Текст книги "Алекс в стране чисел. Необычайное путешествие в волшебный мир математики"

Автор книги: Алекс Беллос

сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 24 страниц)

В 1818 году французский математик Габриель Лямэ, размышляя над формулой для окружности и эллипса, задался таким вопросом: что будет, если «подкручивать» не значения aи b,а показатели степени?

Эффект оказался восхитительным. Рассмотрим, например, уравнение х ⁿ+ у ⁿ= 1. При  n= 2, как мы видели, оно порождает единичную окружность. А вот кривые, получаемые при  n =2,  n= 4 и  n= 8:

Когда  nравно 4, кривая выглядит как окружность, стиснутая при запихивании в квадратный ящик. Ее стороны уплощаются, но остаются четыре скругленных угла. Как будто окружность пытается стать квадратом. Когда  nравно 8, получающаяся кривая еще более походит на квадрат.

На самом деле, чем большее мы выберем число n,тем ближе полученная кривая будет к квадрату. В пределе, когда x ^∞+ у ^∞= 1, уравнение описывает квадрат. (Если что-то и заслуживает названия квадратуры круга, то это как раз тот самый случай.)

* * *

В центре Стокгольма расположен Сергелс Торг – многоуровневый торговый центр и транспортный узел. Это широкое прямоугольное пространство, устроенное так, что нижний уровень предназначен для пешеходов, а машины ездят сверху по кругу. Именно там политические активисты любят устраивать различные мероприятия, и именно туда стекаются спортивные болельщики, когда шведская сборная выигрывает какое-то значимое международное соревнование. Визитная карточка этого места – расположенная в центральной части здоровенная скульптура, стоящая там со времен 1960-х годов, предмет ненависти местных жителей – 37-метровый обелиск из стекла и стали, подсвечиваемый по ночам.

В конце 1950-х годов, когда планировщики города проектировали Сергелс Торг, они столкнулись с некой геометрической проблемой. Какова, спрашивали они себя, наилучшая форма для кругового движения в прямоугольном пространстве? Им не хотелось использовать точную окружность, потому что в таком случае прямоугольное пространство было бы задействовано не полностью. Но градостроители также не желали использовать овал и эллипс – несмотря на то, что они лучше заполняют пространство – и в том и в другом случае «заостренные» края препятствовали бы плавному движению транспорта. В поисках ответа архитекторы решили проконсультироваться у зарубежного специалиста и обратились к Питу Хейну (1905–1996). Этот человек некогда считался третьей по известности фигурой в Дании (после физика Нильса Бора и писательницы Карен Бликсен). Пит Хейн изобрел «груки» – короткие афористические стихотворения, которые он публиковал во время Второй мировой войны, считая их одной из форм пассивного сопротивления оккупации Дании нацистами. Кроме того, он был художником и математиком, а потому обладал как раз нужным художественным чутьем, широтой мышления и научным взглядом на мир – сочетание, которое могло бы помочь взглянуть под другим углом на проблему планировки стокгольмского центра.

И Пит Хейн решил с помощью несложных математических вычислений найти форму, которая будет представлять собой нечто среднее между эллипсом и прямоугольником. Для этого он использовал описанный выше метод, только применил его не к окружности, а к эллипсу. Говоря алгебраически, он стал по-всякому изменять значения  nв таком уравнении:

Как мы только что видели, если взять окружность и начать увеличивать nот 2 до бесконечности, окружность будет переходить в квадрат. Соответственно, если взять эллипс и начать увеличивать  nот 2, эллипс все больше и больше будет приближаться к прямоугольнику. Представим себе эллипс, описываемый приведенным выше уравнением, в котором а= 3 и b =2. Пит Хейн рассудил, что значение n,при котором кривая представляет собой наилучший с эстетической точки зрения компромисс между эллиптической и прямоугольной формами, – 2,5. Соответствующая кривая показана на рисунке. Он назвал эту новую форму суперэллипсом.

Помимо просто изящного математического фрагмента, суперэллипс Пита Хейна затрагивает и более глубокую человеческую тему – повсеместно присутствующий в нашем окружении конфликт между окружностями и прямыми линиями. Он писал по этому поводу:

Всегда в цивилизованном мире постоянно просматривались две тенденции: одна – тяготеющая к прямым линиям и прямоугольным очертаниям, и другая – к округлым линиям. У каждой из этих тенденций имеются причины как механические, так и психологические. То, что состоит из прямых линий, лучше подходит одно к другому и экономит пространство. Зато передвигаться – физически или мысленно – легко среди вещей, образованных округлыми линиями. Но мы заключены в смирительную рубашку, заставляющую нас довольствоваться то одним, то другим, хотя порой лучше бы выбрать нечто среднее. Суперэллипс оказался решением задачи. Он не круглый, не прямоугольный; он где-то посередине. Но при этом он строго определен – он обладает собственной сущностью.

Круговое движение, выполненное в Стокгольме в форме суперэллипса, повторяли и другие архитекторы; самый известный пример – проект стадиона «Ацтека» в Мехико, где проходили финалы чемпионата мира по футболу в 1970 и 1986 годах.

Разработанная Питом Хейном кривая вошла в моду, завоевав себе место в скандинавском дизайне 1970-х годов. Там до сих пор можно купить суперэллиптические тарелки, подносы и дверные ручки, производимые компанией, принадлежащей сыну Пита Хейна.

Лукавый ум Пита Хейна не остановился на суперэллипсе. Работая над своим следующим проектом, он задался вопросом о том, каков мог бы быть трехмерный вариант этой формы. Результат – нечто промежуточное между сферой и ящиком, который он назвал «суперяйцом». Неожиданной чертой суперяйца оказалась способность удерживаться на одной из своих сторон, не опрокидываясь. В 1970-х годах Пит Хейн выпустил в продажу суперяйца, сделанные из нержавеющей стали, они предлагались покупателям как «скульптура, сувенир или амулет». Это довольно красивые и в то же время забавные предметы. Одно такое суперяйцо стоит у меня на каминной полке. Одно есть у Ури Геллера [38]38
  Геллер Ури —иллюзионист, мистификатор, якобы обладающий паранормальными способностями. Стал известен благодаря сгибанию металлических ложек и остановке часов на башне Биг-Бен. ( Примеч. перев.)


[Закрыть]. Его подарил ему Джон Леннон, объяснив, что сам получил это яйцо от инопланетян, посетивших его нью-йоркскую квартиру. «Храни его, – сказал Леннон Геллеру. – Для меня оно слишком странное. Если это мой билет на другую планету, то мне туда совсем не хочется».

Глава 6
На досуге

Автор отправляется на поиск математических головоломок. Он изучает наследие двух китайцев – один из которых туповатый затворник, а другой свалился с Земли, – а затем летит в Оклахому ради встречи с волшебником.

Маки Кадзи издает японский журнал, специализирующийся на числовых головоломках. Кадзи считает себя кем-то вроде шоумена или эстрадного артиста, использующего в своем ремесле числа. «Я ощущаю себя скорее режиссером фильма или спектакля, чем математиком», – объясняет он. Я познакомился с Кадзи в его офисе в Токио. Он не вел себя эксцентрично, но и не держался чересчур официально, хотя именно эти два качества можно было бы ожидать от того, кто некогда был одержим числами, а потом превратился в успешного бизнесмена. Кадзи был одет в черную футболку, а поверх нее – в модный бежевый кардиган, на его носу сидели очки в стиле Джона Леннона. Ему 57 лет, у него короткая козлиная бородка и бакенбарды, и он часто и заразительно смеется. Кадзи с удовольствием поведал мне о том, что помимо числовых головоломок у него есть и другие хобби. Например, он собирает канцелярские резинки и из своего недавнего путешествия в Лондон привез про запас 25-граммовую упаковку фирменных резинок из книжного магазина «WH Smith» и еще одну 100-граммовую упаковку от независимого торговца канцелярскими товарами. Еще он на досуге развлекается тем, что фотографирует содержательные с арифметической точки зрения номерные знаки на автомобилях. В Японии номерные знаки состоят из двух пар чисел. Кадзи постоянно носит с собой небольшой фотоаппарат и старается не пропустить ни одного знака, на котором перемножение чисел из первой пары дает число, равное второй.

Если предположить, что ни на одном номере ни одного японского автомобиля во второй паре цифр не стоят 00, то каждый номерной знак, сфотографированный Кадзи, – это строка в таблице умножения от 1 до 9. Например, знак 1101 можно воспринимать как 1 × 1 = 1. Подобным же образом, 1202 – это 1 × 2 = 2. Если продвигаться дальше по списку, то получится, что всего имеется 81 возможная комбинация. Кадзи уже собрал более 50. Когда у него будет полная таблица умножения, он намеревается устроить выставку своих фотографий.

* * *

Идее о том, что числа могут пригодиться для развлечения, столько же лет, сколько и самой математике. Например, древнеегипетский папирус Ринда содержит следующий список, составляющий часть ответа на задачу № 79. Данная задача, в отличие от других задач из этого папируса, не имеет никакого очевидного практического применения:

Домов	7
Кошек	49
Мышей	343
Спельты	2401
Гекатов [39]39   Гекат– древнеегипетская мера объема. [Закрыть]	16 807
Всего	19 607

Этот список – описание семи домов, в каждом из которых семь кошек, каждая из которых съела семь мышей, каждая из которых съела семь зерен спельты, каждое из которых взято из отдельного геката. Эти числа образуют геометрическую прогрессию —то есть последовательность, каждый член в которой вычисляется путем умножения предыдущего члена на одно и то же число (в данном случае – семь). Кошек в семь раз больше, чем домов, мышей в семь раз больше, чем кошек, зерен спельты в семь раз больше, чем мышей, а гекатов в семь раз больше, чем зерен спельты. Полное число объектов можно записать в виде суммы 7 + 72 + 73 + 74 + 75.

Впрочем, не только древним египтянам такая последовательность казалась неотразимой. Почти точно та же сумма фигурирует в книжке «Стихи Матушки Гусыни» – детском сборнике начала XIX века:

 
Еду я как-то в Шерборн-Сент-Джон,
А навстречу Джон и семь его жен.
 

 
У каждой жены по семь лукошек,
В каждом лукошке семь кошек,
У каждой кошки по семь котят —
 

 
А ну сосчитай-ка попробуй, брат,
Котят да кошек, лукошки да жен, —
Сколько всего их едет в Сент-Джон?
 

Это стихотворение [40]40
  Перевод Е. Чевкиной.


[Закрыть]– одна из наиболее известных в английской литературе задачек с подвохом, потому что, как можно сообразить, весь отряд женщин и путешествующих поневоле представителей семейства кошачьих, двигались изСент-Айвс. Впрочем, каким бы ни было направление их движения, полное число котят, кошек, корзинок и жен составляет 7 + 72 + 73 + 74, что равно 2800.

Другое – не столь широко известное – изложение этой загадки содержится в одной из задач в написанной в XIII столетии книге Леонардо Фибоначчи «Liber Abaci». В этом варианте участвуют семь женщин, а далее все возрастающие количества мулов, мешков, ломтей хлеба, ножей и ножен. Сделанное добавление доводит последовательность до 7 ⁶, так что полное число предметов равно 137 256.

В чем же привлекательность степеней числа семь, обусловливающая их появление в столь различные времена в столь различных контекстах? Каждый из примеров демонстрирует все возрастающее ускорение, характерное для геометрической прогрессии. Стихотворение – это поэтический способ выразить, сколь быстро малые числа способны приводить к большим. При первом чтении вы можете подумать, что там какое-то разумное число котят, кошек, корзинок и жен, – но в действительности их почти три тысячи! Точно так же занимательные задачи из папируса Ринда и «Liber Abaci» выражают то же самое глубокое математическое наблюдение. Причем число 7 – пусть иногда и кажется, что оно уж очень часто возникает в подобных задачах из-за каких-то своих особенных свойств, – само по себе не важно. Стоит несколько раз умножить любое число [41]41
  Любое число больше единицы.В тексте речь идет, более специально, о целых положительныхчислах больше единицы. ( Примеч. перев.)


[Закрыть]само на себя, как ответ быстро выходит за пределы ожидаемого.

Даже при перемножении на себя самого меньшего из возможных чисел – числа 2 – ответ устремляется в небеса с головокружительной скоростью. Положим одно пшеничное зернышко на клетку шахматной доски, на соседнюю клетку – два зерна и далее примемся заполнять всю доску, каждый раз удваивая число зерен. Сколько пшеницы тогда окажется на последней клетке? Быть может, несколько грузовиков? Или контейнер? На шахматной доске 64 клетки, так что нам надо выполнить удвоение 63 раза, что означает число 2, умноженное само на себя 63 раза, или 2 ⁶³. В терминах пшеничных зерен это число примерно в сто раз превосходит все годовое производство пшеницы в мире. А можно посмотреть и по-другому: если пересчитывать зерна так, чтобы на каждое зерно уходила одна секунда, и при этом начать счет в момент Большого взрыва, случившегося около 13 миллиардов лет назад, то к настоящему моменту вы не дойдете и до десятой доли числа 2 ⁶³.

* * *

Математические загадки, стихи и игры очень популярны в наши дни. Занимательная математика – широкая и живая область, важнейшее достоинство которой состоит в том, что она доступна целеустремленному непрофессионалу, но при этом может порой затрагивать достаточно сложные элементы теории. Теоретической составляющей может и не быть вовсе, но вместо нее должно присутствовать восхищение перед чудом чисел – подобно нервной дрожи, сопутствующей коллекционированию номерных знаков.

Ключевое событие в истории занимательной математики, как считается, произошло на берегах Желтой реки, Хуанхэ, около 2000 года до н. э. Однажды китайский император наблюдал, как черепаха выползает из воды. То была священная черепаха, с черными и белыми пятнышками на брюхе, которые соответствовали первым девяти числам и образовывали на черепашьем брюхе табличку, которая (если вместо точек подставить арабские цифры) выглядела следующим образом:

Квадрат, который, подобно данному, содержит последовательные числа начиная от 1, причем они расставлены так, что все их суммы по всем строкам, столбцам и диагоналям равны друг другу, называется «магическим». Китайцы называют этот квадрат «ло шу». (В нем все суммы по строкам, столбцам и диагоналям равны 15.) Китайцы верили, что «ло шу» символизирует внутреннюю гармонию Вселенной. Они использовали его для предсказаний будущего и отправлений религиозных обрядов. Например, если начать с 1 и провести линию, соединяющую стоящие в квадрате числа по порядку, то получится узор (см. рисунок), изображающий схему передвижения даосистского жреца по храму. Этот узор, называемый «юбу», также лежит в основе некоторых правил фэн шуй – китайской философии эстетики.

Движение по узору ло шу и даосистское руководство сюбу

Мистическую сторону ло шу разглядели не только в Китае. Магические квадраты представляли объекты большой духовной значимости для индуистов, мусульман, иудеев и христиан. В исламской культуре им нашли наиболее творческое использование. В Турции и Индии девственницам предписывалось вышивать магические квадраты на рубашках воинов. Кроме того, считалось, что если магический квадрат положить на живот роженицы, то это облегчит роды. Индуисты носили амулеты с изображениями магических квадратов в качестве защиты от злых чар, а астрологи эпохи Возрождения сопоставляли их с планетами нашей Солнечной системы. Легко смеяться над склонностью наших предков к оккультизму, однако и современному человеку их очарованность магическими квадратами совершенно понятна. Простые, но при этом со сложной структурой, они подобны числовым мантрам, некоему объекту бесконечного созерцания и сдержанного выражения порядка в нашем совершенно неупорядоченном мире.

Одна из привлекательных черт магических квадратов состоит в том, что они могут иметь любой размер, не обязательно только 3 × 3. Знаменитый пример – квадрат 4 × 4, который использовал в своем творчестве Альбрехт Дюрер. В композицию гравюры «Меланхолия I» он включил квадрат 4 × 4, получивший такую известность потому, что в него встроен год создания гравюры – 1514. На самом деле это сверхмагическийквадрат – в нем не только строки, столбцы и диагонали дают в сумме 34, но также и все комбинации из четырех чисел, отмеченных точками и соединенных в квадратах на рисунке.

Структуры, связанные с этим квадратом, вызывают изумление, и чем дольше смотришь, тем больше их видишь. Сумма квадратов чисел из первой и второй строчек равна 748. То же самое число получается путем сложения квадратов чисел в строках 3 и 4, или квадратов чисел в строках 1 и 3, или же квадратов чисел в строках 2 и 4, или, наконец, квадратов чисел на каждой из диагоналей. Ничего себе!

Не меньшее изумление вызывает то, что получается, если повернуть магический квадрат Дюрера на 180 градусов, а затем вычесть 1 из клеток, содержащих числа 11, 12, 15 и 16. Результат будет таким:

Квадрат, показанный на рисунке, расположен на стене кафедрального собора Саграда Фамилия в Барселоне, построенного по проекту Антонио Гауди. Квадрат Гауди не магический, поскольку два числа в нем повторяются, но и столбцы, и строки, и диагонали в нем все суммируются к числу 33 – возрасту Христа к моменту его смерти.

Немало времени можно провести, забавляясь с магическими квадратами и восхищаясь их структурой и гармонией. На самом деле ни одна другая область непрактической математики не привлекала столько любителей математики на протяжении столь многих лет. В XVIII и XIX веках литература по магическим квадратам расцвела пышным цветом. Одним из самых именитых энтузиастов был Бенджамин Франклин. В молодости он забавлялся составлением магических квадратов, пытаясь скрасить скучные часы на службе в Законодательном собрании штата Пенсильвания. Самый известный его квадрат имеет размер 8 × 8 (см. рис.), и считается, что он придумал его еще мальчишкой.

В этом квадрате Франклин воплотил одно из своих собственных изобретений, касающееся развития теории магических квадратов: «ломаную диагональ», которая учитывает суммы чисел в черных клетках и суммы чисел в серых клетках, как показано на рисунках А и В ниже. Хотя квадрат Франклина не является собственно магическим, поскольку сумма чисел по основным диагоналям не составляет 260, его новое изобретение – половинные диагонали – суммируются именно таким образом. Суммы чисел по черным клеткам на рисунках С, D и E, сумма чисел по серым клеткам на рисунке E и, конечно, суммы по каждой строке и каждому столбцу – все они равны 260.

Квадрат Франклина содержит и еще более хитроумные симметрии. Сумма чисел в каждом из подквадратов 2 × 2 равна 130, и такова же сумма любых из четырех чисел, расположенных равноудаленно от центра. Считается, что Франклин изобрел еще один квадрат, когда ему было уже за сорок. Потратив всего один вечер, он составил невероятный квадрат размером 16 × 16, который, по его утверждению, был «самым магически магическим из всех магических квадратов, когда-либо созданных магами». (Он приведен в приложении 3 на веб-сайте, посвященном данной книге.)

Одна из причин непреходящей популярности составления магических квадратов заключается в том, что их оказывается неожиданно много. Попробуем пересчитать их, начиная с наименьшего: имеется ровно один магический квадрат размера 1 × 1 – это просто число 1. Магических квадратов, составленных из четырех чисел в формате 2 × 2, нет. Далее имеется восемь способов расположить цифры от 1 до 9 так, чтобы получился магический квадрат 3 × 3, но каждый из этих восьми квадратов на самом деле получен из одного-единственного квадрата операциями поворота или отражения, так что разумно считать, что имеется лишь один магический квадрат 3 × 3. На рисунке показаны все имеющиеся возможности.

После тройки число возможных магических квадратов возрастает невероятно быстро. Даже после редукции, учитывающей вращения и отражения, оказывается возможным построить 880 магических квадратов размером 4 × 4. В формате 5 × 5 число магических квадратов равно 275 305 224 – этот результат был получен только в 1973 году с использованием компьютера. И хотя число это кажется астрономически большим, на самом деле оно ничтожно по сравнению с числом всехвозможных расстановок цифр от 1 до 25 в магическом квадрате размером 5 × 5. Полное количество возможных расположений можно вычислить, умножая 25 на 24, потом на 23 и т. д. до 1, что примерно составляет число, записываемое как 1,5 с 25 нулями, то есть 15 септилионов.

Число магических квадратов 6 × 6 неизвестно, хотя вероятно, что оно есть нечто близкое к 1 с 19 нулями. Это число настолько огромно, что превосходит даже полное число пшеничных зерен на шахматной доске в задаче, рассмотренной выше.

* * *

Надо сказать, что не только математики-любители увлекались магическими квадратами. В конце своей жизни ими заинтересовался и выдающийся швейцарский математик Леонард Эйлер [42]42
  Эйлер Леонард(1707–1783) почти полжизни провел в России, был академиком Российской академии наук. Внес огромный вклад в развитие российской науки. Умер в Петербурге. ( Примеч. перев.)


[Закрыть]. (Он к тому времени практически полностью ослеп, из-за чего его исследования в области, существенным образом использующей пространственное расположение чисел, представляются особенно впечатляющими.) В частности, он изучал модифицированный вариант магического квадрата, в котором каждое число или символ появляется только один раз в каждой строке и каждом столбце. Он назвал такие квадраты «латинскими».

Латинские квадраты

В отличие от магических квадратов латинские квадраты имеют несколько практических применений. Их можно использовать для составления графика спортивных турниров, проводимых по круговой системе, когда каждая команда должна сыграть с каждой, а также в сельском хозяйстве в качестве удобного средства, позволяющего фермеру испытать, например, несколько различных удобрений на участке земли и узнать, какое из них дает наилучшие результаты. Если у фермера, скажем, пять продуктов, подлежащих проверке, и он разбивает землю в квадрат 5 × 5, то размещение каждого из продуктов по латинскому квадрату гарантирует, что всякое изменение в характере почвы окажет одинаковое влияние на каждое средство.

* * *

Маки Кадзи – представленный мною в начале главы японец, который занимается созданием головоломок, – открыл новую эру в играх с числовыми квадратами. Идея посетила его, когда он просматривал один американский журнал головоломок. Поскольку английский – не его родной язык, он пролистывал страницы малопонятных игр, использующих слова, пока не наткнулся на загадочно выглядевшую сетку из чисел. То была головоломка под названием «Поставь числа на место». Она представляла собой частично заполненный латинский квадрат 9 × 9, в котором использовались цифры от 1 до 9. Рассуждая логически, игрок должен был заполнить пустые места числами, помня, что каждое число может появиться в каждой строке и каждом столбце только один раз. Задача облегчалась дополнительным условием: квадрат был разбит на девять подквадратов 3 × 3, выделенных жирным шрифтом. Каждое из чисел от 1 до 9 могло появляться в подквадрате лишь единожды. Кадзи решил головоломку «Поставь числа на место» и очень воодушевился – именно головоломки подобного типа он и хотел размещать в своем новом журнале.

Головоломка «Поставь число на место», впервые появившаяся в 1979 году, была творением Говарда Гарнса, в прошлом архитектора из Индии, на пенсии увлекшегося головоломками. Хотя Кадзи понравилось решать головоломку Гарнса, он решил переделать ее таким образом, чтобы заданные числа были распределены в симметричную структуру по сетке, подобно тому, как это имеет место в кроссвордах. Он назвал свой вариант судоку, что по-японски означает «число должно появляться только один раз».

Судоку

Кадзи поместил судоку в первых же номерах своего журнала головоломок, который начал выходить в 1980 году, но, по его словам, никто не обратил тогда на них никакого внимания. Лишь после того, как судоку пересекли границу Японии, они стали распространяться подобно лесному пожару.

Точно так же, как говорящие по-японски, но не знавшие английского люди могли понять, что требуется в головоломке «Поставь числа на место», говорившие по-английски, но не знавшие японского могли играть в судоку.

В 1997 году новозеландец по имени Уэйн Гоулд зашел в один из книжных магазинов в Токио. Увидев на полках только книги на японском языке, он поначалу слегка растерялся, но вдруг его глаз зацепился за что-то знакомое. Ему бросилась в глаза обложка книги, которая выглядела как кроссворд с расставленными в нем числами. Очевидно, это было нечто вроде головоломки, подумал он, но вот как она решается? Гоулд решил купить книжку и разобраться с ней потом. Во время отпуска, который он проводил на юге Италии, Гоулд наконец решил головоломку. Незадолго до того он вышел на пенсию – ранее он был судьей в Гонконге – и увлекся программированием на компьютере. Гоулд решил, что попробует написать программу, которая будет генерировать различные судоку. Программисту высшего класса для этого понадобилась бы пара дней, у Гоулда же на решение задачи ушло шесть лет.

Однако затраченные усилия стоили того, и в сентябре 2004 он смог убедить редакцию нью-гэмпширской газеты «Conway Daily Sun» опубликовать одну из своих головоломок. Успех превзошел все ожидания. В следующем месяце Гоулд решил попробовать силы в британской национальной прессе. Он полагал, что самый эффективный способ продвинуть свою идею состоит в том, чтобы предложить редакции готовый макет их газеты с уже помещенным в него судоку. Судебная практика в Гонконге многому его научила, так что изготовить хорошую подделку не составило большого труда. Он подготовил выглядевший достаточно убедительно «макет» приложения к «Times» и принес его с собой в главную редакцию этой газеты. Гоулду пришлось прождать несколько часов в приемной, но он все-таки сумел продемонстрировать свой самодельный номер кое-кому из сотрудников. Идея всем понравилась. Более того, не успел Гоулд уйти из редакции, как один из топ-менеджеров «Times» послал ему имейл с просьбой никому больше не показывать судоку. Первая головоломка была напечатана через две недели, а уже через три дня газета «Daily Mail» предложила свой собственный вариант. В январе 2005 года в игру вступила и «Daily Telegraph». Прошло совсем немного времени, и уже каждая британская газета считала своим долгом ежедневно публиковать подобную головоломку, чтобы не отставать от конкурентов. В тот год, по данным газеты «Independent», продажи карандашей в Великобритании возросли в 7 раз – по мнению газеты, это было связано с массовым помешательством на судоку. К лету в книжных магазинах, газетных киосках и в аэропортах появились отдельные полки со сборниками судоку, причем это наблюдалось не только в Соединенном Королевстве, но и по всему миру. По данным «USA Today» в 2005 году шесть из 50 наиболее популярных книг в списке бестселлеров были книгами по судоку. К концу года судоку распространились уже в 30 странах, а журнал «Time» назвал Уэйна Гоулда в числе 100 наиболее влиятельных людей года – он оказался в этом списке в компании Билла Гейтса, Опры Уинфри и Джорджа Клуни. К концу 2006 года головоломки судоку публиковались в 60 странах, а к концу 2007-го – в 90. По оценкам Маки Кадзи, число людей, регулярно решающих судоку, превышает ныне 100 миллионов.

* * *

Успешное решение всякой головоломки оказывает важное позитивное влияние на ваше эго, но дополнительное очарование в решении задачек судоку состоит отчасти во внутренней красоте и уравновешенности идеального латинского квадрата, определяющего их форму. Успех судоку – свидетельство уходящего в века и существующего в самых различных культурах фетиша в виде числовых квадратов. И в отличие от массы всяких других головоломок успех судоку – это одновременно и замечательная победа математики. Хотя в судоку нет никакой арифметики, решение требует абстрактного мышления, распознавания образов, логической дедукции и построения алгоритмов.

Например, как только вы поняли правила судоку, становится полностью ясной идея единственности решения.Для каждой числовой структуры в таблице имеется только одно возможное окончательное расположение для чисел в пустых клетках. Однако при этом не верно, что всякая частично заполненная таблица будет иметь единственное решение. Вполне может случиться, что некий квадрат 9 × 9 с расставленными в нем числами не имеет решения, как может случиться и то, что у данного квадрата будет много решений. Когда британский спутниковый канал «Sky TV» запустил Судоку-шоу, продюсеры нарисовали таблицу размером 275 на 275 футов на известняковом холме, расположенном где-то в сельской местности в Англии. Это, по их утверждению, было самое большое судоку в мире. Однако предложенные ими числа позволяли заполнить квадрат 1905 различными способами. Таким образом, разрекламированное самое большое судоку не имело единственного решения, а потому и не могло классифицироваться как судоку.

Область математики, имеющая дело с перечислением комбинаций (таких, например, как упомянутые 1905 решений фальшивого судоку, предложенного «Sky TV»), называется комбинаторикой.Она состоит из изучения перестановок и комбинаций предметов, подобных числам из таблицы. Кроме того, к комбинаторике относится и знаменитая задача о коммивояжере. Пусть, скажем, я – коммивояжер, и мне надо заехать в 20 магазинов. В каком порядке мне надо в них заезжать, чтобы полный путь, который я проделаю, оказался минимальным? Решение требует рассмотрения всех перестановок путей между всеми магазинами, и представляет собой классическую (и исключительно сложную) комбинаторную задачу. Подобные задачи постоянно возникают в бизнесе и промышленности; например, при составлении расписания вылета самолетов из аэропорта или при проектировании эффективной системы сортировки почты.

Комбинаторика – это область математики, которая имеет дело с исключительно большими числами. Как мы видели на примере магических квадратов, уже небольшое количество чисел можно расположить на удивление большим количеством способов. Хотя и латинские, и магические квадраты образуют квадратные таблицы, при их одинаковом размере латинских квадратов меньше, чем магических, однако латинских квадратов все равно очень много. Например, количество латинских квадратов размером 9 × 9 выражается числом из 28 цифр. Сколько среди них различных судоку? Число латинских квадратов, представляющих собой судоку, – то есть таблиц размером 9 × 9, в которых 9 подквадратов содержат все цифры, – меньше полного числа примерно в сто тысяч раз и равно 6 670 903 752 021 072 936 960. Впрочем, многие из этих таблиц представляют собой различные варианты одного и того же квадрата, получаемые отражением или вращением (что мы видели выше для магического квадрата 3 × 3). Если не считать квадраты, получаемые вращениями и отражениями, то искомое количество заметно уменьшается: общее число различных возможностей для целиком заполненных таблиц судоку оказывается равным примерно 5,5 миллиарда.

Это, впрочем, не равно полному числу возможных судоку, которое намного больше данного числа, потому что каждая заполненная сетка будет решением многих разных судоку. Скажем, напечатанное в газете судоку имеет одно-единственное решение. Но как только вы заполните один из квадратов, вы немедленно тем самым создадите новую таблицу с новым набором данных, другими словами – новое судоку с тем же единственным решением, и т. д. для каждого из квадратов, которые вы будете заполнять. Так что если в данном судоку имеется, скажем, 30 исходно заданных чисел, то у вас есть возможность создать еще 50 других судоку с тем же единственным решением – до тех пор, пока не будет заполнена вся таблица. (Это означает новое судоку для каждого дополнительного числа, до тех пор пока в таблице из 81 квадрата не окажется 80 заполненных.) Нахождение полного числа судоку не слишком интересно, поскольку большинство таблиц для них имеют лишь очень небольшое число незаполненных клеток, что не отвечает духу этих головоломок. Математиков гораздо более привлекает задача нахождения минимального числа цифр, исходно расставленных по таблице. Самый главный комбинаторный вопрос касательно судоку звучит так: каково наименьшее количество чисел, которые можно оставить, чтобы имелся только один способ заполнения всей таблицы?