Энрике Грасиан - Том 18. Открытие без границ. Бесконечность в математике

• Название: Том 18. Открытие без границ. Бесконечность в математике
• Автор: Энрике Грасиан
• Издательство: Де Агостини,
• Жанр: Математика
• Год: 2014
• ISBN: 978-5-9774-0682-6; 978-5-9774-0713-7 (т. 18)

Большинство из нас испытывает головокружение, думая о бесконечности: ее невозможно себе представить! Быть может, именно поэтому она является неисчерпаемым источником вдохновения. В погоне за бесконечностью ученым пришлось петлять между догмами и парадоксами, вступать на территорию греческой философии, разбираться в хитросплетениях религиозных измышлений и секретов тайных обществ. Но сегодня в математике бесконечность перестала быть чем-то неясным и превратилась в полноценный математический объект, подобный числам и геометрическим фигурам.

---

Аристотель обрушился на этот парадокс с критикой, показав, что Зенон считал одинаковыми тела в состоянии покоя и тела в движении. Если скорость движущегося тела неизменна, то скорость, с которой оно движется относительно другого, находящегося в состоянии покоя, нельзя считать равной скорости, с которой тело движется относительно другого движущегося тела. Однако возражение Аристотеля тривиально, сложно поверить, чтобы Зенон упустил его из вида.

В других трактовках считается, что этот парадокс, подобно предыдущим, посвящен делению времени и пространства на бесконечное число частей. Таким образом, чтобы одно тело могло пройти мимо другого, движущегося тела, сначала оно должно пройти расстояние, равное половине длины этого тела, находящегося в состоянии покоя, и т. д.

В любом случае кажется достаточно правдоподобным, что Зенон вновь хотел поспорить с пифагорейцами, указав на противоречие, касающееся неделимости геометрических фигур.

* * *

ЗЕНОН. ЗАБЫТЫЙ ГЕНИЙ

Зенон Элейский (ок. 490–425 гг. до н. э.) был древнегреческим философом и принадлежал к элейской школе, основанной Парменидом. Основным источником знаний о Зеноне является диалог Платона «Парменид». Можно утверждать, что он принадлежал к философскому течению, которое называется монизмом. В монизме считается, что все сущее неизменно и никакие изменения невозможны. По мнению некоторых философов, Зенон не получил того признания, которого заслуживал. Бертран Расселл отчасти исправил ситуацию, сказав: «В этом капризном мире нет ничего более капризного, чем посмертная слава. Одним из тех, кто больше всего пострадал от несправедливости потомков, был Зенон Элейский. Он сформулировал четыре неизмеримо тонких и глубоких аргумента, но невежественные философы последующих времен сочли его лишь искусным престидижитатором, а его аргументы — простыми софизмами. После двух тысяч лет забвения этим софизмам вновь было уделено внимание, и они стали основой возрождения математики…» («Начала математики», книга 1,1903)

На этой фреске из Королевской библиотеки монастыря Эскориал изображен Зенон Элейский, показывающий ученикам врата Истины (Veritas) и Лжи (Falsitas).

* * *

Критика Аристотеля в отношении первого парадокса позволила заложить основы очень важного понятия, касающегося бесконечности, и, по мнению многих авторов, является важнейшим вкладом в изучение бесконечности.

Во-первых, обратите внимание, что слово «бесконечность» допускает две трактовки: как нечто бесконечно протяженное и как нечто бесконечно делимое. В первом парадоксе смешиваются обе трактовки, так как согласно ему ограниченное пространство, которое делится на бесконечное множество частей, не может быть пройдено за конечное время. Проводится следующее различие: в непрерывном пространстве, в котором движется тело, существует бесконечное число половин расстояний, но потенциально, а не в действительности. В этом заключается важность вклада Аристотеля, так как начиная с этого момента возникли две различные трактовки бесконечности, в определенном смысле несовместимые: так называемая потенциальная и актуальная бесконечность, о которых мы говорили в предыдущей главе.

Мы очень часто определяем, что верно, а что нет, руководствуясь здравым смыслом, основанным на чувствах, которые, говоря языком современных технологий, можно определить как средства фиксации и обработки окружающей нас реальности. Нечто является разумным в той степени, в которой на это указывают наши ощущения. Сколь парадоксальным ни казался бы нам полет стрелы, органы чувств ясно указывают, что стрела отдаляется от нас. Разумеется, Зенону это было прекрасно известно, но ему также было известно, что чувства не всегда могут служить надежной опорой разуму.

Он рассуждал так: подобно тому, как у вещи либо есть размеры, либо нет, предмет издает или не издает звук. Корзина, полная зерен пшеницы, издает определенный звук, когда мы тянем ее по земле. Зенон задавался вопросом: издает ли звук одно-единственное зерно? Если да, то издает ли звук половина зерна? Как можно предположить, если и далее последовательно делить зерно на части, наступит момент, когда этот звук будет неразличим. Исходя из этого факта, можно утверждать, что сумма элементов, равных нулю, всегда будет нулевой, то есть если мы соберем вместе множество предметов, не издающих звук, то и их совокупность также не будет издавать звуков.

Целью Зенона было показать, что в определенных рассуждениях мы не можем доверять нашим органам чувств — они должны уступить место интуиции, что часто и происходит при математических рассуждениях. Однако, как вы увидите далее на примере теорий Кантора, интуиция также может быть обманчивой, и мы не можем руководствоваться ею тогда, когда бесконечность является реальным объектом, с которым можно работать так же, как с натуральными числами.

Зенон считал, что нечто может состоять из бесконечного числа элементарных частей только тогда, когда каждая из этих частей не имеет размера: в противном случае эти части можно разделить, и они не могут считаться элементарными. Однако если части объекта не имеют размеров, то не имеет размеров и сам объект, так как сумма величин, не имеющих размера, также не может иметь размер.

Так греки определили термин «апейрон», который пришел на смену понятию «бесконечность». Апейрон означал отсутствие четко определенного предела. Это соответствовало идее, согласно которой предмет бесконечен, поскольку может иметь сколь угодно большие размеры. Апейрон не относился, например, к бесконечному числовому ряду, в котором не существует последнего числа. Аналогичным образом определялись бесконечно малые величины, которые могут иметь сколь угодно малые размеры. Этому понятию было дано строгое определение в математическом анализе лишь в XIX веке.

Квадратура круга

Задачам на построение с помощью циркуля и линейки, известным с античных времен, в Древней Греции уделялось большое внимание. Разнообразие этих задач очень велико — они могут быть очень простыми, очень сложными, а порой и вовсе не имеющими решения. Наиболее известны из них задачи о трисекции угла, удвоении куба и квадратуре круга — сложность последней вошла в поговорку.

Когда речь идет о построениях с помощью циркуля и линейки, следует придерживаться определенных правил, так как в противном случае задачи становятся тривиальными. Например, найти середину отрезка с помощью линейки, на которую нанесены миллиметровые деления, очень просто — для этого даже не потребуется циркуль. Но определим, что мы будем понимать под «линейкой» при решении этих задач. Линейка — это идеальный предмет с абсолютно ровной границей, который служит для проведения прямых. На ней отсутствуют какие-либо отметки, позволяющие измерить расстояние. Циркуль представляет собой обычный циркуль, раствор которого может быть любым. Логично, что его нельзя использовать для нанесения меток, с помощью которых можно измерить расстояние.

* * *

ЦИРКУЛЬ МАСКЕРОНИ

Задачи на построение с помощью циркуля и линейки всегда занимали почетное место среди занимательных задач. Одна из наиболее любопытных публикаций на эту тему принадлежит землемеру Уильяму Лейбурну, который в 1694 году опубликовал книгу Pleasure with Profit («Приятное с полезным»), где описал всевозможные математические «игры с линейкой и вилами» (под вилами имелся в виду циркуль с фиксированным раствором). Одно из величайших открытий, связанных с задачами такого типа, было совершено в 1794 году, когда итальянский геометр Лоренцо Маскерони в своей работе Geometria del Compasso доказал, что любое построение, которое можно совершить с помощью циркуля и линейки, также можно выполнить с помощью только циркуля (разумеется, раствор которого не фиксирован). Так как провести прямую с помощью циркуля невозможно, Маскерони считал, что она определяется двумя точками, заданными пересечением дуг.

* * *

Определив правила игры, можно приступить к решению задач. Рассмотрим, например, как можно провести перпендикуляр к отрезку в его середине. Допустим, дан отрезок АВ. Сначала нужно провести окружность с центром в точке А и радиусом АВ. Далее нужно построить другую окружность такого же радиуса, но с центром в точке В. Прямая, соединяющая точки пересечения окружностей, и будет требуемым перпендикуляром.

Следует предостеречь читателя от бесплодных попыток решить задачу о квадратуре круга: в 1882 году немецкий математик Фердинанд Линдеман (1852–1939) доказал, что число π является трансцендентным, поэтому эта задача не имеет решения.