Рис. 1.7. Постулат о параллельных
Вообще говоря, в любой области математики принято начинать с краткого перечисления определений и краткого списка аксиом. После того как они сформулированы, приняты и поняты, можно формулировать и доказывать теоремы. Доказательство может принимать много разных форм. Самая традиционная форма доказательства — точная последовательность утверждений, связанных между собой строгими правилами логики. Однако цель этой книги — выяснить и обсудить, какие еще формы может принимать доказательство. В наше время доказательство может (часто так и происходит) принимать традиционную форму, восходящую к Евклиду. Но приемов доказательства существует много: прямое доказательство, по индукции, перечисления, исчерпывания, по случаям, от противного — и это далеко не все. Доказательство может включать компьютерное моделирование. Или заключаться в построении физической модели. Или состоять из алгебраических вычислений с использованием программных пакетов Mathematica, Maple или MATLAB. Доказательство может сочетать различные перечисленные приемы.
Одна из основных задач этой книги — представить и изучить различные формы математического доказательства и роль, которую они играют в современной математике. Несмотря на многочисленные изменения и сдвиги в подходах к технике доказательства, эта фундаментальная методология остается краеугольным камнем в инфраструктуре математической мысли. Как уже было сказано, ключевая часть любого доказательства — какую форму оно бы ни принимало — логика. Но что такое логика? Это мы обсудим в следующем разделе.
Философ Карл Поппер полагал [POP], что ничего нельзя знать с абсолютной уверенностью. Он даже ввел доктрину фальсификационизма. В ее рамках научной может считаться только такая теория, для которой существует методологическая возможность ее опровержения.
Традиционная математика отвергает эту точку зрения. Считается, что математические утверждения, доказанные в соответствии с принятыми канонами математического вывода, неоспоримо верны. И такими останутся. Эта перманентная природа математики — уникальная черта, выделяющая ее из всех интеллектуальных деяний человека.
В статье [YEH] имеется поучительное обсуждение различных видов доказательства и их роли в нашем мышлении. Что же такое доказательство, почему оно важно и почему нам нужно продолжать строить доказательства?
1.3 Как работает математик?
Мы все более-менее представляем себе работу мясника, врача или каменщика — мы видели, как эти люди практикуют свое ремесло. Нет сомнений или тайн относительно того, чем они занимаются.
С математиками все не так. Они могут работать без свидетелей и часто предпочитают уединение. Многие математики сидят в своих офисах или дома и неслышно размышляют. У одних есть любимые предметы, которыми они играют или манипулируют. Другие рисуют каракули. У кого-то есть дартс. Например, обладатель филдсовской медали Пол Дж. Коэн (1924–2007) частенько играл в дартс, представляя себе, что кидает дротики в своего брата (против которого его настраивали родители, воспитывая таким образом соревновательность в характере).
У некоторых математиков совершенно непредсказуемые и удивительные способы заниматься своим делом. Математик и физик Ричард Фейнман (1918–1988) любил размышлять о физике в стрип-клубе недалеко от Калтеха. Он бывал там каждый вечер. Когда у стрип-клуба возникли неприятности с законом, единственным уважаемым завсегдатаем (а среди них были доктора, адвокаты и даже священники), который не постеснялся свидетельствовать в пользу клуба, оказался Ричард Фейнман!
Лауреат Нобелевской премии по физике Стивен Вайнберг (р. 1933) работал над своими космологическими теориями во время просмотра телевизионных мыльных опер. Он абсолютно не мог обходиться без «As the World Turns», но у него были и другие любимые сериалы.
Хотя мы часто воображаем, что математик просто сидит и думает, в действительности все не так. Математики гуляют, играют в настольный теннис, поднимают тяжести, медитируют, разговаривают, читают лекции, участвуют в совещаниях и спорят. Они показывают свои незаконченные доказательства недоделанных утверждений в надежде получить помощь и довести результат до настоящей теоремы. Они прорабатывают идеи со своими студентами. Они ведут семинары, делают записи, публикуют планы исследований. Они ездят на конференции и разбрасываются идеями. Они слушают лекции[11] коллег, читают и рыщут в Интернете. Они экспериментируют и вычисляют. Одни математики строят замысловатые компьютерные модели, а другие — физические. Мой учитель Фред Альмгрен любил окунать изогнутую проволоку в мыльный раствор и рассматривать, какие получаются мыльные пузыри. По-моему, годится все, что срабатывает. Если ты достигаешь цели, на самом деле не так важно, как ты туда добрался.
11
Как-то раз я смог решить задачу, которая давно не давала мне покоя, воспользовавшись идеей из лекции одного знаменитого французского математика, которая не была близка моей теме. Я даже не вполне могу рассказать, о чем именно была эта лекция, но один шаг в доказательстве натолкнул меня на идею.