Если бы числа могли говорить. Гаусс. Теория чисел

Лизана Антонио Руфиан

При жизни Карл Фридрих Гаусс получил титул короля математиков. Личность этого ученого можно сравнить с личностью другого его гениального современника и соотечественника — Вольфганга Амадея Моцарта. Оба были вундеркиндами, которым покровительствовали и помогали получить образование представители власти. Но в отличие от композитора, Гауссу повезло прожить долгую и спокойную жизнь. Он сделал много открытий в таких научных областях, как геометрия, астрономия, физика и статистика.

Прим. OCR: Знак "корень квадратный" заменен на SQRT(), врезки обозначены жирным шрифтом.

 

 

Antonio Rufian Lizana

Если бы числа могли говорить. Гаусс. Теория чисел

Наука. Величайшие теории Выпуск № 8, 2015

Если бы числа могли говорить. Гаусс. Теория чисел. 

Еженедельное издание

Пер. с исп. — М.: Де Агостини, 2015. — 168 с.

ISSN 2409-0069

© Antonio Rufian Lizana, 2012 (текст)

© RBA Collecionables S.A., 2012

© ООО «Де Агостини», 2014-2015

 

Введение

Если бы среди профессиональных математиков был проведен опрос, в котором попросили бы составить список из десяти самых выдающихся и влиятельных математиков в истории, мы уверены, что почти все они включили бы в него Карла Фридриха Гаусса. Эта гипотеза (как мы увидим далее, выдвигать гипотезы — метод работы, очень характерный для математики) основана на двух причинах. Первая — огромная важность его вклада в науку. Вторая причина — это широта тем, к которым Гаусс с огромным успехом проявил свой интерес. Сегодня математика — настолько обширная наука, что те, кто посвящает себя ей, глубоко знают только часть, близкую к области их специализации. Однако гений Гаусса позволил ему продвинуться почти во всех сферах математики. Следовательно, специалисты как по математическому, так и по числовому анализу, как геометры, так и алгебраисты, статистики или даже специалисты по математической физике видят в Гауссе «одного из своих».

Мы очень часто пользуемся такими определениями, как «вундеркинд» или «математический гений». Мало кто из математиков мог бы возразить против того факта, что эти эпитеты применимы к Гауссу. Число новых идей и открытий, к которым пришел этот немецкий математик еще до того, как ему исполнилось 25 лет, кажется необъяснимым.

Гауссу, сыну бедных родителей, удалось воспользоваться своим математическим талантом. Он родился в эпоху, когда математика еще была привилегированной сферой деятельности, которую финансировали придворные и меценаты или которой в свободное время занимались любители, такие как Пьер Ферма. Покровителем Гаусса был Карл Вильгельм Фердинанд, герцог Брауншвейгский, что позволило ученому посвятить себя призванию без необходимости зарабатывать на жизнь другим, более экономически выгодным делом. В качестве благодарности Гаусс посвятил покровителю свою первую книгу, «Арифметические исследования» (1801), и таким образом имя герцога оказалось связанным с одним из основных трудов в истории математики.

Гаусс жил в эпоху необычайных политических и социальных потрясений. Отрочество математика совпало с Великой французской революцией — ему было 12 лет, когда была взята Бастилия. Он пережил подъем Наполеона в молодости и его разгром при Ватерлоо в 38 лет. Он застал Мартовскую революцию в Германии в 1848 году в возрасте более 70 лет. В это время произошла первая индустриальная революция, которая оказала очень сильное воздействие на политическую и социальную жизнь Европы. Развитие промышленности позволило осуществить эксперименты, невозможные до этого времени, с телескопами и другими оптическими инструментами. Как мы увидим, все эти события повлияют на жизнь Гаусса.

К счастью, коллекция его трудов сохранилась в достаточно полном виде; многие из важных писем математика были опубликованы. Однако Гаусс трепетно относился к своему первенству в математических открытиях и даже использовал шифр, чтобы защитить их. По мнению некоторых исследователей, нераспространенность его работ вызвала отставание в развитии науки на целых полвека: если бы Гаусс позаботился о том, чтобы опубликовать хотя бы половину своих результатов, и не шифровал бы так тщательно свои объяснения, возможно, математика развивалась бы быстрее. Математический дневник Гаусса, хранившийся в его семье, стал доступен публике только в 1898 году. Его изучение подтвердило, что ученый доказал, не публикуя, многие результаты, которые другие математики пытались получить в течение всего XIX века. Гаусс всегда утверждал, что математика — это как архитектурное произведение: архитектор никогда не оставит строительные леса, чтобы люди не видели, как было построено здание. Естественно, такой взгляд на науку не способствовал лучшему пониманию его трудов коллегами-современниками.

Логическая структура подхода к математическим проблемам, предложенная Гауссом, в которой сначала формулируют результаты или теоремы, затем переходят к их доказательству и завершают выводами или следствиями, до сих пор остается обычным способом представления математических доказательств. Немецкий математик отказывался публиковать недоказанные результаты, и эта позиция определила переломный момент в подходе математиков к их науке. Хотя идея важности доказательства как необходимая составляющая научного процесса появилась еще в Древней Греции, до эпохи Гаусса всех намного больше интересовало применение научных открытий: если математика работала, никто особо не заботился о том, чтобы в строгой форме изложить, почему так происходит.

Когда Гаусс занялся арифметикой и теорией чисел, эти дисциплины состояли из множества разрозненных результатов, никак не связанных между собой. Ученый собрал существующие знания и объединил их в общую систему, указав на имеющиеся ошибки и исправив их. Он возвел математику XIX века на уровень, которого невозможно было достичь несколько лет назад, и поднял арифметику на вершину математики. Говоря его словами, «Математика — царица наук, а арифметика — царица математики».

Первым огромным результатом, полученным еще до того, как Гауссу исполнилось 19 лет, было открытие метода построения с помощью линейки и циркуля многоугольника с 17 сторонами (17-угольника). Построение правильных многоугольников волновало математиков со времен классической Греции, при этом результаты были нерегулярными, поэтому некоторые многоугольники (например, многоугольник с семью сторонами, или семиугольник) невозможно было построить точно: линейки и циркуля было недостаточно, а более совершенных приборов не существовало. Как писал сам Гаусс, который очень гордился этим открытием в течение всей жизни, «это абсолютно не связано со случайностью, поскольку это был плод усиленных размышлений. Еще не встав с кровати, я увидел очень четко всю эту связь, так что я тут же применил к 17-угольнику соответствующее числовое утверждение». Гаусс не только решил эту задачу, но и нашел общий способ разрешения вопроса, может ли многоугольник быть построен с помощью линейки и циркуля. В своем завещании Гаусс попросил, чтобы на его могильной плите выгравировали многоугольник с 17 сторонами, построенный по его методу. Однако этого не было сделано: резчик счел задачу слишком сложной.

Без сомнения, результат, который принес ученому славу среди его современников, — это вычисление орбиты Цереры, карликовой планеты, открытой в 1801 году Джузеппе Пиацци из Палермской обсерватории. Общее признание побудило Гаусса углубиться в астрономию, и он стал директором Гёттингенской обсерватории. Скорее всего, астрономические наблюдения отвлекли ученого от работы в области чистой математики, где было сложнее найти славу. Для математики определение орбиты Цереры может быть анекдотическим фактом, но метод, использованный для ее вычисления, существенно подтолкнул развитие науки. Это был метод наименьших квадратов. В этом случае большую важность имеет процесс, использованный для достижения результата, чем сам результат. Приписывание авторства этого метода Гауссу вызвало некоторую полемику, поскольку Адриен Мари Лежандр, который был на 25 лет старше Гаусса, также оспаривал первенство этого открытия. Соперничество с Лежандром длилось много лет и распространилось на многие области математики. Очень часто оказывалось, что если Лежандр утверждал, что открыл новую математическую истину, Гаусс опровергал это, аргументируя, что он знает ее и уже использовал этот результат. В письме Гаусса от 30 июля 1806 года коллеге-астроному по фамилии Шумахер, с которым их связывала большая дружба, ученый сетовал: «Похоже, что мне предназначено совпадать с Лежандром почти во всех своих теоретических работах». Такое соперничество встречалось очень часто и объяснялось методами работы и распространения результатов у ученых того времени. В течение всей своей жизни Гаусс упорно вступал в открытую борьбу за первенство своих открытий. И только после его смерти, когда были изучены все дневники и письма, стало ясно, что правда была на стороне Гаусса. В чем нет никаких сомнений, так это в том, что метод наименьших квадратов оказался очень полезным инструментом для разрешения многих проблем, в которых речь идет об установлении функции, наилучшим образом приближающейся к множеству данных с критерием минимизации. Наиболее важные примеры применения этого метода находятся в области статистики, где они достигают вершины в оценке параметров населения с помощью модели, построенной благодаря такому известному заключению, как теорема Гаусса — Маркова. Любопытно, что имя Гаусса в области статистики обычно связывают со знаменитым «гауссовым колоколом», однако на самом деле открытием нормального распределения мы обязаны Абрахаму де Муавру.

Гаусс очень рано подступился к так называемой основной теореме алгебры, в которой установлено, что у многочлена столько корней (то есть значений, при которых многочлен равен нулю), сколько показывает его степень. Эта проблема была темой диссертации ученого. В течение жизни он представил несколько доказательств этого результата, каждый раз все более утонченных и понятных. Как и в случае с открытием орбиты Цереры, во время поиска доказательств Гаусс выявил новые и очень полезные математические конструкции, такие как комплексные числа. В 1799 году ученый доказал, что основываясь на таком особом числе, как корень из -1 (или числе i), математики могут решить любое полиномиальное уравнение.

Числовой анализ и особенно изучение простых чисел, возможно, самая известная часть работы Гаусса, которой он посвятил больше всего времени. В молодости ученый получил в качестве подарка таблицу с несколькими миллиардами простых чисел. На его взгляд, эти числа шли беспорядочно. Когда Гаусс смотрел в числовые таблицы, он не мог определить никакого правила, которое показывало бы ему, на сколько единиц нужно продвинуться вперед, чтобы найти следующее простое число. Казалось, такого правила не существует. Гаусс не мог принять подобную идею: первичная потребность в жизни математика — это находить упорядоченные структуры, описывать и объяснять правила, лежащие в основе природы, и предвидеть, что произойдет в дальнейшем. Эта мысль, которая стала для него навязчивой, привела к формулировке некоторых великих гипотез распределения простых чисел и их нахождения с помощью математических процедур. Проблема нахождения простых чисел очень актуальна сегодня, поскольку на их свойствах основаны многие процессы шифрования информации.

С 1818 по 1832 год Гаусс руководил обширным проектом топографирования королевства Ганновер. Речь шла об огромной работе, включавшей, кроме научных, политические и военные составляющие. Гаусс не только являлся директором, но и участвовал в полевых работах, что отняло у него очень много времени, которое можно было посвятить математическим исследованиям более теоретического характера. С другой стороны, эта работа позволила Гауссу обнаружить новые типы геометрии, не основанные на аксиомах Евклида, и придать форму идеям, которые он вынашивал еще в студенческие годы. Работы по измерению Земли в рамках геодезии также дали ему возможность внести большой вклад в дифференциальную геометрию. В последние годы своей жизни, благодаря сотрудничеству с Вебером, ученый заинтересовался проблемами физики, особенно в области оптики, механики и электричества.

Влияние Гаусса на других математиков огромно: достаточно указать, что он был учителем Бернхарда Римана и Юлиуса Вильгельма Рихарда Дедекинда — великих математиков XIX века. Как уже было сказано ранее, он сделал значительный вклад во все области математики, как чистой, так и прикладной.

Кроме того, Гаусс занимает почетное место и среди физиков, поскольку его работы по магнетизму, оптике и геодезии входят в число самых значимых научных трудов той эпохи.

Все это свидетельствует о том, что титул короля математиков, полученный Гауссом посмертно и увековеченный по приказанию короля Георга V Ганноверского на памятной медали, не является преувеличением. По мнению математика и историка этой науки Эрика Темпла Белла, разделяемому большинством его коллег, Гаусс занимает на пьедестале великих математиков место рядом с Архимедом и Ньютоном.

1777 В Брауншвейге, Германия, родился Карл Фридрих Гаусс, единственный сын Гебхарда Дитриха Гаусса и Доротеи Бенце.

1784 Гаусс поступает в начальную школу в Брауншвейге. Его учителями становятся Бюттнер и Мартин Бартельс, которые видят способности мальчика и подвигают его их развивать.

1791 Гаусс представлен герцогу Брауншвейгскому, который станет в дальнейшем его покровителем.

1795 Гаусс оставляет Брауншвейг и поступает в Гёттингенский университет.

1796 Открывает метод построения многоугольника с 17 сторонами с помощью линейки и циркуля. После этого успеха решает посвятить себя математике как основному занятию.

1799 Представляет докторскую диссертацию в Хельмштедтском университете. В этой работе Гаусс предлагает первое доказательство основной теоремы алгебры.

1801 Публикует «Арифметические исследования» — свой самый большой вклад в теорию чисел. В этой работе ученый собирает исследования прошлых лет, в том числе связанные с модульной арифметикой, посвященные комплексным числам и квадратичному закону взаимности. Определяет орбиту Цереры методом наименьших квадратов.

1805 Женится на Иоганне Остгоф. В этом браке родится трое детей: Иосиф, Минна и Луи, умерший в возрасте несколько месяцев.

1809 Умирает первая жена Гаусса. Ученый публикует свою самую важную работу по астрономии — «Теорию движения небесных тел».

1810 Гаусс заключает второй брак, с Минной Вальдек, в котором также родится трое детей: Ойген, Вильгельм и Тереза. Этот брак длится до смерти Минны в 1831 году.

1818 Правительство Ганновера поручает Гауссу триангуляцию и измерение королевства. Ученый посвящает несколько лет геодезии.

1827 Публикует «Общие исследования о кривых поверхностях» — свою основную работу по дифференциальной геометрии, в которую включена Theorema egregium — основная теорема теории поверхностей.

1831 В Гёттинген переезжает Вебер, и начинается его плодотворное сотрудничество с Гауссом в области физики.

1849 Гаусс представляет новое доказательство основной теоремы алгебры в связи с 50-летием своей докторской диссертации.

1855 Ученый умирает во сне на рассвете, 23 февраля, в возрасте 77 лет.

 

ГЛАВА 1

Первые озарения гения чисел

Гаусс с самого юного возраста проявлял выдающиеся способности, привлекавшие внимание тех людей, которые помогли ему их развить. С самого начала своей научной карьеры он интересовался почти всеми областями математики. Однако его вклад в науку связан не только с великими открытиями, но и с самим понятием научной дисциплины, основанной на строгости доказательств.

Нам мало известно о детстве и юности Гаусса. Главный источник информации об этом периоде — сам ученый, рассказывавший истории о своем детстве студентам и друзьям.

Иоганн Фридрих Карл Гаусс родился в Брауншвейге, главном городе герцогства Брауншвейг-Вольфенбюттель, 30 апреля 1777 года. Он был единственным сыном Гебхарда Дитриха Гаусса, родившегося в 1744 году, и Доротеи Бенце. У его отца уже был сын от предыдущего брака. Гаусс никогда не использовал своего первого имени Иоганн и поменял местами следующие два: свои работы он подписывал как Карл Фридрих Гаусс и под этим именем и стал известен позже.

Дом Гауссов стоял на маленькой улице под названием Верденграбен. Позже его семья переехала в дом номер 30 по Вильгельмштрассе — улице, находившейся рядом с городским каналом, с которым связана одна из самых известных историй из детства математика. Когда ему было три или четыре года, мальчик упал в воду канала, но, к счастью, был сразу же спасен проходившим мимо крестьянином. Математическая наука в неоценимом долгу перед этим неизвестным человеком.

Родственники со стороны отца Гаусса были мелкими фермерами и переехали в Брауншвейг около 1740 года. Для семьи это означало надежду на процветание и лучшее будущее в то время, когда старый немецкий феодализм сменялся новым абсолютистским правительством. Однако процветание давалось нелегко: гильдии, которые с эпохи Средневековья контролировали деятельность ремесленников, сохранили свою власть и не допускали чужаков к активному предпринимательству Отец Гаусса поначалу был вынужден зарабатывать на жизнь как садовник, уличный мясник и бухгалтер в похоронном бюро. Семья поставила себе задачу приобрести собственный дом в черте города, что дало бы им доступ ко всем гражданским правам. Своей цели Гауссы достигли, однако через некоторое время после этого их мир перевернулся с ног на голову, и обычный уклад вновь был нарушен: Брауншвейг был завоеван войсками Наполеона.

Известно, что отец Гаусса был человеком резким, чрезвычайно порядочным, его строгость по отношению к сыну часто граничила с грубостью. Порядочность и упорство позволили Гауссу-старшему добиться некоторого бытового комфорта, но жизнь семьи не была легкой. Родитель не поддерживал стремление сына заниматься наукой и даже не понимал, как важно для него было получить образование, соответствующее способностям мальчика. Если бы мнение отца возобладало, талантливый юноша занялся бы одной из семейных профессий, и только ряд счастливых совпадений спас будущего математика от участи простого садовника или каменщика. В детстве Карл Фридрих был очень послушным. Он никогда не критиковал своего отца, но вполне ожидаемо, что и настоящей привязанности к нему не чувствовал. Гебхард Гаусс умер в 1806 году.

Семья матери ученого происходила из Фельпке, маленького города в Нижней Саксонии, рядом с Брауншвейгом. Доротея Бенце отличалась живым, веселым и сильным характером. Она умерла в очень почтенном возрасте — 97 лет, и последние 20 лет своей жизни прожила вместе с заботливым сыном в Гёттингене. Доротея всегда поддерживала сына в учебе и очень гордилась его научными достижениями. Рассказывают, что когда Вольфганг Бойяи (1775-1856), один из лучших друзей ученого, уверил ее, что Карл Фридрих войдет в историю как один из самых великих математиков, женщина расплакалась от радости.

Ни один из родителей ученого не получил более или менее приличного образования: отец едва умел читать и писать и немного знал элементарную арифметику. В старости Гаусс хвалился тем, что считать научился раньше, чем писать, а чтение освоил самостоятельно, разбирая по буквам письма от родственников и друзей семьи. Он сам рассказывал историю, которая говорит о его ранних математических способностях.

В три года, наблюдая за тем, как отец рассчитывает зарплату наемным работникам, мальчик заметил ошибку и сказал, каким должен быть результат. Гебхард пересчитал цифры и обнаружил, что сын прав. Это тем более удивительно, учитывая, что малыша никто не учил числам и тем более сложению. Мать Гаусса с трудом читала, а писать не умела вовсе, но при этом ученый никогда не чувствовал особой близости к отцу и всю жизнь утверждал, что унаследовал свои способности от матери.

Не знание, а процесс обучения, и не обладание, а ощущение того, что ты пришел к чему-то, доставляют наибольшее наслаждение.

Карл Фридрих Гаусс

Наиболее достоверная информация о немецком математике начинается с 1784 года, когда юный Карл поступил в начальную школу. В те времена это не было обычным занятием для детей, но в городе встречалось все же чаще, чем в селах, так что в этом смысле Гауссу очень повезло. Повезло ему и в другом: мальчик встретил необычайно талантливого учителя, который опекал его в первые годы обучения. Заслуга Бюттнера в том, что он вовремя заметил огромный талант Гаусса и выделял его среди более чем 50 одноклассников. В 1786 году учитель за свой счет даже запросил из Гамбурга специальные арифметические тексты для выдающегося воспитанника. Ассистентом Бюттнера в те годы работал Мартин Бартельс (1769-1836), который был всего на восемь лет старше Карла Фридриха. Позже Бартельс стал преподавателем математики в Казанском университете. Он также быстро заметил гениальность Гаусса и уделял мальчику пристальное внимание. Можно сказать, что они учились вместе, помогая друг другу расшифровывать учебники по алгебре и элементарному анализу. В те годы и начали зарождаться некоторые идеи и способы видения математики, ставшие позже характерными для Гаусса. Из учебников Бартельса юноша узнал о биноме Ньютона для нецелых показателей и бесконечных рядах, в эти же годы он сделал первые шаги в математическом анализе. Любопытно, что в Казанском университете Бартельс преподавал Николаю Лобачевскому (1792-1856), который впоследствии занялся разработкой неевклидовой геометрии — области, основоположником которой был именно Гаусс.

УЛУЧШАЯ РЕЗУЛЬТАТЫ НЬЮТОНА

В сотрудничестве со своим учителем Мартином Бартельсом молодой Гаусс получил новое доказательство бинома Ньютона с натуральными коэффициентами, то есть формулу, которая позволяет вычислить степень двучлена:

где

Это число сочетаний n по k, а n! = Π n i-1 i называется факториалом числа, и он равен произведению этого числа на все натуральные числа меньше него.

АРИФМЕТИКА С САМЫХ РАННИХ ЛЕТ

Известна история, из которой видно, насколько легко давались Гауссу арифметические вычисления. Когда мальчику было девять лет, учитель Бюттнер предложил своим ученикам сложить сто первых натуральных чисел, будучи уверенным в том, что это займет класс достаточно долго, а он в это время сможет отдохнуть. Обычно ученики, решив задачу, вставали и клали доску с решением перед учителем. И вот в то время как остальные ученики едва приступили к заданию, Гаусс уже положил свою доску на стол учителя, воскликнув: Ligget se! («Вот оно!»). Бюттнер подумал, что Гаусс просто дерзит ему, но когда он посмотрел на доску, то обнаружил, что на ней записан правильный ответ — 5050, причем не было приведено ни одного этапа вычислений. Учитель подумал, что каким-то образом проговорился об ответе, но тут юный Карл объяснил ход своих рассуждений. Гаусс не стал решать проблему в лоб, просто складывая слагаемые (к тому же при этом легко было допустить ошибку), а предпочел нестандартный подход. Он быстро понял, что первое число (1) и последнее (100) в сумме дают то же самое значение (101), что второе число и предпоследнее, и это рассуждение можно продолжить, то есть 1 + 100 = 2 + 99 = 3 + 98 = ... = 50 + 51 = 101. Образовались 50 пар чисел, которые в сумме давали 101 и произведение которых было равно 5050.

Гаусс, сам того не понимая, применил формулу суммы членов арифметической прогрессии. Арифметическая прогрессия — это ряд таких чисел, в котором разность между двумя любыми последовательными членами является постоянной, и эта величина называется разностью прогрессии, просто разностью или шагом. В проблеме, предложенной Гауссу, разность была равна 1. Выражение суммы арифметической прогрессии довольное простое: если члены нашей последовательности — это a1 а2,..., аn, то сумма Sn равна:

Для суммы n первых натуральных чисел T n равно:

Если мы подставим в предыдущую формулу n= 100, то получим 5050, чего и следовало ожидать.

Доказательство формулы можно получить разными методами, одни из них интуитивны, например использование пар чисел с одинаковой суммой, как это сделал Гаусс, но в более формальном доказательстве обычно используется принцип индукции. Этот метод заключается в том, чтобы доказать, что натуральное число п обладает определенными свойствами, а затем обосновать, что если ими обладает любое натуральное число, то же происходит и со следующим.

Сила математического доказательства в том, что мы можем утверждать: эта формула верна для суммы любого ряда натуральных чисел. Если бы мы использовали для вычислений самые быстрые современные компьютеры и увидели бы, что формула выполняется, это не дало бы нам абсолютной уверенности: всегда можно было бы подумать, что остались числа, для которых наше утверждение не проверено, и с ними оно может не выполняться. В этом и заключается один из главных вкладов Гаусса в науку: утверждения должны иметь строгое доказательство. До его работ в математике было много созерцательного, утверждения основывались на конкретных примерах, существовали понятийные белые пятна и неполные доказательства. Однако Гаусс не публиковал свои работы, пока не получал как можно более строгого доказательства, при этом в своих записях он обычно не приводил полный ход рассуждений и этим затруднял их понимание для современников. Представление ученого о математических трудах требовало доведения их до совершенства, при этом он считал, что приведение подробных доказательств делает его работу не такой безупречной, ведь ее можно сравнить с демонстрацией готового здания, рядом с которым все еще стоят строительные леса, необходимые только на этапе строительства.

ПРИНЦИП ИНДУКЦИИ

Принцип индукции, примененный к доказательству формулы суммы л натуральных чисел, имеет три следующие базовые предпосылки:

a) проверяем справедливость нашей гипотезы для n = 1;

b) предполагаем, что она верна для n - 1;

c) основываясь на «а» и «b», доказываем это для n.

Если нам удастся доказать «с», пользуясь «а» и «b», то утверждение верно для всех натуральных чисел. Идея состоит в том, что если утверждение справедливо для любого выбранного числа, то оно справедливо и для следующего, большего на единицу. Применим принцип индукции к формуле суммы первых n натуральных чисел:

Tn = n(n=1)/2.

a) Для n = 1 получается:

T1 = 1(1=1)/2 = 1

Утверждение верно.

b) Предположим, что для n - 1 сумма равна:

Tn-1 = (n-1)/2.

c) Сумма Тn = Т n-1 + n, так что, применяя «b», получаем:

T n = (n-1)n/2 + n = (n-1)n/2 + 2n/2 = ((n-1)n + 2n)/2 = (n²-n+2n)/2 = (n²+n)/2 = n(n+1)/2.

что завершает доказательство.

ТРЕУГОЛЬНЫЕ ЧИСЛА

История о сумме 100 первых натуральных чисел и общая формула, которую мы доказали, необходимы для введения в тему, которой Гаусс посвятил много времени в молодости. Итак, поговорим о треугольных числах. Британский математик Маркус дю Сотой включил в свою книгу «Музыка простых чисел» (2003) новое доказательство способа, которым Гаусс получил результат 5050, используя треугольные числа.

Треугольное число — это число, количество единиц которого может быть представлено в форме равностороннего треугольника (по умолчанию было решено, что первое треугольное число — 1). Понятие треугольного числа было введено Пифагором, который изучил некоторые их свойства (пифагорейцев очень интересовали эстетические свойства чисел). На рисунке показаны шесть первых треугольных чисел.

Если внимательно посмотреть на первые треугольные числа, можно увидеть, что они совпадают со значением ряда Tn суммы п первых натуральных чисел. Очевидно, что это не случайность, поскольку при построении треугольного числа в каждом ряду на один элемент больше, чем в предыдущем, и первый ряд начинается с 1. Следовательно, узнать, является ли какое-либо число треугольным, равносильно тому, чтобы проверить, совпадает ли это число со значением Tn для некоторого n. Итак, каждое треугольное число Tn определяется следующей формулой:

Tn = n(n+1)/2.

Треугольное число — это число,которое можно представить в виде треугольника. Здесь указаны шесть первых таких чисел. Гаусс открыл, что любое целое положительное число может быть представлено в виде суммы, самое большее, трех треугольных чисел.

Проблема суммы, предложенная Гауссу, была равносильной тому, чтобы вычислить треугольное число, ряд основания которого был бы равен 100. Лучший способ сделать это, не вдаваясь в математические дебри, это взять другой равный треугольник, перевернуть его и поместить рядом с первым. В этом случае у нас получится прямоугольник в 100 единиц длиной и 101 шириной. Чтобы трансформация была понятной, предварительно нужно заменить равносторонние треугольники прямоугольными, просто передвинув ряды. Когда мы получили прямоугольник, вычислить общее число единиц очень просто, поскольку речь идет о произведении его сторон: 100 х 101 = 10100. Следовательно, один треугольник содержит половину единиц, то есть 5050. Следующий рисунок помогает понять построение прямоугольника на основе двух равных треугольных чисел. Ради компактности будем работать с Т3 вместо Т100, поскольку это не влияет на ход рассуждений. Обозначим через X единицы первого треугольного числа и через Z — единицы второго.

Как мы видим, получается прямоугольник 4x3, что и следовало ожидать. В целом сумма двух треугольных чисел Tn порождает прямоугольник n · (n + 1), так что для того, чтобы узнать число элементов Tn, достаточно разделить его на 2 — то есть снова получить, уже в результате других рассуждений, формулу построения треугольных чисел:

Tn = n(n+1)/2.

Сложно сказать точно, какое из этих двух рассуждений применил юный Гаусс. Мальчик с раннего возраста проявлял интерес к треугольным числам и их свойствам, поэтому, возможно, он понял, что требуется вычислить треугольное число с основанием в 100 единиц. Так, в его математическом дневнике есть запись от 18 июля 1796 года: «Эврика! num = Δ + Δ + Δ», что в переводе с зашифрованного языка Гаусса означает одну из его самых известных теорем, в которой утверждается, что любое целое положительное число может быть представлено в виде суммы самое большее трех треугольных чисел. Следует обратить внимание: эта теорема не предполагает, что треугольные числа должны быть разными и что их обязательно должно быть три (например, 20 = 10 + 10). Три — это лишь максимальное число треугольных чисел, но может быть достаточно и двух, а если искомое число само треугольное, то для его представления достаточно одного числа — его самого. Радость от открытия была более чем оправданной. Молодой Гаусс ответил на один из вызовов старого Ферма (1601-1665). И это был не просто вызов... Даже великий Леонард Эйлер (1707-1783) не смог справиться с этой задачей. Далее мы поговорим о Ферма и Эйлере более подробно, потому что в их работах снова появятся связи с трудами Гаусса — первого человека в истории, который ответил на одну из знаменитых гипотез Ферма. В математике гипотеза — это просто результат, который, похоже, является верным, но который не удалось доказать в строгом аналитическом виде, и при этом для него не был найден и опровергающий контрпример.

Этот результат был опубликован Гауссом только в 1801 году в книге «Арифметические исследования». Ученый не публиковал свои открытия сразу после их совершения, а ждал несколько лет, пока у него не накопится достаточно материала для издания целой книги. Эта его манера стала источником споров о первенстве Гаусса относительно некоторых математических открытий. Действительно, существуют результаты, которые он нашел первым, но сохранил в тайне, и опубликованы они были другими математиками. Конечно, это не означает, что открытия Гаусса были украдены, просто другие ученые приходили к похожим или таким же выводам независимо от героя нашей книги и ничего не зная о его успехах. Многие из этих споров оставались нерешенными долгие годы, пока не появилась возможность изучить всю переписку и научные записи Гаусса.

Теорема о треугольных числах напоминает знаменитую гипотезу Гольдбаха, сформулированную Кристианом Гольдбахом (1690-1764). В ней утверждается, что любое четное натуральное число, большее 2, может быть выражено в качестве суммы двух простых чисел. А это означает, что любое нечетное число, большее 5, может быть выражено в качестве суммы трех или меньше простых, поскольку если оно само по себе не простое, достаточно сложить простое число 3 и четное число, меньшее этого числа на три единицы. Однако Гауссу удалось доказать свой результат, в то время как гипотеза Гольдбаха все еще не доказана в строгом виде. Этот пример объясняет, почему в математике придается такое значение доказательству. Гипотеза Гольдбаха была проверена для всех чисел, меньших 1014 (числа невообразимой величины), но она не принята в качестве математического результата и так и не стала теоремой, оставаясь простой гипотезой.

АКАДЕМИЧЕСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ ГАУССА

В 1788 году, в возрасте 11 лет, Гаусс с помощью своего наставника Бюттнера, несмотря на все сопротивление отца, поступил в гимназию св. Катарины. Благодаря усилиям матери и дяди со стороны отца удалось убедить Гебхарда отказаться от помощи сына и позволить ему получить дальнейшее образование. Программа обучения в новой школе была более упорядоченной, а число учеников в классе — небольшим. Карл изучал латынь и греческий, что было необходимым требованием для получения высшего образования и академической карьеры. Латынь в то время была международным языком науки. Через два года Гаусс достиг высшей ступени среднего образования.

В эти же годы слава о юноше распространилась в образованных кругах Брауншвейга-Вольфенбюттеля и наконец достигла ушей герцога Карла Вильгельма Фердинанда (1735-1806), которому Гаусс и был представлен в 1791 году. Титул герцога Брауншвейгского начиная с 1235 года получали представители династии Вельфов, управлявшие небольшими территориями на северо-западе Германии. Титул переходил по мужской линии, поскольку в это время действовал салический закон, запрещающий женщинам наследовать власть. Молодой Гаусс произвел на герцога столь сильное впечатление, что тот назначил юноше годовую стипендию для продолжения обучения. Подобное меценатство не было обычным для того времени и в таком маленьком государстве, как Брауншвейг, и оно позволило Гауссу преодолеть социальные барьеры, стоявшие перед ним из-за его происхождения. Следует отметить, что этот великий математик никогда не достиг бы таких успехов без помощи людей, заинтересованных в развитии его огромного таланта. Важную помощь он получил также от Циммермана (1743-1815), преподавателя закрытой школы «Коллегия Карла» (Collegium Carolinum) и советника герцога, который и настоял на помощи мецената молодому и талантливому юноше. Гаусс пользовался поддержкой герцога до 1806 года, пока его благодетель не погиб от ран, полученных в битве при Йене, где французские войска разгромили Пруссию и ее союзников, в числе которых было и государство Брауншвейг. Через год после смерти герцога Гаусс был назначен директором Гёттингенской обсерватории и благодаря этому смог получить средства для существования. Итак, с помощью Циммермана Гаусс стал студентом Коллегии Карла, где учился с 1792 по 1795 год. Дружба между Гауссом и Циммерманом длилась до смерти последнего в июле 1815 года.

Такие учебные заведения, как Коллегия Карла, не были редкостью в Германии, стране, которая на тот момент была образована несколькими независимыми государствами. Они представляли собой промежуточный этап между гимназиями, в которых дети получали элементарное образование, и университетами. В таких школах получали базовое образование будущие военные, архитекторы, инженеры, механики и коммерсанты. На этом же этапе происходила и специализация учеников в разных областях. Здесь изучали древние и современные языки, христианскую мораль и догматику, философию, историю и литературу, статистику, законы, математику, физику и естественную историю. Также в программе присутствовали занятия по рисованию и другим дисциплинам, развивающим творческие способности учащихся. Привилегированные закрытые школы стали примером новаторского подхода к образованию: здесь преподаватели старались сформировать личность, а не только давать знания. Это были элитные учебные заведения, в которых получили образование многие известные писатели и ученые конца XVIII — начала XIX века. Публичное образование в Брауншвейге было одной из сфер, в которой прогресс был наиболее очевидным, и судьба Гаусса — пример того, как человек простого происхождения мог получить в то время высшее образование.

Портрет Гаусса, написанный около 1803 года, когда великому немецкому гению было 26 лет. Это был самый плодотворный этап деятельности великого математика. За два года до этого он опубликовал свою первую великую работу, «Арифметические исследования».

Особого упоминания заслуживает библиотека Коллегии Карла с прекрасной подборкой классической математической литературы. Гаусс учился в Коллегии до 1795 года. Он изучал классические языки, литературу, философию и, естественно, высшую математику, демонстрируя блестящие успехи во всех областях. Среди математических книг, которые он штудировал в то время, были «Математические начала» Ньютона (1642— 1727), «Искусство предположений» Якоба Бернулли (1654— 1705), работы Лагранжа (1736-1813) и некоторые мемуары Эйлера. Особенно привлекали будущего ученого работы Ньютона, которого он считал математическим гением и примером для подражания.

В Коллегии Карла Гаусс начал некоторые математические исследования, связанные с распределением простых чисел и основами геометрии. Прогресс ученого, должно быть, удовлетворял герцога, который из года в год увеличивал финансовую поддержку.

Осенью 1795 года, в возрасте 18 лет, Гаусс оставил родной Брауншвейг и переехал в Гёттинген, маленький ганноверский город, известный благодаря своему университету.

Юноша отправился в путешествие вопреки желанию герцога Брауншвейгского, который хотел, чтобы его подопечный продолжал обучение в местном университете в Хельмштедте. Но несмотря на это меценат продолжил оказывать Гауссу финансовую поддержку. Гёттингенский университет носил имя Георга Августа — в честь короля Англии Георга II, который также был курфюрстом Ганновера. Храм наук был задуман по модели Оксфорда и Кембриджа, что означало большую независимость от церковного влияния и лучшее качество образования. Гаусс получил свободу в своих академических обязанностях и мог самостоятельно выбирать предметы и наставников, что было очень благоприятно для его образования.

ГЁТТИНГЕН

Гёттинген (нем. Gottingen) впервые упомянут как Gutingi в документе императора Священной Римской империи Оттона I. К началу XIII века Гёттинген уже обладал правами города. С 1584 года он принадлежал княжеству Брауншвейг-Вольфенбюттель, а в 1692 году перешел в подчинение княжеству Ганновер. Поскольку королева Великобритании Анна умерла, не оставив наследников, в 1714 году представитель ганноверской династии стал королем Великобритании под именем Георга I. С этого времени и до 1837 года интересы Ганновера и Великобритании совпадали, за исключением периода наполеоновских войн. В 1806 году княжество некоторое время находилось под контролем Пруссии, а в 1807-м вошло в состав королевства Вестфалия, созданного Наполеоном. Эти территориальные изменения были отменены после разгрома Наполеона, и в 1813 году Гёттинген вернулся под контроль Ганновера, ставшего в 1814 году королевством. Не считая этого периода, город, в котором поселился Гаусс, жил спокойной жизнью за средневековыми стенами. В эти годы в программе обучения университета преобладала теология, но к моменту назначения Гаусса преподавателем астрономии и директором городской обсерватории в 1807 году главными дисциплинами уже стали научные. Не стоит и говорить, что благодаря Гауссу этот университет получил широкую известность и привлекал студентов и ученых.

Слушатели Гёттингенского университета, где Гаусс учился, а затем был преподавателем. Гравюра по дереву на основе рисунка Роберта Гайсслера (1865).

Главным преподавателем математики в университете был 76-летний Готхельф Абрахам Кестнер (1719-1800), но так как он не посвящал себя математическим исследованиям, то так и не стал для Гаусса примером для подражания. В университете юноша завел знакомство со многими преподавателями, среди которых следует упомянуть физика Георга Лихтенберга (1742— 1799), астронома Карла Сейфера (1762-1822) и лингвиста Христиана Готлиба Гейне (1729-1812). Друзей среди студентов у Гаусса было немного, и одним из них стал Вольфганг фон Бойяи, дворянин из Трансильвании — провинции со значительной долей немецкого населения. Самый важный результат этой дружбы — переписка Гаусса и Бойяи, которая длилась больше 50 лет. Началась она в 1799 году, когда Гаусс покинул Гёттинген, и завершилась в 1853 году, за два года до смерти ученого.

Гаусс говорил о Бойяи: «Он был самым сложным по духу из тех, кого я когда-либо знал». Бойяи рассказывал об этой дружбе более подробно: «Нас объединяли страсть к математике и наши мысли, и мы гуляли долгие часы в тишине, каждый занятый собственными размышлениями».

Бойяи был единственным, кто смог понять мои метафизические критерии математики.

Карл Фридрих Гаусс о своем друге Вольфганге Бойяи

В течение трех лет в Гёттингене Гаусс совершенно самостоятельно формировал свою образовательную программу. В конце 1798 года он по неясным причинам покинул университет, но к этому времени уже успел разработать наиболее важные математические идеи, которые будут публиковаться в течение следующих 25 лет. Гаусс оставил Гёттинген, не получив диплома. Из его переписки с Бойяи мы знаем, что по просьбе герцога Брауншвейгского ученый в 1799 году послал свою докторскую диссертацию в Хельмштедтский университет. Степень была предоставлена ему заочно, без обычного устного экзамена.

ФАРКАШ БОЙЯИ

Этот венгерский математик известен в Германии как Вольфганг Бойяи (1775-1856), и ему принадлежат в основном работы в области геометрии.

Главный труд Бойяи озаглавлен Tentamen iuventutem studiosam en elementa matheosos introducendi, и в нем прослеживается попытка ученого придать строгую и систематическую базу геометрии, арифметике, алгебре и анализу. В своей работе он изложил повторяющиеся процессы для решения уравнений. Проблема повторяющихся процессов в решении математических задач состоит в следующем: не всегда можно гарантировать, что число повторений будет конечным; когда метод может гарантировать это, говорят, что он сходящийся. Процедуры, описанные Бойяи, были именно такими. Другое важное значение его работы состоит в том, что она включала определение равенства двух плоских фигур, если обе они могут быть поделены на конечное число эквивалентных частей, что отражено в теореме Бойяи — Гервина. Сыном Вольфганга был Янош Бойяи, также математик, сфера интересов которого лежала в области неевклидовой геометрии. Гаусс признавал, что многими своими идеями в области геометрии он обязан именно Бойяи, с которым мог обсудить их и улучшить.

ПОСТРОЕНИЕ ПРАВИЛЬНОГО МНОГОУГОЛЬНИКА С 17 СТОРОНАМИ С ПОМОЩЬЮ ЛИНЕЙКИ И ЦИРКУЛЯ

Со времени прибытия в Гёттинген молодой Гаусс продолжил свои исследования о числах, начатые в Коллегии. Без сомнения, именно в ходе этих исследований, а не благодаря занятиям у Кестнера в Брауншвейге он сделал открытие, ставшее ключевым не только для карьеры математика, но и для будущего науки. Речь о методе построения правильного многоугольника с 17 сторонами с помощью линейки и циркуля.

НАУЧНЫЙ ДНЕВНИК ГАУССА И ЕГО ТОЛКОВАНИЕ

Благодаря построению 17-угольника в 1796 году Гаусс понял, что может извлечь больше пользы из своего таланта, занимаясь математикой, а не философией. Осознавая важность своего открытия, которое решало одну из проблем построения с помощью линейки и циркуля — проблему, очень долго волновавшую математиков, — он написал об этом в своем небольшом дневнике. Эта запись стала первой в одном из самых интересных математических документов в истории науки. Последняя запись сделана 9 июля 1814 года. Дневник Гаусса — это всего 19 страниц, на которых содержится 146 коротких записей с открытиями или результатами вычислений. Содержание записей ученого стало известно только в 1898 году, через 43 года после смерти Гаусса, когда Королевское сообщество Гёттингена попросило внука математика предоставить дневник для изучения. Так стали известны большинство результатов, полученных Гауссом, и были разрешены многие споры об авторстве математических открытий. Дневник позволял ученому быстро записывать идеи, которые у него появлялись. Гаусс записывал конечный результат, без его строгого доказательства, причем даже сама формулировка требовала определенной расшифровки. Ученый вел дневник для себя, поэтому прибегал в записи к аббревиатурам, значение которых знал только он, и не всегда использовал математические обозначения. Большинство записей удалось расшифровать, поскольку результаты, к которым они относятся, Гаусс позже опубликовал в более формальном виде (например, записи, относящиеся к треугольным числам, к методу наименьших квадратов или дифференциальной геометрии). Теорема, относящаяся к треугольным числам, имеет в дневнике следующий вид:

ΕΥΡΗΚΑ! num = Δ + Δ + Δ.

Этот результат Гаусс опубликовал позже в книге «Арифметические исследования» в 1801 году в такой формулировке: любое число может быть записано в качестве суммы, самое большее, трех треугольных чисел. Но есть настолько зашифрованные записи, что их так и не удалось понять. Гаусс записал 11 октября 1796 года: Vicimus GEGAN («Мы победили дракона»). До сих пор неясно, что за дракона он имел в виду. Ученый пишет 8 апреля 1799: REV. GALEN в прямоугольнике, и эту запись не удается связать ни с одним из известных результатов Гаусса.

Важность этого открытия для математики заключается в том, что именно благодаря ему Гаусс решил посвятить себя этой науке. На следующий день, 30 марта, ровно за месяц до 19-летия, юноша сделал свою первую запись в самом важном научном дневнике за всю историю математики. В этот дневник попадет большинство математических открытий XIX века, но некоторые результаты Гаусса за наиболее плодотворный период между 1796 и 1814 годами в него не вошли. Благодаря многим записям удалось установить первенство математика в ряде областей, хотя некоторые его современники отказывались верить в то, что он их опередил. Запись от 19 марта 1797 года доказывает, что Гаусс открыл двойную периодичность некоторых эллиптических функций. Эллиптические функции, то есть обобщение таких тригонометрических функций, как синус и косинус, были интересны в связи с вычислением размера дуги эллипса (отсюда их название), что, в свою очередь, оказалось очень важным для астрономических расчетов. Гауссу в это время было 20 лет. Другая запись доказывает, что немецкий математик обнаружил двойную периодичность в общем случае — только одно это открытие, если бы оно было опубликовано, тут же принесло бы ему мировую известность.

Многие другие записи, которые на несколько десятилетий оказались сокрытыми в этом дневнике от всех, будучи опубликованными, возвысили бы полдюжины математиков. Некоторые открытия Гаусса не были опубликованы в течение его жизни, но он не претендовал на первенство, обнаружив, что его открытия заново сделаны другими авторами, поскольку был слишком гордым, чтобы вступать в споры такого рода. Говоря о себе, Гаусс замечал, что вел научные исследования только в ответ на собственные природные устремления, а публикация результатов и приобщение к ним других людей для него всегда имели второстепенное значение.

Гаусс случайно сообщил одному из своих друзей идею, которая может объяснить как существование его дневника, так и медлительность в публикации новых результатов. Ученый утверждал, что когда ему было 20 лет, то количество новых идей, приходивших ему в голову, было таким, что он едва успевал записывать их в полном виде, и у него для таких записей было очень мало времени, поэтому в дневнике содержится только краткое изложение результатов сложных исследований, которые порой продолжались по нескольку недель. В молодости Гаусс восхищался рядом синтетических доказательств, объединявших идеи Архимеда и Ньютона, и он решил следовать великому примеру этих гигантов и оставлять только совершенные и законченные работы, к которым нельзя ничего добавить и от которых нельзя ничего отнять, не изменив их. Работа сама по себе должна быть законченной, простой и убедительной, такой, чтобы нельзя было найти какого-либо знака, указывавшего на труды, которых она стоила. Собор, говорил математик, не собор, пока не разобраны последние леса. Стремясь к этому идеалу, Гаусс предпочитал долго отполировывать свой шедевр, вместо того чтобы публиковать полный ход своих рассуждений, что он очень легко мог бы сделать. На личной печати ученого изображено дерево с небольшим количеством фруктов и девиз Pauca sed matura («Мало, но спелые»). И эти слова в точности отражали мнение Гаусса относительно научных публикаций. Как мы позже увидим, дневник помог разрешить некоторые споры, в частности возникшие с Лежандром.

Построение с помощью линейки и циркуля, до этого много раз описанное в математических работах, состоит в том, чтобы строить точки, отрезки и углы, пользуясь исключительно идеальными линейкой и циркулем. Предполагается, что линейка имеет бесконечную длину и лишена делений, позволяющих измерять и переносить расстояния, а циркуль закрывается каждый раз, поднявшись над листом бумаги, так что его также невозможно использовать для переноса расстояний, поскольку он «забывает» о расстоянии между точками, как только перестает чертить окружность. Это правило построений было введено еще древнегреческими геометрами, и с тех пор оно осталось неизменным. Ограничение для циркуля кажется очень неудобным для современных циркулей, но на самом деле не предполагает серьезных неудобств, потому что перенос расстояний можно осуществить непрямым способом, хотя и с помощью большего количества шагов. Благодаря этому правилу построение шестиугольника с помощью линейки и циркуля кажется тривиальным (поскольку каждая окружность содержит вписанный шестиугольник со стороной, равной радиусу окружности), но требует больше работы, чем могло бы показаться.

Построение шестиугольника с помощью линейки и циркуля по описанным ранее правилам показано на рисунке.

Проведем две параллельные вертикальные прямые и третью, перпендикулярную им. Проведем окружности радиусом АВ с центрами в точках А и В. Возьмем одну из точек пересечения, например О. Это центр шестиугольника. Теперь проведем окружность с центром в точке О и радиусом ОА. Получаем точки Р и Q в местах пересечения с предыдущими окружностями и точки R и S в местах пересечения вертикальных прямых с окружностью, которую мы только что провели. Соединив вершины, получаем искомый правильный шестиугольник.

Построение шестиугольника с помощью идеальных линейки и циркуля, по традиции древних греков. Гаусса привлекло построение этих фигур, и в 19 лет он доказал, что таким образом можно нарисовать правильный многоугольник с 17 сторонами.

После того как мы определили правила, сформулированные древними греками, возникает вопрос: можно ли построить с помощью линейки и циркуля любой правильный многоугольник? Это зависит от того, о каком многоугольнике мы говорим. На основе построения шестиугольника тривиальным является построение равностороннего треугольника, поскольку для этого нужно лишь соединить чередующиеся вершины. Другая классическая проблема построений с помощью линейки и циркуля заключается в том, чтобы провести биссектрису угла. Сочетая эти два процесса, мы можем утверждать, что можно построить, по крайней мере в теории, все правильные многоугольники с числом сторон 3 х 2n, где n — натуральное число. Так, для n = 2 мы получаем 12-угольник, или многоугольник с 12 сторонами, а для n = 3 — многоугольник с 24 сторонами, и так мы можем продолжать, просто увеличивая п. Это решение очень далеко от общего ответа на вопрос. И мы увидим, что это частный случай предложенного Гауссом решения.

Греки нашли решение для пятиугольника, но общую проблему это не устранило, поскольку не был найден метод построения многоугольника с семью сторонами (а также других многоугольников с количеством сторон меньше 20). Более того, даже не было известно, существуют ли такие методы. Гаусс заинтересовался проблемой и нашел метод построения 17-угольника. Много лет спустя он будет вспоминать этот момент в письме Герлингу от 6 января 1819 года:

«Это произошло 29 марта 1796 года, во время каникул в Брауншвейге, и это абсолютно не было случайным, поскольку это был плод усиленных размышлений; утром этого дня, еще не встав с кровати, я увидел очень четко всю эту связь, так что я тут же применил к 17-угольнику соответствующее числовое утверждение».

Именно это открытие окончательно убедило юношу в том, что он должен посвятить себя математике. Кроме того, Гаусс включил этот результат в раздел VII «Арифметических исследований», о которых мы поговорим далее. Возможно, именно из-за того большого значения, которое открытие сыграло в жизни математика, он попросил выгравировать 17-угольник на своей могиле. К сожалению, каменщик, которому это поручили, не справился с работой и в итоге выгравировал 17-конечную звезду. На нынешней могиле Гаусса 17-угольника также нет.

Гаусс не только нашел способ построения 17-угольника, но и попытался ответить на основной вопрос: возможно ли построение любого правильного многоугольника с помощью линейки и циркуля. Эта задача тесно связана с проблемой деления окружности, которая также занимала Гаусса и рассматривая которую он получил некоторые результаты. В 1801 году ученый доказал, что правильный многоугольник с п сторонами можно построить с помощью линейки и циркуля, пользуясь так называемыми простыми числами Ферма (или числами Ферма).

ПЬЕР ДЕ ФЕРМА

Ферма (1601-1665) — французский юрист и математик, которого Белл назвал королем математиков-любителей. Этим прозвищем Ферма обязан тому, что никогда не посвящал себя исключительно данной науке, которую считал скорее хобби, однако именно Ферма, наряду с Рене Декартом (1596-1650), был одним из основных математиков первой половины XVII века. Он внес значительный вклад в теорию чисел, которой начал интересоваться после прочтения «Арифметики» Диофанта. На полях одной из страниц именно этого произведения он записал знаменитую теорему, ставшую известной как «последняя теорема Ферма», что не совсем правильно, поскольку речь идет только о гипотезе. В этой гипотезе утверждалось, что не существует таких целых чисел х, у, z, что можно было бы составить уравнение х n + у n = z n при n >= 3. Очевидно, что для n = 2 это действительно возможно, достаточно взять З² + 4² = 5². Гаусс никогда не занимался последней теоремой Ферма, и на это были свои причины. В 1816 году Парижская академия предложила премию за доказательство (или опровержение) гипотезы Ферма. Ольберс, немецкий астроном, друг Гаусса, уговаривал математика поучаствовать в конкурсе («Мне кажется справедливым, дорогой Гаусс, чтобы Вы занялись этим»), но ученый устоял перед искушением. Ответ математик дал лишь два месяца спустя, и в нем он изложил свое мнение о последней теореме Ферма. «Я очень благодарен Вам за новости относительно Парижской премии, но признаю, что теорема Ферма в изолированном виде представляет очень небольшой интерес для меня, поскольку я легко могу найти множество подобных утверждений, которые невозможно ни доказать, ни опровергнуть». Знаменитое высказывание Ферма было полностью доказано только в 1995 году британским ученым Эндрю Уайлсом.

Числа Ферма, названные так в честь Пьера де Ферма — первого, кто их изучал, — имеют следующий вид:

Fn = 2²n+1,

где n — натуральное число.

Ферма определил такие простые числа с намерением, очень далеким от того, чтобы решать задачи построения многоугольников с помощью линейки и циркуля (а на самом деле удалось доказать, что не все числа такого вида простые).

Гаусс показал, что для построения правильного многоугольника с n сторонами с помощью линейки и циркуля необходимо, чтобы нечетные простые множители n были различными простыми числами Ферма. То есть правильный многоугольник можно построить, если число его сторон — это степень числа 2, простое число Ферма или произведение некоторой степени числа 2 (включая единицу) и различных простых чисел Ферма. Это то, что в математике известно как достаточное условие. Итак, если многоугольник имеет форму, определенную Гауссом, его можно построить. Естественным образом возникает вопрос, является ли это также необходимым условием. То есть нужно проверить, только ли такие многоугольники можно построить с помощью линейки и циркуля.

Пьер Ванцель, французский математик, в 1837 году доказал, что условие Гаусса является необходимым, и это превратило теорему в полное описание правильных многоугольников, которые можно построить с помощью линейки и циркуля. Математики называют такие условия тогда и только тогда. То есть у нас полностью определены правильные многоугольники, которые мы можем построить с помощью линейки и циркуля. Так, треугольник (3 = 2²0 +1), квадрат (4 = 2²1 ), пятиугольник (5 = 2²1 +1) и шестиугольник (6 = 2-(2²0 +1)) можно построить с помощью линейки и циркуля, а правильный семиугольник (7 =/= 2²n + 1 Vn) нельзя. Далее, правильный восьмиугольник (8 = 2³) можно построить, а правильный девятиугольник (9 = 3² =/= 2²n +1 Vn) — нет· Очевидно, что многоугольник с 17 сторонами, построенный Гауссом, — это пример многоугольников, в которых число сторон точно совпадает с одним из чисел Ферма, так как F2 = 2²2 +1 = 17.

Но это не означает, что нет людей, которые посвящали бы свое время и энергию безуспешному нахождению способов построения семиугольников или других фигур, что, как доказано математиками, невозможно осуществить с помощью линейки и циркуля. Это касается квадратуры круга, трисекции угла или удвоения куба. Первой задачей со страстью, которая сохранилась всю жизнь, занимался не кто иной, как Наполеон. Однако эту битву, в отличие от битв с прусской армией, Наполеон не смог, да и не мог бы выиграть.

 

ГЛАВА 2 «Арифметические исследования»

Гаусс — отец теории чисел в ее современном понимании. Среди других его достижений — решительный импульс в использовании комплексных чисел, благодаря чему он оставил нам инструмент, с помощью которого можно подойти к решению полиномиальных уравнений любого типа. Этой теме посвящена работа «Арифметические исследования», в которой Гаусс собрал свои многочисленные исследования, совершенные в молодые годы.

Гаусс привел математику XIX века к целям, о которых до него и не подозревали. Первым огромным вкладом ученого в алгебру была докторская диссертация, которую, как мы уже знаем, он защитил заочно в 1799 году в Хельмштедтском университете. Руководителем работы был Иоганн Фридрих Пфафф (1765-1825), один из великих математиков того времени, и он всегда относился с особым вниманием к своему подопечному. Пфафф считал своим долгом заботиться о том, чтобы его молодой друг больше двигался, и они часто гуляли днем, разговаривая о математике. Поскольку Гаусс отличался не только скромностью, но и некоторой замкнутостью, возможно, Пфафф не смог разглядеть все черты его натуры, однако известно, что сам молодой диссертант восхищался своим преподавателем, которого считал лучшим математиком Германии — благодаря не только отличным научным работам, но и простому и открытому характеру. Со временем ученик превзойдет учителя. Барон Александр фон Гумбольдт (1769-1859), знаменитый путешественник и любитель наук, с которым Гаусс сотрудничал, изучая геомагнетизм, спросил Пьера-Симона Лапласа (1749-1827), одного из выдающихся французских математиков, кого тот считает самым великим математиком в Германии. Лаплас ответил: «Пфаффа». «А Гаусс?» — удивился фон Гумбольдт, который поддерживал кандидатуру Карла Фридриха на пост директора Гёттингенской обсерватории. «О, — сказал Лаплас, — Гаусс — самый великий в мире».

Название докторской диссертации Гаусса звучит так: Demonstratio nova theorematis omnem functionem algebraicam rationalem integram unius variabilis in factores reales primi vel secundi gradus resolvi posse («Новое доказательство теоремы, в которой говорится, что любая алгебраическая рациональная функция может быть разложена на множители первой или второй степени с действительными коэффициентами»). В этом заголовке содержится небольшая ошибка, которая принесла молодому Гауссу еще больше величия: это доказательство было не «новым», а первым в истории полным доказательством основной теоремы алгебры.

Математика — царица наук, а арифметика — царица математики.

Карл Фридрих Гаусс

В этой теореме, в том виде, в каком ее формулировал Гаусс (затем она была обобщена), утверждается, что любой многочлен от одной переменной имеет столько корней, сколько показывает его степень, допуская, что эти корни могут быть множественными. Многочлен Р — это выражение вида Р(x) = anxn + an-1xn-1 + ... + а1х + a0, где коэффициенты аn, аn-1, ... , a1, a0 — действительные числа. Степень Р — это наибольший показатель степени, в которую нужно возвести переменную х, то есть n. Корни многочлена — это точки, в которых он равен нулю, то есть такие точки х, в которых Р(х) = 0. В качестве естественного следствия из теоремы можно сделать вывод, что любой многочлен степени n с n корнями, необязательно разными, которые мы обозначим r1, r2,..., rn, можно разложить как произведение одночленов вида:

Р(х) = (x-r1) · (x - r2) · ... · (x - rn).

Задачи такого типа часто встречаются в повседневной жизни, и их решение заботило математиков с самого начала развития этой науки. Очевидно, что задачи типа x - 3 = 0 имеют единственный корень, то есть 3. Если мы возьмем многочлен x + 3 = 0, то для его решения нам придется учитывать отрицательные числа, поскольку решение — это -3. Именно по этой причине потребовалось расширить множество натуральных чисел до множества целых чисел, которое включает в себя и отрицательные числа. Вавилоняне и египтяне осознали, что для решения простых уравнений первой степени нужно новое расширение, в данном случае это дроби, поскольку решением уравнения 3x — 2 = 0 является величина 2/3. Множество, которое включало в себя дроби, назвали множеством рациональных чисел.

С увеличением показателя степени многочлена все усложняется, и такое простое уравнение, как х²-2 = 0, привело греков к великому открытию, поскольку решение нельзя было выразить в виде дроби. Действительно, методом от противного было найдено аналитическое доказательство того, что sqrt(2) не является рациональным числом.

ИРРАЦИОНАЛЬНОЕ ЧИСЛО sqrt(2)

Находчивые древнегреческие математики предложили доказательство нерациональности sqrt(2), пользуясь методом от противного, который состоит в том, чтобы предположить противоположное тому, что мы хотим доказать, и прийти к логическому противоречию. Предположим, что sqrt(2) рационально, то есть его можно выразить с помощью некоторой дроби p/q. Теперь предположим, что дробь невозможно сократить, то есть что р и q — взаимно простые. Иначе было бы достаточноразделить оба элемента дроби на наибольший общий делитель. Так как sqrt(2) = p/q, получается, что, если возвести в квадрат оба члена, то 2 = p²/q², значит, 2q² = p², то есть р² — это четное число, и, следовательно, таким же является р. Так как р — четное число, то существует натуральное число k, такое, что р = 2k. Если подставить новое значение р в наше уравнение, получится, что 2q² = 4k². Это предполагает, что q² = 2k², то есть q -— также четное. Но это означает, что нашу исходную дробь можно сократить, а это противоречит условиям, следовательно, предположение, что sqrt(2) — рациональное число, ложно.

Столкнувшись с невозможностью выразить такие числа, как sqrt(2), в виде дроби, математики назвали их иррациональными. Несмотря на сложности, связанные с их точной записью, иррациональные числа имеют реальное значение, поскольку их можно представить как точки на числовой прямой. Число sqrt(2) находится между 1,4 и 1,5, и если построить прямоугольный треугольник, катеты которого будут равны 1, мы знаем, что его гипотенуза равна sqrt(2) по теореме Пифагора. Множество чисел, в которое включались бы и рациональные, и иррациональные числа, назвали действительными числами, и они представлены на числовой прямой.

Проблема поиска корней многочлена усложнялась, когда речь шла о том, чтобы найти решения таких с виду простых уравнений, как х² + 1 = 0. Казалось очевидным, что ни одно число, возведенное в квадрат, не может дать в результате отрицательное число, каким бы ни было исходное число, положительным или отрицательным. Итак, пришлось создать новый тип чисел, которые позволили бы решить уравнения этого типа. Новое число, sqrt(-1), было названо мнимым числом и обозначено как г. Создание, казалось бы, из ничего, решения для этого уравнения кажется обманом: почему бы не признать, что у уравнения просто нет решения? Но ответ в том, что найденное решение вызвало большой прогресс арифметики и при этом оно не содержит логических противоречий. Самолеты никогда не поднялись бы в воздух, если бы инженеры не пользовались мнимыми числами. Итак, если мы будем использовать новое обозначение и решим уравнение х² +1=0 как квадратный многочлен вида aх² + bх + с = 0, с помощью известной формулы

что приводит к корням i и -i, то получается, что x² + 1 = (x + r) · (x - r), в соответствии с основной теоремой алгебры.

Первым, кто активно пользовался мнимыми числами, также называемыми комплексными, был итальянский математик Джироламо Кардано (1501-1576), который применил их в формуле решения кубических уравнений, но термин «комплексные числа» был введен Гауссом при доказательстве основной теоремы алгебры в своей докторской диссертации.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ И ИРРАЦИОНАЛЬНЫХ ЧИСЕЛ НА ЧИСЛОВОЙ ПРЯМОЙ

Числовая прямая сформирована из рациональных чисел, представимых в виде дробей, и иррациональных, для которых такое представление невозможно. Но как распределяются оба множества на прямой? Есть ли какое-то сбалансированное распределение, которое делает возможным соседство подмножеств на числовой прямой? Чтобы ответить на этот вопрос, сделаем несколько выводов, которые могут вас удивить. Если взять два любых числа множества рациональных чисел, которое обычно обозначают Q, всегда можно найди другое рациональное число, заключенное между ними. Это достаточно очевидно. Если q 1 , q 2 , то

а это число находится между двумя предыдущими по построению. Также существует рациональное число, которое находилось бы между только что вычисленным и каким-либо предыдущим, и этот процесс можно повторять бесконечно. Итак, между двумя любыми рациональными числами существует бесконечное количество рациональных чисел независимо оттого, как близко друг от друга располагаются исходные числа. Это приводит к мысли о том, что рациональные числа находятся так близко друг от друга, как мы этого захотим. Из-за этого свойства математики говорят, что Q является плотным множеством среди действительных чисел. То есть если х — действительное число и оно является центром отрезка числовой прямой, этот отрезок обязательно содержит рациональные числа, каким бы маленьким он ни был. Остаются ли на числовой прямой промежутки для иррациональных чисел? Ответ удивляет: множество рациональных чисел имеет нулевой размер. Это означает, что если мы выберем наугад точку на числовой прямой, то вероятность того, что эта точка будет рациональным числом, равна нулю. Математики оставляют нулевую вероятность только для невозможных случаев. Удивительно, что в школьной программе так много времени посвящено овладению арифметикой множества, исчезающе малого на числовой прямой.

Кроме того, именно Гаусс увидел самые широкие возможности для применения комплексных чисел в будущем. Также Гаусс ответил и на другой вопрос: понадобится ли математикам создавать новые числа для каждого нового уравнения? Если бы мы захотели решить такое уравнение, как х4 + 1 = 0, нужно ли искать новые числа? Гаусс доказал, что в этом нет необходимости: пользуясь числом i, математики могут решить любое полиномиальное уравнение. Его решением будет сочетание обычного действительного числа и нового числа i. Гаусс открыл, что мнимые числа — это просто добавление нового измерения к обычной числовой прямой, поэтому каждое мнимое число соответствует точке на плоскости — так же, как действительное число соответствует точке на прямой. Кроме того, ученый создал новый способ представления чисел с помощью координатной оси, как показано на рисунке.

Так, мнимое число z имело бы вид а + bi, как точка с координатами (a, b) на плоскости, что показано на рисунке. Ось R используется для действительной части, а ось I — для мнимой. Кроме того, Гаусс снабдил комплексные числа арифметикой, которая позволила бы проводить с ними все виды операций.

Несмотря на то что речь шла об очень эффективном представлении, Гаусс держал в секрете эту карту мира мнимых чисел. Как только доказательство было обнаружено, ученый убрал графические «леса», так что от них не осталось и следа. При этом он осознавал, что математики часто смотрят на графики с некоторым подозрением, отдавая предпочтение языку формул и уравнений, поскольку в то время существовало мнение, что графики могут быть ошибочными. Гаусс знал, что графическое представление мнимых чисел вызовет недоверие, поэтому исключил его из доказательства, которое сразу же стало довольно непонятным для современников. Непонятным настолько, что в некоторых книгах по истории науки говорится, что первое доказательство теоремы, предложенное математиком, было ошибочным, хотя вернее было бы сказать — неполным. И пробел находится в том варианте доказательства, которое было опубликовано, а не в том, которое Гаусс вывел для себя.

ПОЛЕ КОМПЛЕКСНЫХ ЧИСЕЛ

Комплексные числа имеют алгебраическую структуру поля с операциями суммы и произведения. Сначала дадим им определения и покажем, что это внутренние операции, то есть что мы получаем комплексные числа, когда оперируем ими.

— Сумма:

(a + bi) + {c + di) = a + c + (b + d) i.

— Произведение:

(a + bi) · (c + di) = ac + adi + bci + bdi² = ac-bd + (be + + ad) i.

При таком определении операций у чисел есть необходимые свойства для того, чтобы иметь алгебраическую структуру поля:

— ассоциативность обеих операций;

— коммутативность обеих операций;

— существование нейтрального элемента (0 для суммы и 1 для произведения);

— существование результата, противоположного сумме, и результата, обратного произведению;

— дистрибутивность.

Доказательство этих свойств следует непосредственно из определений. Наличие структуры поля позволяет работать с комплексными числами, используя все возможности, которые предоставляет алгебра.

ЛЕОНАРД ЭЙЛЕР

Эйлер (1707-1783) — швейцарский математик и физик. Речь идет о главном математике XVIII века и одном из самых великих математиков всех времен. Эйлер долгие годы жил в России, где был почетным гостем Екатерины I и ее придворных (в то время в России существовала традиция приглашать наиболее крупных ученых в Академию наук). Эйлер осуществил важные открытия в таких областях, как вычисления, или теория графов (графы — это математическая модель множества узлов и их соединений с помощью ребер, ориентированных либо нет; они имеют широкое применение для представления сети дорог или планов городов). Эйлер также ввел значительную часть современной терминологии и математических обозначений, например понятие математической функции. Он определил число е, одну из самых используемых констант, породившую натуральные логарифмы. Также Эйлер известен своими работами в области механики, оптики и астрономии. Он входит в число наиболее плодовитых ученых: полное собрание его сочинений могло бы занять от 60 до 80 томов. И действительно, даже через 50 лет после смерти математика Петербургская академия наук все еще публиковала статьи Эйлера, хранящиеся в ее архивах. Лаплас, говоря о влиянии ученого на последующих математиков, заметил: «Читайте Эйлера, читайте Эйлера, он учитель всех нас».

В ту эпоху превалировала мысль о том, что числа -- это объекты, которые можно складывать и умножать, но не изображать. И потребовалось 50 лет для того, чтобы Гаусс решился открыть коллегам графические леса, которыми он воспользовался в диссертации. Эта теорема так захватила Гаусса, что он нашел еще три ее доказательства. Второе возникло через год после защиты, и оно дополняло некоторые пропуски первоначального варианта. Третье доказательство, выдвинутое в 1815 году, было основано на идеях Эйлера, в нем не применяются геометрические положения, и это первая серьезная попытка чисто алгебраического доказательства с открытым использованием комплексных чисел. Тут же Гаусс критикует попытки других математиков, основанные на аналитических методах. Последнее доказательство было получено в 1849 году, в связи с 50-летием докторской диссертации. Оно очень похоже на первое, но в этот раз Гаусс приводит все геометрические рассуждения. Чтобы понять важность диссертации Гаусса, достаточно отметить, что доказательство теоремы повергло в прах Эйлера, Лагранжа и Лапласа — трех величайших математиков в истории.

На основе работ Гаусса можно было подступиться к поиску корней многочлена любой степени. Для уравнений до пятой степени (n = 5) были найдены формулы нахождения корней с помощью коэффициентов самого многочлена, что называется решением в радикалах. Формулы были того же типа, что мы использовали для решения уравнений второй степени, однако для уравнений пятой степени их никак не могли найти. Решение нашлось у очень молодого французского математика Эвариста Галуа (1811-1832), который погиб в результате дуэли, едва ему исполнился 21 год. Галуа доказал, что невозможно решить уравнения пятой степени с помощью коэффициентов самого многочлена, и нашел альтернативные методы нахождения корней, пользуясь результатами Гаусса.

Галуа представил свои математические результаты, известные как теория Галуа, в Парижскую академию наук в 1830 году, чтобы получить премию по математике. Эта работа так и не была оценена, поскольку попала в руки Огюстена Луи Коши (1789-1857); тот признал себя недостаточно компетентным для ее разбора и передал заметки Жозефу Фурье (1768— 1830), который, как секретарь академии, должен был найти нового специалиста для анализа. Смерть Фурье оставила эти поиски незавершенными, статья Галуа затерялась и так и не была опубликована. Однако за ночь до дуэли Галуа, который понимал, что его шансы выжить в поединке невысоки, и в то же время осознавал важность своих открытий, торопливым почерком написал заметки, в которых обобщалось то, что известно  как теория Галуа о решении уравнений. Именно это его письменное завещание вошло в историю и позволило последующим математикам восстановить результаты молодого гения. Известно, что в том году премию академии получили Нильс Хенрик Абель (1802-1829) и Карл Густав Якоб Якоби (1804-1851), двое из самых талантливых математиков своего времени. Однако вопрос, одержали бы они победу, если бы исходная работа Галуа не потерялась, так и останется без ответа. Можно лишь утверждать, что открытия молодого Галуа в математике можно сравнить лишь с открытиями самого Гаусса.

«АРИФМЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ»

Гаусс начал свои исследования по теории чисел во время пребывания в Коллегии Карла в 1795 году, но к работе над своим основным трудом, Disquisitiones arithmeticae («Арифметические исследования»), он приступил во время пребывания в Гёттингенском университете с 1795 по 1798 год. Мы это знаем благодаря его научному дневнику, в котором уже в 1796 году появляются два блестящих результата: разложение любого целого числа на три треугольных и построение правильного 17-угольника, о которых мы уже говорили в главе 1. Они оба включены в «Исследования», увидевшие свет в Лейпциге летом 1801 года, через три года после возвращения Гаусса в его родной город Брауншвейг. Ученый снова отложил публикацию своих результатов до тех пор, пока не смог сделать этого в формате книги.

В «Исследованиях» Гаусс придал новое направление теории чисел, которая перестала быть набором разрозненных результатов и превратилась в такую же важную математическую дисциплину, как анализ или геометрия.

Работа разделена на семь глав, или разделов. Первые три раздела вводные, разделы с IV по VI образуют центральную часть работы, а раздел VII — это маленькая монография, посвященная отдельной теме, но связанная с остальными главами.

Молодому Гауссу повезло, что он мог рассчитывать на материальную помощь герцога Брауншвейгского (сверху), который оплачивал его образование и покровительствовал ученому до своей смерти в 1806 году. Благодаря влиянию герцога Гаусс в 1791 году поступил в Коллегию Карла (внизу), где начал работу над некоторыми своими важнейшими математическими результатами, отраженными в «Арифметических исследованиях», обложка которых представлена на среднем фото.

В разделе I, состоящем всего из пяти страниц, вводятся элементарные понятия, такие как признаки делимости на 3, 9 и 11. Кроме того, Гаусс дает определение сравнения по модулю; это понятие будет раскрыто в разделе II: если заданы целые числа а и b и их разница (а - b или b - а) делится без остатка на число m, мы говорим, что a, b сравнимы по модулю m, и это записывается следующим образом: a = b (mod m). Так, 56 = 6 (mod 5) или 47 = 14 (mod 11).

Сравнения по модулю — очень важное открытие в математике, они помогают выполнять вычисления любого типа. Их идея близка к тому, как работают с обычным циферблатом часов, поэтому сравнения также называют вычислителями часов. Если обычные часы со стрелками показывают 9, и проходит 4 часа, стрелки будут показывать 1. То есть 13=1 (mod 12). Такое вычисление, как 7² = 7 · 7, в итоге дает 1 по модулю 12, поскольку 49, разделенное на 12, в остатке дает 1. Результат сравнения по модулю — это всегда остаток от деления числа на определенный модуль.

Значимость этой системы проявляется, когда речь идет о более сложных вычислениях. Если нужно вычислить 7³ = 7 · 7 · 7, вместо того, чтобы умножать 49 на 7, Гаусс мог ограничиться тем, чтобы умножить 7 на результат последнего сравнения по модулю, то есть 1, произведение будет равно, без сомнения, 7. Так, Гаусс знал, что произведение — это число, которое при делении на 12 в остатке дает 7. Этот метод может быть применен на больших числах, которые превышают возможность вычисления. Не имея ни малейшего понятия о значении 799, с помощью сравнений по модулю ученый знал, что если разделить это число на 12, в остатке получится 7. Исследования Гаусса в этой области арифметики были революционными для математики начала XIX века и позволили ученым обнаруживать структуры, до этого скрытые. Сегодня арифметика сравнений по модулю, также называемая модульной арифметикой, является фундаментальной для безопасности в интернете, где сравнения используются для величин, превышающих количество атомов во Вселенной.

Также преимущество этой записи состоит в том, что она напоминает форму, в которой мы записываем алгебраические выражения. Вместо арифметической делимости, описание которой может быть громоздким, она дает краткую запись, благодаря которой можно складывать, вычитать и умножать сравнения, если их модуль одинаков, а также решать уравнения вида: ах + b == c (mod m).

В заключении к двум первым разделам Гаусс применил эти методы к историческим проблемам, таким как вычисление знаменитой функции φ Эйлера. Функция φ(N) определяется как количество целых положительных чисел, меньших или равных N и взаимно простых с Ν. В математике два числа называются взаимно простыми, если у них нет общих делителей, то есть их наибольший общий делитель — 1. Например, 9 = З² является взаимно простым с 10 = 5 · 2, и его нужно было бы найти при вычислении φ( 10). Множество φ( 10) состоит, следовательно, из четырех элементов (1, 3, 7 и 9), и значит, φ( 10) = 4.

Гаусс вывел общую формулу для вычисления φ(Ν). Если мы разложим N на простые множители ρ1,ρ2, ...,рn, то получим N = р1m 1 , p2m 2 · ... · pnm n , где pi простые числа, a mi — кратность их повторения. Формула имеет вид:

Если применить формулу к N= 10, то

чего и следовало ожидать.

Формула зависит от простых чисел, на которые раскладывается N, а не от кратности их повторения. В случае с N = 180 получается, что 180 = 2² · З² · 5, следовательно,

Раздел заканчивается доказательством основной теоремы о многочленных сравнениях. Так, сравнение степени m,

amxm + am-1xm-1 + ··· +а1x + b == 0 (mod р),

модуль которой р — простое число, не являющееся делителем аm, может быть решена не более чем m различными способами или не может иметь больше m корней, не сравнимых по модулю р.

В разделе III, озаглавленном De residuis Potestatum («О степенных вычетах»), говорится о квадратичных вычетах и вычетах большей степени. Если заданы целые числа тип, где m не является делителем n, и если существует такое число x, что х² = m (mod n), говорят, что m — квадратичный вычет по модулю n; в противном случае говорят, что m — квадратичный невычет по модулю n. Например: 13 — квадратичный вычет по модулю 17, поскольку уравнение х² == 13 (mod 17) имеет в качестве решений х = 8, 25, 42, поскольку 8² = 64, что при делении на 17 дает 13 в остатке, 25² = 625, что при делении на 17 вновь дает 13 в остатке, и то же самое происходит с 42² = 1764.

В разделе доказывается малая теорема Ферма: np-1 == 1 (mod p), где р — простое число, не являющееся делителем n. То есть если р — простое число, которое не является делителем n, то np-1 всегда делится на р. Для случая n = 8 np = 5 получается, что 84-1 = 4095, а это делится на 5. Для получения этого результата Гаусс воспользовался формулой бинома Ньютона, сформулированной для сравнений. Следствием является теорема Вильсона, в которой говорится, что если задано простое число р, то

1·2·3·...·(p-1) = (p-1)! == -1 (mod p).

Произведение всех чисел, меньших заданного простого, при добавлении единицы всегда делится на это число. Если, например, мы выберем 7, то 6! = 720, а 721 делится на 7.

Три первых раздела представляют собой системное введение в теорию чисел и готовят почву для разделов IV и V.

Главный итог раздела IV — это знаменитый квадратичный закон взаимности. Теорема (в виде гипотезы) была сформулирована Эйлером в 1742 году в его письме Гольдбаху. Полвека спустя, в 1798 году, Лежандр опубликовал доказательство, основанное на недоказанных аргументах, так что первое правильное доказательство теоремы принадлежало Гауссу, который называл ее золотой теоремой. В книге Гаусса она сформулирована в следующем виде:

Если р — простое число вида 4n + 1, то +p — вычет (или невычет) по модулю любого простого числа, которое, взятое в положительной форме, является вычетом (или невычетом) по модулю p. Если р имеет вид 4n + 3, то -р обладает тем же свойством.

Скобки в теореме указывают на то, что результат может быть прочитан при исключении содержимого скобок или при включении их при замене непосредственно предшествующего выражения. Проще говоря, существует взаимность между парой сравнений х² == q (mod р) и х² == р (mod q), где р и q — простые числа. То есть если мы можем проверить первое сравнение (х² == q (mod p)), то автоматически проверяется и второе (х² == р (mod q)); и если первое неверно, то неверно и второе. Есть одно исключение, которое состоит в том, что как p, так и q в остатке дают 3, когда делятся на 4; в этом случае одно и только одно из сравнений верно.

Доказательство Гаусса начинается с эвристических соображений, результатом чего является закон для определенных простых чисел. Затем ученый переходит, по индукции, к доказательству общего случая. Это доказательство очень обширное, в нем отдельно рассматриваются восемь различных случаев. Петер Густав Дирихле, который был учеником немецкого математика и одним из главных читателей его книги, упростил доказательство, сократив число случаев до двух. Гаусс заканчивает раздел другими результатами, выводимыми из его теоремы. Только за это доказательство он достоин звания одного из самых талантливых математиков своего времени, но в этой работе будут и другие, не менее важные идеи.

Раздел V — центральная часть книги. Он посвящен выражениям типа F = ах² + 2bху + су², где а,b,с — целые числа; эти выражения были названы Эйлером квадратичными формами. Существенная часть этого раздела не является оригинальной — в ней собраны и унифицированы результаты Лагранжа по этой теме.

Проблема, которую решает Гаусс, — это определение того, какие целые числа М могут быть представлены в виде выражения ах² + 2 bху + су² = М, где x и y — целые числа. Обратная, и более интересная, проблема, которую он также решил, заключается в том, чтобы при заданных М и а, b и с найти значения x и y, которые определяют значение М в квадратичной форме. Для этого Гауссу потребовалось классифицировать квадратичные формы и подойти к ним дифференцированно. С этой целью он использовал два базовых алгебраических свойства квадратичной формы. Гаусс установил классификацию квадратичных форм и их свойств на основе дискриминантов.

В этот раздел также включено доказательство теоремы, относящейся к треугольным числам, о которой мы уже говорили.

В разделе VI представлены многочисленные примеры применения понятий, разработанных в предыдущем разделе. Основные затрагиваемые вопросы — это разложение на простые дроби; то есть разложение дроби на сумму дробей со знаменателями, образованными от знаменателя исходной дроби. Эта техника имеет широкое применение в интегралах рациональных функций, то есть тех, которые могут быть представлены в виде частного многочленов. Также речь идет о периодических десятичных дробях и решении сравнений собственными методами Гаусса. Другая интересная тема — это поиск критериев, которые позволили бы выделять простые числа без трудоемких вычислений. Как мы увидим, изучение простых чисел сопровождало ученого всю его жизнь, но мы рассмотрим это отдельно.

ДИСКРИМИНАНТ МНОГОЧЛЕНА

В алгебре дискриминант многочлена — это некое выражение из коэффициентов данного многочлена, которое равно нулю тогда и только тогда, когда у многочлена множественные корни. Например, дискриминант квадратного многочлена ах² + bх + с равен b²-4ac, поскольку формула корня данного многочлена следующая:

то есть достаточно, чтобы дискриминант в том виде, в каком мы его определили, был равен нулю, чтобы получить единое двойное решение. В случае с многочленом х²-4х + 4, поскольку у него нулевой дискриминант, мы получаем один двойной корень (2), так что, применив основную теорему алгебры, получаем х²-4х + 4 = (х - 2)².

Раздел VII — самая известная часть «Исследований», оказавшая огромное влияние на развитие науки. В этом разделе шла речь о делении круга с помощью линейки и циркуля — классической теме математики. Очевидно, что эта задача связана с построением правильных многоугольников, так что Гаусс включил сюда свое знаменитое построение многоугольника с 17 сторонами, найдя достаточное условие для построения правильного многоугольника с помощью линейки и циркуля.

В мире математики все признают, что «Арифметические исследования» — это не просто сборник замечаний о числах. Работа знаменует собой рождение теории чисел как независимой дисциплины. Ее публикация сделала теорию чисел царицей математики — это определение очень нравилось Гауссу. И все же, несмотря на это, труд был не слишком тепло принят Парижской академией наук, которая сочла его темным и неясным. Одна из причин такого впечатления состоит в том, что Гаусс старался сохранять тайну, исключая или скрывая пути, которые привели его к открытиям. Как и следовало ожидать, математики не до конца поняли новую работу и назвали труд «книгой за семью печатями». Ее сложно читать даже специалистам, но содержащиеся в ней сокровища, включая скрытые в лаконичных синтетических доказательствах, сегодня доступны каждому, кто захочет восхититься ими, в основном благодаря работам Дирихле, который первым разбил эти семь печатей.

Рассказывают, что Дирихле использовал книгу Гаусса как подушку, чтобы ночью некоторые знания перетекли в его голову.

Лагранж также безоговорочно хвалил книгу. В своем письме Гауссу от 31 мая 1804 года он признается:

«Ваши «Исследования» быстро возвели Вас до уровня первых математиков, и я считаю, что последний раздел содержит самое красивое аналитическое открытие, которое только было сделано за последнее время [...]. Я думаю, что никто более искренне не аплодирует Вашим достижениям, чем я».

Если вспомнить, что все изложенные в книге результаты были получены Гауссом в возрасте до 30 лет, остается только удивляться его таланту. Очень вероятно, что именно в память о Гауссе Филдсовская премия — важнейшая награда, которую может получить математик, — вручается только ученым до 40 лет. В отличие от Нобелевской премии, которая обычно вручается ученым, приближающимся к концу карьеры, медали Филдса оставлены для молодых.

СЕМЕЙНАЯ ЖИЗНЬ

В конце 1798 года ученый вернулся в Брауншвейг, где жил до 1807 года. Очевидно, что этот период был критическим для его карьеры. Сначала Гаусс, закончив обучение в Гёттингенском университете, боялся потерять расположение герцога, но в январе 1799 года математик рассказывал Вольфгангу Бойяи, что герцог продолжает выплачивать стипендию, и это позволяет ему жить, посвящая себя исследованиям. Очевидно, что в это время Гаусс был вполне удовлетворен своим математическим прогрессом и с избытком оправдывал ожидания, возложенные на него: он не только блестяще завершил обучение в Гёттингенском университете, но и решил проблему построения правильного многоугольника с 17 сторонами. Во время этого второго периода в Брауншвейге можно заметить расширение научных интересов Гаусса; он впервые посвятил себя вопросам математики, специфически применимым к теоретической и практической астрономии.

ИОГАНН ПЕТЕР ГУСТАВ ЛЕЖЁН ДИРИХЛЕ

Дирихле (1805-1859) — немецкий математик XIX века. Он получил образование в Германии, а затем во Франции, где учился у многих самых известных математиков своего времени, таких как Фурье. После выпуска работал преподавателем в университетах Бреслау (1826-1828),

Берлина (1828-1855) и Гёттингена, где получил кафедру, оставленную Гауссом после его смерти. Многие свои работы Дирихле посвятил тому, чтобы дополнить труд Гаусса, приводя полные доказательства его результатов, чтобы они стали более доступными будущим поколениям математиков. Его самый значительный вклад сделан в теорию чисел, где он уделил особое внимание изучению рядов и развил теорию рядов Фурье. Первая публикация ученого включала в себя частичное доказательство теоремы Ферма для случая n = 5, которое также нашел Адриен Мари Лежандр, один из рецензентов. Дирихле нашел свое доказательство почти одновременно с Лежандром, а потом успешно продолжил его для п = 14. Математик применил аналитические функции к вычислению арифметических задач и установил критерии сходимости рядов. В области математического анализа он усовершенствовал определение и понятие функции. Дирихле приписывают современное понимание функции в математике.

Его личная жизнь в это время также изменилась, поскольку здесь Гаусс начал ухаживать за Иоганной Осггоф, на которой и женился в 1805 году. Дочь кожевника, Иоганна была на три года младше Гаусса, ее семья хорошо знала мать математика, которая работала на семью Остгофов. В детстве Карл Фридрих сам часто бывал в доме родственников своей будущей жены и после возвращения в Брауншвейг возобновил общение с ними. Так он познакомился с Иоганной.

НОБЕЛЕВСКИЕ ПРЕМИИ ПО МАТЕМАТИКЕ

Филдсовская премия — это высший знак отличия, который может получить математик. Она вручается Международным математическим союзом раз в четыре года и по значимости сопоставима с Нобелевской премией. Дело в том, что Нобелевской премии по математике не существует. Альфред Нобель исключил эту дисциплину из списка наук, за которые присуждается премия его имени. И хотя Нобелевский фонд имеет полномочия включать в список новые области (например, существует Нобелевская премия по экономике, учрежденная в 1969 году), он не может учредить премию по математике. Возможно, воля Нобеля связана с тем, что он не считал математику прикладной наукой. Однако существуют и другие объяснения: якобы это связано с обидой, которую учредитель премий испытывал к математическому сообществу, поскольку его супруга изменила ему со шведским математиком Густавом Миттаг-Леффлером (1846-1927). Эта версия очень распространена, но вряд ли она имеет под собой реальные основания, прежде всего потому, что Нобель никогда не был женат. Первая медаль Филдса была вручена в 1936 году, но из-за начала Второй мировой войны следующее награждение состоялось только в 1950 году. Официальное название премии — Международная медаль за выдающиеся открытия в математике (хотя она намного более известна как медаль Филдса). Награда названа так в честь математика Джона Чарльза Филдса (1863- 1932), который развил эту идею.

Только молодым

Главная особенность этой награды — требование, чтобы лауреат-математик был не старше 40 лет. Вручение происходит раз в четыре года. К медали прилагается денежная премия в размере около 10 тысяч евро, и это очень далеко от сумм Нобелевской премии. Лауреатов математической награды может быть до четырех, но так бывает очень редко. Медаль изготовлена из золота, ее эскиз был разработан Робертом Маккензи в 1933 году. На аверсе выгравирована голова древнегреческого математика Архимеда и надпись Transire suum pectus mundoque potiri («Превзойти человеческую ограниченность и покорить Вселенную»). На реверсе можно увидеть шар, вписанный в цилиндр, и надпись Congregati ex toto orbe mathematici ob scrita insignia tribuere («Математики, собравшиеся со всего света, вручили эту награду за выдающиеся труды»).

Нам мало что известно о жизни пары, поскольку Гаусс упоминает супругу только в письмах друзьям. Не осталось даже ее портрета, известно лишь, что дочь математика, Минна, была очень похожа на мать. В 1806 году в письме Вольфгангу Бойяи Гаусс описывает свою супругу как умную и нежную женщину, но получившую довольно скудное образование.

У четы Гауссов родилось двое детей: Иосиф и Минна, и ничто не нарушало их идиллию. Однако в конце 1809 года, менее чем через два года после переезда в Гёттинген, где Гаусс занял пост директора обсерватории, Иоганна родила третьего ребенка и через месяц после родов умерла. Мальчик — бедный Луи, как называл его отец, — через несколько месяцев последовал за своей матерью, и безутешный Гаусс погрузился в депрессию. Ученый был довольно счастлив в первом браке; за год до смерти Иоганны он так описывал свою семейную жизнь в письме к Бойяи:

«Дни счастливо бегут однообразным ходом нашей домашней жизни: когда у девочки вылезает новый зуб или мальчик выучивает новые слова, это важнее, чем открытие новой звезды или новой математической истины».

Гаусс был не очень практичным человеком и в положении вдовца столкнулся с рядом бытовых проблем. Так что через несколько месяцев после смерти Луи он заключил брак с Вильгельминой (Минной) Вальдек, дочерью преподавателя права в университете. Минна Вальдек была подругой Иоганны Гаусс, но насколько тесной была эта дружба, неизвестно. Гаусс сделал Минне предложение через некоторое время после того, как она по неизвестным причинам расторгла свой брак. Свадьба состоялась довольно быстро, но семейная жизнь не была безоблачной. Супруги не испытывали друг к другу особой привязанности, и этот союз скорее был продиктован желанием Гаусса забыть о смерти Иоганны и подыскать для детей новую мать. Этот скоропалительный второй брак не очень нравился самому математику, который чувствовал себя неловко. Дошедшие до нас письма, которыми обменивались супруги, довольно холодны и безэмоциональны.

Свою долю сложностей вносило и разное социальное положение супругов: семья невесты не была довольна тем, что Минна, дочь университетского преподавателя, выходит замуж за небогатого Гаусса. В послании, которое ученый пишет своей будущей супруге по поводу поездки в Брауншвейг, чтобы познакомиться с его матерью, он предупреждает Минну:

«И еще одно, причина, но которой я не написал моей матери, в том, что я хотел сделать ей сюрприз, а также потому что моя мать не может прочитать кое-что из того, что я ей пишу, а Вы, я думаю, не хотите, чтобы ей пришлось беспокоить чужих людей».

В августе 1910 года Гаусс стал зятем именитого преподавателя и члена Тайного государственного совета Иоганна Петера Вальдека, и у двоих его детей от первого брака появилась новая мать. В 1811 году у ученого родился сын Ойген, а в 1813-м — Вильгельм. В 1816 году на свет появилась младшая дочь Тереза, которая будет заботиться об отце до самой его смерти.

Благодаря второму браку Гаусс познакомился с Александром фон Гумбольдтом, одним из лидеров возрождения Пруссии после падения Наполеона.

Работая в Гёттингене, ученый получал приглашения из других университетов, в частности из России и Берлина. Однако от предложения поработать в России Гаусс отказался, потому что ему не нравился климат этой страны. Естественно, что на жизнь Гаусса очень повлиял период наполеоновских войн. В 1808 году, после разгрома Наполеоном Пруссии в битвах за Аустерлиц и Йену, французское правительство потребовало от противника огромную денежную компенсацию военных расходов, как это было принято делать после заключения мира. Гаусс также должен был внести 2 тысячи франков, а это было значительной суммой для молодого преподавателя, который еще не получал регулярного жалованья. При этом из-за своей гордости он не обращался ни к кому за помощью, и даже когда Лаплас из Парижа и Ольберс из Бремена предложили внести деньги за него, Гаусс отказался их принимать. В конце концов контрибуция была выплачена анонимно, и лишь через несколько лет стало известно, что за Гаусса заплатил епископ из Франкфурта — туда также дошла слава о великом математике. Уже в старости ученый рассказывал, что Наполеон воздержался от бомбардировки Гёттингена, чтобы не подвергать опасности его жизнь, однако это кажется некоторым преувеличением. Что действительно подтверждено документами, так это ходатайство французского математика Софи Жермен перед Наполеоном, которая просила обеспечить безопасность великого ученого в годы военных потрясений.

В 1810 году, всего через два года, Гаусс получил награду Парижской академии наук, однако он отказался от прилагавшейся денежной премии, в том числе и потому, что испытывал неприязнь к французам, которые к тому времени покорили его родину и уже несколько лет вели войну. Впрочем, ученый принял астрономические часы, выбраные для него Софи Жермен, с которой он поддерживал переписку. В XIX веке женщины крайне редко посвящали себя математике. Из опасений столкнуться с предубежденным отношением Софи Жермен также вела переписку с Гауссом под мужским именем. Эта женщина открыла отдельный тип простых чисел, связанных с последней теоремой Ферма (на то время еще гипотезой), которые сегодня носят название простых чисел Жермен. Гаусс был очень впечатлен письмами, которые он получал от некоего месье Ле Блана, и крайне удивился, когда после долгой переписки узнал, что на самом деле это не месье, а мадемуазель. Ученый не только не выказал никакого предубеждения, но наоборот, оценил заслуги Жермен и написал ей:

«Редок вкус к загадкам чисел. Привлекательность этой возвышенной науки открывается во всей красоте только тем, кто имеет смелость углубиться в нее. Женщина из-за своего пола и наших предрассудков встречается со значительно более трудными препятствиями, чем мужчина, постигая сложные научные проблемы. Но когда она преодолевает эти барьеры и проникает в тайны мироздания, она несомненно проявляет благородную смелость, исключительный талант и высшую гениальность».

Математик даже пытался убедить Гёттингенский университет сделать Софи почетным доктором, но она умерла до того, как ученый достиг своей цели.

Больше всего об уважении к Гауссу со стороны его современников говорит тот факт, что правительство Вестфалии, находясь в руках французских захватчиков, пыталось выполнить свое обещание и построить для исследователя новую обсерваторию. Для этой цели были выделены огромные средства, и к 1814 году, когда королевство Вестфалия перестало существовать, работы находились в самом разгаре — и это несмотря на огромные экономические трудности, связанные с разгромом Пруссии. Гаусс всегда мог получать материал, необходимый ему для исследований. Работая в университете, ученый добился назначения стипендий наиболее талантливым студентам, среди которых были Христиан Людвиг Герлинг (1788-1864) и Август Мёбиус (1790-1868). Первый стал известным физиком, а второй — признанным астрономом и математиком, создателем знаменитой ленты Мёбиуса.

Однако коллеги Гаусса отмечали, что он был не слишком привержен преподавательской деятельности и направлял гораздо большие усилия на исследования. Но такое обобщение неверно. Следует учитывать, что в этот университет многие студенты поступали скорее благодаря родственным связям, чем интеллектуальным заслугам. Большинство из них сами были не слишком заинтересованы в учебе: им не хватало как мотивации, так и элементарных знаний. Гаусс в письме, адресованном в 1810 году своему близкому другу астроному и математику Фридриху Вильгельму Бесселю (1784-1846), утверждал:

МАРИ СОФИ ЖЕРМЕН

Софи Жермен (1776-1831) — женщина-математик из Франции, внесшая значительный вклад в теорию чисел, в частности в изучение чисел, которые позже были названы простыми числами Жермен (простые числа, которые при увеличении вдвое и добавлении единицы также дают простое число), например 11 и 23. Жермен очень интересовалась учебой у Жозефа-Луи Лагранжа и под псевдонимом «месье Ле Блан» (это имя принадлежало одному из бывших студентов Лагранжа) посылала ему некоторые статьи.

Французский математик был под таким впечатлением от этих статей, что попросил у Ле Блана встречи, и Жермен пришлось открыть ему свою личность.

Лагранж смог победить свои предрассудки и признал математический талант Софи, решив стать ее наставником. Ту же стратегию Жермен использовала для переписки с Гауссом. Одно из наибольших ее достижений в теории чисел — математическое доказательство предложений, которые позволяли значительно сузить поле поиска доказательства знаменитой гипотезы Ферма. Некоторые из этих результатов были впервые представлены в письмах Гауссу.

«Этой зимой я читаю два курса лекций трем студентам, из которых один регулярно готов, другой — гораздо менее регулярно, а третьему не хватает подготовки и способностей. Таковы обязанности на кафедре математики».

Едва Гаусс нашел студентов, способных с пользой провести годы обучения, он очень ими заинтересовался. Его корреспонденция полна писем с советами, в которых он дает им подробные объяснения. Что касается неспособных или немотивированных студентов — что правда, то правда: Гаусс действительно проявлял в общении с ними мало терпения. Ученый всегда надеялся, что его ученики смогут работать и думать самостоятельно, так что гораздо важнее не объяснения преподавателей, а их собственные усилия. Однако подобное отношение вступало в конфликт с педагогическими идеями XIX века, и только по этой причине Гаусса часто описывают как плохого преподавателя, обеспокоенного только собственными исследованиями. Но тот факт, что Гаусс был наставником Бернхарда Римана (1826-1866) — возможно, самого известного математика второй половины XIX века, должен снять с него любые обвинения в нерадивом отношении к преподавательским обязанностям.

 

ГЛАВА 3

Метод нахождения планет

Едва достигнув 25 лет, Гаусс уже внес значительный вклад в математику. Однако слава об ученом распространилась по всему континенту благодаря его астрономическим работам, связанным с вычислением орбиты Цереры. Для этого Гаусс воспользовался методом наименьших квадратов — одним из своих важнейших математических открытий.

С юных лет Гаусс пользовался известностью и уважением среди коллег и преподавателей и получал материальную поддержку от герцога Брауншвейгского. Однако международная слава пришла к ученому только с первым успехом в области астрономии. Это произошло благодаря вычислению орбиты планеты Цереры, которая сегодня отнесена к карликовым планетам.

Догадка, что между орбитами Марса и Юпитера расположена неизвестная планета, была высказана Иоганном Элертом Боде (1747-1826) в 1772 году. Его рассуждения основывались на законе Тициуса — Боде, предложенном Иоганном Даниэлем Тициусом (1729-1796) в 1766 году. Еще со времен Коперника было очевидно, что расстояние между Марсом и Юпитером ненормально большое. Поэтому, по мере развития знаний об орбитах планет, астрономы пытались найти закон, который объяснял бы расстояния между орбитами и с помощью которого можно было бы открывать новые небесные тела. Первый закон такого типа (строго говоря, его следовало бы называть правилом) был предложен немецким физиком Иоганном Даниэлем Тициусом в то время, когда были известны только планеты Солнечной системы до Сатурна. Согласно этому закону расстояние от каждой планеты до Солнца в астрономических единицах (1 а.е. равна расстоянию от Земли до Солнца) задано следующим правилом:

a = (n+4)/10

где n = 0, 3, 6, 12, 24, 48, то есть каждое значение n, начиная с 3, в два раза больше предыдущего, и а представляет собой наибольшую полуось орбиты. Этот закон затем был использован директором обсерватории Берлина, Иоганном Боде, и стал известен как закон Тициуса — Боде. Если мы вычислим первые восемь чисел ряда, получим такие результаты.

n а (в а. е.)
0 0,4
3 0,7
6 1
12 1,6
24 2,8
48 5,2
96 10
192 19,6

При сравнении этих вычислений с известными расстояниями до открытых к тому времени планет получались следующие результаты.

Планета n Расстояние по закону Т-Б Реальное расстояние
Меркурий 0 0,4 0,39
Венера 3 0,7 0,72
Земля 6 1 1
Марс 12 1,6 1,52
  24 2,8  
Юпитер 48 5,2 5,2
Сатурн 96 10 9,54
  192 19,6  

Как можно заметить, приближение довольно хорошее, хотя его можно было посчитать простым совпадением, поскольку Тициус никак не обосновал свое правило. Однако открытие Уильямом Гершелем (1738-1822) в 1781 году новой планеты, Урана, подтвердило справедливость закона Тициуса — Боде. Уран был обнаружен на расстоянии 19,18 а.е. от Солнца, в то время как правилом предполагалось 19,6. За открытие планеты Гершель получил пособие 200 фунтов в год и титул кавалера.

После открытия Урана астрономы начали искать новую планету в 2,8 а.е. от Солнца, что соответствовало n = 24. На астрономическом конгрессе в городе Гота в 1800 году (сегодня это территория Германии) француз Жозеф Лаланд (1732-1807) рекомендовал начать поиски. В том же году астроном Франц барон Ксавер фон Цах (1754-1832), владелец журнала Monatliche Korrespondenz («Ежемесячная корреспонденция»), самого известного немецкого астрономического издания тех лет, собрал в Лилиентале 24 астронома, чтобы организовать поиск этой гипотетической планеты Солнечной системы. Ученые разделили небо на 24 зоны, и каждый наблюдал за одной из них. Однако судьба была не на стороне группы из Лилиенталя, хотя ей удалось сделать другие значительные астрономические открытия. Удача пришла к Джузеппе Пиацци (1746-1826), который 1 января 1801 года объявил в Палермской обсерватории, что открыл новую планету, которую назвал Церера Фердинанда, в честь Цереры — римской богини плодородия и материнской любви, покровительницы Сицилии, и короля Неаполя и Сицилии Фердинанда IV, поддерживавшего его работу. Название «Фердинанда» затем было снято по политическим мотивам. Пиацци утверждал, что Церера вращается вокруг Солнца по орбите, которая, по-видимому, соответствовала закону Тициуса — Боде для п = 24. Открытие Цереры вызвало всеобщий энтузиазм и было объявлено чудесным предзнаменованием для развития новой науки. Казалось, что это именно та планета, которую ученые с таким интересом искали, и что человечество способно понимать природу и делать научные предсказания.

Чтобы была понятнее важность, которая придавалась этому открытию, следует обрисовать общее состояние науки на тот момент. В течение тысячелетий человечество считало, что им управляют капризные и непостижимые законы. Человек мало что мог противопоставить капризам богов или сверхъестественных сил. Однако научный прогресс XVIII века вновь поместил человека в центр Вселенной и сделал его хозяином своей судьбы. У явлений природы, воспринимаемых чувствами, была найдена причина, которую можно было изучать, таким образом, стало возможным прогнозирование будущего и даже контроль за ним. Благодаря научному прогрессу неизвестное и непредсказуемое в конце концов окажется во власти человека — такой была идея, которая бродила по Европе в начале XIX века, и каждое новое научное открытие увеличивало уверенность в том, что цивилизация приближается к моменту, когда человек сможет понимать, контролировать и предсказывать поведение природы. Сегодня мы знаем, что хотя научный прогресс помогает нам лучше понимать мир вокруг нас, однако всегда будут существовать случайные и непредсказуемые факторы, которые помешают нам достигнуть этой высокой цели.

Энтузиазм Пиацци сменился разочарованием через несколько недель наблюдений. Астроном следил за новым объектом в течение 42 дней, до ночи 11 февраля. Однако затем ученого свалил грипп, и он на некоторое время покинул пост у телескопа, а вернувшись к наблюдениям, не смог найти небесное тело. Планета исчезла, скрылась за Солнцем. Период наблюдений оказался слишком коротким, и Пиацци не смог точно установить орбиту Цереры и предсказать, где она снова появится на ночном небе. Его данные заканчивались дугой орбиты в 9 градусов.

Астрономам XIX века не хватало математических инструментов для вычисления полной орбиты на основе короткой траектории. Наблюдение Цереры стало предметом переписки между Пиацци, Боде и Лаландом — самыми известными астрономами того времени, и это придало вопросу публичный характер. Фон Цах созвал в Лилиентале новое собрание из пяти астрономов (Шрёдера, Хардинга, Ольберса, фон Эде и Тильдемайстера), чтобы заняться определением орбиты открытого небесного объекта.