Антонио Дуран - Том 27. Поэзия чисел. Прекрасное и математика

• Название: Том 27. Поэзия чисел. Прекрасное и математика
• Автор: Антонио Дуран
• Издательство: «Де Агостини»
• Жанр: Математика
• Год: 2014
• ISBN: 978-5-9774-0722-9

Поэзия — недоказуемая истина. Математика же, напротив, состоит из доказательств. И все-таки у этих двух сфер есть что-то общее. Ученый Анри Пуанкаре писал: «Думать, что математика затрагивает лишь интеллект, означало бы забыть о красоте математики, элегантности геометрии, которые прекрасны в самом полном смысле этого слова». Математик находится посередине между наукой и искусством, и это подтверждает неизбежную связь между самой абстрактной из наук и человеческими эмоциями. Цель этой книги — на нескольких ярких примерах показать красоту математики.

---

* * *

Приведем пример уравнений, которые рассматривает Диофант в своей «Арифметике»: «Найти три таких числа, что произведение любых двух из них, увеличенное на их сумму, будет квадратом». Если мы обозначим искомые числа через р, q и n, тo p·q + p + q, p·n + p = n и q·n + q + n должны быть квадратами. Диофант привел решение р = 4, q = 9 и n = 28. В самом деле, р·q + q = 49 = 72, р·n + р + n = 289 = 172, q·n + q + n = 144 = 122 (см. врезку). Такие уравнения были известны древним грекам задолго до Диофанта. Первое из них, несомненно, выглядело так: найти натуральные числа m и n такие, что m2 = 2·n2. Как вы уже знаете, Пифагор доказал, что это уравнение не имеет решений: если бы они существовали, то √2 было бы рациональным числом.

Другое диофантово уравнение, также изученное до Диофанта, имело отношение к теореме Пифагора: требовалось найти все натуральные числа р, q, r, которые были бы решениями уравнения р2 + q2 = r2. Согласно теореме Пифагора, точнее обратной ей теореме, такие числа р, q, r являются сторонами прямоугольного треугольника. Тройки чисел, удовлетворяющих этому уравнению, стали называться пифагоровыми тройками. В книге X «Начал» Евклида приведено общее решение этой задачи: для произвольных натуральных чисел m, n и k

p = k·(m2 — n2), q = 2·k·m·n и r = k·(m2 + n2)

образуют пифагорову тройку, и все пифагоровы тройки имеют подобный вид. Например, приняв m = 3, n = 1 и k = 4, имеем р = 32, q = 24 и r = 40, которые действительно удовлетворяют равенству р2 + q2 = r2.

Среди уравнений, рассмотренных Диофантом в «Арифметике», было уравнение, описывающее пифагоровы тройки. Диофант также решил уравнение р2 + q2 = r2, добавив к нему множество дополнительных условий. Например, он решил задачу о нахождении сторон прямоугольного треугольника, периметр которого является кубом, а сумма площади и гипотенузы — квадратом. Диофант нашел следующее решение этой задачи: длина гипотенузы r равнялась 629/50, длины катетов р и q — 2 и 621/50. Периметр треугольника равнялся 2 + 621/50 + 629/50 = 1350/50 = 27 = 33, сумма площади и гипотенузы — (621/50)·2/2 + 629/50 = 1250/50 = 25 = 52 (см. врезку на предыдущей странице).

* * *

ЕЩЕ ОДНО ДИ0ФАНТ0В0 УРАВНЕНИЕ

Последняя задача, описанная на этой странице, приведена в «Арифметике» Диофанта в книге VI под номером 17. Диофант нашел ее решение следующим образом. Он ввел новую переменную n — площадь треугольника. Тогда (р·q)/2 = n, то есть р·q = 2·n. Далее Диофант принял р = 2 и q = n. Сумма площади и длины гипотенузы треугольника равняется n + r, периметр треугольника — 2 + n + r. Так как число n + r должно быть квадратом, нужно найти такой квадрат, который при увеличении на 2 был бы кубом. Тогда Диофант обозначил длину стороны квадрата через m + 1, длину стороны куба — через m — 1. Теперь нужно найти число m такое, что (m + 1)2 + 2 = (m -1)3. Иными словами, m2 + 2·m + 3 = m3 — 3·m2 + 3·m — 1, или, что аналогично, 4·m2 + 4 = m3 + m. Отсюда следует, что 4·(m2 + 1) = m·(m2 + 1), следовательно, m = 4. Таким образом, имеем n + r = 52 = 25. Так как треугольник со сторонами р, q и r должен быть прямоугольным, имеем: 4 + n2 = r2. Подставив в это уравнение n = 25 — r, получим 4 + (25 — r)2 = r2. Раскрыв скобки и упростив полученное выражение, имеем: 629 — 50·r = 0. Иными словами, r равно 629/50, следовательно, n и q равны 621/50.

Заметьте, что Диофант решил в целых числах кубическое уравнение х2 + 2 = у3 — его корнями являются х = 5, у = 3. Это уравнение имеет единственное решение в целых числах (именно его нашел Диофант) и бесконечно много дробных решений.

* * *

В 1621 году, спустя почти полтора тысячелетия после того, как Диофант написал свою «Арифметику», шесть сохранившихся книг этого труда были отпечатаны на языке оригинала и в переводе на латынь. Автором этого издания с комментариями стал француз Баше де Меризиак.

«Арифметика» Диофанта — одна из немногих книг, вошедших в историю благодаря одному из своих читателей. Речь о французском адвокате Пьере Ферма. Ферма также был математиком-любителем, однако его «любительские» заслуги намного выше профессиональных достижений многих математиков.

В XVII веке теория чисел еще не была частью роскошного района математики. После удивительного расцвета, достигнутого во времена Диофанта, интерес математиков к теории чисел ослабевал на протяжении полутора тысяч лет, и тут на сцену вышел Ферма и вернул теории чисел прежнюю славу, применив самый действенный способ, какой только известен математикам: он сформулировал несколько интересных задач. Достаточно прочесть его примечания и комментарии на полях «Арифметики» Диофанта. Самуэль Ферма, сын математика, составил сборник этих примечаний и комментариев, дополнил ими издание Баше де Меризиака и опубликовал этот вариант «Арифметики» Диофанта в 1670 году.

Обложка «Арифметики» Диофанта с комментариями Пьера Ферма, изданной его сыном в 1670 году.

В этой книге редко встретишь задачу, предложенную Диофантом или комментарий де Меризиака, для которых Ферма не сформулировал бы дополнение, обобщение или интересную задачу по той же теме. Известнейшую из них Ферма записал на полях книги II рядом с задачей 8: «Представить данный квадрат в виде суммы двух квадратов». Иными словами, в этой задаче Диофант объяснял свой алгоритм нахождения пифагоровых троек: р2 + q2 = r2.

Ферма слегка изменил это уравнение и рассмотрел решения в целых числах для уравнения р3 + q3 = r3. Удивительно, но ему не удалось найти ни одного решения за исключением так называемых тривиальных, то есть 0, 1 и —1. Увидев, что уравнение не имеет решений, Ферма задался вопросом: что будет, если показатель степени будет равен не 3, а 4? Каковы целочисленные решения уравнения р4 + q4 = r4? Для этого уравнения ему также не удалось найти решений. «А что, если этих решений просто нет?» — должно быть, спросил себя Ферма после многочисленных неудачных попыток. Тогда он подошел к проблеме с другой стороны и попытался доказать, что уравнение с показателем степени, равным 4, не имеет целочисленных решений. Применив собственный оригинальный метод, Ферма нашел искомое доказательство. Также возможно, что, немного изменив свой метод, он смог доказать, что уравнение третьей степени также не имеет решений. Но достоверно это неизвестно, ведь Ферма не был профессиональным математиком и не затруднял себя публикацией полученных им результатов, не говоря уже об описании использованных методов и приемов. О том, как он размышлял, известно немного, и часто даже это немногое — лишь плод догадок.

Воодушевленный полученными результатами, Ферма, вероятно, счел, что сможет доказать отсутствие решений (за исключением тривиальных) уравнения рn + qn = rn для любого n > 2. Как же он поступил? Он записал на полях «Арифметики» Диофанта такие слова: «Невозможно разложить куб на два куба, биквадрат на два биквадрата и вообще никакую степень, большую квадрата, на две степени с тем же показателем. Я нашел этому поистине чудесное доказательство, но поля книги слишком узки для него». Благодаря этому простому комментарию юрист Ферма вошел в историю: целый легион математиков, словно обезумев, принялся за поиски «чудесного доказательства» Ферма.

Однако теорема Ферма оказалась весьма крепким орешком — за два последующих столетия ее удалось доказать лишь для нескольких п: простых n = 3 (Эйлер, 1770), n = 5 (Лежандр и Дирихле, 1825) и n = 7 (Ламе, 1839), а также для составных n = 6, 10 и 14. Полное доказательство теоремы Ферма привел английский математик Эндрю Уайлс лишь в 1994 году. Оно занимает несколько сотен страниц, и в нем используются сложнейшие математические понятия и методы XX столетия.