Гильберт. Основания математики

Эта математическая проблема была связана со множеством физических проблем. Одна из них заключалась в ее решении. Представим себе упругую мембрану, равномерно растянутую над областью плоскости Ω, ограниченную кривой γ. Теперь предположим, что контур деформируется так, что каждая точка γ занимает некоторый уровень, заданный функцией ƒ. Естественно, вследствие деформации контура мембрана изогнется и начнет колебаться. Если позволить ей свободно колебаться, по истечении некоторого времени она достигнет равновесия, приняв некоторое положение (см. рисунок 2). Требуется вычислить величину деформации каждой точки внутри мембраны относительно плоскости, то есть высоту, которую сейчас занимает то, что переместилось. Функция u(х, у), измеряющая эти величины, соответствует проблеме Дирихле (в двух измерениях).

С точки зрения физики должна существовать функция u, являющаяся решением проблемы, кроме того, она должна быть единственной, поскольку рано или поздно мембрана остановится, и произойдет это единственным способом. Однако математически вопрос не настолько очевиден. В лекциях по данной теме Дирихле — как и Гаусс, Джордж Грин (1793-1841) и Уильям Томсон (1824-1907) — разработал метод решения проблемы и нахождения неизвестной функции и. Риман позже назвал этот метод принципом Дирихле.

Дирихле допустил, что в положении стабильного равновесия решение — функция u — должно обладать наименьшей энергией, то есть давать наименьшее значение для следующего интеграла {энергия Дирихле):

РИС. 2

Возможное положение равновесия мембраны через некоторое время.

Другими словами, функция, которую мы ищем, должна давать — в сравнении со всеми возможными функциями, определяющими то же самое граничное условие, — наименьшее возможное значение для энергии. На физических основаниях оказывается возможным, что при любой заданной замкнутой кривой в пространстве существует поверхность с наименьшей энергией, которая ее заполняет, поскольку любая поверхность или мембрана будет стремиться принять конфигурацию, требующую наименьшей энергии.

Так как интегрируемое J(u) всегда положительно (является суммой квадратов), интеграл J(u) всегда больше или равен нулю. Поэтому Дирихле показалось рациональным, что должна существовать функция u, которая имела бы наименьшее значение. Заметьте, что если бы не было этой нижней границы, предполагающей нуль, могло бы оказаться так, что получаемые значения с каждым разом становились бы все меньше (0, -1, -2, -3...), причем это необязательно должно быть наименьшее значение. Предполагая существование этой минимизирующей функции u из J(u)> Дирихле доказал, что функция u гармоническая и, следовательно, удовлетворяет исходной проблеме, которую нужно решить.

Но оставалось неясно, действительно ли существует этот минимум, эта функция u, в которой интеграл Дирихле достигал бы своего наименьшего значения. Стоит подумать, например, о множестве всех действительных положительных чисел: они все больше или равны нулю, но нет ни одного, которое было бы наименьшим (для любого выбранного нами числа всегда будет меньшее число). Нижней границы множества (нуля) невозможно достичь в рамках самого множества (положительных чисел), так что нет и минимума. Усилия Вейерштрасса и его математической школы, направленные на строгое обоснование существования u, разбились об этот вопрос. Однако физики продолжали считать, что так называемый принцип Дирихле гарантирует решение проблемы Дирихле.

И лишь Гильберту — около 1904 года — удалось возродить принцип и доказать несомненное существование минимума. Но чтобы объяснить его доказательство, мы должны погрузиться в пограничную область вариационного исчисления, которое стремится определить, какие функции делают интеграл наименьшим.

ВАРИАЦИОННОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ

Проблема брахистохроны, или кривой с самым быстрым спуском, исторически была первой проблемой в развитии вариационного исчисления. Среди всех кривых, соединяющих две точки, нужно найти ту, вдоль которой частица, двигаясь под действием силы тяжести, падает за меньшее время. При рассмотрении всех возможных кривых, соединяющих точку А с точкой В_у ищется минимизирующая время падения, что может быть выражено в виде интеграла. То есть ведется поиск кривой или функции, которая делает наименьшим значение этого интеграла. Данная проблема была предложена в 1696 году Иоганном Бернулли (1667-1748) и была решена независимо Ньютоном, Лейбницем, Иоганном и Якобом Бернулли. Решением оказалась не прямая линия и не дуга окружности, а дуга кривой под названием циклоида (см. рисунок 3).