Простая одержимость. Бернхард Риман и величайшая нерешенная проблема в математике.
Шрифт:
Подчеркну, что эта история — полная фальшивка. Наше понимание чисел вовсе не развивалось подобным образом. Порядок — и тот неправильный. Он должен быть таким: N, Q, R, Z, С. Натуральные числа и правда были известны в доисторические времена. Египтяне изобрели дроби в начале третьего тысячелетия до P.X. Пифагор (или один из его учеников) открыл иррациональные числа около 600 года до P.X. Отрицательные числа возникли во времена Возрождения из необходимости бухгалтерского учета (хотя нуль появился чуть раньше). Комплексные числа появились в XVII веке. Все это развивалось малопредсказуемым образом, хаотично, как и большая часть того, что делают люди. Неверно и то, что наступил конец истории. История никогда не кончается; как только одна шахматная партия доиграна, немедленно начинается следующая.
Что моя подложная история все же показывает, так это каким образом матрешки помещаются
Утомительно все время писать -1, поэтому математики заменили эту величину буквой i. Поскольку i— квадратный корень из минус единицы, имеем i 2= -1. Умножая здесь обе части равенства на i, находим, что i 3= - i. Продолжая процесс, получаем i 4= 1.
А как обстоят дела с -2, -3, -4 и т.д.? Не понадобятся ли и для них отдельные обозначения? Нет. Согласно обычным правилам перемножения целых чисел, имеем -3 = -1x3. Поскольку xесть просто x 1/2, 7-е правило действий со степенями говорит нам, что (axb) = axb.(Например, (9x4) = 9x4 — довольно изысканный способ записи того факта, что 6 = 3x2.) Итак, -3 = -1x3. Далее, 3, понятно, — совершенно обычное вещественное число, имеющее значение 1,732050807568877…. Следовательно (с точностью до трех знаков после запятой), -3 = 1,732 i; в замкнутом виде это обычно записывают как i3. То же относится и к корню из любого другого отрицательного числа. Целой кучи новых чисел не требуется; достаточно одного только i.
Так вот, i— очень гордое число. Оно довольно надменно и не любит путаться с другими числами. Прибавим 3 к 4; в полученной семерке исчезло всякое воспоминание о «тройности» тройки, как, впрочем, и о «четверности» четверки; они растворились в «семерности» семерки. Напротив, если мы прибавим 3 к i, то получим… 3 + i. И такая же история с умножением. Когда мы умножаем 5 на 2, вся «пятерность» пятерки и «двойность» двойки проглатываются «десятностью» десятки, исчезая без следа. Но, умножая 5 на i, получаем… 5 i. Дело выглядит так, словно iникак не может расстаться со своей индивидуальностью; или, быть может, вещественные числа чувствуют, что iсделано из другого теста, чем они сами.
Итак, достаточно один раз впустить букву iв порядок вещей, как она породит целый новый класс чисел вида 2 + 5 i, -1 - i, 47,242 - 101,958 i, 2 + i— все возможные a + biс вообще любыми вещественными aи b. Они называются комплексными числами.Каждое комплексное число имеет две части: вещественную и мнимую. Вещественная часть комплексного числа a + bi —это a, а мнимая — это b.
Как и в случае с другими матрешками N, Z, Qи R, числа, принадлежащие к одной из внутренних матрешек, являются привилегированными комплексными числами. Натуральное число 257, например, есть комплексное число 257 + 0 i; вещественное число 7 есть комплексное число 7 + 0i. Вещественное число — это просто комплексное число с нулевой мнимой частью.
А как насчет комплексных чисел с нулевой вещественной частью? Они называются (чисто) мнимыми числами. Примеры чисто мнимых чисел: 2 i, -1479 i, i, 0,0000000577 i.
Сложение двух комплексных чисел — дело несложное. Надо просто складывать по отдельности вещественные части и отдельно мнимые части: сложение комплексных чисел -2 + 7 iи 5 + 12 iдаст 3 + 19 i. То же и с вычитанием: если в последнем примере вычитать, а не складывать, получим -7 - 5 i. Что касается умножения, надо только помнить правило раскрытия скобок, не забывая при этом, что i 2 = -1: так, (-2 + 7 i)x(5 + 12 i) дает -10 - 24 i + 35 i + 84 i 2, что сводится к -94 + 11 i. В общем случае (a + bi)x(c + di) = (ac - bd) + (bc + ad)i.
Деление основано на нехитром приеме. Что такое 2: i?. Ответ: запишем это в виде дроби, как 2/ i. Чудесное свойство дробей состоит в том, что одновременное умножение и числителя, и знаменателя на одно и то же число (не равное нулю) не изменяет дроби: 3/ 4, 6/ 8, 15/ 20и 12 000/ 16 000— это все разные способы записи одной и той же дроби. Итак, умножим числитель и знаменатель дроби 2/ iна - i. Умножение двойки на - iдаст, конечно, -2 i, а iумножить на - iесть - i 2, то есть -(-1), что равно 1. Следовательно, 2/ iравно -2 i/1, что есть просто -2 i.
Такое всегда можно сделать — превратить знаменатель дроби в вещественное число. А поскольку всем известно, как делить на вещественные числа, мы у цели. Как нам поделить два полновесных комплексных числа, скажем, (-7 - 4 i)/(-2 + 5 i)? Вот как: умножим числитель и знаменатель на -2 - 5 i. Давайте сначала выполним умножение сверху: (-7 - 4 i)x(-2 - 5 i) = -6 + 43 i. Теперь снизу: (-2 + 5 i)x(-2 - 5 i) = 29. Ответ: - 6/ 29+ 43/ 29 i. Знаменатель дроби (a + bi)/(c + di)всегда можно превратить в вещественное число, умножив ее на (c - di). Общее правило на самом деле имеет вид
А каков квадратный корень из i? Не потребуется ли нам ввести целый новый класс чисел, чтобы включить i? И все далее и далее до бесконечности? Ответ: перемножим скобки (1 + i)x(1 + i). Результат, как можно видеть, равен 2 i. Значит, квадратный корень из 2 iравен 1 + i. С поправкой на масштаб, квадратный корень из iдолжен быть равен 1/2 + i/2. Это число на самом деле им и является.