Саймон Сингх - Симпсоны и их математические секреты
Майк Рейсс, который работал с Джином над «Симпсонами» с самого первого сезона, считает, что спрингфилдский «Гуголплекс», возможно, его идея для шутки в стоп-кадре. Рейсс вспоминает, что когда кто-то из коллег-сценаристов назвал эту шутку слишком трудной для понимания, он начал активно ее защищать: «Кто-то сделал замечание, что я предлагаю шутку, которую никто не поймет, но она все же осталась… Это была совершенно безобидная шутка: насколько смешным может быть такое название для кинотеатра?»
Еще одна шутка в режиме стоп-кадра присутствует в эпизоде «ДеньгоБАРТ». В действительности вы уже могли ее заметить в кадре, представленном на рисунке в главе 6. Ниже этот кадр показан крупным планом, что наверняка поможет вам найти представленную в нем остроту.
THE SIMPSONS™ и © 1990 Twentieth Century Fox Television. Все права защищены
Когда Лиза, пытаясь стать первоклассным бейсбольным тренером, обкладывается стопкой книг, мы видим среди них книгу с корешком, на котором написано: eiπ + 1 = 0. Если вы изучали математику помимо средней школы, то узнаете в этой формуле уравнение Эйлера, которое еще называют тождеством Эйлера. Объяснение этого уравнения имеет уровень сложности, выходящий за рамки данной главы, тем не менее его элементарное и достаточно формальное объяснение можно найти в Приложении 2. Между тем мы с вами сфокусируемся на первом элементе уравнения – особом маленьком числе, известном как e.
Число e было открыто в ходе изучения математиками одного интересного аспекта такого достаточно скучного вопроса, как банковский процент. Представьте себе простой инвестиционный сценарий, когда человек вкладывает 1 доллар на очень удобный и выгодный банковский счет, обеспечивающий доход в размере 100 процентов в год. К концу года на 1 доллар будет начислен процентный доход в 1 доллар, что дает в сумме 2 доллара.
Теперь вместо 100 процентов годовых рассмотрим сценарий, при котором процентная ставка делится пополам, но рассчитывается дважды. Другими словами, инвестор получает процентный доход в размере 50 процентов через шесть и еще 50 процентов через двенадцать месяцев. Таким образом, спустя первые полгода 1 доллар принесет ему процентный доход 0,50 доллара, что в сумме дает 1,5 доллара. За второе полугодие процент начисляется как на 1 доллар, так и на начисленный процентный доход в размере 0,50 доллара. Следовательно, дополнительный процентный доход, который прибавляется по результатам года, составит 50 процентов от 1,50 доллара, то есть 0,75 доллара, что в сумме даст 2,25 доллара процентного дохода в конце года. Такой способ начисления процентного дохода известен как сложный процент.
Как видите, такой сложный процент, рассчитываемый один раз в полгода, обеспечивает более высокий процентный доход, чем простой годовой процент. Остаток на банковском счете был бы даже больше, если бы сложный процент рассчитывался еще чаще. Например, один раз в квартал (25 процентов каждых три месяца), тогда общая сумма процентного дохода составила бы в конце марта 1,25 доллара, в конце июня 1,56 доллара, в конце сентября 1,95 и в конце года 2,44 доллара.
Эл Джин (который держит топор) был в кабинете, когда Майк Рейсс (слева) предложил назвать спрингфилдский кинотеатр «Гуголплекс». На этой фотографии 1981 года они запечатлены во время учебы в Гарвардском университете, в здании журнала Lampoon под названием Lampoon Castle. Патрик Веррон, жонглирующий шариками, – тоже успешный комедийный сценарист, написавший ряд сценариев, в том числе и для эпизода «Симпсонов» «Милхаус из песка и тумана» (Milhouse of Sand and Fog, сезон 17, эпизод 3; 2005 год). Четвертый член группы – Тед Филипс, умер в 2005 году. Несмотря на то что у Филипса тоже был писательский талант, он предпочел карьеру юриста в Южной Каролине, а также был авторитетным краеведом. Его имя упоминается в эпизоде «Радио Барт» (Radio Bart, сезон 3, эпизод 13; 1992 год). Кроме того, так назван персонаж (Дюк Филипс) мультсериала «Критик», созданный Элом Джином и Майком Рейссом.
Из личного архива Майка Рейсса
Если n – это количество периодов начисления сложного процента (другими словами, сколько раз в год он рассчитывается и прибавляется к основной сумме), то для расчета окончательной суммы (F) можно использовать следующую формулу:
F = $(1 + 1⁄n)n
В случае начисления сложного процента один раз в неделю мы получаем почти на 0,70 доллара больше процентного дохода, чем при начислении простого годового процента. Однако дальнейший расчет сложного процента с еще большей периодичностью обеспечивает совсем незначительное увеличение процентного дохода. Здесь и возникает занимательный вопрос, который очень интересует математиков: если бы сложный процент рассчитывался не только каждый час и даже каждую секунду или микросекунду, а каждое мгновение, то какой была бы сумма на конец года?
Вот вам ответ: 2,718281828459045235360287471352662497757247093699959574966967627724076630353547594571382178525166427… доллара. Наверное, вы догадываетесь, что количество десятичных знаков стремится к бесконечности, а значит, это иррациональное число. Именно его мы и называем числом e.
Число 2,718 обозначено символом e, поскольку оно связано с понятием экспоненциального роста, описывающим поразительные темпы роста в случае, если деньги приносят процент из года в год или нечто другое снова и снова увеличивается фиксированными темпами. Например, если бы стоимость вложенной суммы действительно увеличивалась в 2,718… раза год за годом, то через год 1 доллар превратился бы в 2,72 доллара, через два года это было бы уже 7,39 доллара, через три – 20,09 доллара, затем 54,60 доллара, потом 148,41 доллара, 403,43 доллара, 1096,63 доллара, 2980,96 доллара, 8102,08 доллара и наконец 22 026,47 доллара всего за десять лет.
Столь поразительный темп устойчивого экспоненциального роста редко встречается в мире финансовых инвестиций, но есть конкретные примеры в других областях. Самый показательный пример имел место в сфере технологий и известен как закон Мура, который так назван по имени одного из основателей компании Intel Гордона Мура. В 1965 году Мур подметил, что количество транзисторов, размещаемых на интегральной схеме, удваивается примерно каждые два года, и предсказал, что эта тенденция будет продолжаться. Как и следовало ожидать, закон Мура выполнялся десятилетие за десятилетием. За сорок лет, с 1971 по 2011 год, количество транзисторов удваивалось двадцать раз. Другими словами, за четыре десятка лет их число на интегральной схеме увеличилось в 220 раз, или примерно в один миллион раз. Именно поэтому у нас теперь есть микропроцессоры с огромной производительностью, себестоимость производства которых существенно снизилась по сравнению с 1970-ми годами.
По аналогии с законом Мура иногда говорят, что если бы производство автомобилей росло таким же стремительными темпами, что и производство компьютеров, то автомобиль Ferrari стоил бы сейчас 100 долларов и мог бы проехать миллион километров на одном литре бензина… но и ломался бы каждую неделю.
Тот факт, что число e связано со сложным процентом и экспоненциальным ростом, – очень интересен, но данное число может предложить миру кое-что еще. Подобно числу π, число e всплывает в самых разных ситуациях.
Например, число e лежит в основе так называемой задачи о беспорядках, более известной как задача о шляпах. Представьте, что вы работаете в гардеробе ресторана – принимаете у клиентов шляпы и складываете их в коробки для шляп. К сожалению, вы не отмечаете, кому какая шляпа принадлежит. Когда посетители ресторана, поужинав, приходят за своими шляпами, вы отдаете им коробки со шляпами в случайном порядке и прощаетесь, прежде чем они их открывают. Какова вероятность того, что ни в одной из коробок не находится шляпа, принадлежащая человеку, которому вы только что вручили коробку? Ответ зависит от количества клиентов (n), а вероятность отсутствия совпадений P(n) можно вычислить по следующей формуле[42]:
Таким образом, в случае одного посетителя вероятность отсутствия совпадений составляет 0, поскольку одна шляпа неизбежно попадет к своему владельцу:
В случае двух посетителей вероятность отсутствия совпадений равна 0,5:
В случае трех посетителей вероятность отсутствия совпадений составляет 0,333:
Для четырех клиентов вероятность равна примерно 0,375, а для десяти – около 0,369. Если количество клиентов стремится к бесконечности, значение вероятности становится 0,367879…, что составляет 1/2,718…, или 1/e.
