Восемь этюдов о бесконечности. Математическое приключение

Евклидова геометрия оказала сильнейшее влияние на лучшие умы человеческой цивилизации, одним из которых был величайший из философов, Барух Спиноза. Евклидовы методы построения геометрии на основе аксиом и базовых концепций настолько впечатлили Спинозу, что он применил этот подход в главной своей работе, «Этике». Разумеется, Спиноза не говорит в своей книге о точках и прямых. Он рассуждает о концепции Бога и о месте человека в мироздании. Но для представления своих доводов он использует чисто евклидовские методы: Спиноза излагает основополагающие концепции, формулирует конкретные аксиомы, а затем использует их для доказательства теорем. Более того, главное произведение Спинозы называется в латинском оригинале Ethica ordine geometrico demonstrata (хотя эту книгу часто называют просто «Этикой»; точный перевод латинского названия – «Этика, доказанная в геометрическом порядке»).

Но вернемся к Евклиду. Прежде чем мы посмотрим его ответ на вопрос «сколько существует простых чисел?», давайте немного подумаем самостоятельно.

Прежде всего нам необходимо определить, конечно или бесконечно количество простых чисел.

Если их количество конечно, то каково самое большое простое число?

Если же простых чисел бесконечно много, можно ли это доказать?

Можно ли представить себе, что некое действительно огромное, необычайно большое число не делится нацело ни на что, кроме единицы и самого себя, и, следовательно, считается простым числом?

Существует ли формула, которую можно использовать для получения всех простых чисел?

ТЕОРЕМА ЕВКЛИДА

Существует бесконечно много простых чисел.

Я приведу два доказательства этой теоремы. Одно из них кратко и подчеркивает красоту великой идеи Евклида. Второе доказательство, по сути, сводится к тому же, но оно длиннее и помогает подробно объяснить более краткое доказательство.

Короткое доказательство

Предположим, что ряд 2, 3, 5, 7, 11, …, P – это полный список простых чисел вплоть до некоторого простого числа P.

Образуем новое число S, такое, что S = (2 × 3 × 5 × 7 × 11 × … × P) + 1.

Число либо S является простым, либо делится на одно или несколько из простых чисел, больших, чем P. В любом из этих случаев число P не может быть самым большим простым числом. Следовательно, количество простых чисел должно быть бесконечным.

Ч. т. д.

Убедило ли вас это доказательство? Если да, вы можете пропустить следующее; если нет, – читайте дальше!

Длинное доказательство

Здесь мы тоже предположим существование в списке простых чисел самого большого числа, а потом докажем, что такое положение невозможно, что докажет, что простые числа бесконечны. Доказательство этого типа, в котором сначала выдвигают некоторое предположение, а затем доказывают, что такое положение вещей невозможно, математики называют «доказательством от противного». Хотя эта простая, но изящная концепция кажется математикам совершенно естественной, многим, впервые столкнувшимся с ее идеей, бывает несколько трудно с ней примириться.

Если количество простых чисел конечно, то должна существовать возможность найти самое большое простое число, которое мы обозначим P. Выпишем все простые числа: 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, …, P.

Теперь образуем еще одно число: S = (2 × 3 × 5 × × 7 × 11 × 13 × 17 ×… × P) + 1. Другими словами, число S равно произведению всех простых чисел из нашего списка плюс 1.

На что же делится число S?

Оно не может делиться на два, так как выражение в скобках равно четному числу (поскольку 2 – один из сомножителей этого выражения). Прибавление единицы делает S нечетным числом.

Кроме того, S не может делиться на 3. Это можно утверждать по такой же причине: число, стоящее в скобках, делится на 3 (потому что 3 – один из сомножителей этого выражения); следовательно, при прибавлении единицы получается число, не делящееся на 3 (собственно говоря, при делении S на любое простое число из списка получается остаток, равный 1).

Число S также не может делиться на 4, поскольку оно не делится на 2. Вообще, любое число, делящееся на некий делитель, также делится и на его простые сомножители. Например, любое число, делящееся на 6, делится также на 2 и на 3.

Продолжая в том же духе, мы поймем, немного поразмыслив, что число S не может делиться ни на 5, ни на 6, ни на 7, ни на какое бы то ни было другое число до числа P включительно, которое, как мы предполагаем, является самым большим простым числом. Это оставляет нам две возможности:

1. Либо S – простое число, большее P.

2. Либо S делится на некое простое число, не входящее в наш список, то есть на простое число, большее P (поскольку мы уже видели, что оно не делится ни на одно из простых чисел, меньших или равных P).