Иэн Стюарт - Математические головоломки профессора Стюарта

На следующем шаге в формуле для суммы бесконечной геометрической прогрессии переменная y заменяется на знак интеграла. Эта формула справедлива, если y – число, меньшее 1. Но ∫ – это даже не число, просто символ. Какой абсурд!

Несмотря на это, конечный результат – корректный степенн о й ряд для ex .

Это не совпадение. При правильных определениях (к примеру, ∫ – это оператор, превращающий функцию в ее интеграл, а формула для «суммы геометрической прогрессии» работает для операторов при подходящих технических условиях) все может выглядеть совершенно логичным. Но смотрится все равно странно.

Пал Эрдёш был весьма эксцентричным, блестящим венгерским математиком. Он никогда не имел дома, он никогда не занимал никакого ученого поста, предпочитая путешествовать по миру с небольшим чемоданом и ночевать в домах понимающих коллег. Он опубликовал 1525 математических статей и сотрудничал с 511 математиками – число, к которому никто другой в мире не смог даже приблизиться. Он предпочитал изобретательность глубоким систематическим занятиям теорией и с особенным удовольствием разгадывал загадки, которые выглядели очень просто, но на самом деле оказывались совсем не простыми. Его основные достижения относятся к области комбинаторики, но он мог бы приложить свою руку и ко многим другим областям математики. Он нашел новое доказательство постулата Бертрана (между n и 2 n всегда найдется хотя бы одно простое число), гораздо более простое, чем оригинальное аналитическое доказательство Пафнутия Чебышёва. Вершиной карьеры Эрдёша стало доказательство теоремы о числе простых (число простых чисел, меньших x , приблизительно равно x /ln x ), которая не поддавалась комплексному анализу, считавшемуся до того момента единственным способом доказательства.

Эрдёш любил предлагать денежные призы за решение задач, которые придумал, но не смог сам решить. Он мог предложить $25 за решение чего-то, что, как он подозревал, решается относительно просто, и несколько тысяч долларов за что-то, что он считал по-настоящему сложным. Типичный пример его математики – задача Эрдёша о расходимости, оцененная им в $500. Она была поставлена в 1932 г. и решена в начале 2014 г. Замечательный пример того, как сегодняшняя математика подходит к разрешению давних загадок.

Задача начинается с бесконечной последовательности чисел, равных или +1, или –1. Это может быть регулярная последовательность, к примеру

+1–1 +1–1 +1–1 +1–1 +1–1…,

или нерегулярная («случайная)

+1–1 –1–1 +1–1 +1 +1–1 +1…,

которую я получил путем бросания монетки. Она не обязана содержать равную долю плюсов и минусов. Подойдет любая последовательность.

Один из способов убедиться в том, что первая из этих последовательностей регулярна, – это взглянуть на каждый второй ее член:

– 1–1 – 1–1 – 1…

Сумма первых n членов такой последовательности выглядит так:

– 1–2 – 3–4 – 5…

и убывает до бесконечности. Если посмотреть те же параметры для второй последовательности, получим:

+1–1 – 1 + 1–1…

с суммами

+1 0–1 0 +1…,

которые скачут вверх и вниз.

Предположим, что мы возьмем конкретную, но произвольную последовательность из ±1 и выберем произвольное положительное число С , которое мы хотим получить. Это число может быть сколь угодно большим, например миллиардом. Эрдёш задал вопрос, всегда ли существует такое число d , что суммы членов последовательности, разделенных d шагами, то есть стоящих на позициях d , 2 d , 3 d и т. д., на каком-то этапе станут либо больше C , либо меньше – C . После того как эта цель достигнута, та же последовательность может давать дальнейшие суммы, лежащие между C и – C : достаточно хотя бы раз дойти до цели. Однако подходящий шаг d должен существовать для любого целевого C . Разумеется, d зависит от C . То есть, если последовательность имеет вид x 1, x 2, x 3,…, вопрос состоит в том, можем ли мы найти d и k такие, что | x d + x 2 d + x 3 d + … + x kd | > C .

Абсолютная величина суммы слева – это «разброс» подпоследовательности, определяемой величиной шага d ; это мера избытка знаков «+» по сравнению со знаками «–» (или наоборот).

В начале февраля 2014 г. Алексей Лисица и Борис Конев объявили, что ответ на вопрос Эрдёша – «да», если C = 2. В самом деле, если выбрать подпоследовательность с шагом d из первых 1161 члена произвольной ±1-последовательности и взять подходящую длину k , то абсолютная величина суммы превысит C = 2. Их доказательство получено с активным использованием компьютера, а файл данных занимает 13 Гб. Это больше, чем все содержание Википедии, объем которой около 10 Гб. Несомненно, это одно из самых длинных доказательств в истории математики, слишком длинное, чтобы человеческий разум мог самостоятельно его проверить.