Из истории введения понятия «интеграл»

В истории человечества есть идеи, которые, возникнув в глубокой древности, развиваясь и совершенствуясь, успешно служат и поныне. К таким идеям, безусловно, следует отнести метод интегрирования (суммирования специальным способом) тех или иных процессов.

Интеграл (от лат. integer — целый), одно из важнейших понятий математики. Оно возникло в связи с потребностью, с одной стороны, отыскивать функции по их производным. Например, находить функцию, выражающую путь, пройденный движущейся точкой, по скорости этой точки. А с другой — измерять площади, объёмы, длины дуг, работу сил за определённый промежуток времени и т. п. В соответствии с этим различают неопределённые и определённые интегралы, вычисление которых является задачейинтегрального исчисления.

Интегральный метод зародился в трудах древнегреческого учёного Архимеда(III век до нашей эры) при вычислении им площадей и объёмов некоторых фигур и тел. Архимед предвосхитил многие идеи этого метода, но потребовалось свыше полутора тысяч лет, прежде чем они получили чёткое математическое оформление и превратились в интегральное исчисление.

Основные понятия и теория интегрального и дифференциального исчислений, прежде всего связь операций дифференцирования и интегрирования, а также их применение к решению прикладных задач были разработаны в конце XVII века, но основывались на идеях, сформулированных в начале XVII века немецким учёным И. Кеплером. В 1615 г. он нашёл формулы для вычисления объёма бочки и для объёмов самых различных тел вращения: лимона, яблока, айвы и даже турецкой чалмы. Для каждого из тел Кеплеру приходилось создавать новые, зачастую очень хитроумные, методы, что было крайне неудобно. Попытка найти общие, но главное простые методы решения подобных задач и привела к возникновению интегрального исчисления.

Немецкий учёный Г. Лейбниц одновременно с английским учёным И. Ньютоном и независимо от него открыл основные принципы дифференциального и интегрального исчислений

в 80-х годах XVII века. Теория приобрела силу после того, как Лейбницем и Ньютоном было доказано, что дифференцирование и интегрирование – взаимно обратные операции. Об этом свойстве хорошо знал и Ньютон. Но только Лейбниц увидел здесь ту замечательную возможность, которую открывает применение символического метода. Всю свою сознательную жизнь он стремился выразить законы мышления, человеческую способность думать в виде математического исчисления.

Интеграл у Ньютона (флюента) выступал, прежде всего, как неопределённый, т. е. как первообразная. Понятие интеграла у Лейбница выступало, напротив, прежде всего в форме определённого интеграла в виде суммы бесконечного числа бесконечно малых дифференциалов, на которые разбивается та или иная величина.

Введение понятия интеграла и его обозначений Г. Лейбницем относится к осени 1675 г. Знак интеграла был опубликован в статье Лейбница в 1686 г. Термин «интеграл» впервые в печати употребил швейцарский учёный Я. Бернулли в 1690 г . После чего вошло в обиход и выражение «интегральное исчисление» (Лейбниц сначала говорил о «суммирующем исчислении»).Вычисление интегралов производили Г. Лейбниц и его ученики, первыми из которых стали братья Я. и И. Бернулли. Они сводили вычисления к обращению операции дифференцирования, т. е. к отысканию первообразных (постоянная интегрирования в печати появилась в статье Лейбница в 1694 г.).

Среди употреблявшихся Г. Лейбницем специальных способов интегрирования были: замена переменной, интегрирование по частям, а также дифференцирование по параметру под знаком интеграла (1697). Г. Лейбницу же принадлежит идея интегрирования рациональных дробей при помощи разложения на простейшие дроби (1702–1703), впоследствии усовершенствованная другими учеными.

Применяя открытую им общую теорему о степени бинома, И. Ньютон выражал интегралы через бесконечные степенные ряды. Таким образом были проинтегрированы многие иррациональные функции. Применяя замену переменных и некоторые другие приёмы, И. Ньютон установил ряд случаев интегрируемости в алгебраических, логарифмических и обратных тригонометрических функциях интегралов, причем последние два вида функций фигурировали у него в форме величин площадей некоторых конических сечений, а аналитически могли быть выражены в общем случае с помощью бесконечных рядов. В «Математических анализах натуральной философии» (1687) И. Ньютон фактически приводил вычисления, равносильные вычислению некоторых двойных и тройных интегралов, но соответствующие общие понятия были введены позднее.

И. Ньютону, Г. Лейбницу и некоторым их современникам принадлежит применение методов графического интегрирования.

При вычислении интегралов с определёнными пределами с помощью неопределённых интегралов как Ньютон, так и Лейбниц пользовались носящей их имя формулой, однако современная терминология была создана только в конце XVIII века.

Основные работы по дальнейшему развитию интегрального исчисления в XVIII веке принадлежат швейцарскому учёному И. Бернулли и особенно российскому учёному Л. Эйлеру. Его «Интегральное исчисление» (1768-1770) являлось настольной книгой крупнейших учёных 2-й половины XVIII века. Интеграл с произвольной постоянной назывался полным, с фиксированной постоянной – частным. А значение частного интеграла при каком-либо значении аргумента давало величину, позднее названную определённым интегралом. Эйлер систематизировал прежние приёмы вычисления неопределённых интегралов, разработал новые, а также существенно развил теорию определённых интегралов.

Термин «определённый интеграл» предложил в 1779 г. французский учёный П. Лаплас, а современную запись – в 1819–1822гг. французский учёный Ж. Фурье.