Микель Альберти - Мир математики. т.20. Творчество в математике. По каким правилам ведутся игры разума

• Название: Мир математики. т.20. Творчество в математике. По каким правилам ведутся игры разума
• Автор: Микель Альберти
• Издательство: «Де Агостини»
• Жанр: Математика
• Год: 2014
• ISBN: 978-5-9774-0715-1

В чем состоит загадка творчества? Существуют ли правила созидания? Действительно ли решение сложной задачи можно найти только в моменты удивительного озарения? Этими вопросами, наверное, задавался каждый из нас. Цель этой книги — рассказать о правилах творчества, его свойствах и доказать, что творчество доступно многим. Мы творим, когда мы размышляем, когда задаемся вопросами о жизни. Вот почему в основе математического творчества лежит умение задавать правильные вопросы и находить на них ответы.

---

Подсчет имеет смысл, когда речь идет о конечных величинах. При этом мы избавляемся от отсылок к осязаемым предметам и сопоставляем каждой величине некий символ (устный или письменный). В отличие от счета на пальцах каждый символ сам по себе обозначает определенную величину. Такими символами являются цифры 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 0, которыми мы обозначаем базовые величины.

Важным шагом стало определение основания системы счисления. Подсчет большого количества предметов, при котором для каждой отдельной величины используется свое обозначение, не просто трудоемок, но практически невозможен, так как рано или поздно все обозначения закончатся. Кроме того, наша память также имеет пределы. С изобретением позиционной системы счисления по некоторому основанию счет перестал быть чем-то экстраординарным. В позиционной системе счисления по основанию 10, которую используем мы, для представления любого числа, сколь бы велико оно ни было, применяется всего десять символов. Слова, которыми мы обозначаем числа, определяются этой системой счисления, и этих слов совсем немного. Отдельными словами обозначаются числа 0, 1, 2, 10, 20, 30, … а также 100, 1000, 1000000. Названия всех остальных чисел составляются из этих же слов.

* * *

СЧЕТ

Системы счета существовали во всех культурах. В большинстве из них определенным числам соответствуют части тела — это так называемый телесный счет. В 1992 году исследователь Глен Гин выделил свыше пятисот различных систем счета, которые бытовали на острове Новая Гвинея. На карте обозначены регионы, в которых используется телесный счет.

ТЕЛЕСНЫЙ СЧЕТ

Пример телесного счета аборигенов Торресова пролива, отделяющего Австралию от Новой Гвинеи, согласно Джорджу Ифра (1994). Обратите внимание на асимметричность счета относительно тела человека. При счете конечности и пальцы рук и ног обходятся по кругу.

* * *

При этом на практике обычно используются приемы и приспособления, упрощающие счет и позволяющие избежать ошибок. Риск ошибиться при счете тем больше, чем больше величина, поэтому мы обычно считаем парами, пятерками или десятками.

Почему нам удобнее считать парами, а не тройками или семерками? Для счета парами достаточно повторять последовательность 2, 4, 6, 8, 10, добавляя на каждом этапе единицу слева, то есть прибавляя десяток.

Нет смысла считать четверками или восьмерками, так как, хотя 4 и 8 кратны двум, полученная последовательность чисел будет менее упорядоченной. Кроме того, десяток будет последовательно добавляться через два или три числа:

4, 8, 12, 16, 20, 24, 28, 32, 36, 40, 44, 48, 32, 36….

8, 16, 24, 32, 40, 48, 56, 64, 72, 80, 88, 96, 104….

Подсчет по 3, 7 или 9 еще неудобнее. Полученные последовательности чисел повторяются реже и их сложнее удержать в памяти:

3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 42….

7, 14, 21, 28, 35, 42, 49, 56, 70, 77, 84, 91, 98….

9, 18, 27, 36, 45, 54, 63, 72, 81, 90, 99, 108, 117….

Подсчет по 6 столь же непривычен, как и подсчет по 3, так как последовательность цифр в первом разряде запомнить неудобно:

6, 12,18, 24, 30, 36, 42, 48, 54, 60, 66, 72, 78, 84….

Считать по 5 или по 10, напротив, очень удобно:

5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55….

10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90,100….

Однако такой подсчет обычно производится после того, как элементы, которые требуется подсчитать, разделены на группы по пять или по десять. При счете пятерками единица в левый разряд добавляется в конце каждого цикла (состоящего из 0 и 5). Счет десятками эквивалентен обычному счету, с той лишь разницей, что в первом разряде дописывается ноль.

При подсчете больших величин лучше всего записывать их в форме прямоугольника. В результате мы сможем найти ответ с помощью умножения, не пересчитывая все элементы по отдельности.

Этот принцип лежит в основе системы умножения майя. Чтобы умножить 312 на 34, майя использовали отдельные группы параллельных прямых, которыми обозначались сотни, десятки и единицы каждого числа. Линии второго числа располагались так, что они пересекали все линии в записи первого числа, после чего подсчитывалось число пересечений. Это наглядный способ записи обычного умножения столбиком:

Однако такой способ неудобен для перемножения больших чисел, так как в этом случае пересечений будет слишком много.

Но как быть, если мы хотим подсчитать бесконечные величины? Все мы используем слово «бесконечность» в обычной жизни для обозначения чего-то огромного, неизмеримого, необъятного. В противоположность обычной точке зрения существует не одна бесконечность: в математике различают по меньшей мере два вида бесконечности. К первому типу относится бесконечное число натуральных чисел, которые мы используем при счете: 1, 2, 3, 4, … Ко второму типу относится неисчислимая бесконечность, описывающая число точек на отрезке.

Бесконечность таит немало парадоксов. Например, сложно поверить, что множество натуральных чисел обладает такой же мощностью (числом элементов), что и его часть — множество четных чисел. Как это возможно, ведь натуральных чисел в два раза больше, чем четных? Их действительно в два раза больше, однако нечто, что в два раза больше бесконечности, также равно бесконечности.

Мы избавимся от всех сомнений, если четко оговорим, что следует понимать под бесконечным множеством. Говорят, что множество является счетным, то есть его элементы можно сосчитать, если элементам этого множества можно поставить в соответствие натуральные числа. Становится очевидным, что четные числа можно сосчитать и что установленное соответствие между четными и натуральными числами определяет мощность множества четных чисел:

Возможно, еще более удивительным вам покажется то, что множество рациональных чисел обладает той же мощностью, что и множество натуральных чисел.

Чтобы подсчитать рациональные числа, нужно представить их в виде дробей, расположить их определенным образом и установить порядок подсчета:

Мощность множества натуральных чисел равна «элементарной» бесконечности и обозначается символом  (алеф ноль). Символом  обозначается мощность бесконечного множества чисел, которое, в отличие от предыдущего, не является счетным, то есть его элементы нельзя подсчитать с помощью множества целых чисел.

Иными словами, элементам этого множества нельзя поставить в соответствие натуральные числа. Бесконечность этого множества имеет иную природу.

Простейший пример множества чисел, которое не является счетным, — это множество вещественных чисел, заключенных между 0 и 1 (к нему относятся иррациональные числа, которые нельзя представить как частное двух целых, например √2). Удивительное доказательство этого принадлежит великому Георгу Кантору.

Итак, допустим, что мы подсчитали все вещественные числа, заключенные между 0 и 1. Тогда мы можем упорядочить их следующим образом:

1 0,037563856636663…

2 0,919688568847383…

3 0,155382300008691…

4 0,000000033433002…

5 0,999995885994382…

6 0,101001000100001…

7 0,774647746477464…

…

Мы можем записать вещественное число вида 0, … не представленное в этом списке. Составить его можно так: если первый знак первого числа в списке равен 1, мы запишем 0, в противном случае — 1. Согласно этому правилу и с учетом вышеприведенных чисел наше новое число будет начинаться с 0,1…

Применим это же правило ко второму знаку второго числа в списке. Если он равен 1, мы запишем 0, в противном случае — 1. В записи нашего числа уже два знака: 0,10…

Повторим эти же рассуждения для следующих знаков числа. Для вышеприведенного списка наше число будет записываться так:

Ψ = 0,1011101…

Это число будет отличаться от всех присутствующих в списке как минимум одним знаком. Следовательно, этого числа в списке нет. По сути, найти его нам поможет сам список. Следовательно, составить исчерпывающий список невозможно, и вещественные числа в интервале от 0 до 1 сосчитать нельзя.

Доказательство Кантора показывает, что бесконечное множество вещественных чисел имеет иную природу, чем бесконечное множество натуральных, и это приводит к нескольким парадоксам. Например, несмотря на то что длина вещественной прямой и длина окружности произвольного радиуса отличаются, они содержат одинаковое число точек. Это может показаться бессмысленным, однако составим простую схему: если мы проведем из центра окружности все возможные лучи, которые пересекут окружность, то установим взаимно однозначное соответствие между точками полуокружности (X, Y, Z, …) и точками вещественной прямой (X', Y', Z', …).

Степени с не очень «натуральным» показателем

Все мы рассматриваем новые идеи через призму своего культурного опыта, и чтобы усвоить что-то новое, требуется взглянуть на уже известное под другим углом. Обучаясь, человек может обнаружить, что его рассуждения и рассуждения, приводимые в учебнике, вступают в конфликт друг с другом. Так происходит при изучении степеней, показатели которых являются отрицательными числами, десятичными дробями или иррациональными числами — их сложно понять в рамках классического подхода, где рассматриваются, например, операции умножения или деления.