«Творчество в математике. По каким правилам ведутся игры разума»

Творчество в математике. По каким правилам ведутся игры разума (fb2) - Творчество в математике. По каким правилам ведутся игры разума 2100K скачать: (fb2) - (epub) - (mobi) - Микель Альберти

Микель Альберти «Мир математики» № 20 «Творчество в математике По каким правилам ведутся игры разума»

Предисловие

Во время игры в шахматы новички и профессионалы следуют одним правилам, но умелый игрок создает комбинации, которые начинающему могут показаться невероятными. Научиться играть в шахматы может любой, но эта игра — не простое перемещение фигур по доске. Игра в шахматы — это творчество.

Несколько тысяч лет назад кому-то пришла в голову идея нанести на камень или кость метки. Каждая из них выражала какой-то мысленный объект. Форма этих меток не имела значения, важна была идея: мысленный объект и метка идентичны друг другу. Позднее разные метки и их группы получили свои названия. Это позволило различать эти группы и определять, какая из них больше, а какая — меньше. Число — несомненно, величайшее математическое творение и, пожалуй, величайшее творение человечества.

Другое великое математическое творение — это система получения математических результатов. Правильность всех выводов тщательно проверяется сообществом экспертов, любые найденные неточности устраняются. Итогом становится теорема — доказанное утверждение, которое может вывести любой, кто повторит рассуждения, приведенные их автором.

Традиционно математики придерживались негласного правила не демонстрировать свои ошибки и некорректные результаты. Опубликованные математические работы безупречны, и это тоже часть традиции. Когда ремесленники выставляют на всеобщее обозрение плоды своего труда, всем известно, что для их создания потребовалось много часов работы. Это обстоятельство делает произведение только ценнее: ни один шедевр не рождается мгновенно — требуется множество проб, ошибок, исправлений.

Иногда создается впечатление, что новые математические теоремы получаются путем сочетания других, уже известных. Заслуга их авторов в том, что они обладали достаточными способностями, чтобы правильно объединить нужные теоремы и применить правила логики. Однако сама по себе логика ничего не производит: нужно что-то, что заставило бы ее работать, и это «что-то» — результат интуиции, аналогий, проб и ошибок. Именно в том, чтобы заставить логику работать, и заключается математическое творчество.

Творить означает создавать что-то новое, ранее неизвестное, поэтому творчество тесно связано с обучением. Если исходить из предпосылки, согласно которой знать математику означает уметь заниматься ею, то основа математического творчества — умение задавать правильные вопросы и находить на них ответы. Именно так действуют профессиональные математики. Доказательство любой теоремы — не конечная цель, а связующее звено, которое заставляет задавать новые вопросы, помогает решать новые задачи и доказывать новые гипотезы. В том, чтобы уметь задавать новые вопросы, и заключается творчество.

Математическое творчество, о котором мы говорим, не является уделом профессионалов — творить математику может любой. Возможно, нечто, созданное математиком-любителем, не будет новым для знатока, но вызовет восторг открытия у его автора. Быть может, этот математик-любитель найдет вдохновение не в теоремах и задачах, а в чем-то из повседневной жизни, в том, что он увидел дома, на работе или в путешествии. Для этого достаточно посмотреть на математику и на окружающую действительность другими глазами.

Однако математическое творчество не всегда приносит радость. История знает примеры, когда математические творения становились причиной серьезных кризисов. Если мы считаем, что числа используются для подсчета вещей и что отношение между всем сущим во Вселенной можно выразить соотношением обычных чисел, как быть с корнем из двух? А с отрицательными числами? А с квадратным корнем из минус единицы? Творчество порождает монстров, которых нужно «приручить», и для этого требуется смена концепции. Мы смотрим на полотна Пикассо иначе, чем на картины Веласкеса. Мы слушаем Стравинского или Майлса Дейвиса иначе, чем Баха или Генделя.

В чем состоит загадка творчества? Существуют ли правила созидания?

Считается, что математик-творец находит ключ к решению задачи в моменты удивительного озарения. Можно было бы сказать, что истинный математик обладает неким даром, которого лишены другие и который помогает ему преодолевать трудности. В его голове что-то «щелкает», и мрак рассеивается. Как и в любых других областях, некоторые люди обладают большими способностями к математике, чем другие. Тем не менее цель автора этой книги — рассказать о правилах творчества и его свойствах и показать, что творчество доступно многим.

Вначале мы покажем, как некоторые величайшие математические творения вызывали крупные кризисы. Затем мы постараемся развеять миф о том, что найти решение задачи можно только в момент озарения, и покажем, что решать задачи можно научиться. Далее мы приведем несколько примеров того, какие источники вдохновения для математического творчества существуют вокруг нас, доказав тем самым, что «мы творим, когда задаемся вопросами о жизни». Этому аспекту математики мы посвятили целую главу, в которой рассказали, как автор расширял знания математики в ходе межкультурного взаимодействия. Эта глава иллюстрирует один из важнейших тезисов книги: культура и общество играют фундаментальную роль в математическом творчестве и в математике, которая является продуктом этого творчества.

В предпоследней главе мы посмотрим на предмет с другой стороны и перейдем от творчества в математике к математике в творчестве. Мы покажем, как математику понимают люди, занимающиеся разными видами творчества, в частности дизайном и рекламой. В завершение мы вкратце повторим все изложенное, чтобы выделить уникальные особенности математического творчества и сформулировать его основные правила.

Глава 1 Основы математического творчества

Согласно наиболее распространенной точке зрения, математика относится к точным наукам — именно так ее называют уже много лет в вузах большинства стран. Все обращают внимание на прилагательное «точная», забывая о том, к какому слову оно относится. Студенты, поступая в университет, чтобы изучать математику, изучают прежде всего «точное».

Такой была и остается парадигма математики: точность, корректность, полное отсутствие ошибок и неопределенностей, выбор между черным и белым без малейших оттенков: выбор между прямыми и кривыми, конечным и бесконечным, открытым и замкнутым, корректным и некорректным, хорошим и плохим. Этот выбор неизменно производится на четко определенном пути в соответствии с законами логики, которая применяется к таким же простым и универсальным принципам (по крайней мере, на первый взгляд), как и те, что лежат в основе самой жизни.

В основе этих рассуждений лежит труд тысячелетней давности, книга, превосходная как по форме, так и по содержанию, — «Начала» Евклида. Из основных утверждений, считающихся истинными (постулатов), выводятся новые, не столь очевидные утверждения (теоремы), которые, в свою очередь, могут служить основой других, еще менее очевидных. Совокупность полученных таким образом умозаключений составляет основу геометрии, правильность которой гарантируется законами логики. Все результаты получены не по прихоти их автора, а с помощью логических рассуждений, основанных на первоначальных постулатах.

До недавнего времени «Начала» Евклида служили моделью преподавания математики. Именно поэтому в соответствии с наиболее распространенной концепцией математика представляет собой идеально точную совокупность корректных умозаключений, связанных между собой неизменной последовательностью «аксиома — теорема — доказательство — следствие — упражнение». Такой была математика, так она преподавалась, так она изучалась и воспринималась.

Тем не менее можете ли вы поверить, что Евклид был настолько гениален, что создал «Начала» сразу, целиком, после того как определил постулаты геометрии?

* * *

ЕВКЛИД И ЕГО МЕТОД

О создателе крупнейшей математической парадигмы известно немногое. Он жил около 300 года до н. э. и учился в Александрии. Самой известной его работой, несомненно, являются «Начала», состоящие из тринадцати книг и содержащие более 400 утверждений, выведенных из пяти постулатов, пяти общих утверждений, или аксиом, и 132 определений. Ниже приведены примеры постулатов, аксиом и определений.

Определение 1: Точка есть то, что не имеет частей.

Определение 2: Линия же — длина без ширины.

Определение 3: Края же линии — точки.

Постулат 1: От всякой точки до всякой точки можно провести прямую.

Постулат 2: Ограниченную прямую можно непрерывно продолжать по прямой.

Постулат 3: Из всякого центра всяким раствором может быть описан круг.

Аксиома 1: Равные одному и тому же равны и между собой.

Аксиома 2: И если к равным прибавляются равные, то и целые будут равны[1].

Папирус с фрагментом предложения № 5 из книги II «Начал».

* * *

Неужели в его рассуждениях не было ни единой ошибки? Зачем ему потребовалось сопровождать свои рассуждения рисунками? Не описывают ли эти рисунки ситуации, не рассмотренные в постулатах? И действительно, уже в первой теореме Евклид считает истинным, что две дуги окружности пересекаются в точке, однако в каком из исходных постулатов это утверждается? Можно ли утверждать, что линии являются непрерывными? Не появятся ли на них промежутки, если мы рассмотрим их под микроскопом? С другой стороны, что именно рассматривал Евклид — отрезки или прямые?

Отрезки, прямые, треугольники, квадраты, круги… В математике царят столь совершенные фигуры, что, кажется, они не могут быть созданы человеком, а являются божественным творением либо существуют сами по себе, в идеальном и безупречном мире. Эту точку зрения, в которой явно прослеживается влияние идей Платона, разделяют практически все математики начиная с античных времен. Те же, кто считает иначе, пришли к своим убеждениям после длительных размышлений о сущности математики. Пифагорейцы полагали, что соотношениями чисел описаны законы всего сущего. Если совершенство было приближено к числу, то число было приближено к Богу. Круг — идеальная сущность, о свойствах которой говорят, что они «открыты». Можно сказать, что существует в некотором роде единый образ этой геометрической фигуры, общий для всех, и когда мы рассматриваем окружность, то открываем ее свойства и отношения с другими идеальными фигурами. Таково традиционное представление о математическом открытии, которое впоследствии было поставлено под сомнение.

Можно ли творить без помощи логики?

Логика — обязательный элемент математики. Именно логика — залог корректности математических выводов, строгий судья, определяющий их истинность или ложность. Однако математику нельзя свести исключительно к логике. Если бы теоремы можно было вывести с помощью формальных логических правил, с этой задачей вполне справился бы компьютер, выдав нам множество новых теорем. К сожалению, математики обычно публикуют окончательные и проверенные результаты своего труда, не позволяя нам увидеть путь, которым они шли.

Должно пройти много времени, прежде чем этот порядок вещей изменится. Математические блюда по-прежнему подаются на роскошной посуде и не содержат ни малейших изъянов. Мудрец-повар пробует свое блюдо снова и снова, пока не решит, что оно готово и его можно подавать. Он ищет ошибки и исправляет их, если находит. Если же в рецепт закралась неустранимая ошибка, такое блюдо немедленно отвергается и возвращается на кухню — именно там, а не в зале ресторана, вершится математика. Именно там готовятся аксиомы, теоремы и доказательства. Именно там совершаются ошибки, проверяются гипотезы и отвергаются идеи. Фартуки поваров покрываются грязными пятнами, а сами повара впадают в отчаяние, оттого что логика не идет на поводу у их интуиции. И тогда они тысячу раз проклинают свое ремесло, которое многие считают божественным.

Однако математическую кухню питает не только огонь логики: на ней не обойтись без интуиции, аналогий, экспериментов, гипотез, то есть без мысли. Так как все люди мыслят по-разному или руководствуются разными интересами, на размышления математиков и их деятельность влияют общество и культура. Почему одна теорема более ценна, чем другая? Почему все пытаются доказать одни теоремы и не уделяют внимания другим? С помощью логики можно сделать бесконечное множество тривиальных умозаключений, которые не представляют никакой ценности. Развитие математической мысли вызвано интересом людей к решению задач, теоретических и практических, полезных и бесполезных, а сами задачи могут отражать стремление к знаниям или рассматриваться как личный вызов.

Полнее и точнее всего этот аспект математики описан в классических научно-популярных книгах, в частности «Что такое математика?» американских авторов Рихарда Куранта и Герберта Роббинса (первое издание вышло в 1941 году, с тех пор книга неоднократно переиздавалась), в более поздней книге «Математический опыт» Филипа Дэвиса и Рубена Херша (1999) или в книге последнего «Что же такое математика на самом деле?» (1997). В этой книге Херш приводит простой и понятный пример: «Формулу 2 + 2 = 4 можно доказать как теорему в некоторой модели аксиом, однако ее сила и убедительность происходят из физической модели — например, ее правильность нетрудно подтвердить с помощью монет или камней». Более того, логика, используемая в формальном доказательстве, которое упоминает Херш, появилась значительно позже, чем подсчет камней. Курант и Роббинс, в свою очередь, подчеркивают важнейшую роль, которую играют в развитии математики эксперимент, интуиция и аналогия:

«…хотя принципа математической индукции совершенно достаточно для того, чтобы доказать эту формулу — раз она уже написана, однако доказательство не дает решительно никаких указаний, как прийти к самой этой формуле… Тот факт, что доказательство теоремы заключается в применении таких-то простых логических правил, не оказывает ни малейшего влияния на творческое начало в математике, роль которого — делать выбор из бесконечного множества появляющихся возможностей. Вопрос о том, как возникает гипотеза, — из той области, в которой нет никаких общих правил; здесь делают свое дело эксперимент, аналогия, конструктивная индукция».

Логика очень важна в математике, однако она не настолько тесно связана с открытиями и изобретениями, как может показаться. Логика не указывает путь и не подсказывает, как найти решение. Этот путь открывают эксперимент, аналогия и интуиция, а затем логика превращает эти нехоженые тропинки в широкую магистраль, по которой может проехать любой. Проиллюстрируем это на примере, рассмотрев известную геометрическую задачу, решенную благодаря счастливому озарению.

Счастливое озарение

Даны две точки Р и Q и отрезок s, как показано на рисунке. Мы хотим попасть из точки Р в точку Q, пройдя через некоторую точку на отрезке s. Какой точке отрезка s соответствует кратчайшая траектория?

Чтобы решить эту задачу, представим, что отрезок s — это зеркало. Построим отражение точки Q в этом зеркале и обозначим его Q'. Проведем отрезок, соединяющий Р и Q', который пересечет s в точке X.

Отрезок PQ' определяет кратчайший путь между Р и Q', а точка пересечения этого отрезка с отрезком s определяет положение точки X. Теперь осталось вновь использовать симметрию, отразить отрезок XQ' в зеркале s и увидеть, что длина отрезка XQ равна длине отрезка XQ'. Мы получили ломаную линию PXQ, длина которой равна длине отрезка PQ'.

Следовательно, кратчайший путь из точки Р в точку Q, проходящий через точку на отрезке s, будет лежать через точку X.

Как автору этого решения пришла в голову идея использовать симметрию? Как его только осенило? И такое удивление вызывает любая полезная идея, которая пришла не нам в голову. Тем не менее математическому творчеству и решению задач можно научиться, и наша книга — именно об этом.

Приведенное решение основано на том, что симметрия сохраняет расстояния, а отрезок является кратчайшей линией, соединяющей две данные точки. Теперь, когда вам уже известно решение этой задачи, оно может показаться тривиальным, однако тому, кто видит эту задачу впервые, его непросто найти, так что перед нами — яркий пример творчества.

Логика сама по себе не приводит к решению. Найти его можно благодаря проницательности, умению проводить дополнительные линии, не отмеченные на исходной иллюстрации, и связывать новые линии с различными элементами задачи. Логика предоставляет нам выбор из множества возможных действий, но не подсказывает, какое из них следует выбрать.

Способностью к математическому творчеству обладают не все, точно так же, как не все обладают способностями к искусству, музыке, архитектуре или науке. Однако многие часто объясняют счастливым озарением умение увидеть то, что не приводится в исходной формулировке задачи и что сложно себе представить.

Да, счастливые озарения существуют, но они не являются уделом гениев, и не все задачи решаются исключительно благодаря озарениям. Как вы увидите далее, эти озарения, равно как и поиск взаимосвязей между элементами задачи, — плод длительного и упорного труда. Как найти среди множества взаимосвязей между исходными данными те, которые приведут к решению? Именно в правильном выборе подобных «благоприятных возможностей» и заключается математическое творчество.

Социальные, культурные и гуманистические составляющие математики

В гуманистическом представлении математика рассматривается как исторический, социальный и культурный продукт. В самом деле, многие открытия в математике сделаны точно так же, как и в других науках. С помощью «предположений и опровержений», по словам Имре Лакатоса, математик прорубает дорогу в джунглях, обходит препятствия и постепенно, шаг за шагом, от одного контрпримера к другому, движется к формулировке теоремы. Математические теории доказываются с помощью безупречных логических рассуждений, которые остальному миру напоминают ровную и безопасную дорогу, ведущую прямо в пункт назначения.

Английский математик и философ науки венгерского происхождения Имре Лакатос.

Однако для строительства этой магистрали необходимы и другие, на первый взгляд незаметные, факторы, в частности эксперимент, интуиция и аналогия. Вновь процитируем слова Херша:

«Доказательство в реальной жизни, полностью или частично, является неформальным. Фрагмент формальной аргументации — вычисления — обретают смысл только как дополнение или подтверждение некоторого неформального рассуждения. Логический и формальный облик доказательства является предметом рассмотрения логики, а не математики реального мира…»

Математические знания создаются по итогам критической проверки результатов, представленных членами научного сообщества, однако истоки этих знаний лежат в практике и в ощущениях, подобных тем, что испытывает любой человек, взаимодействуя с окружающей средой. Такая «натуралистическая» точка зрения, как вы увидите на страницах этой книги, допускает возможность совершения математических открытий в сферах, никак не связанных с наукой.

Взгляд на математику как на продукт культуры, в котором, как и в любом другом продукте культуры, возможны неточности, а основы которого носят эмпирический характер, носит название «социальный конструктивизм». Эта точка зрения близка взглядам уже упомянутых нами авторов, в частности Лакатоса, Дэвиса и Херша.

Процитируем одного из наиболее выдающихся представителей этой школы, американца Пола Эрнеста:

«В общей сложности тезис социального конструктивизма заключается в том, что объективное математическое знание существует в социальном мире человеческих действий с его правилами и благодаря ему. В основе этого знания лежит субъективное математическое знание отдельных людей, которое непрерывно воссоздается. Так, субъективное знание воссоздает объективное, при этом последнее нельзя свести к первому».

В этом видении математики наука и образование идут рука об руку, а обучение математике определяется обществом и культурой. Историки математики упоминают о важных для развития этой науки цивилизациях древнего мира: это Древняя Месопотамия, Древний Египет, Древняя Греция, древняя Аравия, древняя Индия и древний Китай. Все это мертвые цивилизации.

Историки сходятся в том, что математика берет начало в глубокой древности, когда зарождался сам язык, когда еще не существовало ни западной культуры, ни цивилизации вообще. Если мы будем считать создание и распространение систем счисления началом математической деятельности человечества и, подобно выдающимся историкам науки, будем полагать, что системы счисления были созданы до того, как появилась письменность, то остается сделать последний вывод: математика зародилась не только за рамками нашей культуры, но и задолго до ее рождения.

Математики творят или совершают открытия?

Накопленные математические знания и наследие Платона заставляют думать, что математика представляет собой череду открытий, однако в этой науке не открывают — здесь создают. Процитируем испанского логика Жузепа Пла:

«…Математика, практически так же, как язык, является продуктом человеческого разума и обладает собственной жизненной силой, что заставляет думать, что она существует независимо от математических знаний и математического творчества. Позволю себе решительно заявить — эта точка зрения ошибочна».

Проиллюстрируем это представление на примере. Допустим, что животные собрались на водопой. Некий человек, посмотрев на них, опишет их множеством способов и сформулирует множество вопросов о них. Но эти описания и вопросы будут определяться его культурой. При этом математики-формалисты указывают, что на водопой собралось, например, семь животных, и их число не зависит от наблюдателя. Мы нашим примером хотим подчеркнуть, что число семь определяется нашей культурой, так как наблюдатель умеет считать, умеет различать «много» и «мало» и ему интересно, сколько же именно составляет «много», а сколько — «мало».

Однако человек, насчитавший семь животных, возможно, упустил из виду что-то, что находится у него перед глазами и доступно его чувствам, поскольку особенности его культуры не позволяют ему сформулировать вопросы об этом на своем языке.

Откуда мы знаем, что эти незаданные вопросы не относятся к сфере математики и не являются такими же важными, как вопрос о числе животных на водопое?

Поэтому разумно утверждать, вслед за Хершем и Эрнестом, что известная нам математика является продуктом человеческого общества и культуры. Следовательно, в разных культурах она будет отличаться. И это действительно так. Разве неевклидова геометрия, созданная в буржуазной Европе XVIII века, не отличается от древнегреческой геометрии Евклида, созданной 2500 лет назад?

Вся математика Евклида имеет конечный характер. В ней отсутствуют итеративные процессы и понятие предела. В этом контексте дифференциальное исчисление нельзя рассматривать как нечто относящееся к математике. Сегодня степень математической глобализации такова, что все возможные различия нивелировались.

Евклидова, проективная, сферическая, фрактальная геометрия, метод конечных элементов, рекуррентные формулы, использование простейших (линейка, циркуль) и сложных приспособлений (компьютерные программы) — все это и многое другое мы объединяем одним названием: «математика». Теперь все перечисленное выше образует единое целое, но раньше это было не так.

В ванной с Архимедом и Пуанкаре

По легенде, когда великий математик и мудрец Архимед принимал ванну, ему пришла в голову идея (озарение?), что объем тела, погруженного в воду, равен объему вытесненной им воды, и он воскликнул «Эврика!», то есть «Нашел!». Подобное счастливое озарение было и остается примером математического творчества. Однако это кажущаяся спонтанность. Другие великие математики, например француз Анри Пуанкаре, переживали похожие моменты и рассказывали о том, как и когда на них снизошло вдохновение.

Как в мозгу человека зарождаются удивительные идеи? В результате чего они возникают? Ответы на эти вопросы нужно искать не в математике, а в психологии.

В начале прошлого века Пуанкаре предложил описание того, как работает ум математика, и представил его Парижскому психологическому обществу. Он начал свой доклад с двух парадоксальных вопросов: «Как может кто-то не понимать математики вообще или с трудом понимать ее? Возможны ли в математике ошибки?»

* * *

АРХИМЕД ИЗ СИРАКУЗ (287–212 ГОДЫ ДО Н. Э.)

Он умер от рук римского солдата, который не знал о приказе консула Марцелла сохранить ученому жизнь. По легенде, солдат не пощадил изобретателя, который был погружен в математические размышления, в то время как в его доме орудовали римские воины. К наиболее важным открытиям Архимеда относятся: правило рычага, приближенное вычисление площади круга, решение задачи о трисекции угла, вычисление площади сегмента параболы и площади сферического сегмента, а также труд о шаре и цилиндре.

Профиль Архимеда изображен на медали Филдса, которая каждые четыре года вручается одному или нескольким математикам в возрасте до сорока лет. Филдсовская премия в математике считается аналогом Нобелевской премии.

* * *

Первый вопрос возникает, когда мы утверждаем, что в основе математики лежит логика с ее основополагающими и всеобщими принципами. Второй вопрос возникает, если мы считаем, что математик — это некий мудрец, который в своей работе руководствуется законами логики, и поэтому не может совершать ошибок. При этом некоторые люди прекрасно разбираются в бытовой логике, но при этом не способны понять математическое доказательство, состоящее из кратчайших логических рассуждений. А сам Пуанкаре признавался, что не мог складывать числа без ошибок!

Он же указывал: крайне важно, что математическое доказательство является не совокупностью силлогизмов, а их последовательностью, при этом порядок их расположения намного важнее, чем они сами. Если математик четко представляет себе этот порядок, ему не нужно бояться, что он забудет о каком-то из шагов доказательства. Однако способностью видеть связи, в том числе неявные, между на первый взгляд совершенно разными вещами, по-видимому, обладают не все. Именно эта способность, по мнению Пуанкаре, отличает тех, кто может творить математику, от тех, кто может изучать, понимать и применять ее.

Математическое творчество не заключается в комбинировании уже известных знаний — на это способен и компьютер, однако многие его комбинации не будут представлять никакого интереса. Для Пуанкаре творить значило выбирать полезные и очень редкие комбинации среди многочисленных бесполезных.

Пуанкаре делил творческий процесс на этапы. Он начинал с долгой и трудной работы над темой в течение нескольких недель. Затем какое-то необычное событие (например, выпитая чашка черного кофе) мешало ему заснуть, и его начинали одолевать идеи. Именно в этот момент отдельные идеи переплетались и соединялись в единое целое. Далее полученные результаты улучшались, после чего по аналогии к нему приходила новая идея. Затем начиналась новая фаза, во время которой ученый занимался чем-то далеким от математики (например, отправлялся на экскурсию), отвлекаясь от своих размышлений. И во время какого-то вполне обычного действия (например, когда он садился в автобус) Пуанкаре понимал ключевую взаимосвязь между элементами, которые казались не зависящими друг от друга (например, между фуксовыми функциями и неевклидовой геометрией). Вернувшись домой, он проверял правильность пришедшей к нему мысли.

Внезапное озарение, посетившее Пуанкаре, было результатом длительной сознательной и подсознательной умственной деятельности. И этот подсознательный труд, который порой оказывается более продуктивным, чем сознательный, по всей видимости, начинается только после того, как проведен определенный объем сознательной работы, как если бы мы оставили компьютер в спящем режиме или свернули окно одной программы и запустили другую. Однако программа, окно которой мы свернули, продолжает работу и выдает решение, о котором мы узнаем только тогда, когда открываем ее окно снова, щелкнув на него или закрыв все остальные программы. Пуанкаре особо выделял роль осознанного труда: даже если он казался безрезультатным, без него совершить открытие невозможно.

Нам неизвестно, какие умственные процессы привели Архимеда к его открытиям, но, возможно, он чувствовал нечто подобное. Те, кто занимался математикой на профессиональном или любительском уровне, наверняка понимают, что Пуанкаре имел в виду.

* * *

АНРИ ПУАНКАРЕ (1854–1912)

Этот знаменитый французский математик, помимо прочего, известен благодаря топологической гипотезе, носящей его имя, которую, по меньшей мере в общих чертах, доказал российский математик Григорий Перельман в 2002 году. Нить на двумерной поверхности сферы можно непрерывно сворачивать, пока она не обратится в точку. Гипотеза Пуанкаре гласит, что аналогичная ситуация возможна для сферы с трехмерной поверхностью, находящейся в четырехмерном пространстве.

На иллюстрации показана петля, затягивающаяся вокруг точки на поверхности сферы.

* * *

Именно так математическое творчество традиционно рассматривается в психологии. Однако следует выделить еще несколько моментов помимо тех, на которые нам указал великий француз. Один из них состоит в том, что умелый математик способен связать воедино вещи, которые кажутся совершенно разными. Пуанкаре уделял этому огромное внимание и даже говорил, что математик — это человек, дающий разным вещам одно наименование. Это умение важно не только в математическом творчестве, но и в творчестве вообще. Еще один момент, который тесно связан с предыдущим и который выделяют как Пуанкаре, так и Курант и Роббинс (1996), Пойа (1988) и Лакатос (1994), заключается в том, что в математическом творчестве важную роль играет аналогия.

Мы говорили, что основная составляющая математического творчества — аналогия. Более того, если вы хотите создать нечто новое в математике, мыслите аналогиями и отставьте логику в сторону. А что еще оказывает влияние на творческий процесс?

Психология творчества

В психологическом подходе к мыслительному процессу проводится различие между логическим и творческим мышлением: в психологии утверждается, что существует некая мыслительная деятельность, отличная от способности делать выводы на основе исходных утверждений и четко определенных правил. В чем же именно заключается творчество, результатом которого является нечто новое, оригинальное и ценное? Уже Платон устами Сократа сформулировал парадокс:

«Как собираешься ты искать нечто, природа чего тебе совершенно неизвестна? Что из неизвестного тебе нужно найти? И если волею случая ты найдешь это, как ты узнаешь, что это именно то, что ты ищешь, если тебе это неизвестно?»

Не следует отвергать возможность того, что найти нужное нам поможет случай. Внезапное озарение, о котором мы говорили выше, порой помогает установить нужную связь между совершенно разными идеями. Эта связь, которая помогает решить задачу, является той самой единственной из множества, о которой говорил Пуанкаре. Тем не менее что-то подсказывает, что идея возникает не по воле случая или, по меньшей мере, не только по воле случая.

Психологи выделяют четыре этапа творческого процесса.

1. Подготовка.

2. Замысел.

3. Озарение.

4. Подтверждение.

На первом этапе мы уточняем суть проблемы, собираем исходные данные, уточняем формулировку задачи и оцениваем возможные стратегии и взаимосвязи.

Второй этап, замысел, проходит подсознательно. В это время возникают неожиданные ассоциации, которые могут увести нас в сторону от привычных и общеизвестных путей. Именно здесь постепенно зарождается озарение, которое приходит спонтанно, подобно божественному откровению. Такие озарения испытывали Архимед, Пуанкаре или Дарвин, который во время прогулки на автомобиле понял, что ключом к задаче, над которой он размышлял, является естественный отбор.

Способность к творчеству означает гибкость ума, и многие психологи выделяют роль ассоциаций в творческом процессе. Суть творческого процесса заключается не в формировании ассоциаций, а в определении «критерия, позволяющего отличить тривиальные ассоциации от истинно пригодных». Психологи согласны с Пуанкаре.

По их мнению, творческая деятельность представляет собой особый способ решения задач, для которого характерна новизна, оригинальность и настойчивость. Более того, некоторые психологи считают, что эта новизна должна быть исключительной, никак не связанной с предыдущим опытом.

У творчества — неисчислимое множество свойств. Оригинальность и новизна всегда рассматриваются в историческом контексте — они никогда не являются абсолютными, в разные времена и в разных культурах их оценка меняется. Эта явная субъективность мешает определить четкий критерий оригинальности и изучить ее. «Логика, опыт и эксперимент, несомненно, являются основой творческого мышления. Однако творческие способности представляют собой нечто большее» (Матуссек, 1977).

Итак, мы обнаружили новые аспекты, связанные с творчеством: это логика, эксперимент и практика. Тот, кто творит, неустанно мыслит, а тот, кто не творит, останавливается на том, о чем только что размышлял, и довольствуется тем, что ему не нужно продолжать размышления. Ему сложно перейти от одного представления к другому. В мыслях того, кто творит, идеи легко переходят из одной области в другую, и он может одновременно рассматривать ситуацию с нескольких точек зрения, не выделяя какую-то из них. Способность создавать новые определения является фундаментальной для понимания вещей, поскольку лишь тогда, когда мы четко поняли некую идею, мы можем говорить об истинном знании. Многое, что было увидено, пережито и показано экспериментально, остается неизвестным, поскольку до сих пор не понято. Те, кто творит, могут проще сформулировать новые задачи на основе известных явлений и причинно-следственных связей и приступить к поискам решения.

Мы видим, как в размышлениях о творчестве появляется новый фактор — понимание, который применительно к математике может иметь первостепенную важность. Тот, кто не понимает задачу, не сможет решить ее, и, возможно, это неожиданное озарение, о котором мы говорили выше, возникает именно тогда, когда к нам приходит четкое понимание рассматриваемого события или явления. Таким образом, на смену выражениям «эврика!» и «я вижу» приходит новое, более глубокое: «я понимаю». Аналогия, эксперимент, практика, логика, понимание и постановка задач — это важнейшие компоненты эвристики — науки, изучающей неосознанное, творческое мышление.

Эвристика: плавильный котел математического творчества

Способность видеть нужные взаимосвязи можно развить. Для этого необходимо перебирать различные альтернативы, пробовать и ошибаться, возвращаться назад и идти другим путем, иными словами, экспериментировать. Так мы учимся выбирать подходящие пути и отклонять неподходящие, не проходя их все до единого. Это искусство изобретать, открывать пути решения математической задачи известно под названием «эвристика».

Наибольших успехов в ней достиг венгерский математик первой половины XX века Дьёрдь Пойа. «Да, математика имеет две стороны: с одной стороны, это точная наука Евклида, с другой стороны, это еще и нечто большее, — говорил он. — Математика, представленная в стиле Евклида, кажется систематической и дедуктивной наукой, однако математика как процесс больше напоминает экспериментальную, индуктивную науку. Оба ее аспекта столь же древние, как и сама математика». Именно это «нечто большее», как вы увидите далее, очень тесно связано с творчеством в математике. В книге «Как решать задачу» Пойа приводит четыре основных этапа решения математической задачи.

1. Понять задачу.

2. Составить план решения.

3. Осуществить план решения.

4. Оглянуться на полученное решение и проанализировать его.

Пойа различает задачи на доказательство и задачи на поиск решения. Задача, рассмотренная в предыдущем разделе, относится ко второму типу. В конце этой главы мы приведем пример эвристического решения задачи первого типа.

* * *

ДЬЁРДЬ ПОЙА (1887–1985)

Этот венгерский математик разработал основные приемы решения задач. Гипотеза Пойа, сформулированная в 1919 году, гласит, что большинство натуральных чисел, меньших любого заранее заданного числа, разлагаются на нечетное количество простых множителей. Эта гипотеза была опровергнута в 1958 году, однако минимальный контрпример был найден лишь в 1980-м: это число 906150257.

* * *

Творческий характер эвристического метода подчеркивали Дэвис и Херш: «Эвристический пример доказательства и опровержения, предложенный Лакатосом… может быть применен при создании новой математики» (Дэвис и Херш, 1989, стр. 216). Чтобы применить эвристический метод подобным образом, требуется смена точки зрения и немалая доля мужества — в том числе потому, что распространенное представление о математике не согласуется с тем, что представляет из себя математика на самом деле.

Рассмотрим в качестве примера одну из фундаментальных теорем геометрии на плоскости, которая гласит, что сумма углов треугольника равна развернутому углу. Иными словами, в любом треугольнике с углами А, В и С выполняется равенство A + В + С = 180°, где 180° — величина развернутого угла.

Совместим ли мы вершины всех трех углов треугольника в одной точке и проверим, равна ли их сумма развернутому углу, или пойдем путем эксперимента, вырезав ножницами три угла треугольника из бумаги и расположив их требуемым образом, — все эти действия доказывают не теорему, а лишь частный случай.

Наиболее известное доказательство этой теоремы основано на том, что через одну из вершин треугольника, например С, проводится прямая r, параллельная противоположной стороне треугольника. В результате построения образуются два внешних угла треугольника при вершине С. Обозначим их X и Y.

Так как прямая r параллельна стороне АВ, угол X равен углу А. Это же справедливо для углов В и Y. Однако очевидно, что три угла при вершине С образуют развернутый угол. Следовательно, 180° = X + C + Y = A + C + B, таким образом, сумма углов треугольника равна развернутому углу: А + В + С = 180°.

В основе этого доказательства лежит построение дополнительной линии, которая используется в дальнейших рассуждениях. Существует много способов построить дополнительные точки и линии, но для наших целей подходит только один. На решение задачи также влияет форма и положение построенного треугольника, то есть картина, которую мы видим своими глазами.

Те, кто не догадался, что через одну из вершин треугольника можно провести прямую, параллельную противоположной его стороне, могут взглянуть на доказательство с другой точки зрения. Для этого рассмотрим построение треугольника подробнее.

Построить треугольник означает провести замкнутую линию с тремя углами. Для этого мы ставим карандаш в точку Р на листе бумаги и проводим прямую линию, например вправо. Конец проведенного отрезка Q определяется изменением направления линии, которая еще раз сменит направление в третьей вершине треугольника, R. Далее мы соединяем третью вершину треугольника с исходной точкой Р.

Используем это построение в нашем доказательстве. Треугольник образуется построением трех отрезков. Началом второго отрезка является точка Q, где линия поворачивает на угол В. В точке R мы совершаем поворот на угол С, возвращаемся в исходную точку Р и в ней совершаем поворот на угол А, после чего полученное направление прямой совпадает с исходным направлением отрезка PQ.

Значит, в сумме мы совершили три поворота на общий угол в 360°:

A + В + С = 360°.

Однако каждый из этих углов является смежным к соответствующему внутреннему углу треугольника, то есть дополняет угол А, В и С соответственно до 180°.

Обозначив внутренние углы треугольника через α, β и γ, получим:

(180° — α) + (180° — β) + (180° — γ) = А + В + С = 360°.

540° — (α + β + γ) = 360°.

180° = α + β + γ.

Таким образом, сумма внутренних углов треугольника равна развернутому углу.

Это доказательство основано на способе построения исходной фигуры, для него не требуется ничего, кроме размышлений о ходе этого построения.

Эвристический метод Пойа и Лакатоса довольно точно описывает таинственный путь, который прошла математика за свою историю. Доказательство теоремы рождается в ходе рассмотрения возражений и контрпримеров, как локальных, так и глобальных, цель которых — не просто уточнить доказательство, но переформулировать условие задачи так, чтобы перейти к новым определениям и категориям. Итогом этого процесса является более точная или более общая формулировка и окончательное доказательство.

Творчество и обучение математике

Суть обучения математике в духе конструктивизма — показать, что мы можем решать задачи, используя уже известную информацию и, при необходимости, прибегнув к некоторой помощи со стороны. По сути, мы учимся математике, создавая ее.

Да, полученные нами знания не будут открытием мирового масштаба, но действовать при этом мы будем точно так же, как и профессиональные математики. И уж конечно, мы заслуживаем того, чтобы чувствовать себя такими же счастливыми, как они.

Но хотя каждый человек способен создавать математику, сложность заключается в необходимости быть внимательным. Учиться означает искать ответы, но чтобы искать ответы, нужны вопросы. Кто задает математические вопросы о том, что видит, слышит, делает или ощущает? Почти никто — в этом и заключается разница между математиками и всеми остальными. Однако постигнуть мир без помощи математики нельзя. Когда мы смотрим на него математическим взглядом, когда мы задаем вопросы и находим на них ответы, мы тоже учимся.

Нельзя определить, что происходит в мозгу в тот момент, когда в нем зарождается новая идея. Момент, когда мы испытываем счастливое озарение, всегда приходит неожиданно. Мы можем как-то повлиять лишь на два оставшихся этапа решения задачи.

Проверка полученного решения — достаточно рутинный процесс, в ходе которого мы подтверждаем, что результат, найденный в момент озарения, является правильным и удовлетворяет рассматриваемой задаче. Именно на этом этапе важнейшую роль играет логика: она позволяет с уверенностью сказать, что посетившее нас озарение привело к правильному решению.

Этап решения задачи, которому мы можем научиться, — это этап подготовки. В это время мы работаем осознанно и начинаем с формулировки и понимания сути проблемы. В идеале именно на этом этапе мы готовим почву для последующего озарения. Наш труд должен быть достаточно плодотворным, чтобы по прошествии некоторого времени состоялся акт творения. Но как именно нужно работать? Как подготовить почву для озарения?

Этапы творчества

Исследователи математики и науки в целом (Курант и Роббинс, 1996; Пойа, 1988; Дэвис и Херш, 1989; Лакатос, 1994) говорят об одних и тех же аспектах творчества: воображение, наблюдение, эксперимент, интуиция, аналогия, обобщение, рассуждение, стратегия, везение. Среди этих аспектов выделим шесть основных: наблюдение, интуиция, эксперимент, гипотеза, аналогия и подтверждение.

Далее мы попробуем рассмотреть простую задачу в этих аспектах и показать, как они помогают найти решение. Мы поговорим о квадратах натуральных чисел.

Наблюдение

Наблюдение зависит от наблюдателя. Наблюдая, мы можем распознать только то, что нам уже известно. Если мы хотим увидеть что-то неизвестное, нужно обращать внимание на все, что удивляет нас, и при этом два наблюдателя будут видеть одно и то же явление по-разному. Наблюдатель также обычно замечает изменения в привычной обстановке, но не может сказать, какие именно изменения произошли.

В любом случае и при любых обстоятельствах наблюдение — это не просто взгляд на вещи, это умственный процесс, итогом которого обычно является описание или объяснение увиденного.

В математике результатом наблюдений обычно являются закономерности. Какую закономерность можно увидеть, если взглянуть на квадраты первых натуральных чисел?

Взяв за основу ряд 1, 2, 3, 4, 5, …, мы создали ряд 1, 4, 9, 16, 23, … Какими особенностями обладает полученный ряд? Его члены не являются последовательными числами. Они кажутся случайными, однако были получены по определенному правилу.

Чтобы лучше понять полученное, снова обратим внимание на исходный ряд.

Почему мы говорим, что числа 1, 2, 3, 4, 3… являются последовательными? Потому что разница между каждым числом и соседним с ним всегда равна 1. Перенесем это наблюдение на второй ряд. Чему равны разности между его соседними членами?

Эврика! Разности между квадратами чисел — это нечетные числа: 1, 3, 5, 7, 9.

* * *

НАБЛЮДЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ

Наблюдение закономерностей в числовых рядах порой оказывается рискованным. На вопрос о том, каким будет следующее число в ряду 1, 2, 3, 4, 5, можно дать несколько ответов:

• следующим будет 6, так как исходный ряд — это последовательность натуральных чисел:

1, 2, 3, 4, 5, 6…

• следующим будет 1, так как в этом ряду повторяются первые пять чисел:

1, 2, 3, 4, 5, 1, 2, 3, 4, 5, 1, 2, 3, 4, 5, …

• следующим будет 8, так как в этом ряду чередуются нечетные числа и степени двойки:

1, 2, 3, 4, 5, 8… = 1, 21, 3, 22, 5, 23….

Словом, ответ на вопрос, как отмечал Витгенштейн, может быть любым, поскольку многоточия позволяют подставить на место следующего числа в ряду абсолютно любое число.

* * *

Интуиция

По результатам наблюдений можно интуитивно определить некое правило, которое можно будет подтвердить экспериментально.

Эксперимент

В число обязательных требований к эксперименту входят подконтрольность и воспроизводимость. В математике это легко исполнимо. Ничто не может помешать нам заново вычислить квадраты первых натуральных чисел.

Эксперимент подтверждает выявленную закономерность. Вычислив разницу между квадратами первых 13 натуральных чисел (включая 0), мы получили первые 12 нечетных чисел: 1, 3, 3, 7, 9, 11, 13, 13, 17, 19, 21, 23.

Гипотеза

Наша гипотеза заключается в том, что найденная закономерность выполняется для любой последовательности натуральных чисел. Здесь мы переходим от конечного к бесконечному, от частного к общему. Наша гипотеза будет формулироваться так:

Последовательностью разностей между квадратами натуральных чисел является последовательность нечетных чисел.

Но как мы можем подтвердить эту гипотезу? Невозможно ведь провести эксперимент на всем бесконечном множестве натуральных чисел.

Аналогия

С другой стороны, возникает вопрос: понимаем ли мы на самом деле природу наблюдаемого явления? Вычисления показывают, что результаты должны подчиняться некоторой закономерности. Но понимаем ли мы ее? Понимаем ли мы, почему разность между квадратами соседних чисел обязательно является нечетным числом?

Здесь мы не хотим подтвердить или доказать гипотезу — мы хотим понять ее. Числа и вычисления говорят с нами, но их язык — это язык логики. Мы принимаем результаты вычислений, однако, возможно, не до конца понимаем истинную причину того, почему результаты выглядят именно так, а не иначе.

Прояснить причины увиденного, возможно, поможет аналогия. Что, если мы отставим в сторону идею о числе и будем рассматривать лишь квадраты? Ничто не мешает нам рассматривать эти геометрические фигуры. По сути, вторая степень, возведение в квадрат, имеет аналогию в геометрии. Квадратные числа называются так потому, что их можно представить следующим образом:

В чем разница между двумя «последовательными» квадратами? Что нужно добавить к данному квадрату, например, 25 = 5·5, чтобы превратить его в следующий квадрат, 36 = 6·6? Посмотрим.

Следующий квадрат получается, если добавить к 25 две полосы длиной в 5 единиц и еще один единичный квадрат, который располагается в углу. Иными словами, 36 = 25 + 2·5 + 1. Аналогично можно показать:

62  = 36 = 25 + 2·5 + 1

52 = 25 = 16 + 2·4 + 1

42 = 16 = 9 + 2·3 + 1

З2 = 9 = 4 + 2·2 + 1

22 = 4 = 1 + 2·1 + 1.

Мы обнаружили ключ к задаче. Разности между соседними квадратными числами всегда нечетны, потому что для построения следующего полного квадрата к предыдущему нужно добавить единичный квадрат.

Подтверждение

Мы хотим окончательно доказать нашу гипотезу, не проводя экспериментов над всеми натуральными числами и не используя геометрическую аналогию. Эксперимент и аналогия помогают сформулировать теорему или понять явление, но не позволяют подтвердить правильность полученного результата для всех квадратов.

Вернемся к исходному наблюдению в поисках достаточно убедительных аргументов. В последней таблице в ряду исходных чисел и в ряду их квадратов четные и нечетные числа чередуются. Иными словами,

четное2 = четное;

нечетное2 = нечетное.

Разность между четным и нечетным числом всегда будет нечетной:

четное — нечетное = нечетное;

нечетное — четное = нечетное.

Можно сделать вывод: разность между последовательными квадратными числами всегда будет нечетной. Должны ли мы принять этот вывод как окончательный?

Несомненно, мы совершенно убеждены в его истинности. Но выполнено ли это доказательство по всем правилам? Многие считают, что алгебраическое доказательство — более убедительное и независимое, чем интуитивное.

Пусть n — произвольное натуральное число. Следующим за ним, по определению, является n + 1. Возведем оба этих числа в квадрат и вычислим их разность:

(n +1)2 — n2 = n2 + 2n + 1 — n2 = 2n + 1.

Число 2n + 1 всегда будет нечетным, так как 2n четное для любого n. Следовательно, разность между квадратами соседних чисел всегда будет нечетным числом. Более того, последовательность разностей будет представлять собой последовательность всех нечетных чисел вида 2n + 1.

Те, кто полагает, что эти рассуждения более убедительны и их можно с большей уверенностью принять в качестве окончательного доказательства нашей гипотезы, могут посмотреть на них еще раз и убедиться, что они тождественны геометрическим рассуждениям, приведенным выше. Привычное использование n для обозначения любого натурального числа как бы уводит нас в сторону от интуитивно понятного геометрического доказательства, которое раскрывает суть проблемы.

Тот факт, что разность между (n + 2)2 и n2 равна 2n + 1, доказывает истинность гипотезы, а геометрическое доказательство помогает понять это. О подобном говорил Херш: формулу 2 + 2 = 4 можно доказать, применив аксиоматику и правила формальной логики, однако истинная причина убедительности этой формулы в том, что ее можно подтвердить, просто переставляя камни. На следующей схеме вкратце описан путь, по которому мы должны идти в математическом творчестве к его конечной цели — объяснению явлений.

Логика не создает, но накладывает требования

Логика подчиняется аксиомам и правилам, созданным много лет назад. Основой ее является сам образ наших мыслей. Формалисты сводят математику к последовательностям символов, которые подчиняются законам логики. Однако философский взгляд на математику, о котором идет речь на страницах этой книги, состоит в ином.

Да, логика лежит в основе аргументации и проверки математических выводов, однако для совершения открытий одной логики недостаточно. Математическое творчество выходит за рамки логики. Примером этому является теорема:

Всякая степень двойки является четным числом.

Такие утверждения могут быть абсолютно логичными, но не будут содержать ничего нового ввиду своей очевидности. Их нельзя считать продуктом творчества.

Применение правил логики для получения новых истинных высказываний из уже известных — это не творчество. Это может сделать даже компьютер. Творчество подразумевает отбор или поиск значимых результатов. Оно отвечает на вопросы, возникающие в социальном и культурном контексте, который машина не способна учесть. Идеи и теории выдвигают не машины, а люди. Логика подобна сборочному конвейеру, запрограммированному на производство определенной машины. Но математика — нечто большее, чем промышленное производство. Более того, некоторые теоремы, созданные людьми, возможно, никогда не смогла бы получить машина.

Также не стоит забывать о том, что творчество означает ответственность. Всякое творчество имеет свои последствия, как, например, тогда, когда его стимулом является желание сохранить согласованность системы. Именно это произошло с правилом знаков:

— х — = +.

Это правило было установлено для того, чтобы сохранить согласованность умножения для целых отрицательных чисел, и возникло вследствие желания сохранить для таких чисел дистрибутивность умножения. Дистрибутивность операции означает, что для любых трех чисел а, b и с выполняется равенство:

а·(Ь + с) = а·b + а·с.

* * *

АЛГЕБРАИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ АРИФМЕТИЧЕСКИХ ДЕЙСТВИЙ

На множестве С, на котором определены две бинарные операции, обозначаемые знаками + и ·, эти операции обладают следующими свойствами:

• коммутативность: a + b = b + a;

a·b = b·a;

• ассоциативность: (a + b) + c = a + (b + c);

а·(Ь·с) = (а·Ь)·с;

• дистрибутивность операции · относительно +: а·(Ь + с) = a·Ь + а·с.

* * *

Таким образом, желательно, чтобы это равенство выполнялось и для a = —1, b = 1 и с = —1:

— 1·(1–1) = -1·1 + (-1)·(-1) = -1 + (-1)·(-1);

— 1·(1–1) = -1·0 = 0.

Следовательно, должно выполняться равенство

— 1 + (-1)·(-1) = 0 => (-1)·(-1) = + 1.

Математики долгое время не могли понять, что правило знаков наряду с другими определениями, описывающими целые и дробные числа, нельзя доказать. Мы создаем эти правила и определения, чтобы получить свободу действий при соблюдении фундаментальных законов арифметики. Мы соглашаемся с Курантом и Роббинсом, которые утверждают, что единственное, что можно (и следует) доказать, — это то, что эти правила и определения сохраняют свойства коммутативности, ассоциативности и дистрибутивности.

Поэтому логика приводит к удивительным результатам, с которыми порой непросто согласиться. Принимая правило, согласно которому «минус на минус дает плюс», мы соглашаемся не только с логикой, но и сами с собой, поскольку законы логики являются продуктом нашего мышления. Логичным будет принять последствия нашего решения, даже если они нам не нравятся или кажутся необычными.

Математики, например, могли отвергнуть отрицательные числа и сказать, что они мешают развитию знания. Отрицательные числа можно было счесть признаком безумия и доказательством нелогичности исходных предпосылок. Однако математики взяли на себя ответственность и расширили множество чисел, сохранив его согласованность и продвинув науку вперед.

Курант и Роббинс отдельно подчеркивают творческий аспект этого решения.

Принять необычные выводы, полученные на основе известных свойств и теорем, и ввести новые элементы и понятия — это типичный и распространенный пример математического творчества. Полученные результаты выглядят все более необычными, особенно если они противоречат устоявшимся представлениям или отстоят слишком далеко от элементарной математики, пригодной для того, чтобы считать камни на дне ручья.

Математические переживания

Заниматься математикой означает испытывать математические переживания. Для этого нужно стремиться понимать мир и объяснять его определенным образом, с математической точки зрения, в которой окружающее поддается количественной оценке.

Об этом не говорится в эвристике Пойа, так как математические задачи порой могут выходить за рамки чисто академической среды, к которой принадлежит традиционная эвристика.

Цель математических вопросов, связанных с пережитым или испытанным, как внутри нашей научной и культурной среды, так и вне ее, — понять реальность и социальную, культурную или технологическую среду, в которой мы живем. Этот процесс является в высшей степени творческим, и к этой теме мы вернемся в главе 3.

Глава 2 Большие идеи для решения больших задач

Многие великие математические творения связаны с серьезными изменениями в развитии математики. Иногда очередное открытие или новая теорема помогали решить проблему, а иногда — противоречили общепринятой точке зрения. Некоторые величайшие математические творения стали настоящим вызовом разуму. То, что до определенного момента считалось иррациональным и бессмысленным, начинало использоваться для решения практических задач, чего раньше нельзя было и представить. Наиболее интересным примером, возможно, являются комплексные числа: как квадрат некоторого числа может быть отрицательным числом? И какой смысл имеют подобные числа?

Некоторые исследователи уверены, что математика развивается линейно. Однако эта точка зрения небесспорна. Линейное развитие математики, возможно, является лишь кажущимся, лишь следствием, подобно аксиомам и теоремам, которые представляют собой видимый итог длительных размышлений.

Счет

Счет состоит в определении числа элементов, образующих некоторую группу. Оценить число элементов в малых группах можно на глаз — чтобы увидеть, что группы из двух, трех или четырех элементов отличаются между собой, счета не требуется.

Однако различить группы, состоящие из более чем четырех или пяти элементов, уже не так просто. В этом случае счет необходим.

К первым разновидностям счета относятся попытки сопоставить числа с различными частями человеческого тела. Племена, обитающие на разных материках, использовали и до сих пор используют части тела для определения числа элементов множества (на языке математики это число называется мощностью множества).

Стадо или мешок рисовых зерен — это конечные множества. Натуральные числа также образуют множество, однако оно является бесконечным. Различить два конечных множества нетрудно: достаточно подсчитать число их элементов. Разница между множествами будет заключаться в том, что их мощность будет описываться разными числами. Далее вы увидите, что в случае с бесконечными множествами все обстоит совершенно иначе.

Подсчет имеет смысл, когда речь идет о конечных величинах. При этом мы избавляемся от отсылок к осязаемым предметам и сопоставляем каждой величине некий символ (устный или письменный). В отличие от счета на пальцах каждый символ сам по себе обозначает определенную величину. Такими символами являются цифры 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 0, которыми мы обозначаем базовые величины.

Важным шагом стало определение основания системы счисления. Подсчет большого количества предметов, при котором для каждой отдельной величины используется свое обозначение, не просто трудоемок, но практически невозможен, так как рано или поздно все обозначения закончатся. Кроме того, наша память также имеет пределы. С изобретением позиционной системы счисления по некоторому основанию счет перестал быть чем-то экстраординарным. В позиционной системе счисления по основанию 10, которую используем мы, для представления любого числа, сколь бы велико оно ни было, применяется всего десять символов. Слова, которыми мы обозначаем числа, определяются этой системой счисления, и этих слов совсем немного. Отдельными словами обозначаются числа 0, 1, 2, 10, 20, 30, … а также 100, 1000, 1000000. Названия всех остальных чисел составляются из этих же слов.

* * *

СЧЕТ

Системы счета существовали во всех культурах. В большинстве из них определенным числам соответствуют части тела — это так называемый телесный счет. В 1992 году исследователь Глен Гин выделил свыше пятисот различных систем счета, которые бытовали на острове Новая Гвинея. На карте обозначены регионы, в которых используется телесный счет.

ТЕЛЕСНЫЙ СЧЕТ

Пример телесного счета аборигенов Торресова пролива, отделяющего Австралию от Новой Гвинеи, согласно Джорджу Ифра (1994). Обратите внимание на асимметричность счета относительно тела человека. При счете конечности и пальцы рук и ног обходятся по кругу.

* * *

При этом на практике обычно используются приемы и приспособления, упрощающие счет и позволяющие избежать ошибок. Риск ошибиться при счете тем больше, чем больше величина, поэтому мы обычно считаем парами, пятерками или десятками.

Почему нам удобнее считать парами, а не тройками или семерками? Для счета парами достаточно повторять последовательность 2, 4, 6, 8, 10, добавляя на каждом этапе единицу слева, то есть прибавляя десяток.

Нет смысла считать четверками или восьмерками, так как, хотя 4 и 8 кратны двум, полученная последовательность чисел будет менее упорядоченной. Кроме того, десяток будет последовательно добавляться через два или три числа:

4, 8, 12, 16, 20, 24, 28, 32, 36, 40, 44, 48, 32, 36….

8, 16, 24, 32, 40, 48, 56, 64, 72, 80, 88, 96, 104….

Подсчет по 3, 7 или 9 еще неудобнее. Полученные последовательности чисел повторяются реже и их сложнее удержать в памяти:

3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 42….

7, 14, 21, 28, 35, 42, 49, 56, 70, 77, 84, 91, 98….

9, 18, 27, 36, 45, 54, 63, 72, 81, 90, 99, 108, 117….

Подсчет по 6 столь же непривычен, как и подсчет по 3, так как последовательность цифр в первом разряде запомнить неудобно:

6, 12,18, 24, 30, 36, 42, 48, 54, 60, 66, 72, 78, 84….

Считать по 5 или по 10, напротив, очень удобно:

5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55….

10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90,100….

Однако такой подсчет обычно производится после того, как элементы, которые требуется подсчитать, разделены на группы по пять или по десять. При счете пятерками единица в левый разряд добавляется в конце каждого цикла (состоящего из 0 и 5). Счет десятками эквивалентен обычному счету, с той лишь разницей, что в первом разряде дописывается ноль.

При подсчете больших величин лучше всего записывать их в форме прямоугольника. В результате мы сможем найти ответ с помощью умножения, не пересчитывая все элементы по отдельности.

Этот принцип лежит в основе системы умножения майя. Чтобы умножить 312 на 34, майя использовали отдельные группы параллельных прямых, которыми обозначались сотни, десятки и единицы каждого числа. Линии второго числа располагались так, что они пересекали все линии в записи первого числа, после чего подсчитывалось число пересечений. Это наглядный способ записи обычного умножения столбиком:

Однако такой способ неудобен для перемножения больших чисел, так как в этом случае пересечений будет слишком много.

Но как быть, если мы хотим подсчитать бесконечные величины? Все мы используем слово «бесконечность» в обычной жизни для обозначения чего-то огромного, неизмеримого, необъятного. В противоположность обычной точке зрения существует не одна бесконечность: в математике различают по меньшей мере два вида бесконечности. К первому типу относится бесконечное число натуральных чисел, которые мы используем при счете: 1, 2, 3, 4, … Ко второму типу относится неисчислимая бесконечность, описывающая число точек на отрезке.

Бесконечность таит немало парадоксов. Например, сложно поверить, что множество натуральных чисел обладает такой же мощностью (числом элементов), что и его часть — множество четных чисел. Как это возможно, ведь натуральных чисел в два раза больше, чем четных? Их действительно в два раза больше, однако нечто, что в два раза больше бесконечности, также равно бесконечности.

Мы избавимся от всех сомнений, если четко оговорим, что следует понимать под бесконечным множеством. Говорят, что множество является счетным, то есть его элементы можно сосчитать, если элементам этого множества можно поставить в соответствие натуральные числа. Становится очевидным, что четные числа можно сосчитать и что установленное соответствие между четными и натуральными числами определяет мощность множества четных чисел:

Возможно, еще более удивительным вам покажется то, что множество рациональных чисел обладает той же мощностью, что и множество натуральных чисел.

Чтобы подсчитать рациональные числа, нужно представить их в виде дробей, расположить их определенным образом и установить порядок подсчета:

Мощность множества натуральных чисел равна «элементарной» бесконечности и обозначается символом  (алеф ноль). Символом  обозначается мощность бесконечного множества чисел, которое, в отличие от предыдущего, не является счетным, то есть его элементы нельзя подсчитать с помощью множества целых чисел.

Иными словами, элементам этого множества нельзя поставить в соответствие натуральные числа. Бесконечность этого множества имеет иную природу.

Простейший пример множества чисел, которое не является счетным, — это множество вещественных чисел, заключенных между 0 и 1 (к нему относятся иррациональные числа, которые нельзя представить как частное двух целых, например √2). Удивительное доказательство этого принадлежит великому Георгу Кантору.

Итак, допустим, что мы подсчитали все вещественные числа, заключенные между 0 и 1. Тогда мы можем упорядочить их следующим образом:

1 0,037563856636663…

2 0,919688568847383…

3 0,155382300008691…

4 0,000000033433002…

5 0,999995885994382…

6 0,101001000100001…

7 0,774647746477464…

…

Мы можем записать вещественное число вида 0, … не представленное в этом списке. Составить его можно так: если первый знак первого числа в списке равен 1, мы запишем 0, в противном случае — 1. Согласно этому правилу и с учетом вышеприведенных чисел наше новое число будет начинаться с 0,1…

Применим это же правило ко второму знаку второго числа в списке. Если он равен 1, мы запишем 0, в противном случае — 1. В записи нашего числа уже два знака: 0,10…

Повторим эти же рассуждения для следующих знаков числа. Для вышеприведенного списка наше число будет записываться так:

Ψ = 0,1011101…

Это число будет отличаться от всех присутствующих в списке как минимум одним знаком. Следовательно, этого числа в списке нет. По сути, найти его нам поможет сам список. Следовательно, составить исчерпывающий список невозможно, и вещественные числа в интервале от 0 до 1 сосчитать нельзя.

Доказательство Кантора показывает, что бесконечное множество вещественных чисел имеет иную природу, чем бесконечное множество натуральных, и это приводит к нескольким парадоксам. Например, несмотря на то что длина вещественной прямой и длина окружности произвольного радиуса отличаются, они содержат одинаковое число точек. Это может показаться бессмысленным, однако составим простую схему: если мы проведем из центра окружности все возможные лучи, которые пересекут окружность, то установим взаимно однозначное соответствие между точками полуокружности (X, Y, Z, …) и точками вещественной прямой (X', Y', Z', …).

Степени с не очень «натуральным» показателем

Все мы рассматриваем новые идеи через призму своего культурного опыта, и чтобы усвоить что-то новое, требуется взглянуть на уже известное под другим углом. Обучаясь, человек может обнаружить, что его рассуждения и рассуждения, приводимые в учебнике, вступают в конфликт друг с другом. Так происходит при изучении степеней, показатели которых являются отрицательными числами, десятичными дробями или иррациональными числами — их сложно понять в рамках классического подхода, где рассматриваются, например, операции умножения или деления.

Возвести число в степень означает умножить его на само себя столько раз, сколько указывает показатель степени:

34 = 3·3·3·3

При перемножении степеней их показатели складываются, при делении — вычитаются:

23·25  = (2·2·2)·(2·2·2·2·2) = 28.

Однако если мы разделим друг на друга степени с одинаковым показателем, например, 23 на 23, то получим удивительный результат. С одной стороны, он будет равен 1, так как 8/8 = 1. Но в соответствии с правилом показатели степеней должны вычитаться:

Это означает, что приведенный выше результат возможен только в том случае, если 20 = 1. Но почему число, умноженное само на себя ноль раз, равно 1? И это не все. Если при делении степеней показатель в знаменателе больше, чем в числителе, то мы получим степень с отрицательным показателем:

Изначально возведение числа в степень означало умножение этого числа на само себя несколько раз. Затем в математике появились операции и выражения, противоречащие этой точке зрения. Возвести число в отрицательную степень означает разделить единицу на число, умноженное само на себя столько раз, сколько указывает показатель степени. Логично ли это? Имеет ли это смысл? Да, это логично, но смысл этой операции нужно изменить. Нужно изменить понятие показателя степени как числа, означающего число сомножителей в произведении. Кроме того, степень с отрицательным показателем — то же самое, что степень с положительным показателем в знаменателе дроби. Таким образом:

Подобным же образом описываются степени с дробными показателями. Если квадратный корень числа возвести в квадрат, то результатом будет исходное число:

(√a)2 = a

Какой показатель степени будет соответствовать квадратному корню из а?

Почему бы теперь нам не определить смысл следующих выражений:

2π, 2√2

Их смысл определяется тем, что всякое иррациональное число (то есть число, которое нельзя представить в виде частного двух целых) является пределом последовательности рациональных чисел, как, например, квадратный корень из 2 и число π:

1; 1,4; 1,41; 1,411; 1,4142; 1,41421, … √2

3; 3,1; 3,14; 3,141; 3,1415; 3,14159, … π.

Так как мы знаем, что означает возведение числа в рациональную степень, мы можем определить степень с иррациональным показателем:

2√2 = предел {21; 21,4; 21,41; 21,414; 2,14142; …}.

Обратите внимание, насколько далеко мы отошли от исходного определения степени! Перед нами — удивительные результаты математического творчества: на основе элементарных операций мы создали новые операции и наделили их значением. Их смысл противоречит нашим прошлым знаниям, однако подчиняется логике, и эти новые операции образуют часть согласованной системы. Изначально показатель степени мог быть только натуральным числом. Однако теперь степень с натуральным показателем рассматривается всего лишь как частный случай более широкого понятия: показатель степени может быть отрицательным, дробным и даже иррациональным.

Чтобы принять результат творчества, необходимо сменить угол зрения. Теперь уже не следует рассматривать степень как умножение числа само на себя столько раз, сколько указывает показатель степени, так как нет никакого смысла умножать число само на себя —0,12 раза или 71 раз. Исходная точка зрения послужила своеобразным трамплином к новому, более широкому и общему понятию, частным случаем которого она является. Творчество изменило нас.

От площади прямоугольника к площади произвольной фигуры

Отрезок и треугольник — две базовые фигуры математики и всего человеческого знания в целом. Отрезок имеет единственную характеристику — длину. По сути, так как не существует никакого осязаемого объекта, который представлял бы собой отрезок, можно сказать, что отрезок «состоит» из длины. А вот треугольник, кроме длины (периметра), имеет еще и площадь — меру пространства, ограниченную тремя его сторонами.

Вычисление площадей с древнейших времен было одной из важных задач. В наиболее популярной легенде о происхождении математики говорится, что она зародилась в долине Нила, и причиной ее возникновения стала необходимость измерять площадь земли, затапливаемой во время разливов реки.

Для данного прямоугольника со сторонами а и b площадь S поверхности, ограниченной его сторонами, определяется как произведение его длины на ширину: S = а·Ь. Так как всякий треугольник является половиной некоторого прямоугольника, его площадь равна половине площади этого прямоугольника. Как можно видеть на следующем рисунке, площадь треугольника АВС равна половине площади прямоугольника APQC, основанием которого является сторона АС треугольника, а ширина равна высоте A, опущенной на основание АС:

Следовательно, площадь треугольника равна половине произведения его основания на высоту:

S = (1/2)·A·C·h

Любую плоскую фигуру можно разбить на несколько треугольников. Вычисление площади фигуры равносильно вычислению суммы площадей составляющих ее треугольников. Но как быть в случае, если фигура ограничена не прямолинейными, а криволинейными отрезками?

Простейшей криволинейной фигурой является круг. Задача о вычислении площади круга очень древняя, а задача о построении квадрата, площадь которого равна площади данного круга, с помощью циркуля и линейки — одна из трех классических задач геометрии.

Каково соотношение между площадью круга и площадью квадрата? В первом приближении площадь круга радиуса r можно оценить площадями вписанного и описанного квадрата:

Площадь круга Sс заключена между площадью квадрата с диагональю 2r и площадью квадрата со стороной 2r. Среднее значение этих двух площадей и будет первым приближенным значением площади круга S:

Сегодня нам известно, что этот результат не соответствует действительности, так как площадь круга равняется не 3r2, а πr2. Тем не менее в Древнем Египте соотношение между длиной окружности и ее диаметром принималось равным 3, хотя нетрудно видеть, что если окружность радиуса r совершит полный поворот, пройденная ею длина будет больше, чем ее утроенный диаметр. Однако сейчас нас интересует не поиск точного значения π, а переход от площади прямоугольника или треугольника к площади круга.

Можно построить вписанный и описанный равносторонний треугольник для данного круга, однако в этом случае задача только усложнится, а полученный результат будет не точнее предыдущего. Продолжив аналогичные рассуждения, придем к выводу, что если мы построим для данного круга вписанные и описанные многоугольники с большим числом сторон, то сможем вычислить его площадь с большей точностью. Результат будет тем точнее, чем больше сторон будет у этих многоугольников.

В пределе (если такая ситуация вообще возможна) мы получим два многоугольника с бесконечным числом сторон, площади которых будут равны площади круга.

Следовательно, достаточно рассматривать либо вписанные, либо описанные многоугольники, так как в пределе они совпадут.

Именно так рассуждал Архимед. Вместо того чтобы рассмотреть многоугольник с п сторонами, он начал с правильного шестиугольника и последовательно удваивал число его сторон. Он дошел до многоугольника с 96 сторонами и вычислил приближенное значение числа π и площади круга с очень хорошей точностью:

Но заслуга Архимеда состоит не в том, что он провел такие трудоемкие расчеты. Во-первых, он показал, что большую часть вычислений можно опустить, если на данном этапе известны периметры и площади вписанного и описанного многоугольника — периметры и площади соответствующих многоугольников на следующем этапе можно вычислить как среднее гармоническое и среднее геометрическое.

Во-вторых, он разработал итеративный метод, на каждом шаге которого полученный результат был точнее, чем на предыдущем. Архимед открыл путь, ведущий к бесконечности. Пройти по этому пути до конца невозможно, но вполне возможно вычислить, что ждет нас в конце.

* * *

АРХИМЕД В XXI ВЕКЕ

С помощью тригонометрии и современных технологий можно повторить вычисления Архимеда, используя рекурсивный метод, в котором применяются правильные многоугольники с числом сторон, равным 2n. Площадь 2n-угольника, вписанного в окружность единичного радиуса, равна:

Тригонометрия помогает увидеть, что закон, которому подчиняются площади многоугольников, определяется синусами углов вида π/(2n). Этот закон позволяет найти площадь круга Sc:

Компьютер способен вычислить площадь многоугольника с 1024·210 сторонами по предыдущей формуле и показать, что результат близок к ожидаемому: S1024 = 3,1415923…

* * *

Круг — простейшая из криволинейных фигур. Как же вычислить площадь любой другой фигуры? Зная формулу, которая описывает часть кривой, ограничивающей фигуру, математики могут найти площадь этой фигуры с помощью метода, схожего с методом Архимеда. Допустим, что мы хотим найти площадь фигуры, ограниченной осью абсцисс и кривой у = х3 между началом координат (0,0) и точкой (1,0).

Эта фигура на иллюстрации выделена серым цветом:

Первым приближением искомой площади будет площадь прямоугольного треугольника с вершинами в точках (0,0), (1,0) и (1,1), равная 1/2. Однако это значение чрезвычайно далеко от истинного.

Метод, о котором мы расскажем далее, называется методом исчерпывания. Архимед использовал его более 2000 лет назад для вычисления площади, ограниченной участком параболы. Первым приближением площади искомой фигуры была площадь треугольника, по форме напоминающего эту фигуру. Теперь мы будем вычислять площадь прямоугольника.

Разделим интервал [0,1] на четыре равных интервала и построим на каждом из них по два прямоугольника — высота одного из них будет равна значению функции на левом конце интервала, высота другого — значению функции на правом конце интервала. Так как f(0) = 03 = 0, высота первого прямоугольника будет равна 0:

Искомая площадь S заключена между суммой площадей меньших прямоугольников S1 (выделены светло-серым) и больших прямоугольников Ss  (выделены темно-серым). Точнее говоря, искомая площадь будет больше первого значения и меньше второго. Вычислим обе эти площади с учетом того, что основания всех прямоугольников одинаковы и равны 1/4, отличаются лишь их высоты:

Среднее значение этих площадей равно: S ~= (S1 + Ss)/2 = 0,265625. Найдем более точное значение площади, разбив исходный интервал на большее число частей:

Теперь основания всех прямоугольников равны 1/8. И вновь сумма площадей прямоугольников, выделенных темно-серым (Ss), будет больше искомой площади, которая превышает сумму площадей прямоугольников, выделенных светло-серым (S1).

Их среднее значение равно:

S ~= 0.5·(Ss + S1) = 0,2539…

Если мы продолжим этот процесс и будем последовательно делить интервал [0,1] на все более мелкие части, то в пределе мы разделим его на бесконечное число частей, получим бесконечное число прямоугольников, а сумма их площадей будет равна площади фигуры, заключенной между графиком кривой и осями координат.

Вопрос в том, как вычислить общую площадь бесконечного числа прямоугольников. Произведенные выше расчеты показывают, что искомое значение должно быть близко к 0,25, так как промежуточные результаты равны 0,2656… и 0,2539…

Чтобы получить окончательный ответ, рассмотрим, как мы вычислили два предыдущих значения. Вне зависимости от числа прямоугольников, будь их восемь, сто, тысяча или n, сумма их площадей будет рассчитываться одинаково. Значение площади Ss при разделении интервала [0, 1] на n равных частей будет равно:

Следовательно, задача сводится к тому, чтобы найти значение этого выражения, когда n стремится к бесконечности. Посмотрим, чему равен его числитель, представляющий собой сумму кубов натуральных чисел:

13 = 1

13 + 23 = 9

13 + 23 + 33 = 36

13 + 23 + 33 + 43 = 100

Числитель будет равен 1, 9, 36, 100, … — это квадраты чисел 1, 3, 6, 10, … Может показаться, что суммы кубов натуральных чисел равны квадратам некоторых других чисел. Но каких? Какой ряд образуют числа 1, 3, 6, 10, …? Заметим, что

1 = 1

1 + 2 = 3

1 + 2 + 3 = 6

1 + 2 + 3 + 4 = 10.

Можно сформулировать теорему:

Сумма кубов первых n натуральных чисел равна квадрату их суммы.

Правильность этой теоремы можно подтвердить экспериментально для множества чисел — компьютер справится с этим за несколько мгновений. Однако экспериментальное подтверждение частных результатов и выведение из них какого-то общего принципа (именно так действуют физики и биологи) для математиков неприемлемо. В математике истинность увиденного нужно подтвердить для всех возможных случаев.

Как подтвердить истинность нашей теоремы для всех возможных случаев? Начнем с того, что вычислим сумму первых n натуральных чисел. Для этого применим метод, который использовал великий немецкий математик Карл Фридрих Гаусс, когда ему не было и десяти лет. Его биографы отмечают, что как-то раз преподаватель, чтобы занять учеников, дал им задание вычислить сумму натуральных чисел от 1 до 100.

Среди учеников был и Гаусс, который, к удивлению учителя, через несколько секунд протянул ему грифельную доску с правильным ответом. Юный Гаусс записал числа в два ряда, один над другим, и вычислил суммы в каждом столбце:

Сумма чисел в нижнем ряду равна 100·101 = 10100, что в два раза больше требуемой суммы. Следовательно, правильный ответ равен

1 + 2 + 3 + … + 99 + 100 = 10100/2 = 5050.

Применим этот же метод в нашем, более общем случае:

Можно заметить, что формула суммы первых n натуральных чисел такова:

1 + 2 + 3 +… + n = n(n + 1)/2 (*)

Вернемся к нашей теореме и используем эту формулу (**):

Теперь у нас есть две формулы, в которых фигурирует n первых натуральных чисел. Подтвердить правильность этих формул экспериментально на бесконечном множестве чисел невозможно. Нужно найти стратегию, которая позволила бы обойти эту проблему. Математик рассуждает так: «Отлично, дана формула, верная для n-го натурального числа. Так как все натуральные числа получаются прибавлением единицы к предыдущему, то если формула верна для n-го числа, я докажу ее истинность для следующего натурального числа. Если я докажу, что формула, верная для n, верна и для n + 1, то я автоматически докажу ее истинность для всех натуральных чисел».

Именно так мы и поступим. Сначала мы докажем, что если формула (*) верна для n, то она будет верна и для n + 1. Затем проведем аналогичное доказательство для формулы (**). Докажем, что:

Нам всего лишь нужно показать, что разность между двумя выражениями в левой части равенства, равная n + 1, равна разности двух выражений в правой части равенства:

Достаточно найти значение правой части равенства, чтобы убедиться, что это в самом деле так. Аналогично доказывается истинность выражения (**). Теперь мы можем закончить решение нашей задачи о площади:

Последнее преобразование верно потому, что с ростом n значения выражений 1/2n и 1/4n2 становятся все меньше и меньше. В пределе, когда значение n равно бесконечности, значение обоих выражений будет равно 0. Как следствие, площадь фигуры, ограниченной кривой у = х3, равна 1/4 = 0,25.

Наиболее выдающийся результат математического творчества, который мы применили в этом решении, таков: мы вписали в искомую фигуру, площадь которой мы хотим найти, ряд прямоугольников, площадь которых легко вычислить. Чем больше прямоугольников мы впишем в искомую фигуру, тем ближе сумма их площадей будет к площади искомой фигуры. Так как значения площадей прямоугольников в пределе приближаются к конкретному числу и мы можем это доказать, можно найти конкретное значение площади криволинейной фигуры. От геометрического параллелизма мы переходим к числовому и обратно. Мы решили более простую задачу, чем исходная, а затем использовали полученный результат для решения нужной задачи.

Использование пределов в решении задач — одно из величайших достижений математического творчества всех времен. В конце XVII века Ньютон и Лейбниц использовали это понятие в качестве основы при создании математического анализа. Полтора столетия спустя французский математик Коши и немецкий математик Вейерштрасс уточнили понятие предела для непрерывных функций, подобных той, что мы рассмотрели в предыдущем примере.

Количественная оценка изменений

Создание математического анализа сыграло огромную роль в развитии математики, физики и науки в целом. Как отмечают историки, Ньютон и Лейбниц создали математический анализ независимо друг от друга. По сути, их общим вкладом в науку был ответ на следующий вопрос: как можно количественно измерить мгновенное изменение величины?

Количественная оценка изменения величины между двумя моментами времени не представляет проблемы — достаточно найти разность соответствующих значений. Например, если некоторое явление описывается функцией f(t) = t2, где t обозначает время, выраженное в секундах, величина изменения, произошедшего между моментами времени t = 0 и t = 1,5, будет равна 2,25:

f(1,5) — f(0) = 1,52  — 02 = 2,25.

Однако такой способ оценки изменения не слишком удобен, так как на более коротком интервале, например между t = 4,77 и t = 5, изменение величины будет практически таким же:

f(5) — f(4,77) = 52 — 4,772 ~= 2,25.

Полученная разность не позволяет понять, что же происходит на самом деле.

Мы хотим, чтобы в величине, служащей оценкой изменения, учитывался интервал, на котором происходит изменение. Изменение, произошедшее за очень короткий промежуток времени, более существенно, чем изменение, произошедшее за длительное время. Следовательно, величина изменений должна учитывать время, за которое происходит изменение (это изменение называют «размахом вариации»):

Это уже лучше — размах вариации отражает то, что мы хотели увидеть, так как 9,77 намного больше, чем 1,5. Однако мы хотим определить, как оценить мгновенное изменение величины, а не изменение на интервале. Как дать количественную оценку изменению величины в данный момент времени, например при t = 1 секунде?

Математический подход к решению этой задачи таков: будем вычислять размах вариации для все более мелких интервалов, близких к моменту времени t = 1, и посмотрим, к какому значению будут приближаться результаты.

Очевидно, что полученные числа все больше приближаются к 2. Именно это значение характеризует изменение величины в момент времени t = 1, и его можно назвать мгновенным размахом вариации.

Графически размах вариации соответствует значению тангенса угла наклона касательной к кривой в данной точке, так как тангенс этого угла рассчитывается как отношение разности значений функции на концах интервала к длине этого интервала.

По мере того как значения х1, x2, х3, … приближаются к х, точки Р1, Р2, Р3 … приближаются к Р (см. рисунок ниже). Следовательно, мы поставим в соответствие точке Р тангенс угла наклона касательной, равный значению, к которому стремятся тангенсы этого угла в каждой из предшествующих точек.

Теорема, рождающая чудовищ

Пифагор, известнейший из математиков, создал самую знаменитую математическую теорему. Ее доказательства, предлагаемые в средней школе, совершенно не похожи на вариант, предложенный Евклидом. Он также основан на вычислении площадей, в нем, как и в формулировке самой теоремы, фигурируют площади квадратов, построенных на сторонах прямоугольного треугольника. Однако площади используются только для доказательства. Сама же теорема используется только для вычисления длины.

Как правило, обычно доказывается прямая теорема Пифагора:

если a, b, с — катеты и гипотенуза прямоугольного треугольника соответственно, то а2 + Ь2 = с2.

Обратное утверждение практически никогда не доказывается:

если а2 + Ь2 = с2, то а, Ь, с являются катетами и гипотенузой прямоугольного треугольника соответственно.

Это утверждение имеет огромное практическое значение, так как позволяет строить поверхности, которые будут располагаться друг к другу под прямым углом, например стены здания. Этот же метод использовали египтяне, которым было известно, что треугольник со сторонами 3, 4 и 5 м — прямоугольный. Это соотношение сторон прямоугольного треугольника было известно в самых разных частях света и в разные эпохи, однако используемые значения порой существенно отличались — например, применялись треугольники со сторонами 60 см, 80 см и 1 м.

Задолго до Пифагора, в Древнем Египте и Месопотамии, были известны тройки целых чисел (позднее их стали называть пифагоровыми), в которых квадрат одного числа равнялся сумме квадратов двух других.

Объяснить закономерность, описывающую эти числа, математики того времени не могли. Но можно обнаружить интересные соотношения между числами, например 52 + 122 = 132: если не знать, в чем их причина и каковы их следствия, то подобные соотношения будут всего лишь интересными фактами. Строгое доказательство теоремы Пифагора вызвало первый крупный кризис в математике.

Девизом пифагорейской школы было «все есть число». Пифагорейцы наделяли числа мистическими свойствами и считали, что любые соотношения между вещами описываются соотношениями натуральных чисел. Если применить теорему Пифагора к диагонали квадрата, получим удивительный результат:

Пифагорейцы считали, что длина D (квадратный корень из 2) должна быть соизмерима со стороной квадрата, то есть быть дробным числом. Если бы мы разделили сторону квадрата на достаточно большое число частей, например на миллион, то длина диагонали должна была равняться целому числу частей. Можно ли представить ее как 1414213? Нет, так как квадратный корень из двух нельзя представить в виде частного двух натуральных чисел, и это помешало найти меру, которой можно было бы вычислить и сторону квадрата, и его диагональ.

Теорема породила чудовище, невозможное с общепринятой точки зрения.

Оказалось, что не все соотношения можно свести к отношению двух целых. Нечто столь простое, как диагональ квадрата, оказалось несоизмеримым с его стороной.

Так появились несоизмеримые величины. В то время математики не обладали достаточными знаниями, чтобы доказать, что длина окружности также несоизмерима с ее диаметром, то есть что число π несоизмеримо с дробными числами.

Рассмотрим, почему квадратный корень из 2 нельзя представить как частное двух натуральных чисел. Всякое натуральное число n можно представить в виде произведения простых множителей. Пример:

12 = 22·3;

315 = 32·3·7.

Заметим, что при возведении числа в квадрат все простые множители в его разложении будут встречаться четное число раз:

122 = (22·3)2 = 24·32;

3152 = (З2·5 ·7)2 = З4·52·72.

Если частное двух натуральных чисел m и n равно квадратному корню из двух, то

Теперь разложение на простые множители для m2 и для m2 содержит четное число простых множителей. По этой причине, вне зависимости от того, присутствует ли 2 в разложении n2 на множители, 2 будет фигурировать в разложении 2n2 нечетное число раз. Если разложение n2 на множители не содержит 2, то разложение 2n2 будет содержать одну двойку; если же в разложении n2 содержится несколько двоек, их число будет четным, следовательно, в разложении 2n2 двойка встретится нечетное число раз. Поэтому m2 и n2  не могут быть равны, так как в разложении одного из этих чисел 2 встретится четное число раз, а в разложении другого — нечетное число раз. Следовательно, √2 не может быть частным двух натуральных чисел, и диагональ квадрата и его сторона несоизмеримы.

* * *

ТРАНСЦЕНДЕНТНЫЕ ЧИСЛА

Многочлен — это выражение, в котором присутствует переменная, возведенная в различные степени с натуральным показателем. Числа, на которые умножается переменная в этих степенях, называются коэффициентами. Например, следующий многочлен

Р(х) = х5 — 4х3 + 3х2/2 -6

имеет рациональные коэффициенты, а именно 1, -4, 3/2 и -6. Число а называется корнем многочлена, если при этом значении переменной многочлен обращается в ноль: Р(а) = 0. Число а = 2 является корнем вышеприведенного многочлена. Число называется трансцендентным, если не существует многочлена с рациональными коэффициентами, корнем которого оно бы являлось. Иными словами, нельзя записать уравнение со степенями с натуральным показателем, решением которого будет трансцендентное число. Иррациональность числа √2 была доказана еще в Древней Греции. Об иррациональности числа я математики подозревали давно, однако доказательство этому было найдено лишь в 1761 году благодаря усилиям Иоганна Ламберта. В 1882 году Линдеман доказал, что я является трансцендентным числом. Как следствие, была окончательно доказана невозможность решения задачи о квадратуре круга. Число е (е = 2,71828182845904…) названо так по первой букве фамилии одного из величайших математиков всех времен — Леонарда Эйлера (1707–1783). Так же как и π, е является иррациональным и трансцендентным.

* * *

Натуральные числа столь близки нам, что многие считали их божественным творением. Можно сказать, что нечто столь совершенное не имеет изъянов и что любая теорема о натуральных числах в итоге обязательно должна быть либо доказана, либо опровергнута. Любое утверждение в системе натуральных чисел обязательно является либо истинным, либо ложным.

Однако математик Курт Гёдель (1906–1978) доказал, что это не так, что существуют недоказуемые теоремы о натуральных числах, то есть о них нельзя сказать, истинны они или ложны. Согласно так называемой теореме Геделя о неполноте натуральные числа также содержат парадоксы.

* * *

ПАРАДОКСЫ

Парадокс — это рассуждение, приводящее к взаимно исключающим заключениям. Рекурсия в языке порой становится причиной парадоксов, в частности, как в двух первых случаях из числа представленных ниже. Третий случай является удивительным примером математической задачи с тремя разными решениями.

1. Некий брадобрей бреет только тех, кто не бреется сам. Кто должен брить самого брадобрея?

2. Слово «гетерологичный» означает «неприменимый к самому себе». Является ли само слово «гетерологичный» гетерологичным словом?

3. Парадокс Бертрана. В окружности случайным образом проводится хорда. Какова вероятность того, что ее длина будет превышать длину стороны равностороннего треугольника, вписанного в эту же окружность? Эту вероятность можно рассчитать тремя разными способами и получить три разных результата: 1/2, 1/3 и 1/4.

* * *

Как породить и приручить чудовище

Найти смысл и значение основных математических понятий всегда было творческой задачей. Существует множество простых уравнений, о которых говорят, что они не имеют решения, так как число, которое было бы их решением, не имеет смысла в наиболее часто используемой системе чисел.

В поле натуральных чисел, которые используются при счете, не имеет решения следующее уравнение, так как единственно возможное его решение не является натуральным числом:

2х = 1.

Однако это уравнение имеет решение в области дробных, то есть рациональных чисел:

Аналогично, очень простое уравнение

х2 = 2

не имеет решения в поле рациональных чисел. Именно с этой проблемой столкнулись древние греки. Однако им пришлось принять этот «чудовищный» результат, поскольку он являлся решением одной из простейших геометрических задач — задачи о нахождении диагонали квадрата единичной стороны.

Решение этого уравнения и этой задачи расширяет поле чисел так называемыми вещественными числами:

Можно подумать, что некоторые уравнения не имеют решений просто потому, что не существует чисел, которые описывали бы их решения, и, следовательно, решение имеет всякое уравнение. Суть проблемы в том, принадлежит решение этого уравнения к известным на данный момент числам или нет. Приведем еще один пример: мы говорим, что уравнение

х2 = —1

не имеет решения. Однако оно не имеет решения потому, что мы считаем х вещественным числом — конечной или бесконечной дробью, периодической либо нет.

Однако существует значение х, которое является решением этого уравнения, и выглядит оно «чудовищно»:

В середине XVI века Джероламо Кардано нашел формулу решения кубических уравнений, но, применив ее к уравнению х3 — 15х — 4 = 0, он столкнулся с проблемой. Нетрудно показать, что решением этого уравнения является х = 4. Однако решение, найденное по формуле Кардано, выглядело совершенно иначе:

Перед нами — еще одно «чудовище». Какой смысл имеет квадратный корень из отрицательного числа? Как соотносится подобное число с известным нам решением х = 4? Если мы примем квадратные корни из отрицательных чисел как числа, то какое значение они будут иметь?

Лишь в начале XIX века корни из отрицательных чисел получили свое значение: они стали составной частью комплексных чисел и им были поставлены в соответствие точки в декартовых координатах. Множество комплексных чисел, обозначаемое символом С, расширяет поле вещественных чисел. Комплексное число — это число, состоящее из двух частей: вещественной и мнимой. Мнимая часть представляет собой произведение вещественного числа на i — корень из минус единицы, также называемый мнимой единицей. Рассмотрим два комплексных числа, а и Ь:

i = √-1

a = 2 + 3i

b = 1/2 — i√5.

Чтобы представить число а = 2 + 3i в декартовой системе координат, нужно отложить две единицы вдоль оси абсцисс и три единицы — вдоль оси ординат. Полученная точка будет иметь координаты (2, 3). Однако мы изобразили не просто точку на координатной плоскости — в отличие от точек и векторов на плоскости, с комплексными числами можно выполнять все известные алгебраические операции: сложение, вычитание, умножение, возведение в степень и т. д., и эти вычисления аналогичны вычислениям с вещественными числами. Наконец, система комплексных чисел является полной, так как любое уравнение на поле комплексных чисел имеет решение на этом же поле, что не выполняется для других множеств.

После того как было описано представление комплексных чисел на плоскости, они стали играть определяющую роль при решении задач, не имеющих решения в поле вещественных чисел.

Симбиоз алгебры и геометрии

Изложенное в предыдущем разделе стало возможным благодаря великому математическому творению — симбиозу алгебры и геометрии, которым стала аналитическая геометрия, разработанная Декартом и Ферма. Некоторые математики античности пытались создать систему геометрического представления формул. Однако лишь усилиями Декарта алгебра и геометрия объединились навсегда.

Предметом алгебры являются формулы и уравнения, предметом геометрии — фигуры и пространство. В аналитической геометрии эти два мира сливаются воедино: для каждой фигуры существует описывающая ее формула, для каждой формулы — множество точек плоскости, удовлетворяющих ей. Так уравнения обретают геометрический смысл, что облегчает их наглядное представление.

Такой подход позволяет нанести решения уравнений на «математическую карту» — систему координат. Но при поиске доказательств аналитическая геометрия не всегда полезна, так как иногда чисто геометрическое доказательство формулируется красивее, короче и четче, чем аналитическое.

Уравнение 3х — у + 1 = 0 — это элемент алгебры, смысл которого состоит в вычислении двух чисел, х и у, удовлетворяющих этому равенству. Этому уравнению удовлетворяют различные пары чисел: х = 0, у = 1; х = 1, у = 4; х = —1; у = —2.

Аналитическая геометрия придает этим числам новый смысл благодаря количественному измерению пространства. Если речь идет о двумерной плоскости, на ней проводятся две прямые, соответствующие двум измерениям на плоскости, на которых откладываются вещественные числа. Из соображений удобства эти линии обычно перпендикулярны друг другу, хотя это необязательно. Далее значениям переменной х сопоставляются числа на одной оси, значениям переменной у — числа на другой оси. Обозначим на плоскости точки А, В и С, соответствующие трем парам вышеуказанных решений уравнения:

Добавим к ним другие пары решений, удовлетворяющих уравнению:

Достаточно зафиксировать значение одной переменной, чтобы увидеть, что для каждого ее значения существует значение второй переменной, которое будет удовлетворять уравнению. Бесконечное число возможных значений одной переменной подразумевает бесконечное число значений второй переменной. В итоге алгебраическому уравнению Зх — у + 1 = 0 будет соответствовать прямая на плоскости:

Как следствие, решение системы из двух уравнений с двумя неизвестными становится геометрической задачей на нахождение точки пересечения двух прямых:

Новые технологии и новые кривые

На математическое творчество в огромной степени повлияли технологии, появившиеся в последние несколько десятилетий. Компьютер легко справляется с задачами, на решение которых человеку понадобилась бы не одна сотня лет, а непрерывно растущие возможности программ в области визуализации информации превращают компьютер в испытательный стенд и математический микроскоп.

Благодаря новым технологиям мы познакомились с фрактальными кривыми, которые едва ли можно было представить еще 50 лет назад. Фракталы были известны уже тогда, однако интерес к ним, возможности их наглядного представления и использования росли с развитием технологий. Первым фракталом была кривая Коха, или снежинка Коха. Если классические кривые строятся как множество значений некой функции, то построение кривой Коха — рекурсивный процесс по определенному алгоритму. Исходной фигурой является квадрат, треугольник или любая другая фигура, стороны которой затем заменяются ломаной линией. Далее процесс повторяется, и этой же кривой заменяется каждое звено ломаной, построенной на предыдущем этапе, в итоге кривая принимает все более неправильную форму:

Первое подробное исследование фракталов было выполнено в 1980-е годы французским математиком польского происхождения Бенуа Мандельбротом. Одно из ключевых понятий, используемых при построении фракталов, — это орбита точки. Для любой функции, например f(х) = х2, можно рассмотреть орбиту данной точки или последовательность результатов, получаемых при последовательной замене аргумента функции следующим образом:

х = 0,5

f(0,5) = 0,52 = 0,25

f(0,25) = 0,252 = 0,0625

f(0,0625) = 0,06252 = 0,0039

=> Орбита точки 0,5 = {0,5; 0,25; 0,0625; 0,0039; …} —> 0.

Орбита точки х = 0,5 образована убывающей ограниченной последовательностью чисел, которая стремится к 0. Существуют фиксированные орбиты, в частности для х = 0 и x = 1. Орбиты некоторых точек уходят в бесконечность, например, это справедливо для точки x = 2:

х = 2

f(2) = 22 = 4

f(4) = 42  = 16

f(16) = 162 = 256

=> Орбита точки 2 = {2, 4, 16, 256…} —> 

Компьютер позволил увидеть, что произойдет с похожей функцией на поле комплексных чисел:

Результат оказался неожиданным и с математической, и с эстетической точки зрения, так как множества точек, не уходившие в бесконечность, принимали при различных значениях с разнообразные и удивительные формы. Эти точки образуют так называемое множество Жюлиа. Комплексные значения с, для которых множество Жюлиа является связным, то есть не разбито на несколько частей или фрагментов, образуют множество Мандельброта, которое выглядит следующим образом:

Математики смогли увидеть множество Мандельброта лишь в 1980 году, и до этого им не приходилось сталкиваться со столь же сложным объектом. Помимо фрактальной природы, ввиду которой части этого множества подобны целому, это множество обладает безграничным разнообразием. Если мы рассмотрим увеличенное изображение любой его части, то увидим, что одни и те же фигуры повторяются в нем снова и снова:

Множество М обладает самоподобием и одновременно изменчивостью бесконечной спирали. Оно являет собой прекрасный пример математического творчества.

С точки зрения топологии фрактальная кривая отличается от традиционных. Принципиальное отличие фрактальных кривых состоит как раз в их бесконечном самоподобии: если увеличить часть традиционной кривой в окрестности любой точки, она будет представлять собой отрезок, в то время как любой увеличенный фрагмент фрактальной кривой, напротив, будет иметь ту же форму, что и исходная кривая. В результате размерность фрактальных объектов не выражается целым числом от 1 до 3, в отличие от традиционных кривых. Размерность кривой Коха, например, равна 1,26186… По сути, несмотря на то что компьютер позволяет наглядно представить различные этапы построения фрактальных объектов, мы никогда не сможем увидеть результат этого процесса, так как он бесконечен. Увидеть окончательные очертания фрактальных кривых нельзя. Когда мы пытаемся поближе рассмотреть их, то видим, что они меняются и выглядят не так, как нам казалось раньше.

* * *

СЪЕДОБНЫЙ ФРАКТАЛ

Фракталы столь часто встречаются в реальном мире, что можно свободно говорить о фрактальной геометрии природы. Однако в природе фракталы обычно обладают не более чем четырьмя уровнями самоподобия, как, например, ветви растений, нервные окончания или подземные водоносные слои. Фрактальная размерность — это характеристика, позволяющая обнаруживать костные патологии и описывать электроэнцефалограммы.

Цветная капуста, изображенная на иллюстрации, в действительности является гибридом, который впервые был обнаружен в Италии в XVI веке. Ее структура представляет собой удивительный пример фрактальной геометрии в природе. Кочан капусты (первый уровень) состоит из уменьшенных копий самого себя (второй уровень), расположенных в форме спирали. Каждая из них, в свою очередь, также состоит из уменьшенных копий самой себя, которые вновь располагаются по спирали (третий уровень). Это же подобие наблюдается и на следующем, четвертом уровне.

Глава 3 Вопросы, которые задает мир

В предыдущей главе мы рассказали о величайших математических творениях за всю историю математики. Сегодня эту науку двигают вперед преимущественно профессионалы, но не исключительно они. Творить математику означает не только создавать великие теоремы, которые войдут в историю, но и ставить задачи, объяснять явления с математической точки зрения, разрабатывать практические методы, позволяющие применять математику в реальной жизни, использовать технологии для развития математики, поиска математических решений и, что самое важное, понимать, когда математический ответ на заданный вопрос является необходимым и достаточным. Творить математику способны многие. Возможно, выводы, к которым они придут, не будут чем-то новым для профессиональных математиков, однако труд любителей и профессионалов по сути ничем не отличается.

В этой главе мы расскажем о математическом творчестве в самых разных областях, большинство из которых далеки от академической среды. Приведенные нами примеры — результат того, что кто-то задал новые вопросы, попытался найти иное решение, придать новое значение уже известным понятиям и применить уже известные идеи в новом контексте. Творчество — это жизнь. Если мы задаемся вопросами из области математики, то мы творим математику.

С чего начать? В чем секрет математического творчества? Поиски ответов на эти вопросы можно начать в повседневной жизни. Мы рассмотрим некоторые явления, с которыми сталкиваются все, но лишь немногие подошли к ним с математической точки зрения. Далее мы отойдем от реальности и в итоге окажемся в чисто математическом мире.

Для того чтобы рассмотреть интересующее нас явление, объект или процесс с точки зрения математики, нужно задать объективные вопросы, ответы на которые будут определяться не нашими предпочтениями, вкусами или соображениями удобства, а требованиями четкости и измеримости. Так будет сделан первый выбор, касающийся точки зрения, которую следует принять.

Каждый день перед зеркалом

Первое, что мы делаем после пробуждения утром, — это идем в ванную, чтобы привести себя в порядок. Мы смотримся в зеркало, когда умываемся, бреемся, накладываем макияж, стрижемся. Мы смотримся в зеркало каждый день. Чего мы хотим от него? Совсем немногого: мы всего лишь хотим увидеть в нем свое лицо полностью. После завтрака и перед тем, как закрыть за собой дверь и отправиться по делам, мы мельком смотрим в зеркало, чтобы проверить, все ли в порядке. Чего мы хотим от зеркала на этот раз? Чтобы мы отразились в нем в полный рост.

Сколько раз мы совершали эти действия и сколько раз мы задавались вопросом, какие размеры должно иметь зеркало, чтобы в нем полностью отразилось наше лицо или мы сами в полный рост? Мы задаемся этим вопросом крайне редко, если вообще когда-нибудь думаем об этом. Представьте, что вы стоите перед зеркалом, в котором вы отражаетесь в полный рост. Какой должна быть минимальная высота такого зеркала? Начнем с того, что изобразим эту ситуацию на схеме с помощью точек и отрезков:

Схема показывает, какими должны быть минимальные размеры зеркала. Нужно определить, каким должно быть отношение размеров отражающей поверхности и отражающегося в ней лица. Для этого сделаем схему еще более условной: проведем вспомогательные линии, которые помогут решить задачу, и обозначим основные точки буквами:

Так как отражение R'S' симметрично исходному отрезку RS, и изображение в зеркале расположено на том же расстоянии от зеркала, что и оригинал, но по другую его сторону, получим RX = XR'. Кроме того, RX = RR'/2.

Помимо этого, треугольники OAY и OR'О' подобны, так как два их угла равны. Аналогично для треугольников OYB и OO'S'. Так как RX = RR'/2, коэффициент подобия этих треугольников равен 2, поэтому AY = R'O'/2 = RO/2, а также YB = O'S'/2 = OS/2.

Иными словами, АВ = AY + YB = RO/2 + OS/2 = (RO + OS)/2 = RS/2, так что высота зеркала должна быть равной минимум половине высоты лица. Высота, на которой следует повесить зеркало, равна BZ = YZ/2, то есть половине расстояния от глаз до подбородка. Аналогично, высота зеркала, в котором мы будем отражаться полностью, должна быть равна половине нашего роста, и такое зеркало следует повесить на высоте, равной половине расстояния от глаз до пола.

Взгляд в сторону горизонта

Выйдя из дома, некоторые из нас имеют счастливую возможность пойти на пляж и насладиться видом горизонта, глядя вдаль, на самый край земли, покуда хватает глаз. Кто-нибудь хоть раз, глядя на горизонт, думал о математике? Как правило, любуясь рассветом или закатом, мы задаемся другими вопросами: мы размышляем о прошлом и будущем, о красоте природы, о рыбаках, которые возвращаются из моря с дневным уловом, о том, что скрывается за линией горизонта, куда неожиданно быстро опускается горящее солнце, озаряющее наши жизни…

Но если мы посмотрим на горизонт взглядом математика, у нас возникнут совсем другие вопросы. Мы заметим, что когда мы наклоняемся, горизонт приближается, когда мы поднимаемся — горизонт отдаляется. Если мы сделаем полный оборот вокруг себя, то увидим, что горизонт круглый, поэтому мореходы в древности считали, что Земля круглая: в море, далеко от берега, они видели вокруг себя лишь круглый горизонт. Какое расстояние отделяет нас от горизонта? Каков его радиус? Какое расстояние отделяет нас от судна, которое виднеется на горизонте?

Это первый шаг, который нужно сделать на пути к математическому творчеству: нужно задаться вопросами о мире, где мы живем, о том, что мы видим или делаем, и ответы на эти вопросы должны выходить за рамки субъективного и стремиться к чему-то объективному. По сути, нужно взглянуть на мир с научной точки зрения.

* * *

ТЕОРЕМА ПИФАГОРА

Треугольник abc прямоугольный <=> с2 = а2 + Ь2.

Это самая известная математическая теорема, которая ежедневно доказывается во множестве школ по всему миру. Однако доказательство, которое обычно приводится в учебниках, принадлежит не Евклиду (доказательство Евклида приведено в предложении 47 книги I «Начал»), а основано на разбиении квадрата на несколько фигур подобно головоломке.

В теореме Пифагора упоминаются площади, однако она традиционно используется для вычисления длин. Всегда доказывается прямая теорема (=>), обратная (<=) теорема не доказывается никогда, однако порой она также находит применение. В «Началах» обратная теорема приведена в следующем, 48-м предложении книги I.

* * *

С точки зрения математики Земля представляет собой сферу радиусом около 6370 километров. Горизонт — это наиболее удаленная часть поверхности планеты, видимая глазом. Создадим геометрическую модель этой ситуации. В ней горизонт определяется положением касательной к окружности.

Пусть Н(х) — расстояние до видимого горизонта, х — наш рост (точнее, расстояние от поверхности земли до уровня глаз), R — радиус Земли. Получим прямо угольный треугольник, для которого можно применить теорему Пифагора:

Горизонт, видимый человеком при х = 1,7 м, находится от него расстоянии Н = 4653,8 м (R = 6370 км).

Можно ли считать решение этой задачи математическим творчеством?

Создали ли мы что-то новое в математике? Мы применили известную теорему и получили формулу, которой ранее не существовало. Это первый, но не единственный и далеко не самый важный итог математического творчества, связанный с горизонтом. Суть творчества в данном случае описывается вопросом: сколько раз мы смотрели на горизонт и не задумывались о том, какое расстояние отделяет нас от него?

На втором плане находится созданная нами геометрическая модель, позволяющая применить математическую теорему. Только при взгляде на ситуацию с математической точки зрения мы представляем Землю как сферу, луч света — как прямую, наше тело — как кратчайшее продолжение радиуса сферы. Кроме того, мы свели трехмерную реальность к модели на плоскости, а сферу — к окружности.

* * *

ВБЛИЗИ ГОРИЗОНТА

В одном из своих произведений писатель Эдуардо Галеано расположил на горизонте утопию:

«Для чего нужна утопия? Она находится на горизонте. Если я подойду к горизонту на десять шагов, он отодвинется на десять шагов от меня. Для этого и нужен горизонт, — чтобы научиться ходить».

С точки зрения математики эта цитата абсолютно верна, так как шаги откладываются на поверхности сферы:

* * *

Циклические узлы

В своей книге «Дух порядка. Исследование психологии декоративных искусств» австрийский историк искусства Эрнст Гомбрих описывает кельтские узлы. Их особенность заключается в том, что нить проходит через все выделенные точки на каждой стороне сетки с квадратными ячейками и возвращается в исходное положение.

Бесконечный узел — это узел, начало и конец которого совпадают:

Кельтские узлы не всегда являются бесконечными, или циклическими:

Возникает вопрос: почему одни узлы бесконечные, а другие — нет? Перед тем как начать поиск ответа, рассмотрим, как строятся такие узлы. Их основой является сетка с квадратными ячейками, на сторонах которых выбирается последовательность точек, через которые проходит нить узла:

За счет этого узлы можно описывать числом вершин на каждой из сторон сетки, через которые проходит нить узла. Первый из улов, представленных выше, — узел 3 x 2, второй — 3 x 3, последний — 6 x 4. Узел 3 x 2 располагается на сетке размером 6 х 4 и проходит через вершины 1–3–3 в горизонтальных рядах и через вершины 1–3 — в вертикальных рядах. Сетка 6 x 4 понимается как (1 + 2·2 + 1) х (1 + 2 + 1). Остальные узлы описываются аналогично. Узел 3 x 3 располагается на сетке 6 х 6 = (1 + 2·2 + 1) х (1 + 2·2 + 1), узел 6 x 4 — на сетке 12 х 8 = (1 + 2·5 + 1) х (1 + 2·3 +1).

Можно сказать, что ответ на вопрос, будет ли узел бесконечным, зависит от числа вершин, через которые проходит нить на каждой стороне сетки. Узел 3 х 2 является бесконечным, так как образован одной нитью. Узел 3 х 3 не является бесконечным, так как состоит из трех нитей. Узел 6 x 4 также не является бесконечным и состоит из двух нитей.

В чем же ключ к решению задачи? Нить смещается влево, вправо, вверх и вниз. Если бы мы не ограничивались одним прямоугольником, а продолжили узел дальше по вертикали и по горизонтали, то смогли бы понять суть проблемы. Рассмотрим узел (3 х 2):

Мы начинаем с точки 1, затем, сместившись на две единицы вправо, попадаем в 3, затем в 2 и наконец снова в 1. Получается числовая последовательность, которая циклически повторяется до бесконечности:

[1, 3, 2] = 1, 3, 2, 1, 3, 2, 1, 3, 2, 1…

На сетке размером (4 х 2) требуется два таких цикла:

В первом случае мы перепрыгиваем через две клетки. Полный цикл завершается после шести шагов, когда мы возвращаемся в исходную точку 1. Мы обошли все цифры 1, 2 и 3. Во втором случае для обхода всех цифр требуется два цикла:

Почему? Потому что 4 делится на 2. Если мы начинаем цикл в точке 1, то мы всегда будем проходить через точки 1 и 3 и никогда — через 2 и 4. Для этого потребуется новый цикл с началом в точке 2. В предыдущем случае цикл завершается после 6 = НОК (3, 2) этапов, и требуется всего один цикл, так как НОД (3, 2) = 1.

Это же происходит и в примере с сеткой 6 x 4, где НОД (6, 4) = 2 цикла, и на сетке 3 х 3, где число циклов равно 3 = НОД (3, 3). Подведем итог.

Теорема: На сетке размером (m, n) число циклов равно НОД (m, n).

Следствие 1: Если m и n — взаимно простые, то на сетке (m, n) имеется единственный бесконечный цикл.

Следствие 2: На сетке размером (m, n) число петель равняется 2 х (m + n).

Задача садовника: равносторонний треугольник как частный случай равнобедренного

При посадке деревьев в шахматном порядке саженцы располагаются в вершинах воображаемых равносторонних треугольников — это гарантирует, что все деревья будут располагаться друг от друга на одинаковом расстоянии:

Если математику дать задачу о построении подобной сетки с треугольными ячейками, он, скорее всего, начнет искать способ построения равносторонних треугольников, применимый на практике, и буквально со стопроцентной вероятностью предложит евклидово решение, приведенное в предложении 1 книги I «Начал».

Предложение 1 из «Начал» Евклида: построение равностороннего треугольника на данном отрезке АВ.

Для этого построения нужно заменить циркуль веревкой, длина которой равна длине стороны искомого треугольника. Садовод должен обходить участок, проводя дуги окружностей и отмечая точки их пересечения.

Сначала он отметит точки на одной прямой, равноудаленные друг от друга:

Затем, использовав каждую из этих точек в качестве центра окружности, он проведет дуги, которые пересекутся в вершинах равносторонних треугольников:

В результате садовод определит, где нужно посадить деревья.

Так эту задачу решил бы математик. Однако, согласно Жиль-Альберу (1999), садоводы строят сетку из треугольных ячеек следующим образом:

«Посадка в шахматном порядке <…>. Чтобы определить, где следует сажать деревья, достаточно, чтобы один рабочий взял в руки рулетку и встал там, где нужно посадить первое дерево. Второй рабочий, взяв в руки конец рулетки, должен отойти на расстояние, равное желаемому расстоянию между деревьями (например, 5 м) и отмотать ленту длиной в два раза больше чем требуется (если деревья планируется посадить на расстоянии 5 м друг от друга, рабочий должен отмотать 10 м ленты рулетки). Третий рабочий должен взяться за середину ленты рулетки и отойти в сторону, натягивая ленту. Когда лента рулетки натянется полностью, третий рабочий окажется точно в том месте, где нужно посадить третье дерево».

Здесь равносторонний треугольник понимается как частный случай равнобедренного. Именно на этом примере можно оценить справедливость фразы: теоретическое решение практической задачи обычно является не лучшим практическим решением. Вот и в этом случае решение, предложенное профессиональным математиком, на практике не применяется. С математической точки зрения, напротив, практика не имеет значения. Не имеет значения и то, что в практическом решении равносторонний треугольник понимается иначе — для математика это не новость.

Тем не менее практически решил эту задачу не математик, а садовод. И практическое решение математической задачи — это результат математического творчества.

Задача лесничего: треть того, что мы видим, — вовсе не треть того, на что мы смотрим

При обрезке деревьев обычно удаляются ветви нижней его трети, и лесничему нужно на глаз определить эту часть дерева. Является ли треть того, что мы видим, третьей частью того, на что мы смотрим? Как правило, это не так:

Визуальное и реальное деление предмета на три части совпадают, только когда мы рассматриваем дугу окружности, находясь в ее центре. Как же лесничий решит задачу? Как визуально определить треть предмета, на который он смотрит?

Чаще всего точная высота дерева нам неизвестна. Если А1 — угол зрения, под которым можно увидеть все дерево, а — уровень глаз, d — расстояние до основания дерева, то угол А3 определяющий нижнюю треть дерева, вычисляется по формуле:

В чем заключается суть вопроса? В том, что видимая величина угла меняется в зависимости от точки, из которой мы смотрим на него. Видимая середина отрезка будет соответствовать его истинной середине только в том случае, если мы будем находиться на серединном перпендикуляре к этому отрезку:

При делении отрезка на три части подобная ситуация невозможна. Если бы она была возможна, то существовала бы точка X плоскости, такая, что при взгляде из нее трети Р1Р2, Р2Р3 и P3P4 отрезка Р1Р4 были бы видны под одним и тем же углом (см. рисунок ниже). Следовательно, так как из точки X можно было бы увидеть под одним и тем же углом две половины P1P3  точка X должна была бы располагаться на серединном перпендикуляре к отрезку P1P3 (то есть на прямой, проходящей через Р2 и перпендикулярной P1P3). Это же было бы справедливо для серединного перпендикуляра к отрезку Р2Р4 (прямой, проходящей через Р3 и перпендикулярной Р2Р4). Таким образом, точка X должна была бы располагаться одновременно на двух серединных перпендикулярах, которые параллельны между собой, так как они перпендикулярны одному и тому же отрезку P1P4, что невозможно:

За исключением случая, когда мы смотрим на дугу окружности, находясь в ее центре, треть того, что мы видим, — вовсе не треть того, на что мы смотрим.

Предупреждение для бухгалтера: округленная сумма значений не равна сумме округленных значений

Округление чисел выполняется по следующим правилам: если последний знак десятичной записи числа меньше 5, этот знак заменяется на 0, если же последний знак больше 5, то предыдущий знак увеличивается на единицу:

2,34 ~= 2,3;

2,37 ~= 2,4.

Ошибки округления в одну десятую, сотую или тысячную при работе с большими числами могут быть значительными. Если ошибка в одну сотую евро повторится на 300 миллионах счетов, общее расхождение составит 3 миллиона евро. В бухгалтерском учете подобное недопустимо. При составлении балансов даже сотые доли евро могут повлиять на итоговое значение округленной величины:

Имеем теорему:

Округленная сумма значений не равна сумме округленных значений.

Это утверждение можно подтвердить с помощью следующих таблиц:

Обратите внимание, с какой частотой в таблицах фигурируют числа 0, 1 и 2:

Почему мы не можем определить операцию округления так, чтобы 0, 1 и 2 распределялись более равномерно? Например, так, чтобы каждое из этих чисел фигурировало в таблице примерно в 33,3 % случаев. Эта ситуация представлена ниже: 0, 1 и 2 в таблице встречаются 33, 34 и 33 раза соответственно:

Расставляем продукты в холодильнике

Расположение продуктов в европейских холодильниках можно оптимизировать благодаря стандарту упаковок Gastronorm EN 631. Все упаковки, разработанные в соответствии с этим стандартом, имеют прямоугольную форму и обозначаются числовым кодом, указывающим соотношение размеров упаковки. Перечень кодов представлен ниже:

2/1 2/3 2/4 2/8 и 1/1 1/2 1/3 1/4 1/6 1/9.

Базовая упаковка обозначается кодом 1/1 и имеет размеры 530 х 265 мм.

Остальные упаковки получаются из базовой так, как показано на иллюстрации.

Таким образом, обозначение каждой упаковки выражает отношение ее размера и размера базовой упаковки 1/1:

2/1 = удвоенная упаковка 1/1;

2/4 = четверть 2/1 = половина 1/1;

2/8 = восьмая часть 2/1 = четверть 1/1;

2/3 = две трети 1/1;

1/2 = половина 1/1;

1/3 = треть 1/1;

1/4 = четверть 1/1;

1/6 = половина 1/3;

1/9 = треть 1/3.

Все эти равенства верны с точки зрения математики:

Следовательно, коды стандарта Gastronorm, по сути, представляют собой дроби, четко указывающие соотношение размеров упаковок. Чтобы узнать, скольким упаковкам формата 1/6 равна упаковка формата 2/3, достаточно выполнить деление:

Система Gastronorm подобна игре в тетрис и позволяет заранее рассчитать оптимальное расположение упаковок, например, на полке холодильника, при этом упаковки будут располагаться рядом друг с другом, подобно элементам головоломки.

Бесконечная книга и двумерный диск

Многие писатели прошлого и современности очень четко передают математические идеи, объясняют их и сопровождают примерами, что помогает лучше усвоить многие понятия и взглянуть на них по-новому. Чтобы проиллюстрировать это, обратим внимание на два рассказа: один из них принадлежит перу Хорхе Луиса Борхеса, второй — Итало Кальвино.

Большая часть творчества Борхеса посвящена парадоксальным ситуациям и объектам, которые тем не менее настолько логичны, что кажутся реальными: это пустыня, подобная лабиринту, где нет ни дверей, ни проходов, здание библиотеки невероятно сложной планировки и т. д. Описания подобных объектов в произведениях Борхеса содержат отсылки к математическим идеям.

В «Книге песка» этот аргентинский писатель говорит о книге с бесконечным числом страниц, при этом нельзя определить, какая из страниц книги первая, какая — последняя. Можно сказать, что бесконечность, описываемая Борхесом, является потенциальной и счетной, так как все страницы книги пронумерованы натуральными числами. Страниц в книге так много, что ее невозможно открыть еще раз на только что прочитанной странице, — именно так писатель проводит различие между конечным и бесконечным:

«Я наугад раскрыл книгу… Я обратил внимание, что на четной странице стояло число, скажем, 40514, а на следующей, нечетной, — 999. Я перевернул ее — число было восьмизначным. На этой странице была маленькая, как в словарях, картинка: якорь, нарисованный пером, словно неловкой детской рукою.

И тогда незнакомец сказал:

— Рассмотрите хорошенько, вам больше никогда ее не увидеть.

В словах, а не в тоне, звучало предостережение.

Я заметил страницу и захлопнул книгу. И тут же открыл ее. Напрасно я искал, страница за страницей, изображение якоря…

<…>

— …Ее владелец не умел читать… Он объяснил мне, что его книга называется Книгой Песка, потому что она, как и песок, без начала и конца»[2].

Если бы книга была конечной, то как бы много страниц в ней ни было (например, N), вероятность снова открыть ее на определенной странице была бы небольшой, но не нулевой. В бесконечной книге эта вероятность равна нулю:

Страницы «Книги песка» вполне могли быть пронумерованы натуральными числами: 1, 2, 3, … При такой нумерации книгу нельзя было бы открыть на последней странице, но можно было бы открыть на первой, однако в рассказе говорится, что у книги нет ни начала, ни конца. В попытках найти начало или конец книги герою все время попадались новые и новые страницы:

«Он попросил меня найти первую страницу. Я положил левую руку на титульный лист и плотно сомкнутыми пальцами попытался раскрыть книгу.

Ничего не выходило, между рукой и титульным листом всякий раз оказывалось несколько страниц. Казалось, они вырастали из книги.

— Теперь найдите конец.

Опять неудача; я едва смог пробормотать:

— Этого не может быть.

<…>

— Не может быть, но так есть. Число страниц в этой книге бесконечно.

Первой страницы нет, нет и последней. Не знаю, почему они пронумерованы так произвольно. Возможно, чтобы дать представление о том, что члены бесконечного ряда могут иметь любой номер. <…> Если пространство бесконечно, мы пребываем в какой-то точке пространства. Если время бесконечно, мы пребываем в какой-то точке времени»[3].

Так как в книге нет первой страницы, наша гипотеза о натуральных числах ошибочна. На каком множестве чисел отсутствует первый элемент? На множестве положительных рациональных чисел, то есть на множестве конечных или периодических десятичных дробей. Это множество не только бесконечное и счетное (его элементы можно сосчитать), но на нем также нет первого и последнего числа, ведь первого положительного рационального числа после нуля не существует. Если бы это число, назовем его А, существовало, то мы всегда могли бы разделить его пополам и получить A/2 — положительное рациональное число, меньшее А:

0 < А/2 < A

Первым рациональным числом должно быть A/2. Но это вновь неверно, так как A/4 еще меньше, А/8 — еще меньше. Таким образом, между данным рациональным числом (обозначающим первую страницу «Книги песка») и нулем (обозначающим обложку книги) может уместиться бесконечно много рациональных чисел (страниц книги). Мы можем пронумеровать страницы книги рациональными числами, заключенными между 0 и 1. Но у нее не будет ни первой страницы, ни последней.

Что хотел сказать Борхес, когда написал, что мы находимся в одной из точек бесконечного пространства и времени? Возможно, что мы не можем увидеть его концов или пределов. Если бы пространство и время были конечными, можно было бы вести речь о половинах, третях, соотношениях и расстояниях от концов, но если пространство и время бесконечны, эти рассуждения теряют смысл.

То, что Борхес четко представлял себе бесконечность и ее связь с различными измерениями пространства, становится очевидным уже в начале рассказа: «Линия состоит из множества точек, плоскость — из бесконечного множества линий; книга — из бесконечного множества плоскостей; сверхкнига — из бесконечного множества книг…»[4]

* * *

ХОРХЕ ЛУИС БОРХЕС (1899–1986)

Хорхе Луис Борхес — один из самых выдающихся писателей XX века. Его произведения сложно привязать к какому-то конкретному жанру: их в равной степени можно отнести к рассказам, эссе, поэзии и фантастике. Фантазия Борхеса не лишена логики. В его рассказах содержатся прекрасные и доступные описания научных и математических идей, понятные широкой публике. К подобным произведениям относятся «Вавилонская библиотека», «Фунес памятливый», «Аналитический язык Джона Уилкинса» и «Сад расходящихся тропок». Некоторые считают, что в последней Борхес предвосхитил некоторые открытия квантовой механики.

На реверсе аргентинской монеты достоинством в 2 песо, выпущенной в 1999 году в честь столетия со дня рождения Хорхе Луиса Борхеса, изображен лабиринт, упоминаемый во многих произведениях писателя.

* * *

В еще одном его произведении главную роль играют не числа, а измерения.

«Диск» — это короткий рассказ, в котором алчный дровосек убивает зашедшего к нему путника, после чего много лет ищет оброненный его жертвой магический диск — диск Одина, у которого всего одна сторона:

«— Я иду путями изгнанника, но я король, ибо у меня есть диск. Показать тебе его?

Он разжал костлявый кулак. В нем ничего не было. Ладонь была пуста.

Только сейчас я вспомнил, что до этого он не разжимал его ни разу.

Пристально глядя на меня, он сказал:

— Можешь коснуться.

С некоторой опаской я дотронулся кончиками пальцев до его ладони.

Я почувствовал холод и увидел, как что-то сверкнуло. В то же мгновение его пальцы сомкнулись. Я ждал. Незнакомец продолжал, как если бы он говорил с ребенком:

— Это диск Одина. У него есть только обратная сторона. Подобного ему нет на всей земле. Пока я владею им, я король.

— Он из золота? — спросил я.

— Не знаю. Это диск Одина. И у него одна-единственная сторона»[5].

У трехмерного диска три стороны. Две из них имеют форму круга, третья — это полоса, их соединяющая, которую мы можем развернуть в виде прямоугольника.

Двумерные предметы не имеют толщины. Математическое творение Борхеса состоит в том, что он доказал, что у диска Одина нет толщины, так как у него нет одной из боковых сторон. Дровосек никак не может найти диск, потому что он, скорее всего, упал невидимой гранью вверх.

Улицы Доротеи

Отсылки к математике содержатся и во многих произведениях Итало Кальвино:

«Космикомические истории», «Раздвоенный виконт», «Незримые города». Так, его совершенно нематематический роман «Незримые города» содержит множество связей с различными математическими идеями. На страницах романа Марко Поло описывает города своей империи Кубла-хану. Каждый город носит женское имя, и мы выбрали в качестве примера фразу из описания города Доротея:

«О городе Доротее можно повествовать двояко: либо рассказывая о том, что над ее стенами вздымаются четыре башни, а к семи воротам ведут подъемные мосты, переброшенные через ров; четыре канала с водой зеленого цвета пересекают город и делят его на девять кварталов, в каждом из которых находится по триста домов и семьсот дымоходов…»[6]

При описании архитектурных элементов города Кальвино использует конкретные величины: четыре башни, семь ворот, четыре канала с водой зеленого цвета, девять кварталов, 300 домов и 700 дымоходов. Неизбежно возникает желание провести некоторые расчеты. Так, всего в Доротее 9·300 = 2700 домов и 9·700 = 6300 дымоходов, что означает, что во многих домах больше двух дымоходов.

Не будем сосредотачивать внимание на этих вычислениях, а обратимся к топологическому аспекту описания, которое гласит, что «четыре канала с водой зеленого цвета пересекают город и делят его на девять кварталов».

Допустим, что каналы имеют форму прямых линий. Существует множество способов разделить город на девять кварталов четырьмя каналами. Можно проложить каналы так, что город окажется разделенным на одиннадцать кварталов, как показано на следующих рисунках:

Возникает вопрос: каково максимальное число кварталов, на которые можно разделить город прямыми улицами или каналами? Иными словами, каково максимальное число областей, на которое можно разделить часть плоскости n отрезками?

Чтобы ответить на этот вопрос, обратим внимание, что одна улица делит город всего на два района, а максимальное число районов образуется тогда, когда новая прямолинейная улица пересекает все существующие районы:

При прокладке первой улицы образуется один новый район, при прокладке второй улицы — два, третьей — три и т. д. Таким образом, при прокладке n-й улицы образуется n новых районов. Следовательно,

Иными словами, максимальное число районов В(n) равно сумме n и числа районов, полученных на предыдущем этапе, В(n — 1):

При подобном расположении улиц город будет выглядеть примерно так:

Образующаяся кривая — так называемая эвольвента В(n) для n —>  кривая — гипербола, которая описывается уравнением:

х2  + у2 + 2ху — 4у = 0.

Если же улицы необязательно должны быть прямыми, то максимально возможное число районов будет равно В(n) = 2n. На следующем рисунке изображен план города, который делится шестью улицами на 64 района:

Порядок среди хаоса: теорема Вариньона

Теорема Вариньона — это знаменитая теорема планиметрии, описывающая удивительный феномен. В классификации Дьёрдя Пойа это задача на доказательство.

Эта теорема иллюстрирует два важных принципа: во-первых, доказательство, которое не объясняет явление, не является достаточным, во-вторых, цель творческого подхода в математике заключается в том, чтобы понять явление, а для этого необходимо всестороннее доказательство. Иными словами, иногда «доказать» не означает «объяснить».

Выберем четыре произвольные точки плоскости Р, Q, R, S и соединим их отрезками, образуя четырехугольник. Обозначим середины его сторон точками А, В, С, D. Соединим эти точки так, чтобы получился второй четырехугольник внутри первого. Замечаете ли вы нечто особенное?

Повторите построение для других исходных точек, и вы увидите то же самое.

Перед нами — необычная ситуация. Кажется, что геометрия не подчиняется здравому смыслу. Какую бы форму ни имел исходный четырехугольник, для него всегда будет выполняться утверждение:

четырехугольник, вершины которого совпадают с серединами сторон произвольного четырехугольника, является параллелограммом.

Мы обнаружили порядок среди хаоса. Первое, что нужно сделать в подобных ситуациях — постараться объяснить увиденное. Быть может, доказательство поможет нам найти такое объяснение, а может быть, и нет. Рассмотрим векторный и алгебраический подход к этой теореме. Нужно доказать, что точки А, В, С и D, которые являются серединами сторон произвольного четырехугольника PQRS, определяют параллелограмм. Иными словами, нужно доказать, что векторы АВ→ и DC→ равны, то есть их можно разложить на одинаковые составляющие. Пусть исходные точки имеют следующие координаты: P(p1, р2), Q(q1, q2), R(r1, r2) и S(s1, s2). Найдем координаты первого из рассматриваемых векторов и покажем, что они равны координатам второго вектора:

Теорема доказана. Объясняет ли это доказательство суть увиденного нами? Нет. Перед нами пример того, как логика доказывает, но не объясняет. В данном случае логика не объясняет, потому что из доказательства мы не можем понять, почему ситуация складывается именно так, а не иначе. Вернемся в начало доказательства и обратим внимание на часть исходной фигуры:

Возможно, в этом контексте она покажется вам знакомой. Проведем вспомогательную линию — единственно возможную для завершения рисунка:

Результат построения — треугольники APD и QPS. Так как точки А и D — середины сторон PQ и PS соответственно, то отрезок AD параллелен QS, а его длина в два раза меньше длины QS. Последнее утверждение известно как теорема о средней линии — она заслуживает отдельного упоминания, так как не столь очевидна, как может показаться.

Проведя аналогичные рассуждения для вершины R исходной фигуры, получим, что отрезок ВС параллелен QS. Так как AD и ВС параллельны QS, они параллельны между собой, а четырехугольников CD — параллелограмм.

Несомненно, только в геометрическом контексте теорема наполняется смыслом, а объяснить ситуацию помогает доказательство, в котором используется теорема Фалеса.

Однако, подобно творцам от математики, не следует останавливаться на этом.

Пауль Матуссек, которого мы цитировали в первой главе, говорил, что творческий ум работает постоянно. Так, прямым следствием этой теоремы является то, что стороны параллелограмма ABCD параллельны диагоналям четырехугольника PQRS. Можно задать и другие вопросы: что произойдет, если мы будем делить стороны исходного четырехугольника не пополам, а на три, четыре и более частей?

Здесь в игру вступают компьютерные программы для рисования и обработки геометрических фигур, которые позволяют наглядно представить ситуацию и могут навести на новые вопросы. Рисунки ниже были сделаны с помощью программы, позволяющей произвольно перемещать вершины исходного четырехугольника. При этом возникают весьма необычные четырехугольники и параллелограммы:

Нельзя избавиться от ощущения, что некоторые из этих фигур представляют собой изображения трехмерных многогранников на плоскости. Теорема Вариньона покидает пределы плоскости и выходит в пространство. Современные технологии помогли нам сломать незримые границы, поставленные исходной формулировкой задачи. Как следствие, возникли новые вопросы: верна ли теорема Вариньона, если стороны исходного четырехугольника пересекаются? А если одна из вершин четырехугольника совпадает с какой-либо из остальных и таким образом четырехугольник превращается в треугольник? Какими свойствами будет обладать этот треугольник и каким будет соотношение между ним и параллелограммом внутри него? При каких условиях теорема будет выполняться в пространстве, если мы заменим четырехугольник многогранником, а параллелограмм — параллелепипедом?

Степени двойки нельзя представить как сумму последовательных натуральных чисел

2000 год был объявлен Международным годом математики. В мире прошли многочисленные конгрессы, а в научных и учебных центрах состоялись различные мероприятия, посвященные математике. Эта дата навела автора на новый вопрос:

можно ли представить число 2000 в виде суммы последовательных натуральных чисел?

Так появилась теорема о числах, которая ранее не была известна автору этой книги и его коллегам. Год публикации первого издания этой книги — 2010. Это число достаточно круглое, чтобы можно было вновь задаться вопросом:

можно ли представить число 2010 в виде суммы последовательных натуральных чисел?

Оно не является суммой двух последовательных натуральных чисел:

2010 = 1005 +1005 = 1004 +1006.

Однако его можно представить как сумму трех или четырех последовательных чисел:

2010 = 669 + 670 + 671.

2010 = 501 + 502 + 503 + 504.

Можно ли представить любое натуральное число в виде суммы последовательных натуральных чисел? Очевидно, что всякое натуральное число можно представить как сумму одного последовательного числа — самого себя. Запишем сумму k последовательных натуральных чисел:

(n + 1) + (n + 2) +… + (n + k) = k·n + (1 + 2 + … + k).

Сумма чисел в скобках рассчитывается по формуле из предыдущей главы:

В нашем случае:

С одной стороны, если k — четное, то 2n + k также будет четным, а 2n + k + 1 будет нечетным. С другой стороны, если k — нечетное, то k + 1 четное, и 2n + k + 1 также будет четным.

В любом случае один из множителей в знаменателе будет нечетным.

Следовательно, сумма последовательных чисел имеет как минимум один нечетный делитель. Это означает, что в виде суммы последовательных натуральных чисел можно представить только числа, имеющие нечетный делитель. Так как у чисел, являющихся степенями 2, нет нечетных делителей, имеем следующую теорему:

только числа, которые являются степенями 2, нельзя представить как сумму последовательных натуральных чисел.

Приведя подобные слагаемые в суммах последовательных чисел, увидим, откуда появляется этот нечетный множитель:

Если число слагаемых n нечетное, этим нечетным множителем будет n, если же число слагаемых n четное, то этим нечетным множителем будет 2n + 1. В любом случае один из сомножителей будет нечетным.

* * *

КАРЛ ФРИДРИХ ГАУСС (1777–1855)

Этот немецкий математик, который родился в Брауншвейге и умер в Гёттингене, был вундеркиндом. Он получил хорошее образование благодаря не отцу, а матери. Гаусс никак не мог решить, что ему следует изучать — философию или математику. В начале весны 1796 года он сделал выбор в пользу математики, и наука весьма благодарна ему за это, так как Гаусс в итоге стал одним из величайших математиков всех времен. Несомненно, на его решение повлиял тот факт, что в тот самый весенний день ему удалось построить с помощью циркуля и линейки правильный 17-угольник. Как математик Гаусс совершил много важных открытий, но этим успехом он гордился больше всего — настолько, что попросил высечь этот многоугольник на своем надгробии, на что мастер возразил, что высечь эту фигуру будет очень сложно и ее будет почти невозможно отличить от окружности.

Портрет Гаусса.

Этот немецкий математик доказал, что правильный 17-угольник можно построить с помощью циркуля и линейки.

Глава 4 Межкультурное и творческое взаимодействие

До сих пор мы говорили о наиболее типичном аспекте математической деятельности — о том, как человек, сталкивающийся с событиями и явлениями, пытается объяснить их с точки зрения математики. Мы не углублялись в культурные и социальные аспекты математики, хотя в первой главе отметили, что именно они играют основную роль в ее развитии.

Математика формируется в рамках определенного социального и культурного контекста, который в значительной степени определяет ее развитие как внутри научной среды, так и вне ее. Следовательно, социокультурные факторы влияют на математическое творчество, так как придают одним задачам большую важность, чем другим, и если в одной культуре определенные задачи считаются очень важными, то в другой культурной среде им не уделяется никакого внимания.

Этноматематика — это раздел науки, изучающий развитие математики в определенных группах культур. Благодаря этноматематике мы знаем, что в разных частях света люди по-разному производят вычисления, по-своему воспринимают геометрические фигуры и используют для решения одних и тех же задач разные алгоритмы. С одной стороны, это доказывает творческую природу каждой культуры, с другой стороны — делает возможным межкультурное взаимодействие.

Далее мы вкратце расскажем о том, как автор этой книги накапливал новые математические знания вне своей научной среды и вне родной ему западной культуры. Надеемся, что читатель снисходительно отнесется к крайне субъективному характеру повествования.

Пока что мы всегда говорили об эвристике в рамках определенной культуры — как в пределах академической среды, так и за ними. Теперь мы выйдем за рамки нашей культурной парадигмы и посмотрим, как математическое творчество соотносится с различными культурными и социальными аспектами, как оно связано с ними.

Мы уже говорили, что первый шаг на пути к математическому творчеству — это начать задавать вопросы о том, что нас окружает. Что может быть лучше, чем выйти из дома и начать наблюдать, изучать новое, испытывать незнакомые ощущения?

Путешествие к другим культурам

Математики нечасто путешествуют. Мы не имеем в виду путешествия, связанные с научной работой, которые проходят в привычном для ученых контексте. Мы говорим о путешествиях с целью узнать что-то новое, познакомиться с новыми людьми, новыми культурами и обычаями, новым образом жизни и образом мыслей. К таким путешествиям не относятся организованные поездки, так как в них туриста окружает значительная часть привычной среды — хотя бы минимальные удобства, транспорт, гид-переводчик и попутчики, принадлежащие к родной культуре.

Погружения в другую культуру выглядят совершенно иначе: в них путешественник покидает привычный культурный контекст. В течение короткого промежутка времени он старается жить максимально похоже на то, как живут местные, вести себя так же, как они, есть ту же еду и в тех же ресторанах и кафе, он поселяется в тех же гостиницах, куда селятся местные жители, когда они отправляются в поездки.

В подобных путешествиях мы понимаем, что обычная жизнь представителей разных культур отличается: в разных странах люди говорят на разных языках, у них разные верования и обряды, социальная и политическая организация, система ценностей, гастрономия, архитектура, искусство, музыка, литература и многое другое, что составляет самобытность страны. Путешественник стремится найти сходства и различия между этой культурой и культурой родной страны. Так он не только близко знакомится с новой страной, но и лучше узнает самого себя и, как следствие, свою культуру.

Математика за городскими стенами

Кто-нибудь думал о математике во время путешествия? Когда лодка несет нас по водам Ганга, мы смотрим на клубы дыма, поднимающиеся от кремируемых тел, чей прах затем будет развеян по реке. Сидя на песке, мы смотрим на звездообразный силуэт пальмы в лучах закатного солнца, на то, как она колышется на ветру. Сидя на полу храма, мы восхищаемся неизмеримым множеством деталей: вот священник в клубах благовоний освящает подношения, служки в разноцветной одежде, повторяющаяся музыка гамелана, скульптуры внутри храма, декорации из бамбука и сплетенных листьев, корзины с экзотическими фруктами… Может ли кто-нибудь думать о математике, видя вокруг себя все это великолепие?

Это невозможно. Тем не менее, проведя некоторое время в чужой стране, мы привыкаем к экзотике. То, что раньше казалось странным, теперь привычно. И в этот момент мы можем заняться тем же, чем занимались дома. Когда этот первый этап пройден, но поездка еще не закончена, путешественник в свободные минуты может задуматься о чем-то привычном, свойственном его среде.

В эквадорском городе Баньос я впервые в жизни начал разговор о математике, находясь далеко от дома, — я разговорился с немецким туристом, который интересовался теоремами о собственных значениях.

Второй подобный разговор произошел несколько лет спустя, когда я взял с собой в Индонезию тетрадь с заметками и книгу по математике, чтобы подготовить курс лекций. Путешествие обещало быть долгим, и я планировал пробыть на одном месте несколько недель. Музыка и литература помогли мне воссоздать привычное рабочее место, очень похожее на то, что было у меня дома. Сначала это казалось мне странным, но постепенно я привык заниматься математикой в тропиках. Именно тогда мне пришла в голову описанная ниже задача об оптимизации: на мысль о ней меня навели острова Молуккского архипелага, разделенные проливом шириной всего два километра: Тернате, имеющий почти идеально круглую форму, и соседний с ним остров Тидоре.

Задача формулируется следующим образом. Даны два круглых острова, на каждом из них есть всего одна дорога, идущая вдоль побережья. Один человек находится в точке Р на дороге, проложенной на одном острове, и ему нужно попасть в точку Q на дороге, расположенной на другом острове, как показано на рисунке. Как найти кратчайшую траекторию?

Все возможные траектории, проходящие по островам, будут иметь форму дуг окружности. С одного острова можно попасть на другой, двигаясь вдоль прямой линии. Вспомним рекомендации Пойа и сведем задачу к простейшему случаю, затем будем рассматривать все более сложные случаи и в итоге найдем общее решение.

1. Оба острова представляют собой точки.

2. Один из островов представляет собой точку.

3. Острова имеют одинаковый радиус.

4. Острова имеют разный радиус.

Основную роль при решении задачи играют четыре точки, положение которых определяется общими касательными к обеим окружностям, как показано на иллюстрации.

При решении задачи возникает вопрос: путь между какими точками будет кратчайшим, если мы будем передвигаться исключительно морем? А что если один остров расположен внутри другого и они разделены озером, имеющим форму кольца?

Таблица умножения на песке

Моя третья встреча с математикой за пределами родной культуры произошла на пляже Падангбай на острове Бали. Там я встретил школьного учителя из небольшого городка, расположенного неподалеку, и его семилетнюю дочь. Учитель писал на песке примеры, а дочь должна была их решить. Меня удивил необычный способ умножения на пальцах, который они использовали. Я вспомнил одну из книг Джорджа Ифра, которая стояла в шкафу у меня дома, в 13 тысячах километров от того места, где я находился. В ней описывались различные способы умножения, используемые в разных частях света, но я не мог вспомнить, упоминалась ли в книге Индонезия и остров Бали.

Чтобы умножить, например, 6 на 8, девочка сжимала в кулак пальцы левой руки, а затем считала до 6 на пальцах, так, что в итоге один палец оказывался загнутым, 4 — разогнутыми. Затем она считала до 8 на пальцах правой руки так, что в итоге загнутыми оказывались 3 пальца, разогнутыми — 2, как показано на рисунке ниже.

Чтобы получить результат, девочка прибавляла число загнутых пальцев, умноженное на 10, то есть 10 * (1 + 3) = 40, к произведению чисел, которые обозначались разогнутыми пальцами, то есть 4·2 = 8. Результат умножения равнялся 40 + 8 = 48.

Кто придумал такой способ и как он работает? На первый вопрос ответить невозможно — способ очень древний. А ответ на второй вопрос выглядит так:

(10 — а) (10 — Ь) = 100 — 10а — 10Ь + аЬ =

= 100 —10(а + Ь) + аЬ = 10[10 — (а + Ь)] + ab.

Здесь а + b — число разогнутых пальцев, 10 — (а + Ь) — число загнутых пальцев. Число загнутых пальцев следует считать десятками, то есть умножить на 10. Наконец, а и b обозначают число загнутых пальцев на каждой руке. При умножении 6 x 7 мы получаем а = 4, b = 3. При умножении 8 x 8 загнутыми оказываются три пальца на каждой руке, они обозначают шесть десятков (60), два разогнутых пальца на каждой руке обозначают 2·2 = 4 единицы. Следовательно, результат умножения равен 60 + 4 = 64.

Смысл подобной системы в том, чтобы свести умножение двух чисел больше 5 к умножению чисел меньше 5. Чтобы использовать эту систему, не нужно знать таблицу умножения до 10 — достаточно таблицы умножения до 5.

Вернувшись домой, я открыл главу книги об истории чисел. Ифра писал, что схожие приемы умножения используются в разных частях света: «Подобные методы до сих пор встречаются в Индии, Иране, Сирии, Сербии, Бессарабии, Валахии, Оверни и на севере Африки». Индонезии среди упоминаемых им регионов не было. Так я впервые в жизни увидел что-то, что не было описано в книге. Жители Бали исповедуют индуизм, и нет никаких сомнений, что способ умножения, которым пользовались учитель и его дочь, был частью индийского культурного наследия.

* * *

УМНОЖЕНИЕ ЧИСЕЛ БОЛЬШЕ 10

Секрет описанного метода умножения основан на остатках от деления на 5. Такое умножение выполняется на пальцах. Так как у нас по 5 пальцев на каждой руке, число загнутых или разогнутых пальцев будет равно остатку отделения искомого числа на 5. Чтобы умножить 13 на 14, отсчитаем единицы на пальцах. В итоге на одной руке будут загнуты 3 пальца, на другой — 4, что соответствует остатку от деления 13 и 14 на 5:13 = 5·2 + 3; 14 = 5·2 + 4. Что нужно сделать дальше, чтобы найти результат умножения? Ответ на этот вопрос подскажет алгебра:

(10 + а)(10 + Ь) = 100 + (а + Ь)·10 + аЬ.

Иными словами, нужно прибавить к 100 столько десятков, сколько пальцев загнуто на обеих руках (3 + 4), и их произведение:

13·14 = 100 + (3 + 4)·10 + 3·4 = 100 + 70 + 12 = 182.

* * *

Гравюры тораджи: можно ли создать их, не зная математики?

Произошедшее заставило меня по-новому посмотреть на окружающее. Вскоре мне попалось на глаза нечто особенное: гравюры народа тораджи с индонезийского острова Сулавеси. Вначале я увидел в них лишь произведение искусства и часть культуры тораджи, отличительной чертой которой является традиционная архитектура. Дома и амбары для хранения риса сделаны из дерева и стоят на толстых сваях.

В нижней части строений обычно хранят инструменты и держат скот, наверху располагаются жилые комнаты со стенами из деревянных панелей. Крыша дома по форме напоминает седло.

Одинаковые геометрические фигуры, равноудаленные друг от друга, и круг, разделенный на шестнадцать равных частей.

На фасады домов наносятся различные узоры, расположение и значение которых отражают представления тораджи об окружающем мире, космосе и обществе. Авторов узоров вдохновляет окружающая природа, образы которой воплощаются в гравюрах в виде геометрических абстракций.

После увиденного на пляже Падангбай и после того, как я понял, что в книге Джорджа Ифра ничего не говорится об этом регионе, я внимательно изучил некоторые фотографии архитектуры тораджи. Я по-прежнему видел в них произведения искусства, полные символов, но начал замечать и тщательно выстроенную сеть параллельных и перпендикулярных прямых, окружностей, спиралей, переносов, отражений и других видов симметрии. Можно ли создать все эти узоры, не зная математики?

Геометрия неизменно присутствует в произведениях искусства и узорах народа тораджи с острова Сулавеси.

Как создаются гравюры тораджи

Изучив гравюры тораджи, европейский математик свяжет их с евклидовой геометрией и сделает вывод, что они с большой вероятностью созданы на основе понятий и методов, введенных Евклидом. Подобная трактовка будет неразрывно связана с самими геометрическими фигурами, увиденными на гравюрах. Термины, которыми математик описывает эти фигуры, являются частью его собственной математической культуры. Однако ни один из этих терминов не знаком мастерам, изготовившим гравюры.

Когда математики получили возможность посмотреть, как тораджи создают узоры, и пообщаться с мастерами, они поняли, что некоторые их методы не относятся к геометрии Евклида. Граверы создавали узоры с высокой точностью: чаще всего каждый узор наносился с помощью сетчатой ткани, в некоторых случаях — поверх заранее намеченных эскизов. И всегда тщательно проведенные линии служили основой для фигур, которые наносили на гравюру позже.

Когда западные математики увидели, как мастера проводят линии сетки, то поняли, что тораджи строят параллельные и перпендикулярные линии не по методам, описанным Евклидом в «Началах», а согласно приближенным алгоритмам, которые казались намного менее строгими, чем можно было подумать, глядя на конечный результат. Параллельные линии и окружности были построены с очень высокой точностью с помощью циркулей, подобных европейским (на их обеих ножках имелись иглы, которыми можно делать отметки на деревянной поверхности), и циркулей из бамбука традиционной конструкции. Мастера ничего заранее не измеряли и не проводили никаких расчетов. Бамбуковая рейка служила как для измерений и откладывания размеров, так и для построения прямых линий.

Мастер тораджи рисует ряд спиралей.

Спираль, нарисованная от руки в углу сетки.

При этом мастера должны были решать важную задачу: перед тем как провести линии сетки на прямоугольной панели, где затем изображался узор, необходимо было отметить концы линий на краях панели. Две, три, четыре, шесть и восемь равноудаленных точек определялись методом проб и ошибок. Одни мастера использовали для этого бамбуковую рейку, другие — циркуль, и все они при этом отмечали точки в нужных местах и с поразительной быстротой.

Бамбуковый циркуль.

Эврика!

Сначала я подумал, что мастер хотел разделить сторону панели на две, три, четыре, шесть и восемь равных частей и что указанные им точки и станут концами линий сетки, поверх которой будет наноситься гравюра. Он действовал иначе, чем поступил бы я: я измерил бы сторону панели и разделил ее длину на нужное число частей, а затем отметил бы соответствующие точки. В распоряжении мастеров были линейки с миллиметровыми делениями и калькуляторы, однако они не пользовались этими инструментами, а применяли свой способ, достаточно эффективный и надежный: я видел, как они работают, собственными глазами.

Тогда я задумался: как бы решил эту задачу я, имея их инструменты? Я бы отмерил на глаз половину, треть и четвертую часть стороны, которую требовалось разделить на две, три или четыре равные части. Я отметил бы точку, примерно обозначавшую середину стороны, на бамбуковой рейке, а затем отложил ее на стороне прямоугольной панели, которую требовалось разделить. Затем я передвинул бы рейку так, чтобы ее конец совпал с отметкой, нанесенной на панели. Если я отмерил середину панели точно, то точка, отмеченная мной на середине бамбуковой рейки, совпала бы с краем панели.

По-видимому, мастера действовали точно так же. Однако суть задачи заключалась в другом: если нужные точки не совпадали, это означало, что я определил середину панели неверно. Как исправить эту ошибку? Мастера работали так быстро, что было сложно уследить, в чем заключалась суть их метода. Казалось, что они, на основе проб и ошибок, несколько раз отмечали нужную точку, пока не получали желаемый результат. Но как им удавалось без всяких расчетов находить нужные точки так быстро? Возможно, я недооценивал их метод, и он был намного эффективнее, чем мне казалось?

На следующее утро мы сели в автобус. Был солнечный день, нас ожидала долгая дорога, поэтому в начале пути я занимал себя тем, что наблюдал, как просыпалась жизнь на рисовых полях и в деревнях, мимо которых мы проезжали. Я чувствовал себя прекрасно, и мой разум переключался между реальностью и выдумкой.

Я попеременно видел сначала то, что в действительности находилось передо мной, затем — какие-то воображаемые картины. Внезапно у меня возник вопрос: как исправить ошибку измерений и получить точный результат?

Я вновь представил себе мастеров за работой, с бамбуковой рейкой в одной руке и с карандашом — в другой. Я отметил середину рейки на глаз, затем перенес отметку на край деревянной панели. Затем я сдвинул рейку до конца. Конец рейки и край панели не совпали — я ошибся, но… Эврика! Как же я раньше не додумался? Чтобы исправить ошибку, нужно было найти половину допущенной ошибки и прибавить (или вычесть) ее к исходной оценке в зависимости от того, в какую сторону я ошибся — в большую или в меньшую. Так я нашел решение: эта сумма или разность половин и была равна искомой половине стороны панели. Если же панели требовалось разделить на три части, следовало действовать так же: нужно было прибавить или отнять треть величины, на которую мы ошиблись. Если, повторив эти действия дважды, я не получал удовлетворительный результат, следовало повторить все с самого начала.

Мастер исправляет ошибку, допущенную при измерении на глаз.

Пусть L — длина отрезка, который мы хотим разделить на три части. Сначала определим треть отрезка на глаз. Отметим на отрезке три точки, обозначающие отрезки длиной a1, 2a1 и 3a1 (см. рисунок на следующей странице).

Если последняя точка совпадает с концом отрезка, то наше решение верно. В противном случае требуется исправить допущенную ошибку Е. Как это сделать? Нужно найти ее треть, Е/3, и прибавить или отнять ее от первой оценки at в зависимости от того, в какую сторону мы ошиблись, большую или меньшую:

а1 ± E/3.

Мы получим новую оценку, а2, затем повторим эти же действия сначала.

Последовательные оценки образуют ряд, сходящийся к правильному результату, так как найти середину или треть очень маленького отрезка, длина которого равна величине ошибки, намного проще, чем найти длину исходного отрезка. У мастеров был острый взгляд, поэтому описанный выше алгоритм должен был привести к желаемому результату. Так и происходило.

Как рассуждают мастера?

Математический анализ задачи подтвердил мои ожидания: числовой ряд сходился к желаемому результату. Тогда я задал себе еще один, возможно, более сложный вопрос, который, однако, был крайне важен в моих исследованиях, посвященных математическим методам мастеров тораджи: думают ли они так же, как я? Я не мог просто подойти и задать им этот вопрос. Нужно было сделать так, чтобы они сами объяснили, как они рассуждают, решая эту задачу.

Некоторые из мастеров немного говорили по-индонезийски, но большинство общалось только на местном наречии тораджи. Раньше я пользовался услугами переводчика на английский, но иногда замечал, что он, вместо того чтобы переводить то, что говорил мастер, приводил собственную трактовку его слов. Сейчас я не мог допустить подобного. Я немного понимал по-индонезийски и решил еще немного подучить язык, чтобы поговорить с авторами гравюр. А то, что я уже был знаком с некоторыми из них, должно было помочь в общении. Так происходило межкультурное взаимодействие.

Деление отрезка на равные части неевклидовым методом

Мне стоило немалых трудов объяснить одному из мастеров суть моего вопроса, и в итоге он подтвердил, что при делении отрезка на равные части он рассуждал точно так, как я и представлял. На это указывали все выполняемые им действия, но я хотел, чтобы мастер изложил ход своих мыслей полностью, поэтому я решил действовать как ученик и попросил его объяснить, как он работает. Я решил приступить к работе сам, взял инструменты, с которыми работали мастера, и начал делить деревянную панель на равные части. Потом я спросил, что нужно делать, если я ошибся при делении отрезка на две части, и получил ответ: «Разделить излишек на две части». Затем я уточнил, что делать, если отрезок нужно разделить на три части, и получил ответ: «Точно так же — разделить излишек на три части».

Этот метод мастера называли «метод кира-кира», так как «кира-кира» в переводе с индонезийского означает «примерно». Отрезок делится на части примерно, но не произвольно: мастер отмечает последовательность точек и в конце концов получает желаемый результат. Он считается удовлетворительным, когда величина допущенной ошибки меньше ширины грифеля карандаша, которым наносятся отметки, или визуально неразличима. Это рекурсивный неевклидов алгоритм, который можно использовать на любой плоскости. Именно для таких задач решение методами евклидовой геометрии, которая преподается в европейских и индонезийских школах, оказывается неоптимальным. Мастера тораджи учились у мастеров прошлых поколений, и многие из них не ходили даже в начальную школу. Перед нами — новое решение одной из древнейших задач, новое по меньшей мере для европейской математики, результат этноматематического творчества.

Метод «кира-кира» представляет собой обычное деление, и он намного проще и понятнее, чем может показаться на первый взгляд. Так, можно убедиться, что его, по сути, без каких-либо изменений можно использовать и при делении чисел.

Ведь как мы делим одно число на другое? Мы начинаем с того, что оцениваем, сколько раз делитель укладывается в делимом. Если числа не делятся друг на друга нацело, образуется остаток. Например, когда мы делим 13 на 5, то говорим, что 5 укладывается в 13 два раза, а остаток от деления равен 13 — 2·5 = 13–10 = 3. Что делать дальше? Нужно разделить остаток 3 на тот же делитель, то есть на 5.

Чтобы упростить вычисления, мы умножаем 3 на 10 и делим 30 на 5. Эти числа делятся друг на друга нацело, результатом деления является 6. Однако этот результат затем нужно разделить на 10 и прибавить полученное число, 0,6, к уже известному частному: 2 + 0,6 = 2,6. Так мы получили окончательный результат деления.

Именно так действуют мастера тораджи — разница заключается лишь в том, что они не выполняют расчеты явно и начинают с визуальной оценки. При делении чисел мы можем действовать точно так же. Допустим, нам нужно разделить 2345 на 3. Будем действовать так:

Ошибка, допущенная на третьем шаге (2345/3 = 780), уже достаточно мала и имеет порядок 0,2 % по сравнению с точным результатом, равным 781,666… Но, хотя этот метод эффективен при делении отрезков на практике, он не вполне применим при делении чисел.

Новая проблема

Некоторое время спустя я вновь общался с одним из мастеров. Я с удивлением увидел в его мастерской необычную геометрическую фигуру — пентаграмму. Спросив мастера, как он построил такую фигуру, я узнал, что построить шестиконечную звезду несложно, пятиконечную — намного труднее.

Мастер указывает на неточно проведенную касательную при построении пентаграммы.

Это и в самом деле так. Мастера вписывали пятиконечную звезду в кольцо, радиус которого определялся визуально. Если результат построения отличался от ожидаемого, мастер исправлял ошибку, но не по методу «кира-кира», а на глаз, не следуя какому-то четко определенному методу, который обязательно приводил бы к нужному решению.

Я задумался над тем, как можно помочь мастерам в решении этой задачи. Было очевидно, что она заключалась в построении пяти равноудаленных точек на окружности, которые затем соединялись попарно, образуя пентаграмму. Следовательно, задача сводилась к построению правильного пятиугольника. Решение, предложенное Евклидом, не подходило по двум причинам. Во-первых, мне казалось бессмысленным чертить пятиугольник на стене дома тораджи с помощью громоздкого метода Евклида, который я и сам не помнил во всех подробностях. Во-вторых, не совсем этично привносить подобный метод в другую культуру. И тут… Эврика! Почему бы не попытаться решить задачу с помощью методов, свойственных культуре, в которой возникла эта задача? Иными словами, можно ли применить метод «кира-кира» для построения правильных многоугольников? Ответ на этот вопрос оказался утвердительным, хотя и не совсем таким, как предположил бы европейский математик.

Нам дана окружность, в которую мы хотим вписать правильный пятиугольник.

Применим метод «кира-кира», отложив на бамбуковой рейке пятую часть длины окружности. Затем отложим на окружности полученной меркой пять отрезков: P0P1, Р1Р2…., P4P5. Если конец последнего отрезка совпадает с точкой P0, то есть первая и последняя точки совпадают, замыкая цикл, то отмеченные нами пять точек являются вершинами правильного пятиугольника. Хорды, стягивающие пять дуг окружности, соответствующих этим пяти точкам, являются сторонами искомого пятиугольника. Чтобы построить пентаграмму, достаточно соединить точки нужным образом.

Если цикл не замыкается, то есть если Р5 не совпадает с P0, это означает, что мы допустили ошибку. Сначала я считал, что эту ошибку следует исправить, найдя ее треть с помощью бамбуковой рейки, а затем прибавить ее к исходной длине отрезка (или вычесть из нее). Но это не помогло улучшить результат. Как же решить задачу? Эврика! Я работал с точками на окружности, но по-прежнему использовал отрезки, в то время как мне нужно было исправить ошибку, допущенную при откладывании дуги. Мне нужно было обратить внимание не на рейку, которой я откладывал хорды, а на дугу окружности, соответствующую величине допущенной ошибки.

Спрямленная окружность

Все ясно: требуется рассмотреть окружность как отрезок. Закрепив один конец рейки во второй точке, отмеченной на окружности, я переместил другой конец рейки туда, где, по моему мнению, должен был находиться конец третьей части дуги, соответствующей допущенной ошибке. В результате я получал новую длину хорды.

Ключ к решению заключался в том, что все отметки на бамбуковой рейке соответствовали хордам дуг окружности и… эврика! Результирующая дуга должна представлять собой сумму дуг. Если складывать хорды подобно отрезкам, это условие не выполняется — результирующая дуга не будет равна сумме двух других. Иными словами, сумма хорд будет равна результирующей хорде, только если мы определим сумму хорд как хорду, равную стороне треугольника, построенного на двух исходных хордах:

Мы определили рекурсивный неевклидов алгоритм построения правильных многоугольников, так как описанный нами способ применим при делении окружности на n частей. Кроме того, мы определили новую аддитивную группу, которую назовем «группой хорд окружности». Сумма двух хорд имеет смысл, если определить ее как сторону треугольника, построенного на исходных хордах, — в этом случае результирующая дуга будет равна сумме двух исходных дуг. Метод «кира-кира» оказался достаточно гибким, чтобы его можно было использовать при решении тех задач, для которых он не предназначался.

* * *

ПОСТРОЕНИЕ ПРАВИЛЬНЫХ ДЕВЯТИУГОЛЬНИКОВ В УЗОРАХ АЛЬГАМБРЫ

Метод «кира-кира» позволяет объяснить трюк, о котором упоминают авторы, описывающие построение правильных девятиугольников, встречающихся в узорах Альгамбры в испанском городе Гранада. Я называю этот метод построения трюком потому, что, как известно благодаря трудам Гаусса, правильный девятиугольник нельзя построить с помощью циркуля и линейки.

Нам доподлинно неизвестно, каким именно методом руководствовались арабские мастера, однако вполне возможно, что он был схож с методом «кира-кира». При использовании этого метода окружность сначала делится на три равные дуги, затем одна из них делится на три части, при этом всякий раз применяется тот же метод, что использовали мастера тораджи. Таким образом мы делим окружность на девять равных дуг, при этом стягивающие их хорды будут сторонами правильного девятиугольника, вписанного в исходную окружность.

* * *

Общение с мастерами тораджи

Я сомневался, стоит ли рассказать мастерам тораджи о том, что метод «кира-кира» можно применить на окружности. До того как встала задача о построении пятиконечной звезды, мастера использовали свой метод для решения любых других задач, но здесь он оказался бессилен. Я боялся, что если расскажу, как можно расширить используемый метод, то тем самым укажу мастерам на то, что их искусство недостаточно высоко. И все же я решил, что после моих объяснений они поймут, что сами сформулировали новую задачу, неподвластную их методу.

* * *

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕОБЫЧНОЙ ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКОЙ ФУНКЦИИ

Какую ошибку мы совершаем, когда используем хорду окружности в качестве приближенного значения длины ее дуги? Пусть а и с — длина дуги окружности и стягивающей ее хорды соответственно, r — радиус исходной окружности, α — центральный угол, определяющий дугу.

Следовательно, функция f(x) = sin (х)/х описывает соотношение хорды и стягиваемой ею дуги окружности. Таким образом, мы показали, как можно по-новому использовать эту необычную тригонометрическую функцию, ранее представлявшую интерес главным образом как пример нестандартного вычисления предела. Несмотря на то что при х = 0 эта функция имеет разрыв, предел функции в этой точке существует и равен 1. Существование этого предела доказывается именно путем сравнения дуг и хорд окружности.

* * *

Когда спустя полтора года я вернулся в эту деревню, мастера по-прежнему чертили пятиконечные звезды на глаз. Когда я рассказал им о том, как можно изменить их метод и использовать его для деления окружности на части, они поняли, что я имел в виду, уже по ходу объяснений, и верно предугадали результат. Они приняли предложенный мною метод и стали применять его.

Хроника математических переживаний

Оригинальное название книги Дэвиса и Херша «Математический опыт» на английском языке звучит как The Mathematical Experience. Английское слово experience имеет более широкое значение, чем слово «опыт» в русском языке. Experience — это одновременно жизненный опыт и переживание, которое вносит вклад в формирование личности. При этом переживание — это психологический, личностный процесс. Таким образом, название книги Дэвиса и Херша можно было бы перевести как «Математическое переживание» — процесс, который, с одной стороны, является личным, с другой — выходит за рамки отдельной среды и культуры. Он не ограничивается исключительно научным миром или, напротив, только повседневной жизнью, может относиться как к теории, так и к практике, к западной культуре и любой другой. Переживания, изложенные в этой главе, отражают математический опыт. Описанные ситуации выходят за рамки отдельной культуры, в них сочетаются наука и повседневная жизнь, психологическое и личное, поэтому их по праву можно назвать математическими переживаниями.

Глава 5 Математика в творчестве

Пока что мы говорили о математическом творчестве. Но давайте посмотрим, как математика используется в областях, которые сегодня являются синонимом творчества вне рамок мира искусства, а именно в дизайне и рекламе.

Нет никаких сомнений относительно того, какую роль играла и продолжает играть геометрия в дизайне. Она неизбежно применяется при создании чего-то материального и осязаемого. С начала XX века чисто геометрические фигуры используются в дизайне самых разных товаров, особенно в дизайне мебели и упаковки. Дизайнеры, обладающие эстетическим вкусом, стремящиеся к абстракции и экономии форм, с помощью геометрических фигур делают свои работы более элегантными.

Используется математика и в мире рекламы. В последние десятилетия растущий интерес к науке вдохновил авторов рекламных кампаний на использование различных математических инструментов, чтобы повысить доверие к рекламируемому товару. Графики, формулы, геометрические фигуры, символы, числа и расчеты стали все чаще встречаться во всех средствах массовой информации, как печатных, так и аудиовизуальных.

Математика играет важную роль в дизайне и рекламе по двум причинам. С одной стороны, тот факт, что и дизайнеры, и специалисты по рекламе грамотно используют математические идеи, расширяет область применения этих идей. С другой стороны, когда математические понятия появляются в контекстах, не связанных с миром науки и технологий, они помогают по-новому понять знакомые нам идеи, делая их еще более доступными.

Можно привести множество примеров применения математических идей в сфере дизайна или рекламы. Проанализируем некоторые из них.

Математика в рекламных стратегиях

Тенденциозное использование пропорций

Непрерывная борьба за аудиторию приводит к тому, что теле- и радиокомпании в своей рекламе преувеличивают свои достижения и преуменьшают результаты конкурентов. Типичным примером является демонстрация графиков для того, чтобы сделать рекламу убедительнее. Чтобы подчеркнуть преимущество телеканала А над телеканалом В по охвату аудитории, обычно используются графики, подобные следующему:

Допустим, что приведенные на графике данные верны, и телеканал А действительно популярнее телеканала В. Тем не менее разница в размерах между столбцами диаграммы значительно преувеличивает это преимущество. Прямоугольник, обозначающий аудиторию канала А, намного больше, чем прямоугольник, обозначающий аудиторию канала В:

А: 29,6 — 27,5 = 2,1;

В: 28,8 — 27,5 = 1,3 => А/В = 2,1/1,3 = 1,615.

В действительности разница между аудиториями каналов составляет восемь десятых процента, поэтому высота одного прямоугольника должна быть менее чем на 2,8 % больше высоты другого. Корректнее было бы изобразить прямоугольники во всю длину:

Если мы будем обрезать эти прямоугольники произвольным образом, то кажущееся соотношение их размеров может увеличиться до бесконечности. Оно будет тем больше, чем ближе к краю прямоугольника В пройдет линия отреза.

Реальную разницу можно очень сильно преувеличить и даже сделать ее сколь угодно большой:

Похожая проблема связана и с графиками, иллюстрирующими колебания курсов валют. Изменение курса валют в течение недели может показаться незначительным или огромным в зависимости от выбранного масштаба вертикальной оси графика:

Стремление проиллюстрировать на графиках отношение величин или их разницу очень часто встречается в рекламе, но, к сожалению, результат оказывается прямо противоположным: точность графиков является мнимой. Числа и графики обладают строгостью, присущей математике, но только при объективном использовании.

Вероятность

Несколько лет назад в рекламе одной телефонной компании прозвучала фраза: «Вероятность того, что сын вашего начальника и вы — это один и тот же человек, равна 0,00000000001 %».

В математике вероятность — это численная характеристика возможности возникновения какого-либо события. Классическое определение вероятности звучит как отношение числа благоприятных исходов к общему числу возможных исходов.

Например, вероятность того, что при броске шестигранного кубика выпадет число очков x, меньшее 3, равна 2/6, так как число благоприятных исходов равно 2 (выпадет одно либо два очка), общее число исходов — 6:

Р(х < 3) = 2/6 = 1/3 = 0,333…

Чтобы рассчитать вероятность того, что некий человек — сын своего начальника, нужно найти отношение числа благоприятных исходов к общему числу возможных исходов. Так как у любого человека может быть только один отец, число благоприятных исходов в этом случае равно единице. Чтобы определить число возможных исходов, нужно узнать, сколько всего начальников в мире, что практически невозможно. Из общего числа жителей Земли, превышающего шесть миллиардов человек, нужно исключить женщин (речь идет о начальнике, а не о начальнице), бездетных, безработных и тех, кто не занимает руководящую должность. Тогда число возможных исходов будет меньше половины от шести миллиардов. Таким образом, вероятность будет равна:

P ~= (1/3·109) = 3,33·10-10.

Вероятность, указанная в рекламном слогане, равна:

Q = (0,00000000001/100) = 10-13

Это предполагает существование 1013 начальников и численность населения Земли, равную 2·1013  человек, а это в 600 раз больше реального населения Земли:

P/Q = 3,33·10-10/2·10-13 = 600

Нам неизвестно, почему автор рекламного слогана выбрал именно число 0,00000000001 %, однако ему, несомненно, удалось показать, что ни один человек на планете не является сыном своего начальника. Чем больше нулей после запятой в записи десятичной дроби, тем меньше значение этой дроби. Если приписать к этому числу знак %, оно уменьшится еще в сто раз.

Перед нами — пример творчества, в котором невозможность события подчеркивается с помощью очень малой величины. Хотя 0 % описывает вероятность абсолютно невозможного события, визуальный эффект от числа 0,00000000001 % выше, поэтому автор его и использовал.

Необычная алгебра

Порой реклама автомобилей представляет собой настоящий полет творческой мысли. В последние годы все чаще основной упор делается на технологии, геометрию и математику. Это особенно заметно в рекламе дорогих автомобилей.

В одной рекламной кампании, запущенной несколько лет назад, был показан автомобиль, отражавшийся в идеально зеркальной поверхности пола. В результате казалось, что автомобиль словно парит над зеркалом. Над изображением автомобиля можно было прочесть формулу и слоган:

Имеет ли какое-то отношение равенство  к стремлению к совершенству?

Сначала может показаться, что приравнять к бесконечности сумму двух конечных чисел, какими являются единицы, нельзя, поскольку неожиданно получается:

Быть может, это равенство имеет какой-то смысл? Пусть в повседневной трактовке бесконечности и в привычной трактовке суммы чисел это не так, однако существуют и другие трактовки, в которых это равенство может быть абсолютно верным.

Будем рассматривать не множество натуральных чисел в целом, а множество X, содержащее всего три элемента:

Сопоставим элемент 0 с нулем, элемент 1 — с произвольной конечной величиной, элемент ©о — с некоторой величиной, которая не является ни нулевой, ни конечной. С учетом вышесказанного логично предполагать, что

Ничто + что-то = что-то.

Конечное + конечное = конечное.

Бесконечность + что-то = бесконечность.

Поэтому сумма 1 + 1 должна быть не бесконечной, а конечной, а операция сложения на множестве X должна описываться следующей таблицей:

Эта операция сложения обладает привычными нам свойствами. Так, она коммутативна (описывающая ее таблица симметрична относительно диагонали), содержит нейтральный элемент (ноль), который при сложении с любым другим элементом оставляет его неизменным, кроме того, эта операция обладает ассоциативностью (порядок сложения трех элементов не влияет на итоговый результат). Сохранятся ли эти свойства, если мы заменим равенство 1 + 1 = 1 на , как указано в рекламном слогане? Иными словами,

В этом случае таблица по-прежнему симметрична относительно диагонали. Ноль по-прежнему является нейтральным элементом. Свойство ассоциативности также сохраняется.

Однако не выполняется одно из ожидаемых свойств — ни для 1, ни для  нет противоположного элемента. Не существует элемента, который в сумме с 1 давал бы 0, и не существует элемента, который в сумме с  давал бы 0. Чтобы исправить это, необходимо, чтобы в каждой строке или в каждом столбце таблицы имелся минимум один 0. Очевидно, что если заполнить таблицу нулями, проблема будет решена, однако подобное решение нас не устраивает.

Цифры в первой строке и в первом столбце таблицы неоспоримы, так как при сложении нуля с любой величиной результатом всегда является эта величина. Если мы определим , новая таблица примет вид:

Чтобы для операции сложения были определены противоположные элементы, 0 должен встречаться в каждой строке и в каждом столбце. Если мы хотим, чтобы эта операция обладала коммутативностью, таблица должна быть симметричной относительно диагонали. Обеспечить это можно всего несколькими способами:

Не существует значения а такого, чтобы операция сложения, определенная в первой таблице, обладала бы ассоциативностью:

Третья таблица также не подходит:

Только подставив b = 1 во вторую таблицу, мы получим верное решение. Конечно, равенства противоречат нашим привычным представлениям.

Мы создали алгебраическую структуру, состоящую из множества X = {0, 1, } и операции +, обладающей требуемыми свойствами, результаты которой всегда принадлежат множеству X. Результаты операции сложения для элементов множества X непривычны для нас, но это тема отдельного разговора.

Линейные и экспоненциальные функции

На упаковках губок одной марки в течение нескольких лет приводился график с текстом: «Не позволяйте бактериям размножаться». На нем были изображены две стрелки в координатной плоскости. Одна иллюстрировала результаты применения губки, другая — скорость размножения бактерий без использования губки.

Заслуживает внимания правильное использование терминологии и графика.

Численность бактерий с течением времени возрастает. В рекламном тексте говорится, что при использовании губки численность бактерий перестанет умножаться. Допустим, в единицу времени появляется b новых бактерий, при этом b > 1. По прошествии t единиц времени их число будет равно:

B(t) = Ь·Ь·Ь… (t раз)…·Ь = bt.

Это показательная функция с основанием степени b, графиком ее является восходящая кривая, наклон которой постепенно растет, и на бесконечности график обращается в вертикальную линию.

Если численность бактерий будет не умножаться, а складываться, то их численность по прошествии t единиц времени будет описываться формулой:

B(t) = Ь + Ь + Ь… (t раз)… + Ь = b·t.

Это линейная возрастающая функция, наклон которой постоянен (тангенс угла наклона графика равен Ь) и графиком которой является прямая. За исключением того, что начальная точка графиков показательных функций обычно не совпадает с началом координат, на упаковке воспроизведены графики обеих функций. С точки зрения математики они абсолютно верны, так как график показательной функции соответствует случаю, когда численность бактерий умножается.

Правило третей

При создании изображений работает правило, согласно которому деление на трети важнее деления на половины. Желательно не располагать основные элементы композиции точно в центре.

Например, горизонт на фотографии лучше расположить выше или ниже линии, делящей прямоугольный кадр пополам.

Если на фотографии присутствует два важных элемента, лучше расположить их в точках пересечения линий, делящих кадр на три части по горизонтали и по вертикали. В этом случае геометрическое правило помогает создать гармоничную композицию.

Как математика помогает достичь совершенства

Некоторое время назад один из производителей вина запустил рекламную кампанию, смысл которой сводился к тому, что совершенство его продукции обусловлено сочетанием математики, природы и мастерства. В рекламном ролике показывался длиннейший ряд математических формул, большинство из которых не несли особого смысла, а многие цифры и буквы в них были заменены изображениями природы или фотографиями мастеров-виноделов. Ряд формул заканчивался знаком равенства, по другую сторону которого была изображена бутылка вина. Рядом с бутылкой располагался слоган: «Кто сделал его совершенным?».

Замысел автора рекламы заключался в том, чтобы с помощью математических инструментов показать, сколь длительным и скрупулезным является процесс изготовления вина, ведь именно слова «длительность» и «скрупулезность» описывают большую часть математической деятельности.

Математика в дизайне

Двоичное время

В двоичной системе счисления для представления любых чисел используются всего две цифры — 0 и 1. Подобно десятичной системе счисления, каждый разряд числа в двоичной системе соответствует определенной степени двойки:

37210 =3·102 + 7·101 + 2·100;

1012 =1·22 + 0·21 + 1·20.

В таблице ниже представлены тринадцать первых натуральных чисел в обеих системах счисления:

Дизайнеры порой удивляют нас неожиданными решениями. Мы привыкли измерять время в часах, которые делятся на 60 минут, и в минутах, которые делятся на 60 секунд. Часы, показывающие время в двоичной системе счисления, поначалу могут показаться экстравагантной выдумкой. Их циферблат представляет собой прямоугольник. На верхней линии обозначаются часы, на нижней — минуты.

Внутри прямоугольника находятся четыре вертикальные линии, на которых указываются значения, соответствующие каждой степени двойки (см. рисунок ниже). Так как число часов находится в интервале от 0 до 12, для представления часов достаточно четырех цифр (см. таблицу на предыдущей странице). Для обозначения минут, число которых находится на интервале от 0 до 60, требуется шесть цифр.

Взглянув на эти часы, сразу узнать время нельзя — сначала нужно сложить значения, отмеченные на каждой линии. Часы на рисунке выше показывают 7 часов и 48 минут. Четверть часа, полчаса и три четверти часа обозначаются так:

Сначала эти часы кажутся неудобными, но постепенно по ним можно научиться определять время так же быстро, как и по обычным. Эти часы — удивительный пример того, как математика стала основой дизайна вещи.

Лента Мёбиуса

Если соединить противоположные стороны прямоугольной ленты ABCD, то есть совместить пары вершин АС и BD, получится кольцо. На следующем рисунке стрелкой показано, как именно совмещаются вершины исходного прямоугольника:

А чтобы построить ленту Мёбиуса, необходимо соединить вершину А с вершиной D, В — с С:

В результате получается кольцо, у которого всего одна граница и одна сторона.

Эта необычная геометрическая фигура используется в дизайне ювелирных украшений, в частности колец. Реклама этих колец сопровождается текстами, которые подчеркивают их особенности.

— Особые топологические свойства: «Это чудесное серебряное кольцо имеет уникальную форму: у него всего одна сторона. Его форма символизирует равновесие между внутренним и внешним я.

— Свойства, которые можно считать следствием особой формы кольца: «Как маленькая золотая лента может заставить вас почувствовать, что весь мир вращается у вас вокруг пальца? Оно совершенно…»

Обычные кольца имеют цилиндрическую форму и две стороны — внешнюю и внутреннюю. С пальцем соприкасается только внутренняя сторона. Если внутренняя сторона соприкасается с пальцем, то внешняя — со всем остальным, то есть с целым миром. Кольцо Мёбиуса имеет всего одну сторону. Следовательно, та сторона кольца, которая соприкасается с пальцем, соприкасается и со всем остальным миром. Нет различий между «внутри» и «вне», поэтому действительно можно сказать, что с кольцом Мёбиуса весь мир будет вращаться вокруг вашего пальца. В этом случае речь идет не просто о математическом объекте, взятом за основу дизайна, — также были созданы корректные и непротиворечивые трактовки, помогающие понять его математические свойства.

* * *

ГЕКСАМИНО И ДИЗАЙН

На рисунке ниже изображена развертка картонной коробки, в которую укладываются шапочки для душа в гостиницах. Эта развертка называется гексамино, так как состоит из шести одинаковых фигур, или модулей, соединенных сторонами.

Посредством последовательных сгибов из этой развертки получается трехмерный многогранник — гексаэдр, то есть куб. Существует одиннадцать различных гексамино, из которых можно сложить куб.

* * *

Дух геометрии

В дизайне парфюмерных флаконов иногда используются настоящие геометрические головоломки с алгебраическими формулами. Так произошло с мужским одеколоном и дезодорантом известной японской марки. Дизайнер создал два флакона разной формы, которые, сложенные вместе, образовывали квадрат. Один из флаконов имел форму квадрата, другой представлял собой симметричную фигуру:

Вместимость большого флакона равнялась 75 мл, малого — 50 мл. В рекламе основной упор делался на суммарном объеме флаконов и их особой форме:

Сможете ли вы определить реальные размеры флаконов? Объем меньшего равен 50 мл, большего — 75 мл. Суммарный объем флаконов равен 125 мл. Так как флаконы идеально укладываются друг в друга, их толщина одинакова, следовательно их объемы пропорциональны площадям видимых поверхностей. Учитывая, что 1 мл воды эквивалентен 1 см3, можно вполне обоснованно считать, что сторона х малого флакона и сторона z большого флакона соответственно равны:

50 = x2 => х = √50 = 7,1 см;

125 = z2 => z = √125 ~= 11,2 см.

Почему пазлы из 2000 элементов не содержат ровно 2000 элементов

Не всегда можно создать предметы точно такой формы или из точно такого числа элементов, как этого хочется их автору. Многие из вас наверняка собирали головоломки-пазлы, но немногие подсчитывали точное число их элементов. Некоторые могут возразить, что подобный подсчет не нужен, так как число элементов всегда указано на коробке: 500, 1000, 2000, 3000, 5000, 8000. Однако изготовители головоломок обманывают нас или, по меньшей мере, не говорят всей правды.

Пазлы из 500 элементов действительно содержат 500 элементов, но пазлы из 2000 элементов не содержат 2000 элементов, и чтобы убедиться в этом, не требуется подсчитывать их все. Все пазлы образуют форму прямоугольника, их элементы имеют различную форму, однако вырезаются из прямоугольного основания, в котором проделываются выступы и выемки. При изготовлении пазла из 2000 элементов нужно найти два целых числа, обозначающих число элементов на каждой стороне прямоугольника, произведение которых будет равно 2000. Так как 2000 = 24· 53, возможны следующие варианты:

1·2000 = 2·1000 = 4·500 = 8·250 = 10·200 = 16·125 = 20·100 = 25·80 = 40·50.

Соотношение ширины и высоты собранного пазла должно быть гармоничным и приближаться к соотношению сторон листа стандартного формата А4, то есть примерно равно 1,4. Однако прямоугольники, длины сторон которых являются делителями числа 2000, будут либо слишком вытянутыми, либо слишком «квадратными»:

50/40 = 1,25

80/25 = 3,2

Поэтому вместо 2000 используется 1998 элементов: разложив 1998 на простые множители, мы увидим, что два его делителя описывают прямоугольник, соотношение сторон которого очень близко к желаемому:

1998 = 2·33·37 => (2·33/37) = 54/37 ~= 1,46

Это интересный пример того, как разложение натурального числа на простые множители определяет дизайн предмета.

Снятие макияжа и теорема Пифагора

Макияж обычно снимают с лица специальными небольшими салфетками. Каждый производитель изготавливает салфетки особой формы, порой весьма далекой от привычных квадратов, прямоугольников или кругов.

На следующем рисунке изображен дизайн губки для снятия макияжа. На иллюстрации представлен вид сверху, но не следует забывать, что губка является трехмерной и имеет толщину, равную примерно двум сантиметрам. Она состоит из четырех частей, которые складываются подобно элементам головоломки:

Именно эта головоломка используется в одном из самых понятных доказательств теоремы Пифагора. Пусть а — сторона квадрата (гипотенуза каждой из маленьких салфеток), b и с — стороны салфеток, перпендикулярные друг другу (катеты).

В этом случае площадь большого квадрата выражается так:

a2 = 4·(b·c/2) + (b — c)2

a2 = 2bx + b2 — 2bc + c2

a2 = b2 + c2

Темы с вариациями

Композиторы знают, что один и тот же мотив, повторяясь, задает основную тему произведения, однако если тема повторяется без изменений, мелодия может оказаться монотонной и скучной. Красота хорошей музыкальной композиции проявляется не столько в самом мотиве, сколько в том, насколько разнообразны его вариации.

Дизайнеры верны этой идее, повторяя бесконечное множество раз логотип в дизайне товаров и упаковок. В подобных случаях чаще всего используется симметрия, которая не изменяет форму фигуры, а варьирует лишь ее местоположение.

Существует три преобразования на плоскости, которые сохраняют неизменными форму и размер: перенос, поворот и осевая симметрия (отражение).

Перенос изменяет местоположение, при повороте фигура вращается относительно неподвижной точки, называемой центром вращения, отражение, или осевая симметрия, заменяет исходную фигуру ее зеркальным отражением. С помощью этих трех преобразований один и тот же мотив может повторяться множеством способов, и всего существует семнадцать узоров, принципиально различных с математической точки зрения. В дизайне не требуется столько разных узоров — например, для логотипа в форме буквы Z используются только узоры, изображенные на рисунке ниже. Можно заметить, как повторяющаяся буква теряет исходный смысл и превращается в условный символ, служащий основой орнамента.

Преимущество подобного дизайна заключается в том, что марка становится узнаваемой, а паттерн легко воспроизвести автоматически, так что эту идею используют в своей продукции очень многие производители.

Эпилог

Руководство по математическому творчеству

Может ли кто-то представить себе, что «Весна священная» Стравинского или «Герника» Пикассо — не продукты творчества, а открытия? Почему результаты математического творчества в большинстве своем рассматриваются как открытия, а не творения? Почему Пифагор считается творцом музыкального диатонического строя, но не творцом доказательства теоремы, носящей его имя? Ни описание диатонического строя, ни доказательство теоремы не были погребены под грудой бумаг или сокрыты в глубине пещеры, ожидая своего первооткрывателя, — они являются результатом творчества одного человека. Если читатель усомнится в этом, то может сам легко найти доказательство этой знаменитой теоремы, приведенное в «Началах» Евклида.

Британский математик Эндрю Уайлс очень хорошо описал, что чувствует математик начиная с того момента, когда сталкивается с задачей, которую не может решить, и до того момента, когда он находит решение:

«Наверное, лучше всего описать мои занятия математикой можно по аналогии с темной комнатой. Вы входите в большой дом, и вас окружает тьма. Вы то и дело натыкаетесь на мебель, но постепенно узнаете, где что стоит. Наконец, месяцев через шесть или около того вы нащупываете выключатель, и внезапно становится светло. Вы отчетливо видите, где находитесь».

Не все обладают столь выдающимися способностями, как Уайлс, который смог доказать великую теорему Ферма, неподвластную математикам всего мира в течение более трех столетий. Однако, быть может, великим математикам известны какие-то общие схемы или способы решения задач и доказательства теорем?

Первое правило творчества заключается в том, что нужно осмелиться войти в темную комнату. Встречаясь с незнакомой задачей, многие недооценивают свои способности. Нужно набраться смелости и быть готовым натыкаться на стены и мебель в темноте. Совершенные ошибки только помогут вам, хотя в это непросто поверить и об этом математики и преподаватели обычно умалчивают. Натыкаясь на мебель в темноте, вы постепенно узнаете, где что стоит. Вы не можете видеть шкаф, но представляете, как он выглядит и сколько в нем полок. В этот момент вы понимаете, с чем столкнулись, и можете четко сформулировать задачу. И хотя снаружи по-прежнему темнота, ваши мысли озаряет свет.

Краткий итог

Каковы особенности математического творчества? Творить математику означает, прежде всего, иметь необходимые идеи, чтобы прокладывать пути к новым формулам, теоремам и методам, которые постепенно позволят понять интересующие нас события и явления.

«Эврика!» Архимеда — тот момент вдохновения, описанный Пуанкаре, который многие называют «счастливым озарением», является лишь частью творчества. Это вдохновение приходит не случайно — оно является результатом длительного и упорного труда, а в психологии понимается как часть творческого процесса.

Эвристика, искусство изобретать и совершать открытия, описанное Дьёрдем Пойа и Имре Лакатосом, — путеводитель в мире математического творчества. И логика, которая сама по себе не творит, необходима в этом мире, особенно на таком важном этапе, как проверка правильности гипотезы.

Великие математические открытия неизменно сопровождаются кризисами и влекут значительные изменения, которые помогают преодолевать кризисы. Развитие знаний предполагает изменение сложившейся парадигмы, так как новые понятия обычно выглядят «чудовищно» и требуют глубокого пересмотра всего, что уже известно. В качестве примера можно привести степени с отрицательным показателем, квадратный корень из 2 и квадратные корни из отрицательных чисел. С созданием альтернативных геометрий геометрия Евклида перестала занимать привилегированное положение. Последней из альтернативных геометрий стала фрактальная геометрия, созданная во второй половине прошлого века благодаря развитию технологий.

Раньше багаж математика был очень легким — достаточно бумаги и карандаша, но теперь во многих разделах науки не обойтись без компьютера.

Чтобы обычный человек смог понять суть математического творчества, ему стоит применить математические методы и понятия для анализа различных событий повседневной жизни, явлений из сферы искусства, литературы или рабочих ситуаций. Взгляд в зеркало или в сторону горизонта побуждают творить формулы и определять отношения, помогающие лучше понять мир. Ни одну из этих формул нельзя считать результатом открытия — она не находилась по другую сторону зеркала и не была погребена в песке. Эти формулы родились благодаря нашему воображению, способному моделировать реальность в виде множества геометрических фигур.

Без нас не было бы ни формул, ни горизонта.

В этой книге мы привели примеры задач, с которыми сталкиваются художники и ремесленники. Произведения и тех, и других часто должны обладать достаточной геометрической точностью, поэтому, например, орнаментальная вязь, которая часто встречается в декоративно-прикладном искусстве, изображается поверх квадратной сетки. Ключ к задаче о циклических, или бесконечных кельтских узлах, которые являются частью кельтской культуры, связан с делимостью чисел. Не теорема помогла создать узлы — напротив, узлы помогли сформулировать теорему.

Математика применяется для решения множества рабочих задач, и часто теоретическое решение практической задачи не является ее лучшим практическим решением. Изучив различные ситуации, мы увидели, что построить равносторонний треугольник можно разными способами, что сумма округленных значений не равна округленному значению суммы и что, как правило, треть того, что мы видим, — вовсе не треть того, на что мы смотрим. Источники математического творчества и вдохновения могут лежать за пределами самой математики. Аргентинский писатель Хорхе Луис Борхес создал два вымышленных артефакта, которые, в свою очередь, представляют собой два невозможных и удивительных математических объекта: книгу с бесконечным количеством страниц и диск, у которого нет второй стороны. И всего одна фраза из произведения итальянского писателя Итало Кальвино стала источником геометрической задачи и новой теоремы.

Рассмотрев теорему Вариньона, мы увидели, что логическое доказательство не объясняет суть рассматриваемого явления, и необходим контекст, чтобы понять его. Этот пример, показывающий, как важен контекст для понимания любой задачи, служит потрясающей метафорой, которая помогает понять еще одну основную мысль этой книги: математика создается не только профессионалами из мира математики, не только представителями университетской науки, не только исследователями и не только в рамках западной культуры. То, как ремесленники народа тораджи научились строить правильные многоугольники с помощью неевклидовых методов, показывает, насколько важны в математическом творчестве культурные и социальные аспекты. Необычные переживания расширяют кругозор и помогают творить, поскольку в подобных ситуациях нам приходится объяснять новое с помощью того, что нам уже известно. Например, мы можем провести аналогию между бамбуковой рейкой и компьютерной программой: в обоих случаях мы используем итеративный процесс, который гарантированно приводит к нужному результату.

Своеобразными испытательными полигонами творчества сегодня стали реклама и дизайн. Когда исчерпаны все известные способы и кажется, что мы придали вещам все возможные формы, возникают новые идеи, которые питаются из прежних источников. Математика помогает и в продажах. Математические объекты и понятия стали частью нашей повседневной жизни — мы постоянно встречаем их в рекламных сюжетах и в дизайне объектов, которые находятся от нас на расстоянии вытянутой руки. Пропорциональность чисел и фигур, лента Мёбиуса, теорема Пифагора, симметрия, бесконечность, функции и их графики, вероятность… И это далеко не все математические объекты, которые можно использовать в дизайне и рекламе.

Традиционно различают два основных вида творчества, которые взаимно влияют друг на друга: творчество через расширение и творчество через ассимиляцию. Расширение означает сдвиг известных горизонтов, а под ассимиляцией понимается творчество, предполагающее изменение базовых понятий математики. Результаты подобного творчества обычно становятся причиной крупных изменений в науке.

Законы математического творчества

Творить означает создавать что-то, чего раньше не существовало, будь то объект, процедура или понятие. Творить математику, по сути, означает решать задачи, поэтому мы делаем первый шаг к творчеству, когда задаемся вопросом, на который может ответить математика. Этот вопрос может родиться из другой математической задачи, теоремы или какого-то явления повседневной жизни. Погрузившись в суть вопроса, нужно внимательно изучить его, и в этом очень важную роль может сыграть социальное и культурное взаимодействие. Когда мы обмениваемся с другими людьми нашими идеями и рассказываем им о неудачах, это помогает осветить «темную комнату», в которую мы попали. Технологии могут оказать нам огромную помощь и стать источником вдохновения, поскольку позволяют реализовать самые немыслимые плоды нашего воображения.

Наконец, мы не устаем повторять, что цель математического творчества — в том, чтобы объяснить рассматриваемое событие или явление. Логика помогает подтвердить правильность рассуждений, но сама по себе не всегда объясняет. Доказательство теоремы Ферма в итоге было найдено, однако в нем используется так много совершенно разных аргументов и аналогий, что оно не объясняет самой сути теоремы. Поэтому мы по-прежнему ждем, когда же будет найдено то самое «чудесное доказательство», о котором писал Ферма. Мы ждем этого потому, что по-прежнему считаем: к доказательству этой теоремы должен быть не только более короткий, но и более ясный путь. Мы хотим прежде всего понять, а уже затем, поняв, сформулировать доказательство.

Автор этой книги полагает, что творить математику может любой и что математика намного более демократична, чем это кажется с учетом человеческой истории и традиций в сфере образования. В чем же состоит метод, который поможет нам стать творцами и создать новую математику? На основании всего изложенного в книге можно заключить, что этот метод состоит в том, чтобы:

— задаться математическими вопросами о пережитом опыте;

— посмотреть на ситуацию с точки зрения математики;

— сформулировать задачу на языке математики;

— не стесняясь, использовать эксперимент, интуицию, аналогии, логику, технологии и социокультурные достижения, например труды экспертов и работы других авторов.

Иными словами, нужно каждый день хотя бы несколько мгновений жить математически.

Успехов вам в творчестве!

Библиография

BOYER С.В., Historia de la matematica, Madrid, Alianza Editorial, 1986.

COURANT R. у ROBBINS, H., What is Mathematics? An Elementary Approach to Ideas and Methods, revisado por Ian Stewart, Oxford University Press, 1996.

DAVIS P. у HERSH, R., Experiencia matematica, Barcelona, Editorial Labor у Ministerio de Education у Ciencia, 1989.

ERNEST J., Social Constructivism as a Philosophy of Mathematics, Albany, Suny Press, 1991.

HERSH R., What is Mathematics, Really? Nueva York, Oxford University Press, 1997.

LAKATOS I., Pruebas у refutaciones. La logica del descubrimiento matemdtico, Madrid, Alianza Universidad, 1994.

MATUSSEK P., La creatividad. Desde una perspectiva psicodindmica, Barcelona, Editorial Herder, 1977.

Poincare H., «La creation matematica», en Matematicas en el mundo moderno, Selections de Scientific American. Version espanola del original ingles Mathematics in the Modern World a cargo de Miguel de Guzman Ozamiz, Barcelona, Editorial Blume, 1974.

POLYA G., How to Solve It: A new aspect of Mathematical Method, Princeton University Press, 1988.

* * *

Научно-популярное издание

Выходит в свет отдельными томами с 2014 года

Мир математики

Том 20

Микель Альберти

Творчество в математике. По каким правилам ведутся игры разума

РОССИЯ

Издатель, учредитель, редакция: ООО «Де Агостини»,

Россия Юридический адрес: Россия, 105066, г. Москва, ул. Александра Лукьянова, д. 3, стр. 1

Письма читателей по данному адресу не принимаются.

Генеральный директор: Николаос Скилакис

Главный редактор: Анастасия Жаркова

Выпускающий редактор: Людмила Виноградова

Финансовый директор: Наталия Василенко

Коммерческий директор: Александр Якутов

Менеджер по маркетингу: Михаил Ткачук

Менеджер по продукту: Яна Чухиль

Для заказа пропущенных книг и по всем вопросам, касающимся информации о коллекции, заходите на сайт , по остальным вопросам обращайтесь по телефону бесплатной горячей линии в России: 8-800-200-02-01

Телефон горячей линии для читателей Москвы: 8-495-660-02-02

Адрес для писем читателей: Россия, 600001, г. Владимир, а/я 30, «Де Агостини», «Мир математики»

Пожалуйста, указывайте в письмах свои контактные данные для обратной связи (телефон или e-mail).

Распространение: ООО «Бурда Дистрибьюшен Сервисиз»

УКРАИНА

Издатель и учредитель: ООО «Де Агостини Паблишинг» Украина

Юридический адрес: 01032, Украина, г. Киев, ул. Саксаганского, 119

Генеральный директор: Екатерина Клименко

Для заказа пропущенных книг и по всем вопросам, касающимся информации о коллекции, заходите на сайт , по остальным вопросам обращайтесь по телефону бесплатной горячей линии в Украине: 0-800-500-8-40

Адрес для писем читателей: Украина, 01033, г. Киев, a/я «Де Агостини», «Мир математики»

Украïна, 01033, м. Кiев, а/с «Де Агостiнi»

БЕЛАРУСЬ

Импортер и дистрибьютор в РБ: ООО «Росчерк», 220037, г. Минск, ул. Авангардная, 48а, литер 8/к,

тел./факс: (+375 17) 331-94-41

Телефон «горячей линии» в РБ: + 375 17 279-87-87 (пн-пт, 9.00–21.00)

Адрес для писем читателей: Республика Беларусь, 220040, г. Минск, а/я 224, ООО «Росчерк», «Де Агостини», «Мир математики»

КАЗАХСТАН

Распространение: ТОО «КГП «Бурда-Алатау Пресс»

Издатель оставляет за собой право увеличить рекомендуемую розничную цену книг. Издатель оставляет за собой право изменять последовательность заявленных тем томов издания и их содержание.

Отпечатано в соответствии с предоставленными материалами в типографии:

Grafica Veneta S.p.A Via Malcanton 2 35010 Trebaseleghe (PD) Italy

Подписано в печать: 16.04.2014

Дата поступления в продажу на территории России: 03.06.2014

Формат 70x100/16. Гарнитура «Academy».

Печать офсетная. Бумага офсетная. Печ. л. 5.

Усл. печ. л. 6,48.

Тираж: 70 000 экз.

© Miquel Alberti, 2010 (текст)

© RBA Collecionables S.A., 2011

© ООО «Де Агостини», 2014

ISBN 978-5-9774-0682-6

ISBN 978-5-9774-0715-1 (т. 20)

Примечания

1

Перевод с греч. Д. Д. Мордухай-Болтовского. — Примеч. ред.

(обратно)

2

Перевод В. С. Кулагиной-Ярцевой. — Примеч. ред.

(обратно)

3

Перевод В. С. Кулагиной-Ярцевой. — Примеч. ред.

(обратно)

4

Перевод В. С. Кулагиной-Ярцевой. — Примеч. ред

(обратно)

5

Перевод В. Е. Багно. — Примеч. ред.

(обратно)

6

Перевод А. В. Гавриленко. — Примеч. ред.

(обратно)

Оглавление

Предисловие

Глава 1 Основы математического творчества

Глава 2 Большие идеи для решения больших задач

Глава 3 Вопросы, которые задает мир

Глава 4 Межкультурное и творческое взаимодействие

Глава 5 Математика в творчестве

Эпилог

Библиография Fueled by Johannes Gensfleisch zur Laden zum Gutenberg