Тайны чисел: Математическая одиссея - Маркус Сотой

Marcus du Sautoy

THE NUMBER MYSTERIES

A Mathematical Odyssey

Through Everyday Life

Copyright © Marcus du Sautoy, 2011

© Галактионов А. В., перевод на русский язык, 2016

© Издание на русском языке, оформление.

ООО «Издательская Группа «Азбука-Аттикус», 2016

КоЛибри®

Посвящается Шани

Действительно ли происходит изменение климата? Не разлетится ли внезапно Солнечная система? Безопасно ли передавать номер вашей кредитной карты через интернет? Как я могу обыграть казино?

С того времени, как люди научились общаться между собой, они задают вопросы, пытаясь приспособиться к окружающей действительности и предсказать, что сулит будущее. Самый мощный инструмент, созданный нами для навигации по необузданному и сложному миру, в котором мы живем, – это математика.

От предсказания траектории футбольного мяча до оценки популяции леммингов, от взламывания кодов до выигрышной стратегии в игре «Монополия» – всюду математика предоставляет тайный язык для раскрытия секретов природы. Но у математиков нет всех ответов. Есть много глубоких, фундаментальных вопросов, которые еще не поддаются нашим усилиям.

В каждой главе «Тайн 4исел» вам предлагается совершить путешествие по крупному разделу математики, а в конце главы я рассказываю о еще нераскрытой математической тайне. Вы узнаете о нескольких из величайших нерешенных задач всех времен.

Если вы сумеете справиться с одной из этих головоломок, то снискаете не только математическую славу, но и приобретете астрономическое состояние. Американский предприниматель Лэндон Клэй предложил премию в миллион долларов за решение любой из этих математических тайн. Возможно, вам покажется удивительным, что бизнесмен выделил такие огромные средства на премии за решение математических загадок. Но он понимает, что вся наука, технология, экономика и даже будущее нашей планеты зависят от математики.

Каждая из пяти глав книги даст вам представление об одной из этих задач на миллион долларов.

Глава 1 – «Любопытный случай никогда не заканчивающихся простых чисел» – посвящена самому фундаментальному объекту математики – числу. Вы познакомитесь с простыми числами, не только наиболее важными в математике, но также и самыми загадочными. «Математический миллион» ждет того человека, который раскроет их секреты.

В главе 2 – «Рассказ о неуловимой форме» – мы отправимся в ознакомительное путешествие по самым странным и замечательным формам, созданным природой или руками человека: от игральных костей до пузырей, от чайных пакетиков до снежинок. В конечном счете мы возьмемся за самую сложную из этих проблем – форму нашей Вселенной.

Глава 3 – «Секрет победной серии» – покажет вам, что такие разделы математики, как логика и теория вероятностей, могут дать вам преимущество в различных играх. Ставите ли вы на кон ненастоящие игровые деньги, или же рискуете настоящими, математика часто оказывается секретным оружием для достижения успеха. Но некоторые относительно простые игры до сих пор сбивают с толку даже самые выдающиеся умы.

Криптография является предметом главы 4, «Случай кода, не поддающегося взлому». Математика часто играет ключевую роль для расшифровывания секретных посланий. Но я покажу вам, как можно использовать умную математику для создания новых шифров, которые позволяют вам безопасно общаться через интернет, отправлять послания через пространство и даже читать мысли вашего друга.

Глава 5 повествует о том, чему мы так желаем научиться. Это «Поиск предсказания будущего». Я объясню, каким образом математические уравнения оказываются лучшими гадалками. Они предсказывают затмения, объясняют, почему бумеранги возвращаются назад, и говорят в конечном счете, какое будущее ждет нашу планету. Но мы до сих пор не умеем решать некоторые из этих уравнений. В конце главы обсуждается проблема турбулентности, которая влияет на все – от штрафных ударов Дэвида Бекхэма до движения самолетов, и тем не менее остается одной из величайших тайн математики.

Математика, которая представлена в этой книге, будет и простой и сложной. Нерешенные задачи, которые завершают каждую главу, настолько трудны, что никто не знает, как разобраться с ними. Но я верю в пользу приобщения людей к великим идеям математики. Нас вдохновляет литература, когда мы знакомимся с Шекспиром или Стейнбеком. Музыка моментально оживает во всем своем великолепии, когда мы слышим Моцарта или Майлса Дэвиса. Разумеется, самому трудно исполнять Моцарта, Шекспир также требует напряжения даже у искушенного читателя. Но это вовсе не означает, что мы должны доверить работы этих великих творцов только знатокам. То же относится и к математике. Если что-то в ней кажется сложным, наслаждайтесь тем, что сумели понять, и вспомните то чувство, которое возникло у вас при первом чтении Шекспира.

В школе нас учат, что математика лежит в основе нашей деятельности. В этих пяти главах я хочу вдохнуть в математику жизнь и познакомить вас с некоторыми величайшими математическими достижениями. Я также хочу предоставить вам возможность сравнить себя с самыми изощренными умами за всю историю, когда мы будем знакомиться с несколькими из тех задач, которые остаются нерешенными. Надеюсь, в конце вы поймете, что математика на самом деле составляет сердцевину всего, что мы видим, и всего, что мы делаем.

У этой книги есть собственный веб-сайт: http://www.4thestate.co.uk/2012/08/numbermysteries. На протяжении книги я буду ссылаться на PDF-файлы, которые вы можете загрузить с этого сайта, чтобы сыграть в некоторые игры или создать формы, упомянутые в книге.

В тексте также имеются ссылки на внешние веб-сайты. Вы можете зайти на них обычным образом, напечатав адрес в вашем веб-браузере, либо воспользоваться смартфоном, чтобы сосканировать QR-код, приведенный рядом с каждым веб-адресом. Вам необходим смартфон, умеющий распознавать эти коды, на который необходимо установить QR-ридер. Чтобы сосканировать код, запустите QR-ридер и направьте фотокамеру смартфона на этот код при хорошем освещении.

Помимо этого имеется приложение для iPhone, которое называется «Marcus du Sautoy’s Number Mysteries». Оно включает интерактивные версии ряда игр, упомянутых в книге.

Также приведу некоторые другие сайты, которые вам может быть интересно посетить:

www.conted.ox.ac.uk Если вы хотите углубиться в некоторые из идей или тем этой книги, обратите внимание на пятинедельный курс, разрабатываемый факультетом непрерывного образования Оксфордского университета.

http://rigb.org/education/games/microsites/microsite-number-mysteries Здесь содержатся мои рождественские лекции, прочитанные в 2006 г. в Королевском институте. На этом сайте имеется немало флеш-игр – задача коммивояжера, шифры, которые требуется взломать, и многое другое.

http://people.maths.ox.ac.uk/dusautoy Моя домашняя страница, там вы можете найти избранные материалы из математических журналов и средств массовой информации.

www.simonyi.ox.ac.uk Официальный сайт занимающего должность профессора Симони в Оксфордском университете, учрежденную для популяризации науки. На этом сайте имеется список событий, в которых я собираюсь принять участие.

http://twitter.com/MarcusduSautoy Присоединяйтесь к моему твиттеру.

www.mangahigh.com Разрабатываемая мной онлайновая математическая школа, содержащая бесплатные онлайн-игры и ресурсы для помощи в захватывающем постижении математики.

www.whatevertrevor.com Разрабатываемая мной бесплатная футбольная игра. Используйте свои математические способности, чтобы попытаться предсказать положение команд в итоговой таблице Премьер-лиги в следующем сезоне, и вы можете выиграть денежный приз!

www.claymath.org Веб-сайт математического Института Клэя, где содержится математическое описание задач на миллион долларов.

http://turnbull.mcs.st-and.ac.uk/~history Замечательный ресурс с биографиями математиков, созданный Сент-Эндрюсским университетом.

http://mathworld.wolfram.com Хороший сайт с более формальными определениями и объяснениями математического материала.

http://www.maths.ox.ac.uk/study-here/undergraduate-study/outreach/marcus-marvellous-mathemagicians Могущественные матемаги Маркуса, или сокращенно М3, – команда оксфордских студентов, способствующих распространению математического знания. М3 проводит семинары, организует лекции по математике для самых разнообразных аудиторий.

Издательство не несет ответственности за содержание какого-либо из упомянутых сторонних сайтов.

1, 2, 3, 4, 5… Это кажется так просто: прибавьте 1, и вы получите следующее число. Но, несмотря на эту простоту, без чисел мы оказались бы в полном неведении. Кто победил в противостоянии «Арсенал» – «Манчестер Юнайтед»? Мы не знаем. Выступление каждой команды характеризуется множеством чисел. Где-то в середине этой книги говорится о выигрыше в Британской национальной лотерее. А сама лотерея? Участие в ней было бы безнадежным без чисел. Поразительно, насколько существен язык чисел для нашего взаимодействия с миром.

Даже в животном царстве числа фундаментальны. Стаи животных принимают решение сражаться или обращаться в бегство, исходя из того, превосходят ли они численностью соперничающие стаи. Их инстинкт выживания связан с математическими способностями, но за очевидной простотой списка чисел лежит одна из величайших тайн математики.

2, 3, 5, 7, 11, 13… Это неделимые простые числа, кирпичики, из которых строятся все остальные числа, – кислород и водород в мире математики. Эти главные герои нашего рассказа подобны драгоценным камням, рассеянным в бесконечном пространстве чисел.

Однако, несмотря на свою важность, простые числа представляют одну из самых мучительных головоломок, с которыми мы столкнулись в нашем поиске знания. Нахождение простых чисел представляется совершенной тайной – по-видимому, нет волшебной формулы, которая бы позволила перейти от предыдущего к следующему. Они напоминают спрятанный клад – и ни у кого нет карты сокровищ.

В этой главе мы исследуем то, что знаем об этих особых числах. В ходе нашего путешествия мы выясним, как различные культуры пытались регистрировать и исследовать простые числа, как музыканты обыгрывали их синкопированный ритм. Мы узнаем, почему простые числа использовались в попытках связи с внеземными цивилизациями и как они помогают хранить секреты в интернете. В завершение главы я посвящу вас в математическую загадку, касающуюся простых чисел. Ее решение принесет вам миллион долларов. Но, прежде чем мы займемся одной из величайших головоломок математики, давайте начнем с одной из величайших числовых тайн нашеговремени.

Переход Дэвида Бекхэма в 2003 г. в мадридский «Реал» сопровождался множеством предположений, почему он решил играть в футболке с номером 23. Многие находили этот выбор странным, ведь до того он играл под номером 7 и за сборную Англии, и за «Манчестер Юнайтед». Беда была в том, что в «Реале» футболку с этим номером носил Рауль, и испанец не собирался отдавать ее гламурному мальчику из Англии. Было выдвинуто множество теорий, чтобы объяснить выбор Бекхэма. Самой популярной из них была теория Майкла Джордана. Мадридский «Реал» хотел прорваться на американский рынок, чтобы продавать копии футболок огромному американскому населению. Но футбол (или «соккер», как они привыкли называть его) не слишком популярен в США. Американцы любят баскетбол или бейсбол, игры, которые могут завершаться со счетом 100: 98 и в которых всегда есть победитель. Они не видят смысла в состязании, которое длится 90 минут, но может закончиться со счетом 0: 0, когда нет ни голов, ни победителей. Согласно упомянутой теории, мадридский «Реал» провел исследование и выяснил, что со всей определенностью самым популярным баскетбольным игроком в мире был Майкл Джордан. Наиболее результативный игрок «Чикаго Буллз» на протяжении всей своей карьеры красовался с номером 23. Все, что требовалось «Реалу», – нанести номер 23 на спину футболки и скрестить пальцы на счастье, надеясь, что сработает волшебная ассоциация с Джорданом, которая поможет им прорваться на американский рынок.

Другие находили подобные домыслы слишком циничными, но сами предлагали более зловещую теорию. Юлий Цезарь был убит 23 ударами кинжала в спину. Был ли выбор Бекхэма для надписи на спине дурным предзнаменованием? Были и те, кто считал, что предпочтение Бекхэма было обусловлено его любовью к «Звездным войнам» (в первом фильме этой саги принцесса Лея была заключенной в блоке АА23). Или же Бекхэм был тайным членом секты дискордианистов? В этом современном культе почитается хаос, и он каббалистически одержим числом 23.

Но, как только я увидел номер Бекхэма, мне в голову пришло более приемлемое математическое обоснование. 23 – простое число. Число называется простым, если оно делится лишь на себя и на 1. Числа 17 и 23 – простые, ведь они не могут быть записаны в виде произведения меньших чисел, в то время как 15 не является простым: 15 = 3 × 5. Простые числа наиболее важны в математике, потому что все остальные целые числа получаются перемножением простых.

Возьмите, к примеру, число 105. Оно с очевидностью делится на 5, и мы можем записать 105 = 5 × 21. 5 – простое неделимое число, но 21 таковым не является: оно представимо в виде 3 × 7. Итак, мы можем записать 105 = 3 × 5 × 7. Мы дошли до предела, до простых чисел, из которых строится 105. Я могу поступить так с любым числом, ведь оно либо является простым и неделимым, либо оно не является простым и разбивается в произведение простых чисел.

Все числа строятся из простых. Подобно тому как молекулы состоят из атомов, например водорода, кислорода, натрия или хлора, числа строятся из простых чисел. В мире математики числа 2, 3, 5 аналогичны водороду, гелию и литию. Именно это делает их наиболее важными числами в математике. Но, безусловно, они были важны и для мадридского «Реала».

Рис. 1.01

Когда я начал более пристально изучать футбольную команду «Реал», у меня возникло подозрение, что у них на скамейке запасных был математик. Беглый анализ показал, что во время перехода Бекхэма все Galácticos, ключевые игроки мадридцев, играли в футболках с простыми числами: у Карлоса (фундамента обороны) был номер 3, у Зидана (бывшего душой игры в центре поля) – номер 5, у Рауля и Роналдо (на них строилось нападение «Реала») – номера 7 и 11.