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

Автор книги: Джон Дербишир

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 26 страниц)

(Читая эту главу, как и другие исторические главы, посвященные той эпохе, следует отдавать себе отчет: до того как в Европе благодаря Наполеону – впрочем, в некоторых странах даже еще позже – произошла переоценка ценностей, существовало четкое различие между университетами, назначение которых состояло в обучении и подготовке к тому, что считалось необходимым для думающей элиты в данной стране, и научными академиями и обществами, созданными для проведения исследований. Эти же исследования в основном, с большими или меньшими вариациями в зависимости от места, времени и наклонностей правителя, были ориентированы на практическую пользу для государства. Учреждения, подобные Берлинскому университету (основанному в 1810 году), где велась некоторая исследовательская работа, или Санкт-Петербургской академии наук на раннем этапе ее существования, были редким исключением из этого общего правила. Берлинская академия наук, где Гипотезе Римана предстояло впервые увидеть свет, была чисто исследовательским учреждением, построенным по образцу Королевского общества в Англии.)

Нам не известно практически ничего о бытовой стороне жизни Римана в берлинский период, жизни за пределами его математических занятий. Дедекинд сообщает только об одном достойном упоминания инциденте. В марте 1848 года берлинская толпа, разгоряченная февральской революцией в Париже, вышла на улицы, требуя объединения германских государств в единую империю. Возводились баррикады, солдаты пытались их снести, пролилась кровь. Прусским королем в то время был Фридрих-Вильгельм IV, несколько мечтательный и отрешенный от мира человек, находившийся под сильным воздействием идей романтизма, с сентиментальными воззрениями относительно своего народа и с представлениями об идеальном государстве как о патерналистской монархии. Во время кризиса он показал свою полную несостоятельность, отправив армию назад в казармы и оставив дворец незащищенным до того, как бунтовщики были рассеяны. Студенты университета образовали верные власти караульные отряды для защиты короля, и Риман нес службу в таком карауле с 9:00 одного дня до часа следующего дня, т.е. в общей сложности 28 часов.

По возвращении в Геттинген в 1849 году Риман начал работу над диссертацией, которую он защитил через два года, в возрасте 25 лет; диссертация была посвящена теории функций комплексной переменной. Через три года после этого он начал преподавание в Геттингене, а в 1857 году получил место экстраординарного профессора, что было его первой должностью, на которой ему платили постоянное жалованье. (Обычно предполагалось, что лекторы обходятся тем, что платят за обучение студенты, – столько студентов, сколько лектору удастся привлечь на свои лекции. Должность эта называлась Privatdozent – буквально «частный преподаватель».)

Если пользоваться языком, употребительным в современных биографиях знаменитостей, то 1857 год следует также назвать «годом прорыва» Римана. Его диссертация 1851 года ныне рассматривается как классический математический труд XIX столетия, но в момент своего появления она не привлекла большого внимания, несмотря на энтузиазм, который выказал Гаусс. Другие работы, написанные Риманом в начале 1850-х годов, не получили широкой известности и были опубликованы в доступном для публики виде только после его смерти. Относительная известность, которую он вообще приобрел, пришла к нему благодаря содержанию его лекций, но и тут таилась сложность: значительная часть этого содержания слишком опережала время, чтобы ее должным образом оценили. Однако в 1857 году Риман опубликовал работу по анализу, немедленно получившую признание как существенный вклад в эту науку. Она называлась «Теория абелевых функций». [15]15
  Абелева функция —это многозначная функция, получаемая при обращении интегралов определенного вида. Данное название не имеет широкого распространения в наше время. Мы упомянем многозначные функции в главе 3, теорию функций комплексной переменной в главе 13, а обращение интегралов – в главе 21.


[Закрыть]В ней он обратился к актуальным проблемам, применив остроумные и новаторские методы. За год или два его имя стало известно математикам по всей Европе. В 1859 году он стал ординарным профессором [16]16
  Используя уже утвердившийся у нас американизм – «полным профессором». В этих же терминах «экстраординарный профессор» – это Assistant Professor, что до некоторой степени соответствует российскому доценту. (Примеч. перев.)


[Закрыть]в Геттингенском университете; эта должность наконец принесла ему достаточные средства, чтобы жениться. Женился он три года спустя на Элизе Кох, подруге своей старшей сестры.

11 августа того же 1859 года, незадолго до своего 33-летия, Бернхард Риман стал членом-корреспондентом Берлинской академии наук. Основанием для принятия его в ряды академии послужили те две единственные работы Римана, которые пользовались известностью, – диссертация 1851 года и работа 1857 года по абелевым функциям. Избрание в члены Берлинской академии наук было огромной честью для молодого математика. По традиции, новоизбранный член представлял в академию оригинальную работу по теме своих исследований. Работа, которую представил Риман, называлась «О числе простых чисел, не превышающих данной величины» (Über die Anzahl der Primzahlen unter einer gegebenen Grösse).

Математика после этого уже никогда не была прежней.

Глава 3. Теорема о распределении простых чисел

I.

Итак, сколько же имеется простых чисел, не превышающих некоторую заданную величину? Очень скоро мы это узнаем, но сначала – пятиминутное повторение на тему простых чисел.

Возьмем положительное целое число – для примера, 28. Какие числа делят его нацело? Ответ таков: 1, 2, 4, 7, 14 и 28. Эти числа называются делителямичисла 28. Будем говорить, что «28 имеет шесть делителей».

Разумеется, каждое число делится на 1; и каждое делится само на себя. Так что единица и само число – не слишком интересные делители. Если использовать слово, которое математики очень любят, – это «тривиальные» делители. Интересные же делители в нашем случае – это 2, 4, 7 и 14. О них говорят как о собственных делителях.

Получаем, что у числа 28 четыре собственных делителя. Но у числа 29 собственных делителей нет вовсе. Ничто не делит число 29 нацело, кроме, конечно, 1 и 29. Это – простое число. Простое число – это такое, у которого нет собственных делителей.

Приведем все простые числа, не превосходящие 1000.

  2   3   5   7  11  13  17  19

 23  29  31  37  41  43  47  53

 59  61  67  71  73  79  83  89

 97 101 103 107 109 113 127 131

137 139 149 151 157 163 167 173

179 181 191 193 197 199 211 223

227 229 233 239 241 251 257 263

269 271 277 281 283 293 307 311

313 317 331 337 347 349 353 359

367 373 379 383 389 397 401 409

419 421 431 433 439 443 449 457

461 463 467 479 487 491 499 503

509 521 523 541 547 557 563 569

571 577 587 593 599 601 607 613

617 619 631 641 643 647 653 659

661 673 677 683 691 701 709 719

727 733 739 743 751 757 761 769

773 787 797 809 811 821 823 827

829 839 853 857 859 863 877 881

883 887 907 911 919 929 937 941

947 953 967 971 977 983 991 997

Как видно, их 168. В этот момент обычно раздаются возражения, что в список простых чисел не включена единица. Разве единица не удовлетворяет определению? Ну, строго говоря, да – удовлетворяет, и закоренелые педанты могут для своего собственного удовлетворения вписать «1» в начало списка. Однако включение 1 в список простых чисел – серьезная помеха, и современные математики по взаимному согласию этого просто не делают. (Последним из крупных математиков, кто такое делал, был Анри Лебег в 1899 году.) На самом деле даже включение двойки – тоже помеха; однако присутствие 2 в конце концов себя окупает, а присутствие 1 – нет, так что мы ее выбрасываем, и все.

Если посмотреть на список простых чисел повнимательнее, то станет заметно, что они скудеют по мере продвижения вперед по списку. Между 1 и 100 имеется 25 простых; между 401 и 500 их 17; а между 901 и 100 – всего 14. Как видно, число простых в каждом блоке из сотни чисел убывает. Если бы мы продлили список, включив в него все простые числа до миллиона, то обнаружилось бы, что в последнем блоке из сотни чисел (т.е. среди чисел от 999 901 до 1000 000) всего лишь восемь простых. А если продлить до триллиона, то в последнем блоке из сотни чисел нашлись бы только четыре простых (конкретно, они таковы: 999 999 999 937, 999 999 999 959, 999 999 999 961 и 999 999 999 989).

II.

Возникает естественный вопрос: истощатся ли рано или поздно простые числа до конца? Если продолжить список до триллионов триллионов или до триллионов триллионов триллионов триллионов, то дойдем ли мы в конце концов до точки, за которой простых чисел больше нет, так что последнее простое, встреченное нами по пути, окажется наибольшим простым числом?

Ответ на это около 300 года до P.X. дал Эвклид. Нет, простые числа не истончаются до конца. Всегда найдутся еще. Нет наибольшего простого числа. Сколь большое простое число вы бы ни взяли, всегда найдется еще большее. Простые числа продолжаются без конца. Доказательство: пусть число N– простое. Образуем такое число: (1×2×3×…× N) + 1. Оно не делится нацело ни на одно из чисел от 1 до N– в остатке всегда будет единица. Значит, или оно не имеет собственных делителей (и, следовательно, является простым числом, превосходящим N), или же наименьший из его простых делителей – некоторое число, превосходящее само N.Этим результат и доказан, поскольку наименьший собственный делитель любого числа с необходимостью является простым, ведь иначе в нем в свою очередь нашелся бы меньший делитель. Скажем, если Nесть 5, то 1×2×3×4×5 + 1 есть 121, и наименьший простой делитель этого числа равен 11. С какого бы простого числа вы ни начали, вы получите большее простое. (Другое доказательство бесконечности числа простых чисел я дам в главе 7.iv, после того как покажу вам Золотой Ключ.)

При том что этот вопрос удалось урегулировать на столь раннем этапе истории математики, следующей по очереди вещью, естественным образом занимавшей головы математиков, была такая проблема: можно ли найти правило, закон для описания того, как именно истончаются простые числа? В пределах сотни имеется 25 простых чисел. Если бы простые числа были распределены строго равномерно, то, разумеется, в пределах тысячи их было бы в 10 раз больше, т.е. 250. Но из-за истончения там в действительности только 168 простых. Почему 168? Почему, скажем, не 158, или 178, или еще сколько-нибудь? Существует ли правило, формула, говорящая, сколько имеется простых чисел, меньших данного числа?

Вот мы и пришли к тому вопросу, с которого, как и Бернхард Риман, мы начали: сколько имеется простых чисел, меньших заданного числа?

III.

А что мы можем выяснить, действуя «от готового»? Я на самом деле знаю ответы на последний вопрос для довольно внушительных чисел. Некоторые из них показаны в таблице 3.1.

N	N
1 000	168
1 000 000	78 498
1 000 000 000	50 847 534
1 000 000 000 000	37 607 912 018
1 000 000 000 000 000	29 844 570 422 669
1 000 000 000 000 000 000	24 739 954 287 740 860

Таблица 3.1.

Здорово, конечно, но на самом деле не слишком информативно. Да, простые числа истончаются. Если бы они продолжали появляться в том же темпе, что и в первой тысяче, где их 168, то в последней графе их было бы что-то около 168 000 000 000 000 000. Но там в действительности лишь одна седьмая этого значения.

Сейчас я покажу фокус, который прольет немного света на эту туманную картину. Но сначала два слова о функциях.

IV.

Двухколоночная табличка вроде таблицы 3.1иллюстрирует понятие функции. «Функция» – одна из важнейших концепций во всей математике, вторая или третья по значимости, на мой взгляд, после «числа» и, возможно, «множества». Основная идея функции состоит в том, что некоторое число (из правой колонки) зависит от другого числа (из левой колонки) в соответствии снекоторым заданным законом или процедурой. Конкретно для таблицы 3.1процедура такова: «Посчитать, сколько имеется простых чисел в пределах, определяемых числом в левой колонке».

Другой способ сказать то же самое таков: функция – это способ превратить (математики говорят «отобразить») число в другое число. Функция в таблице 3.1согласно выбранной процедуре превращает, или отображает, число 1000 в число 168.

Профессиональные термины здесь таковы. Поскольку слишком утомительно постоянно произносить слова «число в левой колонке» и «число в правой колонке», математики говорят о них соответственно как об «аргументе» и «значении» (или «значении функции»). Итак, суть дела во всякой функции – это получить значение по заданному аргументу, следуя некоторому правилу или процедуре.

И еще один ключевой профессиональный термин. Бывает, что правило, на котором основано определение функции, можно применить к одним числам или к одному типу чисел, но не к другим или другому. Скажем, правило «вычесть из аргумента единицу и взять обратное число» определяет весьма уважаемую функцию – математик сказал бы, что это функция 1/(1 − x), и мы довольно плотно с ней познакомимся в главе 9.iii, – но это правило нельзя применить к аргументу 1, поскольку такая попытка повлекла бы за собой деление на нуль, чего в математике не разрешается. (Нет никакого толка спрашивать: «А что если я попробую?» Нельзя, и все. Это против правил. Если вы попытаетесь, то игра остановится и все вернется в последнюю разрешенную позицию.)

В качестве другого примера рассмотрим функцию, действующую по правилу «посчитать, сколько делителей имеет аргумент». Мы видим, что число 28 имеет шесть делителей (будем сейчас включать и тривиальные делители тоже), а 29 – только два. Значит, данная функция превращает 28 в 6, а 29 (как и любое другое простое число) в 2. Это еще одна уважаемая и полезная функция, как правило, обозначаемая как d(N).Однако эта функция осмысленна только для целых чисел – и даже только для положительныхцелых чисел. Сколько делителей у числа 12 ⁷/ ₈? Сколько делителей у числа  π? Не спрашивайте. Эта функция – не для них.

Относящийся сюда профессиональный термин – это «область определения». Область определения какой-нибудь функции – это те числа, которые она допускает в качестве аргумента. Функция 1/(1 − x)допускает в качестве аргумента все числа, кроме 1. Функция d(N)допускает в качестве аргумента любое положительное целое число; это и есть ее область определения. Область определения функции √x– все неотрицательные числа, поскольку из отрицательных извлекать квадратный корень нельзя (впрочем, по этому поводу я оставляю за собой право передумать далее по тексту).

Некоторые функции допускают всечисла в свою область определения. Функция возведения в квадрат x ², например, применима к любому числу. Любое число можно возвести в квадрат (т.е. умножить само на себя). То же верно и для полиномиальныхфункций (другими словами, многочленов) – т.е. функций, значения которых получаются сложением и вычитанием степеней аргумента. Примером полиномиальной функции может служить 3 x ⁵+ 11 x ³ −35 x ² −7 x+ 4. Область определения полиномиальной функции – все числа. Это обстоятельство сыграет свою роль в главе 21.iii. Но наиболее интересные функции имеют определенные ограничения на свою область определения: или возникают какие-то значения аргумента, при которых правило не действует (обычно из-за того, что пришлось бы делить на нуль), или же правило вообще применимо только к определенному классу чисел.

Важно понимать, что табличка, подобная таблице 3.1, – это только модельфункции. Сколько имеется простых чисел, меньших числа 31 556 926? Можно было бы ответить, внедряя в табличку дополнительные строки, но с учетом моего намерения удержать число страниц этой книги в некоторых разумных пределах имеется, очевидно, ограничение на то, сколько строк я могу вставить. Приведенная таблица – не более чем модель функции, ее «моментальный снимок», сделанный при определенных аргументах (выбранных с некоторым дальним прицелом).

На самом деле обычно не существует хорошего способа показать функцию во всей ее красе. Иллюстрировать какие-то конкретные свойства функции иногда помогает график, но в данном случае он достаточно бесполезен. Если вы попытаетесь изобразить содержимое таблицы 3.1в виде графика, вы быстро поймете, что я имею в виду. Усилия по построению графика дзета-функции, которые будут предприняты в главе 9.iv, прояснят этот момент. Математики обычно получают некоторое общее представление о конкретной функции, тесно работая с ней в течение достаточно длительного времени, наблюдая при этом за всеми ее свойствами и особенностями. С помощью таблицы или графика не часто удается охватить функцию целиком.

V.

Еще о функциях надо заметить, что наиболее важные из них носят имена. А действительноважные обозначаются специальными символами. Функция, модель которой приведена в таблице 3.1, носит имя «функции числа простых чисел» и обозначается символом π(N),что читается как «пи от эн».

Знаю, знаю – может возникнуть путаница. Ведь π —это отношение длины окружности к ее диаметру, то самое невыразимое

 
3,14159265358979323846264….
 

Но новое использование символа πне имеет к этому числу ровно никакого отношения. В греческом алфавите всего 24 буквы, и к тому времени, как математики собрались дать имя этой функции (лично ответственный за это – Эдмунд Ландау, который ввел такое обозначение в 1909 году, – см. главу 14.iv), все 24 буквы уже были порядком израсходованы, и пришлось пустить их по кругу. Мне жаль, что так получилось, но это не моя вина. Данное обозначение в настоящий момент является абсолютно стандартным, так что его придется терпеть.

(Если вы хоть раз занимались мало-мальски серьезным программированием на компьютере, то вам знакома концепция перегрузкисимвола. Использование буквы πдля двух совершенно различных целей есть некоторое подобие перегрузки этого символа.)

Итак, функция π(N)определена как число простых чисел до N(включая само N, хотя это довольно редко имеет значение, и я не буду особенно следить за употреблением выражений «меньших, чем» и «не превышающих»). Но вернемся к нашему основному вопросу: есть ли какое-нибудь правило, какая-нибудь изящная формула, которая даст нам значение π(N), избавив от необходимости заниматься счетом?

Позвольте мне устроить небольшой фокус с таблицей 3.1. Я поделю первую колонку на вторую – аргументы на значения. Я не гонюсь за безумной точностью. И вообще буду пользоваться карманным калькулятором за 6 долларов, с которым я хожу в супермаркет. Вот что получается: 100 разделить на 168 даст 5,9524; 1 000 000 разделить на 78 498 даст 12,7392. Еще четыре результата подобного же вычисления дают нам таблицу 3.2.

N	N/π(N)
1 000	5,9524
1 000 000	12,7392
1 000 000 000	19,6665
1 000 000 000 000	26,5901
1 000 000 000 000 000	33,5069
1 000 000 000 000 000 000	40,4204

Таблица 3.2.

Посмотрим пристально на эти значения. Они всякий раз возрастают на 7. Точнее, на число, которое болтается между 6,8 и 7,0. Может, вам это и не кажется чем-то особенно чудесным, но когда математик видит такую таблицу, над головой у него ярко вспыхивает лампочка и определенное слово приходит ему на ум. Позвольте объяснить.

VI.

Имеется определенное семейство функций, которые страшно важны в математике, – показательныефункции. Не исключено, что вы о них кое-что знаете. Их еще называют «экспоненциальными», и это слово проникло из математики в обычный язык. Мы все надеемся, что наши деньги, вложенные в инвестиционные фонды, будут расти экспоненциально – другими словами, быстрее и быстрее.

С принятой нами точки зрения – иллюстрирования функций двухколоночными таблицами типа таблицы 3.1– можно нестрого определить показательную функцию следующим образом. Если взять набор значений аргумента так, чтобы при переходе от строки к строке они росли как результат регулярного сложения, и если при этом окажется, что получающиеся значения функции растут как результат регулярного умножения, то перед нами – показательная функция. Слово «регулярный» здесь означает, что происходит прибавление одного и того же числа или умножение на одно и то же число.

Рассмотрим пример. Возьмем правило «вычислить 5×5×5×5×… – выражение, содержащее Nпятерок».

N	N
1	5
2	25
3	125
4	635

Видите, как аргумент каждый раз увеличивается путем прибавления 1, в то время как значения каждый раз увеличиваются путем умножения на 5? Это показательная функция. Аргументы увеличиваются «по сложению», а значения – «по умножению».

Я для удобства выбрал вариант, когда аргумент каждый раз увеличивается путем прибавления 1, и буду придерживаться его и далее. Для данной конкретной функции это приводит к умножению аргумента на 5. Разумеется, в числе 5 нет ничего специального. Можно было бы выбрать функцию, в которой множитель равен 2, или 22, или 761, или 1,05 (что, кстати, дало бы таблицу накопления сложных процентов при ставке в 5%), или даже 0,5. В каждом из случаев мы получим показательную функцию. Вот почему я сказал, что имеется некоторое «семейство функций».

Еще один термин, который математики обожают, – «канонический вид». В ситуации, подобной данной, когда имеется явление (в нашем случае – показательная функция), которое может проявляться многими различными способами, есть, вообще говоря, один способ, которым математики желают представить все явление. В данном случае вот какой. Есть однапоказательная функция, которую математики предпочитают всем остальным. Если бы вы принялись угадывать, то, наверное, предположили бы, что это та функция, в которой множителем является число 2 – самое простое в конце концов, на что можно умножить. Но нет! Канонический вид показательной функции, предпочтительный для математиков, имеет множитель 2,718281828459045235. Это еще одно магическое число наряду с π,которое проявляет себя во всех областях математики. [17]17
  Вот только один пример неожиданного появления числа e.Возьмем случайное число, заключенное между 0 и 1. Теперь возьмем другое и прибавим его к первому. Продолжим так поступать, накапливая случайные числа. Сколько в среднем случайных чисел потребуется, чтобы сумма оказалась больше, чем 1? Ответ: 2,71828….


[Закрыть]Оно уже встречалось нам в этой книге (см. главу 1.vii). Оно иррационально [18]18
  Одно из великих математических открытий Античности, сделанное Пифагором или одним из его учеников около 600 г. до P.X., состояло в том, что не всякое число есть целое или дробь. Например, квадратный корень из 2, без сомнения, не является целым. Грубая арифметика показывает, что он лежит где-то между 1,4 (которое в квадрате дает 1,96) и 1,5 (которое в квадрате дает 2,25). Это, однако, и не дробь. Доказательство таково. Пусть Sобозначает множество положительных целых чисел n,для которых выполнено такое свойство: n√2– также положительное целое число. Если множество Sне пусто, в нем есть наименьший элемент. ( Любоенепустое множество положительных целых чисел имеет наименьший элемент.) Обозначим этот наименьший элемент буквой k.Теперь образуем число u = (√2 − 1)k.Легко видеть, что (i)  uменьше, чем k,(ii)  u– положительное целое и (iii) u√2– также положительное целое, так что (iv)  uлежит в множестве S.Это противоречие, поскольку мы определили kкак наименьший элемент из S,и, следовательно, предположение, из которого мы исходили, – что Sне пусто – должно быть ложным. Следовательно, множество Sпусто. Следовательно, нет положительного целого числа n,для которого n√2– положительное целое число. Следовательно, √2 – не дробь. Число, которое не является ни целым, ни дробным, называется «иррациональным», поскольку оно не есть отношение (ratio) двух целых чисел.


[Закрыть], так что последовательность знаков после запятой никогда не повторяется и его нельзя переписать в виде дроби. Символ eдля этого числа был введен Леонардом Эйлером, о котором будет много всего сказано в следующей главе.

Но почему именно это число? Не слишком ли оно неуклюже, чтобы с его помощью определять канонический вид? Разве не много проще было бы с числом 2? Да, наверное, для целей умножения было бы проще. Я не могу объяснить важность числа e, не вдаваясь в вычисления, а я дал торжественный обет объяснить Гипотезу Римана с минимумом вычислений. По этой причине я просто убедительно попрошу вас принять на веру, что e– действительно, действительноважное число и что ни одна другая показательная функция не может и близко сравниться с этой e ^N.Вот как выглядит наша таблица:

N	e N
1	2,718281828459
2	7,389056098931
3	20,085536923188
4	54,598150033144

(здесь точность – 12 знаков после запятой). Основной принцип, конечно, сохраняется – аргументы (левая колонка) растут каждый раз за счет добавления 1; при этом значения в правой колонке каждый раз умножаются на e.

VII.

А если наоборот? Представим себе функцию, основанную на таком правиле: когда аргумент растет «по умножению», значения растут «по сложению». Что за функция получится?

Здесь мы вступаем в царство обратныхфункций. Математики имеют особое пристрастие к тому, чтобы обращать самые разные вещи – выворачивать их наизнанку. Если уесть 8 умножить на x, то как выразить xчерез y? Понятно, что это y/8. Деление обратно умножению. Еще есть такое любимое нами действие, как возведение в квадрат, когда мы умножаем число само на себя. И каково же его обращение? Если y = x ², то чему равен xв терминах y? Ну да, это квадратный корень из y.Если вы немного знакомы с анализом, то знаете, что есть действие, называемое «дифференцированием», которое позволяет превратить функцию fв другую функцию – g, говорящую о том, какова мгновенная скорость изменения функции fпри каждом ее аргументе. И каково же действие, обратное дифференцированию? Это интегрирование. Ну и так далее. Обращение станет ключевой темой позднее, когда мы вникнем в работу Римана 1859 года.

С точки зрения принятого нами подхода, когда функции показаны в виде таблиц, обращение просто означает отражение таблицы, при котором ее правая часть становится левой, а левая – правой. Правда, это быстрый способ нажить себе неприятности. Возьмем функцию возведения в квадрат – скорее всего, первую нетривиальную функцию, с которой вы познакомились в школе. Чтобы возвести число в квадрат, мы умножаем его само на себя. Вот соответствующая таблица:

N	N 2
−3	9
−2	4
−1	1
0	0
1	1
2	4
3	9

(Я полагаю, что вы помните о правиле знаков, так что −3 умножить на −3 дает 9, а не −9). [19]19
  Правило знаков: минус умножить на минус дает плюс. Многие люди застревают в арифметике именно на этом месте. Они спрашивают: «Что это значит – умножить отрицательное на отрицательное?» Лучшее объяснение, какое мне приходилось встречать, принадлежит Мартину Гарднеру. Оно таково. Рассмотрим большую аудиторию, в которой находятся два типа людей: хорошие и плохие. Определим «сложение» как «приглашение людей в аудиторию». Определим «вычитание» как «удаление людей из аудитории». Определим «положительный» как «хороший» (имея в виду «хороших людей»), а «отрицательный» – как «плохой». Прибавление положительного числа означает, что в аудиторию приходит сколько-то хороших, что несомненно повышает в ней уровень «хорошести». Прибавление отрицательного числа означает, что в аудиторию приходят плохие парни, что понижает суммарный уровень «хорошести». Вычитание положительного числа означает, что наружу выходит сколько-то хороших, и суммарный уровень «хорошести» понижается. Вычитание отрицательного числа означает уход нескольких плохих, в результате чего суммарная «хорошесть» повышается. Таким образом, прибавление отрицательного числа – это все равно что вычитание положительного, а вычитание отрицательного – все равно что прибавление положительного. Умножение – это просто кратное сложение. Минус три умножить на минус пять? Попросим выйти пятерых плохих парней. Повторим это три раза. Результат? Суммарная «хорошесть» увеличилась на 15… (Когда я проверил это на шестилетнем Дэниеле Дербишире, он сказал: «А что, если ты попросишь плохих парней выйти, а они не выйдут?» Философ-моралист в процессе становления!)


[Закрыть]А теперь поменяем колонки местами и получим обратную функцию:

N	√N
9	−3
4	−2
1	−1
0	0
1	1
4	2
9	3

Но постойте-ка! Каково же значение функции при аргументе, равном 9? Это −3 или 3? Похоже, что эта функция принимает такой вид:

N	√N
0	0
1	1, а может быть, −1
4	2 или, возможно, −2
9	3, или это может равняться −3?

Так дело не пойдет – слишком путано. Вообще-то… вообще-то существуетматематическая теория многозначных функций. Бернхард Риман был знатоком этой теории, и мы познакомимся с его идеями в главе 13.v. Но сейчас не время и не место для этого, и я не собираюсь тащить сюда сундук, набитый подобными вещами. Во всяком случае, что касается меня, то железное правило состоит в том, что на один аргумент – самое большее одно значение (ни одного значения, разумеется, если аргумент не лежит в области определения функции). Квадратный корень из 1 равен 1, квадратный корень из 4 равен 2, квадратный корень из 9 равен 3. Означает ли это, что я не признаю того факта, что −3 умножить на −3 даст 9? Разумеется, я его признаю, я просто не включаю его в мое определение «квадратного корня». Вот мое определение квадратного корня (по крайней мере на данный момент): квадратный корень из Nесть единственное неотрицательное число (если таковое имеется), которое при умножении само на себя дает N.

VIII.

По счастью, показательная функция не доставляет нам подобных хлопот. Вы можете шутя обратить ее и получить функцию, которая при выборе аргументов, получаемых друг из друга умножением, дает значения, получаемые друг из друга сложением. Разумеется, как и в случае показательных функций, обратные им функции также образуют семейство, зависящее от множителя; и, как и с показательной функцией, математикам намного, намного больше всех остальных нравится та, к значениям которой прибавляется единица, когда аргументы умножаются на e. Получаемую функцию называют логарифмической, а обозначают ln. [20]20
  В отличие от распространенного американского обозначения log принятое у нас обозначение ln уже содержит напоминание не только о логарифме (буква l), но и о том, что это натуральный(т.е. в некотором смысле естественный) логарифм (буква n). Заметим попутно, что «стандартные» функции типа логарифма записываются, как правило, без скобок вокруг аргумента, если этот аргумент достаточно прост (например, выражается одной буквой Nили x). (Примеч. перев.)


[Закрыть]«Логарифм!» – вот слово, которое возникло в голове математика при вспышке лампочки, когда он увидел таблицу 3.2. Если y = e ^x,то x = ln  y. (Отсюда, кстати, путем простой подстановки следует, что для любого положительного числа увыполнено y = e ^{ln  y} – факт, которым мы не преминем как следует воспользоваться в дальнейшем.)

В математических сюжетах, имеющих отношение к данной книге – то есть к Гипотезе Римана, – логарифмическая функция присутствует повсеместно. Мы поговорим о ней куда более подробно в главах 5 и 7, и она будет играть роль настоящей звезды нашего рассказа, когда в главе 19 мы повернем наконец Золотой Ключ. Пока же давайте примем на веру, что это – функция в только что описанном смысле, по-настоящему важная математическая функция, и при этом обратная к показательной функции: если y = e ^x,то x = ln  y.

Теперь я перейду прямо к сути дела и покажу вам логарифмическую функцию, но вместо того, чтобы двигаться вперед шагами, соответствующими умножению на e, давайте умножать аргументы на 1000. Как мы уже говорили, когда функцию представляют в виде таблицы, надо выбрать аргументы (а также число знаков после запятой – в нашем случае четыре). Клянусь, что это та же самая функция. Чтобы лучше было видно, что тут происходит, я справа добавил в таблицу еще две колонки: первая из них – это просто правая колонка из таблицы 3.2, а вторая выражает в процентах отклонение нашей колонки номер 2 от колонки номер 3. Результат приведен в таблице 3.3.

N			N	N/π(N)
1 000			6,9078	5,9524	16,0409
1 000 000			13,8155	12,7392	8,4487
1 000 000 000			20,7233	19,6665	5,3731
1 000 000 000 000			27,6310	26,5901	3,9146
1 000 000 000 000 000			34,5388	33,5069	3,0794
1 000 000 000 000 000 000			41,4465	40,4204	2,5386

Таблица 3.3.

Представляется разумным следующее утверждение: N/π(N)близко к ln  N, причем тем ближе, чем больше становится N.

У математиков есть специальная запись для этого: N/π(N) ~ln  N.(Читается так: « N, деленное на π(N), асимптотически стремится к ln  N»). Волнистый знак в этой формуле по науке называется «тильда», однако, судя по моему опыту, математики нередко называют его просто «волной».

Если слегка переоформить этот факт, следуя обычным правилам алгебры, то мы получим следующее утверждение.

Теорема о распределении простых чисел

π(N) ~ N/ln  N

Разумеется, мы эту теорему не доказали – мы просто увидели, что такое утверждение правдоподобно. Это очень важный результат, настолько важный, что он называется Теоремой о распределении простых чисел. Это не какая-то тамтеорема о распределении простых чисел, нет, а Теорема о Распределении Простых Чисел. Специалисты по теории чисел нередко пишут просто «ТРПЧ», и в этой книге мы так и будем поступать.

IX.

И наконец, получим два следствия из ТРПЧ (в предположении, конечно, что она верна). Чтобы вывести эти следствия, сначала заметим, что в некотором смысле ( логарифмическомсмысле!) при работе со всеми числами вплоть до некоторого большого Nбольшинство из этих чисел вполне сравнимы по величине с самим N.Например, среди всех чисел от 1 до одного триллиона более 90 процентов имеют 12 или более разрядов и в этом смысле вполне сравнимы с триллионом (у которого 13 разрядов), а не, скажем, с одной тысячей (с ее четырьмя разрядами).

Если на интервале от 1 до Nимеется N/ln  Nпростых чисел, то средняя плотность простых в этом интервале составляет 1/ln  N.А поскольку большинство чисел в этом интервале сравнимы по размеру с числом Nв том грубом смысле, который я только что описал, то справедливым будет заключение, что в районе числа Nплотность простых чисел есть 1/ln  N.Именно так и есть. В конце первого раздела данной главы мы подсчитали число простых в каждом блоке из 100 чисел, предшествующих 100, 500, 1000, 1 миллиону и 1 триллиону. Результаты этих подсчетов были такими: 25, 17, 14, 8 и 4. Соответствующие значения выражения 100/ln  N(т.е. его значения при N= 100, 500 и т.д). с точностью до ближайшего целого числа таковы: 22, 16, 14, 7 и 4. Другой способ выразить то же самое – это сказать, что в окрестности большого числа Nвероятность того, что некоторое число окажется простым, ~ 1/ln  N.

Руководствуясь той же грубой логикой, можно оценить величину N-го простого числа. Рассмотрим отрезок числового ряда от 1 до  Kдля какого-нибудь большого числа K. Если в этом интервале простых чисел, то в среднем следует ожидать, что первым простым, которое мы встретим, будет число К:C, вторым – число 2K:C, третьим – 3K:Cи т.д. N-е простое будет находиться где-то около числа NK:C, а C-е (другими словами, последнее простое в этом интервале) окажется около числа K:C, что, понятно, равно просто K. И вот, если верна ТРПЧ, то количество простых чисел Cесть К/ln  K, а потому N-е простое в действительности встретится вблизи числа NK:(К/ln  K), или, другими словами, вблизи числа Nln  K. Поскольку большинство чисел в этом интервале сравнимы по величине с числом K, здесь можно поменять местами Nи K, а потому N-е простое есть по величине ~ N/ln  N. Я знаю, что такое рассуждение выглядит небольшим жульничеством, но в действительности оно дает неплохую оценку, которая к тому же становится все лучше и лучше «по принципу волны». Эта оценка предсказывает, например, что триллионное простое число равно 27 631 021 115 929, а на самом деле триллионное простое число есть 30 019 171 804 121, так что ошибка составляет 8 процентов. Выраженные в процентах ошибки для тысячного, миллионного и миллиардного простого числа равны соответственно 13, 10 и 9.