Том 9. Загадка Ферма. Трехвековой вызов математике

ЗАДАЧА О ТАУТОХРОНЕ И БРАХИСТОХРОНЕ

Допустим, что мы хотим попасть из точки А в точку В наиболее быстрым способом, при этом исключительно под действием силы тяготения. Либо, что аналогично, нужно найти форму кривой, вдоль которой мы будем скатываться, чтобы как можно быстрее попасть из точки А в точку В. Эта кривая получила название брахистохроны (от греческого

брахистос — кратчайший и хронос — время). Интуиция подсказывает, что быстрейшим путем из точки А в точку В будет кратчайший путь между ними, то есть прямая. Однако это не так. Кривой скорейшего спуска будет перевернутая арка циклоиды, проходящая через точку А и имеющая минимум в точке В

.

В 1696 году Иоганн Бернулли нашел решение этой задачи и предложил ее другим ученым того времени. Независимо друг от друга ее решили Лейбниц, Ньютон, Якоб Бернулли и Лопиталь. В 1659 году Гюйгенс обнаружил, что при свободном падении вдоль арки циклоиды предмет окажется у ее основания в одно и то же время вне зависимости от высоты, с которой началось падение. Следовательно, циклоида также является решением задачи о таутохроне (от греческого тауго — равный и хронос — время).

При свободном падении как из точки А, так и из точки

А' предмет достигнет точки В за одно и то же время.

* * *

Мерсенн посвятил изучению циклоиды много лет. Он опубликовал результаты в различных трудах: «Известные вопросы Книги Бытия» (1623), «Синопсис математики» (1626) и «Вопросы теологии, физики, морали и математики» (1634). Как и всегда, в письмах он сообщал полученные результаты и вопросы, на которые ему удалось найти ответы. Торричелли, Ферма, Декарт, Роберваль верно вычислили, что площадь под аркой циклоиды равна утроенной площади порождающего круга циклоиды. Роберваль и Рен определили, что длина арки в восемь раз превышает ее радиус. Какие красивые ответы на столь простые вопросы! И сколько вычислений потребовалось, чтобы найти эти несложные на вид ответы!

Благодаря новой организации работы, предложенной Мерсенном, к решению интересных задач приглашались все талантливые ученые. Найденные решения были не плодами труда одиночек-затворников, а, напротив, результатом взаимодействия и обмена идеями. История науки знает множество примеров, когда формулы и теории получали имя своих первооткрывателей. Но в этой новой среде достижения часто были результатом коллективного труда. Кто мог представить, что эта красивая кривая, которую впервые описал Галилей как движение точки окружности при качении вдоль прямой, спустя много лет окажется решением задачи о брахистохроне и таутохроне, и что Жерар Дезарг предложит придать зубцам часовых механизмов именно форму циклоиды!

Понте ди Меццо в Пизе, спроектированный учениками Галилея. Его арки имеют форму циклоиды. Мост был разрушен в 1944 году.

Метод максимумов и минимумов

Роберваль и Мерсенн заинтересовались результатами Ферма относительно максимумов и минимумов. Задачи, которые предлагал Ферма (равно как и ответы на них), были не случайны — при их решении использовались методы, неизвестные другим математикам той эпохи. Они поняли, что Ферма значительно опередил современников в решении задач о максимумах и минимумах, и попросили его объяснить методы, которые он использовал. Ответ не заставил себя долго ждать. Ферма отправил Мерсенну и Робервалю три текста («Методы нахождения максимумов и минимумов и построения касательных к кривым», «О плоских и телесных местах» и труд Аполлония «Плоские места» в двух книгах), чтобы их оценили парижские математики. Так Ферма стал известен как математик первой величины.