Лаплас. Небесная механика

Первая публикация этого позднего труда — Лапласу было уже 62 года — состоялась в 1782 году. Работа была посвящена Наполеону. Автор подчеркивал, что расчет вероятностей применялся «к самым важным жизненным вопросам, которые по большей части являются лишь задачами вероятности». Наполеон в ответ назвал теорию вероятностей «первой из наук». Лаплас в течение десятилетий полностью посвятил себя небесной механике, но потом он вновь взялся за свои прежние труды о вероятностях и отправил в издательство научный трактат на эту тему.

РИС.1

РИС. 2

Как гласило название, Лаплас стремился предложить аналитическую теорию вероятностей, то есть установить связь между анализом и расчетом вероятностей — двумя дисциплинами, тогда еще полностью разделенными.

Важен тот факт, что в своей книге Лаплас исследовал центральную предельную теорему, имеющую решающее значение для статистики и теории вероятностей. В своем труде от 1773 года он изучал увлекательный вопрос, связанный с определением реального положения звезды на основании серии наблюдений. Здесь недостаточно применить арифметический метод, ведь необходимо доказать, что выбранное значение минимизирует погрешность, то есть разницу между реальным и наблюдаемым явлениями. Лаплас интерпретировал эту проблему, рассматривая фактическое положение звезды в качестве причины наблюдаемых положений, и предположил, что погрешности зависят от случая. Искусно используя теорему Байеса, ученый пришел к выводу, что возможно начертить кривую, которая представляла бы распределение погрешностей вокруг истинного значения. Кривая является симметричной и нисходящей, исходит из центрального значения; чем больше мы удаляемся от этой точки, тем больше вероятность, что мы допускаем погрешность измерения. Чем ближе мы к вершине кривой, тем больше вероятность того, что мы ближе к фактическому значению. Решая дифференциальное уравнение, Лаплас сделал вывод, что кривая распределения погрешностей (рисунок 1, страница 136) выражается экспоненциальной функцией:

φ(x) = (e-|x|)/2.

Лаплас не первый определил нормальное распределение, равно как и экспоненциальную функцию (хотя и выраженную с помощью другой формулы). Она была введена Муавром в начале XVIII века. Обычная кривая распределения погрешностей связана с методом наименьших квадратов (рисунок 2, страница 136), цель которого — представление полученных данных в виде кривой, а также минимизация погрешностей метода. Лежандр представил этот метод в 1805 году в труде «Новые методы для определения орбит комет». Кроме этого молодой математик по имени Карл Фридрих Гаусс утверждал, будто он первым использовал этот метод в 1801 году, что спровоцировало ожесточенный спор между двумя математиками, каждый из которых отстаивал свое право на авторство открытия.

Гаусс первым рассчитал орбиту планеты Церера, открытой в начале XIX века, 1 января 1801 года. Немецкий ученый проанализировал серию наблюдений Цереры, предположил, как проходит ее орбита, и предсказал, где эта малая планета появится снова. Ученый использовал собственный метод — метод наименьших квадратов, который тщательно описал в своем дневнике. Он позволяет построить траекторию на основании совокупности точек и минимизировать при этом сумму квадратов погрешностей, то есть различие между наблюдаемыми и реальными значениями.

В 1809 году Гаусс триумфально вошел в мир астрономии со своим трудом «Теория движения небесных тел». В нем он устанавливал связь между методом наименьших квадратов и теорией погрешностей, доказывая, что распределение погрешностей может быть проанализировано с помощью этого метода. В действительности однажды, определяя кривую, которая позволяла минимизировать среднюю квадратичную погрешность, Гаусс заметил, что погрешности приближенного значения распределяются случайным образом вокруг среднего значения. Это симметричное распределение в виде купола было не чем иным, как кривой Гаусса (рисунок 3, ниже). Она может быть выражена в виде функции:

φ(x) = 1/(√2π) · e-x/2.

Как мы можем заметить, график функции, использованной Лапласом, достаточно близок к кривой Гаусса. Это нормальное распределение, описанное кривой в форме купола, было рассмотрено в качестве универсального распределения погрешностей, что-то вроде естественного закона. Однако выражением «нормальный закон» мы обязаны Адольфу Кетле (1796-1874), который ввел концепцию «среднего человека», и Фрэнсису Гальтону (1822-1911), кузену Чарльза Дарвина. Оба ученых неоднократно применяли этот закон к своим социальным исследованиям и сделали вывод, что большинство природных характеристик распределяется «нормальным образом» и большинство людей имеют средний рост.