Niels Henrik Abel og uendelige rekker
- et tema i fagdidaktikken!

Kari og Per Hag,
Tangenten nr. 1 1999

Etter at matematikkens historie fikk en viktig plass i skolematematikken gjennom reform 94, vil naturlig nok vår mest kjente matematiker gjennom tidene, Niels Henrik Abel, bli omtalt i alle læreverk for den videregående skole. Men selv i dag, nesten 200 år etter Abels fødsel, er mesteparten av Abels matematikk vanskelig tilgjengelig for de fleste, og selvsagt alt for vanskelig til å presenteres i skolen. Abels korte og sørgelige livshistorie burde i seg selv være interessant nok for elevene. I denne forbindelse vil vi anbefale både for lærere og viderekommende elever å ta seg tid til å lese Arild Stubhaugs utmerkede nye Abel-biografi, [St]. Her ligger også et rikt bakgrunnsmateriale for prosjektarbeider i matematikk.

Når man allikevel, f.eks. i skolebøkene, ønsker å nevne litt om Abels matematikk, er det naturlig å nevne hans bevis for uløsbarheten av den generelle 5.gradslikning. Dette tema, dvs. ligningsteorien, vendte han tilbake til så å si gjennom hele sin matematiske karriere, fra skoledagene i Kristiania til han i sitt siste leveår innså løsningen av ligningsteoriens mysterium. Uløsbarheten av 5.gradsligningen blir i denne sammenheng bare en parentes. I et brev til sin venn og tidligere lærer B.M. Holmboe skrev Abel at ligningsteorien var hans yndlingsstudium. Det er derfor ikke merkelig at Abel blir oppfattet som algebraiker av de fleste. Imidlertid ga han også betydelige bidrag til andre deler av matematikken. Selv regnet han arbeidene vedrørende elliptiske funksjoner blant sine viktigste. Disse arbeidene må sies å høre hjemme i funksjonsteorien, altså innenfor matematisk analyse. Det var på dette området den såkalte "kappestriden med Jacobi" fant sted. ([A1], s. 29-42.) Men Abels algebraiske legning fornektet seg ikke. I det siste arbeid han rakk å skrive om elliptiske funksjoner, behandler han teorien om de elliptiske funksjoner rent algebraisk. Det bør også sies at innenfor denne teorien lå kimen til løsningen av Fermats berømte 350 år gamle formodning - sensasjonelt løst av A. Wiles i 1993.

Abels interesse for analysen ble vel først og fremst vekket under oppholdet i Berlin i 1825-1826. Der ble han kjent med A.L. Cauchys arbeider om analysens grunnlag. Riktignok hadde Abel studert den gamle mester L. Euler (1707-1783) tidligere, men det var i Berlin at han ble klar over at Euler med flere hadde vært ganske lettsindige i sin omgang med uendelige rekker. I omgangskretsen til Geheimrath A.L. Crelle møtte Abel flere yngre matematikere som var opptatt av denne type problemer. Det bør her skytes inn at en presis definisjon av konvergens og divergens av rekker ikke forelå før 1810-1820. C.F. Gauss (1777-1855), B. Bolzano (1781-1848) og A.L. Cauchy (1789-1857) kom frem til en definisjon som er svært lik den man finner i dagens lærebøker. Fomuleringen ved hjelp av epsilon og n ble imidlertid først innført av K. Weierstrass (1815-1897) ca. 40 år senere.

I et brev fra Berlin i januar 1826 til Holmboe skriver Abel: "Divergente Rækker er i det Hele noget Fandenskap, og det er en Skam at man vover at grunde nogen Demonstration derpaa. Man kan faae frem hvad man vil naar man bruger dem, og det er dem som har gjort saa megen Ulykke og saa mange Paradoxer. Kan det tænkes noget skrækkeligere end at sige at

0 = 1n - 2n + 3n - 4n + etc.
hvor n er et heelt Tal."

Før vi går nærmere inn på Abels bidrag til rekketeorien, skal vi se litt på den historiske utviklingen. Allerede i antikken funderte matematikere og filosofer over summer med uendelig mange ledd. Et eksempel på et slikt problem er det såkalte Zenons paradoks (450 f.Kr.). Som kjent for de fleste var paradokset at Akilles, som løp langt fortere enn skilpadden, aldri kunne nå igjen skilpadden hvis denne hadde et forsprang i starten.

Akilles og skilpadden

N. Oresme (1323-1382) hadde et elegant bevis for at den harmoniske rekke:
1 + 1/2 + 1/3 + ... + 1/n + ...
divergerer. Selv om begrepet "divergens" ikke var introdusert, ga Oresme et korrekt bevis for at
sn = 1 + 1/2 + 1/3 + ... + 1/n går mot uendelig når n går mot uendelig.

Beviset er helt identisk med det man finner i dagens lærebøker. (Se f.eks. [L], s. 564-565.)

I. Newton (1642-1727), G.W. Leibniz (1646-1717) og L. Euler (1707-1783) betraktet rekker av typen

a0 + a1 x + a2 x2 + ... + an xn + ...
som en generalisering av polynomer
P(x) = a0 + a1 x + a2 x2 + ... + an xn
og hadde liten sans for spørsmålet om konvergens eller divergens. De benyttet uendelige rekker bl.a. i forbindelse med derivasjon og integrasjon. Siden Newton bare kunne derivere og integrere svært enkle funksjoner, utviklet han mer komplekse funksjoner i det vi kjenner som Taylor-rekker og integrerte så ledd for ledd. Lovligheten av disse operasjonene ble tydeligvis ikke trukket i tvil.

I 1674 oppnådde Leibniz det berømte resultat:

pi/4 = 1 - 1/3 + 1/5 - 1/7 + 1/9 - ...

Denne formel blir ofte kreditert J. Gregory (1637-1675). Han kom antageligvis frem til formelen noen år før Leibniz, men ifølge [L], s. 654, var formelen kjent allerede av den indiske matematiker Madhara (1340-1425). Formelen gir slett ingen effektiv metode for beregning av pi med mange sifres nøyaktighet. Man trenger således ca 100 000 ledd for å beregne pi med den nøyaktighet Arkimedes oppnådde! Det oppsiktsvekkende med formelen er at den knytter sammen pi og oddetallene 1, 3, 5, 7, ... Vår mest kjente nålevende matematiker, Atle Selberg (1917-) kom som 13-åring ved en tilfeldighet over Leibniz' formel i en bok i sin fars bibliotek. Selv om skolematematikken ikke hadde vekket særlig interesse for faget, gjorde denne formel slikt inntrykk på ham, at han følte et stekt behov for å finne ut og forstå denne merkelige sammenheng, [A2].

Omkring år 1700 var det en stor diskusjon blant de ledende matematikere i Europa angående rekker. James Bernoulli (1654-1705) studerte bl.a. rekken

1 - 1 + 1 - 1 + 1 - ...

Hvis man skrev denne rekken på formen

(1 - 1) + (1 - 1) + (1 - 1) + ...
= 0 + 0 + 0 + ...
var summen opplagt 0, men skrev man den på formen:
1 - (1 - 1) - (1 - 1) - (1 - 1) - ...
= 1 - 0 - 0 - 0 - ...
blir summen lik 1. Ved å benytte summeformelen for en geometrisk rekke oppnådde man
1

1 + x
= 1 - x + x2 - x3 + ...
som ved innsetting av x = 1 gir:
1/2 = 1 - 1 + 1 - 1 + ...
altså enda en annen sum for den samme rekken. I lys av dette skjønner man kanskje bedre Abels utsagn om divergente rekker i brevet til Holmboe!

I 1826 publiserte Abel i Crelles journal: Journal für die Reine und Angewendte Mathematik, 4. hefte, et arbeid der han ga et komplett svar på spørsmålet angående konvergens og divergens av binomialrekken:

(1 + x)m = 1 + m x +
m(m - 1)

2!
x2 +
m(m - 1)(m - 2)

3!
x3 + ...
for alle komplekse tall m og x. Dette resultat generaliserte et resultat av Cauchy. Han uttrykte i ovennevnte brev til Holmboe sin forbauselse over at ingen tidligere hadde undersøkt fullstendig konvergensen av denne rekke som var benyttet av så mange, og hadde vært kjent allerede av Newton. I det samme arbeid kom Abel inn på det som nå kalles Abel-summasjon. I det ovenfor omtalte brev til Holmboe skriver Abel: "La
a0 + a1 + a2 + a3 + ...
være en hvilkensomhelst uendelig Række saa veed Du at en meget brugelig Maade at summere denne række på er at søge summen af følgende:
a0 + a1 x + a2 x2 + a3 x3 + ...
og siden sætte x = 1 i Resultatet. Dette er riktigt, men mig synes at man ikke kan antage det uden beviis, thi ..."

I det nevnte arbeid fra 1826 beviser han så den viktige:

Abels Kontinuitetssats:

Hvis summen til potensrekken

summen for n=0...uendelig an xn
betegnes s(x), så er x -> s(x) en kontinuerlig funksjon i konvergensintervallet for rekken.
Bevis:
[L] s. 603-604.

Nytten av ovenstående sats kan best illustreres ved å se på rekke-utviklingen:
1

1 + x2
= 1 - x2 + x4 - x6 + ... (1)

for |x| < 1. Dette er igjen summeformelen for en geometrisk rekke. Hvis vi nå antar at vi har vist lovligheten av å integrere en potensrekke ledd for ledd i konvergens-intervallet, og det dessuten er slik at summen av den fremkomne rekke er integralet av summen av den opprinnelige rekke, får vi fra (1):
tan-1(x) = x -
x3

3
+
x5

5
-
x7

7
+ ...
(2)

Det er nå svært fristende å sette x = 1 i (2) og benytte at tan-1(1) = pi/4 for å oppnå Leibniz' formel, men her må man være oppmerksom på at (2) bare er bevist for å holde for |x| < 1. Her kommer imidlertid Abels kontinuitetssats til hjelp. Siden rekken

x -
x3

3
+
x5

5
-
x7

7
+ ...
konvergerer for x = 1 (Leibniz' kriterium), og divergerer for x = -1, er konvergensintervallet <-1,1]. Dermed forteller Abels kontinuitetssetning at rekkens sum s(1) for x = 1 er gitt ved:

s(1) = lim x->1 s(x) = lim x->1 tan-1(x) = tan-1(1) = pi/4.

Altså får vi Leibniz' formel. (For de som ønsker å finne ut hvordan Leibniz kom frem til den berømte formel viser vi til [E], s. 247-248.) Man kan med andre ord med en viss rett si at Abel var den som først ga et komplett bevis for Leibniz' formel.

I det samme arbeid fra 1826 korrigerte også Abel en feil hos Cauchy. Cauchy var en av de aller fremste matematikere i første halvdel av det 19. århundre, og Abel var en stor beundrer av Cauchy. Cauchy hevdet at en uendelig rekke der leddene var kontinuerlige funksjoner av x måtte ha en sum som var en kontinuerlig funksjon av x. Abel ga følgende moteksempel:
(3)

har en sum som er diskontinuerlig for x = (2n + 1)pi der n er et helt tall. Vi observerer her at hvert ledd er en kontinuerlig funksjon av x, og vi kan uten store problemer bevise at (3) konvergerer for alle reelle tall med en sum som kan fremvises grafisk:

y=s(x) : en diskontinuerlig graf

Denne summen er åpenbart ikke en kontinuerlig funksjon. M. Kline, [K], s. 965, hevder at Abel i drøftingen av problemet vedrørende rekker med ledd som er kontinuerlige funksjoner av x benyttet idéen om uniform konvergens. Dette vanskelige begrep ble endelig formulert og klarert av K. Weierstrass i 1842.

Selvsagt ligger også Abels resultater innenfor rekketeorien utenfor det man kan ta opp i skolematematikken. Men selve problemstillingen er jo adskillig mer elementær enn de problemer Abel arbeidet med innenfor ligningsteorien. For å kunne forstå Abels bevis for uløsbarheten av 5. gradslikningen trenger man normalt et kurs i algebra på hovedfagsnivå. Rekketeorien er derimot en del av et standard begynnerkurs i analyse på universitets- eller høgskolenivå. En del av de problemene som er drøftet ovenfor er med i Kap. 12, [L]. En annen kilde her er [TL]. Nå skal det straks innrømmes at forsåelse av rekketeorien "sitter langt inne" hos de fleste studenter. Dette er i grunnen ikke så merkelig når man minner om de problemer store matematikere som Newton, Leibniz, Euler, Bernoulli m.fl. hadde i denne forbindelse. Studiet av matematikkens historie kan utvilsomt gi verdifull innsikt i de problemer våre studenter og elever strir med når de første gang står overfor summer med uendelig mange ledd og beslektede tema. Vi vil gjerne sitere den kjente matematiker A. Zygmund i denne sammenheng:

"For the student it is very instructive to learn not only the final result, the final formulation, but also the process of the history of its development. For in this way he not only gains an insight into the process of intellectual development, but also realizes that the difficulties wich he may encounter in assimilating the new ideas are not necessarily due to inferiority on his part, but rather to the high degree of sophistication required for grasping the ideas in question" ([BBB] s. 31).

Behovet for en opprydning i grunnlaget for analysen skjønner man kanskje først når man har studert den historiske utvikling fra Newton og fram til Weierstrass. Niels Henrik Abels bidrag i denne opprydningen var ikke ubetydelig.

I forordet til sitt omfattende historieverk, [K], sier M. Kline følgende angående presentasjonen av store matematikere: "But it is their ideas that have been featured; biography is entirely subordinate." Satt på spissen kan man si at om man ikke kan formidle noen av disse personers idéer, så er en biografisk presentasjon av liten interesse. I denne forbindelse vil vi også vise til B. Burns artikkel i Tangenten nr. 2/1998, [Bu]. Selvsagt finnes det eksempler på utmerkede rent biografiske verker som f.eks. E. T. Bells klassiske Men of Mathematics, [Be], og Abel-biografiene til Ø. Ore, [O], og A. Stubhaug, [St]. Men der det er mulig, burde man som en gylden regel forsøke å formidle de matematiske idéer når man trekker fram store matematikere i undervisningen. Ut fra dette prinsipp skulle Abels bidrag til rekketeorien være et overkommelig emne for studenter med 1/2 til 1 års bakgrunn i faget på universitetsnivå. En ny omgang med de grunnleggende problemstillinger innenfor rekketeorien - nå i historisk lys - skulle kunne bidra til bedre forståelse for dette vanskelige tema. Denne type innsikt kunne så bidra til en bedret forståelse av forskjellige typer 'uendelige grenseprosesser' som man finner overalt i matematikken. For framtidige lærere vil selvsagt en slik innsikt være av stor betydning for å kunne formidle essensen av disse idéer til elevene. For å kunne forenkle idéene må man ha forsått dem til bunns selv!

Abel og rekketeorien er bare ett eksempel på temaer fra matematikkens historie som egner seg godt i fagdidaktikk på passende nivå. The Mathematical Association of America sier "The use of the history of mathematics in the teaching of mathematics at all levels is an idea whose time has come" og har fulgt opp retorikken med bøkene Learn from the Masters [SFBJK] og Vita Mathematica [C].

Det er derfor naturlig at matematikkens historie er et sentralt tema såvel i de nye rammeplaner i praktisk pedagogisk utdannelse (PPU) som i allmennlærerutdanningen (ALU). I rammeplanen for matematikk fagdidaktikk i PPU heter det i innledningen: "Matematikken er et særpreget fag. Kjennskap til fagets historie gir innsikt i dets egenart. Samtidig kan den historiske utviklingen gi innsikt og erfaringer som kan være til nytte for å forstå barns oppbygging av matematiske begreper". Dette er formuleringer vi bare kan slutte oss til (rent bortsett fra at elevene i videregående skole antagelig ikke liker å bli omtalt som barn!). Faget og fagdidaktikken veves forøvrig sammen i alle studieenheter i ALU. Dette er etter vår mening en god modell for en lærerutdanning, mens det lett blir et kunstig og uheldig skille mellom faget og fagets didaktikk i universitetenes tradisjonelle lærerutdanning.

Som en konklusjon mener vi at matematikkens historie er et svært viktig tema i matematikk-lærerutdanning, og den må integreres med det faglige, som ikke alltid er forstått og unnagjort på forhånd. Når det gjelder vektleggingen av matematikkens historie i skolen er vi mindre sikre, men vi vil ikke gå så langt som Burns gjør, [Bu]. Vi har i alle fall sans for Kristin Dahls budskap "Sätt kött på formlerna!" i [D]. Fortell om mennesket - matematikeren - og om de tanker som ligger bak formler og regler!

Forhåpentligvis kan man ved å inkludere den type stoff som er omtalt i det foregående, vekke entusiasme for faget, som i neste omgang kan smitte over på elevene.

Referanser

[A1] Aubert, K.E. (1993): Niels Henrik Abel; Fra Matematikkens spennende verden, Tapir forlag
[A2] Aubert, K.E. (1993): Norske tallteoretikere; Fra matematikkens spennende verden, Tapir forlag
[BBB] Bekken, O.B., Borgersen, H.E., Breiteig, T. (1978): Matematikk som undervisningsfag. Rapport fra Norsk Matematikkråds arbeidsgruppe i fagmetodikk, ADH, Rapport 1978: 2
[Be] Bell, E.T. (1961): Men of Mathematics, Simon & Schuster
[Bu] Burns, B. (1998): Matematikkens historie - blindspor eller skatteskiste, Tangenten, nr. 2/1998
[C] Calinger (red.) (1996): Vita Mathematica, MAA Notes No 40, The Mathematical Association of America
[D] Dahl, K. (1993): "Min hat-kärlek till matematiken", "SÅNN, JA!", Rapport fra en konferanse om matematikk-didaktikk og kvinner i matematiske fag, NAVF, Arbeidsnotat 2/93
[E] Edwards, C.H. (1937): The Historical Development of the Calculus, Springer Verlag
[K] Kline, M. (1972): Mathematical Thought from Ancient to Modern Times, Oxford
[O] Ore, Ø. (1954): Niels Henrik Abel. Et geni og hans samtid, Gyldendal
[L] Lindstrøm, T. (1996): Kalkulus, Bind I, Universitetsforlaget
[SFBJK] Swetz, F., Fauvel, J., Bekken, O., Johansson, B., Katz, V. (red) (1995): Learn from the Masters, MAA
[St] Stubhaug, A. (1996): Et foranskutt lyn. Niels Henrik Abel og hans tid, Aschehoug
[TL] Tambs Lyche, R. (1962): Matematisk analyse, I-III, Gyldendal


Vi takker Christian Skau, Sverre Smalø og Haakon Waadeland for nyttige diskusjoner og råd under arbeidet med artikkelen, og Eirik Mo for tilrettelegging av materialet for utlegging på internett.