Бесчисленное поддается подсчету. Кантор. Бесконечность в математике. - Gustavo Pineiro

Правильный многоугольник с 4 сторонами

Правильный многоугольник с 7 сторонами

Правильный многоугольник с 11 сторонами

РИС. 8

С XVI века европейские математики принялись искать общий способ решения вопроса о площади фигур, ограниченных кривыми. Самых выдающихся результатов добились четверо математиков: Иоганн Кеплер (1571-1630), Бонавентура Кавальєри (1598-1647), Рене Декарт (1596-1650) и Пьер де Ферма (1601-1665). В конце XVII века Исаак Ньютон (1643-1727) и Готфрид Лейбниц (1646-1716), опираясь на достижения своих предшественников, независимо друг от друга нашли наконец общий метод расчета площади любой плоской фигуры. Это один из основных инструментов исчисления, и называется он интегральным.

Юлиус Вильгельм Рихард Дедекинд родился 6 октября 1831 года в Брауншвейге, Германия. С детства он проявлял огромный интерес к наукам и постепенно сконцентрировался именно на математике. В 1848 году поступил в Карловский коллегиум, где преподавание соответствовало университетскому уровню, поэтому Дедекинд получил солидное образование в области алгебры, аналитической геометрии и исчисления. Он дополнил его в Геттингенском университете, куда поступил в 1850 году. Два года спустя он получил там степень доктора под руководством самого Карла Фридриха Гаусса, одного из величайших математиков в истории.

В 1855 году Гаусс умер, и Дедекинду предложили занять его кафедру. В том же году он начал тесно сотрудничать с Бернхардом Риманом, еще одним учеником Гаусса. Через несколько лет Дедекинд решил вернуться в Брауншвейг и в 1862 году стал преподавать математику в том же знаменитом Карловском коллегиуме вплоть до 1894 года. Однако он не оставил занятия математикой и внес важный вклад в развитие науки, особенно в области алгебры и исчисления. Дедекинд всю жизнь был холостяком и, вернувшись в Брауншвейг, поселился со своей незамужней сестрой Юлией. Рихард Дедекинд умер в Брауншвейге 12 февраля 1916 года.

Суть его в том, что любая фигура, даже если она полностью ограничена кривыми, может быть разделена на два фрагмента или более (их количество всегда конечное), необязательно равные между собой, так, что каждый из них ограничивается отрезком (см. рисунок 9).

Задача вычислить площадь фигуры сводится, таким образом, к вычислению площадей каждого из этих фрагментов. Представим, что отрезок, частично ограничивающий фигуру, который мы для удобства назовем основой, является частью числовой оси, ограниченной числами а и b. Предположим, что мы знаем математическую формулу, которая позволяет нам вычислить длину отрезка, соединяющего точку X с кривой, если на основе задана точках. Назовем эту длину у (см. рисунок 10).

Метод заключается в том, чтобы представить фигуру как образованную бесконечными перпендикулярными отрезками, соединяющими основу с кривой (на каждое число х приходится один отрезок). Таким образом, площадь фигуры равна сумме площадей этих отрезков. И все же эта мысль отсылает нас к парадоксу Аристотеля.

Как математическая точка обладает длиной, равной нулю, так и математический отрезок (у которого есть длина, но нет ширины и глубины) обладает площадью, которая тоже равна нулю. Следовательно, если мы представим площадь фигуры как сумму площадей отрезков, она будет равна 0 + 0 + 0 +... = 0.

Нам не удастся заменить отрезки прямоугольниками (площадь которых больше нуля), потому что в этом случае получится ситуация, похожая на нашу попытку заполнить окружность прямоугольниками: всегда будет оставаться незаполненная прямоугольниками часть (рисунок И).

РИС. 9

Мы можем вычислить площадь каждой из двух правых фигур, частично ограниченных отрезком.

Чтобы выйти из этого тупика, Ньютон и Лейбниц ввели понятия бесконечно малых и бесконечно больших, оказывавшие огромное влияние на исчисление до второй половины XIX века. Но они настолько неопределенны, что их очень сложно, если не невозможно, понять. Представим себе каждый перпендикулярный отрезок, проведенный к основанию, не как математический, а как прямоугольник с бесконечно малым основанием dx (см. рисунок 12). Это обозначение использовал Лейбниц, и оно до сих пор применяется в исчислении. Получается, что фигура — это не сумма отрезков, а сумма прямоугольников с бесконечно малым основанием. Замена отрезков на прямоугольники имеет двойную пользу. С одной стороны, поскольку основание каждого прямоугольника — это бесконечно малый отрезок (а не точка), то его площадь больше нуля, а значит, мы избегаем парадокса. С другой — поскольку основание прямоугольника — это бесконечно малая величина, ими можно заполнить всю фигуру так, чтобы не осталось пустых областей. Пусть основание каждого прямоугольника — dx, высота — у, а площадь — ydx. Чтобы вычислить площадь фигуры, теоретически мы должны были бы сложить все ydx для X между а и Ь. Лейбниц записывал это так:

b

∫ydx.

a

Значок слева — деформированная буква S (первая буква латинского слова «сумма»). Этот символ называется интегралом. Он используется при нахождении площади фигуры, ограниченной кривой и отрезком (помимо прочих многочисленных применений в исчислении). Как метод Евдокса позволил вывести формулу вычисления площади окружности, так и этот метод, по которому фигуры представляются как совокупность прямоугольников с бесконечно малым основанием, позволяет найти, например, формулу площади эллипса или любой другой фигуры, ограниченной кривыми.

Тем не менее изложенные выше рассуждения вызывают некоторые сомнения. Что значит: некий отрезок, меньше любого другого, который мы можем себе представить? Разумеется, это значит, что меньшего отрезка просто не существует.

Но если мы разделим его надвое, длина полученного отрезка будет меньше.

Выходит, что понятие бесконечно малых и бесконечно больших противоречит само себе, и необходимо отметить, что и Ньютон, и Лейбниц прекрасно это осознавали. Так, в работе 1680 года «Новый метод максимумов и минимумов, а также касательных, для которого не служат препятствием ни дробные, ни иррациональные величины, и особый для этого род исчисления» Лейбниц приводит формулы, основанные на бесконечно больших и бесконечно малых величинах, но при этом не упоминает сами понятия. Великие швейцарские математики братья Иоганн и Якоб Бернулли (1667-1748 и 1654-1705) назвали сочинение Лейбница «скорее загадкой, чем объяснением». Ньютон же впоследствии оставил идею бесконечно малых, заменив их не менее запутанным понятием «флюксий».

РИС. 10

РИС. 11

Как же тогда развивался математический анализ, если в самой его основе было столько лакун? Если отставить недоверие и принять существование бесконечно малых, а также считать правильными рассуждения, основанные на этом понятии, итоговые формулы были абсолютно верными. Интегралы позволяли — и позволяют — подсчитать площади и объемы, которые не могут быть получены при помощи методов древнегреческой геометрии (площадь поверхности седла или объем овальных тел). В XVIII веке, благодаря в том числе братьям Бернулли и Эйлеру, методы и применение дифференциального исчисления были усовершенствованы. Они стали незаменимыми для математической физики — она вообще не могла бы существовать без них.

И все же как раз ввиду этой незаменимости с течением десятилетий необходимость дать ему прочные логические обоснования, ясные и неоспоримые понятия, становилась все более насущной.

В XIX веке эту задачу пытались решить многие математики, среди которых были Карл Вейерштрасс (1815-1897), Рихард Дедекинд и Георг Кантор.

РИС. 12

Важнейшим вкладом Вейерштрасса в логическое обоснование исчисления было введение понятия предела, которое окончательно вытеснило бесконечно малые величины (хотя символ dx употребляется до сих пор). На практике предел заменяет идею бесконечно малого отрезка идеей отрезка, бесконечно малого только в потенции. То есть вместо того чтобы представлять прямоугольники с бесконечно малым основанием, мы представляем обычные прямоугольники, которые становятся все уже, пока не достигнут нужного размера. Опираясь на эту идею величин в динамике, то есть таких, которые становятся все меньше (бесконечно маленькими, но только потенциально), можно получить те же самые формулы, что и на основе бесконечно малых, но на более прочной логической основе.

Однако Вейерштрасс не говорил ни об отрезках, ни о прямоугольниках. Все свои идеи он выражал в числах и при помощи формул. Отрезок можно определить как часть числовой оси, ограниченной числами а и Ь. По Вейерштрассу же, отрезок является множеством (потенциально бесконечным) вещественных чисел между а и Ь геометрическое понятие отрезка не фигурировало даже в его рассуждениях. Понятие предела, например, которое мы применяем к отрезкам и прямоугольникам, Вейерштрасс выражал только в символах числовых операций.