Если бы числа могли говорить. Гаусс. Теория чисел

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.

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.

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.

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.