Стивен Строгац - Удовольствие от Х.Увлекательная экскурсия в мир математики от одного из лучших преподавателей в мир
Задача менеджера — на основании этой диаграммы выработать систему. Он должен построить схему распределения номеров между постояльцами таким образом, чтобы каждый получил свой номер после того, как будет заселено конечное число других людей.
К сожалению, предыдущий менеджер не понял этого, и начался хаос. Когда приезжала очередная колонна автобусов, он так волновался, пытаясь быстро расселить пассажиров первого автобуса, что у него не оставалось времени на яростно кричащих пассажиров других автобусов. На диаграмме ниже проиллюстрирована эта недальновидная стратегия, путь которой всегда соответствовал бы пути на восток вдоль строки 1.
Однако новый менеджер все взял под контроль. Вместо движения вдоль первой строки (обслуживая только первый автобус) он двигался из угла по зигзагообразной схеме, как показано ниже.
Он начинает с первой пассажирки автобуса с номером 1 и дает ей первую пустую комнату. Второй и третий свободные номера займут второй пассажир из первого автобуса и первый пассажир из второго автобуса. Оба находятся на второй диагонали от угла диаграммы. Заселив их, менеджер переходит к третьей диагонали и раздает набор ключей от номеров первому пассажиру из третьего автобуса, второму пассажиру из второго автобуса и третьему пассажиру из первого автобуса.
Надеюсь, тактика менеджера — двигаться от одной диагонали у другой — достаточно очевидна. Нетрудно догадаться, что очередь до любого конкретного человека дойдет за конечное число шагов.
Итак, в отеле Гильберта действительно всегда есть свободные места.
Доказательство, которое я только что представил, — известный аргумент из теории бесконечных множеств. Кантор использовал его, чтобы доказать, что положительных дробей ровно столько (соотношений p/q, где p и q — положительные целые числа), сколько и натуральных чисел (1, 2, 3, 4, ...). Это гораздо более сильное утверждение, чем то, что оба множества бесконечны. Оно говорит о том, что они бесконечны точно в той степени, в какой между ними может быть установлено взаимно-однозначное соответствие.
Вы можете рассматривать это соответствие как систему напарников, в которой каждое натуральное число состоит в паре с некоей положительной дробью, и наоборот. Кажется, что наличие такой системы противоречит здравому смыслу. Это своего рода софистика, приведшая Пуанкаре в ужас. Ибо она предполагает, что мы могли бы сделать исчерпывающий перечень всех положительных дробей, хотя самой маленькой дроби не существует!
И все же есть такой список. Мы его уже нашли. Дробь p/q, в которой пассажиру p соответствует автобус q, а представленное выше доказательство показывает, что каждая из этих дробей может составить пару с определенным натуральным числом 1, 2, 3, …, представляющим собой номер комнаты пассажира в отеле Гильберта.
Позже Кантор также доказал, что взаимно однозначного соответствия между этими парами быть не может. Поскольку множество действительных чисел, лежащих между 0 и 1, неисчислимо и не может быть поставлено в однозначное соответствие с натуральными числами. Для гостиничного бизнеса это означает, что, если все вещественные числа появятся у стойки администратора и начнут звонить в колокольчик, для них не хватит свободных номеров даже в отеле Гильберта.
Докажем это утверждение от противного. Допустим, каждому действительному числу можно дать собственную комнату. Тогда реестр жильцов, которые определены десятичными дробями, и список номеров комнат будут выглядеть примерно так:
Номер 1: 0,6708112345...
Номер 2: 0,1918676053...
Номер 3: 0,4372854675...
Номер 4: 0,2845635480...
Помните, список должен быть полным. Каждое действительное число между 0 и 1 должно появиться в каком-то конечном месте реестра.
Кантор показал, что в подобном перечне отсутствует много чисел. Вот это и есть противоречие. Например, чтобы построить число, которое нигде не появляется в представленном выше списке, спуститесь по диагонали и составьте новое число из подчеркнутых цифр:
Номер 1: 0,6708112345...
Номер 2: 0,1918676053...
Номер 3: 0,4372854675...
Номер 4: 0,2845635480...
Получилась десятичная дробь 0,6975...
Но мы еще не закончили. Следующий шаг — возьмите эту десятичную дробь и измените все ее цифры, заменяя каждую любой другой от 1 до 8152. Например, мы могли бы изменить 6 на 3, 9 на 2, 7 на 5 и т. д.
Эта новая десятичная дробь 0,325... является убийцей. Конечно, это не первый номер, так как она имеет другую первую цифру, чем число, находящееся в этом номере. И не второй номер, поскольку у него другая вторая цифра. В общем, она отличается от n-ого числа с n–м десятичным разрядом. Поэтому нигде не фигурирует в списке!
Вывод таков: отель Гильберта не может разместить все действительные числа. Их просто слишком много для этого — бесконечность, выходящая за пределы бесконечности153.
И с этой унизительной мыслью мы подходим к концу книги, которая началась со сцены в другом воображаемом отеле. Помните? Персонаж «Улицы Сезам» по имени Хамфри, работающий в обеденное время в отеле «Мохнатые лапы», принял заказ у голодных пингвинов: «Рыбка, рыбка, рыбка, рыбка, рыбка, рыбка», и вскоре узнал о силе чисел.
Это было долгое путешествие от рыбок к бесконечности. Спасибо, что оставались со мной.
От автора
Многие друзья и коллеги помогали мне улучшить эту книгу, щедро предлагая мудрые советы по математике, стилистике, истории и другим вопросам. Благодарю Дага Арнольда, Шелдона Акслера, Лэрри Брадена, Дэна Каллахана, Боба Коннелли, Тома Гиловича, Джорджа Харта, Ви Харт, Диану Хопкинс, Герберта Хуи, Синди Клаусс, Майкла Льюиса, Михаэля Мобуссина, Барри Мазура, Эри Ногучи, Чарли Пескина, Стива Пинкера, Рави Рамакришну, Дэвида Ранда, Ричарда Ранда, Питера Ренца, Дугласа Роджерса, Джона Смайли, Гранта Виджинса, Стивена Янга и Карла Циммера.
Хочу выразить признательность коллегам, создавшим иллюстрации для книги и позволившим мне включить их визуальные работы: Рику Алльмендингеру, Полу Бурку, Майку Филду, Брайану Мэдсену, Нику Дейману (Team-fresh), Марку Ньюману, Конраду Полтье, Кристиану Раддеру из OkCupid, Саймону Татэм и Джейн Вонг.
Я безмерно благодарен Дэвиду Шипли за предложение разместить в New York Times серию статей о математике, что стало толчком к написанию этой книги, и особенно за его видение того, как они должны быть структурированы. «Простота, простота, простота», — призывал Торо, и они с Шипли оба были правы. Джордж Калоджеракис, мой редактор в Times, брал свое «перо» в руки, чтобы передвинуть запятые, но только тогда, когда в этом была необходимость, в то же время он защищал меня от более серьезных оплошностей. Его уверенность чрезвычайно обнадеживала. Кэти О`Брайан из производственного отдела, убедившись, что математика всегда права, мирилась с неизбежной типографской суетой с присущими ей изяществом и прекрасным чувством юмора.
Я знаю, мне очень повезло, что Катинка Мэтсон стала моим литературным агентом. Она с самого начала защищала эту книгу с вдохновляющим энтузиазмом.
Пол Джинспарг, Джон Клайнберг, Тим Новикофф и Энди Руина прочитали черновики почти каждой главы, причем их единственной компенсацией за это было удовольствие вылавливать ошибки и использовать свой блестящий ум во благо, а не во зло. Как правило, сложно находиться среди таких знатоков, но не факт, что они действительно знают все. Я искренне благодарен им за усилия и поддержку.
Спасибо иллюстратору Марджи Нельсон за веселость и научное чутье. В этом проекте я часто воспринимал ее как соавтора благодаря умению находить оригинальные способы передачи сущности математических понятий.
Любой писатель благословлен свыше, если у него такой редактор, как Аманда Кук. Как одновременно можно быть такой нежной, мудрой и решительной? Спасибо, Аманда, за веру в эту книгу и помощь в оформлении каждой ее части. Имон Долан, еще один замечательный редактор, вел твердой рукой этот проект (и меня) к финишной прямой с заразительным воодушевлением. Помощники редактора Эшли Джиллиам и Бен Хьюман были скрупулезными и веселыми в работе и хорошо заботились о книге на каждом этапе ее продвижения. Литературный редактор Трейси Рой учила меня, как использовать метафоры, кавычки, да что там говорить, и обычные слова! Но самое важное — оттачивала стиль и четкость мыслей на этих страницах. Выражаю благодарность также журналистке Мишель Бонанно, менеджеру по маркетингу Аише Мирза, техническому редактору Ребекке Спрингер, начальнику производственного отдела Дэвиду Футато и всем сотрудникам издательства Houghton Mifflin Harcourt.
Наконец позвольте выразить сердечную признательность моей семье. Лия и Джо, вы слышали о книге в течение долгого времени, и, верите или нет, она действительно дописана. Естественно, ваша задача — изучить всю математическую теорию, о которой в ней рассказывается. Что касается моей фантастически терпеливой жены Кэрол, которая продиралась сквозь первые n вариантов каждой главы и таким образом узнала истинное значение выражения «как n стремится к бесконечности», позволь мне просто сказать: я люблю тебя. И то, что я тебя нашел, было самым лучшим моим решением.
