ПрезентацияНаучные открытия Леонарда Эйлера

Научные открытия Леонарда ЭйлераВ том усомниться мог ли кто-то, Что Эйлер удивит весь мир, Что только цифры и расчеты Его единственный кумир.Выполнила: Алексина И.С. Биографические сведения о Леонардо ЭйлереИдеальный математик 18 века - так часто называют Эйлера(1707-1789). Он родился в маленькой тихой Швейцарии. Примерно в то же время переселилась в Базель из Голландии семья Бернулли: уникальное созвездие научных талантов во главе с братьями Якобом и Иоганном. По воле случая юный Эйлер попал в эту компанию. Но когда ребята подросли, выяснилось, что в Швейцарии не хватит места для их умов. Зато в России была учреждена в 1725 году Академия Наук. Русских ученых не хватало, и тройка друзей отправилась туда. Поначалу Эйлер расшифровывал дипломатические депеши, обучал молодых моряков высшей математике и астрономии, составлял таблицы для артиллерийской стрельбы и таблицы движения Луны. Громадное наследие Эйлера включает 72 тома, содержащие 886 научных работ. Это блестящие результаты по математическому анализу, геометрии, теории чисел, вариационному исчислению, важнейшие труды по механике, физике, астрономии и ряду прикладных наук. Во многих своих работах Эйлер развил идеи и методы, полное значение которых выяснилось лишь через сто и более лет после его смерти.Заметим также, что вот уже в течение 300 лет школьники всего мира изучают математику, основы которой с ее новой символикой изложил в своих трудах тоже Леонард Эйлер. В 26 лет Эйлер был избран российским академиком, но через 8 лет он переехал из Петербурга в Берлин. Там "король математиков" работал с 1741 по 1766 год; потом он покинул Берлин и вернулся в Россию. Удивительно: слава Эйлера не закатилась и после того, как ученого поразила слепота (вскоре после переезда в Петербург). В 1770-е годы вокруг Эйлера выросла Петербургская математическая школа, более чем наполовину состоявшая из русских ученых. Тогда же завершилась публикация главной его книги - "Основ дифференциального и интегрального исчисления".В начале сентября 1783 Эйлер почувствовал легкое недомогание. 18 сентября он еще занимался математическими исследованиями, но неожиданно потерял сознание и «прекратил вычислять и жить». Вклад Эйлера в наукуЭйлер оставил важнейшие труды по самым различным отраслям математики, механики, физики, астрономии и по ряду прикладных наук. С точки зрения математики, XVIII век — это век Эйлера. Если до него достижения в области математики были разрознены и не всегда согласованы, то Эйлер впервые увязал анализ, алгебру, тригонометрию, теорию чисел и др. дисциплины в единую систему, и добавил немало собственных открытий. Значительная часть математики преподаётся с тех пор «по Эйлеру».Благодаря Эйлеру в математику вошли общая теория рядов, удивительная по красоте «формула Эйлера», операция сравнения по целому модулю, полная теория непрерывных дробей, аналитический фундамент механики, многочисленные приёмы интегрирования и решения дифференциальных уравнений, число e , обозначение i для мнимой единицы, гамма-функция с её окружением и многое другое.Эйлер охотно участвовал в научных дискуссиях, из которых наибольшую известность получили:спор о струне;спор с Д'Аламбером о свойствах комплексного логарифма;спор с английским оптиком Джоном Доллондом (англ.) о том, возможно ли создать ахроматическую линзу.Во всех упомянутых случаях Эйлер отстаивал правильную позицию. Теория чиселП. Л. Чебышёв писал: «Эйлером было положено начало всех изысканий, составляющих общую теорию чисел». Большинство математиков XVIII века занимались развитием анализа, но Эйлер пронёс увлечение древней арифметикой через всю свою жизнь. Благодаря его трудам интерес к теории чисел к концу века возродился.Эйлер продолжил исследования Ферма, ранее высказавшего (под влиянием Диофанта) ряд разрозненных гипотез о натуральных числах. Эйлер строго доказал эти гипотезы, значительно обобщил их и объединил их в содержательную теорию чисел. Он ввёл в математику исключительно важную «функцию Эйлера» и сформулировал с её помощью «теорему Эйлера». Эйлер создал теорию сравнений и квадратичных вычетов, указав для последних критерий Эйлера. Он опроверг гипотезу Ферма о том, что все числа вида 𝐹𝑛= 22𝑛+1 — простые; оказалось, что F 5 делится на 641.Доказал утверждение Ферма о представлении нечётного простого числа в виде суммы двух квадратов.Эйлер доказал Великую теорему Ферма для n = 3 и n = 4, создал полную теорию непрерывных дробей, исследовал различные классы диофантовых уравнений, теорию разбиений чисел на слагаемые.Он открыл, что в теории чисел возможно применение методов математического анализа, положив начало аналитической теории чисел. В основе её лежат тождество Эйлера и общий метод производящих функций.  Математический анализОдна из главных заслуг Эйлера перед наукой — монография «Введение в анализ бесконечно малых» (1748). В 1755 году выходит дополненное «Дифференциальное исчисление», а в 1768—1770 годах — три тома «Интегрального исчисления». В совокупности это фундаментальный, хорошо иллюстрированный примерами курс, с продуманной терминологией и символикой, откуда многое перешло и в современные учебники. Собственно современные методы дифференцирования и интегрирования были опубликованы в данных трудах.Основание натуральных логарифмов было известно ещё со времён Непера и Якоба Бернулли, однако Эйлер дал настолько глубокое исследование этой важнейшей константы, что с тех пор она носит его имя. Другая исследованная им константа: постоянная Эйлера — Маскерони.Эйлер значительно продвинул теорию рядов и распространил её на комплексную область, получив при этом знаменитую формулу Эйлера. Большое впечатление на математический мир произвели ряды, впервые просуммированные Эйлером, в том числе не поддававшийся до него никому ряд обратных квадратов:𝐥𝐢𝐦𝒏→∞𝟏𝟏𝟐+ 𝟏𝟐𝟐+ 𝟏𝟑𝟐+ . . . + 𝟏𝒏𝟐= 𝝅𝟐𝟔Современное определение показательной, логарифмической и тригонометрических функций —   тоже его заслуга, так же как их символика и обобщение на комплексный случай. Формулы, часто именуемые в учебниках «условия Коши — Римана», более правильно было бы назвать «условиями Даламбера — Эйлера».Он первый дал систематическую теорию интегрирования и используемых там технических приёмов, нашёл важные классы интегрируемых дифференциальных уравнений. Он открыл эйлеровы интегралы — ценные классы специальных функций, возникающие при интегрировании: бета-функция и гамма-функция Эйлера.Одновременно с Клеро вывел условия интегрируемости линейных дифференциальных форм от двух или трёх переменных (1739). Первый ввёл двойные интегралы. Получил серьёзные результаты в теории эллиптических функций, в том числе первые теоремы сложения. ГеометрияВ элементарной геометрии Эйлер обнаружил несколько фактов, не замеченных Евклидом:три высоты треугольника пересекаются в одной точке (ортоцентре);в треугольнике ортоцентр, центр описанной окружности и центр тяжести лежат на одной прямой — «прямой Эйлера»;основания трёх высот произвольного треугольника, середины трёх его сторон и середины трёх отрезков, соединяющих его вершины с ортоцентром, лежат все на одной окружности (окружности Эйлера);число вершин (В), граней (Г) и рёбер (Р) у любого выпуклого многогранника связаны простой формулой: В + Г = Р + 2. Второй том «Введения в анализ бесконечно малых» (1748) — это первый в мире учебник по аналитической геометрии и основам дифференциальной геометрии. Эйлер дал классификацию алгебраических кривых 3-го и 4-го порядков, а также поверхностей второго порядка. Термин «аффинные преобразования» впервые введён в этой книге вместе с теорией таких преобразований. В 1732 году Эйлер вывел общее уравнение геодезических линий на поверхности.В 1760 году вышли фундаментальные «Исследования о кривизне поверхностей». Эйлер обнаружил, что в каждой точке гладкой поверхности имеются два нормальных сечения с минимальным и максимальным радиусами кривизны и что плоскости их взаимно перпендикулярны. Вывел формулу связи кривизны сечения поверхности с главными кривизнами. которая может быть наложена на плоскость без складок и разрывов. Эйлер, однако, даёт здесь вполне общую теорию метрики, от которой зависит вся внутренняя геометрия поверхности. Позже исследование метрики становится у него основным инструментом теории поверхностей.В треугольнике ABC ортоцентр H, центр U описанной окружности и центроид S лежат на одной «прямой Эйлера»В 1771 году Эйлер опубликовал сочинение «О телах, поверхность которых можно развернуть на плоскость». В этой работе введено понятие развёртывающейся поверхности, то есть поверхности, КомбинаторикаЭйлер много внимания уделял представлению натуральных чисел в виде сумм специального вида и сформулировал ряд теорем для вычисления числа разбиений.При решении комбинаторных задач он глубоко изучил свойства сочетаний и перестановок, ввёл в рассмотрение числа Эйлера.Эйлер исследовал алгоритмы построения магических квадратов методом обхода шахматным конём. Две его работы (1776, 1779) заложили фундамент общей теории латинских и греко-латинских квадратов, огромная практическая ценность которой выяснилась после создания Рональдом Фишером методов планирования эксперимента, а также в теории кодов, исправляющих ошибки. АОВGПрямая ЭйлераДеление отрезка в данном отношенииПусть A,О, В – данные точки плоскости, и известно, что точка G делит отрезок AB в отношении k: AG/GB = k. Зададим вектора ОА, OG, OB, AG, GB. Выразим вектор OG через векторы OA и OB. Для этого подставим в равенство AG=k * GB выражения всех векторов через OG, OA и OB (по правилу треугольника): OG-OA=k(OB-OG). Решая это уравнение относительно OG, получим: OG= (OA+kOB)/(k+1) . Например, если G – середина отрезка AB, то k=1 и OG= 0,5(OA+OB).
Прямая ЭйлераПрямая Эйлера – прямая, которой принадлежат ортоцентр (точка пересечения высот) , центроид (точка пересечения медиан) и центр описанной окружности треугольника.АС ВОGДан прямоугольный треугольник АСВ. Проведем медиану СО. Середина O гипотенузы AB является центром описанной около него окружности. Центроид G делит медиану CO в отношении 2:1, считая от вершины C. Катеты AC и BC являются высотами треугольника, поэтому вершина C прямого угла совпадает с ортоцентром H треугольника. Таким образом, точки O,G,H лежат на одной прямой, причем OH=3OG. = Н
АС ВDG1PPПрямая ЭйлераТеорема. Медианы треугольника АВС пересекаются в одной точке G и делятся ею в отношении 2:1, считая от вершины, причем 3PG=PA+PB+PC, (2) где P – любая точка плоскости или пространства. Доказательство. Возьмем на медиане CD треугольника AСВ точку G, определяемую соотношением |CG|:|GD|=2:1. Возьмем произвольную точку P. Зададим вектора: PG, PC, PB, PA. Согласно формуле (1), PG = (РС+2РD), PD = 0,5(PA + PB), откуда 3PG = (PA + PB + PC).Вычисляя вектор PG1 с концом в точке G1, делящей любую из двух других медиан треугольника в отношении 2:1 (считая от вершины), мы получим то же самое выражение: 3PG1= (PA + PB + PC),Поэтому PG=PG1, и точка G совпадает с точкой G1. Следовательно, все три медианы треугольника пересекаются в одной точке G, определяемой соотношением (2).

Теорема Эйлера о многогранникахИмеется много доказательств теоремы Эйлера. В одной из них используется формула для суммы углов многоугольника. Рассмотрим это доказательство. Возьмем снаружи многогранника точку О вблизи от какой-либо грани F и спроектируем остальные грани на F из центра О . Их проекции образуют разбиение грани F на многоугольники. Подсчитаем двумя способами сумму α углов всех полученных многоугольников и самой грани F. Сумма угов n-угольника равна π(n - 2). Сложим эти числа для всех граней (включая грань F). Сумма членов вида πn равна общему числу сторон всех
Теорема Эйлера о многогранникахНекоторые следствия из теоремы1. Р + 6≤ 3В и Р + 6≤ 3Г; Доказательство: Перепишем соотношение Эйлера дважды, один раз в виде Р + 2 = В + ГИ другой раз в виде 4 = 2В - 2Р + 2ГСкладывая эти равенства, получаем Р + 6 = 3В + 3Г - 2РТак как у каждой грани многогранника не менее трех сторон, то 3Г≤ 2Р. Отсюда сразу получаем Р + 6≤ 3В. Утверждение доказано. 2.Сумма плоских углов всех граней многогранника равна 2πВ- 4π. (Теорема Декарта)Доказательство: Обозначим через Гi число i-угольных граней в многограннике М. Ясно, что Г = Г3 + Г4 + Г5 + … Ясно также, что каждая i-угольная грань содержит i ребер многогранника. С другой стороны, каждое ребро многогранника принадлежит в точности двум граням. Поэтому в сумме 3Г3 + 4Г4 + 5Г5 + … каждое ребро многогранника подсчитано, причем подсчитано дважды. Отсюда имеем 2Р = 3Г3 + 4Г4 + 5Г5 +…Рассмотрим теперь сумму S плоских углов многогранника: S = Г3 ·π + Г4 · 2π + Гi · ( i -2 )π + …С учетом полученных соотношений и теоремы Эйлера соотношение можно переписать так: S = Г3 ( 3 - 2 )π + Г4 (4 -2 )π + Гi ( i - 2 )π + … = 2Рπ - 2Гπ = 2Вπ - 4π. граней, т.е. 2Р- ведь каждое из Р рёбер принадлежит двум граням. А так как у нас всего Г слагаемых, α = π(2Р - 2Г). Теперь найдем сумму углов при каждой вершине разбиения и сложим эти суммы. Если вершина лежит внутри грани F, то сумма углов вокруг нее равна 2π. Таких вершин В-k, где k- число вершин самой грани F, а значит, их вклад равен 2π(В - k). Углы при вершинах F считаются в сумме дважды (как углы F и как углы многоугольников разбиения); их вклад равен 2π(k - 2). Таким образом, α = 2π(B - k) + 2π(k - 2) = 2π(B - 2). Приравнивая два результата и сокращения на 2π, получаем требуемое равенство Р - Г = В - 2 БАВГТеория графов и задача ЭйлераИздавна среди жителей Кёнигсберга была распространена такая загадка: как пройти по всем мостам, не проходя ни по одному из них дважды? Многие кёнигсбержцы пытались решить эту задачу, как теоретически, так и практически, во время прогулок. Но никому это не удавалось, однако доказать, что это даже теоретически невозможно.В 1736 году задача о семи мостах заинтересовала выдающегося математика, члена Петербургской академии наукЛеонарда Эйлера, Эйлер пишет о том, что он смог найти правило, пользуясь которым легко определить есть ли у неё решение.На упрощённой схеме части города (графе) мостам соответствуют линии (рёбра графа), а частям города — точки соединения линий (вершины графа).
В ходе рассуждений Эйлер пришёл к следующим выводам:Число нечётных вершин (вершин, к которым ведёт нечётное число рёбер) графа всегда чётно. Невозможно начертить граф, который имел бы нечётное число нечётных вершин. Если все вершины графа чётные, то можно, не отрывая карандаша от бумаги, начертить граф, при этом можно начинать с любой вершины графа и завершить его в той же вершине. Граф с более чем двумя нечётными вершинами невозможно начертить одним росчерком. Граф кёнигсбергских мостов имел четыре нечётные вершины, следовательно невозможно пройти по всем мостам, не проходя ни по одному из них дважды. Теория графов и задача ЭйлераТеорема ЭйлераПусть на плоскости задано m точек и n попарно непересекающихся дуг, каждая из которых соединяет какие-либо две данные точки и не проходит через остальные m–2 точки, и пусть эти дуги делят плоскость на l областей. Если из каждой данной точки в любую из остальных можно попасть, двигаясь по этим дугам, то m – n + l = 2.А1А2Рис. 3Рис.1А5А4А1А2А3Рис. 2

В случае, изображенном на рисунке 1, все условия теоремы Эйлера выполнены, m=12, n=18, l=8 и m–n+l=2. На рисунках 2 и 3 изображены случаи, когда условия этой теоремы не выполняются. Так, на рисунке 2 из точки A1 нельзя попасть в точку A5 и m–n+l=3≠2, а на рисунке 3 линия, соединяющая точки A1 и A2, является самопересекающейся и опять m–n+l=3≠2. В некоторых задачах совокупность, состоящую из нескольких точек и соединяющих их попарно непересекающихся дуг, мы называем картой; при этом точки из этой совокупности мы называем вершинами, а области, на которые дуги делят плоскость, — странами. ЗаключениеЭйлер оставил важнейшие труды по самым различным отраслям математики, механики, физики, астрономии и по ряду прикладных наук. С точки зрения математики, XVIII век — это век Эйлера. Если до него достижения в области математики были разрознены и не всегда согласованы, то Эйлер впервые увязал анализ, алгебру, тригонометрию, теорию чисел и др. дисциплины в единую систему, и добавил немало собственных открытий. Значительная часть математики преподаётся с тех пор «по Эйлеру».Эйлер отличался несравненной работоспособностью и за свою жизнь написал около 900 научных работ, и это несмотря на то, что он потерял один глаз в возрасте 31 года и почти ослеп на второй в 66 лет. Нет ученого, имя которого упоминалось бы в учебной математической литературе столь же часто, как имя Эйлера. В учебниках для высшей школы их еще больше, а многие введенные им в обиход теоремы и методы давно перестали связывать с чьим-либо именем. Даже в средней школе логарифмы и тригонометрию изучают до сих пор в значительной степени «по Эйлеру». Кроме математики, Эйлер занимался также многими другими, в том числе и совсем прикладными вопросами — оснасткой корабля, картографией, механикой, астрономией, физикой, диоптрикой. Но все же главные достижения Эйлера относятся к математике. Полное собрание сочинений Эйлера рассчитано на 72 тома (вышло уже 62 больших тома). 30 из них посвящено математике, 31 содержит его работы по механике и. астрономии. 11 будут содержать работы по физике и другим предметам. В процентном отношении работы по математике распределяются (по объемам, а это дает лучшую характеристику, чем по числу работ, так как работы чрезвычайно отличаются по размерам) так: анализ — 60%, геометрия — 17%, теория чисел — 13%, алгебра — 7%, теория вероятностей — 3 %. Внутри анализа особенно большое место занимают работы по интегральному исчислению — 33 %; дифференциальным уравнениям посвящено 25%, рядам — 22% и вариационному исчислению —11%. В остальные 9% входят том «Дифференциальные исчисления» и первый том «Введения в анализ бесконечно малых».