Luis Alvarez - Самая сложная задача в мире. Ферма. Великая теорема Ферма

Это очень похоже на то, что делают сегодня, когда вычисляют производную, определение которой дал Коши только в XIX веке, и, приравнивая ее к нулю, находят максимумы и минимумы. Такое сходство привело к тому, что некоторые математики (Лагранж, Пьер-Симон Лаплас) и историки науки считали дифференциальное исчисление изобретением Ферма. К сожалению, они ошибались.

Верно, что Ферма приближался к методам современного дифференциального исчисления. Эта h, по мысли Готфрида Лейбница и Исаака Ньютона, — бесконечно малая величина, которая, говоря проще, не равна нулю, но может считаться при некоторых обстоятельствах за ноль. Только когда Коши удалось сформулировать понятие предела, эти идеи получили строгое математическое выражение.

Ферма не делал различия между конечными и бесконечно малыми величинами, по крайней мере в своих работах о максимумах и минимумах и касательных, которые появились в относительно раннее время его математической жизни. А это различие является основополагающим. Ферма считал, что А, расстояние от исходного корня, полностью произвольно: оно может быть большим или малым, по желанию. Очевидно, что эта мысль сильно отличается от понятия бесконечно малых, небольшая величина которых должна быть произвольной. На самом деле Ферма никогда не думал, что его максимумы и минимумы могут быть локальными, а не глобальными. Локальный максимум может быть найден только с помощью методов анализа бесконечно малых. В любом случае, справедливо заметить, что с помощью метода Ферма можно было даже определить, является решение максимумом или минимумом.

Предыдущее воспроизведение мысли Ферма основано на "Аналитическом исследовании". Достоверно известно, что тулузец начал с задачи, упомянутой Паппом, а историкам удалось восстановить на основе многочисленных записей его рассуждения. В любом случае, по своей неискоренимой привычке Ферма, даже когда формулировал шаги доказательства в "Аналитическом исследовании", был краток в своих объяснениях. Он опускал некоторые шаги, веря, что читатель сможет заполнить пробелы. Читатель должен был быть эрудитом, знающим наизусть, что такой-то шаг подтверждается теоремой Аполлония, другой шаг — теоремой Паппа, а третий верен, поскольку это уже доказал Виет. Более того — в изначальном варианте Methodus, как мы уже сказали, не было даже таких набросков доказательства, как в "Аполитическом исследовании"·, ни малейшего обоснования странных действий, которые предпринимал наш герой: Ферма ограничивался тем, что давал алгоритм. Очевидно, что инструкция без малейших объяснений, с делением на нуль, шокировала современников ученого, и те из них, кто приятельствовал с Ферма, попросили у него объяснений, а остальные безжалостно напали на него. Кроме того, Methodus ограничивался решением двух уже решенных задач, в которых находятся касательные к параболам. В сочинении, по крайней мере внешне, не было ничего нового, но содержалось много проблематичного.

Собственно, в Methodus Ферма сформулировал способ нахождения касательной к любой заданной кривой. Он с гордостью говорил, что этот метод абсолютно общий и работает всегда, но не обосновывал своего утверждения. Упомянутый им метод нахождения касательных, естественно, исходил из его же метода максимумов и минимумов. Действительно, Ферма понял, что, так как классические греческие кривые (конические сечения, окружности и прямые линии) были определены через пропорции, решить задачу касательной равносильно тому, чтобы найти минимум некоей пропорции между двумя величинами. Его метод максимумов и минимумов также работал для максимизации или минимизации некоторой величины или пропорции. Следовательно, нахождение касательной было его естественным применением.

Рассмотрим метод Ферма детально. Возьмем параболу, показанную на рисунке. Мы ищем касательную в точке В, прямую ВE. Ферма рассматривал произвольную точку О, внешнюю по отношению к параболе. Здесь ясно видно, что он был еще далек от понятия бесконечно малых; в анализе бесконечно малых точка О должна была находиться произвольно близко к точке В. Затем он рассмотрел свойство параболы, определенное Аполлонием в виде пропорции:

BC 2/ZI 2- CD/DI,так как OI >ZI, CD/DI > BC 2/OI.

По подобию треугольников ВСЕ и OIE получается, что

ВС/OI = СЕ/TE, поэтому CD/DI > CE 2/IE 2.

Пусть CD = d, CI = е и СЕ = а. Этот последний отрезок — подкасательная. Тогда

d/(d - e) > а 2/(a - e)2

и d(a - е) 2> a 2(d - е), откуда da 2- 2dae + de 2> da 2- a 2e.

Затем приравниваются оба члена неравенства: da 2- 2dae + de 2≡ da 2-a 2e, и после сокращения и перестановки членов: de 2+ a 2e ≡ 2dae. При делении на е: de + a 2 ≡2da. Наконец, Ферма игнорировал член, содержащий е: а 2= 2da, из чего а = 2d. Таким образом можно найти точку Е, определив подкасательную к параболе ( СE ).

В своей "Геометрии· Декарт сделал различие между геометрическими и механическими кривыми. Первые имели выражение в алгебраических уравнениях, то есть многочленах. Механические кривые, наоборот, не имели такого выражения; они представляли собой траекторию перемещения некоей точки, которая двигалась в соответствии с определенными правилами. В "Геометрии" Декарт счел невозможным анализ механических кривых. Зато Ферма в своей безымянной рукописи 1640 года изучал три геометрические кривые: циссоиду, конхоиду и декартов лист, а также циклоиду — механическую кривую. Циклоида — это ответ на кажущийся парадокс Аристотеля о расстоянии, которое проходят две точки, расположенные в двух концентрических окружностях, катящихся по линии. Циклоида образуется движением определенной точки колеса, катящегося без скольжения по прямой. При анализе этой проблемы Ферма был вынужден, "чтобы избежать иррациональности", приравнять отрезок RB касательной к отрезку RN кривой.

Methodus был написан до того, как Ферма изобрел аналитическую геометрию. Единственное представление о классических кривых все еще принадлежало Аполлонию. Именно поэтому Ферма продолжал применять геометрические определения грека вместо своего более позднего алгебраического представления. Но в "Аналитическом исследовании" Ферма уже был способен использовать огромную силу своих алгебраических уравнений для подхода как к проблеме максимумов и минимумов, так и к проблеме касательных. Действительно, в его записях было каждый раз все меньше диаграмм. Ему было достаточно уравнения, которое полностью определяло кривую, для глубокого анализа ее свойств. С помощью такого уравнения он мог искать максимумы и минимумы, с одной стороны, и касательные, с другой. Алгебраический метод вновь показывал свою эффективность. В последующие годы он пошел еще дальше, практически дойдя до понятия произвольно малого расстояния в работе о касательной к циклоиде, то есть находясь на самом пороге дифференциального исчисления.