Расширения числовых множеств: исторический аспект

УДК 51(09)

РАСШИРЕНИЯ ЧИСЛОВЫХ МНОЖЕСТВ: ИСТОРИЧЕСКИЙ АСПЕКТ

Пермский государственный педагогический университет, математический факультет, *****@***ru

В работе представлена история расширения числовых множеств: от натуральных до гиперкомплексных чисел. Показаны условия происхождения новых множеств.

Понятие числа появилось впервые еще в доисторические времена в связи с практической деятельностью человека. При этом натуральные числа возникли из потребностей счета на самых ранних ступенях развития человеческого общества. Наименьшим из натуральных чисел является единица, наибольшего натурального числа не существует. При их сложении и умножении получается натуральное число, но не всегда выполнима операция вычитания, поэтому появляется необходимость рассмотрения целых отрицательных чисел.

Известно, что операция деления также не всегда выполнима на множестве натуральных чисел. Она приводит к новому расширению понятия числа: появлению дробей и рациональных чисел.

Действительные числа появились в процессе дальнейшего расширения понятия числа. Необходимость такого расширения была обусловлена как практическими применениями математики при выражении значения любой величины с помощью вполне определенного числа, так и внутренними потребностями самой математики. Эти потребности были связаны со стремлением расширить область применения ряда операций над числами (извлечение корня, вычисление логарифмов, решение уравнений и т. д.).

Дальнейшее расширение понятия числа связано с введением комплексных чисел. Необходимость введения таких чисел обусловлена развитием теории алгебраических уравнений. При нахождении решений квадратных уравнений, в некоторых случаях (например, x2 + 1 = 0) приходилось рассматривать корень квадратный из отрицательного числа. Это привело к необходимости рассмотрения и изучения выражений вида a + bi, где a и b – действительные числа, а i – мнимая единица, квадрат которой равен –1 (i2 = –1) [1].

Впервые мнимые величины появились в 1545 году в известном труде Джероламо Кардано «Великое искусство, или об алгебраических правилах», который счёл их непригодными к употреблению. Пользу мнимых величин, в частности, при решении кубического уравнения, в так называемом неприводимом случае (когда вещественные корни многочлена выражаются через кубические корни из мнимых величин), впервые оценил Рафаэле Бомбелли в 1572 году. Он же впервые представил некоторые простейшие правила действий с комплексными числами.

Выражения вида , появляющиеся при решении квадратных и кубических уравнений, стали называть «мнимыми» в XVI—XVII веках, однако даже для многих крупных ученых XVII века алгебраическая и геометрическая сущность мнимых величин представлялась неясной. Готфрид Лейбниц, например, писал: «Дух божий нашёл тончайшую отдушину в этом чуде анализа, уроде из мира идей, двойственной сущности, находящейся между бытием и небытием, которую мы называем мнимым корнем из отрицательной единицы» [2, с. 139].

Долгое время было неясно, все ли операции над комплексными числами приводят к комплексным результатам, или, например, извлечение корня может привести к открытию какого-то нового типа чисел. Задача о выражении корней степени n из данного числа была решена в 1707 году в работах Абрахама де Муавра и в 1722 году в работах Роджера Котса.

Символ предложил в 1777 году Леонард Эйлер, взявший для этого первую букву латинского слова imaginarius. Он же распространил все стандартные функции, включая логарифм, на комплексную область. Леонард Эйлер также высказал в 1751 году мысль об алгебраической замкнутости поля комплексных чисел. К такому же выводу в 1747 году пришел Жан Лерон Д’Аламбер, но первое строгое доказательство этого факта, представленное в 1799 году, принадлежит Карлу Фридриху Гауссу. Гаусс и ввёл в широкое употребление термин «комплексное число» в 1831 году, хотя этот термин ранее использовал в том же смысле французский математик Лазар Карно в 1803 году.

Обобщением комплексных чисел являются гиперкомплексные числа, получаемые присоединением к множеству вещественных чисел нескольких комплексных единиц i1, i2, … , in. Такие числа имеют вид z = a0 + a1i1 + a2i2 + … + anin, где a0, a1, … , an – вещественные числа [3].

Одним из примеров гиперкомплексных чисел являются кватернионы. Кватернионы – это четверки чисел (a, b, c, d), которые удобно записывать в виде q = a + bi + cj + dk, где a, b, c, d – произвольные действительные числа, а i, j, k – новые числа, являющиеся аналогом мнимой единицы в комплексных числах [4].

Система кватернионов была впервые опубликована Уильямом Роуэном Гамильтоном в 1843 году. Историки науки также обнаружили наброски по этой теме в неопубликованных рукописях Карла Фридриха Гаусса, относящихся к 1819 – 1820 годам [5].

Развитие комплексного анализа в XIX веке стимулировало у математиков интерес к следующей задаче: найти новый вид чисел, аналогичный по свойствам комплексным, но содержащий не одну, а две мнимые единицы. Предполагалось, что такая модель будет полезна при решении пространственных задач математической физики. Однако работа в этом направлении оказалась безуспешной.

Новый вид чисел был обнаружен ирландским математиком Уильямом Гамильтоном в 1843 году, и он содержал не две, как ожидалось, а три мнимые единицы. Гамильтон назвал эти числа кватернионами. Позднее, в 1877 году Фердинард Георг Фробениус строго доказал теорему, согласно которой расширить комплексное поле до поля или тела с двумя мнимыми единицами невозможно.

Несмотря на некоммутативность новых чисел, эта модель довольно быстро принесла практическую пользу. Джеймс Клерк Максвелл использовал компактную кватернионную запись для формулировки уравнений электромагнитного поля. Позднее на основе алгебры кватернионов был создан трёхмерный векторный анализ.

Сегодня кватернионы также приносят практическую пользу: они широко используются в 3D графике, компьютерном моделировании и при программировании компьютерных игр [6].

Библиографический список

1.  Комплексные числа // Квант. 1983. №2.

2.  Клайн М. Математика. Утрата определённости. М.: Мир, 1984. С. 139

3.  Кантор И.Л., Гиперкомплексные числа. М.: Наука, 1973.

4.  , Кватернионы // Квант. 1983. №9.

5.  Архитектура математики. Очерки по истории математики. М.: Иностранная литература, 1963. С. 68

6.  Martin John Baker Use of quaternions to represent transformations in 3D // URL: http://www. /maths/algebra/realNormedAlgebra/quaternions/index. htm (дата обращения 30.10.2011)

NUMERICAL SETS EXPANSION: HISTORICAL ASPECT

Kosyakova Yekaterina Pavlovna

Perm State Pedagogical University, mathematical faculty

Numerical sets expansion history is depicted in the article: beginning from natural till hupercomplex numbers. New sets origins are shown.