NEUVIÈME LEÇON.

SOMMAIRE. Considérations générales sur le calcul aux différences finies.

Les diverses considérations fondamentales indiquées dans les cinq leçons

précédentes constituent réellement toutes les bases essentielles d'une

exposition complète de l'analyse mathématique, envisagée sous le point

de vue philosophique. Néanmoins, pour ne négliger aucune conception

générale vraiment importante relative à cette analyse, je crois devoir,

avant de passer à l'étude philosophique de la mathématique concrète,

expliquer très-sommairement le véritable caractère propre à un genre de

calcul fort étendu, et qui, bien que rentrant au fond dans l'analyse

ordinaire, est cependant encore regardé comme étant d'une nature

essentiellement distincte. Il s'agit de ce qu'on appelle le _calcul aux

différences finies_, qui sera le sujet spécial de cette leçon.

Ce calcul, créé par Taylor, dans son célèbre ouvrage intitulé _méthodes

incrumentorum_, consiste essentiellement, comme on sait, dans la

considération des accroissemens finis que reçoivent les fonctions par

suite d'accroissemens analogues de la part des variables

correspondantes. Ces accroissemens ou _différences_, auxquels on

applique la caractéristique /Delta, pour les distinguer des

_differentielles_ ou accroissemens infiniment petits, peuvent être, à

leur tour, envisagés comme de nouvelles fonctions, et devenir le sujet

d'une seconde considération semblable, et ainsi de suite, d'où résulte

la notion des différences des divers ordres successifs, analogues, au

moins en apparence, aux ordres consécutifs des différentielles. Un tel

calcul présente, évidemment, comme le calcul des fonctions indirectes,

deux classes générales de questions: 1º déterminer les différences

successives de toutes les diverses fonctions analytiques à une ou à

plusieurs variables, en résultat d'un mode d'accroissement défini des

variables indépendantes, que l'on suppose, en général, augmenter en

progression arithmétique; 2º réciproquement, en partant de ces

différences, ou, plus généralement, d'équations quelconques établies

entre elles, remonter aux fonctions primitives elles-mêmes, ou à leurs

relations correspondantes. D'où la décomposition de ce calcul total en

deux calculs distincts, auxquels on donne ordinairement les noms de

_calcul direct aux différences finies_, et de _calcul inverse aux

différences finies_, ce dernier étant aussi appelé quelquefois _calcul

intégral aux différences finies_. Chacun de ces deux calculs serait

d'ailleurs évidemment susceptible d'une distribution rationnelle

semblable à celle exposée dans la septième leçon pour le calcul

différentiel et le calcul intégral, ce qui me dispense d'en faire une

mention distincte.

Il n'est pas douteux que, par une telle conception, Taylor a cru fonder

un calcul d'une nature entièrement nouvelle, absolument distinct de

l'analyse ordinaire, et plus général que le calcul de Leïbnitz, quoique

consistant dans une considération analogue. C'est aussi de cette manière

que presque tous les géomètres ont jugé l'analyse de Taylor. Mais

Lagrange, avec sa profondeur habituelle, a clairement aperçu que ces

propriétés appartenaient bien plus aux formes et aux notations employées

par Taylor qu'au fond même de sa théorie. En effet, ce qui fait le

caractère propre de l'analyse de Leïbnitz, et la constitue en un calcul

vraiment distinct et supérieur, c'est que les fonctions dérivées sont,

en général, d'une toute autre nature que les fonctions primitives, en

sorte qu'elles peuvent donner lieu à des relations plus simples et d'une

formation plus facile, d'où résultent les admirables propriétés

fondamentales de l'analyse transcendante, expliquées dans les leçons

précédentes. Mais il n'en est nullement ainsi pour les _différences_

considérées par Taylor. Car ces différences sont, par leur nature, des

fonctions essentiellement semblables à celles qui les ont engendrées, ce

qui les rend impropres à faciliter l'établissement des équations, et ne

leur permet pas davantage de conduire à des relations plus générales.

Toute équation aux différences finies est vraiment, au fond, une

équation directement relative aux grandeurs mêmes dont on compare les

états successifs. L'échafaudage de nouveaux signes, qui fait illusion

sur le véritable caractère de ces équations, ne le déguise cependant que

d'une manière fort imparfaite, puisqu'on pourrait toujours le mettre

aisément en évidence en remplaçant constamment les _différences_ par les

combinaisons équivalentes des grandeurs primitives, dont elles ne sont

réellement autre chose que les désignations abrégées. Aussi, le calcul

de Taylor n'a-t-il jamais offert et ne peut-il offrir, dans aucune

question de géométrie ou de mécanique, ce puissant secours général que

nous avons vu résulter nécessairement de l'analyse de Leïbnitz. Lagrange

a, d'ailleurs, très-nettement établi que la prétendue analogie observée

entre le calcul aux différences et le calcul infinitésimal était

radicalement vicieuse, en ce sens que les formules propres au premier

calcul ne peuvent nullement fournir, comme cas particuliers, celles qui

conviennent au second, dont la nature est essentiellement distincte.

D'après l'ensemble de considérations que je viens d'indiquer, je crois

que le calcul aux différences finies est ordinairement classé à tort

dans l'analyse transcendante proprement dite, c'est-à-dire dans le

calcul des fonctions indirectes. Je le conçois, au contraire, en

adoptant pleinement les importantes réflexions de Lagrange, qui ne sont

pas encore suffisamment appréciées, comme étant seulement une branche

très-étendue et fort importante de l'analyse ordinaire, c'est-à-dire, de

ce que j'ai nommé le calcul des fonctions directes. Tel est, en effet,

ce me semble, son vrai caractère philosophique, que les équations qu'il

considère sont toujours, malgré la notation, de simples équations

_directes_.

En précisant, autant que possible, l'explication précédente, on doit

envisager le calcul de Taylor comme ayant constamment pour véritable

objet la théorie générale des _suites_, dont, avant cet illustre

géomètre, on n'avait encore considéré que les cas les plus simples.

J'aurais dû, rigoureusement, mentionner cette importante théorie en

traitant, dans la cinquième leçon, de l'algèbre proprement dite, dont

elle est une branche si étendue. Mais, afin d'éviter tout double emploi,

j'ai préféré ne la signaler qu'en considérant le calcul aux différences

finies, qui, réduit à sa plus simple expression générale, n'est autre

chose, dans toute son étendue, qu'une étude rationnelle complète des

questions relatives aux _suites_.

Toute _suite_, ou succession de nombres déduits les uns des autres

d'après une loi constante quelconque, donne lieu nécessairement à ces

deux questions fondamentales: 1º la loi de la suite étant supposée

connue, trouver l'expression de son terme général, de manière à pouvoir

calculer immédiatement un terme d'un rang quelconque, sans être obligé

de former successivement tous les précédens; 2º dans les mêmes

circonstances, déterminer la _somme_ d'un nombre quelconque de termes de

la suite en fonction de leurs rangs, en sorte qu'on puisse la connaître

sans être forcé d'ajouter continuellement ces termes les uns aux autres.

Ces deux questions fondamentales étant supposées résolues, on peut en

outre se proposer réciproquement de trouver la loi d'une série d'après

la forme de son terme général, ou l'expression de la somme. Chacun de

ses divers problèmes comporte d'autant plus d'étendue et de difficulté,

que l'on peut concevoir un plus grand nombre de _lois_ différentes pour

les séries, suivant le nombre de termes précédens dont chaque terme

dépend immédiatement, et suivant la fonction qui exprime cette

dépendance. On peut même considérer des séries à plusieurs indices

variables, comme l'a fait Laplace dans la _théorie analytique des

probabilités_, par l'analyse à laquelle il a donné le nom de _théorie

des fonctions génératrices_, bien qu'elle ne soit réellement qu'une

branche nouvelle et supérieure du calcul aux différences finies, ou de

la théorie générale des suites.

Les divers aperçus généraux que je viens d'indiquer ne donnent même

qu'une idée imparfaite de l'étendue et de la variété vraiment infinie

des questions auxquelles les géomètres se sont élevés d'après cette

seule considération des séries, si simple en apparence, et si bornée à

son origine. Elle présente nécessairement autant de cas divers que la

résolution algébrique des équations envisagée dans toute son étendue; et

elle est, par sa nature, beaucoup plus compliquée, tellement même

qu'elle en dépend toujours, pour conduire à une solution complète. C'est

assez faire pressentir quelle doit être encore son extrême imperfection,

malgré les travaux successifs de plusieurs géomètres du premier ordre.

Nous ne possédons, en effet, jusqu'ici que la solution totale et

rationnelle des plus simples questions de cette nature.

Il est maintenant aisé de concevoir l'identité nécessaire et parfaite

que j'ai annoncée ci-dessus, d'après les indications de Lagrange, entre

le calcul aux différences finies, et la théorie des suites prise dans

son ensemble. En effet, toute différentiation à la manière de Taylor

revient évidemment à trouver la _loi_ de formation d'une suite à un ou à

plusieurs indices variables, d'après l'expression de son terme général;

de même, toute intégration analogue peut être regardée comme ayant pour

objet la sommation d'une suite, dont le terme général serait exprimé par

la différence proposée. Sous ce rapport, les divers problèmes de calcul

aux différences, direct ou inverse, résolus par Taylor et par ses

successeurs, ont réellement une très-grande valeur, comme traitant des

questions importantes relativement aux suites. Mais il est fort douteux

que la forme et la notation introduites par Taylor apportent réellement

aucune facilité essentielle dans la solution des questions de ce genre.

Il serait peut-être plus avantageux pour la plupart des cas, et

certainement plus rationnel, de remplacer les _différences_ par les

termes mêmes dont elles désignent certaines combinaisons. Le calcul de

Taylor ne reposant pas sur une pensée fondamentale vraiment distincte,

et n'ayant de propre que son système de signes, il ne saurait y avoir

réellement, dans la supposition même la plus favorable, aucun avantage

important à le concevoir comme détaché de l'analyse ordinaire, dont il

n'est, à vrai dire, qu'une branche immense. Cette considération des

_différences_, le plus souvent inutile quand elle ne complique pas, me

semble conserver encore le caractère d'une époque où les idées

analytiques n'étant pas assez familières aux géomètres, ils devaient

naturellement préférer les formes spéciales propres aux simples

comparaisons numériques.

Quoi qu'il en soit, je ne dois pas terminer cette appréciation générale

du calcul aux différences finies, sans signaler une nouvelle notion à

laquelle il a donné naissance, et qui a pris ensuite une grande

importance. C'est la considération de ces fonctions _périodiques_ ou

_discontinues_, conservant toujours la même valeur pour une suite

infinie de valeurs assujéties à une certaine loi dans les variables

correspondantes, et qui doivent être nécessairement ajoutées aux

intégrales des équations aux différences finies pour les rendre

suffisamment générales, comme on ajoute de simples constantes

arbitraires à toutes les quadratures afin d'en compléter la généralité.

Cette idée, primitivement introduite par Euler, est devenue, dans ces

derniers temps, le sujet de travaux fort étendus de la part de M.

Fourier, qui l'a transportée dans le système général de l'analyse, et

qui en a fait un usage tellement neuf et si essentiel pour la théorie

mathématique de la chaleur que cette conception, dans son état actuel,

lui appartient vraiment d'une manière exclusive.

Afin de signaler complétement le caractère philosophique du calcul aux

différences finies, je ne dois pas négliger de mentionner ici rapidement

les principales applications générales qu'on en a faites jusqu'à

présent.

Il faudrait placer au premier rang, comme la plus étendue et la plus

importante, la solution des questions relatives aux suites, si, d'après

les explications données ci-dessus, la théorie générale des suites ne

devait pas être considérée comme constituant, par sa nature, le fond

même du calcul de Taylor. Cette grande classe de problèmes étant donc

écartée, la plus essentielle des véritables _applications_ de l'analyse

de Taylor, est sans doute, jusqu'ici, la méthode générale des

_interpolations_, si fréquemment et si utilement employée dans la

recherche des lois _empiriques_ des phénomènes naturels. La question

consiste, comme on sait, à intercaler, entre certains nombres donnés,

d'autres nombres intermédiaires assujétis à la même loi que l'on suppose

exister entre les premiers. On peut pleinement vérifier, dans cette

application principale du calcul de Taylor, combien, ainsi que je l'ai

expliqué plus haut, la considération des _différences_ est vraiment

étrangère et souvent gênante, relativement aux questions qui dépendent

de cette analyse. En effet, Lagrange a remplacé les formules

d'interpolation déduites de l'algorithme ordinaire du calcul aux

différences finies par des formules générales beaucoup plus simples, qui

sont aujourd'hui presque toujours préférées, et qui ont été trouvées

directement, sans faire jouer aucun rôle à la notion superflue des

_différences_, qui ne faisaient que compliquer la question.

Une dernière classe importante d'applications du calcul aux différences

finies, qui mérite d'être distinguée de la précédente, consiste dans

l'usage éminemment utile qu'on en fait, en géométrie, pour déterminer

par approximation la longueur et l'aire de quelque courbe que ce soit,

et, de même, la quadrature et la cubature d'un corps ayant une forme

quelconque. Ce procédé, qui peut d'ailleurs être conçu abstraitement

comme dépendant de la même recherche analytique que la question des

interpolations, présente souvent un supplément précieux aux méthodes

géométriques entièrement rationnelles, qui conduisent fréquemment à des

intégrations qu'on ne sait point encore effectuer, ou à des calculs

d'une exécution très-compliquée.

Telles sont les diverses considérations principales que j'ai cru devoir

indiquer relativement au calcul des différences finies. Cet examen

complète l'étude philosophique que je m'étais proposé d'esquisser pour

la mathématique abstraite. Nous devons maintenant procéder à un travail

semblable sur la mathématique concrète, où nous nous attacherons surtout

à concevoir comment, en supposant parfaite la science générale du

calcul, on a pu, par des procédés invariables, réduire à de pures

questions d'analyse tous les problèmes que peuvent présenter la

géométrie et la mécanique, et imprimer ainsi à ces deux bases

fondamentales de la philosophie naturelle, un degré de précision et

surtout d'unité, en un mot, un caractère de haute perfection, qu'une

telle marche pouvait seule leur communiquer.

Cours de philosophie positive. (1/6) · 第 14 / 39 题