Научная революция XVII века

Тем не менее невозможное снова случилось, и когда 2 октября 1667 г. зазвонил колокол, возвещая о том, что выборы состоялись, Ньютон стал младшим членом (minor fellow) колледжа. Спустя полгода, в марте 1668 г., он был сделан старшим членом (senior fellow), а еще через четыре месяца Ньютон почти автоматически получил степень магистра искусств. К этому моменту имя Ньютона начинает приобретать известность в университетских кругах, в первую очередь благодаря его математическим достижениям.

Задача о проведении касательной к кривой (Декарт)

Задача о проведении касательной к кривой (Ньютон)

Существенные результаты в математике Ньютон получил уже в первые годы своего пребывания в университете. Осенью 1664 г. он занимался проблемой проведения касательных и нормалей к кривым, ею он заинтересовался, как мы помним, изучая работы Декарта и Схоутена. Решение этой проблемы было чрезвычайно важно вследствие ее непосредственной связи с понятиями дифференциального исчисления (напомним, что производная функция в данной точке есть тангенс угла наклона касательной к кривой, изображающей функцию, в этой точке)[19].

У Декарта нахождение касательной к кривой заменялось построением поднормали для данной точки. На рисунке (слева) NM — касательная, проведенная к кривой aMb в точке М, МО — нормаль и KO — поднормаль. Согласно Декарту, окружность, проведенная из точки O (пересечение нормали с осью абсцисс) радиусом МО, будет иметь в М общую касательную с данной кривой. Поэтому задача нахождения поднормали KO, которую можно рассматривать как абсциссу точки М, сводится к построению окружности, имеющей с данной кривой одну общую точку М. В общем случае окружность пересечет кривую по меньшей мере в двух точках. Алгебраически это означает, что совместное решение уравнений окружности и данной кривой имеет два различных корня. Если же окружность касается кривой, то решением служит один двойной корень, которому соответствует нормаль KO и отрезок КМ (т. е. абсцисса и ордината точки М). Декарт находил этот двойной корень с помощью открытого им метода неопределенных коэффициентов.

Для Ньютона в подходе Декарта наиболее важной была процедура перехода от двух точек пересечения к одной, и уже весной 1665 г. он определяет центр кривизны кривой как точку пересечения двух бесконечно близких нормалей, а 20 мая 1665 г. он пишет статью о максимумах и минимумах, где прямо переходит к методам исчисления бесконечно малых. В задаче о нахождении поднормали он поступает следующим образом: наряду с точкой e (которая, как и у Декарта, есть общая точка окружности и кривой) он берет другую точку пересечения f, бесконечна близкую к e; тогда c будет бесконечно близко к b. Расстояние cb он обозначает как o малое (такое обозначение он ввел несколько раньше). Затем, полагая, что de = df, и воспользовавшись теоремой Пифагора, Ньютон получает

vv + yy = ed² = ef² = zz + vv + 2vo + oo,

где ab = x; db = v; dc = v—o; eb = y; bc = o; cf = z. Из этого соотношения легко получить известную формулу дифференциального исчисления для поднормали: v = ydy/dx, ибо, как легко видеть, dx = o; z = y + dy. Но здесь Ньютон эту формулу не выписывает, он получает ее несколько позднее в работе под названием «Общая теорема о касательных к кривым линиям, когда x+y».

Наряду с исследованиями, инспирированными «Геометрией» Декарта, Ньютон много размышляет над результатами Валлиса, содержащимися в его книге «Арифметика бесконечных». Самым важным достижением Ньютона в этом направлении было открытие разложения бинома в степенной ряд; помимо этого, им были получены разложения для арксинуса

arcsin х = х/2 + х³/12 + 3х⁵/80 + 5х⁷/224 + ...

и логарифма

ln(1+х) = x — x²/2 + x³/3 — х⁴/4 +...

Все это было им получено к зиме 1664/65 г. К середине 1665 г. результаты, содержащиеся в книге Валлиса, относительно квадратуры параболических кривых, а также в работе ван Хойрата о спрямлении кривых, дают новый импульс исследованиям Ньютона, и он переходит к рассмотрению проблем интегрального исчисления. Здесь им впервые устанавливается взаимно обратная связь между дифференцированием и интегрированием, а затем он начинает систематическую разработку метода флюксий. Под флюксиями Ньютон понимал производные координат x, y, z по времени, т. е. dx/dt, dy/dt, dz/dt. В первых своих работах 1665—1666 гг. он называл их сначала «движениями», а затем «скоростями».