До предела чисел. Эйлер. Математический анализ - Коллектив авторов (читать книги онлайн бесплатно полностью без сокращений TXT) 📗

d (СЕ,O) = d (СЕ,С).

Некоторые из его простейших открытий таковы, что можно представить себе дух Евклида, вопрошающий: "Почему при жизни на Земле я не додумался до этого?"

Гарольд Коксетер об Эйлере

Как легко догадаться, центры треугольников были не единственным геометрическим интересом Эйлера. Мы могли бы перечислить множество других занимавших его вопросов, но среди них есть один, который отличается своей сложностью, прямо пропорциональной простоте формулировки. В 1751 году Эйлер в письме Гольдбаху предложил следующую задачу: найти для любого выпуклого многоугольника с п сторонами, сколькими способами можно разделить его на треугольника при помощи диагоналей, которые не должны пересекаться, и считая по отдельности разные углы. Эйлер спрашивал, сколько поперечных разрезов надо сделать в "торте" многоугольника, как видно на рисунке. Это сложная задача на комбинаторику, и ее решение — С_n-2, где

C_n = 1/n(²ⁿ _n-1)

Все возможные способы разделения на треугольники многоугольников с 4,5 и 6 сторонами при помощи нелересекающихся диагоналей.

НЕЗНАКОМЫЙ НАМ ЭЙЛЕР

Эйлер интересовался всем и писал статьи почти по всем вопросам. Многие из них сложно отнести к той или иной области науки, известной в то время: к чему относится, например, задача о возможном маршруте по мостам Кенигсберга? Другие же, напротив, прекрасно вписывались в мир того времени, например задача о выплате пенсий, но не были первоочередными проблемами. Краткий экскурс по этим трудноклассифицируемым сочинениям даст более глубокое представление о необыкновенном разнообразии наследия Эйлера.

ЭЙЛЕР-ИНЖЕНЕР

Вклад Эйлера в практическое инженерное дело обычно принижается, отчасти из-за невысокого мнения о нем Фридриха II, который считал очевидным, что все проекты, реализованные его подданными, будь то генералы, садовники или ученые, должны прекрасно работать, ведь за это он им и платил. Инженеры Его Величества — а Эйлер был их начальником — не были исключением. Если, например, из фонтанов в садах императора вдруг не била струя, то, по мнению Фридриха, это означало, что его инженеры и конструкторы никуда не годятся. Ошибки в расчетах давления воды не прощались.

Несмотря на такое отношение, Эйлер много занимался задачами практической инженерии. Около 1744 года (правда, эта работа была опубликована только в 1757-м) он применил вариационное исчисление к рассчету нагрузки от предметов на пилястрах, которые их поддерживают, — на профессиональном языке это называется критической нагрузкой, простым вариантом деформации.

Представим себе колонну, как на следующей странице, на которую давит осевая концентрическая сила, q, то есть груз, давящий на центр тяжести ее поперечной секции. Эйлер нашел формулу

F = π²EI/(KL)²,

которая описывает эту нестабильность, где F — сила, или осевой груз, Е — модуль упругости, I — момент инерции площади, L — длина между точками опоры колонны, а — эмпирический фактор, зависящий от условий поддержки конца перекладины или колонны, испытывающей деформацию. Произведение KL определяет их действительную длину.

Деформация или нестабильность при критической нагрузке колонны.

ЭЙЛЕР И МЕХАНИКА ЖИДКОСТЕЙ

В 1757 году Эйлер опубликовал статью Principes generaux du mouvement des fluides ("Общие принципы движения жидкостей").

В ней впервые появляются уравнения для механики жидкостей, описывающие движение жидкости, которую нельзя сжать и у которой нет вязкости.

Сегодня такую жидкость назвали бы идеальной. Мы же рассмотрим не саму идеальную жидкость, а уравнения Эйлера, записанные в современном виде. Лаплас (1749-1827) добавил к этим уравнениям важную деталь — адиабатическую составляющую (то есть предположил, что количество тепла в системе неизменно). На современном тензорном языке уравнения выглядят так:

где р — плотность жидкости, v — ее векторная скорость, Е — общая энергия на единицу объема и давление. Предполагается, что вязкость потока не имеет значения, однако это нельзя утверждать с такой уверенностью для более сложных формул, например для уравнений Навье — Стокса. По мере того как уравнения становятся все более сложными — и все более близкими к реальности, логично, что количество предпосылок в них уменьшается. Уравнения Навье — Стокса известны как одна из проблем тысячелетия, за решение которой Институт Клэя готов выплатить миллион долларов.

Теорему Бернулли для гидродинамики можно вывести, проинтегрировав уравнения Эйлера. Таким образом, нет сомнений, что они имеют огромное значение, ведь из них выводится принцип полета крылатого тела, более тяжелого, чем воздух. В прошлом уравнения Эйлера применялись в изучении самых разных явлений — большого красного пятна на Юпитере, кровообращения, аэродинамики автомобилей — и продолжают использоваться сейчас. В эссе 1756 года Эйлер подробнейшим образом изучил турбины, приводимые в движение жидкостью, и это исследование до сих пор остается непревзойденным.

Уравнения Эйлера являются дифференциальными нелинейными уравнениями, с которыми не всегда легко работать. Изобретение компьютеров с их огромными вычислительными способностями дало физикам возможность находить их приближенные числовые решения. Вероятно, получить точное и элегантное решение невозможно, зато можно добиться хорошего приблизительного результата.

Компьютеры сделали неоценимый вклад в решение уравнений Эйлера и Навье — Стокса: с их помощью можно имитировать механическое движение жидкости. Тем не менее пока не представляется возможным решить уравнения ее движения.

УСЛОВИЯ КОШИ — РИМАНА

С исторической точки зрения эти аналитические уравнения уже были рассмотрены в 1752 году Д’Аламбером и Эйлером, ис- пользовавшими их в разных областях, например в гидродинамике. Уже в 1777 году эти уравнения появляются среди других аналитических выражений ученого, хотя они были опубликованы только после его смерти. Они постулируют равенство частных производных следующим образом: предположим, что функцию ƒ(x + iy) комплексной переменной можно разделить на действительную и мнимую части:

ƒ(x + yi) = u (х,у) + iv (х,у)

и что u и v можно продифференцировать как функции двух переменных в действительной области R. Следовательно, их частные производные удовлетворяют условиям

∂u/∂x = ∂v/∂y

∂u/∂x = ∂v/∂x

И наоборот, если u и v можно продифференцировать как действительные функции и при этом выполняются предыдущие равенства для производных, то ƒ — дифференцируемая функция и ƒ = u + iv.

Эти уравнения встречаются уже на первых страницах современного учебника по комплексному анализу и знакомы всем студентам, изучающим физику и инженерное дело.

ИГРЫ, ЛОТЕРЕИ И СТРАХОВАНИЕ ЖИЗНИ

Эйлер нашел время для изучения вопросов статистики и вероятностей. И хотя его исследования в этой области были не слишком обширны, о них стоит упомянуть. Иногда ученый говорил об этих работах в переписке с королем Фридрихом II. Некоторые изыскания ученого касаются азартных игр и пари — в то время эта область считалась научной. Действительно, в них часто решались задачи, впоследствии приобретавшие большое научное значение. Как и другие выдающиеся математики, например Иоганн Генрих Ламберт (1728-1777) или Пьер-Симон Лаплас, Эйлер изучал карточную игру treize (413"), известную также под названием "встреча" (или "совпадения"). Затем он углубился в лотереи, возникшие как раз в это время, и в страхование жизни, а также в статистику жизни и смерти. Пенсия и ежегодные взносы, которые необходимо выплачивать для ее получения, высчитываются на основе этой статистики, поскольку их объем зависит от большей или меньшей вероятности смерти человека.