65

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФАКУЛЬТЕТ МАТЕМАТИКИ И КОМПЬЮТЕРНЫХ НАУК

КАФЕДРА АЛГЕБРЫ И МАТЕМАТИЧЕКСКОЙ ЛОГИКИ

Выдающаяся роль Леонарда Эйлера в развитии алгебры, геометрии и теории чисел.

(дипломная работа)

Т - 2004

Содержание

• Содержание 2
• • Введение. 3
  • • Chapter I. Biography of Leonard Euler. 5
    • Глава II. Вклад Эйлера в развитие алгебры. 13
    • §2.1. Алгебраические доказательства основной теоремы алгебры. 13
    • §2.2 Числовые приближенные методы решения уравнений. 16
    • п.2.2.1. Метод рекуррентных рядов. 16
    • п.2.2.2. Еще два оригинальных метода. 19
    • §2.3. Общая теория уравнений. 21
    • Глава III. Выдающиеся достижения Леонарда Эйлера в области геометрии и тригонометрия. 23
    • §3.1. Развитие аналитической геометрии, начиная с систематического исследования высших порядков. 23
    • §3. 2. Поверхности второго и высших порядков. 28
    • §3.3. Второй том «введения в анализ бесконечных» 33
    • §3.4. Специальные плоские кривые. 38
    • §3.5. Геодезические линии 39
    • §3.6. Общие пространственные кривые и развертывающиеся поверхности 42
    • §3.7. Общие поверхности 45
    • §3.8. Заслуги Эйлера в преобразовании и дальнейших успехах тригонометрии. 52
    • ГЛАВА IV. Влияние Леонарда Эйлера на развитие теории чисел. 58
    • §4.1. Целочисленное решение неопределенных уравнений. 58
    • §4.2. Теорема Эйлера. 62
    • §4.3. Вычеты . 63
    • §4.4. Разложение на простые множители. 64
• Заключение. 68
• Список литературы. 69

Введение

Математика есть самая удивительная и загадочная сфера деятельности человеческой мысли. Развитие области фундаментальных знаний исторически неотъемлемо связано с развитием человеческого социума. Это значит, что основные грандиозные вехи развития этой изящной науки связаны с жизнью, без сомнения, гениальных умов человечества. В пантеон бессмертия выписаны имена математиков, чьи титанические труды обогатили людские знания всесущей.

Настоящая работа посвящена освещению биографии великого Леонарда Эйлера и его трудов, привнесших огромный вклад в развитие математики, и, прежде всего, в приложении её к практической деятельности.

Необыкновенная интуиция, точный и искусный ум вели Леонарда Эйлера к изящным и удивительным открытиям, ныне кажущиеся столь простыми и естественными, что не вызывают никакого сомнения в их неприкасаемой правоте. В настоящее время многочисленные отрасли математики, механики, физики, астрономии до сих пор используют научные достижения трудов Эйлера, признанные, как основополагающие.

В первой главе представлено описание основных моментов жизни, повлиявших на творчество и развитие Леонарда Эйлера как крупного ученого и просветителя того времени. Большинство источников о биографии и деятельности Леонарда Эйлера были переведены, в основном, с немецкого на английский и французские языки, в частности, и на русский. В виду целесообразности первая глава представлена на английском языке, дабы быть ближе к первоисточникам.

Вторая глава повествует о существенном вкладе таланта Леонарда Эйлера в развитие алгебры XVIII столетия. В ней представлена работа, связанная с доказательством основной теоремы алгебры и методах приближенных решений алгебраических уравнений п-ой степени.

Третья глава посвящена выдающимся достижениям Леонарда Эйлера в области геометрии и тригонометрии. В нее включены работы по исследованию поверхностей второго и высших порядков, а так же специальных плоских кривых и геодезических линий. Леонард Эйлер написал первый систематизированный учебник по геометрии, общепризнанный классическим. Это второй том «Введения в анализ бесконечно малых». В данном учебнике развит единый метод для классификации плоских алгебраических кривых любого порядка и систематизированы практически все общие методы исследования таких кривых.

Четвертая глава повествует о крупнейших открытиях в теории диофантовых уравнений, занимавшей своей сложностью и изяществом прогрессивные умы математиков многих столетий. В XVIII веке Л. Эйлер, работая в Петербургской академии наук, издал большую часть своих работ по теории чисел и диофантовых уравнений. Он обобщил основной результат ферма для случая делимости на составные числа, создал общую теорию так называемых степенных вычетов, получил очень большое число разнообразных результатов о представимости чисел в виде форм определенного типа, исследовал ряд систем неопределенных уравнений и получил интересные результаты о разбиение чисел на слагаемые. У Эйлера мы впервые встречаемся с идеей применения методов математического анализа к задачам теории чисел. Рассмотрение бесконечных рядов и произведений являлось у Эйлера действенным орудием для получения теоретико-числовых результатов.

Нет, пожалуй, ни одной значительной области математики, в которой не оставил бы след один из величайших математиков 18 столетия Леонард Эйлер, чья жизнь и работа стимулируют творчество многие поколения математиков.

Chapter I. Biography of Leonard Euler.

Pic. 1 (Poster of Eule)

Leonhard Eulers father was Paul Euler. Paul Euler had studied theology at the University of Basel and had attended Jacob Bernoullis lectures there. In fact Paul Euler and Johann Bernoulli had both lived in Jacob Bernoullis house while undergraduates at Basel. Paul Euler became a Protestant minister and married Margaret Brucker, the daughter of another Protestant minister. Their son Leonhard Euler was born in Basel, but the family moved to Riehen when he was one year old and it was in Riehen, not far from Basel, that Leonard was brought up. Paul Euler had, as we have mentioned, some mathematical training and he was able to teach his son elementary mathematics along with other subjects.

Leonhard was sent to school in Basel and during this time he lived with his grandmother on his mothers side. This school was a rather poor one, by all accounts, and Euler learnt no mathematics at all from the school. However his interest in mathematics had certainly been sparked by his fathers teaching, and he read mathematics texts on his own and took some private lessons. Eulers father wanted his son to follow him into the church and sent him to the University of Basel to prepare for the ministry. He entered the University in 1720, at the age of 14, first to obtain a general education before going on to more advanced studies. Johann Bernoulli soon discovered Eulers great potential for mathematics in private tuition that Euler himself engineered. Eulers own account given in his unpublished autobiographical writings, see [1] is as follows:-

... I soon found an opportunity to be introduced to a famous professor Johann Bernoulli. ... True, he was very busy and so refused flatly to give me private lessons; but he gave me much more valuable advice to start reading more difficult mathematical books on my own and to study them as diligently as I could; if I came across some obstacle or difficulty, I was given permission to visit him freely every Sunday afternoon and he kindly explained to me everything I could not understand ...

In 1723 Euler completed his Masters degree in philosophy having compared and contrasted the philosophical ideas of Descartes and Newton. He began his study of theology in the autumn of 1723, following his fathers wishes, but, although he was to be a devout Christian all his life, he could not find the enthusiasm for the study of theology, Greek and Hebrew that he found in mathematics. Euler obtained his fathers consent to change to mathematics after Johann Bernoulli had used his persuasion. The fact that Eulers father had been a friend of Johann Bernoullis in their undergraduate days undoubtedly made the task of persuasion much easier.

Euler completed his studies at the University of Basel in 1726. He had studied many mathematical works during his time in Basel, and Calinger [4] has reconstructed many of the works that Euler read with the advice of Johann Bernoulli. They include works by Varignon, Descartes, Newton, Galileo, von Schooten, Jacob Bernoulli, Hermann, Taylor and Wallis. By 1726 Euler had already a paper in print, a short article on isochronous curves in a resisting medium. In 1727 he published another article on reciprocal trajectories and submitted an entry for the 1727 Grand Prize of the Paris Academy on the best arrangement of masts on a ship.

The Prize of 1727 went to Bouguer, an expert on mathematics relating to ships, but Eulers essay won him second place which was a fine achievement for the young graduate. However, Euler now had to find himself an academic appointment and when Nicolaus(II) Bernoulli died in St Petersburg in July 1726 creating a vacancy there, Euler was offered the post which would involve him in teaching applications of mathematics and mechanics to physiology. He accepted the post in November 1726 but stated that he did not want to travel to Russia until the spring of the following year. He had two reasons to delay. He wanted time to study the topics relating to his new post but also he had a chance of a post at the University of Basel since the professor of physics there had died. Euler wrote an article on acoustics, which went on to become a classic, in his bid for selection to the post but he was nor chosen to go forward to the stage where lots were drawn to make the final decision on who would fill the chair. Almost certainly his youth (he was 19 at the time) was against him. However Calinger [4] suggests:-

This decision ultimately benefited Euler, because it forced him to move from a small republic into a setting more adequate for his brilliant research and technological work.

As soon as he knew he would not be appointed to the chair of physics, Euler left Basel on 5 April 1727. He travеlled down the Rhine by boat, crossed the German states by post wagon, then by boat from Lьbeck arriving in St Petersburg on 17 May 1727. He had joined the St. Petersburg Academy of Science two years after it had been founded by Catherine I the wife of Peter the Great. Through the requests of Daniel Bernoulli and Jakob Hermann, Euler was appointed to the mathematical-physical division of the Academy rather than to the physiology post he had originally been offered. At St Petersburg Euler had many colleagues who would provide an exceptional environment for him [1]:-

Nowhere else could he have been surrounded by such a group of eminent scientists, including the analyst, geometer Jakob Hermann, a relative; Daniel Bernoulli, with whom Euler was connected not only by personal friendship but also by common interests in the field of applied mathematics; the versatile scholar Christian Goldbach, with whom Euler discussed numerous problems of analysis and the theory of numbers; F Maier, working in trigonometry; and the astronomer and geographer J-N Delisle.

Euler served as a medical lieutenant in the Russian navy from 1727 to 1730. In St Petersburg he lived with Daniel Bernoulli who, already unhappy in Russia, had requested that Euler bring him tea, coffee, brandy and other delicacies from Switzerland. Euler became professor of physics at the academy in 1730 and, since this allowed him to became a full member of the Academy, he was able to give up his Russian navy post.

Daniel Bernoulli held the senior chair in mathematics at the Academy but when he left St Petersburg to return to Basel in 1733 it was Euler who was appointed to this senior chair of mathematics. The financial improvement which came from this appointment allowed Euler to marry which he did on 7 January 1734, marrying Katharina Gsell, the daughter of a painter from the St Petersburg Gymnasium. Katharina, like Euler, was from a Swiss family. They had 13 children altogether although only five survived their infancy. Euler claimed that he made some of his greatest mathematical discoveries while holding a baby in his arms with other children playing round his feet.

We will examine Eulers mathematical achievements later in this diploma but at this stage it is worth summarising Eulers work in this period of his career. This is done in [4] as follows:-

... after 1730 he carried out state projects dealing with cartography, science education, magnetism, fire engines, machines, and ship building. ... The core of his research program was now set in place: number theory; infinitary analysis including its emerging branches, differential equations and the calculus of variations; and rational mechanics. He viewed these three fields as intimately interconnected. Studies of number theory were vital to the foundations of calculus, and special functions and differential equations were essential to rational mechanics, which supplied concrete problems.

The publication of many articles and his book Mechanica (1736-37), which extensively presented Newtonian dynamics in the form of mathematical analysis for the first time, started Euler on the way to major mathematical work.

Eulers health problems began in 1735 when he had a severe fever and almost lost his life. However, he kept this news from his parents and members of the Bernoulli family back in Basel until he had recovered. In his autobiographical writings Euler says that his eyesight problems began in 1738 with overstrain due to his cartographic work and that by 1740 he had [4]:-

... lost an eye and [the other] currently may be in the same danger.

However, Calinger in [4] argues that Eulers eyesight problems almost certainly started earlier and that the severe fever of 1735 was a symptom of the eyestrain. He also argues that a portrait of Euler from 1753 suggests that by that stage the sight of his left eye was still good while that of his right eye was poor but not completely blind. Calinger suggests that Eulers left eye became blind from a later cataract rather than eyestrain.

By 1740 Euler had a very high reputation, having won the Grand Prize of the Paris Academy in 1738 and 1740. On both occasions he shared the first prize with others. Eulers reputation was to bring an offer to go to Berlin, but at first he preferred to remain in St Petersburg. However political turmoil in Russia made the position of foreigners particularly difficult and contributed to Euler changing his mind. Accepting an improved offer Euler, at the invitation of Frederick the Great, went to Berlin where an Academy of Science was planned to replace the Society of Sciences. He left St Petersburg on 19 June 1741, arriving in Berlin on 25 July. In a letter to a friend Euler wrote:-

I can do just what I wish [in my research] ... The king calls me his professor, and I think I am the happiest man in the world.

Even while in Berlin Euler continued to receive part of his salary from Russia. For this remuneration he bought books and instruments for the St Petersburg Academy, he continued to write scientific reports for them, and he educated young Russians.

Maupertuis was the president of the Berlin Academy when it was founded in 1744 with Euler as director of mathematics. He deputised for Maupertuis in his absence and the two became great friends. Euler undertook an unbelievable amount of work for the Academy [1]:-

... he supervised the observatory and the botanical gardens; selected the personnel; oversaw various financial matters; and, in particular, managed the publication of various calendars and geographical maps, the sale of which was a source of income for the Academy. The king also charged Euler with practical problems, such as the project in 1749 of correcting the level of the Finow Canal ... At that time he also supervised the work on pumps and pipes of the hydraulic system at Sans Souci, the royal summer residence.

This was not the limit of his duties by any means. He served on the committee of the Academy dealing with the library and of scientific publications. He served as an advisor to the government on state lotteries, insurance, annuities and pensions and artillery. On top of this his scientific output during this period was phenomenal.

During the twenty-five years spent in Berlin, Euler wrote around 380 articles. He wrote books on the calculus of variations; on the calculation of planetary orbits; on artillery and ballistics (extending the book by Robins); on analysis; on shipbuilding and navigation; on the motion of the moon; lectures on the differential calculus; and a popular scientific publication Letters to a Princess of Germany (3 vols., 1768-72).

In 1759 Maupertuis died and Euler assumed the leadership of the Berlin Academy, although not the title of President. The king was in overall charge and Euler was not now on good terms with Frederick despite the early good favour. Euler, who had argued with dAlembert on scientific matters, was disturbed when Frederick offered dAlembert the presidency of the Academy in 1763. However dAlembert refused to move to Berlin but Fredericks continued interference with the running of the Academy made Euler decide that the time had come to leave.

In 1766 Euler returned to St Petersburg and Frederick was greatly angered at his departure. Soon after his return to Russia, Euler became almost entirely blind after an illness. In 1771 his home was destroyed by fire and he was able to save only himself and his mathematical manuscripts. A cataract operation shortly after the fire, still in 1771, restored his sight for a few days but Euler seems to have failed to take the necessary care of himself and he became totally blind. Because of his remarkable memory was able to continue with his work on optics, algebra, and lunar motion. Amazingly after his return to St Petersburg (when Euler was 59) he produced almost half his total works despite the total blindness.

Euler of course did not achieve this remarkable level of output without help. He was helped by his sons, Johann Albrecht Euler who was appointed to the chair of physics at the Academy in St Petersburg in 1766 (becoming its secretary in 1769) and Christoph Euler who had a military career. Euler was also helped by two other members of the Academy, W L Krafft and A J Lexell, and the young mathematician N Fuss who was invited to the Academy from Switzerland in 1772. Fuss, who was Eulers grandson-in-law, became his assistant in 1776. Yushkevich writes in [1]:-

… the scientists assisting Euler were not mere secretaries; he discussed the general scheme of the works with them, and they developed his ideas, calculating tables, and sometimes compiled examples.

For example Euler credits Albrecht, Krafft and Lexell for their help with his 775 page work on the motion of the moon, published in 1772. Fuss helped Euler prepare over 250 articles for publication over a period on about seven years in which he acted as Eulers assistant, including an important work on insurance, which was published in 1776.

Yushkevich describes the day of Eulers death in [1]:-

On 18 September 1783 Euler spent the first half of the day as usual. He gave a mathematics lesson to one of his grandchildren, did some calculations with chalk on two boards on the motion of balloons; then discussed with Lexell and Fuss the recently discovered planet Uranus. About five oclock in the afternoon he suffered a brain hemorrhage and uttered only "I am dying" before he lost consciousness. He died about eleven oclock in the evening.

After his death in 1783 the St Petersburg Academy continued to publish Eulers unpublished work for nearly 50 more years.

Глава II. Вклад Эйлера в развитие алгебры

§2.1. Алгебраические доказательства основной теоремы алгебры

Основная теорема алгебры была высказана впервые П. Роте, А. Жираром и Р. Декартом в первой половине XVII в., правда все предложенные ими формулировки сильно отличались от современной: Жирар утверждал, что уравнение степени n должно иметь ровно п корней, действительных или воображаемых, причем смысл последнего термина не уточнялся. Декарт лишь высказал лишь предложение: алгебраическое уравнение может иметь столько корней, какова его степень.

В 40-х годах XVIII в. Маклорен и Эйлер дали основной теореме формулировку, эквивалентную современной: всякое уравнение с действительными коэффициентами можно разложить в произведение множителей 1-й и 2-й степени с действительными коэффициентами, иными словами, уравнение степени п имеет п корней, действительных и комплексных.

Первое доказательство основной теоремы предложил в 1746 г. Даламбер. Хотя ученые XVIII в. и не видели недостатков в этом доказательстве, но оно казалось им слишком аналитичным. Математики стремились обосновать основную теорему чисто алгебраически, исходя из самой теории уравнений. В настоящее время известно, что этого сделать нельзя, если не использовать в том или ином виде свойств непрерывности, однако можно свести применение этих свойств к минимуму. Первое такое «максимально алгебраическое» доказательство принадлежит Леонарду Эйлеру.

Работа Эйлера «Исследования о воображаемых корнях уравнений» («Recherches sur les racines imaginares des equations»), в которой приводится доказательство основной теоремы алгебры, была опубликована в «Мемуарах» Берлинской академии наук за 1749 г. в 1751 г. Латинский вариант этой статьи (Thoremata de radicibus aequationum imaginariis) был представлен Эйлером Берлинской академии наук еще 10 ноября 1746 г. Таким образом, Эйлер проводил свои исследования почти одновременно с Даламбером. Интересно, что при этом оба ученых исходили из совершенно различных принципов.

Доказательство Даламбера достаточно хорошо известно и не имеет точек соприкосновения с работами Эйлера. Доказательство же Эйлера в противоположность доказательству Даламбера в настоящее время почти забыто. Между тем в основе его лежит именно та идея, которая потом повторялась и варьировалась при всех так называемых алгебраических доказательствах основной теоремы. Последующие доказательства могли быть короче или длиннее, более или менее остроумными, могли быть проведены вполне строго или иметь существенные пробелы, однако основная идея оставалась неизменной.

Кроме того, в процессе доказательства Эйлер впервые применил методы исследования уравнений, которые позднее были развиты Лагранжем и стали основными в его работах, посвященных вопросу решения уравнений в радикалах, а затем вошли в качестве неотъемлемой составной части в теорию Галуа.

Современное «алгебраическое доказательство» основной теоремы можно разделить на три части:

1) топологическое предложение, состоящее в том, что каждое алгебраическое уравнение f(x)=0 нечетной степени с действительными коэффициентами имеет действительный корень;

2) конструкция поля разложения многочлена f(x)=0, т.е. такого поля, над которым f(x)=0, распадается на линейные множители;

3) редукция, сводящая нахождение корня уравнения f(x)=0 степени m=2^kr, где r нечетное, к нахождению корней уравнения F(x)=0 степени 2^k+1r₁, где r₁ нечетное.

Все эти части встречаются уже в доказательстве Эйлера: топологическое предложение он формулирует и считает очевидным. Затем он предполагает, что каждый многочлен с действительными коэффициентами можно представить в виде

f_m(x)=(x-б₁)(x-б₂)…(x-б_m),

где б₁,…,б_m - некоторые символы или воображаемые количества, о которых нам заранее ничего не известно, кроме того, что с ними можно проводить обычные действия арифметики по тем же правилам, что и для обычных чисел (т.е. применять к ним закон коммутативности умножения и сложения, дистрибутивность умножения по отношению к сложению и т.д.). Оперируя с этими символами б₁,…,б_m , Эйлер провел редукцию для уравнений степени 4, 8, 16 и наметил ее для уравнений т=2^k. Последнюю редукцию безупречно строго провел Лагранж, опираясь на теоремы о симметрических и подобных функциях, в статье «О видах мнимых корней уравнений». В результате было доказано, что все б_i являются либо действительными, либо комплексными числами.

Если рассмотреть основную теорему алгебры как одно из элементарных предложений теории функции комплексного переменного, то вряд ли эта теорема может представить интерес. Но, с другой стороны такие великие математики, как Эйлер, Лагранж, Лаплас и Гаусс, занимались ею, причем Гаусс предложил для нее четыре различных доказательства. Алгебраические доказательства теоремы тесно связаны с общей теорией уравнений. Уже в доказательствах Эйлера и Лагранжа выявилась связь алгебраических доказательств с теорией симметрических функций и подобных функций корней уравнения. [12]

§2.2 Числовые приближенные методы решения уравнений

п.2.2.1. Метод рекуррентных рядов

Другим приближенным методом, который покоился на совсем иной основе, чем способ Ньютона, и не нуждался в определении границ корней, был метод рекуррентных рядов, сообщенный Даниилом Бернулли в Comm. Ac. Petr., 1728 (1732). Возникновение этого метода было, впрочем, связано с замечаниями Ньютона о применении к решению уравнений сумм степеней корней. Способ Бернулли заключался в следующем. Пусть требуется решить уравнение

и пусть выбраны п произвольных чисел Р₁, Р₂, Р₃,..., Р_п. Если теперь определить Р_п+1, Р_п+2, ... рекуррентным законом

(т=1, 2, 3,...), то отношение с возрастанием т приближается к наибольшему по абсолютной величине корню уравнения. Даниил Бернулли высказал эту теорему без доказательства. [12] Эйлер в 17-й главе «Введения» (1748) тщательно разобрал этот метод и привел отсутствовавший вывод.

Так как всякий рекуррентный ряд получается из развертывания рациональной дроби, то пусть эта дробь будет равна

откуда получается рекуррентный ряд

А+Вz+Cz²+Dz³+Ez⁴+Fz⁵+ и т.д.

его коэффициенты А, В, С, D, и т.д. определятся так:

A=a, B=A+b, C=B+A+c,

D=C+B+A+d, E=D+C+B+A+e и т.д.

Общий же член, т.е. коэффициент степени zⁿ, найдется из разложения данной дроби на простые дроби, знаменатели коих являются множителями знаменателя

1-z-z²-z³- и т.д.

Вид общего члена зависит, главным образом, от свойств простых множителей знаменателя, будут ли они действительными или мнимыми, а так же от того, будут ли они отличны друг от друга или два и более будут одинаковыми. Для последовательного рассмотрения этих различных случаев положим вначале, что все простые множители знаменателя действительны и не равны между собой. Пусть все простые множители знаменателя будут

(1-pz)(1-qz)(1-rz)(1-sz) и т.д.

и тогда данная дробь разложится на простые дроби.

Когда они найдены, то общий член рекуррентного ряда будет равен

примем его равным Pzⁿ; значит, P будет коэффициентом степени zⁿ; у следующих же членов пусть коэффициенты будут Q, R, и т.д., так что рекуррентный ряд будет

А+Bz+Cz²+Dz³+…+Pzⁿ+Qzⁿ⁺¹+Rzⁿ⁺²+ и т.д.

Теперь положим, что п представляет чрезвычайно большое число, т.е. что рекуррентный ряд продолжен весьма далеко; так как степени неравных чисел тем более отличаются друг от друга, чем они больше, тем между степенями и т.д. будет такое различие, что степень, соответствующая наибольшему из чисел р, q, r и т.д. между собой не равны, то пусть p будет наибольшим среди них. Тогда, если п будет числом бесконечно большим, будем иметь

если же п будет числом не бесконечно, а лишь очень большим, то только приближенно будет Подобным образом будет и, следовательно.

Отсюда ясно, что если рекуррентный ряд продолжить достаточно далеко, то коэффициент любого члена при делении на предыдущий дает приближенное значение наибольшей буквы р.

Итак, если у данной дроби

в знаменателе все сомножители простые, действительные и не равные между собой, то из получающегося отсюда рекуррентного ряда можно будет узнать один простой множитель, именно, 1-pz, в котором буква р имеет самое большое значение. При этом коэффициенты числителя не играют роли, и, каковы бы ни были, для наибольше буквы р найдется одно и то же верное значение. Верное же значение р обнаружится лишь тогда, когда ряд будет продолжен до бесконечности; когда получены уже многие его члены, то значение p найдется тем ближе, чем больше число членов и чем более буква р превосходит остальные q, r, s и т.д.; при этом безразлично, будет ли эта буква р сопровождаться знаком плюс или минус, так как степени ее возрастают одинаково.

Теперь в достаточной степени выясняется, каким образом это исследование может быть применено к нахождению корней, какого либо алгебраического уравнения. Зная множители знаменателя

1-z-z²-z³-z⁴- и т.д.,

легко указать корни уравнения

1-z-z²-z³-z⁴- и т.д. =0,

так, что если множитель будет 1-pz, то один корень этого уравнения будет z=. Так как из рекуррентного ряда найдется наибольшее число р, то тем самым получится наибольший корень уравнения

1-z-z²-z³- и т.д. =0,

Или если положить z=, чтобы получилось уравнение

x^m-x^m-1-x^m-2-x^m-3- и т.д. =0,

то посредством того же метода получится наибольший корень этого уравнения х=р.

Итак, пусть дано уравнение

x^m-x^m-1-x^m-2-x^m-3- и т.д. =0,

у которого все корни действительны и не равны между собой; наибольший из этих корней найдется следующим образом. Составим из коэффициентов этого уравнения дробь

и отсюда образуем рекуррентный ряд, беря числитель произвольно или, что то же, принимая начальные члены произвольными; пусть этот ряд есть

А+Bz+Cz²+Dz³+…+Pzⁿ+Qzⁿ⁺¹+ и т.д.

тогда дробь даст значение наибольшего корня х данного уравнения тем ближе, чем больше число п. [6]

п.2.2.2. Еще два оригинальных метода.

Кроме метода Бернулли, который сохранился до нашего времени в форме, сообщенной ему Лагранжем, XVIII столетие принесло еще два оригинальных метода И. Г. Ламберта. Оба они были изложены в статье «Различные замечания о чистой математике» (Observationes variae in mathesin puram в Acta Helvetica за 1758). Если в уравнении

сделать подстановку x = k+y и пренебречь всеми степенями у, кроме первой, то получится, что

Когда k представляет собой какое-либо число, эта формула, согласно Ламберту, дает приближенное значение для корня, ближайшего к k. Второй метод заключался в применении ряда, получившего название ламбертова, к трехчленным уравнениям вида

ах^х + bx = d или, что то же, х^т + рх = q, по способу последовательных приближений. Ряд этот

сходится при (т - l)^m-1р^m> m^mq^m-1, что и было без доказательства указано его автором.

Эйлер, которому Ламберт по приезде в Берлин в 1764 сообщил о своей работе, тотчас же сделал из нее отправной пункт новых изысканий. Полуиндуктивным способом он нашел ряды для решения уравнений более чем с тремя и даже с любым числом членов; впрочем, о сходимости этих рядов он по обыкновению не заботился [Nov. Comm. Ac. Petr., 1770 (1771)]. К этим замечательным рядам он затем возвращался в позднейших статьях [Nov. Comm. Ac. Petr., 1775 (1776), Act: Ac. Petr., 1779 (ч. II, 1783), а также Nov. Act. Petr., 1786 (1789) и 1794 (1801)], причем добавил недостававшее еще доказательство их справедливости. Он дал также ряды, с помощью которых можно выражать не только корни уравнений, но и их степени [Nov. Act. Petr., 1786 (1789) и 1794 (1801)]. [12]

§2.3. Общая теория уравнений

Долгое время великие математики пытались решить уравнения выше четвертой степени. Их неудачи не смогли поколебать убеждения математиков XVIII столетия о разрешимости всех алгебраических уравнений в обыкновенных иррациональностях. Великий Леонард Эйлер так же держался этого взгляда.

Comm. Ac. Petrop. за 1732/33 (1738) содержали первую статью Эйлера о решении уравнений. Он указывал, что решение уравнений второй, третьей и четвертой степеней приводится к уравнениям соответственно первой, второй и третьей степени; эти последние уравнения он называл «aequatio resolvens» («разрешающее уравнение»), откуда и возникло слово «резольвента». Эйлеру удалось образовать резольвенту уравнения третьей степени

х³=ах+b

с помощью подстановки

а уравнения четвертой степени

x⁴=ax²+bx+c

с помощью подстановок

или х=

(благодаря чему он нашел новое решение уравнения четвертой степени). На этом основании он счел правомерным заключить, что, по всей вероятности, и для уравнения

должна существовать резольвента (п-1)-й степени, определить которую следует посредством подстановки х=, Но уже при n=5 попытка, естественно, окончилась неудачей. Эйлер сумел достигнуть цели только в частном случае возвратных уравнений, на которые впервые натолкнулся Муавр в «Аналитических этюдах» (1730) и которые получили свое название от самого Эйлера. Спустя почти 30 лет [в Nov. Comm. Ac. Petr., 1762/63 (1764)] Эйлер вновь обратился к этому методу. Эта работа была уже представлена в 1759. Он улучшил подстановку, придав ей вид

,

и полагал, что нашел правильную форму, которая позволит отыскать решение общей задачи. Он оказался при этом в согласии с Варингом, применившим в «Аналитических этюдах» (Miscellanea analytica, 1762) такую же форму радикалов. Но именно от этой формы отправился Абель в своем доказательстве невозможности решения уравнения пятой степени в радикалах. Эйлер использовал также преобразование Чирнгауза, несколько видоизменив его. Полагая, что с его помощью можно найти решение любого уравнения, он приложил его к решению уравнений третьей и четвертой степеней.[11]

Глава III. Выдающиеся достижения Леонарда Эйлера в области геометрии и тригонометрии

Не будет преувеличением сказать, что за последние годы в области «Эйлероведения» сделано больше, чем за весь XIX век. Геометрическим работам Эйлера отведено пять томов первой серии Opera omnia. По объему это составляет примерно 20% всех его математических работ.

§3.1. Развитие аналитической геометрии, начиная с систематического исследования высших порядков

В рассматриваемое время координатный метод употребляли преимущественно в дифференциально-геометрических исследованиях, или же, если подчеркивали значение метода Декарта, применяли его к высшим алгебраическим кривым. Последним занялся, в частности, де-Гюа-де-Мальв в небольшой книге «Применения анализа Декарта», которая была богаче новыми идеями, чем аналитическими выводами. Эти исследования более высокого порядка могли быть с таким же успехом приложены к коническим сечениям, которые иногда и привлекались в качестве примеров. Так, например, де-Гюа впервые дал для конического сечения

nyy+rxy+mxx+ay+bx+cc=0

(т, п, r обозначают числа, но а, b, с -- отрезки) уравнение, определяющее координаты центра, в виде

Cледует упомянуть, что для де-Гюа было вполне привычным представление о кривой, распадающейся на несколько других, т. е. кривой, уравнение которой в левой части разлагается на ряд множителей. Он даже называл уравнение у³= х³ уравнением трех прямых, две из которых мнимые.

Сочинение Г. Крамера «Введение в анализ алгебраических кривых», опиравшееся во многих отношениях на работу де-Гюа и изданное десятью годами позднее, также ограничивалось высшими алгебраическими кривыми. Тем временем уже появился второй том «Введения в анализ» (1748) Эйлера, поднявший на существенно более высокую ступень и аналитическую теорию конических сечений. Эйлер целиком еще держался декартова понятия о координатах, между тем как Крамер, на сочинение которого книга Эйлера повлиять уже не могла, впервые равноправно определил две координаты и последовательно ввел ось ординат. Правда, в преобразованиях координат у Крамера ось ординат все еще играла несколько беспомощную роль. Со времен Витта преобразования координат употреблялись всеми математиками и нередко принимали даже довольно сложные формы, ибо тогда часто переходили от одной косоугольной системы к другой, с новым началом и отличным координатным углом, не пользуясь при этом тригонометрическими функциями. Впервые последними воспользовался для этой цели Эйлер во «Введении в анализ». Он еще часто обозначал синус или косинус угла посредством какой-либо специальной буквы. Но у него имелись уже и такие формулы преобразования прямоугольной системы:

t = x cos * q - у sin * q, u = x sin * q + y cos * q.

Во второй главе II тома «Введения в анализ», посвященной преобразованию координат, Эйлер коротко останавливается на вопросе о прямой. Сначала он приводит ее уравнение в виде u+ t+b = 0, но затем, желая определить положение прямой, записывает его в виде x+ y - a= 0. Он не разбирает различные возможные комбинации знаков и и упоминает лишь случаи = 0, = 0 и = а = 0, не касаясь, однако, случая ==0. Все эти возможности были впервые разобраны, по крайней мере, в форме беглых замечаний, в книге Риккати-Саладини.

В пятой главе II тома «Введения в анализ» речь идет об общих свойствах всех конических сечений, т. е. свойствах, которые можно вывести из общего уравнения второй степени. Хотя вначале Эйлер определенно заявляет, что из одного принципа вывести все свойства конических сечений нельзя и что одни получаются из способа образования этих линий на конусе, а другие из приемов их описания, но здесь он желает опираться только на уравнение. Последнее он записывает в виде

причем координатный угол в зависимости от обстоятельств берется то прямым, то отличным от прямого. Действуя вполне в духе Ньютона и Стерлинга, Эйлер в первую очередь выводит из этого уравнения на основании теоремы о сумме и произведении корней обычные свойства диаметров, секущих и касательных. К числу извлекаемых им следствий принадлежит также теорема, что коническое сечение можно рассматривать как геометрическое место к четырем прямым. Далее он определяет уравнение диаметра, делящего пополам хорды, параллельные ординатам, вначале в прямоугольной системе, а затем для того же конического сечения в системе с прежними осью абсцисс и началом, но с косоугольно расположенными ординатами. Точка пересечения обоих диаметров дает центр конического сечения, координаты которого не зависят от угла, образуемого направлением ординат с осью абсцисс. Затем Эйлер устанавливает отнесенные к «сопряженным диаметрам» уравнения

yy=+ x+ x x и yy= - x x.

За этим следуют совершенно новые и оригинальные вещи. Именно, исходя из последнего уравнения (чертит он здесь лишь эллипсы), Эйлер посредством вычислений определяет другую пару сопряженных диаметров, для одного из которых дан угол с осью абсцисс. Эйлер вычисляет тангенс угла второго диаметра с осью абсцисс, тангенс угла между обоими новыми сопряженными диаметрами и, наконец, длины последних. В этих нелегких выкладках Эйлер применяет для обозначения функций известных углов, как специальные буквы, так и их современные символы. В качестве следствий здесь получаются теоремы о постоянстве параллелограммов и сумм квадратов, построенных на сопряженных диаметрах, а также теорема о произведении отрезков касательных, лежащих между двумя фиксированными параллельными касательными.

Теперь Эйлеру нужно лишь выставить требование взаимной перпендикулярности новой пары диаметров, чтобы получить тем самым положение и длины главных осей. При этом он подчеркивает, что решение здесь существует всегда. В присоединенном к этому тому «Приложении о поверхностях» Эйлер действительно преобразовал уравнение

аасс = auu+ 2 tu+ t t

в прямоугольной системе координат к главным осям. Аналитическая геометрия конических сечений впервые была поставлена на собственные ноги.

В конце рассматриваемой главы определяются действительные фокусы. Эйлер определяет их, отыскивая на большой оси точки, для которых радиусы-векторы точек кривых могут быть рационально выражены через их координаты.

Следующая, шестая глава трактовала о классификации линий второго порядка. Эйлер различает здесь кривые только в зависимости от значения коэффициента в уравнении

уу = + х + х х.

Затем он берет для эллипса уравнение относительно центра

и, в частности, выводит из него фокальные свойства эллипса и его касательной. Далее, он вводит новые величины

(полупараметр) и d=a -- (aa-bb)

(расстояние фокуса от вершины). Тогда уравнение эллипса относительно вершины принимает вид

Теперь Эйлер переходит от эллипса к параболе, полагая 2d = c, благодаря чему а и b становятся бесконечно большими. Насколько возможно, свойства параболы он выводит, исходя из понимания ее как бесконечно растянутого эллипса. Вслед за тем он переходит к уравнению гиперболы

у у = + x x

и устанавливает, что сопряженная ось в этом случае мнимая. Однако, чтобы сохранить сходство с уравнением эллипса, он полагает мнимую ось равной , в результате чего уравнение гиперболы приобретает вид

О свойствах гиперболы он умозаключает, представляя себе, что в соответствующих случаях для эллипса bb заменено через -bb. Установив для угла, образуемого касательной с большой осью, скажем, угла , общее уравнение

tang =

Эйлер находит асимптоты, полагая х= (т.е. ), что дает для тангенса угла асимптоты с осью значение . При выводе различных свойств асимптот он определенно отмечает, что они сохраняют силу, когда, например, секущая прямая пересекает не одну ветвь гиперболы, а обе. Само собою, разумеется, Эйлеру было известно также определение асимптот с помощью разложения на множители совокупности старших членов уравнения кривой. Однако этот прием он применил лишь в последующих главах, вообще посвященных бесконечным ветвям высших кривых. В главе VII Эйлер делает замечание, что если больше, чем 4, то общее уравнение

y y+ x y+ x x + y + x +=0

представляет собой гиперболу. Вообще же у Эйлера отсутствовали еще общие критерии классификации кривых по их коэффициентам. [11]

§3. 2. Поверхности второго и высших порядков

«Поверхности» как таковые, кроме плоскости и шара, древние математики почти не рассматривали. Правда, Архимед присоединил к известным тогда обыкновенным коническим и цилиндрическим поверхностям еще «сфероиды» и «коноиды», но он смотрел на них как на «тела», имея целью определение их объемов.

Уравнение поверхности в пространственных координатах вывел впервые Лагир.

В трактате о кратчайших линиях на поверхностях [Comm. Ac. Petr., 1728 (1732)] Эйлер рассмотрел три частных рода поверхностей, а именно, цилиндрические и конические поверхности и поверхности вращения. Он привел для этих поверхностей, отчасти лишь словесно, уравнения, которые мы можем записать в виде

z=(y), z=(x²+ y²)

Вскоре затем Герман в одной статье в Comm. Ac. Petr., 1732/33 (1738) частью аналитически, частью геометрически исследовал несколько поверхностей, данных своими уравнениями. Прежде всего, он рассмотрел плоскость

azx+by+cx-e²=0,

затем «параболически-цилиндрический клин»

z² - ax - by=0

конус

z² - xy=0

«коноиды»

z² - ax - by=0

и

a z² + b y z+ c y² - e x z + f x²+ g z - h x = 0

и, далее, «круглые тела» с общим уравнением

u² - x² - y² =0

где

u²=a² - и u²=с² -

(в последнем случае при а=b получается шар). В заключение Герман рассмотрел тело, уравнение которого привел в виде (b-z)=bx. Это уравнение аналитически, хотя и не применяя настоящих пространственных координат, исследовал в приложении к «Алгебре» (1685) еще Валлис, назвавший его Cono-Cuneus («конусо-клин»). Уже приведенные названия фигур свидетельствуют о том, что Герман видел в них в основном еще тела, чему содействовало также ограничение лишь положительными значениями z, а по большей части и положительными х, у. Для параболического конуса Герман определил касательную плоскость, не приводя ее уравнения, для коноидов -- их высшие точки, для конусов (в том числе для тех, которые оказываются частными случаями коноидов) -- круговые сечения и для «конусо-клина», рассматриваемого лишь в первом октанте, -- различные сечения, характеризующие форму этих тел.

Эйлер присоединил ко второму тому своего «Введения в анализ» (1748) довольно обширное «Приложение о поверхностях». Прежде всего, он заявил, что о поверхности можно судить по расстояниям ее точек от произвольно выбранной плоскости. В этой плоскости он затем взял «ось» с «начальной точкой абсцисс» и ввел, таким образом, прямоугольную систему координат. Эйлер определенно указал, что х, у, z следует придавать всевозможные положительные и отрицательные значения, отметил возможность взаимной перемены трех координат и образуемых их осями плоскостей, весьма подробно разобрал вопрос о симметрии координат в восьми октантах. Тем не менее, на чертежах во внимание всегда принимался лишь первый октант, форма поверхностей вообще не анализировалась и понимание пространственных фигур как тел еще не было преодолено. Далее, Эйлер показал, что уравнение с двумя координатами представляет цилиндрическую или призматическую поверхность, а однородное уравнение выражает конус (или пирамиду). После этого он привел весьма общий класс поверхностей, включающий конусы, цилиндры и поверхности вращения (однородное уравнение относительно Z, х, у, где Z есть функция z), затем другой класс поверхностей, сечения которых (именно в первом октанте), перпендикулярные к оси, представляют собой треугольники (сюда попадает, между прочим, «конусо-клин» Валлиса), потом класс поверхностей, параллельные сечения которых аффинные между собой, и еще два вида линейчатых поверхностей, -- все это без примеров. Затем Эйлер показал, как можно вообще представить сечение поверхности произвольной плоскостью в с амой этой плоскости уравнением с двумя координатами t, v; он применил это потом к точному исследованию сечений цилиндра, конуса и шара, причем за основу взял прямые эллиптические цилиндр и конус, включающие рассматривавшиеся раньше косые круговые конус и цилиндр.

За этим следовала специальная глава, в которой выводились уравнения, преобразующие одну прямоугольную систему пространственных координат в другую. Так как Эйлер ввел шесть определяющих преобразование величин, то его формулы оказались несимметричными. В той же связи Эйлер ввел здесь понятие «порядка» поверхности и сформулировал теорему, что порядок плоской кривой, возникающей при сечении поверхности, не выше порядка самой поверхности; попутно он отметил также возможность распадения линии пересечения на несколько других. В качестве примера Эйлер привел уравнение плоскости

б x + в y + г z = a,

для которой, между прочим, определил углы с координатными плоскостями.

После всего этого Эйлер впервые предпринял исследование общего уравнения второй степени с тремя координатами. В первую очередь он рассмотрел совокупность высших членов уравнения, как характеризующую «асимптотический конус», и сообщил условия его действительности, а также его вырождения. Затем, не произведя, впрочем, всех должных выкладок, он правдоподобным образом показывает, что общее уравнение может быть приведено к виду

Арр + Вqq + Crr + К = 0.

Из этого уравнения Эйлер получает эллипсоид («elliptoeides»), однополостный и двухполостный гиперболоиды («superficies еlliptico-hyperbolica» и «superficies hyperbolico-nyperbolica»). Эллиптический и гиперболический параболоиды («superficies elliptico-parabolica» и «superficies parabolico-hyperbolica») выражены здесь уравнением

Арр ± Bqq = ar.

Эйлер упоминает еще параболический цилиндр

Арр = аq

и делает несколько беглых замечаний о том, как можно определить род поверхности по какому-нибудь данному уравнению. Рассуждения Эйлера, особенно в части, касающейся доказательств, были еще весьма несовершенны, но предложенная им классификация легла в основу позднейших исследований.

Еще в начале «Приложения» Эйлер заявил, что не намерен рассматривать подобно Клеро кривые двоякой кривизны отдельно, ибо они тесно связаны с природой поверхностей. Свое «Приложение» он поэтому закончил главой о пересечении двух поверхностей, вообще говоря, представляющем пространственную кривую. Он показал, как при исключении одной из переменных возникают уравнения проекций этой кривой на координатные плоскости, и применил это также к пересечению поверхности с плоскостью. Для примера он привел пересечение плоскости с шаром, причем нашел условия их соприкосновения. Далее, он определил для шара сначала конус вращения, касающийся его вдоль некоторой окружности, а потом эллиптический конус, касающийся шара в двух точках. Относительно последнего случая он заметил, что хотя кривая пересечения имеет лишь две действительные точки, но ее проекция на некоторую координатную плоскость действительна. При определении касательной плоскости к поверхности Эйлер пользовался лишь приемом Клеро, не устанавливая общего уравнения этой плоскости, которое потребовало бы «анализа бесконечного», между тем как «Введение в анализ» должно было лишь «открыть к нему путь». В самом конце Эйлер разъяснил, как найти две поверхности, пересекающиеся по данной плоской кривой.[11]

§3.3. Второй том «введения в анализ бесконечных»

В том же году, что и «Алгебра» Маклорена, вышла книга Эйлера «Введение в анализ бесконечных величин».

рис. 2. Титульный лист книги.

Рис. 3. Оглавление

Второй том «Введения» был отведен исключительно геометрии, именно -- аналитической геометрии. Эйлер весьма ясно и искусно резюмировал здесь все достижения своего времени в этой области, не внеся, впрочем, в само учение о кривых каких-либо важных новых результатов. Теорию прямолинейных и криволинейных асимптот он разработал без алгебраического треугольника, исследуя лишь разложение на линейные множители выражений, составленных из членов n-й, (п - 1)-й и т. д. степени уравнения кривой. Очевидно, что ему не были знакомы ни работы де-Гюа, ни работы Стирлинга, а идеи первого о равноправности бесконечно удаленных и конечных элементов были ему совершенно чужды. Он распределил кривые третьего порядка на 16 родов в соответствии с их поведением в бесконечности. При этом он справедливо отметил, что с точки зрения своего принципа классификации Ньютон должен был бы установить значительно больше видов, чем 72, и подчеркнул, что его собственная классификация является окончательной. Для каждого рода он привел его нормальное уравнение и номера соответствующих ему видов Ньютона. Для кривых четвертого порядка он получил таким же путем 146 родов. То немногое, что Эйлер приводит о диаметральных и других свойствах кривых 3-го порядка, он вывел из общего уравнения. Еще большей краткостью отличались его рассуждения об определении формы кривой по уравнению. Столь же бегло Эйлер коснулся вопроса о касательных в простых и кратных точках. Если кратная точка имеет координаты р, q, то в случае двойной точки он приводит уравнение кривой в форме

Р (х - p)² + Q (х -- р) (y - g) + P(y -- q)² = 0,

а затем дает соответствующие формы уравнений для тройной и четырехкратной точек.

Вслед за тем Эйлер несколько подробнее и оригинально изложил учение о кривизне линий. Прежде всего он определил для кривой аппроксимирующую ее в окрестности данной точки параболу и нашел для последней круг кривизны. Для уравнения

0 = At + Bu + Ctt + Dtu + Euu + Ft³ + Gttu + Htuu + и т. д.

Эйлер получает, что длина радиуса кривизны в начале координат равна

Анализируя это выражение, он пришел к точкам перегиба первого и высшего порядков, для чего привлекались еще члены третьей степени. Аналогично рассматривались лежащие в начале координат точки заострения первого и высших порядков. В качестве общей формы, заключающей все эти возможности, он взял аппроксимирующие кривые с уравнениями бr^m = sⁿ. В плане подобных рассмотрений точки заострения второго рода, разумеется, не встречались, однако с помощью удачно выбранного примера Эйлер доказал, что такие точки действительно существуют. Ближайшие две главы книги Эйлера трактовали о кривых, имеющих диаметры, и об определении кривых, ординаты которых обладают данными свойствами. В последнем случае Эйлер имел в виду следующее. Пусть, например, уравнение кривой дано в виде

yy - Py + Q = 0,

где Р и Q -- функции х, и ординаты, соответствующие одному и тому же значению х, суть РМ и PN. Тогда можно принять, например, что

PMⁿ + PNⁿ=aⁿ

(п может быть также отрицательным или дробным). Аналогично обстоит дело с кривыми, уравнение которых имеет вид

y³ - Py² + Qy - R = 0.

В следующей главе Эйлер определял кривые по другим условиям. Однако и эти условия носили весьма ограничительный характер и относились только к свойствам отрезков, отсекаемых на лучах, выходящих из начала координат. Вначале Эйлер устанавливает общие уравнения алгебраических кривых, имеющих с таким лучом лишь одну, две или три точки пересечения. Попутно Эйлер употребляет полярные координаты, полагая луч СМ = z, а угол его наклона к оси Ох обозначая через ц, так что

х = z cos ц, у = z sin ц.

Затем он берет условия типа CM ± CN = const., = const., = const, и некоторые другие и исследует соответствующие классы кривых. Сходным образом поступает он и в случае трех точек пересечения.

Специальную главу Эйлер посвятил подобию и аффинности кривых. Он повторил сделанное уже ранее указание, что однородное относительно х и у уравнение представляет только систему («aliquot») прямых, пересекающихся в одной точке. Если же уравнение оказывается однородным при введении «параметра» и, то все представляемые им кривые являются подобными. Эйлер приводит для примера уравнение

у³ -- 2 х³ + a y y -- a a x + 2 a a y = 0

и доказывает, что если координаты точек другой кривой системы обозначить X и Y, то всегда будет

и .

«Аффинными» Эйлер назвал кривые, координаты которых связаны уравнениями

и .

Это определение совпадает с современным понятием аффинности. Затем Эйлер привел еще несколько примеров на составление систем кривых с одним переменным параметром.

Интересно, что в свою книгу Эйлер включил также главу о трансцендентных кривых. Он кратко рассмотрел тригонометрические кривые, логарифмическую кривую, циклоиду, эпициклоиды и гипоциклоиды, линию х ^у = у ^х и спирали. Для спиралей он вновь применил полярные координаты, обозначая полярный угол, измеряемый в радианах, через s, а полярный радиус-вектор, как и раньше, через z. Ни здесь, ни где-либо в другом месте этого тома дифференциальное исчисление не применялось. [11]

Надо обратить внимание, что дидактические достоинства второго тома «Введения» велики. Изложение отличается отчетливостью и доступностью, систематизация материала вполне естественная. Для того времени это «научный трактат» и в то же время хороший учебник. Впервые аналитическая геометрия была столь полно и последовательно изложена. Отныне ей было обеспечено самостоятельное место среди других математических дисциплин. [6]

§3.4. Специальные плоские кривые

Еще долго до того, как возникла общая теория конических сечений, был изобретен ряд отдельных кривых для построения античных задач.

«Треугольные кривые» возникли в одной оптической задаче, поставленной Эйлером [Act. Ac. Petr., 1778, II (1781). Эвольвенты этих кривых он называл «круговидными» (Orbiformen).

Кривым с несколькими осями симметрии посвятил XV главу второго тома своего «Введения» (1748) Эйлер.

Кривыми, длины дуг которых представляют собой некоторые определенные функции, несколько раз занимались Эйлер [Nov. Act. Petr., 1789 (представлено 1776), Mem. Ac. St.-Pet, 1830 (представлено 1781)] и Н. Фус (Nov. Act. Petr., 1805).

На «псевдоциклоиды» (термин Э. Чезаро, 1896), т. е. эпициклоиды с мнимым образующим кругом, натолкнулся еще Эйлер в поисках кривых, подобных своим эволютам различных порядков [Comm. Ac. Petr., 1740 (1750) и Nov. Act. Petr., 1783 (1787)].

«Упругую кривую», т. е. линию, форму которой принимает закрепленный на одном конце упругий стержень, Галилей как это указывает Як. Бернулли (Acta Erud., 1694), также считал параболой. Геометрическую характеристику этой кривой дал Я. Бернулли (Acta Erud., 1694 и 1695). Особенно подробно занялся ею Эйлер в приложении 1 к «Методу нахождения кривых линий» (1744, ср. стр. 202) и в Acta. Ac. Petr., 1782, II (1786).[11]

§3.5. Геодезические линии

Первые дифференциально-геометрические исследования относились к кратчайшим линиям на поверхностях. В самом деле, именно при изучении геодезических линий Иоганн Бернулли в 1697, по-видимому, впервые, применил исчисление бесконечно малых. Изложение своего метода он составил лишь в 1728, а опубликовал его в 1742 (Opera, т. IV; ср. стр. 201--202). Как известно из одного его письма к Эйлеру от 18 апреля 1729, дифференциальное уравнение, полученное Бернулли, имело вид

где Т обозначает подкасательную и ds² = dx² + dy². В одной схолии сам Бернулли показал, что это дифференциальное уравнение легко преобразовать к форме, которая содержится в опубликованной тем временем Эйлером статье в Соmm. Ac. Petr., 1728 (1732). Бернулли опирался на теорему, полученную, впрочем, из механических соображений, что соприкасающаяся плоскость геодезической линии («planum osculans») должна быть перпендикулярна к касательной плоскости поверхности (письмо к Лейбницу, август 1698).

Бернулли добавил, что в случае поверхностей вращения задачу можно также решить, требуя, чтобы при развертывании узкой полосы поверхности, содержащей геодезическую линию, на плоскость эта линия переходила в прямую. Для конуса это замечание было сделано Як. Бернулли уже в Acta Erud., 1698.

Эйлер решил задачу в указанной статье, исходя из высказанного еще в 1697 Як. Бернулли положения, что минимальное свойство всей кривой должно быть присуще и ее мельчайшим частям, а также применяя теорию максимумов и минимумов.

У Эйлера дифференциальное уравнение геодезической линии имело вид

,

где функции Р, Q берутся из дифференциального уравнения поверхности

Pdx = Qdy + Rdt. Эйлер затем подробнее разобрал частные случаи общего цилиндра и конуса, а также поверхностей вращения. Для этих случаев он привел дифференциальное уравнение к уравнению первого порядка, а в заключение указал некоторые обобщения. Эйлер не забыл отметить, что при развертывании поверхностей цилиндра или конуса на плоскость их геодезические линии должны перейти в прямые.

Лейбниц также весьма интересовался этим вопросом, но он лишь указал (в переписке с И. Бернулли, 1698) способ, который мог бы также привести к составлению дифференциального уравнения. Прием, указываемый Лейбницем, совпадал с тем, которым воспользовался для решения задачи молодой Клеро в Mem. Ac. Paris, 1733 (1735).

Существенный шаг вперед сделал здесь опять-таки Эйлер в IV главе второго тома «Механики» (1736), где доказал, что точка, движущаяся по поверхности без ускорения, всегда описывает геодезическую линию. При этом у него получилось механическое доказательство теоремы, из которой исходил Бернулли (аналитическое доказательство дал впервые Лагранж в 1806).

Более простой вопрос о геодезических кривых на поверхностях вращения геометрически разрешил, как было отмечено, Як. Бернулли (Acta Erud., 1698). Клеро затем доказал, что для точек такой линии произведение радиуса параллельного круга на синус ее угла с меридианом постоянно [Mem. Ac. Paris, 1733 (1735)]; с помощью разложений в ряды он приближенно определил геодезические линии эллипсоида вращения, мало отличающегося от шара [там же, 1739 (1740)].

Эйлер, побуждаемый Иоганном Бернулли, обобщил задачу о геодезических линиях на кривые, соприкасающаяся плоскость которых образует с касательной плоскостью к поверхности угол, отличный от прямого (письмо к Бернулли от 11 июля 1730, опубликовано в 1903 г.). Эту задачу решил и Бернулли (Opera, IV, 1742). [11]

§3.6. Общие пространственные кривые и развертывающиеся поверхности

Применение дифференциальных операций к более общим пространственным образам, как и вообще их аналитическое изучение, последовало сравнительно поздно. В «Исследованиях» Клеро (1731), кроме подкасательной пространственной кривой, встречается лишь формула ds=. Какой-либо прогресс в этом отношении не наблюдается вплоть до выхода двух статей Эйлера о пространственных кривых, последовавших одна за другой в Act. Ac. Petr., 1782, I (1786). Поэтому две указанные работы следует считать в данной области основоположными. Чтобы не выделять особо какую-либо из осей координат, Эйлер сразу выбирает в качестве независимой переменной длину дуги s, полагая

dx = p ds, dy = q ds и dz = r ds.

Затем он описал вокруг точки кривой Z шар единичного радиуса, на который, как сказали бы мы, сферически отобразил окрестность точки кривой вместе с прямыми, проходящими через нее параллельно осям, и т. д.; прием этот вел свое происхождение из астрономии.

Далее, Эйлер применил формулы сферической тригонометрии, добавив, однако (в Dissertatio altera -- «Другое рассуждение»), для тех, кого не может удовлетворить этот «чужеродный принцип», совершенно иной вывод, отправлявшийся от соприкасающейся плоскости. Полученные результаты сам Эйлер резюмировал в заключении следующим образом. Если взять прямоугольный параллелепипед со сторонами х, у, z, то его диагональ дает длину и направление радиуса-вектора; диагональ параллелепипеда со сторонами р, q, r дает направление касательной и длина ее равна 1; диагональ параллелепипеда со сторонами

дает направление радиуса кривизны, а длина ее равна обратному значению последнего; наконец, если взять стороны равными и т. д., то длина диагонали будет та же, что и в предыдущем случае, а направление ее будет перпендикулярным к соприкасающейся плоскости.

В тесной связи с этими исследованиями находилась работа Эйлера о «телах», поверхность которых можно наложить на плоскость [Nov. Comm. Petrop., 1771 (1772)]. Подобными развертываниями многократно занимались с чисто практической точки зрения еще ранее Фр. Деран («Архитектура сводов и т. д.» -- Larchitecture des voutes etc., Париж, 1643) и особенно

А. Фрезье («Теория и практика резки камней и дерева» -- La theorie et la pratique de la coupe des pierres et des bois, I, Страсбург, 1737; см. также ниже о Гварини, стр. 309). Но понятие развертывающейся поверхности создал Эйлер. Он взял на плоскости бесконечно малый прямоугольный треугольник, исходящий из точки (t, u), и определил на поверхности такой треугольник, исходящий из точки х, у, z, который был бы конгруэнтен с первым. Полагая и т. д., он получил условия развертываемости поверхности в виде

l² +m² + n² =1, л² + м² + н² =1, l л + m м + n н =0.

Затем Эйлер аналитически и геометрически показал, что касательные к любой пространственной кривой всегда образуют развертывающуюся поверхность, и что тоже относится к поверхности, образуемой общими касательными двух «тел», одно из которых рассматривается как светящееся. Тем самым было введено понятие развертывающихся поверхностей, а точки их представлены были с помощью двух параметров.

Замечательна не столько по результатам, сколько по своему методу относящаяся к тому же времени работа Эйлера о кратчайших линиях на поверхностях [Nov. Act. Petrop., 1799--1802 (1806); поступила в 1779]. Во-первых, для интегрирования дифференциального уравнения Эйлер здесь употребил угол, образуемый кратчайшими линиями с параметрическими линиями z = const., что, впрочем, не было у него выражено ясным образом. Во-вторых, он ввел прием, симметричный относительно трех координат, так что и дифференциальное уравнение получалось в симметричной форме. Некоторые другие работы Эйлера, о которых мы только упомянем, посвящены вопросу о спрямляемых кривых на шаре, эллипсоиде вращения и конусе [Nov. Comm. Petr., 1770 (1771); Act. Petr., 1781, I (1784), Nov. Act. Petr, 1785 (1788)]. [11]

§3.7. Общие поверхности

Во второй половине XVIII столетия прочное основание получила также дифференциальная геометрия общих поверхностей. Уравнение касательной плоскости к поверхности дали одновременно Тенсо и Монж в статьях (Mem. div. sav., IX, 1780). Обозначая координаты точки поверхности х, у, z, а координаты произвольной точки касательной плоскости р, ц, щ, Тенсо записал ее уравнение в виде

Заключенные в скобки дифференциальные частные нужно здесь рассматривать как частные производные. Кроме того, Тенсо рассмотрел задачу об определении линии прикосновения к поверхности касательного конуса, проведенного к ней из точки (а, b, с), как это сделал и Монж. Затем он разобрал такую же задачу для параллельных касательных и вопрос об установлении уравнений соответствующих конуса и цилиндра. Впрочем, для всех этих задач он ограничивался лишь указаниями. Готовые формулы или примеры отсутствовали. У Монжа уравнение касательной плоскости получило уже вполне современный вид:

z=p ( x - x) + q (y - y ) + K.

Эйлер в этой области также открыл ряд фундаментальных теорем. В одной большой работе о кривизне поверхностей [Mem. Ac. Berlin, 1760 (1767)] он прежде всего приступил к задаче об определении радиуса кривизны сечения данной поверхности, лежащего в плоскости z = б у--в x+г причем получил, разумеется, весьма сложное выражение. Затем он провел секущую плоскость через нормаль к поверхности и вычислил новое выражение для радиуса кривизны сечения, нисколько не более простое, чем предыдущее. Далее, он назвал «главным сечением» нормальное сечение, перпендикулярное к плоскости хОу. Для этого и еще для другого нормального сечения, перпендикулярного к первому, получались уже более простые выражения радиуса кривизны. Обозначив затем через ц угол, образуемый плоскостью произвольного нормального сечения с плоскостью главного сечения, Эйлер снова составил общее выражение радиуса кривизны. Получившуюся опять-таки очень громоздкую формулу он несколько упростил и в качестве примеров взял цилиндр

z = v(aa -- yy),

конус

z= v (ппхх --уу)

и эллипсоид

zz = aa -- тхх -- пуу.

Только в конце работы он привел формулу радиуса кривизны в виде

,

из рассмотрения которой извлек важные заключения. Так, например, он нашел, что три известных радиуса кривизны позволяют определить все остальные его значения в точке поверхности, что в каждой точке поверхности существует наибольший радиус кривизны f и наименьший g, плоскости которых взаимно перпендикулярны и которые в свою очередь определяют общую кривизну элемента поверхности, а именно:

.

В статье, носившей то же название, что и работа Эйлера, Ж. Менье поставил целью развить результаты последней (Mem. div. sav., 1785; поступила в 1776). Но Менье исходил из совершенно иной концепции. Отправляясь от мысли, что совпадение частных дифференциалов до второго порядка включительно обусловливает совпадение кривизн двух поверхностей, Менье заменил в точке u, v, t (причем ось t лежала на нормали к поверхности в этой точке) поверхность параболоидом

.

Менье преобразовал это уравнение к виду

и затем доказал, что каждый элемент поверхности (термин Менье) можно получить вращением малой дуги окружности вокруг оси, параллельной касательной плоскости этого элемента. Для радиуса этой окружности r и расстояния оси от точки поверхности с он получил выражения

и

.

переходящие одно в другое; при этом оказалось, что r и с совпадают с найденными Эйлером крайними значениями f и g радиусов кривизны нормальных сечений поверхности. К этому Менье присоединил теорему, носящую его имя. Именно, если R есть радиус кривизны нормального сечения, проходящего через касательную AQ к кривой на поверхности, то R, радиус кривизны сечения, лежащего в другой плоскости, проходящей через AQ, определяется формулой R = R sin щ, где щ -- угол между обеими плоскостями. Отправляясь от этого, Менье дал полный разбор соотношений между кривизнами на элементе поверхности. Среди примеров он рассмотрел, в частности, задачу об определении поверхностей, для которых r=с. Интегрируя соответствующее дифференциальное уравнение, он получил, что

1=(Ax+B)²+(Ay+C)²+(Az+D)²

т. е., как и должно быть, уравнение шаровой поверхности. Вслед за тем он приступил к решению задачи об отыскании среди всех поверхностей, проходящих через контур, ограниченный данной пространственной кривой, поверхности с наименьшей площадью. С помощью своего способа образования элемента поверхности он вывел важное условие, r+=0, а отсюда получил дифференциальное уравнение в частных производных минимальных поверхностей, найденное уже раньше другим способом Лагранжем [Misc. Taur., 1760/61 (1762)]. Частные интегралы этого уравнения дали ему в качестве примера минимальных поверхностей винтовую поверхность и катеноид. Принимая либо r, либо равным бесконечности, Менье далее вывел дифференциальное уравнение развертывающихся поверхностей, данное уже Монжем, а в заключение доказал, что оба радиуса кривизны общих линейчатых поверхностей всегда бывают различного знака.

Несмотря на появление этих прекрасных работ, общее понятие кривизны поверхности осталось невыясненным вплоть до К. Гаусса (1828). Эйлер даже ошибочно принял, что всякий элемент поверхности можно рассматривать как сферический («Dioptrica», I, Петербург, 1769); это же случилось раньше с Лейбницем (письмо к Иоганну Бернулли от 29 июля 1698), а позднее также с Далам-бером [«Encyclopedic methodique», Париж, 1784, статья «Кривая» («Courbe»), отдел «Кривые поверхности» (Surfaces courbes)].

Кроме упомянутых работ общего характера в рассматриваемый промежуток времени появился еще ряд работ, посвященных частным вопросам и прежде всего определению поверхностей, обладающих заданными свойствами. Так, Эйлер в Nov. Comm. Petr., 1769, I (1770) исследовал парадокс, заключающийся в том, что поверхности, площадь которых является данной функцией х, у, не должны быть конгруэнтны, как это имеет место в аналогичном случае для плоских кривых. Эйлер нашел дифференциальное уравнение с частными производными

p²+q²=f(x,y)

и проинтегрировал его в случае

f(x,y)=m²+n².

При этом, кроме плоскости

z = a+ mx +пу,

получались все развертывающиеся поверхности, возникающие при движении плоскости, сохраняющей постоянный угол с осью Оz.

В другой статье [Nov. Act. Petr., 1788 (1790); поступила в 1776] Эйлер занялся поисками поверхностей с постоянным отрезком нормали между поверхностью и плоскостью хОу. Дифференциальное уравнение

z = a

дало здесь «искривленные цилиндры» («cylindri incurvati»), которые позднее были названы поверхностями каналов и которые возникают, когда центр некоторого данного круга движется вдоль произвольной кривой в плоскости хОу, причем плоскость круга все время остается перпендикулярной к касательной в соответствующей точке кривой. Эйлер здесь особо отмечает появление таких произвольных функций. Он тотчас же обобщил вопрос, потребовав, чтобы отрезок нормали представлял собой некоторую функцию Z аргумента z, так что в указанном выше дифференциальном уравнении вместо а появляется Z. В образовании соответствующих поверхностей при этом вместо окружности участвует некоторая другая плоская кривая. Так получаются геометрические образы, ныне называемые «резными поверхностями» («Gesimsfla-chen»). Эйлер возвращался к обоим видам поверхностей еще в Nov. Act. Petr. 1792 (1797; поступило в 1777) и 1794 (1801; поступило в 1778).

Эйлер перенес на пространство также проблему ортогональных траекторий [Mem. Ac. St-Pet., 1815/16 (1820; поступило в 1782)], причем в нескольких примерах ему удалось провести решение полностью. В Mem. Ac. Turin, (2) I (1784/85) Монж довольно общим образом рассмотрел вид дифференциального уравнения с частными производными, соответствующего классу поверхностей, конечное уравнение которых содержит п произвольных функций.

Как видно из заметки, опубликованной впервые в «Посмертных сочинениях» (Opera posthuma, I, Петербург, 1862), Эйлер уже около 1770 нашел общие уравнения, выражающие условия изгибаемости поверхностей, в опубликовании которых выход его работы опередил Гаусс (1828).

Дифференциальная геометрия получила применение и в картографии того времени. Ламберт в своих «Очерках об употреблении математики и ее приложении» (Beytrage zum Gebrauch der Mathematik und deren Anwendung, Berlin, 1772) дал дифференциальные формулы стереографической проекции. Для других видов отображения он лишь ясно разобрал требования общего характера. И здесь новые пути проложил Эйлер в одной работе о представлении шаровой поверхности на плоскости [Act. Ac. Petr., 1777, I (1778)]. Он поставил задачу найти координаты точки плоскости х, у как функции географических долготы t и широты и так, чтобы определяемое ими отображение удовлетворяло некоторым условиям. Затем он показал, что добиться конгруэнтности невозможно, и выдвинул требование, чтобы меридианы и параллельные круги перешли в ортогональные системы кривых, в частности, в систему линий, параллельных осям координат (что применяется в проекции Меркатора). Приведя пример отображения с сохранением площадей, он затем детальнее занялся отображением с сохранением углов. Условием ортогональности градусной сети является

pq+rs=0

где

Кроме того, должны соблюдаться условия

dx=p du+r dt cosu, dy = r du - p dt cosu.

Для интегрирования Эйлер впервые употребил здесь комплексные величины, составив выражение dx + i dy, с тем, чтобы правая часть этого выражения превратилась в произведение. Решение тогда имеет вид ( обозначает здесь символ функции):

x = [s (cost -- i sint)] + [s (cost + i sint)],

iy = [s (cost -- i sint)] - [s (cost + i sint)],

В заметке, непосредственно примыкавшей к этой статье, Эйлер показал, что стереографическая проекция является частным случаем рассмотренного им отображения. Для отображения шара с сохранением размеров площадей Эйлер привел в этой статье только частные решения, именно, для случая, когда градусная сеть переходит в две ортогональные системы кривых. [11]

§3.8. Заслуги Эйлера в преобразовании и дальнейших успехах тригонометрии

Понятно, что столь ярко выраженный аналитический гений, каким являлся Эйлер, раз занявшись вычислительной тригонометрией, должен был значительно продвинуть ее вперед. Повод обратиться к тригонометрии представился ему в уже неоднократно упоминавшемся «Введении в анализ» (1748). В восьмой главе его первого тома Эйлер впервые ввел в анализ угловые функции как числовые величины, с которыми можно производить вычисления, как со всякими другими, так, чтобы впредь они уже не оказывали влияния на размерность выражений. И хотя Эйлер и не определил нигде тригонометрические функции явно как отношения сторон прямоугольного треугольника, но всегда рассматривал их именно так. Если отвлечься от несущественных мелочей, то изложение и символика Эйлера были вполне современными. Уже в одной работе в Coram. Ac. Petr., 1729 (1735) он записал теорему косинусов сферической тригонометрии в виде

cos : ВС = cos : АВ * cos : AC + cos A * sAB * sAC;

целый синус, который все еще употребляло большинство прежних авторов, здесь уже был принят равным 1. Обозначения тригонометрических функций во «Введении» были таковы: sin. A. z или sin. z (A = arcus), cos. A. z или cos. z, tang. z, cot. z и т. д.

В начале названной главы были впервые систематически установлены формулы для sin (z + ), sin (z+) и т. д. Написав:

Эйлер раскрыл скобки и получил таким путем формулу для cosnz; аналогично он нашел формулу для sinnz. Беря п бесконечно большим, a z бесконечно малым, так что cosz=l и sinz=z, он вывел из этих формул бесконечные ряды для синуса и косинуса. Отсюда он получил ряды для синуса, косинуса, тангенса и котангенса , отчасти опубликованные им уже в Comm. Ac. Petr., 1739 (1750). Затем он исчерпывающим образом показал, как можно использовать эти ряды для вычисления тригонометрических таблиц. Позднее в Nov. Comm. Ac. Petr., 1754/55 (1760) он вывел дальнейшие ряды для sinⁿ, cosⁿ, sin^m, cosⁿ, следующие по функциям углов, кратных . На связь между показательной и тригонометрическими функциями Эйлер натолкнулся уже в одной работе о рядах, помещенной в Comm. Ac. Petr., 1740 (1750). Соответствующую определяющую формулу для синуса он дал в Misc. Berol., 1743, но доказаны были формулы для синуса и косинуса только во «Введении». О результатах Эйлер, очевидно, ничего не знал. Формулы

cos х = (e^ix + e^-ix) и sin x = (e^ix -- e^-ix)

он получил во «Введении» из выражений

и

полагая п = . К этому он присоединил еще формулу

Определение sin(x+iy) и cos(x+iy) он впервые дал в Mem. Ac. Berl., 1749.

Суммирование рядов синусов и косинусов, аргументы которых растут в арифметической прогрессии, Эйлер произвел уже в Misc. Berol., 1748. Во «Введении» он вновь вернулся к этому вопросу с более общей точки зрения. Позднее (Opuscul. anal., Петербург, 1783) он занялся аналогичными рядами, аргументы которых образуют геометрическую прогрессию. Представлением тригонометрических функций в виде произведений Эйлер начал заниматься уже в Comm. Ac. Petr., 1734/35 (1740), где разложил в бесконечное произведение синус. То же самое он провел для синуса и косинуса в Comm. Ac. Petr., 1740 (1750) и Misc. Berol., 1743. Все это вместе с некоторыми дополнениями было включено во «Введение», в 14-й главе которого он также детально занялся вопросом об умножении и делении углов, т. е. о тригонометрических функциях кратных углов. Мы указывали в первой части, что в этих разнообразных исследованиях Эйлер действовал более творчески, нежели критически. Это столь глубоко коренилось в его натуре, что он оставил без внимания возражения, сделанные ему главным образом Николаем I Бернулли уже в 1742 и 1743. Эйлер продолжал производить вычисления над любыми бесконечными рядами, распространял теоремы о конечных многочленах на бесконечные и придавал любые значения индексу п, в начале доказательства считавшемуся целочисленным. Несмотря на это, получаемые им результаты обычно бывали справедливы, хотя в некоторых случаях он пришел и к ошибочным выводам, как, например, в упоминавшейся статье в Nov. Comm. Ac. Petr., 1754/55 (1760).

Во втором томе «Введения» (глава 22-я) Эйлер применил к решению трансцендентных уравнений, вроде s=cos s или s=sin 2s и т. п., правило ложного положения. Как сообщает он сам, он придумал подобные задачи с целью посмотреть, нельзя ли приблизиться таким путем к квадратуре круга. Позднее, когда Ламберт уже доказал иррациональность , Эйлер вновь занялся подобными рассмотрениями, подчеркивая, что работа Ламберта отнюдь еще не доказала невозможность квадратуры круга.

Прежде чем перейти к заслугам Эйлера в сферической тригонометрии, упомянем еще о двух тригонометрических разложениях, лежащих несколько в стороне. Эйлер нашел их, развивая предложенный Декартом и затем неоднократно открывавшийся вновь способ построения окружности данной длины (Декарт, Opuscula posthuma, Амстердам, 1701, ср. его Oeuvres, т. X). Это бесконечный ряд

tg + tg +tg +...= - 2ctg2

[ср. Nov. Comm. Ac. Petr., 1760/61 (1763)] и бесконечное произведение

cos coscos... = ,

которое Эйлер другим путем вывел уже в Comm. Ac. Petr., 1737 (1744).

Сферической тригонометрией Эйлер специально занялся в двух больших статьях, подойдя при этом к ней с различных точек зрения. В первой, помещенной в Mem. Ac. Berl., 1753 (1755) он совершенно общим образом построил сферическую тригонометрию как геометрию треугольников, составленных на поверхности сферы линиями кратчайшего расстояния. Эйлер исходил из прямоугольного треугольника, обозначив катет АР через х, катет РМ через у, гипотенузу AM через s [рис. 4]. Если О -- полюс большого круга (экватора), на котором лежит АР, а Ор -- меридиан, бесконечно близкий к ОР, то

Рис. 4.

Mm = ds, mn = dy, Pp = dx

и линия Мп, лежащая на параллельном круге широты у, равна dxcosy, так что

ds = .

Далее, Эйлер искал условия, при которых интеграл этого элемента дуги будет иметь минимальное значение, и получил, таким образом, 10 уравнений, возникающих из правила Непера. Здесь в первый раз появились обозначения, которые мы теперь склонны считать само собой разумеющимися и отсутствие которых часто придавало такой неудобный вид прежним работам. Мы имеем в виду обозначение трех сторон буквами а, b, с, а противолежащих вершин и углов треугольника буквами А, В, С. То, что мы обозначаем последние по большей части буквами а, , , конечно, менее существенно. Греческие буквы были введены лишь в XIX столетии, хотя иногда а, , , применялись уже А. Кестнером в его «Основаниях арифметики, геометрии и тригонометрии» (Геттинген, 1759; 6-е изд. 1800). Новые обозначения позволили Эйлеру записать свои десять уравнений вполне в современном виде. Затем он получил из них шесть различных основных уравнений для прямоугольного треугольника. Соответствующим образом Эйлер поступил и в случае общего сферического треугольника. Определив минимум одной из сторон, он прежде всего нашел пять фундаментальных уравнений, из которых затем вывел теорему синусов, обе теоремы косинусов и так называемое правило котангенса (впервые встречающееся у Виета); последнее появилось у него в форме

sin a tg С -- sin В tg с = cos a cos B tg C tgc,

переходящей в употребляемую ныне при делении на tgCtgc. Эйлер записывал каждую теорему в трех видах, которые получаются друг из друга циклической перестановкой, хотя сам Эйлер ею не пользовался. О полярном треугольнике Эйлер не упоминал, и вообще, с точки зрения полноты, в статье имелось несколько малозначительных пробелов. Зато применения и преобразования фундаментальных теорем были в высшей степени богатые.

Среди прочего материала здесь имелись все формулы для половинных углов, правда, без сокращенных обозначений полусумм сторон и углов, затем четыре аналогии Непера--Бригса, употребление вспомогательного угла в теореме косинусов, причем последняя приводилась еще в новой форме:

cos a=

сообщалась и формула, полярная с приведенной.

Прибавим, что вслед за этой статьей Эйлер в том же томе Mem. Ac. Berl. поместил работу, подробно излагавшую тригонометрию на поверхности сфероида, особо учитывая вопросы, связанные с измерением земли. Аналогичные исследования были произведены позднее дю-Сежуром [Mem. Ac. Paris., 1778 (1781)].

Во второй статье по сферической тригонометрии [Comm. Ac. Petr., 1779 (1782)] Эйлер принял для построения системы ее формул элементарную основу. Он исходил здесь из трехгранника, который пересекал соответствующими плоскостями, с тем, чтобы после применить теоремы плоской тригонометрии (подобно Копернику). Он вывел, таким образом, теорему синусов, теорему косинусов для сторон и новую формулу, связывающую пять элементов:

cos A sin с = cos a sin b -- sin a cos b cos С,

отметив, что эти три формулы содержат в себе всю сферическую тригонометрию. Полученное здесь третье уравнение Эйлер подверг неоднократным преобразованиям. Он вывел из него так называемую формулу котангенсов, теорему косинусов для углов и, с помощью теоремы синусов, полярную с ней формулу. Лишь после этого он ввел полярный треугольник и объяснил его способ применения, привел, частично выведя их по-новому, логарифмические формулы и с полным правом заявил, что его статья дает полное (можем прибавить: первое полное) изложение системы сферической тригонометрии. [11]

ГЛАВА IV. Влияние Леонарда Эйлера на развитие теории чисел

С конца XVII до тридцатых годов XVIII столетия мы не можем назвать какого-либо замечательного теоретико-числового открытия. Математики были слишком заняты разработкой возникших недавно исчисления бесконечно малых и аналитической геометрии. Только Эйлер, распространивший свою огромную активность на все области математики, уделил внимание этой отвлеченнейшей ее ветви и даже с особенной любовью занимался ею на протяжении всей жизни. Из многочисленных работ Эйлера мы, разумеется, можем выделить только важнейшие результаты и методы, не вдаваясь в частности.

§4.1. Целочисленное решение неопределенных уравнений

В целом ряде статей Эйлер занялся целочисленным решением неопределенных уравнений. Уже в раннем периоде своей деятельности он нашел упомянутый выше способ решений уравнений первой степени с двумя неизвестными [Comm. Ac. Petr., 1734/35 (1740)], который мы встретили у Ролля. В «Полном введении в алгебру» (1768/69) Эйлер применил тот же прием к линейным уравнениям с несколькими неизвестными. К последним он возвратился затем в статье, опубликованной уже после его смерти во втором томе «Аналитических сочинений» (Opuscula analytica, 1785). Лагранж в Mem. Ac. BerL, 1768 (1770) присоединил к методу Эйлера еще свой известный способ цепных дробей, весьма близкий, впрочем, к способу Ваше. Еще ранее Эйлер показал [Comm. Ac. Petr., 1732/33 (1738)], как получается бесконечно много целочисленных решений уравнения ах² + bx + с =y², если известно одно такое решение. Несложное преобразование этого уравнения немедленно приводит задачу к более простой, именно к определению целочисленных решений уравнения A+By²=z². В Nov. Comm. Ac. Petr. за 1762/63 (1764) и 1773 (1774) Эйлер сумел также дать правила нахождения одного такого решения при положительном В. Однако его исследования вскоре были отодвинуты на задний план результатами Лагранжа, который привел к виду А+Вt²= и² общее уравнение

Ах² + bxy + су² +dx +cy +f=0

и в Mem. Ac. Berl., 1769 (1771) подробнейшим образом рассмотрел вопрос о решении первого уравнения. Прием Лагранжа заключался в том, что посредством подходящих преобразований он постепенно уменьшал коэффициенты, пока один из них не становился равным единице, после чего решение сводилось к решению задачи Ферма. Эйлер все же вернулся впоследствии к общей проблеме снова и сообщил два метода, позволявших по одному известному решению найти бесконечно много решений. Вместе с тем он нашел условия, при которых рациональные решения переходят в целочисленные [см. Nov. Comm. Ac. Petr., 1773 (1774) и «Аналитические сочинения», т. I, 1783]. Эйлер подошел к аналогичной задаче и для уравнений третьей и четвертой степеней. Последние исследования, в которых предшественником Эйлера был еще Ферма, рассмотревший две частные формы четвертой степени, относились к 1780, но появились много времени спустя после смерти Эйлера [например, в т. XI Mem. Petersb. (1830)], когда они представляли уже почти лишь исторический интерес.

В круг своих занятий Эйлер включил также вопрос о целочисленном решении систем диофантовых уравнений высших степеней и систем более чем с двумя неизвестными, которому посвятил целый ряд статей. Однако они не оказали влияния на последующее развитие теории чисел, ибо не давали общих методов и содержали только искусные приемы в частных случаях.

Эйлер весьма обстоятельно занялся вышеупомянутым специальным случаем целочисленного решения так называемого уравнения Пелля, с которым, как мы видели, он встретился рано. Он установил, что для преобразования трехчлена ах²+bх+с в квадрат y² необходимо решение уравнения Пелля, и посвятил ему поэтому несколько статей. В последней из них, появившейся в Nov. Comm. Ac. Petr., 1765 (1767), он, наконец, привел общий способ его решения, показав, каким образом приводит к цели вычисление подходящих дробей разложения в цепную дробь. Сам по себе его метод не оставлял желать ничего лучшего, но обоснование его страдало множеством недостатков. Лагранж, начавший тогда же работать над этим вопросом и вначале не знавший о статье Эйлера, дал в четвертом томе Misc. Taur. (1766/69) первое строгое доказательство того, что уравнение всегда разрешимо, и сообщил метод его решения. Ознакомившись с работой Эйлера, он видоизменил и упростил свой способ в Mem. Ac. Berl., 1768 (1770) так, что в основном он уже несущественно отличался от приема Эйлера. Метод Лагранжа тот же, который употребляли еще индусы, не пытаясь, конечно, строго его обосновать. В самой ясной и простой форме метод Эйлера -- Лагранжа был изложен затем Лежандром в его знаменитом «Опыте теории чисел» (Essai sur la theorie des nombres, Париж), впервые опубликованном в 1797/8.

Из сказанного видно, что систематическое изучение вопросов неопределенного анализа начато было только Эйлером и достигло известного завершения в его работах и работах Лагранжа. Эйлер поэтому поспешил сделать свои исследования в этой области доступными более широким кругам, включив их во вторую часть своего руководства по алгебре. Во французском переводе этого первого курса теории неопределенных уравнений, выпущенном в 1774, Лагранж снабдил отдельные главы дополнениями, еще значительно увеличившими ценность и полезность книги.

До сих пор рассматривались решения неопределенных уравнений, интерес к которой возбудили Диофант и Баше. Теперь обратимся к задачам, возникшим, главным образом, из оставшихся без доказательства теорем Ферма. Эйлер неоднократно обращался к утверждению Ферма, что уравнение х^п+у^п =z^п при n>2 неразрешимо в целых числах. Эйлер сделал еще один шаг вперед, доказав с помощью того же метода справедливость теоремы при п=3. Не вполне аккуратное доказательство для этого случая он сообщил еще в 1753 Гольдбаху. Точное доказательство им было впервые напечатано в Nov. Comm. Ac. Petr., 1760/61 (1763) и подробнее проведено в «Алгебре». Тщетно пытаясь найти доказательство теоремы в общем виде, Эйлер натолкнулся на ряд прекрасных теорем о делимости чисел, имеющих форму степенных двучленов; они находятся в Nov. Comm. Ac. Petr., 1747/48 (1750) и в 9-й главе посмертного «Трактата по теории чисел» (Tractatus de numerorum doctrina, опубликовано во 2-м томе Comment, arithmeticae, Петербург, 1849).

Другие утверждения Ферма привели Эйлера к исследованию чисел, которые могут быть представлены некоторыми специальными формами второй степени вида тх² + пу² [см. Comm. Ac. Petr., 1744/46 (1751), Mem. Ac. Petr., 1812 (1815) и Nov. Act. Ac. Petr., 1783 (1787)]. Так он доказал теорему Ферма, гласящую, что всякое простое число вида 4п+1 можно единственным образом представить как сумму двух квадратов, и теорему Ваше о том, что всякое неквадратное число можно представить как сумму двух, трех или четырех квадратов. Однако он не дал ни общей трактовки задачи о представлении числа в виде некоторой данной формы, ни метода, позволяющего a priori устанавливать свойства таких чисел.[12]

§4.2. Теорема Эйлера

Мощным побудительным стимулом явилась для него так называемая теорема Ферма о сравнении а^т1 (mod p), значение которой он оценил сразу. Эйлеру принадлежат два доказательства этой теоремы, покоящихся на разных основаниях. Первое [Comm. Ac. Petr., 1736(1741)] использовало тот факт, что все биномиальные коэффициенты, соответствующие показателю степени р, делятся на р, и было проведено с помощью индукции. Второе и третье доказательства появились в Nov. Comm. Ac. Petr. за 1758/59 (1761) и 1760/61 (1763).

В последней статье Эйлер обобщил теорему Ферма, установив (в обозначениях, ведущих свое происхождение от Гаусса), что

а^(m) 1 (mod m),

где (т) есть число чисел, взаимно простых с т и меньших т. Встречающееся здесь число (т), которое по предложению Гаусса называют теперь «функцией Эйлера», последний представил в той же работе в виде

где р, р,... -- простые делители числа т. Если т само есть простое число, то числа 1, 2, 3,..., (р - 1) будут с ним взаимно простыми, и получается важная теорема, высказанная Дж. Вильсоном и опубликованная в 1770 Варингом в его «Алгебраических размышлениях». Теорема эта гласит, что величина 1, 2, 3... (р - 1)+1 делится без остатка на р, где р, как и всюду здесь, -- простое число. Эта теорема, как и теорема Ферма, заключается в установленном Лагранжем [Mem. Ac. Bed., 1771 (1773)] общем сравнении

x^p-l - l=(x + l)(x + 2)...(x+p - 1) (mod р)

при x = 0. Она была также доказана Эйлером («Аналитические сочинения», I, 1783) и Гауссом («Арифметические исследования», 1801). Упрощенное доказательство теоремы Ферма дал еще И. Г. Ламберт, охотно занимавшийся и теорией чисел (Nov. Acta Erud., 1769).

§4.3. Вычеты

К важнейшим достижениям в исследовании целых чисел Эйлера привели старания доказать другую, упоминавшуюся уже, теорему Ферма о том, что всякое простое число вида 4п + 1 разбивается на сумму двух квадратов. Эйлер многократно и с различных сторон подходил к этой теореме и при этом нашел ряд интересных предложений. Окончательно доказать ее Эйлеру удалось лишь в 1749 [Nov. Comm. Ac. Petr., 1754/55 (1760)], воспользовавшись тем ходом мыслей, которым он шел в первом доказательстве теоремы о сравнении ат = 1 (mod р). Это привело его к рассмотрению остатков от деления квадратов 1², 2², 3²,..., (р - 1)² на простое число р. Эйлер немедленно увидел, что при этом получаются «многие замечательные свойства, изучение которых проливает немало света на природу чисел». Таким образом, он впервые поставил вопрос о квадратичных вычетах и понял их значение. Здесь уже встречаются и термины: вычеты (residua) и невычеты, (non residua). В том же месте и в позднейших статьях, в которых он занялся степенными вычетами вообще и рассмотрел полные и неполные системы вычетов, он установил важнейшие относящиеся к ним теоремы. В Nov. Comm. Ac. Petr., 1773 (1774) он ввел также понятие и слово «первообразный корень». Поэтому Эйлера справедливо называют творцом теории степенных вычетов, тем более что ему принадлежит и открытие «закона взаимности» квадратичных вычетов, который Гаусс называл «основной теоремой» (theorema fundamentale) и который до недавнего времени приписывали Лежандру. Закон взаимности Эйлер установил еще в 1772, а опубликован он был, правда, без доказательства, в 1783 в первом томе «Аналитических сочинений».

§4.4. Разложение на простые множители

Нужно еще добавить кое-что о разложении чисел на множители и о связанных с этим теоремах о простых числах. Уже Валлис в своем «Рассуждении о соединениях» (Discourse of Combinations, 1685) высказал теорему, гласившую, что всякое число можно разложить на простые множители единственным образом. Он выразил словесно важную формулу, согласно которой число делителей числа т=..., где р, q, r,... - простые числа, равно (+1) (+l)(+1)..., и нашел, что сумма всех этих делителей равна

благодаря этому Валлис решил некоторые задачи, поставленные перед ним Ферма. Для нахождения самих делителей, именно простых делителей больших чисел, Эйлер предложил метод, основанный на представлении этих делителей в виде квадратичной формы mx²+ny² [Nov. Comm. Ac. Petr., 1768 (1769) и Nouv. Mem. Ac. Bed., 1776 (1779)]. Исследования Лагранжа о подобных квадратичных формах также смогли быть применены к определению простых делителей. Ник. де-Бегелен разработал в Nouv. Mem. Ac. Bed., 1775 (1777) метод отыскания простых делителей вида 4х²+1. Эйлер в письме к Бегелену обратил его внимание на то, что эти делители можно получить из более общей формы nх² + у², и указал правило подходящего выбора числа п, давшее ему целый ряд больших простых чисел [Nouv. Mem. Ac. Berl., 1776 (1779)]. Наконец, десять лет спустя Эйлер указал общий признак, позволяющий решать, является данное число простым или составным [Nov. Act. Ac. Petr. 1797/98 (1805)].

Вместе с тем математики того времени тщетно искали общее, аналитическое выражение для представления простых чисел. Лежандр, которому удалось доказать, что это выражение не может быть рациональным, потерял всякую надежду на то, что его когда-либо удастся найти. Вероятно, такое аналитическое выражение не существует вообще. Столь же мало вероятно существование функции (х), составленной конечным образом и точно представляющей число простых чисел, не превосходящих числа х. Теорему о том, что эта функция (х) при возрастании х асимптотически приближается (строго доказанную лишь Ж.. Адама-ром и. Валле-Пуссеном в 1896), предвидел еще Лежандр, не имея, впрочем, никакого представления о ее доказательстве. Он именно нашел (в «Опыте», 1798 и, точнее, во втором издании 1808) эмпирическую формулу

К разложению чисел на множители примыкает их разбиение на слагаемые, которые можно отнести к области аналитической теории чисел, т. е. к теоретико-числовым исследованиям, опирающимся на рассмотрения аналитического характера. Эйлер, посвятивший исследованиям этого рода 15-ю и 16-ю главы первого тома «Введения» (1748), и здесь опять указал путь вперед. Он исходил из разложения произведения

(1+x z)(1+x z)(1+x z)

где , , -- положительные целые числа, в ряд

1+Pz+Qz²+Rz³+…

Отсюда немедленно следовало, что

Р = x +x +x +…, Q = x⁺ + x⁺+ …

и т. д., и было видно, что если показатель одной и той же степени может представлять сумму двух или нескольких членов ряда , , различными способами, то такая степень имеет коэффициент, заключающий в себе столько единиц, сколько существует таких способов. Поэтому, если требуется узнать, сколькими способами можно представить число п в виде суммы т неравных членов ряда, , ,..., то это укажет коэффициент имеющегося в разложении члена хⁿz^m. Аналогичным образом Эйлер рассмотрел дробь

и вывел теорему, что коэффициент члена х^пz^m указывает, сколькими различными способами можно получить целое число я в виде суммы т равных или неравных чисел ряда, , ... Из этих двух главных теорем при тех или иных частных значениях z был получен ряд отдельных теорем об аддитивном разбиении чисел. Эйлер построил также таблицу, продолженную затем в Nov. Comm. Ac. Petr. [1750/51 (1753), см. также 1769 (1770)], в которой можно было прочесть, сколькими способами можно представить число п в виде сумм чисел 1, 2, 3, ...,т. В указанных томах Nov. Comm. Ac. Petr. [см. также 1754/55 (1760)] он вывел отсюда так называемую пентагональную теорему, гласящую, что число разбиений числа п на четное число различных слагаемых равно числу разбиений на нечетное число слагаемых, кроме случая п , когда для т четного (нечетного) оно на единицу больше (соответственно, меньше). Тот же метод дал Эйлеру важную формулу

левая часть которой распространена на все простые, а правая на все натуральные числа; правая часть теперь известна как «дзета-функция Римана». Из этой формулы получается также, что ряд натуральных чисел содержит бесчисленное множество простых чисел, что, впрочем, было известно еще из доказательства Евклида. Но теорему о том, что всякая неограниченная арифметическая прогрессия, первый член и разность которой взаимно простые, также содержит бесчисленное множество простых чисел, Эйлер смог высказать лишь в качестве предположения («Аналитические сочинения», т. II, 1783). Это предположение высказал и Лежандр в Mem. Ac. Paris, 1785 (1788). Доказано оно было лишь Дирихле в 1837. Наконец, Эйлер занимался дружественными и совершенными числами, известными еще древним, причем для обозначения суммы делителей числа п он ввел символ , сохранившийся и в последующее время (Nov. Act. Erud., 1747 и «Сочинения различного содержания», т. II, 1750).

Заключение

• Всякая попытка жизнеописания, будь оно коротким или обстоятельным всегда открывает глаза автора на многие моменты. Так и случилось и при написании этой дипломной работы. Ведь когда имеешь дело с таким ученым, как Леонард Эйлер, очень трудно выбрать самое существенное из почти неизмеримого количества монографий и сочинений. Я старалась при этом перебросить мост через два столетия, которые отделяют нас от Эйлера, и давать разъяснения всякий раз, когда это было возможно.
• Я хочу привести одну мысль К.А. Труесделла, высказанную им в торжественной речи при праздновании в Базеле 250-летия со дня рождения Леонардо Эйлера: «Эйлер представлял собой большое и широкое явление, каким был, например, Шекспир. Каждый, кто прочитает произведения того или другого, составит себе свое собственное, может быть и верное, но не всегда полное представление о них. В работах Эйлера можно найти прекрасные примеры разнообразных математических мыслей и, возможно, что читатель, выбрав какие-то иные эйлеровы исследования, придет и к иному их восприятию».
• Сведения могут быть использованы при подготовке и проведении спецкурсов для студентов педвузов, педуниверситетов. Они окажутся полезными и для учителей математики в их профессиональной деятельности.

Список литературы

1. Biography in Dictionary of Scientific Biography (New York 1970-1990).

2. Biography in Encyclopaedia Britannica.

3. Condorcet M J, Eulogy for Euler

4. Calinger R, Leonhard Euler: The first St Petersburg years (1727-1741), Historia Mathematica 23 (1996), 121-166.

5. Boyer C B, The Age of Euler, in A History of Mathematics (1968).

6. Леонард Эйлер, введение в анализ бесконечно малых, том I, издание 2, М.: государственное издание, 1961.

7. Леонард Эйлер, введение в анализ бесконечно малых, том II, издание 2, М.: государственное издание, 1961.

8. Рюдигер Тиле, Леонард Эйлер, перевод с немецкого языка. Киев: «Вища школа», 1983.

9. Юшкевич. Ю.А. Леонард Эйлер. М. : Знание, 1982.

10. Юшкевич А.П. История математики в России. М.: Наука,1968 г.

11. Вилейтнер Г.В. История математики от Декарта до середины XIX столетия. М.: государственное издание, 1960.

12. Математика XIX века. М.: Наука, 1978.