Алекс Беллос - Алекс в стране чисел. Необычайное путешествие в волшебный мир математики

Число цифр в наибольших известных простых числах в различные годы

При том что простых чисел бесконечно много (хотя бесконечно ли количество мерсенновских простых — пока не известно), поиск все больших и больших простых — задача, конца которой нет. Какого бы простого числа мы ни достигли, и не важно, насколько большого, всегда найдется еще большее простое число — дразнящее нас и бросающее вызов.

Продолжение, которому нет конца, — самая, пожалуй, глубокая и многообещающая идея в фундаментальной математике. Человеческое сознание с трудом воспринимает понятие бесконечности. Например, что случится, если мы начнем считать 1, 2, 3, 4, 5 и никогда не остановимся? Я помню, как ребенком задавал этот с виду простой вопрос — и не получал ясного ответа. Как правило, я слышал от родителей и школьных учителей, что вот тогда мы доберемся до «бесконечности», что есть, по сути, лишь перефразировка самого вопроса.

Тем не менее нам с относительного юного возраста внушают мысль, что с бесконечностью можно обращаться как с числом — необычным, но тем не менее числом. Нам показывают обозначение для бесконечности — горизонтальную замкнутую петлю («лемнискату») и знакомят нас с ее необычной арифметикой. Прибавление любого конечного числа к бесконечности дает бесконечность. Вычитание любого конечного числа из бесконечности дает бесконечность. Умножение или деление бесконечности на конечное число, если только это не нуль, снова дает бесконечность. Легкость такого обращения с бесконечностью как с числом скрывает более двух тысячелетий борьбы за то, чтобы найти общий язык с ее тайнами.

Первым, кто показал, что если иметь дело с бесконечностью, то могут возникнуть проблемы, был греческий философ Зенон Элейский (490 до н. э. — 430 до н. э.). В одном из своих знаменитых парадоксов он описал теоретическую гонку между Ахиллом и черепахой. Ахилл быстрее черепахи, поэтому черепаха при старте имеет фору. Прославленный воин начинает движение из точки А, а бросившая ему вызов рептилия — из точки В. Ахилл устремляется вперед и вскоре достигает точки В, но к тому моменту, как он туда добирается, черепаха уже продвинулась в точку С. Ахилл мчится в точку С. Но опять, когда он достигает этой точки, черепаха уже продвинулась вперед до точки D. Ахиллу надо, конечно, добраться до D, но, когда он туда попадает, черепаха уже будет в точке E. Зенон утверждает, что эта игра в «догонялки» будет продолжаться вечно, и поэтому быстроногий Ахилл никогда не обгонит неторопливого четвероногого соперника.

Как и в приведенном парадоксе, во всех парадоксах Зенона явно абсурдные заключения получаются в результате бесконечного разбиения непрерывного процесса движения на дискретные события. Ахиллу, прежде чем он сможет догнать черепаху, надо совершить бесконечное число дискретных «шагов». Парадокс возникает из допущения, что невозможно совершить бесконечное число «шагов» за конечное время.

У древних греков, впрочем, не было глубокого математического понимания бесконечности, позволявшего заключить, что это предположение ошибочно. Можно совершить бесконечное число «шагов» за конечное время. Основное требование состоит в том, что эти «шаги» должны становиться все короче, а их прохождение — занимать все меньше времени, так что при этом как расстояние, так и время стремятся к нулю. Хотя это и необходимое условие, оно не является достаточным; «шаги» также должны уменьшаться достаточно быстро.

А теперь вернемся к Ахиллу и черепахе. Пусть, например, герой бежит со скоростью, в два раза превышающей скорость черепахи, и пусть точка В на один метр впереди точки А. Когда Ахилл достигает точки В, черепаха прошла полметра до С. Когда Ахилл достигает точки С, черепаха прошла еще четверть метра и попала в точку D и т. д. Полное расстояние в метрах, которое пробежит Ахилл, пока не догонит черепаху, равно

Если бы Ахиллу требовалась секунда, чтобы пройти каждый из этих «шагов», то прохождение всего расстояния заняло бы у него вечность. Но дело обстоит не так. Предположим, он бежит с постоянной скоростью, тогда ему понадобится секунда, чтобы пробежать метр, полсекунды — чтобы пробежать полметра, четверть секунды — чтобы пробежать четверть метра и т. д. Таким образом, время в секундах, которое потребуется ему для того, чтобы догнать черепаху, описывается той же самой суммой: