Удовольствие от Х.Увлекательная экскурсия в мир математики от одного из лучших преподавателей в мир

Строгац Стивен

Но когда мы попытаемся обобщить эти правила для бесконечных сумм, то столкнемся с несколькими неприятными сюрпризами. Посмотрите на возникающее противоречие: если мы возьмем ассоциативный закон и доверчиво применим его к 1 – 1 + 1 – 1 + 1 – 1 + ... С одной стороны, мы можем сократить положительные и отрицательные единицы, группируя их следующим образом:

1 – 1 + 1 – 1 + 1 – 1 + ... = (1 – 1) + (1 – 1) + (1 – 1) + ... = 0 + 0 + 0 + ... = 0.

С другой — можно точно так же, как здесь показано, поставить скобки и сделать вывод, что результат равен 1.

1 – 1 + 1 – 1 + 1 – 1 + ... = 1 + (–1 + 1) + (–1 + 1) + ... = 1 + 0 + 0 + ... = 1.

Ни один из этих способов не кажется более убедительным, поэтому какова вероятность, что

сумма равна и 0, и 1? Сегодня для нас это предположение звучит абсурдно, но в то время некоторые математики утешились его религиозным подтекстом. Он напоминал им о богословском утверждении, что Бог создал мир из ничего. Как написал в 1703 году математик и священник Гвидо Гранди: «Поставив по-разному скобки в выражении 1 – 1 + 1 – 1 + ... я могу, если хочу, получить 0 или 1. Но тогда идея творения из ничего (лат. ex nihilo) совершенно правдо­подобна».

Тем не менее очевидно, что Гранди предпочитал третье значение суммы, отличное от 0 или 1. Догадаетесь ли вы, какое именно? Подумайте, что можно сказать, если вы с ученым видом валяете дурака.

Правильно. Гранди считал, что истинная сумма равна

. И великие математики, в том числе Лейбниц и Эйлер, были с ним согласны. Несколько линий рассуждения подтверждали этот компромисс. Например, 1 – 1 + 1 – 1 + ... можно выразить с помощью собственных членов следующим образом. Давайте использовать букву S для обозначения суммы. Тогда по определению

S = 1 – 1 + 1 – 1 + ...

Теперь оставим первую 1 в правой части уравнения в покое и займемся остальными его членами. Они создают собственную копию S, и члены, стоящие справа от первой 1, вычитаются из нее:

S = 1 – 1 + 1 – 1 + ... = 1 – (1 – 1 + 1 – ...) = 1 – S.

Так что S = 1 – S и, следовательно, S =

.

Дебаты по поводу суммы 1 – 1 + 1 – 1 + ... бушевали почти 150 лет, пока новое поколение аналитиков не водрузило все виды исчисления и его бесконечные процессы (пределы, производные, интегралы, бесконечные ряды) на прочный фундамент раз и навсегда. Они воссоздали предмет с нуля, выстроив строгую логическую структуру, как в Евклидовой геометрии.

Два основных понятия числового ряда — частичные суммы и сходимость. Частичная сумма представляет собой нарастающую сумму. Вы просто суммируете конечное число членов, а затем останавливаетесь. Например, если сложить первые три члена ряда 1– 1 + 1 – 1 + ... получим 1 – 1 + 1 = 1. Давайте назовем это S₃. Буква S обозначает «сумму», а индекс 3 показывает, что мы сложили только первые три члена. Вот несколько первых частичных сумм для этого ряда

S₁ = 1

S₂ = 1 – 1 = 0

S₃ = 1 – 1 + 1 = 1

S₄ = 1 – 1 + 1 – 1 = 0.

Таким образом, мы видим, что частичные суммы скачут между 0 и 1, и при этом не наблюдается никакой тенденции остановиться на 0, 1,

или где-нибудь еще. По этой причине современные математики сказали бы, что сумма 1 – 1 + 1 – 1 + ... не сходится.

Другими словами, частичные суммы не стремятся ни к какому предельному значению по мере увеличения числа членов, включенных в них. Поэтому сумма этого бесконечного

ряда не имеет смысла.

Итак, мы придерживаемся прямой и узконаправленной линии поведения: не тратим впустую время и ограничиваемся анализом только тех рядов, которые сходятся. Значит ли это, что мы избежим встреченных ранее противоречий?

Пока нет. Кошмар продолжается. И это хорошо, что он существует, потому что напуганные им аналитики XIX века открыли более глубокие тайны в самом сердце исчисления, а затем вытащили их на свет. Извлеченные из этого уроки оказались бесценными не только для математики, но и для ее приложений во всех областях — от музыки до медицинской визуализации.

Рассмотрим ряд, известный в гармоническом анализе как знакочередующийся гармонический ряд:

1 –

+

–

+

–

+ ...

Вместо одного шага вперед и одного назад здесь шаги становятся все короче и короче. Один шаг вперед, но только полшага назад, затем треть шага вперед и четверть шага назад и так далее. Обратите внимание на следующую закономерность: дроби с нечетным знаменателем имеют положительные знаки, а с четным — отрицательные. Частичные суммы в данном случае равны:

S₁ = 1

S₂ = 1 –

= 0,500

S₃ = 1 –

+

= 0,833…

S₄ = 1 –

+

–

= 0,583…

И если вы рассмотрите достаточно много таких сумм, то обнаружите, что они нацеливаются на число, близкое к 0,69. Действительно, можно доказать, что этот ряд сходится. Его предельное значение равно натуральному логарифму от 2 (обозначается ln2), приблизительно составляющему 0,693147.

Так что же здесь кошмарного? На первый взгляд, ничего. Знакочередующийся гармонический ряд походит на паиньку: сходящийся, с хорошим поведением. Ваши родители похвалили бы его.

Именно это и делает его опасным. Это хамелеон, мошенник, скользкий тип, который может быть кем угодно. Если переставлять его члены в произвольном порядке, вы можете подвести его сумму к любому значению. Буквально. Например, 297, 126 или –42, или 0, или любому другому.

Это выглядит так, будто ряд полон презрения к коммутативному закону сложения. Просто просуммировав его члены в иной последовательности, вы можете изменить ответ, чего никогда не произошло бы с конечной суммой. Поэтому, даже если исходный ряд сходится, в нем по-прежнему будут странности, которые невозможно представить в обычной арифметике.