До предела чисел. Эйлер. Математический анализ. - Joaquin Sandalinas

C - A + V = 2.

В начале 2000-х годов читатели авторитетного журнала Mathematical Intelligencer голосовали за самую красивую математическую формулу в истории. Эта формула для полиэдров заняла второе место, а первое — формула, также связанная с Эйлером: еxi + 1 = 0.

Сегодня мы бы сказали, что выражение С - А + V является топологическим инвариантом, то есть характеристикой поверхности, не меняющейся несмотря на трансформации, которым она подвергается, в частности происходящими в результате деформации, не разрушающей ее. Поверхность, для которой формула Эйлера является топологическим инвариантом, — это сфера, а следовательно, и любой гомеоморфный ей трехмерный полиэдр, то есть все тела, полученные в результате деформации сферы.

Формулу С - А + V = 2 обычно называют формулой Эйлера — Декарта, поскольку, хотя официально ее обнародовал Эйлер, Декарт (1596-1650) открыл ее в 1649 году. Точнее, он сделал другое открытие, подразумевавшее результат Эйлера, но не успел опубликовать его при жизни.

РИС. 1

Рассмотрим произвольный выпуклый многогранник (хотя на самом деле формула Эйлера работает для любого многогранника, который можно трансформировать в выпуклый, главное, чтобы он состоял из целого блока, а не из двух многогранников, соединенных в одной точке или с общим отрезком, и не имел дыр). Назовем вершины, ребра и грани многогранника с вышеуказанными характеристиками V, А и C. Как мы уже сказали, Эйлер обнаружил, что

C - A + V = 2.

РИС. 2

РИС. 3

РИС. 4

Эта удивительная взаимосвязь прослеживается всегда — подчеркнем это еще раз, — какой бы ни была форма многогранника, каким бы сложным ни было его изображение и какими бы косыми ни были его грани (за исключением звездчатых многогранников, грани которых пересекаются между собой). Наблюдение Эйлера совсем не очевидно, но его можно легко проверить как на примере симметричных и гармоничных Платоновых тел (рисунок 1 на предыдущей странице), так и на примере любого развернутого многогранника (рисунок 2). Эта числовая формула не зависит от геометрических характеристик фигуры и от формы многогранника. Она справедлива для любого выпуклого многогранника без дыр. Сегодня на элементарном уровне рассматриваются уже не простые многогранники, а поверхности, которые обозначаются буквой S, с дырами и без, а число Χ(S) = С - A + V называют характеристикой S. Для поверхностей, гомеоморфных сфере, таких как многогранники, эта характеристика равна 2. Для тора (рисунок 3) или для бутылки Клейна (рисунок 4) и других гомеоморфных им поверхностей эта характеристика будет равна 0. Для трехмерных поверхностей рода g — где g соответствует количеству дыр в S — характеристика будет равна:

Χ(S) = C - A + V = 2 - 2g.

Этот термин может показаться странным, но его значение (от греч. "гомой- ос" — "похожий" и "морфе" — "форма") хорошо известно всем математикам. Он описывает способность тела получиться из чего-то другого (и наоборот) в результате непрерывной неразрушающей деформации. Например, куб на рисунке гомеоморфен сфере.

Математики, особенно специалисты по топологии, называют тела, переходящие одно в другое в результате простой деформации, не ломаясь, гомеоморфными. Классическим примером гомеоморфных, или топологически эквивалентных, фигур являются кружка и тор, потому что могут циклично переходить друг в друга.

Кружка и тор гомеоморфны по невероятной геометрической причине: у них всего одно отверстие. Количество отверстий в поверхности считается топологическим инвариантом, поскольку не меняется в результате перехода.

Она называется характеристикой Эйлера — Пуанкаре. Это выражение стало очень популярным в математике и используется в таких абстрактных дисциплинах, как гомологическая алгебра. Уравнение

C - A + V = 2 - 2g

было сформулировано в 1813 году Симоном Антуаном Люи- лье (1750-1840), но этим открытием, как мы видели, он обязан Эйлеру.

Переписка между Эйлером и Гольдбахом не прервалась после переезда первого в Берлин. В письме 7 июня 1742 года Гольдбах предположил, что каждое четное целое число является суммой двух целых чисел р и q, которые или были равны 1, или были нечетными простыми числами. Обмен мнениями продолжался, пока Эйлер не нашел окончательную формулировку этой идеи, которая, возможно, является самой известной задачей в истории после теоремы Ферма:

Каждое четное целое число больше 2 может быть представлено как сумма двух простых чисел.

Это и есть проблема Гольдбаха, названная так в честь ее автора, хотя сам он сформулировал ее по-другому. Ее также называют сильной проблемой Гольдбаха — в отличие от слабой проблемы, более простой с математической точки зрения, которая звучит так:

Каждое нечетное число больше 7 может быть представлено как сумма трех нечетных простых чисел.

Сильная проблема включает в себя слабую, но не наоборот.

Доказательство слабой проблемы довольно простое: если п — нечетное число и больше 7, то n = p + 3 > 7, следовательно р четное и р > 7-3 = 4. Если сильная гипотеза Гольдбаха подтверждается, то р — сумма двух простых чисел. Между тем n = р + 3, где р равно сумме двух нечетных простых чисел. Следовательно, п является суммой трех нечетных чисел, что и требовалось доказать. Сильная проблема подразумевает слабую. Сильная проблема Гольдбаха подтверждается для любого четного числа, иногда несколькими способами:

4-2 + 2

6-3 + 3

8-3 + 5

10-3+7-5+5

12-5 + 7

14-3+11-7 + 7

16-3+13-5+11

18-5+13-7 + 11

20-3+17-7 + 13.

В интернете есть сайты, на которых можно найти суммы Гольдбаха, доказывающие, что его гипотеза подтверждается всегда, независимо от выбранного числа. Например, для 1000:

1000 -179 + 821 =191 +809 = 431 +569- = 19 +1019.

Аналогично можно выбрать сумму с нечетными простыми числами, из которых одно отрицательное, чтобы убедиться, что проблема Гольдбаха подходит не только для простых натуральных чисел. В сети можно даже найти вычислительные программы, которые выдают суммы Гольдбаха для любого рационального числа, но с условием, что оно не очень большое. Встречаются такие суммы, члены которых сильно отличаются по величине, например:

389965026819938 = 5569 + 389965026814369.

Гольдбах родился в Пруссии, но большую часть своей жизни провел в России, где искал новые таланты для Петербургской академии и работал в ней же секретарем. Он дружил с Лейбницем, Абрахамом де Муавром, Николаем Бернулли (а также с другими членами этой выдающейся семьи) и Эйлером, чью кандидатуру он усиленно продвигал и в переезде которого в Россию сыграл решающую роль. Он даже стал учителем царевича Петра II и занимал высокие посты в министерстве иностранных дел, где работал криптографом. Гольдбах занимался разными областями науки и добился хороших результатов в изучении числовых последовательностей, в особенности благодаря сотрудничеству с Эйлером. Личность последнего, видимо, стимулировала Гольдбаха в работе. Например, не все знают, что именно Гольдбах, будучи не в состоянии решить Базельскую задачу самостоятельно, привлек к ней Эйлера, который впоследствии прославился найденным решением. Переписка Эйлера и Гольдбаха, необыкновенно обширная и полная математических рассуждений, насчитывает почти 200 писем. Об уважении, которое Эйлер питал к Гольдбаху, свидетельствует хотя бы тот факт, что он выбрал коллегу крестным отцом своего первенца.

Сегодня о Гольдбахе вспоминают не в связи с его теоремами, а с проблемой, носящей его имя. В 1992 году вышел роман "Дядя Петрос и проблема Гольдбаха" Апостолоса Доксиадиса. Издательство Faber&Faber предложило премию в миллион долларов, действительную два года, тому, кто найдет решение. Скорее всего, издатели знали, что никакого ответа они не получат. Пока эта проблема решена только в испанском художественном фильме 2007 года "Западня Ферма" режиссеров Луиса Пьедраиты и Родриго Сопеньи.

В этой паре, не так давно найденной нумерологом Йоргом Рихстейном, одно слагаемое состоит из четырех цифр, а второе — из 15, при этом оба они являются простыми числами. До сих пор никому не удалось доказать ни одну из двух гипотез. Слабую можно считать почти доказанной, поскольку известно, что она работает для всех чисел больше 10 346. Чтобы доказать ее полностью, надо разобраться с нерешенными случаями: начать с 7 и дойти до 10 1346. Это очень сложно: любой существующей вычислительной машине потребуется на это большее количество секунд, чем число атомов во Вселенной.