Цитата: женяиванов от 18.11.2017 20:43:15Чебышёв Пафнутий Львович
[spoiler=Скрытый текст]Позднее (в 1896 году) существование обоих пределов доказали — независимо друг от друга —
Ж. Адамар и
Ш. Ж. Валле-Пуссен[48][49].
Этот мемуар принёс 30-летнему Чебышёву общеевропейскую известность. В следующем году (1852) Чебышёв опубликовал новую статью «О простых числах». В ней он провёл глубокий анализ сходимости рядов, зависящих от простых чисел, нашёл критерий их сходимости. В качестве приложения этих результатов он впервые доказал
«постулат Бертрана» (выдвинутую
Ж. Л. Бертраном гипотезу о том, что при n > 3 {\displaystyle n>3}
между натуральными числами n {\displaystyle n}
и 2 n − 2 {\displaystyle 2n-2}
находится по крайней мере одно простое число) и дал новую, весьма точную оценку для π ( x ) {\displaystyle \pi (x)}
:
0,921 29 < π ( x ) x / ln x < 1,105 55 {\displaystyle 0{,}92129
Математический анализ и геометрия
Профессора физико-математического факультета Санкт-Петербургского университета (1868).
Сидят слева направо:
А. В. Советов, П. Л. Чебышёв,
К. Ф. Кесслер,
А. Н. Савич,
П. А. Пузыревский,
Ф. В. Овсянников,
А. Н. Бекетов.
Стоят:
Р. Э. Ленц,
Н. А. Меншуткин,
А. С. Фаминцын,
О. И. Сомов,
Ф. Ф. Петрушевский,
Д. И. Менделеев,
А. Н. КоркинПроблемам
интегрального исчисления Чебышёв посвятил мемуар 1860 года
[82], в котором для заданного многочлена x 4 + α x 3 + β x 2 + γ x + δ {\displaystyle x^{4}+\alpha x^{3}+\beta x^{2}+\gamma x+\delta }
с рациональными коэффициентами даётся алгоритм определения такого числа A {\displaystyle A}
, что выражение x + A x 4 + α x 3 + β x 2 + γ x + δ {\displaystyle {\frac {x+A}{\sqrt {x^{4}+\alpha x^{3}+\beta x^{2}+\gamma x+\delta }}}}
интегрировалось в
логарифмах, и вычисления соответствующего
интеграла.
К работам последнего периода деятельности Чебышёва относятся исследования «О предельных значениях интегралов» («Sur les valeurs limites des intégrales», 1873). Совершенно новые вопросы, поставленные здесь учёным, разрабатывались затем его учениками. Последний мемуар Чебышёва 1895 года относится к той же области.
Чебышёву принадлежит теорема об условиях интегрируемости
дифференциального бинома, опубликованная в мемуаре 1853 года «Об интегрировании иррациональных дифференциалов». Теорема устанавливает, что интеграл
∫ x m ( a + b x n ) p d x {\displaystyle \int x^{m}(a+bx^{n})^{p}\,{\rm {d}}x\;}
,
где m {\displaystyle m}
, n {\displaystyle n}
, p {\displaystyle p}
— рациональные числа, выражается в
элементарных функциях только в трёх случаях (известных ещё в XVIII веке)
[83][84]:
- p {\displaystyle p} — целое число;
- m + 1 n {\displaystyle {\frac {m+1}{n}}} — целое число;
- m + 1 n + p {\displaystyle {\frac {m+1}{n}}\,+\,p} — целое число.
В 1882 году П. Л. Чебышёв доказал, что для заданных на отрезке [ a , b ] {\displaystyle [a,b]}
монотонных функций f {\displaystyle f}
и g {\displaystyle g}
с неотрицательными значениями выполняется неравенство
∫ a b f ( x ) d x ∫ a b g ( x ) d x ⩽ ( b − a ) ∫ a b f ( x ) g ( x ) d x {\displaystyle \int \limits _{a}^{b}f(x)\,{\rm {d}}x\,\int \limits _{a}^{b}g(x)\,{\rm {d}}x\,\;\leqslant \;\,(b-a)\,\int \limits _{a}^{b}f(x)\,g(x)\,{\rm {d}}x\;}
,
причём аналогичное неравенство
∑ k = 1 n a k ∑ k = 1 n b k ⩽ n ∑ k = 1 n a k b k {\displaystyle \sum _{k=1}^{n}\,a_{k}\,\sum _{k=1}^{n}\,b_{k}\;\leqslant \;n\,\sum _{k=1}^{n}\,a_{k}\,b_{k}}
справедливо и для конечных
монотонных последовательностей неотрицательных чисел. Сейчас оба этих неравенства называют
неравенствами Чебышёва[85].
Ряд важных результатов, полученных П. Л. Чебышёвым, относится к ещё одному разделу математического анализа —
теории ортогональных многочленов; получены они были в тесной связи с исследованиями по теории приближения функций. В 1854 году в работе «Теория механизмов, известных под названием параллелограммов» Чебышёв ввёл
многочлены Чебышёва 1-го рода T n ( x ) {\displaystyle T_{n}(x)}
и 2-го рода U n ( x ) {\displaystyle U_{n}(x)}
и приступил к изучению их свойств (это были первые системы классических
ортогональных многочленов, последовавшие за введёнными
А. М. Лежандром ещё в 1785 году
многочленами Лежандра)
[86][87].
В 1859 году в статье «О разложении функций одной переменной» Чебышёв ввёл две новые системы классических ортогональных многочленов. Ныне они известны как
многочлены Чебышёва — Эрмита (или
многочлены Эрмита) и
многочлены Чебышёва — Лагерра (или
многочлены Лагерра)
[79]; названия связаны с тем, что позднее эти многочлены изучали соответственно
Ш. Эрмит (1864)
[88] и
Э. Лагерр (1878)
[89]. Все перечисленные системы ортогональных многочленов играют большую роль в математике, имея многообразные приложения. При этом Чебышёв на основе аппарата
непрерывных дробей разработал общую теорию разложения произвольной функции в ряд по ортогональным многочленам
[90].
Дифференциальной геометрии поверхностей была посвящена статья Чебышёва с необычным названием «О кройке одежды» (1878); в ней учёный ввёл новый класс координатных сеток, получивший название «
сети Чебышёва»
[91].
Прикладная математика
В течение сорока лет Чебышёв принимал активное участие в работе военного артиллерийского ведомства (с 1855 года — действительный член Артиллерийского отделения
Военно-учёного комитета, с 1859 года — действительный член Временного артиллерийского комитета) и работал над усовершенствованием дальнобойности и точности артиллерийской стрельбы, применяя для обработки результатов опытных стрельб методы теории вероятностей. В курсах баллистики до наших дней сохранилась
формула Чебышёва для вычисления дальности полёта снаряда в зависимости от его угла бросания, начальной скорости и сопротивления воздуха при заданной начальной скорости. Своими трудами Чебышёв оказал большое влияние на развитие русской артиллерийской науки, на приобщение учёных-артиллеристов к математике
[92][93].
В тесной связи с работой Чебышёва во Временном артиллерийском комитете находились его исследования по
квадратурным формулам. В ходе данных исследований он в 1873 году предложил новый тип квадратурных формул (
квадратурные формулы Чебышёва). Эти формулы удовлетворяют дополнительному требованию равенства весов и позволяют упростить вычисления и сократить их объём, обладая следующим важным свойством: они доставляют минимум дисперсии вычисленного по ним приближённого значения интеграла (при условии, что погрешности в узлах независимы и имеют одинаковую дисперсию и равное нулю математическое ожидание)
[4][94]. Чебышёв нашёл явный вид данных формул для числа узлов n = 2 , … , 7 {\displaystyle n=2,\dots ,7}
; позднее
С. Н. Бернштейн добавил к ним формулу с n = 9 {\displaystyle n=9}
и доказал, что при n = 8 {\displaystyle n=8}
и n ⩾ 10 {\displaystyle n\geqslant 10}
таких формул не существует
[95].
Механика
В области
механики П. Л. Чебышёва интересовали вопросы
прикладной механики и в особенности —
теории механизмов; последней посвящено около 15 работ учёного
[96][97]. Он не опубликовал ни одной работы по общим вопросам
теоретической механики, однако в ряде работ его учеников (
П. И. Сомов,
А. М. Ляпунов,
Д. А. Граве), относившихся к области теоретической механики, нашли своё отражение идеи, подсказанные их учителем. Фактически П. Л. Чебышёв возглавил после смерти
М. В. Остроградского петербургскую ветвь самобытной русской школы механики
[36].
Что касается теории механизмов, то историки науки выделяют три сложившиеся в России во 2-й половине XIX века научные школы в этой области: П. Л. Чебышёва в Петербурге (оформившаяся ранее двух остальных),
В. Н. Лигина в Одессе и
Н. Е. Жуковского в Москве. Под влиянием бесед с Чебышёвым задачами кинематики механизмов заинтересовались английские математики
Дж. Сильвестр и
А. Кэли[98].
Синтез механизмов
П. Л. Чебышёв, 1865 год
В 1850-е годы Чебышёв заинтересовался шарнирно-рычажными механизмами, служащими для приближённого преобразования кругового движения в прямолинейное и наоборот. К числу таких механизмов относится
параллелограмм Уатта, сконструированный изобретателем универсальной
паровой машины Дж. Уаттом как раз для преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения штока (жёстко связанного с поршнем паровой машины) в качательное движение конца балансира. К середине XIX века подобных механизмов было известно немного, параметры их звеньев подбирались эмпирически, в то время как неизбежные неточности прямого хода приводили к росту потерь на трение и быстрому изнашиванию звеньев
[99][100].
Чебышёв поставил задачу целенаправленного нахождения параметров искомого механизма с тем, чтобы на некотором заданном отрезке максимальное отклонение траектории рабочей точки механизма от её касательной в средней точке наименее уклонялось от нуля по сравнению с другими аналогичными траекториями. Решая данную задачу, учёный пришёл к созданию нового раздела
теории приближения функций — теории
функций, наименее уклоняющихся от нуля. Полученные результаты Чебышёв изложил в работе «Теория механизмов, известных под названием параллелограммов» (1854), став основоположником математической теории
синтеза механизмов[100][75].
Методы теории функций, наименее уклоняющихся от нуля, П. Л. Чебышёв применил также в работах о
центробежном регуляторе (где требовалось обеспечить изохронность хода механизма) и о
зубчатых колёсах (для построения при помощи дуг окружностей профиля зуба, позволяющего добиться близости отношения угловых скоростей колёс к требуемому значению)
[97].
Структура механизмов
Чебышёв положил также начало теории структуры
плоских механизмов. В работе «О параллелограммах» (1869) он для рычажных механизмов с вращательными кинематическими парами и одной степенью свободы вывел структурную формулу (ныне известную как «формула Чебышёва»
[101]) — тождество, которому должен удовлетворять каждый такой механизм:
3 m − 2 ( n + v ) = 1 {\displaystyle 3m\,\,-\,\,2(n\,+\,v)\;=\;1}
,
где m {\displaystyle m}
— число подвижных звеньев, n {\displaystyle n}
и v {\displaystyle v}
— числа соответственно подвижных и неподвижных шарниров. Через 14 лет эта формула была переоткрыта немецким механиком
М. Грюблером[de][75][102]. В 1887 году ученик Чебышёва
П. О. Сомов получил аналогичную структурную формулу для
пространственных механизмов[103].
Конструирование механизмов
Перекрёстный приближённо-направляющий механизм Чебышёва
Чебышёву принадлежит создание свыше 40 различных механизмов и около 80 их модификаций. Среди них — механизмы с остановками, механизмы выпрямителей и ускорителей движения и тому подобные механизмы, многие из которых находят применение в современном авто-, мото- и приборостроении
[102][104].