публичный образовательный интернет-портал

Что такое число Эйлера?

81 18/09/2020
Число Эйлера
Леонард Эйлер
Леонард Эйлер. Портрет художника Я. Э. Хандманна (1756) 

Леонард Эйлер (Leonhard Euler; 1707 — 1783) – великий русский ученый, который родился в Швейцарии. Именно из-за этого его никогда не включают во всякого рода самодельные списки того, что изобрели русские изобретатели и открыли учёные.

Между тем, в 18-м веке Россия, без всякого сомнения, была империей. А в любой империи происхождение – вопрос второстепенный. Имперская идея расставляет подданных по местам, руководствуясь иными принципами.

Тем более, что, родившись в Швейцарию, большую часть своей жизни Л. Эйлер прожил в России. В мае 1727 года (то есть в возрасте 20 лет!) он прибыл в Санкт-Петербург и стал адъюнктом (помощником профессора) по отделению математики. Уже в следующем году Л. Эйлер бегло говорил по-русски. С тех пор до конца жизни он был связан с Санкт-Петербургской академией. Даже когда в 1741—1766 Эйлера «одолжила» в России Прусская академия, и он поселился в Берлине, учёный оставался почетным русским академиком и принимал участие в работе Петербургской академии. Все эти 25 лет место Эйлера было вакантным, но Академия Наук заполнить его кем-либо не считала нужным. А когда речь зашла о том, чтобы Эйлеру возвратиться в Санкт-Петербург, прусский император Фридрих II отпускать ученого со своей службы не желал, до тех пор, пока в этот вопрос не вмешалась лично Екатерина II.

Со времен пресловутой борьбы за национальные приоритеты (это было в конце 1940-х —начале 1950-х годов) сложилась стойкая легенда, о том, что Академия наук была «оккупирована» немцами, а национальный герой Михайло Ломоносов вовсю воевал с немецким засилием. Эта славная картина довольно далека от истины. Начать с того, что наукам и ремеслам Михаил Ломоносов (1711 —1765) обучался в Германии, в Марбургском университете в 1736—1739 годах.

Во-вторых, немецкие профессора, приглашенные в Россию, за редким исключением занимались своим делом не только в высшей степени профессионально, но и с большим энтузиазмом. Приглашение в Россию они не рассматривали, как приглашение к бездельному и сытому существованию среди русских снегов. Напротив, поездка в Россию была для них сравнима с переездом, который многие советские ученые в конце 1950-х – начале 1960-х годов совершили из больших столичных городов в Новосибирск, в юный Академгородок. Это была прекрасная возможность заниматься любимым делом, наукой, которое, к тому же оплачивалось гораздо лучше, чем в переполненной профессорами Европе. Характерно, что большая часть немецких ученых приезжала в Петербург, как Леонард Эйлер, людьми молодыми и полными сил. В России они приобрели опыт и научную известность. В России очень часто и оставались на всю жизнь. Для того, чтобы слыть русскими, чего же более надо?

В-третьих, немецкие ученые щедро делились своими знаниями с русскими коллегами. Леонард Эйлер, например, воспитал первых русских академиков: математика С. К. Котельникова и астронома С. Я. Румовского. И, кстати, М. В. Ломоносова Л. Эйлер не гнобил. В 1747 году он дал хвалебный отзыв (правда, формальный) на его работы по физике и химии. Сожалея, при этом, что достопочтенный Михаил Ломоносов высшей математикой не владел.

После смерти Эйлера его дети остались в России. Так что Леонард Эйлер – вполне русский учёный.

Научное наследие Леонарда Эйлера не велико, а просто огромно. Его работы способствовали созданию современного математического анализа, дифференциального и интегрального исчисления. Он создал новую математическую науку, вариационный анализ. Продолжая работы П. Ферма, он создал теорию чисел. Математик академик Н. Н. Лузин отмечал, что добрая половина того, что преподаётся в современных курсах высшей математики, основано на трудах Эйлера.

При этом Эйлер не был «чистым» математиком. Он работал также в области астрономии, гидродинамики, теоретической механики, оптики, кораблестроения, и даже теории музыки. Эйлер был универсален и плодовит, даже когда на склоне лет потерял зрение.

Не мудрено, что список различных математических понятий, носящих имя Л. Эйлера, занимает несколько страниц.

Но если попытаться выбрать из длинного списка работ Эйлера самое главное его открытие (и, вероятно, самое понятное для не математика), таким окажется число Эйлера. Эта важнейшая константа, основание натуральных логарифмов, было известно до Эйлера, однако он настолько глубоко и полно ее исследовал, что она носит его имя. И даже обозначается первой буквой его фамилии (Euler).

Обозначение основания натуральных алгоритмов именно буквой e вначале было случайным. Дело в том, что a, b, c и d были уже широко задействованы, и буква e оказалась первой «свободной» буквой. Неплохо было и то, что с этой буквы начиналось слово «exponential» («показательный», «экспоненциальный»).

Л. Эйлер тоже использовал букву e в своих трудах для обозначения основания натуральных логарифмов. При этом он, конечно, не думал о том, чтобы прославиться. Но так уж получилось, что последующие поколения математиков прочно связали пятую букву латинского алфавита с фамилией великого математика.

Таким образом, число Эйлера – эпóним из числа самых коротких. Он состоит всего из одной буквы. Но это – не самое главное свойство. Число Эйлера, в самом деле, выдающееся число.

По известности оно сравнимо с другим не менее знаменитым числом, числом π или же числом Архимеда.  Два эти числа воистину можно назвать волшебными. И число e, и число π, входят в большое количество формул в самых разнообразных областях науки. 

Учёные прекрасно чувствуют необычность этих двух чисел, и всякий раз, когда одно или оба этих числа появляются в формуле им ясно, что речь идёт о глубоких связях не только в математике, но и в намёке на ещё неизвестные (или уже открытые) связи в самой природе. Законы природы «дружат» с числом e, «любят» они и число π .

Математически доказано, что а число e связано с однородностью пространства и времени, а число π – с изотропностью пространства, то есть, с его одинаковостью в любом направлении. Это означает, что законы природы неизменны в любом месте пространства, не изменялись во все времена и не изменятся в будущем. Физики-теоретики из этого выводят важные базисные законы сохранения, в том числе, закон сохранения энергии и закон сохранения момента импульса.

Впрочем, сам Леонард Эйлер, хотя и решал глубоко философские вопросы науки, атеистом не был. Он в Бога верил и даже, как говорят, дал укорот пламенному атеисту Дени Дидро (Denis Diderot; 1713 — 1784). Этот французский философ и популяризатор наук, один из авторов знаменитой «Энциклопедии», гостил при дворе императрицы Екатерины II. Беседуя с царицей, Дидро вёл с ней свои атеистические беседы в которых отвергал и опровергал существование Создателя мира. Делал он это в свойственной французам манере, легкомысленно, но весело. Императрицу такие пустопорожние беседы забавляли, хотя она прекрасно понимала их идеологическую пагубность для своих подданных. Понимала, и распространять атеизм не желала. По такому случаю она поручила Эйлеру научно возразить Дидро.

Научно, так научно. Присутствуя на одной из бесед императрицы с Дидро, Эйлер заявил, что он знает математическое доказательство существования Бога и готов его тут же представить. Когда Дидро заинтересовался, Эйлер выдал ему какую-то математическую формулу, совершенно бессмысленную, после чего спросил у французского литератора, конечно же, не знавшего математики, что он может на это возразить. Если бы Дидро к своему авторитету в глазах императрицы относился так же легкомысленно, как он относился к Богу, он мог бы отшутиться. Например, выдать Эйлеру какую-нибудь еще более бессмысленную формулу. Но против могучего танка по имени Леонард французские bon mot (остроты) оказались бессильными. Оторопь Дидро вызвала улыбки и смех, лицо выдающегося философа и богоборца было потеряно. Через несколько дней блестящий Денис покинул Санкт-Петербург.

Жаль, что во времена Дидро не существовало еще мобильных телефонов. Будь у Дидро такой приборчик, ему бы ничего не стоило связаться со своим коллегой по просветительским трудам, математиком и механиком Д’Аламбером и попросить совета. Ум хорошо, а два лучше. Глядишь, придумали бы какой-нибудь ответ суровому Эйлеру.

Впрочем, если бы тому всерьез захотелось представить доказательство бытия Божьего, он бы смог представить формулу, которую математики до сих пор считают самой красивой формулой своей науки. Эта формула называется тождеством Эйлера и выглядит следующим образом

Тождество Эйлера

В отличие от легковесных разговоров, эта формула, действительно, заставляет задуматься о глубоких взаимосвязях, существующих в мире и о причинах этих взаимосвязей. И удивиться, если не премудрости Создателя, то величию Природы. Что, в некотором смысле, одно и то же.  В тождестве Эйлера соединены математический анализ (число e), геометрия (число π), алгебра (число i) и арифметика (число -1). Впрочем, Эйлер понимал, что говорить с Дидро о математике то же самое, что толковать с глухим о музыке. Поэтому в разговоре с французским гостем явно придуривался.

Для тех, кому урок, данный Эйлером Дидро, пошел впрок, дадим немного конкретных знаний.

Основание натуральных логарифмов, число e=2.718281828459045. Равенство всегда будет приблизительным, поскольку число это иррациональное (то есть, не представимо в виде обычной дроби, как частное от деления друг на друга двух натуральных чисел) и трансцендентное (то есть, не является результатом решения какого-нибудь степенного уравнения с рациональными коэффициентами). Для практического использования вполне достаточно запомнить две цифры после запятой: 2.71. Но существует мнемоническое правило, позволяющее запомнить 15 знаков после запятой в десятичном представлении числа e:

Два и семь, далее два раза год рождения Льва Толстого (1828), затем углы равнобедренного прямоугольного треугольника (45, 90 и 45 градусов).