Алекс в стране чисел. Необычайное путешествие в волшебный мир математики

Беллос Алекс

Вуаля! Сумма равна 1089 — и секрет фокуса раскрыт.

Элемент неожиданности в «фокусе 1089» состоит в том, что, какое бы число мы случайно ни выбрали, в ответе всегда получается одно и то же. Алгебра позволяет увидеть то, что скрыто за ловкостью рук, указывая путь, ведущий от конкретного к абстрактному, то есть предлагая следить не за поведением отдельного числа, а за поведением любого,произвольного числа. Это незаменимое средство, причем не только в математике. Другие науки также полагаются на язык уравнений.

* * *

В 1621 году во Франции вышел латинский перевод Диофантова шедевра «Арифметика». Новое издание оживило интерес к античным методам решения задач и в сочетании с усовершенствованными числовыми и буквенными обозначениями распахнуло двери в новую эру математического мышления. «Арифметика» Диофанта стала настольной книгой Пьера де Ферма [36] (1601–1665),

тулузского судьи и страстного математика-любителя, исписавшего поля всех ее страниц своими комментариями. В частности, рядом с разделом, где говорилось о Пифагоровых тройках — любых натуральных числах а, bи с, таких что а ²+ b ²= с ²(например, 3, 4 и 5), — Ферма отметил, что невозможно подобрать такие значения а, bи с, чтобы выполнялось равенство а ³+ b ³= с ³. Не смог он найти и значения а, bи с, для которых было бы верно а ⁴+ b ⁴= с ⁴.В результате Ферма написал — там же, на полях «Арифметики», — что для всякого числа n,превышающего 2, невозможно найти значения а, bи с,которые удовлетворяли бы уравнению а ⁿ+ b ⁿ= c ⁿ. «У меня имеется поистине чудесное доказательство, однако эти поля слишком узки для него», — написал он. Ферма так и не представил своего доказательства — чудесного или уж как получится, — даже когда узость полей его более не стесняла. Заметки Ферма на полях «Арифметики» отчасти указывают на то, что доказательство ему было известно, или же он сам уверовал, что его знает, а может, просто решил подзадорить публику. Во всяком случае, его нахальное заявление оказалось невероятной силы приманкой для многих поколений математиков, а само утверждение, вошедшее в науку как Великая теорема Ферма, оставалось самой знаменитой нерешенной задачей в математике до 1995 года, когда ее наконец продавил британец Эндрю Уайлс. Алгебра бывает обманчиво скромной в подобных ситуациях — она позволяет легко сформулировать задачу, которую решить оказывается совсем не легко. Вот и доказательство теоремы Ферма, предложенное Уайлсом, столь сложно, что, судя по всему, его понимают не более пары сотен человек во всем мире.

36

де Ферма Пьер(1601–1665) — выдающийся французский математик, один из создателей аналитической геометрии, математического анализа, теории вероятностей и теории чисел. Получил юридическое образование, с 1631 года занимал пост советника парламента в Тулузе. Ко всему прочему был блестящим полиглотом. ( Примеч. ред.)

* * *

Прогресс в математических обозначениях сделал возможным открытие новых концепций. Невероятно важным изобретением стали логарифмы, придуманные в начале XVII столетия выдающимся шотландским математиком Джоном Непером (1550–1617) — бароном, восьмым лэрдом Мерчинстона, который, впрочем, прижизненно был куда более знаменит своими работами по теологии. Непер написал имевшую огромный успех книгу — толкование Апокалипсиса, — где утверждал, что папа есть Антихрист, и предсказывал, что конец света наступит между 1688 и 1700 годами. По вечерам он любил облачаться в длинное платье и разгуливать за пределами своего родового замка, что немало способствовало его репутации чародея. Кроме того, он экспериментировал с удобрением почвы на своих обширных владениях близ Эдинбурга, а также предложил несколько изобретений, касающихся военной техники, например металлическую колесницу, движимую находящимися внутри нее воинами, которые будут «поражать врагов во все стороны через маленькие отверстия в корпусе колесницы», и устройства для «плавания под водой, с ныряльщиками и иными хитрыми приспособлениями для внезапного нападения на врага» — предшественников танка и субмарины. Занимаясь математикой, Непер популяризировал применение десятичной запятой, а кроме того предложил идею логарифмов, изобретя

и сам термин как производное от греческих слов logosи arithmos— «относительное число».

Пожалуйста, не пугайтесь, прочитав следующее определение: логарифм числа есть показатель степени в выражении данного числа в виде степени числа 10.Логарифмы проще понять, если выразить их алгебраически: если а= 10 b,то логарифм числа аравен b.Итак:

lg 10 = 1 (потому что 10 = 10 ¹),

lg 100 = 2 (потому что 100 = 10 ²),

lg 1000 = 3 (потому что 1000 = 10 ³),

lg 10 000 = 4 (потому что 10 000 = 10 ⁴).

Нахождение логарифма числа — дело самоочевидное, если число это выражено как произведение десяток. Но как быть, если надо найти логарифм числа, которое не есть произведение десяток? Например, каков логарифм числа 6? Логарифм числа 6 — это число, показывающее, сколько раз 10 надо умножить само на себя, чтобы в результате получилось 6. Однако же кажется совершенно лишенным смысла говорить о том, что умножение числа 10 само на себя определенное число раз даст 6. Как можно умножить 10 само на себя дробное число раз? Конечно, вся идея и правда лишена смысла, когда мы пытаемся себе представить, что она могла бы означать в реальном мире, но мощь и красота математики в том и состоят, что нет нужды беспокоиться о каком бы то ни было смысле, выходящем за пределы алгебраических определений.

Логарифм числа 6 равен 0,778 с точностью до трех десятичных разрядов. Другими словами, когда мы умножим 10 само на себя 0,778 раз, мы получим 6 [37] .

Приведем список логарифмов чисел от 1 до 10, оставляя в каждом логарифме по три десятичных знака:

lg 1 = 0

lg 2 = 0,301

lg 3 = 0,477

lg 4 = 0,602

lg 5 = 0,690

lg 6 = 0,778

lg 7 = 0,845

lg 8 = 0,903

lg 9 = 0,954

lg 10 = 1,000

37

Может быть интересно оценить ошибку, связанную с ограничением тремя цифрами после запятой: 10 ^0,778= 5,9979. Разумеется, дело не в идее логарифмов, а в выбранной точности; повышая точность, получаем, например, 10 ^0,7781512304= 6,000000000225971… ( Примеч. перев.)

Так в чем же суть логарифмов? Логарифмы превращают более сложную операцию умножения в более простую — сложение. Точнее говоря, умножение двух чисел эквивалентно сложению их логарифмов. Если Xx У= Z, то lg X +lg Y= lg Z.

Проверим это, используя приведенную таблицу значений:

3 x 3 = 9

lg 3 + lg 3 = lg 9

0,477 + 0,477 = 0,954

Еще раз:

2 x 4 = 8

lg 2 + lg 4 = lg 8

0,301 + 0,602 = 0,903

Поэтому для того, чтобы перемножить два числа, можно использовать следующий метод: превратим заданные числа в их логарифмы, сложим эти логарифмы, а полученный «третий» логарифм снова превратим в число. Чему, например, равно 2 x 3? Находим логарифмы чисел 2 и 3, равные 0,301 и 0,477, и, складывая их, получаем 0,788. Как мы видели из приведенного списка значений логарифмов, 0,788 есть логарифм числа 6. Итак, ответ равен 6.

Теперь умножим 89 на 62.

Прежде всего нам надо найти их логарифмы. Для этого можно воспользоваться калькулятором или Гуглом. До последних десятилетий XX столетия, впрочем, единственный способ сделать это состоял в том, чтобы найти соответствующие значения в таблицах логарифмов.

Логарифм числа 89 равен 1,949 с точностью в три десятичных разряда. Логарифм числа 62 равен 1,792.

Сумма логарифмов составляет 1,949 + 1,792 = 3,741.

Число, логарифм которого равен 3,741, есть 5518. Это опять же можно выяснить, воспользовавшись таблицами логарифмов.

Итак, 89 x 62 = 5518.

Существенный момент состоит в том, что единственное вычисление, которое нам пришлось сделать, чтобы узнать результат умножения, состояло в простом сложении.

Логарифмы, писал Непер, способны освободить математиков от «тяжелых затрат времени» и «ошибок, закрадывающихся при выполнении умножения, деления и извлечения квадратных и кубических корней из больших чисел». С появлением изобретения Непера оказалось возможным не только свести умножение чисел к сложению их логарифмов. Деление чисел превратилось в вычитание их логарифмов, вычисление квадратного корня стало делением на два, а вычисление кубического корня — делением на три.