"Όλα τριγύρω αλλάζουνε...",
είπε μια μέρα ο Ηράκλειτος!
Για την ακρίβεια, είπε: "αεί γίγνεσθαι και μεταβάλλεσθαι και μηδέποτε το αυτό μένειν"
και με αυτή τη ρήση του έθεσε τα θεμέλια για ένα μεγάλο κλάδο των επιστημών, ο οποίος με τη σειρά του, προκειμένου να εκφραστεί και να προκόψει, ώθησε στη δημιουργία ενός νέου πεδίου των Μαθηματικών, το Διαφορικό Λογισμό. Έτσι γίνεται πάντοτε στην ιστορία της ανθρωπότητας. Η ανάγκη για νέα έκφραση, για υπέρβαση των προβλημάτων και για παρά πέρα πορεία προκαλεί την έμπευση νέων μεθόδων και τη δημιουργία νέων Εργαλείων.. Πάντα εμφανίζονται κάποιοι εμπνευσμένοι, πρωτοπόροι επιστήμονες που κάνουν το άλμα από εκείνο το σημείο όπου είχαν φτάσει βήμα βήμα όλοι οι προηγούμενοι...
Και ο Διαφορικός Λογισμός, που πήρε μερικούς αιώνες να φτάσει στη μορφή που σήμερα μελετάμε ακροθιγώς στη Γ' Λυκείου κι αρκετά εκτεταμένα στο Πανεπιστήμιο, είναι ένα από τα πιο ισχυρά Εργαλεία που επινόησαν ταυτόχρονα και ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλον, οι Λάιμπνιτς και Νεύτων, στην προσπάθειά τους να περιγράψουν τις μεταβολές. Στην πραγματικότητα ο Λάιμπνιτς επινόησε αυτό που ονόμασε differential calculus, κι έχει να κάνει με τον υπολογισμό των διαφορών μιας μεταβλητής συναρτήσει των διαφορών μιας άλλης, ενώ ο Νεύτωνας, μελετώντας τις ροές, επινόησε τον fluxional calculus. Κατά βάση όμως αυτό που διερευνούσαν και οι δύο ήταν αυτό που ο Ηράκλειτος είχε, σε φιλοσοφικό επίπεδο, εκφράσει το 500 π.Χ., κι έρχονταν τώρα αυτοί οι δυο κορυφαίοι επιστήμονες, λίγο μετά το 1650, να το μαθηματικοποιήσουν και να ... το απλοποιήσουν!!
Η αυστηρή διατύπωση και η διόρθωση των όποιων λαθών που υπήρχαν στα συγγράμματα των Λάιμπνιτς και Νεύτωνα, έγιναν στη συνέχεια από τον μέγα αναλύστα Ογκυστέν-Λουί Κωσύ (1789-1857) και από τους διαδόχους του.
"Τα πάντα γύρω μας αλλάζουν.
Είτε αυτό είναι η θέση μιας ρακέτας του τένις, είτε είναι η αξία μιας μετοχής στο χρηματιστήριο, είτε η αρτηριακή πίεση, η αλλαγή είναι παντού..."
λέει ο David Αcheson στο περίφημο
"1.089 ΕΝΑ ΜΑΓΙΚΟ ΤΑΞΙΔΙ ΣΤΟΝ ΚΟΣΜΟ ΤΩΝ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ", και παρακάτω συνεχίζει λέγοντας:
"...ο τομέας ττων μαθηματικών που ασχολείται κυρίως με την αλλαγή είναι ο διαφορικός λογισμός.
Η βασική ιδέα του διαφορικού λογισμού δεν είναι τόσο η ίδια η μεταβολή όσο ο ρυθμός με τον οποίον αυτή συμβαίνει.
Φανταστείτε ότι έχουμε μια ποσότητα y που μεταβάλλεται ως προς το χρόνο t.
Οι μαθηματικοί δηλώνουν το ρυθμό αύξησης της ποσότητας y με τον εξής μάλλον περίεργο συμβολισμό:
dy/dt = ρυθμός αύξησης της ποσότητας y "
Νομίζω πως εδώ, για να μην παραπλανώ τους μη ειδικούς, θα πρέπει να πω ότι το dy/dt, δεν εκφράζει τον ρυθμό αύξησης' για την ακρίβεια εκφράζει τον ρυθμό μεταβολής. Η μεταβολή αυτή άλλοτε είναι αύξηση, άλλοτε όμως είναι μείωση κι άλλοτε πάλι συμβαίνει να είναι μηδενική, οπότε τότε μιλάμε για...σταθερότητα! :)
Και για να βοηθήσω ακόμη λίγο τους μη μαθηματικούς να κατανοήσουν την έννοια του ρυθμού μεταβολής, θα περιγράψω τη διαδικασία σύμφωνα με την οποία - σε πρωτολιακό στάδιο - υπολογίζεται ο ρυθμός μεταβολής ενός μεγέθους σε σχέση με τη μεταβολή ενός άλλου μεγέθους, ας πούμε του χρόνου t, όπως λέει και ο Acheson παραπάνω..
Φανταστείτε, λοιπόν, ένα μέγεθος y που μεταβάλλεται συναρτήσει του χρόνου t, δηλαδή y = f(t), και για να γίνει κάπως ενδιαφέρον ας υποθέσουμε ότι το y εκφράζει ... τη σοφία μας, :):), όπως φαίνεται στο διπλανό σχήμα. Είναι προφανές, από το σχήμα, πως καθώς το t αυξάνει ή αλλιώς καθώς τα χρόνια περνούν, το y, η σοφία μας, δηλαδή, αυξάνει επίσης.
Το ζητούμενο, τώρα, είναι να βρούμε ποια μεταβολή υφίσταται το y σε μια δεδομένη χρονική στιγμή, δηλαδή με ποια ταχύτητα μεταβάλλεται το y ή αλλιώς , ποιος είναι ο ρυθμός μεταβολής του. Για το σκοπό αυτό εκτελούμε την εξής αλγοριθμική διαδικασία, που είναι γνωστή ως four-step rule:
1) Στην y = f(t) αντικαθιστούμε το t με t+Δt, οπότε το y γίνεται y+Δy. Κάνουμε, δηλαδή, μια μικρή μετατόπιση Δt, πάνω στον οριζόντιο άξονα κι επομένως, από τη θέση t που βρισκόμασταν πριν, μεταβαίνουμε στη θέση t+Δt. Αυτή η μετατόπιση αυτομάτως προκαλεί αντίστοιχη μετατόπιση για το y. Στον κατακόρυφο άξονα το μέγεθος y, μετατοπίζεται στη θέση y+Δy. Δηλαδή: y+Δy = f(t+Δt) (1)
2) Αφαιρούμε, στη συνέχεια, την αρχική σχέση από την (1) και παίρνουμε: Δy = f(t+Δt) - f(t)
3)Για να υπολογίσουμε τη σχετική μεταβολή, Δy, του y, ως προς τη μεταβολή, Δt, του t, διαιρούμε και τα δυο μέλη με το Δt : Δy/Δt = [f(t+Δt)-f(t)]/Δt και τέλος
4) φτάνουμε στο πιο κρίσιμο σημείο, το σημείο στο οποίο κάνουμε φόκους στη "στιγμή", στη ...λεπτομέρεια, στην οριακή κατάσταση, στο απειροστό του χρόνου... παίρνουμε, δηλαδή, το όριο και των δυο μελών ενώ το Δt τείνει στο μηδέν, οπότε το 'Δ' μετατρέπεται σε "d" κι έτσι προκύπτει το dy/dt, που δίνεται από τον τύπο:
Τα πράγματα είναι αρκετά απλά, κι αυτό που καταφέραμε μέχρι εδώ είναι να βρούμε την ταχύτητα αύξησης της..σοφίας μας, σε μια τυχαία χρονική στιγμή.
Αυτό σημαίνει πως αν θελήσουμε να βρούμε την ταχύτητα αύξησης της σοφίας μας, σε μια οποιδήποτε χρονική στιγμή, ας πούμε στο 34ο έτος της ζωής μας, θα πρέπει εξαρχής να υπολογσίουμε το παραπάνω όριο, αφού βάλουμε όπου t τον αριθμό 34! Ο υπολογισμός όμως τέτοιων ορίων και χρονοβόρος είναι κι όχι πάντα εύκολος. Γι' αυτό ορίζεται μια άλλη συνάρτηση που σε κάθε τιμή του t αντιστοιχίζει την τιμή του παραπάνω ορίου.. Η συνάρτηση αυτή περιγράφει το ρυθμό μεταβολής σε οποιαδήποτε θέση t, που υπάρχει το παραπάνω όριο, αλλά ας μην υπεισέλθουμε σε τεχνικές λεπτομέρειες. Το κέρδος με τον ορισμό αυτής της νέας συνάρτησης είναι πως το πρόβλημα του υπολογισμού του παραπάνω ορίου ανάγεται σε λίγες στοιχειώδεις αλγεβρικές πράξεις και ο καθένας μπορεί να υπολογίσει τον ρυθμό μεταβολής έχοντας τον τύπο της παραγώγου συνάρτησης και χωρίς καθόλου να γνωρίζει θεωρία ορίων..
Αν υποθέσουμε, για παράδειγμα, πως η καμπύλη στο παραπάνω σχήμα έχει εξίσωση f(t) = (5/2) t^2, t>=0 σε έτη, τότε για κάθε t ο ρυθμός μεταβολής της αποδεικνύεται ότι είναι: df/dt= 5t, που σημαίνει ότι για t = 34 ο ρυθμός μεταβολής της σοφίας είναι 5x34=170 σοφιόνια/έτος*. Τόσο απλά. Αν τώρα θελήσουμε να βρούμε το ρυθμό μεταβολής του ρυθμού μεταβολής του αρχικού μεγέθους y, θα δούμε (από τον πίνακα των παραγώγων συναρτήσεων) πως αυτό είναι ίσο με 5, ανεξάρτητα από το t. Κι αν κάνουμε ένα βήμα ακόμη θα δούμε πως ο ρυθμός μεταβολής του ρυθμού μεταβολής του ρυθμού μεταβολής του αρικού μεγέθους y, εν τέλει, μηδενίζεται!!
Καθόλου παρήγορο, αν θυμηθούμε ότι το αρχικό μέγεθος y, υποθέσαμε ότι υπολόγιζε την εξέλιξη της "σοφία" μας συναρτήσει του χρόνου. :)
Έχουμε βέβαια την πολυτέλεια ...αλλαγής παραδείγματος (!), αφού δικό μας είναι το παράδειγμα, και αφού το φινάλε δεν μας ενθουσιάσε, μπορούμε να αντικαταστήσουμε τη συνάρτηση f(t) = (5/2) t^2, που υποτίθεται πως υπολογίζει τη σοφία μας στο πέρασμα των χρόνων, με την πιο όμορφη μεταβολή που παρατηρείται στη Φύση, την εκθετική μεταβολή, την οποία η ίδια η Φύση φαίνεται να την προτιμάει, γι' αυτό τη χρησιμοποιεί ευρέως σε πολλά φαινόμενα. Ο χρόνος t εμφανίζεται στον εκθέτη μιας δύναμης με βάση e, όπου e ο μυστηριώδης αριθμός του Εuler, ο οποίος αποτελεί μια καταπληκτική και μεγάλη μαθηματική ιστορία, αλλά δεν έχω χρόνο τώρα να την πω, γι' αυτό θα αρκεστώ στα απαραίτητα..
Έστω, λοιπόν, πως η συνάρτησή μας είναι η εκθετική y = e^t, , τότε ο ρυθμός μεταβολής του y ισούται σε κάθε στιγμή με το ίδιο το y, δηλαδή dy/dt = y, και ο ρυθμός μεταβολής του ρυθμού μεταβολής ισούται με τον ρυθμό μεταβολής, δηλαδή d(dy/dt)/dt = dy/dt, και ο ρυθμός μεταβολής του ρυθμού μεταβολής του ρυθμού μεταβολής ισούται με ρυθμό μεταβολής του ρυθμού μεταβολής και ... Μπερδευτήκατε; Πράγματι ακούγεται κάπως περίπλοκο, αλλά θα μπορούσαμε να το πούμε απλούστερα κάπως έτσι: ΟΛΑ ΤΡΙΓΥΡΩ ΑΛΛΑΖΟΥΝΕ ΚΙ ΟΛΑ ΤΑ ΙΔΙΑ ΜΕΝΟΥΝ...
Αυτή η επανάληψη, είναι ο ορισμός των φράκταλ, και όπως διάβασα προσφάτως, και πάλι στο
καταπληκτικό 1.089 ΕΝΑ ΜΑΓΙΚΟ ΤΑΞΙΔΙ ΣΤΟΝ ΚΟΣΜΟ ΤΩΝ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ, το e, τα φράκταλ και η σταγόνα συνδέοντα άμεσα, άρα, θα μπορούσαμε να πούμε πως είναι μια μεγάλη και πανέμορφη οικογένεια...όπως μια μεγάλη και όμορφη παρέα είμαστε κι όλοι εμείς που αγαπάμε τα Μαθηματικά :):) ;)
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
Το θέμα είναι ανεξάντλητο και απίστευτα γοητευτικό, γι' αυτό απαιτεί πολλές αναρτήσεις...κι όχι μόνο...:)
Δεν είμαι καθόλου βέβαιη πως θα τις κάνω, τουλάχιστον όχι σύντομα,αλλά ελπίζω να έδωσα μια πρώτη εικόνα στον φίλο μου Δx που εκφράζει, ξανά, έντονες μαθηματικές ανησυχίες, για το 'εφ του χι' και το 'ντε εφ ντε χι', το οποίο εγώ άλλαξα σε "ντε ψι ντε τε", για να μη γράφω Δx στον παρονομαστή!
Ενώ στη Φυσική η ανεξάρτητη μεταβλητή του οριζόντιου άξονα είναι συνήθως ο χρόνος t, με t>=0, στα Μαθηματικά έχουμε ως ανεξάρτητη μεταβλητή το x που μπορεί να παίρνει τιμές από το μείον άπειρο μέχρι το συν άπειρο, αν αυτό δεν αντιβαίνει στον καλό ορισμό της συνάρτησης, που περιγράφει το πρόβλημα... Όπως και να 'χει, είτε στη Φυσική είτε στα Μαθηματικά το "Δ" είναι που κάνει τη ..διαφορά!
----------------------------------------------------------------------------------------------------------
Για περισσότερες πληροφορίες για τη "σταγόνα" ή αλλιώς "τη συμμετρία της πιτσιλιάς" μπορείτε να δείτε
εδώ, όπου υπάρχουν και δυο εξαιρετικά vide-ακια...
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
* Το "
σοφιόνιο" είναι μια μονάδα που επινόησα για τις ανάγκες του παραδείγματος και στερείται παντελώς νοήματος, εκτός κι αν εσείς... έχετε διαφορετική άποψη!