Математика для тех, кто боится математики: Еще одна книга с дурацкими рисунками

Обычно существительное определяется как «слово, обозначающее лицо, место или вещь». В детстве это определение меня всегда смущало. Казалось очевидным, что люди и места – тоже вещи, так зачем эта избыточность? Почему бы не определять существительное просто как «слово, обозначающее вещь»? Оглядываясь назад, я вижу, что этот приступ детского педантизма служит примером одного из необычных принципов математического языка: все есть вещь.

Возьмите наш случай: числа. Они – древнейшие, самые привычные математические вещи, только на самом деле они вовсе не вещи. Объехав весь свет, вы переплывете семь морей, попробуете семь пицц или сразитесь с семью ниндзя, но вы никогда не встретите такую вещь, как «семь».

Не существует никакого «семь», бывает только семь чего-то. Сказать «семь шариков» все равно что сказать «синие шарики» – это свойство, характеристика. Не существительное, а прилагательное.

По крайней мере, так скажет здравомыслящий человек. Но математики далеки от здравомыслия. Они больше похожи на взбесившихся философов или потерявших берега логиков.

Как от прилагательного «красивый» образуется существительное «красота», так и от прилагательного «семь» образуется существительное, которое тоже (чтобы окончательно нас запутать) называется «семь» и определяется как таинственное свойство семеричности – характеристика, общая для всех групп из семи предметов.

Таким образом, число – это существительное, образованное от прилагательного. Это неосязаемое свойство, столь убедительное, что мы изучаем его само по себе, как если бы оно было предметом. Как мы увидим дальше, числа не единственные существительные в математике, но они самые основные, и поэтому им будет отведен первый раздел этой книги.

Писательница Карен Олссон характеризует математику как «облачный край соблазнительных абстрактных структур, кривых, плоскостей, полей и векторных пространств, доступных только тем, кто владеет изощренным облачным языком, средством формулирования истин, которые нельзя выразить ни на каком другом наречии»[4].

Как и положено облачному языку, мы начнем его изучение в облаках. Давайте отправимся на прогулку по лесам Сноудонии[5] – на окутанный туманом горный склон…

Счет

Несколько лет назад во время похода по горному Уэльсу я наткнулся на табличку с валлийскими числами от 1 до 20. Так как я обожаю таблички, числа и валлийцев, я тут же погрузился в чтение.

Один: un.

Два: dau.

Три: tri.

Никаких неожиданностей, пока я не добрался до 16: un ar bymtheg. Это число, похоже, было составлено из un (1) и pymtheg (15). На мой англоязычный слух это звучало необычно и очаровательно, и я был рад обнаружить, что 17 следует этой же закономерности (dau ar bymtheg, «2 плюс 15»), как и 19 (pedwar ar bymtheg, «4 плюс 15»). Казалось бы, нетрудно угадать, как будет 18: tri ar bymtheg, 3 плюс 15. Так?

А вот и нет. Валлийский язык отказывался следовать моей приземленной логике. «Восемнадцать» это deunaw: буквально «две девятки». Посреди туманов Сноудонии мое сердце замирало от восхищения валлийским народом и числом, которому он дал столь прекрасное название.

Назвать что-либо – значит выделить это, придать ему индивидуальность. Поэтому мы даем имена детям, клички животным, названия песням, городам и групповым чатам – но мы не даем их, скажем, отдельным скрепкам. Мне хочется отличать своего ребенка от вашего, но эта потребность не столь насущна в случае с канцтоварами.

Без названия число не может стать настоящим числом. Оно будет как скрепка – неотличимым от других. Легко ли отличить •••••••••••••••••• от ••••••••••••••••• или •••••••••••••••••••? Математика начинается только тогда, когда каждое число получает имя, а с ним и индивидуальность. В Книге Бытия Адам дает имена тварям земным – скажем, от трубкозуба (aardvark) до зебры (zebra). В XVIII в. то же самое проделал ботаник Карл Линней, от Orycteropus afer до Equus quagga. То, что Адам и Карл сделали для форм жизни, нам придется повторить для количеств. Процесс называния чисел по порядку называется счетом.

Число •••••••••••••••••• называется «восемнадцать», т. е. буквально «восемь на десяти». Это точное описание, однако •••••••••••••••••• можно также описать как «трижды шесть», или «полторы дюжины», или «девять пар». Зачем говорить «восемнадцать», когда существуют более симпатичные альтернативы? К чему неуклюжая, кособокая конструкция «восемь на десяти» вместо наглядной симметрии deunaw?

Этот вопрос влечет за собой более глубокий. Чего именно мы хотим от системы счета?

Рассказ Хорхе Луиса Борхеса «Фунес, чудо памяти»[6] повествует о мальчике, который упал с лошади и потерял сознание. Очнувшись, Фунес обнаруживает себя чего-то лишенным и чем-то наделенным: его тело парализовано, но его ум полон образов. Все, что он видит, он навсегда запоминает в мельчайших подробностях. И вот, лежа в кровати, Фунес изобретает собственную систему счета. Каждое число он связывает с определенным образом: «“сера”, “трефи”, “кит”, “газ”, “котел”, “Наполеон”»[7]. В его системе каждое название великолепно и неповторимо.

Но, как тщетно пытается объяснить Фунесу рассказчик, такая математика – вообще не математика.

Наш способ называния чисел, известный как «десятичная система счисления», основан на том, что все разбивается на десятки. Сотня – это десять десятков, тысяча – это десять десятков десятков; миллион – это десять десятков десятков десятков десятков десятков. Когда все числа составляются из одних и тех же стандартных частей, их легко сравнивать и проводить расчеты: например, нетрудно понять, что 125 на единицу больше, чем 124, и нетрудно сложить эти два числа (100 + 100, 20 + 20 и 4 + 5), чтобы получить сумму 249.

С числами Фунеса дело обстоит не так. Как определить, например, что за «Максимо Перес» идет «железная дорога» или что их сумма равна «треснувшему красному кирпичу»? Выражаясь словами рассказчика, «этот набор бессвязных слов как раз нечто совершенно противоположное системе нумерации».

Вот почему мы отказываемся от поэтичного deunaw в пользу прозаичного «восемнадцать». Чтобы дать названия бесконечному множеству чисел, нам нужна четкая система, и наша система основана на десятках.

В самих десятках изначально нет ничего особенного. Просто так уж вышло, что мы происходим от обезьян с десятью пальцами на верхних конечностях. Если бы мы считали восьмерками, как могли бы предпочесть осьминоги или пауки, то обозначали бы «восемнадцать» как 22: две восьмерки плюс два в остатке.

А если бы мы считали семерками, мы обозначили бы то же число как 24: две семерки и четыре в остатке.

Или, если бы мы считали девятками, у нас получилось бы 20: два раза по 9 и ноль в остатке.

Это ведь и есть deunaw, правда? Да, но это обойдется недешево. Чтобы перекрестить 18 в 20, нам придется отринуть наш язык десятков (10), сотен (10 × 10) и тысяч (10 × 10 × 10). Вместо них нам придется членить числа по 9, 81 (9 × 9) и 729 (9 × 9 × 9). Это решение изменило бы всю нашу систему именования чисел.

700 (семь групп по 10 × 10) потеряет свое звонкое круглое название. Оно будет уныло зваться 857 – восемь групп по 9 × 9, пять групп по 9 и семь в остатке.

Между тем непримечательное 729 (семь групп по 10 × 10, две группы по 10 и девять в остатке) обернется прекрасным круглым числом 1000 – одной идеальной группой 9 × 9 × 9.

Сами числа не изменились – изменились только их названия. Однако названия формируют наш мир. В мире deunaw одноклассники праздновали бы 27-ю годовщину со дня выпуска (а не 30-ю, как у нас). Города устраивали бы пышные парады в честь своего 81-летия (столетие в девятеричной системе). Водители останавливались бы на обочине и фотографировали одометр, на котором набежало 59 049 км (цифры читались бы как 100 000).

Числа значат для нас так много: десятый день рождения, полувековой юбилей, двухсотлетие памятного события. Но что именно нам дорого – сами числа или только названия, которые мы им дали?

В цикле романов Урсулы Ле Гуин о Земноморье фигурирует мистический язык истинных имен. Вещь и ее имя на нем каким-то образом тождественны, так что, зная истинное имя человека, можно обрести власть над его жизнью и смертью. Порой я думаю в том же ключе о математике: я записываю название 18, за ним – название 61, а затем скромная капелька магии дает их сумму, 79. Как волшебник Земноморья, я могу «вызвать на самом деле вещь, которой не существует, назвав ее истинным именем»[8][9].

Увы, Земноморье лишь плод фантазии. В реальном мире нам приходится выбирать между полуправдами. С одной стороны, язык упорядоченных и систематических имен; с другой – язык имен ярких и запоминающихся. С одной стороны, унылая асимметрия «восемнадцати», а с другой – валлийское совершенство deunaw.

Измерение

Как-то раз во время поездки в Бостон на День благодарения моя дочь – ей было тогда три года – копалась в нашем багаже и нашла термометр, который я захватил с собой. «Ага! – сказала она. – Это я умею!» На моих глазах она сунула его под мышку, подождала чуть-чуть, вытащила и стала рассматривать. «Четырнадцать десятых кило, – объявила она. – Я все расту!»

Конечно, ее лабораторным методам недоставало совершенства. И тем не менее в столь нежном и неуправляемом возрасте она уже ухватила основу математического языка: количественное определение.

Определять количественно – значит переводить мир на язык чисел. Мы начинаем с реальности – с загадочной и неупрощаемой ткани нашего бытия. Затем, так как мы люди, мы приписываем ей численное значение. Мы сводим длинное к числу, именуемому длина, тяжелое к числу, именуемому вес, а умное к числу, именуемому оценка на экзамене. Такое количественное определение не знает границ (и меры). Чуть ли не каждую неделю какая-нибудь новая, прежде не определяемая количественно составляющая жизни – будь то ностальгия, горе или суп с лапшой – попадает в лапы какого-нибудь предприимчивого мизантропа и получает численное выражение.

Количественное определение называется также измерением. А для измерения, как известно, нужны инструменты. Чтобы измерить время, нужен секундомер; чтобы измерить общественное мнение – социологический опрос; чтобы измерить температуру – термометр; а чтобы измерить рост или вес, если верить моей дочери, – тоже термометр. Даже простейшие измерительные действия – например, сосчитать игрушки в ванне или вспомнить свой возраст – требуют инструментов в виде указательного пальца или настенного календаря.

Измерение никогда не бывает идеально точным. Я много лет говорил окружающим, что мой рост 175 см, пока однажды не заглянул в свои водительские права и не узнал, что мой официальный рост равняется 172 см. Это не (только) самообман; дело в том, что мой рост попадает в промежуток между этими двумя значениями и, что еще хуже, меняется в зависимости от того, как измерять. Ботинки добавляют сантиметр, носки добавляют миллиметр; необходимо учитывать даже такие как будто бы не имеющие отношения к делу факторы, как время суток. (Гравитация слегка сжимает наш позвоночник, поэтому мы выше по утрам и ниже по вечерам.) В любом случае засечки на рулетке имеют ширину в 1/3 мм, так что большей точности добиться невозможно.

Ни одно измерение не застраховано от ошибок. Самые точные часы в мире за год-другой отстают на одну наносекунду. Даже счет как таковой не совершенен. Дайте среднестатистическому человеку сосчитать леденцы в банке, и неизбежные сбои в концентрации приведут к погрешности примерно в 1 %[10].

Результаты измерений кажутся чистыми до скрипа, однако их порождает процесс, грязный по самой своей природе. В этом смысле измерение больше всего напоминает отмывание денег.

В свете всего этого меня несколько удивляет, что математики не особо склонны размышлять об измерениях. Более того, объясняя природу чисел, они вообще редко упоминают измерения.