Текст книги "Искусство мыслить рационально. Шорткаты в математике и в жизни"

Сегодня мир мнимых чисел является ключом к пониманию целого ряда концепций, которые было бы почти невозможно понять без этого шортката сквозь зеркало. В квантовой физике – физике предельно малого – можно как следует разобраться, только если она выражена в этих мнимых числах. Управлять переменными токами, используемыми в электронике, легче всего, если они описываются при помощи квадратного корня из –1. Еще один яркий пример шортката, который открывают эти числа, можно найти внутри компьютеров, которые помогают сажать самолеты в аэропортах всего мира.

Борт BA 107… посадку разрешаю

Несколько лет назад мне посчастливилось попасть на диспетчерскую вышку одного из крупных аэропортов Великобритании. Экраны, по которым плясали миниатюрные значки самолетов, создавали ощущение какой-то безумной компьютерной игры. Но я быстро осознал, что в руках операторов находятся жизни многих тысяч людей. Во время посещения диспетчерского пункта мне велели соблюдать полную тишину. Но, когда мне все же удалось поговорить с одним из диспетчеров, отработавшим смену, я был крайне изумлен, узнав, что система, применяемая для посадки самолетов, использует для ускорения вычислений в рамках радарного слежения за прилетающими воздушными судами мнимые числа.

Тот факт, что радиоволны отражаются от металлических объектов, открыл немецкий физик Генрих Герц. Он сделал это открытие в ходе своих опытов, которые проводил в 1877 году, чтобы доказать существование электромагнитных волн. Его имя увековечено в названии единицы измерения частоты вибрации волн.

Но практические возможности, которые давало это открытие, осознал один из соотечественников Герца. Кристиан Хюльсмайер получил в Германии и Британии патенты на электромагнитное устройство[33]33
  Прибор Хюльсмайера назывался «телемобилоскоп» (Telemobiloskop).


[Закрыть], которое, по его мнению, могло помочь кораблю обнаруживать наличие других судов в условиях плохой видимости – например, в тумане. Утверждается, что стремление создать такой прибор возникло у него после того, как он увидел мать, скорбевшую о смерти сына, который погиб при столкновении двух морских судов.

Он продемонстрировал свое изобретение в опыте, поставленном на мосту через Рейн 18 мая 1904 года. Прибор обнаруживал присутствие корабля, спускавшегося по реке, как только тот оказывался в радиусе трех километров. Однако это изобретение опередило свое время, в частности потому, что оно не производило математических вычислений, позволяющих определить, на каком расстоянии находится другое судно и в каком направлении оно движется. В течение еще нескольких лет эта идея интересовала только писателей-фантастов вроде Жюля Верна. Для ее практического воплощения потребовались десятилетия и мировая война.

Вопрос о том, кто именно изобрел радар, название которого получилось из сокращения английских слов radio detection and ranging (радиообнаружение и измерение дальности), остается нерешенным. Разработка таких систем в разных странах в преддверии войны велась в условиях строжайшей тайны, потому что любая страна, успешно внедрившая эту идею, получила бы преимущество в области обнаружения вражеских самолетов. Однако не вызывает сомнений, что одним из первопроходцев этой технологии был шотландский физик Роберт Уотсон-Уотт. Его попросили прокомментировать слухи о «лучах смерти», якобы созданных в Германии на основе радиоволн. Он быстро показал абсурдность этой идеи, но она побудила его заняться исследованием реальных возможностей радиоволновых технологий. Он продемонстрировал, что совместное использование расчетов и радиосигналов позволяет отслеживать перемещение приближающихся самолетов, и это привело к созданию системы радиолокационных станций для обнаружения самолетов, подлетающих к Лондону со стороны Северного моря. Принято считать, что именно радарная сеть Уотсона-Уотта дала Королевским ВВС решающее преимущество в Битве за Британию.

При отслеживании подлетающего самолета, будь то на войне или в мирное время, важна скорость. Шорткат к вычислению местоположения самолета по отражающимся от него радиоволнам может иметь жизненно важное значение. Основные вычисления, необходимые для решения этой задачи, относятся к области тригонометрии (об этом шорткате я расскажу в главе 4). Форму передаваемых и регистрируемых после отражения волновых импульсов описывают при помощи тригонометрических функций – синусов и косинусов. Необходимые для этого вычисления оказываются сложными и занимают чрезвычайно много времени. Но тут на помощь приходят мнимые числа.

Великий швейцарский математик XVIII века Леонард Эйлер обнаружил, что подстановка мнимых чисел в показательную функцию – простую функцию возведения числа в степень х, например, 2^х – дает довольно любопытные результаты. Получается сочетание волновых функций, очень похожих на те волны, которые впоследствии стали использовать в радарах. Эта связь – ключ к уравнению, которое многие математики считают самым красивым в истории. Дело в том, что один из случаев этой связи между волнами и показательными функциями дает уравнение, связывающее пять важнейших чисел в истории математики – 0, 1, i (квадратный корень из –1), π = 3,14159… и е = 2,71828… (возможно, самое знаменитое число в математике, не считая π; мы поговорим о нем подробнее в главе 7):

e^iπ + 1 = 0

Стоит возвести е в степень, равную произведению i и π, и прибавить к результату 1, как все члены этого выражения волшебным (или математическим) образом сокращаются, и в ответе получается 0. И это одно из любопытных проявлений той связи между показательными и волновыми функциями, которую создают мнимые числа.

Поэтому математики поняли, что можно не заниматься сложными вычислениями волновых функций, а упростить и ускорить расчеты, объединив все их элементы при помощи мнимых чисел. Благодаря использованию этих странных чисел вычисления свелись к расчетам показательных функций, которые можно было выполнить быстро и рационально. Даже сегодня авиадиспетчеры, в распоряжении которых имеется необычайная мощь современных компьютеров, используют для обнаружения самолетов и их сопровождения при посадке в аэропортах всего мира тот же самый шорткат через мнимые числа. Не будь его, самолеты падали бы на землю еще до завершения вычислений их местоположения.

Этот пример наглядно иллюстрирует утверждение Поля Пенлеве о том, что «самый легкий и короткий путь между двумя истинами вещественной области весьма часто пролегает через область мнимую».

Двоичное, и не только

Один из других шорткатов, которые участвуют в рационализации компьютерных вычислений, – это применение чрезвычайно экономичной системы записи чисел. Как мы уже видели, десять символов десятичной системы счисления – не единственный вариант представления чисел. Для выражения чисел можно выбрать степени любого числа, не только десяти, как в десятичной системе. Вавилоняне использовали символы для записи чисел от 0 до 59 и работали с системой счисления на основе 60. У майя были символы для чисел от 0 до 19, а в созданной ими системе счисления использовались степени двадцати. Выбор числа 10 в качестве основы для наших чисел сводится всего лишь к капризу анатомии, снабдившей нас десятью пальцами на руках.

Но с анатомией человека могла быть связана и вавилонская система. На каждом из наших пальцев (кроме большого) по три сустава. Поэтому большим пальцем правой руки можно указывать на ее же суставы, соответствующие числам от 1 до 12. Каждый раз, отсчитав 12 суставов, можно отмечать очередную дюжину на левой руке, а затем заново начинать отсчет до 12 на правой. Поскольку на левой руке 5 пальцев, так можно отсчитать до 5 наборов по 12 суставов, то есть дойти до 60!

Скажем, для обозначения числа 29 нужно поднять два пальца на левой руке и указать большим пальцем правой на пятый сустав (средний сустав среднего пальца).

Но компьютеры могут использовать всего один палец. По сути дела, они работают по принципу выключателя – либо включенного, либо выключенного. Им нужна система на основе всего двух символов – 0 для выключенного состояния и 1 для включенного. Но даже используя только эти два символа, компьютер может выразить любое число. Положения цифр в этой позиционной системе, так называемой двоичной системе счисления, означают не степени десяти, а степени двух. Так, число 11011 соответствует числу

1 × 2⁴ + 1 × 2³ + 0 × 2² + 1 × 2 + 1 = 27.

Поскольку мы научились преобразовывать в цифровой формат разговоры, изображения, музыку и книги, можно сказать, что этот шорткат превратил весь окружающий нас мир в строчки нулей и единиц.

Идея двоичного представления также дает ключ к решению головоломки, с которой начинается эта глава. С каким минимальным количеством гирь бакалейщик сможет взвешивать от 1 до 40 кг? Фокус тут заключается в переходе не в двоичную, но в троичную систему, основанную на степенях числа 3. У весов есть три возможных состояния: гиря в правой чаше (+1), гиря в левой чаше (–1) или отсутствие гирь. Рассуждая в такой троичной системе счисления, можно показать, что для измерения любого веса от 1 до 40 кг бакалейщику нужны всего четыре гири: 1 кг, 3 кг, 9 кг и 27 кг.

Например, чтобы взвесить 16-килограммовый мешок, нужно положить его на одну чашу весов вместе с гирями весом 3 и 9 кг. Весы будут точно уравновешены, когда на вторую чашу положат гири весом 1 и 27 кг. Для представления чисел используются не цифры 0, 1 и 2, а символы –1, 0 и 1. Тогда число 16 записывается в виде 1(–1)(–1)1 то есть 1 минус 3 минус 9 плюс 27, что дает 27 – 9 – 3 + 1 = 16.

Идет ли речь о числах или какой-нибудь другой сложной идее, выбор наилучших обозначений для выражения этой концепции может быть шорткатом, позволяющим прийти к решению. Бакалейщик, мыслящий в троичной системе, может купить всего четыре гири, которых ему хватит на все случаи жизни. Его конкурент, не понимающий этого шортката, будет тратить лишние средства на покупку ненужных гирь.

Шорткат к шорткатам

Создание удобных сокращенных обозначений сложных концепций было важнейшим шорткатом в течение всей истории человечества, и не только в области записи чисел. Если вы ведете конспекты на лекциях или совещаниях, вы, вероятно, уже начали создавать сокращенные обозначения для многократно упоминаемых основных идей. Но нельзя ли найти еще более удобный способ обозначения этих идей, который облегчил бы работу с ними? Бывает так, что в одном виде данные кажутся маловразумительными, но как только мы изменяем способ их записи, они наводят на новое понимание. Графики в логарифмическом масштабе часто говорят о данных больше, чем исходные числа; именно поэтому, например, силу землетрясений измеряют по логарифмической шкале Рихтера. Не стоит забывать и о зеркалах: они, как это было в случае мнимых чисел, могут вывести нас за пределы мира, в котором мы заключены, и открыть шорткат к цели, пролегающий через мир альтернативный.

Пит-стоп: Стартап

«Я говорил своим директорам по маркетингу: можно будет считать, что вы добились настоящего успеха, если вас арестуют. Никому из них не удалось этого сделать».

Об этом рассказал мне во время недавней встречи Брент Хоберман, основатель бизнес-инкубатора Founders Factory[34]34
  ¹ «Фабрика основателей» (англ.).


[Закрыть]. Хоберман (которого, надо сказать, тоже пока что не арестовывали) считает, что именно деятельность на грани закона была причиной успеха самого знаменитого из его предприятий, компании lastminute.com[35]35
  ² Название компании образовано от англ. словосочетания last minute (последняя минута).


[Закрыть], которую он основал в 1998 году вместе с Мартой Лейн Фокс. Нарушение правил игры – часть того, что Хоберман считает «предпринимательским мышлением», и его шорткат к успешным коммерческим предприятиям.

В офисах Founders Factory царит замечательно непринужденная атмосфера. Стены покрыты досками с безумными каракулями, довольно сильно напоминающими доски, которые можно увидеть на математических факультетах всего мира. Благодаря открытой планировке помещения сотрудники разных стартапов все время взаимодействуют друг с другом, обмениваясь идеями. Для стимуляции умственной деятельности есть еда, напитки и игры. Но шорткатом к успеху предприятий, вызревающих на «фабрике» Хобермана, он считает именно нарушение правил игры.

«История знает множество предпринимателей, которые нарушали правила и лишь потом просили прощения, – говорит Хоберман. – Так было с Uber, так было с Airbnb. Обе эти компании нарушали законы. Почему люди не имеют права сдавать свое собственное жилье? А потом общество смотрит и говорит: а ведь действительно, почему? В этом и был их шорткат».

Нарушение законов – это стратегия, оказавшаяся полезной и многим математикам. Законы математики гласили: если число возвести в квадрат, результат должен быть положительным. Но Рафаэлю Бомбелли хватило наглости взяться за число, квадрат которого равен –1. Отступив от правил игры, можно получить доступ к целой массе интересной новой математики. Древнегреческий математик Евклид утверждал, что сумма углов любого треугольника равна 180 градусам. Но, как мы увидим в дальнейшем, другие математики придумали геометрии, в которых треугольники нарушают закон Евклида. Главное в нарушении закона – чтобы выгода от этого нарушения стоила самого нарушения.

Брент Хоберман объяснял мне: «Речь идет почти что о новом определении сути предмета. Правила могут быть устаревшими. Правила могут устанавливаться слишком медленно. Иногда некоторые переопределяют собственные нравственные ориентиры, говоря, что связанная с этим опасность оправданна, потому что результат приносит пользу обществу».

Ключевым элементом успеха lastminute.com было объединение нераспроданных услуг авиакомпаний, компаний проката автомобилей и гостиниц в комплексные пакеты для продажи по ценам более низким, чем при покупке тех же услуг по отдельности. Идея такой модели впервые пришла в голову Хоберману в студенчестве, когда он пытался увезти свою подругу на выходные в какое-нибудь интересное место. Он звонил в гостиницы в последнюю минуту и спрашивал, сколько незанятых номеров у них осталось на ближайшую ночь. Если ему говорили, что их осталось пять или шесть, он понимал, что гостиница вряд ли сумеет сдать их все, и предлагал снять один из них с 70-процентной скидкой. «В одном случае из трех этот фокус удавался».

Ему стало интересно, почему так же не поступают все. «У них был слишком британский характер. Британцы так не поступают», – шутит он. Он вспоминает, как та выгода, которую он извлек из таких операций студентом, навела его на мысль об организации подобной же деятельности в промышленных масштабах. Так и родилась компания lastminute.com. Но поиск нераспроданных услуг в промышленных масштабах требовал действий, граничащих с незаконными. Как признает сам Хоберман, деятельность lastminute.com формально нарушала закон о злоупотреблениях компьютерной информацией (Computer Misuse of Information Act), то есть могла составлять уголовное преступление.

Однако именно деятельность на грани законности или за этой гранью была тем шорткатом, который многие стартапы использовали ради получения преимуществ перед конкурентами. У компании Facebook[36]36
  Компания и одноименная социальная сеть, деятельность которых в РФ запрещена. – Примеч. ред.


[Закрыть] был знаменитый лозунг Move fast and break things («Двигаться быстро, ломая все вокруг»), а ее генеральный директор Марк Цукерберг как-то сказал: «Если ты ничего не ломаешь, значит, ты движешься недостаточно быстро». Ричард Брэнсон утверждает, что к успеху в бизнесе его привело случившееся в молодости, в 1970-е годы, столкновение с законом; правда, в случае Брэнсона он должен был уплатить 60 000 фунтов штрафа за то, что уклонялся от налогов, когда только начинал торговать грампластинками[37]37
  Ричард Брэнсон – основатель корпорации Virgin Group, первыми предприятиями которой были музыкальный магазин и фирма звукозаписи Virgin Records.


[Закрыть]. Этот штраф побудил Брэнсона обратиться к гораздо более систематическим способам зарабатывания денег. «Стимулы бывают самых разных форм и размеров, – писал он, – но стремление не попасть в тюрьму было самым действенным стимулом, какой у меня когда-либо возникал».

Но, когда стартапы пытаются вносить возмущение в жестко регулируемые отрасли – например, здравоохранение, – двигаться быстро и ломать все вокруг становится труднее. Медицинские учреждения по вполне понятным причинам работают по строгим правилам. Чтобы внушить им доверие к новой идее, необходимо соблюдать эти правила. Этический принцип «не навреди» оказывается важнее, чем стремление к новшествам. Путь к успеху не должен пролегать через причинение вреда пациентам.

Одной из других причин успеха Хобермана было то, что он воспользовался поразительным шорткатом, который в то время, в начале бума доткомов, открывал интернет. Снова и снова появлялась возможность исключить посредников. В случае lastminute.com посредниками были агентства путешествий. Сходный шорткат применило и другое предприятие Хобермана, сайт made.com. Его идеей было предоставить потребителю возможность покупать авторскую мебель, не платя за нее по завышенным ценам. Нину Ли, основавшему это предприятие вместе с Хоберманом, понравился диван, стоивший 3000 фунтов. Однако он случайно узнал, что директором фабрики, выпускавшей эти диваны, стал один из его школьных друзей. Производство дивана обходилось в 250 фунтов. Отсюда и родилась идея связать потребителя напрямую с производителем, исключив дорогостоящих посредников. Как говорит Нин, «в мебельной промышленности распространено высокомерное мнение, что модного, качественно сделанного дивана достоин только тот потребитель, который может выложить за него 3000 фунтов. Но так быть не должно». Интернет позволил компании проложить шорткат в обход цепочки сбыта.

В том, что касается создания компаний, подобных lastminute.com и made.com, Хоберман называет еще один важный шорткат: «Невежество. Я никогда в жизни не взялся бы за lastminute.com, если бы знал, как это будет трудно. Много знать вредно. Невежество помогает мыслить по-другому».

Философия Хобермана напомнила мне о персонаже одной из моих любимых опер. В цикле «Кольцо нибелунгов» Вагнера юному Зигфриду, не ведающему страха, удается убить дракона Фафнира и завладеть кольцом, которое тот охранял. В конце концов он узнает, что такое страх, – когда впервые в жизни встречается с женщиной!

Мне кажется, что незнание страха – одна из главных причин, по которым молодежь добивается порой таких успехов в решении великих нерешенных задач математики. Многие из нас приучаются настолько бояться математических чудовищ – например, гипотезы Римана, одной из величайших нерешенных задач в области простых чисел, – что даже попытки взяться за решение такой трудной задачи кажутся нам безумием. Если многие поколения математиков потерпели неудачу, что могу сделать я? И дракон остается неубитым. Здесь требуется некоторое невежество в сочетании с некоторой самонадеянностью – способность не пугаться истории задачи и верить в собственные силы: в конце концов, почему человеком, который разрешит эту великую загадку, не могу стать именно я?

Хоберман также считает, что еще одним фактором, не позволяющим добиться успеха, может быть перфекционизм. Такова была философия компании Amazon: не нужно строить сверкающий дворец и с гордостью демонстрировать его потребителю; достаточно построить основу замка, и пусть потребитель обживется в ней и скажет, что еще нужно доделать. Если продукт вашей компании готов к выпуску на 70 процентов, выпускайте его и исправляйте недочеты по ходу дела. Если ждать, пока он будет готов на 99 процентов, выпускать его будет слишком поздно. У этого мировоззрения есть свои ограничения. Например, когда другие компании стали использовать платформу Facebook, сбои в ее работе начали обходиться слишком дорого. Если платформа оказывается ненадежной, компании могут отказаться от ее услуг. В 2014 году Цукерберг провозгласил новый принцип: «Двигаться быстро с устойчивой инфраструктурой». «Это, может быть, звучит не так захватывающе, как “Двигаться быстро, ломая все вокруг”, – сказал Цукерберг с ухмылкой. – Но именно так мы теперь работаем».

В математике перфекционизм считается необходимым. Большинство математиков считает, что даже доказательство, законченное на 99 процентов, не имеет смысла публиковать, потому что именно последний 1 процент может оказаться гибельным. Но, возможно, мы, математики, уж слишком одержимы перфекционизмом. Может быть, стоит делиться не доведенными до совершенства идеями, а не держать их в тайне. Исааку Ньютону, а также до некоторой степени Карлу Фридриху Гауссу случалось тормозить прогресс, когда они не решались рассказывать о своих не окончательно разработанных и потенциально еретических идеях.

Изменение этических норм научно-исследовательского сообщества является главной целью организации Chan Zuckerberg Initiative (CZI), которую создали основатель Facebook и его жена доктор Присцилла Чан. Основная задача CZI – совершенствование связей между разными исследовательскими группами, что, по мнению основателей этой организации, позволит решить некоторые медицинские задачи, работа над которыми тормозится сейчас нежеланием делиться информацией о еще не завершенных исследованиях.

Хотя Брент Хоберман стал крупным инвестором в новые стартапы, он по-прежнему считает, что перфекционизм опасен, потому что не позволяет узнать, какие компании имеет смысл поддерживать.

«Как мне кажется, еще один шорткат – это интуиция, – говорит он. – Когда мы инвестируем в компании, мы используем шорткаты. Решения могут приниматься после пяти– или десятиминутного совещания. Компания Иоганнеса Река из GetYourGuide стоит сейчас больше миллиарда. Я познакомился с ним и уже через десять минут сказал своим коллегам: “Вам нужно встретиться с ним сегодня же вечером”. Потому что в нем есть нечто особенное. Так же было с alan.eu, успешной компанией медицинского страхования во Франции. Я сразу понял, что ее основатель – гений. Больше мне ничего и не нужно. Многие из моих лучших друзей, которых я пытался привлечь к работе с этой компанией, слишком долго раздумывали».

Из нашего разговора было ясно, что Хоберман – сторонник любых шорткатов, которые могут привести его к очередному успеху.

«На мой взгляд, шорткаты прекрасны; я ругаю своих детей, когда они не придумывают шорткаты, – говорит он. – Часто можно видеть, как люди стоят в очередях. Скажем, есть три очереди, и все встают в первую. Если перейти в третью, всего на три метра дальше, это сэкономит вам минут десять. Но никто этого не делает. Никто не думает. Как понять, нужно ли дожидаться своей очереди, или можно перейти в другую, или вообще начать еще одну? Вся жизнь состоит из решений такого рода, и в ней всегда надо пытаться найти шорткат».