Luis Alvarez - Самая сложная задача в мире. Ферма. Великая теорема Ферма

Хотя Паскаль и не открыл этот треугольник, зато он был первым на Западе, кто глубоко исследовал его. До него индийские, персидские, китайские и западные математики изучали некоторые аспекты этой любопытной структуры. Самое элементарное свойство треугольника в том, что каждое составляющее его число равно сумме двух чисел, расположенных над ним. Из такого простого свойства вытекает огромное количество результатов.

Например, двучлен, возведенный в степень η - 1, будет иметь для каждого из его членов коэффициенты, соответствующие ряду треугольника, определяемого п. Так:

(a + b)0 = 1

(a + b)1 = 1 · а + 1 · b

(a + b)2 = 1 · а2 + 2ab + 1 · b2

(a + b)3 = 1 · а3 + 3a2b + 3ab2 + 1 · b2

(a + b)4 = 1 · а4 + 4а3b + 6а2b2 + 4аb3 + 1 · b3.

Другое непосредственное применение треугольника — вычисление сочетаний. Клетка k в ряду n (при нумерации с 0) соответствует всем способам выбрать k элементов из n, если порядок не имеет значения.

Например, если у нас есть четыре элемента и мы хотим выбрать два из них, при этом порядок не имеет значения, мы можем сделать это шестью способами:

Именно эту формулу использовал Паскаль для вычисления вероятностей в игре.

Любопытно, что Паскаль использовал теорию вероятностей в одной из своих самых важных теологических работ. Французский математик был католическим мыслителем, испытавшим влияние янсенизма. В знаменитых "Мыслях"— книге, которую он начал писать вскоре после смерти своего отца, но так и не закончил,— Паскаль говорит о вере в Бога в утилитарной форме, как о споре. Если не верить в Него, но Он на самом деле существует, мы будем вечно прокляты: следовательно, рационально верить. Даже если мы не уверены, ожидаемое значение (вечное спасение) в бесконечное число раз больше, если мы будем верить, чем если мы не будем верить (в таком случае — вечное проклятие). Этот аргумент критиковали несколько философов, но здесь важно оценить, как математическая мысль проникла в философию Паскаля.

Паскаль не только поставил этот вопрос. Он ответил самому себе, пользуясь своим треугольником для вычисления всех возможных сочетаний. Полученный им ответ, как ему показалось, не был правильным, и он решил найти парадокс в методе Ферма. На его письмо, самое сложное из написанных Паскалем, датированное 24 августа 1654 году, Ферма ответил очень кратко.

Ошибка Паскаля была очевидной для тулузского судьи: он забыл, что даже если учесть все сочетания, поскольку предполагается, что игра будет продолжаться до конца, то целью является только рассмотрение всех возможных случаев. Благоприятными случаями, например для игрока А, можно назвать только те, в которых А выигрывает, даже если В и С сыграют с ним потом вничью. Ничья не имеет значения, так как А уже выиграл. Как будто футбольный матч закончился 2:1, но игроки договорились, чтобы развлечься, продолжить играть еще немного. Официальный результат, независимо от того, будет ли потом ничья, останется 2:1. Другими словами, следует учитывать порядок, в котором встречаются благоприятные случаи. Если вычислить благоприятные случаи, учитывая порядок, парадокс исчезает.

Паскаль принял объяснение Ферма и счел проблему решенной. Ни Паскаль, ни Ферма больше не возвращались к теории вероятностей. В любом случае, из этой короткой переписки возникли важнейшие основополагающие идеи для последующего развития теории вероятностей, которое продолжили сначала Христиан Гюйгенс, а затем гениальная семья Бернулли.

Поправку Ферма, касающуюся пространства элементарных событий, сложно представить себе интуитивно и понять. Рассмотрим это на примере. Представим себе: некий человек говорит, что у него двое детей, из которых один мальчик. Какова вероятность того, что его другой ребенок тоже мальчик? Большая часть людей ответит: 50 %. Но это неверно. Существует четыре возможности в пространстве элементарных событий, которые мы можем записать в следующем виде: МД, ММ, ДМ, ДД. Ясно, что четвертая возможность исключается из-за предоставленной нам информации. Но остаются три, а не две равновероятные возможности. Следовательно, вероятность того, что другой ребенок окажется мальчиком, равна 1/3.

Паскаль и Ферма установили способ рассуждения о будущем. Оно непредсказуемо полностью от события к событию, зато предсказуемо в целом, когда подобные события повторяются достаточное число раз. Это стало удивительным откровением, будущую судьбу которого едва ли можно было тогда предвидеть.

В обращении к Академии Мерсенна Паскаль говорил о своих математических работах, закончив перепиской, которую он поддерживал с Ферма. Он уверял, что они оба получили нечто парадоксальное: 

"Так, соединив строгость доказательств науки с неопределенностью случая и примирив между собой эти две внешне противоположные вещи, можно справедливо объединить их названия в удивительный заголовок: "геометрия случая". 

Итак, на тот момент Паскаль уже полностью осознавал это достижение: оказалось, что случай, как правило, распределяется "справедливо" (выражаясь его несколько теологическими словами) и это распределение можно выразить "математически". А когда Паскаль говорит о геометрии, на самом деле он имеет в виду математику в целом. К сожалению, Паскаль был уже серьезно болен в то время, когда развивалась его переписка с Ферма. В одном из писем он сообщал тулузцу, что лежит в постели и что он получил его письмо, но не смог прочесть. Почти точно известно, что у Блеза Паскаля был рак желудка, который и убил его. Паскаль был нездоров уже с 20 лет, страдал от ужасных головных болей и медленно угасал.

Через шесть лет после их краткой переписки, в 1660 году, зная, что Паскаль уехал из Парижа в родной город Клермон на лечение, Ферма предложил ему личную встречу. К тому времени у тулузца тоже не было сил предпринять путешествие, и он предложил Паскалю промежуточное место. Но Паскаль ответил, что это невозможно. Он также сказал Ферма, что ему было бы очень приятно познакомиться с ним лично, не из-за математики (геометрии, как он говорил), ради которой он уже не сделал бы и пары шагов, а из-за удовольствия побеседовать с человеком, которым так восхищался. Называя Ферма "главным геометром Европы", он в то же время выражал безразличие к этому занятию, убеждая героя нашей книги в том, что качества его души ценнее всего его математического знания. Теолог выиграл партию у ученого в сердце больного Паскаля.

Как бы то ни было, Паскаль сообщил Ферма, что его целью было вернуться в Париж как можно более комфортным способом: по каналам. Можно догадаться, что из-за болей он не мог даже представить себе, как залезть в дилижанс. Паскаль умер в 39 лет настоящим аскетом, каким он был всю свою жизнь. Религиозность убедила его в том, что страдания являются естественным состоянием человека, и он принял свой крест с мужеством и стоицизмом. Паскаль видел, как янсенизм, который он так защищал, был объявлен ересью и, следовательно, начал подавляться королем. Он написал последнюю работу в защиту своих идей и скончался 18 августа 1662 года. Ферма остался один. Теоретически его учеником мог стать Христиан Гюйгенс, но голландец, хотя и признавал гений тулузского ученого, был неспособен понять его. Великому математику XVII века так и не удалось создать школу.

Вспомним, что полемика с Декартом началась с замечаний Ферма о "Диоптрике", одном из приложений к "Рассуждению о методе". В предыдущей главе мы не очень глубоко рассматривали аргументы Ферма, поскольку именно на эту тему они практически не спорили. Их полемика быстро перешла на методы максимумов и минимумов и построения касательных.

Но ближе к концу жизни, когда Декарт уже восемь лет как был мертв, Ферма снова вернулся к этому разговору.

Мне бы очень хотелось знать, что он [Ферма] ответит как на письмо, которое я прилагаю к этому, так и на предыдущее, в котором я ответил на его выпад против моей "Диоптрики". Я написал оба эти письма для того, чтобы он их прочитал, если Вы окажете мне эту любезность".

Декарт в письме Мерсенну 18 января 1638 года

Пьер де Ферма был, в первую очередь, математиком. Ученый проявлял лишь незначительный интерес к физике, к тому, что тогда называлось "натурфилософией". Он ограничился некоторыми комментариями в защиту идей по геостатике его друга Бограна и знаменитой полемикой с Декартом по оптике. Ферма не сам вступил в эту полемику. Он подумал, будто Мерсенн и Богран просят его прокомментировать работу Декарта, и сделал это с наилучшими намерениями, не осознавая, что его поступок приведет к вражде с философом.