Джон Уоллис ( / ˈ w ɒ l ɪ s / ; [ 2] лат . Wallisius ; 3 декабря [ OS 23 ноября] 1616 — 8 ноября [ OS 28 октября] 1703) — английский священнослужитель и математик , которому отчасти приписывают разработку исчисления бесконечно малых .
Между 1643 и 1689 годами Уоллис служил главным криптографом парламента , а позднее — королевского двора. [3] Ему приписывают введение символа ∞ для обозначения понятия бесконечности . [4] Он также использовал 1/∞ для обозначения бесконечно малых величин . Он 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 перешел в школу Джеймса Мовата в Тентердене . Уоллис впервые познакомился с математикой в 1631 году в школе Фелстеда (тогда известной как школа Мартина Холбича в Фелстеде); ему нравилась математика, но его обучение было нерегулярным, поскольку «математика в то время у нас редко рассматривалась как академическое занятие, а скорее как механическое» (Scriba 1970). В школе в Фелстеде Уоллис научился говорить и писать на латыни . К этому времени он также свободно владел французским , греческим и ивритом . [9] Поскольку предполагалось, что он должен был стать врачом, в 1632 году его отправили в колледж Эммануэля в Кембридже . [10] Там он вел акт о учении о кровообращении ; говорят, что это был первый случай в Европе, когда эта теория была публично поддержана в диспуте. Однако его интересы были сосредоточены на математике. Он получил степень бакалавра искусств в 1637 году и степень магистра в 1640 году, после чего вступил в сан священника. С 1643 по 1649 год он служил неголосующим писцом в Вестминстерской ассамблее . Он был избран в стипендию в Куинс-колледже в Кембридже в 1644 году, из которого он был вынужден уйти после женитьбы. [ необходима цитата ]
В течение всего этого времени Уоллис был близок к парламентской партии, возможно, из-за его контактов с Гольбичем в школе Фельстеда. Он оказал им большую практическую помощь в расшифровке роялистских депеш. Качество криптографии в то время было неоднозначным; несмотря на индивидуальные успехи таких математиков, как Франсуа Виет , принципы, лежащие в основе разработки и анализа шифров, были очень плохо поняты. Большинство шифров были методами ad hoc, полагающимися на секретный алгоритм , в отличие от систем, основанных на переменном ключе . Уоллис понял, что последние были гораздо более безопасными, - даже описывая их как «невзламываемые», 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 от 1697 года обучить ганноверских студентов криптографии. [11]
Вернувшись в Лондон — в 1643 году он был назначен капелланом в церкви Св. Гавриила Фенчерча — Уоллис присоединился к группе ученых, которая позже превратилась в Королевское общество . Он, наконец, смог удовлетворить свои математические интересы, освоив Clavis Mathematicae Уильяма Отреда за несколько недель в 1647 году. Вскоре он начал писать собственные трактаты, затрагивая широкий круг тем, что он продолжал делать до конца своей жизни. Уоллис написал первый обзор математических концепций в Англии, где он обсуждал индо-арабскую систему. [12]
Уоллис присоединился к умеренным пресвитерианам, подписав протест против казни Карла I , чем вызвал длительную враждебность со стороны независимых. Несмотря на их сопротивление, в 1649 году он был назначен на кафедру геометрии Сэвилиан в Оксфордском университете, где и прожил до своей смерти 8 ноября [ OS 28 October] 1703 года. В 1650 году Уоллис был рукоположен в священники. После этого он провел два года с сэром Ричардом Дарли и леди Вер в качестве частного капеллана . В 1661 году он был одним из двенадцати пресвитерианских представителей на Савойской конференции . [ необходима цитата ]
Помимо своих математических работ он писал по теологии , логике , английской грамматике и философии, а также участвовал в разработке системы обучения глухого мальчика говорению в Littlecote House . [13] Ранее Уильям Холдер научил глухого мужчину, Александра Попхэма, говорить «ясно и отчетливо, и с хорошим и изящным тоном». [14] Позже Уоллис присвоил себе эту заслугу, что заставило Холдера обвинить Уоллиса в том, что он «обшаривает своих соседей и украшает себя их добычей». [15]
Парламентский визит в Оксфорд , начавшийся в 1647 году, устранил многих старших академиков со своих должностей, включая в ноябре 1648 года профессоров геометрии и астрономии Сэвилиан. В 1649 году Уоллис был назначен профессором геометрии Сэвилиан. Уоллис, по-видимому, был выбран в основном по политическим мотивам (как, возможно, и его предшественник-роялист Питер Тернер , который, несмотря на назначение на две профессорские должности, так и не опубликовал ни одной математической работы); хотя Уоллис был, возможно, ведущим криптографом страны и входил в неформальную группу ученых, которая позже стала Королевским обществом , у него не было особой репутации как математика. Тем не менее, назначение Уоллиса оказалось в полной мере оправданным его последующей работой в течение 54 лет, которые он прослужил профессором Сэвилиан. [16]
Валлис внес значительный вклад в тригонометрию , исчисление , геометрию и анализ бесконечных рядов . В своей Opera Mathematica I (1695) он ввел термин « непрерывная дробь ».
В 1655 году Валлис опубликовал трактат о конических сечениях , в котором они были определены аналитически. Это была самая ранняя книга, в которой эти кривые рассматривались и определялись как кривые второй степени . Она помогла устранить некоторые из кажущихся трудностей и неясностей работы Рене Декарта по аналитической геометрии .
В «Трактате о конических сечениях » Уоллис популяризировал символ ∞ для обозначения бесконечности. Он писал: «Я предполагаю, что любая плоскость (следуя геометрии неделимых Кавальери) состоит из бесконечного числа параллельных линий или, как я бы предпочел, из бесконечного числа параллелограммов одинаковой высоты; (пусть высота каждого из них будет бесконечно малой частью 1/∞ всей высоты, и пусть символ ∞ обозначает бесконечность) и высота всех их составит высоту фигуры». [17]
Arithmetica Infinitorum , важнейшая из работ Уоллиса, была опубликована в 1656 году. В этом трактате были систематизированы и расширены методы анализа Декарта и Кавальери , но некоторые идеи были открыты для критики. Он начал, после короткого трактата о конических сечениях, с разработки стандартной нотации для степеней, распространив их с положительных целых чисел на рациональные числа :
Оставив многочисленные алгебраические приложения этого открытия, он затем приступил к поиску, путем интегрирования , площади, заключенной между кривой y = x m , осью x и любой ординатой x = h , и доказал, что отношение этой площади к площади параллелограмма на том же основании и той же высоты равно 1/( m + 1), расширяя квадратурную формулу Кавальери . Он, по-видимому, предполагал, что тот же результат будет верен и для кривой y = ax m , где a — любая константа, а m — любое число, положительное или отрицательное, но он обсуждал только случай параболы , в которой m = 2, и гиперболы, в которой 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 , то можно определить ее площадь: так, он говорит, что если уравнение кривой имеет вид y = x 0 + x 1 + x 2 + ..., то ее 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, ограниченная этой кривой и линиями x = 0 и x = 1, равна площади прямоугольника на том же основании и той же высоте, что и m : m + 1. Это эквивалентно вычислению
Он проиллюстрировал это с помощью параболы, 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 формам, данным выше, но, поскольку он не был знаком с биномиальной теоремой , он не мог осуществить квадратуру окружности , уравнение которой имеет вид , поскольку он не мог разложить его по степеням x . Однако он установил принцип интерполяции . Таким образом, поскольку ордината окружности является геометрическим средним ординат кривых и , можно было бы предположить, что в качестве приближения площадь полукруга , которая равна , может быть взята как геометрическое среднее значений
то есть, и ; это эквивалентно принятию или 3,26... в качестве значения π. Но, утверждал Уоллис, на самом деле у нас есть ряд ... и поэтому член, интерполированный между и, должен быть выбран так, чтобы подчиняться закону этого ряда. [ необходимо разъяснение ] Это, с помощью сложного метода, который здесь подробно не описан, приводит к значению для интерполированного члена, которое эквивалентно принятию
(который теперь известен как продукт Уоллиса ).
В этой работе также обсуждаются образование и свойства непрерывных дробей , поскольку эта тема приобрела известность благодаря использованию этих дробей Брункером .
Несколько лет спустя, в 1659 году, Уоллис опубликовал трактат, содержащий решение задач на циклоиду , предложенных Блезом Паскалем . В нем он попутно объяснил, как принципы, изложенные в его Arithmetica Infinitorum, могут быть использованы для выпрямления алгебраических кривых, и дал решение задачи по выпрямлению (т. е. нахождению длины) полукубической параболы x 3 = ay 2 , открытой в 1657 году его учеником Уильямом Нейлом . Поскольку все попытки выпрямить эллипс и гиперболу были (обязательно) безрезультатными, предполагалось, что никакие кривые не могут быть выпрямлены, как, собственно, и утверждал Декарт. Логарифмическая спираль была выпрямлена Эванджелистой Торричелли и была первой кривой линией (кроме окружности), длина которой была определена, но расширение Нилом и Уоллисом до алгебраической кривой было новым. Циклоида была следующей выпрямленной кривой; это сделал Кристофер Рен в 1658 году. [ необходима цитата ]
В начале 1658 года аналогичное открытие, независимое от открытия Нейла, сделал ван Хейраэт , и оно было опубликовано ван Схутеном в его издании «Геометрии» Декарта в 1659 году. Метод ван Хейраэта заключается в следующем. Он предполагает, что кривая отнесена к прямоугольным осям; если это так, и если ( x , y ) — координаты любой точки на ней, а n — длина нормали, [ необходимо разъяснение ] и если другая точка с координатами ( x , η ) взята так, что η : h = n : y , где h — константа; тогда, если ds — элемент длины искомой кривой, то посредством подобных треугольников мы имеем ds : dx = n : y . Следовательно, h ds = η dx . Следовательно, если площадь геометрического места точки ( x , η ) может быть найдена, то первая кривая может быть выпрямлена. Таким образом, ван Хейраэт осуществил выпрямление кривой y 3 = ax 2 , но добавил, что выпрямление параболы y 2 = ax невозможно, поскольку оно требует квадратуры гиперболы. Решения, данные Нейлом и Уоллисом, несколько похожи на решения, данные ван Хейраэтом, хотя общее правило не сформулировано, а анализ неуклюж. Третий метод был предложен Ферма в 1660 году, но он неэлегантный и трудоемкий.
Теория столкновения тел была предложена Королевским обществом в 1668 году для рассмотрения математиками. Уоллис, Кристофер Рен и Христиан Гюйгенс прислали правильные и похожие решения, все основанные на том, что сейчас называется сохранением импульса ; но, в то время как Рен и Гюйгенс ограничили свою теорию совершенно упругими телами ( упругое столкновение ), Уоллис также рассматривал несовершенно упругие тела ( неупругое столкновение ). За этим в 1669 году последовала работа по статике (центры тяжести), а в 1670 году — по динамике : они дают удобный синопсис того, что тогда было известно по этому вопросу.
В 1685 году Уоллис опубликовал «Алгебру» , которой предшествовал исторический отчет о развитии предмета, содержащий много ценной информации. Второе издание, выпущенное в 1693 году и составившее второй том его «Оперы» , было значительно расширено. Эта алгебра примечательна тем, что содержит первое систематическое использование формул. Данная величина здесь представлена числовым отношением, которое она имеет к единице того же рода величины: таким образом, когда Уоллис хочет сравнить две длины, он рассматривает каждую как содержащую столько-то единиц длины. Это, возможно, станет яснее, если заметить, что соотношение между пространством, описываемым в любой момент времени частицей, движущейся с постоянной скоростью, Уоллис обозначает формулой
где s — число, представляющее отношение описываемого пространства к единице длины; в то время как предыдущие авторы обозначили бы то же самое отношение, указав, что эквивалентно предложению
Уоллис считается создателем числовой прямой «для отрицательных величин» [18] и «для операциональных целей». [19] Это основано на отрывке из его трактата по алгебре 1685 года, в котором он ввел числовую прямую для иллюстрации законности отрицательных величин: [20]
Однако это предположение (отрицательных величин) не является ни бесполезным, ни абсурдным; если его правильно понимать. И хотя, что касается голой алгебраической нотации, оно подразумевает величину, меньшую, чем ничто: Однако, когда дело доходит до физического применения, оно обозначает как реальную величину, как если бы знак был ; но если его интерпретировать в противоположном смысле... , означает ярды вперед; а , означает ярды назад.
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 при приближении и пересечении точки с положительной стороны. [21] Уоллис был не одинок в своих размышлениях: Леонард Эйлер пришел к такому же выводу, рассматривая геометрическую прогрессию , оцененную при , а затем рассуждая аналогично Уоллису (он разрешил парадокс, различая различные виды отрицательных чисел). [18]
Обычно ему приписывают доказательство теоремы Пифагора с использованием подобных треугольников . Однако Сабит ибн Курра (901 г. н. э.), арабский математик, шестью веками ранее создал обобщение теоремы Пифагора, применимое ко всем треугольникам. Разумно предположить, что Уоллис был знаком с работой Сабита. [22]
Уоллис также был вдохновлен работами исламского математика Садра аль-Туси, сына Насира ад-Дина аль-Туси , в частности книгой аль-Туси, написанной в 1298 году о постулате о параллельных линиях . Книга была основана на мыслях его отца и представляла один из самых ранних аргументов в пользу неевклидовой гипотезы, эквивалентной постулату о параллельных линиях. Прочитав это, Уоллис затем написал о своих идеях, поскольку он развивал свои собственные мысли о постулате, пытаясь доказать его также с помощью подобных треугольников. [23]
Он обнаружил, что пятый постулат Евклида эквивалентен постулату, который в настоящее время называется «постулатом Уоллиса» в его честь. Этот постулат гласит, что «На данной конечной прямой всегда можно построить треугольник, подобный данному треугольнику». Этот результат был включен в тенденцию, пытающуюся вывести пятый постулат Евклида из остальных четырех постулатов, что сегодня известно как невозможное. В отличие от других авторов, он понял, что неограниченный рост треугольника не гарантируется четырьмя первыми постулатами. [24]
Другим аспектом математических навыков Уоллиса была его способность производить устные вычисления. Он плохо спал и часто делал устные вычисления, лежа без сна в своей постели. Однажды ночью он вычислил в уме квадратный корень числа с 53 цифрами. Утром он продиктовал 27-значный квадратный корень числа, все еще полностью по памяти. Это был подвиг, который считался выдающимся, и Генри Ольденбург , секретарь Королевского общества, послал коллегу, чтобы выяснить, как Уоллис это сделал. Это было сочтено достаточно важным, чтобы заслужить обсуждение в Philosophical Transactions of the Royal Society 1685 года. [25] [26]
Уоллис перевел на латынь труды Птолемея и Вриенния, а также комментарий Порфирия к Птолемею. Он также опубликовал три письма Генри Ольденбургу относительно настройки. Он одобрил равномерную темперацию , которая использовалась в органах Англии. [27]
Его Institutio logicae , опубликованный в 1687 году, был очень популярен. [4] Grammatica linguae Anglicanae была работой по английской грамматике , которая оставалась в печати вплоть до восемнадцатого века. Он также публиковал работы по теологии. [4]
Работая капелланом леди Вир в 1642 году, Уоллис получил зашифрованное письмо о падении Чичестера , которое он сумел расшифровать в течение двух часов. Это положило начало его карьере криптографа. Он был умеренным сторонником парламентской стороны в Первой гражданской войне в Англии и поэтому работал расшифровщиком перехваченной корреспонденции для лидеров парламента. За свои услуги он был вознагражден житиями Святого Гавриила и Святого Мартина в Лондоне . [28]
Из-за своих парламентских симпатий Уоллис не был нанят в качестве криптографа после Реставрации Стюартов , [29] но после Славной революции его разыскал лорд Ноттингем и часто нанимал для расшифровки зашифрованной перехваченной корреспонденции, хотя он считал, что не всегда получал адекватное вознаграждение 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 перед его кабинетом результат. Король проявлял личный интерес к работе и благополучию Уоллиса, о чем свидетельствует письмо, которое он отправил голландскому великому пенсионарию Энтони Хейнсиусу в 1689 году. [29]
В эти ранние дни правления Вильгельма получение перехваченных иностранных писем было проблемой для англичан, поскольку у них еще не было ресурсов иностранных Черных палат , но союзники, такие как курфюрст Бранденбургский, не имевшие собственных Черных палат, время от времени делали подарки в виде перехваченной корреспонденции, как, например, письмо короля Франции Людовика XIV королю Польши Яну III Собескому , которое король Вильгельм в 1689 году использовал, чтобы вызвать кризис во франко-польских дипломатических отношениях. Он был довольно открыт в этом, и Уоллис был вознагражден за свою роль. [31] Но Уоллис занервничал, что французы могут предпринять против него действия. [32]
Отношения Валлиса с немецким математиком Готфридом Вильгельмом Лейбницем были сердечными. Но Лейбниц также интересовался криптографией и пытался заставить Валлиса раскрыть некоторые из его торговых секретов, что Валлис отказался сделать из патриотических принципов. [33]
Смит приводит пример кропотливой работы, проделанной Уоллисом, описанный им самим 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 он столкнулся. [34]
Переписка Уоллиса также показывает подробности того, как он защищал себя, когда считал, что его недооценивают, финансово или иным образом. Он с энтузиазмом лоббировал как от своего имени, так и от имени своих родственников, о чем свидетельствуют письма лорду Ноттингему, Ричарду Хэмпдену и депутату Харборду Харборду , которые цитирует Смит. [35] В письме английскому посланнику в Пруссии Джеймс Джонстон Уоллис горько жалуется, что придворный прусского курфюрста по имени Смето поступил с ним несправедливо в вопросе справедливой компенсации за услуги, оказанные курфюрсту. В письме он приводит подробности того, что он сделал, и дает советы по простому подстановочному шифру для использования самим Джонстоном. [36]
Вклад Уоллиса в искусство криптографии носил не только «технологический» характер. Де Леу отмечает, что даже «чисто научный» вклад Уоллиса в науку лингвистики в области «рациональности» естественного языка , как он развивался 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 примером того, как другие науки помогли развить криптологию, по его мнению. [37]
Уоллис пытался научить своего сына Джона и внука от дочери Энн, Уильяма Бленкоу, приемам ремесла. С Уильямом он был настолько успешен, что смог убедить правительство разрешить внуку получать ежегодную пенсию в размере 100 фунтов стерлингов , которую Уоллис получал в качестве компенсации за свою криптографическую работу. [38]
Уильям Бленкоу в конечном итоге стал преемником Уоллиса на посту официального криптографа королевы Анны после его смерти в 1703 году. [39]
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )