Тайная жизнь чисел

Глава 2 Фигуры

Те, кто страдает бессонницей, обычно считают овец, чтобы заснуть. Математики богослов Блез Паскаль (1623–1662) нашел для себя другой способ призвать сон. В конце жизни он практически полностью посвятил себя богословию, оставив в стороне науку, которая до того была его основным занятием. При этом Паскаль страдал от бессонницы, которая не отступала, сколько бы овец он ни сосчитал. По всей видимости, недостаток сна стал причиной постоянных головных болей мыслителя, а во времена, когда еще не знали о болеутоляющих, это было настоящим мучением.

Однажды, страдая от бессонницы, Паскаль задумался о геометрии, в частности о циклоидах — кривых, обладавших загадочным очарованием. Головная боль вскоре утихла, и ученый смог заснуть. С тех пор мысли о циклоидах стали для Паскаля безотказным средством против бессонницы и головных болей.

Циклоида определяется механически как траектория фиксированной точки катящейся окружности.

Размышляя об этом любопытном явлении, Паскаль нашел ему лишь одно объяснение — религиозное: Богу, по всей видимости, математика угодна больше, чем что-либо еще. Паскаль даже учредил особую премию для авторов интересных открытий, связанных с циклоидой, а членом жюри назначил известного специалиста Жиля Персонна Роберваля (1602–1675).

Об этом превосходном математике также следует сказать несколько слов. Роберваль обожал циклоиду — кривую, вызвавшую столько жарких споров, что некоторые называли ее Еленой геометрии, имея в виду Елену Троянскую. Роберваль участвовал во многих подобных диспутах по одной причине: должность главы кафедры математики Коллеж де Франс освобождалась каждые три года, и новый глава назначался по результатам конкурса на тему, указанную его предшественником. Естественно, действующий глава кафедры хранил все интересные результаты в тайне, а затем представлял их во время конкурса, в котором обычно одерживал верх, так как имел фору. Но если бы кто-то, кроме него, открыл какую-то секретную теорему и представил ее на суд жюри, разразилась бы настоящая буря. Роберваль возглавлял кафедру 40 лет — достаточно времени, чтобы со всеми перессориться. Однажды его оппонентом был итальянец Торричелли, и Паскаль, который, как и Роберваль, был французом, встал на сторону соотечественника. Однако позднее было доказано, что Торричелли верно вычислил площадь, ограниченную кривой, и определил метод построения касательных к ней совершенно независимо от вспыльчивого Роберваля.

И в завершение рассказа — снова о Паскале: его отец не воспринимал увлечение сына математикой всерьез, пока тот не сформулировал самостоятельно утверждения, охватывавшие содержание 32 первых теорем «Начал» Евклида. Мальчику в то время было всего девять лет, и после этого отец уступил просьбам сына.

Вундеркинд Карл Фридрих Гаусс в 19 лет обнаружил, какие многоугольники можно построить с помощью циркуля и линейки, а какие — нет. В то время Гаусс колебался между лингвистикой и математикой, поскольку к обеим наукам проявил удивительные способности. Раскрыв тайну многоугольников, он понял, что призван стать геометром, и занялся математикой. Гауссу не пришлось сожалеть о выборе: многие годы он оставался бесспорным лидером в своей области.

Найденный им ответ к задаче о многоугольниках был таким: правильный n-угольник можно построить с помощью циркуля и линейки, если выполняется равенство

n = 2^kp₁p₂·…·p_m при k >= 0,

где р_i — либо единицы, либо различные простые числа Ферма. Осталось объяснить, какие числа называются числами Ферма. Число F_p называется числом Ферма, если имеет вид

Числа Ферма могут быть простыми или составными:

F₆ разложил на множители французский математик Фортюне Ландри в 1880 году. Для последующих F_p вплоть до F₁₁ были найдены способы разложения на множители, но больше простых чисел Ферма обнаружить пока не удалось. Неизвестно, существуют ли они.

Из теоремы следует, что возможно построение правильных n-угольников для

n = 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 16, 17, 24 … вплоть до 65537, что соответствует F₄.

Здесь мы ненадолго остановимся и укажем, что, по-видимому, существует руководство, описывающее построение правильного 65537-угольника.

В 1894 году немецкий геометр Иоганн Густав Гермес (1846–1912) завершил немыслимое построение, занимающее свыше 200 страниц. Он не смог опубликовать свой труд и передал рукопись Гёттингенскому университету, где она хранится до сих пор и, возможно, будет храниться вечно — ознакомившись с описанием построения, некоторые сомневаются в его правильности. Каким же огромным будет разочарование, если окажется, что Гермес, потратив столько сил (по оценкам британского геометра Гарольда Скотта Макдональда Коксетера, эта работа заняла десять лет), допустил ошибку. Но вряд ли кто-то готов потратить еще десять лет на то, чтобы убедиться в этом.

Гаспар Монж (1746–1818) не был рыцарем — он родился и вырос в семье торговцев. Его жизнь была неразрывно связана с Наполеоном Бонапартом — Монж последовал за Наполеоном в Египетский поход и с тех пор не расставался с ним. После смерти Монжа король запретил ученикам Политехнической школы присутствовать на похоронах. Сегодня гроб с телом ученого находится в Пантеоне. Монж был создателем начертательной геометрии и одним из крупнейших специалистов по начертательной и дифференциальной геометрии. О событиях его бурной жизни можно было бы написать целую книгу, но мы изложим всего один эпизод.

В юности Монж вел светский образ жизни. Однажды на приеме он услышал, как один из присутствовавших осыпал проклятиями некую вдову Орбон, которая отвергла его ухаживания. Неудачливый донжуан жаждал мести и обвинял вдову во всех смертных грехах. Галантный Монж не стерпел подобных оскорблений в адрес отсутствовавшей дамы и повздорил с этим господином. Ссора оказалась чрезмерно горячей, и оппоненты даже вызвали друг друга на дуэль, которая, впрочем, не состоялась. Спустя некоторое время Монжа представили одной очаровательной вдове, и он был восхищен ее юностью и красотой. Дама не хотела выходить замуж повторно до тех пор, пока не будут улажены все дела ее покойного мужа. Вы уже, наверное, догадались, что это была не кто иная, как мадам Орбон. Они поженились в 1778 году и, как говорят в сказках, стали жить-поживать и даже добра наживать, так как Наполеон пожаловал Монжу титул графа Пелузского. Современники считали этот брак примером для подражания.

Возможно, самым безобидным из деяний Наполеона Бонапарта (1769–1821), которое он совершил во время, свободное от принятия законов, покорения империй и планирования битв, было доказательство теорем. Наполеон, математик-любитель, не достиг профессионального уровня только потому, что, как всем известно, занимался несколько другими вещами. Однако он любил окружать себя блестящими математиками и часто беседовал с Фурье, Монжем, Лапласом и многими другими учеными. Возможно, при этом полководец несколько разочаровывал своих генералов, которых интересовало уничтожение противника, а не построения с помощью циркуля и линейки. Рассказывают, что военачальники, присутствовавшие на встречах императора с интеллектуалами, часто засыпали от скуки. Также известно, что Наполеон повелел геометру Лоренцо Маскерони (1750–1800) читать своим маршалам лекции по геометрии.

Приписываемая Наполеону теорема гласит, что если построить на сторонах произвольного треугольника равносторонние треугольники, то их центры определят равносторонний треугольник. Понять эту красивую теорему, которая считается элементарной теоремой геометрии Евклида, поможет рисунок.

Эта теорема, возможно, действительно была предложена в наполеоновскую эпоху, однако ее доказательство, по мнению экспертов, принадлежит не Наполеону. Формулировки этой теоремы с доказательством встречаются у разных авторов, старейшее принадлежит Резерфорду и датируется 1825 годом. Наполеон умер на острове Святой Елены четырьмя годами ранее, так что авторство теоремы вряд ли принадлежит ему. Любопытно, что Резерфорд опубликовал свое доказательство в развлекательном ежегоднике для дам — The Ladies' Diary.

Для теоремы Наполеона в прошлом веке было предложено несколько обобщений: Адриано Барлотти доказал ее уже не для равносторонних треугольников, а для правильных n-угольников.

Земли древнего Конго сегодня не вызывают особого интереса. Конго — одна из самых отстающих стран, где не прекращаются всевозможные племенные конфликты.

Эта страна — родина народа бакуба, народа геометров, который известен благодаря своим симметричным узорам. Их можно видеть на поясах и лентах, на масках, платках, на барабанах и даже статуях вождей. Европейцы в начале XX века попытались включить бакуба в список «цивилизованных народов» и, по давнему обычаю, поднесли королю дар — мотоцикл, который был для бакуба настоящим чудом. Однако главное внимание народа привлек не сам мотоцикл, а следы его шин. Бакуба скопировали эти узоры, оставленные протекторами, и король назвал их в свою честь. После такого впору задуматься: чем на самом деле измеряется ценность вещей?

Героями кинофильмов стали немногие математики. Наибольшую известность среди них имеет Джон Форбс Нэш, главный герой фильма «Игры разума» (A Beautiful Mind), сошедший с ума в период расцвета творческой деятельности и вновь обретший разум много лет спустя, после вручения Нобелевской премии.

Джон Нэш (род. 1928) был не только нобелевским лауреатом, но и блестящим математиком. Его число Эрдёша равно 4. В книгах по алгебраической геометрии Нэш неизменно упоминается как автор теоремы, носящей его имя, согласно которой всякое риманово многообразие допускает изометрическое вложение в разновидность евклидова пространства. Эта важная теорема была опубликована в журнале «Анналы математики» в 1952 году под заглавием «Вещественные алгебраические многообразия» (Real Algebraic Manifolds). По легенде, настоящим автором статьи был сам редактор журнала, поскольку к тому времени Нэш уже был серьезно болен, и его рукопись напоминала непроходимые джунгли. Поэтому редактор статью переписал, и она была встречена с большим энтузиазмом. Возможно, это всего лишь легенда — симптомы паранойи начали проявляться у Нэша шестью годами позже, в 1958 году, но вообще об этом ученом рассказывают множество историй, которые так и просятся на киноэкран.

Джон Форбс Нэш.

Крайне редко бывает так, что простая домохозяйка в промежутках между варкой макарон и вышиванием демонстрирует всем, что ее мозг работает не хуже, чем у знаменитого сыщика Эркюля Пуаро. Но именно это и произошло с уставшей от домашних дел калифорнийской домохозяйкой Марджори Райс (род. 1923), которая всегда любила математику и головоломки. Сначала она помогала детям решать домашние задания по математике, а в конце концов даже специалистов заставила раскрыть рты от изумления. Как-то в руки Марджори попал номер журнала Scientific American, в котором его знаменитый колумнист Мартин Гарднер (1914–2010) объяснял результаты, полученные Кершнером и касающиеся замощения плоскости выпуклыми пятиугольниками. Марджори увлеклась этой задачей и в свободное время за два следующих года нашла четыре принципиально новых замощения плоскости выпуклыми пятиугольниками. Одно из ее решений изображено на рисунке.

Фрагмент найденного Марджори Роуз замощения плоскости пятиугольниками. Оно называется «рыбы»: если изобразить в каждом пятиугольнике узор, показанный сверху, то плоскость будет полностью покрыта рыбами, как на одной из знаменитых гравюр Маурица Корнелиса Эшера.

Это далеко не единственный случай, когда математик-любитель затмевал профессиональных ученых. Как видите, порой официальные титулы значат немного.

Об Александре Гротендике (род. 1928), математике немецкого происхождения, которого многие считают французом, написано немало. Его считают настоящим гением алгебраической геометрии, хотя объяснить суть его открытий в этой сфере очень и очень сложно. Гротендик изучал столь абстрактные разделы математики, что даже классифицировать его труды непросто. Он до сих пор жив, но мы говорим о нем в прошедшем времени, потому что математик удалился от мира в 1988 году: он оставил науку и поселился на юге Франции, близ Андорры, в совершенной изоляции от всего мира.

История Гротендика достаточно драматична: по происхождению он был евреем, родители оставили его в детстве, чтобы сражаться в гражданской войне в Испании, потом его отец умер в Аушвице. В биографии математика можно найти странные браки и непримиримую борьбу за мир, он отличался экстремистскими взглядами и выдающимся умом, благодаря которому открывал новые понятия и создавал передовые математические теории. Гротендик стал автором более десятка современных математических понятий с достаточно живописными названиями (схемы, топология и пространства Гротендика, теория детских рисунков, кристаллическая когомология и так далее).

В 1966 году ученый был удостоен Филдсовской премии, но отказался ее принять. В 1988 году ему была присуждена престижная премия Крафорда — аналог Нобелевской премии в дисциплинах, где эта премия не присуждается. Гротендик отказался и от нее. Золотые годы он провел в Институте высших научных исследований близ Парижа и покинул его, едва узнал, что финансирование частично предоставлялось источниками, близкими к вооруженным силам. Один из докторантов Гротендика, Пьер Делинь (род. 1944) в 1978 году был также удостоен Филдсовской премии.

Позднее были опубликованы остросюжетные, хотя и весьма путаные воспоминания ученого, а также несколько его трудов. Все эти книги отличались внушительными размерами. Он редко вступал в личный контакт, предпочитая переписку. Уже более 20 лет нам ничего неизвестно о его новых работах, и нет надежды, что имя Гротендика когда-нибудь промелькнет в новостях — разве что по случаю его кончины. Как жаль, что мы лишились такого ученого!

Как вы уже знаете, некоторые правители, к примеру Наполеон или Имон де Валера, испытывали любовь к математике. Например, экс-президент США Джеймс Гарфилд (1831–1881) во время одного из скучнейших заседаний даже нашел новое доказательство теоремы Пифагора. Однако существуют и политики, взаимоотношения которых с математикой не столь успешны. Известна очень смешная история о Тони Блэре, рассказанная учителем математики в Chorister School, где юный Блэр учился. В ответе к задаче о прямоугольных треугольниках он почему-то упомянул слово «носорог». Блэр признался, что использовал это слово по уважительной причине: «Я бы написал "гиппопотам", но не был уверен, как именно оно пишется, поэтому не захотел огорчать учителя и написал первое более или менее похожее слово, которое пришло в голову». Словом, которое никак не мог вспомнить Блэр, была «гипотенуза». В этот момент Евклид, наверное, перевернулся в гробу.

Путаница между словами «гиппопотам» (англ, hippopotamus) и «гипотенуза» (англ, hypotenuse) стала классической темой математических анекдотов. Мы привели здесь эту историю потому, что она подтверждена документально и в ней рассказывается об известной личности.

Как сказал бы капитан Хэддок, друг героя комиксов Тинтина, у всех бутылок в нашем мире есть «внутри» и «снаружи», и они либо пусты, либо в них что-то налито. Но правильнее было бы сказать «почти у всех», поскольку существуют математические бутылки (бесполезные для Хэддока и потому ему неизвестные), обладающие весьма необычными свойствами. Немецкий математик Феликс Клейн (1849–1925) в 1882 году описал бутылку, у которой, как вы можете видеть, нет ни внутренней, ни наружной части. И выпить из нее нельзя.

Читатель, конечно, может попытаться представить ее себе полной или пустой, но в нашей трехмерной Вселенной такая бутылка, к несчастью, пронзает сама себя, а вот в четырехмерном пространстве — вполне возможна. Со строго геометрической точки зрения, бутылка Клейна — это замкнутая неориентируемая поверхность без границы, которая изучается в топологии наряду со своей сестрой, лентой Мёбиуса.

Анекдотичность этой геометрической диковинки заключена в ее названии, куда вкралась ошибка: изначально на немецком языке бутылка Клейна называлась Kleinsche Flache, то есть «поверхность Клейна». Если кто-то хочет изобразить эту поверхность (для этого достаточно компьютерной программы и принтера), он должен будет построить график следующего уравнения в декартовых координатах:

(x² + у² + z² + 2у — 1)·[(x² + у² + z² — 2y — 1)² — 8z²] + 16xz(x² + y² + z² — 2y — 1) = 0

Однако даже математики порой ошибаются, и Kleinsche Flache стало писаться как Kleinsche Flasche, что как раз и означает «бутылка Клейна». А поскольку слово «бутылка» тоже довольно точно описывает поверхность Клейна, то это ошибочное название стало в научном мире общепринятым.

Открытие бутылки Клейна предоставило ряд возможностей и для бизнеса: в интернете вы найдете шапки, имеющие форму поверхности Клейна, или ковши для зачерпывания вина, которые представляют собой практически ее копию.