Морис Клайн - Математика. Утрата определенности.

• Название: Математика. Утрата определенности.
• Автор: Морис Клайн
• Издательство: Мир
• Жанр: Математика
• Год: 1984

Книга известного американского математика, профессора Нью-Йоркского университета М. Клайна, в яркой и увлекательной форме рисующая широкую картину развития и становления математики от античных времен до наших дней. Рассказывает о сущности математической науки и ее месте в современном мире.

Рассчитана на достаточно широкий круг читателей с общенаучными интересами.

---

Так как индийцы питали особую склонность к арифметике и внесли основной вклад в развитие арифметики и алгебры, их деятельность привела к расширению той части математики, которая опиралась на эмпирическую и интуитивную основу.

В то время как индийцы практически игнорировали дедуктивную геометрию, арабы предприняли критическое изучение геометрических работ древних греков и по достоинству оценили роль дедуктивного доказательства в становлении геометрии. Однако в отношении к арифметике и алгебре, которым в арабской математической литературе отводилась более значительная роль, чем геометрии, арабы фактически мало чем отличались от индийцев. Арабов, как и их индийских предшественников, устраивало рассмотрение арифметики и алгебры на эмпирической, конкретной и интуитивной основе. Правда, некоторые арабские математики приводили геометрические соображения в обоснование решения квадратных уравнений, но в целом подход к решению и методология у арабов в отличие от греков классического периода по существу были алгебраическими. Кубические уравнения, например уравнение x3 + 3x2 + 7x − 5 = 0, арабы решали, используя только геометрические построения, так как алгебраический метод решения таких уравнений еще не был открыт. Но их геометрические построения было бы невозможно выполнить с помощью циркуля и линейки, а доводы, приводимые в обоснование построений, не имели строго дедуктивного характера. На протяжении всех столетий, пока арабы активно занимались математикой, в своих оригинальных работах они мужественно сопротивлялись соблазнам точного рассуждения.

Наиболее интересной особенностью математики индийцев и арабов является их внутренне противоречивое представление о предмете математического исследования. То, что египтяне и вавилоняне были склонны воспринимать немногие известные им арифметические и геометрические правила на эмпирической основе, само по себе не удивительно. Эмпирическая основа естественна почти для всех видов человеческого знания. Но индийцам и арабам было известно совершенно новое понятие математического доказательства, доставшееся им в наследство от греков. Однако они не позаботились о том, чтобы применить понятие дедуктивного доказательства в арифметике и алгебре. Отношение индийцев к математике можно в какой-то степени объяснить. Индийцы не придавали особого значения тем немногим достижениям греческой математики классического периода, которые были им известны, и следовали в основном александрийскому подходу к арифметике и алгебре. Но арабы были хорошо осведомлены о греческой геометрии и даже, как упоминалось, предприняли попытку критического пересмотра результатов своих предшественников. Кроме того, на протяжении нескольких веков и арабы, и индийцы находились в благоприятных для занятий чистой наукой условиях — и ничто не вынуждало математиков жертвовать доказательством ради немедленной практической отдачи. Как могло случиться, что два эти народа подошли к развитию двух областей математики совершенно иначе, чем греки классического периода и многие из александрийцев?

На этот вопрос существует несколько возможных ответов. Прежде всего, индийские и арабские математики, несмотря на арабские комментарии к дедуктивной геометрии, по существу некритически отнеслись к греческому наследию. Возможно, именно поэтому они восприняли математику такой, какой она пришла к ним: геометрия, по их мнению, должна была оставаться дедуктивной, арифметика и алгебра — эмпирическими и эвристическими. Возможно и другое объяснение: и индийцы, и арабы, в особенности последние, по достоинству оценили высокие стандарты строгости в геометрии, столь разительно отличающиеся от требований, предъявляемых к арифметике и алгебре, но не сумели подвести под арифметику надлежащий логический фундамент. В пользу такого предположения говорит хотя бы то, что арабы приводили в подтверждение решений квадратных и кубических уравнений некоторые геометрические соображения.

Не исключены и другие объяснения. Так, индийцы и арабы отдавали предпочтение арифметике, алгебре и алгебраической формулировке тригонометрических соотношений. Подобное предрасположение может свидетельствовать об ином складе ума, оно может быть обусловлено и какими-то особенностями индийской и арабской культур. Обе эти цивилизации превыше всего ставили запросы практики, а для удовлетворения практических потребностей — как мы уже отмечали, говоря о развитии математики в александрийский период, — были необходимы количественные результаты, которые давали именно арифметика и алгебра. В пользу предположения о различных складах ума косвенно свидетельствует и реакция европейцев на математическое наследие, доставшееся им от индийцев и арабов. Как мы увидим в дальнейшем, европейцы были гораздо сильнее, чем арабы и индийцы, обеспокоены логическими проблемами в построении арифметики и геометрии. Безрассудная смелость индийцев и арабов вывела на передний план арифметику и алгебру (если говорить о практической полезности), поставив их почти наравне с геометрией (см., например, [9], [36], [37]).

Когда в конце средневековья и в период Возрождения европейцы — отчасти через арабов, отчасти непосредственно из сохранившихся греческих рукописей — ознакомились с существующим уровнем достижений математики, они своеобразно разрешили дилемму, возникшую в связи с разделением математики на два типа «знания». Настоящей математикой, по мнению европейцев, заведомо была только дедуктивная геометрия греков. Но в то же время они не могли и не хотели отрицать полезность и эффективность арифметики и алгебры, которые хотя и были лишены твердого логического фундамента, но уже значительно усовершенствовались по сравнению с классической древностью.

Первая проблема, с которой столкнулись европейцы, сводилась к старому вопросу о том, как следует относиться к иррациональным числам. Итальянский математик Лука Пачоли (ок. 1445-1514), немецкий монах и профессор математики в Йене Михаэль Штифель (1486(?)-1567), итальянский врач и ученый Джироламо Кардано (1501-1570) и фламандский военный инженер Симон Стевин (1548-1620) свободно использовали иррациональные числа, следуя здесь традиции индийцев и арабов, и ввели много новых типов иррациональностей. Так, Штифель оперировал с иррациональными выражениями вида  а Джироламо Кардано — с иррациональностями, содержащими кубические корни. Примером того, насколько свободно и широко европейцы использовали иррациональности, может служить выражение для числа π, полученное Франсуа Виетом (1540-1603). Рассматривая правильные многоугольники с 4, 8, 16 и более сторонами, вписанные в окружность единичного радиуса, Виет обнаружил, что

Иррациональные числа нашли широкое применение и в связи с одним из новых достижений математики эпохи Возрождения — логарифмами. Логарифмы положительных чисел были изобретены в конце XVI в. Джоном Непером{68} (1550-1617) для той самой цели, для которой они с тех пор и употребляются, — для ускорения арифметических вычислений. И хотя логарифмы большинства положительных чисел иррациональны (а предложенный Непером метод вычисления логарифмов основан на свободном обращении с иррациональными числами), все математики приветствовали полезное изобретение, избавившее их от излишнего труда.

Вычисления с иррациональностями производились без каких-либо затруднений, но кое-кого все же беспокоила проблема, можно ли считать иррациональные числа «настоящими». Так, Штифель в своем главном труде «Полная арифметика» (Arithmetica integra, 1544), посвященном арифметике и алгебре, вторя Евклиду, высказывал предположение, что величины (геометрическая теория Евклида) отличны от чисел; однако, следуя духу достижений своего времени, он выражал иррациональные числа в десятичной системе. Штифеля беспокоило, что для записи иррационального вдела в десятичной системе требуется бесконечно много знаков. С одной стороны, рассуждал он,

так как при доказательстве [свойств] геометрических фигур иррациональные числа заменяют рациональные всякий раз, когда те отказываются служить нам, и доказывают все то, что не могли бы доказать те… приходится признать, что они [иррациональные числа] являются истинными числами. К тому же нас вынуждают и результаты, проистекающие из их применения, которые нельзя не признать подлинными, достоверными и незыблемыми. С другой стороны, иные соображения заставляют нас отрицать, что иррациональные числа вообще являются числами. Такое сомнение подкрепляется тем, что если мы попытаемся записать иррациональные числа в десятичной форме… то обнаружим, что они непрестанно ускользают от нас и ни одно из них не удается постичь точно… Число же, которому в силу его природы недостает точности, не может быть названо истинным числом… Следовательно, подобно тому как не является числом бесконечность, иррациональное число также не является истинным числом, а как бы скрыто от нас в облаке бесконечности.