В каждый момент времени движущееся тело имеет строго определённую скорость, говорит нам график зависимости скорости от времени. Но физически за время равное нулю замер скорости сделать невозможно, - такого значения времени не существует. (Ещё древний грек Зенон заметил, что за время равное нулю летящая стрела неподвижно висит в пространстве.) Придётся взять бесконечно-малую долю времени не имеющую физического дления, то есть ∆t, что будет означать на графике уже некоторую невещественную площадь прямоугольника с этим основанием, и высотой V. Соответственно за время ∆t измерения скорости, тело пройдёт не имеющее вещественной длины расстояние ∆s, и на графике зависимости пути от времени это получит своё отражение. (Опять отношение невещественных отрезков даёт вещественную величину.) Отсюда вывод, - функция пути от времени состоит из бесконечно малых участков, каждый из которых имеет свой угол наклона. Отношение ∆s/∆t (тангенс угла наклона в точке t) на этом графике равно скорости V на графике производной (зависимости скорости от времени) в этой же точке t. Таким образом,
В этом смысле все сечения шара, чей объём мы считали выше, тоже содержат в себе безразмерную толщину дольки, которые, бесконечно суммируясь под кривой и дают общую "толщину" всего шара. На самом деле происходит неразрывный перенос всех площадей сечений в площадь под кривой производной. Однако метод позволяет с чудесной лёгкостью выхватывать точки экстремумов, в которых функция меняет знак, определяя минимумы и максимумы.
Бесконечно малое не существует подобно атомному ядру или нейтрону, оно плод нашего воображения, логическая условность, разбивающая на части реальную протяженность. Отождествление площади круга площади прямоугольного треугольника происходит в целом, а обоснование, - через условное разбиение на бесконечно малые сектора с последующим их сложением в изменённом виде.
Разберём, как интегрирование помогло найти формулу закона радиоактивного распада.
Экспериментальным путём установили - за одно и то же время радиоактивных ядер исследуемого нуклида или изотопа становится в два раза меньше. Требуется найти формулу расчёта количества ядер для любого времени t. Если от цикла к циклу за одно и то же время распадается в два раза меньше ядер, равномерно убывает и скорость распада (рис а). Введём свою для каждого нуклида постоянную λ, гарантирующую равенство ∆N/∆t=-λN (знак минус означает убывание количества ядер) бесконечно малого изменения количества ядер за бесконечно малое время. У каждого значения N своё соотношение ∆N/∆t, максимальное при начальном количестве ядер и минимальное при приближении N к нулю на искомой N(t).
Пусть N=200 ядер. За ∆t их становится вдвое меньше, - ∆N=100. Тогда:
Чтобы решить нашу задачу слева сгруппируем количество ядер, справа время: ∆N/N=-λ∆t. Слева гипербола Y=∆N/N=(1/X)dx (рис б), справа константа Y=-λ∆t=-adx (рис в). Каждому произведению значения гиперболы на ∆N через равенство соответствует произведение константы на ∆t. Элементарная площадь с меняющимися высотой 1/N и шириной ∆N равна элементарной площади с постоянной высотой λ и шириной ∆t.
Сравним приращения площадей справа и слева. Пусть λ=1
Этого абсурда можно избежать, допустив изменение ширины ∆N в зависимости от положения на координатной прямой (рис б). ∆N в точке N=0,001 в тысячу раз тоньше, чем в точке N=1. Ведь чем больше N, тем больше ∆N (50<->25, 100<->50, 200<->100). ∆N/N произведение бесконечно малого на число, делающее всё произведение тоже бесконечно малым. Если мы теперь переведём всю площадь под первым и вторым графиками в соответствующее протяжение первообразных функций, то сможем в одномерном виде просуммировать элементарные разношёрстные невещественные участки в любых нужных нам границах до вещественных величин.
N
t t
∫∆N/N=-
∫λ∆t => Ln(N
t/N
о)=-λt => N
t=N
ое
-λt N
о 0
Вот так чисто математический метод помог найти формулу с заявленными условиями.
При переходе от равенства производных к равенству первообразных Ln(N)=-λt возникает точное соответствие уже не между бесконечно малыми площадями, но между точками, что даёт возможность введя одно значение получить другое. Площади под кривыми разной формы интегрированием унифицируются, превращаясь в равновеликие точки из которых складываются отрезки первообразных. Причём эти точки рассматриваются уже не в аспекте наклона, - вне размера.
Если теперь мы продифференцируем полученное выражение по времени dN/dt и возьмём результат по модулю, назовём его активностью N
t`= I = λN
ое
-λt, переобозначим так же λN
о на I
о, то получим запись производной I
t=I
ое
-λt очень похожую на первообразную. На самом же деле производная, она же скорость убывания первоначального количества ядер, опущена и перевёрнута по сравнению с первообразной на – λ. Интегрирование по частям помогло нам преобразовать неясное равенство, из которого выразили количество ядер ("путь" так сказать). Затем продифференцировали его получив скорость распада.
Можно найти функцию убывания во времени числа радиоактивных ядер "на коленке". ∆N/∆t=-λN говорит о равенстве отношения ∆N/∆t некоей функции в любой её точке (наклон касательной) её же значению, а такую функцию мы уже встречали, это экспонента e
x. Только вместо
x у нас
–λx. Тогда первообразная
е-λt, а производная
-λе-λt.
е-λt пересекает отвечающую за количество распадов ось ординат в точке 1. В нулевой момент, когда начинается распад, искомая кривая должна стартовать с первоначального значения количества радиоактивных ядер N
о. Добавляем его в формулу первообразной и производной.
Равенство ∆N/∆t=-λN, где ∆N – распавшиеся ядра, а N нераспавшиеся описывает на графике первообразной уменьшение числа целых ядер по мере продвижения вправо по оси абсцисс, символизирующей время. Это кривая и тех и других ядер, как кривая пути показывает уже пройденный и ещё предстоящий путь сразу. Но в отличии от формулы расчёта пути, отсчёт идёт в обратную сторону, - вычисляется "непройдённый путь". (Расчёт пути "в обратную сторону" мы тоже приводили выше h=h
0-gt
2/2.) Когда мы задаём t, выше точки N
t по оси ординат кривая обозначает уже распавшиеся ядра. Все точки под N
t ещё целые ядра. Сама точка N
t уже не целая, но и не распавшаяся.
Укажем нюанс между математической и физической вероятностями. Возьмём десять рослых людей и будем откладывать на абсциссе их рост, а на ординате количество людей, попадающих в определённый диапазон, например, рост 195+/-2 см в нашей группе имеют три человека. Эти три человека будут вершиной кривой Гаусса. По краям расположатся более низкие и более высокие группы, составляющие нисходящие и восходящие ветви кривой. Если мы возьмём тысячу случайных людей, кривая Гаусса у нас останется, но станет больше и шире. И чем больше в нашей выборке людей, тем больше кривая, и тем меньше диапазон сложения. Заменим людей на ядра вещества, испытывающего радиоактивный распад, а рост на время жизни отдельного ядра. Всё та же кривая Гаусса. Но когда мы интегральным путём получали математическое описание закона радиоактивного распада мы предполагали бесконечно большое количество распадающегося вещества что даёт нам возможность свести интервал к бесконечно малому и добиться математической точности, которой в реальности нет. То есть если мы говорим о математике, то множество величин роста или времён жизни ядер ведут себя так, словно знают рост или время жизни всего остального множества, сверяясь с ним, чтобы занять своё место на кривой, а в реальности это всегда конечное множество приближённых из-за ненулевого интервала значений обусловленное неким единым обстоятельством, как например, прибоем формирующим размер гальки.
* * *
Есть способ интегрирования, который образно можно сравнить с суммированием попарно разложенных зёрен гречки и риса из двух разных бесконечно больших пакетов. Для решения сложных задач складываются уже эти пары. Формула для расчёта момента импульса материальной точки: L = ω J, где:
• L — момент импульса материальной точки;
• ω — угловая скорость движения материальной точки;
• J = mR
2 — момент инерции материальной точки массой m, вращающейся по траектории радиуса R.
Возьмём диск радиуса R, и посчитаем момент его инерции при вращении вокруг центральной оси. Диск состоит из точек, расположенных на переменном радиусе r. Если разделить диск на окружности, то каждая из них будет иметь массу ∆m, образуемую площадью ∆S (при соответствующем значении r и ширине dr), и поверхностной плотностью диска M/πR
2. Большие и меньшие радиусы имеют больший или меньший момент инерции элементарного кольца, так как с ростом радиуса растёт плечо, и площадь кольца, а, значит, масса. Это видно из формул.
dm=∆SM/πR
2= (2πrM/πR
2)dr=(2M/R
2)rdr и J=
∫r
2dm = 2M/R
2∫r
3dr
При этом шаг dr остаётся постоянным. Сначала элементарная окружность превращается в точку переменной массы dm, к которой прикладывается усилие переменного плеча, потом преобразуется в rdr помноженное на постоянную, потом добавляется множитель r
2 момента инерции. На последнем этапе подсчитывается вся площадь под кубической кривой, то есть суммируется бесконечное множество произведений ставшего постоянным размера точки на куб плеча. Диск превратился сначала в точки, потом в линию, потом, став моментом инерции в площадь, и снова в линию. Мы не можем взять всю площадь диска целиком. Его нужно разъять на бесконечность, перемножить на плечи, и снова сложить обратно в неразрывную материю!
Для подсчёта момента инерции диска при вращении вокруг диаметра, разбивать его следует не по радиусам, а точно так же, как мы разбивали площадь под перевёрнутой параболой, на элементарные столбики, параллельные диаметру вращения. Они будут иметь разную высоту/площадь, и вращаться на разных плечах. Их масса так же "концентрируется" в точки. Переменная dm так же выражается через длину столба, шаг ∆x и поверхностную плотность: ∆S=2
√(R
2-x
2)dx. Как и в предыдущем случае суммируются соответствующие произведения ∆x на значение подынтегральной функции, - элементарная площадь под этой кривой, она же элементарный момент инерции. Только преобразования сложнее. Координатная ось X проходит через центр диска и перпендикулярна оси вращения.
Для подсчёта момента инерции шара при вращении вокруг диаметра, разбиение идёт по слоям/элементарным дискам, напоминая расчёт объёма шара. Суммируется момент инерции каждого такого элементарного диска, формула расчёта которого была получена ранее. Переменная интегрирования x – расстояние от центра шара до центра элементарного диска перпендикулярного оси вращения, ∆x – толщина элементарного диска. Тут мы тоже переводим бесконечно малую массу элементарного диска, в бесконечно малые линейные размеры. Если её записать через радиус и плотность (уже объёмную) dJ=mr
2/2=ρπr
2dx⋅r
2/2, а переменную радиуса через отрезок (координату) (r
2=R
2-x
2), то бесконечно малым у нас будет только ∆x, по которому мы и интегрируем. Сначала взятие формулы расчёта момента инерции для диска, потом подстановка в неё вместо массы функции описывающей изменение массы элементарного среза через координату, и суммирование моментов инерции всех таких срезов, - превращение в отрезок первообразной.
Интегрирование работает даже, когда разъятые на бесконечное множество какие-либо элементы как угодно вступают во взаимодействие с другими бесконечными элементами. В этом случае мы перестаём пытаться представлять их конкретными физическими процессами, но просто функциями подобно преобразованиям многочленов. Важно только чтобы каждой элементарной площади под кривой производной соответствовал свой размер точки первообразной, и никаких лишних точек или площадей не было. И мы всегда можем свести элементарную трапецию под кривой к строго прямоугольному виду, как показано в начале этой статьи, распрямляя кольца, или любые другие правильные фигуры.
Сделаем самое широкое обобщение. Мы представляем состоящую из бесконечно малых декартову систему координат, образы функций изучаемых процессов, а также наше представление об бесконечно малом, и с бесконечной скоростью множащемся бесконечно большом. Одномерные, то есть бесконечно малые объекты, мы приравниваем к двумерным, двумерные к трехмерным, и наоборот. Мы ставим в точном соответствии бесконечное множество точек бесконечному множеству отрезков, из которых слагается площадь. Мы не можем для проверки своей версии тонко и изящно нарисовать график функции, чтобы при помощи мощного микроскопа увеличив его, увидеть изломы прямых участков, из которых такая кривая состоит. Мы только мыслим себе это.
Интегрально-дифференциальное чудо стало возможным благодаря двум перекрещивающимся бесконечностям, - бесконечно мелкому разбиению и бесконечно большому их сложению. Оно поймало непрерывное, постоянное, бесконечно быстрое движение в настоящий момент в окружающем нас мире.Очевидно, что
использование интегрально-дифференциального метода показывает нам ложность разделения математического мира на качество-количество, и единство-множественность. Отказ от противопоставления распахивает бескрайние горизонты возможностей. Для того, чтобы он работал, нам нужно принять мир, в котором количество нулей без границ между ними, без линейных размеров имеет строго определённое направление в пространстве, и мгновенно, непрерывно, вечно перетекает в качество протяжения. Мы обязаны думать, что процесс бесконечно быстрого размножения бесконечно малых не прерывается никогда. Точка не имеет протяжения, имея чёткую ориентацию в пространстве. Вещественный отрезок состоит из бесконечного множества непротяженных точек. "Находясь" на бесконечно-малой точке мы не можем перейти на соседнюю, так как не можем её "увидеть",
и тем ни менее наша точка являющаяся неделимой единицей касания касательной состоит из отрезков в системе координат ∆X и ∆Y имеющих два конца каждый, и обладающих вследствие этого бесконечным множеством точек между собой. Но в этом конкретном случае мы должны допустить, что между концами отрезков нет точек, а самих концов - один у каждого отрезка. Раз качество и количество, единство и множественность не противоположны друг другу, поскольку противопоставление не соответствует реальности, говорит математика, то привычное представление пространства тоже ложная идея. А это значит, что и неразрывно связанная с пространством идея времени, к которой мы привыкли с детства, так же ошибочная концепция. Если бесконечно просуммировать ничто, появится пространство и время. Если его бесконечно не суммировать, то на преодоление в отдельности каждого бесконечно малого не нужно реального времени.
Пространство и время берутся из ничего, и в ничего исчезают! Кто-то скажет, что это ведь только свойство математического, а не реального мира, но рассчитываем-то мы при помощи математики для реального мира, и, значит, математический мир составная его часть.
Использование интегрально-дифференциального исчисления позволяет нам сделать вывод теоретической физики глобальной важности.
Согласно механике Ньютона скорость: v=dx/dt, импульс: p=m
*dx/dt=mv, сила F=dp/dt=m
*d
2x/dt
2=m
*dv/dt, работа/энергия: dA=F
*dx=(m
*d
2x/dt
2)vdt=(m
*dv/dt)vdt=mvd
2x/dt= mvdv
v - абсцисса, A - ордината. Чтобы узнать всю работу/энергию А/Е при v от нуля до бесконечности, интегрируем выражение mvdv, то есть считаем площадь под этой прямой. Получаем Е=mv
2/2 - кинетическую энергию.
Как увеличивается импульс от точки к точке, если в каждой конкретной точке он неизменен? Предположим, что в точке 1 импульс неизменен, а перескочив в соседнюю уже изменился. Тогда получится, что длина абсциссы v состоит из промежутков между точками, в которых импульс неизменен, что очевидный абсурд. Либо между точкой, в которой импульс неизменен и той, в которой он уже изменился мы можем вставить бесконечное множество точек, а между ними ещё, и никогда не сдвинемся с места, не изменим импульс. Значит, при изменении импульса скорость должна меняться уже в каждой точке "на её протяжении". Отсюда все эти ∆E/∆v,
∆Q/∆T,
dx/dt, dv/dt, - берём среднее по бесконечно малому отрезку и делим его на такое же среднее.
На скоростной шкале v импульс в точке равен mv. Но каждая точка v имеет ширину (толщину) ∆v означающую прирост импульса в масштабе одной точки. Этот прирост требует выделения/потребления энергии ∆E. Таким образом произведение импульса в точке mv на ширину этой точки mv∆v=∆E и потому площадь под кривой импульса будет равна необходимой для этого импульса энергии. Так как ∆v постоянна, рост площади будет определять крутизна роста функции mv.
Из опыта Майкельсона-Морли и преобразований Лоренца известно, что часы движущейся системы замедляются в сравнении с часами неподвижной системы на произведение фактора Лоренца
√(1-v
2/c
2) При приближении скорости движения к световой, это выражение, становясь всё меньше, убывает до нуля, тяня в ноль сомножители. Если же оно располагается в знаменателе, то оно точно так же до бесконечности увеличивает любое число. Релятивистское переписывание формулы для импульса внесёт фактор Лоренца как раз в знаменатель. Посчитаем релятивистское выражение для полной энергии тела имеющего массу покоя.
Интегрально-дифференциальный метод позволил нам открыть удивительную тайну природы - любая масса сама по себе является энергией невероятной мощности! При скорости равной нулю полная энергия тела массой m равна mc
2.