Числа: от арифметики до высшей математики

Глава 1 ЦИФРЫ И — ЦИФРЫ

Люди не единственные создания на Земле, кому принадлежит знание о числах. Животных также можно научить различать количество объектов. Естественно, никто не думает, что животные осознанно считают, однако несомненно то, что они могут различать числа.

Большинство из нас, играя в карты, никогда не обращает внимания на маленький номер в левом верхнем углу. Даже средний игрок в нем особенно не нуждается. В сопроводительных описаниях игры в карты вы также не найдете чисел. И это никого не беспокоит. Обычно мы узнаем нумерацию карты с первого взгляда и без подсчета.

Решающий момент в истории человечества наступил тогда, когда простых примеров стало недостаточно. Нетрудно заглянуть в пещеру и удостовериться, что оба ребенка на месте, или взглянуть на полку с каменными топорами, чтобы увериться в сохранности всех четырех. Но потребовалась более сложная информация, и в какой-то момент человек решил, что необходимо использовать числа. Скажем, надо пойти к соседу и сказать: «Послушай, старик, ты, случайно, не прибрал один из моих каменных топоров, когда прошлый раз заходил ко мне в пещеру?» И если сосед отвечал: «Господь с тобой, почему ты так думаешь?» — можно было привести следующий довод: «Послушай, дружище, у меня было четыре топора до твоего прихода, а после того, как ты ушел, осталось только три». В общем, оказалось, что очень удобно, когда каждое число имеет название.

Несомненно, поначалу было придумано всего несколько названий, которых было достаточно, только чтобы обобщать простейшую информацию.

Некоторые примитивные племена даже сегодня не имеют названий для чисел выше, чем два или три. (Это, конечно, не означает, что они не знают больших чисел. Скажем, они могли бы обозначить число четыре как «три и еще один».)

Почти во всех случаях тем не менее для первых десяти чисел существуют специальные названия: один, два, три, четыре, пять, шесть, семь, восемь, девять и десять.

Можно и дальше изобретать названия для чисел, больших десяти, но это создало бы серьезные трудности. Нелегко было бы запомнить специальные названия для «сорока трех», «семидесяти девяти» и далее до бесконечности. С другой стороны, название чисел от одного до десяти запомнить легко, ведь у нас на руках десять пальцев, а это своеобразная встроенная система памяти.

Человек говорил «четыре» и показывал четыре пальца; говорил «шесть» и показывал шесть пальцев. Слушающий видел пальцы и легко мог понять то, что подразумевал собеседник, даже если забыл, что означают слова «четыре» и «шесть».

«Палец» по-латыни — «digitus», и не случайно в английском языке, куда это слово было привнесено из латинского, приобрело новое значение. «Digit» по-английски означает цифру. Также вполне логично и то, что все первые десять чисел называются цифрами, то есть «digits», поскольку в древности эти два понятия, пальцы и числа, были фактически идентичны.

Может показаться, что существуют самостоятельные названия для чисел, больших десяти, но это не так. Язык со временем трансформируется, одни слова сменяют другие, и иногда при этом теряется первоначальное значение слов. Что означает слово «одиннадцать»? Это «один» над «цать», то есть один сверх десяти. «Цать» — это древнерусское обозначение десятка. По-английски «одиннадцать» — «eleven». Это слово пришло в английский из древнегерманского, где оно означает «на один больше».

Нетрудно представить себе такую картину. Один человек показывает другому десять пальцев и добавляет: «И еще один».

Точно так же было образовано слово «двенадцать», то есть «два» над «цать», «тринадцать», и так далее до двадцати, то есть до «двух десятков». В английском языке все обстоит точно так же. Двенадцать по- английски — «twelve», означает «два сверх», то есть два после десяти. После двенадцати все упрощается. Thirteen, тринадцать — это «три и десять», fourteen, четырнадцать, — это «четыре и десять», и так далее, до двадцати. Двадцать, twenty — это просто «два десятка», thirty — «три десятка», forty — «четыре десятка», и так далее до ста.

В русском языке исключением является слово «сорок». Почему мы говорим «сорок», а не «четыредесят»? Дело в том, что в древности на Руси считали «сороками», поэтому для четырех десятков было введено специальное слово. Говорили, что Москва — город «сорока сороков церквей», то есть в Москве было 40 × 40, или 1600 церквей. В те времена при расчетах использовали не только монеты, но и шкурки соболей. Сорок шкурок составляли один «мех», то есть число 40 было таким же граничным числом, как десять, сто, тысяча и т. д.

Можно ли использовать пальцы для обозначения чисел, больших десяти? Например, как показать на пальцах число 54? Как- то я видел молодого человека, который сначала быстро-быстро пять раз показал своему приятелю раскрытые ладони с растопыренными пальцами, а потом показал четыре пальца, то есть сначала пять десятков, или пятьдесят, а затем четыре, и всего 54. Все это прекрасно, за исключением того, что наблюдатель должен быть начеку, чтобы не пропустить одного или нескольких десятков. Обычно в таких случаях переспрашивают: «Пятьдесят четыре, да?» А это значит, что все представление с демонстрацией числа на пальцах было бесполезным.

Конечно, нам не приходится развивать навыки счета на пальцах, в школе мы изучаем совсем другие методы обращения с числами, и они гораздо эффективнее. Но если бы пришлось считать на пальцах, мы могли бы, например, договориться о следующей процедуре счета. Когда мы держим ладони внутрь, то число вытянутых пальцев указывает на число десятков. Когда ладони повернуты наружу, число пальцев указывает на число единиц.

Тогда то же число 54 можно было бы показать на пальцах следующим образом. Одну ладонь держите внутрь, показывая пять пальцев, а другую — ладонью наружу, показывая четыре пальца. Таким образом, двумя жестами можно изобразить любое число от 10 до 99.

Вот мы и добрались до десяти десятков, то есть до ста. «Сто» — это тоже слово, пришедшее из глубокой древности. Мы можем даже изобразить десять десятков, повернув ладони внутрь и показав десять пальцев.

А как быть, когда нужно изобразить одиннадцать десятков? Это тоже возможно.

Добравшись до сотни, мы продолжаем действовать таким же образом, как и раньше. Следующее за сотней число — это «сотня и один», то есть сто один. Что может быть яснее и проще? Мы продолжаем наш путь вперед, проходим разные числа, названия которых образуются по такой же простой схеме, например «сто и двадцать три» — это «сто двадцать три», «сто и семьдесят девять» — это «сто семьдесят девять», и так вплоть до «ста и девяноста девяти», то есть до «ста девяноста девяти». Теперь у нас уже две сотни, то есть двести. Таким образом, мы можем добраться до «девяти сотен и девяноста девяти», то есть до «девятисот девяноста девяти». Здесь удобно ввести принципиально новое название для числа, равного «десяти сотням». Это число получило название «тысяча», его происхождение тоже уходит в глубь веков.

Теперь можно опять использовать тот же принцип для обозначения чисел при помощи пальцев и двигаться дальше. Мы можем, например, договориться, что когда пальцы направлены вниз, а ладонь обращена наружу, то количество пальцев обозначает количество тысяч, когда пальцы направлены вниз, а ладонь обращена внутрь, то количество пальцев обозначает количество сотен. Когда пальцы направлены вверх, а ладонь обращена наружу, то количество пальцев обозначает количество десятков. И наконец, когда пальцы направлены вверх, а ладонь обращена внутрь, то количество пальцев обозначает количество единиц.

Поэтому, если мы хотим показать на пальцах число «семь тысяч пятьсот двадцать четыре», мы можем сделать это в четыре движения: «семь пальцев вниз, ладони внутрь, затем пять пальцев вниз ладони наружу, два пальца вверх, ладони внутрь, затем четыре пальца вверх, ладони наружу».

В быту мы почти никогда не используем числа выше тысячи, и поэтому никаких новых названий для чисел «десять тысяч», «двадцать тысяч» и так далее не появилось ни в русском, ни в английском, ни в большинстве европейских языков. Вслед за «десятью тысячами» идет «десять тысяч один» и далее вплоть до «десяти тысяч девятисот девяноста девяти», а затем — «одиннадцать тысяч»… «двадцать тысяч»… сто тысяч» и так далее.

Греческие математики использовали специальное название для десяти тысяч. Они назвали это число «myrias» (от него произошло современное слово «мириады», или «несметное количество»), но это название использовалось только в узком кругу ученых и никогда не было широкоупотребительным. Названия для таких чисел, как «миллион» и «миллиард», появились только в эпоху позднего Средневековья, а на протяжении большей части истории человечества было достаточно двух ладоней и десяти пальцев, чтобы обозначить необходимые числа.

Я отнюдь не утверждаю, что моя система обозначения больших чисел на пальцах когда-либо использовалась. К тому моменту, когда в обиход вошли десятки, сотни, тысячи и десятки тысяч, человечество уже располагало удобным инструментом для произведения расчетов, своеобразными искусственными пальцами. Это счеты, или по-гречески «абака».

Самые простые счеты представляли собой коробку с горизонтальными желобками, в каждом из которых лежало по десять камешков округлой формы, или гальки. Длина желобков была достаточна, чтобы эти камешки передвигать справа налево. Такими счетами пользовались и в Древней Греции, и в Древнем Риме, и в более поздние времена. По-латыни «галька» — «calculus», от этого слова и произошло слово «calculate», что по-английски означает «вычислять».

Позже появились счеты другой формы. Это деревянная рамка с горизонтальными стержнями, на которые насажено по десять дисков, называемых костяшками. Стержень достаточно длинный, и косточки можно передвигать. В принципе каждый стержень — это модель ладоней с десятью пальцами. Если вначале все косточки сдвинуты налево, то, передвинув одну косточку направо, мы имитируем такой жест, когда поднимаем один палец.

А теперь договоримся, что нижний ряд косточек — это единицы, над ним — десятки. Выше — сотни, а над сотнями — тысячи. Теперь попробуем представить число 7524 при помощи счетов. На нижнем ряду надо передвинуть направо 4 косточки, на следующем — 2, на следующем — 5, и, наконец, на ряду, расположенном еще выше, — 7.

Разумеется, гораздо удобнее пользоваться счетами, чем показывать числа на пальцах. Преимуществ у счетов несколько, и они достаточно серьезные. Во-первых, нет необходимости засорять память тем, как нужно расположить пальцы и ладони, когда изображаешь какое-то число. Во-вторых, можно показать все число, даже если это десятки или сотни тысяч, целиком, а не по частям. Не нужно запоминать, сколько было тысяч, сотен и десятков. В-третьих, когда пользуешься счетами, можно добавлять сколько угодно рядов и, таким образом, изобразить в принципе сколь угодно большое число. И наконец, счеты позволяют изобразить одновременно два числа и выполнить с ними какие-то действия.

Человеку еще в доисторические времена было необходимо складывать и вычитать числа. Предположим, что вы приобрели у соседа несколько наконечников для стрел и вам нужно знать, сколько у вас теперь всего в запасе наконечников. Или, скажем, ваши овцы принесли по несколько ягнят — вы должны знать, сколько голов в вашем стаде после этого прибавления.

Самый простой способ — посчитать. Предположим, у вас было пять наконечников, и вы приобрели еще два. Вы складываете их вместе, считаете — и у вас получается семь. Но постепенно приобретается опыт счета, вы уже знаете, что пять плюс два — это семь.

Однако наша память не беспредельна, и когда нужно сложить большие числа, например двадцать три и пятьдесят четыре, ответ найти уже гораздо труднее. Представьте себе древнего пастуха, у которого в стаде было пятьдесят четыре овцы, а потом прибавилось еще двадцать три. И вот он их долго и нудно пересчитывает, сбивается, начинает сначала, опять сбивается… и приходит в ярость от собственного бессилия. Пожалуй, от человека, занимающегося подсчетами по такой методике, лучше держаться подальше.

Вот тут на помощь могут прийти счеты. Это очень удобное приспособление, которое помогает подсчитать сумму этих двух чисел, не делая никаких особых интеллектуальных усилий. Теперь совсем не нужно находиться рядом с этими глупыми овцами, которые не могут стоять на месте и все время перемещаются. Можно уйти в дом и считать там.

Если нужно прибавить двадцать три к пятидесяти четырем, то сначала на счетах на нижнем ряду, то есть на ряду единиц, мы откладываем четыре. На следующем ряду, на ряду десятков, — пять. Теперь на нижнем ряду откладываем еще три, а на следующем — два. И в результате получаем семьдесят семь. Правда, при счете сумма ни разу не равнялась десяти или большему числу.

Точно так же без особых проблем можно складывать и очень большие числа. Например, нам нужно сложить двести пятьдесят три тысячи сто двенадцать и сто двадцать шесть тысяч восемьсот тридцать один. Используя счеты, мы легко определим сумму, которая равна триста семидесяти девяти тысячам девятисот сорока трем. Однако эта легкость отчасти определяется тем, что ни на одном ряду при сложении мы не получали числа, большего десяти.

А теперь представьте себе, что надо на счетах сложить семь и восемь. Как ни странно, это даже трудней, чем получить сумму от сложения нескольких сотен тысяч, что мы только что сделали.

Посмотрите на рисунок.

Сначала на нижнем ряду вы переводите направо восемь костяшек. Теперь нужно к ним прибавить еще семь, но у нас на нижнем ряду свободны только две костяшки. Что же делать? Все очень просто. Сначала передвигайте оставшиеся две. Теперь у вас есть целый десяток. Вы делаете замену, десять костяшек на нижнем ряду заменяете на одну костяшку на следующем ряду, то есть откладываете в ряду десятков один десяток. Теперь вы можете закончить сложение, ведь ряд единиц у вас свободен. Нам нужно было передвинуть семь костяшек. Две мы уже передвинули. Значит, осталось передвинуть еще пять. Передвигаем пять костяшек на нижнем ряду влево и получаем результат: один десяток и пять единиц, то есть пятнадцать.

Такая замена десяти костяшек на одну в следующем верхнем ряду годится для всех рядов. Десять десятков можно заменить на одну сотню, десять сотен на одну тысячу и так далее.

Таким образом, когда мы используем счеты, нам не надо отсчитывать больше десяти костяшек. На самом деле достаточно считать до пяти. Ведь если вы передвинули направо больше пяти костяшек, нужно только подсчитать количество костяшек в левой части, их всегда будет меньше пяти, чтобы узнать, сколько их в правой части. Скажем, если слева осталась одна костяшка, значит, справа их девять.

Когда костяшек пять или меньше, нам легко определить их количество с первого взгляда, не считая. Поэтому опытный работник, которому приходилось постоянно считать на счетах, мог производить операции сложения и вычитания с большой скоростью, гораздо быстрее, чем это делается по обычной методике, на бумаге, складывая и вычитая в столбик. Самым выдающимся специалистам по работе со счетами удавалось даже обогнать электрические настольные счетные машины.

Используя счеты, вы легко можете показать, что от перемены мест слагаемых сумма не меняется. Неважно, какое число вы первым выставили на счетах. Вы можете сначала отложить семь, а потом восемь, или наоборот, сумма останется той же самой. Это пятнадцать. Так что запомните это правило хорошенько: от перемены мест слагаемых сумма не меняется.

Итак, мы выяснили, какая полезная и удобная вещь — счеты. Но ведь результаты вычислений надо как-то записывать. И в Древнем Вавилоне, и в Древнем Египте велись систематические записи налогов, податей, запасов, поступивших в закрома правителей, и многого другого. Конечно, можно записывать числа словами, как это сделано в начале главы, например двести пятьдесят три тысячи сто двенадцать. Такую запись можно было сделать на любом языке, но это довольно утомительно и неудобно. На помощь пришли сокращения и обозначения.

Уже в древности писцы использовали различные знаки, символы и буквы алфавита для записи чисел. Мы с вами рассмотрим систему буквенных изображений чисел, которую использовали древние римляне. Она используется до сих пор. Римские цифры мы можем увидеть на памятниках, на общественных зданиях, на циферблатах часов, в дипломах и юбилейных грамотах, так что они всем нам хорошо знакомы.

Число один в римской системе обозначалось как

I

II

III

IIII

V

VI

VII

VIII

VIIII

X

L

С

D

М

Так число тысяча девятьсот пятьдесят восемь в римской системе записи будет выглядеть как

MDCCCCLVIII

Обратите внимание, в римской системе записи чисел определенный символ всегда обозначал одно и то же число, независимо от того места в строке, которое он занимал. Скажем, вместо

MDCCCCLVIII

CLCDIIVCMCI

В наши дни используют немного измененную систему обозначения. Меньший символ ставят перед большим, когда его надо вычесть из большего. Например, мы привыкли число четыре записывать как

IV

IIII

СМ

DCCCC

Итак, в римской системе записи значение символа не зависело от его положения, то есть эта система отличается от системы обозначения на счетах, где значение числа зависит от того, в каком ряду оно находится.

Тем не менее и в римской системе обозначения чисел можно производить действия сложения. Например, нам надо сложить

MDCCCCLVIII

MMCCCCLXXII

MMMDCCCCCCCCLLXXVIIIII.

Теперь упростим это выражение:

Пять единиц или

IIIII

V

LL

С

Произведем замену и получим:

MMMDCCCCCCCCCXXVV

Но две пятерки (

VV

ССССС

D

MMMDDCCCCXXX

Но пятьсот и пятьсот (

DD

М

ММММССССXXХ

то есть четыре тысячи четыреста тридцать.

Не сомневайтесь, опытный писец в Древнем Риме мог молниеносно проделать эту операцию. Но есть масса других, крайне необходимых операций с числами, которые очень легко выполнить на счетах и крайне трудно — используя римские цифры.

Именно отсутствие рациональной системы записи чисел остановило развитие математики в Древней Греции, поскольку греки записывали числа не менее громоздким и неудобным способом, чем римляне. Если бы величайший математик древности Архимед владел современной системой записи чисел, он смог бы задолго до Ньютона прийти к идее дифференциального исчисления, а это на восемнадцать веков ускорило бы прогресс науки.

В IX веке нашей эры какой-то индиец, имя которого не сохранилось, разработал ту систему счисления, которой человечество пользуется и в наши дни. Из Индии эта система распространилась на Арабский Восток, а арабы принесли ее в Европу. Поэтому наши цифры и называются арабскими, хотя правильнее было бы называть их индийскими. Индийская система просто моделировала систему изображения чисел при помощи счетов, и об этом речь пойдет несколько позже. Совершенно непонятно, почему этого открытия пришлось ждать так долго, ведь счеты были изобретены задолго до того, как вошли в обиход арабские цифры.