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積分記号 ∫:和から累積へ

1675 年 10 月 29 日、ライプニッツはパリで面積の問題に取り組んでいました。それまで彼は、イタリアのカヴァリエリにならって、図形のすべての線の和を表すのに omn.(ラテン語 omnia「すべて」の略)と書いていました。ページの途中で、彼はこう書きました。 omn. のかわりに ∫ と書くと便利だろう。 — ライプニッツ、1675 年 10 月 29 日の手稿 記号 $\int$ は、summa(和)の頭文字である長い S です。当時、長い s は手書きではふつうの文字でした。それ以来、この記号が取って代わられたことは一度もありません。 薄切りを足し合わせる ライプニッツの考えは、領域をごく細い縦の薄切りに分けることでした。一枚一枚はほとんど高さ $y$、幅 $dx$ の長方形で、面積は $y\,dx$。全体の面積はすべての薄切りの和です。 $$\int y\,dx.$$この記号は一度にすべてを語ります。高さ($y$)に微小な幅($dx$)を掛けたものを全部足せ($\int$)。和の範囲は下と上に書きます。$\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx$ は $x=a$ から $x=b$ までの薄切りの和です。 この対話型の図を使うには JavaScript を有効にしてください。議論の全体は本文にあります。 「積分」と名づけたのは誰? ライプニッツは自分の発明を calculus summatorius、つまり和の計算と呼んでいました。積分(integral)という言葉は 1690 年のヤコブ・ベルヌーイの論文に現れました。ライプニッツとヨハン・ベルヌーイはどちらの名前を使うか話し合い、最終的に「積分」に落ち着きましたが、記号はライプニッツの S のままでした。 差を足し合わせると全体に戻る 伝記で紹介した、ホイヘンスがライプニッツに出した問題を覚えていますか? そこでは差の和がほとんど打ち消し合いました。 $$(F_1-F_0)+(F_2-F_1)+(F_3-F_2)+\cdots+(F_n-F_{n-1})=F_n-F_0.$$ある量の小さな変化をすべて足し合わせると、残るのは全体の変化、つまり最後の値から最初の値を引いたものだけです。ライプニッツは、無限に小さな差でも同じことが起こると気づきました。$dF=f(x)\,dx$ なら、 $$\int_a^b f(x)\,dx=\int_a^b dF=F(b)-F(a).$$言いかえれば、$\int$ と $d$ は互いを打ち消し合うのです。足し算と引き算のように。これが微積分の基本定理を、もっとも短く書いたものです。ニュートンは流率の道を通って同じ結論に達しました。

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面積と積分:流率の逆の道

曲線で囲まれた図形の面積を測ることは、数学でもっとも古い問題の一つです。紀元前 250 年ごろ、アルキメデスは放物線の切片の面積が、その中に描いた三角形の面積の $\frac43$ であることを示しました。天才的な成果ですが、いわばオーダーメイドで、新しい曲線ごとに新しいアイデアが必要でした。 17 世紀には、フェルマー、カヴァリエリ、ウォリスらが、多くの $n$ について $y=x^n$ の下の面積をすでに計算できました。欠けていたのは一般的な規則です。そしてもう一つ欠けていたのが、ニュートンとライプニッツがそれぞれのやり方でたどり着いた洞察でした。面積を求めることと変化率を求めることは、互いに逆の操作である。 面積は増えていく量 曲線 $y=f(x)$ の下で、$0$ からある点 $x$ までの面積を考え、$A(x)$ と書きます。右端を $x$ から $x+h$ まで押し広げると、面積は細い帯の分だけ増えます。 この帯はほとんど高さ $f(x)$、幅 $h$ の長方形です。したがって $$A(x+h)-A(x)\approx f(x)\cdot h\qquad\Longrightarrow\qquad\frac{A(x+h)-A(x)}{h}\approx f(x).$$帯が細いほど近似はよくなります。極限をとると、 $$A'(x)=f(x).$$ニュートンの言葉で言えば、面積の流率は曲線の高さです。面積は、高さが与える速さでちょうど増えていきます。面積を求めるには、流率が $f$ になる関数を見つければよい。つまり逆向きにたどればよいのです。 厳密にするには、帯を二つの長方形ではさみます。一つはその区間での $f$ の最小の高さ、もう一つは最大の高さをもつ長方形です。$f$ が連続なら、$h\to0$ のときどちらの高さも $f(x)$ に近づき、帯はその間にはさみ込まれます。 『解析について』の規則 1669 年、ニュートンは『解析について』(De analysi)という短い論文を書きました。その第一の規則は、今日の記号で言えば、$y=ax^{m/n}$ の下で $0$ から $x$ までの面積が $$\frac{an}{m+n}\,x^{(m+n)/n}$$であるというものです。複雑に見えますが、おなじみの規則です。$x^k$ の下の面積は $\dfrac{x^{k+1}}{k+1}$。たとえば $y=x^2$ の $0$ から $2$ まででは、 $$\int_0^2 x^2\,dx=\left[\frac{x^3}{3}\right]_0^2=\frac{8}{3}.$$アルキメデスなら、この数にたどり着くのに一つの証明がまるごと必要でした。この規則なら 1 行です。 面積としての対数 この規則を一般化された二項式と組み合わせて、ニュートンは誰も計算できなかった面積を求めました。双曲線 $y=\dfrac{1}{1+x}$ はべきの和になります。 $$\frac{1}{1+x}=1-x+x^2-x^3+\cdots$$あとは各べきの下の面積を項ごとに求めるだけです。 $$\int_0^x\frac{dt}{1+t}=x-\frac{x^2}{2}+\frac{x^3}{3}-\frac{x^4}{4}+\cdots$$この面積が自然対数 $\ln(1+x)$ です。$x=0.1$ とすると、4 項で $0.0953083$、正しい値は $0.0953102$ です。

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取りつくし法から積分へ:Σ、∫、そして π

長方形の面積を求めるのは簡単です。底辺かける高さ。三角形もそうです。その半分です。困るのは、図形が曲がっているときです。円を小さな正方形でしきつめようとしても、どうしてもはみ出すか足りない部分が出ます。二千年にわたって、数学者たちはこの問題に同じ考えで立ち向かいました。曲線を、どんどん小さくなるまっすぐな図形で近似するのです。変わったのは、その考えを書く方法でした。 かこいこまれた円とアルキメデス 紀元前 250 年ごろ、シラクサで、アルキメデスは円の内側に六角形を、外側にもう一つの六角形をかきました。円周の長さは二つの六角形の周の長さのあいだにあります。それから辺の数を倍にしていきました。$12$、$24$、$48$、$96$。96 角形で、彼は次の結果にたどりつきます。 $$3\tfrac{10}{71}<\pi<3\tfrac17,$$つまり $3.1408\ldots<\pi<3.1428\ldots$ です。17 世紀の数学者たちが取りつくし法と呼んだこの方法は、曲がった図形とまっすぐな図形のちがいを「取りつくし」ます。「極限」という言葉より二千年も前の、極限の考えです。けれどもアルキメデスには、それを書く方法がありませんでした。問題ごとに、文と図で書かれた新しい議論が必要で、無限への移行は二重の背理法によって避けられていたのです。 ソロモン王の鋳物の海 聖書は、ソロモンの神殿にあった巨大な青銅の水盤をこう描いています。「彼は鋳物の海を造った。縁から縁まで十キュビト、周囲は丸く……その周りを測るには三十キュビトの縄を要した」(列王記上 7 章 23 節)。直径 $10$、円周 $30$、つまり $\pi$ は $3$ です。このサイトの以前の記事は、この測定がまちがっているのかを論じていました。この数には、もっともな説明があります。縁には厚みがあり、縄は縁の内側を回っていたのかもしれず、寸法は丸められていたのです。青銅を注文する人にとっては、$3$ は十分に役立つ $\pi$でした。 数に名前を 何世紀ものあいだ、円周と直径の比には記号がなく、「直径にかけると円周になる量」と言葉で説明されていました。1706 年、ウェールズの教師ウィリアム・ジョーンズは、ギリシア語 periphéreia(周、まわり)の頭文字 $\pi$ を使いました。オイラーが自分の本でこの文字を採用し、それが標準になりました。名前を得たことで、この数の立場は変わりました。二つの長さの関係ではなくなり、たしたり、2 乗したり、$A=\pi r^2$ のような式の中に入れたりできる対象になったのです。 ケプラーとワイン樽 1613 年、ヨハネス・ケプラーは二度目の結婚をし、祝宴のためにワインを買いました。商人は樽の口から反対側の角まで棒をさしこみ、ぬれた長さを読んで樽の容積を測っていました。すでに惑星の運動の法則を発見していたケプラーは、この方法をあやしいと思いました。形のちがう樽が、同じ対角線で、ちがう容積をもつこともありうるからです。1615 年、彼は『ワイン樽の新しい立体測定』(Nova stereometria doliorum vinariorum)を出版し、樽をごく薄い切り身に切って、その体積をたし合わせました。 二十年後、イタリアのボナヴェントゥーラ・カヴァリエーリは、この考えを不可分者として体系化しました。平面図形は無限に多くの線でできていて、立体は無限に多くの面でできている、というのです。強力で、危険な考えでした。厚さゼロのものを無限にたし合わせると、何になるのでしょうか。 積分になる和 答えはライプニッツとともにやってきました。それは何よりもまず、書き方による答えでした。$a$ と $b$ のあいだで、曲線 $y=f(x)$ の下の領域を、幅 $\Delta x$ の $n$ 個の長方形に切ります。面積はおよそ $$A\approx f(x_1)\,\Delta x+f(x_2)\,\Delta x+\cdots+f(x_n)\,\Delta x=\sum_{k=1}^{n} f(x_k)\,\Delta x.$$長方形が細いほど、近似はよくなります。極限で、幅が $0$ に近づくとき、和は $$A=\int_a^b f(x)\,dx$$になります。二つの式を並べてみてください。構造は同じです。和の記号、高さ $f$、幅。変わるのは文字です。「和」(sum)の S にあたるギリシア文字 $\Sigma$ が、ラテン文字の $\int$、引きのばされたもう一つの S になります。「差」(difference)の D にあたるギリシア文字 $\Delta$ が、ラテン文字の $d$ になります。ギリシア文字は有限を、ラテン文字は無限に小さいものを示し、一方の世界から他方への移行が、アルファベットの交代そのものに描かれているのです。このサイトの以前の記事は、これを mirabilis abbreviatio と呼んでいました。積分の書き方は、自分がどこから来たかを覚えているのです。$\int f(x)\,dx$ を見る人には、高さ $f(x)$、幅 $dx$ の長方形がまだ見えます。