Математика. Утрата определенности.
Шрифт:
2/3 + 3/4 = 17/12.
Но полученный таким образом результат явно лишен всякого смысла: ни один нападающий за 12 ударов по воротам противника не может забить 17 голов! Ясно, что обычные правила сложения дробей непригодны для подсчета средней результативности: средняя результативность за две игры не совпадает с суммой средних результативностей, вычисленных для каждой из игр в отдельности. Каким же образом, зная результативность нападающего в каждой из двух игр в отдельности, правильно вычислить среднюю результативность за две игры? Для этого необходимо воспользоваться новым правилом сложения дробей. Мы знаем, что результативность нападающего по двум играм составляет 5/7, а в первой и во второй играх равна соответственно 2/3 и 3/4. Нетрудно видеть, что, сложив отдельно числители
2/3
(знак плюс,который мы не случайно обвели кружком, означает здесь, что числители и знаменатели суммируются отдельно).
Предложенное нами правило «сложения» дробей оказывается полезным и в других ситуациях. Продавец, ведущий учет эффективности своей торговли, может заметить, например, что в первый день покупки сделали 3 из 5 посетителей, а во второй день — 4 из 7. Чтобы вычислить эффективность торговли за два дня, т.е. найти отношение числа покупок к общему числу посетителей, продавец должен сложить 3/5 и 4/7 по тому же правилу, по которому нападающий вычислял свою результативность за две игры. За два дня покупки сделали 7 посетителей из 12, а 7/12 = 3/5 + 4/7, где знак плюс означает сложение отдельно числителей и отдельно знаменателей.
Еще чаще встречается другое применение нового правила сложения дробей. Предположим, что автомобиль проезжает 50 км за 2 ч и 100 км за 3 ч. С какой средней скоростью автомобиль покрывает оба отрезка пути? Можно было бы рассуждать так: расстояние 150 км автомобиль проезжает за 5 ч, поэтому его средняя скорость составляет 30 км/ч. Но часто бывает удобнее вычислять средние скорости всего пробега по средним скоростям на отдельных участках маршрута. Средняя скорость на первом участке равна (50/2) км/ч, а на втором — (100/3) км/ч. Сложив отдельно числители и знаменатели этих дробей, мы получим правильную среднюю скорость всего пробега.
В обычной арифметике 4/6 = 2/3. Но при сложении двух дробей по новому правилу, например при вычислении 2/3 + 3/5, дробь 2/3 не следует заменять дробью 4/6, так как ответ в одном случае равен 5/8, а в другом — 7/11, и эти два ответа оказываются различными. Кроме того, в обычной арифметике такие дроби, как 5/1 и 7/1, ведут себя также, как целые числа 5 и 7. Но если мы вздумаем сложить 5/1 и 7/1 как дроби, по правилам новой арифметики, то вместо 12/1 получим 12/2.
Приведенные примеры такой «футбольной арифметики» свидетельствуют об одном: вводя операции, отличные от привычных, мы тем не менее можем прийти к арифметике, применимой к реальному миру. Математике известны и многие другие арифметики. Однако ни один здравомыслящий математик не станет изобретать арифметику «просто так», для собственного удовольствия. Каждая арифметика предназначена для описания некоторого класса явлений физического мира. Производимые над числами операции выбираются с таким расчетом, чтобы они соответствовали выбранному классу явлений, подобно тому как в приведенных примерах необычное сложение дробей позволяло вычислять среднюю результативность, эффективность и скорость. Новая арифметика должна облегчать исследование реально происходящего. Только опыт может сказать нам, в каких случаях обычная арифметика применима к тому или иному физическому явлению. Следовательно, мы не можем рассматривать арифметику как свод истин, с необходимостью применимых для описания любых физических явлений. Разумеется, это же относится и к «продолжениям» арифметики — алгебре и математическому анализу. Их также нельзя считать сводом непреложных истин (см., например, [30]).
Итак, математикам не оставалось ничего иного, как прийти к печальному заключению о том, что в математике нет абсолютной истины, т.е. что математика не содержит внутри себя все законы реального мира. Аксиомы основных структур арифметики и геометрии порождены опытом, и поэтому применимость структур арифметики ограничена. Вопрос о том, где именно они применимы, может быть решен только на опыте. Попытка древнегреческих мыслителей обеспечить истинность математики, принимая за исходные самоочевидные истины и используя только дедуктивные
Для многих мыслящих математиков сознание того, что математика не является более сводом незыблемых истин, было невыносимым, и они не могли смириться с этим. Казалось, сам бог ниспослал им в наказание несколько геометрий и несколько алгебр, подобно тому как он, смешав языки, покарал строителей Вавилонской башни. Такие математики наотрез отказывались принимать новые творения своих собратьев по профессии.
Уильям Р. Гамильтон, несомненно, один из самих выдающихся математиков XIX в., выразил (1837) свое неприятие неевклидовой геометрии следующим образом:
Ни один честный и здравомыслящий человек не может усомниться в истинности главных свойств параллельныхв том виде, как они били изложены в «Началах» Евклида две тысячи лет назад, хотя вполне мог бы желать увидеть их изложенными более просто и ясно. Геометрия Евклида не содержит неясностей, не приводит мысли в замешательство и не оставляет разуму сколько-нибудь веских оснований для сомнения, хотя острый ум извлечет для себя пользу, пытаясь улучшить общий план доказательства.
Артур Кэли, выступая в 1883 г. с речью перед Британской ассоциацией содействия развитию наук, сказал:
По моему мнению, двенадцатая аксиома Евклида [называемая также пятым постулатом, или аксиомой о параллельных] в форме Плейфера не требует доказательства, но является составной частью нашего представления о пространстве, физическом пространстве нашего опыта, с которым каждый знакомится на своем опыте, — представления, лежащего в основе всего нашего опыта… Утверждения геометрии не являются лишь приближенно истинными. Они остаются абсолютно истинными в отношении той евклидовой геометрии, которая так долго считалась физическим пространством нашего опыта.
Ту же точку зрения высказывал и Феликс Клейн (1849-1925), один из крупнейших математиков нашего времени. Хотя Кэли и Клейн сами работали в области неевклидовых геометрий, они рассматривали их как новообразования, возникающие при искусственном введении в добрую старую евклидову геометрию новых метрик — функций, определяющих расстояние между точками. Оба отказывались признать, что неевклидова геометрия столь же фундаментальна и применима к внешнему миру, как и евклидова. Разумеется, во времена, когда теория относительности еще не была создана, позиция Кэли и Клейна была вполне обоснованной.
Верил в истинность математики и Бертран Рассел, хотя он и понимал эту истинность в несколько ограниченном смысле. В 1890 г. он предпринял попытку проанализировать вопрос о том, какие свойства пространства необходимы и могут быть приняты до опыта, т.е., если бы любое из этих априорных свойств мы стали бы отрицать, то опыт утратил бы смысл. В своей работе «Очерк оснований геометрии» ( Essay of the Foundations of Geometry, 1897) Рассел признал, что геометрия Евклида не является априорным знанием. В этой же книге он пришел к заключению, что из всех геометрий априорность присуща лишь проективной геометрии {58} — заключение вполне понятное, если принять во внимание то значение, которое придавали проективной геометрии на рубеже XIX-XX вв. К проективной геометрии в качестве априорных истин Рассел добавил аксиомы, общие для евклидовой и всех неевклидовых геометрий. Эти аксиомы относились к однородности пространства, конечномерности и к понятию расстояния, позволяющему производить измерения. Рассел также указал на то, что количественным соображениям должны предшествовать чисто качественные, и использовал этот тезис для подкрепления приоритета проективной геометрии.
58
Проективная геометрия занимается изучением свойств, общих для всех фигур, получающихся при проектировании одной фигуры на различные плоскости. Так, если держать круг перед ярким фонарем, то он будет отбрасывать тень на экран или на стену. Форма тени будет изменяться в зависимости от наклона круга. Тем не менее окружность и контуры теней (эллипсы, гиперболы, параболы) обладают общими геометрическими свойствами.