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

Поэтому Харди восхвалял бесполезность математики не из экстравагантности — следуя теории Канта об эстетике, он отстаивал точку зрения, согласно которой математика — больше искусство, чем наука.

Это доказательство эстетической ценности математики, а следовательно, ее бесполезности, повсеместно присутствует в «Апологии математика». Так как далее именно на примере этого эссе мы проясним, какие свойства математических идей наделяют их эстетической ценностью, в завершение этого раздела мы приведем несколько слов о том, что переживал Харди, когда работал над этим произведением.

Обложка английского издания «Апологии математика».

Страсть Харди к математике в итоге поглотила его. В конце жизни, когда у него уже не было сил заниматься математикой, он чувствовал себя угнетенным и попытался покончить жизнь самоубийством. Именно на этом последнем этапе своей жизни, прожив шесть десятилетий, он создал «Апологию математика», полную горечи, которую он чувствовал. «"Апология математика", если читать ее с тем вниманием к тексту, которое она заслуживает, — писал в предисловии Чарльз Сноу, — книга, пронизанная неизбывной печалью. Да, она блещет остроумием и игрой ума, да, ее все еще отличает кристальная ясность и искренность, да, это завещание художника-творца.

И вместе с тем „Апология математика" — это стоически сдержанный сокрушенный плач по творческим силам, которые некогда были и никогда не вернутся снова».

Сам Харди подтверждает это в первых строках своего эссе: «Писать о математике — печальное занятие для профессионального математика. Математик должен делать что-то значимое, доказывать новые теоремы, чтобы увеличивать математические знания, а не рассказывать о том, что сделал он сам или другие математики.

Государственные деятели презирают пишущих о политике, художники презирают пишущих об искусстве. Врачи, физики или математики обычно испытывают аналогичные чувства. Нет презрения более глубокого или в целом более обоснованного, чем то, которое люди создающие испытывают по отношению к людям объясняющим. Изложение чужих результатов, критика, оценка — работа для умов второго сорта». Он продолжает: «Но если я теперь сижу и пишу о математике, а не занимаюсь собственно математикой, то это — признание в собственной слабости, за которую молодые и более сильные математики с полным основанием могут презирать или жалеть меня. Я пишу о математике потому, что, подобно любому другому математику после шестидесяти, я не обладаю более свежестью ума, энергией и терпением, чтобы успешно выполнять свою непосредственную работу».

Общность и глубина

Цель этого раздела — описать свойства математики, которые наделяют ее эстетической ценностью. Во-первых, напомним, что математик создает образы из идей. Харди писал в «Апологии математика»: «Создаваемые математиком образы, подобно образам художника или поэта, должны обладать красотой; подобно краскам или словам, идеи должны сочетаться гармонически».

Таким образом, чтобы достичь поставленной цели, мы должны определить, какие основные свойства наделяют математические идеи эстетической ценностью. Начнем с того, что выделим два основных аспекта, внутренне присущих математическим идеям и способных перевести их в эстетическое измерение. Эти аспекты — общность и глубина.

Пример из Эйлера как отправная точка

Проиллюстрируем рассуждения Харди об этих свойствах математических идей на не слишком сложном примере, чтобы читатель, не обладающий обширными знаниями математики, мог понять его. При этом наш пример достаточно сложен, чтобы адекватно проиллюстрировать все рассуждения Харди об эстетической ценности математических идей и связать их с философскими рассуждениями об эстетике, принадлежащими другим авторам. Выбранный нами пример показывает, как Эйлер вычислил сумму чисел, обратных квадратам натуральных чисел, в своей книге «Введение в анализ бесконечно малых» (Introductio in analysin infinitorum). Эйлер вычислил следующую сумму:

Заметьте, что знаменатели этих дробей — квадраты натуральных чисел, а многоточие означает, что число слагаемых бесконечно велико. Математики называют сумму бесконечного числа слагаемых рядом. Сумма ряда — это число, к которому мы приближаемся по мере увеличения числа слагаемых так, что разность между этим числом и суммой слагаемых уменьшается с увеличением их количества.

Представленный выше бесконечный ряд содержит некоторый контекст, о котором будет полезно рассказать.

История этого ряда такова. В марте 1672 года юный Лейбниц, которому было двадцать с небольшим, прибыл в Париж. Он хотел улучшить свое математическое образование и углубить знания, которые на тот момент были весьма скудными. Спустя несколько месяцев Лейбниц придумал хитроумный метод вычисления сумм бесконечных рядов. Его метод заключался в записи слагаемых в виде разности с последовательным сокращением членов. Ввиду врожденного оптимизма и недостатка математических знаний Лейбниц посчитал, что открытый им способ позволяет найти сумму произвольного ряда. Не будем забывать, что, по мнению Лейбница, мы жили в лучшем из миров, причем он произнес эти слова вскоре после окончания Тридцатилетней войны.

Слева — портрет Лейбница работы Иоганна Фридриха Вентцеля, около 1700 года. Справа — портрет Гюйгенса, выполненный Каспаром Нечером в 1671 году.

Оптимизм Лейбница по отношению к его методу вычисления сумм рядов только усилился, когда он узнал об открытии Христиана Гюйгенса, одного из авторитетнейших ученых. Гюйгенс родился в Голландии и к описываемому моменту уже несколько лет работал в Парижской академии наук. Чтобы проверить метод Лейбница, Гюйгенс предложил ему найти сумму ряда чисел, обратных треугольным. Треугольные числа имеют вид n·(n + 1)/2. Своим названием они обязаны пифагорейцам и их геометрическому толкованию чисел: треугольное число — это число кружков, которые можно расставить в форме равностороннего треугольника. Таким образом, Лейбницу требовалось вычислить сумму ряда: 1 + 1/3 + 1/6 + 1/10 + 1/13 + 1/21 + 1/28 + …

По случайному совпадению этот ряд — один из немногих, для которых способ, открытый Лейбницем, позволяет найти верное значение суммы (см. врезку):

1 + 1/3 + 1/6 + 1/10 + 1/13 + 1/21 + 1/28 + … = 2.

В 1673 году Лейбниц посетил Лондон, где запомнился как наивный оптимист и дилетант. С математической точки зрения его поведение не раз сослужило ему плохую службу — англичане припомнили некоторые эпизоды сорок лет спустя, в разгар дискуссии с Ньютоном об авторстве анализа бесконечно малых.

По возвращении в Париж Лейбниц получил письмо от Джона Коллинза, который предложил ему найти сумму чисел, обратных квадратам натуральных чисел:

1 + 1/4 + 1/9 + 1/16 + 1/25 + 1/36 + 1/49 + …

Коллинза нельзя было назвать великим математиком, он был скорее посредником между британскими математиками и учеными континента. Он не обладал достаточными способностями, чтобы понять истинную сложность задачи, поэтому весьма вероятно, что это предложение было выдвинуто более авторитетными математиками, к примеру Джеймсом Грегори или самим Исааком Ньютоном. Как бы то ни было, тот, кто со злым умыслом предложил Лейбницу эту задачу, мог сказать ему, что вычислить искомую сумму вряд ли будет слишком сложно, так как искомые слагаемые были почти равны членам ряда, сумму которого Лейбницу удалось найти: в одном случае слагаемые имели вид 2/(n·(n + 1)), в другом — 1/(n·n).

* * *

ВЫЧИТАЙ, КОГДА ХОЧЕШЬ СЛОЖИТЬ

Как мы уже говорили, метод Лейбница заключался в том, что при вычислении суммы ряда каждый член записывался в виде разности так, что искомую сумму было нетрудно вычислить путем последовательного сокращения членов. Именно так сокращаются числа, обратные треугольным числам. В самом деле, число, обратное треугольному числу 2/(n·(n + 1)), — это разность 2/n и 2/(n + 1):

Приняв n = 1, 2, 3, 4…, получим: 1 = 2 – 1; 1/3 = 1 – 2/3; 1/6 = 2/3 - 2/4; 1/10 = 2/4 - 2/5; 1/15 = 2/5 - 2/6; 1/21 = 2/6 - 2/7 и так далее. Сложив указанные дроби, заметим, что вычитаемое в каждой разности и уменьшаемое в следующей разности сокращаются и в конце концов остается лишь уменьшаемое первой разности: 1 + 1/3 + 1/6 + 1/10 + 1/15 + 1/21 + 1/28 + … = 2.

* * *

Однако найти сумму ряда не удалось ни Лейбницу, ни его ученикам, братьям Иоганну и Якобу Бернулли. Не сохранилось документальных свидетельств того, что этой задачей занимались Грегори или Ньютон, однако это не означает, что они обошли ее своим вниманием — возможно, их, как и других математиков, постигла неудача.