Правило, которое мы только что дали для заключения условных уравнений, нормальных уравнений, сводится к тому, чтобы сделать минимумом сумму квадратов ошибок наблюдений; ибо каждое условное уравнение становится точным при подстановке в него наблюдения плюс его ошибка; и если мы извлечем из него выражение этой ошибки, легко увидеть, что условие минимума суммы квадратов этих выражений дает рассматриваемое правило. Это правило тем точнее, чем многочисленнее наблюдения; но даже в том случае, когда их число мало, кажется естественным использовать то же правило, которое во всех случаях предлагает простой способ получения без ощупывания поправок, которые мы стремимся определить. Оно служит далее для сравнения точности различных астрономических таблиц одной и той же звезды. Эти таблицы всегда могут быть предположены как приведенные к одной и той же форме, и тогда они отличаются лишь эпохами, средними движениями и коэффициентами аргументов; ибо если одна из них содержит коэффициент, который не встречается в других, ясно, что это сводится к предположению нуля в них в качестве коэффициента этого аргумента. Если теперь мы исправим эти таблицы совокупностью хороших наблюдений, они будут удовлетворять условию, что сумма квадратов ошибок должна быть минимумом; таблицы, которые по сравнению со значительным числом наблюдений ближе всего подходят к этому условию, заслуживают тогда предпочтения.
Именно в астрономии метод, объясненный выше, может быть использован с преимуществом. Астрономические таблицы обязаны поистине поразительной точностью, которой они достигли, точности наблюдений и теорий, а также использованию условных уравнений, которые заставляют содействовать большое число отличных наблюдений в исправлении одного и того же элемента. Но остается определить вероятность ошибок, которые эта поправка все еще оставляет опасаться; и метод, который я только что объяснил, позволяет нам распознать вероятность этих ошибок. Чтобы дать некоторые интересные его применения, я воспользовался огромной работой, которую г-н Бувар только что закончил по движениям Юпитера и Сатурна, из которых он сформировал очень точные таблицы. Он обсудил с величайшей тщательностью противостояния и квадратуры этих двух планет, наблюдавшиеся Брэдли и астрономами, которые следовали за ним вплоть до последних лет; он заключил поправки элементов их движения и их масс по сравнению с массой солнца, принятой за единицу. Его вычисления дают ему массу Сатурна, равную 3512-й части массы солнца. Применяя к ним мои формулы вероятности, я нахожу, что это пари 11 000 к одному, что ошибка этого результата не составляет 1/100 его значения, или то, что составляет почти то же самое — что после столетия новых наблюдений, добавленных к предыдущим и исследованных таким же образом, новый результат не будет отличаться на 1/100 от результата г-на Бувара. Этот мудрый астроном находит также массу Юпитера, равную 1071-й части солнца; и мой метод вероятности дает пари 1 000 000 к одному, что этот результат не ошибочен на 1/100.
Этот метод может быть использован снова с успехом в геодезических операциях. Мы определяем длину большой дуги на поверхности земли посредством триангуляции, которая зависит от базы, измеренной с точностью. Но какая бы точность ни была привнесена в измерение углов, неизбежные ошибки могут, накапливаясь, вызвать значительное отклонение значения дуги, заключенного из большого числа треугольников, от истины. Мы распознаем это значение, таким образом, лишь несовершенно, если вероятность того, что его ошибка заключена в заданных пределах, не может быть назначена. Ошибка геодезического результата есть функция ошибок углов каждого треугольника. Я дал в цитируемой работе общие формулы для получения вероятности значений одной или нескольких линейных функций большого числа частных ошибок, закон вероятности которых мы знаем; мы можем тогда посредством этих формул определить вероятность того, что ошибка геодезического результата содержится в назначенных пределах, каков бы ни был закон вероятности частных ошибок. Кроме того, более необходимо сделать себя независимыми от закона, поскольку самые простые законы сами по себе всегда бесконечно менее вероятны, видя бесконечное число тех, которые могут существовать в природе. Но неизвестный закон частных ошибок вводит в формулы неопределенность, которая не позволяет свести их к числам, если мы не способны исключить ее. Мы видели, что в астрономических вопросах, где каждое наблюдение предоставляет условное уравнение для получения элементов, мы исключаем эту неопределенность посредством суммы квадратов остатков, когда наиболее вероятные значения элементов были подставлены в каждое уравнение. Геодезические вопросы, не предлагая подобных уравнений, требуют поиска другого средства исключения. Величина, на которую сумма углов каждого наблюдаемого треугольника превышает два прямых угла плюс сферический избыток, предоставляет это средство. Таким образом, мы заменяем суммой квадратов этих величин сумму квадратов остатков условных уравнений; и мы можем назначить в числах вероятность того, что ошибка конечного результата ряда геодезических операций не превысит заданную величину. Но каков наиболее выгодный способ распределения между тремя углами каждого треугольника наблюдаемой суммы их ошибок? Анализ вероятностей делает очевидным, что каждый угол должен быть уменьшен на треть этой суммы, при условии, что вес геодезического результата будет наибольшим возможным, что делает ту же ошибку менее вероятной. Существует тогда большое преимущество в наблюдении трех углов каждого треугольника и их исправлении, как мы только что сказали. Простой здравый смысл указывает на это преимущество; но только исчисление вероятностей способно оценить его и сделать очевидным, что посредством этой поправки оно становится наибольшим возможным.
Чтобы убедиться в точности значения большой дуги, которая опирается на базу, измеренную на одном из ее концов, измеряют вторую базу к другому концу; и заключают из одной из этих баз длину другой. Если эта длина очень мало варьируется от наблюдения, есть все основания полагать, что цепь треугольников, которая соединяет эти базы, весьма близка к точной, а также значение большой дуги, которое из нее следует. Исправляют, таким образом, это значение, модифицируя углы треугольников таким образом, чтобы база была вычислена согласно измеренным базам. Но это может быть сделано бесконечным числом способов, среди которых предпочтителен тот, геодезический результат которого имеет наибольший вес, поскольку та же ошибка становится менее вероятной. Анализ вероятностей дает формулы для получения непосредственно наиболее выгодной поправки, которая следует из измерений нескольких баз и законов вероятности, которые делает умножение баз — законы, которые становятся очень быстро убывающими из-за этой множественности.
Обычно ошибки результатов, выведенных из большого числа наблюдений, являются линейными функциями частных ошибок каждого наблюдения. Коэффициенты этих функций зависят от природы задачи и от процесса, которому следовали для получения результатов. Наиболее выгодный процесс — это, очевидно, тот, в котором та же ошибка в результатах менее вероятна, чем согласно любому другому процессу. Применение исчисления вероятностей к натуральной философии состоит, таким образом, в аналитическом определении вероятности значений этих функций и в выборе их неопределенных коэффициентов таким образом, чтобы закон этой вероятности был наиболее быстро убывающим. Исключая, таким образом, из формул посредством данных вопроса множитель, который вводится почти всегда неизвестным законом вероятности частных ошибок, мы можем быть способны оценить численно вероятность того, что ошибки результатов не превышают заданную величину. Мы будем иметь таким образом все, что можно желать, касающееся результатов, выведенных из большого числа наблюдений.
Очень приближенные результаты могут быть получены другими соображениями. Предположим, например, что у кого-то есть тысяча одно наблюдение одной и той же величины; арифметическое среднее всех этих наблюдений есть результат, данный наиболее выгодным методом. Но можно было бы выбрать результат согласно условию, что сумма отклонений от каждого частного значения, все взятые положительно, должна быть минимумом. Кажется действительно естественным рассматривать как очень приближенный результат, который удовлетворяет этому условию. Легко увидеть, что если расположить значения, данные наблюдениями, согласно порядку величины, значение, которое займет среднее, выполнит предыдущее условие, и исчисление делает очевидным, что в случае бесконечного числа наблюдений оно совпало бы с истиной; но результат, данный наиболее выгодным методом, все же предпочтительнее.
Мы видим из того, что предшествует, что теория вероятностей не оставляет ничего произвольного в способе распределения ошибок наблюдений; она дает для этого распределения наиболее выгодные формулы, которые уменьшают насколько возможно ошибки, которых следует опасаться в результатах.
Рассмотрение вероятностей может служить для различения малых нерегулярностей небесных движений, окутанных ошибками наблюдений, и для возвращения к причине аномалий, наблюдаемых в этих движениях.
Сравнивая все наблюдения, именно Тихо Браге распознал необходимость применения к луне уравнения времени, отличного от того, которое было применено к солнцу и планетам. Именно совокупность большого числа наблюдений заставила Майера распознать, что коэффициент неравенства прецессии должен быть немного уменьшен для луны. Но поскольку это уменьшение, хотя и подтвержденное и даже увеличенное Мейсоном, не казалось вытекающим из всемирного тяготения, большинство астрономов пренебрегают им в своих вычислениях. Подчинив исчислению вероятностей значительное число лунных наблюдений, выбранных для этой цели и которые г-н Бувар согласился исследовать по моей просьбе, оно показалось мне указанным с такой сильной вероятностью, что я полагал, что причина его должна быть исследована. Я вскоре увидел, что это может быть только эллиптичность земного сфероида, пренебрегаемая до того времени в теории лунного движения как способная производить лишь незаметные члены. Я заключил, что эти члены становятся заметными посредством последовательных интегрирований дифференциальных уравнений. Я определил тогда эти члены посредством особого анализа и обнаружил сначала неравенство лунного движения по широте, которое пропорционально синусу долготы луны, чего ни один астроном ранее не подозревал. Я распознал тогда посредством этого неравенства, что другое существует в лунном движении по долготе, которое производит уменьшение, наблюдаемое Майером в уравнении прецессии, применимом к луне. Величина этого уменьшения и коэффициент предыдущего неравенства по широте весьма подходят для фиксации сплюснутости земли. Сообщив мои исследования г-ну Бургу, который был занят в то время совершенствованием таблиц луны посредством сравнения всех хороших наблюдений, я попросил его определить с особой тщательностью эти две величины. По весьма замечательному согласию значения, которые он нашел, дают земле ту же сплюснутость, 1/305, которая мало отличается от средней, выведенной из измерений градусов меридиана и маятника; но те, рассматриваемые с точки зрения влияния ошибок наблюдений и возмущающих причин в этих измерениях, не показались мне точно определенными этими лунными неравенствами.
Именно опять-таки посредством рассмотрения вероятностей я распознал причину векового уравнения луны. Современные наблюдения этой звезды, сравненные с древними затмениями, указали астрономам на ускорение в лунном движении; но геометры, и в частности Лагранж, тщетно искавшие в возмущениях, которые это движение испытывало, члены, от которых зависит это ускорение, отвергают его. Внимательное изучение древних и современных наблюдений и промежуточных затмений, наблюдаемых арабами, убедило меня, что оно указано с большой вероятностью. Я взялся тогда опять с этой точки зрения за лунную теорию и распознал, что вековое уравнение луны обусловлено действием солнца на этот спутник, соединенным с вековым изменением эксцентриситета земной орбиты; это привело меня к открытию вековых уравнений движений узлов и перигеев лунной орбиты, каковые уравнения не были даже подозреваемы астрономами. Весьма замечательное согласие этой теории со всеми древними и современными наблюдениями привело ее к очень высокой степени очевидности.
Исчисление вероятностей привело меня подобным образом к причине великих нерегулярностей Юпитера и Сатурна. Сравнивая современные наблюдения с древними, Галлей нашел ускорение в движении Юпитера и замедление в движении Сатурна. Чтобы примирить наблюдения, он свел движения к двум вековым уравнениям противоположных знаков, возрастающим как квадраты времен, прошедших с 1700 года. Эйлер и Лагранж подвергли анализу изменения, которые взаимное притяжение этих двух планет должно производить в этих движениях. Они нашли при этом вековые уравнения; но их результаты были столь различны, что один из двух по крайней мере должен быть ошибочным. Я решил тогда взяться опять за эту важную проблему небесной механики и распознал инвариантность средних планетных движений, что аннулировало вековые уравнения, введенные Галлеем в таблицы Юпитера и Сатурна. Таким образом, остаются, чтобы объяснить великую нерегулярность этих планет, только притяжения комет, к которым многие астрономы эффективно прибегали, или существование нерегулярности в течение долгого периода, произведенной в движениях двух планет их взаимным действием и затронутой противоположными знаками для каждой из них. Теорема, которую я нашел в отношении неравенств такого рода, сделала это неравенство весьма вероятным. Согласно этой теореме, если движение Юпитера ускоряется, движение Сатурна замедляется, что уже соответствовало тому, что Галлей заметил; более того, ускорение Юпитера, вытекающее из той же теоремы, относится к замедлению Сатурна весьма близко в отношении вековых уравнений, предложенных Галлеем. Рассматривая средние движения Юпитера и Сатурна, я был способен легко распознать, что два раза движение Юпитера отличается лишь на очень малую величину от пяти раз движения Сатурна. Период нерегулярности, которая имела бы в качестве аргумента эту разницу, был бы около девяти столетий. Действительно, ее коэффициент был бы порядка кубов эксцентриситетов орбит; но я знал, что в силу последовательных интегрирований она приобретала в качестве делителя квадрат очень малого множителя времени в аргументе этого неравенства, который способен дать ей большое значение; существование этого неравенства показалось мне тогда весьма вероятным. Следующее наблюдение увеличило тогда его вероятность. Предполагая его аргумент равным нулю к эпохе наблюдений Тихо Браге, я увидел, что Галлей должен был найти посредством сравнения современных с древними наблюдениями изменения, которые он указал; в то время как сравнение современных наблюдений между собой должно предлагать противоположные изменения, подобные тем, которые Ламберт заключил из этого сравнения. Я не колебался тогда вовсе предпринять этот долгий и утомительный расчет, необходимый, чтобы убедиться в этом неравенстве. Оно было полностью подтверждено результатом этого расчета, который, более того, заставил меня распознать большое число других неравенств, совокупность которых склонила таблицы Юпитера и Сатурна к точности тех же наблюдений.
Именно опять-таки посредством исчисления вероятностей я распознал замечательный закон средних движений трех первых спутников Юпитера, согласно которому средняя долгота первого минус три раза долгота второго плюс два раза долгота третьего строго равна полуокружности. Приближение, с которым средние движения этих звезд удовлетворяют этому закону с момента их открытия, указывает на его существование с чрезвычайной вероятностью. Я искал тогда причину его в их взаимном действии. Тщательное изучение этого действия убедило меня, что было достаточно, если в начале отношения их средних движений приближались к этому закону в определенных пределах, потому что их взаимное действие установило и поддерживало его строго. Таким образом, эти три тела будут уравновешивать друг друга вечно в пространстве согласно предыдущему закону, если только странные причины, такие как кометы, не изменят внезапно их движения вокруг Юпитера.
Соответственно, видно, как необходимо быть внимательным к указаниям природы, когда они являются результатом большого числа наблюдений, хотя в других отношениях они могут быть необъяснимы известными средствами. Чрезвычайная трудность проблем, относящихся к системе мира, вынудила геометров прибегнуть к приближению, которое всегда оставляет место для опасения, что пренебрегаемые величины могут иметь заметное влияние. Когда они были предупреждены об этом влиянии наблюдениями, они прибегали к своему анализу; исправляя его, они всегда находили причину наблюдаемых аномалий; они определяли законы и часто они предвосхищали наблюдения, обнаруживая неравенства, которые они еще не указывали. Таким образом, можно сказать, что природа сама содействовала аналитическому совершенствованию теорий, основанных на принципе всемирного тяготения; и это, на мой взгляд, одно из самых сильных доказательств истины этого восхитительного принципа.
В случаях, которые я только что рассмотрел, аналитическое решение вопроса изменило вероятность причин в достоверность. Но чаще всего это решение невозможно, и остается только увеличивать все более эту вероятность. Посреди многочисленных и неисчислимых модификаций, которые действие причин получает тогда от странных обстоятельств, эти причины сохраняют всегда с наблюдаемыми эффектами надлежащие отношения, чтобы сделать их распознаваемыми и верифицировать их существование. Определяя эти отношения и сравнивая их с большим числом наблюдений, если обнаруживается, что они постоянно удовлетворяют им, вероятность причин может возрасти до точки, равной вероятности фактов, в отношении которых нет сомнений. Исследование этих отношений причин к их эффектам не менее полезно в натуральной философии, чем прямое решение проблем, будь то для верификации реальности этих причин или для определения законов из их эффектов; поскольку оно может быть использовано в большом числе вопросов, прямое решение которых невозможно, оно заменяет его наиболее выгодным образом. Я обсужу здесь применение, которое я сделал из него к одному из самых интересных явлений природы, приливу и отливу моря.