[274]46. Поверхности второго порядка. Чтобы заключить обзор развития и успехов новейшей геометрии, нам остается рассмотреть еще одну из отдельных теорий, наиболее важную и разработанную, именно теорию поверхностей второго порядка. [275]Древние знали из поверхностей второго порядка кажется только конус, цилиндр и поверхности вращения, которые они называли сфероидами и коноидами[1][2]: до Эйлера не усматривалось никакой другой аналогии между формами в пространстве и столь знаменитыми плоскими кривыми, названными коническими сечениями. Этот великий геометр распространил на кривые поверхности аналитический прием, служивший ему для исследования кривых линий на плоскости[3] и открыл в общем уравнении второй степени с тремя обыкновенными координатами пять различных видов поверхностей[4], между которыми сфероиды и коноиды древних являются не более как частными формами.
Эйлер ограничился только этою классификациею. Но этого было достаточно, чтобы открыть геометрам обширное поле исследований, представляемых теориею поверхностей второго порядка.
Монж и его сотоварищ Гашет поняли всю важность этой теории и, подвергнув поверхности второго порядка новому, более глубокому и подробному аналитическому исследованию, открыли многие важнейшие свойства их. Они показали двойное образование поверхностей второго порядка помощию перемещающегося круга, которое было известно со времени Дезарга[5] для конусов второго порядка и позднее было замечено только у эллипсоида Д'Аламбертом[6]; в первый раз было также обнаружено образование движением [276]прямой линии гиперболоида с одной полостью и гиперболического параболоида[7]. В примечании к трактату [277]о поверхностях второго порядка доказано в первый раз одно из самых важных их свойств, именно то, что три поверхности с центром, эллипсоид и два гиперболоида[8], имеют всегда систему трех взаимно-перпендикулярных сопряженных диаметров[9].
47. Впоследствии ученики Монжа с успехом разрабатывали теорию поверхностей второго порядка и пошли весьма далеко в изучении их свойств: сначала тех, которые касаются каждой поверхности в отдельности и в соотношении её с простейшими геометрическими формами, т. е. [278]с точкою, прямою и плоскостью, а потом — тех, которые вытекают из сравнения двух или нескольких поверхностей между собою. И в этих более сложных изысканиях первые шаги сделаны были Монжем. Мы не можем входить в подробности обо всех этих открытиях, как они нам ни кажутся привлекательны. Они так тесно связаны со всеми геометрическими исследованиями последних тридцати лет, что нам пришлось бы входить в излишние подробности, которых мы принуждены избегать. Чтобы дополнить недосказанное нами, укажем на то место, где Дюпен, разбирая труды Монжа по аналитической геометрии, припоминает заслуги его учеников и на введение к Traité des propriétés projectives, где Понселе весьма подробно и с похвальною заботливостью указал первенство, которое другие геометры могут предъявить по поводу открытия некоторых геометрических истин, вытекающих естественным образом из его нового учения.
48. Развитие, к которому способна теория поверхностей второго порядка. Не смотря на
важность успехов; достигнутых в теории поверхностей второго порядка, должно заметить, что эти успехи составляют весьма малую долю тех, к которым по-видимому способна эта теория. Мы легко поймем это, бросив взгляд на важнейшие свойства конических сечений, которым соответственные еще далеко не все найдены в поверхностях второго порядка. Такие аналогичные свойства необходимо существуют, хотя бы только потому, что они должны давать, как следствия, свойства конических сечений, когда предположим, что поверхность теряет одно из своих измерений и обращается в кривую линию. Но поверхности второго порядка должны представлять не только все особенности конических сечений, но вследствие своей более полной формы, о трех измерениях, еще множество других, исчезающих с уничтожением одного из измерений; таковы например линии кривизны, которые были в первый [279]раз указаны Монжем и в которых Бине и Дюпен открыли потом замечательные свойства[10].
Ограничиваясь только теми свойствами поверхностей второго порядка, которые можно предвидеть из простой аналогии их с коническими сечениями, укажем например на фокусы этих кривых, представляющие источник самых красивых и важных их свойств. Эти точки находятся также в трех поверхностях вращения (в растянутом эллипсоиде, гиперболоиде с двумя полостями и параболоиде) и в них Дюпен открыл также драгоценные свойства как для теории, так и для объяснения некоторых физических явлений[11]. Без сомнения это есть указание на то, что нечто подобное и притом более общее должно иметь место для всякой поверхности второго порядка; но мы не знаем пытался ли до сих пор кто-нибудь исследовать этот вопрос.
Убежденные в том, что такая теория, соответствующая в поверхностях второго порядка теории фокусов конических сечений, будет новым источником свойств интересных и чрезвычайно полезных для более совершенного познания этих поверхностей, мы избрали ее предметом своих изысканий. Аналогия между фокусами конических сечений и известными прямыми в конусах второго порядка[12], проведенная нами довольно далеко, естественным образом навела нас на подобные же свойства поверхностей, указав, что в них кривые линии должны играть роль прямых в конусе и точек в конических сечениях. В Примечании XXXI предлагаем несколько выводов, которые позволяют предположить, что мы нашли такую аналогию. Впоследствии мы рассчитываем издать нашу [280]работу, теперь же сообщаем заранее первые результаты, выражая при этом искреннее желание, чтобы положенное нами начало привлекло внимание геометров и вызвало новые работы об этом предмете.
49. Есть еще другой вопрос, от которого также зависят будущие успехи теории поверхностей второго порядка и важность которого была оценена Брюссельскою Академией. Это — аналогия, которая должна существовать между некоторым еще неизвестным свойством этих поверхностей и знаменитою теоремою Паскаля в конических сечениях[13].
Эта теорема, независимо от различных преобразований, к которым она способна, и понимаемая единственно со стороны свойственных ей формы и изложения, может быть рассматриваема с двух различных точек зрения. На нее можно смотреть, как на общее и постоянное соотношение между шестью произвольными точками конического сечения, т. е. числом на единицу большим того, какое нужно для определения кривой; или же — как на общее свойство конического сечения относительно треугольника, произвольно помещенного в плоскости кривой[14].
Вследствие этого в пространстве можно двояким образом представлять себе аналогию с теоремой Паскаля.
С первой точки зрения это будет общее свойство десяти точек поверхности второго порядка, т. е. числа на единицу большего, чем то, которое нужно для определения поверхности; со второй же точки зрения это будет общее свойство, вытекающее из сопоставления поверхности второго порядка с тетраэдром как угодно помещенным в пространстве. [281]
Первый вопрос, который должен быть особенно полезен для теории поверхностей второго порядка, был предложен Брюссельскою Академиею в 1825 году, но остался не решенным. На следующем конкурсе Академия дала больший простор геометрам, приглашая просто найти для поверхностей второго порядка теорему аналогическую теореме Паскаля в конических сечениях; здесь заключался и прежний вопрос, но в то же время предоставлялась полная свобода во взглядах на теорему Паскаля и на ту аналогию, которая в этом отношении может существовать между линиями и поверхностями второго порядка.
В этом виде вопрос Академии не представляет таких трудностей, как прежде. Думаем, что он разрешается теоремой, которую мы предлагаем в Примечании XXXII. Действительно, эта теорема выражает общее свойство тетраэдра относительно поверхности второго порядка, аналогичное с свойством треугольника относительно конического сечения, выражаемым теоремою Паскаля. Но от этой теоремы еще далеко до общего соотношения между десятью произвольными точками поверхности второго порядка; изыскание такого свойства достойно внимания геометров. Нет сомнения, что мы не имеем еще всех элементов, необходимых для подобного изыскания; в этом мы видим повод изучать свойства поверхностей второго порядка со всевозможных сторон и во всевозможных отношениях. Нельзя пренебрегать никакою теорией, никаким открытием, как бы ни казалось оно на первый взгляд ничтожно; ибо всякая частная истина, если она и не имеет непосредственного применения, имеет значение как звено в непрерывной цели, связывающей многочисленные истины этой обширной теории; и может быть в этом именно звене лежит зародыш великих открытий, из которых быстро разовьются методы обобщения новейшей геометрии.
50. Полезным подготовительным трудом для получения соотношения между десятью точками поверхности было бы полное решение во всевозможных случаях задачи о построении [282]поверхности второго порядка, определяемой девятью условиями, именно проходящей через данные точки и касающейся данных плоскостей. Задача эта и сама по себе заслуживает внимания геометров. Однако до сих пор только Ламе занимался одним из общих, представляемых ею, случаев: этот искусный профессор определил элементы, достаточные для построения поверхности второго порядка, проходящей через девять данных точек[15]. Но исследование общего решения и разбор следствий и частных случаев при этом встречающихся требуют еще новых изысканий.
Прежде чем серьезно приниматься за вопрос о десяти точках поверхности второго порядка, может быть было бы также полезно исследовать общее соотношение между девятью точками кривой двоякой кривизны четвертого порядка, представляющей пересечение двух поверхностей второго порядка. Такая кривая определяется в пространстве восемью точками и, следовательно, между этими точками и девятою должно существовать постоянное соотношение, выражающее, что эта девятая точка лежит на кривой, определяемой восемью первыми точками.
Но еще ранее представляется вопрос о соотношении между семью точками кривой двоякой кривизны третьего порядка, представляющей пересечение двух гиперболоидов с одною полостью, имеющих общую образующую, — кривой, которая определяется в пространстве шестью произвольными точками. Этот вопрос не представляет таких трудностей, как вышеуказанные, и кажется вполне разрешен нами (См. Примечание XXXIII).
Может быть, наконец, за основу и образец сравнения следует принимать не теорему Паскаля, но сделать такие же попытки с другими теоремами, выражающими подобно ей свойство шести точек конического сечения и представляющими [283]ее следствия или видоизменения, как это показано в Примечании XV. Мы предполагали, что одна из этих теорем, представляющая как бы особое выражение ангармонического свойства точек конического сечения (Прим. XV, n° 21), может, при посредстве трех трансверсалей, произвольно проведенных в пространстве, повести к искомому соотношению между десятью точками поверхности второго порядка. Наши первые усилия оказались бесплодны; но мы еще сохраняем некоторую надежду на эту теорему и желали бы встретить попытки извлечь из неё, что можно.
51. Кривые двоякой кривизны третьего и четвертого порядка. Кривые двоякой кривизны четвертого и третьего порядка, которые естественным образом встречаются в важном вопросе о десяти точках поверхности второго порядка, заслуживают и по другим причинам изучения со стороны геометров. Сами эти кривые, подобно поверхностям второго порядка, могут представлять в пространстве различные аналогии с коническими сечениями и есть множество вопросов, в которых они встретятся, если, не ограничиваясь в геометрических исследованиях одними коническими сечениями, мы перейдем к более трудным вопросам, разрешаемым при помощи совокупности нескольких поверхностей второго порядка.
Кривые, о которых мы теперь говорим, изучены еще очень мало; мы знаем немногие общие свойства только кривых четвертого порядка, доказанные Гашеттом, Понселе и Кетле. Гашетт рассматривал эти кривые, как пересечение двух конусов второго порядка и исследовал формы тех плоских кривых четвертой степени, которые из них получаются в проложении или перспективе[16].
Понселе, в Traité des propriétés projectives (n° 616), доказал, что через кривую четвертого порядка, происходящую от пересечения двух поверхностей второй степени, можно вообще провести четыре конуса второго порядка. [284]
Наконец, Кетле показал, что, пролагая на плоскость кривую пересечения двух известным образом определенных поверхностей второго порядка, можно получить все плоские кривые третьего порядка[17]. Эта теорема, полезная для получения свойств плоских кривых третьего порядка при помощи известных свойств кривых двоякой кривизны четвертого порядка и обратно[18], может быть представлена в более общем виде, причем её применения часто становятся более удобными и обширными. Теорема эта может быть высказана так: кривая пересечения двух поверхностей второго порядка дает в перспективном проложении на плоскость из точки зрения, помещенной на самой кривой, — все кривые третьего порядка.
52. Прекрасное предложение Кетле вызвало предположение, что проекция, или вообще перспектива, линии пересечения двух поверхностей второго порядка может дать все плоские кривые четвертого порядка и что для этого достаточно поместить точку зрения вне этой линии. Но мы можем, кажется, отвечать на этот вопрос отрицательно и выразить в следующей теореме особенность кривых четвертого порядка, получаемых от перспективного проложения линии пересечения двух поверхностей второго порядка: такая кривая имеет всегда (и вообще, если исключим частные видоизменения) две двойные или сопряженные точки, которые могут быть и мнимыми.
Эта теорема заслуживает некоторого внимания, потому что из неё вытекают новые следствия, находящиеся в близком отношении к вопросам, занимающим геометров в последнее время. [285]
Из неё прежде всего заключаем, что кривая четвертого порядка, происходящая от перспективы пересечения двух поверхностей второго порядка, допускает не более восьми касательных, проходящих через одну произвольно взятую точку плоскости, тогда как в общей кривой четвертого порядка через одну точку могут проходить двенадцать касательных.
Из неё же следует, что развертывающаяся поверхность, описанная около двух поверхностей второго порядка, будет не выше восьмого порядка. Порядок такой поверхности в точности еще не указан; Понселе заметил только что он не превосходит числа двенадцать[19].
Приложения теоремы, о которой мы говорим, могут быть очень многочисленны, потому что часто встречаются такие кривые линии, которые могут происходить от перспективы или проекции пересечения двух поверхностей второго порядка[20]. [286]
53. Имея в виду говорить о кривых двойкой кривизны третьего и четвертого порядка, мы начали со вторых, потому что до сих пор только ими, кажется, и занимались.
Между тем кривые третьего порядка более просты и более доступны для изучения. Мы нашли, что они обладают многими интересными свойствами и представляются в очень многих вопросах. Здесь мы не можем излагать этот предмет во всем подробным развитии, какое он допускает.
Ограничимся замечанием, что перспектива кривых линий двоякой кривизны третьего порядка не дает всех плоских кривых третьей степени, но только тех, которые имеют двойную, или сопряженную, или возвратную точку.
54. Польза теории поверхностей второго порядка. Не будем более распространяться о теории поверхностей второго порядка и линий двоякой кривизны, происходящих от их пересечения. Из сказанного нами достаточно видно, к какому развитию способны эти учения и какое обширное поле для исследований еще представляют они для геометров. Эти исследования мы считаем необходимыми для того, чтобы упрочено было дальнейшее развитие геометрии и наук, порождаемых применением геометрии к физике.
В самом деле, геометрия, как и все другие положительные знания, подчинена условию, понуждающему ум человеческий твердо идти вперед не иначе, как постепенно, и непременно от простого к сложному; и, подобно тому, как конические сечения, простейшие кривые в геометрии на [287]плоскости, следовало изучить подробно и глубоко, прежде чем переходить к высшим задачам, так и в геометрии трех измерений поверхности второго порядка являются простейшими формами, изучение которых есть необходимое средство для дальнейшего движения в познании свойств пространства.
Что касается наук о явлениях природы, то поверхности второго порядка несомненно должны встречаться здесь во множестве вопросов и играть такую же важную роль, как в планетной системе — конические сечения. В наиболее ученых физико-математических изысканиях анализ уже обнаружил значение этих поверхностей; но на это столь благоприятное обстоятельство смотрят большею частью, как на случайное и второстепенное, не допуская, что оно может быть стоит в прямой зависимости от первоначальной причины явления и представляет действительное, а не случайное, основание всех обстоятельств явления.
Теперь, — когда чистая геометрия в себе самой содержит средства для вывода рациональным путем, без пособия трудных вычислений и преобразований анализа, многочисленных свойств поверхностей второго порядка и для решения относящихся сюда вопросов — естественно думать, что и в общих явлениях из области физики, где эти поверхности должны играть весьма важную роль, можно будет достигать изъяснения и даже полной теории явлений путем прямого рассуждения при помощи чистой геометрии, основываясь единственно на свойствах и общих законах явления. Другими словами, можно думать, что приложение геометрии к физическим явлениям — эта наука Кеплера, Гюйгенса, Ньютона, Маклорена, Стюарта, Ламберта, — приобретет в усовершенствованной теории поверхностей второго порядка полезное и плодотворное учение, которое даст ей новую силу после почти вековой остановки. Мы не сомневаемся, что такой путь, всегда прямой и естественный, столь удовлетворяющий нашему уму, будет могущественно [288]содействовать науке, освящая ей путь и умножая открытия во всех областях натуральной философии.
[21]