Джон Дербишир - Простая одержимость. Бернхард Риман и величайшая нерешенная проблема в математике.

Рисунок 12.2.Грамовские нули.

Каждый из выписанных нулей, как видно, имеет вещественную часть, равную одной второй. [110](А кроме того, существование каждого из корней предполагает и существование сопряженного, расположенного под вещественной осью: 1/ 2 − 14,134725 i и т.д. Я буду считать этот факт само собой разумеющимся и не буду упоминать его специально до главы 21, когда он снова станет важным.) Поэтому в тех пределах, докуда они простираются, эти нули подтверждают справедливость Гипотезы Римана. Однако простираются они не слишком далеко. Известным фактом про число нулей — неявно содержавшимся в работе Римана 1859 года — было то, что число их бесконечно. Все ли они имеют вещественную часть, равную одной второй? Риман полагал, что дело так и обстоит — в этом-то и состояла его мощная Гипотеза. Но в тот момент никто не знал, как к этому подступиться.

После появления списка Грама математики, должно быть, взирали на него со священным ужасом. Тайна распределения простых чисел, которая удерживала на себе внимание математиков со времен легендарного Гаусса, оказалась каким-то образом заключенной в перечне чисел: 1/ 2 + 14,134725 i , 1/ 2+ 21,022040 i , 1/ 2+ 25,010856 i , …. Но как?! Их вещественные части, без сомнения, равняются одной второй, как и предполагал Риман; однако мнимые части не проявляют никакого очевидного порядка или системы.

Я только что сказал: «Математики, должно быть…» Мне надо было бы сказать: «Несколько математиков в континентальной Европе, должно быть…» Одержимость Гипотезой Римана, захватившая математиков в течение XX столетия, в 1905 году только набирала силу. Во многих частях света о ней толком и не знали. В следующей исторической части нашего повествования мы с читателем отправимся в Англию, в период эдвардианского расцвета ее имперской славы. Но сначала позвольте показать вам, как же на самом деле выглядит дзета-функция.

Предположим, что, как я и пытался вас убедить, комплексные числа представляют собой простое и понятное расширение обычных вещественных чисел и подчиняются всем обычным правилам арифметики с тем единственным добавлением, что i 2 = −1; кроме того, вспомним, что функции занимаются тем, что превращают числа из одной области — своей области определения — в числа из другой области; так вот, есть ли какая-нибудь причина, которая препятствует существованию функций от комплексных чисел? Никаких таких причин нет.

Функция возведения в квадрат, например, прекрасно работает для комплексных чисел в соответствии с правилами умножения. Скажем, квадрат числа −4 + 7 i есть (−4 + 7 i )×(−4 + 7 i ), что равно 16 − 28 i − 28 i + 49 i 2, т.е. −33 − 56 i . В таблице 13.1 показан «моментальный снимок» функции возведения в квадрат для некоторых случайным образом выбранных комплексных чисел. [111]

Таблица 13.1.Функция возведения в квадрат.

Читателю, возможно, нелегко в это поверить, но изучение «функций комплексной переменной» представляет собой одно из наиболее элегантных и прекрасных направлений в высшей математике. Области определения всех функций, знакомых нам из школьной математики, легко расширяются на все, или почти все, комплексные числа. Например, в таблице 13.2 приведен «моментальный снимок» показательной функции для некоторых комплексных чисел.

Таблица 13.2.Показательная функция.

Заметим, что, как и ранее, когда мы увеличивали аргументы «по сложению» — а сейчас, разумеется, дело обстоит таким же образом, поскольку к аргументу каждый раз прибавляется 1 + i , — значения функции изменяются «по умножению», в данном случае за счет умножения на 1,46869 + 2.28736 i . Если бы мы взяли аргументы, отличающиеся друг от друга прибавлением каждый раз числа 1, то, конечно, получающиеся значения отличались бы умножением на e. Заметим еще, что в эту таблицу включено одно из самых прекрасных тождеств во всей математике:

Говорят — и я полагаю, что такое вполне могло быть, — Гаусс утверждал, что если истинность этого выражения не становится для вас очевидной сразу же, при первом взгляде на него, то вы никогда не станете первоклассным математиком.

Но как же вообще можно определить комплексную степень числа e , как, впрочем, и любого другого числа? С помощью ряда, вот как. Следующее выражение дает реальное определение того, что такое e z для вообще любого числа z , будь оно вещественным или комплексным (13.1):

Чудесным (как мне представляется) образом эта бесконечная сумма сходится для любого числа z . Знаменатели растут так быстро, что рано или поздно побеждают любую степень любого числа. Равным образом чудесно, что если z — натуральное число, то бесконечная сумма оказывается в точности равной тому, что мы ожидаем от определения «степени» в обычном смысле, хотя разглядывание выражения (13.1)и не дает никаких намеков на то, почему бы такое могло случиться. Если z равно 4, то этот ряд оказывается равным в точности тому же, чему равно e×e×e×e (что, собственно, и понимается под обозначением e 4).

Давайте просто подставим πi в выражение (13.1)и посмотрим, как быстро оно сходится. Если z равно πi , то z 2равно − π 2; z 3равно − π 3 i ; z 4равно π 4; z 5равно π 5 i и т.д. Подставляя эти значения в бесконечную сумму и вычисляя возникающие степени числа π (для простоты с точностью до шести знаков после запятой), получаем сумму

Если сложить первые 10 из этих членов, то получим −1,001829104 + 0,006925270 i . Если сложить первые 20 чисел, то результат будет равен −0,9999999999243491 − 0,000000000528919 i . Вполне определенным образом сумма сходится к −1. Вещественная часть приближается к −1, а мнимая исчезает.

Можно ли и логарифмическую функцию продолжить на комплексные числа? Да. И получится, разумеется, в точности функция, обратная к показательной. Если e z = w , то z = ln w . К сожалению, как и в случае квадратных корней, если мы не соблюдем меры предосторожности, мы тут же попадем в зыбучие пески многозначных функций. Это происходит из-за того, что в комплексном мире показательная функция иногда принимает одно и то же значение при различных аргументах. Например, куб числа −1, в соответствии с правилом знаков, есть −1; так что возведение в куб обеих частей равенства e πi = −1 дает e 3 πi = −1; таким образом, аргументы πi и 3 πi дают одно и то же значение функции, равное −1, подобно тому как −2 и +2 дают при возведении в квадрат одно и то же значение 4. Тогда что же такое ln (−1)? Это πi ? Или же 3 πi ?