Текст книги "Простая одержимость. Бернхард Риман и величайшая нерешенная проблема в математике."

Автор книги: Джон Дербишир

сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 26 страниц)

Одним из признаний этого факта стало устройство периодических международных конгрессов математиков. Первое такое собрание состоялось в Цюрихе в августе 1897 года. Жена Адамара как раз ожидала первого ребенка, а потому Адамар там не присутствовал. Он направил свою работу, с тем чтобы ее прочитал его друг Эмиль Пикар. (Интересно заметить, что как раз в то время в 40 милях от Базеля происходил первый Сионистский конгресс, вызванный, по крайней мере отчасти, делом Дрейфуса.)

2-й конгресс математиков прошел в Париже летом 1900 года, и намерение состояло в том, чтобы проводить конгресс каждые четыре года. Однако у Истории имелись собственные планы. Конгресс не проводился в 1916-м, равно как и в 1940, 1944 и 1948 годах. Система их проведения возродилась с 1950 года, когда конгресс состоялся в Кембридже, штат Массачусетс. Адамар, конечно, получил приглашение, но из-за его просоветских склонностей ему сначала отказали в визе для въезда в США. Потребовалось ходатайство коллег-математиков и личное вмешательство Трумэна чтобы обеспечить его приезд в Гарвард. (Во время написания этой книги, в начале 2002 года, идут приготовления к 24-му конгрессу этим летом в Пекине – всего лишь второму конгрессу, проводимому за пределами Европы, России и Северной Америки. [91]91
  В 2006 г. конгресс прошел в Мадриде (собрав более 4500 участников), а конгресс 2010 г. планируется провести в Хайдерабаде (Индия). (Примеч. перев.)


[Закрыть])

VIII.

Первый математический конгресс XX века состоялся в Париже с 6 по 12 августа 1900 года, и это был один из тех конгрессов, о которых все помнят. Парижский конгресс навсегда останется связан с именем Давида Гильберта – немецкого математика, работавшего в Геттингене – университете Гаусса, Дирихле и Римана. Хотя ему было всего 38 лет, Гильберт уже имел репутацию одного из выдающихся математиков своего времени.

Утром 8 августа в актовом зале Сорбонны Гильберт выступал с докладом о «Математических проблемах» перед примерно двумястами делегатами конгресса, среди которых был и Жак Адамар. Цель Гильберта состояла в том, чтобы обратить мысли коллег-математиков к главным проблемам, которые ставило перед ними новое столетие. Ради этой цели он предложил их вниманию несколько наиболее важных тем, требующих исследования, и задач, требующих решения. Он собрал эти темы и задачи в 23 пункта, восьмым из которых значилась Гипотеза Римана.

С этой речи математика XX века началась всерьез.

Часть вторая
Гипотеза Римана

Глава 11. Обитатели матрешек

I.

В главе 9.vi мы познакомились с некоторыми нулями дзета-функции. Мы видели, что каждое четное отрицательное целое число является нулем дзета-функции: ζ(−2) = 0, ζ(−4) = 0, ζ(−6) = 0 и т.д. Это несколько продвигает нас в понимании Гипотезы Римана, которая, как мы помним, звучит так:

Гипотеза Римана

Все нетривиальные нули дзета-функции имеют вещественную часть, равную одной второй.

К сожалению, все эти отрицательные четные числа – тривиальные нули. Ну… а где же нетривиальные? Чтобы ответить на этот вопрос, нам надо отправиться в царство комплексных и мнимых чисел.

Эта тема многих напрягает. Они полагают, что мнимые числа это просто страшилки или же что-то надуманное, чего не может быть, но что просочилось в математику откуда-то из области научной фантастики. Все это чепуха. Комплексные числа (частным случаем которых являются мнимые) появились в математике из весьма практических соображений. Они приносили математикам пользу при решении задач, которые без этих чисел не решались. Они не более «мнимые», чем числа любого другого вида. Когда это в последний раз вы спотыкались о семерку?

Иррациональные числа (такие как √2 и π) на самом деле более таинственны, более страшат наш разум и пугают даже сильнее, чем квадратный корень из минус единицы. Действительно, иррациональные числа принесли (и в обличье так называемой континуум-гипотезы продолжают приносить, см. речь Давида Гильберта в главе 12.ii) философам математики куда больше хлопот, чем когда бы то ни было принес безобидный малыш √−1. Предпринимались целенаправленные попытки отказаться от иррациональных чисел, причем даже в наше время и даже со стороны видных профессиональных математиков: Кронеккера в XIX столетии, Брауэра и Г. Вейля в начале XX. По поводу некоторых дополнительных замечаний на эту тему см. раздел V в этой главе.

II.

Чтобы получить сбалансированное представление о комплексных числах, неплохо бы понять, как вообще современные математики воспринимают числа. Это мы сейчас и рассмотрим, включив в наш рассказ заодно и комплексные числа. Не нервничайте пока слишком сильно по поводу того, что же они собой представляют: подробности последуют очень скоро, а в несколько следующих абзацев комплексные числа включены просто для полноты.

Итак, как же современный математик воспринимает числа? В виде ажурных букв, вот как! В виде букв N, Z, Q, Rи C. ^{1} Я пытался придумать какое-нибудь идиотское, а потому застревающее в памяти мнемоническое правило для их запоминания, но не смог изобрести ничего, кроме Nine Zulu Queens Ruled China. [92]92
  Буквально – «девять зулусских цариц правили Китаем», фраза в русском переводе столь же бессмысленная, как и в оригинале, но, кроме того, еще и бесполезная. Вообще-то одной этой фразой дело в любом случае не ограничивается: в математике встречаются еще и ажурные буквы Hи O. В рамках аналогии, приводимой автором в следующем абзаце, это, если угодно, огромные и толстые матрешки, которые по некоторым признакам уже не совсем матрешки. (Примеч. перев.)


[Закрыть]

А может, я и поспешил немного. Вот альтернативный ответ на тот же вопрос: математики воспринимают числа как набор сидящих одна в другой матрешек. Вот таких.

• Самая внутренняя матрешка: натуральные числа1, 2, 3, 4, 5, ….

• Следующая матрешка: все целые числа.Другими словами, натуральные числа вместе с нулем и отрицательными целыми (такими как −12).

• Следующая матрешка: рациональные числа.Другими словами, все целые вместе с положительными и отрицательными дробями (например, числа ³/ ₂, − ¹/ _917 635, ^{1000 000 000 001}/ ₆).

• Следующая матрешка: вещественные числа.Другими словами, рациональные вместе с иррациональными, такими как √2, π, e. (Из примечания [18]в главе 3.vi мы помним, что древние греки открыли существование чисел, которые не являются ни целыми, ни дробями, – иррациональныхчисел.)

• Внешняя матрешка: комплексные числа.

Уместно сделать несколько замечаний по поводу такой организации. Во-первых, числа из каждой матрешки записываются характерным для каждой из них способом.

• Натуральные числа обычно записываются так: 257.

• Целые могут иметь перед собой знак, например −34.

• Рациональные числа чаще всего записываются в виде дробей. В том, что касается записи в виде дроби, рациональные числа бывают двух видов. Те, величина которых (без учета знака) меньше единицы, называются «правильными дробями», а все остальные – «неправильными». Правильная дробь записывается таким образом: ¹⁴/ ₃₇. Неправильную дробь можно записать двумя способами: как собственно неправильную дробь  ¹³/ ₉или же в «смешанном» виде (с выделенной целой частью) 1 ⁴/ ₉.

• Наиболее важным вещественным числам присвоены специальные обозначения, такие как πи e. Многие другие можно выразить «в замкнутом виде», подобно  или π ²/6. Когда больше ничего нельзя сделать или же просто для того чтобы оценить реальное численное значение вещественного числа, его записывают в виде десятичной дроби, как правило, с многоточием в конце, которое означает: «Это не все! если надо, можно добавить сюда еще десятичные разряды», например −549,5393169816448223…. Их можно округлять, скажем, до «пяти знаков после запятой» −549,53932, или до «пяти значащих цифр» −549,54, или с любой другой точностью.

• Комплексные числа выглядят так: −13,052 + 2,477 i. О них мы еще поговорим.

Следующее, что нужно заметить, – это что обитатели каждой матрешки являются привилегированными гражданами следующей (внешней) и при желании могут быть записаны в стиле, принятом для этой внешней матрешки:

• Натуральные числа (скажем, 257) – это привилегированные целые числа, и их можно записать, поставив перед ними знак плюс, как +257. При виде целого числа со знаком плюс перед ним мы думаем: «Натуральное!»

• Целые (скажем, −27) – это привилегированные рациональные числа, и их можно записать в виде дроби, знаменатель которой равен 1, как − ²⁷/ ₁. При виде рационального числа со знаменателем 1 мы думаем: «Целое!»

• Рациональные числа (скажем, ¹/ ₃) – это привилегированные вещественные числа, и их можно записать в виде десятичных дробей, как 0,33333333…. Насчет рациональных чисел интересен тот факт, что при записи рационального числа в виде десятичной дроби знаки после запятой рано или поздно обязательно начнут повторяться (если только они вообще не исчерпаются, как, скажем, в числе  ⁷/ ₈= 0,875). Рациональное число ^65 463/ _27 100, например, в виде десятичной дроби выглядит следующим образом:

 
2,4156088560885608856088….
 

Все рациональные числа демонстрируют такие повторы, но ни одно из иррациональных ничего подобного не делает. Другими словами, иррациональное число не может проявлять никакого порядка в последовательности своих знаков после запятой. Число

 
0,12345678910111212131516171819202…
 

ясно демонстрирует некий порядок, и несложно заранее сказать, каков в нем сотый знак после запятой, или миллионный, или триллионный. (Спорим? Это соответственно 5, 1 и 1). Однако число это иррациональное. Когда же мы видим вещественное число, в котором знаки после запятой повторяются, мы думаем: «Рациональное!»

• Любое вещественное число можно записать как комплексное. Например, √2 записывается в виде комплексного числа как √2 + 0 i. Подробности ниже.

(В этом списке можно и перескочить через несколько ступенек и записать, скажем, натуральное число как вещественное: 257,000000000….)

Каждое семейство чисел – каждая из матрешек – обозначается ажурной буквой: N– семейство всех натуральных чисел,  Z– целых, Q– рациональных, a R– вещественных. Каждое семейство в определенном смысле содержится внутри следующего. И каждое расширяет возможности математики, позволяя делать что-то такое, чего нельзя было делать с предыдущей матрешкой. Например, Zпозволяет получить ответ для вычитания любого целого числа из любого целого, чего не удавалось сделать, оставаясь в N(7 − 12 =?). Подобным же образом Qпозволяет получить ответ для деления на любое число (кроме нуля), чего не удавалось сделать, оставаясь в  Z((−7):(−12) =?). И наконец, Rоткрывает дорогу анализу – математике пределов, – поскольку любая сходящаяся бесконечная последовательность чисел в Rимеет предел (что неверно для Q).

(Вспомним последовательности и ряды, с которыми мы встретились в конце главы 1. Все они состояли из рациональных чисел. Некоторые из них сходились к 2, или ²/ ₃, или 1 ¹/ ₂– т.е. их пределы также оказывались рациональными. Но другие, напротив, сходились к √2, или π, или e– иррациональным числам. Таким образом, бесконечная последовательность чисел из Qможет сходиться к пределу, который не лежит в Q. Математический профессиональный термин: Qне является полным. Напротив, Rполно, как полно и С. Эта идея пополнения Qприобретет новое значение, когда в главе 20.v мы будем говорить о p-адических числах.)

Можно выделить и другие категории чисел или внутри приведенной схемы N—Z—Q—R—C, или же «нарезав ее поперек». Очевидный пример доставляют простые числа – подмножество в N. Их совокупность иногда обозначается как P. Имеется также очень важное подмножество в С, называемое алгебраическимичислами и иногда снабжаемое собственной ажурной буквой А. Алгебраическое число – это такое число, которое является нулем некоторого многочлена, все коэффициенты которого взяты из Z, например, 2 x ⁷− 11 x ⁶− 4 x ⁵+ 19 x ³− 35 x ²+ 8 x− 3. Среди вещественных чисел каждое рациональное (и, следовательно, каждое целое и натуральное) – алгебраическое; ^39 541/ _24 565 есть корень многочлена 24 565 x− 39 541 (или, если вы предпочитаете язык уравнений и их решений языку функций и их нулей, – решение уравнения 24 565 x− 39 541 = 0). Иррациональное число может быть, а может и не быть алгебраическим. Те, которые не являются алгебраическими, называются трансцендентными.И число π, и число eтрансцендентны, как это доказали, соответственно, Эрмит в 1873 году и Фердинанд фон Линдеманн в 1882.

III.

На рассматриваемый предмет можно взглянуть и с другой стороны, в аспекте истории чисел, которую я тут скроил. «Скроил» – почти в том же смысле, в каком было сшито новое платье короля. На самом деле это полное вранье.

Подложная история чисел, рассказанная Джоном Дербиширом

Люди всегда умели считать. С доисторических времен у них была N– система натуральных чисел. Но Nнесет в себе запрет, невозможность. Нельзя вычесть большее число из меньшего. По мере развития техники это превратилось в препятствие. Температура была 5 градусов, а потом понизилась на 12 градусов – какая стала температура? В Nнет ответа на этот вопрос. Тогда люди изобрели отрицательные числа. Да, и кто-то еще додумался до нуля.

Отрицательные числа, положительные числа и нуль были собраны вместе в новую систему Z.Однако Zнесет в себе невозможность, запрет. Нельзя поделить число на другое число, не являющееся делителем первого.Можно поделить 12 на 3 (ответ: 4) или даже на −3 (ответ: −4), но нельзя поделить 12 на 7. В Zнет ответа для такого действия. По мере развития науки об измерениях это превратилось в препятствие. Для все более точной работы требуются все более точные измерения. Можно на время добиться желаемого совершенства, если ввести новые единицы измерения. Требуется что-то меньшее одного ярда? Хорошо, вот вам дюйм… Однако есть пределы тому, как далеко можно продвинуться таким образом, и насущной стала нужда в общем способе выражения долей единицы. Так были изобретены дроби.

Дроби вместе со всеми целыми были собраны в новую систему рациональных чисел Q. Увы, Qнесет в себе свой собственный запрет. Не всегда удается найти предел сходящейся последовательности.Три примера таких последовательностей были приведены в главе 1.vii. По мере развития науки к моменту, когда потребовался анализ, это стало препятствием, поскольку весь анализ основан на идее предела. Для развития анализа были изобретены иррациональные числа.

Иррациональные числа вместе с рациональными (включая, разумеется, все целые) были собраны в новую систему вещественных чисел R. Но и вещественные числа по-прежнему содержали запрет. Нельзя извлечь квадратный корень из отрицательного числа.К концу XVI века математика развилась до такой степени, что это стало препятствием. Так были изобретены мнимые числа. Мнимое число – это квадратный корень из отрицательного числа.

Мнимые числа вместе со всеми вещественными составили великий новый синтез: комплексные числа C.С комплексными числами нам доступно все, никаких запретов нет – и наступил конец истории.

Подчеркну, что эта история – полная фальшивка. Наше понимание чисел вовсе не развивалось подобным образом. Порядок – и тот неправильный. Он должен быть таким: N, Q, R, Z, С. Натуральные числа и правда были известны в доисторические времена. Египтяне изобрели дроби в начале третьего тысячелетия до P.X. Пифагор (или один из его учеников) открыл иррациональные числа около 600 года до P.X. Отрицательные числа возникли во времена Возрождения из необходимости бухгалтерского учета (хотя нуль появился чуть раньше). Комплексные числа появились в XVII веке. Все это развивалось малопредсказуемым образом, хаотично, как и большая часть того, что делают люди. Неверно и то, что наступил конец истории. История никогда не кончается; как только одна шахматная партия доиграна, немедленно начинается следующая.

Что моя подложная история все же показывает, так это каким образом матрешки помещаются одна в другой; надеюсь также, что она проливает некоторый свет на то, почему математики не склонны воспринимать мнимые и комплексные числа как нечто необычное. Эти числа представляют собой просто еще одну матрешку, созданную с практическими целями – решать задачи, которые иначе не решаются.

IV.

Утомительно все время писать √−1, поэтому математики заменили эту величину буквой i. Поскольку i– квадратный корень из минус единицы, имеем i ²= −1. Умножая здесь обе части равенства на i, находим, что i ³= − i. Продолжая процесс, получаем i ⁴= 1.

А как обстоят дела с √−2, √−3, √−4 и т.д.? Не понадобятся ли и для них отдельные обозначения? Нет. Согласно обычным правилам перемножения целых чисел, имеем −3 = −1×3. Поскольку √ xесть просто x ^1/2, 7-е правило действий со степенями говорит нам, что √(a×b) = √a×√b.(Например, √(9×4) = √9×√4 – довольно изысканный способ записи того факта, что 6 = 3×2.) Итак, √−3 = √−1×√3. Далее, √3, понятно, – совершенно обычное вещественное число, имеющее значение 1,732050807568877…. Следовательно (с точностью до трех знаков после запятой), √−3 = 1,732 i; в замкнутом виде это обычно записывают как i√3. То же относится и к корню из любого другого отрицательного числа. Целой кучи новых чисел не требуется; достаточно одного только i.

Так вот, i– очень гордое число. Оно довольно надменно и не любит путаться с другими числами. Прибавим 3 к 4; в полученной семерке исчезло всякое воспоминание о «тройности» тройки, как, впрочем, и о «четверности» четверки; они растворились в «семерности» семерки. Напротив, если мы прибавим 3 к i, то получим… 3 +  i. И такая же история с умножением. Когда мы умножаем 5 на 2, вся «пятерность» пятерки и «двойность» двойки проглатываются «десятностью» десятки, исчезая без следа. Но, умножая 5 на i, получаем… 5 i. Дело выглядит так, словно iникак не может расстаться со своей индивидуальностью; или, быть может, вещественные числа чувствуют, что iсделано из другого теста, чем они сами.

Итак, достаточно один раз впустить букву iв порядок вещей, как она породит целый новый класс чисел вида 2 + 5 i, −1 −  i, 47,242 − 101,958 i, √2 +  πi– все возможные a + biс вообще любыми вещественными aи b. Они называются комплексными числами.Каждое комплексное число имеет две части: вещественную и мнимую. Вещественная часть комплексного числа a + bi —это a, а мнимая – это b.

Как и в случае с другими матрешками N, Z, Qи R, числа, принадлежащие к одной из внутренних матрешек, являются привилегированными комплексными числами. Натуральное число 257, например, есть комплексное число 257 + 0 i; вещественное число √7 есть комплексное число √7 + 0i. Вещественное число – это просто комплексное число с нулевой мнимой частью.

А как насчет комплексных чисел с нулевой вещественной частью? Они называются (чисто) мнимыми числами. Примеры чисто мнимых чисел: 2 i, −1479 i, πi, 0,0000000577 i. Чисто мнимое число можно, конечно, записать как полновесное комплексное число, если вы специально хотите такое сделать: 2 iможно записать как 0 + 2 i. При возведении чисто мнимого числа в квадрат получается отрицательное вещественное число. Заметим, что это верно и для отрицательных мнимых чисел: квадрат числа 2 iравен −4, но и квадрат −2 iтоже равен −4 по правилу знаков.

Сложение двух комплексных чисел – дело несложное. Надо просто складывать по отдельности вещественные части и отдельно мнимые части: сложение комплексных чисел −2 + 7 iи 5 + 12 iдаст 3 + 19 i. То же и с вычитанием: если в последнем примере вычитать, а не складывать, получим −7 − 5 i. Что касается умножения, надо только помнить правило раскрытия скобок, не забывая при этом, что i ² = −1: так, (−2 + 7 i)×(5 + 12 i) дает −10 − 24 i + 35 i + 84 i ², что сводится к −94 + 11 i. В общем случае (a + bi)×(c + di) = (ac − bd) + (bc + ad)i.

Деление основано на нехитром приеме. Что такое 2: i?. Ответ: запишем это в виде дроби, как 2/ i. Чудесное свойство дробей состоит в том, что одновременное умножение и числителя, и знаменателя на одно и то же число (не равное нулю) не изменяет дроби: ³/ ₄, ⁶/ ₈, ¹⁵/ ₂₀и ^12 000/ _16 000– это все разные способы записи одной и той же дроби. Итак, умножим числитель и знаменатель дроби 2/ iна − i. Умножение двойки на − iдаст, конечно, −2 i, а iумножить на − iесть − i ², то есть −(−1), что равно 1. Следовательно, 2/ iравно −2 i/1, что есть просто −2 i.

Такое всегда можно сделать – превратить знаменатель дроби в вещественное число. А поскольку всем известно, как делить на вещественные числа, мы у цели. Как нам поделить два полновесных комплексных числа, скажем, (−7 − 4 i)/(−2 + 5 i)? Вот как: умножим числитель и знаменатель на −2 − 5 i. Давайте сначала выполним умножение сверху: (−7 − 4 i)×(−2 − 5 i) = −6 + 43 i. Теперь снизу: (−2 + 5 i)×(−2 − 5 i) = 29. Ответ: − ⁶/ ₂₉+ ⁴³/ ₂₉ i. Знаменатель дроби (a + bi)/(c + di)всегда можно превратить в вещественное число, умножив ее на (c − di). Общее правило на самом деле имеет вид

А каков квадратный корень из i? Не потребуется ли нам ввести целый новый класс чисел, чтобы включить √ i? И все далее и далее до бесконечности? Ответ: перемножим скобки (1 +  i)×(1 +  i). Результат, как можно видеть, равен 2 i. Значит, квадратный корень из 2 iравен 1 +  i. С поправкой на масштаб, квадратный корень из iдолжен быть равен 1/√2 + i/√2. Это число на самом деле им и является.

Комплексные числа по-настоящему прекрасны. С ними можно делать все, что угодно. Можно даже возводить их в комплексные степени, если вы полностью отдаете себе отчет в том, что делаете. Например, (−7 − 4 i) ^{−2+5 i}равно приблизительно −7611,976356 + 206,350419 i. Однако подробное обсуждение этой темы мы отложим до другого момента.

V.

Чего нельзясделать с комплексными числами, так это уложить их на прямую, как вещественные.

Семейство вещественных чисел R(конечно, с содержащимися в нем Q, Zи N) очень легко себе представить. Просто выстроим все числа вдоль прямой линии. Этот способ представления вещественных чисел называется «вещественная прямая» (рис. 11.1).

Рисунок 11.1.Вещественная прямая.

Каждое вещественное число лежит где-то на этой прямой. Например, √2 расположен немного к востоку от 1, чуть ближе, чем на полпути до 2, −πлежит лишь немного к западу от −3, а 1 000 000 – за пределами рисунка, где-то в соседнем районе. Ясно, что на конечном листе бумаги удается показать только часть прямой. От читателя требуется известная доля воображения.

Вещественная прямая представляется вещью очевидной, но в действительности дело с ней обстоит довольно серьезно и не лишено тайны. Рациональные числа, например, «всюду плотны» на ней. Это значит, что между любыми двумя рациональными числами найдется еще одно. А это означает, что между любыми двумя рациональными числами найдется еще бесконечно многорациональных. (Ну правда: если между aи bгарантированно живет c, то между aи c, а также между cи bгарантированно имеется некое dи некое e… и т.д., без конца.) Ладно, это почти удается себе представить. Но где же тогда помещаются иррациональные числа? Кажется, что им приходится как-то втискиваться между рациональными числами, которые, как мы только что видели, уже сидят всюду плотно! Всюду плотно – но при этом расселение еще не закончено.

Возьмем последовательность из главы 1.vii, которая сходится к √2, например ¹/ ₁, ³/ ₂, ⁷/ ₅, ¹⁷/ ₁₂, ⁴¹/ ₂₉, ⁹⁹/ ₇₀, ²³⁹/ ₁₆₉, ⁵⁷⁷/ ₄₀₈, ¹³⁹³/ ₉₈₅, ³³⁶³/ ₂₃₇₈, …. Ее члены по очереди делаются то меньше, то больше, чем √2, так что ¹³⁹³/ ₉₈₅меньше, чем √2 примерно на 0,000000036440355, a ³³⁶³/ ₂₃₇₈больше примерно на 0,00000006252177. Между этими двумя дробями втиснуто еще бесконечно много других дробей… и тем не менее где-то там остается место для √2. И не для одного только √2, а для бесконечного количества других иррациональностей!

Поражает не просто то, что иррациональностей бесконечно много, и не то, что и они тоже всюду плотны, но тот факт, что имеется строгий математический смысл в утверждении, что иррациональных чисел куда больше,чем рациональных. Это показал в 1874 году Георг Кантор. Число рациональных чисел бесконечно, и число иррациональных чисел тоже бесконечно, но вторая бесконечность больше первой. Как, черт возьми, все они умещаются на вещественной прямой? Как может столь непредставимо грандиозное количество иррациональных чисел втиснуться между рациональными, если те и так уже всюду плотны?

У нас здесь нет места, чтобы вдаваться в эти вещи. Мой совет – не думать о них слишком много. Это путь в безумие. (Действительно, Кантор закончил свои дни в лечебнице, хотя это и было в большей степени результатом врожденной предрасположенности к депрессии, усугубленной трудностями, с которыми его теории пробивались к признанию, нежели результатом слишком усердных размышлений о вещественной прямой. Его теории сейчас не подвергаются серьезным сомнениям.)

Но куда же нам теперь поместить комплексные числа? Вещественная прямая вся забита – и как забита! – рациональными и иррациональными числами. А ведь для каждого вещественного aимеется бесконечно много комплексных чисел вида a + bi,где bсвободно бегает себе вверх и вниз по вещественной прямой. Что же с ними делать?

Последнее замечание подсказывает ответ. Для каждого вещественного числа нам нужна прямая, а поскольку вещественных чисел бесконечно много, нам нужно бесконечно много таких прямых бок о бок друг с другом. Это означает, что нам требуется плоскость. Тогда как вещественные числа можно выстроить для парада вдоль прямой, для комплексных чисел требуется плоскость – которую, разумеется, называют «комплексной плоскостью». Каждое комплексное число изображается точкой где-то на этой плоскости.

Рисунок 11.2.Комплексная плоскость и точка zна ней (изображена точка −2,5 + 1,8 i); показаны ее модуль и фаза, а также сопряженное число.

Чаще всего комплексную плоскость рисуют так (рис. 11.2) что, вещественная прямая простирается с запада на восток. Под прямым углом к ней в направлении с юга на север проведена другая прямая, на которой живут все чисто мнимые числа: i, 2 i, 3 iи т.д. Чтобы добраться до числа a + bi,надо уйти на расстояние aна восток (на запад, если aотрицательно), а затем на расстояние bна север (на юг, если bотрицательно). Вещественная прямая и мнимая прямая (их чаще называют «вещественная ось» и «мнимая ось») пересекаются в нуле. Точки на вещественной оси имеют нулевую мнимую часть. Точки на мнимой оси имеют нулевую вещественную часть. Точка их пересечения – т.е. точка, расположенная на обеих осях, – имеет и вещественную, и мнимую части равными нулю. Это точка 0 + 0 i, т.е. попросту нуль.

Введем три новых профессиональных термина. Модулькомплексного числа – это расстояние по прямой от этого числа до нуля. Обозначается модуль как |z|, что произносится «модуль зет». По теореме Пифагора модуль комплексного числа a + biесть . Это всегда положительное вещественное число или нуль. Фазакомплексного числа – это угол, составленный с положительной частью вещественной оси, измеряемый в радианах. (Один радиан равен 57,29577951308232… градуса; 180 градусов – это πрадиан.) Фазу по соглашению считают углом, лежащим между −π(не включая) до π(включая), а обозначается она как Φ(z). [93]93
  В наше время фазу чаще называют «аргументом» и обозначают Arg( z). Я использовал старое название (в оригинале «amplitude» и Am( z)  – пер.),отчасти из уважения к Г.Х. Харди (см. главу 14.ii), а отчасти чтобы избежать путаницы со словом «аргумент» для обозначения «числа, к которому применяется функция». (В переводе, следуя желанию автора избежать подобной путаницы, использован термин «фаза», который несет в себе некоторые «физические» коннотации, но в целом достаточно ясно указывает на то, что он призван обозначать. – Примеч. перев.)


[Закрыть]У положительных вещественных чисел фаза равна нулю, у отрицательных вещественных она равна −π, у положительных мнимых равна π/2, а у отрицательных мнимых фаза равна −π/2.

И наконец, комплексным сопряжениемкомплексного числа называется его зеркальное отображение относительно вещественной оси. Комплексное сопряжение числа a + biесть a − bi. Обозначается оно как z', что произносится как «зет-с-чертой». ^{2} Если перемножить комплексное число с его сопряженным, то получится вещественное число: (a + bi)×(a − bi) = a ²  + b ², что, как видно, есть квадрат модуля числа a+ bi. На этом и основан фокус, позволяющий делить комплексные числа. Используя введенные обозначения, можно записать z×z' = |z| ², а фокус с делением выражается как z/w = (z×w')/|w| ².

Модуль комплексного числа −2,5 + 1,8 i, показанного на рисунке 11.2, равен √9,49, то есть около 3,080584, фаза составляет 2,517569 радиана (или, если вам так больше нравится, 144,246113 градуса), а сопряженное число, конечно, есть −2,5 − 1,8 i.

VI.

Чтобы продемонстрировать комплексную плоскость в действии, я чуть-чуть потренируюсь в анализе с комплексными числами. Рассмотрим бесконечный ряд из выражения (9.2):

 
1/(1 − x) = 1 + x+ x ²+ x ³+ x ⁴+ x ⁵+ x ⁶+ …
( xлежит строго между −1 и 1).
 

Поскольку здесь не предпринимается никаких действий, кроме сложения, умножения и деления чисел, нет причин, по которым xнельзя было бы сделать комплексным числом. Работает ли эта формула для комплексных чисел? Да, при определенных условиях. Пусть, например, xравен ¹/ ₂ i. Тогда ряд сходится. Имеем

 
1/(1 − i/2) = 1 +  ¹/ ₂ i+ ¹/ ₄ i ²+ ¹/ ₈ i ³+ ¹/ ₁₆ i ⁴+ ¹/ ₃₂ i ⁵+ ¹/ ₆₄ i ⁶+ …
 

Левая часть вычисляется с помощью рассмотренного выше фокуса с делением как 0,8 + 0,4 i. Правую часть можно упростить, используя тот факт, что i ² = −1:

 
0,8 + 0,4 i= 1 +  ¹/ ₂ i− ¹/ ₄+ ¹/ ₈ i− ¹/ ₁₆+ ¹/ ₃₂ i−  ¹/ ₆₄+ …
 

Можно пройти правую часть этой формулы на комплексной плоскости. Идея видна из рисунка 11.3. Начнем из точки 1 (которая, разумеется, расположена на вещественной оси). Оттуда идем на север, что соответствует прибавлению ¹/ ₂ i. Затем на запад на  ¹/ ₄потом на юг в соответствии с вычитанием ¹/ ₈ iи т.д. Получается спираль, замыкающаяся на комплексном числе 0,8 + 0,4 i. Вот вам анализ в действии – бесконечный ряд сходится к этому пределу.

Рисунок 11.3.Анализ на комплексной плоскости.

Заметим, что при переходе к комплексным числам мы потеряли простоту одного измерения, но зато приобрели некоторые преимущества наглядности. При наличии в нашем распоряжении двух измерений можно, как мы только что это и делали, демонстрировать математические результаты в виде замечательных наглядных образов и картинок. В этом до известной степени и состоит привлекательность комплексного анализа (для меня, во всяком случае). В главе 13 мы сможем увидеть дзета-функцию Римана (и саму великую Гипотезу!), выраженную в виде изящных узоров на комплексной плоскости.