Числа: от арифметики до высшей математики

Глава 6 ФОРМА ЧИСЕЛ

Греческие математики занимались в основном геометрией и много времени проводили подсчитывая количество точек, расположенных на плоскости в форме различных геометрических фигур. Количество точек, которые составляют треугольник, называют треугольными числами.

Можно представить себе сверхмикроскопический треугольник, состоящий из одной точки. Три точки также образуют треугольник, у которого по две точки на каждой стороне. Шесть точек образуют уже больший треугольник, у которого по три точки на каждой стороне, а десять точек — треугольник, у которого по четыре точки на каждой стороне.

Можно записать треугольные числа в ряд: 1, 3, 6, 10, 15, 21, 28, 36, 45, 55 и так далее. Каждое следующее треугольное число образует треугольник, у которого на каждой стороне на одну точку больше. Ряд треугольных чисел можно продолжать бесконечно.

Обратите внимание, ряд треугольных чисел образует определенную зависимость. Первое число равно 1, следующее равно 3, то есть 1+2, затем идет 6, то есть 1 + 2 + 3, затем 10, то есть 1 + 2 + 3 + 4, затем 15, то есть 1 + 2 + 3 + 4 + 5, и так далее. Запомнив эту зависимость, вы сможете продолжать ряд треугольных чисел сколь угодно долго, не составляя треугольников и не пересчитывая точки. Определить, является ли данное число треугольным или нет, можно, представив его в виде ряда, подобного приведенному выше. Если число можно представить в виде суммы чисел, где каждое следующее число на единицу больше предыдущего, а первое число является единицей, то это число — треугольное.

Любая группа чисел, которая может быть представлена в виде последовательности, подчиняющейся какому-то правилу, образует ряд.

Числа, являющиеся количеством точек, из которых можно составить квадрат, тоже можно представить в виде ряда. Как и в прошлый раз, одну точку можно рассматривать как сверхмикроскопический четырехугольник. Четыре точки также образуют четырехугольник, у которого по две точки на каждой стороне. Девять точек образуют уже больший четырехугольник, у которого по три точки на каждой стороне, а шестнадцать точек — четырехугольник, у которого по четыре точки на каждой стороне.

Можно записать четырехугольные числа в ряд: 1, 9, 16, 25, 36, 49 и так далее. Каждое следующее четырехугольное число образует четырехугольник, у которого на каждой стороне на одну точку больше. Ряд четырехугольных чисел можно продолжать бесконечно.

Проанализировав числа, составляющие ряд четырехугольных чисел, мы увидим, что они тоже подчиняются определенной зависимости. Начнем с 1. Здесь нет вариантов, единица — это просто единица. Но уже 4 = 1 + 3, далее 9 = 1 + 3 + 5, 16=1+3 + 5 + 7 и так далее.

Таким образом, каждое число является суммой последовательных нечетных чисел, первое из которых единица.

Соотношение между числами треугольного и квадратного рядов показано на диаграмме.

Соотношения в рядах треугольных и квадратных чисел

У греков был также ряд пентагональных чисел, которые представлены на рисунке. Этот ряд можно рассматривать как некий синтез треугольных и четырехугольных рядов. Если мы построим несколько пятиугольников таким же образом, как строили треугольники и четырехугольники, то получим числовой ряд вида 1, 5, 12, 22, 35, 51, 70 и так далее. Это ряд чисел, которые получают сложением чисел, отличающихся друг от друга на три. Первый член ряда — это единица. Второй — 5, то есть 1 + (1 + 3) = 1 + 4. Третий — 12, то есть 1 + 4 + (4 + 3) = 1 + 4 + 7, четвертый — 22, то есть 1 + 4 + 7 + 10, и так далее.

Греки изобрели и другие геометрические фигуры, моделирующие числовые ряды. Числа, составляющие такие последовательности, называются фигурными. Некоторые фигурные числа моделируются уже не плоскими фигурами, как треугольник и квадрат, а объемными, например кубами. Такие кубы трудно изобразить на рисунке, но если вы внимательно посмотрите на числовой ряд, вы сможете составить себе какое-то представление о кубической фигуре из точек. Серия кубических чисел — это ряд 1, 8, 27, 64, 125 и так далее.

Ряд кубических чисел также представляет собой ряд сумм нечетных чисел, правда, эти суммы не начинаются с единицы. Первый член ряда — это 1, второй — 8 или 3 + 5; третий — это 27 или 7 + 9 + 11; четвертый — это 64 или 13 + 15 + 17 + + 19. Каждая группа чисел, которые надо суммировать, начинается с нечетного числа, следующего за тем, которое завершало предыдущую сумму, а количество слагаемых в каждой следующей сумме на одно больше, чем в предыдущей.

Все ряды, которые мы до сих пор рассматривали, составляются при помощи повторных операций сложения. Но существуют и другие виды рядов, например ряд, который составляется при помощи повторного умножения.

Предположим, у вас есть четыре разноцветные бусины, которые надо нанизать. Сколько различных цветовых сочетаний можно составить из этих бусин?

Предположим, у нас красная, желтая, голубая и зеленая бусины (на самом деле для этого примера подошли бы любые цвета). Начать ряд можно с любого цвета, значит, у нас есть четыре возможных варианта. Выбираем одну из них, тогда нам надо нанизать еще три, следовательно, у нас есть 4x3, или 12 возможных вариантов. Осталось еще две бусины, и вы можете нанизать или одну из двух оставшихся бусин, что дает нам 4 × 3 × 2, или 24 возможных варианта. Теперь у нас осталась только одна бусина, следовательно, у нас есть 4 × 3 × 2 × 1, или 24 возможных варианта. На рисунке представлены все возможные 24 варианта цветовых комбинаций.

Мы видим, что число 24 можно представить как произведение 4 × 3 × 2 × 1. Используя такой же подход, мы можем сосчитать возможные варианты комбинаций из семи бусин различных цветов. Количество таких вариантов составляет 7 × 6 × 5 × 4 × 3 × 2 × 1, или 5040. Такой же расчет можно провести и для любого другого количества бусин.

Последовательность, составленная перемножением последовательных чисел, называется факториалом. Например, выражение «4 × 3 × 2 × 1» называется «факториал 4», по самому большому числу в этой последовательности сомножителей. Точно так же ряд 7 × 6 × 5 × 4 × 3 × 2 × 1 называется «факториал 7». Обычно для обозначения факториала используют восклицательный знак. Так, «факториал 4» — это 4!, а «факториал 7» — это 7! Использование восклицательного знака вполне обоснованно — восклицательный знак свидетельствует о том, что числа в последовательности увеличиваются очень быстро. Ряд 1!, 2!, 3!, 4! и так далее — это то же самое, что 1, 2, 6, 24, 120, 720, 5040, 40 320, 362 880 и так далее. Двадцатый член этого ряда, или 20!, равен 2 432 932 008 176 640 000.

Теперь, если мы опять вернемся к треугольным и квадратным числам, мы легко убедимся в том, что наряду с закономерными соотношениями, включающими операции сложения, существуют закономерные соотношения на основе умножения.

Вернемся в третью главу, где я рассказывал вам о том, как определить площадь квадрата. Надеюсь, вы помните, что площадь квадрата со стороной, равной 1 (например, одному сантиметру, одному метру или любой другой единицы измерения длины), равна 1 × 1, то есть единице площади, одному квадратному сантиметру, одному квадратному метру или квадрату любой другой единицы измерения длины. Площадь квадрата со стороной 2 равна 2 × 2 = 4. Теперь, если мы рассмотрим серию квадратов со сторонами, равными 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и так далее, то их площади будут равны соответственно 1, 4, 9, 16, 25, 36, 49 и так далее.

Сопоставив этот ряд с теми рядами, которые мы рассматривали в предыдущих разделах этой главы, вы увидите, что перед нами ряд квадратных чисел, который записан не в прежнем виде 1, 1 + 3, 1 + 3 + 5, 16, 1 + 3 + 5 + 7 и так далее, а в виде произведения 1 × 1, 2 × 2, 3 × 3, 4 × 4, 5 × 5, 7 × 7 и так далее.

Теперь рассмотрим куб, то есть трехмерную фигуру, у которой есть длина, ширина и высота, причем все они равны между собой. Примером кубов для вас могут быть кубики для какой-нибудь настольной игры или игральные кости. Объем куба вычисляется перемножением длины, ширины и высоты. Доказать это можно с помощью той же методики, которой мы пользовались в третьей главе, вычисляя площадь квадрата или прямоугольника, когда перемножали длину и ширину.

Объем куба со стороной, равной единице, равен соответственно одной кубической единице (1 × 1 × 1 = 1). Объем куба со стороной, равной 2, равен соответственно 2 × 2 × 2 = 8, или восьми кубическим единицам. Можно продолжить такие вычисления, и тогда мы получим, что объем кубов со сторонами 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и так далее равен соответственно 1, 8, 27, 64, 125, 216 и так далее. Эти числа можно представить в виде 1 × 1 × 1; 2 × 2 × 2; 3 × 3 × 3; 4 × 4 × 4; 5 × 5 × 5; 6 × 6 × 6 и так далее.

И квадраты, и кубы легко представить, так как мы часто встречаем такие фигуры в обыденной жизни. Но можно отойти от геометрических представлений и составить числовой ряд, где каждое число является произведением четырех, пяти, или шести, или любого другого количества одинаковых сомножителей.

Последовательное перемножение одного и того же числа на себя самое является операцией, которая очень часто используется в математике. В свое время, когда мы рассматривали повторные многократные операции сложения, мы ввели новое понятие и новую математическую операцию — умножение. Например, мы заменили 6 + 6 + 6 + 6 на 6 × 4. Точно так же часто используемую операцию умножения 6 × 6 × 6 × 6 можно кратко записать при помощи нового символа, степенного выражения: 6⁴.

Что означает 6⁴? Только то, что мы перемножаем число 6 на само себя четыре раза, или 6 × 6 × 6 × 6. Число 10⁵ — это 10 × 10 × 10 × 10 × 10, а 3² — это 3 × 3.

Можно записать ряд квадратов чисел (1², 2², 3², 4², 5², 6², 7² и так далее) и ряд кубов чисел (1³, 2³, 3³, 4³, 5³, 6³, 7³ и так далее).

Число, которое набрано мелким шрифтом справа вверху от основного числа, называется показателем степени, или экспонентой. Число, содержащее экспоненту, называется экспоненциальным числом. Число, которое возводят в степень, то есть умножают само на себя, называют основанием экспоненциального числа. В выражении 6⁴ число 6 — это основание, 4 — экспонента.

Повторное перемножение числа на самое себя называется возведением в степень. Так, 6⁴ — это шесть в четвертой степени, аналогично 10⁵ — это десять в пятой степени. Можно также сказать просто: шесть в четвертой или десять в пятой. 3² и 3³ можно назвать как три во второй или три в третьей, но чаще, следуя греческой традиции, их называют три в квадрате или три в кубе.

Экспоненциальные числа открывают большие возможности, они позволяют нам преобразовать умножение в сложение, а складывать гораздо легче, чем умножать.

Например, нам надо умножить 16 на 64. Произведение от умножения этих двух чисел равно 1024. Но 16 — это 4 × 4, а 64 — это 4 × 4 × 4. То есть 16 на 64 = 4 × 4 × 4 × 4 × 4, что также равно 1024.

Число 16 можно представить также в виде 2 × 2 × 2 × 2, а 64 как 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2, и если произвести умножение, мы опять получим 1024.

А теперь используем экспоненциальные выражения. 16 = 4², или 2⁴, 64 = 4³, или 2⁶, в то же время 1024 = 64 × 16 = 4⁵, или 2¹⁰.

Следовательно, нашу задачу можно записать по-другому: 4² × 4³ = 4⁵ или 2⁴ × 2⁶ = 2¹⁰, и каждый раз мы получаем 1024.

Мы можем решить ряд аналогичных примеров и увидим, что каждый раз правило сложения показателей степени, или экспонент, при умножении справедливо, разумеется, при том условии, что основания комплексных сомножителей равны.

Таким образом, мы можем, не производя умножения, сразу сказать, что 2⁴ × 2² × 2¹⁴ = 2²⁰, а 84 × 87 = 7308.

Это правило справедливо также и при делении, но в этом случае экспонента делителя вычитается из экспоненты делимого. Таким образом, 2⁵ : 2³ = 2², что в обычных числах равно 32 : 8 = 4, то есть 2².

С первого взгляда может показаться, что такой метод не очень удобен, ведь сначала надо представить число в экспоненциальной форме. Нетрудно представить в такой форме числа 8 и 16, то есть 2³ и 24, но как это сделать с числами 7 и 17? Или как поступать в тех случаях, когда число можно представить в экспоненциальной форме, но основания экспоненциальных выражений чисел сильно различаются. Например, 8 × 9 — это 2³ × 3², и в этом случае мы не можем суммировать экспоненты. Ни 2⁵ и ни 3⁵ не являются ответом, ответ также не лежит в интервале между этими двумя числами.

Тогда стоит ли вообще возиться с этим методом? Безусловно стоит. Он дает огромные преимущества, особенно при сложных и трудоемких вычислениях.

Для того чтобы легче было двигаться дальше, давайте подробнее рассмотрим понятие экспоненты и попробуем дать ей более обобщенное толкование.

До сих пор мы считали, что экспонента — это количество одинаковых сомножителей. В этом случае минимальная величина экспоненты — это 2. Однако если мы производим операцию деления чисел, или вычитания экспонент, то можем получить также число меньше 2, значит, старое определение нас больше не может устроить.

Например, 16 : 8 = 2. Поскольку 16 = 2⁴, а 8 = 2³, следовательно, деление можно в экспоненциальном виде записать как 2⁴ : 2³ = 2, но если мы будем вычитать экспоненты, то 2⁴ : 2³ = 2¹. Таким образом, нам приходится признать, что 2 и 2¹ — это одно и то же, следовательно, 2¹ = 2.

То же правило применимо и к любому другому экспоненциальному числу, таким образом, можно сформулировать правило в общем виде: любое число, возведенное в первую степень, остается без изменения. То есть 5¹ = 5, 27¹ = 27 и так далее.

Но дальше все становится сложнее. Чему равно 8 : 8? Конечно, единице. Но 8 = 2³, следовательно 2³ : 2³ = 1. Но если мы вычтем экспоненты, получим ноль 2³ : 2³ = 2⁰. Значит ли это, что 2⁰ = 1? Кажется, так оно и есть.

Этот вывод, возможно, привел вас в изумление. Еще можно как-то понять смысл выражения 2¹ = 2, хотя выражение «одно число два, умноженное само на себя» звучит достаточно странно. Но выражение 2⁰ означает «ни одного числа два, умноженного само на себя», то есть кажется логичным, чтобы 2⁰ равнялось нулю. Возможно, это и логично, но математики отнюдь не следуют правилам обычной повседневной логики. Вас это шокирует? Математики руководствуются общими закономерностями и необходимостью взаимной совместимости постулатов. Иными словами, математики могут принять самые невероятные правила, которые с обывательской точки зрения могут показаться просто безумными. Но эти правила не должны противоречить одно другому, какие бы результаты ни получались. Правило сложения и вычитания экспонент работает настолько хорошо, что если для того, чтобы его применять, необходимо, чтобы 2⁰ = 1, значит, так и должно быть. Мы просто принимаем, что утверждение 2⁰ = 1 верно.

Если мы будем не 2³ делить на 2³, а 6³ будем делить на 6³, то опять получим, что 6⁰ = 1. Мы можем проверить одно число за другим, и каждый раз будем получать один и тот же результат: любое число в степени 0 равно 1.

Пойдем дальше. При делении 64 на 128 мы получаем ответ 64/128, или 1/2. В экспоненциальной форме наша задача приобретает такой вид: 2⁶: 2⁷. Ответ 2^-1, или 1/2 , или, в экспоненциальной форме, (1/2)¹.

Аналогично 32 : 128 = (1/4). В экспоненциальной форме наша задача приобретает такой вид: 2⁵ : 2⁷. Ответ 2^-2, или 1/4, или, в экспоненциальной форме, (1/2)².

Можно привести еще множество примеров, и каждый раз мы обнаружим, что отрицательная экспонента становится положительной при переходе к обратному числу. Другими словами, 4^-7= (1/4)⁷, а 10^-3= (1/10)³. Это правило справедливо для любых чисел. 6⁴ = (1/6)^-4.

Я могу привести вам несколько примеров, которые продемонстрируют, что такое толкование понятия «экспонента» непротиворечиво. Давайте проверим, равны ли выражения 6^-4 и (1/6)⁴? Выражение (1/6)⁴ можно представить в виде 1 : 6⁴. Но 1 равна 6⁰, таким образом, наше выражение приобретает вид 6⁰ : 6⁴. Вычитаем экспоненты и получаем 6^-4, как и следовало ожидать. 

А как доказать, что 6⁰ действительно равно 1? Как по вашему, чему равно 36 × 1/36? Это очень просто: 36 × 1/36 = 1, это не вызывает никаких сомнений. Но 36 = 6², тогда 1/36 = (1/6)² или 6^-2. Теперь выражение 36 × 1/36 приобретает вид 6² × 6^-2, и если мы сложим экспоненты, то получим 6⁰, то есть 1.

Разумеется, наши примеры, строго говоря, не являются доказательствами. Математики назвали бы их просто круговыми рассуждениями. (Вот пример такого кругового доказательства. Вы утверждаете: «Кошкой называется любое животное, которое мяукает», и отсюда делаете вывод: «Животное, которое мяукает, называется кошкой».) Тем не менее эти примеры демонстрируют, что система операций с экспонентами является логичной.

Мы можем продемонстрировать это и другим путем, например составив перечень некоторых экспоненциальных чисел. Начнем с иллюстрации хорошо известного определения чисел, которые перемножаются сами на себя.

2⁶ = 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 = 64

2⁵ = 2 × 2 × 2 × 2 × 2 = 32

2⁴ = 2 × 2 × 2 × 2 = 16

2³ = 2 × 2 × 2 = 8

2² = 2 × 2 = 4

Теперь перемножим левый и правый столбики этих выражений, опустив средний столбик, то есть двойки, перемноженные сами на себя. Мы видим, что при уменьшении показателя степени на единицу результат уменьшается вдвое.

Давайте продолжим этот столбик вниз, в направлении уменьшения экспоненты, и получим:

2¹ = 2

2⁰ = 1

2^-1 = 1/2

2^-2 = 1/4

2^-3 = 1/8

Вы видите, что, когда экспонента меньше 2, срабатывает та же самая зависимость, причем аналогичное правило справедливо при любом основании экспоненциального выражения. Вы можете легко показать, что в случае экспоненциального числа с основанием 3 уменьшение экспоненты на 1 приводит к уменьшению результата в три раза, а в случае экспоненциального числа с основанием 6 уменьшение экспоненты на 1 приводит к уменьшению результата в шесть раз. Но при любом основании общее правило будет справедливо.

Все вышесказанное означает, что у нас расширяются возможности для замены умножения на сложение. Теперь мы можем перемножить 1/8 на 1024 при помощи экспонент, однако мы пока еще не выяснили, как можно перемножить 7 и 17.

Теперь мы знаем, что бывают как положительные, так и отрицательные экспоненты, и умеем с ними обращаться. А бывают ли дробные экспоненты? Прежде чем выяснить, что такое дробная экспонента, давайте разберемся с действием, обратным возведению в степень.