Восемь этюдов о бесконечности. Математическое приключение

В 1742 г. произошло несколько важных событий. Иоганн Себастьян Бах сочинил «Вариации Гольдберга» (нет почти ни одного настоящего математика, который бы не боготворил это произведение), поэт Эдуард Юнг написал «Ночные размышления о жизни, смерти и бессмертии», в Перу восстали индейцы. А 7 июня этого года почти никому не известный прусский математик Христиан Гольдбах написал письмо великому швейцарскому математику (с которым мы сталкиваемся снова и снова) Леонарду Эйлеру.

Эйлер и по нынешний день остается самым плодовитым математиком в истории – его наследие составляет около 80 томов трудов в разных областях математики. Наивысшим достижением Гольдбаха была служба учителем русского царя Петра II (внука Петра Великого). Хотя один из них был из Пруссии, а другой – из Швейцарии, и Эйлер, и Гольдбах работали в Санкт-Петербургской академии наук, основанной Петром Великим.

В письме к Эйлеру Гольдбах выдвинул гипотезу, известную теперь под названием «гипотеза Гольдбаха». Она представляет собой одну из самых старых и самых известных открытых проблем теории чисел, да и всей математики. Эта гипотеза утверждает, что любое четное целое число начиная с 4 может быть представлено в виде суммы двух простых чисел (так звучит современная формулировка гипотезы). Например, 4 = 2 + 2, 6 = 3 + 3, 8 = 3 + 5… Бо́льшие четные числа часто можно записать в виде суммы двух простых чисел не одним, а несколькими способами. Например, 40 = 3 + 37 = = 11 + 29 = 17 + 23.

Рассмотрим число 1742, то есть номер года, в котором была выдвинута эта гипотеза. Попробуем, например, такой вариант: 1742 = 13 + 1729.

Заметили ли вы, кстати говоря, что 1729 – это тот самый номер такси, на котором Харди приехал навестить больного Рамануджана? Так вот, сложение 1729 с несчастливым числом 13 дает 1742. Есть только одна крупная неувязка: 1729 (как вы уже должны знать) – число составное: 1729 = 19 × 91. Разумеется, мы с легкостью можем найти другие решения, например, 1742 = 19 + 1723 или 1742 = 43 + 1699… Проверьте, простые ли все эти числа! Вы также можете предложить свои собственные варианты разложения 1742 на два простых слагаемых.

При всем уважении к многочисленным открытым проблемам, касающимся простых чисел, о которых мы говорили до этого, гипотеза Гольдбаха, несомненно, самая знаменитая из них. Гипотеза о простых числах-близнецах занимает лишь второе место. Все же остальные задачи далеко отстают от этих двух по части известности и интереса, который они вызывают.

В 2000 г. была опубликована книга греческого математика-вундеркинда Апостолоса Доксиадиса «Дядя Петрос и проблема Гольдбаха». Издатель Тоби Фабер предложил приз миллион долларов любому, кто решит задачу Гольдбаха в течение двух лет после выхода книги[24]. Это был настоящий шедевр маркетинга – максимальная шумиха при минимальном риске, – и действительно, претендентов на этот приз не нашлось. Так что теперь тому, кто решит эту задачу, придется удовольствоваться гораздо более скромным (хотя и гораздо более почетным) призом, который назначил Пал Эрдёш.

Решение задачи Гольдбаха, когда и если оно наконец будет найдено, может появиться с двух разных сторон: либо будет открыто четное число, которое невозможно представить в виде суммы двух простых чисел (что называется опровержением, или контрпримером), либо кто-нибудь обоснует причину, по которой все четные числа можно представить таким образом. Пока что было исследовано огромное множество четных чисел (до 10¹⁸), и все они могут быть записаны в виде суммы двух простых чисел. Тем не менее это ничего не значит. Даже если мы проверим все до единого четные числа вплоть до 1 000 000 000 000 000! (а это квадриллион факториал!) и выясним, что все они до единого могут быть представлены в виде суммы двух простых чисел, вполне может оказаться, что следующее же четное число, 1 000 000 000 000 000! + 2, станет первым исключением из действовавшего в наших результатах правила и опровергнет гипотезу.

Вариация Гольдбаха

В книге «Гёдель, Эшер, Бах: эта бесконечная гирлянда» Дуглас Хофштадтер предлагает рассмотреть следующую вариацию гипотезы Гольдбаха: можно ли представить любое четное число в виде разности двух простых чисел? Интересно, нельзя ли назвать эту гипотезу «вариацией Гольдбаха – Гольдберга»?

Начнем с начала: 2 = 5 – 3, 4 = 7 – 3, 6 = 11 – 5, 8 = 11 – 3. Разумеется, для некоторых чисел существует несколько вариантов: 10 = (41 – 31) = = (29 – 19) = (23 – 13) = (17 – 7) = (13 – 3).