Лизана Антонио Руфиан

Если бы числа могли говорить. Гаусс. Теория чисел

Antonio Rufian Lizana

Если бы числа могли говорить. Гаусс. Теория чисел

Наука. Величайшие теории Выпуск № 8, 2015

Если бы числа могли говорить. Гаусс. Теория чисел.

Еженедельное издание

Пер. с исп. — М.: Де Агостини, 2015. — 168 с.

ISSN 2409-0069

© Antonio Rufian Lizana, 2012 (текст)

© RBA Collecionables S.A., 2012

© ООО «Де Агостини», 2014-2015

Введение

Если бы среди профессиональных математиков был проведен опрос, в котором попросили бы составить список из десяти самых выдающихся и влиятельных математиков в истории, мы уверены, что почти все они включили бы в него Карла Фридриха Гаусса. Эта гипотеза (как мы увидим далее, выдвигать гипотезы — метод работы, очень характерный для математики) основана на двух причинах. Первая — огромная важность его вклада в науку. Вторая причина — это широта тем, к которым Гаусс с огромным успехом проявил свой интерес. Сегодня математика — настолько обширная наука, что те, кто посвящает себя ей, глубоко знают только часть, близкую к области их специализации. Однако гений Гаусса позволил ему продвинуться почти во всех сферах математики. Следовательно, специалисты как по математическому, так и по числовому анализу, как геометры, так и алгебраисты, статистики или даже специалисты по математической физике видят в Гауссе «одного из своих».

Мы очень часто пользуемся такими определениями, как «вундеркинд» или «математический гений». Мало кто из математиков мог бы возразить против того факта, что эти эпитеты применимы к Гауссу. Число новых идей и открытий, к которым пришел этот немецкий математик еще до того, как ему исполнилось 25 лет, кажется необъяснимым.

Гауссу, сыну бедных родителей, удалось воспользоваться своим математическим талантом. Он родился в эпоху, когда математика еще была привилегированной сферой деятельности, которую финансировали придворные и меценаты или которой в свободное время занимались любители, такие как Пьер Ферма. Покровителем Гаусса был Карл Вильгельм Фердинанд, герцог Брауншвейгский, что позволило ученому посвятить себя призванию без необходимости зарабатывать на жизнь другим, более экономически выгодным делом. В качестве благодарности Гаусс посвятил покровителю свою первую книгу, «Арифметические исследования» (1801), и таким образом имя герцога оказалось связанным с одним из основных трудов в истории математики.

Гаусс жил в эпоху необычайных политических и социальных потрясений. Отрочество математика совпало с Великой французской революцией — ему было 12 лет, когда была взята Бастилия. Он пережил подъем Наполеона в молодости и его разгром при Ватерлоо в 38 лет. Он застал Мартовскую революцию в Германии в 1848 году в возрасте более 70 лет. В это время произошла первая индустриальная революция, которая оказала очень сильное воздействие на политическую и социальную жизнь Европы. Развитие промышленности позволило осуществить эксперименты, невозможные до этого времени, с телескопами и другими оптическими инструментами. Как мы увидим, все эти события повлияют на жизнь Гаусса.

К счастью, коллекция его трудов сохранилась в достаточно полном виде; многие из важных писем математика были опубликованы. Однако Гаусс трепетно относился к своему первенству в математических открытиях и даже использовал шифр, чтобы защитить их. По мнению некоторых исследователей, нераспространенность его работ вызвала отставание в развитии науки на целых полвека: если бы Гаусс позаботился о том, чтобы опубликовать хотя бы половину своих результатов, и не шифровал бы так тщательно свои объяснения, возможно, математика развивалась бы быстрее. Математический дневник Гаусса, хранившийся в его семье, стал доступен публике только в 1898 году. Его изучение подтвердило, что ученый доказал, не публикуя, многие результаты, которые другие математики пытались получить в течение всего XIX века. Гаусс всегда утверждал, что математика — это как архитектурное произведение: архитектор никогда не оставит строительные леса, чтобы люди не видели, как было построено здание. Естественно, такой взгляд на науку не способствовал лучшему пониманию его трудов коллегами-современниками.

Логическая структура подхода к математическим проблемам, предложенная Гауссом, в которой сначала формулируют результаты или теоремы, затем переходят к их доказательству и завершают выводами или следствиями, до сих пор остается обычным способом представления математических доказательств. Немецкий математик отказывался публиковать недоказанные результаты, и эта позиция определила переломный момент в подходе математиков к их науке. Хотя идея важности доказательства как необходимая составляющая научного процесса появилась еще в Древней Греции, до эпохи Гаусса всех намного больше интересовало применение научных открытий: если математика работала, никто особо не заботился о том, чтобы в строгой форме изложить, почему так происходит.

Когда Гаусс занялся арифметикой и теорией чисел, эти дисциплины состояли из множества разрозненных результатов, никак не связанных между собой. Ученый собрал существующие знания и объединил их в общую систему, указав на имеющиеся ошибки и исправив их. Он возвел математику XIX века на уровень, которого невозможно было достичь несколько лет назад, и поднял арифметику на вершину математики. Говоря его словами, «Математика — царица наук, а арифметика — царица математики».

Первым огромным результатом, полученным еще до того, как Гауссу исполнилось 19 лет, было открытие метода построения с помощью линейки и циркуля многоугольника с 17 сторонами (17-угольника). Построение правильных многоугольников волновало математиков со времен классической Греции, при этом результаты были нерегулярными, поэтому некоторые многоугольники (например, многоугольник с семью сторонами, или семиугольник) невозможно было построить точно: линейки и циркуля было недостаточно, а более совершенных приборов не существовало. Как писал сам Гаусс, который очень гордился этим открытием в течение всей жизни, «это абсолютно не связано со случайностью, поскольку это был плод усиленных размышлений. Еще не встав с кровати, я увидел очень четко всю эту связь, так что я тут же применил к 17-угольнику соответствующее числовое утверждение». Гаусс не только решил эту задачу, но и нашел общий способ разрешения вопроса, может ли многоугольник быть построен с помощью линейки и циркуля. В своем завещании Гаусс попросил, чтобы на его могильной плите выгравировали многоугольник с 17 сторонами, построенный по его методу. Однако этого не было сделано: резчик счел задачу слишком сложной.

Без сомнения, результат, который принес ученому славу среди его современников, — это вычисление орбиты Цереры, карликовой планеты, открытой в 1801 году Джузеппе Пиацци из Палермской обсерватории. Общее признание побудило Гаусса углубиться в астрономию, и он стал директором Гёттингенской обсерватории. Скорее всего, астрономические наблюдения отвлекли ученого от работы в области чистой математики, где было сложнее найти славу. Для математики определение орбиты Цереры может быть анекдотическим фактом, но метод, использованный для ее вычисления, существенно подтолкнул развитие науки. Это был метод наименьших квадратов. В этом случае большую важность имеет процесс, использованный для достижения результата, чем сам результат. Приписывание авторства этого метода Гауссу вызвало некоторую полемику, поскольку Адриен Мари Лежандр, который был на 25 лет старше Гаусса, также оспаривал первенство этого открытия. Соперничество с Лежандром длилось много лет и распространилось на многие области математики. Очень часто оказывалось, что если Лежандр утверждал, что открыл новую математическую истину, Гаусс опровергал это, аргументируя, что он знает ее и уже использовал этот результат. В письме Гаусса от 30 июля 1806 года коллеге-астроному по фамилии Шумахер, с которым их связывала большая дружба, ученый сетовал: «Похоже, что мне предназначено совпадать с Лежандром почти во всех своих теоретических работах». Такое соперничество встречалось очень часто и объяснялось методами работы и распространения результатов у ученых того времени. В течение всей своей жизни Гаусс упорно вступал в открытую борьбу за первенство своих открытий. И только после его смерти, когда были изучены все дневники и письма, стало ясно, что правда была на стороне Гаусса. В чем нет никаких сомнений, так это в том, что метод наименьших квадратов оказался очень полезным инструментом для разрешения многих проблем, в которых речь идет об установлении функции, наилучшим образом приближающейся к множеству данных с критерием минимизации. Наиболее важные примеры применения этого метода находятся в области статистики, где они достигают вершины в оценке параметров населения с помощью модели, построенной благодаря такому известному заключению, как теорема Гаусса — Маркова. Любопытно, что имя Гаусса в области статистики обычно связывают со знаменитым «гауссовым колоколом», однако на самом деле открытием нормального распределения мы обязаны Абрахаму де Муавру.

Гаусс очень рано подступился к так называемой основной теореме алгебры, в которой установлено, что у многочлена столько корней (то есть значений, при которых многочлен равен нулю), сколько показывает его степень. Эта проблема была темой диссертации ученого. В течение жизни он представил несколько доказательств этого результата, каждый раз все более утонченных и понятных. Как и в случае с открытием орбиты Цереры, во время поиска доказательств Гаусс выявил новые и очень полезные математические конструкции, такие как комплексные числа. В 1799 году ученый доказал, что основываясь на таком особом числе, как корень из -1 (или числе i), математики могут решить любое полиномиальное уравнение.

Числовой анализ и особенно изучение простых чисел, возможно, самая известная часть работы Гаусса, которой он посвятил больше всего времени. В молодости ученый получил в качестве подарка таблицу с несколькими миллиардами простых чисел. На его взгляд, эти числа шли беспорядочно. Когда Гаусс смотрел в числовые таблицы, он не мог определить никакого правила, которое показывало бы ему, на сколько единиц нужно продвинуться вперед, чтобы найти следующее простое число. Казалось, такого правила не существует. Гаусс не мог принять подобную идею: первичная потребность в жизни математика — это находить упорядоченные структуры, описывать и объяснять правила, лежащие в основе природы, и предвидеть, что произойдет в дальнейшем. Эта мысль, которая стала для него навязчивой, привела к формулировке некоторых великих гипотез распределения простых чисел и их нахождения с помощью математических процедур. Проблема нахождения простых чисел очень актуальна сегодня, поскольку на их свойствах основаны многие процессы шифрования информации.

С 1818 по 1832 год Гаусс руководил обширным проектом топографирования королевства Ганновер. Речь шла об огромной работе, включавшей, кроме научных, политические и военные составляющие. Гаусс не только являлся директором, но и участвовал в полевых работах, что отняло у него очень много времени, которое можно было посвятить математическим исследованиям более теоретического характера. С другой стороны, эта работа позволила Гауссу обнаружить новые типы геометрии, не основанные на аксиомах Евклида, и придать форму идеям, которые он вынашивал еще в студенческие годы. Работы по измерению Земли в рамках геодезии также дали ему возможность внести большой вклад в дифференциальную геометрию. В последние годы своей жизни, благодаря сотрудничеству с Вебером, ученый заинтересовался проблемами физики, особенно в области оптики, механики и электричества.

Влияние Гаусса на других математиков огромно: достаточно указать, что он был учителем Бернхарда Римана и Юлиуса Вильгельма Рихарда Дедекинда — великих математиков XIX века. Как уже было сказано ранее, он сделал значительный вклад во все области математики, как чистой, так и прикладной.

Кроме того, Гаусс занимает почетное место и среди физиков, поскольку его работы по магнетизму, оптике и геодезии входят в число самых значимых научных трудов той эпохи.

Все это свидетельствует о том, что титул короля математиков, полученный Гауссом посмертно и увековеченный по приказанию короля Георга V Ганноверского на памятной медали, не является преувеличением. По мнению математика и историка этой науки Эрика Темпла Белла, разделяемому большинством его коллег, Гаусс занимает на пьедестале великих математиков место рядом с Архимедом и Ньютоном.

1777 В Брауншвейге, Германия, родился Карл Фридрих Гаусс, единственный сын Гебхарда Дитриха Гаусса и Доротеи Бенце.

1784 Гаусс поступает в начальную школу в Брауншвейге. Его учителями становятся Бюттнер и Мартин Бартельс, которые видят способности мальчика и подвигают его их развивать.

1791 Гаусс представлен герцогу Брауншвейгскому, который станет в дальнейшем его покровителем.

1795 Гаусс оставляет Брауншвейг и поступает в Гёттингенский университет.

1796 Открывает метод построения многоугольника с 17 сторонами с помощью линейки и циркуля. После этого успеха решает посвятить себя математике как основному занятию.

1799 Представляет докторскую диссертацию в Хельмштедтском университете. В этой работе Гаусс предлагает первое доказательство основной теоремы алгебры.

1801 Публикует «Арифметические исследования» — свой самый большой вклад в теорию чисел. В этой работе ученый собирает исследования прошлых лет, в том числе связанные с модульной арифметикой, посвященные комплексным числам и квадратичному закону взаимности. Определяет орбиту Цереры методом наименьших квадратов.

1805 Женится на Иоганне Остгоф. В этом браке родится трое детей: Иосиф, Минна и Луи, умерший в возрасте несколько месяцев.

1809 Умирает первая жена Гаусса. Ученый публикует свою самую важную работу по астрономии — «Теорию движения небесных тел».

1810 Гаусс заключает второй брак, с Минной Вальдек, в котором также родится трое детей: Ойген, Вильгельм и Тереза. Этот брак длится до смерти Минны в 1831 году.

1818 Правительство Ганновера поручает Гауссу триангуляцию и измерение королевства. Ученый посвящает несколько лет геодезии.

1827 Публикует «Общие исследования о кривых поверхностях» — свою основную работу по дифференциальной геометрии, в которую включена Theorema egregium — основная теорема теории поверхностей.

1831 В Гёттинген переезжает Вебер, и начинается его плодотворное сотрудничество с Гауссом в области физики.

1849 Гаусс представляет новое доказательство основной теоремы алгебры в связи с 50-летием своей докторской диссертации.

1855 Ученый умирает во сне на рассвете, 23 февраля, в возрасте 77 лет.

ГЛАВА 1

Первые озарения гения чисел

Гаусс с самого юного возраста проявлял выдающиеся способности, привлекавшие внимание тех людей, которые помогли ему их развить. С самого начала своей научной карьеры он интересовался почти всеми областями математики. Однако его вклад в науку связан не только с великими открытиями, но и с самим понятием научной дисциплины, основанной на строгости доказательств.

Нам мало известно о детстве и юности Гаусса. Главный источник информации об этом периоде — сам ученый, рассказывавший истории о своем детстве студентам и друзьям.

Иоганн Фридрих Карл Гаусс родился в Брауншвейге, главном городе герцогства Брауншвейг-Вольфенбюттель, 30 апреля 1777 года. Он был единственным сыном Гебхарда Дитриха Гаусса, родившегося в 1744 году, и Доротеи Бенце. У его отца уже был сын от предыдущего брака. Гаусс никогда не использовал своего первого имени Иоганн и поменял местами следующие два: свои работы он подписывал как Карл Фридрих Гаусс и под этим именем и стал известен позже.

Дом Гауссов стоял на маленькой улице под названием Верденграбен. Позже его семья переехала в дом номер 30 по Вильгельмштрассе — улице, находившейся рядом с городским каналом, с которым связана одна из самых известных историй из детства математика. Когда ему было три или четыре года, мальчик упал в воду канала, но, к счастью, был сразу же спасен проходившим мимо крестьянином. Математическая наука в неоценимом долгу перед этим неизвестным человеком.

Родственники со стороны отца Гаусса были мелкими фермерами и переехали в Брауншвейг около 1740 года. Для семьи это означало надежду на процветание и лучшее будущее в то время, когда старый немецкий феодализм сменялся новым абсолютистским правительством. Однако процветание давалось нелегко: гильдии, которые с эпохи Средневековья контролировали деятельность ремесленников, сохранили свою власть и не допускали чужаков к активному предпринимательству Отец Гаусса поначалу был вынужден зарабатывать на жизнь как садовник, уличный мясник и бухгалтер в похоронном бюро. Семья поставила себе задачу приобрести собственный дом в черте города, что дало бы им доступ ко всем гражданским правам. Своей цели Гауссы достигли, однако через некоторое время после этого их мир перевернулся с ног на голову, и обычный уклад вновь был нарушен: Брауншвейг был завоеван войсками Наполеона.

Известно, что отец Гаусса был человеком резким, чрезвычайно порядочным, его строгость по отношению к сыну часто граничила с грубостью. Порядочность и упорство позволили Гауссу-старшему добиться некоторого бытового комфорта, но жизнь семьи не была легкой. Родитель не поддерживал стремление сына заниматься наукой и даже не понимал, как важно для него было получить образование, соответствующее способностям мальчика. Если бы мнение отца возобладало, талантливый юноша занялся бы одной из семейных профессий, и только ряд счастливых совпадений спас будущего математика от участи простого садовника или каменщика. В детстве Карл Фридрих был очень послушным. Он никогда не критиковал своего отца, но вполне ожидаемо, что и настоящей привязанности к нему не чувствовал. Гебхард Гаусс умер в 1806 году.

Семья матери ученого происходила из Фельпке, маленького города в Нижней Саксонии, рядом с Брауншвейгом. Доротея Бенце отличалась живым, веселым и сильным характером. Она умерла в очень почтенном возрасте — 97 лет, и последние 20 лет своей жизни прожила вместе с заботливым сыном в Гёттингене. Доротея всегда поддерживала сына в учебе и очень гордилась его научными достижениями. Рассказывают, что когда Вольфганг Бойяи (1775-1856), один из лучших друзей ученого, уверил ее, что Карл Фридрих войдет в историю как один из самых великих математиков, женщина расплакалась от радости.

Ни один из родителей ученого не получил более или менее приличного образования: отец едва умел читать и писать и немного знал элементарную арифметику. В старости Гаусс хвалился тем, что считать научился раньше, чем писать, а чтение освоил самостоятельно, разбирая по буквам письма от родственников и друзей семьи. Он сам рассказывал историю, которая говорит о его ранних математических способностях.

В три года, наблюдая за тем, как отец рассчитывает зарплату наемным работникам, мальчик заметил ошибку и сказал, каким должен быть результат. Гебхард пересчитал цифры и обнаружил, что сын прав. Это тем более удивительно, учитывая, что малыша никто не учил числам и тем более сложению. Мать Гаусса с трудом читала, а писать не умела вовсе, но при этом ученый никогда не чувствовал особой близости к отцу и всю жизнь утверждал, что унаследовал свои способности от матери.

Не знание, а процесс обучения, и не обладание, а ощущение того, что ты пришел к чему-то, доставляют наибольшее наслаждение.

Карл Фридрих Гаусс

Наиболее достоверная информация о немецком математике начинается с 1784 года, когда юный Карл поступил в начальную школу. В те времена это не было обычным занятием для детей, но в городе встречалось все же чаще, чем в селах, так что в этом смысле Гауссу очень повезло. Повезло ему и в другом: мальчик встретил необычайно талантливого учителя, который опекал его в первые годы обучения. Заслуга Бюттнера в том, что он вовремя заметил огромный талант Гаусса и выделял его среди более чем 50 одноклассников. В 1786 году учитель за свой счет даже запросил из Гамбурга специальные арифметические тексты для выдающегося воспитанника. Ассистентом Бюттнера в те годы работал Мартин Бартельс (1769-1836), который был всего на восемь лет старше Карла Фридриха. Позже Бартельс стал преподавателем математики в Казанском университете. Он также быстро заметил гениальность Гаусса и уделял мальчику пристальное внимание. Можно сказать, что они учились вместе, помогая друг другу расшифровывать учебники по алгебре и элементарному анализу. В те годы и начали зарождаться некоторые идеи и способы видения математики, ставшие позже характерными для Гаусса. Из учебников Бартельса юноша узнал о биноме Ньютона для нецелых показателей и бесконечных рядах, в эти же годы он сделал первые шаги в математическом анализе. Любопытно, что в Казанском университете Бартельс преподавал Николаю Лобачевскому (1792-1856), который впоследствии занялся разработкой неевклидовой геометрии — области, основоположником которой был именно Гаусс.

УЛУЧШАЯ РЕЗУЛЬТАТЫ НЬЮТОНА

В сотрудничестве со своим учителем Мартином Бартельсом молодой Гаусс получил новое доказательство бинома Ньютона с натуральными коэффициентами, то есть формулу, которая позволяет вычислить степень двучлена:

где

Это число сочетаний n по k, а n! = Πni-1i называется факториалом числа, и он равен произведению этого числа на все натуральные числа меньше него.

АРИФМЕТИКА С САМЫХ РАННИХ ЛЕТ

Известна история, из которой видно, насколько легко давались Гауссу арифметические вычисления. Когда мальчику было девять лет, учитель Бюттнер предложил своим ученикам сложить сто первых натуральных чисел, будучи уверенным в том, что это займет класс достаточно долго, а он в это время сможет отдохнуть. Обычно ученики, решив задачу, вставали и клали доску с решением перед учителем. И вот в то время как остальные ученики едва приступили к заданию, Гаусс уже положил свою доску на стол учителя, воскликнув: Ligget se! («Вот оно!»). Бюттнер подумал, что Гаусс просто дерзит ему, но когда он посмотрел на доску, то обнаружил, что на ней записан правильный ответ — 5050, причем не было приведено ни одного этапа вычислений. Учитель подумал, что каким-то образом проговорился об ответе, но тут юный Карл объяснил ход своих рассуждений. Гаусс не стал решать проблему в лоб, просто складывая слагаемые (к тому же при этом легко было допустить ошибку), а предпочел нестандартный подход. Он быстро понял, что первое число (1) и последнее (100) в сумме дают то же самое значение (101), что второе число и предпоследнее, и это рассуждение можно продолжить, то есть 1 + 100 = 2 + 99 = 3 + 98 = ... = 50 + 51 = 101. Образовались 50 пар чисел, которые в сумме давали 101 и произведение которых было равно 5050.

Гаусс, сам того не понимая, применил формулу суммы членов арифметической прогрессии. Арифметическая прогрессия — это ряд таких чисел, в котором разность между двумя любыми последовательными членами является постоянной, и эта величина называется разностью прогрессии, просто разностью или шагом. В проблеме, предложенной Гауссу, разность была равна 1. Выражение суммы арифметической прогрессии довольное простое: если члены нашей последовательности — это a_1 а_2,..., аn, то сумма Sn равна:

Для суммы n первых натуральных чисел Tn равно:

Если мы подставим в предыдущую формулу n= 100, то получим 5050, чего и следовало ожидать.

Доказательство формулы можно получить разными методами, одни из них интуитивны, например использование пар чисел с одинаковой суммой, как это сделал Гаусс, но в более формальном доказательстве обычно используется принцип индукции. Этот метод заключается в том, чтобы доказать, что натуральное число п обладает определенными свойствами, а затем обосновать, что если ими обладает любое натуральное число, то же происходит и со следующим.

Сила математического доказательства в том, что мы можем утверждать: эта формула верна для суммы любого ряда натуральных чисел. Если бы мы использовали для вычислений самые быстрые современные компьютеры и увидели бы, что формула выполняется, это не дало бы нам абсолютной уверенности: всегда можно было бы подумать, что остались числа, для которых наше утверждение не проверено, и с ними оно может не выполняться. В этом и заключается один из главных вкладов Гаусса в науку: утверждения должны иметь строгое доказательство. До его работ в математике было много созерцательного, утверждения основывались на конкретных примерах, существовали понятийные белые пятна и неполные доказательства. Однако Гаусс не публиковал свои работы, пока не получал как можно более строгого доказательства, при этом в своих записях он обычно не приводил полный ход рассуждений и этим затруднял их понимание для современников. Представление ученого о математических трудах требовало доведения их до совершенства, при этом он считал, что приведение подробных доказательств делает его работу не такой безупречной, ведь ее можно сравнить с демонстрацией готового здания, рядом с которым все еще стоят строительные леса, необходимые только на этапе строительства.

ПРИНЦИП ИНДУКЦИИ

Принцип индукции, примененный к доказательству формулы суммы л натуральных чисел, имеет три следующие базовые предпосылки:

a) проверяем справедливость нашей гипотезы для n = 1;

b) предполагаем, что она верна для n - 1;

c) основываясь на «а» и «b», доказываем это для n.

Если нам удастся доказать «с», пользуясь «а» и «b», то утверждение верно для всех натуральных чисел. Идея состоит в том, что если утверждение справедливо для любого выбранного числа, то оно справедливо и для следующего, большего на единицу. Применим принцип индукции к формуле суммы первых n натуральных чисел:

Tn = n(n=1)/2.

a) Для n = 1 получается:

T1 = 1(1=1)/2 = 1

Утверждение верно.

b) Предположим, что для n - 1 сумма равна:

Tn-1 = (n-1)/2.

c) Сумма Тn = Тn-1 + n, так что, применяя «b», получаем:

Tn = (n-1)n/2 + n = (n-1)n/2 + 2n/2 = ((n-1)n + 2n)/2 = (n²-n+2n)/2 = (n²+n)/2 = n(n+1)/2.

что завершает доказательство.

ТРЕУГОЛЬНЫЕ ЧИСЛА

История о сумме 100 первых натуральных чисел и общая формула, которую мы доказали, необходимы для введения в тему, которой Гаусс посвятил много времени в молодости. Итак, поговорим о треугольных числах. Британский математик Маркус дю Сотой включил в свою книгу «Музыка простых чисел» (2003) новое доказательство способа, которым Гаусс получил результат 5050, используя треугольные числа.

Треугольное число — это число, количество единиц которого может быть представлено в форме равностороннего треугольника (по умолчанию было решено, что первое треугольное число — 1). Понятие треугольного числа было введено Пифагором, который изучил некоторые их свойства (пифагорейцев очень интересовали эстетические свойства чисел). На рисунке показаны шесть первых треугольных чисел.

Если внимательно посмотреть на первые треугольные числа, можно увидеть, что они совпадают со значением ряда Tn суммы п первых натуральных чисел. Очевидно, что это не случайность, поскольку при построении треугольного числа в каждом ряду на один элемент больше, чем в предыдущем, и первый ряд начинается с 1. Следовательно, узнать, является ли какое-либо число треугольным, равносильно тому, чтобы проверить, совпадает ли это число со значением Tn для некоторого n. Итак, каждое треугольное число Tn определяется следующей формулой:

Tn = n(n+1)/2.

Треугольное число — это число,которое можно представить в виде треугольника. Здесь указаны шесть первых таких чисел. Гаусс открыл, что любое целое положительное число может быть представлено в виде суммы, самое большее, трех треугольных чисел.

Проблема суммы, предложенная Гауссу, была равносильной тому, чтобы вычислить треугольное число, ряд основания которого был бы равен 100. Лучший способ сделать это, не вдаваясь в математические дебри, это взять другой равный треугольник, перевернуть его и поместить рядом с первым. В этом случае у нас получится прямоугольник в 100 единиц длиной и 101 шириной. Чтобы трансформация была понятной, предварительно нужно заменить равносторонние треугольники прямоугольными, просто передвинув ряды. Когда мы получили прямоугольник, вычислить общее число единиц очень просто, поскольку речь идет о произведении его сторон: 100 х 101 = 10100. Следовательно, один треугольник содержит половину единиц, то есть 5050. Следующий рисунок помогает понять построение прямоугольника на основе двух равных треугольных чисел. Ради компактности будем работать с Т_3 вместо Т_100, поскольку это не влияет на ход рассуждений. Обозначим через X единицы первого треугольного числа и через Z — единицы второго.

Как мы видим, получается прямоугольник 4x3, что и следовало ожидать. В целом сумма двух треугольных чисел Tn порождает прямоугольник n · (n + 1), так что для того, чтобы узнать число элементов Tn, достаточно разделить его на 2 — то есть снова получить, уже в результате других рассуждений, формулу построения треугольных чисел:

Tn = n(n+1)/2.

Сложно сказать точно, какое из этих двух рассуждений применил юный Гаусс. Мальчик с раннего возраста проявлял интерес к треугольным числам и их свойствам, поэтому, возможно, он понял, что требуется вычислить треугольное число с основанием в 100 единиц. Так, в его математическом дневнике есть запись от 18 июля 1796 года: «Эврика! num = Δ + Δ + Δ», что в переводе с зашифрованного языка Гаусса означает одну из его самых известных теорем, в которой утверждается, что любое целое положительное число может быть представлено в виде суммы самое большее трех треугольных чисел. Следует обратить внимание: эта теорема не предполагает, что треугольные числа должны быть разными и что их обязательно должно быть три (например, 20 = 10 + 10). Три — это лишь максимальное число треугольных чисел, но может быть достаточно и двух, а если искомое число само треугольное, то для его представления достаточно одного числа — его самого. Радость от открытия была более чем оправданной. Молодой Гаусс ответил на один из вызовов старого Ферма (1601-1665). И это был не просто вызов... Даже великий Леонард Эйлер (1707-1783) не смог справиться с этой задачей. Далее мы поговорим о Ферма и Эйлере более подробно, потому что в их работах снова появятся связи с трудами Гаусса — первого человека в истории, который ответил на одну из знаменитых гипотез Ферма. В математике гипотеза — это просто результат, который, похоже, является верным, но который не удалось доказать в строгом аналитическом виде, и при этом для него не был найден и опровергающий контрпример.

Этот результат был опубликован Гауссом только в 1801 году в книге «Арифметические исследования». Ученый не публиковал свои открытия сразу после их совершения, а ждал несколько лет, пока у него не накопится достаточно материала для издания целой книги. Эта его манера стала источником споров о первенстве Гаусса относительно некоторых математических открытий. Действительно, существуют результаты, которые он нашел первым, но сохранил в тайне, и опубликованы они были другими математиками. Конечно, это не означает, что открытия Гаусса были украдены, просто другие ученые приходили к похожим или таким же выводам независимо от героя нашей книги и ничего не зная о его успехах. Многие из этих споров оставались нерешенными долгие годы, пока не появилась возможность изучить всю переписку и научные записи Гаусса.

Теорема о треугольных числах напоминает знаменитую гипотезу Гольдбаха, сформулированную Кристианом Гольдбахом (1690-1764). В ней утверждается, что любое четное натуральное число, большее 2, может быть выражено в качестве суммы двух простых чисел. А это означает, что любое нечетное число, большее 5, может быть выражено в качестве суммы трех или меньше простых, поскольку если оно само по себе не простое, достаточно сложить простое число 3 и четное число, меньшее этого числа на три единицы. Однако Гауссу удалось доказать свой результат, в то время как гипотеза Гольдбаха все еще не доказана в строгом виде. Этот пример объясняет, почему в математике придается такое значение доказательству. Гипотеза Гольдбаха была проверена для всех чисел, меньших 10^14 (числа невообразимой величины), но она не принята в качестве математического результата и так и не стала теоремой, оставаясь простой гипотезой.

АКАДЕМИЧЕСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ ГАУССА

В 1788 году, в возрасте 11 лет, Гаусс с помощью своего наставника Бюттнера, несмотря на все сопротивление отца, поступил в гимназию св. Катарины. Благодаря усилиям матери и дяди со стороны отца удалось убедить Гебхарда отказаться от помощи сына и позволить ему получить дальнейшее образование. Программа обучения в новой школе была более упорядоченной, а число учеников в классе — небольшим. Карл изучал латынь и греческий, что было необходимым требованием для получения высшего образования и академической карьеры. Латынь в то время была международным языком науки. Через два года Гаусс достиг высшей ступени среднего образования.

В эти же годы слава о юноше распространилась в образованных кругах Брауншвейга-Вольфенбюттеля и наконец достигла ушей герцога Карла Вильгельма Фердинанда (1735-1806), которому Гаусс и был представлен в 1791 году. Титул герцога Брауншвейгского начиная с 1235 года получали представители династии Вельфов, управлявшие небольшими территориями на северо-западе Германии. Титул переходил по мужской линии, поскольку в это время действовал салический закон, запрещающий женщинам наследовать власть. Молодой Гаусс произвел на герцога столь сильное впечатление, что тот назначил юноше годовую стипендию для продолжения обучения. Подобное меценатство не было обычным для того времени и в таком маленьком государстве, как Брауншвейг, и оно позволило Гауссу преодолеть социальные барьеры, стоявшие перед ним из-за его происхождения. Следует отметить, что этот великий математик никогда не достиг бы таких успехов без помощи людей, заинтересованных в развитии его огромного таланта. Важную помощь он получил также от Циммермана (1743-1815), преподавателя закрытой школы «Коллегия Карла» (Collegium Carolinum) и советника герцога, который и настоял на помощи мецената молодому и талантливому юноше. Гаусс пользовался поддержкой герцога до 1806 года, пока его благодетель не погиб от ран, полученных в битве при Йене, где французские войска разгромили Пруссию и ее союзников, в числе которых было и государство Брауншвейг. Через год после смерти герцога Гаусс был назначен директором Гёттингенской обсерватории и благодаря этому смог получить средства для существования. Итак, с помощью Циммермана Гаусс стал студентом Коллегии Карла, где учился с 1792 по 1795 год. Дружба между Гауссом и Циммерманом длилась до смерти последнего в июле 1815 года.

Такие учебные заведения, как Коллегия Карла, не были редкостью в Германии, стране, которая на тот момент была образована несколькими независимыми государствами. Они представляли собой промежуточный этап между гимназиями, в которых дети получали элементарное образование, и университетами. В таких школах получали базовое образование будущие военные, архитекторы, инженеры, механики и коммерсанты. На этом же этапе происходила и специализация учеников в разных областях. Здесь изучали древние и современные языки, христианскую мораль и догматику, философию, историю и литературу, статистику, законы, математику, физику и естественную историю. Также в программе присутствовали занятия по рисованию и другим дисциплинам, развивающим творческие способности учащихся. Привилегированные закрытые школы стали примером новаторского подхода к образованию: здесь преподаватели старались сформировать личность, а не только давать знания. Это были элитные учебные заведения, в которых получили образование многие известные писатели и ученые конца XVIII — начала XIX века. Публичное образование в Брауншвейге было одной из сфер, в которой прогресс был наиболее очевидным, и судьба Гаусса — пример того, как человек простого происхождения мог получить в то время высшее образование.

Портрет Гаусса, написанный около 1803 года, когда великому немецкому гению было 26 лет. Это был самый плодотворный этап деятельности великого математика. За два года до этого он опубликовал свою первую великую работу, «Арифметические исследования».

Особого упоминания заслуживает библиотека Коллегии Карла с прекрасной подборкой классической математической литературы. Гаусс учился в Коллегии до 1795 года. Он изучал классические языки, литературу, философию и, естественно, высшую математику, демонстрируя блестящие успехи во всех областях. Среди математических книг, которые он штудировал в то время, были «Математические начала» Ньютона (1642— 1727), «Искусство предположений» Якоба Бернулли (1654— 1705), работы Лагранжа (1736-1813) и некоторые мемуары Эйлера. Особенно привлекали будущего ученого работы Ньютона, которого он считал математическим гением и примером для подражания.

В Коллегии Карла Гаусс начал некоторые математические исследования, связанные с распределением простых чисел и основами геометрии. Прогресс ученого, должно быть, удовлетворял герцога, который из года в год увеличивал финансовую поддержку.

Осенью 1795 года, в возрасте 18 лет, Гаусс оставил родной Брауншвейг и переехал в Гёттинген, маленький ганноверский город, известный благодаря своему университету.

Юноша отправился в путешествие вопреки желанию герцога Брауншвейгского, который хотел, чтобы его подопечный продолжал обучение в местном университете в Хельмштедте. Но несмотря на это меценат продолжил оказывать Гауссу финансовую поддержку. Гёттингенский университет носил имя Георга Августа — в честь короля Англии Георга II, который также был курфюрстом Ганновера. Храм наук был задуман по модели Оксфорда и Кембриджа, что означало большую независимость от церковного влияния и лучшее качество образования. Гаусс получил свободу в своих академических обязанностях и мог самостоятельно выбирать предметы и наставников, что было очень благоприятно для его образования.

ГЁТТИНГЕН

Гёттинген (нем. Gottingen) впервые упомянут как Gutingi в документе императора Священной Римской империи Оттона I. К началу XIII века Гёттинген уже обладал правами города. С 1584 года он принадлежал княжеству Брауншвейг-Вольфенбюттель, а в 1692 году перешел в подчинение княжеству Ганновер. Поскольку королева Великобритании Анна умерла, не оставив наследников, в 1714 году представитель ганноверской династии стал королем Великобритании под именем Георга I. С этого времени и до 1837 года интересы Ганновера и Великобритании совпадали, за исключением периода наполеоновских войн. В 1806 году княжество некоторое время находилось под контролем Пруссии, а в 1807-м вошло в состав королевства Вестфалия, созданного Наполеоном. Эти территориальные изменения были отменены после разгрома Наполеона, и в 1813 году Гёттинген вернулся под контроль Ганновера, ставшего в 1814 году королевством. Не считая этого периода, город, в котором поселился Гаусс, жил спокойной жизнью за средневековыми стенами. В эти годы в программе обучения университета преобладала теология, но к моменту назначения Гаусса преподавателем астрономии и директором городской обсерватории в 1807 году главными дисциплинами уже стали научные. Не стоит и говорить, что благодаря Гауссу этот университет получил широкую известность и привлекал студентов и ученых.

Слушатели Гёттингенского университета, где Гаусс учился, а затем был преподавателем. Гравюра по дереву на основе рисунка Роберта Гайсслера (1865).

Главным преподавателем математики в университете был 76-летний Готхельф Абрахам Кестнер (1719-1800), но так как он не посвящал себя математическим исследованиям, то так и не стал для Гаусса примером для подражания. В университете юноша завел знакомство со многими преподавателями, среди которых следует упомянуть физика Георга Лихтенберга (1742— 1799), астронома Карла Сейфера (1762-1822) и лингвиста Христиана Готлиба Гейне (1729-1812). Друзей среди студентов у Гаусса было немного, и одним из них стал Вольфганг фон Бойяи, дворянин из Трансильвании — провинции со значительной долей немецкого населения. Самый важный результат этой дружбы — переписка Гаусса и Бойяи, которая длилась больше 50 лет. Началась она в 1799 году, когда Гаусс покинул Гёттинген, и завершилась в 1853 году, за два года до смерти ученого.

Гаусс говорил о Бойяи: «Он был самым сложным по духу из тех, кого я когда-либо знал». Бойяи рассказывал об этой дружбе более подробно: «Нас объединяли страсть к математике и наши мысли, и мы гуляли долгие часы в тишине, каждый занятый собственными размышлениями».

Бойяи был единственным, кто смог понять мои метафизические критерии математики.

Карл Фридрих Гаусс о своем друге Вольфганге Бойяи

В течение трех лет в Гёттингене Гаусс совершенно самостоятельно формировал свою образовательную программу. В конце 1798 года он по неясным причинам покинул университет, но к этому времени уже успел разработать наиболее важные математические идеи, которые будут публиковаться в течение следующих 25 лет. Гаусс оставил Гёттинген, не получив диплома. Из его переписки с Бойяи мы знаем, что по просьбе герцога Брауншвейгского ученый в 1799 году послал свою докторскую диссертацию в Хельмштедтский университет. Степень была предоставлена ему заочно, без обычного устного экзамена.

ФАРКАШ БОЙЯИ

Этот венгерский математик известен в Германии как Вольфганг Бойяи (1775-1856), и ему принадлежат в основном работы в области геометрии.

Главный труд Бойяи озаглавлен Tentamen iuventutem studiosam en elementa matheosos introducendi, и в нем прослеживается попытка ученого придать строгую и систематическую базу геометрии, арифметике, алгебре и анализу. В своей работе он изложил повторяющиеся процессы для решения уравнений. Проблема повторяющихся процессов в решении математических задач состоит в следующем: не всегда можно гарантировать, что число повторений будет конечным; когда метод может гарантировать это, говорят, что он сходящийся. Процедуры, описанные Бойяи, были именно такими. Другое важное значение его работы состоит в том, что она включала определение равенства двух плоских фигур, если обе они могут быть поделены на конечное число эквивалентных частей, что отражено в теореме Бойяи — Гервина. Сыном Вольфганга был Янош Бойяи, также математик, сфера интересов которого лежала в области неевклидовой геометрии. Гаусс признавал, что многими своими идеями в области геометрии он обязан именно Бойяи, с которым мог обсудить их и улучшить.

ПОСТРОЕНИЕ ПРАВИЛЬНОГО МНОГОУГОЛЬНИКА С 17 СТОРОНАМИ С ПОМОЩЬЮ ЛИНЕЙКИ И ЦИРКУЛЯ

Со времени прибытия в Гёттинген молодой Гаусс продолжил свои исследования о числах, начатые в Коллегии. Без сомнения, именно в ходе этих исследований, а не благодаря занятиям у Кестнера в Брауншвейге он сделал открытие, ставшее ключевым не только для карьеры математика, но и для будущего науки. Речь о методе построения правильного многоугольника с 17 сторонами с помощью линейки и циркуля.

НАУЧНЫЙ ДНЕВНИК ГАУССА И ЕГО ТОЛКОВАНИЕ

Благодаря построению 17-угольника в 1796 году Гаусс понял, что может извлечь больше пользы из своего таланта, занимаясь математикой, а не философией. Осознавая важность своего открытия, которое решало одну из проблем построения с помощью линейки и циркуля — проблему, очень долго волновавшую математиков, — он написал об этом в своем небольшом дневнике. Эта запись стала первой в одном из самых интересных математических документов в истории науки. Последняя запись сделана 9 июля 1814 года. Дневник Гаусса — это всего 19 страниц, на которых содержится 146 коротких записей с открытиями или результатами вычислений. Содержание записей ученого стало известно только в 1898 году, через 43 года после смерти Гаусса, когда Королевское сообщество Гёттингена попросило внука математика предоставить дневник для изучения. Так стали известны большинство результатов, полученных Гауссом, и были разрешены многие споры об авторстве математических открытий. Дневник позволял ученому быстро записывать идеи, которые у него появлялись. Гаусс записывал конечный результат, без его строгого доказательства, причем даже сама формулировка требовала определенной расшифровки. Ученый вел дневник для себя, поэтому прибегал в записи к аббревиатурам, значение которых знал только он, и не всегда использовал математические обозначения. Большинство записей удалось расшифровать, поскольку результаты, к которым они относятся, Гаусс позже опубликовал в более формальном виде (например, записи, относящиеся к треугольным числам, к методу наименьших квадратов или дифференциальной геометрии). Теорема, относящаяся к треугольным числам, имеет в дневнике следующий вид:

ΕΥΡΗΚΑ! num = Δ + Δ + Δ.

Этот результат Гаусс опубликовал позже в книге «Арифметические исследования» в 1801 году в такой формулировке: любое число может быть записано в качестве суммы, самое большее, трех треугольных чисел. Но есть настолько зашифрованные записи, что их так и не удалось понять. Гаусс записал 11 октября 1796 года: Vicimus GEGAN («Мы победили дракона»). До сих пор неясно, что за дракона он имел в виду. Ученый пишет 8 апреля 1799: REV. GALEN в прямоугольнике, и эту запись не удается связать ни с одним из известных результатов Гаусса.

Важность этого открытия для математики заключается в том, что именно благодаря ему Гаусс решил посвятить себя этой науке. На следующий день, 30 марта, ровно за месяц до 19-летия, юноша сделал свою первую запись в самом важном научном дневнике за всю историю математики. В этот дневник попадет большинство математических открытий XIX века, но некоторые результаты Гаусса за наиболее плодотворный период между 1796 и 1814 годами в него не вошли. Благодаря многим записям удалось установить первенство математика в ряде областей, хотя некоторые его современники отказывались верить в то, что он их опередил. Запись от 19 марта 1797 года доказывает, что Гаусс открыл двойную периодичность некоторых эллиптических функций. Эллиптические функции, то есть обобщение таких тригонометрических функций, как синус и косинус, были интересны в связи с вычислением размера дуги эллипса (отсюда их название), что, в свою очередь, оказалось очень важным для астрономических расчетов. Гауссу в это время было 20 лет. Другая запись доказывает, что немецкий математик обнаружил двойную периодичность в общем случае — только одно это открытие, если бы оно было опубликовано, тут же принесло бы ему мировую известность.

Многие другие записи, которые на несколько десятилетий оказались сокрытыми в этом дневнике от всех, будучи опубликованными, возвысили бы полдюжины математиков. Некоторые открытия Гаусса не были опубликованы в течение его жизни, но он не претендовал на первенство, обнаружив, что его открытия заново сделаны другими авторами, поскольку был слишком гордым, чтобы вступать в споры такого рода. Говоря о себе, Гаусс замечал, что вел научные исследования только в ответ на собственные природные устремления, а публикация результатов и приобщение к ним других людей для него всегда имели второстепенное значение.

Гаусс случайно сообщил одному из своих друзей идею, которая может объяснить как существование его дневника, так и медлительность в публикации новых результатов. Ученый утверждал, что когда ему было 20 лет, то количество новых идей, приходивших ему в голову, было таким, что он едва успевал записывать их в полном виде, и у него для таких записей было очень мало времени, поэтому в дневнике содержится только краткое изложение результатов сложных исследований, которые порой продолжались по нескольку недель. В молодости Гаусс восхищался рядом синтетических доказательств, объединявших идеи Архимеда и Ньютона, и он решил следовать великому примеру этих гигантов и оставлять только совершенные и законченные работы, к которым нельзя ничего добавить и от которых нельзя ничего отнять, не изменив их. Работа сама по себе должна быть законченной, простой и убедительной, такой, чтобы нельзя было найти какого-либо знака, указывавшего на труды, которых она стоила. Собор, говорил математик, не собор, пока не разобраны последние леса. Стремясь к этому идеалу, Гаусс предпочитал долго отполировывать свой шедевр, вместо того чтобы публиковать полный ход своих рассуждений, что он очень легко мог бы сделать. На личной печати ученого изображено дерево с небольшим количеством фруктов и девиз Pauca sed matura («Мало, но спелые»). И эти слова в точности отражали мнение Гаусса относительно научных публикаций. Как мы позже увидим, дневник помог разрешить некоторые споры, в частности возникшие с Лежандром.

Построение с помощью линейки и циркуля, до этого много раз описанное в математических работах, состоит в том, чтобы строить точки, отрезки и углы, пользуясь исключительно идеальными линейкой и циркулем. Предполагается, что линейка имеет бесконечную длину и лишена делений, позволяющих измерять и переносить расстояния, а циркуль закрывается каждый раз, поднявшись над листом бумаги, так что его также невозможно использовать для переноса расстояний, поскольку он «забывает» о расстоянии между точками, как только перестает чертить окружность. Это правило построений было введено еще древнегреческими геометрами, и с тех пор оно осталось неизменным. Ограничение для циркуля кажется очень неудобным для современных циркулей, но на самом деле не предполагает серьезных неудобств, потому что перенос расстояний можно осуществить непрямым способом, хотя и с помощью большего количества шагов. Благодаря этому правилу построение шестиугольника с помощью линейки и циркуля кажется тривиальным (поскольку каждая окружность содержит вписанный шестиугольник со стороной, равной радиусу окружности), но требует больше работы, чем могло бы показаться.

Построение шестиугольника с помощью линейки и циркуля по описанным ранее правилам показано на рисунке.

Проведем две параллельные вертикальные прямые и третью, перпендикулярную им. Проведем окружности радиусом АВ с центрами в точках А и В. Возьмем одну из точек пересечения, например О. Это центр шестиугольника. Теперь проведем окружность с центром в точке О и радиусом ОА. Получаем точки Р и Q в местах пересечения с предыдущими окружностями и точки R и S в местах пересечения вертикальных прямых с окружностью, которую мы только что провели. Соединив вершины, получаем искомый правильный шестиугольник.

Построение шестиугольника с помощью идеальных линейки и циркуля, по традиции древних греков. Гаусса привлекло построение этих фигур, и в 19 лет он доказал, что таким образом можно нарисовать правильный многоугольник с 17 сторонами.

После того как мы определили правила, сформулированные древними греками, возникает вопрос: можно ли построить с помощью линейки и циркуля любой правильный многоугольник? Это зависит от того, о каком многоугольнике мы говорим. На основе построения шестиугольника тривиальным является построение равностороннего треугольника, поскольку для этого нужно лишь соединить чередующиеся вершины. Другая классическая проблема построений с помощью линейки и циркуля заключается в том, чтобы провести биссектрису угла. Сочетая эти два процесса, мы можем утверждать, что можно построить, по крайней мере в теории, все правильные многоугольники с числом сторон 3 х 2n, где n — натуральное число. Так, для n = 2 мы получаем 12-угольник, или многоугольник с 12 сторонами, а для n = 3 — многоугольник с 24 сторонами, и так мы можем продолжать, просто увеличивая п. Это решение очень далеко от общего ответа на вопрос. И мы увидим, что это частный случай предложенного Гауссом решения.

Греки нашли решение для пятиугольника, но общую проблему это не устранило, поскольку не был найден метод построения многоугольника с семью сторонами (а также других многоугольников с количеством сторон меньше 20). Более того, даже не было известно, существуют ли такие методы. Гаусс заинтересовался проблемой и нашел метод построения 17-угольника. Много лет спустя он будет вспоминать этот момент в письме Герлингу от 6 января 1819 года:

«Это произошло 29 марта 1796 года, во время каникул в Брауншвейге, и это абсолютно не было случайным, поскольку это был плод усиленных размышлений; утром этого дня, еще не встав с кровати, я увидел очень четко всю эту связь, так что я тут же применил к 17-угольнику соответствующее числовое утверждение».

Именно это открытие окончательно убедило юношу в том, что он должен посвятить себя математике. Кроме того, Гаусс включил этот результат в раздел VII «Арифметических исследований», о которых мы поговорим далее. Возможно, именно из-за того большого значения, которое открытие сыграло в жизни математика, он попросил выгравировать 17-угольник на своей могиле. К сожалению, каменщик, которому это поручили, не справился с работой и в итоге выгравировал 17-конечную звезду. На нынешней могиле Гаусса 17-угольника также нет.

Гаусс не только нашел способ построения 17-угольника, но и попытался ответить на основной вопрос: возможно ли построение любого правильного многоугольника с помощью линейки и циркуля. Эта задача тесно связана с проблемой деления окружности, которая также занимала Гаусса и рассматривая которую он получил некоторые результаты. В 1801 году ученый доказал, что правильный многоугольник с п сторонами можно построить с помощью линейки и циркуля, пользуясь так называемыми простыми числами Ферма (или числами Ферма).

ПЬЕР ДЕ ФЕРМА

Ферма (1601-1665) — французский юрист и математик, которого Белл назвал королем математиков-любителей. Этим прозвищем Ферма обязан тому, что никогда не посвящал себя исключительно данной науке, которую считал скорее хобби, однако именно Ферма, наряду с Рене Декартом (1596-1650), был одним из основных математиков первой половины XVII века. Он внес значительный вклад в теорию чисел, которой начал интересоваться после прочтения «Арифметики» Диофанта. На полях одной из страниц именно этого произведения он записал знаменитую теорему, ставшую известной как «последняя теорема Ферма», что не совсем правильно, поскольку речь идет только о гипотезе. В этой гипотезе утверждалось, что не существует таких целых чисел х, у, z, что можно было бы составить уравнение хn + уn = zn при n >= 3. Очевидно, что для n = 2 это действительно возможно, достаточно взять З² + 4² = 5². Гаусс никогда не занимался последней теоремой Ферма, и на это были свои причины. В 1816 году Парижская академия предложила премию за доказательство (или опровержение) гипотезы Ферма. Ольберс, немецкий астроном, друг Гаусса, уговаривал математика поучаствовать в конкурсе («Мне кажется справедливым, дорогой Гаусс, чтобы Вы занялись этим»), но ученый устоял перед искушением. Ответ математик дал лишь два месяца спустя, и в нем он изложил свое мнение о последней теореме Ферма. «Я очень благодарен Вам за новости относительно Парижской премии, но признаю, что теорема Ферма в изолированном виде представляет очень небольшой интерес для меня, поскольку я легко могу найти множество подобных утверждений, которые невозможно ни доказать, ни опровергнуть». Знаменитое высказывание Ферма было полностью доказано только в 1995 году британским ученым Эндрю Уайлсом.

Числа Ферма, названные так в честь Пьера де Ферма — первого, кто их изучал, — имеют следующий вид:

Fn = 2²n+1,

где n — натуральное число.

Ферма определил такие простые числа с намерением, очень далеким от того, чтобы решать задачи построения многоугольников с помощью линейки и циркуля (а на самом деле удалось доказать, что не все числа такого вида простые).

Гаусс показал, что для построения правильного многоугольника с n сторонами с помощью линейки и циркуля необходимо, чтобы нечетные простые множители n были различными простыми числами Ферма. То есть правильный многоугольник можно построить, если число его сторон — это степень числа 2, простое число Ферма или произведение некоторой степени числа 2 (включая единицу) и различных простых чисел Ферма. Это то, что в математике известно как достаточное условие. Итак, если многоугольник имеет форму, определенную Гауссом, его можно построить. Естественным образом возникает вопрос, является ли это также необходимым условием. То есть нужно проверить, только ли такие многоугольники можно построить с помощью линейки и циркуля.

Пьер Ванцель, французский математик, в 1837 году доказал, что условие Гаусса является необходимым, и это превратило теорему в полное описание правильных многоугольников, которые можно построить с помощью линейки и циркуля. Математики называют такие условия тогда и только тогда. То есть у нас полностью определены правильные многоугольники, которые мы можем построить с помощью линейки и циркуля. Так, треугольник (3 = 2²^0 +1), квадрат (4 = 2²^1 ), пятиугольник (5 = 2²^1 +1) и шестиугольник (6 = 2-(2²^0 +1)) можно построить с помощью линейки и циркуля, а правильный семиугольник (7 =/= 2²n + 1 Vn) нельзя. Далее, правильный восьмиугольник (8 = 2³) можно построить, а правильный девятиугольник (9 = 3² =/= 2²n +1 Vn) — нет· Очевидно, что многоугольник с 17 сторонами, построенный Гауссом, — это пример многоугольников, в которых число сторон точно совпадает с одним из чисел Ферма, так как F_2 = 2²^2 +1 = 17.

Но это не означает, что нет людей, которые посвящали бы свое время и энергию безуспешному нахождению способов построения семиугольников или других фигур, что, как доказано математиками, невозможно осуществить с помощью линейки и циркуля. Это касается квадратуры круга, трисекции угла или удвоения куба. Первой задачей со страстью, которая сохранилась всю жизнь, занимался не кто иной, как Наполеон. Однако эту битву, в отличие от битв с прусской армией, Наполеон не смог, да и не мог бы выиграть.

ГЛАВА 2 «Арифметические исследования»

Гаусс — отец теории чисел в ее современном понимании. Среди других его достижений — решительный импульс в использовании комплексных чисел, благодаря чему он оставил нам инструмент, с помощью которого можно подойти к решению полиномиальных уравнений любого типа. Этой теме посвящена работа «Арифметические исследования», в которой Гаусс собрал свои многочисленные исследования, совершенные в молодые годы.

Гаусс привел математику XIX века к целям, о которых до него и не подозревали. Первым огромным вкладом ученого в алгебру была докторская диссертация, которую, как мы уже знаем, он защитил заочно в 1799 году в Хельмштедтском университете. Руководителем работы был Иоганн Фридрих Пфафф (1765-1825), один из великих математиков того времени, и он всегда относился с особым вниманием к своему подопечному. Пфафф считал своим долгом заботиться о том, чтобы его молодой друг больше двигался, и они часто гуляли днем, разговаривая о математике. Поскольку Гаусс отличался не только скромностью, но и некоторой замкнутостью, возможно, Пфафф не смог разглядеть все черты его натуры, однако известно, что сам молодой диссертант восхищался своим преподавателем, которого считал лучшим математиком Германии — благодаря не только отличным научным работам, но и простому и открытому характеру. Со временем ученик превзойдет учителя. Барон Александр фон Гумбольдт (1769-1859), знаменитый путешественник и любитель наук, с которым Гаусс сотрудничал, изучая геомагнетизм, спросил Пьера-Симона Лапласа (1749-1827), одного из выдающихся французских математиков, кого тот считает самым великим математиком в Германии. Лаплас ответил: «Пфаффа». «А Гаусс?» — удивился фон Гумбольдт, который поддерживал кандидатуру Карла Фридриха на пост директора Гёттингенской обсерватории. «О, — сказал Лаплас, — Гаусс — самый великий в мире».

Название докторской диссертации Гаусса звучит так: Demonstratio nova theorematis omnem functionem algebraicam rationalem integram unius variabilis in factores reales primi vel secundi gradus resolvi posse («Новое доказательство теоремы, в которой говорится, что любая алгебраическая рациональная функция может быть разложена на множители первой или второй степени с действительными коэффициентами»). В этом заголовке содержится небольшая ошибка, которая принесла молодому Гауссу еще больше величия: это доказательство было не «новым», а первым в истории полным доказательством основной теоремы алгебры.

Математика — царица наук, а арифметика — царица математики.

Карл Фридрих Гаусс

В этой теореме, в том виде, в каком ее формулировал Гаусс (затем она была обобщена), утверждается, что любой многочлен от одной переменной имеет столько корней, сколько показывает его степень, допуская, что эти корни могут быть множественными. Многочлен Р — это выражение вида Р(x) = anxn + an-1xn-1 + ... + а_1х + a_0, где коэффициенты аn, аn-1, ... , a_1, a_0 — действительные числа. Степень Р — это наибольший показатель степени, в которую нужно возвести переменную х, то есть n. Корни многочлена — это точки, в которых он равен нулю, то есть такие точки х, в которых Р(х) = 0. В качестве естественного следствия из теоремы можно сделать вывод, что любой многочлен степени n с n корнями, необязательно разными, которые мы обозначим r_1, r_2,..., rn, можно разложить как произведение одночленов вида:

Р(х) = (x-r_1) · (x - r_2) · ... · (x - rn).

Задачи такого типа часто встречаются в повседневной жизни, и их решение заботило математиков с самого начала развития этой науки. Очевидно, что задачи типа x - 3 = 0 имеют единственный корень, то есть 3. Если мы возьмем многочлен x + 3 = 0, то для его решения нам придется учитывать отрицательные числа, поскольку решение — это -3. Именно по этой причине потребовалось расширить множество натуральных чисел до множества целых чисел, которое включает в себя и отрицательные числа. Вавилоняне и египтяне осознали, что для решения простых уравнений первой степени нужно новое расширение, в данном случае это дроби, поскольку решением уравнения 3x — 2 = 0 является величина 2/3. Множество, которое включало в себя дроби, назвали множеством рациональных чисел.

С увеличением показателя степени многочлена все усложняется, и такое простое уравнение, как х²-2 = 0, привело греков к великому открытию, поскольку решение нельзя было выразить в виде дроби. Действительно, методом от противного было найдено аналитическое доказательство того, что sqrt(2) не является рациональным числом.

ИРРАЦИОНАЛЬНОЕ ЧИСЛО sqrt(2)

Находчивые древнегреческие математики предложили доказательство нерациональности sqrt(2), пользуясь методом от противного, который состоит в том, чтобы предположить противоположное тому, что мы хотим доказать, и прийти к логическому противоречию. Предположим, что sqrt(2) рационально, то есть его можно выразить с помощью некоторой дроби p/q. Теперь предположим, что дробь невозможно сократить, то есть что р и q — взаимно простые. Иначе было бы достаточноразделить оба элемента дроби на наибольший общий делитель. Так как sqrt(2) = p/q, получается, что, если возвести в квадрат оба члена, то 2 = p²/q², значит, 2q² = p², то есть р² — это четное число, и, следовательно, таким же является р. Так как р — четное число, то существует натуральное число k, такое, что р = 2k. Если подставить новое значение р в наше уравнение, получится, что 2q² = 4k². Это предполагает, что q² = 2k², то есть q -— также четное. Но это означает, что нашу исходную дробь можно сократить, а это противоречит условиям, следовательно, предположение, что sqrt(2) — рациональное число, ложно.

Столкнувшись с невозможностью выразить такие числа, как sqrt(2), в виде дроби, математики назвали их иррациональными. Несмотря на сложности, связанные с их точной записью, иррациональные числа имеют реальное значение, поскольку их можно представить как точки на числовой прямой. Число sqrt(2) находится между 1,4 и 1,5, и если построить прямоугольный треугольник, катеты которого будут равны 1, мы знаем, что его гипотенуза равна sqrt(2) по теореме Пифагора. Множество чисел, в которое включались бы и рациональные, и иррациональные числа, назвали действительными числами, и они представлены на числовой прямой.

Проблема поиска корней многочлена усложнялась, когда речь шла о том, чтобы найти решения таких с виду простых уравнений, как х² + 1 = 0. Казалось очевидным, что ни одно число, возведенное в квадрат, не может дать в результате отрицательное число, каким бы ни было исходное число, положительным или отрицательным. Итак, пришлось создать новый тип чисел, которые позволили бы решить уравнения этого типа. Новое число, sqrt(-1), было названо мнимым числом и обозначено как г. Создание, казалось бы, из ничего, решения для этого уравнения кажется обманом: почему бы не признать, что у уравнения просто нет решения? Но ответ в том, что найденное решение вызвало большой прогресс арифметики и при этом оно не содержит логических противоречий. Самолеты никогда не поднялись бы в воздух, если бы инженеры не пользовались мнимыми числами. Итак, если мы будем использовать новое обозначение и решим уравнение х² +1=0 как квадратный многочлен вида aх² + bх + с = 0, с помощью известной формулы

что приводит к корням i и -i, то получается, что x² + 1 = (x + r) · (x - r), в соответствии с основной теоремой алгебры.

Первым, кто активно пользовался мнимыми числами, также называемыми комплексными, был итальянский математик Джироламо Кардано (1501-1576), который применил их в формуле решения кубических уравнений, но термин «комплексные числа» был введен Гауссом при доказательстве основной теоремы алгебры в своей докторской диссертации.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ И ИРРАЦИОНАЛЬНЫХ ЧИСЕЛ НА ЧИСЛОВОЙ ПРЯМОЙ

Числовая прямая сформирована из рациональных чисел, представимых в виде дробей, и иррациональных, для которых такое представление невозможно. Но как распределяются оба множества на прямой? Есть ли какое-то сбалансированное распределение, которое делает возможным соседство подмножеств на числовой прямой? Чтобы ответить на этот вопрос, сделаем несколько выводов, которые могут вас удивить. Если взять два любых числа множества рациональных чисел, которое обычно обозначают Q, всегда можно найди другое рациональное число, заключенное между ними. Это достаточно очевидно. Если q_1, q_2, то

а это число находится между двумя предыдущими по построению. Также существует рациональное число, которое находилось бы между только что вычисленным и каким-либо предыдущим, и этот процесс можно повторять бесконечно. Итак, между двумя любыми рациональными числами существует бесконечное количество рациональных чисел независимо оттого, как близко друг от друга располагаются исходные числа. Это приводит к мысли о том, что рациональные числа находятся так близко друг от друга, как мы этого захотим. Из-за этого свойства математики говорят, что Q является плотным множеством среди действительных чисел. То есть если х — действительное число и оно является центром отрезка числовой прямой, этот отрезок обязательно содержит рациональные числа, каким бы маленьким он ни был. Остаются ли на числовой прямой промежутки для иррациональных чисел? Ответ удивляет: множество рациональных чисел имеет нулевой размер. Это означает, что если мы выберем наугад точку на числовой прямой, то вероятность того, что эта точка будет рациональным числом, равна нулю. Математики оставляют нулевую вероятность только для невозможных случаев. Удивительно, что в школьной программе так много времени посвящено овладению арифметикой множества, исчезающе малого на числовой прямой.

Кроме того, именно Гаусс увидел самые широкие возможности для применения комплексных чисел в будущем. Также Гаусс ответил и на другой вопрос: понадобится ли математикам создавать новые числа для каждого нового уравнения? Если бы мы захотели решить такое уравнение, как х^4 + 1 = 0, нужно ли искать новые числа? Гаусс доказал, что в этом нет необходимости: пользуясь числом i, математики могут решить любое полиномиальное уравнение. Его решением будет сочетание обычного действительного числа и нового числа i. Гаусс открыл, что мнимые числа — это просто добавление нового измерения к обычной числовой прямой, поэтому каждое мнимое число соответствует точке на плоскости — так же, как действительное число соответствует точке на прямой. Кроме того, ученый создал новый способ представления чисел с помощью координатной оси, как показано на рисунке.

Так, мнимое число z имело бы вид а + bi, как точка с координатами (a, b) на плоскости, что показано на рисунке. Ось R используется для действительной части, а ось I — для мнимой. Кроме того, Гаусс снабдил комплексные числа арифметикой, которая позволила бы проводить с ними все виды операций.

Несмотря на то что речь шла об очень эффективном представлении, Гаусс держал в секрете эту карту мира мнимых чисел. Как только доказательство было обнаружено, ученый убрал графические «леса», так что от них не осталось и следа. При этом он осознавал, что математики часто смотрят на графики с некоторым подозрением, отдавая предпочтение языку формул и уравнений, поскольку в то время существовало мнение, что графики могут быть ошибочными. Гаусс знал, что графическое представление мнимых чисел вызовет недоверие, поэтому исключил его из доказательства, которое сразу же стало довольно непонятным для современников. Непонятным настолько, что в некоторых книгах по истории науки говорится, что первое доказательство теоремы, предложенное математиком, было ошибочным, хотя вернее было бы сказать — неполным. И пробел находится в том варианте доказательства, которое было опубликовано, а не в том, которое Гаусс вывел для себя.

ПОЛЕ КОМПЛЕКСНЫХ ЧИСЕЛ

Комплексные числа имеют алгебраическую структуру поля с операциями суммы и произведения. Сначала дадим им определения и покажем, что это внутренние операции, то есть что мы получаем комплексные числа, когда оперируем ими.

— Сумма:

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

— Произведение:

(a + bi) · (c + di) = ac + adi + bci + bdi² = ac-bd + (be + + ad) i.

При таком определении операций у чисел есть необходимые свойства для того, чтобы иметь алгебраическую структуру поля:

— ассоциативность обеих операций;

— коммутативность обеих операций;

— существование нейтрального элемента (0 для суммы и 1 для произведения);

— существование результата, противоположного сумме, и результата, обратного произведению;

— дистрибутивность.

Доказательство этих свойств следует непосредственно из определений. Наличие структуры поля позволяет работать с комплексными числами, используя все возможности, которые предоставляет алгебра.

ЛЕОНАРД ЭЙЛЕР

Эйлер (1707-1783) — швейцарский математик и физик. Речь идет о главном математике XVIII века и одном из самых великих математиков всех времен. Эйлер долгие годы жил в России, где был почетным гостем Екатерины I и ее придворных (в то время в России существовала традиция приглашать наиболее крупных ученых в Академию наук). Эйлер осуществил важные открытия в таких областях, как вычисления, или теория графов (графы — это математическая модель множества узлов и их соединений с помощью ребер, ориентированных либо нет; они имеют широкое применение для представления сети дорог или планов городов). Эйлер также ввел значительную часть современной терминологии и математических обозначений, например понятие математической функции. Он определил число е, одну из самых используемых констант, породившую натуральные логарифмы. Также Эйлер известен своими работами в области механики, оптики и астрономии. Он входит в число наиболее плодовитых ученых: полное собрание его сочинений могло бы занять от 60 до 80 томов. И действительно, даже через 50 лет после смерти математика Петербургская академия наук все еще публиковала статьи Эйлера, хранящиеся в ее архивах. Лаплас, говоря о влиянии ученого на последующих математиков, заметил: «Читайте Эйлера, читайте Эйлера, он учитель всех нас».

В ту эпоху превалировала мысль о том, что числа -- это объекты, которые можно складывать и умножать, но не изображать. И потребовалось 50 лет для того, чтобы Гаусс решился открыть коллегам графические леса, которыми он воспользовался в диссертации. Эта теорема так захватила Гаусса, что он нашел еще три ее доказательства. Второе возникло через год после защиты, и оно дополняло некоторые пропуски первоначального варианта. Третье доказательство, выдвинутое в 1815 году, было основано на идеях Эйлера, в нем не применяются геометрические положения, и это первая серьезная попытка чисто алгебраического доказательства с открытым использованием комплексных чисел. Тут же Гаусс критикует попытки других математиков, основанные на аналитических методах. Последнее доказательство было получено в 1849 году, в связи с 50-летием докторской диссертации. Оно очень похоже на первое, но в этот раз Гаусс приводит все геометрические рассуждения. Чтобы понять важность диссертации Гаусса, достаточно отметить, что доказательство теоремы повергло в прах Эйлера, Лагранжа и Лапласа — трех величайших математиков в истории.

На основе работ Гаусса можно было подступиться к поиску корней многочлена любой степени. Для уравнений до пятой степени (n = 5) были найдены формулы нахождения корней с помощью коэффициентов самого многочлена, что называется решением в радикалах. Формулы были того же типа, что мы использовали для решения уравнений второй степени, однако для уравнений пятой степени их никак не могли найти. Решение нашлось у очень молодого французского математика Эвариста Галуа (1811-1832), который погиб в результате дуэли, едва ему исполнился 21 год. Галуа доказал, что невозможно решить уравнения пятой степени с помощью коэффициентов самого многочлена, и нашел альтернативные методы нахождения корней, пользуясь результатами Гаусса.

Галуа представил свои математические результаты, известные как теория Галуа, в Парижскую академию наук в 1830 году, чтобы получить премию по математике. Эта работа так и не была оценена, поскольку попала в руки Огюстена Луи Коши (1789-1857); тот признал себя недостаточно компетентным для ее разбора и передал заметки Жозефу Фурье (1768— 1830), который, как секретарь академии, должен был найти нового специалиста для анализа. Смерть Фурье оставила эти поиски незавершенными, статья Галуа затерялась и так и не была опубликована. Однако за ночь до дуэли Галуа, который понимал, что его шансы выжить в поединке невысоки, и в то же время осознавал важность своих открытий, торопливым почерком написал заметки, в которых обобщалось то, что известно  как теория Галуа о решении уравнений. Именно это его письменное завещание вошло в историю и позволило последующим математикам восстановить результаты молодого гения. Известно, что в том году премию академии получили Нильс Хенрик Абель (1802-1829) и Карл Густав Якоб Якоби (1804-1851), двое из самых талантливых математиков своего времени. Однако вопрос, одержали бы они победу, если бы исходная работа Галуа не потерялась, так и останется без ответа. Можно лишь утверждать, что открытия молодого Галуа в математике можно сравнить лишь с открытиями самого Гаусса.

«АРИФМЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ»

Гаусс начал свои исследования по теории чисел во время пребывания в Коллегии Карла в 1795 году, но к работе над своим основным трудом, Disquisitiones arithmeticae («Арифметические исследования»), он приступил во время пребывания в Гёттингенском университете с 1795 по 1798 год. Мы это знаем благодаря его научному дневнику, в котором уже в 1796 году появляются два блестящих результата: разложение любого целого числа на три треугольных и построение правильного 17-угольника, о которых мы уже говорили в главе 1. Они оба включены в «Исследования», увидевшие свет в Лейпциге летом 1801 года, через три года после возвращения Гаусса в его родной город Брауншвейг. Ученый снова отложил публикацию своих результатов до тех пор, пока не смог сделать этого в формате книги.

В «Исследованиях» Гаусс придал новое направление теории чисел, которая перестала быть набором разрозненных результатов и превратилась в такую же важную математическую дисциплину, как анализ или геометрия.

Работа разделена на семь глав, или разделов. Первые три раздела вводные, разделы с IV по VI образуют центральную часть работы, а раздел VII — это маленькая монография, посвященная отдельной теме, но связанная с остальными главами.

Молодому Гауссу повезло, что он мог рассчитывать на материальную помощь герцога Брауншвейгского (сверху), который оплачивал его образование и покровительствовал ученому до своей смерти в 1806 году. Благодаря влиянию герцога Гаусс в 1791 году поступил в Коллегию Карла (внизу), где начал работу над некоторыми своими важнейшими математическими результатами, отраженными в «Арифметических исследованиях», обложка которых представлена на среднем фото.

В разделе I, состоящем всего из пяти страниц, вводятся элементарные понятия, такие как признаки делимости на 3, 9 и 11. Кроме того, Гаусс дает определение сравнения по модулю; это понятие будет раскрыто в разделе II: если заданы целые числа а и b и их разница (а - b или b - а) делится без остатка на число m, мы говорим, что a, b сравнимы по модулю m, и это записывается следующим образом: a = b (mod m). Так, 56 = 6 (mod 5) или 47 = 14 (mod 11).

Сравнения по модулю — очень важное открытие в математике, они помогают выполнять вычисления любого типа. Их идея близка к тому, как работают с обычным циферблатом часов, поэтому сравнения также называют вычислителями часов. Если обычные часы со стрелками показывают 9, и проходит 4 часа, стрелки будут показывать 1. То есть 13=1 (mod 12). Такое вычисление, как 7² = 7 · 7, в итоге дает 1 по модулю 12, поскольку 49, разделенное на 12, в остатке дает 1. Результат сравнения по модулю — это всегда остаток от деления числа на определенный модуль.

Значимость этой системы проявляется, когда речь идет о более сложных вычислениях. Если нужно вычислить 7³ = 7 · 7 · 7, вместо того, чтобы умножать 49 на 7, Гаусс мог ограничиться тем, чтобы умножить 7 на результат последнего сравнения по модулю, то есть 1, произведение будет равно, без сомнения, 7. Так, Гаусс знал, что произведение — это число, которое при делении на 12 в остатке дает 7. Этот метод может быть применен на больших числах, которые превышают возможность вычисления. Не имея ни малейшего понятия о значении 799, с помощью сравнений по модулю ученый знал, что если разделить это число на 12, в остатке получится 7. Исследования Гаусса в этой области арифметики были революционными для математики начала XIX века и позволили ученым обнаруживать структуры, до этого скрытые. Сегодня арифметика сравнений по модулю, также называемая модульной арифметикой, является фундаментальной для безопасности в интернете, где сравнения используются для величин, превышающих количество атомов во Вселенной.

Также преимущество этой записи состоит в том, что она напоминает форму, в которой мы записываем алгебраические выражения. Вместо арифметической делимости, описание которой может быть громоздким, она дает краткую запись, благодаря которой можно складывать, вычитать и умножать сравнения, если их модуль одинаков, а также решать уравнения вида: ах + b == c (mod m).

В заключении к двум первым разделам Гаусс применил эти методы к историческим проблемам, таким как вычисление знаменитой функции φ Эйлера. Функция φ(N) определяется как количество целых положительных чисел, меньших или равных N и взаимно простых с Ν. В математике два числа называются взаимно простыми, если у них нет общих делителей, то есть их наибольший общий делитель — 1. Например, 9 = З² является взаимно простым с 10 = 5 · 2, и его нужно было бы найти при вычислении φ( 10). Множество φ( 10) состоит, следовательно, из четырех элементов (1, 3, 7 и 9), и значит, φ( 10) = 4.

Гаусс вывел общую формулу для вычисления φ(Ν). Если мы разложим N на простые множители ρ_1,ρ_2, ...,рn, то получим N = р_1m_1, p_2m_2 · ... · pnmn, где pi простые числа, a mi — кратность их повторения. Формула имеет вид:

Если применить формулу к N= 10, то

чего и следовало ожидать.

Формула зависит от простых чисел, на которые раскладывается N, а не от кратности их повторения. В случае с N = 180 получается, что 180 = 2² · З² · 5, следовательно,

Раздел заканчивается доказательством основной теоремы о многочленных сравнениях. Так, сравнение степени m,

amxm + am-1xm-1 + ··· +а_1x + b == 0 (mod р),

модуль которой р — простое число, не являющееся делителем аm, может быть решена не более чем m различными способами или не может иметь больше m корней, не сравнимых по модулю р.

В разделе III, озаглавленном De residuis Potestatum («О степенных вычетах»), говорится о квадратичных вычетах и вычетах большей степени. Если заданы целые числа тип, где m не является делителем n, и если существует такое число x, что х² = m (mod n), говорят, что m — квадратичный вычет по модулю n; в противном случае говорят, что m — квадратичный невычет по модулю n. Например: 13 — квадратичный вычет по модулю 17, поскольку уравнение х² == 13 (mod 17) имеет в качестве решений х = 8, 25, 42, поскольку 8² = 64, что при делении на 17 дает 13 в остатке, 25² = 625, что при делении на 17 вновь дает 13 в остатке, и то же самое происходит с 42² = 1764.

В разделе доказывается малая теорема Ферма: np-1 == 1 (mod p), где р — простое число, не являющееся делителем n. То есть если р — простое число, которое не является делителем n, то np-1 всегда делится на р. Для случая n = 8 np = 5 получается, что 8^4-1 = 4095, а это делится на 5. Для получения этого результата Гаусс воспользовался формулой бинома Ньютона, сформулированной для сравнений. Следствием является теорема Вильсона, в которой говорится, что если задано простое число р, то

1·2·3·...·(p-1) = (p-1)! == -1 (mod p).

Произведение всех чисел, меньших заданного простого, при добавлении единицы всегда делится на это число. Если, например, мы выберем 7, то 6! = 720, а 721 делится на 7.

Три первых раздела представляют собой системное введение в теорию чисел и готовят почву для разделов IV и V.

Главный итог раздела IV — это знаменитый квадратичный закон взаимности. Теорема (в виде гипотезы) была сформулирована Эйлером в 1742 году в его письме Гольдбаху. Полвека спустя, в 1798 году, Лежандр опубликовал доказательство, основанное на недоказанных аргументах, так что первое правильное доказательство теоремы принадлежало Гауссу, который называл ее золотой теоремой. В книге Гаусса она сформулирована в следующем виде:

Если р — простое число вида 4n + 1, то +p — вычет (или невычет) по модулю любого простого числа, которое, взятое в положительной форме, является вычетом (или невычетом) по модулю p. Если р имеет вид 4n + 3, то -р обладает тем же свойством.

Скобки в теореме указывают на то, что результат может быть прочитан при исключении содержимого скобок или при включении их при замене непосредственно предшествующего выражения. Проще говоря, существует взаимность между парой сравнений х² == q (mod р) и х² == р (mod q), где р и q — простые числа. То есть если мы можем проверить первое сравнение (х² == q (mod p)), то автоматически проверяется и второе (х² == р (mod q)); и если первое неверно, то неверно и второе. Есть одно исключение, которое состоит в том, что как p, так и q в остатке дают 3, когда делятся на 4; в этом случае одно и только одно из сравнений верно.

Доказательство Гаусса начинается с эвристических соображений, результатом чего является закон для определенных простых чисел. Затем ученый переходит, по индукции, к доказательству общего случая. Это доказательство очень обширное, в нем отдельно рассматриваются восемь различных случаев. Петер Густав Дирихле, который был учеником немецкого математика и одним из главных читателей его книги, упростил доказательство, сократив число случаев до двух. Гаусс заканчивает раздел другими результатами, выводимыми из его теоремы. Только за это доказательство он достоин звания одного из самых талантливых математиков своего времени, но в этой работе будут и другие, не менее важные идеи.

Раздел V — центральная часть книги. Он посвящен выражениям типа F = ах² + 2bху + су², где а,b,с — целые числа; эти выражения были названы Эйлером квадратичными формами. Существенная часть этого раздела не является оригинальной — в ней собраны и унифицированы результаты Лагранжа по этой теме.

Проблема, которую решает Гаусс, — это определение того, какие целые числа М могут быть представлены в виде выражения ах² + 2 bху + су² = М, где x и y — целые числа. Обратная, и более интересная, проблема, которую он также решил, заключается в том, чтобы при заданных М и а, b и с найти значения x и y, которые определяют значение М в квадратичной форме. Для этого Гауссу потребовалось классифицировать квадратичные формы и подойти к ним дифференцированно. С этой целью он использовал два базовых алгебраических свойства квадратичной формы. Гаусс установил классификацию квадратичных форм и их свойств на основе дискриминантов.

В этот раздел также включено доказательство теоремы, относящейся к треугольным числам, о которой мы уже говорили.

В разделе VI представлены многочисленные примеры применения понятий, разработанных в предыдущем разделе. Основные затрагиваемые вопросы — это разложение на простые дроби; то есть разложение дроби на сумму дробей со знаменателями, образованными от знаменателя исходной дроби. Эта техника имеет широкое применение в интегралах рациональных функций, то есть тех, которые могут быть представлены в виде частного многочленов. Также речь идет о периодических десятичных дробях и решении сравнений собственными методами Гаусса. Другая интересная тема — это поиск критериев, которые позволили бы выделять простые числа без трудоемких вычислений. Как мы увидим, изучение простых чисел сопровождало ученого всю его жизнь, но мы рассмотрим это отдельно.

ДИСКРИМИНАНТ МНОГОЧЛЕНА

В алгебре дискриминант многочлена — это некое выражение из коэффициентов данного многочлена, которое равно нулю тогда и только тогда, когда у многочлена множественные корни. Например, дискриминант квадратного многочлена ах² + bх + с равен b²-4ac, поскольку формула корня данного многочлена следующая:

то есть достаточно, чтобы дискриминант в том виде, в каком мы его определили, был равен нулю, чтобы получить единое двойное решение. В случае с многочленом х²-4х + 4, поскольку у него нулевой дискриминант, мы получаем один двойной корень (2), так что, применив основную теорему алгебры, получаем х²-4х + 4 = (х - 2)².

Раздел VII — самая известная часть «Исследований», оказавшая огромное влияние на развитие науки. В этом разделе шла речь о делении круга с помощью линейки и циркуля — классической теме математики. Очевидно, что эта задача связана с построением правильных многоугольников, так что Гаусс включил сюда свое знаменитое построение многоугольника с 17 сторонами, найдя достаточное условие для построения правильного многоугольника с помощью линейки и циркуля.

В мире математики все признают, что «Арифметические исследования» — это не просто сборник замечаний о числах. Работа знаменует собой рождение теории чисел как независимой дисциплины. Ее публикация сделала теорию чисел царицей математики — это определение очень нравилось Гауссу. И все же, несмотря на это, труд был не слишком тепло принят Парижской академией наук, которая сочла его темным и неясным. Одна из причин такого впечатления состоит в том, что Гаусс старался сохранять тайну, исключая или скрывая пути, которые привели его к открытиям. Как и следовало ожидать, математики не до конца поняли новую работу и назвали труд «книгой за семью печатями». Ее сложно читать даже специалистам, но содержащиеся в ней сокровища, включая скрытые в лаконичных синтетических доказательствах, сегодня доступны каждому, кто захочет восхититься ими, в основном благодаря работам Дирихле, который первым разбил эти семь печатей.

Рассказывают, что Дирихле использовал книгу Гаусса как подушку, чтобы ночью некоторые знания перетекли в его голову.

Лагранж также безоговорочно хвалил книгу. В своем письме Гауссу от 31 мая 1804 года он признается:

«Ваши «Исследования» быстро возвели Вас до уровня первых математиков, и я считаю, что последний раздел содержит самое красивое аналитическое открытие, которое только было сделано за последнее время [...]. Я думаю, что никто более искренне не аплодирует Вашим достижениям, чем я».

Если вспомнить, что все изложенные в книге результаты были получены Гауссом в возрасте до 30 лет, остается только удивляться его таланту. Очень вероятно, что именно в память о Гауссе Филдсовская премия — важнейшая награда, которую может получить математик, — вручается только ученым до 40 лет. В отличие от Нобелевской премии, которая обычно вручается ученым, приближающимся к концу карьеры, медали Филдса оставлены для молодых.

СЕМЕЙНАЯ ЖИЗНЬ

В конце 1798 года ученый вернулся в Брауншвейг, где жил до 1807 года. Очевидно, что этот период был критическим для его карьеры. Сначала Гаусс, закончив обучение в Гёттингенском университете, боялся потерять расположение герцога, но в январе 1799 года математик рассказывал Вольфгангу Бойяи, что герцог продолжает выплачивать стипендию, и это позволяет ему жить, посвящая себя исследованиям. Очевидно, что в это время Гаусс был вполне удовлетворен своим математическим прогрессом и с избытком оправдывал ожидания, возложенные на него: он не только блестяще завершил обучение в Гёттингенском университете, но и решил проблему построения правильного многоугольника с 17 сторонами. Во время этого второго периода в Брауншвейге можно заметить расширение научных интересов Гаусса; он впервые посвятил себя вопросам математики, специфически применимым к теоретической и практической астрономии.

ИОГАНН ПЕТЕР ГУСТАВ ЛЕЖЁН ДИРИХЛЕ

Дирихле (1805-1859) — немецкий математик XIX века. Он получил образование в Германии, а затем во Франции, где учился у многих самых известных математиков своего времени, таких как Фурье. После выпуска работал преподавателем в университетах Бреслау (1826-1828),

Берлина (1828-1855) и Гёттингена, где получил кафедру, оставленную Гауссом после его смерти. Многие свои работы Дирихле посвятил тому, чтобы дополнить труд Гаусса, приводя полные доказательства его результатов, чтобы они стали более доступными будущим поколениям математиков. Его самый значительный вклад сделан в теорию чисел, где он уделил особое внимание изучению рядов и развил теорию рядов Фурье. Первая публикация ученого включала в себя частичное доказательство теоремы Ферма для случая n = 5, которое также нашел Адриен Мари Лежандр, один из рецензентов. Дирихле нашел свое доказательство почти одновременно с Лежандром, а потом успешно продолжил его для п = 14. Математик применил аналитические функции к вычислению арифметических задач и установил критерии сходимости рядов. В области математического анализа он усовершенствовал определение и понятие функции. Дирихле приписывают современное понимание функции в математике.

Его личная жизнь в это время также изменилась, поскольку здесь Гаусс начал ухаживать за Иоганной Осггоф, на которой и женился в 1805 году. Дочь кожевника, Иоганна была на три года младше Гаусса, ее семья хорошо знала мать математика, которая работала на семью Остгофов. В детстве Карл Фридрих сам часто бывал в доме родственников своей будущей жены и после возвращения в Брауншвейг возобновил общение с ними. Так он познакомился с Иоганной.

НОБЕЛЕВСКИЕ ПРЕМИИ ПО МАТЕМАТИКЕ

Филдсовская премия — это высший знак отличия, который может получить математик. Она вручается Международным математическим союзом раз в четыре года и по значимости сопоставима с Нобелевской премией. Дело в том, что Нобелевской премии по математике не существует. Альфред Нобель исключил эту дисциплину из списка наук, за которые присуждается премия его имени. И хотя Нобелевский фонд имеет полномочия включать в список новые области (например, существует Нобелевская премия по экономике, учрежденная в 1969 году), он не может учредить премию по математике. Возможно, воля Нобеля связана с тем, что он не считал математику прикладной наукой. Однако существуют и другие объяснения: якобы это связано с обидой, которую учредитель премий испытывал к математическому сообществу, поскольку его супруга изменила ему со шведским математиком Густавом Миттаг-Леффлером (1846-1927). Эта версия очень распространена, но вряд ли она имеет под собой реальные основания, прежде всего потому, что Нобель никогда не был женат. Первая медаль Филдса была вручена в 1936 году, но из-за начала Второй мировой войны следующее награждение состоялось только в 1950 году. Официальное название премии — Международная медаль за выдающиеся открытия в математике (хотя она намного более известна как медаль Филдса). Награда названа так в честь математика Джона Чарльза Филдса (1863- 1932), который развил эту идею.

Только молодым

Главная особенность этой награды — требование, чтобы лауреат-математик был не старше 40 лет. Вручение происходит раз в четыре года. К медали прилагается денежная премия в размере около 10 тысяч евро, и это очень далеко от сумм Нобелевской премии. Лауреатов математической награды может быть до четырех, но так бывает очень редко. Медаль изготовлена из золота, ее эскиз был разработан Робертом Маккензи в 1933 году. На аверсе выгравирована голова древнегреческого математика Архимеда и надпись Transire suum pectus mundoque potiri («Превзойти человеческую ограниченность и покорить Вселенную»). На реверсе можно увидеть шар, вписанный в цилиндр, и надпись Congregati ex toto orbe mathematici ob scrita insignia tribuere («Математики, собравшиеся со всего света, вручили эту награду за выдающиеся труды»).

Нам мало что известно о жизни пары, поскольку Гаусс упоминает супругу только в письмах друзьям. Не осталось даже ее портрета, известно лишь, что дочь математика, Минна, была очень похожа на мать. В 1806 году в письме Вольфгангу Бойяи Гаусс описывает свою супругу как умную и нежную женщину, но получившую довольно скудное образование.

У четы Гауссов родилось двое детей: Иосиф и Минна, и ничто не нарушало их идиллию. Однако в конце 1809 года, менее чем через два года после переезда в Гёттинген, где Гаусс занял пост директора обсерватории, Иоганна родила третьего ребенка и через месяц после родов умерла. Мальчик — бедный Луи, как называл его отец, — через несколько месяцев последовал за своей матерью, и безутешный Гаусс погрузился в депрессию. Ученый был довольно счастлив в первом браке; за год до смерти Иоганны он так описывал свою семейную жизнь в письме к Бойяи:

«Дни счастливо бегут однообразным ходом нашей домашней жизни: когда у девочки вылезает новый зуб или мальчик выучивает новые слова, это важнее, чем открытие новой звезды или новой математической истины».

Гаусс был не очень практичным человеком и в положении вдовца столкнулся с рядом бытовых проблем. Так что через несколько месяцев после смерти Луи он заключил брак с Вильгельминой (Минной) Вальдек, дочерью преподавателя права в университете. Минна Вальдек была подругой Иоганны Гаусс, но насколько тесной была эта дружба, неизвестно. Гаусс сделал Минне предложение через некоторое время после того, как она по неизвестным причинам расторгла свой брак. Свадьба состоялась довольно быстро, но семейная жизнь не была безоблачной. Супруги не испытывали друг к другу особой привязанности, и этот союз скорее был продиктован желанием Гаусса забыть о смерти Иоганны и подыскать для детей новую мать. Этот скоропалительный второй брак не очень нравился самому математику, который чувствовал себя неловко. Дошедшие до нас письма, которыми обменивались супруги, довольно холодны и безэмоциональны.

Свою долю сложностей вносило и разное социальное положение супругов: семья невесты не была довольна тем, что Минна, дочь университетского преподавателя, выходит замуж за небогатого Гаусса. В послании, которое ученый пишет своей будущей супруге по поводу поездки в Брауншвейг, чтобы познакомиться с его матерью, он предупреждает Минну:

«И еще одно, причина, но которой я не написал моей матери, в том, что я хотел сделать ей сюрприз, а также потому что моя мать не может прочитать кое-что из того, что я ей пишу, а Вы, я думаю, не хотите, чтобы ей пришлось беспокоить чужих людей».

В августе 1910 года Гаусс стал зятем именитого преподавателя и члена Тайного государственного совета Иоганна Петера Вальдека, и у двоих его детей от первого брака появилась новая мать. В 1811 году у ученого родился сын Ойген, а в 1813-м — Вильгельм. В 1816 году на свет появилась младшая дочь Тереза, которая будет заботиться об отце до самой его смерти.

Благодаря второму браку Гаусс познакомился с Александром фон Гумбольдтом, одним из лидеров возрождения Пруссии после падения Наполеона.

Работая в Гёттингене, ученый получал приглашения из других университетов, в частности из России и Берлина. Однако от предложения поработать в России Гаусс отказался, потому что ему не нравился климат этой страны. Естественно, что на жизнь Гаусса очень повлиял период наполеоновских войн. В 1808 году, после разгрома Наполеоном Пруссии в битвах за Аустерлиц и Йену, французское правительство потребовало от противника огромную денежную компенсацию военных расходов, как это было принято делать после заключения мира. Гаусс также должен был внести 2 тысячи франков, а это было значительной суммой для молодого преподавателя, который еще не получал регулярного жалованья. При этом из-за своей гордости он не обращался ни к кому за помощью, и даже когда Лаплас из Парижа и Ольберс из Бремена предложили внести деньги за него, Гаусс отказался их принимать. В конце концов контрибуция была выплачена анонимно, и лишь через несколько лет стало известно, что за Гаусса заплатил епископ из Франкфурта — туда также дошла слава о великом математике. Уже в старости ученый рассказывал, что Наполеон воздержался от бомбардировки Гёттингена, чтобы не подвергать опасности его жизнь, однако это кажется некоторым преувеличением. Что действительно подтверждено документами, так это ходатайство французского математика Софи Жермен перед Наполеоном, которая просила обеспечить безопасность великого ученого в годы военных потрясений.

В 1810 году, всего через два года, Гаусс получил награду Парижской академии наук, однако он отказался от прилагавшейся денежной премии, в том числе и потому, что испытывал неприязнь к французам, которые к тому времени покорили его родину и уже несколько лет вели войну. Впрочем, ученый принял астрономические часы, выбраные для него Софи Жермен, с которой он поддерживал переписку. В XIX веке женщины крайне редко посвящали себя математике. Из опасений столкнуться с предубежденным отношением Софи Жермен также вела переписку с Гауссом под мужским именем. Эта женщина открыла отдельный тип простых чисел, связанных с последней теоремой Ферма (на то время еще гипотезой), которые сегодня носят название простых чисел Жермен. Гаусс был очень впечатлен письмами, которые он получал от некоего месье Ле Блана, и крайне удивился, когда после долгой переписки узнал, что на самом деле это не месье, а мадемуазель. Ученый не только не выказал никакого предубеждения, но наоборот, оценил заслуги Жермен и написал ей:

«Редок вкус к загадкам чисел. Привлекательность этой возвышенной науки открывается во всей красоте только тем, кто имеет смелость углубиться в нее. Женщина из-за своего пола и наших предрассудков встречается со значительно более трудными препятствиями, чем мужчина, постигая сложные научные проблемы. Но когда она преодолевает эти барьеры и проникает в тайны мироздания, она несомненно проявляет благородную смелость, исключительный талант и высшую гениальность».

Математик даже пытался убедить Гёттингенский университет сделать Софи почетным доктором, но она умерла до того, как ученый достиг своей цели.

Больше всего об уважении к Гауссу со стороны его современников говорит тот факт, что правительство Вестфалии, находясь в руках французских захватчиков, пыталось выполнить свое обещание и построить для исследователя новую обсерваторию. Для этой цели были выделены огромные средства, и к 1814 году, когда королевство Вестфалия перестало существовать, работы находились в самом разгаре — и это несмотря на огромные экономические трудности, связанные с разгромом Пруссии. Гаусс всегда мог получать материал, необходимый ему для исследований. Работая в университете, ученый добился назначения стипендий наиболее талантливым студентам, среди которых были Христиан Людвиг Герлинг (1788-1864) и Август Мёбиус (1790-1868). Первый стал известным физиком, а второй — признанным астрономом и математиком, создателем знаменитой ленты Мёбиуса.

Однако коллеги Гаусса отмечали, что он был не слишком привержен преподавательской деятельности и направлял гораздо большие усилия на исследования. Но такое обобщение неверно. Следует учитывать, что в этот университет многие студенты поступали скорее благодаря родственным связям, чем интеллектуальным заслугам. Большинство из них сами были не слишком заинтересованы в учебе: им не хватало как мотивации, так и элементарных знаний. Гаусс в письме, адресованном в 1810 году своему близкому другу астроному и математику Фридриху Вильгельму Бесселю (1784-1846), утверждал:

МАРИ СОФИ ЖЕРМЕН

Софи Жермен (1776-1831) — женщина-математик из Франции, внесшая значительный вклад в теорию чисел, в частности в изучение чисел, которые позже были названы простыми числами Жермен (простые числа, которые при увеличении вдвое и добавлении единицы также дают простое число), например 11 и 23. Жермен очень интересовалась учебой у Жозефа-Луи Лагранжа и под псевдонимом «месье Ле Блан» (это имя принадлежало одному из бывших студентов Лагранжа) посылала ему некоторые статьи.

Французский математик был под таким впечатлением от этих статей, что попросил у Ле Блана встречи, и Жермен пришлось открыть ему свою личность.

Лагранж смог победить свои предрассудки и признал математический талант Софи, решив стать ее наставником. Ту же стратегию Жермен использовала для переписки с Гауссом. Одно из наибольших ее достижений в теории чисел — математическое доказательство предложений, которые позволяли значительно сузить поле поиска доказательства знаменитой гипотезы Ферма. Некоторые из этих результатов были впервые представлены в письмах Гауссу.

«Этой зимой я читаю два курса лекций трем студентам, из которых один регулярно готов, другой — гораздо менее регулярно, а третьему не хватает подготовки и способностей. Таковы обязанности на кафедре математики».

Едва Гаусс нашел студентов, способных с пользой провести годы обучения, он очень ими заинтересовался. Его корреспонденция полна писем с советами, в которых он дает им подробные объяснения. Что касается неспособных или немотивированных студентов — что правда, то правда: Гаусс действительно проявлял в общении с ними мало терпения. Ученый всегда надеялся, что его ученики смогут работать и думать самостоятельно, так что гораздо важнее не объяснения преподавателей, а их собственные усилия. Однако подобное отношение вступало в конфликт с педагогическими идеями XIX века, и только по этой причине Гаусса часто описывают как плохого преподавателя, обеспокоенного только собственными исследованиями. Но тот факт, что Гаусс был наставником Бернхарда Римана (1826-1866) — возможно, самого известного математика второй половины XIX века, должен снять с него любые обвинения в нерадивом отношении к преподавательским обязанностям.

ГЛАВА 3

Метод нахождения планет

Едва достигнув 25 лет, Гаусс уже внес значительный вклад в математику. Однако слава об ученом распространилась по всему континенту благодаря его астрономическим работам, связанным с вычислением орбиты Цереры. Для этого Гаусс воспользовался методом наименьших квадратов — одним из своих важнейших математических открытий.

С юных лет Гаусс пользовался известностью и уважением среди коллег и преподавателей и получал материальную поддержку от герцога Брауншвейгского. Однако международная слава пришла к ученому только с первым успехом в области астрономии. Это произошло благодаря вычислению орбиты планеты Цереры, которая сегодня отнесена к карликовым планетам.

Догадка, что между орбитами Марса и Юпитера расположена неизвестная планета, была высказана Иоганном Элертом Боде (1747-1826) в 1772 году. Его рассуждения основывались на законе Тициуса — Боде, предложенном Иоганном Даниэлем Тициусом (1729-1796) в 1766 году. Еще со времен Коперника было очевидно, что расстояние между Марсом и Юпитером ненормально большое. Поэтому, по мере развития знаний об орбитах планет, астрономы пытались найти закон, который объяснял бы расстояния между орбитами и с помощью которого можно было бы открывать новые небесные тела. Первый закон такого типа (строго говоря, его следовало бы называть правилом) был предложен немецким физиком Иоганном Даниэлем Тициусом в то время, когда были известны только планеты Солнечной системы до Сатурна. Согласно этому закону расстояние от каждой планеты до Солнца в астрономических единицах (1 а.е. равна расстоянию от Земли до Солнца) задано следующим правилом:

a = (n+4)/10

где n = 0, 3, 6, 12, 24, 48, то есть каждое значение n, начиная с 3, в два раза больше предыдущего, и а представляет собой наибольшую полуось орбиты. Этот закон затем был использован директором обсерватории Берлина, Иоганном Боде, и стал известен как закон Тициуса — Боде. Если мы вычислим первые восемь чисел ряда, получим такие результаты.

n

а (в а. е.)

0

0,4

3

0,7

6

1

12

1,6

24

2,8

48

5,2

96

10

192

19,6

При сравнении этих вычислений с известными расстояниями до открытых к тому времени планет получались следующие результаты.

Планета

n

Расстояние по закону Т-Б

Реальное расстояние

Меркурий

0

0,4

0,39

Венера

3

0,7

0,72

Земля

6

1

1

Марс

12

1,6

1,52

24

2,8

Юпитер

48

5,2

5,2

Сатурн

96

10

9,54

192

19,6

Как можно заметить, приближение довольно хорошее, хотя его можно было посчитать простым совпадением, поскольку Тициус никак не обосновал свое правило. Однако открытие Уильямом Гершелем (1738-1822) в 1781 году новой планеты, Урана, подтвердило справедливость закона Тициуса — Боде. Уран был обнаружен на расстоянии 19,18 а.е. от Солнца, в то время как правилом предполагалось 19,6. За открытие планеты Гершель получил пособие 200 фунтов в год и титул кавалера.

После открытия Урана астрономы начали искать новую планету в 2,8 а.е. от Солнца, что соответствовало n = 24. На астрономическом конгрессе в городе Гота в 1800 году (сегодня это территория Германии) француз Жозеф Лаланд (1732-1807) рекомендовал начать поиски. В том же году астроном Франц барон Ксавер фон Цах (1754-1832), владелец журнала Monatliche Korrespondenz («Ежемесячная корреспонденция»), самого известного немецкого астрономического издания тех лет, собрал в Лилиентале 24 астронома, чтобы организовать поиск этой гипотетической планеты Солнечной системы. Ученые разделили небо на 24 зоны, и каждый наблюдал за одной из них. Однако судьба была не на стороне группы из Лилиенталя, хотя ей удалось сделать другие значительные астрономические открытия. Удача пришла к Джузеппе Пиацци (1746-1826), который 1 января 1801 года объявил в Палермской обсерватории, что открыл новую планету, которую назвал Церера Фердинанда, в честь Цереры — римской богини плодородия и материнской любви, покровительницы Сицилии, и короля Неаполя и Сицилии Фердинанда IV, поддерживавшего его работу. Название «Фердинанда» затем было снято по политическим мотивам. Пиацци утверждал, что Церера вращается вокруг Солнца по орбите, которая, по-видимому, соответствовала закону Тициуса — Боде для п = 24. Открытие Цереры вызвало всеобщий энтузиазм и было объявлено чудесным предзнаменованием для развития новой науки. Казалось, что это именно та планета, которую ученые с таким интересом искали, и что человечество способно понимать природу и делать научные предсказания.

Чтобы была понятнее важность, которая придавалась этому открытию, следует обрисовать общее состояние науки на тот момент. В течение тысячелетий человечество считало, что им управляют капризные и непостижимые законы. Человек мало что мог противопоставить капризам богов или сверхъестественных сил. Однако научный прогресс XVIII века вновь поместил человека в центр Вселенной и сделал его хозяином своей судьбы. У явлений природы, воспринимаемых чувствами, была найдена причина, которую можно было изучать, таким образом, стало возможным прогнозирование будущего и даже контроль за ним. Благодаря научному прогрессу неизвестное и непредсказуемое в конце концов окажется во власти человека — такой была идея, которая бродила по Европе в начале XIX века, и каждое новое научное открытие увеличивало уверенность в том, что цивилизация приближается к моменту, когда человек сможет понимать, контролировать и предсказывать поведение природы. Сегодня мы знаем, что хотя научный прогресс помогает нам лучше понимать мир вокруг нас, однако всегда будут существовать случайные и непредсказуемые факторы, которые помешают нам достигнуть этой высокой цели.

Энтузиазм Пиацци сменился разочарованием через несколько недель наблюдений. Астроном следил за новым объектом в течение 42 дней, до ночи 11 февраля. Однако затем ученого свалил грипп, и он на некоторое время покинул пост у телескопа, а вернувшись к наблюдениям, не смог найти небесное тело. Планета исчезла, скрылась за Солнцем. Период наблюдений оказался слишком коротким, и Пиацци не смог точно установить орбиту Цереры и предсказать, где она снова появится на ночном небе. Его данные заканчивались дугой орбиты в 9 градусов.

Астрономам XIX века не хватало математических инструментов для вычисления полной орбиты на основе короткой траектории. Наблюдение Цереры стало предметом переписки между Пиацци, Боде и Лаландом — самыми известными астрономами того времени, и это придало вопросу публичный характер. Фон Цах созвал в Лилиентале новое собрание из пяти астрономов (Шрёдера, Хардинга, Ольберса, фон Эде и Тильдемайстера), чтобы заняться определением орбиты открытого небесного объекта.

Гаусс применил метод наименьших квадратов для вычисления орбиты Цереры, которая сегодня считается карликовой планетой. На рисунке можно сравнить размеры Земли, Луны и Цереры (слева внизу).

Гаусс в Гёттингенской обсерватории, директором которой он был с 1807 года до своей смерти.

Когда были проанализированы данные наблюдений, оказалось, что гелиоцентрическое расстояние объекта помещало его между Марсом и Юпитером, как, собственно, и ожидалось. В июне того же года группа, созванная Францем фон Цахом, пользуясь данными Пиацци, провела предварительное исследование орбиты, но абсолютно безуспешно.

Поскольку предполагаемая планета все не появлялась на небосводе, фон Цах послал данные молодому математику из Гёттингена, слава о котором уже начала распространяться по всей Германии. Речь, конечно же, шла о Гауссе, который после выполнения вычислений объявил, что знает, где астрономы должны искать потерянный объект. Других прогнозов не было, так что Цах решил проверить предположение Гаусса, хотя результаты его вычислений очень отличались от остальных. И совсем рядом с тем местом, которое было рассчитано Гауссом, была замечена маленькая светящаяся точка. Произошло это ночью 7 декабря. Наблюдения продолжались каждую ночь, если, конечно, это позволяли делать метеорологические условия, и наконец 1 января 1802 года в Бремене другой астроном из рабочей группы фон Цаха, Генрих Ольберс, смог абсолютно точно подтвердить, что объект, наблюдаемый на орбите, теоретически предсказанной Гауссом, соответствует всем данным наблюдений Пиацци, сделанным год назад.

Этот удивительный прогноз, не имевший прецедентов в астрономии, был сделан математиком, который обнаружил порядок там, где другие видели только крошечную непредсказуемую планету, с помощью математического инструмента, доказавшего со временем свою эффективность для вычисления планетарных орбит. Это был закон наименьших квадратов, открытый Гауссом за шесть лет до описанных событий и до 1809 года не опубликованный. Возможности применения этого метода выходили далеко за рамки астрономии и были такими широкими, что его использование для вычисления орбиты Цереры сегодня кажется анекдотом. Благодаря своему открытию Гаусс немедленно превратился в звезду первой величины в международном научном сообществе.

ПОЧЕМУ НОЧЬ ТЕМНА?

Немецкий астроном Генрих Ольберс (1758-1840) в течение 40 лет работал врачом в городе Бремене. Однако одновременно он был увлечен астрономией и проводил большую часть ночи, наблюдая за небосводом через маленький телескоп, установленный на крыше. В 1779 году он разработал новый метод, названный методом Ольберса, для вычисления орбиты кометы.

Метод продемонстрировал эффективность для некоторых частных случаев круглых или параболических орбит, но оказался неприменим для определения эллиптической орбиты Цереры.

1 января 1802 года Ольберс обнаружил Цереру в положении, предсказанном Гауссом. Через некоторое время он открыл Палладу и предположил, что оба этих астрономических объекта связаны фрагментами большего тела, и начал искать эти фрагменты на небосводе. Для вычисления орбиты Паллады астроном пригласил в Бремен немецкого математика, который задержался в городе на три недели, и Ольберс стал свидетелем применения новейших математических методов, в частности метода наименьших квадратов. Отношения с Гауссом Ольберс поддерживал до конца своей жизни.

Парадокс Ольберса

Сегодня этого врача и астронома вспоминают в основном благодаря тому, что он в 1823 году предложил знаменитый парадокс, носящий его имя, согласно которому в евклидовом пространстве, бесконечном, статичном и равномерно заполненном звездами, ночное небо должно сверкать, как поверхность Солнца. Объяснения этого парадокса состояли в том, чтобы отрицать, что Вселенная бесконечна или что она заполнена звездами равномерно. Теория относительности находит очевидную причину, поскольку от галактик, удаленных от Земли на более чем 14000 миллионов световых лет (предполагается, что именно таков возраст Вселенной), до нас пока не дошел свет, так как его скорость конечна. Это означает, что, по крайней мере относительно галактик, которые мы видим, Вселенная конечна. С другой стороны, Вселенная расширяется, то есть она не статична.

Его подвиг в первой половине XIX века был символом власти математики, ведь именно в это время происходил расцвет науки. Хотя астрономы открыли планету случайно, математик использовал свои аналитические способности для объяснения того, что произойдет в будущем. Благодаря расчету орбиты Цереры к концу первого года нового века Гаусс был не только одним из самых известных математиков, но и самым популярным астрономом в Европе.

В марте 1802 года Ольберс открыл еще один астрономический объект — Палладу, которая имеет меньший размер, чем Церера, и предложил Гауссу описать ее орбиту, пока тот в течение трех недель находился в Бремене по приглашению самого Ольберса. Метод наименьших квадратов снова подтвердил свою силу, и Ольберс своими глазами увидел мощь примененных Гауссом математических техник. А когда возникли споры о первенстве открытия метода наименьших квадратов, Гаусс призвал Ольберса в качестве свидетеля того, что этот метод применялся уже в начале века.

В ноябре того же года молодой Гаусс, которому было всего 25 лет, был объявлен членом Королевского научного общества в Гёттингене. Успех принес ученому много почестей, среди них было и приглашение стать руководителем астрономической обсерватории в Петербургской академии наук. В России существовала давняя традиция приглашать в свои научные институты иностранных ученых, как в случае с Леонардом Эйлером. В 1802 году, когда Гаусс еще только обдумывал это приглашение, Ольберс предупредил об этом своего друга, фон Геерена, преподавателя Гёттингенского университета и советника правительства Ганновера. Ольберс не хотел, чтобы Гаусс уезжал из Германии, и использовал свои связи для того, чтобы ученому предложили руководство новой Гёттингенской обсерваторией, строительство которой еще даже не началось. Серьезные переговоры о переезде Гаусса в Гёттинген начались только в 1804 году и успешно завершились в 1807-м.

МЕТОД НАИМЕНЬШИХ КВАДРАТОВ

Задача, предложенная Гауссу, касалась вычисления траекторий планет на основе минимального количества наблюдений (по крайней мере, трех). Математически она была чрезвычайно сложной, поскольку нужно было решить шесть уравнений с шестью неизвестными. При этом вычислить точные решения было невозможно и нужно было найти приближенные. Да, решение линейной системы какой-либо задачи, в которой столько же неизвестных, сколько и уравнений, может быть довольно трудоемким, но не предполагает технических сложностей. Однако в этом случае система уравнений была нелинейной. Вычисление орбиты Цереры, как и почти все вычисления Гаусса, включало в себя искусное использование последовательных приближений. Следует отметить прагматизм ученого, который использовал любой доступный математический инструмент. При этом он ввел множество идей, полное доказательство которых далеко не тривиально.

На первом этапе нужно было определить возможную орбиту, а затем, что еще сложнее, осуществить постепенную коррекцию. В целом наблюдаются три типа орбит: эллиптические, параболические и гиперболические. До Гаусса были достигнуты некоторые успехи, например в определении орбиты Урана, но это было довольно просто, поскольку изначальное предположение о том, что Уран описывает круг вокруг Солнца, было недалеко от истины ввиду очень небольшого эксцентриситета орбиты планеты. Кроме того, имелись многочисленные наблюдения, помогавшие скорректировать любую ошибку. В случае с Церерой Гаусс располагал результатами только 41 дня наблюдений; кроме того, ее орбита имела высокую степень эксцентриситета, поэтому гипотеза круга, на которой основывались Ольберс и фон Цах, не сработала. Подход Гаусса был основан только на имевшихся наблюдениях, и для решения задачи ученый пользовался эвристическими методами, то есть улучшал результат шаг за шагом. В эвристических методах используется итерация, при которой найденные частичные решени я служат основой для нахождения новых решений, более близких к реальному решению задачи.

Метод наименьших квадратов, созданный Гауссом, — это техника числового анализа, состоящая в математической оптимизации. Цель — нахождение функции, которая бы наилучшим образом подходила известным данным. Математическая идея следующая: пусть (x_1, y_1), (х_2, y_2), ..., (xn, yn) — пары данных, полученных при реальных наблюдениях за переменными X и Y. Теперь предположим, что между переменными X и Y существует связь, определяемая функцией ƒ, так что ƒ(хi) = уi. В случае с планетой Церерой, который изучал Гаусс, пары были образованы положением в пространстве (переменная Y) и временем (переменная X). Определить траекторию планеты было равносильно нахождению вида функции ƒ, так, чтобы при введении данных времени (х) мы могли вычислить ее положение (у) на основе значения ƒ(хi). Нужно выявить метод нахождения функции, при которой были бы минимальными ошибки или вычеты, определяемые как разница между реальным значением переменной Y (положение планеты) и ее вычислением с помощью функции ƒ. Сумма этих ошибок должна быть как можно меньше. Чтобы ошибки взаимно не исключались отрицательными и положительными числами, они возводятся в квадрат; у этой процедуры также есть дополнительное преимущество — она сокращает значение более мелких ошибок, большинство из которых вызваны неточностью взятых данных. Итак, проблема наименьших квадратов сводится к нахождению такой функции ƒ, чтобы минимизировалась сумма квадратов ошибок, то есть чтобы

было минимальным.

Проблема равносильна нахождению минимума среднеквадратической ошибки, то есть минимизации функции:

Эта формулировка несколько проще той, с которой в действительности столкнулся Гаусс, поскольку ради простоты мы предположили, что положение планеты Цереры можно представить только одной переменной, в то время как на самом деле необходима трехмерная система координат, то есть переменная является векторной. Это влияет на сложность вычислений и число неизвестных, с которыми нужно работать, но не на теоретическую постановку.

ПОЛЕМИКА С ЛЕЖАНДРОМ

Авторство разработки метода наименьших квадратов породило большую полемику с французским математиком Адриеном Мари Лежандром. Эта полемика была вызвана методами работы математиков начала XIX века и особенно подходом Гаусса к публикации результатов. На самом деле количество математических достижений Гаусса было несравнимо с числом публикаций. Гаусс, как и другие современные ему математики, не публиковал свои открытия сразу же в коротких статьях, как это делается сегодня, а накапливал их для издания целой книги. При этом он стремился не оставлять следов своего исследовательского труда. В случае с Церерой он озвучил решение, которое оказалось точным и принесло ему славу, но не объяснил используемого метода. Гаусс не публиковал своих трудов о методе наименьших квадратов до 1809 года, когда вышла его работа Theoria motus corporum coelestium in sectionibus conicis solem ambientium («Теория движения небесных тел, обращающихся вокруг Солнца по коническим сечениям»), то есть произошло это почти через десять лет после использования метода для вычисления орбиты Цереры. В этой публикации ученый обсуждает метод и намекает на работу Адриена Мари Лежандра по этой теме. Действительно, Лежандр хотя и не был первым, кто использовал этот метод, но первым описал его в работе Nouvelles methodes pour la determination des orbite des cometes («Новые методы определения орбит комет»), которая была опубликована в 1805 году (за четыре года до публикации Гаусса). Именно Лежандр дал методу название, известное сегодня. Вскоре после публикации книги Гаусса Лежандр написал ученому приветственное письмо, в котором, тем не менее, заявлял о своем авторстве метода наименьших квадратов.

В 1820 году Лежандр опубликовал дополнение к работе 1805 года, снова споря с Гауссом по вопросу об авторстве метода. Последующее изучение заметок Гаусса и свидетельство Ольберса, который заверил, что Гаусс показал ему записи о методе еще в 1802 году, когда они оба работали над определением орбиты Паллады, подтверждают правоту Гаусса. И это был не последний случай, когда два великих современника спорили об авторстве математических результатов.

Спор нанес ущерб математике, поскольку Лежандр начал испытывать необоснованные подозрения, что Гаусс копирует его работы с помощью его самого знаменитого ученика, Карла Густава Якоба Якоби, и запретил Якоби сотрудничать с Гауссом, хотя они оба долгие годы работали над одной темой — эллиптическими функциями. Как мы увидим далее, в этой теме и во многих других Гаусс шел нога в ногу с Лежандром. Узнав о беспочвенных обвинениях, Гаусс отразил удар. В 1806 году, в письме астроному Генриху Христиану Шумахеру (1780— 1850), он пожаловался:

«Похоже, что мне предназначено совпадать с Лежандром почти во всех своих теоретических работах. Так произошло с высшей арифметикой, с исследованиями трансцендентных функций, связанных со спрямлением [процессом нахождения длины дуги кривой] эллипса, с основами геометрии, и теперь снова здесь с методом наименьших квадратов».

После посмертной публикации работ Гаусса и переписки последних лет все старые споры были решены в пользу немецкого математика.

Такие разногласия были очень распространены среди математиков той эпохи, поскольку они часто запаздывали с публикацией своих открытий, да и само научное общение посредством писем было крайне неспешным, в результате разные ученые независимо работали над одной и той же проблемой и так же независимо друг от друга получали одинаковые результаты. Сегодня с помощью электронных средств коммуникации, особенно интернета, а также при наличии требования публиковать результаты как можно быстрее математик-исследователь может почти сразу же узнать о работах своих коллег, избегая многих подобных споров.

АДРИЕН МАРИ ЛЕЖАНДР

Лежандр (1752-1833) вместе с Лапласом, Лагранжем и Коши работал в период, который можно считать золотым веком французской математики. Он получил прекрасное образование в Коллеже Мазарини в Париже, где изучал физику и математику до 1770 года. С 1775 по 1780 годы Лежандр преподавал в военной школе, а с 1795 — в Нормальной школе.

В 1782 году ему была предоставлена премия Берлинской академии за изучение траекторий снарядов. Ученый внес важный вклад в статистику, теорию чисел и математический анализ, и его работы послужили основой для более поздних математических открытий. В частности, исследования норвежца Нильса Хенрика Абеля об эллиптических функциях были построены на постулатах, разработанных Лежандром, который провел фундаментальную работу в этой области, включая классификацию эллиптических интегралов. Вклад математика в этой области был дополнен его учеником Карлом Густавом Якобом Якоби. Также работу Лежандра дополнял и Гаусс в своих исследованиях, касавшихся статистики и теории чисел, однако между этими двумя учеными состоялось несколько споров о первенстве их открытий. В 1830 году Лежандр представил доказательство тогда еще гипотезы Ферма для n = 5. Также ему принадлежат первые работы по распределению простых чисел и по применению анализа к теории чисел, в чем он вновь совпал с Гауссом.

Карикатура на Лежандра, созданная в 1820 году французским художником Луи-Леопольдом Бальи.

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА НАИМЕНЬШИХ КВАДРАТОВ К СТАТИСТИКЕ

Кроме вычисления пространственных орбит, как мы увидим далее, метод наименьших квадратов имеет большой потенциал применения в других областях математики, особенно в статистике. Решение уравнений методом наименьших квадратов зависит от данных о функции ƒ, связывающей переменные, которые нам известны, и от сложности этой функции. Самый простой случай — когда функция имеет вид прямой, то есть Y = а + bХ. Вычисление параметров а и b получается простым расчетом на основе n пар двумерных данных (х_1, y_1), (х_2, у_2),..., (xn, yn). После применения техники наименьших квадратов получаем, продифференцировав и приравняв к нулю, уравнения, известные под названием нормальных уравнений:

откуда выводятся значения a и b:

где Cov(X, Y) — это ковариация переменных, Sx² и x — вариация и среднее значение переменной X, соответственно, а у — среднее значение переменной Y. Итоговую прямую называют регрессионной прямой. Такие вычисления позволяют определить возможное значение одной переменной на основе известного значения другой. Представим, что мы выбрали n индивидов, у которых пропорция между весом и ростом нормальная. На основе этих n пар данных мы делаем вычисления соответствующей регрессионной прямой. С помощью этого уравнения мы можем определить средний ожидаемый вес человека, зная его рост, — это вычисление используется по сей день. Рассмотрим следующую таблицу данных.

Рост

Вес

170

68

172

70

174

71

175

72

177

73

180

76

182

80

185

82

186

83

187

84

190

85

193

85

194

86

Проведя вычисления для получения регрессионной прямой, получаем, что Y= 0,808Х - 68,912, где Υ — вес, а Х — рост. На графике на следующей странице представлены реальные точки и регрессионная прямая, вычисленная методом наименьших квадратов. Прямая позволяет нам спрогнозировать средний вес человека с ростом 179 сантиметров: Υ = 0,808 · 179-68,921 = 75,71.

Чем сложнее функция ƒ, тем сложнее вычисления, но тем большую точность мы получаем в итоге.

Значительная часть статистики — это формулирование предположений, то есть извлечение выводов о параметрах аудитории на основе репрезентативной выборки. Эти выводы получены с помощью функции выборки, называемой статистической оценкой, которая предполагает оценку поведения целевой аудитории. Для статистического предположения принципиальную роль играет теорема Гаусса — Маркова. В ней утверждается, что при выполнении определенных гипотез статистическая оценка, полученная методом наименьших квадратов, является оптимальной.

Представление точек и регрессионной прямой, вычисленной методом наименьших квадратов.

«ТЕОРИЯ ДВИЖЕНИЯ НЕБЕСНЫХ ТЕЛ»

Как мы уже сказали, в 1807 году Гаусс вернулся в Гёттинген в должности директора астрономической обсерватории. Хотя он интересовался астрономией всю жизнь и это даже уменьшило вклад ученого в традиционную математику, именно на первые годы в Гёттингене приходятся его наибольшие усилия, посвященные доработке имеющихся трудов по астрономии и созданию новых. В 1809 году Гаусс опубликовал свою самую важную астрономическую работу — «Теория движения небесных тел». В ней содержатся полученные им заключения, но, как и ранее, не всегда приведены методы их получения.

Книга была опубликована на латыни, хотя первый вариант Гаусс написал на немецком. Издатель счел, что труд в латинском варианте получит большее распространение. Главная тема работы — определение эллиптических и гиперболических орбит планет и комет при использовании минимального числа наблюдений без дополнительных предположений. В предисловии Гаусс напоминает о вычислении орбиты Цереры, которое принесло ему такую славу. Книга носит явный дидактический характер и включает многочисленные примеры применения. Она разделена на две части: в первой содержится теоретический материал, а во второй — решения общей проблемы. Это первое строго сформулированное применение законов Кеплера для вычисления орбит небесных тел. До открытий Гаусса, таких как метод наименьших квадратов, астрономы пользовались методами, которые от случая к случаю варьировались, и не искали общего правила. Основной вклад Гаусса состоит в сочетании теоретических знаний, необыкновенной легкости алгебраических вычислений и его практического опыта в астрономии. В отличие от своих предшественников (включая Исаака Ньютона, который решал подобные проблемы с помощью геометрического приближения), Гаусс не предполагает знание формы орбиты наблюдаемого объекта. Это затрудняет вычисления, но позволяет подойти к проблеме, не зная, является ли изучаемый объект планетой, кометой или астероидом, что нелегко определить при небольшом объеме наблюдений.

ГАУСС И ЕГО КОЛОКОЛ

Гаусс не был открывателем кривой, носящей его имя. Нормальное распределение, или кривая Гаусса, также известная как Гауссов колокол в статистике, была описана Абрахамом де Муавром (1667-1754) в статье 1733 года, за много лет до рождения героя нашей книги. Функция плотности нормального распределения (она описывает вероятность нахождения значения переменной в определенном множестве), которая естественным образом появляется при изучении поведения реальных явлений, имеет вид:

где μ и σ² — это среднее значение и дисперсия распределения. Их представление показано на следующем рисунке при μ = 0.

Имя Гаусса фигурирует в названии этого распределения по двум причинам: с одной стороны, ученый широко использовал нормальное распределение при изучении ошибок экспериментов, когда анализировал астрономические данные, а с другой стороны, существует тип функций, называемых гауссовыми (в честь Гаусса), среди которых нормальное распределение — частный случай при

В нормальном распределении большинство значений переменной группируется вокруг центрального значения, поэтому в нем график достигает наибольшей высоты. Чем больше мы отдаляемся от него, тем меньше вероятность нахождения данных, поэтому график убывает при отдалении от значения средней величины.

Четыре раздела первой части книги описывают движения тела вокруг Солнца. Раздел I содержит многие необходимые определения, такие как радиус или эксцентриситет, и тригонометрические формулы для описания положения тела в заданной точке орбиты. Также в него включены практические советы о методах экстраполяции числовых таблиц и приближения парабол к эллипсам и гиперболам. Раздел II посвящен определению положения небесного тела как функции с тремя координатами. Гаусс начал с определения семи параметров, которые определяют движение небесного тела: средняя долгота, среднее движение, наибольшая полуось, эксцентриситет, долгота восходящего узла, наклонение орбиты и масса. Затем он описал отношения между этими элементами и объяснил критерии для определения различных конических сечений. И в завершение раздела он указал дифференциальные уравнения движения небесного тела, приведя несколько практических примеров.

В разделе III ученый затронул проблему вычисления орбиты на основе нескольких наблюдений и нахождения всех параметров, описывающих движение тела, с помощью математических отношений. В последнем разделе он занялся случаем различных наблюдений, которые сделаны в той же плоскости, что и Солнце (как движение Земли, например), для которых он вывел их тригонометрические отношения. Этот короткий раздел заканчивается формулировкой уравнения для эллиптических орбит.

Принцип состоит в том, что сумма квадратов разности между наблюдаемым и вычисленными значениями должна быть минимальной.

Гаусс, определение метода наименьших квадратов

Во второй части книги Гаусс перешел к основной проблеме — определению орбиты небесного тела на основе наблюдений. Эта проблема решается в два этапа: на первом вычисляется приблизительное решение на основе трех-четырех наблюдений, а на втором оно улучшается с помощью оставшихся данных. Части 1 и 2 этого раздела посвящены первому этапу, а части 3 и 4 — второму.

Как мы упомянули, элементов движения, которые необходимо вычислить для определения орбиты, семь. В разделе 1 второй части книги Гаусс объясняет, как вычислить шесть из них, пользуясь тремя наблюдениями; седьмой (масса) должен быть определен независимо. Учитывая, что каждое наблюдение предоставляет два параметра (долготу и широту), трех наблюдений достаточно для вычислений, если только наблюдаемая орбита не находится в эклиптике или очень близко от нее.

Говоря об эклиптике, мы имеем в виду плоскость, в которой Земля движется вокруг Солнца, описывая эллипс. Для этого случая, который является предметом раздела II второй части, необходимо еще четыре независимых наблюдения. Гаусс рассмотрел случай четырех независимых наблюдений, из которых только два являются завершенными. Методологически это не ново относительно увиденного ранее, но важно, если упомянутая орбита близка к эклиптике Земли. В этом случае даже маленькие погрешности в наблюдениях могут привести к ошибочным вычислениям, если работать только с четырьмя упомянутыми наблюдениями.

Последние два раздела книги посвящены способам улучшения методов приближенного вычисления орбит, рассмотренных в двух первых разделах. В разделе III Гаусс впервые опубликовал метод наименьших квадратов как наиболее эффективный для достижения этой цели. Как мы уже видели, он был успешно использован для вычисления орбиты Цереры: Гаусс при этом опередил Лежандра в открытии метода, но не в его опубликовании. В довольно коротком разделе IV ученый сделал несколько замечаний о нарушениях эллиптических орбит, вызванных влиянием планет большого размера, что позволило вычислить массу Юпитера на основе орбиты Цереры, не вдаваясь в чрезмерные подробности. Книга заканчивается рядом очень длинных таблиц, которые проясняют отношения между различными параметрами, определяющими орбиту.

Можно утверждать, что «Теория движения небесных тел, обращающихся вокруг Солнца по коническим сечениям» была самым важным астрономическим текстом в течение нескольких десятилетий после публикации. Метод наименьших квадратов стал основным инструментом: сначала это была только техника, которая затем превратилась в один из столпов натуральной философии Гаусса, и ученый значительно расширил ее применение, сделав необходимым инструментом во многих других областях математики.

Как астроном, Гаусс также ставил эксперименты по обнаружению изменения гравитации из-за земного вращения, определению географической долготы, идентификации комет и анализу сложностей в оптике телескопов.

ГЛАВА 4

Установление порядка между простыми числами

Любое число можно разложить на простые числа, которые и составляют фундамент арифметики. Однако непросто узнать, является ли большое число простым: нет формул, которые описывали бы все простые числа, и мы даже не знаем, как они распределяются в числовом ряду. Когда Гаусс подошел к этой проблеме, ему хватило ясности ума, чтобы открыть новые пути и установить порядок там, где до этого был только хаос.

Гаусс обращал свой интерес на очень разные математические области: алгебру, арифметику, астрономию, построения с помощью линейки и циркуля и некоторые другие. Но если о какой-то теме и можно сказать, что она сопровождала его всю научную жизнь, то это изучение простых чисел и их свойств. Вполне можно заметить, что если Гаусс сделал из теории чисел «царицу математики», то лучшими драгоценностями, которые украшали ее корону, были открытия из области простых чисел — чисел, которые зачаровывали (и ужасали) целые поколения математиков.

Самое древнее доказательство интереса человечества к простым числам — это кость, датированная 6500 годом до н.э. Кость Ишанго была найдена в 1960 году в экваториальной Африке. На ней вырезано несколько столбиков с насечками. Интересно, что в одном из них содержится 11, 13, 17 и 19 отметок, то есть все простые числа от 10 до 20. Изучением простых чисел была увлечена и древняя китайская цивилизация. Для китайцев они символизировали мужественность, поскольку не позволяли представить себя в виде произведения меньших чисел. Однако именно древние греки открыли их первое важное свойство: любое натуральное число можно единственным образом представить как произведение простых чисел. Другими словами, они доказали, что простые числа — это элементы, из которых состоит вся арифметика, точно так же, как химические элементы из таблицы периодической системы составляют основу Вселенной.

Насколько известно, Эратосфен (276-194 до н. э.), библиотекарь из Александрии, был первым, кто в III веке до н. э построил таблицы простых чисел. Он придумал рационально легкий способ узнать, какие числа являются простыми на промежутке между двумя величинами, например 1 и 1000. Отставив в сторону число 1, которое не все математики считают простым, он искал первое простое число: число 2. Далее он вычеркивал все числа, кратные 2 (четные), которые, следовательно, уже не могли быть простыми. В списке незачеркнутых чисел он искал первое незачеркнутое число, которое автоматически было простым, в этом случае 3, и действовал тем же образом, зачеркивая все числа, кратные 3. Эратосфен продолжал эту процедуру, зная, что первое в его списке незачеркнутых чисел вновь будет простым (далее 5, 7,11...) и что именно оно определяет следующие числа, которые нужно удалить из списка (все кратные ему). С помощью этой процедуры он построил таблицы простых чисел. Этот метод получил название решето Эратосфена, поскольку таким образом строилась сеть, не включавшая числа, которые не могут быть простыми, точно так же, как сито золотоискателей помогает им находить самородки. Естественно, на каждом этапе ячейка решета Эратосферна меняется в размерах, поскольку процесс ускоряется.

Евклид также занимался простыми числами. В частности, его интересовал вопрос, бесконечно ли множество простых чисел. Мы можем находить простые числа в течение неопределенного времени или все же существует момент, когда они перестают появляться? Евклид нашел ответ на этот вопрос: множество простых чисел бесконечно. Древнегреческий математик выразил это, сказав, что количество простых чисел больше, чем любое число, которое можно задумать. Доказательство довольно элементарно и показывает мощь математического рассуждения, которое способно ответить на этот вопрос без необходимости искать каждый раз все большие простые числа.

МНОЖЕСТВО ПРОСТЫХ ЧИСЕЛ БЕСКОНЕЧНО

Это утверждение доказывается от противного. Для начала предположим, что множество простых чисел конечно, то есть Р = {2, 3 pj..., pn} — это множество всех существующих простых чисел, и pn — наибольшее из них. Возьмем произведение всех их плюс один, то есть вычислим q = 2 · 3 · ... · рj, ... · pn + 1. Это число явно больше 1 + pn, и оно не может быть простым, поскольку тогда мы получили бы простое число, большее максимального pn. Тогда нужно предположить, что q — составное число. Так как любое составное число можно разложить на произведение простых, это означает, что все простые множители q находятся во множестве простых чисел Р. Следовательно, существует по крайней мере один элемент множества Р (обозначим его р), который является делителем q. Однако по построению pj также является делителем произведения 2 · 3 · ... · рj · ... · pn, поскольку рj — один из множителей этого произведения. Это означает, что р, является делителем g и g - 1, следовательно, оно должно быть делителем их разности, то есть 1, но ни одно простое число, большее 1, не является делителем 1. Мы пришли к противоречию. Вывод в том, что выбранное множество Р не является исчерпывающим, поскольку существуют простые числа, не принадлежащие ему, следовательно, множество простых чисел бесконечно.

С аргументацией Евклида исчезала возможность построить таблицу, в которой содержались бы все простые числа, и, следовательно, пропала возможность найти способ, который позволил бы описать их. Гораздо сильнее заключений Евклида результат, доказанный в 1737 году Эйлером, который гласит: сумма чисел, обратных простым, расходится. В виде математической формулы это выглядит следующим образом:

где р — простое число.

Очевидно, что из этого результата можно сделать вывод, что количество простых чисел бесконечно, поскольку для бесконечной суммы необходимо бесконечное количество слагаемых (и к этому выводу можно прийти с помощью одних только логических рассуждений).

Еще в юности Гаусс получил в подарок книгу, в которой содержался список нескольких миллиардов простых чисел, возможно полученных с помощью инструмента, напоминающего решето Эратосфена. Гаусс заметил, что числа появляются без всякой системы. Казалось почти невозможным определить порядок их распределения, или формулу, которая позволила бы находить их в бесконечном множестве натуральных чисел. Ученый, который смог определить орбиту небесных тел на основе немногих наблюдений, решил принять вызов. Мысль о том, что математики не могли найти правила распределения простых чисел, подхлестывала разум Гаусса. Он должен был найти порядок и регулярность там, где, казалось, есть только хаос.

Любой глупец может задавать вопросы о простых числах, на которые не сможет ответить и самый умный человек.

Годфри Харолд Харди (1877-1947) о простых числах

Люди пытались понять простые числа в течение поколений, и за это время были сделаны интересные наблюдения. Например, существует гипотеза, согласно которой можно найти бесконечное число простых чисел-близнецов (разделенных двумя единицами), то есть если р — простое число, таким же является р + 2. Пары простых чисел-близнецов находили среди очень больших чисел, таких как пара 1000 037 и 1000 039. Евклид более двух тысяч лет назад доказал, что существует бесконечное количество простых чисел, но никто не знает, есть ли число, после которого больше нет пар соседних простых чисел. В математике одно дело — гипотезы, и совсем другое — теоремы, отделенные от гипотез пропастью доказательства. Именно поэтому математическое доказательство — фундаментальная основа прогресса этой науки.

Одним из первых вопросов, которым занялись математики, было нахождение формул, дававших бы бесконечный ряд простых чисел. Ферма думал, что нашел одну из таких формул: его идея состояла в том, чтобы прибавлять 1 к особому типу степеней числа 2. Согласно Ферма, числа вида 2²n +1 (где n — натуральное число), которые мы обозначим Fn и будем называть простыми числами Ферма или просто числами Ферма, всегда простые. Для малых степеней она работает: при n = 1 получаем 5, при n = 2 получаем 17. Ферма был убежден, что его формула всегда даст простое число, но у него не было возможностей проверить свою догадку экспериментально, поскольку числа быстро росли, и вычисления становились невозможными. Однако в этот раз интуиция его подвела. Пятое простое число Ферма, состоящее из десяти цифр, которое он не смог вычислить, уже не простое, поскольку делится на 641, как доказал Эйлер. После вычисления этого контрпримера интуитивное предположение Ферма перестало быть гипотезой и оказалось просто ложным предположением. Именно поэтому некоторые авторы избегают называть такие числа простыми числами Ферма и говорят о них просто как о числах Ферма.

Гаусс с большим уважением относился к числам Ферма, но нашел им другое применение. В «Арифметических исследованиях» он доказал, что если число Ферма простое, можно построить правильный многоугольник с этим числом сторон с помощью линейки и циркуля. Число сторон многоугольника, построение которого сделало молодого Гаусса известным, — 17, и 17 же — второе число Ферма. Четвертое число Ферма, 65537, простое, и это означает, что можно построить идеальный правильный многоугольник с таким числом сторон. Очевидно, для достижения этого результата необходимы большая точность и терпение, так, мы уже знаем, что мастер, которому заказали выгравировать 17-угольник на могильной плите Гаусса, отказался делать это.

Итак, хотя Гаусс и нашел применение для формулы простых чисел Ферма, сама эта формула оказалась неэффективной для своей изначальной цели. Это еще один пример того, что математические теории, которые считаются неперспективными, могут найти свое применение в будущем. Именно поэтому математики практически не говорят о малой применимости своих открытий, в какой бы теоретической области они ни работали.

Ферма попытался определить некоторые из свойств таких простых чисел, как 5, 13, 17 или 29, которые при делении на 4 дают в остатке 1. Такие числа могут быть записаны в виде суммы квадратов (13 = З² + 2², 29 = 2² + 5² и так далее). Ферма предположил, что сумма квадратов дает простые числа, и даже утверждал, что у него есть доказательство. На самом деле Ферма слишком часто строил гипотезы и переоценивал свою способность доказать их. Собственно, многие математики той эпохи не представляли доказательств свойств, которые они, по их словам, открыли.

В Рождество 1640 года Ферма рассказал об этом своем открытии в письме, которое послал монаху и музыканту Марену Мерсенну (1588-1648). Этот человек был обычным собеседником многих ученых своего времени, он переписывался почти со всеми французскими математиками и даже с некоторыми иностранными, такими как Галилео Галилей (1564-1642). Группа математиков, которые объединились через переписку с Мерсенном, стала ядром Парижской академии наук.

Мерсенн также заинтересовался созданием простых чисел и придумал формулу, которая оказалась более полезной, чем формула Ферма. Он исходил из степеней числа 2, но вместо того чтобы добавить 1 к результату, как это делал Ферма со своими простыми числами, он решил вычесть его. Например, 2³-1 = 7, а это простое число. Мерсенн сразу же заметил, что его формула не всегда дает простое число, поскольку 2^4-1 = 15, а оно не является простым. Исследователь понял, что ему нужно какое-то дополнительное условие, и решил, что степень числа 2 должна быть простым числом. Так, он утверждал, что для значений n, не превышающих 257, числа вида 2n — 1 являются простыми тогда и только тогда, если n — простое число. Это математическая характеристика, поскольку она содержит необходимое и достаточное условие. У его теоремы было единственное исключение: 2^11-1 = 2047, а 2047 = 23 х 89, так что оно не простое. В математике исключение не подтверждает правило. Следовательно, теорема была ложной. Остается загадкой, как Мерсенн мог утверждать, что 2^257-1 было простым, поскольку это число из 77 цифр находилось абсолютно за рамками его вычислительных возможностей. Частично идеи Мерсенна изучаются до сих пор, но неизвестно, продолжит ли формула давать простые числа до бесконечности. Пока еще только ожидается доказательство того, что ряд простых чисел вида 2n - 1, где n — простое число, никогда не прервется.

ПАРИЖСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

Академия наук была основана в Париже в 1666 году Кольбером, министром финансов Людовика XIV. В ее создании большую роль сыграла группа математиков, которые переписывались с Мареном Мерсенном (справа). Среди первых членов Академии были Рене Декарт, Пьер де Ферма и Блез Паскаль (1623-1662). Со времени создания в нее входили не только французы, но и, например, голландец Христиан Гюйгенс (1629-1695), который всю свою жизнь получал от Академии финансовую помощь. В 1699 году Академия была реорганизована под покровительством короля Людовика XIV, и ее центр разместился во дворце Лувра. Она была разделена на две основные части — математические науки (геометрия, механика и астрономия) и физические дисциплины (химия, ботаника и анатомия). Геометрия понималась в значении, принятом в классической Греции, и включала все отрасли математики. В течение XVIII века Академия способствовала научному прогрессу посредством публикаций, а также предоставляла научные консультации власти. После упразднения Академий, которое последовало за Революцией, в 1816 году она восстановила свою автономию и присоединилась к Институту Франции. Этот статус академия сохраняет по сей день.

Поощрение премиями

В 1721 году Академия установила престижную систему премий, которые вручались за большой вклад в развитие математики и других наук, и благодаря им появились работы огромной важности в других научных дисциплинах. Существовал комитет экспертов по присуждению каждой большой премии, и в архивах Академии до сих пор хранятся стенограммы прений, касавшихся присуждения. В какие-то годы Академия решала, на какую тему должны быть написаны работы, претендующие на премию, например так было в 1816 и 1857 годах, когда работы должны были быть посвящены решению последней теоремы Ферма. Конечно же, в те годы конкурс никто не выиграл. Гаусс никогда не претендовал на премию Академии, поскольку держался особняком от французских научных институтов из-за военных действий, которые Франция вела в его стране.

ПЕТЕРБУРГСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

Академия наук была основана Петром I в Санкт-Петербурге в январе 1724 года и сохраняла это название с 1724 до 1917 год. Первыми учеными, приглашенными работать в ней, стали признанные европейские математики Леонард Эйлер, Кристиан Гольдбах, Николай и Даниил Бернулли, эмбриолог Каспар Фридрих Вольф (1734-1794), астроном и географ Жозеф Никола Делиль (1688-1768), физик Георг Вольфганг Крафт (ок. 1700-1754) и историк Герхард Фридрих Мюллер (1705-1783). Гаусса также звали в Петербург, поскольку, вычислив орбиту Цереры, он приобрел широкую известность в научном мире, но ученый отказался от этого приглашения. Академия достигла большого успеха в развитии науки, практически не имевшего аналогов ни на европейском, ни на мировом уровне. Она продолжала работать даже в периоды исторических потрясений, а в 1934 году ее центр был перемещен в Москву вместе с большинством исследовательских институтов Советского Союза.

Эйлер также посвятил себя изучению простых чисел. Для него, как и для Гаусса, легче указать области математики, в которых он не сделал никаких открытий, чем наоборот. Страсть Эйлера к простым числам была усилена перепиской с Кристианом Гольдбахом, секретарем Петербургской академии наук.

Гольдбах, как и Мерсенн, не был профессиональным математиком, но его завораживала игра с числами и постановка числовых экспериментов. Именно Эйлеру он впервые рассказал о своей знаменитой гипотезе. Эйлер использовал помощь Гольдбаха для проверки доказательств своих гипотез о простых числах, поскольку в аргументации встречались не вполне обоснованные моменты. Также он очень интересовался гипотезами Ферма об этих числах. У Эйлера работа с простыми числами шла чрезвычайно хорошо, поскольку он обладал исключительными вычислительными способностями, виртуозно манипулировал формулами и обнаруживал скрытые связи. Его коллега, математик и один из реформаторов Парижской академии наук, Франсуа Араго (1786-1853) сказал: «Эйлер считает без видимых усилий, как люди дышат, а орлы летают».

Эйлер просто наслаждался вычислением простых чисел. Он составил их таблицы, включая числа до 100000 и даже больше. Как мы уже упоминали, ему удалось доказать, что пятое число Ферма не является простым — для этого ученый пошел теоретическим путем, поскольку для вычисления этого числа не хватало даже его способностей. А одним из самых любопытных открытий Эйлера стала формула, которая, казалось, генерирует огромное количество простых чисел. В 1772 году он вычислил все результаты, которые получаются, если присвоить х значения от 0 до 39 в уравнении х² + х + 41, и получил следующий список:

41,43, 47, 53,61,71,83,97,113, 131, 151,173, 197, 223, 251,281, 313, 347, 383, 421, 461, 503, 547, 593, 641, 691, 743, 797, 853, 911, 971, 1033, 1097, 1163, 1231,1301, 1373,1447, 1523,1601.

Все эти числа простые. Начало казалось многообещающим, но при x = 40 и х=41 формула давала составные числа. И снова формула непрерывного и бесконечного порождения простых чисел ускользнула. Также Эйлер открыл, что если изменить независимый член уравнения и вместо 41 подставить 2, 3, 5, 11, 17, также получаются простые числа, но этот ряд всегда в конце концов прерывается. В 1751 году Эйлер пишет: «Есть некоторые загадки, в которые человеческий разум никогда не проникнет. Чтобы убедиться в этом, достаточно бросить взгляд на таблицы простых чисел. Мы заметим, что в них нет ни порядка, ни закона». Если даже великий Эйлер сдался, то проблема действительно серьезна. Так обстояли дела, когда вопросом заинтересовался Гаусс. Наш герой искренне восхищался Эйлером и даже сказал о нем, имея в виду теорию чисел:

«Особая красота этой сферы привлекала всех, кто активно занимался ее развитием; но никто не выражал этого так ярко, как Эйлер, который почти во всех своих многочисленных работах, посвященных теории чисел, постоянно говорит о том удовольствии, которое он получает от этих исследований и от приятных изменений, происходящих в работах, наиболее прямо связанных с практическим применением».

ГИПОТЕЗЫ ГАУССА О ПРОСТЫХ ЧИСЛАХ

Как вы уже поняли, в течение многих веков математики безуспешно пытались найти формулу, которая бесконечно генерировала бы простые числа. Но Гаусс решил пойти другим путем и использовать новую стратегию. Собственно, этим он славился с юных лет: гениальность Гаусса в том и состояла, что он всегда шел к решению собственными путями, избегая очевидного и многажды опробованного. Ученый оставил поиск универсальных формул (путь, который всегда заводил в тупик), он попытался найти закономерность в распределении простых чисел и, если это возможно, математические выражения, определявшие эту закономерность. Так наметился перелом в подходе к проблеме, а последующие поколения математиков получили обширный материал для изучения, на основе которого были сделаны перспективные открытия. Идея Гаусса состояла в том, чтобы связать распределение простых чисел с логарифмами по основанию е. Казалось, что эта идея буквально вспыхнула в его живом математическом уме, однако на самом деле она вынашивалась годами, а полученные результаты надолго пережили ученого.

В 14 лет Гаусс получил в подарок книгу о логарифмах — необходимом инструменте для любого, кто интересуется арифметикой. С появлением математических калькуляторов логарифмы утратили часть своего значения, и сейчас их изучают не так интенсивно, как это было десятки лет назад. Причина в том, что логарифмы позволяли очень упростить математические операции.

ПРИМЕНЕНИЕ ЛОГАРИФМОВ

Если даны два действительных числа b и х, можно сказать, что z — это логарифм х по основанию b, если b, возведенное в степень z, дает х. Выражаясь математически:

logbx=z↔bz=x.

У логарифмов есть два свойства, которые делают их очень удобными для арифметических операций. С одной стороны, логарифм произведения — это сумма логарифмов, а его частное превращается в разность. Так,

logb(x · y) = logbx+logby, и, кроме того, logb(x/y) = logbx-logby,

что позволяет осуществлять умножение и деление как сложение и вычитание с помощью таблиц логарифмов, которые совсем недавно были знакомы каждому школьнику. Благодаря замене умножения сложением, которую делают возможной логарифмы, ускорилось развитие навигации и торговли; таблицы логарифмов и обратных им величин стали очень популярны. Первую таблицу логарифмов составил в 1614 году шотландец Джон Непер (1550-1617). Математики поняли, что основание логарифма может меняться, благодаря чему стал очень популярным логарифм по основанию е. Это иррациональное число, принимающее значение 2,718182..., было впервые определено Эйлером и присутствует во многих математических выражениях. Число е можно получить как сумму

где n! — факториал натурального числа п.

Логарифмы по основанию е называют натуральными и обозначают In.

В книге логарифмов содержалась также таблица простых чисел, так что острый ум Гаусса начал проверять, нет ли какой-то связи между этими двумя таблицами, и здесь лежат истоки его огромного вклада в теорию простых чисел. Вместо того чтобы прогнозировать точное место простого числа относительно предыдущего, Гаусс попытался понять, можно ли проверить, сколько существует простых чисел, меньших 100, или 1000, или любого другого числа. Есть ли какой-то способ узнать, сколько таких чисел между 1 и N для заданного натурального числа N? Для этого он определил функцию:

π(Ν) = мощность множества {ρ<=Ν, где р — простое число}.

Запись не слишком удачная, поскольку складывается впечатление, что функция каким-то образом связана с числом π, а это не так. Сделав некоторые элементарные вычисления, можно прийти к выводу о том, что простые числа не распределяются равномерно. Например, существует 25 простых чисел, меньших 100; то есть при выборе числа от 1 до 100 у нас есть вероятность 1/4 столкнуться с простым числом. Эта вероятность уменьшается, если мы увеличиваем число Ν. Но следуют ли эти вариации какой-нибудь модели, которую можно выразить математически? Гаусс воспользовался своими таблицами простых чисел, чтобы найти ответ на этот вопрос. Когда он понаблюдал за долей простых чисел, взятых во все больших промежутках, ему показалось, что они следуют некой регулярной структуре. Если мы посмотрим на результат этих наблюдений для различных степеней числа 10, эта регулярность начнет вырисовываться.

Степени числа 10

Количество простых чисел (π(Ν))

Среднее расстояние между простыми числами

10

4

2,50

100

25

4,00

1000

168

5,95

10000

1229

8,14

100000

9592

10,43

1000000

78498

12,74

10000000

664579

15,05

В этой таблице намного больше информации, чем было в распоряжении Гаусса, у которого не было таблиц простых чисел, доходивших до 10000000. Но обычно ему требовалось меньше данных, чем другим людям, чтобы прийти к выводам, так что будет справедливо, если мы воспользуемся этим преимуществом. Если мы посмотрим на таблицу, становится очевидным, что среднее расстояние между последовательными простыми числами увеличивается, и для значений выше 10000 увеличение стабилизируется на 2,3. То есть когда мы умножаем на 10 число N, расстояние между простыми числами увеличивается на 2,3. Именно благодаря этой связи между умножением и сложением Гаусс подумал, что логарифмы могут играть важную роль. Поскольку среднее расстояние увеличивается на 2,3 вместо 1 каждый раз, когда мы умножаем на 10, возникает мысль, что это связано с логарифмом не по основанию 10. Гаусс выяснил, что наиболее подходящим для его вычислений основанием было число е, и, следовательно, он решил воспользоваться натуральными логарифмами. А ln(10) = 2,3034, следовательно, ln( 100) = ln(10 · 10) = ln(\0) + ln( 10), и аналогично при умножении еще на 10.

Это дало Гауссу основание сформулировать следующую гипотезу: для чисел в промежутке от 1 до N средняя удаленность между простыми числами равна ln(N). Следовательно, мы можем определить значение функции π как:

π(Ν) = Ν/ln(N)

Гаусс никогда не думал, что это точная формула. Он считал, что она может использоваться для оценки, для установления какого-то порядка в распределении простых чисел. Гаусс записал это приближение в книге логарифмов, но никому не объяснил своей идеи, поскольку у него не было доказательств правильности этого наблюдения и он не знал, сохранится ли модель по мере увеличения Ν. Такое поведение вполне соответствовало представлениям Гаусса о том, как нужно вести научные исследования. Без доказательства связь между простыми числами и логарифмами для ученого не имела ценности. Однако его идея стала зачатком нового способа решения проблемы и дала в будущем чудесные результаты.

С Гауссом в исследованиях вновь пересекся Лежандр. Французского математика также интересовала теория чисел, и в 1798 году, на шесть лет позже, чем Гаусс, он объявил об обнаружении экспериментальной связи между простыми числами и логарифмами. Результат, который предложил Лежандр, был лучше, поскольку выяснилось, что результат Гаусса удаляется от реальных значений по мере роста N.

На рисунке показано, что хотя Гаусс, безусловно, открыл нечто интересное, открытие можно было улучшить. Лежандр получил результат, определяемый формулой

π(Ν) = N/(ln(N)-1,08366)

сделав небольшое исправление, которое приближало формулу к реальному графику распределения простых чисел. На самом деле при существующих на то время таблицах простых чисел было почти невозможно различить графики π(Ν) и результат Лежандра. Он приспособил функцию к графику, что было относительно простой задачей при использовании метода наименьших квадратов, и поэтому в формуле появился такой член, как 1,08366, не имеющий в математике самостоятельного значения. Лежандр в своих изысканиях больше заботился о том, чтобы находить практические объяснения, а не искать доказательства. Так, в 1808 году он опубликовал свою гипотезу о простых числах в книге, озаглавленной Theorie des nombres («Теория чисел»), не раскрывая метода, который привел его к этому заключению. Спор о том, кто первым открыл связь между логарифмами и простыми числами, вызвал новую полемику между Гауссом и Лежандром. Свое разрешение она нашла только после смерти Гаусса, когда были изучены его заметки и переписка и было установлено, что он вновь обошел Лежандра. В любом случае уравнение Лежандра с добавленным членом имело довольно неестественный вид, кроме того, не было уверенности, что результат будет хорошим после расширения таблиц простых чисел.

Неудивительно, что Гаусс посвятил свои последние годы улучшению этого результата в поисках более точной и лучше обоснованной с точки зрения математики формулы. Так возникла проблема вычисления вероятностей. Было очевидно, что по мере увеличения N вероятность найти простое число уменьшается. Идея состояла в том, чтобы воспользоваться вероятностями, основанными на выражении

1/ln(N)

Результат Гаусса получил новое выражение:

На самом деле эта формула была небольшой модификацией предыдущей; ученый обозначил ее Li(N) и назвал интегральным логарифмом N; выражение было более точным, поскольку в нем ряд сумм заменялся интегралом, то есть бесконечной суммой. Итак, выражение, заданное Гауссом, имело вид:

Гаусс предположил: π(Ν) = Li(N), что известно как гипотеза Гаусса о простых числах, которая, как мы увидим, превратилась в теорему Гаусса о простых числах. Так немецкий математик снова превзошел Лежандра, хотя для того чтобы доказать его открытие, потребовался огромный технический прогресс в вычислении простых чисел. Чтобы проверить свою гипотезу, Гаусс много времени посвятил построению таблиц простых чисел. В возрасте более 70 лет он написал астроному Иоганну Энке (1791-1865): «Очень часто я пользовался четвертью часа отсутствия дел, чтобы находить простые числа с промежутками размером в тысячу». Что и говорить, весьма оригинальный способ отдыхать! Но благодаря ему Гауссу удалось определить количество простых чисел, меньших 3000000, и он выяснил, что разница по сравнению с результатом его интегральной функции едва равна 0,0007 %. Когда появились более обширные таблицы простых чисел, обнаружилось, что формула Лежандра была гораздо менее точной и давала заметную погрешность для чисел больше 10000000.

С помощью современных методов вычислений было выяснено, что результат Гаусса для простых чисел меньше 10^16 отличается от верного значения едва на одну десятимиллионную от 1 %, в то время как результат Лежандра дает отклонение в несколько тысяч миллионов раз больше. Мы можем утверждать, что Гаусс, основываясь на рассуждениях математического характера, превзошел Лежандра, который просто подобрал формулу для доступных ему данных.

Кроме этой первой гипотезы о том, что функция π(Ν) может быть точно оценена функцией Li(N) для бесконечных значений N, Гаусс вывел и вторую гипотезу, поскольку считал, что функция Li(N) в конце концов будет переоценивать реальное количество простых чисел (всегда на бесконечно малый процент) и что эта тенденция будет сохраняться. Это второе утверждение получило название второй гипотезы Гаусса. Доказать ее или опровергнуть было непростой задачей, поскольку в то время еще не было современных компьютеров, которые могли совершить необходимые вычисления. Подтвердить или опровергнуть гипотезы Гаусса можно с помощью строгого математического доказательства: нельзя ограничиться экспериментальным подтверждением, поскольку какой бы длинной ни была составленная таблица простых чисел, всегда будут сомнения в том, сохранится ли эта тенденция по мере продвижения ко все большим числам. Для математики возможности экспериментальной проверки на невообразимо больших числах недостаточно, и в этом ее отличие от других наук.

В проверке гипотез Гаусса заметную роль играл Бернхард Риман, которого можно назвать его лучшим учеником.

ГИПОТЕЗА РИМАНА

В 1809 году Вильгельм фон Гумбольдт (1767-1835) стал министром образования Пруссии и совершил революцию в образовательной системе. Изучение математики впервые получило большое значение в новых гимназиях и университетах, студентов воодушевляли изучать математику как таковую, а не только в качестве вспомогательной дисциплины на службе у других наук. Но эта тенденция весьма отличалась от французского подхода, в котором превалировало утилитарное знание. Одним из тех, кому удалось воспользоваться этим изменением, был Риман, на тот момент один из самых способных студентов-математиков в Германии. После окончания учебы в Люнебурге (государство Ганновер), следуя желанию своего отца-священнослужителя, он в 1846 году поступил в Гёттингенский университет, который славился преподаванием теологии. Так судьба свела Римана с уже пожилым Гауссом. Через некоторое время молодой студент убедил своего отца разрешить ему заменить изучение теологии на математику. Риман в течение двух лет учился в Берлинском университете, поскольку в Гёттингене, по его мнению, было мало интеллектуальных стимулов, помимо Гаусса. В Берлине он завязал общение с Дирихле, который предложил студенту первые задачи с простыми числами. Во время пребывания в Берлине Бернхарду удалось изучить записи Гаусса с гипотезами о простых числах.

Риман вернулся в Гёттинген в 1849 году, чтобы закончить докторскую диссертацию и отдать работу на оценку своему учителю, Гауссу. Он сделал это в 1854 году, за год до смерти наставника.

Когда Риман начал заниматься простыми числами, нужно было доказать еще две гипотезы Гаусса. Во-первых, что функция π(Ν) может быть точно выражена Li(N) для любого N, то есть что разница между ними является бесконечно малой, таким образом, ее предел стремится к нулю. И во-вторых, что Li(N) > π(Ν) для любого значения Ν. Чтобы взяться за проблему, Риман ввел знаменитую дзета-функцию, которая определяется следующим образом:

где z — комплексное число, отличное от 1. У этой функции есть значения, в которых она равна нулю, такие как z = -2, z = -4 и другие, известные под названием тривиальных нулей. Нетривиальные нули — это те, для которых действительная часть строго больше нуля, но строго меньше 1. Вспомним, что комплексное число всегда имеет вид а + bi где а и b — действительные числа. Итак, для нетривиальных нулей справедливо 0 < а < 1.

Риман своим определением всего лишь обобщил функцию, изученную Эйлером, который обозначил ее так же:

Разница между дзета-функцией Римана и функцией Эйлера состоит в области определения. Для Эйлера х имеет действительное значение, в то время как у Римана z — комплексное число. Следовательно, функция Эйлера принимает действительные значения, в то время как функция Римана принимает комплексные значения.

Интерес математиков к этой бесконечной сумме, известной как ряд, происходит из мира музыки, и этот ряд появился раньше исследований Эйлера, хотя именно он изучил его наиболее глубоко и нашел связь с простыми числами. Пифагор заметил, что звук, издаваемый сосудом с водой, зависит от количества содержащейся в нем жидкости. Оказалось, что звуки гармоничны, если количество воды является частью от целого, дробью с числителем 1, то есть 1, 1/2, 1/3, 1/4, ... Пифагор назвал этот ряд гармоническим. Сумма гармонического ряда равноценна тому, что в дзета-функции Эйлера х взяли равным 1. Можно доказать, что сумма этого ряда бесконечна. На первый взгляд это очевидный результат, поскольку если мы сложим бесконечное количество положительных чисел, сумма будет расти и в конце концов примет бесконечное значение. Но дело в том, что это не так: для х = 2 ряд расходится. Действительно, Эйлер доказал, что значение

В истории математики не всегда было ясно, будет ли сумма бесконечного числа положительных членов обязательно равна бесконечности, и даже появились философские теории, посвященные этому.

Первый большой результат, связывающий дзета-функцию с простыми числами, был получен Эйлером в 1737 году. Он утверждает, что

где х — действительное число, а Р — множество простых чисел. В формуле сумма заменяется произведением дробей, образованных простыми числами. Чтобы дойти до этого результата,

Эйлер разложил каждый член ряда на произведение простых чисел. Например,

1/90 = 1/2 1/З² 1/5

Риман глубоко изучил функцию, введенную Эйлером, а также расширил сферу применения функции от действительных к комплексным числам.

Когда область определения расширяется до комплексных чисел, с функцией становится намного сложнее работать. Для начала, ее невозможно представить графически.

ЭЙЛЕР И ЧЕРЕПАХА

Зенон Элейский (ок. 490 — ок. 430 до н.э.) — древнегреческий философ, который создал ряд парадоксов, или апорий, чтобы поддержать учение своего учителя Парменида, утверждавшего, что ощущения, которые мы получаем о мире, иллюзорны. В частности, с помощью логических рассуждений Зенон пытался доказать, что физического движения не существует. Действующими лицами самого известного его парадокса являются легконогий Ахиллес и черепаха, соревнующиеся друг с другом. Поскольку воин бегал намного быстрее, он дал черепахе большую фору. После старта Ахиллес пробежал расстояние, которое разделяло соперников изначально, но по прибытии туда обнаружил, что черепахи там уже нет, она уже продвинулась вперед на небольшой кусок. Не падая духом, герой продолжил бег, но когда он пришел на то место, где была черепаха, та снова продвинулась. И так происходило до бесконечности. Таким образом, Ахиллес так и не догнал черепаху. Вывод очевиден: поскольку наши ощущения говорят нам, что Ахиллес догонит черепаху, значит, наши ощущения обманывают нас, и Парменид был прав. Однако рассуждение Зенона легко опровергается. Промежутки времени, за которое Ахиллес пробегает расстояние, отделяющее его отточки, в которой только что находилась черепаха, каждый раз все меньше, и их сумма дает конечный результат, так что человек догонит черепаху. Предположим, что Ахиллес дает черепахе изначальное преимущество в D и что воин бежит со скоростью, которая только вдвое больше скорости черепахи. Когда Ахиллес прибежит в то место, где была черепаха, животное преодолеет (1/2)D пути. Повторим рассуждение: когда Ахиллес проходит D + (1/2)D, черепаха продвигается еще на (1/4)D. Если представить это в математическом виде, то расстояние, которое должен пройти Ахиллес, чтобы догнать черепаху, задано суммой

D+D/2+D/4+D/8+...

Так что в худшем случае получается, что Ахиллес должен пробежать

но по результату Эйлера мы знаем, что сумма ряда конечна и на самом деле она равна π²/6, поэтому расстояние, которое должен пробежать Ахиллес, также конечно. Более того, расстояние, которое он пробегает до того, как догнать черепаху, — обозначим его через d — равно

d<=(1/2+π²/6) · D

Если мы выполним вычисления, получится, что d < 2,144 · D. Действительно, можно вычислить, что расстояние, которое пробегает Ахиллес, чтобы догнать черепаху, при его двойной скорости равно d = 2D.

Дзета-функция, которой пользовался Эйлер, — это действительная функция с действительным значением, то есть для действительного значения мы получаем результат, который также является действительным значением. Например, мы знаем, что

Благодаря этому можно изобразить функцию в виде графика на плоскости, которую математики обозначают R². Когда мы меняем область определения функции, то есть множество, в котором она принимает значения, на множество комплексных чисел, результат функции также становится комплексным числом. Если мы сочтем, как это сделал Эйлер, что комплексное число a + bi может быть представлено как пара (a, b) е R², и то же самое справедливо для ζ(α + bi), которое также является комплексным числом, то получается, что его графическое представление должно осуществляться в R^4, то есть в пространстве из четырех измерений. Построение графиков в пространствах из четырех измерений нам недоступно, однако Риман смог вообразить эту функцию в четырех измерениях и понял, что существует связь между простыми числами и нетривиальными нулями функции, то есть теми, действительная часть которых лежит строго между 0 и 1.

ЗАДАЧИ ТЫСЯЧЕЛЕТИЯ

Отмечая наступление нового тысячелетия, Институт Клэя выбрал семь математических задач, которые устояли перед всеми попытками их решения. Это было сделано в подражание Давиду Гильберту, который за 100 лет до этого определил перечень из 23 задач, ставших ориентиром для всех математиков XX века. Единственная задача, которая включена в оба списка, — это гипотеза Римана. Задачи тысячелетия охватывают самые важные области математики. Их перечень выглядит так.

1. Р относительно ΝΡ. Сформулирована Стивеном Куком в 1971 году. Возможно, это центральная проблема наук о вычислении. В основном математические проблемы сегодня классифицируются по классам Р и ΝΡ. Класс Р содержит все проблемы, которые могут быть решены с помощью алгоритма за полиномиальное время. Это означает, что число итераций ограничено многочленом, в котором переменная — «размер» проблемы. Эти проблемы решаемы с помощью компьютеров. Класс ΝΡ сформирован теми проблемами, для которых не существует алгоритмов в полиномиальном времени, но если у нас есть возможное решение проблемы из этого класса, то мы можем определить, хорошее оно или нет, за полиномиальное время. Из предыдущего определения следует, что любая проблема Р также является проблемой ΝΡ, тο есть любая проблема, решаемая в полиномиальном времени с помощью правильно подобранного алгоритма (Р), — это также проблема, которая допускает быструю проверку возможного решения (ΝΡ). Задача заключается в том, чтобы доказать (или опровергнуть), что любая проблема ΝΡ также является проблемой Р.

2. Гипотеза Ходжа. Связана с исследованием форм сложных объектов с помощью приближения на основе сочетания самых простых геометрических блоков возрастающей размерности.

3. Гипотеза Пуанкаре. Предложена в 1904 году знаменитым французским математиком Жюлем Анри Пуанкаре (1854-1912). В ее самом простом выражении говорится, что есть только одна компактная односвязная разновидность размерности 3 — трехмерная сфера. Это единственная решенная проблема в списке — корректное доказательство в 2003 году представил российский ученый Григорий Перельман (р. 1966). За это открытие ему было решено вручить Филдсовскую премию, однако ученый от награды отказался.

4. Гипотеза Римана. В ней утверждается, что действительная часть нетривиальных нулей дзета-функции Римана равна 1/2.

5. Задача Янга — Миллса. Поставлена как математическая задача и относится к изучению уравнений Янга — Миллса, крайне важных для объединения квантовой электродинамики с теорией электрослабого взаимодействия.

6. Задача Навье — Стокса. Изучение существования решения для основных уравнений движения вязких жидкостей.

7. Гипотеза Бёрча — Свиннертон-Дайера. Состоит в изучении того, бесконечным или конечным является множество рациональных решений для эллиптической кривой.

При этом он начал с вычисления нетривиальных нулей функции и на основе этих вычислений и глубокого понимания сути дзета-функции предположил, что действительная часть любого нетривиального нуля функции равна 1/2. Это утверждение известно как гипотеза Римана.

Риман сразу же понял, что его гипотеза может объяснить причину, по которой результат Гаусса с функцией Li(N) оказался таким точным. Позже было доказано, что гипотеза Римана эквивалентна первой гипотезе о простых числах Гаусса.

Перфекционизм, которым страдал Риман в период своего обучения, чуть не помешал ему записать свои открытия. Без сомнения, так сказывалось влияние Гаусса, который настаивал на том, что публиковать следует только идеальные доказательства, абсолютно лишенные пробелов. В ноябре 1859 года Риман опубликовал в ежемесячных заметках Берлинской академии эссе о своих открытиях. Этим десяти страницам плотных математических рассуждений было суждено быть единственными, которые Риман опубликовал по вопросу простых чисел, и несмотря на это они оказали значительное влияние на восприятие данных чисел в будущем. И все же, несмотря на блестящую интуицию Римана, эссе не было оценено. Вслед за своим учителем, Гауссом, Риман уничтожил все «леса». Главный тезис эссе состоял в том, что функция L.(N) Гаусса будет предоставлять каждый раз все лучшее приближение к функции π(Ν) по мере нашего продвижения в расчетах. Хотя Риман предложил инструмент доказательства гипотезы Гаусса, решение осталось вне досягаемости. Впрочем, Риман ввел форму, с помощью которой в будущем оказалось возможным подступиться к проблеме. Доказательство гипотезы Римана сразу же захватило математиков.

Если бы я проснулся, проспав тысячу лет, моим первым вопросом было бы: доказали ли уже гипотезу Римана?

Давид Гильберт, математик, предложивший в 1900 году знаменитый список ИЗ 23 НЕРЕШЕННЫХ ПРОБЛЕМ

В 1890 году по предложению Шарля Эрмита (1822-1901), одного из главных французских знатоков теории чисел, Парижская академия учредила премию — Grand Prix des Sciences Mathematiques — за доказательство первой гипотезы Гаусса о простых числах. Работу по этой теме представил ученик Эрмита, Жак-Саломон Адамар (1865-1963). Хотя он не предложил полного доказательства, его идей было достаточно для того, чтобы стать лауреатом премии. В 1896 году Адамару удалось заполнить лакуны своего первого доказательства, и ему не нужно было опираться на гипотезу Римана о том, что у нетривиальных нулей действительная часть равна одной второй. Адамару достаточно было доказать, что ни у одного нетривиального нуля нет действительной части, большей единицы, и он смог это сделать.

Спустя век после того, как Гаусс открыл связь между простыми числами и логарифмической функцией, наконец появилось доказательство гипотезы Гаусса о простых числах. Поскольку речь шла уже не о гипотезе, с этого момента она стала называться теоремой Гаусса о простых числах. Безусловно, Адамар не смог бы достичь успеха в своей работе без вклада Римана. Адамару пришлось разделить славу с бельгийским математиком Шарлем ла Валле Пуссеном (1866-1962), который в том же году нашел другое доказательство того же результата.

Следовательно, теперь оставалось только доказать или опровергнуть вторую гипотезу Гаусса о простых числах. Но если доказательство гипотезы Гаусса было подвигом, то попытка оспорить его догадку требовала уже поистине нечеловеческих усилий. Однако Джон Идензор Литлвуд (1885-1977), английский математик первой половины XX века, взялся за работу. Литлвуд был выдающимся учеником Годфри Харолда Харди (1877-1947), он получил известность благодаря работам по теории чисел, неравенств и теории функций. В 1912 году Литлвуд открыл, что гипотеза Гаусса — это мираж, что существуют области, где истинное количество простых чисел недооценено. Он осуществил доказательство с помощью математических рассуждений, поскольку нет способа наглядно аргументировать, что Гаусс ошибся. И на самом деле до сегодняшнего дня никому не удалось дойти до области чисел, в которой гипотеза Гаусса оказалась бы ложной. Несколькими годами позже, в 1933 году, студент Литлвуда по имени Стенли Скьюз (1899-1988) установил, что только когда обнаружатся простые числа порядка 10^101034, мы столкнемся с недооценкой количества простых чисел со стороны интегрального логарифма Гаусса. Но речь идет о настолько огромном числе, что мы должны проявить снисхождение к неточности, допущенной великим мастером.

ГЛАВА 5

Вклад в геометрию и физику

Гаусса с юности привлекала геометрия. Необычайная изобретательность привела его к поиску альтернатив евклидовой геометрии, которая в его время считалась единственно возможной. Также ученый внес большой вклад в дифференциальную и прикладную геометрию, особенно в геодезию. В области физики он сотрудничал с такими известными фигурами, как Вебер и Гумбольдт, и оставил свой след в таких разделах, как магнетизм и динамика.

Гаусс был человеком постоянных привычек, и он не хотел менять их по причинам, которые считал незначительными. Так, он всячески избегал длительных поездок, разве что речь шла о том, чтобы добыть материал для научной работы. Математик вполно комфортно чувствовал себя в Гёттингене или Брауншвейге, и его жизнь мирно протекала в этих городах и их окрестностях.

Как и другие великие ученые того времени, Гаусс получал многочисленные приглашения читать лекции из других городов и даже стран. Гёттинген был маленьким провинциальным городом, и многие считали, что главному математическому гению Германии следовало бы жить в более прогрессивном центре страны — Берлине. В 1822 году и в период 1824-1825 годов между образовательными властями Берлина и Гауссом шли серьезные переговоры о его переезде в университет столицы Пруссии. Эта территория недавно сбросила с себя французское владычество, и ее население вновь охватывал дух национального возрождения. Братья Гумбольдты — Александр (1769— 1859), ученый и исследователь, и Вильгельм (1767-1835), просвещенный политик, — пытались возбудить в австрийцах патриотическое чувство, поэтому для них было очень важно, чтобы Гаусс оказался в том месте, которое должно было стать истоком новой страны. С другой стороны, вторая супруга ученого, Минна (как и остальные члены ее семьи) подталкивала Гаусса переехать в Берлин, где было больше новых возможностей. В это же время скончался секретарь научного отдела Берлинской академии, и Гауссу сразу же предложили эту престижную и намного выше оплачиваемую должность, чем была у него в Гёттингене.

Берлин в это время был самым мощным центром государства, и казалось естественным, что лучшие немецкие ученые жили именно там. Гаусс среди этих ученых занимал почетное место, но сам он не испытывал никакой охоты к перемене мест, поэтому никогда лично не участвовал в переговорах об этом. Несмотря на усилия Карла Генриха Линденау (1755-1842), нового главы министерства, математик не проявлял никакого интереса к звучавшим заманчивым предложениям.

Гаусс был консерватором, ему было очень комфортно в спокойном городе, мало открытом переменам, происходившим в то время во всей Европе, поэтому переезжать он не торопился. Однако в конце 1825 года сложилась ситуация, когда казалось, что математика удалось уговорить. Гаусс даже проинформировал правительство Ганновера, на территории которого находится Гёттинген, что планирует переехать в Берлин и быть в подчинении государства Пруссия. Сразу же после этого изначально неуступчивый Ганновер увеличил ученому зарплату до того уровня, который ему предложили в Берлине. Также Гауссу предложили повысить его в должности и реконструировать обсерваторию, в которой протекала жизнь ученого. Естественно, Гаусс тут же ухватился за возможность остаться в Гёттингене. Это решение расстроило и даже разочаровало многих его друзей, участвовавших в патриотическом движении возрождения страны, таких как Ольберс, Фридрих Вильгельм Бессель (1784-1846) — математик и астроном, с которым Гаусс поддерживал переписку, и, конечно, Линденау. Для них Берлин был единственным местом, достойным Гаусса. Они считали, что государство Пруссия — это зачаток объединенной Германии. Впрочем, несмотря на то что ученый остался в маленьком Гёттингене, его реальное влияние на научную жизнь было ничуть не меньше, чем если бы он отправился в Берлин, чтобы начать в Пруссии новую карьеру. Гаусс обладал огромным личным авторитетом, его публикации пользовались широкой известностью и, конечно же, сыграли свою роль и в развитии научной деятельности, и в технологическом и экономическом прогрессе его страны в первой трети XIX века.

Самый известный портрет Гаусса, сделанный в 1840 году датским художником Христианом Альбрехтом Йенсеном (1792-1870), когда немецкому гению было 63 года.

Беременности и роды, которые следовали друг за другом три раза с1811 по 1816 годы, подорвали здоровье Минны Гаусс, женщина больше не могла активно заниматься домом и отказалась от общественной деятельности, так что она не слишком настаивала на переезде в Берлин, хотя и не была против.

Совместная жизнь Гаусса с Минной протекала довольно мирно, чего нельзя сказать о его отношениях с детьми, особенно от второго брака. Исключением стала только самая младшая дочь — Тереза, которая заботилась о Гауссе до его смерти. Старший сын ученого от первого брака, Иосиф, также поддерживал с отцом теплые отношения и даже помогал ему в некоторых работах. Но об этом мы поговорим позже. Будучи военным, Иосиф не очень часто общался с отцом, но Гаусс получал искреннее удовольствие от этого общения и гордился профессиональными успехами сына, о которых тот ему писал. Отношения с двумя сыновьями от Минны были ужасными, оба они, Ойген и Вильгельм, уехали в Северную Америку, спасаясь от семейных конфликтов. Ойген всегда упрекал Гаусса за то, что тот потребовал, чтобы сын занимался юриспруденцией, к которой сам Ойген не испытывал никакого интереса.

Несмотря на то что Гаусс пользовался огромным уважением, из-за своего замкнутого характера он стремился заниматься только своими исследованиями и старался остаться незамеченным, хотя иногда мог бы воспользоваться своим авторитетом, чтобы помочь друзьям. Показательно в этом смысле известное дело Гёттингенской семерки 1837 года. В этом году умер король Англии Вильгельм IV, его сменила королева Виктория, однако салический закон, действовавший в государстве Ганновер, запрещал женщине наследовать власть, хотя в тот момент государство входило в состав английской короны. Чтобы спасти положение, было заключено соглашение, и в Ганновере стал править дядя Виктории, Эрнст Август, герцог Камберлендский. Через год новый король отменил Конституцию и другие свободы, что вызвало реакцию со стороны семи профессоров; в их число входили и Вильгельм Вебер, с которым Гаусс уже несколько лет сотрудничал в области изучения физики, и Георг Генрих Август Эвальд (1803-1875), ориенталист, зять Гаусса и его большой помощник. Эти семь преподавателей подписали формальный протест, выступив против абсолютистских действий власти, совершенно не соответствующих духу того времени. Король Эрнст Август, презрев ценных ученых, высокомерно заявил, что может «найти новых преподавателей так же легко, как и балерин балета». Вследствие этого семь подписавшихся потеряли работу и были уволены из университета. Официально Гаусс не выступил в пользу подписавшихся, хотя похоже, что он действовал приватно, встретившись с королем и предложив ему соглашение для восстановления ученых в должности. Однако договор предполагал настолько унизительные и неприемлемые условия этого восстановления для Вебера и Эвальда, что те не пошли на уступки и были вынуждены уехать. Для Гаусса отъезд Вебера означал конец интенсивного сотрудничества, хотя до 1840 года у них были совместные проекты — «Университетский журнал» и «Атлас геомагнетизма».

ИЗМЕРЕНИЕ КОРОЛЕВСТВА

В 1818 году королевство Ганновер поручило Гауссу провести триангуляцию и измерение государства. Это была обычная практика того времени, особенно после того, как французы измерили дугу меридиана. Кроме того, исследования были связаны с текущей необходимостью. Власть понимала высокую ценность геодезических работ, которые позволяли составить точные карты, давая ряд военных и экономических преимуществ. Помимо измерения площадей, геодезия занимается построением карт, которые представляют топографию земли. Для этой работы необходимо установить набор координат, которые определили бы главные точки орографии исследуемой территории.

В ПОИСКАХ ДУГИ МЕРИДИАНА

Как только выяснилось, что Земля является сферой, одним из главных научных стремлений XVIII века стало желание узнать ее точный размер и форму. Идеален ли градус сферичности? А может быть планета немного приплюснута в каком-то месте: на полюсах (по мнению Ньютона) или, наоборот, на экваторе (по мнению Декарта)? Чтобы ответить на оба вопроса, по инициативе Парижской академии наук был разработан проект эксперимента, который состоял в том, чтобы осуществить ряд измерений дуги меридиана на широте экватора (после чего в результате математических операций можно было определить периметр Земли) и сравнить их с другими измерениями на широте полюсов. В 1735 году из Руана группа французских ученых под руководством Пьера Луи Моро де Мопертюи отправилась в Лапландию. В 1736 году отправилась другая экспедиция, в Перу, руководил ею астроном и математик Луи Годен. В состав группы входили самые именитые ученые того времени, а также представители местной испанской власти — моряки и ученые Хорхе Хуан и Антонио де Ульоа. Эта экспедиция длилась почти десять лет (ее члены вернулись в Европу в 1744 и 1745 годах) и в конце концов превратилась в настоящий научный подвиг. К неудовольствию инициаторов экспедиции была доказана правота англичанина Ньютона, однако годы исследований открыли пути для развития самых разных отраслей знания — геодезии, астрономии, навигации, ботаники и так далее. Путешественники, участвовавшие в обеих экспедициях, оставили весьма любопытные свидетельства.

Гравюра, сделанная в 1773 году Кастро Кармоной и показывающая одну из триангуляций, осуществленных в вице-королевстве Перу, чтобы определить длину дуги меридиана. Сложная орография Анд, где высота больше 4000 м, делала измерения особо сложными.

Для измерения территорий чаще всего используется метод, известный под названием триангуляция. В нем применяется тригонометрия — дисциплина, занимающаяся углами и отношениями между ними, для определения положений точек, измерения расстояний или площадей. Для измерения высоты нужной точки выбирались еще две точки так, чтобы образовался треугольник. После этого, измерив углы и расстояния между вершинами треугольника, по тригонометрическим формулам можно было вычислить высоту. Используемая техника была очень простой в теории. Основываясь на предварительно точно вычисленных расстояниях между базовыми точками, участок земли нужно покрыть сетью треугольников, вершины которых визуально связаны, и после этого измерить углы всех этих треугольников. Однако этот метод требует много времени и обширных полевых работ. Кроме того, учитывая отсутствие калькуляторов, сложные арифметические операции были очень трудоемки.

Часть Ганновера еще при Наполеоне была измерена, но работа не была завершена и требовала уточнений. Подобные инициативы стали обычными для Европы, и Шумахер, астроном, с которым Гаусс поддерживал очень хорошие отношения, попросил его включиться в проект. До этого у Шумахера был опыт триангуляции Гольштейна, что позволило ему продолжить свои геодезические исследования в Дании. Гаусса идея привлекла сразу же, и он представил правительству Ганновера полный список того, что ему понадобится для выполнения работ. Положительный ответ пришел очень быстро, ученый был назначен директором проекта, и в качестве помощников ему предоставили несколько солдат. В то время Гаусс и не подозревал, что этот проект станет главной задачей его жизни на следующие восемь лет, поскольку измерения оказались сложнее, чем можно было представить. Исходная идея заключалась в том, чтобы дополнить уже существующие результаты, но вскоре оказалось, что лучше картографировать все государство, поскольку сделанная триангуляция содержала дефекты, а также обходила стороной независимый город Бремен. Задача была связана и с географическими сложностями, особенно в западной части и на побережье, где обширные равнины были покрыты лесами. Для осуществления триангуляции необходимо было найти места с хорошим обзором, а с таким рельефом это было не всегда возможно.

Гаусс принялся за проект со всей отдачей. В те годы весной и летом он редко ночевал дома, путешествуя из деревни в деревню и испытывая все неудобства жизни в сельской местности и летней жары.

В течение почти восьми лет, до 1825 года, Гаусс занимался рутинной и изнуряющей работой: он делал измерения днем и вычисления ночью, и это сильно отвлекало ученого от намного более продуктивной деятельности в области математики. Спустя восемь лет Гаусс передал часть полевой работы в руки своему сыну Иосифу, а за собой оставил вычисления. Мы можем утверждать, что в течение почти 20 лет гениальный Гаусс тратил значительную часть своего времени на скучные астрономические и геодезические вычисления. В результате появилось более 70 записей по геодезии и применению метода наименьших квадратов к картографическим измерениям.

Важным вкладом Гаусса в развитие измерительных приборов, который определял успех картографического проекта, было изобретение гелиотропа (1821) — инструмента для облегчения видимости удаленных точек. Его идея очень проста и основывается на отражении солнечного света от наблюдаемой точки, что позволяет делать очень точные наблюдения даже при не самых благоприятных атмосферных условиях и на расстояния, на которые раньше наблюдение было невозможно. Гелиотроп дожил до изобретения аэрофотограмметрии, которая сегодня, наряду со спутниковыми фотографиями, заменила крупномасштабную топографическую съемку, подобную той, которой руководил Гаусс в Ганновере. После трехлетнего промежутка триангуляция Ганновера вновь началась в 1828 году и продолжилась до 1844 года.

Из публикаций Гаусса по геодезии особенно выделяются две, Bestimmung des Breitenunterschieds zwischen den Stemwarten von Gotinga und Altona durch Beobachtungen am Ramsdenschen Zenithsektor («Определение разности широт между обсерваториями Гёттингена и Альтона из наблюдений с зенитным сектором Рамсдена») 1828 года и Untersuchungen йЬег Gegenstande der Hoheren Geodasie I и II («Исследование по вопросам высшей геодезии I и II»), опубликованные в 1843 и 1846 годах соответственно. Оба труда оказали огромное влияние на последующее развитие геодезии. В этих работах, представляющих интерес только для специалистов, Гаусс изучает случай перехода от части сферы к плоскости, используя сферическую тригонометрию. Сферическая тригонометрия — это адаптация тригонометрии плоскости к сферическим поверхностям. Она необходима, поскольку применение традиционных тригонометрических формул для плоских треугольников невозможно для сферических треугольников. К примеру, для них не выполняется базовый закон о равенстве суммы углов треугольника 180°. Сумма углов сферического треугольника, показанного на рисунке, равна 270°.

Сферический треугольник. Три его угла прямые, то ест в сумме дают 270°.

В этих двух работах Гаусс также выделил место для треугольников на поверхности эллипсоида — более общий случай по сравнению со сферой. Хорошим примером эллипсоида может быть мяч для регби. Чтобы облегчить вычисления, Гаусс привел таблицы, в которых решались уравнения для частных случаев.

ВОЗМОЖНО, ЕСТЬ ДРУГАЯ ГЕОМЕТРИЯ

В результате работ в области геодезии к Гауссу вернулся интерес к геометрии, которая уже была объектом его исследований в годы учебы. Гаусса называют одним из отцов неевклидовой геометрии и дифференциальной геометрии.

Со времен Евклида считалось, что этот гениальный математик в своей работе «Начала» определил всю геометрию, которая только может быть, и что выйти за пределы его постулатов сравнимо с ересью.

Евклид сформулировал свою геометрию на основе нескольких постулатов, которые считал аксиомами. В математике аксиомы — это очевидные истины, не требующие доказательства. Евклид определил пять постулатов.

1. Через две точки можно провести одну и только одну прямую, соединяющую их.

2. Каждый отрезок может быть бесконечно продолжен в любом направлении.

3. Можно провести любую окружность с центром в любой точке и с любым радиусом.

4. Все прямые углы подобны, то есть имеют одинаковый размер и совпадают, если их наложить друг на друга перемещением.

5. Через точку, не принадлежащую прямой, можно провести единственную прямую, параллельную данной.

На самом деле, Евклид должен был бы включить еще два постулата, которыми он пользуется в своих доказательствах:

— две окружности, центры которых разделены расстоянием меньше суммы радиусов, пересекаются в двух точках (Евклид пользуется им в своем первом построении);

— два треугольника с двумя равными сторонами и равными соответственными углами подобны, то есть имеют равные углы и стороны и, следовательно, имеют одну и ту же форму и размер.

ЕВКЛИД

Евклид (325-265 до н.э.) — греческий математик и геометр, известный как отец геометрии. О его жизни мы знаем крайне мало, кроме того, что он жил в Александрии во время правления Птолемея I. Его работа «Начала» — одна из самых известных научных работ в мире и, после Библии, наиболее часто издаваемая и переводимая. В нее входят сведения, которые Евклид распространял в Александрийской библиотеке, и это все геометрическое знание того времени. В «Началах» в строгом виде, на основе исключительно пяти постулатов, рассказывается о свойствах линий и плоскостей, кругов и сфер, треугольников и конусов, и так далее, то есть правильных форм. Возможно, ни один из результатов в «Началах» не был впервые доказан Евклидом, но именно он организовал материал и систематизированно изложил его. Самые известные доказательства Евклида соответствуют следующим теоремам:

— сумма внутренних углов любого треугольника равна 180°;

— в прямоугольном треугольнике квадрат гипотенузы равен сумме квадратов катетов (знаменитая теорема Пифагора).

Страница «Начал» Евклида из так называемого Манускрипта d’Orville, написанного на греческом языке в Константинополе в 888 году, который хранится в Бодлианской библиотеке Оксфордского университета.

Евклидова геометрия не только стала мощным инструментом дедуктивного рассуждения, но и оказалась чрезвычайно полезной во многих отраслях знания, например в физике, астрономии, химии и инженерных областях. В работу Евклида изменения не вносились вплоть до XIX века, пока Гаусс не сформулировал несколько видов неевклидовой геометрии, исключив ее пятый постулат.

Евклид предположил, что все постулаты очевидны и не требуют доказательства. Это не подвергалось сомнению до такой степени, что Кант в своей «Критике чистого разума» утверждал: понятия Евклида являются существенным компонентом нашего видения мира. Однако оказалось, что последний постулат в некотором роде независим и что можно отрицать его, не войдя в противоречие с предыдущими. Идея в том, чтобы по-новому определить параллельные линии, перенеся это понятие в иные, отличные от плоскости, пространства.

Начиная с 1813 года Гаусс разрабатывал геометрию, в которой отрицался последний постулат Евклида. Ученый при этом развивал идеи, которые появились у него в последние годы обучения в Коллегии Карла в разговорах с Вольфгангом Бойяи. В 1816 году Гаусс сообщил эти идеи в письме Шумахеру, своему другу и преподавателю астрономии, но, как всегда, ничего не опубликовал на эту тему. Впрочем, причиной на этот раз могло быть не только желание найти как можно более точное доказательство. Все, что касалось обсуждения постулатов Евклида, стало бы объектом ожесточенных споров, а Гауссу не нравилось участвовать в дискуссиях такого рода, которые казались ему скорее философскими.

Когда в 1831 году Янош Бойяи (1802-1860), сын Вольфганга, изложил ему свои идеи о неевклидовой геометрии, Гаусс ответил ему так: «Я не могу хвалить Вашу работу, поскольку, сделав это, я бы хвалил самого себя, так как идеи, которые Вы мне излагаете, совпадают с идеями, которые я разработал 30-35 лет назад». Однако Гаусс признал Яноша Бойяи и Николая Лобачевского, другого создателя неевклидовой геометрии, гениями первой величины. Он даже выучил русский язык, чтобы иметь возможность читать работы Лобачевского в оригинале. Кроме того, математик добился, чтобы в 1842 году русского ученого признали членом Гёттингенской академии.

Сегодня Гаусса, Лобачевского и Яноша Бойяи считают создателями неевклидовой геометрии. Сейчас, помимо евклидовой, известны гиперболическая и эллиптическая геометрии, зависящие от типа кривизны (положительной или отрицательной).

НЕЕВКЛИДОВА ГЕОМЕТРИЯ

Неевклидовой называется любой вид геометрии, постулаты и свойства которой отличаются от пяти постулатов Евклида.

Существует много типов неевклидовой геометрии, хотя если свести дискуссию к гомогенным пространствам, в которых кривизна пространства одна и та же в каждой точке и в которых все его точки неразличимы, можно выделить три типа геометрий:

— евклидова геометрия — удовлетворяет пяти постулатам Евклида и имеет нулевую кривизну;

— гиперболическая геометрия — удовлетворяет только первым четырем постулатам Евклида и имеет отрицательную кривизну. В этой геометрии через каждую точку, не лежащую на прямой, проходит бесконечное количество прямых, параллельных данной;

— эллиптическая геометрия — также удовлетворяет первым четырем постулатам Евклида и имеет положительную кривизну. Что касается пятого постулата Евклида, в этой геометрии через каждую точку, не лежащую на прямой, не проходит ни одной прямой, параллельной данной (вспомним, что в евклидовой геометрии проходит только одна параллельная прямая). Это случай меридианов Земли, которые в сферической геометрии (частный случай эллиптической) считаются параллельными. На рисунке изображены прямые в различных пространствах.

Гиперболическое пространство

Евклидово пространство

Эллиптическое пространство

В качестве примера, подтверждающего важность вклада великого немецкого математика в геометрию, можно привести тот факт, что Бернхард Риман, самый выдающийся ученик Гаусса, по его просьбе посвятил свою докторскую диссертацию обобщению неевклидовой геометрии.

ВКЛАД В ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНУЮ ГЕОМЕТРИЮ

Хотя Гаусс не публиковал работ по неевклидовой геометрии, это не означает, что он вообще не занимался геометрическими проблемами. В 1827 году ученый представил фундаментальную работу о дифференциальной геометрии, использовавшую элементы математического анализа. Книга, озаглавленная Disquisitiones generales circa superficies curvas («Общие исследования о кривых поверхностях»), представляет собой вклад Гаусса в дифференциальную геометрию. В этой работе ученый создал дифференциальную геометрию поверхностей, которая в последующие десятилетия была дополнена работами многих математиков. Основная проблема здесь — это отражение на плоской карте геометрии других типов поверхностей. В самых простых случаях (при постоянной кривизне) появляются гомогенные геометрии: евклидова, эллиптическая и гиперболическая (именно ее разработали Бойяи и Лобачевский). Гаусс пошел намного дальше этих гомогенных пространств и ввел то, что сегодня называется кривизной Гаусса, — обобщение для поверхностей определенной кривизны на плоскости.

Это позволило ему сформулировать так называемую Theorema Egregium (выдающуюся теорему), главный результат дифференциальной геометрии. Говоря неформально, в теореме утверждается, что гауссова кривизна дифференцируемой поверхности может быть полностью определена посредством измерения углов и расстояний на самой поверхности, не ориентируясь на конкретную форму, которую она принимает в трехмерном евклидовом пространстве. Из этого следует, что понятие кривизны — это локальное свойство.

КРИВИЗНА ГАУССА

В геометрии кривая (в параметрическом виде) определяется на плоскости как отображение a (s) = (x(s),y (s)), где s — действительное число, а функции x(s) и y(s) дают координаты на плоскости. Параметрическими называются такие уравнения, в которых переменные х и у, каждая по отдельности, выражены через третью переменную, или параметр (в нашем случае s). Кривая должна быть непрерывной и дифференцируемой функцией, то есть плавной линией без углов. Так как она дифференцируемая, то в каждой точке s кривой можно определить касательную к ней. По определению кривизна а в s определяется как угол, образуемый касательной к кривой в точке s, t(s), с фиксированным направлением на плоскости, которое для удобства принимается за ось ОХ координат, то есть:

θ(s) = угол, образованный между < t(s), ось ОХ>.

Так что обычная кривизна k(s) кривой определяется как дифференциал функции θ, то есть:

k(s) = θ'(s).

На самом деле k{s) измеряет удаленность кривой от касательной прямой. Кривизна Гаусса, которая в некотором роде обобщает это понятие для поверхностей, может быть определена различными способами, самый простой из них задан выражением:

К=k · k_2,

где k_1 и k_2 — это главные кривизны в каждой точке пространства.

Изометрия — это математическое преобразование двух пространств, которое оставляет инвариантными расстояния между точками. Пример изометрии в евклидовом пространстве из трех измерений — это вращения. Итак, следствие из Theorema Egregium в том, что у двух поверхностей существуют изометрии, только если у них одинаковая гауссова кривизна. Очень показателен следующий пример: сфера с радиусом R имеет постоянную гауссову кривизну, равную R-2, в то время как плоскость имеет нулевую кривизну. Как следствие Theorema Egregium, лист бумаги невозможно согнуть или повернуть так, чтобы получилась часть сферы, не сминая или не надрезая его. И наоборот, поверхность сферы не может быть представлена как плоскость без искажения расстояний.

У этого факта есть важный вывод для картографии: нельзя построить карту Земли, на которой масштаб был бы одинаковым в каждой точке плоскости. Следовательно, все обычно используемые проекции изменяют масштаб в различных точках и дают некоторое искажение. Идеальной карты Земли не существует и не может существовать.

В дифференциальной геометрии четко показано, что на поверхностях, не являющихся плоскими, самая короткая линия, которая соединяет две точки, необязательно прямая, как это происходит в евклидовых пространствах. Именно поэтому пришлось ввести новое понятие (геодезическая линия), которое обозначает кратчайшую линию, соединяющую две точки поверхности. Этот принцип используется в воздушной и морской навигации для установления самых коротких маршрутов без прямых линий. Рассмотрим следующий рисунок.

На самом деле кратчайшее расстояние от аэропорта Мадрида до аэропорта Нью-Йорка — это расстояние, пройденное по кривой, нарисованной сверху от прямой, которая соединяет эти два города на карте. Очевидно, что на плоскости это не так, но на поверхности, подобной сферической (как Земля), геодезическая линия, то есть кратчайшая между двумя точками, не является прямой.

ГАУСС И ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Общая теория относительности — это устоявшееся название для обозначения гравитационной теории, опубликованной Альбертом Эйнштейном в 1915 году. В соответствии с общей теорией относительности сила гравитации — это локальное проявление геометрии времени-пространства. Релятивистскую модель в обычном евклидовом пространстве построить невозможно. В теории относительности необходимо, чтобы пятый постулат Евклида о параллельных прямых не имел единственного решения. Как мы уже видели, Гаусс, Лобачевский и Бойяи доказали, что эта аксиома не зависит от предыдущих и что от нее можно отказаться, не получив противоречия. Риман разработал общую математику для неевклидового пространства в своей докторской диссертации, руководителем которой был Гаусс. Без этих математических инструментов Эйнштейн не смог бы создать свои труды. Именно его вклад сделал неевклидову геометрию популярной, открыл ее настоящую ценность. До Эйнштейна считалось, что это лишь абстрактная теория, поэтому Гаусс ничего и не опубликовал на эту тему.

В изучении поверхностей Гаусс широко использовал параметрическое представление, введенное Эйлером, осуществляя внутреннее представление поверхности как двумерное изображение. Координаты точки (х, y, z) заданы тремя уравнениями в зависимости от двух параметров: х = х(u, v); у = у(u, v); z = z(u, v). Можно сказать, что стилистически «Общие исследования о кривых поверхностях» — самая совершенная работа Гаусса. Ее аналитическое, прямое и очень лаконичное изложение позволяет представить каждую геометрическую идею в полной форме. Как признавался сам Эйнштейн, «теории относительности не существовало бы без геометрии Гаусса».

ГАУСС И ФИЗИКА

Ключевым в жизни Гаусса был 1831 год. За год до этого его сын Ойген уехал в США из-за семейных размолвок, а в этом году умерла Минна, вторая супруга ученого, — возможно, от туберкулеза, и его дочь Тереза взяла на себя ведение хозяйства. В конце этого же года в Гёттинген приехал Вильгельм Вебер, чтобы занять место преподавателя физики. С этого момента павший было духом Гаусс вновь нашел в науке спасение от своих семейных бед.

Как в научных, так и в дружеских отношениях между Гауссом и Вебером царила полная гармония; Вебер познакомил математика с новыми областями исследования, часть из которых была экспериментальной. Плодотворное сотрудничество, да и само присутствие коллеги помогли Гауссу пережить этот тяжелый период. Он всегда интересовался физикой, но многие его исследования, исключая сделанные в области астрономии и геодезии, носили сугубо теоретический характер. Прежде чем познакомиться с Вебером, Гаусс занялся вариационным исчислением, которое было одной из центральных тем XVIII века. Оно может быть рассмотрено как математическая задача, но является базовым для многих задач физики. Вариационные задачи — это задачи на оптимизацию, в них речь идет о нахождении лучшего значения, но здесь оптимум — это не значение, а функция.

Мы привыкли рассматривать задачи на оптимизацию, которые математически формулируются как:

Min: ƒ(х)

а:х е S,

где S — множество значений, между которыми мы можем искать решение, что называется допустимым множеством. Функция ƒ также называется целевой функцией. С математической точки зрения не существует никакой разницы, заключается задача в максимизации или минимизации, поскольку можно совершить замену, всего лишь изменив знак целевой функции, так что следующая проблема равносильна предыдущей:

Min: -ƒ(х)

а:х е S,

В зависимости от типа функции ƒ и свойств допустимого множества у нас получится тот или иной тип задачи. Решение этого типа задач может быть как числом, так и вектором (рядом), в случае функции, определенной в пространстве с несколькими измерениями.

ВИЛЬГЕЛЬМ ВЕБЕР

Вильгельм Вебер (1804-1891) — немецкий физик первой половины XIX века. Получил образование в Университете.Галле и остался в нем преподавать до 1831 года, когда перешел в Гёттингенский университет. Там ученый подружился с Гауссом, с которым сотрудничал в исследованиях по электричеству и магнетизму.

В 1833 году они изобрели новый тип телеграфа — зеркальный гальванометр Гаусса — Вебера. Позже физика исключили из Гёттингенского университета за оппозицию к властям.

В 1843 году он начал преподавать в Лейпцигском университете и остался там до 1849 года, затем вернулся в Гёттинген и через некоторое время был назначен директором астрономической обсерватории этого города — на должность, которую до него занимал Гаусс. Вебер работал над установлением абсолютных единиц измерения электрического тока и посвятил последние годы жизни изучению электродинамики, разработав ее основы для последующего создания электромагнитной теории света.

Рассмотрим простой пример. Булочник каждый день печет один вид буханок хлеба. С одной стороны, он хочет удовлетворить своих клиентов и испечь достаточно хлеба, а с другой — он не хочет создать избыток товара, который не найдет покупателя в этот же день. Сделав исследования спроса и предложения, мы можем найти решение, которое принесет булочнику наибольшую прибыль, и вполне можно предположить, что решение будет натуральным числом. Если он печет несколько видов хлеба, например ржаной, кукурузный и пшеничный, решение будет не одним числом, а множеством из трех чисел, которое укажет, сколько буханок каждого типа ему нужно выпечь. Решение будет вектором.

Теперь подумаем о другом примере оптимизации. Мы на улице, и кто-то спрашивает нас, как быстрее попасть на автобусную остановку. Ответ не может быть числом и даже списком чисел. Логичным ответом было бы объяснение дороги: куда надо идти, где повернуть и так далее. Этот тип ответа лучше всего привести к математическому описанию с помощью функции, которая дает тому, кто пользуется ею, критерий к действию в зависимости от места, в котором он находится в каждый момент пути. Задачи на оптимизацию, в которых решение — это функция, известны как вариационные проблемы, и они очень широко применяются в физике.

В 1829 году появилась короткая публикация Гаусса о проблеме вариационного исчисления в механике, в которой он ввел понятие принципа наименьшего принуждения. Под принуждением к движению Гаусс понимал ограничения, которым подвержено движение в любой физической системе. Ученый утверждал, что природа стремится сделать принуждение минимальным:

«Очень заметно, что свободные движения, когда они не могут сосуществовать с необходимыми условиями, модифицируются при родой точно так же, как математик, согласно методу наименьших квадратов, приводит к согласию наблюдения, связанные между собой необходимыми зависимостями. Можно продолжить эту аналогию, но это не является сейчас моей целью».

Идея состоит в том, что природа действует наиболее свободным способом из тех, которые возможны при наложенных ограничениях. Как видно, здесь снова появляется отсылка к одному из главных открытий Гаусса — методу наименьших квадратов.

Ученый сделал многое для того, чтобы математика могла сочетаться с физикой. В своей работе Principia generalia theoriae figurae fluidorum in statu aequilibrii («Общие принципы теоретической схемы жидкостей в состоянии равновесия») 1830 года он вновь рассмотрел вариационную задачу, связанную с определением рисунка равновесия поверхности жидкости при учете гравитации и сил капиллярности и адгезии:

«В результате деликатного и сложного исследования мы получаем состояние равновесия, которое доступно здравому смыслу и показывает адаптацию под несколько превалирующих сил в конфликте».

Снова та же самая идея принципа наименьшего принуждения, в этот раз примененного к механике жидкостей.

В рамках идей того же порядка Гаусс работал с формализацией и математическими свойствами ньютоновского притяжения, создав так называемую теорию потенциала. Именно в этом контексте появляется знаменитый закон Гаусса: «Поток в гравитационном поле через произвольно выбранную замкнутую поверхность пропорционален общей массе, заключенной в этой поверхности», где гравитационное поле — это множество сил, которые представляют гравитацию. Этот результат сокращает до элементарных вычислений работу, которая раньше требовала специально разработанных методов.

Нельзя сказать, что на момент приезда Вебера Гаусс был далек от физики, но благодаря ему математик занялся физическими проблемами гораздо более решительно и усердно. Теперь он стремился найти ответы на вопросы техники и инженерного дела.

В 1832 году, параллельно с интересом к электричеству, Гаусс начал исследования в области земного магнетизма. Следует заметить, что сегодняшнее представление об электричестве и магнетизме как двух аспектах одного и того же явления тогда было далеко не очевидным. Инициатива участия Гаусса в изучении магнетизма принадлежала Александру фон Гумбольдту, который искал сотрудничества с ним, чтобы установить сеть точек наблюдения земного магнитного поля во всем мире. Речь идет о первой в истории попытке начать крупномасштабное наблюдение с новыми требованиями: установление общих стандартов, техник измерения, требований к точности и достоверности. Цели программы состояли в изучении распределения земного магнетизма, изменений его интенсивности со временем, склонения и наклонения, а также, что довольно амбициозно, в определении происхождения магнитного поля Земли. Уже в 1832 году Гаусс опубликовал важную работу об абсолютном измерении магнитного поля Земли под названием Intensitas vis magneticae terrestris ad mensuram absolutam revocata («Измерение абсолютной интенсивности магнитного поля Земли»).

АЛЕКСАНДР ФОН ГУМБОЛЬДТ

Александр фон Гумбольдт (1769- 1859) — немецкий географ, натуралист и исследователь, младший брат лингвиста и министра образования Вильгельма фон Гумбольдта. Его называют отцом современной всеобщей географии. Гумбольдт был чрезвычайно разносторонним натуралистом. Путешествия вели исследователя из Европы в Южную Америку, на территорию современной Мексики, США, на Канарские острова, в Центральную Азию. Он специализировался в самых разных областях науки, таких как этнография, антропология, физика, зоология, орнитология, климатология, океанография, астрономия, география, геология, минералогия, ботаника, вулканология и гуманизм. Гумбольдт сотрудничал с Гауссом при разработке «Атласа геомагнетизма».

Далее следуют другие важные работы 1830 года, среди которых выделяются Allgemeine Theorie Erdmagnetismus («Общая теория земного магнетизма») и «Атлас геомагнетизма», опубликованный в 1840 году совместно Гауссом, Вебером и Бенджамином Голдшмидтом, помощником Гаусса в Гёттингенской обсерватории. Содержание этих работ вызывает огромный интерес. Гаусс впервые определил магнитное поле как нечто связанное с силой притяжения магнита, но все же он говорит и о «магнитном потоке», ответственном за эти явления. Ученый смог доказать, что на Земле может быть только два магнитных полюса, и конкретизировал расположение Южного магнитного полюса (рядом с географическим Северным полюсом). Этот прогноз был очень точно подтвержден экспедицией капитана Уилкса в 1841 году. Более того, Гаусс ввел ряд новых отношений между горизонтальной и вертикальной составляющими магнитного поля в различных точках (хотя Гумбольдт довольно долго отказывался признавать их правильность).

Сотрудничество Гумбольдта и Гаусса привело к заметным результатам в изучении земного магнетизма, которые до этого были абсолютно неизвестны. Например, ученые установили, что магнитное поле со временем меняется, причем вариации значительны (до 10% в относительных величинах) и, кроме того, они происходят одновременно по всей Земле (магнитные бури). Механизм этих явлений не объяснен должным образом до сих пор. Работа 1840 года — это собрание новых исследований. Гаусс рассуждал об определении магнитного поля с помощью магнитометра — аппарата, изобретенного Гауссом и Вебером для определения горизонтальной составляющей магнитной силы. Он доказал, что определение интенсивности горизонтальной составляющей магнитной силы вместе с углом наклонения полностью определяет магнитное поле. Речь идет о первом абсолютном измерении силы, которую оказывает магнитное поле Земли на компас, — это очень слабая сила, измерение которой потребовало чрезвычайных мер предосторожности.

Место эксперимента должно было быть свободным от магнитных колебаний, из-за чего пришлось построить лабораторию, в которой не было железа и других магнитных материалов, в ней также не должно было быть ни малейшего потока воздуха. Лаборатория была сделана из дерева с помощью медных гвоздей. Гаусс изменил методы, разработанные Гумбольдтом, сократив необходимое время наблюдения и увеличив точность, что вызвало спор между учеными, поскольку Гумбольдт не был уверен в том, что Гаусс предпринял необходимые меры предосторожности, и сомневался в справедливости результатов.

Другим практическим следствием изучения Гауссом и Вебером электричества стала разработка модели телеграфа, длившаяся с 1833 по 1838 год. Сигналы регистрировались на приемнике посредством отклонения магнитной иглы (компаса) вправо или влево в зависимости от напряжения, примененного к передатчику. Ученые разработали код и установили телеграф между лабораторией Вебера и астрономической обсерваторией, расстояние между которыми было около 1500 метров. Телеграф работал (хотя приходилось чинить часто обрывающийся провод), пока систему не разрушила молния. Похоже, Гаусс осознавал возможности, которые открывали электрические коммуникации: он предложил, чтобы в железнодорожных линиях (которые тогда только начинали распространяться) рельсы использовались как проводники для обеспечения связи на длинные дистанции. Изобретение Гаусса и Вебера не было первой попыткой электрической связи на расстоянии, и оно не получило распространения, в отличие от системы Сэмюэля Морзе, который запатентовал ее через девять лет после исследований Гаусса и Вебера. Известно, что некоторые коллеги считали их эксперименты пустым и ненаучным занятием. Однако Вебер в 1835 году пророчествовал:

«Когда земной шар будет покрыт сетью железных дорог и телеграфных проводов, эта сеть будет предоставлять услуги, сравнимые с тем, какую роль играет нервная система в человеческом теле, частично как транспортное средство, частично как средство для распространения идей и сенсаций со скоростью света».

Портреты Гаусса и Вильгельма Вебера. Они сотрудничали в течение многих лет в сфере электричества и магнетизма. Результатом их совместной работы является, например, изобретение телеграфа нового типа, известного как зеркальный гальванометр Гаусса — Вебера (внизу).

После окончательного отъезда Вебера из Гёттингена из-за знаменитого дела с письмом Гёттингенской семерки и жесткой реакции короля интенсивность научных исследований Гаусса резко снизилась. Ученый работал над астрономическими исследованиями, занимался диоптрикой, теорией потенциала и геодезией, но все это работы меньшего значения, чем раньше.

Диоптрика, изучающая форму, расположение, конструкцию и дефекты линз, а также их внутренние ограничения, безусловно, является наиболее специализированной областью эмпирических исследований Гаусса. Этот интерес был связан с астрономическими наблюдениями: в 1807 году Репсольд, известный производитель инструментов, консультировался с Гауссом о двойном ахроматическом объективе. С этого и началось их долгое сотрудничество. Гаусс, среди прочего, интересовался уменьшением хроматической аберрации системы линз. Со временем благодаря вкладу Гаусса в Германии стало возможным промышленное развитие оптики: Рейхенбах (1772— 1826), Фраунгофер (1787-1826) и Штейнгейль (1801-1870) были предшественниками Карла Цейса (1816-1888), основавшего фабрику линз. Ее научным директором стал Эрнст Карл Аббе (1840-1905), известный тем, что установил предел разрешающей способности оптического микроскопа. Гаусс даже в периоды сильной стесненности в средствах покупал для своей обсерватории оптические инструменты. С этим были связаны большинство путешествий ученого — разумеется, кроме поездок, необходимых для геодезических исследований. Наиболее важная работа Гаусса в этой области — это Dioptrische Untersuchungen («Диоптрические исследования») 1840 года, где он изучает траекторию света с помощью системы линз в так называемом параксиальном приближении, когда предполагается, что линзы бесконечно тонкие, а лучи бесконечно близки к оптической оси. В этом приближении любая система эквивалентна одной эффективной линзе. В работе речь идет о базовых этапах конструирования оптических систем, но ее результат довольно элементарен с точки зрения математики, и поэтому Гаусс даже сомневался в целесообразности публикации исследования.

ГЛАВА 6

Наследие короля математиков

Из-за отъезда Вильгельма Вебера, близкого друга и источника вдохновения Гаусса, научная деятельность ученого в последние годы жизни была не такой интенсивной, как ранее. Несмотря на это он активно преподавал и по-прежнему пользовался всеобщим признанием в научном мире.

Отъезд Вебера из университета обозначил начало последнего этапа в жизни Гаусса — эпоху, когда рядом с ним не было коллег, с которыми он мог бы поделиться научными заботами. Кроме Вебера, из-за того же противостояния с королем вынужден был уехать и Эвальд, помощник Гаусса и муж его дочери Минны, которая отправилась в изгнание вместе с ним.

Годы после отъезда Вебера из Гёттингена были особенно грустными и тяжелыми для ученого. В 1839 году умерла его уже престарелая мать, что было тяжелым ударом для любящего сына. Через несколько месяцев, в 1840 году, умерла Минна, его старшая и любимая дочь. Большой друг Гаусса Ольберс, который был его партнером во многих астрономических исследованиях, также умер в 1840 году.

Из второй семьи рядом с математиком осталась только дочь Тереза. Она так и не вышла замуж и после смерти своей матери занималась всеми вопросами, связанными с ведением хозяйства. Хотя Гаусс очень зависел от Терезы, кажется, что между отцом и дочерью было немного общего — кроме, разумеется, взаимного уважения, вызванного благодарностью со стороны отца и восхищением со стороны дочери.

На этом этапе Гаусс выступает в новой роли — как талантливый преподаватель, и это говорит о том, что в этот период пожилой профессор получал намного больше удовольствия от общения со студентами, чем в годы своей молодости. Гаусс, без сомнения, был очень компетентным преподавателем. Но причина этого не только в том, что он стал более терпелив к не очень ярким студентам, но и в том, что теперь его окружала гораздо лучше подготовленная и более мотивированная молодежь. Образовательная реформа, осуществленная министром Гумбольдтом, положительно сказалась на новых поколениях студентов. В число последних учеников Гаусса входили такие светила, как Георг Кантор и Рихард Дедекинд.

Дедекинд оставил нам о Гауссе-преподавателе такое свидетельство:

«Обычно он сидел в удобной позе, смотрел вниз, слегка согнувшись, с переплетенными руками на коленях. Он говорил довольно свободно, очень ясно, просто и без церемоний, но когда хотел сделать акцент на новой точке зрения [...], поднимал голову, поворачивался к кому-нибудь из тех, кто сидел рядом с ним, и смотрел на него своими красивыми проникновенными голубыми глазами во время своей высокопарной речи. [...] Если речь шла об объяснении принципов для вывода математических формул, он вставал и в гордой, величественной позе писал прекрасным почерком на доске; у него это всегда очень хорошо получалось. Для числовых примеров, аккуратному обращению с которыми он придавал особое значение, у него были с собой необходимые данные, написанные на маленьких листках бумаги».

Гаусс по-прежнему проводил магнитные и астрономические наблюдения, результатами которых потом делился с другими учеными. Он также посвящал себя теоретическим проблемам математики, однако более элементарного характера нежели те, что занимали ученого в предыдущие годы. Гаусс также увлекся некоторыми задачами комбинаторики, которые ставил перед ним его друг Шумахер, и некоторыми проблемами теоретической и прикладной физики. Также он уделял время изучению новых языков.

КАНТОР И ДЕДЕКИНД

Ученики Гаусса Георг Кантор (1845- 1918) и Юлиус Вильгельм Рихард Дедекинд (1831-1916), а также Готлоб Фреге (1848-1925) были создателями теории множеств — области математики, которая лежит в основе значительной части математической науки. Благодаря смелым и дерзким исследованиям Кантор был первым, кто формализовал понятие бесконечности. Так, он открыл, что не все бесконечные множества имеют одинаковый размер. Так, множество рациональных чисел счетно, то есть можно установить связь его элементов с натуральными числами, в то время как множество иррациональных чисел несчетно. Кантор страдал от депрессии, частично вызванной суровой критикой, особенно со стороны его коллеги Леопольда Кронекера (1823-1891), который называл Кантора «ренегатом», «шарлатаном» и даже «развратителем обучающейся молодежи». Сегодня все математическое сообщество полностью согласно с тем, что работа Кантора была важным качественным скачком в логических рассуждениях. В свою очередь, Рихард Дедекинд сильно повлиял на развитие в области алгебры и теории алгебраических чисел. Говорят, что он первый давал в университете занятия по теории Галуа. Кроме того, Дедекинд первым понял фундаментальное значение понятий группы и идеала для алгебры, теории чисел и алгебраической геометрии.

Георг Кантор.

Юлиус Вильгельм Рихард Дедекинд.

В 1849 году, в связи с 50-летием своей докторской диссертации, Гаусс прочел знаменитую лекцию, где представил четвертое доказательство основной теоремы алгебры, уже открыто включив в него комплексные коэффициенты, которые не хотел показывать в своих первых работах. Это вызвало всеобщий энтузиазм в немецкой и европейской науке.

Одна из самых любопытных работ Гаусса в эти годы была посвящена пенсионному фонду для вдов преподавателей Гёттингенского университета. Ученый хотел проверить, можно ли долгосрочно поддерживать уровень обеспечения. Он пользовался таблицами смертности и другой информацией, полученной в страховых компаниях. Для своих первых вычислений Гаусс воспользовался всеми реальными данными, которые были в его распоряжении. Он представил заключение в 1851 году, после шести лет работы, и оно было довольно удивительным: деятельность пенсионного фонда была организована рационально и даже позволяла увеличить выплачиваемые суммы. Гаусс так заинтересовался этой темой в том числе и потому, что она позволила ему применить знания практической экономики. В отличие от Ньютона, Гаусса никогда не привлекали государственные должности, хотя его острый ум и проницательность во всех вопросах, связанных с изучением статистики, страхования и политической арифметики, сделали бы из него отличного государственного деятеля. В своей книге Gauss zum Gedachtniss («Мемуары о Гауссе») Сарториус фон Вальтерсгаузен (1809-1876), близкий друг ученого, написал, что тот вполне мог бы заниматься государственным бюджетом. Действительно, более чем средний достаток ученого был результатом его успешных вложений в акции компаний и ценные бумаги, причем не только немецкие. И это несмотря на его разорительное вложение в железнодорожную линию на севере Гессена, когда из-за национализации Гаусс потерял 90% инвестиций.

В последние годы жизни он был похож на идеального буржуа, консервативного представителя среднего класса. Что касается религиозных убеждений ученого, то его нельзя было считать атеистом, скорее его можно назвать деистом, поскольку он принимал разумом существование Бога. Подобные представления выглядели инакомыслием в эпоху Гаусса. Он был противником либеральных идей протестантской церкви Германии, и важной частью картины мира ученого была вера в гармонию и целостность великой идеи сотворения. Самые личные письма Гаусса подтверждают, что он свято верил в бессмертие души и существование жизни после смерти, но не совсем так, как об этом говорило христианство.

Жизнь предстает передо мной как вечная весна в новых, ярчайших красках.

Карл Фридрих Гаусс

Ученого сильно привлекала английская литература, и особенно исторические романы сэра Вальтера Скотта. Еще в молодости Гаусс проявил удивительные лингвистические способности, и легкость, с которой он овладевал новыми языками, сохранилась у него до последних дней. Это стало для него настоящим развлечением. Уже в пожилом возрасте Гаусс захотел проверить гибкость своего ума, выучив новый язык. Он считал, что это поможет ему поддерживать разум молодым, а кроме того, ученый хотел читать новые работы Лобачевского, не дожидаясь перевода. И вот в 68 лет без чьей-либо помощи Гаусс начал изучать русский язык. Через два года он уже с легкостью читал на русском языке прозу и стихи и составлял письма своим друзьям-ученым в Санкт-Петербург. По мнению гостей из России, которые навещали Гаусса в Гёттингене, говорил он также прекрасно. Сам Гаусс отмечал, что русская литература доставляет ему такое же удовольствие, как и английская.

Словом, никак нельзя сказать, что в конце жизни ученый замкнулся в своем собственном мире. Гаусса интересовала мировая политика — ей он посвящал один час в день; исследователь регулярно ходил в библиотеку и был в курсе последних новостей, читая все газеты, которые получал, от лондонской «Таймс» до местных журналов.

В политике он был явным консерватором, но не реакционером: ученый не противился реформам, но требовал очень стротого логического обоснования их необходимости. Прогрессивные друзья объясняли консерватизм Гаусса замкнутым образом жизни, который предполагала его работа. Возможно, частично это так. За последние 27 лет своей жизни ученый только один раз ночевал не в обсерватории — в этот день он по просьбе Александра фон Гумбольдта присутствовал на научной конференции в Берлине.

Ничто не могло бы мне так льстиво и так безошибочно доказать, что привлекательность этой науки, которая наполнила мою жизнь такой радостью, это не призрак, как то, что Вы сочли за честь выбрать ее в качестве своего предпочтения.

Гаусс, в ответе Софи Жермен после того, как она открыла ему свое НАСТОЯЩЕЕ ИМЯ

Эпоха, в которую протекала жизнь математика, была бурной, наполненной войнами и революциями. Власть толпы и акты политической жестокости приводили Гаусса в неописуемый ужас. Парижский переворот 1848 года, который привел к власти Коммуну, был для него настоящим кошмаром.

В целом ученый презирал демагогов, которые вели за собой массы. Поскольку сам он родился в бедной семье, то хорошо знал, что невежественными людьми очень легко манипулировать. В старости он думал, что единственное благо для страны составляют мир и обычный достаток. Гаусс говорил, что если бы в Германии произошла гражданская война, то он бы просто умер. Перевороты, подобные наполеоновскому, казались ему необъяснимым безумством, и он, помня о разрушительных последствиях тех войн, навсегда сохранил некоторую неприязнь ко всему французскому.

Гаусс был крепким стариком, который с пылом защищал свое мнение. Одна из причин присущего ему душевного равновесия состояла в научном спокойствии и отсутствии личных амбиций. Все его амбиции ограничивались прогрессом в математике. Но при всей своей холодности в печатных трудах, Гаусс проявлял теплоту в личной корреспонденции и научных контактах. Как мы уже знаем, он вел переписку с Софи Жермен, чья математическая проницательность вызывала у него восхищение.

О последних годах его жизни, посвященных в основном чтению, причем не только научной литературы и газет, известно немного. В июне 1854 года Гаусс прошел полное медицинское обследование. У него обнаружили увеличение сердца, и это было неблагоприятным прогнозом. Последним академическим актом ученого было исполнение в июне 1854 года роли председателя комиссии по присуждению Риману должности профессора математики. По просьбе председателя комиссии Риман прочел свое знаменитое изложение «О гипотезах, лежащих в основании геометрии», которое, без сомнения, основывалось на трудах Гаусса, посвященных неевклидовым геометриям, первооткрывателем которых был этот великий математик. В начале августа здоровье Гаусса ухудшилось, а в декабре он даже думал, что пришел его последний час. Сердце Гаусса, страдающего от водянки, перестало биться на рассвете 23 февраля 1855 года, когда ученый спокойно спал. Ему было 77 лет, 10 месяцев и 22 дня. Гаусс оставил после себя самую грандиозную математическую работу в истории. Не случайно сам король Ганновера Георг V приказал отчеканить медаль в честь Гаусса, на которой было выгравировано почетное звание Mathematicorum Princeps — «Король математиков».

Гаусс был ученым, получившим широкое признание при жизни. Он достиг славы международного уровня еще до 25 лет — за открытие метода наименьших квадратов и его применение при вычислении орбиты Цереры. И несмотря на эти достижения, как писал Сарториус в своих мемуарах,

«Гаусс был простым и ненапыщенным человеком с молодости и до дня своей смерти. Маленький кабинет, стол с зеленой скатертью для работы, парта белого цвета, узкий диван, а после семидесяти лет — кресло, абажур, проветренная спальня, простая еда, халат и бархатная шапка были всеми его потребностями».

Последующие поколения сумели признать величие ученого. В 2002 году совместно Международным математическим союзом (IMU) и Deutsche Mathematiker-Vereinigung (Немецким математическим обществом, DMV) была учреждена математическая премия, носящая имя Гаусса. Награда вручается каждые четыре года тем, кто внес «значительный вклад в математику со значительным применением вне ее». Денежная часть награды — 10000 евро, и, в отличие от Филдсовской премии, нет ограничений по возрасту. Первые две награды получили Киёси Ито (1915-2008) в 2006 году за работы в области стохастических интегралов и стохастических дифференциальных уравнений и Ив Мейер (р. 1939) в 2010 году за исследования теории всплесков. На лицевой стороне медали изображены орбита Цереры и квадрат, символизирующий метод, созданный Гауссом для вычисления этой орбиты.

На его родине, в Германии, гению ученого воздают должное на почтовых марках, а до введения евро многим немцам было хорошо знакомо лицо Гаусса, хотя, возможно, они и не знали, чье оно: в течение нескольких лет портрет пожилого Гаусса в бархатной шляпе украшал банкноту 10 марок, на ней же был изображен колокол, который носит имя ученого.

Как говорилось во введении к этой книге, все математики независимо от специализации могут считать Гаусса одним из своих. Его фундаментальные заключения используются практически во всех областях этой науки: алгебре, математическом анализе, геометрии, статистике, теории чисел, арифметике, астрономии и прикладной математике. Вклад Гаусса в любую из этих дисциплин гарантировал бы ему вхождение в историю в качестве великого математика, и тот факт, что он достиг значительных успехов в каждой из них, представляет собой настоящий научный подвиг.

Идеи Гаусса изменили математику его времени, и его влияние сохраняется даже сегодня. Без мнимых чисел нельзя было бы решить уравнения, позволяющие ракетам оторваться от Земли. Без неевклидовой геометрии Эйнштейн не имел бы необходимых инструментов для разработки теории относительности. Без метода наименьших квадратов было бы невозможно решение проблем нахождения функций и оценки на основе набора данных.

Конечно, без Гаусса многие эти открытия сделали бы и другие математики, поскольку они были необходимы для прогресса науки, но на это определенно ушли бы десятилетия. И можно даже не сомневаться, что этот прогресс был бы результатом деятельности не одного человека. Иногда рождаются особые люди, благодаря которым медленное накопление знаний, составляющих человеческую культуру, ускоряется многократно, при этом они добиваются результатов, для которых потребовалось бы несколько поколений. Этим людям даны гениальность и особые способности, они пользуются любой возможностью для развития своего таланта. Гаусс был одним из этих немногочисленных избранных.

Список рекомендуемой литературы

Bell, Е.Т., Los grandes matematicos, Buenos Aires, Losada, 2010.

Boyer, C., Historia de la matemdtica, Madrid, Alianza Editorial, 2007.

Kehlmann, D., La medicion del mundo, Madrid, Maeva Ediciones, 2006.

Sautoy, M., La milsica de los niimeros primos, Barcelona, Acantilado, 2007.

Stewart, I., Historia de las matemdticas, Madrid, Critica, 2008.

Villa, R.; Aranda, A. et al., Un paseo entre las matemdticas у la realidad, Sevilla, Secretariado de Publicaciones del Vicerrectorado de Investigacion de la Universidad de Sevilla, 2010.

Указатель

Академия наук

Парижская 55,102,103, 105, 120

Петербургская 82, 104 алгебра 22, 35,47,48, 50, 51, 53, 62, 97, 155,156, 160

арифметика 21, 23, 35, 47, 48, 51, 52,58,59, 86,95, 97, 98,106, 156, 160

арифметическая прогрессия 23

«Арифметические исследования» 28,31,36,40, 45, 56-64, 101

астрономия 33, 54, 65, 75, 77, 80, 81,90,92,94,97,103,130,135, 136,146,160

бином Ньютона 22, 60

Брауншвейг 19, 20, 29, 30, 32, 33, 35,40,56, 57, 64,65, 67, 68, 125

вариационное исчисление 142, 144

взаимно простое число 59 вычеты 60, 84

гелиотроп 132

геодезическая линия 140

геодезия 123, 129-134, 150

геомагнетизм 129,147

геометрия 22, 32, 35, 36, 38, 56, 86, 103, 123, 134-141, 155, 159-160

гимназия св. Катарины 29 гипотеза 28, 29, 41, 60, 70, 71, 87, 101, 102, 104, 106, 109, 112, 119, 120, 121

вторая о простых числах 112, 121

Гольдбаха 28, 29 первая о простых числах 119

Римана 113-115,119,120

дискриминант 62 задачи

с помощью линейки и циркуля 35-43, 63, 97, 101

биссектриса 39

восьмиугольник 42

девятиугольник 42

квадрат 42, 49, 50, 84, 135, 160

квадратура круга 43

пятиугольник 40, 42

семиугольник 42

17-угольник 36, 40, 56

треугольник 26, 27, 39, 42, 50,133, 135

трисекция угла 43 удвоение куба 43

шестиугольник 39, 42

тысячелетия 118

закон взаимности квадратичный 15, 60,61

Тициуса — Боде 75-77

интегральный логарифм 111, 121

квадратичные формы 62, 63

квадратичный вычет 60

Коллегия Карла 30, 32, 56, 136

кратность повторения 59

кривизна Гаусса 138, 139

логарифмы 54, 106, 107,109,110, 111

малая теорема Ферма 60

математический анализ 22, 65, 87, 138, 160

математический дневник 9, 27

метод наименьших квадратов 36, 80-86, 88-94, 111, 132,145, 159, 160

многочлен 11, 48, 49, 50, 55, 62, 63, 118

обсерватория астрономическая 67, 82, 90, 143

Гёттингенская 30, 48, 82, 147

Палермская 77 оптика 94, 150

орбита 73, 75-94,100, 104,159, 160

плотное множество 51

последняя теорема Ферма 41, 69, 103

правильный многоугольник 35- 42,63, 64, 101

принцип индукции 24, 25

наименьшего принуждения 144, 145

регрессионная прямая 88-90

решение в радикалах 55

решето Эратосфена 98

сравнения по модулю 58-61, 63

статистика 30, 87-91, 156, 160

сумма рядов 24, 65

телеграф 143, 148, 149

теорема 27-29, 35, 36, 41, 42, 48, 50,51,53-55, 60-63, 65,70,90, 102, 135, 138

Гаусса — Маркова 11, 90

о простых числах 112, 121

основная алгебры 15, 48, 50, 62, 156

основная о сравнениях 60 Egregium 15, 138, 139

теория Галуа 55, 56

относительности 81, 141, 161

«Теория движения небесных тел, обращающихся вокруг Солнца по коническим сечениям» 85, 90, 94

триангуляция 129-133

тригонометрия 131,133

университет Берлинский 113

Гёттингенский 32,33, 55, 56, 64,68, 70, 82, 113, 125, 143, 156

Казанский 22

Хельмштедский 15, 32, 34, 47

уравнения 35, 49-53, 55, 56, 59, 83, 88,89,93,119,133,139,141, 155,160

физика 12, 13, 15, 30, 87, 123, 129, 135,142-146,154

функция дзета 114, 115, 117, 119

Эйлера 59

π 109, 112, 114, 120

числа Ферма 41, 101

число действительное 51, 52, 115, 139

иррациональное 107

комплексное 52,114,118

натуральное 22-25, 28, 39, 42, 97,101, 107,144

простое 40, 59-61, 63, 69-71, 87, 97-121

рациональное 49, 51

сочетаний 22

треугольное 25-28

факториальное 22,107

Филдсовская премия 64, 66,119, 160

При жизни Карл Фридрих Гаусс получил титул короля математиков. Личность этого ученого можно сравнить с личностью другого его гениального современника и соотечественника - Вольфганга Амадея Моцарта. Оба были вундеркиндами, которым покровительствовали и помогали получить образование представители власти. Но в отличие от композитора. Гауссу повезло прожить долгую и спокойную жизнь. Он сделал много открытий в таких научных областях, как геометрия, астрономия, физика и статистика.

Content

Лизана Антонио Руфиан Если бы числа могли говорить. Гаусс. Теория чисел

Antonio Rufian Lizana Если бы числа могли говорить. Гаусс. Теория чисел

Введение

ГЛАВА 1 Первые озарения гения чисел

ГЛАВА 2 «Арифметические исследования»

ГЛАВА 3 Метод нахождения планет

ГЛАВА 4 Установление порядка между простыми числами

ГЛАВА 5 Вклад в геометрию и физику

ГЛАВА 6 Наследие короля математиков

Список рекомендуемой литературы

Указатель