Поскольку это общее положение является фундаментальным, так как только оно может придать нашему определению всю его ценность, необходимо углубиться в некоторые разработки по этому предмету.
СВОЙСТВА ЛИНИЙ И ПОВЕРХНОСТЕЙ.
Когда мы внимательно изучаем геометрические исследования, которые, по-видимому, не относятся к измерению протяженности, мы обнаруживаем, что они состоят по существу в изучении различных свойств каждой линии или каждой поверхности; то есть в знании различных способов порождения или, по крайней мере, определения, присущих каждой рассматриваемой фигуре. Теперь мы можем легко установить самым общим образом необходимую связь такого изучения с вопросом измерения, для которого наиболее полное знание свойств каждой формы является обязательным предварительным условием. Это подтверждается двумя соображениями, одинаково фундаментальными, хотя и совершенно различными по своей природе.
Необходимость их изучения: 1. Найти наиболее подходящее свойство. Первое, чисто научное, состоит в замечании, что если бы мы не знали никакого другого характеристического свойства каждой линии или поверхности, кроме того, согласно которому геометры впервые осмыслили ее, в большинстве случаев было бы невозможно добиться решения вопросов, относящихся к ее измерению. В самом деле, легко понять, что различные определения, которые допускает каждая фигура, не все одинаково подходят для такой цели и что они даже представляют собой наиболее полное противопоставление в этом отношении. Кроме того, поскольку первоначальное определение каждой фигуры, очевидно, не было выбрано с учетом этого условия, ясно, что мы не должны ожидать, в общем, найти его наиболее подходящим; откуда вытекает необходимость открытия других, то есть изучения, насколько это возможно, свойств предложенной фигуры. Предположим, например, что круг определяется как «кривая, которая при том же контуре содержит наибольшую площадь». Это, безусловно, очень характерное свойство, но мы, очевидно, столкнулись бы с непреодолимыми трудностями, пытаясь вывести из такой отправной точки решение фундаментальных вопросов, относящихся к спрямлению или квадратуре этой кривой. Заранее ясно, что свойство иметь все свои точки на одинаковом расстоянии от фиксированной точки должно, очевидно, быть гораздо лучше приспособлено к исследованиям такого рода, даже если оно не является в точности наиболее подходящим. Точно так же смог бы Архимед когда-либо открыть квадратуру параболы, если бы он не знал никакого другого свойства этой кривой, кроме того, что она была сечением конуса с круговым основанием плоскостью, параллельной его образующей? Чисто умозрительные труды предшествующих геометров по преобразованию этого первого определения были, очевидно, необходимыми предварительными условиями для прямого решения такого вопроса. То же самое верно, в еще большей степени, в отношении поверхностей. Чтобы составить верное представление об этом, нам нужно лишь сравнить, в вопросе кубатуры или квадратуры, обычное определение сферы с тем, безусловно, не менее характерным, которое состояло бы в рассмотрении сферического тела как того, которое при той же площади содержит наибольший объем.
Не нужно больше примеров, чтобы показать необходимость знания, насколько это возможно, всех свойств каждой линии или каждой поверхности, чтобы облегчить исследование спрямлений, квадратур и кубатур, которые составляют конечную цель геометрии. Мы можем даже сказать, что основная трудность вопросов такого рода состоит в использовании в каждом случае того свойства, которое наилучшим образом приспособлено к природе предложенной задачи. Таким образом, продолжая указывать для большей точности измерение протяженности как общее назначение геометрии, это первое соображение, которое проникает в самую суть предмета, ясно показывает необходимость включения в него изучения, насколько это возможно тщательного, различных способов порождения или определений, принадлежащих одной и той же форме.
2. Перейти от конкретного к абстрактному. Второе соображение, по меньшей мере равной важности, состоит в том, что такое изучение является обязательным для рациональной организации отношения абстрактного к конкретному в геометрии.
Поскольку наука геометрия должна рассматривать все мыслимые фигуры, допускающие точное определение, из этого неизбежно следует, как мы заметили, что вопросы, относящиеся к любым фигурам, представленным природой, всегда неявно включены в эту абстрактную геометрию, предполагаемую достигшей своего совершенства. Но когда необходимо фактически перейти к конкретной геометрии, мы постоянно сталкиваемся с фундаментальной трудностью: знать, к какому из различных абстрактных типов мы должны отнести, с достаточным приближением, реальные линии или поверхности, которые мы должны изучать. Именно для установления такого отношения особенно необходимо знать как можно большее число свойств каждой фигуры, рассматриваемой в геометрии.
В самом деле, если бы мы всегда ограничивались единственным примитивным определением линии или поверхности, предполагая даже, что мы могли бы тогда измерить ее (что, согласно первому порядку соображений, было бы вообще невозможно), это знание оставалось бы почти неизбежно бесплодным в применении, поскольку мы обычно не знали бы, как распознать эту фигуру в природе, когда она там представлялась; чтобы обеспечить это, необходимо было бы, чтобы единственная характеристика, согласно которой геометры осмыслили ее, была именно той, которую внешние обстоятельства позволили бы проверить: совпадение, которое было бы чисто случайным и на которое мы не могли бы рассчитывать, хотя оно иногда и могло бы иметь место. Таким образом, только умножая, насколько возможно, характеристические свойства каждой абстрактной фигуры, мы можем быть заранее уверены в том, что распознаем ее в конкретном состоянии и, таким образом, извлечем пользу из всех наших рациональных трудов, проверяя в каждом случае определение, которое поддается непосредственному доказательству. Это определение почти всегда является единственным в данных обстоятельствах и, с другой стороны, варьируется для одной и той же фигуры при различных обстоятельствах; двойная причина для его предварительного определения.
Иллюстрация: Орбиты планет. Геометрия небес предоставляет нам очень памятный пример в этом деле, хорошо подходящий для того, чтобы показать общую необходимость такого изучения. Мы знаем, что эллипс был открыт Кеплером как кривая, которую планеты описывают вокруг Солнца, а спутники — вокруг своих планет. Могло ли бы это фундаментальное открытие, которое воссоздало астрономию, когда-либо стать возможным, если бы геометры всегда ограничивались осмыслением эллипса только как косого сечения кругового конуса плоскостью? Никакое такое определение, очевидно, не допускало бы такой проверки. Наиболее общее свойство эллипса — то, что сумма расстояний от любой из его точек до двух фиксированных точек является постоянной величиной, — несомненно, гораздо более восприимчиво по своей природе к тому, чтобы вызвать распознавание кривой в этом случае, но все же не является непосредственно подходящим. Единственная характеристика, которая здесь может быть немедленно проверена, — это та, которая выводится из отношения, существующего в эллипсе между длиной фокусных расстояний и их направлением; единственное отношение, которое допускает астрономическую интерпретацию, выражая закон, связывающий расстояние от планеты до Солнца со временем, прошедшим с начала ее обращения. Таким образом, было необходимо, чтобы чисто умозрительные труды греческих геометров о свойствах конических сечений предварительно представили их порождение под множеством различных точек зрения, прежде чем Кеплер смог таким образом перейти от абстрактного к конкретному, выбрав среди всех этих различных характеристик ту, которая могла быть наиболее легко доказана для планетных орбит.
Иллюстрация: Фигура Земли. Другой пример того же порядка, но относящийся к поверхностям, встречается при рассмотрении важного вопроса о фигуре Земли. Если бы мы никогда не знали никакого другого свойства сферы, кроме ее примитивного характера иметь все свои точки на одинаковом расстоянии от внутренней точки, как мы смогли бы когда-либо обнаружить, что поверхность Земли сферическая? Для этого необходимо было предварительно вывести из этого определения сферы некоторые свойства, способные быть проверенными наблюдениями, сделанными только на поверхности, такие как постоянное отношение, существующее между длиной пути, пройденного в направлении любого меридиана сферы по направлению к полюсу, и угловой высотой этого полюса над горизонтом в каждой точке. Другой пример, но включающий гораздо более длинный ряд предварительных спекуляций, — это последующее доказательство того, что Земля не является строго сферической, но что ее форма — это эллипсоид вращения.
После таких примеров было бы излишне приводить какие-либо другие, которые любой другой может легко умножить. Все они доказывают, что без очень обширного знания различных свойств каждой фигуры отношение абстрактного к конкретному в геометрии было бы чисто случайным и что наука, следовательно, лишилась бы одного из своих самых существенных оснований.
Таковы, следовательно, два общих соображения, которые полностью демонстрируют необходимость введения в геометрию большого числа исследований, не имеющих измерение протяженности своей прямой целью; в то время как мы продолжаем, однако, осмысливать такое измерение как конечное назначение всей геометрической науки. Таким образом, мы можем сохранить философские преимущества ясности и точности этого определения и все же включить в него, очень логичным, хотя и косвенным образом, все известные геометрические исследования, рассматривая те из них, которые не кажутся относящимися к измерению протяженности, как предназначенные либо для подготовки к решению конечных вопросов, либо для того, чтобы сделать возможным применение полученных решений.
Признав таким образом в качестве общего принципа тесную и необходимую связь изучения свойств линий и поверхностей с теми исследованиями, которые составляют конечную цель геометрии, очевидно, что геометры в ходе своих трудов ни в коем случае не должны ограничивать себя тем, чтобы всегда держать такую связь в поле зрения. Зная раз и навсегда, как важно варьировать как можно больше способ осмысления каждой фигуры, они должны продолжать это изучение, не задумываясь о том, какая немедленная польза может быть от того или иного особого свойства для спрямлений, квадратур и кубатур. Они бесполезно сковывали бы свои исследования, придавая пустяковое значение постоянному установлению этой координации.
Это общее изложение общей цели геометрии тем более необходимо, что по самой природе предмета это изучение различных свойств каждой линии и каждой поверхности неизбежно составляет подавляющую часть всего корпуса геометрических исследований. Действительно, вопросы, непосредственно относящиеся к спрямлениям, квадратурам и кубатурам, очевидно, сами по себе очень немногочисленны для каждой рассматриваемой фигуры. С другой стороны, изучение свойств той же фигуры представляет неограниченное поле для деятельности человеческого разума, в котором он всегда может надеяться сделать новые открытия. Так, хотя геометры занимались в течение двадцати столетий, несомненно, с большей или меньшей активностью, но без какого-либо реального перерыва, изучением конических сечений, они далеки от того, чтобы считать этот столь простой предмет исчерпанным; и несомненно, в самом деле, что, продолжая посвящать себя ему, они не преминули бы найти еще неизвестные свойства этих различных кривых. Если труды такого рода значительно замедлились за последнее столетие, то не потому, что они завершены, а только, как будет объяснено далее, потому, что философская революция в геометрии, осуществленная Декартом, значительно уменьшила важность таких исследований.
Из предыдущих соображений следует, что поле геометрии является не только неизбежно бесконечным из-за разнообразия фигур, подлежащих рассмотрению, но также и в силу разнообразия точек зрения, под которыми может рассматриваться одна и та же фигура. Эта последняя концепция, в самом деле, является той, которая дает самое широкое и самое полное представление обо всем корпусе геометрических исследований. Мы видим, что исследования такого рода состоят по существу, для каждой линии или для каждой поверхности, в связывании всех геометрических явлений, которые она может представить, с единственным фундаментальным явлением, рассматриваемым как примитивное определение.
ДВА ОБЩИХ МЕТОДА ГЕОМЕТРИИ.
Объяснив теперь общим и в то же время точным образом конечную цель геометрии и показав, как наука, определенная таким образом, охватывает очень обширный класс исследований, которые поначалу не казались обязательно принадлежащими к ней, остается рассмотреть метод, которому следует следовать для формирования этой науки. Эта дискуссия необходима для завершения этого первого очерка философского характера геометрии. Я ограничусь здесь указанием наиболее общего соображения по этому вопросу, развивая и суммируя эту важную фундаментальную идею в следующих главах.
Геометрические вопросы могут рассматриваться согласно двум методам, настолько различным, что из них возникают два рода геометрии, так сказать, философский характер которых, как мне кажется, еще не был должным образом понят. Выражения синтетическая геометрия и аналитическая геометрия, обычно используемые для их обозначения, дают о них очень ложное представление. Я бы гораздо больше предпочел чисто исторические наименования геометрия древних и геометрия новых, которые имеют, по крайней мере, то преимущество, что не позволяют неправильно понять их истинный характер. Но я предлагаю впредь использовать регулярные выражения специальная геометрия и общая геометрия, которые кажутся мне подходящими для того, чтобы с точностью охарактеризовать подлинную природу этих двух методов.
Их фундаментальное различие. Фундаментальное различие между тем, как мы осмысливаем геометрию со времен Декарта, и тем, как геометры древности рассматривали геометрические вопросы, заключается не в использовании исчисления (или алгебры), как принято считать. С одной стороны, несомненно, что использование исчисления не было полностью неизвестно древним геометрам, поскольку они имели обыкновение делать постоянные и очень обширные применения теории пропорций, которая была для них, как средство дедукции, своего рода реальным, хотя и очень несовершенным и, особенно, чрезвычайно ограниченным эквивалентом нашей нынешней алгебры. Исчисление может даже использоваться гораздо более полным образом, чем они его использовали, чтобы получить определенные геометрические решения, которые все еще будут сохранять весь существенный характер древней геометрии; это очень часто случается в отношении тех задач геометрии двух или трех измерений, которые обычно обозначаются под названием определенных. С другой стороны, сколь бы важным ни было влияние исчисления в нашей современной геометрии, различные решения, полученные без алгебры, могут иногда проявлять специфический характер, который отличает ее от древней геометрии, хотя анализ, как правило, необходим. Я приведу в качестве примера метод Роберваля для касательных, природа которого по существу современна и который, однако, ведет в определенных случаях к полным решениям без какой-либо помощи исчисления. Таким образом, не инструмент дедукции является главным различием между двумя путями, которые человеческий разум может избрать в геометрии.
Реальное фундаментальное различие, до сих пор несовершенно понятое, кажется мне состоящим в самой природе рассматриваемых вопросов. По правде говоря, геометрия, рассматриваемая как целое и предполагаемая достигшей полного совершенства, должна, с одной стороны, охватывать все мыслимые фигуры, а с другой — открывать все свойства каждой фигуры. Она допускает, исходя из этого двойного соображения, рассмотрение согласно двум существенно различным планам: либо 1°, группируя вместе все вопросы, какими бы разными они ни были, которые относятся к одной и той же фигуре, и изолируя те, что относятся к различным телам, какая бы аналогия между ними ни существовала; либо 2°, напротив, объединяя под одной точкой зрения все подобные исследования, к каким бы различным фигурам они ни относились, и разделяя вопросы, относящиеся к действительно различным свойствам одного и того же тела. Одним словом, весь корпус геометрии может быть существенно организован либо со ссылкой на изучаемые тела, либо на рассматриваемые явления. Первый план, который является наиболее естественным, был планом древних; второй, бесконечно более рациональный, — это план новых со времен Декарта.
Геометрия древних. Действительно, главная характеристика древней геометрии состоит в том, что они изучали одну за другой различные линии и различные поверхности, не переходя к исследованию новой фигуры, пока не считали, что исчерпали все интересное в уже известных фигурах. При таком способе действия, когда они приступали к изучению новой кривой, весь труд, затраченный на предыдущие, не мог предложить непосредственно никакой существенной помощи, иначе как через геометрическую практику, к которой он приучил ум. Каким бы ни было реальное сходство вопросов, предложенных для двух различных фигур, полное знание, приобретенное для одной, никак не могло избавить от необходимости начинать все исследование заново для другой. Таким образом, прогресс ума никогда не был обеспечен; так что они не могли быть уверены заранее в получении какого-либо решения, каким бы аналогичным ни был предложенный вопрос вопросам, которые уже были решены. Так, например, определение касательных к трем коническим сечениям не давало никакой рациональной помощи для проведения касательной к любой другой новой кривой, такой как конхоида, циссоида и т. д. Одним словом, геометрия древних была, согласно предложенному выше выражению, по существу специальной.
Геометрия новых. В системе новых геометрия, напротив, является в высшей степени общей, то есть относящейся к любым фигурам вообще. Легко понять, во-первых, что все геометрические выражения, представляющие какой-либо интерес, могут быть предложены со ссылкой на все мыслимые фигуры. Это видно непосредственно в фундаментальных задачах — спрямлениях, квадратурах и кубатурах, — которые составляют, как было показано, конечную цель геометрии. Но это замечание не менее неоспоримо даже для исследований, которые относятся к различным свойствам линий и поверхностей и из которых наиболее существенные, такие как вопрос о касательных или касательных плоскостях, теория кривизн и т. д., очевидно, общи для всех фигур вообще. Те немногие исследования, которые действительно присущи конкретным фигурам, имеют лишь чрезвычайно второстепенное значение. При этом современная геометрия состоит по существу в абстрагировании, чтобы рассматривать ее саму по себе, совершенно общим образом, каждого вопроса, относящегося к одному и тому же геометрическому явлению, в каких бы телах он ни рассматривался. Применение универсальных теорий, построенных таким образом, к специальному определению явления, которое рассматривается в каждом конкретном теле, теперь рассматривается лишь как подчиненный труд, выполняемый согласно неизменным правилам, успех которого обеспечен заранее. Этот труд, одним словом, того же характера, что и числовой расчет аналитической формулы. В нем не может быть другой заслуги, кроме представления в каждом случае решения, которое неизбежно предоставляется общим методом, со всей простотой и элегантностью, которые может допустить рассматриваемая линия или поверхность. Но реальное значение придается только осмыслению и полному решению нового вопроса, относящегося к любой фигуре вообще. Только труды такого рода рассматриваются как производящие какой-либо реальный прогресс в науке. Внимание геометров, таким образом освобожденное от исследования особенностей различных фигур и полностью направленное на общие вопросы, смогло благодаря этому подняться до рассмотрения новых геометрических концепций, которые, будучи применены к кривым, изученным древними, привели к открытию важных свойств, которые они ранее даже не подозревали. Такова геометрия со времени радикальной революции, произведенной Декартом в общей системе науки.