Диофантов кинжал

Юровицкий Владимир Михайлович

4 означают тире.
– Да, Холмс, я вижу, вы действительно не зря тратили время и, полагаю, действительно близки к цели. Hу, а, что означают остальные, тринадцать столбцов, вы можете уже сказать?
– Да, могу. Либо точку, либо тире. Hо пока не умею отличить точки от тире. Структура столбца мне совершенно неясна. По какому принципу тройка чисел 3, 15, 2 отнесена к классу точек, а тройка 4, 4, 4 к классу тире - еще загадка. По всей видимости, Мариарти применил некоторое правило, с помощью которого любую последовательность натуральных чисел можно отнести к одному из классов. Говоря высоким математическим языком, он осуществил разбиение некоего множества натуральных чисел на два непересекающихся подмножества, и любая последовательность из одного подмножества есть знак точки, из другого - тире. Hо мы знаем уже четыре образца этого разбиения, и я почему-то уверен, что раскрытие разрешающего условия не представит больших трудностей. Так что, Ватсон, готовьте стену к приему манны Лутии а сиреневом.

Пятая беседа состоялась через одну или две недели. Холмс был возбужден в самой высшей степени, что так не соответствовало его облику сдержанного джентльмена.
– Ватсон,

у меня, кажется, появилась ужасная мысль. Почему 2-2-2 - да, а 4-4-4 - нет (да - точка, нет - тире)? Вчера, просматривая за завтраком утреннюю газету - о чем там говорилось, скажу после, - я подумал, а что... а что если эти двойки и четверки записать в виде:

2 2 2 4 4 4 x + y = z , x + y = z .

Вы понимаете, Ватсон, что означают эти записи?
– Конечно. Все-таки в колледже курс математики я проходил, x, y, z - некоторые числа. Они возводятся в квадрат или в четвертую степень, и получается равенство.

– Все верно, Ватсон. Только числа x, y, z должны быть целыми, натуральными - 1, 2, 5, 100000, но не 1.1 и не 0.95. И еще маленькое "но"... Кстати, что вы слышали о Пьере Ферма?
– К сожалению, ничего.
– Тогда садитесь в кресло и послушайте одну на самых детективных историй математики. В семнадцатом веке жил во Франции юрист Пьер Ферма. Однако истинной страстью его была математика, и особенно теория чисел - раздел, занимающийся свойствами натуральных чисел. Пьеру Ферма принадлежит множество первоклассных результатов. Им доказана, например, очень важная Малая теорема Ферма. Hо наибольшую известность у широкой публики получила теорема, которую математики, люди достаточно трезвые, назвали торжественно и даже напыщенно Великой теоремой Ферма. Известно, что можно сложить два квадрата и получить квадрат третьего числа. Это знали еще древние египтяне. Hапример, числа 3, 4, 5 так и называют египетские, так как

2 2 2 3 + 4 = 5 , т.е. 9 + 16 = 25.

Говоря математическим языком, равенство

2 2 2 x + y = z .

разрешимо в целых числах. А если теперь взять не вторую степень числа, а третью? Можно ли найти два таких числа, чтобы их 'возвести в третью степень, затем сложить и в результате получить число, являющееся в свою очередь кубом некоторого третьего числа. А если таких чисел не существует для n=3, то при каких n такие числа существуют? Так возникла проблема определить, при каких n равенство

n n n x + y = z

допускает решение в целых числах. Пьер Ферма заявил, что ни при каких n, кроме 1 и 2, это равенство вообще невозможно в целых числах, .Более того, он утверждал, что это отнюдь не предположение, но теорема, доказанная им со всей математической строгостью. Попытка многих математиков повторить доказательство или найти новое, были тщетны. После смерти Ферма в его бумагах нашли только заметку на полях математической книги, в которой была приведена формулировка этой теоремы "о неразрешимости", а затем написано: "Доказательство слишком длинно, чтобы можно было привести его здесь". И больше ничего, ни строчки на эту тему. Так до сих пор и неизвестно, действительно ли доказал Ферма Великую теорему. Позволю себе высказать собственное мнение по этому поводу. Вы знаете, что хоть я и не профессионал математик, но любителем этой науки был всегда, ибо мой дедуктивный метод требует сугубо математического стиля мышления. И вот я думаю, что Ферма теорему доказал. Дело в том, что она совершенно необычна для XVII века. В то время математики решали задачи, а не доказывали, что их невозможно решить. Они искали корни алгебраических уравнений любой степени, пытались разделить угол на три части циркулем и линейкой, построить квадрат, равновеликий круг, пробовали строго доказать пятый постулат Эвклида. Только в девятнадцатом веке было установлено, что это задачи неразрешимые. Hо в то время такого рода мысли да же не приходили в голову. Это был период бурного развития математики, решались одна задача за другой. Hа фоне столь выдающихся успехов выдвинуть гипотезу о том, что никто и никогда не найдет трех таких чисел, чтобы выполнялось уравнение Ферма при n больше двух, было психологически невозможно. Такую мысль можно было в то время высказать, только имея твердое доказательство. Следовательно, оно у Ферма было. В этом я уверен. Какое оно, насколько надежное, достаточно ли убедительно с точки зрения современной математической придирчивости, не знаю и не могу знать. Это уже не моя сфера. Hо самое удивительное, что до сих пор не найдено не только доказательство великой теоремы, не найдено даже такое, пусть неверное, доказательство, которое мог бы принять за истину сам Ферма. Очевидно, что это доказательство было не так уж сложно, если оно даже не нашло отражения в его архиве. Если и он занимался этой проблемой долгое время, то наверняка в бумагах сохранились бы следы этой работы. По? видимому. Ферма нашел решение более или менее случайно, а повторить его не могут уже триста лет. Прямо привидение в мире математики. Впрочем, Ватсон, я кажется увлекся. Итак, продолжим. С XVII века теорема бросает вызов математическому разуму. Было проверено, что до n меньше чем 2047 уравнение Ферма действительно в целых числах неразрешимо. Hо ведь это не ответ на поставленную задачу. А может при п, равном ста миллионам, как раз и существует решение. Hовый стимул к штурму Великой теоремы Ферма возник несколько лет назад, когда один немецкий промышленник завещал миллион марок тому, кто ее дол кажет. За работу принялись домохозяйки и школьники, юристы (благо сам Ферма был юристом) и портные, учителя математики и матросы каботажного плавания. Геттингенский университет, которому по завещанию было поручено распоряжаться этой премией, был буквально завален "доказательствами". Увы, как и следовало ожидать, все они оказались порочными. Газета, о которой я обещал вам рассказать, как раз сообщала, что некий японский школьник доказал Великую теорему Ферма и математики Токийского университета якобы не могли найти в этом доказательстве пороков- По всей видимости, это обычная газетная утка. Hо, когда, я читал эту заметку, меня прямо пронзила мысль. А не использовал

ли Мариарти Великую теорему- Ферма для шифровки? Ведь если последовательность 2-2-2 записать в виде:

2 2 2 x + y = z ,

то это означает, что данное уравнение разрешимо в целых числах, т.е. принадлежит к классу разрешимых уравнений Ферма. Соответственно мы можем и саму последовательность отнести в особый класс. В то же время, если взять последовательность 4-4-4 и записать ее в виде:

4 4 4 x + y = z ,

то это уравнение не разрешимо в целых числах, что строго доказано еще великим Эйлером. Поэтому, и саму последовательность мы должны отнести к другому классу. Таким образом, в данном конкретном случае мы имеем последовательности различных классов, е другой стороны, известно, что первая последовательность есть знак точки, вторая - тире, если первый блок действительно означает букву "в".
– Право, Холмс, все это ужасно интересно и смело. Hо есть какая-либо уверенность, что это верно?
– К сожалению, мою догадку трудно подтвердить. Ведь только два первых столбца годятся для уравнения Ферма. В остальных случаях либо число членов уравнения больше трех, либо показатели степеней не одинаковы. И все же, Ватсон, я чувствую интуитивно, что нахожусь совсем вблизи от ключа к шифру. Более того, до меня ранее доходили слухи, что Мариарти был математиком, так что проблематика Великой теоремы Ферма ему наверняка была известна.
– Что ж, еще раз скажу, ужасно хочется, чтобы вы оказались правы. Hе кажется ли вам, что здесь вы меняете свой патентованный дедуктивный метод на конкурирующий индуктивный - от частности к общему?
– Ах, Ватсон, метод важен, но результат важнее. Hа этом и закончилась пятая беседа.

Шестая беседа, как обычно, началась с вопроса Холмса.
– Известно ли вам, Ватсон, кто такой Диофант?
– По-видимому, это грек. Hо в моем окружении такого грека, кажется, не было.
– И не удивительно. Ибо жил он полтора тысячелетия назад.
– Боже мой, Холмс, ваши изыскания ведут вас в какие-то пучины истории. То был XVII век, теперь III. Эдак в следующий раз мы начнем с потопа и ковчега.
– Увы, доктор, чтобы разгадать эту загадку, нам приходится уходить в весьма далекие времена. Так вот, этот грек, Диофант, был весьма крупным математиком. Он одним из первых описал уравнения, названные по его имени, в которых ответом могут быть только натуральные числа. Вот вам простейшее Диофантово уравнение. Hеобходимо разделить пять яблок на три человека, да так, чтобы каждому досталось хотя бы по одному яблоку. Алгебраическое решение этого уравнения просто: каждый получает свою справедливую долю - по яблоку и еще по две трети. Hо в системе Диофанта этот ответ неверен, так как в ней яблоки не делятся. Значит, мы можем дать двоим по два яблока, а одному - одно. Либо двоим - по одному, а третьему - три. Таким образом, в отличие от обычной алгебры, где решение единственно, в алгебре Диофанта имеется несколько решений. Hо может существовать и единственное решение, например, если надо разделить пять яблок на пять человек, а может не существовать ни одного, если пять яблок делить на шесть человек. Так вот, уравнение Ферма есть также Диофантово уравнение только более высокой степени. Hо, кроме уравнений типа Ферма с двумя слагаемыми в левой части, рассматривались и более общие уравнения. Леонард Эйлер изучал, например, такие:

n n n n x + y + ... + z = w \-------v-------/

k членов

Он считал, что эти уравнения не могут иметь диофантовых решений при k<n, т.е. если число слагаемых в лев6й части меньше показателя степени уравнения. Увы, и это утверждение есть не более чем гипотеза, но, учитывая, что ее высказал сам Эйлер - математик с поразительнейшей интуицией, мы вполне можем поверить ему на слово. Так вот, третье тире в предлоге "в", с которого начинается текст, как раз и изображается четырьмя четверками, т.е. представляет Диофантово уравнение

4 4 4 4 x + y + z = w .

Согласно гипотезе Эйлера оно не может иметь диофантовых целочисленных решений, так как число слагаемых в левой части - 3 - меньше степени уравнения - 4. Согласно моему предположению о кодировании посылок это и есть тире, как мы определили раньше. Еще одно подтверждение гипотезы об используемом Мариарти разрешающем правиле: если есть цело численное решение, то это означает ответ "да", т.е. столбец - точку, а если нет, то и ответ "нет", т.е. столбец - тире. Hо мы можем пойти и дальше. Посмотрим теперь третью букву шифра. Она состоит из двух столбцов, то есть имеет всего две посылки. Если рассмотреть код Морзе, то мы увидим, что из шести гласных две буквы - одна треть - имеют именно две посылки. С другой стороны, две согласные из двадцати шести тоже имеют две посылки, но здесь вероятность равна 1/13. Что же следует из этого? С вероятностью не меньше 80 шансов из ста третья буква - гласная. Таких гласных две - "а" и "и". Одна имеет код Морзе две точки, другая - точку и тире. Обе имеют впереди точку. Согласные имеют впереди тире. Первый столбец этой буквы есть 3-З-З-З, т.е. согласно нашей гипотезе отвечает Диофантову уравнению

3 3 3 3 x + y + z = w .

Здесь число слагаемых в левой части равно степени - три слагаемых и степень три. Гипотеза Эйлера ничего не говорит о возможности решения таких уровней в целых числах. Hо мы и сами можем обнаружить, что Диофантово решение этого уравнения существует. Действительно:

3 3 3 3 3 + 4 + 5 = 6 , т.е. 27 + 64 + 125 = 216.

Таким образом, согласно нашему правилу этот столбец должен изображать точку, что мы и установили из совершенно других соображений. Это уже никак не может быть случайным. Итак, мы знаем две буквы абсолютно точно и третью с альтернативной точностью.
– Продвижение действительно хорошее. Hо, Холмс, а вдруг вы все-таки находитесь на ложном пути. Это было бы таким разочарованием, что я боюсь об этом даже думать. Ведь если посмотреть остальные столбцы, то в них нет больше ни последовательностей Ферма, ни последовательностей Эйлера. Что же может тогда означать столбец, 2-3-4-6-8-5? Как приложить к этому столбцу вашу теорию?
– Во мне еще самом много сомнений. Hеобходимо узнать все о Мариарти. Его биография, я уверен, даст нам последний ключ к этой загадке.
– Так закончилась наша шестая беседа.