Наибольшие и наименьшие показатели

Способ Н. и наименьших показателей был предложен Ньютоном для разложения переменного у в ряд по убывающим или по возрастающим степеням переменного х в тех случаях, когда х и у связаны уравнением вида f(x,y) = 0. Способ этот, называемый также параллелограммом Ньютона, может иметь широкое применение к теории алгебраических функций, к исследованию особых точек кривых, к теории дифференциальных уравнений и так далее. Пусть данное уравнение будет:

Цель рассматриваемого способа заключается в отыскании разложения переменного у по степеням переменного x, т. е. в нахождении для разложения:

y = Axα + Byβ + Cyγ

показателей: α, β, γ.. . и коэффициентов: А, В, С.. . Положим, что требуется найти разложение по восходящим степеням, т. е. что: α < β < γ... Вставив в данное уравнение (1) вместо у величину Axα получим:

если α наименьший показатель в искомом разложении, то (по Ньютону) среди величин:

(3)... m0 + m0α; m1 + m1α; m2 + m2α.. .

найдутся по крайней мере две, которые будут равны между собой и меньше остальных величин ряда (3). В силу этого принципа задача о нахождении α сводится к тому, чтобы составить всевозможные равенства из величин ряда (3), приравнивая их одну другой, из полученных уравнений определить различные значения α и из этих значений выбрать такие, которые обращали бы соответственные равные величины ряда (3) в наименьшие. Выбранные таким порядком значения и будут наименьшими показателями разложения. Сколько определится наименьших показателей, столько будет и разложений, удовлетворяющих вопросу. Для определения коэффициента А, вставим один из найденных наименьших показателей вместо α в уравнение (2) и приравняем нулю сумму коэффициентов тех членов этого уравнения, которые окажутся содержащими одинаковые степени переменного x. Таким образом получим уравнение, из которого определится А. Найдя α и А, полагаем:

у = Ахα + y1

Вставляя эту величину переменного у в данное уравнение (1), получим уравнение вида F(x,y1) = 0, с которым поступаем так, как до сих пор поступали с данным уравнением, причем найдем второй член Вхβ искомого разложения. Однако, здесь мы выбираем только тех показателей переменного х в разложении у, которые, удовлетворяя началу наименьших показателей, будут более найденного α. Затем, полагая

у1 = Вхβу11

преобразуем уравнение F(y,x1) = 0 в уравнение F1(x,у11) = 0 и продолжаем вычисление для определения Cyγ и дальнейших членов разложения. Для нахождения таких значений α, при которых некоторые из величин ряда (3) вышли бы равными между собой и меньшими остальных, служит табличка (см. ниже). Пусть дано уравнение:

(1)'.. . x2y3 — 3x3y2 — 3y2 + xy + x4 + 1 = 0

Вставляя в него вместо у величину Ах, получим:

(2)'.. . A3х3α + 2 — 3A2x2α +3 — A2x2α + Ax α + 1 + 1 = 0

Показатель 2 α + 3 второго члена уравнения (2) не следует принимать в рассмотрение, потому что он при всяких α более показателя 2 α третьего члена. Ряд, соответственный ряду (3) изложенной выше теории, будет:

(3)'.. . 3α + 2; 2α; α + 1; 0.

Найдя всевозможные уравнения, составленные из этих величин, как то:

3α + 2 = 2α;

3α + 2 = α + 1

и проч. и вставляя в ряд (3) определенные из этих уравнений значения α, составляем табличку:

|                                | I           | II              | III              | IV          | V         | VI            |

| Величины ряда (3)'  |------------------------------------------------------------------------------------------------|

|                                | = — 2   | α = —1/2   | α = —2/3   | α = + 1   | α = 0   | α = — 1   |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 3α + 2                     | — 4      | + 1/2         | 0              | 5            | 2         | + 1           |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 2α                           | — 4      | — 1          | — 4/3        | 2            | 0         | — 2         |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| α + 1                       | — 1      | 1/2            | 1/3             | 2            | 1         | 0              |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 0                             | 0          | 0              | 0              | 0            | 0         | 0              |

Началу наименьших показателей удовлетворяет только α = — 2 и α = 0, потому что только в 1-м и V-м столбцах мы находим величины, равные между собой и меньшие сравнительно с другими величинами своего столбца; именно в 1-м столбце число — 4 стоит против 3α + 2 и против 2α, в V-м столбце число 0 стоит против 2α и против 0. Напр. IV столбец и соответственная ему величина α = + 1 не годятся, потому что, хотя в этом столбце число 2 встречается два раза, но в нем же есть число 0, которое меньше чем 2. Итак, возможны два допущения для первого члена искомого разложения: А1х— 2 и А2х0. Для определения А1 замечаем, что при подстановке — 2 вместо α в уравнение (2)' окажутся равными показатели членов: A3х3α + 2 и A2x2α. Приравнивая сумму их коэффициентов нулю, получим: А3 — А2 = 0, откуда А1 = 1. Точно так же найдем (из подстановки числа 0 вместо α), что А2 = ± 1. Итак, получим три разложения:

у = x— 2 +.. .

у = + 1 +.. .

y = — 1 +.. .

Указанным в приведенной выше теории порядком найдем и остальных членов этих разложений. Остановимся, напр., на первом разложении. Первый член его мы нашли равным x— 2. Чтобы найти следующий член, полагаем: у = x— 2 + y1. Вставив эту величину у в данное уравнение, получим:

x2(x— 2 + y1)3 — (3x3 + 1) (x— 2 + y1)2 + x(x— 2 + y1) + x4 + 1 = 0

поступая с полученным уравнением подобно тому, как поступали с данным, определим В и β и так далее. В получаемом таким путем разложении по восходящим степеням переменного х можно пренебрегать высшими степенями этого переменного, если х небольшая величина. Если же х величина большая, то можно пренебрегать его малыми степенями, а потому в этом случае удобнее стремиться найти разложение у по нисходящим степеням переменного х. В этом случае прибегают к способу Н. показателей, совершенно сходному со способом показателей наименьших. Рассматриваемый способ был дан Ньютоном в знаменитом его сочинении: "Methodus fluxionum et serierum infinitarum cum ejusdem applicatione ad curvarum geometriam". Затем этот способ положен основанием изучения алгебраических кривых в сочинении Крамера: "Introduction à l'analyse des lignes courbes algebriques" (1750). Лиувилль применил этот способ к вычислению некоторых симметрических функций: "Jonrnal des Mathématiques pures et appliquées" (т. VI). Пюизе прилагал этот способ к теории алгебраических функции, Бугаев — к теории дифференциальных уравнений: "Математический Сборник" (т. XVI). Геометрическое построение, соответствующее этому способу, изложено в "Аналитической Геометрии" Д. А. Граве. В аналитической форме способ Н. и наименьших показателей изложен у Serret в его "Cours d'algèbre superieure" (т. II) и у Бугаева в его ст.: "Различные приложения начала Н. и наименьших показателей к теории алгебраических функций" ("Матем. Сборник", т. XIV).

Н. Д.