Newton and the Notion of Limit



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Historia Mathematica 28 (2001), 18–30

doi:10.1006/hmat.2000.2301, available online at http://www.idealibrary.com on

Newton and the Notion of Limit

Bruce Pourciau



Department of Mathematics, Lawrence University, Appleton, Wisconsin 54912

E-mail: bruce.h.pourciau@lawrence.edu

We investigate Newton’s understanding of the limit concept through a study of certain proofs ap-

pearing in the Principia. We find that Newton, not Cauchy, was the first to present an epsilon argument,

and that, in general, Newton’s understanding of limits was clearer than commonly thought. We observe

Newton’s distinction between two properties easily confused, namely f

/→ 1 and − → 0, we

resolve a problem created by a spurious translation appearing in Cajori’s revision of Motte’s origi-

nal translation, and we come to a deeper understanding of the well-known but less well understood

Lemma XI of Section I, Book I.

C

2001 Academic Press



Nous examinons la notion newtonienne du concept de limite en ´etudiant certaines preuves qui

apparaissent dans les Principia. Nous d´ecouvrons que Newton, et non pas Cauchy, a ´et´e le premier `a

pr´esenter un argument d’epsilon et que, en g´en´eral, la compr´ehension newtonienne de la limite ´etait

bien plus lucide qu’on ne le pense commun´ement. Nous observons la distinction que fait Newton entre

deux propri´etes qui se confondent facilement, `a savoir f

/→ 1 et − → 0, et nous r´esolvons un

probl`eme n´e d’une traduction incorrecte parue dans la r´evision par Cajori de la traduction de Motte.

Nous parvenons ainsi `a comprendre plus compl`etement le Lemma XI, Section I, Livre I, bien connu

mais moins bien compris.

C

2001 Academic Press



Key Words: Newton; Principia; limit; ultimate ratio; Cauchy.

How well did Newton understand the notion of limit? In chapters on the evolution of the

limit concept in standard books on the history of mathematics, Newton comes across as

vague and confused, almost clueless, especially compared, for example, to Cauchy:



Newton.

He had no approach to a limit that would be recognized today. [Bell 1945, 151]

This is the clearest statement Newton gave as to the nature of ultimate ratios, but ... it is precisely this

lack of arithmetical clarity which led to controversial discussions ... as to what Newton really meant....

The meanings of the terms ... “prime and ultimate ratio” had not been clearly explained by Newton, his

answers being equivalent to tautologies. ...Such an interpretation of Newton’s meaning, which of course

results in the ... indeterminate ratio 0/0, is not unjustified. [Boyer 1959, 198, 216, and 226]

Though by no means clear, this is the clearest statement Newton ever gave.... [Kline 1980, 135]

In this ... there are obscurities and difficulties. Newton appears to teach that a variable quantity and its

limit will ultimately coincide and be equal. [Cajori 1991, 199]

Newton [spoke] of “ultimate values of vanishing quantities,” but this is only to cover up with words the

imprecision of the ideas. [Dieudonn´e 1992, 62]

[Newton] ... succeeded in doing [nothing] more with the limit concept than confusing himself ... [Kline

1953, 231]



Cauchy.

The definitions of limit ... current today in thoughtfully written texts on elementary calculus are sub-

stantially those expounded and applied by Cauchy. [Bell 1945, 292]

18

0315-0860/01 $35.00



Copyright

C

2001 by Academic Press



All rights of reproduction in any form reserved.


HMAT 28

NEWTON AND LIMITS

19

This is the most clear-cut definition of the concept which had been given up to that time. [Boyer 1959,



273]

It is essentially [Cauchy’s] definitions that we find in the more carefully written of today’s elementary

textbooks on the calculus. [Eves 1983, 425]

Even today Cauchy’s definition of limit ... will be found in any carefully written book on the calculus.

[Bell 1937, 286]

Cauchy’s work ... presented an acceptable set of definitions ... needed for a rigorous calculus. [Fauvel

and Gray 1987, 563]

He defined carefully ... the basic notions of the calculus—function, limit.... [Kline 1980, 174]

With the teaching work of Cauchy ... we find ourselves at last on solid ground. ...The notion of limit,

fixed once and for all, is taken as the point of departure. [Bourbaki 1994, 196]

Based on these statements, a search through original sources for the actual definitions

of limit given by these two mathematicians should reveal the stark contrast of a muddled

Newton and a rigorous Cauchy. The leading section of Newton’s Principia opens with eleven

preliminary mathematical lemmas and closes with a discussion of limits, in particular limits

of quotients, or, as Newton puts it, ultimate ratios, and it is here in this closing discussion

that we find Newton’s best definition of limit:

Those ultimate ratios ... are not actually ratios of ultimate quantities, but limits ... which they can approach

so closely that their difference is less than any given quantity.... [Newton 1999, 442; Newton 1946, 39]

1

A surprise: this is not the confused Newton we were led to expect. It may be more an



epsilon than an epsilon-delta definition, but the core intuition is clear and correct. Well,

perhaps Newton’s definition will look more confused when we compare it to Cauchy’s

1821 definition, which comes from his Cours d’Analyse:

When the successively attributed values of the same variable indefinitely approach a fixed value, so that

finally they differ from it by as little as desired, the last is called the limit of all the others. [Grabiner

1981, 80]

Surprised again: where is the rigorous Cauchy, the Cauchy whose “definition of limit ...

will be found in any carefully written book on the calculus”? One would be hard pressed to

squeeze 34 much less 134 (

=1821–1687) years worth of difference between the definitions

given by Newton and Cauchy. What’s going on?

Partly the problem stems from our tight focus on the definitions, a narrowness that has

inadvertently led us to compare the worst of Cauchy with the best of Newton and to obtain

as a result a misleading gauge of their relative command of the limit notion. In modern

mathematics, we naturally look for the meaning of a concept in its given definition, but in

Newton’s work and Cauchy’s as well, the intended meaning often lies hidden in a relatively

vague definition and only comes out explicitly and more precisely in subsequent calculations

and proofs. For example, in the Principia the more precise meaning behind Newton’s rough

definition of acceleration—as a quantity “proportional to the velocity which it generates

in a given time” [Newton 1999, 407; Newton 1946, 4]—only becomes clear later, in the

demonstrations of certain following propositions, where Newton computes accelerations

with a careful limit argument. Similarly, the real meaning of Cauchy’s definition of limit

becomes manifest in later proofs, where, given an

†, Cauchy determines an appropriate –.

1

Our translations throughout will follow Cohen and Whitman [Newton 1999], but we give page numbers for



both [Newton 1999] and Cajori’s revision [Newton 1946] of Andrew Motte’s 1729 translation.


20

BRUCE POURCIAU

HMAT 28

Concentrating on just his definition, we thus underestimate Cauchy’s understanding of



limits. Do we make the same error with Newton, but in the opposite direction? Singling

out his definition from the Principia, do we overestimate Newton’s understanding of lim-

its? We shall argue here that the answer is no, at least with regard to Newton’s mature

understanding, that in fact by the time he wrote the Principia in 1687, Newton’s under-

standing of the limit process was as good as his surprisingly good definition and signifi-

cantly better than many works on the history of mathematics would have us believe. This

position would be difficult to defend if Newton’s definition stood alone. A single call

of clarity never duplicated, never amplified or applied in any demonstration, could well

seem almost accidental. But as we shall see, Newton does apply his definition while prov-

ing three preliminary mathematical lemmas of the Principia, and a study of these proofs

will tell us more about Newton’s understanding of limits (including the limits of that un-

derstanding) and will convince us, in particular, that the clarity of his definition was no

accident.

As we noted earlier, the statement we have taken as Newton’s definition of limit appears

early in the Principia in a discussion of the limit concept that follows the eleven preliminary

mathematical lemmas of Section I. Let us return to that point in the Principia, before we go

on to the lemmas themselves, because the two sentences which follow the definition provide

special insight into Newton’s command of the limit notion. At this stage of the discussion,

Newton tries to make clear (without the benefit of function notation) that the limit of a ratio

f

/g, where both and tend to 0, is not the ratio of the limits:

It can also be contended, that if the ultimate ratios of vanishing quantities [that is, the limits of such

ratios] are given, their ultimate magnitudes will also be given; and thus every quantity will consist of

indivisibles, contrary to what Euclid has proved.... But this objection is based on a false hypothesis.

Those ultimate ratios with which quantities vanish are not actually ratios of ultimate quantities, but

limits which ... they can approach so closely that their difference is less than any given quantity... This

matter will be understood more clearly in the case of quantities indefinitely great. If two quantities

whose difference is given are increased indefinitely, their ultimate ratio will be given, namely the ratio

of equality, and yet the ultimate or maximal quantities of which this is the ratio will not on this account

be given. [Newton 1999, 443; Newton 1946, 39, italics added]

In the calculus classroom, students always want to “plug in,” to calculate limits, whether

it’s plugging in the limits of the numerator and denominator to compute the limit of the

ratio or plugging in the value of the function to find the limit of the function. To get them to

see, not just the possibility of error in this, but the misunderstanding of the limit notion it

implies, a good teacher might provide his class with many examples where one manifestly

cannot plug in at all. One such example: the limit of a ratio f

/where the difference



f

− remains fixed as both and become arbitrarily large. Newton, a good teacher often

in the Principia (but not in the lecture hall, where he cared little and students responded

in kind), offers exactly this example in the two sentences above that we have stressed

with italic. As he correctly points out, in a case like this f

/→ 1 even though and g

themselves have no limits at all. (A simple instance of this: (t

+ 1)/→ 1 as → +∞.)

Newton’s illustration is the excellent pedagogical choice of a teacher who knows his subject

well, who knows in particular the distinction between having a ratio that tends to 1 and

having a difference that tends to 0, that one can have, as in his example, f

/→ 1 without



f

− → 0.




HMAT 28

NEWTON AND LIMITS

21

Ironically, just at this point where Newton, in making this distinction, illustrates his grasp



of the limit concept, a 19th-century commentator on the Principia, J.F.M. Wright, illustrates

his own confusion:

The fact is, Newton himself, if we may judge from his own words..., “If two quantities, whose difference

is given, be augmented continually, the ultimate ratio of these quantities will be a ratio of equality,”

had no knowledge of the true nature of his method of prime and ultimate ratios. If there be meaning in

words, he plainly supposes in this passage, a mere approximation to be the same with an ultimate ratio.

[Wright 1833,3]

Thus Wright, in 1833, believed that f

/→ 1 necessarily implies − → 0, but Newton,

in 1687, knew better. Not to dwell on the confusion of Principian commentators, since

it does little to extend our case for Newton’s understanding of limits, but Wright also

believed the converse, namely that f

− → 0 entails f/→ 1, which is false as well:

t

− t

2

→ 0 if → 0 with > 0, yet t/t



2

becomes arbitrarily large. Our study of the pre-

liminary mathematical lemmas and their proofs, even just the three we take up below, will

reveal that Newton knew exactly when these conditions, f

/→ 1 and − → 0, were

equivalent.

Let us then turn to these lemmas that fill out Section I, Book One, of the Principia. “I

have presented these lemmas before the propositions,” Newton tells us,

to avoid the tedium of working out lengthy proofs by reductio ad absurdum, in the manner of the ancient

geometers. ...I preferred to make the proofs of what follows depend on the ultimate sums and ratios of

vanishing quantities [instead of the method of indivisibles]... For the same result is obtained by these as

by the method of indivisibles, and we shall be on safer ground using principles that have been proved.

[Newton 1999, 441; Newton 1946, 38]

When he composed the lemmas, Newton may well have thought of them as foundational,

as basic results in his geometric calculus that he would refer to frequently in subsequent

arguments of the Principia. On the other hand, he may have inserted them later, creating a sort

of “retrospective gloss” as Whiteside puts it [Newton 1967–1981 VI, 108], to increase the

apparent rigor of the exposition. Whatever the case, these eleven preliminary mathematical

lemmas are not in fact cited often in the demonstrations which follow Section I, but they

are, nonetheless, truly foundational in a different sense, for not only is each lemma the

geometric version of a basic definition, property, or theorem of calculus, but taken together

the lemmas form a coherent and natural whole: in their geometric disguise, they are just

the calculus results one would expect to need in any mathematical study of orbital motion.

More on this aspect of the lemmas can be found in [Pourciau 1998].

In the present study, we have a particular interest in three of these lemmas—Lemma I

on the limit of a difference, Lemma II on the existence of the integral, and Lemma XI on

the second derivative—because their statements and proofs most clearly reveal Newton’s

grasp of the limit process. To read these lemmas requires a double translation, not only a

first translation from the original Latin into English (for which we rely on [Newton 1999]),

but then a second translation as well, for the lemmas come to us packed in the Principia’s

unique blend of Euclidean geometry and limits, a sort of geometric calculus, and we cannot

sort out what the lemmas really say without doing some unpacking. But any translation

disturbs meaning, and we must take great care to minimize that disturbance, to preserve as

far as possible Newton’s original intent.




22

BRUCE POURCIAU

HMAT 28

We begin with Lemma I and its brief demonstration:



L

EMMA


I.

Quantitiesand also ratios of quantitieswhich in any finite time constantly tend to equality,

and which before the end of that time approach so close to one another that their difference is less than

any given quantitybecome ultimately equal.

If you deny this, let them become ultimately unequal, and let their ultimate difference be D. Then they

cannot approach so close to equality that their difference is less than the given difference D

, contrary

to the hypothesis. [Newton 1999, 433; Newton 1946, 29]

Let us try to tease the meaning out line by line. To introduce “quantities, and also ratios of

quantities” is to introduce, without the benefit of function notation, two functions, and g

say, which themselves may be ratios of other functions. To suppose of and that “before

the end of [some finite] time [they] approach so close to one another that their difference

is less than any given quantity,” is to suppose that as t

→ c

(that is, as approaches c



from the left), where is finite and positive, ()

− g(t) → 0. When Newton requires that



and constantly tend to equality,” [my italics], he is assuming further that ()

− g(t)

not only converges to 0, but actually decreases monotonically to 0. (We may abbreviate this

by writing ()

− g(t) ↓ 0.) Under these conditions, the lemma concludes that the limits

l

≡ lim


t

c



() and m

≡ lim


t

c



g(t) exist and are equal.

Newton assumes finite presumably to rule out cases like (t)

tg(t) = + (1/t),

where f

− ↓ 0 as → +∞, yet the individual limits of and fail to exist. Of course

taking finite does not exclude an example such as ()

= 1/(1 − t) + 1 − tg(t) = 1/

(1

− t), where again − ↓ 0 (as → 1



) while and themselves grow arbitrarily

large, but then part of the meaning of Newton’s “quantities” may have been that they could

not become arbitrarily large in finite time. Moreover, these “quantities” (which are generally

lengths or areas of geometric figures) appear by implicit assumption to be smooth (in fact

to possess as many derivatives as required) and (at least locally) monotonic.

With these constraints, the ultimate values of and (that is, l

≡ lim


t

c



() and

m

≡ lim


t

c



g()) must indeed exist, and the proof of Lemma I is simple and correct. For

if we deny the conclusion, D

≡ − would be positive, not zero, and then the inequality

D

(t) − g(t) (for c), which follows from the assumption in the lemma that the dif-

ference ()

− g(t) decreases monotonically, would prevent that difference from becoming

as small as we please, a contradiction.

Certain aspects of Lemma I remain unclear, and our interpretation of Newton’s intended

meaning must be somewhat tentative. For example, is it reasonable (that is, how much

distortion does it cause) to think of Newton’s “quantities” as functions? Continuous func-

tions? Smooth functions? Is the existence of the limits and an implicit hypothesis of

this particular lemma, a consequence of some background assumption about “quantities,” a

result of assumptions in the lemma, presumed in error, or the product of some combination

of these possibilities? What does remain clear, however, is Newton’s core understanding,

here a special case of his definition of limit, that a quantity has limit zero if it can be made

less than any given distance. Simple and clear. No indivisibles nor “ghosts of departed

quantities.” No confusion.

The same basic clarity comes out in Lemma II and its proof:

L

EMMA



II.

If in any figure AacE

comprehended by the straight lines Aa and AE and the curve acE,



any number of parallelograms Ab

BcCd... are inscribed upon equal bases ABBCC D... and




HMAT 28

NEWTON AND LIMITS

23

sidesBb

CcDd... parallel to the side Aa of the figureand if the parallelograms aK blbLcmcMdn,



... are completedif then the width of these parallelograms is diminished and their number increased

indefinitelyI say that the ultimate ratios which the inscribed figure AK bLcMd D

the circumscribed



figure AalbmcndoEand the curvilinear figure Aabcd Ehave to one another are ratios of equality.

For the difference of the inscribed and circumscribed figures is the sum of the parallelograms K l

LmMn,

and Do

, that is (because they all have equal bases), the rectangle having as base K b (the base of one

of them) and as altitude Aa (the sum of the altitudes)

, that is, the rectangle ABla. But this rectangle,

because its width A B is diminished indefinitely, becomes less than any given rectangle. Therefore

, (by

lem. I) the inscribed figure and the circumscribed figure and



, all the more, the intermediate curvilinear

figure become ultimately equal. Q.E.D. [Newton 1999, 433; Newton 1946, 29]

In notation more comfortable for us (and doing no real damage to Newton’s original mean-

ing), the figure AacE would be the graph of a function defined on the segment AE . Newton

clearly (but without saying so) takes to be monotone decreasing with ()

= 0. Of course

the areas of the inscribed and circumscribed figures, AK bLcMd D and AalbmcndoE , cor-

respond to lower and upper sums,



L

n

≡ (t

1

t



+ · · · + (t

n

t

and

U

n

≡ (t

0

t



+ · · · + (t

n

−1

t



,

that arise from a partition



A

t

0

t

1

< · · · < t



n

−1

t



n

E

of the segment AE into subintervals of equal length

t

AE/n. If by

we denote the

area under the graph of (an area which Newton takes here to be computed, not defined),

then the lemma concludes: “the ultimate ratios [which L

n

,

, and U



n

] have to one another

are ratios of equality,” that is, the ratio of any one to the other will tend to 1 as n

→ ∞.


Turning to Newton’s proof, he notes that the difference of the inscribed and circumscribed

areas is less than the area of the rectangle A Bla; that is,



U

n

− L



n

Aa · AB Aa ·

AE

n

.

Then he remarks that the area of this rectangle “becomes less than any given rectangle,”



and concludes, from Lemma I, that

lim


n

→∞

L



n

=

= lim



n

→∞

U



n

.



24

BRUCE POURCIAU

HMAT 28

In his geometric style, Newton has stated and proved a basic theorem of calculus—



THEOREM Every monotonic function on a closed and bounded interval must be integrable.

—and his demonstration is essentially the proof “that we find in the more carefully writ-

ten of today’s elementary textbooks on the calculus,” to borrow from [Eves 1983, 425]

an appreciation of Cauchy. We also see again the fundamental understanding and definition

of a limit as a value approached “so closely that their difference is less than any given

quantity.” [Newton 1999, 442; Newton 1946, 39] On the other hand, having earlier seen

Newton give an example where f

/→ 1 yet − does not go to 0, we now find him

apparently equating L

n

/U



n

→ 1 (“ratios of equality,” in the statement of the lemma) with



U

n

− L



n

→ 0 (“difference ... becomes less than any given rectangle,” in his demonstration).

Has he forgotten himself? Surely not. He just knows the conditions under which these two

limit properties are equivalent—namely, that either the limit of or the limit of is finite

and nonzero.

Impressed again with Newton’s understanding of the limit process, let us skip ahead to

the somewhat more obscure yet enlightening case of Lemma XI. All along our translations

have followed Cohen and Whitman [Newton 1999], but for reasons that will become clear

soon, in the case of Lemma XI we first give the version found in Cajori’s revision of Motte’s

original 1729 translation:

L

EMMA


XI.

The evanescent subtense of the angle of contact, in all curves which at that point of

contact have a finite curvature, is ultimately as the square of the subtense of the conterminous arc.

[Newton 1946, 36]

Some translation work of our own would seem to be in order here, since the English

sounds as foreign as the original Latin. In the figure above, the line A D is tangent to the

curve A B at the point A. By the “evanescent subtense of the angle of contact” Newton

means the length B D and by the “subtense of the conterminous arc” he means the length



A B of the chord. (For simplicity and to follow the Principia’s style, A B and B D, and

similar notations, may refer to curves, lines, segments, or segment lengths. Context and

verbal cues—for instance, “the length A B”—should help us from getting confused.)



HMAT 28

NEWTON AND LIMITS

25

Furthermore, one quantity “is ultimately as” another, according to Newton, when their



ratio tends to a finite positive number. Thus to claim that the “evanescent subtense of the

angle of contact ... is ultimately as the square of the subtense of the conterminous arc” boils

down to claiming that the ratio B D

/AB

2

tends to a finite positive number as tends to



A. Intuitively, this tells us that in a small neighborhood of the point AB D is just about

proportional to A B

2

, since in such a neighborhood their ratio remains almost (a positive)



constant.

Now the lemma makes this claim, not for all curves, but only those with “finite curvature”

at A. Note first that Newton’s original Latin, finitam, translated naturally as “finite,” should

actually be taken as meaning “finite and nonzero” or perhaps “finite and positive” in many

contexts, including this one, in part because a vanished quantity in the Principia (often

a length, area, or volume) is not considered “finite,” like the number zero, but gone, like

a nonexistent length. More importantly, when the assumption “...finitam” appears in a

lemma or proposition, we can often tell from the way Newton applies this assumption in a

subsequent demonstration that “finite and nonzero” is the intended meaning.

As for “curvature,” this needs no translation, for it means to us what it did to Newton.

Just to remind ourselves, the curvature at any point of a circle is the reciprocal of the

radius, and the curvature at the point of a curve A B is the curvature of that circle

which “fits the curve best” at A. (We have no need for the precise definition here.) As

early as 1671, in his long tract on series and fluxions [Newton 1967–1981 III, 32–353],

Newton had defined curvature for plane curves, given several equivalent characterizations,

obtained formulas for it, one involving partial derivatives, and calculated the curvature

of many different curves. A comment in his Waste Book, recorded in December 1664 or

January 1665, indicates that he also understood the connection between curvature and

the mathematical study of orbital motion: “If the body b moved in an Ellipsis, then its

force in each point (if its motion in that point bee given) may bee found by a tangent

circle of equall crookednesse with that point of the Ellipsis” [Whiteside 1991, 14]. In

spite of this, curvature remains generally behind the scenes in the first (1687) edition

of the Principia. By 1694, however, as he planned for the second edition, Newton had

drafted extensive revisions for the early sections of Book One following a scheme that

actually centered on curvature. (See [Brackenridge 1992; Newton 1967–1981 VI; Pourciau

1992) In the end, these radical revisions never made it into the Principia, and Newton

had to content himself with pasting little pieces of his grand scheme into the second

(1713) edition as added assumptions, brief asides, new corollaries, and alternate demon-

strations.

Our Lemma XI carries a reminder of this renewed attention to curvature. In the second

edition (in fact in his annotated copy of the first edition), Newton added the assumption that

the arc A B has finite [and nonzero] curvature at the point [Newton 1972, 83]. And with

this assumption, we can see (from a modern perspective) why the conclusion of Lemma XI

(as translated in Cajori’s revision [Newton 1946] of Motte) should hold. If we think of

the arc A B as the graph of a smooth function with (0)

= 0 = (0), then the standard

calculus formula for the curvature at t

= 0 gives

•(0) =

(0)

[1

(0)



2

]

3



/2

(0).




26

BRUCE POURCIAU

HMAT 28

On the other hand, for near 0, since is smooth,



(x)

(0) + (0)+

1

2!

(0)x



2

+

1



3!

(0)x

3

+ · · ·



=

1

2!



(0)x

2

+ terms involving x



3

and thus


(x)

x

2



1

2

(0)

as x

→ 0.


Given that

•(0) = (0) is finite and positive, we could therefore use Newton’s phrasing

and say that (x) is ultimately as x

2

, or, using his notation as well, that B D is ultimately as



A D

2

. But since A D



/AB → 1 (from the earlier Lemma VII or from the fact that AD/AB

is the cosine of the vanishing angle), we see that BD is ultimately as A B

2

, which is the



conclusion of Lemma XI (in [Newton 1946]).

Naturally the demonstration of Lemma XI in the Principia has a more geometric flavor,

for Newton cultivated classical geometry in the Principia generally, hoping to inherit the

clarity, simplicity, elegance, and rigor he saw in classical geometric reasoning. But Newton’s

actual proof of Lemma XI (which we take up soon), though it contains a lovely geometric

kernel, seems at first both less elegant and less rigorous than we might expect—less elegant

because apparently extraneous points and lines are introduced and less rigorous because

the conclusion of the proof does not quite match the conclusion of the lemma (as given

in [Newton 1946]). Moreover, after we read Newton’s demonstration, an obvious revision

immediately presents itself, a simpler argument based on the same geometric construction,

and one naturally wonders why this simpler, correct argument fails to appear in the Principia.

Here is that simpler argument: Draw BG perpendicular to the line A B. (See Newton’s

original figure for Lemma XI below. It contains a couple of points and lines we do not

require at the moment.) As approaches A, the point tends to (that is, the length



G J can be made less than any assignable distance), where A J is a finite, nonzero length.

[That A J is a finite, nonzero length follows directly from Newton’s definition of curvature,

which, ironically, the Principia omits. In fact, A J turns out to be the diameter of curvature

at A.] By the nature of the circle passing through AB, and G, we have A B

2

AG · B D



(because the triangles A BG and A BC are similar) and it follows that A B

2

/B D AG is



ultimately A J . Hence B D is ultimately as A B

2

· QED.



An elegant and simple geometric proof. Why doesn’t Newton give it? In part because,

following Euclidean conventions, Newton prefers to regard his ratios, not as quotients of

numbers, but as proportions between geometric quantities, indeed as proportions between

geometric quantities of the same kind : lengths to lengths, areas to areas, volumes to volumes.

This leads him to introduce points db, and g, in addition to DB, and G, so that instead of

comparing an area A B

2

to a length B D, he can compare areas to areas ( A B



2

to Ab

2

) and


lengths to lengths (BD to bd).

He then has and approach together, in the sense that Ad is ultimately as A D (at least

this is my interpretation of his directions) and proves that ultimately A B

2

/Ab



2

B D/bd,

that is, that lim

D

A



A B

2

/Ab



2

= lim


D

A



B D

/bd.




HMAT 28

NEWTON AND LIMITS

27

Here then we see an (uncommon) instance where Newton’s desire to be Euclidean (rather



than just geometric) has led to a less elegant construction. But more interestingly, and

more potentially damaging to our confidence in Newton’s understanding of limits, no-

tice the apparent error in the argument, for what has been proved here is not actually

quod erat demonstrandum (at least not according to the translation in [Newton 1946]), but

something else. Newton does prove that lim



D

A

(B D

/bd) is finite, nonzero, and equal to

lim

D

A

A B

2

/Ab



2

), but from this it does not automatically follow that lim



D

A

A B

2

/B D)



is finite and nonzero, that is, that BD is ultimately as A B

2

, which is (in [Newton 1946])



quod erat demonstrandum. For example,

lim


t

→0

+



t

t

= 1 = lim



t

→0

+



t

2

t

2

, and yet



lim

t

→0

+



t

t

2

= +∞ = lim



t

→0

+



t

t

2

.



Has his need to be Euclidean, in this place at least, led Newton not only to needless com-

plication, but to error as well?

No. In fact the error lies not with Newton but with a spurious translation of Lemma XI

in Cajori’s revision [Newton 1946] of Motte’s translation. Here is the original Latin from

the third (1726) edition of the Principia, as recorded in [Newton 1972, 83]:

Subtensa evanescens anguli contactus, in curvis omnibus curvaturam finitam ad punctum contactus

habentibus, est ultimo in ratione duplicata subtensæ arcus contermini.

Motte translated this correctly in 1729 and Cohen and Whitman have translated it correctly

in 1999:

In all curves having a finite curvature at the point of contact, the vanishing subtense of the angle of

contact is ultimately in the squared ratio of the subtense of the conterminous arc. [Newton 1999, 439]

To claim that the “vanishing subtense of the angle of contact is ultimately in the squared ratio

of the subtense of the conterminous arc,” is to claim that lim

D

A



A B

2

/Ab



2

=

lim



D

A



B D

/bd, and this is precisely what Newton proves. Cajori—or perhaps more likely

R.T. Crawford, who edited Cajori’s manuscripts after Cajori’s death in 1930—striving to



28

BRUCE POURCIAU

HMAT 28

modernize the Motte translation, changes “ultimately in the squared ratio of the subtense



of the conterminous arc” to “ultimately as the square of the subtense of the conterminous

arc,” and while this revised conclusion to Lemma XI is indeed more modern, and still true,

it is not what Newton asserts and it is not what Newton proves. (See [Newton 1999, 26–42]

for a discussion of the difficulties involved in translating the Principia.)

Thus the Principia’s demonstration of Lemma XI is in fact correct. Earlier an outline of

that demonstration was enough, but now we need to study the details to see what they tell

us about Newton’s grasp of the limit concept. We omit some preliminary lines where the

notation (referring to the figure above) is introduced:

...let be the intersection of lines BG and AG, which ultimately occurs when points and reach

A. It is evident that the distance G J can be less than any assigned distance. And (from the nature of

the circles passing through points ABand abgA B

2

is equal to AG



× B D, and Ab

2

is equal to



Ag

× bd, and thus the ratio of AB

2

to Ab



2

is compounded of the ratios of AG to Ag and B D to bdBut



since G J can be taken as less than any assigned length, it can happen that the ratio of AG to Ag differs

from the ratio of equality by less than any assigned difference, and thus that the ratio of A B

2

to Ab

2

differs from the ratio of BD to bd by any assigned difference. Therefore, by lem. 1, the ultimate ratio of

A B

2

to Ab

2

is the same as the ultimate ratio of BD to bd. Q.E.D. [Newton 1999, 439, italics added]

If we look at the lines in italic, we see what may be the first algebraic epsilon-argument

ever given! It is simple, but correct, and it shows that by 1687 Newton had acquired a

surprisingly clear conception of the limit process. We remain impressed, here in this proof

and in the early sections of the Principia generally, by Newton’s mastery of the basic idea.

There are no infinitely small quantities, no ratios of indivisibles, no plugging-in to compute

the limit, no kinematic comments about velocity. Just the correct fundamental question:

Can we make the difference between this quantity and this fixed value less than any given

positive number?

Of course Cauchy would have been altogether more explicit. For instance, instead of

merely claiming that the “ratio of A B

2

to Ab



2

differs from the ratio of B D to bd by any

assigned difference,” Cauchy, in a clarifying function notation, would have given himself

an

†, written



A B

2

Ab

2



B D



bd

= 1 −


Ag

AG

A B

2

Ab

2

,

noted that A B



2

/Ab

2

was bounded (because A D is ultimately as Ad, which implies A B is



ultimately as Ab), and used the algebra of inequalities to compute an appropriate

–.

Certainly then, Newton’s argument is not Cauchy’s, but still it is unexpectedly sophisti-



cated, especially given the received opinion that Newton was more confused than clear on

the notion of limits. Grabiner’s The Origins of Cauchy’s Rigorous Calculus probably has

the most accurate appraisal of Newton’s understanding of the limit concept, but even the

thoughtful and scholarly opinion received from this work fails to account for what we see

in the proof of Lemma XI. Pointing to Newton’s definition of limit which follows the pre-

liminary lemmas, Grabiner remarks on his “influential statements about the limit concept,

in words that were to recur throughout the eighteenth century,” and yet she sees the

history of the limit concept until 1810 [as] the gradual solution of the verbal problems implicit in Newton’s

explanation: the eventual substitution of algebraic language for Newton’s kinematic expressions; the



HMAT 28

NEWTON AND LIMITS

29

broadening of the limit concept to include variables that oscillate about their limits; and—crucially—the



abandonment of concern over whether a variable reaches its limit.

A wise comment, but after our review of Lemmas I, II, and XI it becomes hard to see Newton

as merely a confusion to be clarified. Indeed Newton’s epsilon argument in Lemma XI

comes within epsilon of epsilon arguments produced by D’Alembert in 1789 and Lacroix

in 1802, and while Grabiner praises the work of D’Alembert and Lacroix for “freeing the

limit concept from physics and making it algebraic,” [Grabiner 1981, 83] she fails to note

the similar work of Newton (in the proof of Lemma XI) 100 years earlier.

Of course at different times, in other places, and even in Section I (Book One) of the



Principia, Newton gave us arguments and explanations less clear than those we have studied

here. In fact, in his discussion following Lemma XI, but before he gives his definition of

limit, Newton provides the following intuitive view of the limit concept:

It may be objected that there is no such thing as an ultimate proportion of vanishing quantities, in as

much as before vanishing the proportion is not ultimate, and after vanishing it does not exist at all. But

by the same argument it could equally be contended that there is no ultimate velocity of a body reaching

a certain place at which the motion ceases; for before the body arrives at this place, the velocity is not

the ultimate velocity, and when it arrives there, there is no velocity at all. But the answer is easy: to

understand the ultimate velocity as that with which a body is moving, neither before it arrives at its

ultimate place and the motion ceases, nor after it has arrived there, but at the very instant when it arrives,

that is, the very velocity with which the body arrives at its ultimate place and with which the motion

ceases. And similarly the ultimate ratio of vanishing quantities is to be understood not as the ratio of

quantities before they vanish or after they have vanished, but the ratio with which they vanish. [Newton

1999, 442; Newton 1946, 39]

However, such informal and kinematic descriptions should be seen, not as a confused

definition, but as an attempt to give the reader some intuitive insight into the limit process.

How can we be sure? Look at the proofs. These kinematic descriptions may have been

the source for Newton’s intuition about limits, but if they were much more, if they were

in fact part of his definition, then these kinematic notions would appear in the proofs we

have studied. But they do not. It is in the proofs that we see the intended mathematical

meaning. To see how Cauchy understood the limit concept, we look at his proofs; to see

how Newton understood the limit concept, we have done the same. For a measure of his

mature understanding, we took the Principia, which was revised almost to the day he died,

and examined proofs in the section he devoted specifically to the limit process. Our study

shows that by 1687, 100 years before D’Alembert and 134 years before Cauchy, Newton

had a very clear grasp of the limit concept and was far less confused than the most common

portrayals have led us to believe. In [Grabiner 1983] Grabiner asks, “Who gave you the

epsilon?” and answers Cauchy. Our work here suggests a different Q A: Who found the

first delta? Cauchy. Who gave us the first epsilon? Newton.

ACKNOWLEDGMENT

I thank J. Bruce Brackenridge for his helpful comments.

REFERENCES

Bell, E. T. 1937. Men of mathematics. New York: Simon & Schuster.

Bell, E. T. 1945. The development of mathematics. New York: McGraw–Hill.

Bourbaki, N. 1994. Elements of the history of mathematics. Berlin: Springer-Verlag.



30

BRUCE POURCIAU

HMAT 28

Boyer, C. B. 1959. The history of the calculus and its conceptual development. New York: Dover.



Brackenridge, J. B. 1992. The critical role of curvature in Newton’s developing dynamics. In An investigation

of difficult things: Essays on Newton and the history of exact sciences, pp. 231–260. Cambridge, U.K.:

Cambridge Univ. Press.

Cajori, F. 1991. A history of mathematics. New York: Chelsea.

Dieudonn´e, J. 1992. Mathematics—The music of reason. Berlin: Springer-Verlag.

Eves, H. 1983. An introduction to the history of mathematics. New York: Saunders.

Fauvel, J., & Gray, J. 1987. The history of mathematics: A reader. London: Macmillan.

Grabiner, J. V. 1981. The origins of Cauchy’s rigorous calculus, Cambridge, MA: MIT Press.

Grabiner, J. V. 1983. Who gave you the epsilon? Cauchy and the origins of rigorous calculus. The American



Mathematical Monthly 90, 185–194.

Kline, M. 1953. Mathematics in Western culture. New York: Oxford Univ. Press.

Kline, M. 1980. Mathematics: The loss of certainty. New York: Oxford Univ. Press.

Newton, I. 1972. Isaac Newton’s Philosophiae naturalis principia mathematica, the third edition with variant



readings, A. Koyr´e & B. Cohen, Eds., with the assistance of A. Whitman, Vol. I. Cambridge, MA: Harvard

Univ. Press.

Newton, I. 1946. Sir Isaac Newton’s mathematical principles of natural philosophy and his system of the

world, a revision by F. Cajori of A. Motte’s 1729 translation. Berkeley: Univ. of California Press.

Newton, I. 1967–1981. The mathematical papers of Isaac Newton, D. T. Whiteside, Ed., 8 vols. Cambridge,

UK: Cambridge Univ. Press.

Newton, I. 1999. The Principia: Mathematical principles of natural philosophy, translated by I. B. Cohen &

A. Whitman, preceded by A guide to Newton’s Principia by I. B. Cohen. Berkeley: Univ. of California Press.

Pourciau, B. 1992. Radical Principia, Archive for History of Exact Sciences 44, 331–363.

Pourciau, B. 1998. The preliminary mathematical lemmas of Newton’s Principia, Archive for History of Exact

Sciences 52, 279–295.

Whiteside, D. T. 1991. The prehistory of the Principia from 1664 to 1686. Notes and Records of the Royal



Society of London 45, 11–61.

Wright, J. M. F. 1972. A commentary on Newton’s Principia: Designed for the use of students at universities,

Vol. 1, facsimile reprint of the 1833 edition, with an introduction and supplement by I. B. Cohen. New York:

Johnson Reprint Corporation.



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