Самая сложная задача в мире. Ферма. Великая теорема Ферма [Луис Фернандо Ареан Альварес] (fb2) читать онлайн

Luis Fernando Arean Alvarez Самая сложная задача в мире. Ферма. Великая теорема Ферма

Наука. Величайшие теории: выпуск 18: Самая сложная задача в мире. Ферма. Великая теорема Ферма. 

Пер. с исп.

М.: Де Агостини, 2015. — 160 с.

ISSN 2409-0069

© Luis Fernando Arean Alvarez, 2012 (текст)

© RBA Collecionables S.A., 2012

© ООО «Де Агостини», 2014-2015

Наука. Величайшие теории Выпуск № 18, 2015 Еженедельное издание

Введение

Мигелю, делающему первые шаги в большом путешествии.

Любой студент, изучавший высшую математику в течение трех последних веков, слышал о Великой (или Последней) теореме Ферма. Пьер де Ферма был своеобразным ученым. Он не опубликовал ни одной книги под своим именем, а, как правило, излагал свои идеи в письмах или распространял их в рукописях. Похоже, ему было достаточно самому убедиться в том, что он может считать свой результат верным, поэтому он не заботился о том, чтобы детально записать доказательство. Таким образом, наследие Ферма представляло собой большой вызов для математиков, следовавших за ним, поскольку им нужно было доказывать почти все, что он утверждал в качестве истин. И постепенно ученые это сделали (а что-то, наоборот, опровергли). Нерешенной оставалась только одна дьявольская задача, которую никто не мог доказать... или опровергнуть. Речь шла о Последней теореме, о случайной записи, которую автор оставил на полях книги Диофанта Александрийского. С ней не могли справиться даже самые блестящие умы, начиная со швейцарца Леонарда Эйлера, одного из величайших математиков всех времен.

Все студенты когда-нибудь слышали от своих преподавателей, что эта теорема так и не была доказана и тем самым превратилась в одну из самых старых математических задач, все еще актуальных в конце XX века. Они удивлялись, когда преподаватель писал на доске то, что утверждает эта теорема. Это простейшее высказывание, и любой ученик средней школы мгновенно понял бы его. Может быть, ее невозможно доказать? Ужасающая возможность того, что существуют математические утверждения, которые невозможно доказать, была выдвинута одним из самых великих логиков XX века, австроамериканским ученым Куртом Гёделем, а через некоторое время — отцом информатики Аланом Тьюрингом. Возможно, данная теорема — одна из тех несчастных, изгнанных из царства математики. Возможно, Ферма, не зная этого, нашел первый недоказуемый результат в истории математики. В любом случае, он вряд ли предполагал, что будет нести ответственность за создание других математических теорий, которые возникнут из безрезультатных попыток доказать его теорему. Они появлялись благодаря надежде найти доказательство, которое окончательно закроет тему и навсегда поместит ее в один ряд с другими результатами, не подвергающимися глубокому исследованию, поскольку они прекрасно известны.

Тогда преподаватель переставал говорить о Ферма и возвращал своих учеников на землю, в привычный мир, где теоремы следуют одна за другой в сопровождении строгих доказательств, а Великая теорема — всего лишь странное чудовище, лишившее сна некоторых людей. Почти все принимали тот факт, что задача никогда не будет решена.

В какой-то степени парадоксально, что это самый известный вклад Ферма, с учетом того, что его можно назвать математиком первой величины. Однако его имя редко цитируют вместе с именами Архимеда, Евклида, Декарта, Ньютона, Лейбница, Эйлера или Гаусса. По разным причинам огромный вклад Ферма отошел на задний план. Достаточно взглянуть в энциклопедии и книги по истории математики, чтобы убедиться, что его там едва упоминают, и он почти всегда находится в тени какого-то своего современника или последователя.

Пьер де Ферма, королевский советник парламента в Тулузе, которого некоторые считают самым великим из математиков-любителей, жил в ту эпоху, когда эта наука, медленно просыпаясь после средневекового сна, вступала в фазу своей лихорадочной деятельности. Это было время, когда она пережила глубокие изменения, настоящую научную революцию. О событиях жизни Ферма — спокойной, буржуазной и без резких перемен — известно мало, но его характер открывается нам через его переписку и подход к математике.

Ферма был революционером в научной сфере. Мало кто заложил столько основ современной математики, как он, точно так же как мало кто предпринял такие смелые шаги на пути к будущему. Но, как это обычно происходит с некоторыми революционерами, Ферма не оценивал должным образом все то, что он делал. Он был одержим желанием возродить греческую науку, разрушенную веками небрежности и жестокости. Ему было интересно восстановить работы Диофанта, Аполлония, Архимеда, Евклида. Ферма не понимал, что инструменты, которыми он пользовался, чтобы возродить авторов античности, заложат основы новой науки и отправят многие методы древних ученых в исторический архив.

Поколение, следующее за Ферма, потеряло интерес к греческой математике, исключая разве что Евклида, работы которого до самого XX века были примером строгости и красоты в геометрии. Его «Начала» — наиболее часто издаваемая книга после Библии.

Но случай с Евклидом — это редкость. С конца XVII века греческая наука превратилась в музейный экспонат. С тех пор математики не смотрели назад, они всегда думали о будущем и о том, что они сами создают. Ферма был одним из последних, кто наслаждался традицией прошлого, и одним из тех, кто запер это прошлое и создал новый мир, наряду с другими великими математиками своего времени. Любая традиция сопротивляется смерти, и даже одна из ключевых работ по физике — «Математические начат натуральной философии» Ньютона — имела «греческую» форму. Но ее можно назвать лебединой песней античной науки. Со смертью Ферма в 1665 году греческая математика уже сменилась современной. После него ни один великий математик не озадачивался тем, чтобы восстановить традицию античности.

В нашей книге мы рассмотрим историю этой революции. Первые две главы посвящены теореме, которая сделала Ферма известным и в течение трех с половиной веков подстегивала математиков на создание невероятных конструкций с единственной целью — решить его дьявольскую головоломку. Это захватывающая история. В остальной части книги мы расскажем о другом вкладе Ферма в науку, абсолютно незаслуженно оставшемся в полутьме.

Речь пойдет о его вкладе в теорию чисел, а также о революционном прорыве, ставшем возможным благодаря французскому ученому, — аналитической геометрии, с помощью универсального языка алгебры навсегда изменившей подход к математике. Кроме того, в наше повествование включены предшественники анализа бесконечно малых — методы максимумов и минимумов Ферма, касательных, квадратур и спрямлений. Мы проанализируем эпистемологические препятствия (термин французского философа Гастона Башляра), которые помешали Ферма открыть собственно анализ. Наконец, мы остановимся на его роли в зарождении теории вероятностей и на его вкладе в физику в виде экстремального принципа, носящего его имя.

Здесь будет рассказано о достижениях этого великого мыслителя, но также будут затронуты и причины, по которым он был забыт. Иногда они связаны просто со случайностями, превратностями судьбы, но в других случаях роль сыграла и сама личность Ферма, например его боязнь публикации трактатов под своим именем. В то же время он ждал от коллег признания благодаря своим письмам, полным задач, которые, как утверждал ученый, он решил, но они разочаровывали его корреспондентов отсутствием конкретики. Идеи Ферма почти всегда падали на плодородную почву, но были отделены от его имени, и, таким образом, он оставался в тени. Жизнь этого ученого, в которой так мало примечательных событий, по-настоящему отражается в его работе, демонстрируя нам личность потрясающего человека.

1601 Родился 20 августа в Бомоне, Франция.

1620 Изучал право в Тулузе в течение пяти лет.

1625 Четыре года прожил в Бордо, где общался с французским математиком Жаном де Бограном.

1631 Закончил обучение в Орлеане 1 мая. Получил должность советника в парламенте Тулузы.

1636 Первое письмо философу Марену Мерсенну. Создал трактат об аналитической геометрии «Введение к теории плоских и пространственных мест». Разработал свой метод максимумов и минимумов.

1637 Формулировка Великой теоремы.

1638 Начало полемики с «соперником» Рене Декартом о методе максимумов и минимумов и его применении к касательным.

1640 Обнародование малой теоремы Ферма.

1641 Охлаждение отношений с Бернаром Френиклем и Пьером Брюларом.

1643 Объяснил основы своего метода в «Аналитическом исследовании», одной из самых важных его ученых записок.

1652 Заболел чумой. Друг ученого Бернар Медон ложно объявил о его смерти.

1654 Поддерживал переписку с Блезом Паскалем, в результате чего были заложены основы теории вероятностей.

1657 Полемика с Джоном Уоллисом и Уильямом Браункером об уравнении Пелля.

1658 Написал «Трактат о квадратурах», в котором расширил применение своего метода. Начал споры о «Диоптрике» с картезианцем Клодом Клерселье.

1659 Начал переписку с нидерландским математиком Христианом Гюйгенсом.

1660 Создал «Трактат о спрямлении», в котором отошел от своего аналитического метода и использовал синтетический метод греков.

1665 Скончался 12 января в городе Кастр, рядом с Тулузой.

ГЛАВА 1 Теорема, которую доказывали 350 лет

Несмотря на свою кажущуюся простоту, Последняя теорема Ферма мучила самых лучших математиков в мире не больше и не меньше, чем 350 лет. Раз за разом они пытались доказать ее и всегда терпели неудачу, пока в конце XX века одному британскому математику не удалось сделать то, что до тех пор казалось невозможным.

Представим себе на мгновение: человек с длинными волосами, ссутулившийся, склоняется при свете свечи над экземпляром «Арифметики» греческого математика Диофанта Александрийского (ок. 214 — ок. 298). Прочитав одну из его теорем, он немного размышляет, улыбается, смачивает перо и на полях книги пишет фразу на латыни. Делает паузу, снова берет перо и добавляет: «[...] cuius rei demonstrationem mirabilem sane detexi, hone margnis exiguitas non caperet». To есть: «[...] я нашел этому поистине чудесное доказательство, но поля здесь слишком узки, чтобы записать его».

Очевидно, вскоре этот человек пошел спать. На следующий день его ждали срочные дела в парламенте. Мы не знаем, сколько раз он вспоминал об этой маленькой записи. Возможно, он так и не вернулся к мысли о ней. Мог ли он подумать, что его немногочисленные слова породят одну из самых страстных одиссей в истории математики и что в течение веков они будут мучить самые блистательные умы в мире? Маловероятно. Пьер де Ферма — главное действующее лицо описанной нами сцены — увлекался играми и головоломками, но вряд ли той ночью он предвидел, что создал самую знаменитую математическую загадку всех времен.

Действительно, потомки узнали о ней, можно сказать, чудом. В виде личной заметки на полях книги она могла просто исчезнуть наряду с другими более или менее многочисленными тривиальными мелочами в жизни. Но эта пометка пережила своего автора, ее открыли и напечатали, и она превратилась в царицу задач, которые, казалось, невозможно решить. Мир продолжал вращаться. В эпоху Ферма Францией правил кардинал Ришелье, что описано Александром Дюма в бессмертных "Трех мушкетерах", в то время как король предавался развлечениям. Ришелье умер; Франция прошла через ряд восстаний, известных как Фронда; был Король-Солнце, а затем Просвещение, Революция, бурный XIX век и еще более драматичный XX век. И пока текла история, теорема, которую Ферма, по его словам, доказал, оставалась по-прежнему недоказанной, выдерживая все атаки, все попытки раскрыть ее тайну: это доказательство, которое не помещалось на полях, также не находило места и в умах самых великих математиков.

Ускорим наше повествование. Сейчас мы в 1993 году, в мире компьютеров. Распался СССР. Еще не существует социальных сетей, но есть их предок под названием юзнет, на который были подписаны только люди, связанные с академическим миром, — их абсурдно мало по сравнению с современными пользователями различных социальных сетей. Вдруг эта первоначальная сеть, обычно сонная, начала кипеть от возбуждения. Сообщения следовали друг за другом как молнии, сопровождаемые терминами, которые неспециалист не мог бы понять: модулярные функции, эллиптические кривые, группы Галуа, теория Ивасавы, гипотеза Таниямы-Симуры.

Постепенно в сети складывалась картина того, что произошло. Эндрю Уайлс, британский математик, специалист в области эллиптических кривых, прочитал в Институте Исаака Ньютона в Кембридже три лекции, в течение которых он постепенно, терпеливо, применив драматическое искусство, достойное Лоуренса Оливье, подводил слушателей к неизбежному результату.

В течение нескольких лет Уайлс работал секретно, как алхимик, не делясь ни с кем не то что результатами, но даже темой своего проекта. Он не хотел, чтобы кто-нибудь забрал его славу решения одной из самых сложных проблем в мире математики.

Хотя и ходили какие-то слухи в виде электронных писем, когда какой-нибудь коллега спрашивал его о содержании лекций, он ограничивался тем, что улыбался и отвечал: "Приходи на лекции и увидишь".

Такая таинственность подстегивала любопытство. Итак, аудитория из 200 человек, состоящая из опытных специалистов и некоторых докторантов, кипела с каждой проходящей минутой. Когда Уайлс объявил о лекциях, он хорошо постарался спрятать проект под внешне безобидным названием. Однако по мере того как он продвигался в изложении, ученые начинали понимать, о чем идет речь. Они писали электронные письма в паузах между лекциями, находясь в ожидании того, что, как они себе представляли, должно было произойти. В гробовом молчании аудитории докладчик заполнял доску за доской сложнейшей математикой. Наконец, Уайлс написал еще несколько строчек, дополняющих доказательство, сделал драматическую паузу и нацарапал то, что утверждается в Последней теореме Ферма. Улыбаясь, он повернулся к публике и сказал: "Думаю, что остановлюсь здесь".

Защелкали фотоаппараты, начались овации, аплодисменты. Одна из самых сложных проблем в мире (она же — одна из самых старых нерешенных задач) в конце концов пала под натиском систематической атаки блестящего математика, который более десятилетия работал один. Но как это возможно? Неужели Уайлс открыл доказательство Ферма? Нет, история намного сложнее. На самом деле аплодисменты были преждевременными: в доказательстве Уайлса содержалась роковая ошибка. Самоизоляция сыграла с ним плохую шутку: поскольку ученый не делился своими достижениями, никто не смог указать ему на это. А в математике только одна ошибка, только один ложный шаг делает непригодным все доказательство: оно разваливается, как карточный домик, из которого убрали лишь одну из карт. Так что сокрушенному Уайлсу пришлось вернуться в кабинет и продолжить работу, чтобы получить неопровержимое доказательство, которое ему наконец удалось опубликовать в 1994 году. Но оставим на некоторое время Уайлса в момент его наивысшей славы.

ПОСЛЕДНЯЯ ТЕОРЕМА

Пора вернуться к Ферма и ознакомиться с его последней теоремой. Вывод, который математик записал на латыни на небольших полях книги, был следующим:

"Невозможно записать куб в виде суммы двух кубов или четвертую степень в виде суммы двух четвертых степеней, и в целом любое число, являющееся степенью больше двух, не может быть записано в виде суммы двух степеней того же уровня".

В современной алгебраической записи эта теорема утверждает, что уравнение хⁿ + уⁿ = zⁿ при n > 2 не имеет натуральных решений; то есть не существует натуральных чисел и которые соответствуют заданному условию: иметь кубическую (или большую) степень, которая была бы суммой двух кубических степеней (или больших того же уровня).

Теорема Ферма применяется исключительно к натуральным числам (тем, с помощью которых мы считаем предметы: 1, 2,3,... и так до бесконечности); хотя в оригинальном высказывании автор не сформулировал данного условия открыто, это понятно из контекста.

Геометрическое представление теоремы Пифагора.

Стоит спросить, почему Ферма говорит только о показателях степени больше двух. Ответ прост. Для случая n = 1 мы имеем тривиальное высказывание: действительно, любое натуральное число, большее единицы, может быть выражено в виде суммы двух других чисел (необязательно различающихся между собой). Если n = 2, мы сталкиваемся с известнейшей теоремой Пифагора (см. рисунок), выраженной в алгебраической форме: x² + у² = z².

У этого уравнения не существует решений для любых натуральных чисел; но все-таки какие-то решения найти можно. Первое из них — это x = 3, у = 4 и z = 5:

3² + 4² = 9 + 16 - 25 = 5².

Другой пример — это х = 5, у = 12 и z = 13; еще один: х = 65, у = 72 и z = 97. Можно доказать, что существует бесконечное количество множеств из трех натуральных чисел, выполняющих данное требование; такие множества известны как пифагоровы тройки.

Итак, Ферма утверждал, что если заменить показатель степени, равный двум, на больший, то не существует тройки натуральных чисел, при которых такое уравнение было бы истинным и которую мы могли бы назвать "тройкой Ферма". При таком определении Последняя теорема Ферма равносильна утверждению, что не существует троек Ферма.

Несложно представить себе, как математик получил этот результат. Он некоторое время анализировал пифагоровы тройки и их свойства. Речь идет о записи квадрата в виде суммы двух квадратов так, чтобы все используемые числа были натуральными. Разумно предположить: поставив перед собой эту проблему, Ферма также задался вопросом, что произойдет, если вместо квадратов использовать кубы, четвертые степени и так далее. В конце концов, одной из самых естественных тенденций для математика является поиск обобщенного результата или, по крайней мере, исследование возможных обобщений.

Понять поставленную задачу довольно просто, и хотя уже половина ее решения заключается в этом понимании, вторая половина, в случае теоремы Ферма, сформулированной в 1637 году, чрезвычайно сложна. Почему? Чтобы попытаться ответить на данный вопрос, нужно совершить "небольшое" путешествие в прошлое, примерно за 2100 лет до Ферма, во времена Пифагора, — не только из-за связей, которые имеются у Великой теоремы с пифагоровыми тройками.

ГРЕКИ

Вернемся к началу времени математики для понимания природы математического доказательства. Пифагор Самосский (ок. 580 — ок. 495 до н.э.) — полулегендарный персонаж. Почти все документы, касающиеся этого ученого, которые дошли до нас, были созданы через несколько веков после его смерти, и поскольку последователи разве что не обожествляли Пифагора, значительная часть сведений о нем — это коллекция мифов. Так же как легенда по имени Гомер положила начало западной литературе, легенда по имени Пифагор основала математику.

Одно известно точно: Пифагор не формулировал теорему, которая носит его имя. Египтяне и вавилоняне знали и применяли ее, но они пользовались ею как инструкцией. Они неоднократно проверили ее на практике и убедились в ее истинности. Говоря современным языком, египтяне и вавилоняне использовали математику эмпирически: если они систематически убеждались, что результат верен, они обобщали его и думали, что он верен всегда. Это известно как индуктивное рассуждение. Когда мы находим действующую инструкцию, мы применяем ее, даже если и не понимаем, почему она работает.

Однако то, что сделал Пифагор, было действительно революционно: он пришел к убеждению, что эмпирических инструкций недостаточно и что требуется строгое доказательство их правоты. Фалес Милетский (ок. 630-545 до н. э.), отец философии, уже занимался выведениями доказательств, но Пифагор превратил поиск математического доказательства в систематическую программу. Он сделал нечто удивительное: пришел к выводу, что инструкция может быть доказана для всех случаев дедуктивно, с помощью правил логики, чтобы стать вечной, безупречной истиной, которую невозможно оспорить. Эмпиризму он противопоставил разум. Так, доказательство, основанное на логических правилах и образованное рядом шагов, которые любой может рассмотреть и понять, лучше, чем миллион экспериментов.

Насколько известно, Пифагор был первым, кто подумал о том, что такие доказательства не только возможны, но и достижимы систематически.

ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ТЕОРЕМЫ ПИФАГОРА

Возьмем два квадрата одинаковой площади со стороной а + b и разделим их, как показано на рисунке. Очевидно, что площадь каждого из квадратов равна (а + b)², но ее можно выразить и другим способом. В квадрате слева общая площадь равна сумме площадей двух квадратов со сторонами b и а и площадей четырех треугольников со сторонами а и b, то есть

1/2 · ab

для каждого из них. Следовательно, общая площадь первого квадрата равна

A₁ = a² + b² + 4(1/2 · ab)

Площадь второго квадрата равна сумме площади вписанного квадрата со стороной с и площадей четырех треугольников со сторонами а и b:

A₂ = c² + 4(1/2 · ab).

Так как А₁ и А₂ равны, то

a² + b² + 4(1/2 · ab) = c² + 4(1/2 · ab).

И, после сокращения уравнения:

а²+b²=с².

Это типичный пример геометрического доказательства, поскольку для него необходимо построить различные геометрические фигуры внутри квадратов.

Поэтому он заслуживает титула отца математики. Все амбиции математической науки, одной из самых плодотворных в интеллектуальной истории человечества, выразил немецкий математик Давид Гильберт (1862-1943) в своем "Wir mussen wissen. Wir werden wissen" ("Мы должны знать. Мы будем знать!") во втором десятилетии XX века.

Пифагор или кто-то из его школы доказал теорему, носящую его имя, так что уже невозможно сомневаться в ее истинности. Данная теорема дает нам неизменное правило. В случае с прямоугольным треугольником это отношение всегда будет выполняться. Пифагор очень высоко поднял планку для последующих поколений: уже недостаточно было найти правило, проверить его на практике много раз и признать его истинным. Теперь в математике требовалось его доказывать. И хотя в некоторых случаях это чрезвычайно сложно, подход Пифагора оказался таким плодотворным, что математики, несмотря на все трудности, не готовы отказываться от него.

В течение нескольких веков греки следовали принципам Пифагора и стремились к строгому доказательству своих результатов. Но геометр, который жил при Птолемее I (367-283 до н. э.), военачальнике Александра Великого и царе Египта, пошел еще дальше. Речь идет о Евклиде (ок. 325-265 до н. э.), который не довольствовался тем, чтобы доказывать отдельные результаты, а амбициозно захотел собрать все математическое знание своего времени в одну систему.

Евклид понял, что любое доказательство основывается на предыдущих результатах, которые, в свою очередь, были доказаны ранее. Но данный процесс не может длиться до бесконечности — нужно исходить из некоторых истин, которые считаются очевидными. Их Евклид называл аксиомами. Также должны существовать четкие определения используемых элементов; в геометрии, например, это точки, линии, треугольники, круги и так далее. На этой основе Евклид создал единую систему, в которой доказанные и предполагаемые результаты (в последнем случае — аксиомы) служат основой для доказательства других результатов. В отличие от аксиом, эти новые результаты, требующие доказательства, получили название теорем.

Повторяя эту операцию снова и снова, мы можем построить математическую теорию, похожую на дерево, на котором с помощью небольшого количества корней можно породить потенциально бесконечное количество веток и листьев. Какие- то из них более важны (более крепкие и плодородные в своем потенциале создания новых ветвей), чем другие, но все они одинаково истинные.

Рассказывают, что Птолемей I потребовал у Евклида обучить его математике, при этом не желая тратить много сил и времени. Он хотел, чтобы ученый упростил свои объяснения, на что тот ответил:

"Ваше Величество, то, о чем Вы меня просите, невозможно; необходимо пережить и пройти через все необходимые шаги, чтобы понять науку. Не существует царской дороги в математику".

Невозможно преувеличить важность евклидовой геометрии. Практически все последующие поколения математиков использовали ее в качестве отправной точки. Сегодня любой математик, предлагающий новую теорию (или пытающийся переформулировать существующую), пользуется системой Евклида. До самого XX века его книга — знаменитые "Начала" — была самой популярной после Библии и считалась отправной точкой и необходимым объектом изучения в университетах.

Но несмотря на невероятные результаты, некоторые нюансы деятельности Пифагора и школы, которую он основал, сегодня могут показаться неприемлемыми. Пифагорейцы представляли собой что-то вроде тайной религии или секты и, возможно, не сильно отличались от других секретных древнегреческих обществ, например элевсинских или орфических мистерий. Так же как и посвященные элевсинцы, пифагорейцы не могли открывать природу своей деятельности.

Пифагорейский мистицизм был тесно связан с идеей того, что число — это сущность природы. Но под числом пифагорейцы понимали не совсем то же, что и мы. Для них числа были только натуральными и теми, что могут быть выражены в виде частного натуральных (3/4,5/8 и так далее): множество рациональных положительных чисел.

Конечно, пифагорейцы умели измерять геометрические длины. Верные своей мистической вере в числовую сущность природы, они были уверены, что любую длину можно выразить рациональным положительным числом. Они ожидали, что геометрия будет открывать природу, подобно любой естественной науке или музыкальной гармонии, также открытой ими.

И тут произошла катастрофа. Согласно легенде, один из учеников Пифагора доказал, что гипотенуза прямоугольного треугольника не является числом в том смысле, который назначали этому понятию пифагорейцы. Как ни удивительно, речь шла о самым простом прямоугольном треугольнике, у которого два катета имеют длину, равную единице, — о треугольнике не только прямоугольном, но и равнобедренном. Действительно, в данном случае гипотенуза, согласно собственно теореме Пифагора, равна √2.

Но √2 нельзя выразить в виде рационального положительного числа! Это то, что мы сегодня называем иррациональным числом, так как его нельзя выразить в виде отношения между двумя натуральными числами. Именно это, как говорит легенда, доказал Гиппас из Метапонта (ок. 500 до н. э.), строптивый ученик, за что его (или за то, что он открыл миру свое доказательство), как говорят, утопили в море рядом с Кротоной. Здесь мы видим типичный случай доказательства от противного, в котором предполагается противоположное тому, что нужно доказать, и, в свою очередь, доказывается, что это предположение приводит к неразрешимому противоречию с уже доказанной истиной. Это один из самых мощных способов доказательства в математике, при котором, как говорил британский ученый Годфри Харди (1877-1947), математик рискует сильнее, чем любой шахматист с его гамбитом: он рискует всей игрой.

Интеллектуальная гордость пифагорейцев перенесла тяжелейший удар: мир, по-видимому, не был основан на числе как основной сущности. Пифагорейцам не пришло в голову, что достаточно пересмотреть их ограниченное понятие числа, чтобы решить дилемму. Но это объяснимо; на заре математики для пифагорейцев было невозможно принять то, что им казалось невыразимым. В конце концов, они были вынуждены провести различие между величиной и числом, между длинами, измеряемыми в геометрии, и числами, выражаемыми арифметически. Так, обе дисциплины начали отдаляться друг от друга, и только работы ученых XVI и XVII веков Франсуа Виета, Ферма и Рене Декарта смогли воссоединить их.

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ИРРАЦИОНАЛЬНОСТИ √2

Представим, что число √2 рационально. Тогда его можно выразить в виде отношения двух целых чисел: √2 =p/q. Мы можем предположить, что предыдущее отношение несократимо, то есть его нельзя упростить еще больше, или, что то же самое, р и q не имеют общих делителей. Итак, из предыдущего выражения следует, что 2 = p²/q². Следовательно, p² — четное. Но если целое число в квадрате четное, то и само число, p, тоже четное (поскольку квадрат нечетного числа всегда нечетный). Следовательно, мы можем записать p = 2k и 4k² = 2q², или 2k² = q². То есть q² также четное, и q тоже. Но это противоречит гипотезе о том, что у p и q нет общих делителей! Следовательно, одна из наших гипотез ложная. Это не может быть гипотеза о том, что отношение несократимо; то есть ложно предположение о том, что √2 — рациональное число.

ОТ ЭПОХИ ВОЗРОЖДЕНИЯ ДО XVII ВЕКА

Эпоха Возрождения привела к настоящему пробуждению интеллектуальной математической деятельности. В течение же всего Средневековья сложно найти выдающиеся математические достижения в Европе; они встречались только в мусульманском мире. Но постепенное знакомство с греческими текстами, которые были сохранены арабами, в сочетании с оригинальным вкладом исламских ученых, вызвали у первых математиков XVI века беспрецедентную активность.

ТАРТАЛЬЯ И КАРДАНО

Никколо Фонтана (1499-1557), по прозвищу Тарталья, и Джироламо Кардано (1501-1576) были одними из самых знаменитых ренетов. Детство Тартальи нельзя назвать безоблачным: у него не было отца, он рос в нищете, а при завоевании Брешии французский солдат нанес ему рану, затронувшую челюсть и нёбо, из-за чего он не мог нормально разговаривать. Отсюда его прозвище, означающее "заика". Кардано, знаменитый врач, алгебраист и великий инженер, потерял сына, поскольку не смог заплатить компенсацию, которая требовалась, чтобы того не казнили. Случилось так, что итальянский математик Сципион дель Ферро (1465-1526) нашел решение кубических уравнений, которое держал в секрете ото всех, кроме своих самых близких учеников. Один из них, А.М. Фиоре, вызвал Тарталью в 1535 году на математическое соревнование. Работая в усиленном темпе, Тарталья нашел собственное решение, более общее, чем у дель Ферро. Это позволило ему застать Фиоре врасплох, решить все задачи с кубическими уравнениями, которые тот ему предлагал, и, в свою очередь, выиграть у него, предложив ему задачи, которые Фиоре не смог решить. Кардано узнал об этом состязании и постарался расположить к себе Тарталью, который в итоге показал ему решение, потребовав хранить его в секрете. Но Кардано узнал также решение дель Ферро и, думая, что это освобождает его от необходимости хранить секрет, опубликовал результат Тартальи в "Великом искусстве", большом трактате по алгебре.

Никколо Фонтана Тарталья.

Джироламо Кардано.

Очень рано произошло разделение этой науки. С одной стороны были геометры, которые пытались понять и дополнить результаты греков. Следует иметь в виду, что хотя и сохранилось несколько книг, многие из них погибли при различных исторических обстоятельствах, произошедших между эпохой эллинизма и Возрождения — в период, охватывающий около 2000 лет. Среди этих событий примечательно разрушение (или несколько разрушений) Александрийской библиотеки. Итак, математики эпохи Возрождения, убежденные в том, что потеряли огромную массу знаний, пытались заполнить бреши, которые история проделала в трудах Евклида, Архимеда, Диофанта, Птолемея и Аполлония. Они исповедовали греческий метод: строгие и красивые геометрические доказательства.

Однако в то же время другие математики, называемые ренетами, занимались решением более или менее практических задач. Их нанимали торговцы, хотя часто они также участвовали в состязаниях, на которых задавали друг другу задачи, требующие решения. Эти математики были первыми алгебраистами и исповедовали прагматический подход: строгость, совершенство и красота доказательства интересовали их меньше, чем эффективность их методов. В какой-то степени они были наследниками египтян и вавилонян. С одной стороны, благодаря деятельности ренетов уменьшилась значимость идеи доказательства, а с другой стороны, они культивировали традицию засекречивания знаний, в отличие от греков-постпифагорейцев, публиковавших свои результаты подобно тому, как это делается сегодня.

Итак, мы провели краткий обзор истории математики, чтобы исследовать природу доказательства согласно различным математическим традициям, от Пифагора до Возрождения. Данные традиции колеблются между секретностью и открытостью, строгостью и прагматизмом. Именно в этой питательной среде противоположных тенденций Ферма занимался своей работой. Французский математик и юрист жил в эпоху, когда закладывались основы современной математики: она во многом базировалась на древних традициях, но в то же время представляла нечто абсолютно новое, и Ферма сыграл немалую роль в зарождении этой науки.

Следует указать, что вся научная деятельность, как со стороны новых наследников греческой математики, так и со стороны ренетов, происходила практически полностью за пределами устаревших университетских заведений того времени, погруженных в тяжелую средневековую традицию. В этих университетах даже не существовало, собственно, кафедр математики. Не было ни профессоров, ни четкого списка дисциплин, которые должен был посещать каждый студент.

Сегодня для того чтобы стать математиком, нужно пройти несколько курсов и дисциплин, а также заниматься научной деятельностью под контролем компетентного руководителя. Ничего подобного не существовало в XVI и XVII веках. Один из самых великих историков математики, шотландец Эрик Темпл Белл (1883-1960), назвал Ферма "принцем любителей", но дело в том, что в то время все были в той или иной степени любителями. Немногие математики добивались финансирования своих исследований меценатами: большинство занимались другим делом и посвящали науке свое свободное время.

ЛИЧНАЯ И ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ ЖИЗНЬ ФЕРМА

Так мы дошли до первого года XVII века. Пьер де Ферма родился 20 августа 1601 года. Его отец Доминик был процветающим торговцем, кожевником из Бомон-де-Ломани, поселка недалеко от Тулузы. Ферма чувствовал себя немного иностранцем, потому что в то время исторический центр Франции находился на севере и существовало недоверие к "гасконцам" — южным людям, таким как знаменитый д’Артаньян. Француз Рене Декарт (1596-1650), родившийся тоже во Франции, в Турени, использовал южное происхождение Ферма в качестве оскорбления своего соперника в математике. Ферма же, наоборот, озвучивал его с гордостью.

Его мать, Клер, относилась к тем, кого в дореволюционной Франции называли "дворянством мантии". Очень примечателен тот факт, что Ферма посвятил себя судейской должности: деньги отца-буржуа и связи семьи матери прочили молодому Пьеру карьеру адвоката.

Очень мало известно о его личной жизни в целом и еще меньше — о его детстве и отрочестве. У него был брат, Клеман, который также посвятил себя адвокатской деятельности, и две сестры, Луиза и Мария. Все указывает на то, что детство и юношеские годы Ферма спокойно протекали в Бомоне, где, возможно, он получил образование у монахов-кордельеров из монастыря Грансельв.

Пьер начал изучать право в университете Тулузы до переезда в Бордо во второй половине 1620-х. Очень вероятно, что его математическое образование началось в Бордо, хотя не осталось никаких свидетельств того, предшествовал ли его интерес к этой дисциплине переезду в новый город, причины которого неясны. Есть мнение, будто Ферма выбрал Бордо именно для того, чтобы изучать математику, воспользовавшись чем-то вроде академического отпуска: он отошел от права для занятий тем, что было его страстью в течение всей жизни. Поскольку в этом городе было намного больше возможностей для изучения данной науки, чем в Тулузе, такое объяснение нельзя отбрасывать.

В Бордо занимался математическими исследованиями Франсуа Виет (1540-1603), также известный под своим латинизированным именем Францискус Виета. У нас будет возможность более глубоко исследовать его работу, но пока достаточно сказать, что он стал основателем символической алгебры. Его труды имели огромную важность, но, возможно, по географическим причинам, из-за отдаленности провинциального города от центра Франции, а также из-за отсутствия средств обмена научной информацией в то время, когда Ферма жил в Бордо, революционная работа Виета была практически неизвестна вне кружка его прямых учеников.

Ферма не встречался с Виетом, ушедшим из жизни, когда ему исполнилось два года, но познакомился с одним из его

учеников, Жаном де Бограном (ок. 1584-1640), который был его другом и коллегой до самой смерти. Дело в том, что уже в 1629 году, в возрасте 28 лет, Ферма впервые продемонстрировал свой математический талант, послав Бограну экземпляр своей реконструкции потерянной работы греческого геометра Аполлония Пергского (ок. 262-190 до н. э.) De locis plants, то есть "0 плоских геометрических местах". Значительная часть деятельности математиков XVI и XVII веков заключалась в попытках восстановить потерянные античные работы, основываясь на упоминаниях других математиков. Одним из главных источников были труды Палпа Александрийского (290-350), жившего через несколько веков после большинства математиков, о которых он писал. Действительно, Папп опубликовал около 400 теорем, взятых из работ классиков, которые он еще мог прочесть. И хотя не все их работы дожили до Возрождения, потерянные при поджоге Александрийской библиотеки и других подобных обстоятельствах, по крайней мере оставались эти небольшие обломки, отдельные камни, оставленные Паппом, способные в некоторой степени дать представление обо всей славе математических зданий античности.

После обучения в Бордо Ферма поступил в университет Орлеана. Там он в 1631 году получил степень лиценциата гражданского права, после чего, как было принято в то время, выкупил пост советника парламента Тулузы у вдовы предыдущего владельца этой должности, Пьера де Каррьера. Как следствие, благодаря своей мантии Ферма получил дворянство, которое позволило ему добавлять частицу "де" к своему имени: Пьер де Ферма. Кстати, то, что Ферма смог внести значительную сумму за должность (43500 фунтов), доказывает: его финансовое положение было весьма неплохим, каковым оно и оставалось в течение всей его жизни.

В дореволюционной Франции парламенты играли значительную политическую роль в качестве противовесов королю, который пытался насадить абсолютную власть. В частности, парламент Тулузы был королевской привилегией населению, которое жаловалось на удаленность от Парижа и на то, что особенности местного права в Лангедоке игнорируются в столице.

Пьер де Ферма начал изучать право в университете Тулузы и, проведя шесть лет в Бордо, во второй половине 1620-х годов, окончил изучение права в университете Орлеана в 1631 году.

Знаменитая фраза, записанная Ферма на полях страницы экземпляра •Арифметики· Диофанта, в которой после изложения теоремы греческого математика можно было прочесть: ·[...] я нашел этому поистине чудесное доказательство, но поля здесь слишком узки, чтобы записать его·. Речь шла о Великой теореме Ферма.

Следует вспомнить бурную эпоху, в которой жил Ферма. Это были времена Людовика XIII, слабого и своенравного, и его властного министра, кардинала Ришелье. Не так много времени прошло с тех пор, как был убит король Генрих IV, гугенот, который обратился в католичество, потому что, по его словам, "Париж стоил мессы"; тогда Пьер был восьмилетним ребенком. Суровые религиозные войны между католиками и протестантами, закончившиеся вскоре после принятия Нантского эдикта (1598), провозгласившего терпимость к обоим вероисповеданиям, также были недавним прошлым. На самом деле Ришелье все еще воевал с протестантами в Ла-Рошели, не очень далеко от Бордо (данный эпизод описан Дюма в "Трех мушкетерах"). Кстати, в этой осаде участвовал и Рене Декарт. Кроме того, на жизнь Ферма пришлись Тридцатилетняя война (один из самых драматичных эпизодов в истории Европы, который по жестокости и страданиям гражданского населения может сравниться только с двумя мировыми войнами) и Фронда (восстания против Мазарини, когда деспотизм регентши Людовика XIV столкнул ее с парламентами и с частью провинциального дворянства).

Однако жизнь Ферма можно назвать спокойной. Он жил в эпоху великих событий, но политически не участвовал ни в одном из них. Нам даже не известны его политические взгляды. Через несколько месяцев после окончания университета Ферма женился на троюродной сестре со стороны матери, Луизе де Лонг. У четы было пятеро детей: Клеман-Самюэль, Жан, Клер, Катрин и Луиза. Первенец унаследовал должность отца и затем передал ее по наследству своему сыну. Жан стал архидьяконом, Клер вышла замуж и родила двух дочерей, ставших монахинями. Больше почти ничего не известно, но эти наброски позволяют нам представить размеренную буржуазную жизнь, без чрезмерных беспокойств, что удивительно с учетом бурной политической истории эпохи. Похоже, общественные потрясения почти не коснулись Ферма, несмотря на то что в течение своей судебной карьеры он занимал очень важные должности, которые, благодаря исторической оппозиции парламента Тулузы центральной власти, почти обязательно должны были поместить его в центр сложных политических конфликтов.

Парламенты были судебными, а не законодательными органами. Их отменили во время Французской революции, но в свое время они были большим противовесом королевскому абсолютизму. Следовательно, в течение всей своей профессиональной карьеры Ферма не только занимался правосудием, но также выступал посредником между противоположными политическими интересами. В частности, в Нантском эдикте было распоряжение об основании палат, в которых были бы представлены и защищаемы права обеих конфессий — католической и гугенотской.

В Кастре, городе недалеко от Тулузы, бастионе протестантов, Ферма был членом одной из этих палат с 1632 года, когда ему исполнился 31 год. Можнопредположить существование здесь значительных конфликтов, но ничего подобного не видно по переписке Ферма, а она является практически единственным источником информации о его жизни. Некоторые биографы усматривают в этом неприятие им полемик и столкновений, а также, возможно, причину его увлечения математикой, которое отнимало у него много времени: наука помогала Ферма избегать конфликтов и противоречий его профессиональной жизни.

Действительно, мало в каких областях знания может быть столько уверенности и так невелико пространство для сомнений, как в математике. Есть глубокая ирония в том, что Ферма как раз жил в ту эпоху, когда из-за молодости этой дисциплины дебаты по ее поводу происходили на каждом шагу, а поскольку он был одним из самых ярких мыслителей века, то был неизбежно втянут в них, что было ему крайне неприятно.

Возвращаясь к описанию фактов из жизни ученого, отметим, что он всю жизнь поддерживал тесную связь со своим родным городом, Бомоном, в котором Ферма несколько раз был председателем Генерального совета. Однако представляется очевидным, что он мало путешествовал, проводя время между Тулузой, Кастром и Бомоном с редкими поездками в Бордо.

Кроме своих знакомых в Бордо, некоторых математиков из Тулузы и англичанина Кенельма Дигби, Ферма лично не был знаком почти ни с кем из своих коллег: практически все его общение с ними осуществлялось по переписке. Его жизнь в сравнении с бурной жизнью его соперника Декарта, который участвовал в Тридцатилетней войне, объехал пол-Европы и побывал при различных дворах, казалась мирной, буржуазной и провинциальной. Математика была для него секретным убежищем, когда, уставший от политических конфронтаций и грустных приговоров, Ферма скрывался у себя дома, чтобы почитать, поразмышлять, создавая новые миры и иногда сообщая о них своим корреспондентам.

Действительно, ученый писал сотни писем, в которых детально раскрывал свои открытия, бросал вызов противникам или ввязывался в полемику. Главным его корреспондентом был монах ордена минимов Марен Мерсенн (1588-1648), страстный поклонник математики: благодаря ей он переписывался с большинством мыслителей того времени.

Тогда еще не было научных журналов, и их заменял Мерсенн, который был чем-то вроде эпистолярного центра, получавшего результаты от одних ученых и сообщавшего их другим. Хотя личный математический талант Мерсенна никогда не был выдающимся, его огромная заслуга состояла в способности понять, кто из его современников является великим ученым и какова важность его результатов. Кроме того, безусловно, очень ценными были созданные им "мосты", связывающие более или менее изолированных друг от друга любителей. Без Мерсенна Ферма остался бы никому не известной личностью, находившей отдых в математике в одиночестве своего кабинета. Однако именно благодаря монаху, который поделился его открытиями, математическая слава Ферма распространилась по всей Европе. Мерсенн жил в Париже и тесно общался с группой парижских математиков, среди которых выделялся Этьен Паскаль, отец Блеза. Участники этой группы сначала собирались в доме у кого-нибудь из них, а затем в келье самого Мерсенна, имевшего к тому времени уже 180 корреспондентов, живущих по всей Европе.

Мерсенн обожал полемику и наслаждался, сталкивая своих корреспондентов и участников группы между собой. Он твердо верил в то, что с помощью данного метода выявляется истина. Часто монах даже без разрешения делился с другими корреспондентами письмами, которые ему присылали конфиденциально, что вызывало немало недовольства. Для Мерсенна важнее верности и доверия своих корреспондентов было то, чтобы математические идеи распространялись публично и пылко отстаивались. Это убеждение стоило ему дружбы с Декартом. Впоследствии Французская академия наук была создана на основе данной группы ученых, объединившихся вокруг Мерсенна.

Марен Мерсенн познакомился с Ферма через друга последнего, Пьера де Каркави. Об этом сообщает сам Каркави в первом послании, которое он отправил Мерсенну 26 апреля 1636 года, начав тем самым плодотворную переписку. Каркави тоже был математиком-любителем. Он переехал в Париж из Тулузы в качестве королевского библиотекаря и не упустил возможности поговорить с деятельным монахом о математическом гении Ферма. В любом случае Ферма виделся с Мерсенном лично только один раз — в Бордо в 1654 году, когда тот возвращался в Париж после долгой поездки по Европе. Похоже, так протекала вся жизнь Ферма — между судейской должностью, позволявшей ему зарабатывать на хлеб своей семье, и тайной страстью к науке, которая сжигала его, когда ему не нужно было носить мантию. Можно сказать, что ученый обеспечивал свою жизнь с помощью права и зарабатывал бессмертие с помощью математики.

Насколько известно, Ферма серьезно болел только во время чумы 1652-1653 годов. Его положение было настолько критичным, что один из друзей ученого, Бернар Медон, объявил о его смерти своему голландскому корреспонденту Николасу Хейнсиусу. Через некоторое время Медон опроверг сам себя и сообщил Хейнсиусу счастливую новость о том, что Ферма все еще пребывает в числе живых. Любопытно, но чума даже помогла его карьере. Поскольку рост в судебной системе определялся строгой шкалой должностей, смерть многих юристов в эти мрачные годы быстро подняла Ферма в списке, так что он стал судьей высшего суда парламента, который рассматривал уголовные дела. В этой должности ему однажды пришлось приговорить к сожжению изгнанного священника, "злоупотреблявшего своими полномочиями", что привело его к сильнейшей депрессии, которая несколько недель мешала ему заниматься математикой.

Другой стороной деятельности Ферма, связанной с его профессией, был прием ходатайств подданных Короны, не имевших право действовать напрямую; они должны были проходить через такого советника, как Ферма, которого им нужно было убедить в целесообразности своего ходатайства. Согласно некоторым источникам, ученый выполнял эту функцию с сочувствием и добротой.

У нас есть достоверное свидетельство того, что ученый являлся представителем парламента Тулузы по связям с могущественным канцлером Пьером Сегье. Пост канцлера был одним из самых значимых во Франции, сегодня он соответствует посту министра юстиции. В частной петиции Ферма просил Сегье, чтобы жителей Аквитании освободили от уплаты некоего налога, поскольку, согласно аргументам ученого, любая попытка собрать его силой неизбежно приведет к нежелательным гражданским волнениям.

Как бы то ни было, создается впечатление, что карьера парламентария никогда не представляла для Ферма большого интереса. Сам он при случае признавался Мерсенну в своих опасениях, что особого назначения, запрошенного им у Сегье, не будет из-за провала его "деятельности в Кастре", о которой нет других сведений. Несколькими годами позже управляющий Лангедоком написал отчет знаменитому министру Жану-Батисту Кольберу, высказывая свое мнение о президенте парламента, прямом руководителе Ферма, и о его советниках. Он отозвался о главном герое этой книги как о судье не очень лестно:

"Ферма, человек большой эрудиции, имеет контакты с учеными по всему миру. Но он обычно очень занят [своей эрудицией]; он нехорошо ведет свои дела и часто путается. Он не входит в число друзей президента".

Таким образом, Ферма предстает перед нами как сдержанный, почти застенчивый человек. Он был склонен к компромиссам до такой степени, что, с одной стороны, находился на высочайшей должности в учреждении, открыто противостоявшем Короне, а с другой — имел хорошие отношения с королевским двором.

ЛИЧНОСТЬ ФЕРМА КАК МАТЕМАТИКА

Черты замкнутого характера Ферма решительно повлияли на его научную карьеру. Как рассказывает один из главных его биографов, Майкл Шон Махони, его математическая переписка лишена самовлюбленности, которая характеризует Рене Декарта или Джона Уоллиса. Мерсенну он признавался, что не ищет славы и "лишен амбиций". Возможно, это было не совсем так. Ясно, что Ферма гордился своей карьерой в судебном деле и высокими постами, до которых он дослужился; точно так же он ожидал признания и за свой вклад в математику. Тем не менее его амбиции были в каком-то смысле скромными. Ферма было достаточно признания своих коллег, а не славы среди широкой публики: когда он не получил этого признания, то отреагировал довольно болезненно, разочарованный безразличием и враждебностью некоторых своих современников.

Данная особенность его личности ("самый ленивый из людей" — говорит он Мерсенну о себе), возможно, объясняет, почему Ферма никогда в жизни не публиковался под своим именем и почему он, насколько это было возможно, избегал того, чтобы приводить доказательства результатов, о которых объявлял в своей переписке.

Традиция секретности в математике зародилась еще в пифагорейской школе; но если у подобной закрытости в античности имелись мистические корни, то реисты продолжили ее из прагматических соображений. Это был эквивалент современной защиты авторских прав.

Со своей стороны Мерсенн боролся именно против такой секретности, пересылая письма, которые были адресованы ему. Твердо убежденный в том, что только дебаты вызовут прогресс в математике, монах ордена минимов в Париже заложил эту новую традицию, пытаясь убедить своих корреспондентов в необходимости открывать свои тайны. Но несмотря на дар убеждения, ему так и не удалось уговорить Ферма опубликовать официальную работу. Мерсенна и членов его кружка Ферма, должно быть, сводил с ума: блестящий математик, он выдавал результаты по капле, не приводя в большинстве случаев доказательств своих теорем.

Несколько раз Ферма пользовался этой секретностью, которой так дорожили реисты, и бросал вызов соперникам, предлагая им решить задачу, которую он сам уже решил. Подобный вид игр и загадок, казалось, доставлял ему большое удовольствие, особенно когда, как случалось не единожды, соперничество превращалось в откровенную вражду. Итак, Ферма ограничивался тем, что частично объяснял свои идеи в письмах, которые посылал главным образом Мерсенну, и иногда делился докладами и маленькими рукописными трактатами. При жизни была опубликована только одна его книга, в качестве приложения к другой и под псевдонимом. Скрытность математика разочаровывала многих его друзей. Медон просил Хейнсиуса воспользоваться своим положением и убедить саму королеву Швеции Кристину повлиять на Ферма, чтобы тот опубликовался. Однако Мерсенн, Жиль де Роберваль, Блез Паскаль и Христиан Гюйгенс потерпели в этом поражение.

Отказ ученого, возможно, также был вызван огромным количеством работы, которую потребовало бы строгое формулирование результатов. Ферма был человеком с огромной математической интуицией, и часто собственные небольшие заметки убеждали его в том, что он прав. Превращение этих заметок в формальное доказательство, согласно стандартам греческой геометрии, предполагало больший труд, отнимающий много времени, которым Ферма не хотел жертвовать. Он работал для себя; его доказательства, частичные или полные, предназначались для личного пользования. Подобно шахматисту, угадывающему, как сделать мат в пять ходов, Ферма в доказательстве доходил только до того места, которое считал необходимым.

Его заметки были просто напоминаниями для самого себя, ключами, благодаря которым перед ним снова представала идея, возникшая как раз перед тем, как он ее вкратце записал.

Но есть и другая причина, о которой мы поговорим позже, когда расскажем о том, как Ферма развил наследие Виета.

Как бы то ни было, убеждение остальных в правильности своих результатов не входило в круг его интересов. Ученый думал, что другие смогут воспроизвести его рассуждения, а если не смогут — тем хуже для них. В любом случае попытки убеждать были бы, судя по всему, потерей его ограниченного времени: Ферма предпочитал посвятить его поиску новых результатов, а не доказательству того, что и так выглядело очевидным.

[Если возникнет] любая часть моей работы, которая будет достойна публикации, я отказываюсь от того, чтобы в ней появлялось мое имя.

Ферма в письме Робервллю, 1637 год

Его собственная профессиональная карьера способствовала такому отношению, поскольку не давала ему достаточно досуга для занятий математикой. Так, вся научная жизнь Ферма характеризуется результатами, о которых он объявлял очень осторожно, едва намеченными идеями, никогда не доведенными до завершения, презрением к заполнению пробелов и деталям, а также отсутствием доказательств. Вкратце его методы можно назвать полнейшей противоположностью тому, чем занимался Евклид с его систематическим и строгим подходом и выверенными доказательствами, которые имели огромное значение для поколений математиков. В этом смысле Ферма был намного ближе к реистской традиции, чем к античной строгости.

Все эти записки, наброски и беспорядочные бумаги привел в порядок, систематизировал и опубликовал (по крайней мере все, что смог найти и осмыслить) его наследник, первенец Клеман-Самюэль. Он унаследовал не только должности отца, но и, по крайней мере частично, страсть к математике.

Помимо прочего, в 1670 году сын опубликовал комментарии к Диофанту, собрав все пометки отца на полях. Именно так до нас дошла знаменитая теорема, которая явно была просто пометкой, сделанной Ферма для себя самого. Он никогда ни с кем не делился ею целиком; единственное оставшееся свидетельство о ней — заметка на полях, которую Клеман-Самюэль, верный памяти отца, расшифровал и посмертно опубликовал.

Ферма обсуждал частные результаты теоремы; но общая формулировка, в том виде, в каком она появляется в его случайной записи, почти точно затерялась бы.

Судьба научной работы иногда зависит от воли некоего человека, который сочтет, что она важна. И таким волоском в случае Ферма стала любовь Клемана-Самюэля к своему отцу и к памяти о нем.

Итак, мы, наконец, пришли к этому полю, на котором Ферма записал свою дьявольскую теорему. "Я нашел, — утверждает он, — этому поистине чудесное доказательство, но поля здесь слишком узки, чтобы записать его".

Любопытно, что в течение веков всегда говорили о Великой теореме Ферма. В математике любой недоказанный результат известен как предположение, или гипотеза. Так, у нас есть гипотеза Римана, гипотеза Гольдбаха и до недавнего времени у нас была гипотеза Пуанкаре, которая, после того как была доказана, превратилась в теорему Пуанкаре — Перельмана. Дело в том, что только доказанные результаты заслуживают звания теоремы.

Но по какой-то причине утверждение Ферма всегда было известно как теорема; возможно, потому что другие утверждения ученого были постепенно доказаны и оставалось только последнее. Следовательно, теореме Ферма понадобилось 350 лет, чтобы оправдать свое название.

ГЛАВА 2 Попытки доказательства Великой теоремы

В течение 350 лет историки математики безуспешно задавались вопросом: действительно Ферма доказал свою теорему или нет? А может, на самом деле он ошибочно верил в то, что ему это удалось? Стиль работы французского математика позволяет предположить все что угодно, хотя одни версии более вероятны, чем другие.

Математические методы эпохи Ферма были очень похожи на те, которыми пользуется прилежный ученик в школе. Другими словами, человечеству понадобилось около 2500 лет на то, чтобы приобрести знания, доступные сейчас выпускнику школы. И наоборот, с тех пор научные понятия усложнились настолько, что неспециалисты уже не в состоянии их понять.

Математики, которой пользовался Уайлс для доказательства Последней теоремы Ферма, не существовало во времена французского ученого. На самом деле большая ее часть была создана только в XX веке. Поэтому чрезвычайно сложно поверить в то, что у Ферма было доказательство его теоремы, которое не смогли получить самые лучшие мировые математические умы в течение 350 лет.

Наиболее вероятно, что Ферма доказал некоторые частные случаи. В замечании 45 к трактату Диофанта отмечается, что он доказал ее для случая n - 4. То есть не существует таких натуральных чисел х, у и z, что х⁴ + у⁴ - z⁴.

Возможно, Ферма также доказал случай n = 3. По крайней мере, он ссылался на это в своей переписке как на доказанный результат, точно так же, как и n = 4. Вероятно, на основе этих двух случаев математик решил, что обобщение сделать очень просто.

Ферма ошибался уже не в первый раз. Он также утверждал, что 2²^p +1 — всегда простое число (делится только на само себя и на единицу), если р — простое. Великий швейцарский математик Леонард Эйлер (1707-1783) доказал, что это не так: при р - 5 утверждение Ферма ложно, поскольку полученное число делится на 641.

Так что Ферма иногда делал неправильные выводы, слишком доверяя интуиции и своим неполным доказательствам. Есть основания думать, что его предполагаемое доказательство Последней теоремы существовало только в его воображении и что отсутствие строгости привело его к очень смелому утверждению на основе пары отдельных случаев... к утверждению, которым, с другой стороны, насколько известно, он не собирался делиться со всеми.

В любом случае, следует отметить, что Великая теорема — это просто любопытное явление, практически мелочь, а не одна из основ математической революции. По сравнению с другими результатами, которые на сегодняшний день так и не доказаны, такими как гипотеза Римана, математическое значение теоремы ослабевает; после ее доказательства не было создано нового и плодородного поля математических исследований. Математики измеряют значимость результата с учетом новой математики, которую этот результат порождает после его доказательства. Дело в том, что Последняя теорема сама по себе ни к чему особенному не ведет.

Однако усилия, потраченные на ее доказательство в течение 350 лет, способствовали развитию важнейших математических теорий. В этом и заключается парадокс данной теоремы: в некотором смысле она представляет собой незначительный результат, замечание, подходящее для поля книги, где она была записана; но огромная сложность доказательства и интерес, который оно вызывало в течение веков, привели к созданию сложных теорий, применение и развитие которых оказались крайне значимыми.

Преподаватели, упомянутые нами ранее, очевидно, говорили своим ученикам: "Хоть бы она никогда не была доказана". Потому что математические методы и теории, которые были порождены попытками доказательства, оказались важнее самой теоремы, и мы надеемся, что благодаря этим попыткам появятся новые теории.

Конечно, вероятна и другая версия истории, согласно которой Ферма, как он это иногда делал, играл со своими современниками, бросая им вызов и провоцируя на поиск доказательства того, в чем сам не был уверен; однако свой результат он не опубликовал, и этот факт выступает против данной гипотезы. Кроме того, как уже было сказано, очень трудно себе представить, что Ферма действительно обладал общим доказательством теоремы. Либо самые блестящие математики последних 350 лет были слепцами, либо необходимого математического аппарата для доказательства во времена Ферма просто не существовало. Второе намного более вероятно.

Нерешенная проблема — как стена. Математики, которые подступаются к ней, должны обладать соответствующим арсеналом, чтобы снести ее. Некоторые задачи просто нельзя разбить с помощью примитивного "оружия". Точно так же, как римская катапульта была бы абсолютно бесполезна против современного авианосца, некоторые математические инструменты не годятся для решения определенных проблем, и ученым приходится ломать себе голову, изобретая новые стратегии атаки и новое вооружение. Современная история математики — это в значительной мере история изобретения более совершенного арсенала.

У Ферма было такое оружие, о котором одно или два предыдущих поколения даже не мечтали; но его было недостаточно, чтобы решить его задачу. С другой стороны, вполне вероятно, что он этого не знал. Возможно, тулузский юрист был ослеплен блеском стали того арсенала, который изобрел его выдающийся предшественник Виет, а также он сам, и не подозревал, что не все стены разрушаются под его ударами. Девизом Виета была фраза: Nullum problema solver ("Нет проблем без решений"). Сегодня оптимизм ученого можно назвать чрезмерным, но тогда никто этого не знал.

Математики используют в своих доказательствах не меньшее количество стратегий, чем полководцы в битве, а возможно, даже и большее. Во времена Ферма число стратегий значительно увеличилось с изобретением символической алгебры; одну из тех, что использовал Ферма, изобрел он сам: метод бесконечного спуска, который происходит из доказательства от противного. В общих словах данный метод заключается в том, чтобы принять за гипотезу тезис, противоречащий теореме, которую мы хотим доказать, и искать свойство, справедливое для заданного числа п. Затем доказывается, что если данное свойство справедливо для числа n, оно также справедливо для числа меньше n, как правило n - 1.

Но здесь возникает проблема! Если это так, то существует бесконечная последовательность натуральных чисел, каждый раз все меньших, а мы знаем, что это не так. Самое маленькое натуральное число равно 1. Таким образом, у нас есть противоречие, из которого следует, что наша гипотеза ошибочна.

Так Ферма доказал, что его знаменитая теорема истинна по крайней мере для частного случая, при n = 4, в записи, которая почти поместилась на другом поле той же самой "Арифметики" Диофанта. И мы говорим "почти", потому что Ферма опустил, как обычно, некоторые этапы доказательства.

Мало что еще можно сказать о работе Ферма над доказательством его легендарной теоремы, поскольку он практически больше ничего не оставил на эту тему; зато мы можем проследить ее судьбу в течение тех 350 лет, которые Ферма не мог увидеть.

ОТ ЭЙЛЕРА ДО СОФИ ЖЕРМЕН

Как уже было сказано, Великая теорема Ферма стала известна после его смерти. С другой стороны, теория чисел, над которой работал математик, не имела большого успеха среди его современников, так как они больше интересовались другими математическими проблемами того времени. Поэтому публикация комментариев Ферма к "Арифметике" Диофанта не имела большого резонанса. Ученые того времени не понимали его увлеченности этими "бессмысленными" задачками, которые казались больше похожими на загадки и головоломки, чем на важные математические проблемы.

ЛЕОНАРД ЭЙЛЕР

Швейцарский ученый Леонард Эйлер (1707-1783) был знаковой фигурой в математике XVIII века. Его работы посвящены практически всем областям математики, существовавшим в тот момент, а также разнообразным проблемам физики и ряда других наук.

Эйлер занимал выдающиеся должности в академиях наук России и Пруссии во время правления Екатерины Великой и Фридриха II, где он общался на равных с королями и мыслителями уровня Вольтера. Ученый был одноглазым и в конце концов полностью потерял зрение, но это не помешало ему каждую неделю писать по статье.

У него была чудесная память, которая позволяла ему доказывать теоремы в уме, а также без проблем читать наизусть"Энеиду" от начала и до конца. Рассказывают, что когда Екатерине надоели атеистические рассуждения Дидро, она попросила Эйлера унизить его публично. Тот подошел к философу и выпалил:

"(a+bⁿ)/n = х, следовательно, Бог существует. Отвечайте!"

Дидро не знал, что ответить. Однако некоторые историки сомневаются в истинности этой истории. Также Эйлеру принадлежит одна из самых красивых формул в математике: еⁿ + 1 = 0.

Однако прусский математик Христиан Гольдбах (1690- 1764; что любопытно, он знаменит благодаря своей до сих пор не доказанной гипотезе, не сильно отличающейся от задач, которыми занимался Ферма) начал изучать работы Ферма и привлек к ним внимание самого великого математика своего времени. Этим математиком, родившимся примерно через 40 лет после смерти Ферма, был Леонард Эйлер.

СОФИ ЖЕРМЕН

Как и все женщины-ученые, жившие до XX века, парижский математик Софи Жермен (1776-1831) столкнулась со множеством проблем в своей научной карьере. Она не получила официального образования и пользовалась для учебы записками Политехнической школы. Софи также переписывалась с великими математиками своего времени, такими как Жозеф Луи Лагранж, Адриен Мари Лежандр и Гаусс, выдавая себя за некоего "господина Леблана". Гаусс узнал правду о ее личности при самых любопытных обстоятельствах, которые только можно себе представить. Когда наполеоновские войска заняли территорию Германии, где жил Гаусс,

Жермен испугалась за жизнь своего корреспондента, вспомнив пример Архимеда, и написала генералу Пернети, другу ее семьи, попросив его защитить гения. Пернети послал отряд, от которого Гаусс узнал о хлопотах Софи. Тронутый и удивленный, Гаусс написал Жермен, заметив, что из-за глупых предрассудков эпохи женщина вынуждена действительно быть человеком, обладающим "благородной смелостью, необычайным талантом и наивысшей гениальностью", чтобы победить все препятствия.

Итак, любопытство Эйлера было разбужено комментариями Гольдбаха, и швейцарец начал анализировать работы Ферма. Среди прочего он доказал: тот ошибся, утверждая, что числа, известные как "числа Ферма", всегда простые. Также Эйлер изучал Великую теорему Ферма. И хотя он не смог доказать ее для общего случая, ему удалось доказать ее для n = 3. Так что на тот момент, когда Эйлер оставил данную тему, было доказано два случая... или на самом деле бесконечное их число, поскольку если доказать теорему для n = 3, результат также справедлив для всех чисел, кратных 3, то есть для последовательности 6, 9, 12, 15... Так происходит потому, что любая степень, кратная трем, может быть записана в виде числа в кубе. Например, 4⁶ = 16³. Кстати, доказательство самого Ферма для n = 4 справедливо также для чисел, кратных 4.

Если бы мы могли доказать теорему для простых чисел, поскольку любое число кратно простым числам, мы бы доказали ее в целом. Однако, к сожалению, доказательство для п - 5 оказалось гораздо сложнее, чем представлял себе Ферма. В любом случае, тот факт, что Эйлер заинтересовался работами Ферма, вызвал интерес к теории чисел. Благодаря Эйлеру и Карлу Фридриху Гауссу (1777-1855) данная дисциплина превратилась в уважаемую математическую теорию, как этого и хотел Ферма.

Гаусс отзывался о Великой теореме Ферма достаточно презрительно и считал работу над ней потерей времени. Возможно, он и сам пытался решить когда-то эту задачу, но, потерпев неудачу и разочаровавшись, повел себя подобно лисе из басни про лису и виноград. Но другие математики его времени подошли к задаче очень серьезно. Например, Софи Жермен открыла, что для простых чисел, теперь носящих ее имя (числа р, где р — простое число, и Р = 2р + 1 также простое), с учетом некоторых требований, которым должны соответствовать Р и р (в частности, что р не является делителем произведения трех неизвестных — х, y, z — из уравнения Ферма), теорема Ферма верна для n = p. С помощью этого подхода Жермен удалось доказать теорему Ферма для всех простых чисел, меньших 100. К сожалению, ее работа не была опубликована при жизни.

Адриену Мари Лежандру и Густаву Лежёну Дирихле удалось доказать теорему для n = 5. При этом они использовали математические инструменты, которых не существовало в XVII веке, такие как теория квадратичных форм. Доказательство теоремы является относительно простым для n = 3 и n = 4, но оно становится гораздо сложнее начиная с n = 5 и недоступно обычным методам начиная с n = 23.

В любом случае, Софи Жермен была первой, кто попытался найти решение для целого класса чисел, а не для частных случаев; также она открыла новые подходы к решению задачи, которыми продолжали пользоваться в последующие годы.

ЛАМЕ, КОШИ И КУММЕР

В следующие десятилетия были предприняты попытки Габриеля Ламе (1795-1870) и Огюстена Луи Коши (1789-1857) доказать теорему. Ламе удалось найти решение для n = 7, и на бурном заседании Французской академии наук он объявил, что вот-вот докажет ее для общего случая. Он в общих чертах обрисовал свою стратегию, которая основывалась на алгебре комплексных чисел. Но настоящая сенсация произошла, когда Коши, который был одним из самых значительных математиков своего времени, встал и объявил, что он тоже вот-вот получит доказательство и его подход очень похож на метод Ламе.

Так началась гонка между этими двумя учеными, которая была драматично прервана немцем Эрнстом Куммером (181 ΟΙ 893), публично заявившим, что подход Коши и Ламе неверен. Куммер справедливо утверждал, что они оба совершили роковую ошибку, когда предположили, будто комплексные числа, которыми они пользовались, имеют единственное разложение на множители.

После этого попытки Коши и Ламе провалились, в то время как Куммер продолжил исследования и в итоге создал новую математическую теорию, чтобы попытаться доказать Великую теорему Ферма. Данное исследование подтолкнуло его к изучению разложения на множители, на которое опирались французы, и это, в свою очередь, привело его к формулировке принципов того, что сегодня известно как теория идеалов. Инструменты для доказательства становились все более сложными...

Однако Куммер пошел еще дальше. Пользуясь еще более продвинутыми математическими методами, он нашел условия, которые делали возможным единственное разложение на множители. На основе этого он доказал, что существуют некие простые числа, называемые регулярными, для которых Последняя теорема Ферма выполняется. Куммеру удалось доказать теорему для огромного числа случаев (возможно, бесконечного, хотя не было доказано, что число регулярных простых чисел бесконечно). На самом деле ему удалось доказать ее для всех случаев меньше 100, кроме 37,59 и 67, являющихся иррегулярными простыми числами.

ПОДРОБНЕЕ О ПОДХОДЕ ЛАМЕ-КОШИ И ПОПРАВКЕ КУММЕРА

Подход Габриеля Ламе и Огюстена Луи Коши заключался в том, чтобы попытаться разложить на множители левый член уравнения Ферма в следующем виде:  xⁿ + yⁿ = (x+y)(x+ςy)...(x+ς^n-1y), где х и у — обычные целые числа, а ς — числа, которые известны как алгебраические целые числа. Последние, несмотря на свое название,— комплексные числа (числа вида а + bi, где i равен √-1), появляющиеся в виде корней некоторого типа многочленов. Важно то, что если это разложение на множители является единственным, можно доказать, что нет решений для уравнения Ферма, то есть Последняя теорема истинна. Ламе и Коши открыли новый фронт: использование комплексных чисел в степени. Но Куммер доказал, что такое разложение на множители в целом невозможно. На основе этого он пытался найти условия, при которых можно было бы его осуществить, что привело его к изучению так называемых циклотомических полей. Они являются продолжением рациональных, полученных прибавлением одного из чисел ζ^k из предыдущего уравнения. Куммер впервые применил теорию групп к теории чисел. На основе этого немецкому математику удалось доказать, что существуют некие простые числа, которые не являются делителем числа, называемого числом класса идеалов, что служит характеристикой вышеупомянутого продолжения. Такие простые числа называются регулярными простыми числами.

Работа Куммера также была основополагающей для последующего обобщения его понятия идеальных чисел немецким математиком Рихардом Дедекиндом (1831-1916) при создании теории идеалов. Идеал, например, — это множество четных чисел, или кратных трем, однако существуют идеалы, не являющиеся числами, несмотря на то что к ним применимы близкие им понятия, такие как разложение на простые множители.

ФАЛЬТИНГС И ЭЛЕКТРОННЫЙ ПОИСК КОНТРПРИМЕРОВ

После смерти Куммера в 1893 году серьезные исследователи перестали заниматься поисками доказательства теоремы Ферма. В течение десятилетий эти поиски были уделом математиков-любителей, которые искали Грааль, обещающий славу и некое материальное вознаграждение (в начале XX века Пауль Вольфскель установил премию в 100 тыс. марок тому, кто докажет или опровергнет Великую теорему Ферма). Но методы, используемые этими любителями, были настолько же примитивны, как и методы самого Ферма, что снова и снова обрекало их на поражение. Изобретение компьютеров позволило начать поиски контрпримеров. Как известно, достаточно только одного контрпримера (в случае Ферма — найти по крайней мере одну тройку х,у и z натуральных чисел, для которых выполнялось бы равенство при n > 2), чтобы доказать, что теорема ложная. Наоборот, если нужно доказать ее истинность, не хватит и миллиона примеров.

Компьютеры, каждый раз все более мощные, позволили доказать в начале 1980-х годов, что Великая теорема истинна для всех значений п до четырех миллионов. Но этого было недостаточно. Хотя большинство математиков было убеждено в том, что теорема истинна, нельзя утверждать какой-то результат, сколько бы положительных случаев его ни подкрепляло. Ярким примером этого может служить гипотеза, которую сформулировал Эйлер в XVIII веке. В ней утверждалось, что равенство х⁴ + у⁴ + z⁴ = w⁴ не имеет натуральных решений. Только в 1988 году, примерно через 200 лет после смерти Эйлера, с помощью найденного контрпримера было доказано, что его гипотеза ложна. У уравнения существует следующее решение: x = 2682 440, у = 15365 639, z = 18 796 760, a w = 20 615 673.

Есть некая справедливость в том, что человек, который опроверг Ферма с его простыми числами, сам был, в свою очередь, опровергнут.

Но в 1983 году немецкий исследователь по имени Герд Фальтингс совершил гигантский прорыв, доказав, что если и существуют натуральные решения уравнения Ферма, то их число конечно. Это не доказывало теоремы, в которой говорится, что число решений равно нулю, но это был значительный прогресс. Будем осторожны и проясним, что конечное число решении может быть равно ₁₀10^{10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000} , так называемому "числу Скьюза", связанному с распределением простых чисел. Речь идет о невообразимо большом числе, намного большем, чем количество частиц во Вселенной, или даже большем, чем число возможных взаимодействий между этими частицами. Годфри Харди назвал его "самым большим числом, которое когда-либо имело применение в математике".

Метод Фальтингса основывался на дифференциальной геометрии. Она изучает, в общих чертах, обобщенные кривые и геометрические поверхности, используя для этого такие инструменты исчисления, как дифференцирование и интегрирование. Группа советских исследователей в 1970-х годах поняла, что можно связать некоторые проблемы теории чисел, то есть теории, к которой принадлежит теорема Ферма, с некоторыми проблемами дифференциальной геометрии. Эти исследователи построили мост между двумя островами, очень далекими друг от друга, соединяя специалистов, ранее не взаимодействовавших между собой.

Фальтингс связал уравнение Ферма (xn + yn = zn) с различными поверхностями в области дифференциальной геометрии, по одной для каждого значения n. Такие поверхности похожи на бублики, только вместо одной дырки в центре у них много дыр. Чем больше п, тем больше дыр. Фальтингс связал возможность существования более чем одной дыры с тем фактом, что у соответствующего уравнения Ферма есть конечное число решений. Это был большой шаг, но все еще недостаточный.

ГИПОТЕЗА ТАНИЯМЫ — СИМУРЫ

Возвращаясь к Великой теореме, никто не представлял себе, какие сюрпризы она может преподнести. Если математик эпохи Ферма работал с близкими нам элементами, такими как круги или простые числа, то исследователи последующих эпох стали создавать каждый раз все более любопытные элементы и пытались понять законы, которые регулируют их поведение.

Эллиптические кривые для с = 0 и различных значений a и b.

В этом месте повествования важно не расстраиваться, если не удастся понять сложных математических теорий, которые используются для того, чтобы "снести стену". Никакой неспециалист не может точно понять их. На самом деле только профессиональный ученый способен детально рассмотреть эти аргументы. Как бы то ни было, математики создали теорию, устанавливающую определенное соответствие между эллиптическими кривыми и модулярными функциями.

Эллиптические кривые того типа, который нас здесь интересует (см. рисунок), — это просто уравнения вида: у² = х³ + ax² + bх + с; где а, b и с — целые числа. На самом деле они не эллипсы; своим названием кривые обязаны тому, что в прошлом их использовали для изучения траекторий планет. А модулярные функции, наоборот, несколько более странные "существа". Они обитают в том, что называется гиперболическим пространством, в котором у нас есть две оси, но они обе образованы комплексными числами. Вследствие этого, поскольку любое комплексное число имеет действительную и мнимую части, гиперболическое пространство на самом деле имеет четыре координаты. Поскольку наше несовершенное зрение ограничивается тремя пространственными координатами, мы не можем представить наглядно модулярную функцию. Итак, скажем, что модулярная функция является математическим объектом, существующим в гиперболическом пространстве и имеющим некоторые свойства. Одно из них — то, что их мнимая часть положительна, поэтому наши объекты находятся в верхней части пространства. Другие свойства не так просто описать, и мы опустим их в нашем изложении.

Итак, у каждой модулярной функции есть, по образному выражению Симона Сингха, ДНК — ряд чисел, которые полностью ее описывают и которые мы назовем М₁, М₂ ... М_n. Аналогично, у каждой эллиптической кривой есть, в свою очередь, другое ДНК, которое мы назовем E₁, Е₂, ... E_n.

Еще в первой половине XX века обе области (изучение эллиптических кривых и модулярных функций) были подобны изолированным отсекам, не имеющим между собой ни малейшей связи. Следуя традиции специализации в математике, которая начиная с XIX века стала еще более ярко выраженной, те, кто занимался одной ее областью, не имели ни малейшего понятия о другой.

Но японские математики Ютака Танияма (1927-1958) и его друг Горо Симура вывели удивительный результат: каждой эллиптической кривой соответствует модулярная функция, и наоборот. ДНК полностью взаимозаменяемые. Последовательность М модулярной функции равна последовательности Е эллиптической кривой, и наоборот.

Они не могли доказать эту гипотезу, когда сформулировали ее в послевоенной Японии, но были убеждены в ее истинности. На вопрос своего коллеги, утверждает ли он, что некоторые эллиптические кривые имеют соответствующую модулярную функцию, Симура ответил: "Нет, я утверждаю, что она есть у них у всех".

Гипотеза была красивой, поскольку она, словно мост между двумя мирами, соединяла две внешне чуждые области. Если гипотеза верна, это означало, что любая теорема, истинная для модулярных функций, верна и для эллиптических кривых, и наоборот. Красота гипотезы состоит не только в том, что экономится половина усилий, но и в том, что иногда доказательство намного более достижимо в одном из миров, чем в другом. Гипотеза завораживала математиков в течение десятилетий... Но, как это произошло и с Великой теоремой Ферма, она сопротивлялась всем попыткам доказать ее.

Верно, что исследователи рассмотрели огромное число частных случаев и во всех из них гипотеза выполнялась; но этого было не достаточно для доказательства. Однако исследователи начали изучать следствия из нее, как если бы она была верной, и получили огромное количество фантастических результатов. Гипотеза была очень плодотворной. Если бы она только была истинной... Все эти результаты можно сравнить с ветками, отделенными от дерева математики, так как они основывались на недоказанной гипотезе. Однако мир, частица которого была видна из-за представшей перед учеными стены, представлялся фантастическим.

Через несколько лет, в середине 1980-х годов, немецкий математик Герхард Фрай заявил, что Великая теорема Ферма может быть записана в виде эллиптической кривой. Но это была бы очень особенная эллиптическая кривая. Если бы она существовала на самом деле, ее последовательность Е была бы такой странной, чтобы было бы невозможно существование модулярной функции с такой же последовательностью А/. Действительно, если бы существовала эллиптическая кривая Фрая, то для гипотезы Таниямы — Симуры нашелся бы контрпример и, следовательно, она являлась бы ложной. Ложность Великой теоремы предполагает ложность гипотезы Таниямы — Симуры, следовательно, истинность гипотезы Таниямы — Симуры предполагает истинность теоремы Ферма. Фраю не удалось доказать свою гипотезу, однако позднее это сделал американский математик Кен Рибет.

Результат Фрая и Рибета делал возможной совершенно новую стратегию атаки Великой теоремы, попытки покорить которую зашли в тупик и пребывали в таком состоянии десятилетиями. И вдруг открылся новый, абсолютно инновационный фронт: тот, кто докажет гипотезу Таниямы — Симуры, докажет и теорему Ферма.

ПОСЛЕДНИЙ ШАГ

Именно здесь на сцену выходит математик Эндрю Уайлс.

По невероятной случайности он был увлечен теоремой Ферма с десяти лет. Но когда Уайлс начал изучать математику, она завела его, казалось бы, очень далеко от детской увлеченности: он стал специализироваться на эллиптических кривых. Должно быть, он был очень удивлен, когда узнал о результате Фрая и Рибета в обычной беседе в 1986 году. Премия была перед ним!

Однажды я ходил по местной публичной библиотеке и нашел книгу по математике, в которой немного говорилось об истории этой задачи, и я, в возрасте десяти лет, смог понять ее. С тех пор я пытался решить ее сам [...]. Этой задачей была Последняя теорема Ферма.

Эндрю Уайлс о своей первой встрече с теоремой Ферма

Не сомневаясь в своем успехе, Уайлс закрылся у себя в комнате и, не посвящая никого в свои проекты, решил доказать гипотезу Таниямы — Симуры, которая доказала бы автоматически и Последнюю теорему Ферма. Между этим моментом и циклом лекций в Кембридже прошло семь лет, во время которых Уайлс не публиковал почти ничего и занимался, казалось, исключительно преподавательской деятельностью.

Такая ситуация несколько необычна, поскольку карьера исследователя, который не публикуется, подвергаетсясерьезному риску. В академическом сообществе существует присказка: публиковаться или погибнуть. Успех измеряется числом цитат, взятых из публикуемых статей в престижных журналах.

ЭВАРИСТ ГАЛУА И НИЛЬС АБЕЛЬ

Эварист Галуа (1811-1832) и Нильс Хенрик Абель (1802-1829) развили, независимо друг от друга, теорию групп для решения вопроса, имеет ли уравнение пятой степени обобщенное решение, как это было у всех уравнений меньшей степени. Теория француза Галуа была гораздо более развита, чем теория норвежца Абеля, поскольку он первым использовал термин "группа". Обоих математиков ждала трагическая судьба, они оба умерли молодыми. Абель скончался от болезни и лишений. Галуа же был не только гениальным математиком, но и ярым республиканцем: он прожил короткую жизнь, которая закончилась абсурдной дуэлью из-за женщины. В ней многие увидели политическую ловушку полиции Луи Филиппа Орлеанского. Ни один из этих ученых не был признан при жизни. Известно, что Галуа лихорадочно записывал свои идеи накануне дуэли, явно убежденный в том, что умрет на следующий день. Иногда он писал: "У меня нет времени". На следующий день, действительно, Галуа был смертельно ранен и покинут своим противником. Ученый прожил еще несколько дней. Когда он увидел, как плачет его брат, то сказал ему: "Не плачь, мне нужна вся моя смелость, чтобы умереть в 21 год".

Теория групп

Группа — это просто множество А с операцией Θ, которая имеет некоторые свойства: она закрытая (результат операции находится в А), ассоциативная, имеет нейтральный и обратный элементы. Например, множество (a, b, c) и операция, которая состоит в расположении всех трех элементов в различном порядке (abc), (acb), (bca) и так далее, образуют группу. Сегодня группы вездесущи в математике. Мало что было таким плодотворным, как теория групп. Но, кроме того, изучение теории групп ведет к исследованию других алгебраических структур, таких как кольца, поля и идеалы. Значительная часть современной алгебры — это изучение множества и некоторых операций с элементами этого множества.

Эварист Галуа.

Нильс Хенрик Абель.

Но Уайлс держался практически в полном молчании, периодически все-таки публикуясь по вопросам, очень отдаленным от его реального исследования. Ученый быстро продвигался в своей работе, и некоторые его результаты по теории групп были достойны того, чтобы принести ему известность; однако он боялся, что кто-нибудь узнает, чем он на самом деле занимается, и вынудил себя молчать. Вскоре коллеги начали думать, что карьера Уайлса закончена и его математический гений исчерпан. Ничего удивительного в их выводах не было, поскольку большинство математиков вносят свой вклад в науку еще в молодости.

Молчание Уайлса привело к тому, что ему пришлось проглотить обиду, когда, едва лишь через два года после начала его работы, другой исследователь по имени Иоичи Мияока объявил, что доказал Последнюю теорему Ферма. Мияока основывался на стратегии (наследнице стратегии Фальтингса), вроде бы отличной от стратегии Уайлса, однако в глубине аналогичной тому, что он пытался сделать. Таким образом была сформулирована гипотеза Мияоки, которая, так же как и гипотеза Таниямы — Симуры, была связана с Великой теоремой; если гипотеза Мияоки истинна, то истинна и теорема Ферма. К счастью для Уайлса, сам Фальтингс быстро нашел ошибку в доказательстве Мияоки, и, несмотря на все усилия по ее устранению, доказательство провалилось всего лишь через два месяца. Уайлс вздохнул с облегчением и продолжил работать.

История того, как Уайлс нашел доказательство, очень сложна: в нем более ста страниц. Стоит выделить некоторые аспекты этого доказательства. Уайлс так же, как и Куммер, воспользовался теорией групп.

Изначальный подход Уайлса основывался на теории Ивасавы, от которой он отказался, поскольку она не давала результатов, заменив ее так называемым методом Колывагина — Флаха. Интересно отметить, что теория Ивасавы возникла как обобщение работы Куммера. В математике есть связи, которые постоянны в истории.

Как мы уже говорили, математик, пытающийся доказать сложную теорему, пользуется различными стратегиями, пока в момент озарения не находит нужную — ту, что способна снести стену. Сам Уайлс сравнивал свою работу с входом в темную комнату, где он постепенно узнает о мебели и вещах, которые в ней существуют, пока, наконец, не находит выключатель и не заполняет комнату светом.

Дело в том, что доказательство, изложенное Уайлсом в знаменитой серии лекций, прочитанных 23 июня 1993 года в Кембридже, было основано на его второй стратегии, Колывагина — Флаха, поскольку он отбросил за бесполезностью изначальный метод. Однако это доказательство было опровергнуто, поскольку в нем содержалась роковая ошибка.

Французский математик Огюстен Лум Кошм доказал теорему Ферма о прямоугольных числах в 1812 году.

В 1843 году Эрнст Куммер утверждал, будто доказал Последнюю теорему Ферма и выяснил, что она выполняется для регулярных простых чисел.

Эндрю Уайлс опубликовал в 1994 году окончательное доказательство Последней теоремы Ферма.

Уайлс натолкнулся на ту же самую стену, что и Коши, Ламе, Куммер и Мияока. Все они были убеждены в своем успехе, однако были разбиты в самый последний миг. Этот последний шаг, эта последняя карта не давалась ни одному из математиков. И теперь, казалось, она не далась и Уайлсу. Так же как и предыдущим исследователям, Уайлсу было предназначено стать очередным именем в длинном ряду провалов, который длился 350 лет.

Но это не было очевидно в начале, когда математику устроили овацию в конце лекции. Ошибка всплыла при подготовке к публикации, во время очень серьезного процесса, известного как "рецензирование". Как правило, во время рецензирования формулируются вопросы и сомнения, на которые автор должен ответить. На одно из таких сомнений Уайлс ответить не смог. Его ошибку, которую нашел американский математик Ник Катц, невозможно объяснить неспециалисту. Согласно самому Уайлсу, даже профессиональному математику потребовалось бы два или три месяца, чтобы понять ее. В конце концов ученый был вынужден признать правоту Катца: он ошибся в такой тонкости, что ее было практически не видно.

Это и была цена самоизоляции Уайлса. Открытое обсуждение с коллегами хода исследования является одним из неписаных правил в математической практике. Подобное обсуждение позволяет обнаружить возможные ошибки, обсудить методы, сопоставить идеи. Но есть и обратная сторона: если кто-то тебе что-то подсказывает, в публикуемой статье ты должен вынести ему благодарность или даже включить в число соавторов. Вот почему такие статьи часто подписаны десятками авторов.

Проблема работы с Ферма — в том, что ты можешь провести годы, ничего не получив [...].

Эндрю Уайлс

Уайлс знал о риске, которому подвергался, но премия была слишком важна для него, и он не хотел с кем-то ею делиться. Так что математик решил рискнуть... и совершил ошибку. В любом случае, в доказательстве Уайлса было столько новаторства, что оно само по себе обладало ценностью. Так же как в случае с Коши или Куммером, его попытки уничтожить стену открыли дверь в новые миры. Но Уайлс не был готов сдаться. Поскольку секретничать уже не было смысла, он начал работать со своим коллегой Ричардом Тейлором, чтобы попытаться исправить ошибку. В конце концов он нашел решение. Хитрость заключалась в том, чтобы совместить метод Ивасавы, от которого он отказался, с методом Колывагина — Флаха. Уайлс решил задачу в день своего рождения. Вдруг все стало ясно, выключатель нашелся, и комната наполнилась светом. Через некоторое время, в мае 1995 года, состоялась публикация двух статей в журнале Annals of Mathematics, одна была подписана Уайлсом и Тейлором, а другая — только Уайлсом. Им обоим наконец-то удалось доказать одну из самых сложных задач всех времен. Небольшого книжного поля, действительно, было недостаточно для ста страниц доказательства, которое нашел Уайлс, основываясь, в свою очередь, на невероятных идеях Таниямы, Симуры, Фрая и Рибета. Стена наконец-то пала. Одна из самых долгих и сложных осад в истории математики закончилась победой осаждающих.

Из теоремы самой по себе нельзя было вывести никаких революционных результатов, но попытки ее доказательства дали огромное количество новых и плодотворных путей исследования. Возможно, если бы Эйлер не заинтересовался этой теоремой, теория чисел была бы разработана намного позже; теория идеалов была изначально задумана Куммером как инструмент доказательства теоремы, хотя сегодня она применяется во многих других областях. Фальтингс и Мияока исследовали связи между дифференциальной геометрией и теорией чисел благодаря Последней теореме Ферма. И наконец, Уайлс, возможно, не занялся бы доказательством гипотезы Таниямы — Симуры с таким пылом, если бы не знал о связи между этой гипотезой и любимой задачей его детства.

Всем этим мы обязаны скромному утверждению, или, даже можно сказать, всего лишь любопытному замечанию — теореме, которую однажды Ферма написал на полях "Арифметики" Диофанта.

ГЛАВА 3 Современная теория чисел

Несмотря на важность Великой теоремы Ферма для последующего развития математики, если бы она стала его единственным вкладом в науку, фигура тулузского юриста не обладала бы такой значимостью. Но Ферма был первоклассным математиком, для многих историков — мыслителем, равным Архимеду, Эйлеру или Гауссу. Он внес важный вклад в одну из своих любимых областей — современную теорию чисел, которую сам же и создал.

Собственные делители числа, или его аликвоты (включая число 1, которое всегда является делителем любого числа),— это делители, отличающиеся от самого числа, на которые оно делится без остатка. А совершенное число — это число, равное сумме всех своих собственных делителей.

Приведем пример. Собственными делителями числа 6 являются 1,2 и 3, а 1+2 + 3 = 6. Следовательно, 6 — это совершенное число, первое, но не единственное из этих чисел. Пифагорейцы придавали большое значение мистике совершенных чисел. В частности, 6 сочетало в себе три первых числа, которые имели важное мистическое значение (единство, двойственность и троица как смесь единства и двойственности); 6 — объединение всех этих значений.

Греки обнаружили только четыре первых совершенных числа: 6, 28, 496 и 8128. Пятое было открыто лишь в XV веке: 33 550 336. Найти совершенное число нелегко. В марте 2012 года было известно только 47 из них, самое большое из которых содержит 25956377 знаков.

Евклид известен как великий геометр, но, однако, меньше всего обращают внимание на то, что в его "Началах" содержится много арифметических теорем. Знаменитому греческому математику мы обязаны, например, знанием того, что количество простых чисел бесконечно. В области совершенных чисел он доказал удивительный результат (см. рисунок): пусть N = 2ⁿ(2ⁿ⁺¹ - 1) - 2ⁿM, где под М мы подразумеваем множитель 2ⁿ⁺¹ - 1 (М — одно из так называемых чисел Мерсенна, как мы увидим далее). Тогда, говорит нам Евклид, N — совершенное число, если М — простое.

Как можно легко заметить, все эти числа N четные. Мы пока не знаем, существуют ли нечетные совершенные числа. Это одна из больших открытых проблем в теории чисел. Однако известно, что если они существуют, то они должны соответствовать ряду очень сложных условий. Многие математики думают, что было бы чудом, если бы они существовали. Мы также не знаем, бесконечно ли количество чисел вида Ν, поскольку неизвестно, бесконечно ли количество простых чисел вида M, то есть простых чисел Мерсенна. Через несколько лет после смерти Ферма Эйлер доказал, что теорема, обратная теореме Евклида, верна: любое совершенное число можно записать в виде Ν.

Очевидно, что существуют несовершенные числа. Они делятся на два типа: избыточные (сумма их собственных делителей меньше самого числа) и недостаточные (меньше этой суммы).

Графическое представление совершенного числа.

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО БЕСКОНЕЧНОСТИ ПРОСТЫХ ЧИСЕЛ

Данное доказательство принадлежит Евклиду, и оно осуществляется уже известным нам методом от противного. Предположим, что вывод ложен и количество простых чисел конечно. Это означает, что существует самое большое простое число. Назовем его p_n. Теперь составим число N из произведения всех простых чисел плюс один: N = p₁p₂... p_n-1 p_n + 1 = A_n + 1. Такое число не делится ни на одно простое число от p₁ до p_n, поскольку тогда на них должно было бы делиться как A_n, так и 1, и ясно, что ни одно число не является делителем 1, кроме него самого. То есть либо N — простое число, либо оно содержит простые множители, большие p_n. Следовательно, мы нашли простое число, большее p_n, что противоречит нашей гипотезе о том, что p_n — самое большое простое число. Получается, гипотеза ложна и количество простых чисел бесконечно.

Наконец, есть другие числа, тесно связанные с совершенными: так называемые дружественные числа. Два числа называются дружественными, когда сумма собственных делителей одного равна другому, и наоборот. В античности единственной известной парой дружественных чисел были 220 и 284. Действительно, собственные делители 220 — это 1,2,4,5,10,11,20, 22,44,55,110,а 284- 1 + 2 + 4+ 5+ 10 + 11 + 20 + 22 + 44 + 55 + 110. Аналогично, собственные делители 284 — это 1, 2, 4, 71, 142, а 220 - 1 + 2 + 4 + 71 + 142.

У этой пары дружественных чисел также было магико-мистическое значение. В Средние века верили, что если два человека съедят два куска хлеба, на каждом из которых написано одно из этих чисел, то они будут друзьями навсегда, даже если раньше не были знакомы.

Возрождение пифагорейского мистицизма в начале Нового времени поддерживало интерес к этим проблемам.

В книге "Трактат о всеобщей гармонии" Мерсенн утверждал, что Ферма открыл пару дружественных чисел, 17 296 и 18416, первую такую пару, обнаруженную со времен античности. Также, если верить данной книге, Ферма доказал, что как 120, так и 672 являются недостаточными числами, равными половине суммы их собственных делителей (эта сумма равна 240 и 1344 соответственно). Такие числа известны как мультисовершенные, или k-совершенные.

[Среди] знатных людей... которые внесли вклад в эту область математики и которых никто не может научить ничему новому, я бы повторил имя... [Этьена Паскаля] и добавил бы имя господина Ферма...

Комментарий Марена Мерсенна в книге "Трактат о всеобщей гармонии" (1636)

Итак, уже в 1636 году Ферма задумывался о том, как определить сумму собственных делителей заданного числа. На тот момент он уже явно знал, как это сделать. Его способ так и не был опубликован и сейчас утерян. Однако до нас дошел метод, которым мы обязаны Рене Декарту. Поскольку любое число может быть выражено в виде произведения степеней его простых множителей, N =p₁^k1p₂^k2...p_n^kn , собственные делители — это все возможные сочетания между данными множителями. Например, 1452 = 2² · 3 · 11², и его собственными делителями являются 2, 3, 11, 2², 11², 2 · 3, 2² · 3 и так далее, включая все сочетания. Декарт нашел формулу, которая на основе предыдущих результатов предлагала новый собственный делитель, пока все они не заканчивались. Это известно как рекурсивная формула. Метод Ферма явно аналогичный.

Математик получил несколько результатов на основе своего метода. Он послал Мерсенну пару решений, которые тот включил во вторую часть своей "Гармонии", опубликованной в 1637 году. Например, он предлагал общий метод нахождения дружественных чисел, подобный по структуре способу, который применял Евклид для нахождения совершенных чисел. Так, если три числа А = 3² · 2^2n-1, В = 3 · 2^n-1 и С = 3 х 2^n-1 - 1 простые, то 2ⁿА и 2ⁿВС дружественные. Обратите внимание на сходство данного результата с результатом Евклида о совершенных числах. Второй результат содержал подобную формулу для особого случая мультисовершенных чисел, которые являются третьей частью от суммы их собственных делителей. Рассуждение было аналогичным: если число некоего вида простое, то результат формулы — это число, дающее при умножении на 3 сумму собственных делителей. Ферма утверждал, что нашел подобные формулы для других мультисовершенных чисел, но они так и не стали известны.

У всех этих задач есть одна общая предпосылка: в каждой из них, прежде чем утверждать, можно считать число совершенным или пару чисел дружественными, или какое-то из них — мультисовершенным, нужно понять, являются ли некоторые числа определенной структуры простыми. Следовательно, нет ничего странного в том, что в переписке с Мерсенном в конце 1630-х годов Ферма все больше интересовало, существует ли способ установить, является ли число некоего вида простым.

МАЛАЯ ТЕОРЕМА ФЕРМА

Ферма понял, что основная задача теории чисел заключается в изучении простых чисел, проблемы разложения на простые множители и проблемы простоты числа (то есть определения, является ли число простым). Такое понимание делает его отцом современной теории чисел.

В античности Диофант опубликовал свою знаменитую "Арифметику", от которой сохранилась приблизительно половина. Это не трактат, как "Начала" Евклида, а сборник более чем 100 задач на определенные (с одним или небольшим количеством уникальных решений) и неопределенные уравнения (с бесконечным числом решений). В изложении его задач нет системного подхода, их решение обычно дается целенаправленно, индивидуально для каждой проблемы. Метод решения излагается в каждом отдельном случае в качестве примера. Когда Диофант сталкивался с неопределенным уравнением, он довольствовался тем, что находил только одно решение, игнорируя существование других возможных.

Поскольку греки считали, что числа бывают только рациональными положительными, числа же вроде √2 были странными "чудовищами", которые появлялись лишь в геометрии, то Диофант давал решения только для признаваемых греками чисел. Итак, игнорирование возможных решений, связанных с нерациональными числами, было характерным для Диофанта и все еще было живо в XVII веке. Рациональные числа в целом неразложимы на простые множители. Греки знали это, но хотя они были знакомы с простыми числами, они не создали дисциплину, посвященную исключительно числам, которые действительно разложимы на простые множители, то есть натуральным числам. Такую дисциплину основал Ферма, и он был первым, кто понял, что натуральные числа заслуживают отдельного изучения, и первым, кто заложил основы этого изучения анализом свойств простых чисел.

Простые числа — это кирпичи, из которых строятся все натуральные. Уже было рассмотрено несколько примеров, в которых важно, чтобы некая величина была простым числом. Но есть много других результатов, в которых все основывается на простых числах, поскольку исследование свойств этих кирпичиков позволяет делать утверждения, которые нельзя было бы сделать о натуральном числе в целом. У простых чисел есть интересные свойства, которыми не обладают составные (не простые) числа; следовательно, рассуждать о них и выводить свойства составных чисел на их основе — обычная стратегия в теории чисел.

Работы Ферма привлекли внимание математика по имени Бернар Френикль де Бесси (1605-1675), члена кружка Мерсенна. Френикль хотя и не обладал математическим гением Ферма, сделал впечатляющую догадку о свойствах очень больших чисел. Он, как и другие ученые, вел переписку с Ферма: она началась в 1640 году, длилась с перерывами и закончилась почти через 20 лет. Эти отношения, что вообще характерно для Ферма, были сложными. Однако Френикль, возможно, был человеком, который лучше всего понимал вклад этого ученого в теорию чисел.

РЕШЕТО ЭРАТОСФЕНА И ЕГО СЛОЖНОСТЬ

Решето Эратосфена — самый древний метод определения, является ли число N простым. Для этого составляется список всех чисел до Ν. Исходя из первого простого числа, 2, из данного списка вычеркиваются все числа, кратные 2, до Ν. Затем то же самое делается для первого невычеркнутого числа в списке, то есть 3, затем для 5, и так далее, пока не встречается число, наиболее близкое к √N. Каждое первое невычеркнугое число простое. Если в какой-то момент этого процесса будет вычеркнуто N, мы будем знать, что N — составное число. Наоборот, если удастся дойти до последнего простого числа, наиболее близкого к √N, то N — простое число. Очевидно, что данный способ громоздкий, поскольку требуется узнать все простые числа до √N. Похожий метод — перебор делителей, когда число делится на все простые числа до √N (полученные заранее) либо на два и все нечетные числа до √N, пока не будет найдено число, являющееся делителем N, или не закончится список.

Эффективность вычислений

Такие методы, как решето Эратосфена, могут быть более или менее сложными. Изучение эффективности алгоритма вычислений является одной из самых важных ветвей исследования в науке о вычислениях. Появляются неразрешимые проблемы, если не существует алгоритма, который мог бы дать ответ. При этом мы можем оценить, за какое максимальное время решается проблема при заданном алгоритме. Это можно обозначить как O(f(n)), где f(n) — любая функция от n, которая, в свою очередь, является мерой "размера" проблемы (например, это может быть число элементов в списке). Могут быть алгоритмы, обладающие сложностью: O(n), O(n²), O(log n), O(nlog n), O(eⁿ) и так далее. С другой стороны, существуют проблемы, которые хоть и разрешимы, но требуют столько времени, что нереально пытаться их решить. Это проблемы экспоненциальной сложности — O(eⁿ) — или, что еще хуже, комбинаторной сложности — O(n!): например, посчитать все перестановки п объектов. Они получают название неразрешимых проблем. Есть и другой очень интересный класс проблем: те, что могли бы быть неразрешимыми, но мы не знаем, так ли это. По сути это проблемы, для которых очень легко проверить верность решения, если оно известно, но нахождение решения кажется неразрешимой проблемой. Мы говорим "кажется", поскольку никто не смог доказать, так ли это. Они называются проблемами NP. Проблема разложения числа на простые множители — самый важный пример для нас. Наконец, существуют разрешимые проблемы: мы знаем, что они решаемы в разумное, известное как полиномиальное, время. Это проблемы порядка O(n^k), O(n log n) или O(log n). Решето Эратосфена — это алгоритм сложности Ο(10^√N), явно экспоненциальной.

Действительно, Ферма, изолированно живший в Тулузе, снова и снова проваливался в своих попытках пробудить интерес коллег к новой области, которую он открывал. Отчасти в его неудачах явно виновата его монашеская изоляция, а отчасти, и в большей степени, причина таилась в его методе работы. Поскольку Ферма не разделял их взглядов и даже к таким корреспондентам, как Френикль, относился с недовольством, для него было невозможно создать школу, набрать учеников, взять на себя роль лидера, исследующего новую территорию.

Всегда, когда Ферма работал над проблемами, которые волновали его современников, его вклад разумно признавался. Но в теории чисел он был один. Он был пионером. Никто его не понимал, никто не мог объяснить, почему эти, казалось бы, тривиальные задачи, нигде не применимые, имеют какое-либо значение. То, что никто не обращал на него внимания, вызвало у Ферма огромную горечь, которая начала проявляться постепенно во все большей враждебности по отношению к современникам.

В переписке через Мерсенна Френикль бросил Ферма вызов, предлагая найти совершенное число из 20 знаков. Ответ от тулузского математика поступил немедленно: не существует такого числа, как и нет такого числа из 21 знака, и это, в свою очередь, доказывает, что гипотеза о существовании по крайней мере одного совершенного числа в каждом интервале между 10ⁿ и 10ⁿ⁺¹ ложная.

В один из тех редких случаев, когда Ферма показал некоторые из своих достижений, в ответе Френиклю в 1640 году он утверждал, что числа Мерсенна М = 2^p - 1 являются простыми, когда показатель степени — простое число. Также если n простое число, то n — делитель 2^n-1 - 1, и, наконец, если п простое число, то единственно возможные делители 2ⁿ - 1 имеют вид k(2n) + 1. Но, как обычно, Ферма не предоставил никакого доказательства.

Первый результат очень важен, поскольку он позволяет отбросить большое количество чисел Мерсенна в качестве кандидатов в простые числа. Второй и третий — сокращенные пути. Второй позволяет найти по крайней мере один делитель некоего числа Мерсенна (который может быть самим числом, что доказывает 2^3-1 - 1 = 3, являющееся делителем 3), а третий позволяет ограничить вид множителей другого числа Мерсенна, в связи с чем его поиск (и последующая проверка того, является число простым или составным) оказывается намного эффективнее: он ограничивается числами такого вида, исключая все остальные. Хотя Ферма не знал лучших методов поиска простых чисел, чем решето грека Эратосфена Киренского (276-194 до н. э.), он все же мог определить простоту некоторых чисел очень быстро, благодаря этим сокращенным путям.

ОБРАТНАЯ ТЕОРЕМА

Прямое доказательство теоремы идет от гипотезы и шаг за шагом приближается к выводу. Некоторые из данных шагов можно инвертировать, а другие нет. В целом шаг, содержащий импликацию, нельзя инвертировать. Рассмотрим это на бытовом примере. Можно сделать вывод, что тротуар мокрый, из того факта, что идет дождь, но мы не можем сделать вывод о том, что идет дождь, из того, что тротуар мокрый. Последнее могло произойти из-за обстоятельств, не связанных с дождем: например, воду пролила проехавшая автоцистерна или тротуар полили из обыкновенного шланга. Если идет дождь, то тротуар мокрый; но необязательно наоборот. Значит, тот факт, что идет дождь, — достаточное условие для того, чтобы тротуар был мокрым, но не необходимое. Такая однонаправленность присутствует, среди прочего, в малой теореме.

Ферма воспользовался третьим результатом, чтобы доказать, что не существует ни одного совершенного числа из 20 или 21 знака. Для начала он установил, что 2³⁷-1 — единственное число Мерсенна, которое может образовать по формуле Евклида совершенное число из 20 или 21 знака (это предполагает знание и принятие за справедливую теорему, обратную теореме Евклида, доказанную Эйлером несколько лет спустя). Затем он доказал, что данное число Мерсенна не является простым, поскольку делится на 223 = 3 · (2 · 37) +1, что как раз имеет вид k(2n) + 1. Действительно, вместо того чтобы вычислять огромное количество простых чисел, которые могли бы быть делителями 37-го числа Мерсенна, Ферма было достаточно постепенно попробовать числа к(2 · 37) + 1 для различных значений к. На третьей попытке он уже нашел ответ.

В письме Френиклю ученый говорил, что начал различать свет чудесных результатов. Но на самом деле он уже видел этот свет. Два последних результата, о которых он сообщал Френиклю, были следствиями намного более общего результата, известного сегодня как "малая теорема Ферма" (чтобы отличать его от Великой теоремы). Парадокс в том, что "малая" теорема Ферма намного более значима для теории чисел, чем "Великая".

В том же 1640 году Ферма ознакомил с малой теоремой Френикля. Малая теорема Ферма применима только к простым числам. В ее современной формулировке в теореме говорится, что при заданных простом числе p и натуральном числе a, если p не является делителем a, то a^p-1 - 1 делится на p. Сначала не очень ясна значимость данной теоремы, однако она устанавливает основополагающее свойство этих кирпичиков, простых чисел, что влечет за собой очень интересные последствия.

Годфри Харди около 1912 года отмечал, что теория чисел не имеет практического применения. Тем не менее ситуация радикально изменилась, когда в 1977 году был разработан шифровальный алгоритм под названием RSA, который основан на разложении числа на два простых множителя (нахождение решения) и умножении двух множителей для получения числа (сверка решения).

Взломать данный код означает разложить на простые множители огромное число. Это должно быть очень сложно, чтобы алгоритм был успешен. Наоборот, те, кто знают множители, могут легко зашифровать и расшифровать сообщение, поскольку для этого требуется только умножение. Впервые теория чисел получила практическое применение. От данного принципа сегодня зависят все шифрованные операции в интернете, не больше и не меньше. Однако надежность метода, понимаемая как разница во времени между шифровкой и дешифровкой, с одной стороны, и взломом кода, с другой стороны, не могла быть доказана. Вся электронная экономика висит на этом математическом волоске, хотя большинство экспертов считают, что алгоритм надежен.

РАЗЛОЖЕНИЕ НА МНОЖИТЕЛИ МЕТОДОМ ФЕРМА

Ферма изобрел метод разложения на множители исходя из того, что нечетное неквадратное число нельзя записать как N = х² - y², где

x = (n₁+n₂)/2 и e = (n₁-n₂)/2.

Можно легко доказать, что N = n₁n₂. Если N — простое число, то n₁ = N, а n₂ = 1. В противном случае n₁ и n₂ — собственные делители N. Поскольку n₁ и n₂ нечетные, так как N нечетное, то х и у — целые числа. Отсюда следует, что решение предыдущих уравнений для х и у предполагает возможность разложения N на множители. Для решения этого уравнения прибегают к проверкам, начиная с целого числа m, которое выполняет некое свойство, и, если оно не является решением, продолжают с помощью другого числа m', которое получается на основе m, и продолжают таким образом, пока не получают собственный делитель или не доходят до самого числа N. Разложение на множители методом Ферма может стать очень эффективным в некоторых случаях, поскольку числа т должны быть квадратными, и очень часто бывает легко определить, является ли число квадратным, просто посмотрев на него. Действительно, идеальные квадраты могут заканчиваться только на 0,1,4,5,9,16,36,56, 76 и 96, что исключает 90% окончаний. Красота данного метода в том, что в нем не требуется знания всех простых чисел до определенного числа и что если N — составное число и имеет множитель, близкий к √n, то это разложение на множители быстро его определяет.

Как бы то ни было, после всеобщего внедрения RSA и тесты простоты числа (первый шаг алгоритма — найти два огромных простых числа), и алгоритмы разложения на простые множители (которые в худшем случае могли бы разрушить надежность RSA) получили огромную практическую важность.

Итак, Ферма был озабочен проблемой нахождения простого числа. В качестве элементарной проверки, является ли данное число простым, можно задаться вопросом, выполняет ли заданное число требования малой теоремы Ферма; однако заметьте, что здесь речь идет, скорее, про обратную теорему. Следовательно, нет никакой гарантии того, что число окажется простым. Действительно, известно, что так называемые числа Кармайкла не выполняют обратную теорему. Но даже тогда этот тест является настолько простым и быстрым, что он используется при исполнении алгоритма RSA, чтобы быстро отбросить составные числа. Ведь на самом деле тест простоты, основанный на малой теореме Ферма, заключается в том, чтобы выяснить, является ли число составным. В довершение всего малая теорема Ферма также используется, чтобы доказать, что алгоритм RSA верен.

Другие тесты на простоту делятся на вероятностные и детерминированные. К первым относится тест Миллера — Рабина, который также основывается на малой теореме Ферма, или тест Соловея — Штрассена, основанный на теореме Эйлера, обобщающей малую теорему. Последний тест никогда не утверждает, что число простое, если это не так, но он менее успешен с составными числами. Действительно, существуют тесты, более эффективные в том, чтобы показать, что число составное, а другие больше подходят для доказательства того, что оно простое.

Детерминированное продолжение теста Миллера — Рабина основывается на недоказанном результате: расширенной гипотезе Римана. Очевидно, что его эффективность зависит от того, истинна ли эта гипотеза. Однако в 2002 году впервые было объявлено о тесте под названием AKS, который является универсальным (работает для любого числа), детерминированным, безусловным (не зависит от недоказанных результатов) и эффективным (с полиномиальной сложностью вычислений). Алгоритм AKS также основан на обобщении малой теоремы Ферма.

Важно отличать тесты простоты от алгоритмов разложения на множители. В то время как любой алгоритм разложения на множители скрывает в себе тест простоты, тесты простоты не предполагают обязательного разложения на множители. Например, решето Эратосфена не разлагает число на множители (хотя при тривиальном обобщении оно могло бы это делать), а тест, основанный напрямую на малой теореме Ферма, не находит даже ни одного множителя, в то время как перебор делителей действительно разлагает число. Следовательно, даже если и был найден эффективный алгоритм теста простоты, проблема разложения на множители продолжает быть достаточно сложной для того, чтобы алгоритм RSA оставался актуальным. Тест AKS не разлагает число на множители: операции в интернете остаются надежными.

Существует много других результатов, зависящих от малой теоремы. Один из самых известных — то, что мы все замечали: количество знаков после запятой в рациональном числе повторяется периодически, если в данном рациональном числе, выраженном несократимой дробью, знаменатель — простое число р, отличное от 2 и 5 (которые являются простыми множителями 10). Именно поэтому 1/3 - 0,33333..., а 1/7 - - 0,142857142857..., но 1/5 - 0,2, без периодического повторения. Предыдущие рассуждения служат для того, чтобы понять: малая теорема — один из самых важных результатов в теории чисел.

Вот основная теорема, выполняющаяся в каждой конечной группе, называемая обычно малой теоремой Ферма, поскольку Ферма был первым, кто доказал особый ее случай.

Замечание немецкого математика Курта Гензеля в своей книге "Теория чисел" (Zablentheorie, 1913).

Конечно же, Ферма, верный своей традиции, не оставил ни одного доказательства. Теорема была доказана Эйлером, который не знал, что Лейбниц несколькими годами ранее уже доказал ее, хотя результат был опубликован только в XIX веке.

В доказательстве Лейбница используются математические методы, известные Ферма, поэтому возможно, что доказательство Ферма, если оно существовало, было сделано подобным способом.

В любом случае, Ферма явно не догадывался о ее последующем применении. Для него теорема была инструментом для теста простоты некоторых чисел, таких как 2ⁿ - 1. Она была одним из его сокращенных путей, используемых с целью избежать решета Эратосфена. Например, благодаря своей малой теореме Ферма смог подступиться к числам вида аⁿ - 1 при а > 2, которые никогда не являются простыми, сведя кандидатов в их простые делители к меньшему множеству. Как легко увидеть, эти числа — обобщение чисел Мерсенна. Кроме того, малая теорема позволила Ферма таким же образом подойти к числам аⁿ + 1, которые, как он утверждал, являются простыми, если a четное, а n имеет вид 2^m. Именно в ходе этого исследования математик открыл так называемые простые числа Ферма, которые соответствуют этим двум условиям и еще одному — тому, что число m вида 2^2p +1 простое, если р простое.

Но в данном случае интуиция подвела Ферма. Эйлер нашел контрпример при p - 5. Итоговое число делится на 641. Ферма осознавал, что не может доказать этот результат, и говорил о своем разочаровании в течение многих лет; в 1659 году он изложил доказательство своему другу Каркави, но с учетом контрпримера Эйлера, оно, даже если и существовало, явно было ошибочным. В любом случае ясно, что малая теорема позволяла Ферма исключить из своих вычислений любое множество простых чисел — кандидатов в делители чисел некоего вида, что облегчало тесты простоты указанных чисел. Однако, к своему большому разочарованию, он никогда не добился того, к чему стремился, — вывести теорему, позволяющую избавиться от всех простых чисел, которые можно исключить для указанных типов чисел.

Сегодня не существует по-настоящему эффективного и надежного метода нахождения простых чисел произвольного размера; нет формулы вроде той, что нашел Евклид для четных совершенных чисел. В большинстве методов нахождения простых чисел требуется знать все простые числа до некоего предварительного числа либо знать, являются ли числа, соседние с кандидатом на простое число, разложимыми на множители. Следовательно, тесты простоты крайне важны: сначала ищут кандидата на простое число, а потом проверяют, является ли оно таковым.

Казалось, что к концу 1640 года Ферма потерял интерес к суммам собственных делителей. Его следующие исследования по теории чисел напрямую связаны с Великой теоремой.

ПРЯМОУГОЛЬНЫЕ ТРЕУГОЛЬНИКИ И ОБОБЩЕННЫЙ ПОДХОД

Рациональные прямоугольные треугольники — это называемые пифагоровыми тройки рациональных чисел х,у и z, которые выполняют теорему Пифагора: х² + у² = z².

Такие тройки очень древние и встречаются уже в Вавилоне и Египте. Но Евклид доказал, что — при заданных двух рациональных числах p и q - r = р² + q², x = р² - q² и y = 2pq - это пифагорова тройка. Из чего непосредственно следует, что количество пифагоровых троек бесконечно, поскольку количество рациональных чисел бесконечно.

Диофант посвятил Книгу VI своей "Арифметики" решению задач, связанных с данным типом треугольников, как он это обычно и делал: рассматривая их в виде отдельных случаев. Его метод решения предполагал составление уравнения или системы уравнений. Проблема была в том, что иногда в результате получалось рациональное отрицательное число, и это не имело смысла, поскольку ни у одного треугольника нет сторон отрицательной длины. В других случаях метод ученого не работал, поскольку некоторые условия, необходимые для успеха, не выполнялись: например, в итоговых уравнениях коэффициент х² или константа должны были быть квадратом. Диофант выбирал свои задачи осторожно, чтобы они соответствовали таким условиям и решение всегда было положительным; "хитрость" заключалась в том, чтобы ставить только задачи, решаемые с помощью предложенного метода.

В 1621 году во Франции Клод Гаспар Баше де Мезириак издал работу Диофанта. Именно благодаря этому изданию Ферма познакомился с Диофантом, и на его полях он сделал свою знаменитую запись Великой теоремы.

Ферма заинтересовался прямоугольными треугольниками, внеся важные коррективы: во-первых, он ограничился изучением треугольников, стороны которых были выражены только натуральными числами. Во-вторых, вместо того чтобы решать частные случаи с особыми числами, Ферма взял метод решения Диофанта и сформулировал его в общем виде. В то время как Диофант был ограничен языком словесной алгебры, Ферма, следуя Виету, уже пользовался символической алгеброй, которая позволяла ему большую возможность абстрагирования. При таких обстоятельствах Френикль написал Ферма в 1641 году и предложил ему задачу: найти треугольник, в котором выполнялось бы следующее уравнение: (x - y)² = y + z². Задачи Диофанта неизменно приводят к уравнениям такого типа.

Ферма не без усилий решил задачу, но через два года у него уже был метод. Он предложил Пьеру Брюлару де Сен-Мартену три подобные задачи, чтобы пробудить его интерес к теории чисел. Брюлар и сам Френикль отреагировали с возмущением. По их мнению, его задачи не имели решения. Они подумали, что Ферма пытается высмеять их. Но тулузец уверил (через Мерсенна), что решение существует, не открывая его. Однако под давлением Мерсенна через некоторое время он предал гласности эти результаты.

Вы спрашиваете меня, является ли число 100 895 598 169 простым или [...] составным. На этот вопрос отвечаю Вам, что это число составное и получается из произведения 898 423 и 112 303, которые являются простыми.

Ферма Мерсенну в связи с малой теоремой

Предполагаемая невозможность основывалась на том, что метод Диофанта давал отрицательный результат; но Ферма разрубил этот гордиев узел. Действительно, когда получался отрицательный корень, он переписывал уравнение, используя данный корень и измененную переменную, и решал методом Диофанта итоговое уравнение. Если снова получался отрицательный корень, он вновь переписывал уравнение, повторяя это действие, пока, наконец, не получал положительный корень. Ферма исследовал неопределенность уравнения для изобретения искусного метода решения.

Пользуясь таким обобщенным подходом, основанным на теории уравнений, Ферма решительно порвал с диофантовым подходом, рассматривавшим частные решения, сделав прорыв, которого его современникам не удалось понять. Ферма перестал зависеть и от квадратных чисел, когда решил задачу; однако его отношения с Френиклем и Брюларом были серьезно испорчены.

РАЗЛОЖЕНИЕ ЧИСЕЛ НА СЛАГАЕМЫЕ И РАЗБИЕНИЕ НЕЧЕТНЫХ ПРОСТЫХ ЧИСЕЛ

В другом письме 1640 года Френиклю Ферма объявил, что нашел общие правила разложения числа на сумму двух квадратов. Это происходило из комментария Баше к одной задаче Диофанта, связанной с разложением числа N на сумму двух квадратов четырьмя разными вариантами.

Разложение числа на слагаемые — проблема, схожая с разложением на множители. Если в последнем случае ищут делители, то здесь — слагаемые. Очевидно, что слагаемые должны быть определенного типа, поскольку нахождение любых слагаемых тривиально. Именно эту проблему Ферма и решил.

Решением является формула, которую мы не будем здесь приводить. Достаточно отметить: значимость результата состоит в том, что Ферма снова удалось найти общий метод, и для этого он воспользовался любопытным свойством простых чисел, которое намного более важно, чем проблема сама по себе. Действительно, Ферма знал, что простые числа вида 4k - 1 не могут быть выражены в виде суммы двух квадратов. Также, хотя доказательство стоило ему большого усилия и было осуществлено с помощью его метода бесконечного спуска, он доказал, что простые числа вида 4k + 1 всегда можно разложить на сумму двух квадратов, и эта сумма единственная. Ферма удалось разбить нечетные простые числа на две различные группы в зависимости от того,выполняют они некое требование или нет. Он использовал эти два результата для доказательства того, что проблема Баше может быть сведена к определению, при заданном числе Ν, сколько его простых делителей имеют вид 4k - 1, а сколько — вид 4k + 1. Действительно, за исключением числа 2 все простые числа могут быть записаны в первом или втором виде, поскольку они оба включают все нечетные числа. Следовательно, только простые делители вида 4k + 1 могут образовывать два слагаемых, а количество вариантов, по которым можно разложить N, — это всего лишь проблема комбинаторики.

Мы снова видим плодотворность изучения простых делителей. Мы можем мало сказать о числе N в целом, зато можем делать утверждения о его простых делителях, которые полны интересных свойств! Таким образом мы в конце концов узнаем что-то о числе N. Этой плодотворной стратегией Ферма пользовался несколько раз. Он сам жаловался Мерсенну в 1636 году, что в арифметике не существует общих принципов решения задач. Через несколько лет сам Ферма установил некоторые из таких принципов.

ПРЯМОУГОЛЬНЫЕ ЧИСЛА

После 1644 года Ферма внезапно перестал писать своим корреспондентам, и его молчание продлилось десять лет. Этому, без сомнения, поспособствовала в 1648 году смерть его главного корреспондента, Марена Мерсенна, а также тот факт, что его отношения с другими привычными корреспондентами, Френиклем и Брюларом, охладились чуть ли не до разрыва.

Затворничество математика завершилось, когда Блез Паскаль, сын Этьена, обратился к Ферма, чтобы поставить перед ним задачу, с которой началась теория вероятностей. Во время этой переписки ученый воспользовался случаем и начал ставить задачи по теории чисел, надеясь заинтересовать ими Паскаля. Ферма говорил, что важно создать братство математиков, которые, соревнуясь между собой и одновременно сотрудничая, решали бы задачи, поставленные этой теорией. Один из результатов, о которых сообщил Ферма, очень красив. Чтобы объяснить его, нужно вернуться к предмету другого большого арифметического интереса пифагорейцев: треугольным числам и их обобщению — прямоугольным числам.

РИС. 1

РИС. 2

РИС. 3

Треугольное число — это число, которое можно разложить так, чтобы слагаемые образовывали треугольник (рисунок 1). Например, число 10 обладает данным свойством (10 = 1 + 2 + 3 + 4), то есть является суммой первых четырех натуральных чисел. Число 10 лежало в сердце пифагорейской мистики. Они называли его тетраксис, и оно символизировало собой четыре стихии, гармонию сфер и упорядочивание пространства (0 измерений, 1 измерение, 2 и 3 измерения, представленные в каждой линии). Пифагорейцы молились / и клялись им, считая его создателем богов и людей и источником изменяющего творения. Также 1, 3, 6 и 15 — треугольные числа (рисунок 2). А 6 — это первое совершенное число. На самом деле любое совершенное число является треугольным.

Число будет квадратным, если оно образовано квадратом некоего целого числа. Квадратные числа — это 1, 4, 9, 16, 25... и так далее (рисунок 3).

У нас уже есть все исходные данные, чтобы получить результат Ферма: любое число либо треугольное, либо является суммой двух или трех треугольных чисел. Оно также является либо квадратным, либо суммой двух, трех или четырех квадратных чисел. Кроме того, оно либо пятиугольное, либо сумма двух, трех, четырех или пяти пятиугольных. И так далее.

Помимо переписки с Паскалем, Ферма оставил этот результат записанным на другом поле "Арифметики" Диофанта. Неудивительно, что он сопровождается замечанием, практически идентичным замечанию к последней теореме ученого: "Доказательство этого чудесного результата не помещается на этом поле, но я собираюсь написать книгу на данную тему". Как и во многих других случаях, Ферма не сдержал своего обещания: трактат так и не был написан, и доказательства так и не было найдено. Лагранж и Гаусс доказали частные случаи, и, в конце концов, Коши привел общее доказательство в 1812 году. В любом случае, Ферма не удалось заинтересовать Паскаля. В 1654 году тот ответил вежливым и скромным письмом, в котором говорил, что не способен достичь той же математической высоты, что и Ферма, и призывал его продолжать свои исследования и публиковать результаты.

УРАВНЕНИЕ ПЕЛЛЯ И РАЗНЫЕ РАЗОЧАРОВАНИЯ

Поскольку Ферма не мог обратиться напрямую к Френиклю, после отказа Паскаля он разработал новый план. Ученый познакомился с трудами англичанина Джона Уоллиса, прочитав книгу, которую ему предоставил Дигби. И он, и Уоллис разработали очень похожий подход к решению проблем, связанных с суммами степеней целых чисел. Полный надежд Ферма обратился к Уоллису, пытаясь заинтересовать его проблемами, которые отверг Паскаль.

Издание 1621 года "Арифметики" Диофанта, в котором Ферма сделал много известных сегодня заметок.

Джон Уоллис принял вызов, который Ферма бросил математикам своего времени.

С 1636 года Ферма, как общеизвестно, переписывался с Маре ном Мерсенном (на изображении), монахом ордена минимов. Последний поддерживал контакт с главными парижскими математиками того времени, среди которых выделяется Этьен Паскаль, отец Блеза.

Виконт Уильям Браункер (на изображении), как и Джон Уоллис, интенсивно переписывались с Ферма в 1657 и 1658 годах.

Однако для привлечения Уоллиса Ферма разработал иную стратегию. Если Паскалю он прямо предлагал сотрудничество, то Уоллису бросил вызов. Ферма написал 3 января 1657 года из Кастра письмо Клоду Мартену де Лорандьеру с просьбой распространить его в математическом сообществе. В нем он говорил о двух частных проблемах. Ферма высокомерно говорил, что Нарбонская Галлия (то есть Южная Франция) даст решение, если Англия, Фландрия и Кельтская Галлия (то есть Париж) будут неспособны сделать это. Здесь таился скрытый вызов Френиклю, который имел возможность прочитать письмо.

Эти проблемы (а также многие другие, которые Ферма также поднял в своей корреспонденции, хотя и не говорил о них открыто) требовали знания уравнения Пелля, общее решение которого Ферма, без сомнения, нашел: х² - py² = 1, если р — простое число.

К несчастью, Ферма не получил желаемого ответа. Корреспонденты считали его задачи неразрешимыми. Так что через некоторое время ученый опубликовал некоторые свои результаты и заявил о необходимости решения теоретических проблем более общего характера. В частности, Ферма изложил уравнение Пелля и попросил решений.

Данное письмо было практически исповедью. Ферма начинал жаловаться на отсутствие исследователей, которые занимались бы чисто арифметическими проблемами (задачами теории чисел). Он связывал это с тем, что геометрия и ее методы запятнали арифметику. Его проект, говорил Ферма, заключался в том, чтобы исключить ее влияние и относиться к арифметике как к отдельной науке, такой же тонкой, строгой и сложной, как и сама геометрия. По его мнению, арифметика должна отдать должное доктрине натуральных чисел как своему наследию.

Программа Ферма теперь была открыта. Сам того не зная, поскольку он считал, что возрождает древнее искусство, математик закладывал основы чего-то совершенно нового: арифметической науки, которую, без влияния геометрии, можно было бы изучать саму по себе с тем же успехом, что и греческую геометрию. К несчастью, никто до Эйлера не рассматривал ее таким образом. Ферма был одинок среди современников. Френикль решил первую проблему и послал четыре результата. Он был неспособен (и, возможно, Ферма знал это) дать ее решение в общем виде. Ответ Уоллиса не мог быть более обескураживающим. Он написал виконту Уильяму Браункеру, который довел до него вызов Ферма, что не существует общих уравнений для решения подобных задач, и на них у него, занятого другими делами, нет времени. Далее он презрительно предложил тривиальное решение обеих проблем: число 1. Его ответ не дошел до Ферма. Он остался в Париже, где Дигби показал письмо Френиклю, который, в свою очередь, поспорил с Уоллисом, может ли 1 считаться числом. Зато до Ферма дошло решение Браункера, с которым Уоллис был согласен. Ученый увидел, что ни Браункер, ни Уоллис его не поняли: он настаивал на получении целых решений, а Браункер выявил метод нахождения дробных результатов.

Ферма ответил Дигби письмом, в котором говорил, что любой глупец может найти решение Браункера и Уоллиса. Подумав о традиционной вражде между англичанами и французами, он, возможно и не желая этого, высказался, по мнению англичан, оскорбительно, заявив, что "урожай определяется по полю, на котором он вырос". Таким образом Ферма намекнул на отсутствие у них математического таланта, а затем, подлив еще масла в огонь, тулузец добавил к своему письму суровую критику книги Уоллиса, которую ему вручил Дигби.

Мы ждем этих решений, и если Англия, Бельгия или Кельтская Галлия не получат их, то их предоставит Нарбоннская Галлия. 

Отрывок из письма, которое Ферма написал 3 января 1657 года Клоду Мартену де Лорандберу, бросая вызов европейским математикам

Ответ Ферма дошел до всех заинтересованных лиц, но последующая полемика проходила без тулузца, превратившись в состязание между Френиклем и Дигби, с одной стороны, и Уоллисом и Браункером, с другой. Уоллис настаивал на том, что в этих задачах, которые можно было придумать в большом количестве, не было никакой пользы и сложности. Он не видел теоретических аспектов, замеченных Ферма. Задачи казались бессмысленным развлечением, не заслуживающим внимания "всей Англии, Франции и Голландии".

Уоллис считал, что таких предложений бесконечное множество, и все они скучны и нецелесообразны, поэтому он не понимал, почему Ферма придает такое значение тому, чтобы удивить Френикля своими "смелыми" утверждениями о частных уравнениях с ограниченным (или нулевым) числом решений. Как мы увидели, Уоллис серьезно ошибался. Проблемы, поставленные Ферма, привели к очень плодотворным исследованиям.

Однако Ферма не сдавался. В письме Дигби в июне 1658 года он говорил о своей надежде на то, что Уоллис и Браункер поймут все так, как он считает нужным. Гораздо более примирительным тоном ученый просто просил, чтобы англичане признали свою ошибку. Уоллис так и не ответил. Он ограничился тем, что добавил его письмо к заключению к своей книге об этой полемике. Попытка Ферма добиться того, чтобы теория чисел пересекла Ла-Манш, провалилась. По иронии, Джон Пелль, малозначимый английский математик, скопировал уравнение Ферма (которое, с другой стороны, уже было известно в Индии) из книги Уоллиса. Его работа дошла до рук Эйлера, который, не зная, кто истинный автор, назвал данное выражение уравнением Пелля. Вновь Ферма был обманут последующим поколением.

Все больше сдающийся и разочарованный Ферма предпринял последнюю попытку заинтересовать всех своей страстью и новым миром, о котором догадывался только он. Эта попытка была связана со знаменитым нидерландским математиком Христианом Гюйгенсом, который написал в 1656 году тулузцу, призывая его опубликовать свои результаты.

Ферма в конце концов создал небольшой трактат, который послал Каркави, чтобы тот переправил его Гюйгенсу. В данном трактате математик говорит, среди прочего, о методе бесконечного спуска (мы уже упоминали о нем в связи с Великой теоремой) и объясняет, как он воспользовался им для доказательства результата о разложении простых чисел 4k + 1 на сумму двух квадратных чисел, едва набросав доказательство. Вновь победила скрытность Ферма, демонстрируя результаты, изложенные без доказательства, едва намеченные доказательства и неполные описания исследования.

В завершение Ферма ссылался на отсутствие времени для написания законченного трактата и выражал надежду на то, что другие математики заполнят эти пробелы (он имел в виду конкретно Френикля и Каркави). Он писал: "Последующие поколения, возможно, поблагодарили бы меня за то, что я показал, что древние знали не все".

Гюйгенс повторно выразил свое восхищение им, но, как ранее и Паскаль, отказался участвовать в исследовании новой теории чисел. Так же как и другие математики того времени, он не видел пользы в том, чтобы заниматься этими проблемами. Гюйгенс был прикладным математиком, человеком, интересующимся проблемами физики и их решением с помощью математики. Ферма, наоборот, такие проблемы не интересовали. Разногласие между обоими подходами к математике оказалось неразрешимым. Если в начале переписки Гюйгенс был воодушевлен Ферма, то ее продолжение все больше разочаровывало его. Кроме того, что он не понимал открытий Ферма в области теории чисел, его запись, в которой тот был верным последователем Виета, была сложной для Гюйгенса в сравнении с более ясной записью Декарта. Проблемы, поставленные Ферма, были либо тривиальными, либо уже решенными, поскольку иногда математик посылал ему свои прошлые исследования, возможно не зная, что они уже устарели. Постепенно переписка прекратилась, а с ней пропала и последняя для Ферма возможность привлечь ученика к работе над его исследованиями.

ГЛАВА 4 Аналитическая геометрия

Научная деятельность Ферма не ограничивалась теорией чисел. В XVII веке начинали развиваться аналитическая геометрия и математический анализ, и ученый стал одним из их основоположников. И теперь, в отличие от истории с теорией чисел, французский математик действовал как часть научного сообщества, что способствовало полному признанию его открытий еще при жизни.

И вновь для того чтобы понять вклад Ферма в науку, обратим свой взгляд назад, к самому рождению алгебры. После огромной эллинской славы в течение Средних веков западная математика пережила период угасания: в Европе сложно найти оригинальную работу по математике до Фибоначчи, который жил на рубеже XII и XIII веков. В мусульманском мире, наоборот, греческое наследие было изучено и развито дальше. Мусульмане, среди многих других греческих авторов, перевели Аристотеля, Евклида, Птолемея, Аполлония и Диофанта. Кроме того, они также сделали две важнейшие вещи: развили алгебру и ввели в обиход арабские цифры, распространив их вместе с использованием десятичных дробей.

Невозможно представить себе развитие западной математики без языка арабских чисел. Греки не умели выражать иррациональные числа, а неспособность выразить что-то является препятствием для развития научной мысли. Только представляя себе некий объект, человек способен рассуждать о нем. По этой причине введение арабских чисел стало одной из великих научных революций. Мы получили, в первую очередь, понятие "ноль". Наконец-то стало ясно, что "ничто" можно выразить. Также появилась форма записи десятичных дробей, приближенная к записи иррациональных чисел. Кроме того, арабская система дала нам возможность осуществлять алгоритмически (то есть на основе правил) самые основные операции: сложение, вычитание, умножение, деление. Вместо того чтобы работать со счетами, которые необходимы при использовании римских цифр, впервые стало возможным осуществлять операции в уме в соответствии с простыми правилами, которые может выучить любой школьник.

Другим большим новшеством исламской культуры была систематизация алгебры. Выдающийся исламский математик Мухаммед ибн Муса аль-Хорезми (780-850) написал трактат по алгебре, в котором классифицировал различные типы уравнений и высказал мысль, что две части уравнения подобны чашам уравновешенных весов: то, что вычитается или прибавляется в одной части, должно быть вычтено или прибавлено в другой.

Благодаря проникновению арабской культуры в Европу стало возможным появление и развитие одной из школ математики XVI и XVII веков — ренетов, которые просто занимались вычислениями, основываясь на арабской традиции и собственных первых открытиях. Они были прежде всего прагматиками, не желавшими тратить время на строгость греческого доказательства. В этой смеси традиций и развивалась деятельность Ферма. С одной стороны, реистский прагматичный подход к решению задач, с другой — геометры и их страсть к систематизированным и выверенным результатам. Но самое большое влияние на героя этой книги оказал математик Франсуа Виет; его работы являются связующим звеном, объединяющим разные направления научной деятельности Ферма. В первую очередь речь идет о созданной Виетом символической алгебре и его методах работы с уравнениями.

Уже Диофант в эллинскую эпоху иногда пользовался символами для обозначения числовых величин, но именно Виет создал новый язык, который, как и индо-арабская запись, позволял выражать до тех пор невыразимые вещи. Виет был первым, кто систематично использовал буквы, чтобы обозначать константы и неизвестные.

Символическая алгебра позволяет представить неизвестное нам число: оно уже не "вещь", а х. Действительно, как в случае с Великой теоремой можно выразить числа, "которых, возможно, даже не существует", — х, у и z из уравнения Ферма. Символическая алгебра позволяет рассуждать о целых классах задач и делать утверждения о бесконечном количестве похожих проблем, зная только их алгебраическую структуру, связь между переменными посредством уравнения. То есть можно говорить об уравнениях в общем виде. Например, можно быстро и просто сказать, что a² - b² = (a + b) (a - b) и что это выполняется при любых a и b. Символическая алгебра освобождает наш ум от тяжелых словесных описаний и позволяет рассуждать на другом уровне, точно так же, как арабские цифры помогают нам считать. Революция в данной области стала возможной благодаря Виету, а затем и Декарту.

Теперь необходимо остановиться на некоторых понятиях. Древнегреческие математики стремились к строгим безукоризненным доказательствам: они назывались "синтетическими" и шли от гипотезы теоремы до ее заключения, с использованием логических правил, шаг за шагом. Но редко ученый следует по такому прямому пути, когда делает свои открытия. Математик пользуется (и греки не были исключением) эвристическими, неформальными методами для проверки своей правоты, прежде чем попытаться составить доказательство. В Древней Греции пробные пути, по которым пытались исследовать доказательство, можно сравнить со строительными лесами, убранными из окончательной редакции доказательства. Они назывались анализом (следует заметить, что это слово имеет абсолютно другое значение в современной математике), в то время как доказательство было синтезом. Анализ ведется от заключения к гипотезе, в то время как обычное, строгое и синтетическое доказательство всегда следует в противоположном направлении. К разочарованию своих читателей XVI и XVII веков, греки не оставили следов используемого ими аналитического метода, полностью стирая их и демонстрируя только строгость и красоту синтетического доказательства. Папп, несколько веков спустя писавший о вершинах эллинской математики, был одним из немногих авторов, который оставил какие-то свидетельства анализа.

На первый взгляд использование такого приема кажется странным. Обратные теоремы необязательно верны (см., например, малую теорему Ферма). Следовательно, перевод анализа (движения в обратном направлении) в синтетическое доказательство (скажем так, в правильном направлении, от гипотезы к заключению) не является автоматическим. Но греки прибегали к искусным методам, позволяющим инвертировать анализ и превращать его в доказательство по правилам. В частности, они заметили, что в геометрии во многих случаях шаги действительно можно инвертировать. В других случаях они с той же целью использовали вспомогательные гипотезы.

Анализ в том виде, в каком им занимались греки, также прижился у арабских алгебраистов и ренетов. В алгебре уравнения в основном инвертируются. Если согласно неким правилам преобразовать уравнение, то всегда можно осуществить и обратную процедуру. Например, мы можем перейти от записи a² - b² к записи (a + b)(a - b), равно как и совершить обратный переход. Так происходит потому, что два равных между собой выражения свободно взаимозаменяемы. Виет осознал это и открыл, что если основывать анализ на алгебре, пользуясь только действиями с уравнениями и тождествами, то доказательства автоматически будут истинными. Вышесказанное привело его к революционному утверждению о том, что анализ и алгебра — это одно и то же; он назвал это аналитическим искусствам.

Теперь имелись общие методы работы с уравнениями, и задачи можно было решать в два этапа: постановка, то есть перевод задачи в область символической алгебры в виде уравнения, и алгебраические действия для нахождения решения. Этим занимаются на уроках математики в школе. Таким образом, вместо того чтобы делать акцент на решении частного уравнения, как поступали реисты, Виет сосредоточился на правилах действий, совершаемых над уравнением: сложении членов в обеих частях, вычитании членов, возведении в степень, извлечении корней, умножении или делении. Кроме того, он искал общие виды операций, которые зависели бы только от структуры уравнения. Значительная часть трактата Виета посвящена классификации тождеств, помогающих осуществлять такие действия.

Если мы видим выражение 3 + 2, то наша естественная реакция состоит в том, чтобы, как делали реисты, осуществить сложение и поставить 5. Но при этом мы теряем структуру исходного выражения, сам факт того, что это сложение. Следовательно, мы не можем рассуждать в общем виде о сложении. Символическая алгебра позволяет нам рассуждать о структурах. Можно сказать, что символическая алгебра сосредотачивается на синтаксисе уравнения, забывая о его содержании и значении до получения конечного решения. В то же время алгебра Виета предполагала, что объекты, с которыми мы работаем (константы и неизвестные), необязательно должны быть числами. Они могут быть чем угодно — углами в тригонометрии, геометрическими элементами, — всем, к чему применимы сложение, умножение, возведение в степень и так далее. Алгебра, которая ранее была только ответвлением арифметики, где акцент делался на решении числовых задач, теперь превращается в универсальный язык математики.

Математика — это наука о порядке и мере, о красивых и простых цепочках рассуждений.

Рене Декарт

В данном месте нашего повествования должно стать очевидным, какое значение имела для нашего героя работа Виета, с которой Ферма познакомился в Бордо. Действительно, мы уже наблюдали у Ферма тенденцию идти от частного к общему, анализировать структуру уравнений, решающих целый класс задач, — преимущество, которое он отдавал общему методу перед конкретным решением локальной задачи. Виет не только предлагал методы и решения, он создал математическую программу, доведенную Ферма до последних выводов. Но он был не один. Другой великий мыслитель, Рене Декарт, пришел к таким же заключениям. Они втроем — Виет, Декарт и Ферма — создали методы современной математики, навсегда разорвав их связь с элегантными построениями Евклида и древнегреческих геометров. Туда, где раньше царствовали чертежи, построенные с помощью линейки и циркуля, теперь пришли алгебраические действия, совершаемые каждый раз над все более необычными объектами. Алгебра действительно превратилась в их руках в преимущественный способ математических рассуждений.

Очевидно, что Ферма многим обязан в математике Виету, однако остается спорным, до какой степени последний повлиял на Декарта. Некоторые историки, например Богран, предполагают знакомство Декарта с работами Виета, другие считают, что Декарт, по его же собственным словам, пришел к своим результатам независимо. Но так как он систематизировал лучше Виета, его запись оказалась намного более ясной (вспомним, что понятная запись в математике может озарить, в то время как неясная способна сбить с мысли). Также его теория уравнений была настолько выше теории Виета, что через одно поколение она полностью победила, оставив последнего в забвении. Там, где Виет пользовался изнурительными казуистиками, очень соответствующими образу мысли адвоката, Декарт рассуждал как философ.

Несмотря на свои революционные догадки, Виет в каких- то аспектах оставался привязанным к прошлому. Для него неизвестная, возведенная в квадрат, имела очень специфическое значение: это настоящий, геометрический квадрат, площадь. То же самое для неизвестной, возведенной в куб: это куб, объем. И, несмотря на то что он был способен представить себе большие степени (четвертые, пятые), не имеющие очевидного геометрического значения, ему не удалось сделать основополагающего шага: подумать о том, что многочлен может быть неоднородным, то есть его члены могут иметь различные степени: ax³ + bx² + cx = d. Для него подобное было как сложение груш с яблоками, линии с кубом, квадрата с точкой. Это не имеет геометрического смысла. Таким образом он сформулировал закон однородности: многочлены должны быть суммами одночленов одной и той же степени (квадраты с квадратами, кубы с кубами).

Очевидно, что на плечах Виета еще держалась вся тяжесть греческого наследия, в котором числа не имеют измерения, а геометрические фигуры — имеют. Комбинировать их нет смысла. Для греков понятие измерения неизбежно связано с умножением геометрических элементов: две перемноженные линии дают прямоугольник, а прямоугольник, умноженный на третью линию, дает параллелепипед.

РЕНЕ ДЕКАРТ

Без сомнения, Рене Декарт (1596- 1650) — самая значительная фигура в философии XVII века, и больше всего примечателен отказ этого ученого верить во что-то, что невозможно доказать. Он родился в Лаз, в провинции Франции Турень, окончил университет Пуатье в области права, но вскоре поступил на военную службу в армию Морица Нассауского в войне Фландрии против Испании. Он также участвовал в Тридцатилетней войне под командованием герцога Максимилиана I Баварского, а также в осаде Ла- Рошели, которую Александр Дюма описал в своем романе о мушкетерах.

Когда Декарт служил в армии, у него случилось озарение: все истины должны быть связаны и основаны на первичной истине, то есть "я мыслю, следовательно, я существую". Декарт уверился в том, что разум — это путь к знанию. Большую часть своей жизни после увольнения из армии он провел в Голландской Республике, переезжая из университета в университет. В 1637 году ученый опубликовал "Рассуждение о методе" с приложениями. Через четыре года также увидели свет "Размышления о первой философии". Когда Декарта начал преследовать католический мир, его пригласила королева Швеции Кристина стать ее наставником. Говорят, что привычка королевы вставать рано и держать окна открытыми пошатнула здоровье мыслителя, который умер от воспаления легких 11 февраля 1650 года. Через 13 лет папа Александр VII включил работы Декарта в список запрещенных книг.

Ферма было не так-то просто освободиться от этого греческого наследия, которое мешало работе с более общими многочленами. Он достиг цели, но в своем привычном стиле, не подводя твердой теоретической базы к отказу применять вышеуказанный закон. Декарт, наоборот, обосновал свой отказ от закона однородности. Он был первым, кто использовал верхние индексы (к которым мы так привыкли) для обозначения операции возведения в степень, и он сделал это частично ради того, чтобы освободиться от недостатков предыдущей записи. Вот пример алгебраической записи Виета: В · A quad + + G planum А - Z solido. Quad, planum и solido — это степени, в которые возводятся A, G и Z соответственно для сохранения однородности, с явной геометрической интерпретацией. Декарт отказался от такой интерпретации, говоря: 

"Я сам долго был обманут этими названиями [квадрат, куб]... В конце концов после многочисленных экспериментов я заметил: нет ничего, что можно было бы решить с этой интерпретацией, чего нельзя было бы решить без нее проще и яснее и что от таких названий следует отказаться, чтобы они не путали мысли".

 Декарт утверждает, что если, например, треугольник с неким углом и сторонами а и 1 подобен треугольнику с тем же углом и сторонами ab и b, то все геометрические пропорции соотносятся друг с другом по масштабу и выбранная единица измерения произвольна. Другими словами, произведение ab, имеющее степень 2 и являющееся, следовательно, квадратом, совсем не отличается от линейного числа b. Так, не стоит думать, что представлены различные математические объекты. С точки зрения измерений они равны.

В итоге метод Виета забыли, и победил Декарт, что немаловажно: абсолютная верность Ферма своему, условно говоря, учителю Виету затмила собственный вклад тулузца, часто казавшийся тусклым его современникам и последователям, которые переняли запись и идеи Декарта. Это еще одна из причин, по которым Ферма оказался непонятым современниками.

Существует и еще одна грань работы Виета, которая повлияла на деятельность Ферма. Уже было сказано, что Виет верил (в основном оправданно) в свое аналитическое искусство, и эта вера шла рука об руку с некоторым презрением к синтетической форме доказательств, используемой греками. В работе "Введение в аналитическое искусство" (1571) Виет утверждал: поскольку в его анализе предполагалось, что все этапы доказательства обратимы, синтез в его греческой форме уже не нужен.

Ферма сделал данный принцип Виета одной из основ своего математического исследования. Наряду с его обычным нежеланием писать полные трактаты этот подход проясняет, почему он столкнулся с таким непониманием со стороны современников. Действительно, при нескольких аналитических этапах, которые позволяли ему (как он думал) разглядеть доказательство, для Ферма (как и для Виета) строить доказательство как у греков уже не имело смысла. Это было излишне. Проблема, конечно же, в том, что его современники не находились под таким влиянием аналитического метода Виета, как он. Ферма не смог увидеть данного несоответствия, что привело ко многим размолвкам и разочарованиям. Наконец, любопытно заметить, как уже было показано на некоторых примерах, что Ферма использовал символическую алгебру для своих изысканий, но почти всегда представлял результат в словесном виде. Таким образом, Ферма находился на рубеже двух традиций: между одним, древним, умирающим миром математики и другим, который только зарождался.

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ГЕОМЕТРИЯ

Настало время немного задержаться на хронологии. В этой книге в хронологическом порядке уже было рассказано почти о всей математической жизни Ферма. Но "другая жизнь" ученого, о которой сейчас пойдет речь, протекала параллельно и в некоторых случаях даже предваряла описанную нами, поэтому стоит вернуться назад во времени, в Бордо.

Ферма жил в Бордо во второй половине 1620-х годов. К тому времени он уже усовершенствовал свой метод максимумов и минимумов и начал восстанавливать работу Аполлония Пергского о плоских геометрических местах, прямой линии и круге. Это сочинение было утеряно, но тот факт, что Папп оставил описания многих античных работ, позволил математикам XV и XVI веков, которые превратились в настоящих археологов знания, попробовать восстановить утраченное. Деятельность Виета включала в себя, во-первых, такое восстановление, а во-вторых, перевод результатов классиков на новый язык аналитического искусства.

Ферма удалось в значительной степени восстановить работу Аполлония согласно тому, как ее резюмировал Папп, который обобщил 147 теорем и 8 лемм, но одна теорема мешала ему двигаться дальше. Частичное доказательство, которое он привел, его не удовлетворяло. По возвращении в Тулузу в 1631 году Ферма начал анализировать данную проблему в свете новых методов. Уже в 1635 году появляются явные признаки того, что он использовал эти методы для решения классических проблем. В конце концов он изложил свою теорию в маленьком трактате под названием "Введение к теории плоских и пространственных мест" (на латыни Ad locos pianos et solidos isagoge, далее — Isagoge), который послал в Париж Мерсенну и Робервалю в конце 1636-го — начале 1637 года. Именно тогда Ферма начал свою переписку с Мерсенном, наводняя Париж удивительными результатами, не только по теории чисел, но и по геометрии и тому, что с течением времени было названо анализом. Его работы привлекли внимание французского математика Жиля де Роберваля (1602-1675), который работал с похожими проблемами и стал преданным поклонником судьи из Тулузы.

Isagoge было первым этапом великой революции. Виет уже предлагал решения геометрических задач алгебраическими методами, но его задачи сводились к нахождению неких точек (выполнявших бы некое условие) или пересечений между простыми геометрическими фигурами, такими как прямая и круг, в которых решением неизменно была точка. Ферма пошел еще дальше, ему удалось достичь революционного результата: ни больше ни меньше — свести всю геометрию (царицу наук, согласно Платону) к скромной алгебре, служившей еще поколение назад только для решения числовых задач, не имеющих видимого математического значения. Тулузский математик изобрел аналитическую геометрию. Поспешим заметить, что другой великий мыслитель сделал то же самое почти одновременно и независимо. Это Рене Декарт, которому обычно приписывают первенство до такой степени, что координаты, которыми мы пользуемся, получили название "декартовых". Однако, хотя нет сомнений в том, что идеи у Декарта созрели раньше, чем у Ферма, именно тулузский ученый был первым, кто их опубликовал.

В главе 2 этой книги говорится о том, как математики ищут мосты между областями, которые на первый взгляд различны и не имеют никакой связи. Один из первых примеров подобной деятельности по построению мостов — это аналитическая геометрия, которая так называется, поскольку в ней используется аналитическое искусство (алгебра) для описания всей геометрии. Внезапно оказывается, что все геометрические проблемы могут быть решены с помощью алгебры на основе определения кривых как геометрических мест точек.

График кривой в двумерном пространстве, общее уравнение которой у = ax² + bx² +cx + d.

Геометрическое место точек — это множество точек, обычно бесконечное: то, что мы называем кривой, несмотря на то что не все эти множества — кривые в обыденном понимании. Данное множество должно обладать неким свойством. Например, все точки, равноудаленные от одной неподвижной, определяют геометрическое место точек под названием 4окружность", а все точки, расстояние от которых до заданной точки равно расстоянию до заданной прямой, определяют геометрическое место точек под названием "парабола".

Таким образом, каждый раз можно определять все более сложные кривые.

Во время изучения геометрических мест точек, определенных Аполлонием, у Ферма, так же как и у Декарта, случилось озарение: эти множества, находясь на плоскости, могут быть полностью определены уравнением с двумя неизвестными.

Оказалось, что размерность не зависит, как считалось до того времени, от степени уравнения — от того, квадратное оно или кубическое. Она зависит от чист неизвестных. Так, если у нас есть две неизвестные, то получатся две кривые на плоскости (два измерения). Если переменная только одна, получаются точки на линии (одно измерение), которые анализировал Виет. Если их три, получаются поверхности в трех пространственных измерениях.

Не важно, что уравнение — это многочлен третьей степени; оно определяет не трехмерную поверхность, а, если в нем две неизвестные, всего лишь двумерную кривую (см. рисунок).

Теперь ничто не мешало анализировать многочлены большей степени. Это изменение понятия размерности стало шагом на пути к аналитической геометрии. К тому же эти переменные были связаны друг с другом посредством неопределенного уравнения, то есть уравнения с бесконечным числом точек — геометрического места точек.

До аналитической геометрии геометрические места точек описывались в соответствии с их свойствами, например в случае с коническими сечениями — пересечениями объема и плоскости. Аналитическая геометрия полностью изменила парадигму, позволив, чтобы ограниченное число кривых, которые изучали греки и которые должны были строиться по одной, умножилось до бесконечности. Это не преувеличение. Действительно, число уравнений с двумя неизвестными бесконечно, и так как каждому из них соответствует кривая, количество возможных кривых также бесконечно.

Кроме того, алгебраизация геометрии позволяла ввести в последнюю гибкость алгебраических операций — сложения, вычитания, умножения, деления, возведения в степень и извлечения корня, — что вместе с теорией уравнений позволяло решать многие задачи почти механически.

АПОЛЛОНИЙ И КОНИЧЕСКИЕ СЕЧЕНИЯ

Аполлоний Пергский (ок. 262 — ок. 190 до н.э.) систематизировал изучение кривых, называемых коническими сечениями, которым он дал их сегодняшнее название. Конические сечения определяются пересечением плоскостью конуса под разными углами. Можно доказать, что, кроме случаев вырожденных сечений, все виды конических сечений можно свести к следующим случаям. Если пересечь конус параллельно образующей, результатом сечения будет парабола; если угол между плоскостью и осью конуса больше, чем угол при образующей, получается эллипс; когда секущая плоскость перпендикулярна оси — окружность; наконец, если плоскость пересекает обе полости конуса, мы видим гиперболу. Свойства, сформулированные математиком из Перге, позволили каждой из них иметь определяющую характеристику, которая отличает ее от всех остальных конических сечений и выражена в виде пропорции. Именно на основе этих характеристик Декарт и Ферма строили свое изучение соответствующих уравнений.

Окружность

Эллипс

Парабола

Гипербола

В сравнении с трудоемким начертательным методом греческих геометров аналитическая геометрия была чрезвычайно мощным методом решения задач. Это как раз доказал Ферма, взявшись за некоторые теоремы Паппа, которые до этого никто не мог доказать, а также занявшись задачей Галилея и поправив самого тосканского ученого. В то время как Галилей думал, что пушечное ядро, падающее к центру Земли, движется по круговой траектории, Ферма выяснил, что данная траектория является спиралью. Галилей в переписке с Ферма согласился с его поправкой.

Между тем работа Декарта в этой области хотя и привела к крайне богатым результатам, была им заброшена. Он хотел показать новый образ мысли, а не находить новые математические результаты. Парадоксально, что в 1637 году, когда математическая карьера Ферма едва только начиналась, Декарт по собственной воле заканчивал свою. Опубликованная им "Геометрия" была частью книги, содержащей три научных трактата, которым предшествовало знаменитое "Рассуждение о методе". Она в глазах самого Декарта была только иллюстрацией того метода, что он открыл, неоспоримым доказательством силы его философии. Эта работа, опубликованная в 1637 году, стала лебединой песней математики Декарта, а именно в то время Ферма начал работать с наибольшим пылом. Эти два гения имели между собой мало общего. Декарт внес огромный вклад в науку, однако просто как факт следует отметить, что его математический гений блистал лишь в течение нескольких чудесных лет. Декарт был прежде всего философом, а Ферма — математиком в чистом виде. Они использовали разные подходы к решению задач. Для Декарта было достаточно разработать метод, а Ферма было необходимо применять его к решению математических задач.

Иллюстрация метода координат Фарма и того, как определяется геометрическое место точек.

Как уже упоминалось, интерес Ферма к аналитической геометрии возник из его попыток восстановить сочинение Аполлония. В процессе этой работы он пришел к мыслям, которые отразил в своем Isagoge, где можно прочитать следующее:

"Каждый раз, когда две величины [две неизвестные) находятся в равенстве..., существует такое геометрическое место..., что конечная точка [этих величин] описывает прямую или кривую линию".

Согласно историку Карлу Бойеру, данное утверждение составляет одну из самых больших революций в истории математики. Его нельзя доказать напрямую; это постулат. Но Ферма посвящает остаток своего маленького трактата иллюстрации его пользы, анализируя частный случай кривых: конические сечения, прямую линию и окружность (которую в древности не считали коническим сечением).

Ферма не создавал прямоугольную систему координат, которая так хорошо знакома нам сегодня. Его аналитическая геометрия одноосная: определяется только ось абсцисс. Однако очевидно, что он скрыто использует ось ординат при определении расстояний.

На рисунке показаны элементы аналитической геометрии Ферма. У нас есть уравнение с двумя неизвестными x и y и константой c, ƒ(x, y) = c. Расстояние х₀ — это явно значение абсциссы, в то время как ордината задана значением длины отрезка у₀. Заметьте, что угол α необязательно прямой, как это было бы в современной системе декартовых координат. На самом деле угол произволен (более поздние авторы поняли, что намного проще сделать угол α прямым). Точка, которая движется по геометрическому месту точек, — А. Мы можем видеть, как она движется к положению А' которое соответствует абсциссе х₁ и ординате у₁. Следует заметить, что ƒ(x₀, у₀) - ƒ(x₁, у₁) = c, то есть уравнение выполняется для всех точек А геометрического места точек, и наоборот, точки А полностью определяются уравнением. Это ключевое соответствие между геометрией и алгеброй, предоставляемое аналитической геометрией (запись современная — Ферма не использовал запись функции ƒ(x, у)).

В этом изложении есть скрытое понятие, которое было основополагающим для развития анализа: непрерывное изменение. Используя единственную ось, Ферма сосредоточился на том, как движется точка по кривой, определяющей геометрическое место. Это концептуально отличается от процесса графического представления точек на плоскости с двумя координатными осями и помещения между нимикривой, как большинство из нас научилось делать при составлении графика. Видение Ферма динамично: оно соответствует точке, двигающейся по некоей траектории, и, следовательно, почти случайно Ферма придал физическую реальность аналитической геометрии, которая оказалась основополагающей в последующих работах Ньютона, Лейбница и семьи Бернулли. Другая отличительная характеристика системы Ферма в том, что она включает в себя только положительные величины в области и абсцисс, и ординат, поэтому его кривые всегда находятся в первой четверти плоскости и, следовательно, иногда теряется от половины до трех четвертей их протяженности. Парабола с вершиной в начале координат и фокусом на оси х, например, была бы только половиной параболы.

ГРАФИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ УРАВНЕНИЯ ВЫСШЕЙ СТЕПЕНИ

В приложении, которое вышло через некоторое время после Isagoge, Ферма представил общий метод превращения уравнения третьей или четвертой степени в систему уравнений второй степени. Речь идет о поиске точки пересечения между двумя кривыми. Так, уравнение х³ + bx² = bс с помощью введения новой переменной у превращается в два неопределенных уравнения: х² + bx = by, с = ху. Речь явно идет о пересечении между параболой и гиперболой. К сожалению, геометрический "дух· метода помешал Ферма найти больше одного корня (пересечения), поскольку под влиянием греков он довольствовался только одним положительным корнем. Математик пользовался этими результатами для выступления против классификации кривых Декарта в полемике, которая на сегодняшний день оказалась бесплодной, поскольку данные классификации, как выяснилось, не имеют значения.

Центральная теорема, которую Ферма доказывает в своем Isagoge, состоит в том, что все конические сечения, помимо прямой линии и окружности, могут быть выражены общими уравнениями второй степени или первой степени (в случае с прямой). Ферма делит все возможные уравнения первой или второй степени на семь "канонических" случаев, доказывая, что любое уравнение первой или второй степени можно свести к одному из них: они относятся, соответственно, к окружности, эллипсу, параболе, двум видам гиперболы и двум видам прямой линии. Доказательства для каждого случая намного более подробные, чем те, что обычно давал Ферма, но даже здесь было опущено несколько шагов, которые казались математику очевидными, поскольку они вытекали из классических сочинений, таких как "Данные" Евклида, трактат "Конические сечения" Аполлония или работа Виета.

Как и Виет, Ферма неизменно опускает синтетическое доказательство, считая его тривиальным и пользуясь только аналитическим методом, чтобы дойти от уравнения до геометрического места точек. Однако ясно: ученый считает, что его теоремы обратимы (и это соответствует действительности), то есть для любого геометрического места точек также есть уравнение. Кроме того, в своих доказательствах Ферма использовал, чрезмерно не выделяя их, ряд преобразований, типичных для аналитической геометрии, таких как перемещение круга (чтобы его центр совпадал с началом координат), вращение параболы или изменение переменной. Ученый уже знал, что он может осуществить эти преобразования, и его результат все равно не потеряет обобщенности.

Заложив основы аналитической геометрии на плоскости, Ферма затем принялся за попытки распространить свои результаты на трехмерное пространство. Однако его математические методы не справились с такой задачей. Отсутствие системы координат оказалось роковым; визуализация геометрических результатов в трех измерениях без соответствующих координат слишком сложна, и Ферма так и не добился своей цели.

Декарт был первым, кто рассуждал об алгебре как о виде мыслительного процесса, но ясно, что Ферма, менее склонный к философии, был твердым сторонником данного подхода. Им вдвоем удалось создать новое математическое мышление, актуальное и сегодня. Очевидно, что Ферма не знал этого, но, вероятно, он был одним из последних математиков, которые так глубоко интересовались классиками. Герой нашей книги хотел возродить классическую традицию, восстановив самые значимые работы, однако на самом деле похоронил ее. Инструменты, которыми он пользовался для того, чтобы раскрыть забытые секреты Древней Греции, открыли новый мир, и из-за этого многие классические греческие методы потеряли свое значение.

ГЛАВА 5 Вклад Ферма в дифференциальное и интегральное исчисление

Аналитическая геометрия стала основой, с помощью которой были созданы другие революционные методы, в частности математический анализ. Ферма понял, что если можно использовать уравнение для полного описания кривой, то можно применить алгебраические действия для изучения свойств этой кривой. Но чтобы прийти к этому выводу, ученому пришлось преодолеть извилистый путь.

Еще в Бордо (где он установил связь с кружком последователей Виета и получал частные уроки математики от Жана Бограна), в молодости, Ферма работал над методом нахождения максимальных и минимальных значений, который, поскольку возник раньше, чем он изобрел аналитическую геометрию, не был основан на ней. Однако в течение примерно 15 лет математик возвращался к данной теме снова и снова, сочиняя небольшие трактаты, посвященные ей, и обсуждая ее в своей переписке. Эти записи наглядно показывают, как менялись мысли Ферма о его методе. В одном из писем Мерсенну он пообещал, что когда у него будет время, он напишет о нем большой трактат, чего так и не сделал. Речь идет о колоссальной потерянной возможности: если бы тулузский математик сдержал свое обещание, не исключено, что сегодня автором дифференциального исчисления мы считали бы Ферма.

Для ученого была характерна несколько хаотичная манера работы. Однажды Декарт с презрением сказал, что Ферма просто решает задачи (как реисты), а не систематизирует. Возможно, в чем-то он был прав. Гению из Тулузы было достаточно убедиться в том, что метод работает, чтобы увериться в его обобщенности, и он забывал про его доказательство. Исследование максимумов и минимумов не стало исключением.

ПОЛЕМИКА С ДЕКАРТОМ

В 1636 году в Париже начала распространяться рукопись Ферма под названием "Метод определения максимумов и минимумов и касательных к кривым линиям" (которую мы будем далее именовать Methodus, по ее латинскому названию). Methodus, написанная, вероятно, в 1629 году, состояла едва лишь из 600 слов. Она представляла собой пару инструкций, алгоритмов. Не было ни одного намека на то, как Ферма пришел к описанному результату, и ни одного доказательства. Как мы увидим, отсутствие ясности в Methodus вызовет у ученого немало проблем. Из-за своеобразной манеры изложения сочинение выглядело абсурдно. Практически сразу же, благодаря вмешательству Декарта, вокруг Methodus развязалась огромная полемика, и Ферма пришлось впервые и практически единственный раз в своей жизни дать детальное объяснение своего метода. Целых пять рукописей, включая письмо Брюлару, написал наш герой на эту тему. Самая важная из них — "Аналитическое исследование метода максимумов и минимумов" (далее "Аналитическое исследование"), в котором он объединяет два подхода, с одной стороны, исходя из работ Виета, а с другой — опираясь на труды Евклида и Паппа.

Действительно, Папп столкнулся с задачей, в которой ему потребовалось получить максимум. Такие задачи привычны для нас сегодня: например, найти геометрическую фигуру, обладающую наибольшим объемом с наименьшей площадью поверхности (сфера). Или, в качестве обратной задачи, определить, являются ли пчелиные соты оптимальной формой покрытия плоскости. Как видно, у данного типа задач много общего с задачами на оптимизацию. В любом случае, внимание Ферма привлекло то, что максимум, который искал Папп, был "единственным и исключительным". Пользуясь своими гуманитарными способностями, Ферма смог понять автора, что считал невозможным сам переводчик Паппа на латынь, Федерико Коммандино. Папп говорил о том, что экстремум является единственным. На основе этого, а также опираясь на работы Виета, Ферма придумал, как составить квадратное уравнение, отвечающее условиям задачи Паппа, у которого было бы только одно решение.

Вспомним, что у квадратного уравнения обычно два корня (мы говорим "обычно", поскольку во времена Ферма некоторые корни — от иррациональных до комплексных, не говоря уже об отрицательных — не допускались). Дело в том, что Виет изобрел метод выражения коэффициентов уравнения через два его корня, который он назвал синкризис.

СИНКРИЗИС ВИЕТА

Синкризис состоит в том, чтобы скомбинировать похожие уравнения с целью получить выражения, в которых корни связаны с их коэффициентами. Например, из уравнения bx - x² = c, корнем которого является х, можно получить уравнение by - у² = с, где у — другой корень. Виет приравнивал оба уравнения: bx - х² = by - у², откуда

b(x - y) = x² - y² <-> b = (x² - y²)/(x - y) = x + y;

и после замены с = (х + у) х - х² = х² + ху - х² = ху. Таким образом, как b, так и с выражаются через х и у.

МЕТОД МАКСИМУМОВ И МИНИМУМОВ ФЕРМА

Проиллюстрируем метод примером: разделим отрезок АE точкой Е так, чтобы АЕ ∙ ЕВ было максимумом.

Пусть АВ = b.

1. Тогда если АЕ = а,ЕВ = b - а.

2. Следовательно, произведение, максимум которого нужно найти, равно ab - а².

3. Теперь заменим изначальную неизвестную а на а + е, то есть на другой корень. Следовательно, отрезок АЕ теперь равен а + е, а отрезок ЕВ равен b - а - е, в связи с чем произведение их обоих равно ab - а² + be - 2ае - е².

4. Приравниваем (2) и (3), так что ab - а² + be - 2ае - е² ≡ ab - а². Упрощаем: be - 2ae - e² ≡ 0 <-> be ≡ 2ae + e². Эта операция подобна синкризису: осуществляется приравнивание вместо обычного равенства.

5. Осуществляется деление на е до тех пор, пока в одном из членов не останется ни одного е: b ≡ 2а + е.

6. Устанавливается, что е равно нулю: b = 2а.

7. Следовательно, а = b/2

Очевидно, что речь идет о середине отрезка. 

Ферма воспользовался данным методом для выполнения действий со своим квадратным уравнением в инновационной форме. Он утверждал, что существует один корень х, а другой корень он назвал x + h, где h, как он пояснял, может быть любым значением. Далее следовал решительный и странный шаг. Ферма "приравнял" уравнение со значением х к уравнению со значением х + h: ƒ(х) = ƒ(x + h). Он назвал эту операцию "приравнять", воспользовавшись термином, взятым у Диофанта. Однако на самом деле во всей теории уравнений Виета не существует формального математического обоснования для осуществления этой странной операции.

Далее, в довершение всего, Ферма занялся тем, чтобы исключить некоторые члены, содержащие h, с помощью деления на h:

ƒ(x)/h = ƒ(x + h)/h

Наконец, он постановил, что h равно нулю и, следовательно, оба корня — это один-единственный корень. Это способ зафиксировать один корень и сделать так, чтобы второй корень равнялся ему. Но на самом деле казалось, что Ферма в данном случае просто разделил на ноль без какого-либо теоретического обоснования.

Это очень похоже на то, что делают сегодня, когда вычисляют производную, определение которой дал Коши только в XIX веке, и, приравнивая ее к нулю, находят максимумы и минимумы. Такое сходство привело к тому, что некоторые математики (Лагранж, Пьер-Симон Лаплас) и историки науки считали дифференциальное исчисление изобретением Ферма. К сожалению, они ошибались.

Верно, что Ферма приближался к методам современного дифференциального исчисления. Эта h, по мысли Готфрида Лейбница и Исаака Ньютона, — бесконечно малая величина, которая, говоря проще, не равна нулю, но может считаться при некоторых обстоятельствах за ноль. Только когда Коши удалось сформулировать понятие предела, эти идеи получили строгое математическое выражение.

Ферма не делал различия между конечными и бесконечно малыми величинами, по крайней мере в своих работах о максимумах и минимумах и касательных, которые появились в относительно раннее время его математической жизни. А это различие является основополагающим. Ферма считал, что А, расстояние от исходного корня, полностью произвольно: оно может быть большим или малым, по желанию. Очевидно, что эта мысль сильно отличается от понятия бесконечно малых, небольшая величина которых должна быть произвольной. На самом деле Ферма никогда не думал, что его максимумы и минимумы могут быть локальными, а не глобальными. Локальный максимум может быть найден только с помощью методов анализа бесконечно малых. В любом случае, справедливо заметить, что с помощью метода Ферма можно было даже определить, является решение максимумом или минимумом.

Предыдущее воспроизведение мысли Ферма основано на "Аналитическом исследовании". Достоверно известно, что тулузец начал с задачи, упомянутой Паппом, а историкам удалось восстановить на основе многочисленных записей его рассуждения. В любом случае, по своей неискоренимой привычке Ферма, даже когда формулировал шаги доказательства в "Аналитическом исследовании", был краток в своих объяснениях. Он опускал некоторые шаги, веря, что читатель сможет заполнить пробелы. Читатель должен был быть эрудитом, знающим наизусть, что такой-то шаг подтверждается теоремой Аполлония, другой шаг — теоремой Паппа, а третий верен, поскольку это уже доказал Виет. Более того — в изначальном варианте Methodus, как мы уже сказали, не было даже таких набросков доказательства, как в "Аполитическом исследовании"·, ни малейшего обоснования странных действий, которые предпринимал наш герой: Ферма ограничивался тем, что давал алгоритм. Очевидно, что инструкция без малейших объяснений, с делением на нуль, шокировала современников ученого, и те из них, кто приятельствовал с Ферма, попросили у него объяснений, а остальные безжалостно напали на него. Кроме того, Methodus ограничивался решением двух уже решенных задач, в которых находятся касательные к параболам. В сочинении, по крайней мере внешне, не было ничего нового, но содержалось много проблематичного.

Собственно, в Methodus Ферма сформулировал способ нахождения касательной к любой заданной кривой. Он с гордостью говорил, что этот метод абсолютно общий и работает всегда, но не обосновывал своего утверждения. Упомянутый им метод нахождения касательных, естественно, исходил из его же метода максимумов и минимумов. Действительно, Ферма понял, что, так как классические греческие кривые (конические сечения, окружности и прямые линии) были определены через пропорции, решить задачу касательной равносильно тому, чтобы найти минимум некоей пропорции между двумя величинами. Его метод максимумов и минимумов также работал для максимизации или минимизации некоторой величины или пропорции. Следовательно, нахождение касательной было его естественным применением.

Рассмотрим метод Ферма детально. Возьмем параболу, показанную на рисунке. Мы ищем касательную в точке В, прямую ВE. Ферма рассматривал произвольную точку О, внешнюю по отношению к параболе. Здесь ясно видно, что он был еще далек от понятия бесконечно малых; в анализе бесконечно малых точка О должна была находиться произвольно близко к точке В. Затем он рассмотрел свойство параболы, определенное Аполлонием в виде пропорции:

BC²/ZI² - CD/DI,так как OI >ZI, CD/DI > BC²/OI.

По подобию треугольников ВСЕ и OIE получается, что

ВС/OI = СЕ/TE, поэтому CD/DI > CE²/IE².

Пусть CD = d, CI = е и СЕ = а. Этот последний отрезок — подкасательная. Тогда

d/(d - e) > а²/(a - e)2

и d(a - е)² > a² (d - е), откуда da² - 2dae + de² > da² - a²e.

Затем приравниваются оба члена неравенства: da² - 2dae + de² ≡ da²-a²e, и после сокращения и перестановки членов: de² + a²e ≡ 2dae. При делении на е: de + a^{2 ≡} 2da. Наконец, Ферма игнорировал член, содержащий е: а² = 2da, из чего а = 2d. Таким образом можно найти точку Е, определив подкасательную к параболе ( СE ).

КАСАТЕЛЬНЫЕ К МЕХАНИЧЕСКИМ КРИВЫМ

В своей "Геометрии· Декарт сделал различие между геометрическими и механическими кривыми. Первые имели выражение в алгебраических уравнениях, то есть многочленах. Механические кривые, наоборот, не имели такого выражения; они представляли собой траекторию перемещения некоей точки, которая двигалась в соответствии с определенными правилами. В "Геометрии" Декарт счел невозможным анализ механических кривых. Зато Ферма в своей безымянной рукописи 1640 года изучал три геометрические кривые: циссоиду, конхоиду и декартов лист, а также циклоиду — механическую кривую. Циклоида — это ответ на кажущийся парадокс Аристотеля о расстоянии, которое проходят две точки, расположенные в двух концентрических окружностях, катящихся по линии. Циклоида образуется движением определенной точки колеса, катящегося без скольжения по прямой. При анализе этой проблемы Ферма был вынужден, "чтобы избежать иррациональности", приравнять отрезок RB касательной к отрезку RN кривой.

Methodus был написан до того, как Ферма изобрел аналитическую геометрию. Единственное представление о классических кривых все еще принадлежало Аполлонию. Именно поэтому Ферма продолжал применять геометрические определения грека вместо своего более позднего алгебраического представления. Но в "Аналитическом исследовании" Ферма уже был способен использовать огромную силу своих алгебраических уравнений для подхода как к проблеме максимумов и минимумов, так и к проблеме касательных. Действительно, в его записях было каждый раз все меньше диаграмм. Ему было достаточно уравнения, которое полностью определяло кривую, для глубокого анализа ее свойств. С помощью такого уравнения он мог искать максимумы и минимумы, с одной стороны, и касательные, с другой. Алгебраический метод вновь показывал свою эффективность. В последующие годы он пошел еще дальше, практически дойдя до понятия произвольно малого расстояния в работе о касательной к циклоиде, то есть находясь на самом пороге дифференциального исчисления.

Но Ферма лишь наполовину осознавал огромную силу своих методов. Увлеченный — как и все его современники, а также его учитель Виет — восстановлением великого труда греков, он не обратил внимания на то, что его мысль пошла по пути, открывающему новые возможности перед математикой. Захваченный прошлым, он не смог справедливо оценить важность своих достижений.

Действительно, вспомним, что производная в заданной точке кривой определяется как угловой коэффициент касательной к данной точке. Ферма этого не видел... поскольку на самом деле ему не пришло в голову рассматривать угловой коэффициент как уравнение. Действительно, он вычислял не угловые коэффициенты, а подкасательные, то есть проекции касательной на ось абсцисс, и делал справедливый вывод о том, что как только вычислена данная проекция, нарисовать касательную тривиально просто. Очевидно, именно по этой причине он так и не заметил, что угловой коэффициент может быть также выражен в виде кривой, определенной уравнением. Ферма был неспособен увидеть, что существует отношение между двумя уравнениями с двумя переменными, в котором дифференцирование — это способ превратить одно в другое. Как бы то ни было, нам нужно вернуться в то время, когда Methodus только начал распространяться: аналитическая геометрия и обоснования "Аналитического исследования" были в будущем. В Methodus есть только инструкции. Чтобы поверить Ферма, требовалась благосклонность к автору, а в то время жил человек, который очень недружелюбно относился к Пьеру де Ферма и совсем не собирался проявлять к нему подобных чувств. Этим человеком был не кто иной, как Декарт.

До определенного момента уже занимавшийся научной деятельностью Декарт не знал о существовании Ферма. В 1637 году, когда едва начиналась переписка Ферма с Парижем, он заканчивал свой знаменитый труд "Рассуждение о методе", куда в качестве приложений были включены три работы. В них Декарт пытался проиллюстрировать мощь своей философии. Одной из них была "Диоптрика", другой — "Геометрия", в которой ученый впервые излагал свое понимание теории уравнений и аналитической геометрии. Он был уверен, что никто не сделал ничего подобного. Декарт полагал, что заново создал философию, сформулировав правила корректного мышления и проиллюстрировав, как их применять в математике и физике.

К тому времени он уже вступил в полемику с некоторыми математиками. Судьба распорядилась так, что этими математиками были Роберваль и учитель Ферма, Богран, — друзья Ферма, на которых он рассчитывал в период своей известности в кружках Парижа. Декарт сурово раскритиковал "Геостатику" Бограна. В свою очередь, Богран обвинил Декарта в том, что тот совершил плагиат теории уравнений Виета, его учителя. Кроме того, похоже, что Богран воспользовался своей должностью королевского секретаря (которая давала впечатляющую власть), чтобы получить экземпляр "Диоптрики" Декарта. Сочинение оказалось в руках Ферма до публикации, в связи с чем на Мерсенна обрушился гаев Декарта.

Обеспокоенный Мерсенн попросил Ферма не комментировать трактат публично, а направлять всю переписку через него. Ферма, не знавший всего, что произошло, воспринял это как просьбу прокомментировать труд Декарта. В своем письме он говорил, что "Диоптрика" кажется ему попыткой исследователя вслепую изучать что-то в темноте и результаты его — плод круговой аргументации: автор доказывает свои тезисы с помощью аргументов, истинность которых основывается на его же тезисах. Мерсенн, поколебавшись, переслал это письмо Декарту. Примерно в то же самое время Декарт получил экземпляр первого трактата Ферма, посвященного восстановлению работы Аполлония. Поскольку это была ранняя работа, Декарт отнесся к ней с презрением.

Ученый решил, что Ферма не понял его "Диоптрику", поэтому через Мерсенна порекомендовал ему хорошо ее прочитать, добавив, что если он также проштудирует его "Геометрию", то сможет стать успешным учеником. Очевидно, что Декарт недооценивал своего оппонента. Через некоторое время он получил экземпляры Methodus и Isagoge, присланные Ферма, гордость которого, возможно, была уязвлена, и он хотел доказать свою значимость. В этот момент Декарт явно понял свою ошибку: Ферма был математиком высшего уровня. Действительно, он тоже открыл аналитическую геометрию, которой так гордился сам Декарт!

Вместо того чтобы признать талант своего соперника, Декарт решил, что Ферма — участник заговора (в котором также замешаны ненавидимые им Роберваль и Богран), направленного на то, чтобы разрушить работу всей его жизни, его сокровище, "Рассуждение о методе". Действительно, в письме Мерсенну в январе 1638 года Декарт жаловался на то, что его интеллектуальное детище пытаются задушить еще в колыбели. И хотя ученый и не говорил этого открыто, возможно, он также думал, что из-за бестактности Бограна и Мерсенна Ферма совершил плагиат его аналитической геометрии. Далее мы приводим фрагменты ответов Декарта Мерсенну.

Май 1637 года 

"[...] Вы посылали мне предложение математика, советника из Тулузы, очень красивое, и оно мне очень понравилось. Поскольку оно во многом может с легкостью быть решено тем, что я написал в своей "Геометрии", (...) я надеюсь, что этот советник, если он открытый и честный человек, окажется одним из тех, кто извлек наибольшую выгоду из моей работы [...]".

18 января 1638 года

"[...] я даже не хочу называть его имени, чтобы он не чувствовал себя настолько пристыженным ошибками, которые я у него нашел, а также потому что мои намерения не в том, чтобы оскорбить кого-либо, а лишь чтобы защититься. И так как я чувствую, что он не упустит возможности чваниться за мой счет во многих работах, я думаю, что лучше пусть многие увидят мою защиту. [...) И если, несмотря на это, он скажет Вам, что хочет послать мне другие работы, прошу Вас попросить его, чтобы он лучше обдумал предыдущие; если он этого не сделает, прошу Вас не посылать их мне".

Как бы то ни было, Декарт нашел слабое место своего соперника: это была не аналитическая геометрия, a Methodus. Действительно, в отсутствии у Ферма метода, обоснования или доказательства Декарт увидел идеальную возможность нападения на него. В ядовитой форме он вернул ученому комплимент "вслепую". Согласно Декарту, в работе Ферма не было никакого оригинального результата. Он пришел к выводам, известным и ранее, случайно и не прилагая усилий. A tatons ("на ощупь"), аналогично тому выражению, которое Ферма применил к нему. Ферма показал, как получить касательную к параболе. Однако его метод был одинаковым для любой другой кривой без каких-либо изменений, что явно было абсурдно, поскольку касательная к параболе — это не то же самое, что касательная к эллипсу. Декарт отрицал, что метод касательных вытекает из метода максимумов и минимумов.

Как мы видели, ответ Декарта (всегда через Мерсенна) был разгромным. Он открыто выражал презрение к математику, даже не упоминая его имени и говоря, что если Ферма не пересмотрит свои работы, то он не снизойдет до чтения других его результатов, которые тот обещал ему послать. В то же время он обвинял Ферма в том, что тот систематично нападает на него, хотя в действительности тулузский ученый всего лишь один раз выступил против его "Диоптрики".

"[Я бы предпочел] ничего не говорить о статье, которую Вы мне прислали [Methodus], поскольку я не могу сказать ничего в пользу того, кто ее написал [...]".

Декарт в письме, посланном Мерсенну 18 января 1638 года, о работе Methodus Ферма

Мерсенн в этой полемике проявил редкий талант к провоцированию скандала. Вместо того чтобы послать ответ Декарта напрямую Ферма, он, в свою очередь, направил его парижским врагам Декарта, Этьену Паскалю и Робервалю, которые не мешкая вступили в полемику, действуя как слон в посудной лавке, часто неправильно истолковывая работу своего подзащитного. Это подтвердило худшие страхи Декарта: против него организовали заговор, и Ферма являлся только пешкой в руках парижан.

В любом случае, Декарт перешел некоторые границы. Если его второе возражение, направленное на то, что метод касательных не вытекает из метода максимумов и минимумов, понятно с учетом неясности изложения Methodus, то первое было просто абсурдным. Декарт утверждал, что метод Ферма дает одну и ту же касательную для любой известной кривой, но это была неправда, поскольку замена слова "парабола" на слово "эллипс" требует и замены математического определения параболы на определение эллипса, и в этом случае метод Ферма работал бы безукоризненно.

Декарт закончил свое письмо в очень снисходительном тоне, снова рекомендуя Ферма прочитать внимательно "Геометрию", в которой, как он утверждал, было все, что Ферма открыл. Только с помощью его книги, заключал Декарт, можно прийти к истине. Таким образом, столкнувшись с математическим гением того же уровня, Декарт не мог этого признать: он лишь уверил себя в том, что монополия на истину была у него.

Чтобы доказать свою точку зрения, Декарт бросил вызов: попросил Ферма найти касательную к заданной кривой, которую затем назвали "декартов лист". Ферма ответил правильным решением. Тулузский ученый получил результат двумя способами. Второй из них был основан на идеях самого Декарта, где он использовал нормаль для вычисления касательной; так он хотел доказать своему сопернику, что его метод дает те же самые результаты, но проще. Однако Ферма не смог добиться того, чтобы его метод приравнивания был полностью принят его соперниками. Тем не менее в своей обычной манере он думал, что если метод работает, то он должен быть истинным. В любом случае, к счастью для историков, полемика длилась какое-то время, из-за чего Ферма был вынужден в первый раз обосновать свои результаты несколько подробнее.

По сути все это было недоразумением. В "Аналитическом исследовании" уже было ясно, что возражение Декарта о том, что метод касательных не основан на методе максимумов и минимумов, ложное. В конце концов посредник, работавший в стиле Декарта, французский математик Жерар Дезарг (1591 — 1661), принял соломоново решение в данной полемике: Декарт был прав в том, что выразил недоверие, поскольку изложение Ферма, представленное в Methodus, было недостаточно ясным. Но по сути Ферма был прав: его метод касательных был абсолютно универсальным. Оба гиганта столкнулись с проблемой оценки их личности. Точнее, проблема была в личности философа, поскольку Ферма в целом вел себя довольно корректно. Декарт нехотя согласился с этим вердиктом и даже извинился перед Ферма за свои оскорбления, но не упустил возможности в будущем оправдаться, пытаясь омрачить репутацию Ферма. Последний же продолжил свою полемику с Декартом и его последователями еще через 20 лет, когда его соперник уже умер. Из его дальнейших записей очевидно восхищение, которое он испытывал к Декарту, несмотря на критику. В некотором смысле, хотя Ферма так и не оставил идей Виета, он все же обратил внимание на Декарта и частично принял его "Геометрию". Но раны, вызванные этой полемикой и тем, как презрительно относился к нему Декарт, пытаясь понизить его авторитет в математическом сообществе, так никогда и не затянулись.

КВАДРАТУРА

В ходе исследований о касательных, максимумах и минимумах Ферма постепенно ушел от своего приравнивания к намного более современному понятию квази-равенства, настолько произвольно близкого к точке, что разница практически равна нулю. Но именно в своем методе квадратур он сделал последний шаг к анализу бесконечно малых, к произвольно малым величинам. К тому времени Ферма уже оставил позади свои методы касательных, максимумов и минимумов и никогда не пересматривал их в свете своих новых идей.

Проблема квадратур существовала уже в античности, ими занимались даже Евдокс и Архимед. В целом она состоит в том, чтобы найти площадь, ограниченную некоей кривой и прямой (обычно осью), или, когда кривая полностью окружает точку, как в случае со спиралями, — площадь, ограниченную кривой. Как это делали древние, данная площадь выражается построением прямоугольника, площадь которого равна искомой площади, то есть нахождением произведения двух рациональных чисел а и b, образующих стороны прямоугольника. Действительно, во многих случаях они получали несколько прямоугольников, площади которых в сумме давали искомую площадь.

Вскоре греки столкнулись с очень сложной задачей. Речь шла о нахождении квадратуры самой элементарной фигуры — круга. И сколько бы усилий ни прилагали греки, им не удалось построить прямоугольник с рациональными сторонами, который имел бы такую же площадь. Причина их неудачи была найдена только в XIX веке: число π, с помощью которого обязательно выражается площадь круга, не может быть выражено не только в рациональном виде, но даже в качестве результата алгебраического уравнения. Сегодня такие числа называются трансцендентными, и они относятся к иррациональным числам.

Сложность квадрирования некоторых кривых не ускользнула от Ферма, но, как мы уже сказали, его аналитическая геометрия порождала бесконечное число кривых. В частности, кривые конических сечений степени больше квадрата внезапно стали отлично доступными в виде уравнений. Итак, вместо того чтобы увлекаться неквадратными кривыми, такими как круг, Ферма применил свой метод к кривым высшей степени. Убежденность ученого в том, что эти кривые идеально определяются его уравнением, постепенно привела Ферма к тому, чтобы не беспокоиться об их геометрическом представлении. В письмах и трактатах он каждый раз все более демонстративно забывал о графике кривой и сосредотачивался на алгебраических действиях. Как всегда, Ферма начал свою работу на основе трудов греческого ученого. В этот раз это был не Аполлоний и не Диофант, а Архимед. Окончательные работы Ферма на эту тему были опубликованы его сыном Клеманом-Самюэлем после его смерти, и хотя они не были поняты людьми уровня Гюйгенса, автора уже не было в живых, чтобы, как это было в случае с Декартом, прояснить то, что он хотел сказать.

Иллюстрация метода исчерпывания, при котором площадь под кривой находится между большей и меньшей площадями.

Возвращаясь к раннему времени его переписки с Мерсенном и Робервалем, в 1636 году, мы видим, что Ферма был занят трактатом Архимеда о спиралях, в котором тот нашел квадратуру спирали, носящей его имя. Ферма распространил этот метод на другие спирали, например на ту, которую он нашел при решении задачи Галилея, упомянутой нами ранее. Ферма бросил вызов Робервалю, предлагая ему найти квадратуру кубической параболы, графика кубической функции: у³ - kx, которую он рассматривал впервые и которая была очень похожа на параболу. Роберваль ответил сразу же. У него уже был метод, подобный методу Ферма, основанный на теореме о сумме степеней целых чисел, найденной тулузцем в ходе исследований по теории чисел, и старом "методе исчерпывания", изобретенном Евдоксом и примененном Архимедом. Он состоит в том, чтобы определить искомую площадь между двумя суммами (см. рисунок). Одна из этих сумм — сумма прямоугольников, подобных DEFG (описанных), большая, чем реальная площадь под кривой, другая — сумма площадей прямоугольников, подобных HIFG (вписанных), меньшая, чем искомая площадь. Очевидно, что реальная площадь находится между этими двумя суммами. Метод исчерпывания состоял в том, чтобы предложить площадь и обосновать методом двойного доказательства от противного, что она является единственной площадью, величина которой находится между этими двумя суммами; это может быть только реальная площадь.

Метод Ферма и Роберваля не работал для некоторых кривых, как они оба быстро убедились. Казалось, Ферма перестал интересоваться данной темой. Но в 1658 году он практически сразу же ответил на недавнюю работу Уоллиса о квадратурах, распространив собственный трактат, который он явно вынашивал в течение многих лет.

В "Трактате о квадратурах" Ферма показывал, как далеко он зашел. Теперь его метод был применим ко всем гиперболам степени больше двух, которые не поддались ему за 20 лет до этого. Он произвел радикальные изменения. Там, где Архимед (и что присутствовало в ранних методах самого Ферма и Роберваля) искал конечные суммы, Ферма теперь допускал возможность бесконечной суммы прямоугольников на оси абсцисс. Это был единственный способ проанализировать площадь под гиперболой, поскольку альтернатива заключалась не в бесконечном числе прямоугольников, а в конечном числе прямоугольников с бесконечной площадью. Прямоугольник с бесконечной площадью при сложении с другими прямоугольниками дает бесконечную площадь. Наоборот, бесконечное число прямоугольников может в некоторых условиях дать конечную площадь. Но, кроме того, метод Ферма отличался от метода исчерпывания тем существенным обстоятельством, что уже больше не было необходимости определять площадь между двумя суммами. Математик приравнивал верхнюю сторону каждого прямоугольника к очень маленькому отрезку гиперболы. Чем меньше был отрезок, тем точнее было это равенство и, следовательно, площадь под отрезком кривой была ближе к площади соответствующего прямоугольника. Разница тончайшая, но основополагающая.

Она была такой тонкой, что Ферма даже не осознал, насколько важным было изменение. Его понятие приравнивания изменилось: речь уже шла не о том, чтобы приравнять любые конечные величины. Ферма открыл бесконечно малые. Однако он был уверен, что продолжает традицию Архимеда. Ученый не понял, насколько большой концептуальный скачок он сделал, и теперь его греческие учителя, вызывавшие у него восхищение, уже не могли идти за ним по этой неисследованной дороге. Снова, не осознавая этого, Ферма хоронил традицию, которую так уважал. Действительно, квадратура кривых — это операция, которую мы сегодня называем интегрированием, хотя, как и в случае с касательными, Ферма не смог увидеть, что площадь под кривой тоже выражена уравнением.

Иллюстрация метода спрямления кривых Ферма.

СПРЯМЛЕНИЕ

Если "квадрировать" означает найти площадь прямоугольника, равную площади другой фигуры, образованной кривой, то "спрямить" означает найти прямую линию, по длине равную длине кривой линии. Задача опять восходит к грекам.

Аристотель утверждал, что невозможно найти прямую линию, равную по длине кривой линии. Его авторитет был так велик, что даже в XVII веке большинство математиков были согласны с ним, несмотря на то что уже удалось сделать некоторые спрямления, в частности Архимеду. Следуя за этим выдающимся математиком, Ферма был убежден в возможности спрямления кривых. Его работа на данную тему — единственный случай, когда трактат Ферма был опубликован в печатном виде при жизни автора, в качестве приложения к работе его друга, тулузского иезуита Антуана де Лалувера (1600-1664), в 1660 году. Однако ее опубликовали анонимно. Ее автора можно было определить только по инициалам, которые не соответствовали инициалам Ферма. Последователи Декарта, подражая учителю, пребывали в уверенности, что Аристотель был прав. Ферма в своем трактате решил доказать, что картезианцы ошибаются.

МЕТОДИКА ДВУХ ПОЗДНИХ ТРАКТАТОВ ФЕРМА

В ·Трактате о квадратурах" используется значительная часть прежних открытий Ферма: его метод максимумов и минимумов, который помогает разделить кривую на отрезки, монотонно возрастающие или убывающие; аналитическая геометрия, позволяющая осуществлять действия с этими отрезками; и, конечно же, прием приравнивания. Как и можно было ожидать, у него получился аналитический трактат. Наоборот, ‘Трактат о спрямлении" методически очень отличается от всего, что Ферма написал к тому времени. Действительно, тулузец отдалился от своего аналитического метода и применил греческий синтетический метод, которым пользовались такие классики, как Евклид. При этом его аналитическое рассуждение оказалось скрыто. Почему он так сделал — загадка, но, возможно, это было связано с традициями. Трудоемкость, которую предполагало написание подобной работы, сравнимая с работой Ньютона в ‘Началах", в свою очередь, могла бы объяснить, почему он не пользовался этим подходом ни в каком другом своем труде.

В "Трактате о спрямлении" Ферма в ясном виде приравнивает заданный касательный к кривой отрезок DE к дуге FE (см. рисунок). Для приравнивания данный отрезок обязательно должен быть произвольно малым. Говоря в общих чертах, Ферма думал о кривой как о линии, образованной огромным числом очень маленьких прямолинейных отрезков, каждый из которых является касательным к кривой. Сумма длин этих бесконечно малых отрезков дает длину кривой (спрямление).

Следующим шагом было нахождение суммы длин таких отрезков, и здесь Ферма использовал прием, именуемый сегодня "изменением переменной". Это был гениальный скачок: изменение переменной определяло обычную параболу (второй степени), квадратура которой равна значению разыскиваемой нами суммы. Другими словами, Ферма превратил проблему спрямления в проблему квадратуры, уже известную и решенную им самим. Не довольствуясь достигнутым, он определил бесконечное семейство кривых, основанных на обобщенной параболе, и доказал, что если она спрямляема, то и все остальные тоже. Он сделал это, доказав, что всегда можно построить обычную параболу, которую мы только что упомянули. Ему не только удалось спрямить кривую; он доказал, что число спрямляемых кривых бесконечно.

Но именно этот шаг сведения спрямления к квадратуре снова помешал Ферма увидеть, что результат его спрямления является еще одним уравнением. Он даже не осознал, что почти дотрагивается до основных принципов анализа. Ему удалось начать думать о бесконечно малых, что было важным шагом в открытии анализа, но это не только не привело Ферма к пересмотру своей работы о касательных и максимумах, но он также не смог истолковать свои результаты как уравнения: он думал о подкасательных и площадях.

Годами позже (и частично благодаря работам Ферма) Лейбниц и Ньютон независимо пришли к основным идеям анализа: использованию бесконечно малых и основополагающей идее того, что операция вычисления углового коэффициента касательной к кривой, заданной уравнением А, дает в результате уравнение В, а операция нахождения квадратуры кривой В дает в результате уравнение А. Другими словами, нахождение угловых коэффициентов и квадратур, дифференцирование и интегрирование являются обратными операциями, как сложение и вычитание. Это основная теорема анализа.

Как стало возможным, что Ферма не понял, насколько важное открытие находится рядом? Это ужасно досадно. Так же как и рыцарь Персеваль, Ферма увидел Святой Грааль, но не смог узнать его, что лишило его лавров первооткрывателя. В любом случае, великое открытие, которое удалось сделать Лейбницу и Ньютону, — еще один пример чудесных мостов между внешне непохожими проблемами. С подобным, как мы видели, столкнулись Ферма и Декарт при создании аналитической геометрии, а также Танияма, Симура и Уайлс при работе над гипотезой, которая носит имя первых двух.

И здесь мы почти закончили нашу историю.

ГЛАВА 6 Вероятность и принцип Ферма

Вклад Ферма в математику не исчерпывается большими областями, о которых мы говорили до этого момента, — теорией чисел, а также аналитической геометрией и анализом. Наряду с Паскалем он также стоял у истоков теории вероятностей. Свои же последние годы ученый посвятил полемике с Декартом вокруг оптики.

Говорить о "законах случая", на первый взгляд, нелепо. Как случай, который по определению непредсказуем, может иметь законы? Если сегодня, в разгаре XXI века, это понятие кажется нам удивительным, то во времена Ферма оно было невообразимым. Но такие законы существуют, и Ферма сыграл важную роль в их изучении по инициативе Блеза Паскаля.

Как обычно, все началось с одной задачи. Блез Паскаль, отец которого был одним из парижских корреспондентов Ферма, членом кружка Мерсенна, обратился к Ферма в 1654 году. Он напомнил тому о дружбе с его покойным родителем и поставил перед ним задачу. К тому времени Ферма в течение нескольких лет ни с кем не переписывался. Но в 1650-х годах он взялся за науку с новыми силами. Ясно, что этого немогло произойти, если бы он не работал скрыто все это время, хотя смерть Бограна, Декарта, Этьена Паскаля и особенно Мерсенна, а также его профессиональные обязанности, не говоря о чуме и бурном политическом климате Фронды, держали Ферма в глубокой изоляции, которую, наконец, пробило письмо Паскаля.

Паскаль познакомился с неким Антуаном Гомбо, шевалье де Мере, настоящим шулером. На основе эмпирических наблюдений тот вывел некоторые правила того, когда следует и не следует делать ставки. Шевалье поставил перед Паскалем задачу, основанную на так называемой игре очков, в которой человек ставит на то, что сможет получить определенный результат: например, число шесть при бросках игральных костей за N попыток, скажем за восемь, как это было в примере Гомбо.

БЛЕЗ ПАСКАЛЬ

Блез Паскаль (1623-1662), родившийся в Клермоне, во Франции, был гением. В 12 лет юноша представил своему отцу Этьену доказательство того, что сумма углов любого треугольника равна 180°. То есть он доказал одну из основных теорем •Начал· Евклида — книги, о которой мальчик не знал... Впечатленный Этьен лично занялся его образованием. В юношеском возрасте Блез создал механическую вычислительную машину с целью помочь своему отцу в утомительных расчетах, связанных со службой. Когда Этьен получил травму, Блез нанял для ухода за ним двух молодых людей, исповедовавших янсенизм — течение в католической церкви, которому противостояли иезуиты. Ученый обратился в янсенизм, отдавшись крайне суровой религиозной практике, но через некоторое время вернулся к своим исследованиям. Блез Паскаль осуществил важные исследования в области гидростатики и конических сечений, но тем не менее продолжал уделять внимание религии. Его самым известным открытием является треугольник, носящий его имя.

Суть в том, что делается ставка определенного размера, а затем бросают кости либо до тех пор, пока не будут использованы все восемь бросков, а шестерка не выпадет (что означает проигрыш), либо пока не выпадет шестерка, в случае чего бросающий кости выигрывает. Вопрос, который Гомбо задал Паскалю, был следующим: что произойдет, если прервать игру до окончания, скажем после трех бросков? Как разделить ставки между игроками? Каким образом справедливо разрешить спор? Паскаль изложил эту задачу и другие подобные ей в письме, которое не сохранилось. Однако мы знаем ответ Ферма.

Как Ферма, так и Паскалю было ясно, что нужно вычислить количество возможных случаев, с одной стороны, и количество благоприятных случаев для одного игрока, с другой (остальные случаи благоприятны для второго игрока). Затем надо разделить второе число на первое — сегодня это известно как вероятность, хотя тогда никто не пользовался таким термином. Наконец, данную вероятность требуется умножить на сумму ставки. Полученный результат сегодня называется ожидаемым значением.

Основной принцип, который сразу же приняли оба ученых, — события независимы друг от друга. Вероятность получения шестерки при пятой попытке независима от того, что произошло до этого момента. Их вывод кажется тривиальным, если знать теорию вероятностей, но вспомним, что существуют миллионы людей в мире, полагающие, что выигрышный номер рождественской лотереи будет заканчиваться на цифру 4, потому что она давно не выпадала и "уже пора".

Паскаль нашел значение для четвертой попытки: то, каким должен быть справедливый способ распределения выигрыша после трех неудачных попыток, предполагая, что оба игрока рассматривают альтернативу остановить игру или бросить кости в четвертый раз. Следует отметить, что здесь речь идет не об оригинальной задаче Гомбо; она ограничивается только одним броском после трех неудачных. Паскаль нашел, что если не осуществлять бросок, то игрок, который бросает кости, должен получить 125/1296 от исходной ставки (около 10%) — результат сложения всех вероятностей того, что он мог выиграть при первом броске, при втором и при третьем, то есть в прошлом. В соответствии с этим игрок, который бросает кости, имеет право примерно на 10% ставки.

Но Ферма заявил, что он неправ: "Если мой оппонент предложит мне 10%, чтобы я больше не бросал кости, было бы ошибкой соглашаться на них". Вероятность получения шестерки за еще один бросок та же самая, что и при любом другом броске: 1/6, около 17%. Паскаль увидел свою ошибку и согласился с решением Ферма: прошлое не важно. Единственное, что имеет значение для вычисления вероятности,— это будущее.

Но далее Паскаль озвучил несколько сомнений. Во-первых, он попытался упростить проблему, сведя ее к игре с монетами (орел или решка) так, чтобы шансы были равны для обоих игроков. На основе этого, воспользовавшись рекурсивным методом, алгебра которого довольно сложна, он предложил решение полной проблемы. Здесь он рассматривал уже не только четвертый бросок, но также и оставшиеся возможности: выигрыш участника на пятом, шестом, седьмом или восьмом броске или проигрыш после всех них.

Ферма ответил, что анализ Паскаля верен, но предложил намного более простой метод. Вместо сложного алгебраического ответа Паскаля тулузец просто осуществил пересчет возможных случаев и выбрал среди них благоприятные. Однако на основе невероятной догадки (поскольку ни он, ни Паскаль не делали никаких эмпирических усилий для подтверждения своих результатов) он сделал нечто очень любопытное: Ферма не остановился на ситуации выигрыша бросающего, а рассмотрел случаи, когда он выиграет на бросках с пятого по седьмой, если партия продолжится.

Согласно Ферма, нужно было рассмотреть все эти случаи, чтобы правильно вычислить вероятность. Только таким образом можно быть уверенным в том, что правильно вычислены все возможные и все благоприятные случаи. Он был прав, но ни Паскаль, ни многие из тех, кому стало известно это рассуждение (в частности, Роберваль), сначала не понимал его. Почему нужно продолжать игру, когда один из игроков уже выиграл? Было абсурдным рассматривать данные случаи, поскольку в настоящей игре действие останавливается, как только кто-то выигрывает, так же как останавливается партия в теннис, когда один из спортсменов выигрывает три из пяти сетов. "Это правда,— комментировал Паскаль в своем ответе,— что два человека могут продолжать игру после того, как один из них выиграл, и что, по логике, остальные броски не изменят результат. Но что произойдет, если их будет три или больше?"

Представим себе, что есть три человека, у которых равная вероятность выигрыша. Если один из них выиграл, скажем, с четвертой попытки, ему невыгодно продолжать игру, поскольку другой сможет сыграть с ним вничью. Такого не происходит с двумя игроками, но может произойти с тремя или более. Паскаль спросил у Ферма: "Как же тогда можно утверждать, что нужно учитывать все случаи до завершения всех восьми бросков?" Не рассматривал ли Ферма не очень реалистичный пример?

ТРЕУГОЛЬНИК ПАСКАЛЯ

Хотя Паскаль и не открыл этот треугольник, зато он был первым на Западе, кто глубоко исследовал его. До него индийские, персидские, китайские и западные математики изучали некоторые аспекты этой любопытной структуры. Самое элементарное свойство треугольника в том, что каждое составляющее его число равно сумме двух чисел, расположенных над ним. Из такого простого свойства вытекает огромное количество результатов.

Например, двучлен, возведенный в степень η - 1, будет иметь для каждого из его членов коэффициенты, соответствующие ряду треугольника, определяемого п. Так:

(a + b)⁰ = 1

(a + b)¹ = 1 · а + 1 · b

(a + b)² = 1 · а² + 2ab + 1 · b²

(a + b)³ = 1 · а³ + 3a²b + 3ab² + 1 · b²

(a + b)⁴ = 1 · а⁴ + 4а³b + 6а²b² + 4аb³ + 1 · b³.

Другое непосредственное применение треугольника — вычисление сочетаний. Клетка k в ряду n (при нумерации с 0) соответствует всем способам выбрать k элементов из n, если порядок не имеет значения.

Например, если у нас есть четыре элемента и мы хотим выбрать два из них, при этом порядок не имеет значения, мы можем сделать это шестью способами:

Именно эту формулу использовал Паскаль для вычисления вероятностей в игре.

  

СПОР ПАСКАЛЯ

Любопытно, что Паскаль использовал теорию вероятностей в одной из своих самых важных теологических работ. Французский математик был католическим мыслителем, испытавшим влияние янсенизма. В знаменитых "Мыслях"— книге, которую он начал писать вскоре после смерти своего отца, но так и не закончил,— Паскаль говорит о вере в Бога в утилитарной форме, как о споре. Если не верить в Него, но Он на самом деле существует, мы будем вечно прокляты: следовательно, рационально верить. Даже если мы не уверены, ожидаемое значение (вечное спасение) в бесконечное число раз больше, если мы будем верить, чем если мы не будем верить (в таком случае — вечное проклятие). Этот аргумент критиковали несколько философов, но здесь важно оценить, как математическая мысль проникла в философию Паскаля.

Паскаль не только поставил этот вопрос. Он ответил самому себе, пользуясь своим треугольником для вычисления всех возможных сочетаний. Полученный им ответ, как ему показалось, не был правильным, и он решил найти парадокс в методе Ферма. На его письмо, самое сложное из написанных Паскалем, датированное 24 августа 1654 году, Ферма ответил очень кратко.

Ошибка Паскаля была очевидной для тулузского судьи: он забыл, что даже если учесть все сочетания, поскольку предполагается, что игра будет продолжаться до конца, то целью является только рассмотрение всех возможных случаев. Благоприятными случаями, например для игрока А, можно назвать только те, в которых А выигрывает, даже если В и С сыграют с ним потом вничью. Ничья не имеет значения, так как А уже выиграл. Как будто футбольный матч закончился 2:1, но игроки договорились, чтобы развлечься, продолжить играть еще немного. Официальный результат, независимо от того, будет ли потом ничья, останется 2:1. Другими словами, следует учитывать порядок, в котором встречаются благоприятные случаи. Если вычислить благоприятные случаи, учитывая порядок, парадокс исчезает.

Паскаль принял объяснение Ферма и счел проблему решенной. Ни Паскаль, ни Ферма больше не возвращались к теории вероятностей. В любом случае, из этой короткой переписки возникли важнейшие основополагающие идеи для последующего развития теории вероятностей, которое продолжили сначала Христиан Гюйгенс, а затем гениальная семья Бернулли.

Поправку Ферма, касающуюся пространства элементарных событий, сложно представить себе интуитивно и понять. Рассмотрим это на примере. Представим себе: некий человек говорит, что у него двое детей, из которых один мальчик. Какова вероятность того, что его другой ребенок тоже мальчик? Большая часть людей ответит: 50 %. Но это неверно. Существует четыре возможности в пространстве элементарных событий, которые мы можем записать в следующем виде: МД, ММ, ДМ, ДД. Ясно, что четвертая возможность исключается из-за предоставленной нам информации. Но остаются три, а не две равновероятные возможности. Следовательно, вероятность того, что другой ребенок окажется мальчиком, равна 1/3.

Паскаль и Ферма установили способ рассуждения о будущем. Оно непредсказуемо полностью от события к событию, зато предсказуемо в целом, когда подобные события повторяются достаточное число раз. Это стало удивительным откровением, будущую судьбу которого едва ли можно было тогда предвидеть.

В обращении к Академии Мерсенна Паскаль говорил о своих математических работах, закончив перепиской, которую он поддерживал с Ферма. Он уверял, что они оба получили нечто парадоксальное: 

"Так, соединив строгость доказательств науки с неопределенностью случая и примирив между собой эти две внешне противоположные вещи, можно справедливо объединить их названия в удивительный заголовок: "геометрия случая". 

Итак, на тот момент Паскаль уже полностью осознавал это достижение: оказалось, что случай, как правило, распределяется "справедливо" (выражаясь его несколько теологическими словами) и это распределение можно выразить "математически". А когда Паскаль говорит о геометрии, на самом деле он имеет в виду математику в целом. К сожалению, Паскаль был уже серьезно болен в то время, когда развивалась его переписка с Ферма. В одном из писем он сообщал тулузцу, что лежит в постели и что он получил его письмо, но не смог прочесть. Почти точно известно, что у Блеза Паскаля был рак желудка, который и убил его. Паскаль был нездоров уже с 20 лет, страдал от ужасных головных болей и медленно угасал.

Через шесть лет после их краткой переписки, в 1660 году, зная, что Паскаль уехал из Парижа в родной город Клермон на лечение, Ферма предложил ему личную встречу. К тому времени у тулузца тоже не было сил предпринять путешествие, и он предложил Паскалю промежуточное место. Но Паскаль ответил, что это невозможно. Он также сказал Ферма, что ему было бы очень приятно познакомиться с ним лично, не из-за математики (геометрии, как он говорил), ради которой он уже не сделал бы и пары шагов, а из-за удовольствия побеседовать с человеком, которым так восхищался. Называя Ферма "главным геометром Европы", он в то же время выражал безразличие к этому занятию, убеждая героя нашей книги в том, что качества его души ценнее всего его математического знания. Теолог выиграл партию у ученого в сердце больного Паскаля.

Как бы то ни было, Паскаль сообщил Ферма, что его целью было вернуться в Париж как можно более комфортным способом: по каналам. Можно догадаться, что из-за болей он не мог даже представить себе, как залезть в дилижанс. Паскаль умер в 39 лет настоящим аскетом, каким он был всю свою жизнь. Религиозность убедила его в том, что страдания являются естественным состоянием человека, и он принял свой крест с мужеством и стоицизмом. Паскаль видел, как янсенизм, который он так защищал, был объявлен ересью и, следовательно, начал подавляться королем. Он написал последнюю работу в защиту своих идей и скончался 18 августа 1662 года. Ферма остался один. Теоретически его учеником мог стать Христиан Гюйгенс, но голландец, хотя и признавал гений тулузского ученого, был неспособен понять его. Великому математику XVII века так и не удалось создать школу.

ОПТИКА И ПРИНЦИП ФЕРМА

Вспомним, что полемика с Декартом началась с замечаний Ферма о "Диоптрике", одном из приложений к "Рассуждению о методе". В предыдущей главе мы не очень глубоко рассматривали аргументы Ферма, поскольку именно на эту тему они практически не спорили. Их полемика быстро перешла на методы максимумов и минимумов и построения касательных.

Но ближе к концу жизни, когда Декарт уже восемь лет как был мертв, Ферма снова вернулся к этому разговору.

Мне бы очень хотелось знать, что он [Ферма] ответит как на письмо, которое я прилагаю к этому, так и на предыдущее, в котором я ответил на его выпад против моей "Диоптрики". Я написал оба эти письма для того, чтобы он их прочитал, если Вы окажете мне эту любезность".

Декарт в письме Мерсенну 18 января 1638 года

Пьер де Ферма был, в первую очередь, математиком. Ученый проявлял лишь незначительный интерес к физике, к тому, что тогда называлось "натурфилософией". Он ограничился некоторыми комментариями в защиту идей по геостатике его друга Бограна и знаменитой полемикой с Декартом по оптике. Ферма не сам вступил в эту полемику. Он подумал, будто Мерсенн и Богран просят его прокомментировать работу Декарта, и сделал это с наилучшими намерениями, не осознавая, что его поступок приведет к вражде с философом.

Возражения Ферма в 1637 году, когда его переписка с Мерсенном только начиналась, носили в основном философский характер. Математик был убежденным сторонником эмпиризма, с которым он ознакомился благодаря Фрэнсису Бэкону.

Он считал, что истину в физических науках можно найти только посредством эксперимента, как это делал Галилео Галилей. Декарт же, согласно Ферма, отступал на шаг назад, пользуясь рациональным, полностью аристотелевским методом для того, чтобы попытаться дойти до истин, связанных с природой.

На первую критику Ферма "Диоптрики" повлиял и еще один момент. Декарт не стал публиковать одно из приложений к своей работе, "Трактат о свете", в котором он объяснял свои физические воззрения, из-за страха перед инквизицией. Не так давно был осужден Галилей, а Декарт так же, как и Галилей, был сторонником гелиоцентрической системы. Поэтому Декарт воздержался от публикации и лишил "Диоптрику" физического обоснования, оставив ее простым математическим трактатом. Следовательно, Ферма не мог узнать о физических идеях Декарта. Он был знаком только с его общей рациональной методикой. И математические принципы "Диоптрики" представились ему произвольными, не имеющими никаких оснований.

Далее посмотрим на то, чего Ферма не знал. Свет для Декарта — это импульс, который передается посредством столкновения между очень легкими частицами, такими как бильярдные шарики (практически вся декартова физика основывается на столкновениях). В качестве сравнения Декарт говорил о трости слепого, которая, сталкиваясь с чем-нибудь, передает импульс от этого удара руке слепого. Свет поступает с глазом подобным образом, а трость — это последовательность частиц, сталкивающихся друг с другом. Кроме того, их перемещение мгновенно.

ОТРАЖЕНИЕ И ПРЕЛОМЛЕНИЕ

Зеркальное отражение (рисунок 1) происходит, когда свет полностью или частично отражается отражающей поверхностью, такой как металл или лужа воды. Как мы сегодня знаем (хотя это считалось спорным в XVII веке), в законе отражения света говорится следующее.

1. Падающий луч РО, отраженный луч OQ и нормаль находятся в одной и той же плоскости, и эта плоскость перпендикулярна поверхности.

2. θ_i =θ_r.

З. РО и OQ находятся с противоположных сторон от нормали.

Преломление (рисунок 2) наблюдается, когда свет переходит из прозрачной среды некоторой плотности в среду с другой плотностью. Все мы сталкивались с ситуацией, когда ложка, частично опущенная в воду, кажется "сломанной". В законе преломления, известном как закон Снелла, говорится, что синус угла между падающим лучом и нормалью так относится к синусу угла между нормалью и преломленным лучом, как соответствующие скорости и обратные показатели преломления друг к другу:

sinθ₁/sinθ₂ = v₁/v₂ = n₁/n₂

РИС. 1

РИС . 2

Декарт продолжал рассуждать о том, что импульс, поскольку это "сила" (декартова сила — не то же самое, что ньютоновская, к которой мы привыкли), может быть разложен на векторы. На основе этого он выводил законы отражения: для него они были подобны удару бильярдного шарика о неподвижную стену (как можно заметить, такой удар имеет сходство с отражением света: угол, под которым шар ударяется о стену, равен углу, под которым он отскакивает от нее). В очень спорном виде Декарт вывел закон преломления (то, что мы сегодня знаем как закон Снелла) из гипотезы о том, что при изменении среды на более плотную свету нужно затрачивать больше усилий для перемещения.

У модели Декарта была одна проблема: во вселенной бильярдных шаров при изменении среды, например при проникновении через очень тонкую ткань, угол между траекторией шара и нормалью к границе сред увеличивается. В оптике же, наоборот, наблюдается уменьшение угла. Для устранения данного противоречия Декарт придумал физическую уловку: объяснение специально для этого случая, не имеющее никакой основы. Оно имеет смысл, только если известны принципы декартовой физики. Обоснование теории света Декарта находится в его физике, а не в его математике.

Ферма был не в курсе, что ему нужно знать декартову физику для понимания "Диоптрики". В свою очередь ни Декарт, ни его последователи не знали, что Ферма не знаком с декартовой физикой. Они думали, что Ферма просто не понимает ее. Тулузский ученый, в свою очередь, считал неоправданными выводы Декарта. Он снова погрузился в бессмысленный спор, один из тех споров, в которых Ферма часто участвовал в течение своей жизни. Возможно, декартова физика вызвала бы у Ферма протест, поскольку Декарт ошибался, когда сводил все к столкновениям между частицами.

Полемика в тот раз завершилась достаточно быстро. Но в 1658 году Клод Клерселье связался с Ферма, чтобы проконсультироваться у него по поводу этого спора, поскольку он готовился издавать письма Декарта. Клерселье только поинтересовался, были ли еще письма Ферма, кроме тех двух, что он нашел, но тот ответил длинным письмом, в котором, к возражениям, выдвинутым в 1637 году, добавил новые. К своему удивлению Клерселье увидел, что Ферма хочет возобновить полемику.

Памятная марка, посвященная Великой теореме Ферма.

Нидерландский математик Христиан Гюйгенс был одним из пионеров в разработке теории вероятностей.

Монастырь августинцев в Тулузе, где Ферма перезахоронили через десять лет после его смерти.

В то время Декарт уже умер, но неприятие Ферма человека, который презрел его и попытался запятнать его репутацию, не прошло. Также возможно, что в этот период Ферма, огорченный многочисленными неудачными попытками заинтересовать современников теорией чисел, считал, что атаки Декарта способствуют формированию такого отношения к его работам. Его характер, сначала уступчивый в споре, испортился. Как бы то ни было, Клерселье и другой французский математик, Жакоб Ро, ответили, защищая Декарта. Ферма не сдался и настаивал на своем, и эта новая полемика длилась четыре года. Отсутствие интереса, которое ученый продемонстрировал в 1637 году из-за того, что спор был связан с вопросами физики, полностью исчезло: он был готов к битве.

Так сложилось, что Ферма в силу своей профессии был в постоянном контакте с Мареном Кюро де ла Шамбром, секретарем канцлера Сегье. С ним ученый, который в то время был представителем парламента, должен был вести официальные дела. У Кюро де ла Шамбра также были научные интересы, и он на тот момент недавно, а именно в 1657 году, опубликовал книгу по оптике под названием "Свет", посвященную кардиналу Мазарини. Кюро послал экземпляр Ферма, ученый прочитал его и ответил, выразив свое согласие с Кюро и радость от того, что его работа "заставит месье Декарта и всех его друзей перейти от наступления к обороне".

Кюро постулировал физический принцип, известный со времен античности: "Природа всегда выбирает самый короткий путь". Данный принцип был сформулирован отдельно для случаев отражения Героном Александрийским (ок. 10-70). Кюро, согласный с Героном, ограничивал этот принцип отражением. Ферма, наоборот, обобщал его до преломления, добавив гипотезу того, что отношение между сопротивлением при переходе света от одной среды к другой определяет самую короткую траекторию. Как и обычно, он не доказал то, что утверждал.

Детальный анализ рассуждений Ферма показывает, что он не вычислял самый короткий путь. На самом деле он вычислял самое короткое время. Ферма изменил принцип Герона: он измерял не расстояния, а время. Тогда почему тулузский ученый попытался замаскировать свое рассуждение, основывая его на авторитете греческого математика? С одной стороны, он изменил своему эмпирическому убеждению. Принцип Ферма, как его называют сейчас, был в то время в большей степени аксиоматическим постулатом, чем эмпирическим результатом. Ферма для борьбы с Декартом принял его понятия: математизация природы и отказ от эмпиризма, рассуждения на основе постулатов, как будто физика — это ветвь математики.

Но, что самое важное, Ферма прибегнул к авторитетному принципу и замаскировал свой настоящий метод. Ясно почему: как Кюро, так и Декарт думали, что свет распространяется мгновенно, то есть, выражаясь иначе, что его скорость бесконечна. Но для того чтобы говорить о времени, которое затрачивает свет на пересечение заданной среды, нужно предположить, что скорость света конечна. Без сомнения, Ферма хотел избежать этой полемики, в которой у него не было прочных аргументов, и он пообещал прислать Кюро доказательство закона преломления, основанное на этом принципе. Четыре года спустя он все еще не выполнил своего обещания. Кюро умолял его взяться за работу, но Ферма отвечал, что у него нет времени осуществлять необходимые сложные вычисления. Однако в конце концов тулузский математик согласился и вывел закон преломления из принципа, носящего его имя, пользуясь методом максимумов и минимумов.

Удивительно, как у Ферма темы повторяются снова и снова. С другой стороны, это логично: принцип Ферма является примером того, что в физике известно как экстремальные принципы, которые требуют вычисления максимума или минимума, в данном случае минимального времени. Формулирование механики или оптики в терминах этих принципов имеет огромное значение. В механике, например, экстремальные принципы более существенны, чем законы Ньютона, и имеют более широкое применение: принцип наименьшего действия справедлив как для ньютоновской механики, так и для релятивизма или квантовой механики; меняется только детальное определение того, что нужно минимизировать. Следовательно, Ферма снова применил подход, имевший огромное будущее.

В любом случае, герою нашей книги удалось вывести закон преломления на основе своего принципа, который на этот раз действительно был постулатом в открытом виде. И к его огромному удивлению это оказался тот же самый закон, который получил Декарт! Конечно же, вывод Ферма был намного лучше. Во-первых, он основывался на очень элегантном и простом принципе, который, как мы сейчас знаем, имеет всеобщее применение в оптике, и при этом нет необходимости строить гипотезы о природе света (только о конечности его скорости). Во-вторых, не нужно строить гипотезы специально для этого случая. Он естественным образом выводится из самого принципа.

Ферма был счастлив. Он надеялся, что теперь картезианцы увидят подтверждение закона преломления, который, в свою очередь, был выведен гораздо более убедительно, чем у Декарта. Однако снова находчивость нашего героя обманула его ожидания. Строгие картезианцы, такие как Клерселье, не могли уступить и бросить своего учителя. Полемика продолжилась, на этот раз сосредоточившись на выводе Ферма.

Есть некая ирония в том, что последнее известное письмо Ферма на научную тему, увидевшее свет в 1662 году, было создано им для защиты своего вывода. И это при том, что он выказывал так мало интереса в течение всей карьеры к математической физике. Мы знаем, по его последнему письму Паскалю, что уже с 1660 года Ферма чувствовал себя больным и не был в силах совершить поездку в Клермон. В следующем году он сделал распоряжения о том, чтобы его сын Клеман-Самюэль унаследовал его должности. Ученый чувствовал, что приближается конец.

Начиная с 1662 года о жизни Ферма, его последних годах, известно немного, и то благодаря его профессиональной деятельности. В 1663 году губернатор Лангедока, Везен де Безон, написал Кольберу письмо, в котором характеризовал советников парламента Тулузы, называя Ферма большим эрудитом, политически безобидным и даже несколько неуклюжим в профессиональных вопросах. Ни Сегье до этого, ни Кольберу не стоило бояться наивного судьи, ученого, который отдыхал среди математических истин, убегая от политики.

Но судья продолжал работать. Его чувство долга было исключительным. Как уже было сказано, оно часто мешало герою этой книги следовать своему желанию и посвящать математике больше времени. Он продиктовал свой последний судебный акт 9 января 1665 года. Всего лишь через три дня Пьер де Ферма умер в Кастре — городе, с которым так тесно была связана его профессиональная карьера, — и был похоронен без почестей на местном кладбище. Хвалебная речь в честь него была опубликована, вероятно, Пьером де Каркави в "Журналь дэ саван" (Journal des Savants) 9 февраля 1665 года. В ней он выражал озабоченность тем, чтобы разрозненные труды Ферма были изданы в одном произведении и мир увидел бы его гениальность: 

"С большой грустью мы узнали о смерти месье де Ферма, советника парламента Тулузы. Это был один из самых блестящих умов этого века, универсальный гений такого высокого уровня, что если бы ученые не были свидетелями его необычайного таланта, мы едва поверили бы всему, что он сделал, и могли бы преуменьшить его похвалу". 

Любовь сына Клемана-Самюэля, который терпеливо собирал труды отца, была первым шагом к сохранению его наследия. Также Жак де Билли и Джон Уоллис, каждый по отдельности, опубликовали фрагменты из работы Ферма. Однако этого было недостаточно; важные письма, находившиеся у Каркави (которые он по необъяснимым причинам не предоставил наследнику) и у многих других корреспондентов, были опубликованы очень поздно. Письма Ферма неизбежно терялись по мере того, как умирали адресаты. Только в XIX веке один библиофил объявил, что купил значительную часть рукописей Ферма в Меце. Из-за революционных событий 1848 года коллекция снова затерялась. Но между 1879 и 1891 годами Шарль Анри и Поль Таннери провели титаническую работу по восстановлению работ ученого на основе опубликованных сочинений и частных коллекций. Благодаря им его наследие дошло до нас.

Ферма был перезахоронен в знаменитой и прекрасной церкви августинцев в Тулузе через десять лет после смерти. Там один из самых блестящих умов всех времен покоился в течение более 100 лет — до тех пор, пока в период Французской революции его останки не были утеряны.

Список рекомендуемой литературы

Alsina Barnes, С., La secta de los numeros: el teorema de Pitdgoras, Barcelona, RBA, 2010.

Bell, E.T., Losgrandes matemdticos, Buenos Aires, Losada, 2010.

Boyer C., Historia de la matemdtica, Madrid, Alianza Editorial, 2007.

Du Sautoy, M., La musica de los numeros primes, Barcelona, El Acantilado, 2007.

Fermat, P.; Pascal, B., La geometria del azar (la correspondencia entre Pierre de Fermat у Blaise Pascal), Basulto Santos, Jesus; Camunez Ruiz, Jose Antonio (ed.), Tres Cantos (Madrid), Nivola, 2007.

Gonzalez Urbaneja, P.M., Fermat у los origenes del cdlculo diferencial, Tres Cantos (Madrid), Nivola, 2008.

Gracian, E.: Los mimeros primes: un largo camino al infinite, Barcelona, RBA, 2010.

Mahoney, M.S., The Mathematical Career of Pierre de Fermat 1601- 65, Princeton, Nueva Jersey, Princeton University Press, 1973.

Navarro, J., Al otro lado delespejo: la simetria en matemdticos, Barcelona, RBA, 2010.

Singh, S., El enigma de Fermat, Barcelona, Planeta, 2006.

Stewart, I., Historia de las matemdticos, Madrid, Critica, 2008.

Указатель

AKS (см. также тест простоты, AKS) 78, 79

Isagoge 11, 104, 108, 109, 110, 124

Methodus 11, 116, 119-121, 123-127

RSA (шифровальный алгоритм) 76-79

Абель, Нильс Хенрик 58, 59

аль-Хорезми, Мухаммед ибн Муса 96

анализ (алгебра) 72, 97, 98, 102, 140, 150

аналитическая геометрия 10, 93, 103-111, 115, 121, 123-125, 130, 134

аналитическое исследование 11, 116, 119, 121, 123, 127

Аполлоний Пергский 9, 27, 30, 40, 95, 103-105, 107, 108, 110, 120- 122, 125, 130

арифметика 25, 84, 88, 99

"Арифметика" (Диофант) 15, 31, 46, 63, 71, 81, 85, 87

Архимед Сиракузский 8, 9, 27, 65, 128-131

Баше де Мезириак, Клод Гаспар 81, 83

Белл, Эрик Темпл 28

Бернулли (семья) 110, 143

бесконечность простых чисел 69

Богран, Жан де 11, 30, 100, 115, 124-125, 137, 146

Бойер, Карл 108

Бордо 11, 29, 30-32, 34, 35, 99, 103, 115

Браункер, Уильям 11, 87-90

Брюлар де Сен-Мартен, Пьер 11, 82-84, 116

вероятность 10, 11, 84, 139, 140, 142, 143, 149

Виет, Франсуа (Францискус Виета) 25, 29, 30, 39, 45, 82, 91, 96-106, 111, 115-117, 119, 122, 124, 128

Вольфскель, Пауль 52

Галилей, Галилео 108, 129, 145, 146

Галуа, Эварист 16, 58, 59

Гаусс, Карл Фридрих 8, 48, 49, 65, 86

Генрих IV 32

геометрическое место точек 105, 106, 108-110

"Геометрия" (Декарт) 107, 122-125, 127, 128

"Геостатика" (Богран) 124

Гедель, Курт 8

гипербола 107, 110, 130, 131

Гиппас из Метапонта 24

Гольдбах, Христиан 40, 47, 48

Гюйгенс, Христиан 11, 38, 90, 91, 130, 143, 145, 149

"Данные" (Евклид) 110

Дедекинд, Рихард 51

Дезарг, Жерар 128

Декарт, Рене 8, 11, 25, 28, 32, 34, 35, 37, 70, 91, 97, 99-102, 104-108, 111, 115, 116, 123, 132, 134, 135, 137, 145, 146-148, 150-152

Дигби, Кенельм 34, 86, 89-90

"Диоптрика" 124-126, 145, 146, 148

Диофант Александрийский 7, 9, 15, 27, 31, 39, 40, 43, 46, 63, 71, 72, 81-83, 86, 95, 96, 117, 130, 153

Дирихле, Густав Лежён 49

Евклид Александрийский 8, 9, 22, 23, 27, 39, 40, 67, 68, 70, 71, 75, 81, 95, 99, 111, 116, 133

Жермен, Софи 46, 48, 49

интегрирование 53, 131

иррациональность у/2 25

Каркави, Пьер де 35, 80, 91, 152, 153

касательная 10, 11, 116, 119, 120- 123, 126-128, 131-133, 145

Катц, Ник 62 квадратура 10, 128-133

Коммандино, Федерико 116

"Конические сечения" (Аполлоний) 111

коническое сечение 106-109, 120, 129, 138

Коши, Огюстен Луи 50, 51, 60, 62, 86, 119

круг 22, 54, 103, 104, 108, 111, 120, 122

Куммер, Эрнст Эдуард 50, 51, 59-63

Лагранж, Жозеф Луи 48, 86, 119

Лалувер, Антуан де 132

Ламе, Габриель 50, 51, 62

Лейбниц, Готфрид Вильгельм 8, 79, 110, 119, 134

Лорандьер, Клод Мартен де 88, 89

Мере, Антуан Гомбо, шевалье де 137, 138, 139

метод касательных 126, 127

квадратуры 128

максимумов и минимумов 11, 103, 116, 118, 120, 126, 133, 151

Мияока, Иоичи 60, 62, 63

Мерсенн, Марен 11, 34-38, 68-72, 74, 75, 76, 80, 82, 84, 87, 104, 115, 124-126, 129, 137, 143, 145, 152

Медон, Бернар 11, 35, 38

модулярные функции 16, 54, 55, 56

Нантский эдикт 32, 33

"Начала" (Евклид) 9, 23, 67, 71, 138

Ньютон, Исаак 8, 9, 16, 110, 119, 133, 134, 146, 152

оптика 135, 145, 148, 150, 151

ординаты 108, 109

ось координат 108, 109, 123, 129

отражение 146, 147, 150

Папп Александрийский 30, 97, 104, 107, 116, 119

парабола 105, 107, 109, 110, 111, 120, 121, 126, 127, 130, 133, 134

кубическая, или обобщенная 129, 132

Паскаль, Блез 11, 35, 38, 86-88, 91, 137, 138, 139, 140, 142, 143, 144, 152

Паскаль, Этьен 34, 70, 87, 127, 137

Пелль, Джон 11, 86-88, 90

Пифагор Самосский 18, 19, 20, 22, 23, 24, 27, 81

подкасательная 121

преломление 147, 150, 151, 152

приравнивание 117, 118, 121, 122, 127, 128, 131-133

прямоугольный треугольник 22, 24

разложение на множители 50, 51, 71, 76-78, 83

единственное 50, 51

"Рассуждения о философии" 101

Рибет, Кен 57, 63

Риман, Бернхард 8, 78

Римана гипотеза 40, 44, 78

Роберваль, Жиль де 38, 39, 104, 123, 124, 125, 127, 130, 131, 140

Симура, Горо 16, 54-58, 60, 63, 134

синкризис 117, 118

синтез (доказательство) 11, 96, 97, 98, 103, 110, 134

сочетания 70, 141, 142

спрямление 10, 11, 131-133

Танияма, Ютака 55, 60, 134

Таниямы — Симуры гипотеза 16, 53, 56-58, 63

Тарталья (Никколо Фонтана) 26

Тейлор, Ричард 62

теория вероятностей 10, 11, 84, 139, 142, 143, 149

групп 51, 57-59

Ивасавы 16, 60, 63

идеалов 50, 63

тест простоты

Миллера — Рабина 77, 78

Соловея — Штрассена 78

Ферма 76

AKS 78

тройки

пифагоровы 19, 80

Ферма 19

Тулуза 8, 11, 29-36, 72, 104, 115, 125, 149, 152, 153

Тьюринг, Алан 8

Уайлс, Эндрю 16, 17, 43, 56-63, 134

угловой коэффициент 123, 134

уравнение Пелля И, 86-91

Ферма 49-53, 90, 97

Уоллис, Джон 11, 37, 86-90, 131, 153

Фалес Милетский 20

Фальтингс, Герд 52, 53, 60, 63

Ферма, Клеман-Самюэль 32, 39, 40, 130, 152, 153

Ферма, Пьер де биография личности 28

малая теорема 11, 71, 75-80, 98

математический подход 37

Великая (Последняя) теорема 7, 8, 17-19, 40, 43, 44, 46, 48-53, 56-58, 63, 75, 80, 81, 89, 97

принцип 150, 151

судья в Тулузе 30, 137, 150, 152

уравнение 49, 52, 90, 97

Фрай, Герхард 56, 57, 63

Френикль де Бесси, Бернар 11, 72, 74, 75, 76, 83, 86, 88, 89, 90

Харди, Годфри Харолд 24, 53, 76

Хейнсиус, Николас 35, 38

числа k-совершенные, или мультисовершенные 70, 71

дружественные 69, 70

комплексные 50, 51, 54

Мерсенна 68, 74, 75, 79

натуральные 18, 19, 24, 43, 46, 51, 52, 72, 76, 81, 84

простые 43, 47, 49, 50, 51, 52, 53, 61, 67-72, 74-80, 82, 83, 86, 90

вида 4к + 183, 90

Мерсенна 68 Ферма 79

рациональные 24, 71, 72, 78, 80, 81, 128, 129

совершенные 67-70, 80 составные 72, 77, 78

целые 25, 51, 54, 130

Эйлер, Леонард 7, 8, 44, 46, 47, 49, 52, 63, 68, 75, 79, 80, 89., 90

эллипс 54, 107, 111, 126, 127

эллиптические кривые 16, 54, 55, 57

эффективность вычислений 73

Пьер де Ферма - исключительная личность в истории науки: будучи адвокатом по профессии, он посвящал математике только свободные часы. Его научное наследие по большей части сохранилось в виде писем, которыми он обменивался с другими светилами своего времени, такими как Марен Мерсенн, Блез Паскаль или Рене Декарт. Гениальность этого французского ученого, несмотря на его дилетантизм, проявилась в разнообразных областях: в теории вероятностей, математическом анализе и особенно в теории чисел, в рамках которой он выдвинул гипотезу, озадачившую самых значительных математиков на более чем три века. Историю решения задачи, известной как Великая теорема Ферма, можно назвать одной из самых красивых легенд научного мира.

Оглавление

Luis Fernando Arean Alvarez Самая сложная задача в мире. Ферма. Великая теорема Ферма

Введение

ГЛАВА 1 Теорема, которую доказывали 350 лет

ГЛАВА 2 Попытки доказательства Великой теоремы

ГЛАВА 3 Современная теория чисел

ГЛАВА 4 Аналитическая геометрия

ГЛАВА 5 Вклад Ферма в дифференциальное и интегральное исчисление

ГЛАВА 6 Вероятность и принцип Ферма