Иэн Стюарт - Математические головоломки профессора Стюарта
– Поразительно, – сказал я. – Мне это все представляется достаточно убедительным.
– Но не математику калибра Архимеда, – возразил Сомс. – Если ломтики имеют конечную толщину, в ходе процедуры возникнут небольшие, но неизбежные ошибки. Но если сделать ломтики нулевой толщины, то и масса у них окажется нулевой. Бессмысленно говорить о единственной точке равновесия, когда все задействованные массы равны нулю.
Я начал понимать сложности, связанные с описанной процедурой.
– Но ведь чем тоньше становятся ломтики, тем меньше, наверное, становятся ошибки? – рискнул я предположить.
– Это так, Ватсап, вы правы. И современный подход к интегральному исчислению превращает это утверждение в доказательство того, что процесс такого рода приводит к разумным ответам. Однако Архимеду эти идеи были неизвестны. Так что он воспользовался нестрогим методом, чтобы найти верный ответ, и это позволило ему прибегнуть к методу исчерпывания, чтобы доказать правильность ответа.
– Поразительно, – вновь сказал я. – Мы должны опубликовать палимпсест.
Сомс покачал головой.
– И рисковать навлечь на себя гнев картонариев? Я слишком высоко ценю наши с вами жизни, чтобы привлекать к себе их внимание.
– Что же нам делать?
– Мы должны поместить рукопись в безопасное место. Не вернуть обратно в библиотеку, ибо там, должно быть, уже заметили ее исчезновение и успели расставить множество хитрых ловушек. Я спрячу его в какой-нибудь другой научной библиотеке. Нет, не спрашивайте, в какой именно! Может быть, когда-нибудь позже, когда времена будут менее тревожные и влияние тайных обществ ослабнет, его найдут заново. А до той поры мы должны удовлетвориться тем, что познакомились с методом великого геометра, хотя и не смогли открыть его миру.
Он ненадолго остановился.
– Я уже рассказал вам о формулах для площади поверхности и объема шара. А вот небольшая и несложная задачка, которая может вас позабавить. Каким должен быть радиус шара в метрах, чтобы площадь его поверхности в квадратных метрах в точности равнялась его же объему в кубических метрах?
– Понятия не имею, – признался я.
– Так выясните, чего ж вы ждете! – воскликнул он.
Подлинную историю архимедова палимпсеста и ответ на загадку Сомса см. в главе «Загадки разгаданные».
Сумма четырех кубов
Сумма четырех квадратов, как и многие другие математические загадки, имеет давнюю историю. Греческий математик Диофант, чья «Арифметика» примерно 20 г. н. э. была первым учебником, в котором использовалась некая система алгебраических обозначений, задал вопрос, является ли каждое положительное целое число суммой четырех полных квадратов (0 разрешен). Несложно проверить это утверждение экспериментально для небольших чисел, к примеру:
5 = 2² + 1² + 0² + 0²;
6 = 2² + 1² + 1² + 0²;
7 = 2² + 1² + 1² + 1².
Теперь, стоило вам подумать о том, что для 8 потребуется еще одна 12, то есть пять квадратов, на помощь приходит 4:
8 = 2² + 2² + 0² + 0².
Эксперименты с более крупными числами позволяют с серьезным основанием предположить, что ответ должен быть «да», однако эта задача оставалась нерешенной более 1500 лет. Она получила известность как задача Баше по имени Клода Баше де Мезириака, опубликовавшего французский перевод «Арифметики» в 1621 г. Доказательство нашел Жозеф-Луи Лагранж в 1770 г. Не так давно были найдены более простые доказательства, основанные на абстрактной алгебре.
А как насчет суммы четырех кубов?
В том же 1770 г. Эдвард Уоринг заявил без доказательства, что любое положительное целое число есть сумма не более чем 9 кубов и 19 четвертых степеней, и задал вопрос, можно ли утверждать что-то подобное о более высоких степенях. То есть для заданного числа k существует ли некий конечный предел количества k степеней, необходимых для выражения любого положительного целого числа в виде их суммы? В 1909 г. Давид Гильберт доказал, что ответ на этот вопрос – «да». (Нечетные степени отрицательных чисел отрицательны, и это сильно меняет правила игры, так что пока мы ограничиваемся только степенями положительных чисел.)
Число 23 определенно требует 9 кубов. Единственные возможные слагаемые здесь – 8, 1 и 0, и лучшее, что можно сделать, – это сложить две восьмерки и семь единиц:
23 = 2³ + 2³ + 1³ + 1³ + 1³ + 1³ + 1³ + 1³ + 1³.
Таким образом, в общем правиле кубов не может быть меньше 9. Однако это число можно и уменьшить, если согласиться на конечное число исключений. К примеру, в реальности 9 кубов требуется только для чисел 23 и 239; все остальные можно получить с использованием не более чем 8 кубов. Юрий Линник снизил это число до 7, допустив еще несколько исключений, и сегодня считается, что правильный ответ, допускающий конечное число исключений, – это 4. Наибольшее известное число, для записи которого необходимо больше 4 кубов, – это 7 373 170 279 850, и предполагается, что более крупных чисел с таким свойством не существует. Так что очень возможно – но пока вопрос остается открытым, – что любое достаточно большое положительное целое число есть сумма четырех положительных кубов.
Но, как я уже сказал, куб отрицательного числа отрицателен. Это порождает новые возможности, отсутствующие у четных степеней. Так,
23 = 27 – 1–1 – 1–1 = 3³ + (–1)³ + (–1)³ + (–1)³ + (–1)³,
то есть достаточно 5 кубов, тогда как в случае только положительных или нулевых кубов требуется 9, как мы только что видели. Но можно и еще улучшить результат: 23 можно выразить с использованием всего 4 кубов:
23 = 512 + 512 – 1 – 1000 = 8³ + 8³ + (–1)³ + (–10)³.
Разрешение на использование отрицательных чисел означает, что используемые кубы могут быть намного больше (если не обращать внимания на знак «–») самого числа. В качестве примера покажем, что число 30 можно записать в виде суммы 3 кубов, но придется постараться:
30 = 2 220 422 932³ + (–283 059 965)³ + (–2 218 888 517)³.
То есть мы не можем систематически просмотреть ограниченное число вариантов, как в случае, когда рассматриваем только положительные кубы.
Эксперименты привели нескольких математиков к гипотезе о том, что всякое целое число есть сумма 4 (положительных или отрицательных) целых кубов. Пока истинность этого утверждения окончательно не установлена, хотя свидетельств в его пользу хватает. Компьютерные расчеты подтверждают, что любое положительное целое число вплоть до 10 млн есть сумма 4 кубов. В. Демьяненко доказал, что любое число, которое нельзя представить в виде 9k ± 4, всегда представимо как сумма 4 кубов.
Откуда у леопарда пятна
У леопардов есть пятна, у тигров – полосы, а львы щеголяют ровным цветом. Почему? Все эти варианты кажутся какими-то случайными, как будто на распродаже из списка в «Каталоге больших кошек» эволюция выбирает для каждой самый красивый вариант окраски шкуры. Но накопилось уже немало свидетельств в пользу того, что дело обстоит совершенно иначе. Уильям Аллен с коллегами исследовал, как математические правила, определяющие узоры и орнаменты, соотносятся с кошачьими привычками и средой обитания и как это влияет на эволюцию расцветок.
Самая очевидная причина обзавестись разноцветной шкурой – маскировка. Если кошка живет в лесу, пятна или полосы сделают ее малозаметной среди теней и световых пятен. Напротив, кошек, которые обитают на открытом месте, было бы видно лучше, если бы у них на шкуре был яркий рисунок. Однако теории такого рода не намного лучше простых сказок, если их невозможно подтвердить реальными данными. Экспериментальная проверка затруднительна: представьте, что вы хотите закрашивать полоски на тиграх на протяжении нескольких поколений или снабдить тигров и их потомство гладкой шкурой, чтобы посмотреть, что из этого получится. Альтернативных теорий сколько угодно: может быть, рисунок на шкуре привлекает партнера – или просто связан естественным образом с размерами животного.
Математическая модель кошачьей раскраски дает возможность проверить теорию маскировки. Некоторые расцветки, такие как леопардовые пятна, очень сложны, причем сложны по такому типу, который тесно связан с маскировочной ценностью окраски. Поэтому исследователи классифицировали варианты окраски с использованием математической схемы, придуманной Аланом Тьюрингом; согласно этой схеме рисунок определяется химическими веществами, которые реагируют между собой и расплываются по поверхности развивающегося зародыша.
Эти процессы можно характеризовать конкретными числами, определяющими скорость диффузии и тип реакции. Эти числа действуют как координаты в «пространстве маскировки» – множестве всех возможных узоров, подобно тому как широта и долгота дают координаты на поверхности Земли.
