Тайная жизнь чисел. Любопытные разделы математики
Шрифт:
Пуанкаре был выдающимся ученым, которому мы обязаны многими революционными идеями в столь далеких друг от друга областях, как теория хаоса и топология. Случай, произошедший с ним и его булочником, покажется вам странным, но достоверность этой истории подтверждается авторитетом Бостонского музея.
Анри Пуанкаре в своем кабинете.
Пуанкаре обвинил булочника в том, что тот обвешивал его и продавал булки, весившие меньше положенного килограмма. Ученый стал записывать вес проданных булок и обнаружил, что он описывался кривой нормального распределения со средним значением в 950 граммов — меньше положенного килограмма. Доказательства Пуанкаре были неопровержимы, и полиция сделала булочнику предупреждение. Прошло некоторое время, и кто-то спросил Пуанкаре, перестал ли булочник обвешивать его и повысилось ли качество обслуживания в целом. Он заявил, что на оба этих вопроса нельзя ответить положительно: булочник действительно перестал его обвешивать и присылал только булки весом в 1000 граммов, но — продолжил объяснения Пуанкаре — для остальных покупателей ничего не изменилось.
И действительно, на новой кривой распределения, построенной ученым, было видно, что теперь булочник присылал ему только булки из правой части кривой, то есть весом более 1 килограмма. Кривая четко показывала, что Пуанкаре получал только булки, которые были тяжелее обычных, а булки меньшего веса, находившиеся с другой стороны кривой нормального распределения, доставались другим покупателям. Видите, как непросто обмануть статистика!
И сэр Уильям Роуэн Гамильтон (1805–1865), и Имон де Валера (1882–1975) были ирландцами, однако если Гамильтон был английским подданным, то де Валера стал президентом независимой Ирландии и, разумеется, обладателем ирландского паспорта. Их объединяла не только общая родина, но и любовь к математике.
Гамильтон потратил много лет на поиски алгебраического поля, которое стало бы обобщением комплексных чисел, и его поиски в конце концов увенчались успехом: в 1843 году он открыл кватернионы.
Кватернионы представляют собой сочетания символов вида
a·1 + b·i + c·j + d·k
(обычно они записываются без единицы — a + b·i + c·j + d·k, где а, Ь, с и d — вещественные числа, 1 — единица, операция умножения является дистрибутивной, а также выполняется следующее условие: х2 = j2 = k2 = ijk = —1. Таблица умножения 1, i, j и k выглядит так:
Множество кватернионов образует поле, которое заключает в себе комплексные числа (достаточно рассмотреть кватернионы при с = d = 0). По легенде, идея о кватернионах пришла в голову Гамильтону, когда он проходил по мосту Брум Бридж в Дублине.
Это открытие показалось всем столь удивительным и столь подлинно ирландским, что много лет спустя Имон де Валера возглавил церемонию открытия памятной таблички на этом мосту. На табличке было написано:
«Здесь на прогулке, 16 октября 1843 года, сэр Уильям Роуэн Гамильтон, во вспышке гения, открыл формулу умножения кватернионов х2 = j2 = k2 = ijk = —1, записав ее на камнях этого моста».
На этом история закончилась бы, если бы Имон де Валера (для друзей — Дев) не изучал математику и сам не был математиком. В 1913 году он предложил свою кандидатуру на должность преподавателя математики, но его не утвердили, хотя Артур Конвей, один из его преподавателей, говорил, что претендент «глубоко разбирался в теме». Когда в 1916 году де Валера находился в тюрьме, ожидая расстрела, то в ночь перед расстрелом он с гордостью написал на стене камеры вместо эпитафии:
х2 = j2 = k2 = ijk = —1
Любить математику больше, чем он, и вправду сложно. В конце концов де Валера спасся, занялся политикой, и математика потеряла специалиста по кватернионам, однако политика от этого только выиграла. Он пережил войну (единственным опрометчивым его шагом стало выражение соболезнований Германии в связи со смертью Гитлера) и стал президентом независимой Ирландии.
Памятная табличка на мосту Брум Бридж.
Теория множеств составляет важную часть фундамента всей математики, однако попытки преподавать ее в школах вызвали массу разногласий и споров, которые в конце концов по большей части удалось разрешить. Сегодня никто не спорит с тем, что теория множеств занимает центральное место в изучении науки, однако в начале XX века эта дисциплина, созданная благодаря усилиям Георга Кантора (1845–1918) и Рихарда Дедекинда (1831–1916), не вызвала большого интереса в академических кругах. В Принстонском университете был организован совет ученых с целью обсуждения программы преподавания математики. Предметом этой истории, которую рассказал физик и математик Фримен Дайсон (род. 1923), стал разговор между астрономом сэром Джеймсом Хопвудом Джинсом (1877–1946) и специалистом по топологии Освальдом Вебленом (1880–1960). Учебная программа казалась несколько перегруженной, и Джинс предложил облегчить ее: «Мы могли бы исключить теорию множеств — в конце концов, этот раздел математики никогда не будет особенно важным для физиков», — сказал он. Однако сэр Джеймс оказался плохим провидцем, и это подтвердят те, кто изучает квантовую механику и повсеместно использует множества.
В какой бы стране мира ни находился математик, если он увидит формулу, то сможет понять ее. Хотя научные статьи печатаются на самых разных языках (большая часть работ публикуется на английском, за ним следуют французский, русский и пиньинь), но даже в странах, находящихся за 10 тысяч километров друг от друга, используются одинаковые математические символы и сокращения. Равные величины всегда будут обозначаться знаком «=», а символ «
» всегда означает «принадлежит к».
Когда любой человек, знакомый с математикой, видит выражения, подобные
он прекрасно понимает их, даже не зная, что эта формула описывает закон сохранения импульса в жидкости.
Математическая мысль следовала многими трудными путями, пока не обрела нынешнюю форму: теперь математики всего мира могут понять друг друга, так как используют общий метаязык. Воздадим дань уважения тем, кто, часто из соображений простоты, вводил универсальные знаки, как, например,