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

Выполненное Декартом соединение алгебры и геометрии — это мощный пример взаимодействия между абстрактными идеями и пространственным воображением, и это взаимодействие стало с тех пор постоянным сюжетом в математике. Многие из наиболее впечатляющих доказательств в алгебре — включая доказательство Великой теоремы Ферма — опираются на геометрию. Подобным же образом, получив алгебраическое описание, геометрические задачи, история которых составляет до двух тысяч лет, зажили новой жизнью. Одно из наиболее восхитительных свойств математики как раз и выражается в том, как различные с виду предметы оказываются связаны между собой, что приводит к новым неожиданным открытиям.

В 1649 году Декарт по приглашению шведской королевы Кристины перебрался в Стокгольм, дабы исполнять обязанности ее личного наставника. Королева была ранней пташкой. Необходимость вставать в 5 утра, помноженная на отсутствие привычки к скандинавской зиме, привела к тому, что вскоре после приезда Декарт заболел воспалением легких и умер.

* * *

Одним из наиболее очевидных следствий из Декартова озарения, заключавшегося в том, что уравнения, связывающие x и y, можно выражать в виде линий, было осознание того факта, что различные типы уравнений дают при этом различные типы линий. Мы можем начать их классификацию прямо с наших уравнений.

Уравнения, подобные у = x и у = 3х - 2, содержащие только x и у, всегда дают прямые линии.

Напротив, уравнения, содержащие квадратичные члены — то есть те, которые включают выражения х2 и/или у2, — всегда дают кривые одного из следующих четырех типов: окружность, эллипс, парабола или гипербола.

Тот факт, что всякую окружность, эллипс, параболу и гиперболу, нарисованные на плоскости, можно описать уравнением, квадратичным по x и у, крайне полезен для науки по той причине, что эти кривые присутствуют в реальном мире. Парабола — это траектория объекта, брошенного в воздух (в пренебрежении сопротивлением воздуха и в предположении однородного гравитационного поля). Когда футболист бьет по мячу, летящий мяч тоже описывает параболу. Эллипсы — это кривые, по которым планеты движутся вокруг Солнца, а траектория, по которой движется в течение дня тень, отбрасываемая самым кончиком гномона солнечных часов, — это гипербола.

Рассмотрим следующее квадратичное уравнение, которое на самом деле подобно машине для рисования окружностей и эллипсов:

где а и b — некоторые постоянные. У этой машины два рычажка, один из которых управляет буквой a, а другой — буквой b. Подбирая значения a и b, мы можем по своему желанию нарисовать любую окружность и любой эллипс с центром в точке 0.

Например, когда a совпадает с b, получающееся уравнение описывает окружность радиуса a. Когда а = b = 1, уравнение принимает вид х2 + y2 = 1 и получается окружность радиуса 1 — «единичная окружность», как та, что нарисована слева на рисунке. Если же а и b — различные числа, то уравнение описывает эллипс, который пересекает ось x в точке а и ось у в точке b. Например, кривая справа — это эллипс, для которого а = 3 и b = 2.

В 1818 году французский математик Габриель Лямэ, размышляя над формулой для окружности и эллипса, задался таким вопросом: что будет, если «подкручивать» не значения a и b, а показатели степени?

Эффект оказался восхитительным. Рассмотрим, например, уравнение хn + уn = 1. При n = 2, как мы видели, оно порождает единичную окружность. А вот кривые, получаемые при n = 2, n = 4 и n = 8:

Когда n равно 4, кривая выглядит как окружность, стиснутая при запихивании в квадратный ящик. Ее стороны уплощаются, но остаются четыре скругленных угла. Как будто окружность пытается стать квадратом. Когда n равно 8, получающаяся кривая еще более походит на квадрат.

На самом деле, чем большее мы выберем число n, тем ближе полученная кривая будет к квадрату. В пределе, когда x∞ + у∞ = 1, уравнение описывает квадрат. (Если что-то и заслуживает названия квадратуры круга, то это как раз тот самый случай.)

* * *

В центре Стокгольма расположен Сергелс Торг — многоуровневый торговый центр и транспортный узел. Это широкое прямоугольное пространство, устроенное так, что нижний уровень предназначен для пешеходов, а машины ездят сверху по кругу. Именно там политические активисты любят устраивать различные мероприятия, и именно туда стекаются спортивные болельщики, когда шведская сборная выигрывает какое-то значимое международное соревнование. Визитная карточка этого места — расположенная в центральной части здоровенная скульптура, стоящая там со времен 1960-х годов, предмет ненависти местных жителей — 37-метровый обелиск из стекла и стали, подсвечиваемый по ночам.

В конце 1950-х годов, когда планировщики города проектировали Сергелс Торг, они столкнулись с некой геометрической проблемой. Какова, спрашивали они себя, наилучшая форма для кругового движения в прямоугольном пространстве? Им не хотелось использовать точную окружность, потому что в таком случае прямоугольное пространство было бы задействовано не полностью. Но градостроители также не желали использовать овал и эллипс — несмотря на то, что они лучше заполняют пространство — и в том и в другом случае «заостренные» края препятствовали бы плавному движению транспорта. В поисках ответа архитекторы решили проконсультироваться у зарубежного специалиста и обратились к Питу Хейну (1905–1996). Этот человек некогда считался третьей по известности фигурой в Дании (после физика Нильса Бора и писательницы Карен Бликсен). Пит Хейн изобрел «груки» — короткие афористические стихотворения, которые он публиковал во время Второй мировой войны, считая их одной из форм пассивного сопротивления оккупации Дании нацистами. Кроме того, он был художником и математиком, а потому обладал как раз нужным художественным чутьем, широтой мышления и научным взглядом на мир — сочетание, которое могло бы помочь взглянуть под другим углом на проблему планировки стокгольмского центра.