Зарождение и создание теории действительного числа
Зарождение и создание теории действительного числа
Содержание
1. Зарождение и развитие понятия числа
2. Проблема несоизмеримых или Первый кризис в основании математики
2.1 Следствия первого кризиса и попытки его преодоления
3. Становление теории предела
4. Создание теории действительного числа
4.1 Карл Вейерштрасс
4.2 Георг Кантор
4.3 Рихард Дедекинд
Заключение
1 Зарождение и развитие понятия числа
В основе математики лежит понятие числа, одно из самых ранних и самых абстрактных. Оно возникло как обобщение счета отдельных предметов. Счет присущ не только человеку, но и, в некоторой форме, и животным, например кошке, которая чувствует наличие при себе всех своих котят.
Наиболее ранняя форма счета носит конкретно-чувственный характер. Такой счет можно обнаружить у первобытных людей и у животных. Однако нельзя с уверенностью сказать, что только человек способен к абстрактному счету. Есть данные о способности приматов к символизации счета «Приматы способны распознавать и обобщать признак «число элементов», устанавливать соответствие между этим отвлеченным признаком и ранее нейтральными для них стимулами — арабскими цифрами. Оперируя цифрами как символами, они способны ранжировать множества и упорядочивать их по признаку «число», а также совершать число действий, соответствующее цифре. Наконец, они способны к выполнению операций, изоморфных сложению, но этот вопрос требует более точных исследований.»[12]. Там же отмечается высокая способность к символизации и обобщении по признаку «количества» у врановых.
Переход от «чувственного счета» к абстрактному осуществляется при помощи взаимооднозначного соответствия между двумя множествами, одно из которых позже принимается как бы за эталон. Взаимооднозначное соответствие по началу носит также конкретно-чувственный характер(например, расположение элементов друг напротив друга). Таким способом пользуются даже современные люди, когда считают что-либо загибая пальцы. Считается, что именно счет на пальцах лежит в основе десятичной системы исчисления, принятой у европейских народов [10, стр. 11]. На этом этапе обобщения появляется знаковое обозначение числа. Первоначально это были зарубки на дереве, костях, узелки на веревках, количество которых совпадало со значением числа. Конкретно-чувственное происхождение чисел находит свое отражение в языке. «Вначале счет производился с помощью подручных средств:пальцев камней, еловых шишек и т.д. Следы этого сохранились в названии математических счислений: calculus, которое имеет латинское происхождение и означает: счет камешками»[11, стр. 17]. С развитием культуры и общества появляется потребность в использовании более больших чисел, так появляются разнообразные числовые системы. Современная десятичная система появилась в результате развития древних систем счисления. К системам счисления предшествующим десятичной относятся:
• Иероглифические непозиционные системы. К ней относится Римская система. В ней числа формируется из набора узловых чисел обозначенных иероглифами. Число образуется из этого набора путем дописывания справа или слева узлового числа других узловых чисел. Значения числа вычисляется по аддитивному или субстрактивному принципу.
• Алфавитные системы счисления. Здесь числа записываются при помощи букв. Чтобы отличить буквы от чисел, каждой букве приписывается отличительный признак. Буквы используемые для записи чисел берутся в группы по 9 штук. Для записи единиц десятков и сотен используются разные группы букв, что существенно осложняет ее использование.
• Позиционные недесятичные системы счисления.
Почти
одновременно со счетом зарождаются
математические операции сложения и
вычитания(когда уменьшаемое больше
вычитаемого). Позже появляется умножение,
как повторное сложение. Деление появляется
значительно позже, чем умножение, хотя
представления о простых дробях (
)
появляется сравнительно рано. Понятие
о натуральных числах, как о бесконечном
наборе чисел, возникло не сразу.
Представления о неисчислимо больших
числах сохранились в языке, например в
русском словами «тьма», «много». Наиболее
отчетливое представление о безграничном
продолжении ряда натуральных чисел
обнаружено у греческих математиков. В
XII-VII веках до н.э. (времена Гомера) самым
большим числом было мириада (1000), которое
позже стала обозначать 10000. В III в до н.э.
Архимед в своем труде «Исчиление
песчинок» опроверг возможность построить
сколь угодно большое число.
Однако даже в математике Древней Греции не было единого представления о том, что такое число. Так в школе Пифагора и Платона считали единицу не числом, а «эмбрионом числа». Стоит отметить, что мифологическое сознание древнегреческого общества еще не до конца воспринимало математические и философские абстракции. «Наименее доступны пониманию широких кругов были именно числа, эти наиболее абстрактные элементы науки того времени»[7, стр. 83]. По этим и другим причинам математика, ее методы и результаты выглядели мистически. Наиболее развитым и философски обоснованным мистическим взглядом на числа были пифагорейство и неопифагорейство. Упрощая, можно сказать, что пифагореизм в основе гармонии мира видел число, для пифагореизма все числа имели мистический смысл. Подобные взгляды можно встретить и сегодня. Однако следует признать, что проникновение в философию понятий математики чаще всего было плодотворным. В качестве примера можно привести категорию «Количество» в философии Канта и в диалектической логике, а также парадоксы теории множеств.
Хотя аксиоматически сначала строится множество натуральных чисел, потом целые числа, а потом уже рациональные, исторически рациональные числа появились раньше отрицательных чисел и нуля.
Первоначально понятие нуля возникло в качестве обозначения нулевого разряда в записи чисел. Первое достоверное использование нуля обнаружено в Индии и относится к IX веку. Однако точное происхождение цифры ноль в позиционных системах не известно. «Одни исследователи(Г. Фреуденталь) предполагают, что нуль был заимствован у греков...Другие(Дж. Нидэм), наоборот, считают, что нуль пришел в Индию с востока»[10, стр. 183]. В Индии наиболее ясно и полно исследовали вопрос о применимости к 0 арифметических операций, математиком Бхаскара даже исследовался вопрос о делении на на 0.
Также в индийской математике было наиболее отчетливое представление об отрицательных числах. «Индийские математики, начиная с Брахмагунты(VII в.н.э.), систематически пользовались отрицательными числами и трактовали положительное число как имущество, а отрицательное как долг»[10, стр. 190], хотя мы не можем утверждать, что отрицательные числа впервые появились в Индии. Было установлено, что квадрат отрицательного числа — число положительное, также ставились вопросы о наличии квадратного корня из отрицательного числа. Действиям с отрицательными числами посвящена целая глава в произведении Бхаскары «Виджаганита».
Менее ясные представления об отрицательных числах были и у китайцев. Их появление было связано с задачами, которые сегодня называются системы линейных уравнений. «Так как все вычисления, в том числе и преобразования матрицы, производились на счетной доске, то для обозначения отрицательных чисел применялись счетные палочки другого цвета или формы, а в случае записи применялись иероглифы разных цветов»[11, стр.84]. Юшкевич высказывает предположение о том, что представление об отрицательных числах имел Диофант [10, стр. 145].
Хотя идея ввести обозначение для «ничего» возникла в математике достаточно давно, но как число нуль долгое время не воспринимался. Тем более полноправными числами не воспринимались отрицательные числа, мысль о том, что есть что-то меньше чем «ничто» многим казалась абсурдной. «...еще Кардано называет отрицательные числа «фиктивными» [10, стр. 315].
Интерпретация отрицательного числа как «долга» у индусов переняли арабы, использование отрицательных чисел встречается в работах арабского математика Абу-л-Вафы. Считается, что термин долг был заимствован математиком Средневековья Леонардо Пизанским(ок. 1170-после 1250, известен как Фибоначчи) у арабов. Кроме «долга» существовал термин «меньше, чем ничто». Зачатки геометрической интерпретации отрицательных чисел появляется в работе М. Штифеля «Полная арифметика», но только после работ Ферма и Декарта отношение к отрицательным числам кардинально изменилось. Применение отрицательных чисел и нуля сыграло важную роль в математике, позволило обобщить многие задачи, упростить некоторые вычисления и формализовать многие алгоритмы.
Как
было отмечено ранее, дроби появились
намного раньше чем целые числа (
)
и даже раньше чем операция деления. Они
возникли из потребности делить целое
на части, а также выражать величину
через ее части. Дроби вида
называемые долями известны человечеству
со времен зарождения математического
знания. Так египтяне имели обозначения
для дробей вида
(единичные),
а также для
,
однако если им встречались дроби другого
вида, они раскладывали их на сумму
единичных дробей. Единичные дроби
использовались на ранних этапах греками
и шумерами. Дроби общего вида
появляются в Греции, хотя изначально
не принимаются как числа. Греки впервые
построили, по нашим понятиям группу
положительных рациональных чисел.
«Только в Греции начали оперировать с
дробями вида
,
причем умели производить с ними все
действия арифметики с тем ограничением,
что вычитать можно было из большего
меньшее»[10, стр. 71].
Дроби
также были издавна известны в Индии,
упоминания о таких дробях как
относятся к середине II тысячелетия до
н.э. Причем индийцы записывали их
способом, напоминающий современный:
числитель над знаменателем, но без
разделительной черты. Также указывались
правила обращения с такими объектами,
аналогичные современным правилам
обращения с дробями.
Несколько слов стоит сказать о происхождении десятичных дробей. Прообразом для десятичных дробей послужили шестидесятиричные дроби, используемые вавилонянами. Она напоминала современный способ записи дробей тем, что позволяла записывать целю и дробную часть однотипно, что значительно упрощало вычисления. Постепенно, возникают догадки,что это удобство не связано с какими-то особенными свойствами число 60. «Зреет мысль о том, что в основу системы таких дробей может быть положено и другое число...Понимание этой мысли можно видеть уже в учебнике арифметики середины XII в., приписываемом Иоанну Севильскому. Иордан Немораррий(XIII в.) дает даже специальное название таким систематическим дробям, аналогичным шестидесятеричным»[6, стр. 240]. Идея десятичных дробей использовалась некоторыми математиками, но до XIV века строгого их построения не было. В середине XIV в. французский математик Бонфис сделал попытку развить идею десятичного числа. Однако его работа носила эскизный характер и не была опубликована.
В первой половине XV теорию десятичного числа построил самаркандский математик Джемшид Гиясэддином ал-Каши. Он описал десятичную записи числа и описал правила обращения с десятичными дробями. Однако работы ал-Каши оставались неизвестными вплоть до середины XX века.
В Европе десятичные дроби появились благодаря инженеру Симону Стевину(1548-1620). Он объединил отдельные идеи и представления о десятичных дробях и пламенно их пропагандировал. Большой интерес матетиков вызвали периодические дроби. Они были впервые обнаружены арабским матетиком ал-Марадини в XV в. В Европе вопрос о периодических дробях был серьезно рассмотрен Валлисом в 1676 в трактате по алгебре. Вопросами периодических дробей занимались также Лейбниц, Ламберт, Эйлер, Бернулли, Гаусс и др.
2 Проблема несоизмеримых или Первый кризис в основании математики
Как видно из предыдущего исторического экскурса, твердого понимания что такое число долгое время не было. С точки зрения древних греков, числом было только натуральное число большее единицы. Несколько более прогрессивная система счисления была у вавлонян, использущих шестидесятиричные дроби. Вавилоняне знали теорему Пифагора и сталкивались с проблемой извлечения корней из чисел не имеющих точного квадрата. Однако, нет данных о том, рассматривали ли они этот вопрос теоретически. «Обладание подобной[шестидесятиричной] системой и вытекающая отсюда уверенность в числовых расчетах неизбежно приводили к «наивному» понятию действительного числа, почти совпадающему с тем, которое в наши дни можно встретить в элементарных учебниках математики (связанное с десятичной системой счисления) или у физиков и инженеров. Это понятие не поддается точному определению, но его можно выразить, сказав, что число рассматривается как определенное благодаря возможности получать его приближенные значения и вводить их в вычисления.»[2, стр. 146]. Такой же прагматический подход к иррациональным числам был распространен в Индии и Китае.
Несмотря на несовершенную систему счисления, строгость и теоретичность греческой математики способствовала развитию представлений о числе. Как уже было отмечено выше, каждое число греки видели как сумму единиц. Единица была образующей каждого числа, а все числа состояли измерялись единицей. Такой же подход был к геометрическим объектам. В основе теории соизмеримости лежала идея о том, что существует единая единица измерения всех отрезков, такая что каждый отрезок можно отождествить с натуральным числом, по количеству в нем единичных отрезков. Отсюда естественным образом следовало, что отношение двух отрезков можно было описать двумя целыми числами, или, говоря современным языком, рациональным числом. Подобные взгляды были распространены в греческой философии; так, пифагорейцы считали, что под все можно подвести число, Фалес пытался объяснить многообразие мира из единого начала.
Однако благодаря теореме Пифагора открыта иррациональность, которая была серьезным ударом учению пифагорейцев. Школой Пифагора было установлено, что отношение диагонали квадрата к его стороне не может быть рациональным числом. Доказательство этого факта имеется в «Началах» Евклида. Полагают, что это и есть пифагорейское доказательство [10, стр. 73]. Приведем его в современной трактовке[10, стр. 73].
Пусть
— диагональ квадрата, а
— его сторона. Тогда их отношение равно
отношению целых чисел. Выберем такие
числа, чтобы они были взаимопростыми.
Возведем
эту дробь в квадрат
.
По теореме Пифагора
,
следовательно
(1)
Отсюда
следует, что
- четное число. Из свойств четных и
нечетных чисел следует, что и
четное, следовательно
.
Подставляя в (1), имеем
Из
чего следует что,
четное число, а значит и n четное, что
невозможно т.к. m и n взамопростые.
Это замечательный пример того, что математики называют красивым доказательством, некоторые исследователи полагают, что это было первое в истории доказательство «от противного»[1, стр.235]. Возможно, доказательству этой теоремы предшествовали попытки найти практически общую меру этих двух величин[7, стр. 92].
Это открытие потрясло греков. «...проблема несоизмеримости получила громкую известность среди широких кругов образованных людей»[10, стр. 73]. Есть легенда о том, что Пифагор в благодарность богам принес в жертву сто быков[7, стр. 91]. Возможно было даже мнение что этот результат должен остаться тайным[1, стр.235].
Несоизмеримость не имела геометрического осмысления. Это явление назвали «алогон», не поддающееся осмыслению. Термин «иррациональность» является латинским переводом этого слова[7, стр.91]. В истории математики крушение пифагорейской арифметики называют Первым кризисом математики.
Вслед
за открытием иррациональности
последовало открытие иррациональности
чисел
,
сделанное Теодором(Феодором) из Кирены.
Ученик Теодора Теэтет(начало IV в. до
н.э.) доказал несколько теорем и критериев
несоизмеримости, в частности он предложил
метод для доказательства иррациональностей
вида
.
Теэтет классифицировал иррациональности,
также он считается творцом общей теории
делимости.
2.1 Следствия первого кризиса и попытки его преодоления
Открытие несоизмеримости оказало огромное влияние на греческую мысль. «Именно с открытием несоизмеримых величин в греческую математику проникло понятие бесконечности»[1, стр. 235]. Дело в том, что до открытия несоизмеримости греки находили общую меру при помощи алгоритма Евклида. Но случае несоизмеримых отрезков алгоритм переставал быть конечным. Этот факт побудил греков к рассмотрению бесконечности. Однако понятие бесконечности давалось грекам с трудом и глубоко смущало их. Трудности связанные с понятием бесконечного привели к еще большему кризису в математике и нашли отражение в знаменитых апориях Зенона Элейского. Эти апории(парадоксы) вскрывали противоречия между теми кто считал что материя и время бесконечно делимыи теми, кто считал что существуют первичные неделимые единицы. Приведем самые интересные для затронутой темы парадоксы по [10].
1. Парадокс «Дихотомия» построенный в предположении, что пространство делимо до бесконечности.
Движущееся тело никогда не достигнет конца пути, потому что сначала оно должно дойти до середины отрезка, потом до середины остатка отрезка, потом до четверти отрезка и так далее. Таким образом тело должно пройти бесконечный набор точек.
2. Парадокс «Стрела», построенный в предположении, что время пространство и время состоят из неделимых элементов.
Стрела в некоторый момент времени находится в точке в неподвижном состоянии. Так как это верно в каждый момент времени, то стрела покоится.
Несмотря на то что, в этих парадоксах отражено незнание греками понятия предела, эти парадоксы не так просты. Вопросы, поставленные Зеноном, обсуждались философами и математиками во все времена. В частности такими математикам как Гильберт и Вейль. Но для греческих математиков вопрос был в том, допустимо или не допустимо использовать бесконечность в математике. Этот вопрос в греческой математике стоял очень остро. Например, Протагор(V в. до н.э) отрицал даже все математические абстракции[10, стр. 94].
Первая концепция бесконечного, которая стала общепринятой в греческой математике, была выдвинута Анаксагором(V в. до н.э.) и развита Евдоксом Книдским. Евдоксу принадлежит метод исчерпывания, который был призван разрешить проблему несоизмеримых. Для этого он строит теорию величин аксиоматически. Величины в понимании Евдокса имеют различную природу - отрезки, числа, время, но все величины характеризуются1:
1. Транзитивностью. «Равные одному и тому же равны между собой».
2. «Если к равным прибавляются равные, то и остатки будут равны».
3. «Если от равных отнимаются равные, то и остатки будут равны».
4. Эквивалентностью. «...совмещающиеся друг с другом равны между собой».
5. Все величины одного вида упорядочены, т.е.
.
6. «...целое больше части».
7.
«величины имеют отношение друг с другом,
если они взятые кратно могут превзойти
друг друга» (или в современной трактовке:
если
,
то найдется
такое что
).Эту
аксиому Евдокс вводит, чтобы исключить
бесконечно большие величины. Она известна
в математике под названием аксиомы
Архимеда, однако Архимед не только не
был ее автором, но даже подчеркивал, что
это аксиома была известна до него[2, стр.
148].
Построение этой аксиоматики было значительным шагом в сторону теории действительного числа.
На
множестве величин Евдокс определил
операцию отношения. Два отношения
и
считались равными если для любых целых
чисел
выполнялось одно из следующих условий:
1.
и
2.
и
3.
и
.
Аналогичным способом определялись и неравенства между отношениями. Этот оператор разбивал все величины на классы пропорциональных друг другу. Евдокс также установил транзитивность операции отношения.
Как
отмечено в [2, стр. 149], введение единозначного
оператора отношения для любого вида
величин, подразумевало что для любой
пары величин
а величины
найдется величина
такого же вида, что и
,
такая что
,
но явно это положение не формулировалось
и не рассматривалось.
Как видно из определения, каждое несоизмеримое отношение определяло два класса рациональных чисел. Существенным пробелом являлось то, что не устанавливалось обратное соответствие.
Но основе построения Евдокса возник метод исчерпывания, основанный на аксиоме Архимеда. Теперь математики не приписывали длины отрезкам, а сравнивали их с другими отрезками. «... метод исчерпывания ... позволил грекам решать задачи, ставшие впоследствии предметом исчисления бесконечно малых»[1, стр. 239].
После разгрома античной культуры, ее достижения подхватили арабы, в том числе и «Начала» Евклида в которых описаны иррациональные числа. Однако математика арабов носила больше практический, вычислительный характер. «Преобладающее место ... заняло создание разнообразных вычислительных методов и измерительных средств для нужд торговли, административного управления, землемерия, картографии, астрономии, календаря и т.д.»[11, стр. 98]. Это способствовало тому, что арабы оперировали с иррациональными числами формально не уделяя особого внимание теоретическому обоснованию иррациональных чисел. По этой причине грань между «настоящими» числами и иррациональными постепенно стиралась. Также были сведены воедино несоизмеримость геометрических отрезков и арифметическая иррациональность.
В 1077 Омар Хайям, пытаясь преодолеть проблему несоизмеримости, в своем труде «Комментарии к трудностям во введениях книги Евклида» определяет, два отношения равными, если равны все соответствующие неполные частные разложения этих дробей в непрерывные дроби. Хайям показал равносильность этого определения с античным и ввел умножение и деление отношений. В заключении своей работы Хайам приходит к необходимости обобщения понятия числа и расширения его на иррациональные числа. Идеи Хайама получили признание среди арабских математиков. Его идеи развил Ат-Туси, а в XIII в. каждое отношение с уверенностью приравнивалась к числу[11, стр. 101]. Здесь интересно отметить, что в Европе до XVI в. существовало представление о несоизмеримых.
В Средневековой Европе вопросы, связанные с бесконечностью имели большей частью схоластический и метафизический характер.
3 Становление теории предела
Строгая математическое построение понятия вещественного числа стала возможной благодаря теории предела.
Человек, получивший современное математическое образование с трудом представляет себе дифференциальное и интегральное исчисление без аппарата теории предела. Однако, исторически производная появилась раньше предела. Причины такого явления в[1] объясняются насущной потребностью естествознания в XVII веке методах дифференциального и интегрального исчисления.
В XVII идеи связанные с инфинитезимальными методами начали бурно развиваться. Здесь стоит отметить таких математиков как Декарт, Ферма, Паскаль, Торричелли, Кавальери, Роберваль, Барроу. Метод квадратур, разработанный в античности, нашел широкое применение и развитие. Исследовался вопрос касательных — было дано определение, более общее чем античное, были построены методы отыскания касательных. Были сделаны попытки ввести производную. Было даже установлено, что задача о нахождении касательной обратна к задаче о квадратуре.
Несмотря на отсутствие строгости «...математики достигали все большего мастерства в обращении с понятиями, лежащими в основе исчисления бесконечно малых»[1, стр. 263].
Методы бесконечно малых завоевывают популярность у математиков и все больше используются и совершенствуются. Интегральное и дифференциальное исчисление постепенно оформляется и обобщается трудами таких ученых как Ньютон(1643-1727) и Лейбниц(1646-1716). Так, Ньютон установил связь между производной и интегралом, предложил новый метод решения уравнений при помощи производной. Он разработал метод флюксий, который связал производную с мгновенной скоростью и ускорением. При помощи этого метода он разрабатывал интегральное и дифференциальное исчисление. Также Ньютон предложил алгоритм для нахождения производной функции, основанный на ранней форме теории пределов. Основой и мощным средством метода флюксий было разложение функций в ряды, правда без должного обоснования их сходимости.
Лейбницу мы обязаны большим количеством удобных и красивых обозначений в интегральном и дифференциальном исчислении. К своим результатам Лейбниц пришел независимо от Ньютона. Пользуясь знаниями из комбинаторики он разработал формальный метод вычисления интегралов. Лейбниц ввел понятие дифференциала определив его через касательные, нашел некоторые правила нахождения дифференциала сложной функции, а также ввёл дифференциалы высших порядков. Также Лейбницем были разработаны методы поиска точек экстремума и точек перегиба. Сильной стороной теории Лейбница, с точки зрения практических вычислений, была алгоритмичность и формальность.
И Ньютон, и Лейбниц решили множество практически важных задач, пользуюясь понятиями бесконечно малых величин, их точки зрения на производную и интеграл отличались друг от друга. Так Ньютон для решения дифференциальных задач использует метод флюксий, а Лейбниц дифференциалы. Ньютон рассматривает интегрирование как задачу обратную дифференцированию(в наших понятиях, отыскание первообразной), а Лейбниц рассматривает интеграл как сумму площадей бесконечно малых прямоугольников. Вполне естесственно, что две эти концепции были конкурирующими друг другу.
Ньютон и Лейбниц, используя в своих выкладках бесконечно малые, не могли объяснить их природу, потому что не представляли себе малой величины и конечной и отличной от 0. Оба ученные близко подошли к понятию предела, но «..узкая концепция числа, не допускавшая отождествления некоторых отношений с числами, была отчасти причиной того, что ни в ньютоновской, ни в лейбницевой теориях не могло "прорезаться" понятие предела»[1, стр. 275]. Математики пользовались интуитивными и геометрическими соображениями. Функции понимались как кривые, полученные некоторым движением(так же как их рассматривали древние греки). «Первые создатели анализа и их последователи принимали как нечто само собой разумеющееся справедливость двух основным представлений о пространстве и механическом движени»[4, стр. 36]. Вероятно по этой причине связь между непрерывность и дифференцируемость долгое время считались почти синонимами.
Однако метод бесконечно малых доказал свою плодотворность и нужность математике, от этого проблема фундамента для интегрального и дифференциального исчисления становилась еще более острой. Споры были не только среди математиков; жестким нападкам подвергалась вся математика, например, со стороны богослова Д. Беркли. Это состояние математики XVII-XVII получило название второго кризиса математики.
Вслед за Ньютоном и Лейбницем попытки определить понятие бесконечно малой предпринимались Эйлером, Даламбером и Лагранжем. Эти попытки нельзя назвать бесполезными, этими работами укрепилось в матетике понятие функций, что сыграло свою роль дальнейшие поиски теории предела. Однако построить связанную и логически обоснованую теорию не получилось.
Таким образом к XIX веку в математике сложилась парадоксальная ситуация. Налицо были несомненные успехи математических наук в естествознании, разработана методика обращения с рядами, дифференцирования и интегрирования, решены многие важные задачи, но понимния на чем основан математический анализ не было. Необходимость разобраться с фундаметом новой математики стала всеобщей и насущной.
Построением стройной и строгой теории бесконечно малых мы обязаны Огюстену Луи Коши(1789-1857). Следует признать, что Коши был не первым математиком, кто пришел к этой идее, но, исторически, его работы сыграли в развитии математического анализа ключевую роль. Коши дал общее определение предела в описательной форме: «Если значения, последовательно приписываемые одной и той же переменной, неограниченно приближаются к фиксированному значению, так что в конце концов отличаются от него сколь угодно мало, то последнее называют пределом всех остальных»2. С точки зрения этого определения стало понтным что такое бесконечно малая величина — это всего лишь величина, имеющая предел равный 0, затем Коши определил понятие производной и показал связь этого определения с дифференциалами Лейбница. Также он построил первую строгую теорию интегрирования и доказал связь интегрирования и дифференцирования.
Переоценить вклад Коши в математику трудно. Его работами открывалась новая эпоха в математике, «...начинается так называемая "арифметизация" всей математики»[3, стр. 117]. Благодаря работам Коши математический анализ прочно и заслуженно занял в математике одно из главных мест. Методы Коши получили всеобщее распрастранение, применялись оттачивались весь XIX век. Идеи и методы Коши плодотворно пользуются и обобщаются современными математиками и сегодня.
4 Создание теории действительного числа
После «наведения порядка» в математическом анализе встал вопрос о ситуации в арифметике. «К необходимости разработки теории действительных чисел приводили многие задачи анализа и некоторые способы рассуждений, применявшиеся при решении этих задач»[4, стр. 61]. Проблема основания, понимания того, что же такое число, в XIX в. еще не была решена. С нашей точки зрения, это была задача о пополнении множества рациональных чисел. Ее пытались решить следующим способом(приведен по [4]):
Определим иррациональное число как предел последовательности рациональных чисел. Надо показать, что такая последовательность сходится. Для этого воспользуемся критерием Коши, который будет справедлив для любых рациональных значений, однако для того чтобы ответить на вопрос будет ли он справедлив для действительных чисел необходимо иметь определенными иррациональные числа. Получался замкнутый круг.
Эта задача была решена в XIX веке с разных точек зрения и независимо друг от друга Вейерштрассом, Дедекиндом, Кантором и Мерэ.
4.1 Карл Вейерштрасс
Карл Вейерштрасс родился в городе Остенфельд (предместье Эннигерло), в семье секретаря бургомистра. В 1834 г. с успехом закончил Пандерборнскую гимназию, его имя было в списке 11 самых талантливых учеников. По настоянию отца в 1834 году Вейерштрасс поступает в Боннский университет для получения юридического образования. Но юридические науки его не увлекали, большую часть времени он уделял занятиям математикой. Через 4 года Вейерштрасс бросает университет, не сдав ни одного экзамена. В 1839 году поступает в Мюнстерскую академию, а в 1841 году блестяще сдает выпускную работу. После окончания университета работает учителем в провинциальных городах Германии. В 1845 публикует статью по абелевым функциям, за которую получает докторскую степень от Кенигсбергского университета. В 1861 избирается членом Баварской академии наук. С 1856 по 1889 читает лекции в Берлинском унивеситете. Умер Вейрштрасс в 1897 году.
Математическое творчество отличается стремлением к ясности и строгости. Как пишет о нем Пуанкаре[5]: «Вейерштрасс отказывается пользоваться интуицией или по крайней мере оставляет ей только ту часть, которую не может у нее отнять» Работы Вейерштрасса охватывают широкий круг проблем: абелевы и эллиптические функции, комплексные величины, теория рядов и многие другие.
Вейерштрасс
сыграл главную роль в арифметизации
математического анализа. Он стремился
к тому, чтобы все понятия математики
перевести в буквенно-числовые. Он ушел
от любых интуитивных и геометрических
представлений понятия функции. Чтобы
уйти от туманных формулировок вроде
«Неограниченное приближение одной
величины к другой», был создан язык
,
который позволял теперь рассматривать
функции как числовые соответствия между
множествами, непрерывность которых
можно установить при помощи арифметических
неравенств. Вейерштрасс опроверг
некоторые интуитивные представления
о функциях, например, он построил
непрерывную функцию не имеющей производной
ни в одной точке.
Вейерштрасс придерживался точки зрения, что строгость анализа зависит от арифметики. Поэтому он начинает работать над приведением в порядок доставшегося от греков математического наследства несоизмеримых. Он отделяет понятие числа от понятия величины.
Приблизительно в 1863 году Карл Вейерштрасс создает теорию вещественных чисел, которая разрешает логические нестыковки арифметики. К сожалению, он не издавал её, а изложил на лекции своим ученикам. Вейерштрасс дал свое построение в терминах точных частей единицы, но здесь оно рассмотрено в современной трактовке.
Положим
что у нас есть рациональные числа.
Возьмем множество
рациональных такое, что его сумма любого
конечного числа элементов не превосходит
заданных границ. Если мы будем теперь
составлять из этих чисел сумму, то если
сумма будет конечной. Таким образом,
конечная сумма этих чисел будет
представлять рациональное число, мы
можем сопоставить любому рациональному
числу некоторый конечный набор из
некоторого множества
.
С иррациональным числом этот набор
будет бесконечным. Далее, возьмем два
бесконечных набора. Будем считать что
рациональные числа представлены
несократимыми дробями. Рассмотрим набор
чисел натуральных чисел
.
Если для
сумма дробей вида
из первого множества совпадает с суммой
таких же дробей из второго множества,
то иррациональные числа совпадают друг
с другом. Рассмотрим первый номер
для которого это равенство не выполняется.
Если для имеет место равенство
,
где суммы составлены по таким рациональным
числам, которые имеют вид
,
то первое число больше второго. Если
имеется обратное неравенство, то второе
число больше первого. Сложение чисел
определяется операцией объединения
множеств. Вычитание определяется как
операция обратная сложению. Составление
агрегата вида
,
где умножение составляется по всевозможным
элементам, определяет умножение.
Таким образом, Вейерштрасс построил вещественное число. Стоит отметить, что он не приравнивает число к ряду, тем самым избегает логической ошибки своих предшественников. Из этого построения видно, что оно определяет взаимооднозначное соответствие: с одной стороны из рационального чисел можно построить вещественной число, с другой каждое вещественной число можно определить некоторым построением из вещественных чисел. Кроме того, оно использует актуально бесконечные множества.
Стоит еще раз подчеркнуть, что Вейерштрасс в своем определении вещественного числа исходит только из арифметики, не связывая их с точками на прямой.
Построение вещественных чисел позволило перейти от механического, геометрического понятия предела к теоретико-множественному. Также при помощи строго определения понятия числа Вейерштрасс развил теорию аналитических функций. Также в работах Вейерштрасса встречается прообраз того, что мы называем мощностью множеств.
4.2 Георг Кантор
Родился 3 марта 1845 в Санкт-Петербурге и рос там до 11-летнего возраста. Отец семейства был членом Петербургской фондовой биржи. Когда он заболел, семья, рассчитывая на более мягкий климат, в 1856 году переехала в Германию: сначала в Висбаден, а потом во Франкфурт. В 1860 году Георг закончил с отличием реальное училище в Дармштадте; учителя отмечали его исключительные способности к математике, в частности, к тригонометрии. Продолжил он образование в Федеральном политехнический институте в Цюрихе. Спустя год, после смерти отца, Георг получил наследство и перевёлся в Берлинский университет. Там он посещает посещает лекции Кронекера, Вейерштрасса, Куммера. Лето 1866 года Кантор провёл в университете Гёттингена, важном центре математической мысли. В 1967 году в Берлине получил степень доктора за работу по теории чисел «De aequationibus secundi gradus indeterminatis».
После непродолжительной работы преподавателем в Берлинской школе для девочек, Кантор занимает место в Галльском университете Мартина Лютера, где и пройдёт вся его карьера. В 1872 году он становится адъюнкт-профессором, тогда же, во время отпуска, завязывает дружбу с Рихардом Дедекиндом. В 34 года Кантор становится профессором математики. В 1879-84 он систематически излагает своё учение о бесконечности; «ввёл понятия предельной точки, производного множества, построил пример совершенного множества, развил одну из теорий иррациональных чисел, сформулировал одну из аксиом непрерывности» [8]. Несмотря на такую успешную карьеру, мечтает о должности в более престижном университете, например, Берлинском. Однако, мечтам не удаётся воплотиться в жизнь: многие современники, в том числе Кронекер, который рассматривается сейчас как один из основателей конструктивной математики, с неприязнью относятся к канторовской теории множеств, поскольку та утверждает существование множеств, удовлетворяющих неким свойствам, — без предоставления конкретных примеров множеств, элементы которых бы действительно удовлетворяли этим свойствам.
В 1984 году Кантор испытал приступ глубокой депрессии и на время отходит от математики, смещая свои интересы в сторону философии. Затем возвращается к работе. В 1897 году он прекращает научное творчество. Умер Кантор в Галле 6 января 1918.
Одна из актуальных проблем XIX века была проблема бесконечного деления отрезков и существование точки , принадлежавшей всем таким стягивающимся отрезкам. Эта задача требовала понятия действительного числа.
Построение
Кантором теории действительного числа
было опубликовано 1872 году, почти
одновременно с теорией Вейерштрасса и
Дедекинда. В своем построении Кантор
исходит из наличия рациональных чисел.
Затем он вводит фундаментальные
последовательности Коши и приписывает
им формальный предел. Далее, он
рассматривает разбивает все
последовательности на классы
эквивалентности. К одному и тому же
классу последовательности относятся
тогда и только тогда, когда их разность
стремится к нуль, то есть
.
Далее, формальные пределы равны друг
другу, если они имеют две такие
фундаментальные последовательности,
которые эквивалентны друг другу или
.
Отношение порядка определяется следующим
образом.
Если
и
то
.
Если
то
.
Таким образом, классы эквивалентности описывают некоторые вещественные числа. Назовем их вещественными числами первого порядка. Если мы попробуем образовать вещественное число большего порядка, составляя фундаментальные последовательности Коши, то получим опять множество вещественных чисел первого порядка. Иными словами, множество вещественных чисел замкнуто.
Кантор обращает внимание тот факт, что в определении вещественного числа лежит актуально бесконечное множество рациональных чисел: «...к определению какого-нибудь иррационального числа всегда принадлежит некоторое строго определенное множество первой мощность рациональных чисел»3.
Заметим, что построение Кантора можно обобщить на другие объекты, что была сделано Кантором и его последователями, «разработка теорий действительного числа была достаточно существенной предпосылкой создания теории множеств»[4, стр. 63]. Например, на основе своего построения вещественного числа Кантор впоследствии свою теорию трансфинитных чисел.
Кроме того, Кантор ввел понятие мощности множеств и доказал неэквивалентность иррациональных и рациональных чисел.
4.3 Рихард Дедекинд
Дедекинд Рихард Юлиус Вильгельм родился 6 октября 1831 года в Брауншвейге (Нижняя Саксония). Там он провёл большую часть своей жизни и умер 12 февраля 1916 года. Отучившись в Карловском коллегиуме в его родном городе, в 1850 году Дедекинд поступает в Гёттингенский университет, ведущий и старейший в Нижней Саксонии. В числе его университетских друзей был Бернхард Риман.
В 1852 году в возрасте 21 год Дедекинд получает докторскую степень за работу над диссертацией по теории интегралов Эйлера. Затем, отучившись в Берлинском университете 2 года, он вернулся в Гёттинген и в должности приват-доцента преподавал курсы теории вероятности и геометрии. В 1855 году, после смерти Гаусса, его кафедру занял Дирихле, общение с которым оказало огромное влияние на Дедекинда; они стали близкими друзьями. Первое время Дедекинд изучал эллиптические и абелевы функции. Кроме того, он был первым в Гёттингене, кто преподавал теорию Галуа и ввёл в широкое употребление предложенное Галуа понятие поля.
В 1858 году Дедекинд начал преподавать в Техническом университете в Цюрихе. Когда в 1862 году Карловский коллегиум был преобразован в Технический институт, Дедекинд возвращается в родной Брауншвейг на должность профессора, где до конца своей жизни преподаёт.
В 1971 году при переиздании "Лекций по теории чисел" Дирихле, в десятом (в более поздних изданиях — одиннадцатом) дополнении он изложил свои труды, за которые получил научное признание. «Этой и другими своими работами, в которых введены понятия кольца, модуля и идеала, Дедекинд заложил основы современного аксиоматического изложения математических теорий» [13].
В том же году он знакомится с Георгом Кантором. Знакомство перешло в долголетнюю дружбу и сотрудничество; Дедекинд стал одним из первых сторонников канторовской теории множеств. Сформулировал (1888 год) систему аксиом арифметики (ее обычно называют аксиомами Пеано), содержащую, в частности, точную формулировку принципа полной математической индукции. Ввел в математику в самом общем виде теоретико-множественное понятие отображения. В 1894 году Дедекинд ушёл на заслуженный отдых, но продолжал иногда читать лекции и публиковаться.
Он никогда не был женат и проживал со своей незамужней сестрой Юлией. Дедекинд избирался членом в Академии Берлина (1880 год) и Рима, а также в Французскую Академию наук (1900). Он получил докторские степени в университетах Осло, Цюриха и Брауншвейга. Издал лекции по теории чисел, читанные Дирихле, труды Гаусса, а также (совместно с Г. Вебером) полное собрание сочинений Римана.
Дедекинд,
также как и Вейерштрасс, обнаружил
логическую трудность перехода от
геометрического анализа к арифметическому,
состоящую в неопределенности вещественного
числа. Свое построение действительного
числа Дедекинд относит к осени 1858 года.
Поход к вещественному числу Дедекинда
близок к подходу Евдокса настолько, что
некоторые математики не сразу видели
различие[10]. Дедекинд исходит из
геометрического представления о том,
что точка делит прямую на две части,
которые условно можно назвать правой
и левой. Далее Дедекинд определяет
сечение множества рациональных чисел
как пару подмножеств Q, такую что любой
элемент из одного множества всегда
больше любого элемента из другого
множества. Для определенности будем
считать, что
.
Сечения могут быть определены рациональным
числом, тогда либо
имеет минимальный элемент, либо
имеет максимальный элемент. Если же мы
построим сечение обладающее таким
свойством, то оно определяет рациональное
число. Однако, существуют сечения не
имеющие такое свойство, например сечение
всех рациональных чисел, определенное
неравенством
.
Таким образом, при помощи сечения можно
определить новое число,которое однозначно
определяется сечением. Отношение
равенства и порядка устанавливаются
при помощи двух множеств сечения —
Дедекинд показал, что существует только
три соотношения между классами сечения,
которые и определяют упорядоченность
поля вещественных чисел. Как и Кантор,
он доказал полноту построенного множества
чисел.
Дедекинд дал одно из первых определений непрерывности: «Если разбить все величины какой-то области, устроенной непрерывным образом, на два таких класса, что каждая величина первого класса меньше любой величины второго класса, то либо в первом классе существует наибольшая величина, либо во втором классе существует наименьшая величина»4.
Следует отметить, что несмотря на безусловную строгость построения, в подходе Дедекинда ощущается большая геометричность, чем у Вейерштрасса, «и Дедекинд и Кантор сразу же выдвигают аксиому о взаимооднозначном соответствии между построенными ими действительными числами и точками прямой»[4, стр. 62].
Заключение
Новые воззрения в математическом анализе не приживались гладко. Жестко критиковал учение Вейерштрасса, например, Кронекер. Критику Кантора можно уверенно сравнить с травлей. Но время доказало правильность выбранного курса. Привычный нам вид математического здания во многом был построен благодаря таким ученным как Вейерштрасс, Кантор и Дедекинд.
Построение вещественного числа завершило постройку фундамента для математического анализа. Вопрос аксиоматического построения анализа был практически завершен: все, что оставалось сделать - это построить аксиоматику целых и рациональных чисел. Эта задача была завершена Ж. Пеано в 1889 году. Однако, построение вещественного числа не является узкоспециальным вопросом математики, как, например, Великая теорема ферма. Благодаря работам Вейерштрасса, Кантора и Дедекинда в обращение вошли актуально бесконечные объекты: вещественное число, стало фактически первым таким объектом. Строгие построения основанные на аксиоматике, способствовали переходу математиков от «чувственного», «интуитивного» к абстрактному и строгому. Обобщенные методы построения вещественного числа стали впоследствии основой для теории множеств, функционального анализа, интеграла Лебега. Так что с уверенностью можно сказать, что ни один человек не может стать математиком, не зная работ трех великих творцов математики XIX века.
Список литературы
[1] А. Даан-Дальмедико, Ж. Пейффер. Пути и лабиринты. Очерки по истории математики. М.: Мир, 1986.
[2] Н. Бурбаки. Очерки по истории математики. М.: ИЛ, 1963.
[3] Ф. Клейн. Лекции о развитии математики в XIX столетии. М.-Л.: ГОНТИ, 1937.
[4] Ф.А. Медведев. Развитие теории множеств в XIX. М.: Наука, 1937.
[5] П.Я. Кочина. Карл Вейерштрасс. М.: Наука, 1937.
[6] И.Я. Депман. История арифметики. M.:Просвещение, 1965.
[7] Э.Кольман. История математики в древности. М.: Физматгиз, 1961.
[8] Большая советская энциклопедия. — 3-е изд. / Гл. ред. Прохоров А. М. — М.: Сов. энцикл., 1978.
[9] Энциклопедический словарь. М.: ГНИ «Большая Советская энциклопедия», 1953.
[10] История математики с древнейших времен до начала XIX столетия, под ред. А.П. Юшкевича. М.:Наука, 1970.
[11] К.А. Рыбников. История математики. Т.1. изд. МГУ, 1960.
[12] З.А. Зорина, И.И. Полетаева. Элементарное мышление животных:учебное пособие. M.: Аспект Пресс, 2002.
[13] Математика XIX века. Том 1. Математическая логика. Алгебра. Теория чисел. Теория вероятностей. Под ред. А. Н. Колмогорова и А. П. Юшкевича. М.: Наука, 1978.
1Далее цитаты из «Начал» Евклида, приведенные по[10, стр.96]
2Цитата взята из [1, стр. 283]
3Цитата взята из [4, стр. 62]
4Цитата взята из [1, стр. 291]