Антонио Дуран

«Мир математики»

№ 27

«Поэзия чисел.

Прекрасное и математика»

Предисловие

Поэзия — это недоказуемая истина. Согласно словарному определению, цель поэзии — передать красоту с помощью слов. В том же толковом словаре математика определяется как дедуктивная наука, исследующая свойства таких абстрактных сущностей, как числа, геометрические фигуры и символы, а также отношения между ними. В это определение следовало бы включить один очень важный элемент: когда математик выбирает, какие свойства чисел или абстрактных сущностей изучать, он часто руководствуется их красотой. Лингвисты, которым буквы ближе, чем числа, видимо, не поняли до конца неразрывную связь между математикой и прекрасным, хотя кто-то из великих сказал, что именно красота — проводник на пути к математическим открытиям.

Математик находится посередине между наукой и искусством, и это также доказывает неизбежную связь между самой абстрактной из наук и человеческими эмоциями. Анри Пуанкаре писал: «Могут вызвать удивление эмоции, пробуждаемые математическим доказательством, которое, как может показаться, интересно лишь интеллекту. Думать, что математика затрагивает лишь интеллект, означало бы забыть о красоте математики, элегантности геометрии, которые прекрасны в самом полном смысле этого слова».

Обо всем этом — о красоте математики, сколь реальной, столь и труднодостижимой, об эмоциях, неразрывно связанных с этой необычной наукой, и о многом другом рассказывается в нашей книге. Ее цель — показать красоту математики и на нескольких ярких примерах продемонстрировать весь спектр связанных с математикой эмоций. Автор не ставил перед собой задачу создать развернутый теоретический дискурс или нагромоздить целую гору рассуждений и аргументов в защиту заявленной темы. Слишком много теоретизировать по поводу красоты математики столь же абсурдно, как и пытаться объяснить, чем именно прекрасна Девятая симфония Бетховена.

Все примеры представлены в соответствующем историческом и эмоциональном контексте, и их яркая мозаика раскрывает важные эпизоды человеческой истории за последние двадцать пять столетий. Автор постарался сделать изложение напряженным и интересным. Разумеется, мы не забыли и о традиционных искусствах — живописи, литературе и архитектуре, на примере которых мы продемонстрируем совпадения и подчеркнем различия.

Глава 1

Место красоты в математике

Если мы спросим случайного прохожего о красоте математики, он наверняка лишь удивленно поднимет брови. И тем не менее в массовом сознании укрепилась мысль о том, что математика полна элегантности и гармонии, а математические рассуждения не лишены определенной красоты. Как это свойственно западной культуре, идея о связи между красотой и математикой сформировалась под влиянием великих законодателей мнений — классических древнегреческих философов. Для Платона пропорциональность и соразмерность, составлявшие суть древнегреческой математики, были синонимом красоты. Аристотель писал: «Важнейшие виды прекрасного — это слаженность, соразмерность и определенность, и математика больше всего выявляет именно их». Впоследствии красоту математики восхваляло множество ученых и мыслителей. «Геометрия есть архетип красоты мира», — писал астроном, астролог и математик Иоганн Кеплер в XVII веке. Позднее, уже в XX столетии, философ и логик Бертран Рассел отмечал: «Математика владеет не только истиной, но и высшей красотой — красотой отточенной и строгой, возвышенно чистой и стремящейся к подлинному совершенству, которое свойственно лишь величайшим образцам искусства». Лауреат Нобелевской премии по физике Поль Дирак говорил: «Физические законы должны обладать математической красотой».

И все же если мы спросим случайного прохожего о красоте математики, никого не удивит скептическое выражение его лица. Должно быть, красота математики подобна очарованию классических произведений: о нем знают почти все, но мало кто смог почувствовать его сам.

Эту книгу следует начать с выражения, отражающего массовые представления: математика обладает красотой. Но чтобы умерить пыл излишне оптимистичных читателей, следует добавить, что насладиться этой красотой непросто. В этой главе мы объясним, в чем заключается красота, которой, по нашему мнению, обладает математика, а в следующей главе обсудим, почему математическую красоту столь сложно оценить. И вначале уточним значение понятий, о которых пойдет речь, то есть определим, что означает «математика» и «красота».

Британский физик Поль Дирак (1902–1984), совершивший множество открытий в квантовой механике, — один из многих ученых, видевших связь между математикой и красотой.

«Пробуждать душевное наслаждение»

О том, что такое красота, написано множество скучных эссе и высказано множество мнений, как тревожных, так и приторно-слащавых. К первым можно отнести стихи Райнера Марии Рильке «Дуинские элегии»: «Красота — только первый укол ужаса, переносимый, но как сердце зашлось оттого, что мы поняли холод, с которым она отстранилась, чтоб нас не разрушить»[1], ко вторым — фразу Стендаля «Красота есть обещание счастья». В этой книге мы не будем углубляться в научные трактаты в поисках сложного определения прекрасного или эстетичного. Обратимся к словарю. Вы увидите, что даже ничем не примечательное на первый взгляд словарное определение может оказаться весьма интересным.

В словаре мы прочтем такие строки: «Красота — свойство людей или вещей, которое заставляет любить их, пробуждая в нас душевное наслаждение». Мне кажется, что это прекрасное определение: оно показывает, что красота предмета подразумевает то или иное воздействие на зрителя. Составители словаря сходятся во мнениях с Вольтером, который в своем философском словаре писал: «Для вкуса недостаточно видеть или знать красоту шедевра: нужно почувствовать ее, нужно попасть под ее влияние». Математика прекрасно отражает личные предпочтения большинства ученых, с которыми я познакомился на протяжении своей карьеры (и, разумеется, мои собственные предпочтения): увлечение, любопытство и интерес, которые в нас пробуждает математика (значит ли это, что мы любим ее?), мы объясняем красотой, которую мы в ней видим, душевным наслаждением, которое мы испытываем, когда занимаемся математикой, эстетическим удовольствием, которое она вызывает в нас.

Восхищение, испытанное мной после знакомства с определением красоты, предложенным лингвистами, сменилось разочарованием, когда я дочитал словарную статью до конца: «Это свойство (красота) существует в природе и в произведениях искусства». Лингвисты совершили непростительную ошибку — они забыли причислить к сфере прекрасного научные работы. Нов этой книге мы не станем обходить их стороной!

Понятие «математика» я буду трактовать в очень широком смысле. Разумеется, в наше определение войдут математические идеи, понятия и рассуждения, а также их сочетания. Иногда мы будем использовать выражение «математические рассуждения» как синоним понятия «математика» в самом широком смысле, в других случаях будем иметь в виду более конкретные объекты — теоремы, определения, доказательства, целые теории и даже эвристические рассуждения, необязательно имеющие достаточное логическое обоснование.

Парфенон и математика Архимеда: здание из идей

В этой книге мы утверждаем, что математика обладает красотой. Мы принимаем это утверждение за недоказуемую истину со всеми поэтическими оттенками, которыми обладает любая недоказуемая истина. Тем не менее это не помешает нам обсудить некоторые вопросы. Вот первый вопрос, который вызывает это утверждение: если математика обладает красотой, то где она находится? Как ее найти?

Вместо развернутого теоретического обсуждения обратимся к конкретике. Лучше всего провести параллель с одним из видов искусства. Мы уже говорили в предисловии, что искусство дает множество примеров, но пусть читатель не забывает, что они могут быть довольно неожиданными.

Поэтому вместо того чтобы задуматься, в чем именно заключается красота математики, попытаемся ответить на другой вопрос: в чем заключается красота Парфенона?

Строительство Парфенона на афинском Акрополе началось примерно в 447 году до н. э., спустя несколько десятилетий после того, как персы опустошили город и разрушили Акрополь до основания. Строительство Парфенона продолжалось почти десять лет, еще несколько лет ушло на завершение отделки под руководством скульптора Фидия. Из греческого храма Парфенон превратился в церковь, затем — в мечеть, а в XVII веке турки использовали его как пороховой склад. В1687 году храм серьезно пострадал при обстреле Афин венецианским флотом. В начале XIX века англичане демонтировали значительную часть скульптур и фризов, украшавших фронтоны здания, так как они якобы нуждались в реставрации. Эти украшения до сих пор находятся в Британском музее.

Однако оставшихся украшений, которые сохранились до наших дней, достаточно, чтобы мы смогли ответить на вопрос, в чем заключается красота Парфенона.

Если мы внимательно рассмотрим здание Парфенона, то увидим, что его размеры гармоничны, его колонны, слегка наклоненные к центру, имеют соразмерные пропорции, а их особая форма компенсирует оптические искажения. Даже горизонтальные линии здания — например, линии антаблементов и лестниц — искривлены так, что кажутся прямыми. За счет этого, по словам Джорджа Сантаяны, удалось избежать сухости и жесткости, свойственной длинным прямым линиям. (Возможно, подобные искривления, как отмечает архитектор Оскар Тускетс, объясняются не столько эстетическими, сколько практическими причинами: они обеспечивали сток дождевой воды, попадавшей в перистиль.) Наконец, Парфенон отличает гармония декоративных элементов, в том числе элементов фронтонов главных фасадов, которые мы можем представить — если нам позволит сила воображения, — глядя на рисунки, планы здания и остатки украшений, хранящихся в Британском музее.

Вывод очевиден: красота Парфенона — в гармонии его архитектурных элементов. Взяв этот вывод за основу, зададимся вопросом: из каких элементов состоят математические рассуждения? Они состоят из математических идей. Иными словами, красоту математических рассуждений следует искать в гармоничном сочетании математических идей, из которых они состоят.

Этот вывод, к которому мы пришли не совсем прямым путем, привел еще Годфри Харолд Харди почти три четверти столетия назад в своем эссе «Апология математика». В этой небольшой книге, о которой мы подробнее поговорим в главе 4, Харди пишет: «Математик, подобно художнику или поэту, создает образы. Если его «образы» долговечнее их образов, то потому, что они состоят из идей. Создаваемые математиком образы, подобно образам художника или поэта, должны обладать красотой; подобно краскам или словам, идеи должны сочетаться гармонически. Красота служит первым критерием: в мире нет места безобразной математике».

Парфенон, вид сбоку. Вы можете видеть, какой ущерб был нанесен зданию в 1687 году при взрыве турецкого порохового склада, располагавшегося внутри храма.

Одна из метоп Парфенона, которая в настоящее время хранится в Британском музее. Эта метопа украшала южный фриз храма, декоративные элементы которого были посвящены кентавромахии.

Настало время продемонстрировать гармоничное сочетание математических идей. По разным причинам, которые я объясню чуть позже, я выбрал одно из них, не только очень красивое, но и необычное: это расчет квадратуры сегмента параболы, изложенный Архимедом в «Методе», одном из его фундаментальных трудов. Этому примеру мы посвятим оставшуюся часть главы, так как, учитывая цель, которую поставил перед собой автор этой книги, совершенно необходимо изложить все сопутствующие обстоятельства и привести исторический контекст. Поэтому прежде чем привести сам пример, вкратце расскажем о «жизни и чудесах» Архимеда. Сначала мы изложим историю его смерти — возможно, одну из самых символичных историй античного мира.

Смерть Архимеда и его инженерные достижения

О смерти Архимеда говорится в произведениях разных эпох, начиная от мозаики, найденной при раскопках Помпеи, и заканчивая фресками Пеллегрино Тибальди в библиотеке монастыря Эскориал в Мадриде и картиной Делакруа.

Эта история произошла в 212 году до н. э., спустя пять лет после взятия Сагунта войсками Ганнибала, что стало началом Второй пунической войны. В этом году основные военные действия переместились на Сицилию, в частности в Сиракузы — город, дружественный Карфагену, который в то время осаждали войска римского генерала Марка Клавдия Марцелла. Рим хотел взять остров под контроль и захватить урожай зерновых. Штурм Сиракуз завершился неудачей. Только после длительной осады город сдался армии Марцелла, и римские солдаты занялись грабежами и разбоем. Во время этих беспорядков и был убит Архимед, которому в то время уже перевалило за 70. Римский писатель Валерий Максим спустя два столетия так описывал это событие:

«Римский солдат, ворвавшийся в дом Архимеда, чтобы ограбить его, направил на ученого меч и спросил его, кто он такой. Архимед, целиком погруженный в решение задачи, не назвал себя и, указав на линии, проведенные на песке, сказал: «Пожалуйста, не трогай моих чертежей». Солдат, услышав в ответе ученого оскорбление, отрубил ему голову, и кровь Архимеда смешалась с плодами его науки».

На этой мозаике, найденной на раскопках Помпеи, изображен римский солдат, который через мгновение обезглавит Архимеда, и кровь ученого прольется на его чертежи.

Смерть Архимеда следует считать трагической случайностью, так как генерал Марцелл приказывал найти мудреца и сохранить ему жизнь. Плутарх в I веке так описывал этот эпизод в своей «Жизни Марцелла»: «Нельзя усомниться в том, что Марцелл очень сожалел об этом и, извергая проклятия, приказал привести к нему солдата, который убил Архимеда. Затем Марцелл повелел разыскать родственников Архимеда и окружить почетом»[2].

Марцелл проявлял интерес к Архимеду не потому, что тот был известным математиком: Архимед также был видным инженером. По легенде, он обладал сверхъестественным даром изобретательства, и его считали почти полубогом: «Все тайны Вселенной были известны Архимеду, — пишет Силий Италик в своей поэме «Пуника» (I век). — Он знал, когда неяркие лучи нарождающегося солнца предвещают бурю, неподвижна ли Земля или вращается вокруг оси, почему море, распростершееся по земному шару, приковано к его поверхности, почему возникают волны на море и каковы фазы Луны, какому закону подчиняются океанские приливы и отливы. Он стал известен тем, что сосчитал, сколько песчинок на Земле; он, кто смог снять с мели галеру силами одной женщины; он, кто поднял гору камней против уклона земли».

У Плутарха мы также находим упоминание легендарной способности Архимеда использовать рычаги: «Архимед как-то раз написал царю Гиерону, с которым был в дружбе и родстве, что данною силою можно сдвинуть любой данный груз; как сообщают, увлеченный убедительностью собственных доказательств, он добавил сгоряча, что будь в его распоряжении другая земля, на которую можно было бы встать, он сдвинул бы с места нашу»[3].

* * *

АРХИМЕД И ЕГО БОЕВЫЕ МАШИНЫ

Описания разрушительной силы военных машин Архимеда у классических историков напоминают дантовские сцены: «Итак, римляне напали с двух сторон, и сиракузяне растерялись и притихли от страха, полагая, что им нечем сдержать столь грозную силу. Но тут Архимед пустил в ход свои машины, и в неприятеля, наступающего с суши, понеслись всевозможных размеров стрелы и огромные каменные глыбы, летевшие с невероятным шумом и чудовищной скоростью, — они сокрушали все и всех на своем пути и приводили в расстройство боевые ряды, — а на вражеские суда вдруг стали опускаться укрепленные на стенах брусья и либо топили их силою толчка, либо, схватив железными руками или клювами вроде журавлиных, вытаскивали носом вверх из воды, а потом, кормою вперед, пускали ко дну, либо, наконец, приведенные в круговое движение скрытыми внутри оттяжными канатами, увлекали за собою корабль и, раскрутив его, швыряли на скалы и утесы у подножия стены, а моряки погибали мучительной смертью. Нередко взору открывалось ужасное зрелище: поднятый высоко над морем корабль раскачивался в разные стороны до тех пор, пока все до последнего человека не оказывались сброшенными за борт или разнесенными в клочья, а опустевшее судно разбивалось о стену или снова падало на воду, когда железные челюсти разжимались».

Фрагмент фрески Джулио Париджи конца XVI века, на которой изображена одна из хитроумных военных машин, созданных Архимедом.

* * *

Живительнее всего то, что Архимед использовал рычаги не только для перемещения огромных весов — он применил рычаги в чистой геометрии и провел с их помощью сложные расчеты, в частности вычислил площадь сегмента параболы. О решении этой задачи мы расскажем чуть позже, а сначала приведем еще несколько историй об Архимеде.

Легенды об Архимеде

Хотя Архимед был умелым инженером, по легенде, его больше всего интересовали теоретические задачи геометрии. «Архимед, — пишет Плутарх, — был человеком такого возвышенного образа мыслей, такой глубины души и богатства познаний, что о вещах, доставивших ему славу ума не смертного, а божественного, не пожелал написать ничего, но, считая сооружение машин и вообще всякое искусство, сопричастное повседневным нуждам, низменным и грубым, все свое рвение обратил на такие занятия, в которых красота и совершенство пребывают не смешанными с потребностями жизни». И действительно, неизвестно никаких исследований Архимеда, посвященных военным машинам, однако следует учитывать, что множество его работ утрачены, а в сохранившихся можно увидеть практическую направленность — например, Архимед доказал, что число π чуть меньше 22/7 и чуть больше 223/71. Он вообще выделялся на фоне остальных математиков Древней Греции, а благодаря решению некоторых задач стал героем легенд и анекдотов.

Кто не знает изречений «Дайте мне точку опоры, и я поверну Землю» или «Эврика!»? Очевидно, что все они хотя бы отчасти соответствуют действительности. Вспомним известную легенду, в которой рассказывается, как Архимед смог определить, из чистого ли золота сделана корона царя Гиерона, использовав разницу плотности золота и серебра. Решив задачу, Архимед издал всем известный возглас «Эврика!», который позднее стал боевым кличем ученых. Витрувий в девятой из «Десяти книг об архитектуре» рассказывает эту историю так: «Гиерон, достигший царской власти в Сиракузах, после удачного завершения своих предприятий, решил по обету бессмертным богам поместить в одном из храмов золотой венец, он заказал сделать его за определенную плату и отвесил нужное количество золота подрядчику. В назначенный по договору срок тот доставил царю тонко исполненную работу, в точности, видимо, соответствовавшую весу отпущенного на нее золота. После же того как сделан был донос, что часть золота была утаена и при изготовлении венца в него было примешано такое же количество серебра, Гиерон, негодуя на нанесенное ему оскорбление и не находя способа доказать эту покражу, обратился к Архимеду с просьбой взять на себя разрешение этого вопроса. Случилось так, что в то время как Архимед над этим думал, он пошел в баню и, садясь в ванну, заметил, что чем глубже он погружается в нее своим телом, тем больше через край вытекает воды. И как только это указало ему способ разрешения его вопроса, он, не медля, вне себя от радости, выскочил из ванны и голый бросился к себе домой, громко крича, что нашел то, что искал; ибо на бегу он то и дело восклицал по-гречески: «Эврика!»[4]

* * *

НАГОТА АРХИМЕДА

Архимед изображен нагим не только в истории об «Эврике». В других сценах, исполненных гедонизма, мы вновь встречаем похожие описания: «И нельзя не верить рассказам, будто он был тайно очарован некоей сиреной, не покидавшей его ни на миг, а потому забывал о пище и об уходе за телом, и его нередко силой приходилось тащить мыться и умащаться, но и в бане он продолжал чертить геометрические фигуры на золе очага и даже на собственном теле, натертом маслом, проводил пальцем какие-то линии — поистине вдохновленный Музами, весь во власти великого наслаждения»[5] — пишет Плутарх в «Сравнительных жизнеописаниях».

Эта «вдохновленность Музами», свойственная любому ученому, погруженному в себя, не раз вызывала возмущение церковных сановников: они видели в этом некий эротизм, уподоблявший страсть к науке плотским страстям. Известны слова Блаженного Августина: «Помимо вожделения плоти, которое заключается в удовольствии всех чувств и которому уступают те, кто становится его рабом, удаляясь от Господа, также удаляется душой от Господа тот, кто испытывает пустое любопытство, скрытое под эвфемизмами "знание" и "наука"». Отголосок этой мысли слышится во фразе Стивена Хокинга, одного из известнейших ученых наших дней: «Самое приятное в жизни — открывать что-то, о чем раньше никто не знал. Я сравнил бы это с сексом, но он проходит куда быстрее, чем это потрясающее ощущение».

Гравюра конца XVI века, на которой изображена знаменитая история «Эврики!» Архимеда.

* * *

Эта история, как и все ее версии, не совсем верна с научной точки зрения. Как в свое время совершенно справедливо заметил Галилей, опыт Архимеда, несомненно, был намного точнее, чем это описано в исторических анекдотах. Очевидно, что если бы Витрувий включил в свой рассказ подробное изложение опыта Архимеда, его история утратила бы часть своей привлекательности, так как образ нагого ученого, кричащего «Эврика, Эврика!», привлекает намного большее внимание, чем образ того же ученого, склонившегося за рабочим столом.

Легенду, согласно которой Архимед сжег римские военные корабли с помощью зеркал, решительно можно считать художественным вымыслом. В исторических источниках, ближайших по времени к эпохе Архимеда, его подвиги как военного инженера описываются в возвышенных тонах и с большими преувеличениями, однако зажигательные зеркала не упоминаются. Вероятно, этот эпизод был добавлен к историям о чудесных боевых машинах Архимеда позже, тем более что он вряд ли располагал необходимыми технологиями для изготовления таких зеркал. Возможно, он знал, как их можно сделать, и по этой причине изобретение приписывается именно ему.

Гравюра, посвященная легендарному изобретению Архимеда — зажигательным зеркалам, с помощью которых он сжег вражеские корабли при осаде Сиракуз.

Точнее говоря, Архимед, разумеется, знал, что зеркало в форме параболоида вращения фокусирует солнечные лучи в определенной точке, называемой фокусом. Для тех читателей, кто не знаком с параболоидом вращения, укажем, что это поверхность, получаемая вращением параболы вокруг оси.

Архимед доказал несколько удивительных утверждений о параболах. Одно из них, касающееся квадратуры параболы, мы используем в качестве примера, показывающего, как гармоничное сочетание математических идей рождает красоту в математике.

Квадратура параболы

Парабола входит в число конических сечений, то есть кривых, получаемых сечением конуса плоскостью. В зависимости от расположения этой плоскости сечением конуса будет окружность, эллипс, гипербола или парабола. Последнюю мы получим, когда секущая плоскость расположена параллельно образующей конуса.

Полное фото семейства: конус и его отпрыски.

Греки попытались решить задачу о квадратуре для областей, ограниченных каждой из этих кривых, с помощью циркуля и линейки. В случае с окружностью и эллипсом они потерпели неудачу, так как для вычисления искомой квадратуры требовалось знать точное значение числа π. Неудача постигла их и при вычислении квадратуры гиперболы, так как для этого требовалось рассчитать логарифмы. Однако им удалось квадратуру параболы — это сделал Архимед тремя разными способами, один удивительнее другого. Рассуждения Архимеда изложены в его труде под названием «Метод» — об удивительной истории этой книги мы расскажем позже.

Парабола может быть определена не только как коническое сечение, но и следующим способом. Допустим, дан угол с вершиной в точке А, образованный сторонами АВ и АС. Обозначим через r соотношение длин этих сторон: r = АВ/АС. Предлагаем читателю выбрать произвольную точку на отрезке АС. Она будет располагаться на некотором расстоянии от вершины А (обозначим его через d). Соедините эту точку с точкой отрезка АВ, находящейся на расстоянии d·r от В. Если вы проведете это построение для всех точек стороны АС, построенные отрезки будут описывать кривую, являющуюся частью параболы. Эта кривая изображена на следующем рисунке: слева показаны несколько точек отрезка АС, соединенные с соответствующими точками отрезка АВ, справа — парабола, описанная этими отрезками.

Осью этой части параболы будет прямая, соединяющая точку А с серединой отрезка ВС. Точка V, где ось пересекает параболу, называется вершиной.

Парабола, ее ось и вершина.

Рассмотрим сегмент параболы BVC с вершиной в точке V.

На этом сегменте параболы мы построим треугольник с вершинами D, В и С: сторона DB будет параллельной оси сегмента параболы и пройдет через точку В, а сторона DC будет касаться параболы в точке С.

Архимед доказал, что площадь сегмента параболы BVC равна одной третьей площади треугольника BDC. Ключевым элементом его рассуждений стало умелое использование рычага. Чтобы читателю было проще понять, приведем схему рассуждений в общем виде. Сначала мы представим треугольник и сегмент параболы в виде совокупностей отрезков прямых, затем вставим в геометрическую фигуру рычаг — он позволит нам сравнить отрезки, на которые мы разделили обе фигуры. Затем вновь составим из этих отрезков треугольник и параболу, которые будут находиться в равновесии на концах рычага. Согласно правилу рычага, площади треугольника и параболы будут обратно пропорциональны плечам рычага, уравновешивающего их.

Наконец, вычислим искомое соотношение плеч рычага. Чтобы читатель смог лучше понять эстетику этих рассуждений, напомним ему фразу Эмиля Шартье (Алена): «Прекрасное не доставляет удовольствие или неудовольствие — оно заставляет нас задержаться». Подробные рассуждения выглядят следующим образом.

Архимед счел, что треугольник BDC образован множеством отрезков XT, параллельных оси параболы (или стороне треугольника BD), а сегмент параболы BVC образован множеством прямых отрезков ХР, параллельных оси параболы, как показано на следующем рисунке. Представление геометрической фигуры в виде множества отрезков было чем-то доселе невиданным в математике. В следующий раз этот метод был применен в XVII веке, спустя почти две тысячи лет.

Далее Архимед сравнил отрезки, из которых состояли рассматриваемые фигуры, с помощью рычага. Плечо рычага будет располагаться вдоль прямой, соединяющей вершину треугольника С с вершиной параболы V, а точкой опоры рычага будет точка F — точка пересечения плеча рычага и стороны BD треугольника. Левый конец рычага Еi  будет располагаться в одной точке и находиться на том же расстоянии от точки F, что и вершина С треугольника. Иными словами, длины отрезков EiF и FC равны. Положение правого конца рычага Ed будет изменяться. Его определит пересечение плеча рычага с одним из отрезков, образующих треугольник.

Следовательно, если мы перенесем отрезок, образующий параболу, к левому концу рычага Ei, при этом на правом конце рычага Ed положение отрезка, образующего треугольник, останется неизменным (как показано на рисунке ниже),

рычаг будет находиться в равновесии.

Следовательно, при рассмотрении параболы как совокупности отрезков Архимеду удалось сбалансировать на разных концах рычага параболу (ее центр тяжести совпадает с точкой Ei) и треугольник, центр тяжести которого, точка G, совпадает с правым концом рычага.

Согласно правилу рычага, соотношение площадей параболы и треугольника обратно пропорционально отношению плеч рычага, на которых располагаются парабола и треугольник. Это соотношение равно одной третьей, что объясняется на следующей странице. Следовательно, площадь сегмента параболы BVC равна одной трети площади треугольника BDC.

* * *

ПРОПОРЦИЯ И РАВНОВЕСИЕ

Рассмотрим подробнее, почему соотношение плеч рычага, на котором уравновешены треугольник и парабола, равно одной третьей. В силу особенностей построения левое плечо рычага EiF равно отрезку FC, а правое плечо рычага — это отрезок FG. Центр тяжести треугольника — это точка пересечения его медиан (прямых, соединяющих вершины треугольника с центрами противоположных сторон). Центр тяжести делит медианы в соотношении 2:1, считая от вершины. Так как FC — медиана треугольника (этот отрезок соединяет вершину С и середину стороны В), длина отрезка FG будет равна одной трети длины отрезка FC.

* * *

Математика: результат творчества или открытия?

Рассуждения Архимеда, позволившие ему вычислить квадратуру параболы, помогут нам ответить на непростой вопрос: можно ли назвать ученого творцом? Толчком к этой полемике стали размышления об эстетике.

Большинство, возможно, полагает, что термин «творец» неприменим к ученым в целом и математикам в частности. К примеру, Фернандо Саватер в «Вопросах жизни» писал: «Творец — тот, кто создает что-то, что без него никогда не появилось бы на свет, тот, кто привносит в мир что-то, что без него никогда не могло бы существовать именно в таком виде, а не в другом, более или менее похожем». Так, Александр Флеминг не «изобрел» пенициллин, а открыл его: «Если бы он не открыл пенициллин, рано или поздно другой мудрец открыл бы лечебные свойства этого чудесного грибка. Напротив, если бы Моцарт или Сервантес умерли бы в младенчестве, никто бы не написал «Волшебную флейту» и не рассказал бы историю Дон Кихота». С философом Саватером согласны и другие ученые, например лауреат Нобелевской премии по медицине Франсуа Жакоб.

Любой научный факт имеет два аспекта. Первый аспект — это само открытие, будь то теорема, универсальный закон, галактика или химический элемент, второй — форма, в которой было совершено это открытие. Если мы используем термин «открытие», то уместно было бы назвать ученых «первооткрывателями». Однако порой случается — возможно, редко, но все же случается, — что ученого уместно назвать творцом, так как он совершил или представил свое открытие совершенно уникальным способом.

Так, можно сказать, что Архимед не был творцом соотношения площадей сегмента параболы и треугольника — рано или поздно это соотношение обнаружил бы и другой ученый. Однако Архимед не просто определил соотношение между площадями фигур, а сделал это определенным образом. И именно этот конкретный способ уравновешивания площадей посредством рычага можно назвать результатом творчества. Как мы не можем представить картину «Менины» без Веласкеса, так и эти геометрические рассуждения нельзя представить без Архимеда. Можно сказать, что Архимед открыл формулу квадратуры параболы, но его исполненный эстетики метод разделения фигур на отрезки с их уравновешиванием — результат творчества в полном смысле этого слова, о котором говорил Саватер: «без него [это] никогда не могло бы существовать именно в таком виде, а не в другом, более или менее похожем».

Если бы Архимед умер в младенчестве, никто не вычислил бы площадь сегмента параболы, уравновесив ее с треугольником с помощью рычага, и это исторический факт, а не личное мнение. Рассуждения Архимеда уникальны, а сам его труд под названием «Метод», в котором ученый объяснил свои расчеты, дошел до наших дней благодаря удивительным обстоятельствам. Подобно множеству античных научных трудов и художественных произведений, работы Архимеда не раз могли бесследно затеряться. И некоторые его книги действительно оказались утеряны. Эта участь могла ожидать все или почти все труды Архимеда, которые на протяжении многих веков сохранялись в виде одной-двух рукописей. Ветер Истории переносил их с одного побережья Средиземного моря на другое, как сухую листву, в то время как совсем рядом гремели боевые барабаны, солдаты мародерствовали, а пожары уничтожали целые города.

«Метод» Архимеда и письменные источники

Древнейшие рукописи с трудами Архимеда, о которых нам известно, были созданы в Константинополе в Х-м или, что маловероятно, в IX веке. Должны были существовать и более древние рукописи, в том числе и написанные самим Архимедом в III веке до н. э., но все они утрачены.

Архимед наверняка создал все или большинство своих трудов в изоляции от других ученых, в родных Сиракузах. В этом городе он родился в 287 году до н. э., однако в юности учился в Александрии — центре эллинистической математики и науки вообще (Александрия имела этот статус начиная с момента основания Александром Македонским и до V века). Закончив обучение в Александрии, Архимед вернулся в Сиракузы, где прожил большую часть жизни. Если говорить современным языком, то научные труды Архимеда, дошедшие до наших дней, представляют собой монографии. Они были написаны в разные годы и попали из Сиракуз в Александрию и даже в Самос, где жил Конон, один из самых близких друзей Архимеда. В число этих монографий входит «Метод», представляющий для нас наибольший интерес. Это длинное письмо Архимеда к Эратосфену, который в то время был главой Александрийской библиотеки. В этом письме Архимед излагает свой метод совершения научных открытий.

Весьма вероятно, что все произведения Архимеда попали в Александрию разными путями, и ни при его жизни, ни в первые годы после его смерти не образовывали единое целое. По своему масштабу и размаху труды Архимеда значительно превосходят «Начала» Евклида. Большая часть «Начал» содержала элементарные рассуждения, и это заставляет предполагать, что было создано множество копий труда Евклида. А вот работы Архимеда имели более высокий уровень и были понятны лишь посвященным. Естественно, что они существовали лишь в нескольких копиях, которые, возможно, хранились в Александрийской библиотеке или в ее отделении в Серапеуме. В результате часть копий была утеряна, другая серьезно пострадала. Ущерб, нанесенный произведениям Архимеда, стал заметен уже спустя полвека после его смерти — об этом упоминали авторы, которые не смогли найти некоторые из теорем Архимеда. Однако из других источников известно, что еще в III–IV веках существовали произведения Архимеда, до наших дней не дошедшие, — возможно, они были утеряны при разрушении Серапеума в 391 году.

В первой трети VI столетия была предпринята попытка объединить труды Архимеда, упорядочить их и снабдить комментариями. Нельзя утверждать, что это была первая из подобных попыток, но упоминаний о более ранних собраниях сочинений Архимеда не сохранилось. Следующее действие этой истории развернулось в Константинополе, когда на смену Восточной Римской империи пришла Византийская империя, а императора Юстина, грубого и безграмотного служаку, сменил образованный Юстиниан, знаток богословия и права. Во время его правления, возможно, возродился интерес к античной математике. Это не привело к появлению видных математиков, однако в результате для потомков были сохранены некоторые важные труды, в том числе произведения Архимеда. Это стало своеобразным реквиемом по греческой науке: в 529 году Юстиниан издал указ о закрытии Академии Платона и других научных и философских центров, которые якобы проповедовали языческое учение.

Спустя три года император принял решение построить собор Святой Софии. Именно авторы проекта нового собора, Исидор Милетский и Анфимий Тралльский, помогли сберечь научное наследие греков, повелев найти и переписать все сохранившиеся к тому времени классические труды, а также составить их списки. Один из учеников Исидора Милетского и Анфимия Тралльского, Евтокий, составил сборник трудов Архимеда, которые смог найти, и прокомментировал три из них.

Два столетия спустя Византия вновь пережила период культурного, военного и религиозного расцвета. Именно тогда были составлены три рукописи на греческом языке, благодаря которым труды Архимеда, дошедшие до наших дней, стали известны ученым последнего тысячелетия. Эти три рукописи, по-видимому, появились в одном и том же городе, Константинополе, в IX–X веках, однако они имели очень разную судьбу. Из трех рукописей до наших дней дошла всего одна, и она не оставила сколько-нибудь заметного следа в истории. А вот две исчезнувшие оказали огромное влияние на европейскую математику XVII века, когда, говоря современным языком, Архимед был самым цитируемым математиком, хотя его работы насчитывали уже почти две тысячи лет. Обозначим эти три рукописи A, В и С. Рукописи А и В, вместе либо по отдельности, в XII веке попали из Константинополя на Сицилию, родину Архимеда.

Рукопись В, возможно, содержала труды по механике и оптике. Она исчезла в начале XIV века и о ней известно лишь то, что в XIII веке на ее основе некоторые труды Архимеда были переведены на латынь.

Рукопись А жила бурной жизнью и пропала в середине XVI века, однако после нее осталось довольно много потомков — копий, выполненных в середине XV — середине XVI века, которые дошли до наших дней. Четыре копии, сохранившиеся лучше остальных, находятся в Национальной библиотеке святого Марка в Венеции, еще две — в Национальной библиотеке Франции.

Разворот латинского перевода трудов Архимеда, выполненного Вильгельмом Мербеке.

На основе рукописи А и ее списков, а также латинского перевода рукописи В было подготовлено первое печатное издание трудов Архимеда на греческом и латыни. Эта книга была издана в Базеле в 1544 году. С ее появлением математики Возрождения и барокко наконец смогли познакомиться с большинством работ Архимеда. Однако в эту книгу не вошел «Метод», которого не было в рукописях А и В.

Рукопись С — единственная, местонахождение которой известно на сегодняшний день. Ее обнаружил эрудит Йохан Гейберг, преподаватель греческого языка в Кембриджском университете, в 1906 году. Этот документ представляет собой палимпсест — древнюю рукопись, сделанную поверх более ранних записей. В нашем случае поверх математического трактата был написан молитвенник для воскресных служб и других христианских праздников.

Рукопись С

Рукопись С имеет удивительную историю. Возможно, это была последняя из трех византийских рукописей с трудами Архимеда, и это единственная рукопись, местонахождение которой сегодня известно. Она оказала наименьшее влияние на математику, так как считалась утерянной до 1906 года, и с момента ее обнаружения прошло чуть больше ста лет.

Судя по особенностям письма, рукопись была составлена примерно в 975 году. Два с половиной столетия спустя кто-то решил, что поверх нее можно записать нечто более интересное, и полностью соскоблил ее текст, чтобы лист пергамента можно было использовать повторно. Рукопись Архимеда была дополнена листами из четырех других книг. Листы пергамента были перемешаны, обрезаны и переплетены снова, в результате новый текст был записан перпендикулярно старому. Переписчик записал христианские молитвы поверх сложнейших и тончайших рассуждений древнегреческого математика. С помощью ультрафиолетовых лучей ученые смогли прочесть послесловие, где указывалось, что палимпсест был завершен 13 апреля 1229 года.

Труды Архимеда были скрыты христианскими молитвами, но время взяло свое, и постепенно любопытство ученых привлек исходный текст рукописи. В середине XIX века немецкий исследователь Константин Тишендорф, посетив Константинополь, сообщил о том, что обнаружил палимпсест с математическими рассуждениями. Палимпсест постепенно начал раскрывать свои секреты. Тишендорф не постеснялся вырвать из рукописи один лист, — он и не предполагал, что держит в руках теоремы Архимеда. Этот лист, согласно завещанию Тишендорфа, в 1876 году был продан Кембриджскому университету, где хранится и сейчас.

Следующим исследователем, который обратил внимание на эту рукопись, был греческий палеограф Пападопулос Керамеус, который включил ее в каталог рукописей, опубликованный в 1899 году. Ему удалось прочесть несколько строк Архимеда, которые он привел в своем каталоге. Согласно Пападопулосу, рукопись содержала примечания XVI века (они не дошли до наших дней), где указывалось, что книга принадлежала Лавре Саввы Освященного в Палестине. Неизвестно, как и почему пергамент оказался в этом монастыре-крепости, затерянном в горах к югу от Вифлеема. Палимпсест неопределенное время находился в Палестине, после чего вернулся в Константинополь, где его обнаружил Тишендорф в 1840 году и вырвал из него один лист.

Несколько строк, опубликованных Пападопулосом Керамеусом, чрезвычайно заинтересовали Йохана Людвига Гейберга, который в 1880–1881 годах опубликовал прекрасное издание трудов Архимеда. В 1906 году Гейберг переехал в Константинополь, где изучил палимпсест и понял, что в нем было сокрыто несколько трудов Архимеда, два из которых, «Метод» и «Стомахион» (сохранилась лишь небольшая часть последнего), не содержались ни в одной из известных на то время рукописей с произведениями ученого. Еще один труд, «О плавающих телах», был известен только по средневековому переводу рукописи В на латынь. Несомненно, обнаружение рукописи С стало важнейшим событием нескольких последних столетий для понимания классической науки. На основе фотографий пергамента Гейберг подготовил новое издание трудов Архимеда, которое увидело свет в 1910–1915 годах (разумеется, в собрание был включен и «Метод»). Глубина и серьезность исследования Гейберга поражают, особенно если учесть, что в его распоряжении находились очень скудные технические средства, а прочесть оригинальный текст было непросто.

* * *

БОЛЬ В ЖИВОТЕ

Стомахион — греческое слово, которое означает «боль в животе», а также служит названием одного из трудов Архимеда и геометрической головоломки. В этой головоломке нужно составить квадраты и другие фигуры из 14 частей, на которые разделен исходный квадрат. Собрать эту головоломку сложно, поэтому она действительно может вызвать головную боль и даже боль в животе — именно таково происхождение ее названия и названия труда Архимеда, который известен только благодаря отрывку, переведенному на арабский, и двум страницам палимпсеста, которые дошли до нас в очень плохом состоянии. По результатам изучения рукописи С сегодня считается, что «Стомахион» Архимеда мог быть трактатом по комбинаторике. Это открытие, которое, впрочем, не подтверждено документально, учитывая недостаток материала и его плохое состояние, стало настоящим сюрпризом, ведь древнегреческие математики, и в частности Архимед, были очень далеки от комбинаторики.

Слева — начальное положение элементов «Стомахиона». Справа — один из 17152 вариантов, которыми можно составить исходный квадрат из элементов головоломки.

* * *

История рукописей Архимеда гласит, что «Метод» был неизвестен математикам практически с момента создания и до публикации Гейбергом в начале XX века. Следовательно, неизвестным оставался и метод расчета площади сегмента параболы, который мы описали в предыдущем разделе. У нас нет сведений ни об одном математике, который на протяжении двух тысячелетий с небольшим вычислил бы площадь параболы, уравновесив ее на одном рычаге с треугольником. Это доказывает, что если бы Архимед умер в младенчестве, этот способ вычисления площади сегмента параболы никогда не существовал бы именно в таком виде, а не в другом, более или менее похожем. Никому никогда не удалось повторить рассуждений Архимеда. Так что его метод, полный гармонии и красоты, можно по праву назвать результатом творчества.

Последние перипетии в истории палимпсеста Архимеда

Было бы непростительно закончить эту главу, не рассказав о последних перипетиях в истории рукописи С. После публикации Гейбергом палимпсест, скорее всего, был украден. Его местонахождение было неизвестно на протяжении почти всего XX века, пока он вновь не появился 28 октября 1998 года в Нью-Йорке на аукционе Christie’s. Рукопись была приобретена за сумму, превысившую два миллиона долларов, неизвестным американским коллекционером. Спустя несколько месяцев новый обладатель палимпсеста передал его Музею искусства Уолтера в Балтиморе для хранения и изучения.

Интернет-страница The Archimedes Palimpsest Project («Проект "Палимпсест Архимеда"») содержит подробную информацию о восстановлении древней рукописи.

Палимпсест был тщательно отреставрирован и изучен знатоками античной науки, реставраторами и специалистами по обработке изображений, которые использовали самые современные технологии. Это неудивительно, ведь в ходе своей одиссеи в XX веке рукопись пострадала больше, чем за предыдущие тысячелетия.

Несколько страниц исчезло, многие другие были серьезно повреждены плесенью, из-за чего их содержимое стало невозможно разобрать невооруженным глазом (эти повреждения особенно заметны, если сравнить современное состояние палимпсеста с фотографиями Гейберга), наконец, кто-то, посчитав, что это привлечет интерес к рукописи и повысит ее цену, изобразил на ней четыре миниатюры из жизни евангелистов — в результате поврежденными оказались еще несколько страниц.

Глава 2

Почему оценить красоту математики непросто

Как мы уже говорили в начале предыдущей главы, никто не удивится, если случайный прохожий, которого мы спросим об эстетической ценности математики, лишь скептически поднимет брови. Мы же считаем, что эта эстетическая ценность, безусловно, существует, и сомнения случайного прохожего означают лишь одно: оценить красоту математики непросто. Здесь и возникает вопрос, вынесенный в название главы.

Пять чувств и изобразительное искусство

Мы знаем, что красота математических рассуждений заключается в гармоничном сочетании идей, которые их образуют, подобно тому как красота здания складывается из гармоничного сочетания его архитектурных элементов. Однако большинству людей намного сложнее оценить красоту теоремы, чем красоту готического собора.

В чем же причина? По нашему мнению, ответ на этот вопрос лежит в области физиологии: людям сложно оценить эстетическую ценность математических рассуждений, так как нам не хватает отдельного чувства, позволяющего автоматически различить структуру идей, составляющих рассуждения, и оценить гармоничность их сочетания.

Прежде чем обсудить это утверждение, приведем несколько примеров, показывающих тесную связь между нашими чувствами и визуальным искусством.

Живопись

Начнем с живописи. Можно сказать, что красота картины заключается в гармоничном сочетании ее элементов: форм, цветов, композиции, пространства, света и даже текстуры. Из утилитарных соображений рассмотрим живопись с чисто формальной точки зрения, оставив в стороне ее этическую, моральную и другую ценность и функции. Об этом мы поговорим позже.

Как бы то ни было, все элементы картины, а также связи между ними воспринимаются зрением напрямую.

Рассмотрим наскальный рисунок. Он состоит из простых цветных пятен на стене пещеры. Зрение позволяет нам понять, что на рисунке изображены животные и люди на охоте. Мы с первого взгляда увидели всю структуру форм картины, и теперь наш мозг может решить, гармонична ли ее композиция.

Наскальный рисунок на плато Тассилин-Адджер на юго-востоке Алжира. Плато объявлено объектом всемирного наследия ЮНЕСКО, так как на нем было сделано множество ценных археологических находок.

Точно так же достаточно одного взгляда, чтобы оценить картину Яна ван Эйка «Портрет четы Арнольфини» — мозг автоматически получает информацию о цветах и может определить, кажется ли картина красивой.

Так же автоматически зрение воспринимает композицию фрески Рафаэля «Афинская школа» в Ватиканском дворце: персонажи картины, в числе которых можно увидеть Пифагора, Евклида, Птолемея и, разумеется, Платона и Аристотеля, рас положены симметричными группами. Мы мгновенно воспринимаем расположение персонажей под куполами, ограничивающими сцену, и глубину, созданную с помощью методов перспективы. Вся эта информация очень быстро передается органами зрения в мозг, и он может «решить», гармонично ли сочетание элементов композиции. Ничто не ускользает от нашего взора: ни пространство и свет, изображенные Веласкесом на картине «Менины», ни даже текстура мазков «Сеятеля» Ван Гога — здесь зрение словно заменяет тактильные ощущения.

«Портрет четы Арнольфини» — картина Яна ван Эйка, созданная в 1434 году, хранится в Лондонской национальной галерее.

«Афинская школа» — фреска, созданная Рафаэлем Санти в 1510–1511 годах для Ватиканского дворца.

Слева — «Менины», картина Веласкеса, написанная в 1656 году, сейчас хранится в музее Прадо. Справа — фрагмент картины «Сеятель», созданной Винсентом ван Гогом в 1888 году, в настоящее время хранится в частной коллекции.

Музыка

Похожие рассуждения будут справедливы для музыки и органов слуха. Здесь нужно рассмотреть последовательность музыкальных аккордов во времени, их кинетический характер. Философ Монро Бирдсли писал: «Музыка есть искусство, которое течет со временем: она колеблется, подпрыгивает, колышется, становится неспокойной, поднимается, запинается и беспрерывно движется». Эта временная упорядоченность музыки, которая отсутствует в живописи, также крайне важна в математике. Теорема, подобно симфонии, начинается, продолжается и заканчивается, и порядок расположения ее составных частей имеет огромное значение.

Последовательный характер музыки очень важен для ее восприятия: чтобы оценить эстетику мелодии, нужно обладать определенной звуковой памятью. При этом звуковая память человека не особенно развита по сравнению, например, с визуальной.

Как-то раз я услышал такую фразу: человек, слушающий квартет Брамса, подобен рыбе, смотрящей «Психоз» Хичкока. Наша кратковременная звуковая память не способна фиксировать сложные последовательности звуков, и еще меньше она подходит для распознавания подобных последовательностей с легким изменением ритма каждые несколько минут. Именно это чувствует рыба, которая смотрит на киноэкран: увидев эпизод фильма, уже спустя несколько минут или даже секунд она забывает его и не способна узнать персонажа, который на мгновение исчез с экрана. Мне кажется, что способность людей запоминать сложные мелодии также проявляется в распознавании абстрактных элементов грамотных математических рассуждений. Как следствие, ограниченные способности распознавания подобных шаблонов, которые столь часто встречаются в математике, всерьез мешают нам оценить их красоту.

Схожесть музыки и математики легла в основу множества эссе, которые уже написаны и наверняка появятся в будущем. Не будем забывать слова великого Лейбница: «Музыка есть тайное упражнение в арифметике ведущей счет, но не сознающей этого души». Далее мы ограничимся тем, что подчеркнем важное различие между музыкой и математикой. Когда мы наслаждаемся музыкой, органы слуха последовательно и автоматически передают мозгу мелодию, ритмические элементы, ее ритм, композицию и так далее. Располагая этой информацией, мозг определяет, можно ли считать элементы мелодии гармоничными, а музыку — красивой. Но какое из наших чувств автоматически передает мозгу последовательность математических идей, которые содержит великая теорема?

«Виолончелист». Снимок выполнен одним из пионеров фотографии Антоном Джулио Брагалья в 1913 году.

Пример из гастрономии

Все эти рассуждения справедливы и в более сложных ситуациях, когда участвуют несколько чувств, например в гастрономии, поэтому процесс сенсорного восприятия более сложен, но столь же эффективен. Так, в дегустации вина участвуют все чувства, начиная со слуха, который передает в мозг звук вина, льющегося в бокал (по этому звуку можно оценить содержание в вине глицерина и алкоголя); за ним следует зрение, которое передает тональность и насыщенность цвета; обоняние, транслирующее мозгу множество информации о запахах, в формировании которых участвуют различные сорта винограда, особенности изготовления вина, условия и продолжительность выдержки; букет, позволяющий оценить соотношение четырех основных вкусов; и даже осязание, которое передает внутреннюю гармонию различных компонентов вина. Все органы чувств сообщают мозгу информацию об органолептических свойствах вина, позволяющую оценить его с эстетической точки зрения.

В последнем примере нужно учесть некоторые минимальные начальные условия, без которых оценить эстетические свойства вина невозможно. Речь идет об отсутствии определенных религиозных и моральных ограничений — пусть и в меньшей степени, это соображение применимо для живописи и скульптуры: представьте себе знаменитый тайный зал дворца Габсбургов, где хранились изображения обнаженной натуры, или цензуру в нацистской Германии, запрещавшую полотна импрессионистов, экспрессионистов, авангардистов и других представителей «дегенеративного искусства». Необходимо обладать определенной культурой и развитой способностью оценивать и различать вкусы и запахи, а также обонятельной памятью, которая позволяет распознавать запах дегустируемого вина и сравнивать его с винами, попробованными ранее. И разумеется, важное условие — отсутствие атрофии органов чувств, возникающей при встрече с некоторыми определенными вкусами и запахами. Совсем нетрудно увидеть, что подобные начальные условия мешают нам наслаждаться математическими рассуждениями: это и антипатия, которую добрая часть населения испытывает к математике, и атрофия чувств, которую может вызвать подобная нелюбовь. Не будем говорить о причинах такого отношения к математике. Предлагаем читателю поразмыслить: рекламной индустрии удалось совершить чудо и превратить черный и сладкий освежающий напиток во «вкус жизни», просто повторив одну и ту же фразу несколько миллионов раз; то же самое, но со знаком «минус», произошло с математикой.

Литература

Наконец, рассмотрим пример, который намного ближе к математике, а именно литературу. В этом случае органы зрения (или слуха, если кто-то читает нам книгу вслух, либо осязания, если мы читаем книгу, набранную шрифтом Брайля) передают в мозг сюжетные повороты романа и строчки стихотворения. Но если мозг фиксирует живописные элементы картины или мелодию струнного квартета автоматически, то для восприятия литературы необходим определенный анализ. Причина в том, что эстетический объект, а именно литература, не имеет особенностей, доступных визуальному, аудиальному, обонятельному или осязательному восприятию, а состоит из смыслов, которые неощутимы органами чувств и являются результатом интенсивной работы разума. Эстетическая ценность романа или стихотворения не написана черным по белому — она сокрыта в тексте. Литература обладает эстетической, но не осязаемой ценностью.

Когда пяти чувств недостаточно

Представленные выше примеры подтверждают исходное утверждение: красоту математических рассуждений сложно оценить потому, что у нас нет подходящего чувства, которое позволило бы оценить композицию идей, в которой и заключена красота математики.

Математические рассуждения, подобно литературе, обладают неосязаемой эстетической ценностью: внешний вид, форма (в гегелевском смысле) математических рассуждений, которые мы способы ощутить с помощью органов чувств, не имеют отношения к их эстетической ценности — их содержимое и значение важнее. Математика, хотя и служит для описания и понимания реальности, целиком заключена в мозгу человека, и теорема — не более чем передача идей из одного мозга в другой, при этом в качестве посредника используется бумага или доска. Следовательно, нет ничего, что менее зависело бы от чувств, чем математика.

Поэтому неудивительно, что смысл математики можно понять только по результатам глубоких размышлений. Иными словами, математика — хранилище эстетической ценности, которую можно оценить не органами чувств, а в результате интеллектуального анализа. Именно поэтому оценить красоту математики сложнее, чем красоту картины, скульптуры или музыкальной композиции. Усилия, необходимые, чтобы разобраться в хитросплетении математических идей, составляющих теорему, очевидно, не всегда одинаковы. Существуют способы, позволяющие упростить эту задачу, и эти способы имеют отношение к органам чувств. Самый привычный из них — сделать математические рассуждения более понятными с помощью рисунков и геометрических фигур. В этом случае мы просто используем быстроту и легкость, с которыми зрение передает в мозг необходимую информацию.

Хотя зрение, слух и осязание делают формулировку теоремы или ее доказательство доступными для мозга, структура идей в этой формулировке или доказательстве необязательно будет заметной. Часто бывает, что она скрыта за логическими преобразованиями, которыми изобилуют доказательства теорем, раздроблена промежуточными действиями и доказательствами второстепенных утверждений, которые скрывают основные идеи и мешают оценить их гармонию. Мозг оценивает структуру идей, а в результате анализа элементов доказательства, его очистки от незначительных элементов и переупорядочивания этот процесс не протекает автоматически, и его итог может зависеть от уровня математической подготовки, приложенных усилий и так далее.

На этой фотографии 1920 года Альберт Эйнштейн, Пауль Эренфест, Поль Ланжевен, Хейке Камерлинг-Оннес и Пьер Вейс изображены за обсуждением у доски.

Органы чувств автоматически передают мозгу информацию о форме, цветах, композиции, пространстве, освещении и текстуре картины, о гармоничности и ритмичности музыкальной композиции, однако в математике этого не происходит: анализ, выполняемый в этом случае, требует усилий. И чем больше усилий необходимо, чтобы понять математические рассуждения, тем сложнее оценить их красоту. Однако, возможно, удовольствие, испытанное при виде их красоты, будет выше, ведь за сложностью могут скрываться блестящие, глубокие и даже гениальные математические идеи.

Понимание структуры идей, в зависимости от гармонии их составляющих, пробуждает эстетическое удовольствие, «душевное наслаждение», как сказано в словаре. Перефразируя описание эстетической ценности, которое привел философ Джордж Сантаяна в своей книге «Постижение красоты», можно сказать, что это объективированное удовольствие, интеллектуальное наслаждение, которое мы можем получить, если изучим и поймем некую теорему, является центральной эстетической категорией, свойством математических рассуждений, которое наделяет их красотой.

Органы чувств передают в мозг информацию о том, что происходит вне его, следовательно, без них невозможно насладиться красотой чего бы то ни было, будь то картина, симфония или пейзаж. Тем не менее удовольствие, которое вызывает красота, лежит не только в плоскости чувств, но и требует вмешательства разума.

«Довольствия, которые доставляет красота, — писал Фернандо Саватер, — наименее „зоологические“ из всех». Так, было бы неразумно полагать, что собака или горилла оценят эстетику готического собора или картины Веласкеса. Последователи Сантаяны утверждают, что существует тесная взаимосвязь между эстетическими ценностями и другими жизненно важными представлениями человека. Витгенштейн возвел эту взаимосвязь в абсолют, сформулировав уравнение: «Этика равна эстетике». В любом случае, именно этот союз красоты и разума делает математику вместилищем эстетической ценности.

Сплетение судеб

Как мы уже говорили в предисловии, цель этой книги — не развернуть сухое и скучное обсуждение эстетической ценности математики, а продемонстрировать на примерах некоторые основные принципы математической красоты. К этому мы сейчас и приступим.

Вы уже знаете, как сложно увидеть красоту, сокрытую в математических рассуждениях. Похожие сложности возникают в попытках оценить эстетику литературы. Однако литература описывает природу человека, что несколько упрощает ее восприятие: эмоции намного ближе, понятнее и поэтому интереснее нам, чем холодность прямоугольного треугольника или экзотичность простого числа. Однако математика также имеет эмоциональную составляющую, причем более интенсивную и важную, чем можно предположить. Об этом мы поговорим в следующей главе.

Мы, математики, должны уметь использовать эмоции в той же степени, что и писатели, и переводить на математический язык, пусть и с необходимыми оговорками, некоторые приемы из арсенала романистов. Расскажем об одном из таких приемов.

Одна из главных целей любого романа и, возможно, его основное достоинство заключается в том, чтобы показать богатство, разнообразие и сложность человеческой природы. В XX веке возник стилистический прием, позволяющий достичь этой цели, — это изображение человеческого муравейника, в который неизбежно превращается любой большой город, и плотной сети взаимоотношений между его жителями. Так родились романы с великим множеством персонажей, изображавшие сложность кишащего людьми мегаполиса; эти персонажи в романе, кажется, никак не пересекаются друг с другом, но постепенно скальпель автора рассекает реальность и обнаруживает плотную сеть удивительных взаимосвязей между героями. К жемчужинам этого стиля принадлежат «Манхэттен» (1925) американского писателя Джона Дос Пассоса и «Улей» (1951) испанского писателя Камило Хосе Села, лауреата Нобелевской премии по литературе, в котором описывается 296 воображаемых и 50 реальных персонажей, хотя большинство из них появляются на сцене лишь ненадолго.

В математике достаточно часто случается так, что различные законы и теоремы кажутся далекими друг от друга, однако в итоге между ними обнаруживается неразрывная связь. Математика представляет собой единое целое, и часто всего один взгляд под правильным углом или одна блестящая идея позволяют связать и объединить результаты, которые, на первый взгляд, никак не связаны между собой. Как и в романах «Манхэттен» и «Улей», демонстрация этого богатства скрытых взаимосвязей позволяет ярче выразить красоту математики. Хорхе Вагенсберг в своей книге «Интеллектуальное наслаждение» отмечает, что поиск общего принципа в различном — важнейший источник эстетического удовольствия: «Понять, что две вещи, по сути, различные, есть в конечном итоге одно и то же, — основа понимания и редкого интеллектуального наслаждения». Оставшуюся часть этой главы мы посвятим примеру, доказывающему истинность этого суждения.

Касательные окружности, рациональное приближение, диофантовы уравнения и роман «Улей»

Среди великого изобилия законов, теорем и гипотез, населяющих необозримый мир элементарной математики, выберем случайным образом трех главных героев нашей истории. Как и на страницах «Улья», эти персонажи кажутся настолько далекими друг от друга, насколько это позволяет невероятная широта и многообразие математики.

Однако в конечном счете отсутствие связей оказывается мнимым.

Первый персонаж нашей истории живет в старом квартале геометрии: это построение, в котором участвуют касательные окружности. Для удобства я дам имена всем трем нашим персонажам. Не думаю, что читатель очень удивится, когда узнает, что я дал им имена героев романа «Улей». Так, я назову нашего первого героя доньей Росой. В романе Селы донья Роса — хозяйка кафе «Утеха», где происходит действие многих эпизодов романа. «Мир для доньи Росы, — пишет Села, — это ее кафе и все прочее, что находится вокруг ее кафе. Говорят, что, когда приходит весна и девушки надевают платья без рукавов, у доньи Росы начинают поблескивать глазки. Я думаю, все это болтовня: донья Роса не выпустит из рук серебряной монеты ни ради каких радостей жизни. Что весной, что осенью. Самое большое удовольствие для нее — таскать взад-вперед свои килограммы вот так, прохаживаясь между столиками»[6].

Второе действующее лицо нашей истории живет в рабочем районе приближений: это метод, позволяющий верно определить приближенное значение произвольного числа, например √2 или π, с помощью дробей. Этого персонажа я назову Мартин Марко. В романе «Улей» Мартин Марко — поэт-идеалист левых взглядов, который остался вне игры, когда закончилась гражданская война: «Мартин Марко, бледный, изможденный, в обтрепанных брюках и потертой куртке, прощается с официантом, поднеся руку к полям своей убогой, грязной серой шляпы». Мартин Марко выживает только благодаря заботам друзей и старых знакомых, питается жареными яйцами, которые тайком от мужа готовит ему сестра Фило, и ночует в свободных кроватях отдыхающих проституток борделя, который держит старая подруга его матери.

Третий и последний герой нашей истории — житель самого дорогого и эксклюзивного района математики — теории чисел. Это диофантово уравнение

p^2 + q^2 + r^2 = 3·p·q·r,

точнее, тройки натуральных чисел, удовлетворяющие этому уравнению. Этого героя я назову Хулитой в честь героини романа, которую Села изображает несколько ветреной и легкомысленной: «Она красит волосы в рыжий цвет. Со своей пышной волнистой шевелюрой она похожа на Джин Харлоу». Хулита — племянница доньи Росы и встречается со своим ухажером в апартаментах доньи Селии. Возможно, многим пуристам из мира математики покажутся неуважительными подобные параллели между математическими понятиями и героями романа Селы.

Не отрицаю, что стремление сравнить геометрию или даже ее раздел с коварной доньей Росой, полной, нечистоплотной и эгоистичной женщиной, или сравнить рациональное приближение иррациональных чисел с мечтателем Мартином Марко, олицетворением всех неудачников, или знаменитое диофантово уравнение — с модницей Хулитой Леклерк де Моисее не лишено концептуального риска. Однако и подобные сравнения, и сопутствующий им риск — важнейший элемент игры, которую я предлагаю читателю.

Биография всех наших героев берет начало во времена древних греков, однако, как вы увидите далее, это совпадение будет не единственным и даже не самым важным. Как и в любом романе, совпадения в математике не случайны.

Донья Роса, или построения с касательными окружностями

Начнем рассказ с доньи Росы, то есть с построений с касательными окружностями.

О великом греческом геометре Аполлонии нам практически ничего не известно. Мы знаем лишь, что он родился в Перге примерно в 262 году до н. э., написал несколько важных книг, большинство из которых не сохранились, и был известен под прозвищем «великий геометр». Из всех его трудов нас интересуют «Касания» — эта книга считается утраченной и о ней известно лишь по рассказам Паппа Александрийского, датируемым III–IV веками. В «Касаниях» Аполлоний приводит решение задачи, которая позднее получила название задачи Аполлония: построить с помощью циркуля и линейки окружность, касающуюся трех данных точек, прямых или окружностей. И построение искомых окружностей, и число решений зависит от исходных элементов задачи (точек, прямых или окружностей) и их относительного расположения. Аполлоний, по всей видимости, привел решения для всех возможных случаев.

Первые построения с касательными окружностями возникают в случае, когда исходными элементами задачи являются три окружности. В частности, если три данные окружности касаются, задача имеет два решения: в одном из них построенная окружность будет располагаться внутри, в другом — снаружи.

Задача Аполлония в случае, когда исходными тремя фигурами являются окружности (слева), имеет два решения (справа).

В самом общем случае, когда три данные окружности не касаются друг друга, задача имеет восемь разных решений.

Для трех данных окружностей, не касающихся друг друга (слева), задача Аполлония имеет восемь решений (на рисунке в центре представлены два из них, на рисунке справа — третье).

Из множества вариантов расположения касательных окружностей рассмотрим один, особенно простой и элегантный. Окружности, расположенные таким образом, называются окружностями Форда и строятся по следующим правилам. Отметим на прямой линии значения дробей (или рациональные числа — так мы, математики, любим называть дроби), как показано на иллюстрации.

Все дроби вида р/q, которые мы рассмотрим, являются несократимыми, то есть р и q не имеют общих делителей, при этом q — положительное число. К примеру, мы будем рассматривать не дробь 5/15, а эквивалентную ей несократимую дробь 1/3. В точках, соответствующих каждой дроби p/q, мы поместим окружность радиуса 1/(2q^2), которая будет касаться прямой.

Если мы будем использовать привычную систему декартовых координат для обозначения точек плоскости (читатель должен был познакомиться с декартовыми координатами в средней школе), то множество окружностей Форда будет образовано всеми окружностями с центром в точках (р/q, 1/(2q^2)) и радиусом 1/(2q^2).

Окружности Форда имеют немало удивительных свойств. Путем несложных расчетов можно показать, что две произвольные окружности Форда либо не пересекаются, либо касаются, как показано на двух следующих иллюстрациях.

Окружности Форда, соответствующие дробям на интервале от 0 до 1, знаменатель которых меньше или равен 7. Так, изображенные на иллюстрации окружности соответствуют следующим дробям: 0, 1/7, 1/6, 1/5, 1/4, 2/7, 1/3, 2/5, 3/7, 1/2, 4/7, 3/5, 2/3, 5/7, 3/4, 4/5, 5/6, 6/7, 1.

Аналогичные расчеты показывают, что окружности Форда, соответствующие дробям p/q и Р/Q, касаются, если числа р·Q и Р·q отличаются на единицу; верно и обратное.

Еще один фрагмент окружностей Форда. Изображенные на рисунке окружности соответствуют дробям между 1/2 и 1 со знаменателем, меньшим либо равным 11.

Также можно относительно просто доказать, что если окружности, соответствующие дробям p/q и Р/Q, касаются, то окружности Форда, соответствующие дробям

будут касаться окружности, соответствующей дроби p/q. Кроме того, указанные дроби описывают все окружности Форда, касающиеся окружности, которая соответствует дроби p/q.

Построение окружностей Форда, касательных данной.

Аналогично простые расчеты показывают, что окружности Форда, касающиеся данной, полностью окружают ее. Если бы мы могли изобразить на иллюстрации бесконечное множество этих окружностей, то увидели бы, что они бесконечно приближаются к дроби p/q, пока не «кусают» ее (см. рисунок выше и врезку ниже), как если бы они обладали столь же огромным аппетитом, что и донья Роса из романа Селы.

* * *

ПРОЖОРЛИВЫЕ ОКРУЖНОСТИ ФОРДА

Представленные ниже простые расчеты должны убедить читателя, что окружности Форда, касающиеся данной окружности, соответствующей дроби p/q, неограниченно приближаются к точке, соответствующей этой дроби. Рассмотрим касающиеся окружности, расположенные слева от дроби p/q. Они соответствуют дробям (Р + n·p)/(Q + n·q), где n — любое натуральное число. Теперь достаточно показать, что разность между этими дробями и p/q неограниченно уменьшается с увеличением n:

Так как окружности, соответствующие дробям p/q и P/Q, касаются, то, как мы отмечали выше, числа р·Q и Р·q будут последовательными. Как следствие, их разность будет равна 1 или -1. С учетом этого предыдущее равенство примет вид:

Так как n расположено в знаменателе, то с его увеличением разность между p/q и (Р + n·p)/(Q + n·q) будет уменьшаться и в пределе, при бесконечно большом n, будет равна нулю.

* * *

Читатель согласится с тем, что окружности Форда настолько исполнены гармонии и элегантности, насколько отсутствие этих атрибутов характерно для доньи Росы; ее вздутого, как мех с оливковым маслом, живота, который Села называет «воплощением враждебности сытого к голодному».

Мартин Марко, или рациональное приближение иррациональных чисел

Оставим ненадолго донью Росу и окружности Форда и обратимся к биографии второго нашего героя — Мартина Марко, или рационального приближения иррациональных чисел.

Пифагор и пифагорейцы основывали математику и рациональное объяснение природы на том, что всю Вселенную можно свести к числам. Для пифагорейцев существовали только натуральные числа (1, 2, 3, 4, 5 и так далее) и дроби, которые можно было образовать из натуральных чисел. Тем не менее когда ученики Пифагора занялись простейшей геометрической операцией — измерением отрезков, основы их научной картины мира рухнули. Длина диагонали квадрата со стороной 1 оказалась в точности равна √2. Пифагорейцев постигло разочарование, когда они поняли, что √2 нельзя представить в виде дроби (об этом подробно рассказано на следующей странице). Что может быть проще, чем измерить диагональ квадрата? Однако даже ее нельзя точно выразить с помощью натуральных чисел и рациональных дробей. По легенде, Гиппас из Метапонта, пифагореец, раскрывший эту тайну кому-то из непосвященных, был сброшен в море с борта корабля и осужден вечно бороздить волны: «Раскрыв секрет невыразимого, он удостоился страшнейшего наказания — быть отделенным от сущего и низвергнутым в ничто, откуда прибыл».

Вскоре стало понятно, что, помимо чисел 1, 2, 3, 4, 5 и т. д., которые мы используем при счете, и дробей, которые образуются из натуральных чисел, нужны и другие, более «сложные» числа. Чтобы установить различия между «нормальными» и «сложными» числами, математики стали использовать символические названия: числа 1, 2, 3, 4, 5 и т. д. стали называться натуральными, а дроби, которые можно образовать из этих чисел, — рациональными.

Числа √2,  3√5, π, напротив, называются иррациональными, словно предупреждая об их нездоровой природе.

* * *

ИРРАЦИОНАЛЬНОСТЬ КОРНЯ ИЗ 2

В доказательстве подобных утверждений проявляется изумительная сила логических рассуждений математики. Так как существует бесконечное множество дробей и мы не можем проверить их все, то как мы можем быть уверены в том, что не существует дроби, которая при умножении на саму себя будет равна 2? Используем революционное изобретение древних греков — доказательство, то есть корректное логическое обоснование математического утверждения. Взяв за основу очевидный факт, посредством логических рассуждений, каждое из которых логически выводится из предыдущих, мы доказываем истинность другого, неочевидного, факта. Первое доказательство, о котором мы расскажем, приписывается самому Пифагору и звучит так. Заметим, что всякая дробь имеет эквивалентную ей несократимую дробь, числитель и знаменатель которой не имеют общих делителей. Если существует несократимая дробь (обозначим ее через p/q), которая при умножении на саму себя равняется 2 (иными словами, p/q·p/q = 2), должно выполняться равенство р·р = 2·q·q. Покажем, что это невозможно. Если р·р = 2·q·q, то р·р — четное число; иными словами, оно в два раза больше некоторого другого числа. Так как квадрат нечетного числа — всегда нечетное число, р должно быть четным. Следовательно, число р в два раза больше некоторого другого числа, которое мы обозначим через k (иными словами, р = 2·k). Подставив это выражение в вышеуказанное равенство, получим 2·k·2·k = 2·q·q, или, что аналогично, 2·k·k = q·q. Следовательно, q·q — четное число, поэтому q также будет четным. Однако это невозможно, так как если дробь p/q является несократимой, числитель и знаменатель не могут быть четными одновременно.

* * *

Эта редкая особенность иррациональных чисел становится очевидной, если мы попытаемся ответить на совершенно невинные вопросы: чему равен √2? чему равно π? Иррациональное число по своей сути нельзя представить в виде дроби: можно найти дробь, которая будет отличаться от этого числа всего на одну миллионную или даже на одну миллиардную, но она не будет равна иррациональному числу. Если мы захотим уменьшить заданную величину разницы, мы сможем найти новую дробь, но она опять не будет равна иррациональному числу. Эта ситуация подобна проклятию: с той же жестокой монотонностью, с какой протекают тяжелые дни, описанные в романе «Улей», дроби будут следовать друг за другом, и последняя дробь, возможно, будет очень близка к иррациональному числу, но по-прежнему не равна ему.

Получается, чтобы описать иррациональное число, нужно использовать более или менее точные рациональные приближения. Чтобы выразить иррациональное число с абсолютной точностью, нам потребуется бесконечное количество рациональных приближений. Так родился новый тип математических задач — задачи о рациональном приближении иррациональных чисел.

Одним из первых внес вклад в решение задач этого типа Архимед, который получил известный результат, связанный с самой знаменитой математической константой: найдя приближенное значение длины окружности с помощью правильного 96-угольника, он определил, что число π меньше дроби 22/7 чуть больше чем на одну тысячную. Впоследствии этот результат пытались улучшить многие ученые: так, китайский математик Цзу Чунчжи обнаружил, что дробь 355/113 отличается от π менее чем на 3 десятимиллионных (это же значение получили многие европейские математики в конце XVI столетия).

Марки, выпущенные в честь Архимеда и Цзу Чунчжи — двух математиков древности, которые нашли самые точные приближения числа π.

С XVII века разложение в ряд стало подлинной одержимостью, охватившей всех, кто занимался вычислением рациональных приближений числа π. Эта лихорадка не обошла стороной даже столь видных ученых, как Ньютон и Эйлер.

Но как можно найти приближенное значение иррационального числа в виде дробей в общем виде? Уточним задачу. Определить несократимую дробь p/q тем «затратнее», чем больше ее знаменатель q — чтобы определить ее, нужно разделить единицу на столько частей, сколько указывает знаменатель дроби. Следовательно, чтобы определить, насколько точным приближением иррационального числа является дробь p/q, нужно сравнить разность между этой дробью и иррациональным числом относительно знаменателя q дроби. Для произвольного иррационального числа (обозначим его через а) нужно оценить наименьшее значение выражения |а — p/q| для всех дробей p/q с неизменным знаменателем q. Здесь для оценки разности двух чисел мы используем привычную математическую нотацию: разность |х — у|, записанная между вертикальными чертами, обозначает, что всегда рассматривается разность между большим и меньшим числом, следовательно, эта разность всегда будет положительной. Точнее говоря, |х — у| равно х — у, если х больше у, и у — х, если у больше х.

Так как все дроби со знаменателем, равным q, расположены на числовой прямой на одинаковом расстоянии друг от друга, равном 1/q, можно сделать вывод: для любого иррационального числа а всегда найдется дробь p/q такая, что |а — p/q| < 1/(2 — q). Мы всегда можем представить иррациональное число в виде дроби, при этом погрешность будет меньше величины, обратной удвоенному знаменателю дроби.

К примеру, если мы рассмотрим число π и q = 10 и воспользуемся калькулятором, то получим, что наиболее точное рациональное приближение числа π со знаменателем, равным 10, будет дробью 31/10. В этом случае π — 31/10 = 0,04159…, что в действительности несколько меньше, чем 1/(2·10) = 0,05. Это наиболее точное рациональное приближение со знаменателем, равным 10, из всех возможных. При других значениях знаменателя точность приближения можно значительно улучшить.

Рассмотрим q = 7. Самым точным рациональным приближением числа π дробью со знаменателем, равным 7, будет дробь Архимеда — 22/7. В этом случае |π — 22/7 | = 0,00126… Как вы можете видеть, дробь Архимеда 22/7 ближе к истинному значению π, чем приведенная выше дробь 31/10. Нечто похожее произойдет, если мы рассмотрим дроби со знаменателем, равным 113. В этом случае самым точным приближением будет дробь 355/113, полученная Цзу Чунчжи: |π — 355/113 | = 0,000000266. Если мы рассмотрим дроби со знаменателем 125, большим 113, то самым точным приближением будет 393/125, которое будет заметно хуже: |π — 393/125 | = 0,0024. Это приближение даже менее точно, чем дробь Архимеда.

Становится очевидным, что одни знаменатели подходят для приближенных значений иррациональных чисел лучше других. Вопрос заключается уже не в том, как найти точное приближение иррационального числа дробью, а как найти точное приближение дробью с правильно выбранным знаменателем.

С учетом этого немецкий математик Иоганн Петер Густав Лежён Дирихле (женатый на сестре композитора Феликса Мендельсона) в 1842 году показал, что иррациональное число всегда можно представить в виде дроби так, что ошибка будет меньше величины, обратной квадрату знаменателя дроби.

Немецкий математик Иоганн Петер Густав Лежён Дирихле (1805–1859), после смерти Гаусса сменивший его на посту главы кафедры в Гёттингене в 1855 году.

Доказательство этого утверждения элементарно и основано на «принципе ящиков», позднее названном в честь Дирихле. Принцип Дирихле представляет собой простое отражение здравого смысла: если мы хотим поместить определенное число голубей в ящики, при этом голубей больше, чем ящиков, то в конечном итоге в одном из ящиков окажется больше одного голубя. Принцип Дирихле полезен при доказательстве определенных математических результатов, среди которых — теорема Дирихле о рациональном приближении. Эта теорема звучит так: для данного иррационального числа а существует бесконечно много дробей вида p/q таких, что |a — p/q| < 1/q^2. Доказательство этой теоремы приведено на следующей странице. Этот результат существенно точнее, чем тот, о котором мы говорили выше, так как с увеличением q число 1/q^2 уменьшается намного быстрее, чем 1/(2·q). Результат Дирихле нельзя улучшить относительно второй степени 1/q. Это тесно связано с разделением иррациональных чисел на алгебраические и трансцендентные.

Рассмотрим √2: это иррациональное число, однако его можно достаточно просто описать последовательностью целых чисел (…, —6, —5, —4, —3, —2, —1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6…)» так как является решением уравнения с целыми коэффициентами х^2  —2 = 0. Числа, которые представляют собой решения уравнения с целыми коэффициентами (вне зависимости от степени уравнения), называются алгебраическими.

* * *

ДИРИХЛЕ И «ПРИНЦИП ЯЩИКОВ»

Доказательство принципа Дирихле выглядит следующим образом. Рассмотрим произвольное иррациональное число а и выберем некоторое натуральное число N. Теперь рассмотрим числа а, 2·а, 3·а…, N·а и (N + 1)·а. Этот список содержит N + 1 число. Для каждого из них (обозначим их в общем виде k·а) найдется натуральное число рk такое, что разность k·а — рk будет лежать на интервале от 0 до 1. К примеру, если а = √5 = 2,236…, то 2·а = 4,472… и р_2 будет равно 4.3·а = 6,708…, р_3 будет равно 6 и так далее. Теперь расположим числа от 0 до 1 в N ящиков: в первом ящике окажутся числа от 0 до 1/N, во втором — от 1/N и 2/N и так далее. В последнем ящике окажутся числа от (N — 1)/N до 1. Так как наш список чисел k·а — рk, k = 1, …, N + 1 содержит N + 1 число, лежащее на интервале от 0 до 1, и мы расположили числа от 0 до 1 в N разных ящиках, то, согласно принципу Дирихле, в одном из этих ящиков будет больше одного числа. Допустим, что числа k·а — рk и n·а — рn  находятся в одном ящике. Очевидно, что разница между двумя числами в одном ящике меньше 1/N. Отсюда следует, что |k·а — рk — (n·а — рn)| < 1/N. Если теперь мы введем обозначения q = k — n и р = рk — рn, то получим: |q·а — р| < 1/N, или |а — p/q| < 1/(q·N). Так как и k, и n меньше N + 1, получим, что q меньше N. Учитывая, что это число можно считать положительным, имеем |а — p/q| < 1/q^2. Так как число а иррационально, а N — произвольное натуральное число, неравенство |а — p/q| < 1/(q·N) гарантирует, что мы можем найти бесконечно много различных дробей вида p/q, удовлетворяющих неравенству |а — p/q| < 1/q^2.

* * *

Каким бы монструозным нам ни казалось число

оно является алгебраическим, так как его можно представить как решение уравнения четвертой степени с целыми коэффициентами х^4 + 8х — 5 = 0. Все числа, которые не являются алгебраическими, в математике называются трансцендентными. В некотором смысле они максимально далеки от натуральных чисел, которые мы используем при счете.

Самые знаменитые математические константы — обычно трансцендентные числа. Так, трансцендентными являются число π и число е, однако это было доказано лишь в конце XIX века. Трансцендентность числа π имеет удивительное следствие: задача о квадратуре круга не имеет решения. Иными словами, с помощью циркуля и линейки нельзя построить квадрат, равный по площади данному кругу. Задача о квадратуре круга не давала покоя древнегреческим математикам, однако ее решение было найдено лишь в конце XIX столетия. Если мы сравним решение математической задачи с установлением мирового рекорда, то задача о квадратуре круга стала рекордом, который не удавалось превзойти две с половиной тысячи лет!

При поиске приближения алгебраических чисел в виде дробей нельзя найти более точное приближение, чем описанное теоремой Дирихле. Если мы рассмотрим произвольное алгебраическое число а и число k, строго большее 2 (k > 2), то, за некоторыми исключениями (число этих исключений всегда будет конечным), будет выполняться неравенство |а — р/q| > 1/qk.

Это означает, что результат Дирихле нельзя улучшить относительно степени знаменателя. Однако с единицей, «сопровождающей» знаменатель, дело обстоит иначе. В 1891 году другой немецкий математик, Адольф Гурвиц, доказал, что эту константу можно заменить меньшей: 1/√5. Так, для произвольного иррационального числа а существует бесконечно много дробей вида p/q таких, что |а — p/q| < 1/(√5·q^2). Гурвиц также доказал, что значение 1/√5 является минимально возможным, поскольку существует еще одна математическая константа, так называемое золотое число, описывающее золотое сечение, Ф = (1 + √5)/2.

Адольф Гурвиц (1859–1919), один из величайших математиков XX столетия, внесший особый вклад в изучение алгебраических кривых и теорию чисел.

Золотое сечение — это соотношение сторон прямоугольника совершенных пропорций. Согласно древнегреческим геометрам, прямоугольник обладает совершенными пропорциями, если при отсечении от него квадрата со стороной, равной меньшей стороне прямоугольника, оставшийся прямоугольник будет иметь прежнее соотношение сторон. Допустим, длина короткой стороны прямоугольника равна а, длинной стороны — b. Следовательно, длины сторон нового прямоугольника будут равны b — а и а. Соотношение сторон прямоугольника будет наиболее гармоничным при b/а = а/(Ь — а). Приняв х = b/а, имеем х = 1/(х — 1), то есть х^2 — х — 1 = 0. Положительный корень этого уравнения равен золотому числу Ф = (1 + √5)/2.

Если мы отсечем от прямоугольника золотого сечения бесконечное число квадратов и будем соединять противоположные вершины этих квадратов дугами длиной в четверть окружности, получим спираль золотого сечения, изображенную ниже.

Именно такую форму имеет раковина наутилуса, в виде этой спирали располагаются семена подсолнуха, облака в ураганах и антициклонах и звезды во многих галактиках.

Форму золотой спирали имеют раковины наутилуса, ураганы и галактики.

Золотое сечение присутствует в природе повсеместно. Оно привлекало математиков, художников, архитекторов и музыкантов. Обратимся к творчеству Дюрера. Из всех художников Возрождения он, возможно, лучше всех разбирался в математике. Все, что Дюрер знал о возведении городских стен и крепостей, об использовании циркуля и угольника для измерения размеров твердых тел, о пропорциях человеческого тела и о форме букв алфавита, он изложил во множестве книг, напечатанных после его смерти. Большую часть математических знаний Дюрер получил в Италии. По рекомендации венецианского художника Якопо де Барбари он в 1506 году отправился в Болонью, где постигал тайную науку у неизвестного наставника. Многие считают, что этим учителем был монах-францисканец Лука Пачоли, который в 1494 году составил большую математическую энциклопедию XV столетия. До какой степени Дюрер проник в тайны изученной им науки, в которой золотое сечение было заветной формулой идеальных пропорций человеческого тела, можно судить по его прекрасным картинам, где изображены обнаженные Адам и Ева. Оцените разницу между головастым Адамом и пышнотелой Евой на гравюрах Дюрера 1504 года (сегодня они хранятся в венской галерее Альбертина) и ими же, прекрасными и стройными, на картинах 1507 года (они выставлены в мадридском музее Прадо).

Чему Дюрер научился за три года с момента создания гравюры слева до написания картины справа? Чем вызвана эта разница в пропорциях тел Адама и Евы на его картинах?

Как показал Гурвиц, золотое сечение задается иррациональным числом, которое хуже всего описывается рациональными дробями: для любого числа с > √5 справедливо неравенство |Ф — p/q| > 1/(с·q^2), за исключением некоторых дробей p/q, при этом их число всегда будет конечным.

Донья Роса — Мартин Марко, Форд — Дирихле и Гурвиц

Вряд ли в романе «Улей» найдется два персонажа, которые бы внешне отличались больше, чем донья Роса и Мартин Марко. Она — полная, прожорливая, алчная и мизантропичная, он — худой, голодный, бездомный и приветливый. Эти два персонажа сталкиваются, когда донья Роса приказывает официанту вышвырнуть Мартина Марко из ее кафе за то, что тот не заплатил по счету. Хозяйка кафе указывает официанту, как нужно поступить: «На улицу выставить поаккуратней, а там — пару добрых пинков куда придется. Хорошенькое дело!» Тем не менее официант не стал наказывать Мартина Марко, поэтому ему ничего не оставалось, кроме как соврать донье Росе:

«— Всыпал ему?

— Да, сеньорита.

— Сколько?

— Два.

Хозяйка щурит глазки за стеклами пенсне, вынимает руки из карманов и гладит себя по лицу, где из-под слоя пудры пробиваются щетинки бороды.

— Куда дал?

— Куда пришлось, по ногам.

— Правильно. Чтоб запомнил. Теперь ему в другой раз не захочется воровать деньги у честных людей».

Столь же непохожими, как донья Роса и Мартин Марко, кажутся окружности Форда и рациональные приближения иррациональных чисел, описываемые теоремами Дирихле и Гурвица. Окружности Форда точны, элегантны и гармоничны, дроби Дирихле и Гурвица — шокирующие, полные секретов. Кажется, что эти понятия отражают два очень далеких друг от друга аспекта математики.

Однако в хороших романах часто случается так, что два далеких друг от друга персонажа воплощают дополняющие друг друга противоположности, составляющие одну из граней человеческой природы. Так же часто два математических результата, на первый взгляд далекие друг от друга, оказываются выражениями одного и того же математического явления.

Таковы касательные окружности Форда и рациональные приближения иррациональных чисел: первое есть не более чем геометрическое представление второго, как если бы хитросплетения теоремы Гурвица выкристаллизовались в четком и прозрачном изображении — в окружностях Форда.

Если читатель посмотрит на иллюстрацию на странице 50, он увидит, что это не что иное, как наглядное представление теоремы Гурвица. В самом деле, изобразим иррациональное число на числовой оси и проведем через соответствующую ему точку прямую, перпендикулярную числовой оси, как показано на следующем рисунке. Всякий раз, когда эта прямая будет пересекать окружность Форда (допустим, окружность, соответствующую рациональному числу p/q), разница между а и p/q обязательно будет меньше, чем радиус окружности, то есть меньше, чем 1/(2·q^2): |a — р/q| < 1/(2·q^2).

Как мы уже показали, окружности Форда, касающиеся окружности, которая соответствует дроби р/q, образуют последовательность, которая неизбежно приближается к р/q и в итоге «кусает» ее (см. рис. на стр. 51). Таким образом, если прямая, проведенная через точку, обозначающую иррациональное число а, пересекает окружность Форда, соответствующую дроби р/q, то она пересечет и другую окружность, касающуюся этой и расположенную под ней (см. следующий рисунок), а также окружность, расположенную под этой, и так далее. Отсюда следует, что прямая, соответствующая иррациональному числу, пересечет бесконечное множество окружностей Форда. Таким образом, существует бесконечное множество дробей р/q, удовлетворяющих неравенству |а — p/q| < 1/(2·q^2). Это необычное следствие особого расположения окружностей Форда лежит на полпути между теоремами Дирихле и Гурвица, так как полученная нами константа равна 1/2, а согласно теоремам Дирихле и Гурвица она равняется 1 и 1/√5.

С помощью окружностей Форда также можно получить оптимальное значение этой константы, описываемое теоремой Гурвица. В самом деле, на верхнем рисунке на стр. 50, помимо окружностей Форда, представлены и другие фигуры — криволинейные треугольники, заключенные между любыми тремя касательными окружностями. Эти треугольники также обладают очень важными свойствами. Так, первая координата всех трех вершин подобных треугольников является рациональным числом. Рассмотрим криволинейный треугольник, образованный касательными окружностями Форда, которые соответствуют дробям p/q, p_2/q_2 и р_3/q_3. Обозначим вершины этого треугольника через А, В и С. Пусть А_1 — первая координата вершины А, В_1 — первая координата вершины В, С_1 — первая координата вершины С. Нетрудно видеть, что

Так как первые координаты вершин треугольника — рациональные числа, прямая, проведенная через точку, соответствующую иррациональному числу а на числовой прямой, пересечет не только бесконечное множество окружностей Форда, но и бесконечное число криволинейных треугольников. Если большая из трех окружностей, образующих криволинейный треугольник, расположена справа, то в зависимости от значений координат А и В_1 (в зависимости от того, какая из них больше) эти треугольники будут иметь один из двух различных видов, как показано на рисунках.

Подробный анализ этих двух случаев позволяет сделать вывод: всякий раз, когда прямая, соответствующая иррациональному числу а, пересекает криволинейный треугольник первого вида (при А_1 < B_1  см. рисунок выше), разность между а и p_2/q_2 будет строго меньше, чем 1/(√5·q^2_2). Всякий раз, когда прямая, соответствующая иррациональному числу а, пересекает криволинейный треугольник второго вида (при A_1 > B_1 см. следующий рисунок), разность между а и р_3/q_3 будет строго меньше, чем 1/(√5·q^2_3). В любом случае пересечения прямой, соответствующей иррациональному числу а, и сторон криволинейных треугольников определят бесконечное множество дробей p/q таких, что |а — р/q| < 1/(√5·q^2). Иными словами, последовательность криволинейных треугольников, порожденных окружностями Форда, есть геометрическое представление теоремы Гурвица.

Хулита, или диофантово уравнение p^2 + q^2 + r^2 = 3pqr

В нашей истории есть и третий персонаж — диофантово уравнение р^2 + q^2 + r^2 = 3·р·q·r, — которого я сравнил с Хулитой, еще одной героиней романа «Улей».

Диофантово уравнение — это всего лишь алгебраическое уравнение, как правило, от нескольких переменных, однако нас интересуют лишь те его решения, которые являются целыми числами (или рациональными, что в некоторых случаях одно и то же). Эти уравнения получили свое название в честь древнегреческого математика Диофанта Александрийского. О нем мы знаем немного больше того, что сказано в его эпитафии: «Прах Диофанта гробница покоит; дивись ей и камень Мудрым искусством его скажет усопшего век. Волей богов шестую часть жизни он прожил ребенком. И половину шестой встретил с пушком на щеках. Только минула седьмая, с подругой он обручился. С нею, пять лет проведя, сына дождался мудрец; Только полжизни отцовской возлюбленный сын его прожил. Отнят он был у отца ранней могилой своей. Дважды два года родитель оплакивал тяжкое горе. Тут и увидел предел жизни печальной своей»[7]. Решив эту задачу, получим, что Диофант прожил 84 года. Предположительно, он жил в II–III веках.

Нам известно, что Диофант был автором нескольких трудов, важнейший из них — «Арифметика». Из тринадцати книг «Арифметики» сохранилось шесть книг на древнегреческом и еще четыре — в переводе на арабский.

Обложка «Арифметики» Диофанта, изданной в 1621 году с комментариями французского математика Баше де Меризиака.

* * *

ДИОФАНТОВО УРАВНЕНИЕ

Задача, описанная на этой странице, приводится во второй книге «Арифметики» под номером 15. Диофант нашел ее решение следующим образом. Он обозначил через р и q квадраты двух последовательных чисел, так как ему было известно, что их произведение, увеличенное на их сумму, также является квадратом. В самом деле, если р = m^2, q = (m + 1)2, то:

p·q + p + q = m^2·(m + 1)2 + m^2 + (m + 1)2 = m^4 + 2·m^3 + 4·m^2 + 2·m + 1 = (m^2  + m + 1)2.

В частности, Диофант использовал р = 4 и q = 9. Таким образом, p·q + p + q обязательно будет квадратом: 4·9 + 4 + 9 = 7^2. Две остальные величины будут таковы: 4·n + 4 + n = 5·n + 4 и 9·n + 9 + n = 10·n + 9. Таким образом, нужно найти число n такое, что и 10·n + 9, и 5·n + 4 будут квадратами. Далее Диофант ввел еще две вспомогательные переменные, r и k, определяемые уравнениями r^2  = 10·n + 9 и k^2 = 5·n + 4. Имеем

r^2 — k^2 = 10·n + 9–5·n — 4 = 5·n + 5,

что можно записать как (r + k)·(r — k) = 5·(n + 1). Таким образом, r + k = 5 и r — k = n + 1. Выразив r и k из этих равенств, получим: r = (n/2) + 3 и k = 2 — (n/2). Подставив значение r в уравнение r^2 = 10·n + 9 и упростив полученное выражение, получим уравнение второй степени (n^2/4) = 7·n = 0. Его решением будет n = 28.

* * *

Приведем пример уравнений, которые рассматривает Диофант в своей «Арифметике»: «Найти три таких числа, что произведение любых двух из них, увеличенное на их сумму, будет квадратом». Если мы обозначим искомые числа через р, q и n, тo p·q + p + q, p·n + p = n и q·n + q + n должны быть квадратами. Диофант привел решение р = 4, q = 9 и n = 28. В самом деле, р·q + q = 49 = 7^2, р·n + р + n = 289 = 17^2, q·n + q + n = 144 = 12^2 (см. врезку). Такие уравнения были известны древним грекам задолго до Диофанта. Первое из них, несомненно, выглядело так: найти натуральные числа m и n такие, что m^2 = 2·n^2. Как вы уже знаете, Пифагор доказал, что это уравнение не имеет решений: если бы они существовали, то √2 было бы рациональным числом.

Другое диофантово уравнение, также изученное до Диофанта, имело отношение к теореме Пифагора: требовалось найти все натуральные числа р, q, r, которые были бы решениями уравнения р^2 + q^2 = r^2. Согласно теореме Пифагора, точнее обратной ей теореме, такие числа р, q, r являются сторонами прямоугольного треугольника. Тройки чисел, удовлетворяющих этому уравнению, стали называться пифагоровыми тройками. В книге X «Начал» Евклида приведено общее решение этой задачи: для произвольных натуральных чисел m, n и k

p = k·(m^2 — n^2), q = 2·k·m·n и r = k·(m^2 + n^2)

образуют пифагорову тройку, и все пифагоровы тройки имеют подобный вид. Например, приняв m = 3, n = 1 и k = 4, имеем р = 32, q = 24 и r = 40, которые действительно удовлетворяют равенству р^2 + q^2 = r^2.

Среди уравнений, рассмотренных Диофантом в «Арифметике», было уравнение, описывающее пифагоровы тройки. Диофант также решил уравнение р^2 + q^2 = r^2, добавив к нему множество дополнительных условий. Например, он решил задачу о нахождении сторон прямоугольного треугольника, периметр которого является кубом, а сумма площади и гипотенузы — квадратом. Диофант нашел следующее решение этой задачи: длина гипотенузы r равнялась 629/50, длины катетов р и q — 2 и 621/50. Периметр треугольника равнялся 2 + 621/50 + 629/50 = 1350/50 = 27 = 3^3, сумма площади и гипотенузы — (621/50)·2/2 + 629/50 = 1250/50 = 25 = 5^2 (см. врезку на предыдущей странице).

* * *

ЕЩЕ ОДНО ДИ0ФАНТ0В0 УРАВНЕНИЕ

Последняя задача, описанная на этой странице, приведена в «Арифметике» Диофанта в книге VI под номером 17. Диофант нашел ее решение следующим образом. Он ввел новую переменную n — площадь треугольника. Тогда (р·q)/2 = n, то есть р·q = 2·n. Далее Диофант принял р = 2 и q = n. Сумма площади и длины гипотенузы треугольника равняется n + r, периметр треугольника — 2 + n + r. Так как число n + r должно быть квадратом, нужно найти такой квадрат, который при увеличении на 2 был бы кубом. Тогда Диофант обозначил длину стороны квадрата через m + 1, длину стороны куба — через m — 1. Теперь нужно найти число m такое, что (m + 1)2 + 2 = (m -1)3. Иными словами, m^2 + 2·m + 3 = m^3 — 3·m^2 + 3·m — 1, или, что аналогично, 4·m^2 + 4 = m^3 + m. Отсюда следует, что 4·(m^2 + 1) = m·(m^2 + 1), следовательно, m = 4. Таким образом, имеем n + r = 5^2 = 25. Так как треугольник со сторонами р, q и r должен быть прямоугольным, имеем: 4 + n^2 = r^2. Подставив в это уравнение n = 25 — r, получим 4 + (25 — r)2 = r^2. Раскрыв скобки и упростив полученное выражение, имеем: 629 — 50·r = 0. Иными словами, r равно 629/50, следовательно, n и q равны 621/50.

Заметьте, что Диофант решил в целых числах кубическое уравнение х^2 + 2 = у^3 — его корнями являются х = 5, у = 3. Это уравнение имеет единственное решение в целых числах (именно его нашел Диофант) и бесконечно много дробных решений.

* * *

В 1621 году, спустя почти полтора тысячелетия после того, как Диофант написал свою «Арифметику», шесть сохранившихся книг этого труда были отпечатаны на языке оригинала и в переводе на латынь. Автором этого издания с комментариями стал француз Баше де Меризиак.

«Арифметика» Диофанта — одна из немногих книг, вошедших в историю благодаря одному из своих читателей. Речь о французском адвокате Пьере Ферма. Ферма также был математиком-любителем, однако его «любительские» заслуги намного выше профессиональных достижений многих математиков.

В XVII веке теория чисел еще не была частью роскошного района математики. После удивительного расцвета, достигнутого во времена Диофанта, интерес математиков к теории чисел ослабевал на протяжении полутора тысяч лет, и тут на сцену вышел Ферма и вернул теории чисел прежнюю славу, применив самый действенный способ, какой только известен математикам: он сформулировал несколько интересных задач. Достаточно прочесть его примечания и комментарии на полях «Арифметики» Диофанта. Самуэль Ферма, сын математика, составил сборник этих примечаний и комментариев, дополнил ими издание Баше де Меризиака и опубликовал этот вариант «Арифметики» Диофанта в 1670 году.

Обложка «Арифметики» Диофанта с комментариями Пьера Ферма, изданной его сыном в 1670 году.

В этой книге редко встретишь задачу, предложенную Диофантом или комментарий де Меризиака, для которых Ферма не сформулировал бы дополнение, обобщение или интересную задачу по той же теме. Известнейшую из них Ферма записал на полях книги II рядом с задачей 8: «Представить данный квадрат в виде суммы двух квадратов». Иными словами, в этой задаче Диофант объяснял свой алгоритм нахождения пифагоровых троек: р^2 + q^2 = r^2.

Ферма слегка изменил это уравнение и рассмотрел решения в целых числах для уравнения р^3 + q^3 = r^3. Удивительно, но ему не удалось найти ни одного решения за исключением так называемых тривиальных, то есть 0, 1 и —1. Увидев, что уравнение не имеет решений, Ферма задался вопросом: что будет, если показатель степени будет равен не 3, а 4? Каковы целочисленные решения уравнения р^4 + q^4 = r^4? Для этого уравнения ему также не удалось найти решений. «А что, если этих решений просто нет?» — должно быть, спросил себя Ферма после многочисленных неудачных попыток. Тогда он подошел к проблеме с другой стороны и попытался доказать, что уравнение с показателем степени, равным 4, не имеет целочисленных решений. Применив собственный оригинальный метод, Ферма нашел искомое доказательство. Также возможно, что, немного изменив свой метод, он смог доказать, что уравнение третьей степени также не имеет решений. Но достоверно это неизвестно, ведь Ферма не был профессиональным математиком и не затруднял себя публикацией полученных им результатов, не говоря уже об описании использованных методов и приемов. О том, как он размышлял, известно немного, и часто даже это немногое — лишь плод догадок.

Воодушевленный полученными результатами, Ферма, вероятно, счел, что сможет доказать отсутствие решений (за исключением тривиальных) уравнения рn + qn = rn для любого n > 2. Как же он поступил? Он записал на полях «Арифметики» Диофанта такие слова: «Невозможно разложить куб на два куба, биквадрат на два биквадрата и вообще никакую степень, большую квадрата, на две степени с тем же показателем. Я нашел этому поистине чудесное доказательство, но поля книги слишком узки для него». Благодаря этому простому комментарию юрист Ферма вошел в историю: целый легион математиков, словно обезумев, принялся за поиски «чудесного доказательства» Ферма.

Однако теорема Ферма оказалась весьма крепким орешком — за два последующих столетия ее удалось доказать лишь для нескольких п: простых n = 3 (Эйлер, 1770), n = 5 (Лежандр и Дирихле, 1825) и n = 7 (Ламе, 1839), а также для составных n = 6, 10 и 14. Полное доказательство теоремы Ферма привел английский математик Эндрю Уайлс лишь в 1994 году. Оно занимает несколько сотен страниц, и в нем используются сложнейшие математические понятия и методы XX столетия.

Уравнение Маркова

Диофантово уравнение, которое мы рассмотрим ниже, названо в честь русского математика Андрея Андреевича Маркова (1856–1922). Оно записывается так:

p^2 + q^2 + r^2 = 3·p·q·r.

Натуральные числа, которые являются решениями этого уравнения (точнее, натуральные числа р, для которых существуют q и r такие, что р, q, r удовлетворяют уравнению), упорядоченные по возрастанию, называются числами Маркова. О них известно немало, но далеко не все. Так, известно, что чисел Маркова бесконечно много и что первые 16 членов ряда таковы:

1, 2, 5, 13, 29, 34, 89, 169, 194, 233, 433, 610, 985, 1325, 1597 и 2897.

Существует простой метод, позволяющий получить новые числа Маркова на основе уже известных. Нетрудно показать, что если p_1, q_1 и r_1 удовлетворяют уравнению Маркова и мы запишем р_2 = 3·q_1·r_1 — р_1, q_2 = 3·p_1·r_1 — q_1, и r_2 = 3·p_1·q_1 — r_1, то тройка p_2, q_1 и r_1 также будет удовлетворять уравнению Маркова. Это же будет справедливо для троек р_1, р_2 и r_1, а также p_1, q_1, r_2.

Марков доказал, что все целые положительные решения уравнения Маркова можно получить с помощью этого простого метода, приняв в качестве начальных значений p_1 = 1, q_1 = 1 и r_1 = 1.

Живительно, что уравнение Маркова имеет великое множество решений. Но если его немного изменить, оно не будет иметь ни одного решения: к примеру, уравнение р^2 + q^2  + r^2 = 2·р·q·r не имеет целых положительных решений. В действительности, как доказал Гурвиц, ни одно уравнение вида р^2 + q^2  + r^2 = k·р·q·r не имеет целых положительных решений, за исключением случаев, когда k равно 3 (имеем уравнение Маркова), 1 или 0.

Решения уравнения Маркова р, q и r при р = 1 образуют первую связь с теоремой Гурвица о рациональном приближении. В самом деле, эти решения имеют вид р = 1, q = f2n-1 и r = f2n+1, где fk  — соответствующее число Фибоначчи. Первыми двумя числами Фибоначчи являются f_1 = 1 и f_2 = 1, каждое последующее число Фибоначчи определяется как сумма двух предыдущих. Имеем: f_3 = 1 + 1 = 2, f_4 = 3, f_5 = 5, f_6 = 8, f_7 = 13, f_8 = 21, f_9 = 34 и так далее. Числа Фибоначчи встречаются в природе столь же часто, что и золотое сечение, с которым они тесно связаны: если рассмотреть отношение двух последовательных чисел Фибоначчи, fn+1/fn, то полученные дроби 2/1, 3/2, 5/3, 8/5, 13/8…, будут всё больше и больше приближаться к золотому числу. Приближение вновь будет описываться теоремой Гурвица:

Это соотношение устанавливает неразрывную связь между числами Маркова и рациональным приближением. Очевидно, что эта связь намного прочнее.

Как мы уже отмечали, из-за золотого сечения рациональное приближение, описываемое теоремой Гурвица, нельзя улучшить. Это справедливо для золотого числа Ф и всех иррациональных чисел, эквивалентных ему с точки зрения рационального приближения. Иными словами, речь идет об иррациональных числах вида (m·Ф + n)/(р·Ф + q), где m, n, р, q — произвольные целые числа, которые удовлетворяют условию m·q — n·р = ± 1.

Математик Андрей Андреевич Марков совершил важные открытия в теории чисел и теории вероятностей.

Оставим в стороне золотое сечение и все иррациональные числа, эквивалентные ему. Гурвиц доказал, что его теорема допускает более точную оценку, так как константу 1/√5 можно заменить другой, меньшей константой 1/√8: для произвольного иррационального числа а, за исключением золотого числа и эквивалентных ему, существует бесконечное множество дробей p/q таких, что

Это приближение нельзя улучшить: если принять а = √2, то его рациональное приближение не может быть точнее, чем допускает константа 1/√8, умноженная на число, обратное квадрату знаменателя.

Однако если мы оставим в стороне √2 и все эквивалентные ему, то сможем еще больше улучшить рациональное приближение, заменив константу 1/√8 другой, меньшей константой 5/√221. Для любого иррационального числа а, за исключением золотого числа, квадратного корня из 2 и эквивалентных им, существует бесконечно много дробей вида p/q таких, что

Читатель уже наверняка догадался, что теперь существует еще одно иррациональное число, для которого нельзя улучшить это рациональное приближение. Это число — √221. Если исключить его из рассмотрения, то можно получить новое, еще более точное рациональное приближение — 13/√1517, для которого, в свою очередь, также существует «нежелательное» иррациональное число. Так мы постепенно придем к предельному значению 1/3: для любого иррационального числа а, за исключением полученного списка иррациональных чисел и эквивалентных им, существует бесконечно много дробей вида p/q таких, что

В романе и в реальности, отзвуком которой он является, переплетаются судьбы персонажей, и из тесной паутины взаимоотношений рождается свет, озаряющий тайные стороны человеческой природы.

Подобно тому, как Мартин Марко живет в страхе, опасаясь политических репрессий режима Франко, Хулиту душат нормы национально-католической морали. В то время как для Марко возможен только один выход — сдаться, Хулита и ее жених смогли найти выход из ситуации, преодолеть все препятствия и начали встречаться в доме свиданий. Села великолепно передает все моральные противоречия, с которыми сталкиваются его герои. С одной стороны, донья Виситасьон Леклерк, мать Хулиты и сестра доньи Росы, воплощает лицемерную мораль, которая была столь по душе католическим сановникам того времени. Так, донья Виситасьон из сострадания жертвует деньги на крещение «китайских младенцев», за что, предположительно, Господь дарует ей Царствие Небесное после смерти. С другой стороны, Села рисует образ отца Хулиты, дона Роке Моисеса, бездельника, который удачно женился по расчету. Несколько сцен позволяют понять, какой была национал-католическая мораль времен Франко. В одном из эпизодов Хулита и ее отец встречаются на лестнице апартаментов доньи Селии: Хулита возвращается со свидания, а ее отец идет на встречу с одной из своих любовниц.

Подобно тому, как различные грани человеческой природы в романе передаются сплетением судеб его героев, которые кажутся далекими, так и в математике на первый взгляд не связанные между собой результаты скрывают тайные истины. Именно этим свойством обладают числа Маркова и числовые константы, которые упоминаются в теореме Гурвица, по мере того как мы уточняем рациональное приближение (это золотое число, квадратный корень из 2 и последующие иррациональные числа, для которых нельзя получить более точное рациональное приближение).

Ниже приведены первые четыре числа Маркова, то есть решения диофантова уравнения р^2 + q^2 + r^2 = 3·р·q·r, упорядоченные по возрастанию: 1, 2, 5, 13.

Далее перечислены четыре первые константы, полученные при поиске всё более точных рациональных приближений по теореме Гурвица:

1/√5, 1/√8, 5/√221, 13/√1517.

Подобно тому как жизни Мартина Марко, доньи Росы и Хулиты на страницах «Улья» оказываются неразрывно связанными, так и числа Маркова связаны с рациональными приближениями иррациональных чисел, поскольку именно они определяют различные константы, возникающие при поиске рациональных приближений по теореме Гурвица.

Обратите внимание, что два приведенных выше списка чисел в действительности ничем не отличаются. Чтобы показать это, нужен ключ, который позволит преобразовать числа из первого списка в числа второго списка. Этот ключ нашел немецкий математик Оскар Перрон в 1921 году:

Подставим в эту формулу m = 1, первое число Маркова, и получим 1/√(9·1 – 4) = 1/√5 — константу, которая фигурирует в теореме Гурвица о рациональном приближении. Подставим в формулу m = 2, второе число Маркова, и получим 2/√(9·4 – 4) = 2/√32 = 1√8 — константу, которая фигурирует в теореме Гурвица, если исключить из рассмотрения золотое число. Если мы подставим в эту формулу m = 5 или 13, то есть третье и четвертое число Маркова соответственно, получим 5/√221 и 13/√1517 — два следующих числа, отсылающих и к теореме Гурвица. Аналогичные действия можно выполнить и для следующих чисел Маркова. С другой стороны, если m, р и q являются решениями уравнения Маркова m^2 + p^2 + q^2 = 3·m·p·q, то исключением, которое будет препятствовать уменьшению константы m/√(9·m^2 — 4) в теореме Гурвица, будет число

и все эквивалентные ему иррациональные числа.

Как видите, в стране чисел, как в большом городе, жизненные пути персонажей пересекаются. Математика больше напоминает улей, чем сухую логическую структуру.

Было бы непростительно не закончить эту главу словами Камило Хосе Селы:

«Утро мало-помалу надвигается, червем проползая по сердцам мужчин и женщин большого города, ласково стучась в только что раскрывшиеся глаза, в эти глаза, которым никогда не увидеть новых горизонтов, новых пейзажей, новых декораций… Но утро, это вечно повторяющееся утро все же не отказывает себе в удовольствии позабавиться, изменяя облик города — этой могилы, этой ярмарки удачи, этого улья…»

Глава 3

Абстрактное и эмоциональное: математика и человеческая природа

Повторим наш мысленный эксперимент, в котором мы обращались к случайному прохожему. На этот раз зададим ему два вопроса. Сначала мы попросим его сгруппировать попарно следующие слова: «литература»/«математика» и «страсть»/«расчетливость». Затем попросим нашего собеседника рассказать о том, как, по его мнению, связаны математика и человеческая природа.

Отвечая на первый вопрос, большинство свяжет литературу со страстью, а математику — с расчетливостью. Нет никаких сомнений и в том, что прохожий скажет: математика и человеческая природа очень далеки друг от друга. Возможно, этот же ответ дадут и многие математики. Математика известна как совокупность абстракций, которые почти или никак не связаны с чувствами. Однако математика — продукт нашего разума в самом чистом виде, и в этом с ней не сравнится почти никакое другое творение человека. Логическая структура нашего разума — важнейшая характеристика человеческого состояния: именно наш мозг в немалой степени определяет то, какие мы есть.

Поэтому неудивительно, что внешность может быть обманчива.

Прежде всего напомним, что благоразумие, согласно толковому словарю, это «рассудительность, обдуманность в поступках», в то время как «страсть» — это «сильно выраженное чувство, воодушевленность» и «крайнее увлечение, пристрастие к чему-либо». Многие не связывают страсть с математикой, но она подобна полю битвы, на котором разгораются сражения между благоразумием и страстью. Мы, математики, знаем, что математика — это неустойчивое равновесие между благоразумием и страстью, тончайшая смесь трезвого расчета и крайнего увлечения, сильное, опьяняющее чувство. Поэтому в поисках доказательства математик руководствуется точным расчетом, который является неотъемлемой чертой строжайшего логического мышления. Однако в моменты, когда математик стремится совершить открытие или сражается с задачей, его охватывает возбуждение.

Предметом описания литературы и одновременно ее источником знаний служит человеческая природа, непреходящая борьба страстей и здравого смысла. Поэтому неудивительно, что большинство связывает литературу и страсть. Однако я осмелюсь заявить, что в этой борьбе между благоразумием и страстями математика играет далеко не последнюю роль. Математика может оказаться удивительно полезной: она способна помочь нам лучше познать себя и глубже понять человеческую природу.

Математика и ее контекст

Это звучит странно, и наш воображаемый прохожий усомнится в том, что математика может помочь людям познать себя. Наверняка многие ученые, которым известны тайны этой науки, также не понимают, как математика способна осветить дно глубокого колодца, которому подобна природа человека. Чтобы возразить скептикам, отмечу, что математике действительно под силу нечто подобное, если рассмотреть ее в нужном контексте. К примеру, под контекстом теоремы мы понимаем загадки истории, сопровождавшие автора или авторов этой теоремы: тех, кто выдвинул теорему, доказал или опроверг ее, или тех, кто безуспешно пытался найти ее доказательство.

Контекст математики в некотором смысле подобен обстоятельствам, без которых, по мнению Хосе Ортеги-и-Гассета, невозможно понять «я». Контекст математики имеет много общего с ее историей, однако эти понятия всё же различаются.

Уточним фразу, которая показалась неправдоподобной нашему прохожему и в которой усомнился недоверчивый математик. Математика действительно помогает нам познать себя: в столкновении абстрактного мира математики и мира эмоций, где обитают первооткрыватели и изобретатели, рождается свет, который достигает самых темных уголков человеческой натуры.

Именно поэтому математический контекст позволяет нам лучше оценить красоту математики. Как мы уже объясняли в главе 2, главное различие между литературой и математикой с эстетической точки зрения заключается в том, что предметом их рассмотрения являются разные объекты. Литература изучает чувства, эмоциональную составляющую человеческой природы, а математика рассматривает числа, фигуры и абстракции. Чувства и эмоции нам хорошо знакомы, благодаря этому мы можем понять эстетическую ценность романа, в то время как холодность и абстрактность математических объектов затрудняют их восприятие. Именно поэтому важно учитывать эмоциональный контекст, которого не лишена математика: он позволяет очеловечить математику и предрасполагает к эстетическому наслаждению.

Однако, как мы отмечали в предисловии, цель этой книги — не засыпать читателя аргументами и доводами, а привести примеры, на основе которых он сделает собственные выводы. В этой главе мы расскажем о том, как противопоставление абстрактного характера математики и эмоций тех, кто ее создал, помогает насладиться красотой науки и лучше понять человеческую природу. В качестве примера мы выбрали бесспорно красивые математические объекты — фракталы, а эмоциональный контекст предоставят события из жизни математика Феликса Хаусдорфа (1868–1942), предсказавшего существование фракталов.

* * *

ДРЕВНЕЙШАЯ ИЗ НАУК

Не будем подробно описывать обстоятельства, которые связывают математику с наиболее эмоциональной частью человеческой природы и восходят к моменту зарождения науки. Момент зарождения математики ознаменован созданием чисел. Не будем забывать, что числа ожидают нас «на кончиках пальцев», они словно являются частью нашего тела. Также не будем забывать, какую огромную роль сыграли наши руки в том, кто мы есть сейчас. Истоки человеческой истории окутаны мраком, поэтому сложно оценить, чему люди научились раньше: считать на пальцах, рисовать на стенах пещер, хоронить умерших или создавать божеств. Для всех этих действий, в том числе для счета, характерны неустанная борьба страстей и здравого смысла. Всё это позволяет назвать математику древнейшей из наук. Как видите, эмоциональный контекст пронизывает ее до самых корней, восходящих к древнейшей истории homo sapiens как вида.

* * *

Фракталы и размерность Хаусдорфа

Фрактал можно назвать множеством, аномальным с точки зрения наших органов чувств. Однако его аномальность относится к особенностям нашего восприятия. В основе этой аномальности лежит понятие размерности пространства, и это понятие существенно расширил немецкий математик Феликс Хаусдорф в 1919 году.

Открытия немецкого математика Феликса Хаусдорфа впоследствии позволили сформировать современную теорию фракталов.

Хаусдорф счел классическое определение размерности объектов очень узким как с математической, так и с философской точки зрения, а классификацию тел согласно их размерности — примитивной. Он сказал, что будет несколько затруднительно и, возможно, даже некорректно считать, что объект имеет размерность 1, если он имеет только длину (например, нить или пружина), размерность 2 — если он имеет длину и ширину (лист бумаги или поверхность сферы), и размерность 3, если, помимо длины и ширины, он имеет высоту (сфера или коробка для обуви). Чтобы расширить классическое понятие размерности, Хаусдорф предложил новое определение, более сложное и общее с математической точки зрения.

Величина, введенная Хаусдорфом, позволяет намного точнее определить размерность объекта. Вопреки тому, что нам подсказывают органы чувств, существуют объекты, размерность которых выражается дробями, например 1/2, иррациональными числами, в частности √5, и даже еще более необычными числами. Прошло больше 50 лет с момента, когда Хаусдорф ввел новое понятие размерности, прежде чем Бенуа Мандельброт (1924–2010), французский математик польского происхождения, определил фракталы как множества, имеющие дробную размерность Хаусдорфа.

Бенуа Мандельброт, математик, который ввел термин «фрактал». На этой фотографии он изображен на конференции в Варшаве в 2005 году.

Чтобы объяснить понятие размерности Хаусдорфа в общем виде (именно это определение привел сам Хаусдорф), потребуются серьезные знания математики. Тем не менее существует альтернативное определение, не до конца точное, но позволяющее читателю оценить смысл этого понятия. Это альтернативное определение размерности ввели русские математики Лев Понтрягин и Лев Шнирельман. Удивительно, что Понтрягин был слепым — он лишился зрения в 14 лет в результате несчастного случая.

Представьте, что дана плоская фигура, вписанная в квадрат, для которой мы хотим рассчитать размерность Хаусдорфа. Разделим сторону квадрата на несколько равных частей, например на 10. Квадрат окажется разделен на 100 мелких квадратов. Теперь посчитаем, сколько этих квадратов нужно для того, чтобы покрыть рассматриваемую фигуру, и адекватно сравним их число с числом частей, на которые мы разделили сторону квадрата (в нашем случае на 10).

Ключ к задаче — в том, что мы вкладываем в слова «адекватно сравним». Проясним смысл этих слов на простом примере. Пусть рассматриваемой фигурой будет квадрат целиком. Для того чтобы покрыть его, потребуются все квадраты, на которые мы разделили исходный квадрат. Таким образом, если мы разделим сторону квадрата на n равных частей, получим n·n = n^2 мелких квадратов. Обратите внимание на число 2 в показателе степени n^2 — именно это число и будет размерностью квадрата.

Теперь рассмотрим диагональ квадрата. Разделим сторону квадрата на 4 части. Сколько мелких квадратов понадобится для того, чтобы покрыть его диагональ? Немного подумав, читатель увидит, что для этого потребуется четыре мелких квадрата, так как именно столько квадратов лежит на диагонали большого квадрата. Если мы разделим сторону квадрата на n частей, нам потребуется n квадратов, чтобы покрыть диагональ. Однако n можно записать как n^1, то есть n, возведенное в степень 1. Эта степень 1 и будет размерностью диагонали квадрата. Таким образом, любой отрезок будет иметь размерность 1.

Теперь обозначим через F плоскую фигуру, заключенную внутри квадрата, для которой мы хотим определить размерность Хаусдорфа. Разделив сторону квадрата на n частей, подсчитаем, сколько мелких квадратов потребуется, чтобы покрыть фигуру F. Обозначим их число через пр. «Адекватное» сравнение числа nF с числом частей n, на которые мы разделили сторону квадрата, означает определение степени n, соответствующей этому числу nF. Так, в примере с квадратом nF  = n^2 соответствующей степенью будет 2. В примере с диагональю квадрата nF  = n^1 соответствующей степенью будет 1. Если мы обозначим этот показатель степени через d, то n, nF и d будут связаны следующим тношением: nF = nd . Применив логарифмы, выразим d через n и nF : d — это логарифм nF разделенный на логарифм n:

Чем больше n, то есть число частей, на которые мы делим сторону квадрата, тем ближе число d будет к размерности Хаусдорфа для фигуры F. Размерность Хаусдорфа будет пределом, рассчитываемым при делении стороны квадрата на бесконечно большое число бесконечно малых равных частей.

Пример с окружностями Аполлония

Построим пример фрактала. Для этого вновь рассмотрим окружности Аполлония, о которых мы говорили в главе 2, так как мы будем строить фрактал на основе касательных окружностей. Построим три окружности, касающиеся друг друга (см. рисунок слева внизу). Как мы уже отмечали в предыдущей главе, существуют две другие окружности, касающиеся этих трех. Имеем пять окружностей (см. рисунок справа внизу).

Построение фрактала на основе трех касающихся окружностей.

Выберем три из них, касающиеся друг друга, и построим две соответствующие касательные окружности (их существование следует из теоремы Аполлония). В конечном итоге, с учетом повторений, получим шесть новых окружностей. Вкупе с пятью исходными имеем 11 окружностей (см. рисунок слева внизу). Повторим построение для этих 11 окружностей, затем — для окружностей, построенных на следующем этапе (см. рисунок справа внизу), и так далее до бесконечности. Полученные окружности носят название «ковер Аполлония» и представляют собой пример фрактала.

Построение фрактала на основе трех касающихся окружностей.

Сложно представить, что неимоверно сложный ковер Аполлония образуется простым построением окружностей, касающихся друг друга. Если читатель использует воображение, то увидит, что каждая окружность на ковре Аполлония находится среди бесконечного множества касательных окружностей, за исключением внешней, которая содержит в себе все прочие окружности. Более того, на любой дуге любой окружности, сколь малой бы она ни была, находится бесконечно много касающихся ее окружностей. Стандартное обозначение размерности абсолютно неприменимо для описания ковра Аполлония: было бы излишне говорить, что эта кривая имеет размерность 2, то есть ту же размерность, что и содержащая ее плоскость. Тем не менее, учитывая сложность этой кривой, в которой произвольной дуги любой окружности касается бесконечное множество окружностей, было бы преуменьшением сказать, что ее размерность равна 1. Вычислить точную размерность Хаусдорфа для ковра Аполлония невероятно сложно. На данный момент известно лишь ее приближенное значение, равное 1,305688.

Этот ковер Аполлония колоссальных размеров изобразил художник Джим Деневан в пустыне штата Невада.

Пример на основе треугольника

Построим другой фрактал, для которого можно точно определить размерность Хаусдорфа. Это кривая Коха, названная в честь шведского математика Нильса фон Коха, определившего ее в 1906 году. Существует несколько разновидностей этой кривой.

Мы построим кривую Коха, взяв за основу равносторонний треугольник. Для этого разделим каждую его сторону на три равные части и заменим центральный отрезок на каждой стороне двумя сторонами равностороннего треугольника, основанием которого будет этот отрезок. Получим шестиконечную звезду. Повторим построение снова, то есть разделим каждую из двенадцати сторон звезды на три равные части и заменим центральный отрезок на каждой стороне двумя сторонами равностороннего треугольника, основанием которого будет этот отрезок. Для построения кривой Коха эти действия нужно повторить бесконечное число раз.

Четыре первых этапа построения кривой Коха.

Теперь представьте, что кривая Коха — это дорога. Рассмотрим две любые точки на этой кривой (представьте, что это две деревни, расположенные у дороги). Сядем в воображаемую машину и поедем из одной деревни в другую вдоль кривой. Какое расстояние покажет счетчик пробега в конце пути? Если читатель ответит, что расстояние будет зависеть от выбранных точек кривой, то ошибется: независимо от того, какие точки мы выберем, пройденное расстояние всегда будет равно бесконечности.

Иными словами, любой участок кривой Коха имеет бесконечно большую длину — она содержит так много поворотов, что проехать по ней от начала до конца невозможно (см. врезку на следующей странице). Похожими свойствами обладает дорога, проходящая вдоль побережья Галисии в Испании. Расстояние, отделяющее устье реки Миньо и мыс Эстака де Барес, по прямой составляет чуть больше 200 километров. Но попытайтесь проделать этот путь, следуя вдоль побережья, и он покажется вам бесконечным: автомагистраль будет петлять возле каждой реки, идти в объезд всех гор, мысов и заливов. Десять километров, разделяющие устье реки и мыс, превращаются в сто и даже больше, и путь кажется бесконечным. Именно это (пусть и в несколько преувеличенном виде) произойдет, если мы попытаемся проехать вдоль кривой Коха.

* * *

ДЛИНА КРИВОЙ КОХА

Чтобы убедиться, что кривая Коха имеет бесконечную длину, выполним следующие действия. Заметим, что на каждом шаге построения кривой Коха число отрезков, составляющих ее, увеличивается в 4 раза: каждый из отрезков, построенных на предыдущем шаге, делится на три части, одна из которых заменяется двумя отрезками. Иными словами, на смену каждому отрезку приходит четыре. Так как построение начинается с равностороннего треугольника, общее число отрезков на шаге N будет равно 3·4N. По той же причине длина каждого из этих отрезков (все они имеют одинаковую длину) на каждом шаге делится на 3, поэтому на шаге N длина каждого ее отрезка будет равна I/3N, где I — длина стороны исходного равностороннего треугольника. Длина кривой на шаге N будет равна числу образующих ее отрезков, умноженному на их длину:

Так как 4/3 больше 1, степень (4/3)N с увеличением N будет неограниченно возрастать и в итоге будет равна бесконечности. Аналогичным образом можно убедиться, что любая часть кривой Коха имеет бесконечную длину.

* * *

Как и в случае с ковром Аполлония, стандартная размерность совершенно не подходит для описания кривой Коха: нельзя говорить, что эта кривая имеет размерность 2, то есть ту же размерность, что и содержащая ее плоскость; однако учитывая сложность этой кривой, произвольный участок которой имеет бесконечно большую длину, было бы ошибкой полагать, что ее размерность равна 1. Размерность Хаусдорфа позволяет в точности понять, в какой степени кривая Коха сочетает в себе кривую и поверхность. Ее размерность равна ln4/lnЗ (см. врезку на следующей странице).

Мандельброт показал, что геометрия фракталов может быть невероятно сложной, однако очень часто эту сложность порождает простое подобие различных частей кривой, сохраняющееся вне зависимости от масштаба.

* * *

ФРАКТАЛЬНАЯ РАЗМЕРНОСТЬ КРИВОЙ КОХА

Вычислить фрактальную размерность кривой Коха сравнительно просто. Напомним, что общее число отрезков этой кривой на шаге N равно 3·4N, а длина каждого из этих отрезков равна I/3N (см. предыдущую врезку). Учитывая особенности построения кривой, впишем ее в квадрат со стороной I (где I — длина стороны исходного треугольника). Будем делить квадрат на равные части так, чтобы их число отвечало степени тройки: сначала на 3 части, затем на 3·3 = 3^2 частей, затем на 3·3·3 = 3^3 и так далее. Теперь подсчитаем, сколько маленьких квадратов необходимо для покрытия кривой Коха, если мы разделим сторону исходного квадрата, например, на 3N частей. Для этого заменим кривую Коха кривой, полученной на N-м шаге построения. Так как длина стороны маленького квадрата равна I/3N, каждый из них покроет примерно один отрезок кривой, который также имеет длину I/3N. Так как число отрезков кривой равно 3·4N, нам потребуется примерно 3·4N маленьких квадратов. Согласно определению размерности Хаусдорфа, мы разделили сторону квадрата на n = 3N частей, а для покрытия всей кривой требуется nF = 3·4N маленьких квадратов. Используем свойства логарифмов, чтобы упростить дробь, определяющую размерность Хаусдорфа:

Когда число частей, на которое мы делим квадрат, то есть n, или, что аналогично, N, становится бесконечно велико, размерность Хаусдорфа будет равна ln4/lnЗ.

* * *

Фракталы — редкие, удивительные множества, которые, как «кажется», далеки от привычных нам физических ощущений. Мы взяли слово «кажется» в кавычки, поскольку фракталы присутствуют повсеместно, мы видим их так часто и настолько привыкли к их особенностям, что даже не распознаем их. В природе фрактальная геометрия обнаруживается буквально повсюду. Береговая линия Испании или Норвегии, изрезанная фьордами, точнее всего описывается именно фрактальной кривой, подобной кривой Коха. Ничто не описывает сложную сеть нейронов нашего мозга лучше, чем фракталы. Именно математический взгляд и острота взора Хаусдорфа и Мандельброта позволили увидеть, как часто фракталы встречаются в природе.

Фракталы — это не только математические объекты; они присутствуют и в окружающем мире. Слева — аэрофотосъемка норвежских фьордов, справа — фрагмент фрактала Мандельброта.

* * *

ФРАКТАЛЫ В ПОЭЗИИ

Присутствие фракталов в природе уловили не только математики, но и поэты. Среди бесчисленного множества примеров, которыми можно проиллюстрировать совпадение поэтического и математического взгляда на реальность, мы выбрали первые строки поэмы № 18 из серии «Двадцать поэм любви и одна песня отчаянья» Пабло Неруды. Чтобы описать нереальность любви на расстоянии, Неруда в своей поэме «Здесь я тебя люблю, напрасно даль тебя прячет» описывает предметы, легкая и эфемерная сущность которых контрастирует с твердостью их физического воплощения:

Здесь я тебя люблю.

Над темными соснами ветер расправляет свой стяг.

На блуждающих водах лунные пересветы.

Похожие дни теснятся, гонят друг друга во мрак.

Распадается сумрак на пляшущие виденья.

Серебристую чайку закат роняет во тьму.

Порой объявится парус. Высокое небо в звездах[8].

В этих семи строчках поэт соединил три трехмерных объекта. Представьте себе хитросплетение сосновых иголок, над которыми ветер расправляет свой стяг; пенистые воды, освещаемые луной, или неуловимое дыхание пляшущих видений в тумане. К этой картине следует добавить вездесущие звезды, эти светящиеся точки, сложный узор которых в небе кажется почти двухмерным. В действительности эта неоднозначность — следствие фрактальной природы объектов. Наши скудные органы чувств неспособны оценить реальность в ее дробной размерности; реальность, которая, напротив, проявляется во всей полноте только тогда, когда ее рассекает отточенный скальпель размерности Хаусдорфа или пронзает острый взор Пабло Неруды.

* * *

Фрактальная природа техники разбрызгивания красок Поллока

Среди многочисленных примеров использования фракталов мы расскажем об одном, занимающем поистине особое место, в котором фракталы связаны с абстрактным экспрессионизмом Джексона Поллока.

Поллок был художником непростой судьбы, он злоупотреблял алкоголем и так далее — все в соответствии со стереотипом. Погиб в автомобильной катастрофе в 1956 году, когда ему было всего 44 года. Меценатом Поллока стала Пегги Гуггенхайм. «Современный художник, — как-то сказал Поллок, — не может изобразить эпоху самолетов, атомных бомб и радио в старом стиле Возрождения. Каждая эпоха имеет свою технику». Верный этой максиме, он в середине 1940-х основал новое направление в живописи — абстрактный экспрессионизм. Свои картины он рисовал на больших полотнах, используя созданную им технику разбрызгивания красок.

Джексон Поллок за работой в своей студии. Конец 1940-х.

В 1946 году он превратил в студию огромный амбар на Лонг-Айленде, а холсты разложил на полу. «Так я нахожусь ближе к тому, что рисую, — говорил художник, — я чувствую себя частью картины, поскольку могу ходить вокруг нее, работать со всех четырех сторон и в буквальном смысле находиться на картине. Поэтому я пытаюсь держаться в стороне от традиционных инструментов, то есть мольберта, палитры и кистей. Я предпочитаю палки, шпатели и краску, которая капает и разбрызгивается, и даже цемент, измельченное стекло и другие материалы». Один из критиков сказал: «Его картины — не искусство; они существуют сами по себе. Это не изображение чего-либо, а вещь в себе; это не изображение природы, но сама природа». И это в самом деле так, поскольку картины Поллока источают движение, графический ритм, жизненную силу и одновременно глубокую нежность.

Связь полотен Поллока и фракталов обнаружили австралийские ученые Ричард Тейлор, Адам Миколич и Дэвид Джонас. В 1999 году была опубликована их статья в журнале Nature, в которой указывалось, что картины Поллока имеют фрактальную структуру, которой подчиняются как ширина капель и подтеков, так и геометрия линий краски, пролитой на полотно. Ученым удалось измерить фрактальную размерность этих структур с помощью метода, описанного выше.

Расчеты показали, что размерность картин Поллока превысила 1, то есть его полотна начали становиться по-настоящему фрактальными, в середине 1940-х. Впоследствии их фрактальная размерность неизменно возрастала и в 1952 году достигла значений, близких к 1,7 для структур, образованных разбрызгиванием краски, и 1,9 — для хаотических структур, обусловленных перемещениями самого художника во время работы над картиной. Рост фрактальных размерностей был постоянным и проявлялся в работах Поллока с такой точностью, что их анализ позволил определить подлинность полотен и даже дату создания.

Разумеется, Поллок не контролировал фрактальную размерность своих полотен. Он наверняка даже не подозревал, что его картины имеют фрактальную природу. Они были воплощением чистой интуиции, чистого стиля. Методы работы Поллока хорошо известны, о них сняты документальные фильмы. Художник добавлял новые и новые линии, капли и подтеки краски. Работа над картиной могла длиться до нескольких месяцев. Поллок отверг множество картин, которыми не был доволен, и обрезал края других полотен, потому что чувствовал, что по краям изображение менее интенсивно, чем в центре. Фрактальные размерности, вычисленные австралийскими учеными и характерные для его полотен, есть не что иное, как мера стиля художника.

Вернемся к вопросам, заданным в начале главы. Сколь бы велика ни была гармония фрактала, наш воображаемый прохожий сочтет, что фракталы едва ли отражают человеческую природу.

Возможно, он скажет, что ковры Аполлония или кривая Коха, несомненно, красивы, а размерность Хаусдорфа — прекрасная мера их удивительной красоты. И наш воображаемый собеседник, конечно же, добавит: этот подсчет квадратиков и вычисление логарифмов очень похожи на рассуждения, типичные для некоторых увлеченных математиков, далеких от реальности. Но наш прохожий будет неправ: никто не может быть далек от окружающей реальности. Не может быть далеким от реальности и само понятие размерности Хаусдорфа: как мы уже объясняли, это понятие было введено человеком и также имеет эмоциональную составляющую. Хаусдорф — это ведь реальный человек из крови и плоти, со своими чувствами, иллюзиями, страстями, огорчениями и всем прочим, который в свое время плыл по реке жизни точно так же, как автор этой книги и ее читатели.

Наш собеседник спросит нас: что может рассказать о человеческой природе наука, в которой рассматриваются столь абстрактные понятия, как размерность Хаусдорфа? Продолжив чтение, читатель сможет сам решить, проливает ли сопоставление математического понятия и его эмоционального контекста свет на темные уголки человеческой природы.

Хаусдорф: самый борхесовский математик

Возможно, лучше всего математическое творчество Хаусдорфа можно описать теми же словами, которыми обычно характеризуется творчество Хорхе Луиса Борхеса: «иллюзорное», «парадоксальное», «ироничное», «запутанное».

Разумеется, самым запутанным элементом творчества Хаусдорфа является определенное им понятие размерности. Оно расширило классическое понятие размерности и позволило создать более точную классификацию геометрических объектов. Так, фракталы, в высшей степени запутанные объекты, которые обрели невероятную популярность в последней четверти XX века благодаря Бенуа Мандельброту, определяются как множества, размерность Хаусдорфа для которых не является натуральным числом.

Хаусдорф также рассмотрел прообраз чисел, которые сегодня называются «недостижимыми кардинальными числами». Эти бесконечные числа — продукты нашего разума, которые, вне всяких сомнений, не лишены доли иронии. Их определяющая характеристика — невероятно огромные размеры, причем эти числа столь велики, что неизвестно, существуют ли они на самом деле. В этом и заключается невообразимая ирония: они столь велики, что их довольно сложно увидеть!

Математика Хаусдорфа не только иронична и запутанна — она еще и противоречива. Высшее проявление противоречивости в математике Хаусдорфа изложено в его книге «Основы теории множеств». Это парадоксальное описание сферической поверхности, на основе которой десять лет спустя польские математики Стефан Банах и Альфред Тарский определили шар, который можно разделить на несколько частей, к примеру на пять, из которых затем можно составить два шара, идентичные исходному. Аналогично можно разделить горошину на части так, что при определенном расположении из них можно составить шар размером с Солнце. Это математическая версия евангельской притчи о хлебе и рыбе.

Хаусдорф родился в Бреслау в 1868 году, но три года спустя его семья переехала в Лейпциг. В Лейпциге, а также во Фрайбурге и Берлине он изучал математику и астрономию. Хотя юношеские работы Хаусдорфа относятся к прикладным дисциплинам, в частности к астрономии и оптике, в конечном итоге он занялся теоретической математикой. Возможно, наиболее важной его работой стали «Основы теории множеств». Считается, что в этом монументальном труде, опубликованном в 1914 году, были заложены основы топологии.

Новая фотография Феликса Хаусдорфа. Взгляд математика излучает меланхоличный свет: видел ли он перед собой бури, которые, как писал Ницше, с корнем вырывают деревья жизни?

Хаусдорфу не были чужды и другие интеллектуальные занятия. В юности он хотел изучать музыку и стать композитором, и даже написал несколько пьес, и часто играл на пианино.

Под псевдонимом Поль Монгре Хаусдорф публиковал стихи, философские эссе, а также сатирические театральные пьесы. Расцвет его литературного творчества пришелся на 1896–1906 годы. В 1897 году вышла из печати его первая книга — «Сан-Иларио: мысли из страны Заратустры», название которой отсылает к интересному совпадению в жизни Хаусдорфа: он начал работать над книгой в день Сан-Иларио в небольшом городе Сан-Иларио близ Генуи. Книга содержит сонеты, стихотворения и афоризмы более или менее философского содержания. Одно из них гласит: «Когда у нас нет женщины, которую можно любить, мы любим человечество, науку или вечность […] Идеализм, который всегда отмечает отсутствие чего-то лучшего, есть заменитель эротизма».

В 1898 году был издан «Хаос в космической интерпретации», где Хаусдорф защищает «трансцендентный нигилизм». Об этой книге кто-то сказал, что она слишком математическая для философа и слишком философская для математика.

На философию Хаусдорфа оказали большое влияние Ницше и Шопенгауэр. Он постулировал преимущество некой элитарной индивидуальности над эгалитарными обществами. Хаусдорф обычно перемежал сухое философское изложение менее возвышенными размышлениями об эгоизме, гедонизме, любви, страсти, музыке Моцарта и гипнозе.

Помимо сонетов в «Сан-Иларио», Хаусдорф стал автором еще одного сборника стихотворений под названием «Экстаз» (1900), в который вошли 158 произведений. Чтобы читатель мог оценить поэзию Хаусдорфа, приведем одно из его стихотворений под названием «Бесконечная мелодия» (Unendliche Melodie):

Идти  по  дрожащей  плоскости,  медленно,

где  неизменно  льется  звук  изначальный,

в  дыму,  и  мир  танцует  по  спирали,

и  простирается  душа  на  небосводе.

Не  останавливая  взгляд

и  без  препятствий  в  углах,

на  гранях  или  перегибах,

идти  по  дрожащей  плоскости,  медленно,

где  неизменно  льется  звук  изначальный.

И  всякой  необычности  лишенный,

отделенный  от  человека,  чистой  песней

звук  без  источника  распространяется  негромко,

плыть,  проходить  без  формы  и  движения,

идти  по  дрожащей  плоскости,  медленно.

Наибольший успех имела его пьеса, которая называется так же, как драма испанского драматурга Педро Кальдерона де ла Барка, — «Врач своей чести», однако произведение Хаусдорфа носит намного более сатирический характер: в нем рассказывается история прусского архитектора-идеалиста, который соблазнил жену государственного советника и теперь должен сразиться с ним на дуэли. Но в назначенный день и час поединок пришлось отложить, так как дуэлянты и их секунданты были до неприличия пьяны. В результате скандала советник теряет работу, но мирится с женой. Пьеса была поставлена в Берлине и Гамбурге и, согласно хроникам, была тепло встречена зрителями.

Творчество Хаусдорфа стало предметом множества исследований, в частности этого труда, созданного коллективом авторов во главе с Тиле и Айхгорн.

«Сухие венки в святилище жизни»

Хаусдорф преподавал в университетах Лейпцига (1902–1910), Грайфсвальда (1913–1921) и Бонна (1910–1913 и 1921–1935). В марте 1935 года Хаусдорф вышел в отставку. Ему было уже 67, и, как он сам предвидел за несколько лет до этого, многое в Германии начало меняться.

30 января 1933 года Пауль фон Гинденбург, занимавший в то время пост президента Германии, назначил 43-летнего Адольфа Гитлера рейхсканцлером. Национал-социалистическая партия по итогам выборов в июле 1932 года получила 230 мест в парламенте — большинство, хотя и не абсолютное. На выборах в марте 1933 года нацисты получили 288 мест, что в сумме с 52 креслами, принадлежавшими Немецкой национальной народной партии, позволило Гитлеру взять под контроль парламент, состоявший из 647 депутатов. Последующее исключение и арест 81 депутата от коммунистической партии и подкуп центристов позволили Гитлеру взять под контроль две трети парламента, провозгласить Третий рейх и захватить абсолютную власть в стране.

Верный антисемитским убеждениям, Гитлер не замедлил претворить в жизнь первые законы об этнических чистках. 1 апреля 1933 года был объявлен бойкот магазинов и предприятий, принадлежащих евреям. Неделей позже, 7 апреля, был принят закон о реформе государственного управления, запрещавший евреям занимать государственные должности. Все евреи, которые на момент принятия закона занимали подобные должности, были уволены.

В то время в немецких университетах работали 200 преподавателей математики, из них 98 профессоров. 35 преподавателей, из них 15 профессоров, были уволены. Среди уволенных 30 были «в большей или меньшей степени» евреями. В 1935 году число уволенных преподавателей достигло 60. За этим числом скрывались 60 трагедий, 60 подлостей, 60 человек, 60 семей, многие из которых были уничтожены.

Однако под действие закона от 7 апреля не попадали евреи, которые проявили себя как патриоты Германии, например те, кто участвовал в Первой мировой войне.

Именно поэтому закон не распространялся на Хаусдорфа. Он никогда не скрывал еврейского происхождения и не акцентировал внимание на религиозных вопросах в своем творчестве. Когда он писал о религии, он чаще обращался к религиям Востока, а не к иудаизму и христианству.

Супруга Хаусдорфа, Шарлотта Голдшмидт, на которой он женился в 1899 году и которая родила ему дочь, в юности приняла лютеранскую веру.

Хотя Хаусдорф вскоре увидел очертания будущей нацистской угрозы — когда Гитлер заполучил 230 мест в парламенте, он сказал: «В будущем всё будет совершенно иначе», — ученый не пытался покинуть Германию. Лишь в письме Рихарду Куранту (1888–1972) в 1939 году Хаусдорф упомянул о возможности занять должность исследователя в Нью-Йорке.

* * *

КУРАНТ, ГИЛЬБЕРТ И ГЁТТИНГЕН

Рихард Курант, который, как и Хаусдорф, был немецким евреем, покинул Германию в 1933 году. Несмотря на то что многие выдающиеся люди со всего мира обратились в Гёттингенский университет с просьбами сохранить его в должности, несмотря на то что он был превосходным ученым, 13 апреля 1933 года Курант был уволен по обвинению в принадлежности к социалистической партии. Парадоксально, но это в итоге спасло ему жизнь. В 1936 году Куранту удалось получить место в Нью-Йоркском университете. Там он создал Институт математических наук, один из наиболее престижных в мире, который с 1964 года носит его имя. Случай Куранта, разумеется, был не единственным в Гёттингене.

В результате новой этнической политики Третьего рейха Гёттингенский университет покинули ученые масштаба Куранта, Эдмунда Ландау, Эмми Нётер и Германа Вейля — и этот список далеко не полон. Многие из них были учениками Давида Гильберта, который не допускал никаких предрассудков и при выборе учеников не принимал в расчет пол, расу и национальность. Приложив огромные усилия, Гильберт сделал Гёттинген центром мировой математики. Всего за несколько месяцев его усилия были сведены на нет. «Когда я был молод, — сказал Гильберт, которому в то время был 71 год, — я решил, что никогда не повторю фразу, которую слышал от стольких пожилых людей: "Раньше было лучше, чем сейчас". Я решил, что никогда не произнесу этой фразы в старости. Однако сейчас у меня нет другого выхода, и я вынужден произнести ее».

Давид Гильберт остался работать в Геттингенском университете несмотря на так называемую чистку 1933 года, после которой должностей лишились многие исследователи. Выдающийся математик скончался десять лет спустя.

* * *

Возможно, если бы Хаусдорф лишился должности в Боннском университете, его судьба и судьба его жены сложилась бы иначе. Однако Хаусдорф не подпадал под действие закона от 7 апреля: в юности, сразу после окончания учебы, он несколько лет отслужил добровольцем в немецкой пехоте. Поэтому он продолжил занимать должность преподавателя, пока не вышел в отставку по возрасту в марте 1935 года.

Однако его мучения только начинались. В апреле 1941 года коллега Хаусдорфа так писал о нем и его жене: «Дела у Хаусдорфов идут сравнительно неплохо, хотя, естественно, они не могут избежать издевательств и волнений, вызванных непрекращающимися антисемитскими законами. Их денежные обязательства и повинности столь высоки, что они не могут прожить на пенсию и вынуждены тратить сбережения, которые, к счастью, всё еще сохранились. Кроме того, их обязали сдать государству часть жилья, где теперь живет много людей. […] Есть и несомненно утешительные новости: некий музыкант по-прежнему приходит к ним, чтобы сыграть с Хаусдорфом; это приносит в их дом хоть какую-то радость».

В октябре 1941 года Хаусдорфов обязали носить звезду Давида, а в конце года они получили извещение о депортации в Кёльн — последний шаг перед отправкой в концентрационные лагеря в Польше. После Нового года угроза отступила, однако ей на смену пришла новая: в середине января им было сообщено, что 29 числа того же месяца они будут высланы в пригород Бонна Эндених. Затем их вновь ожидал лагерь смерти.

Сохранилось письмо Хаусдорфа, написанное в воскресенье, 25 января 1942 года. В нем ученый писал: «Auch Endenich ist noch vielleicht das Ende nicht». В этой фразе обыгрывается схожесть слова Endenich — названия боннского пригорода — и слов Ende и nicht, которые означают «конец» и «нет»: «Возможно, Эндених еще не станет для нас концом». Хаусдорф, который увлекался музыкой, наверняка знал, что в Энденихе находилась психиатрическая больница, где композитор Роберт Шуман (1810–1856) провел в заключении два последних года жизни. Это было дурным предзнаменованием, и фраза: «Возможно, Эндених еще не станет для нас концом» стала грустным каламбуром. Этот каламбур оказался преисполнен жестокой иронии, поскольку Хаусдорф решил покончить жизнь самоубийством: «К тому моменту, когда вы прочтете эти строки, — писал он в том же письме от 25 января, — мы уже решим нашу проблему, однако, возможно, мы примем решение, от которого вы неустанно отговаривали нас. […] То, что было сделано против евреев в последние месяцы, стало для нас в высшей степени невыносимым, поскольку мы оказались в невозможных условиях […] Передайте самую сердечную благодарность господину Майеру за всё, что он для нас сделал, а также за то, что он, вне сомнения, сделал бы в будущем. Мы искренне изумляемся успехам его организации, и если бы с нами не случилось это несчастье, мы обязательно обратились бы к нему. Он наверняка вызвал бы в нас чувство относительной защищенности, хотя, к несчастью, она по-прежнему была бы лишь относительной (здесь Хаусдорф был прав: адвокат Майер погиб в Аушвице) […] Если это возможно, мы бы хотели, чтобы наши тела были кремированы; с этой целью я прилагаю к письму три завещания. Если же это будет невозможно, пусть господин Майер или господин Голдшмидт сделают всё, что в их силах (учтите, что моя жена и невестка — лютеране). Используйте сумму, уже внесенную нами в счет оплаты: моя жена уже оплатила расходы на похороны на протестантском кладбище (все документы вы найдете в ее спальне). Остаток суммы внесет моя дочь Нора. Простите нас за то, что мы доставили вам неудобства, в том числе после нашей смерти. Я убежден, что вы сделаете всё возможное и что мы не просим слишком многого. Простите нам наше бегство! Мы желаем вам и всем нашим друзьям лучшего будущего».

В этом письме, написанном за несколько часов до самоубийства, чувствуется, что обстоятельства застали Хаусдорфа врасплох. Он писал о самоубийстве несколько раз, и, возможно, эти размышления помогли ему принять тяжелое решение, однако никто не может знать, когда придет последний час. В 1899 году Хаусдорф написал эссе «Смерть и возвращение», на которое оказали большое влияние мысли Ницще о «свободной смерти». В прощальном письме Хаусдорфа, написанном утром в день самоубийства, отчетливо прослеживаются отголоски заповедей Заратустры. «Умри вовремя!» — словно кричат строки письма Хаусдорфа, как если бы он своим достойным поведением хотел показать, что «своею смертью умирает совершивший свой путь, умирает победоносно». Хаусдорф не был готов «повесить сухие венки в святилище жизни», поэтому он выбрал «свободную смерть, которая приходит ко мне, потому что я хочу».

В тот же день Хаусдорф, его жена Шарлотта и ее сестра Эдит приняли смертельную дозу барбитала. По-видимому, их последнее желание было исполнено: их тела были кремированы, а прах захоронен на кладбище Поппельсдорф[9].

Могила Феликса Хаусдорфа, его жены Шарлотты, свояченицы Эдит, дочери Леноры и ее мужа на боннском кладбище Поппельсдорф.

И в завершение…

Возможно, наш воображаемый прохожий, к которому мы в начале главы обратились с вопросом о математике и природе человека, отметит, что всё вышесказанное мало помогает понять природу человека как вида. Он посчитает, что противопоставление абстрактного понятия размерности Хаусдорфа и эмоционального контекста его жизни не проливает свет на темные уголки человеческой природы, а, скорее, ставит перед нами новые вопросы. Тем не менее это противопоставление всё равно крайне полезно: именно размышления, вызванные различными вопросами и сомнениями, движут наш разум вперед и помогают лучше узнать человеческую сущность.

Глава 4

Цель: красота математических рассуждений

Мы уже знаем, где следует искать красоту математики и почему ее сложно увидеть. Мы также знаем, что математику всегда нужно рассматривать в эмоциональном контексте, чтобы воспринять ее красоту.

В этой главе мы перенесемся по другую сторону зеркала и представим, что наш мозг оказался способен понять структуру идей, наделяющую математические рассуждения эстетической ценностью. Теперь попробуем совершить двойное сальто-мортале и попытаемся объяснить, что именно в этих идеях эстетически ценно. Пусть читатель не пугается, ведь мы следуем совету философа Джорджа Сантаяны: «Чувствовать красоту лучше, чем понимать, как мы ее чувствуем».

Чтобы пройти намеченным путем, возьмемся за руки гиганта (не будем, подобно Ньютону, взбираться на его плечи), который проведет нас по этой дороге, полной опасностей. Нашим проводником станет Годфри Харолд Харди (1877–1947): пацифист в военное время, предположительно гомосексуалист (по словам его ближайшего коллеги), стилист от математики, гурман чисел.

Англичанин, который не любил Бога

Как и в других главах этой книги, перед тем как изложить мысли Харди об эстетической ценности математики, познакомим читателя с некоторыми моментами его биографии.

Харолд Харди, по своей собственной оценке, был пятым в списке лучших математиков своего времени. Составление списков и рейтингов ему очень нравилось — возможно, оно вполне соответствовало его любви к соревнованиям. Как-то Харди составил рейтинг математической одаренности, в котором присвоил себе 25 очков из 100, своему коллеге Джону Литлвуду — 30, а немецкому ученому Давиду Гильберту, первому математику того времени, — 80. Высшего балла, 100, был удостоен Сриниваса Рамануджан, индийский математик-самоучка, бывший клерк в мадрасском порту, неограненный алмаз, которого Харди, к его великой гордости, открыл миру. Чуть позже мы расскажем о Рамануджане.

По мнению Бертрана Рассела, у Харди были блестящие глаза, какие бывают только у очень умных людей. Возможно, он не был гением, подобно Эйнштейну, но, с точки зрения многих, в одном Харди превосходил Эйнштейна: он умел превратить любой результат интеллектуального труда в произведение искусства. Эта его способность ярко проявилась в небольшой книге под названием «Апология математика», написанной им за несколько лет до смерти. По мнению Грэма Грина, эта книга дает наиболее полное представление о том, что такое быть художником-творцом. Именно это эссе Харди станет для нас путеводной звездой в попытках объективно оценить те свойства, которые наделяют математические идеи эстетической ценностью.

Кто-то как-то сказал: чтобы сесть в кресле так, как сидит Харди на этой фотографии, нужно закончить английскую частную школу.

Харди получил прекрасное образование: сначала он окончил школу в Суррее, к западу от Лондона, где работали его родители-учителя. В 13 лет, став первым из 102 кандидатов, он получил право обучаться в Винчестере, в престижной частной школе. Наконец, в 19 лет он был принят в кембриджский Тринити-колледж, где чуть больше двух веков назад учился и работал Исаак Ньютон.

Харди отличался типично английской холодностью и был при этом довольно эксцентричен и сумасброден. Он ненавидел зеркала (в гостиничных номерах он завешивал все зеркала полотенцами) и брился наощупь. Также он не любил механические устройства, никогда не пользовался часами, авторучкой и отказывался фотографироваться. Не пользовался он и телефоном, за исключением экстренных ситуаций, при этом говорил только он сам. Еще одной его страстью, помимо математики, был крикет — игра, полная тайн и загадок почти в той же степени, что и математика.

Харди был близким другом Бертрана Рассела и разделял его пацифистские убеждения во время Первой мировой войны. Он был верным защитником идеалов единства и общности математического братства. Видя обстановку, которая сложилась в Кембридже во время Первой мировой войны, он решил сменить университет и в 1919 году принял приглашение занять место преподавателя в Оксфорде. Спустя двенадцать лет Харди вернулся в Кембридж. Он по-прежнему хотел находиться в центре английской математики, который в то время располагался в Кембридже, а кроме того, здесь ему было гарантировано жилье и после выхода в отставку. Харди всегда жил один, в последние годы за ним ухаживала сестра Гертруда, которой он в детстве по неосторожности выбил глаз крикетной битой. Этот инцидент не испортил их прекрасные отношения, которые они сохраняли всю жизнь.

Харди был отличным собеседником, однако, возможно, за его кажущейся искренностью и непринужденностью скрывалось нечто большее. Кто-то сказал, что Харди был другом для очень многих, но близким другом — лишь для некоторых.

«Апостолы»

Харди входил в эксклюзивное общество «Апостолы» — тайное кембриджское братство, членами которого были выдающиеся интеллектуалы: Эдвард Морган Форстер, Джон Мейнард Кейнс, Бертран Рассел, Людвиг Витгенштейн, Литтон Стрейчи и другие члены образовавшейся позднее группы Блумсбери. Рассел писал об «апостолах» так: «Не существовало ни табу, ни ограничений, ничто не считалось скандальным, а на пути свободы мысли и дискуссии не возводилось никаких препятствий».

Справа — писатель Литтон Стрейчи, слева — художница Дора Каррингтон, в центре — ее муж Ральф Партридж. История отношений Стрейчи, Каррингтон и Партриджа была экранизирована в 1995 году.

Во время учебы в кембриджском Тринити-колледже Харди перестал верить в Бога. Он объявил декану о своем нежелании посещать часовню, что в Тринити-колледже было обязательным. На это декан ответил, что не будет возражать, если Харди оповестит о своем решении родителей. Декану было известно, что родители Харди очень религиозны и признание сына огорчит их. Понимал это и сам Харди. Однако, тщательно обдумав все за и против, он написал родителям письмо, которое действительно очень их огорчило. После этого случая Харди не только перестал верить в Бога, но и начал считать его своим личным врагом — эта идея ученого стала темой многих анекдотов. Так, Харди выходил из дома в солнечный день, одетый в плащ и с зонтиком под мышкой: он считал, что если Бог увидит его с зонтиком, то не станет портить вечер дождем.

* * *

ХАРДИ, БОГ И ГИПОТЕЗА РИМАНА

Самый «божественный» из анекдотов о вражде Харди с Богом связан с гипотезой Римана. Не будем объяснять, в чем заключается смысл этой гипотезы, лишь укажем, что ее доказательство позволит нам понять, как распределяются простые числа.

Выдвинутая немецким математиком Бернхардом Риманом (1826–1866) в 1859 году, эта гипотеза стала важнейшей задачей математики и одной из самых любопытных для Харди. Перед тем как сесть на корабль, отплывавший в Данию, Харди отправил открытку, в которой написал, что доказал гипотезу Римана. Благодаря математическому авторитету Харди, если бы он погиб при кораблекрушении, другие математики сочли бы, что он действительно решил важнейшую задачу математики, и лишь несчастный случай помешал ему опубликовать доказательство. Харди вознесся бы на математический олимп, присоединившись к Гауссу, Архимеду, Ньютону и Эйлеру.

Позднее Харди объяснил, что вся эта затея была мерой предосторожности: Бог, заклятый враг Харди, не допустил бы, чтобы тот попал на математический олимп, и успокоил буйные ветры Северного моря.

* * *

Сотрудничество с Рамануджаном

О моральных качествах Харди лучше всего свидетельствуют его взаимоотношения с индийским математиком Сринивасой Рамануджаном.

Рамануджан родился в 1887 году в деревне к югу от Мадраса, в бедной семье брахманов. Он не получил даже среднего образования, но не по финансовым причинам, а потому, что из всех дисциплин его интересовала только математика. Он еще мальчиком попал под очарование чисел и возвел прочное математическое здание буквально на пустом месте: Рамануджан размышлял, сидя в одиночестве у дверей своего дома, он записывал формулы на грифельной доске и стирал их локтем.

Когда о его теоремах и формулах стало известно, небольшое научное сообщество Мадраса не смогло определить, кто же был перед ним: гений или сумасшедший. Осознавая, что никто в ближайшем окружении не способен понять его формул, Рамануджан отправил рукописи в Кембридж — центр английской математики. Первое и второе его письмо остались без ответа: английские профессора не сочли нужным вникать в записи неизвестного клерка из мадрасского порта. А третье письмо попало в руки Харолда Харди.

Харди отнесся к письму Рамануджана серьезно и, подробно изучив его, сделал все возможное и невозможное для того, чтобы Рамануджан смог приехать в Кембридж. Он перебрался в Англию в 1914 году, почти одновременно с началом Первой мировой войны. Харди убедился, что Рамануджан был подобен неограненному алмазу: он обладал сверхъестественной интуицией во всем, что касалось чисел и формул, однако не владел базовыми понятиями и методами. Однако произошло невозможное: Рамануджан, который изучил математику самостоятельно, смог плодотворно и на равных сотрудничать с Харди, воспитанным британской системой образования.

Рамануджан провел в Англии почти пять лет, то есть всю Первую мировую войну, последние два года он обитал в различных санаториях из-за своей болезни: одиночество, влажный климат и скудная вегетарианская диета привели к тому, что он заболел, и никто из врачей не смог поставить ему правильный диагноз.

Рамануджан вернулся в Индию в 1919 году — чтобы умереть. Он покинул родину цветущим и полным сил, а вернулся, съедаемый болезнью и овеянный славой: он был избран членом Лондонского королевского общества, став самым молодым ученым, удостоенным этой чести за многовековую историю общества, а также первым индийцем — членом Тринити-колледжа. Вскоре после его возвращения мадрасская газета «Таймс» посвятила ему статью, где были такие строки: «Как сказал некто из Кембриджа, со времен Ньютона не было никого, подобного Рамануджану, — не следует и говорить, что это высшая похвала». Математик умер в апреле 1920 года в возрасте 32 лет.

Индийская марка, выпущенная в честь математика Сринивасы Рамануджана — великого открытия Харди.

Харди как-то признался: «Мой союз с Рамануджаном был единственным романтическим событием в моей жизни. Ему я обязан больше, чем кому-то еще в целом мире, за единственным исключением». Харди всегда гордился тем, что работал с Рамануджаном. В «Апологии математика» он писал: «Когда я бываю в плохом настроении и вынужден выслушивать людей напыщенных и скучных, я говорю про себя: "А все-таки мне выпало пережить нечто такое, о чем вы даже не подозреваете: мне довелось сотрудничать с Литлвудом и Рамануджаном почти на равных"». Это сотрудничество началось в конце января 1913 года, когда с утренней почтой он получил письмо из Мадраса. «Вне сомнений, это было самое удивительное письмо, которое я когда-либо получал», — позднее признавался Харди.

Харди жил исключительно математикой и ради математики и был ведущим английским математиком с 1910-х годов и до начала Второй мировой войны. Для него математика была сродни соревнованию: он стремился стать первым, кто решил ту или иную сложную задачу. Харди был автором свыше 300 статей и И книг, и его научное творчество охватывало почти все разделы анализа и теории чисел.

Искусство и математика: целесообразность без цели?

Занятия математикой для Харди имели преимущественно эстетический характер. Как он писал в «Апологии математика», «красота служит первым критерием: в мире нет места безобразной математике».

Харди считал, что красота — единственное, что наделяло математику ценностью, а его жизнь — смыслом: «По любым практическим меркам ценность моей математической жизни равна нулю, а вне математики она, так или иначе, тривиальна. У меня есть лишь один шанс избежать вердикта полной тривиальности — если будет признано, что я создал нечто такое, что заслуживает быть созданным. […] Смысл моей жизни или жизни кого-нибудь еще, кто был математиком в том же смысле, в каком был математиком я, заключается в следующем: я внес нечто свое в сокровищницу знания и помог другим сделать то же, и это „нечто" обладало ценностью, которая отличалась только величиной, но никак не сущностью, от творений великих математиков или любых других художников, больших и малых, которые оставили после себя нерукотворные памятники»[10].

Упорство, с которым Харди настаивал на бесполезности «истинной» математики, часто считается еще одним проявлением его экстравагантного характера. Его провокационные строки: «Настоящая математика не оказывает влияния на войну. Никому еще не удалось обнаружить ни одну военную или имеющую отношение к войне задачу, которой служила бы теория чисел или теория относительности, и маловероятно, что кому-нибудь удастся обнаружить нечто подобное, на сколько бы лет мы ни заглядывали в будущее», — были написаны почти в то же самое время, когда в США начинался проект «Манхэттен», имевший целью создание атомной бомбы. Ирония судьбы: в энциклопедии «Британника» в статье о Харди самому математику уделено меньше места, чем закону Харди — Вайнберга. В энциклопедии отмечается: «Харди не считал этот закон особенно ценным, однако он имеет определяющее значение при решении множества задач генетики, в том числе задачи о распределении Rh в зависимости от группы крови и гемолитических болезней».

Однако для меня беззастенчивые похвалы бесполезности математики были не просто проявлением сумасбродства Харди: он в своей манере заявлял, что в вопросах эстетики был последователем Канта.

Эстетическое удовольствие, по-видимому, имеет иную природу, нежели другие удовольствия, теснее связанные с нашим животным происхождением. Так, удовольствие, которое чувствовал доисторический человек, видя разукрашенную глиняную чашку, не могло сравниться с удовольствием, которое он чувствовал, когда утолял голод или жажду из этой чашки. Аналогично, сексуальное удовольствие и тяга к удобствам также отличаются от удовольствия, которое мы испытываем, когда слушаем Второй фортепианный концерт Рахманинова. Согласно Канту, разница между эстетическим удовольствием и другими происходит от того, что последние возникают при удовлетворении какой-либо необходимости, следовательно, мы заинтересованы в них; удовольствие, вызванное восприятием художественного произведения, напротив, не подразумевает никакой полезности. Человек, утверждал Кант, единственное животное, способное к эстетическим суждениям: «Вкус есть способность судить о предмете или о способе представления на основании удовольствия или неудовольствия, свободного от всякого интереса». Именно эта «свобода от всякого интереса» — важнейшая характеристика любого произведения искусства: искусство, как писал Кант в «Критике способности суждения», есть «целесообразность без цели».

Поэтому Харди восхвалял бесполезность математики не из экстравагантности — следуя теории Канта об эстетике, он отстаивал точку зрения, согласно которой математика — больше искусство, чем наука.

Это доказательство эстетической ценности математики, а следовательно, ее бесполезности, повсеместно присутствует в «Апологии математика». Так как далее именно на примере этого эссе мы проясним, какие свойства математических идей наделяют их эстетической ценностью, в завершение этого раздела мы приведем несколько слов о том, что переживал Харди, когда работал над этим произведением.

Обложка английского издания «Апологии математика».

Страсть Харди к математике в итоге поглотила его. В конце жизни, когда у него уже не было сил заниматься математикой, он чувствовал себя угнетенным и попытался покончить жизнь самоубийством. Именно на этом последнем этапе своей жизни, прожив шесть десятилетий, он создал «Апологию математика», полную горечи, которую он чувствовал. «"Апология математика", если читать ее с тем вниманием к тексту, которое она заслуживает, — писал в предисловии Чарльз Сноу, — книга, пронизанная неизбывной печалью. Да, она блещет остроумием и игрой ума, да, ее все еще отличает кристальная ясность и искренность, да, это завещание художника-творца.

И вместе с тем „Апология математика" — это стоически сдержанный сокрушенный плач по творческим силам, которые некогда были и никогда не вернутся снова».

Сам Харди подтверждает это в первых строках своего эссе: «Писать о математике — печальное занятие для профессионального математика. Математик должен делать что-то значимое, доказывать новые теоремы, чтобы увеличивать математические знания, а не рассказывать о том, что сделал он сам или другие математики.

Государственные деятели презирают пишущих о политике, художники презирают пишущих об искусстве. Врачи, физики или математики обычно испытывают аналогичные чувства. Нет презрения более глубокого или в целом более обоснованного, чем то, которое люди создающие испытывают по отношению к людям объясняющим. Изложение чужих результатов, критика, оценка — работа для умов второго сорта». Он продолжает: «Но если я теперь сижу и пишу о математике, а не занимаюсь собственно математикой, то это — признание в собственной слабости, за которую молодые и более сильные математики с полным основанием могут презирать или жалеть меня. Я пишу о математике потому, что, подобно любому другому математику после шестидесяти, я не обладаю более свежестью ума, энергией и терпением, чтобы успешно выполнять свою непосредственную работу».

Общность и глубина

Цель этого раздела — описать свойства математики, которые наделяют ее эстетической ценностью. Во-первых, напомним, что математик создает образы из идей. Харди писал в «Апологии математика»: «Создаваемые математиком образы, подобно образам художника или поэта, должны обладать красотой; подобно краскам или словам, идеи должны сочетаться гармонически».

Таким образом, чтобы достичь поставленной цели, мы должны определить, какие основные свойства наделяют математические идеи эстетической ценностью. Начнем с того, что выделим два основных аспекта, внутренне присущих математическим идеям и способных перевести их в эстетическое измерение. Эти аспекты — общность и глубина.

Пример из Эйлера как отправная точка

Проиллюстрируем рассуждения Харди об этих свойствах математических идей на не слишком сложном примере, чтобы читатель, не обладающий обширными знаниями математики, мог понять его. При этом наш пример достаточно сложен, чтобы адекватно проиллюстрировать все рассуждения Харди об эстетической ценности математических идей и связать их с философскими рассуждениями об эстетике, принадлежащими другим авторам. Выбранный нами пример показывает, как Эйлер вычислил сумму чисел, обратных квадратам натуральных чисел, в своей книге «Введение в анализ бесконечно малых» (Introductio in analysin infinitorum). Эйлер вычислил следующую сумму:

Заметьте, что знаменатели этих дробей — квадраты натуральных чисел, а многоточие означает, что число слагаемых бесконечно велико. Математики называют сумму бесконечного числа слагаемых рядом. Сумма ряда — это число, к которому мы приближаемся по мере увеличения числа слагаемых так, что разность между этим числом и суммой слагаемых уменьшается с увеличением их количества.

Представленный выше бесконечный ряд содержит некоторый контекст, о котором будет полезно рассказать.

История этого ряда такова. В марте 1672 года юный Лейбниц, которому было двадцать с небольшим, прибыл в Париж. Он хотел улучшить свое математическое образование и углубить знания, которые на тот момент были весьма скудными. Спустя несколько месяцев Лейбниц придумал хитроумный метод вычисления сумм бесконечных рядов. Его метод заключался в записи слагаемых в виде разности с последовательным сокращением членов. Ввиду врожденного оптимизма и недостатка математических знаний Лейбниц посчитал, что открытый им способ позволяет найти сумму произвольного ряда. Не будем забывать, что, по мнению Лейбница, мы жили в лучшем из миров, причем он произнес эти слова вскоре после окончания Тридцатилетней войны.

Слева — портрет Лейбница работы Иоганна Фридриха Вентцеля, около 1700 года. Справа — портрет Гюйгенса, выполненный Каспаром Нечером в 1671 году.

Оптимизм Лейбница по отношению к его методу вычисления сумм рядов только усилился, когда он узнал об открытии Христиана Гюйгенса, одного из авторитетнейших ученых. Гюйгенс родился в Голландии и к описываемому моменту уже несколько лет работал в Парижской академии наук. Чтобы проверить метод Лейбница, Гюйгенс предложил ему найти сумму ряда чисел, обратных треугольным. Треугольные числа имеют вид n·(n + 1)/2. Своим названием они обязаны пифагорейцам и их геометрическому толкованию чисел: треугольное число — это число кружков, которые можно расставить в форме равностороннего треугольника. Таким образом, Лейбницу требовалось вычислить сумму ряда: 1 + 1/3 + 1/6 + 1/10 + 1/13 + 1/21 + 1/28 + …

По случайному совпадению этот ряд — один из немногих, для которых способ, открытый Лейбницем, позволяет найти верное значение суммы (см. врезку):

1 + 1/3 + 1/6 + 1/10 + 1/13 + 1/21 + 1/28 + … = 2.

В 1673 году Лейбниц посетил Лондон, где запомнился как наивный оптимист и дилетант. С математической точки зрения его поведение не раз сослужило ему плохую службу — англичане припомнили некоторые эпизоды сорок лет спустя, в разгар дискуссии с Ньютоном об авторстве анализа бесконечно малых.

По возвращении в Париж Лейбниц получил письмо от Джона Коллинза, который предложил ему найти сумму чисел, обратных квадратам натуральных чисел:

1 + 1/4 + 1/9 + 1/16 + 1/25 + 1/36 + 1/49 + …

Коллинза нельзя было назвать великим математиком, он был скорее посредником между британскими математиками и учеными континента. Он не обладал достаточными способностями, чтобы понять истинную сложность задачи, поэтому весьма вероятно, что это предложение было выдвинуто более авторитетными математиками, к примеру Джеймсом Грегори или самим Исааком Ньютоном. Как бы то ни было, тот, кто со злым умыслом предложил Лейбницу эту задачу, мог сказать ему, что вычислить искомую сумму вряд ли будет слишком сложно, так как искомые слагаемые были почти равны членам ряда, сумму которого Лейбницу удалось найти: в одном случае слагаемые имели вид 2/(n·(n + 1)), в другом — 1/(n·n).

* * *

ВЫЧИТАЙ, КОГДА ХОЧЕШЬ СЛОЖИТЬ

Как мы уже говорили, метод Лейбница заключался в том, что при вычислении суммы ряда каждый член записывался в виде разности так, что искомую сумму было нетрудно вычислить путем последовательного сокращения членов. Именно так сокращаются числа, обратные треугольным числам. В самом деле, число, обратное треугольному числу 2/(n·(n + 1)), — это разность 2/n и 2/(n + 1):

Приняв n = 1, 2, 3, 4…, получим: 1 = 2 – 1; 1/3 = 1 – 2/3; 1/6 = 2/3 - 2/4; 1/10 = 2/4 - 2/5; 1/15 = 2/5 - 2/6; 1/21 = 2/6 - 2/7 и так далее. Сложив указанные дроби, заметим, что вычитаемое в каждой разности и уменьшаемое в следующей разности сокращаются и в конце концов остается лишь уменьшаемое первой разности: 1 + 1/3 + 1/6 + 1/10 + 1/15 + 1/21 + 1/28 + … = 2.

* * *

Однако найти сумму ряда не удалось ни Лейбницу, ни его ученикам, братьям Иоганну и Якобу Бернулли. Не сохранилось документальных свидетельств того, что этой задачей занимались Грегори или Ньютон, однако это не означает, что они обошли ее своим вниманием — возможно, их, как и других математиков, постигла неудача.

Прошло почти полвека, прежде чем Леонарду Эйлеру удалось найти сумму этого ряда. Идея, которую использовал Эйлер для сложения чисел, обратных квадратам натуральных, очень проста. Отправная точка его рассуждений такова: рассмотрим произведение вида (1 – 2z^2)·(1 – 5z^2)·(1 – 6z^2), раскроем скобки и приведем подобные слагаемые:

(1 – 2z^2)·(1 – 5z^2)·(1 – 6z^2) = 1 - 13z^2 + 52z^4 - 60z^6.

* * *

ЛЕОНАРД ЭЙЛЕР (1707–1783)

Эйлер был одним из величайших математиков всех времен и, вне всяких сомнений, лучшим в XVIII веке. Он родился в 1707 году в Базеле, окончил местный университет, брал частные уроки у Иоганна Бернулли — одного из учеников Лейбница.

В 1727 году он переехал в Санкт-Петербург, с 1731 по 1741 год был членом Петербургской академии наук, затем работал в Пруссии и был избран членом Берлинской академии наук. Несмотря на непростые отношения с прусским королем Фридрихом II, Эйлер прожил в Берлине 25 лет и в итоге возглавил академию наук. По словам Фридриха II, усилиями которого Берлин стал одним из культурных центров Европы, Эйлеру недоставало блеска, таланта и элегантности. Эйлер был простым человеком, лишенным качеств, необходимых для «салонной жизни», которую так любил король. В одном из писем к Вольтеру Фридрих II назвал Эйлера «огромным циклопом геометрии» — злая шутка о математике, который в 1738 году ослеп на один глаз. После Берлина Эйлер вновь вернулся в Санкт-Петербургскую академию наук и умер в Санкт-Петербурге в 1783 году.

О влиянии Эйлера на математику последующих эпох лучше всего скажет классическая фраза Лапласа: «Читайте, читайте Эйлера — он учитель всех нас!». Или процитируем Гаусса: «Изучение трудов Эйлера остается лучшей школой в различных областях математики и не может быть заменено ничем другим».

* * *

Нетрудно видеть, что число, которое умножается на z^2 в полученном выражении, равно сумме чисел, на которые умножается z^2 в левой части равенства. Также нетрудно показать, что это соотношение верно для любого числа сомножителей в этом произведении. Эйлер понял: все, что верно для конечных произведений и сумм, верно и для бесконечных. Иными словами, если мы запишем:

(1 - az^2)·(1 - bz^2)·(1 - cz^2)·… = 1 - Az^2 + Bz^4 - Cz^6 +…,

то A = а + Ь + с + …

Далее Эйлер ввел в игру функцию синуса. Синус и косинус — две основные тригонометрические функции. Они определяются очень просто. Изобразим угол х на координатной плоскости следующим образом: одной из сторон угла будет горизонтальная ось, вторая сторона угла будет иметь длину, равную 1. Синус определяется как длина проекции этой стороны угла на вертикальную ось, косинус — как длина проекции этой стороны на горизонтальную ось, что показано на следующем рисунке.

Эйлер последовательно рассмотрел два разложения функции синуса в ряд. Один из этих бесконечных рядов открыл сам Эйлер:

где знаменатели дробей — квадраты натуральных чисел, умноженные на квадрат числа 71. Второе разложение синуса в бесконечный ряд открыл Ньютон:

Здесь знаменатели представляют собой факториалы последовательных чисел. Напомним, что факториал произвольного числа n определяется как произведение всех чисел, меньших n: n·(n — 1)·(n — 2)· … ·3·2·1. Следовательно, знаменатели в представленной выше формуле равны факториалам показателя степени z плюс 1.

Иными словами, если показатель степени z равен 2, то знаменатель будет факториалом 3: 3·2·1 = 6; если показатель степени z равен 4, то знаменатель будет равен факториалу 5: 5·4·3·2·1 = 120, и так далее.

Так как оба этих ряда представляют собой разложение одной и той же функции синуса, они должны быть равны, в частности:

Согласно изложенному в предыдущем абзаце, получим:

или, что аналогично:

Таким образом, суммой чисел, обратных квадратам натуральных чисел, будет квадрат числа π, разделенный на 6.

Размышления Харди применительно к практике

Теперь вернемся к рассуждениям Харди о двух основных свойствах, которые наделяют математическую идею эстетической ценностью. Харди писал: «Два качества играют существенную роль: общность и глубина идеи, но ни одно из них не поддается определению легко и просто».

Говоря об общности математической идеи, Харди уточнял: «Значительная математическая идея, серьезная математическая теорема должна обладать "общностью" в каком-то следующем смысле. Идея должна быть составляющей частью многих математических конструкций, используемых в доказательствах многих теорем различного рода. Теорема должна быть такой, что даже если первоначально она сформулирована в весьма частном виде (как теорема Пифагора), она должна допускать существенное обобщение и быть типичной для целого класса теорем аналогичного рода. Отношения, выявляемые в ходе ее доказательства, должны связывать многие различные математические идеи». Чтобы у читателя не осталось никаких сомнений относительно того, насколько сложно точно определить «общность», Харди писал: «Всё это очень смутно и требует многочисленных уточнений».

Рассмотрим пример, приведенный Эйлером: обладает ли ряд Эйлера общностью в том смысле, в каком трактовал это свойство Харди? Да, этот ряд действительно обладает общностью, причем в нескольких значениях.

Основная идея Эйлера заключалась в том, чтобы использовать для вычисления некоторых бесконечных сумм два представления одной и той же функции: одно в виде произведения, другое — в форме ряда. В представленном выше случае Эйлер с помощью функции синуса нашел сумму чисел, обратных квадратам натуральных чисел. Применив другие функции, Эйлер во «Введении в анализ бесконечно малых» с помощью аналогичного метода вычислил множество сумм бесконечных рядов, в частности:

В этой сумме с противоположными знаками записаны числа, обратные кубам нечетных чисел, за исключением кратных 3.

Однако общность идеи Эйлера не ограничивается одной лишь заменой функции синуса на другие. В его методе рассматривается выражение

Число, на которое последовательно умножается z^2, связывается с суммой чисел, на которые умножается z^2 в левой части равенства. В слегка видоизмененном виде идея Эйлера становится еще более плодотворной. Достаточно обратить внимание на числа, которые умножаются на остальные степени переменной в правой части равенства и выразить их через коэффициенты при z^2 в левой части равенства (см. врезку на следующей странице). Применив эту идею, Эйлер вычислил не только сумму чисел, обратных квадратам натуральных чисел, но и чисел, обратных четвертым, шестым и восьмым степеням:

Ему удалось дойти до 26-й степени:

Надеемся, что читатель смог оценить всю общность рассуждений Эйлера и, как следствие, лучше понять, что хотел сказать Харди, когда писал об общности математической идеи: именно общностью, помимо гениальности, отличается рассмотренная идея Эйлера.

Согласно Харди, другое неотъемлемое свойство, наделяющее математическую идею эстетической ценностью, — это глубина. «Второе свойство, которое я потребовал от значительной идеи, — ее глубина. Определить его еще труднее. Оно каким-то образом связано с трудностью; "более глубокие" идеи обычно труднее постичь, но вместе с тем это не одно и то же. Создается впечатление, что математические идеи "стратифицированы", то есть расположены как бы слоями, идеи в каждом слое связаны целым комплексом отношений между собой и с идеями, лежащими в верхних и нижних слоях. Чем ниже слой, тем глубже (и, как правило, труднее) идея».

* * *

ЭЙЛЕР И БЕСКОНЕЧНЫЕ РЯДЫ

Эйлер уточнил свою исходную идею следующим образом. Вернемся к произведению

(1 — az^2)·(1 — bz^2)·(1 — cz^2)·… = 1 — Az^2 + Bz^4 - Cz^6 +…

Теперь рассмотрим число 8, на которое умножается z^4. Нетрудно видеть, что это число В образуется попарным умножением с последующим сложением чисел а, Ь, с которые умножаются на z^2 в левой части равенства: B = ab + ac + bc + …

Таким образом, если мы запишем Р = а + Ь + с +… и Q = а^2 + Ь^2 + с^2 + …. путем простых подсчетов имеем: Р = A и Q = A·P — 2·B.

Если мы вновь рассмотрим два разложения для функции синуса:

и примем во внимание, что в этом случае А = 1/6, B = 1/120 и, как мы уже вычислили, Р = π^2/6, получим значение суммы чисел, обратных четвертым степеням натуральных чисел: 1 + 1/24 + 1/34 + 1/44 + … = π4/90.

Нечто подобное можно выполнить для z^6 и последующих степеней. Благодаря этому Эйлер вычислил суммы чисел, обратных четным степеням натуральных чисел, начиная от второй и заканчивая двадцать шестой. Несколько лет спустя Эйлер обнаружил общую формулу суммы чисел, обратных произвольной четной степени натуральных чисел. О сумме чисел, обратных нечетным степеням натуральных чисел, ничего не известно и поныне. Мы знаем лишь, что первые несколько подобных сумм являются иррациональными числами.

* * *

И вновь суммы Эйлера помогут нам понять, что Харди имел в виду, когда говорил о «глубине» математических идей. Эйлер связал математические понятия из разных областей. В методе Эйлера скрывается понятие бесконечности, принадлежащее, можно сказать, к метафизике. Этот метод относится и к арифметике, так как в его задаче рассматриваются натуральные числа — требуется сложить квадраты чисел, обратных им. При вычислении суммы на сцену выходит геометрия, так как значение суммы выражается с помощью квадрата числа π, описывающего геометрию окружности. Наконец, весь метод Эйлера вращается вокруг представления функции в виде бесконечной суммы и бесконечного произведения — эти методы относятся к математическому анализу. И все это богатство взаимосвязей между столь разными «стратами» проявилось в одной идее Эйлера, которая на первый взгляд кажется простой. Именно это имел в виду Харди, когда говорил о глубине идеи: он рассуждал о ее способности неизбежно и плодотворно самым блестящим образом связывать между собой разные математические «страты».

Неожиданная, неизбежная, экономичная и озаряющая

К общности и глубине Харди добавил еще три свойства, способные наделить математическую идею эстетической ценностью. Это не свойства идеи как таковые, а, скорее, характеристики, показывающие способность идеи вызвать определенную эстетическую реакцию. Харди назвал эти свойства неожиданностью, непреложностью и экономичностью. Он описал их так: «Доказательства необычны и удивительны по форме; используемые инструменты кажутся по-детски простыми по сравнению с далеко идущими результатами, но все заключения непреложно вытекают из теоремы».

Нетрудно видеть, что суммы Эйлера обладают всеми этими характеристиками.

С одной стороны, сама простота идеи Эйлера делает ее необычной, и этого достаточно, чтобы рассуждения ученого удивляли — как нечто столь простое может привести к таким глубоким результатам? Кроме того, читатель согласится с нами в том, что расчеты Эйлера имеют абсолютно неожиданный результат: мы не могли и представить, что суммы четных степеней натуральных чисел будут связаны с числом π. Именно об этом писал Харди, говоря о неожиданности математических идей.

В идеях Эйлера четко прослеживается непреложность выводов. Увидев простые и безупречные рассуждения Эйлера, число π^2/6, которому равна сумма чисел, обратных квадратам натуральных, кажется абсолютно неоспоримым и неизбежным.

Наконец, отчетливо видна экономичность, с которой действовал Эйлер: всего в нескольких строках он смог решить задачу, с которой не справились Лейбниц, братья Бернулли и, возможно, сам Ньютон. Решение Эйлера, несомненно, прекрасный пример того, что философ Джордж Сантаяна в своей книге «Постижение красоты» назвал «выражением экономичности»: из нашей способности ценить экономичность вещей постепенно рождается эстетическое восприятие.

Три качества, о которых писал Харди, связаны с тем, что Сантаяна в «Постижении красоты» называл «изобретательностью», или с тем, что математик Джан-Карло Рота именовал «способностью идеи озарять» — в главе «Феноменология математической красоты» (The Phenomenology of Mathematical Beauty) своей книги «Непрерывные мысли» (Indiscrete Thoughts) Рота использует слово enlightenment («озарение»). С одной стороны, Сантаяна напрямую связывал гениальность с глубиной: «Гений обладает способностью проникать в глубины вещей, чтобы извлечь оттуда некое значимое обстоятельство или взаимосвязь, позволяющие увидеть рассматриваемый объект в новом, более ярком свете». С другой стороны, согласно Рота, «озаряющая» идея проливает свет на понятия, с которыми она связана, или помогает лучше проанализировать и определенные математические задачи. Именно этими качествами обладает идея, которую использовал Эйлер при вычислении суммы чисел, обратных четным степеням натуральных чисел.

Эта способность математических идей озарять восхищала ученых, инженеров и архитекторов во все времена. Приведем слова архитектора Ле Корбюзье, которые он произнес при работе над проектом одного из домов: «Отсутствие правила, закона, бросилось мне в глаза. Это наполнило меня ужасом, так как я увидел, что работаю в полном хаосе. В тот момент я понял необходимость вмешательства математики, потребность в каком-то регуляторе. С того момента эта одержимость всегда занимала уголок в моем мозгу».

Бесконечное у Эйлера и возвышенное у Канта

Два последних раздела главы посвятим книге Эйлера «Введение в анализ бесконечно малых», откуда мы заимствовали примеры, которыми проиллюстрировали рассуждения Харди о красоте математики.

Во «Введении в анализ бесконечно малых» не описывается ни дифференциальное, ни интегральное исчисление. В этой книге, в соответствии с ее названием, Эйлер показывает читателю, как следует обращаться с бесконечно большими и бесконечно малыми величинами. Он рассматривает элементарные функции с помощью бесконечных процессов: описывает представление функций в виде рядов и бесконечных произведений (впервые в истории математики), а также использует разложение функций для решения различных задач. Некоторые из них относятся к математическому анализу, например задача о вычислении сумм бесконечного числа слагаемых (примеры подобных задач мы привели в третьем разделе этой главы), другие же скорее относятся к теории чисел[11].

Метафизика бесконечного и способность Эйлера объяснять сделали «Введение в анализ бесконечно малых» одной из самых красивых книг в истории математики. Чуть позже мы расскажем, как эта прекрасная работа повлияла на один из фундаментальных трудов по эстетике — книгу «Критика способности суждения» немецкого философа Иммануила Канта, в частности эстетическую категорию возвышенного.

Чтобы ввести читателя в курс дела, вкратце расскажем о том, как понимал бесконечность Эйлер и что означают слова «бесконечно малые» в заглавии его книги. Эйлер не дал никакого определения бесконечно малым и бесконечно большим величинам, на которых основывались все понятия анализа в XVII, XVIII и большей части XIX века, а работал с ними на интуитивном уровне. Целью математика было обучить читателя работе с бесконечно малыми и бесконечно большими величинами, сформировать у него некоторое интуитивное представление об их особенностях.

* * *

«ВВЕДЕНИЕ В АНАЛИЗ БЕСКОНЕЧНО МАЛЫХ», ОДИН ИЗ ТРЕХ КЛАССИЧЕСКИХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ ТЕКСТОВ

«Введение в анализ бесконечно малых» не простая книга; она сыграла основополагающую роль в создании математического анализа. Историк математики Карл Бойер в своей статье о наиболее выдающихся математических текстах всех времен, написанной в 1969 году, поставил «Введение в анализ бесконечно малых» в один ряд с «Началами» Евклида и «Алгеброй» Аль-Хорезми: «Нетрудно видеть, что трактатом, оказавшим наибольшее влияние на математику древности (и на математику всех эпох), стали «Начала» Евклида. Определить, какой из средневековых трудов стал наиболее влиятельным, не так просто. Одна из подходящих кандидатур — «Алгебра» Аль-Хорезми. Можно ли выделить современный текст, сопоставимый с ними по авторитету и влиянию, которое они оказали? Да, можно выделить текст, который «стоял на плечах гигантов» — трудов барокко и Просвещения — и повлиял практически на всех последующих авторов. Это «Введение в анализ бесконечно малых» Эйлера. Эта книга стала для математики тем же, чем стали «Начала» Евклида для синтетической геометрии древних греков, а «Алгебра» Аль-Хорезми — для элементарной алгебры. Понятия функции и бесконечных процессов зародились в XVII веке, однако лишь с выходом «Введения в анализ бесконечно малых» они стали полноправными членами математического триумвирата, образованного геометрией, алгеброй и анализом».

Обложка первого издания «Введения в анализ бесконечно малых» Эйлера, опубликованного в 1748 году.

* * *

Краткое описание бесконечно малых величин в соответствии с тем, как их представлял Эйлер, может звучать так: бесконечно малая величина — это числовая функция или последовательность, которая стремится к нулю. Так как она не является строго равной нулю, ее можно использовать в знаменателе дроби, а так как она является бесконечно малой, ее можно принять равной нулю, когда мы хотим упростить выражение. Бесконечно большая величина, в свою очередь, остается неизменной, когда мы прибавляем к ней обычное число. Иными словами, если N — бесконечно большая величина, то выполняется достаточно необычное равенство: N + 1 = N. А бесконечно малое число w — это число, не равное нулю, однако сколько бы мы ни складывали его с самим собой, полученная сумма не будет больше 1, 1/2 или любого другого положительного числа. Чтобы получить 1 из бесконечно малого числа w, потребуется бесконечно большое число N: N·w = 1.

«Будет непросто найти в истории математики другой труд, который оставлял бы у читателя такое впечатление о гениальности его автора, как этот», — писал Эрнест Уильям Хобсон о «Введении в анализ бесконечно малых». Возможно, с Хобсоном согласится любой, кто прочел книгу Эйлера. Такое восприятие вызвано тем, что «Введение в анализ бесконечно малых» обладает огромной способностью вызывать эмоции. Гениальный Эйлер создал текст, преисполненный красоты, который оказывает неизгладимое впечатление на всех, кто его читает.

Как мы уже говорили, Эйлер в своей книге работает с бесконечно малыми величинами интуитивно понятным образом — именно в этом и заключается его гениальность. Бесконечно малые величины опасны, и небрежная работа с ними может закончиться катастрофой. Для греков бесконечность была сродни ужасному чудовищу, от которого следовало спасаться бегством. Эйлер не сбежал: напротив, он приблизился к чудовищу, потрепал его за холку и надел на него ярмо, чтобы вспахать доселе бесплодную землю. В руках Эйлера бесконечность оказалась удивительно податливой. А учитывая, какой страх внушала она всем математикам, эта податливость потрясает до дрожи. Именно в этой способности потрясать до дрожи и заключается эстетическая ценность труда Эйлера. Немецкий философ Теодор Адорно утверждал, что эстетическая ценность объекта заключается именно в его способности вызывать потрясение и в некотором роде испуг. Эта идея прозвучала на знаменитой конференции под названием «Красота занятий математикой», которую для всех желающих провел Серж Ланг в парижском Дворце открытий в начале 1980-х. Ланг говорил о «дрожи в позвоночнике», которую вызывают красивейшие математические рассуждения.

Философ Иммануил Кант (1724–1804) был представителем нового поколения. Он родился и прожил почти всю жизнь в Кёнигсберге (ныне Калининград). Эйлер тоже имел отношение к Кёнигсбергу, хотя никогда не жил в этом городе: он родился в Базеле, занимался математикой в Санкт-Петербурге и Берлине. Однако именно Эйлер решил знаменитую задачу о семи мостах Кёнигсберга. В XVIII веке в городе было семь мостов, соединявших его части с островами на реке Прегель. Жители Кёнигсберга хотели узнать, можно ли обойти все мосты, не проходя ни по одному из них дважды. Эйлер путем простых, но очень наглядных рассуждений, которые позднее дали начало теории графов, показал, что искомого пути не существует.

Портрет Иммануила Канта (1724–1804), одного из ведущих философов в истории человечества.

Учитывая, какое определение Кант дает возвышенному, не будет преувеличением сказать, что источником его вдохновения могли стать рассуждения о бесконечно малых величинах, принадлежавшие Эйлеру или любому другому математику XVIII столетия, хотя Эйлер выразил силу бесконечно малых лучше остальных. «Возвышенно то, — писал Кант в «Критике способности суждения», — в сравнении с чем все остальное мало… Возвышенно то, одна возможность мыслить которое доказывает способность души, превосходящую любой масштаб чувств. Представляя возвышенное в природе, душа ощущает себя взволнованной, тогда как при эстетическом суждении о прекрасном она находится в состоянии спокойного созерцания. Эту взволнованность можно (особенно в ее первые минуты) сравнить с потрясением, то есть быстро сменяющимся отталкиванием и притяжением одного и того же объекта»[12].

Характеристики «в сравнении с чем все остальное мало» и «превосходит любой масштаб чувств», которые использует Кант в своем толковании возвышенного, есть не что иное, как выражение противоречащей здравому смыслу формулы N + 1 = N, описывающей свойство бесконечно больших величин. Эту формулу Эйлер не раз использовал в своем «Введении в анализ бесконечно малых». И это «волнение души» возникает в сердце математика тогда, когда он видит формулу N + 1 = N или замечает в знаменателе дроби величину, которая спустя две строки исчезает, обращаясь в ноль.

С другой стороны, кантовское «волнение» — это чувство, которое мы испытываем, когда видим, каких результатов добился Эйлер, применив удивительные свойства бесконечно малых величин. Читая рассуждения Эйлера, мы неизменно чувствуем «потрясение, то есть быстро сменяющееся отталкивание и притяжение одного и того же объекта», точнее, главных героев его книги — бесконечно малых величин.

Очарование географических открытий

Рассуждения Эйлера известны тем, что не отличаются особой логической строгостью. Поэтому в XIX веке математики решили заменить бесконечно большие и бесконечно малые величины понятием предела. Математические выкладки Эйлера не слишком точны. Однако это лишь первое впечатление: сегодня нам известно, что анализ, в котором используются бесконечно малые, столь же строг, как и современные рассуждения, в которых используются пределы. Строго говоря, логический фундамент анализа XVIII века сформировал Абрахам Робинсон в 1966 году. На основе теории моделей он показал, что вещественные числа можно расширить множеством бесконечно малых, с которыми производятся стандартные арифметические операции. Созданный им раздел математики получил название «нестандартный анализ».

Математик Абрахам Робинсон (1918–1974), автор нестандартного анализа.

Не думаю, что Эйлеру не давала спать избыточная или недостаточная строгость его рассуждений. Самого Эйлера, как и Декарта, Ньютона и Лейбница, волновали открытия, а не доказательства. Это особенно ярко звучит в предисловии к «Введению в анализ бесконечно малых», где постоянно встречаются слова «вникнуть в суть», «решить», «изобрести», а вот «показать» или «доказать» не упоминаются вовсе.

«Введение в анализ бесконечно малых» построено так, что новые идеи предстают перед нами подобно тому, как перед глазами изумленных первооткрывателей эпохи Возрождения представали чудеса природы. Эта книга не имеет ничего общего со скучнейшими логическими рассуждениями, которыми изобилуют современные работы по математике. Чтение «Введения в анализ бесконечно малых» подобно исследованию неизвестных уголков Земли. Эта книга напоминает мне заметки Антонио Пигафетта о кругосветном путешествии Магеллана и рассказы Хуана Себастьяна Элькано, который возглавил экспедицию после смерти Магеллана. Эйлер не умалчивает о бесплодных, но наглядных попытках решить те или иные задачи, подобно тому, как Пигафетта повествует о тщетных попытках Магеллана найти путь из Атлантического океана в Тихий.

«Введение в анализ бесконечно малых» — это рассказ о первом путешествии в мир бесконечно малых величин. Эйлеру удалось вызвать у читателей то же головокружительное чувство, которое мы испытываем, читая о первом кругосветном путешествии. Это еще одна причина познакомиться с «Введением в анализ бесконечно малых» — возможно, эта книга лучше других поможет понять гениальность математического творчества и почувствовать математическую красоту.

Глава 5

История и красота

В конце введения к своей знаменитой «Истории искусства» Эрнст Гомбрих отстаивает такую точку зрения: историю искусства следует знать потому, что она помогает понять, почему художники действовали так, а не иначе, или стремились произвести определенный эффект. Знание истории искусства, пишет Гомбрих, позволяет нам улавливать тончайшие различия и ценить эстетику произведений искусства. Иными словами, должный культурный багаж помогает увидеть красоту того или иного жанра, а знание истории искусства — неотъемлемая часть этого багажа. Гомбриха можно назвать сторонником контекстуализма, в рамках которого считается, что произведение искусства следует рассматривать в контексте — историческом, социальном, религиозном, культурном и других, в отличие от изоляционизма, утверждающего, что произведение искусства должно быть самодостаточным. Чем больше знаний контекста требуется, чтобы оценить его, тем менее полным оно является, поэтому изоляционисты, следуя Клайву Беллу, отказывались изучать контекст произведений.

Рассмотрим аргумент контекстуалиста Гомбриха применительно к математике.

От Венеры Виллендорфской — к ready-made Дюшана

Прежде чем перейти к дискуссии о математике, совершим небольшой экскурс в мир изобразительных искусств. Попытаемся широкими мазками описать, как история искусства помогает оценить красоту скульптуры.

Начнем с рассказа о Венере Виллендорфской. Нет никаких сомнений в том, что красота и очарование этой скульптуры не в последнюю очередь обусловлены ее древностью: ее возраст оценивается в 25 000 лет. Поскольку мы знаем историю искусства, нам известно, что это одна из древнейших скульптур, дошедших до наших дней, что делает ее особенно ценной. Можно спорить о том, является эта добавленная ценность эстетической или нет, но нет никаких сомнений в том, что это историческая ценность, и знание истории Венеры помогает оценить ее с эстетической точки зрения.

Венера Виллендорфская была обнаружена в 1908 году археологом Йозефом Сомбати в австрийском местечке Виллендорф. Скульптура хранится в венском Музее естествознания.

(фотография: Матиас Кабель)

Знание истории искусства позволяет понять, какими были цели и задачи скульптора, какие техники он использовал, каково значение созданного им произведения и так далее. Таким образом, история искусства расширяет культурный багаж, благодаря которому нам легче оценить произведение с эстетической точки зрения.

Быть может, чтобы верно оценить греческую скульптуру, нужно знать, каким было культурное наследие древних греков и чему они научились, например, у египтян? Дать ответ на эти вопросы помогает история искусства, благодаря которой мы можем представить вклад греков в мировую культуру, оценить гармонию и совершенство, достигнутые ими в изображении человеческого тела.

История искусства также позволяет понять, почему в Средние века изображение человека претерпело столь значительные изменения, чем объяснялась эта инфантилизация романской скульптуры по сравнению с классической греко-римской, кажущееся падение качества изображения, несовершенство скульптур. История искусства позволяет нам лучше оценить романскую скульптуру как единое целое, раскрыв новое, религиозное измерение, которое оказало огромное влияние на традиции изображения человеческого тела. Под влиянием всемогущей католической церкви, контролировавшей все сферы жизни средневекового общества, все человеческое было подчинено божественному началу. Как следствие, символическое изображение этой покорности стало играть столь же важную роль, какую в античном мире играло натуралистическое изображение человеческого тела.

Эта иллюстрация позволяет оценить, чему древнегреческие скульпторы научились у египтян: слева — египетский скульптурный ансамбль, известный как триада Микерина, справа — греческие скульптуры, изображающие Клеобиса и Битона.

Фрагмент одной из скульптур в галерее романского аббатства в Мильштадте, Австрия, построенного в X веке.

Та же самая история искусства объясняет, почему скульпторы вернулись к классическому канону и почему фигуры мужчины и женщины вновь стали привлекать основное внимание художников. История искусства также помогает выделить различия между классической скульптурой и скульптурой более поздних периодов, вплоть до романтического неоклассицизма.

Давид работы Микеланджело (1501–1504) и Венера работы Антонио Пановы (1804–1812).

И наконец, чтобы лучше оценить красоту новых форм, которые с возвращением к классическому реализму начали проявляться в скульптуре, необходимо знать, какие новые цели ставили перед собой художники. История искусства показывает, как скульпторы уходили от холодного совершенства и создавали произведения, более впечатляющие зрителя. Как можно понять ускорение развития искусства в последние 150 лет, если не знать его историю? Можно ли оценить эстетику скульптуры «Поцелуй» Константина Бранкузи — варианта одноименной работы его учителя, Огюста Родена, не зная истории, которая объясняет этот возврат к палеолитическим истокам (см. иллюстрацию на следующей странице)?

«Поцелуй» Огюста Родена (1889) и скульптура с одноименным названием авторства Константина Бранкузи, созданная в 1908 году.

Можно ли оценить красоту некоторых произведений последнего столетия, например знаменитого «Фонтана» Дюшана, не понимая эстетической ценности выхода за пределы дозволенного?

«Фонтан» (1917) — самый известный «реди-мейд» Марселя Дюшана. Как вы можете видеть на фотографии, скульптура не подписана именем Дюшана. Художник, доводя абсурдную идею до конца, подписался именем немецкого производителя унитазов — R. Mutt.

* * *

ДЮШАН И «РЕДИ-МЕЙДЫ»

Марсель Дюшан своими «реди-мейдами» («готовыми вещами») выразил следующую идею: любой предмет может стать произведением искусства, если так решил художник. Это был революционный жест, удар в самое сердце искусства. Дюшан, который интересовался математикой, физикой и в особенности шахматами, посвятил много времени поискам ответа на вопрос, тесно связанный с эстетической ценностью математики: можно ли создать в уме произведения искусства, не основанные на результатах зрительного восприятия?

Марсель Дюшан в образе Розы Селяви. Фотография Мана Рэя, 1921 год.

* * *

От вавилонян — к теории множеств

История математики поможет понять эстетическую ценность математических рассуждений подобно тому, как история искусства помогает понять эстетику скульптуры. Учитывая, что оценить красоту математики намного сложнее (и об этом мы уже говорили), роль истории в решении этой задачи также намного важнее, чем при эстетическом восприятии любого направления искусства.

Рассмотрим, например, высказывание: любой треугольник, вписанный в полуокружность, — прямоугольный. Диоген Лаэртский, основываясь на вторичных источниках, приписывает авторство этой теоремы Фалесу, который в благодарность за ее открытие принес в жертву буйвола. По мнению Диогена, Фалес был и автором доказательства этой теоремы, однако Аполлодор, опираясь на, возможно, более авторитетные источники, считает автором этой теоремы Пифагора.

Эту на первый взгляд простую теорему можно доказать несколькими способами. Однако истинный ключ к ней дает история математики: теорема Фалеса стала одной из первых сопровождавшихся рассуждениями, целью которых было подтвердить правильность теоремы в общем случае. Иными словами, теорема сопровождалась доказательством в его классическом понимании. Доказательство — не более чем логическое рассечение утверждения на ряд универсальных и очевидных истин. Чтобы понять всю важность этого первого в истории доказательства, теорему Фалеса нужно сравнить с математическими рассуждениями древних египтян или жителей Месопотамии, то есть вновь обратиться к истории математики. Если мы будем знать контекст той эпохи, теорема Фалеса уже не покажется нам столь примитивной. Мы даже сможем почувствовать, насколько концептуально близкими были греки к некоторому примитивизму, который мы находим в математических рассуждениях египтян или вавилонян. Будет уместно привести фразу, которую Харди как-то сказал Литлвуду: «Греческие математики не были одаренными школьниками — они принадлежали к другому университету». Подобно Венере Виллендорфской, теорема Фалеса имеет историческую ценность, и знание этой ценности позволяет оценить ее с эстетической точки зрения.

Существуют и другие причины, по которым следует уделить внимание истории теоремы. Эти причины имеют отношение к математике в эмоциональном контексте — я имею в виду эпизод с принесением в жертву буйвола. Хотя Диоген Лаэртский приписывает это жертвоприношение Фалесу, большинство классических историков считают, что гекатомбу принес Пифагор, открыв свою знаменитую теорему. Как гласит словарь, гекатомба — это «жертвоприношение из 100 быков в Древней Греции».

Гекатомба Пифагора была более скромной, в жертву определенно не было принесено сто быков — тем не менее различные авторы, среди которых Вергилий, Цицерон, Плутарх, Диоген Лаэртский и другие, упоминают об этом жертвоприношении, хотя и расходятся во мнении, кто именно его совершил: Пифагор или Фалес. Эти жертвы были наполнены множеством скрытых смыслов, связанных с основными жизненными потребностями людей, их неизбывным страхом или самыми сокровенными заботами и опасениями. Не будем забывать, что гекатомбы изначально обладали религиозным, магическим и мистическим значением. Они приносились, чтобы избежать бедствий и отвести проклятие богов, выиграть войну или положить конец голоду или болезням.

И тот факт, что гекатомба подробно описывается в связи с простой геометрической теоремой, должен навести читателя на определенные мысли. Кто-то скажет, что гекатомбы, приписываемые Пифагору или Фалесу, не имеют достаточных исторических доказательств, вполне возможно, что они являются всего лишь легендой. Но в этом случае следует задуматься еще больше: почему Витрувий, Цицерон, Плутарх, Диоген Лаэртский и многие другие авторы, серьезные и занятые люди, потрудились придумать или передать потомкам легенду (к тому же довольно кровавую), чтобы восславить нечто столь незначительное, как открытие математической теоремы? Почему они связали результат интеллектуального труда, давший начало всей древнегреческой математике, это исключительно абстрактное явление с таким эмоциональным событием, как жертвоприношение?

Как и в случае с греческой скульптурой, понять развитие греческой математики, ее путь от первых теорем до тех высот, которых она достигла позднее, нам поможет история. Путь, пройденный древнегреческой математикой, можно оценить в полной мере, если сравнить теорему, о которой мы рассказали выше, с решением задачи о вычислении площади сегмента параболы, которое привел Архимед (об этой задаче мы рассказали в главе 1).

Чтобы определить эстетическую ценность чего-либо, что кажется менее красивым, чем древнегреческая синтетическая геометрия, например позиционной системы счисления или элементарных методов алгебры, как и для того, чтобы оценить романскую скульптуру, будет полезно узнать, что в этих случаях эстетика заключена в символическом потенциале простоты. Если хорошо подумать, то мы поймем, что зачастую простота есть не более чем продукт нашего образования: наша система счисления кажется нам простой, потому что мы изучали ее в начальной школе.

Но для древних греков, которым была практически неизвестна алгебра, наша система счисления показалась бы крайне сложной. Как можно оценить концептуальную сложность системы счисления или алгебры, не зная, сколь медленным и трудным был исторический процесс ее появления и развития? Может быть, мы оценим греков по достоинству, если будем знать, какую важную роль они сыграли в XVII веке, при создании намного более сложных разделов математики, в частности аналитической геометрии и, позднее, дифференциального и интегрального исчисления?

Даже для того чтобы оценить эстетику анализа бесконечно малых, необходимо знать его историю. Нужно знать, что для его создания потребовалось совершить несколько шагов вперед относительно древнегреческой математики, знать, каким был вклад анализа бесконечно малых в научную революцию, которая произошла в Европе в XVI–XVII веках и благодаря которой наука достигла таких успехов. Наконец, нужно знать, какое влияние анализ бесконечно малых оказал на развитие не только математики, но и физики.

Гомбрих в своей «Истории искусства» писал, что современное искусство, как и любое другое, возникло в ответ на вставшие перед ним проблемы. Так, революционные процессы, столь радикально изменившие искусство начиная с середины XIX века, были запущены тогда, когда художники задались вопросом: почему они ограничивались максимально точным изображением того, что видели перед собой, будь то пейзаж или группа людей? Тогда же возник вопрос о том, какова истинная функция художника. Кто он — безмолвный свидетель, который должен точно передавать то, что он видит, подобно фотокамере, или действующее лицо произведения, отражающее в картине прошлый эмоциональный опыт? Используя творческую свободу художника в качестве одного из главных аргументов, искусство склонялось в пользу второй точки зрения. В результате возник новый мир, который часто критиковали, порой не ценили и не понимали. Друг друга последовательно сменяли импрессионизм, экспрессионизм, абстракционизм, авангард, экспериментальное искусство и так далее.

Для эстетической оценки этого нового искусства, сложного, иногда странного и даже сумасбродного и как никогда изменчивого, история искусства почти так же важна, как способность видеть.

В XIX веке в математике тоже начался процесс последовательного абстрагирования, кульминацией которого стало помещение практически всей математики в атмосферу теории множеств, на первый взгляд стерильную и инертную. Великим вдохновителем этого процесса был немецкий математик Георг Кантор, а движущей силой — жажда понять и обуздать страшнейшее из математических чудовищ — бесконечность. Словно бы доказывая, что определенные закономерности объединяют даже наиболее далекие друг от друга аспекты одной культуры, словно подтверждая фразу Марселя Пруста о том, что все существующее одновременно есть кажущееся, эволюция математики весьма схожа с процессами, которые происходили в живописи, скульптуре, архитектуре, музыке и литературе. Не напрасно девиз Кантора «суть математики — в ее свободе» содержал отсылку к идее, приверженцами которой являются художники, скульпторы и композиторы.

Бесконечности, ее укротителю Кантору и, разумеется, обстоятельствам, сопутствующим этой истории, посвящены последние страницы этой книги.

Ядовитая змея в гнезде

Бесконечность можно сравнить со змеиным гнездом: лишь по прошествии нескольких тысяч лет, пережив несколько болезненных укусов, человек осмелился опустить в это гнездо руку. Бесконечность — продукт логической структуры нашего мозга. Эта структура обладает способностью создавать понятия путем отрицания уже известных. На основе того, что воспринимают наши органы чувств, естественным образом возникает понятие конца, границы, финала, то есть конечного, имеющего предел.

К понятию бесконечного мы приходим через отрицание конечного, а не на основе чувств или ощущений. Парадоксально, что хотя бесконечность является продуктом логической структуры нашего разума, она обнаруживает некоторую несовместимость с логикой, точнее со здравым смыслом, который часто путают с логикой. Здравый смысл неизбежно находится под влиянием информации, поступающей от органов чувств, а эта информация обязательно тем или иным способом отражает понятие конечного или ограниченного. Таким образом, бесконечность едва ли имеет отношение к здравому смыслу, и неудивительно, что она сильно пугала греков, для которых логика и здравый смысл были основой культурной революции.

История об Ахиллесе и черепахе, логическая головоломка Зенона Элейского о делимости и движении, столь же глубоко укоренилась в массовом сознании, что и теорема Пифагора, «Дон Кихот» или Девятая симфония Бетховена. В своем парадоксе Зенон тайком использовал бесконечность. Отзвуки бесконечности слышны и в пифагорейском кризисе, причиной которого стало открытие иррациональных чисел: так, нельзя было представить в виде дроби, и чтобы точно выразить значение этого числа, требовалось записать бесконечно много знаков.

История об Ахиллесе и черепахе отражает представление древнегреческого философа Зенона Элейского о бесконечности. На иллюстрации изображен кадр из фильма Такеши Китано с одноименным названием.

Однако бесконечность была продуктом логики, и появилась она благодаря возможности определять новые понятия через отрицание уже известных. Более того, бесконечность была приятной на вид: некоторые математические объекты очевидно плохо уживались с понятиями конечного и ограниченного. Это и числа, которых настолько много, что им нет конца (это подтвердит любой), и прямые линии, которые всегда можно мысленно продолжать бесконечно.

Учитывая контекст, сопровождающий бесконечность, в котором абсурдное и, как следствие, скандальное и полемичное смешалось с разумным, неопровержимым, пусть и едва заметным, греки разделили бесконечность на две части: первая, потенциальная бесконечность, была приемлемой, вторая, актуальная бесконечность — отвратительной и ненавистной. Непреходящий аристотелевский «здравый смысл» стал тем ножом, которым чудовище было рассечено надвое. Отрицать существование бесконечных процессов невозможно (так, мы можем последовательно делить отрезок пополам бесконечное число раз, а последовательность чисел бесконечно велика), и Аристотель в книге III «Физики» описал природу потенциальной бесконечности так: «много невозможного получается, если вообще отрицать существование бесконечного», таким образом, «о бесконечном можно говорить в возможности», то есть «бесконечное получается либо прибавлением, либо отнятием». Бесконечность сама по себе, как нечто завершенное, по Аристотелю была запретной: «Невозможно, чтобы бесконечность существовала в действительности как нечто сущее либо как субстанция и первоначало. […] величина не может быть бесконечной актуально, об этом уже сказано, но она может быть беспредельно делимой». По Аристотелю, отрезок нельзя рассматривать как бесконечное множество точек, выстроенных в линию, однако допускается деление отрезка пополам неограниченное число раз. Однако использование актуальной бесконечности противоречило и Евклиду, который включил в «Начала» такую аксиому: «Целое больше, чем каждая из его частей».

* * *

АРХИМЕД И БЕСКОНЕЧНОСТЬ

Архимед был, возможно, единственным древнегреческим математиком, который преодолел аристотелевский запрет на использование актуальной бесконечности, однако сделал это вдумчиво и сдержанно. В рассуждениях Архимеда о вычислении площади сегмента параболы, приведенных в главе 1, упоминается актуальная бесконечность всякий раз, когда поверхность рассматривается как бесконечное множество отрезков прямой — «прямые, проведенные в треугольнике, составляют сам треугольник». Однако Архимед не стремился восстать против Аристотеля, так как, по его словам, его рассуждения были «далеки оттого, чтобы считаться доказательством».

Архимед, каким его увидел художник Хосе де Рибера (1591–1652).

* * *

Эта аксиома порождена нашими интуитивными представлениями о конечном и ограниченном. Лучше других объяснить несовместимость бесконечного и этой аксиомы Евклида сумел Галилей в своих «Беседах» (1638). Так как каждое число порождает квадрат: 2 порождает 4, 3–9, 4 — 16 и так далее — а каждый квадрат, в свою очередь, порождается единственным числом, Галилей указал, что мы можем объединить в пары числа и соответствующие им квадраты, заключив, что чисел и квадратов будет одинаковое количество. Тем не менее очевидно, что квадратные числа — лишь часть множества чисел (так, 2, 3, 5, 7 — числа, но не квадраты), то есть чисел больше, чем квадратов, целое больше его части. Мы столкнулись с парадоксом: чисел одновременно столько же, сколько их квадратов, и одновременно больше, чем квадратов. Галилей сделал вывод: «понятия «больше», «меньше» и «равно» неприменимы к бесконечному».

Связь христианского Бога с бесконечностью помогла преодолеть древние страхи перед ужасным чудовищем, и бесконечность, как потенциальная, так и актуальная, в XVII веке окончательно расположилась в центре математики. Следуя заветам Аристотеля, богословы отказывали человеку в возможности понять актуальную бесконечность, но они перевели это понятие в область богословия. Фома Аквинский рассматривал Бога как полную и всеобъемлющую, актуальную бесконечность, такая трактовка часто встречается и в трудах философов XVII века. Не будем забывать, что некоторые из них были учеными, в том числе математиками. Подтверждение мы находим у Декарта: «Мыслю некоего вышнего Бога — вечного, бесконечного, всеведущего, всемогущего, творца всех сущих, помимо него самого, вещей», а также: «Что же до Бога, я считаю его столь бесконечным, что к его совершенству ничего уже нельзя добавить»; у Спинозы: «Под Богом я разумею существо абсолютно бесконечное (ens absolute infinitum), т. е. субстанцию, состоящую из бесконечно многих атрибутов, из которых каждый выражает вечную и бесконечную сущность», и также у Лейбница: «Следует считать, что эта божественная субстанция, неделимая, универсальная и непреложная, не должна иметь пределов и содержать всю реальность, какую только возможно».

Никакой запрет не мог покончить с чем-то действительно полезным. И никакое понятие не оказалось столь плодотворным для математики, как бесконечность, ни одно из них не сделало математику столь полезной для объяснения явлений природы: бесконечность — это основной элемент анализа бесконечно малых, а анализ бесконечно малых — несомненно, самое мощное и эффективное средство изучения природы, когда-либо созданное математиками. Еще один парадокс бесконечности: почему она, будучи не более чем продуктом логической структуры нашего мозга, играет столь важную роль в формировании научной картины окружающей нас Вселенной, если в этой Вселенной бесконечность подобна эмигранту без документов?

Несмотря на свою неоспоримую, пусть и непонятную, полезность, актуальная бесконечность по-прежнему пользуется дурной славой. Не самым лестным образом о ней отзывался даже так называемый король математиков. Великий Гаусс писал: «В математике бесконечную величину никогда нельзя использовать как нечто окончательное. Бесконечность — лишь манера выражаться, означающая предел, к которому стремятся одни величины, когда другие бесконечно убывают».

И средневековые схоластики, в частности Фома Аквинский (ок. 1224–1274), и философы-рационалисты, в частности Рене Декарт (1596–1650), сталкивались с проблемой актуальной бесконечности.

Кантор и анархистская природа математики

Почти одновременно с тем, как Гаусс написал эти строки, родился Георг Кантор (1845–1918). Именно он смог подчинить себе бесконечность, укротив это страшное математическое чудовище.

Кантор начал с того, что сравнил различные бесконечные множества с числами, которые имелись в его распоряжении. Для сравнения бесконечных множеств он объединял элементы этих множеств в пары: если элементы двух множеств можно объединить попарно так, что ни один элемент не останется без пары, значит, число элементов этих множеств одинаково.

Кантору удалось объединить в пары натуральные и целые числа, натуральные и дробные числа. Вопреки доводам логики, согласно которым целое больше его части, рассуждения Кантора показывали, что натуральных чисел столько же, сколько и дробных.

Однако для выполнения расчетов с бесконечностью Кантору потребовались бесконечные множества разного размера. Первый важный результат был получен в конце 1873 года, когда Кантор обнаружил два бесконечных множества, элементы которых нельзя было объединить попарно. Точнее, ученый доказал, что натуральные числа нельзя объединить в пары с точками произвольного отрезка. Этот результат стал одним из самых революционных в истории математики. Для этого утверждения, сколь важного, столь и глубокого, Кантор в 1899 году нашел в высшей степени простое и элегантное доказательство. Этим доказательством, подобно картинам импрессионистов, можно полнее насладиться, зная его историю и необходимый контекст.

Кантор в 1894 году, в возрасте 49 лет, когда он пытался систематизировать теорию множеств.

Доказательство Кантора

Для простоты вместо точек отрезка рассмотрим все бесконечные последовательности вида 0, а_1, a_2, а_3, …, где каждая цифра 0, а_1, a_2, а_3, … имеет значение 0 или 1. Нетрудно видеть, что число различных последовательностей такого типа равно числу точек отрезка (однако доказательство этого утверждения будет носить несколько технический характер).

В доказательстве Кантора используется так называемый диагональный метод, который для любой пары, состоящей из одного из чисел 1, 2, 3, 4… и двоичной последовательности, позволяет найти такую двоичную последовательность, которая не будет парой ни для одного числа. Представьте, что дана произвольная пара, образованная числом и двоичной последовательностью. Для простоты рассмотрим следующие несколько пар.

Обратите внимание на цифры, обведенные квадратной рамкой: первую цифру первой последовательности, вторую цифру второй последовательности и так далее. Построим новую последовательность (она приведена в конце списка и отделена многоточием), изменив эти цифры: заменим единицы нулями, а нули — единицами. Таким образом, первой цифрой новой последовательности будет 0, второй — 0, третьей — 1, четвертой — 0 и так далее. Так мы гарантируем, что вне зависимости от последующих цифр новая последовательность будет отличаться от всех предыдущих: она будет отличаться от первой последовательности первым знаком, от второй — вторым, от третьей — третьим и так далее. Это должно убедить читателя, что в представленном выше списке для созданной нами двоичной последовательности не найдется пары. Если немного подумать, то станет понятно, что метод Кантора не зависит от представленного выше списка. Если список изменить, мы сможем применить этот метод к новому списку и сформировать новую последовательность, для которой не найдется пары.

* * *

ДИАГОНАЛЬНЫЙ МЕТОД КАНТОРА

Этот же диагональный метод наряду с понятием подмножества позволил Кантору показать, как можно построить бесконечные множества сколь угодно большого размера. Представьте множество А = {1,2,3}, образованное тремя числами 1, 2, 3. Множество подмножеств А получается, если рассмотреть все множества, которые мы можем составить из элементов А, в том числе пустое множество 0. Обозначив множество подмножеств А через Р(А), имеем:

Кантор доказал, что если множество А бесконечное, то бесконечность, соответствующая множеству подмножеств А, будет всегда больше, чем бесконечность, соответствующая исходному множеству. В своем доказательстве Кантор вновь применил диагональный метод, адаптировав его к этой задаче. Рассмотрим пары, образованные элементами множества А и множества его подмножеств Р(А). Каждый элемент х множества А будет иметь пару — множество X, составленное из элементов А. Теперь определим подмножество А, которое не будет иметь пары: это множество Y, содержащее те элементы х множества А, которые не принадлежат соответствующему множеству X.

В самом деле, если элемент х множества А принадлежит своей паре, множеству X, то, по определению Y, элемент х не принадлежит Y. Следовательно, X не = Y, так как х принадлежит X, но не Y. С другой стороны, если элемент х множества А не принадлежит своей паре Х, то, по определению Y, элемент х будет принадлежать Y. Вновь X не = Y, так как х принадлежит Y, но не X. Это доказывает, что никакой элемент х множества А не может иметь парой множество Y.

* * *

Абсолютная бесконечность и наследие Кантора

Посвятив четверть века изучению бесконечностей, Кантор смог упорядочить их: словно на балу монстров, он расположил одну бесконечность за другой подобно тому, как упорядочены числа, а также описал, как можно складывать бесконечности, умножать их друг на друга, возводить в бесконечную степень и так далее. Кантору, конечно, не удалось полностью приручить бесконечность. Существуют величины, которые он назвал абсолютной бесконечностью. Они не поддавались никакому контролю со стороны математики, не говоря уже о логике. В 1883 году Кантор писал: «Абсолютное можно лишь распознать, но его невозможно познать, даже примерно». Бесконечность, которая интересовала Кантора, располагалась между конечным и абсолютным.

* * *

МНОЖЕСТВО ВСЕХ МНОЖЕСТВ И ДРУГИЕ ЧУДОВИЩА

Абсолютная бесконечность тесно связана с такими безграничными и невообразимыми понятиями, как, например, множество всех множеств или множество всех множеств, которые не принадлежат сами себе. Последнее «чудовище» — главный герой парадокса, сформулированного Бертраном Расселом в 1901 году: принадлежит ли самому себе множество всех множеств, которые не принадлежат сами себе? Если это множество принадлежит самому себе, то оно не будет образовано всеми множествами, которые не принадлежат сами себе. Если же оно не принадлежит самому себе, то, по определению, оно должно принадлежать самому себе.

Однако Кантор никогда не рассматривал подобные парадоксы, так как он всегда был убежден, что они не затрагивают множества и бесконечности, которые он изучал, — эти монструозные сущности, связанные с абсолютом, которые мы можем только распознать, но не познать.

Парадоксы, подобные описанным выше, возникли как результат наивного определения множества как произвольной совокупности объектов. Парадокс Рассела схож с еще одним парадоксом, опровергающим всемогущество Бога: может ли всемогущий Бог создать такой камень, который он сам не в силах будет поднять? Если он сможет создать такой камень, то не сможет поднять его и, следовательно, не будет всемогущим. Если же он не сможет создать такой камень, то вновь не будет всемогущим.

* * *

Кантор вышел победителем в схватке с бесконечностью, однако был тяжело ранен. Его исследования вызвали неприязнь части немецкого математического сообщества. Кантор хотел работать в Берлине или Геттингене, однако двери этих университетов оказались для него закрыты, и нет сомнений, что поводом для травли стала неприязнь со стороны влиятельных коллег. В 1879 году Кантор наконец получил должность преподавателя в небольшом университете Галле, где проработал всю оставшуюся жизнь.

Работы Кантора часто называли незначительными, не представляющими интереса, а когда его заслуги начали признавать, злые языки вложили в уста Анри Пуанкаре (1854–1912), одного из величайших математиков того времени, знаменитое изречение: «Грядущие поколения будут рассматривать теорию множеств как болезнь, от которой они вылечились». В конечном итоге на сцену вышло новое поколение математиков, которые воздали должное трудам Кантора, что привело к революции, навсегда изменившей математику. Кантор начал процесс абстрагирования, характерной чертой которого стало появление неконструктивных доказательств существования тех или иных объектов. Иными словами, после Кантора математики начали признавать существование тех или иных математических объектов, даже когда было неизвестно, как эти объекты можно построить. Кульминацией достижений Кантора стало создание теории множеств, которую Давид Гильберт, наиболее влиятельный математик того времени, назвал «раем для математиков».

Падение гения

Георг Кантор был чрезмерно активным, энергия в нем била через край и, возможно, поэтому он был эмоционально нестабильным. В середине 1884 года, почти в сорок лет, математик пережил первый приступ депрессии, который длился приблизительно два месяца и прекратился так же внезапно, как и начался. С того времени Кантор, который сам по себе испытывал тягу к мистицизму, стал еще более эксцентричным. Он перестал уделять математике основное внимание и обратился к другим, сомнительным исследованиям. В результате он заключил, что Фрэнсис Бэкон был истинным автором произведений Шекспира, а Иосиф Аримафейский — отцом Иисуса Христа. Кантор еще не раз страдал от нервных приступов, особенно после 1899 года. В результате каждые два-три года его помещали в психиатрическую лечебницу с диагнозом «мания преследования» и «маниакально-депрессивный психоз». Даже новость о присуждении наград и премий застала его в психиатрической больнице университета Галле.

В математическом фольклоре причиной нервных приступов Кантора считается его неустанная борьба с бесконечностью. Действительно ли это так? Конечно, положительный ответ сделал бы наш рассказ более драматичным. Возможно, определенный вклад в утверждение этой точки зрения, сам того не осознавая, внес Бертран Рассел.

Кантор впервые посетил Великобританию в сентябре 1911 года, будучи приглашен на торжество по случаю пятисотлетней годовщины Сент-Эндрюсского университета в Шотландии. Затем он написал Расселу несколько писем с предложением встретиться, однако встреча не состоялась. В автобиографии Рассела, опубликованной в 1967–1969 годах, упоминаются эти два письма и несколько эксцентричное поведение Кантора, которое, возможно, было вызвано тем, что он впервые ступил на землю Шекспира и Бэкона. Рассел писал: «Георг Кантор был, по моему мнению, одним из величайших умов XIX столетия […] Прочитав следующее письмо, я не удивился, узнав, что он провел большую часть жизни в сумасшедшем доме». Британский историк математики Айвор Граттан-Гиннес, один из первых, кто усомнился в том, что причины болезни Кантора были связаны с математикой, в 1971 году писал: «Два письма Кантора были в высшей степени беспорядочными. Почерк, которым они написаны, говорит нам о личности ученого еще больше. В этих письмах мы видим проявления многих черт его характера, особенно заметных, когда он находился в возбужденном состоянии. Письма написаны изящным почерком, а строки поднимаются вверх. Они не только продолжаются на полях, что было типично для Кантора — на одной из страниц второго письма Кантор пишет сверху вниз поверх других строк, расположенных слева направо. Фрагмент письма написан даже на обратной стороне конверта».

* * *

КАНТОР И МУНК

«Дрожа от страха, я услышал крик природы, пустой, бесконечный», — так норвежский художник Эдвард Мунк описал рождение замысла самой знаменитой своей картины «Крик». И действительно, символичность этого полотна, драматичное использование перспективы, нереальность и колорит также наводят на мысли о неумеренности, близкой к бесконечности, о бесконечном страхе. Этот крик виден, но не слышен. Именно поэтому картина вызывает страх: мы с ужасом ждем, что вот-вот услышим крик.

Работы Мунка вызвали в Германии примерно такую же полемику, как и (примерно в то же время) труды Кантора в математическом сообществе. 5 ноября 1892 года открылась выставка Мунка в Берлине. Спустя неделю выставка была закрыта, уступив место ожесточенным спорам, известным как «дело Мунка». Важное место в споре занимала дискуссия о границах свободы художника. Похожее обсуждение развернулось вокруг трудов Кантора, который в результате сказал: «Суть математики — в ее свободе».

Подобно тому как теоретические работы Кантора повлияли на математику, произведения Мунка оказали огромное влияние на живопись, причем не только немецких экспрессионистов, но и на Пикассо, в частности на его «Гернику». У Мунка и Кантора есть еще одна общая черта, вызывающая определенное беспокойство: Мунк также страдал от нервных приступов, однако, возможно, они были менее острыми и продолжительными.

Самый известный вариант картины «Крик» Мунка (1893) хранится в Национальной галерее Осло, откуда она была украдена в 1994 году и возвращена в 2006 году.

* * *

Фотография Кантора, сделанная в 1917 году, когда ученому было 72 года, незадолго до того, как он был помещен в психиатрическую больницу Гэлле, где и умер спустя несколько месяцев.

Весьма вероятно, что заболевание Кантора было наследственным, однако это не означает, что нервный срыв приблизили напряженные отношения с коллегами или борьба с бесконечностью. Причиной болезни могли стать и другие трагические события в жизни ученого, например смерть младшего сына Рудольфа, который умер в возрасте 13 лет.

В мае 1917 года Кантор против своей воли вновь был помещен в психиатрическую больницу университета Галле. Граттан-Гиннес пишет: «Война привела к недостатку продовольствия, Кантор похудел и страдал не только от усталости и болезней, но и от голода […] На Новый год Кантор отправил жене последние сорок листов календаря за предыдущий год, давая понять, что прожил эти дни, однако 6 января он внезапно скончался от сердечного приступа. Смерть была быстрой и безболезненной. Он был похоронен в Галле рядом с сыном Рудольфом».

Библиография

ARQUÍMEDES, El método, editión de Luis Vega, Madrid, Alianza, 1986.

ARQUÍMEDES, Obras escogidas, edition facsimilar у crítica de Antonio J. Durán, Sevilla, Real Sociedad Matematica Espanola, Patrimonio National e International Congress of Mathemáticians, Madrid, 2006.

CELA, C.J., La colmena, Barcelona, Seix Barral, 1985.

CUSICK, T. у FLAHIVE, M.E., The Markoff and Lagrange Spectra, Providence, Mathematical Surveys and Monographs, American Mathematical Society, 1989.

DIOFANTO, La aritmética у el libro sobre los números poligonales, editión de Manuel Benito, Emilio Fernández у Mercedes Sánchez, Madrid, Nivola, 2007.

DURÁN, A.J., El valor estético de las matemáticas, La Gaceta de la RSME, 4.2, 329–254, Real Sociedad Matematica Espanola, 2001.

-: Pasiones, piojos, dioses… у matemáticas, Barcelona, Destino, 2009.

EULER, L., Introductio in Analysin Infinitorum, editión facsimilar у crítica con traductión al castellano de J.L. Arantegui у notas de Antonio J. Durán, Sevilla, Real Sociedad Matemática Española у SAEM Thales, 2000.

FORD, L.R., «Fractions», The American Mathematical Monthly, 45, 586–601, 1938.

GOMBRICH, E.H., Historia del arte, Madrid, Debate, 1997. Grattan-Guinness, I., «Towards a Biography of Georg Cantor», Annals of Science, 27, 345–391,1971.

HARDY, G.H., A Mathematician s Apology, Cambridge, Cambridge University Press, 1940 (hay versiones castellanas: Autojustificatión de un matemático, Barcelona, Ariel, 1981; Apologia de un matemático, Madrid, Nivola, 1999).

KANT, E., Crítica del juicio, Madrid, Espasa Calpe, 1977.

ROTA, G.C., Indiscrete Thoughts, Boston, Birkhäuser, 1997.

SANTAYANA, J., El sentido de la bellezay Madrid, Tecnos, 1999.

SAVATER, F., Las preguntas de la vidat Barcelona, Ariel, 1999.

* * *

Научно-популярное издание

Выходит в свет отдельными томами с 2014 года

Мир математики

Том 27

Антонио Дуран

Поэзия чисел. Прекрасное и математика

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 www.deagostini.ru, 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 www.deagostini.ua, 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: 04.06.2014

Дата поступления в продажу на территории России: 22.07.2014

Формат 70 х 100 / 16. Гарнитура «Academy».

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

Усл. печ. л. 6,48.

Тираж: 34 000 экз.

© Antonio J. Duran Guardeno, 2010 (текст)

© RBA Collecionables S.A., 2011

© ООО «Де Агостини», 2014

Примечания

1

Перевод О. Слободкиной. — Примеч. ред.

2

Перевод С. П. Маркиша. — Примеч. ред.

3

Здесь и далее перевод С. П. Маркиша. — Примеч. ред.

4

Перевод Ф. А. Петровского. — Примеч. ред.

5

Перевод С. П. Маркиша. — Примеч. ред.

6

Здесь и далее перевод Е. М. Лысенко. — Примеч. ред.

7

Перевод С. Н. Боброва. — Примеч. ред.

8

Перевод П. Грушко. — Примеч. ред.

9

В неспокойные годы перед Второй мировой войной и во время войны произошло множество трагических эпизодов. Нацистская угроза вышла из границ Германии и обрушилась на многие страны Европы. Результатом стали чистки в рядах польских математиков и преследование немецких математиков. Ужасы войны повлияли на ученых по другую сторону Атлантики, в США, подтолкнув их к участию в создании атомной бомбы. Всё, о чем мы рассказали, неразрывно связано с одним из самых драматичных эпизодов человеческой истории, когда наука столкнулась со сложнейшей моральной дилеммой.

10

Здесь и далее перевод Ю. А. Данилова. — Примеч. ред.

11

Я считаю своим долгом предупредить читателя, что мое мнение о «Введении в анализ бесконечно малых» Эйлера не вполне объективно, так как я был редактором и автором комментариев к первому изданию этой книги, вышедшей на испанском языке.

12

Перевод М. И. Левиной — Примеч. ред.

Content

Антонио Дуран
«Мир математики»
№ 27
«Поэзия чисел.
Прекрасное и математика»

Предисловие

Глава 1 Место красоты в математике

Глава 2 Почему оценить красоту математики непросто

Глава 3 Абстрактное и эмоциональное: математика и человеческая природа

Глава 4 Цель: красота математических рассуждений

Глава 5 История и красота

Библиография

Примечания