Годфри Харди. - Апология математика

Становится ясно, что для дальнейшего продвижения мне необходимо привести несколько примеров "настоящих" математических теорем - теорем, которые любой математик сочтет первоклассными. И здесь я оказываюсь в сильном затруднении из-за ограничений, при которых пишу. С одной стороны, мои примеры должны быть очень простыми и понятными читателю, не обладающему специальными познаниями в математике; не должно быть сложных предварительных объяснений, и читатель должен быть в силах проследить как за доказательствами, так и за формулировками теорем. Эти условия исключают, например, многие из красивейших теорем теории чисел, такие, как теорема Ферма о двух квадратах или закон квадратичной взаимности. С другой стороны, мои примеры должны быть заимствованы из "первоклассной" математики, математики активно работающего профессионального математика, и это условие исключает многое из того, что было бы легко сделать доступным для понимания широкого читателя, но что в то же время выходит за рамки логики и математической философии.

Вряд ли можно предложить лучший выход из положения, чем обращение к математике древних греков. Я сформулирую и докажу две из знаменитых теорем древнегреческой математики. Обе эти теоремы принадлежат к числу "простых" - как по идее, так и по исполнению, но несомненно, при всём этом обе - теоремы высочайшего класса. Каждая из этих теорем так же свежа и значима, как в пору своего открытия. Два прошедших с тех пор тысячелетия не оставили и морщинки на их лике. Наконец, интеллигентный читатель, сколь бы скудным ни был его математический багаж, может за какой-нибудь час одолеть и формулировки, и доказательства этих теорем.

1. Первый пример - предложенное Евклидом доказательство того, что существует бесконечно много простых чисел( 3 3 «Начала», кн. IX, предложение 20. Подлинное происхождение многих теорем в «Началах» Евклида неизвестно, но нет никаких причин предполагать, что эта теорема не принадлежит самому Евклиду. ).

Простыми называются числа

которые не могут быть разложены на меньшие множители( 4 4 По техническим причинам число 1 простым не считается. ). Например, 37 и 317 - простые числа. Именно простые числа служат тем материалом, из которого с помощью умножения образуются все числа: например, 666 = 2·3·3·37. Каждое число, которое не является простым, делится по крайней мере на одно простое число (разумеется, обычно оно делится на несколько простых чисел).

Требуется доказать, что существует бесконечно много простых чисел, т.е. последовательность (1) никогда не кончается.

Предположим, что последовательность (1) кончается, т.е. что 2, 3, 5, ..., P - все входящие в неё числа (таким образом, P - наибольшее простое число). Следуя этой гипотезе, рассмотрим число

Ясно, что Q не делится ни на одно число 2, 3, 5, ..., P, так как при делении на любое из этих чисел даёт остаток 1. Но если число Q не простое, то оно должно делиться на какое-то простое число. Следовательно, существует какое-то простое число (может быть, само число Q), больше, чем любое из чисел 2, 3, 5, ..., P. Это противоречит сделанному нами предположению о том, что не существует простого числа, которое бы превосходило число P, и, следовательно, это предположение неверно.

Метод доказательства reductio ad absurdum (доказательство от противного), столь любимый Евклидом, - один из самых лучших инструментов математика( 5 5 Доказательство может быть организовано так, чтобы избежать использования этого метода, и логики некоторых школ предпочитают не прибегать к доказательство от противного. ). Это гораздо более "хитроумный" гамбит, чем любой шахматный гамбит: шахматист может пожертвовать пешку или даже фигуру, но математик жертвует партию.

2. Мой второй пример - предложенное Пифагором( 6 6 Доказательство по традиции принято приписывать Пифагору. Оно заведомо является продуктом пифагоровой школы. В гораздо более общей форме теорема встречается у Евклида («Начала», кн. X, предложение 9). ) доказательство "иррациональности" числа .

Рациональные числа представляются в виде дроби где a и b - целые числа. Можно предположить, что a и b не имеют общих множителей, так как если бы они их имели, то на общий множитель можно было бы сократить. Утверждение "число иррационально" равносильно утверждению "число 2 не представимо в виде ", а оно в свою очередь равносильно утверждению о том, что соотношению

не могут удовлетворять целые значения a и b, не имеющие общего множителя. Это - теорема чистой арифметики, не требующая знания "иррациональных чисел" и не зависящая ни от какой теории иррациональных чисел.

Снова воспользуемся доказательством от противного. Предположим, что соотношение (2) выполняется и что a и b целые числа, не имеющие общего множителя. Из соотношения (2) следует, что число a чётно (так как 2b делится на 2), и, следовательно, число a чётно (так как квадрат нечётного числа нечётен). Если a чётно, то

где c - некоторое целое число, и, следовательно,

или

Следовательно, число b чётно, а это значит (по той же причине, что и прежде), что число b чётно. Таким образом, оба числа a и b чётны и поэтому имеют общий множитель 2, что противоречит нашему исходному предположению. Следовательно, наше исходное предположение ложно.

Из теоремы Пифагора следует, что диагональ квадрата несоизмерима с его стороной (что их отношение - не рациональное число, что не существует такой единицы длины, целыми кратными которой были бы диагональ и сторона квадрата). Действительно, если мы примем сторону за единицу длины и d - длина диагонали, то по другой хорошо известной теореме, также приписываемой Пифагору( 7 7 Евклид («Начала», кн. I, предложение 47). ),

поэтому d не может быть рациональным числом.

Я могу привести сколько угодно красивых теорем из теории чисел, смысл которых может быть понят любым человеком. Например, утверждение, известное под названием "основной теоремы арифметики", гласит: любое целое число разложимо в произведение простых чисел, причём только одним (с точностью до порядка сомножителей) способом. Например, 666 = 2·3·3·37, и других разложений не существует; разложения 666 = 2·11·29 или 13·89 = 17·73 невозможны (в этом мы можем убедиться, не вычисляя произведения). Эта теорема, о чём свидетельствует её название, служит основой высшей арифметики, но её доказательство, хотя и не является "трудным", требует некоторых предварительных пояснений и для читателя-нематематика может показаться скучным.