Annotation

Принято считать, что математика – наука точная и совершенно скучная, но Эдвард Шейнерман берется доказать обратное. Он утверждает, что математика бывает не менее увлекательной, чем гуманитарные дисциплины. Как объяснить тот факт, что бо́льшая часть окружающих нас чисел начинается на единицу, а тех, что начинаются на девятку, – совсем мало? Каков наилучший путь выиграть выборы, если победителями становятся больше двух кандидатов? Как понять, насколько можно доверять даже самому высокоточному медицинскому тесту? Можно ли покрыть весь пол паркетинами в виде правильных пятиугольников и не оставить зазоров? Как проверить, не сфабрикована ли налоговая отчетность, всего лишь проанализировав первые цифры денежной суммы? Может ли математика пролить свет на вопрос о свободе воли? Ответы на все эти и многие другие вопросы вы найдете в этой книге. Автор приглашает читателя испытать свои силы в решении математических головоломок и станет вашим гидом в захватывающем и комфортном путешествии по миру чисел, геометрических фигур и теории вероятностей. Достаточно школьных знаний алгебры, а итогом станет незабываемая радость знакомства с основами математического мышления.

- Эдвард Шейнерман

- Предисловие

- Прелюдия: теорема и доказательство

- Часть I

- Глава 1

- Глава 2

- Глава 3

- Глава 4

- Глава 5

- Глава 6

- Глава 7

- Глава 8

- Глава 9

- Глава 10

- Глава 11

- Глава 12

- Часть II

- Глава 13

- Глава 14

- Глава 15

- Глава 16

- Глава 17

- Глава 18

- Часть III

- Глава 19

- Глава 20

- Глава 21

- Глава 22

- Глава 23

- Что читать дальше?

- notes

- 1

- 2

- 3

- 4

- 5

- 6

- 7

- 8

- 9

- 10

- 11

- 12

- 13

- 14

- 15

- 16

- 17

- 18

- 19

- 20

- 21

- 22

- 23

- 24

- 25

- 26

- 27

- 28

- 29

- 30

- 31

- 32

- 33

- 34

- 35

- 36

- 37

- 38

- 39

- 40

- 41

- 42

- 43

- 44

- 45

- 46

- 47

- 48

- 49

- 50

- 51

- 52

- 53

- 54

- 55

- 56

- 57

- 58

- 59

- 60

- 61

- 62

- 63

- 64

- 65

- 66

- 67

- 68

- 69

- 70

- 71

- 72

- 73

- 74

- 75

- 76

- 77

- 78

- 79

- 80

- 81

- 82

- 83

- 84

- 85

- 86

- 87

- 88

- 89

- 90

- 91

- 92

- 93

- 94

- 95

- 96

- 97

- 98

- 99

- 100

- 101

- 102

- 103

- 104

- 105

- 106

- 107

- 108

- 109

- 110

- 111

- 112

- 113

- 114

- 115

- 116

- 117

- 118

- 119

- 120

- 121

- 122

- 123

- 124

- 125

- 126

- 127

- 128

- 129

- 130

- 131

- 132

- 133

- 134

- 135

- 136

- 137

- 138

- 139

- 140

- 141

- 142

- 143

- 144

- 145

- 146

- 147

- 148

- 149

- 150

- 151

- 152

- 153

- 154

- 155

- 156

- 157

- 158

- 159

- 160

- 161

- 162

- 163

- 164

- 165

- 166

- 167

- 168

- 169

- 170

- 171

- 172

- 173

- 174

- 175

- 176

- 177

- 178

- 179

- 180

- 181

- 182

- 183

- 184

- 185

- 186

- 187

- 188

- 189

- 190

- 191

- 192

- 193

- 194

- 195

- 196

- 197

- 198

- 199

- 200

- 201

- 202

- 203

- 204

- 205

- 206

- 207

- 208

- 209

- 210

- 211

- 212

- 213

- 214

- 215

- 216

- 217

- 218

- 219

- 220

- 221

- 222

- 223

- 224

- 225

- 226

- 227

- 228

- 229

- 230

- 231

- 232

- 233

- 234

- 235

Эдвард Шейнерман

Путеводитель для влюбленных в математику

Переводчик Алексей Огнёв

Научный редактор Михаил Гельфанд

Редактор Александр Петров

Руководитель проекта А. Тарасова

Корректоры Е. Сметанникова, М. Ведюшкина

Компьютерная верстка М. Поташкин

© Edward Scheinerman, 2017

Originally published by Yale University Press

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2018

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

* * *

Рейчел и Мордехаю

Просветительский фонд «Эволюция»

основан в 2015 году сообществом российских просветителей.

Цель фонда – популяризация научного мировоззрения, продвижение здравомыслия и гуманистических ценностей, развитие науки и образования. Одно из направлений работы фонда – поддержка издания научно-популярных книг.

Каждая книга, выпущенная при содействии фонда «Эволюция», тщательно отбирается серьезными учеными. Критерии отбора – научность содержания, увлекательность формы и значимость для общества.

Фонд сопровождает весь процесс создания книги – от выбора до выхода из печати. Поэтому каждое издание библиотеки фонда – праздник для любителей научно-популярной литературы.

Больше о работе просветительского фонда «Эволюция» можно узнать по адресу

www.evolutionfund.ru

Предисловие

Радость

Математика прекрасна и приносит радость[1]. Нам знакомы шедевры в разнообразных областях деятельности человека. В изобразительном искусстве – «Мона Лиза», в театре – «Гамлет», в биологии – открытие роли ДНК в наследственности, в археологии – расшифровка иероглифов с помощью Розеттского камня, в физике – уравнение E = mc². Понять шедевры математики сложнее, поэтому я просто хочу поделиться с вами собственными предпочтениями.

Музеи изобразительных искусств хранят огромные коллекции, но выставляют на всеобщее обозрение лишь некоторые предметы. Так же и я отобрал некоторые шедевры и хочу представить их вашему вниманию.

Эта книга не настолько мала, чтобы я ограничился одной-единственной математической драгоценностью, но если бы мне предложили выбрать таковую, я бы остановился на доказательстве того факта, что простых чисел бесконечно много[2]. Этот пример демонстрирует, чем я руководствовался, выбирая темы для своего «Путеводителя»:

• Они неизвестны людям, не имеющим отношения к математике. Читатели могут знать, что такое простое число, но вряд ли они задумывались над вопросом, сколько всего существует простых чисел.

• Они высвечивают идею доказательства, и в особенности технику доказательства от противного.

• Для их понимания не требуется вузовская подготовка – хватит знаний, полученных в средней школе.

• Они полны сюрпризов. Ответы неочевидны. Легко понять, что существует бесконечно много нечетных чисел или идеальных квадратов, но нет четкого закона, по которому простые числа следуют друг за другом. Поразительно, что короткая цепочка рассуждений приводит нас к неоспоримому выводу о том, что простые числа никогда не иссякнут.

• Они имеют практическое применение, например в случае простых чисел это криптография.

Хотя некоторые темы, затронутые в нашем «Путеводителе», не обладают всеми перечисленными свойствами, каждая глава книги рассказывает о математическом чуде, которое удивит и заинтригует читателя.

В 1940 году британский математик Годфри Харди[3] опубликовал «Апологию математика» – личное оправдание того обстоятельства, что он потратил жизнь на изучение абстракций. В книге Харди рассказывал, сколько радости и блаженства он испытал. Но говорить о радости занятия математикой – все равно что говорить о радости плавания. Пока вы лично не поплещетесь в прохладной воде, вы не поймете, насколько это здорово.

Боюсь, для многих получение математических знаний было безрадостным процессом. Представьте, что занятия словесностью свелись к изучению орфографии и пунктуации, а чтение «Гарри Поттера» и сочинение своих собственных историй оказались под запретом. Случись такое, школьники вряд ли бы стали любить литературу.

Вот несколько утрированная иллюстрация того, как некоторые воспринимают изучение математики:

• В начальной школе мне рассказали, что у меня было десять апельсинов, а потом три апельсина кто-то отнял. Зачем? Я бы и так с ним поделился.

• В средней школе я нашел общий знаменатель и подсчитал какие-то проценты.

• В старших классах меня заставили запомнить формулу корней квадратного уравнения[4], я до сих пор могу написать ее, но так и не понял, зачем она мне нужна.

Разумеется, в математике есть много прикладных задач, но среди прочего она обладает великой красотой. Моя цель – поделиться хотя бы частью этой красоты.

Обзор

Математика изучает числа и геометрические фигуры, и я выбрал эти темы для первых двух частей «Путеводителя».

В части под названием «Число» мы исследуем некоторые необычные числа (например, √2 и e) и последовательности чисел (например, простые числа и числа Фибоначчи). Кроме того, читателя ждет множество неожиданных вещей: он узнает, как одна бесконечность может быть бесконечнее другой и почему в нашем мире на цифру 1 начинается большее количество чисел, чем на цифру 9.

В части под названием «Геометрические фигуры» мы вспомним хороших двумерных знакомых (например, круги и окружности), а также познакомимся с трехмерными фигурами (например, платоновыми телами) и с фигурами, чья размерность больше одного, но меньше двух (с фракталами). Нас ждет немало сюрпризов. Так, все знают, как застелить пол плитками в форме квадратов или равносторонних шестиугольников, но такое возможно и в случае с равносторонними пятиугольниками. Ну что, я вас удивил? Заинтриговал? Этого-то я и добивался.

Завершается книга частью под названием «Неопределенность», там мы рассмотрим идеи случайности, непредсказуемости и интуитивных вычислений. Вы узнаете о том, как чрезвычайно надежный медицинский тест может давать неточные результаты, есть ли смысл в рейтингах и как правильно выбрать кандидата, когда их число больше двух. Как и прежде, вас ждут сюрпризы.

Последовательность глав произвольна, и вы можете читать их в любом удобном вам порядке[5]. Сложность материала разнится от главы к главе, так что вы ничего не потеряете, если пропустите самые заковыристые главы, чтобы вернуться к ним впоследствии.

Как читать математические книги?

Не торопитесь. Все главы короткие, но чтобы уловить их основные идеи, нужно время. Я часто прибегаю к вычислениям или алгебраическим выкладкам, чтобы подвести базу под те или иные утверждения. Вы лучше поймете, о чем идет речь, если вооружитесь карандашом и бумагой. Иногда вам нужно будет перечитывать какие-то абзацы, чтобы разобраться во всем досконально.

Можно читать не в одиночку. Предложите приятелю обсудить идеи из книги. Вам придется объяснять их таким образом, чтобы он уловил, о чем вы говорите. Это поможет вам лучше овладеть концепциями, о которых вы прочитали.

Главы устроены так, что самые замысловатые идеи расположены в конце. Лучше всего читать каждую главу последовательно с начала. Возможно, в какой-то момент вы решите остановиться и перейти к следующей главе.

Что касается обложки…

На обложке изображено множество решений уравнения:

(x² + y² – 1)³ = x²y³. (*)

Какая пара чисел (x, y) удовлетворяет этому уравнению? Например, x = 1 и y = 0 при подстановке в левую и правую часть дадут одно и то же число, а именно 0. Если мы подставим x = –1 и y = 1, обе части (*) будут равны 1. Другими словами, пары (1, 0) и (–1, 1) являются решениями уравнения. Обратите внимание, что пара (0, 0) не является решением.

Существует бесконечно много решений уравнения, например x = 0,70711… и y = –0,41401… Если мы подставим эти числа в формулу, обе части будут равны –0,03548…

Бесконечное множество решений этого уравнения можно изобразить с помощью графика, если нанести на плоскость точки с координатами (x, y), где оба числа удовлетворяют уравнению (*). В этом случае мы получим изображение кривой в виде сердца, нарисованной на обложке.

Вы еще не полюбили математику? Когда дочитаете книгу, непременно полюбите.

Благодарности

Я хочу поблагодарить тех, кто давал плодотворные отзывы и полезные комментарии во время работы над книгой: Мордехая Леви-Эйчел, Джошуа Минкина, Йони Надив, Эми Шейнерман, Дэниела Шейнермана, Иону Шейнермана, Леонору Шейнерман, Наоми Шейнерман и Рейчел Шейнерман. Они читали черновик книги и давали полезные советы[6].

При подготовке книги к печати я получил замечательные отзывы рецензентов. О многих из этих людей я не знаю ничего, но имена некоторых, к счастью, мне известны. Спасибо за комментарии и энтузиазм Кристофу Бёрджерсу, Анне Лачовски и Джаядеву Атрейя.

Также я хочу поблагодарить Арта Беньямина за информацию о техасском холдеме в главе 19. Этот пример можно найти в задаче из книги Стюарта Айзера «Доктрина шансов: вероятностные аспекты азартных игр» (The Doctrine of Chances: Probabilistic Aspects Of Gambling).

Наконец, огромное спасибо за помощь издательству Йельского университета. Прежде всего – Джо Каламиа за его энтузиазм, множество полезных рекомендаций и ответы на мои непрерывные вопросы. Также я благодарю Энн-Мэри Имборнони за помощь при подготовке финальной версии, Лиз Кейси за дотошную редактуру, Соню Шэннон за дизайн, а Томаса Старра за великолепную обложку.

Прелюдия: теорема и доказательство

«Краса есть правда, правда – красота»,

Земным одно лишь это надо знать[7].

Джон Китс. Ода к греческой вазе

Красота – это первый критерий: в мире не найдется места для уродливой математики.

Г. Х. Харди. Апология математика

Что мы имеем в виду, когда говорим о чем-либо, что это правда? В науке истина открывается через наблюдения, часто во время эксперимента. Мы знаем, что планеты вращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам – к такому выводу пришел Иоганн Кеплер[8], дотошно изучив данные, полученные Тихо Браге[9]. Мы знаем, что скорость света в вакууме – это постоянная величина, – знаем опять-таки на основе повторяющихся непосредственных наблюдений.

На самом деле орбиты планет не совсем эллиптические, потому что притяжение Солнца в данном случае не единственный воздействующий фактор, гравитационные поля планет тоже влияют друг на друга. И мы не знаем наверняка, что скорость света в нашей галактике совпадает со скоростью света, скажем, в галактике Андромеды, потому что мы еще не добрались туда и не поставили необходимые эксперименты.

В науке истина не абсолютна – это цепочка приблизительных суждений, становящихся все более точными. Нам кажется, что Земля плоская, и для большинства повседневных дел это на редкость верное приближение. Однако если мы намерены предпринять путешествие на значительное расстояние от дома, такое приближение становится ошибочным. Гораздо лучше будет считать Землю шарообразной. Эта модель работает прекрасно, пока мы не начинаем путешествовать на куда бо́льшие дистанции, и тогда гораздо лучше считать Землю сфероидом, сплющенным на полюсах: длина экватора немного больше, чем длина линии сечения Земли плоскостью, проходящей через полюса[10]. Эта геометрическая форма была предсказана теорией и затем подтверждена экспериментальными данными.

В отличие от остальных наук, в математике истина абсолютна. Когда мы утверждаем, что сумма двух нечетных чисел – четное число, мы подразумеваем, что это всегда так, со стопроцентной гарантией. Откуда мы знаем? Дело в том, что мы можем доказать это.

Математическое доказательство приводит к полной уверенности. В других сферах человеческой деятельности тоже используется слово «доказательство». Например, экспертиза ДНК способна доказать вину или невиновность подозреваемого. Точность этой экспертизы высока, но не идеальна. ДНК-следы, найденные на месте преступления, могут быть испорчены. Или вдруг у преступника обнаружится брат-близнец. ДНК-следы ничего не говорят о том, что́ совершил обвиняемый, даже если он действительно побывал на месте преступления.

В математике критерии истины и проверки на истинность абсолютны. Верные математические утверждения называют теоремами. Вот простой пример: Сумма двух нечетных целых чисел – четное целое число. Например, 3 и 11 – нечетные числа, а их сумма 3 + 11 = 14 – четное число. Утверждение о том, что сумма двух нечетных чисел – четное число, имеет абсолютную силу и не допускает исключений.

Откуда мы это знаем? Мы можем снова и снова придумывать пары нечетных чисел и всякий раз убеждаться в том, что их сумма – четное число. Так работают естественные науки, но не математика. Мы абсолютно уверены, что теорема верна, потому что можем привести доказательство.

Чтобы не быть голословным, приведу это доказательство здесь. Вначале нам нужно точно договориться, что значит «четное» и «нечетное». Вот определения:

• Целое число X называется нечетным, если мы можем найти такое целое число a, что X = 2a + 1. Например, 13 – нечетное число, потому что его можно выразить как 2 × 6 + 1.

• Целое число X называется четным, если мы можем найти такое целое число a, что X = 2a. Элегантная формулировка: четное целое число – результат удвоения другого целого числа. Например, 20 четное, потому что 20 = 2 × 10.

После этих определений мы можем перейти к доказательству теоремы о том, что сумма двух нечетных целых чисел – четное число[11].

Доказательство. Пусть X и Y – нечетные целые числа. Это означает, что X = 2a + 1 и Y = 2b + 1, где a и b – целые числа. Сумма X и Y может быть представлена следующим образом:

X + Y = (2a + 1) + (2b + 1) = 2a + 2b + 2 = 2 (a + b + 1).

Итак, X + Y представляет собой удвоенное целое число. Таким образом, X + Y – четное число.

Доказывать теоремы непросто, но это гораздо увлекательнее, чем читать чужие доказательства, потому попробуйте доказать следующее: результат перемножения двух нечетных целых чисел – тоже нечетное число. Попытайтесь справиться с задачей самостоятельно, а потом сверьтесь с доказательством в конце раздела[12].

Другие математические теоремы гораздо интереснее, а их доказательства гораздо сложнее, но цель у них все та же: обосновать математический факт со стопроцентной уверенностью.

Итак:

Теорема – это математическое утверждение, требующее доказательства своей неопровержимой истинности.

Интересные теоремы красивы. Надеюсь, этот «Путеводитель» поможет вам видеть математическую красоту и наслаждаться ею.

Заключительные слова

Какие три слова жаждут услышать математики?

Конечно, нам греет душу фраза: «Я люблю тебя», но в данном случае речь идет о других заветных словах: «Quod erat demonstrandum». В переводе с латинского они означают: «Что и требовалось доказать» – и обычно завершают математическое доказательство. Впрочем, немногие пишут эту фразу целиком, большинство ученых ограничиваются аббревиатурой QED. К сожалению, и она уже вышла из моды, и сейчас в конце доказательства принято использовать символ, например небольшой квадрат: □.

Часть I

Число

Глава 1

Простые числа

Физик Ричард Фейнман[13] верил: если человечество столкнется с опасностью потери всего научного знания, но у него будет возможность передать потомкам всего одну фразу о науке, эта фраза должна описывать, как атомы образуют материю[14]. Продолжим фантазировать в том же духе. Если бы мы могли передать следующему поколению всего одну математическую идею, это, как мне кажется, должен быть ответ на вопрос: как много существует простых чисел?

Целые числа

Математическая мысль начинается со счета. Мы используем для счета натуральные числа: 1, 2, 3 и т. д. Отсутствие объектов для счета – и необходимость подобрать число для этого отсутствия – приводит нас к понятию нуля. Когда мы складываем или умножаем натуральные числа, результат всегда представляет собой другое натуральное число. Но вычитание внушает беспокойство. Все хорошо, когда мы вычитаем три из пяти: 5 – 3, но если мы поступим наоборот, то получится 3 – 5, и результат не будет натуральным числом. Мы восполняем этот недостаток, вводя отрицательные числа: –1, –2, –3 и т. д.

Множество всех натуральных и полученных при их вычитании отрицательных чисел вместе с нулем называют целыми числами. Математики используют стилизованную букву Z, чтобы обозначить все целые числа:

ℤ = {…, –4, –3, –2, –1, 0, 1, 2, 3, 4, …}.

Когда мы делим целые числа друг на друга, возникает загвоздка. В то время как мы можем складывать, перемножать целые числа и вычитать их друг из друга в полной уверенности, что получим целое число, результат деления одного целого числа на другое иногда оказывается целым числом, а иногда и нет.

Возьмем два положительных целых числа а и b. Мы говорим, что а делится на b, если частное a / b – тоже целое число. Мы называем a – делимым, b – делителем.

Например, 24 делится на 6 (потому что частное от деления – целое число), но не на 7 (потому что частное не является целым числом). Всякое положительное целое число делится само на себя: если а – положительное целое число, то частное от а / а равно 1, и это, разумеется, целое число. Также всякое положительное целое число делится на 1, потому что, если а – положительное целое число, результат деления а / 1 равен а.

Положительное целое число называется простым, если у него есть ровно два делителя: 1 и оно само.

Например, 17 – простое число, потому что 1 и 17 – его единственные делители. По той же причине 2 – простое число.

С другой стороны, 18 не является простым числом, потому что помимо 1 и самого себя оно делится на 2, 3, 6 и 9. Такие числа, как 18, называют составными. Если говорить математическим языком, то положительное целое число называют составным, если у него есть другие делители помимо 1 и самого себя.

Размежевание чисел на простые и составные касается всех натуральных чисел, кроме 1. Мы выделяем 1 в отдельную категорию и называем единичным элементом, или единицей[15]. Кого-то расстраивает тот факт, что Плутон больше не причисляют к планетам, другие раздражены тем, что 1 не считается простым числом.

Если подытожить, у нас есть три категории положительных целых чисел:

• единица с одним положительным делителем;

• простое число с двумя положительными делителями;

• составное число с тремя и более положительными делителями.

Отмечу, что 1 – единственное в своем роде число, а вот составных чисел бесконечно много: 4, 6, 8, 10, 12 и т. д. – составные числа (и таких еще много).

Но сколько же простых чисел существует?

Разложение на множители

Разложить число на множители означает представить его в виде произведения. Рассмотрим число 84. Мы можем разложить его на множители несколькими способами, например:

2 × 42; 3 × 28; 12 × 7; 2 × 6 × 7; 21 × 4.

В пределе разложить на множители означает найти произведение простых чисел, например: 84 = 2 × 2 × 3 × 7. Нельзя разбить эти множители на части, потому что каждый из них представляет собой простое число. Разумеется, мы можем добавить какое-то количество единиц, например:

84 = 1 × 1 × 2 × 2 × 3 × 7,

но дополнительные множители усложняют, а не упрощают выражение, другие множители от этого не становятся меньше[16].

Возьмем другой пример: 120. Мы можем представить 120 как 12 × 10 и затем 12 как 2 × 2 × 3, а 10 – как 2 × 5. Это дает:

120 = (2 × 2 × 3) × (2 × 5). (A)

С другой стороны, мы можем начать так: 120 = 4 × 30 и далее заметить, что 4 = 2 × 2, а 30 = 2 × 3 × 5. Вместе это дает:

120 = (2 × 2) × (2 × 3 × 5). (B)

Важно отметить, что простые числа в выражениях (A) и (B) одинаковые, различается лишь порядок, в котором они перемножаются. Это показано на рисунке.

Любой способ представления числа 120 в качестве произведения простых чисел дает один и тот же результат.

Эта единственность разложения на множители зафиксирована в следующей теореме[17].

Теорема (основная теорема арифметики). Любое положительное целое (натуральное) число может быть разложено на простые множители единственным образом (если пренебречь порядком множителей)[18].

(Здесь необходимо небольшое пояснение. В случае, скажем, числа 30 это утверждение достаточно ясно. Мы можем представить 30 как 2 × 3 × 5 или как 5 × 3 × 2 – разницы нет, отличается лишь порядок множителей. Простое число имеет всего один простой множитель – само себя. Например, множитель 13 – это 13. Но как быть с 1? Принято говорить, что пустое произведение[19] равно единичному элементу; таким образом, произведение отсутствующих элементов равно 1.)

Сочетая простые числа, мы выстраиваем все положительные целые числа. Простые числа – это атомы умножения.

Насколько много?

Вернемся к вопросу: сколько всего простых чисел существует? Ответ – на следующей строчке.

Теорема. Простых чисел бесконечно много.

Утверждение приписывают Евклиду[20]. Доказательство этой теоремы – математическая жемчужина. Мы не можем доказать ее методом перебора. Очевидно, что время от времени в числовом ряде попадаются простые числа. Вот несколько первых простых чисел:

2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37, 41, 43, 47, 53, 59, 61 и 67.

Но чем дальше мы идем по последовательности простых чисел, тем обширнее становятся промежутки между ними. Если посмотреть на перечень выше, можно увидеть, что два числа отстоят друг от друга максимум на 6 единиц (например, 53 и 59). Но простые числа 89 и 97 отстоят друг от друга на 8 единиц, все целые числа между ними составные. Или вот другой пример: 139 и 149 – их отделяет 10 единиц. Чем дальше мы двигаемся, тем быстрее увеличиваются промежутки между соседними простыми числами. Можно предположить, что в конечном итоге простые числа должны совсем исчезнуть. На самом деле, хотя они и встречаются все реже, их список в числовом ряду не имеет конца. Впрочем, прежде чем говорить об этом уверенно, мы должны привести доказательство.

Ключевая идея – задаться вопросом: а что, если?..

А что, если количество простых чисел конечно? Если мы продемонстрируем, что предположение: «Количество простых чисел конечно» – приводит к абсурдному выводу, то будем считать его ложным[21]. Вслед за Шерлоком Холмсом мы найдем истину, отбросив невозможные варианты, и у нас получится, что простых чисел бесконечно много.

Вот что нам надо будет сделать:

1. Предположить, что количество простых чисел конечно;

2. Показать, что это предположение ведет к невозможному выводу;

3. Сделать умозаключение, что, раз предположение ведет к логическому противоречию, оно ложно;

4. Вывести из этого, что простых чисел бесконечно много.

А теперь перейдем к делу. Предположим, что простые числа можно пересчитать, и посмотрим, к чему это приведет.

Если количество простых чисел конечно, должно существовать наибольшее простое число P – крайнее в ряду простых чисел. В таком случае полный перечень простых чисел будет выглядеть так:

2, 3, 5, 7, 11, 13, …, P.

Перемножим все эти числа и приплюсуем единицу. Назовем получившееся гигантское число N:

N = (2 × 3 × 5 × 7 × 11 × 13 × … × P) + 1.

Число N – простое[22]? Наше предположение заставляет нас ответить: нет, потому что N больше P, последнего простого числа. Значит, N – составное число, и его можно разложить на множители. Здесь мы попадаем в западню.

Мы знаем, что у N есть простые делители. Может ли таким делителем быть 2? Мы утверждаем: нет. Посмотрите на формулу для вычисления N и обратите внимание, что число в скобках четное, потому что среди множителей присутствует 2:

N = (2 × 3 × 5 × 7 × 11 × 13 × … × P) + 1.

Таким образом, N на единицу больше некоторого гигантского четного числа. Другими словами, N – нечетное, следовательно, оно не делится на 2.

Ну и ладно. Мы же знаем, что у N есть простой делитель, так что нет ничего страшного в том, что 2 не подходит. Как насчет 3? Посмотрим снова на число в скобках и обнаружим, что среди множителей есть 3:

N = (2 × 3 × 5 × 7 × 11 × 13 × … × P) + 1.

Таким образом, N на единицу больше некоторого гигантского числа, делящегося на 3. Это означает, что при вычислении частного N / 3 мы получим остаток 1. Следовательно, N не делится на 3.

Видите, куда мы движемся? Возьмем очередное простое число, 5. Мы утверждаем, что N не делится на 5, потому что оно на единицу больше числа, без остатка делящегося на 5:

N = (2 × 3 × 5 × 7 × 11 × 13 × … × P) + 1.

Точно так же мы доказываем, что N не делится ни на 7, ни на 11, ни на 13 и ни на какое угодно другое простое число!

К чему мы пришли? Наше предположение о том, что количество простых чисел конечно, привело нас к двум выводам:

– N делится на некое простое число;

– N не делится ни на какое простое число.

Но это же абсурдно! Из ловушки можно выбраться, только если признать, что предположение о конечном количестве простых чисел было ложным. Таким образом, получается, что простых чисел бесконечно много.

Конструктивный подход

Представленное нами доказательство относится к разряду доказательств от противного. Мы предположили, что утверждение, обратное тому, которое мы хотим доказать, верно, затем продемонстрировали, что это приводит к безвыходной ситуации, после чего сделали умозаключение, что наше предположение ложно, а утверждение, требующее доказательства, истинно. Путеводная путаница, софистика-эквилибристика!

Есть и другой способ доказательства: создать некий механизм по производству простых чисел. Мы засыпаем в него пригоршню простых чисел и – вуаля! – оттуда высыпаются новые простые числа. Вот как работает эта машина.

Зачерпнем полдюжины простых чисел: 2, 3, 5, 7, 11 и 13. Перемножим их и приплюсуем единицу:

(2 × 3 × 5 × 7 × 11 × 13) + 1 = 30 031.

Ясно, что 30 031 не делится на 2, – это легко заметить, потому что последняя цифра нечетная. На 3 оно тоже не делится (потому что на единицу больше, чем 2 × 3 × 5 × 7 × 11 × 13, которое делится на 3). Точно так же оно не делится на 5, 7, 11 и 13. Стало быть, или это число само простое, или его можно разложить на простые множители, не входящие в наш перечень. Кости выпали так, что число 30 031 – составное. Оно раскладывается на простые множители следующим образом: 59 × 509. Этих чисел не было в нашем перечне.

Возьмем их и предыдущие полудюжины чисел и построим новое число:

(2 × 3 × 5 × 7 × 11 × 13 × 59 × 509) + 1,

что равно 901 830 931. Кости выпали так, что число оказалось простым[23].

Мы можем добавить его в наш перечень и наштамповать так еще много чисел – либо простых, либо разложимых на простые множители. Эта операция позволяет бесконечно получать все новые и новые простые числа.

Другое доказательство

Это не единственное доказательства того, что простых чисел бесконечно много. Вот вам еще одно.

Как и в первом доказательстве, предположим, что количество простых чисел конечно, и покажем, что это предположение ведет к противоречию. Представим, что самое большое простое число равно P, и составим перечень простых чисел:

2, 3, 5, 7, 11, 13, …, P.

Пусть N – результат перемножения всех этих чисел:

N = 2 × 3 × 5 × 7 × 11 × 13 × … × P.

Теперь давайте подумаем обо всех числах от 1 до N включительно. Каждое из них (за исключением 1) делится на одно или несколько простых чисел; иными словами, любое число (кроме 1) делится на какое-то простое число.

Сколько чисел от 1 до N делится на 2? Очевидно, что половина (четные числа). Вычеркнем их и оставим лишь нечетные:

1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19, 21, 23, 25, 27, 29, 31, 33, 35, 37, 39, 41, 43, 45, 47, …

Количество целых чисел между 1 и N, которые мы вычеркнули, равно N / 2.

Вычеркнем из оставшихся чисел те, которые делятся на 3. Вот что получится:

1, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 25, 29, 31, 35, 37, 41, 43, 47, 49, 53, 55, 59, 61, 65, …

Мы удалили треть оставшихся чисел[24]. Осталось две трети, а от изначального количества –

Продолжим в том же духе и вычеркнем числа, делящиеся на 5, удалив таким образом пятую часть оставшихся чисел. Получится чисел. Вот что останется:

1, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37, 41, 43, 47, 49, 53, 59, 61, 67, 71, 73, 77, 79, …

Дальше мы вычеркиваем числа, делящиеся на 7, оставив шесть седьмых от нашего перечня, и будем двигаться по этому пути, пока не дойдем до числа P.

В конце концов количество тех чисел, которые мы не вычеркнули, станет равно

Так как все числа от 1 до N, кроме 1, делятся на какое-то простое число, выражение (C) должно быть равно 1. Верно? Вспомним, что N = 2 × 3 × 5 × 7 × 11 × 13 × … × P, подставим это произведение в выражение (C) и перегруппируем множители:

Это дает 1 × 2 × 4 × 6 × … × (P – 1), что существенно больше 1! Выражение (C) должно быть равно 1, но очевидным образом не равно 1. Ошибка заключалась в изначальном предположении о том, что количество простых чисел конечно. Следовательно, их бесконечно много.

Две сложные задачи

Есть много захватывающих вопросов о простых числах. Здесь я расскажу про две самые печально известные проблемы.

Хотя простых чисел бесконечно много, они встречаются все реже и реже, когда мы последовательно двигаемся от единицы к бесконечности. Позже (в главе 7) мы проанализируем среднюю разность между двумя соседними большими простыми числами. Однако простые числа все равно часто встречаются рядом, отличаясь на две и более единицы (единственная пара с отличием на один – 2 и 3). Если простые числа отличаются на две единицы, их называют простыми числами-близнецами, или парными простыми числами. Наименьшая пара близнецов – числа 3 и 5. Между 1 и 10 000 есть 205 пар близнецов, последние – числа 9929 и 9931.

Вопрос: простых чисел-близнецов бесконечно много?

Надо признать, что это неизвестно до сих пор.

Вот другой вопрос. Принято считать, что впервые его поставил немецкий математик Кристиан Гольдбах (1690–1764). Ему стало любопытно: какие четные числа (кроме 2) можно представить в качестве суммы двух простых? Вот пример:

Вопрос: можем ли мы продолжать этот ряд бесконечно? Гольдбах предположил, что любое четное число (за исключением 2) представляет собой сумму двух простых.

Но на самом деле мы до сих пор не знаем этого наверняка.

Применение простых чисел в криптографии

Изучение простых чисел относится к области математики под названием теория чисел. Британский математик Годфри Харди говорил: «До сих пор никто не обнаружил, как применить теорию чисел в военных целях».

Харди не мог предвидеть появления глобальной компьютерной сети и того факта, что безопасность в сети будет зависеть от простых чисел. Каким образом?

Пусть P и Q – два больших простых числа, скажем стозначных. Перемножить их – титанический труд для человека, но компьютер может посчитать произведение N = P × Q мгновенно. В то же время мы угодим в тупик, если попытаемся выяснить, какие два простых множителя дают N при умножении. Никто не знает эффективного алгоритма разложения таких огромных чисел на простые множители[25].

(Как это ни странно, определить, простое число или составное, можно достаточно быстро; однако найти простые множители больших чисел совсем не просто.)

Удивительно, однако эта диспропорция – легко перемножить, сложно разложить на множители – легла в основу создания шифров. Криптографическая система с открытым ключом[26] устроена так, что можно раскрыть метод шифровки сообщений, но это не облегчит расшифровку засекреченных текстов. Мы не станем сейчас погружаться в детали метода, но основная идея состоит в том, что в процессе шифрования используется составное число N, представляющее собой произведение двух огромных простых чисел: N = P × Q. Расшифровка требует знания конкретных простых чисел P и Q. Если мы знаем N, этого достаточно для шифровки, но не для декодирования, а найти его простые множители все еще чрезвычайно сложно.

Мы используем криптографическую систему с открытым ключом всякий раз, когда совершаем покупки в интернете. Прежде чем браузер вышлет продавцу номер нашей кредитной карты, он получает от продавца открытый ключ шифрования. Браузер шифрует номер карты с помощью метода, о котором мы рассказывали. Если перехватить ключ, это ничего не даст, потому что метод шифровки не говорит о методе расшифровки (а его знает только продавец). Когда зашифрованное сообщение приходит на компьютер продавца, индивидуальный метод расшифровки раскрывает номер карты лишь законному получателю информации.

Криптографическая система с открытым ключом имеет и военные применения, вплоть до системы приведения в боевую готовность ядерного оружия[27].

Решение задачи о разложении на множители

211 591 = 457 × 463.

Глава 2

Двоичная система счисления[28]

Однажды в Риме

Древних римлян часто поминают дурным словом за их громоздкую систему записи чисел. Люди не любят римские числа, так как они обременяют вычисления. Никто не обрадуется перспективе перемножать XLVII и DCDXXIV. А вот задача умножить 47 на 924 не выглядит настолько угрожающей (хотя большинство из нас все равно побежит за калькулятором).

Впрочем, прежде чем сбрасывать римские числа со счетов как причудливый анахронизм, нам необходимо признать, что их основополагающий принцип – буквы вместо цифр – используется до сих пор. Этот ключевой аспект римских чисел обрел новое воплощение. Что легче прочесть?

• Реновация школ в нашем округе обойдется в 23000000 долларов.

• Реновация школ в нашем округе обойдется в 23 млн долларов.

Разумеется, я не стал разделять разряды в первом случае, чтобы число было сложнее прочесть (и я попал в точку, не правда ли?). Но, даже если проставить пробелы, фраза «Пентагон требует дополнительные 19 000 000 000 долларов» сложнее для восприятия, чем «Пентагон требует дополнительные 19 млрд долларов». Иногда удобнее использовать слова вместо чисел.

Мнимое преимущество позиционной системы счисления[29] – это то, что в ней проще производить вычисления. Но давайте задумаемся о том, сколько сил уходит на перемножение двух чисел. Во-первых, нам необходимо запоминать дополнительные математические данные. К тому же мы обязаны помнить таблицу умножения. Во-вторых, мы проделываем многоуровневую процедуру: сортируем числа по разрядам, умножаем по соответствующему правилу, получаем промежуточные данные, складываем.

Да, десятичные числа легче перемножать, чем их римские аналоги, однако это по-прежнему утомительно. Возникает вопрос, есть ли способ записывать числа, который бы облегчал вычисления. Мы выяснили, что да, есть, но для этого придется пожертвовать наглядностью.

Единичная система счисления

Простейший способ записи чисел – единичная система счисления: мы просто записываем столько же символов (будем использовать цифру 1), сколько единиц в интересующем нас числе. Например, число 3 окажется трехзначным: 111. Сложение и умножение становятся исключительно простыми. Чтобы сложить 3 и 5, мы просто запишем два числа, 111 и 11111, друг за другом (без пробела) – и вот он, ответ: 11111111. Умножать тоже просто. Мы запишем одно число вертикально, а другое горизонтально и получим следующую таблицу:

Затем мы заполним таблицу, поставив единичку в каждом столбце и в каждой колонке:

Наконец, мы выпишем все единички в ряд и получим ответ: 111111111111111. Складывать и перемножать числа в единичной системе счисления существенно проще, чем десятичные или римские числа[30].

Разумеется, такая простота вычислений дается ценой титанических затрат внимания и времени. Никому не захочется прибегать к этому методу, чтобы перемножить 47 и 924.

Компромисс

Числа, записанные в двоичной системе счисления[31], не так привычны нам, как десятичные или римские, но с ними проще делать вычисления. Вот почему в компьютерах используется именно двоичная система. Чтобы разобраться, как она устроена, нам нужно припомнить особенности десятичной системы.

Для записи чисел в десятичной системе счисления используют десять символов, располагаемых в разных комбинациях в ряд по горизонтали. Значение символа зависит от его места в ряду. 29 и 92 означают разные числа, потому что 2 и 9 занимают разные позиции. 29 означает «два десятка и девять единиц». 5804 означает «пять тысяч, восемь сотен, ни одного десятка и четыре единицы». Позиция цифры в десятичном числе означает, на какую степень десяти[32] мы ее умножаем. Разряды растут справа налево: единицы, десятки, сотни, тысячи, десятки тысяч и т. д. Иными словами, запись 5804 означает:

5 × 10³ + 8 × 10² + 0 × 10^1 + 4 × 10^0.

Чем больше символов в десятичном числе, тем труднее его прочесть. Обычно каждый четвертый разряд отделяют пробелом или запятой[33].

Двоичная система устроена схожим образом, просто позиция в записи означает, на какую степень двух (а не десяти) мы должны умножить эту конкретную цифру.

В двоичной системе счисления используются всего два символа: 0 и 1. Разряды здесь тоже растут справа налево, обозначая количество единиц, двоек, четверок, восьмерок и т. д. Например, в двоичной записи 10110 означает:

1 × 2⁴ + 0 × 2³ + 1 × 2² + 1 × 2^1 + 0 × 2^0 = 16 + 4 + 2 = 22.

Проверьте, насколько вы ориентируетесь в новой теме: чему равно число 42 в двоичной системе и чему равно число 11011_2 в десятичной[34]? Ответы – в конце главы.

Вычисления

Двоичные числа труднее для чтения, чем десятичные. Двоичная запись 1011001 кажется менее привычной, чем десятичная запись того же числа: 89. Преимущество двоичных чисел в том, что их использование облегчает вычисления. Вместо огромного количества математических данных нам необходимы всего две таблицы:

Заметьте, что в таблице умножения 10 означает число два.

Сложение двоичных чисел устроено так же, как в десятичной системе. Например, нам нужно найти сумму 10100_2 и 1110_2. Расположим эти числа друг над другом:

Дальше нужно двигаться справа налево, складывая цифры в каждом столбце и при необходимости перемещая единицу на столбец влево. В нашем случае мы сложим два нуля и получим ноль:

Дальше идет столбец двоек. Мы складываем 1 и 0 (переносить ничего не требуется):

Дальше – столбец четверок. Мы складываем 1 и 1, получаем 10, пишем 0, держим 1 в уме и переносим на столбец влево:

Следующий столбец – восьмерки. Складываем 1 и 0 и 1, получаем 10, пишем 0 и держим 1 в уме:

Заканчиваем на столбце, означающем, сколько раз в числе встречается 16. Сложение дает 10, мы пишем 0 в текущем столбце и 1 в столбце с разрядом 32:

Мы обнаружили, что 10100 + 1110 = 100010.

Переведем это на язык десятичных чисел:

10100_2 = 20, 1110_2 = 14, 100010_2 = 34.

Разумеется, 20 + 14 = 34.

Умножение в двоичной системе проще, чем в десятичной. Достаточно усвоить два принципа: сложение двоичных чисел (мы в нем только что разобрались) и умножение на степени двойки.

Умножение числа на 10 в десятичной системе не представляет сложности: мы просто добавляем цифру 0 справа: 23 × 10 = 230. Точно так же выглядит умножение на 2 в двоичной системе: 1101 × 10 = 11010. В случае десятичных чисел это очевидно, в случае двоичных 1101 означает:

1 × 8 + 1 × 4 + 0 × 2 + 1 × 1.

Умножение на 2:

1 × 16 + 1 × 8 + 0 × 4 + 1 × 2 + 0 × 1.

Лишний ноль на конце дает 11010.

Умножение на 4, 8 и другие степени двойки тоже просто: например, умножение на 8_10 (1000_2) равнозначно приращению трех нулей с правой стороны числа.

Итак, умножение превращается в игру «перемести-и-добавь-цифры». Проиллюстрируем это на примере умножения 11010 на 1011. Для начала запишем второе число так:

1011 = 1000 + 10 + 1.

Умножение на 11010 можно представить так:

11010 × 1011 = 11010 × (1000 + 10 + 1) = 11010 × 1000 + 11010 × 10 + 11010 × 1 = 11010000 + 110100 + 11010.

Удобнее умножать в столбик:

А вот и ответ:

Давайте переведем числа в десятичные, чтобы удостовериться, что все правильно:

11010_2 = 16 + 8 + 2 = 26;

1011_2 = 8 + 2 + 1 = 11;

100011110_2 = 256 + 16 + 8 + 4 + 2 = 286.

Мы не ошиблись: 26 × 11 = 286.

Дроби

В десятичной системе мы можем записывать не только целые числа. Если поставить в конце запятую[35], мы получим новые места для цифр: по мере движения вправо степени десяти будут все меньше. Например, 34,27 – это компактный способ записи такого выражения:

Двоичная система тоже позволяет записывать дробные значения. Каждую следующую цифру после запятой[36] мы умножаем на предыдущую степень двойки. Например, 101,011_2 означает:

Непривычный способ записать одну вторую: 0,1_2!

Есть и другие системы счисления, помимо десятичной, единичной и двоичной[37]. В третичной системе мы пользуемся цифрами 0, 1 и 2, здесь все строится на степенях тройки. Скажем, 1102_3 означает:

1 × 27 + 1 × 9 + 0 × 3 + 2 × 1 = 38.

В дробях первая позиция справа от запятой означает умножение на одну третью, вторая позиция – на одну девятую и т. д.:

Ответ на задачу в разделе «Компромисс»

Если представить 42 в виде суммы степеней двойки, мы увидим, что это 101010_2. А число 11011_2 можно представить как 16 + 8 + 2 + 1 = 27.

Глава 3

0,99999999999…

Безусловно, простейший способ записать число один – это цифра 1. Но вы можете столкнуться с тем фактом, что уходящая в бесконечность десятичная дробь 0,999999… представляет собой другой способ записи того же числа. В главе 3 мы присмотримся к этому обстоятельству повнимательнее.

Что означают десятичные числа?

Привычная нам десятичная система счисления удобна и работает отменно, почти без перебоев. Она хорошо подходит для записи целых чисел. 235 – это компактный способ сказать «две сотни, три десятка и пять единиц». Или, на языке математики:

235 = 2 × 100 + 3 × 10 + 5 × 1.

Для некоторых дробных величин десятичная система счисления также чрезвычайно эффективна. Возьмем число 3/4. В десятичной системе его можно записать так: 0,75. Эта запись означает:

Десятичная дробь 0,75 в точности равна 3/4.

Тем не менее если мы предпримем попытку записать 2/7 в виде десятичной дроби, то потерпим фиаско. Если мы попробуем разделить два на семь с помощью калькулятора, то получим неприглядное 0,28571429, причем это будет лишь приближенное значение, не равное в точности 2/7.

Такие числа, как 3/8, могут быть представлены в виде десятичной дроби, потому что знаменатель в них легко представить в виде одной из степеней десятки: 3/8 = 375/1000. Но нельзя найти целое число A, для которого выполнялось бы условие:

так как это подразумевает 2 × 10ⁿ = 7 × A. Ни одно целое число A не подходит в качестве решения уравнения, потому что левая сторона не делится на 7, а правая сторона делится. Представить 2/7 в качестве десятичной дроби невозможно. Если только не…

Десятичные дроби с бесконечным числом символов

Идея десятичной дроби с бесконечным числом символов содержит в себе один подвох, и сейчас мы выясним, какой именно. Вернемся к началу главы: что означает 0,99999… и почему оно равно 1?

Для начала давайте представим 0,999999… не как одно число, а как ряд чисел, где каждое следующее – это предыдущее с приделанной справа цифрой 9. Вот как выглядит такой ряд:

0,9 0,99 0,999 0,9999 … (*)

и так далее ad infinitum[38]. Ясно, что элементы ряда (*) постоянно возрастают. Каждый следующий элемент пусть ненамного, но больше предыдущего.

Докажем два факта:

1. Все элементы возрастающего ряда (*) меньше 1.

2. Тем не менее для любого числа x, которое меньше 1, рано или поздно отыщется элемент ряда (*), превышающий x.

Представим элементы ряда (*) в виде обыкновенных дробей:

Есть компактный способ записать эти дроби. Знаменатели представляют собой степени десяти: 10^1, 10², 10³ и т. д. Каждый числитель на единицу меньше соответствующего ему знаменателя. Перепишем ряд снова:

Очевидно, что n-ный элемент ряда будет выглядеть так:

Легко убедиться, что все члены ряда (*) меньше 1, потому что числитель всякий раз оказывается меньше знаменателя.

Теперь докажем второе утверждение: если число x меньше 1, рано или поздно найдется элемент ряда (*), превышающий x.

Так как x меньше 1, разность (1 – x) положительна. Даже если x невероятно близок к единице, разница между ними будет мизерная, но положительная. Умножим (1 – x) на одну из степеней десяти:

10ⁿ × (1 – x).

Так как разность (1 – x) положительна, это произведение будет больше 1, если 10ⁿ достаточно велико[39]:

10ⁿ × (1 – x) > 1.

Раскроем скобки:

10ⁿ – 10ⁿx > 1,

перенесем 1 в левую часть, а 10ⁿx в правую:

10ⁿ – 1 > 10ⁿx,

поделим обе части на 10ⁿ:

Что мы выяснили? С одной стороны, все элементы интересующего нас возрастающего ряда меньше 1. С другой стороны, какое бы число x меньше единицы мы ни взяли, рано или поздно возникнет элемент ряда, превышающий x (а последующие будут нарастать и все больше удаляться от x).

Наш ряд неуклонно приближается к 1. Математики говорят, что этот ряд стремится к 1. Или, что то же самое, 1 представляет собой предел ряда.

Значение десятичной дроби с конечным числом символов – это сумма определенного количества десятых, сотых, тысячных и т. д. Например:

К сожалению, язык десятичных дробей с конечным числом символов слишком скуден, чтобы выразить, например, 2/7. Поэтому нам необходимо расширить лексикон.

Значение десятичной дроби с бесконечным числом символов равно пределу ряда, где на каждой ступени элемент прирастает на одну цифру. Это сложно, однако дает нам возможность выражать все числа, используя десятичную систему счисления.

Уходим в беспредел!

Нужно приложить определенные усилия, чтобы увидеть в бесконечной десятичной дроби предел ряда. Попробуем посмотреть проще.

Вернемся к знакомому нам 0,999999… Пусть:

X = 0,999999… (A)

Умножим обе части равенства на 10:

10X = 9,999999… (B)

Вычтем (A) из (B):

9X = 9,000000…

Теперь поделим обе части на 9 и убедимся, что X = 1. Готово! Все оказалось просто.

Этот фокус можно повторить для любой периодической десятичной дроби. Например:

Y = 0,27272727… (C)

Умножим обе части на 100 (чтобы цифры встали в строй):

100Y = 27,27272727… – (D)

и вычтем (C) из (D):

99Y = 27,000000…

Таким образом, Y = 27/99 = 3/11.

Вот видите[40]! Зачем утруждать себя «сходимостями» и «пределами»? Но с бесконечными последовательностями нужно быть осторожнее. Представим себе сумму:

Z = 1 + 2 + 4 + 8 + 16 + 32 + … (E)

Умножим обе части равенства на 2:

2Z = 2 + 4 + 8 + 16 + 32 + … – (F)

и привычно вычтем (E) из (F):

– Z = 1.

Стало быть, Z = –1? Что за абсурд?

Где мы допустили оплошность? Мы ушли в беспредел. Алгоритм, позволяющий установить значение 0,9999999… и 0,2727272727…, дал сбой, когда мы взялись за ряд 1 + 2 + 4 + 8 + 16… Во всех трех случаях речь шла о бесконечной последовательности. В чем разница? Ответ: в сходимости. Не понимая толком, что такое сходимость ряда, мы запросто придем к выводу, что сумма положительных чисел может быть отрицательным числом. Операции с выражениями (A) и (B), а также (C) и (D) математически корректны, потому что мы имеем дело со сходящимися последовательностями.

Глава 4

√2

Перед началом концерта музыканты настраивают инструменты по одной ноте, чтобы добиться гармоничного звучания. Однако это невозможно. Скоро мы увидим почему.

Рациональные числа

Целые числа прекрасно ладят с тремя простейшими арифметическими действиями – со сложением, вычитанием и умножением. Мы производим эти операции над двумя целыми числами и получаем целое же число. А вот деление одного целого числа на другое[41] может привести к дробному результату.

Числа, представляющие собой результат деления целого числа на целое, называют рациональными[42]. Например, 1,5 – это рациональное число, потому что равно 3/2.

Целое число 3 рациональное, потому что 3 = 3/1 (а еще 6/2, 12/4 и т. д.). Все целые числа – рациональные.

Целые числа ладят с тремя арифметическими действиями, а рациональные числа – со всеми четырьмя. Сумма, разность, произведение и частное рациональных чисел всегда будут рациональным числом (с привычной оговоркой о неправомерности деления на ноль).

Рациональные числа пригодны для описания повседневной жизни. Величины, которые мы измеряем, – вес, интенсивность звука, расстояние, цена, температура, время, численность населения, радиочастоты – выражаются рациональными числами.

Но если рациональные числа удобны для работы и над ними можно осуществлять арифметические операции, зачем нам другие числа?

Можно задаться более фундаментальным вопросом: существуют ли другие числа?

Диагональ квадрата

Каково расстояние между противоположными вершинами квадрата? Позже, в главе 14, мы обсудим решение этой задачи. Сейчас же достаточно знать, что длина диагонали квадрата 1 × 1 равна √2

Если умножить число √2 само на себя (другими словами, возвести в квадрат), мы получим 2. Посчитайте приблизительное значение √2 на калькуляторе. А теперь давайте посмотрим, можно ли приблизиться к этому числу с помощью ручки и бумаги.

Начнем с того, что, если возвести в квадрат 0, получится 0, а если возвести в квадрат 1, получится 1. Наша цель 2, а найденные числа меньше. С другой стороны, если возвести в квадрат 2, мы получим 4, а если возвести в квадрат 3, получим 9. Это больше, чем нам нужно.

1² – слишком ма́ло, 2² – слишком много. Попробуем найти величину между 1 и 2, перемещаясь с шагом 0,1, как показано в таблице.

Легко заметить: 1,4 слишком мало для квадратного корня из двух, а 1,5 – слишком велико. Следовательно, √2 лежит между этими двумя величинами.

Продолжим в том же духе. Будем возводить в квадрат числа между 1,4 и 1,5, двигаясь с шагом 0,01. Мы обнаружим, что 1,41² = 1,9881, а 1,42² = 2,0164. Из этого можно сделать умозаключение, что

Мы можем двигаться таким образом все дальше и дальше, приближаясь к √2

Рано или поздно мы либо успокоимся (достигнув числа, фантастически близкого к либо почувствуем отчаяние (увидев, что никогда не сможем точно вычислить √2

Но что означает это «точно»?

За границами рационального

Разумный способ определить точное значение числа – представить его в виде рационального числа, то есть отношения двух целых чисел. Если бы мы сумели представить √2 в виде дроби где a и b – целые числа, мы бы нашли его точное значение.

Увы, но такое невозможно. Однако это нужно доказать.

Теорема. √2 не является рациональным числом.

Будем идти от противного, как и в главе 1, где мы подсчитывали количество простых чисел. Предположим, что √2 – рациональное число. Если это допущение приведет к абсурдным выводам, значит, оно несостоятельно.

Итак, приступим. Если √2 – рациональное число, его можно выразить в виде отношения двух целых чисел:

Возведем обе части тождества в квадрат:

Раскроем скобки:

Таким образом:

или:

2b² = a². (С)

Если a – целое число, мы можем разложить его на простые множители, причем (согласно основной теореме арифметики) одним-единственным способом:

a = p_1 × p_2 × … × pn.

Проделаем аналогичную процедуру с b:

b = q_1 × q_2 × … × qm.

Следовательно, левую часть равенства (С) можно представить в таком виде:

2b² = 2 × (q_1 × q_2 × … × qm)² = 2 × (q_1 × q_1) × (q_2 × q_2) × … × (qm × qm).

Несложно заметить, что 2b² раскладывается на нечетное число простых множителей.

Аналогично поступаем с правой частью (С):

a² = (p_1 × p_2 × … × pn) ² = (p_1 × p_1) × (p_2 × p_2) × … × (pn × pn).

В отличие от 2b², выражение a² раскладывается на четное число простых множителей.

Подытожим. В соответствии с нашим предположением 2b² = a². Это означает, что некоторое число одновременно можно разложить на четное и нечетное количество простых множителей. Но это противоречит основной теореме арифметики.

Мы пришли к невозможному выводу. Таким образом, наша изначальная посылка была ошибочна. Следовательно, √2 не является рациональным числом.

Такие числа, как √2 называют иррациональными. Рациональные числа хороши для операций с физическими величинами[43], но их недостаточно для всех математических величин. Длина диагонали квадрата 1 × 1 – иррациональное число.

Конструктивные числа

Начав с числа 1 и шаг за шагом проделывая операции сложения, вычитания и умножения, мы можем получить любое целое число, но и только. Если мы добавим операцию деления, нам откроются все рациональные числа, но ими же мы и будем ограничены.

Если мы введем операцию извлечения квадратного корня[44], то получим числа, которые не являются отношением целых чисел. Например:

Для удобства мы будем называть конструктивными такие числа, которые можно получить с помощью числа 1 и пяти операций – сложения, вычитания, умножения, деления и извлечения квадратного корня – с привычными оговорками: нельзя делить на ноль и извлекать корень из отрицательных величин.

Разумеется, возникает вопрос: все ли числа конструктивные?

Древние греки усматривали магическую внутреннюю связь между арифметикой и геометрией. Эта связь подтверждалась операциями с использованием двух инструментов: линейки без делений и циркуля. Возьмем отрезок единичной длины; какова может быть длина отрезков, построенных на его основе с помощью карандаша, линейки без делений и циркуля?

Складывать и вычитать отрезки просто. Пусть у нас есть отрезки длиной a и b. С помощью линейки мы продлеваем первый отрезок. Ставим иглу циркуля в начало второго отрезка, а острие карандаша на другой ножке циркуля – в конец отрезка. После этого мы перемещаем иглу в конец первого отрезка и отмечаем точку на продленной линии. Так мы находим сумму двух отрезков. Что касается вычитания, оно будет означать не приращение, а укорочение отрезков.

Дальше дело пойдет несколько сложнее, но мы вполне способны умножать, делить и даже извлекать квадратные корни из длин отрезков с помощью линейки без делений и циркуля.

Да, это так: с помощью двух простейших инструментов мы можем найти длины, равные всем положительным конструктивным числам!

Было время, когда греки думали, что все числа рациональные, но пифагорейцы доказали, что это не так.

Однако грекам было непросто расстаться с верой в связь арифметики и геометрии. В основе этой веры лежали представления об эстетике. Неужели не все числа можно выразить с помощью линейки без делений и циркуля?

Эта вера подкреплялась решениями двух из трех знаменитых древнегреческих геометрических задач. Наиболее известна задача о трисекции угла: с помощью линейки без делений и циркуля нужно поделить заданный угол на три равных угла[45].

Менее известны две другие головоломки:

• Удвоение куба. Необходимо найти длину ребра куба, чей объем в два раза больше заданного. Если длина ребра первого куба – единица, это равносильно построению отрезка длиной

• Квадратура круга. Необходимо построить квадрат, чья площадь равна площади заданного круга. Если радиус круга равен единице, его площадь равна π. Тогда сторона квадрата будет равна

Понадобилось две тысячи лет, чтобы понять: эти задачи неразрешимы[46]. Ни ни не являются конструктивными числами[47]. Решая проблему трисекции угла, мы сталкиваемся с тем фактом, что некоторая величина (косинус 20°) не является конструктивным числом.

Существование неконструктивных чисел опровергает связь между арифметикой и геометрией, гревшую сердца древним грекам, которые решали задачи на построение с линейкой без делений и циркулем.

Музыкальная гармония

Если музыканты перед концертом не настроили инструменты, возникает акустический диссонанс: музыка становится неблагозвучной.

Когда на двух инструментах берут одинаковые ноты, акустическая частота звуковых волн оказывается одинаковой. Рассогласованность же действует слушателю на нервы. Впрочем, можно брать и разные ноты, и музыка все равно будет ласкать слух, если эти ноты гармонируют друг с другом. Но как достичь гармонии? Что именно нам приятно слышать?

Этот вопрос волновал еще древних греков. Они выяснили, что, если акустические частоты соотносятся как малые целые числа (например, 2 и 3), сочетание нот ласкает слух. Так был открыт первый музыкальный строй (по легенде, его создал Пифагор[48]). Подбирая частоты для нот, важно выполнить главное требование: частоты нот, находящихся на противоположных концах октавы, должны соотноситься примерно как 2:1. Ради гармоничных звуков древние греки подбирали ноты так, чтобы парное соотношение частот до и фа, а также до и соль выражалось малыми целыми числами. В пифагорейском варианте соотношение между частотами соседних нот было равно 9/8 для целого тона (например, между до и ре) и 256/243 для полутона (например, между ми и фа).

Вот весь пифагоров строй[49]:

Из этого соотношения можно посчитать соотношение, скажем, между частотами нот до и фа. Мы получим частоту фа, если умножим частоту до на

Акустические частоты, соотносящиеся как 4:3, прекрасно звучат вместе.

Мы можем визуализировать звуковые волны, возникающие, когда до и фа звучат вместе. Это будет выглядеть примерно так:

А частота ноты ля окажется немножко выше, звуковая волна будет выглядеть так:

Разница, заметная для глаза, заметна также и для слуха; вы видите диссонанс.

Недостаток пифагорова строя в том, что широко распространенное мажорное трезвучие до мажор – до-ми-соль – звучит как диссонанс; соотношение частот достаточно сложное.

Спустя много веков были найдены другие варианты. Например, так называемый чистый строй, или натуральный строй[50], выглядит так:

В этом варианте частоты до, ми и си прекрасным образом соотносятся как 4:5:6. Но полный тон от до до ре звучит иначе, чем другой полный тон от ре до ми.

И у пифагорова строя, и у натурального строя есть еще один серьезный изъян: если ансамбль исполняет произведение в тональности, скажем, до мажор, а затем музыканты должны переключиться на тональность фа, инструменты придется перенастраивать. Это довольно затруднительно для лютниста, невероятно сложно для клавикордиста и совершенно нереально для тех, кто играет на деревянных духовых.

Исправить изъян можно, если создать музыкальный строй, действующий одинаково хорошо во всех тональностях. Это накладывает два условия:

1. Частоты нот на противоположных концах октавы должны соотноситься как 2:1;

2. Если ноты отделены полутоном, соотношение их частот должно быть таким же, как у остальных полутонов октавы (например, соотношение частот до и ми-диез равно соотношению частот до-диез и ре). Всего в октаве двенадцать полутонов: до, до-диез, ре, ми, ми-диез, фа, фа-диез, соль, соль-диез, ля, ля-диез и си.

Если соотношение частот любых двух соседних нот равно r (условие 2), а соотношение частот двенадцатой и первой ноты равно 2 (условие 1), то r^12 = 2. Следовательно,

Если настроить музыкальные инструменты таким образом, чтобы соотношение частот соседних нот в октаве было равно не придется перенастраиваться при переходе в другую тональность. Этот музыкальный строй называют равномерно темперированным[51], и сегодня им пользуются все профессиональные музыканты.

К сожалению, число иррационально[52]. Иными словами, соотношение частот двенадцати нот в равномерно темперированном строе (за исключением начала и конца октавы) не может быть выражено через соотношение целых чисел. Соотношение частот до и соль в таком случае равно не 3:2, а примерно 1,4983 (число принято округлять до 1,5).

Как это звучит? Сейчас почти все музыкальные инструменты настраивают по равномерно темперированному строю, и они ласкают наш слух. Но что мы теряем?

Вот как выглядит звуковая волна для трезвучия до мажор. В первом варианте частоты нот соотносятся как 4:5:6, во втором подобраны в соответствии с равномерно темперированным строем. Первый вариант выглядит (и звучит!) гораздо гармоничнее.

Преимущество равномерно темперированного строя состоит в том, что в нем нет необходимости постоянно перенастраивать музыкальные инструменты. Но есть один инструмент, способный менять тональность мгновенно: человеческий голос.

Вокальные ансамбли без инструментального сопровождения (например, «парикмахерские» квартеты[53]) не нуждаются в равномерно темперированном строе и берут ноты, соотношение частот которых можно выразить целыми числами. И мы слышим чудесные хорошо резонирующие звуки.

Глава 5

i

Еще одна головоломка квадратного корня

В главе 4 мы поразмышляли над «точным» значением числа √2 и пришли к выводу, что его нельзя выразить в виде соотношения двух целых чисел и, следовательно, оно иррационально. Тем не менее мы можем найти его значение с невероятной точностью.

Число √2 не относится к рациональным числам, однако нас не мучает вопрос, существует ли такое число, что x² = 2. Несмотря ни на что, √2 имеет законную прописку где-то между 1,41 и 1,42. Это пример действительного числа[54]. Оно может быть выражено так:

± XXXX, XXXXXXXXXX…

Символом X помечены разные цифры. Число может быть положительным или отрицательным (знак + перед числом ставить не принято), количество цифр до запятой конечно, количество цифр после запятой бесконечно. Скажем, 1⅔ можно записать так[55]:

1,666666666666…

Такие числа, как 3/4, в десятичной системе счисления записываются с конечным числом цифр после запятой (0,75), но ничто не мешает прикрутить справа бесконечное количество нулей: 0,7500000000…

Таким образом,  – реальное число, просто иррациональное. Точнее говоря, существует такое число, что x² = 2. Точно так же существует такое число, что x² = 3, а именно И так далее… Или нет?

Всякое ли уравнение x² = a имеет решение? Если a – положительное действительное число (или ноль), тогда решение равно и ответ можно записать в виде десятичного числа сколько угодно точно. Если мы изобразим график y = x² – a (для любого квадратного уравнения он представляет собой параболу), решением будут те точки, где кривая пересекает ось абсцисс, или ось x. Иными словами, это такие значения x, при которых x² = a. На первом рисунке вы можете видеть графики y = x² – 3 и y = x² – 7. Первая парабола пересекает ось абсцисс при вторая парабола – при

Вопрос кардинально меняется, когда мы ищем такое число, что x² = –1. А существует ли оно в принципе? Если возвести в квадрат положительное число, ответом будет положительное число, скажем 5² = 5 × 5 = 25 > 0. Если возвести в квадрат отрицательное число, результат снова будет положительным числом: (–5)² = (–5) × (–5) = 25 > 0. Если возвести в квадрат ноль, получится ноль. Наше положение выглядит безнадежно.

Мы испытаем еще большее отчаянье, когда нарисуем график уравнения y = x² + 1 и увидим, что парабола нигде не пересекает ось абсцисс.

Есть искушение сдаться и объявить: «Нельзя извлекать квадратные корни из отрицательных чисел». На самом деле нам просто не хватает воображения. Да, не существует ни одного действительного числа, удовлетворяющего условию x² = –1, но, возможно, есть какие-то другие?

Мнимые числа

Решение на редкость просто. Раз нет такого действительного числа, что x² = –1, то мы просто создадим новое число, назовем его i и поставим условие i² = –1.

Конечно, в голове сразу зазвучит сигнал тревоги: «Откуда взялось это число? Выдумывать числа нельзя! Что за чепуха!»

Чтобы облегчить душу, назовем новое число мнимым[56]. В наших глазах такое число – второго сорта: мы не кладем i кубиков сахара в чашку кофе и не боимся, что расстояние до университета окажется равным i миль[57].

Мы просто решили поиграть и сами придумали правила. Хорошо, теперь давайте поразмышляем. Посмотрим, на что годно это число i. Мы знаем, что i × i = –1. А как насчет i + i? Если следовать привычным арифметическим правилам, то получится другое мнимое число: 2i. А что, если возвести это число в квадрат? Попробуем!

(2i) ² = (2i) × (2i) = 2 × i × 2 × i = 2 × 2 × i × i = 4 × (i × i) = 4 × (–1) = –4.

Другими словами, число 2i представляет собой квадратный корень из числа –4.

Теперь возведем в квадрат и посмотрим, что получится:

Таким образом, представляет собой квадратный корень из числа –2. Когда мы приютили мнимое число i в семье всех чисел, мы заполучили не просто а в придачу еще и квадратные корни из всех отрицательных действительных чисел! Любое число вида b × i, где b – это действительное число, называют мнимым числом.

Если сложить два мнимых числа, например 2i и 4i, мы получим другое мнимое число: 6i. Если мы перемножим два мнимых числа, например 3i и –2i, то получим действительное число:

3i × (–2i) = 3 × (–2) × i × i = (–6) × (–1) = 6.

Комплексные числа

Чтобы мнимые числа прижились в семье всех чисел, нужно научиться складывать, вычитать, умножать и делить мнимые и действительные числа вместе. Мы будем работать с множеством комплексных чисел. Это расширение множества действительных чисел, включающее все числа вида a + bi, где a и b – действительные числа, например 3 + 4i.

Само число i комплексное, потому что может быть представлено в виде 0 + 1i. Точно так же действительные числа могут быть представлены в виде –7 + 0i.

Складывать комплексные числа несложно, мы просто приводим подобные слагаемые:

(3 + 2i) + (4 – 3i) = (3 + 4) + (2 – 3) i = 7 – i.

Более педантично мы можем записать это так: 7 + (–1) i.

Вычитание ничуть не сложнее:

(3 + 2i) – (4 – 3i) = (3 – 4) + (2 – (–3)) i = –1 + 5i.

Очевидно, что сумма или разность двух комплексных чисел – тоже комплексное число. На языке алгебры мы можем продублировать эту фразу так (числа a, b, c, d здесь – действительные):

(a + bi) + (c + di) = (a + c) + (b + d) i;

(a + bi) – (c + di) = (a – c) + (b – d) i.

Умножение комплексных чисел дается несколько труднее. Попробуем перемножить наших друзей 3 + 2i и 4 – 3i:

(3 + 2i) × (4 – 3i) = 3 × (4 – 3i) + 2i × (4 – 3i) = (3 × 4 – 3 × 3i) + (2i × 4 – 2i × 3i) = (12 – 9i) + (8i + 6) = 18 – i.

На алгебраическом языке произведение двух комплексных чисел выражает формула:

(a + bi) × (c + di) = (ac – bd) + (ad + bc) i.

Очевидно, что при перемножении двух комплексных чисел мы получаем комплексное число.

Из всех арифметических операций деление комплексных чисел сложнее всего. Оно приводит нас к выражению (a + bi) / (c + di), поэтому сначала нам придется поговорить о взаимно обратных числах. Число x называют взаимно обратным числу y, если xy = 1. Например, дробь 1/2 взаимно обратна числу 2.

Какое комплексное число взаимно обратно 1 + 2i? Нам нужно такое число a + bi, что (1 + 2i) × (a + bi) = 1. Докажем, что этому требованию удовлетворяет число

Общая формула для комплексного числа, обратного числу a + bi, выглядит следующим образом:

В этом легко убедиться: достаточно умножить (A) на a + bi, аккуратно произвести все необходимые арифметические действия – и получить в итоге единицу.

Заметим, что оба знаменателя в (A) равны a² + b². Если вдруг эта сумма окажется равной нулю, формула потеряет смысл, потому что деление на ноль запрещено. Но такое возможно лишь в том случае, если a = 0 и b = 0. Другими словами, все комплексные числа имеют взаимно обратные, кроме числа 0 + 0i. Это подтверждает ожидания: ноль – единственное действительное число, не имеющее взаимно обратного, и среди комплексных чисел дело обстоит так же. Но обратное по отношению к любому ненулевому комплексному числу – тоже комплексное число.

Расправившись со взаимно обратными числами, мы можем наконец перейти к делению. Деление числа X на число Y дает такой же результат, как умножение числа X на число, взаимно обратное Y. Следовательно, частное двух комплексных чисел (если делитель не равен нулю) – комплексное число.

Отсюда можно сделать вывод: основные арифметические действия – сложение, вычитание, умножение и деление – прекрасно справляются с комплексными числами. Мы можем проделать эти операции над парой любых комплексных чисел (исключение составляет деление на ноль) и получить комплексное число.

Сейчас мы снова попытаемся извлечь квадратный корень. Сперва именно эта задача загнала нас в тупик. Действительные числа, так сказать, неполноценны: из каких-то квадратный корень извлекается, а из каких-то – нет. И вот мы дополняем действительные числа мнимыми, придумав новое число Мы заново осваиваем арифметические операции, и система действительных чисел разрастается до системы комплексных чисел[58]. Но как решить вопрос с квадратным корнем? Чему равен Нам что, опять нужно изобрести какое-то несуществующее число и создать монструозное множество «сверхкомплексных» чисел?

К счастью, множество комплексных чисел уже содержит все квадратные корни из комплексных чисел. Посмотрим, как извлечь корень из мнимой единицы, не создавая новых сущностей.

Нам нужно найти такое комплексное число a + bi, что (a + bi) ² = i. Начнем с перемножения (a + bi) и (a + bi):

(a + bi) × (a + bi) = (a² – b²) + (2ab) i.

Теперь нам нужно приравнять это выражение к i = 0 + 1 × i. В результате мы получим: a² – b² = 0 и 2ab = 1.

Первое условие тождественно тому, что a = b или a = –b.

Если a = b и 2ab = 1, то 2a² = 1.

Таким образом,

Так как a = b, мы нашли два квадратных корня из мнимой единицы:

Проверьте, так ли это, возведя оба ответа в квадрат.

Если a = –b, решение будет таким же.

Итак, затратив некоторые усилия, мы показали, что извлечение квадратного корня из комплексного числа дает комплексное число, поэтому придумывать новые числа для извлечения корней не нужно.

Основная теорема алгебры

А как насчет кубических корней? Кубический корень из числа c – это такое число x, что x³ = c. Вопрос: входит ли множество корней из комплексных чисел во множество комплексных чисел или нам нужно изобретать еще какие-нибудь новые числа[59]?

Уравнение x³ = c может быть записано иначе: x³ – c = 0. Сформулируем вопрос в общем виде: всякое ли полиномиальное уравнение[60] имеет решение среди комплексных чисел? Скажем, есть ли такое комплексное число x, что

3x⁵ + (2 – i) x⁴ + (4 + i) x³ + x – 2i = 0?

Принципиально важный факт в теории комплексных чисел состоит в том, что любое полиномиальное уравнение имеет комплексное решение! Об этом говорит основная теорема алгебры. На математическом языке данный тезис можно переформулировать так: поле комплексных чисел[61] алгебраически замкнуто.

Вот как звучит это важнейшее утверждение в строгой форме.

Теорема (основная теорема алгебры). Пусть d – положительное целое число и c_0, c_1, c_2, …, cd – комплексные числа, причем cd ≠ 0. Тогда существует такое комплексное число z, что

cdzd + cd – 1zd – 1 + … + c_2z² + c_1z + c_0 = 0.

Поле действительных чисел незамкнуто, потому что среди действительных чисел не всегда можно найти решение полиномиального уравнения с действительными коэффициентами (например, среди действительных чисел нет такого числа a, что a × a + 1 = 0. Доказательство общей теоремы алгебры состоит в том, что решение приведенного выше полиномиального уравнение находят в общем виде.

Глава 6

π

Что такое π?

Число π завораживает человечество на протяжении многих поколений. Оно проникло в массовую культуру (например, стало названием фильма[62] и маркой одеколона[63]). Школьники отмечают День π и соревнуются, кто запомнит больше знаков числа π после запятой[64].

Пи – шестнадцатая буква греческого алфавита. В математике ею обозначают отношение длины окружности к ее диаметру. Длина окружности в π раз длиннее диаметра, или C = πd. Можно записать иначе: C = 2πr, где r – радиус окружности.

Площадь окружности можно вычислить по формуле S = πr².

С помощью числа π можно определить и площадь сферы – 4πr², а также объем шара –

Эти геометрические формулы не сообщают нам величину числа π. Начнем с того, что π больше 3. Нарисуем круг с радиусом 1, впишем в него равносторонний шестиугольник, а затем поделим его на равносторонние треугольники.

Очевидно, что стороны всех треугольников равны 1. Периметр шестиугольника равен 6. Длина окружности несколько больше, чем периметр шестиугольника. Таким образом, 2π > 6, следовательно, π > 3. На рисунке мы видим, что разница между периметрами двух фигур невелика. Значит, π немногим больше 3.

Дальше мы можем поступить наоборот – описать правильный шестиугольник вокруг окружности радиусом 1. Вновь поделим шестиугольник на шесть равных треугольников. Длина любой стороны каждого треугольника будет равна (вы с легкостью поймете, почему это так, применив теорему Пифагора, о которой идет речь в главе 14; объяснение вы найдете в конце главы).

Таким образом, периметр большого шестиугольника равен Периметр окружности немного меньше. Следовательно,

Дальше мы можем снова и снова вписывать в окружность и описывать вокруг нее правильные многоугольники со все бо́льшим количеством сторон. Когда мы дойдем до правильного 100-угольника, точность наших вычислений значительно повысится:

3,1410759… < π < 3,1426266…

В пределе, увеличивая число сторон вписанных и описанных правильных многоугольников до бесконечности, мы будем получать все более точное значение интересующего нас числа:

π = 3,141592653589793238462643383279502884…

Так чему же в точности равно число π? В главе 4 мы уже выяснили, что число иррационально, то есть не может быть выражено через отношение двух целых чисел. Так же обстоит дело и с числом π. Школьников часто просят запомнить, что но это лишь приблизительное значение[65].

Число π не так-то просто представить в виде ряда, но вот пара попыток:

В обоих случаях необходимо вести счет до бесконечности, но это не в наших силах. Мы можем остановиться после некоторого количества шагов и найти приблизительное значение интересующего нас числа.

Ни та ни другая формула на практике не используются. Когда мы доведем расчеты по формуле (A) до получится, что π ≈ 3,134. Когда мы доведем расчеты по формуле (B) до получится, что π ≈ 3,13159.

Число π можно вычислить быстрее и точнее с помощью гораздо более изощренных алгоритмов. Для науки и инженерного дела достаточно знать где-то 30 знаков после запятой. Исключительно ради забавы и спортивного интереса математики и программисты вычислили число π с точностью больше триллиона знаков после запятой.

Трансцендентность

Числа π и  – иррациональные, но мы можем сделать более сильное утверждение: число π – трансцендентно.

Рациональные числа выражаются через соотношение целых чисел; скажем, 5/2, – 2/3, 7/1. Иными словами, это решения уравнений вида ax + b = 0, где a и b – целые числа. Например, 5/2 – это решение уравнения 2x – 5 = 0.

Число не входит во множество рациональных чисел (см. главу 4) и не является решением линейного уравнения вида ax + b = 0, где a и b – целые числа. Зато оно является решением квадратного уравнения x² – 2 = 0.

А что насчет π? Оно иррационально и, конечно, тоже не является решением линейного уравнения с коэффициентами среди целых чисел. Может быть, оно является решением какого-нибудь квадратного уравнения с коэффициентами среди целых чисел: ax² + bx + c = 0? Придется вас разочаровать, это не так. А может, стоит повысить степень? Кубическое уравнение ax³ + bx² + cx + d = 0? Снова нет. Биквадратное? Уравнение пятой степени? Сотой? Миллионной?..

На самом деле число π не является решением полиномиального уравнения любой степени с целочисленными коэффициентами. Другими словами, нет такого уравнения

anxⁿ + an–1xⁿ–1 + … + a_2x² + a_1x + a_0 = 0

(где любое ak представляло бы собой целое число), куда можно было бы подставить π вместо x, чтобы все сошлось. Это и означает, что число π трансцендентное.

Взаимно простые числа

Странным образом число π встречается в областях математики, не имеющих ничего общего ни с кругами в частности, ни с геометрией в целом. Например, число π мистически входит в формулу Стирлинга для вычисления приблизительного значения факториалов (см. главу 10). А сейчас мы узнаем, как наше заветное число связано с важным свойством очередного вида целых чисел – взаимно простых.

Два положительных целых числа называют взаимно простыми, если их единственный общий делитель равен 1 (при этом по отдельности они могут быть и составными).

Например, присмотримся к числам 15 и 28. У них следующие делители:

Таким образом, 15 и 28 взаимно простые.

С другой стороны, числа 21 и 35 не взаимно простые, потому что оба делятся на 7.

Сыграем в кости? Какова вероятность того, что очки, выпавшие на обоих кубиках, будут взаимно простыми?

С равной вероятностью любой из них может выпасть гранью с цифрой 1, 2, 3, 4, 5 или 6. Каким бы ни был результат на первому кубике, второй выпадет по-своему независимо от него. Там тоже 6 вариантов. Всего это дает 36 комбинаций:

Все эти варианты равновероятны. С помощью таблицы мы можем вычислить, скажем, вероятность того, что сумма чисел на гранях двух кубиков будет равна 7. Это произойдет в шести случаях: (1, 6), (2, 5), (3, 4), (4, 3), (5, 2) и (6, 1). Таким образом, вероятность такого события равна

Вернемся к нашему вопросу: какова вероятность того, что два числа, выпавшие на разных кубиках, – взаимно простые? Давайте нарисуем новую таблицу и поставим звездочку везде, где пары чисел взаимно простые, например 5 и 2 или 2 и 5, но не 4 и 6.

Мы видим, что нам подходит 23 варианта. Таким образом, вероятность равна

Теперь поиграем в двадцатигранные кости[66]! Какова вероятность того, что они выпадут гранями со взаимно простыми числами? Нам придется построить таблицу побольше! В ней будет 20 строк, 20 столбцов и 400 клеток.

Если мы педантично пересчитаем все звездочки, то придем к выводу, что вероятность составляет

Поговорим про общий случай. Какова вероятность того, что два произвольных числа от 1 до N – взаимно простые? Здесь нам уже понадобится компьютер. Рассмотрим все комбинации – (1, 1), (1, 2), (1, 3) и т. д. до (N, N) – и посчитаем, как много пар взаимно простых чисел нам повстречается. Всего придется перебрать N² вариантов[67]. У нас получатся такие результаты:

Чем дальше мы уходим в бесконечность, тем ближе вероятность к 0,6079. И откуда же взялось это число? Чудесным образом предел нашего ряда оказался равен:

Число π встречается не только в геометрии, оно вращается в разнообразных кругах!

Глава 7

e

Леонард Эйлер[68]

Когда твоим именем называют число, это ли не величайшая честь для математика? Швейцарец Леонард Эйлер жил в XVIII веке, и в главе 7 мы поговорим о числе Эйлера[69]. Его обозначают буквой e.

Число Эйлера можно задать разными способами[70], но стандартным считается следующий:

Этот ряд уходит в бесконечность. Восклицательными знаками обозначен факториал. Для положительного целого числа n факториал считают по такой формуле:

n! = n × (n – 1) × (n – 2) × (n – 3) × … × 2 × 1.

Например, 4! = 4 × 3 × 2 × 1 = 24. Факториал нуля равен 1. Вы можете узнать о факториале больше в главе 10.

Достаточно сделать всего несколько шагов по приведенному выше алгоритму, чтобы вычислить e c хорошей точностью. Когда мы дойдем до 1/10! сумма будет равна

Это довольно близко к более точному значению 2,718281828459045…

Число Эйлера повсеместно встречается в разных областях математики. Далее я покажу вам три совершенно разные задачи, для решения которых нужно e.

«Прибыльное» число

Банк выдает депозитный сертификат на десять лет. Когда этот срок истекает, вклад удваивается. Если ваш вклад составляет 1000 долларов, через десять лет вы получите 2000 долларов. Рост ваших инвестиций составляет 100 %. Не исключено, что для банка выгоднее выплачивать 10 % ежегодно, а не 100 % спустя десять лет.

Банк может выдать еще более привлекательный сертификат, позволяющий вам получать прибыль ежегодно и снова класть ее на депозит. Посмотрим, как это отразится на ваших финансах.

Начнем с 1000 долларов. В конце года вы получите 100 долларов. Теперь у вас 1100 долларов. На следующий год ваша прибыль возрастет. Банк выдаст вам уже не 100 долларов, а 10 % от 1100, то есть 110 долларов. Теперь у вас 1210 долларов. На третий год банк выдаст 10 % от этой суммы. Посмотрим, какую прибыль вы будете получать год от года и насколько станет увеличиваться ваш вклад:

Вначале у вас было A долларов. В первый год прибыль составила 10 %. В конце года вы получили 1,1 × A. На второй год 1,1 × 1,1 × A. Несложно увидеть, что в конце десятого года у вас на руках окажется

Это близко к нашим недавним расчетам[71]. Таким образом, новый депозитный сертификат оказывается существенно выгоднее – денег становится больше не в 2, а почти в 2,6 раза.

А что произойдет, если банк начнет выдавать прибыль раз в три месяца, а не ежегодно? Если за год выручка составляет 10 %, то за три месяца набегает 2,5 %. В первом квартале ваша доход составит 0,025 × 1000 = 25 долларов. Общая сумма будет равна 1,025 × 1000 = 1025 долларов. В конце второго квартала вы получите уже 0,025 × 1,025 = 25,63 доллара (если округлить до сотых). Теперь у вас 1,025 × 1025 = 1050,63 доллара.

Спустя N кварталов ваша 1000 долларов увеличивается следующим образом:

Подставим N = 40 (поскольку в 10 годах 40 раз по 3 месяца) и увидим, что депозитный сертификат принес 2685,06 доллара.

В первом случае деньги удвоились. Во втором сумма выросла в 2,59 раза. В третьем – в 2,69 раза. А что произойдет, если требовать прибыль ежемесячно, сохраняя условие, что деньги можно тут же снова класть на счет? А еще лучше – ежедневно?

В случае ежемесячных выплат вы станете получать 10/12 %. Если в начале месяца у вас на руках была сумма A, в конце месяца[72] она вырастет:

Спустя N месяцев вы получите:

Если N = 120, ваша итоговая сумма составит 2707,04 доллара.

Число дней в високосном году больше, чем в обычном, но для упрощения вычислений давайте примем за данность, что длительность каждого года 365 дней. За день вы будете получать Спустя N дней общая сумма составит:

Если N = 3650, вы будете обладать суммой в 2717,91 доллара.

А что, если вам и этого мало? Что, если вы потребуете от банка платить вам ежечасно?.. ежеминутно?.. ежесекундно?

В году 31 556 926 секунд[73], так что спустя 10 лет у вас будет:

Это дает 2718,28 доллара.

Подытожим:

А зачем останавливаться на секундах? Пусть банк выплачивает вам деньги каждую миллисекунду или наносекунду. Впрочем, это не изменит общей суммы. Вы все равно получите те же 2718,28 доллара, потому что вынуждены округлять до центов.

В пределе вы достигнете непрерывных выплат. Если посчитать всю сумму в точности, банк должен будет отдать вам 1000 × e долларов!

Непрерывные выплаты – пример экспоненциального роста. Пусть A – начальное число (денег, микробов и т. д.). Оно вырастает со скоростью r на протяжении периода времени t. Если новое число вырастает с той же скоростью и этот рост непрерывный, то в конце мы получим:

Aert,

где e – знакомое нам число Эйлера. В нашем примере A = 1000 (первоначальный вклад), r = 0,1 (процентная ставка), t = 10 (количество лет). В конце мы имеем 2718,28 доллара.

Процесс может быть и обратным, когда нечто непрерывно убывает[74]. Тогда в конце мы получим Ae–rt.

Переполох со шляпами

В одном городе был театр. Его посетители на время представления сдавали шляпы в гардероб, а потом забирали обратно.

Однажды гардеробщик – то ли он выпил лишнего, то ли просто свихнулся – стал выдавать шляпы не по номеркам, а в произвольном порядке. Вопрос: какова вероятность того, что никто не получит свою шляпу?

Сформулируем вопрос точнее. В театр пришло N зрителей. Они встают в очередь за шляпами. Сумасшедший гардеробщик выдает шляпы в произвольном порядке. Таким образом, шляпы могут быть выданы N! различными вариантами[75]. Все они равновероятны. Это математическая формулировка выражения «в произвольном порядке».

Разберем случай N = 4. Укажем в таблице все варианты выдачи шляп и пометим стрелочкой те случаи, когда ни один из зрителей не получает свою шляпу.

В 9 случаях из 24 никто не получает свою шляпу. Таким образом, при N = 4 интересующая нас вероятность равна

Для N = 5 существует 5! = 120 различных вариантов вернуть шляпы. Из них 44 нам подходят: ни один человек не получит свою шляпу. Таким образом, вероятность будет равна В таблице вы можете видеть, как меняется вероятность по мере возрастания N.

Вероятность меняется и дальше, но на ничтожно малую величину.

Хорошенько подумав, мы можем вывести формулу зависимости вероятности того, что никто из N зрителей не получит свою шляпу, от числа N:

Например, при N = 4

Это согласуется с нашими предыдущими выкладками.

В пределе, когда N стремится к бесконечности, вероятность того, что никто не получит свою шляпу, равна

Этот ряд уходит в бесконечность. Обратите внимание, что эта формула похожа на формулу (A) для подсчета числа e. Сумма ряда (B) равна Мы снова встретили наше заветное число!

Уже при N = 10 сумма ряда будет равна

Это достаточно близко к следующему значению:

Среднее расстояние между двумя простыми числами

В главе 1 я доказал, что простых чисел бесконечно много. Вы увидели, что среди небольших целых положительных чисел простые числа встречаются достаточно часто, но, когда мы уходим в бесконечность, простые числа начинают попадаться все реже. Мы можем с некоторой точностью установить, насколько редко встречаются простые числа, если попытаемся найти среднее расстояние между ними[76].

Какие простые числа можно найти между 1 и 20?

2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19.

Промежутки (разности) между этими числами следующие:

1, 2, 2, 4, 2, 4, 2.

Следовательно, среднее расстояние между ними равно:

Теперь посчитаем, сколько простых чисел между 1 и 1000. Всего их 168: начиная с 2, 3 и 5 и заканчивая 983, 991 и 997. Среднее расстояние между соседними простыми числами в этом случае составит:

Знаменатель равен 167, так как простых чисел 168, а промежутков между ними на 1 меньше. Числитель можно посчитать довольно просто. Обратите внимание, что число 3 встречается дважды с разными знаками. Та же история с числом 5. Разумеется, это верно для всех чисел, кроме первого и последнего[77]. Таким образом, нам достаточно вычесть 2 из 997. Получается, что среднее расстояние между простыми числами от 1 до 1000 равно

Это в два с лишним раза больше, чем в случае, когда мы брали числовой ряд от 1 до 20.

Введем обозначение agap(N) для среднего расстояния между простыми числами от 1 до N. Тогда наши предыдущие расчеты могут быть записаны в таком виде:

Вычислим среднее расстояние между простыми числами от 1 до N, когда N равно 100, 1000, 10 000 и так далее до 1 000 000 000. И округлим результат до тысячных:

Легко заметить: когда N становится больше в десять раз, agap(N) возрастает примерно на 2,3.

Мы можем проиллюстрировать эту закономерность на графике. Будем отмечать число N по оси абсцисс и agap(N) по оси ординат. Масштаб по оси ординат оставим обычным, а по оси абсцисс разница между делениями пусть постоянно возрастает в 10 раз (это называется логарифмическая шкала):

Обратите внимание: звездочки выстроились почти в прямую линию. Если присмотреться, левый нижний конец нашей кривой слегка загибается вверх.

Если бы звездочки на графике в точности выстроились в линию, мы получили бы следующую формулу, включающую число Эйлера:

N = ea + 1. (C)

Здесь а=agap(N) Скажем, если N = 10^12, то agap(N) ≈ 26,59. Для выполнения (C) необходимо, чтобы a ≈ 26,63, и наш результат близок к этому числу.

Чудесная формула

Три главы были посвящены трем важным числам: π, i, e. Хотите верьте, хотите нет, но все они встречаются в одной формуле (которую вывел Эйлер):

eiπ + 1 = 0.

Формула поражает невероятным изяществом и простотой, однако как можно возводить число в мнимую степень?!

Мы знаем, как возвести e в целую положительную степень. Например, e³ = e × e × e. Отрицательная степень – это произведение дробей: Дробные степени могут быть выражены через квадратные корни, кубические корни и т. д.: Можно посчитать даже такую жутковатую величину, как

Но eiπ не вписывается в эти стандарты. Нам нужен иной принцип[78].

Мы знаем, что e представляет собой сумму бесконечного ряда:

Для любого x значение ex будет:

Скажем, в случае x = –1 мы получим знакомый по казусу со шляпами ряд (B):

Чтобы узнать, чему равно eiπ, подставим iπ вместо x:

Чему равны числители дробей в этой сумме?

(iπ) ² = (iπ) × (iπ) = i² × π² = – π².

(iπ) ³ = i × i × i × π³ = –1 × i × π³ = –iπ³.

(iπ) ⁴ = i⁴ × π⁴ = π⁴.

(iπ) ⁵ = –iπ⁵.

(iπ) ⁶ = –π⁶.

(iπ) ⁷ = –iπ⁷.

(iπ) ⁸ = π⁸.

Элементы ряда поочередно оказываются то действительными, то мнимыми. Сгруппируем эти две категории элементов:

Оказывается, что выражение между первыми двумя скобками представляет собой в точности cos(π), то есть –1, а выражение между вторыми скобками равно sin(π), то есть 0. Таким образом,

eiπ = cos(π) + i sin(π) = –1 + 0i = –1.

Теперь мы понимаем, как возникла чудесная формула Эйлера.

Глава 8

∞

«В бесконечность и дальше!» – таков был лозунг Базза Лайтера, бесстрашного космического рейнджера из мультфильма «История игрушек». Эта фраза вызывает смех, ибо абсурдна: куда уж дальше бесконечности? Если что-то бесконечно велико, то может ли существовать что-то большее? Такие вопросы кажутся безумными, и математики до поры до времени предпочитали их не задавать. Но в конце XIX века Георг Кантор[79] набрался смелости и стал искать ответ[80]. Интуиция подсказывает, что нет ничего больше бесконечности.

Оказывается, здесь интуиция нас подводит.

Множества

В математике все сложное объяснимо через простое. Если быть достаточно скрупулезным, то комплексные числа можно определить с помощью действительных, действительные – с помощью рациональных, рациональные – с помощью целых и т. д. Все здание математики покоится на фундаментальной концепции множества.

Множество – это просто набор объектов. Например, {1, 2, 5} – множество, состоящее из трех чисел[81]. Оно совпадает с множеством {1, 5, 2}, потому что порядок чисел в данном случае не важен. Кроме того, объект либо входит, либо не входит во множество. Входить во множество два раза нельзя. Множество {1, 1, 2, 5} совпадает с множеством {1, 2, 5}, второе появление числа 1 избыточно.

Если элемент входит в некоторое множество, математики используют значок ∈. Например, выражение 2∈ {1, 2, 5} следует понимать так: «Число 2 входит во множество, состоящие из чисел 1, 2, 5». Перечеркнутый значок показывает, что элемент не входит во множество; например: 3∉ {1, 2, 5}.

Число элементов, входящих во множество A, мы обозначаем |A|. Например, |{1, 2, 5}| = 3. Число |A| называют мощностью множества A.

Мощность такого рода множеств, как {1, 2, 5}, конечна. Однако мощность множества ℤ (все целые числа) бесконечна, как и мощность множества ℝ (все действительные числа).

Как сравнить размеры двух множеств? Простейший способ – пересчитать их элементы. Например, и у множества {1, 2, 5}, и у множества {3, 8, 11} мощность равна 3, стало быть, они равновелики.

Другой способ установить, что мощность множеств совпадает, – построить взаимно однозначное соответствие между их элементами[82]. Иными словами, нам не обязательно перебирать все элементы, достаточно ввести правило, по которому мы сопоставляем элемент из одного множества с каким-либо элементом из второго. Вот взаимно однозначное соответствие между множествами {1, 2, 5} и {3, 8, 11}:

1 ↔ 3,

2 ↔ 8,

5 ↔ 11.

Впрочем, когда элементов мало, поиски взаимно однозначного соответствия обременительны и не приносят большой пользы.

Разберем более запутанный пример. Представьте себе, что в некоторый клуб входит семь человек (для удобства будем называть их по номерам: 1, 2, 3, …, 7).

Клубу разрешили послать трех членов на ежегодную национальную конференцию. Есть много способов выбрать трех человек из семи. Пусть A – множество всех возможных групп по три человека:

A = {123, 124, 125, …, 567}.

Здесь мы под «123» подразумеваем, что на конференцию поедут члены клуба под номерами 1, 2 и 3.

На следующий год членов клуба оповещают, что они могут отправить на конференцию четырех человек. Пусть B – множество всех групп по четыре человека:

B = {1234, 1235, 1236, …, 4567}.

Итак, A – множество групп по три человека, B – множество групп по четыре человека.

Совпадают ли их мощности?

Если внимательно пересчитать все элементы, выяснится, что мощности этих множеств совпадают. Но выписывать все возможности одну за одной – нудная и не застрахованная от ошибок работа[83].

Гораздо проще показать, что эти множества равновелики, если найти взаимно однозначное соответствие между их элементами. В голову приходит следующая мысль. Допустим, члены клуба решают, что на вторую конференцию больше не поедут те, кто побывал там в первый год. Тогда каждую группу по три человека из первого множества можно сопоставить с другой группой по четыре человека из второго множества. Например, если 1, 4 и 5 поехали на конференцию в первый год, то на следующий год поедут 2, 3, 6 и 7. Или: 145 ↔ 2367.

Выпишем все возможности:

123 ↔ 4567

124 ↔ 3567

125 ↔ 3467

…

356 ↔ 1257

…

567 ↔ 1234

Это взаимно однозначное соответствие показывает, что A и B равновелики.

Вы можете выписать все элементы множеств полностью и убедиться, что их количество совпадает (хотя взаимно однозначное соответствие избавляет нас от этой нудной работы). Перечень всех элементов вы найдете в конце главы.

Подытожим: у нас есть два способа доказать, что конечные множества имеют равные мощности: пересчитать их элементы или найти между ними взаимно однозначное соответствие. Однако, если множество содержит бесконечно много элементов, первый метод перестает работать: ни одно число не подходит на роль мощности ℝ (множество действительных чисел). Таким образом, нам остается лишь найти взаимно однозначное соответствие, чтобы показать, что мощности двух бесконечных множеств совпадают. Вот пример.

Как мы помним, буквой ℤ обозначается множество целых чисел:

ℤ = {…, –3, –2, –1, 0, 1, 2, 3, …}.

Введем обозначение ℤ+ для множества положительных целых чисел[84]:

ℤ+ = {1, 2, 3, 4, …}.

Совпадают ли мощности ℤ и ℤ+?

Есть искушение сказать, что ℤ содержит вдвое больше элементов, чем ℤ+ и потому «в два раза более бесконечно». Однако мощности данных множеств совпадают. Почему? Мы покажем это с помощью взаимно однозначного соответствия.

Составим два перечня. Первый будет включать все положительные целые числа, а второй – вообще все целые числа, и положительные, и отрицательные, но в необычном порядке. Сопоставляя числа в первом и втором перечне, мы выстроим взаимно однозначное соответствие. Это показано в таблице[85].

Таким образом, мощности ℤ и ℤ+ равны, что, в принципе, и неудивительно – ведь оба эти множества бесконечны.

Бесконечные множества разных мощностей

Выстроив взаимно однозначное соответствие между элементами двух множеств, мы показали, что мощности ℤ и ℤ+ совпадают, что они, так сказать, «одинаково бесконечны». Пришло время для вопроса поинтереснее: совпадают ли мощности ℤ+ и ℝ? Да, разумеется, оба бесконечны. Впрочем, лучше не утверждать наверняка, пока мы не выстроим взаимно однозначное соответствие между их элементами. Сейчас мы убедимся, что это невозможно.

Итак, мы должны сопоставить каждый элемент первого множества с элементом второго множества и убедиться, что каждый элемент второго множества сопоставлен с элементом первого. Как же доказать, что это невозможно? Мы покажем, что попытки выстроить все элементы ℤ+ и ℝ в пары обречены на провал, потому что кое-какие элементы ℝ окажутся пропущены. А теперь к делу!

Допустим, мы все-таки нашли взаимно однозначное соответствие между ℤ+ и ℝ. Тогда все элементы можно занести в таблицу такого рода:

Все целые положительные числа занесены в левую колонку, все (вроде бы) действительные числа занесены в правую колонку. Сейчас мы убедимся: как ни заполняй правую колонку, будут действительные числа, которые туда не попадут.

Но прежде нам придется отвлечься на одну досадную техническую проблему[86]. Некоторые действительные числа в десятичной системе счисления записываются двумя способами. Например, число 1/4. С одной стороны, мы можем записать его как 0,25. С другой стороны, можно записать и так: 0,24999999999999… Ряд девяток уходит в бесконечность. 0,25 тоже можно записать с бесконечным количеством нулей на конце. Таким образом,

Примем решение вносить в таблицу запись числа с нулями на конце. Это никак не влияет на доказательство, мы просто договариваемся о форме записи.

Итак, вернемся к доказательству. Представим, что перед нами уже лежит таблица с колонками целых положительных и действительных чисел. Поищем действительное число, ускользнувшее из правой колонки.

Для начала подчеркнем первую цифру после запятой в первой колонке, вторую цифру после запятой во второй колонке и т. д.:

Выпишем подчеркнутые цифры в ряд: 3, 8, 7, 3, 6… С помощью этого ряда создадим новое число. Начнем его с нуля, поставим десятичную запятую и дальше будем двигаться по ряду подчеркнутых цифр с двумя условиями:

(A) Если подчеркнута цифра 3, пишем 7.

(B) Если подчеркнута не цифра 3, пишем 3.

Как это работает с нашим рядом?

Первая цифра 3. Выполняется условие (A). Мы получаем 0,7___.

Вторая цифра 8. Выполняется условие (B). Мы получаем 0,73___.

Третья цифра 7. Снова выполняется условие (B). Получаем 0,733___.

Четвертая цифра снова 3, по правилу (A) ставим семерку: 0,7337___.

Пятая цифра 6, по правилу (B) ставим тройку: 0,73373___.

Продолжая двигаться вдоль ряда подчеркнутых цифр, мы получим число x. В нашем примере число x = 0,73373…, а остальные цифры заполняются согласно условиям (A) и (B).

Вот процесс выстраивания x в пошаговом виде:

Число x зависит от нашей таблицы. Другая таблица даст другое x. Мы утверждаем, что в любой таблице x, выстроенное таким образом, не встречается в правой колонке; следовательно, взаимно однозначное соответствие между целыми положительными и действительными числами невозможно.

Начнем с самого верха. Очевидно, число x не идентично первому числу в правой колонке, и вот почему. Первая строка 1 ↔ Y_1. Если первая цифра Y_1 после запятой – тройка, то первая цифра числа x после запятой – семерка; но если первая цифра Y_1 после запятой – не тройка, то первая цифра числа x после запятой, напротив, – тройка. Ситуация выглядит так:

Таким образом, Y_1 и x не совпадают. Какая бы цифра ни стояла после запятой в Y_1, первая после запятой цифра x другая. Следовательно, в первой строке таблицы x мы не найдем.

Двигаясь вниз по таблице, мы обнаружим, что во второй строке x тоже нет. Но если соответствие между ℤ+ и ℝ взаимно однозначное, где-нибудь в правой колонке число x просто обязано возникнуть. Иными словами, x появляется в строчке k, где слева стоит целое положительное число k, то есть k ↔ Yk = x. Но мы все время будем сталкиваться с одной и той же проблемой. Какая цифра стоит в числе Yk на позиции k после запятой? Если тройка, то на соответствующей позиции в x обнаружится семерка; если не тройка, то на соответствующей позиции в x как раз тройка. Это выглядит так:

Эта проверка показывает, что x в правом столбце отсутствует. Мы, конечно, можем выстроить новую таблицу и поместить x на первую позицию. Но, если применить к новой таблице алгоритм с правилами (A) и (B), мы обнаружим, что в ней отсутствует некое число x'.

Вывод: всякая таблица будет ущербной! Таким образом, взаимно однозначное соответствие между ℤ+ и ℝ построить невозможно.

Мощности бесконечных множеств

Мы доказали, что мощности ℤ и ℤ+ совпадают. И дело тут не только в том, что оба множества бесконечно велики, а еще в том, что мы построили биекцию.

ℤ+ и ℝ тоже содержат бесконечное число элементов, но биекция между ними неосуществима. Так как любое целое положительное число – действительное, можно сказать, что ℝ «больше» ℤ+. Целых положительных чисел недостаточно, чтобы по одному сопоставить их со всеми действительными.

Мощность конечного множества – это число. Мощность множества A = {1, 3, 7, 9} равна четырем: |A| = 4. Но как зафиксировать мощность бесконечного множества? До выкладок Кантора математики довольствовались красивым символом ∞. Есть искушение написать: |ℤ+| = ∞ и |ℝ| = ∞, а затем сделать ошибочное заключение, что |ℤ+| = |ℝ|. Символ ∞ не передает всех особенностей, присущих мощностям бесконечных множеств.

Кантор решил исправить это и разработал новую систему чисел за пределами конечных. Такие числа называются трансфинитными и могут отразить мощность бесконечных множеств.

Мы выяснили, что ℤ+ – «наименьшее» бесконечное множество. Что это означает? Предположим, X – бесконечное множество. Между X и ℤ+ может быть биекция, а может и не быть. Но математики показали, что всегда есть взаимно однозначное соответствие между ℤ+ и некоторой частью множества X: либо ℤ+ и X равновелики, либо ℤ+ равновелико с частью множества X. Грубо говоря, либо ℤ+ и X имеют одинаковый размер, либо X больше.

Множества мощности ℤ+ называют счетными. Это самые маленькие бесконечные множества. Кантор ввел символ для обозначения их мощности: Мощности ℤ и ℤ+ совпадают, потому Так как ℝ обширнее, чем ℤ+, логичным будет записать: Величина обозначает мощность бесконечного множества, и это не обычное число. Его называют трансфинитным числом, причем  – наименьшее из трансфинитных чисел[87].

Мощности бесконечных множеств описывает целая вселенная трансфинитных чисел. Множества мощностью больше называют несчетными, и математики показали, что есть новый «уровень бесконечности», на ступень выше Мы можем доказать, что существует множество X, которое обладает двумя свойствами:

1.

2. Нет множеств с мощностью между |X| и

Таким множествам присвоили мощность Иначе говоря, и между этими двумя величинами нет других трансфинитных чисел.

Существует целая последовательность трансфинитных чисел. Она выглядит следующим образом: и т. д. Иерархия подразумевает, что есть трансфинитное число, превышающее любое אk[88]. Наименьшее трансфинитное число, превышающее любое אk, мы обозначаем אω, и есть бесконечно много еще больших чисел!

Где в этой схеме находится ℝ? Мы выяснили, что Но можем ли мы определить мощность ℝ в точности? Сколько всего действительных чисел?

Тайна семьи множеств

Вообразите: вы переступаете порог великолепного сооружения. За огромными воротами – мраморная лестница, ведущая в дивные палаты. Но стоит вам открыть дверь в подвал, как картина резко переменится. Там вы обнаружите ржавые трубы, искрящую проводку, бьющий в глаза электрический свет и разбитый пол, а может, и скопища тараканов. Подвал ужасен, но здания наверху без него не было бы.

Это хорошая метафора для сооружения под названием «математика». Как мы уже говорили в начале главы, все объекты в математике (от чисел до кругов) можно определить через другие объекты, попроще. Рано или поздно мы дойдем до самого дна и обнаружим объект, через который объясняются все другие. Это и будет множество.

Мы определили множество как набор объектов[89], но не сказали, что такое набор (в общем-то, это просто другое слово вместо «множества»), и не задались вопросом, какого рода объекты мы собираем вместе (и даже не дали определение объекта). Как нам выпутаться из этой ситуации?

Вначале математики относились к ней довольно беззаботно. Говорили просто: есть такая штука – множество и есть свойство «быть элементом множества», которое обозначают символом, а раз так, то можно двигаться дальше[90]. Но все это рано или поздно приводит к затруднениям.

Первое множество, приходящее нам в голову, – пустое множество. Там нет никаких элементов, и мы обозначаем его символом ∅. Мощность пустого множества равна нулю, и утверждение x ∈ ∅ ложно для любого x (потому что внутри ∅ ничего нет).

Дальше нам приходит в голову, что множества можно характеризовать через свойства их элементов. Например, множество четных чисел задают следующим образом:

Форма записи {x | свойства x} определяет множество всех объектов, обладающих указанными свойствами.

А дальше возникает уйма сложностей.

В начале XX века философ и математик Бертран Рассел[91] размышлял о множестве A = {x | x – такое множество, что x ∉ x}.

Это множество всех множеств, чьими элементами не являются они сами. Например, пустое множество удовлетворяет условию: ∅ ∉ ∅, потому что пустое множество не содержит элементов. Таким образом, ∅ ∈ A.

Дальше Рассел задал роковой вопрос: входит ли множество A во множество A?

• Если ответ «да», то A∈A. Но тогда не выполняется условие попадания во множество A: оно не должно быть элементом самого себя.

• Если ответ «нет», то A∉A. Тогда выполняется условие попадания во множество A, и оно является элементом самого себя.

Если A∈A, то A∉A. Если A∉A, то A∈A. Но не может же такого быть, что A и входит, и не входит в A! Что-то пошло не так[92].

Одно из решений этого противоречия заключается в том, что множества A просто не существует. Нет его, и все тут.

После работ Рассела подход к теории множеств претерпел существенные изменения. Четкие, ясные, применимые на практике правила закрепили, как формировать множества и какие операции с ними можно совершать[93]. Определение множества и ∈ входит в свод правил непрямым образом. Мы не объясняем, что́ это; мы просто описываем, как оно себя проявляет. Мы говорим, что есть такие вещи, как множества, у них есть определенные свойства, а еще есть правила, по которым мы с ними работаем. Эти правила не позволили парадоксу Рассела вздыбить свою безобразную голову, и противоречий больше не возникало.

Но вернемся к вопросу: сколько всего действительных чисел? Мы знаем, что мощность множества положительных целых чисел равна И мы знаем, что Следует ли из этого, что Иными словами, существуют ли множества, чья мощность больше, чем ℤ+, но меньше, чем ℝ?[94] Кантор верил, что но не мог найти доказательство; свое предположение он назвал континуум-гипотезой. Многие ученые заинтересовались этим вопросом. В 1900-е годы немецкий математик Давид Гильберт составил перечень важнейших математических проблем наступающего XX века. Доказательство (или опровержение) континуум-гипотезы вошло в его перечень первым номером.

Эту главную для Гильберта проблему разрешили неожиданным образом. Короткий, но исчерпывающий ответ звучит следующим образом: «Может быть и так, и этак».

Ну и ну! Математику ценят за то, что на все вопросы (обычно) находится точный ответ. «Может быть и так, и этак» разрушает определенность. Как с этим жить?

Работы Курта Гёделя (1940-х годов) и Пола Коэна (1960-х) показали, что общепринятые правила аксиоматической теории множеств неполны и потому не позволяют ответить на поставленный вопрос. Точнее говоря, эти математики продемонстрировали: нельзя ни доказать, ни опровергнуть то, что существуют множества, чья мощность больше, чем ℤ+, но меньше, чем ℝ. Другими словами, можно принять или допущение или допущение Дальше мы получим две разные математические системы. Обе корректны, просто непохожи друг на друга.

Глава 9

Числа Фибоначчи[95]

Квадраты и домино

Начнем с укладки квадратов и домино. Вообразим длинную горизонтальную рамку размерами 1 × 10. Мы хотим полностью заполнить ее квадратами 1 × 1 и костяшками домино 1 × 2, не оставив ни единой щели. Вот картинка:

Вопрос: сколькими способами это можно сделать?

Для удобства обозначим число вариантов F_10. Перебирать их все и потом пересчитывать – тяжелый труд, чреватый ошибками. Гораздо лучше упростить задачу.

Не будем с места в карьер искать F_10, начнем с F_1. Это проще простого! Нам нужно заполнить рамку 1 × 1 квадратами 1 × 1 и костяшками домино 1 × 2. Домино не поместится, остается единственное решение: взять один квадрат. Другими словами, F_1 = 1.

Теперь разберемся с F_2. Размер рамки 1 × 2. Можно заполнить ее двумя квадратами или одной костяшкой домино. Таким образом, есть два варианта, и F_2 = 2.

Дальше: сколькими способами можно заполнить рамку 1 × 3? Первый вариант: три квадрата. Два других варианта: одна костяшка домино (две не влезут) и квадрат слева или справа. Итак, F_3 = 3.

Еще один шаг: возьмем рамку 1 × 4. На рисунке показаны все варианты заполнения:

Мы нашли пять возможностей, но где гарантия, что мы ничего не упустили? Есть способ проверить себя.

В левом конце рамки может быть или квадрат, или костяшка домино. В верхнем ряду на рисунке – варианты, когда слева квадрат, в нижнем ряду – когда слева домино.

Допустим, слева квадрат. Оставшуюся часть нужно заполнить квадратами и домино. Другими словами, нужно заполнить рамку 1 × 3. Это дает 3 варианта, так как F_3 = 3.

Если слева домино, размер оставшейся части 1 × 2, и заполнить ее можно двумя вариантами, так как F_2 = 2.

Таким образом, у нас есть 3 + 2 = 5 вариантов, и мы удостоверились, что F_4 = 5.

Теперь ваша очередь. Подумайте пару минут и найдите все варианты заполнения для рамки 1 × 5. Их немного. Решение – в конце главы. Можете отвлечься и подумать.

Вернемся к нашим квадратам. Хочется верить, что вы нашли 8 вариантов, так как есть 5 способов укладки, где слева квадрат, и еще 3 способа, где слева домино. Таким образом, F_5 = 8.

Подытожим. Мы обозначили FN количество способов заполнения рамки 1 × n квадратами и костяшками домино. Нам необходимо найти F_10. Вот что мы уже знаем:

Двигаемся дальше. Чему равно F_6? Можно нарисовать все варианты, но это скучно. Лучше разобьем вопрос на две части. Сколькими способами можно заполнить рамку 1 × 6, если слева (a) квадрат и (b) костяшка домино? Хорошая новость: мы уже знаем ответ!

В первом случае нам остается пять квадратов, а мы знаем, что F_5 = 8. Во втором случае нужно заполнить четыре квадрата; нам известно, что F_4 = 5. Таким образом, F_5 + F_4 = 13.

Чему равно F_7? Исходя из тех же соображений, F_7 = F_6 + F_5 = 13 + 8 = 21. А как насчет F_8? Очевидно, F_8 = F_7 + F_6 = 21 + 13 = 34. И так далее. Мы обнаружили следующую взаимосвязь:

Fn = Fn – 1 + Fn – 2.

Еще несколько шагов – и мы найдем искомое число F_10. Правильный ответ – в конце главы.

Числа Фибоначчи

Числа Фибоначчи – это последовательность:

1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, …

Она выстраивается по таким правилам:

– первые два числа 1 и 1;

– каждое следующее число получаем сложением двух предыдущих.

Будем обозначать n-ный элемент последовательности Fn, начиная с нуля:

F_0 = 1, F_1 = 1, F_2 = 2, F_3 = 3, F_4 = 5, …

Очередной элемент мы вычисляем по формуле:

Fn = Fn – 1 + Fn – 2.

Как мы видим, задача об укладке квадратов и домино привела нас к последовательности чисел Фибоначчи[96].

Сумма чисел Фибоначчи

Попробуем сложить первые несколько чисел Фибоначчи. Что мы можем сказать о сумме F_0 + F_1 + … + Fn для любого n? Давайте проделаем кое-какие вычисления и посмотрим, что получится.

Обратите внимание на результаты сложения внизу. Видите ли вы закономерность? Повремените немного, прежде чем двигаться дальше: будет лучше, если вы найдете ответ самостоятельно, а не прочтете уже готовое решение.

Хочется верить, вы увидели, что результаты суммирования, если к ним приплюсовать по единице, тоже выстраиваются в последовательность чисел Фибоначчи. Например, сложение чисел от F_0 до F_5 дает:

F_0 + F_1 + F_2 + F_3 + F_4 + F_5 = 1 + 1 + 2 + 3 + 5 + 8 = 20 = F_7 – 1.

Сложение чисел от F_0 до F_6 дает 33, что на единицу меньше F_8 = 34. Мы можем записать формулу для неотрицательных целых чисел n:

F_0 + F_1 + F_2 + … + Fn = Fn + 2–1. (*)

Вероятно, лично вам достаточно будет увидеть, что формула (*) работает в дюжине случаев, чтобы вы поверили, что она верна, но математики жаждут доказательств. Мы рады представить вам два возможных доказательства того, что она верна для всех неотрицательных целых чисел n. Первое называется доказательством по индукции, второе – комбинаторным доказательством.

Доказательство по индукции

Формула (*) представляет собой бесконечно много формул в свернутом виде. Доказать, что (*) верно для конкретного значения n, скажем для n = 6, – простая арифметическая задача. Достаточно будет записать числа от F_0 до F_6 и сложить их:

F_0 + F_1 + … + F_6 = 1 + 1 + 2 + 3 + 5 + 8 + 13 = 33.

Несложно увидеть, что F_8 = 34, поэтому формула действует.

Перейдем к F_7. Не будем тратить время и складывать все числа: мы уже знаем сумму вплоть до F_6. Таким образом,

(F_0 + F_1 + … + F_6) + F_7 = 33 + 21 = 54.

Как и раньше, все сходится: F_9 = 55.

Если сейчас мы начнем проверять, работает ли формула для n = 8, наши силы окончательно иссякнут. Но все же посмотрим, что мы уже знаем и что хотим выяснить:

F_0 + F_1 + … + F_7 = F_9–1.F_0 + F_1 + … + F_7 + F_8 =?

Воспользуемся предыдущим результатом:

(F_0 + F_1 + … + F_7) + F_8 = (F_9– 1) + F_8.

Мы, конечно, можем вычислить (F_9 – 1) + F_8 арифметически. Но так мы устанем еще больше. В то же время мы знаем, что F_8 + F_9 = F_10. Таким образом, нам не нужно ничего высчитывать или заглядывать в таблицу чисел Фибоначчи:

(F_0 + F_1 + … + F_7) + F_8 = (F_9–1) + F_8 = (F_8 + F_9) – 1 = F_10– 1.

Мы удостоверились, что формула работает для n = 8, на основе того, что знали про n = 7.

В случае n = 9 мы точно так же опираемся на результат для n = 8 (убедитесь в этом самостоятельно). Разумеется, доказав верность (*) для n, мы можем быть уверены, что (*) верно и для n + 1.

Мы готовы дать полное доказательство. Как уже было сказано, (*) представляет собой бесконечное количество формул для всех значений n от нуля до бесконечности. Посмотрим, как работает доказательство.

Вначале мы доказываем (*) в простейшем случае, для n = 0. Мы просто проверяем, что F_0 = F0 + 2 – 1. Так как F_0 = 1, а F_2 = 2, очевидным образом 1 = 2 – 1, а F_0 = F_2 – 1.

Дальше нам достаточно показать, что верность формулы для одного значения n (скажем, n = k) автоматически означает верность для n + 1 (в нашем примере n = k + 1). Нам лишь надо продемонстрировать, как устроено это «автоматически». Что нам нужно сделать?

Возьмем некоторое число k.

Предположим, мы уже знаем, что

F_0 + F_1 + … + Fk = Fk + 2– 1.

Мы ищем величину

F_0 + F_1 + … + Fk + Fk + 1.

Мы уже знаем сумму чисел Фибоначчи вплоть до Fk, поэтому у нас получается:

(F_0 + F_1 + … + Fk) + Fk + 1 = (Fk + 2–1) + Fk + 1.

Правая часть равна Fk + 2 – 1 + Fk + 1, и мы знаем, чему равна сумма следующих друг за другом чисел Фибоначчи:

Fk + 2–1 + Fk + 1 = (Fk + 2 + Fk + 1) – 1 = Fk + 3– 1

Подставим в наше равенство:

(F_0 + F_1 + … + Fk) + Fk + 1 = Fk + 3– 1

Сейчас я объясню, что мы сделали. Если мы знаем, что (*) верно, когда мы суммируем числа вплоть до Fk, тогда (*) должно быть верно, если мы приплюсуем Fk + 1.

Подытожим:

• Формула (*) верна для n = 0.

• Если формула (*) верна для n, она верна и для n + 1.

Мы можем уверенно сказать, что (*) верно для любых значений n. Верно ли (*) для n = 4987? Это так, если выражение верно для n = 4986, что основано на верности выражения для n = 4985, и так далее до n = 0. Следовательно, формула (*) верна для всех возможных значений n.

Этот метод доказательства известен под названием математическая индукция (или доказательство по индукции). Мы проверяем базовый случай и даем шаблон, по которому каждый следующий случай может быть доказан на основе предыдущего.

Комбинаторное доказательство

А вот совершенно другое доказательство тождества (*). Основной подход тут – воспользоваться тем фактом, что число Fn – это количество способов облицевать прямоугольник 1 × n квадратами и костяшками домино.

Напомню, что нам нужно доказать:

F_0 + F_1 + F_2 + … + Fn = Fn + 2– 1. (*)

Идея заключается в том, чтобы рассматривать обе части уравнения как решение задачи с облицовкой. Если мы докажем, что левая и правая часть – решение для одного и того же прямоугольника, они совпадут между собой. Эта техника носит название комбинаторного доказательства[97].

На какой вопрос по комбинаторике уравнение (*) дает два верных ответа? Эта головоломка похожа на те, что встречаются в шоу Jeopardy![98], где участники должны формулировать вопрос, заранее зная правильный ответ.

Правая часть выглядит проще, поэтому начнем с нее. Ответ: Fn + 2 – 1. Каков вопрос? Если бы ответ был равен просто Fn + 2, мы с легкостью сформулировали бы вопрос: сколькими способами можно облицевать прямоугольник 1 × (n + 2) с помощью квадратов и костяшек домино?

Это почти то, что нужно, но ответ меньше на единицу. Попробуем мягко поменять вопрос и уменьшить ответ. Уберем один вариант облицовки и пересчитаем оставшиеся. Сложность состоит в том, чтобы найти один вариант, который кардинально отличается от остальных. Есть ли такой?

Каждый способ облицовки подразумевает использование квадратов и/или домино. Только квадраты задействованы в единственном варианте, в прочих есть хотя бы одна костяшка домино. Возьмем это за основу нового вопроса.

Вопрос: Сколько существует вариантов облицовки квадратами и костяшками домино прямоугольной рамки 1 × (n + 2), включающих по меньшей мере одну костяшку домино?

Сейчас мы найдем два ответа на этот вопрос. Так как оба будут верны, между числами мы сможем уверенно поставить знак равенства.

Один из ответов мы уже обсуждали. Есть Fn + 2 вариантов укладки. Только один из них подразумевает использование исключительно квадратов, без домино.

Таким образом, ответ № 1 на наш вопрос таков: Fn + 2 – 1.

Второй ответ должен быть – я надеюсь – левой частью уравнения (*). Посмотрим, как это работает.

Нужно пересчитать варианты заполнения рамки, включающие хотя бы одну костяшку домино. Давайте подумаем, где будет расположена самая первая костяшка. Есть n + 2 позиций, и первая костяшка может располагаться в позициях от 1 до n + 1.

Рассмотрим случай n = 4. Мы ищем варианты заполнения рамки 1 × 6, задействующие хотя бы одну костяшку домино. Мы знаем ответ: F_6 – 1 = 13 – 1 = 12, но нам необходимо получить его иным путем.

Первая костяшка домино может занимать следующие позиции:

Первая колонка демонстрирует случай, когда костяшка находится на первой позиции, вторая – когда костяшка на второй, и т. д.

Сколько вариантов в каждой колонке?

В первой колонке – пять вариантов. Если отбросить домино слева, мы получим ровно F_4 = 5 вариантов для прямоугольника 1 × 4.

Во второй колонке – три варианта. Отбросим домино и квадрат слева. Мы получим F_3 = 3 варианта для прямоугольника 1 × 3.

Аналогично для других колонок. Вот что мы обнаружили:

Таким образом, количество способов замостить квадратами и домино (хотя бы одной костяшкой) прямоугольную рамку 1 × 6 равно

F_4 + F_3 + F_2 + F_1 + F_0 = 12.

Вывод:

F_0 + F_1 + F_2 + F_3 + F_4 = 12 = F_6 – 1.

Рассмотрим общий случай. Нам дана рамка длиной n + 2. Сколько есть вариантов ее заполнения, при которых первая костяшка домино находится на некой позиции k? В этом случае первые k – 1 позиций заняты квадратами. Таким образом, в общей сложности занята k + 1 позиция[99]. Оставшиеся (n + 2) – (k + 1) = n – k + 1 можно заполнить любыми способами. Это дает Fn – k + 1 вариантов. Построим диаграмму:

Если k меняется от 1 до n + 1, величина n – k + 1 меняется от 0 до n. Таким образом, количество вариантов заполнения нашей рамки с использованием хотя бы одной костяшки домино равно

Fn + Fn – 1 + … + F_1 + F_0.

Если поставить слагаемые в обратном порядке, мы получим левую часть выражения (*). Таким образом, мы нашли второй ответ на поставленный вопрос:

F_0 + F_1 + … + Fn.

Итак, у нас есть два ответа на вопрос. Величины, полученные с помощью двух выведенных нами формул, совпадают, и тождество (*) доказано.

Соотношение чисел Фибоначчи и золотое сечение

Сложение двух следующих друг за другом чисел Фибоначчи дает очередное число Фибоначчи. В этом разделе мы затронем вопрос поинтереснее: что будет, если мы поделим число Фибоначчи на предшествующее ему в ряду? Посчитаем соотношение Для возрастающих значений k. В таблице вы можете видеть соотношения от

Чем больше становятся числа Фибоначчи, тем ближе соотношение к константе, примерно равной 1,61803.

Это число – вы будете удивлены – достаточно известное, и если вы введете его в поисковую систему, вывалится уйма страниц о золотом сечении. Что это такое?

Соотношение соседних чисел Фибоначчи не одинаково. Однако оно почти одинаково, если числа достаточно велики. Давайте найдем формулу для числа 1,61803 и для этого на время будем считать, что все соотношения одинаковы. Введем обозначение x:

Это значит, что Fk + 1 = xFk, Fk + 2 = xFk + 1 и т. д. Можно переформулировать:

Fk + 2 = xFk + 1 = x²Fk.

Но мы же знаем, что Fk + 2 = Fk + 1 + Fk. Таким образом,

x²Fk = xFk + Fk.

Если мы поделим обе части на Fk и перегруппируем слагаемые, то получим квадратное уравнение:

x² – x – 1 = 0.

Оно имеет два решения:

Соотношение должно быть положительным. И вот мы получили знакомое нам число. Обычно для обозначения золотого сечения используют греческую букву ϕ (фи):

Мы уже приметили, что соотношение соседних чисел Фибоначчи приближается (стремится) к ϕ. Это замечательно. Это дает нам еще один способ вычислять приблизительные значения чисел Фибоначчи.

Последовательность чисел Фибоначчи – это ряд F_0, F_1, F_2, F_3, F_4, F5… Если все соотношения будут одинаковы, мы получим формулу:

Fn = cϕⁿ.

Здесь с – еще одна константа. Сравним округленные значения Fn и ϕⁿ для разных n:

Для больших значений n соотношение Это число равно в точности Другими словами,

Насколько хороша эта формула? Настало время новых подсчетов!

Обратите внимание: если округлить до ближайшего целого числа, мы получим в точности Fn.

Если вы не хотите утруждать себя округлениями до целого числа, то формула, названная в честь Жака Бине[100], даст вам точное значение:

Глава 10

Факториал!

Книги на полке

Сколькими способами можно расставить ваши книги на полке? Разумеется, это зависит от того, сколько у вас книг. Начнем с простейшего примера. Допустим, ваша библиотека насчитывает всего три книги с незамысловатыми названиями A, B и C.

Вначале решим, какую книгу поставить с левого края. Пусть это будет A. В таком случае остается всего два варианта расположения книг на полке: ABC и ACB. То есть, когда A стоит слева, существует две комбинации.

Если поставить на левую позицию книгу B, тогда снова возможны два варианта: BAC и BCA. Если слева стоит книга C, появляются еще две комбинации: CAB и CBA.

В общей сложности есть шесть вариантов расстановки книг:

ABC, ACB, BAC, BCA, CAB, CBA.

Теперь представим, что у нас появилась четвертая книга: D. Сколькими способами можно расставить книги теперь? Используем тот же метод. Для начала решим, какую книгу поставить слева; пусть на первый раз снова будет A. Оставшиеся три книги, как мы знаем, можно расставить шестью способами – только что мы обосновали, почему это так.

Точно так же есть шесть способов расположить оставшиеся книги, если слева будет B, C или D. В общей сложности получается 6 × 4 = 24 способа. Вот они:

Прежде чем мы перейдем к вопросу о произвольном количестве книг, давайте проанализируем вариант с пятью книгами: A, B, C, D и E. Как и раньше, вначале решаем, какую книгу поставить на крайнюю левую позицию. Если это A, у нас остается четыре книги. Сколькими способами можно их расставить? Мы уже выяснили, что таких способов 24. Еще 24 способа появляется, если на крайней левой позиции стоит B. То же самое для C, D и E. Итого в совокупности 24 + 24 + 24 + 24 + 24 = 120.

Каков был наш путь решения проблемы пяти книг? Есть пять вариантов, какую книгу поставить на крайнюю левую позицию. Когда она уже там, остаются четыре книги. Таким образом, количество вариантов для пяти книг в пять раз больше, чем количество вариантов для четырех. Давайте запишем это на математическом языке.

Пусть A_5 – количество вариантов расстановки пяти книг. Мы получаем формулу:

A_5 = 5 × A_4.

Здесь A_4, как вы догадались, – количество вариантов для четырех книг.

Как найти A_4? Да точно так же! Слева может быть одна из четырех книг; в каждом случае останется три книги и соответствующее количество вариантов их взаиморасположения. Мы получаем:

A_4 = 4 × A_3.

Соответственно, A_3 = 3 × A_2. Количество вариантов для двух книг (куда уж проще) составляет A_2 = 2 × A_1, где, разумеется, A_1 = 1.

И что же мы имеем?

A_5 = 5 × A_4 = 5 × 4 × A_3 = 5 × 4 × 3 × A_2 = 5 × 4 × 3 × 2 × A_1 = 5 × 4 × 3 × 2 × 1 = 120.

Теперь все ясно и с общим случаем. Количество способов расставить N книг на полке:

N × (N – 1) × (N – 2) × … × 3 × 2 × 1. (A)

Выражение (A) носит название N факториал. Факториал обозначают восклицательным знаком: N!. Например, 6! = 6 × 5 × 4 × 3 × 2 × 1 = 720.

А есть ли формула?

Если мы задались целью вычислить значение 10! самый простой путь – перемножить числа от 1 до 10 и получить:

10! = 10 × 9 × 8 × 7 × 6 × 5 × 4 × 3 × 2 × 1 = 3 628 800.

Но для подсчета 20! придется перемножать двадцать чисел. А вычислять 100! таким манером – просто каторжный труд. Есть ли какой-нибудь быстрый способ[101]?

Красивая, но никуда не годная с точки зрения реальных вычислений идея состоит в том, чтобы определить 10! через 9!. Это же «проще простого»:

10! = 10 × (9 × 8 × … × 3 × 2 × 1) = 10 × 9!.

Для произвольного значения N мы имеем:

N! = N × [(N – 1) × (N – 2) × … × 3 × 2 × 1].

Иными словами,

N! = N × (N – 1)!. (B)

Формула (B) чудесна, но она мало помогает при вычислении, скажем, 20!. Мы должны вычислить 19! и умножить его на 20. Само собой, она подсказывает, как вычислить 19!: для этого надо посчитать 18!. А затем умножить на 19. В конце концов нам придется перемножать все целые числа от 1 до 20.

Вот бы найти способ побыстрее… Есть ли основания предполагать, что мы можем ускорить вычисления? Да, и про это нам говорят треугольные числа[102] – суммы вида:

1 + 2 + 3 + … + N.

Например, пятое треугольное число равно 1 + 2 + 3 + 4 + 5 = 15. Обозначим TN треугольное число, представляющее собой сумму N элементов:

TN = N + (N – 1) + (N – 2) + … + 3 + 2 + 1.

Например:

T_10 = 10 + 9 + 8 + 7 + 6 + 5 + 4 + 3 + 2 + 1 = 55.

Это похоже на факториал, но со сложением вместо умножения. Есть ли способ посчитать T_10, не складывая все десять чисел?

Есть хорошая новость: да, такое возможно, и доказательство выглядит просто и элегантно. Запишем сумму первых десяти целых положительных чисел в возрастающем и убывающем порядке:

Если мы сложим все эти 20 чисел, результат будет равен удвоенному T_10. Но мы не станем сразу суммировать числа по горизонтали. Для начала сложим их попарно по вертикали:

В нижней строке все элементы равны 11, потому ответ прост[103]: 11 × 10 = 110. Теперь поделим этот результат пополам: T_10 = 110 / 2 = 55.

Как мы будем действовать в общем случае? Для вычисления TN запишем целые числа от 1 до N в возрастающем и убывающем порядке и сложим пару в каждом столбце:

В нижней строке N элементов, каждый равен N + 1; таким образом, их сумма равна N × (N + 1). Поскольку это «двойная порция» TN, получается:

Для вычисления T_100 нет необходимости складывать сотню чисел. Нужно лишь посчитать:

(100 × 101) / 2 = 5050.

Вот и ответ.

Существует ли простая, элегантная формула вычисления факториала? Увы, нет. Однако есть формула для вычисления приближенного значения факториала, выведенная Джеймсом Стирлингом[104]:

Эта формула включает два замечательных числа, о которых шла речь в предыдущих главах: π ≈ 3,14159, представляющее собой частное от деления длины окружности на ее радиус (см. главу 6), и число Эйлера e ≈ 2,71828 (см. главу 7).

Точность формулы Стирлинга возрастает при больших значениях N. Например, для N = 10 факториал 10! = 3 628 800, а вычисления по формуле (C) дают 3 598 695,6187. Погрешность – всего около 0,8 %.

Для N = 20 мы получаем:

20! = 2 432 902 008 176 640 000.

По формуле (C):

20! = 2 422 786 846 761 133 393,6839075390.

Погрешность равна около 0,4 %. Если мы перепрыгнем к N = 1000, погрешность составит менее 0,01 %.

Головоломка

Число 145 называют факторионом, потому что оно обладает волшебным свойством. Если мы сложим факториалы составляющих его цифр, то получим то же самое число:

1! + 4! + 5! = 1 + 24 + 120 = 145.

Числа 1 и 2 тоже являются факторионами (но не ноль, как мы увидим чуть позже). Существует всего четыре факториона. Попробуйте самостоятельно найти четвертый.

Это сложновато без компьютерной программы. Ответ приведен в конце главы.

Как вычислить 0!?

Многие испытывают необоримое желание ответить: «0! равен нулю!» (Второй восклицательный знак всего лишь подчеркивает экспрессивность этой фразы.) Первый множитель в N! равен N, а умножение на ноль дает ноль. Однако математики договорились, что 0! = 1, и я завершу главу разъяснением этого факта.

В главе 1 мы обсудили концепцию пустого произведения – умножения при отсутствии элементов. Факториал нуля – пример пустого произведения. Для любого N факториал представляет собой результат перемножения N элементов. Это ясно для положительных значений N, но это верно и для N = 0. По определению, при подсчете N! мы перемножаем все целые числа от 1 до N. В случае N = 0 таких чисел просто-напросто нет, и произведение оказывается пустым. По договоренности, пустое произведение равно 1.

А вот еще одно обоснование того, почему 0! = 1. При подстановке N = 1 в формулу (B) мы получаем:

N! = N × (N – 1)! => 1! = 1 × 0!

Поскольку 1! = 1, мы получаем 0! = 1.

А теперь давайте вернемся к расстановке книг на полке. Сколькими способами можно расставить на полке ноль книг? Есть один-единственный вариант: оставить полку пустой.

Глава 11

Закон Бенфорда

Для нас очевидно, что все цифры сотворены равными. Нет, мы не имеем в виду «равными друг другу» – разумеется, нет! Но внутри нас теплится вера в то, что все десять цифр, от 0 до 9, играют одинаковые роли в мире чисел.

Печальная правда заключается в том, что числа могут быть такими же нескромными, как люди: они все стремятся к первенству. Представьте, что вам приглянулась вещь стоимостью 43,52 доллара. Какая из цифр кажется вам более значимой? Важнее всего для вас цифра четыре, а двойка на конце не играет почти никакой роли. Вы встревожитесь, если четверка вдруг изменится на девятку, а если изменится двойка, вряд ли вас это сильно взволнует.

Тот, кто ждет от Вселенной справедливости, должен верить, что у всех цифр одинаковые шансы сыграть значимую роль, – но бедный, бедный нолик! Он не становится первой значащей цифрой, честь выпала на долю других[105]. Все они стремятся быть значительней остальных настолько часто, насколько это возможно.

Мы верим, что цифры от 1 до 9 участвуют в математике на равных правах и каждая начинает одну девятую часть всех существующих чисел (примерно 11 %). Разумеется, не может быть большего количества чисел, начинающихся с двойки, чем с пятерки.

Ведь так?

Дикорастущие величины

Утверждение о том, что все цифры от 1 до 9 равно представлены в качестве первой значащей цифры, приобретает смысл, если иметь в виду определенный диапазон чисел: скажем, от 1 до 999 999. В этом случае все цифры от 1 до 9 одинаково часто занимают место первой значащей цифры.

Разумеется, на результат влияет, какой именно диапазон мы выбрали. Если мы посмотрим на другой ряд чисел, скажем от 1 до 19, то обнаружим, что здесь все цифры от 2 до 9 занимают первую позицию всего единожды, в то время как 1 становится первой значащей цифрой в 11 случаях.

Ради беспристрастности давайте возьмем какие-нибудь величины из внешнего мира. Мы должны быть аккуратными и не искать числа, сконцентрированные в узком диапазоне. Поэтому мы не станем брать такой параметр, как рост взрослого человека[106], ведь практически все результаты измерений будут начинаться с 1 или 2 (ничтожно малое количество людей имеет рост выше 299 или ниже 100 сантиметров).

Ради уверенности в том, что все цифры имеют одинаковые шансы стать первой значащей цифрой числа, мы будем вести измерения в широком диапазоне. Например, давайте зададимся вопросом, насколько велико население разных стран[107]. Это значение будет колебаться от миллиарда с лишним (Китай и Индия) до менее чем десяти тысяч (в случае с карликовым государством на коралловом острове Науру[108]). Вдобавок к численности населения давайте выясним следующие параметры для сотен государств:

– валовой внутренний продукт (в долларах США);

– количество аэропортов;

– площадь (в квадратных километрах);

– ежегодную выработку электроэнергии (в киловатт-часах);

– ежегодное потребление продуктов нефтепереработки (в баррелях);

– общую длину всех железных дорог (в километрах);

– количество телефонов.

Таким образом, мы соберем около 2000 параметров и затем подсчитаем, сколько чисел начинается с цифры 1, сколько – с цифры 2 и т. д. Вот что у нас получится:

Невероятно: чаще всего на первой позиции встречается цифра 1 (примерно в 30 % случаев) и реже всего – цифра 9 (меньше 5 % случаев)!

Мы призываем читателей повторить эксперимент самостоятельно: взять статистический справочник, выписать первые цифры длин рек, высот гор, курсов акций, среднего роста различных видов животных, количества слов в романах, производства риса в разных странах и т. д.

Соберите как можно больше параметров, покрывающих широкий диапазон значений, и вы увидите все ту же логику. Чаще всего первой цифрой оказывается единица, реже всего – девятка.

Такое неравномерное распределение первых значащих цифр известно как закон Бенфорда, названный в честь Фрэнка Бенфорда[109]. Он опубликовал статью об этом феномене в 1938 году, хотя необходимо отметить, что еще в 1881 году к такому же выводу пришел Саймон Ньюком[110].

Закон Бенфорда утверждает нечто большее, чем «единица на первой значащей позиции встречается чаще всего, а девятка – реже всего». Закон Бенфорда констатирует (при наличии большого количества данных) следующую частотность[111]:

Таблицы умножения

Есть и другая область, где обнаруживается неравномерное распределение первых значащих цифр, – это знакомая всем таблица умножения[112]:

Среди 81 числа в этой таблице 18 начинаются на 1, а именно:

При этом всего 3 числа начинаются на 9:

Вот процентное соотношение первых значащих цифр в обычной таблице умножения.

Мы видим, что цифры поменьше встречаются чаще, чем цифры побольше, но частотность здесь не совсем такая, какую предсказывает закон Бенфорда.

Таблица умножения дает нам все возможные результаты умножения одного однозначного числа на другое от 1 × 1 до 9 × 9.

Давайте расширим этот принцип и переберем все варианты умножения трех однозначных чисел. Проделаем следующие вычисления[113]:

В общей сложности это дает 9³ = 729 троек. Посмотрим, как часто встречаются разные цифры в первой позиции:

Нет резона останавливаться на перемножении трех чисел. Мы можем составить четырехмерные, пятимерные, шестимерные таблицы умножения и т. д. Давайте сразу посмотрим, что получится с десятимерной таблицей умножения[114]. Она содержит все возможные комбинации произведений десяти чисел от 1 до 9. Другими словами, мы проделываем следующие вычисления:

Занесем в таблицу, как много чисел начинается с 1, 2 и т. д.:

Мы увидим, что частотность первых цифр в этом случае уже хорошо согласуется с законом Бенфорда.

Поимка жулика

Перед тем как вникнуть в детали закона Бенфорда, давайте обратим внимание на одно его практическое применение.

Предположим, некий нечистый на руку человек подделывает налоговые декларации (меняет суммы, фабрикует баланс и т. д.). Короче говоря, он лжет и выдумывает числа, не имеющие отношения к реальности. Начальные цифры он выбирает случайным образом.

Судебный эксперт может быстро проверить, совпадает ли распределение первых цифр с законом Бенфорда. Если не совпадает, возникают подозрения, что числа подделаны. Но это еще не строгое доказательство вины.

Экспоненциальное представление

Сверхбольшие и сверхмалые числа удобно записывать в экспоненциальном виде. Например, число 12 300 000 в экспоненциальном представлении выглядит так: 1,23 × 10⁷. Мы записываем число от 1 до 10, умноженное на степень 10. Основное число называется мантисса[115]. Например, мантисса 853 100 000 равна 8,531:

По определению, мантисса не может быть меньше одного и не может быть больше или равна десяти[116]: 1 ≤ мантисса < 10.

Мантисса поможет нам сформулировать усовершенствованный вариант закона Бенфорда. Грубо говоря, закон гласит, что среди большого количества измерений около 30 % чисел имеют первую значащую цифру 1, то есть имеют мантиссу меньше 2.

Уточняя закон Бенфорда, мы можем присмотреться к первым двум цифрам большого количества измерений и задаться вопросом: с какой частотой мантисса будет, скажем, меньше 1,7? Вот другая формулировка того же вопроса: с какой частотой первые две цифры будут 10, 11, 12, 13, 14, 15 и 16?

В более общем виде: для любого числа m между 1 и 10 мы обозначим f(m) долю чисел, чья мантисса меньше m.

Например, f(2) – доля чисел, начинающихся на цифру 1. Величина f(3) означает долю чисел с начальной цифрой 1 и 2. Такая запись поможет понять, как возрастают частоты в законе Бенфорда.

Как использовать такую форму записи для обозначения доли измерений с начальной цифрой, скажем, 4?

• Заметим, что запись f(4) не означает, что начальная цифра равна 4. Это может быть также 1, 2 или 3.

• Точно так же запись f(5) означает, что первые цифры могут быть 1, 2, 3, 4.

• Чтобы выяснить, сколько чисел начинается на цифру 4, вычтем одну величину из другой: f(5) – f(4). Тогда мы исключим числа с начальной цифрой 1, 2, 3.

Есть две особые величины: чему равно f(1) и f(10)? Подумайте минуту, прежде чем читать дальше.

Вспомним: f(m) обозначает долю чисел с мантиссой меньше m. В то же время 1 ≤ m < 10. Что из этого следует?

• Нет ни одного числа с мантиссой меньше 1. Таким образом, f(1) = 0.

• Мантиссы всех чисел меньше 10. Таким образом, f(10) = 1 (или, если вам угодно, 100 %).

Между этими границами величина f(m) возрастает. Чем больше чисел с мантиссой меньше m, тем больше f(m).

Следующий шаг – понять, как f(m) зависит от m. Но вначале мы рассмотрим общий случай перехода из одной единицы измерения в другую.

Ярды или футы[117]?

Мы собрали тысячи измерений длин в километрах и увидели закон распределения первых цифр. Если мы переведем километры в мили, распределение не изменится. Измерения внутреннего валового продукта в долларах США дают примерно такую же частотность первых цифр. Ничего не изменится, если мы будем измерять ВВП в евро (или британских фунтах, или российских рублях). Но давайте присмотримся к переводу ярдов в футы.

Предположим, мы измеряем огромное количество расстояний в ярдах и в футах и изучаем распределение первых цифр. Как много величин имеют первую значащую цифру 2? Это множество включает и 2,1, и 28, и 0,213, и 299,8 ярда. В обозначениях, которые мы приняли в предыдущем разделе, доля величин такого рода по отношению ко всем измерениям[118] равна f(3) – f(2).

А теперь переведем наши измерения в футы. Иными словами, просто умножим всё на 3. 2,1 ярда равны 6,3 фута. Измерения в ярдах с первой значащей цифрой 2 превратятся в измерения с первой значащей цифрой от 6 до 9, не включая 9. Вы удивлены?

Вначале может показаться, что, если первая значащая цифра величин в ярдах равна 2, первая значащая цифра величин в футах будет равна 6. Это не так: 2,8 ярда равны 8,4 фута. Если мантисса измерений в ярдах находится в пределах от 2 до 3 (не включая 3), мантисса тех же измерений в футах будет в пределах от 6 до 9 (не включая 9).

Какая доля измерений имеет первую значащую цифру 6, 7 или 8? Ответ[119]: f(9) – f(6).

Близится кульминация: мы имеем дело с одними и теми же измерениями в разных единицах длины, поэтому доля измерений в ярдах с мантиссой 2 будет равна доле измерений в футах с мантиссой 6, 7 или 8. Иными словами, f(3) – f(2) в ярдах равно f(9) – f(6) в футах. Посмотрите на рисунок. Оба прямоугольника символизируют всю совокупность наших измерений: первый прямоугольник – в ярдах, второй прямоугольник – в футах. Серая область в первом прямоугольнике обозначает измерения с мантиссой 2. Соответствующая область во втором прямоугольнике обозначает измерения с мантиссой 6, 7 или 8.

Важно понимать, что обе закрашенные области идентичны! Так что доля измерений в ярдах с мантиссой 2 равна доле измерений в футах с мантиссой 6, 7 или 8.

Рассмотрим более общий случай. Вообразим, что мы собрали множество измерений и хотим выяснить, сколько из них имеют мантиссу меньше определенного числа a. Доля величин, удовлетворяющих этому условию, равна f(a).

Мы переводим результаты в другие единицы измерения. Пусть коэффициент будет равен числу b[120]. Иными словами, если длина объекта в одних единицах измерения равна 23,5, в других она будет равна 23,5 × b.

Напомню, что f(a) равно доле величин с мантиссой от 1 до a, не включая a. Те же величины в других единицах имеют мантиссу строго меньше ab[121]. Их доля равна f(ab).

На языке формул тезис о равенстве долей величин с мантиссой меньше a в одних единицах и с мантиссой меньше ab в других единицах выглядит так:

f(a) = f(ab) – f(b).

Или:

f(ab) = f(a) + f(b). (*)

Новый вопрос: какого рода функция удовлетворяет этому правилу и условиям f(1) = 0 и f(10) = 1?

Что дают логарифмы[122]?

Некоторые математические операции можно проделать наоборот. Например, мы возводим в квадрат какое-нибудь число: 6² = 36. А теперь проделываем обратную операцию – извлекаем квадратный корень: Для положительных чисел операции возведения в квадрат и извлечения квадратного корня обратны друг другу. Операция, обратная возведению в степень, называется извлечением логарифма.

Например, 10⁴ = 10 000. Мы проделываем наоборот операцию возведения в степень и применяем логарифмическую функцию[123]:

lg(10 000) = 4.

Можно воспринимать логарифмическую функцию как ответ на вопрос: «В какую степень возводить?» В какую степень нужно возвести 10, чтобы получить некое число? Скажем, какая степень 10 дает 1000? Поскольку 1000 = 10 × 10 × 10 = 10³, ответ равен 3. Иными словами, lg(1000) = 3.

Несложно уяснить, что происходит, когда мы возводим 10 в степень, равную целому положительному числу, – мы просто перемножаем 10 заданное число раз:

Если мы посчитаем нули в одной из степеней 10, то поймем значение логарифма:

lg(1 000 000 000) = 9.

Возведение 10 в дробную степень несколько сложнее. Ключевая идея здесь – понять, чему равно произведение 10m и 10ⁿ.

Чему равно произведение 10⁶ × 10⁵? Не бойтесь, перемножать десятки просто. Давайте распишем нашу формулу:

Каков результат? Нет нужды перемножать! Просто посчитайте, сколько раз встречается 10 в правой части формулы: одиннадцать. Иными словами,

10⁶ × 10⁵ = 10^11.

Таким образом, для целых положительных степеней

10m × 10ⁿ = 10m + ⁿ.

Это тождество называется законом умножения степеней.

Ключевая идея вычисления дробной степени – применение данного закона для любых показателей степени. Давайте посмотрим, к чему это приведет.

Возьмем 100,5. Мы можем не знать, чему оно равно, но нам известно, чему равно произведение 100,5 × 100,5. А именно:

100,5 × 100,5 = 100,5 + 0,5 = 10.

Если умножить 100,5 само на себя, получится 10. Таким образом, 100,5 равно квадратному корню из десяти[124]:

Так мы можем посчитать все степени 10. На рисунке вы видите график функции 10х при x от 0 до 1.

При каком значении x выполняется условие 10х = 2? При взгляде на график функции 10х кажется, что подойдет x = 0,3. Если мы возьмем калькулятор, то выясним: 100,3 ≈ 1,99526… Близко, но не равно точно 2. Чуть-чуть увеличим степень. Попробуем x = 0,301; результат 100,301 ≈ 1,99986… Ближе, но все еще мимо цели. Нам нужно число немного больше. Величина x должна быть равна 0,30102999566398114… Это и будет log(2). (Вы уже встречали такое число раньше. Отыщите его!)

Закон умножения степеней 10m × 10ⁿ = 10m + ⁿ можно переформулировать для логарифмов. Посмотрим, как такое сделать. Допустим, a = 10m и b = 10ⁿ.

Чему равен десятичный логарифм a? Это степень, в которую нужно возвести 10, чтобы получить a. Иными словами, lg(a) = m. Аналогично lg(b) = n.

Чему равен логарифм произведения ab? Мы знаем, что a = 10m и b = 10ⁿ. Таким образом, ab = 10m + ⁿ. В какую степень нужно возвести 10, чтобы получить ab? Ответ: m + n. На языке математических символов это выглядит так: lg(ab) = m + n.

Подытожим:

lg(a) = m,

lg(b) = n,

lg(ab) = m + n.

Отсюда мы выводим закон сложения для логарифмов:

lg(ab) = lg(a) + lg(b). (**)

Похоже, мы уже встречали эту формулу…

Завязываем узелки

Давайте подытожим то, что мы узнали из предыдущих разделов. Мы определили функцию f(m) как долю тех величин среди большого количества измерений, мантисса которых меньше m. Эта функция удовлетворяет трем условиям:

f(1) = 0,

f(10) = 1,

f(ab) = f(a) + f(b).

Потом мы обсудили логарифмы и выяснили следующее:

lg(1) = 0,

lg(10) = 1,

lg(ab) = lg(a) + lg(b).

Другими словами, значения f при 0 и 10 совпадает со значением десятичного логарифма от тех же величин. Кроме того, f и логарифм подчиняются одному и тому же правилу в соответствии с формулами (*) и (**). На основе этих фактов (и чисто технической оговорки, что функция f непрерывна) математики могут доказать, что f представляет собой логарифмическую функцию.

Теперь мы наконец готовы указать точную частотность первых значащих цифр при большом количестве измерений.

Какая доля измерений имеет первую значащую цифру 1? Сформулируем вопрос иначе: какая доля этих величин имеет мантиссу меньше 2? Ответ равен f(2) = lg(2) ≈ 0,3010 = 30,1 %.

Какая доля величин начинается с 9? Ответ равен f(10) – f(9), так как мы должны вычесть из общего количества величин те, первая значащая цифра которых меньше 9.

Это дает f(10) – f(9) = lg(10) – lg(9) ≈ 1 – 0,9542 = 0,0458 = 4,58 %.

Когда-то я задавал вопрос о значении f(1,7). Теперь можно уверенно ответить:

f(1,7) = lg(1,7) ≈ 0,23 = 23 %.

Глава 12

Алгоритм

Шеф-повара с фантазией редко руководствуются точными рецептами. Скорее, они следуют за вдохновением. А повара-новички покорно выполняют все указания поваренных книг.

Точно так же водителям с хорошей ориентацией на местности не нужны карты или детальные инструкции, как добраться до места назначения. А неопытным автомобилистам необходимы пошаговые указания.

В этом плане компьютеры похожи на новичков. Скажем, если нужно сложить несколько чисел, они скрупулезно выполняют операцию за операцией, руководствуясь инструкциями программистов. Эти инструкции называют алгоритмами[125]. Компьютерные алгоритмы окружают нас повсюду: они высчитывают проценты для банков, определяют разрывы страниц в текстовых документах, превращают цифровые данные на DVD-диске в кино, предсказывают погоду, рыщут по интернету в поисках рецепта, включающего заданные ингредиенты, и дают советы, сверяясь со спутниками GPS, когда мы ищем дом с хитрым адресом.

Первый математический алгоритм, который изучает большинство людей, – как складывать числа. Когда нужно просуммировать в столбик 25 и 18, мы знаем: вначале нужно к 5 прибавить 8 (и запомнить результат: 13), записать 3 в колонке единиц, а 1 держать в уме. Затем сложить 2 и 1, увеличить результат на 1 и записать 4 в колонке десятков. Получится 43.

Разработчикам алгоритмов недостаточно записать корректную процедуру решения проблемы, им важно, чтобы найденный метод был эффективен. Если алгоритм корректен с математической точки зрения, но требует тысячелетий для осуществления, пользы от него немного. Приглядимся к нескольким примерам.

Сортировка

В конце каждого семестра у меня накапливается груда проверенных домашних заданий, которые необходимо вернуть студентам. Когда они заходят ко мне в кабинет за своими работами, у меня нет ни малейшего желания копаться в этой свалке, чтобы найти конкретную тетрадку. Конечно же, я сортирую все работы по алфавитному списку студентов. Прежде чем я объявлю, что проверенные тетради можно забирать, их необходимо систематизировать.

Итак, перед нами встает проблема: имеется стопка тетрадей, перемешанных в хаотичном порядке, необходимо разложить их по алфавиту. Как это сделать наилучшим образом?

Начнем с простой, но неэффективной идеи. Допустим, у меня учится 100 студентов. Я беру из стопки первую тетрадку и смотрю, должна ли она идти первой по алфавиту. Каким образом? Я сравниваю имена на всех тетрадках с именем на этой тетрадке. Если не повезло и тетрадка по алфавиту не первая, я кладу ее в самый низ стопки и начинаю сначала. Я стану действовать так, пока не обнаружу первую по алфавиту тетрадку. Тогда я переложу ее в новую стопку, где тетрадки будут лежать упорядоченным образом.

Дальше я вернусь к неупорядоченной стопке – сейчас там 99 тетрадей – и, как и раньше, начну искать первую по алфавиту тетрадку. Я возьму тетрадку сверху, сравню со всеми остальными и положу в самый низ стопки, если она не подойдет. Когда я найду искомую тетрадку, я положу ее во вторую стопку снизу.

Теперь у меня есть «всего-навсего» 98 тетрадей, и я повторяю все по новой: ищу первую по алфавиту тетрадь и кладу ее в низ второй стопки.

Сколько времени это займет?

Основная операция заключается в том, чтобы сравнить два имени и решить, какое следует первым по алфавиту[126]. Мы будем оценивать эффективность алгоритма по количеству сравнений, которые необходимо провести. У меня 100 учащихся; как долго мне придется сопоставлять имена и решать, какое идет первым?

В неупорядоченной стопке из 100 тетрадей я сравниваю первую с 99 остальными. Необходимо проделать эту операцию со всеми 100 тетрадями (не исключено, что искомая лежит в самом конце). Поиск первой по алфавиту потребует максимум 100 × 99 = 9900 сопоставлений.

Я кладу свою находку во вторую стопку и повторяю процедуру с 99 неотсортированными тетрадями. Я сравниваю верхнюю тетрадь с 98 оставшимися. Поиск второй по алфавиту тетради потребует максимум 99 × 98 = 9702 сопоставления.

Третья тетрадь потребует максимум 98 × 97 сравнений, четвертая – максимум 97 × 96. Не исключено, что придется проделать 100 × 99 + 99 × 98 + 98 × 97 + … + 2 × 1 = 333 300 сравнений.

Мы проанализировали худший случай[127]. На каждой итерации мы нашли максимум из возможного числа операций и посчитали, сколько их всего потребуется. Несомненно, такой результат настраивает нас на пессимистический лад и показывает, насколько неэффективным был наш алгоритм. Давайте попробуем что-нибудь другое.

Мы снова начинаем со стопки из 100 тетрадей, перемешанных случайным образом. Берем первые две тетради. Если они идут не в правильном порядке, меняем их местами (первая станет второй, вторая – первой). Если порядок верный, оставляем все без изменений. Дальше смотрим на вторую и третью тетрадь. Если порядок верный, идем дальше. Если нет, меняем их местами. Так мы действуем по этому алгоритму, пока не доберемся до конца стопки. Один заход требует 99 сравнений.

Когда мы дойдем до конца стопки, тетради с именами из начала алфавита сместятся вверх, а тетради с именами в конце алфавита сместятся вниз. Но одного захода может быть недостаточно. В худшем случае первая по алфавиту тетрадь изначально лежала в самом низу, и в первом заходе мы переместили ее всего-навсего на 99-ю позицию. В этом случае сортировка потребует 99 операций[128].

Таким образом, нам придется проделать максимум 99 × 99 = 9801 операцию. Это гораздо лучше первого метода, но все еще неэффективно. Если сравнение и смена позиции требует двух секунд, я закончу спустя пять часов. Это никуда не годится.

И вот я в расстроенных чувствах выхожу из кабинета, чтобы развеяться. В коридоре я встречаю двух постдоков, которые работают под моим научным руководством. Зловещая улыбка змеится на моих губах. Я спешу обратно в кабинет, делю стопку неотсортированных тетрадей пополам и даю по 50 тетрадей каждому постдоку. «Вот вам стопка тетрадей, – говорю я. – Пожалуйста, рассортируйте их по алфавиту и принесите ко мне в кабинет, когда закончите». После чего с воодушевлением возвращаюсь к основной работе[129].

Мне предстоит доделать сортировку, когда постдоки выполнят задание. Нужно превратить две упорядоченные стопки в одну. Насколько это будет трудно? Допустим, у меня есть две стопки тетрадей в алфавитном порядке. Я смотрю на верхние тетради в той и другой стопке, выбираю первую по алфавиту и кладу в итоговую стопку. Диаграмма иллюстрирует процесс.

Когда одна из стопок иссякает, я просто-напросто кладу оставшуюся в конец итоговой стопки. В худшем случае придется проделать 99 операций. Это потребует всего несколько минут!

Но как насчет моих постдоков? У каждого стопка с 50 тетрадями. Постдоки – люди смышленые, поэтому не станут сортировать тетради самостоятельно. Они, в свою очередь, поделят свои стопки пополам (таким образом, в каждой окажется по 25 тетрадей) и передоверят сортировку аспирантам! Когда те закончат, постдокам останется соединить две отсортированные стопки по 25 тетрадей в одну общую по 50. Это потребует максимум 49 операций.

Но четыре аспиранта тоже не дураки. Они делят свои стопки на две части (в одной 12, в другой 13 тетрадей) и находят восемь старшекурсников, чтобы передоверить работу. В результате каждому аспиранту остается соединить две маленькие стопки и отдать их постдокам.

Как старшекурсники сортируют тетради? Несложно догадаться: они делят свои стопки на две части (в одной 6 тетрадей, в другой 7), ловят 16 третьекурсников и отдают им эти стопки. Те находят 32 второкурсника и отдают им раздербаненные стопки (в одних по 3, в других по 4 тетради). Наконец, второкурсники отлавливают 64 первокурсника и отдают им стопки по 1 и по 2 тетради. Первокурсникам делать нечего: они быстро сортируют свою часть и отдают обратно.

Очевидно, эта «схема Понци[130]» экономит мое время, но насколько она эффективна в целом? Посмотрим, как много операций она потребует в худшем случае. Занесем все данные в таблицу:

Максимальное количество операций оказывается существенно меньше, чем при сортировке пузырьковым методом.

К несчастью, в этой схеме есть изъян: у меня сейчас нет постдоков! Так что вместо вербовки целой армии помощников придется работать самому.

Для начала я найду большой незагроможденный стол. Я поделю стопку из 100 тетрадей пополам и положу две стопки по краям стола. Как я их отсортирую? По тому же алгоритму! Поделю две стопки по 50 тетрадей на четыре по 25, а их буду сортировать тем же методом. В худшем случае понадобится 645 операций. Правда, на сей раз мне придется действовать в одиночку. Однако это лучше, чем почти что 10 000 операций при сортировке пузырьковым методом.

Словарное определение не должно включать определяемого слова. Вообразите, что вы ищете в словаре слово оскудение и находите такое определение:

Оскудение: результат оскудения[131].

Что за чушь! Однако наш алгоритм сортировки и слияния грешит именно этой ссылкой на самого себя. Вот более точное определение.

Алгоритм сортировки и слияния

На входе: объекты a_1, a_2, a_3, …, an.

На выходе: те же объекты в отсортированном виде.

1. Если n = 1, сортировка закончена. Пускаем данные на выход. В противном случае переходим к пункту 2.

2. Поделить множество объектов на равные подмножества, если их количество четно, или на подмножества, отличающиеся на единицу, если количество нечетно. Использовать алгоритм сортировки и слияния.

3. Соединить подмножества[132] и пустить результат на выход.

Алгоритм, ссылающийся сам на себя, называют рекурсивным. В отличие от неудачного определения слова оскудение, наш алгоритм работает, потому что рано или поздно дойдет до конечной точки. Когда-нибудь множество объектов сведется к одному, и больше не придется проделывать процедуру заново. Поэтому нет опасности уйти в «бесконечный цикл».

Наибольший общий делитель

Каково наибольшее среди чисел, на которые нацело делятся одновременно 986 и 748? Простейший способ ответить на вопрос – перепробовать все варианты. Разумеется, 986 и 748 делятся на 1. Несложно видеть, что на 2 они тоже делятся. Но ни то ни другое число не делится на 3. Одно из них, 748, делится на 4, а другое нет. Нам «всего-навсего» нужно перебрать все делители и сравнить их. Мы остановимся после 748, потому что дальше числа не могут быть делителями 748. Наконец мы выясним, что у 748 и 986 четыре общих делителя: 1, 2, 17 и 34. Наибольший общий делитель 748 и 986 равен 34. Для любых положительных целых чисел a и b запись НОД (a, b) означает их наибольший общий делитель[133].

Описанный выше метод дает незамысловатый и неоспоримый алгоритм поиска наибольшего общего делителя. Его слабая сторона – неэффективность. Для поиска НОД двух трехзначных чисел придется перебрать сотни вариантов. Может быть, есть что-нибудь попроще?

Присмотримся к числам 986 и 748 повнимательней. Мы ищем наибольший общий делитель, поэтому естественно разложить оба числа на простые множители[134] (см. главу 1). Вот результат:

986 = 2 × 17 × 29;

748 = 2 × 2 × 11 × 17.

С помощью этого разложения на простые множители мы можем найти НОД, пуская в дело все простые числа, на которые делятся оба наших числа. Оба делятся на 2 и на 17, потому наибольший общий делитель очевидным образом равен 2 × 17 = 34.

Как разложить число на простые множители самым эффективным способом? Ответ неутешителен: мы этого не знаем (как уже отмечалось в главе 1). Нам нужна идея получше.

Еще одну идею нам подсказал Евклид. Допустим, d – общий делитель 986 и 748. Это означает, что

986 = xd, 748 = yd,

где x и y – целые числа. Следовательно, d также является делителем разности 986 – 748. Это следует из нехитрых алгебраических выкладок:

986 – 748 = xd – yd = (x – y) d.

Так как x и y целые числа, их разность тоже целое число. Потому разность 986 и 748 тоже нацело делится на d. Заметим, что 986–748 = 238.

Точно так же общий делитель 748 и 238 является делителем 986. Почему? Если e – общий делитель 748 и 238, то

748 = ue, 238 = ve,

где u и v – целые числа. Таким образом,

986 = 748 + 238 = ue + ve = (u + v) e,

откуда мы делаем заключение, что e – делитель 986.

Вывод: общие делители 986 и 748 являются также общими делителями 748 и 238. Для иллюстрации запишем делители всех трех чисел, подчеркивая общие делители:

делители 986 → 1, 2, 17, 29, 34, 58, 493, 986;

делители 748 → 1, 2, 4, 11, 17, 22, 34, 44, 68, 187, 374, 748;

делители 238 → 1, 2, 7, 14, 17, 34, 119, 238.

Отсюда следует, что

НОД (986, 748) = НОД (748, 238). (A)

Таким образом, поиск наибольшего общего делителя 986 и 748 свелся к поиску наибольшего общего делителя 748 и 238. Прогресс, теперь мы имеем дело с числами поменьше. Проделаем то же самое еще раз.

Если некое d – общий делитель 238 и 748, оно также делитель их разности. Этим дело не ограничивается. Мы можем вычесть 238 из 748 несколько раз, и d будет оставаться делителем разностей. Точнее говоря, если 238 и 748 делятся на d, разность 748 – 3 × 238 тоже делится на d. Обратимся к алгебре, чтобы доказать это.

748 = xd, 238 = yd,

где x и y – целые числа. Следовательно,

748 – 3 × 238 = xd – 3yd = (x – 3y) d.

Таким образом, d – делитель 748 – 3 × 238 = 34. И наоборот: если e – делитель 34 и 238, это также делитель 748. Вернемся к алгебре.

238 = ue, 34 = ve,

где u и v – целые числа. Таким образом,

748 = 3 × 238 + 34 = 3ue + ve = (3u + v) e.

Таким образом, e – делитель 748. Следовательно, у 748, 238 и 34 есть общие делители, и мы можем сделать вывод, что

НОД (748, 238) = НОД (238, 34). (B)

На основе тождеств (A) и (B) мы имеем:

НОД (986, 748) = НОД (748, 238) = НОД (238, 34).

Мы почти у цели. Обратим внимание, что 238 делится на 34 (потому что 238 = 34 × 7), и поэтому НОД (238, 34) = 34. Финальный аккорд:

НОД (986, 748) = НОД (748, 238) = НОД (238, 34) = 34.

Подытожим: через какие этапы мы пришли к этому результату? Мы вычли 748 из 986 и получили 238. Мы трижды вычли 238 из 748. Почему мы совершили одну операцию вычитания в первом случае и три операции во втором? Мы хотели свести задачу к операциям с как можно меньшими числами, потому что так удобнее. Поэтому мы вычитали меньшее число из большего до упора. Заметим: 748 умещается в 986 всего один раз, и разница между ними равна 238. Однако 238 умещается внутри 748 три раза, и остаток равен 34. Мы можем вычесть 748 из 986 всего один раз, и в то же время мы можем вычесть 238 из 748 три раза.

Теперь мы обобщим этот пример и построим алгоритм вычисления наибольшего общего делителя для двух целых положительных чисел. Нам даны два целых положительных числа a, b, и мы хотим определить НОД (a, b). При этом a больше b. Мы должны вычесть b из a как можно большее число раз. Чтобы выяснить, сколько именно, поделим a на b. Мы получим частное q и остаток c. На языке алгебры:

a – qb = c.

Если окажется, что b – делитель a, тогда остаток будет равен нулю. В ином случае c больше нуля и меньше b (если бы c оказалось больше b, мы смогли бы вычесть b из a еще раз[135]).

Теперь предположим, что d – общий делитель a и b. Тогда

a = xd, b = yd,

где x и y – целые числа. Следовательно,

c = a – qb = xd – q (yd) = (x – qy) d,

и c тоже без остатка делится на d (потому что x – qy входит в множество целых чисел).

С другой стороны, если e – общий делитель b и c, тогда

b = ue, c = ve,

где u и v – целые числа. Следовательно,

a = c + qb = ve + q (ue) = (v + qu) e,

и e – еще и делитель a.

Итак, мы доказали, что общие делители a и b совпадают с общими делителями b и c. Таким образом,

НОД (a, b) = НОД (b, c). (C)

Посмотрим, как тождество (C) позволит нам эффективно вычислить наибольший общий делитель двух больших целых чисел: a = 10 693 и b = 2220.

Мы делим a на b и видим, что 2220 умещается в 10 693 четыре раза[136], при этом остаток c = 1813. Следовательно,

НОД (10 693, 2220) = НОД (2220, 1813).

Переходим к следующей итерации. Введем обозначения a' = 2220 и b' = 1813. Поделим a' на b' и увидим, что 1813 умещается в 2220 всего один раз[137] и остаток c' = 407. На основании тождества (C)

НОД (10 693, 2220) = НОД (2220, 1813) = НОД (1813, 407).

На новом шаге a'' = 1813 и b'' = 407. После деления мы обнаружим, что 407 умещается внутри 1817 четыре раза[138] и остаток c'' = 185. Опять-таки на основании (C)

НОД (10 693, 2220) = НОД (2220, 1813) = НОД (1813, 407) = НОД (407, 185).

На сей раз мы имеем дело с числами a''' = 407 и b''' = 185. Деление показывает, что 185 умещается внутри 407 два раза[139] и остаток равен c''' = 37. Таким образом,

НОД (10 693, 2220) = НОД (2220, 1813) = НОД (1813, 407) = НОД (407, 185) = НОД (185, 37).

Мы почти у цели! Делим a'''' = 185 на b'''' = 37 и – подумать только! – получаем ровно 5. Следовательно, НОД (185, 37) = 37. Завершаем наши выкладки:

НОД (10 693, 2220) = НОД (2220, 1813) = НОД (1813, 407) = НОД (407, 185) = НОД (185, 37) = 37.

Мы нашли наибольший общий делитель 10693 и 2220, проделав всего пять операций деления!

Алгоритм Евклида для поиска наибольшего общего делителя[140] можно сформулировать так:

Поиск НОД: алгоритм Евклида

На входе: два положительных целых числа a и b.

На выходе: НОД (a, b).

1. Найти частное q и остаток c при делении a на b.

2. Если c = 0, то НОД (a, b) = b.

3. В противном случае вычислить НОД (b, c) = НОД (a, b).

Проверьте, насколько хорошо вы усвоили алгоритм Евклида, и вычислите НОД (1309, 1105). Можете воспользоваться калькулятором. Сверьтесь с ответом в конце главы.

Наименьшее общее кратное

Концепция наибольшего общего делителя тесно связана с концепцией наименьшего общего кратного. Для двух положительных целых чисел (допустим, 10 и 15) наименьшее общее кратное – это самое маленькое положительное целое число, которое делится на то и на другое; в нашем случае ответ равен 30. Мы будем использовать обозначение НОК (a, b).

Наименьшее общее кратное полезно при сложении дробей. Например, для сложения 1/10 и 1/15 вначале нужно привести обе дроби к общему знаменателю. Это может быть любое число, которое делится на 10 и на 15; проще всего найти НОК. Так как НОК (10, 15) = 30, то

Найти наименьшее общее кратное для маленьких чисел не слишком сложно, но как быть с большими числами? Скажем, чему равно наименьшее общее кратное 364 и 286?

Один вариант состоит в том, чтобы последовательно выписывать числа, кратные первому и второму, и уповать, что рано или поздно они совпадут[141]:

числа, кратные 364 → 364, 728, 1092, 1456, 1820, 2184, …

числа, кратные 286 → 286, 572, 858, 1144, 1430, 1716, 2002, …

Вскоре мы дойдем до 4004 и запишем ответ: НОК (364, 286) = 4004.

Вот еще одна идея. Разложим 364 и 286 на простые множители:

364 = 2 × 2 × 7 × 13;

286 = 2 × 11 × 13.

Числа, кратные 364, должны делиться на 2 × 2 × 7 × 13, а числа, кратные 286, должны делиться на 2 × 11 × 13. При конструировании наименьшего общего кратного мы должны воспользоваться этими простыми числами – два раза по 2, затем 7, 11 и 13 (нам ни к чему брать два раза по 13):

2 × 2 × 7 × 11 × 13 = 4004.

Разумеется, 4004 и есть наименьшее общее кратное 364 и 286.

Этот метод выглядит потрясающе, однако – как я уже объяснил в главе 1 – мы не знаем эффективного алгоритма разложения больших чисел на простые множители.

Хотя разложение на простые множители не дает достаточно эффективного алгоритма вычисления НОК двух чисел, оно делает важную подсказку. Давайте сравним, как используется разложение на множители при вычислении НОК и НОД.

Вот семь простых множителей двух чисел, взятые вместе:

Мы находим НОД (364, 286) с помощью двух общих простых делителей: 2 и 13.

Для вычисления НОК (364, 286) нам нужны все простые числа в двух списках, хотя нет нужды брать два раза по 13 (достаточно одного) и три раза по 2 (достаточно двух). Иными словами, мы берем каждое простое число из того списка, где оно встретилось большее число раз. Таким образом, нам нужны пять чисел: 2, 2, 7, 11 и 13.

Проверяем:

НОД (364, 286) = 26 = 2 × 13;

НОК (364, 286) = 4004 = 2 × 2 × 7 × 11 × 13.

Заметим, что при подсчете НОК мы выкинули именно те числа, которые нужны для вычисления НОД:

Иначе говоря,

364 × 286 = (2 × 2 × 7 × 13) × (2 × 11 × 13) = (2 × 2 × 7 × 11 × 13) × (2 × 13) = НОК (364, 286) × НОД (364, 286).

Мы можем обобщить этот пример. Для любых двух целых положительных чисел a и b

a × b = НОК (a, b) × НОД (a, b).

Таким образом,

Так как алгоритм Евклида позволяет эффективно вычислить наибольший общий делитель двух чисел, он также годится – с учетом тождества (D) – для эффективного вычисления наименьшего общего кратного.

Часть II

Геометрические фигуры

Глава 13

Треугольники

Треугольник – геометрическая фигура, состоящая из трех прямых отрезков, соединяющих три точки. В главе 13 мы рассмотрим общеизвестные свойства этих незамысловатых фигур и приподнимем покров над их тайнами. А начнем мы с двух всем знакомых формул: суммы углов и площади треугольника.

В сумме все это дает 180°

Возможно, самый известный факт, касающийся треугольников, – то обстоятельство, что если мы измерим все три угла и сложим эти величины, то получим 180°.

Почему мы так уверены? Нет, не стоит вырезать из бумаги тысячи треугольников и вымерять их углы транспортиром! Есть путь попроще.

Возьмем треугольник – любой треугольник – и обозначим его вершины буквами A, B, C, а величину углов соответственно x, y, z. Нам нужно убедиться, что x + y + z = 180°.

Нарисуйте (все равно, на бумаге или в воображении) прямую L, проходящую через точку B и параллельную AC:

Продолжите отрезки AB и BC таким образом, чтобы они пересекали прямую L. В результате появятся три новых угла.

Обратите внимание, что они образуют развернутый угол и в сумме дают 180°.

На чертеже мы обозначили новые углы x, y, z, так как они в точности равны углам треугольника. Почему это происходит?

Когда две параллельные прямые пересекают третью, образуются два соответственных угла, которые равны друг другу. Кроме того, при пересечении двух прямых образуются два вертикальных угла, которые тоже равны друг другу. Это изображено на чертеже.

Взгляните на три новых угла x, y, z. Поскольку AC и L параллельны, прямая AB отсекает два равных соответственных угла – оба по x градусов. Точно так же прямая BC отсекает еще два равных соответственных угла – оба по z градусов. И, наконец, прямые AB и BC пересекаются в точке B и образуют два вертикальных угла – оба по y градусов.

Суммируем всё, что мы выяснили:

• Три новых угла охватывают ровно одну сторону линии L, поэтому их сумма – 180°.

• Три новых угла имеют ту же величину, что и три угла треугольника.

Поэтому мы заключаем, что x + y + z = 180°, как и было обещано.

Площадь

Бессчетное число школьников зазубривает: «Площадь треугольника равна половине произведения его основания на высоту». Напомню: основание – одна из сторон, а высота – кратчайшее расстояние от этой стороны до противолежащей вершины.

Если длина основания равна b, а высота – h, площадь треугольника можно вычислить по формуле:

Общеизвестный факт! Но почему это так? Вот замечательное объяснение, и оно гораздо интереснее, чем формула[142].

Скопируем наш треугольник, поставим с ног на голову и прикрепим два треугольника друг к другу, чтобы получить параллелограмм:

Его площадь будет вдвое больше площади нашего треугольника.

Теперь превратим параллелограмм в равный по площади прямоугольник: отрежем треугольник (он обозначен пунктирной линией) с одной стороны и прикрепим его с другой:

Получится прямоугольник со сторонами b и h, его площадь равна b × h. Таким образом, площадь нашего треугольника равна

Если у нас есть материальный треугольник (скажем, деревянный), несложно измерить его стороны линейкой. Но измерить высоту не так-то просто. Мы прикладываем к вершине линейку, но должны быть уверены, что она перпендикулярна противоположной стороне.

Можно ли вычислить площадь треугольника, если мы знаем длины его сторон? Потребует ли это геркулесовых усилий? Здесь нам поможет герой по имени Герон – Герон Александрийский, живший около двух тысяч лет назад.

Обозначим длины сторон треугольника буквами a, b и c, как показано на рисунке.

Вначале необходимо сложить эти числа и поделить пополам. Обозначим результат буквой s:

Теперь поочередно вычтем из получившейся величины длины сторон – и получим заветную формулу:

Например, длины сторон треугольника равны 4, 5 и 7. Тогда Это дает:

Вот развернутый вариант формулы Герона:

Перепроверим на только что разобранном примере:

Есть и другие формулы вычисления площади треугольника. Я завершу этот раздел своей излюбленной формулой. Она работает для треугольника с целочисленными вершинами – их координаты на плоскости должны быть целыми числами. Это легко продемонстрировать на клетчатой бумаге:

Будем считать, что площади всех квадратиков равны 1. Можно найти площадь треугольника, посчитав, сколько квадратиков укладывается внутри треугольника целиком, а затем прибавив площади фрагментов квадратиков, отсеченных сторонами треугольника. Однако нам придется нелегко[143].

Теорема Пика[144] предлагает кое-что полегче. Мы не будем считать квадратики – мы посчитаем координатные точки. Вначале найдем, сколько точек внутри треугольника; обозначим их число I. Затем посчитаем количество точек на границе треугольника; обозначим их число B.

Теорема Пика утверждает:

Я начертил достаточно крупный треугольник, чтобы вы смогли сосчитать все точки. В итоге получится, что I = 38, а B = 10 (включая вершины). Таким образом,

Завершу этот раздел небольшой головоломкой. Предположим, мы хотим найти площадь четырехугольника с целочисленными вершинами. Если внутри четырехугольника I координатных точек, а на границе B координатных точек (включая четыре вершины), то чему равна его площадь? Ответ вы найдете в конце главы.

Кроме того, подумайте над вопросом о площади других многоугольников с целочисленными вершинами: пятиугольнике, шестиугольнике и т. д.

Центры

Что мы подразумеваем, когда говорим «центр треугольника»? У этого понятия есть несколько значений, и каждое интересно по-своему.

Начнем с точки под названием центроид треугольника. Соединим вершины треугольника с серединами противоположных сторон. Такие отрезки называют медианами. Удивительно: все три медианы пересекаются в одной точке; ее и называют центроидом.

Одно из свойств центроида – он представляет собой центр масс треугольника: если треугольник из жесткого материала (скажем, из тонкого листа железа) подвесить за центр масс, он будет сохранять равновесие. Разумеется, равновесие окажется шатким, если наши вычисления окажутся недостаточно точными.

Мы уже провели отрезки из вершин треугольника к серединам противолежащих сторон; теперь давайте проведем кратчайшие линии, соединяющие вершины и противолежащие стороны. Они будут пересекать стороны треугольника под прямыми углами. Ко всеобщему восхищению эти три отрезка также пересекаются в одной точке; ее называют ортоцентр.

Далее: биссектрисы. Проведем три отрезка из трех вершин до трех противоположных сторон, чтобы каждый из них рассекал соответствующий угол треугольника на два равных между собой угла. Эти три отрезка вновь пересекаются в одной точке, известной как инцентр.

Инцентр называют так потому, что это центр окружности, касающейся всех трех сторон треугольника (вписанной в треугольник окружности).

Теперь проведем отрезки не из вершин треугольника, а из середин его сторон, причем под прямыми углами к этим сторонам; их называют серединные перпендикуляры. Имею счастье сообщить, что и они пересекаются в одной точке – в центре окружности, описанной около треугольника, то есть содержащей все три его вершины.

Эти четыре центра (центроид, ортоцентр, инцентр и центр описанной окружности) совпадают, если треугольник равносторонний. Но в общем случае точки различаются. На рисунке вы можете видеть расположение всех четырех центров в некотором произвольном треугольнике[145].

Охота на равносторонние треугольники

Вместо биссектрис проведем трисектрисы углов треугольника – отрезки, рассекающие каждый угол треугольника на три равные между собой части. В общей сложности это будет шесть отрезков (по два для каждого угла). Разумеется, все они не могут пересечься в одной точке, но точки, где они пересекаются, образуют малый треугольник внутри большого.

Ошеломительная теорема Морли[146] утверждает, что этот малый треугольник всегда будет равносторонним!

Можно отыскать и другой равносторонний треугольник, сопутствующий любому произвольно взятому треугольнику. Построим на трех сторонах треугольника (на рисунке он начерчен жирными линиями) три равносторонних треугольника (начерчены тонкими линиями). Отметим центры этих равносторонних треугольников:

Соединим три центра и – вуаля! – получим очередной равносторонний треугольник.

Теорема Пика для четырехугольников

Нарисуем четырехугольник с целочисленными вершинами на клетчатой бумаге и проведите диагональ. Таким образом, мы получаем два треугольника с общей стороной:

Мы можем посчитать площади двух треугольников, пользуясь теоремой Пика, а затем сложить получившиеся величины. Обозначим эти два треугольника L и R и получим:

Таким образом, площадь четырехугольника равна 16 + 36 = 52.

Но, ко всеобщему восхищению, теорема Пика верна также для четырехугольников! И вот почему.

Вместо нового пересчета точек давайте воспользуемся результатами, уже полученными ранее.

Внутри левого треугольника 13 точек, внутри правого – 31 точка. Обратите внимание, что три точки на диагонали тоже лежат внутри четырехугольника; включим их в наши расчеты. Это дает IQ= 31 + 13 + 3 = 47.

Что касается границ четырехугольника, мы видим 8 точек на границе левого треугольника и еще 12 – на границе правого, то есть в общей сложности 20 точек. Но тут мы немного перебрали. Три точки на диагонали четырехугольника включать не надо; кроме того, мы посчитали их дважды. Таким образом, нужно вычесть 6. Две точки на концах диагонали тоже посчитаны дважды, потому вычтем еще 2, чтобы компенсировать перебор. Это дает BQ= 20–6–2 = 12.

Последний рывок:

Невероятно! Это правильный ответ! Как такое возможно?

Площади двух треугольников, L и R, дают в сумме:

Это не что иное, как площадь четырехугольника. Перегруппируем слагаемые:

Величина IL + IR не включает некоторые точки внутри четырехугольника, а величина BL + BR оказывается слишком большой из-за точек на границах. Точки на диагонали четырехугольника мы неосмотрительно посчитали дважды, хотя на самом деле они принадлежат величине IQ (и деление пополам исправляет эту оплошность). Конечные точки диагонали тоже оказались посчитаны дважды, когда мы вычисляли точки на границах. Деление на 2 исправляет эту оплошность лишь наполовину, но вычитание 2 (а не 1) ставит все на свои места!

Вы не поверите, но теорема Пика работает для любого многоугольника с целочисленными вершинами.

Центры треугольника вне треугольника

Если треугольник тупоугольный (то есть один из его углов больше 90°), центр описанной окружности и ортоцентр лежат вне треугольника. На рисунке приведен пример окружности, описанной около тупоугольного треугольника.

Найти ортоцентр тупоугольного треугольника несколько сложнее. Фокус состоит в том, чтобы продолжить его стороны, пока они не пересекутся с соответствующими высотами.

В треугольнике ABC мы делаем следующие дополнительные построения: (1) проводим через точку A прямую, перпендикулярную BC (эту сторону необходимо продолжить); (2) проводим через точку B прямую, перпендикулярную AC; (3) проводим через точку С прямую, перпендикулярную AB (ее также необходимо продолжить). Точка пересечения этих прямых X и есть ортоцентр.

Глава 14

Пифагор и ферма

Страшила из книги «Волшебник страны Оз» так и не обрел мозги, но получил диплом. Он с гордостью продемонстрировал свой усовершенствованный интеллект, сформулировав абсолютно исковерканную теорему Пифагора: «Сумма квадратных корней из двух сторон равнобедренного треугольника равна квадратному корню из третьей стороны».

На самом деле теорема Пифагора ничего не говорит о равнобедренных треугольниках[147]. Она увязывает длины сторон прямоугольного треугольника (один из углов в этом треугольнике прямой, то есть равен 90°).

Обозначим длины катетов прямоугольного треугольника (то есть сторон, образующих прямой угол) буквами a и b, а длину гипотенузы (стороны напротив прямого угла) – буквой c.

Теорема Пифагора гласит:

a² + b² = c².

Вот словесная формулировка (несомненно, именно это и намеревался сказать Страшила):

Теорема Пифагора. В прямоугольном треугольнике квадрат длины гипотенузы равен сумме квадратов длин катетов[148].

Наше доказательство будет базироваться на рассечении большой фигуры на малые: мы сгруппируем несколько прямоугольных треугольников в одну фигуру, посчитаем сначала ее площадь, а потом сумму площадей образующих ее фрагментов и – вуаля! – докажем теорему Пифагора.

Расположим четыре одинаковых прямоугольных треугольника с катетами a и b и гипотенузой c так, чтобы они образовали квадрат со стороной a + b:

Очевидно, что площадь квадрата равна (a + b) ² = a² + 2ab + b².

Теперь рассечем большой квадрат на пять составных частей: малый квадрат со стороной c и четыре треугольника; сложим треугольники попарно в два прямоугольника со сторонами a и b:

Общая площадь этих фигур – c² + 2ab.

Очевидно, что площадь большого квадрата равна площади составляющих его частей:

a² + 2ab + b² = c² + 2ab.

Когда мы вычтем из обеих частей тождества 2ab, теорема Пифагора будет доказана[149].

Вот другое доказательство, тоже основанное на рассечении некой геометрической фигуры.

Расположим четыре одинаковых прямоугольных треугольника так, чтобы они образовали квадрат c × c:

Общая площадь этой фигуры с². Посчитайте самостоятельно сумму площадей треугольников и малого квадрата в центре. Ответ вы найдете в конце главы.

Еще одно доказательство на основе рассечения геометрической фигуры придумал Джеймс Гарфилд, 20-й президент Соединенных Штатов[150].

Сгруппируем три прямоугольных треугольника, два одинаковых поменьше и один побольше, чтобы они образовали трапецию[151]:

Посчитайте сначала площадь трапеции, а затем сумму площадей образующих ее треугольников. Ответ – в конце главы.

Абсолютная величина комплексного числа[152]

Вычислить абсолютную величину[153] числа означает лишить его минуса, если оно отрицательное. Например, | – 5 | = 5. Иными словами, число –5 включает 5 единиц.

Более точное определение абсолютной величины:

Например, |12 | = 12, | – 7 | = 7, |0 | = 0.

Вот геометрическая интерпретация: абсолютная величина числа x – это расстояние между точкой с координатой x и точкой с координатой 0 на числовой оси:

Абсолютная величина показывает, насколько число удалено влево или вправо от нуля; знак числа (плюс или минус) не играет роли.

Как мы распространим идею абсолютной величины на комплексные числа? Что значит |3 + 4i|? Мы не можем сказать, отрицательно или положительно число 3 + 4i. Эти термины неприменимы к комплексным числам. Наша цель – выяснить, насколько комплексное число удалено от нуля. Для этого нам необходима геометрическая интерпретация комплексного числа. Действительное число задает точку на числовой прямой; комплексное задает точку на плоскости. Например, комплексное число 3 + 4i можно изобразить геометрически, если отложить три единицы вправо и четыре единицы вверх от начала координат, как показано на рисунке.

Теперь подумаем, что значит расстояние от точки 3 + 4i до начала координат. На рисунке оно обозначено отрезком с двумя стрелочками на концах. Это – не что иное, как гипотенуза прямоугольного треугольника с катетами длиной 3 и 4. Пусть c – длина данной гипотенузы, тогда по теореме Пифагора

с² = 3² + 4² = 9 + 16 = 25.

Таким образом, Вывод: |3 + 4i| = 5.

В общем случае комплексное число a + bi задает точку с координатой a по горизонтали и координатой b по вертикали. Отрезок, соединяющий эту точку с началом координат, представляет собой гипотенузу прямоугольного треугольника с катетами длиной a и b. Если мы обозначим длину гипотенузы буквой c, то получим в соответствии с теоремой Пифагора:

Необходимо отметить, что эта формула работает как для комплексных, так и для действительных чисел[154]. Например, если мы хотим вычислить абсолютную величину числа –4 сложным путем, представим его в комплексном виде: – 4 + 0i. Подставив a = –4 и b = 0 в формулу (A), мы получим:

Пифагоровы тройки

Если катеты прямоугольного треугольника равны 3 и 4, то гипотенуза равна 5. Все это целые числа[155]. Вот другой пример: если длины катетов 5 и 12, то длина гипотенузы –

Все три числа снова оказались целыми. Но так везет не всегда. Если длины катетов – 2 и 3, то длина гипотенузы а это иррациональное число.

Если три положительных целых числа a, b, c являются длинами сторон прямоугольного треугольника, их называют пифагоровой тройкой. Простейшие примеры: 3, 4, 5 и 5, 12, 13. А как насчет других? Как их отыскать? Удивительно, но факт: ключ к пифагоровым тройкам лежит в области комплексных чисел!

Прежде чем погрузиться в детали, посмотрим, как комплексное число z = 2 + i связано с пифагоровой тройкой 3, 4, 5:

• Шаг 1. Вычислим z²:

z² = (2 + i) × (2 + i) = (4–1) + (2 + 2) i = 3 + 4i.

• Шаг 2. Вычислим |z²|:

Вычисления на шаге 2 показывают, что числа 3, 4 и 5 представляют собой пифагорову тройку. Отрезок на комплексной плоскости, соединяющий начало координат и точку 3 + 4i, – это гипотенуза прямоугольного треугольника со сторонами 3 и 4, ее длина равна 5.

Повторим процедуру с комплексным числом z = 3 + 2i. Посчитаем z² и абсолютную величину этого числа:

Мы нашли пифагорову тройку: 5, 12, 13!

Еще один пример, и мы поймем принцип. Возьмем число z = 5 + 2i. Возведем его в квадрат и посчитаем абсолютную величину получившегося числа:

Мы нашли еще одну пифагорову тройку: 20, 21, 29.

Давайте подумаем, как это работает, вернувшись к первому примеру: z = 2 + i. Заметим: Мы возвели z в квадрат и посчитали абсолютную величину получившегося числа: Подытожим:

Таким образом, |z²| = |z|².

Всегда ли так? Разумеется, тождество выполняется для действительных чисел (например, |(–4)²| = |16 | = |–4 |²), но доказательство этого факта для комплексных чисел потребует некоторых алгебраических выкладок (проделайте их самостоятельно и сверьтесь с решением в конце главы[156]).

Вернемся к процедуре поиска пифагоровых троек. Начнем с комплексного числа z = x + yi, где x и y – целые числа[157]. Абсолютная величина z может не быть целым числом, но оно представляет собой квадратный корень из целого числа: Абсолютная величина z² непременно будет целым числом: |z²| = |z|² = x² + y². Найдем z²:

z² = (x + yi) × (x + yi) = (x² – y²) + (2xy) i.

Пусть a = x² – y², b = 2xy, c = x² + y². Тогда |a + bi| = c; следовательно, a² + b² = c².

Последний пример: пусть z = 7 + 4i. Его квадрат равен 33 + 56i, абсолютная величина этого числа равна

Еще одна пифагорова тройка: 33, 56, 65.

Я продемонстрировал процедуру поиска пифагоровых троек. Возникает естественный вопрос: все ли пифагоровы тройки можно найти подобным образом? Да, но доказательство этого факта довольно сложное, так что, если вам интересно, я рекомендую обратиться к литературе по теории чисел.

Великая теорема Ферма

Мы рассмотрели тройки целых чисел, удовлетворяющих уравнению теоремы Пифагора. Они лишь косвенным образом связаны с миром прямоугольных треугольников. Сейчас мы полностью перенесемся за пределы геометрии и подумаем о решениях уравнения aⁿ + bⁿ = cⁿ.

Легко найти тройки целых чисел a, b, c, удовлетворяющих соотношению a + b = c. В предыдущем разделе я рассказал о способе поиска троек целых чисел, удовлетворяющих уравнению a² + b² = c². Сейчас нам предстоит перейти к более высоким степеням: можем ли мы найти тройки целых чисел, удовлетворяющих уравнению a³ + b³ = c³, или a⁴ + b⁴ = c⁴, или a⁵ + b⁵ = c⁵ и т. д.?

Вот два неинтересных решения уравнения a³ + b³ = c³:

5³ + 0³ = 5³; 5³ +(–5)³ = 0³.

Куда сложнее найти тройки целых чисел, не равных нулю, которые являются решениями уравнения a³ + b³ = c³. Такие решения называются нетривиальными.

Этот вопрос в 1637 году заинтересовал Пьера Ферма. На полях «Арифметики» Диофанта он сформулировал следующее утверждение: уравнение aⁿ + bⁿ = cⁿ не имеет нетривиальных целочисленных решений при n ≥ 3. Он записал по-латыни знаменитые слова:

Невозможно разложить куб на два куба, биквадрат на два биквадрата и вообще никакую степень, большую квадрата, на две степени с тем же показателем. Я нашел этому поистине чудесное доказательство, но поля книги слишком узки для него[158].

Это утверждение известно как великая теорема Ферма, хотя сомнительно, что Ферма мог доказать ее. Потребовалось три столетия, прежде чем Эндрю Уайлс[159] нашел доказательство и опубликовал его в середине 1990-х. Он показал, что теорема Ферма верна и уравнение aⁿ + bⁿ = cⁿ не имеет нетривиальных целочисленных решений при n ≥ 3.

Глава 15

Окружности

Окружности изящны и красивы. Глава 15 содержит россыпь любопытных фактов об этих основополагающих геометрических фигурах.

Точное определение

Математики избегают туманных определений, им подавай точность! Окружность – это множество точек на плоскости, равноудаленных от некоторой точки[160]. Давайте распутаем этот клубок.

Прежде всего, окружность представляет собой множество точек. Естественно, не любое множество точек образует окружность. Речь идет лишь об избранных точках. Избранных по какому принципу? Окружность – это множество точек, заданных двумя условиями: положительным числом r и точкой X. Как вы знаете, точку X мы называем центром окружности, а число r – радиусом.

При построении (чернилами на бумаге или пикселями на экране) окружность имеет некоторую толщину, но с математической точки зрения толщина окружности равна нулю.

Окружности – близкие родственники сфер. А что такое сфера? Это множество точек в пространстве, равноудаленных от некоторой точки. Обратите внимание: два определения почти одинаковы, за исключением того, что окружность находится в плоскости.

Уравнение окружности

Точки на плоскости задаются двумя координатами: x и y. Если мы записываем уравнение с двумя переменными, множество точек, чьи координаты удовлетворяют этому уравнению, задают какую-нибудь геометрическую фигуру.

Например, уравнению x² + y² = 1 удовлетворяют некоторые, но не все точки плоскости. Скажем, точка с координатами (1, 0) удовлетворяет уравнению, потому что 1² + 0² = 1. Точно так же точка (3/5, 4/5) тоже удовлетворяет уравнению:

С другой стороны, точка (1/2, 1/2) не удовлетворяет уравнению, потому что

Что можно сказать о точках, удовлетворяющих уравнению x² + y² = 1? Они задают окружность с центром в начале координат и радиусом 1.

Почему? Давайте подумаем о точке (x, y). Она задает прямоугольный треугольник. Проведем перпендикуляры к осям абсцисс и ординат и соединим отрезком нашу точку с началом координат, как показано на рисунке.

Длины катетов треугольника равны x и y, и по теореме Пифагора (см. главу 14) длина гипотенузы равна Это не что иное, как расстояние от точки (x, y) до точки (0, 0).

Если мы ищем точки, удаленные от начала координат на расстояние 1, они должны удовлетворять условию:

Возведем обе части в квадрат и получим x² + y² = 1!

В общем случае, если центр окружности c радиусом r расположен не в начале координат, а в точке (a, b), она задается уравнением:

(x – a)² + (y – b)² = r².

Треугольники прямо внутри

Любые две несовпадающие точки задают прямую, а вот три точки не обязательно принадлежат одной прямой. Но есть всего одна окружность, которая включает все три точки, не лежащие на одной прямой. Вы узнали из главы 13, что точка пересечения срединных перпендикуляров к сторонам треугольника является центром описанной окружности, так как эта точка равноудалена от всех трех вершин треугольника.

Вопрос: как вписать треугольник в полуокружность, чтобы одна из его сторон совпадала с диаметром окружности?

Вот отличный ответ: треугольник можно вписать в полуокружность исключительно в том случае, если один из его углов прямой (то есть речь идет о прямоугольном треугольнике).

Теорема Птолемея

Расставим на окружности четыре точки: A, B, C и D. Они задают четыре величины: длины сторон четырехугольника |AB|, |BC|, |CD|, |AD| и длины двух его диагоналей d_1 и d_2.

Теорема Птолемея изящно связывает эти величины:

d_1 × d_2 = |AB| × |CD| + |BC| × |AD|.

И наоборот, если длины сторон и диагоналей четырехугольника удовлетворяют этой формуле, его вершины лежат на одной окружности.

Упаковка

Насколько плотно можно упаковать круги? Будем считать, что все круги имеют один радиус (скажем, 1) и мы хотим упаковать на значительном участке плоскости максимальное их число (представьте поднос, на котором нужно уместить как можно больше консервных банок).

Простейшая идея заключается в группировании кругов по четыре так, чтобы их центры образовывали квадрат. Тогда каждый круг, расположенный внутри, касается четырех соседних, а те, что на границе, касаются трех соседних:

Насколько эффективна такая упаковка? Один из критериев – измерить, какую часть плоскости покрывают все эти круги.

Посмотрим повнимательней на четыре круга, чьи центры лежат в вершинах квадрата. Радиусы кругов равны 1, потому сторона квадрата равна 2, а его площадь – 4. Квадрат не полностью покрыт областями, находящимися внутри кругов. Его перекрывает ровно четверть каждого из четырех кругов; таким образом, общая площадь кругов и квадрата равна площади одного круга, то есть π.

Соотношение между покрытой и непокрытой частями плоскости равно Мы можем усеять всю плоскость такими вот четверками окружностей, и они покроют примерно 78,5 % плоскости.

Неплохо, но можно сделать и лучше. Пусть теперь центры шести окружностей совпадают с вершинами правильного шестиугольника, а седьмая окружность располагается внутри него:

При таком подходе круги накрывают больше 90 % плоскости. Подумайте, как это вычислить. Ответ – в конце главы.

Гексагональная упаковка кругов на плоскости – самая плотная.

Естественно, возникает вопрос: а как насчет трех измерений?[161] Ответ, вероятно, был известен уже в античности, но со всей строгостью его сформулировал Иоганн Кеплер в начале XVII века. Кеплер утверждал, что наиболее плотная упаковка шаров такая, что при сечении плоскостью, проходящей через центры шаров в одном ряду, выясняется, что центры шести соседних шаров лежат на вершинах правильного шестиугольника, а центр седьмого шара совпадает с центром этого шестиугольника (см. рисунок выше). Тогда шары покрывают примерно 74 % пространства[162].

Сложность состояла в том, чтобы доказать, что это действительно наиболее плотная упаковка и нет никаких альтернатив. С задачей на плоскости разобрались довольно быстро, но решение пространственной задачи потребовало 400 лет. Лишь в 1990-е годы Томас Хэйлс[163] опубликовал сверхсложное доказательство, включающее теоретические выкладки и массу вычислений. Независимые эксперты дотошно изучили доказательство Хэйлса и не обнаружили там никаких погрешностей.

Окружности целуются

Если вы начертите три окружности, которые попарно касаются друг друга, в пространстве между ними уместится четвертая окружность, касающаяся всех трех. Вот как выглядят четыре касающиеся друг друга окружности:

Как соотносятся размеры этих четырех окружностей? Иначе говоря, если мы знаем радиус трех окружностей, можем ли мы вычислить радиус четвертой?

Рене Декарт[164] опубликовал решение этой задачи в начале XVII века. Разберем его результат в простейшем виде. Нам понадобится определение кривизны окружности: это величина, обратная радиусу. Например, окружность с радиусом 2 имеет кривизну 1/2.

Декарт пришел к следующему выводу: если кривизны «целующихся» окружностей равны k1, k2, k3, k_4, то соотношение между ними укладывается в формулу:

Например, если три большие окружности имеют радиус/кривизну 1, а кривизна малой окружности равна c, то из формулы (*) следует:

Решение квадратного уравнения дает

Таким образом,

Отрицательное число нам не подходит, ведь как радиус/кривизна окружности может быть меньше нуля? Таким образом, кривизна малой окружности равна примерно 6,464, а радиус – примерно 0,1547.

Четыре окружности могут «поцеловаться» иначе. Начертим снова три окружности, касающиеся друг друга, но вместо малой окружности внутри опишем большую окружность, касающуюся всех трех окружностей снаружи:

Хорошая новость: решение Декарта по-прежнему остается в силе. Фокус состоит в том, чтобы взять отрицательный корень квадратного уравнения с обратным знаком!

Например, давайте снова рассмотрим три окружности с радиусом 1. Формула (*) вновь приводит нас к двум ответам. Но теперь большая окружность имеет кривизну где-то 0,464 и радиус где-то 2,1547.

Иначе говоря, формула Декарта работает и в том случае, когда мы вычисляем радиус малой окружности внутри трех, касающихся друг друга, и в том случае, когда мы ищем радиус большой окружности, охватывающей эти три.

Если корень уравнения отрицательный, речь идет об описанной окружности; в случае положительного корня речь идет о вписанной окружности. А теперь другой вопрос: что означает нулевая кривизна? Сама формулировка подсказывает, что «окружность» с нулевой кривизной представляет собой прямую линию[165].

Решение Декарта в 1930-е годы заново открыл Фредерик Содди[166]. Он был настолько поражен элегантностью формулы, что сочинил стихотворение под названием «Прицельный поцелуй». Вот вторая строфа, где зарифмована формула (*):

Окружности четыре

Сошлись для поцелуя,

Пригожая малютка

Скривилась больше всех.

А если единичку

На радиус делю я,

То это будет кривизна.

Невиданный успех!

Евклид буквально онемел…

Дружок, скорей берись за мел:

Коль нулевая кривизна,

То линия прямая;

Коль минус перед кривизной,

Целуйся, обнимая.

«Сложи криви́зны, возведи

В квадрат всю эту сумму,

И на два ну-ка подели!» –

Кричу я тугодуму. –

«Теперь все это приравняй

К величине другой:

Криви́зны возведи в квадрат,

Сплюсуй, мой дорогой».

Две суммы в точности равны,

И все от радости пьяны:

Целуются, милуются,

Собой не налюбуются!

Есть еще один вариант поцелуя четырех окружностей. На сей раз они будут касаться друг друга попарно, выстроившись в кольцо. Иными словами, касаются первая и вторая окружности, вторая и третья, третья и четвертая, четвертая и первая. Итого мы имеем четыре точки соприкосновения.

Удивительно, но факт: эти четыре точки всегда будут лежать на другой окружности, пятой по счету.

Теорема Паскаля о шестиугольнике

Я завершу эту главу теоремой, доказанной Блезом Паскалем[167].

Расставим на окружности шесть точек: A, B, C, D, E и F. Соединим их отрезками, чтобы возник перекрученный шестиугольник:

A → D → B → F → C → E → A.

Теорема Паскаля говорит о том, что три точки, в которых пересекаются пары отрезков DB и CE, AD и FC, BF и EA (на чертеже они отмечены буквами X, Y, Z соответственно) всегда будут лежать на одной прямой!

Отмечу, что теорема Паскаля верна и в случае шести точек, лежащих на эллипсе[168].

Плотность гексагональной упаковки кругов

Предположим, все круги имеют радиус 1. Центры четырех соседних кругов расположены на вершинах ромба со стороной 2.

Ромб состоит из двух равносторонних треугольников. Высота равностороннего треугольника[169] со стороной 2 равна √3. Таким образом, площадь треугольников равна

Площадь ромба вдвое больше: 2√3

Теперь давайте подумаем, какой процент площадей кругов покрывает ромб. Два круга покрыты на 1/6 и еще два – на 1/3. Все вместе дает площадь одного круга с радиусом 1, то есть π.

Соотношение покрытой кругами площади к общей площади равно

Глава 16

Платоновы тела

Равносторонний треугольник – это геометрическая фигура, состоящая из трех равных между собой отрезков, пересекающихся под углом 60°. Квадрат – фигура, состоящая из четырех равных между собой отрезков, пересекающихся под углом 90°. Это примеры правильных многоугольников – фигур, состоящих из равных между собой прямых отрезков, пересекающихся под равными углами. На рисунке изображен правильный семиугольник (гептагон[170]).

Некоторые дорожные знаки (например, знак «Движение без остановки запрещено») имеют форму правильного восьмиугольника (октагона).

Задумавшись на секунду, мы поймем, что правильных многоугольников бесконечно много: существует правильный n-угольник при любом натуральном n ≥ 3.

Мы вычерчиваем многоугольники на плоскости. А как насчет родственных им фигур в трехмерном пространстве?

Многогранники

«Перешедшие на следующий уровень» многоугольники в трехмерном пространстве называют многогранниками (или полиэдрами). Многогранник – это пространственная фигура с плоскими гранями, каждая из которых представляет собой многоугольник. Среди наиболее известных многогранников – треугольная призма и пирамида с квадратным основанием. Треугольная призма состоит из трех прямоугольников и двух треугольников. Пирамида состоит из четырех треугольников и одного квадрата.

Как расширить идею правильного многоугольника на пространственные фигуры? Правильный многогранник имеет конгруэнтные[171] грани и углы.

Расширение до трех измерений требует, чтобы все части многогранника были конгруэнтны между собой. Таким образом:

– все ребра многогранника равны между собой;

– все углы, под которыми пересекаются два ребра, равны между собой;

– в каждой вершине пересекается одинаковое число ребер;

– все углы между соседними гранями равны между собой.

Из первых двух условий следует, что все грани правильного многогранника конгруэнтны и представляют собой правильные многоугольники.

Наверное, самый известный правильный многогранник – это куб, состоящий из шести граней, каждая из которых представляет собой правильный четырехугольник (квадрат). На рисунке изображены еще четыре правильных многогранника.

• Тетраэдр состоит из 4 равных между собой треугольников.

• Октаэдр состоит из 8 равных между собой треугольников (вообразите, что вы склеили две пирамиды с квадратным основанием).

• Додекаэдр образован 12 правильными пятиугольниками.

• Икосаэдр состоит из 20 равносторонних треугольников.

На рисунке изображены развертки правильных многогранников. Вы можете перерисовать эти фигуры, вырезать их и склеить бумажные модели. В продаже бывают наборы для изготовления правильных многогранников.

Пять правильных многогранников известны под названием платоновы тела[172]. Существуют ли другие правильные многогранники?

На рисунке вы видите звездчатый икосаэдр, чьи грани представляют собой равносторонние треугольники, однако эта пространственная фигура не является правильным многогранником, потому что не все грани пересекаются под равными углами, и не во всех вершинах пересекается одинаковое число ребер (при острых углах пересекаются три ребра, а в звездчатом центре – десять ребер).

Найти другие правильные многогранники нам поможет чудесная формула, названная в честь Леонарда Эйлера (мы впервые познакомились с ним в главе 7).

Формула Эйлера для многогранников

У многоугольника столько же углов, сколько сторон. Ситуация с многогранниками сложнее: у них есть вершины, ребра и грани. В таблице указано, сколько каких элементов есть у многогранников, с которыми мы познакомились в этой главе:

Изучите таблицу повнимательней. Видите ли вы взаимосвязь между количеством вершин, ребер и граней? Она есть, и достаточно простая. Ответ вы найдете ниже, но гораздо интереснее вывести формулу самостоятельно. Обозначьте количество вершин, ребер и граней буквами V, E и F соответственно[173].

А пока вы размышляете над выводом формулы соотношения между V, E и F, я сверю данные в таблице. Для простой пространственной фигуры (например, для пирамиды) посчитать количество составляющих ее частей несложно: пять вершин (четыре у основания и одна сверху), восемь ребер (опять-таки четыре у основания и еще четыре, ведущие наверх) и пять граней (четыре треугольника, один квадрат). Тетраэдр и призма тоже не вызывают затруднений. О кубе и говорить нечего – все мы с ним знакомы. У куба восемь вершин (четыре снизу, четыре сверху), 12 ребер (четыре внизу, четыре вверху и четыре вертикальных), 6 граней (мы все играли в кости).

Другие многогранники сложнее себе представить. Ради простоты можно расплющить их следующим образом: представьте, что многогранник пустой изнутри и мы вырезаем ножницами одну из граней, а потом растягиваем многогранник, пока он не станет плоским. На рисунке показано, что получится в итоге.

Начнем с октаэдра. На рисунке ясно видно: V = 6. Во время подсчета граней легко ошибиться и сказать, что их семь, но не будем забывать об одной вырезанной грани. Таким образом, F = 8.

А вот маленький трюк для подсчета ребер. Пометьте штрихом ребра, сходящиеся у каждой вершины, таким образом:

Сколько штрихов на рисунке? У каждой вершины сходятся по четыре ребра, поэтому количество штрихов в четыре раза больше количества вершин: 4 × V = 4 × 6 = 24. С другой стороны, на каждом ребре по два штриха, и если количество штрихов равно 2E, то E = 12.

Продолжим в том же духе с икосаэдром. На плоском рисунке мы видим три вершины у острых углов, шесть, образующих правильный шестиугольник, и еще три в центре. Итого V = 3 + 6 + 3 = 12. Посчитаем грани: 9 треугольников на плоском рисунке имеют вершины при острых углах, вершины еще 9 совпадают с вершинами шестиугольника, плюс еще один треугольник лежит в сердцевине. Итого 9 + 9 + 1 = 19, и не будем забывать про вырезанную грань; таким образом, F = 20. Для подсчета ребер мы используем трюк со штрихами. Пометив ребра, сходящиеся у вершин, мы нанесем в общей сложности 5 × 12 = 60 штрихов, по пять около каждой вершины. Поскольку на каждом ребре оказалось по два штриха, E = 30.

Пришло время вернуться к великолепной формуле, показывающей соотношение вершин, ребер и граней многогранников; впервые она была открыта Эйлером[174], а теперь (я надеюсь) ее заново открыли вы.

Отмечу, что сумма количества вершин и граней на 2 больше количества ребер. Например, у куба V = 8, а F = 6, следовательно, V + F = 14, что на 2 больше E = 12. Таким образом, V + F = E + 2. Обычно формулу Эйлера записывают следующим образом:

V – E + F = 2. (A)

Посмотрим, как это работает.

Мы расплющили наши многогранники[175], вынув одну грань и растянув то, что осталось. Количество областей на плоском рисунке в точности равно количеству граней F: вынутая грань соответствует всему контуру целиком, другие грани соответствуют контурам внутри. Таким образом, количество вершин, ребер и областей равно V, E и F соответственно. Алгебраическое выражение V – E + F имеет определенное числовое значение; сейчас я постараюсь убедить вас, что оно неизменно равно 2.

Для начала я сотру одно ребро. Что произойдет с количеством вершин, ребер и областей? Количество вершин не поменялось – я всего лишь стер ребро. Количество ребер, естественно, уменьшилось на 1. А что произошло с количеством граней? Как можно видеть на рисунке, две грани по обе стороны исчезнувшего ребра слились в одну грань, так что количество граней уменьшилось на единицу.

Обозначим количество вершин/ребер/граней на новом рисунке через V', E' и F'. Что мы имеем?

V' = V,

E' = E – 1,

F' = F – 1.

Следовательно, V' – E' + F' = V – (E – 1) + (F – 1) = V – E + F.

Если я докажу, что V' – E' + F' = 2, то и V – E + F = 2.

Моя стратегия такова: я стану стирать всё новые и новые ребра. Всякий раз количество ребер и количество граней будет уменьшаться на единицу. Но мне следует проявить осторожность. Рано или поздно я дойду до ребра, слева и справа от которого будет одна и та же область; поглядите на жирную черточку на рисунке. Я не должен стирать ребра таким образом, чтобы рисунок оказался разбит на несколько не связанных между собою замкнутых областей.

Сколько бы ребер я ни стер, число V – E + F (чему бы оно ни было равно) останется неизменным.

В конце концов все области сольются в одну (в наших обозначениях F = 1), и я не смогу безболезненно извлечь больше ни одного ребра (посмотрите на рисунок). После этого я перейду ко второй части своих разрушительных поисков.

На рисунке больше нет замкнутых областей. Я возьму любую вершину наугад и отправлюсь в вояж по ребрам и вершинам. Этот путь не сможет привести меня в исходную вершину, поскольку замкнутых областей больше нет; рано или поздно он закончится (так как количество вершин конечно), в некоторой вершине он зайдет в тупик. Эту вершину называют лист.

Я начну срывать листья и отламывать «ветки», на которых они держатся. Что произойдет с числом V – E + F? Количество вершин будет уменьшаться на 1 (сорванный лист), количество ребер тоже будет уменьшаться на 1 (сорванная «ветвь»), а количество граней останется неизменным (у нас всего одна грань). Иными словами,

V' = V – 1,

E' = E – 1,

F' = F = 1.

Таким образом, V' – E' + F' = (V – 1) – (E – 1) + F = V – E + F. Чему бы ни было равно число V – E + F, после уничтожения очередного листа и ребра оно останется прежним.

Сколько бы листов и соответствующих им ребер я ни стирал, замкнутых областей на рисунке не появится. Я буду выбирать новый лист, стирать его и соответствующее ребро и т. д. В конце концов на графе останется всего одна вершина. Но число V – E + F не поменяется.

Подведу итог. Я расплющил многогранник. Удалил ребра таким образом, чтобы замкнутые области не оставались изолированными друг от друга; в конце концов число замкнутых областей свелось к нулю; значения V, E и F менялись, но число V – E + F оставалось неизменным. Дальше я стал срывать листья и стирать соответствующие им ребра, пока не осталась одна-единственная уцелевшая вершина. И вновь значения V, E и F менялись, но число V – E + F прошло без потерь сквозь все катаклизмы. Итак, у меня есть одна вершина, одна область (ничем не ограниченное пространство вокруг этой вершины) и ни одного ребра. Иными словами, в финале моих деструктивных операций V = 1, E = 0, F = 1. Если я подставлю эти числа в формулу V – E + F, то получу 2. Так я подтвердил тождество (A) – формулу Эйлера для многогранников!

Есть там кто еще?

Мы познакомились с пятью правильными многогранниками: тетраэдром, кубом, октаэдром, додекаэдром и икосаэдром. С помощью формулы (A) я покажу, что других правильных многогранников не существует.

Я буду использовать пять букв для параметров правильного многогранника. Первые три вам хорошо знакомы: V – количество вершин, E – количество ребер и F – количество граней. Все грани правильного многогранника – правильные многоугольники; обозначим количество сторон каждой из граней буквой n. В каждой вершине сходится одинаковое число ребер; обозначим его буквой r.

Вот параметры для платоновых тел:

Давайте проработаем алгебраические взаимосвязи между этими числами.

Во-первых, напомню формулу Эйлера:

V – E + F = 2. (A)

Во-вторых, мы будем использовать прием со штрихами, чтобы выяснить соотношение между E, V и r. Пометим штрихом оба конца каждого ребра. Общее количество штрихов – 2E. Кроме того, мы нанесем r штрихов возле каждой вершины, обозначив сходящиеся там ребра; всего у нас будет rV штрихов. Если все проделать аккуратно, оба числа совпадут:

2E = rV. (B)

В-третьих, выясним соотношение между E, F и n. Нам снова поможет прием со штрихами, но на сей раз мы станем наносить их, постепенно двигаясь по граням. Будем поочередно помечать штрихом ребра каждой грани. Как и раньше, на каждом ребре окажется по два штриха (так как оно отделяет две грани). Итак, с одной стороны, количество штрихов 2E, а с другой стороны, количество штрихов nF (n штрихов на каждой из F граней). Таким образом,

2E = nF. (C)

Давайте убедимся, что формулы (A), (B) и (C) верны для додекаэдра:

V – E + F = 20–30 + 12 = 2;

2E = 2 × 30 = 60 = 3 × 20 = rV;

2E = 2 × 30 = 60 = 5 × 12 = nF.

Сделаем еще кое-что.

Исходя из (B), мы имеем а исходя из (C), мы получаем Подставим эти значения в формулу (A):

Поделим на 2E:

Прибавим к обеим частям 1/2:

Эту формула нам скоро понадобится.

Соотношение (D) показывает, что r и n не могут быть слишком большими числами. Например, нет такой ситуации, при которой r = n = 5, потому что тогда что не больше 1/2. Давайте подумаем над возможными значениями r и n.

Вначале отметим, что r и n должны быть равны по меньшей мере 3. Грани – это многоугольники, и первая фигура в ряду n-угольников – треугольник. Многогранник – пространственная фигура; если r = 2, то в одной вершине встречаются всего два ребра; в случае с объемной фигурой необходимо r ≥ 3.

Переберем все возможные значения n:

Итак, есть всего 5 пар (n, r): (3, 3), (3, 4), (3, 5), (4, 3) и (5, 3).

Обладая значениями n и r, мы можем вычислить значение E (исходя из формулы и затем вывести V и F, используя формулы (B) и (C). Вот выкладки для всех пяти случаев:

Исходя из (B), 2E = rV. Следовательно, 12 = 3V, и V = 4.

Исходя из (C), 2E = nF. Следовательно, 12 = 3F, и F = 4.

Вывод: (n, r) = (3, 3) означает, что (V, E, F) = (4, 6, 4). Единственная возможность склеить четыре равносторонних треугольника в пространственную фигуру – это тетраэдр;

Исходя из (B), 2E = rV. Следовательно, 24 = 4V, и V = 6.

Исходя из (C), 2E = nF. Следовательно, 24 = 3F, и F = 8.

Вывод: (n, r) = (3, 4) означает, что (V, E, F) = (6, 12, 8). Единственный способ склеить восемь равносторонних треугольников в пространственную фигуру так, чтобы в каждой вершине сходились четыре ребра, – это октаэдр;

Исходя из (B), 2E = rV. Следовательно, 60 = 5V, и V = 12.

Исходя из (C), 2E = nF. Следовательно, 60 = 3F, и F = 20.

Вывод: (n, r) = (3, 5) означает, что (V, E, F) = (12, 30, 20). Единственный способ склеить 20 равносторонних треугольников так, чтобы в каждой вершине сходились пять ребер, – это икосаэдр;

– (n, r) = (5, 3): вычисления опять-таки похожи; (V, E, F) = (20, 30, 12). Единственный способ склеить 12 правильных пятиугольников так, чтобы в каждой вершине сходились 5 ребер, – это додекаэдр.

С помощью великолепной формулы Эйлера и незамысловатых алгебраических выкладок мы доказали, что не существует других правильных многогранников, кроме пяти платоновых тел!

Архимедовы тела

Грани правильного многогранника должны быть одинаковыми правильными многоугольниками, но если мы ослабим это условие, обнаружится новая разновидность многогранников. Пусть грани будут по-прежнему правильными многоугольниками, но не обязательно одинакового типа. Вместо этого введем условие симметрии: многогранник должен выглядеть одинаково, какую вершину ни возьми. Будем называть такие многогранники полуправильными.

Например, мы можем изготовить призму из двух равносторонних треугольников и четырех квадратов. Вершины призмы ничем не отличаются друг от друга: в каждой сходятся два квадрата и один треугольник.

Мы можем изготовить и другие призмы. Например, соединить два правильных пятиугольника, лежащих в параллельных плоскостях, четырьмя квадратами.

Таким образом, семейство полуправильных многогранников оказывается бесконечно большим.

Есть и другое бесконечное семейство. Возьмем два правильных n-угольника (например, два пятиугольника), лежащих в параллельных плоскостях, но слегка повернутых друг относительно друга. Соединим их вершины зигзагом и получим хоровод треугольников. Если мы правильно рассчитаем расстояние между двумя основаниями, треугольники будут равносторонними. Многогранники, построенные таким образом, называют антипризмами.

Одно из платоновых тел – призма, еще одно – антипризма. Догадываетесь, какие именно? Ответ будет в конце главы.

Призмы, антипризмы и платоновы тела – не единственные полуправильные многогранники. Ко всему прочему есть тринадцать архимедовых тел[176]. Вы легко найдете в интернете, как все они выглядят; сейчас же мы поговорим всего лишь об одном из них.

Если срезать угол икосаэдра, сечение будет иметь форму правильного пятиугольника, потому что в каждой вершине встречаются пять треугольников. Если мы срежем все 12 углов, 20 треугольных граней превратятся в шестиугольники. Если делать срезы аккуратно, стороны шестиугольников окажутся равны между собой. В итоге мы получим усеченный икосаэдр. Если мы сошьем из кожи усеченный икосаэдр, раскрасим шестиугольники белым, а пятиугольники черным и закачаем внутрь воздух, то получится футбольный мяч!

Глава 17

Фракталы

Фигуры, о которых нам рассказывали на уроках геометрии в школе, просты и понятны. Их границы четко очерчены. Все отрезки прямые, а окружности ровные. Из космоса Земля похожа на гладкую-прегладкую жемчужину, но вблизи все оказывается несколько сложнее. Крутые горные вершины возвышаются над волнистыми песчаными дюнами и бушующим океаном. Реки извиваются, леса заполнены ветвистыми деревьями. Если мы закажем художнику изобразить поверхность Земли с помощью прямых линий и дуг окружности, получится дичайший абстракционизм.

Геометрические фигуры, порожденные природой, имеют неровные границы, плохо выражаемые с помощью уравнений. Какова форма облака или пламени костра? «Начала» Евклида становятся бесполезны. Совершенно иные фигуры наполняют наш смутный изменчивый мир.

Треугольник Серпинского[177]

Начнем с рецепта.

Нам понадобится кусок теста и несколько чрезвычайно острых ножей. Кроме того, придется нанять побольше поваров.

Аккуратно вырежем из теста равносторонний треугольник.

Шеф-повар должен безошибочно вырезать (и выбросить) треугольник, вершины которого лежат в серединах сторон большого треугольника. Процесс изображен на рисунке.

Остаются три равносторонних треугольника. Они соприкасаются вершинами. Их площади в четыре раза меньше сторон большого треугольника.

Дальше шеф-повар вызывает трех помощников и велит им проделать такую же процедуру с треугольниками поменьше. Получится девять треугольников в 16 раз меньше большого.

Разумеется, помощники шеф-повара сами метят в шеф-повара. Каждый вызывает трех своих помощников и просит их проделать эту процедуру с маленькими треугольниками.

Процесс продолжается и продолжается. Каждый, кто участвует в нем, вызывает трех своих помощников и велит рассечь треугольники по тому же принципу. И вот что получается:

Бессчетные подручные орудуют ножами[178]. Их становится все больше и больше, их число стремится к бесконечности. В конце концов – когда бы ни наступил этот конец – мы получим треугольник Серпинского[179].

Треугольник Серпинского, как и всякий фрактал, обладает двумя особенностями: он самоподобен и имеет дробную размерность.

Легко понять, что такое самоподобие. Треугольник Серпинского состоит из трех маленьких копий самого себя, а каждая из этих копий состоит из трех других копий. Когда вы вооружитесь мощнейшим микроскопом, обнаружится, что мельчайшие треугольники собраны из собственных копий. Все составные части подобны друг другу.

Но что такое дробная размерность?

Между измерениями

Объекты в евклидовой геометрии можно рассортировать по количеству измерений.

Отрезки, дуги окружностей, границы квадратов и все такое прочее имеет одно измерение. У них есть длина, но нет толщины. Винтовая линия тоже одномерна, хотя закручивается в трехмерном пространстве.

Четырехугольники, пятиугольники, шестиугольники (на сей раз мы учитываем области внутри), круги и другие фигуры подобного рода имеют два измерения: у них есть площадь, но нет объема. Поверхность цилиндра имеет два измерения, хоти и не лежит на ровной плоскости.

Шары, кубы и другие фигуры того же класса имеют три измерения: у них есть объем.

А как насчет треугольника Серпинского? Мы начали с обычного равностороннего треугольника; видимо, у треугольника Серпинского два измерения. Но как узнать его площадь?

Для простоты будем считать, что площадь исходного треугольного куска теста равна 1 условной единице площади (например, одному квадратному сантиметру). Шеф-повар рассек треугольник на четыре одинаковых куска. Площадь выброшенного куска равна 1/4 изначальной площади; таким образом, на первом шаге площадь нашей фигуры равна 3/4 квадратного сантиметра.

Три помощника шеф-повара вырезали еще 1/4 площади, осталось 3/4 от 3/4 площади самого большого треугольника. Помощники помощников шеф-повара вырезали еще 1/4… Иными словами, на этапе n остается начальной площади.

После 16 этапов около 99 % площади исчезнет. Если устремить n к бесконечности, вся площадь уничтожится; останутся лишь границы треугольников, у которых нет никакой площади.

Получается, у треугольника Серпинского одно измерение? Если так, то попробуем вычислить его длину.

Начнем сразу с пустого треугольника. Дальше добавляются три отрезка, соединяющих середины сторон треугольника. Повторим эту процедуру с тремя треугольниками по краям, не трогая треугольник по центру. Мы будем множить треугольники снова и снова следующим образом:

Для удобства расчетов будем считать, что длина стороны большого треугольника равна 1 условной единице[180]. Таким образом, сумма длин его сторон составляет 3.

Новый треугольник внутри большого добавляет три отрезка, длина каждого равна 1/2. То есть на первом этапе общая длина возрастает на 3/2.

На втором этапе появляется еще девять отрезков (по три внутри каждого из трех треугольников по краям). Длина каждого маленького отрезка равна 1/4, и нам нужно прибавить к общей длине еще 9/4.

На третьем этапе возникают еще 27 отрезков (по три внутри девяти треугольников). Длина каждого равна 1/8, поэтому мы прибавляем 27/8 к итоговой длине.

Следующий этап прибавляет 81/16, и т. д. На этапе n мы прибавляем Чем больше n, тем больше общая длина.

Вывод: сумма длин всех отрезков, составляющих треугольник Серпинского, бесконечна!

Треугольник Серпинского имеет нулевую площадь и бесконечную длину. Неужели у этой фигуры больше одного измерения и меньше двух? Умозаключение кажется туманным, можно выразиться поточнее. Сейчас мы покажем, что треугольник Серпинского имеет измерение 1,5849625007… Честное слово!

Подсчитываем клеточки

Количество измерений геометрической фигуры характеризует ее «толщину». Объект с одним измерением (например, отрезок) «тоньше», чем область внутри треугольника, а она, в свою очередь, «тоньше», чем шар. Посмотрим, как выразить эту расплывчатую идею «толщины» и «тонкости» на строгом математическом языке.

Идея состоит в том, чтобы начертить фигуру на миллиметровке. Мы будем рисовать одну и ту же фигуру снова и снова на бумаге со все более и более мелкой сеткой.

Проиллюстрируем эту идею с помощью незамысловатой загогулины. Изобразим одну и ту же загогулину на бумаге, размеченной клеточками 1 × 1, затем 1/2 × 1/2, затем 1/4 × 1/4 и т. д. Вот результат:

Мы закрасили клеточки, затронутые нашей кривой. Посчитаем их количество:

Заметим, что при уменьшении стороны клеточки вдвое мы, грубо говоря, удваиваем количество клеточек, необходимых для покрытия кривой. Почему так? Каждая клеточка покрывает часть длины кривой. Когда мы уменьшаем длину клеточки в два раза, нам нужно где-то в два раза больше клеточек. Это соотношение можно выразить уравнением:

Здесь N – количество клеточек, затронутых кривой, а g – длина стороны одной клеточки. Символ означает «пропорционально» и подразумевает неточность соотношения. Если бы наша кривая была обычным отрезком прямой линии, мы бы вывели точное уравнение. Но стоит ненамного скрутить прямую линию, и соотношение становится несовершенным.

Продолжим подсчитывать клеточки, на сей раз затронутые двумерной фигурой – кругом[181] с радиусом 1.

Будем снова и снова вычерчивать наш круг на бумаге с клеточками 1 × 1, 1/2 × 1/2, 1/4 × 1/4 и т. д. Всякий раз мы станем закрашивать клеточки, затронутые кругом, то есть те, что расположены внутри круга, и те, которые пересекает окружность.

На бумаге, расчерченной 1 × 1, разместим центр круга на перекрестье клеточек; легко заметить, что он затрагивает ровно четыре клеточки. Изобразим развитие ситуации на следующих этапах:

На втором этапе круг затрагивает все 16 клеточек, затем все клеточки, кроме 4, то есть 60. Считать дальше скучно, поэтому доверим процесс компьютеру. Вот результат:

Сразу видно, что уменьшение стороны клеточки в 2 раза приводит к увеличению числа закрашенных клеточек примерно в 4 раза. Вот точные соотношения:

Грубо говоря, число закрашенных клеточек действительно возрастает в четыре раза. Но это приближение становится не таким грубым, когда число клеточек увеличивается. Почему?

Когда площадь клеточек мала, подавляющее большинство закрашенных клеточек лежит внутри круга. Кое-какие можно увидеть на периферии, но их ничтожно мало по сравнению с другими. Когда мы уменьшаем сторону клеточки вдвое, клеточек внутри круга становится больше в четыре раза, а вот количество клеточек на периферии увеличивается на меньшее число, потому что часть из них окружность не пересекает.

Рассуждая таким образом, мы поймем, что уменьшение стороны клеточки в 10 раз приводит к росту числа закрашенных клеточек примерно в 100 раз. Внутри круга клеточек становится ровно в 100 раз больше, но применительно к границе это утверждение не совсем верно.

Мы можем выразить соотношение между количеством клеточек, затронутых кругом, и длиной стороны клеточки следующим образом:

Вот еще один способ убедиться в том, что формула (B) верна. Площадь круга равна πr². Если радиус круга равен 1, его площадь равна π.

Нарисуем круг на бумаге с клеточками g × g и посчитаем, сколько клеточек он затронул; обозначим их количество буквой N. Каждая клеточка имеет площадь g². Общая площадь закрашенных клеточек почти совпадает с площадью круга. Таким образом,

π ≈ Ng².

Следовательно, В упрощенном виде это приводит к соотношению

Мы нашли способ подсчитывать длины одномерных фигур и площади двумерных.

Соотношение (A) верно не только для нашей загогулины, но и для любого одномерного объекта. Когда мы делаем сетку мельче в 10 раз, количество клеточек, затронутых линией, вырастает примерно в 10 раз.

Соотношение (B) тоже выполняется не только для круга, но и для любой двумерной фигуры. Делаем сетку мельче в 10 раз – и количество клеточек, затронутых кругом, увеличивается примерно в 100 раз, потому что внутри одной большой клеточки теперь располагается 100 маленьких.

Итак:[182]

Размерность треугольника Серпинского

Мы теперь умеем уверенно отличать одномерные объекты от двумерных. Вычерчиваем объект на миллиметровке, делаем сетку все более мелкой и на каждом этапе подсчитываем затронутые им клеточки. Если выполняется соотношение (A), объект одномерный; если соотношение (B), объект двумерный.

Посмотрим, что произойдет с треугольником Серпинского на клетчатой бумаге[183]. Уместим его в клеточку 1 × 1. На рисунке показано, что будет при уменьшении размера клеточек до 1/2, 1/4, 1/8 и 1/16:

В первом случае затронуты все 4 клеточки. Во втором случае не затронуты 2 клеточки слева сверху и 2 клеточки справа сверху, а всего клеточек 16 штук. Вот таблица целиком:

Вопрос: когда мы уменьшаем сторону клеточки вдвое, количество клеточек, затронутых нашей фигурой, увеличивается в два раза (случай одномерного объекта) или в четыре раза (случай двумерного объекта)?

Разумеется, вся соль в том, что ни один из двух вариантов не подходит. На новом этапе количество клеточек вырастает ровно в три раза[184]. Их число растет быстрее, чем в случае одномерных объектов, но медленнее, чем в случае двумерных. Таким образом, размерность треугольника Серпинского лежит между двумя целыми величинами.

Мы можем в точности вычислить размерность треугольника Серпинского, но это потребует базовых знаний о логарифмах и некоторых алгебраических выкладок. Если вам все это в тягость, можете спокойно пропустить следующие абзацы.

Итак, цель состоит в том, чтобы найти формулу вроде (A) или (B): Число d в ней и будет количеством измерений нашей фигуры.

Если сторона клеточки равна (где k – натуральное число), то Вот проверка:

Формула дает в точности те же числа, что и в предыдущей таблице.

Задача состоит в том, чтобы найти такое число d, что Прологарифмируем обе части[185]:

Мы знаем Подстановка в предыдущую формулу дает:

Наряду с треугольником Серпинского существует ковер Серпинского. Вот этапы его построения:

Устремляясь к бесконечности, мы получим такую картинку:

Как вы думаете, какова размерность этого фрактала? Ответ вы найдете в конце главы.

Серпинский и Паскаль

Студенты на факультетах математики до потери пульса разлагают на множители полиномы, в первую очередь степени x + y. Восстановим в памяти, о чем идет речь:

Мы можем расположить коэффициенты данных полиномов в таблице. Ее называют треугольником Паскаля:

Мы расположили эти числа по квадратам, а теперь давайте раскрасим некоторые из них черным цветом. Пусть квадраты с нечетными числами станут черными, а квадраты с четными останутся белыми:

Продолжим вплоть до 64 ряда. Как вы думаете, что получится?

Разве это не великолепно?

Снежинка Коха

Я хочу завершить главу, посвященную фракталам, рассказом о неотразимой фигуре, придуманной Хельге фон Кохом[186]. Алгоритм ее построения чрезвычайно прост. Мы начинаем с прямого отрезка, делим его на три части и строим равносторонний треугольник на основе среднего из трех новых отрезков. Затем мы удаляем центральный отрезок. Теперь у нас есть четыре отрезка, каждый из которых в три раза меньше исходного. Мы повторяем процедуру с каждым из этих отрезков.

Чтобы получить снежинку целиком, начнем с равностороннего треугольника и проделаем описанную процедуру с каждой из его сторон. Это выглядит следующим образом:

Устремляясь к бесконечности, мы получим снежинку Коха.

Глава 18

Гиперболическая геометрия

Постулаты Евклида

Математики помешаны на определениях. Мы требуем, чтобы все концепции базировались на кристально ясных, недвусмысленных определениях. Потому любая математическая идея основана на более простых идеях. Треугольник состоит из отрезков. Рациональные числа – это отношения целых чисел.

Спускаясь с башни математических определений, рано или поздно мы дойдем до фундамента. Для греков в основании всего лежала геометрия[187].

Евклид не пытался дать определения базовым геометрическим объектам – точке, прямой линии, плоскости[188]. Он поступил иначе: принял за данность определенные фундаментальные свойства, которыми обладают эти объекты. Тезисы Евклида называют постулатами, или аксиомами.

Чтобы дать старт геометрии, Евклид сформулировал пять основных постулатов. В грубом переводе они звучат так:

1. Если даны две точки, есть одна и только одна прямая, проходящая через эти точки.

2. Если дан отрезок, его можно неограниченно продолжать по прямой.

3. Если дана точка и отрезок, есть одна и только одна окружность с центром в данной точке и радиусом, равным данному отрезку.

4. Любые два прямых угла[189] равны между собой.

5. Если две прямые пересекают данную прямую и внутренние углы, получившиеся при пересечении, вместе меньше двух прямых углов, эти две прямые рано или поздно пересекутся (см. рисунок).

Первые четыре постулата просты, их легко понять. Но пятый вносит некоторую неразбериху. Подумаем, о чем он говорит.

Обозначим исходную прямую L_0, а две другие – L_1 и L_2. Прямые L_0 и L_1, а также L_0 и L_2 пересекаются под некоторыми углами.

Постулат требует от нас рассмотреть ситуацию, при которой внутренние углы (лежащие по одну сторону от L_0) меньше прямых. Стрелочки на рисунке указывают на углы, которые имел в виду Евклид. Они лежат по одну сторону L_0 и обращены друг к другу.

Переходим к сути постулата. Если эти два угла меньше прямых, L_1 и L_2 вынуждены пересечься. Точки пересечения нет на рисунке, но несложно видеть, что прямые действительно неминуемо встретятся.

Приняв эти пять постулатов за данность, Евклид перешел к доказательству сонма дивных теорем.

Пятый постулат Евклида кажется неуклюжим. Его неприглядность контрастирует с изяществом и простотой первых четырех постулатов. Математика основана не только на практике, но и на эстетике, поэтому формулировка Евклида взывает к редактуре.

Мы предлагаем вашему вниманию более простой вариант.

5'. Если дана прямая и точка, не лежащая на данной прямой, есть одна-единственная прямая, проходящая через данную точку и не пересекающая ее.

Эта альтернативная версия пятого постулата Евклида известна под названием постулат о параллельных прямых[190]. Посмотрим, что он означает.

Нам даны прямая L и точка P, не лежащая на ней. Посмотрите на рисунок. Постулат 5' утверждает, что существует другая прямая, проходящая через точку P и параллельная данной (обозначена пунктирной линией), причем одна-единственная.

Математики показали, что пятый постулат Евклида и постулат о параллельных прямых эквивалентны. Это означает, что теоремы, которые мы можем доказать на основе первых четырех постулатов и постулата 5, – те же самые, что можно доказать на основе первых четырех постулатов и постулата 5'.

Несмотря на то что формулировка 5' несколько проще, чем 5, все же она не настолько изящная и блестящая, как первые четыре. Можно ли избавиться от нее? Можно ли доказать постулат о параллельных прямых как теорему и не принимать в качестве фундаментального утверждения?

Постулат о параллельных прямых накладывает два условия: во-первых, существует прямая, проходящая через точку P и не пересекающая прямую L; во-вторых, все другие прямые, проходящие через эту точку, будут пересекать L.

Естественный способ справиться с проблемой – попробовать доказательство от противного. Мы обсуждали этот метод в главе 1. Вот его логика.

(A) Чтобы доказать существование прямой, проходящей через точку P и параллельной L, предположим, что такой прямой не существует.

(B) Чтобы доказать единственность этой прямой, предположим, что существуют две или больше прямых, проходящих через P и параллельных L.

Дальше мы выстраиваем цепочку умозаключений, пока не дойдем до противоречия. Оно свидетельствует о фундаментальной ошибочности утверждения (A) или (B) – смотря что мы предположили:

• Если предположение об отсутствии вышеописанной прямой приводит к противоречию, она существует.

• Если предположение о существовании нескольких вышеописанных прямых приводит к противоречию, такая прямая единственная.

Математики бились как проклятые – и потерпели поражение. Говоря точнее, результат казался диким (треугольник с суммой углов не 180°), но противоречия в нем не было.

Ничего страшного. Математики не тешат себя надеждой, что могут справиться с любой проблемой, встающей на их пути. Мы продолжаем работать как проклятые и передаем пас следующим поколениям, уповая, что у наших преемников возникнут идеи получше.

В случае постулата о параллельных прямых идеи получше возникли, но не такого рода, как можно было ожидать[191].

Что такое прямая?

Прямая представляет собой множество точек, как и окружность или треугольник. Это множество точек обладает определенными свойствами.

Интуитивно мы понимаем, что такое прямая: она тонкая (у нее нет толщины), ровная и бесконечно продолжается в обоих направлениях. Но такое описание – еще не математическое определение. Чем прямая линия отличается от кривой? Закрепить эту идею не так-то просто.

Как мы уже отмечали, у Евклида был собственный подход к определению базовых объектов, сегодня мы воспринимаем точки и прямые иначе. У нас есть объекты под названием «точки» и множества этих объектов под названием «прямые». Если оба рода объектов удовлетворяют постулатам Евклида, получается система под названием евклидова геометрия.

Если мы изменим утверждения Евклида о фундаментальных свойствах точек и прямых, мы получим геометрию иного типа. Рассмотрим простой пример. Для начала мы сохраним первый постулат Евклида, который гласит:

1. Если даны две точки, есть одна и только одна прямая, проходящая через эти точки.

А дальше включим новый постулат, переворачивающий роли прямых и точек:

1'. Если даны две прямые, есть одна и только одна точка, принадлежащая данным двум прямым[192].

Должным образом выбранные «точки» и «прямые» могут удовлетворить тому и другому условию. Пусть у нас есть семь точек. Назовем их незамысловатым образом: 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7. Кроме того, у нас есть семь прямых: {1, 2, 3}, {1, 5, 6}, {1, 4, 7}, {2, 5, 7}, {2, 4, 6}, {3, 4, 5} и {3, 6, 7}.

Эти «прямые» не имеют ничего общего с «прямыми» Евклида[193]. Каждая состоит всего из трех точек!

Мы легко удостоверимся, что в этой системе из семи точек и семи прямых верны оба постулата.

• Проверим постулат 1. Возьмем любые две точки, скажем 2 и 5. Они принадлежат прямой {2, 5, 7}, и нет другой прямой, содержащей эти две точки. Вы можете самостоятельно рассмотреть все пары среди семи точек и увидеть, что всегда есть прямая, и только одна, содержащая обе точки.

• Проверим постулат 1'. Выберем любые две прямые, например {1, 4, 7} и {3, 4, 5}. Обе содержат точку 4, и это единственная общая для них точка. Вы можете рассмотреть все пары среди семи прямых и увидеть, что они всегда имеют общую точку, причем всего одну.

Странно рассуждать о геометрии без чертежей. К счастью, можно изобразить данную систему с помощью диаграммы. Семь точек помечены кружочками, а прямые представляют собой отрезки (в большинстве случаев) и окружность (в случае прямой {2, 4, 6}).

Хитрость заключается в том, что мы подобрали некие объекты, назвали их «точками», а затем по определенному принципу сформировали множества этих объектов и назвали их «прямыми». Если все объекты удовлетворяют нашим постулатам, мы по праву можем называть их точками и прямыми, даже если они не имеют ничего общего с точками и прямыми в понимании Евклида.

Евклидовы точки и линии можно определить следующим образом. Точка – пара действительных чисел (x, y). Прямая – множество точек (x, y), удовлетворяющих уравнению ax + bx + c = 0, где числа a и b не равны нулю. С помощью этих определений (и соответствующих определений окружности и угла) можно доказать, что постулаты Евклида выполняются.

Если мы воспринимаем точки как пары чисел, а прямые как решения уравнений, то оказываемся на декартовой плоскости, названной в честь математика и философа Рене Декарта.

Вся плоскость внутри круга

Мы стали своевольничать с употреблением слов «точка» и «прямая». Мы можем назвать что угодно «точкой» и сгруппировать эти точки в множества под названием «прямые», если все они удовлетворяют надлежащим постулатам. Что значит надлежащим? Для Евклида несомненными утверждениями были те пять постулатов, которые мы привели в начале главы.

Я сейчас расскажу о новых определениях «точек» и «прямых», необходимых для создания гиперболической геометрии. В этой геометрии все точки лежат внутри одной окружности. Область внутри нее мы будем называть гиперболической плоскостью[194].

Прямые на гиперболической плоскости представляют собой дуги окружностей. Это обескураживает: как дуга может быть прямой? Разве дуга не кривая? Давайте говорить «гиперболическая прямая», отличать ее от негибкой тезки.

Вот два способа построения гиперболических прямых:

• Начертите окружность, пересекающую гиперболическую плоскость под двумя прямыми углами. Часть окружности внутри гиперболической плоскости представляет собой гиперболическую прямую.

• Проведите прямую через центр гиперболической плоскости. Часть прямой внутри гиперболической плоскости тоже представляет собой гиперболическую прямую.

На чертеже вы можете видеть три прямые на гиперболической плоскости.

Гиперболическая плоскость – это область внутри обозначенной точками окружности. Две гиперболические прямые – дуги пунктирных окружностей, еще одна гиперболическая прямая – диаметр окружности, обозначенной точками. Замечу, что конечные точки дуг и диаметра не относятся к соответствующим гиперболическим прямым. (Обозначенные пунктиром окружности не входят в гиперболическую плоскость, они просто показывают, по какому принципу мы вычерчиваем гиперболические прямые – это части окружностей, пересекающих обозначенную точками окружность под прямыми углами.)

На следующем чертеже вы видите три гиперболические прямые. Две из них пересекаются, а третья параллельна и той и другой! Такое совершенно невозможно на евклидовой плоскости.

Выводы

Здесь все не так, как мы привыкли. Многие геометрические «факты» на евклидовой плоскости не работают в случае гиперболической плоскости.

Для начала: все не так с треугольниками. На евклидовой плоскости сумма углов треугольника равна 180° (мы доказали это обстоятельство в главе 13, однако опирались на постулат о параллельных прямых). На гиперболической плоскости сумма углов треугольника меньше 180°.

На евклидовой плоскости площадь треугольника может быть настолько большой, насколько мы того хотим. На гиперболической плоскости максимальная площадь треугольника не может превышать некоторой величины, и есть простая формула для подсчета площади. Если сумма углов треугольника равна s, площадь треугольника равна K × (180 – s), где K – определенное число[195]. В соответствии с этой формулой два разных треугольника с равными углами имеют равную площадь. В евклидовой геометрии это не так: скажем, треугольники с углами 35°, 60° и 80° имеют одну и ту же форму (другими словами, подобны), но не обязательно совпадают по размеру. На гиперболической плоскости два треугольника с углами 35°, 60° и 80° не просто совпадают по площади – они конгруэнтны!

Квадрат – это четырехугольник, в котором все углы равны 90°. Вот интересный факт о квадратах на гиперболической плоскости: их попросту не существует! На рисунке изображена фигура на гиперболической плоскости, у которой три угла равны 90°, а четвертый меньше 90°.

Почему прямоугольников здесь нет? Подумаем о четырехугольнике R на гиперболической плоскости. Рассечем его на две части по линии, соединяющей два противоположных угла. Получатся два треугольника. Сумма углов в каждом меньше 180°, поэтому сумма углов образованного ими четырехугольника меньше 360°. Следовательно, все четыре угла не могут быть равны 90°.

Можно замостить евклидову плоскость равносторонними треугольниками или шестиугольниками[196]. Однако нельзя замостить ее правильными пятиугольниками. Почему? Углы правильного пятиугольника равны 108°. Углы при общей вершине трех правильных пятиугольников дают в сумме 324°, что меньше полного угла. Остается зазор. Четыре правильных пятиугольника не могут иметь общую вершину, в противном случае углы при ней давали бы в сумме 432°, что превышает 360°.

В то же время углы правильного n-угольника на гиперболической плоскости зависят не только от n. Мы можем построить правильный пятиугольник, все углы которого равны 90° (посмотрите на иллюстрацию).

Углы при общей вершине четырех таких пятиугольников дают в сумме ровно 360°. Таким образом, ими можно замостить всю гиперболическую плоскость, как показано на рисунке.

Все пятиугольники на рисунке совпадают по размеру и по форме. Они выглядят все меньше и меньше, приближаясь к границе, но это всего лишь особенность изображения гиперболической плоскости. На самом деле все «паркетины» на иллюстрации абсолютно идентичны. Это правильные многоугольники с пятью углами по 90° каждый, и их можно плотно пригнать друг к другу[197].

Вот еще два примера замощения гиперболической плоскости для услаждения ваших глаз.

Часть III

Неопределенность

Глава 19

Нетранзитивные игральные кости[198]

Мир одержим выстраиванием рейтингов. Мы составляем рейтинги атлетов, спортивных команд, больниц, ресторанов, фильмов, поп-музыки, студентов, коллег, городов, работы, машин, и т. д., и т. д. Нам нравится знать «самое-самое» – то, что входит в «первую десятку».

Это все чепуха, забавная чепуха, но тем не менее. Среди прочего чепуха происходит от того, насколько субъективна методология оценки. Если определенный ресторан в вашем городе признан лучшим, это не обязательно ваш любимый ресторан. Ваши предпочтения могут отличаться от суждений ресторанных критиков, а их взгляды на один и тот же вопрос зачастую прямо противоположны.

Можно выбрать объективную систему оценивания и все равно получать ничтожные результаты: например, оценивать фильмы по сумме выручки от их проката – это объективно и поддается подсчету. Можно аргументировано доказать: чем лучше фильм, тем больше людей жаждут заплатить за то, чтобы увидеть его. Но бывает такое, что фильм, сорвавший кассу, навевает на вас скуку, а малобюджетный инди-фильм[199] западает в душу. Выручка от проката обычно говорит скорее о маркетинге, а не качестве картины.

Но, предположим, мы преодолели субъективность и достигли всеобщего соглашения относительно того, как сравнивать конкурентов. Попробуем выпарить идею ранжирования до ее математической сути. Улетучится ли тогда вся чепуха?

Две игральные кости

Сыграем в простую игру. Каждый бросит кубик, и у кого выпадет больше очков, тот выиграет. Если мы возьмем два обыкновенных кубика, где грани пронумерованы от одного до шести, то нет смысла говорить, что одна чем-то лучше другой. Они одинаковые.

Теперь сменим числа на гранях. Назовем наши игральные кости A и B.

Какая из них лучше, A или B? Какую вы предпочтете?

Для того чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим все вероятности: как могут выпасть игральные кости? Если игральная кость A выпала числом 2 вверх, то для сравнения есть шесть вариантов того, как может выпасть игральная кость B. Если выпало число 3, вариантов для сравнения опять-таки шесть. Таким образом, есть 6 + 6 + 6 + 6 + 6 + 6 = 6 × 6 = 36 возможностей, и все они равновероятны. Иногда побеждает обладатель игральной кости A, иногда – обладатель игральной кости B (все числа на гранях разные, поэтому нет варианта сыграть раунд вничью). Кто выигрывает чаще?

Составим схему, включающую все 36 возможных комбинаций, где отмечено, кто выигрывает в каждом отдельном случае, A или B.

Становится очевидно, что игральная кость B лучше. В борьбе один на один B одолевает A чаще, чем наоборот. На схеме видно, что A побеждает в 15 случаях из 36, в то время как B – в 21 случае из 36.

Профессиональные игроки скажут, что шансы на победу A равны 15 против 21, а шансы на победу B равны 21 против 15. Вероятность того, что выиграет A, равна 15/36 (или 42 %), вероятность того, что выиграет B, равна 21/36 (или 58 %).

Как ни назови это преимущество, но B явно лучше A.

Соперник

Добавим еще одну игральную кость. Внимание, появился новый соперник! Пусть на грани C нанесены числа, указанные на схеме.

C рьяно вызывает на бой B. Кости кидают, и побеждает та, где выпало наибольшее число. Какая из них лучше, B или C? Как и раньше, начертим схему и посмотрим, какая игральная кость имеет больше шансов на победу.

Мы видим, что C выигрывает гораздо чаще, чем B. Вероятность победы C равна 25/36 (около 69 %), в то время как B побеждает с вероятностью 11/36 (около 31 %).

В схватке один на один C лучше B, а B лучше A.

Значит, C лучше всех, верно?

Триумф неудачника

Казалось бы, среди трех игральных костей A слабее всех, а C сильнее всех. Что будет, если C сразится с A? Разумеется, C победит?

Начертим снова схему всех возможностей:

Посмотрите! A лучше C. Игральная кость A выигрывает с вероятностью 21/36 (около 58 %), а C – с вероятностью 15/36 (около 42 %).

Мы пришли к трем ошарашивающим выводам:

– B лучше A;

– C лучше B;

– A лучше C.

Ни одну из игральных костей нельзя назвать «лучшей», и ранжировать их бессмысленно.

Сколько еще рейтингов в нашей жизни лишены смысла?

Другие примеры

Вот еще несколько игральных костей для изучения; эту задачу придумал Брэдли Эфрон, профессор статистики в Стэнфорде.

Сравним четыре игральные кости. Проработайте варианты, когда № 1 противостоит № 2, № 2 противостоит № 3, № 3 противостоит № 4, и № 4 противостоит № 1. Какая игральная кость лучше в каждой схватке? Как вы их проранжируете?

Ответы – в конце главы.

Вы играете в покер? Говоря точнее, вы играете в техасский холдем[200]? Допустим, два человека играют в техасский холдем, и вы украдкой заглянули в их «карманные» карты. Пусть у первого на руках A♠K♥, а у второго 10♦9♦. У кого выше вероятность выиграть? У первого игрока карты большего достоинства, зато у второго игрока больше шансов на стрит[201] и флэш[202].

Нам необходима дополнительная информация о пяти общих картах, лежащих рубашкой вниз. В колоде осталось 48 карт из 52. Нам придется перебрать все варианты, какими могут быть перетасованы эти карты, чтобы выяснить, какие пять карт окажутся на столе и кто из двух игроков победит (или же оба сыграют вничью). Есть около двух миллионов комбинаций по 5 карт из 48 карт[203]. Нам не под силу провести все расчеты самостоятельно, поэтому прибегнем к помощи компьютера. Забейте в поисковик словосочетание «покерный калькулятор», и вы найдете уйму сайтов, где можно провести необходимые вычисления.

С помощью покерного калькулятора мы выясним, что игрок с «карманными» картами A♠K♥ побеждает с вероятностью 58,6 %, игрок с «карманными» картами 10♦9♦ побеждает в 41 % случаев, а 0,4 % остается на ничью.

Вывод: лучше иметь «карманные» карты A♠K♥, чем 10♦9♦.

Теперь ваша очередь. С помощью покерного калькулятора сравните шансы на выигрыш двух игроков со следующими наборами «карманных» карт:

– 10♦9♦ и 2♣2♥.

– 2♣2♥ и A♠K♥.

Дальше попробуйте построить рейтинг трех наборов «карманных» карт: A♠K♥, 10♦9♦ и 2♣2♥. Глава подошла к концу, поэтому вы вот-вот узнаете ответ.

Глава 20

Вероятность в медицине

Объявлено медицинское тестирование, диагностирующее наличие или отсутствие некой редкой болезни. Это чрезвычайно надежный тест. Вы принимаете решение пройти его и с ужасом получаете положительный результат. Насколько стоит беспокоиться?

Перевести беспокойство на язык цифр непросто, но в подобных ситуациях нужно сосредоточиться, потому переформулируем вопрос: насколько велика вероятность, что вы действительно подхватили это редкое заболевание?

Для ответа необходимо знать уровень надежности теста, а кроме того, как мы скоро увидим, уровень распространения болезни. Вот эти данные.

Редкая болезнь поразила 0,1 % населения. Состояние здоровья одного человека из тысячи вызывает тревогу.

Тест не идеален, как и всякий медицинский тест. Предположим, он дает верную информацию в 98 % случаев. Таким образом:

– среди 100 здоровых людей 98 человек получают верный отрицательный результат и 2 человека – неверный положительный;

– среди 100 больных людей 98 человек получают верный положительный результат и 2 человека – неверный отрицательный.

Разумеется, мы хотим пройти еще более надежный тест, но предположим, что это единственный возможный способ диагностировать наличие или отсутствие болезни.

Вопрос: если результаты теста положительные, какова вероятность того, что вы больны?

Ответ выглядит очевидным. Мы указали, что тест дает верные результаты в 98 % случаев. Таким образом, вы больны с вероятностью 98 %. Верно?

Вообразим город с миллионом жителей. Один из тысячи болен. Другими словами, 1000 жителей больны и 999 000 здоровы.

Все жители проходят медицинское тестирование. Посмотрим, сколько будет положительных результатов, если тест эффективен на 98 %.

• Среди тысячи больных жителей положительный результат получит большинство, но не все. Их количество 1000 × 0,98 = 980.

• Среди 999 000 здоровых жителей большинство покинет поликлинику с радостной новостью об отсутствии болезни, но 2 % получат ложный результат. Это дает еще 999 000 × 0,02 = 19 980 положительных результатов.

В общей сложности 980 + 19 980 = 20 960 жителей получат положительный результат.

Теперь мы можем правильно ответить на поставленный вопрос: какова вероятность того, что вы больны, если ваш результат тестирования положительный?

Среди двадцати с лишним тысяч людей с положительным результатом всего лишь меньше тысячи действительно больны. Точная вероятность правильности теста в этом случае равна

Вероятность того, что вам стоит беспокоиться, не равна 98 %! На самом деле вероятность того, что вы заражены этой редкой болезнью, меньше 5 %!

Стало быть, тесту грош цена? Не совсем.

Во-первых, если ваш лечащий врач имеет веские причины предполагать у вас наличие этого редкого заболевания, вы больше не «случайный» пациент. И если у вас действительно прослеживаются определенные симптомы, вероятность того, что вы заражены, уже не одна тысячная, а скажем, одна четвертая[204]. В этом случае положительный результат тестирования имеет гораздо больший смысл, чем нестрого обоснованные выводы.

Во-вторых, если болезнь действительно опасна, тест, эффективный на 98 %, позволяет хорошо просеять большие массы населения на предмет наличия или отсутствия болезни. Пациенты с положительным результатом могут пройти вторую диагностику, дающую еще более точные результаты.

Разумеется, отрицательный результат – не повод успокаиваться полностью. Какова вероятность того, что он верен? (Ответ я дам в конце главы.)

Интуиция отказывается принимать тот факт, что тест, надежный на 98 %, может быть настолько несовершенным, но вычисления говорят сами за себя. Впрочем, голые цифры могут обманывать нашу интуицию. Попробуем нарисовать картинку.

Заметим: диаграмма не соблюдает пропорции (0,1 % больных, эффективность теста 98 %).

На чертеже большой прямоугольник изображает все население. Фрагмент прямоугольника слева вверху обозначает группу больных жителей, оставшаяся часть – группу здоровых жителей. Серая полоса сверху – это все жители (из обеих групп) с положительным результатом. Белая область внизу – все жители (опять-таки из обеих групп) с отрицательным результатом

Чертеж иллюстрирует основные детали вышеописанной ситуации:

• болезнь редкая – крохотный фрагмент большого прямоугольника символизирует больную часть населения;

• тест верно диагностирует наличие болезни у подавляющей части больных – почти весь прямоугольник слева вверху закрашен серым;

• тест верно диагностирует отсутствие болезни у подавляющего большинства здоровых людей – огромная область большого прямоугольника остается белой;

• ключевой момент: большая часть серой полосы приходится на здоровых людей, поэтому вы, скорее всего, здоровы, если получили отрицательный результат, но не обязательно больны, если получили положительный.

Условная вероятность[205]

Мы вычислили вероятность того, что пациент с положительными результатами медицинского тестирования действительно болен. Мы вообразили гипотетический город, где живет миллион человек, и посчитали численность разных категорий населения. Это был способ ad hoc[206]. В общем случае мы должны руководствоваться языком теории вероятностей, и я завершу главу разъяснениями по этому поводу.

Для события A мы обозначаем P (A) вероятность того, что событие A произойдет, и  – вероятность того, что событие A не произойдет; таким образом,

Для событий A и B мы обозначаем P (A∧B) вероятность того, что произойдут оба события – и A, и B.

Запись P (A|B) означает вероятность того, что из события A следует событие B; это условная вероятность того, что A влечет за собой B. Формула Байеса[207] говорит нам:

Надежность диагноза, вынесенного на основе упомянутого медицинского теста, может быть выражена на языке математики следующим образом. Пусть S означает, что некто заражен редкой болезнью, а T означает положительный результат тестирования. Таким образом:

• болезнь поразила 0,1 % населения, откуда следует, что P(S) = 0,001;

• тест дает верную информацию о наличии или отсутствии заболевания в 98 % случаев, откуда следует, что P (T|S) = 0,98;

• тест дает верную информацию о том, что человек здоров, в 98 % случаев, откуда следует, что Иначе говоря, тест ошибочен в 2 % случаев:

Вопрос: какова вероятность того, что пациент с положительным результатом тестирования действительно болен?

Если перевести задачу на язык символов, то мы ищем величину P (S|T). По формуле Байеса эта вероятность равна Нам нужно узнать P (S∧T) и P (T).

Начнем хоть с P (S∧T), хоть с P (T∧S). По формуле Байеса

Мы знаем, что P (T|S) = 0,98, а P (S) = 0,001. Следовательно,

P (S∧T) = P (T∧S) = P (T|S) × P (S) = 0,98 × 0,001 = 0,00098.

Теперь вычислим P (T). Нам известно, что В то же время Далее:

Применим формулу Байеса в последний раз:

Это совпадает с нашими предыдущими вычислениями.

Глава 21

Хаос

Что делает событие непредсказуемым? Предыдущие главы были посвящены понятию вероятности. Центральная идея теории вероятностей заключается в том, что некоторые феномены случайны: их нельзя предсказать в точности, поскольку они недетерминированы. Разумно и эффективно рассматривать некоторые феномены внешнего мира, такие как вращение брошенного кубика, в качестве случайных.

Но случаен ли бросок костей в действительности? Возможно, если мы детально знаем все характеристики кубика – от скорости вращения в зависимости от плотности воздуха в комнате до коэффициента трения о поверхность стола, мы сумеем в точности определить, какой гранью вверх он остановится. Возможно, вращение кубика не случайно – просто это чрезвычайно сложное явление.

Есть ли что-нибудь случайное? Физики утверждают, что некоторые феномены действительно непредсказуемы; таков основополагающий принцип квантовой механики. Поведение элементарных частиц, таких как электрон и фотон, нельзя предсказать, поскольку неопределенность – одно из их фундаментальных свойств.

Другие физические, биологические и социальные феномены могут быть чрезвычайно хорошо смоделированы с помощью теории вероятностей. Это потрясающе. Но насколько они случайны? Не исключено, что они чересчур сложны для понимания.

Так возникает главный вопрос этой главы: может ли система быть простой, полностью детерминированной, но все же непредсказуемой?

Функции

Ключевая идея этой главы – итерация функций. Под итерацией мы подразумеваем повторение одной и той же операции снова и снова. Что математики подразумевают под функцией?

Функции можно рассматривать в качестве своего рода «черных ящиков», преобразующих одно число в другое[208]. Вообразим, что у черного ящика есть входной лоток, куда мы засыпаем числа, дальше мы крутим ручку, машина делает свое дело, и на выходе из ящика вываливаются новые числа.

Например, представим себе ящик, выполняющий следующую операцию. Мы бросаем туда число, он возводит его в квадрат, добавляет к результату единичку и выплевывает то, что получилось. Дадим этой функции имя; назовем ее «возведи в квадрат и прибавь один». Вот как она работает с числом 3:

Описывать действия функции словами обременительно, гораздо проще использовать математические символы. Что касается числа 3, мы вначале возводим его в квадрат: 3² = 9, а затем прибавляем единичку: 3² + 1 = 10. Как будет выглядеть результат с числом 4? Очевидным образом, 4² + 1 = 17.

Вместо длинных имен (вроде «возведи-в-квадрат-и-прибавь-один»), математики обозначают функцию какой-нибудь буквой, чаще всего f. Число, с которым имеет дело функция, помещают в круглые скобки сразу за буквой, например: f(4).

Эта форма записи удобна для описания функции:

f(x) = x² + 1.

Это значит, что функция превращает число x в число x² + 1.

Вот еще один пример. Определим новую функцию g таким образом:

g(x) = 1 + x + x².

Чему равно g(3)? Мы подставляем число 3 в формулу и получаем:

g(3) = 1 + 3 + 3² = 13.

Функции можно комбинировать, чтобы одна операция следовала за другой. Подумаем, чему равно f(g(2)).

Это выражение вынуждает нас вычислить функцию f от какой-то величины. От какой? Она зависит от того, чему равно g(2). А чему оно равно? g(2) = 1 + 2 + 2² = 7. А теперь посчитаем f(7) = 7² + 1 = 50. Если уложить всё в одну строчку, получится:

f(g(2)) = f(7) = 50.

Давайте проверим, хорошо ли вы усвоили материал. Посчитайте g(f(2)). Это не 50! Верный ответ – в конце главы.

Вернемся к определению итерации. Как я уже сказал, итерация означает просто повторение одной и той же операции снова и снова. Еще раз: итерация означает просто повторение одной и той же операции снова и снова. Еще раз: итерация означает просто повторение… (Окей, надеюсь, вы уловили юмор.)

Подумаем о функции f(x) = x² + 1. Запись f(f(x)) означает, что мы применяем операцию f дважды: берем число x, закидываем его в функцию f, а потом снова закидываем то, что получилось, в функцию f. Вот пример:

f(f(2)) = f(2² + 1) = f(5) = 5² + 1 = 26.

Можно проводить итерацию сколько угодно раз. Например, трижды:

f(f(f(2))) = f(f(5)) = f(26) = 26² + 1 = 677.

Когда мы выходим на четвертую итерацию, запись становится громоздкой. Поэтому вместо f(f(f(f(x)))) мы будем записывать f⁴(x), подразумевая, что верхний индекс означает не возведение в степень, а последовательное применение функции. Для положительного целого числа n выражение f n(x) означает:

Итерация логистического отображения

Сейчас мы проитерируем функции вида f(x) = mх(1 – х), где m – некое число. Это семейство функций называется логистическим отображением[209]. Во всех случаях мы будем начинать с числа x = 0,1, итерировать функцию и наблюдать за происходящим. Мы начнем с функции:

f(x) = 2,5x (1 – x).

Начнем с x = 0,1 и на первом шаге посчитаем:

f(0,1) = 2,5 × 0,1 × (1–0,1) = 2,5 × 0,1 × 0,9 = 0,225.

Применим f снова:

f ²(0,1) = f(0,225) = 2,5 × 0,225 × (1–0,225) = 2,5 × 0,225 × 0,775 = 0,4359375.

Прибегнем к помощи компьютера. Программа, итерирующая f, даст такие результаты:

Заметим, что успешное итерирование все больше и больше приближает нас к 0,6. Есть хороший способ продемонстрировать это наглядно. Отметим на графике величины f(0,1), f(f(0,1)), f(f(f(0,1))) и т. д. На оси абсцисс нанесем номера итераций, n. На каждом шаге будем отмечать значение f n(x) («нулевая» итерация – это наше начальное число 0,1). Соединим все точки отрезками. Вот что получится:

Мы видим, что итерации f(x) сходятся к числу 0,6.

А что, собственно, особенного в числе 0,6? Заметим, что

f(0,6) = 2,5 × 0,6 × (1–0,6) = 2,5 × 0,6 × 0,4 = 0,6.

Число 0,6 называют неподвижной точкой функции f, поскольку применение функции к этому числу не меняет его: f(0,6) = 0,6.

Продублируем эксперимент с другой функцией того же семейства; на сей раз возьмем множитель m = 2,8; таким образом, функция приобретает вид f(x) = 2,8 x (1 – x). Как и в предыдущем случае, мы начнем итерирование с x = 0,1. Вот первые 10 значений:

Похоже, итерации выплясывают вокруг 0,64. Продолжим итерировать и построим график:

В пределах первых 10 итераций значения функции слегка колеблются вверх и вниз, но уже на 30-й они выравниваются. На какой величине? Это число между 0 и 1, такое, что f(x) = x. Нам остается решить незамысловатое уравнение:

Итерации f(x) = 2,8 x (1 – x) сходятся к числу 0,642857.

Итерирование логистического отображения f(x) = m x (1 – x) можно рассматривать в качестве простой эволюционирующей системы. Число x показывает состояние системы, а функция f диктует, как система эволюционирует при смещении на один шаг[210]. В двух рассмотренных нами случаях (m = 2,5 и m = 2,8) долгосрочное поведение системы приводит к «равновесию» в неподвижной точке функции.

Мы продолжим исследование итераций логистического отображения в случае m = 3,2. Как и в предыдущих случаях, мы начнем с х = 0,1. Вот первые десять значений:

Что происходит? Итерации не сходятся к одной величине. Значения на четных шагах становятся меньше (это примерно 0,66; 0,64; 0,62; 0,6; 0,57), а на нечетных – растут (примерно 0,72; 0,74; 0,75; 0,77). Значения расходятся, а не сходятся!

Начертим график первых 30 итераций, чтобы изобразить наглядно проведение системы:

Посмотрите! Она не выравнивается к одному числу, а осциллирует[211] между двумя величинами. Доведем вычисления до 50-й итерации. Вот последние строчки таблицы:

Долгосрочное поведение системы – осцилляция между двумя величинами, s = 0,799455… и t = 0,5130445… Эти числа таковы, что f(s) = t, а f(t) = s. Правило осцилляции можно изобразить так:

Какое еще поведение функции мы можем наблюдать, итерируя логистическое отображение? В следующем пункте нашей экспедиции m = 3,52. Посмотрим на график итераций f(x), f²(x), f³(x), …

А вот таблица итераций:

Долгосрочное поведение функции занятно, но по-прежнему стабильно. Система идет по циклу из четырех величин ad infinitum, как показано на иллюстрации.

От порядка к хаосу

Мы проследили долгосрочное поведение итераций логистического отображения f(x) = m x (1 – x). Итерации всегда приводили нас к стабильности. В некоторых случаях (m = 2,5 и m = 2,8) система сходилась к одной величине: неподвижной точке функции f. В других случаях (m = 3,2 и m = 3,52) она приобретала стабильный, предсказуемый ритм.

Жизнь хороша. Мы знаем исходную величину: x = 0,1. И мы знаем правило, по которому переходим от одного шага к другому: f(x) = m x (1 – x). Разумеется, мы можем предвидеть поведение функции на любом шаге до бесконечности. Верно?

Настало время для последнего примера: m = 3,9. Доверим подсчет первых 10 итераций компьютеру:

Что происходит? Неясно. Попробуем изобразить на графике первые 30 итераций:

Хм… Ритм не прослеживается. Спокойствие, только спокойствие! Изобразим на графике первые 100 итераций.

Колебания величин выглядят случайными. Разумеется, на самом деле это не так! Значение функции на каждом шаге можно точно подсчитать по формуле f(x) = 3,9 x (1 – x). Но итерации логистического отображения никогда не приведут к стабильности. Хаос будет длиться вечно.

Великолепно: итерации беспорядочны, но система предсказуема на 100 %!

• Мы знаем исходную величину: x = 0,1.

• Мы знаем правило перехода от одного шага к другому: x → f(x) = 3,9 x (1 – x).

Следовательно, мы можем вычислить состояние системы, скажем, на тысячной итерации. Верно?

Неверно.

Мы загнаны в угол стечением двух обстоятельств: ошибок округления и чувствительности системы к исходному состоянию. Обсудим каждое из них.

Когда мы проводим вычисления на калькуляторе или на компьютере, результат зачастую оказывается приблизительным. Например, если мы делим 1 на 3, наши приборы выдают десятичную дробь 0,3333333. В ней, скажем, семь знаков после запятой. На самом деле троек после запятой бесконечно много, но калькулятор ограничивается конечным количеством цифр. После нескольких итераций функции f(x) = 3,9 x (1 – x) количество знаков после запятой достигает дюжины. Рано или поздно компьютер выдает лишь приблизительный, а не точный результат. Обычно мы не придаем значения таким ошибкам. Если мы подсчитываем, сколько картин уместится на пустой стене, нас не волнует ошибка на одну триллионную. Почему ошибки округления имеют значение в данном случае?

Они ведут нас к загвоздке – чувствительности системы к исходному состоянию. Посчитаем итерации нашей функции, начиная с двух почти что равных величин: х = 0,1 и х = 0,10001. Интуитивно мы предполагаем, что скромная разница между исходными величинами не играет роли. Так ли это? Что произойдет?

Замечу, что первые десять итераций или около того не приводят к значительным отличиям. Но затем траектории начинают расходиться. Это можно проиллюстрировать на графиках эволюции той и другой системы. Сплошная линия соответствует итерированию системы с исходным значением 0,1. Пунктирная линия иллюстрирует итерирование системы с исходным значением 0,10001.

Каково значение f^1000 (0,1)? К чему мы придем, если мы проделаем тысячу итераций функции f(x) = 3,9 x (1 – x)?

Разумеется, мы доверяем вычисления компьютеру, но получается какая-то чепуха. Проиллюстрируем этот факт, проделав вычисления трижды с разным уровнем точности (заданным количеством знаков после запятой). Мы получим следующие результаты:

Ни одна из этих величин не равна f 1000 (0,1) в точности.

Мы будем биться до последней капли крови. Компьютер может работать с произвольной точностью. Он может не округлять полученное значение. К чему это приведет?

Точное значение f ⁶ (0,1) имеет длину 127 знаков после запятой, а точное значение f ⁷ (0,1) растягивается после запятой на 255 знаков. Количество знаков после запятой увеличится примерно вдвое на каждой итерации. Нет настолько мощного компьютера, чтобы вычислить точное значение f^1000 (0,1).

К чему мы пришли? Несмотря на то что мы знаем исходное состояние системы и правило перехода от одного шага к другому, мы не в силах в точности предугадать ее состояние на 1000-м шаге.

Можно доказать, что точное значение f^1000 (0,1) лежит между 0 и 1, и задаться вопросом: какова вероятность того, что f^1000 (0,1), скажем, больше 0,5?

Ответ: либо 0, либо 1, потому что здесь нет ничего случайного. Либо f^1000 (0,1) > 0,5, либо f^1000 (0,1) ≤ 0,5, третьего не дано. Никаких «может быть», ничего случайного.

Даже настолько простая система способна оказаться хаотичной. Она абсолютно детерминирована и в то же время непредсказуема.

Огромное количество математических систем ведет себя хаотично, и многие из них позволяют строить модели явлений природы, например в метеорологии.

3x + 1, или проблема Коллатца[212]

До сих пор мы говорили об итерациях логистических отображений. Мы закончили обсуждением разных типов функций и тернистой, неразрешимой проблемы их итерации.

Логистическое отображение – функция, заданная простой алгебраической формулой. Однако функции можно задавать иначе. Функция F, о которой сейчас пойдет речь, определена исключительно для положительных целых чисел и задана следующим образом:

Эта функция задается двумя простыми алгебраическими формулами, но мы выбираем формулу в зависимости от того, четное число x или нечетное.

Пример:

• F (9) = 28. Число 9 – нечетное, поэтому мы руководствуемся формулой 3х + 1 и получаем 3 × 9 + 1 = 28;

• F (10) = 5. Число 10 – четное, поэтому мы руководствуемся формулой x/2 и получаем 10/2 = 5.

Вне зависимости от того, четное число мы подставляем в функцию или нечетное, ее значение будет целым положительным числом.

Короче говоря, если x – целое положительное число, F (x) – тоже целое положительное число.

Мы можем итерировать нашу функцию, потому что выходное значение удовлетворяет условию, наложенному на входное значение. Что мы получим, итерируя функцию при начальном значении x = 12?

• F (12) = 6, потому что число 10 четное;

• F² (12) = F (6) = 3, потому что число 6 четное;

• F³ (12) = F (3) = 10, потому что число 3 нечетное;

• F⁴ (12) = F (10) = 5.

Вот удобный способ проиллюстрировать итерации. Мы записываем 12 → 6, подразумевая, что значение функции от 12 равно 6. Мы можем записать итерации F следующим образом:

Тройка 4 → 2 → 1 повторяется! А что дальше? Так как F(1) = 4, F(4) = 2, F(2) = 1, следующие три значения те же самые.

Другими словами, когда мы дошли до числа 1, тройка 4 → 2 → 1 будет повторяться до бесконечности.

Начнем с другой величины, скажем с 9. Вот что мы имеем: 9 → 28 → 14 → 7 → 22 → 11 → 34 → 17 → 52 → 26 → 13 → 40 → 20 → 10 → 5 → 16 → 8 → 4 → 2 → 1.

Вот еще один впечатляющий ряд итераций:

27 → 82 → 41 → 124 → 62 → 31 → 94 → 47 → 142 → 71 → 214 → 107 → 322 → 161 → 484 → 242 → 121 → 364 → 182 → 91 → 274 → 137 → 412 → 206 → 103 → 310 → 155 → 466 → 233 → 700 → 350 → 175 → 526 → 263 → 790 → 395 → 1186 → 593 → 1780 → 890 → 445 → 1336 → 668 → 334 → 167 → 502 → 251 → 754 → 377 → 1132 → 566 → 283 → 850 → 425 → 1276 → 638 → 319 → 958 → 479 → 1438 → 719 → 2158 → 1079 → 3238 → 1619 → 4858 → 2429 → 7288 → 3644 → 1822 → 911 → 2734 → 1367 → 4102 → 2051 → 6154 → 3077 → 9232 → 4616 → 2308 → 1154 → 577 → 1732 → 866 → 433 → 1300 → 650 → 325 → 976 → 488 → 244 → 122 → 61 → 184 → 92 → 46 → 23 → 70 → 35 → 106 → 53 → 160 → 80 → 40 → 20 → 10 → 5 → 16 → 8 → 4 → 2 → 1.

Мы снова дошли до 1, но после ста с лишним итераций.

Гипотеза Коллатца[213] заключалась в том, что вне зависимости от того, с какого целого положительного числа x мы начинаем, последовательность итераций рано или поздно достигает единицы и тройка 4 → 2 → 1 повторяется до бесконечности.

Проблема была решена самым умопомрачительным образом – штурм потребовал чудовищной дотошности математиков-профессионалов и математиков-любителей.

Глава 22

Демократический выбор и теорема Эрроу

Демократия – процесс, основанный на предпочтениях членов общества. Людям дают возможность выразить свое мнение (путем голосования) и затем учитывают их голоса, когда принимают окончательное решение.

Выбор в случае двух кандидатов

Знакомая всем демократическая процедура – выборы, на которых два кандидата претендуют на одну и ту же должность. Избиратели отдают голоса за первого или второго кандидата, и побеждает тот, кто наберет больше голосов.

Ключевая фраза: побеждает тот, кто наберет больше голосов – краеугольный камень демократического общества. Но насколько справедлив этот принцип?

Вообразим, что два кандидата, претендующих на одну и ту же должность, зовутся A и B. Избиратели отдают голос за того или другого[214]. Если отдано n голосов, данные голосования выглядят следующим образом[215]:

Как используется такой профиль предпочтений для принятия решения? Обычно просто подсчитывают, сколько голосов было отдано за каждого кандидата. Победителем оказывается тот, кто набрал больше голосов. Мы назовем такой подход правилом большинства – это метод демократических сообществ. Но это не единственный метод учета профиля предпочтений для принятия решения. Посмотрим на альтернативы.

Правило диктатора подразумевает, что решение принимается на основе голоса одного-единственного человека, скажем избирателя № 1. Если № 1 выбирает A, побеждает A; если № 1 выбирает B, побеждает B. Другие мнения не учитываются.

Мы будем называть правило большинства и правило диктатора методами принятия решений. На входе – голоса избирателей, на выходе – решение о победе того или другого кандидата. В мире используют оба метода, но правило диктатора считается нечестным. Почему?

Для вящей справедливости метод принятия решения должен обладать определенными свойствами. Обидная особенность правила диктатора заключается в том, что голоса не учитываются равным образом. Более формально: справедливый метод принятия решения должен следовать нейтральности учета голосов[216] – не важно, кто голосует, важно, сколько голосов отдано за того или другого кандидата. Правило большинства отвечает требованию нейтральности учета голосов, а правило диктатора – нет.

Если мы руководствуется только теми методами, которые обладают свойством нейтральности учета голосов, мы просто суммируем голоса, отданные за того или другого кандидата. Итоговая статистика может выглядеть следующим образом:

Есть и другой метод. Назовем его правилом алфавита. Побеждает тот кандидат, чье имя идет первым по алфавиту. Тогда в любом случае побеждает кандидат A.

Очевидно, и этот метод несправедлив, но почему?

Он обладает свойством нейтральности учета голосов: все избиратели равны в том плане, что не учитывается ничье мнение! Проблема состоит в том, что кандидаты поставлены в неравное положение. Мы будем говорить, что метод обладает свойством нейтральности учета кандидатов[217], если к кандидатам относятся одинаково; если кандидат сменит имя, это не повлияет на итог выборов.

Чувство справедливости требует нейтральности учета голосов и нейтральности учета кандидатов. Достаточно ли этого?

Есть еще один метод, который мы будем называть правилом нечетности: победу одерживает тот кандидат, который набрал нечетное число голосов. Если A предпочли 20 избирателей, а B – 13 избирателей, побеждает B. Этот метод отвечает требованиям нейтральности учета голосов и нейтральности учета кандидатов.

Или рассмотрим правило меньшинства: побеждает тот, кто набрал меньше всего голосов. Если A предпочли 12 избирателей, а B – 30 избирателей, побеждает A. Этот метод также отвечает требованиям нейтральности учета голосов и нейтральности учета кандидатов.

Два требования, нейтральность учета голосов и нейтральность учета кандидатов, исключают некоторые нечестные методы (такие как правило диктатора и правило алфавита), но кое-какие несуразные методы отвечают тому и другому требованию. Введем новое свойство, позволяющее отсеять разумные методы (такие как правило большинства) от несуразных.

Вот в чем заключается проблема с правилом нечетности. Вообразим, что профиль предпочтений следующий:

Если руководствоваться правилом нечетности, побеждает A.

Теперь предположим, что один избиратель передумал, забрал свой голос за B (проигравшего) и отдал A (победителю). Передумал всего лишь один избиратель; другие остаются при своем мнении. Итог таков:

Правило нечетности приводит B к победе.

Нечестно! Если один избиратель меняет свое мнение и предпочитает победителя проигравшему, это не должно влиять на результат. Правило нечетности нарушает требование монотонности[218].

Есть еще одна проблема с правилом нечетности. Что произойдет, если избирателей четное количество? Рассмотрим две ситуации:

В первом случае победителей нет, во втором случае побеждают оба кандидата. В том или ином случае мы заходим в тупик.

Желательно избегать тупиковых итогов на выборах, чтобы коллективное мнение избирателей приводило к определенному решению. Некоторые методы (такие как правило диктатора) никогда не создают таких проблем. Но некоторые методы, отвечающие требованиям нейтральности учета голосов и нейтральности учета кандидатов, тоже могут завести в тупик: например, если голоса избирателей распределились поровну.

Даже если мы накладываем условия нейтральности учета голосов и нейтральности учета кандидатов, половина голосов может уйти первому кандидату, а другая половина – второму, так что нельзя будет принять внятное решение. Такое вероятно даже в случае правила большинства.

Однако оно не позволяет выбрать победителя в одной-единственной ситуации. Мы будем говорить, что этот метод в целом однозначный, так как позволяет принять решение во всех случаях, кроме одного: когда голоса распределились поровну[219].

Правило меньшинства тоже в целом однозначное (но не монотонное).

Мы определили четыре свойства справедливых выборов: нейтральность учета голосов, нейтральность учета кандидатов, монотонность и однозначность. К счастью, правило большинства обладает всеми этими свойствами. Занесем результаты в таблицу:

Но ведь должны быть альтернативы! Есть ли другие методы принятия решений, отвечающие всем четырем требованиям?

Ответ отрицательный. В 1952 году Кеннет Мэй[220] доказал, что правило большинства – единственный метод, обладающий всеми четырьмя свойствами[221].

Выбор в случае более чем двух кандидатов[222]

Наше интуитивное предчувствие, что правило большинства справедливее всего, подтвердилось со всей математической строгостью. Теорема Мэя говорит о том, что для выборов в случае двух кандидатов есть всего лишь один разумный метод.

Ситуация существенно меняется, если число кандидатов возрастает. Но мы все еще вправе надеяться, что методы вроде правила большинства остаются эффективны.

Начнем с описания того, как именно избиратели отдают голоса. Если кандидатуры выдвинули три (или больше) человека, каждый избиратель должен ранжировать их в своем бюллетене[223]. Статистика может выглядеть так:

Как и раньше, мы ищем методы принятия решений, учитывающие распределение голосов на входе, а на выходе выносящие решение о победителе.

Например, правило диктатора подразумевает, что победа достанется тому, кто возглавляет список предпочтений одного-единственного избирателя № 1. В нашем случае это кандидат A. Прочие голоса игнорируются.

Правило диктатора не отвечает требованию нейтральности учета голосов (хотя требование нейтральности учета кандидатов здесь выполняется). Вероятно, разумнее руководствоваться методами, нейтрально учитывающими голоса, и посчитать, каков приоритет того или иного кандидата для каждого избирателя. Например, в случае трех кандидатов[224] итоговая статистика выглядит так:

Согласно этой статистике, 20 человек поставили на первое место A, 14 предпочли B, 9 предпочли C. Как нам выбрать победителя?

Правило большинства хорошо подходит, когда кандидатов двое. В случае трех кандидатов перевес возникает тогда, когда больше половины избирателей поставили на первое место одного кандидата. Это происходит не всегда, потому руководствоваться правилом большинства становится проблематично. Кроме того, правило большинства не учитывает распределение приоритетов второй и третьей степени. Посмотрим, насколько это важно. Проанализируем следующий профиль предпочтений:

Отмечу, что больше половины избирателей поставили на первое место A. Следует ли из этого, что отдать победу A – лучший выбор? А что значит «лучший»? Математика ответить не в силах. Для нас справедливо то, что соответствует нашей системе ценностей. Проиллюстрируем это обстоятельство. Вообразим, что «кандидаты» у нас – рестораны, а «избиратели» – офисные клерки, ищущие место для проведения корпоратива. Вот информация о ресторанах:

Ситуация вполне реальная. Большинство клерков (24 человека) предпочитает поужинать в стейк-хаусе, но значительное число (20 человек) не любит стейки. Индийская и греческая кухня остались в меньшинстве, но собрали равное число голосов.

Однако абсолютно все отметили ресторан со шведским столом в качестве второго приоритета. Это выглядит хорошим компромиссом, и мудрый босс выбирает заведение со шведским столом для корпоратива. Можно ли построить аналогичный метод принятия решения на выборах?

Профиль предпочтений против бюллетеней

Мы не обсуждали, как именно избиратели заявляют о своих предпочтениях; мы просто исходили из того, что знаем, как каждый избиратель ранжирует кандидатов. Профиль предпочтений – это совокупность списков приоритетов всех избирателей.

Обычно избиратель отмечает в бюллетене одного кандидата, так что возможности расставить приоритеты нет. Такое оправдано, если мы руководствуемся правилом большинства: имеет значение только первый приоритет избирателя.

Иногда используют бюллетени, где можно отметить более одного кандидата. Если руководствоваться правилом первых двух приоритетов, избирателям нужно будет указать двух самых предпочитаемых кандидатов, и нет необходимости уточнять, кто из них важнее.

В этой главе мы принимаем за данность, что у каждого избирателя есть свой рейтинг кандидатов и что заполненный бюллетень дает достаточно информации для использования того или иного метода. В случае правила диктатора ни один бюллетень, кроме бюллетеня диктатора, не имеет значения, а в случае метода Борда (о нем пойдет речь дальше) необходимо знать, на какое место каждый избиратель ставит каждого кандидата.

Иными словами, мы разрабатываем такой бюллетень, который даст достаточно информации для использования выбранного нами метода.

Существует множество методов для проведения выборов, когда кандидатов более двух. Правило большинства идеально подходит в случае выборов среди двух кандидатов, но в других ситуациях кандидат может не получить больше 50 % голосов и, как показывает наш пример с ресторанами, тогда становится неясно, как принять «верное» решение.

Давайте обсудим несколько методов принятия решений и выясним, какой из них самый лучше. Будем использовать следующий профиль предпочтений:

Профиль предпочтений в случае трех кандидатов

• Правило большинства. Это наиболее распространенный метод. Мы выясняем, за какого кандидата отдано наибольшее число голосов, причем не обязательно больше половины. В вышеуказанном профиле предпочтений кандидата А выбрало наибольшее число избирателей (шесть), затем идет В (пять), на последнем месте С (два). По правилу большинства побеждает А.

• Правило первых двух приоритетов. Проблема правила большинства состоит в том, что оно не учитывает рейтинг предпочтений. Правило первых двух приоритетов основано на подсчете того, как много избирателей поставили кандидата на первое или второе место. Для вышеуказанного профиля предпочтений:

– A получил 6 + 1 = 7 голосов (шесть раз на первом месте и один раз на втором);

– В получил 5 + 4 = 9 голосов (пять раз на первом месте, четыре раза на втором);

– С получил 2 + 8 = 10 голосов (дважды на первом месте и восемь раз на втором).

Таким образом, по правилу первых двух приоритетов побеждает С.

• Метод Борда. Если мы руководствуемся правилом большинства, то не учитываем, кого каждый избиратель ставил на второе место. В правиле первых двух приоритетов второй приоритет имеет тот же вес, что и первый. Метод Борда – компромисс между ними[225].

Он заключается в том, что первый приоритет избирателя приносит кандидату 2 очка, второй приоритет – 1 очко, третий приоритет – ни одного очка. Дальше мы складываем очки. Побеждает тот кандидат, у кого их окажется больше.

Давайте проанализируем, как работает метод Борда в случае рассмотренного выше профиля предпочтений:

– кандидат A имеет первый приоритет у шести избирателей и второй – у одного, таким образом, он набирает 6 × 2 + 1 × 1 = 13 очков;

– кандидат B имеет первый приоритет у пяти избирателей и второй – у четырех, таким образом, он набирает 5 × 2 + 4 × 1 = 14 очков;

– кандидат C имеет первый приоритет у двух избирателей и второй – у восьми, таким образом, он набирает 2 × 2 + 8 × 1 = 12 очков.

В соответствии с методом Борда победителем станет кандидат B.

Нарисуем сводную таблицу победителей для одного и того же профиля предпочтений при использовании трех разных методов:

Результат обескураживает. Сложно обвинить какой-либо из трех методов в нелепости (в отличие от правила нечетности или правила меньшинства). Все три подхода удовлетворяют критериям честности: им свойственны нейтральность учета избирателей, нейтральность учета кандидатов и монотонность, потому нельзя отбраковать хотя бы один из них на этом основании. Может быть, мы найдем еще какой-нибудь критерий честности, чтобы выбрать «наилучший» метод?

Независимость от посторонних альтернатив

Последний критерий справедливости, который я рассмотрю в этой главе, называется независимость от посторонних альтернатив. Он носит более изощренный характер, чем другие критерии, поэтому я начну с простого примера.

Вообразите, что ваша подружка выбирает десерт после ужина в ресторане. В меню указаны три варианта: торт, пирог и мороженое. Девушка заказывает мороженое. Официант, приняв ее заказ, говорит вам: «О, похоже, у нас закончились пироги». Тут девушка отвечает: «В таком случае я закажу торт!»

Что за чушь? Если она предпочитает мороженое (а не торт и не пирог), нет никакой разницы, остались ли в ресторане пироги. Но перемена выбора вашей подружки связана именно с фактом отсутствия пирогов, это не совпадение. Есть искушение заподозрить, все ли у нее в порядке с головой!

Мы ожидаем, что методы принятия решений будут разумными. Допустим, некий метод провозглашает кандидата X победителем на основании определенного профиля предпочтений. Допустим также, что другой кандидат, Y, снимает свою кандидатуру (и ни один избиратель не меняет своего мнения). В таком случае X должен остаться победителем. Если метод удовлетворяет такому условию, это и есть независимость от посторонних альтернатив.

Подумаем в том же ключе о правиле большинства. Для рассмотренного выше профиля предпочтений этот метод провозглашает победителем A. Теперь представим, что C снимает кандидатуру. Профиль предпочтений меняется следующим образом:

На сей раз победителем становится кандидат B! Таким образом, правило большинства не удовлетворяет критерию независимости от посторонних альтернатив.

Может быть, правило первых двух приоритетов лучше? На основе того же профиля предпочтений победителем становится C. Что произойдет, если A сойдет с дистанции? Останется всего два кандидата! Тут мы заходим в тупик. Вот вам головоломка: попробуйте составить такой профиль предпочтений при голосовании за четырех кандидатов (A, B, C, D), чтобы правило первых двух приоритетов провозглашало победителем A, но если бы из гонки выбыл D, победителем стал бы B. Ответ я дам в конце главы.

Наконец, протестируем метод Борда. Он провозглашает победителем B, но если C выбывает, победителем становится A.

Ни один из трех методов не удовлетворяет критерию независимости от посторонних альтернатив.

Спокойствие, только спокойствие! Есть множество других методов. Разумеется, какие-нибудь из них удовлетворяют критерию независимости от посторонних альтернатив. Например, правило диктатора (если кандидат A имеет первый приоритет у избирателя № 1, он останется победителем, кто бы из других кандидатов ни выбыл из игры). Разумеется, правило диктатора – не лучший метод, потому что не удовлетворяет одному из основных критериев – нейтральности учета избирателей.

Возникает вопрос: какой из справедливых методов голосования удовлетворяет критерию независимости от посторонних альтернатив? Ответ был найден Кеннетом Эрроу[226] в 1950 году: увы, но такого метода нет.

Теорема невозможности Эрроу носит несколько технический характер, но ее смысл заключается в том, что при наличии более чем двух кандидатов ни один метод не удовлетворяет базовому критерию независимости от посторонних альтернатив[227].

Как нам теперь быть? Если все методы «несправедливы», каким из них нам руководствоваться? Или просто нужно отбросить критерий независимости от посторонних альтернатив? Нанесет ли это большой вред?

Проблема методов, не удовлетворяющих последнему критерию, заключается в том, что они поощряют избирателей голосовать иначе, чем они планировали изначально, если какой-нибудь кандидат портит шансы вероятного победителя. Например, вам по душе кандидаты A и B, но вы питаете отвращение к кандидату C. Вы склоняетесь к тому, чтобы голосовать за A, но внезапно узнаете из выпуска новостей, что шансы A на победу невелики. За кого вы будете голосовать? При подсчете голосов по правилу большинства (и при использовании некоторых других методов) неразумно голосовать за A, хотя изначально вы планировали поступить именно так. Если вы проголосуете за A, то отнимете один голос у B.

Если A не выбывает из игры, а избиратели, чьи изначальные приоритеты совпадают с вашими, не меняют своего решения и все-таки голосуют за A, это отнимает голоса у B и обеспечивает победу C. Но если A по тем или иным причинам выбывает из игры, вы голосуете за B, и его шансы на победу возрастают.

Если метод принятия решений удовлетворяет критерию независимости от посторонних альтернатив, такой дилеммы не возникает. Вы можете голосовать, как и планировали, потому что выбор в пользу A не обесценит вашего голосования.

Глава 23

Парадокс Ньюкома

Человеческое поведение предсказуемо. В самом деле: многие социальные науки, от экономики до культурной антропологии, строятся на том факте, что мы можем видеть закономерности в человеческой деятельности и предсказывать поступки людей (пусть даже с разными степенями уверенности).

В этой главе я расскажу о парадоксе Ньюкома[228]. Он касается предсказания человеческого поведения и приводит к умопомрачительным выводам[229].

Игра Ньюкома

Парадокс Ньюкома подразумевает игру на деньги, где участвуют два человека: Предсказатель и Игрок, который должен выбрать между двумя вариантами. Перед началом игры Предсказатель угадывает, какое решение примет его оппонент. Давайте придадим всему этому личностный оттенок: я предлагаю вам примерить роль Игрока на себя.

Перед вами два ящика: № 1 и № 2, оба непрозрачные, что внутри – не видно. Я гарантирую, что в ящике № 1 лежит 1000 долларов. А вот ситуация с ящиком № 2 смутная: либо там 1 000 000 долларов, либо ничего.

Чуть позже я объясню, от чего зависит, пуст или полон второй ящик, но сперва расскажу о ваших возможностях. Вам предстоит выбрать один из двух вариантов действий:

– забрать содержимое того и другого ящика;

– забрать содержимое ящика № 2.

Разумеется, деньги останутся у вас.

Однако первый ход – не за Игроком. Перед тем как вы примете решение, Предсказатель попытается предугадать ваш выбор. Представим, что это невероятно одаренный психолог, годами втихомолку наблюдавший за вами; он читает в вашем сердце, знает, когда и от чего вас бросает в пот, и на основе всего этого прекрасно понимает, что вы предпочтете. Формально говоря, Предсказатель прав в 95 % случаев[230].

Теперь я объясню, по какому принципу Предсказатель распределяет купюры. Как уже было сказано, в ящике № 1 всегда лежит 1000 долларов. Содержимое ящика № 2 зависит от того, как Предсказатель видит ваши действия. Если он думает, что вы заграбастаете оба ящика (на что вы имеете полное право), он оставляет ящик № 2 пустым. Если же он предполагает, что вы возьмете только ящик № 2, он кладет туда 1 000 000 долларов. Занесем эту логику действий в таблицу[231]:

Подытожим.

1. Первый ход за Предсказателем:

– если он думает, что Игрок выберет только ящик № 2, он кладет туда 1 000 000 долларов;

– если Предсказатель считает, что Игрок возьмет оба ящика, то ящик № 2 остается пустым.

2. Второй ход за Игроком, то есть за вами. У вас два варианта:

– взять только ящик № 2;

– взять оба ящика.

Когда вы берете один ящик или два, все деньги, которые там лежали, достаются вам!

Вот вопрос для анализа:

Переформулируем вопрос (на первый взгляд кажется, что разницы нет никакой): как вы поступите в такой ситуации? Люди могут рассуждать так:

– Я возьму только второй ящик, я не хочу показаться жадным.

– Я возьму оба ящика. Так мне в любом случае что-то достанется.

Мысли разумные, но это не ответ на наш вопрос. Здесь нет стратегии, позволяющей выиграть побольше денег. А мы хотим узнать именно это. Как поступить, чтобы выиграть максимальную сумму денег?

Вот еще один ответ, и, поскольку он тоже по-своему разумен, я в последнюю минуту немного поменяю правила игры, чтобы данная стратегия стала невыгодной.

– Я просто сыграю в орлянку.

Такая стратегия ставит нам палки в колеса, потому что Предсказатель психолог, а не маг, он не в силах предсказать, как выпадет монетка. Поэтому введем дополнительное правило: решение должно быть личным выбором Игрока. Вам запрещено с кем-либо консультироваться, вам запрещено играть в орлянку и предпринимать еще что-либо, влияющее на ваш личный выбор.

Итак, каким должен быть ваш выбор, чтобы вы заработали больше денег?

Хорошая новость состоит в том, что правильный ответ существует. Но есть и плохая новость: правильный ответ – не единственный. Посмотрим, почему это так.

Не оставляйте деньги на столе!

Вне всякого сомнения, забрать два ящика в любом случае на тысячу долларов лучше, чем просто взять ящик № 2. Предсказатель ходит первым. Поскольку он редко ошибается, вы не знаете, как он поступит. Если вы возьмете ящик № 2, вам достанется только то, что в нем лежит. Но если вы возьмете оба ящика, вам достанется и то, что находится в ящике № 2, и еще 1000 долларов. Вне всякого сомнения, так вы получите больше денег[232].

Вот наглядное представление о ваших возможностях в зависимости от того, пуст или полон ящик № 2:

Теперь все кристально ясно. Что бы там себе ни думал Предсказатель, в любом случае выгоднее брать оба ящика.

Жадность не доводит до добра

Вы ждете своей очереди. Несколько ваших друзей уже сделали выбор. Кое-кто из них руководствовался изложенной только что логикой и забрал оба ящика. Другие решили даже под давлением железобетонной логики взять только ящик № 2. И что они получили в итоге?

Рациональные игроки забрали свою тысячу, а вот азартные теперь миллионеры! В одном случае Предсказатель просчитался, но в целом он всегда оказывался прав.

А теперь ваш ход.

Если вы согласны с логикой предыдущих абзацев, вы возьмете оба ящика. Действительно, какой смысл оставлять на столе тысячу долларов? Предсказатель наверняка угадает ваш выбор (потому что знает, что вы за человек) и оставит ящик № 2 пустым. Это плохо: да, вы получите утешительный приз (1000 долларов), но так и не станете миллионером.

С другой стороны, ход ваших мыслей может быть следующим: «Предсказатель знает свое дело. Если я решу взять только ящик № 2, есть все шансы, что он заранее поймет это». И в самом деле: в таком случае вы с огромной вероятностью разбогатеете!

Иными словами, игрок, забирающий только ящик № 2, получает больше денег, чем «рациональный» игрок, забирающий оба ящика. Ошеломляющий вывод: выбрать ящик № 2 означает скорее всего получить больший выигрыш, в то время как выбрать оба ящика означает скорее всего ограничиться утешительным призом.

Выбрать ящик № 2 – наилучший путь к богатству!

Эти аргументы можно перевести на язык математики. Довольно просто вычислить, с какой вероятностью приносит деньги та или иная стратегия. Скоро мы вернемся к противостоянию Предсказателя и Игрока, но сначала для наглядности разберем очевидный пример: лотерею «Выбери три цифры».

Игроки покупают билеты стоимостью 1 доллар. Каждый билет дает возможность выбрать три цифры. Тем же вечером выигрышное трехзначное число генерируется случайным образом. Каждый билет с этим числом приносит 500 долларов.

Вопрос: какой ожидаемый выигрыш в лотерее «Выбери три цифры»?

Грубо говоря, никакой. Вероятность того, что мы в точности угадаем заветное число, равна одной тысячной, или 0,01 %. Почти всегда (но все-таки «почти») билет проигрывает.

Но когда об ожидаемом выигрыше говорят на математическом языке, подразумевается средний выигрыш. Как его вычислить?

С вероятностью 0,999 выигрыш по одному билету равен 0 долларов и с вероятностью 0,001 равен 500 долларам. В целом это дает:

0 × 0,999 + 500 × 0,001 = 0,5 доллара.

То есть средний выигрыш равен всего 50 центам.

Вот другой способ прийти к этому числу. Представим, что лотерейщики продали миллион билетов. Каждый билет стоит 1 доллар. Таким образом, выручка составляет миллион долларов. Сколько им придется заплатить?

Заветное число – трехзначное, поэтому резонно предположить, что выиграет где-то один билет на тысячу. Всего будет около 1000 выигрышных билетов, каждый сделает лотерейщиков беднее на 500 долларов. Таким образом, они потеряют в среднем 50 центов с каждого билета.

Применим этот метод анализа к игре Ньюкома. Игрок может взять оба ящика или только ящик № 2. Каков средний выигрыш в каждой ситуации?

• Если вы берете ящик № 2, в 95 % случаев Предсказатель угадывает это и кладет туда 1 000 000 долларов. В 5 % случаев он ошибается, и ящик остается пустым. Таким образом, средний выигрыш равен 1 000 000 × 0,95 + 0 × 0,05 = 950 000 долларов.

• Если вы берете оба ящика, в 95 % случаев ящик № 2 оказывается пуст, а в 5 % случаев там лежит 1 000 000 долларов. В любом случае Игрок получает 1000 долларов из первого ящика. Таким образом, средний выигрыш составляет 1000 × 0,95 + 1 001 000 × 0,5 = 51 000 долларов.

Теперь все ясно. Лучший способ заработать деньги – выбрать только ящик № 2.

Противоречие и вывод

Мы пришли к двум неоспоримым выводам. Первый: лучше взять оба ящика (зачем оставлять деньги на столе?). Второй: лучше взять ящик № 2 (есть все шансы стать миллионером). Как такое возможно? Верно должно быть либо то, либо другое.

Мы столкнулись с противоречием. С нами уже такое случалось. В главе 1 мы вообразили число N, которое, как выяснилось, (a) делится на некое простое число и (b) не делится ни на какое простое число. Разумеется, это невозможно. Если мы пришли к противоречию, значит, мы исходили из ложной посылки. Так оно и было: мы предположили, что количество простых чисел конечно, и пришли к двум прямо противоположным выводам. Если вывод абсурден, то изначальное предположение было ошибочным. Неверно, что простые числа можно пересчитать: это приводит к бессмыслице. Таким образом, простых чисел бесконечно много.

Что касается парадокса Ньюкома, мы сделали два неявных допущения.

Первое допущение – относительно Игрока. Может ли он сделать независимый выбор? Обладают ли человеческие существа свободной волей? Разумеется, нельзя (и мы даже не будем пытаться) в точности разрешить эту старую как мир философскую проблему[233].

Второе – относительно Предсказателя. Действительно ли он способен предвидеть поступки другого человека? Ясно, что в целом поведение людей может быть предсказано с большой долей уверенности. Но в нашей игре Предсказатель пытается предугадать выбор одного-единственного индивидуума, а ведь это весьма зыбкая материя. Точность 95 % неправдоподобно высока.

Однако вот что интересно: противоречие не исчезает, даже если Предсказатель прав в 51 % случаев! Аргумент «не оставляйте деньги на столе» по-прежнему не работает. Вот расчет среднего выигрыша:

• Если вы берете только ящик № 2, средний выигрыш составляет 1 000 000 × 0,51 + 0 × 0,49 = 510 000 долларов.

• Если вы берете оба ящика, средний выигрыш составляет 1 000 × 0,51 + 1 001 000 × 0,49 = $491 000 долларов.

Даже если Предсказатель предугадывает ваше решение с точностью 51 %, вам лучше выбрать только ящик № 2! Разница в средних выигрышах на сей раз невелика, поэтому расчеты не вызывают особых эмоций, но выигрышная стратегия остается прежней[234].

Итак, вот два допущения, приводящих к парадоксу:

– Игрок обладает свободой воли;

– Предсказатель предугадывает решение Игрока с высокой точностью.

Иными словами, свобода выбора и уверенное предсказание будущего несовместимы.

Компьютер в роли Игрока

Вообразим, что в роли Игрока – компьютерная программа, а в роли Предсказателя – мы, человеческие существа. По правилам, Игроку запрещено играть в орлянку; таким образом, компьютер не должен совершать случайного выбора[235].

У компьютера есть все те же две возможности: выбрать оба ящика или только ящик № 2. Как он поступит?

Мы можем с легкостью предсказать выбор компьютера. Нам нужно всего лишь сделать копию компьютерной программы, запустить на другом компьютере и следить за ее действиями. Наше предсказание будет идеальным (если компьютер не заглючит). Когда игра начнется, мы убедимся в безошибочности предсказания. Практически без исключений выбор двух ящиков принесет компьютеру тысячу долларов, а выбор ящика № 2 принесет миллион долларов.

Если нас попросят разработать программу для парадокса Ньюкома, наше решение будет кристально ясно. Вот вся программа:

print («Я беру только ящик № 2»)

Мы запускаем программу, компьютер каждый раз получает миллион долларов, и мы счастливы.

Нет никакого резона выбирать оба ящика. Действия компьютера полностью предсказуемы (потому что мы имеем дело с машиной, а не с человеком), и выбор двух ящиков всякий раз будет приносить всего лишь 1000 долларов.

Почему противоречие возникает, когда в роли Игрока оказывается человек, и пропадает, когда в роли Игрока выступает компьютер? Парадокс Ньюкома подразумевает свободу воли: никакой Предсказатель не в силах в точности предвидеть наши действия.

Что читать дальше?

На русском языке

1. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. – М.: Мир, 1965.

2. Харди Г. Г. Апология математика. – Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2000.

На английском языке

1. Peter Beckmann. A History of π. St. Martin’s Press, third edition, 1976.

Edward B. Burger and Michael Starbird. The Heart of Mathematics: An Invitation to Effective Thinking. Wiley, third edition, 2009.

2. Underwood Dudley. A Budget of Trisections. Springer, 1987.

3. Richard P. Feynman, Robert B. Leighton, and Matthew Sands. The Feynman Lectures on Physics. Addison-Wesley Publishing Company, 1963.

4. Martin Gardner. Free will revisited, with a mind-bending prediction paradox Newcomb. Scientific American, 229, July 1973.

5. G. H. Hardy. Mathematician’s Apology. Cambridge University Press, 1940

6. H. E. Huntley. The Divine Proportion. Dover, 1970.

7. Nicholas D. Kazarinoff. Ruler and the Round: Classic Problems in Geometric Constructions. Dover, third edition, 2003.

8. Mario Livio. The Golden Ratio: The Story of PHI, the World’s Most Astonishing Number. Broadway, 2003.

9. Paul Lockhart. A Mathematician’s Lament: How School Cheats Us Out of Our Most Fascinating and Imaginative Art Form. Bellevue Literary Press, 2009.

10. Eli Maor. e: The Story of a Number. Princeton University Press, 2009.

11. Paul J. Nahin. An Imaginary Tale: The Story of Princeton University Press, 2010.

12. James R. Newman. The World of Mathematics. Simon & Schuster, 1956. This four-volume collection is also available from Dover.

13. Mark Nigrini. Benford’s Law: Applications for Forensic Accounting, Auditing, and Fraud Detection. Wiley, 2012.

14. E. Arthur Robinson and Daniel H. Ullman. A Mathematical Look at Politics. CRC Press, 2010.

15. Edward R. Scheinerman. Mathematics: A Discrete Introduction. Brooks/Cole, third edition, 2012.

16. Eric W. Weisstein. Mathworld – a Wolfram web resource, http://mathworld.wolfram.com/.

На французском языке

M. L. Wantzel. Recherches sur les moyens de reconnaître si un Problème de Géométrie peut se résoudre avec la règle et le compass. Journal de Mathématiques Pures et Appliquées., 1 (2): 366–372, 1837.

notes

Сноски

1

Кто-то сочтет, что слова «радость» и «красота» неприменимы к математике, но не стоит путать чудесную математику со скучной арифметикой. Мы же не ставим знак равенства между чтением великой литературы и зазубриванием правил орфографии. – Здесь и далее, кроме особенно оговоренных случаев, примечания автора.

2

Доказательство того, что простых чисел бесконечно много, вы обнаружите в главе 1.

3

Годфри Харди (1877–1947) – профессор Оксфордского и Кембриджского университетов, известный своими работами по теории чисел и математическому анализу. – Прим. пер.

4

5

Некоторые главы отсылают к предыдущим, но эта взаимосвязь слабо выражена.

6

Особенная благодарность Дэнни за идею названия книги и Ионе за рисунок подзорной трубы (см. главу 7).

7

Перевод Василия Комаровского (1913). – Прим. пер.

8

Иоганн Кеплер (1571–1630) – немецкий математик, физик, астроном и астролог. – Прим. пер.

9

Тихо Браге (1546–1601) – датский астроном, астролог и алхимик. – Прим. пер.

10

То есть меридиана. – Прим. науч. ред.

11

Стоит отметить, что доказательство – это не просто набор уравнений. Это рассуждение, шаг за шагом ведущее нас от исходных посылок (X и Y – нечетные числа) к неопровержимым выводам (X + Y – четное число).

12

Подсказка. Первый шаг вашего доказательства должен быть таким: «Пусть X и Y – нечетные числа». Заключительный шаг: «Таким образом, XY – нечетное число».

13

Ричард Фейнман (1918–1988) – американский физик-теоретик, один из разработчиков атомной бомбы, лауреат Нобелевской премии 1965 года «за фундаментальные работы по квантовой электродинамике, имевшие глубокие последствия для физики элементарных частиц». – Прим. пер.

14

Вот фраза Фейнмана: «Все вещи состоят из атомов – крохотных частиц; они пребывают в бесконечном движении, притягивая друг друга, когда расстояние между ними невелико, и отталкивая друг друга, когда сжаты вместе».

15

Немного странно изобретать отдельное название для категории чисел, куда входит всего один элемент. На самом деле термин «единичный элемент», или «единица», имеет более широкое значение в сложных областях математики, но в применении к целым числам дает одно-единственное число: 1.

16

По этой причине мы исключили число 1 из множества простых чисел. Простые числа – это неделимые кирпичики; с их помощью мы выстраиваем любое положительное целое число путем умножения. С этой точки зрения число 1 бесполезно.

17

Теорема – это математическое утверждение, которое может быть неопровержимо доказано. Теорема в корне отличается от научной теории, представляющей собой модель или объяснение, которое подтверждается экспериментами. Также теорема отличается от математической теории, представляющей собой совокупность определений и теорем по определенной проблематике.

18

Мы не даем доказательства основной теоремы арифметики. Его можно найти в большинстве книг по теории чисел – области математики, изучающей свойства чисел.

19

Возведение числа в нулевую степень – пример пустого произведения. По определению, 10ⁿ представляет собой результат умножения числа 10 на само себя n раз. В случае n = 0 значение выражения 10^0 равно 1: это результат перемножения при отсутствии элементов!

20

Евклид – автор геометрического трактата «Начала», вершины античной математики. Его научная деятельность протекала в Александрии на рубеже IV и III веков до н. э. – Прим. пер.

21

Подобным образом преступника ловят на лжи. «Вы утверждаете, что были дома в ту ночь, мистер Нулик?» – «Да». – «Чем вы занимались?» – «Телевизор смотрел». – «А вы в курсе, что в тот вечер отключали электричество?» – «Э…» Очевидно, что мистер Нулик в столь поздний час не смотрел телевизор!

22

Представим себе, что последнее простое число равно 13. Тогда N = (2 × 3 × 5 × 7 × 11 × 13) + 1 = 30 031.

23

Есть изощренные методы, позволяющие установить, является число простым или составным. С их помощью можно легко решить эту задачу даже на домашнем компьютере.

24

Вообще говоря, это утверждение надо доказать. В частности, надо доказать, что удалена точно, а не приблизительно треть. – Прим. науч. ред.

25

Дадим зарок не пользоваться ничем, кроме карандаша и бумаги, и попробуем самостоятельно убедиться в том, что перемножать простые числа сравнительно легко, а раскладывать их произведение на множители – сложно. Для начала умножим 227 на 281. Если ни на что не отвлекаться, можно найти шестизначный ответ за пару минут. А теперь попробуйте найти без калькулятора два трехзначных простых множителя числа 211 591. Это не так-то просто. Ответ будет в конце главы.

26

Термин «открытый ключ» означает, что раскрытие алгоритма шифрования – ключ к нему находится в открытом доступе – еще не рассекречивает сообщение. Один из таких алгоритмов изобрели в 1970-е Рон Ривест (Ron Rivest), Ади Шамир (Adi Shamir) и Леонард Адлеман (Leonard Adleman); по первым буквам их фамилий метод назвали RSA.

27

Криптографические системы на основе перемножения простых чисел будут эффективны лишь до тех пор, пока ученые не усовершенствуют квантовые компьютеры, где логические элементы (кубиты) могут находиться в состоянии 0 и 1 одновременно. Теоретически так называемый алгоритм Шора с помощью квантового компьютера способен разложить большое число на простые множители почти так же быстро, как происходит само шифрование. – Прим. пер.

Несмотря на то что математики уже больше ста лет знают, что решение задачи о трисекции угла с помощью слепой линейки и циркуля невозможно, все время находятся энтузиасты, предлагающие очередное «решение». Анализ самых остроумных попыток можно найти в книге Андервуда Дадли «Смета трисекций» (A Budget of Trisections).

Один из них равен – i, потому что (– i) × (– i) × (– i) = (– i)³ = i. Но чему равны другие два? Ответ вы найдете в конце главы.

28

Популярный слоган на футболке математика: «Все люди делятся на 10 категорий: те, кто понимает двоичную систему счисления, и те, кто в ней ничего не смыслит». Когда вы прочтете эту главу, вы тоже сможете шутить в этом духе.

29

Позиционная система счисления – это такая система счисления, в которой значение каждого символа в записи числа зависит от его позиции (разряда). – Прим. пер.

30

Предлагаю вам самостоятельно найти алгоритмы для вычитания и деления.

31

Также говорят: система счисления с основанием 2.

32

Напомним, что показатель степени означает, сколько раз мы перемножаем основание: например, 10³ = 10 × 10 × 10. Естественно, 10^1 = 10. По договоренности, 10^0 = 1. Это логично, так как каждая следующая степень десяти в десять раз больше предыдущей.

33

В англоязычных странах в качестве разделителя разрядов используется запятая, в России – неразрывный пробел, который ставится только в числах с пятью и более разрядами. – Прим. ред.

34

Чтобы отличить запись в двоичной системе от записи в десятичной, мы будем ставить нижний индекс: 1101_2 или 1101_10.

35

В английской традиции записи целую часть десятичного числа от дробной отделяет точка, в русской – запятая. – Прим. ред.

36

В случае с двоичной системой неправильно говорить «десятичная запятая», лучше называть ее двоичной запятой, или запятой в позиционном представлении числа.

37

Программисты нередко пользуются шестнадцатеричной системой счисления. В десятичной системе 10 цифр (от 0 до 9), в шестнадцатеричной нам нужно 16 разных символов, поэтому числа от 10 до 15 обозначают с помощью букв от A до F.

38

До бесконечности (лат.). – Прим. пер.

39

Строго говоря, это утверждение тоже надо доказать. – Прим. науч. ред.

40

Проверьте, насколько хорошо вы усвоили материал, и выразите 0,123123123123… в виде обыкновенной дроби. Ответ в конце главы.

41

Так как делить на ноль нельзя, я имею в виду такие операции, как 7/5.

42

Термин «рациональные числа» происходит от латинского слова ratio, но вовсе не потому, что они, в отличие от прочих, обладают здравым смыслом.

43

Не со всеми: есть физические величины, про которые нет оснований полагать, что отношения между ними выражаются в рациональных числах. Впрочем, как следует из сказанного выше, можно добиться сколь угодно точного приближения рациональными числами. – Прим. науч. ред.

44

Здесь мы рассматриваем исключительно квадратные корни из неотрицательных чисел. В главе 5 мы увидим, что в математике есть область, где можно извлекать квадратный корень из отрицательного числа.

45

Задача о бисекции угла существенно проще. Нет ничего сложного в том, чтобы с помощью циркуля и линейки прочертить луч, разделяющий заданный угол на два равных между собой угла.

46

Пьер Ванцель строго доказал, что задачи об удвоении куба и трисекции угла неразрешимы, в 1837 году.

47

Неразрешимость задачи о квадратуре круга стала ясна в 1882 году, когда Фердинанд фон Линдеман доказал, что число π трансцендентно. – Прим. пер.

48

Пифагор Самосский (VI–V вв. до н. э.) – древнегреческий философ, математик, мистик, основатель религиозного движения пифагорейцев. – Прим. пер.

49

Число 9/8 над стрелкой означает, что частота ноты справа в 9/8 раза больше частоты ноты слева.

50

Подобран венецианскими композиторами и теоретиками музыки в XVI веке. – Прим. пер.

51

Равномерно темперированный строй господствует в европейской музыке с XVIII века, однако его теоретическое обоснование встречается уже в работах XVI века, причем не только в Европе, но и в Китае. – Прим. пер.

52

Доказательство похоже на доказательство того, что значение √2 иррационально. Попробуйте найти его самостоятельно.

53

Мужские вокальные ансамбли в США, исполняющие популярную музыку а капелла. – Прим. пер.

54

Множество всех действительных чисел обозначают ℝ.

55

См. главу 3, где подробнее рассказано о периодических десятичных дробях.

56

Символ i для обозначения мнимой единицы предложил в конце XVIII века Леонард Эйлер, взяв первую букву латинского слова imaginarius – «мнимый». – Прим. пер.

57

На самом деле так называемые действительные числа ничуть не более реальны, чем мнимые. Мы не кладем в чашку кофе минус три кубика сахара и никогда не говорим, что расстояние от пункта A до пункта B равно в точности √2 Действительные числа полезны для измерения таких физических явлений, как температура или площадь. Мнимые числа полезны в других областях физики, включая квантовую механику и электронику. Все числа мнимые в том плане, что созданы нашим сознанием.

58

Строго говоря, в системе действительных чисел должны выполняться соотношения порядка, аксиомы сложения и умножения и свойство полноты. Однако все эти выкладки, конечно, слишком сложны для научно-популярного обзора. – Прим. пер.

59

Вот вам испытание: найдите все кубические корни из i.

60

То есть уравнение вида c_0 + c_1x^1 + … + cmxm = 0. – Прим. пер.

61

На языке математики поле – это такое множество, для элементов которого заданы операции сложения и умножения, обладающие набором определенных свойств (так называемые аксиомы поля). Через них можно определить вычитание и деление. Все эти операции не должны выводить за границы данного множества. – Прим. пер.

62

«π» – триллер 1998 года, режиссер Даррен Аронофски. Главный герой фильма занимается теорией чисел. – Прим. пер.

63

Имеется в виду одеколон Pi Givenchy. – Прим. пер.

64

День π отмечают 14 марта (3.14), потому что π ≈ 3,14.

65

Дробь Другое соотношение ближе к истине:

66

Если повезет, вы найдете их в магазине настольных игр. Правильный 20-гранник называется икосаэдр. См. главу 16.

67

На самом деле достаточно перебрать N(N–1) / 2 вариантов, потому что у пар (k, l) и (l, k), очевидно, будут одинаковые общие делители; ясно также, что число не может быть взаимно простым само с собой. Поэтому достаточно заполнить не весь квадрат, а треугольник выше главной диагонали. – Прим. науч. ред.

68

Леонард Эйлер (1707–1783) – математик, механик, астроном. Работал в Швейцарии, Пруссии и России. Также изучил медицину, химию, ботанику, воздухоплавание, теорию музыки, множество европейских и древних языков. – Прим. пер.

69

Эйлер не называл это число своим именем, но именно он выбрал для него букву е. Подтолкнула ли его к этому гордыня – до сих пор предмет спора историков науки. Как бы то ни было, Эйлер было довольно скромным человеком.

70

Увы, все формулы для е весьма сложны. Это не просто иррациональное число, как √2 (см. главу 4), но и трансцендентное, как π (см. главу 6).

71

Разница в 1 цент объясняется тем, что в первом случае мы каждый раз округляли прибыль до сотых.

72

В первый месяц банк выплатит нам 0,8333 % процента от первоначальной суммы, то есть 8,33 %. Теперь у нас в общей сложности $1008,33.

73

На самом деле длительность года чуть больше 365 дней, но мы упростим расчеты.

74

Экспоненциальная убыль встречается в природе. Пример – радиоактивный распад атомов.

75

Восклицательный знак означает факториал. Подробнее о факториале вы можете прочесть в главе 10.

76

Примечание для тех, кто знаком с логарифмами: для того чтобы выяснить, насколько редко встречаются простые числа, когда мы рассматриваем большие величины, можно посчитать количество простых чисел между 1 и каким-нибудь крупным числом N. Важнейший результат в теории чисел показывает, что чем больше N, тем ближе количество простых чисел между 1 и N к величине где ln N – логарифм числа N по основанию e, или натуральный логарифм N. Этот результат зафиксирован в так называемой теореме о распределении простых чисел.

77

Числитель в этом выражении – пример телескопического ряда, где все слагаемые взаимно уничтожаются. Представьте себе складной телескоп, состоящий из нескольких частей. Точно так же слагаемые телескопического ряда вкладываются друг в друга.

78

Я здесь пропускаю множество этапов вывода формулы Эйлера. Я хочу просто объяснить, что значит возводить число в мнимую степень, и дать общую картину доказательства. В полном виде оно включает тригонометрические выкладки и такие сложные вычисления, которым не место в этой книге.

79

Георг Кантор (1845–1918) – немецкий математик, создатель теории множеств. Последние годы провел в психиатрической лечебнице. – Прим. пер.

80

Работы Кантора подвергались нещадной критике как со стороны математиков, так и со стороны философов и теологов. Но спустя некоторое время он добился признания как первооткрыватель новой области математики.

81

Обычно множество обозначают с помощью фигурных скобок.

82

Математики называют взаимно однозначное соответствие биекцией.

83

Нам не обязательно знать все элементы |A| или |B|, чтобы констатировать, что |A| = |B|.

84

Это множество натуральных чисел, его обычно обозначают ℕ. – Прим. науч. ред.

85

Вот две задачки. Какое число будет стоять справа на сотой строке перечня? Какое число слева будет соответствовать числам 100 и –100 справа? Ответ – в конце главы.

86

При первом чтении главы эти два абзаца можно пропустить. Мы уточняем одну техническую деталь, чтобы сделать аргументацию полной и неуязвимой.

87

Символ א обозначает первую букву древнееврейского алфавита: алеф. Символ читают «алеф нуль».

88

Вообще говоря, из сказанного это не следует; существование таких чисел надо специально доказывать. – Прим. науч. ред.

89

Этот подход, известный как наивная теория множеств, использовал Кантор и другие математики.

90

Может ли одно множество быть элементом другого? Разумеется! Скажем, множество {1, 2} входит во множество {0, {1, 2}, 3, 6, 7}. В этом множестве пять элементов: числа 0, 3, 6, 7 и множество {1, 2}.

91

Одно из многочисленных достижений Рассела – Нобелевская премия по литературе за 1950 год.

92

Этот парадокс называют антиномией Рассела.

93

Этот подход известен под названием «аксиоматическая теория множеств». Общепринятые правила поведения и формирования множеств названы в честь своих создателей, Эрнста Цермело (Ernst Zermelo) и Абрахама Френкеля (Abraham Fraenkel): ZF-аксиомы.

94

Если хоть одно такое множество существует, |ℝ|>алеф_1. – Прим. науч. ред.

95

Эта глава повествует о знаменитых числах Фибоначчи: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21 и т. д. Этот ряд был назван в честь Леонардо Пизанского, больше известного как Фибоначчи. (Леонардо Пизанский (1170–1250) – один из первых крупных математиков средневековой Европы. Прозвище Фибоначчи означает «сын Боначчи». Автор «Книги абака», излагающей десятичную систему счисления. – Прим. пер.)

96

В задаче о квадратах и домино мы выяснили: F_1 = 1, а F_2 = 2. Но числа Фибоначчи начинаются с F_0 = 1. Как это согласуется с условиями задачи? Сколько существует способов заполнить на тех же условиях рамку 0 × 1? Длина квадрата и длина костяшки домино, как ни крути, больше нуля, потому есть искушение сказать, что ответ равен нулю, но это не так. Прямоугольник 0 × 1 уже заполнен, там нет щелей; нам не понадобится ни квадрат, ни костяшка домино. Таким образом, есть всего один способ действия: не брать ни квадрата, ни костяшки домино. Понимаете? В таком случае я вас поздравляю. У вас душа математика!

97

Слово «комбинаторный» образовано от существительного «комбинаторика» – названия раздела математики, предметом которого является подсчет вариантов в задачах, схожих с облицовкой прямоугольника. Слово «комбинаторика», в свою очередь, образовано от слова «комбинации».

98

Популярная в США телевикторина. Аналоги Jeopardy! выходят в разных странах; в России это – «Своя игра». – Прим. ред.

99

Число k может принимать значения от 1 до n + 1, но не больше, потому что иначе последняя костяшка домино высунется за пределы рамки.

100

Жак Бинe (1786–1856) – французский математик, механик и астроном. Формула для чисел Фибоначчи названа в честь Бине, хотя почти на сто лет раньше ее вывел Абрахам де Муавр (1667–1754). – Прим. пер.

101

Для читателей, не понаслышке знакомых с интегралами, приведу еще одну эстетически безупречную формулу: Она не слишком хороша для вычислений, но дьявольским образом позволяет находить факториал дробных чисел. Например, в соответствии с приведенной выше формулой

102

Такие числа называют треугольными, потому что они равны сумме объектов, расположенных в форме треугольника:

103

Вы можете проверить эти вычисления на калькуляторе за несколько секунд! Сложите все целые числа от 1 до 10, и вы получите 55.

104

Джеймс Стирлинг – шотландский математик XVIII века.

105

Скажем, в числе 0,053 первая значащая цифра 5. Когда мы говорим о первой значащей цифре, то подразумеваем первую цифру, отличную от нуля.

106

Если измерять рост в футах, почти все результаты будут начинаться с цифр 4, 5 или 6.

107

Я черпаю данные из «Справочника ЦРУ по странам мира». Он доступен в Сети по адресу https://www.cia.gov/library/publications/the-world-factbook.

108

Согласно актуальной версии справочника ЦРУ, в Китайской Народной Республике 1 379 302 771 граждан, в Республике Индия 1 281 935 911, в Республике Науру 9642 (все данные проверены в июле 2017). Наименьшее в мире количество граждан у Ватикана: 1000 человек (проверено в 2017 году). – Прим. пер.

109

Фрэнк Бенфорд (1883–1948) – американский инженер и физик, бо́льшую часть жизни работал в General Electric. – Прим. пер.

110

Саймон Ньюком (1835–1909) – американский астроном, математик и экономист. Работал в Морской академии в Вашингтоне и Военно-морской обсерватории США. Двоюродный прапрадед физика Уильяма Ньюкома (о парадоксе, названном его именем, пойдет речь в главе 23). – Прим. пер.

111

Мы приводим округленные значения. На самом деле ожидаемая частотность для 1 составляет 30,102999566398114…%. Скоро мы растолкуем, откуда берется это значение.

112

Обычно таблица умножения включает 10 строк и 10 столбцов, но умножение на 10 в нашем случае ничем не отличается от умножения на 1, поэтому один столбец мы выпускаем.

113

Можно наглядно увидеть трехмерную таблицу умножения на примере кубика Рубика. Некоторые варианты (например, 4 × 7 × 3 = 84) будут скрыты внутри кубика.

114

В десятимерной таблице умножения 9^10 произведений, то есть чуть меньше 3,5 миллиарда чисел.

115

От лат. mantissa – «прибавка». – Прим. пер.

116

Например, мантисса числа 0,0043 равна 4,3, потому что 0,0043 = 4,3 × 10–3.

117

Для читателей из стран, где стандартная единица измерения – метр, отмечу, что ярд немного меньше метра, а фут равен одной трети ярда.

118

Помните, что f(3) равно доле величин, мантисса которых меньше 3, а именно 1 или 2. Поэтому мы вычитаем долю измерений, начинающихся на 1.

119

Величина f(9) равна доле величин, мантисса которых меньше 9. Поэтому мы вычитаем долю величин, начинающихся на 1, 2, 3, 4 и 5.

120

Если мы переведем ярды в футы, то b = 3. Для других величин это число другое.

121

Нас ждет прокол, если ab >10 или ab < 1. Эта проблема поддается разрешению, но пока мы просто будем рассматривать только варианты, при которых 1 ≤ ab ≤ 10.

122

Этот раздел должен освежить ваши знания о десятичных логарифмах. Если вы знакомы с темой, можете листать дальше.

123

В оригинале десятичный логарифм обозначен log в соответствии с американской традицией пропускать нижний индекс «10», когда речь идет о десятичном логарифме. В русскоязычной литературе используется обозначение lg(x). – Прим. пер.

124

Возьмите калькулятор, посчитайте обе величины и убедитесь, что я не ошибся.

125

Слово алгоритм происходит от имени персидского математика Аль-Хорезми (IX в. н. э.).

126

Даже эту операцию можно разбить на еще более элементарные. Например, нужно решить, чью тетрадь положить первой – Алисы или Алекса. Я сравниваю первые буквы. Они совпадают. Тогда я сравниваю вторые буквы – они снова совпадают. Третья буква в имени Алисы – «и», третья буква в имени Алекса – «е». Следовательно, тетрадка Алекса должна идти первой.

127

Если мы вычислим среднестатистическое количество операций, то получим средний случай.

128

Описанную процедуру называют сортировкой пузырьковым методом. Диаграмма иллюстрирует один раунд алгоритма.

Обратите внимание: тетрадь A сместилась всего на одну позицию. Нам потребуется еще шесть раундов, чтобы она поднялась наверх.

129

Описанный метод называют сортировкой слиянием. Это хороший пример принципа «разделяй и властвуй»: сложная задача разбивается на несколько задач попроще, а затем решения объединяются.

130

Чарльз Понци – итальянский мошенник, создатель финансовой пирамиды в Бостоне в 1920 году. – Прим. пер.

131

Заметим, что пример не так прост, как кажется: первый раз слово «оскудение» обозначает состояние, а второй раз – процесс. – Прим. науч. ред.

132

Описание будет еще более точным, если мы формализуем процедуру соединения подмножеств, описанную выше.

133

Несколько простых примеров: НОД (10, 15) = 5; НОД (12, 16) = 4; НОД (13, 11) = 1; НОД (10, 20) = 10; НОД (17, 17) = 17.

134

Разложение на множители при поиске НОД (a, b) гораздо эффективнее, чем поиск делителей вплоть до меньшего из двух чисел a и b. Поиск простых множителей числа a потребует самое большее операций деления. Это значительное усовершенствование первоначального алгоритма, но в случае стозначных чисел даже наш новый метод становится уже чертовский сложной задачей.

135

Например, если a = 100 и b = 40, частное q = 2 и остаток c = 20. Иными словами, 100 – 2 × 40 = 20.

136

10 693 = 4 × 2220 + 1813.

137

2220 = 1 × 1813 + 407.

138

1813 = 4 × 407 + 185.

139

407 = 2 × 185 + 37.

140

В главе 6 мы познакомились с концепцией взаимно простых чисел. Вот альтернативное определение: число a взаимно простое с b, если НОД (a, b) = 1. Так как алгоритм Евклида позволяет эффективно вычислить НОД двух чисел, он также позволяет выяснить, являются ли два числа взаимно простыми.

141

Данный метод неэффективен, однако не безнадежен. Мы знаем, что 364 × 286 кратно тому и другому числу. Будем надеяться на то, что набредем на общее кратное поменьше.

142

Мы выведем эту формулу площади треугольника на основании того, что площадь прямоугольника со сторонами a и b равна a × b.

143

Вот другой способ вычислить площадь данного треугольника. Он расположен внутри прямоугольника площадью 8 × 12 = 96. Необходимо вычесть из того числа площади трех «лишних» прямоугольных треугольников. Посчитать их несложно. Площадь треугольника слева Площадь верхнего треугольника справа Площадь нижнего треугольника справа равна Общая площадь «лишних» треугольников 18 + 20 + 16 = 54. Вычитаем это число из площади прямоугольника и получаем искомую площадь нашего треугольника: 96 – 54 = 42.

144

Георг Пик (1859–1942) – австрийский математик, профессор Университета Карла-Фердинанда в Праге. – Прим. пер.

145

Как ни странно, некоторые из четырех центров могут лежать вне треугольника! Догадываетесь почему? Ответ – в конце главы.

146

Фрэнк Морли (1860–1937) – заведующий кафедрой в Университете Джонса Хопкинса в Балтиморе, главный редактор American Journal of Mathematics. Он доказал эту теорему в 1899 году, когда изучал свойства кривых, заданных кубическим уравнением. – Прим. пер.

147

Равнобедренным называют такой треугольник, где две стороны равны между собой.

148

Из теоремы Пифагора следует, что диагональ квадрата со стороной 1 равна √2. Дело в том, что диагональ квадрата рассекает его на два прямоугольных треугольника; длина их катетов равна 1, в то время как длина гипотенузы равна некоторой величине c. По теореме Пифагора c² = 1² + 1² = 2. Извлечение квадратного корня дает Об этом числе шла речь в главе 4.

149

Это доказательство было найдено Бхаскарой, индийским математиком XII века.

150

Джеймс Гарфилд (1831–1881) был самоучкой, преподавал в школах и вузе, занимался адвокатурой. Воевал на стороне северян, был видным деятелем Республиканской партии. Погиб от руки террориста через три месяца после вступления в должность президента. – Прим. пер.

151

Трапеция – это четырехугольник, в котором две стороны параллельны друг другу, а две другие – нет. Параллельные стороны называют основаниями трапеции. Площадь трапеции можно вычислить по формуле где b_1 и b_2 – длины оснований, а h – расстояние между ними. Обратите внимание, что трапеция в доказательстве Гарфилда – половина фигуры, разобранной в нашем первом доказательстве, образованная путем рассечения малого квадрата по диагонали.

152

Мы обсуждали комплексные числа в главе 5.

153

В русскоязычной литературе обычно используют термин «модуль». – Прим. пер.

154

Головоломка! Числа 1, –1, i и – i имеют абсолютную величину 1, но это не единственные в своем роде числа. Опишите геометрическим способом все комплексные числа с абсолютной величиной 1. Ответ – в конце главы.

155

Прямоугольный треугольник со сторонами 3, 4 и 5 был известен уже древним египтянам.

156

Если хотите, можете пока просто поверить мне на слово, что |z²| = |z|² для всех комплексных чисел. Вскоре вы увидите, как это доказать с помощью несложных алгебраических выкладок.

157

Комплексное число z = x + yi, где x и y – целые числа, называют гауссовым целым числом.

158

Эта история – священный миф математического сообщества, она пересказана во множестве книг и статей. Действительно ли Ферма нашел доказательство? Сомнительно. Более интересный вопрос: Ферма верил, что нашел доказательство, или разыгрывал читателей? Я предпочитаю второй вариант.

159

Сэр Эндрю Джон Уайлс (род. 1953) – британский и американский математик, профессор Оксфордского университета. – Прим. пер.

160

Математики различают окружность (линию) и круг (участок плоскости, ограниченный окружностью). (Точно так же различаются сфера (поверхность) и шар (область пространства, ограниченная сферой). – Прим. науч. ред.)

161

Теперь мы заполняем не поднос консервными банками, а большую коробку шарами одного радиуса. Пример наиболее плотной упаковки вы обнаружите в ближайшем супермаркете в отделе с фруктами, если увидите пирамиду апельсинов.

162

Точное соотношение равно

163

Томас Хэйлс (род. 1958) – профессор Питтсбургского университета. – Прим. пер.

164

Рене Декарт (1596–1650) – французский философ, математик, физик и физиолог, создатель аналитической геометрии и современной алгебраической символики. – Прим. пер.

165

Соответственно, когда кривизна стремится к бесконечности, окружность схлопывается в точку. – Прим. пер.

166

Фредерик Содди (1877–1956) – английский радиохимик, лауреат Нобелевской премии 1921 года «за вклад в химию радиоактивных веществ и за исследование происхождения и природы изотопов». – Прим. пер.

167

Блез Паскаль (1623–1662) – французский математик, физик и философ. – Прим. пер.

168

В общем виде теорема Паскаля формулируется так: если шестиугольник (выпуклый или самопересекающийся) вписан в окружность или любое другое коническое сечение (эллипс, параболу, гиперболу), точки пересечения трех пар противоположных сторон лежат на одной прямой. – Прим. пер.

169

Высота равностороннего треугольника со стороной 2 рассекает его на два прямоугольных треугольника с гипотенузой длиной 2 и катетом длиной 1. По теореме Пифагора мы можем вычислить длину оставшегося катета.

170

Стороны правильного семиугольника имеют равную длину, и углы также равны между собой.

Головоломка. Углы правильного семиугольника равны между собой. Но чему они равны? Подсказка: помните, что сумма углов треугольника равна 180°. Ответ – в конце главы.

171

Отрезки одинаковой длины или углы одинаковой величины называют конгруэнтными. Две фигуры конгруэнтны, если они совпадают при наложении друг на друга.

172

Древнегреческий философ Платон не был первооткрывателем этих пространственных фигур, однако подробно описал их в трактате «Тимей» (около 360 года до н. э.), где сказано, что образцом Вселенной для Демиурга послужил додекаэдр, стихия огня состоит из массы мельчайших тетраэдров, стихия земли – из кубов, стихия воздуха – из октаэдров, стихия воды – из икосаэдров. – Прим. пер.

173

Если вы сосредоточенно изучите таблицу в поисках взаимосвязей, то заметите, что параметры для куба и октаэдра симметричны: (8, 12, 6) и (6, 12, 8). Так же обстоит дело с додекаэдром и икосаэдром: (20, 30, 12) и (12, 30, 20). Эту перекличку называют дуальность.

Если вы расставите точки по центру каждой грани куба и затем соедините точки, образующие пространственные углы, получится новый многогранник внутри куба: октаэдр. И наоборот, если вы расставите точки по центру каждой грани октаэдра и соедините их между собой, получится куб. Та же дуальность связывает икосаэдр и додекаэдр.

174

В неявном виде (как тождество двух форм представления общей суммы углов всех граней) эта формула была доказана Декартом около 1630 г. Содержание утерянной статьи Декарта известно из копии, сделанной Лейбницем в 1676 г. и найденной среди его бумаг в 1860 г. Эйлер независимо открыл формулу в 1752 г. – Прим. науч. ред.

175

Рисунок расплющенного многогранника – хороший пример графа, или математической модели определенной сетевой структуры.

176

Архимедовыми телами называют выпуклые многогранники, все многогранные углы которых равны, а грани представляют собой правильные многоугольники нескольких типов. – Прим. пер.

177

Вацлав Серпинский (1882–1969) – польский математик, профессор Варшавского университета. Известен работами по теории множеств, теории чисел, теории функций, а также топологии. – Прим. пер.

178

Если говорить строго, мы вырезаем треугольник внутри, но не его границы; в конце концов не останется ничего, кроме этих линий.

179

Также известен под названием «салфетка Серпинского» и «решетка Серпинского». – Прим. пер.

180

Обратите внимание, что площадь равностороннего треугольника со стороной 1 не равна 1. Для удобства вычислений мы рассматриваем другой треугольник.

181

Напоминаю: с точки зрения математики окружность – одномерная кривая, а круг – двумерная фигура: часть плоскости внутри окружности и сама окружность.

182

Обратите внимание, что мы записали g как g^1. Это ничего не меняет, но служит неким предзнаменованием.

183

Ранее мы брали за основу равносторонний треугольник. Но он не помещается в квадрат. Поэтому будем рассматривать равнобедренный треугольник с основанием и высотой, равными 1. Принцип построения остается прежним.

184

Увеличение числа клеточек в три раза вытекает из самоподобия треугольника Серпинского. Посмотрите на квадрат с 16 клеточками. Легко заметить, что треугольник Серпинского захватывает 12 клеточек. Теперь посмотрите на следующий квадрат, но не спешите подсчитывать клеточки. Просто обратите внимание, что новый треугольник состоит из трех уменьшенных копий предыдущего. Каждая из них захватывает всё те же 12 клеточек. Общее число клеточек 36. Когда вы переведете взгляд на следующий квадрат, вы снова обнаружите три копии предыдущего треугольника. Очевидно, что они захватывают 108 клеточек.

185

Символ ~ означает примерное равенство, точность которого возрастает с ростом величины переменных.

186

Нильс Фабиан Хельге фон Кох (1870–1924) – шведский математик, специалист по теории чисел. Статья о снежинке Коха вышла в 1904 году. Это один из первых изученных фракталов. – Прим. пер.

187

Все здание современной математики покоится на концепции множеств – неупорядоченного набора объектов (см. главу 8).

188

На самом деле «Начала» Евклида открывает именно раздел определений основных объектов. Например: «точка есть то, что не имеет частей»; «линия – длина без ширины»; «поверхность есть то, что имеет только длину и ширину»; «плоская поверхность есть та, которая равно лежит на всех своих линиях». См.: Начала Евклида. Перевод с греческого и комментарии Д. Д. Мордухай-Болтовского при редакционном участии И. Н. Веселовского и М. Я. Выгодского. – М. – Л.: ГТТИ, 1949–1951. – Прим. пер.

189

Евклид определял прямой угол следующим образом: это один из углов, возникающих в том случае, если две прямые пересекаются и все четыре получившихся угла равны.

190

Прямые называют параллельными, если они не имеют точек пересечения. Мы использовали эту аксиому, когда доказывали, что сумма углов треугольника равна 180°.

191

Большинство математиков полагало, что замена постулата о параллельных прямых приведет к противоречию. Николай Лобачевский, математик из России, живший в XIX веке, показал, что предположение (B) ведет не к противоречию, а к геометрии нового типа, названной в его честь геометрией Лобачевского.

192

Таким образом, параллельных прямых в этой системе не существует: всякая пара прямых имеет точку пересечения. Это разительное отличие от евклидовой геометрии.

193

Система из семи точек и семи прямых называется плоскостью Фано.

194

Эту модель гиперболической плоскости называют диском Пуанкаре в честь французского математика Анри Пуанкаре (1854–1912).

195

Если мы возьмем другой масштаб евклидовой плоскости, она не изменится. Гиперболическая плоскость, напротив, преображается при смене масштаба. Число K зависит от него.

196

Разбиение плоскости на многоугольники в математики называют паркетом, мозаикой или замощением. Здесь мы обсуждаем замощение плоскости правильными n-угольниками.

197

Замощение гиперболической плоскости вдохновляло многих художников, среди них наиболее известен Мауриц Эшер.

198

Отношение называется транзитивным, если оно выполняется для пары (А, С) при условии, что выполняется для пар (А, В) и (В, С). Нетранзитивными называют отношения, не удовлетворяющие этому свойству. Например: волк ест козу, коза ест капусту, но волк не ест капусту. – Прим. пер.

199

Инди-культура (от англ. independent – «независимый») противопоставляет себя коммерческому мейнстриму. – Прим. пер.

200

Техасский холдем – одна из самых популярных разновидностей покера с двумя «карманными» (закрытыми) и пятью «общими» (открытыми) картами. Выигрывает наилучший набор из пяти карт, в котором игрок может использовать любые из пяти общих карт и двух своих. – Прим. пер.

201

Стрит (англ. straight – «порядок»): пять карт по порядку любых мастей. – Прим. пер.

202

Флэш (англ. flush – «масть»): пять любых карт одной масти. – Прим. пер.

203

Набор k элементов в произвольном порядке из n элементов в комбинаторике называют сочетанием из n по k и рассчитывают по формуле

В нашем случае

204

Предположим, вы попали в категорию людей, где 25 % поражены болезнью. Какова вероятность того, что вы заражены, если результат тестирования положительный? Ответ – в конце главы.

205

Этот раздел предназначен для тех, кто уже изучал теорию вероятностей и хочет освежить свои знания. Другие читатели могут листать до следующего раздела.

206

По особому случаю (лат.). – Прим. пер.

207

Томас Байес (1702–1761) – британский пресвитерианский священник, богослов и математик. – Прим. пер.

208

В фокусе нашего внимания только те функции, которые преобразуют числа в числа. В целом функции превращают любые математические объекты в любые математические объекты.

209

Отображение – просто синоним термина «функция».

210

Математики называют такие системы динамическими: нам дано начальное состояние и правило, по которому система меняется со временем.

211

Колеблется, пульсирует (от лат. oscillari – качаться). – Прим. пер.

212

Лотар Коллатц (1910–1990) – немецкий математик, специалист по теории аппроксимации. – Прим. пер.

213

Лотар Коллатц выдвинул эту гипотезу в 1937 году.

214

Более сложная система выборов подразумевает, что избиратели отмечают, насколько сильно они предпочитают одного кандидата другому.

215

Мы будем использовать термин «профиль предпочтений» для совокупности индивидуальных голосов.

216

Важно не смешивать метод принятия решения (например, правило большинства) со свойствами, которыми он обладает (например, нейтральность учета голосов). Разные методы могут обладать каким-то одним свойством, но отличаться другими. Мы высвечиваем разницу, используя полужирное начертание для обозначения метода и курсив для обозначения свойства.

217

Отмечу, что правило диктатора удовлетворяет требованию нейтральности учета кандидатов.

218

Вот формальное определение монотонности. Мы называем метод принятия решений монотонным, если перемена решения одного избирателя в пользу победителя не меняет итога выборов.

219

Правило диктатора, конечно, однозначное: оно никогда не заводит в тупик.

220

Кеннет Мэй (1915–1977) – американский математик, экономист и историк математики. Защитил диссертацию по математической теории трудоустройства. Придерживался коммунистических взглядов. – Прим. пер.

221

В терминологии Мэя – нейтральность, анонимность, положительный отклик и однозначность. – Прим. пер.

222

В этом разделе мы рассматриваем выборы, на которых может быть несколько победителей. Нет ничего необычного в том, что из длинного списка выбирают двух и более победителей. Распространенный пример – выборы в школьный совет.

223

Я максимально упрощаю ситуацию Можно себе представить, что избиратель симпатизирует A, равнодушен к B и C и полностью отвергает кандидатуру D. Так или иначе, мы рассчитываем, что избиратель все-таки ранжирует их. Математики рассматривают более сложные ситуации, но мы с вами ограничимся самой простой моделью.

224

Если в выборах участвуют k кандидатов, существует k! возможностей распределения приоритетов (см. главу 10).

225

Этот метод назван в честь Жана-Шарля де Борда, французского математика XVIII века. Подсчет по методу Борда в случае четырех кандидатов делается так: первый приоритет избирателя приносит кандидату 3 очка, второй – 2, третий – 1, четвертый – 0 очков. Количество очков в случае пяти кандидатов будет 4, 3, 2, 1 и 0 соответственно. Обратите внимание, что в случае двух кандидатов метод Борда ничем не отличается от правила большинства.

226

Кеннет Джозеф Эрроу (1921–2017) – американский экономист, лауреат Нобелевской премии по экономике за 1972 год «за новаторский вклад в общую теорию равновесия и теорию благосостояния». – Прим. пер.

227

Точнее, ни один метод не удовлетворяет одновременно четырем критериям: нейтральности учета избиртелей, нейтральности учета кандидатов, монотонности и независимости от посторонних альтернатив. – Прим. науч. ред.

228

Уильям Ньюком (? – 1999) – профессор теоретической физики Ливерморской национальной лаборатории Калифорнийского университета. Двоюродный праправнук астронома и математика Саймона Ньюкома, первооткрывателя закона Бенфорда (см. главу 14). – Прим. пер.

229

Эту головоломку придумал Уильям Ньюком. Впервые она была обнародована в научной статье Роберта Нозика. Широкая аудитория узнала о ней благодаря колонке Мартина Гарднера в журнале Scientific American.

230

Возможно, вы думаете, что 95 % – слишком высокий уровень предсказуемости. Ну и ладно, позже мы понизим оценку до 51 %, и вы увидите, что это нерезультативно. Поэтому, пожалуйста, примите 95 %.

231

Есть еще одно правило, которое я объясню чуть позже.

232

Если вам не нужны деньги, это чудесно, можете пожертвовать их на благотворительность! Но только не оставляйте их на столе.

233

Просто для справки: конечно же, вы обладаете свободой воли. Я не знаю, как вам могло прийти в голову, что это не так!

234

А теперь головоломка: найдите уровень точности предсказаний, при котором обе стратегии дают одинаковый средний выигрыш, и противоречие исчезает. Ответ – в конце главы.

235

На самом деле большинство компьютеров содержит генератор псевдослучайных чисел. Компьютерная программа генерирует случайные величины, но, разумеется, следует четкому алгоритму. В главе 21 рассказано, как детерминированные процессы могут приводить к непредсказуемым результатам.

Table of Contents

Эдвард Шейнерман Путеводитель для влюбленных в математику

Предисловие

Прелюдия: теорема и доказательство

Часть I Число

Глава 1 Простые числа

Глава 2 Двоичная система счисления[28]

Глава 3 0,99999999999…

Глава 4 √2

Глава 5 i

Глава 6 π

Глава 7 e

Глава 8 ∞

Глава 9 Числа Фибоначчи[95]

Глава 10 Факториал!

Глава 11 Закон Бенфорда

Глава 12 Алгоритм

Часть II Геометрические фигуры

Глава 13 Треугольники

Глава 14 Пифагор и ферма

Глава 15 Окружности

Глава 16 Платоновы тела

Глава 17 Фракталы

Глава 18 Гиперболическая геометрия

Часть III Неопределенность

Глава 19 Нетранзитивные игральные кости[198]

Глава 20 Вероятность в медицине

Глава 21 Хаос

Глава 22 Демократический выбор и теорема Эрроу

Глава 23 Парадокс Ньюкома

Что читать дальше?

Сноски

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82

83

84

85

86

87

88

89

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

120

121

122

123

124

125

126

127

128

129

130

131

132

133

134

135

136

137

138

139

140

141

142

143

144

145

146

147

148

149

150

151

152

153

154

155

156

157

158

159

160

161

162

163

164

165

166

167

168

169

170

171

172

173

174

175

176

177

178

179

180

181

182

183

184

185

186

187

188

189

190

191

192

193

194

195

196

197

198

199

200

201

202

203

204

205

206

207

208

209

210

211

212

213

214

215

216

217

218

219

220

221

222

223

224

225

226

227

228

229

230

231

232

233

234

235