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

de^х/dx = e^x.

Постоянная е — трансцендентное число, то есть его нельзя получить, решая алгебраическое уравнение с рациональными коэффициентами. Для доказательства трансцендентности какого-либо числа в первую очередь надо проверить его на иррациональность (число называется иррациональным, когда его нельзя выразить в виде соотношения двух целых чисел). Это совсем не простая задача, и Эйлеру это не удалось. Тем не менее он подошел довольно близко к правильному решению, найдя следующую непрерывную дробь:

Получив доказательство того, что эта дробь бесконечна, он показал:

(е-1)/2

является иррациональным числом. Наконец, в 1873 году Шарль Эрмит (1822-1901) доказал трансцендентность числа е.

Помимо полученного Эйлером, часто встречаются и такие записи числа е в виде дроби:

В последнее время в области теории чисел наблюдается возрастание интереса к вопросу о нормальности постоянных. Является ли е нормальным числом? В этом случае "нормальность" означает, что цифры в записи числа е сохраняют статистическое равновесие: если взять произвольное число, или пару чисел, или тройку и так далее, то вероятность того, что они появятся в записи числа е, всегда одна и та же.

То есть существуют нормальные и анормальные постоянные, но е кажется нормальным числом. Так или иначе, это всего лишь гипотеза, которую до сих пор никому не удалось доказать.

Арки колледжа святой Терезы (вверху) архитектора Антонио Гауди в Барселоне и Арка в Сент- Луисе (в середине) — примеры перевернутой традиционной цепной линии, образованной подвесными тросами (внизу). Формула этой линии содержит число е.

МНЕМОНИЧЕСКИЕ УПРАЖНЕНИЯ С ЧИСЛОМ у

Существует математический вид спорта, который состоит в том, чтобы произнести наибольшее количество знаков после нуля какой-либо константы. Поскольку заучивать их, просто напрягая память, может быть скучно, для этого используются специальные фразы или стихи (mnemonics по-английски). Количество букв в каждом слове соответствует числовой последовательности, которую надо запомнить.

Например, название стихотворения "С десятью пушками по стороне" испанского поэта Хосе де Эспронседа можно соотнести с последовательностью 17727.

с

десятью

пушками

по

стороне

3

4

7

3

5

Это гораздо проще запомнить, чем само число, поскольку у слов есть смысл. Стало очень модно заучивать цифры числа к. Фразы для запоминания знаков числа е встречаются реже, но они тоже очень любопытны. В интернете можно найти такой вариант:

We present a mnemonic to memorize a constant so exciting that Euler exclaimed: '!' when first it was found, yes, loudly '!'. My students perhaps will compute e, use power or Taylor series, an easy summation formula, obvious, clear, elegant!

[¹ Мы представляем мнемоническое упражнение на запоминание такой восхитительной постоянной, что Эйлер воскликнул: '!', когда впервые открыл ее, да. громко воскликнул '!'. Мои студенты, возможно, вычислят е. используют свои силы или ряды Тэйлора, простую формулу сложения, ясную, четкую, элегантную! (В данном случае подсчет действителен только для фразы на английском. — Примеч. ред.)]

Знак"!"обозначает ноль. Если мы сосчитаем количество букв в словах, то получим следующую последовательность:

271828182845904523 536028 747135 266249 7757,

которая соответствует первым 40 цифрам числа е.

ПОСТОЯННАЯ ЭЙЛЕРА — МАСКЕРОНИ

Существуют три математические константы, которые резко выделяются на общем фоне и так или иначе связаны с Эйлером. Первая — это знаменитое число я, вторая — е. Третья обозначается греческой буквой у, и хотя Эйлер выделил ее уже в 1734 году, через три года после нахождения числа е, он делит это открытие с итальянским математиком Лоренцо Маскерони, так что у называют постоянной Эйлера —Маскерони. По мнению некоторых специалистов, это не совсем справедливо, поскольку самая большая заслуга Маскерони состояла в том, что в 1790 году он вычислил 32 ее знака, сделав при этом три ошибки: в 19-м, 20-м и 21-м знаках.

γ — сугубо арифметическая константа. Если мы рассмотрим древний гармонический ряд

Σ_n=1^∞1/n = 1 + 1/2 + 1/2 + 1/4 + ... + 1/n + ...,

то увидим, что он расходится, то есть предел его суммы стремится к ∞ (первое строгое доказательство этого приписывается Якобу Бернулли).

Эйлеру пришла в голову мысль сравнить возрастание этого расходящегося ряда с In n. Если провести вычитание

Σ_n=1^∞1/k = ln(n)

шаг за шагом, мы получим:

1 - ln1 = 1

1 + 1/2 - ln2 = 0,8068528...

1 + 1/2 + 1/3 - ln3 = 0,734721...

1 + 1/2 + 1/3 + 184 - In4 = 0,6970389...

Эта разность стабилизируется и в пределе дает постоянную величину:

γ = lim_n→∞[Σ_k=1ⁿ1/k - ln n] = 0,57721566...

Целью Эйлера было найти способ описать степень роста гармонического ряда, и ученый пришел к заключению, что он логарифмический. Он обозначил эту постоянную заглавной буквой С, а знак греческой буквы γ, видимо, ввел Маскерони (1790). В 1736 году Эйлер высчитал 19 цифр этой постоянной, используя собственную формулу, так называемые числа Бернулли, Bn; если бы он попытался классическим путем сложить значения гармонического ряда и вычесть логарифм, то потерпел бы поражение, даже несмотря на то что был гением в вычислениях: ряд сходится слишком медленно.

Немецкий ученый Вейерштрасс открыл, что определение Г(х), предложенное Эйлером, дает производную

Г’(1) = -γ,

что позволяет установить неожиданную связь между гамма- функцией и постоянной Эйлера — Маскерони.

О константе γ почти ничего неизвестно, мы даже не знаем, рациональное это число или иррациональное и, разумеется, трансцендентное ли оно. Нам известно только, что если оно окажется рациональным — а большинство специалистов в это не верят, — то его знаменатель будет состоять из 244 663 цифр десятичной системы исчисления. Если воспроизвести это число, оно займет почти всю эту книгу.

Постоянная γ часто используется в анализе (например, в так называемых функциях Бесселя), а также в квантовой механике, особенно в перенормировке диаграмм Фейнмана, имеющих фундаментальное значение в электродинамике.

Однако не нужно далеко ходить, чтобы обнаружить γ. Если мы начнем собирать наклейки, прилагающиеся к жвачкам или шоколадкам, то наше хобби будет совершенно эйлеровским. Если в коллекции всего n наклеек, нам придется купить примерно N товаров, чтобы собрать их все:

N = n(1 + 1/2 + 1/3 + ... + 1/n).

ЛОРЕНЦО МАСКЕРОНИ

Первым призванием Лоренцо Маске- рони, итальянского священника и математика (1750-1800), была поэзия.

Он не был горячим сторонником ни одной из существовавших тогда политических партий, но в общем его можно было охарактеризовать как франкофила. Поэтому в 1797 году его назначили депутатом в Милане, а затем отправили в Париж для разработки новой десятичной метрической системы вместе с Лежандром. Маске- рони больше не смог вернуться в Милан, оккупированный австрийскими войсками, и умер на следующий год.