Текст
ЛЕОНАРЛ ЭЙЛЕР
ВВЕДЕНИЕ
В АНАЛИЗ
БЕСКОНЕЧНЫХ
ТОМ I
ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ
с/Сереб'од с латинского
Е.Л.ПАИАНОВСКОГО
А.ШПАЙЗЕРА
<TeBccku.vsi перевода,
И.ЬПОГРЕБЫССКОГО
/р изЪотеугбстб'о
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТуРЫ
МОСКВА ¦ I О О I
PA
ОТ ИЗДАТЕЛЬСТВА
«Введение в анализ бесконечных» Леонарда Эйлера в настоящем
двухтомном издании впервые станет полностью доступным для нашего
читателя: первое русское издание 1936 г. осталось незаконченным, вышел
только первый том. Существует мнение, что второй том «Введения» (геоме-
(геометрический) уступает первому (аналитическому) по богатству оригиналь-
оригинальными результатами, однако и он занимает почетное место среди класси-
классических произведений математической литературы, и математику ознаком-
ознакомление с «Введением в анализ» Эйлера в полном объеме даст очень много.
Когда Эйлер писал эту книгу, прошло уже целое столетие с тех пор,
как Декарт (и Ферма) ввел в геометрию координатный метод. За это же
столетие в науке вошло в обиход понятие функции, был накоплен обширный
материал в итоге изучения как отдельных видов функций, так и ряда их
общих свойств, был создан аппарат дифференциального и интегрального
исчисления. Но только Эйлер смог свести все эти результаты воедино
и, присоединив к ним свои многочисленные открытия, дать во «Введении»
первые и образцовые курсы сразу двух дисциплин: собственно введения
в анализ (понимая под этим изучение функций с помощью бесконечных
процессов, обобщающих алгебраические) и аналитической геометрии.
Содержание и значение этих творений Эйлера анализируются во всту-
вступительных статьях к соответствующим томам. Здесь достаточно указать,
что эйлерово «Введение» справедливо признается наиболее значительным
по своему историческому влиянию математическим трактатом нового
времени. Для того, кто интересуется историей математических наук,
для математика-педагога как средней, так и высшей школы, эта книга и
сейчас дает немало материала для размышления и применения.
Многое во «Введении» покажется современному читателю близким
и знакомым, потому что многое из него, чаще всего без ссылок, вошло
неотъемлемой частью в учебную литературу вплоть до наших дней. «Заим-
«Заимствование — самый лестный вид оценки», как сказал один из историков
науки... Но ничто не может заменить знакомства с оригиналом Эйлера,
ибо только в оригинале можно оценить все достоинства изложения и по-
почувствовать тот творческий дух, которым пронизано это удивительное
создание великого ученого.
* *
При подготовке к переизданию первого тома перевод и текст в целом
был проверен И. Б. Погребысским. В качестве вступительной статьи
(в переводе с немецкого И. Б. Погребысского) дано введение к этому тому,
написанное одним из редакторов полного собрания сочинений Л. Эйлера
швейцарским математиком и историком науки Андреасом Шпайзером.
ОТ ИЗДАТЕЛЬСТВА
Из особенностей обозначений Эйлера, вообще весьма близких к со-
современным, сохранены следующие: мнимая единица обозначена (/—1, a i
означает бесконечность (infinitum); логарифм обозначен I; * обозначает
пропуск степени в многочлене, например
0 = 1 —
означает
В первом издании первый том Introductio содержал еще посвящение
парижскому академику Мэрану (I. I. Dortous de Mairan); здесь оно опу-
опущено, так как принадлежит не Эйлеру, а его издателю Буске (Bousquet).
Примечания редакторов первого тома «Введения» в издании Opera
omnia отмечены буквами А. К. (А. Крацер) и Ф. Р. (Ф. Рудио). Приме-
Примечания, отмеченные буквами С. Л., принадлежат С. Я. Лурье, буквами
И. П.—И. Б. Погребысскому,
О ПЕРВОМ ТОМЕ «ВВЕДЕНИЯ В АНАЛИЗ
БЕСКОНЕЧНЫХ» ЛЕОНАРДА ЭЙЛЕРА1)
Первая глава первого тома Введения начинается с определения
постоянной величины, которая сохраняет свое значение в ходе вычисления,
и величины переменной, которая все значения охватывает (in se complec-
titur). Функция — это произвольно составленное аналитическое выраже-
выражение (expressio analytica quomodcunque composita ex quantitate variabili
et quantitatibus constantibus). Функции разделяются на алгебраичес-
алгебраические и трансцендентные, а алгебраические — на рациональные и ирра-
иррациональные. Иррациональные функции содержат знаки корней. Таким
образом, Эйлер принимает, что все алгебраические уравнения могут быть
сведены к «чистым» уравнениям, что, как известно, не имеет места.
Рациональные функции разделяются на целые и дробные. Вслед за этим
определяются многозначные функции, причем неявно предполагается
справедливость основной теоремы алгебры, далее — функции обратные,
четные и нечетные, подобные (similes, § 26).
Следующие две главы содержат преобразования функций, а именно,
гл. II— тождественные преобразования, гл. III—введение новых пере-
переменных. Сначала Эйлер показывает, что комплексные линейные множи-
множители действительной целой рациональной функции появляются обяза-
обязательно сопряженными парами (§ 31, 150—154). Функция нечетной сте-
степени имеет по крайней мере один действительный корень, уравнение вида
z2n-f...+.4=0 имеет не менее двух таких корней. Затем рассматри-
рассматривается разложение рациональной функции на частные дроби, что иллю-
иллюстрируется несколькими примерами, и при этом принимаются во внимание
лишь действительные корни знаменателя.
Глава III содержит рационализацию или униформизацию алгебраи-
алгебраических функций (этой проблемой Эйлер особенно занимался в арифмети-
арифметической теории диофантовых уравнений). Он находит большое число алгеб-
алгебраических уравнений, род которых в смысле Римана равен нулю,— ведь
именно такие уравнения являются здесь предметом исследования. Рацио-
Рационализируются функции у={а-\-Ьх)г при рациональном г, далее y=f (x),
где f{x) дробно-линейная функция от z и y—p-\-qx-\-rx2'. Затем указываются
три приема для униформизации уравнения axa-\-by^Jrcx^y6=0. Но при
этом показатели должны удовлетворять определенным условиям, и этот
метод обобщается и иллюстрируется примерами. Вслед за этим унифор-
мизируется наиболее общее уравнение второй степени в двух переменных,
а также сумма двух однородных функций разных порядков.
*) Из вводной статьи А. Шпайзера к т. 9, серии 1 Leonhardi Euleri,
Opera omnia, Genevae, 1945, стр. VIII—XIX.
6 О ПЕРВОМ ТОМЕ «ВВЕДЕНИЯ В АНАЛИЗ БЕСКОНЕЧНЫХ»
С главы IV начинается рассмотрение бесконечных рядов, что соб-
собственно и представляет предмет первой части «Введения». Этому необхо-
необходимо предпослать некоторые принципиальные замечания. Эйлер рас-
рассматривает только такие ряды, которые заданы некоторым законом, то
есть ряды, которые имеют «общий член». При этом можно различать две
трактовки — арифметическую и алгебраическую. При арифметической
члены ряда являются числами и мы требуем сходимости ряда, тогда как
при алгебраической трактовке знаки + и — являются только символами
объединения и сходимость не играет никакой роли. Подобную трактовку
мы имеем, например, в теории групп, где складываются «элементы», равно
как в теории множеств и в формальной логике. Как раз такая трактовка
больше всего и занимает Эйлера.
Если, к примеру, рассматривается ряд S=l—1+1—1 + ..., то мы
никогда не придем к иному значению, чем -^ , при условии, что учиты-
вается симметрия ряда, потому что эта симметрия .выражается уравнением
5 = 1—S. Впрочем, функция г/ = 1—ж2+ж3—хъ-\-х*—а?-\-... тоже дает при
х=1 указанный ряд, но без соответствующей симметрии. Эйлер записал
о
бы его в виде 1+0—1+1+0—1+... и вычислил бы его сумму как—.
О
Стало быть, с помощью разложения в ряд закон задания функции
отображается в закон членов ряда, и это проливает свет на глубокие
свойства функции. Так, например, число я находится в таинственной связи
с нечетными числами; log 2—со всеми числами; ех, sin я, cos а; и интеграль-
интегральный логарифм — с факториалами. В своих необозримых экспедициях
в область рядов Эйлер сделал решающее открытие, что как раз расходя-
расходящиеся ряды дают самое мощное средство для обнаружения непредвиден-
непредвиденных фактов. Путь, ведущий через расходящееся, еще более плодотворен,
чем путь, ведущий через комплексное в теории функций. Так, Эйлер
нашел на этом пути разложение гамма-функции в произведение, а затем
функциональные уравнения этой функции и дзета-функции. Последнее
уравнение, которое является одним из самых замечательных открытий,
сделанных в математике, он не мог доказать. Доказательство этой зна-
знаменитой гипотезы впервые удалось дать Шлемильху, который одновремен-
одновременно показал, как преобразуется if-функция, и, в связи с работой Шлемильха,
Риману. Риман выявил то обстоятельство, что при установлении формулы
Эйлера мы имеем дело с аналитическим продолжением и что обе формулы
Шлемильха по сути представляют одно и то же.
Конечно, Эйлер хорошо знал по собственному опыту, что пользо-
пользоваться расходящимися рядами трудно и опасно, и при случае он говорил
06 этом; приходилось ему постоянно выслушивать зто и от других. То,
что вопреки всему он отваживался на такое дело, является достижением
совершенно особого рода, и оно было ему по душе. Еще до того, как было
напечатано Введение A746), он написал работу (Opera omnia, серия 1,
т. 14, стр. 585) о нигде не сходящемся ряде
1 - l!.z + 2! я2 - 3! х3 + ...
и показал, что различные методы суммирования, разностное исчисление-
дифференциальное исчисление, разложение в цепную дробь всегда при-
приводят к одному и тому же значению этого ряда при x—i. В наши времена
(первая половина двадцатого века) подобные проблемы возникли в теории
рядов Фурье. Так, известно, что каждая непрерывная функция одно-
однозначно определяется своими коэффициентами Фурье. Если соответствую-
О ПЕРВОМ ТОМЕ «ВВЕДЕНИЯ В АНАЛИЗ БЕСКОНЕЧНЫХ» 7
щий ряд сходится равномерно, он дает функцию, но в общем случае он
не будет сходиться. Тогда «отыскание первообразной функции» представ-
представляет задачу, которая примыкает к постановке вопроса у Эйлера. Что вооб-
вообще имеют смысл только сходящиеся ряды—такое утверждение не матема-
тично, наоборот, надо было снова взяться за большую проблему Эйлера.
В IV главе Эйлер начинает с того, что несомненно каждую функцию
можно разложить в ряд вида
где показатели а, р, "у, б, ... обозначают какие угодно числа. Затем
следует разложение в ряды рациональных функций; идя от одного при-
примера к другому, большей трудности, Эйлер, наконец, доходит до раз-
разложения общей рациональной дроби, причем коэффициенты степенного
ряда определяются рекуррентным соотношением. Особенно он исследует
те случаи, когда знаменатель представляет собою степень. Далее, вво-
вводится без доказательства общий биномиальный ряд и излагается общая
полиномиальная теорема.
Параграфы 64—67 несколько выходят из намеченных^Эйлером рамок,
поскольку в них предполагается известным учение о разностях, которое
развито лишь в гл. I «Дифференциального исчисления». Замечание в § 67
надо истолковать следующим образом. Пусть А1г А2, А3, . .. образуют
такой ряд, что их (п — 1)-е разности постоянны. Тогда без труда
можно доказать, что
Если уже т-е разности постоянны (пг<[п —1), то последнее равенство,
разумеется, остается в силе. Это соображение применяется кряду ат-f-
+ (a+6)m+ ... 4-(а 4- nb)m, у которого т-е разности постоянны. Мы
имеем здесь дело с одним из тех мест, где Эйлер хочет побудить чита-
читателя задуматься над более сложными вопросами. Бросается в глаза
алгебраический (не арифметический) характер этих исследований, при
которых рассматривается знаменатель вида 1 — ах при а = х = 1. Рас-
Рассуждения Эйлера безупречны.
Глава V посвящена однородным функциям —целым, дробными
алгебраическим. Между прочим, тут показано, что целая функция несколь-
нескольких переменных не обязательно разлагается на множители. В главе VI
вводятся экспоненциальная функция и логарифмы. Сначала ах опреде-
определяется для любого положительного а, затем вводится логарифм как
обратная функция для у = ах. Пусть logy = z и logv — х, тогда log]/от/=
= —jp- • С помощью этой формулы log 5 при основании 10 вычисляется
с шестью знаками (§ 106). Несколько примеров показывают полезность
этих функций.
В гл. VII экспоненциальная функция и логарифмическая расклады-
раскладываются в ряды. Пусть со есть малое число. Тогда имеем аа— 1 + кш,
поэтому аы = A ~{-кш)н, и если устремить h к бесконечности, а со, напро-
напротив, устремить к нулю, то путем применения биномиального ряда полу-
получаем экспоненциальный ряд, расположенный по возрастающим степеням
kz, где z = ah.
Теперь положим авЛ=A-\-кт)п=1-\-х. Тогда будем иметь log(l+x)—
= ha, где log обозначает логарифм при основании а. С другой
8 О ПЕРВОМ ТОМЕ «ВВЕДЕНИЯ В АНАЛИЗ БЕСКОНЕЧНЫХ»
стороны, мы получаем Асо = A -\-x)h — 1, откуда log A 4- х) = /ко =
= -г- [A + :rI/h— 1]. Если теперь развернуть последнее выражение в бино-
биномиальный ряд и устремить h к бесконечности, то получим ряд
х2 . х*
Для выяснения того, что собою представляет к, подставим 1-\-х = а
и выберем в качестве основания а, так что log а становится единицей;
тогда находим, что
,в-1 (a-lJ (q-1)з
rt-~l Г"" 3 — '••
Если, в частности, выбрать 'А=1, то в качестве основания имеем е,
и ряд становится рядом для натуральных логарифмов.
Глава VIII трактует о круговых трансцендентных функциях. Сна-
Сначала приводится я с 127 знаками. Затем полностью перечисляются все
свойства симметрии у синуса и косинуса. Показывается, что последо-
последовательность sin {ny-\- z) для целочисленного п образует рекуррентный ряд,
поскольку она возникает из знаменателя 1 — 2 cos у ¦ х + х2. Затем идут
некоторые известные формулы для половинных углов. Разложение в ряд
для синуса и косинуса выводится из формулы Моавра путем предельного
перехода и дается с 28 знаками после запятой для угла ¦— 90°. Ряды
для тангенса и котангенса вычисляются с 13 знаками. В § 138 содер-
содержатся знаменитые эйлеровы формулы
cos v = — ir- и sin v — --
2 К" — 1
Ряд для arctga; выводится из ряда для log . с помощью пере-
перехода к мнимым числам.
В главе IX формула Моавра применяется к разложению на множи-
множители ап -)- z™. Таким образом, по существу вопрос состоит здесь в построе-
построении корней из единицы. Замечателен здесь переход к бесконечности.
Сх л'1
1 -\--f- ) для бесконечного h. Поэтому удается
разложить е* — 1 на множители второй степени вида
где к пробегает все целые числа. Отсюда получаются разложения в про-
произведения как для ех — 1, так и для ех j- e~x. С помощью перехода к мни-
мнимым числам получаются произведения
Эйлер хорошо знал, что эти выводы нуждаются еще в дополнении, и он
был в состоянии это сделать, как показывает его трактовка биномиаль-
биномиального ряда (об этом см. предисловие Фабера к т. 16 серии 1 Opera om-
nia). Но указанный выше вывод выявляет сущность рассматриваемых
О ПЕРВОМ ТОМЕ «ВВЕДЕНИЯ В АНАЛИЗ БЕСКОНЕЧНЫХ» 9
функций, их «метафизику». Глава заканчивается новыми элегантными
разложениями в произведение, в частности, для функций
1 1
cos y (ё ± v) sin у (? ± ")
cos-jg sinyg-
В главе X, которая находится в самой тесной связи с XV главой,
рассматривается дзета-функция. Слава Введения прежде всего основана
на этих исследованиях. Сначала развертывается в ряд произведение
A 4-az)(l 4"Pz)(l 4- Yz) ••• и с помощью ньютоновых формул определя-
определяются суммы степеней а, Р, у, . . . Из разложения в произведение
——2~— получаются, таким образом, значения ? B), ?D), ?F), . . ., где
г(х)-— 4- — + —4-
ь \*) — ix т 2х ' 3х '
Упомянутые в конце предыдущего абзаца разложения в произведение
дают для тангенса и котангенса представление в виде сумм. Здесь нет
надобности подробное останавливаться на значении этих представлений
как первого примера разложения мероморфных функций на частные дроби.
Из этих рядов получаются суммы более общих дзета-функций.
В частности, строятся ряды из обратных нечетных чисел, причем знаки
определяются по вычетам (mod 16). По четыре вычета получают знак 4-,
остальные четыре берутся со знаком —. Следующие случаи рассматри-
рассматриваются в § 179 и 180: со знаком 4- берутся вычеты
A, 3, 9, И), A, 5, 9, 13), A, 3, 5, 7),
A, 7, И, 13), A, 3, 7, И), A, 5, 7, 13),
A, 3, 5, 9), A, 9, И, 13).
Заметим еще в связи с гл. XV, что только две первые комбинации
(mod 16) образуют подгруппу мультипликативной группы вычетов, то
есть только они дают так называемый характер группы вычетов (mod 16),
которая, как известно, является абелевой и принадлежит типу B, 4).
В частности, не хватает третьей подгруппы порядка 4, которая состоит
из вычетов 1, 7, 9, 15.
В XI главе разложение в произведение синуса и косинуса непосред-
непосредственно применяется для вывода представления я по Валлису и для
развертывания в произведение результатов деления на синус и косинус.
Разложение в произведение для синуса и косинуса дает для log sin а: и
log cos ? представление в виде суммы, и с помощью разложения отдель-
отдельных членов этих рядов по степеням х получаются для указанных функ-
функций степенные ряды, которые можно записать, используя дзета-функцию,
в следующем виде (§ 192):
lug sin -7j— я = log m 4- log Bп — m)-\- log Bп 4- т) — 3 log п 4- log я — log 8 —
log cos ^ я = log (n - m) + log (n + m) - 2 log n - -?¦ (-i- + ~
2n4 V. 34 ^ 54 ^ 74 ^ " -
Ю О ПЕРВОМ ТОМЕ «ВВЕДЕНИЯ В АНАЛИЗ БЕСКОНЕЧНЫХ»
Эйлер приводит эти ряды с числовыми коэффициентами, вычисленными
¦с 20 знаками, а также дает ряды для бригговых логарифмов, вычисляя
коэффициенты с 15 знаками. В заключение указывается еще ряд для
тангенса и котангенса, находящийся в теснейшей связи с предшествую-
предшествующими.
Глава XII дает в вещественном виде разложение на частные дроби
для простых и кратных комплексных корней знаменателя.
Глава XIII начинается с разложения в ряд рациональной функции,
что уже рассматривалось в IV гл.; Эйлер делает замечание, что резуль-
результат должен быть таким же, какой получается, если сначала разложить
рациональную функцию на частные дроби, развернуть каждую частную
дробь в геометрический ряд и эти ряды сложить. Таким образом, пол-
полностью разъясняется природа рекуррентных рядов с многочленной
шкалой. Также полностью рассмотрен в вещественном виде случай пар
комплексно сопряженных корней, что пояснено примерами. Особого разъ-
разъяснения требуют следующие за этим § 226—230, так как они, очевидно,
задуманы как загадка для читателя и должны его побудить к более
тонким исследованиям.
Пусть задана двучленная возвратная шкала (а, —р"), так что члены
.<40, А1г А2, ... определяются следующими уравнениями:
Л = аА-Мо> А3 = аА2-^Аг, ..., Ап+2 = аАп+1-$Ап, ...
Если положить 1 — az + Pz2 = (I — pz)(l — qz), то согласно вышеуказан-
вышеуказанному получаем, что Ап = Щ-\-%$%, где ЭД и 93 определяются по двум
начальным членам Ао и Alt которые могут быть выбраны произвольно.
Теперь введем следующие обозначения для матриц:
причем п пробегает целые числа 0, 1, 2, ... Закон образования вели-
величин А выразится теперь формулой М (п) Т = М (п-\- 1). Если вычислить
определители в уравнении М @) Тп = М (п), то получим {А0А2 — А\)$п =
= (АпАп+2 — /4*+1). Если же здесь выразить А2 и Ап+2 через два пред-
предшествующих члена, то получается формула, приведенная в § 227. Дробь
в левой части этой формулы представляет не что иное, как частное от
деления двух определителей: (Q2 — PR)/(B2 — AC).
Положим теперь, что Ао> Аг, А2, Ап, <4п+1, Ап+2 известны. Очевид-
Очевидно, тогда можно будет с помощью уравнения М @) Тп = М (п) выразить
матрицу Тп через эти шесть величин, стало быть, уже через четыре
величины Ао, Аг, Ап, Ап+1. Мы получаем как раз Тп = М {Q)'1 М {п),
что можно вычислить без труда. Тем самым мы оказываемся в состоянии
вычислить через те же величины и М Bп). А именно, находим, что
М (п) Тп = МBп), где слева уже все известно. Это и составляет содер-
содержание формул для X, Y и Z в § 228 и 229. Конечно, формула, при-
приведенная в § 230, тоже представляет собою соотношение между опре-
определителями. Надо только рассмотреть трехчленную шкалу и исполь-
использовать следующее матричное уравнение:
О ПЕРВОМ ТОМЕ «ВВЕДЕНИЯ В АНАЛИЗ БЕСКОНЕЧНЫХ» Ц
Здесь надо положить
Лп+3 = аАп+2—Р An+i + уАп,
затем, итерируя,
4,+4 = К - Р) Аг+а + (Y - 0Ф) Аг+1 + «ТАг-
после чего надо вычислить определители.
Раз сумма любого рекуррентного ряда представляется в виде рацио-
рациональной функции по его шкале и первым членам, то можно и частич-
частичные суммы представить в таком же виде. Для этого нужно только про-
просуммировать остаток ряда, а он ведь является рекуррентным рядом с той
же шкалою, только с новыми начальными членами. Разность сумм пол-
полного ряда и остаточного дает сумму частичного ряда. С этими резуль-
результатами следует Сопоставить работу 281 (по списку Энестрема) Specimen
algorithmi singularis, Leonhardi Euleri, Opera omnia, серия 1,
т. 15, стр. 31 — 49, а также замечания в предисловии к т. 16, стр. XGVII.
Те формулы приведения, которые указаны в VIII главе для sin (пх + у),
в следующей XIV главе применяются для вычисления sin пх. Если при-
нять в формуле sina + sin b = 2 sin ^t-cos !Lll_ ( что a = (rc + l)z и b —
= (л— l)z, то получаем
sin(rc + l)z = 2sinrczcosz — sin(n— l)z,
и эта формула действительно дает для последовательности sin z, sin 2z,
sin3z, ... возвратную шкалу 2cosz, — 1. Отсюда вычисляется общее
выражение для sinrcz, при этом и для нечетных кратных z, когда в него
входит только sinz, а не cosz. Последнее выражение дает уравнение
п-ш степени для sin я, когда известен sin лаг, то есть уравнение деления
аргумента. Для суммы и произведения корней этого уравнения получа-
получаются простые выражения. Соответствующим образом tg nz и ctg nz тоже
выражаются рационально через tg z и ctg z. Затем находится сумма ряда
sin а + sin (a + Ь) + sin (a -f 2b) + sin (a 4- 3b) + ...,
так как его члены образуют рекуррентный ряд со шкалою —2 cos b, 1.
В заключение функции sin"z и cos"z разворачиваются в ряды Фурье.
Глава XV является продолжением гл. X. Для эйлеровой трактовки
ряда характерна следующая формула:
(l + 2)(l + 3)(l+5)(l + 7)(l +И)... =1 + 2+3 + 5 + 6 + 7+10 + 11 +
+ 13+14+15 + 17+ ...
Здесь, конечно, и мысли нет о сходимости, и можно даже сказать,
что проязведения и ряды не мыслятся как законченные бесконечные,
а только как конечные или сколь угодно большие: если слева взять до-
достаточно' много множителей, то при вычислении согласно дистрибутив-
дистрибутивному закону мы получим свободные от квадратов числа по одному разу
и сколь угодно далекие.
Затем следует разложение дзета-функции в бесконечное произведе-
произведение по простым числам, а именно, сначала
)( ) + ^)..-=l + i + ^ + ^ + ^+ ... (всесво-
бодные от квадратов числа) и далее, после некоторой подготовки,
12 О ПЕРВОМ ТОМЕ «ВВЕДЕНИЯ В АНАЛИЗ БЕСКОНЕЧНЫХ»
Сразу же вычисляются и обратные значения, которые приводят к подоб-
подобным же рядам, только с переменами знака. Здесь нет надобности вхо-
входить в рассмотрение большого числа рядов, которые исследуются далее.
Отметим только в качестве примера вычислительного гения Эйлера его
суммирование ряда
1_ , JL 1 А , -I.1-J-4-
2г Т- 32 Т 5* ~г уг "Г 112 -f
для обратных квадратов простых чисел —с 15-ю знаками. При желании
провести вычисление непосредственно надо было бы иметь простые числа
примерно до ста миллиардов. Но мы положим
Я(л) = 2рй 0>=2, 3, 5, 7, И, 13, 17, ...)
и используем то обстоятельство, что значения дзета-функции для четных
чисел известны. Из разложения в произведение получаем, что
log ? Bга) = 5 (га)+ -|-5 Bга) + 4Cп) + 4Dл)+ .. .
Мы хотим найти /5A), и можно использовать эту формулу, если мы
знаем 5 для больших значений га. Теперь Эйлер еще раз применяет
дзета-функцию, а именно, он сначала вычитает с помощью 5 те члены,
у которых в знаменателе простые числа, из оставшегося ряда он вычи-
вычитает четные члены, из того, что осталось, —те члены, которые делятся
на 3. Так получается формула
5(л) = (? Bл) — 1) |^ 1 — 2~2п \ 32" ) J ~f" б5" ~~ гПГгп 35^™ ^« ¦ ¦ • »
где справа в знаменателях следуют все взаимно простые с 6 составные
числа. По этой формуле можно без труда вычислить S (п) для п = 6, 1,
8, ... с 15 знаками, так как отрицательными членами можно пренебречь.
Теперь привлекается еще ряд для log ? Bга).
Выпишем его для га = 5, 4, 3, 2, 1:
1-5A2)+.,,.
-i5(9)+i.5
log?D) = 5B) + i 5D)+1 5F) +i-5(8)+4-5A0)+.*
Так как левые части известны, можно таким образом последователь-
последовательно вычислять S. В частности, для 5A) получается такое значение:
0,45224 74200 41056; впрочем, у Эйлера оно дано лишь с 12 правильными
знаками. Дальнейшие разложения в произведение имеем в § 283 и след.
Между прочим, оказывается, что
где справа стоят все нечетные простые числа, притом со знаком+, если
они вида 4/с+З и со знаком—, если они вида 4/с+1. Совершенно не оче-
О ПЕРВОМ ТОМЕ «ВВЕДЕНИЯ В АНАЛИЗ БЕСКОНЕЧНЫХ» 13
видно, что это разложение остается в силе и для ге = 1, так как произведение
сходится только условно, когда оно вообще сходится, и по известному
доказательству Дирихле любое положительное число может быть его пре-
пределом при перестановке множителей. И вовсе не подразумевается, что
при размещении множителей по величине простых чисел получается как
раз значение ряда Лейбница. Однако формула
Л —А А .1 11 13 Ц
4 ~~ 4 ' 4 ' 8 "I2'l2"l6 - " '
верна. Ср. предисловие к 16 тому первой серии (отдел II) Opera omnia,
стр. LXXIV и след. и Е. Landau, Handbuch der Lehre von der Verteilung
der Primzahlen, т. 2, стр. 673 и след. Многие другие произведения у Эйлера
выведены с помощью формулы Валлиса. В качестве примера укажем
на последнюю формулу § 295:
, 2 2 3 6 6 9 10 И
Здесь отдельные дроби получаются, когда выписываем нечетные простые
числа в натуральном порядке следования, затем разлагаем/>=2тг+1 на два
слагаемых п ип+1 и ставим п в числителе, если это число нечетно или рав-
равно удвоенному нечетному числу; в этом случае ге-f-l попадает в знаменатель.
Если же п делится на 4, то его ставят в знаменателе, а тг+1 — в числителе.
Когда Эйлер в § 296 замечает, что таким же образом разлагаются на
множители ряды, приведенные в § 180 (см. замечания к гл. X), он не прав.
Для того чтобы этот прием был применим, нужно, чтобы комбинация
знаков соответствовала характеру (mod 16).
Заметим еще, что из сходимости произведения для -г следует рас-
расходимость ряда обратных значений простых чисел вида 4ге+1 и 4га+3,
то есть то, что в обеих этих прогрессиях содержится бесконечно много
простых чисел. Это следствие Эйлер выводит лишь в работе 596 (по списку
Энестрема; см. Opera omnia, серия 1, т. 4, стр. 147). Там он утверждает,
что это справедливо и относительно других «видов» простых чисел и для
разъяснения приводит арифметическую прогрессию ЮОтг+1,—и в этом
случае ряд обратных значений простых чисел такого вида расходится.
Доказательства такой теоремы он не указывает. Во всяком случае «виды»
обозначают арифметические прогрессии ап-\-Ъ, где а и Ъ взаимно просты.
Глава XVI одна из самых знаменитых, в ней рассматривается раз-
разбиение чисел (на слагаемые — partitio numerorum). Сведения об истории
вопроса даны в примечании Рудио. Не буду входить в обсуждение этой
главы, так как все необходимое сказано в предисловиях к тт. 2, 3, 4 серии 1
Opera omnia.
В XVII главе речь идет о методе Даниила Бернулли для вычисления
наибольшего или наименьшего корня уравнения по суммам степеней кор-
корней. Эти суммы вычисляются по Ньютону с помощью рекуррентных рядов,
и наибольший (по модулю) корень, если он вещественен и единственный,
определяется как предел отношения сумм (тг+1)-х и п-х степеней. Когда
наибольшими корнями являются р и — р, надо принимать во внимание
лишь суммы четных степеней и при этом получаем значение для р2. Затем
Эйлер исследует также тот случай, когда наибольшим модулем обладает
пара комплексно сопряженных корней. Если мы достаточно далеко продви-
продвинулись в последовательности сумм степеней, то их дальнейшее поведение
14 О ПЕРВОМ ТОМЕ «ВВЕДЕНИЯ В АНАЛИЗ БЕСКОНЕЧНЫХ»
определяется только этими двумя корнями. Допустим, что такие корни
удовлетворяют уравнению
z2 — 2pz cos ф + рг = О,
тогда для достаточно большого п имеем
S (п + 2) - 2р cos ф-S (п + 1) + p2S (n) = О,
где S(n) обозначает сумму п-х степеней корней.
В основе рассуждений в § 351 и 352 лежит тот же формализм, что
и в основе рассуждений в гл. XIII. А именно, пусть Р, Q, R, S суть четыре
последовательные суммы степеней. Тогда справедлива матричная формула
IP QUO -p* \_IQ R\
\Q Rj \i 2pcos<f>) \R SJ "
Если теперь выделить второй множитель слева, получим
ГО -Р2 Л 1 ( R -Q\(Q
\.i 2pcos<?J~~ PR-Q* V— Q PJK.R
откуда для р и для совф получаются формулы § 351.
Характерен для Эйлера последний параграф этой главы, где он вы-
1
числяет описанным методом наименьший корень уравнения — = sin z,
стало быть -р-, и очень быстро получает его значение с четырьмя точными
знаками после запятой.
Глава XVIII представляет великолепную маленькую монографию
о цепных дробях, в которой особое значение придается преобразованию
рядов в цепные дроби. Впрочем, эти дроби применяются лишь к решению
квадратных уравнений. Числа е и я приводятся только в примерах.
Если этот обзор содержания донесет аромат зтой тонкой математической
книги и побудит читателя заняться ею, я буду доволен. Книга зта — пол-
полная противоположность обычным школьным учебникам и могла бы слу-
служить образцом для коренного преобразования преподавания математики
в гимназиях. Как замечательно, даже таинственно разложение я в произ-
произведение по простым числам! Как восхитительны эксперименты из partitio
numerorum! Но еще немало протечет воды в Рейне, пока школа, наконец,
обнаружит, что математика может быть гуманитарной наукой и что уче-
ученики могут так же хорошо понимать Эйлера, как Платона и Гете1).
А. Шпайзер
1) В последнем абзаце статьи речь идет о средней школе родины автора-
Швейцарии. [И. П.]
ом
БИБЛИОГРАФИЯ ИЗДАНИЙ
«ВВЕДЕНИЯ В АНАЛИЗ БЕСКОНЕЧВЫХ»
Introductio in analysin infinitorum. Auctore Leonhardo Eulero, professore regio
Berolinensi, et academiae imperialis scientiarum Petropolitanae socio. Tomus primus,
гравюра+портрет (Мэрана)+B)+ХУ1+320 стр._|_1 таблица. Tomus secundus, B) +
+398+(l) стр. 4-40 табл., Lausannae, apud Marcum-Michaelem Bousquet et socios,
1748,4°.
Последующие издания и переводы:
1. Издание с новым титульным листом. Lausannae, apud Julium Henricum Pott
et soc, 1783.
Это точное воспроизведение 1-го издания; недостает только гравюры и портрета
Мэрана.
2. Editio nova. Tomus primus, XVI+320 стр. Tomus secundus, B)+398 стр.+
+16 табл. Lugduni, apud Bernuset, Dalamolliere, Faldue et soc, 1797, 4°.
3. Introduction a 1'analyse des infiniment petits de M. Euler. Traduite du latin.
Premiere partie. Par. M. Pezzi. Precedee de 1'eloge de M. Euler prononce a la rentree
de 1'academie royale des sciences le 6 fevrier 1785 par M. le marquis de Condorcet.
Портрет + 6 + IV+44+XII+346+B) стр. A Strasbourg aux depens de la librairie
academique 1786.. 8°. Вторая часть должна была появиться в переводе Крампа, но не
вышла в свет.
4. Introduction a Г analyse infinitesimale par Leonard Euler; traduite du latin
en francais, avec des notes et des eclaircissements, par J. B. Labey. Tome premier, XIV+
+B)+364 стр. Tome second, A2)+424 стр.+16 табл. A Paris, chez Barrois, aine, 1'an
IV A796), et 1'an V A797), 4°.
5. Издание с новым титульным листом. Paris, Bachelier, 1835.
6. Leonhard Eulers Einleitung in die Analysis des Unendlichen. Aus dem Latei-
nischen iibersetzt und mit Anmerkungen und Zusatzen begleitet von Joh. Andr. Chr.
Michelsen. Erstes Buch, XXIV+626+C) стр.+2 табл. Zweites Buch (VI)+578 стр.+
+8 табл. Berlin, bey Carl Matzdorff 1788,8°.— Существуют экземпляры с надписью
на титульном листе: «Berlin, bey Sigismund Friedrich Hesse, 1788». В 1791 г. Михельсон
выпустил еще «третью книгу» «Introductio in analysin infinitorum» с подзаголов-
подзаголовком «Теория уравнений». Однако первый заголовок только сбивает с толку читателя,
так как эта книга не имеет ничего общего с «Introductio», а представляет собой соб-
собрание, составленное из переводов алгебраических работ Эйлера [«De formis radicum
aequationum cuiusque ordinis coniectatio» (Comment, acad. sc. Petrop., 6, 1732/3, 1738,
стр. 216) «De resolutione aequationum cuiusvis gradus» (Novi comment, acad. sc.
Petrop., 6, 1762/3, 1764, стр. 70l)] и Лагранжа.
7. Neue unveranderte berichtigte Auflage. Erstes Buch, XVI+456 стр.+1 табл.
Zweites Buch, VIII+392 стр.+8 табл. Berlin, Reimer, 1835 und 1836.
8. Einleitung in die Analysis des Unendlichen. Von Leonhard Euler, Erster
Teil. InSiDeutsche iibertragen von H. Maser. X+(l)+319 стр., Berlin, Springer,
1885,8°.
Продолжения не было.
x) Эти работы напечатаны теперь в книге Leonhardi Euler i, Opera
omnia, серия 1, том 6, стр. 1 и 170.
16 БИБЛИОГРАФИЯ ИЗДАНИЙ «ВВЕДЕНИЯ В АНАЛИЗ БЕСКОНЕЧНЫХ»
9. Leonhardi Euleri Opera omnia sub auspiciis Societatis Scientiarum Naturalium
Helveticae edenda curaverunt Ferdinand Rudio, Adolf Krazer, Andreas Speiser, Louis
Gustave du Pasquier. Series prima. Opera mathematica. Volumea octavum. Leonhardi
Euleri Introductio in analysin infinitorum. Tomus primus. Adiecta est Euleri effigies ad
imaginem ab E. Handmann pictam expressa. Ediderunt Adolf Krazer et Ferdinand Rudio.
Портрет-f-XI+2 гравюры-f-392 стр., Lipsiae et Berolini, Typis et in aedibus B. G. Teub-
neri, 1922.
10. Классики естествознания. Леонард Эйлер, Введение в анализ
бесконечно малых, т. 1. Перевод с латинского Е. Л. Пацановского, редакция,
вступительная статья и примечания профессора С. Я. Лурье, 352, стр., ОНТИ,
М.— Л., 1936.
11. Leonhardi Euleri, Opera omnia, Series prima, Volumen nonum.
Leonhardi Euleri Introductio in Analysin infinitorum, Tomus secundus, edidit Andreas
Speiser, 402 стр. Genevae, 1945.
ВВЕДЕНИЕ
В АНАЛИЗ
БЕСКОНЕЧНЫХ
том!
2 эйлер, т.
INTRODUCTIO
IN ANAL ГS I N
INFINITORUM.
АУСТОПШ
XEOMftARDO EIJLBRO,
< < •¦ f , v > "
Freftffore Regfa Biftoi,iNEN$b $ JcadmUIm-
pcrtalu Scitntiarum
Seek.
TOM-US-PR1MU&
MARCUM-MrCHAlLEM
T &
M0CCXLVHL
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА
Нередко мне приходилось замечать, что большая часть трудностей,
с которыми сталкиваются в анализе бесконечных изучающие матема-
математику, возникает оттого, что, едва усвоив элементарную алгебру, онп
направляют свои мысли к этому более высокому искусству, вследствие
чего они не только как бы остаются стоять на пороге, но и составляют себе
превратные представления о том бесконечном, идея которого здесь
используется. Хотя анализ бесконечных не требует совершенного зна-
знания элементарной алгебры и всех сюда относящихся приемов, однако
есть много вопросов, разрешение которых важно для подготовки изучаю-
изучающих к более высокой науке и которые, однако, в элементарной алгебре
либо пропускаются, либо рассматриваются недостаточно обстоятельно.
Поэтому я не сомневаюсь, что содержание этих книг сможет восполнить
с избытком указанный пробел. Я старался не только пространнее и отчет-
отчетливее, чем обычно, изложить все, что безусловно требует анализ беско-
бесконечных, но развил также довольно много вопросов, благодаря кото-
которым читатели незаметно и как бы сверх ожидания могут освоиться с идеей
бесконечного. Много вопросов, разбираемых обычно в анализе бесконеч-
бесконечных, я здесь разрешил при помощи правил элементарной алгебры, чтобы
впоследствии тем лучше выявилась сущность того и другого метода.
Труд этот делится на две книги: в первой из них я охватил то, что отно-
относится к чистому анализу, во второй изложено все, что необходимо знать
из геометрии, так как анализ бесконечных часто излагается так, что
одновременно показывается и его приложение к геометрии. В обеих
книгах опущены первоначальные элементы и излагается лишь то, что
в других местах либо вовсе не рассматривается или рассматривается
менее удобно, либо требуется по тем или иным соображениям.
Особенно обстоятельно изложено в первой книге учение о функциях,
так как весь анализ бесконечных вращается вокруг переменных коли-
количеств и их функций. Там показано как преобразование функций, так
и разложение их, а также развертывание в бесконечные ряды. Перечис-
Перечисляются многие виды функций, относительно которых речь должна идти
преимущественно в высшем анализе. Прежде всего, я разделил их на
алгебраические и трансцендентные: первые из них образуются из пере-
переменных количеств путем алгебраических действий; вторые же состав-
составляются иными способами или посредством тех же действий, повторяемых
бесконечно много раз. Алгебраические функции разделяются прежде
всего на рациональные и иррациональные. Я показываю разложение
первых из них как на более простые слагаемые, так и на множители;
эта операция оказывает весьма большую помощь в интегральном исчис-
исчислении. Для вторых я указываю способ приведения их к рациональном
20 ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА
форме путем удобных подстановок. Развертывание в бесконечные ряды
касается в одинаковой степени обоих видов; к трансцендентным функциям
оно применяется обычно с огромной пользой, а в какой степени учение
о бесконечных рядах расширило высший анализ,— это всем известно.
Поэтому я прибавил несколько глав, где рассматриваются свойства,
а также суммы многих бесконечных рядов. Некоторые из них таковы,
что вряд ли могли бы быть найдены без помощи анализа бесконечных.
К рядам этого рода относятся те, суммы которых выражаются или посредст-
посредством логарифмов, или при помощи круговых дуг; количества эти, будучи
трансцендентными, так как они выражаются путем квадратуры гиперболы
и круга, по большей части рассматриваются лишь в анализе бесконечных.
Затем я перехожу от степеней к показательным количествам, представляю-
представляющим не что иное, как степени с переменными показателями. Их обращение
приводит меня весьма естественно и плодотворно к представлению о ло-
логарифмах, и отсюда не только вытекают сами собой их весьма обширные
применения, но также можно получить все те бесконечные ряды, посред-
посредством которых обычно представляются упомянутые количества. К тому
же отсюда получается весьма простой способ составления логарифмиче-
логарифмических таблиц. Подобным образом я занимался рассмотрением дуг круга;
этот род количеств хотя и очень отличается от логарифмов, однако связан
с ними настолько тесно, что когда один из них получается в мнимом виде,
то он переходит в другой. Повторив затем из геометрии относящееся к на-
нахождению синусов и косинусов кратных и дробных дуг, я вывел из синуса
или косинуса любой дуги синус и косинус весьма малой и как бы исче-
исчезающей дуги, и тем самым был приведен к бесконечным рядам. Отсюда,
так как исчезающая дуга равна своему синусу, а косинус ее равен
радиусу1), я мог сравнить любую дугу с ее синусом и косинусом посредством
бесконечных рядов. Здесь я получил столь разнообразные как конечные,
так и бесконечные выражения для количеств этого рода, что исчислению
бесконечных затем не придется более широко заниматься исследованием
их природы. Подобно тому как логарифмы требуют особого алгоритма,
в котором ощущается крайне настоятельная потребность во всем анализе,
так и количества круговые я привел к некоторому определенному алго-
алгоритму, так что они при вычислениях могут применяться так же удобно,
как логарифмы и сами алгебраические количества. Как велика происте-
проистекающая отсюда польза для решения труднейших вопросов, ясно показы-
показывают и некоторые главы этой книги, и весьма многие примеры из анализа
бесконечных; которые можно было бы привести, если бы они не были уже
достаточно известны и не увеличивались в числе с каждым днем.
Это исследование принесло весьма большую помощь при разложении
дробных функций на действительные множители; этот вопрос я рассмотрел
подробнее, так как такое разложение совершенно необходимо в интеграль-
интегральном исчислении. Далее я подверг изучению бесконечные ряды, которые
возникают из разложения функций этого рода и носят название рекур-
рекуррентных; здесь я вывел как их суммы, так и общие члены, а также другие
замечательные их свойства, и так как к этому привело разложение их
на множители, то я разобрал и обратную задачу: каким образом произве-
произведения многих, даже бесконечного числа множителей путем перемножения
развертываются в ряды. Это не только открывает путь к изучению бесчис-
бесчисленного количества рядов; так как этим способом можно разлагать в ряды
г) Здесь Эйлер остается при обычном для тэго времени представлении триго-
тригонометрических функций как линий в круге единичного радиуса. [И. П.]
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА 21
произведения из бесконечного числа сомножителей, то я нашел довольно
удобные числовые выражения для нахождения логарифмов синусов, коси-
косинусов и тангенсов. Кроме того, я вывел из того же источника решение
многих вопросов, которые могут возникнуть при разбиении чисел [на
слагаемые]; вопросы подобного рода без помощи этих приемов, по-види-
по-видимому, превышают силы анализа.
Такое разнообразие материала легко могло разрастись на несколько
томов; но я дал все, по мере возможности, настолько сжато, что всюду
излагается — впрочем, весьма ясно,—лишь основное; более же подробная
разработка предоставляется трудолюбию читателей, дабы они имели на
чем упражнять свои силы, чтобы еще шире раздвинуть границы Анализа.
Не боюсь открыто заявить, что в этой книге не только содержится много
совершенно нового, но также указаны источники, откуда можно черпать
многие замечательные открытия.
Точно так же я поступил и во второй книге, где исследовал вопросы,
обычно относимые к высшей геометрии. Однако прежде чем приступить
к коническим сечениям, к которым в других курсах обычно сводится вся
эта часть, я изложил общую теорию кривых линий таким образом, чтобы
она затем могла быть с пользой применена для изучения природы каких бы
то ни было кривых линий. При этом я не пользуюсь никакими другими
вспомогательными средствами, кроме уравнения, выражающего природу
той или иной кривой линии, и показываю, как из этого уравнения можно
вывести как фигуру кривой, так и ее основные свойства. Это особенно
важно, как мне кажется, в применении к коническим сечениям, которые
до сих пор изучались либо только при помощи геометрии, либо хотя
и при помощи анализа, но весьма несовершенным и неестественным путем.
Сначала я изложил общие свойства линий второго порядка, исходя из
общего уравнения для этих линий; затем подразделил их на роды или
виды, руководясь тем, имеют ли они ветви, уходящие в бесконечность,
или же вся кривая заключена в конечном пространстве. В первом случае
пришлось, сверх того, принять во внимание, сколько ветвей уходит в бес-
бесконечность и какова природа каждой из них, а также имеют ли они асим-
асимптотические прямые или нет. Так я получил три обычных вида конических
сечений, из которых первый — эллипсис, целиком заключенный в конечном
пространстве, второй — гипербола, имеющая четыре бесконечные ветви,
стремящиеся к двум асимптотическим прямым; третьим же видом является
парабола, имеющая две бесконечные ветви, лишенные асимптот.
Далее, я сходным образом подверг исследованию линии третьего
порядка, которые я, изложив их общие свойства, разделил на 16 родов,
отнеся к этим родам все 72 вида Ньютона. Самый же метод я настолько
отчетливо описал, что деление по родам можно осуществить без'труда для
каждого из последующих порядков линий. Соответствующий опыт я про-
проделал применительно к линиям четвертого порядка.
Покончив с этими исследованиями, относящимися к порядку линий,
я вернулся к отысканию общих свойств всех линий. Я изложил метод
определения касательных к кривым, их нормалей, а также и самой кри-
кривизны, выражаемой через радиус соприкасающегося круга. Все эти
вопросы в настоящее время по большей части решаются с помощью диф-
дифференциального исчисления; однако я изложил их здесь только на основе
обычной алгебры, дабы сделать затем более легким переход от анализа
конечных к анализу бесконечных. Я исследовал также точки перегиба
кривых, точки угловые, двойные и кратные и изложил способ, при помощи
которого все эти точки могут быть найдены из уравнений без всякого
22 ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА
труда. Впрочем, я не отрицаю, что эти вопросы значительно легче разре-
разрешаются с помощью дифференциального исчисления. Я коснулся также
спорного вопроса об угловой точке второго порядка в случае, когда обе
дуги, сходящиеся в угловой точке, имеют кривизну, обращенную в одну
и ту же сторону, и изложил этот вопрос так, что впредь он уже не может
вызывать каких-либо сомнений.
Затем я прибавил несколько глав, в которых показываю, как найти
кривые линии, обладающие заданными свойствами, и, наконец, дал реше-
решения ряда задач, касающихся отдельных сечений круга.
Таковы те отделы геометрии, которые, по-видимому, наиболее полез-
полезны для изучения анализа бесконечных. В качестве приложения я изло-
изложил еще из области стереометрии вычислительную теорию тел и их
поверхностей и показал, каким образом природа каждой поверхности может
быть выражена уравнением с тремя переменными. Разделив затем,
подобно линиям, и поверхности на порядки сообразно числу измерений, ко-
которые имеют переменные в уравнении, я показал, что в первом порядке
содержится только плоская поверхность. Поверхности же второго порядка
я, приняв во внимание части, простирающиеся в бесконечность, разделил
на шесть,родов, подобным же образом может быть произведено разделение
и для остальных порядков. Я подверг рассмотрению также и пересечения
двух поверхностей; так как по большей части это кривые, не лежащие
в одной плоскости, я показал, как такие кривые могут быть выражены
уравнениями. Наконец, я определил положение касательных плоскостей
и прямых, являющихся нормалями к поверхностям.
Впрочем, так как многое здесь встречающееся рассматривалось
уже другими, то мне надлежит просить снисхождения в том, что не везде
я почтил упоминанием тех, кто до меня работал в этой области. Но моей
задачей было изложить все как можно короче; история же каждой про-
проблемы сильно увеличила бы объем труда. Однако многие вопросы, решение
которых можно найти также в иных местах, здесь разрешены исходя
из других принципов; таким образом, немалая часть приходится и на мою
долю. Надеюсь, что как это, так, особенно, и то совершенно новое, что
здесь сообщается, будет принято с благодарностью большинством тех,
кто находит вкус в этих занятиях.
ВВЕДЕНИЕ
АНАЛИЗ БЕСКОНЕЧНЫХ
КНИГА ПЕРВАЯ,
РАЗЪЯСНЕНИЕ ФУНКЦИЙ ПЕРЕМЕННЫХ
количеств; их разложение на мно-
множители, РАВНО КАК В БЕСКОНЕЧНЫЕ
ряды,-вместе сучением ологариф-
мах, круговых дугах и синусах и
тангенсах последних; и вместе
со многими другими предметами,
в немалой мере полезных лая
анализа бесконечных.
ГЛАВА I
О ФУНКЦИЯХ ВООБЩЕ
1. Постоянное количество есть количество определенное, сохраняющее
всегда одно и то же значение.
Такими количествами являются всякого рода числа, потому что они
сохраняют постоянно одно и то же однажды полученное значение; если
нужно постоянные количества этого рода обозначать знаками, то для
этого употребляются начальные буквы алфавита а, Ь, с и т. д. В обыкновен-
обыкновенном анализе, где рассматриваются только определенные количества, эти
первые буквы алфавита означают обычно количества известные, а послед-
последние буквы—количества неизвестные; в высшем же анализе это различие
24 ГЛАВА I
не стараются так тщательно соблюдать, так как здесь по преимуще-
преимуществу заботятся о таком различении количеств, которым устанавливается
постоянство одних и переменность других.
2. Переменное количество есть количество неопределенное или всеоб-
всеобщее, которое содержит в себе решительно все определенные значения.
Так как все определенные значения могут быть выражены числами, то
переменное количество охватывает все числа некоторого рода. Как из
понятий индивидов образуются понятия видов и родов, так переменное
количество является родом, в котором содержатся все определенные коли-
количества. А такие переменные количества обозначаются обычно последними
буквами алфавита z, у, х и т. д.
3. Переменное количество становится определенным, когда ему при-
придается какое-либо определенное значение.
Переменное количество может быть определяемо бесчисленными спо-
способами, поскольку вместо него можно подставлять все решительно числа.
Смысл переменного количества не будет исчерпан, если на его место не
подставить все определенные значения. Таким образом, переменное коли-
количество охватывает собою решительно все числа, как положительные, так
и отрицательные, как целые, так и дробные, как рациональные, так
и иррациональные и трансцендентные. Даже нуль и мнимые числа не
исключаются из значений переменного количества.
4. Функция переменного количества есть аналитическое выражение,
составленное каким-либо образом из этого переменного количества и чисел
или постоянных количеств1).
Всякое аналитическое выражение, в котором, за исключением пере-
переменного количества z, все количества, составляющие это выражение,
постоянны, будет функцией z; так,
a + 3z, az — iz2, az+bYa2 — z2, cz
и т. д. будут функциями z.
5. Следовательно, функция переменного количества сама будет пере-
переменным количеством.
Так как вместо переменного количества можно подставлять все опре-
определенные значения, то функция принимает бесчисленно много опре-
определенных значений; не будет исключено ни одно определенное значение,
какое функция могла бы принять, поскольку переменное количество
охватывает также и мнимые значения. Так, хотя функция ]/9—z2 при
подстановке вместо z действительных чисел никогда не может принять
значение больше трех, однако, если давать z мнимые значения, как, напри-
например, 5у^—1, то нельзя указать никакого определенного значения, кото-
которое не могло бы быть получено из формулы ]/ 9—z?. Иногда, однако, встре-
встречаются функции только кажущиеся, которые удерживают всегда одно и то
же значение, как бы ни изменялось переменное количество, как, например,
zo
*) Следует иметь в виду, что в отличие от переменного количества постоянным
Эйлер придает лишь действительные значения. См., например, далее § 11, 12. [И. П.)
О ФУНКЦИЯХ ВООБЩЕ 25-
они хотя ложным образом представляются на вид функциями, однако-
на самом деле являются количествами постоянными.
6. Основное различие функций состоит в способе составления их us
переменного количества и количеств постоянных.
Оно, следовательно, зависит от действий, посредством которых коли-
количества могут друг с другом сочетаться и перемешиваться; действиями
этими являются: сложение и вычитание, умножение и деление, возвыше-
возвышение в степень и извлечение корней; сюда надлежит отнести также решение
уравнений. Кроме этих действий, называемых обычно алгебраическими,
существует много других, трансцендентных, как-то: показательные,
логарифмические и бесчисленные другие, доставляемые интегральным
исчислением.
Между прочим, можно отметить некоторые виды функций, как, на-
например, кратные z
и степени z, как-то:
2z, 3z, -F- z, яг и т. д.
и т. д.,
они, правда, возникли от одного только действия, а название функции
присваивается выражениям, возникающим от скольких угодно действий.
7. Функции разделяются на алгебраические и трансцендентные;
первые — это те, которые образуются только при помощи алгебраических
действий; вторые — те, в которые входят и трансцендентные действия.
Так, кратные и степени переменного z являются функциями алгебраи-
алгебраическими, равно как и всевозможные выражения, образованные посредством
упомянутых выше алгебраических действий, как, например,
a+bzn— cY'Zz — z2
: a2z— 3bz3 '
Но часто алгебраические функции не могут даже быть представлены явно;
такой, например, функцией переменного z является Z, если оно опреде-
определено уравнением следующего рода:
Z6 = az2Z3 - 6z4Z2 + cz3Z - 1.
Хотя решить это уравнение невозможно, однако ясно, что Z будет равно
какому-то выражению, составленному из переменного z и постоянных
количеств, вследствие чего Z будет какой-то функцией z I1]1). Впрочем,
относительно трансцендентных функций следует заметить, что функция
будет трансцендентной лишь в том случае, если трансцендентное действие
не только входит в нее, но, кроме того, затрагивает переменное количество.
Если трансцендентные действия распространяются только на постоянные
количества, то функцию все-таки надлежит считать алгебраической: так,
если с означает длину окружности с радиусом, равным единице, то с во
всяком случае будет количеством трансцендентным, однако выражения
c + z, cz3, 4zc
и т. д. будут алгебраическими функциями z. He имеет большого значе-
значения высказанное некоторыми авторами сомнение, имеем ли мы право
Цифры в квадратных скобках относятся к примечаниям в конце книги.
26 ГЛАВА I
причислять выражения вида zc к алгебраическим или не имеем; некоторые
предпочли да же степени z, показатели которых являются числами иррацио-
иррациональными, как, например, гУ^1-, именовать интерсцендентными, не желая
называть их алгебраическими [2].
8. Алгебраические функции подразделяются на рациональные и ир-
иррациональные; первые — это такие, в которых переменное количество не
входит ни в какую иррациональность, последние же — это такие, в ко-
которых знаки радикалов затрагивают переменное количество.
В функциях рациональных не участвуют, значит, иные действия, кроме
сложения, вычитания, умножения, деления и возвышения в степень
с целыми показателями; так,
aa + z2 , , о
a-j-z, a—z, az, ——— , azi — bzA и т. д.
будут рациональными функциями z. Выражения же
V~z, a + V~a3-z*, )/a-2z+z\ -"' ** a* + z* и т. д.
у иррациональными функциями z.
Последние удобно разделять на явные и неявные. Явные — это те,
которые выражены знаком радикалов, как указано только что на приме-
примерах. Неявные же иррациональные функции — это те, которые происходят
от решения уравнений. Так, Z будет неявной иррациональной функцией г,
если оно определяется уравнением
так как даже при помощи знаков радикала нельзя получить явного зна-
значения Z, потому что обычная алгебра еще не достигла такой степени
совершенства.
9. Рациональные функции в свою очередь подразделяются на целые
и дробные.
В первых z нигде не имеет отрицательных показателей, и выражение
не содержит дробей, в знаменатели которых входило бы переменное z;
отсюда понятно, что дробными функциями будут те, в которых встре-
встречаются или знаменатели, содержащие z, или отрицательные показатели z.
Общий вид целых функций будет
а + bz+ cz* +dzs + ез4 + /z5-f и т. д.;
в самом деле, нельзя придумать целой функции z, которая не заключа-
заключалась бы в этом выражении. Все же дробные функции, ввиду того, что
несколько дробей можно соединить в одну, будут заключаться в выра-
выражении
a + bz-f cz2 + rfz3-f ez4-f /z5-f и т. д.
a + Pz + Yz2+6z3-f 8z*-|-?z5-f и т. д. '
причем следует заметить, что, будут ли постоянные количества а, Ь, с, d
и т. д., a, P, у, б и т. д. положительными, отрицательными, целыми
или дробными, рациональными, иррациональными или даже трансцен-
трансцендентными, — это не изменит природы функции.
О ФУНКЦИЯХ ВООБЩЕ 27
10. Затем, особенно надо учитывать подразделение функций на одно-
однозначные и многозначные1).
Однозначная функция — это такая, которая сама получает единствен-
единственное определенное значение, если переменному количеству z придается
какое-либо определенное значение. Многозначная функция — та, кото-
которая при подстановке вместо переменного одного какого угодно определен-
определенного значения получает несколько определенных значений. Все рацио-
рациональные функции, целые или дробные, будут функциями однозначными,
так как выражения этого рода дают лишь одно-единственное значение,
какое бы значение ни было придано переменному количеству. Иррацио-
Иррациональные же функции все являются многозначными, потому что знаки ра-
радикалов обладают неопределенностью и дают два значения. И среди транс-
трансцендентных функций встречаются однозначные и многозначные; имеются
даже функции с бесконечным числом значений; такова дуга круга, соот-
соответствующая синусу z, потому что существует бесчисленное множество
дуг, имеющих один и тот же синус.
Буквами Р, О, R, S, Т и т. д. будем обозначать отдельные однозначные
функции z.
И. Двузначная функция z есть такая, которая при любом значении z
имеет два определенных значения.
Такого рода функции представляют квадратные корни, как j/2z-f-z2;
при подстановке любого количества вместо z выражение j/2z-j-z2 имеет
двоякое значение — либо положительное, либо отрицательное. Вообще
же Z будет двузначной функцией z, если оно определяется квадратным
уравнением
Z2 - PZ + О = 0,
«ели, конечно, Р и Q будут однозначными функциями z. Именно, будет
откуда следует, что каждому определенному значению z соответствует
двоякое определенное значение Z. Здесь нужно заметить, что или оба
значения функции Z будут действительными, или оба мнимыми. При
этом всегда, как известно из природы уравнений, сумма обоих значений
Z будет = Р, а произведение = О.
12. Трехзначная функция z есть такая, которая при любом зна-
значении z имеет три определенных значения.
Функции этого рода ведут свое происхождение от решения куби-
кубических уравнений. Если Р, О и R будут функциями однозначными и
то Z будет трехзначной функцией z, потому что при любом определен-
определенном значении z оно принимает троякое значение. Эти три значения z,
соответствующие одному какому-либо значению z, будут или все дейст-
действительными, или одно будет действительным, а два остальных мнимыми.
Кроме того, несомненно, сумма этих трех значений всегда будет = Р,
*) У Эйлера применяются термины uniformis и multiformis, то есть, буквально,
-единообразные и многообразные. Дальше, соответственно, Эйлер пишет biformis, то
есть двуобразная (функция), triformis — трехобразная и т. д. [И. П.]
28 ГЛАВА I
сумма их произведений по два будет = Q и произведение всех трех
будет = R.
13. Четырехзначная функция z есть такая, которая при любом
значении z имеет, четыре определенных значения.
Функции этого рода возникают от решения уравнений четвертой
степени. Если Р, Q, R и S означают однозначные функции z и при
этом
Z4 - PZ3 + QZ2 - RZ + S = 0,
то Z будет четырехзначной функцией z; это значит, что каждому зна-
значению z соответствуют четыре значения Z. Из этих четырех значений
либо все будут действительными, либо два будут действительными и два
мнимыми, либо все четыре будут мнимыми. Впрочем, сумма этих четы-
четырех значений Z будет всегда =Р, сумма их произведений по два =Q,
сумма их произведений по три — R, я произведение их всех = S. Подоб-
Подобным же образом строится определение функций пятизначных и следующих.
14. Следовательно, Z будет многозначной функцией, которая при
любом значении z имеет столько значений, сколько содержит единиц
число п, если Z определяется уравнением
Здесь, впрочем, следует заметить, что п должно быть числом
целым и, значит, уравнение, определяющее Z, всегда должно быть
приведено к рациональному виду, если мы хотим знать, сколь много-
многозначной функцией от z является Z; после этого показатель наибольшей
степени Z укажет искомое число значений, соответствующих каждому
значению z. Затем также следует помнить, что буквы Р, Q, R, S
и т. д. должны означать однозначные функции; если же какая-либо
из них была бы функцией многозначной, то функция Z дала бы гораздо
больше значений, соответствующих каждому значению Z, чем указывает
число измерений Z. Однако всегда, если какие-либо значения Z будут
мнимыми, то число их будет четным 2), откуда ясно, что если п будет
числом нечетным, то по крайней мере одно значение Z будет действи-
действительным; напротив, может случиться, если число п будет четным,
что ни одно из значений Z не будет действительным.
15. Если Z будет многозначной функцией z такого рсда, что всегда
будет иметь только одно действительное значение, то Z будет как бы
однозначной функцией z и в большинстве случаев смсжет употребляться
вместо функции однозначной.
Функциями такого рода будут
/Р, \П>, VP и т. д.,
так как они всегда дают одно только действительное значение при
остальных мнимых, если только Р будет однозначной функцией z.
Поэтому выражение вида Рп во всех тех случаях, когда п нечетно,
может быть причислено к функциям однозначным, будет ли т числом чет-
1) См. § 30 и примечание [Б].
О ФУНКЦИЯХ ВООБЩЕ 29
ным или нечетным. Если же п будет числом четным, то Р™ или не будет
иметь ни одного действительного значения, или будет иметь их два; отсюда
т
выражения вида Рп при п четном на этом же основании могут быть
причислены к функциям двузначным, если, впрочем, дробь — нельзя
привести к меньшим членам *)
16. Если у будет какой-либо функцией z, то и, обратно, z будет
функцией у.
Если у является функцией z, однозначной или многозначной, то
дается уравнение, которое определяет у через z и постоянные количе-
количества. Из этого же уравнения z может быть определено через у и посто-
постоянные количества; следовательно, так как у есть количество переменное, z
будет равно выражению, составленному из у и постоянных количеств,
и будет, следовательно, функцией у. Отсюда также станет ясным,
сколь многозначной функцией у будет z; может случиться, что хотя у
будет однозначной функцией z, однако z будет многозначной функцией у.
Так, если у определяется через z из уравнения у3 — ayz— bz2, то у
будет трехзначной функцией z, тогда как z будет только двузначной
функцией у.
17. Если, у и х являются функциями z, то у также будет функци-
функцией х и, обратно, х будет функцией у.
Если у является функцией z, то z будет также функцией у; по-
подобным образом z будет функцией х. Следовательно, функция у равна
функции х; из этого уравнения можно определить у через х и, обратно,
х через у.
Отсюда ясно, что у — функция х, а х—функция у.
Весьма часто из-за несовершенства алгебры эти функции нельзя
выразить явно; тем не менее эта взаимность функций имеет такой
характер, как если бы все уравнения могли быть решены. Впрочем,
посредством способа, излагаемого в алгебре, из данных двух уравнений,
из которых одно содержит у и z, а другое х к z, путем исключения
количества z образуется одно уравнение, выражающее соотношение
между х и у [3].
18. Наконец следует отметить некоторые особые виды функций;
так, четная функция z есть такая, которая дает одно и то же значе-
значение, будет ли вместо z подставлено любое определенное значение -\-к
или — к.
Такого рода четной функцией z будет г2; если положить либо
z= +/с, либо z= — к, то выражение z2 даст одно и то же значение,
именно г2 = + к2. Подобным образом четными функциями z
будут степени z: z4, ze, z8 и вообще всякая степень zm, если т
будет четным числом, положительным или отрицательным. Так
т
как г™ считается как бы однозначной функцией г, когда п — число
т
нечетное, то ясно, что zn будет четной функцией z, если т— число
г) То есть сократить. Это замечание относится по существу ко всему аб-
абзацу. [С. Л.]
30 ГЛАВА I
четное, а п — нечетное. Поэтому выражения, составленные каким-либо»
образом из степеней этого рода, дадут четные функции z; так, Z будет
четной функцией z, если будет
Z = a-f bz2 + czl + dz* + п т. д.,
а также если
п a-\-bz2-\-cz*-\-dze-lrm т. д.
подобным образом, если вводить дробные показатели z, то Z будет1
четной функцией г, когда
2 2 i
Z = я -f- bz^ -\~ cz^ ~\- dz* ~\- и т. д.,
или
2 4 _ 2
ПЛИ
2 4 8
Выражения этого рода, будучи все однозначными функциями г, могут
быть названы четными однозначными функциями z.
19. Многозначная четная функция z есть такая, которая при любом
значении z хотя и имеет несколько определенных значений, однако дает
одни и те же значения, положить ли z= -{-k или —к.
Пусть Z будет такого рода многозначной четной функцией z; так
как природа многозначной функции выражается уравнением между Z
и z, в котором Z имеет столько измерений, сколько содержит различ-
различных значений, то ясно, что Z будет многозначной четной функцией,
если в уравнении, выражающем природу Z, переменное количество z
всюду имеет четное число измерений. Так, если
Z* = az*Z + bz\
то Z будет двузначной четной функцией z; если же
то Z будет трехзначной четной функцией z; и вообще,'если Р, Q, R, S'
и т. д. означают однозначные четные функции г, то Z будет двузнач-
двузначной четной функцией z, когда
Z2 - PZ + Q = 0.
Затем Z будет трехзначной четной функцией z, если
Z3-PZ- + QZ-R = 0,
и так далее.
20. Итак, однозначной или многозначной четной функцией будет
такого рода выражение, составленное из переменного количества z:
и постоянных, в котором число измерений z везде четное.
О ФУНКЦИЯХ ВООБЩЕ 31
Функциями этого рода, кроме однозначных, примеры которых приве-
приведены раньше, будут, например, такие выражения:
а+УЬ2 — г2, az2+^a.ez4—6z2,
а также
az3 -f- V z2 + V а* — z* и т. д.
Отсюда ясно, что четные функции можно определить как функ-
функции z2.
Если положить y = z2 и Z будет какой-либо функцией у, то, после
подстановки всюду z2 вместо у, Z будет такого рода функцией z, в кото-
которой z везде имеет четное число измерений. Следует, однако, исключить
те случаи, когда в выражении для Z встречаются ~У у, а также дру-
другие формы этого рода, которые при замене y=z% допускают знаки
радикалов. Хотя у-\~Уау будет функцией у, однако после подстановки
у = г2 это выражение не будет четной функцией z, так как будет
За исключением этих случаев последнее определение четных функций
будет хорошим и удобным для образования функций этого рода.
21. Нечетная функция z есть такая функция, значение которой
при подстановке —z вместо z также становится отрицательным.
Нечетными функциями этого рода будут все степени z, показатели
которых суть числа нечетные, как z1, z3, z5, z7 и т. д.; также z'1, z, z'b
т
и т. д.; но тогда и zn будет функцией нечетной, если оба числа тип
будут числами нечетными. Вообще же всякое выражение, составленное
из степеней этого рода, будет нечетной функцией z; такого рода будут
az-\-bzz, az-\-az~x,
также
i 3 5
z3 -)- azb -\- bz 3 и т. д.
Природу и происхождение этих функций легче будет понять
из функций четных.
22. Если четную функцию z помножить на z или на какую-либо
его нечетную функцию, то произведение будет нечетной функцией z.
Пусть Р будет четной функцией z и, следовательно, остается без
изменения, если вместо z подставить — z: если в произведении Pz под-
подставить — z вместо z, то получится —Pz; отсюда Pz будет нечетной
функцией z. Пусть теперь Р будет четной функцией z и @—-нечетной
функцией z; из определения ясно, что если вместо z подставить —z,
то значение Р останется тем же, а значение О перейдет в —Q, т. е.
в отрицательное; поэтому произведение PQ, если подставить — z вместо
2, перейдет в —PQ, т. е. в отрицательное; 'вследствие этого PQ будет
нечетной функцией z. Так, поскольку а + ]/а2 + z2 есть четная функция,
и z3 нечетная функция z, то произведение
a-8 -I- z3 У а2 + z2
:32 глава i
¦будет нечетной функцией z; подобным же образом
a-fbz2 _ az + bz3
z a + pZ2 ~ a+pz2
•будет нечетной функцией z. Из сказанного также следует, что если
из двух функций Р и Q одна будет четной, а другая нечетной, и одну
разделить на другую, то частное будет функцией нечетной, т. е. у- ,
.а также -~- будет нечетной функцией z.
23. ?сли нечетную функцию помножить или разделить на нечет-
нечетную, то результат будет функцией четной.
Пусть Q и S будут нечетными функциями z, так что при подста-
подстановке — z вместо z Q перейдет в —Q и Л1 перейдет в —Л"; отсюда видно,
что как произведение QS, так и частное -^- сохранят прежнее значение,
если вместо z подстаьить — z; поэтому и то и другое будут четными
функциями z. Также очевидно, что квадрат всякой нечетной функции бу-
будет функцией четной, куб же — функцией нечетной; биквадрат—снова
¦функцией четной и т. д.
24. Если у будет нечетной функцией z, то, обратно, z будет
нечетной функцией у.
Пусть у будет нечетной функцией z, тогда, если подставить —z
вместо z, у перейдет в — у. Если же z определить через у, то неизбежно
при подстановке —у вместо у также z перейдет в —z и, таким обра-
образом, будет нечетной функцией у. Так, при
у будет нечетной функцией z; также из уравнения
или
.z будет нечетной функцией у, И если
y = az + bzs,
то г/ будет нечетной функцией z, и, обратно, из уравнения
6z3 -\- az = y
значение z, выраженное через у, будет нечетной функцией у.
25. Если природа функции у определяется такого рода уравнением,
в отдельных членах которого число измерений у и z вместе будет везде
четным, либо нечетным, то у будет нечетной функцией z.
Действительно, если в такого рода уравнении написать везде — z
вместо z и — у вместо у, то либо все члены уравнения останутся преж-
прежними, либо все станут отрицательными; в обоих случаях уравнение
останется без перемены. Отсюда ясно, что —у определится через —z
таким же образом, как -\-у определяется через -\-z\ и, поэтому, если
вместо z подставить — z, то значение у перейдет в —у,т.е.у будет
О ФУНКЦИЯХ ВООБЩЕ 33
нечетной функцией z. Так, если будет
г/2 = ayz -\- bz2 + с
или
у3 + ay2z = byz2 + су + rfz,
то у из обоих уравнений будет нечетной функцией z.
26. Если Z будет функцией z и У — функцией у, причем У будет
определено через переменное у и постоянные таким же образом, как Z
определяется через переменное z и постоянные, то эти функции У и Z
называются подобными функциями у и z.
Если, например, будет
то Z и У будут подобными функциями z и у; аналогичным образом
в случае многозначных функций, если
ju — а& ju —р и и 1 — аи J ~| и,
то Z и У будут подобными функциями z и у. Отсюда следует, что,
когда У и Z будут такого рода функциями у и z, тогда, если вместо z
написать у, функция Z перейдет в функцию У. Это подобие выражают
обычно, говоря, что У являе'тся такой же функцией у, какой функцией
z является Z. Эти выражения будут применимы независимо от того,
будут ли переменные количества z и у связаны друг с другом или нет; так,
какой функцией у будет
ay + by3,
такой же функцией у-\ п будет
а(у + п)+Ь(у+пK,
причем, разумеется, z = y-\-n; далее, какой функцией z будет
a-|-bz-|-ez2
такой же функцией — будет
если положить у = —. Отсюда ясно виден смысл выражения «подобие
Z
функций», весьма широко применяемого во всем высшем анализе.
Вот вообще все, что достаточно знать о природе функций одного
переменного, поскольку более полное изложение будет дано в дальней-
дальнейшем применении.
3 Л. Эйлер т. I
ГЛАВА II
О ПРЕОБРАЗОВАНИИ ФУНКЦИЙ
27. Функции преобразуются в другие формы либо путем введения
вместо переменного количества другого, либо с сохранением того же.
переменного количества.
Если сохраняется то же переменное количество, то функция, соб-
собственно говоря, изменяться не может, а все преобразование состоит
в выражении той же функции другим образом, ибо, как известно из
алгебры, одно и то же количество может быть выражено во многих
различных формах. Такого рода будут преобразования в том случае,
когда вместо функции
2—3z-[-z2 подставляют A—z)B —z),
или
(а -\- гK вместо a3 + 3a2z-(-3az'2"!- г3,
или
а . а 2а2
:— вместо -= 5.
а — 2 a-f-z a2— z-
ИЛИ
-\- z2 + z вместо
эти выражения, хотя и отличаются по форме, по существу совпадают.
Часто из этих многих равнозначащих форм одна бывает более удобной
для достижения поставленной цели, чем остальные, поэтому следует
выбирать всегда форму, наиболее удобную.
Другой способ преобразования, когда вместо переменного количе-
количества 2 вводится другое переменное количество у, находящееся с 2 в дан-
данном соотношении, называется подстановкой; этот способ надлежит при-
применять для того, чтобы предложенная функция выразилась короче
и удобнее; так, если была задана функция z
а4 — 4as2 -f- 6а222 — 4az3 -f- 24
и [если вместо а —2 положить у, то получится гораздо более простая
функция г/4; также, если дана иррациональная функция 2
]/а2 + z2
О ПРЕОБРАЗОВАНИИ ФУНКЦИЙ 35
и если положить
то эта функция, выраженная через у, станет рациональной, именно,
Этот способ преобразования я отнесу в следующую главу; в этой же
главе изложу тот способ, который проводится без подстановки.
28. Целая функция переменного z часто удобно разлагается на свои
множители и, таким образом, преобразуется в произведение.
Если целая функция разлагается этим способом на множители, то
ее природа познается гораздо легче; тотчас же выясняются случаи,
когда значение функции равно нулю. Так, функция
6 - 72 + 23
преобразуется в произведение
откуда сразу ясно, что данная функция в трех случаях равна нулю,
именно: если 2=1, z = 2 и 2= —3, а эти свойства из формы 6—7z + 23
не так легко усмотреть. Множители такого рода, в которых не встре-
встречается никакая [более высокая] *) степень z, называют простыми множи-
множителями, в отличие от множителей составных, в которые входит квадрат,
куб или другая более высокая степень z. Общая форма простых множи-
множителей будет
форма множителей двойных
f + gz+hz*,
форма множителей тройных
и т. д. При этом видно, что двойной множитель заключает два простых
множителя, тройной множитель — три простых и т. д. Поэтому целая
функция z, в которой показатель высшей степени z равен п, будет
содержать п простых множителей; отсюда вместе с тем узнается число
множителей, если бы даже какие-либо множители были двойными,
тройными и т. д. [*].
29. Простые множители любой целой функции Z переменного z
находятся, если положить функцию Z равной нулю и разыскать из этого
уравнения все корни z; отдельные корни переменного z дадут столько же
простых множителей функции Ъ.
Так, если в уравнении Z—0 какой-либо корень будет z = /, то z — f
будет делителем, а следовательно, и множителем функции Z; надо иссле-
исследовать, таким образом, все корни уравнения Z = 0; пусть они будут
2 = /, z = g, z = h и т. д.;
!) Вставка в квадратных скобках, необходимая по смыслу текста, сделана
по изданию в Opera omnia. [И. П.]
3*
36 ГЛАВА II
тогда функция Z разложится на свои простые множители и преобра-
преобразуется в произведение
Z=(z-/)(s-g)(z-A) и т. д.
Здесь, впрочем, надо заметить, что если коэффициент наивысшей сте-
степени z в Z не будет равен +1, то произведение (z—/) (z— g) и т. д.,
сверх того, следует помножить на этот коэффициент. Так, если
Z = Azn + Bzn-i + Czn'2+ и т. д.,
то будет
Z = A(z-f)(z-g)(z-h) и т. д.
Если же
г = А + Вг + Сг2 + Бг3 + Ег*+ и т. д.
и найденные корни уравнения Z = 0 будут /, g, h и т. д., то
Отсюда понятно, что если, обратно, множителем функции Z будет
z —/ или 1—у, то при подстановке / на место z значение функции
обратится в нуль, ибо если положить z = /, то должен исчезнуть множи-
множитель z — / или 1—-г функции Z, а вследствие этого и сама функция Z.
30. Простые множители будут либо действительными, либо мни-
мнимыми; если функция Z имеет мнимые множители, то число их всегда
будет четным.
Действительно, так как простые множители возникают из корней
уравнения Z = 0, то действительные корни дадут действительные множи-
множители, а мнимые— мнимые; но во всяком уравнении число мнимых кор-
корней всегда четное; поэтому функция Z либо не будет иметь мнимых
множителей, либо будет иметь их два, или четыре, или шесть и т. д. [5].
Если функция Z имеет только два мнимых множителя, то нх произведе-
произведение будет действительным, и поэтому даст двойной действительный
множитель. Пусть Р равно произведению всех действительных множи-
Z
телеи; тогда произведение двух мнимых множителей равно -р- и, значит,
будет действительным. Подобным образом, если функция Z имеет четыре,
или шесть, или восемь и т. д. мнимых множителей, то их произведение
всегда будет действительным, именно будет равным частному от деле-
яия функции Z на произведение всех действительных множителей.
31. Если Q будет действительное произведение четырех простых
мнимых множителей, то это произведение Q может быть также раз-
разложено на два действительных двойных множителя [6].
В самом деле, Q будет иметь вид
если отрицается возможность разложения этой функции на два действи-
действительных двойных множителя, то должна быть принята разложимость
О ПРЕОБРАЗОВАНИИ ФУНКЦИЙ 37
на два двойных мнимых множителя, которые будут иметь вид
z2
и
z2 - 2 [р - q V^i) z + г - s
ибо нельзя себе представить другие мнимые формы, произведение кото-
которых было бы действительным, именно равным z4 + Az3 -\- Bz2 -f Сz -\- D.
Из этих двойных мнимых множителей вытекают следующие четыре
простых мнимых множителя для Q:
п. z-{p+q V~^l) - Ур* + 2ря V^i - q* - r - s y^A,
HI. Z-{p-qV~l)y
IV. z-(/7-?y'^l)
Если перемножить между собою первый и третий множители и положить
для краткости
t = p2—q2 — r и u = 2pq—
то произведение этих множителей будет равно
z2 - (lp - Ylt + 2 J/Y2 + и
qY + У+ + у+,
и во всяком случае, будет действительно. Подобным же образом будет
действительным произведение второго и четвертого множителей, а именно,
оно равно
+ q ]/-2* + 2 yW+п* + Vl'1 + и~.
Итак, данное произведение Q, возможность разложения которого
на два действительных двойных множителя отрицалась, тем не менее
в действительности разложено таким путем на два действительных
двойных множителя.
32. Если целая функция Z переменного z имеет простые мнимые
множители, то сколько бы их ни было, их всегда можно соединить
по два так, чтобы эти произведения были действительными.
Так как число мнимых корней всегда четное, то пусть оно равно
2п; прежде всего ясно, что произведение всех этих мнимых корней
будет действительным. Поэтому, если будет только два мнимых корня,
то их произведение во всяком случае будет действительным; если будет
четыре мнимых множителя, то, как мы видели, произведение их может
быть разложено на два двойных действительных множителя вида
/z2+gz + h. Но, хотя этот способ доказательства нельзя распространить
на высшие степени, однако представляется несомненным, что это свой-
свойство справедливо для любого числа мнимых множителей, так что вместо
ГЛАВА II
In простых мнимых множителей могут быть введены п действительных
двойных. Отсюда всякая целая функция переменного z может быть
разложена на действительные множители — простые или двойные. Хотя
это и не доказано со всею строгостью, однако справедливость этого будет
в большой мере подкреплена в дальнейшем1), где функции вида
a+bz'\ a + bzn + cz*n, а + bzn + cz*n + dz3n
и т. д. на самом деле будут разложены на такие двойные действитель-
действительные множители.
33. Если целая функция Z при подстановке z=a принимает значе-
значение А, а при подстановке z=-b принимает значение В, то при под-
подстановке вместо z значений, промежуточных между а и Ь, функция Z
может принимать любые промежуточные значения между А и В.
Так как Z есть однозначная функция z, то, какое бы действитель-
действительное значение ни было придано z, функция Z получит при этом также
действительное значение. Так как Z в первом случае, при z = а, прини-
принимает значение А, в последнем же, при z = 6,— значение В, то она
не может перейти от А к В, не пройдя через все промежуточные значе-
значения. Если уравнение Z—A = 0 имеет действительный корень и одно-
одновременно Z — 5 = 0 дает действительный корень, тогда и уравнение
Z — С = 0 будет также иметь действительный корень, если только С
заключается между значениями А и В.
Поэтому, если выражения Z — А и Ъ — В имеют простые действи-
действительные множители, то всякое выражение Z—C будет иметь простые
действительные множители, коль скоро С заключается между значе-
значениями А и В.
34. Если у целой функции Z показатель наибольшей степени z будет
числом нечетным 2п + 1, то эта функция Z будет иметь по меньшей
мере один простой действительный множитель. Функция Z будет, оче-
очевидно, иметь такой вид:
z2«+i + a22n + pz2n-i + YZ2n-2+ и т_ д_
Если в ней положить z=oo, то значения отдельных членов по сравне-
сравнению с первым исчезнут, и будет
поэтому Z— оо будет иметь простой действительный множитель, именно
z—со. Если же положить z=—оо, то
Z=(-ooJn+1= -оо,
стало быть, Z+oo будет иметь простой действительный множитель
z+co. Но так как и Z — оо и Z-\-ca имеют простые действительные
множители, то отсюда следует, что Z—С также будет иметь простой
действительный множитель, если только С заключается между пре-
пределами -\- оо и —оо, т. е. если С будет каким угодно действительным
числом—положительным или отрицательным. Таким образом, если
положить С = 0, то функция Z будет иметь простой действительный
йножитель z—c; при этом количество с будет заключаться между пре-
1) См. § 150—154. [А. К.)
О ПРЕОБРАЗОВАНИИ ФУНКЦИЙ 39
делами + оо и —оо, т. е. будет количеством либо положительным,
либо отрицательным, либо нулем.
35. Целая функция Z, в которой показатель наибольшей степени
переменного z есть число нечетное, будет иметь или один простой дей-
действительный множитель, или три, или пять, или семь и т. д.
Действительно, так как было показано, что функция Z безусловно
будет иметь один простой действительный множитель, z — c, то положим,
что она, кроме того, имеет еще один множитель z—d, и разделим функ-
функцию Z, в которой наибольшая степень z есть z2n+1, на (z — c)(z — d)',
наивысшая степень в частном будет z2n~x; ее показатель, будучи числом
нечетным, опять указывает на то, что Z будет обладать еще одним
простым действительным множителем. Итак, если Z будет иметь более
одного простого действительного множителя, то она будет иметь три
или (так как таким же образом можно поступать сколько угодно раз)
пять, или семь и т. д. Следовательно, число простых действительных
множителей будет нечетным, а так как число всех простых множите-
множителей равно 2/1+1, то число мнимых множителей будет четным.
36. Целая функция Z, в которой показатель наибольшей степени z
есть четное число 2п, будет иметь или два простых действительных
множителя, или четыре, или шесть, и т. д.
Положим, что у функции Z число простых Действительных множи-
множителей нечетное, 2/n+l; если, следовательно, функцию Z разделить на
произведение всех их, то наибольшая степень частного будет равна
Z2n-2m-i и показатель ее есть число нечетное; поэтому функция Z будет
иметь, кроме этих, еще один простой действительный множитель, откуда
число всех простых действительных множителей будет, по меньшей
мере, 2/и + 2, следовательно, четное; число мнимых множителей также
будет четным. Таким образом, у всякой целой функции простые мни-
мнимые множители будут парными, как это, впрочем, мы уже установили
раньше.
37. Если в целой функции Z показатель наибольшей степени z будет
числом четным, а свободный, или постоянный член будет со знаком минус,
функция Z будет иметь по меньшей мере два простых действительных
множителя.
Функция Z, о которой идет речь, будет иметь вид
22n ± az2™ ± (Jz2n~2 ± ... ± vz — А.
Если подставить 2=оо, то, как мы видели выше, будет Z = co; если
же подставить 2 = 0, то будет Z= — А. Следовательно, Z—оо будет
иметь действительный множитель 2 —оо, а Z-\-А множитель z — 0;
отсюда, так как нуль заключается между пределами —оо и -\-A, Z-\-0
будет иметь простой действительный множитель z — с, причем с будет
заключаться между пределами 0 и оо.
Далее, так как при подстановке z= — оо будет Z=oo, а значит,
Z—оо будет иметь множитель 2-(-со, и вместе с тем Z-|-А имеет мно-
множитель 2-J-0, то выходит, что Z-|-0 будет иметь также простой дей-
действительный множитель zArd, причем d будет заключаться между пре-
пределами 0 и оо; отсюда и вытекает предложение. Из сказанного видно,
что если Z будет такой функцией, как здесь указано, то уравнение
40 ГЛАВА II
Z = 0 должно иметь по крайней мере два действительных корня: один
положительный, другой отрицательный. Так, уравнение
z* + az3 + pz2 + yz — а2 = 0
имеет два действительных корня, положительный и отрицательный [7].
38. Если в дробной функции переменное количество z в числителе
имеет такое же или большее число измерений, чем в знаменателе, то эта
функция может быть разложена на две части, одна из которых будет
целой функцией, а другая дробной, в числителе которой переменное коли-
количество z будет иметь меньшее число измерений, чем в знаменателе.
В самом деле, если показатель наибольшей степени z в знаменателе
будет меньше, чем в числителе, то в таком случае можно числитель
делить на знаменатель обычным путем до тех пор, пока не дойдем
в частном до отрицательных показателей; прервав на этом месте процесс
деления, мы получим частное, состоящее из целой части и дроби,
и числителе которой число измерений z будет меньше, чем в знаменателе;
и это частное будет равно заданной функции. Так, если будет дана
дробная функция . Т г-, то она путем деления разложится так:
1 +
и получится
Подобного рода дробные функции, у которых переменное количе-
количество z имеет столько же или больше измерений в числителе, чем в зна-
знаменателе, по аналогии с арифметикой могут быть названы неправиль-
неправильными дробями или неправильными дробными функциями,—в отличие
от правильных дробных функций, в числителе которых переменное коли-
количество z имеет меньше измерений, чем в знаменателе. Итак, неправиль-
неправильная дробная функция может быть разложена на целую и правильную
дробную функции и это разложение достигается путем обычного про-
процесса деления.
39. Если знаменатель дробной функции имеет два взаимно простых
множителя, то такая дробная функция разложится на две дроби, зна-
знаменатели которых будут соответственно равны этим двум множителям.
Хотя разложение это распространяется в равной мере и на непра-
неправильные дробные функции и на правильные, однако мы будем его при-
применять главным образом к правильным. По разложении знаменателя
такой дробной функции на два взаимно простых множителя сама функ-
функция разложится на две другие правильные дробные функции, знамена-
знаменатели которых будут равны, соответственно, этим двум множителям;
разложение это, если дроби будут правильными, может быть выполнено
только одним способом, справедливость чего будет яснее видна из при-
О ПРЕОБРАЗОВАНИИ ФУНКЦИЙ 41
мера, чем из рассуждения. Действительно, пусть дана дробная функция
знаменатель которой l-)-4z4 равен произведению
заданная дробь разложится на две дроби, знаменатель одной из кото-
которых будет l + 2z + 2z2, а другой 1 — 2z-)-2z2; для нахождения их, так
как обе правильны, положим числитель одной из них равным a+pzr
а другой—равным y^-bz; при этом по допущению
1 — 2z-\-3z2 — 4z3_ a + Pz
сложим, на самом деле, эти две дроби; тогда у суммы будет
числитель
a — 2az + 2az2
+ Pz - 2pz2 + 2pz3
у + 2yz + 2yz2
+ 6z + 26z2+26z3,
знаменатель
1 + 4z*.
Так как знаменатель равен знаменателю данной дроби, то числители
также должны быть сделаны равными; так как неизвестных букв а, р,
у, б столько, сколько надо получить равных членов, то это всегда воз-
возможно и притом только одним образом — именно, получаем четыре таких
уравнения:
I. а + у=1, HI. 2a-2p + 2y+26 = 3,
И. -2а + р + 2-у + 6= -2, IV. 2р + 2в=-4.
Отсюда, так как
уравнения II и III дадут
а — у = 0 и б — Р = ^т ,
откуда
1 1 Q 5 . 3
а = У Y=2". P=—4-. 6=-Т'
и, таким образом, заданная дробь
1 — 2z-f3z2 — 4z3
l-)-4z*
преобразуется в такие две.
15 13
2-7' 2~Т'
l-f-2z-f2za + l — 2z + 2z2 "
Легко видеть, что разложение всегда должно идти подобным обра-
образом, так как вводится всегда столько неизвестных букв, сколько нужно
для получения данного числителя. Из общего учения о дробях понятно,
что это разложение может иметь место только в том случае, когда мно-
множители знаменателя будут взаимно простыми.
42 ГЛАВА II
40. Итак, дробная функция —^ может быть разложена на столько
простых дробей вида , сколько простых не равных между собою
Р—4Z
множителей имеет знаменатель N.
Пусть дробь — представляет некоторую правильную дробную функ-
функцию, так что М и N являются целыми функциями z, и при этом
наивысшая степень z в М меньше, чем в N. Итак, если знаменатель N
будет разложен на свои простые множители и последние окажутся
М - „
не равными, то выражение -jr- разложится на столько дробей, сколько
простых множителей содержится в знаменателе N, так как каждый
множитель уйдет в знаменатель частной дроби. Поэтому, если p — qz
будет множителем функции N, то он будет знаменателем какой-то частной
дроби; так как в числителе этой дроби число измерений z должно быть
меньше, чем в знаменателе р— qz, то числитель непременно будет
количеством постоянным. Поэтому из каждого простого множителя p—qz
знаменателя N получится простая дробь ; при этом сумма всех
Р—<?z
М
таких дробей будет равна данной дроби -~- .
ПРИМЕР
Пусть, например, дана дробная функция
1-f-z2
z —z3 •
Так как простыми множителями знаменателя являются z, \ — z и 1 + z,
то наша функция разложится на такие три простые дроби:
А В С _ 1+z2
' "Г +
Z ^ 1 —Z ^ I-)-Z ~~ Z—Z3 '
здесь нужно определить постоянные числители А, В и С. Приведем эти
дроби к общему знаменателю, который будет z—z3; сумма же числителей
должна будет равняться 1 -f- z2, откуда получается уравнение
-Cz*
которое дает столько приравниваний, сколько имеется неизвестных букв
А, В, С; именно, будет
I. 4=1,
И. В + С = 0,
III. -А + В-С=1;
отсюда
В-С = 2,
и затем
.4=1, Б = 1 и С=-1.
О ПРЕОБРАЗОВАНИИ ФУНКЦИЙ 43
Таким образом, разложение данной функции
представится в таком виде:
1
Z ~ 1 —Z \-\-z '
Подобно этому убеждаемся, что сколько бы знаменатель N ни имел
простых, не равных между собою множителей, всегда дробь -~- будет раз-
разлагаться на столько же простых дробей. Если несколько множителей
будут между собою равны, тогда разложение следует производить дру-
другим способом, который будет изложен дальше.
41. Итак, всякий простой множитель знаменателя N дает простую
м
дробь в разложении данной функции -гг- ; требуется показать, каким
образом, зная простой множитель знаменателя N, найти соответст-
соответственную простую дробь [8].
Пусть р — qz есть простой множитель N, так что
N = (p-qz)S;
при этом S есть целая функция z. Пусть возникшая из множителя p — qz
дробь равна
А
p — qz '
и пусть дробь, которая должна возникнуть из другого множителя S
знаменателя, равна
Р_
S '
тогда согласно § 39 должно быть
М А , Р М
N p-qz ' S (p-qz)S '
откуда
Р M — AS
Так как эти дроби должны совпасть, то М — AS непременно должно
делиться на p—qz, так как целая функция Р равна этому частному.
Но р—qz, будучи делителем М — AS, исчезает, если подстаинть
z = ~. Поэтому, если подставить везде в М и S вместо z постоянное
значение — , то будет М — AS = 0, откуда
S '
Этим способом находится числитель А искомой дроби — , и если и:з
отдельных простых множителей знаменателя Лг, лишь бы они не были
равны между собой, образовать простые дроби подобного рода, то сумма
всех этих простых дробей будет равна данной функции.
44 ГЛАВА II
ПРИМЕР
Если в предыдущем примере
1+Z*
Z—Z3 '
где
М = 1 + z2
и
/V = z-z3,
взять z в качестве простого множителя, то
S = 1 - z2
и числитель происходящей отсюда простой дроби — будет
Л l
1 — z2
при подстановке z = 0, а это представляет то значение, которое полу-
получает z, если положить простой множитель z равным нулю. Подобным
образом, если в качестве множителя знаменателя взять 1 — z, так что
S = z + z*,
то будет
где полагаем 1 — z = 0, откуда
А=1,
и из множителя 1 — z получается дробь -. .
Наконец, третий множитель 1 + z, поскольку
z —zz '
при подстановке l + z=0, или z= — 1, даст
A=. -1
и простую дробь, равную
Итак, при помощи этого правила получается
1 + z2 _ 1 1 1
.3 Т Т'
1—Z 1-|-2 '
как и раньше.
42. Дробная функция вида -т———^ , числитель которой Р пе содер-
столь высокой степени z, как знаменатель (p—qz)n, может быть
О ПРЕОБРАЗОВАНИИ ФУНКЦИЙ 45
преобразована в частные дроби такого вида:
ABC D К
(p_gz)»-3 ^ •" "^/>-gz '
¦все числители которых являются постоянными количествами.
Так как наибольшая степень z в Р меньше, чем z?l, то она будет
z", так что Р будет иметь такой вид:
... + xzn~\
причем число членов равно п и этому должен быть равен числитель
суммы всех частных дробей после приведения их к общему знаменателю
{p — qz)n; числитель же этот, таким образом, будет
Его наибольшая степень z есть, как и раньше, zn г; неизвестных
букв А, В, С, . . ., К (число которых равно п) будет столько, сколько
нужно будет приравнять членов. Благодаря этому буквы А, В, С л т. д.
могут быть определены так, что получится правильная дробная функция
Р _ А В С D К
ip-qz)" ~~ (р — gz)" +(p-gz)"-i' + (p —gz)"-* +(p_gz)"-a + ¦¦• +p-gz
Мы сейчас изложим простой способ для нахождения этих числителей.
43. Если знаменатель N дробной функции -=- содержит множитель
(/?—gzJ, то частные дроби, возникающие из этого множителя, могут
быть найдены следующим образом.
Раньше было показано, какого рода частные дроби получаются
из отдельных простых множителей знаменателя, не имеющих себе
равных; теперь положим, что два множителя равны между собой или
что после их соединения множителем знаменателя N будет (p—qz)~.
Из этого множителя на основании предыдущего параграфа получаются
две частные дроби:
Л | в
Пусть
тогда
М _ М _ А , В Р
Р ,
где —г означает нее имеете нзятые простые дроби, происшедшие из мно-
множителя S знаменателя; отсюда
Р M—AS-
S - (p-qzfS
И
n M — AS — В(р — qz)S .. х
Р= (p-gzf = Целой функции.
Поэтому
M-AS-B{p—qz)S
46 ГЛАВА II
должно делиться на (p—qzJ. Начнем с того, что оно должно делиться
на р— qz, тогда выражение
М-AS— B(p-qz)S
исчезает, если положить p—qz = O или z — —. Поэтому подставим всюду
— вместо z; тогда М — AS = 0, и, следовательно,
, М р
это значит, что дробь —^- при подстановке везде — вместо z даст
постоянное значение А.
Теперь количество М — AS — В (р — qz)S должно делиться также
и на (p—qzJ, т. е. —— BS должно снова делиться на p—qz. Под-
Подставив везде z = — , получим
p — qz
откуда
„_ M — AS _ 1 / M
~ [p — qz)S ~ p — qz V S
причем надо заметить, что так как М — AS делится на p—qz, то это
деление следует произвести прежде, чем подставлять — вместо z. Или же,
полагая
M—AS
р — qz
будем иметь
где положено z = — .
= Т,
Найдя, таким образом, числители А ж В, получим частные дроби,,
происшедшие от множителя (p — qzJ знаменателя N:
(p—qzJ ~ p — qz
ПРИМЕР 1
Пусть дана дробная функция
1 —Z2
для квадратного множителя z2 знаменателя будет
S = 1 -f- z2 и М = 1 — z2.
Пусть частные дроби, происходящие от z2, будут
4+-;
тогда
О ПРЕОБРАЗОВАНИИ ФУНКЦИЙ 47
4— м — 1—z
Полагая множитель z = 0, получим
Л=1.
Тогда Л/ — AS = —2z2, что после деления на простой множитель z даст
71 = - 2z;
отсюда
при 2 = 0 будет
5 = 0,
и, таким образом, из множителя z2 знаменателя возникает единственная
, 1
частная дробь -^ .
ПРИМЕР 2
Пусть дана дробная функция
частные дроби которой, возникающие из квадрата A —zJ в знаменателе,
будут
А . в
A — z)a ~ I —z ¦
Тогда
M = z3 и 6' = l + z4;
поэтому
подставляя 1 — z = 0 или z=l, получим
Таким образом,
~~ 2 2 ~ I 2 ~*~
что после деления на 1 — z даст
111 1
поэтому
так что, полагая z=l, получим
48 ГЛАВА II
Значит, искомыми частными дробями будут
1 1
2A —zJ 2A — z) '
44. Если знаменатель N дробной функции —^- имеет множитель
(p — qzK, то частные дроби
А , В , С
{p-qzf ' (p-qzf ' p-qz '
¦возникающие от этого множителя, могут быть найдены следующим
образом.
Положим
N = (p-qzKS,
р
и пусть дробь, происходящая от множителя S, будет равна -~ ; тогда
п М — AS — B(p — gz)S — C(p — qzyS „ v
Р = (jp_gzK — = целой функции.
Следовательно, числитель
М _ Л61 — В (р — qz) S — С (р — qzf S,
прежде всего, должен делиться на p—qz; поэтому он при p — qz = O
_ Р
быть,
или z = ~ должен исчезнуть; таким образом, будет М — AS = 0, и, стало
А М
где положено z = — .
При найденном значении Л, М — AS будет делиться на p — qz;
положим
М — AS гГ
тогда
T-BS-C(p-qz)S
будет еще делиться на (p—qzJ; значит, оно будет равно нулю при
р—qz = O; отсюда
а
где положено z = — .
При найденном В выражение Т — BS будет делиться на p — qz. По-
Поэтому, положив
s
p — qz
получаем, наконец, что
V-CS
будет делиться на p—qz, значит, при р— qz = O будет V — CS=0, откуда
где положено z = — .
О ПРЕОБРАЗОВАНИИ ФУНКЦИЙ 49
Найдя, таким образом, числители А, В, С, получим частные дроби
А В С
(P — qzK + (P — qzf + P—qz '
возникшие от множителя (р—qzK знаменателя N.
ПРИМЕР
Пусть дана дробная функция
от кубического множителя A — гK ее знаменателя возникают частные
дроби
А , В , С
"Г /л ,^2 "Г '
A — 2K "Г A_ZJ "Г 1_2 •
Тогда
отсюда, во-первых,
при 1—z = 0 или z=l, что дает
Затем, если положить
гг М-AS
1 - 1-2
то будет
" "~ 1-z ~~ 2 2
отсюда
1 1
~ 1 + Z2
при z= 1, так что
\
Б= —у .
Полагая далее
-г т 7 — BS ^
= 1 — z = 1 —z
найдем
1-z - 2 "'
отсюда
1
4 Л. Эйлер, т. I
50 ГЛАВА II
при z=l, так что
р \_
Таким образом, частные дроби, возникшие от множителя A — zK знаме-
знаменателя, будут
1 1 1
2(l-zK 2A— zf 4A— z) '
45. Если у дробной функции -тт- знаменатель N содержит множи-
множитель (p—qz)n, то возникающие отсюда частные дроби
могут быть найдены следующим образом.
Положим, что знаменатель
рассуждая, как раньше, найдем нижеследующее.
Во-первых,
А- М
при z = — .
Положим
р_М—AZ .
~~ p — qz '
тогда, во-вторых,
при z = —
Положим
тогда, в-третьих,
при z= —.
Положим
тогда, в-четвертых,
при z = — .
Положим
R — DZ
~~~ p—qz
О ПРЕОБРАЗОВАНИИ ФУНКЦИЙ
тогда, в-пятых,
при z = — ; и т. д.
По определении этим способом отдельных постоянных числителей
А, В, С, D и т. д. будут найдены все частные дроби, происходящие
от множителя (р—qz)n знаменателя N.
ПРИМЕР
Пусть дана дробная функция
и пусть из множителя z5 ее знаменателя получаются частные дроби
Z5 "Г 24 "Г 2з "Г 2а "Г 2 •
Для нахождения их постоянных числителей имеем
и -^ = 0.
Дальнейшее вычисление будет идти так.
Во-первых,
М 1 +
+
при z = 0; поэтому
Полагая
г z •
будем иметь, во-вторых,
R
Z 1 + zS
при z = 0, значит,
? = 0.
Полагая
Х 2 2 '
будем иметь, в-третьих,
Z 1+23
при z = 0, значит,
С=1.
Полагая
будем иметь, в-четвертых,
Т= 1+23~
4*
52 ГЛАВА II
при z = 0, откуда
D= -1.
Полагая
<-, _ Д — DZ _ — z2 + z3 __ 2
Л- i ~ z Z + Z '
будем иметь, в-пятых,
при z = 0, откуда
Итак, искомые частные дроби будут:
45Ы81). Какова бы ни была заданная рациональная дробная функция -^-,
она разложится на части и преобразуется к наиболее простой форме сле-
следующим образом.
Нужно найти все простые множители знаменателя /V, действительные
или мнимые; те из них, которые не имеют себе равных, рассматриваются
поодиночке и для каждого, на основании § 41, выделяется частная дробь.
Если же один и тот же простой множитель встречается дважды или много
раз, то они берутся вместе, и для их произведения, которое будет степенью
вида (р—qz)n, подыскиваются соответственные частные дроби на основа-
основании § 45. Когда, таким образом, для отдельных простых множителей зна-
знаменателя будут получены частные дроби, то вся совокупность их будет
равна заданной функции -^-, если только она не есть неправильная дробь;
если бы она была неправильной дробью, то, сверх того, следовало бы исклю-
исключить целую часть и прибавить ее к найденным частным дробям; таким
М
образом получится значение функции -^- в простейшей форме. При этом
безразлично, находить ли частные дроби раньше извлечения целой части
или после. В самом деле, из отдельных множителей знаменателя N полу-
получаются одни и те же частные дроби, будет ли взят сам числитель М, или
он же, увеличенный либо уменьшенный на знаменатель, взятый целое
число раз; в этом легко убедиться путем рассмотрения данных выше
правил.
ПРИМЕР
Требуется найти значение функции
1
выраженное в простейшей форме. Сперва берется простой множитель
знаменателя 1+z, который дает — = — 1; тогда
АГ=1 и Z = z3-2z4-!-z5.
') В первом издании и этот параграф и следующий, относящийся у..;с к дру-
другой главе, были ошибочно помечены одним и тем же номером 46.
О ПРЕОБРАЗОВАНИИ ФУНКЦИЙ 53
Отсюда для нахождения дроби —— имеем
при z = — 1, т. е.
и из множителя 1 + z получается частная дробь
1
Теперь берется квадратный множитель A — zJ; он дает
-?=1, Af=l и Z=z3+z4.
Если обозначить происходящие отсюда частные дроби через
А +. в
I—2
то будет
Z ~j~ Z
при z = 1; поэтому
Полагая
M-yZ I —-2-z3__z4
получим
при z=l; следовательно,
7
и искомые частные дроби будут
2A — гJ Т4A—г) "
Наконец, третий, кубический, множитель z3 дает
? = 0, М=1 и Z=l-z-z2 + z3.
Итак, обозначив частные дроби через
получим сперва
Vkf 1
= ~Z" = 1 — Z — z2-f -"
54 ГЛАВА II
при z = 0, значит,
-4=1.
Положим
тогда
при z — О, значит,
5=1.
Положим
тогда
при г = 0, следовательно,
С = 2.
Таким образом, данная функция
1
z3(l —z)a(l+z)
представляется в такой форме:
119 1 7 1
гз ^ га 1 2 1 2A — г)" ^ 4A — z)
При этом не оказывается целой части, потому что предложенная
дробь не является неправильной.
ГЛАВА III
О ПРЕОБРАЗОВАНИИ ФУНКЦИЙ ПУТЕМ
ПОДСТАНОВОК
46. Если у будет какой-либо функцией z, a z будет определяться
посредством нового переменного х, то у также может быть определено
посредством х.
Итак, раньте у было функцией z, а теперь вводится новое перемен-
переменное количество хч посредством которого определится каждое из преды-
предыдущих как у, так и z. Так, если было
У —
и полагаем
то после подстановки этого значения вместо z получится
2х
У = Т+^-
Если взять для х какое-либо определенное значение, то из него можно
найти определенные значения для z и для г/, и, таким образом, нахо-
находится значение переменного у, соответствующее тому значению z, кото-
1 14
рое получилось одновременно с ним. Так, если х = -^> то z — ^ш У — ~к'->
4 „ 1 —z2
значение 2/ = -?- можно также найти, если в выражение .-, а, равное у,
1
подставить z = -r-.
о
Введение такого нового переменного применяется для двоякой цели:
либо этим уничтожается иррациональность, входящая в данное выраже-
выражение у через z, либо оно применяется в том случае, когда из-за высокой
степени уравнения, посредством которого выражается соотношение
между у и z, нельзя получить явной функции z, равной у; тогда вво-
вводится новая переменная х, посредством которойтмогут быть удобно опре-
определены как у, так и z. Уже из этого в достаточной мере выясняется
значительная польза подстановок; из дальнейшего же это будет видно
гораздо яснее [9].
47. Если дано
56 ГЛАВА III
то новое переменное х, посредством которого z и у выражаются рацио-
рационально, может быть найдено следующим образом.
Как z, так и у должны быть рациональными функциями перемен-
переменного х; этого, очевидно, можно достигнуть, положив
~\^а -{- bz = Ьх.
Получим сперва
у=Ьх и a-\-bz—b2x2,
откуда
z = Ьх2 —г •
о
Таким образом, каждое из количеств у и z выражается рациональной
функцией переменного х; именно, так как y = y'a-\-bz, то положим
z = Ьх2 —%¦
о
и получим
у=Ьх.
48. Если
то новое переменное х, посредством которого как у, так и z выража-
выражаются рационально, может быть найдено так.
Положим
у = хт;
тогда
т
(a+bz)ir = xm,
откуда
следовательно,
хп —
i г. п
а-\- bz = х и z =
Так оба количества у и z будут определены рационально через х при
помощи подстановки
хп—а
,Г.П-
ъ — ¦
которая дает
у=хт.
Хотя ни у через z, ни, обратно, z через у рационально выразить нельзя,
однако каждая из этих функций стала, вполне удобно, рациональной
функцией нового переменного количества х, введенного путем подстановки.
49. Пусть
Г a + bz V^.
у V / )
О ПРЕОБРАЗОВАНИИ ФУНКЦИЙ ПУТЕМ ПОДСТАНОВОК 57
требуется найти новое переменное количество х, посредством которого
и у и z выражались бы рационально.
Прежде всего ясно, что можно удовлетворить требованию, подставив
если
то
) ~Х '
п
и из этого уравнения выводим
_ а — jxn
Z== gxn—b '
и такая подстановка дает
Отсюда также понятно, что если
/ а-\-$у ~\п __ f a + bz \m
\ У + б7 J ~\f+& ) '
то у и z выразятся рациональнр через х, если каждое из выражений
положить равным хтп; действительно, получим
этот случай никаких затруднений не представляет.
50. Если
то удобная подстановка, посредством которой у и z выражались бы
рационально, может быть найдена таким образом.
Положим
У (а + bz) (с + dz) = (a-\-bz)x;
в самом деле, легко видеть, что отсюда получится для z рациональное
выражение, потому что значение переменного z определяется простым
уравнением. Именно, будет
cJrdz=.(a+ bz) x2,
откуда
с — ах2
2 —— —^ т >
Затем
, be — ad
и так ;как у = ]/г(а-|- bz)(c+ dz) = (a + bz) x, то получаем
(be — ad) x
У= bx*—d "
58 ГЛАВА III
Итак, иррациональная функция у = У [а + bz) (с + dz) приводится к раци-
рациональному виду путем подстановки
с—ах2
Z~' bx2 — d '
так как последняя дает
(Ье— ad) х
У" bx*-d '
Так, если будет
У — V а — z — К(аН
то 6=+1, с —а, <2=— 1; подставляя
а —ах2
Z =
получим
2ах
Всякий раз, как выражение под знаком У содержит два простых дей-
действительных множителя, приведение к рациональному виду производится
этим способом; если же два простых множителя будут мнимыми, то
лучше пользоваться следующим приемом.
51. Пусть
требуется найти удобную подстановку для z, чтобы выражение для у
стало рациональным.
Сделать это можно многими способами, смотря по тому, будут ли
р и q количествами положительными или отрицательными. Пусть
сперва р — положительное количество; подставим а2 вместо р; конечно,
р может вовсе и не быть квадратом, однако иррациональность постоян-
постоянных количеств не играет здесь никакой роли. Итак, пусть
I.
тогда
откуда
У
= Уа*+1
7Z + CZ2 И
У а
положим
2+bz+cz2 = a + xi
b-{-cz — 2ax + x2z,
Ъ — 2ах
затем
. Ьх — ах2—ас
y a\xz
таким образом, z и у являются рациональными функциями х.
Пусть теперь
II. у ¦=¦ У аНг + bz + c и положим
У аЧ'1 + bz + c = az+x;
О ПРЕОБРАЗОВАНИИ ФУНКЦИЙ ПУТЕМ ПОДСТАНОВОК 59
тогда
bz+c=2axz+xz,
и
х2 — с
Z = -
Ъ—2ах '
Затем получится
— ас-\-Ъх— ах2
III. Если р и г будут количествами отрицательными, тогда, если
не будет q% > 4jw, значение у всегда будет мнимым. В случае же
q2 > ipr, выражение p-\-qz-\-rz2 может быть разложено на два множи-
множителя, каковой случай относится к предыдущему параграфу. Часто,
однако, бывает удобнее приводить к форме
у = у а* -
Для представления ее в рациональном виде положим
у = а-\-(b-\-cz) x;
тогда
d -f- ez = 2ах -{-bx1 -\- cx2z,
откуда
d — 2ax — bx2
z = ^
—ae-\-(cd—be) x — acx2
Иногда более удобным может оказаться приведение к форме
у - Уа^ +(b + cz) (d + ez).
Тогда полагаем
у = az-\- (b-\- cz)x;
получаем
d-\-ez= 2axz + bx2 + cx2z
е —2ах — сх2 '
а затем
_ —ad+(be — cd)x — abx2
" е — 2ах — сх2
ПРИМЕР
Пусть дана иррациональная функция z
так как ее можно привести к виду
у = V1-2+3Z-* = yi-(l-z)B-9),
60 ГЛАВА'ill
то положим
тогда
— 2 + z = — 2x + x2—x2z
_2 —
Z -7
Затем получаем
l-z = -
y=l-(l-z)x = -
Это —почти все случаи, которые разрешает неопределенная алгебра
или метод Диофанта, и в других, отличных от здесь рассмотренных,
случаях приведение к рациональному виду путем рациональной подста-
подстановки произвести нельзя. Поэтому я перехожу к изложению другого
применения подстановок.
52. Пусть у будет функцией переменной z вида
ауа + bz$ + сучг6 = 0
от переменного z; надо найти новое переменное х, посредством которого
значения у и z могли бы быть выражены явно.
Так как общего способа решения уравнений не существует, то из дан-
данного уравнения ауа + ЬФ -\- cyyz6 = 0 ни у через z, ни, обратно, z через у-
выразить нельзя. Чтобы преодолеть это затруднение, положим
получим
axamzan + bz$ -f cxvmz4n*& = 0.
Теперь определим показатель п так, чтобы из этого уравнения можно
было найти значение переменного z, что можно сделать тремя способами.
I. Пусть
и, значит,
а
тогда, разделив уравнение на zan = zP, получим
ахат +Ъ-\- cxVmz4n-$+6 = 0,
откуда
* = l —J
О ПРЕОБРАЗОВАНИИ ФУНКЦИЙ ПУТЕМ ПОДСТАНОВОК 61
ИЛИ
а
\ сх^т J
II. Пусть
}, т. е. п = ' ;
тогда, разделив уравнение на z&, найдем
axamzan-$ -j- b + сх^т = О,
откуда
N i
хут
и
р-Й
III. Пусть
are = уп + б, или ге = —— ;
тогда, разделив уравнение на zan, находим
ахат-\- bz$~an-\- с%чт = 0;
отсюда получается
"-V
.am
_ахат —
И
у =
Итак, тремя различными способами получены функции переменного
х, равные z ж у. Впрочем, вместо т можно подставлять любое число,
исключая нуль; таким путем формулы могут быть приводимы к наибо-
наиболее "удобному выражению.
ПРИМЕР
Пусть природа функции у выражается уравнением
уа + za — cyz = 0
и требуется найти функции х, равные у и z. Имеем
а=-1, й=-1, a = 3, p = 3. y = 1hS = 1
62 ГЛАВА III
Отсюда первый способ дает при т = 1
1
и у = х
сх J
или
и г/ =
каждое из этих выражений к тому же рационально.
Второй способ дает такие значения:
—. f СХ 1 V тт я. — rp f СХ 1
ИЛИ
z = — [/ex— 1 и y = — ^(cx— IJ.
Третий способ дает
2 ^
z = (cx—x3K и у = x (cx — x3K .
53. Отсюда a posteriori становится понятным, какого рода урав-
уравнения, посредством которых значение функции у определяется через z,
могут быть решены этим способом при помощи введения переменного х.
Действительно, положим, что в найденном уже решении получилось
V
f axa4-bx$ J-cx"^'-f- и т. Д. Лг
z --^= i •
и т. д. У
я
( axaj^bxp-^cxy-{- и т. п.\г
и т. Д. V
и т. д. J
^ '~\A-irBx^-irCxv-\-
и что, следовательно, будет
ур = xvz\
и, значит,
_2
х = yz р .
Так как
Г-_ аха-1гЪо^-\-сху-\- и т. д.
~~ AJrBx>iJrCxvJr и т. д. '
_в
то, если вместо х подставим его значение yz p, получим уравнение
^_ аг/г +Ь.Уг +cyz P + и т. д.
Л+В!/Мг > +Ci/Vz P + и т. Д.
которое приводится к такому:
г 1—|Ш} г—у;
~~+ И Т. Д. =
= ayaz P+byVz P-\-cyVz p + и т д.;
О ПРЕОБРАЗОВАНИИ ФУНКЦИЙ ПУТЕМ ПОДСТАНОВОК 63
после умножения на z p оно перейдет в
aq-\-r ад — \lq-\-r ао — Vij-|-r
Az р +By»z р + Cyyz р + и т. д. =
= ауа-{-Ьу$г р +cy"*z р + и т. д.
Положим
щ — йа
тогда будет [10]
р = а — р, g = n и r = am—
и получится такое уравнение:
un vn
a~P +Cyvz a-P + и т. д. =
(а—у) п
= aya-\-by&zn + q/Yz a~P -f- и т. д.;
оно согласно сказанному решается так, что получится
f ах -\-Ъх®-\-exY4" И т. Д. ^ am—gm-an
-2 ¦— f
и т. д.
у-
Или положим
тогда
а также
Отсюда
так что имеем
Azm -\- By^zn ~\-
Р =
/ аха-\-Ъх»-\-схЧ-\- и т. Д."\
V А + Вх>
aqA-r
Р
г
Р
= (х, q=m
уравнение
v(m-n) ,
ц -1-
xJrCxv+ и т. д. У
^ „ а9 — fi9 + /i
Р
^g q m
am — an
— П И Г = [XW -
и т. д. =
(а-0) (т-п)
am—
— л
- ал
0m—an
п + ап,
(а—Y) <т~ 1)
= ayajrby$z »* +cz/vz д +и Т- д-'
решая которое, получим:
/a^a4-teP4-c:rY+ И Т. дЛц
~ V A + Bx»--\-Cxv-\- и т. д. /
.im—am-|-an
II
4-bip-|-c:cV4" и т- Д- \p.m-am-\-an
-f-Bx»-{-Cxv+ и т. д. )
A-f-B
«4 ГЛАВА Ш
54. Если у зависит от z таким образом, что
ay2 + byz + cz2 + dy + ez = О,
mo как г/, //гак к z выразятся рационально через новое переменное х
следующим образом.
Положим у = xz; после деления на z будет
ax2z + bxz -f cz -f dx + e = 0,
откуда находим
—dx— e — dx2— ex
ax2\bx\c У
ax2-\-bx-\-c
Добавим, что к заданной форме может быть приведено также урав-
уравнение между у и z
ay2 -f- byz -(- cz2 -(- dy + ez + / = 0,
путем уменьшения или увеличения любого из переменных на некоторое
определенное постоянное количество; так что и это уравнение может
быть выражено рационально через новое переменное х.
55. Если у зависит от z таким образом, что
ay3 + by2z + cyz2 + dz3 -f- еуг + fyz -f- gz2 = 0,
mo как у, так и z могут быть выражены рационально через новое
переменное х следующим образом.
Положим у = xz; после подстановки все уравнение можно будет
разделить на z2 и получится
ax3z+ bx2z-\-cxz-{-dz-{- ex2jrfxJrg = 0,
отсюда
z_ —ex2-fx — g
а затем
__ —ex3 — fx2 — gx
У ax3-\-bx2->rcx-{-d '
Исходя из этих случаев, нетрудно усмотреть, каким образом должны
быть составлены уравнения высших степеней, которыми у определяется
через z, чтобы такого рода решение могло иметь место. Впрочем, эти
случаи содержатся в указанных выше формулах § 53; но так как общие
формулы не так легко приспособить к случаям этого рода, более часто
встречающимся, то я и [счел нужным некоторые из них разобрать
отдельно.
56. Если у зависит от z так, что
ay2 -\- byz -f- cz2 = d,
то оба количества у и z выразятся через новое переменное х таким
образом.
Положим у = xz; тогда
и затем
Z= l/ ax2-\-bx+c '
О ПРЕОБРАЗОВАНИИ ФУНКЦИЙ ПУТЕМ ПОДСТАНОВОК 65
Подобным"образом, если будет
ау3 + &y2z + cyz2 + dz3 = еу -j- fz,
то при у = xz уравнение после деления на z даст
(ах3-\-bx2-\-cx-\-d)z2 —ex-\-f;
отсюда
ex
ax3-\-bx2-\- ex -\-d
ex
ax3-\-bx2Jrcx -\-d
Впрочем, эти случаи, а также другие, допускающие подобные реше-
решения, содержатся в следующем параграфе.
57. Если у зависит от z так, что
аут + Ъут~Ч + cym~2z* + dym'3z3 + и т. д. =
то как z, так и у удобно выразятся через новое переменное х следую-
следующим образом.
Пусть у = xz; после подстановки можно будет разделить все урав-
уравнение на zn, если только показатель т больше, чем п; тогда получится
(axm+bxm-l + cxm-2 + dxm-3+ и т. д.Jт-" =
2 + 6хп'3+ и т. д.;
отсюда
f ахп-\-йхп~1-\-ухп~2-\-Ьхп~3-\- и т. д. "\tn—n
Z~ V axm-\-bxm-i-~{-cxm-2-{-dxm-3-\- и т. д. У
И
_1_
ахп-\-^хп-^-{-ухп-2->г6хп-3-1г и т. д.
axm-\-bxm'1-\-cxm-2-Jt-dxm-3-lr и т. д.
Это решение, конечно, имеет место тогда, когда в уравнении, выра-
выражающем природу функции у через z, везде встречается только двоякое
число измерений у и z;, так, в рассмотренном случае число измерений
в отдельных членах есть либо т, либо п.
58. Если в уравнении между у и z встречаются измерения троякого
рода, высшее из которых настолько превосходит среднее, насколько это
среднее превышает низшее, то переменные у и z могут быть выражены
через новое переменное х путем решения квадратного уравнения.
Действительно, если положить у = xz, то после деления на наимень-
наименьшую степень переменного z значение z выразится через х посредством
извлечения квадратного корня, как это будет видно на следующих
примерах.
5 л. Эйлер, т. i
66 ГЛАВА III
ПРИМЕР 1
Пусть
ay3 + by2z + cyz2 + dz* = 2ey2 + 2fyz + 2gz2 + hy + iz
и положим у = xz; тогда по разделении на z будет
(аха + bx2 -\-cx+d)z2=2(ex2 + fx-\- g)z+hx + i;
отсюда получится для z такое значение:
_ ex + fx + g± {e + f{g)+(]rcr) (hx+i)
ax3-\-bx2-!rcx-lrd
найдя которое, будем иметь у = xz.
ПРИМЕР 2
Пусть
уъ = 2az3 + by + cz;
если положить y — xz, то
rV = 2az2 +bx + c,
откуда
я _ a±V~a2 + bx«-]rcx!i
Z ~ х~ь
и, стало быть,
V а±Уа2-{-Ьх"-!гсх!> _ V а ± Yа2:+ Ьх« -f схъ
ПРИМЕР 3
x2V х ' У xV х
Пусть
у10 = 2ayze -f byz3 + cz*,
где встречаются измерения 10, 7 и 4; положим у = xz; тогда уравнение
по разделении на 24 перейдет в такое:
/у^ХО^б 0/7'У7 —1 А'У I . (*
или
Z6 =
откуда
z3 = —3=—
и, стало быть,
У —
Из этих примеров вполне ясно применение подстановок подобного рода.
ГЛАВА IV
О ВЫРАЖЕНИИ ФУНКЦИЙ ПРИ ПОМОЩИ
БЕСКОНЕЧНЫХ РЯДОВ
59. Так как дробные и иррациональные функции переменного z не
содержатся в целом виде А + Bz -\- Cz2 -\- Dz3 -f- и т. д. с конечным числом
членов, то обычно ищут такого рода бесконечные выражения, которые
представляли бы значение любой функции — дробной или иррациональной.
Даже природа трансцендентных функций считается более понятной,
когда они выражены в этом хотя и бесконечном виде.
Как природа целой функции иидна лучше всего, если эта функция
разложена по различным степеням z, т. е. если она приведена к форме
A + Bz-^-Cz2 -\-Dz3-f- и т. д., —так эта же форма кажется наиболее удоб-
удобной для восприятия разумом природных свойств всех остальных функ-
функций, если даже число членов окажется в действительности бесконечным.
Ясно, что никакую нецелую функцию переменного z нельзя выразить
конечным числом членов вида
z + Cz* + Dz3 + и т. д.,
потому что тогда функция была бы целой; если же кто-либо сомне-
сомневается, что можно выразить функцию посредством бесконечного ряда
членов подобного рода, то это сомнение устранится самим разложением
той или иной функции. Но для большей общности этого утверждения
следует допустить, кроме степеней переменного z с целыми положитель-
положительными показателями, еще какие угодно степени. В таком случае не будет
никакого сомнения в том, что всякая функция z может быть преобразо-
преобразована в такое бесконечное выражение:
Az°- + Bz» + СгУ -\- Dz» -f и т. д.,
где показатели а, р, у, 6 и т. д. обозначают любые числа.
60. Путем непрерывного деления можно разложить дробь
в бесконечный ряд
О Q 2 О
о. apz ap^z*
а а2 а3 а4 а^ и 1' д''
который вследствие того, что отношение любого члена к следующему
5*
ГЛАВА IV
за ним является постоянным отношением ( 1 : — -?— J, называется гео-
геометрическим рядом.
Этот ряд можно также найти, не зная его происхождения; положим
+ и т. д.,
и пусть для осуществления равенства надо найти коэффициенты А, В,
С, D и т. д. Тогда будет
-r и т.д.),
а после того, как будет произведено умножение, получится
а = аА+ aBz + aCz2 + aDz3 + oEz4 + и т. д.
+ pAz + p.Bz2 + pCz3 + P?z4 + и т. д.
Поэтому должно быть
а = аА и, значит, А = —;
сумму же коэффициентов при каждой степени переменного z следует
положить равной нулю; отсюда получаются уравнения
аС + РВ = О,
и т. д.;
найдя любой коэффициент, легко получить следующий; если коэффициент
какого-либо члена равен Р, а следующий равен Q, то будет
а(? + рР = 0 или <?=-— .
Но так как первый член А найден равным —, то из него определяются
следующие буквы: В, С, D и т. д. таким же образом, как они получились
при делении. Исследуя бесконечный ряд для - . _ , нетрудно убедиться,
аап
что коэффициент при степени zn будет равен ^-^j-, где знак плюс имеет
место, когда число п четное, знак же минус, — когда число п нечет-
нечетное, т. е. коэффициент будет равен — i -—" j ¦
61. Подобным образом путем непрерывного деления может быть
обращена в бесконечный ряд дробная функция
a-\-bz
Впрочем, так как деление утомительно, и притом оно не так легко
выявляет природу бесконечного ряда, то будет удобнее в качестве иско-
искомого написать произвольный ряд1) и затем определить [его] указанным
выше способом. Итак, пусть
l) Commodius erit soriem quesitam fingere.
О ВЫРАЖЕНИИ ФУНКЦИЙ ПРИ ПОМОЩИ БЕСКОНЕЧНЫХ РЯДОВ 69
помножим обе части на а + Pz + yz2; тогда получим
а + bz = аА -f aBz -f <zCz2 -f- aZ)z3 -f a?z4 + и т. д.
+ $Az + p#z2 + PC23 + PDz4 + и т. д.
+ yAz2 + yBz2 + yCzi+ и т.д.
Отсюда
aA =
откуда находим
А = ± и 5 = 1-4-;
a a a2 '
остальные же буквы определятся из следующих уравнений:
= 0 и т. д.;
отсюда по любым двум соседним коэффициентам находится следующий.
Так, если два соседних коэффициента будут Р и Q, а следующий R,
то будет
= О или Д =
А так как две первые буквы А ж В уже найдены, то все следующие
С, D, E, F ж т. д. можно последовательно найти по ним, и, таким
образом, будет получен бесконечный ряд A -f-Bz -\- Cz2 -f-Dz3 -f- и т. д.,
равный данной дробной функции a_lTz_x_w.t '
Пусть задана дробь
-yz*
ПРИЗИЕР
1 — 2 —г2 '
приравняем ей ряд
Л + i?z + Cz2 + Z)z3 + и т. д.;
так как
а=1, 6=2, a=l, P=-l, Y=-!.
то будет
4=1, 5 = 3,
и тогда
и т. д.
Следовательно, любой коэффициент равен сумме двух предыдущих; по-
поэтому, если найдены два соседних коэффициента Р и Q, то следующий
будет
Но так как два первых коэффициента А и В найдены, то данная дробь
70 • ГЛАВА IV
,_\_ 2 преобразуется в такой бесконечный ряд:
14-3z+4z2+7z3+ Hz4+ 18z5+ и т. д.,
который без всякого труда можно продолжать сколько угодно.
62. Из этого уже достаточно видны природные свойства бесконеч-
бесконечных рядов, в которые преобразуются дробные функции; именно, они
сохраняют такого рода закономерность, что любой член может быть
определен по нескольким предыдущим. А именно, если знаменатель
данной дроби будет
и если бесконечный ряд принять в виде
" "+3+ и т. д.,
то любой коэффициент Q определится по одному только предыдущему Р
так, что будет
Если же знаменателем будет трехчлен
a + pz + yz2,
то любой коэффициент R ряда определится по двум предыдущим Q и Р
так, что будет
аЛ + р? + уР = 0.
Подобным образом, если знаменателем будет четырехчлен
то любой коэффициент S ряда определится по трем прздыдущим R, Q
н Р так, что будет
aS + рЛ + yQ -h &P = 0,
и так далее. Итак, в этих рядах любой член определяется по несколь-
нескольким предыдущим согласно некоторому постоянному закону, причем этот
закон сам собою определяется из знаменателя дроби, производящей
эгот ряд. Эти ряды, следуя знаменитому Моавру, который весьма
обстоятельно изучал их природу, обычно называют рекуррентнымиг),
потому что приходится возвращаться к предыдущим членам, если хотим
узнать следующие2).
63. Далее, для образования этих рядов требуется, чтобы у знаме-
знаменателя постоянный член а не был равен нулю; так как первый член
этого ряда А = —, то он, а за ним и все следующие станут бесконеч-
бесконечными, если а = 0. Если исключить этот случай, который я раз-
разберу непосредственно далее, то дробная функция, которую нужно
1) По-латыни гесиггеге — возвращаться.
2) См. [41] (примечание к § 211). О рекуррентных рядах Эйлер подробно гово-
говорит в гл. XIII и XVII этой книги.
О ВЫРАЖЕНИИ ФУНКЦИЙ ПРИ ПОМОЩИ БЕСКОНЕЧНЫХ РЯДОВ 71
преобразовать и бесконечный рекуррентный ряд, имеет такой иид:
a-\rbz4rcz>--\-dzi-\- и т. д.
1—az — pz2 — yz* — 6z4 — и т. д. '
здесь" первый член знаменателя я полагаю равным единице, так как
дробь всегда может быть приведена к зтому виду, если он не равен
нулю; все же остальные члены знаменателя я рассматриваю как отри-
отрицательные, чтобы все члены полученного отсюда ряда были положи-
положительными. Если возникающий отсюда рекуррентный ряд принять равным
Л + Bz + Cz2 + Dzz + Ez* + и т. д.,
то коэффициенты определятся так:
и т. д.
Таким образом, каждый коэффициент равен сумме кратных несколь-
нескольких предыдущих коэффициентов, увеличенной на некоторое число,
доставляемое числителем. Если только числитель не продолжается до
бесконечности, то это присоединение слагаемого из числителя скоро
закончится, и тогда любой член определится по нескольким предшест-
предшествующим согласно постоянному закону.
Чтобы нигде не нарушался закон последовательного перехода1),
следует брать правильную дробную функцию; если же взять неправиль-
неправильную дробь, то заключенная в ней целая часть прибавится к ряду,
и в тех членах, которые она увеличит или уменьшит, она нарушит
закон последовательности. Так, например, неправильная дробь
1—z—z2
даст такой ряд:
1 + Зг + 4г2 + 6z3 + Юг4 + 16z5 + 26ze + 4227_|_ и т. д.,
где из закона, в силу которого любой коэффициент представляет сумму
двух предыдущих, исключается четвертый член 6z3.
64. Особого рассмотрения заслуживают рекуррентные ряды, когда
знаменатель дроби, из которой они получаются, есть степень. Так,
если дробь
fl-fbz
A —azJ
разложить в ряд, то получится
a -f 2aa2 -f- 3a2a22 -f iasaz3 -f 5a4a24 -f и т. д.
+ 62+ 2a622 + 3a2623 + 4a3&24+ и т. д.,
lex progressions.
72 ГЛАВА IV
где коэффициент_при степени zn- будет
Этот ряд будет рекуррентным, потому что любой член определяется по
двум предыдущим; закон этого определения легко усмотреть из разнернутого
ныражения знаменателя, именно 1 — 2az -\- а?гг.
Если положить а=1 и 2=1, то ряд перейдет н общую арифмети-
арифметическую прогрессию
и т. д.,
у которой разности постоянны. Следовательно, нсякая арифметическая
прогрессия есть рекуррентный ряд; если
A+B+C+D+E+F+ и т. д.
будет арифметической прогрессией, то
С = 2В-А, D = 2C-B, ? = 2Д-Сит.д.
65. Далее, дробь
a-\-bz-{-cz2
A—си)» '
поскольку
* =(l-a2)-3=l + 3az + 6a2z2+^0«^3+15a424+ и т. д.,
преобразуется н такой бесконечный ряд:
a + 3aaz + 6a2az2 + 10a3a23 + 15a4az4 + и т. д.
+ bz + 3a6z2+ 6a2623+10a36z4+ и т. д.
+ cz*+ 3acz8+ 6a2cz4+ и т. д.,
н котором степень zn будет иметь коэффициент
Если же положить a=l и z=l, то ряд этот перейдет н общую
прогрессию нторого порядка, у которой вторые разности постоянны. Если
A + B+C + D + E + F+ и т. д.
означает такого рода прогрессию, то она имеете с тем будет рекуррент-
рекуррентным рядом, любой член которого определяется по трем предыдущим так:
D = 3C-3B + A, E = 3D-3C + B, F =* ЪЕ- 3D + C и т. д.
Так как у членов арифметической прогрессии нторые разности также
равны, именно равны нулю, то это снойство распространяется и на ариф-
арифметические прогрессии.
66. Подобным образом дробь
Ьг-f cz*-\-dza
даст бесконечный ряд, н котором любая степень zn будет иметь
О ВЫРАЖЕНИИ ФУНКЦИЙ ПРИ ПОМОЩИ БЕСКОНЕЧНЫХ РЯДОВ 73-
коэффициент
(л —l)n(n-fl) „ (я-2)(n-l)n „-3 ,
' ^.2.3 ~~ и t Г-~2~-~3"
Если положить а=1 и z=l, то этот ряд охватит собою все алгебраи-
алгебраические прогрессии третьего порядка, у которых третьи разности посто-
постоянны. Действительно, все прогрессии этого порядка
A+B+C+D+E+F+ и т. д.
вместе с тем будут рекуррентными, происходящими от знаменателя
1 — iz -\- 6г2 — 4z3-fz4; отсюда будем иметь
B и т.д.;
свойство это относится также ко всем прогрессиям низших порядков.
67. Этим путем можно показать, что все алгебраические прогрессии
любого порядка, которые в окончательном результате приводят к постоян-
постоянным разностям, будут рекуррентными рядами, закон которых опреде-
определяется из знаменателя A — z)n, где число п больше того, которое ука-
указывает порядок прогрессии. Так как
ат + (а+ Ъ)т + (а + Щт + (а + 36)™ + и т. д.
представляет собой прогрессию порядка т, то по природе рекуррентных
рядов будет
где надо взять верхние знаки, если п— число четное, и нижние, ^если
п—нечетное. Это уравнение верно всегда, если п есть целое число,
большее, чем т. Отсюда понятно, насколько общим является учение
о рекуррентных рядах1).
68. Если знаменатель будет степенью не двучлена, а многочлена,
то природа ряда также может быть уяснена другим способом. Пусть
дана дробь
1
A—az— 0za—yz2 — 6z*— и т. д.)т+1 '
возникающий отсюда бесконечный ряд будет
1-2
г3-)-и т. д.
Для более глубокого изучения природы этого ряда представим его
') К этому параграфу см. замечания в статье А. Шпайзера, стр. 7.
74 ГЛАВА IV
с помощью общих букв таким образом:
1+Az + Bz> + Cz3 + ... + Kzn~s + Lzn-* -f-Mz^1 + Nz11 + и т. д.,
причем любой коэффициент Лг определится посредством стольких преды-
предыдущих, сколько имеется букв а, E, у, 6 и т. д., в таком виде:
_т т-\-п ,, 2т-4-п п Т , Зпг-4-п т, , irn-4-n s T ,
N = —^ а/? + —2— р/, _) Х_ ^ -1 — б/ + и т. д.
п
Хотя этот закон образования членов и не постоянен, но зависит от
показателя степени z, тем не менее для этого же ряда подходит другой
постоянный закон, который получается из развернутого выражения для
знаменателя соответственно природе рекуррентных рядов. Но указанный
непостоянный закон имеет место только тогда, когда числитель дроби
есть единица или постоянное количество; если бы числитель содержал
также несколько степеней z, то этот закон стал бы гораздо более слож-
сложным, что более легко будет выявить после изложения начал дифферен-
дифференциального исчисления.
69. До сих пор мы полагали, что первый постоянный член знаме-
знаменателя не равен нулю, и на его место поставили единицу; теперь
посмотрим, какого рода ряды получатся, если постоянный член в зна-
знаменателе исчезнет. В этих случаях дробная функция будет иметь вид
а + 6z-|-cz2-f- и т. д.
z A — az — pz2—yz3— и т. д.) '
если откинуть множитель z в знаменателе, то оставшуюся дробь
a-(-6z-j-cz2-|- и т. д.
1—az—pz2 — yz3— и т. д.
можно развернуть в рекуррентный ряд
А + Bz -f- Cz2 + Dz3 + и т. д.,
и, очевидно, получим
—:———7Г2—-^ \ = \- В + Cz -f- Dz2 -\- Ez3 -\- и т. д.
z(l — az — pz2 — yz3— и т. д.) z ' ' ' ' '
Подобным образом будет
д. 4 gP ^2+ И т. д.,
'•
22 A — az--pz2— yz3— и т. д.) z2 * z
и вообще
a + 6z + Cz2+ и т. д. А В С D
каково бы ни было число т.
70. Так как посредством подстановки вместо z может быть введено
н дробную функцию другое переменное х и этим путем любая дробная
функция может быть преобразована в бесчисленные различные формы,
то, таким образом, одна и та же дробная функция может быть выра-
выражена бесчисленными способами посредством рекуррентных рядов. Пусть,
например, дана дробь
_ 1+Z
У
О ВЫРАЖЕНИИ ФУНКЦИЙ ПРИ ПОМОЩИ БЕСКОНЕЧНЫХ РЯДОВ 75
или, в форме рекуррентного ряда
у = 1 -\- 2г + 3z24~ 5z3-|- 8z4 -f- и т. д.;
положим 2 = — , тогда
X
У ~ хг — х—\ = 1 + г — х2" '
Но
ilt-x 5д:6- и т.д.;
отсюда будет
г/= — ж + 0ж2 — ж3 + ж4 — 2ж6 +За:6 - 5ж7 + и т. д.
Или положим
тогда
—2 —2я
откуда
у=—2—10х — 42х2—П8х3—754х4— и т. д.;
такого рода рекуррентных рядов для г/ можно найти бесчисленное мно-
множество.
71. Иррациональные функции обычно преобразуются в бесконечные
ряды по такой универсальной теореме [и]:
т т т—п т—2п
7П—Зп
m (m — п) (га — 2гс) n n /-,, .
И ^ 5ч уЧ и т. д.;
т ~
члены эти, если ¦— не будет целым положительным числом, идут до
бесконечности. Так, подставляя вместо т и п определенные числа,
получаем
111 _3 _5
3 5 7
•3 „~2 2 1-3-5 -гГ2 3
— Р f) и fl -Х- и т тг
_1 _12
^P V-Ш^"8 ^3+ и т" д
и т. д.
76 ГЛАВА IV
72. Члены этих рядов следуют друг за другом таким образом, что
любой может быть образован из предыдущего; так, если в ряде, полу-
т m—hn
чающемся из (P-\-Q)n, какой-либо член равен МР п Q, то следующий
будет равен
m-(k+l)n
Следует заметить, что в каждом следующем члене показатель Р умень-
уменьшается на единицу, а показатель Q, напротив, увеличивается на единицу.
Чтобы легче было применить сказанное к любому случаю, можно общее-
го т ¦ т
выражение (Р+ (?)" представить так: Рп ( 1 + р )™ » веДь> развернув фор-
771 771
мулу ( 1+ -_- :п и помножив полученный ряд на Рп, получим выше-
вышеприведенный ряд. Далее, если т будет обозначать не только целые, но
также и дробные числа, то ничто не мешает поставить вместо п
единицу. После этого, если вместо ~, которое является функцией г,
подставить Z, то будет
и т.д.
Для дальнейшего наблюдения законов последовательностей разложение
общего выражения в ряд удобно обозначить так:
^ z +
73. Пусть сначала
Z = az;
тогда
/I , \т-1 л т—1 . ("»— 1) (т — 2) „ „
A + az) ! = 1 + az + f\ a2z2 +
— 1) (m — 2) (m — 3) о „ ,
1-2-3 az + и т- Д-
Напишем вместо этого ряда общее выражение
... +Mzn~1+Nzn+ и т. д.;
при этом любой коэффициент N определяется из предыдущего М так,
что
N = аМ.
га
Так, если положить п=1, то, ввиду того, что М = \, будем иметь
,т . ш — 1
N = A = ^- a;
п Л/Г Л ТП 1
затем, если положить п = 2, то, вследствие того, что Ук/=л=—^—а,
О ВЫРАЖЕНИИ ФУНКЦИЙ ПРИ ПОМОЩИ БЕСКОНЕЧНЫХ РЯДОВ 77
будем иметь
подобным же образом дальше
Г1 '" ~ 3 с R (м-1) (w —2) (т —3)
С = а# =
3
как указывает выведенный выше ряд.
74. Пусть Z—az-\- Bz2; тогда
) + ^^f^(+B^+ и т. д.
Если же расположить члены по степеням z, то будет
<1 + az + Bz2) =
о8 +
т. д.
_ д>
Напишем вместо этого ряда общее выражение
l + Az+Bzs+Cz3+ ... +Lzn-2 + Mzn-1 + Nzn+ и т. д.;
любой коэффициент определяется по двум предыдущим так, что
п ' re r '
отсюда можно определить все члены по первому, которым является
единица. Именно,
А = —г-а, 5 = —2-аЛН ^— В,
г _т — 3 р 2т —3 R . n m —4 „ 2га —4 RR
и т. д.
75. Если Z = az -f- B22 -f- Y23. T0
п т. д.:
выражение это, если все члены расположить по степеням z, перейдет
в ряд
+ m=L ^ + и-1Н»-212aBz3 + и т. д.
m—1 „
78 ГЛАВА IV
Чтобы лучше уяснить закон последовательности этого ряда, напишем
вместо него
1 + Nzn+ и т. д.;
любой коэффициент этого ряда определяется по трем предыдущим так, что
п г т ^ 1 г i 2т И п т i Зга — П Тт
га ' га " га '
Так как первый член равен единице, а предыдущие—нули, то будет
. га — 1
A = —i a'
D пг — 2 , 2т — 2 й
Я =—g—аУЧ
—g—аУЧ 2Р'
т — 2, v 2т —3 ал , Зга—3
з ззY.
— 4 ^ 2та—4 Q ,-, Зга—4 ,
aCHр^ +уА,
и т. д.
76. Вообще, если положить
A + az+pz2+YZ3+6z4+ и т. д.)'п =
= 1 + Az + Sz2 + t'z3 + Z)z4 + ?z5 + и т. д.,
то отдельные члены этого ряда определятся по предыдущим так:
1 т— 1
1 ,!
В-OLzlaA
^ + ^. M + J!Lz.Yi
О О L»
— 4 л . 2m, — 4 „ в Зга—4 . 4та — 4
aC\pi?HТЛ+
б,
,-> m —5 „ 2га — 5 or, . Зга — 5 n . 4га — 5 s . . 5 m — 5
h = —=— aZ)H =— pC H =— yB H з— 6^ ^ F— e
и <j и о о
и т. д.
Именно, каждый член определяется посредством стольких предыду-
предыдущих, сколько имеется букв а, E, у, б и т. д. в функции z, степень кото-
которой развертывается в ряд. Впрочем, сущность этого закона соответствует
тому, что сказано выше в § 68, где мы развернули в бесконечный ряд
подобное выражение A — az— Ez2 — yz3 — и т. д.)"; ведь, если вместо'^
написать— т и буквы а, E, у. б и т. д. считать отрицательными,
то найденные ряды совпадут. Однако здесь не место обосновывать^этот
закон априорно, поскольку это можно будет сделать удобно лишь 'при
помощи начал дифференциального исчисления; пока достаточно под
твердить справедливость его путем приложения_к различным примерам.
ГЛАВА V
О ФУНКЦИЯХ ДВУХ И БОЛЕЕ ПЕРЕМЕННЫХ
77. Хотя мы до сих пор рассматривали много переменных количеств,
однако они были составлены таким образом, что все являлись функциями
одного, и если было определено одно, остальные также определялись.
Теперь мы будем рассматривать такие переменные количества, которые
друг от друга не зависят, так что если одному какому-нибудь дать опре-
определенное значение, то остальные все же останутся неопределенными
п переменными. Такие переменные количества, пусть, например, х, у, z,
будут соответствовать сущности этого понятия, если любое из них
заключает в себе все определенные значения; при сравнении между собой
они ничем не связаны, так как если мы вместо одного переменного, z,
подставим любое определенное значение, то остальные переменные х и у
все же будут такого же широкого охвата, как раньше. Различие между
переменными количествами, взаимно друг от друга зависящими и не
зависящими, состоит в том, что в первом случае, если определить одно,
то вместе с тем определятся остальные; в последнем же случае определение
одного вовсе не ограничивает значений остальных.
78. Функция двух или более переменных количеств х, у, z есть выраже-
выражение, составленное каким-либо образом из этих количеств.
Так,
х3 -\- xyz + az2
будет функцией трех переменных количеств x,y,z. Эта функция при опре-
определении одного переменного, скажем z, т. е. при подстановке на его место
постоянного числа, останется количеством переменным, именно, функцией
х и у. А если, кроме z, определить также у, то и тогда все же получится
функция переменного х. Такая функция многих переменных получит
определенное значение не раньше, чем будут определены все отдельные
переменные количества. Но так как одно переменное количество может
быть определено бесчисленными способами, то функция двух перемен
ных, поскольку она при любом определении одного из них может принять
бесконечное число значений, в общем случае будет допускать бесконечно-
бесконечное число значений. У функции трех переменных число значений
будет еще в бесконечное число раз больше; оно будет расти дальше по мере
увеличения числа переменных.
80 ГЛАВА V
79. Такие функции многих переменных, подобно функциям одного
переменного, очень удобно разделяются на алгебраические и трансцен-
трансцендентные.
Первые из них — это те, способ составления которых основывается
только на алгебраических действиях, вторые — те, в образование которых
входят также трансцендентные действия. Последние можно было бы
снова различать по видам, смотря по тому, затрагивают ли трансцендентные
действия все переменные количества, или некоторые, или же только одно.
Так, выражение z2-\-ylz ввиду присутствия логарифма будет трансцендент-
трансцендентной функцией у и z; но ее следует считать не вполне трансцендентной по
той причине, что если определить переменное z, то останется алгебраи-
алгебраическая функция у. Однако не следует без нужды растягивать изложение
подобного рода подразделениями.
80. Алгебраические функции подразделяются затем на рациональные
и иррациональные; рациональные же, далее, — на целые и дробные.
Смысл этих названий вполне понятен уже из первой главы, именно:
рациональная функция совершенно свободна от всякой иррациональности
в тех переменных количествах, функцией которых она является; функция
будет целой, если она не заключает никаких дробей, в противном же слу-
случае она будет дробной. Общий вид целой функции двух переменных у и z
будет таков:
a+f,y + yz-\-6y2-\-eyz + ^-\-y\y3 + by2z-\-iyz^ + Kza + и т. д.
р
Если Р и Q будут означать целые функции подобного рода, то ^ будет
общей формой дробных функций. Наконец, иррациональная функция
может быть явной и неявной; первая раскрыта вполне при помощи знаков
радикалов, вторая же выражается посредством неразрешимого уравне-
уравнения; так V будет неявной иррациональной функцией у и z, если
F5 = (ayz -f- z3) F2 + (г/4 + z4) V + г/5 + 2ayza + zK
81. Затем и у этих функций точно так же, как у тех, которые обра-
образованы из одного переменного, следует обратить внимание на многознач-
многозначность.
Так, рациональные функции будут однозначными, потому что при
определении каждого из переменных количеств они дают единственное
определенное значение. Пусть Р, Q, R, S и т. д. означают рациональные
или однозначные функции переменных х, у, г, тогда V, определяемое
уравнением
будет двузначной функцией тех же переменных: какие бы определенные
значения ни давались количествам х, у и z, функция V постоянно будет
иметь не одно, а два определенных значения. Подобным образом V будет
трехзначной функцией, если
таким же образом обстоит дело и с дальнейшими многозначными функ-
функциями.
82. Если функция одного переменного z приравнивается нулю, то
переменное количество z принимает либо одно определенное значение,
О ФУНКЦИЯХ ДВУХ И БОЛЕЕ ПЕРЕМЕННЫХ 81
либо несколько; точно так же, если функцию двух переменных у и z поло-
положить равной нулю, то в таком случае одно переменное определяется
посредством другого, и оказывается, следовательно, его функцией, хотя
раньше они друг от друга взаимно не зависели. Подобным образом, если
функцию трех переменных х, у, z положить равной нулю, то одно из пере-
переменных определяется при помощи двух остальных и оказывается функцией
их. То же самое получается, если фукнцию положить равной не нулю, но
постоянному количеству или даже другой функции; из всякого урав-
уравнения, сколько бы переменных оно ни содержало, всегда одно переменное
определяется через остальные и является их функцией; два различных
уравнения, устанавливающие зависимость между одними и теми же пере-
переменными, определят два из них через остальные и т. д.
* 83. Наибольшего внимания заслуживает деление функций двух и более
переменных на однородные и неоднородные.
Однородная функция [1ZJ— это такая, в которой везде имеем одина-
одинаковое число измерений переменных; функция же неоднородная такая,
в которой встречаются различные измерения. При этом считают, что
каждое переменное составляет одно измерение, квадрат каждого, а также
произведение двух дают два; произведение трех переменных, одинаковых
или различных,—три и т. д.; постоянные же количества в счет числа изме-
измерений не принимаются. Так, считают, что выражения
ш/, pz
имеют одно измерение;
имеют два измерения;
имеют три измерения;
yyz2,
<и/4. P?/3z, yy2z2, 6yz3, ez4
имеют четыре измерения и т. д.
84. Применим сначала это разделение к'функциям целым и положим,
что имеются только два переменных, так как рассуждение для многих
такое же.
Итак, целая функция будет однородной, когда все ее отдельные
члены имеют одно и то же число измерений.
Функции этого рода удобнее всего подразделяются по числу измере-
измерений их членов. Так,
будет общий вид целых функций одного измерения; выражение же
будет общим видом функций двух измерений; затем общим видом функций
трех измерений будет
четырех измерений
«У* + Р?Л + ЧУ2*2 +
й т. д. По аналогии постоянное количество а будет функцией нулевого
измерения. ;
6 Л. Эйлер, т. I
82 ГЛАВА V
85. Дробная функция будет однородной, если ее числитель и знаме-
знаменатель будут функциями однородными.
Так, дробь
ayz-\-bz2
будет однородной функцией у и z; число же измерений найдется, если
от числа измерений числителя отнять число измерений знаменателя;
и в силу этого приведенная выше дробь будет функцией одного измере-
измерения. Дробь же
y2+z2
будет функцией трех измерений. Следовательно, когда в числителе
и знаменателе имеется одинаковое число измерений, то дробь будет
нулевого измерения, как это имеет место у дроби
У
или же у дробей:
у си2 fly3
z ' у2 ' z« *
Если же в знаменателе будет больше измерений, чем в числителе,
то число измерений дроби будет отрицательным. Так, дробь
JL
Z2
будет функцией минус одного измерения;
z
будет функцией минус трех измерений;
1
будет функцией минус пяти измерений, так как в числителе нет никакого
измерения. Очевидно, что несколько однородных функций одинакового
числа измерений при сложении или вычитании дадут функцию также
однородную и того же числа измерений. Так, выражение
у у
у ~ y2z-]-yz2
будет функцией одного измерения, а выражение
ру yz* y*-\-z*
~*~ Z "Т" у2 П~ у2 Z2
будет функцией нулевого измерения.
86. Природа однородных функций может быть также присуща выра-
выражениям иррациональным. Если Р будет какая-либо однородная функ-
функция п измерений, то Y^P будет функцией -^-п измерений; у/~Р будет
функцией —• п измерений, и вообще Pv будет функцией —п измерений.
Так, V ?/zH-zz будет функцией одного измерения; У у9 + z9 будет функ-
О ФУНКЦИЯХ ДВУХ И БОЛЕЕ ПЕРЕМЕННЫХ 83
3
« / , ,ч4 ,. у - 3 ., «2H-Z2
циеи трех измерении; [yz-\-z2) будет функцией -^ измерении, а
будет функцией нулевого измерения. Стало быть, в силу изложенного
выше выражение
1 . уУУ+z2 у «I/1'
лj * g3 -.3/" z а '
будет однородной функцией минус одного измерения.
87. На основании сказанного легко понять, будет ли иррациональная
неявная функция однородной, или нет. Пусть V будет такой неявной
функцией, причем
где Р, Q и R являются функциями у и z. Прежде всего ясно, что V
не может быть однородной функцией, если Р, Q и R не будут функциями
однородными. Если положим, что V есть функция п измерений, то F2
будет функцией 2п, а V3 функцией 2>п измерений; но так как везде
должно быть одно и то же число измерений, то надо, чтобы Р было
функцией п измерений, Q функцией 2п измерений и R функцией Ъп изме-
измерений. Если, обратно, буквы Р, Q, R будут однородными функциями
соответственно п, 2п, Зп измерений, то отсюда выведем заключение, что V
будет функцией п измерений. Так, если
) уз + ауву _ zio = Oj
то V будет однородной функцией двух измерений от переменных у и z.
88. Если V будет однородной функцией у и z n измерений и если
положить в ней всюду y=uz, то функция V перейдет в произведение
степени zn на некоторую функцию переменного и.
Путем подстановки у = uz в отдельные члены будут введены такие же
степени z, в каких раньше входило у. Но так как в отдельных членах
число измерений переменных у и z вместе равнялось п, а теперь одно
только переменное z будет иметь во всех членах п измерений, то всюду
войдет его степень zn. Следовательно, функция V будет делиться на эту
степень, причем частное будет функцией одного только переменного и.
Это станет ясным прежде всего в применении к целым функциям;
если
V = ay3 + P?/2z + yyz2 -f Sz3,
то при у = uz будет
V = z3(au3+ $u2 + yu + 6).
Затем то же обнаруживается у дробных функций; ведь если
т/_
т. е. функция минус одного измерения, то при y — uz будет
Отсюда не исключаются и функции иррациональные; так, если
6*
84 ГЛАВА V
что является функцией ^- измерений, при y = uz получится
v=z
Итак, этим путем однородные функции двух только переменных
приводятся к функциям одного переменного; при этом степень z, будучи
множителем, не оказывает влияния на функцию и.
89. Однородная функция V двух переменных у и z нулевого измерения
при y = uz преобразуется в функцию одного-единственного переменного и.
Так как число измерений есть нуль, то степень z, на которую
помножится функция и, будет z°=l; в этом случае переменное z вовсе
выйдет из расчета. Так, если
V ~ y-z •
то при у = uz получится
у- »+1 .
V ~ 1 '
также и у иррациональных функций, например, если У=—*^
то при y = uz будет
90. Целая однородная функция двух переменных у и z может быть
разложена на столько простых множителей вида ay-\-$z, сколько у нее
измерений.
Так как функция однородна, то при y = uz она перейдет в произ-
произведение z™ на некоторую целую функцию и; последняя же может быть
разложена на простые множители вида аи-\- р. Если помножить в отдель-
отдельности каждый такой множитель на z, то вид его будет auz-\- pz = aw+ pz,
так как uz = у. При наличии множителя zn получится столько множи-
множителей этого рода, сколько единиц содержит показатель п; эти простые
множители будут либо действительными, либо мнимыми; это значит,
что коэффициенты аир будут либо действительными, либо мнимыми.
Итак, отсюда вытекает, что функция двух измерений
ауг + byz + cz2
будет иметь два простых множителя вида ay-\-$z; функция же
ау3 + ЬуЧ -f- cyz2 -f- dzb
будет иметь три простых множителя вида ay-\-$z; таким же образом
обстоит дело с целыми однородными функциями большего числа
измерений.
91. Как выражение ay -f- pz представляет общий вид целых функций
одного измерения, так
будет общей формой целых функций двух измерений; так же в форме
О ФУНКЦИЯХ ДВУХ И БОЛЕЕ ПЕРЕМЕННЫХ 85
будут заключаться все, целые функции трех измерений и таким же образом
все однородные целые функции могут быть выражены через произведение
стольких множителей вида ay-\-fiz, сколько эти функции содержат
измерений. Эти множители находятся путем решения уравнений точно
таким же образом, как выше было показано нахождение простых мно-
множителей целых функций одного переменного. Впрочем, это свойство
однородных функций двух переменных не распространяется на однород-
однородные функции трех и более переменных, уже общая форма такой функции
двух только измерений
ауг + byz -f сух -f- dxz + ex2 -f- /z2,
вообще говоря, не может быть приведена к произведению
а функции с большим числом измерений и того менее могут быть пре-
преобразованы в произведения такого рода.
92. Из сказанного об однородных функциях понятно также, что
представляет собой функция неоднородная; именно, это такая функция,
в членах которой не везде встречается одно и то же число измерений.
Однако и неоднородные функции могут быть подразделены согласно
числу встречающихся в них измерений. Так, функция будет двоякого
измерения, если в ней встречается двоякое число измерений, и, следо-
следовательно, она представляет совокупность двух однородных функций,
у которых числа измерений различны; так,
будет функцией двоякого измерения, так как она частично пяти, частично
двух измерений. Функция же троякого измерения это такая, в которой
налицо три различных числа измерений или которая может быть раз-
разбита на три однородных функции, как
Кроме того, существуют неоднородные функции дробные и иррацио-
иррациональные, которые перемешаны таким образом, что не могут быть разбиты
на однородные функции; такого рода будут
93. Иногда неоднородная функция путем удобной подстановки, при-
примененной или к одному, или к обоим переменным может быть приведена
к однородной; в каких случаях это возможно, указать не так легко.
Достаточно будет привести некоторые примеры, в которых имеет место
приведение такого рода. Пусть дана функция
86 ГЛАВА V
т. е. однородная функция х и у пяти измерений. Далее, функция
1 V
приводится к однородной при х = — ; именно, получается функция одного
измерения
Бывают случаи гораздо более трудные, в которых нельзя прийти
к однородному виду путем такой простой подстановки.
94. Наконец, особо заслуживает быть отмеченным довольно упо-
употребительное деление целых функций по порядкам, согласно которому
порядок определяется наибольшим имеющимся в функции числом измере-
измерений. Так,
х2 -f у2 + z2 -f ay — а2
есть функция второго порядка, так как встречаются два измерения, а
г/4 -j- yz3 — ay2z -\- abyz — агу2 + b*
относится к функциям четвертого порядка. К этому делению обычно
прибегают в учении о кривых линиях; из этого учения возникло еще одно
деление целых функций, достойное упоминания.
95. Именно, остается еще деление целых функций на составные
и несоставные1). Составной функцией будет та, которая может быть
разложена на рациональные множители или которая представляет про-
произведение двух или более рациональных функций; такого рода будет
г/4 - z4 -f 2azs — 2byz2 - a2z2 + 2abzy — bhj2
являющееся произведением двух функций:
(У2 + z2 - az + by) (у2 -z2 + az- by).
Мы видели, что всякая целая однородная функция, содержащая только
два переменных, есть функция составная, так как она заключает столько
простых множителей вида ay + pz, сколько имеет измерений. Целая
функция будет несоставной, если ее вовсе нельзя разложить на рацио-
рациональные множители; так,
у2 + z2 - а2,
как легко видеть, не будет иметь никаких рациональных множителей.
При исследовании делителей выяснится, будет ли предложенная функция
составной или несоставной.
!) Complexes atque incomplexas.—Следуя современной терминологии, мы бы
сказали: приводимые и неприводимые. [И. П.]
ГЛАВА VI
О ПОКАЗАТЕЛЬНЫХ И ЛОГАРИФМИЧЕСКИХ
КОЛИЧЕСТВАХ
96. Хотя исследование трансцендентных функций относится к инте-
интегральному исчислению, однако, прежде чем переходить к нему, следует
рассмотреть некоторые наиболее часто встречающиеся виды, открыва-
открывающие доступ ко многим исследованиям. Прежде всего надлежит рас-
рассмотреть количества показательные, или степени, показатель которых
сам есть количество переменное. Ясно, что такого рода количества
нельзя отнести к алгебраическим функциям, так как в последних имеют
место только постоянные показатели. Показательные количества разно-
разнообразны, смотря по тому, будет ли переменным количеством один только
показатель или, кроме того, еще и само возвышаемое количество; к пер-
первому роду относится аг, ко второму у7; даже и сам показатель может
быть показательным количеством, как в выражениях a°z, ayZ, yaZ, xvz.
Мы не будем останавливаться на дальнейшем подразделении этих коли-
количеств, так как природа их может быть понята достаточно ясно, если
мы разберем только первый вид az.
97. Итак, пусть дано показательное количество az, представляющее
•степень постоянного количества а с переменным показателем z. Так как
показатель z заключает в себе все определенные числа, то прежде всего
ясно, что при подстановке вместо z последовательно всех целых поло-
положительных чисел получатся такие определенные значения:
а1, а2, а3, ал, а6, а6 и т. д.
Если же подставлять вместо z последовательно отрицательные
¦числа — 1, — 2, —3, — 4 и т. д., то получим
1 1 J_ А.
о ' о2' оз> а* и т* д<!
¦если z = 0, то а0 = 1. При подстановке вместо z чисел дробных, как
112 13
у ' "ч" > Т • Т • Т и т' д#> полУчатся значения
У а, У a, /a2, \f a, [fa3 и т. д.;
•будучи рассматриваемы сами по себе, они дают два или много значе-
дий, так как извлечение корней всегда приводит к многозначности.
88 ГЛАВА VI
Однако обычно принимаются во внимание только значения первоначаль-
первоначальные, т. е. действительные и положительные, вследствие чего количество az
рассматривается как однозначная функция z. Так, а2 займет некоторое
среднее место между а2 и а3 и будет, следовательно, количеством такого же
5 _
рода; и хотя значением а'г будет в одинаковой мере и —a2~\fa и-f- a2i/"a',
однако, в действительности принимается в расчет только последнее зна-
значение. Так же обстоит дело, когда показатель z принимает иррациональ-
иррациональные значения; в этих случаях рассматривается только одно действи-
действительное значение, так как трудно представить себе число заключенных
в этом символе значений. Так, аУ 7 будет определенным значением, заклю-
заключенным между пределами а2 и а3.
98. Значения показательного количества az в весьма сильной сте-
степени будут зависеть от величины постоянного числа а. Если будет а =1,
то всегда аг=1, какие бы значения ни придавать показателю г; если
а > 1, то значение а2 будет тем больше, чем большее число будет под-
подставлено вместо z, и при z=oo возрастет до бесконечности; когда z = 0,
то az=l, а при z < 0 значения аг станут меньше единицы до тех пор,
пока при z= — оо не будет аг = 0. Обратное получится, когда а < 1,
оставаясь все же количеством положительным; тогда при возраста-
возрастании z от нуля значения az убывают; если же подставлять вместо z
отрицательные числа, то эти значения будут возрастать. Когда а<1,
1 1
то — > 1; при — = Ь будет az = b~z; следовательно, последний случай
может быть выведен из предыдущего.
99. Если будет а = 0, то в значениях az происходит огромный
скачок. А именно, коль скоро z будет числом положительным, т. е.
больше нуля, всегда будет az = 0; если z = 0, то а0 = 1; если же z будет
числом отрицательным, то az примет бесконечно большое значение. Так,,
например, пусть z= — 3; тогда
„г_О-з_±_±
a -v - 0з - 0 ,
т. е. бесконечность.
Еще гораздо большие скачки встречаются, когда постоянное а имеет
отрицательное значение, например — 2; тогда, при подстановке вместо г
целых чисел, значения az будут попеременно положительными и отри-
отрицательными, как это видно из ряда
а, а, а'2, а, а0, а1, а2, а3, а4 и т. д.,
j_! _± J-1 _1 1 _9
+ 16 ' 8 ' + 4 ' 2 ' ' '
Кроме того, если показателю z давать дробные значения, то степень
аг = (—2)z принимает то действительные, то мнимые значения; так,
_ l _
а2 = Y — 2 будет мнимым; а3 = У — 2= — ^ 2 действительным; когда же-
показателю z даются иррациональные значения, то будет ли степень аг
давать действительные или мнимые количества, нельзя даже определить.
О ПОКАЗАТЕЛЬНЫХ И ЛОГАРИФМИЧЕСКИХ КОЛИЧЕСТВАХ 891
100. В силу указанных неудобств при подстановке вместо а отри-
отрицательных чисел будем считать а числом положительным, и притом
большим, чем единица, так как к этому легко приводятся также те слу-
случаи, когда а есть число положительное, меньшее единицы. Если поло-
положить az = y, то при подстановке вместо z всех действительных чисел,
заключающихся между пределами + оо и — оо, у примет все положительные
значения между -f со и 0. Если z=oo, то у=со; когда z = 0, то у = 1,
и при z = — оо будет у = 0. Следовательно, и обратно, какое бы поло-
положительное значение ни принять для у, для z получится соответственное
действительное значение, так что будет аг = у, если же придать у отри-
отрицательное значение, то показатель z не может иметь действительного-
значения.
101. Итак, если y = az, то у будет некоторой функцией z; каким
образом у будет зависеть от z, это легко понять из природы степеней:
какое бы значение ни дать z, этим определяется значение перемен-
переменного у. Но
и вообще будет
отсюда следует, что
1
У У
и т. д. Кроме того, если v — ax, то
vy — ax*z и — = ax~z;
У у
с помощью этого облегчается нахождение значения у по данному значению-
переменного z.
ПРИМЕР
Если а =10, то с помощью десятичной арифметики, которой мы
пользуемся, мы сразу получаем значение у, если вместо z подставлять
целые числа. Именно,
101 = 10, 102= 100, 103 = 1000, 10* = 10 000 и 10° = 1;
далее
Ю = ^ = 0,1, 1О = т5о = 0,01, 10 = т^ = 0,001;
если же вместо z подставлять дроби, то значения у могут быть указаны
путем извлечения корней; так,
и т. д. ["].
102. Как по любому значению z может быть найдено значение у,
соответствующее данному числу а, так, и обратно, можно найти значе-
значение переменного z, соответствующее любому заданному положительному
<H ГЛАВА VI
значению переменного у так, чтобы az = y. Это значение переменного z,
поскольку z рассматривается как функция у, обычно называется лога-
логарифмом переменного у. Итак, учение о логарифмах предполагает, что
вместо а подставлено определенное постоянное число, которое поэтому
носит название основания логарифмов; когда оно принято, то логарифмом
любого числа у будет показатель степени а1 такой, что сама степень а*
будет равна числу у; логарифм числа у обычно обозначается через 1у.
Итак, если
az = y, то z = ly;
отсюда понятно, что хотя основание логарифмов и зависит от нашего
выбора, однако оно должно быть числом, большим, чем единица; отсюда
можно получить в виде действительных чисел только логарифмы поло-
положительных чисел.
103. Какое бы число ни принять за основание а логарифмов, всегда
будет И=0: если в уравнении az=y, которое равносильно z = ly, поло-
положить г/ = 1, то будет z = 0.
Далее, логарифмы чисел, больших, чем единица, будут положи-
положительны и будут зависеть от значения основания; так
la=l, la2 = 2, Ia3 = 3, la* = 4 и т. д.;
отсюда a posteriori легко понять, какое число принято за основание:
именно, то число будет основанием, логарифм которого равен единице.
Логарифмы чисел, меньших, чем единица, однако положительных, будут
•отрицательны; так
4=-1. 4=-2> *i=-3-T. д.,
логарифмы же чисел отрицательных не будут действительными, но, как
мы уже заметили, будут мнимыми.
104. Подобным образом, если ly = z, то будет
ly2 = 2z, ly3 = 3z,
и вообще
lyn = nz, или lyn = nly,
так как z=ly. Итак, логарифм любой степени у равен логарифму у,
помноженному на показатель степени; так,
1Уу=-2г = -21У. г —= гУ=-1гуит. д.;
отсюда по данному логарифму любого числа могут быть найдены лога-
логарифмы каких угодно его степеней. Если найдены два логарифма, например
ly = z и lv = x,
то, так как у = аг и v — ax, будем иметь
•отсюда логарифм произведения двух чисел равен сумме логарифмов
•сомножителей; подобным же образом будет
JL
V
О П0КАЗАТЕ1НЫХ ЛОГАРИФМИЧЕСКИХ КОЛИЧЕСТВАХ 91
т. е. логарифм дроби равен логарифму числителя минус логарифм зна-
знаменателя; правила эти служат для нахождения логарифмов многих чисел
••по известным уже нескольким логарифмам.
105. Из сказанного ясно, что рациональные логарифмы могут быть
только у степеней основания а; если другое число b не будет степенью
•основания а, то его логарифм не может быть выражен рациональным
числом. Логарифм не будет даже числом иррациональным; если бы
было 1Ь = У^п, то тогда аУп—Ь, чего не может быть, если а и 6 —рацио-
—рациональные числа [14]. Обычно ищут логарифмы чисел прежде всего рацио-
рациональных и целых, так как по ним могут быть найдены логарифмы
дробей и иррациональных чисел1). Так как логарифмы чисел, не яв-
являющихся степенями основания а, не могут быть выражены ни рацио-
рационально, ни иррационально, то они справедливо относятся к количествам
трансцендентным; поэтому логарифмы обычно причисляются к количе-
количествам трансцендентным.
106. Вследствие этого логарифмы чисел лишь приближенно выра-
выражаются десятичными дробями, каковые, однако, тем меньше уклоняются
от истины, чем до большего числа знаков они вычислены. Этим путем
можно весьма близко к действительности определить логарифм любого
числа только посредством извлечения квадратного корня. Так, при
и
будет
«ели данное число b заключается между границами а2 и а3, логарифмы
2 -
коих будут 2 и 3, то найдем значение а 2 или а?У^а\ при этом Ь будет
2± 2-i
заключаться между границами а2 и а 2 или между а 2 и а3; какой бы
из этих случаев ни имел место, мы, взяв среднее пропорциональное,
получим более близкие границы, и, таким образом, можно будет дойти
до таких границ, промежуток между которыми будет меньше заданного
числа и с которыми данное число Ь может быть отождествлено без ошиб-
ошибки. Но так как логарифмы каждой из этих границ известны, то, нако-
наконец, найдется логарифм числа Ъ.
ПРИМЕР
Примем за основание логарифмов а = 10, как это обычно бывает
в таблицах, вошедших в употребление; требуется найти только прибли-
приближенное значение для логарифма числа 5. Так как 5 заключается между
границами 1 и 10, логарифмы которых суть 0 и 1, то установим
!) У Эйлера здесь использован вместо обычного для него термина numerus
irrationalis несколько архаичный и для XVIII века термин античной и средневеко-
средневековой математики numerus surdus («глухое число»). [И. П.]
ГЛАВА VI
непрерывное извлечение корней следующим образом, пока не придем^
к границам, не отличимым уже от предложенного числа 5:
А = 1,000 000
5=10,000000
С= 3,162277
D= 5,623413
Е= 4,216 964
F= 4,869 674
G = 5,232 991
Я = 5,048065
/= 4,958 069
К= 5,002 865
L= 4,980 416
М= 4,991627
N = 4,997 242
0 = 5,000 052
Р= 4,998 647
Q= 4,999 350
R= 4,999 701
S= 4,999 876
T= 4,999 963
V= 5,000 008
W= 4,999 984
X= 4,999 997
Y= 5,000003
Z== 5,000000
IA = 0,000 0000
/5=1,0000000
IC = 0,500 0000
ID = 0,750 0000
/?¦ = 0,625 0000
№ = 0,687 5000
IG = 0,718 7500
IH = 0,703 1250
// = 0,695 3125
/# = 0,699 2187
IL = 0,697 2656
Ш= 0,698 2421
IN = 0,698 7304
/0 = 0,698 9745
IP = 0,698 8525
IQ =0,698 9135
/5 = 0,698 9440
IS = O, 698 9592
IT= 0,698 9668
IV = 0,698 9707
IW = 0,698 9687
/X=0,698 9697
IY =0,698 9702
IZ=0,698 9700 [16
пусть
0=1^^5
d=Ybc
f=Yde
g=Ydf
' h=Y^g
i=Yfh
IT лГ U 7
л — у ±11
L = YlK
м=Уягь
n=Y~km
o=VYn
p=Yno
Q = V"OP
r=Yoq
s=Yor
t=Yos
v=V"of
w=Y~rv
x=Yvw
Y=V~VX
Z=rYXY
1
Итак, беря средние пропорциональные, мы, наконец, пришли к Z =
= 5,000000, откуда искомый логарифм числа 5 будет 0,698 9700 при)
основании логарифмов, равном 10. Поэтому приближенно будет
69897
Этим способом были вычислены Бриггом и Бланком [16] обычные-
таблицы логарифмов, хотя впоследствии были открыты превосходные
средства, с помощью которых логарифмы могут быть вычислены горазд»
быстрее.
107. Существует столько различных систем логарифмов, сколько-
различных чисел можно принять за основание а; поэтому число систем
логарифмов бесконечно. Однако всегда логарифмы одного и того же
числа в двух системах сохраняют одно и то же отношение между собою.
Если основание одной системы равно а, а другой равно Ь, причем лога-
логарифм числа п в первой системе равен р, а во второй равен q, то
а? = п и bq = n,
О ПОКАЗАТЕЛЬНЫХ И ЛОГАРИФМИЧЕСКИХ КОЛИЧЕСТВАХ 93
•откуда
а* = Ь"
я, следовательно,
.Дробь — должна, следовательно, иметь постоянное значение, какое бы
ни взять число п. Так что если вычислены логарифмы всех чисел
в одной системе, то отсюда легко найти логарифмы какой-либо другой
системы при помощи «золотого» х) правила. Так, если даны логарифмы
при основании 10, то отсюда могут быть найдены логарифмы при любом
другом основании, например 2; в самом деле, пусть требуется найти
логарифм числа п при основании 2, и пусть он равен q, тогда как
логарифм того же числа п при основании 10 пусть равен р. Так как
при основании 10 будет /2 = 0,3010300, а при основании 2 будет
/2=1, то
0,3010300:1 = /?: q
¦и, следовательно,
«ели все обычные логарифмы помножить на число 3,321 9280, то полу-
получится таблица логарифмов при основании 2.
108. Отсюда следует, что логарифмы двух чисел в любой системе
¦сохраняют одно и то же отношение.
Пусть даны два числа М и N', логарифмы которых при основании
а суть тип; тогда М = ат и N = an; отсюда amn = Mn = Nm и, зна-
т
чит, М = JV" ; так как в это уравнение не входит основание а, то ясно,
что дробь — будет иметь значение, не зависящее от а. Пусть теперь
логарифмы тех же чисел М и N при другом основании Ь будут ц и v;
подобным образом получится
Л
M = NV .
Следовательно, будет
т. ц
Nir = N т t
откуда
т. и.
¦— = —, или m:n = \x:v.
Так, мы видели выше, что логарифмы различных степеней одного
и того же числа, как ут и уп, в каждой системе логарифмов сохраняют
отношение показателей т : п.
109. Для составления таблиц логарифмов при любом основании а
достаточно вычислить логарифмы только простых чисел способом,
указанным выше, или другим, более удобным. Так как логарифмы со-
составных чисел равны суммам логарифмов отдельных сомножителей,
то логарифмы составных чисел найдутся при помощи только лишь
То есть тройного. [С. Л.]
94 ГЛАВА VI
сложения. Так, если имеются логарифмы чисел 3 и 5, то
115 = 13 + 15, /45 = 2/3 +/5.
Но, так как выше был найден
/5 = 0,698 9700
при основании а=10 и, кроме того, /10 = 1, то
/^ = /2 = /10-/5;
О
отсюда получается
/2=1- 0,698 9700 = 0,3010300;
из этих логарифмов простых чисел 2 и 5 найдутся логарифмы всех
чисел, составленных из 2 и 5; таковы будут 4 8, 16, 32, 64 и т. д.~
20, 40, 80, 25, 50 и т. д. .
110. Применение логарифмических таблиц для сокращения число-
числовых выкладок весьма обширно, так как по таблицам этого рода можно-
найти не только логарифм любого данного числа, но также число,
соответствующее любому данному логарифму. Так, если с, d, e, /, g, h
означают какие-либо числа, то значение выражения
может быть найдено без умножения; логарифм этого выражения будет
равен
равен
если найти число, соответствующее этому логарифму, то получится,
искомое значение. Но особенно полезны таблицы логарифмов при нахож-
нахождении самых сложных степеней и корней; вместо этих операций в лога-
логарифмах применяются только умножение и деление.
ПРИМЕР 1
Требуется найти значение степени 212.
Так как логарифм ее равен ^ /2, то, помножив логарифм двух„.
7 11
который по таблицам есть 0,3010300, на -п>, т. е. на -2+^9. найдем
_
/212 = 0,1756008;
приближенно значение 212.
этому логарифму соответствует число 1,498 307, которое и выражает-
ПРИМЕР 2
Число жителей некоторой области увеличивается ежегодно на ^
свою часть, а вначале область населяли 100000 человек; спрашивается:
каково будет число жителей через 100 лет?
Пусть, ради краткости, число жителей вначале было пт так что
п =100000;
О ПОКАЗАТЕЛЬНЫХ И ЛОГАРИФМИЧЕСКИХ КОЛИЧЕСТВАХ 95
по истечении одного года число жителей будет равно
через 2 года оно будет равно ( щ» ) п; через три года оно будет равно
( 5n J и; отсюда через сто лет оно будет равно
Логарифм этого числа'равен
100/ Й + И00 000,
по
J |g = Ш - /30 = 0,014 240439,
откуда
100/^1 = 1,424 0439;
если придать сюда И00000=5, то логарифм искомого числа жителей
получится равным
6,4240439;
ему соответствует число, равное
2 654 874.
Итак, через 100 лет число населения увеличится более чем в 26-g- раз.
ПРИМЕР 3
После потопа род человеческий размножился от шести человек;
положим, что 200 лет спустя число людей возросло до 1000000; тре-
требуется узнать, на какую свою часть число людей должно было увели-
увеличиваться ежегодно.
Пусть за это время число людей возрастало ежегодно на — свою
часть; через 200 лет число людей должно было стать равным
Г1+^У°° 6= 1000 000;
отсюда
1
1000000
уоо
) ¦
Поэтому
=200-5,2218487 = 0,0261092,
вследствие чего
1 + g ГЛ 061 963
х 1 000 000
1000000 = 61963х,
¦96 ГЛАВА VI
•откуда
х = приблизительно 16.
Итак, для такого размножения людей достаточно было ежегодного уве-
1
личения на ть часть; такое размножение не может считаться слишком
большим ввиду того, что жизнь тогда была очень долголетней. Если бы
увеличение числа людей продолжало идти далее в таком же отношении
в течение промежутка в 400 лет, то тогда число людей должно было бы
дойти до
1 000000- imem = 166 666666666;
для прокормления такого числа не хватило бы всей земли [17].
ПРИМЕР 4
Пусть к концу каждого века число людей удваивается; требуется
найти годовой прирост.
Если положим, что число людей возрастает ежегодно на — свою
часть, и притом вначале число людей было равно п, то по истечении
100 лет это число будет равно (——) -Щ это должно быть равно In
и тогда
1
1+ж_. ?100
X
и
/14f = i5o/2 =
-отсюда
1 + ж_ 10 069 555.
х ~~ 10 000 000 '
поэтому
10 000 000 - ,, ,
х = 5 = приблизительно 144.
Итак, достаточно ежегодного прироста числа людей на -гтт часть.
111. Но наиболее полезно применение логарифмов при решении
таких уравнений, в которых неизвестное количество входит в показателе
степени. Так, если получено уравнение вида
из которого нужно найти значение неизвестного х, то это можно сделать
только при помощи логарифмов. Действительно, если ах = Ь, то
lax = xla= 1Ь,
следовательно,
1Ь
при этом, конечно, безразлично, какой системой логарифмов пользо-
пользоваться, потому что в любой системе логарифмы чисел а и Ь сохраняют
между собой постоянное отношение^
О ПОКАЗАТЕЛЬНЫХ И ЛОГАРИФМИЧЕСКИХ КОЛИЧЕСТВАХ 97
ПРИМЕР 1
Пусть число людей увеличивается ежегодно на -щ: свою часть;
спрашивается, через сколько лет число людей удесятерится.
Положим, что это наступит через х лет, причем число людей
вначале было равно п; стало быть, по истечении х лет оно будет равно
С Too ) п> а так как оно Должно равняться 10п, то
/M01Y щ-
ш; =10>
поэтому
351100
и
НО
х — -
' Л01 —/100 "
Таким образом, получится
10 000 000 „„. -
х = 43 214 = приблизительно.
Итак, через 231 год число людей, если ежегодное приращение состав-
ляет только -щ. часть, станет больше в 10 раз; отсюда через 462 года
оно станет в 100 раз, а через 693 года в 1000 раз больше.
ПРИМЕР 2
Некто должен 400 000 флоринов на том условии, что ежегодно он
обязан уплачивать по 5 процентов со 100; платил же он каждый год
по 25 000 флоринов. Спрашивается, через сколько лет долг будет пога-
погашен полностью. Обозначим через а сумму долга 400000 флоринов
и через Ь сумму 25 000 флоринов ежегодной уплаты. По истечении
одного года долг составит
105 ,
по истечении двух лет
/ 105 V Ю5 , ,
CiooJ a-ffib-b>
ио истечении трех лет
Km) a-\m) b-mb-b'
„ 105
отсюда, обозначив для краткости ^ через п, по истечении х лет найдем
долг равным
пха-пх-Ч-пх-гЬ-п'-вЬ—... -b = nsa-b{l + n + n*+... +nx-1).
Так как по природе геометрических прогрессий
то спустя х лет должник будет должен
х nxb—b
па j—
п—1
7 Л. Эйлер, т. 1
98 ГЛАВА VI
флоринов; полагая этот долг равным нулю, получаем уравнение
пха= -г—
п—1
или
{п— 1)пха = пхЪ — Ъ;
следовательно.
(Ъ — па + а)пх = Ъ
_ гг>—г [ь—(п—\)а\
In
а = 400 000, 6 = 25 000, п = щ,
отсюда
Так как
то
Ь-(п-1)о =
Для числа лет, по истечении которых долг будет погашен полностью,
получится значение
«25 000—15000 _ 15 _ 6 989 700
Х~ _____ "";?__"" 211893 *
100 20
Итак, х будет несколько меньше 33 лет; это значит, что по истечении
33 лет долг не только будет погашен, но кредитор должен будет еще
вернуть должнику
(?1 N33
== ) -5000-25 000 .о.хзз
___г „--„ _= -^tLA j = ЮО 000 ( g J - 500 000 флоринов.
20
Так как
/|J = 0,021189 2991,
то
I ( 21V3 = о,699 246 87 и I 100 000 (^У* = 5,699 2469/
чему соответствует число 500 318,8; поэтому кредитор по истечении
33 лет должен будет вернуть должнику 318-=- флоринов [18].
112. Обыкновенные логарифмы, вычисленные при основании 10,
кроме того применения, которое имеют логарифмы вообще, представляют
в общеупотребительной десятичной арифметике исключительное удобство
и вследствие этого приносят, по сравнению с другими системами, большую
пользу. В самом деле, так как логарифмы всех чисел, за исключением
О ПОКАЗАТЕЛЬНЫХ И ЛОГАРИФМИЧЕСКИХ КОЛИЧЕСТВАХ 99
степеней 10, выражаются десятичными дробями, то логарифмы чисел от 1
до 10 будут заключаться между пределами 0 и 1; логарифмы чисел от 10
до 100—между 1 и 2, и так далее. Всякий логарифм состоит поэтому из
целого числа и десятичной дроби; зто целое число обычно называют харак-
характеристикой, десятичную же дробь — мантиссой^]. Характеристика на
единицу меньше числа цифр, из которых состоит число; так, характери-
характеристика логарифма числа 78 509 будет 4, потому что оно состоит из пяти
цифр или знаков. Отсюда по логарифму любого числа сразу видно, из
скольких знаков состоит число. Так, число, соответствующее логарифму
7,580 4631, будет состоять из 8 знаков.
113. Когда мантиссы двух логарифмов совпадают, а различны только
характеристики, то числа, соответствующие этим логарифмам, [будут
находиться в отношении степени десяти к единице и, таким образом,* будут
состоять из одинаковых цифр. Так, числа, имеющие логарифмами
4,913 0187 и 6,913 0187, будут 81 850 и 8185 000; логарифму же 3,913 0187
соответствует 8185, а логарифму 0,913 0187 — число 8,185. Итак, одна толь-
только мантисса укажет цифры, составляющие число; когда они найдены, то из
характеристики будет видно, сколько цифр слева надо отнести к целому;
остальные направо дадут десятичную дробь. Так, если найденный лога-
логарифм будет 2,760 3429, то мантисса укажет цифры 5 758 945, а характери-
характеристика 2 определит число, соответствующее этому логарифму, так что
получится 575,8945; если бы характеристика была0, то получилось бы
число 5,758 945; если бы она была на единицу меньше, так что была бы—1,
то соответствующее число было бы в десять раз меньше, именно, 0,575 8945;
характеристика же —2 будет соответствовать 0,057 58945 и т. д. Вместо
таких отрицательных характеристик—1,—2,—3 и т. д. обычно пишутся
9, 8, 7 и т. д., причем подразумевается, что эти логарифмы нужно умень-
уменьшить на 10. Все это обычно излагается более подробно в наставлениях
к логарифмическим таблицам.
ПРИМЕР
Ряд 2, 4, 16, 256 и т. д., каждый член которого есть квадрат предыду-
предыдущего, продолжен до двадцать пятого члена; требуется найти величину
этого последнего. Члены этого ряда выражаются более | удобно при
помощи показателей:
2\ 1\ 2\ 28 и т. д.;
отсюда видно, что показатели составляют геометрическую прогрессию,
причем показатель' двадцать пятого члена будет
22*= 16 777 216,
так что сам искомый член будет равен
216 777 216.
следовательно, логарифм его равен
16 777 216-Z2.
Но так как
12 = 0,301 029 995 663 9811952 [«>],
7*
100 ГЛАВА VI
то логарифм искомого числа будет равен
5 050 445,259 733 67;
из характеристики видно, что искомое число при выражении обычным
способом будет состоять из
5 050 446
знаков. Мантисса же 259 733 675 932, будучи найдена в таблицах лога-
логарифмов, даст начальные знаки искомого числа; они будут 181 858. Хотя
написать это число никак невозможно, однако можно утверждать, что
оно состоит из 5 050 446 знаков и что шесть начальных цифр будут 181 858,
правее которых следуют 5 050 440 знаков; некоторые из них могут, сверх
того, быть определены из больших таблиц логарифмов; именно, один-
одиннадцать начальных знаков будут 18 185 852 986.
ГЛАВА VII
О ВЫРАЖЕНИИ ПОКАЗАТЕЛЬНЫХ
И ЛОГАРИФМИЧЕСКИХ КОЛИЧЕСТВ
ПРИ ПОМОЩИ РЯДОВ
114 [21]. Так как а° = 1, и при возрастании показателя числа а
одновременно увеличивается значение степени, если только а есть число,
большее единицы, то отсюда следует, что когда показатель бесконечно
мало превышает нуль, то сама степень также бесконечно мало превзой-
превзойдет единицу. Если со будет числом бесконечно малым, т. е. столь малой
дробью, что она только-только не равна нулю [22], то
причем г|э также будет бесконечно малым числом. Из предыдущей главы
ясно, что если г|э не будет числом бесконечно малым, то и со не может
быть таким. Значит, будет либо -ф = oj, либо т|з > ш, либо т|э < со; это
соотношение будет зависеть от количества а. Так как а нам пока еще
не известно, то положим г|э = /ссо; тогда
и если за основание логарифмов взять а, то будет
ПРИМЕР
Чтобы стало яснее, каким образом число к зависит от основания а,
положим а =10 и найдем по обычным таблицам логарифм числа, как
можно меньше превосходящего единицу, скажем, 1+-уоооооо ' так что
*ш=ТШобо; тогда
тшш) =' таш- •= °>ш 00°ш 29 -
Отсюда, так как к® = 0,000 001 00000, то
1 43 429
к ' 100 000
102 ГЛАВА VII
отсюда видно, что к будет числом конечным, зависящим от величины
основания а. Очевидно, если за основание а принять другое число, то
логарифм того же числа 1 -\- ка будет находиться к предыдущему в дан-
данном отношении; отсюда вместе с тем получится другое значение буквы к.
115. Так как ам=1 + А:со, то
какое бы значение ни подставить вместо i. Итак, будет
.-„ , , i , , i (i—1) ;» » , i (i — l)(i —2)
a'M=l + to+ v ' fc2co2li^
j t 2 ^j^+ и т. д.
Если положить i = —, где z обозначает какое-либо конечное число,
то, так как со—число бесконечно малое, число i будет бесконечно боль-
большим; но со = — , так что со будет дробью с бесконечно большим знаме-
знаменателем, следовательно, бесконечно малой, какой она и принята. Итак,
подставим — вместо со; тогда будет
равенство это будет верным, если вместо i подставить бесконечно боль-
большое число. Но вместе с тем к будет числом определенным, зависящим
от а, как мы только что видели.
116. Так как i есть число бесконечно большое, то
действительно, ясно, что чем большее число подставим вместо i, тем
ближе значение дроби —— будет подходить к единице; если i станет
больше всякого заданного числа, то дробь —— станет равна единице.
Подобным же образом
и так далее; отсюда следует, что
Lzi_JL inl — A- г—з_ 1
2г ~ 2 ' Зг ~ 3 ' 4i 4
и так далее. Подставляя эти значения, получим
kz й2г2 k3z3 kizi
a'=l+Y + j-^-+j72^+1-2-3-4 + и т" д' д0 бесконечности.
Это равенство вместе с тем показывает соотношение между числами
а и к; действительно, если положить z=l, то будет
л , к . к2 , из й*
а=1+Т+Г2 + 1^3+ 1-2-3-4 + ИТ' «•'
и если а =10, то, приближенно, к = 2,30258, как мы нашли раньше.
О ВЫРАЖЕНИИ ПОКАЗАТЕЛЬНЫХ И ЛОГАРИФМИЧЕСКИХ КОЛИЧЕСТВ ЮЗ
117. Положим
тогда, принимая число а за основание логарифмов, будем иметь 1Ъ = п.
Так как bz = anz, то получаем отсюда бесконечный ряд
или, подставляя 1Ь вместо п,
+ ^(!Ь)* ^{1Ь)*+ и т. д.
Если известно значение буквы к при данном значении основания а, то
любое показательное количество bz может быть выражено в виде бес-
бесконечного ряда, члены которого идут по степеням z. После этого пока-
покажем также, каким образом логарифмы могут выражаться бесконечными
рядами.
118. Так как аш=1 + &ш, причем ш есть бесконечно малая дробь,
а соотношение между а и к определяется уравнением
ит-
то, беря а за основание логарифмов, будем иметь
со = Z A + Агсо) и ia = I (I
Ясно, что чем большее число взять вместо i, тем больше степень (
превзойдет единицу; при i, равном бесконечному числу, значение степени
A-\-к(йI дойдет до любого числа, большего единицы. Поэтому, если
положить
то
1A + х)--= ш;
отсюда, так как гсо есть число конечное, а именно, логарифм числа 1 + .х,
то ясно, что i должно быть бесконечно большим, иначе ш не могло бы
иметь конечного значения.
119. Так как мы положили
{1 + каI= 1 + х,
то
I i
1-\-ка = A + ху и k<o = (l + x)i—l;
отсюда
Но гсо = 1A + х); поэтому
Ц1 + х) =
при i бесконечно большом. Затем
И Т. Д.
104 ГЛАВА VII
Но так как i бесконечно велико, то будем иметь
i—1 1 2i—1 2 3i—1_ 3
~ 4 И
2i ~~ 2 ' Ы ~ 3 ' 4i ~ 4
отсюда
X X2 X3
и, следовательно,
X X X X
=i + T -+ — -— + и т. д.
причем основание логарифмов равно а и к означает число, соответствую-
соответствующее этому основанию так, что
а1 + + + + Т
120. Так как мы имеем ряд, равный логарифму числа 1 + я* то при
его помощи по данному основанию а мы можем определить значение
числа к. Если положим 1-\-х — а, то, так как la—l, будем иметь
1 ra_i (д-ц. (а_1)з (a_i)t
Ц 1 2 + 3 4 + и т. д.
отсюда получаем
а_1 (,_!)» (в-!). (а-1L
«--j 2 I з ' 4^ Г" И Т- Д>
Величина этого бесконечного ряда, если положить а =10, должна при-
приблизительно быть = 2,30258, хотя трудно понять, как может быть
Q Q2 Q3 Q1
2,30258 = 1-4" +4--4-+ и т- д"
так как члены этого ряда непрерывно увеличиваются и, взяв даже
несколько членов, нельзя получить суммы, близкой к истинной; средство
для устранения этого неудобства будет дано вскоре [2а].
121. Так как
то при х отрицательном будет
, , . n 1 /¦ X X2 , X3 , X4 . \
гA-ж)= -т(^т + _ + _+_+ и т. д.).
Вычтем второй ряд из первого; тогда
Положим теперь
\
так что
о —1
х =
а+1 '
О ВЫРАЖЕНИИ ПОКАЗАТЕЛЬНЫХ И ЛОГАРИФМИЧЕСКИХ КОЛИЧЕСТВ Ю5
так как /а=1, то будем иметь
—1 . Г(а—IK , (а—IM
и т- *
из этого равенства можно найти значение к по основанию а.
Если основание а = 10, то
9 i 98 i 95 i 9? i
+ + ++ ит
члены этого ряда заметно убывают, и поэтому скоро дают для к доста-
достаточно близкое значение.
122. Так как для построения системы логарифмов можно принять
какое угодно основание а, то. его можно выбрать так, чтобы было /с=1.
Пусть, следовательно, к=1; тогда из найденного выше (§ 116) ряда
а==1 + Т + 112 + Г^+ 1.2-3-4 ¦+ И Т- Д';
если эти члены обратить в десятичные дроби и действительно сложить»
то они дадут для а значение
2,71828 18284 59045 23536 028,
верное вплоть до последнего знака.
Логарифмы, построенные при этом основании, обычно называются
натуральными или гиперболическими, ибо квадратура гиперболы может
быть выражена посредством логарифмов этого рода. Будем, ради крат-
краткости, вместо числа 2,71828 18284 59 и т. д. писать постоянно букву
е,
которая и будет обозначать основание натуральных или гиперболических
логарифмов [24], ему соответствует А=1; эта буква е будет выражать
также сумму ряда
1^ + +^+
1-2-3-4
и т> Д> Д0 бесконечности-
123. Итак, гиперболические логарифмы будут обладать тем свойством,
что для числа 1 + <•> логарифм будет равен ш, если ш означает бесконечно
малое количество; так как иэ этого свойства очевидно значение k=l, то
могут быть найдены гиперболические логарифмы всех чисел. Действи-
Действительно, если найденное выше число обозначить через е, то всегда
г z2 z3 z4
е"= 1 + Т+Ь2 + ПГз~|~1.2-3-4 "*" И Т' Д"
Самые же гиперболические логарифмы найдутся из следующих рядов:
?2 ?<* Х^ X5 Х^
/A + Ж) = ж —^- + -з 4~ + ~5 ~6-+ И Т> Д>
и
1Т=Гх = + Г+^+ + Q+ ИТ'Д"
и ряды эти весьма быстро1) сходятся, если вместо х подставить очень
vehementer.
106 ГЛАВА VII
малую дробь; таким путем из последнего ряда легко находятся лога-
логарифмы чисел, немного больших единицы. Если положить х = -^, то будет
,6 ,3 2,2,2,2
"Т ~~ * "9 \ "S ~' Ч *& "Г =—is" 1 7. е;7 "' И
при Я = у будет
, 4 _ 2 2 2' 2
« " — 177"+" 3-73 ~г 5-75 "т" 7-7' "> и т-
при а; = -g- будет
, 5
По логарифмам этих дробей найдутся логарифмы целых чисел; так, по
природе логарифмов,
затем
г4 + /2 = /3 и 212 = 14,
далее
3 = /6, 3/2=/8, 2/3 = /9 и
ПРИМЕР
Отсюда гиперболические логарифмы чисел от 1 до 10 будут таковы:
Л = 0,00000 00000 00000 00000 00000
/2 = 0,69314 71805 59945 30941 72321
/3 = 1,09861 22886 68109.69139 52452
/4=1,38629 43611 19890 61883 44642
/5=1,60943 79124 34100 37460 07593
/6 = 1,79175 94692 28055 00081 24774
/7=1,94591 01490 55313 30510 53527
/8 = 2,07944 15416 79835 92825 16964
/9 = 2,19722 45773 36219 38279 04905
/10 = 2,30258 50929 94045 68401 79915 х).
Все эти логарифмы выведены из вышеуказанных трех рядов, за исключе-
исключением 17, который я получил следующим способом. Я принял в последнем
ряде х = gg и получил
1 W = 1 % = °'02020 27073 17519 44840 80453 2);
!) Значения 16, П и 110 исправлены в соответствии с Opera omiiia.
2) Последние цифры исправлены в соответствии с Opera omnia.
О ВЫРАЖЕНИИ ПОКАЗАТЕЛЬНЫХ И ЛОГАРИФМИЧЕСКИХ КОЛИЧЕСТВ Ю7
лри вычитании его из
/50 = 2/5+/2 = 3,91202 30054 28146 05861 87508
остается /49, половина которого дает /7.
124. Положим гиперболический логарифм от 1-f ж, т. е. 1{\-\-х) = у,
тогда
X X2 , X3 Xх ,
2/ = Т--^ + ^--т+ и т. д.
Возьмем теперь за основание логарифмов число а, и пусть логарифм
того же числа 1 -\-х будет равен v, тогда как мы видели
хг , х3 х* ,
откуда
Таким образом, значение А;, соответствующее основанию а, весьма удобно
¦определяется как равное гиперболическому логарифму любого числа,
деленному на логарифм того же числа при основании а. Значит,
положив это число равным а, получим v=i, и, следовательно,
к равно гиперболическому логарифму основания а. В системе обыкновен-
обыкновенных логарифмов, где а = 10, к будет равно гиперболическому логариф-
логарифму 10, откуда
к =2,30258 50929 94045 68401 799151);
величину эту мы нашли выше достаточно близко. Если делить отдельные
гиперболические логарифмы на это число к, или, что то же, множить
на десятичную дробь
0,43429 44819 03251 82765 112891),
то получатся обыкновенные логарифмы, соответствующие основанию
а =10.
125. Так как
то, полагая av = е~ и беря гиперболические логарифмы, получим yla = z,
так как 1е — 1. Подставляя теперь это значение вместо z, получим
отсюда любое показательное количество может быть выражено посредст-
посредством бесконечного ряда при помощи гиперболических логарифмов.
Если i будет означать бесконечно большое число, то как показатель-
показательные количества, так и логарифмы могут быть выражены при помощи
Это число исправлено в соответствии с Opera omnia.
108 ' ГЛАВА VII
степеней. Именно, будет
[25]; отсюда
далее для гиперболических логарифмов
В остальном употребление гиперболических логарифмов будет более
полно показано в интегральном исчислении.
ГЛАВА VIII
О ТРАНСЦЕНДЕНТНЫХ КОЛИЧЕСТВАХ,
ПОЛУЧАЮЩИХСЯ ИЗ КРУГА
126. После логарифмов и показательных количеств следует рас-
рассмотреть дуги круга, а также их синусы и косинусы, потому что они не
голько составляют другой род трансцендентных количеств, но и выводятся
из самих логарифмов и показательных величин, когда те содержат мнимые
количества; это более ясно обнаружится ниже.
Положим, что радиус круга или полный синус равен единице [2в];
при этом достаточно ясно, что окружность этого круга рациональными
числами выразить точно нельзя; приближенно же полуокружность этого
круга найдена [27] равной
3,14159 26535 89793 23846 26433 83279 50288 41971 69399 37510
58209 74944 59230 78164 06286 20899 86280 34825 34211 70679
82148 08651 32823 06647 09384 46+;
вместо этого числа, ради краткости, я буду писать я, так что я равно
полуокружности круга, радиус которого равен единице, то есть будет
длиной дуги в 180 градусов [28].
127. Пусть z означает какую-либо дугу этого круга, радиус которого
я всегда считаю равным единице; обычно преимущественно рассматри-
рассматриваются синус и косинус этой дуги. Синус дуги z я буду в дальнейшем обо-
обозначать sin. A. z или просто sin. z, косинус же таким образом: cos. A. z
или просто cos. z1).
Так как я есть дуга 180°, то будет
зт0я = 0, сой0я=1,
и
sin-у я =1, cosy^ = 0,
sin я = 0, cos я = — 1,
3 3
sin-у я =—1, cos y я = О,
sin2n = 0, cos 2я — 1.
2) В дальнейшем, следуя общепринятому теперь обозначению, мы точку
и букву А опускаем и пишем sin и cos прямым, а не курсивом. Точно так же и для
остальных тригонометрических функций мы пользуемся современными обозначе-
обозначениями. [С. Л.]
110
ГЛАВА VIII
Все синусы и косинусы заключаются между пределами +1 и — 1.
Затем будет
COS Z = Sin ( тг Я — Z ) И Sin Z — COS ( -7Г- Я — Z ) ,
а также
(sinzJ+(coszJ= 1.
Кроме этих обозначений следует отметить еще: tgz, что означает тан-
тангенс дуги z, и ctg z — котангенс дуги z; как известно из тригонометрии,
. sin z cos z 1
tg z = [и ctg z = —— = -— .
° cosz L 6 smz tgz
128. Также известно, что если имеются две дуги у и z, то будет
sin (?/ -(- z) = sin у cos z -(- cos ?/ sin z
а также
cos (?/ -f- z) = cos ?/ cos z — sin г/ sin z,
sin (?/ — z) = sin у cos z — cos у sin z
cos (у — z) = cos у cos z 4- sin у sin z.
r\ 13
Отсюда, подставляя вместо у дуги -~-я, я, -^-я и т. д., получим
sin(-2-:rc4-zj= 4- cos z
cos f -? я'+ z J = — sin z
sin (я 4- z) = — sin z
cos (л 4- z) = —cosz
sin (уя + О— ~ cos z
cos (—¦ я 4- z J = 4-sinz
sin Bя4) — 4"Sinz
cos Bя 4- z) = 4- cos z
sinf у я-z j= 4-cosz
cos Г-т^л — zj=4" sin z
sin (я— z) = 4-sinz
cos (я — z) = — cos z
sin ( -p- я — z)= — cos z
COS f уП- Z J = — Sin Z
sin Bя — z) = — sin z
cos Bя — z) = 4" cos z
Если п будет означать какое-либо целое число, то
я 4- z J = — si
sin
COS
COS Z
sin z
in ( —~- я — z ) = 4- cos z
Я — z ) = 4" sin z
sin
COS
I
ч
О ТРАНСЦЕНДЕНТНЫХ КОЛИЧЕСТВАХ, ПОЛУЧАЮЩИХСЯ ИЗ КРУГА Щ
sm
f
= — sm z
cos ( " ' я 4- z j = —
cos z
sm f
COS
я — z J = +
[ к—• Я — Z J = —
sin z
COS Z
sm
cos
— cosz
/4n4-3 \
f —З^-я + z J= +smz
sm
cos
я — z ) = — cosz
( —~ я — z i = — sm z
sin
= 4- sm z
sm
f —J
я — z = — sin z
cos f —5— я 4- z J = + cos z
/ An + A Л
cos ( —~- я — z J = + cos z
Формулы эти верны, будет ли п положительным или отрицательным
целым числом.
129. Пусть
тогда
если
то также
sin z =. р и cos z = q;
sin?/ =
и
Синусы и косинусы составленных из них дуг будут таковы:
cos z = q
sin z = р
sin [у 4- z) = m<7 4- w/>
sin Bг/ 4- z) = 2mnq 4- (n2 — m2) p
sin (Зг/ 4- z) = Cmn* — m3)
и т. д.
cos (г/ 4- z) = n<7 — /n/>
cos By 4- z) == (re2 — m2) 7 —
cos
¦ z) = (п3 — Зтгп) q —
-(Зтп*-т3)р
и т. д.
Дуги эти
z, г/4-z, 2y + z, 3j/+z и т. д.
возрастают в арифметической прогрессии; их же синусы [и косинусы
составляют рекуррентную последовательность, которая возникает из
знаменателя
действительно
sin
или
подобным образом
Bг/ + z) = 2nsin(y-}-z) — (тг-\-п2) sinz,
sinBy -)-z) — 2 cos y sin (у -\- z) — sinz;
= 2 cos у cos (г/ 4-z)— cos z.
cos
Аналогично имеем дальше
sin Cy-\-z) = 2 cos г/sin Bj/ + z) — sin(y 4-z)
112 ГЛАВА VIII
cos (Зг/ + z) = 2 cos у cos Bг/ + z) — cos (у + z),
а также
sin (Ay + z) = 2 cos у sin (Зг/ + z) — sin By + z)
и
cos D?/ + z) = 2 cos у cos (Зг/ + z) — cos Bг/ + z)
и т. д.
Благодаря этому закону как синусы, так и косинусы дуг, возрастаю-
возрастающих в арифметической прогрессии, могут быть легко образуемы доколе
угодно.
130. Так как
sin (у 4- z) = sin у cos z 4- cos y sin z
и
sin (у — z) = sin у cos z— cos у sin z,
то, складывая и вычитая зти выражения, получим
sin (y-\-z)-\-sin (у—z)
sm у cos z = —v*~ 'X ' .
sin(v4-z) — sin (y—z)
cos у sm z = vy~ ; — -' .
Далее, так как
cos (у + z) = cos г/ cos z — sin г/ sin z,
а также
cos (г/ — z) = cos у cos z 4- sin 2/sm z>
то таким же образом
cos (у — zL-cos (y-\-z)
cos у cos z = ^ '—L v»lji_? ^
cos (г/—z) — cos (y-\-z)
sm г/ sm z = ^ '— vy ' ' .
Если
1
то из последних формул получаем
1 "\2 14-cosy 1 -i/T+cosV
TyJ =2 И C0S2-y=K 2 '
и dn|0-
откуда по данному косинусу любого угла находятся синус и коспн.уе
его половины.
131. Положим
y+z = a и y — z—b;
тогда
а4-& а — Ь
О ТРАНСЦЕНДЕНТНЫХ КОЛИЧЕСТВАХ, ПОЛУЧАЮЩИХСЯ ИЗ КРУГА ИЗ
подставив это в предыдущие формулы, получим такие равенства, как
бы четыре теоремы:
, . , г, . а-\-Ъ а — Ъ
sin а + sin о = 2 sin ' cos—п— ,
, о а-\-Ъ . а — Ь
sin а — sm b = l cos —^— sin —5— ,
. т о а-\-Ь а—b
cos a + cos о = I cos —— cos —п— ,
cos b — cos a = 2 sin —
a— b
Отсюда, далее, путем деления получаются такие теоремы:
t a+b
sin a -j- sin b _ o-|-6 a—6_ ° 2
sin a—sin 6 "" l? ~2~ Ct^T~ = a-Ь
sin a 4- sin & __ . o+&
cosa-|-cos6~ ° 2 '
sin a-j-sin. 6 a — 6
cos b—cosa~ о 2 '
sin a — sin. b . a—b
t
cosa4-cos6 ° 2 '
sin a — sin b a-\-b
cosb—cosa~ ° 2 '
cosa4-cos6 i a4-& i a — b
r~^ = Ctg —k— Ctg —s— .
cos 6 —cos a 6 2 6 2
Наконец, из этих равенств выводятся такие теоремы:
cos b—cos a
cosa-|-cos& sin a — sin b '
sina-|-sinb cosa-f-cos& /* a — 6Л2
sin a — sin b cosb — cos a \ ° 2 J '
sina+sinfr cosb—cos a /" . e-j-JV
sin a—sin b cosa + cos& "~ 4. 2 у
132. Так как
(sinzJ + (coszJ=l,
то по разложении на множители получим
(cos z + У" — 1 • sin z) (cos z —"(/ — 1 • sin z) = 1;
эти множители, хотя и мнимые, имеют широчайшее применение ;при
сложении и перемножении дуг. Пусть, например, требуется найти
произведение множителей
(cos z -f- У — 1 • sin z) (cos у 4- У" — 1 • sin г/);
находим
cos у cos г — sin у sin z 4- У — 1 • (cos г/ sin z + sin y cos z).
Но так как
cos у cos z — sin г/ sin z = cos (y 4- z)
и
cos у sin z 4- sin у cos z = sin (y 4- z),
8 л. Эйлер, т. 1
-х и
•и .х и +9-s-^-?-g'T_ »-е-г-т +zii =
„Л „Я ВЯ
'— = z = zuis нвн нвх in = zw иижоноц -нниьияэя ионьэнон вино,
zm bj?K но,вИ 'онинэя оньэноноэо, хэй^о, w оноиь 'ojox эио<1н '
!j=zsoo и z = zuts Btfjox '.bjAB нвнви оньэноноэд—^
-х и -
+ „(z uis) о „(z soo) -, . ,—г z uis т „(z soo) — = zu uis
и
•И "X и + „(z uis) „ „(z soo) ¦; г-; 9'^'fr-?'Z'l— /z uls\ /z soo) x
X , . ,^"?гЛ г 1-r(z uis) я „(г soo) . г'Т. „(z soo) = гм soo
' (q |i\ /™ лу\ / T 11) 11 ' 6 \ . / Й—li \ (T 11\11
ox 'нИи<1 я чх^нAэяевA ннэнь^яИ ихе иноэ 'woeBdQo whhbj^
т—лг
¦ — ¦ —— —| = zw uis
— л—z soo)-— (zuis-j — yl-j-zsoo)
и
Z
= zusoo
)
'яонвне хиниоаИ ^Иияя
•zu uts -i — yt -F zm soo = u(z uis • i — yt + z soo)
L~l хэИ^о (
Lou J *?
'zg uis • i — yt ^f zg soo = E(z uis • i — yt T г soo)
zg uis • 1 — yt "F zg soo = g(z uis • ^ — yt -F z soo)
охь 'хэ^Уэно bKoioxq
•(z + /г + a:)'uis ч —у{ Ч1 (z + fi. + x) soo =
= (zuis-j; — yt T г soo) (/г ins- } — y\ Ч1 /г soo) (x uis¦ ^ — yt T ж soo)
эжнвх в
'(z + /i) uis ¦ i — yt — (z -f Я) soo = (z uis • \ — yt — z soo) (/i uis ¦ i — /I — H soo)
woeBdgo эж whhqoKoii и
'(z -f /1) uis • ? — yt + (z + /1) soo = (z uis • 1; — yt + z soo) (/1 uis • j — yt + Я soo)
9HH9tf9HEH0dlI ЭШВН OX
ШЛ
О ТРАНСЦЕНДЕНТНЫХ КОЛИЧЕСТВАХ, ПОЛУЧАЮЩИХСЯ ИЗ КРУГА Ц5
Итак, если дана дуга v, то при помощи этих рядов могут быть
найдены ее синус и косинус. Чтобы применение этих формул стало
более ясным, положим, что дуга v так относится к четверти окружно-
окружности, т. е. к дуге 90°, как т к п, или что v = — ¦—. Так как значе-
ние я теперь известно, то, подставляя его всюду, получим
sin —-90= +—-1,57079 63267 94896 61923 13216 916
п п '
--^-¦0,64596 40975 06246 25365 57565 639
+ — 0,07969 26262 46167 04512 05055 495
--J--0,00468 17541 35318 68810 06854 639
+ -^¦0,00016 04411 84787 35982 18726 609
^•0,00000 35988 43235 21208 53404 585
га
•0,00000 00569 21729 21967 92681 178
^JJ-0,00000 00006 68803 51098 11467 232
га15
^-•0,00000 00000 06066 93573 11061 957
--^r-0,00000 00000 00043 77065 46731 374
га19
+ — •0,00000 00000 00000 25714 22892 860
-¦^J--0,00000 00000 00000 00125 38995 405
п23
+ ^-•0,00000 00000 00000 00000 51564 552
--^•0,00000 00000 00000 00000 00181 240
+ -S*r- 0,00000 00000 00000 00000 00000 551
а также
cos-^90°= + 1,00000 00000 00000 00000 00000 000
——¦ 1,23370 05501 36169 82735 43113 750
+ -^-¦0,25366 95079 01048 01363 65633 664
--^-•0,02086 34807 63352 96087 30516 372
•0,00091 92602 74839 42658 02417 162
+ ^
m10
-^о--0,00002 52020 42373 06060 54810 530
*) Некоторые из числовых коэффициентов исправлевы в соответствии с Opera
omnia.
116 ГЛАВА VIII
+ ¦^-•0,00000 04710 87477 88181 71503 670
-^•0,00000 00063 86603 08379 18522 411
+ ^-•0,00000 00000 65659 63114 97947 236
--^J- 0,00000 00000 00529 44002 00734 624
+ ^J-0,00000 00000 00003 43773 91790 986
--^г- 0,00000 00000 00000 01835 99165 216
+ ^г- 0,00000 00000 00000 00008 20675 330
_^.0,00000 00000 00000 00000 03115 285
+ -^- -0,00000 00000 00000 00000 00010 168
--^. 0,00000 00000 00000 00000 00000 029 х).
Так как достаточно знать синусы и косинусы углов до 45°, то дробь
— всегда будет меньше, чем -=- ; поэтому вследствие наличия степеней
дроби — полученные ряды весьма быстро сходятся, так что по боль-
большей части достаточно лишь нескольких первых членов, особенно если
не требуется определения синуса и косинуса со столь многими знаками.
135. Если найдены синусы и косинусы, то можно также найти
тангенсы и котангенсы по их отношениям, но так как умножение и де-
деление при таких громадных числах весьма утомительно, то следует
выразить тангенсы и котангенсы особым образом. Итак, имеем
v3 , г>5 v1
_ sin v _г;~ПГЗ~г1-2-3-4.5~1.2-3...7+ И Т" Д"
*—5ST- й+ни+
cost; 1~Г2 + -2-3-4 ~1-2-3...6
„.
Д'
siav
Если дуга v = — 90°, то аналогично предыдущему получится
т
п
2т п
f '-0,63661 97723 676
п2 — т2 '
+ -^-- 0,29755 67820 597
+ ^.0,01868 86502 773
' и 3
= +JL.0,63661 97723 676
m
Amn
:-0,31830 98861 838
--0,20528 88894 145
') Некоторые из числовых коэффициентов исправлены в соответствии с Opera
omnia.
О ТРАНСЦЕНДЕНТНЫХ КОЛИЧЕСТВАХ, ПОЛУЧАЮЩИХСЯ ИЗ КРУГА
117
то?
¦0,00184 24752 034
-^V- ¦ 0,00019 75800 715
~ -0,00002 16977 373
•0,00000 24011 370
•0,00000 02664 133
т
п
то"
п13
^-¦0,00000 00295 865
-^•0,00000 00032 868
¦ ¦^¦•0,00000 00003 652
^-•0,00000 00000 406
_ ™ .0,00655 10747 882
п3
-Х-. 0,00034 50292 554
—JL. 0,00002 02791 061
—gL.0,00000 12366 527
"¦•0,00000 00764 959
и"
—^. 0,00000 00047 597
п13
-И^1.0,00000 00002 969
_^1.0,00000 00000 185
я17
--JJ-- 0,00000 00000 0121).
+ 5з--0,00000 00000 045
™25
+ •^¦0,00000 00000 005!).
Способ получения этих рядов будет подробно разъяснен ниже.
136. Из сказанного выше известно, что если найдены синусы и коси-
косинусы всех углов, меньших половины прямого, то зто вместе с тем дает
синусы и косинусы всех больших углов. Но даже если имеются только
синусы и косинусы углов, меньших 30°, то и^по ним путем сложения
или вычитания могут быть найдены синусы п косинусы всех больших
углов. Действительно, так как
sin 30° = -1 ,
то при у = 30° (по § 130) будет
cos z = sin C0° + z) + sin C0° - z)
и
sin z = cos C0° — z) — cos C0° + z),
и, таким образом, по синусам и косинусам углов z и 30°—z найдутся
sin C0° + z) = cos z — sin C0° — z)
и
cos C0° + z) = cos C0° — z) — sin z,
откуда определяются синусы и косинусы углов от 30 до 60°, а затем
и всех больших.
х) Некоторые из числовых коэффициентов исправлены в соответствии с Opera
omnia.
ГЛАВА VIII
137. Подобное же вспомогательное средство можно применить для
тангенсов и котангенсов. Так как
ь\ i i I_tgatg6
TO
o 2 tg a o ctg a — tg a
2i
отсюда по тангенсам и котангенсам дуг, меньших 30°, находятся котан-
котангенсы вплоть до 60°.
Если a = 30° — b, то la = 60° — 2b и ctg 2a = tgC0° + 2b); значит,
tgC0°4- 26) = ?
откуда получаются также тангенсы дуг, больших 30°.
Секансы же и косекансы находятся по тангенсам путем одного лишь
вычитания, так как
cosec z = ctg -к- z — ctg z,
откуда
sec z = ctg Г 45° —2" z j — tg z.
Из сказанного достаточно ясно, каким образом могли бы быть состав-
составлены таблицы синусов.
138. Положим снова в формулах § 133 дугу z бесконечно малой, и пусть
ri будет бесконечно большим числом i, так что iz получит конечное зна-
значение v. Итак, будет nz=v и z = —; отсюда sinz = — и cosz=l; под-
!ставляя зто, получим
cos v =
sin v =
г=
2V — 1
В предыдущей же главе мы видели, что
От)'-*
где е означает основание гиперболических логарифмов; если вместо z
написать в одном случае +1)^—1, в другом —xf\f—1, то получим
COS V = •
И
sin v = -
zV — i
О ТРАНСЦЕНДЕНТНЫХ КОЛИЧЕСТВАХ, ПОЛУЧАЮЩИХСЯ ИЗ КРУГА Ц9
Отсюда понятно, каким образом мнимые показательные количества при-
приводятся к синусам и косинусам действительных дуг[30]. Именно,
e+vV-i =cos v+У — 1 -sin v
и
e-vV~-i = cos v — Y — 1 -sin v.
139. Теперь пусть п в тех же формулах § 133 будет уже не беско-
бесконечно большим, а бесконечно малым числом, то есть п = — при i беско-
бесконечно большом [31]; тогда
cos rez = cos-r = 1 и sinrez = sin —= —,
потому что синус исчезающей дуги — равен ей самой, а косинус равен
единице. Подставив это, получим
А 1
, _ (cos z-\-Y— 1-sinz)' -j- (cos г—Y —l-sinz)*
и
i 1
z _ (cosz-|-|/" — 1-sinzI — (zosz—V — l-sinzI
T ~~ 2^^1 '
Если взять гиперболические логарифмы, то, как мы выше (§ 125) пока-
показали,
A i 1
1A-\-x) = i(i-\-xI—i или yi = l-\- jly,
при Подстановке г/ вместо 1 + ж. Теперь, полагая вместо у в одном слу-
случае cosz-j-]/^—1-sinz, в другом cosz — У — 1 -sinz, получим
1-]—- I (cos z-j-K — 1-sinzL-1+ ~ I (cos z — V —1-sinz)
l l
т. е. при исчезающих логарифмах, 1 = 1, так что отсюда ничего не выте-
вытекает. Другое же уравнение для синуса дает
-г-1 (cos г-\-У— 1-sin z) ——I (cosz — ]/ — 1-sinz)
1 jCosz-^-Y — 1-sinz ^
и вследствие этого z = —, I , откуда ясно, каким обра-
2у—1 cosz —у —1-sinz
зом мнимые логарифмы приводятся к дугам круга.
140. Так как = tgz, то дуга z выражается через свой тан-
COS Z
гене так:
2 у" — 1 l_y"_itg
120 ГЛАВА VIII
Выше (§ 123) мы видели, что
1+х 2х , 2x3 2x6 2х?
Полагая x = ~\f—1-tgz, получим
Если же положить tg z = t, то есть z будет дугой, тангенс которой
равен t, что мы будем обозначать A.tangt1), то
z — arctgf.
Если известен тангенс t, то соответствующая ему дуга z будет
t t3 tb f t*
Если тангенс t равен радиусу единица, то z равен дуге 45°, или z =
= ^-, и будет
я . 1,1 1 ,
т = 1-т+т-т+ и т- д-;
этот ряд впервые был выведен Лейбницем для выражения окружности
круга [32].
141. Чтобы из этого ряда можно было удобно определить дугу
круга, нужно, разумеется, подставить вместо тангенса достаточно малую
дробь. Так, при помощи этого ряда легко найдется длина дуги z, тан-
тангенс которой t будет равен тк; именно, эта дуга будет
Z~10 3000" 500 000 — и Тф д>;
значение этого ряда нетрудно приближенно выразить десятичной дробью.
Но и зная такую дугу, нельзя будет вывести заключение относительно
длины всей окружности, так как отношение дуги, тангенс которой
равен т^г, ко всей окружности не может быть выражено. Поэтому
для нахождения длины окружности следует искать такую дугу, которая
вместе с тем была бы некоторой частью окружности и у которой доста-
достаточно малый тангенс может быть удобно выражен. Для этой цели
обычно берут дугу 30°, тангенс которой равен ._ , так как тангенсы
меньших дуг, соизмеримых с окружностью, будут слишком сложными
иррациональностями2). Так как дуга 30° = -^-, то
я11 1
3 532/з И Т" Д"
6 ~уг3 3-3/3
2/3 2/3.2/3 2/3
!) Мы придерживаемся в дальнейшем переводе общепринятого сейчас обозна-
обозначения.
2) nimis sunt irrationales — буквально: явлшотся слишком иррациональными.
О ТРАНСЦЕНДЕНТНЫХ КОЛИЧЕСТВАХ, ПОЛУЧАЮЩИХСЯ ИЗ КРУГА 121
При помощи этого ряда приведенное выше (§ 126) значение я было
определено с невероятным трудом.
142. Этот труд тем значительнее, что, во-первых, отдельные члены
иррациональны, а затем каждый из них будет лишь приблизительно
в три раза меньше предыдущего. Это неудобство можно обойти так:
возьмем дугу 45° или -г ; хотя ее значение и выражается лишь едва
сходящимся рядом
1-у+1~т+ и т- д-
однако оставим эту дугу, но разобьем ее на две дуги а и Ъ, так что
a -f Ь = ~ = 45°. Но так как
TO
. , , , N . tg a-1-tg Ь
tg (a + 6) = 1 = . 6 ' f , ,
6 v ' ; 1 — tg a tg b
1 — tg a tg b = tg a -\- tg b
Теперь, если tga = -^-' T0 ^§b будет равен -_¦; отсюда обе дуги а
и b выразятся рациональным рядом, сходящимся гораздо быстрее пре-
предыдущего, причем сумма их даст значение дуги -г-; итак, отсюда
1 1,1 1.1
1-2 3-23 ' 5-25
_
1-3
7-37+9-39
И Т< Д<
И Т" Д"
Таким способом длина полуокружности я может быть найдена гораздо
скорее, чем это было сделано с помощью упомянутого выше ряда[32Ь1г].
ГЛАВА IX
ОБ ИССЛЕДОВАНИИ ТРЕХЧЛЕННЫХ МНОЖИТЕЛЕЙ
143. Выше мы показали, как нужно находить простые множители
всякой целой функции; это делается путем решения уравнений. Итак,
если дана какая-либо целая функция
(X -j- pz -j- VZ" -j- 6z3 -p ?Z -\- И Т. Д.
и нужно найти ее простые множители вида р—qz, то ясно, что когда
p—qz будет множителем функции а -)- Р^ -\- yz2 4- и т- Д-. то при z = —
и сам множитель р — qz становится равным нулю, и данная функция
должна исчезнуть. Следовательно, если p — qz будет множителем
или делителем функции
а + Pz + yz2 + Sz34- sz4 -{- и т. д.,
то
а ~Ь \-' 2 1 3 1 4 Ь И Т- Д- = 0.
Обратно, если найдены псе корни — этого уравнения, то они дадут
—
столько же простых множителей данной функции
a+Pz + yz2 + ez3 + ez4+ и т. д.,
именно: p — gz. Вместе с тем также ясно, что число этих простых мно-
множителей определяется наибольшей степенью z.
144. Однако этим способом получить мнимые множители большей
частью бывает трудно; поэтому в этой главе я изложу особый способ,
при помощи которого часто возможно бывает найти мнимые множители.
Вследствие того, что мнимые множители соединяются так, что произ-
произведение каждой пары действительно, мы найдем мнимые множители,
если исследуем двойные множители, т. е. множители вида
p-gz + rz2,
которые действительны, но простые множители которых мнимы. Если
будут известны все действительные двойные множители трехчленного
вида р— gz-\-rz2 функции a-\- $z + yz2 + Sz3 -)- и т. д., то вместе с тем
получатся и все мнимые множители.
ОБ ИССЛЕДОВАНИИ ТРЕХЧЛЕННЫХ МНОЖИТЕЛЕЙ 123
145. Трехчлен р — qz -\- rz2 будет иметь мнимые множители,
если крг > q2, или
Так как синусы и косинусы углов меньше единицы, то выражение р —
— qz-\-rz2 будет иметь мнимые множители, если ——^ равно синусу
2у рг
или косинусу некоторого угла. Пусть
?=-=cos(}>, или д= 2 Уpr-cos q>,
причем трехчлен р— qz-\-rz2 имеет простые мнимые множители. Для
того чтобы иррациональность не вызывала затруднений, я возьму форму
р2 — 2pqz cos ф + q2z2, мнимые множители которой будут
qz — p(cos(p-\-Y^ — 1 • sinqj) и qz—p (cos q> —У — 1-sin q>).
Впрочем, ясно, что здесь, когда cos ф=±1, оба множителя будут рав-
равными и действительными, так как sin ср = 0.
146. Если дана целая функция а + Bz + yz2-\-6z3jr и т. д., то ее про-
простые мнимые множители найдутся, если будут определены буквы р и q
вместе с углом ф так, чтобы трехчлен р2 — 2pqz cos ф -)- q2z2 стал множи-
множителем функции. Тогда одновременно в нее будут входить простые мни-
мнимые множители
qz — p(cosy + Y— 1 -sin ф) и 4Z~~ p(cosq>— ]/ — 1 -sincp).
Вследствие этого данная функция исчезнет как при подстановке
z = — (cos ф + У — 1 • sin ф),
так и при подстановке
z = — (cos ф — У — l«sin(p).
Отсюда, если произвести ту и другую подстановки, то получатся два
уравнения, из которых можно будет определить как дробь - , так и дугу ф.
147. Эти подстановки, которые нам надо осуществить, хотя на пер-
первый взгляд и кажутся трудными, однако выполняются довольно легко
при помощи изложенного в предыдущей главе. Действительно, так как
показано, что (cos ер ± У — 1 • sin ф)и = cos щ ± У — 1 ¦ sin nq>, то для под-
подстановки вместо отдельных степеней z будем иметь следующие фор-
формулы:
для первого множителя
z = — (cos ф + У — 1 • sin ф),
z2 = —¦ (cos 2ф + У — 1 • sin 2ф),
z3 = —j- (cos Зф -\- У — 1 • sin Зф),
z4 = ~ (cos 4ф + У — 1 ¦ sin 4ф)
и т. д.
для второго множителя
— — (совф— У— 1
z3 = ^_ (соэЗф —)/— 1 -sin Зф),
z4 = ^- (cos 4ф — "j/^ —-1 -sin 4ф)
и т. д.
124 ГЛАВА IX
Если положить для краткости — = г, то после подстановки получатся
следующие два уравнения:
соэф +уг2соз2ф +Sr3cos3cp + и т. д. j
/ —l-sincp + y/-2}/— 1 • sin2ср+о>31/^1-sinЗф+ и т. д.
ct+p>coscp Н-у2 cos 2ф +бг3соз3ф + и т. д.
"" ^Y^l2Y^l2 83 |/^li3— и т. д.
148. Если эти два уравнения сначала сложить, а затем вычесть
одно из другого, и в последнем случае разделить на 2]/"—1, то полу-
получатся два таких действительных уравнения:
0 = а+ р>cos ф + у/-2 cos 2ф + о>3 cos Зф + и т. д.,
0= Cr sinф + уг2 sin 2ф + ёг3 cos Зф + и т. д.,
которые можно составить тотчас же по виду данной функции
а + p"z + yz2 + Sz3 + ez4 + и т. д.,
полагая сначала вместо каждой степени
zn = rn cos иф,
а затем
zn = rn sin иф.
Так как зт0ф = 0 и соз0ф=1, то вместо z°, т, е. единицы, в постоян-
постоянном члене подставляется сначала единица, а потом нуль. Если из этих
двух уравнений определятся неизвестные г и ф, то, так как г = — г
получится и трехчленный множитель р2— 2pqzcosq>Jrq2z2, содержащий
два простых мнимых множителя.
149. Если первое уравнение помножить на sin ту, а второе на cos тц>
и произведения сложить, а затем вычесть одно из другого, то полу-
получатся два таких уравнения:
0 = a sin тф + $r sin (т + 1) ф + yr2 sin (т + 2) ф + 6>3 sin (т + 3) ф + и т. д.,
0 = asinrm})+ (Jrsin (m— 1) ф + уг2 sin(m— 2) ф + ёг38т(т — 3)ф+ и т. д>
Если же первое уравнение помножить на cos mq>, а второе на sin mtp,.
то путем сложения и вычитания возникают такие уравнения:
0 = acosrap-[- Crcos(m— 1) ф + yr2cos(m — 2) ф + ёг3 cos(w — 3) ф+ и т. д.,
0 = acosrm})-|- pr cos(w+ 1)Ф + У2 cos(m + 2) q> + дг3cos (т-\-3) ф+ и т. д.
Из этих уравнений любые два вместе взятые определят неизвестные г
и ф; так как по большей части это может быть произведено многими
способами, то получатся сразу многие трехчленные множители и даже-
все, какие содержит в себе данная функция.
ОБ ИССЛЕДОВАНИИ ТРЕХЧЛЕННЫХ МНОЖИТЕЛЕЙ 125
150. Для того чтобы применение этих формул стало более ясным,
мы здесь найдем трехчленные множители некоторых более часто встре-
встречающихся функций, чтобы можно было отсюда черпать эти множители
всякий раз, когда это понадобится. Пусть дана функция
ап + zn,
для которой надо найти трехчленные множители вида
р2 — 2pqz cos ф -\- q2z2.
Если положить г = —, то получатся два таких уравнения:
0 = ап + rn cos пф и 0 — rn si n «ф,
последнее из которых дает
sin «ф = 0.
Отсюда щ будет дугой вида Bк-\-1)я или 2кп при целом числе к.
Я различаю эти случаи потому, что косинусы у них различны; в первом
случае будет cosB/c+ 1)я = — 1, в последнем же cos 2кл = 4- 1 • Ясно,
что надо взять первый вид
так как он дает cos гсф= —1, откуда
я, далее,
Итак,
_ (
ф_
отсюда множителем функции ап -\- zn будет
а2 — 2az cos ^-—>—± \- z2.
Так как вместо к можно подставить любое целое число, то таким обра-
образом получится много множителей, однако же не бесконечное число,
потому что если 2к-\-\ возрастет свыше п, то станут повторяться преж-
прежние множители, так как cosBjt -j- ф) = соэф; это более ясно будет видно
на примерах. Далее, если п будет нечетным числом, то при 2к-\-1 = п
получится множителем квадрат a2jr2azJrz2; однако отсюда не следует,
что квадрат (a-\-zJ будет множителем функции an-{-zn, так как (по § 148)
получается только одно уравнение, из которого видно, что только а-\- z
будет делителем выражения an^-zn\ этого правила следует придержи-
придерживаться всякий раз, когда совф равен +1 или —!•
126
ГЛАВА IX
ПРИМЕР
Разберем несколько случаев, чтобы эти множители представились
нагляднее, причем разделим эти случаи на два класса, смотря по тому,
будет ли число п четным или нечетным:
если
n=l,
то у выражения
а + z
множителем будет
а-{- z
если
п = 3,
то у выражения
множителями будут
а2 — 2az cos — я + z2,
О
а-{- z
если
п = 5,
то у выражения
множителями будут
а2 — 2az cos — я + z2,
a>-2azCoS^n + z2,
а + 2
если
/г = 2,
то у выражения
a2 + z2
множителем будет
a2 + z2
если
п = 4,
то у выражения
множителями будут
а2 — 2az cos -г я + z2,
а2 — 2az cos -г я -f z2
если
п = 6,
то у выражения
множителями будут
л
а2 — 2az cos -т-я + г8,
а2 — 2az cos -^ я + z2,
а2 — 2az cos -^ я -4- z2
о
Из этих примеров видно, что получатся все множители, если вместо-
2&+1 подставить все нечетные числа, не превосходящие показатель п\
в тех же случаях, когда в качестве множителя получается квадрат»,
следует причислять ко множителям только корень из него.
151. Когда дана функция
ап - zn,
то ее трехчленным множителем будет
р2 — 2pqz cos ф -f </222,
ОБ ИССЛЕДОВАНИИ ТРЕХЧЛЕННЫХ МНОЖИТЕЛЕЙ
127
если при г = —
О = an — rn cos «ф и 0 = rnsinmp.
Следовательно, и здесь будет
sinmp = 0,
и, значит, иф = B/с+1)л; или пф = 2&я. В данном случае надлежит
брать второе значение, чтобы было cosmp= +1, что дает
Таким образом, будет
и r = JL^a.
д
л 2А-
> = а, в=1 и ф = — я;
отсюда трехчленный множитель данного выражения будет
2к
а2 — 2az cos — я + z2.
Этот вид при подстановке вместо 2k всех четных чисел, не превышаю-
превышающих п, даст сразу все множители, причем относительно квадратных
множителей надо принять во внимание сделанное выше замечание.
Прежде всего, при к = 0 получается множитель a2 — 2az + z2, вместо
которого надо брать корень из него а — z. Аналогично, если п — четное
число и подставим 2к = п, то получится a2-{-2azJr z2, откуда видно, что
a+z будет делителем выражения an — zn.
ПРИМЕР
В зависимости от четности или нечетности показателя п получаем
такой результат:
если
и=1,
то у выражения
a — z
множителем будет
a — z
если
п — 3,
то у выражения
az — z3
множителями будут
a-z,
о
а2 — 2az cos — я + z2
о
если
и =2,
то у выражения
a*-z2
множителями будут
а —z
a-\-z
если
п = 4,
то у выражения
ai-zi
множителями будут
a-z,
2
а2 — 2az cos — я + z2
a-f z
128
ГЛАВА IX
если
п = Ъ,
то у выражения
a5 — z5
множителями будут
a — z,
2
a2 —2az cos-jT-л-\-z2,
4
а2 — 2az cos -=- я + z2
и
если
n = 6,
то у выражения
au — ze
множителями будут
a — z,
2
а2 — 2azcos-3- я + z2,
6
а2 — 2агсоз-^-я + г2,
152. Этим подтверждается сказанное нами выше, что всякую целую
функцию можно разложить, если не на простые действительные, то на
двойные действительные множители. Ведь мы видели, что функция
неопределенного измерения ап j- zn всегда может быть разложена на двой-
двойные действительные множители, кроме простых действительных. Перей-
Перейдем поэтому к функциям более сложным, таким, как a-j- $zn-\-yz271,
разложимость которой вполне ясна из предыдущего, если функция имеет
два множителя вида ц -\- 9zK. Нам остается только показать разложение
выражения a + $zn + yz2n на действительные простые или двойные
множители в том случае, когда оно не содержит двух действительных
множителей вида r\ + 8zn.
153. Рассмотрим функцию
a2n-2anzn cos g + zin,
которую нельзя разложить на два действительных множителя вида
Ti + 6zn. Если положим, что двойной действительный множитель этой
функции есть
р2 — 2pqz cos ф + g2z2,
то при г = — надо будет решить следующие два уравнения:
О = а2П — 2anrn cos g cos шр + г2™ cos 2nq>
и
О = — 2anrn cos g sin nq> + r2n sin 2щ.
Или же вместо первого уравнения по § 149 (полагая т = 2м) можно
взять уравнение
О = а2П sin 2иф — 2anrn cos g sin щ,
которое совместно с последним дает
тогда
но
отсюда
sin 2иф = 2 cos g sin nq>,
sin 2иф = 2 sin иф cos щ,
cos мф = cosg.
ОБ ИССЛЕДОВАНИИ ТРЕХЧЛЕННЫХ МНОЖИТЕЛЕЙ 129
Так как всегда cosBkn + g) = cosg, то
ntf = 2кп + g
и
v¦
Поэтому общий вид двойного множителя данного выражения будет
й2 - 2az cos 2кп± е + z2;
при этом получатся все множители, если вместо 2к последовательно под-
подставлять все четные числа, не превосходящие п, как это можно видеть
из применения к частным случаям.
ПРИМЕР
Чтобы уяснить составление множителей, разберем случаи, когда п
есть 1, 2, 3, 4 и т. д. Так, у выражения а2 — 2az cosg + z2 будет един-
единственный множитель а2 — 2az cos g -j- z2; у выражения а* — 2a2z2 cos g -\- z4 —
два множителя:
a2 — 2a2cos-| +z2,
a2 — 2az cos ^"^ g + 22 или a2 + 2az cos -| + z2;
у выражениями6 — 2a3z3 cos g + z6 — три множителя:
a2 — 2azcos-f + z2,
О
a2 - 2az cos 3 ё + z2,
a2-2azcos 2jT + g +z2;
у выражения a8 — 2a4z4cosg-\-z8 —четыре множителя:
a2 — 2azcos-|--l-z2,
«2-2azcos 2jt~g +z2,
- 2azcos 2" + g + z2,
^-+z2 или a2+2azcos-| + z3;
у цыражения'а10 — 2a5z5cosg+z10 —пять множителей:
a2-2azcos-| + z2,
a2-2azcos 2jT5'g +z2,
a2 - 2azcos 4lt~g + z2,
a2-2azcos
О Л. Эйлер, т. 1
130 ГЛАВА IX
Этими примерами также подтверждается то, что всякую целую функцию
можно разложить на действительные множители, простые или двойные.
154. Продолжая, следует перейти к функции
которая непременно будет иметь один действительный множитель вида
T) + 8zn, действительные множители которого, простые или двойные,
могут быть найдены; другой же множитель вида i + xzn-j-^z2n, как бы
он ни был составлен, всегда на основании предыдущего параграфа рав-
равным образом может быть разложен на множители.
Далее, функция вида
также разлагается на простые или двойные действительные множители,
так как она всегда имеет два действительных множителя вида r\ + 8z" + iz2™.
Можно перейти к форме
ez4n + ?z5n,
которая, наверно, имеет один множитель вида т\ -\- 6zn; другой же множи-
множитель будет предыдущей формы; поэтому также и эта функция допускает
разложение на действительные простые или двойные множители. Таким
образом, если оставалось какое-либо сомнение насчет подобного разложе-
разложения всех целых функций, то теперь оно совершенно устранено.
к
155. Это разложение на множители может быть распространено
также и на бесконечные ряды. Действительно, так как выше мы видели, что
1+Т + Й+Т^з + 1ЭТГ+ и т- д- = е*'
причем
где г означает бесконечно большое число; ясно, что ряд
X X2 Xs*
1 + Т + Г2 + Т^з+ и т" д-
имеет бесконечное число простых, равных между собою множителей,
именно, 1 + ~. Если от этого ряда отнять первый член, то получится
сравнивая это выражение с § 151, полагая
а= 1 + 4-, n = i и 2=1,
пидим, что любой его множитель будет равен
отсюда можно при подстановке вместо 2к всех Четных чисел получать все
я2
множители. Но при 2к = 0 получается квадратный множитель -^ .
ОБ ИССЛЕДОВАНИИ ТРЕХЧЛЕННЫХ МНОЖИТЕЛЕЙ 131
вместо которого —по указанным соображениям —надо взять корень — ;
значит, х будет множителем выражения ех— 1, как это, впрочем, ясно
само по себе. Для нахождения остальных множителей следует заметить,
2ft л
что так как дуга —я бесконечно мала, то
2ft . . 2ft2 „
cos — я = 1 — я2
(§ 134), при обращении в нуль остальных членов вследствие бесконечно-
бесконечности числа i. Отсюда любой множитель будет иметь вид
и, стало быть, выражение ех — 1 будет делиться на
Вследствие этого выражение
кроме множителя х, будет иметь бесконечное число множителей:
156. Эти множители содержат бесконечно малую часть ~ ; она вхо-
входит в отдельные множители и при перемножении их всех ( числом -=- i )
производит член -|- ; поэтому она опущена быть не может. Во избежа-
избежание этого неудобства рассмотрим выражение
х -х Г a i г V Г л х ^г r,f х , х3 , хъ .
ибо
_v j X , X2 X3
Сравнение этого выражения с § 151 дает
п= i, а=1 + — и 2=1 ;
отсюда множитель этого выражения будет равен
2к
так как
2ft , 2/c2
COS -г- Я = 1 ^-
? ?2
Итак, функпия еж — е"* будет делиться на
•1-2 г 2
^ ft2jta га '
132 ГЛАВА IX
где член — может быть опущен без опасения, потому что даже после
умножения на i он останется бесконечно малым. Кроме того, как и
раньше, если А; —О, то первый множитель будет равен х. Вследствие
этого, после расположения этих множителей по порядку, будет
Очевидно, отдельным множителям, путем умножения на соответствующее
постоянное, я придал такой вид, чтобы при фактическом умножении
получился первый член х [33].
157. Подобным образом, так как
— 2 =1+Ь2+-1Т2^Г+ и т" * = ~ 2"^
то сравнение этого выражения с указанным выше an-\-zn даст
а = 1 + у , 2=1—-?- и п = г;
значит, любой множитель будет равен
а2_2а,с
Но
откуда получаем множитель в виде
потому что исчезает член со знаменателем г4. А так как всякий множи-
множитель выражения
и т-
должен иметь вид 1 4- ах2, то для приведения найденного множителя
к этому виду его надо разделить на -—^~ ; итак, множитель дан-
данного выражения будет равен
1 ix*
отсюда найдутся все бесчисленные множители, если вместо 2к + 1 будем
подставлять последовательно все нечетные числа. Поэтому
158. Если х будет количеством мнимым, то эти показательные
выражения перейдут в синус и косинус некоторой действительной дуги.
ОБ ИССЛЕДОВАНИИ ТРЕХЧЛЕННЫХ МНОЖИТЕЛЕЙ 133
Действительно, пусть х = z У — 1 ; тогда
L2.3-4-5-6-7 + ИТ-Д-5
это выражение разлагается на такое бесконечное число множителей:
¦*•*•¦
т. е. получаем
sin z =
Всякий раз, когда дуга z выбрана так, что какой-либо множитель
исчезает, что бывает при 2 = 0, 2 = 4j я, z = f 2я и вообще при z = ± А;я,
если А; означает любое целое число, то вместе с тем синус этой дуги
должен быть равен нулю; это настолько очевидно, что отсюда a posteriori
можно было бы получить сами множители.
Подобным образом, так как
-к = COS 2,
получаем также
Д1ЗС1!1)ит-
или, разлагая каждый множитель на два,
cos 2 =
2Л4- 1
отсюда, равным образом, видно, что если 2=4:—?—я, то будет 2 = 0,
что также ясно из природы круга.
159. По § 153 можно также найти множители выражения
ёж - 2 cos g + е"ж = 2 (^1 - cos g + ^2 + t. 2.43.4 + и т' )
Это выражение переходит в такое:
сравнение его с приведенным выше видом дает
2п = г, а=\-\-^г и 2=1—?-,
откуда любой множитель этого выражения будет равен
Но
r2BkK±g), 2Bkn
COS) ; J. -p
ГЛАВА IX
й 4za , 4Bkn±g)* ¦ ¦
откуда множитель будет равен -^~ +—.2 или we, в другом виде.
л ^ Bкл ± g? ¦
Итак, если разделить заданное выражение на 2A — cosg), чтобы в бес-
бесконечном ряде постоянный член был равен единице, то, взяв все мно-
множители, получим
2A —cosg)
Рели вместо х подставить zj/"— 1, то получится
{COSZ — COS g
1 — COS g ~
x( l-T^—^C l + T-Z—') и т. д.=
V 4я — g J V 4я — gj M
¦ ¦ 1-2A —cosg)+ 1-2-3-4A -cosg) 1-2 ... 6(l-cosg)+ И Т- Д'
Таким образом, все множители этого бесконечного ряда известны.
160. Для функции вида
еЬ*х ± ес-х
также удобно могут быть найдэны и указаны все множители. Преобра-
Преобразуем ее к виду
и, сравнивая его с выражением
¦ь ± ъ >
находим, что она будет иметь множитель
а2 — 2az cos ^- + z2,
где т означает нечетное число при верхнем знаке и четное — при ниж-
нижнем. Так как, в силу того, что i бесконечно велико,
тпл , теаяа
cost~ —w'
то этот общий множитель будет равен
В этом случае
, . Ь4-х . с — х
а= 1 -Ь—\— и z= 1а — ,
ОБ ИССЛЕДОВАНИИ ТРЕХЧЛЕННЫХ МНОЖИТЕЛЕЙ 135
откуда
таким образом, множитель, помноженный на г2, будет равен
(й _ сJ + 4 F — с) х + 4ж2 4 »г2л2,
если пренебречь членами, деленными на г или г2, так как по сравнению
с остальными они исчезают. Если постоянный член путем деления при-
привести к единице, то множитель будет равен
161. Так как теперь во всех множителях постоянный член равен
единице, то функцию еь*х -f- ес'х надо разделить на такое постоянное,
чтобы постоянный член стал равен единице или чтобы ее значение при
х = 0 стало равно единице; таким делителем будет еь ±ес, и благодаря
этому выражение
может быть представлено в виде произведения бесконечного числа мно-
множителей. Итак, если взять верхний знак и m будет означать нечетное
число, то
—сJ
, 4(Ь-с)»+4*«ч .
+ 25я2+(Ь — еJУ '
сJ
если же взять нижний знак и т будет означать число четное, а в случае
т = 0 взять корень из квадратного множителя, то
V. "^Ь-сА + 4я2+F —СJ У\/ ' 16я2 + (й-сJ У^
ЗбЯ2+(Ь-С)
и т. д.
162. Положим 6 = 0, что может быть сделано без ущерба для общ-
общности; тогда
ех^гесе~х_ / . icx — 4x2\/. 4cx — 4x*\ f . icx — 4а;2 N
1_)_ес -V1"" яа_1-са Д а"" 9я2 + с2 JV 25яа + с2У И Т- Д''
. 4саг— 4s2 N / - 4саг — 4д2 N f . Асх — 4х2\
4я2+с2А «яг+^А Зб^+ё2/ И Т< Д'
Теперь будем считать с отрицательным; тогда получатся такие два ра-
равенства:
Помножив первую формулу на третью, получим
136 ГЛАВА IX
подставляя у вместо 2х, будем иметь
Помножив первую формулу на четвертую, получим произведение, равное
подставляя у вместо 2х, будем иметь
„ 2eyyv/1 гсу + У^^ 2суу \
jl1 ) + ^ )
А
Если помножить вторую формулу на третью [34], то получится то же
равенство, если только с взять отрицательным; именно, будет
1 + .Т-,+у1 V 1 - п^Г,у\ ) и т- д-
Помножим, наконец, вторую формулу на четвертую, получим
^ 1 , 2СУ + У Л / 2gyy N ^ t 2Су + У Л и т
163. Эти четыре комбинации можно теперь удобно применить к кру-
кругу, положив
c = g]/—1 и у = иУ— 1.
Тогда будет
е» К=Т -1- е-° У^л = 2 cos v, ev У~х — e~v ^^ = 2 j/"^!- sin v
ii
= 2 cos g, es V^ - e~s V^ = 2 j/"^!- sin g.
Отсюда первая комбинация даст
cos у 4- cos g . v* v* v«
1 + cos^ l2(l + cosg)"rl234(l + cosg') 1-2 ... 6 A + cos gy ' M"
и т. д.
ОБ ИССЛЕДОВАНИИ ТРЕХЧЛЕННЫХ МНОЖИТЕЛЕЙ 137
Четвертая же комбинация дает
cos v — cos g
= 12A cos g) + l234 A cos g)~ 12 6A cosg) + H T' Д' =
1 — cosg~ = 1-2A —cos g) + l-2-3-4 A —cos g)~ 1-2 ... 6A — cosg)
i А V \ ' л V ^ /' л V * f Л V
; 1 ' 1 1 1 ' I 1
v 8^ J V Btc —" s)'^y V Bзх —I— ^)^/ V Dзх — ^
Вторая комбинация дает
sin g-|-s^n v л v y3 vb
sing = + sin g~ 1-2-3-sing + l-2-3-4-5sing ~И Т" Д> =
При о отрицательном получится третья комбинация.
164. Также и выражения, приведенные в начале § 162, могут быть
применены к дугам круга следующим образом. Так как
то если положить
c = g]/—1 и x — zY— 1,
это выражение перейдет в
cosz+cos(g-z) = cog 2 , sing sin z
1+cosg ~*~ 1 + cosg
Так как {^& g = tg A g, то будем иметь
1
cos z 4- tg -к- g sm z =
г6 , 1
3^tgTg-H Т. Д.=
И Т. Д.
Подобным образом второе выражение при умножении числителя
и знаменателя на 1 — е'с переходит в
ех _1_е-ж ес'х е~с+х
2 —ес_е-с '
138 ГЛАВА IX
полагая здесь с = g ]/ — 1 и x — zrf — i, получаем
cos z—cos Iff — z) sin g sin z sin z
-. ^ - = cos z —-.—г = cos z -.— .
1 — cosg 1— cosg tg —g
Таким образом,
cos z — ctg -_¦ g sin z =
. z . 1 za . z3 .
lctg+ct
У 1+ 1 4l+ yi__^_) и т. д.
Если же положить v=2z или z = -2-o, то получится
соаТ<*-р) 1 , + 1 .1
coso + tgsiiio
— = cos ~ v - tg ~ g sin ~ v ¦-
1.1
gsm
1
-, ¦ = cos -s- v + ctg -s- g sin -p- v =
Закон последовательного образования этих множителей прост и еди-
единообразен, причем из этих выражений путем умножения получаются
выражения, найденные в предыдущем параграфе.
ГЛАВА X
О ПРИМЕНЕНИИ НАЙДЕННЫХ МНОЖИТЕЛЕЙ
К ОПРЕДЕЛЕНИЮ СУММ БЕСКОНЕЧНЫХ РЯДОВ
165. Если
т. д. = A + az) A + f>z)(l + yz)(l + 6z) и т. д.,
то при действительном перемножении этих множителей, конечно ли, или
бесконечно их число, они должны дать выражение 1 + Az + Bz2 -f Cz3 +
+ -Dz4 + h т. д. Стало быть, коэффициент А суммы будет равен сумме
всех количеств
т- Д-
Коэффициент же В будет равен сумме произведений по два, так что
т. д.
Коэффициент С будет равен сумме произведений по три, именно,
С — офу + °Ф$ + аУ& + Py^ + и т- Д'
Так же и дальше D будет равно сумме произведений по четыре, Е будет
равно сумме произведений по пяти и т. д., как это известно из обычной
алгебры.
166. Так как сумма количеств a + p + Y + 6 + и т. д. дается вместе
с суммой произведений по два, то отсюда можно найти сумму квадратов
«2 + Р2 + Y2 + 62 + и т. д., так как она равна квадрату суммы минус
удвоенная сумма произведений по два. Подобным образом можно опре-
определить сумму кубов, четвертых и более высоких степеней; а именно,
если положим
т. д.,
3 + и т. д.,
е4 + и т. д.,
е8 + и т. д.,
е6 + и т. д.,
и т. д.,
то значения Р, Q, R, S, Т, V и т. д. определятся по данным А, В,
140 ГЛАВА X
С, D и т. д. следующим образом:
и т. д.
Справедливость этих формул легко узнается путем проверки; с полной
же строгостью они будут выведены в интегральном исчислении [3S].
167. Так как выше (§ 156) мы нашли, что
. х2 , я4 . Xе
т- д-; =
то
X2 , X*
Положим х1 = я2г; тогда
i0 и
Применяя выведенное выше правило к этому случаю, будем иметь
А-- , В-
Поэтому, если положим
_ л2 „ _ я4 р _ я6 п_ я8
~~6'^~120' С~040'^~ 362880 И Т' Д>
+ + + +
1.1.1.1,1
т-
и т. д.
и значения этих букв определим при помощи их выражений через А,
ПРИМЕНЕНИЕ МНОЖИТЕЛЕЙ К ОПРЕДЕЛЕНИЮ СУММ БЕСКОНЕЧНЫХ РЯДОВ 141
В, С, D и т. д., то получится [зв]
р5! л5? RJ* <Г
Т- я1° и т
Х ~~ 93 555 И1-
р5! 5? RJ. Г ~ Т
^~ 6 ' ^"~90' 945' °~~9 450' Х ~~ 93 555
168. Таким образом, ясно, что суммы всех бесконечных рядов,
заключающихся в общей форме
Т<
могут быть выражены посредством длины полуокружности я всякий
раз, когда п будет числом четным; при этом сумма будет находиться
в рациональном отношении к я". Чтобы представить значение этих сумм
более ясно, приведу здесь некоторые из них, выраженные более удоб-
удобным образом:
2° 1
т. д.=ГГ1.т
^ + ^ + и т. д^
-^ + и т. Д- =
1.1.1.1. 28 5 70
1111 210 691
+ ^+4^ + 5" + И Т- Д- = 1-2-3 ... 1305
-V— + - + и т л 212 35
«+4« + 5« + И Т- Д- ~
.1-2-3 ... 15
lili-ij-li. 216 43 867 18
2i8 "Г 3i8 + 418 + 518 + И Т- Д" ~ 1-2-3 ... 19' 21 Я '
з20 + 420 "г 52° + И Т- Д" ""
2» 1 222 227
420 "г 52° + И Т- Д" "" 1-2-3 ... 21 55
20
i.4-ii.l4. -
заа "^ 42^ + 522 + И Д' ""
l4.
522 + И Д' "" 1-2-3 ... 23' 3
П81820 455 24
li + lji + l+HT
1 -1- 224 "Г За4 "I- 424 "*" 5а* ~ги х< ^- 1-2-3 ...25" 273
l + i + l + l+1 + ит _ 2" 76 977 927 6
1Т22и^з28^42б^526^и *• А'~ 1-2-3 .. . 27 1
Коэффициенты х) [37] степеней я можно было так далеко продолжить
благодаря способу, который должен быть изложен в другом месте;
я здесь привел их потому, что на первый взгляд весьма нерегулярный
х) В оригинале exponentes — показатели. [С. Л.]
142 ГЛАВА X
- „ , 1 1 3 5 691 35 -
ряд дробей 1, -5" , — , — , -5- , jy-p , -j- и т. д. имеет большое количе-
О О О О 1U*> 1
ство применений.
169. Разберем этим же способом уравнение, найденное в § 157Г
именно:
2~~ ~ 1 + 1-2"М-2-3-4 + 1-2-3-4-5-6 + и т* Д-~
Если положить х2 = -т- , то будет
.Я2 Я4 „ . Я6
1+Z+ +
-и т. д.,
S = l I 1 .1 1 ¦ i 1
и т. д.,
то для Р, Q, R, S и т. д. найдутся следующие значения:
1 яа 2 я4
Р=Т'~2?-> ^ = Г2^Г2&"'
о 16 ?^ „_ 272 я»
1-2-3-4-5*27 ' 1-2-3 ... 7 'W
т_ 7 936 я1" „_ 353 792 я1а
1-2-3 ... 9" 2" ' 1-2-3... 11 " 2" '
22 368 256 я"
1-2-3 ... 13 -2
И
И Т'
„ . Я6 о
Z +1-2-3 .. .6-4«z +И Т" Д' =
4)(l + i)(l ^>T. д.
Отсюда, применяя выведенное выше, получим
. _ яа „ я4 _ _ я6
~ Г2^4 ' ~ 1-2-3-4-42 ' С ~ 1-2-3 ... 6-43 И Т' Д"
Если же положим
7I+4 + А + + + И Т «
170. Те же суммы степеней нечетных чисел могут быть найдены
из предыдущих сумм, в которых встречаются все числа; так, если
^=1 + ^ + р + Д + 5^+И Т- Д"
то после умножения на щ будет
2« ~ 2" ' 4n ' 6n ' 8"+И T- Д-'
ПРИМЕНЕНИЕ МНОЖИТЕЛЕЙ К ОПРЕДЕЛЕНИЮ СУММ БЕСКОНЕЧНЫХ РЯДОВ 143
если этот ряд, содержащий только четные числа, вычесть из предыду-
предыдущего, то останутся нечетные числа, и будет
^--^ = ^^=1 + ^+р + 74 + ^ + и т. д.
Если же вычесть из М удвоенный ряд -^ , то получатся перемежаю-
перемежающиеся знаки, и будет
2М _ 2"-' —1 м _ . 1,1 1,1 1
'" 2™ ~" 2™~1 ~" 2™ ' Зп 4™ '5" 6" И Т" ^'
На основании указанных правил могут быть суммированы такие ряды:
11 11 11
1±2^ + зН±4п + 5"±§^+7"± ит- Дч
1111 1
1++ + + + + и т
если только п будет числом четным; сумма будет равна Апп, где А —
рациональное число.
171. Кроме того, выражения § 164 также дадут ряды, достойные
упоминания. Так как
cos — v + tg у g ¦ sin у и =
- '• «••
то при у = — я и g = — я будет
х
/ . г^/, ?Л гя . . тея . гя
X 1 4- 7 ) 1 — г—i— и т- Д- = cos -о—Ь tg -^— sin -гг— =
. Пх- тЛ яая2 Я3я3 f тея , я4я4 ,
==1 + l^tS^~T4^r~" 2-4-бдЗ ь§ 2л +2-4-6-8п* + И Т- Д-
Это бесконечное выражение по сопоставлении с § 165 даст такие зна-
значения:
. Я тея
А 18
D = ;
„ я5
2468
И Т. Д.
Но в зтом случае
Зп — т ' Зп-Ь -• '
144 ГЛАВА X
172. Отсюда по правилу § 166 получаются следующие ряды:
D 1 1.1 1,1
р к и т л
' 5га—т ' ""'
га— т п-\-т ' Зга — т Зга-)-?га ' 5га—т
п 1 1 .111
V — („_mJ I (re~)-mJi"Cra —;пJ ¦ (Зга + тJ + Eга —тJ+И Т" Д
R =
(
_
K И Т- Д"'
(га — mK (ra + mK + Cre-mK (Зга + mK + Eга — тK
(га —m)a"+"(ra + mL + Cra — mL + (Зга + mL + Eга — тL + И Т"
Г=__1 11 1 . 1
(га —тM (га + ?гаM + Cга —тM (Зга+тM + Eга —тM И Т'
11111
= (га m)«"^()mN+ (Звго)в + (З + го)«^"(&)'^И Т"
И Т. д.
—^— = & то
Если подставить tg —^— = &, то, как мы показали, будет
2га ~ 2га
^ 4га2 2-4га2
о (Аз
8га3 ~~ 2-4-бга3
_ (зА4+4А2 + 1) я4
2-4-6-8га*
я5
96га5 — 2-4-6-8-10п&
И т. д.
173. Равным образом последнее выражение § 164:
1 11
cos у v 4- ctg у g • sin у и =
¦ т- «¦¦
если подставим и = —я, g = —n и tg-^- = /c, так что ctg-^-g = -тг" » Даст
ЖЯ , 1 . ХЛ
cos -= Ь -г sin -s— =
2га А 2га
.яг ягг2 я3г3 , я4г4 я5га5
= + 12лк~ 2-4га2 — 2-4-6л3А + 2-4-6-8га4+ 2-4-6-810ге"^ ~" И
При сравнении с общей формулой (§ 165) получится .
тг тг2 тгЗ
Л —. я Р . - ~~" <^_ ~~"
2га/с
2-4-6-8га4' 2-4-6-8-10га5А
Из множителей же получим
1 д — 1 1 » — 1 1
к — *' , о = , е = т—;— и т. д.
4га — т <тА-т
ПРИМЕНЕНИЕ МНОЖИТЕЛЕЙ К ОПРЕДЕЛЕНИЮ СУММ БЕСКОНЕЧНЫХ РЯДОВ 145
174. Отсюда, согласно § 166, образуются следующие ряды и для каж-
каждого находится соответствующая сумма:
Р = А_ ?_+_i —+ — и т. д.
т 2га— т* 2п-\-т 4га— т Ап-\-т '
11 1 1 1
<? + + + + +И Т Д
Bга — ту + Bга+тJ + Dга—/я)а + Dга+т)а
„_ 1 1 1 1 1
~т?~~ Bга — т)8 + Bra-fmK Dга —m)8 + Dra-|-m)8 И
1 • 1 ¦ 1 ¦ 1 • 1 4-и т.
" ~ т* ^ Bга —mL ^ Bга + тL ^ Dга —тL ' {<
1 1 1 1 1
1 ~ т*> Bп — т)л + Bга+тM Dга —тM + Dга + тM И Т" Д-
Суммы же этих рядов Р, Q, R, S и т. д. будут таковы:
Р — А — я _ 1я
2га* ~ 2га/с '
2-4га2/са
2-4-6га8/с8 '
48га4/с4 "" 2-4-6-8га4/с4
96га5/с5
~~ 2-4-6-8-10-12гевА;в
И Т. Д.
175. Эти общие ряды заслуживают того, чтобы вывести некоторые
частные случаи, получающиеся, если придать отношению m к п опре-
определенные числовые значения. Пусть, прежде всего, m = 1 и п = 2; тогда
к = tg-?-= tg45° = 1 и оба класса рядов совпадут. Получим
~ЗТ З8 + 58 78 + 98 И Т- Д-'
^- = 1+^- + ^+^- + -9^ + и т. Д.,
5я5 . 1 1 1,1
-и т. д.,
1 536 З5 ^ 56 76
яе 1 1 1 1
96Q- -1 + 36 + 5б + 7s + 9s + И Т. Д.,
И Т. Д.
Первый из этих рядов мы уже вывели выше (§ 140); те из остальных,
которые содержат четные степени, были получены раньше (§ 169);
прочие же, у которых показатели являются числами нечетными, встре-
встречаются здесь впервые. Итак, мы установили, что и суммы всех
Ю Л. Эйлер, т. I
146 ГЛАВА X
следующих рядов:
^ дгп+i i 52n+1 7an+1 92rl+1 ^ T" Д°
могут быть выражены посредством п.
176. Если теперь
т^= 1, п = 3,
то
тогда ряды § 172 перейдут в такие:
я _ 1 11 1,1 1 ,
i7f~2 4 + 8 10+14 16+И Т- Д"'
27 "~ 22 + 42 + 82 + 102 + 42- + -ур~ +и т-
11 , J11
23
, J 1 1 1_
"^ 83 103 163 И Т' Д"'
и т. д.,
т. е.
я , 1,1 1,1 1
1 + +
4я3 , 1,1 1 , 1 1
й4 i/"q 23 43 53 73 83
о1 Ко
и т. д.
и т-
В этих рядах недостает всех чисел, делящихся на три; те из них, кото-
которые имеют четное измерение, могут быть выведены из найденных выше
еще следующим образом. Так как
то
яа_1111. _яа
g.9 з2 ' 6а 9а 122 И Т' Д" 54 "
Если последний ряд, содержащий все числа, делящиеся на три, вычесть
из первого, то останутся все числа, не делящиеся на три, так что будет
8я2 4яа л . I 1,1,1
= = 1 -\ -f- ——I 1 Ьи т- Дч
как мы уже нашли.
177. Та же подстановка
Л Q 7 1
т = 1, п = 6 и к = ——
/3
ПРИМЕНЕНИЕ МНОЖИТЕЛЕЙ К ОПРЕДЕЛЕНИЮ СУММ БЕСКОНЕЧНЫХ РЯДОВ 147
в применении к § 174 дает такие суммы:
я __ . 1,1 |, ± 1 i А_
YFT"" 57 11 + 13 17 + 19 и т- Д->
я2 , I _L _i_ JL 4- -i_ д- J_ _l —L i _J_ i
я3 111 111
-^t^ = 1 —-gr + 71 П3" + Тз3" ~~ T73" + 193 "" и т- д"
и т. д.,
в знаменателях которых встречаются только нечетные числа, за исклю-
исключением тех, которые делятся на три. Впрочем, ряды, имеющие четное
измерение, могут быть выведены из уже найденных; так как
— =14- — 4- — 4- — 4- — 4-и т
то
_я^_ _ JL i J_ _| 1_ i _1_4- — я3
8-9 З2 92 15а 21а 10 '
Если этот ряд, содержащий нечетные числа, делящиеся на три, вычесть
из первого, то останется ряд квадратов нечетных чисел, не делящихся
на три, и будет
178. Если сложить или вычесть ряды, найденные в § 172 и 174,
то получатся другие ряды, достойные внимания. Именно, будет
2ft 2пк т ft—т п-\-т 2ft—т ' 2га~)~т ' 2?гА- '
НО
теЯ
Sin -7;—
1 j. тл 2ft л , 7.<> • 1
И
отсюда
An тл [ тп \"
COS -75 COS -75
2ft V 2ft у
z/c c\ • тпл теЯ . пгл
= I Sin -75 COS -7;— = Sin
2ft 2ft ft
при подстановке этого значения получим
я 1,1 1 1,1,1 1
rv) п— т п.Л~т О.п.— т/' On _1_ m 'An m Чм ! »м *
теЯ те ft — те п4~пг 2ft — те ' 2n-\-m in — m 3ft4-/ft
ft sin '
n
Подобным образом, вычитая, найдем
я кл A — А2) я
2ft/c 2ft 2rc*
1 1,1 1,1 1.1
m ft — m ' n-\-m 2ft—m 2nArm 3ft — те~^Зга-]-т
но так как
тл
sin
2« . n mn * пя n
———— — tg / 9 — tg — ——- ,
—и т-
cos
ft
10*
148 глава х
то отсюда
тл
ncos~ir 11,1 1,1 1 ,
тл т п — т п-\-т 2п — т 2п-\-т Зга — т '
п sin
п
Однако получаемые отсюда ряды квадратов и более высоких степе-
степеней могут быть более легко выведены из этих же рядов путем дифферен-
дифференцирования.
179. Так как мы уже разобрали случаи, когда т= 1 и п = 2 или 3,
то положим
т = 1 и п = 4;
тогда
тл . я 1 я 1
sin и cos
п 4 j/2 4 у2
Отсюда, следовательно, получится
2)/'2~ +3 5 7+9+11 13 15 + и т- Д-
И
И-— I _ Ал. —— — 4- — — — 4-— — — 4-
При
ти= 1 и п = 8
будет
лт -;— _ _ г- з COS
/ия я
sin
отсюда получится
я
~ I+ 7 9 15 + 17 + 23 и
4 Vl — Vl 7 9 15т 17п 23
я . 1,1 1,1
Пусть теперь
тогда
тл Зя
п 8 ' '
откуда
и получатся такие
я
. Зя
8
ряды:
— S
l/ *
3
C0S"8~
о
• 3
8
1 1
и
п 1
1
..8.
1
-+ 2 '
I ___ . , I I ____ ТЛ гр
4]/2 + /2 3 b 11 14 19 21
я _ 1 111 . J__l ,
8A + /2)~3 5 +11~Гз + 19~21 + И Т-
ПРИМЕНЕНИЕ МНОЖИТЕЛЕЙ К ОПРЕДЕЛЕНИЮ СУММ БЕСКОНЕЧНЫХ РЯДОВ 149
180. Комбинируя последние ряды, получаем:
1Л Л Л Л Л Л Л
,1 1 1 1 1 1.-1.
1,1 1 ,* _*
П + 13~15+17 19
Я A + 1^2-1/4-2/2) , 1 1 1 , 1 ,1 , 1_1 , 1_1_ит д
8 ~ 3 5 ~~ 7 + 9 ~11"т~13 15М7 19 ' "'
Подобным образом можно идти дальше, подставляя м=16 и/и=1,
либо 3, либо 5, либо 7; этим путем будут найдены суммы рядов из 1,
1111
т) т, у> о" и т. д., в которых чередование знаков плюс и минус
будет следовать другим законам.
181. Если в рядах § 178 соединить по два члена в одну сумму,
то получим
я 1 2т 2т 2т 2т
. тп ~~ ^Т.+ гаа —т2 ~~ Ыг — тг + 9гаа — га» "" 16га2 —
п sin " ¦
п
поэтому
11. 1 _ я
+ И Т. Д. — ,„
И '
9га2 —?га ^
2?гага sin
Другой же ряд даст
я 1 2т 2т
т
га tg ¦— я
~ и
откуда
1
. т
Amn tg — Я
а п
От соединения этих рядов получается
4тга
Если во втором из этих рядов положить n= I, a m будет каким-либо
четным числом (=2к), то, ввиду того, что tg/cJt = O, всегда, если
только /с не равно нулю, будет
9—
150 ГЛАВА X
Если же в первом из этих рядов взять п = 2, am будет каким-либо
нечетным числом (=2/c-f 1), то, ввиду того, что ¦ = 0, будет
1 1 1 _ 1
Мб—BЛ-+1K +36—BЛ+1)а Т- Д' ~ 2B
4 — BЛ- + 1J Мб—BЛ-+1K +36—BЛ+1)а Т- Д' ~ 2BА+1)а '
182. Помножим найденные ряды на п2, и пусть — = р; получатся
т
п
такие выражения:
1 1,1 1
9 —р* 16 —
т. д. =?
1 11 1 1
' + 4^7а- + 9—jo2 + 16—ра "^И Т" д- = 2р"~
Пусть /?2 = а; получатся такие ряды:
1-е 4-о '9-е 1в-о т" " rt"~2aSmnW 2а
i ^ г 7 ^ г о ~ Т То ~ г И Т. Д. ¦= п~ - ¦ _ /—
Сумма этих рядов может быть выражена при помощи круга1), если
только а не будет числом отрицательным или целым квадратом.
183. Мы сможем найти суммы этих рядов и тогда, когда а будет
числом отрицательным, посредством указанного выше приведения мни-
мнимых показательных количеств к синусу и косинусу круговых дуг.
В самом деле, так как
ех = cos х + У—1-sina; и е~х =cosa; — У — 1-sina;,
то, наоборот, при подстановке у У — 1 вместо х будет
¦хГ л е~У-\-еУ . ,/- -. е-У — еУ
COS W у — 1 = ~ И Sin W I/ — 1 = -= .
v? ' 2 ^ о 1/ 1
Если же а= —Ъ и у = пУЬ, то получаем
cos п У — Ь = к-
следовательно,
tgnj/ -й =
I
отсюда
sin я Г ^гГ „-л Кь_ „я
То есть через число я. [Ред.]
ПРИМЕНЕНИЕ МНОЖИТЕЛЕЙ К ОПРЕДЕЛЕНИЮ СУММ БЕСКОНЕЧНЫХ РЯДОВ 151
Заметив это, получим
1 1 1 1 __JL__
1 + 6 4+6 9 + 6 16+6 ^ м" 26 (ееN
J_ 11 1 , _(епУ~Ъ-\-е-пУЪ)пУЪ 1
1 + 6" + 4+6 +9+6 +16+6 "г И Т- Д-~ 26F"^—е-"^ 26"
Эти ряды можно вывести и из § 162, применяя тот же метод, каким
я пользовался в настоящей главе. Но так как приведение синусов
и косинусов мнимых дуг к действительным показательным количествам
особенно хорошо иллюстрируется этим способом, то я и решил, что это
изложение заслуживает предпочтения перед другим.
ГЛАВА XI
О ДРУГИХ БЕСКОНЕЧНЫХ
ВЫРАЖЕНИЯХ ДУГ И СИНУСОВ
184. Так как выше (§ 158) мы видели, что при г, означающем
какую-либо дугу круга,
*2 л
и т. д.
4z2
то при дуге 2 = —• будет
. тя _ тя /¦ . т^ \ / . т2^ ~\ / ^ тг "\ / ^ wt2 . и
и
4т2
Если вместо и подставить In, то получатся такие выражения:
. тя гая 4га2 — го2 16и2—т2 Збя^—от2
тя ге2 —т2 9ге2 — т2 25ге2 —т2 49ге2—т2
C0S^T = —^ 9^ 25^ ШГ~- И Т- Д-
При разложении на простые множители они дают
. тя тп 2п — т 2п-\-т 4ге — т 4п-\-т бп — т
SШ 2п ~ 2п 2п 2п 4п in 6n M
тя п—т пЛ-т Ъп—т Ъп-\-т Ьп — т 5п-\-т
рлс == а ! • • • . • -• И Т.
ооь 2п п п Зге Зге 5ге 5ге
Подставим п — т вместо т; так как
. (ге — т) п тп (п — т) я . тя
81П^Г- = СО5-Щ И C0S^— = Sln^T '
О ДРУГИХ БЕСКОНЕЧНЫХ ВЫРАЖЕНИЯХ ДУГ И СИНУСОВ 153
то получатся такие выражения:
тп (ге—т) я п-\-т Зге—т Зп-\-т бге—т 5п-\-т
C0Slre" Ъ~'~Ьь Ы to 4ге" 6^ И Т" Д''
. тп т 2ге—т 2п-\-т 4ге—т Ы-\-т бге—т
gijj = . .. X . . > . • и т д
2ге ге п Зге Зге бге бге "
185. Так как для синуса и косинуса угла -к- имеются по два вы-
выражения, то, составив их отношение, поделив одно на другое, получим
rT'IT'T'ITT'81 и т'-д'
и, следовательно,
я 2-2-4-4-6-6-8-8-10-10-12-12-И т. д. .
2 ~ 1.3-3-5-5-7-7-9-9-11-11-13- и т. д. '
это есть выражение окружности круга, найденное Валлисом в Arithme-
tica infinitorum [39]. При помощи первого выражения для синуса можно
вывести бесчисленные подобные выражения; ведь из него вытекает, что
я re . тя 2ге 2ге 4ге 4ге 6
2 т " 2ге 2ге— т 2re+m 4re—m 4п+т бге — т а 1' д"
и при — = 1 это дает формулу Валлиса. Если же — — п?, то, так как
. 1 1
sin -г я = гр=- , получится
2 "" 1 ' 3 " 5 " 7 " 9 'ИЧЗ'1547" И Т" Д>
р т 1 .11
Если — = — , то, так как sin -^-я = у, получится
_я__3 6_6_12 12 18 1824
• 2 ~Т'"Т'ТТ'13"Т7'19'23'И Т' Д-
Деля выражение Валлиса^ на ^выражение, соответствующее — = -=- ,
получим
2-2-6-6-10-10-14-14-18-18-И т.д.
1-3-5-7-9-11-13-15-17.19- и т. д. '
186. Так как тангенс всякого угла равен синусу, деленному на ко-
косинус, то и тангенс также может быть выражен при помощи такого
рода множителей в бесконечном числе. Если первое выражение для
синуса разделить на второе выражение для косинуса, то получим
. тп т 2п—т 2ге-|-т 4ге — т 4п-\-т
ё 2ге ге — т п-\-т Зге — т Ъп-\-т бге — т ' ""'
. тп ге — т п-\-т Зге—т Зге-]-т бге—т
° 2ге — т * 2ге — т * 2п-\-т ' 4ге — т ' 4п-\-т ' Д-
Подобным же образом выразятся секансы и косекансы:
тя _ ге ге Зге Зге бге бге
2ге п — т ге + т Зге —т Зге-|-т бге —т Ъп-\-т д"'
тя _ ге ге Зге Зге бге бге
~с\— - ¦ • ¦ —— • -—- • ' « ¦— • * -——^^^^^ л тот т1 тт
zre т 2ге — т 2п-\-т 4ге — т 4п-\-т бге — т '
154 ГЛАВА XI
Если сопоставить другие формулы для синусов и косинусов, то полу-
получится
. тп л т 1 Bп — т) 3Bге + т) 3Dге — т)
ь 'An 2 ге — т 2 (re-j-m) 2 (Зге — т) 4(Зге-(-'и) '
тзт я ге — m I (re-]-m) 3Cre — w) 3Cre-|-m)
gn~~~2 w~'2Bre —m)Bre + m)'4Dre —тп)"
тпл 2 re 2re 2re 4ге 4ге
sec — = — • ¦ • ¦ • • ¦ • и т. д.,
2п л ге — m n-\-m Зге — m Зге-J-m 5ге — m
тя 2 re 2re 2re 4re 4re
cosec -ТГ- — к n—; -, -,—i и т. д.
/re л m An— m Zn-f-m 4re — m in-\-m
187. Если вместо m написать к и подобным же образом определить
н* кп
синус и косинус угла тг~, а затем эти выражения разделить на преды-
предыдущие, то получатся такие формулы:
sin
sin
sin
cos
cos
cos
cos
sin
mi
~2~n
Ая
2n
mit
~An
кл
Xn"
тя
~An
кл
гп
тп
кп
?,ге
то 2п — т 2,
к 2ге —А 2
т 2ге — т
re — A re-j-A
n-т п+т
ге — к п-\- к
ге — т п-\-т
к 2ге-А
п + т
п + к
2п-\-т
Зге — А
Зге — т
'in — А
Зге — т
2п + к
4ге — т 4
4ге —А 4
4ге — т
Зге + А
2>п-\-'т
Зге + А
ЗгеЦ-wi
4ге —А
п + т
4ге-]-т
•. 5ге — к
5ге — т
5ге — А
5ге — т
4гс+А-
И Т. Д.
И Т- Д"
Стало быть, если взять вместо ^- какой-нибудь из углов, синус и ко-
косинус которых известны, то можно будет при помощи их определить
синус и косинус какого-либо другого угла -к— .
188. Обратно, значения выражений, состоящих из бесконечного
количества множителей, могут быть выражены или посредством длины
окружности, или при помощи синусов и косинусов данных углов; и это
немаловажно, потому что даже теперь не известны другие способы,
посредством которых могли бы быть выражены значения таких беско-
бесконечных произведений. Впрочем, выражения эти мало полезны для
получения приближенных значений как для я, так и для синусов
и косинусов углов -=—. Хотя эти множители
нетрудно перемножить между собой, представляя их в виде деся-
десятичных дробей, однако пришлось бы принять во внимание слишком
О ДРУГИХ БЕСКОНЕЧНЫХ ВЫРАЖЕНИЯХ ДУГ И СИНУСОВ 155
много членов, если бы мы захотели найти значение л с точностью
до десяти только знаков.
189. Главное применение этих, хотя и бесконечных, выражений
заключается в нахождении логарифмов; польза множителей в этом деле
столь велика, что без них вычисление логарифмов было бы весьма
трудным. Прежде всего, так как
то, логарифмируя, получим
z(li) /(li) и т. д.
или
/Л = /2-/A-1)-/A-^)-/A-1)-ит. д.,
берутся ли логарифмы обыкновенные или гиперболические. Но так как
по гиперболическим логарифмам легко находятся обыкновенные, то мы
применим указанный замечательный способ к нахождению гиперболи-
гиперболического логарифма числа я.
190. Так как при гиперболических логарифмах
1A-х) = — х— ^— ?L-^ — и т. д.,
то, развертывая отдельные члены этим способом, получим
7 7Л 1 1 1 1
9 2-92 ~зТдз ~~ 4-9*
1
~~ 49* ~И Т- Д-
1__
4-254 И Т' Д
_J_ _
25 2-252 3-253 4-254
_\_ 1 1 1
49 2-492 3-493 4-49* И Т- Д-
И т. д.
В этих рядах, число которых бесконечно, по вертикалям получаются те
самые ряды, суммы которых мы нашли выше (§ 169 и 170); если для
краткости положить
± + ± + ±+±+* т. д.,
С=1+ЗЙ + ^+7?+д5 + и т. д.,
#=1 + 38 + ^+^+-gl+ и т. д.,
И Т. Д.,
то
/я = /4-(А-1)-!(Я-1)-4-(С-1)-1(Я-1)-И т. д.
156 ГЛАВА XI
Приближенные значения найденных выше сумм будут
Л =1,23370 05501 36169 82735 431,
5=1,01467 80316 04192 05454 625,
С= 1,00144 70766 40942 12190 647,
#=1,00015 51790 25296 11930 298,
?=1,00001 70413 63044 82548 818,
F= 1,00000 18858 48583 11957 590,
G= 1,00000 02092 40519 21150 010,
/7=1,00000 00232 37157 37915 670,
7=1,00000 00025 81437 55665 977,
К= 1,00000 00002 86807 69745 558,
L= 1,00000 00000 31866 77514 044,
М = 1,00000 00000 03540 72294 392,
#=1,00000 00000 00393 41246 691,
0=1,00000 00000 00043 71244 859,
Р = 1,00000 00000 00004 85693 682,
#=1,00000 00000 00000 53965 957,
7? = 1,00000 00000 00000 05996 217,
5 = 1,00000 00000 00000 00666 246,
Г =1,00000 00000 00000 00074 027,
У =1,00000 00000 00000 00008 225,
W =1,00000 00000 00000 00000 914,
Х= 1,00000 00000 00000 00000 102!).
Отсюда без утомительных вычислений находим, что гиперболический
логарифм числа я равен
1,14472 98858 49400 17414 3452);
если его помножить на 0,43429 и т. д., то получится, что обыкновенный
логарифм числа я равен
0,49714 98726 94133 85435 1282).
191. Так как, далее, у нас имеются выражения в виде бесконеч-
тя
ного числа множителей для синуса и косинуса угла -~—, то мы можем
удобно выразить логарифм того и другого. По найденным выше фор-
формулам
/я + / + /A)+/^1) + ^1)+ т. д.
1) Числовые значения b, W, X исправлены в соответствии с Opera omnia.
2) Последняя цифра исправлена в соответствии с Opera omnia.
О ДРУГИХ БЕСКОНЕЧНЫХ ВЫРАЖЕНИЯХ ДУГ И СИНУСОВ 157
Отсюда прежде всего легко выражаются гиперболические логарифмы,
как и раньше, посредством весьма быстро сходящихся рядов. Чтобы
не перемножать бесконечные ряды без необходимости в этом, оставим
первые члены в виде логарифмов; получим
I sin ~ = /я + 1т + I Bга -т) + 1 {2п + т)-18- 3/га
то2 т* т6 т8
— И Т. д.,
16ге2 2.162ге4 3-163ге° 4-16*ге8
т2 т4 т6 т8
~ 3-363ге6 ~
то4 me т8
64ге2 2-642ге4 3-643ге6
И Т. д.,
/ cos ^ = I (п — т) -(- I (п + т) — 21п
т2 т* тв т'
~И Т- Д
"~ И Т< Д
2-92ге* 3-93ге6 4>
—И Т. Д.
га2 т* т& т8
"гб^^г-гб2?!* " 3-253ге6 ~~ 4-25%8 "~ И Т' Д"
m2 m* т6 т8
3-493ге6
И Т. д.
192. В этих рядах встречаются все четные степени — , каждая из
которых помножается на один из тех рядов, суммы которых найдены
выше. Именно
Isin ^~ = lm +1 Bл — m) + / Bn + m) — 3/« + /я — /8
m2/! 1 1 1 1
_тв_/_1_ J_ J_ J_ J_
Зге6 U6 + 6» + 8' + 106 + 12» "¦ И Т" Д'
т» /11111
cos ~ = I (п — т) + I (п + от) -
т.
И Т. Д.,
1 In rr>\
2n
mz
m'
~ 2r? K^l? ^ ~5* ^ J* ^"?
m« M , 1 | 1 , 1
m8/llj_l
И Т. Д.
158 ГЛАВА XI
Суммы последних рядов1) получены выше (§ 190); первые же ряды2)
могут быть выведены из этих; однако, чтобы их можно было легче
применять, я присоединю сюда также и их суммы3).
193. Если, для краткости, положим
1,1,1,1,
а= 2^+-42- + -p- + -gT + H т. Д.,
1111
Р+ + + +
У = -?+-^+-? + # + и т- Д->
ё = ^+18+-^+8Г+И Т. Д.,
и т. д.,
то для сумм этих рядов будем иметь приближенные значения
а = 0,41123 35167 12056 60911 810,
р = 0,06764 52021 06946 13696 975,
Y = 0,01589 59853 43507 01780 804,
6 = 0,00392 21771 72648 22007 570,
е = 0,00097 75337 64773 25984 896,
? = 0,00024 42007 04724 92872 273,
т| = 0,00006 10388 94539 49332 915,
0 = 0,00001 52590 22251 27271 502,
1 = 0,00000 38147 11827 44318 008,
х = 0,00000 09536 75226 17534 053,
*, = 0,00000 02384 18635 95259 255,
(л = 0,00000 00596 04648 32831 556,
v = 0,00000 00149 01161 41589 813,
g = 0,00000 00037 25290 31233 986,
о = 0,00000 00009 31322 57548 284,
л = 0,00000 00002 32830 64370 808,
q = 0,00000 00000 58207 66091 686,
а = 0,00000 00000 14551 91522 858,
г = 0,00000 00000 03637 97880 710,
¦и = 0,00000 00000 00909 49470 177,
Ф = 0,00000 00000 00227 37367 544,
Х = 0,00000 00000 00056 84341 886,
г|5 = 0,00000 00000 00014 21085 472,
со = 0,00000 00000 00003 55271 368.
х) То есть в выражении для I cos -=— . [С. Л.]
2) То есть в выражении для Zsin-=— . [С. Л.]
АТС
3) В их окончательном числовом выражении. [С. Л.]
О ДРУГИХ БЕСКОНЕЧНЫХ ВЫРАЖЕНИЯХ ДУГ И СИНУСОВ 159
Остальные суммы убывают таким образом, что каждая вчетверо
меньше предыдущей1).
194. Воспользовавшись этими данными, получим
I sin |? = lm -f I (In - m) + I {In + m)- 3ln +Ы-18
I cos ^ = I (n — m) + I (n + ти) —
-Sr^-1)-^^-1)-^^-1)- ит- д-
Л так как логарифмы Ы и /8 даны, то гиперболический логарифм
синуса угла — 90° будет равен
Bn — m) + l (In + т) — Ш
— 0,93471 16558 30435 75411
-^-•0,16123 35167 12056 60912
-^-•0,00257 26010 53473 06848
-^•0,00009 03284 47835 67260
-^•0,00000 39817 93162 05502
-~ 0,00000 01942 52954 65197
-^•0,00000 00100 13287 48812
-^-•0,00000 00005 34041 35619
-^¦0,00000 00000 29148 59659
-^-•0,00000 00000 01617 97980
-^-¦0,00000 00000 00090 97691
-^•0,00000 00000 00005 16828
-^J-0,00000 00000 00000 29608
_^!i.0,00000 00000 00000 01708
_^.0,00000 00000 00000 00099
т 30
_™ 0,00000 00000 00000 00006,
х) Некоторые из приведенных чисел исправлепы в соответствии с Opera omnia.
160 ГЛАВА XI
гиперболический же логарифм косинуса угла — 90° будет равен
I (п — т) +1 (п + т) — 21п
-^¦0,23370 05501 36169 82735
-^••0,00733 90158 02096 02727
-^•0,00048 23588 80314 04064
-^•0,00003 87947 56324 02983
-^-¦0,00000 34082 72608 96510
-~ 0,00000 03143 08097 18660
_^.0,00000 00298 91502 74450
-??•0,00000 00029 04644 67239
-^•0,00000 00002 86826 39518
,„20
-—•0,00000 00000 28680 76975
гу>22
- — ¦ 0,00000 00000 02896 97956
- 5" -0,00000 00000 00295 06025
-^-¦0,00000 00000 00030 26250
- ^i. 0,00000 00000 00003 12232
re28 '
-^-•0,00000 00000 00000 32380
-JJ-- 0,00000 00000 00000 03373
-JJ-.0,00000 00000 00000 00353
_^!i. 0,00000 00000 00000 00037
пзь
_^!i.0,00000 00000 00000 000041).
195. Если эти гиперболические логарифмы синусов и косинусов
помножить на 0,43429 44819 и т. д., то получатся их обыкновенные
логарифмы, отнесенные к радиусу, равному единице. Но так как
в таблицах логарифм полного синуса *) обычно принимается равным 10,
то для получения табличных логарифмов синусов и косинусов следует
после умножения прибавить 10. Отсюда
х) Некоторые из числовых коэффициентов в последних двух формулах исправ-
исправлены в соответствии с Opera omnia.
О ДРУГИХ'БЕСКОНЕЧНЫХ ВЫРАЖЕНИЯХ ДУГ И СИНУСОВ 161
Табличный логарифм синуса угла — 90° равен
1т +1 Bп — т) + 1Bп + т) — Zln
+ 9,59405 98857 02190
-¦^•0,07002 28266 05902
_Л?.0,001И 72664 41662
_j?.. 0,00003 92291 46454
_??. 0,00000 17292 70798
-^¦0,00000 00843 62986
-~ 0,00000 00043 48715
-^•0,00000 00002 31931
-~ 0,00000 00000 12659
га16
- 5^-0,00000 00000 00703
-^J-0,00000 00000 00040.
Табличный логарифм косинуса угла — 90° равен
I (п — т) +1 (п + т) — 21п
+ 10,00000 00000 00000
-^- 0,10149 48593 41893
_J2j.. 0,00318 72940 65451
-¦— 0,00020 94858 00017
-—¦ 0,00001 68483 48598
-^- 0,00000 14801 93987
-^- 0,00000 01365 02272
-^1. 0,00000 00129 81715
_g^. 0,00000 00012 61471
-^- 0,00000 00001 24567
_^. 0,00000 00000 12456
-=Vr- 0,00000 00000 01258
И Л. Эйлер, т. I
162 ГЛАВА XI
-~ 0,00000 00000 00128
-~. 0,00000 00000 00013х).
196. Итак, при помощи этих формул могут быть найдены логарифмы
синусов и косинусов любых углов, как гиперболические, так и обыкно-
обыкновенные, хотя бы сами синусы и косинусы были неизвестны. По лога-
логарифмам же синусов и косинусов путем простого вычитания находятся
логарифмы тангенсов, котангенсов, секансов и косекансов, вследствие
чего нет надобности в особых для них формулах. Впрочем, следует заме-
заметить, что для чисел тп, п, п — т, п-\-т и т. д. надо брать гиперболи-
гиперболические логарифмы, когда ищутся гиперболические логарифмы синусов
и косинусов, и обыкновенные, когда требуется определить обыкновенные
логарифмы при помощи последних формул. Кроме" того, — означает
отношение данного угла к прямому; так как синусы углов, больших
полупрямого, равны косинусам углов, меньших полупрямого, и наоборот,
то дробь — не придется принимать большей, чем -к-; вследствие этого
члены сходятся гораздо быстрее, так что для поставленной цели доста-
достаточно половины их.
197. Прежде чем покончить с этим вопросом, откроем более удоб-
удобный, чем дает предыдущая глава, способ нахождения тангенсов и секан-
секансов любых углов. Хотя тангенсы и секансы определяются по синусам
и косинусам, однако это производится посредством деления, что слишком
затруднительно при таких числах. Правда, мы уже выше дали выра-
выражение для тангенсов и котангенсов (§ 135), но там нельзя было обосно-
обосновать вывод этих формул, и мы оставили его для настоящей главы.
198. Прежде всего мы берем из § 181 выражение для тангенса
угла -г—. Так как
111 It mn
ТО
тп 4тп Z' I i I I 1 г
g ~2Т=~тГ V" — т2 +9яа — то2 + 25п2-т2+ И Т"
Затем, так как
111. 1 Я. TOJI
=7^- + 4^=7^2 + 9и2 т2+ И Т> Д'~ 2^2 Сl§
то, написав Ъг вместо п, получим
mit 'In 4mn
+ И Т" Д"
!) Некоторые из числовых коэффициентов в последних двух формулах исправ-
исправлены в соответствии с Opera omnia.
О ДРУГИХ БЕСКОНЕЧНЫХ ВЫРАЖЕНИЯХ ДУГ И СИНУСОВ 163
Развернем эти дроби, кроме первых, так как они легко могут быть
вычислены, в бесконечные ряды; тогда
mit mn 4,4/mmu m
+ + +
4
т3 , тъ , "\
5^+5^+ И Т. Д.)
4 /" т , т3 от5 , Л
и т. д.,
тл п 2 тп 4 4 / m m
С §Т = "^'^Г^4п2-т2-^ —^ ^1^ + 4^ + 4^ + И
А ( т т3 . тъ
И Т. Д.
198MS1). Из известного уже нам значения для я находим
- = 0,31830 98861 83790 67153 77675 26745 0287242).
Затем здесь встречаются те ряды", которые ныше мы обозначали буквами
А, В, С, D и т. д. и а, р", у, б и т. д. Заметив это, получим
Затем для котангенса будет
. тл п 2 4mn I m 4 / 1 Л "г3 4 / „ 1 Л
С g ^Г = 7^"" ^ "~ 4n2~m2 ¦^~lT'^Va~"^y~"«F'^V ^"'г^у'"
те5 4 Г 1 Л
—^'1Г^—2tJ- и т. д.
Из этих формул и получились выражения, которые мы дали выше
(§ 135) для тангенса и котангенса; вместе с тем (§ 137) мы показали,
каким образом по тангенсам и котангенсам путем простого сложения
и вычитания находятся секансы и косекансы. При помощи этих правил
все таблицы синусов, тангенсов и секансов, а также их логарифмов
могут быть вычислены гораздо легче, чем это было сделано первыми
составителями таблиц.
х) В первом издании § 198 по ошибке повторен. Чтобы не измеяять нумерации
всех последующих параграфов, настоящий параграф помечен номером 198bis.
2) Двадцать девятая цифра после запятой исправлена согласно Opera omnia.
ГЛАВА XII
О РАЗЛОЖЕНИИ ДРОБНЫХ ФУНКЦИЙ
НА ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ ЧАСТНЫЕ ДРОБИ
199. Выше, в главе второй, уже был изложен метод разложения
любой дробной функции на столько частей, сколько простых множителей
имеет ее знаменатель, причем эти множители дают знаменатели частных
дробей. Отсюда ясно, что если у знаменателя будут какие-либо простые
мнимые множители, то полученные отсюда дроби будут также мнимыми;
в этих случаях мало будет пользы от разложения действительной дроби
на мнимые. Но я показал, что всякую целую функцию, — какой является
знаменатель любой дроби, — сколько бы она ни имела простых мнимых
множителей, всегда можно разложить на действительные двойные, или
второго измерения, множители, и таким путем можно избежать мнимых
количеств при разложении дробей, если мы примем в качестве знамена-
знаменателей частных дробей не простые множители главного знаменателя,
а двойные действительные.
200. Итак, пусть дана дробная функция — и из нее выделено по
изложенному выше методу столько простых дробей, сколько знамена-
знаменатель IV имеет простых действительных множителей. Пусть вместо мнимых
•множителей множителем N будет выражение
р2 — 2pqz cos ф + <?2z3;
так как при этом надлежит числитель и знаменатель рассматривать
в развернутом виде, то пусть данная дробь будет
+ Ezi-i- и т. д.
и т. д.)
Пусть теперь
91-Hz
p2-{-2pqz cos<p-\-q'2z2
есть частная дробь, возникающая из знаменателя р2 -\- 2pqzcos ф+ q2z2;
и вей переменное z имеет в знаменателе два измерения, поэтому в числи-
числителе оно может иметь одно измерение, но не больше; иначе в нем содер-
содержалась бы пелая функция, которую следует исключить в отдельное
слагаемое.
РАЗЛОЖЕНИЕ ДРОБНЫХ ФУНКЦИЙ НА ДЕЙСТВИТ. ЧАСТНЫЕ ДРОБИ 165
201. Пусть для краткости числитель
+ и т. д. = Л/, :
а второй множитель знаменателя
a + Pz + yz3+ и т. д. = Z;
пусть дробь, которая должна возникнуть из множителя Z знаменателя,
равна -? ; тогда У =р2_2рдгсовф+д2гг i эт» выражение должно быть
целой функцией z, и вследствие этого необходимо, чтобы
делилось на р2 — 2pqz cos ф + q2zi. Поэтому, если положить
р2 — 2pqz cos ф + <?2z3 = 0,
т. е. если положить как
z = — (cos ф 4- V - 1 • sin ф),
так и
z = -¦ - (cos ф — У — 1 • sin ф),
то М — 3tZ — ozZ исчезнет. Пусть — = /, тогда
у _ ^ _ sj
Подстановка этих двух значений для z даст два уравнения, откуда
можно определить обе неизвестные постоянные 31 и о.
202. После этой подстановки уравнение
в развернутом виде дает такое уравнение:
Л + В/со8ф + Ср cos 2<p + ?)/3cos Зф+ и т. д.
± (Bf siny-{-Срsm2y +Dpsin3y+ и т. д.) V~^i
— Ч& (а + Р/ cos ф + ур cos 2ф + б/3 cos Зф + и т. д.)
±^(P/sir^ + Y/2sin2? + 6/3sin3?4- и т. д.))/^Л
4-о (a/cos ф + Р/2 cos 2ф 4-у/3 cos ^Ф 4- и т. д.)
± 0(а/5тф4-Р/25т2ф4-7/3й1пЗф4- и т.
Если для сокращения вычислений принять
А 4- Bf cos ф 4- С/2 cos 2ф 4- DP cos Зф 4- и т. д. = $,
Bf sinq> +Ср sin2q> +Dpsm3q>+ и т. д.=р,
a + Р/ cos ф 4- ур cos 2ф 4- б/3 cos Зф 4- и т. д. = О,,
Р/8тф4-у/2эт2ф 4- б/3зт3ф4- и т. д. = С|,
a/ cos ф + Р/2 cos 2ф 4- yf cos Зф 4- и т. д. = Л,
a/sin ф 4- Р/2зщ2ф4- 7/3з1пЗф4- и т. д. = г,
то при этих обозначениях будет
± р/1Г1 = «О, ± «IqK^i + a8l ±
166 ГЛАВА XII
203. Вследствие двойственности знаков получаются такие два урав-
уравнения:
«Р = ИО, + alft,
из которых неизвестные I и о определяются так:
и а _
**~ Ct-чй " u~ qSft-Qt ¦
Таким образом, если дана дробь
М
(p2 — 2pqz cos ф + g2z2) Z '
то возникающая из нее частная дробь
az
~2pqz cos
определится следующим образом. Полагаем /=— и пусть
при zn = /ncosmp iW = $,
» г™ = /n sin Иф М = р,
9 q
» 2" = /» COS Иф ZZ = «ft,
» zn = /n sin щ zZ = r.
Когда таким образом найдены значения «$, С, 5R, р, С}, г, то получаем
Л Cr — qSR a~ Qx —q«R '
ПРИМЕР 1
Пусть дана дробная функция
надо определить ее часть, возникающую от множителя 1 — z-\-z2 знаме-
знаменателя; пусть это будет
1 — z-\-z '
Прежде всего сравнение этого множителя с общим выражением
р- — 2pqz cos ф -\- q2z2
дает
р=1, q = i И СО8ф = -.
откуда
о
Поэтому, ввиду того, что
РАЗЛОЖЕНИЕ ДРОБНЫХ ФУНКЦИЙ НА ДЕЙСТВИТ. ЧАСТНЫЕ ДРОБИ 167
будем иметь
сп 2я 1 УЪ
Q=l + cosf = l, q=-
<R=cos-?- + cos^=l, r = 0.
О О
Отсюда находим
Щ=-1 и а = (\
вследствие чего искомая дробь будет
— 1
а ее дополнением будет
1 -f-Z-f-22 .
1+2* '
знаменатель последней дроби l-)-z4 имеет множители
l + z/2 + z2 и l-z/2 + z2,
поэтому разложение можно начать снова; получим <р = -т- и в первом
случае /= — 1, а во втором /= +1.
ПРИМЕР 2
Пусть, в самом деле, требуется разложить дробь
Имеем
и для первого множителя будет
/--1, ф = -? И Z=l-
отсюда
m . я 2я У1—1
% = 1 - cos т + cos т = -yf-
. я . . 2я
зш -г + sin *-
4 4
О = 1 + /2 cos -f- + cos -J = 2,
r= -sm-^-l/2sin^-sin^= -2/2.
168 ГЛАВА XII
Отсюда находим
Qr-q5R = -41/2"
таким путем из множителя l + z]/2 + z2 знаменателя возникает частная
дробь
(/2-1): 2/2.
1 + 2 /2 + Z2 '
другой же множитель знаменателя даст подобным образом такую
дробь
(/2+1) : 2/2
1—2 /2
Итак, заданная вначале функция
г2
разлагается на такие:
-1 (/2-1):2/2 (/2+1) ?2/2
ПРИМЕР 3
Пусть предложено разложить дробь
Для множителя 1—rz + z2 знаменателя получается дробь
аг
при этом
откуда
Поскольку здесь отношение угла ф к прямому неизвестно, то синусы
и косинусы кратных ему углов следует определить особо. Так как
4
COS ф= -=- , ТО
о
sin ф = -g-, cos 2ф = — , sin 2ф = ^ , cos Зф = — ^ , sin Зф = ^ ;
РАЗЛОЖЕНИЕ ДРОБНЫХ ФУНКЦИЙ НА ДЕЙСТВИТ. ЧАСТНЫЕ ДРОБИ 169-
отсюда
-i + ^ = ^
5+25 25'
? 3 , 24_54
р- ^'у-г 25-25 '
25-25
i ^ 7 86
24 102
Ul ~ 5 ^ 25 " 125 ~ 125
_ 3 g 24 . о 117_666
и вследствие этого
_ ~ _ 53400 _ 2136
~'Г- С*П 5.125 ~ 125 "
Значит,
пу 1836 153
а"" 2136 ~ 178"
О
Поэтому возникающая из множителя 1—=-z-\-z2 дробь будет
о
9A7 — 5z) : 178
i_Az+z2
Найдем подобным образом дробь, соответствующую другому множителю;
имеем
и
COS ф = —т^
у /з •
значит,
Так как coscp = —=, то
sin ф = 71' cos 2ф = ~~ "^' sin 2ф =
cos 3Ф = -
170 ГЛАВА XII
и, следовательно,
/3 /3Т 3 3 9 '
_ 2/2 1 2/2_ 4/2.
/3 К 3 3 3 9 •
= 1 | _J_ _|_ J_. JZll = _
- 8 /2 J_ 2/2 34/2
|-+5/з'/3+3" 3 - 45 '
11 8—1 1—5 4
/3 /3 5-3 3 з^З 3/3 135'
_ 1/2 8 2/2 1 /2 _ —98/2 .
г~ ¦~7?'71~5^*~з зУ5"з75' 135 '
значит,
стало быть,
Итак, заданная дробь
™ _ 100___25_ _540_135
712 178' " 712 178 '
1+2Z
(l—
разлагается на частные дроби:
9 A7 —5z) : 178 5 E+27z) : 178
+
204. Значения букв Миг могут быть определены по буквам О и q.
Действительно, так как
С = a-f Р/соэф + \>/2 cos 2ф+ б/3 cos Зф+ и т- Д->
q= р/втф-)-Y/2sin 2ф +б/381п3ф+ и т. д.,
то
Ссовф — cj sin ф = a cos ф-)-Р/cos 2ф + у/2 cos Зф-)- и т. д.,
и, значит,
9t = / (О cos ф — q sin ф).
Далее,
С sin ф + q cos ф = а втф+ р/!-1п2ф + уЯ^и^фЧ- и т. д.,
и, значит,
г = /(Ситф— qcosф).
Отсюда, далее, получаем
sin ф
РАЗЛОЖЕНИЕ ДРОБНЫХ ФУНКЦИИ НА ДЕЙСТВИТ. ЧАСТНЫЕ ДРОБИ 171
и, следовательно,
$О+ Щ — pQ cosq>
ct = -
g2)/sincp '
Итак, из множителя р2-\-2pqz cos <f-{-q2z2 знаменателя возникает частная
.дробь
(SgQ-;|)q)/siiicp + (Sgq—ftQH/r,osq>—z)
(р2 — 2j^z cos <p-t-g2z21 (Q24-a2) / simp
или, так как / = — ,
psincp-f (фд — |)С) (pcos cp—qz)
(р2— 2pgzcos(f~\- g2z2) (О2-^д2) р sinif
205. Вот какая дробь возникает из множителя р2 — 2pgz cos ф -(-
знаменателя данной функции
М.
(р2 — 2pqzcos(f-{- q2z*)Z '
при этом буквы 5^, )j, Q и q находятся из функций М и Z следуюшлм
образом: пусть при подстановке z" = 4j-cosn9
= <р и Z =
р
а при подстановке zn = ^j sin
= )j и Z =
причем следует заметить, что перед этой подстановкой функции М я Z
должны быть развернуты, чтобы они имели такой вид:
М = A + Bz + Cz2 + Dza + Ezi+ и т. д.,
Z = a4 pz + yz2 + 6z? + ez* + и т. д.;
тогда ввиду сказанного
% = Л + 5 — co ф + г c 2ф +1
— cos ф + С —г cos 2ф +1> ^зcos 3Ф + и т. д.,
to = В — sin ф + С —„ sin 2ф 4- D ^= sin Зф -\- и т. д.,
p p2 p3
О = a + p — cos ф + у -5 cos 2ф + о ^ cos Зф + и т. д.,
q = р — sin ф + y ^2 sin 2ф + б ^ sin Зф -\- и т. д.
206. Из предыдущего понятно, что это решение не будет иметь
места, если функция Z будет заключать в себе еще такой же множи-
множитель р2 — 2pqz cos ф + <72z2; в этом случае при подстановке
zn = fn (cos Пф ± У — 1 sin пф)
в уравнение
М = 91Z + azZ
количество Z исчезнет, и поэтому нельзя будет сделать никакого вывода.
м
Вследствие этого, когда знаменатель дробной функции -~ содержит
172 ГЛАВА XII
множитель (р2— 2pqzcos ф -j- q2z2J или более высокую степень, то являете»
необходимость в особом способе решения. Итак, пусть
N = (р2— 2pqz cos ф + q2z2J Z,
и пусть из множителя (р2 — 2pqz cos ф + <72z2J знаменателя возникнут
две частных дроби:
a+ttz 8+bz
(р2—2pqzcos ф-(-д2г2J ~*~ р2—2pqz cos ф + д2^2 '
причем надо определить постоянные буквы 91, а, 83, 6.
207. При этих допущениях выражение
Л/ — (ЗД + az) Z —(SB + bz) Z (р2 —2pgz cos ф-|_д2г2)
(p2 — 2pgz cos ф-(-д2г2J
должно быть целой функцией и, значит, числитель должен делиться
на знаменатель. Прежде всего выражение
М-Ш-azZ
должно делиться на р2 — 2pqzcos ф+ q2z2; так как это [будет предыду-
предыдущий случай, то буквы Яиа определятся таким же образом, как и выше.
Пусть при zn = ^ cos пф будет
М = *р и Z = 9t,
а при zn = ^- sin пф будет
М = р и Z = п.
Тогда согласно указанному выше правилу будем иметь
208. Когда таким образом найдены 51 и а, то
М — (9T-faz)Z
р2 — 2p<jTZ COS ф —[— gr2z3
будет целой функцией, которая пусть будет равна Р; при этом, как:
и прежде,
будет делиться на р2— 2pqzcos<p-\- q2z2; и так как это выражение сходно
с предыдущим, то, если
при zn = Л- cos Пф положим Р = SR
и
при г" = ^ sin Пф положим Р = х,
РАЗЛОЖЕНИЕ ДРОБНЫХ ФУНКЦИИ НА ДЕЙСТВИТ. ЧАСТНЫЕ ДРОБИ 173
получим
slncp
209. Отсюда уже можно вывести общее заключение, как надо
м
N
поступать, когда знаменатель данной функции -д= будет иметь множи-
множитель
(р2 — 2pqz cos ф + q2z2)k.
Лусть
N = (p2- Ipqz cos ф + q2z*)h Z,
т. е. надо разложить дробную функцию
М
(р2 — 2pqz cos y + qW)*- Z '
Положим, что множитель (р2 — Ipqz cos ф + q2z2)h знаменателя дает такие
•слагаемые:
az Ю + bz
2z2)^ ' (p2 — Ipqz cos ф + д^2)'' '
2 — 2pqz cos (f^-q2z2)^ ' (p2 — Ipqz cos ф + д
_ _ zyir3+ n Tl Д-'
тогда, если
при zn = A^ cos пф будет М = Jft и Z = 91
при 2Г1 = ^гв1ппф будет М = щ и Z = n,
9
то будем иметь
9Кп — m3J cos ф
Положим затем
р2 — 2,pqz cos ф-[- ^f2z2 '
и пусть
при zn = ~ cos Пф будет' Р ¦-= '
о71
при 2п = -~- sin Пф будет Р = р;
тогда
Лотом положим
ра 2^gz COS m_L/,^2 "'
174 ГЛАВА XII
и пусть
при zn = -^ cos «ф будет Q = ?>
при zn = -^- sin Пф будет (9 =-
д
тогда
р. _ ?l9t + qn On — q9f cos ф
Положим, далее.
5tt2 + n2 '
р2 — 2pqz cos ф -|- gr2z2 '
и пусть
при zn = ^ cos «ф будет Л = 1
при z11 — — sin «ф будет Л = г;
тогда
_ _9?3?~ftn ЭТп — гЭД совф
Так надо поступать до тех пор, пока не будет определен числитель-
последней дроби, у которой знаменатель есть р2 — 2pqz cos <p-\-p2z2.
ПРИМЕР
Пусть дана дробная функция
Z2)*
у которой из множителя A + z2I знаменателя возникают такие частные-
дроби:
чЦ + az S3-fbz 6-fcz S-fbz
+ + +
При сопоставлении с общим видом получится
/>=1, 9 = 1, соэф = 0, откуда ф = •?-,
далее,
М = z — z3 и Z =
отсюда
gj} = 0, m = 2, 5Л = 2, n = 0 и sin<p=l.
РАЗЛОЖЕНИЕ ДРОБНЫХ ФУНКЦИИ НА ДЕЙСТВИТ. ЧАСТНЫЕ ДРОБИ 175
Итак, находим
= -А . о = О и а=1;
значит,
91
отсюда
_ 2-23_z__23 __
Л. —— ~. j а 4J
^ = 0, р = 1,
откуда находим
93 = 0 и Ь = 4 •
Следовательно,
rv\ и- 1
1 |i_
2 ^ 2 Z '
отсюда
Q = 0 и q = 0,
следовательно,
S = 0 и с = 0.
Поэтому
1 1 ,
значит,
откуда
= 0 и г= -у.
= 0 и b= --i-
Таким образом, искомые дроби будут
K 4(l+z2)
Числитель же оставшейся дроби
П 1 -
поэтому она будет равна
_Z-f Z3
4A+**)
•176 ГЛАВА XII
210. Этот метод одновременно доставляет также дополнительную
дробь, которая вместе с найденными составляет всю данную. В самом
деле, если у дроби
М
(р* — 2pqz cos ср-)-?*2*)" Z
найдены все частные дроби, получающиеся из множителя (р2 — 2pqz cos ф-f-
+ ?2z2)'\ и для них составлены значения функций Р, Q, R, S, Т, то
при дальнейшем продолжении ряда этих букв та из них, которая сле-
следует за последней для определения числителей, и будет числителем
оставшейся дроби со знаменателем Z; именно, если к=1, то оставшаяся
Р О
дробь будет -s-; если к = 2, то оставшаяся дробь будет -~ ; если к — 3,
ту
то она будет — , и т. д. Когда же эта оставшаяся дробь со знамена-
телем Z найдена, то она может быть разложена дальше по указанным
правилам.
ГЛАВА XIII
О РЕКУРРЕНТНЫХ РЯДАХ
211. К рядам этого рода, которые Моавр обычно называет рекур-
рекуррентными [41], я отношу здесь все ряды, возникающие из развертыва-
развертывания какой-либо дробной функции путем фактического деления. Выше
мы уже показали, что эти ряды построены так, что любой член опре-
определяется по нескольким предыдущим согласно некоторому постоянному
закону, зависящему от знаменателя дробной функции. Так как я теперь
изложил уже разложение любой дробной функции на другие, более про-
простые, то отсюда рекуррентный ряд также разложится на другие более
простые. В этой главе излагается разложение рекуррентных рядов
любого порядка на более простые.
212. Пусть задана правильная дробная функция
и т. д.
¦1 —(JZ — pz2 ,у23 — §24— и т. д »
которая путем деления развертывается в рекуррентный ряд
Fz5 + и т. д.;
выше показано, как образуются его коэффициенты. Если эту дробную
функцию разложить на ее простые дроби и каждую из них развернуть
в рекуррентный ряд, то ясно, что сумма всех этих рядов, возникших
из частных дробей, должна быть равна рекуррентному ряду
А + Bz + Cz2 + Dz3 + Ez4 + Fz5 + и т. д.
Таким образом, частные дроби, путь нахождения которых указан выше,
дадут частные ряды, свойства которых вследствие их простоты легко
усмотреть; все же эти частные ряды вместе образуют данный рекур-
рекуррентный ряд; таким образом и его природа будет изучена глубже.
213- Пусть рекуррентные ряды, возникшие из отдельных частных
дробей, будут
a +bz +C22 -{-dz3 + ez4 + и т. д.,
a' + b'z + c'z2 +d'z3 +e'zi + и т. д.,
a" + b"z +c"z2 +d"z3 +e"z4 + и т. д.,
а'"+ b'"z+c'"z°-{-d'"z3 + e'"zi-Jr и т. д.
и т. д.
12 л. Эйлер, т. I
178 ГЛАВА XIII
Так как эти ряды, вместе взятые, должны равняться
А + Bz + Cz2 + Dz* + Ez* + и т. д.,
то необходимо, чтобы было
А = а + а' -\-а" + а'" + и т. д.,
B = b+b' + b" + b'"+ и т. д.,
С=с+ с'+с"+с'"+ и т. д.,
D = d + d' + d" + d'"+ и т. д.
и т. д.
Таким образом, если мы можем определить коэффициенты степени zn
в отдельных рядах, возникших из частных дробей, то сумма этих коэф-
коэффициентов даст коэффициент степени zn в рекуррентном ряде A-\-Bz-\-
C + Dzs-\- и т. д.
214. Здесь может возникнуть такое сомнение. Если два ряда между
собой равны
+ и т. д. ^Я + ЯЗг + е^ + Ф^-Ь и т. д.,
то следует ли отсюда неизбежно равенство между собой коэффициентов
одинаковых степеней z; т. е. будет ли ^4 = 91, В = 23, С=Е,В = '3)ит. д.
Это сомнение легко устранится, если мы примем во внимание, что это
равенство должно существовать, какое бы значение ни получило пере-
переменное z. Если z = 0, то ясно, что ^4 = 91. Отняв от обеих частей эти
равные члены и разделив оставшееся уравнение на z, получим
z2+ и т. д. =93 + Ez + ®z2+ и т. д.,
откуда следует В = 58; подобным же образом покажем, что C=S, И = Ъ
и т. д. до бесконечности [42].
215. Итак, рассмотрим ряды, возникающие из частных дробей,
на которые разлагается любая данная дробь. Во-первых, ясно, что дробь
даст ряд
9I+$?Z + $jD2Z2 + 9(jD3Z3+ И Т. Д.,
общий член которого есть
это выражение обычно называется общим членом, та к как из него путем
последовательной подстановки вместо п всех чисел получаются все члены
ряда. Затем из дроби
возникает ряд
9( 29( + 39B2 + 49I33+ и т. д.,
О РЕКУРРЕНТНЫХ РЯДАХ 179
общий член которого есть
(П + 1) Я/>П2П.
Далее, из дроби
получается ряд
2+109ljD3z3+ и т. д.,
общий член которого есть
(П+1)(И
1-2
и вообще дробь
91
даст ряд
Of I t\CVf ft I ft —I— i. I ûà Of) ft I ft —I— i. f I ft —I— ?* 1 ryt n q
ЭД + MjPz + \ T ЗДр2г2 -| v 12 3 ^ "~^ И Т- Д-|
общий член которого есть
1-2-3. . .(&—1) "^ •
Из самого образования ряда вытекает, что этот член равен
. 0 » т&р z ;
это выражение равно предыдущему, что выявляется, если произвести
перемножение накрест: действительно, получаем
что представляет тождество.
216. Итак, всякий раз, когда при разложении дробных функций
приходим к частным дробям вида -frz—уГ > можно определить общий
член рекуррентного ряда
А-\- Bz-\- Cz2-\-Dza + и т. д.,
полученного из этой дробной функции; он будет представлять сумму
общих членов рядов, которые возникают из частных дробей.
ПРИМЕР 1
Найти общий член рекуррентного ряда, получающегося из дроби
1— Z
Происходящий отсюда ряд есть
226427 + 868 и т. д.
12*
180 ГЛАВА XIII
Для нахождения коэффициента общей степени zn разложим дробь
1 —z
1 —2 —2z2
на частные дроби
+ I—2z
отсюда получается искомый общий член
где знак плюс имеет место при п четном, а знак минус — при п нечетном.
ПРИМЕР 2
Найти общий член рекуррентного ряда, возникающего из дроби
1—2
т. е. ряда
1+4z+14z2 + 46z3 + 14624 + 454z5+ и т. д.
Так как знаменатель равен A — 2z) (I — 3z), то эта дробь разлагается
на частные дроби
1—2г "+" 1 — 32 »
из которых получается общий член
2 • 3П2" - 2П2П = B • 3" - 2n) zn.
ПРИМЕР 3
Найти общий член ряда
l + 32 + 4z2 + 723+ll24+1826 + 292e + 47z7+ и т. д.,
получаемого при развертывании дроби
1+22
1 — г — г2 "
Так как множители знаменателя суть
и I 1
то при разложении получается
1 + /5 1—/5
о 2
откуда общим членом будет
О РЕКУРРЕНТНЫХ РЯДАХ 181
ПРИМЕР 4
Найти общий член ряда
a + (aa + b)z + (a4+ab + $a)z2 + (a3a + a2b + 2a$a+$b)zs-ir и т. д.
получаемого при развертывании дроби
a-\-bz
1 — az — 0z2 "
Путем разложения получаются такие две дроби:
[a (Vra2
^ 2
отсюда общий член будет
Согласно этому примеру легко могут'быть определены общие члены всех
рекуррентных рядов, у которых каждый член определяется по двум
предыдущим.
ПРИМЕР 5
Найти общий член ряда
получающегося из дроби
1 1
1—Z —Z2+Z3 A —ZJ(l + Z)"
Конечно, закон последовательности ясен с первого взгляда и не нуж-
нуждается в пояснении. Дроби
Л. Л. JL
2 4_ 4
A—zJ "т" 1_г + 1 + z
при разложении дадут такой общий член:
где имеет место верхний знак, когда п есть число четное, и нижний,
когда п нечетное.
217. Этим путем могут быть получены общие члены всех рекуррент-
рекуррентных рядов, так как все дроби можно разложить на простые частные
дроби этого рода. Но если мы пожелаем избежать мнимых выражений.
то часто будут получаться такие частные дроби:
182 ГЛАВА XIII
поэтому надо посмотреть, какие ряды получаются в результате их раз-
развертывания. Прежде всего, так как
cos шр = 2 cos ф cos (п — 1) ф — cos (n — 2) ф,
то развертывание дроби
1 — 2pz cos ф+paz2
даст
31 + 24Xpz cos ф + 231 p2z2 cos 2ф + 24\p3z3 cos Зф + 231 p*z* cos 4ф -f и т. д.
+ 3l/?V + 2Шр3г3 cos ф-|-231/?424соз2ф+ и т. д.
+ 31/?4г4 + и т. д.
и т. д.
Общий член этого ряда обнаруживается не так легко.
218. Чтобы достигнуть этой цели, рассмотрим два таких ряда:
Ppz sin ф + Pp2z2 sin 2ф + Pp3z3 sin Зф + Рр*г* sin 4ф + и т. д.,
Q + Qpz cos ф -\- Qp2z2 cos 2ф + Qp3z3 cos Зф + Qpizi cos 4ф + и т. д.;
оба они получаются путем развертывания дроби со знаменателем
1 — 2pz cos ф + p2z2.
Первый получается из дроби
Ppz sin ф
1—2pz
второй же из дроби
Q — Qpz cos ф
1 — 2pz созф-|-р2г2 *
Сложим эти две дроби; при этом сумма
Q-\-Ppz sin ф—Qpz cos
1— 2pz
даст ряд, общим членом которого будет
(Р sin пц> -\- Q cos шр) pnzn.
Приравняв эту дробь данной
1 — 2pz соэф + рМ »
получим
Q — % и jP = 91 ctg ф + S3 cosec ф.
Таким образом, общим членом ряда, полученного из дроби
1 — 2ргсозф-|-р2г2 '
будет
9t cos ф sin гаф+аЗ sin гаф+21 sin ф cos яф „ п _ SI sin (ra + l) ф+SS sin гаф „ n
sin ф r sin ф r
О РЕКУРРЕНТНЫХ РЯДАХ 183
219. Для нахождения общего члена в том случав, когда знамена-
знаменатель дроби будет степенью вида
A — 2pz cos ф + /?2za)fe,
следует разложить эту дробь на две, хотя и мнимые:
а . Ь
[1—(cos Ф+Т^ — 1-sin ф) pz]k [1—(cos ф—У — l'Sin yYpzf
Общий член^ряда, полученного из них, вместе взятых, будет
(n-M)(n+2)(n+3) ... (n+k-i)
,. Чпп,
^2-3 .Т. (й —1) (C0S ПСР + V^ i 'S1D п<$ аР z +
. (п+1)(п+2)(п+3) ... (п + к—1) , ,/ г .
"^" "^—— 12-3 (A—ll (cos «ф — ]/ — 1 • sm
Пусть
так что
и 6=
а =и 6=
2/ —1 2/ —
тогда выражение
(п+2) (п
будет общим членом ряда, получающегося из дробей
1 — (cos(p— Y^J-sm(f) pz]h
или получающегося из одной дроби
/— kfpz COS фЦ-*^""^ /P2Z2 cos 2ф— ^^Т^^"^ /р323 COS Зф+ И Т. Д.
тф ^~ gp2z2sin29-| ~i.2-3~ gP3z3sin39— и т. д.
A—2pz cos <p+P2z2)ft •
220. Поэтому, если положить к = 2, то общим членом ряда, полу-
полученного из дроби
f—2pz (/ cos ф — gsin (j>) + p2z2 (/соэ2ф—g sin 2q>)
A —2ргсозф + р2г2J
будет
(n + 1) (/ cos mp + g sin nq>) pnzn.
Но общий член ряда, получающегося из дроби
или
а — 2apz cos ф-|-ар222
A —2ргсозф-|-р2г2)а '
184 ГЛАВА XIII
равен
asin(re + l)cp „ n
Sill ф r
Сложим эти дроби, и пусть
2а cos <р + 2/ cos ср — 2g sin ср = —!
я
а + / cos 2ср — g sin 2cp = 0;
тогда будет
_ 83 + 231 cos ф
* ~~' 2 sin ф '
21 + ЭЗсозф й + ЭЗсовф
1 — cos 2ф 2(зтфJ
и
. __ —21 cos 2ф — ЭЗ cos ф
2 (sin фJ '
ЭЗ sincp+9l З1п2ф
S~ 2 (sin фJ '
Поэтому общий член ряда, полученного из дроби
A —2pz cos
будет
2(sinq,)» S№("+1><P-*Z +
sin геф-}-91 sin2фsin/гф — S3 cos ф cos гаф — 2t cos 2ф cos
[Й cos (и+ 2) ф+% cos(ra + l) ф] п „ (9I + S3 cos ф) sin (и + 1) ф п п
P z + 2(8Шф)« ^
1 1
v (re + 3) sin (и +1) ф — v (re +1) sin (и + З) ср
1 1
— (re-f2) sin геф — -^-ге sin(ra-|-2)
Итак, искомым общим членом ряда, получающегося из дроби
A —2pzcos ф + ^2г2J '
будет
(B + 3)sia(re + l)<p —(и + 1) sin(/z + 3) фОГт,п,п (" + 2) sinrecp —resin (ге + 2) Ц>Ж
4 (sin фK ДР + 4(8ШфK ^
221. Пусть & = 3; общий член ряда, возникающего из дроби
) — 3pz (/соэф —gsinф) + 3^Jг2(/cos2ф —^з1п2ф) —jj3z3(/ созЗф —gsin Зф)
A — 2pz cos ф+р%2K ~
будет
(« +2) (/ CQs щ + g si
О РЕКУРРЕНТНЫХ РЯДАХ 185
Затем общий член ряда, возникающего из дроби
a-\-bpz
A — 2pzcos<f-\-p2z2J '
т. е. из дроби
а —2apz cos (f-\-ap2z2
+ bpz — 2bp2z2 cos <p-\-bp3zs
A — 2pz cos <f-\-p2z2J
будет
(/2-)-3)sin (д-)-1)ф— (n-\-l)sm(n + 3)y^^nrrn (n + 2) sin «ф — rasing + 2) ф hnn.n
4 (gin v)n ap Z -\ 4 (sin ф)« °P Z •
Сложим эти дроби, и пусть числитель равен SH) тогда
3/ cos ф — 3g sin ф -\- la cos ф — Ъ = О,
3/ cos 2ф — 2>g sin 2ф + а — 26 cos ф = О
и
6 = / cos Зф — g sin Зф;
отсюда
/ cos Зф—^ sin Зш — 3/ cos
Затем находим
/
g
а + / = И = 2g (sin фJ tg Ф - 2/ (sin ФJ;
значит,
31 _^з1пф—/совф
2 (sin фJ ~~ cos ф
откуда, наконец, получается
,_ 21 (эшф—2
_ (ф — 2 cos Зф+cos 5ф)
° 16 (з1
Так как
16 (sin фM == sin 5ф — 5 sin Зф + 10 sin ф.
то
21 (9 sin ф— 3 sin Зф)
16 (sin фM
, _ 91 (—з1
~ 16
но
3 sin ф — sin Зф = 4 (sin фK,
186
ГЛАВА XIII
значит,
331
4(sin9J '
Таким образом, общий член будет
(га+1) (га+2) w n „зт(га + 1)ф — 2sin(ra-f 3) ф+sin (га + 5) ф
1-2
16 (sin Ф)*
sin
Ф _
16 (sin фM
(п + *Н» + *) з1п(?1+1)ф_ ^п + Щп + 5) з1п(?1+3)ф +
sin (n + 5) ф.
1-2
222. Итак, общий член ряда, который получается из дроби
1 — 2pzcos
будет
16 (sin фM
16 (sin фM
1-2
Идя еще дальше, в качестве общего члена ряда, получающегося из дроби
находим
64 (sin фO
A— I
(и+7) (и+6) (и+5) ¦ , , л\
v - - - --v—Е- '-i——i- sin (га + 1) ф —
1-2-3
1 * di * О
1 • Z* О
aln 3)
а1п( 5)
1 * Ci' О
64 (sin фO
1-2-3
Из этих выражений легко понять, какие формы общих членов будут
последовательно получаться для дальнейших степеней. Для более
О РЕКУРРЕНТНЫХ РЯДАХ 187
глубокого изучения природы этих выражений следует заметить 1), что
sin ф = sin ф,
4 (sin фK = 3 sin ф — sin Зф,
16 (sin фM = 10 sin ф — 5 sin 3 ф + sin 5 ф,
64 (sin фO = 35 sin ф — 21 sin Зф + 7 sin 5 ф — sin 7 ф,
256 (sin ф)8 = 126 sin ф — 84 sin Зф + 36 sin 5ф — 9 sin 7ф + sin 9ф
и т. д.
223. Так как этим путем все дробные функции можно разложить
на действительные частные дроби, то вместе с тем общие члены всех
рекуррентных рядов могут быть представлены действительными выраже-
выражениями. Для большей наглядности прилагаются нижеследующие примеры.
ПРИМЕР 1
Из дроби
1 1
A—Z)(l—22)A —2») 1—Z—
получается рекуррентный ряд
Требуется найти общий его член.
Данная дробь после разложения на множители будет равна
1
она разлагается на дроби
6A —zK т~4A —гJ^ 72A—z) T 8(l+z) ^ 9 A-fz + z2v
1
Первая из них дает общий член
1-2 6 " - 12
вт°Рая 4(l-zJ ДаеТ
—г~z'
ТреТЬЯ 72(l-z) ДаеТ
T2Z"'
1
Четвертая о . .—— дает
6 U + z)
1 п
Пятая же п(л \/~< г\ > ПРИ сравнении с выражением
Z '
1 —2pz cos ф-|-р2г2
Ср. § 262. [Ф. р.]
188
ГЛАВА XIII
(§ 218), дает
Отсюда получается общий член
2sin(re-f 1) ф —sin/гф , _ ^.n n _ 4 Sin (re-f1) ф — 2 sinmp , _ ^п%п __
9sin<p 1 > 9|/3 ^ V
, . (ге-|-1)я .
4 sin -—^ 2
sin
¦ (- l)nzn.
Если соединить все эти выражения в одну общую сумму, то получится,
что искомый общий член данного ряда равен
12
72
. (n-i-{) Л „ . ПИ
4sln q 2sm—-
8
причем имеют место верхние знаки, если п — число четное, и нижние,
если и —нечетное. Здесь надо заметить, что когда п будет числом
вида Зт, то
, . (ге + 1) я . . гея
\
если n = 3m+l или rc = 3m~f 2, то это выражение равно + it » смотря
по тому, будет ли п числом четным или нечетным. Отсюда природу
ряда можно представить так:
если
п = 6m-f О,
п=6тга+ 1,
п= 6т + 2,
п= 6т + 3,
/г = 6т + 4,
и = 6т -f 5,
то общий член будет
_?.+ » . П2»
12
12
^12
12
JL
12
12
Так, если и = 50, то имеем и=6т+2, и член ряда будет равен 234z50.
ПРИМЕР 2
Из дроби
1 —z —z4-fz5
получается рекуррентный ряд
1 + 2z + 3z2 + 3z3 +
Надо найти общий его член.
и т. д.
О РЕКУРРЕНТНЫХ РЯ~ДАХ
189
Данная дробь приводится к виду
и, таким образом, разлагается на следующие частные дроби;
3,3,1, -1+z
— 2)
Первая из них -у— ^ дает общий член
4 A — z)
„п.
z »
вторая 8A_z) дает
¦третья 8A + г) дает
4(l+z2)
2) *
— 1 + z
и четвертая . . ' 2 , при сравнении с выраженном
дает
1 — 2pz cos ф -\- p2zi
отсюда соответствующий общий член равен
1 . (га + 1)я . 1 . ля п
-т5111 2 +tsidtJz-
Соединив все это вместе, получим, что искомый общий член равен:
3 ,9Л„ 1П
Отсюда
если
то общий член будет
G »+{>¦••
и = 4т+1,
п = 4т + 2,
и= 4т + 3,
Так, если и =50, то будет п = 4пг+2, и этот член будет равен 39z50.
224. Когда дан рекуррентный ряд, то его общий член найдется
по указанным правилам, так как легко узнать дробь, из которой
он получается. По закону же рекуррентного ряда, согласно которому
190 ГЛАВА XIII
любой член определяется по предыдущим, тотчас же выясняется зна-
знаменатель дроби, и множители его указывают форму общего члена, тогда
как из числителя определяются лишь его коэффициенты. Пусть дан
рекуррентный ряд
A + Bz + Cz*-}-Dz3 + Ezl + Fz5 + и т. д.,
и пусть закон последовательности этого ряда, по которому любой член
определяется по нескольким предыдущим, приводит к такому знамена-
знаменателю дроби:
1 — az — pz2 — yz3,
так что
D = aC+$B-yA E = aD+$C + yB, F = aE+$D + yC и т. д.
Множители +а, -f-p, +7 по выражению Моавра образуют шкалу
отношения [43]. Таким образом, закон последовательности заключается
в шкале отношения, а шкала отношения тотчас же дает знаменатель
дроби, при развертывании которой получается данный рекуррентный ряд.
225. Для нахождения общего члена, иначе коэффициента неопре-
неопределенной степени z™, надо найти как простые, так и двойные, если
хотим избежать мнимых, множители знаменателя 1 — az— pz2 — yz3.
Сначала примем, что все множители не равные между собой и дейст-
действительные:
тогда дробь, производящая данный ряд, разложится на
1 — pz ~ I— qz ~ i—rz '
следовательно, общий член ряда будет
Если два множителя будут равны, например q = p, то общий член будет
если же, сверх того, r — q — p, то общий член будет
(я (n+iH»+gI + jg {n + ij^g) pn2n [М]
Если же знаменатель 1 — az— pz2 — yz3 будет иметь"двойной множитель,
так что он равен
A - pz) A - 2qz cos ф + ?2z2),
то общий член будет равен
Если вместо п подставлять последовательно числа 0, 1, 2, то должны
получиться члены A, Bz, Cz2; отсюда определятся значения букв Ш, S3, ©.
О РЕКУРРЕНТНЫХ РЯДАХ
2261). Если шкала отношения будет двучленной, т. е. каждый член
будет определяться по двум предыдущим, так что
С = аВ-$А, D = aC-$B, E = aD-$Q и т. д.,
то ясно, что рекуррентный ряд
A + Bz + Cz2 + Dz3 + Ezi+ ... +Pzn + Qzn*1+ и т. д.
получается из дроби со знаменателем
1 —a
Пусть множители этого знаменателя будут
тогда
+ = а и
при этом общий член ряда будет
Отсюда при п = 0 будет
а при п = 1
откуда
ч—р р—д
Когда найдены значения 51 и 93, то получится
p = 2I/* + 93gn и 9 = Я/?п+1 +
вместе с тем
227. Отсюда можно вывести способ образования любого члена
по одному только предыдущему, в то время как для этой цели по закону
последовательности требовались два. Так как
Р = Крп + Щп и Q = ^p.pn+^q.qnt
то будет'
Pq-Q = K(q-p)pn и Pp-Q = %(p-q)qn.
Перемножая эти выражения между собой, получим
- ?J Pnqn = о.
1) К § 226 — 230 см. вступительную статью А. Шпайзера, стр. 10.
ltJ ГЛАВА XIII
Но
Подставляя это, найдем
или
Это составляет замечательное свойство таких рекуррентных рядов,
у которых любой член определяется по двум предыдущим. Если изве-
известен какой-либо член Р, то следующий будет
выражение это хотя и имеет вид иррациональности, однако всегда
рационально, потому что иррациональные члены в ряде не встречаются.
228. Далее, по каким-либо двум данным смежным членам Pzn
и Qzn+1 можно удобным способом найти гораздо более отдаленный член
Xz2n. Действительно, положим
X = fP2 + gPQ -
Так как
то получится следующее:
//>2 = /Щ2р2П + /93 Vn + 2/9Шрп
gPQ = gWp ¦ р*п + gWq ¦ q2n + g8t»apn
и, значит,
откуда
аз—я
и / =¦
6 «58(p—g) ; 8183 (p — g
Ho
p—q ' J р—9
следовательно,
,_ aZ?—2ЛР _ аЛ—20
' — «39 (a2 — 4P) И ?~«S3(a2— 4
О РЕКУРРЕНТНЫХ РЯДАХ 193
ИЛИ
. 2ЛР —аВ ^_ 2В—аА
поэтому
, Dр-а2)Л
Следовательно,
2 ^Р •
Подобным же образом находим '
Y_ [аМ — (а2 — 2Р)В]Р2+BВ—аЛ) Q2 2gp»
аA>2—аЛ?+рЛ2) а '
(+р) а
Соединии эти выражения и исключив член Р", находим
(М-аДК2+2ВР(?-ЛС>* [45-.
Д2—аЛВ+РЛ2 L J'
229. Подобным же образом, если требуется найти дальнейшие члены
Cz2+ .. . +iV + (?zn+1 -j-7?zn+2+ . . . +Xz2n+Yz2n+1 + Zz2nt2+ и т_ д-;
то будем иметь
7
' Ь'2 —
и так как R = aQ — p/*, то
7 _ —Р2ЛР2 + 2р (аЛ — Д) PQ+[aB — (а2— Р) Л] Q2
Но Z = aY — рх и, значит, Y = — ; отсюда
Итак, подобным же образом по X и У можно определить коэффициенты
степеней z4" и z4n+1; отсюда коэффициенты z8"; zsn+1 и т. д.
ПРИМЕР
Пусть дан рекуррентный ряд
l + 3z + 422 + 7z3+Hz4+18z5+•• .+/Jz" + <?zn+1+ и т. д.;
так как любой его коэффициент равен сумме двух предыдущих, то зна-
знаменатель дроби, производящей этот ряд, будет
1 — z~z-;
следовательно,
а=1, р= -1 и 4=1, В = 3
и, значит,
Я2 - а.АВ + рЛ2 = 5.
13 л. Эйлер, т. I
194 ГЛАВА XIII
Отсюда получается
1)" _ Р-\-\>г5Р*±20
2
где имеет место верхний знак, когда п—число четное, и нижний, когда
п — нечетное. Так, если ю = 4, то Р=11 и
^_ 11+1/5-121 + 20 _ 11 + 25
Если, далее, коэффициент члена z2™ будет X, то
— Q3
А~ 5
значит, коэффициент степени zs будет равен
-4-121 + 6-198 —324 _ „fi
Так как
то
поэтому
^j2 'J1 Г LV-t- ± t >J? ~T 20
v — P2 + 2 + P ]/5P2 + 20
2
Итак, из любого члена Pz11 ряда получаются такие:
„„
230. Подобным же образом в рекуррентных рядах, у которых любой
член определяется по трем предыдущим, можно какой угодно член опре-
определить по двум предыдущим. Пусть таким рекуррентным рядом будет
. .. + Pzn + Qzn+1 + Rzn+* + и т. д.
со шкалой отношения а, — р, + у, так что этот ряд получается из дроби
со знаменателем, равным
1 — az + Pz2 — yzs.
Выражая члены Р, Q, R таким же образом, как и выше, при помощи
множителей
знаменателя, имеем
R = 9Гр*. рп + Щ2дп + &г*-гп;
но
+ + +r=§ и рдг^
О РЕКУРРЕНТНЫХ РЯДАХ 195
поэтому получится такая пропорция [4в]:
R +(ау + р
ауР2 J - 2$yP2Q
С +(ау , г ,._ ^
С2
+
Таким образом, нахождение члена R по двум предыдущим Р и Q
зависит от решения уравнения третьей степени.
231. После этих замечаний относительно общих членов рекуррент-
рекуррентных рядов остается определить суммы этих рядов. Прежде всего ясно,
что сумма рекуррентного ряда при продолжении до бесконечности равна
дроби, из которой ряд получается; так как знаменатель этой дроби
определяется из самого закона последовательности, то остается только
определить числитель. Пусть дан ряд
и т. д.,
закон последовательности которого дает знаменатель
1 - az + pz2 - yz3 + 6z*.
Пусть дробь, ранная сумме продолженного до бесконечности ряда, будет
равна
а -+- bz -4- cz2 -4- dz3
1 — az + pz2 — yz3 + Sz4 '
из нее должен получиться данный ряд; поэтому сравнение дает
а = А
Отсюда искомой суммой будет
\$A)z2+(DaC + $B yA)z'> f4?1
L J-
232. Теперь легко видеть, каким образом следует находить сумму
рекуррентного ряда вплоть до наперед указанного члена. Пусть, напри-
например, требуется найти сумму только что взятого ряда вплоть до члена
Pzn\ положим
+ Cz2 + Dz3 + Ez* + ... + Pzn.
Так как сумма этого ряда, продолженного до бесконечности, известна,
то надо найти сумму членов, следующих за Pzn до бесконечности;
пусть она будет
t = ?zn+1 + /?zn+2 + Szn*3 + Tzn+i + и т. д.
Этот ряд после деления на г" даст рекуррентный ряд, равный
13*
196 ГЛАВА XIII
данному [48], и сумма его поэтому будет
()г"
Отсюда получается искомая сумма
—аА) z + (C — aB+$A)z2 + (D — aC + ftg — у А) г3
1—
1 —az + pz2
233. Если шкала отношения будет двучленной: a, — р, то сумма
ряда
Л + Вг+Сг2 + ?г3+ . .. +Pzn,
получающегося из дроби
—aA)z
будет
А+(В — aA)z — Qz»*i — (Д — aQ) z"t2
1— az-l-pz2
Но по природе ряда
Я = а<?-р
отсюда получается для суммы значение
—дЛ) г—Qz'^
1—az + pz2
ПРИМЕР
Пусть дан ряд
7z3+... +Pzn,
где
а=Л, р=-1, ^ = 1, В = 3;
сумма его будет
14-2z— Qz«*i — Pzn*2
~ 1 — z — z2 ¦
Если же положить z=l, то сумма ряда
Значит, сумма последнего и следующего за ним членов превышает на
три сумму ряда. Но так как
_ Р+У~5Р* ±20
V- 2
то сумма ряда
Итак, по одному последнему члену можно найти сумму ряда.
ГЛАВА XIV
ОБ УМНОЖЕНИИ И ДЕЛЕНИИ УГЛОВ
234. Пусть в круге, радиус которого равен единице, какой-либо
угол или дуга будет равен z, синус его равен х, косинус равен у и тан-
тангенс равен /; тогда
ж2 + у2 = 1 и t = -.
3 У
Выше мы видели, что как синусы, так и косинусы углов z, 2z, 3z,
4z, 5z и т. д. составляют рекуррентный ряд со шкалой отношения1)
2у, —1; прежде всего получаем для синусов этих дуг такие выражения;
sin0z = 0,
sin \z = х,
sin 2z= 2xy,
sin 3z =
sin 4z =
sin6z= 32xy6— 32xy3 + 6xy,
sin 7z= 64хув— 80ху*
sin 8г = 128xyi — \%2xyb -
Отсюда заключаем, что
n'iyn-i — (п - 2) 2n-3yn's + ("¦—3>("—4) 2n-y-5
sm nz = x ¦
i 1-2.3 " °
I in — 5)(n — 6)(n, — l)(n — 8) „^_n „.^
— и т. д.
1-2.3
(д —5)(д-6)(д —7)(л-8) 2п-9„п-9
1-2-3-4
235. Если положим дугу nz = s, то будет
sin nz = sins = sin (it — s) = sinBn + s) = sinCn — s) и т. д..
так как все эти синусы между собою равны. Отсюда получаем для х
много значений, именно:
. s . я — s . 2n-\-s . Зя — s . ЫА-s
sin— , sm , sm — , sin , sm !— и т. д.;
*) Определение этого термина см. в § 224. [И. П.]
198 ГЛАВА XIV
следовательно, все они в одинаковой мере удовлетворяют найденному
равенству. Для х получится столько различных значений, сколько
число п содержит единиц; эти значения поэтому будут корнями найден-
найденного уравнения. Надо только остерегаться принимать за корни уравне-
уравнения одинаковые значения; для этой цели надо брать полученные выра-
выражения через одно. После того как корни уравнения стали известны,
сравнение их с членами уравнения приводит к открытию достойных
внимания свойств. Так как для этой цели нужно только уравнение
с одним неизвестным х, то для у надо подставить его значение |/l — х2 ;
поэтому придется проделать двоякого рода действия в зависимости от
того, будет ли п числом четным или нечетным.
236. Пусть п будет нечетным числом; так как разность дуг —z, -\-z,
+ Зг, + bz и т. д. есть 2z, а ее косинус равен 1 — 2х2, то шкала отно-
отношения последовательности синусов будет 2— Ах2, — 1; отсюда
sin (-г- z)= — х,
sin z = х,
sin3z = 3x— Ax3,
sin bz = 5x — 2Cte3 + 16ж5,
sin 7z = Ix - 56x3 + 1ilxb - 64ж7,
sin 9z = 9x - 120Z3 + 432ж5 - 576т7 + 256.r9;
стало быть,
«(л2 — 1) „ л (л2 —1) (л2 —9) ,
sin иг =i*i;Ыгж+ 1-2-3.4.5
п(п2 — 1)(я2 — 9)(.i2 — 25) 7 ,
1.2-3.4.5-6.7 ^?+ИТ. Д.,
если только п будет числом нечетным. Корнями этого уравнения являются
sinz, si
число их есть п.
237. Следовательно, множителями уравнения
р , пх п(п2—1)ха п(п2 — 1) (л2— 9) а:3
(где имеет место верхний знак, если п на единицу меньше числа, крат-
кратного четырем, и нижний—в противном случае) будут
отсюда выводим, что
л 1 1 1 1
~1 т^ г + «^ ^~ + и т. д.
. / 2я , Л .Мл \ . / 6я
sin ( ¦ гг ) sin ( V-z ) sin ( —
до тех пор, пока не будем иметь п членов. Тогда произведение всех их
ОБ УМНОЖЕНИИ И ДЕЛЕНИИ УГЛОВ 199
будет
+
sin nz
или
. / 2л . N . / 4л , Л . f 6я , \
sinzsin —--\-z I sin ( \-z ism [ Ц 2 ) и т. д.
\ n У \ n J V « У
sin nz = + 2 J sin z sin ( {-z J sin ( 1- z J sin ( \- z j и т. д.
Так как недостает предпоследнего члена, то
(^ + yb и т. д. [*9]
ПРИМЕР 1
Если п = 3, то получатся равенства
О = sin z + sin A20° + z) + sin B40° + г) = sin г + sin F0° - г) - sin F0° + г),
3 1 1 1 1,1 1
L I oil
sin3z sinz ' siiiA2O= + z)n sin B40° +г) sin z ' sitiF0° —z) sinF0° + z) '
sin 3z = - 4 sin z sin A20° + z) sin B40° + z) == 4 sin г sin F0° - z) sin F0°+ z).
Итак, как мы уже и выше заметили, будет
sinF0° + z) = sinz+sinF0°-z)
и
3 cosec Зг = cosec z + cosec F0° — г) — cosec F0° + z).
ПРИМЕР 2
Положим п =5; при этом получатся такие уравнения:
0 = sin z + sin ( -=—|- z ) + sin ( -=- + г ) + sin ( -=- it -f- z j + sin ( — я + г]
Vs У ч о У Vй У v-J /
или
0
или
0 = sinz + sin
, ./л Л,, /я Л ./л \ ./я \
= sin г + sin -=- + г ) + sin ( -= г ) — sin ( -р- + z J — sin ( -;= г ) ,
v° У VJ У ч° У v° У
in ( ^'- - z ^) - sin ( — + z ~) — sin ( Щ- — z") + sin ( — + z V
Vd / ч J / 4° У VJ У
Затем будет
5 1
sinoz sinz . / л \ . i я ,
sin г ) sin I -^ + z
2я Л "^ . , 2я
zJ si4
200 ГЛАВА XIV
ПРИМЕР 3
Таким же образом, полагая /г = 2/?г+1, получим
где имеют место верхние знаки, если т число нечетное, и нижние,
когда оно четное. Другое уравнение будет
п 1 , 1 1 1
Sin HZ Sin 2
sin
Г л \ . / л , \ . / 2я Л'
, 1 , 1 1
т . / 2я , Л "¦" . / Зя \ . / Зл . Л
Sin ( ^2 ) Sin Z ) Sin ( \- Z )
V" У ч. л У \ n J
. I ГПЛ \ . f ГПЯ , \
Sin ( 2 ] Sin ( — +2 J
\ п J Ч.
его удобно выразить в косекансах. В-третьих, получится произведение
sin nz = 23m sin z sin (-J- - г^ sin ^ + z) sin ^-^ - г) sin (^ + г) X
. ( Зя Л . / Зя , Л . f тя \ ¦ ( тя , \
X sm z sin Ц z 1 ... sin ( • — z sin \- z .
V л У Vn^y V" У V л ' У
238. Пусть теперь и будет числом четным; так как
г/= |/1 — ж2 и cos2z = l —2ж2,
и, значит, шкала отношения последовательности синусов будет по-преж-
по-прежнему 2 — 4ж2, —1, то
sin 0z = 0,
sin 2г =
\/l-x2,
sin 6z = Fx — 32x3 + 32ж5) У1 - х-,
sin 8z = (8x - 80x3 + 192ж6 - 128ж7
и вообще
л (л2 —4) о , ra(n2 — 4) (л2— 16) 6
пх 1 2 3 х -г 1.2-3-4-5
sm nz = •
1-2.3-4-5-6-7 '
где п означает какое угодно четное число.
• •• ±
— хг,
239. Чтобы сделать это уравнение рациональным, возведем обе
части в квадрат; получим такое уравнение:
(sin nzJ = пНг + Рх* + Qx* + ... - 22П~2х2П
или
Г2«_ __^ r2j \ (чтпгJ = 0-
X ... 22П-2 х I 2-п'г \Ь I '
ОБ УМНОЖЕНИИ И ДЕЛЕНИИ УГЛОВ 201
корни этого уравнения будут как положительными, так и отрицатель-
отрицательными, именно:
±sinz, ±
и т. д.
причем надо взять всего п таких выражений. Так как последний член
является произведением всех этих корней, то, извлекая везде квадратный
корень, находим
о„_, . . Г я \ . А 2я . Л . / Зя Л
sin nz = 4- Ir 1 sin z sin z 1 sin \- z sin z . . .:
какой знак в этих случаях будет иметь место, надо решать в каждом'
случае отдельно.
ПРИМЕР
Если вместо п последовательно подставлять числа 2, 4, 6 и т. д.
и взять п различных синусов, то будет
sin 2z =
sin 2z = 2 sin z sin (-^— zj ,
sin4z = о sin zsin ( -; z sin ( —г-4-z sin ( — z ,
V4 У V4 У ч 4 У
. п пп . . / Я \ . / Я , Л . /" 2jT "\
Sin OZ = OZSinzSin ( тг — Z Sin тг + Z Sin -p; Z X
V.b у vb У v ь у
• о лоо • . / я Л . / я , Л . / 2зт Л . / 2зт , \
sin oz = 128 sin z sin -3— z sin -^- + z sin -5 z sin -5- + z X
Vй У Vй У чй У Vй у
Зя Л . /• Зя
240. Ясно, что вообще для четного п будет
sin nz = 2п~х sin z sin ( z ] sin ( — 4-2 ] sin ( ¦ z ) X
V" У vn]y V» У
3я Л./Зя
Сравнение этого выражения с найденным выше для случая нечет-
нечетного п обнаруживает такое сходство, что оба случая можно соединить
в один. Итак, будет ли п числом четным или нечетным,
sin nz = 2n~\"sm z sin ( z ) sin ( \- z) sin ( z ) sin ( \-z}X
Зя "\ . / Зя Л
zjsin^ + zJ и т. д.,
где берется столько множителей, сколько число п содержит единиц.
241. Эти выражения, посредством которых синусы кратных углов
выражаются в виде сомножителей, могут принести немалую пользу при
нахождении логарифмов синусов кратных углов, а также при получении
202 ГЛАВА XIV
многих выражений синусов при помощи сомножителей, какие мы дали
выше (§ 184). Так,
sin z = 1 sin z,
sin 2z = 2 sin z sin ( -»— z ),
4 ^ У
sin 3z = 4 sin z sin f — z J sin Г ~ + z j ,
• / о • . f П \ . f П . ~\ . f In \
sin 4z = 8 sin z sin ( -7— z j sin f -7- + z J sin ( —, z ),
. - ,e . . Г n \ . f n , \ . f In Л./2Я.Л
sinOz= 16 sin zsin ——z sinl -f- + z sin/ -= z sm( -=- + z j,
\.o у чэ у v.3 у чэ J
¦ п оо • . /л \ . /я . \ . /я \ . / 2я , \ . / Зя Л
SinDZ= 32 Sin ZSin( Z jSin ( -н- + 2 )Sin( -7; Z JSinf -^—f-Z JSint -77-— Z 1
и т. д.
242. Так как, далее, — = 2 cos nz, то подобным же образом при
помощи сомножителей выразятся косинусы кратных углов:
cos z = 1 sin (-z— zj,
cos 2z = 2 sin f —— s J sin ( — -\- z J ,
cos 3z = 4 sin i -5— z J sin ( -^ + z j sin' 1Г — z J '
, о./я Л./я Л./Зя Л./'Зя.Л
cos4z=8sin -5—z sin -5-+ 2 1 sin -^ z sin -fj-+z ,
Vй У V° у Vй / Vй У
и вообще
Зя
5я
где берется столько множителей, сколько число п содержит единиц.
243. Такие же выражения получатся из рассмотрения косинусов
кратных дуг. Действительно, если cos z = у, то будет [§ 129]
cos 0z= 1,
cos \z = у,
cos2z = 2?/2-l(
cos 3z— 4y3— 3y,
cos4z = 8y4 — 8y2+l,
cos 6z =
cos Iz = 64y7 — 112y5 + 56y3 - 7г/.
ОБ УМНОЖЕНИИ И ДЕЛЕНИИ УГЛОВ 203
и вообще
cos nz = 2п-1уп -~ 2п' V2 + "("Т3) 2n~5yn-i -
_ к (к — 4) (я — 5) 9„-7 „-„ , я (я — 5) (я — 6) (га — 7) р„-0 п-8 г501
1-2-3 ^ 2/ "Г 1.2-3-4 » ит. д-l J.
В силу равенства
cos rcz= cos Bя— «г) = соэBя + nz) = cos Dя ^ «г) = cos Fя Jr nz) и т. д.
получатся такие корни этого уравнения:
/2л \ / 4л , Л / 6л , Л
cos г, cos ( — ± г ) > cos ( — ± z ! 1 cos ( ± z ) и т. д.;
из этих выражений надо взять для у столько, сколько среди них есть
различных, а их столько, сколько число п содержит единиц.
244. Прежде всего ясно, что ввиду отсутствия второго члена, за
исключением случая п = 1, сумма всех этих корней будет равна нулю.
Итак,
О = COS Z + COS f ~ ¦ Z j -\- COS f — + Z j -f COS f — — Z j -\-
^) и т. д.,
где нужно взять столько членов, сколько число п содержит единиц.
Это равенство, очевидно, верно, когда п — четное число, так как любой
член уничтожается другим равным ему отрицательным. Поэтому рас-
рассмотрим числа нечетные, исключая единицу; так как
cos v — — cos (я — v),
то будет
0 = COS 2 — COS Г-5 Z)~~ COS Г "IT + г ) '
0 = cos г —cos ( -^—г J — cos f -^- + z j + cos f -^— z J + cos ( -^-\- z J,
0 = cos z — cos (-y- — z ) — cos Г у- + г J + cos Г -у— г ) + cos ^ -—^ + z )
)
) ,
/ Зл Л / Зл .
— cosf ^ г \ — cosf —-t
и вообще, когда п есть какое-либо нечетное число, то
0 = cos z - cos (-?- - z) - cos (¦? + z) + cos (-^ - z) + cos (-^ + z ) -
/ 3it N / Зл , Л /4л \ / 4л , Л
— COS ( Z — COS ( \- Z 1 + COS 2 4- COS + 2 1-Й Т. Д.,
где нужно взять столько членов, сколько число п содержит единиц;
при этом, как мы уже упоминали, п должно быть нечетным числом,
превышающим единицу.
245. Что касается произведения всех членов, то получатся разные
выражения, смотря по тому, будет ли п числом нечетным, нечетно-
четным или четно-четным [51]; все эти случаи заключаются в общем
выражении (§242), если отдельные синусы преобразовать в косинусы-
204 ГЛАВА XIV
Именно, будет
cos z = 1 cos z,
cos 2z = 2 cos f-j- + zj cos f~— zj,
o . Л 2я , Л Л 2зт N
COS OZ= 4 COS -r- + Z COS) -т; Z ICOSZ,
V о У V ь у
. о Л Зя , Л Л Зя Л Л я , Л Ля Л
cos 4z = о cos ( -5-4- z cos -3 z cos -5-+ z cos —— z ,
Vй У Vй / Vй у чй У
г ,. ~ Л 4я , "\ Л 4я \ Л 2зт Л Л 2я Л
COSOZ= 16 COS f -Jq- + Z 1 COS f -77Г —Z 1 COS f 77+ z J COS ( -vq-—Z 1 COSZ,
и вообще
cos nz = 271 cos ( "~ я -у- z ) cos ( п~Г я — z ) cos ( "~ я 4- z ) X
V 2n у v 2n J \ In J
Л^я, Л Л «-5
X COS — Я —Z COS —r Я + Z COS —= Я —Z X
V 2» J \ 2n ] j \ 2n J
X COS ( ~ Я + Z ) COS ( —^ Я — Z ) И Т. Д.,
\ An у \ <Zn у
где берется столько множителей, сколько число п содержит единиц.
246. Пусть п будет числом нечетным и пусть уравнение начинается
с единицы; тогда
O=iqz—^ l и т. д.,
где имеет место верхний знак, если «—число нечетное вида 4/Я + 1,
и нижний, если « = 4ти—1 [52]. Отсюда получаем
1
1
COSZ
3
cos 3z
5
1
cos z '
1
COS Z
1
, я л Ля,
COS -г Z 1 COS ( -1T+Z
11
cos5z ~~ cosz Л я Л Л я
COS -= Z \ COS
V о
и вообще при п = 2т + 1 будет
n 2m 4-1 1
+ 1
Л2зт Л
cos -= z cos (
Vй / ч
cos nz cosBm-M)z f m \ ' f m Л ,....,
4 ' COS Jt + Z COS Я— Z COS Я-4-Z
1,1,1
' m — 1 \ ' ( m — 2 . \ "г" Л те —2
COS ( Я — Z I COS I JT-4-Z COS ( ¦ Я — Z
n у V n у V n
1 1 ,
+ И Т. Д.,
Л m — 3 , Л Л т —3
cos • я+z ) cos я — z
V n У Ч n
где берется столько членов, сколько число п содержит единиц.
ОБ УМНОЖЕНИИ И ДЕЛЕНИИ УГЛОВ 205
247. Так как = secu, то отсюда выводятся замечательные
cos v м
свойства секансов; именно:
sec z = sec z,
3 sec 3z = sec ( -^- -f z j -\- sec f -g— z j — sec ( —^- + 2 J ,
5 sec 5z = sec f -^- + z J + sec Г -у- — z J — sec Г 4^- + z j — secf 4^ —
+ sec^-^ + z ) ,
7 sec 7z = sec( -y- + z ) + secf — z J —sec f —+ z J — sec f -^ z
и вообще при n = 2m -f 1 будет
n sec «z = sec ( — я + z ) + sec ( — я — z ) — sec ( m~ я + z ) —
— sec я — z 4- sec я + z ) + sec я — z —
— sec f я + z ) — sec 1 я — z J -f sec f я + z J -f
+- sec f я — z J — ...
sec z.
248. Для косекансов же по § 237 находим
cosec z = cosec z,
3 cosec 3z = cosec z + cosec С -^— 2 J — cosec Г -^- + z I ,
5 cosec 5z = cosecz-]- cosec [ -=— z J — cosec f -=-+z ) — cosec ( —^ z J -f-
(
О ТГ
7 cosec 7z = cosoc z -)- cosec f -^- — z J — cosec Г -^- + z J — cosec Г -^ — 2 j +
+ cosec ( -у- + z J + cosec f -^ z ) ~ cosec ( — + z ),
и вообще при п — 1m -\-1 будет
и -osec nz = cosec z 4- cosec f z ) — cosec ( —¦ 4- z ) — cosec ( —-— z ) 4-
4-cosec ( —^- + z j + cosec ( -^- —z ) — cosec f — + z ) — ...
.. . =F cosec f -^— z j -(- cosec Г — ~ -)-г],
где имеют место верхние знаки, если т число четное, и нижние, если т
нечетное.
206 ГЛАВА XIV
249. Поскольку, как мы видели выше [§ 133],
cos nz -(- \' — 1 -sinnz= (cos nz ± ]/— 1 •sinz)"i
то
_ (cosz-f-V —1- sins)"-)--(cos z — Y — 1-sinz)"
(cosz-f-V —1-sinz) —(cosz — У— 1-sinz)"
и. стало быть,
(cosz-f-1 —1-sinz)'1 — (cos z— у —l-sinz)n
tg nz =
(cosz-j-l/ — 1-sinz)" У —I-|-(cos z—y' — l-smz)ny'—i
Положим
. sin z
tgz = = /:
° cos z
тогда
j/~^l)n—(l — < i/^T)"
tgnz '
откуда получаются следующие значения для тангенсон кратных углов:
tgz=1, lg 2z= 1_f3 , tg3z= 1_3<2 ,
и вообще
Так как tg «z = tg (я -j- nz) = tg Bл + кг) = tg (Зя -f- kz) и т. д., то значе-
значениями /, или корнями уравнения, будут
^ ) g(^ ) g(-^+z) и т. д.;
число их есть п.
250. Если же начать уравнение с единицы, то будем иметь
0=1-Т^7 ГТ—+ l-2-3tg«z + и т- д-
При сравнении коэффициентов с корнями получится
отсюда сумма квадратов всех этих котангенсов будет равна
(sin nz
2
— п;
ОБ УМНОЖЕНИИ И ДЕЛЕНИИ УГЛОВ 207
подобным же образом можно определить дальнейшие степени. Если
вместо п подставлять определенные числа, то будет
ctg z = ctgz,
3 ctg 3z = ctg z + ctg ^ ¦—¦ + z^ + ctg ^ -^ + г J ,
251. Так как ctg у = — ctg (я — v), то
ctg г = ctg г,
2 ctg 2z = ctg z — ctg f -^— z j ,
ctg 5z = ctg z — ctg ^-|- — z J + ctg ^ -^- + z^ - ctg (^ -^ - z
и вообще
n ctg пг = ctg z - ctg ^ -5- - z^ + ctg ^ -?• -f z Л - ctg
+ J^g^2 J + ctg^ + zJ и т. д.,
где берется столько членов, сколько число п содержит единиц.
252. Начнем полученное уравнение с наивысшей степени; здесь прежде
нсего надо различать случаи четного или нечетного числа п. Пусть п
будет числом нечетным, т. е. п = 2т-\-\; тогда1)
г— tgz = O,
j3 _ з*2 tg 3z — Зг + tg 3z = О,
t5 - Ы* tg 5z - \0ta + 10 t2 tg 5z - tg 5z = 0,
и вообще
tn-ntn'Hgnz- ... ^tgnz = O,
причем верхний знак, минус, имеет место, если т число четное, а нижний.
1) См. § 249. [С. Л.]
208 ГЛАВА XIV
плюс, если тп нечетное. По коэффициенту второго члена находим
= tgz,
и т. д.
253. Так как tgy = — tg(ji —и), to углы, большие прямого, при-
приводятся к углам, меньшим прямого, и будет
tg z = tg z,
3 tg 3z = tg z- tg (-J - 2) + tg (-f
и вообще если n = 2m + 1 то
254. Далее, произведение всех этих тангенсов будет равно tgnz-
потому что, вследствие попеременной четности и нечетности числа отри-
отрицательных знаков, вышеуказанная двойственность знаков уничтожается.
Итак,
tgz=tgz,
tg 3z = tg z tg (-у - z) tg (-J- +
tg5z= tgz tg (-f-~z) l§ C"^+ Z) tg ("?"- z) tg (Г
и вообще при я = 2m -|- 1 будет
255. Пусть теперь п будет числом четным; если начать с наиболь
шей степени, то получится
г* _|_ 4^з ctg 4z - 6t2 — 4t ctg 4z + 1 = 0,
и вообще, когда я = 2т,
tn + л*" ctgnz- ... =F 1 = 0,
ОБ УМНОЖЕНИИ И ДЕЛЕНИИ УГЛОВ 209
где имеют место верхний знак, минус, при т нечетном и нижний, плюс,
при т четном. При сравнении корней с коэффициентом второго члена
получится
и т. д.
256. Так как tgi>= — tg(n — v), то образуются следующие равенства:
2 ctg 2z = — tg z + tg ( -^— z j,
f 2л __Л
6ctg6z= -tgz+tg( ^--z )-tg( -^ + z ) + tg( —-z )-
и вообще, если п = 2т, то
2я , Л , , / Зя
257. При помощи этих выражений опять уничтожается двойствен-
двойственность произведения всех корней; поэтому будет
и т. д.
Построение этих равенств сейчас же с отчетливостью бросается
в глаза, так как мы все время находим по два угла, являющихся друг
для друга дополнениями к прямому. Произведение тангенсов двух таких
углов равпо едипице, и, следовательно, произведение всех должно
равняться единице.
258. Так как синусы и косинусы углов, составляющих арифмети-
арифметическую прогрессию, образуют рекуррентный ряд, то сумма скольких
угодно таких синусов и косинусов может быть выражена на основании
предыдущей главы. Пусть углы, возрастающие в арифметической
14 л. Эйлер, т. I
210
ГЛАВА XIV
прогрессии, будут
a, a-\~b, a-f 26, а+36, а + 46, a-f56 и т. д.,
и требуется сперва найти сумму синусов этих образующих бесконечную
прогрессию углов; положим
s = sin a-)- sin (а -f 6) -|-sin (а+ 26) + sin(a-f- 36) -f и т. д.;
так как этот ряд рекуррентный, со шкалой отношения 2cos6,: —1,
то он получается из развертывания дроби со знаменателем
1 —2z cos b-\-z2,
если положить z=l. Сама же дробь будет равна
sin a-\-z [sin (а-\-Ъ)—2 sin a cos Ь]
1 — 2zcosb-\-z* '
поэтому при z =1 будет
sin a + sin (a -f-&)— 2 sin a cos 6 sin a — sin (a — 6)
~ ' 2A —cos 6) '
потому что
Но так как
то
Но
отсюда
2 — 2 cos b
2 sin a cos 6 = sin(a+
sin/ — sing = 2 cos
sin(a — 6).
^
sin
~Z
Aл 1
а —2" 6 J sin у Ъ.
A ~\2
sin -т,- 6 ) ;
cos a —
2 sin -s- ^?
Li
259. Итак, этим путем может быть указана сумма скольких угодно
синусов, коих дуги возрастают в арифметической прогрессии. Пусть,
например, требуется найти сумму прогрессии
sin a -f- sin (a -\- 6) -|-sin(a + 26) -j-sin(a + 36) + . . . -f sin (a + «6).
Так как сумма этой прогрессии при продолжении до бесконечности
cos ( а — -п-6 J
есть
y 6
, то рассмотрим члены, следующие за последним до
бесконечности:
sin [а -+- (п + 1) 6] + sin [а + (п + 2) 6] + sin [а + (« + 3) 6] + и т. д.;
сумма их равна
cos
1
2 sin тг Ь
ОБ УМНОЖЕНИИ И ДЕЛЕНИИ УГЛОВ
211
если отнять ее от предыдущей, то останется искомая сумма. Так, если
s = sin а 4- sin (а -\- Ь) 4- sin (а -\- 26) 4- ... 4- sin (а + пЬ)>
то
cos
(а — у
cos
sia [a + ^
sin—
2 sia— 6
sia —ft
260. Равным образом, если рассматривать сумму косинусов
и положить
s = cos а 4- cos (a 4" 6) -j- cos (a 4- 26) 4- и т. д. до бесконечности,
то
cos
[cos (a + &) — 2cosacos6]
S^ 1 — 2z cos 6 + z2
при z=l. Поэтому, так как
2 cos a cos 6 = cos (a — 6) 4- cos (a 4- 6),
то
но
отсюда
и так как
то
s =
cos a — cos (a — 6)
2A — cos Ь)
cos / — cos g = 2 sin ~^"g sin g ' ;
Г1 \ 1
а —т 6 ) sin-=- 6,
s 1 \ 2
1 — cos 6 = 2^ sin у 6 J ,
^
Подобным образом сумма ряда
cos [a 4-(" + 1N] 4-cos [a 4-(и 4-2) 6] 4- cos [a4-(и+3)Ч>] + и
будет равна
sia
т. д.
2 sia A &
если отнять вторую от первой, то останется сумма ряда
s = cos а 4- cos (a 4- 6) 4- cos (a + 26) 4- cos (a 4- 36) 4- ... 4- cos (a
и она будет равна
4-
— sia (^a—j
cos
-^ пьЛ sia ~
2 sin -i-
sin — 6
14*
212 ГЛАВА XIV
261. На основе указанных принципов могут быть разрешены и многие
другие вопросы относительно синусов и тангенсов; таково, например, нахож-
нахождение сумм квадратов или более высоких степеней синусов и тангенсов;
но так как все это выводится аналогичным образом из остальных коэф-
коэффициентов написанных выше уравнений, то я на этом останавливаться
дольше не буду. Относительно же этих последних суммирований следует
заметить, что любую степень синусов и косинусов можно выразить при
помощи отдельных синусов и косинусов; для большей ясности мьг это
вкратце изложим.
262. Для этой цели будет полезным вывести из предыдущего такие
леммы:
2 sin a sin z = cos (a — z) — cos (a -\- z), 2 cos a sin z = sin {a-\-z) — sin (a — z),
2 sin a cos z = sin (a + z) -f sin (a — z), 2 cos a cos z = cos {a — z)-\- cos (a + z).
Отсюда находим вначале степени синусов:
sin z = sin z,
2(sinzJ = l—cos2z,
4 (sin zK = 3 sin z — sin 3z,
8 (sin zI --= 3 — 4 cos 2 z-f cos 4z,
16 (sin zM — 10 sin z — 5 sin 3z + sin 5z,
32 (sin z)e = 10 - 15 cos 2z + 6 cos 4z — cos 6z,
64 (sin zf — 35 sin z — 21 sin 3z -\- 7 sin 5 z — sin Iz,
128 (sin z)8 = 35-56 cos 2z + 28 cos 4г - 8 cos 6z + cos 8z,
256 (sin z)9 = 126 sin z - 84 sin 3z + 36 sin 5z — 9 sin 7 z + sin 9z
и т. д.
Закон, которому следуют здесь коэффициенты, совпадает с законом
следования коэффициентов степени бинома, за тем лишь исключением,
что свободный член в выражениях для четных степеней синусов равен
половине соответствующего коэффициента в разложении бинома.
263. Подобным образом определятся степени косинусов:
cos z =cosz,
2 (cos zJ = 1 + cos 2z,
4 (cos zK = 3 cos z-\- cos 3z,
8 (cos zL = 3 + 4 cos 2z + cos 4z.
16 (cos zM = 10 cos z + 5 cos 3z+ cos 5z,
32(cosz)e= 10+ 15cos2z+6cos4z+cos6z,
64 (cos zO = 35 cos z+ 21 cos3z+ 7 cos 5z-\- cos 7z
и т. д.,
причем относительно закона следования коэффициентов справедливо
сказанное выше по поводу синусов.
'**> —ом
ГЛАВА XV
О РЯДАХ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ПЕРЕМНОЖЕНИИ
СОМНОЖИТЕЛЕЙ
264. Пусть дано произведение, составленное из конечного или бес-
бесконечного числа множителей, вида
A + az) A + р2) A + yz) A + bz) A + az) A + ?z) и т. д.,
которое при развертывания путем фактического перемножения дает
+ и т. д.
Тогда ясно, что коэффициенты А, В, С, D, Е и т. д. образуются из
чисел а, Р, у, б, е, ? и т. д. таким образом:
б-)-е + ?+ и т. д. = сумме всех по одному,
В = сумме произведений по два различных,
С= » » » три различных,
D — » » » четыре различных,
Е= >¦> » » пяти различных
и т. д.,
пока не дойдем до произведения всех.
265. Если положить z—i, то произведение
(l + a)(l+P)(l+Y)(l + 6)(l+e) и т. д.
будет равно единице с рядом всех чисел, которые образуются из а, р,
Y, б, е и т. д., если брать их по одному, или перемножать по два,
или по нескольку между собой. Если при этом одно и то же число
может быть получено двумя или несколькими способами, то в этом
ряде чисел встретится одно и то жо число дважды или несколько раз.
266. Если положить z= — 1, то произведение
A _ а) A - р) A - у) A - в) A-е) и т. д.
будет равно единице с рядом всех чисел, которые образуются из а, р,
Y, б, е и т. д., если брать их по одному или перемножать по два, или
214 ГЛАВА XV
по нескольку между собой, как и раньше, но с той лишь разницей, что чис-
числа, получаемые из одного или из трех, или из пяти и вообще из нечет-
нечетного числа множителей, будут отрицательны; те же, которые получают-
получаются из двух, четырех, шести и вообще из четного числа, будут положительны.
267. Если написать вместо а, р, у, б и т. д. все простые числа
2, 3, 5, 7, И, 13 и т. д.,
то произведение
A + 2) A + 3) A + 5) A + 7) A + 11) A + 13) и т. Л. = Р
будет равно единице с рядом, составленным из простых чисел и тех,
которые получаются от перемножения различных простых. Таким образом,
5 + 17+ и т. д.;
в этом ряде встречаются все натуральные числа, за исключением степе-
степеней, а также тех, которые делятся на какую-либо степень. Именно, недо-
недостает чисел 4, 8, 9, 12, 16, 18 и т. д., так как они либо являются степе-
степенями, как 4, 8, 9, 16 и т. д., либо делятся на степени, как 12, 18 и т. д.
268. Так же будет обстоять дело, если вместо а, р, у, б и т. д.
подставить какие-либо степени простых чисел. Именно, если положим
то при перемножении получится
p=1 + i+p+^ + ^+^ + i6n+iin+ и т- д-;
в этих дробях встречаются все числа, за исключением тех, которые
либо сами являются степенями, либо делятся на какую-либо степень.
Но так как все целые числа являются либо простыми, либо соста-
составляются из простых путем умножения, то исключаются лишь те числа,
в образование которых входит одно и то же простое число дважды или
большее число раз.
269. Если числа а, р, у, б и т. д. взять отрицательными, как мы
делали раньше (§ 266), и положить
ит
то будет
р_4_А_1_± , J__I i J 1 Li_J_i_J
2™ Зп 5П~^6™ 7™ 0" lln l'6n' U»" 15™
здесь опять, как раньше, встречаются все числа, за исключением сте-
степеней и тех, которые делятся на степени. Сами простые числа, а также те,
которые состоят из трех, пяти и вообще нечетного числа, имеют знак
минус; те же, которые образуются из двух, четырех, шести или вообще
четного числа, имеют знак плюс. Так, в этом ряде встречается член ^;
так как 30 = 2-3-5 и не содержит степени, то член этот ^ будет иметь
знак минус, потому что 30 представляет произведение трех простых чисел.
О РЯДАХ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ПЕРЕМНОЖЕНИИ СОМНОЖИТЕЛЕЙ 215
270. Рассмотрим теперь выражение
1
A —az)(l —рг)A —уг)A —6z)(l —ег)ит. д. '
которое при развертывании путем фактического деления дает ряд
+ и т. д.;
при этом коэффициенты А, В, С, D, Е и т. д. составляются, очевидно,
из чисел a, (J, у, б, е и т. д. так, что
А = сумме отдельных чисел,
В = сумме произведений по два,
С = сумме произведений по три,
D = сумме произведений по четыре
и т. д.,
не исключая одинаковых сомножителей [53].
271. Если полошить z=l, то выражение
1
A —a)(i —P)(l —y)A —б)A —е) и т. д.
будет равно единице с рядом всех чисел, какие получаются из a, р\ у,
б, е и т. д., если или брать их по одному, или их произведения по два
и более, не исключая одинаковых. Стало быть, этот ряд чисел отли-
отличается от ранее [§ 265] полученного тем, что там надлежало брать
только различные сомножители, здесь же один и тот же множитель
может встречаться дважды или большее число раз. Таким образом,
здесь встречаются все числа, какие только могут произойти от пере-
перемножения a, p, Y> б и т. д.
272. Вследствие этого ряд состоит всегда из бесконечного числа
членов, независимо от того, будет ли число сомножителей бесконечным,
или конечным. Так,
1 ^1Г^Т+8^Тб + 32+ и т- Дм
~2
где налицо все числа, получающиеся от перемножения одной лишь
двойки самое на себя, т. е. все степени двух. Далее,
1 ,,1,1,1,1,1,1,1,1,1,
1
Т. Д.
где не встречается других чисел, кроме тех, которые получаются от
перемножения 2 и 3, т. е. тех, которые не имеют других делителей,
кроме 2 и 3.
273. Если вместо а, |3, у, б и т. д. написать обратные величины
всех простых чисел и положить
1
Р =
1
216 ГЛАВА XV
то получим
п л, 1,1,1,1, 1,1, 4,1
где встречаются все числа, как простые, так и получаемые от перемно-
перемножения простых. Но так как все целые числа являются или простыми,
или получаются при перемножении простых, то поэтому здесь должны
присутствовать в знаменателях решительно все целые числа.
274. То же самое получается, если взять какую-либо степень про-
простых чисел; так, если положить
р=
то получим
рпТмТНТт+вНТтаТ5яТ И Т. Д.
где встречаются все без исключения натуральные числа. Если же в со-
сомножителях поставить везде знак плюс, так что
то будем иметь
" 2n 3™ 4™ 5n 6n 7n 8n 9n 10™ И Т" ^''
где простые числа имеют знак минус; те, которые представляют произ-
произведения из двух простых — одинаковых или различных, —имеют знак
плюс, и вообще те, у которых число простых сомножителей четное,
имеют знак плюс, те же, которые состоят из нечетного числа простых
сомножителей, имеют знак минус. Так, член » будет иметь знак
плюс, потому что 240 = 2-2-2-2-3-5. Основание этого закона видно
из § 270, если положить z = — 1.
275. Если сопоставить это с изложенным выше, то получатся два
ряда, произведение которых равно единице. Пусть
тогда
111111
!_!,1_1+- --ит д
Зп 5™ 6П 7™ ' 10™ 11™
(§ 269), причем ясно, что PQ=\.
О РЯДАХ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ПЕРЕМНОЖЕНИИ СОМНОЖИТЕЛЕЙ 217
276. Если же положить
то будем иметь
п л 1 1 i ! 1 , 1 1 1,1,
2™ 3™ 4™ 5П 6™ 7П 8™ 9™
111111 1
/1_ 1 4___1-__[_ —4_ —4_ _ J - I —4- и т тт
V х i 2™ ~ 3™ "¦" 5" ^ 6™ ^ 7П ^ 10™ ' 11™ ^
и также будет PQ=1. Если сумма одного ряда известна, то вместе
с тем получится сумма другого.
277. Обратно, если известны суммы этих рядов, то могут быть
найдены значения бесконечных произведений1). Пусть
111111
М =1-)— 4~ —Ьт—he—I 1 Ь ит. д.,
N=1 + — 4- — 4- — + — 4 — + — 4- ит
тогда будем иметь
отсюда путем деления получается
7V
наконец,
"Ж = 2"—1 '3™—1 "—1 '7й—1 ' И"—1 И Т' Д"
Если известны М и N, то, кроме значений этих произведений, полу-
получатся суммы таких рядов:
!_=1_±_!_!_1_±_!. J 1 ит л
Л/ 2" 3™ 5пП6п 7™~г10™ 11™ '
1 1111111
лг 22lt З2™ 52™ 6^™ 72 ™ 102™ II2™ '
/V 111111111
?L— 1 i i-j_J i_U-l - ij_ —J - и Т
M ~~ 2" 3""T4n 5ni" 7" 8"^9«^10n '
а комбинируя их, можно вывести много других.
factorum infinitorum; буквально: бесконечного числа множителей.
218 ГЛАВА XV
ПРИМЕР 1
Пусть п=1; так как выше мы показали, что
, 1
то при х= 1 будет
1 . X2 . X3 , X* , ХЪ , X6
x + + + T + J^-6+ и т- д"
/i±i = /co = 1+f+ f+ Т + Т + и т> д>
Но логарифм бесконечно большого числа со сам бесконечно велик; поэтому
отсюда, так как — = — = 0, получится
„.1 1 1,1 1,1 1 1,1,1
2 Ч 5 6 7 10 11 13 14 15
Тогда в произведениях будем иметь
М = со = 1
откуда
2 3 5 7 11 13 17 19
со = ¦ — • — • — • • — • — - — и т тт
1 2 4 6 10 12 16 18 д'
я
р, 1 2_ 4 6 10 12 16 18
"Т'УТ'П37'19 И Т> Д>
Далее, как раньше показано с помощью суммирования рядов [§ 167],
отсюда получаются суммы таких рядов:
— 14- — 4- — 4- — 4- — I I i — 4- — 4-
п л 1 1.1 1.1 1 1.1.1 1
и т-
Наконец, беря произведения, получаем
я2 22 З2 52 72 И2
6 22—Г З2—1 ' 52 — 1 ' 72—1 ' И2 —1 ' И Т> Д"
или
я2 _ 4 9 25 49 121 169
~б"~ 3 ' 8 4'48'120" 168' И Т> Д"
1ак как -тг=-=оо или -тг= U, то имеем
3 4 6 8 12 14 18 20
О РЯДАХ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ПЕРЕМНОЖЕНИИ СОМНОЖИТЕЛЕЙ 219
или
n —A A A A И is 17 19
а также
00 ~ Т'1'ТТ * То* 12' Гб * Те" и т" д'
или
о —А А А А А А А А
з" 2' з" 4" 6" 7' 9 "То" и т" д-;
числители этих дробей (за исключением первой) на единицу меньше
знаменателей; суммы же числителей и знаменателей каждой дроби
постоянно дают простые числа 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19 и т. д.
ПРИМЕР 2
Пусть п = 2; тогда согласно доказанному рапыпе [§ 167]
N=\4- — -\-—A- — A- — 4-—4- — A- _я*
Отсюда находятся прежде всего суммы следующих рядов:
яз— -1 22 За 52+62 72+Юа И2 и т- Д"
90_/| 1 1 1i1 1!1 \
15 .,1.1,1,1,1,1.1.
15 22 З2 42 52 б2 72 82 92 ' Юа
Затем получаются значения следующих произведений:
я3 2а З3 52 72 И2
Т.^! 22 —1 ' З2—1 ' 58_1 ' 72 —1 ' И2 —1 ' И Т- Д->
я4_ 24 З4 54 74 II4
90~ 24 —1 'З4 —1 " 54 —1 ' 74 —1 ' И4 —1 ' И Т" Дм
15 _ 2а+1 32+1 52+1 72 + 1 Ц2 + 1
Я2 — 23 ' З2 " 52 ' 72 И2 " И Т" Д'
или
я2_^^2549 1211б9
15" 5 "Ю'26'5О'122'17О' " Д'
5 22+1 32 + 1 52+1 72+1 П2 + 1
2 ~~ 22 —1 ' З2 — 1 " 52 —1 ' 72 —1 ' И2—1 Д'
или
5 5 5 13 25 61 85
— . — . — . — . —.— . и Т. Д.,
или
3 _ 5 13 25 61 85
"~Т2'24"бб"84" И Т' Д"
220 ГЛАВА XV
В этих дробях числители на единицу превышают знаменатели; сло-
сложенные же вместе, они дают квадраты простых чисел З2, 52, 72, И2
и т. д.
ПРИМЕР 3
Так как из изложенного раньше [§ 167] можно найти значения М
только когда п — число четное, то полагаем далее и = 4; получаем
^=1+24+з4+4Г + 54+(-Т+ ит- Д- = 9б>
\ \ 4 \ 1 тт8
дт Л|Х>Х JLX J., JL
9450
4 i 2в ' з8 ^ 48 ^ 58 ^ б8 ^ д' ~ 9450 '
Отсюда прежде всего определяются суммы следующих рядов:
90 , 1 1 1,1 1,1 1
jj-4 24 3 54 6 7* 10* 11*
105 4.1,1,1,1,1,1,1.
я4 2* 3 5* 6* 7* 104 И4 "''
105 S4 З4"'"^ В4!4 Т4 в4"""^ И Т' Д"
Затем получаются значения следующих произведений:
я4_ 24 З4 54 74 И4
90~24 —1 ' З4 —1 " 5* — 1 " 74 —1 ' II4 —1 ' И Т" Д->
я8 28 З8 58 78 И8
и т. д.,
9450~~ 28 — 1 " З8—1 " 58 —1 " 78—1 " Ц8 —
105 _ 2*4-1 34+1
З4 " 54 ' 74 " II
и
344-1 54 + 1 74+1 ;П4 + 1
*'* '
И
и т-
6 24—1 З4—1 54—1 74 —1 И4 —1
или
35_ 41 313 1201 7321
34~40-312" 1200 " 7320 ' И Т" Д''
в этих дробях числители на единицу превышают знаменатели; сложен-
сложенные же вместе, они дают четвертые степени простых нечетных чисел
3, 5, 7, И и т. д.
278. Поскольку сумму ряда
Af=1 + |i+3^+^ + |i+P+ и т. д.'
мы представили в виде произведения, то можно будет удобно перейти
к логарифмам. Так как
1
О РЯДАХ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ПЕРЕМНОЖЕНИИ СОМНОЖИТЕЛЕЙ 221
то будем иметь
дая-<1-р)-'A-й-'A-г.)-'A-^)- т-
Отсюда, беря гиперболические логарифмы, получим
Ш= +1(^ + ^ + ^ + ^ + п» + и т. д.)
I J_/_J_ , _j_ , _j_ , _J_ i _L_i_
2 V 22n *~ 32n 52n 72n Ц2п ~r -^ ^. Д-
1/11111
"г " V 3" """ s» "•" 3»» +3^" + Jp" "г И Т' Д"
1 f 1 ,1 , 1,1 , 1 | Л
Tjl ~?Ш + 34П + 54П + 74П + цт ~Г и т- Д• у
и т. д.
Если, кроме того, положим
1 11
" ~ ^ + 2П" + 2П" "Ь ^27Г
так что
то, беря гиперболические логарифмы, найдем
т'
_ j_ __ _J_
п "г 34п "•" 54" "•" 74п ~
1/1 1 1 1 1 Л
3 V 26П 30П 56П 7бп цеп ~т -И т. д. 1
_1_/_1 ^^_ , _J_ _j__j_ J_ >
4 V 28п 38п "^ 58п 78п ' Цвп"т" и т- Д- J
И Т. Д.
Соединяя эти результаты, получим
/М-1/ЛГ=+1(^ + ^ + р + ^+пй + и т. д.)
, J_ f _1_ , _1_ , _J_ , _J_ , J_ ,
3 \ 2зп "•" 38П 5ЗП "•" 7ЗП цзп "г и т
J_/_J_ , _1_ , _J_ 1 _J_ 1 _L 1 Л
5 V 26n 3°" ^~ 55n 75n "•" 11бп + и Т- Д" J
1/11, 1,1,1, Л
T V 27n ^~ 37" ^ "» ^~ 77" ^~ Ш™ T" ^' /
и т. д.
279. Если п = 1, то
= 1 + 1^-1 + А + и т. д. =
б '
222 ГЛАВА XV
отсюда
1 , Я2 ,./'1,1,1.1,1,
Z +1С + + '+1Т + и т. д.
i , i , i _,
53 + 73 + ТР" + и т> Д-
1/1111 1
(++++ + И Т
JL _ ,
23 + З3 + 53 + 73 + ТР"
1/1111 1
И Т. Д.
Все эти ряды, за исключением первого, не только имеют конечные
суммы, но и взятые вместе дают конечную сумму, и притом довольно
небольшую; отсюда сумма первого ряда
1 1 1 Г1 1
1Г + Т + 1Г+Т + 1Т + ИТ- Д-
необходимо должна быть бесконечно большой, т. е. должна быть меньше
гиперболического логарифма ряда
1 + У + У + + + + ит
на достаточно малую величину.
280. Пусть /г = 2; тогда
и N = .
'" 6 90 '
отсюда
+^ + ^ + -1 + 1^ + и т. д.
111111 Л
TV 27+3^+57+-7Т + 11Т+и т- Д-J
и т. д.,
^+^ + ^ + -1 + 1^ + ит. д.)
., „о-.1 ¦ 1.1. 1
3
и т. д
т. д.
т. д.
1 / 1 J_ , 1 J_ 1_ . Л
т~ "g" l^2w "г 3io T~ 5iiT~ 7io + що+и т" Д- J
И Т. Д.
О РЯДАХ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ПЕРЕМНОЖЕНИИ СОМНОЖИТЕЛЕЙ 223
281. Хотя закон последовательности простых чисел неизвестен,
однако нетрудно приближенно указать суммы таких рядов с более высо-
высокими степенями. Пусть даны ряды
М"=1 + ^+^ + ^ + ^ + ^+^ + и т. д.
и
" 2" Зп 5" 7" 11" 13" И Т' ^''
тогда
<f = M'_1_—— 1—-i_J_ L_CT
4я 6n 8" 9n 10n T' Д''
а так как
2« 2n 4™ 6n 8™ 10n 12™ ^ T" ^"'
то
M 111 1
^=^~2"~1^~2""~9»~15»"~2Т"~И Т" Д-
или
S-iM-l^l-^-l-jL-^-^-^-n т. д..
и так как
+ + + +И т
то будем иметь
1)A^)A4) + ^-^-з^-^-и т. д.
Отсюда по данной сумме М удобно найдется значение ^,гесли, впрочем,
п будет числом умеренно большим.
282. Когда найдены суммы высших степеней, то по выведенным
формулам можно получить суммы меньших степеней. По^ этому методу
получатся следующие суммы ряда:
2?i "Т" зп"Г gn + yn "Г jjiiT 13П+ ^yn ~ГИ Tg Д--
если
n = 2,
n = 4,
n = 6,
n = 8,
n = 10,
n=12,
n = 14,
n = 16,
n = 18,
n = 20,
то сумма ряда будет
0,45224 74200 41065,
0,07699 31397 64247,
0,01707 00868 50637,
0,00406 14053 66518,
0,00099 36035 74437,
0,00024 60264 70035,
0,00006 12443 96725,
0,00001 52820 26219,
0,00000 38172 78703,
0,00000 09539 61124,
n = 22, 0,00000 02384 50446,
224 ГЛАВА XV
гс = 24, 0,00000 00596 08185,
и = 26, 0,00000 00149 01555,
п = 28, 0,00000 00037 25334,
и = 30, 0,00000 00009 31327,
п = 32, 0,00000 00002 32831,
п = 34, 0,00000 00000 58208,
п = 36, 0,00000 00000 14552х).
Остальные суммы четных степеней убывают в отношении 4 к 1.
283. Можно также и непосредственно произвести обращение ряда
1 + 2^ + 3^Н^+И Т> Д>
в бесконечное произведение следующим образом. Пусть
1111111
у1 1 + + + + + + + +И Т Д;
если вычесть
j_ л _ 1
"^ 4П"^ 6П 8
j_ л _ 1 1 1 1
2« 2П"^ 4П"^ 6П 8П ' И Т' д'!
то получим
A-^)'4=1+^ + ^ + 74 + ^ + и т. д. = Я;
так устранены все члены, делящиеся на 2. Если вычесть
J_R_J_J_-*_ J L J_ 4 _L
3"й ~ Зп + 9" + 15п + 21""И Т- Д>'
то будем иметь
^^^H^ + i + ili + i + i т. д. =
Так, сверх того, устранены псе члены, делящиеся на 3. Если вычесть
1 г_ 1
5п 5я
1 г_ 1 1 1 1
5п 5я"' 25™ + 35" + 55п"' И Т' Дм
то получится
Здесь устранены также и все члены, делящиеся на 5. Таким же обра-
образом устраняются члены, делящиеся на 7, 11 и на остальные простые
числа; при этом ясно, что по удалении всех членов, которые делятся
на простые числа, останется одна только единица. Поэтому после под-
с ановки значений В, С, D, Е и т. д., наконец, получится
Отсюда сумма данного ряда будет
L) Значения этих сумм для п = 2, 4, 6, 8, 10, 12, 18, 20, 24, 28, 30, 32, 34, 315
исправлены в соответствии с Opera omnia.
О РЯДАХ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ПЕРЕМНОЖЕНИИ СОМНОЖИТЕЛЕЙ 225
ИЛИ
. _ 2" 3" 5" 7П 11П
2"—1 " 3"—1 5"^1 7П—1 ' 11"—=1 'И Т" Д*
284. Этот же метод удобно может быть применен к обращению
в бесконечные произведения и других рядов, суммы которых мы нашли
раньше. Так (§ 175), мы нашли суммы рядов
1 1 11 1 1
3™ 5»~~ 7" 9" ~~ П" ' 13" ~~ И Т* Д"
при /г нечетном; они равны Njtn, причем значения N нами даны там же.
Следует, однако, заметить, что так как здесь встречаются только нечет-
нечетные числа, то те из них, которые имеют форму.4m -f 1, будут со знаком
плюс, остальные же, вида 4т—1, со знаком минус. Пусть
3""^5" 7n '9" ~~ \in ' 13" 15" ' И'Т' Д'
Прибавим
_1 и_!1_А,А._ J_ , J__
3" 3" 9"+15" 21" + 27" И Т' Д-;
получится
5" 5"""5"
Вычтем
_J_
5" 5"""5
это даст
где уже недостает чисел, делящихся на 3 и на 5. Прибавим
JnС — ijn~~49"~~ 77"~^"И т" Д''
получим
A + 1)с=1_т{-п+11н + ^-и т. д. = Л
Так устраняются числа, делящиеся на 7. Прибавим
цп^.-цп. 121«у + и т# д-;
получится
Так устраняются числа, делящиеся на 11. Исключая этим способом все
остальные числа, делящиеся на прочие простые, наконец, получим
+ 77я 1— Ton И Т. Д. = 1,
ИЛИ
3" 5" 7" 11" 13" 17"
13"—1 ' 17"—
Т# Д'
15 л. Эйлер, т. 1
226 ГЛАВА XV
где в числителях встречаются степени всех простых чисел; они входят и
в знаменатели, увеличенные или уменьшенные на единицу, смотря по
тому, будут ли простые числа вида 4т—1 или 4т + 1-
285. Если положить п — 1, то, так как А = -г-, будем иметь
i^__3_^J79 23
Т~Т'Т'82'12"Тб0'24'И Т- Д
выше же [§ 277] мы нашли
я2 4 З2 52 72 II2 132 172 192
1Г~1Г2Т4'41Г 6^8 ЧоЛ2' \2Ai" 1бЛ8' 18^20
По разделении второго на первое получится
И Т- Д"
2я 4 3 5 7 И 13 17 19 23
или
3 3 ' 2 ' 6 ' 6 '104'18'18'22'И Т- Д'
^__3j5_J7_H317l9 23
~2 ~ 2 ' 6 "б"Т0'14'1882'И Т' Д-'
где в числителях стоят простые числа, знаменатели же являются чис-
числами нечетно-четными, отличающимися на единицу от числителей. Если
это снова разделить на произведение для -г , то получим
9 — — — — — — — — —
2 ' 6 ""' 10* 14" 18' 182'и Т" Д-'
или
„__2_ _2_ 4_ _6_ _6^ ^_ 10 12
1'?'3'""9'9'Т1'ИТ" Д';
эти дроби образуются из простых нечетных чисел 3, 5, 7, 11, 13, 17
и т. д. путем разбиения их на две части, различающиеся на единицу,
причем для числителей взяты четные, а для знаменателей —нечетные
части.
286. Сравним эти выражения с формулой Валлиса 1):
или
так как [§ 277]
~8 ~~ 2А'4^6' 6^' 1(М2" 12
то, деля предыдущее выражение на это последнее, получим
32 _ 9-9 15-15 21-21 25-25
~п» ~ ШО 'Т4Л6'20^22'24^26-И Т- Дм
причем в числителях встречаются все нечетные составные числа.
я
2
4
я
с2
2
1
3
3-
¦ 2-
•3
•3
•4
3
4-
•3
5
4
5-
4-
• 5
• 5
• 6
5
6-
¦5
7
6
7-
6-;
¦ 7-
• 7
¦8
7
8-1
7-
?
8
11
У -10
9-9-
1.9
•10
•И
•10
и-
и-
10-
13-
¦12
11
И
12
13
т' Д->
См. примечание [39] (к § 185).
О РЯДАХ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ПЕРЕМНОЖЕНИИ СОМНОЖИТЕЛЕЙ 227
287. Пусть и = 3; тогда А = ^- [§175], откуда
/3
и т. д.
32
я3 З3 53 7" И3 133 173
32 ~ 33 + 1 ' 53—1 " 73 + 1 113 + 1 ' 133 —1 ' 173 —
Но из ряда [§ 167]
Й=1+^ + ^г + ^ + 1»+и т. д.
получаем [§ 277]
я" 2« З6 56 7« И6 136
945~2»^Гз^Г56 — Г7е — Г 11й —1 " 13« — 1 'И Т' Д->
или [54]
яе _ З6 56 76 И6 136
960" З6 —1 ' 56 —1 " 7е — 1 "И6 —Г136 —ГИ Т' Д'
После деления на первое произведение это дает
я3 _ З3 53 73 И3 133 173
0""" З3—1 ¦ 53 + 1 ' 73 —1 ' И3 —1 " 133 + 1 " 173 + 1 'И Т" Дм
последнее после повторного деления на первое дает
16 _ 33+1 53 —1 73 + 1 U3 + l 13s — 1 173 — 1
15"" З3 —1 ' 53 + 1 ' 73 —1 ' И3 —1 " 133-j-l ' 173-1-1 "И Т" Д"
или
16 _14 62 172 666 1098
15~13'63"Ш'665"ТО99-И Т" Д''
эти дроби образуются из кубов простых нечетных чисел путем разбие-
разбиения их на две части, различающиеся на единицу, причем для числи-
числителей взяты четные, а для знаменателей нечетные части.
288. Из этих выражений опять можно составить новые ряды,
в которых знаменатели образуются всеми натуральными числами. В самом
деле, так как [§ 285]
я 3 5 7 11 13
4 3 + 1 5 — 1 7 + 1 11 + 1 13—1
ТО [55]
я 1
¦и т. д.,
откуда путем развертывания получаем ряд
здесь закон знаков состоит в следующем: число 2 имеет знак минус,
простые числа вида hm—1 знак минус, простые же числа вида 4w + l
знак плюс; числа же составные имеют знаки соответственно образова-
1
нию этих чисел из простых путем умножения. Так, знак дроби -^ будет
минус, потому что
60 = 2-2-3-5.
Подобным образом, далее,
л_ 1
15*
228 глава xv
откуда получается ряд
где число 2 имеет знак плюс, простые числа вида Am — 1 знак минус,
простые числа вида Am -f-1 знак плюс; всякое же составное число имеет
тот знак, какой ему соответствует при составлении из простых чисел
по правилу умножения.
289. Так как, далее [§ 285],
я 1
то при развертывании получится
я, ,11, 1,1
1 + + +
где встречаются только нечетные числа; знаки же чередуются так, что
простые числа вида Am—1 имеют знак плюс, простые числа вида
Am +1 знак минус; отсюда одновременно определяются знаки чисел
составных.
Из этого можно, далее, получить два ряда, где встречаются все
числа. А именно.
откуда при развертывании получается
,,1,1,1 1,1,1,1,1 1,
л = 1+2- + Т + Т" + 1Г + Т + ? + 1Г-10+ и т'Д-;
здесь число 2 имеет знак плюс, простые числа вида Am — 1 знак плюс,
простые же числа вида Am -f 1 знак минус.
Вместе с тем
iX'-IX'-n) С+А)
откуда при развертывании получится
я , 1,1,1 1 1,1 11,1,1,
т = 1__+_ + _____ + __т + _ + _+ и т.д.;
здесь число 2 имеет знак минус, простые числа вида Am — 1 знак плюс
и простые числа вида Ат-\-1 знак минус.
290. Отсюда можно также вывести бесчисленные другие последова-
последовательности знаков, при которых могут быть найдены суммы рядов,
составленных из чисел
1 J. -1 .1 J_ JL J_ i.
Х> 2 ' 3 ' 4 ' 5 ' 6 ' 7 ' 8 и т< Д-
Действительно, так как
О РЯДАХ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ПЕРЕМНОЖЕНИИ СОМНОЖИТЕЛЕЙ 229
то, умножив это выражение на j— = 2, получим
где число 2 имеет знак плюс, 3 —знак плюс, остальные простые числа
вида Am — 1 знак минус, простые числа вида Am -f 1 знак плюс и соот-
соответственно этому определяются знаки чисел составных. Подобным обра-
образом, так как
1
то, умножив на -г = -г-, получим
Зя
откуда при развертывании получается
Зя ,,1.1.1.1.1.1,1.1.1.1.1 1
д"
здесь число 2 имеет знак плюс, простые числа вида Am — 1 знак плюс,
и простые числа вида Ат + 1, исключая 5, — знак минус.
291. Можно также получить бесчисленное количество таких рядов,
у которых сумма равна нулю. Так как [§ 277]
о = А — А 1 М 15 1Z
3 " 4 ' 6 " 8 2'14'18" И Т* Д>'
то
0 =
откуда, как мы видели выше, получается
п а 1 1 . 1 1.1 1 1,1,1
01 + + + +
здесь все простые числа имеют знак минус; знаки же чисел составных
4+
следуют правилу умножения. Но, умножив это выражение на -г = 3,
1
получим
1
230 ГЛАВА X"V
откуда при развертывании получается
п . ; 1 1,1 1 1 1,1,1 1 .
ит'
здесь число 2 имеет знак плюс, все прочие простые числа знак минус.
Подобным образом будет также
1
)"-¦
откуда получается ряд
где все простые числа, кроме 3 и 5, имеют знак минус.
Вообще следует заметить, что всякий раз, когда все простые числа
за исключением некоторых имеют знак минус, сумма ряда равна нулю.
Напротив, как только все простые числа за исключением некоторых
будут иметь знак плюс, сумма ряда будет бесконечно большой.
292. Выше (§ 176) мы дали сумму ряда
2я + 4" 5n+7n 8n + 10" 11»+13я И Т" Д->
если п — число нечетное. Прибавляя к этому ряду
jl_.___l__J_J_ 1_ J
2п 2™ 4" 8™ 10™ 14П И
получим
\ +2«У 5^+7" Й^+13" 17" + 19^~23^ + 25«~" ИТ- Д"
Прибавим
5» = 5" ~~ 25™ + 35"~' 55" + И Т" Д->
получится
-— 1 1 ~г~ — 1 D == 1 Н — Н Ч — II Т. И.
\ 5" / 7" 11™ i 3" 17™ 19" 23"
Отнимем
1 /- 1 , 1 1 ,
fh^ = у"" ' 49"~ 77™+ И Т" Д''
получим
л /, _ 1 Л^__ ,_ 1 . 1 1,1
Отсюда, в конце концов, получаем
где все простые числа, превосходящие на единицу кратные шести,
имеют знак минус, меньшие же на единицу кратных шести — знак плюс.
Итак,
, _ 2П 5п 7" 11П 13™
1 ~2^+\' 5п+1 ' 1п— 1 ' 11»4-1 ' 13"—1 ' И Т' Д-
О РЯДАХ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ПЕРЕМНОЖЕНИИ СОМНОЖИТЕЛЕЙ 231
293. Рассмотрим случай л = 1, когда А = —— ; получим
о у о
3/3~ 3 ' 6 \6 ' \2 \2 №'\&'Ж Т# Д-1
где в числителях встречаются все простые числа, следующие за чис-
числом 3, соответствующие же знаменатели отличаются от числителей на 1
и все делятся на 6. Так как [§ 277]
5!_А 1^У 11-11 13-13
6 ~ 3 ' 8 '4-б"б-8'10-122-14' И Т' Дм
то, разделив зто выражение на предыдущее, будем иметь
л/3 _ 9 Ъ_ 1_ 11 13 17 19
"~2 ~Т'Т'"8"'10'14б'2б" И Т" Дм
где знаменатели на 6 не делятся; или будет
л __1Ь 1_ 11 13 17 19 23
__j[ ;]_ 11 13 17 19 23
3]/з 4 8 10 14 16 20 22
Последнее после деления на предыдущее дает
__ 6 6 12 12 18 18 24
3 ~~
или
3 4 ' 8 "Ю*14б'20'22' И
1-1 1 1 i I I i?
3 ~ 2 "Т" 5 'У 8 'ЮЧГ И Т" Д''
где отдельные дроби образуются из простых чисел 5, 7, Ни т. д.,
причем эти числа разбиваются на две части, различающиеся на
единицу, и части, делящиеся на 3, берутся все время в качестве чис-
числителей.
294. Мы видели выше [§ 285], что
__ __ 5 7 И 13 17
4 ~"Т'
или
4 " 4 ' 4 ' 8 ' 122'16" И Т' Д"
я _ 5 Т_ 11 13 17 19
3~~ Т"ТГ'122'16'2О' ит-д-;
поэтому, если вышеприведенные выражения для —— и —-= разделить
zi у о о | о
на последнее, то получится
^ 8 10 14 16
2
2
i 2
3
6
4
3
6
8
9
12
10
9
18
14
15
24
16
15
30
В первом выражении дроби образуются из простых чисел вида
12/72 + 6^1, во втором —из простых чисел вида 12/га ± 1, причем каж-
каждое из них разбивается на две части, различающиеся на единицу, и
232 ГЛАВА XV
четные части берутся в качестве числителей, нечетные же в качество
знаменателей.
295. Рассмотрим еще найденный выше (§ 179) ряд
Л 4.111,1,111, л
+ + + + ^
будем иметь
1 111111
ТЛ=а+19™15~2Т + 27 + 33
и вычитание дает
= У5~35 + 55~ И
Прибавим
D 1 1 1,1
ТВ = +
получится
. = 1_^. + ^_^ + i + ^_ и т. д. = с.
Продолжая поступать таким же образом, придем, наконец, к равен-
равенству
где знаки располагаются так, что у простых чисел вида 8яг+1 или
8яг + 3 будет знак минус, у простых же чисел вида 8« + 5 или 8гп + 7
будет знак плюс. Итак, отсюда
2
я __3__5_7_!!13 17 1?23
j/2~ 2 ' 6 ' 8 'ю'14'16'18'24* И Т> Д''
где все знаменатели либо делятся на 8, либо суть только числа нечетно-
четные. А так как [§ 285]
[я__3 Ъ_ 1_ 1113171923
4 ~~ 4 " 4 ' 8 '12'12'1б'20'24' И Т' Д*'
^__3_ ^ 7 11 13 17 19 23
"" 2 '
и, значит,
2 "" 2 ' "б0"Т4'18'182' и
л2_313 5^ 7-7 11-11 13-13
8 ~2-4-б'б-8'10-12*12-14" и Т- Дм
то будет
я _Г?[5__7_1113171923
21Л2~" 4 ' 4 " 6 '12'12'18'202"И Т" Д*'
где не встрзчаются вовсе знаменатели, делящиеся на 8, но встречаются
четно-четные, причем все эти знаменатели отличаются от числителя
на единицу [5в]. Первое равенство после деления на последнее дает
1 \3 " 4 " 5 ' 7 ' 8 ' 9 '12' и т' д';
О РЯДАХ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ПЕРЕМНОЖЕНИИ СОМНОЖИТЕЛЕЙ 233
эти дроби образуются из простых чисел путем разбиения каждого из них
на две части, различающиеся на единицу, причем четные части (если
только они не являются четно-четными) берутся в качестве числителей.
296. Подобным образом можно преобразовать в произведения сомно-
сомножителей, состоящих из простых чисел, остальные ряды, которые мы
нашли выше (§ 179 и след.) для выражения дуг круга. Таким же
путем можно вывести много других замечательных свойств как этих
произведений, так и бесконечных рядов1). Так как я здесь уже упомя-
упомянул главные из них, то не буду останавливаться на выводе многих,
а перейду к иному родственному с этим предмету, именно: как в этой
главе рассматривались числа в их возникновении из перемножения, так
в следующей будет рассмотрено происхождение чисел из сложения.
х) Это утверждение требует оговорок. См. вступительную статью А. Шпайзера,
стр. 13.
ш
ГЛАВА XVI
О РАЗБИЕНИИ ЧИСЕЛ НА СЛАГАЕМЫЕ ["]
297. Пусть дано выражение
A + xaz) A + xp~z) A + хУг) A + x6z)(l + xez) и т. д.;
исследуем, какой вид оно примет при развертывании путем перемно-
перемножения. Положим, что получится
Q + -a т. д.;
при этом ясно, что Р будет суммой степеней ха-f- аР + ху + х6 + и т. д.
Затем Q будет суммой произведений различных степеней по две, т. е.
совокупностью многих степеней х, показатели которых представляют
суммы двух различных членов ряда
а, р, у, б, е, ?, ц и т. д.
Подобным образом R будет совокупностью степеней х, показатели
которых представляют суммы трех различных членов. Далее, S будет сово-
совокупностью степеней х, показатели которых являются суммами четы-
четырех различных членов того же ряда а, |3, у, б, е и т. д., и так далее.
298. Отдельные степени х, входящие в значения букв Р, Q, R, S
и т. д., будут иметь коэффициентом единицу, если показатели их могут
быть образованы из чисел а, |3, у, б и т. д. единственным способом;
если же показатель одной и той же степени может несколькими спосо-
способами представлять сумму двух, трех или более членов ряда а, |3, у,
б, е и т. д., то такая степень будет иметь коэффициент, заключающий
в себе столько же единиц, сколько существует таких способов. Так,
если в значении Q находится Nxn, то это будет указывать, что число
п может быть представлено в виде суммы двух различных членов ряда
а, |3, у, б и т. д. N различными способами. Если при развертывании
данного произведения встретится член Nxnzm, то его коэффициент Лг
укажет, сколькими различными способами число п может быть пред-
стаплено в виде суммы т различных членов ряда а, |3, у, б, е, ? и т. д.
299. Итак, если данное произведение
A + xaz) A + x$z) A + xVz) A + x&z) и т. д.
развернуть путем фактического перемножения, то из полученного выра-
выражения тотчас станет видно, сколькими различными способами данное
число может быть представлено и виде суммы того или другого числа
О РАЗБИЕНИИ ЧИСЕЛ НА СЛАГАЕМЫЕ 235
различных членов ряда
а, р, у, 6, е, ? и т. д.
Так, если требуется узнать, сколькими различными способами число п
может быть представлено в виде суммы «г различных членов этого ряда,
то надо в развернутом выражении найти член xnzm; его коэффициент
и укажет искомое число.
300. Для пояснения этого пусть дано бесконечное произведение
(l + zz)(l+zaz)(l + a:3z)(l + a:4z)(l + a;5z) и т. д.,
которое при фактическом перемножении дает
и т. д.)
и т. д.)
+ z4 (ж10 + х11 + 2х12 + Зж13 + 5ж14 + 6ж15 + 9ж" + 11ж17 + 15хи + и т. д.)
+ z5 (ж15 + х16 + 2х17 + Зх18 + 5х19 + 7xw + Юж21 + 13ж22 + Шгз + и т. д.)
+ z6 (ж21 + ж22 + 2х23 + Зж24 + 5ж25 + 7ж26 + 1Ь27 + 14ж28 + 20.x29 + и т. д.)
и т.д.)
и т.д.)
+ и т. д.
Из этих рядов сейчас же можно определить, сколькими различными
способами может получиться данное число из определенного количества
различных членов ряда
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и т. д.
Так, если надо узнать, сколькими способами число 35 может быть
представлено в виде суммы семи различных членов ряда 1, 2, 3, 4, 5,
6, 7, 8 и т. д., то следует найти в ряде, умноженном на z7, степень
х36; ее коэффициент 15 укажет, что данное число 35 может быть пред-
представлено в виде суммы семи членов ряда 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и т. д.
пятнадцатью способами.
301. Если положить z= 1 и подобные степени х собрать в одну сум-
сумму или, что сводится к тому же, если развернуть бесконечное ныражение
(I + х) (I + х2) A-)-х3) A + х*) (\ + хь) A + хв) и т. д.,
то получится ряд
l+x + x2 + 2xs + 2xi + 3xb+ix6+5x'7+Qxs+ и т. д.,
где каждый коэффициент указывает, сколькими различными способами
показатель степени х, получившийся в результате приведения, может
возникнуть путем сложения различных чисел ряда 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и т. д.;
так, обнаружится, что число 8 может быть получено при сложении
различных чисел шестью способами, именно,
8 = 8, 8 = 6 + 2, 8 = 5 + 2+1,
8 = 7+1, 8 = 5 + 3, 8 = 4 + 3 + 1,
причем следует заметить, что само данное число также должно входить
236 ГЛАВА XVI
в расчет, так как число членов в каждой сумме не определено, а сле-
следовательно, и число 11) отсюда не исключается [58].
302. Отсюда понятно, каким образом получается всякое число
путем сложения различных чисел. Условие же, чтобы члены были
различными, отпадает, если переставить эти множители в знаменатель.
Пусть дано выражение
1
A—Л)A-Л)A-Л)A_А)A — xEz) и т. д. '
которое при развертывании путем деления дает
и т. д.
При этом ясно, что Р будет совокупностью степеней х, показатели кото-
которых содержатся в ряде
а, р\ у, б. е, ?, Л и т. д.
Затем Q будет совокупностью степеней ж, показатели которых пред-
представляют сумму двух членов этого ряда, одинаковых или различных.
Далее, R будет суммой степеней ж, показатели коих получаются при
сложении трех членов этого ряда. S будет суммой степеней, показатели
которых образуются путем сложения четырех членов этого ряда, и т. д.
303. Итак, когда все выражение будет представлено в виде суммы
отдельных членов и подобные будут соединены вместе, то будет видно,
сколькими различными способами может получиться данное число п
путем сложения т различных или одинаковых членов ряда
а, р\ у. б, е, ?, г\ и т. д.
Надо только найти в развернутом выражении член xnzm. Пусть его
коэффициент будет N, так что весь член равен Nx.nzm, тогда коэффи-
коэффициент N укажет, сколькими различными способами можно получить чис-
число п посредством сложения т членов ряда а, р, у, б, е и т. д. Этим путем
разрешится вопрос, аналогичный тому, который мы рассмотрели раньше.
304. Применим сказанное к следующему особенно замечательному
случаю: пусть дано выражение
1
A — xz) A — ггг)A — хН) A — z4z)(l — xbz) и т. д. '
которое при выполнении деления дает
1+2(ж + ж2 + х3 + ж4 + а;5 + а;в+ж7 + а;8 + ж9+и т. д.)
+ z2 (ж2 + ж* + 2ж4 + 2а;5 + За;6 + За;7 + 4ж8 + 4ж9 + 5ж10 + и т. д.)
+ и т. д.)
+ z5 (ж6 + ж6 + 2а;7 + За;8 + 5а;9 + 7х10 + Юж11 + 13ж12 + 18zls + и т. д.)
+ z6 (а;6 + ж7 + 2ж8 + Зж9 + 5а;10 + 7Ж11 + 11а;12 + 14ж13 + 20ж14 + и т. д.)
+ 27(ж7 + ж8 + 2ж9 + Зж10 + 5ж11 + 7ж12+Иж13+15ж14 + 21ж15 + и т. д.)
+ z8 (ж8 + а;9 + 2ж10 + Зж11 + 5ж12 + 7ж13 + 11а;14 + 15ж15 + 22а;16 + и т. д.)
+ и т. д.
To есть случай 8 = 8, когда в сумме всего один член (8).
О РАЗБИЕНИИ ЧИСЕЛ НА СЛАГАЕМЫЕ 237
Из этих рядов тотчас можно определить, сколькими различными спосо-
способами может получиться данное число путем сложения заданного числа
членов ряда
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и т. д.
Так, чтобы узнать, сколькими различными способами может получиться
число 13 путем сложения пяти целых чисел, надо взглянуть на член
a;13z5; его коэффициент 18 указывает, что данное число 13 может быть
получено сложением пяти членов восемнадцатью способами.
305. Если положить г=1 и собрать вместе подобные степени х, то
выражение
1
A— x)(i — г2)A— г3)A — z4)(l — z6)(l—хе) и т. д.
развернется в ряд
2xz + 3xs + 5x* + 7х5 + 11хв+ 15Х + 22х& + и т. д.,
в котором любой коэффициент указывает, сколькими различными спосо-
способами показатель соответственной степени может получиться при сложе-
сложении целых чисел, одинаковых или различных. Так, по члену 11а;6
видно, что число 6 может быть получено при сложении целых чисел
одиннадцатью способами, а именно
6 = 6, 6 = 3+1 + 1 + 1,
6 = 5 + 1, 6 = 2 + 2+2,
6 = 4+2, 6 = 2+2+1 + 1,
6 = 4+1 + 1, 6=2+1 + 1 + 1 + 1,
6 = 3 + 3, 6=1+1 + 1 + 1 + 1-1-1,
6 = 3 + 2+1,
где также надо заметить, что и само данное число дает один способ,
так как оно заключается в ряде чисел 1, 2, 3, 4, 5, 6 и т. д.
306. После этого общего изложения рассмотрим внимательнее, как
найти число этих соединений. Рассмотрим сначала такое соединение
целых чисел, в котором допускаются только различные числа и о кото-
котором мы говорили раньше. Пусть для этой цели дано выражение
sz)(l + a:4z)(l + a:5z) и т. д.,
которое, будучи развернуто и расположено по степеням z, дает
Z = l+Pz + Qz2 + Rz? + Szi + TzB + H т. д.;
надо найти способ быстрого получения функций Р, Q, R, S, Т и т. д.
переменного х; этим путем можно дать наилучший ответ на поставлен-
поставленный вопрос.
307. Ясно, что если вместо z подставить xz, то получится
A + a;2z) (I + x*z) (I + a;4z) A + a;5z) и т. д. = j-f- ;
значит, при подстановке xz вместо z значение произведения, которое
238 ГЛАВА XVI
было Z, перейдет в гт:— , и так как
X —р- XZ
+ H т. д.,
то будет
т-?- = 1 + Pxz + Qx2z2 +Rx3z3 + Sx*z* + и т. д.
Производя фактически умножение на 1 + xz, получим
Z=l + Pxz+Qx2z2+Rx3z3 + Sx*z* + n т. д.
+ xz + Px2z2 + Qx3z3 + Rx*z*+h т. д.
Сравнение этого значения Z с вышеуказанным дает
п х п Рх% d Qx3 с
Таким образом, для Р, Q, R, S и т. д. получаются такие значения:
1 — X '
X (А -r\ (\ %2\ л
Л==A — х)A — Х2)A — я:») '
гю
Л
A — х) A — х2) A — х3) A — г4) '
7' = f
A — 2) A-Х2) A-Х3) A-Х4) A-Х6)
и т. д.
308. Итак, мы можем этим способом выразить в отдельности любой
ряд степеней х, по которому можно определить, сколькими различными
способами может быть образовано данное число из заданного же коли-
количества целых частей путем сложения. Далее ясно, что эти отдельные
ряды будут рекуррентными, потому что они образуются при разверты-
развертывании в ряд дробной функции х. Так, первое выражение
Р =
1-х
дает геометрический ряд
x+x2 + x3+xi + xi + xe + x'? + и т. д.,
из которого ясно, что любое число будет содержаться по одному разу
в ряде целых чисел.
309. Второе выражение
дает ряд
в котором коэффициент любого члена показывает, сколькими способами
показатель х может быть разбит на две неравные части. Так, член 4х*
О РАЗБИЕНИИ ЧИСЕЛ НА СЛАГАЕМЫЕ 239
указывает, что число 9 может быть разбито на две неодинаковые части
четырьмя способами. Если разделить этот ряд на х3, то получится ряд
1 _j_х + 2х2 + 2х3 + Зх* + Зх5 + Ах6 + 4ж7 + и т. д.
доставляемый дробью
общий член ряда равен Nxn; из происхождения этого ряда видим, что
коэффициент N указывает, сколькими различными способами может
получиться показатель п путем сложения из чисел 1 и 2. Так как
общий член предыдущего ряда был равен Nxn*3, то отсюда выводится
такая теорема:
Сколькими различными способами число п может получиться путем
сложения из чисел 1 и 2, столькими же различными способами число
п -)-3 может быть разбито на две неравные части.
310. Третье выражение
A — l)(l — Z2)(l — X3)
при развертывании в ряд дает
х6 + х?+2ха + Зх9 + 4х10-\-5х11 + 7х1* + 8х13 + и т. д.,
где коэффициент любого члена указывает, сколькими различными спо-
способами показатель соответственной степени х может быть разбит на три
неравные части. Если же развернуть дробь
1
A — 1)A — Х2){1— X3) '
то получится ряд
1 _|_х + 2х2 + Зж3 + 4х* + Ъхь + 7х6 + 8х7 + и т. д.;
если общий его член положить равным Nx", то коэффициент N укажет,
сколькими различными способами может получиться число п путем
сложения из чисел 1, 2, 3. Так как общий член предыдущего ряда
равен Nxn*6, то выводом отсюда будет теорема:
Сколькими различными способами может получиться число п путем
сложения из чисел 1, 2, 3, столькими же различными способами может
быть разбито число п-\-6 на три неравные части.
311. Четвертое выражение
A — X) A — 22) (I_i3) A—zl)
при развертывании в рекуррентный ряд дает
х10 -f х11 -\- 2х12 + Зх13 + 5хы + 6х1& + 9х1а + 1 lz17 + и т.д.,
где коэффициент любого члена указывает, сколькими различными спо-
способами показатель соответственной степени может быть разбит на четыре
неравные части. Если же развернуть выражение
1
A — х) A — х*)A~х3) A —
240 ГЛАВА XVI
то получится вышеуказанный ряд, разделенный на ж10, именно,
± и т. д.;
пусть общий его член равен Nxn; ясно, что коэффициент N указывает,
сколькими различными способами может получиться число п путем
сложения из четырех чисел 1, 2, 3, 4. Так как общий член прежнего
будет равен Nxn*10, то получается теорема:
Сколькими различными способами может получиться число п путем
сложения из чисел 1, 2, 3, 4, столькими же различными способами
может быть разбито число п + 10 на четыре неравные части.
312. Вообще, если выражение
1
A — 2) A — X2) A — X3) . . . A—Хт)
развернуть в ряд, общий член которого равен Nxn, то коэффициент N
укажет, сколькими различными способами может получиться число п
при сложении чисел 1, 2, 3, 4, ..., т. Если же развернуть выражение
тп(тп+1)
— х)A — z2)(l — х3) ... A — хт) '
то общий его член будет равен Nx 2 ; здесь коэффициент N ука-
- т (m-4-l) ,,
жет, сколькими различными способами число п-\ у~о— может быть
разбито на т неравных частей. Отсюда вытекает теорема:
Сколькими различными способами может получиться число п путем
сложения из чисел 1, 2, 3, 4, ..., т, столькими же способами может
у. ,, , m(m-\-i)
быть разбито число п-\ -г^.—'- на т неравных частей.
313. Изложив разбиение чисел на неравные части, рассмотрим
такие разбиения, где не исключается равенство частей; эти разбиения
получаются из выражения
7 =
A — zz)(l — xH){i— x3z)(i — z4z)(l — xH) и т. Д. *
Пусть при^развертывании путем деления получится
Z=l + jPz+<?z2 + JRza + 'S'z4 + rzB + H т. д.
Ясно, что если вместо z подставить xz, то получится
(l-z2z) A-Л) A— xH) A—xH)
Произведя в развернутом ряде ту же подстановку, получим
(l~xz)Z=l+Pxz + Qx2z2 + Rxaza + Sxizi + n т. д.
Помножив ряд для Z на 1 — xz, найдем
(l-xz)Z=l + Pz + Qz* + Rza-Szi + K т. д.
— xz — Pxz2 — Qxz3 — Rxz* — и т. д.
О РАЗБИЕНИИ ЧИСЕЛ НА СЛАГАЕМЫЕ 241
Сравнение дает
г, х „ Рх г, Ох ,, Rx
т. д.
откуда для Р, Q, R, S и т. д. получаются следующие значения:
С
A — ж) A — ж2) A — ж3) A — х*)
и т. д.
314. Выражения эти отличаются от приведенных выше только тем,
что здесь числители имеют меньшие показатели, чем в предыдущем
случае. Поэтому ряды, получающиеся при развертывании, в отношении
коэффициентов совершенно сходны, что видно было из сравнения § 300
и 304, но лишь теперь становится понятной причина этого. Отсюда
вытекают теоремы, подобные полученным ранее, а именно:
Сколькими различными способами может получиться путем сложе-
сложения число п из чисел 1, 2, столькими же способами можно разбить
число п + 2 на две части.
Сколькими различными способами может получиться путем сложе-
сложения число п из чисел 1, 2, 3, столькими же способами можно разбить
число п + 3 на три части.
Сколькими различными способами может получиться путем сложе-
сложения число п из чисел 1, 2, 3, 4, столькими же способами можно раз-
разбить число n-\-k на четыре части.
И вообще будет иметь место теорема:
Сколькими различными способами может получиться путем сложе-
сложения число п из чисел 1,2, 3, . .., т, столькими оке способами можно
разбить число п -+- т на т частей.
315. Если же спрашивается, сколькими способами можно разбить
данное число на т неравных частей или на т частей как неравных,
так и равных, то оба вопроса разрешатся, если будет известно, сколь-
сколькими способами может получиться путем сложения всякое число из
чисел 1, 2, 3, 4, . .., т; это видно из следующих теорем, которые
выведены из предыдущих.
Число п можно разбить на т неравных частей столькими спосо-
т (то+1)
бами, сколькими может получиться путем сложения число п -г-~2—
из чисел 1, 2, 3, 4, ..., т.
Число п можно разбить на т равных или неравных частей столь-
столькими способами, сколькими может получиться путем сложения число
п — т из чисел 1, 2, 3, ..., т.
Отсюда, далее, следуют теоремы:
Число п можно разбить на т неравных частей столькими спосо-
способами, сколькими число п — —-г-=— можно разбить на т равных или
неравных частей.
16 л. Эйлер, т. 1
242 ГЛАВА XVI
Число п можно разбить на т неравных или равных частей столь-
, т. (т.— 1) ,.
кими способами, сколькими число п-\ ~о— можно разбить на т не-
неравных частей.
316. Образуя рекуррентные ряды, можно найти, сколькими раз-
различными способами может получиться путем сложения данное число п
из чисел 1, 2, 3, . . ., т. Для этого надо развернуть дробь
1
(i — x) (i — х*) A-х3) .,. (i — xm)
в рекуррентный ряд и продолжить его вплоть до члена Nxn; коэффи-
коэффициент Л' укажет, сколькими способами может получиться путем сло-
сложения число п из чисел 1, 2, 3, 4, .. ., т. Но этот способ решения
будет представлять немалую трудность, даже если числа т и п будуг
умеренно большими; именно, шкала отношения, которую дает знамена-
знаменатель, развернутый путем умножения, состоит из большого числа чле-
членов; поэтому продолжить ряд достаточно далеко несьма затруднительно..
317. Однако это исследование будет менее трудным, если сначала
разобрать более легкие случаи; от них уже легко будет перейти к слу-
случаям более сложным. Пусть общий член ряда, который получаете»
из дроби
1
A — з)A — ж2) A —ж3) . .. A — хт) '
будет равен Nxn, и член ряда, получаемого из
хт
(i — x) (i — x2) A —ж3) .. . A — хт) '
будет Мхп; здесь коэффициент М укажет, сколькими различными спо-
способами может получиться путем сложения число п — т из чисел 1,*2„
3, . .., т. Вычтем второе выражение из первого; останется
1 .
A— x)(i — х*){1— х3) ... A —х) '
ясно, что общий.член ряда, который получится отсюда, будет (N — М)хп;.
поэтому коэффициент N — М укажет, сколькими различными способами
можно получить путем сложения число п из чисел 1, 2, 3, ..., т — 1.
318. Стало быть, отсюда получаем следующее правило:
Пусть L будет число способов, посредством которых может полу-
получиться путем сложения число п из чисел 1, 2, 3, ..., т—1;
пусть М будет число способов, посредством которых может полу-
получиться путем сложения число п — т из чисел 1, 2, 3, ..., т;
пусть N будет число способов, посредством которых может полу-
получиться путем сложения число п из чисел 1, 2, 3, ..., т.
Тогда, как мы видели, будет
L = N-M,
и, стало быть,
Поэтому, если мы нашли, сколькими различными способами могут
получиться числа п и п — т путем сложения, первое —из чисел 1. 2..
О РАЗБИЕНИИ ЧИСЕЛ НА СЛАГАЕМЫЕ
243
Та блица
п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
И
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
I
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
и
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
9
10
10
И
11
12
12
43
13
14
14
15
15
16
16
17
17
18
18
19
19
20
20
21
21
22
22
23
23
24
24
25
25
26
26
27
27
28
28
29
29
30
30
in
1
2
3
4
5
7
8
10
12
14
16
19
21
24
27
30
33
37
40
44
48
52
56
61
65
70
75
80
85
91
96
102
108
114
120
127
133
140
147
154
161
169
176
184
192
200
208
217
225
234
243
252
261
271
280
290
300
310
320
IV
1
2
3
5
6
9
И
15
18
23
27
34
39
47
54
64
72
84
94
108
120
136
150
169
185
206
225
249
270
297
321
351
378
411
441
478
511
551
588
632
672
720
764
816
864
920
972
1033
1089
1154
1215
1285
1350
1425
1495
1575
1650
1735
1815
V
1
2
3
5
7
10
13
18
23
30
37
47
57
70
84
101
119
141
164
192
221
255
291
333
377
427
480
540
603
674
748
831
918
1014
1115
1226
1342
1469
1602
1747
1898
2062
2233
2418
2611
2818
3034
3266
3507
3765
4033
4319
4616
4932
5260
5608
5969
6351
6747
VI
1
2
3
5
7
И
14
20
26
35
44
58
71
90
110
136
163
199
235
282
331
391
454
532
612
709
811
931
1057
1206
1360
1540
1729
1945
2172
2432
2702
3009
3331
3692
4070
4494
4935
5427
5942
6510
7104
7760
8442
9192
9975
10829
11720
12692
13702
14800
15944
17180
18467
VII
1
2
3
5
7
И
15
21
28
38
49
65
82
105
131
164
201
248
300
364
436
522
618
733
860
1009
1175
1367
1579
1824
2093
2400
2738
3120
3539
4011
4526
5102
5731
6430
7190
8033
8946
9953
П044
12241
13534
14950
16475
18138
19928
21873
23961
26226
28652
31275
34082
37108
^0340
VIII
1
2
3
5
7
И
15
22
29
40
52
70
89
116
146
186
230
288
352
434
525
638
764
919
1090
1297
1527
1801
2104
2462
2857
3319
3828
4417
5066
5812
6630
7564
8588
9749
Ц018
12450
14012
15765
17674
19805
22122
24699
27493
30588
33940
37638
41635
46031
50774
55974
61575
67696
74280
IX
1
2
3
5
7
И
15
22
30
41
54
73
94
123
157
201
252
318
393
488
598
732
887
1076
1291
1549
1845
2194
2592
3060
3589
4206
4904
5708
6615
7657
8824
10156
11648
13338
15224
17354
19720
22380
25331
28629
32278
36347
40831
45812
51294
57358
64015
71362
79403
88252
97922
108527
120092
X
! 1
1
2
3
5
7
И
15
22
30
42
55
75
97
128
164
212
267
340
423
530
653
807
984
1204
1455
1761
2112
2534
3015
3590
4242
5013
5888
6912
8070
9418
10936
12690
14663
16928
19466
22367
25608
29292
33401
28047
43214
49037
55494
62740
70760
79725
89623
100654
112804
126299
141136
157564
175586
XI
1
2
3
5
7
И
is
22
30
. 42
fee
76.
99
131:
169
219
278
355
445
560
695
863
1060
1303
1586
1930
2331
2812
3370
4035,
4802
5708
6751
7972
9373
11004
12866
15021
17475
20298
23501
27169
31316
36043
41373
47420
54218
61903
70515
80215
91058
103226
116792
131970
148847
167672
188556
211782
237489
16*
242 ГЛАВА XVI
Число п можно разбить на т неравных или равных частей столъ-
, . т (т— 1) ,
кими способами, сколькими число п -| —=—- можно разбить на т не-
1 " Li
равных частей.
316. Образуя рекуррентные ряды, можно найти, сколькими раз-
различными способами может получиться путем сложения данное число п
из чисел 1, 2, 3, . . ., т. Для этого надо развернуть дробь
1
A-х) A — ж2) A-х3) . . . (i — xm)
в рекуррентный ряд и продолжить его вплоть до члена Nxn; коэффи-
коэффициент N укажет, сколькими способами может получиться путем сло-
сложения число п из чисел 1, 2, 3, 4, . . ., т. Но этот способ решения
будет представлять немалую трудность, даже если числа тип будуг
умеренно большими; именно, шкала отношения, которую дает знамена-
знаменатель, развернутый путем умножения, состоит из большого числа чле-
членов; поэтому продолжить ряд достаточно далеко весьма затруднительно.
317. Однако это исследование будет менее трудным, если сначала
разобрать более легкие случаи; от них уже легко будет перейти к слу-
случаям более сложным. Пусть общий член ряда, который получается
из дроби
1
A — Х)A— Ж2)A — X3) ... A — Хт) '
будет равен Nxn, и член ряда, получаемого из
хт
A— X)(i— Х2)A— X3) ... A — Хт)'
будет Мхп; здесь коэффициент М укажет, сколькими различными спо-
способами может получиться путем сложения число п—т из чисел 1,^2,.
3, ..., т. Вычтем второе выражение из первого; останется
1
A — х)(\ — ж2)A— х3) ... (l — x^-i) '
ясно, что общий.член ряда, который получится отсюда, будет (N — M)xn\:
поэтому коэффициент N — М укажет, сколькими различными способами
можно получить путем сложения число п из чисел 1, 2, 3, ..., т — 1.
318. Стало быть, отсюда получаем следующее правило:
Пусть L будет число способов, посредством которых может полу-
получиться путем сложения число п из чисел 1, 2, 3, ..., т — 1;
пусть М будет число способов, посредством которых может полу-
получиться путем сложения число п — т из чисел 1, 2, 3, .. ., т;
пусть N будет число способов, посредством которых может полу-
получиться путем сложения число п из чисел 1, 2, 3, ..., т.
Тогда, как мы видели, будет
L = N-M,
и, стало быть,
Поэтому, если мы нашли, сколькими различными способами могут
получиться числа п и п — т путем сложения, первое — из чисел 1, 2..
О РАЗБИЕНИИ ЧИСЕЛ НА СЛАГАЕМЫЕ 245
откуда видно, что коэффициенты этого ряда составляют ряд натураль-
натуральных чисел. Отсюда, полагая ж=1, видим, что при сложении членов
второго ряда таблицы по два получится ряд натуральных чисел:
1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 3 + 4 + 4 + 5 + 5 + 6+6+ и т. д.,
1 + 2+3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 + 9+10+11 + 12+ и т. д.
Итак, обратно, из ряда натуральных чисел находится вышеуказанный,
если отнять каждый член вышестоящего ряда от следующего члена
нижестоящего.
320. Третий вертикальный ряд получается из дроби
1
A— X) A~Ж2) A-Х3) '
Но так как
то ясно, что если сначала сложить по три члена этого ряда, а затем
опять по два члена нового, полученного таким путем ряда, то должны
получиться треугольные числа [в2], как это видно из следующей схемы:
1+1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 7 + 8+10+12+14+16 + 19+ и т. д.,
1 + 2 + 4 + 6+9+12+16 + 20 + 25 + 30 + 36 + 42 + 49+ и т. д.,
1 + 3 + 6+10+15 + 21+28+36 + 45 + 55 + 66 + 78 + 91+ и т. д.
И обратно, видно, каким образом должен получиться вышеуказанный
ряд из ряда треугольных чисел.
321. Подобным же образом, так как четвертый ряд получается
из дроби
1
A — х)A— х2) A_а;3)A_ж4) '
то будет
^
A— х)A — х-) A —а-з) A — ж") A — ху '
Если в четвертом ряде сначала сложить члены по четыре, а затем
в полученном ряде по три и, наконец, в последнем по два, то получится
ряд пирамидальных чисел, как можно видеть из следующего:
1 + 1 + 2 + 3 + 5 + 6 + 9+11 + 15+18 + 23+27+ и т. д.,
1 + 2 + 4 + 7 + 11 + 16 + 23 + 31 + 41 + 53 + 67 + 83+ и т. д.,
1 + 3+7+13 + 22 + 34 + 50 + 70 + 95 + 125 + 161 + 203+ и т. д.,
14-4 + 10 + 20 + 35 + 56 + 84+120 + 165 + 220+286 + 364+ и т. д.
Подобным же образом пятый ряд приведет к пирамидальным числам
второго порядка, шестой — к числам третьего порядка, и так далее.
244
ГЛАВА XVI
[Продолмсение таблицы]
п
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
I
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
II
31
31
32
32
33
33
34
34
35
35
Ш
331
341
352
363
374
385
397
408
420
432
IV
1906
1991
2087
2178
2280
2376
2484
2586
2700
2808
V
7166
7599
8056
8529
9027
9542
10083
10642
11229
11835
VI
19858
21301
22856
24473
26207
28009
29941
31943
34085
36308
VII
43819
47527
51508
55748
60289
65117
70281
75762
81612
87816
VIII
81457
89162
97539
106522
116263
126692
137977
150042
163069
176978
IX
132751
146520
161554
177884.
195666
214944
235899
258569
283161
309729
X
195491
217280
241279
267507
296320
327748
362198
399705
440725
485315
XI
266006
297495
332337
370733
413112
459718
511045
567377
629281
697097
3, . . ., т — 1, а второе — из чисел 1, 2, 3, . .., т, то, складывая, узнаем,
сколькими различными способами может получиться число п при сложе-
сложении чисел 1, 2, 3, ..., т. При помощи этой теоремы всегда можно
будет перейти от простейших случаев, не представляющих никакой труд-
трудности, к более сложным; этим путем составлена приложенная здесь
таблица [59], употребление которой состоит в следующем.
Если надо узнать, сколькими различными способами можно разбить
число 50 на 7 неравных частей, то в первом вертикальном столбце берем
7' 8
число 50 ^-=22, в верхней же горизонтальной строке — римскую
цифру VII; тогда число, находящееся на месте их пересечения, а имен-
именно 522, укажет искомое число способов.
Если же спрашивается, сколькими различными способами можно
разбить число 50 на 7 равных или неравных частей, то в первом верти-
вертикальном столбце берем число 50 — 7 = 43, которому в седьмом столбце
соответствует искомое число 8946 [в0].
319. Вертикальные ряды этой таблицы хотя и являются рекуррент-
рекуррентными, однако имеют очень тесную связь с числами натуральными,
треугольными, пирамидальными и последующими [в1]; имеет смысл
вкратце изложить эту связь. Так как из дроби
1
получается ряд
1 + % + 2ж2 + 2х3 + Зж* + 2>х& + 4ж6 + и т. д.,
а из дроби
A-х) A-х*)
— ряд
и т. д.
то, складывая эти два ряда, получим ряд
1 _i_ 2х + З.г2 + 4.-Г3 + 5х4 + 6хБ + 1хй + и т. д.,
который получается путем деления из дроби
i+x __ 1
A-*) (I-*2) "(I-*)*'
РАЗБИЕНИИ ЧИСЕЛ НА СЛАГАЕМЫЕ 247
то при развертывании дроби
A— Х)({ — Х*){1 — Ж3)A— Х*)A — Ж5)A — Я»)A — Ж') И Т. Д.
в рекуррентный ряд получим
1 + ж + 2х2 + Зх3 + 5х* + 1хъ + Их6 + 15ж7 + 22х8 -г- ЗОх9 + 42ж10 + 56хи +
+ 77xi2 + 101х13 + 135Х" + 176xi5 + 231xie + 297xi' + 385xi8 + 490xi9 +
+ 627x2°+ 792x2i+1002x22 +1255x23+1575x24+ и т_ д_1)
Итак, каждый коэффициент этого ряда указывает, сколькими раз-
различными способами показатель х может получиться из целых чисел
путем сложения. Так, число 7 может получиться путем сложения
пятнадцатью способами:
7 = 7, 7 = 4+2+1, 7 = 3 + 1 + 1 + 1 + 1,
7 = 6+1, 7 = 4+1 + 1 + 1, 7 = 2 + 2 + 2+1,
7 = 5 + 2, 7 = 3 + 3 + 1, 7 = 2 + 2+1 + 1 + 1,
7 = 5 + 1 + 1, 7 = 3 + 2 + 2, 7 = 2+1+1 + 1 + 1 + 1,
7 = 4 + 3, 7 = 3 + 2+1 + 1, 7 = 1 + 1 + 1+1 + 1 + 1 + 1.
325. Если же развернуть произведение
A + х)A+х2)A + х«)A + х4)A + х5)A + хв) и т. д.,
то получится ряд
l + x + x2 + 2z3 + 2x* + 3x5 + 4xe + 5x7 + 6x8 + 8x9 + 10x10+ и т. д.,
в котором каждый коэффициент указывает, сколькими различными спо-
способами может получиться путем сложения показатель х из неодинако-
неодинаковых чисел. Так, число 9 может получиться при сложении неодинако-
неодинаковых чисел восемью различными способами:
9 = 9, 9 = 6 + 2 + 1,
9 = 8+1, 9 = 5+4,
9 = 7 + 2, 9 = 5 + 3 + 1,
9 = 6 + 3, 9 = 4 + 3 + 2.
326. Для сравнения этих выражений положим
Р=A-х)A-х2)A-хЗ)A-х4)A-хБ)A-хв) и т. д.
и
Q = A + х) A + х2) A + хз) A + х*) A + хБ) A + ха) и т. д.;
тогда
Р(? = A-х2)A-х4)A-хв)A-х8)A-х1°)A-х12) и т. д.;
так как все эти множители заключаются в Р, то разделим Р на PQ;
получится
± = A-х)A-а*)A-3*)A-х->)A-з*) и т. д.,
Коэффициенты при ж23 и ж24 исправлены цо Opera omnia.
246
ГЛАВА XVI
322. Следовательно, обратно, из фигурных чисел могут быть обра-
образованы ряды, встречающиеся в таблице, посредством операций, которые
сами собой выясняются при рассмотрении следующего вычисления:
1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 + 9+10+ и т. д '
1+1+2+2 + 3 + 3 + 4 + 4 + 5+ 5+ и т. д
1 + 3 + 6+10 + 15 + 21 + 28 + 36 + 45 + 55+
1+2+4+ 6+ 9+12 + 16 + 20 + 25 + 30+
. 1 + 1 + 2+ 3+ 4+ 5+ 7+ 8+10 + 12+
и
и
и
т.
т.
т.
д
д
д
1
II
III
1 + 4+10+20 + 35 + 56 + 84 + 120+165 + 220+ и т. д.
1 + 3+ 7 + 13 + 22 + 34 + 50+ 70+ 95+125+ и т. д.
1 + 2+ 4+ 7 + 11 + 16+23+ 31+ 41+ 53+ и т. д.
1 + 1+ 2+ 3+ 5+ 6+ 9+ 11+ 15+ 18+ и т. д.
1 + 5 + 15 + 35 + 70+126+210 + 330 + 495+715+ и т. д.
1+4+11 + 24 + 46+ 80 + 130 + 200 + 295 + 420+ и тк д.
1 + 3+ 7+14 + 25+ 41+ 64+ 95+136 + 189+ и т. д.
1 + 2+ 4+ 7 + 12+ 18+ 27+ 38+ 53+ 71+ и т. д.
7+ 10+ 13+ 18+ 23 4- и т. д.
и т. д.
IV
V
1 + 1+ 2+ 3+ 5 +
Здесь первые ряды представляют фигурные числа; отнимая любой член
второго ряда от следующего члена первого, составляем второй ряд.
Затем отнимаем по два члена вместе третьего ряда от следующего члена
второго; таким образом, получается третий ряд; этим же способом, отни-
отнимая, далее, сумму трех, четырех и так далее членов от следующего
члена вышестоящего ряда, мы составим остальные ряды, пока не дойдем
до ряда, начинающегося с 1 + 1+2+ и т. д.; это и будет ряд, данный
в таблице на стр. 243—244 [83].
323. Вертикальные ряды этой таблицы начинаются все одинаково
и чем дальше, тем больше имеют вначале общих членов. Из этого видно,
что в бесконечности ряды эти друг с другом совершенно совпадут.
Получится ряд, возникающий из дроби
1 .
A-х) A —хг) A — х=<) A-х1) A —а;5) A-х6) A-х') и т. д. '
так как он рекуррентный, то сперва надо рассмотреть знаменатели для
получения отсюда шкалы отношения.
Если перемножить сомножители знаменателя, то получится
1 — X — X2 + ХЪ + X7 — X12 — Х1Ъ + X22 + X26 — ХЪЪ — Xi0 + Xй1 + И Т. Д.
При более внимательном рассмотрении этого ряда оказывается, что в нем
содержатся только такие степени х, показатели которых заключаются
в выражении вида —~^~'> ПРИ этом степени будут отрицательны, где п
нечетное, и положительны при п четном [в4].
324. Так как шкала отношения есть
4-1, +1, 0, 0, -1, 0, -1, 0, 0, 0, 0, +1, 0, 0, +1, 0, 0 и т. д.
О РАЗБИЕНИИ ЧИСЕЛ НА СЛАГАЕМЫЕ 249'
в котором показатели х возрастают вдвое. При развертывании этого
выражения получается ряд
Так как • здесь может возникнуть сомнение, будет ли этот ряд идти
до бесконечности по геометрическому закону, то придется его исследо-
исследовать. Пусть
P = (l-[-;r)(l4-:r2)(l + :r4)(l4-;z8)(l4-:rie) и т. д.,
и при развертывании получается ряд
Р = 1 4- ах 4- fix2 4- ух3 4- бж4 + ех5 -\- ?.хв 4- цх1 + ®х8 4- и т. д.
Ясно, что если вместо х написать х2, то получится произведение
(I + х*) A + х*) (I + х8) A + х1в) (\ + x3i) и т. Д. = j-^ .
Произведя такую же подстановку в развернутом ряде, получим
—^- = 1 4-ах2 + fix*4-Ухв4-bxs + ex10 + ?ж124- и т. д.;
помножим на 1 4- %', тогда
Р = 1 -\-x-f-ах24-о-х34- fix*4- fix54-ухв 4-ух7-\-бж84-бх9 4- и т. д.
При сравнении этого значения Р с указанным выше получится
стало быть, все коэффициенты будут равны единице, и поэтому раз-
развертывание данного произведения Р даст геометрический ряд
1 4> х 4- х2 4- х3 + х* + х5 + хй 4- х7 4- я8 4- и т. д.
329. Так как здесь встречаются все степени х, и каждая по одному
разу, то из вида произведения
следует, что всякое целое число может быть получено из различных
членов двойной1) геометрической прогрессии
1, 2, 4, 8, 16, 32 и т. д.
путем сложения, и притом единственным способом.
Это свойство известно из практики взвешивания; так, если имеются
гири в 1, 2, 4, 8, 16, 32 и т. д. фунтов, то этими гирями можно
взвешивать все грузы, если не требуются доли фунта [вв]. Так, десятью
гирями 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512 фунтов можно взвешивать
все грузы вплоть до 1024 фунтов, а если прибавить одну гирю
в 1024 фунта, то этого будет достаточно для взвешивания всех грузов
вплоть до 2048 фунтов.
330. Более того, из практики взвешивания известно, что даже при
помощи меньшего числа гирь, возрастающих в тройной2) геометрической
прогрессии, именно,
1, 3, 9, 27, 81 и т. д. фунтов,
!) То есть со знаменателем 2.
2) То есть со знаменателем 3-
¦250 ГЛАВА XVI
также можно извешивать нее грузы, если не нужны доли. Но при
таком взвешивании грузы, если это требуется, надо накладывать не на
одну только чашку, а на обе [вв]. Это оснонано на том, что из членов
тройной геометрической прогрессии 1, 3, 9, 27, 81 и т. д., если брать
только различные члены, можно получить путем сложения и вычита-
вычитания все решительно числа; так, например,
1 = 1, 5 = 9-3-1, 9 = 9,
2 = 3-1, 6 = 9-3, 10 = 9 + 1,
3 = 3, 7 = 9-3 + 1, 11 = 9 + 3-1,
4 = 3+1, 8 = 9-1, 12 = 9 + 3
и т. д.
331. Чтобы показать истинность этого, я рассмотрю такое бесконеч-
бесконечное произведение:
(.х-1+1 + ж1)(ж + 1 + ж3)(ж"9+1+ж9)(ж7+1 + ж27) и т. д. = Р;
при развертывании оно даст только такие степени х, которые могут быть
образованы из чисел 1, 3, 9, 27, 81 и т. д. путем сложения или вычи-
вычитания. Для того чтобы узнать, получатся ли в самом деле псе степени,
каждая по одному разу, я поступлю так. Пусть
Р = ж т. д. + сж+йж~а+аж+ 1 +аж1 + рж2 + ух3+ Ьх* + еж5 + и т. д.;
ясно, что если написать х3 нместо х, то получится
р
_ 1 ~ш т- Д# ~i~ ^х'6 + ах~3 + 1 + ах3 + Р^8 + Ух9 + и т- Д-
Отсюда находим
Р = и т. д. + ах~* + ах~3-{-ах'2 + х + 1 + х + a.z2 + ах3 + аж4 + fix6 + pV +
+ pV + n т. д.;
это выражение при сравнении с иышеуказанным дает
a = l, P = a, Y = a> 6 = ot, е = р, ^ = Р и т. д.
и
а=1, b=a, c = a, d = a, e=b и т. д.
Итак, отсюда
Р = 1 + ж + ж2 + ж3 + ж4 + ж5 + хй + ж7 + и т. д.
+ Ж + Ж + Ж~3 + Ж+Ж"Б + Ж"в + Ж+И т. Д.
Ясно, что здесь будут встречаться все степени х, как положительные,
так и отрицательные, и что, следовательно, можно получить все числа
из членов тройной геометрической прогрессии путем сложения или вычи-
вычитания, причем каждое число одним только способом.
-СЫ
ГЛАВА XVII
О ПРИМЕНЕНИИ РЕКУРРЕНТНЫХ РЯДОВ
К ОТЫСКАНИЮ КОРНЕЙ УРАВНЕНИЙ
332. Достославный Даниил Бернулли указал в Записках Петербург-
Петербургской академии, т. III на замечательное применение рекуррентных рядов
к нахождению корней уравнений любой степени [67]; он показал, каким
образом при помощи рекуррентных рядов можно выразить весьма близко
к истине значения корней любого алгебраического уравнения какой бы
то ни было степени. Так как это открытие часто приносит весьма боль-
большую пользу, то я решил изложить его здесь более обстоятельно, чтобы
было видно, в каких случаях его можно применять. Дело в том, что
иногда сверх ожидания оказывается, что посредством этого метода нельзя
узнать никакого корня уравнения. Поэтому для более ясного представ-
представления силы этого метода исследуем, на основании свойств рекуррентных
рядов, весь фундамент, на который он опирается.
333. Так как всякий рекуррентный ряд получается из развертыва-
развертывания некоторой рациональной дроби, то пусть эта дробь будет равна
a^rbz-\-czi-\-dz3-\-ezi-\--a т. д.
1 — az— pz2 — yzB— 6z4 — ит. д. '
откуда получается рекуррентный ряд
A + Bz + Cz2+Dz3 + Ezi + Fzb + u т. д.;
его коэффициенты А, В, С, D и т. д. определятся так:
E = aD + $С + уВ + дА + е
и т. д.
Общий же член, т. е. коэффициент степени zn, найдется из разложения
данной дроби на простые дроби, знаменатели коих являются множите-
множителями знаменателя
1 — az — f>z2 — yza—и т. д.,
как показано в гл. XIII.
334. Вид общего члена зависит, главным образом, от свойств простых
множителей знаменателя, будут ли они действительными или мнимыми,
¦а также от того, будут ли они отличны друг от друга или два и
252 ГЛАВА XVII
более будут одинаковыми. Для последовательного рассмотрения этих
различных случаев положим вначале, что все простые множители знаме-
знаменателя действительны и не равны между собой. Пусть все простые множи-
множители знаменателя будут
A — pz)(l — qz)(l — rz)(i — sz) и т. д.
и тогда данная дробь разложится на следующие простые дроби:
Я , 58 , Е , Ф .
¦+-. \--. - + и т. д.
1—pz I — qz 1 — rz ~ 1— s
Когда они найдены, то общий член рекуррентного ряда будет равен
zn{SHPnJr'J8qnJr{S/rn + 'S)sn+ii т. д.);
примем его равным Pzn; значит, Р будет коэффициентом степени zn;
у следующих же членов пусть коэффициенты будут Q, R и т. д., так
что рекуррентный ряд будет
+Pn + Qn+l + Rn+2 + v т. д.
335. Теперь положим, что п представляет чрезвычайно большое
число, т. е. что рекуррентный ряд продолжен весьма далеко; так как
степени неравных чисел тем более отличаются друг от друга, чем они
больше, то между степенями %рп, 33#'\ бгп и т. д. будет такое разли-
различие, что степень, соответствующая наибольшему из чисел р, q, r и т. д.,
по величине далеко превзойдет остальные, и те по сравнению с нею
почти исчезнут, если п будет числом как бы бесконечно большим.
Так как числа р, q, г и т. д. между собой не равны, то пусть р будет
наибольшим среди них. Тогда, если п будет числом бесконечно боль-
большим, будем иметь
Р = Шрп,
если же п будет числом не бесконечно, а лишь очень большим, то
только приближенно будет Р— Щрп. Подобным образом будет (?=ЭДр"+1,
и, следовательно,
Отсюда ясно, что если рекуррентный ряд продолжить достаточно
далеко, то коэффициент любого члена при делении на предыдущий дает
приближенное значение наибольшей буквы р.
336. Итак, если у данной дроби
a-\rhz-\rcz-Jrdz3^-ii т. д.
1— аг — pz2— yzs~6zi — и т. д.
в знаменателе все сомножители простые, действительные и не равные
между собой, то из получающегося отсюда рекуррентного ряда можно
будет узнать один простой множитель, именно, 1—pz, в котором буква
р имеет самое большое значение. При этом коэффициенты числителя
а, Ь, с, d и т. д. не играют роли, и, каковы бы они ни были, для наи-
наибольшей буквы р найдется одно и то же верное значение. Верное же
значение р обнаружится лишь тогда, когда ряд будет продолжен до
бесконечности; когда получены уже многие его члены, то значение р-
найдется тем ближе, чем больше будет число членов и чем более буква
р превосходит остальные q, r, s и т. д.; при этом безразлично, будет
ПРИМЕНЕНИЕ РЕКУРРЕНТНЫХ РЯДОВ 253
-ли эта буква р сопровождаться знаком плюс или минус, так как степе-
степени ее возрастают одинаково.
337. Теперь в достаточной степени выясняется, каким образом это
исследование может быть применено к нахождению корней какого-либо
алгебраического уравнения. Зная множители знаменателя
1 — az — |3z2 — yz3 — 6z4 — и т. д.,
.легко указать корни уравнения
1 — az-pz2 — yz3 — 6z4— и т. д. =0,
так что, если множитель будет 1 — pz, то один корень этого уравнения
будет z = —. Так как из рекуррентного ряда найдется наибольшее
число р, то тем самым получится наименьший корень уравнения
1 — az— Pz2 — yz3 — и т. д. = 0.
Или если положить z = — , чтобы получилось уравнение
хт-ахт-1-$хт-г-ухт-*- и т. д.=0,
то посредством того же метода получится наибольший корень этого урав-
уравнения х = р.
338. Итак, пусть дано уравнение
хт-ахт~1-$хт-*-ухт-3- и т. д. =0,
у которого все корни действительны и не раганы между собой; наиболь-
наибольший из этих корней найдется следующим образом. Составим из коэффи-
коэффициентов этого уравнения дробь
a-\-bz-\-cz2-\-dz3-\- и т. д.
1 — az — fjz2 — yz3 — 6z4 — и т. д.
и отсюда образуем рекуррентный ряд, беря числитель произвольно или,
что то же, принимая начальные члены произвольными; пусть этот ряд
•есть
vl + Bz+Cz2 + Z>z3+ ... + Pzn¦+ Qz11*1 + и т. д.
Тогда дробь -р- даст значение наибольшего корня х данного уравне-
уравнения тем ближе, чем больше число п.
ПРИМЕР 1
Пусть дано уравнение
х2 — Зж—1 = 0;
надо найти наибольший его корень.
Составим дробь
a-\-bz
1_3г —
откуда, взяв в качестве первых двух членов 1, 2, получим рекуррент-
рекуррентный ряд
1, 2, 7, 23, 76, 251, 829, 2738 и т. д.
254 ГЛАВА XVII
Следовательно,
2738
829
будет приближенно равно наибольшему корню данного уравнения. Зна-
Значение же этой дроби в десятичных долях есть
3,3027744.
Истинный же максимальный корень уравнения равен
3+2Г13 = 3,3027756;
он превышает найденный только на одну миллионную часть. Следует,
кроме того, заметить, что дроби -^ будут попеременно то больше, то
меньше истинной величины корня.
ПРИМЕР 2
Пусть дано уравнение
корни которого выражают синусы таких трех дуг, что утроенный синус
1
каждой из них равен -^- .
Приведя уравнение к виду
станем искать наименьший корень, чтобы остаться при целых числах
и не иметь надобности вместо х подставлять —. Составим дробь
а-\-Ьх-\-сх2
1 — 6х* -\-8х3 '
из которой, взяв произвольно в качестве начальных трех членов 0, 0, 1,,
так как этим путем вычисление очень облегчается, получим следующий
рекуррентный ряд, причем мы опустим самые степени х, потому что-
нужны только коэффициенты:
0, 0, 1, 6, 36, 208, 1200, 6912, 39808, 229 248.
Таким образом, наименьший корень уравнения приближенно равен
39 808_=Ш = 0473 6460
229 248 "791
и должен быть синусом угла 10°; этот же синус по таблицам равен
22
0,173 6482; он превышает найденный корень на QQQ 2).
Тот же корень можно найти легче, положив х=-^у, что приводит
к уравнению
133 0
!) Звездочкой Эйлер отмечает отсутствие члена следующей по порядку степени,,
в данном случае х2.
-) Эти числовые результаты исправлены в соответствии с Opera omnia.
ПРИМЕНЕНИЕ РЕКУРРЕНТНЫХ РЯДОВ 255
поступая с ним таким же образом, получим ряд
О, 0, 1, 3, 9, 26, 75, 216, 622, 1791, 5157 и т. д.;
следовательно, наименьший корень уравнения приближенно будет
откуда
х = 1 у = 0,173 6475;
значение это почти в три раза ближе предыдущего1).
ПРИМЕР 3
Если требуется найти наибольший корень того же уравнения
0 = 1 - 6х * + 8х3,
У
то положим х = -тт- ; тогда
г/3*-Зг/+1 = 0.
Наибольший корень этого уравнения найдется из рекуррентного ряда,
шкала отношения которого есть 0, 3, — 1, откуда, взяв начальные три
члена произвольно, получаем
1, 1, 1, 2, 2, 5, 4, 13, 7, 35, 8, 98, -И и т. д.
Так как в этом ряде мы пришли к отрицательным членам, то эт&
указывает, что наибольший корень будет отрицателен, именно,
х = -sin 70°= -0,9396926.
Поэтому и в начальных членах надо считаться с этим, что можно-
сделать так:
1, -2, +4, -7, +14, -25, +49, -89, +179, -316, +605 и т. д.г
откуда
—605 —605
У 316 И Ж = -^32=-
что сильно уклоняется от истины.
339. Причина этого отклонения заключается главным образом в томг
что корнями данного уравнения являются
sin 10°, sin 50° и -sin 70°;
оба больших корня отличаются друг от друга так мало, что в степе-
степенях, до которых мы продолжили ряд, второй корень sin 50° будет со-
сохранять значительное отношение к наибольшему корню, и поэтому не
исчезнет по сравнению с ним. Скачок зависит также и от того, что
найденные значения становятся попеременно то слишком большими, то
1) И в эти числовые результаты у Эйлера вкралась небольшая ошибка; они
исправлены по Opera omnia.
256 ГЛАВА XVII
слишком малыми. Так, если взять
У~ 172
то
Так как степени наибольшего корня становятся попеременно положи-
положительными и отрицательными, а степени второго корня также попере-
попеременно прибавляются и уничтожаются, то, чтобы эта разница стала не-
нечувствительной, надо продолжить ряд гораздо дальше.
340. Другим средством избавиться от этого неудобства может послу-
послужить преобразование уравнения при помощи удобной подстановки в дру-
другой вид, при котором корни не будут уже столь близкими друг к другу.
Так, если в уравнении
0 = 1 - 6х + 8х3,
корнями которого служат —sin 70°, -|-sin 50°, + sin 10°, положить х —
= 2/—1, то корнями получающегося уравнения
будут 1 — sin 70°, 1 -)- sin 50°, 1 -f- sin 10°; его наименьший корень будет
1—sin 70°, между тем как sin 70° был наибольшим корнем предыдущего
уравнения; далее, 1+ sin 50° теперь является наибольшим корнем,
тогда как раньше sin 50° был средним. Этим путем любой корень
посредством подстановки может быть преобразован в наибольший или
наименьший корень нового уравнения и, следовательно, может быть
найден при помощи изложенного здесь метода. Так как, кроме того,
корень 1 — sin 70° в этом примере гораздо меньше двух остальных, он
также легко найдется приближенно посредством рекуррентного ряда.
ПРИМЕР 4
Найти наименьший корень уравнения
0 = 8^ _ 24^+18?/-1,
который при вычитании из единицы дает синус угла 70°.
Положим 2/ = -j z, тогда
наименьший корень этого уравнения будет найден из рекуррентного
ряда, шкала отношения которого есть 9, —6, +1; для нахождения же
наибольшего корня в качестве шкалы отношения надо взять 6, —9, + 1.
Значит, для наименьшего получается ряд
1, 1, 1, 4, 31, 256, 2122, 17 593, 145 861 и т. д.;
итак, приближенно
2/= 0,060 307 41,
ПРИМЕНЕНИЕ РЕКУРРЕНТНЫХ РЯДОВ 257
откуда
sin 70°= l-y = 0,939 692 58,
что не отличается от истины даже в последнем знаке. Из этого при-
примера видно, какую пользу приносит удобное преобразование уравнения
путем подстановки при нахождении корней, а также, что при пользова-
пользовании подобными преобразованиями изложенный метод оказывается при-
пригодным не только для нахождения наибольших и наименьших корней,
но может дать также все корни.
341. Когда какой-либо корень данного уравнения заранее прибли-
приближенно известен, т. е., скажем, если число к весьма мало отличается
от какого-либо корня, то полагаем х — к = у или х = у-\-к; этим путем
получится уравнение, наименьший корень которого будет равен х—к;
он определится посредством рекуррентного ряда и притом без всякого
труда, так как корень этот гораздо меньше прочих; если к нему при-
прибавить к, то получится истинный корень х данного уравнения. Этот
прием может применяться столь широко, что если даже уравнение со-
содержит мнимые корни, он сохраняет свое значение.
342. Особенно же необходим этот прием нахождения корня в том
случае, когда имеется равный ему, но с обратным знаком. Другими
словами, если уравнение, наибольший корень которого есть р, будет
иметь корень — р, то хотя бы мы продолжили рекуррентный ряд до
бесконечности, однако этот корень р никогда не будет получен. Для
пояснения этого на примере возьмем уравнение
ха-х2—.
наибольший корень которого есть ]/5, но кроме него имеется также
—1/5. Если для нахождения наибольшего корня мы применим указан-
указанный выше способ и образуем рекуррентный ряд по шкале отношения
1, +5, —5, именно,
1, 2, 3, 8, 13, 38, 63, 188, 313, 938, 1563 и т. д.,
то мы не придем ни к какому постоянному отношению. Члены через
один дают одно и то же отношение; если любой из них разделить на
предыдущий, то получится квадрат наибольшего корня; так, прибли-
приближенно будет
г _ 1563 _ 938 _ 313
° "~ 313 ~ 188 ~~ 3 *
Во всех тех случаях, когда члены только через, один образуют
постоянное отношение, получается приближенно квадрат искомого корня.
Сам же корень 2; = ]/5 будет найден, если положить х = у-\-2, откуда
получится уравнение
наименьший его корень будет найден из ряда
1, 1, 1, 9, 33, 145, 609, 2 585, 10 945 и т. д.
и приближенно будет равен
S = 0.2361.
17 Л. Эйлер, т. 1
258 ГЛАВА XVII"
а 2,2361 приближенно равно ]/~5, что представляет наибольший корень
уравнения.
343. Хотя числитель дроби, из которой получается рекуррентный
ряд, зависит от нашего усмотрения, однако удобное его составление по
большей части способствует быстрому нахождению приближенной
величины корня. Если принять относительно множителей знаменателя
сделанное выше предположение (§ 334), то общий член рекуррентного
ряда равен
+ %qn + ®rn+ и т. д.);
коэффициенты 91, 35, © и т. д. определяются при помощи числителя
дроби; здесь может случиться, что 41 получит либо большое, либо малое
значение; в первом случае наибольший корень р находится быстро,
в последнем же — медленно. Но можно принять числитель даже таким,
чтобы ЭД вовсе исчезло; в этом случае ряд, при продолжении даже до
бесконечности, никогда не даст наибольшего корня р. Это бывает, когда
числитель выбирается так, что сам он имеет тот же множитель 1 — pz,
и, таким образом, этот множитель вовсе выпадает из расчета. Так, если
дано уравнение
36
наибольший кррень которого равен 3, и отсюда составить дробь
1 —3z .
1 — 6z-t-10z2— 3z3 '
так что шкала отношения рекуррентного ряда будет 6, —10, + 3, то
получим ряд ¦
1, 3, 8, 21, 55, 144, 377 и-т. д.;
члены этого ряда вовсе не приближаются к отношению 1 :3. Этот самый
ряд получается из дроби
1 —Зг-)-22
и поэтому дает наибольший корень уравнения
344. Числитель можно выбрать даже так, что посредством рекур-
рекуррентного ряда можно будет найти любой корень уравнения; это бывает,
когда числитель представляет произведение всех множителей знамена-
знаменателя, за исключением того, которому соответствует желаемый корень.
Так, если в предыдущем примере взять числителем 1 — 3z + z2, то дробь
1 — 3z-)-z2
l_6z-}-10z2— З23
даст рекуррентный ряд
1, 3, 9, 27, 81, 243 и т. д.,
который, будучи геометрическим, тотчас указывает корень ж== 3. Дробь же
эта равна простой
1
1 —3z -
Отсюда видно, что если_начальные члены, которые можно задать
произвольно, выбрать так, чтобы они составили геометрическую
ПРИМЕНЕНИЕ РЕКУРРЕНТНЫХ РЯДОВ 259,
прогрессию, показатель которой будет, равен одному корню уравнения, то
тогда весь рекуррентный ряд будет геометрическим, и поэтому он даст
этот самый корень, даже если тот не будет ни наибольшим, ни наименьшим.
345. Для того чтобы при отыскании при помощи рекуррентного
ряда наибольшего или наименьшего корня у нас не получился, сверх
ожидания, какой-либо другой корень, следует выбрать такой числитель,
который не имел бы со знаменателем никакого общего множителя; это
будет, когда мы в качестве числителя возьмем единицу, откуда первый
член ряда будет равен единице, а по нему посредством шкалы отноше-
отношения определятся все следующие. Этим способом, действительно, всегда
будет получен или наибольший, или наименьший корень уравнения,
смотря по заданию.
Так, если дано уравнение
ys*-3y+l = 0
и надо найти наибольший его корень, то по шкале отношения 0, +3,
— 1, начиная с единицы, получается следующий рекуррентный ряд:
1, -0, +3, -1, +9, -6, +28, -27, 4-90, -109, 4-297,
-417, + 1000, -1548, +3417, -5644 ит- д.;
он сходится к постоянному отношению и показывает, что наибольший
корень отрицателен, причем приближенно
— 5644 . рг.и/i
у= 3417 = -1'651741;
но он должен быть равен—1,879 3852. Выше приведено соображение,
почему приближение к истине происходит так медленно; имеЙнб'пВ'тсйтуУ
что другой корень немногим меньше наибольшего и вместе с тем поло-
положителен.
346. Если взвесить тщательно то, что мы сказали,- как войбще,- так
и применительно к указанным примерам, то можно вполне убедиться
в весьма большой пользе этого метода при нахождении корней уравне-
уравнений. Искусственные же' приемы, при помощи которых я сократил, про-
процесс и которые могут его ускорить, также показаны в достаточной мере;
так что сверх этого прибавить нечего; остается только разобрать случаи,
когда уравнение содержит равные или мнимые корни. Положим, что
знаменатель дроби
a-\-bz-\-cz^-\-dz3-\- и Т. Д.
1— az — pz2 — yz3 — 6z*— и т. д.
имеет множитель A — pzJ, тогда как остальные суть 1 — qz, i — rz и т. д.
Общий член получающегося отсюда рекуррентного ряда будет
2™[(n+lKtp» + 93p" + ©?«+ и т. д.].
Чтобы определить, какое значение примет этот ряд при чрезвычайно
большом п, надо различать два случая: один — когда р больше осталь-
остальных чисел q, г и т. д., другой —когда р не дает наибольшего корня.
В первом случае, когда р является одновременно наибольшим корнем,
остальные члены Э3рп, 6#те и т. д., вследствие наличия коэффициента
п-\-\, не могут исчезнуть по сравнению с ним так быстро, как раньше;
если же д> р, то также не скоро исчезнет член (п+1) Шрп по сравне-
сравнению с &qn [68], и тогда определение наибольшего корня становится очень
утомительным.
17*
260 ГЛАВА XVII
ПРИМЕР 1
Дано уравнение
З
у которого наибольший корень 2 встречается дважды.
Итак, будем искать изложенным выше способом наибольший корень
путем развертывания дроби
1
она даст следующий рекуррентный ряд:
1, 3, 9, 23, 57, 135, 313, 711, 1593 и т. д.,
где каждый член при делении на предыдущий дает частное большее,
чем 2. Причину этого весьма легко видеть из общего члена; именно,
если отбросить в нем члены &qn и т. д., то член, соответствующий
степени zn, будет равен
а следующий равен
Последний при делении на предыдущий дает
если только п не возросло до бесконечности.
ПРИМЕР 2
Дано уравнение
х3 - ж2 - Ъх - 3 = 0,
наибольший корень которого равен 3, остальные два одинаковы и равны
— 1; требуется найти наибольший корень посредством рекуррентного ряда
со шкалой отношения 1, + 5, +3; получаем
1, 1, 6, 14, 47, 135, 412, 1228 и т. д.;
этот ряд быстро дает значение 3, потому что степени меньшего корня
— 1 даже при умножении на п + 1 довольно быстро исчезают по сравне-
сравнению со степенями тройки.
ПРИМЕР 3
Если же дано уравнение
Я3 + Я2-82-12=0,
корнями которого являются 3, — 2, — 2, то наибольший из них обна-
обнаружится гораздо позднее. Именно, получится ряд
1, -1, 9, -5, 65, 3, 457, 347, 3345, 4915 и т. д.,
который придется продолжить весьма далеко, прежде чем станет ясно,
что корень, который должен из него получиться, равен 3.
ПРИМЕНЕНИЕ РЕКУРРЕНТНЫХ РЯДОВ 261
347. Подобным образом, когда равны три корня, так что один мно-
множитель знаменателя будет A — pzK, а остальные 1 — qz, i—rz и т. д.,
то общий член рекуррентного ряда будет равен
z" [(п+11И2"+2)%рп + (п + 1K5рп + &РП + ®9п + ®гп + и т. д.] .
Если р будет наибольшим корнем, а « — числом, настолько большим,
что степени дп, гп и т. д. исчезнут по сравнению с рп, то тогда из
рекуррентного ряда получится корень, равный
у (п+2) (п + З) Ж+
1
у (и + 1) (п + 2) Я +
который не укажет истинного значения р, если только п не будет весьма
большим и как бы бесконечным. Это значение корня будет равно
У (п+1) (п+2) я+(п+1) »+е
Если же р не будет наибольшим корнем, то нахождение наибольшего
корня будет еще несравненно более затруднительным; отсюда следует,
что уравнения, содержащие равные корни, гораздо труднее решаются
посредством этого метода рекуррентных рядов, чем в случае, когда все
корни, между собою не равны.
348. Посмотрим теперь, как должен быть составлен рекуррентный
ряд, продолжаемый до бесконечности, когда знаменатель дроби имеет
мнимые множители. Пусть у знаменателя дроби
+H т. д.
1 — аг—pz2 — yz3 — 6z4-— и т. д.
действительные множители будут
1 — qz, I — rz и т. д.,
и, сверх того, еще есть трехчленный множитель
1 — 2pZ COS ф + jD2Z2,
содержащий два простых мнимых множителя. Если рекуррентный ряд,
получаемый из этой дроби, будет
А + Bz + Cz2 + Dz3 + . .. + Pzn + Qz4*1 + и т. д.,
то на основании изложенного выше [§ 218] коэффициент Р равен
% sin (п + фр + S sin жр рП + 6дП + ф/.„ + и т_ д_
Если число р будет меньше одного из прочих q, r и т. д., так что
наибольший корень уравнения
хт + ахт~1 — ржт~2 — ухт~3 — и т.. д. = О
будет действительным, то он посредством рекуррентных рядов найдется
так же, как если бы вовсе не входили никакие мнимые корни.
262 ГЛАВА XVII
349. Итак, нахождение наибольшего действительного корня не будет
затруднено наличием мнимых корней, если последние будут таковы,
что произведение двух из них, составляющих действительный множи-
множитель, не будет больше квадрата наибольшего корня. Если же будут
входить два мнимых корня такие, что их произведение будет равно или
больше квадрата наибольшего действительного корня, то изложенный
выше метод исследования ничего не даст, потому что степень рп по
сравнению с подобной степенью наибольшего корня никогда не исчезнет,
даже если бы ряд продолжить до бесконечности. Здесь уместно при-
привести примеры для иллюстрации этого.
ПРИМЕР 1
Дано уравнение
х3-2ж-4 = 0;
надо определить наибольший его корень.
Уравнение это разлагается на два множителя
отсюда один корень будет 2, а два других будут мнимыми; произведе-
произведение их есть 2; оно меньше квадрата действительного корня. Поэтому
последний может быть найден по указанному способу. Составим рекур-
рекуррентный ряд по шкале отношения 0, +2, +4; получим
1, 0, 2, 4, 4, 16, 24, 48, 112, 192, 416, 832 и т. д.,
откуда вполне удобно можно узнать действительный корень 2.
ПРИМЕР 2
Дано уравнение
один действительный корень которого есть 2, произведение же двух
мнимых равно 4, т. е. равно квадрату действительного корня 2.
Станем искать корень при помощи рекуррентного ряда; для упро-
упрощения положим х — 2у, так что получится
у'-2у' + 2у-1 = 0;
отсюда получается рекуррентный ряд
1, 2, 2, 1, 0, 0, 1, 2, 2, 1, 0, 0, 1, 2, 2, 1 и т. д.;
так как в нем постоянно повторяются те же члены, то отсюда можно
лишь заключить, что наибольший корень не будет действительным,
или же имеются мнимые корни, произведение которых равно квадрату
действительного корня или превосходит его.
ПРИМЕР 3
Дано уравнение
жз _ з.х2 + 4ж - 2 = О,
действительный корень которого есть 1, произведение же мнимых равно 2.
Составим по шкале отношения 3, — 4, +2 ряд
1, 3, 5, 5, 1, -7, -15, -15, +1, 33, 65, 65, 1 и т. д.;
ПРИМЕНЕНИЕ РЕКУРРЕНТНЫХ РЯДОВ 263
так как в нем члены то положительны, то отрицательны, то отсюда
никоим образом нельзя узнать действительного корня 1. Перемены такого
рода всегда указывают на то, что корень, который должен получиться
из ряда, будет мнимый; в самом деле, здесь степени мнимых корней
больше степеней действительного корня.
350. Пусть в общей дроби произведение двух мнимых корней рг
будет больше квадрата какого-либо действительного корня, так что по
сравнению с рп остальные степени qn, rn и т. д. исчезнут, когда число п
станет бесконечным. В этом случае будет
р_ 91 sin (га + 1) Ф+33 sin пц> п
sin ф Р
И
q _ SI sin (и+2) Ф+% sin (и+1) ф n+i
^ БШф " '
следовательно,
Q _ЗДвш(и + 2)ф + 83 sin (и+1) ф
Р ~~ 91 sin (и+1) ф+ 83 sin яф P'
Выражение это никогда не даст постоянного значения, даже если п
будет бесконечным числом. В самом деле, синусы углов всегда оста-
остаются весьма изменчивыми, причем бывают то положительными, то отри-
отрицательными.
351. Однако, если подобным же образом взять следующие дроби
ту, -р- и из них исключить буквы 31 и S3, то вместе с тем выпадет
из расчета и число п; так, получится [в9]
Pp* + R = 2Qp coscp,
откуда
точно так же получим
из сравнения этих двух значений найдем
а также
QR—PS
COS ф = ;
Поэтому, если рекуррентный ряд продолжить до тех пор, пока по сравне-
сравнению с рп не исчезнут степени остальных корней, то этим путем может
быть найден трехчленный множитель 1 — Ipz cos ф + p2z2.
352. Так как это вычисление может представить трудность
недостаточно опытным лицам, то я его здесь приведу полностью.
264 ГЛАВА XVII
Из найденного значения -^- получается
%Рр sin (га + 2) ф + ЯРр sin (га + 1) ф = Щ sin (га + 1) ф + S8<? sin щ,
откуда
91 _ Qsinmp—Рр sin (и
На таком же основании
51 _Дзш(и4-1)ф —
приравняв эти два значения, получим
О = Q2p sin гсф sin (n + 3) ф — (?/? sin «ф sin (и + 2) ф —
— Р(?/?2 sin (и + 1) ф sin (п + 3) ф — (?2р sin (и + 1) ф sin (и + 2) ф +
+ QR sin (п + 1) ф sin (га + 1) <р + Р^р2 sin (га + 2) ф sin (га + 2) ф
[70]. Но так как
1 1
sin a sin ^ = у cos (а — Ь) —^ cos (а + Ь),
то будем иметь
0 = 4^ (cos Зф - cos ф) + 4 <?л (! - cos 2ф) 4- у ^<?Р2 A - cos 2ф);
после деления на ^^ получим
(Рр2 4- R) A - cos 2ф) = Qp (cos ф - cos Зф).
Но
cos ф = cos 2ф cos ф 4- sin 2ф sin ф
и
cos Зф = cos 2ф cos ф — sin 2ф sin ф,
откуда
cos ф — cos Зф = 2 sin 2ф sin ф = 4 (sin фJ cos ф;
далее,
1—СО8 2ф = 2(8ШфJ,
поэтому
Pp* + R = 2Qp cos ф
а также
откуда получаются вышеуказанные значения, именно,
'2^qs QR — PS
л Т~* -»-»4 лХ OUo \л) ^ С\ -т /* Тли
ПРИМЕНЕНИЕ РЕКУРРЕНТНЫХ РЯДОВ 265
353. Если знаменатель дроби, из которой образуется рекуррентный
ряд, имеет несколько не равных между собою трехчленных множителей,
то при взгляде на указанную выше форму общего члена [§ 219 и след.]
станет ясно, что нахождение корней будет гораздо более неточным.
Между тем, если найден приближенно какой-либо один действительный
корень, то его значение получится гораздо точнее путем преобразования
уравнения. Действительно, положим х равным этому найденному значе-
значению плюс у и станем искать в новом уравнении наименьший корень
для у; последний при сложении с первым значением даст истинное
значение х.
ПРИМЕР 4
Дано уравнение
один корень которого приблизительно равен единице, как видно из того,
что при х = 1 получается
Положим x=i-\-y, тогда
\-2у-у* = 0,
откуда для нахождения наименьшего корня получится следующий
рекуррентный ряд со шкалой отношения 2, 0, +1:
1, 2, 4, 9, 20, 44, 97, 214, 472, 1041, 2296 и т. д.;
отсюда наименьший корень у приближенно равен
так что
ж=1,453 397.
Столь близкое значение едва ли может быть получено так легко другим
способом.
354. Если какой-либо рекуррентный ряд подходит, в конце кон-
концов, очень близко к геометрической прогрессии, то из закона последова-
последовательности тотчас же можно без труда узнать, корнем какого уравнения будет
частное от деления какого-либо члена на предыдущий. Пусть
Р, Q, R, S, Т и т. д.
будут члены рекуррентного ряда, весьма удаленные от начала, так что
они уже сливаются с геометрической прогрессией; пусть при этом
т. е. шкала отношения будет a, -f- p, -f Y> + б- Положим значение дроби
^ = х; тогда
2 3
~р~ = Х » ~р~ == Х И ~р
266 ГЛАВА XVII
при подстановке в предыдущее равенство они дадут
х* = ах3 + Рх2 -}- ух + б;
О
отсюда ясно, что частное -р даст, наконец, один корень наиденного урав-
уравнения. На это указывает и предыдущий метод; кроме того, он говорит,
что дробь -^ даст наибольший корень уравнения.
355. Этот метод нахождения корней уравнений часто может также
принести пользу, когда уравнение будет бесконечным. Чтобы показать
это, допустим, что дано уравнение
2 = Z ~~ Т "*" 120 ~~ 5040 ~^ И Т- Д->
наименьший корень z которого выражает дугу 30°, или шестую часть
полуокружности. Приведем уравнение к виду
. р Z3 2* 2' _ q.
отсюда получается рекуррентный ряд, у которого шкала отношения бес-
бесконечна, именно,
111
о п - П д. — П
' "> з ' ' ' сГ1 ' ' о^оп '
рекуррентный же ряд будет
значит, приближенно
1 2 4 ^ ^i ^ ит
' Z' % 3 ' ^0^' 45
_ 1681 ¦ 45 _ 1681-3 _ 5043 _
Z - 2408-60 - 2408-4 ~ 9632 ~ '
Но из известного отношения окружности к диаметру имеем z = 0,523 598;
таким образом, найденный корень уклоняется от истины на ^ооооо' 1)'
Однако это удобно применяется в данном уравнении, потому что все
корни действительны и притом прочие корни отличаются достаточно
значительно от наименьшего. Но так как это условие весьма редко
имеет место в бесконечных уравнениях, то изложенный метод находит
незначительное применение при их решении.
J) Более точными значениями являются соответственно 2 = 0,523 567 и z =
g
= 0,523 599, но их разность тоже составляет ... . [Ф. Р.]
100 UUL)
o>A
ГЛАВА XVIII
О НЕПРЕРЫВНЫХ ДРОБЯХ [и]
356. Так как в предыдущих главах я разобрал многое как относи-
относительно бесконечных рядов, так и относительно произведений, получен-
полученных из бесконечного числа сомножителей, то я решил, что будет нелиш-
нелишним прибавить кое-что о некотором третьем роде бесконечных выраже-
выражений, представляемом непрерывными дробями или делениями. Хотя этот
род выражений до настоящего времени разработан мало, однако мы не
сомневаемся, что когда-нибудь применение его весьма широко распро-
распространится в анализе бесконечных. Я приводил уже несколько раз при-
примеры подобного рода, в силу которых это ожидание становится весьма
вероятным. Но исследование, которое я решил вкратце наметить и изло-
изложить в настоящей главе, особенно неоценимую пользу приносит в ариф-
арифметике и общей алгебре.
357. Непрерывной дробью я называю такую дробь, знаменатель
которой состоит из целого числа с дробью, у которой знаменатель опять
представляет совокупность целого и дроби, которая далее составлена таким
же образом, причем это может либо продолжаться до бесконечности,
либо где-нибудь приостановиться. Такого рода дробью будет выражение
е -г f + и т. д.
или
е "г" / + и т. д.:
в первом из них числители всех дробей суть единицы — этот вид я
главным образом и буду здесь рассматривать, в другом же числите-
числителями служат какие угодно числа.
358. Теперь, описав вид непрерывных дробей, прежде всего надо
посмотреть, каким образом можно найти их значение, выраженное
обычным образом. Для того чтобы легче это было сделать, будем
268 ГЛАВА XVIII
действовать последовательно, обрывая непрерывные дроби сперва на пер-
первой, потом на второй, затем на третьей и т. д. дроби; тогда станет ясно, что
а —а,
1 abc-\-a-\-c
T + -i = Ьс + 1
с
J_ _ abcd+a
Ь + 1 ~ bd
Ь +— , 1 ~ bcd
C+-~d~
И Т. Д.
359. Хотя в этих простых дробях не так легко подметить закон,
по которому числитель и знаменатель составляются из букв а, Ь, с, d
и т. д., однако внимательному читателю тотчас станет ясно, каким
образом любая дробь может быть образована из предыдущих; именно
любой числитель представляет совокупность из последнего числителя,
помноженного на новую букву, и предпоследнего числителя, взятого непо-
непосредственно, и тот же закон наблюдается в знаменателях. Итак, если
написать по порядку буквы а, Ъ, с, d и т. д., то из них легко составить
найденные дроби следующим образом:
abed e
1 а аб-fl аЬс + а + с abcd-^ab-\-ad-\-cd-{-l
77' Т' Ь~' Ъ^\Л ' bed+b + d И Т- Д-'
здесь любой числитель получается путем умножения последнего из.
предыдущих на стоящий сверху указатель и прибавления к произведе-
произведению предпоследнего числителя; этот же закон сохраняет силу для зна-
знаменателей. Чтобы можно было пользоваться этим законом с самого
.начала, я поставил впереди дробь ^г ! хотя эта дробь и не получается
из непрорывной дроби, однако делает более яспым закон последователь-
последовательности. При этом любая дробь выражает значение непрерывной дроби,
продолженной вплоть до буквы, которая следует за предыдущей, вклю-
включительно.
360. Подобным образом другая форма непрерывных дробей
1+х .
+ / + и т. д.,
смотря по тому, на каком месте мы их обрываем, даст:
а —а,
, a вб + a
а
а
_Х
abc-\-f>a-\-ac
bc-\-§ '
abcd-\- $ad -\- acd -\- yab -\- о
и т. д.;
О НЕПРЕРЫВНЫХ ДРОБЯХ 269
каждую из этих дробей можно найти по двум предыдущим таким
образом:
abed e
1 a ab-\-a abc-\-^a-\-ac abcd-\~$ad-\-acd-\~yab-\-ay
о"' Т' ~ь ' ^+р ' bcd+$d+yb и т' д'
а $ у Ь е
361. Именно, для составления дробей напишем сверху указатели
•а, Ь, с, d и т. д., а внизу указатели а, р1, у, б и т. д. Первой дробью
1 „в -
опять поставим -=-, второй -т- ; тогда любая из следующих получится
путем умножения числителя последней на стоящий сверху указатель,
числителя же предпоследней—на написанный внизу указатель; если сложить
оба произведения, то их сумма будет числителем следующей дроби; подоб-
подобным образом ее знаменатель будет составлен из последнего знаменателя,
умноженного на вышестоящий, и из предпоследнего знаменателя, умно-
умноженного на нижестоящий указатель. Найденная этим путем любая дробь
выразит значение непрерывной дроби, продолженной вплоть до знаме-
знаменателя, написанного над предыдущей дробью, включительно.
362. Если продолжать эти дроби до тех пор, пока непрерывная
дробь не даст всех указателей, то последняя даст точное значение
непрерывной дроби. Предшествующие же дроби все ближе подходят
к этому значению и поэтому дают весьма удобное приближение. Поло-
Положим истинное значение непрерывной дроби
1+~
е + и. т. Д.
равным х; при этом ясно, что первая дробь j- больше, чем х; вторая
же -у меньше, чем х; третья а + ~г опять по величине будет больше;
четвертая снова меньше и т. д., эти дроби будут попеременно то больше,
то меньше х. Далее ясно, что любая дробь подходит ближе к истинному
значению х, чем какая-либо из предыдущих [72]; поэтому, таким обра-
образом, весьма быстро и удобно получается приближенное значение х, даже
если непрерывная дробь продолжается до бесконечности, лишь бы только
числители а, р1, у, б и т. д. не слишком возрастали, если же все числи-
числители будут равны единице, то тогда приближение не сопряжено ни
с какими неудобствами.
363. Чтобы сущность этого приближения к истинному зиач<.'Ш1Ю
непрерывной дроби была лучше видна, рассмотрим разности найденных
дробей. Пропустив первую ^г > получим, что разность между второй
и третьей раина
а
У '
четвертая при вычитании из третьей дает it остатке
сф .
b(bc+f>) '
270 ГЛАВА XVIII
четвертая при вычитании, из пятой дает в остатке
и т. д. Отсюда значение непрерывной дроби выразится посредством
обычного ряда членов таким образом:
_и т. д.
Ряд этот обрывается во всех тех случаях, когда непрерывная дробь не
продолжается до бесконечности.
364. Итак, мы нашли способ развертывания любой непрерывной
дроби в ряд членов, знаки которых перемножаются, если первая буква а
исчезает. Так, если
-т- f 4- и т. д.,
то по только что найденному будем иметь
"^б . , и т. д.
. = .а_ _
b
Поэтому, если а, [J, у, б и т. д. будут не возрастающими числами,
например все будут единицы, знаменатели же а, Ъ, с, d и т. д. будут
какими угодно положительными целыми числами, то величина непре-
непрерывной дроби выразится при помощи весьма быстро сходящегося ряда.
365. При внимательном рассмотрении вышесказанного можно, обрат-
обратно, любой ряд с перемежающимися членами обратить в непрерывную
дробь, т. е. найти непрерывную дробь, величина которой была бы равна
сумме членов данного ряда. Пусть задан ряд
х = А — В-\- С — D-\- Е — F-\- и т. д.;
тогда при сравнении отдельных членов с рядом, полученным из непре-
непрерывной дроби, найдем
А = -г , откуда а = АЬ,
ВЬс
в
А
С
В
D
€
Но так как
Р
6с + Р '
уб
bcd^-pd-ryb
б(Ь
bcde-\-$de +
и т
С+Р)
ybe^-dbc-^
¦ Д-
R
Рб
ВЬс
_Cd(bc-\-r,
Y~ b(B — C) '
И Т. Д.
1-Я'
О НЕПРЕРЫВНЫХ ДРОБЯХ 271
то
отсюда
ACcd
Y~ (А-В) (В-С) •
Далее
1 , i /l iQ\7', l Abed , ACbcd ABbcd
d+yb(bc + V)d + yb+
откуда
bcd+pd+yb_ Bd
&c + p ~ B — V
6 {B-C)(C-D) ¦
Подобным образом найдем
CEef
II Т. Д.
366. Для лучшего уяснения, этого закона положим
S = bcde + pde
T = bcdef-\- и т. д.,
V = bedefg -\- и т. д.
и т. д.;
тогда, по закону образования этих выражений, будем иметь
и т. д.
Итак, при этих обозначениях получаем
а ар ару «М . «Ру^е
Р PQ^QR RS ^ ST Д'
367. Так как мы положили
г = Л— В + С — D + E — F+ и т.д.,
272
то будем иметь
Беря, далее, разности
А
п
А
В
А
С
В
D
С
Е
D
ГЛАВА
а
р
Q '
уР
R '
6Q
S '
sR
Т '
И Т
, получим
В а
D а|
/7_«1
(Q —Р)
PQ
PQR
iy(S—6Q]
QRS
XVIII
а = АР,
о BQ
Р Д )
CR
Y ~ ВР '
6-DS
0 CQ '
ЕТ
Ё~ DR
¦ Д-
ас АРс
Q Q '
PR R '
1 аРуе CRe
QS S '
R^ аРуб/ DSf
и т. д.
Перемножая эти выражения между собою попарно, получим
? и ^
!L и %=i
± и ^Щ
и т. д.
Отсюда, так как Р=Ь, 0 = -г—б- = -т—w > будем иметь
У1 -—?3 ч(т. ?3
—В
Ь = т-.
(В—С) {С — D) '
CEef
(C-D){D~E)
И Т. Д.
368. Когда найдены значения числителей а, р, у, 6 и т. д., то зна-
знаменатели Ь, с, d, e и т. д. представляются нашему усмотрению; поэтому
их следует выбрать так, чтобы и они сами были целыми числами
О НЕПРЕРЫВНЫХ ДРОБЯХ 273
и давали целые значения для а, р, у, 6 и т. д. Это зависит также от
природы чисел А, В, С, D и т. д., будут ли они числами целыми или
дробными. Пусть они будут целыми числами; поставленному условию
можно удовлетворить, полагая
6=1, откуда а = А,
с = А — В, Р = #,
d = B-C, y = AC,
e = C-D, 6 = BD,
f = D-E, е = СЕ
И Т. Д., И Т. Д.
Поэтому, если
x=A—B+C—D+E-F+ и т. д.,
то это же значение х может быть выражено непрерывной дробью так:
ж = -т- , В
1 D — E -j- и т. д.
369. Если же все члены ряда будут числами дробными, так что
_ J 1 1 1_,J__
то для а, р, Y) ° и т- Д- получатся следующие значения:
_ Ь_
а Abe
'В — А '
ВЧй
6= СЧе
6 =
(C-BHD-C) '
D4]
(D-C)(E-D)
и т. д.
Положим Ъ — А, откуда а=1,
е = В-А, Р = ^2,
d=C-B, Ч = В\
e = D-C 6 = С2
и т. д., и т. д.;
тогда х выразится такой непрерывной дробью:
1— — /I2
A I R2
D — C _)- и т. д.
18 л. Эйлер, т. 1
274 ГЛАВА XVIII
ПРИМЕР 1
Требуется преобразовать бесконечный ряд
1-У +у—х+у— и т- Д-
в непрерывную дробь.
Имеем
A=i, В = 2, С = 3, /) = 4ит.д.;
так как значение данного ряда равно 12, то получаем
1 + и т- Д*
ПРИМЕР 2
Требуется преобразовать бесконечный ряд [§ 140]
я . 1 , 1 1 , 1
Т=1--з- + Т-Т + -9— и т- Д-
где Л означает длину окружности с диаметром, равным единице,
в непрерывную дробь.
Подставляя вместо А, В, С, D и т. д. числа 1, 3, 5, 7 и т. д.,
получим
il_± !
+ 2 + и т. д.;
отсюда, беря обратную дробь, находим
+ 2 +и т. д.;
это выражение для квадратуры круга впервые дал Броункер [§ 73].
ПРИМЕР 3
Пусть дан бесконечный ряд
так как
А = т, В=т-\-п, С— т-\- 2га и т. д.,
то он обращается в такую непрерывную дробь:
1 2
т -I (и4-л)!
п +- -1- (
. (m-|-3nJ
» + и т. д.;
О НЕПРЕРЫВНЫХ ДРОБЯХ 275
беря обратную дробь, получим
i__,n = — (та+»J
(ОТ + Зв)
П -А
П -\- И Т. Д.
ПРИМЕР 4
Так как по найденному выше (§ 178)
, 1 1 |
' n\-m In — та '
тая
л cos —
" = 1 |
. тл т п—та ' n-\-m In — та ' 2п-\-т
«sin ' '
п
то для превращения дроби в непрерывную будем иметь
А = т, В = п— т, С = n-\-m, D = 2n-m н т.д.,
откуда
тп
я; cos— ,
. mn m -\ г— , (п — таJ
га sin ' п — 2т -Р—-—— , (nA-mV ,„ .,
« 2та +i—Чг"^- , Bя —таJ
2 |
1 п — 2та _|_ и т, д.
370. Если члены данного ряда представляют собою произведения
с последовательно присоединяемыми множителями1), так что
Ji J1 1
ABC ABCD^ABCDE
то получатся такие результаты:
b . Cde
А ' (С — 1)(D— 1) '
Q be Dei
P = B=1' в==(Д-1)(Д-1)
?crf
Y = (д_1)(с —i) • и т. д.
Полагая поэтому
Ь = А, откуда а=1,
e = D-l, б = С,
и т. д., и т. д.,
получим
Х = ± , А в
?-1+;
1-1 + И Т. Д.
!) Si series proposita per continuos factores progrediatur.
18*
276 ГЛАВА XVIII
ПРИМЕР 1
Выше [§ 123] мы нашли, что если е означает число, логарифм
которого равен единице, то
j__,_JL, J 1 1
е 1 "^ 1-2 1-2-3+ И Т
1-2 1-2-3+1-2-3-4 И Т' Д-
или
,111.1 1
1-Т = Т-Г2 + 1Г2^-Ь2^4-+ ИТ- Д'
Этот ряд обратится в непрерывную дробь, если положить
Л=1, 6 = 2, С = 3, ? = 4ит. д.;
выполнив это получим
1-1=1 I
+ и т. д.;
отсюда, освобождаясь от асимметрии вначале, находим
_!- = ! 2
5 + И Т. Д.
ПРИМЕР 2
Мы нашли также, что для дуги, равной радиусу, косинус равен
[§ I34]
, __i , J1 1 1
1 2+2-12 2-12-3^+2-12-30-56 И Т' Д'
Если, следовательно, положить
Л=1, 5 = 2, С =12, D = 30 ? = 56 и т. д.
и косинус дуги, равной радиусу, положить равным х, то
х- 1 1
Т+Т+^- 12
И+29+|^ ,
55 -f. и Т. Д.
ИЛИ
1 1-1 2
55 -{- и т. д.
371. Пусть теперь ряд соединен с геометрическим, т. о.
= А — Bz+Cz2 — Dz3 + Ezi-Fzb+ и т.д.;
О НЕПРЕРЫВНЫХ ДРОБЯХ
277
тогда
а = Ав,
г, Bbcz
— Bz '
ACcdz
6 =
BDdez
е =
(B—Cz)(C — Dz)
CEefz
(C — Dz)(D — Ez)
И т. Д.
r (A — Bz)(B — Cz) '
Положим теперь 6=1, откуда а = А,
e = C-Dz
и т. д.,
и т. д.;
тогда
A — Bz -\~
ACz
B—Cz
BDz
C — Dz _|_ и T. д.
372. Для того чтобы более общим образом разобрать этот случай,
положим
Х~ L Mz~^ Nz* Oz3-t-
при сравнении с предыдущим получится
АЪ
о BLbcy
Р
И Т. Д.,
Р AMz — BLy '
ACM2cdyz
Y — (AMz — BLy) (BNz — CMy) '
д_ BDN* deyz
~~ (BNz — CMy) (COz — DNy)
И Т. д.
Подставим для b, с, d и т. д. следующие значения:
b = L, откуда а = А,
с = AMz - BLy, p = BL2y,
d = BNz - СМу, у = ACM*yz,
e = COz- DNy, 6 = BDN*yz,
и т. д.
и т. д.;
тогда заданный ряд выразится следующей непрерывной дробью:
: = -г i 5^
^CM2J/z
rfrL
COz — DNy -|- и т. Д.
278 ГЛАВА XVIII
373. Пусть, наконец, данный ряд имеет вид
А АВу АВСу* АВСРу*
L LMz^~ LMNz* LMNOz* "+" Д"'
при этом получатся следующие значения:
_АЬ . DNdeyz
°~~(Nz—Cy)(Oz —Dy)
ВЪсу EOejyz
Р "~ Mz — By f E
II Т. Д.
By ' (Oz—Dy) (Pz—Ey)
CMcdyz
У~ (Mz — By) (Nz — Cy) '
Для получения же целых значений положим
b = Lz, откуда a--Azt
c = Mz-By, p = BLyz,
d = Nz — Cy, Y = CMyz,
e = Oz — Dy 6 = DNyz,
f = Pz-Ey & = EOyz
и т. д., и т. д.
Тогда значение данного ряда выразится так:
1 Oz — Dy + и т. д.,
или, чтобы закон последовательности стал ясен с самого же начала,
dg _ Ay = Lz - Ay + JLyzD , CMyz nAT
x y У ^ Mz — By + * DNyz
Nz~Cy + Oz-Dy + H Т. Д.
374. Этим путем могут быть найдены бесчисленные непрерывные
дроби с бесконечным числом членов, истинное значение которых может
быть обнаружено. Так как, по сказанному выше, для этой цели можно
привлечь бесконечные ряды, суммы которых известны, то каждый
из них может быть преобразован в непрерывную дробь, значение которой
будет равно сумме этого ряда. Приведенных уже здесь примеров доста-
достаточно для того, чтобы показать это применение; однако желательно
указание такого метода, с помощью которого могло бы быть непосред-
непосредственно найдено значение любой данной непрерывной дроби. Хотя
непрерывная дробь может быть преобразована в бесконечный ряд, сумму
которого можно определить известными способами, однако ряды эти
по большей части бывают так запутаны, что суммы их, хотя бы они и были
довольно простыми, можно получить лишь с трудом или даже совсем
невозможно получить.
375. Чтобы было яснее видно, что существуют непрерывные
дроби, значение которых может быть легко определено другим способом,
хотя бы об этом значении ничего нельзя было сказать на основании беско-
бесконечных рядов, в которые эти дроби обращаются, рассмотрим такую
О НЕПРЕРЫВНЫХ ДРОБЯХ 279
непрерывную дробь:
+Т+ и т. д.,
все знаменатели которой между собой равны. Теперь составим по изло-
изложенному выше способу дроби
0 2 2 2 2 2 2
JL .2. ± А А 1? 29
О ' 1 ' 2 ' 5 ' 12 ' 29 ' 70 И Т" Д->
отсюда получается ряд
¦1 1.1 1.1
~" 2^5 + Л2~~ 12^29 + 29^6
или, если соединить члены по два,
" и т-
а также
1 2 2
2 2-12 12-70
Далее, так как
1 1
и
12 2-12-29
1 А 9.9-^ ' 9419 919 9Q ^ ^"'
то имеем
z = ± + J L_4—* L+ит д.
4т1-5 2-12^5-29 12-70^ д''
хотя эти ряды весьма быстро сходятся, то все же сумму их по их виду
найти нельзя.
376. Однако существует легкий способ выражения сумм для непре-
непрерывных дробей такого рода, у которых знаменатели либо все одинаковы,
либо все снова и снова повторяются, так что эта дробь, если отнять
от начала несколько членов, все же останется равной всей дроби. Так,
в данном примере, поскольку
Х==Т+— 1
2 +Т+ и т. д.,
имеем
1
и, значит,
хъ _|_ 2х =
и
так что значение этой непрерывной дроби равно
1/2"-1.
280
ГЛАВА XVIII
Дроби же, полученные раньше из непрерывной, подходят к этому
значению все ближе и ближе и притом столь быстро, что едва ли можно
найти более быстрый способ приближенного выражения этого иррацио-
иррационального значения посредством рациональных чисел. Так, значение
У~2 — 1 столь близко к =д, что погрешность не заметна; действительно,,
извлекая корень, получим
- 1 = 0,414 21356237,
^ = 0,414 285 714 28,
так что погрешность содержится только в стотысячных долях.
377. Таким же образом, каким непрерывные дроби дают весьма
удобный способ приближения к значению ]/^2 , они позволяют с большей
легкостью находить приближение для корней из других чисел. Для
этого положим
¦у» . Л
Л/ . J. .
+
тогда
х =
и т. д.,
отсюда
х2 + ах = 1;
1 , ,/'. I „
х= _уа+ у 1+та~
Следовательно, такая непрерывная дробь служит для нахождения
величины квадратного корня из числа а2 + 4. Отсюда, подставляя
вместо а последовательно числа 1, 2, 3, 4 и т. д., найдем j/5 , j/2 r
VT3, У5 , У29, У~10, ]/53 и т. д., причем эти корни приведены»
конечно, к простейшему виду. Так, будем иметь
1111
1 ' 2
1 1
5 ' 8
И Т. Д. =
^5 — 1
i_ _2_ _5_ 12 29 _ ,/-я- .
2 ' Т ' 12' 29' 70ИТ' Д> ~~ У Z ~~ L>
0
10 33 109
1 ' 3 ' Ю ' 33 ' 109 ' 360
ит.д.=
У\Ъ—3
0 \_ Ь_ 17 J72_ 305_ _
Т ' 4 ' 17 ' 72 ' 305 ' 1292И Т- Д> ""
О НЕПРЕРЫВНЫХ ДРОБЯХ 281
Надо отметить, что приближение будет тем более быстрым, чем больше
число а; так, в последнем примере
1/5"-2 3°5
Vb —^1292 '
так что ошибка меньше, чем 2q2 5,„„, где 5473 есть знаменатель
, 1292
следующей дроби ^щ .
378. Но этим способом могут быть выражены корни только таких
чисел, которые представляют сумму двух квадратов. Для распростране-
распространения этого приближения на другие числа положим
"тНит.д.;
тогда
. 1 „ ._ b + * .
поэтому
ах2 -\- abx = Ъ,
Отсюда уже можно найти корни всех чисел. Так, например, если
а = 2, 6=7, то
_ 14+11418 — 7+3
х 4 - 2
причем значение х приближенно выражается дробями
2 7 2 7 2 7
О 1 7 15 112 239
Итак, приближенно
Т ' Т ' 15' 32' 239' 510ИТ'Д'
— 7+3/7 _239
2 ~510
и
1/Т = ^ = 2,645 751.63,
на самом же деле
1/Т = 2,645 751 31,
так что погрешность меньше, чем .„г,, --.-. .
юо оии оии
282 ГЛАВА XVIII
379. Идя далее, положим
1
" -Г а + И Т. Д.
Тогда
отсюда
и
— аЬс
1 1 . bx-\-bc-\-l
здесь количество под знаком радикала опять представляет сумму двух
квадратов, стало быть, эта форма служит для извлечения корней только
из таких чисел, для которых была достаточной первая форма. Подоб-
Подобным образом, если знаменатели непрерывной дроби составляют четыре
повторяющихся все время буквы а, Ь, с, d, то эта дробь пригодна не бо-
более второй, которая заключала только две буквы, и т. д.
380 Так как непрерывные дроби могут со столь большой пользой
применяться к извлечению квадратного корня, то они вместе с тем
служат и для решения квадратных уравнений, что ясно из приведен-
приведенных вычислений, поскольку х определялось из квадратного уравнения.
Но легко можно, и обратно, выразить корень любого квадратного уравне-
уравнения посредством непрерывной дроби. Пусть дано уравнение
так как в нем
то, подставив в последнем члене вместо х найденное значение, получим
Ь
поступая и далее подобным образом, найдем для х выражение в виде
бесконечной непрерывной дроби
х = а-\ . Ъ
а +7+ и т. д.,
однако эта дробь не столь удобна для применения, поскольку числители
не являются единицами.
381. Чтобы показать применение [непрерывных дробей] в арифме-
арифметике, заметим сначала, что всякую обыкновенную дробь можно обратить
О НЕПРЕРЫВНЫХ ДРОБЯХ 283
в непрерывную. Пусть дана дробь
А
х~~в~'1
где А > В; разделим А на В, и пусть частное равно а, а остаток С;
затем разделим на этот остаток С предыдущий делитель В, и пусть
получится частное Ъ и остаток D, на который снова разделим преды-
предыдущий делитель С; таким образом будет продолжаться этот процесс,
применяемый обычно для нахождения общего наибольшего делителя
чисел А и В до тех пор, пока он не кончится сам собою; итак,
выа
А = аВ + С,
B^bC+D,
C = cD + E,
В (Ь
D) С (с
Е)
D (d
F И
будем иметь
откуда
4 —
в ,
-с=ь-
с
D~C~
т- Д-,
V D '
С
В
D
С
D
Е
и т. д. и т. д.
Следовательно, подставляя последующие значения в предыдущие,
получим
fe+7T C+7T'
откуда, наконец, х выразится посредством одних только найденных
частных а, Ь, с, d и т. д. следующим образом:
е + / + и т. д.
ПРИМЕР 1
Пусть дана дробь -^-; ее можно преобразовать в непрерывную
дробь, все числители которой равны единице. А именно, производим
такое действие, посредством которого обычно находится общий наи-
284
ГЛАВА XVIII
больший делитель чисел 59 и 1461:
59) 1461 B4
118
281
236
45) 59 A
45
14) 45 C
"ЗУ 14 D
12
Z) 3A
1JB
_2_
О *
Следовательно, из этих частных получаем
ПРИМЕР 2
Десятичные дроби также можно преобразовывать этим способом.
Пусть, например, дана дробь
/2 =1,414 213 56 =
141 421356 .
100000000 '
производим такое действие:
100000000
82842 712
17157 288
14 213 560
2 943 728
2 438 648
505 080
418 328
86 752
141421356
100 000 000
41421356
34 314 576
7 106 780
5 887 456
1 219 324
1010160
209 164
и т. д.
Из хода действия видно, что все знаменатели будут равны 2, и, значит,
_L 1
2 +т+±
ит.д.,
что известно уже из предыдущего.
О НЕПРЕРЫВНЫХ ДРОБЯХ
285
ПРИМЕР 3
Особенно заслуживает внимания число е, логарифм которого равен
единице и которое равно
е = 2,718 281828 459.
Отсюда имеем
JLYL-= 0,859 140 914 2295;
эта десятичная дробь при указанном выше способе преобразования
даст следующие частные:
8 591
8 451
139
139
409 142 295
545 146 224
863 996071
312 557 916
551438155
550 224 488
1213 667
10000 000000 000
8 591 409 142 295
1408 59085,7 704!)
1398 639 960 710
9 950 896 994
9 925 886 790
25010 204
1
6
10
14
18
22
и т. д.
Если продолжать это вычисление значения е до больших степеней
точности, то получатся такие частные:
1, 6, 10, 14, 18, 22, 26, 30, 34 и т. д.;
они, за исключением первого, составляют арифметическую прогрессию;
отсюда ясно, что мы получим
«-1 - ! .
2 i+±
1
и т. д.
Обоснование этой дроби может быть дано с помощью исчисления
¦бесконечных [74j.
382. Так как из выражений этого рода могут быть получены дроби,
которые весьма быстро приводят к истинному значению рассматривае-
рассматриваемого выражения, то этот метод можно применить к выражению деся-
десятичных дробей посредством простых, весьма близко к нам подходящих.
Даже когда дана дробь, у которой числитель и знаменатель являются
числами очень большими, то можно найти дроби, состоящие из мень-
меньших чисел, если и не равные в точности данной, то отличающиеся от
нее очень мало. Так, можно легко решить вопрос, рассматривавшийся
когда-то Валлисом, относительно нахождения дробей, выраженных мень-
меньшими числами, которые представляли бы значение какой-либо дроби,
данной в больших числах, настолько близко, насколько это только
х) В действительности последняя цифра здесь не 4, а 5, и это сказывается
на дальнейшем вычислении. [Ф. Р.]
286 ГЛАВА XVIII
возможно при числах небольших [78]. Дроби, построенные по нашему
методу, подходят так близко к значению непрерывной дроби, из которой
они получаются, что нет других дробей, состоящих из числителя и зна-
знаменателя, не больших, чем эти, которые подходили бы ближе.
ПРИМЕР 1
Выразим отношение окружности к диаметру столь малыми числами,
чтобы его нельзя было выразить точнее, не употребляя чисел больших.
Если известную десятичную дробь 3,141 592 6535 и т. д. развер-
развернуть указанным способом непрерывного деления, то получатся следу-
следующие частные;
3, 7, 15, 1, 292, 1, 1 и т. д.;
из них образуются следующие дроби:
_1_ _3_ 22 333 355 103 993
0 ' Т ' 7 ' 106 ' ИЗ ' 33 102 И Т' Д"
Вторая дробь показывает уже, что отношение диаметра и окружности
приблизительно равно 1:3, и оно действительно не может быть дано
точнее при числах, не больше этих. Третья дробь дает архимедово отно-
отношение 7:22; пятая же —отношение Меция, которое так близко подходит
к истинному значению, что ошибка меньше Q [Т6]. Впрочем,
дроби эти попеременно то больше, то меньше истинного значения.
ПРИМЕР 2
Выразим приближенно наименьшими числами отношение дня
к среднему солнечному году. Так как год этот равен 365d5h48m55s, то
в виде дроби один год содержит
20 935
86 400
дней. Надо только развернуть эту дробь; она даст следующие частные:
4, 7, 1, 6, 1, 2, 2, 4,
откуда получаются дроби
0 1 7 8 55 63 181
1 ' Т ' 29 ' 33 ' 227 ' 260 ' 747 И Т* Д-
Итак, часы с минутами и секундами, сверх 365 дней, составляют
около одного дня за 4 года; отсюда происходит юлианский календарь.
Точнее же, за 33 года получается 8 дней или за 747 лет 181 день;
отсюда следует, что за 400 лет излишек составляет 97 дней. Поэтому
в то время, как за этот промежуток юлианский календарь вставляет
100 дней, грегорианский каждые 4 столетия 3 високосных года обра-
обращает в простые.
КОНЕЦ ПЕРВОГО ТОМА
ПРИМЕЧАНИЯ
1. (К § 7.) Взгляд, по которому корень всякого уравнения должен
равняться некоторому выражению, составленному из переменной и по-
постоянных, Эйлер высказывал неоднократно; ср., кроме § 8 и 17 этой книги,
работы: «De formis radicum aequationum cuiusque ordinis coniectatio»,
Comment, acad. sc. Petrop., 6 A732/3), 1738, стр. 216 и «De resolutione
aequationum cuiusvis gradus», Novi comment, acad. sc. Petrop., 6 A762/3),
1764, стр. 70; Leonhardi Euleri Opera omnia, серия 1, т. 6,
стр. 1 и 170. [А. К.]
2. (К § 7.) Относительно интерсцендентных выражений см. письмо
Лейбница к Валлису от 28 мая 1697 г.; Leibnitz, Mathematische
Schriften, herausg.J von С. I. Gerhardt, I отд., т. 4, Галле 1859, стр. 28.
[А. КЛ
3. (К § 17.) См. I. Newton, Aritlimetica universalis, Кембридж
1707, 3-е лейденское изд. 1732 г., стр. 57—63. См., далее, работу Эйлера
«Nouvelle methode d'eliminer les quantites inconnues des equations», Mem.
de l'acad. d. sc. de Berlin [20] A764), 1766, стр. 91; Leonhardi
Euleri Opera omnia, серия 1, т. 6, стр. 197. [A. F.]
4. (К § 28.) Приблизительно одновременно А. Жирар («L'invention
nouvelle en l'AIgebre», Амстердам, 1629) и Декарт («La Geometrie», прило-
приложение к книге «Discours de la Methode», Лейден, 1637, написано много
ранее выхода в свет) открыли, что уравнение может иметь столько кор-
корней, сколько неизвестное имеет измерений, т. е. что такое число корней
является максимальным. Декарт прибавляет к этому, что для того, чтобы
число корней всегда равнялось измерению неизвестного, «можно вообра-
вообразить себе столько корней, сколько сказано»; иными словами, в мнимых
корнях Декарт не видел настоящих решений уравнения. Только Эйлер
впервые установил, что всякое алгебраическое уравнение п-й степени не
только может, но и долечено иметь ровно п корней или, точнее, как выра-
выражается сам Эйлер1), всякое выражение вида
хп -f ахп~1 -\- Ъхп~г + ...
с действительными коэффициентами всегда может быть разложено на
такое число действительных множителей первой или второй степени, что
сумма их степеней равна п. Однако и в разбираемом нами месте Эйлер
никаких доказательств этого утверждения не дает. Это для него «непосред-
«непосредственно явствует» («statim liquet, perspicuum est») из того факта, что
!) Письмо к Гольдбаху от 15 декабря 1742 г. (Согг. math., т. I, стр. 171).
U 19 Л. Эйлер, т. 1
2!1A ПРИМЕЧАНИИ
f-uz2 разлагается на два, a f-j-gz-\-hz2-\-iz3 — на три простых мно-
множителя (т. е. таких, в которые z входит в первой степени). Строгое
доказательство этой теоремы дал впервые Гаусс в 1799 г. [С. Л.]
Однако не следует считать на основании такого изложения, обуслов-
обусловленного, вероятно, методическими соображениями, что для Эйлера по-
подобная аргументация была настоящим доказательством. В работе 1749 г.
«Recherches...» (см. примечание [5]) Эйлер дает доказательство основной
теоремы алгебры, не безупречное по замыслу, но глубокое и плодотворное.
См. об этом статью И. Г. Башмаковой в Историко-математических иссле-
исследованиях т. X A957 г.). [И. П.]
5. (К § 20.) Ср. § 35 и 36; ср. далее статью «Recherches sur les racines
imaginaires des equations», Mem. de l'acad. d. sc. de Berlin, 5 A749), 1751,
стр. 222; Leouhardi Euleri Opera omnia, серия 1, т. 6, стр. 78.
[A. K.I
6. (К § 31.) См. § 9 указанной в [5] статьи Эйлера, особенно дополни-
дополнительное замечание к нему. [А. К.]
7. (К § 37.) Обращаем внимание читателя на содержащееся в § 37
(с леммой в § 33) исключительно изящное доказательство положения,
что всякое уравнение с четной высшей степенью и отрицательным сво-
свободным членом имеет по крайней мере два вещественных корня, из кото-
которых один положительный, другой отрицательный. В 1749 г.1) Эйлер вер-
вернулся к этой теореме и доказал ее также и геометрически, красиво иллю-
иллюстрируя свое доказательство кривой
у = х*т + сеж2'"-1 + рж2™-* + .., - ОК
В самом деле (рис. 1), нетрудно убедиться, что при а; = —со; имеем
у=-\-со, и кривая находится во втором квадранте; при х = -)- ос/пмсем
v/=-j-co, и кривая находится в первом квадранте; при х=0 имеем
Y
I'hc. 1
у = — О2 и, следовательно, кривая в точке А переходит из третьего
квадранта в четвертый. Итак, кривая должна где-то на своем пути пере-
переходить из второго квадранта в третий (скажем, в точке Б) и из четвертого
в первый (скажем, в точке С). Очевидно, при у = 0, х имеет в С действитель-
действительное положительное, а. ъ В действительное отрицательное значение. Разу-
Разумеется, при этих доказательствах используются свойства непрерывных
функции и кривых, которые в XVIII веке никто из математиков не считал
требующими обоснования. \С. Л.]
Histoirc de l'Academie de Berlin, 1749, стр. 232—235.
ШЧШКЧЛНМК 2i> 1
8. (К § 41.) См. статьи Эйлера «Nova methodus fractiones quascunque
rationales in fractiones simplices resolvendi». Ada acad. sc. Petrop., 1780, 1,
1783, стр. 32 и «De resolutione fractionum compositarum in simpliciores»,
Mem. de I'acad. d. sc. de St.-Petersbourg, I A803/6), 1809, стр. 3; L e on-
hard i Euleri Opera omnia, серия 1, т. С, стр. 370 и 465. [A. K.I-
K.I'd. (К § 46.) Принадлежащая Эйлеру и осуществленная здесь идея
выражения алгебраических уравнений между двумя переменными в неза-
независимой форме при помощи третьей (которую теперь, допуская contra-
dictio in adiecto, называют «переменным параметром») сыграла большую
роль в истории математики. Эйлеру удалось применить этот прием,
во-первых, для уравнений вида тринома, во-вторых, для таких уравнений,
которые представляют конические сечения и кривые третьего порядка
с двойной точкой; наконец, для уравнений с членами трех различных изме-
измерений, из которых одно — среднее арифметическое между двумя другими.
В этих последних случаях выражение в параметре оказывается иррацио-
иррациональным.
Такого рода подстановка встречается также у Крамера («Introduction
a l'analyse de lignes courbes algebriques», Женева, 1750). Он применяет
этотприем с целью вычисления точек кривой. В противоположность Эйлеру
у Крамера этот прием является не правильно действующим математиче-
математическим интрументом, а применяется случайно как artifice algebrique. 1С Л.]
10. (К § 53.) Так как имеются три неизвестных: q, г и р и только два
уравнения, то допущение, что р—а—р\ правомерно. По той же причине
в дальнейшем принимается р = (л. [С. Л.]
И. (К § 71.) См. Е u I e r, Institutiones calculi differential, Petro-
poli 1755, г. И, гл. IV; Leonhardi Euleri, Opera omnia, серия 1,
т. 10, стр. 276 (JI. Эйлер, Дифференциальное исчисление, М.—Л.,
1937, ч. II, гл. IV). См., далее, статью Эйлера «Demonstratio theorematis
Neutoniani de evolutione potestatum binomii pro casibus quibus exponentes
поп sunt numeri integri», Novi comment, acad. sc. Petrop., 19 A774), 1755,
стр. 103; Leonhardi Euleri Opera omnia, серия 1, т. 15. [А. К.]
Характерно, что в этом и последующих параграфах законы бинома
и полинома, совсем в стиле Валлиса, без дальнейших рассуждений
распространяются и на случай с дробными показателями, как если бы
правомерность такого распространения была чем-то само собой подразуме-
подразумевающимся. [С. Л.]
12. (К § 83.) Термин homogeneus, «однородный», в том же смысле
встречается уже у Виета во второй половине XVI в. (Fr. V i e t a, Opera
mathematica, Лейден, 1646, стр. 4), у Лейбница («Mathematische Schriften»
lierausg. von С. I. Gerhardt. II отд., т. 3, Галле, 1853, стр. 65) уже выделена
особая категория выражении, составленных согласно lex homogeneorum,
что по существу равнозначно выражению functio homogenea. Но самый
термин functio homogenea впервые введен Ив. Бернулли в его статье
«De integrationibus aequationum differentialium etc.», Comment, acad.
sc. Petrop., I A726), 1728, стр. 167 (Opera omnia, Лозанна и Женева, 1742,
т. III, стр. 108). [А. К.]
У Бернулли Эйлер заимствовал этот термин вместе с его определением,
которое у Бернуллн сформулировано так: цр и q обозначают рациональ-
рациональные и однородные функции (functiones rationales et homogeneas)
19*
292 ПРИМЕЧАНИЯ
неопределенных (т. е. переменных —С. Л.) хпу, связанных и перемешанных
между собою любым образом, лишь бы только неопределенные в каждом
члене имели одну и ту же сумму показателей. Поэтому я называю функ-
функции, составленные таким способом, «однородными». [С. Л.]
13. (К § 101.) Более точно: 3,102 278, именно: 3,162 7766. [А. К.]
14. (К § 105.) Утверждая, что кроме степеней основания а не суще-
существует никакого рационального числа b с рациональным логарифмом.
Эйлер прибавляет к этому без всякого доказательства, что логарифм b
не может также быть и (алгебраическим) иррациональным числом и поэ-
поэтому должен относиться к трансцендентным числам. Такие чисто интуи-
интуитивно полученные утверждения встречаются у Эйлера. [С. Л.]
15. (К § 106.) Более точные значения для 1К и IL:
МГ = 0,699 218 7500
и
I.L = 0,697 265 6250,
откуда более точное значение для 1М:
1М = 0,698 242 1875
или, если взять семь знаков,
LM = 0,698 2422.
Соответственно следует внести незначительные изменения и во все
дальнейшие логарифмы. [А. К.]
16. (К § 106). Н. В г i g g, «Arithmetica logarithmica sive logarith-
morum chiliades triginta etc.», Лондон, 1624; A. V 1 а с q, «Arithmetica
logarithmica sive logarithmorum chiliades centum etc.», Goudae, 1628.
Ср. также I. Neper, Mirifici logarithmorumcanonis constructio, Appendix,
Эдинбург, 1619. [A. K.\
17. (K § 110.) Третий пример чрезвычайно характерен для Эйлера.
Наряду с сообщением навыков в пользовании логарифмами он имеет
целью показать, что точные науки не только не опровергают священного
писания, но, наоборот, служат добавочным подтверждением его непрере-
непререкаемой правильности. Он берет самое неправдоподобное библейское пред-
представление, по которому население земного шара после потопа равнялось
6 человекам, а уже через 200 лет должно было равняться примерно мил-
миллиону. Для того чтобы это было верно, как показывает Эйлер, необхо-
необходимо, чтобы количество народонаселения увеличивалось ежегодно только
на 1/16 часть. Впрочем, прибавляет он, и эта цифра несоразмерно велика,
ибо, если бы число людей и в дальнейшем продолжало так возрастать, то
ныне оно достигало бы 167 миллиардов, т. е. им бы не нашлось места на
всем земном шаре. Но он ссылается на то, что по свидетельству библии
в те времена люди отличались особенно большим долголетием — жили
до 900 лет и потому прирост населения был больше, чем впоследствии.
Необходимо обратить при этом внимание на то, что как раз около
этого времени Эйлер в вопросах об отношении науки и религии был под
сильным влиянием Беркли; он ие только с восторгом ухватился за выдви-
ПРИМЕЧАНИЯ 293
нутый Мопертюи закон наименьшего действия, доказывавший благость
и премудрость Провидения, но и в особой, выпущенной анонимно, бро-
брошюре «Die Verteidigung der heiligen Offenbarung von den Einwtirfe der
Freigeiste», вышедшей в этом же году, пытался доказать, что наука ни
в чем не противоречит библии, а наоборот, только подтверждает ее.
См. мою статью «Переписка Эйлера» в сборнике «Леонард Эйлер», изданном
Институтом истории науки и техники Академии наук СССР, Л., 1935,
стр. 159-162, ср. стр. 77-78. [С. Л.]
18. (К § 111.) Из первого примера мы видим, что идея чисто математи-
математического подхода к вопросу о росте народонаселения, приведшая Эйлера
в 1760 г. к специальному исследованию «Recherches generales sur la mor-
talite et la multiplication du genre humain», появилась у него уже в это
время. Содержащееся во втором примере уравнение
х пхЪ — Ъ
па = -г-
п—1
носит теперь название уравнения амортизации. [С. Л. ]
19. (К § 112.) Название «mantissa» для дробной части логарифма
впервые введено Эйлером, слово mantissa употреблено было Валлисом
просто для обозначения дробной части числа, состоящего из целого и деся-
десятичной дроби; Эйлер здесь впервые придал ему значение специфического
термина для учения о логарифмах. См. P. Stackel, Eulers Verdienste
um die elementare Mathematik, Zeitschr. fur math, und naturwiss. Unter-
richt, 38, стр. 304, 1907. [С. Л.]
20. (К § ИЗ.) В первом издании отсутствует последняя цифра 12,
однако она необходима для достаточно точного вычисления мантиссы
259733675932. Впрочем, значение 12 (равно как и значение для к и -)
Эйлер мог позаимствовать из исследования Галлея (Е. Н а 1 1 е у, A most
compendious and facile method for constructing the logarithms, Philosophical
Transactions (Лондон) 19, n°216,1695, стр. 58); здесь эти и другие значения
вычислены с 60 знаками (вычисление производил A. Sharp). Этот же при-
пример находится ив «Дифференциальном исчислении» Эйлера, ч. II, гл. IV,
§ 82. [А.К.]
21. (К § 114 и след.) Здесь ход мыслей очень близок к ходу мыслей
у Галлея (Е. Hal ley, статья, указанная в предыдущем примечании).
Эйлер не называет Галлея; как справедливо полагает М. Кантор, при-
причина этого не в том, что Эйлер не знал исследования Галлея, а в том,
что он считал открытие с давностью в 50 лет уже общим достоянием.
Впрочем, Эйлер в предисловии сам указывает, что, к сожалению, лишен
возможности каждый раз называть своих*предшественников. [С. Л.]
22. (К § 114.) Выражение: «Если со будет числом бесконечно малым,
т. е. столь малой дробью, что она только-только не равна нулю», харак-
характерно для лейбницевской концепции бесконечно малого, но противоречит
взглядам самого Эйлера, последовательно изложенным им во Введении
и в гл. 4 его «Дифференциального исчисления» (написано в том же 1748 г.,
издано в 1755 г.): здесь Эйлер, вслед за Ньютоном, считает бесконечно'
малое не почти, а совершенно равным нулю (так называемое «исчисление
нулей»). См. вступительную статью А. П. Юшкевича к книге: Л. К а р н о,,
'/г 19 л. Эйлер т. 1
294 ПРИМЕЧАНИЯ
«Размышления о метафизике бесконечно малых», ГТТИ, М., 1933, стр. 12
и 15, а также примечание М. Я. Выгодского на стр. 365—366 «Истории
математики в XVI и XVII вв.» Г. Г. Цейтена, ГТТИ, М., 1933, и мою
статью «Эйлер и его исчисление нулей» в сборнике «Леонард Эйлер»,
изданном Институтом истории науки и техники Академии наук СССР,
Л., 1935, стр. 51-81. [С. Л.]
23. (К § 120 и след.) О трактовке расходящихся рядов у Эйлера см.
в этом томе статью А. Шпайзера. [И. П.]
24. (К § 123.) Обозначение основания натуральных логарифмов
буквой е ввел впервые Эйлер в 1728 г., см. G. Enestrom, Biblioth.
Mathem., 3 серия, т. 14, стр. 81, и 5, стр. 310. Это же обозначение он
постоянно применяет в книге, озаглавленной «Mechanica sive motus
scientia analytice exposita», С.-Петербург, 1736 (Leonhardi Euleri
Opera omnia, серия 2, т. 1 и 2). Впрочем, в статье «Specimen de constructione
aequationum differentialium», напечатанной в Comment, acad. scient.
Petrop., 6 A732/3), 1738 (Leonhardi Euleri Opera omnia, серия 1,
т. 20, стр. 1), вместо буквы е (как раньше) употребляется буква с, хотя
эта статья написана в 1733 г. [А. К.]
25. (К § 125.) Формула ё = 1 +— J для частного случая z = l в виде
была найдена Дан. Бернулли еще до 1728 г., о чем он сообщил Гольдбаху
в письме от 30 января 1728 г. («Corresp. mathem.» par Fuss, т. II, стр. 246).
[С. Л.)
26. (К § 126.) «Радиус круга или полный синус» — здесь синус
еще мыслится по-старому не как функция, а как прямая в круге; эта пря-
прямая достигает своей «полной» величины, единицы или радиуса, когда угол
равен 90°. [С. Л.]
27. (К § 126.) Значение я Эйлер заимствовал из исследования Th.
F. d e L a g n у, «Memoire sur la quadrature du cercle, et sur la mesure de
tout arc, tout secteur et tout segment donne», Mem de Vacad. d. sc. de
Paris A719), 1721, стр. 135. Ср. статью Эйлера «De variis modis circuli
quadraturam numeris proxime exprimendi», Comment, acad. sc. Petrop., 9
A737), 1744, стр. 222 (Leonhardi Euleri Opera omnia, серия 1,
т. 14). Сто тринадцатый знак, заимствованный Эйлером у Ланьи, не верен;
как указал G.de Vega, Thesaurus logarithmorum completus, Лейпциг,
1794, стр. 633, эта цифра не 7, а 8. [А. К.]
28. (К § 126.) До Эйлера отношение окружности к радиусу не обо-
обозначалось, как ныне, кратко отдельным символом (буквой), а пространно
описывалось несколькими словами. Но есть и ряд интересных исключений.
Так, J. Chr. Sturm в книге «Mathesis enucleata», Нюрнберг, 1689, стр. 81,
пишет: «Если диаметр какого-либо круга принять за а, то окружность
придется называеть еа (чему бы ни равнялось отношение окружности
к диаметру, мы можем обозначить его именем е)». Буквой л назвал отноше-
отношение окружности к диаметру впервые У. Джонс (W. Jones, «Synopsi?
ПРИМЕЧАНИЯ 293
paJmariorum matheseos or new introduction to the mathematics», Лондон,
1706, стр. 243). Заслуга Эйлера состоит в том, что он первый сделал этот
способ обозначения всеобщим. Уже в книге «Mechanica sive motus scien-
tia analytica exposita» он часто, хотя и не всюду, обозначает отношение
окружности к диаметру буквой я. Кроме того, буква я встречается в его
статье «Variae observationes circa series infinitas», Comment, acad. sc.
Petrop., 9 A737), 1744, стр. 160 (Leonhardi Euleri Opera omnia,
серия 1, т. 14). В статье, указанной в предыдущем примечании, как и в не-
некоторых других ранних работах, Эйлер вместо л писал р, но с этих пор
употребление буквы я становилось все более преобладающим, пока не
стало единственным общепризнанным, особенно со времени выхода в свет
<<Введения».
Истории числа я и вообще истории квадратуры круга посвящены
книги: Ф. Р у д и о «Архимед, Гюйгенс, Ламберт, Лежандр. О квадра-
квадратуре круга» (перев. прив.-доц. С. Бернштейна, Одесса, 1911, новое изда-
издание ОНТИ, М.—Л., 1936) и Е. W. Н о b s о n' a, Squaring the circle, a
history of the problem, 1913. [A. K.)
29. (K § 133.) Это — знаменитая формула Моавра. Для сравнения
приводим то место из «Miscellanea analytica de seriebus et quadraturis»
Моавра (Лондон, 1730, стр. 1—2), где впервые встречаем эту формулу:
«Л е м м а 1. Если / и х — косинусы двух дуг А и В, каждая из ко-
которых описана тем же радиусом 1 и из которых первая во столько же раз
больше второй, во сколько п больше единицы, то будет
J_
т. с. в наших символах
== i v
cos В = \ |/cos nB + sin пВ У - 1 +- 2 \ Г.. .11. 1 .
у cos nB-\-sin nB V — 1 L J
«Следствие 1. Примем у 1 + ]/ I2— I = z, откуда будет
или
zn - I = УТ^Л,
или, возведя обе части в квадрат,
z2n_2Zz"
отняв от обеих частей равное и перенеся, получим
г2"-2^п+1=0,
но также, ввиду того, что мы приняли
получим согласно приведенной выше лемме
19*
296
ПРИМЕЧАНИЯ
ИЛИ
z2 — 2xz+l=0.
«Следствие 2. Поэтому, если из двух уравнений:
исключить количество z, то получим новое уравнение, из которого
определится отношение между косинусами / и х».
В самом деле, решая эти два уравнения, выведенные Моавром,
получим
гп = I ± уТ^^Т,
z = х ± "|/"х2—1,
откуда
(х
-1)п=1± VI2- 1
или в наших символах
(cos 5 + sin В У — 1)п = со?пВ ± sin пВу —I.
Положенная в основу этого рассуждения формула
X = тг
*—l
выведена Моавром в схолии к этому месту в кн. II (являющейся схо-
схолией к кн. I, гл. I, стр. 1 — 2). Я опускаю все то, что не имеет пря-
прямого отношения к интересующей
нас проблеме.
«В начале 1707 г. или не-
несколько раньше я предложил сам
себе для разрешения такую зада-
задачу. В равнобочной гиперболе АН
(рис. 2), центр которой С, верши-
вершина А, полуось СА равна еди-
единице, к оси проведена ордината
DE, которой соответствует гипер-
гиперболический сектор АСЕ. Найти
такую ординату GH, чтобы ей
соответствовал гиперболический
сектор АСЕ и чтобы второй сек-
сектор относился к первому как п к 1.
«Я обозначил DE через у,
HG через v . . . ».
Моавр здесь разрешает попутно целый ряд побочных проблем,
чрезвычайно интересных самих по себе, но не имеющих отношения
к той лемме 1 книги I, которую он здесь хочет объяснить, и продол-
продолжает (в дальнейшем я применяю нынешние обозначения):
«Я провел асимптоты СК и CL, затем продолжил ординаты DE и
GH до пересечения с асимптотой СК в F и К и провел АР и EQ
перпендикулярно к той же асимптоте. Так как я знал, что
F К
Рис. 2
ПРИМЕЧАНИЯ 297
сектор АСЕ равен площ. APQE, сектор АСЕ равен площ. APSH1), a
АР АР
эти площади суть логарифмы отношений 2) ^ и -^ или (ввиду подобия
треугольников АСР, EQF и HSK) — отношений -^ и -^, или ^ и
1 1
, то я и заключил, что логарифм отношения -&-&¦ так относится к ло-
гарифму отношения rrw, как 1 кп, вследствие чего EFn = НК\ но так
как я обозначил DE через г/, а СЯ через v, то путем простого вычис-
вычисления я получил, что EF^y^l + y* — у, а ЯЛГ = ]/ 1 + у2 — v. Далее...
из уравнения
подставляя
получим
или
2 ?
1 + у* = sn + 2г/5п + г/2,
ввиду чего, уничтожая в обеих частях у2, будем иметь
i ^
lys = 1 — s
!) В самом деле, в равнобочной гиперболе, отнесенной к асимптотам, ординаты
обратно пропорциональны абсциссам, т. е.
АР _CQ
EQ~CP '
откуда
АР-СР __ EQ-CQ
2 ~ 2
т. е.
площ. ААРС = площ. ACEQ;
отняв от обеих частей уравнений площ. АСОР, получаем
площ. ААОС = паощ. трапеции OEQP;
прибавив к обеим частям уравнения площ. АОЕ, получаем
площ. ^4СВ=площ. APQE,
что и требовалось доказать.
Так же докажем, что площ. АСН = площ. APSH. [С. Л.]
2) Площ. APQE равна (если взять за оси координат асимптоты)
СО со
\ у dx = \ — dx (уравнение гиперболы ху = 1) =
СР СР
= lx\ср CQ~WP=1CP-1 EQ-1 Ш=1
Так же найдем площ. APSH. [С. Л.)
298
ПРИМЕЧАНИЯ
IIЛII
и будет
Далее, как раньше я подставил j/l -f-у2 — y = s или s2-f-2sz; = 1, так,
сверх того, я еще подставил
уа — г/ = z или z2 + 2гг/ = 1.
На основании доказанного выше s = zn, поэтому, подставив z" вместо
количества s, я получил следующие два уравнения:
или
71*-
У -
4z2
Затем, когда я радиусом СА=1 (рис. 3) из центра С описал круг АЕ,
а затем из точки Е опустил перпендикуляр ED
к радиусу, мне пришло на ум следующее:
уравнение круга есть
CAq-CDq^DEq1),
уравнение равнобочной гиперболы
CDq — CAq = + DEq 2).
Я решил, что не надо ничего иного, как переме-
переменить знаки квадратов v2 и у2; проделав это, я по-
получил два уравнения для круга, а именно,
О
Рис. 3
А
и
или
J) To есть CA2
[С. Л.]
2) То есть
[С. Л.]
-2/2 =
I_|_2z2n + z*»
(или г2—x2 = y2, т. е. в данном случае 1
(или х2—г2 = у2, т. е. в данном случае v2
v = y2).
= y2).
ПРИМЕЧАНИЯ 299
1 У -
где v означает синус какой угодно дуги, а у — синус другой дуги,
относящейся к первой, как 1 к п, так как дуги в одном и том же
круге пропорциональны площадям секторов. Положив 1— v2 = l2 ы
1 — у* = х2, я получил
а затем, по извлечении корня, я получил уравнения для косинуса:
1-4-г2
Х~ 2z "
Из первого из этих уравнений я вывел
из второго
х- z + 2 г'
11 таким путем я, наконец, пришел к выводу, что
1
Если Моавр в своем исследовании вовсе как бы не замечает, что
полученный им результат мнимый, ибо Y^l2 — 1 = j^cos2В — 1 никогда
не может быть действительным числом, то Ив. Бернулли уже обратил
главное внимание на эту сторону проблемы. Он, как и значительная
часть его предшественников и современников, держался того мнения,
что уравнение, приводящее к мнимым корням, бессмысленно. Эти вели-
величины применяли с величайшей осторожностью: лишь тогда считали
несомненной правильность теоремы, доказанной с помощью мнимых
чисел, если она могла быть выведена другим путем.
В сочинении «Angulorum arcuumque sectio indeterminata per formu-
lam universalem expressa sine serierum auxilio», Opera omnia, т. 1,
стр. 511 и след., Ив. Бернулли выводит для тангенсов формулы, анало-
аналогичные формулам Моавра для синусов и косинусов:
(tg Ф - 1/~~=TJ"+1 (tg пер + 1/^Т) = (tg Ф + 1/^=TJ"+1 (tg пер - У'^
(tg ф - V ~ !Jта (с% Щ - V ~ 1) = (tg Ф + V - 1Jп (ctg Щ + V - 1)
300 ПРИМЕЧАНИЯ
(мы несколько модернизировали символику Бернулли). Бернулли пред-
предпочел эти формулы другим потому, что они всегда позволяют выразить
tgmp как вещественную функцию tgcp. [С. Л.]
30. (К § 138.) Эти знаменитые формулы для cos v и sin у, кото-
которые ввиду того, что их окончательно сформулировал и доказал Эйлер,
до сих пор носят название формул Эйлера, впервые выведены в иссле-
исследовании «Da summis serierum reciprocarum ex potestatibus numerorum
naturalium ortarum», Miscellanea Berolin., 7, 1743, стр. 172 (Leon-
hardi Euleri Opera omnia, серия 1, т. 14). Уже раньше в пере-
переписке с Хр. Гольдбахом Эйлер сообщил ему об относящихся сюда фор-
формулах, частью для частных случаев, частью для общих. Так, в письме
от 9 декабря 1741 г. содержится такая формула:
Y = cos • arc ¦ 12,
а в письме от 8 мая 1742 г. такая:
ар Г^ + а~р Г~1 = 2 cos • arc ¦ pla.
См. «Correspondance math. et. phys., publiee par P. H. Fuss», С.-Петер-
С.-Петербург, 1843, т. I, стр. 110 и 123 (Leonhardi Euleri Opera omnia,
серия З). Ср. также статью, цитированную в примечании [5] к § 90
(прежде всего, § 90 и 91 этой статьи). [А. К.]
На экземпляре «Introductio», принадлежавшем сыну Л. Эйлера
И. А. Эйлеру и находящемся ныне в библиотеке Академии наук СССР,
имеется такая приписка на полях к этому месту: «Пусть е° = у. Тогда
cos v = cos ly = у уГ~1 +1
или
ly = arccos (-2- уГ-1 + ^fr
т. е. из этой формулы непосредственно вытекает связь между логариф-
логарифмами и обратной круговой функцией мнимого аргумента. [С. Л.]
31. (К § 139.) Замена п на — (на бесконечно малое число) совер-
совершенно неправомерна, так как формулы для sin nz и cos nz были выше
выведены таким путем, который годится только при целом и положи-
положительном п. [С. Л.]
32. (К § 140.) Содержащийся в этом параграфе ряд
t t3 , tb
г=т-у + у-ит. д.
был найден впервые Дж. Грегори и в письме от 15 февраля 1671 г-
сообщен Коллинсу. См. «Commorcium epistolicum J. Collins et aliorum
de analysi promota etc., publiee par J. B. Biot et F. Lefort», Paris,
1856, стр. 79. Ряд для arctg t был найден Грегори в таком виде:
-t tS _l_ '* _ *? _L
а - l 3rz"+- 5,4 7,e "Г • • •'
ПРИМЕЧАНИЯ 301
где как г — радиус, а —дуга, так и t— тангенс линии. Эйлер же первый
ввел вместо тригонометрических линий их отношения к радиусу и, таким
образом, впервые стал оперировать с тригонометрическими функциями. Ряд
опубликован Лейбницем, De vera proportione circuli ad quadratum cir-
cumscriptum in numeris rationalibus expressa, Ada erud., 1682, p. 41.
В письмах Лейбниц приводил этот ряд за восемь лет до того. См.
письма к Лейбницу: Гюйгенса —от 6 ноября 1674 г., Ольденбурга —от
12 апреля 1675 г. (Leibnitz, Mathematische Schriften, I отд., т. 2,
Берлин, 1850, стр. 16; I отд., т. 1, Берлин, 1849, стр. 60); сам же
Лейбниц в письме к Ольденбургу от 27 августа 1676 г. («Mathematische
Schriften», I отд., т. 1, Берлин, 1849 г., стр. 114) пишет:
«А следовательно, если принять за единицу описанный квадрат^
круг будет равен
Это выражение, сообщенное мною друзьям уже три года назад или
более того, несомненно самое простое из всех возможных* х). [А. К.]
Однако последнее замечание Лейбница не совсем верно: для прак-
практических вычислений этот ряд неудобен вследствие недостаточно быстрой
сходимости. Уже в 1706 г. Дж. Мэчин (J. Machin) нашел значительно
более удобный практически ряд (в книге W. Jones, «Synopsis palma-
riorum matheseos...», 1706):
7-5'
~~ .239"
позволивший ему быстро вычислить я со 100 знаками.
Формула
z =
2/ —1 1—/ —ltgz
устанавливающая связь между логарифмом мнимого числа и арктанген-
арктангенсом, также не являлась новостью.
Переход от арктангенса к логарифму был осуществлен уже Ив. Бер-
нулли в 1702 г. (Opera..., 1, стр. 339 — 400).
Исходя из факта, что
преобразуется в
при
I
2 = ¦
х) См. Ф. Рудио, «Архимед, Гюйгенс, Ламберт, Лежандр. О квадратуре
круга», перев. прив.-доц. С. Бэрнштейна, Одесса, 1911, стр. 40—41, 44—48.
20 л. Эйлер, т. 1
302 ПРИМЕЧАНИЯ
он получил в результате преобразования, что
dz = 7—- dt
при
Интегрируя обе части этого уравнения, получим в левой арктан-
арктангенс, в правой—логарифм мнимого числа. [С. Л.]
32bis. (К § 142.) Эйлер во многих своих работах рассматривал вопрос
о представлении числа я бесконечными рядами, бесконечными произве-
произведениями, бесконечными непрерывными дробями и вопрос о соответствую-
соответствующих аналитических зависимостях. Все это потребовало бы слишком
много места и мы укажем только на главы X, XI, XV, XVIII этого
тома и на работы 41, 59, 61, 63, 72, 74, 125, 130, 275, 561, 664, 705,
706, 745, 809 по списку Энестрема. [А. К.]
33. (К § 156.) Чтобы выпуклее подчеркнуть особенности «предель-
«предельного метода» Эйлера, переведем его выкладки на привычные нам обо-
обозначения, заменив г на оо.
Полученное им выражение
имеет у множителей, значит, при п — со выражение
имеет "-к-" сомножителей. Хотя — = 0, тем не менее вычеркнуть просто
эти члены нельзя, так как в окончательном результате — умножается
со
на у, и, следовательно, зачеркивание этих членов приведет к конечной
ошибке, равной
СО
«Для избежания этого неудобства» (ad hoc incommodum vitandum)
Эйлер прибегает к другому способу разложения и получает множитель
со2
X2
X2
Здесь можно слагаемое —$ спокойно зачеркнуть, так как даже при умно-
умножении на бесконечность этот член дает нуль:
X2 X2 Л
—;-• со = — = 0
оо2 со
(quia, etsi per i multiplicetur, tamen manet infinite parvus!). [С. Л.]
34. (K § 162.) «Если помножить вторую формулу на третью» —
необходимая поправка, внесенная в текст (без всяких оговорок) Рудио
а Крацером; у Эйлера ошибочно написано: «если помножить вторую
ПРИМЕЧАНИЯ 303
формулу на четвертую» (si secunda forma per quartam multiplicetur),
о чем Рудио и Крацер не упоминают. [С. Л.]
35. (К § 166.) Эти формулы, которые Эйлер обыкновенно называл
формулами Ньютона, дал в своей книге (до 4-й степени) А. Жирар
в 1629 г. (A. Girard, «Invention nouvelle en l'algebre», Амстердам,
1629; перепечатано D. Bierens de Haan, Лейден, 1884). См. также:
Ньютон, «Arithmetica universalis», Кембридж, 1707, стр. 251; 3-е изд.,
Лейден, 1732, стр. 192. Доказал эти равенства Эйлер в статье «Demon-
stratio gemma theorematis Neutoniani, quo traditur relatio inter coeffi-
cientes cuiusvis aequationis algebraicae et summas potestatum radicum
eiusdem», Opuscula varii argumenti, 2, 1750, стр. 108; Leonhardi
Euleri Opera omnia, серия 1, т. 6, стр. 20 (см. примечание на
стр. 20-22). [А. К.]
36. (К § 167.) Замечательную формулу
Эйлер уже в 1736 г. сообщил в письме Дан. Бернулли. См. письмо
Бернулли к Эйлеру от 12 сентября 1736 г. («Correspondance math, et
phys., publiee par P. H. Fuss» С.-Петербург, 1843, т. II, стр. 433). Ср.
статьи G. Enestrom, «Note historique "sur la somme des valeurs in-
inverses des nombres carres. Der Briefwechsel zwischen Leonhard Euler
und Johann J." Bernoulli. Der Briefwechsel zwischen Leonhard Euler und
Daniel Bernoulli», Bibliotheca Mathematica, 2-я серия, 4, 1890, стр. 22;
3-я серия, 5, 1904, стр. 248; 7,1906-1907, стр. 126. См. также статьи
Эйлера «De summis serierum reciprocarum», Comment, acad. sc. Petrop.,
7 A734/35), 1740, стр. 123; «Demonstration de la somme de cette suite:
llll
1+ -J+ -q+ i6 + 25 + etC-*' J°urnal Utteraire d'Allemagne, 2, 1, 1743,
стр. 115; «De seriebus quibusdam considerationes», Comment, acad. sc.
Petrop., 12 A740), 1750, стр. 53. По поводу статьи «Demonstration...»
см. P. Stackel, Eine vergessene Abhandlung Leonhard Eulers iiber die
Summe der reziproken Quadrate der natiirlichen Zahlen, Biblioth. Mathem.,
3-я серия, 8, 1907 — 1908, стр. 37. [А. Л.]
37. (К § 168.) Наряду с другими ингредиентами в эти выражения
входят коэффициенты 1, -^ , — , -g-, — , ^ н т. д. —как замечает Эйлер,
образующие ряд, на первый взгляд чуждый всякой закономерности (рег-
quam irregularis), но очень полезный. Однако же, как впоследствии
заметил сам Эйлер («Institutiones calculi differentialis», С.-Петербург,
1755, ч. II, гл. V, § 119—121; в русском переводе: Эйлер, «Дифферен-
«Дифференциальное исчисление», М. — Л., 1937), этот ряд коэффициентов для сумм
степеней дробей, знаменателями которых являются последовательные
числа, подчиняется определенной закономерности и, с другой стороны,
функционально связан со столь же с виду неправильным рядом коэф-
коэффициентов для сумм степеней последовательных чисел, так называемыми
числами Бернулли. Как говорит Эйлер в указанном месте, надо написать
20*-
304 ПРИМЕЧАНИЯ
ряд чисел по такому закону:
1
2АВ
—
9
2АР + 2ДС
11
р
13
r 2AF+2BE+2CD
G= 15
и т. д.,
так что каждый раз в числителе берется произведение двух крайних
предыдущих членов, к нему прибавляется произведение второго и пред-
предпоследнего, затем третьего и третьего с конца и т. д., пока не исчер-
исчерпаются все предыдущие члены, причем ко всем слагаемым, кроме
квадратного, приписывается коэффициент 2, а знаменатель к-то члена
берется равным 2&+1; тогда интересующие нас коэффициенты а, Ь, с,
d и т. д. будут зависеть от А, В, С, D и т. д. следующим образом:
0=2.1.2-3-4,
6 = 2.1-2.3-4- ЪВ,
с = 2.1.2.3.4-5-6-7С,
rf = 2.1.2.3...90
и т. д.
Числа Вернулли (ЭД, S3, (§, %, @ и т. д.) представляют собой коэф-
коэффициенты последних членов в развернутом выражении для сумм четных
степеней последовательных чисел (S^ — сумма квадратов, ^„з — сумма ку-
кубов и т. д.):
С(С —1)(С —2)
^
с(с_1)(с_2)(с-3)(с-4) _ с.5
"! 2.3-4-5.6 ^" -t- • • •.
где 91, S3, E и т. д. всегда легко найти, так как сумма всех коэф-
коэффициентов каждого выражения всегда равна единице *).
Между эйлеровыми коэффициентами для рядов обратных степеней
(а, Ь, с, d, ...) и числами Бернулли (Ш, S3, E, ф, ...) существует,
J) Jac. Bernoulli, Ars conjectandi (написана в 1679—1685 гг.), ч. II, гл. VII,
стр. 96 и след.
ПРИМЕЧАНИЯ 305
как показал сам Эйлер в указанном месте «Institutiones calculi diffe-
rentialis», такая зависимость:
Этому же вопросу посвящены специальные работы Эйлера: «De
summis serierum reciprocarum ex potestatibus numerorum naturalium
ortarum dissertatio altera», Miscellanea Berolinensia, 7, 1743, стр. 172,
и «De summatione serierum in hac forma contentarum
a . a2 , a3
T + T + T+ •••etc«».
Mem. d. Vacad. d. sc. de St.-Petersbourg, 3 A809/10) 1811, стр. 26;
Leonhardi Euleri Opera postuma, 1, Petropoli, 1862, стр. 519.
Слова первого издания «potestatum ipsius я exponentes» — «показа-
«показатели степеней л», сохранены и в новом издании Рудио и Крацера
и в обоих изданиях французского перевода La bey. Между тем это явная
описка, исправленная от руки в указанном выше личном экземпляре
И. А. Эйлера: вместо exponentes—«показатели», надо, разумеется,
читать coefficientes — «коэффициенты». [С. Л.]
38. (К § 182.) В конце второй формулы Рудио и Крацер вносят
(без всяких оговорок) необходимую поправку ^— , не упоминая о том,
Ар щ ря
что у Эйлера ошибочно читалось -к—: . \С. Л А
J r 2p sm рл 1 '
39. (К § 185.) Валлис («Arithmetica infinitorum», Оксфорд, 1656,
107, 180 — 181; «Opera mathematica», стр. 426 — 427 и след., 469) полу-
получает для -Т7- такое же значение:
Z
л _2-4-4-6.6-8-8...
Т~ 3-3-5-5-7-7... '
но он исходит при этом из соображений интеграционного характера.
Рассматривая площадь полукруга как сумму всех ординат, он прихо-
приходит к выражению, которое на языке наших символов представится
в виде
Это выражение он рассматривает как частный случай выражения
1 2 г
О
при s=l, г=1. Подставляя вместо s и г ряд последовательных четных
чисел, он получает ряд, закон которого ему удается установить и кото-
который при бесконечном увеличении числа членов стремится к ряду для
s=l, г=1. [С. Л.]
40. (К § 188.) Формула
306 ПРИМЕЧАНИЯ
представляет собой лишь преобразование вновь выведенной Эйлером
в § 185 формулы Валлиса
л_ _ 9 24UH 8j_10 (n—1)(га+1)
2 ' 3-3'5-5-7-7' 9-9 ••' rfi
(п пробегает все нечетные числа). В самом деле, так как
n* re2 га2'
ТО
41. (К § 211.) Термин «рекуррентные ряды» впервые введен
А. Моавром в его статье «De fractionibus algebraicis radicalitate immu-
nibus ad fractiones simpliciores reducendis, deque summandis terminis
quarumdam serierum aequali intervallo a se distantibus», Philosophical
transactions (London), 32 A722/3), 1724, стр. 176, сдано в печать уже
в 1720 г. Здесь и в «Miscellanea analytica» (см. ниже примечание [47])
Моавр дает такое определение рекуррентного ряда:
«Если какой-либо ряд так составлен, что если взять произвольно
несколько первых членов, то каждый последующий всегда имеет дан-
данную зависимость от такого же числа предыдущих, то такой ряд я на-
называю рекуррентным. Числовые же количества, взятые вместе и соеди-
соединенные их собственными знаками, составляют индекс или шкалу отно-
отношения», т. е.
^i+n+i = AkUn -f- Bki+n^ -f Cki+n_2 +...-(- Qkt,
где индекс отношения составлен из п коэффициентов
А, +В, +С, ..., +Q.
Ср. также книгу Моавра «The doctrine of chances», Лондон, 1718,
стр. 127-134. [С. Л.]
42. (К § 214.) Ср. статью Эйлера «De seriebus quibusdam considera-
tiones», Comment, acad. sc. Petrop., 12 A740), 1750, стр. 53 и след.;
особенно стр. 61 (Leonhardi Euleri Opera omnia, серия 1, т. 14).
[Ф. Р.]
43. (К § 224.) Знаменатель дроби, см. § 63. Шкала отношения, см.
примечание [41] (к § 211). [С. Л.]
44. (К § 225.) В первом издании вместо
было
вместо
C1 ("+11Н"+2) + S3 (п _ 1) + g)
было
[Ф. Р.]
ПРИМЕЧАНИЯ 307
45. (К § 228.) Решение
В2—
можно было получить непосредственно из первого уравнения для X,
подставляя из § 227
Q'-aPQ + fiP*
9 В*-\-аАВ+$А* ' l J
46. (К § 230.) Даваемое здесь уравнение (proporlio) можно получить,
находя значения выражений 21рп, SBg", Ег" из уравнений
сходным образом можно найти и значения количеств 21, S3, E из соот-
соответствующих уравнений
+ Кг = В,
%р2 + Щ* + &г2 = С.
Умножая решения друг на друга, получим
Это уравнение, будучи развернуто по степеням R и С, дает, если при-
принять во внимание зависимости р -(- q + г = а, 9^ + гр-(-рд = Р, pqr=y,
указанную пропорцию. [Ф. Р.]
47. (К § 231.) Сумму членов рекуррентного ряда нашел уже Моавр
в «Miscellanea analytica de seriebus et quadraturis», Лондон, 1730, стр. 72
{кн. IV, гл. I: «De summis serierum recurrentium»). Моавр начинает
с бесконечных рекуррентных рядов; то, что весь расчет может иметь
смысл лишь тогда, когда ряд сходится (так как только тогда <^ + ^ +
4-iS1-}-... и P + Q -\-R-\-. .. в правой части имеют пределами' z — Р и z
¦с таким же z, что и в ряде Р-\-Q-\-R +..., в левой части), нисколько
не затрудняет Моавра. Даю перевод его решения:
«Дан какой угодно рекуррентный ряд
a -f bx -f еж2 + dx3 -\- и т. д.,
причем шкала отношения есть f — g; найти сумму такого ряда, про-
продолженного до бесконечности.
Расположим члены ряда вместе со связанными с ними уравнениями
в том же порядке, в котором располагают обычно числа, соединяемые
в сумму, именно так:
Р=Р,
Q = Q.
R = fQx-gPx',
S = fRx-gQx*,
T = fSx-gRx2
и т. д.
308 ПРИМЕЧАНИЯ
После этого, если полоясить бесконечную сумму членов Р, Q, R, S, Т
и т. д., из которых составлен первый столбец, равной z, тогда суммы
следующих столбцов обозначатся следующим образом: по принятому
нами P-\-Q-{-R-{-S-\-T-\- и т. д. — z, следовательно, будет Q-{-R-\-
-\-S-{-T -\- и т. д. = z — P; умножим все это на /х; отсюда получим
fQx-\-fRx-\-fSx-{-fTx-{- и т. д. =/a;z — fPx; прибавив к обеим частям
по Р + О, получим, что сумма второго столбца, т. е. Р-j- Q + jQx +
+ и т. д. = P + Q-\- fxz — iPx; сумма же третьего столбца, как это ясно-
сразу, должна быть обозначена — gx2z, откуда
z = Р + Q + fxz — fPx — gx2z
или
._ P+Q-fPx _ a + bx-jax „
Z~ l-fx + gx* - 1-fx + gx* »• ^' Л-\
48. (К § 232.) Таким путем находил сумму определенного числа
членов рекуррентного ряда уже Моавр, см. «Miscellanea analytica»,
Problema III.
«Даст рекуррентный ряд, равный данному»,—выражение неточ-
неточное,— Эйлер должен был бы вместо aequalem сказать similcm, г. е.
«подобный», «одинаково составленный». [С. Л.]
49. (К § 237.) Перенеся все члены уравнения § 236 в первую часть:
On In2 — 1) о ,,,
= sin nz — пх -| 1 2 я ( )'
и поделив обе части уравнения на sin nz, получим
Ol+y,,.±^
sin nz ' l-2.3sinrez sin nz
Это уравнение разлагается на множители
ит-д-
Коэффициент при х в уравнении B), т. с. -: , равен сумме вторых
sin nz
слагаемых всех множителей, а последний член этого уравнения — их
произведению.
Корни уравнения A) суть
sin г, sin(— + zj, sm (— + zj и т. д.,
а потому коэффициент члена, имеющего степень на единицу ниже-
нижевысшей, должен равняться их сумме. Но так как уравнение содержит
только нечетные степени х, то этот коэффициент равен нулю, откуда
0 = sin 2 + sin f — + 2 j + sin f — + z J +...-{- и т.д.
Таков же ход рассуждения и в дальнейших параграфах. [С. Л.]
ПРИМЕЧАНИЯ 309
50. (К § 243.) Здесь Эйлер забыл отметить особенность выражений
для cos nz в том случае, когда z нечетное:
coslz= \у,
cos3z= 4г/3 — Зг/,
. cos 7z = 64г/7 — ... — Ту,
cos nz = .. • ± ny,
где берется знак плюс, когда число на единицу больше кратного^четы-
рем, и знак минус — в противном случае.
Этим свойством Эйлер пользуется в § 246. [С. Л.]
51. (К § 245.) «Четно-четное» число (numerus pariter par) —число,
кратное четырем; «нечетно-четные» (numeri impariter^pares) — все осталь-
остальные четные числа. [С. Л.]
52. (К § 246.) См. примечание [50] (к § 243); указанное в этом при-
примечании выражение для cosnz надо преобразовать, перенеся в одну
сторону и разделив на cos nz (см. все сказанное в примечании [49]
к § 237). [С. Л.]
53. (К § 270.) То, что А равно сумме а, р, у, б, е и т. д., взятым
по одному, В равно сумме множителей из этих количеств, взятых по два,
и т. д. — Эйлер называет «очевидным» (manifestum est). Надо думать,
что прав М. Кантор и что Эйлер имел в виду то, что эти результаты
без труда получаются путем последовательных делений на отдельные
множители знаменателя:
и т. д.
Дальше оставалось только применить метод неполной индукции..
[С. Л.}
54. (К § 287.) дополучено путем деления обеих частей уравнения;
55. (К § 288.) Имеем
357 11 1 1 1 1 1
итд
4 -3+Г5-Г7+Г11 + Г ит"д'~;тт'1 r7T'iT
л 2 1
умножая обе части на — = -г , получаем
Я 1 1 1 Г/~1 П Л
6" = Г Г г и т. д. [С. Л.]
и т'
ПРИМЕЧАНИЯ
56. (К § 295.) Дословно: «Знаменатели четно-четные тогда, когда
•они отличаются на единицу от числителя». Удивительно, что это
выражение не затруднило ни редакторов последнего издания Рудио
и Крацера, ни переводчика Labey. В самом деле, в разбираемом выра-
выражении все знаменатели отличаются от своих числителей на единицу,
а не только четно-четные.
Формула для —у=- получена путем деления обеих частей равенства
я2 _ 3_-3 5^> .Ъ7_ 11-11 13-13
8~~2-4'4-б"б-8'1<М2'12-14' И Т- Д-
на соответственные части равенства
я -_ 3 5 I И 1317
i/!"~T "в" 8"Чб'П 1в l J
57. (К гл. XVI.) Ср. с этой главой статьи Эйлера «Observationes
analyticae variae de combinationibus», Comment, acad. sc. Petrop., 13
A741/3), 1751, стр. 64; «De partitione numerorum», Novi comment, acad.
sc. Petrop., 3 A750/1), 1753, стр 125; «De partitione numerorum in partes
tam numero quam specie datas», Novi comment, acad. sc. Petrop., 14A769),
I, 1770, стр. 168 (Leonhardi Euleri Opera omnia, серия 1, т. 2,
«тр. 163 и 254, см. также предисловие к т. 2, стр. XVIII —XX; т. 3,
¦стр. 131, см. также предисловие к т. 3, стр. XIX и XX).
См., далее, письмо Ph. Naude младшего к Эйлеру от 27 августа 1740 г.
{будет напечатано в III серии Opera omnia). В этом письме Ноде предло-
предложил Эйлеру следующие две задачи:
Найти, сколькими различными способами данное число может быть
получено путем сложения между собой нескольких неравных целых чисел,
число которых дано.
Найти, сколькими различными способами данное число т может
быть разбито на \л частей как равных, так неравных, или найти, сколь-
сколькими различными способами может быть получено данное число т путем
сложения между собой \л целых, равных или не равных друг другу чисел.
Решение этих задач Эйлер и дал впервые в первой из указанных
выше статей. [Ф. Р.]
58. (К § 301.) Дословно: «так как число членов не определяется,
то отсюда не исключается и единица», т. е. и тот случай, когда число сла-
слагаемых равно единице, т. е. в данном случае 8=8 также считается одним
из способов получения числа 8 путем сложения. [С. Л.]
59. (К § 318.) Сравни соответствующую таблицу, содержащуюся
в первой из статей, перечисленных в примечании [57] к гл. XVI; в этой
же статье, в § 33, очень отчетливо объяснено, каким образом можно со-
составить зту таблицу только с помощью сложений. [Ф. Р.]
60. (К таблице, приложенной к § 318.) В этой таблице каждый верти-
вертикальный ряд дает значения последовательных коэффициентов степенных
рядов для выражений Р, Q, R, S, Та т. д., выведенных в § 306 (исключая
коэффициент первого члена). [С. Л.]
61. (К § 319.) «С числами натуральными, треугольными, пирами-
пирамидальными и последующими», т. е. с пирамидальными числами высших
ПРИМЕЧАНИЯ 311
порядков, из которых каждое есть сумма последовательных чисел пре-
предыдущего порядка, если начинать каждый раз с единицы [С. Л.]
62. (К § 320 — 321.) Рассуждая как в предыдущем параграфе, сначала
умножим г. Г-7-. zVTt з\ на 1 + я + ?2, а затем результаты на 1 + ж.
A — X) A — X ) A — X")
После выполнения первого умножения получим выражение, в котором
каждый член представляет собой сумму трех членов, а его коэффи-
коэффициент—сумму трех последовательных членов числового ряда. Когда мы
теперь умножим результат на 1 + ж, каждый член будет представлять
сумму двух новых членов, а его коэффициент — сумму двух последова-
последовательных членов нового числового ряда и т. д. Но
A+*) (!+*+«') 1
A-е) A-е*) A-е») A-хK '
A — z)(l — а:*) A— z3)(l —z4) A-хL
и т. д.,
а достаточно развернуть знаменатели выражений —. г^ и затем произ-
A X)
вести деление, чтобы убедиться, что коэффициенты получающихся рядов
суть пирамидальные числа соответствующего порядка. [С. Л.]
63. (К § 322.) Если обозначим члены в каждой группе:
1-го ряда av а2, а3, а4, а5, .. .,
2-го ряда bv b2, b3, bt, Ьъ
3-го ряда Cj, c2, c3, с4, с6,
4-го ряда dj, d2, d3, dt, db, ...,
то между га-ми членами каждого ряда существует такая зависимость:
II группа:
Ъп=ап-Ъп-1<
III группа:
Ьп = вп-Ь«1,
Ьп
IV группа
и т. д. [С. Л.]
64. (К § 323.) Эта знаменитая формула впервые встречается у Эйлера
в его исследовании «Observationes analyticae variae de combinationibus»,
Comment, acad. sc. Petrop., 13 A741/3), 1751, стр. 64, доложенном академии
уже 6 апреля 1741 г. Доказательство ее Эйлер дал в сочинении «Demon-
stratio theorematis circa ordinem in summis divisorum observatum», Novi
comment, acad. sc. Petrop., 5 A754/5), 1760, стр. 76 и след. (Leoahardi
Euleri Opera omnia, серия 1, т. 2, стр. 390).
312 ПРИМЕЧАНИЯ
Этот ряд потому заслуживает особенного внимания, что он является
одной из тех функций, которые почти 100 лет спустя ввел в аналиа
К. Г. Якоби в качестве основ теории эллиптических функций, назвав
их ¦д-функциями, ср. С. G. J. J а с о b i, «Elementarer Beweis einer merk-
wtirdigen analytischen Formel...», Journal /. d. reine u. angewandte Mat-
hem., 21, стр. 13, 1840 (Gesammelte Werke, 6, 1891, стр. 281 и след.).
Эйлерова формула
A— ж)A — ж2)A — х3) . .. =1— х — х2 + х5 + х7 — х12— ...
содержится и в книге Якоби «Fundamenta nova theoriae functionum el-
lipticarum», Кенигсберг, 1829, § 66, формула F) (Gesammelte Werke, I,
1881, стр. 237 и след.).
Следует также отметить, что ряд, показатели которого составляют
арифметическую прогрессию второго порядка, был уже за 60 лет до Эйлера
найден Як. Бернулли и Лейбницем, ср. G. Enestrom, «Jakob Ber-
Bernoulli und die Jacobischen Thetafunctionen», Biblioth. Mathem., Ill серия,
9, 1908—1909, стр. 206. Далее, см. примечание к § 36 указанной статьи
Эйлера «Observationes analyticae...» (Leonhardi Euleri Opera
omnia, серия 1, т. 2, стр. 191). [Ф. Р.]
65. (К § 329.) Это разъяснял уже Леонардо Пизанский в его «Liber
abbaci» A202), ed. В. Boncompagni, Roma, 1857, стр. 297. См., далее,
М. S t i f e I, «Die Coss Christoffs Rudolffs», Кенигсберг, 1553 и Fr. v.
Schooten, «Exercitationum mathematicarum Hbri quinque», Лейден,
1657, кн. V, гл. VIII, стр. 410. Ср. наконец, G. Enestrom, «Uber
die altere Geschichte der Zerfallung ganzer Zahlen in Summen kleinerer
Zahleii», Biblioth. Mathem., Ill серия, 13, 1912—1913, стр. 352. [ф. Р.]
66. (К § 330.) И это также имеется у Леонардо Пизанского. См-
предыдущее примечание. [Ф. Р.]
67. (К § 332.) Дан. Бернулли указал способ приближенного нахож-
нахождения корней уравнений при помощи рекуррентных рядов в своих «Obser-
«Observationes de seriebus recurrentibus», Comment, acad. sc. Petrop., 3 A728),
1732, стр. 85—100. Способ этот состоит в следующем.
Сначала приводят уравнение к виду
1 = ах + Ьхг + сх2 + ех* + . ... + pxv.
Берут v произвольных чисел А, В, С, D, .. ., Р и затем к ним присое-
присоединяют (v+ l)-e:
Применяя еще раз ту же рекуррентную формулу, получают
R = aQ + ЬР + ... + пС + рВ
и т. д. Если выберем достаточно далеко отстоящие от начала коэффи-
iir
циенты Т i й, то ^- даст приближенное значение корня уравнения.
Практически для упрощения берут А — В = C = jD=1.
Эта процедура неприменима, когда уравнение имеет два корня,,
равных по абсолютной величине, но обратных по знаку; тогда подста-
подставляют х = у ± а. Никакого доказательства при этом Бернулли не дает.
Это делает впервые Эйлер. [С. Л.]
ПРИМЕЧАНИЯ
68. (К § 346.) Рудио и Крацер вносят здесь (без всяких оговорок)
необходимую поправку <<(п+1)ЭДр™ по сравнению с ?gn», не упоминая
о том, что у Эйлера ошибочно читалось» (п-}-1)'йрп по сравнению с ЯЭ^™».
[С. Л.]
69. (К § 351.) Этот результат выведен в следующем параграфе. [Ф. Р.]
70. (К § 352.) Рудио и Крацер вносят здесь необходимую поправку
P(?p2sin(rc-f 2)cpsin (rc-j-2)cp, не упоминая о том, что у Эйлера ошибочно
читалось
PQf sin (n + 1) ф sin (п + 2) ф. [С. Л.]
71. (К гл. XVIII.) Здесь Эйлер излагает результаты своих работ
о непрерывных дробях: «De fractionibus continuis», Comment, acad. sc.
Petrop., 9 A737), 1744, стр. 98, и «De fractionibus continuis observationes»,
Comment, acad. sc. Petrop., 11 A739), 1750, стр. 32.
По вопросу о главных предшественниках Эйлера в этой области —
Катальди, Валлисе и Броункере — отсылаю читателя к подробному ис-
исследованию: S. Gun the г, «Storia dello sviluppo della teoria delle frazioni
continue fino all'EuIer», Bulletino di bibliografia e storia delle scienze
matematiche publ. da B. Boncompagni, VII, Roma, 1874, 213—254, 451—502,
533-596.
Научное изложение теории непрерывных дробей мы впервые встре-
встречаем у Гюйгенса (Huygens, «Descriptio automati planetarum»). Гюйгенс
понял уже, насколько удобно, когда числителями непрерывной дроби
являются единицы, и пишет непрерывную дробь в виде
И1
Далее, он находит подходящие дроби. Он отправляется от положения
Евклида (V,I): если из двух неравных чисел меньшее раз за разом отни-
отнимается от большего и каждый остаток точно измеряет предшествующую
ему величину не раньше, чем он становится единицей, то заданные числа
не имеют общих множителей. Отсюда Гюйгенс заключает, что числители
и знаменатели подходящих дробей не могут иметь общих множителей.
Далее Гюйгенс обратил внимание и на то, что нельзя найти дробь с мень-
меньшим числителем и знаменателем, чем подходящая, которая была бы ближе
этой подходящей к заданной дроби. Наконец, Гюйгенс отмечал, что зна-
значения подходящих дробей попеременно то меньше, то больше заданной
дроби, на что, впрочем, указал уже со слов Броункера Валлис (в его
«Arithmetica infinitorum», Оксфорд, 1655, см. ниже). Но систематически
построенную и обоснованную теорию непрерывных дробей дал впервые
Эйлер в указанных выше статьях. [С. Л.]
72. (К § 362.) Это утверждение, вообще говоря, верно лишь в том
л
случае, когда <х = в = у=...=1- Так, для ж =1 И ^ подходящими
¦будут дроби
а . аЬ-\-а л abc-\-fia-\-ac 7
Т ' ~Т~ ' fo + P =У'
ш первая .ближе к истинному значению -=-, чем вторая. [Ф. Р.]
314 ПРИМЕЧАНИЯ
73. (К примеру 2 § 369.) Знаменитую формулу
4-=1+Т+|+25 49
2 +-5- ,
2+ и т. д.
Броункер дал в письме к Валлису, о чем сообщает последний в своей
«Arithmetica infinitorum», Оксфорд, 1655, стр. 182 (Opera mathematica, т. I,
Оксфорд, 1695, стр. 355 и след., особенно стр. 469). См. также L е о п-
hardi Euleri Opera omnia, серия 1, т. 1, стр. 507. [Ф. Р.]
74. (К примеру 3 § 381.) Разложение в непрерывную дробь
е-1_ 1
+ и т. Д.
Эйлер дал впервые в статье «De functionibus continuis», Comment. acad~
sc. Petrop., 9 A737), 1744, стр. 98 и след. [Ф. Р.]
75. (К § 382.) См. J. W а 1 1 i s, Opera mathematica, т. II, Оксфорд,
1693, гл. 98—99, стр. 418—429. Ср. также гл. 56—61, стр. 232—250. [Ф. Р.1
76. (К примеру 1 § 382.) Archimedes Opera, ed. J. L. Heiberg, т. I,
Лейпциг, 1880, стр. 257.
Меций (Adrianus Metius) — псевдоним Адриана Антонисзона (Adriaan
Antoniszoon), нашедшего л с большой точностью1) в книге «Arithmeticae
libri duo» и «Geometriae libri VI», Лейден, 1626; см. «Geometriae» часть
первая, гл. X. См. книгу Ф. Рудио, указанную в прим. 28. [Ф. Р.]
1) 5^ = 3,1415929.
11 и
ОГЛАВЛЕНИЕ
От издательства • ^
А. Шпайзер, О первом томе «Введения в анализ бесконечных» Леонарда
Эйлера •>
Библиография изданий «Введения в анализ бесконечных» 15
Предисловие автора 19
ВВЕДЕНИЕ В АНАЛИЗ БЕСКОНЕЧНЫХ
КНИГА ПЕРВАЯ,
Содержащая разъяснение функций переменных количеств; их
разложение на множители, равно как в бесконечные ряды, — вместе с
учением о логарифмах, круговых дугах и синусах и тангенсах по-
последних; и вместе со многими другими предметами, в немалой мере
полезных для анализа бесконечных.
Глава I. О функциях вообще 23
Глава II. О преобразовании функций 34
Глава III. О преобразовании функций путем подстановок 55
Глава IV. О выражении функций при помощи бесконечных рядов. . . 67
Г л а в а V. О функциях двух и более переменных 79
Глава VI. О показательных и логарифмических количествах 87
Глава VII. О выражении показательных и логарифмических количеств
при помощи рядов 101
Глава VIII. О трансцендентных количествах, получающихся из круга . . 109
Глава IX. Об исследовании трехчленных множителей 122
ГлаваХ. О применении найденных множителей к определению сумм
бесконечных рядов 139
Глава XI. О других бесконечных выражениях дуг и синусов 152
Глава XII. О разложении дробных функций на действительные частные
дроби 164
Глава XIII. О рекуррентных рядах 177
Глава XIV. Об умножении и делении углов 197
Глава XV. О рядах, возникающих при перемножении сомножителей . . 213
Глава XVI. О разбиении чисел на слагаемые [67] 234
Глава XVII. О применении рекуррентных рядов к отысканию корней урав-
ненвй 251
Глава XVIII. О непрерывных дробях р1] 267
Примечания 287