Книга: Укрощение бесконечности. История математики от первых чисел до теории хаоса
Назад: Фурье
Дальше: Пределы
Непрерывные функции
У математиков до сих пор есть привычка: несмотря на великое множество определений понятия «функция», они всё равно то и дело открывают у нее еще какие-то качества, выходящие за рамки определения. В частности, они предположили, что любая разумная формула, например многочлен, автоматически определяет непрерывную функцию. Однако они никогда не доказывали этого – и прежде всего потому, что не определили термин «непрерывная». По большей части данная область всё еще находилась под властью интуитивных построений, отнюдь не всегда правильных.
Первым начал серьезно разбираться в этом беспорядке священник из Богемии, философ и математик Бернард Больцано. Он подвел надежный логический фундамент под большинство основных идей исчисления; главным исключением было то, что он принял как данность существование действительных чисел. Он настаивал, что бесконечно малые и бесконечно большие величины не существуют, а значит, не могут быть использованы, как бы соблазнительно это ни выглядело. И он же дал первое вразумительное определение непрерывной функции. А именно: f непрерывна, если разница f(x + a) – f(x) может быть настолько малой, насколько мы пожелаем, если а тоже достаточно мала. Предыдущие авторы предпочитали формулировки вроде «если а сколь угодно малая величина, то f(x + a) – f(x) также сколь угодно мала». Но для Больцано а была всего лишь числом, подобным другим. Он рассуждал так: каким бы малым ни было f(x + a) – f(x), вы всё равно должны найти для него соответствующую величину а. Не было необходимости, чтобы одна и та же величина использовалась каждый раз.
Например, f(x) = 2x непрерывна, потому что 2(x + a) – 2x = 2a. Если вы хотите, чтобы 2а было меньше определенного числа, скажем 10–10, вам нужно сделать а меньше 10–10/2. Если вы возьмете более сложную функцию, скажем f(x) = x2, вычисления будут немного сложнее, потому что правильное значение а зависит от x так же, как и от выбранной нами величины, 10–10, но любой опытный математик решит эту задачу за пару минут. Пользуясь таким определением, Больцано доказал – впервые в истории, – что полиномиальная функция непрерывна. Но на протяжении 50 лет до этого никому не было дела. Больцано опубликовал свою работу в журнале, который вообще не мог попасть в руки математика – не то чтобы его заинтересовать. В наши дни господства интернета в это трудно поверить, но еще 50 лет назад средства коммуникации не шли ни в какое сравнение с нашими. Что уж говорить о периодике 180-летней давности?
В 1821 г. Коши пришел практически к тому же выводу, но использовал несколько путанную терминологию. Его определение непрерывности функции f заключалось в том, что разница между f(x) и f(x + а) бесконечно мала, если бесконечно мала величина а, что на первый взгляд кажется старым, плохо определенным подходом. Однако бесконечно малой величиной для Коши было не отдельное число, почему-то бесконечно малое, а постоянно убывающая последовательность чисел. Например, последовательность 0,1, 0,01, 0,001, 0,0001 и т. д. бесконечно мала в понимании Коши, но каждое отдельное число, например 0,0001, – обычное действительное число. Возможно, малое, но не бесконечно. Учитывая терминологию, мы видим, что концепция непрерывности Коши в точности повторяет Больцано.
Очередным критиком недостатков в изучении бесконечных процессов стал Абель, жаловавшийся на то, что ученые используют бесконечные ряды, не дав себе труда поинтересоваться, имеет ли смысл их сумма. Его критика оказалась действенной, и мало-помалу в хаосе стали намечаться черты некоего порядка.
ЧТО АНАЛИЗ ДАЛ ИМ
Расцвет математической физики в XIX в. был ознаменован открытием ряда важнейших дифференциальных уравнений. Не имея современных высокоскоростных компьютеров, способных находить численные решения, математики того времени изобрели для уравнений новые специальные функции. И они работают по сей день. Примером может служить уравнение Бесселя. Первым его вывел Даниил Бернулли, а позже обобщил Бессель. Вот оно:
Здесь обычные функции, такие как экспонента, синус, косинус или логарифм, не помогут найти решение. Но можно воспользоваться методами анализа в виде степенного ряда. Он определяет новые функции, так называемые функции Бесселя. Простейшая функция Бесселя обозначается как Jk(x); но есть и другие. Степенные ряды позволяют вычислить Jk(x) с необходимой точностью.Функции Бесселя естественным образом возникают в задачах, связанных с кругами и цилиндрами, такими как колебание круглой мембраны, распространение электромагнитных волн в цилиндрическом волноводе, теплопроводность в цилиндрическом металлическом стержне и физика лазеров.
Интенсивность лазерного излучения описывается функцией Бесселя J1(x)
