Мир математики. т.3. Простые числа. Долгая дорога к бесконечности

* * *

Магия и математика

Мы уже говорили о той важной роли, которую информационные центры играют на протяжении всей истории науки. Сейчас мы остановимся еще на одном аспекте, который имел особое значение для истории математики, особенно для теории чисел: на связи магии и математики. Под магией мы подразумеваем историческую математическую традицию, называемую арифмологией или (чаще) нумерологией.

Связь между математикой и нумерологией аналогична связи между астрономией и астрологией или между химией и алхимией. В настоящее время эти пары практически не пересекаются, но на протяжении веков эти связи были достаточно прочны и не могут быть проигнорированы, если мы хотим понять, как развивалась каждая область в разные исторические периоды.

Числа, и в особенности простые числа, всегда были предметом не только математических, но и философских исследований, и даже элементами религиозных культов.

Являясь частью таких систем, они использовались по-разному. Они встречаются в Библии, в магических квадратах, в магических суммах и особенно в философии пифагорейской школы, для которой геометрические фигуры и цифры были основой всего сущего.

Поэтому имена таких известных математиков, как Мерсенн и Ферма, окружены тайнами и легендами. Владея самыми простыми математическими методами, они добились впечатляющих результатов, прославивших их на века. Французский математик и историк Аибри писал: «Ферма знал то, чего не знаем мы, и, чтобы повторить его результаты, нам требуются более совершенные методы, чем известные в его время». Кстати, в отличие от многих математиков того времени, Ферма не пытался скрывать свои знания, хотя и оставлял в тайне методы, с помощью которых он эти результаты получал.

В истории математики были такие периоды, когда математическая строгость, по сути родившаяся в XVIII в., не имела того значения, которое мы уделяем ей сегодня. В те времена математика была набором инструментов для практических целей, а не теоретической наукой. Таким образом, традиционный подход, проникнутый мистическим символизмом, не препятствовал развитию науки, а наоборот, давал простор воображению.

Таким образом, представление о математике может быть неверным из-за ошибочных представлений о том, как великие математики делали свое дело. Незнание того, как именно работают математики, ведет не только к непониманию природы математических исследований, но и в некоторой степени является причиной непопулярности этой науки. Конечный результат исследований, который обычно принимает форму теоремы, выглядит в переработанном и отшлифованном виде так, что почти всегда оказывается слишком непонятным для людей, не имеющих соответствующей подготовки.

Постороннему человеку трудно увидеть красоту в математических формулировках, которые содержат много технических деталей и чистой логики. Однако сам исследователь шел не по такому ясному и логичному пути, а долго блуждал в кромешной тьме в дремучем лесу чисел в поисках едва различимых тропинок.

* * *

КНИГА ЧИСЕЛ

«Числа» — это четвертая книга Библии и одна из частей Торы, содержащей Пятикнижие Моисея.

На первый взгляд, «Числа» является книгой счетов и, следовательно, представляет несомненную историческую ценность, так как в ней тщательно перечисляются все количества, от вождей племен до голов крупного рогатого скота, то есть книга служит историческим фоном для событий, описанных в других святых книгах. Однако «Числа» — это еще и книга секретных кодов для тех посвященных, кто может их расшифровать, потому что эти числа не только представляют собой количества, но и имеют особый смысл. Например, число 1 символизирует Бога, 2 — человека, 3 — совокупность вещей и так далее. Интересно, что число 5 представляет собой неопределенное количество, «несколько». Например, во время Нагорной проповеди при умножении хлебов Иисус взял пять хлебов, то есть «несколько хлебов». Особенность заключается в том, что число 5 является первым количеством, которое мы не можем определить с одного взгляда. Известно, что если группа содержит меньше пяти объектов, мы определяем их количество, фактически не считая их, а большие количества мы мысленно делим на группы по четыре предмета или меньше и затем складываем результаты.

Тора известна христианам как Пятикнижие и составляет первые пять книг Ветхого Завета.

* * *

Тот факт, что математика исследует самые тайные интеллектуальные ландшафты, беспокоил некоторых хранителей морали. Например, вот что говорил святой Августин: «Добрый христианин должен остерегаться математиков и всех прочих пустых предсказателей. Существует опасность того, что математики заключили договор с дьяволом, чтобы помрачить дух человеческий и увлечь его в ад».

В дополнение к тому, что мы называли информационными центрами и магическими аспектами чисел, есть еще один момент, на который следует обратить внимание при изучении истории теории простых чисел. Это исключительный дар в обращении с числами, которым обладают некоторые люди, — способность, в большинстве случаев сочетающаяся с исключительным даром слова. Многие известные математики, имена которых связаны с теорией простых чисел, также имели необычайные способности к языкам. Само по себе это не удивительно, ведь, как мы говорили в начале книги, цифры и слова связаны между собой как наиболее абстрактные понятия, используемые человеком. В ранние периоды, когда устройств, помогающих в вычислениях, практически не существовало, способность считать в уме являлась существенным преимуществом. Эта способность выходит далеко за рамки простых численных вычислений, ибо такое умение более подходит шоумену, чем математику.

Великие математики, такие как Ферма, Мерсенн, Эйлер и Рамануджан, обладали чудесным даром «видеть» мир чисел. Эта способность позволила им открыть такие связи, которые только они могли заметить. Но доказательство этих соотношений часто оставалось за пределами их возможностей, а иногда за пределами их интересов.

* * *

ЛЮДИ-КАЛЬКУЛЯТОРЫ

Люди-калькуляторы появились в XIX в. Для развлечения толпы они выполняли на сцене арифметические вычисления в уме. Вскоре они стали модными и выступали в европейских и американских театрах, привлекая зрителей своими удивительными способностями. Зера Колберн, один из первых профессиональных калькуляторов, история которого достоверно известна, родился в Каботе, штат Вермонт (США), в 1804 г. Однажды его попросили умножить 21734 на 543. Почти сразу же он дал ответ: 11801562. Когда кто-то из зала спросил его, как он это сделал, он ответил: «Я увидел, что 543 в три раза больше 181. Сначала я умножил 21734 на три, а затем умножил результат на 181». (Обычно ему требовалось всего несколько секунд для умножения пятизначных чисел.) Это произошло в 1812 г., когда Колберну было всего восемь лет.

Глава 3

Новые парадигмы

В середине XVII в. происходил подъем многих областей науки, которая в то время вышла за пределы традиционных учебных заведений. Тогда уже существовали многие европейские университеты, являвшиеся центрами развития научных знаний, но они не спешили переходить к новым способам познания. Это было серьезной проблемой для тех, кто желал заниматься научными исследованиями вне академических структур, потому что только сотрудники учебных заведений могли получать зарплату за свою работу. Наступил период меценатства, когда богатые дворяне и помещики гордились тем, что поддерживают великих мыслителей. Таким образом их имена оказывались связанными с новыми идеями и открытиями.

Большинство биографов того времени упоминали не только имена великих ученых, но и их покровителей. Однако временами возникали проблемы с общением ученых между собой.

Тогда появились специализированные учреждения для обеспечения научных коммуникаций. Одним из них являлась Французская академия наук, основанная в 1666 г. Людовиком XIV по предложению Жан-Батиста Кольбера, возникшая в монашеской келье парижского монастыря. В этой келье жил отец Мерсенн.

Марен Мерсенн

Мерсенн родился 8 сентября 1588 г. в Уазе (в наши дни это департамент Сарта). О первых годах его жизни известно немного. Мы знаем, что в 1604 г. он поступил в иезуитский коллеж в Ла-Флеш (основанный в 1603 г. Генрихом IV), где учился в течение года. Там он близко сошелся с другим учеником коллежа, Рене Декартом, дружбу с которым пронес через всю жизнь.

В 1609 г. Мерсенн начал изучать теологию в Сорбонне, а через два года, окончив университет, присоединился к францисканскому ордену «минимов».

В 1612 г. он был рукоположен в священники монастыря Благовещения в Париже. С 1614 по 1618 гг. преподавал философию в Неверском монастыре. Затем Мерсенн вернулся в свою келью, где оставался до самой смерти 1 сентября 1648 г. Желая служить науке до конца, Мерсенн написал в завещании, чтобы его тело передали на медицинский факультет для анатомических исследований.

Первые работы Мерсенна носят чисто богословский характер и включают следующие сочинения: «Рассуждения на Книгу Бытия» (1623), «Истина науки против скептиков и пирроников» (1625), «Теологические, физические, моральные и математические вопросы» (1634). Один из его научных трудов, «Всеобщая гармония» (1636), содержит формулу, связывающую длину струны и высоту звука, который она издает при колебании.

Эта формула позволила ему создать музыкальный строй, где каждая октава делится на математически равные интервалы. Тем самым ученый уничтожил пифагорову комму (разницу между суммами квинт и октав в пифагоровом строе) и заложил основы величайшей революции в истории музыки — хроматического, или равномерно темперированного, строя.

Марен Мерсенн (1588–1648).

* * *

МОНАШЕСКИЙ ОРДЕН «МИНИМОВ»

Само название ордена говорит о том, что его члены обязаны придерживаться строгих аскетических практик. Целью ордена было избегать любых доктрин, которые провозглашают излишне строгие убеждения и правила поведения. И действительно, единственное, что члены ордена категорически не принимали, был атеизм. По сути, они посвящали себя молитве, науке и преподаванию и следили за тем, чтобы их религиозные убеждения не мешали их научной и педагогической деятельности. Доказательством этого является горячая поддержка Мерсенном идей Галилея.

* * *

Числа Мерсенна

Величайшей чисто математической работой Мерсенна является трактат «Физико-математические размышления» (1644), в котором появляются знаменитые простые числа, названные его именем. Во введении Мерсенн пишет, что для ряда простых чисел от 2 до 257 число 2Р — 1 тоже является простым, если р имеет одно из следующих значений:

2, 3, 5, 7, 13, 17, 19, 31, 67, 127, 257.

Если число 2 возвести в степень, равную последнему числу из этого списка, то получится число, состоящее из 77 цифр. До сих пор остается загадкой, как Мерсенну удалось доказать, что полученное число является простым, имея в своем распоряжении лишь методы вычислений того времени.

Легко показать, что если 2Р — 1 является простым числом, то и р должно быть простым (или, что то же самое, если р не является простым, то и 2Р  — 1 не будет простым). Этот результат, который уже был известен в то время, привел Мерсенна к вопросу: что произойдет, если число р, которое уже является простым, подставить в это выражение? В то время было также известно, что 2Р — 1 является простым числом для значений р = 2, 3, 5, 7, 13, 17 и 19, но не для р = 11.

Прошло 100 лет, прежде чем Эйлеру удалось доказать, что 231 — 1 является простым числом. В 1947 г. был наконец получен полный список: который показывает, что изначальный список Мерсенна содержал два неправильных числа, и в нем не хватало еще трех. Тем не менее эти числа продолжают называть «числами Мерсенна», и в настоящее время они играют важную роль в так называемых «тестах простоты» — алгоритмах, определяющих, является ли число простым.

р = 2, 3, 5, 7, 13, 17, 19, 31, 61, 89, 107 и 127,

Мерсенн изучал колебания струн и создал музыкальный строй, где октава делится на равные интервалы.

* * *

ЦЕНТР НАУЧНОЙ МЫСЛИ

Маленькая келья, в которой Мерсенн провел последние 30 лет жизни в монастыре «минимов» рядом с Пале-Рояль, стала средоточием европейской науки. Считалось даже, что сообщить Мерсенну о своем открытии было равносильно распространению публикации по всей Европе.

После его смерти в келье были обнаружены документы, подтверждающие, что Мерсенн поддерживал исследования и вел переписку с 78 респондентами, среди которых были такие известные ученые, как Торричелли, Декарт, Паскаль, Гассенди, Роберваль, Богран и Ферма.

* * *

Пьер де Ферма

Ферма (1601–1665) стал настоящей легендой в мире математики. Его открытия, особенно в области теории чисел, основателем которой он считается, снискали ему славу «князя математиков-любителей». Кроме того, он в совершенстве владел классическими языками, латинским и греческим, и большинством европейских языков, на которых говорили в то время.

Ферма был богат и знатен, что позволило ему в полной мере предаваться своей страсти к числам. Он родился в богатой семье, и его юридическое образование позволило ему получить должность представителя местных властей в Тулузе. Одним из требований к кандидату на этот пост был отказ от всех видов социальной деятельности, с тем чтобы избежать любых подозрений в коррупции. Ферма женился на Луизе де Лонг, дальней родственнице матери, и у них было трое детей. Старший, Клеман-Самуэль, позже издал работы отца, а две дочери Ферма стали монахинями.

Ферма почти никогда не путешествовал, только один раз он был в Париже, где по рекомендации влиятельного французского математика Пьера де Каркави (1600–1684) встретился в монастыре с отцом Мерсенном.

Некоторые люди любят выращивать цветы и тратят много времени на выведение новых сортов из семян, привезенных из дальних стран, или на создание гибридов, которые иногда приносят приятные сюрпризы. Ферма выводил новые сорта чисел.

Однажды утром он словно по мановению волшебной палочки мог открыть новый вид чисел, что для обычных людей казалось магией. В отличие от других математиков, которые скрывали результаты своей работы, Ферма делился ими со всеми, хотя почти никогда не объяснял, как он их получил. Утверждение, что «любое число вида 4n + 1 является суммой двух квадратов», было, например, одним из многих результатов, которые Ферма так и не объяснил, и только Эйлер в 1749 г. доказал этот факт после семи лет напряженной работы. Гаусс как-то сказал, что этот результат был «одним из самых красивых цветков, которые Ферма обнаружил в саду чисел».

Малая теорема Ферма

В 1995 г. имя Ферма попало на первые полосы газет благодаря Эндрю Уайлсу, который доказал одну из самых знаменитых гипотез в истории: если n — целое число, большее 2 (n > 2), то не существует целых чисел х, у и z, отличных от 0 и удовлетворяющих уравнению

xn  + yn = zn.

Это гипотеза известна также как «последняя теорема Ферма».

Однако существует и другая, менее известная теорема, называемая «малой теоремой Ферма», которая оказалась особенно актуальной в теории простых чисел. Впервые она была сформулирована в письме, отправленном Ферма 18 октября 1640 г. своему другу, тоже математику-любителю, Бернару Френиклю де Бесси (1605–1675), с которым Ферма делился своими результатами (оба были членами кружка Мерсенна). В письме говорилось: «Каждое простое число эквивалентно степени минус один с любым основанием и показателем, равным данному простому числу минус один… И это утверждение, как правило, справедливо для всех оснований и всех простых чисел. Я бы Вам прислал доказательство, если бы оно не было таким длинным».

Последняя теорема Ферма была доказана в 1995 г. английским математиком Эндрю Уайлсом. Два года спустя он опубликовал предварительное доказательство, где, однако, была ошибка, которую он впоследствии смог исправить.

Ферма снова опускает доказательство, оправдывая это тем, что оно слишком длинное, как и в случае с его более знаменитой последней теоремой. Большинство историков считают, что, скорее всего, великий математик не имел доказательства этих и многих других высказанных им утверждений. Во всяком случае, Ферма считал себя математиком-любителем и мог позволить себе некоторую свободу.

Формулировка теоремы в письме, посланном Френиклю де Бесси, звучит довольно загадочно и неясно, поэтому мы приведем ее в современной терминологии.

Два числа называются взаимно простыми, если они не имеют общих делителей.

Например, 8 и 27 взаимно просты, так как не имеют общих делителей: 8 = 23 и 27 = 33 С другой стороны, 12 и 15 не являются взаимно простыми, так как у них есть общий делитель 3: 12 = 3 х 4, 15 = 3 х 5.

Таким образом, теорема утверждает, что для простого числа р и числа а, взаимно простого с р, разность (ар  — а) делится на р.

Например, возьмем простое число 3 и число 8, которое не делится на 3. Тогда число 83 — 8 = 512 — 8 = 504 делится на 3. И действительно, 504/3 = 168.

Можно сказать, что малая теорема Ферма — малая, да удалая (название «малая» впервые использовал в 1913 г. немецкий математик Курт Гензель), так как она наиболее часто используется в «тестах простоты», определяющих, является ли некое большое число простым.

Даже сам Ферма, скорее всего, пользовался ей для разложения больших простых чисел на множители. Известно, например, что ему удалось представить число 100 895 598169 в виде простых множителей 898 423 и 112 303 в ответ на вопрос Мерсенна, который хотел знать, является ли исходное число простым. Однако неясно, как Ферма мог работать с такими большими числами.

Теорема была впервые доказана Эйлером в 1736 г. У Лейбница было похожее доказательство, но он его не опубликовал. Гаусс также привел еще одно доказательство в своей знаменитой книге «Арифметические исследования», опубликованной в 1801 г. Эйлер позже нашел еще два доказательства. Самым простым является первое доказательство Эйлера, которое можно понять, имея лишь элементарные знания математики (см. Приложение).

* * *

КИТАЙСКАЯ ГИПОТЕЗА

Некоторые документальные источники подтверждают, что еще за две тысячи лет до Ферма математики из Поднебесной сформулировали так называемую «китайскую гипотезу», похожую на малую теорему Ферма. Эта гипотеза утверждает, что число р является простым числом тогда и только тогда, когда 2Р — 2 делится на р. Китайская гипотеза, таким образом, является частным случаем малой теоремы Ферма. Однако обратное утверждение, что если это условие выполняется, то р будет простым, — неверно, поэтому в целом китайская гипотеза ошибочна.

* * *

Напомним, что малая теорема Ферма позволяет установить, является ли число простым, без нахождения его делителей. Покажем это на простом примере.

Пусть р = 9 и а = 2, тогда 29 — 2 = 510. Эта разность не делится на 9, и мы заключаем, что 9 не является простым числом, что и так очевидно. Польза этого простого метода заключается в том, что его можно применять для очень больших чисел.

Нужно отметить, что малая теорема Ферма содержит необходимое, но не достаточное условие: если р — простое число, то условие выполняется, но выполнение условия не означает, что р будет простым. Например, если взять р = 4 и а = 5, то 54 — 5 = 620 делится на 4, но 4 = 2 х 2 является составным числом.

Числа Ферма

«Числами Ферма» называются натуральные числа вида:

Они обозначаются буквой F (по имени Ферма) с соответствующим индексом (n), так что F₀  обозначает первое число Ферма, F₁ — второе и так далее. Посчитаем значения первых пяти чисел Ферма, учитывая, что любое число в степени 0 равно 1:

20  = 1; 21 = 2; 22 = 4; 23 = 8.

Подставляя в формулу, получим: