Восемь этюдов о бесконечности. Математическое приключение

Затем первый игрок ставит следующий крестик, второй игрок ставит следующий нолик, и так продолжается до тех пор, пока один из них не будет вынужден съесть отравленную дольку и умереть (разумеется, метафорически).

Осторожно: эта игра затягивает!

Можете попробовать поиграть в нее на доске размером 7 × 4 (7 строк и 4 столбца или наоборот).

Если в эту игру играют на доске с равным количеством строк и столбцов, существует стратегия, при помощи которой первый игрок всегда побеждает. Можете ли вы ее найти? Подумайте минуты три.

Решение

Первый игрок должен выбрать клетку, расположенную по диагонали над ядом.

После этого все ответные ходы первого игрока должны быть симметричны ходам второго:

* Первый ход соперника

** Ответный ход первого игрока

Теперь должно быть ясно, как выиграть эту партию.

Ситуация становится гораздо более сложной, когда игра идет на доске, количества строк и столбцов на которой не равны; однако и в этом случае можно доказать, что для начинающего партию игрока существует выигрышная стратегия. К сожалению, доказательство не уточняет, в чем именно эта стратегия заключается. Математики называют такие доказательства «неконструктивными доказательствами существования».

И наконец, выполним упражнение.

Найдите выигрышную стратегию для первого игрока в игре на прямоугольной доске размером 2 × N (2 строки, N столбцов).

Подсказка: Чтобы получить симметричную позицию, как на квадратной доске, нужно прийти к положению, в котором незанятой останется только клетка с ядом или еще две клетки – одна над ядом и одна справа от него.

А теперь, когда вы (я надеюсь) решили эту задачу, что, по-вашему, произойдет, если на доске будут две строки и бесконечное количество столбцов? Кто выиграет теперь? Бесконечность – злостный нарушитель правил!

1

Чудесный мир чисел: Пифагор

Человек и легенда

Я впервые услышал о Пифагоре, когда учился в 4 классе и записался в математический кружок – на внешкольные занятия, предназначенные для тех странных детей, которые любят проводить свое свободное время, изучая необычные геометрические фигуры и завязывая отношения с числами, в которых скрываются загадочные секреты. Мне нравилось даже произносить само это имя: Пи-фа-гор. Мне сразу же показалось, что человек с таким необычайно звучащим именем и сам должен быть личностью необыкновенной. И я не ошибся. Многие считают Пифагора (ок. 570 – ок. 495 г. до н. э.) одним из самых интересных философов досократовской эпохи. Еще «отец истории» Геродот (ок. 485 – ок. 425 г. до н. э.) называл Пифагора одним из величайших философов Древней Греции. Даже Гераклит (ок. 535 – ок. 475 г. до н. э.), философ чрезвычайно спесивый, сетовавший на глупость всего человечества (за исключением, разумеется, самого себя), признавал, что Пифагор свое дело знает.

Найти какие-либо достоверные факты о жизни Пифагора нелегко, главным образом потому, что источники, рассказывающие о нем, написаны по большей части уже после его смерти. Сам Пифагор, по-видимому, писал мало – если вообще что-то писал. Однако Диоген Лаэртский{5}, автор книги «О жизни, учениях и изречениях знаменитых философов» (сборника биографий всех великих греков), называет три работы, написанные Пифагором: «О воспитании», «О государстве» и «О природе». Однако так считает практически он один: другие историки в большинстве своем утверждают, что эти книги написаны не Пифагором.

Кстати говоря, многие великие люди так никогда и не удосужились приложить перо к пергаменту: взять хотя бы Сократа, Будду и Иисуса. Жаль только, что никто не сделал для Пифагора то же, что Платон сделал для Сократа, записав его диалоги.

Из всех биографий Пифагора я больше всего люблю две. Одну написал философ-неоплатоник и математик Порфирий (ок. 234 – ок. 305), а вторую – Диоген Лаэртский. Биографии эти лихорадочно хаотичны, изумительно неточны и переполнены противоречиями, что делает их в высшей степени интересными и оставляет огромный простор воображению.

О Пифагоре существует множество легенд. Кое-кто верил, что он сын бога Аполлона. Рассказывали, что его видели в одно и то же время в четырех разных местах. Отметим, однако, что у Диогена в конце жизнеописания Пифагора есть сенсационное заявление, что на самом деле людей по имени Пифагор было четверо[7]. В таком случае одновременное наблюдение четырех «Пифагоров» в четырех разных местах не кажется невероятным. Некоторые клялись, что Пифагор был двух с половиной метров ростом. Другие утверждали, что Пифагор был превосходным кулачным бойцом, ни разу не проигравшим поединка, а отдыхая между боями, он любил играть на лире, распевая стихи из поэм Гомера и Гесиода. Были даже такие, кто заявлял, что пение Пифагора исцеляет недуги. Интересно отметить, что и Порфирий, и Диоген рассказывают одну и ту же историю: якобы однажды, когда философ прогуливался вдоль реки, река приветствовала его словами: «Здравствуй, Пифагор…»

Отметим также и «скромность» Пифагора:

Есть боги, есть люди, а есть Пифагор{6}.

По словам Диогена Лаэртского (если мы ему верим), сам Пифагор никогда не упускал возможности еще более сгустить ту необычайную загадочность, которая окружала его образ. Например, он любил рассказывать о своих «прошлых жизнях», с гордостью демонстрируя, что помнит их до мельчайших подробностей. Так, он вспоминал, что был великим воином Евфорбом и участвовал в Троянской войне. Говорил он и о нескольких менее зрелищных предыдущих жизнях – например, он был успешным купцом, служил при царском дворе, был животным и даже листом на дереве. Откуда Пифагор все это знал? Однажды он повстречал Гермеса, посланца и глашатая греческих богов, и произвел на него, по словам самого Пифагора, такое впечатление, что тот предложил нашему герою любой дар, какого он только пожелает, кроме дара бессмертия. Пифагор решил попросить способность помнить все свои прошлые перерождения. Просите – и дастся вам![8]

Философ-монотеист и поэт Ксенофан (ок. 570 – ок. 475 г. до н. э.) рассказывает, что однажды Пифагор увидел, как некто бьет собаку, и потребовал немедленно прекратить избиение – потому что в собаку вселилась душа его недавно умершего друга. Я надеюсь, что тот человек послушал его, потому что в рассказах о том, что Пифагор был выдающимся кулачным бойцом, возможно, и была доля правды.

Пифагор любил розыгрыши. Однажды он исчез довольно надолго. Потом снова появился в городе исхудавшим до предела – кожа да кости. Он объяснял всем, что был в стране мертвых, и не только рассказывал истории о том, что он «видел» среди усопших, но и рассуждал о событиях, случившихся с еще живыми за время его отсутствия. Как ему это удалось? Очень просто. Все это время он прятался в доме своей матери, придерживаясь диеты, которая подошла бы современной топ-модели. Мать держала его в курсе текущих событий, а что до происшествий в мире мертвых – тут он, разумеется, мог рассказывать все, что взбредет ему в голову. Кто бы мог проверить его сведения?

Несмотря на все вышеизложенное, у нас есть несколько бесспорных фактов о Пифагоре. Вот они.

Пифагор родился приблизительно в 570 г. до н. э. на острове Самос. Когда ему было сорок лет, Поликрат стал «тираном Самоса»[9], и Пифагор бежал с острова, чтобы не оставаться под его властью. Он обосновался в городе Кротоне на юге Италии и основал там Пифагорейский союз. В нем было три отделения – политическое, математическое и теистическое. Утверждается, что в момент наивысшего расцвета в союзе состояло около 300 членов.

В некоторых из более поздних биографий Пифагора подчеркивается то огромное воздействие, которое он оказал на жизнь в Кротоне. Рассказывают, что Пифагор убедил жителей Кротона отказаться от мздоимства. Он превратил их в совершенных аскетов, преданных братской любви и стремившихся к знанию, справедливости и смыслу. Пифагор был прославленным оратором – несмотря на то что часто говорил из-за занавеса, так, чтобы никто не видел его лица. Этот изящный прием, несомненно, еще более усиливал окружавшую его таинственность: надо бы и мне использовать его, когда я разговариваю со своими студентами.

Прежде чем обосноваться в Кротоне, Пифагор совершил несколько путешествий в поисках фундаментальных знаний. Он побывал в Египте, Финикии, Аравии, Иудее и Вавилоне (который входил тогда в состав Персидской империи). Египтяне научили его геометрии, халдеи – астрономии, а маги – то есть зороастрийцы – преподали ему принципы религии и практические правила добродетельной жизни. Возможно, он даже добрался до Индии (в то время путешествия в Индию были не так популярны, как сейчас). Однако не вполне ясно, с какими именно замечательными людьми он там встретился и какие именно жемчужины мудрости оттуда вынес.

Существует множество версий относительно смерти Пифагора. Как вы, возможно, догадываетесь, они по большей части весьма драматичны. Я же предлагаю вам самую прозаическую из этих версий: Пифагор умер от естественных причин в возрасте 90 лет.

О музыке и числах

В то время как Пифагор и его ученики исследовали законы Вселенной, они изучали и законы музыки. Вы, конечно, помните, что Пифагор обожал распевать песни Гомера и Гесиода («Величайшие хиты Древней Греции»), бренча на своей лире. Пифагор полагал, что музыка оказывает огромное влияние на душу и может вызывать чрезвычайно сильные эмоции. Если вы в этом сомневаетесь, прочтите «Крейцерову сонату» Льва Толстого. Сейчас нам ясно, что открытое Пифагором наличие у музыкальных гамм численной основы сильнейшим образом повлияло на пифагорейцев. Можно привести множество разных примеров проявления этой численной основы. Например, Пифагор установил, что длины струн двух нот, отстоящих друг от друга в точности на одну октаву (например, от до – до – до), соотносятся как 1:2. Струны двух нот, отстоящих на квинту (например, до – соль), находятся в соотношении длин 2:3, а струны двух нот, отстоящих на кварту (например, до – фа) – в соотношении 3:4.

Музыка есть удовольствие, которое человеческий разум испытывает от счета, не сознавая, что он считает.

Готфрид Лейбниц

Открытие Пифагора – что музыку можно преобразовывать в математические выражения – было важным шагом на его пути к сенсационному выводу, что и весь мир в целом так или иначе основан на числах. Более того, Аристотель отмечает в «Метафизике», что пифагорейцы первыми стали изучать математику и пришли к заключению, что законы математики управляют законами всего сущего.

Какие научные законы гарантируют, что должны существовать научные законы?

Мартин Гарднер

Математика управляет и изобразительным искусством. Перспектива основана на геометрии и пропорциональности (размеры предметов, изображенных на двумерной поверхности, уменьшаются пропорционально увеличению расстояния от зрителя), а принципы композиции основываются на свойствах геометрических фигур.

Геометрия есть основа всей живописи.

Альбрехт Дюрер

Но Пифагор пошел на шаг дальше. Он также использовал язык геометрии для определения хорошего и дурного, правильного и неправильного. Например, вместо терминов «хороший» и «дурной» он употреблял слова «прямой» и «искривленный» (по-гречески, разумеется). Мы и сейчас иногда называем нечестное «кривым», а ложь «кривдой». Прямая линия казалась ему благородной, искривленная – неблаговидной. Возможно, отголоски этой концепции до сих пор можно найти в выражении «прямой человек», так как никакой связи между осанкой человека и его искренностью или добросовестностью, разумеется, нет.

Начало прекрасной дружбы – дружественные числа

Аристотель сказал однажды, что истинные друзья – это два тела с одной общей душой. А как определял дружбу Пифагор? Тут нас ожидает сюрприз.

По словам ученого-неоплатоника Ямвлиха (ок. 245 – ок. 325), автора еще одной биографии Пифагора, пифагорейское определение дружбы выражается двумя числами – 284 и 220.

Что?! Почему?!

Чтобы понять, откуда взялась эта идея, сложите все делители числа 220 (числа, на которые 220 делится без остатка), а затем сложите все делители числа 284. Сами эти числа включать в суммы не нужно.

Делители 220 – 1, 2, 4, 5, 10, 11, 20, 22, 44, 55 и 110, а их сумма равна 284.

Делители 284 – 1, 2, 4, 71 и 142, а их сумма равна (чему бы вы думали?) 220!

Пифагорейцы считали, что близкие друзья подобны паре чисел, сумма делителей каждого из которых равна второму числу. В математике такую пару чисел называют дружественными числами.

Другие пары дружественных чисел можно найти при помощи компьютера. Помимо пары (220, 284) есть еще (1184 и 1210), (2620 и 2924), (5020 и 5564) и (6232 и 6368). Кроме этих пяти, других таких пар среди чисел до 10 000 нет. Если вам совсем нечего делать, попробуйте проверить, действительно ли эти пары – пары дружественных чисел. Другими словами, сложите собственные делители каждого числа (без самого этого числа) и посмотрите, равна ли их сумма второму числу пары.

Если хотите, вы можете взяться и за еще более трудную задачу – попытаться найти другие пары дружественных чисел. Для этого вы, вероятно, захотите прибегнуть к помощи компьютера, но имейте в виду, что в 1636 г. французский математик-любитель Пьер Ферма установил, что числа 17 296 и 18 416 образуют пару дружественных чисел, а два года спустя знаменитый французский философ и математик Рене Декарт открыл еще одну такую пару – 9 363 584 и 9 437 056.

ДЕКАРТ, БЕСКОНЕЧНОСТЬ И БОГ

На Декарта произвела глубокое впечатление концепция «бесконечности». В книге «Рассуждения о первой философии» он даже использует эту концепцию для «доказательства» существования Бога. Рассуждает он при этом приблизительно следующим образом:

«Поскольку сам я – существо конечное, я, очевидно, не могу изобрести концепцию бесконечности, так как по-настоящему охватить в своих мыслях понятие бесконечности может лишь нечто, само бесконечное. Следовательно, создателем концепции бесконечности может быть только Бог. Поскольку я могу осознать бесконечного Бога, а Бог – единственный, кто мог создать эту идею, значит, справедливо утверждение, что Бог существует!»

В XVII в. компьютеров не было – не говоря уже об интернете и социальных сетях, – что делает достижения Ферма и Декарта еще более поразительными. Как же они открыли эти огромные дружественные числа? Читайте дальше. По мнению некоторых историков математики, Декарт добился этого не вполне самостоятельно. На самом деле ту пару дружественных чисел, которую он опубликовал, нашел еще в XVI в. персидский математик Бакир Язди! Хорошо известно, что арабские математики знали довольно много пар дружественных чисел задолго до того, как их заново обнаружили математики Запада.

Более того, еще в IX столетии иракский математик, астроном и врач Сабит ибн Курра (826–901) сформулировал достаточное условие{7} дружественности двух чисел{8}. Много веков спустя Декарт и Ферма нашли его формулу и использовали ее для своих «открытий».

Интересно отметить, что вторая по порядку возрастания пара дружественных чисел (1184 и 1210) не была открыта до 1866 г. Ее открыл итальянский мальчик по имени Б. Николо И. Паганини (не знаменитый скрипач и композитор!). Непонятно, как все до единого математики со времен Пифагора умудрились не заметить эту прекрасную пару. Одной из причин этого может быть то обстоятельство, что к ней неприменим критерий, который разработал Сабит ибн Курра. Но может быть, дело просто в том, что «если ищешь ничто, то ничего и не найдешь».

К 2007 г. было открыто около 12 000 000 пар дружественных чисел. Как это ни странно, мы, по-видимому, живем в очень дружелюбном мире.

Числа женские и числа мужские

У Пифагора было много разных концепций относительно чисел: в частности, он верил, что у чисел бывают женские и мужские черты. Например, нечетные числа можно считать числами женского пола, а четные – мужского. Заметим теперь, что во все упомянутые до сих пор пары дружественных чисел входят только мужские (четные) числа.

Это, естественно, заставляет спросить: существуют ли и пары дружественных женских чисел? Оказывается, существуют. Вот несколько таких примеров: (11 285 и 14 595), (67 095 и 71 145) и (522 405 и 525 915).

А это подводит нас к самому главному вопросу: возможна ли «дружба» между числом мужским и числом женским? Другими словами, может ли быть так, чтобы суммы делителей нечетного и четного числа были равны этим числам?

На время написания этой книги никто еще не нашел ответа на этот вопрос. С одной стороны, до сих пор не найдено ни одной такой пары; с другой – невозможность ее существования тоже пока что никем не доказана.

На этом я временно оставлю Пифагора (я еще вернусь к нему в этой главе), потому что разговор о дружественных числах навел меня на мысль о некоторых других антропоморфных характеристиках чисел, о которых интересно сделать несколько отступлений.

Самовлюбленные числа

У меня нет почти ничего общего с самим собой.

Франц Кафка

Я вполне уверен, что существуют такие люди, про которых можно сказать, что у них установились глубокие дружеские отношения с самими собой. Но давайте попытаемся мыслить так, как мог мыслить Пифагор, и поинтересуемся не ими, а числами: существуют ли такие числа, суммы собственных{9} делителей которых равны самим этим числам?

Числа, обладающие этим свойством, называют совершенными числами. Сразу (то есть, разумеется, после некоторого размышления) становится ясно, что первые два совершенных числа – это 6 и 28. Здесь я сделаю небольшую паузу, чтобы мой умудренный читатель смог самостоятельно убедиться в том, что 6 и 28 – действительно совершенные числа.

Ответ: 1 + 2 + 3 = 6, 1 + 2 + 4 + 7 + 14 = 28.

Что касается числа 6, вот что писал в книге «О граде Божьем» (De Civitate Dei) Блаженный Августин Иппонийский (354–430): «Не потому шестеричное число совершенно, что Бог создал все дела Свои в шесть дней, а потому Он и создал Свои дела в шесть дней, что шестеричное число совершенно».

Следующее после 28 совершенное число – 496, а следующее за ним – 8128. Русский писатель Лев Толстой любил хвастаться, что родился в «почти совершенном» году – 1828-м. Вот если бы он родился 28 июня, тогда ему действительно было бы чем гордиться (не говоря уже о том, что число 6,28 к тому же близко к 2π)[10].

Возможно, вы заметили в этой последовательности – 6, 28, 496, 8128… – некую закономерность. Любители выдвигать гипотезы могут сделать следующее предположение: последняя цифра совершенного числа бывает поочередно равна 6 и 8.

Однако эта гипотеза оказывается ошибочной. Пятое совершенное число равно 33 550 336, то есть вписывается в эту тенденцию. Но уже шестое – 8 589 869 056 – тоже заканчивается на шестерку и тем самым нарушает закономерность. Может быть, гипотезу можно слегка подправить и предположить, что все совершенные числа заканчиваются либо на 6, либо на 8.

Посмотрим на первые девять совершенных чисел:

6

28

496

8128

33 550 336

8 589 869 056

137 438 691 328

2 305 843 008 139 952 128

2 658 455 991 569 831 744 654 692 615 953 842 176

В последнем из них 37 знаков (а сумма всех его собственных делителей равна самому этому числу!).

В десятом числе 54 знака, а в одиннадцатом – 65, и заканчивается оно цифрами 8128, то есть в точности четвертым совершенным числом. Кстати говоря, найдены совершенные числа с миллионом (!) знаков. Не стесняйтесь – выдвигайте свои гипотезы.

Головоломка для сильных учеников

Докажите, что любое четное совершенное число заканчивается либо на 6, либо на 8. В этом вам могут помочь приведенные ниже равенства.

6 = 1 + 2 + 3.

28 = 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 = 1³ + 3³.

496 = 1 + 2 + 3 + 4 + … + 31 = 1³ + 3³ + 5³ + 7³.

8128 = 1 + 2 + 3 + 4 + … + 127 = 1³ + 3³ + 5³ + … + 15³.

Более того, французский математик Эдуард Люка (1842–1891) доказал даже, что любое четное совершенное число должно заканчиваться на 16, 28, 36, 56, 76 или 96. Как ему это удалось? Не без труда!

Пока что мы видели только семь совершенных чисел, и все они четные. Естественно, хочется спросить: а бывают ли нечетные совершенные числа?

В конце XIX в. британский математик Джеймс Сильвестр писал, что открытие нечетного совершенного числа было бы настоящим чудом. Даже теперь многие математики склонны полагать, что ответ на этот вопрос должен быть отрицательным. Тем не менее доказать это пока что никто не смог. Вот вам еще одна «открытая проблема» – и еще одна возможность добиться славы и успеха!

Нет ответа и на другой интересный вопрос: бесконечно ли множество совершенных чисел? Можно ли продолжать находить совершенные числа, как бы далеко мы ни продвигались по множеству натуральных чисел? Или же где-то существует самое большое совершенное число?

Эта задача еще не решена и тесно связана с числами Мерсенна, к которым мы еще вернемся.