Текст книги "Самая сложная задача в мире. Ферма. Великая теорема Ферма"

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 9 страниц)

Luis Fernando Arean Alvarez
Самая сложная задача в мире. Ферма. Великая теорема Ферма

Наука. Величайшие теории: выпуск 18: Самая сложная задача в мире. Ферма. Великая теорема Ферма.

Пер. с исп.

М.: Де Агостини, 2015. – 160 с.

ISSN 2409-0069

© Luis Fernando Arean Alvarez, 2012 (текст)

© RBA Collecionables S.A., 2012

© ООО «Де Агостини», 2014-2015

Наука. Величайшие теории Выпуск № 18, 2015 Еженедельное издание

Введение

Мигелю, делающему первые шаги в большом путешествии.

Любой студент, изучавший высшую математику в течение трех последних веков, слышал о Великой (или Последней) теореме Ферма. Пьер де Ферма был своеобразным ученым. Он не опубликовал ни одной книги под своим именем, а, как правило, излагал свои идеи в письмах или распространял их в рукописях. Похоже, ему было достаточно самому убедиться в том, что он может считать свой результат верным, поэтому он не заботился о том, чтобы детально записать доказательство. Таким образом, наследие Ферма представляло собой большой вызов для математиков, следовавших за ним, поскольку им нужно было доказывать почти все, что он утверждал в качестве истин. И постепенно ученые это сделали (а что-то, наоборот, опровергли). Нерешенной оставалась только одна дьявольская задача, которую никто не мог доказать... или опровергнуть. Речь шла о Последней теореме, о случайной записи, которую автор оставил на полях книги Диофанта Александрийского. С ней не могли справиться даже самые блестящие умы, начиная со швейцарца Леонарда Эйлера, одного из величайших математиков всех времен.

Все студенты когда-нибудь слышали от своих преподавателей, что эта теорема так и не была доказана и тем самым превратилась в одну из самых старых математических задач, все еще актуальных в конце XX века. Они удивлялись, когда преподаватель писал на доске то, что утверждает эта теорема. Это простейшее высказывание, и любой ученик средней школы мгновенно понял бы его. Может быть, ее невозможно доказать? Ужасающая возможность того, что существуют математические утверждения, которые невозможно доказать, была выдвинута одним из самых великих логиков XX века, австроамериканским ученым Куртом Гёделем, а через некоторое время – отцом информатики Аланом Тьюрингом. Возможно, данная теорема – одна из тех несчастных, изгнанных из царства математики. Возможно, Ферма, не зная этого, нашел первый недоказуемый результат в истории математики. В любом случае, он вряд ли предполагал, что будет нести ответственность за создание других математических теорий, которые возникнут из безрезультатных попыток доказать его теорему. Они появлялись благодаря надежде найти доказательство, которое окончательно закроет тему и навсегда поместит ее в один ряд с другими результатами, не подвергающимися глубокому исследованию, поскольку они прекрасно известны.

Тогда преподаватель переставал говорить о Ферма и возвращал своих учеников на землю, в привычный мир, где теоремы следуют одна за другой в сопровождении строгих доказательств, а Великая теорема – всего лишь странное чудовище, лишившее сна некоторых людей. Почти все принимали тот факт, что задача никогда не будет решена.

В какой-то степени парадоксально, что это самый известный вклад Ферма, с учетом того, что его можно назвать математиком первой величины. Однако его имя редко цитируют вместе с именами Архимеда, Евклида, Декарта, Ньютона, Лейбница, Эйлера или Гаусса. По разным причинам огромный вклад Ферма отошел на задний план. Достаточно взглянуть в энциклопедии и книги по истории математики, чтобы убедиться, что его там едва упоминают, и он почти всегда находится в тени какого-то своего современника или последователя.

Пьер де Ферма, королевский советник парламента в Тулузе, которого некоторые считают самым великим из математиков-любителей, жил в ту эпоху, когда эта наука, медленно просыпаясь после средневекового сна, вступала в фазу своей лихорадочной деятельности. Это было время, когда она пережила глубокие изменения, настоящую научную революцию. О событиях жизни Ферма – спокойной, буржуазной и без резких перемен – известно мало, но его характер открывается нам через его переписку и подход к математике.

Ферма был революционером в научной сфере. Мало кто заложил столько основ современной математики, как он, точно так же как мало кто предпринял такие смелые шаги на пути к будущему. Но, как это обычно происходит с некоторыми революционерами, Ферма не оценивал должным образом все то, что он делал. Он был одержим желанием возродить греческую науку, разрушенную веками небрежности и жестокости. Ему было интересно восстановить работы Диофанта, Аполлония, Архимеда, Евклида. Ферма не понимал, что инструменты, которыми он пользовался, чтобы возродить авторов античности, заложат основы новой науки и отправят многие методы древних ученых в исторический архив.

Поколение, следующее за Ферма, потеряло интерес к греческой математике, исключая разве что Евклида, работы которого до самого XX века были примером строгости и красоты в геометрии. Его «Начала» – наиболее часто издаваемая книга после Библии.

Но случай с Евклидом – это редкость. С конца XVII века греческая наука превратилась в музейный экспонат. С тех пор математики не смотрели назад, они всегда думали о будущем и о том, что они сами создают. Ферма был одним из последних, кто наслаждался традицией прошлого, и одним из тех, кто запер это прошлое и создал новый мир, наряду с другими великими математиками своего времени. Любая традиция сопротивляется смерти, и даже одна из ключевых работ по физике – «Математические начат натуральной философии» Ньютона – имела «греческую» форму. Но ее можно назвать лебединой песней античной науки. Со смертью Ферма в 1665 году греческая математика уже сменилась современной. После него ни один великий математик не озадачивался тем, чтобы восстановить традицию античности.

В нашей книге мы рассмотрим историю этой революции. Первые две главы посвящены теореме, которая сделала Ферма известным и в течение трех с половиной веков подстегивала математиков на создание невероятных конструкций с единственной целью – решить его дьявольскую головоломку. Это захватывающая история. В остальной части книги мы расскажем о другом вкладе Ферма в науку, абсолютно незаслуженно оставшемся в полутьме.

Речь пойдет о его вкладе в теорию чисел, а также о революционном прорыве, ставшем возможным благодаря французскому ученому, – аналитической геометрии, с помощью универсального языка алгебры навсегда изменившей подход к математике. Кроме того, в наше повествование включены предшественники анализа бесконечно малых – методы максимумов и минимумов Ферма, касательных, квадратур и спрямлений. Мы проанализируем эпистемологические препятствия (термин французского философа Гастона Башляра), которые помешали Ферма открыть собственно анализ. Наконец, мы остановимся на его роли в зарождении теории вероятностей и на его вкладе в физику в виде экстремального принципа, носящего его имя.

Здесь будет рассказано о достижениях этого великого мыслителя, но также будут затронуты и причины, по которым он был забыт. Иногда они связаны просто со случайностями, превратностями судьбы, но в других случаях роль сыграла и сама личность Ферма, например его боязнь публикации трактатов под своим именем. В то же время он ждал от коллег признания благодаря своим письмам, полным задач, которые, как утверждал ученый, он решил, но они разочаровывали его корреспондентов отсутствием конкретики. Идеи Ферма почти всегда падали на плодородную почву, но были отделены от его имени, и, таким образом, он оставался в тени. Жизнь этого ученого, в которой так мало примечательных событий, по-настоящему отражается в его работе, демонстрируя нам личность потрясающего человека.

1601 Родился 20 августа в Бомоне, Франция.

1620 Изучал право в Тулузе в течение пяти лет.

1625 Четыре года прожил в Бордо, где общался с французским математиком Жаном де Бограном.

1631 Закончил обучение в Орлеане 1 мая. Получил должность советника в парламенте Тулузы.

1636 Первое письмо философу Марену Мерсенну. Создал трактат об аналитической геометрии «Введение к теории плоских и пространственных мест». Разработал свой метод максимумов и минимумов.

1637 Формулировка Великой теоремы.

1638 Начало полемики с «соперником» Рене Декартом о методе максимумов и минимумов и его применении к касательным.

1640 Обнародование малой теоремы Ферма.

1641 Охлаждение отношений с Бернаром Френиклем и Пьером Брюларом.

1643 Объяснил основы своего метода в «Аналитическом исследовании», одной из самых важных его ученых записок.

1652 Заболел чумой. Друг ученого Бернар Медон ложно объявил о его смерти.

1654 Поддерживал переписку с Блезом Паскалем, в результате чего были заложены основы теории вероятностей.

1657 Полемика с Джоном Уоллисом и Уильямом Браункером об уравнении Пелля.

1658 Написал «Трактат о квадратурах», в котором расширил применение своего метода. Начал споры о «Диоптрике» с картезианцем Клодом Клерселье.

1659 Начал переписку с нидерландским математиком Христианом Гюйгенсом.

1660 Создал «Трактат о спрямлении», в котором отошел от своего аналитического метода и использовал синтетический метод греков.

1665 Скончался 12 января в городе Кастр, рядом с Тулузой.

ГЛАВА 1
Теорема, которую доказывали 350 лет

Несмотря на свою кажущуюся простоту, Последняя теорема Ферма мучила самых лучших математиков в мире не больше и не меньше, чем 350 лет. Раз за разом они пытались доказать ее и всегда терпели неудачу, пока в конце XX века одному британскому математику не удалось сделать то, что до тех пор казалось невозможным.

Представим себе на мгновение: человек с длинными волосами, ссутулившийся, склоняется при свете свечи над экземпляром «Арифметики» греческого математика Диофанта Александрийского (ок. 214 – ок. 298). Прочитав одну из его теорем, он немного размышляет, улыбается, смачивает перо и на полях книги пишет фразу на латыни. Делает паузу, снова берет перо и добавляет: «[...] cuius rei demonstrationem mirabilem sane detexi, hone margnis exiguitas non caperet». To есть: «[...] я нашел этому поистине чудесное доказательство, но поля здесь слишком узки, чтобы записать его».

Очевидно, вскоре этот человек пошел спать. На следующий день его ждали срочные дела в парламенте. Мы не знаем, сколько раз он вспоминал об этой маленькой записи. Возможно, он так и не вернулся к мысли о ней. Мог ли он подумать, что его немногочисленные слова породят одну из самых страстных одиссей в истории математики и что в течение веков они будут мучить самые блистательные умы в мире? Маловероятно. Пьер де Ферма – главное действующее лицо описанной нами сцены – увлекался играми и головоломками, но вряд ли той ночью он предвидел, что создал самую знаменитую математическую загадку всех времен.

Действительно, потомки узнали о ней, можно сказать, чудом. В виде личной заметки на полях книги она могла просто исчезнуть наряду с другими более или менее многочисленными тривиальными мелочами в жизни. Но эта пометка пережила своего автора, ее открыли и напечатали, и она превратилась в царицу задач, которые, казалось, невозможно решить. Мир продолжал вращаться. В эпоху Ферма Францией правил кардинал Ришелье, что описано Александром Дюма в бессмертных "Трех мушкетерах", в то время как король предавался развлечениям. Ришелье умер; Франция прошла через ряд восстаний, известных как Фронда; был Король-Солнце, а затем Просвещение, Революция, бурный XIX век и еще более драматичный XX век. И пока текла история, теорема, которую Ферма, по его словам, доказал, оставалась по-прежнему недоказанной, выдерживая все атаки, все попытки раскрыть ее тайну: это доказательство, которое не помещалось на полях, также не находило места и в умах самых великих математиков.

Ускорим наше повествование. Сейчас мы в 1993 году, в мире компьютеров. Распался СССР. Еще не существует социальных сетей, но есть их предок под названием юзнет, на который были подписаны только люди, связанные с академическим миром, – их абсурдно мало по сравнению с современными пользователями различных социальных сетей. Вдруг эта первоначальная сеть, обычно сонная, начала кипеть от возбуждения. Сообщения следовали друг за другом как молнии, сопровождаемые терминами, которые неспециалист не мог бы понять: модулярные функции, эллиптические кривые, группы Галуа, теория Ивасавы, гипотеза Таниямы-Симуры.

Постепенно в сети складывалась картина того, что произошло. Эндрю Уайлс, британский математик, специалист в области эллиптических кривых, прочитал в Институте Исаака Ньютона в Кембридже три лекции, в течение которых он постепенно, терпеливо, применив драматическое искусство, достойное Лоуренса Оливье, подводил слушателей к неизбежному результату.

В течение нескольких лет Уайлс работал секретно, как алхимик, не делясь ни с кем не то что результатами, но даже темой своего проекта. Он не хотел, чтобы кто-нибудь забрал его славу решения одной из самых сложных проблем в мире математики.

Хотя и ходили какие-то слухи в виде электронных писем, когда какой-нибудь коллега спрашивал его о содержании лекций, он ограничивался тем, что улыбался и отвечал: "Приходи на лекции и увидишь".

Такая таинственность подстегивала любопытство. Итак, аудитория из 200 человек, состоящая из опытных специалистов и некоторых докторантов, кипела с каждой проходящей минутой. Когда Уайлс объявил о лекциях, он хорошо постарался спрятать проект под внешне безобидным названием. Однако по мере того как он продвигался в изложении, ученые начинали понимать, о чем идет речь. Они писали электронные письма в паузах между лекциями, находясь в ожидании того, что, как они себе представляли, должно было произойти. В гробовом молчании аудитории докладчик заполнял доску за доской сложнейшей математикой. Наконец, Уайлс написал еще несколько строчек, дополняющих доказательство, сделал драматическую паузу и нацарапал то, что утверждается в Последней теореме Ферма. Улыбаясь, он повернулся к публике и сказал: "Думаю, что остановлюсь здесь".

Защелкали фотоаппараты, начались овации, аплодисменты. Одна из самых сложных проблем в мире (она же – одна из самых старых нерешенных задач) в конце концов пала под натиском систематической атаки блестящего математика, который более десятилетия работал один. Но как это возможно? Неужели Уайлс открыл доказательство Ферма? Нет, история намного сложнее. На самом деле аплодисменты были преждевременными: в доказательстве Уайлса содержалась роковая ошибка. Самоизоляция сыграла с ним плохую шутку: поскольку ученый не делился своими достижениями, никто не смог указать ему на это. А в математике только одна ошибка, только один ложный шаг делает непригодным все доказательство: оно разваливается, как карточный домик, из которого убрали лишь одну из карт. Так что сокрушенному Уайлсу пришлось вернуться в кабинет и продолжить работу, чтобы получить неопровержимое доказательство, которое ему наконец удалось опубликовать в 1994 году. Но оставим на некоторое время Уайлса в момент его наивысшей славы.

ПОСЛЕДНЯЯ ТЕОРЕМА

Пора вернуться к Ферма и ознакомиться с его последней теоремой. Вывод, который математик записал на латыни на небольших полях книги, был следующим:

"Невозможно записать куб в виде суммы двух кубов или четвертую степень в виде суммы двух четвертых степеней, и в целом любое число, являющееся степенью больше двух, не может быть записано в виде суммы двух степеней того же уровня".

В современной алгебраической записи эта теорема утверждает, что уравнение хⁿ + уⁿ = zⁿ при n > 2 не имеет натуральных решений; то есть не существует натуральных чисел и которые соответствуют заданному условию: иметь кубическую (или большую) степень, которая была бы суммой двух кубических степеней (или больших того же уровня).

Теорема Ферма применяется исключительно к натуральным числам (тем, с помощью которых мы считаем предметы: 1, 2,3,... и так до бесконечности); хотя в оригинальном высказывании автор не сформулировал данного условия открыто, это понятно из контекста.

Геометрическое представление теоремы Пифагора.

Стоит спросить, почему Ферма говорит только о показателях степени больше двух. Ответ прост. Для случая n = 1 мы имеем тривиальное высказывание: действительно, любое натуральное число, большее единицы, может быть выражено в виде суммы двух других чисел (необязательно различающихся между собой). Если n = 2, мы сталкиваемся с известнейшей теоремой Пифагора (см. рисунок), выраженной в алгебраической форме: x² + у² = z².

У этого уравнения не существует решений для любых натуральных чисел; но все-таки какие-то решения найти можно. Первое из них – это x = 3, у = 4 и z = 5:

3² + 4² = 9 + 16 – 25 = 5².

Другой пример – это х = 5, у = 12 и z = 13; еще один: х = 65, у = 72 и z = 97. Можно доказать, что существует бесконечное количество множеств из трех натуральных чисел, выполняющих данное требование; такие множества известны как пифагоровы тройки.

Итак, Ферма утверждал, что если заменить показатель степени, равный двум, на больший, то не существует тройки натуральных чисел, при которых такое уравнение было бы истинным и которую мы могли бы назвать "тройкой Ферма". При таком определении Последняя теорема Ферма равносильна утверждению, что не существует троек Ферма.

Несложно представить себе, как математик получил этот результат. Он некоторое время анализировал пифагоровы тройки и их свойства. Речь идет о записи квадрата в виде суммы двух квадратов так, чтобы все используемые числа были натуральными. Разумно предположить: поставив перед собой эту проблему, Ферма также задался вопросом, что произойдет, если вместо квадратов использовать кубы, четвертые степени и так далее. В конце концов, одной из самых естественных тенденций для математика является поиск обобщенного результата или, по крайней мере, исследование возможных обобщений.

Понять поставленную задачу довольно просто, и хотя уже половина ее решения заключается в этом понимании, вторая половина, в случае теоремы Ферма, сформулированной в 1637 году, чрезвычайно сложна. Почему? Чтобы попытаться ответить на данный вопрос, нужно совершить "небольшое" путешествие в прошлое, примерно за 2100 лет до Ферма, во времена Пифагора, – не только из-за связей, которые имеются у Великой теоремы с пифагоровыми тройками.

ГРЕКИ

Вернемся к началу времени математики для понимания природы математического доказательства. Пифагор Самосский (ок. 580 – ок. 495 до н.э.) – полулегендарный персонаж. Почти все документы, касающиеся этого ученого, которые дошли до нас, были созданы через несколько веков после его смерти, и поскольку последователи разве что не обожествляли Пифагора, значительная часть сведений о нем – это коллекция мифов. Так же как легенда по имени Гомер положила начало западной литературе, легенда по имени Пифагор основала математику.

Одно известно точно: Пифагор не формулировал теорему, которая носит его имя. Египтяне и вавилоняне знали и применяли ее, но они пользовались ею как инструкцией. Они неоднократно проверили ее на практике и убедились в ее истинности. Говоря современным языком, египтяне и вавилоняне использовали математику эмпирически: если они систематически убеждались, что результат верен, они обобщали его и думали, что он верен всегда. Это известно как индуктивное рассуждение. Когда мы находим действующую инструкцию, мы применяем ее, даже если и не понимаем, почему она работает.

Однако то, что сделал Пифагор, было действительно революционно: он пришел к убеждению, что эмпирических инструкций недостаточно и что требуется строгое доказательство их правоты. Фалес Милетский (ок. 630-545 до н. э.), отец философии, уже занимался выведениями доказательств, но Пифагор превратил поиск математического доказательства в систематическую программу. Он сделал нечто удивительное: пришел к выводу, что инструкция может быть доказана для всех случаев дедуктивно, с помощью правил логики, чтобы стать вечной, безупречной истиной, которую невозможно оспорить. Эмпиризму он противопоставил разум. Так, доказательство, основанное на логических правилах и образованное рядом шагов, которые любой может рассмотреть и понять, лучше, чем миллион экспериментов.

Насколько известно, Пифагор был первым, кто подумал о том, что такие доказательства не только возможны, но и достижимы систематически.

ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ТЕОРЕМЫ ПИФАГОРА

Возьмем два квадрата одинаковой площади со стороной а + b и разделим их, как показано на рисунке. Очевидно, что площадь каждого из квадратов равна (а + b)², но ее можно выразить и другим способом. В квадрате слева общая площадь равна сумме площадей двух квадратов со сторонами b и а и площадей четырех треугольников со сторонами а и b, то есть

1/2 · ab

для каждого из них. Следовательно, общая площадь первого квадрата равна

A₁ = a² + b² + 4(1/2 · ab)

Площадь второго квадрата равна сумме площади вписанного квадрата со стороной с и площадей четырех треугольников со сторонами а и b:

A₂ = c² + 4(1/2 · ab).

Так как А₁ и А₂ равны, то

a² + b² + 4(1/2 · ab) = c² + 4(1/2 · ab).

И, после сокращения уравнения:

а²+b²=с².

Это типичный пример геометрического доказательства, поскольку для него необходимо построить различные геометрические фигуры внутри квадратов.

Поэтому он заслуживает титула отца математики. Все амбиции математической науки, одной из самых плодотворных в интеллектуальной истории человечества, выразил немецкий математик Давид Гильберт (1862-1943) в своем «Wir mussen wissen. Wir werden wissen» («Мы должны знать. Мы будем знать!») во втором десятилетии XX века.

Пифагор или кто-то из его школы доказал теорему, носящую его имя, так что уже невозможно сомневаться в ее истинности. Данная теорема дает нам неизменное правило. В случае с прямоугольным треугольником это отношение всегда будет выполняться. Пифагор очень высоко поднял планку для последующих поколений: уже недостаточно было найти правило, проверить его на практике много раз и признать его истинным. Теперь в математике требовалось его доказывать. И хотя в некоторых случаях это чрезвычайно сложно, подход Пифагора оказался таким плодотворным, что математики, несмотря на все трудности, не готовы отказываться от него.

В течение нескольких веков греки следовали принципам Пифагора и стремились к строгому доказательству своих результатов. Но геометр, который жил при Птолемее I (367-283 до н. э.), военачальнике Александра Великого и царе Египта, пошел еще дальше. Речь идет о Евклиде (ок. 325-265 до н. э.), который не довольствовался тем, чтобы доказывать отдельные результаты, а амбициозно захотел собрать все математическое знание своего времени в одну систему.

Евклид понял, что любое доказательство основывается на предыдущих результатах, которые, в свою очередь, были доказаны ранее. Но данный процесс не может длиться до бесконечности – нужно исходить из некоторых истин, которые считаются очевидными. Их Евклид называл аксиомами. Также должны существовать четкие определения используемых элементов; в геометрии, например, это точки, линии, треугольники, круги и так далее. На этой основе Евклид создал единую систему, в которой доказанные и предполагаемые результаты (в последнем случае – аксиомы) служат основой для доказательства других результатов. В отличие от аксиом, эти новые результаты, требующие доказательства, получили название теорем.

Повторяя эту операцию снова и снова, мы можем построить математическую теорию, похожую на дерево, на котором с помощью небольшого количества корней можно породить потенциально бесконечное количество веток и листьев. Какие– то из них более важны (более крепкие и плодородные в своем потенциале создания новых ветвей), чем другие, но все они одинаково истинные.

Рассказывают, что Птолемей I потребовал у Евклида обучить его математике, при этом не желая тратить много сил и времени. Он хотел, чтобы ученый упростил свои объяснения, на что тот ответил:

«Ваше Величество, то, о чем Вы меня просите, невозможно; необходимо пережить и пройти через все необходимые шаги, чтобы понять науку. Не существует царской дороги в математику».

Невозможно преувеличить важность евклидовой геометрии. Практически все последующие поколения математиков использовали ее в качестве отправной точки. Сегодня любой математик, предлагающий новую теорию (или пытающийся переформулировать существующую), пользуется системой Евклида. До самого XX века его книга – знаменитые "Начала" – была самой популярной после Библии и считалась отправной точкой и необходимым объектом изучения в университетах.

Но несмотря на невероятные результаты, некоторые нюансы деятельности Пифагора и школы, которую он основал, сегодня могут показаться неприемлемыми. Пифагорейцы представляли собой что-то вроде тайной религии или секты и, возможно, не сильно отличались от других секретных древнегреческих обществ, например элевсинских или орфических мистерий. Так же как и посвященные элевсинцы, пифагорейцы не могли открывать природу своей деятельности.

Пифагорейский мистицизм был тесно связан с идеей того, что число – это сущность природы. Но под числом пифагорейцы понимали не совсем то же, что и мы. Для них числа были только натуральными и теми, что могут быть выражены в виде частного натуральных (3/4,5/8 и так далее): множество рациональных положительных чисел.

Конечно, пифагорейцы умели измерять геометрические длины. Верные своей мистической вере в числовую сущность природы, они были уверены, что любую длину можно выразить рациональным положительным числом. Они ожидали, что геометрия будет открывать природу, подобно любой естественной науке или музыкальной гармонии, также открытой ими.

И тут произошла катастрофа. Согласно легенде, один из учеников Пифагора доказал, что гипотенуза прямоугольного треугольника не является числом в том смысле, который назначали этому понятию пифагорейцы. Как ни удивительно, речь шла о самым простом прямоугольном треугольнике, у которого два катета имеют длину, равную единице, – о треугольнике не только прямоугольном, но и равнобедренном. Действительно, в данном случае гипотенуза, согласно собственно теореме Пифагора, равна √2.

Но √2 нельзя выразить в виде рационального положительного числа! Это то, что мы сегодня называем иррациональным числом, так как его нельзя выразить в виде отношения между двумя натуральными числами. Именно это, как говорит легенда, доказал Гиппас из Метапонта (ок. 500 до н. э.), строптивый ученик, за что его (или за то, что он открыл миру свое доказательство), как говорят, утопили в море рядом с Кротоной. Здесь мы видим типичный случай доказательства от противного, в котором предполагается противоположное тому, что нужно доказать, и, в свою очередь, доказывается, что это предположение приводит к неразрешимому противоречию с уже доказанной истиной. Это один из самых мощных способов доказательства в математике, при котором, как говорил британский ученый Годфри Харди (1877-1947), математик рискует сильнее, чем любой шахматист с его гамбитом: он рискует всей игрой.

Интеллектуальная гордость пифагорейцев перенесла тяжелейший удар: мир, по-видимому, не был основан на числе как основной сущности. Пифагорейцам не пришло в голову, что достаточно пересмотреть их ограниченное понятие числа, чтобы решить дилемму. Но это объяснимо; на заре математики для пифагорейцев было невозможно принять то, что им казалось невыразимым. В конце концов, они были вынуждены провести различие между величиной и числом, между длинами, измеряемыми в геометрии, и числами, выражаемыми арифметически. Так, обе дисциплины начали отдаляться друг от друга, и только работы ученых XVI и XVII веков Франсуа Виета, Ферма и Рене Декарта смогли воссоединить их.

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ИРРАЦИОНАЛЬНОСТИ √2

Представим, что число √2 рационально. Тогда его можно выразить в виде отношения двух целых чисел: √2 =p/q. Мы можем предположить, что предыдущее отношение несократимо, то есть его нельзя упростить еще больше, или, что то же самое, р и q не имеют общих делителей. Итак, из предыдущего выражения следует, что 2 = p²/q². Следовательно, p² – четное. Но если целое число в квадрате четное, то и само число, p, тоже четное (поскольку квадрат нечетного числа всегда нечетный). Следовательно, мы можем записать p = 2k и 4k² = 2q², или 2k² = q². То есть q² также четное, и q тоже. Но это противоречит гипотезе о том, что у p и q нет общих делителей! Следовательно, одна из наших гипотез ложная. Это не может быть гипотеза о том, что отношение несократимо; то есть ложно предположение о том, что √2 – рациональное число.

ОТ ЭПОХИ ВОЗРОЖДЕНИЯ ДО XVII ВЕКА

Эпоха Возрождения привела к настоящему пробуждению интеллектуальной математической деятельности. В течение же всего Средневековья сложно найти выдающиеся математические достижения в Европе; они встречались только в мусульманском мире. Но постепенное знакомство с греческими текстами, которые были сохранены арабами, в сочетании с оригинальным вкладом исламских ученых, вызвали у первых математиков XVI века беспрецедентную активность.

ТАРТАЛЬЯ И КАРДАНО

Никколо Фонтана (1499-1557), по прозвищу Тарталья, и Джироламо Кардано (1501-1576) были одними из самых знаменитых ренетов. Детство Тартальи нельзя назвать безоблачным: у него не было отца, он рос в нищете, а при завоевании Брешии французский солдат нанес ему рану, затронувшую челюсть и нёбо, из-за чего он не мог нормально разговаривать. Отсюда его прозвище, означающее «заика». Кардано, знаменитый врач, алгебраист и великий инженер, потерял сына, поскольку не смог заплатить компенсацию, которая требовалась, чтобы того не казнили. Случилось так, что итальянский математик Сципион дель Ферро (1465-1526) нашел решение кубических уравнений, которое держал в секрете ото всех, кроме своих самых близких учеников. Один из них, А.М. Фиоре, вызвал Тарталью в 1535 году на математическое соревнование. Работая в усиленном темпе, Тарталья нашел собственное решение, более общее, чем у дель Ферро. Это позволило ему застать Фиоре врасплох, решить все задачи с кубическими уравнениями, которые тот ему предлагал, и, в свою очередь, выиграть у него, предложив ему задачи, которые Фиоре не смог решить. Кардано узнал об этом состязании и постарался расположить к себе Тарталью, который в итоге показал ему решение, потребовав хранить его в секрете. Но Кардано узнал также решение дель Ферро и, думая, что это освобождает его от необходимости хранить секрет, опубликовал результат Тартальи в «Великом искусстве», большом трактате по алгебре.