чертежей или во всех рассмотрениях «вести родословную» от основного уравнения? Но такова логика развития науки.

Лучше других могли оценить Лагранжа те, кто продолжал его дело. Две стороны современной механики связаны с именами Лагранжа и Гамильтона (1805 – 1865). Вот что писал Гамильтон:

«Лагранж, может быть, сделал больше, чем все другие аналитики, для того, чтобы придать широту и гармонию таким дедуктив ным исследованиям, показав, что самые разнообразные следствия относительно движения системы тел могут быть выведены из од ной основной формулы;

красота разработанного таким образом метода, высокое качество результатов делают из этого великого произведения род научной поэмы».

Замечательная особенность конструкций Лагранжа заключалась в том, что они нашли применения далеко за пределами механики. Лагран жевы уравнения появились в теории электромагнетизма. Как напишет Пуанкаре, «Чтобы доказать возможность механического объяснения электричества, нет надобности искать это самое объяснение, достаточно составить лагранжевы функции T и U, представляющие обе состав ные части энергии, по ним составить лагранжевы уравнения и сличить затем, согласны ли эти уравнения с законами, получаемыми экспери ментально».

Труд Лагранжа был образцом для Максвелла (1831 – 1879) при со здании аналитической теории электричества: «Лагранж поставил себе цель свести динамику к чистому анализу. Он начинает с выражения элементарных динамических отношений между чисто алгебраическими величинами, и из полученных таким образом уравнений он выводит свои окончательные уравнения путем чисто алгебраического процес са. Некоторые величины (выражающие взаимодействия между частями 270 Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) системы, поставленными в зависимость между собой физическими свя зями) появляются в уравнениях движения составных частей систем, и исследование Лагранжа с математической точки зрения есть метод ис ключения этих величин из конечных уравнений. Следя за постепенным ходом этих исключений, мы занимаемся вычислениями, оставляя в сто роне динамические идеи».

Особенно эффективным средством экспансии идей Лагранжа за пределы механики стал принцип наименьшего действия: «Все обрати мые процессы, будь они по природе механического, электродинамиче ского или термического характера, все они подчинены одному и тому же принципу, дающему однозначный ответ на все вопросы, касающи еся хода процесса. Этот закон не есть принцип сохранения энергии, который хотя и приложим ко всем явлениям, но определяет их ход неоднозначно;

это принцип более общий — принцип наименьшего дей ствия» (М. Планк).

Лагранж видел свое предназначение в создании универсального языка механики. Ради этого он в максимальной степени абстрагиро вался от специфики конкретных задач, столь привлекательных для его великих предшественников. Позднее Пуассон (1781 – 1840) писал: «Же лательно, чтобы геометры пересмотрели основные вопросы механики с физической точки зрения. Для того, чтобы раскрыть законы движения и равновесия, их нужно было рассматривать с чисто отвлеченной точки зрения;

и в направлении этих абстракций Лагранж пошел настолько далеко, насколько это можно себе представить, когда он заменил фи зические связи внутри тел уравнениями, связывающими координаты отдельных их точек;

в этом и состоит сущность его аналитической ме ханики. Но наряду с этой замечательной концепцией можно было бы воздвигнуть теперь физическую механику... ».

Насыщать свою схему конкретным физическим содержани ем Лагранж предоставил последующим поколениям. Разработан ный им метод оказался прямо приспособленным к решению за дач техники, от которых он также полностью отвлекался при со здании аналитической механики. А. Н. Крылов перечисляет непо средственно последовавшие применения лагранжевой механики:

теория механизмов Понселе, инженерный расчет сооружений, в частности, больших железных мостов, потребовавшихся в свя зи с развитием железных дорог, баллистические задачи, возни кающие с переходом от гладкоствольных к нарезным орудиям (после Крымской войны), теория гироскопов. Он заканчивает:

«В 1805 году под Трафальгаром корабли Нельсона громили с ди станции пистолетного выстрела и сваливались на абордаж. Под Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) Цусимой стрельба велась на дистанцию около 7 000, в Ютланд ском бою — на дистанцию от 14 000 до 18 000. С тех пор дальность боя орудий значительно увеличена, а при таких дальностях, что бы достигнуть меткости, необходим целый ряд сложных гироско пических приборов — все они рассчитываются по лагранжевым уравнениям.

Таких примеров из техники и физики можно привести неис числимое множество, но и сказанного достаточно, чтобы видеть то значение, которое имеет знаменитое сочинение Лагранжа в общем развитии науки и техники во всех их областях, и то, насколько Ла гранж был прав, что, не останавливаясь на частностях, придал своему изложению самую общую аналитическую форму;

поэтому его методы одинаково приложимы и к расчету движения небес ных тел, и к качаниям корабля на волнении, и к расчету гребного винта на корабле, и к расчету полета 16-дюймового снаряда, и к расчету движения электронов в атоме. Отсюда можно судить о необыкновенной гениальности создателя этих методов — Жозефа Луи Лагранжа». Эти строки были написаны в 1936 г.

Небесная механика. Среди нескольких типов механических за дач, рассмотренных Лагранжем, несомненный приоритет имели задачи небесной механики. Такова была система ценностей в математике XVIII века, и ни один крупный математик не мог пройти мимо задач, связанных с согласованием закона всемирно го тяготения с результатами непосредственных астрономических наблюдений. Мы видели, что Лагранж начал заниматься этими задачами еще в Турине и он энергично продолжил эти занятия в Берлине. В поле зрения Лагранжа все основные проблемы небес ной механики. Он разрабатывает технику вычисления элементов орбит планет и комет по трем наблюдениям. И вновь характерная деталь: разработка метода не сопровождается ни одним конкрет ным вычислением орбиты. Лагранж видит свою роль лишь в решении математической задачи, после чего метод передается в руки вычислителей: «Я воздержусь от всяких подробностей, но я льщу себя надеждой, что не найдется ни одного сколько-нибудь понятливого вычислителя, который не был бы в состоянии при менить к комете теорию, изложенную в этом труде». Создается впечатление, что у Лагранжа не было вкуса к конкретным зада 272 Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) чам. Метод, не опробованный на практике, разумеется, несмотря на всю его глубину, содержал слабые места. Существенная адап тация метода к практике связана с именем Гаусса (1777 – 1855), который постоянно вычислял орбиты, причем ему приходилось торопиться, чтобы наблюдатели успели найти потерянный асте роид или чтобы его вычисления удалось использовать для непо средственного наблюдения кометы. И соответствующий метод, в существенном созданный Лагранжем, связывается с именем Гаусса.

Основная трудность заключалась в том, что, как выяснилось, достаточно точное описание движения небесных тел требует уче та взаимодействия сразу нескольких тел: на движении Луны ре ально сказывается взаимодействие не только с Землей, но и с Солнцем, в движении больших планет Сатурна и Юпитера долж но проявляться их взаимное притяжение. Более того, сопостав ляя данные наблюдения, начиная с древних времен, удалось вы явить устойчивые отклонения от законов Кеплера — «неравен ства». Необходимо было выяснить, в самом ли деле эти «неравен ства» объясняются в рамках закона всемирного тяготения «вме шательством» третьих тел. Пафос «Начал» Ньютона был не толь ко в том, что он вывел законы Кеплера из закона всемирного тя готения, но и в том, что ему удалось в рамках этого закона объяс нить некоторые «неравенства» в движении Луны. Эстафету Нью тона приняли Эйлер, Клеро, Даламбер. Объяснение неравенств оказалось делом трудным, и не раз отчаявшиеся ученые начина ли сомневаться в универсальности закона всемирного тяготения.

Самое естественное было бы явно решить задачу трех тел:

описать движение тройки тел, взаимодействующих согласно за кону всемирного тяготения. Довольно скоро стало ясно, что, по видимому, это сделать невозможно, но Лагранж в работе 1772 г.

максимально проясняет ситуацию. С огромным искусством он по казывает, что исходную систему дифференциальных уравнений 18 порядка можно преобразовать к системе 6 порядка, но вид этой системы уже не оставлял никаких надежд на дальнейший успех. А затем он выделяет случаи, когда интегрирование может быть выполнено: в одном случае все три тела в начальный момент времени находятся на прямой, в другом — в вершинах равносто роннего треугольника при специальных соотношениях на осталь Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) ные параметры. Лагранж рассматривает эти уравнения ради чи стой любознательности, но про них вспомнили, когда выяснилось, что каждый из астероидов юпитеровой группы образует вместе с Юпитером и Солнцем треугольник, близкий к равностороннему.

Следующая возможность заключалась в том, что в тройке те ла обычно неравноправны, и естественно рассматривать парное взаимодействие, на которое накладывается возмущение, исходя щее от третьего тела. И Лагранж начинает систематически раз рабатывать математическую теорию возмущений, основы кото рой уже были заложены его великими предшественниками. При возмущении естественно считать, что орбита остается эллипти ческой, но несколько варьируются ее параметры. Выделяют два типа возмущений: периодические и вековые. Периодические воз мущения существенно зависят от положения тела на орбите, и они со временем в среднем компенсируются. Вековые возмуще ния определяются лишь взаимным положением орбит в целом, они могут накапливаться и приводить к неустойчивости Солнеч ной системы. Именно последнее обстоятельство было причиной пристального интереса к вековым возмущениям. С другой сторо ны, для изучения возмущений на сравнительно коротких отрезках времени (что необходимо в случае периодических возмущений) было еще недостаточно наблюдательного материала, в то время как для изучения вековых возмущений реально воспользовать ся неточными наблюдениями древних. Периоды возмущений мо гут сильно превышать периоды обращения, и долгопериодические возмущения могут выглядеть как вековые. Важнейшая задача — научиться различать их.

Лагранж, занимаясь проблемой вековых возмущений, отсту пил от своей привычки и постоянно ориентировался на явные числовые примеры. Этими проблемами он занимался параллель но с более молодым, но уже зарекомендовавшим себя Лапласом (1749 – 1827). Они чрезвычайно отличались по стилю занятий на укой. Для Лапласа ориентирами были совершенно конкретные задачи небесной механики, и метод для него был лишь средством достижения конкретных целей. Его никогда не привлекало вы членение метода в чистом виде, его совершенствование вне по требностей конкретных задач. При работе над близкими задача ми выявлялись сильные и слабые стороны каждого из великих 274 Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) ученых. Лаплас показывает, что в первом порядке отсутствуют вековые возмущения для больших полуосей орбит Юпитера и Са турна (а кандидаты на эту роль оказались долгопериодическими с огромным периодом). Лаплас уверен в справедливости анало гичного утверждения для всех планет, и, хотя это не означало бы доказательства устойчивости Солнечной системы (возмуще ния рассматривались лишь в первом порядке), это несомненно был бы серьезный шаг в этом направлении. Лаплас безуспешно пытается найти общее доказательство, а Лагранж при помощи своего общего метода получает доказательство, как выразился Якоби, «росчерком пера».

А вот противоположный пример. Лагранж потратил много сил, пытаясь объяснить вековое ускорение среднего движения Лу ны, обнаруженное в 1693 г. Галлеем (1656 – 1742), первооткрывате лем значительного числа известных к тому времени «неравенств».

Лагранж пробует использовать свой излюбленный трюк с непол ной сферичностью Луны, затем аналогичным свойством Земли.

Попробовав все казавшиеся ему мыслимыми возможности, Ла гранж приходит к выводу, что либо наблюдения древних содержат принципиальные огрехи, либо вообще этот эффект необъясним в рамках закона всемирного тяготения. Одновременно он разра ботал технику учета членов высшего порядка при рассмотрении вековых возмущений. Он обнаружил, что в случае Юпитера и Сатурна эти члены несущественны, и экстраполировал это на блюдение на все остальные случаи. Лаплас, имевший существенно больший вычислительный опыт, понял, что ситуация со спутни ками из-за их быстрого вращения может быть существенно иной.

Он вначале обнаружил, что члены, открытые Лагранжем, дают существенный вклад для спутников Юпитера, а затем, проделав те же вычисления для Луны, получил ускорение Галлея.

Плодотворное научное сотрудничество Лагранжа и Лапласа не переросло в ссору лишь благодаря удивительной тактичности и выдержке Лагранжа. Честолюбивый, увлекающийся Лаплас неод нократно давал повод к обиде необоснованными претензиями и даже некорректными поступками. Характерный эпизод произо шел в 1774 г., когда Лаплас, живший в Париже, ознакомился с посланной туда работой Лагранжа о вековых возмущениях до ее опубликования. Он быстро увидел дополнительные возможности Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) и опубликовал свою статью, опередившую статью Лагранжа. Ла плас предваряет статью словами: «Я не взялся бы за это дело, если бы не прочитал превосходную работу г. Лагранжа, прислан ную в Академию и имеющую появиться в следующих томах».

Он добавляет различные аргументы в пользу своей торопливо сти, говорит о желании поскорее познакомить публику со всеми возможностями метода Лагранжа, но его нетактичность сомнений не вызывает. А Лагранж... поблагодарил Лапласа за усовершен ствование его метода, поскольку «от этого науки смогут лишь выиграть». В 1779 году Лагранж писал Лапласу: «Я рассматри ваю ссоры как совершенно бесполезные для преуспеяния науки и как ведущие только к потере времени и покоя... ». Всю свою жизнь он неукоснительно следовал этому правилу.

Арифметические работы. Хотя во весь берлинский период меха ника была главным делом Лагранжа, в его поле зрения попадают и другие математические вопросы, в том числе несколько ариф метических задач. Он занимался ими под несомненным влиянием Эйлера. Арифметике посвящено всего 9 небольших работ. Они носят характер самостоятельных этюдов, это маленькие шедев ры, за которыми не просматривается намерения создать большое полотно (что было характерно для его занятий механикой). Быть может, это были упражнения в часы отдыха от главного дела жиз ни. Итак, Лагранж идет по следам Эйлера: он доказывает, что в периодическую цепную дробь разлагаются квадратичные ир рациональности и только они (утверждение Эйлера, оставленное без доказательства), продолжает исследование уравнения Фер ма-Пелля, занимается квадратичными вычетами, несколько про двинувшись в доказательстве квадратичного закона взаимности, сформулированного Эйлером. Поучительно доказательство теоре мы Вильсона ((p-1)!+1 делится на p для простого p), основанное на связи с малой теоремой Ферма и по существу использующее многочлены над конечным полем. Популярна теорема Лагранжа о приближении вещественных чисел рациональными. Наиболее известный арифметический результат Лагранжа утверждает воз можность представить любое натуральное число можно в виде суммы не более четырех квадратов. Это утверждение восходит к Ферма, и его, по-видимому, пытался доказать Эйлер.

276 Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) Алгебраические размышления. Проблемы алгебраических уравне ний и их систем занимали Лагранжа в разных аспектах. Некото рые задачи были инспирированы его занятиями небесной механи кой. Он интересовался и приближенным вычислением корней, и отделением корней, и исключением неизвестных из системы ал гебраических уравнений. Но одна из работ Лагранжа, по словам Коши, знаменовала начало новой эры в алгебре.

В 1770–71 гг. вышел мемуар «Размышления об алгебраическом решении уравнений», несомненно задуманный еще в Турине. Соб ственно, это целая книга, занимающая более 200 страниц. Наряду с «Аналитической механикой», это вершина творчества Лагран жа.

В XVI веке подряд были открыты формулы для решения урав нений 3 и 4 степеней, а потом два века не удавалось найти форму лу для уравнения 5 степени. Появлялось немало замечательных задач, которые отвлекали математиков от этой загадочной про блемы и утешали. Однако немало достойных математиков, среди них — Лейбниц (1646 – 1716) и Эйлер, не теряли надежды. Все чувствовали, что хорошо бы вместо того, чтобы искусственно по лучать формулу для каждой степени, как это было фактически, найти единый прием, который годится для всех степеней. Чирн гауз (1651 – 1708) сообщает своему другу Лейбницу, что ему уда лось придумать универсальную подстановку, которая преобразует общее уравнение n-й степени в двучленное yn +a = 0 (а ведь это и нужно для решения в радикалах!). Эта подстановка дает извест ную формулу для n = 3 и годится для n = 5. Лейбниц вынуж ден огорчить друга: при n = 5 для нахождения коэффициентов подстановки придется решать уравнения более высокой степени, чем 5. Потом Эйлер обнаружил, что при n = 3 и n = 4 формулу n n удается получить, делая подстановки вида x = A +... + F, но продвинуться дальше и ему не удалось.

Ситуация несомненно требовала более глубокого продумыва ния, и кому, как не Лагранжу, было взяться за это дело. Ведь он уже проявил себя непревзойденным мастером добираться до глубинного существа проблемы, выявлять общую структуру там, где другим видятся разрозненные ситуации. Он начинает с ис следования формул при n 4, обращая особое внимание на вы ражения, стоящие под знаками радикала n-й степени. Для квад Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) a ратного уравнения x2 + ax + b = 0 это = - b, для куби a b b ческого x3 + ax + b = 0 это ± = - ± + (причем 2 2 3 x = + + -). Величины ± являются корнями квадратного уравнения, коэффициенты которого рационально (т. е. при помо щи арифметических операций) выражаются через коэффициенты исходного уравнения. Лагранж ищет выражение ± через корни x1, x2, x3 и замечает, что = x1 + x2 + x32, где — какой-то корень уравнения y3 = 1, отличный от 1.

Здесь следует остановиться и обсудить, какой же корень имеет в виду Лагранж. Сегодня ответить на это вопрос не представляет 1 труда, поскольку имеются два комплексных корня ± = - ±i, 2 но Лагранж не имел возможности работать с комплексными кор нями (этому в нужном объеме научились позднее). И все же он решительно оперирует с «воображаемыми» корнями в твердой уверенности, что у кубического уравнения всегда три корня (с учетом кратностей). Н. Бурбаки пишет: «... Лагранж, как Эйлер и все их современники, без всяких сомнений формально оперирует с полем корней“ многочлена (или, говоря его языком, рассмат ” ривает воображаемые корни“ этого многочлена), хотя матема ” тика его времени не содержала ничего, что могло бы оправдать такой способ рассуждений. Поэтому Гаусс, который с самого на чала был решительным противником безудержного формализма XVIII века, со всей силой обрушивается в своей диссертации на это злоупотребление».

Итак, два корня из 1 дают ±. На самом деле мы не имеем возможности различить заранее корни x1, x2 x3, но, как бы мы их ни занумеровали, функция (x1, x2, x3) = x1 + x2 + x32 при любых их перестановках (а их 3! = 6) будет принимать только два значения ±. Это — решающее наблюдение Лагранжа! Для квадратного уравнения = (x1 - x2)2 и вообще не меняется при перестановке корней. В случае уравнения 4 степени под радика лом 4 степени возникают выражения вида x1x2 + x3x4, где xj — корни, и они при 4! = 24 способах нумерации корней могут при нимать только три различных значения.

При этом легко проверяется, что если имеется функция, ра 278 Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) ционально выражающаяся через корни уравнения n-й степени и принимающая только q значений при всевозможных перестанов ках корней, то эта функция является корнем уравнения степени q, коэффициенты которого рационально выражаются через ко эффициенты исходного уравнения. Это наблюдение Лагранж называет «истинным принципом и, так сказать, метафизикой уравнений 3 и 4 степени». Именно поэтому решение кубическо го уравнения сводится к квадратному, а уравнения 4 степени — к кубическому.

Выходит, надо искать рациональные функции от корней, ко торые принимают q < n значений при всевозможных перестанов ках. Но этому очень мешает быстрый рост числа перестановок с ростом n. Прежде всего можно заметить, что коэффициенты ис ходного уравнения являются рациональными функциями корней, вообще не меняющимися при перестановках корней (q = 1), но надо искать менее тривиальные возможности. Лагранж называ ет резольвентами выражения x1 + x2 +... xnn-1, где = 1 — корень из единицы, наподобие тех, что участвовали в формулах для квадратного и кубического уравнения. Их отсутствие для бик вадратного уравнения естественно связать с непростотой числа 4.

Можно было ожидать, что что резольвенты должны были бы по явиться и в формулах для уравнений более высокой степени, но вот что показывают вычисления: функция (x1,..., xn) прини мает при перестановках (n - 1)! значений. Имеем (n - 1)! < n при n 3. Итак, — корень уравнения степени (n - 1)! с коэффици ентами, рационально выражающимися через исходные.

Можно видоизменить это утверждение для простого n: яв ляются корнями уравнения степени n - 1, коэффициенты кото рого, в свою очередь, суть корни уравнения степени (n - 2)! с коэффициентами, рационально выражающимися через исходные.

В случае n = 5 коэффициенты уравнения 4 степени являются корнями уравнения 6 степени. Становится понятно, откуда воз никали уравнения больших степеней в построениях Чирнгауза и Безу! Вывод Лагранжа: «Отсюда следует, что весьма сомнитель но, чтобы методы, которые мы рассмотрели, могли дать полное решение уравнения пятой степени».

Далее естественно не ограничиваться резольвентами и выяс нить, нет ли других функций от корней, принимающих небольшое Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) число q значений. Ради этого Лагранж исследует группу переста новок, по существу закладывая основы теории групп. Как только появилась групповая терминология, ряд утверждений Лагран жа автоматически превратился в теоремы теории групп. Пусть функция (x1,..., xn) от корней принимает при перестановках q значений;

тогда имеется подмножество (подгруппа!) из n!/q перестановок, которые функцию не меняют. Отсюда следует, в частности, что q — делитель n!. Поэтому существенно изучить подгруппы в группе перестановок. Если описать все «большие» подгруппы в этой группе, а именно подгруппы из 5!/q элемен тов, где 1 < q < 5 то будут описаны все функции от корней, принимающие q < 5 значений. Здесь Лагранж остановился.

Он не сомневается, что это единственный способ получения формул, но окончательных результатов не получает: «Вот, если я не ошибаюсь, истинные принципы решения уравнений и анализ, наиболее пригодный, чтобы привести к решению;

как мы виде ли, все сводится к некоторому исчислению комбинаций, с помо щью которого получаются априори результаты, которые следует ожидать».

Группу перестановок подробно исследовал Коши. Руффини (1765 – 1822) доказал отсутствие нетривиальных функций от кор ней уравнений 5 степени, принимающих меньше 5 значений, бу дучи уверен, что он доказал неразрешимость уравнения 5 степени в радикалах. Однако оставалось доказать, что существование та ких функций в самом деле необходимо для существования нуж ной формулы. Полное доказательство неразрешимости дал Абель (1802 – 1829). А перед этим была работа Гаусса о построении пра вильных многоугольников циркулем и линейкой или, что эквива лентно, о выражении корней уравнения yn - 1 = 0 при помощи квадратных радикалов. В ней головоломные трюки с перестанов ками корней позволили решить задачу двухтысячелетней давно сти. Проблема разрешимости алгебраических уравнений нашла окончательное решение в теории Галуа (1811 – 1832). Но первым был Лагранж... Впрочем, связь корней с перестановками при мерно в то же время обнаружил Вандермонд (1735 – 1796). Хотя он и сделал меньше, он увидел главное, и несправедливо, что в истории математики тень Лагранжа заслонила заслуги этого уче ного.

280 Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) Кризис. Математика была единственной страстью Лагранжа, и ее было достаточно, чтобы заполнить всю его жизнь, доставить ему немало счастливых минут. Все было подчинено занятиям на укой. Деламбр передает отношение Лагранжа к музыке: «Я ее люблю, поскольку она меня изолирует;

я слышу первые три такта, на четвертом такте не различаю ничего, я предаюсь своим раз мышлениям, ничто меня не прерывает, и тогда я решаю наиболее трудные из проблем». Для Лагранжа было характерно, что вели кие цели познания истины, мировой гармонии не переплетались у него с личными амбициями, с желанием соревноваться, обгонять современников. Если он узнавал, что кто-то успешно занимается проблемой, над которой он сам думал, он немедленно прекращал размышления с искренним ощущением «освобождения от обязан ности». Благодаря этому Лагранжу было присуще необычайное душевное равновесие, дававшее силы стойко переносить тяготы жизни, не прекращать напряженных занятий.

Лишь одно могло поколебать Лагранжа — потеря ориентиров, неуверенность в выборе правильных целей. И это ощущение на чинает появляться вскоре после переезда в Берлин. В 1772 г. он пишет Даламберу: «Не кажется ли Вам, что высшая геометрия близится отчасти к упадку, ее поддерживаете только Вы и Эй лер». Это пишет ученый, который находится в расцвете сил (ему 36 лет), у которого начинает складываться его «Аналитическая механика», и который только что опубликовал алгебраический ме муар, определивший развитие алгебры на 100 лет вперед!

Это высказывание заслуживает обдумывания. Разумеется, Ла гранж видел, чем ему заниматься в ближайшие 10 – 15 лет, но более далекие перспективы представлялись ему сомнительными.

А возможно, стали сказываться особенности стиля занятий Ла гранжа. Он наметил основные направления в молодости, с из вестной долей консерватизма следовал им, и не без оснований надеялся на выполнение поставленных задач в обозримом буду щем. Вероятно, ощущение конца математики не могло возникнуть у Эйлера, который всю свою долгую научную жизнь активно ис кал новые задачи, переходил от одной задачи к другой, не боясь многое оставить незавершенным. Стоит обратить внимание, что Лагранж не решается поставить себя в один ряд с Эйлером и Да ламбером. Это не проявление формальной скромности. Характер Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) но также, что он завидовал своим современникам, которые легко умели находить новые задачи, например, Монжу (1746 – 1818):

«Этот черт Монж всегда полон новых и смелых идей» или «Этот пострел со своей теорией образования поверхностей идет к бес смертию».

Ощущение заката математики не покидает Лагранжа. 21 сен тября 1781 г. он опять пишет Даламберу: «Я начинаю чувство вать силу моей инерции, которая понемногу увеличивается, и я не могу сказать с уверенностью, что в течение будущего деся тилетия я еще буду заниматься математикой. Я думаю также, что шахта становится слишком глубока, и что ее придется рано или поздно бросить, если не будут открыты новые рудоносные жилы. Физика и химия представляют ныне сокровища гораздо более блестящие и более легко эксплуатируемые;

таким образом, по-видимому, все всецело обратились в эту сторону, и возможно, что места по геометрии в Академии Наук сделаются когда-нибудь тем, чем являются в настоящее время кафедры арабского языка в университетах».

Может возникнуть естественное недоумение. Что касается аналитической механики, то намеченное близилось к концу, но в алгебре пока лишь был разработан язык, получены прикидочные результаты, но программа еще была достаточно неопределенной, и нужно было разворачивать работу. Но таковы законы психо логии научного творчества: один человек не может двигаться по трудной дороге бесконечно далеко. Материал должен был отстояться, да и нужен был результат типа результата Гаусса, подтвердившего на примере высокую эффективность работы с перестановками корней. Для Абеля и Галуа принципиальна была и работа Лагранжа, и работа Гаусса.

В Париже. Предчувствие не обмануло Лагранжа. В 1787 году, вскоре после смерти Фридриха II, он переехал в Париж и, по существу, прекратил активные занятия математикой. Лагранжу 51 год. В один 1783 год мир лишился и Эйлера, и Даламбера.

Лагранжа восторженно встречают французские ученые, теперь он несомненно «первый геометр Европы», и лишь Лаплас может всерьез конкурировать с ним. К Лагранжу неравнодушны при дворе. Он необычно легко отвлекается от геометрии в пользу за 282 Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) нятий философией, химией, историей, медициной. Может быть, Лагранж надеялся начать новую жизнь в науке? Обстановка в Париже располагала к разнообразной научной деятельности. Про цветали научные кружки, были популярны контакты между уче ными разных специальностей. Особенно активен в установлении таких связей был химик Лавуазье (1743 – 1794). Ученые активно интересовались общественными проблемами, ролью науки в жиз ни государства.

Лагранж не оставил математику: еще будут появляться его работы, он будет активно интересоваться работами других, мы будем еще говорить о его педагогической деятельности, об ори гинальных учебниках, но пик его научной деятельности уже прошел. К тому же вскоре наступило время, когда большинство французских ученых (за исключением, возможно, Лапласа) пре рвали свои обычные занятия.

Впереди была революция, в которой ученые приняли самое активное участие. Никогда прежде не представлялась для них возможность непосредственно влиять на жизнь страны. Они вхо дят в муниципалитет, Учредительное и Законодательное собра ния;

астроном Байи становится мэром Парижа, математик Лазар Карно возглавляет оборону Франции (его называли «организа тором побед»), а Монж становится морским министром. Резко активизировалась и деятельность ученых, направленная на ре шение практических задач.

Лагранж держится в стороне от политики. Закон 1793 г. пред писывает иностранцам покинуть Францию, но специальный де крет Комитета общественного спасения делает для Лагранжа ис ключение. В самые трудные дни он не покидает Франции, разде ляя судьбу своих коллег. Участие в политической жизни стоило жизни Байи и Кондорсе. Лавуазье был казнен как откупщик. Ла гранж пристально наблюдает за происходящим. Деламбр сохра нил слова Лагранжа, сказанные после гильотинирования Лавуа зье: «Нужен был один момент, чтобы снести эту голову, и, может, будет недостаточно ста лет, чтобы появилась подобная».

Как ученый, Лагранж добросовестно выполняет все поруче ния. Постепенно размножились многочисленные комиссии и бю ро, в которые было принято включать ученых. Он занимается проблемами ремесленных промыслов, измерением долготы на мо Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) ре, оценивает запасы хлеба и мяса в стране, чтобы оценить вероят ность возникновения голода. Пишет работу с расчетом взрывной силы пороха в орудийном стволе (она не было опубликована при жизни автора, возможно, это была одна из первых засекреченных научных работ).

Особенно энергично ученые были включены в работу Комис сии мер и весов. Сегодня непросто уяснить, почему во время голо да и разрухи, при постоянной военной опасности такое колоссаль ное внимание уделялось реформе системы мер и весов. Разнобоем в системе мер объясняли многие беды, с большим эмоциональным накалом говорили о том, что несовершенство мер — средство экс плуатации народа. Еще одна сторона дела заключалась в том, что неудобство системы мер — проблема интернациональная, и удач но созданная система могла бы послужить укреплению престижа революции на международной арене. С этой точки зрения важно было выбрать единицы, не связанные ни с какими национальны ми традициями. Епископ города Отена Талейран, будущий на полеоновский дипломат, предложил воспользоваться идеей, вос ходящей к Гюйгенсу, и взять за основу длину секундного маят ника, т. е. маятника с периодом колебаний, равным одной секун де. Но восторжествовала идея принять за единицу длины долю меридиана.

Работы были задуманы на высочайшем уровне. Лавуазье и Га юи измерили вес воды;

начались геодезические измерения, на ко торые не было средств, им мешали взаимоотношения с Испанией, да и положение на местах в самой Франции. Но революционному конвенту не терпелось ввести систему мер «на все времена, всем народам» (девиз, позднее выгравированный на эталоне метра).

Проблемы метрической системы обсуждаются в Конвенте в 1793 г.

наряду с самыми острыми вопросами. Комиссия обвиняется в мед лительности, и некоторые ее члены изгоняются «по недостатку республиканской добродетели и ненависти к тиранам» — такого обвинения могло хватить для того, чтобы попасть на гильотину!

Обязанности Лагранжа в комиссии носили не столь острый, теоретический характер. Он занимался выбором базиса для новой системы и предлагал взять за основу простое число 11. Он считал важным, чтобы какие-то доли основной единицы не превратились со временем в самостоятельные единицы. В конечном счете все 284 Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) было построено на основе десятичной системы.

Закрытая на время Академия возрождается в виде Институ та Франции, и Лагранж стоит во главе физико-математического разряда.

Педагогическая деятельность. Революционная Франция в бурные, богатые переменами 1793 – 95 годы много внимания уделяла ре форме образования. «После хлеба просвещение есть важнейшая потребность народа» — провозгласил Дантон. О народном образо вании думали не меньше, чем о снабжении народа хлебом. Ор ганизуются Нормальная школа для подготовки учителей и По литехническая школа (первоначально она называлась Централь ная школа общественных работ) для подготовки военных инжене ров. Никогда прежде не занимавшийся преподаванием Лагранж с увлечением читает лекции в обеих школах. При его интересе к продумыванию основ, лекции — повод заново осмыслить совре менную математику, ее фундаментальные понятия, связи меж ду различными областями. Из лекций родились его книги: «Тео рия аналитических функций» в 1797 г. и «Лекции по исчислению функций» в 1801 г.

Основной замысел Лагранжа красноречиво характеризует полное название первой книги: «Теория аналитических функций, содержащая начала дифференциального исчисления, освобо жденные от всякого рассмотрения бесконечно малых, исчезаю щих, пределов и флюксий и сведенные к алгебраическому анализу конечных величин». Дело в том, что почти два века математи ки решительно пользовались бесконечно малыми, хотя понятие это оставалось расплывчатым и не существовало убедительных обоснований правил работы с ними. Однако было несомненно, что разработанный формализм позволяет получать правильные результаты, которые на другом пути получать не удавалось, и отказаться от языка бесконечно малых (что предполагалось по началу) было уже невозможно. Непозволительно долго ситуация оставалась запутанной.

В 1784 г. Берлинская академия предлагает в качестве темы для конкурса построить «ясную и точную теорию того, что в мате матике называют бесконечным. Известно, что высшая геометрия постоянно принимает бесконечно большие и бесконечно малые.

Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) Однако древние геометры и даже аналисты тщательно избегали всего, что касается бесконечного, и великие современные анали сты признают, что выражение бесконечная величина“ противо ” речиво. Академия поэтому желает получить объяснение того, как из противоречивого допущения было выведено столько истинных теорем, и чтобы был указан верный, ясный, словом — подлинно математический принцип, который мог бы заменить бесконечное, не делая слишком трудными или долгими производимые при по мощи этого средства исследования». Инициатором конкурса, несо мненно, был Лагранж.

Его точка зрения заключалась в том, что понятие бесконеч но малой в самом деле является противоречивым, но исчисление построено так удачно, что возникающие ошибки взаимно компен сируются и всегда получается правильный ответ. Еще во II томе «Туринских записок» за 1760 – 61 г. Лагранж писал, что исчис ление «исправляет само собой принимаемые в нем ложные до пущения». Как писал Клейн (1849 – 1925), он «отказывался от анализа как от общей дисциплины, понимая под ним просто со брание формальных правил, относящихся к частным специаль ным функциям», и «такое самоограничение устраняло для того времени целый ряд затруднений». Итак, точка зрения Лагранжа состояла в том, что сделать исчисление бесконечно малых содер жательным принципиально нельзя, что нужно смотреть на него формально, каким-то образом убедиться, что ошибки в самом де ле компенсируются, и спокойно пользоваться исчислением.

Мы вновь сталкиваемся с готовностью математиков XVIII ве ка иметь дело с чисто формальными процедурами (мы уже гово рили о работе с «воображаемыми» корнями уравнений). В XX ве ке аналогичная точка зрения возродилась в рамках программы Гильберта обоснования математики, в которой бесконечности вос принимаются как формальные объекты, и нужно лишь убедить ся в непротиворечивости правил обращения с ними с тем, чтобы быть уверенными в правильности полученных при их помощи вы сказываний о конечных объектах.

Прогноз Лагранжа не оправдался. Содержательное обоснова ние анализа на основе пределов было к тому времени уже дале ко продвинуто Даламбером. Но Лагранж, как видно из названия книги, отверг это обоснование вместе со всеми другими. Его за 286 Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) мысел очень интересен. Он замечает, что нет проблемы в построе нии правил дифференцирования для многочленов, и на таком же алгебраическом языке можно строить дифференциальное исчис ление для функций, разложимых в бесконечные степенные ряды.

Лагранж, как и его предшественники, уверен, что всякая функ ция допускает такое разложение (лишь Коши опроверг это мне ние). Лагранж опирается на свою интуицию аналитика-практика, которая подсказывала, что все функции, встречающиеся в при ложениях, допускают разложение в ряд. Через сто лет на этом пути строил теорию аналитических функций комплексного пе ременного Вейерштрасс, однако как способ обоснования анализа вещественных функций эта программа оказалась несостоятель ной. Н. Бурбаки пишет: «Монументальная работа Лагранжа пред ставляет попытку основать анализ на одной из наиболее спорных концепций Ньютона, именно на той, в которой спутаны понятия производной функции и функции, разложимой в степенной ряд, и извлечь из него (ряда — С. Г.), рассматривая коэффициент пер вого порядка в ряде, понятие дифференцирования. Разумеется, такой математик, как Лагранж, не мог не получить при этом важных и полезных результатов, как, например (способом, не за висящим от исходного предположения, о котором мы говорили), общее доказательство формулы Тейлора с остаточным членом в виде интеграла и его оценкой посредством теоремы о среднем.

Работа Лагранжа явилась к тому же исходным пунктом мето да Вейерштрасса теории функций комплексного переменного, так же как и современной теории формальных степенных рядов. Но с точки зрения его непосредственной цели она является скорее шагом назад, чем продвижением вперед».

Показательно, что Лагранж никогда не путал проблемы об основания анализа с построением собственно анализа, его при менениями. В предисловии ко второму изданию «аналитической механики» (1811 г.) Лагранж пишет: «Мы сохранили обычные обозначения дифференциального исчисления, так как они соот ветствуют системе бесконечно малых величин, принятой в насто ящем трактате. Если дух этой системы хорошо усвоен, и если в точности его результатов убедились с помощью геометрического метода первых и последних отношений или с помощью аналити ческого метода производных функций, то бесконечно малые вели Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) чины можно применять в качестве надежного и удобного средства для сокращения доказательств».

На страницах «теории аналитических функций» впервые по явился знаменитый метод Лагранжа нахождения условного экс тремума. При нахождении наибольшего и наименьшего значения функции от нескольких переменных, скажем, f(x, y), неминуемо возникает задача о нахождении экстремума при каком-то условии на переменные, например, (x, y) = 0, причем не всегда удобно пе реходить к меньшему числу параметров. Нахождение экстремума функции одного переменного на отрезке сводится к сравнению значений функции во внутренних стационарных точках и на кон цах. Для нахождения экстремума в области D многих переменных нужно сравнить значения f во внутренних стационарных точках и значения на границе, но граница уже не состоит из двух точек, и возникает задача об условном экстремуме на границе. Одна ко это только одна из многочисленных ситуаций, где возникает условный экстремум.

Лагранж замечает, что указанная выше задача сводится к нахожде нию таких, что функция f + имеет стационарные точки при = 0.

Возникает система уравнений для нахождения этих точек. Аналогич но рассматривается случай любого числа переменных и условий. «Ме тод неопределенных множителей Лагранжа» был навеян результатами Лагранжа о механических системах со связями. В приложениях мно жители Лагранжа часто допускают содержательную интерпретацию.

Сегодня сфера применения идеи Лагранжа расширилась. В частности, ее развитием является линейное программирование, а применительно к экономическим задачам множители Лагранжа часто удается интерпре тировать на языке цен.

Последние годы. При директории и консулате положение Лагран жа упрочилось. В годы империи он становится графом, сенато ром, кавалером ордена Почетного Легиона. Наполеон не был рав нодушен к математике и хорошо понимал истинную цену Лагран жу. Будни императора оставляли ему мало времени для покрови тельства наукам. Он ограничивался раздачей наград да коротки ми характеристиками, непосредственно предназначавшимися для истории. Лагранжа он назвал «Хеопсовой пирамидой науки».

10 апреля 1813 г. Лагранж умер. Деламбр вспоминает, с каким удивительным умиротворением встретил он свой последний час:

288 Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) «Я почувствовал, что умираю;

мое тело ослабело мало-помалу, мои духовные и физические способности незаметно угасают;

я с любопытством наблюдаю постепенный прогресс уменьшения сил, и я достигну конца без сожаления, без печали, ибо спуск очень отлогий... Я завершил свой путь;

я снискал некоторую извест ность в математике. Я не питал к кому-либо злобы, я никому не сделал плохого, и я хочу кончить свой путь... » В свой бурный век Лагранж смог прожить размеренную жизнь. Современники затруднялись припомнить детали, кото рые могли бы оживить его биографию. Про него не рассказывали анекдоты, как про Лапласа. А. Н. Крылов замечает, что история с обедом на итальянский лад в Париже (рассказанная выше), воз можно, была единственным приключением в жизни Лагранжа.

Вспоминали, что Лагранж помог улучшить положение Ламберта в Берлине, что он не побоялся в грозном 1793 году заступиться за Деламбра, которого хотели выгнать из комиссии мер, что он трогательно заботился о Пуассоне, когда тот был его учеником в Политехнической школе, что он умел удивительно слушать собеседника. А иногда возникает маленький, но выразитель ный штрих: все существо Лагранжа «было проникнуто тихой иронией».

И неожиданно именно этот скромный человек стал воспри ниматься как образец великого ученого и человека, причем не только математиками. Гёте писал: «Математик совершенен лишь постольку, поскольку он является совершенным человеком, по скольку он ощущает в себе прекрасное, присущее истине;

только тогда его творчество становится основательным, чистым, ясным, одухотворенным, действительно изящным. Все это требуется, что бы уподобиться Лагранжу». И в другом месте: «Лагранж был безупречным человеком и именно поэтому и великим. Если без упречный человек наделен талантами, то он всегда становится благом человечества, носителем счастья и благородства, будь то художник, исследователь природы, поэт или кто-либо другой».

Эйлер и Лагранж воспринимаются сегодня как величайшие математики XVIII века, учитель и ученик, дарования которых поразительно дополняли друг друга. Эйлер, стремившийся загля нуть как можно дальше вперед, говорить о вещах, для которых еще нет подходящего языка, оставить потомкам задачи, которые Жозеф Луи Лагранж (1736 – 1813) долго будут служить ориентирами, и Лагранж, во всем добирав шийся до глубинных структур, стремившийся создать картину, лишенную белых пятен, передать последующим поколениям язык и методы, которые долгое время будут достаточны для решения новых задач.

ПЬЕР-СИМОН ЛАПЛАС Канцлер императорского Сената, получавший более 100 тысяч ливров годовой ренты, с неменьшим усердием, чем простой академик, Лаплас стремился увязать все неправильности и возмущения в движении светил с принципом всемирного тя готения, распространить метод математического анализа на явления земной физики и подчинить своим формулам явле ния общественной жизни, в которых обыватель видит тайну или слепой случай. Араго 5 марта 1827 года в 9 часов утра умер маркиз Лаплас, пэр Франции, один из первых кавалеров ордена Почетного Легиона, удостоенный высшего отличия ордена — Большого Креста. «То, что мы знаем, так ничтожно по сравнению с тем, чего мы не знаем» — были последние его слова. Лапласа называли «фран цузским Ньютоном»;

умер он ровно через сто лет после смерти Ньютона, бывшего его кумиром.

Посмертные почести Лапласу отдавались с некоторой расте рянностью. В речи Фурье говорилось: «Может быть, мне следо вало бы упомянуть об успехах Лапласа на поприще политической деятельности, но все это несущественно: мы чествуем великого ма тематика. Мы должны отделить бессмертного творца Небесной ” механики“ от министра и сенатора». Окружающих смущало, что Лаплас успел побыть республиканцем и монархистом, атеистом и католиком, получать почести при империи и после Реставра ции. (Впрочем, бывший якобинец Фурье тоже впоследствии стал бароном.) Бомон – Париж, 1749 – 1789. Будущий маркиз родился 23 марта 1749 года в семье крестьянина в маленьком Бомоне (Нормандия).

Позднее он неохотно говорил о своем детстве и после 21 года никогда не виделся с родителями. Благодаря неизвестным по Пьер-Симон Лаплас (1749 – 1827) кровителям Лаплас заканчивает кол ледж Ордена бенедиктинцев. В 17 лет он уже преподает математику в воен ной школе.

Лаплас начинает интенсивно за ниматься математикой и механикой;

в 1770 году, запасшись рекоменда тельным письмом к великому Да ламберу, он отправляется в Париж.

Ему долго не удается пустить в ход рекомендации, пока не прихо дит в голову счастливая идея — из ложить свои соображения по механи ке письменно. Оригинальность мыс лей юноши произвела сильное впе Пьер-Симон Лаплас чатление на Даламбера: «Вы за рекомендовали себя сами, и этого мне совершенно достаточно. Моя помощь к Вашим услугам».

При помощи Даламбера Лаплас устраивается преподавателем военной школы, а потом занимает освободившееся после смерти Безу место экзаменатора в королевском корпусе артиллеристов.

В 1784 году ему блестяще сдал экзамен молодой Бонапарт, о чем Лаплас имел возможность вспомнить в 1804 году: «Я хочу к при ветствиям народа присоединить и свое приветствие императору Франции, герою, которому двадцать лет тому назад я имел счаст ливую привилегию открыть карьеру, осуществленную им с такой славой и с таким счастием для Франции».

В 1772 году Лаплас баллотируется в Академию наук1, на место адъюнкта (младшая должность) по геометрии2, но его не выби В то время во Франции существовало пять академий. Отметим среди них Французскую академию, основанную в 1635 году кардиналом Ришелье для совершенствования французского языка и составления словаря, и Академию наук, созданную в 1666 году. Французская академия состоит из 40 пожизнен ных членов. Новых членов выбирают на место умерших. Членов Французской академии часто называют «бессмертными». Академию наук (L’acadmie des sciences) точнее было бы называть по-русски Академией естественных наук.

Геометрией в XVII веке называли всю математику. До сих пор во Франции математическое отделение Академии наук называют отделением геометрии.

292 Пьер-Симон Лаплас (1749 – 1827) рают. По-видимому, одной из причин этого было не слишком бла гоприятное мнение французских ученых о молодом коллеге. Ла гранж занимает более снисходительную и оптимистическую по зицию: «Меня несколько удивляет то, что Вы мне пишете о Ла пласе: кичиться первыми успехами — недостаток, свойственный, главным образом, очень молодым людям. Однако при увеличении знаний самонадеянность обычно уменьшается» (письмо непремен ному секретарю Академии наук Кондорсе). Лаплас уже подумы вает о переезде в Берлин, к Лагранжу, но в 1774 году он получает место адъюнкта по механике.

Почти вся научная деятельность Лапласа была посвящена небесной механике (см. ниже). Но его интересы значительно ши ре.

Так, в 1779 – 1784 годах он сотрудничает с Лавуазье по самым разным вопросам (определение теплоемкости, проблема флоги стона, атмосферное электричество): «Я, право, не знаю, каким образом я дал себя вовлечь в работу по физике, и Вы найдете, быть может, что я лучше бы сделал, если бы воздержался от это го;

но я не мог устоять против настояний моего друга Лавуазье, который вкладывает в эту совместную работу столько приятно сти и ума, сколько лишь я мог бы пожелать. Кроме того, так как он очень богат, он не жалеет ничего, чтобы придать опытам точность, необходимую при таких тонких исследованиях». При нимает Лаплас участие и в общественной жизни: он входит в комиссию Академии наук, обследующую больницы для бедных, санитарное состояние городских боен. Авторитет Лапласа растет.

В 1784 году он становится академиком (по механике).

Путь бомонского крестьянина не был уникален. К концу XVIII века во Франции почти половина членов Академии на ук были простого происхождения. Например, Монж был сыном деревенского точильщика, Фурье — сын портного, Пуассон — сын солдата. Участие высшего сословия в науке обычно огра ничивалось меценатством и почетным членством в Академии;

Даламбер жалуется: «Меценатов в наше время развелось так мно го, что нет возможности всех их должным образом восхвалять и благодарить».

В 1788 году Лаплас женился. Через год у него родился сын.

Размеренная, благополучная жизнь была прервана событиями, Пьер-Симон Лаплас (1749 – 1827) решительно изменившими жизнь страны.

Революция, империя, реставрация. Революционные события за хватили значительную часть французских ученых. Друг Лапласа астроном Байи был первым мэром Парижа, Кондорсе — членом муниципалитета, выдающийся математик Монж — морским мини стром. В 1791 году ряд академиков выдвинули свои кандидатуры в Законодательное собрание (Кондорсе, Лавуазье). В связи с этим со страстным памфлетом «Современные шарлатаны» вы ступил Марат. Заодно досталось и Лапласу: «К числу лучших математиков-академиков относятся Лаплас, Монж и Кузень: род автоматов, привыкших следовать известным формулам и при лагать их вслепую, как мельничная лошадь, которая привыкла делать определенное число кругов, прежде чем остановиться».

Лапласа вместе с Лагранжем, Монжем, Лавуазье привлекли к работе в Метрической комиссии, целью которой было создание единой системы мер. В период якобинской диктатуры Лапласа отозвали из комиссии ввиду «недостаточности республиканских добродетелей и слишком слабой ненависти к тиранам». В 1799 го ду он вернулся в комиссию, и под его наблюдением были изготов лены эталоны метра и килограмма.

Летом 1793 года по призыву Комитета общественного спасения большая группа ученых занялась научными исследованиями для организации обороны от ожидавшейся агрессии. Лапласа среди них не было. Он удалился в тихий Мелен, где приступил к работе над многотомной «Небесной механикой» — главным делом своей жизни.

В 1793 году Конвент упразднил существовавшие академии.

В 1793 – 1794 годах некоторые бывшие академики кончили свои дни на гильотине. Вместе с депутатами-жирондистами был при говорен к смерти Кондорсе. По «Закону о подозрительных» был казнен как откупщик Лавуазье. На эшафоте погиб и Байи, кото рого Лаплас пытался спрятать у себя в доме в Мелене.

Лаплас вернулся в Париж после термидорианского переворота осенью 1794 года. Наряду с Лагранжем и другими крупнейшими учеными он занял место профессора в Нормальной школе. Это учебное заведение нового типа было задумано еще при Конвен те;

оно было призвано готовить преподавателей и ученых для 294 Пьер-Симон Лаплас (1749 – 1827) всей Франции. Привлечение крупных ученых в качестве препо давателей было новинкой. Позднее для подготовки инженеров на столь же высоком уровне была создана Политехническая школа.

Лаплас читал лекции и там. Он становится президентом Пала ты мер и весов, активно сотрудничает в Бюро долгот, созданном дня упорядочения астрономо-геодезических измерений и службы времени.

В 1795 году Директория учредила Национальный институт наук и искусств (во Франции его часто называют просто «Инсти тут»). Институт делился на разряды. Первым был назван разряд физических и математических наук.

Генерал Бонапарт всячески поддерживал контакты с Институ том, принимал активное участие в работе отделения геометрии.

Во время Египетского похода свои прокламации он подписывал:

«Бонапарт, главнокомандующий, член Института».

В 1799 году вышли два первых тома «Небесной механики», и Лаплас — буквально за несколько дней до переворота 18 брюмера (12 ноября) — подарил первый том Наполеону. В ответе генерала сказано: «С благодарностью принимаю, гражданин, присланный Вами экземпляр Вашего прекрасного труда. Первые же шесть ме сяцев, которыми я буду иметь возможность располагать, пойдут на то, чтобы прочесть Ваше прекрасное произведение».

После установления консулата Наполеон решает предоставить пост министра внутренних дел ученому. Выбор пал на Лапласа, вероятно, ввиду его большой известности и личного знакомства с Наполеоном. Однако деятельность Лапласа на посту министра была малоуспешной. В отличие от своих коллег по кабинету Та лейрана и Фуше, Лаплас не сумел вовремя сориентироваться, ку да направлены помыслы консула, покровительствовавшего нау кам. Не без наивности преследует он роялизм и религию: «Не упускайте ни одного случая доказать вашим согражданам, что суеверие не больше роялизма выиграет от перемен, происшедших 18 брюмера» (из циркуляра министра Лапласа). Прошло немно гим более месяца, и Наполеон заменил Лапласа своим братом Люсьеном. В воспоминаниях Наполеона, написанных на острове св. Елены, сказано: «Первоклассный геометр вскоре заявил се бя администратором более чем посредственным;

первые его шаги на этом поприще убедили нас в том, что мы в нем обманулись.

Пьер-Симон Лаплас (1749 – 1827) Замечательно, что ни один из вопросов практической жизни не представлялся Лапласу в его истинном свете. Он везде искал тон кости, мелочи;

идеи его отличались загадочностью;

наконец, он весь был проникнут духом бесконечно малых“, который он вно ” сил и в администрацию».

Тем не менее обмен любезностями между Бонапартом и Ла пласом не прекратился. Став Первым консулом, Наполеон на значает Лапласа пожизненным членом «Охранительного сената».

(Впрочем, никакой роли в политической жизни этот сенат не иг рал.) С 1803 года Лаплас — канцлер сената. В числе немногих актов сената была отмена — по докладу Лапласа — революционно го календаря. Учреждается орден Почетного Легиона, и Лаплас — в числе первых его кавалеров. В 1808 году он — граф империи.

Тем временем Лаплас продолжает работать над «Небесной ме ханикой». В 1802 году выходит третий том, посвященный На полеону — «герою, умиротворителю Европы, которому Франция обязана своим процветанием, своим величием и самой блестящей эпохой своей славы». В ответе Наполеона говорится: «Истинно сожалею, что сила обстоятельств удалила меня от ученого попри ща». Несколько позже уже император Наполеон напишет: «Мне кажется, что Небесная механика“ возвышает блеск нашего ве ” ка». 12 августа 1812 года, находясь под Смоленском, Наполеон получает «Аналитическую теорию вероятностей» и вновь сожа леет: «В иное время, располагая досугом, я с интересом прочитал бы Вашу Теорию вероятностей“ ». И далее: «Распространение, ” усовершенствование математических наук тесно соединены с бла годенствием государства».

Наполеон активно вмешивается в деятельность Института.

В 1801 году для членов Института ввели обязательную форму.

Члены Института выстраивались после мессы в шеренгу в го стиной Тюильри для представления императору. В это время императору можно было передать научные труды и получить его «отеческие» наставления. Покровительствуя точным наукам, он с недоверием относился к гуманитарным. В 1803 году Наполеон ликвидировал в Институте разряд моральных и политических наук. Когда до него дошли слухи, что в разряде французского языка и словесности ведутся разговоры о политике, он заявил Сегюру: «Вы председательствуете во втором разряде Института.

296 Пьер-Симон Лаплас (1749 – 1827) Я приказываю Вам передать ему, что я не желаю, чтобы на засе даниях говорили о политике. Если разряд не будет повиноваться, я сломаю его, как негодную тросточку».

В 1814 году перед падением Парижа сенат проявил неожидан ную активность: по инициативе Талейрана он призвал Бурбонов.

Лаплас подписался под этим решением одним из первых. Во вре мя «Ста дней» он не покидал провинции.

При Реставрации разряды Института снова получили наиме нование академий. Академия наук безропотно удалила из своих рядов неугодных монархии Монжа и Карно. На Лапласа же по сыпались почести. В первый год правления Людовика XVIII он становится маркизом и пэром Франции, получает Большой Крест Почетного Легиона. В 1816 году он — президент бюро долгот и председатель комиссии по реорганизации Политехнической шко лы, его выбирают в «Академию бессмертных» — редкое отличие для представителя точных наук. Выступления Лапласа в палате пэров были редкими, бесцветными и бескомпромиссно монархи ческими. Когда часть Института протестовала против введения Карлом X цензуры, Лаплас в печати открестился от этого проте ста. Сен-Симон негодовал: «Господа, изучающие неорганизован ную материю, бесконечно малые величины, алгебру и арифмети ку! Кто дал вам право занимать теперь передовые позиции?... Вы вынесли из науки только одно наблюдение, именно, что тот, кто льстит великим мира, пользуется их благосклонностью и щедро тами».

Сохранилось много рассказов о поведении Лапласа в Акаде мии наук. Вот два из них.

Араго и Пуассон претендовали на одно место в Академии. Ла плас заявил, что надо отдать предпочтение более старшему Пуас сону. Произошел резкий обмен мнениями.

Л а г р а н ж. Но Вы сами, господин де Лаплас, были избраны в члены Академии, когда не сделали еще ничего выдающегося, подавали только надежды, и все Ваши великие открытия были сделаны уже позднее.

Л а п л а с. А я все-таки считаю, что на звание академика нуж но указывать молодым людям как на будущую награду, чтобы поощрять их усилия.

Г а л л е. Вы похожи на кучера, который привязывает клок Пьер-Симон Лаплас (1749 – 1827) сена к концу дышла своей повозки для приманки лошадей. Та кая хитрость кончается тем, что лошади выбиваются из сил и околевают.

Лапласу пришлось уступить.

В другой раз, в 1822 году, Фурье и Био баллотировались на должность непременного секретаря. Лаплас взял два бюллетеня вместо одного. Его сосед увидел, что он на обоих написал имя Фу рье. После этого Лаплас положил бюллетени в шляпу, попросил соседа выбрать один из них, другой разорвал и громко заявил, что он не знает, кому из кандидатов отдал свой голос.

После смерти Лагранжа в 1813 году влияние Лапласа в Акаде мии наук сделалось особенно сильным. В 1826 году, за год до смер ти Лапласа, в Париже появился юный Абель. Он пишет: «Итак, Небесная механика“ закончена. Автор такого труда может с удо ” влетворением оглянуться на путь, который он прошел в науке».

В другом месте: «Очевидно, что любая теория Лапласа гораздо выше всего, что может создать какой-либо математик меньшего масштаба. Мне кажется, что, если желаешь чего-нибудь достиг нуть в математике, нужно изучать мастеров, а не подмастерьев».

Небесная механика. Начало научной деятельности Лапласа при ходится на сложное время. Завершился большой этап в постро ении анализа бесконечно малых. Задач, вокруг которых концен трировались бы усилия крупнейших математиков, не было. Мно гим казалось, что дни чистой математики сочтены. Даже разно сторонний Лагранж, алгебраические работы которого опередили свое время, в какой-то момент прекратил занятия математикой.

«Не кажется ли Вам, что высшая геометрия близится отчасти к упадку? Ее поддерживаете только Вы и Эйлер», — писал он Да ламберу в 1772 году.

В этих условиях центр интересов переместился в сторону при кладной математики, где бесспорное первенство было за пробле мой построения теории движения небесных тел на основе закона всемирного тяготения.

Предыстория этой проблемы такова. В начале XVII века Кеплер, продумывая с точки зрения теории Коперника скру пулезные наблюдения Тихо Браге, сформулировал три закона, которым подчиняется движение планет вокруг Солнца. Гени 298 Пьер-Симон Лаплас (1749 – 1827) альная догадка Ньютона заключалась в том, что эти законы являются следствием единого универсального закона всемирного тяготения, который управляет и взаимодействием небесных тел, и земным притяжением. Земная и небесная механика объединились.

В рамках закона тяготения удалось объяснить движение Луны, приливы и отливы, предварение равноденствий и другие эффек ты. Но теория Ньютона нелегко завоевывала признание. В нее не верили Гюйгенс и Лейбниц. Иоганн Бернулли потратил много сил на объяснение эллиптичности орбит, не использующее закона тяготения. Во Франции Ньютону противостояли последователи Декарта, имевшие противоположную точку зрения по большин ству вопросов. Например, в рассмотрениях Ньютона было важно, что Земля сплющена, а измерения французских геодезистов (ока завшиеся ошибочными) показывали, что она вытянута у полюсов.

Вольтер шутил в 1727 году: «... в Париже Землю считают вытя нутой у полюсов, как яйцо, а в Лондоне она сжата, как тыква.».

В одном отношении позиция противников Ньютона была силь ной. Тщательный анализ наблюдений показывал, что законы Кеплера выполняются лишь приближенно, а небольшие откло нения могут с течением времени накопиться и резко нарушить устойчивость Солнечной системы. Ньютон не видит возможности разобраться в этих «вековых» возмущениях: «... едва заметные неравенства, могущие происходить от взаимодействия планет и комет..., вероятно, будут увеличиваться в течение весьма долгого времени, до тех пор, пока, наконец, система не будет нуждаться в приведении ее в порядок руками Творца». В ответ на это Лейбниц заметил: «Ньютон и его приверженцы имеют чрезвычайно забавное представление о божественном творении.

С их точки зрения Бог должен время от времени заводить свои мировые часы... Бог создал такую несовершенную машину, что он должен по временам очищать ее от грязи и даже чинить, как часовщик исправляет свою работу». Математические трудно сти состояли в том, что при выводе законов Кеплера из закона Ньютона имеют дело с задачей двух тел (Солнце и планета).

Желание учесть влияние хотя бы еще одного объекта приводит к задаче трех тел, решить которую в общей ситуации не удается по сей день.

Деятельность Ньютона продолжили Эйлер, Клеро, Даламбер.

Пьер-Симон Лаплас (1749 – 1827) Эйлер занимался возмущениями в движении Юпитера и Сатурна.

Все трое дали свой вариант теории движения Луны. Клеро вывел уравнения для задачи трех тел, но отступил со словами: «Пусть интегрирует, кто сможет». Наиболее эффектным результатом бы ло предсказание Клеро точного времени возвращения кометы Гал лея. Ее ждали в 1758 году, но вычисления Клеро показывали, что под влиянием притяжения Юпитера она «задержится» более чем на год. Эйлер и Клеро построили теорию движения Земли с уче том возмущающего действия других планет.

С 70-х годов XVIII века задачами об аномалиях в Солнечной системе начинает интересоваться Лагранж. С них же начинает молодой Лаплас. Эйлер и Даламбер разобрались с рядом эффек тов, связанных со взаимным притяжением Юпитера и Сатурна, но одно явление оставалось необъясненным. Это так называе мые «большие неравенства», открытые в 1676 году Галлеем из со поставления современных наблюдений с наблюдениями древних.

Оказалось, что движение Юпитера медленно, но систематически ускоряется, а Сатурна — замедляется.

Лаплас, как до него Эйлер и Лагранж, ищет приближенное решение задачи трех тел, рассматривая бесконечный ряд возму щающих членов. Для получения приближенной формулы надо решить, сколько членов в этом ряду оставить и какова погреш ность от отбрасывания остальных членов. Для простых рядов такие упражнения проделывают студенты. К ряду для возмуще ний непонятно было, как и подойти. Лаплас рассчитывает, что можно достигнуть успеха, подбирая нужное число членов и по стоянно сопоставляя полученный результат с данными наблю дений: «Чрезвычайная трудность задач, относящихся к системе мира, принудила геометров прибегнуть к приближениям, при ко торых всегда можно опасаться, как бы отбрасываемые величины не оказали заметного влияния. Когда наблюдения указывали им на такое влияние, они снова обращались к их анализу;

при про верке они всегда находили причину замеченных отклонений;

они определяли их закон, открывая неравенства, которые еще не были указаны наблюдениями. Таким образом, можно сказать, что сама природа содействует аналитическому совершенствованию теорий, основанных на принципе всемирного тяготения». В случае Юпи тера и Сатурна заметные аномалии возникают из-за того, что 300 Пьер-Симон Лаплас (1749 – 1827) через каждые 5 оборотов Юпитера и 3 оборота Сатурна планеты занимают почти то же самое положение и возмущения накаплива ются. Все же, как показывают вычисления Лапласа, возмущения не накапливаются неограниченно;

они являются не «вековыми», а периодическими с огромным периодом (913 лет). Итак, хотя компенсация происходит крайне медленно, наступит время, когда движение Юпитера начнет замедляться, а Сатурна — ускоряться.

С загадкой Галлея о «больших неравенствах» удалось покон чить к 1784 году. «Когда я выяснил эти неравенства и определил с б ольшим вниманием, чем это делалось до сих пор, те, которые были уже вычислены, я убедился, что все наблюдения, древние и современные, представлены моей теорией во всей их точности.

Прежде они казались необъяснимыми при помощи закона всемир ного тяготения;

теперь же они служат одним из наиболее ярких его подтверждений. Такова судьба этого блестящего открытия:

всякое затруднение, которое возникало тут, превращалось в его торжество, и это является вернейшим признаком его соответствия истинной системе природы».

Много усилий потребовалось от Эйлера, Даламбера, Клеро для построения теории движения Луны, согласующейся с наблю дениями. Главный эффект, который требовалось объяснить, — это быстрое (на 41 в год) перемещение эллиптической орбиты. Вы числения всех троих давали перемещение, не превышающее 20.

Лишь в 1849 году Клеро удалось уточнить вычисления настоль ко, что получилось нужное перемещение (а уже всерьез думали о поправочных членах в законе Ньютона!). Однако оставалась еще одна «мелочь», замеченная все тем же Галлеем в 1693 го ду. Анализируя «Альмагест» Птолемея и средневековые сведения о затмениях, он достоверно показал, что движение Луны ускоря ется.

Эту загадку Лаплас разрешил в 1787 году. В ускорении оказа лось повинно ранее обнаруженное долгопериодическое колебание эксцентриситета земной орбиты: когда эксцентриситет уменьша ется (орбита становится более похожей на окружность), средняя скорость движения Луны увеличивается. Еще одно возмущение, казавшееся «вековым», оказалось долгопериодическим!

Лаплас не пропускает ни одной загадки астрономии. Он имел право сказать: «Потомство, вероятно, с благодарностью увидит, Пьер-Симон Лаплас (1749 – 1827) что новейшие геометры не передали ему ни одного астрономиче ского явления, не определив его законов и причины». Он пока зывает, что кольца Сатурна не могут быть сплошными, а сама планета сильно сжата (Гершель подтверждает это наблюдениями еще при жизни Лапласа). Лаплас существенно уточняет теорию приливов, показывает при помощи теории возмущений, как на блюдения над Луной можно использовать для определения аст рономической единицы (расстояния от Земли до Солнца), для уточнения формы Земли.

Разумеется, Лаплас не прошел мимо задачи о спутниках Юпи тера, которая была традиционной для всех великих астрономов с тех пор, как эти спутники были открыты Галилеем. В 1774 году эта задача была выбрана Академией наук в качестве темы для премии. В 1789 году Лаплас строит теорию движения спутников Юпитера, учитывающую влияние Солнца и их взаимодействия.

Главной задачей, волновавшей Лагранжа и Лапласа в течение 1773 – 1784 годов, была задача устойчивости Солнечной систе мы в целом. Были систематически исследованы возмущения для всех планет, и хотя строгого доказательства устойчивости не бы ло получено, согласование всех кажущихся аномалий с теорией тяготения было бесспорным. Доверие к теории возмущений бы ло таково, что, когда обнаружились необъяснимые отклонения в движении Урана, Леверрье решился объяснить их существовани ем новой планеты.

«Пять геометров: Клеро, Эйлер, Даламбер, Лагранж и Лаплас разделили между собой тот мир, существование которого открыл Ньютон. Они исследовали его во всех направлениях, проникли в области, которые считались недоступными, указали множество явлений в этих областях, которые еще не были открыты наблю дением, и, наконец, — в этом их вечная сила, — они охватили с помощью одного принципа, одного-единственного закона, самые тонкие и таинственные явления в движении небесных тел. Таким образом, геометрия осмелилась распоряжаться будущим, и ход будущих событий подтвердит во всех подробностях заключения науки» (Араго).

Публикации Лапласа делятся на два этапа: непосредственные сообщения о полученных результатах в 70 – 80-е годы и их систе матизация и дополнение в пятитомной «Небесной механике». Для 302 Пьер-Симон Лаплас (1749 – 1827) Лапласа характерно, что он с невероятной силой пробивался к ре шению конкретной задачи, не отвлекаясь на формирование и си стематизацию аппарата. Противоположностью ему был Лагранж, который тратил много сил на доведение метода до формализма, пригодного для решения широкого круга задач. Поэтому совре менный учебник теоретической механики пестрит именем Лагран жа, а имя Лапласа можно найти лишь в историческом очерке.

«Был ли то вопрос либрации Луны или проблема теории чи сел, Лагранж, по большей части, видел лишь математическую сторону дела;

поэтому он придавал большое значение элегант ности формул и обобщенности методов. Для Лапласа, наоборот, математический анализ был орудием, которое он приспособлял к самым разнообразным задачам, всегда подчиняя данный специ альный метод сущности вопроса. Быть может, потомство скажет, что один был великим геометром, а второй — великим филосо фом, который стремился познать природу, заставляя служить ей самую высокую геометрию» (Пуассон).

Отношения между Лапласом и Лагранжем были непростые.

Честолюбивое желание Лапласа быть первым математиком Фран ции постоянно наталкивалось на высочайший авторитет Лагран жа, переехавшего в Париж в 1788 году. По многочисленным сви детельствам современников, Лаплас болезненно воспринимал по хвалы Лагранжу. Поведение Лагранжа в самых трудных ситуа циях было безупречным, в то время как многие поступки Лапласа вызывали нарекания. Сохранение корректных отношений между Лапласом и Лагранжем — в большой степени плод терпимости Лагранжа. Характерно, что в посмертной речи Фурье о Лапла се ничего не говорится о моральных качествах Лапласа;

в то же время в ней, как ни странно, много говорится о высочайших че ловеческих качествах Лагранжа.

Торопливый, без попыток выделить внутренние пружины стиль мог обмануть даже специалиста. В качестве курьеза мож но привести мнение Пуансо, ученика Лапласа: «Лаплас никогда не видел истину, разве только случайно. Она прячется от этого тщеславного человека, который говорит о ней только в неясных выражениях. Однако он пытается превратить эту неясность в глубокомыслие, а своим затруднениям он придает благородный вид вынужденной заботы, как человек, который боится сказать Пьер-Симон Лаплас (1749 – 1827) слишком много и разгласить секрет, которого у него никогда не было». Про то, как часто у Лапласа встречается «легко видеть», ходили легенды. Био, читавший корректуры «Небесной механи ки», и Боудич (переводчик на английский язык) рассказывают о часах и днях, требовавшихся для заполнения пробелов, Са мому Лапласу это тоже не всегда удавалось без напряженных размышлений (свидетельство Био).

Система мира. В Мелене Лаплас написал популярную книгу «Из ложение системы мира», вышедшую в 1796 году. В этой книге излагалась гипотеза Лапласа о происхождении Солнечной систе мы. Лаплас, последователь Ньютона, «не измышлявшего гипо тез», предлагает свои соображения «с осторожностью, подобаю щей всему, что не представляет результата наблюдений или вы числений». Лаплас описывает развитие Солнечной системы как замкнутый процесс, не требующий вмешательства внешних сил.

Известна легенда о разговоре, состоявшемся между Наполео ном и Лапласом, дарящим свою книгу:

Н а п о л е о н. Гражданин Лаплас, Ньютон в своей книге гово рил о Боге. В вашей же книге, которую я уже посмотрел, я не встретил имени Бога ни разу.

Л а п л а с. Гражданин Первый консул, я не нуждался в этой гипотезе.

Слова Лапласа часто воспринимаются как демонстрация ате изма, хотя, по-видимому, здесь речь идет и о том конкретном обстоятельстве, что построения Лапласа не нуждаются во внеш них факторах ни в гипотезе о возникновении Солнечной системы, ни в вопросе об ее устойчивости.

По гипотезе Лапласа все начинается с газовой туманности, вращающейся вокруг оси;

туманность, остывая, сначала сплю щивается вдоль экваториальной плоскости, а затем рассыпается на кольца на месте нынешних орбит планет (за счет уравнове шивания центробежной силы и силы тяготения). Разнообразные неустойчивости в движении частичек кольца, их взаимное притя жение приводят к слипанию частиц в планеты. Аналогично про исходит образование системы спутников планет, причем пример Сатурна показывает, что иногда слипание частиц кольца могло не произойти. Основные моменты модели Лапласа: все враще 304 Пьер-Симон Лаплас (1749 – 1827) ния происходят в одну сторону (отвечающую направлению пер воначального вращения туманности), траектории близки к круго вым, а их плоскости близки к экваториальной плоскости туманно сти, по мере удаления от центра период вращения увеличивается.

Первые удары по гипотезе Лапласа были нанесены Гершелем еще при жизни Лапласа: у Урана обнаружились спутники с «об ратным» направлением вращения и с плоскостями орбит, почти перпендикулярными плоскости орбиты планеты. Далее число про тиворечий стало быстро расти. Гипотезу многократно пытались поправить, включить в более сложные построения.

Гипотеза Лапласа сыграла огромную роль в истории космого нии как первая гипотеза, опирающаяся на большой объем точных фактов механики и астрономии (предшествовавшие ей гипотезы Бюффона и Канта этим требованиям не удовлетворяли, хотя име ется много точек соприкосновения между гипотезой Лапласа и неизвестной ему гипотезой Канта). Еще в начале XX века Пуан каре писал о гипотезе Лапласа: «Для ее возраста на ней не так уж много морщин».

«Уточненный здравый смысл». Так образно назвал Лаплас тео рию вероятностей. Это вторая научная любовь Лапласа, которой он оставался верен в течение всей своей научной деятельности, начиная с первых работ 1774 года.

Стиль занятий Лапласа в этой области отличен от того, кото рый был характерен для автора «Небесной механики». Здесь нет ни одной большой задачи и много времени уделяется осмыслива нию того, что было сделано прежде, начиная с задачи о дележе ставок, стоявшей у истоков теории вероятностей.

В центре внимания находится закон больших чисел Я. Бернул ли, состоящий в том, что при большом числе испытаний частота события в некотором смысле приближается к его вероятности. От правляясь от результата Муавра, Лаплас получает оценку вероят ности того, что это отклонение велико. Это одна из центральных теорем теории вероятностей — теорема Муавра – Лапласа. Ее до казательство использует средства математического анализа, что было новинкой для теории вероятностей.

Лаплас оценил и сделал достоянием науки результаты англий ского священника Байеса об оценке вероятности конкурирующих Пьер-Симон Лаплас (1749 – 1827) гипотез, если известны результаты их проверок.

Результаты деятельности Лапласа были подытожены в его «Аналитической теории вероятностей», вышедшей при его жизни тремя изданиями (первое — в 1812 году). Здесь уделяется много места созданию аппарата, прежде всего — методу производящих функций, применяющемуся ныне далеко за пределами теории вероятностей. От Лапласа идет «классическое определение» ве роятности, при котором события определяются как множества равновероятных случаев: «Теория вероятностей состоит в све дении всех событий одного и того же рода к некоторому числу равновероятных случаев, то есть случаев, относительно осуществ ления которых мы в равной мере не осведомлены, и в определении числа тех случаев, которые благоприятны для события, вероят ность которого мы ищем».

Наряду с книгой для «знатоков» Лаплас пишет книгу для ши рокой публики. Это его «Опыт философии теории вероятностей», выросший из лекций, читанных в Нормальной школе в 1795 году, и помещенный во второе издание «Аналитической теории вероят ностей» (1814 год).

Лаплас был одним из первых авторов, который в книге по теории вероятностей приводил примеры не только из азартных игр, но и из реальной статистики. Так, он приводит цифры, пока зывающие, что число писем во Франции, не доставленных из-за отсутствия на них адреса, практически не меняется год от года.

Точка зрения Лапласа состоит в том, что вероятностные рас смотрения нужны только там, где часть информации неизвестна:

«... мы должны рассматривать настоящее состояние Вселенной как следствие ее предыдущего состояния и как причину последу ющего. Ум, которому были бы известны для какого-либо данного момента все силы, одушевляющие природу, и относительное по ложение всех ее составных частей, если бы вдобавок он оказался достаточно обширным, чтобы подчинить эти данные анализу, об нял бы в одной формуле движения величайших тел Вселенной наравне с движениями мельчайших атомов: не осталось бы ниче го, что было бы для него недостоверно, и будущее, так же как и прошедшее, предстало бы перед его взором. Ум человеческий в совершенстве, которое он сумел придать астрономии, дает нам представление о слабом наброске того разума». Гипотетическое 306 Пьер-Симон Лаплас (1749 – 1827) существо, о котором говорится в цитате, называют сейчас демо ном Лапласа.

Размышления Лапласа по теории вероятностей в значительной степени стимулировались его занятиями астрономией и космого нией. Но его волновала также роль случая в общественной жизни.

Чаще всего его высказывания по этому поводу не содержат кон кретных вычислений. Вот пример: «Не будем противополагать бесполезного и часто опасного сопротивления неизбежным след ствиям прогресса просвещения, но будем лишь крайне осторожно менять наши учреждения и обычаи, к которым мы давно уже при менились. Мы хорошо знаем по опыту прошлого те неудобства, которые они представляют, но мы не знаем, как велико будет зло, которое может причинить их изменение. При такой неизвестности теория вероятностей предписывает избегать всякого изменения;

особенно следует избегать внезапных изменений, которые в нрав ственном порядке, как и в физическом, никогда не происходят без большой потери живой силы».

Был один вопрос, на формализацию которого Лаплас рассчи тывал, — применение теории вероятностей к судопроизводству.

Отправной является точка зрения, что абсолютно достоверное решение в суде невозможно, а нужно заботиться лишь о том, чтобы решение было правильным с наибольшей вероятностью.

Она восходит к Кондорсе и тесно связана с практикой судопро изводства при революции. Позиция Лапласа более осторожна, и все же он считает, что нужно вычислять вероятность «того, что решение суда, который может осудить только при данном большинстве, будет справедливо, то есть будет соответство вать истинному решению поставленного вопроса», и поскольку «большая часть наших суждений основана на вероятности сви детельских показаний, очень важным является подчинить их исчислению». Предполагалось включить в оценки политические симпатии судей, степень запутанности дела, интеллектуальные характеристики судей и т. д. Жизнь показала ошибочность и общественную опасность таких исчислений.

В 1899 г. во время пересмотра дела Дрейфуса в военном суде были представлены «доказательства» его виновности, основанные на вероятностных вычислениях некоего Бертильона. Заключение об их достоверности дал Анри Пуанкаре: «... Даже если бы эти Пьер-Симон Лаплас (1749 – 1827) расчеты оказались точными, в любом случае не было бы спра ведливого заключения, потому что применение исчисления веро ятностей к моральным наукам является скандалом для матема тики, поскольку Лаплас и Кондорсе, которые умели хорошо счи тать, дошли до результатов, лишенных всякого здравого смысла!».

В тридцатые годы в Советском Союзе прокуроры школы Вы шинского тоже говорили о вероятности преступления, но до вы числения вероятностей, кажется, дело не доходило.

Мы имели возможность остановиться лишь на важнейших направлениях научной деятельности Лапласа. Многое осталось за пределами нашего рассказа: работы по капиллярности, зву ку и свету, математические результаты, следы которых сохра нились в названиях «преобразование Лапласа» и «уравнение Лапласа» и т. д.

Недавно ученые имели возможность еще раз оценить прозор ливость Лапласа. В «Изложении системы мира» приводится до казательство того, что «сила притяжения небесного тела могла бы быть столь велика, что от него не будет исходить свет». Это произойдет, если у тела будет та же плотность, что и у Зем ли, а диаметр равен 250 диаметрам Солнца. Другими словами, первая космическая скорость в поле тяготения этого тела пре вышает скорость света. Таким образом, Лаплас был первым, кто обратил внимание на возможность существования «черных дыр».

Жизнь Лапласа в значительной степени отражает сложность эпохи, в которую он жил. Однако через всю своею жизнь он про нес верность науке, ни при каких обстоятельствах не прерывая занятий. Роль Лапласа в истории науки трудно переоценить.

«... Лаплас был рожден для того, чтобы все углублять, ото двигать все границы, чтобы решать то, что казалось неразреши мым. Он кончил бы науку о небе, если бы эта наука могла быть окончена». (Фурье) КОРОЛЬ МАТЕМАТИКОВ Не считать ничего сделанным, если еще кое-что осталось сделать. Гаусс В 1854 г. здоровье тайного советника Гаусса, как его именова ли коллеги по Геттингенскому университету, решительно ухудши лось. Не могло быть и речи о продолжавшихся в течение двадцати лет ежедневных прогулках от Обсерватории до Литературного музея. Профессора, приближавшегося к восьмидесятилетнему ру бежу, удалось уговорить обратиться к врачу! Летом ему стало лучше и он даже присутствовал на открытии железной дороги Ганновер — Геттинген. В январе 1855 г. Гаусс соглашается пози ровать художнику Геземану для медальона. По заказу Ганновер ского двора уже после смерти ученого в феврале 1855 г. по этому медальону была изготовлена медаль. На медали под барельефом Гаусса было написано: Mathematicorum princeps (Король матема тиков). История всякого настоящего короля должна начинаться с детства, овеянного легендами. Гаусс в этом смысле не был ис ключением.

1. Дебют Гаусса «Упорство, с которым Гаусс следовал по избранному им пути, бурный юношеский натиск, с которым он каждый раз, не взи рая ни на что, преодолевал самые крутые подъемы, ведущие к цели, все эти трудные испытания закаляли его силы и делали его способным, после победы над препятствиями, уже устранен ными другими, неудержимо идти вперед, опережая их. К этой хвале творческой самодеятельности я должен присоединить дру гое: похвалу юности. Я этим хочу сказать только то, что раз витие математического гения подчиняется тем же законам, что Дебют Гаусса и развитие всякой другой твор ческой способности. Для гени ально одаренной личности го ды юности, период, когда только что завершается процесс физи ческого роста, являются эпохой великих, в изобилии сменяющих друг друга откровений;

именно в эти годы гениально одаренный дух создает те новые, ему одному принадлежащие ценности, кото рые им будут впоследствии пре поднесены миру» (Ф. Клейн).

Брауншвейг, 1777 – 1795. Гаусс не получил свой титул по наслед ству, хотя его отец Гергард Ди дерих не был вовсе чужд мате матике. Мастер на все руки, пре жде всего фонтанный мастер, но Молодой Гаусс (1803 г.) также и садовник, как его отец, Гергард Дидерих был известен своими успехами в счетном ремес ле. Его услугами пользовались купцы во время ярмарок в Браун швейге и даже Лейпциге, а еще он имел постоянный заработок в самой большой похоронной кассе Брауншвейга (место, которое он передал по наследству сыну от первого брака Георгу — отставному солдату).

Карл Фридрих родился 30 апреля 1777 г. в доме № 1550, что стоял на канале Венденгребене в Брауншвейге. По мнению био графов, он унаследовал от родных отца крепкое здоровье, а от родных матери яркий интеллект. Ближе других был к будущему ученому дядя Фридерихс — искусный ткач, в котором, по словам племянника, «погиб прирожденный гений». Гаусс говорил о себе, что он «умел считать раньше, чем говорить». Самая ранняя ма тематическая легенда о нем утверждает, что в три года он следил за расчетами отца с каменщиками-поденщиками и неожиданно поправил отца, причем оказался прав.

В 7 лет Карл Фридрих поступил в Екатерининскую народную 310 Карл Фридрих Гаусс (1777 – 1855) школу. Поскольку считать там начинали с третьего класса, пер вые два года на маленького Гаусса внимания не обращали. В тре тий класс ученики обычно попадали в 10-летнем возрасте и учи лись там до конфирмации (15 лет). Учителю Бюттнеру приходи лось заниматься одновременно с детьми разного возраста и разной подготовки. Поэтому он давал обычно части учеников длинные задания на вычисление, с тем чтобы иметь возможность беседо вать с другими учениками. Однажды группе учеников, среди ко торых был Гаусс, было предложено просуммировать натуральные числа от 1 до 100. (Разные источники называют разные числа!) По мере выполнения задания ученики должны были класть на стол учителя свои грифельные доски. Порядок досок учитывался при выставлении оценок. 10-летний Гаусс положил свою доску, ед ва Бюттнер кончил диктовать задание. К всеобщему удивлению, лишь у него ответ был правилен. Секрет был прост: пока дик товалось задание, Гаусс успел переоткрыть формулу для суммы арифметической прогрессии! Слава о чудо-ребенке распространи лась по маленькому Брауншвейгу.

В школе, где учился Гаусс, помощником учителя, основной обязанностью которого было чинить перья младшим ученикам, работал некто Бартельс, интересовавшийся математикой и имев ший несколько математических книг. Гаусс и Бартельс начинают заниматься вместе;

они знакомятся с биномом Ньютона, бесконеч ными рядами...

Как тесен мир! Через некоторое время Бартельс получит ка федру чистой математики в Казанском университете и будет учить математике Лобачевского.

В 1788 г. Гаусс переходит в гимназию. Впрочем, в ней не учат математике. Здесь изучают классические языки. Гаусс с удоволь ствием занимается языками и делает такие успехи, что даже не знает, кем он хочет стать — математиком или филологом. О Гауссе узнают при дворе. В 1791 г. его представляют Карлу Вильгель му Фердинанду — герцогу Брауншвейгскому. Мальчик бывает во дворце и развлекает придворных искусством счета. Благодаря по кровительству герцога Гаусс смог в октябре 1795 г. поступить в Геттингенский университет. Первое время он слушает лекции по филологии и почти не посещает лекций по математике. Но это не означает, что он не занимается математикой. Приведем слова Фе Дебют Гаусса ликса Клейна, замечательного математика, глубокого исследова теля научного творчества Гаусса: «Естественный интерес, какое то, я сказал бы, детское любопытство приводит впервые мальчика независимо от каких-либо внешних влияний к математическим во просам. Первое, что его привлекает, это чистое искусство счета.

Он беспрестанно считает с прямо-таки непреоборимым упорством и неутомимым прилежанием. Благодаря этим постоянным упраж нениям в действиях над числами, например, над десятичными дробями с невероятным числом знаков, он не только достигает изумительной виртуозности в технике счета, которой он отличал ся всю свою жизнь, но его память овладевает таким колоссальным числовым материалом, он приобретает такой богатый опыт и та кую широту кругозора в области чисел, каким навряд ли обладал кто-либо до или после него. Путем наблюдений над своими чис лами, стало быть, индуктивным, «экспериментальным» путем он уже рано постигает общие соотношения и законы. Этот метод, стоящий в резком противоречии с современными навыками мате матического исследования, был, однако, довольно распространен в XVIII столетии и встречается, например, также у Эйлера... Все эти ранние, придуманные только для собственного удовольствия забавы ума являются подходами к значительной, лишь позже осо знанной цели. В том-то именно и заключается подсознательная мудрость гения, что он уже при первых пробах сил, полуиграя, еще не сознавая всего значения своих действий, попадает, так ска зать, своей киркой как раз в ту породу, которая в глубине своей таит золотоносную жилу. Но вот наступает 1795 год, о котором мы имеем более точные показания... С еще большей силой, чем до сих пор (все еще до геттингенского периода), его охватывает страстный интерес к целым числам. Незнакомый с какой бы то ни было литературой, он должен был все создавать себе сам. И здесь он вновь проявляет себя как незаурядный вычислитель, прола гающий пути в неизвестное. Гаусс составляет большие таблицы простых чисел, квадратичных вычетов и невычетов, выражает дроби 1/p от p = 1 до p = 1000 десятичными дробями, доводя эти вычисления до полного периода, что в иных случаях требова ло несколько сотен десятичных знаков. При составлении послед ней таблицы Гаусс задался целью изучить зависимость периода от знаменателя p. Кто из современных исследователей пошел бы 312 Карл Фридрих Гаусс (1777 – 1855) этим странным путем, чтобы получить новую теорему! Гаусса же привел к цели именно этот путь, по которому он шел с неимовер ной энергией. (Он сам утверждал, что отличается от других людей только своим прилежанием.) Осенью 1795 г. Гаусс переезжает в Геттинген и прямо-таки проглатывает впервые попавшуюся в его руки литературу: Эйлера и Лагранжа».

Открытие, которого ждали две тысячи лет. 1 июня 1796 г. в газете «Jenenser Intelligenzblatt» появилась заметка следующего содер жания:

«Всякому начинающему геометру известно, что можно геомет рически (т. е. циркулем и линейкой) строить разные правильные многоугольники, а именно: треугольник, пятиугольник, пятна дцатиугольник и те, которые получаются из каждого из них путем последовательного удвоения числа его сторон. Это было известно во времена Евклида, и, как кажется, с тех пор было распростра нено убеждение, что дальше область элементарной геометрии не распространяется: по крайней мере, я не знаю удачной попытки распространить ее в эту сторону.

Тем более кажется мне заслуживающим внимания открытие, что, кроме этих правильных многоугольников, может быть гео метрически построено множество других, например семнадцати угольник».

Под заметкой стоит подпись: К. Ф. Гаусс из Брауншвейга, сту дент-математик в Геттингене.

Это первое сообщение об открытии Гаусса. Прежде чем по дробно рассказывать о нем, освежим в памяти то, что «известно всякому начинающему геометру».

О построениях циркулем и линейкой. Предполагается заданным отрезок единичной длины. Тогда при помощи циркуля и линей ки можно строить новые отрезки, длины которых получаются из длин имеющихся отрезков при помощи операций: сложения, вы читания, умножения, деления и извлечения квадратного корня.

Последовательно проводя эти операции, при помощи циркуля и линейки можно построить любой отрезок, длина которого вы ражается через единицу конечным числом операций сложения, вычитания, умножения, деления и извлечения квадратного кор ня. Такие числа называются квадратичными иррациональностя ми. Можно доказать, что никакие другие отрезки построить Дебют Гаусса при помощи циркуля и линейки нельзя.

Задача о построении правильного n-угольника, как легко по нять, эквивалентна задаче о делении окружности радиуса 1 на n равных частей. Хорды дуг, на которые делится окружность, являются сторонами правильного n-угольника, и длина каждой из них равна 2 sin(/n). Следовательно, при тех n, для которых sin(/n) является квадратичной иррациональностью, можно по строить правильные и-угольники циркулем и линейкой. Этому условию удовлетворяют, например, значения n = 3, 4, 5, 6, 10.

Для n = 3, 4, 6 это хорошо известно.

Покажем, что sin(/10) — квадратичная иррациональность.

Рассмотрим равнобедренный треугольник ABC, угол при вер шине B которого равен /5 = 36, длина AB равна 1;

пусть AD — биссектриса угла A. Тогда x = AC = AD = BD = 2 sin(/10).

Имеем BD AB x 1 5 - = ;

=, x =.

DC AC 1 - x x Это число является квадратичной иррациональностью;

тем са мым мы можем построить сторону правильного 10-угольника.

Далее, из возможности деления окружности на p1p2 равных частей следует, конечно, возможность ее деления на p1 рав ных частей (в частности, можно построить правильный пяти угольник). Обратное утверждение, вообще говоря, неверно. Ука жем два частных случая, когда оно все же справедливо.

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.