Метод неделимых

Сам по себе метод неделимых — это набор приёмов без чёткого описания. Поэтому лучше начать со следующего примера, известного уже Архимеду.

Вычисление площади круга

То же в анимации

Вычислим площадь круга радиуса ${\displaystyle R}$. Формула для длины окружности ${\displaystyle L=2\pi R}$ считается известной.

Разобьём круг на бесконечно малые кольца. Рассмотрим также треугольник с длиной основания ${\displaystyle L}$ и высотой ${\displaystyle R}$, который тоже разобьём сечениями параллельно основанию. Каждому кольцу радиуса ${\displaystyle r}$ и длины ${\displaystyle L=2\pi r}$ можно сопоставить одно из сечений треугольника той же длины ${\displaystyle L}$. Тогда, по принципу Кавальери, площади круга и треугольника равны. Площадь треугольника находится как произведение длины его основания на половину высоты:

${\displaystyle 2\pi R\cdot {\frac {R}{2}}=\pi R^{2}.}$

Парадокс Кавальери

Парадокс Кавальери

Математики сразу указали на возможность ошибочного применения принципа неделимых; один из таких примеров привёл сам Кавальери в письме к Торричелли (см. рисунок). Треугольники ABD и BCD состоят из вертикальных неделимых, причём каждой неделимой левого треугольника (EF) можно взаимно-однозначно сопоставить неделимую той же длины (GH) правого треугольника. Отсюда, согласно основному принципу, можно сделать ошибочный вывод, что площади треугольников равны[5]. Тем не менее, ясного правила для избежания ошибок Кавальери не дал.

Иллюстрация принципа Кавальери — две стопки монет имеют разную форму, но равный объём

Кавальери в своём трактате «Геометрия неделимых непрерывных, выведенная новым способом» сформулировал теоретические основы метода неделимых следующим образом:

Фигуры относятся друг к другу, как все их линии, взятые по любой регуле [базе параллельных], а тела — как все их плоскости, взятые по любой регуле.

Если два тела имеют одинаковую высоту, и если сечения тел, равноудалённые и параллельные плоскости, на которой те покоятся, всегда останутся в заданном отношении, то и объёмы тел останутся в этом отношении.

В современном виде:

Для плоскости

Площади двух фигур с равными по длине хордами всех их общих секущих, параллельных прямой, по одну сторону от которой они лежат, равны.

Для пространства

Объёмы двух тел над плоскостью, с равными по площади сечениями всех общих секущих их плоскостей, параллельных данной плоскости, равны.

Принцип Кавальери явился одним из первых шагов на пути к интегральному исчислению. В частности, используя обозначения бесконечно малых, Кавальери доказал теорему, эквивалентную современной формуле

${\displaystyle \int _{0}^{a}x^{n}\,dx={\frac {a^{n+1}}{n+1}}.}$

Современными теоремами, обобщающими принцип Кавальери, являются формула коплощади и теорема Тонелли — Фубини.

Пример

Вычисление объёма полушария

Идея нахождения объёмов в этом примере восходит к Архимеду.

Вычислим объём полушария радиуса r. Формулы для площади круга, а также для объёма конуса и цилиндра считаются известными.

Проведём сечения полушария плоскостями, параллельными его основанию. Полушарие разобьётся на бесконечно малые круги (см. рисунок). На высоте h площадь сечения будет равна ${\displaystyle \pi (r')^{2}}$, или (по теореме Пифагора) ${\displaystyle \pi (r^{2}-h^{2})}$.

Далее рассмотрим круговой цилиндр высоты r, с радиусом основания тоже r, из которого вырезан конус остриём вниз. Рассечём и это тело параллельно основанию. В сечении на высоте h получится кольцо площадью ${\displaystyle \pi r^{2}-\pi h^{2}}$. Замечаем, что эта площадь такая же, как и для полушария.

Следовательно, по принципу Кавальери, объёмы обоих тел равны. Объём тела, изображённого справа на рис. 3, равен

${\displaystyle \pi \cdot r^{2}\cdot r-{\frac {1}{3}}\cdot \pi \cdot r^{2}\cdot r={\frac {2}{3}}\pi \cdot r^{3}.}$

Вывод: объём полного шара (двух полушарий) равен ${\displaystyle 2\cdot {\frac {2}{3}}\pi r^{3}={\frac {4}{3}}\pi r^{3}.}$

Уже Архимед в своих исследованиях рассекал пространственное тело параллельными плоскостями и представлял это тело как своего рода альбом, объединение таких сечений (инфинитезимальное разложение, то есть разложение на бесконечно малые элементы). Здесь возможно влияние атомистов с их «неделимыми». Однако Архимед считал обязательным передоказывать результаты, полученные с помощью метода неделимых, строгим методом исчерпывания. Европейские математики, начиная с XVI века, тоже применяли метод исчерпывания для проведения квадратур (вычисления площадей) и определения центров тяжести.

Новую жизнь методу неделимых дал Кеплер в своей книге «Новая стереометрия винных бочек» (XVII век).[6] В труде «Новая астрономия» Кеплер часто использует понятие «неделимых», в том числе при формулировке своих трёх законов движения планет; например, вместо площади он упоминал «сумму радиус-векторов».

Возможно, независимо этот метод развивал Роберваль.[7]

Наиболее ярким и влиятельным представителем «геометрии неделимых» был Кавальери. В его изложении инфинитезимальные представления Кеплера обрели вид общих вычислительных приёмов. Мощь и относительная простота нового метода произвели чрезвычайно сильное впечатление на математиков. Целые поколения, от Валлиса до Лейбница, учились у Кавальери. Торричелли назвал метод неделимых «царской дорогой» в геометрии.

Галилей был знаком с методом неделимых, однако отчётливо видел его слабые и опасные стороны. В переписке и последних трудах он размышляет о сущности бесконечности, показывает, что бесконечное множество может быть равносчётно своей части, имеющей меньшую меру, так что рассуждения о неделимых плохо обоснованы. Тем не менее он сам фактически использовал неделимые при исследовании равноускоренного движения[8].

Валлис, ознакомившись с методом Кавальери по книге Торричелли, решил провести его алгебраизацию. Вместо геометрического преобразования сечений он строит в «Арифметике бесконечных» (1656 год) числовые ряды, которые мы сейчас называем интегральными суммами, и находит эти суммы.

Независимо от Валлиса и лет на 30 раньше эти интегралы вычислили Ферма и Роберваль. В посмертно опубликованном сочинении Ферма виртуозно применяет такие приёмы, как интегрирование по частям и замена переменных, что позволило ему вычислить множество сложных интегралов от дробно-рациональных функций и от многочленов с дробными степенями.

Мемуар Ферма получил широкую известность, так как он почти полностью покрывает результаты Кавальери, но при этом изложенные методы существенно компактнее и понятнее. Кроме того, интегральные суммы оказались применимы к задачам, недоступным для метода Кавальери — например, спрямление (измерение дуги) кривой. Роберваль исследовал спираль Архимеда, Ферма и Торричелли в 1640-е годы — параболы и спирали высших порядков. Кристофер Рен спрямил циклоиду (1658 год).

Учитывая уязвимость для критики тех открытий, которые получены с помощью метода неделимых, многие математики (Ферма, Паскаль, Барроу и др.) отмечали в своих работах, что все их результаты могут быть без труда передоказаны строгими методами древних. Барроу, правда, сделал к этой оговорке ироничное добавление: «только зачем?».[9]

Декарт использовал инфинитезимальные методы в своей «Оптике», но в целом старался не углубляться в эту область. В трактате «Геометрия» он высказал мнение, что спрямление алгебраических линий невозможно. Это утверждение было опровергнуто лишь через двадцать лет: в 1650-х годах сразу четыре математика, включая Ферма и Гюйгенса, дали спрямление полукубической параболы. Впрочем, и сам Декарт успешно спрямил, правда, не алгебраическую, а трансцендентную кривую — логарифмическую спираль, длина дуги которой, считая от полюса, пропорциональна радиус-вектору конца дуги — свойство, которое знал и Торричелли.

Идея Валлиса — алгебраизация метода бесконечно малых — достигла высшего развития после открытия математического анализа Ньютоном и Лейбницем. В своих «Началах» Ньютон дал первый набросок общей теории пределов (11 лемм), при этом он не постулирует аналог принципа Кавальери, а строго его доказывает (следствие из леммы IV):

Если вообще две какого угодно рода величины будут разделены на одинаковое число частей и, при бесконечном возрастании числа их и уменьшении каждой из них, отношение их соответственно друг к другу, то есть первой к первой, второй ко второй и т. д., остаётся постоянным, то и самые величины будут находиться в этом же отношении.

Здесь неделимые заменены на переменные, величина которых стремится к нулю; при этом «парадокса Кавальери» уже не может возникнуть, поскольку отношение сравниваемых в парадоксе величин (ширины малых четырёхугольников в разбиении) не равно единице.

После создания анализа метод неделимых представлял уже только исторический интерес. Однако ещё более века, до работ Коши, обоснование анализа бесконечно малых было столь же неубедительным, как и у метода неделимых.

• Теорема Тонелли — Фубини

• Лурье С. Я. Теория бесконечно-малых у древних атомистов. — М.—Л.: Изд. АН СССР, 1935.
• Математика XVII столетия // История математики / Под редакцией А. П. Юшкевича, в трёх томах. — М.: Наука, 1970. — Т. II.
• Хрестоматия по истории математики. Математический анализ. Теория вероятностей / Под ред. А. П. Юшкевича. — М.: Просвещение, 1977. — 224 с.