Кит Йейтс - Математика жизни и смерти. 7 математических принципов, формирующих нашу жизнь

Я искренне верю, что математика – для всех и что все могут оценить ее красоту, лежащую в основе сложных явлений, с которыми мы сталкиваемся ежедневно. Срабатывание ложных сигналов тревоги у нас в мозгу – и ложное чувство уверенности, позволяющее нам спокойно спать по ночам; истории, которые навязывают нам соцсети, и мемы, которые распространяются через них, – все это тоже математика. Математика – это лазейки в законе и заплатки, которые их закрывают; технология, которая спасает жизни, и ошибки, которые подвергают их риску; вспышки смертельных болезней и лечебно-профилактические стратегии. Это самый многообещающий шанс найти ответы на фундаментальные вопросы Вселенной и нашего собственного вида. Математика ведет нас по бесчисленным путям жизни и поджидает у гробовой доски, чтобы взглянуть, как мы делаем последний вдох.

Даррен Кэддик – инструктор по вождению из Калдикота, небольшого городка в Южном Уэльсе. В 2009 году его приятель сделал ему заманчивое предложение. Вложив всего лишь 3000 фунтов стерлингов в местный инвестиционный синдикат и убедив сделать то же самое еще двух человек, Даррен всего через пару недель получил бы 23 000 фунтов. Поначалу, посчитав, что это слишком хорошо, чтобы быть правдой, Кэддик сопротивлялся искушению. Но друзья в конце концов убедили его, что «никто ничего не потеряет, так как схема будет действовать бесконечно». Он решил попытать счастья и вложил свои сбережения в эту схему. Он потерял все и до сих пор, десять лет спустя, расхлебывает последствия.

Кэддик невольно оказался на дне пирамиды, которая просто не могла «действовать бесконечно». Запущенная в 2008 году программа Give and Take («Отдай и получи») перестала привлекать новых инвесторов и рухнула менее чем за год, но за это время свыше 10 000 вкладчиков со всей Великобритании вложили в нее более 21 млн фунтов. 90 % из них потеряли свои три тысячи. Инвестиционные схемы, основанные на том, что вкладчики вовлекают в них новых участников, чтобы получить свои дивиденды, заведомо обречены на неудачу. Количество новых вкладчиков, необходимых на каждом уровне схемы, растет пропорционально количеству людей, уже участвующих в ней. После пятнадцати этапов привлечения инвесторов в подобной пирамиде будет задействовано более 10 000 человек – вроде бы много, но схема «отдай и получи» легко позволяет заполучить такое количество участников. Однако еще через пятнадцать этапов для продолжения работы схемы в нее должен инвестировать уже каждый седьмой человек на планете. Этот феномен быстрого роста, неизбежным итогом которого становится крах всей системы из-за того, что она перестает привлекать новых участников (они заканчиваются физически), называется экспоненциальным ростом.

Экспоненциальный рост – это возрастание любой величины пропорционально ее текущим размерам. Представьте, что утром, когда вы открываете пакет молока, туда, прежде чем снова наденете крышку, проникает одна клетка Streptococcus faecalis – бактерии стрептококка группы D. Стрептококк группы D – одна из бактерий, вызывающих скисание и свертывание молока, но разве единственная клетка – повод для беспокойства? [5] Botina, S. G., Lysenko, A. M., & Sukhodolets, V. V. (2005). Elucidation of the taxonomic status of industrial strains of thermophilic lactic acid bacteria by sequencing of 16S rRNA genes. Microbiology, 74 (4), 448–52. https://doi.org/10.1007/s11021-005-0087-7 Возможно, вас насторожит способность клетки стрептококка группы D делиться в молоке, производя две дочерние клетки каждый час [6] Cardenas, A. M., Andreacchio, K. A., & Edelstein, P. H. (2014). Prevalence and detection of mixed-population enterococcal bacteremia. Journal of Clinical Microbiology, 52 (7), 2604–8. https://doi.org/10.1128/JCM.00802–14 Lam, M. M. C., Seemann, T., Tobias, N. J., Chen, H., Haring, V., Moore, R. J., Stinear, T. P. (2013). Comparative analysis of the complete genome of an epidemic hospital sequence type 203 clone of vancomycin resistant Enterococcus faecium. BMC Genomics, 14, 595. https://doi.org/10.1186/1471–2164–14–595 . С каждым новым поколением число клеток увеличивается пропорционально текущему их числу, поэтому общее количество стрептококка растет в геометрической прогрессии.

Кривая, описывающая экспоненциальный рост, напоминает любимую роллерами, скейтбордистами и велосипедистами-трюкачами рампу в четверть трубы. Первоначально градиент рампы очень низкий – кривая очень пологая и набирает высоту лишь постепенно (что и демонстрирует первая линия на рис. 2).

Через два часа в вашем молоке резвятся уже 4 клетки стрептококка, а через четыре часа – 16. Пока что это не выглядит чем-то ужасным, так? Но, как и у рампы, высота экспоненциальной кривой и ее крутизна быстро растут. Рост в геометрической прогрессии поначалу представляется медленным, поэтому последующий резкий взлет может показаться неожиданным. Если оставить молоко на 48 часов, и экспоненциальный рост клеток стрептококка продолжится, то когда вы решите снова попить молока, в пакете может оказаться почти квадриллион (1 000 000 000 000 000) клеток – достаточно, чтобы свернулась ваша кровь, не говоря уж о молоке. В этот момент клеток будет больше, чем людей на нашей планете – 130 000 к одному. Экспоненциальные кривые иногда называют J-образными, так как они почти повторяют крутую кривую буквы J. Разумеется, по мере того, как бактерии используют питательные вещества в молоке и меняют его кислотность (рН), условия для роста ухудшаются, а его экспоненциальность сохраняется относительно недолго. На деле почти в каждом реальном сценарии долгосрочный экспоненциальный рост оказывается неустойчивым, а во многих случаях и патологическим, поскольку растущий объект истощает ресурсы донора, лишая его жизнеспособности. Так, устойчивый экспоненциальный рост клеток в организме является характерным признаком рака.

Рис. 2. J-образная кривая экспоненциального роста (слева) и спада (справа)

Другой пример экспоненциальной кривой – водная горка с эффектом свободного падения: в своей верхней части она настолько крута, что посетители этого аттракциона испытывают чувство невесомости. Спускаясь по такой горке, мы путешествуем по экспоненциальной кривой спада, а не по кривой роста (пример такого графика – вторая линия на рис. 2). Экспоненциальное затухание происходит, когда количество уменьшается пропорционально своему текущему объему. Представьте, что вы открываете огромный пакет М&Ms, выливаете их на стол и съедаете все конфетки, упавшие на стол буквой М кверху. Остальное кладете обратно в пакет – до завтра. На следующий день встряхните пакет и снова вывалите конфеты на стол. Снова съешьте все те, что лежат буквой M кверху, а остальное положите обратно. Каждый раз, когда вы выливаете конфеты из пакета, вы съедаете примерно половину от остатка, независимо от того, сколько конфет вы съели в первый раз. Количество конфет уменьшается пропорционально количеству оставшихся в пакете, то есть происходит экспоненциальное падение их общего числа. Точно так же экспоненциальная водяная горка начинается высоко и почти вертикально, так что скатывающийся падает очень быстро. Когда у нас много конфет, то и на съедение их выпадает много. Но кривая постепенно теряет свою крутизну, пока не станет почти горизонтальной к концу горки; чем меньше сладостей у нас остается, тем меньше конфет мы получаем с каждым новым днем. Каждая конкретная конфета падает буквой М вверх или вниз случайно и непредсказуемо, но предсказуемое затухание экспоненциальной кривой водной горки проявляется в количестве остающихся у нас с течением времени конфет.