Вначале была аксиома. Гильберт. Основания математики - Коллектив авторов - Страница 18

Вторая причина, более важная, состоит в том, что, как недавно выяснил историк математики Лео Корри, содержание статьи, представленной Гильбертом в Академию наук 20 ноября, не совпадает с опубликованным. Гильберт внес исправления 6 декабря с учетом представленного Эйнштейном 25 ноября. Похоже, Гильберт изменил свои уравнения, чтобы приспособить их к уравнениям Эйнштейна. Так что этот небольшой спор не вылился в долгосрочную вражду.

У нас произошла размолвка, причины которой я не хочу анализировать. [...] Просто стыдно подумать, что двое приличных людей, сумевших отчасти отрешиться от мелких страстей человечества, не могут наслаждаться общением друг с другом.

Альберт Эйнштейн в письме Гильберту от 20 декабря 1915 года

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ

Если исследовательский этап Гильберта в области вариационного исчисления привел его к разработке общей теории относительности, то период между 1904 и 1910 годами, который он посвятил интегральным уравнениям, позволил ему сделать то же с квантовой механикой. Речь, конечно же, о самом важном вкладе Гильберта в математический анализ и опосредованно в физику, о ряде статей, которые позже он объединил в монографии «Основания общей теории линейных интегральных уравнений» (1912), содержащей не только строгую математическую теорию, но и множество разнообразных физических применений — от кинетической теории газов до теории излучения.

Но начнем сначала. Для интегрального уравнения характерно, что неизвестная функция также появляется внутри интеграла. Например:

         b

x(t) + ∫K(t,s)x(s)ds = ƒ(t),

         a

где функция K(t, s) является ядром интегрального уравнения. При заданном ядре K(t, s) и функции ƒ(t) (непрерывные функции) требуется найти неизвестную функцию x(t).

В XIX веке было сформулировано несколько интегральных уравнений по физическим вопросам, таким как проблема брахистохроны или проблема Дирихле. Но только в 1888 году Поль де Буа-Реймон (1831 — 1889) ввел термин «интегральные уравнения» для их обозначения и заявил о необходимости разработать общую теорию этих уравнений в качестве альтернативного метода решения задач с дифференциальными уравнениями.

В 1900 году шведский математик Ивар Фредгольм (1866- 1927) позаимствовал внешне безобидное замечание итальянского математика Вито Вольтерры (1860-1940) и предложил новый способ решения проблемы Дирихле с использованием интегральных уравнений. Изучив уравнения потенциала, или уравнения Лапласа с граничными условиями, Фредгольм трансформировал проблему в интегральное уравнение, как приведенное выше, и воспользовался схожестью этого интегрального уравнения и системы бесконечных линейных уравнений, когда интеграл заменяется суммами Римана. Интеграл — это процесс вычисления площади, ограниченной кривой. Сумма Римана — по сути, всего лишь равносильный способ вычисления значения интеграла: проводится конечное число прямоугольников внутри площади, ограниченной кривой, и эта площадь приближается к сумме площадей каждого из этих прямоугольников (см. рисунок). Когда число прямоугольников стремится к бесконечности, суммы Римана сходятся в точном значении интеграла. В этой технике интегральное уравнение разрастается в систему бесконечных линейных уравнений. Следовательно, решить отправное интегральное уравнение — значит решить всю систему бесконечных линейных уравнений.

Сумма Римана — это сумма площадей прямоугольников на рисунке, которая служит для приближения к площади, ограниченной кривой, то есть к интегралу функции ƒ(x) от a до b.

Сенсационные результаты Фредгольма распространились со скоростью звука. Зимой 1900-1901 года гостивший в Гёттингене преподаватель провел аналогию между интегральными уравнениями и системами линейных уравнений на семинаре Гильберта, и тот живо заинтересовался данной темой и направил на нее всю свою производительность (в пылу он даже предсказал, что новый инструмент позволит в итоге доказать гипотезу Римана). Шесть работ на эту тему, опубликованные им между 1904 и 1910 годами, содержали зачатки нового ответвления анализа (функциональный анализ) и привели к понятию гильбертова пространства, основанию всей квантовой механики.

И СВЕРШИЛСЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ!

Функциональный анализ изучает функции в совокупности, то есть пространства функций. Наиболее явные его истоки находятся в интегральных уравнениях, которые определяют алгебраизацию анализа (типичный подход функционального анализа), но также присутствуют в вариационном исчислении, где впервые появляются идеи множества функций, допустимых для решения проблемы и расстояния между функциями (через функционал). Математический аппарат, утвердившийся с функциональным анализом, в конце 1920-х годов обратился в столп целой физической дисциплины — квантовой механики. Благодаря этому ключевому факту его мощные формулировки, связанные с распространением квантовых выкладок, постоянно обновлялись.

Функциональный анализ обобщает геометрические понятия w-мерного пространства (расстояние, теорема Пифагора и другие) до функциональных пространств бесконечной размерности. Среди этих пространств бесконечной размерности выделяется так называемое гильбертово пространство, построенное в области интегральных уравнений самим Гильбертом, но аксиоматизированное в связи с квантовой механикой его талантливым учеником Джоном фон Нейманом, который назвал пространство именем своего учителя около 1930 года.

Гильбертово пространство в зачаточном виде появляется в статье 1906 года (четвертой из шести статей об интегральных уравнениях и первой настоящей статье о функциональном анализе). Можно сказать, что гильбертово пространство образуют функции, являющиеся решением интегральных уравнений. Когда Гильберт изучал интегральное уравнение, ему в голову пришла идея рассмотреть особую систему функций, которая выполняла бы некоторые свойства (для тригонометрической системы — быть базисом функционального пространства) и свести решение уравнения к определению коэффициентов неизвестной функции относительно этой системы (точнее, координат неизвестной функции относительно этого базиса пространства). Рассматривая тригонометрическую систему, он старался найти неизвестную функцию, представив ее с помощью коэффициентов Фурье (бесконечной последовательности чисел, позволяющих выражать функцию интегрируемого квадрата в виде суммы тригонометрических функций, умноженных на эти числа). Коэффициенты, как он заметил, удовлетворяли условию конечности суммы их квадратов. После подстановки этих отождествлений (или разработок) в интегральное уравнение проблема преобразилась в проблему решения бесконечного числа линейных уравнений с бесконечными неизвестными (коэффициентами функций из суммируемого квадрата). Продолжая данный пример, если в уравнении

         b

x(t) + ∫K(t,s)x(s)ds = ƒ(t),

         a

представить функции x(t), ƒ(t) и K(t, s) их коэффициентами Фурье, то это уравнение записывается как бесконечная система уравнений:

         ∞

xp + ∑kpqxq = ƒp                       p = 1, 2, 3...

        g=1

при условии, что сумма различных коэффициентов в квадрате конечна, то есть

∞

∑x2p < ∞.

p=1

Таким образом, при переходе из царства непрерывного в царство дискретного интеграл преобразуется в сумму (аналогичную операцию).

Пространство всех последовательностей действительных чисел суммируемого квадрата (сегодня обозначаемое l2), где нужно искать решение, — это и есть гильбертово пространство. В этом пространстве числовых последовательностей, по аналогии с обычным евклидовым пространством, Гильберт определил расстояние и распространил на него классические понятия предела, непрерывности и так далее. Как Гильберт, так и его лучшие ученики (в особенности Эрхард Шмидт) досконально исследовали это геометрическое сходство функционального пространства l2 с обычным геометрическим пространством R". Вся теория о гильбертовых пространствах способствовала выходу на сцену первого известного пространства с бесконечным числом измерений в его каноническом представлении об l2.