DETERMINATIO ATTRACTIONIS
QUAM IN PUNCTUM QUODVIS POSITIONIS DATAE
EXERCERET PLANETA SI EIUS MASSA
PER TOTAM ORBITAM
RATIONE TEMPORIS QUO SINGULAE PARTES DESCRIBUNTUR
UNIFORMITER ESSET DISPERTITA.
1.
Variationes saeculares, quas elementa orbitae planetariae a perturbatione alius planetae patiuntur, ab huius positione in orbita sunt independentes, atque eaedem forent, sive planeta perturbans in orbita elliptica secundum Kepleri leges incedat, sive ipsius massa per orbitam eatenus aequabiliter dispertita concipiatur, ut orbitae partibus, alias aequali temporis intervallo descriptis, iam aequales massae partes tribuantur, siquidem tempora revolutionum planetae perturbati et perturbantis non sint commensurabilia. Theorema hoc elegans, si a nemine hucusque disertis verbis propositum est, saltem perfacile ex astronomiae physicae principiis demonstratur. Problema itaque se offert tum per se, tum propter plura artificia, quae eius solutio requirit, attentione perdignum: attractionem orbitae planetariae, aut si mavis, annuli elliptici, cuius crassities infinite parva, atque secundum legem modo explicatam variabilis, in punctum quodlibet positione datum exacte determinare.
2.
Denotando excentricitatem orbitae per atque puncti cuiusvis in ipsa anomaliam excentricam per huius elemento respondebit elementum anomaliae mediae quamobrem elementum massae ei orbitae portiunculae, cui respondent illa elementa, tribuendum, erit ad massam integram, quam pro unitate accipiemus, ut ad exprimente semicircumferentiam circuli pro radio Statuendo itaque distantiam puncti attracti a puncto orbitae attractio ab orbitae elemento producta erit
Designabimus semiaxem maiorem per semiaxem minorem per atque illum tamquam lineam abscissarum, centrumque ellipsis tamquam initium adoptabimus. Hinc erit abscissa puncti orbitae ordinata Denique distantiam puncti attracti a plano orbitae denotabimus per atque coordinatas reliquas axi maiori et minori parallelas per et His ita praeparatis, attractio elementi orbitae decomponetur in duas axi maiori et minori parallelas atque tertiam plano orbitae normalem, puta
ubi
Integratis hisce differentialibus ab usque ad prodibunt attractiones partiales secundum directiones, directionibus coordinatarum oppositas, e quibus attractio integra composita erit, et quas per methodum notam ad quaslibet alias directiones referre licebit.
3.
Rei summa iam in eo versatur, ut introducta loco ipsius alia variabili, quantitas radicalis in formam simpliciorem redigatur. Ad hunc finem statuemus
ubi autem novem coëfficientes
etc. manifesto non sunt penitus arbitrarii, sed certis conditionibus satisfacere debent, quas ante omnia perscrutari oportet. Primo observamus, substitutionem eandem manere, si omnes coëfficientes per eundem factorem multiplicentur, ita ut absque generalitatis detrimento uni ex ipsis valorem determinatum tribuere, e
.g
. statuere liceret
attamen concinnitatis caussa omnes novem aliquantisper indefiniti maneant. Porro monemus, ex
cludi debere valores tales, ubi
vel
ipsis
resp. proportionales essent: alioquin enim
haud amplius indeterminata maneret. Nequeunt igitur
simul evanescere.
Manifesto coëfficientes etc. ita comparati esse debent, ut fiat indefinite
unde necessario haec functio habere debet formam
Hinc colligimus sex aequationes conditionales
(I)
Ab his aequationibus pendent plures aliae, quas evolvere operae pretium erit. Statuendo brevitatis caussa
(II)
e combinatione aequationum (I) facile derivantur novem sequentes:
(III)
E tribus primis harum aequationum rursus deducimus hanc:
cui aequivalens est haee:
quae adiumento aequationum 2, 3, 4 in (I) mutatur in hanc:
(IV)
Aeque facile ex aequationibus (I) derivantur hae:
(V)
Exempli caussa evolutionem primae adscribimus, ad cuius instar reliquae facile formabuntur. Aequationes 4, 2, 3 in (I) scilicet suppeditant
quae aequatio evoluta protinus ipsam primam in (V) sistit.
Ex his aequationibus (V) concludimus, valorem in disquisitione nostra haud admissibilem esse; hinc enim omnes novem quantitates etc. necessario evanescerent, i.e. coëfficientes tum ipsis tum ipsis proportionales evaderent. Hinc etiam, propter aequationem IV, quantitas evanescere nequit; quamobrem necessario debet esse quantitas positiva, siquidem omnes coëfficientes etc. debent esse reales. Combinatis tribus aequationibus primis in (III) cum tribus primis in (V), hae novae prodeunt, quae manifesto a valore ipsius non evanescente pendent:
(VI)
Combinatio reliquarum easdem produceret. His denique adiungimus tres sequentes:
(VII)
quae facile ex aequationibus III derivantur; e.g. secunda, quinta et octava suppeditant:
Manifesto hae quoque aequationes ab exclusione valoris sunt dependentes[1]
Quoniam, ut iam supra monuimus, omnes coëfficientes etc. per eundem factorem multiplicare licet, unde valor ipsius per quadratum eiusdem factoris multiplicatus prodibit, abhinc semper supponemus
quo pacto necessario quoque erit vel vel Patet itaque, novem coëfficientes etc., inter quos sex aequationes conditionales adsunt, ad tres quantitates ab invicem independentes reducibiles esse debere, quod quidem commodissime per tres angulos sequenti modo efficitur:
ubi signorum ambiguorum superiora referuntur ad casum
inferiora ad casum
Attamen tractatio analytica ad maximam partem elegantius sine usu horum angulorum absolvitur. Ceterum haud difficile foret, significationem geometricam tum horum angulorum, tum reliquarum quantitatum auxiliarium in hac disquisitione occurrentium assignare; hanc vero interpretationem ad institutum nostrum haud necessariam lectori perito explicandam linquimus.
4.
Si iam in expressione distantiae pro et valores supra assumti substituuntur, illa in hanc formam transibit:
ubi coëfficientes etc. ita determinabimus, ut salvis sex aequationibus conditionalibus
[1]
adeoque etiam reliquis inde demanantibus, fiat
quo pacto problema generaliter loquendo erit determinatum. Quodsi itaque denominatorem ipsius per denotamus, transire debet functio trium quantitatum haec
per substitutionem
in
Manifesto hoc idem est, ac si dicas, functionem trium indeterminatarum hanc
per substitutionem
in functionem indeterminatarum hanc
transire debere. At quum ex his formulis, adiumento aequationum [1], facile sequatur
manifesto functio identica esse debebit cum hac
unde habemus sex aequationes
[2]
Ex his duodecim aequationibus [1] et [2] incognitas nostras
etc
., determinare oportebit.
5.
E combinatione aequationum [1] et [2] facile derivantur sequentes:
unde fit porro
| [3] |
| [4] |
|
Ultimam sic quoque exhibere possumus
[5]
Perinde e combinatione aequationum [1] et [2] deducimus
atque hinc
| [6] |
| [7] |
| [8] |
et prorsus simili modo
| [9] |
| [10] |
| [11] |
Patet itaque, esse radices aequationis
quae rite evoluta ita se habet
[13]
6.
Iam de indole huius aequationis cubicae sequentia sunt notanda.
I. Ex aequationis termino ultimo concluditur, eam certe habere radicem unam realem, et quidem vel positivam, vel, si cifrae aequalem. Denotemus hanc radicem realem non negativam per
II. Subtrahendo ab aequatione 12, ita exhibita
hanc
et dividendo per oritur nova, duas reliquas radices complectens
quae rite ordinata et soluta suppeditat [14]
Haec expressio, quum quantitas sub signo radicali natura sua sit positiva, vel saltem non negativa, monstrat, etiam duas reliquas radices semper fieri reales.
III. Subtrahendo autem ab invicem aequationes istas sic exhibitas
et dividendo per prodit aequatio duas reliquas radices continens in hacce forma:
cui manifesto, si est quantitas positiva, per valorem positivum ipsius satisfieri nequit. Unde concludimus, aequationem nostram cubicam radices positivas plures quam unam habere non posse.
IV. Quoties itaque non est inter radices aequationis nostrae, aderunt necessario radix una positiva cum duabus negativis. Quoties vero adeoque una radicum, reliquas complectetur aequatio
unde hae radices exprimentur per
Tres casus hic iterum distinguere oportebit.
Primo si terminus ultimus est positivus (i.e. si punctum attractum in plano ellipsis attrahentis intra curvam iacet), ambae radices, quum reales esse debeant, eodem signo affectae erunt, adeoque quum simul positivae esse nequeant, necessario erunt negativae. Ceterum hoc etiam independenter ab iis, quae iam demonstrata sunt, inde concludi potest, quod coëfficiens medius, quem ita exhibere licet
manifesto in hoc casu sit positivus.
Secundo, si terminus ultimus est negativus, sive punctum attractum in plano ellipsis extra curvam situm, necessario altera radix positiva erit, altera negativa.
Tertio autem, si terminus ultimus ipse evanesceret, sive punctum attractum in ipsa ellipsis circumferentia iaceret, etiam radix secunda fieret atque tertia
i.e. negativa. Ceterum hunc casum, physice impossibilem, et in quo attractio ipsa infinite magna evaderet, a disquisitione nostra, hocce saltem loco, excludemus.
7.
Ad determinandos coëfficientes
ex aequationibus 1, 3, 4, 6, 7, 9, 10 invenimus
[15]
Ex his aequationibus rite cum 5, 8, 11 combinatis etiam sequitur:
[16]
Hae posteriores expressiones ostendunt, nullam quantitatum negativam esse posse, siquidem debent esse reales.
In casu itaque eo, ubi non est necessario aequalis statui debet radici positivae aequationis patetque adeo, aequalem esse debere alteri radici negativae, atque aequalem alteri[2]; utram vero radicem pro utram pro adoptemus, prorsus arbitrarium erit.
Quoties punctumque attractum intra curvam situm, duas radices negativas aequationis 13 necessario pro et adoptare et proin statuere oportet. Quoniam vero in hoc casu formula prima in 16 fit indeterminata, formulam primam in 15 eius loco retinebimus, quae suppeditat
Quoties autem pro punctum attractum extra ellipsin iacet, aequationis 13 radix positiva statuenda est atque vel negativa et vel radix negativa et coëfficientem vel vero inveniemus per formulam
Ceterum in casu iam excluso, ubi punctum attractum in ipsa circumferentia ellipsis situm supponeretur, coëfficientes et vel et evaderent infiniti, quod indicat, transformationem nostram ad hunc casum omnino non esse applicabilem.
8.
Quamquam formulae 15, 16 ad determinationem coëfficientium sufficere possent, tamen etiam elegantiores assignare licet. Ad hunc finem multiplicabimus aequationem [5] per unde prodit, levi reductione facta,
Sed e natura aequationis cubicae fit
- summa radicum
- productum radicum
Hinc aequatio praecedens transit in sequentem:
quam etiam sic exhibere licet
Hinc valor coëfficientis e formula prima in [15] transmutatur in sequentem:
[17]
Per analysin prorsus similem invenitur
| [18] |
| [19] |
Postquam coëfficientes inventi sunt, reliqui inde per formulas 3, 4, 6, 7, 9, 10 derivabuntur.
9.
Signa expressionum radicalium, per quas determinavimus, ad lubitum accipi posse facile perspicitur. Operae autem pretium est, inquirere, quomodo signum quantitatis cum signis istis nexum sit. Ad hunc finem consideremus aequationem tertiam in III art. 3.
quae per formulas 6, 7, 9, 10 transmutatur in hanc:
Sed e consideratione aequationis 13 facile deducimus
Hinc aequatio praecedens fit
quae combinata cum aequatione 17 suppeditat
Hinc patet, si pro
electa sit aequationis cubicae radix negativa absolute maior, simulque coëfficientes
omnes positive accepti sint,
idem signum nancisci, quod habet
idemque evenire, si his quatuor conditionibus, vel omnibus vel duabus ex ipsis, contraria acta sint, oppositum vero, si uni vel tribus conditionibus adversatus fueris. Ceterum sequentes adhuc relationes notare convenit, e praecedentibus facile derivandas:
10.
Formulae nostrae quibusdam casibus indeterminatae fieri possunt, quos seorsim considerare oportet. Ac primo quidem discutiemus casum eum, ubi aequationis cubicae radices negativae aequales fiunt, unde, per formulas 18, 19, coëfficientes valores infinitos nancisci videntur, qui autem revera sunt indeterminati.
Statuendo in formula 14, patet, ut duo valores ipsius i.e. ut et fiant aequales, necessario esse debere
Hinc facile intelligitur, quum natura sua sit vel quantitas positiva, vel esse debere
|
sive |
Substituendo hos valores in aequatione 14, fit
Substituendo porro valorem in aequatione cubica 13, prodit
Quoties haec aequatio conditionalis simul cum aequatione locum habet, casus, quem hic tractamus, adducitur. Et quum fiat
formula 17 suppeditat
ac dein formulae 3, 4
Valores coëfficientium per formulas 18, 19 in hoc casu indeterminati manent, atque sic etiam valores coëfficientium reliquorum Nihilominus per unum horum coëfficientium omnes quinque reliqui exprimi possunt, e.g. fit per formulam 6
ac dein
Sed concinnius hoc ita perficitur. Ex
sequitur
Quapropter statuere possumus
Dein vero e formulis
invenimus
Valor anguli hic arbitrarius est, nec non pro lubitu statui poterit vel vel
11.
Si sunt inaequales, valores coëfficientium per formulas 17, 18, 19 indeterminati esse nequeunt, sed quoties aliqua quantitatum evanescit, valor coëfficientis per formulam resp. indeterminatus manere primo aspectu videtur, quod tamen secus se habere levis attentio docebit.
Supponumus e.g., esse fietque, per aequationem nec non per aequationem 7, (siquidem non fuerit simul ) unde necessario esse debet Si vero simul formula, quae praecedit sextam in art. 5, suppeditat quae aequatio cum iuncta, producit
Hae expressiones manifesto indeterminatae esse nequeunt, nisi simul fuerit tunc vero ad casum in art. praec. iam consideratum delaberemur.
12.
Postquam duodecim quantitates complete determinare docuimus, ad evolutionem differentialis progredimur. Statuamus
[20]
ita ut fiat
| [21] |
| [22] |
Hinc deducimus
adeoque
sive
Observare convenit, quantitatem natura sua semper positivam esse, si coëfficiens sit positivus, vel semper negativam, si sit negativus. Quum enim sit
erit semper
sine respectu signi, minor quam Hinc concludimus, quoties sit quantitas positiva, variabiles et semper simul crescere; quoties autem sit quantitas negativa, necessario alteram variabilem semper decrescere, dum altera augeatur.
13.
Nexus inter variabiles et adhuc melius illustratur per ratiocinia sequentia. Statuendo ita ut fiat ex aequationibus 20, 21, 22 deducimus
Perinde ex aequationibus 21, 22 sequitur
Hae aequationes, statuendo
nanciscuntur formam sequentem:
unde fit per divisionem, propter
Hinc non solum eadem conclusio derivatur, ad quam in fine art. praec. deducti sumus, sed insuper etiam patet, si valor ipsius crescat gradibus, valorem ipsius tantundem vel crescere vel diminui, prout sit vel quantitas positiva vel negativa. Ceterum statuendo manifesto erit
14.
E combinatione aequationum 20, 21, 22 cum aequationibus art. 5 obtinemus:
Statuendo itaque brevitatis gratia
fit
Sed habetur
signo superiore vel inferiore valente, prout est quantitas positiva vel negativa ( enim natura sua semper positive accipitur), i.e. prout coëfficiens est positivus vel negativus. Hinc
ubi signum ambiguum a signo quantitatis pendet.
Ut iam valores ipsarum obtineamus, integrationes differentialium exsequi oportet, a valore ipsius cui respondet usque ad valorem, cui respondet sive etiam (quod manifesto eodem redit) a valore ipsius cui respondet valor arbitrarius ipsius usque ad valorem, cui respondet valor ipsius auctus licebit itaque integrare a usque ad quoties est quantitas positiva, vel a usque ad quoties est negativa. Manifesto itaque, independenter a signo ipsius erit:
integrationibus a usque ad extensis.
15.
Nullo negotio perspicitur, integralia
a usque ad extensa obtinere valores aequales iis, quos nanciscantur, si a usque ad extendantur, sed signis oppositis affectos; quapropter ista integralia a usque ad extensa manifesto fiunt Hinc colligimus, esse
integralibus a usque ad extensis. Quodsi itaque valores integralium, eadem extensione acceptorum,
per denotamus, erit
quo pacto problema nostrum complete solutum est.
16.
Quod attinet ad quantitates manifesto quidem utraque fit
quoties in omnibus vero reliquis casibus ad transscendentes sunt referendae. Quas quomodo per series exprimere liceat, abunde constat. Lectoribus autem gratum fore speramus, si hacce occasione determinationem harum aliarumque transscendentium per algorithmum peculiarem expeditissimum explicemus, quo per multos iam abhinc annos frequenter usi sumus, et de quo alio loco copiosius agere propositum est.
Sint duae quantitates positivae, statuamusque
ita ut resp. sit medium arithmeticum et geometricum inter et Medium geometricum semper positive accipi supponemus. Perinde fiat
et sic porro, quo pacto series etc., atque etc. versus limitem communem rapidissime convergent, quem per designabimus, atque simpliciter medium arithmetico-geometricum inter et vocabimus. Iam demonstrabimus, esse valorem integralis
a usque ad extensi.
Demonstr. Supponamus, variabilem ita per aliam exprimi, ut fiat
perspicieturque facile, dum a valore usque ad augeatur, etiam (etsi inaequalibus intervallis) a usque ad crescere. Evolutione autem rite facta, invenitur esse
adeoque valores integralium
si utriusque variabilis a valore usque ad valorem extenditur, inter se aequales. Et quum perinde ulterius continuare liceat, patet, his valoribus etiam aequalem esse valorem integralis
a usque ad qui manifesto fit Q. E. D.
17.
Ex aequatione, relationem inter et exhibente,
facile deducitur
atque hinc, adiumento eiusdem aequationis,
Multiplicata hac aequatione per
prodit
Multiplicando hanc aequationem per substituendo et integrando, a valoribus et usque ad habemus:
Et quum integrale definitum ad dextram perinde transformare liceat, manifesto integrale
exprimetur per seriem infinitam citissime convergentem
Calculus numericus commodissime per logarithmos perficitur, si statuimus
unde erit
etc. atque |
|
18.
Per methodum hic explicatam etiam integralia indefinita (a valore variabilis inchoantia) maxima concinnitate assignare licet. Scilicet, si perinde per determinari supponitur, uti per ac perinde rursus per et sic porro, etiam pro quovis valore determinato ipsius valores terminorum serie etc. ad limitem citissime convergent, eritque
Sed haec obiter hic addigitavisse sufficiat, quum ad institutum nostrum non sint necessaria.
19.
Quodsi iam statuimus
valores quantitatum
facile ad transscendentes
reducentur. Quum enim
valores integralium
a usque ad extensorum, primo statim obvium est, haberi
[24]
Porro fit
Integrando hanc aequationem a usque ad prodit
[25]
E combinatione aequationum 24, 25 denique colligimus