Джон Уоллис ( / ˈ w ɒ l ɪ s / ; [2] латынь : Wallisius ; 3 декабря [ OS 23 ноября] 1616 - 8 ноября [ OS 28 октября] 1703) был английским священнослужителем и математиком , которому частично приписывают развитие исчисления бесконечно малых .
Между 1643 и 1689 годами он служил главным криптографом парламента , а затем и королевского двора. [3] Ему приписывают введение символа ∞ для обозначения понятия бесконечности . [4] Он аналогичным образом использовал 1/∞ для бесконечно малого . Джон Уоллис был современником Ньютона и одним из величайших интеллектуалов раннего Возрождения математики . [5]
14 марта 1645 года он женился на Сюзанне Глайнд ( ок. 1600 – 16 марта 1687). У них было трое детей:
Джон Уоллис родился в Эшфорде, Кент . Он был третьим из пяти детей преподобного Джона Уоллиса и Джоанны Чепмен. Первоначально он получил образование в школе в Эшфорде, но в 1625 году после вспышки чумы перешёл в школу Джеймса Мовата в Тентердене . Уоллис впервые познакомился с математикой в 1631 году в школе Фельстеда (тогда известной как школа Мартина Холбича в Фельстеде); ему нравилась математика, но его учеба была неустойчивой, поскольку «в то время у нас математику рассматривали не как академические исследования, а скорее как механические» (Scriba 1970). В школе в Фельстеде Уоллис научилась говорить и писать по-латыни . К этому времени он также владел французским , греческим и ивритом . [9] Поскольку предполагалось, что он станет врачом, в 1632 году его отправили в Эммануэль-колледж в Кембридже . [10] Находясь там, он составил акт по учению о кровообращении ; Говорят, что это был первый случай в Европе, когда эта теория была публично поддержана в ходе диспутов. Однако его интересы были сосредоточены на математике. Он получил степень бакалавра гуманитарных наук в 1637 году и степень магистра в 1640 году, после чего принял сан священника. С 1643 по 1649 год он служил писцом без права голоса на Вестминстерской ассамблее . Он был избран в стипендию Куинс-колледжа в Кембридже в 1644 году, из которой ему пришлось уйти в отставку после женитьбы.
Все это время Уоллис был близок к парламентской партии, возможно, из-за знакомства с Холбичем в школе Фельстед. Он оказывал им большую практическую помощь в расшифровке донесений роялистов. Качество криптографии в то время было неоднозначным; несмотря на отдельные успехи таких математиков, как Франсуа Вьет , принципы, лежащие в основе разработки и анализа шифров, были очень плохо поняты. Большинство шифров представляли собой специальные методы, основанные на секретном алгоритме , в отличие от систем, основанных на переменном ключе . Уоллис понял, что последние гораздо более безопасны, даже назвав их «невзламываемыми», хотя он не был достаточно уверен в этом утверждении, чтобы поощрять раскрытие криптографических алгоритмов. Он также был обеспокоен использованием шифров иностранными державами, отклонив, например, просьбу Готфрида Лейбница в 1697 году обучать ганноверских студентов криптографии. [11]
Вернувшись в Лондон – он был назначен капелланом церкви Святого Габриэля Фенчерча в 1643 году – Уоллис присоединился к группе ученых, которая позже превратилась в Королевское общество . Наконец он смог удовлетворить свои математические интересы, освоив «Clavis Mathematicae » Уильяма Отреда за несколько недель в 1647 году. Вскоре он начал писать свои собственные трактаты, затрагивающие широкий круг тем, которые он продолжал до конца своей жизни. . Уоллис написал первый обзор математических концепций в Англии, в котором обсуждал индуистско-арабскую систему. [12]
Уоллис присоединился к умеренным пресвитерианцам, подписав протест против казни Карла I , чем навлек на себя длительную враждебность независимых. Несмотря на их сопротивление, в 1649 году он был назначен на савильскую кафедру геометрии в Оксфордском университете, где прожил до своей смерти 8 ноября [ OS 28 октября] 1703 года. В 1650 году Уоллис был рукоположен в сан министра. После этого он провел два года у сэра Ричарда Дарли и леди Вир в качестве частного капеллана . В 1661 году он был одним из двенадцати представителей пресвитерианской церкви на Савойской конференции .
Помимо своих математических работ, он писал по теологии , логике , английской грамматике и философии, а также участвовал в разработке системы обучения глухого мальчика речи в Литтлкот-Хаусе . [13] Уильям Холдер ранее научил глухого Александра Пофэма говорить «ясно и отчетливо, хорошим и изящным тоном». [14] Позже Уоллис взял на себя ответственность за это, в результате чего Холдер обвинил Уоллиса в том, что он «нарезал своих соседей и украшал себя их добычей». [15]
Парламентский визит в Оксфорд , начавшийся в 1647 году, отстранил от своих должностей многих старших ученых, в том числе в ноябре 1648 года савильских профессоров геометрии и астрономии. В 1649 году Уоллис был назначен савильским профессором геометрии. Уоллис, похоже, был выбран в основном по политическим мотивам (как, возможно, и его предшественник-роялист Питер Тернер , который, несмотря на свое назначение на две профессорские должности, никогда не публиковал никаких математических работ); Хотя Уоллис был, пожалуй, ведущим криптографом страны и входил в неформальную группу ученых, которая позже стала Королевским обществом , у него не было особой репутации математика. Тем не менее, назначение Уоллиса оказалось полностью оправданным его последующей работой в течение 54 лет, когда он служил профессором Савилиана. [16]
Уоллис внес значительный вклад в тригонометрию , исчисление , геометрию и анализ бесконечных рядов . В своей «Математической опере I» (1695 г.) он ввел термин « непрерывная дробь ».
В 1655 году Уоллис опубликовал трактат о конических сечениях , в котором они были определены аналитически. Это была самая ранняя книга, в которой эти кривые рассматриваются и определяются как кривые второй степени . Это помогло устранить некоторые кажущиеся трудности и неясность работ Рене Декарта по аналитической геометрии . В «Трактате о конических сечениях» Уоллис популяризировал символ бесконечности ∞. Он писал: «Я предполагаю, что любая плоскость (в соответствии с Геометрией неделимых Кавальери) состоит из бесконечного числа параллельных линий или, как я предпочитаю, из бесконечного числа параллелограммов одной и той же высоты; (пусть высота каждого из них представляет собой бесконечно малую часть 1/∞ всей высоты, и пусть символ ∞ обозначает Бесконечность), а высота всей фигуры составляет высоту фигуры». [17]
Arithmetica Infinitorum , важнейшая из работ Уоллиса, была опубликована в 1656 году. В этом трактате методы анализа Декарта и Кавальери были систематизированы и расширены, но некоторые идеи были открыты для критики. После краткого трактата о конических сечениях он начал с разработки стандартных обозначений степеней, расширив их от целых положительных чисел до рациональных чисел :
Оставив многочисленные алгебраические приложения этого открытия, он затем приступил к нахождению путем интегрирования площади , заключенной между кривой y = xm , осью x и любой ординатой x = h , и доказал, что отношение этой площади к для параллелограмма на том же основании и той же высоты равна 1/( m + 1), что является продолжением квадратурной формулы Кавальери . Он, по-видимому, предполагал, что тот же результат будет верен и для кривой y = axm , где a — любая константа, а m — любое положительное или отрицательное число, но он рассмотрел только случай параболы, в которой m = 2, и гиперболы. в котором m = −1. В последнем случае его интерпретация результата неверна. Затем он показал, что аналогичные результаты можно записать для любой кривой вида
и, следовательно, если ординату y кривой можно разложить по степеням x , можно определить ее площадь: таким образом, он говорит, что если уравнение кривой равно y = x 0 + x 1 + x 2 + ... , его площадь будет равна x + x 2/2 + x 3/3 + ... . Затем он применил это к квадратуре кривых y = ( x − x 2 ) 0 , y = ( x − x 2 ) 1 , y = ( x − x 2 ) 2 и т. д., взятых между пределами x = 0. и x = 1. Он показывает, что площади равны соответственно 1, 1/6, 1/30, 1/140 и т. д. Затем он рассмотрел кривые вида y = x 1/ m и установил теорему о том, что площадь ограниченный этой кривой и линиями x = 0 и x = 1, равен площади прямоугольника на том же основании и той же высоте, что и m : m + 1. Это эквивалентно вычислению
Он проиллюстрировал это параболой, в этом случае m = 2. Он сформулировал, но не доказал соответствующий результат для кривой вида y = x p / q .
Уоллис проявил значительную изобретательность в приведении уравнений кривых к приведенным выше формам, но, так как он не был знаком с биномиальной теоремой , он не смог произвести квадратуру круга , уравнением которой является , так как он не смог разложить его по степеням из х . Однако он сформулировал принцип интерполяции . Таким образом, поскольку ордината круга является средним геометрическим ординат кривых и , можно предположить, что в качестве приближения площадь полукруга можно принять как среднее геометрическое значений
то есть и ; это эквивалентно принятию или 3,26... в качестве значения π. Но, утверждал Уоллис, на самом деле мы имеем ряд ... и поэтому член, вставленный между ними, должен быть выбран так, чтобы подчиняться закону этого ряда. [ необходимо разъяснение ] Это с помощью сложного метода, который здесь подробно не описан, приводит к значению интерполированного члена, которое эквивалентно взятию
(которое теперь известно как произведение Уоллиса ).
В этой работе также обсуждаются образование и свойства цепных дробей , причем эта тема стала выдающейся благодаря использованию этих дробей Брункером .
Несколько лет спустя, в 1659 году, Уоллис опубликовал трактат, содержащий решение задач о циклоиде , предложенное Блезом Паскалем . При этом он попутно объяснил, как можно использовать принципы, изложенные в его «Арифметике бесконечности» , для выпрямления алгебраических кривых, и дал решение задачи выпрямления (т. е. нахождения длины) полукубической параболы x 3 = ay 2 , которая был открыт в 1657 году его учеником Уильямом Нилом . Поскольку все попытки выпрямить эллипс и гиперболу были (неизбежно) безрезультатными, предполагалось, что никакие кривые не могут быть выпрямлены, как это действительно утверждал Декарт. Логарифмическая спираль была выпрямлена Евангелистой Торричелли и стала первой изогнутой линией (кроме круга), длина которой была определена, но расширение Нила и Уоллиса до алгебраической кривой было новым. Следующей исправленной кривой была циклоида; это сделал Кристофер Рен в 1658 году.
В начале 1658 года аналогичное открытие, независимое от открытия Нейла, было сделано ван Эраэтом , и оно было опубликовано ван Скутеном в его издании «Геометрии» Декарта в 1659 году. Метод Ван Эрайте заключается в следующем. Он полагает, что кривая относится к прямоугольным осям; если это так, и если ( x , y ) — координаты любой точки на ней, а n — длина нормали, [ необходимы пояснения ] и если другая точка с координатами ( x , η ) взята такая, что η : h = n : y , где h — константа; тогда, если ds — элемент длины искомой кривой, то по подобным треугольникам имеем ds : dx = n : y . Следовательно, h ds = η dx . Следовательно, если можно найти площадь сечения точки ( x , η ), первую кривую можно выпрямить. Таким способом ван Хёраэ осуществил выпрямление кривой y 3 = ax 2 , но добавил, что выпрямление параболы y 2 = ax невозможно, так как оно требует квадратуры гиперболы. Решения, предложенные Нилом и Уоллисом, в чем-то похожи на решения, предложенные ван Хёраэтом, хотя общего правила не сформулировано, а анализ неуклюж. Третий метод был предложен Ферма в 1660 году, но он неэлегантен и трудоемок.
Теория столкновения тел была выдвинута Королевским обществом в 1668 году на рассмотрение математиков. Уоллис, Кристофер Рен и Христиан Гюйгенс предложили правильные и похожие решения, все в зависимости от того, что сейчас называется сохранением импульса ; но, в то время как Рен и Гюйгенс ограничили свою теорию идеально упругими телами ( упругое столкновение ), Уоллис рассматривал также и несовершенно упругие тела ( неупругое столкновение ). За этим в 1669 году последовала работа по статике (центрам тяжести), а в 1670 году — по динамике : они представляют собой удобный обзор того, что тогда было известно по этому вопросу.
В 1685 году Уоллис опубликовал книгу «Алгебра» , которой предшествовал исторический отчет о развитии этого предмета, содержащий много ценной информации. Второе издание, вышедшее в 1693 году и составившее второй том его оперы , было значительно расширено. Эта алгебра примечательна тем, что содержит первое систематическое использование формул. Здесь данная величина представлена числовым отношением, которое она имеет к единице величины того же вида: таким образом, когда Уоллис хочет сравнить две длины, он считает, что каждая содержит столько-то единиц длины. Возможно, это станет яснее, если отметить, что связь между пространством, описываемым в любой момент времени частицей, движущейся с равномерной скоростью, Уоллис обозначает формулой
где s — число, обозначающее отношение описываемого пространства к единице длины; в то время как предыдущие авторы обозначали бы то же самое отношение, утверждая, что эквивалентно предложению
Уоллис считается создателем числовой прямой «для отрицательных величин» [18] и «для оперативных целей». [19] Это основано на отрывке из его трактата по алгебре 1685 года, в котором он ввел числовую прямую, чтобы проиллюстрировать законность отрицательных величин: [20]
Однако не является ли это предположение (отрицательных величин) бесполезным или абсурдным; когда правильно поняли. И хотя, что касается простой алгебраической нотации, она подразумевает количество меньше, чем ничего: тем не менее, когда дело доходит до физического применения, она обозначает как реальную величину, как если бы был знак ; но быть истолковано в противоположном смысле... означает "Ярды вперед"; и , означает ярды назад.
Также было отмечено, что в более ранней работе Уоллис пришел к выводу, что отношение положительного числа к отрицательному больше бесконечности. Аргумент включает в себя частное и рассмотрение того, что происходит по мере приближения, а затем пересечения точки с положительной стороны. [21] Уоллис был не одинок в этом мышлении: Леонард Эйлер пришел к такому же выводу, рассмотрев геометрическую серию , оцененную при , а затем рассуждения, аналогичные рассуждениям Уоллиса (он разрешил парадокс, различая различные виды отрицательных чисел). [18]
Ему обычно приписывают доказательство теоремы Пифагора с использованием подобных треугольников . Однако шесть столетий назад арабский математик Сабит ибн Курра (901 г. н.э.) обобщил теорему Пифагора, применимую ко всем треугольникам. Разумно предположить, что Уоллис знал о работе Табита. [22]
Уоллис также был вдохновлен работами исламского математика Садра ат-Туси, сына Насир ад-Дина ат-Туси , в частности написанной в 1298 году книгой ат-Туси о постулате параллельности . Книга была основана на мыслях его отца и представила один из самых ранних аргументов в пользу неевклидовой гипотезы, эквивалентной постулату параллельности. Прочитав это, Уоллис затем написал о своих идеях, развивая собственные мысли по поводу постулата, пытаясь доказать его также с помощью подобных треугольников. [23]
Он обнаружил, что пятый постулат Евклида эквивалентен постулату, который в настоящее время называется в его честь «постулатом Уоллиса». Этот постулат гласит: «На данной конечной прямой всегда можно построить треугольник, подобный данному треугольнику». Этот результат был заключен в тенденции попытаться вывести пятый постулат Евклида из четырех других постулатов, что сегодня, как известно, невозможно. В отличие от других авторов, он осознавал, что неограниченный рост треугольника не гарантируется четырьмя первыми постулатами. [24]
Еще одним аспектом математических способностей Уоллиса была его способность производить мысленные вычисления. Он плохо спал и часто делал мысленные расчеты, лежа без сна в своей постели. Однажды ночью он вычислил в уме квадратный корень из 53-значного числа. Утром он продиктовал 27-значный квадратный корень из числа, все еще полностью по памяти. Это был подвиг, который считался выдающимся, и Генри Ольденбург , секретарь Королевского общества, послал коллегу выяснить, как Уоллис это сделал. Это считалось достаточно важным, чтобы заслуживать обсуждения в «Философских трудах Королевского общества» 1685 года. [25] [26]
Уоллис перевел на латынь произведения Птолемея и Вриенния, а также комментарий Порфирия к Птолемею. Он также опубликовал три письма Генри Ольденбургу по поводу настройки. Он одобрял принцип равного темперамента , который использовался в органах Англии. [27]
Его «Institutio Logicae» , опубликованный в 1687 году, пользовался большой популярностью. [4] Grammatica linguae Anglicanae — это работа по грамматике английского языка , которая печаталась вплоть до восемнадцатого века. Он также опубликовал публикации по теологии. [4]
Во время работы капелланом леди Вир в 1642 году Уоллис получил зашифрованное письмо о падении Чичестера , которое ему удалось расшифровать в течение двух часов. Так началась его карьера криптографа. Он был умеренным сторонником парламентской стороны во время Первой гражданской войны в Англии и поэтому работал расшифровщиком перехваченной корреспонденции для парламентских лидеров. За свои услуги он был награжден житиями Святого Гавриила и Святого Мартина в Лондоне . [28]
Из-за своих парламентских симпатий Уоллис не был нанят криптографом после Реставрации Стюартов , [29] но после Славной революции его разыскивал лорд Ноттингем и часто нанимал для расшифровки зашифрованной перехваченной корреспонденции, хотя он считал, что он не всегда был адекватно вознагражден за свою работу. [a] Король Вильгельм III с 1689 года также нанимал Уоллиса в качестве криптографа, иногда почти ежедневно. Курьеры приносили ему письма для расшифровки и ждали продукта перед его кабинетом. Король лично интересовался работой и благополучием Уоллиса, о чем свидетельствует письмо, которое он отправил голландскому великому пенсионеру Антони Хейнсиусу в 1689 году .
В те первые дни правления Вильгельма прямое получение перехваченных иностранных писем было проблемой для англичан, поскольку у них еще не было ресурсов иностранных Черных палат , но союзники, такие как курфюрст Бранденбурга, не имея собственных Черных палат, иногда дарили такая перехваченная корреспонденция, как письмо короля Франции Людовика XIV королю Польши Яну III Собескому , которое король Вильгельм в 1689 году использовал, вызвало кризис во французско-польских дипломатических отношениях. Он открыто говорил об этом, и Уоллис была вознаграждена за свою роль. [31] Но Уоллис начал нервничать, что французы могут принять меры против него. [32]
Отношения Уоллиса с немецким математиком Готфридом Вильгельмом Лейбницем были теплыми. Но у Лейбница также были криптографические интересы, и он пытался заставить Уоллиса раскрыть некоторые из своих коммерческих тайн, от чего Уоллис отказался сделать это из патриотических принципов. [33]
Смит приводит пример кропотливой работы, которую выполнил Уоллис, как он сам описал это в письме Ричарду Хэмпдену от 3 августа 1689 года. В нем он дает подробный отчет о своей работе над конкретным письмом и о тех частях, с которыми у него возникли трудности. [34]
Переписка Уоллиса также показывает подробности того, как он постоял за себя, когда считал, что его недооценивают, финансово или по другим причинам. Он с энтузиазмом лоббировал как от своего имени, так и от имени своих родственников, о чем свидетельствуют письма лорду Ноттингему, Ричарду Хэмпдену и члену парламента Харборду Харборду , которые цитирует Смит. [35] В письме английскому посланнику в Пруссии Джеймс Джонстон Уоллис горько жалуется, что придворный прусского курфюрста по имени Сметто поступил с ним неправильно в вопросе справедливой компенсации за услуги, оказанные курфюрсту. В письме он подробно рассказывает о том, что он сделал, и дает совет по простому шифру замены , который мог бы использовать сам Джонстон. [36]
Вклад Уоллиса в искусство криптографии носил не только «технологический» характер. Де Леу указывает, что даже «чисто научный» вклад Уоллиса в лингвистику в области «рациональности» естественного языка , развивавшегося с течением времени, сыграл роль в развитии криптологии как науки. Разработка Уоллисом модели английской грамматики, независимой от более ранних моделей, основанных на латинской грамматике, является, по его мнению, примером того, как другие науки помогли развитию криптологии. [37]
Уоллис пытался научить своего сына Джона и внука от дочери Анны, Уильяма Бленкоу, премудростям ремесла. С Уильямом он добился такого успеха, что смог убедить правительство позволить внуку получить остаток годовой пенсии в размере 100 фунтов стерлингов, которую Уоллис получал в качестве компенсации за свою криптографическую работу. [38]
Уильям Бленкоу в конечном итоге сменил Уоллиса на посту официального криптографа королевы Анны после смерти Уоллиса в 1703 году .
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )