1. Дискурсивное Рассуждение. — Мы таким образом увидели, что наши понятия пространства, времени и их модификаций необходимо вовлекают определенную активность разума; и что условия этой активности формируют фундаменты тех наук, которые имеют отношения пространства, времени и числа своим объектом. На фундаментальных принципах, таким образом установленных, различные науки, которые включены в термин Чистая Математика (Геометрия, Алгебра, Тригонометрия, Конические сечения и остальная Высшая Геометрия, Дифференциальное исчисление и тому подобное), строятся рядом рассуждений. Эти рассуждения подчинены правилам Логики, как мы уже заметили; и нет необходимости здесь долго останавливаться на природе и правилах таких процессов. Но мы можем здесь заметить, что такие процессы называются дискурсивными, в противоположность операциям, посредством которых мы приобретаем наши фундаментальные принципы, которые являются, как мы видели, интуитивными. Эта оппозиция была ранее весьма знакома нашим писателям; как Мильтон, —
. . . Thus the soul reason receives,
Discursive or intuitive.—Paradise Lost, v. 438.
Ибо в таких рассуждениях мы получаем наши заключения не путем пристального взгляда на наши понятия в одном виде, что есть интуиция, а путем перехода от одного вида к другому, подобно тем, кто бежит с места на место (discursus). Так, прямая линия может быть в то же время стороной треугольника и радиусом круга: и в первом предложении Евклида линия рассматривается, сначала в одном из этих отношений, а затем в другом, и таким образом стороны определенного треугольника доказываются равными. И этим «дискурсом разума», как его называли наши старые писатели, мы отправляемся от тех аксиом, которые мы воспринимаем интуицией, путешествуем безопасно по обширному и разнообразному региону и становимся обладателями обильного запаса математических истин.
2. Технические Термины Рассуждения. — Рассуждение математики, таким образом исходящее от нескольких простых принципов ко многим истинам, ведется согласно правилам Логики. Если необходимо, математические доказательства могут быть сведены к логическим формам и выражены в Силлогизмах, состоящих из большей посылки, меньшей посылки и заключения. Но в большинстве случаев силлогизм того вида, который называется логическими писателями Энтимемой; слово, которое подразумевает нечто существующее только в мыслях и которое обозначает силлогизм, в котором одна из посылок подразумевается, а не выражена. Так, мы говорим в математическом доказательстве: «поскольку точка c есть центр круга ab, ac равно bc»; не утверждая большую посылку — что все линии, проведенные из центра круга к окружности, равны; или вводя ее только мимолетной отсылкой к определению круга. Но энтимема столь постоянно используется во всех привычных формах рассуждения, что нам не кажется, будто в ней есть что-то особенное в математических работах.
Предложения, которые доказаны как истинные в общем, называются Теоремами: но когда требуется что-то сделать, как провести линию или круг при заданных условиях, это предложение есть Задача. Теорема требует доказательства; задача — решения. И для обеих целей математик обычно делает Построение. Он направляет нас провести определенные линии, круги или другие кривые, на которых должно быть основано его доказательство того, что его теорема истинна или что его задача решена. Иногда, также, он устанавливает некоторую Лемму, или подготовительное предложение, прежде чем переходит к своей главной задаче; и часто он выводит из своего доказательства некоторое заключение в дополнение к тому, которое было заявленным объектом его предложения; и это называется Следствием.
Эти технические термины отмечены здесь не как очень важные, но для того, чтобы они не звучали странно и непонятно, если у нас будет повод использовать некоторые из них. Существует, однако, одно техническое различие, более особенное и более важное.
3. Геометрический Анализ и Синтез. — В геометрическом рассуждении, подобном тому, которое мы описали, мы вводим на каждом шагу некоторое новое соображение; и именно путем объединения всех этих соображений мы приходим к заключению, то есть доказательству предложения. Каждый шаг стремится к конечному результату, демонстрируя некоторую часть фигуры в новом отношении. К тому, что мы уже доказали, добавляется нечто большее; и поэтому этот процесс называется Синтезом, или складыванием вместе. Доказательство течет дальше, получая на каждом повороте новые вклады из разных сторон; подобно реке, питаемой и увеличиваемой многими притоками. И каждый из этих притоков течет из некоторого определения или аксиомы как своего источника или сам сформирован союзом меньших ручьев, которые имеют источники такого рода. Спускаясь вдоль своего течения, синтетическое доказательство собирает все эти приращения в один общий ствол, предложение, окончательно доказанное.
Но мы можем действовать иным образом. Мы можем начать от сформированной реки и подняться к ее источникам. Мы можем взять предложение, доказательство которого нам требуется, и можем исследовать, что подразумевает предположение его истинности. Если это истинно, то нечто другое может быть увидено как истинное; и из этого — нечто другое, и так далее. Мы можем часто, таким образом, обнаружить, из каких более простых предложений составлена наша теорема или решение, и можем разрешить их последовательно, пока не придем к некоторому предложению, которое очевидно. Это геометрический Анализ. Преуспев в этом аналитическом процессе, мы можем инвертировать его; и можем спуститься снова от простых и известных предложений к доказательству теоремы или решению задачи, которые были нашим отправным пунктом.
Этот процесс напоминает, как мы сказали, прослеживание реки до ее источников. По мере того как мы поднимаемся по течению, мы постоянно встречаем разветвления; и требуется некоторая проницательность, чтобы позволить нам увидеть, какое в каждом случае является главным потоком: но если мы продолжаем наше исследование, мы исчерпываем неисследованные долины и наконец получаем ясное знание места, откуда текут воды. Аналитическое иногда смешивают с символическим рассуждением, по каковому предмету мы сделаем замечание в следующей главе. Объект той главы — заметить некоторые другие фундаментальные принципы и идеи, не включенные в те, о которых говорилось до сих пор, которые мы находим брошенными на нашем пути по мере того, как мы продвигаемся в наших математических спекуляциях. Это задержало бы нас слишком долго и вовлекло бы в тонкие и технические рассуждения, чтобы исследовать полностью основания этих принципов; но Математика занимает столь важное место в отношении индуктивных наук, что я кратко замечу ведущие идеи, которые вовлекает дальнейший прогресс предмета.
ГЛАВА XII. Об Основаниях Высшей Математики.
1. Идея Предела. — Общие истины относительно отношений пространства, которые зависят от аксиом и определений, содержащихся в «Началах» Евклида, и которые вовлекают только свойства прямых линий и кругов, называются Элементарной Геометрией: все за пределами этого принадлежит Высшей Геометрии. К этой последней области относятся, например, все предложения относительно длин любых частей кривых линий; ибо они не могут быть получены посредством принципов одних лишь «Начал». Здесь тогда мы должны спросить, к каким другим принципам прибегает геометр и из какого источника они извлечены. Есть ли какое-либо происхождение геометрической истины, которое мы еще не исследовали?
Идея предела предоставляет новый способ обоснования математических истин. Так, в отношении длины любой части кривой — задачи, которую мы только что упомянули, — кривая не состоит из прямых линий, и поэтому мы не можем измерить длину любой кривой с помощью каких-либо положений элементарной геометрии. Однако мы можем составить фигуру, почти подобную любой кривой, соединив множество коротких прямых линий, подобно тому как многоугольное здание с очень большим числом сторон может почти напоминать круглое помещение. И чтобы приближаться все ближе и ближе к кривой, мы можем делать стороны все меньше и меньше, все более многочисленными. Тогда мы, возможно, сможем найти какой-то способ измерения, какое-то отношение этих малых линий к другим линиям, которое не нарушается умножением сторон, как бы далеко оно ни заходило. И таким образом мы можем совершить действие, эквивалентное измерению самой кривой; ибо, умножая стороны, мы можем приближаться к кривой все ближе и ближе, пока не останется никакой заметной разницы. Кривая линия есть предел многоугольника; и в этом процессе мы исходим из аксиомы: «То, что истинно вплоть до предела, истинно и в пределе».
Этот способ осмысления математических величин имеет широкое распространение и применение; ибо каждая кривая может рассматриваться как предел некоторого многоугольника; каждая изменяющаяся величина — как предел некоторой совокупности более простых форм; и таким образом отношения элементарных фигур позволяют нам продвигаться к свойствам наиболее сложных случаев.
Предел — это своеобразная и фундаментальная концепция, использование которой при доказательстве положений высшей геометрии не может быть заменено никакой комбинацией других гипотез и определений. Только что отмеченная аксиома, что то, что истинно вплоть до предела, истинно и в пределе, заложена в самом понятии предела: и этот принцип вместе с его следствиями ведет ко всем результатам, которые составляют предмет высшей математики, будь то доказанные посредством рассмотрения исчезающе малых треугольников, методами дифференциального исчисления или любым другим способом.
14 This assertion cannot be fully proved and illustrated without a reference to mathematical reasonings which would not be generally intelligible. I have shown the truth of the assertion in my Thoughts on the Study of Mathematics, annexed to the Principles of English University Education. The proof is of this kind:—The ultimate equality of an arc of a curve and the corresponding periphery of a polygon, when the sides of the polygon are indefinitely increased in number, is evident. But this truth cannot be proved from any other axiom. For if we take the supposed axiom, that a curve is always less than the including broken line, this is not true, except with a condition; and in tracing the import of this condition, we find its necessity becomes evident only when we introduce a reference to a Limit. And the same is the case if we attempt to supersede the notion of a Limit in proving any other simple and evident proposition in which that notion is involved. Therefore these evident truths are self-evident, in virtue of the Idea of a Limit.
Древние не вводили эксплицитно это понятие предела в свои математические рассуждения; хотя при применении того, что называется методом исчерпывания (в котором они показывают, как исчерпать разность между многоугольником и кривой или тому подобным), они фактически действовали на основе смутного постижения принципов, эквивалентных принципам метода пределов. Тем не менее, поскольку необходимый фундаментальный принцип в их время не был четко развит, их рассуждения были одновременно излишне запутанными и недостаточно удовлетворительными. Более того, они были вынуждены ставить на место аксиом допущения, которые отнюдь не были самоочевидными; как, например, когда Архимед принял за основу своего измерения окружности круга положение о том, что дуга круга обязательно меньше двух линий, которые ее заключают, соединяя ее концы. Рассуждения старых математиков, которые претендовали на то, чтобы исходить из таких допущений, приводили к истинным результатам в действительности лишь потому, что они руководствовались скрытой отсылкой к предельному случаю таких допущений. И это скрытое использование концепции предела вновь появлялось в различных формах в ранний период современной математики; как, например, в методе неделимых Кавальери и характеристическом треугольнике Барроу; пока, наконец, Ньютон отчетливо не отнес такие рассуждения к концепции предела и не установил фундаментальные принципы и процессы, которые вводит эта концепция, с такой отчетливостью и точностью, которые требовали лишь небольших улучшений, чтобы сделать их столь же неоспоримыми, как геометрические доказательства. И когда такие процессы, которые Ньютон таким образом вывел из концепции предела, представляются с помощью общих алгебраических символов вместо геометрических чертежей, мы имеем перед собой метод флюксий, или дифференциальное исчисление; способ решения математических задач, справедливо считающийся главным оружием, с помощью которого были достигнуты блестящие триумфы современной математики.
2. Использование общих символов. — Применение алгебраических символов, о которых мы только что говорили, было еще одним из главных инструментов, которым обязаны успехи современной математики. И здесь опять-таки процессы, с помощью которых мы получаем наши результаты, зависят в своей доказательности от фундаментальной концепции — концепции произвольных символов как знаков величины и ее отношений; и от соответствующей аксиомы, что «интерпретация таких символов должна быть совершенно общей». В этом случае, как и в предыдущем, лишь постепенно математики пришли к верному пониманию оснований своих рассуждений. Ибо символы поначалу использовались только для представления чисел, рассматриваемых в отношении их числовых свойств; и таким образом сформировалась наука алгебра. Но было обнаружено, даже в случаях, относящихся к обычной алгебре, что символы часто допускали интерпретацию, которая выходила за пределы задачи и которая тем не менее не была бессмысленной, поскольку указывала на вопрос, тесно аналогичный предложенному. Так было, например, когда ответом была отрицательная величина; ибо когда Декарт ввел способ представления кривых с помощью алгебраических отношений между символами координат, или расстояний каждой из их точек от фиксированных линий, было обнаружено, что с отрицательными величинами следует обращаться как с не менее значимыми, чем с положительными. И по мере того как исследования математиков продолжались, были найдены и другие случаи, в которых символы, хотя и лишенные смысла согласно первоначальным соглашениям об их введении, все же указывали на истины, которые могли быть проверены другими способами; как в случаях, когда встречаются так называемые невозможные величины. Такие процессы обычно могут быть подтверждены на основе других принципов, и рассматриваемая истина может быть установлена посредством доказательства, в котором никакие подобные кажущиеся заблуждения не опровергают рассуждение. Но во многих таких случаях было также показано, что процесс, в котором некоторые шаги кажутся лишенными реального смысла, на самом деле включает в себя верное доказательство положения. И что мы должны здесь отметить, так это то, что это верно не случайно или лишь частично, но что результаты систематического символического рассуждения должны всегда выражать общие истины по своей природе; и не требуют для своего обоснования, чтобы каждый из шагов процесса представлял какую-то определенную операцию над величиной. Абсолютная универсальность интерпретации символов является фундаментальным принципом их использования. Это было очень убедительно показано доктором Пикоком в его «Алгебре». Он проиллюстрировал там различными способами этот принцип: «Если общие символы выражают тождество, когда они предполагаются имеющими какую-либо особую природу, они должны также выражать тождество, когда они являются общими по своей природе». И таким образом, эта универсальность символов является принципом в дополнение к тем, которые мы уже отметили; и это принцип величайшей важности в формировании математической науки, согласно той широкой общности, которую такая наука приняла в современную эпоху.
3. Связь символов и анализа. — Поскольку в наших символических рассуждениях символы рассуждают за нас, мы не обязательно здесь, как в геометрических рассуждениях, продолжаем тщательно добавлять одну известную истину к другой, пока не достигнем желаемого результата. Напротив, если у нас есть теорема, которую нужно доказать, или задача, которую нужно решить, и которую можно подвести под область наших символов, мы можем сразу же изложить данную, но недоказанную истину или данную комбинацию неизвестных величин в ее символической форме. После этого первого процесса мы можем затем приступить к прослеживанию с помощью наших символов того, какая еще истина заключена в только что изложенной, или что должны означать неизвестные символы; разрешая шаг за шагом символическое утверждение, с которого мы начали, на другие, более подходящие для нашей цели. Первый процесс есть своего рода синтез, второй называется анализом. И хотя символическое рассуждение не обязательно предполагает такой анализ, тем не менее связь настолько привычна, что термин «анализ» часто используется для обозначения символического рассуждения.
ГЛАВА XIII. Учение о движении.
1. Чистая механика. — Учение о движении, о котором мы здесь должны говорить, — это то, в котором движение рассматривается совершенно независимо от его причины, силы; ибо все рассмотрение силы относится к классу идей, совершенно отличных от тех, с которыми мы здесь имеем дело. В этом представлении оно может быть названо чистым учением о движении, поскольку оно имеет дело исключительно с пространством и временем, которые являются предметами чистой математики. (См. гл. I этой книги.) Хотя учение о движении в связи с силой, которое является предметом механики, является, безусловно, наиболее важной формой, в которой рассмотрение движения входит в формирование наших наук, чистое учение о движении, которое трактует о пространстве, времени и скорости, могло бы быть прослежено так, чтобы дать начало весьма значительному и любопытному корпусу науки. Такая наука есть наука о механизме, независимая от силы и рассматриваемая как решение задачи, которая может быть сформулирована так: «Передать любое данное движение от первого движителя к данному телу». Науку, целью которой было бы решение всех различных случаев, на которые разветвлялась бы эта задача, можно было бы назвать чистой механикой в отличие от собственно механики, или машиноведения, в которых принимается во внимание сила. Большая часть машин, которые были сконструированы для использования в производстве, были практическими решениями некоторых случаев этой задачи. У нас также есть важные вклады в такую науку в трудах математиков; например, различные исследования и доказательства, которые были опубликованы относительно формы зубьев колес, и мемуар мистера Бэббиджа о языке машин. Существует также несколько работ, которые содержат коллекции механических приспособлений, изобретенных с целью передачи и изменения движения, и эти работы могут рассматриваться как трактаты по науке о чистом механизме. Но эта наука еще не была сведена к систематической простоте, которая желательна, и, по правде говоря, не была общепризнана как отдельная наука. Она смешивалась под общим названием «механика» с другой наукой, собственно механикой, или машиноведением, которая рассматривает эффект силы, передаваемой механизмом от одной части материальной комбинации к другой. Например, механические силы, как их обычно называют (рычаг, колесо и ось, наклонная плоскость, клин и винт), почти всегда рассматривались в связи с отношением между силой и весом, а не прежде всего как способ изменения скорости и вида движения. Наука о чистом движении обычно не отделялась от науки о движении, рассматриваемом в отношении его причин.