James Bernoulli é o primeiro membro da celebrada família deste nome que está associado à história da Matemática.
Seu pai, Nickolaus Bernoulli, era descendente de quatro gerações de comerciantes e farmacêuticos prósperos; a mãe de James, Margaretha Schönauer, era filha de um banqueiro. As famílias de ambos os pais eram proeminentes na política local.
Como seu irmão mais jovem, John, James abandonou a disciplina escolhida para ele por seu pai — teologia — e se dedicou ao estudo da matemática, física e astronomia. James viajou extensivamente pela Europa, onde se encontrou com os melhores estudiosos de sua época, depois retornou à Suíça em 1682. Ele garantiu uma posição como professor de matemática na Universidade de Basel em 1687, cargo que ocupou até sua morte em 1705.

James e John foram entre os primeiros a reconhecer o potencial do cálculo, particularmente conforme desenvolvido por Leibniz, e foram seus proponentes mais zelosos. Trabalhando juntos, os Bernoullis aplicaram com sucesso o poder analítico do cálculo a problemas tão difíceis quanto a natureza da curva isócrona e a forma de uma vela cheia de vento.
Os irmãos são reconhecidos como tendo sido, após Newton e Leibniz, os fundadores mais importantes do cálculo. Entre as contribuições individuais de James estão a invenção de coordenadas polares; a descoberta das equações de várias curvas, incluindo a lemniscata, a tratriz e a espiral logarítmica; e avanços em álgebra e no cálculo das variações.
A realização mais significativa de James Bernoulli foi sua Ars Conjectandi, ou A Arte da Conjectura. Publicada postumamente em 1713, a Ars Conjectandi é a pedra angular da teoria moderna da probabilidade. Embora seus princípios fundamentais tenham sido propostos pela primeira vez por Pascal e Fermat, o tratamento elegante e abrangente de Bernoulli avançou dramaticamente a precisão e o impacto do cálculo das probabilidades.
Leibnitz afirma que, a seu pedido, James Bernoulli estudou o tema da probabilidade. Mas essa afirmação não é confirmada pela correspondência entre Leibnitz e James Bernoulli. Aparenta-se por essa correspondência que James Bernoulli havia praticamente completado seu trabalho antes de estar ciente de que Leibnitz havia ouvido algo sobre isso.
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