Текст книги "Тайны чисел: Математическая одиссея"

Маркус Сотой
Тайны чисел: Математическая одиссея

Marcus du Sautoy

THE NUMBER MYSTERIES

A Mathematical Odyssey

Through Everyday Life

Copyright © Marcus du Sautoy, 2011

© Галактионов А. В., перевод на русский язык, 2016

© Издание на русском языке, оформление.

ООО «Издательская Группа «Азбука-Аттикус», 2016

КоЛибри®

* * *

Посвящается Шани

Введение

Действительно ли происходит изменение климата? Не разлетится ли внезапно Солнечная система? Безопасно ли передавать номер вашей кредитной карты через интернет? Как я могу обыграть казино?

С того времени, как люди научились общаться между собой, они задают вопросы, пытаясь приспособиться к окружающей действительности и предсказать, что сулит будущее. Самый мощный инструмент, созданный нами для навигации по необузданному и сложному миру, в котором мы живем, – это математика.

От предсказания траектории футбольного мяча до оценки популяции леммингов, от взламывания кодов до выигрышной стратегии в игре «Монополия» – всюду математика предоставляет тайный язык для раскрытия секретов природы. Но у математиков нет всех ответов. Есть много глубоких, фундаментальных вопросов, которые еще не поддаются нашим усилиям.

В каждой главе «Тайн 4исел» вам предлагается совершить путешествие по крупному разделу математики, а в конце главы я рассказываю о еще нераскрытой математической тайне. Вы узнаете о нескольких из величайших нерешенных задач всех времен.

Если вы сумеете справиться с одной из этих головоломок, то снискаете не только математическую славу, но и приобретете астрономическое состояние. Американский предприниматель Лэндон Клэй предложил премию в миллион долларов за решение любой из этих математических тайн. Возможно, вам покажется удивительным, что бизнесмен выделил такие огромные средства на премии за решение математических загадок. Но он понимает, что вся наука, технология, экономика и даже будущее нашей планеты зависят от математики.

Каждая из пяти глав книги даст вам представление об одной из этих задач на миллион долларов.

Глава 1 – «Любопытный случай никогда не заканчивающихся простых чисел» – посвящена самому фундаментальному объекту математики – числу. Вы познакомитесь с простыми числами, не только наиболее важными в математике, но также и самыми загадочными. «Математический миллион» ждет того человека, который раскроет их секреты.

В главе 2 – «Рассказ о неуловимой форме» – мы отправимся в ознакомительное путешествие по самым странным и замечательным формам, созданным природой или руками человека: от игральных костей до пузырей, от чайных пакетиков до снежинок. В конечном счете мы возьмемся за самую сложную из этих проблем – форму нашей Вселенной.

Глава 3 – «Секрет победной серии» – покажет вам, что такие разделы математики, как логика и теория вероятностей, могут дать вам преимущество в различных играх. Ставите ли вы на кон ненастоящие игровые деньги, или же рискуете настоящими, математика часто оказывается секретным оружием для достижения успеха. Но некоторые относительно простые игры до сих пор сбивают с толку даже самые выдающиеся умы.

Криптография является предметом главы 4, «Случай кода, не поддающегося взлому». Математика часто играет ключевую роль для расшифровывания секретных посланий. Но я покажу вам, как можно использовать умную математику для создания новых шифров, которые позволяют вам безопасно общаться через интернет, отправлять послания через пространство и даже читать мысли вашего друга.

Глава 5 повествует о том, чему мы так желаем научиться. Это «Поиск предсказания будущего». Я объясню, каким образом математические уравнения оказываются лучшими гадалками. Они предсказывают затмения, объясняют, почему бумеранги возвращаются назад, и говорят в конечном счете, какое будущее ждет нашу планету. Но мы до сих пор не умеем решать некоторые из этих уравнений. В конце главы обсуждается проблема турбулентности, которая влияет на все – от штрафных ударов Дэвида Бекхэма до движения самолетов, и тем не менее остается одной из величайших тайн математики.

Математика, которая представлена в этой книге, будет и простой и сложной. Нерешенные задачи, которые завершают каждую главу, настолько трудны, что никто не знает, как разобраться с ними. Но я верю в пользу приобщения людей к великим идеям математики. Нас вдохновляет литература, когда мы знакомимся с Шекспиром или Стейнбеком. Музыка моментально оживает во всем своем великолепии, когда мы слышим Моцарта или Майлса Дэвиса. Разумеется, самому трудно исполнять Моцарта, Шекспир также требует напряжения даже у искушенного читателя. Но это вовсе не означает, что мы должны доверить работы этих великих творцов только знатокам. То же относится и к математике. Если что-то в ней кажется сложным, наслаждайтесь тем, что сумели понять, и вспомните то чувство, которое возникло у вас при первом чтении Шекспира.

В школе нас учат, что математика лежит в основе нашей деятельности. В этих пяти главах я хочу вдохнуть в математику жизнь и познакомить вас с некоторыми величайшими математическими достижениями. Я также хочу предоставить вам возможность сравнить себя с самыми изощренными умами за всю историю, когда мы будем знакомиться с несколькими из тех задач, которые остаются нерешенными. Надеюсь, в конце вы поймете, что математика на самом деле составляет сердцевину всего, что мы видим, и всего, что мы делаем.

Примечания к интернет-ресурсам

У этой книги есть собственный веб-сайт: http://www.4thestate.co.uk/2012/08/numbermysteries. На протяжении книги я буду ссылаться на PDF-файлы, которые вы можете загрузить с этого сайта, чтобы сыграть в некоторые игры или создать формы, упомянутые в книге.

В тексте также имеются ссылки на внешние веб-сайты. Вы можете зайти на них обычным образом, напечатав адрес в вашем веб-браузере, либо воспользоваться смартфоном, чтобы сосканировать QR-код, приведенный рядом с каждым веб-адресом. Вам необходим смартфон, умеющий распознавать эти коды, на который необходимо установить QR-ридер. Чтобы сосканировать код, запустите QR-ридер и направьте фотокамеру смартфона на этот код при хорошем освещении.

Помимо этого имеется приложение для iPhone, которое называется «Marcus du Sautoy’s Number Mysteries». Оно включает интерактивные версии ряда игр, упомянутых в книге.

Также приведу некоторые другие сайты, которые вам может быть интересно посетить:

www.conted.ox.ac.uk Если вы хотите углубиться в некоторые из идей или тем этой книги, обратите внимание на пятинедельный курс, разрабатываемый факультетом непрерывного образования Оксфордского университета.

http://rigb.org/education/games/microsites/microsite-number-mysteries Здесь содержатся мои рождественские лекции, прочитанные в 2006 г. в Королевском институте. На этом сайте имеется немало флеш-игр – задача коммивояжера, шифры, которые требуется взломать, и многое другое.

http://people.maths.ox.ac.uk/dusautoy Моя домашняя страница, там вы можете найти избранные материалы из математических журналов и средств массовой информации.

www.simonyi.ox.ac.uk Официальный сайт занимающего должность профессора Симони в Оксфордском университете, учрежденную для популяризации науки. На этом сайте имеется список событий, в которых я собираюсь принять участие.

http://twitter.com/MarcusduSautoy Присоединяйтесь к моему твиттеру.

www.mangahigh.com Разрабатываемая мной онлайновая математическая школа, содержащая бесплатные онлайн-игры и ресурсы для помощи в захватывающем постижении математики.

www.whatevertrevor.com Разрабатываемая мной бесплатная футбольная игра. Используйте свои математические способности, чтобы попытаться предсказать положение команд в итоговой таблице Премьер-лиги в следующем сезоне, и вы можете выиграть денежный приз!

www.claymath.org Веб-сайт математического Института Клэя, где содержится математическое описание задач на миллион долларов.

http://turnbull.mcs.st-and.ac.uk/~history Замечательный ресурс с биографиями математиков, созданный Сент-Эндрюсским университетом.

http://mathworld.wolfram.com Хороший сайт с более формальными определениями и объяснениями математического материала.

http://www.maths.ox.ac.uk/study-here/undergraduate-study/outreach/marcus-marvellous-mathemagicians Могущественные матемаги Маркуса, или сокращенно М3, – команда оксфордских студентов, способствующих распространению математического знания. М3 проводит семинары, организует лекции по математике для самых разнообразных аудиторий.

Издательство не несет ответственности за содержание какого-либо из упомянутых сторонних сайтов.

Глава 1
Любопытный случай никогда не заканчивающихся простых чисел

1, 2, 3, 4, 5… Это кажется так просто: прибавьте 1, и вы получите следующее число. Но, несмотря на эту простоту, без чисел мы оказались бы в полном неведении. Кто победил в противостоянии «Арсенал» – «Манчестер Юнайтед»? Мы не знаем. Выступление каждой команды характеризуется множеством чисел. Где-то в середине этой книги говорится о выигрыше в Британской национальной лотерее. А сама лотерея? Участие в ней было бы безнадежным без чисел. Поразительно, насколько существен язык чисел для нашего взаимодействия с миром.

Даже в животном царстве числа фундаментальны. Стаи животных принимают решение сражаться или обращаться в бегство, исходя из того, превосходят ли они численностью соперничающие стаи. Их инстинкт выживания связан с математическими способностями, но за очевидной простотой списка чисел лежит одна из величайших тайн математики.

2, 3, 5, 7, 11, 13… Это неделимые простые числа, кирпичики, из которых строятся все остальные числа, – кислород и водород в мире математики. Эти главные герои нашего рассказа подобны драгоценным камням, рассеянным в бесконечном пространстве чисел.

Однако, несмотря на свою важность, простые числа представляют одну из самых мучительных головоломок, с которыми мы столкнулись в нашем поиске знания. Нахождение простых чисел представляется совершенной тайной – по-видимому, нет волшебной формулы, которая бы позволила перейти от предыдущего к следующему. Они напоминают спрятанный клад – и ни у кого нет карты сокровищ.

В этой главе мы исследуем то, что знаем об этих особых числах. В ходе нашего путешествия мы выясним, как различные культуры пытались регистрировать и исследовать простые числа, как музыканты обыгрывали их синкопированный ритм. Мы узнаем, почему простые числа использовались в попытках связи с внеземными цивилизациями и как они помогают хранить секреты в интернете. В завершение главы я посвящу вас в математическую загадку, касающуюся простых чисел. Ее решение принесет вам миллион долларов. Но, прежде чем мы займемся одной из величайших головоломок математики, давайте начнем с одной из величайших числовых тайн нашеговремени.

Почему Бекхэм выбрал номер 23?

Переход Дэвида Бекхэма в 2003 г. в мадридский «Реал» сопровождался множеством предположений, почему он решил играть в футболке с номером 23. Многие находили этот выбор странным, ведь до того он играл под номером 7 и за сборную Англии, и за «Манчестер Юнайтед». Беда была в том, что в «Реале» футболку с этим номером носил Рауль, и испанец не собирался отдавать ее гламурному мальчику из Англии. Было выдвинуто множество теорий, чтобы объяснить выбор Бекхэма. Самой популярной из них была теория Майкла Джордана. Мадридский «Реал» хотел прорваться на американский рынок, чтобы продавать копии футболок огромному американскому населению. Но футбол (или «соккер», как они привыкли называть его) не слишком популярен в США. Американцы любят баскетбол или бейсбол, игры, которые могут завершаться со счетом 100: 98 и в которых всегда есть победитель. Они не видят смысла в состязании, которое длится 90 минут, но может закончиться со счетом 0: 0, когда нет ни голов, ни победителей. Согласно упомянутой теории, мадридский «Реал» провел исследование и выяснил, что со всей определенностью самым популярным баскетбольным игроком в мире был Майкл Джордан. Наиболее результативный игрок «Чикаго Буллз» на протяжении всей своей карьеры красовался с номером 23. Все, что требовалось «Реалу», – нанести номер 23 на спину футболки и скрестить пальцы на счастье, надеясь, что сработает волшебная ассоциация с Джорданом, которая поможет им прорваться на американский рынок.

Другие находили подобные домыслы слишком циничными, но сами предлагали более зловещую теорию. Юлий Цезарь был убит 23 ударами кинжала в спину. Был ли выбор Бекхэма для надписи на спине дурным предзнаменованием? Были и те, кто считал, что предпочтение Бекхэма было обусловлено его любовью к «Звездным войнам» (в первом фильме этой саги принцесса Лея была заключенной в блоке АА23). Или же Бекхэм был тайным членом секты дискордианистов? В этом современном культе почитается хаос, и он каббалистически одержим числом 23.

Но, как только я увидел номер Бекхэма, мне в голову пришло более приемлемое математическое обоснование. 23 – простое число. Число называется простым, если оно делится лишь на себя и на 1. Числа 17 и 23 – простые, ведь они не могут быть записаны в виде произведения меньших чисел, в то время как 15 не является простым: 15 = 3 × 5. Простые числа наиболее важны в математике, потому что все остальные целые числа получаются перемножением простых.

Возьмите, к примеру, число 105. Оно с очевидностью делится на 5, и мы можем записать 105 = 5 × 21. 5 – простое неделимое число, но 21 таковым не является: оно представимо в виде 3 × 7. Итак, мы можем записать 105 = 3 × 5 × 7. Мы дошли до предела, до простых чисел, из которых строится 105. Я могу поступить так с любым числом, ведь оно либо является простым и неделимым, либо оно не является простым и разбивается в произведение простых чисел.

Все числа строятся из простых. Подобно тому как молекулы состоят из атомов, например водорода, кислорода, натрия или хлора, числа строятся из простых чисел. В мире математики числа 2, 3, 5 аналогичны водороду, гелию и литию. Именно это делает их наиболее важными числами в математике. Но, безусловно, они были важны и для мадридского «Реала».

Рис. 1.01

Когда я начал более пристально изучать футбольную команду «Реал», у меня возникло подозрение, что у них на скамейке запасных был математик. Беглый анализ показал, что во время перехода Бекхэма все Galácticos, ключевые игроки мадридцев, играли в футболках с простыми числами: у Карлоса (фундамента обороны) был номер 3, у Зидана (бывшего душой игры в центре поля) – номер 5, у Рауля и Роналдо (на них строилось нападение «Реала») – номера 7 и 11.

Футбольная игра в простые числа

Скачайте PDF-файл для этой игры с веб-сайта «Тайн 4исел». Каждый из игроков вырезает из бумаги трех футболистов и пишет на их спинах три различных простых числа. Используйте для игры один из Платоновых футбольных мячей из главы 2 (с. 63).

Матч начинается с игрока команды 1. Цель игры состоит в том, чтобы пройти трех футболистов соперника. Соперник выбирает первого игрока, чтобы попытаться остановить футболиста команды 1. Затем подкидывается Платонов футбольный мяч, который служит игральной костью. На ней шесть граней: белые с числами 3, 5 и 7, а также черные с числами 3, 5 и 7. Выпавшее число на кости скажет найти остаток от деления номера вашего игрока и игрока соперника на 3, 5 или 7. Если выпало число с белой грани, то вам необходимо, чтобы ваш остаток был равен остатку соперника либо больше его. Если выпала черная грань, то требуется, чтобы остаток был равен остатку соперника либо меньше его.

Чтобы забить гол, необходимо пройти трех игроков соперника, а затем сыграть против случайного простого числа, выбранного вашим оппонентом. Если на каком-то из этапов вы уступаете сопернику, игра переходит к нему. Другая команда использует игрока, остановившего вашу команду, чтобы попытаться дойти до ваших ворот. Если при ударе по воротам (то есть игры против случайного простого числа) команда 1 промахивается, то в игру вступает любой выбранный игрок команды 2. Матч может играться определенное время либо до 3 забитых голов.

И пожалуй, было неизбежным, что Бекхэм получил простое число, к которому он впоследствии сильно привязался. Когда он перешел в «Лос-Анджелес Гэлакси», то настоял, чтобы у него было его простое число, чтобы оно помогло заинтересовать американскую публику этой прекрасной игрой.

Такие слова математика могут звучать совершенно иррационально, ведь предполагается, что его мышление должно быть логическим и аналитическим. Однако я также играю в футболке с простым числом за мою команду Recreativo Hackney. Так я ощущаю связь с человеком под номером 23. Моя команда, выступающая в Воскресной лиге, не такая большая, как «Реал». И у нас нет номера 23, поэтому я выбрал 17 – довольно хорошее простое число, как мы увидим позже. Но свой первый сезон наша команда отыграла не особенно хорошо. Мы играем в дивизионе 2 лондонской Супервоскресной лиги, и в том сезоне мы обосновались на самом дне. К счастью, это самый низкий дивизион в Лондоне, и наш единственно возможный путь – наверх. Но как улучшить наше положение в лиге? Быть может, «Реал» нашел рецепт и игра в футболках с простыми числами дает некоторое психологическое преимущество. Наверное, у слишком многих из нас были неправильные номера, вроде 8, 10 или 15. Я убедил команду поменять экипировку на следующий сезон, и все мы выходили с простыми числами: 2, 3, 5, 7 и так далее, вплоть до 43. Это преобразило нас. Мы перешли в дивизион 1, где быстро поняли, что простые числа могут помогать на протяжении лишь одного сезона. Мы вылетели обратно в дивизион 2. Сейчас мы находимся в поисках другой математической теории, чтобы улучшить наши шансы.

Должен ли вратарь мадридского «Реала» играть в футболке с номером 1?

Если ключевые игроки мадридского «Реала» щеголяют с простыми числами, какую футболку должен носить их вратарь? Или, если выразиться математически, является ли число 1 простым? Что же, и да и нет. (Это как раз такой тип математического вопроса, который нравится всем – оба ответа будут верны.) Двести лет назад таблицы простых чисел начинались с 1. В конце концов, оно неделимо, ведь единственное целое число, на которое оно делится, – это оно само. Но сегодня мы говорим, что 1 не является простым числом, ведь самое важное в свойствах простых чисел – то, что на их основе строятся другие числа. Если я умножу какое-либо число на простое число, то получу новое число. Хотя 1 не делится без остатка на другие целые числа, если я умножу число на 1, то получу то же самое число, с которого я стартовал. На этом основании мы исключаем 1 из списка простых чисел и начинаем его с 2.

Очевидно, мадридский «Реал» не первым раскрыл могущество простых чисел. Но у какой из культур был приоритет? У древних греков? Китайцев? Египтян? Как оказалось, в открытии простых чисел математиков опередило странное небольшое насекомое.

Почему американскому виду цикады нравится простое число 17?

В лесах Северной Америки живет вид цикады с очень необычным жизненным циклом. На протяжении 17 лет эти цикады прячутся под землей и почти ничем не проявляют себя, разве что присасываются к корням деревьев. Но затем, в мае 17-го года, они появляются на поверхности в огромных количествах и вторгаются в лес: их число на каждом акре (0,4 гектара) доходит до миллиона.

Цикады громко распевают, пытаясь привлечь пару. Все вместе они поднимают такой шум, что местные жители зачастую уезжают во время этого вторжения, повторяющегося раз в 17 лет. Боб Дилан услышал эту какофонию цикад, оккупировавших леса вокруг Принстона, когда получал почетную степень университета в 1970 г. Это вдохновило его на написание песни «День цикад» (Day of the Locusts).

Привлекшие самцов самки после оплодотворения откладывают около 600 яиц на поверхности. По прошествии 6 недель буйства все цикады умирают, и лес снова затихает на 17 лет. Вылупление следующего поколения цикад происходит в середине лета, личинки падают на лесную почву и погружаются в нее, пока не находят подходящий корень для питания. Затем они ждут следующие 17 лет до наступления очередного великого вторжения цикад.

То, что цикады могут отсчитать прошествие 17 лет, – совершенно замечательное достижение биологической инженерии. Случаи, когда какая-либо цикада появляется годом раньше или годом позже, крайне редки. Ежегодный цикл, которого придерживаются большинство животных и растений, обусловлен вариациями температуры и сменой времен года. И по-видимому, ничто в природе не учитывает то обстоятельство, что Земля совершила 17 оборотов вокруг Солнца, чтобы побудить этих цикад к появлению.

Для математика самая любопытная особенность состоит в выборе числа: ведь 17 – простое число. Является ли всего-навсего совпадением то, что цикады проводят под землей простое число лет? По-видимому, нет. Есть вид цикад, который скрывается под землей 13 лет, а также другой вид, с 7-летним циклом. Все это простые числа. Довольно удивительно, что если цикада с 17-летним циклом появляется слишком рано, то сдвиг уже будет не на год, а обычно на 4 года, тем самым происходит переключение на 13-летний цикл. Кажется, в простых числах есть что-то, способствующее всем этим разновидностям цикад. Но что же это?

Хотя ученые и не пришли к окончательным выводам, имеется математическая теория, которая объясняет склонность цикад к простым числам. Сперва несколько фактов. В лесу может быть только один выводок цикад, так что объяснение не касается совместного использования ресурсов несколькими выводками. Почти каждый год где-либо в Соединенных Штатах появляется выводок цикад с циклом, составляющим простое число лет. Но в 2009 и 2010 гг. цикад не было. Напротив, в 2011 г. на юго-востоке США было массивное нашествие цикад с 13-летним циклом. (Кстати, 2011 является простым числом, но все же я не думаю, что цикады настолько умны.)

Лучшая на сегодняшний день теория простых чисел, лежащих в основе цикла цикад, исходит из возможного существования хищника, который также периодически появляется в лесу. Появление хищника приходится на время нашествия цикад, и он пирует, поедая насекомых. Но тут в дело вступает естественный отбор, потому что цикады, которые регулируют свою жизнь, исходя из цикла, составляющего простое число лет, будут значительно реже сталкиваться с хищниками, чем цикады с жизненным циклом, не представляющим простое число.

Предположим, например, что хищники появляются каждые 6 лет. Цикады с 7-летним циклом будут совпадать с хищниками лишь раз в 42 года. В отличие от них цикады с 8-летним циклом будут появляться одновременно с хищниками каждые 24 года; у цикад же с 9-летним циклом совпадение будет еще чаще – каждые 18 лет.

Рис. 1.02. Взаимодействие на протяжении 100 лет между популяциями цикад с 7-летним жизненным циклом и хищников с 6-летним

Рис. 1.03. Взаимодействие на протяжении 100 лет между популяциями цикад с 9-летним жизненным циклом и хищников с 6-летним

В лесах Северной Америки было, по-видимому, настоящее соревнование, чтобы найти наибольшее простое число. Цикады настолько преуспели в этом, что хищники либо вымерли, либо переселились, оставив цикад с их странным жизненным циклом в простое число лет. Но, как мы вскоре увидим, не только цикады научились использовать синкопированный ритм простых чисел.

Цикады против хищников

Скачайте PDF-файл с веб-сайта «Тайн 4исел». Вырежьте хищников и два семейства цикад. Положите хищников на годы, кратные 6. Каждый игрок берет по семейству цикад. Возьмите три обычные игральные кости с шестью гранями. Сумма чисел, выпавших на трех игральных костях, определит, как часто появляется ваше семейство цикад. Так, если у вас выпало 8, поместите цикаду на каждое число, кратное 8. Но, если на данном месте уже есть хищник, вы не можете разместить там цикаду, например, не можете положить цикаду на 24, потому что это число уже занято хищником. Победителем будет игрок с наибольшим числом цикад на поле. Вы можете модифицировать игру, изменив периодичность, с которой появляется хищник, то есть вместо 6 выбрать другое число.