Изменчивая природа математического доказательства. Доказать нельзя поверить

• Теория обработки и сжатия образов полностью основана на математике.

• Технология изготовления музыкальных компакт-дисков полностью основана на анализе Фурье и теории кодирования, а это области математики.

Этот список можно продолжать и продолжать.

Главное, что нужно понять, — доказательство лежит в самой сердцевине современной математики, именно оно делает ее надежной и воспроизводимой. Никакая другая наука не зависит от доказательств, и следовательно, никакая другая наука не обладает неуязвимой прочностью математики (об этом еще пойдет речь в разд. 1.10). Но применяется математика самыми разными способами, в широком спектре дисциплин. Приложений много, и они различаются. Другие дисциплины часто любят сводить свои теории к математике, поскольку это дает их субъекту определенное изящество и солидность, да и выглядит щегольски.

Нужно помнить про два аспекта доказательства. Во-первых, это наша lingua franca; это математический способ рассуждений. Эта наша испробованная методология для записи открытий в виде пошагового доказательства; она выдержит проверку временем. Доказательство — официальный сертификат истинности чего-либо. Во-вторых, а для практикующего математика в самых важных, доказательство новой теоремы может объяснять, почему результат верен. В конце концов, мы все ищем нового понимания, а «доказательство» дает нам этот золотой слиток. Прекрасное обсуждение этих идей можно найти в [BRE].

Можно долго рассуждать о том, что случается, когда первое положение из предыдущего абзаца выполняется, а второе нет. Предположим, некто строит доказательство теоремы A, и, похоже, оно верно, но никто его не понимает. Доказательство может быть создано блестящим авторитетом — у него безупречная репутация, он никогда не совершал ошибок, и мы вполне уверены, что доказательство продумано и заслуживает доверия. Но никто не может извлечь из него никакой пользы. Возможно, оно слишком техничное, слишком длинное, сложное или опирается на слишком большое количество различных идей из самых разных областей, так что никто не может разобраться в нем. Такое доказательство никому не принесет удачи, ведь никто не сможет узнать ничего нового из этого прорыва. Может быть, такая ситуация и не создается нарочно, но она приводит к «доказательству запугиванием». Компьютерные доказательства, которые мы обсудим позднее, тоже могут попадать в эту категорию.

Может случиться также, что второе положение выполняется без первого. В такой ситуации мы все верим результату, нам даже кажется, что мы его понимаем (по крайней мере эвристически), но мы осознаем, что канонизировать его еще рано. Программа геометризации Тёрстона попадала в эту категорию, существуют и другие примеры. Результаты такого типа до какой-то степени просвещают нас и даже могут вдохновить на другие открытия и доказательства, однако не вселяют того чувства уверенности, которого математики обычно добиваются. В этой книге мы уделим внимание и такой ситуации тоже.

Философы математики по-разному смотрят на вопросы уверенности в математике. Имре Лакатос в своей работе [LAK] высказывает мнение, что никакой результат в математике не может быть окончательным, что все постоянно находится в движении. В своей книге он описывает класс учащихся, пытавшихся открыть формулу Эйлера в топологии — множество попыток и фальстартов, приведших в конце концов к результату. Попутно выяснилось, что эвристики не менее важны, чем само доказательство. Не все математики придерживаются точки зрения Лакатоса, но она интересна и оказала широкое влияние.

Инженер для получения нужных результатов может пользоваться математикой эвристически. Физик для достижения своих целей может использовать аппроксимацию. Те люди, которые математикой пользуются, вообще говоря, не доказывают теорем[22]. Но они пользуются математическими идеями. И они знают, что могут полагаться на математику в силу ее внутренней непротиворечивости.

В табл. 1 мы представляем ленту времени, включающую основные события в истории математического доказательства. Все эти события в нашей книге рассматриваются.

1.7 Логические основания математики

В конце XIX века связи между математиками разных стран заметно выросли. Отчасти благодаря этой новой открытой культуре общения появилось осознание того, что математика очень разрознена и фрагментирована. В идеале математика должна быть изначально единым логическим построением. Она вся должна вытекать из одного набора определений и одного набора аксиом. По крайней мере, именно об этом мечтал Давид Гильберт (гл. 5, особенно разд. 5.1).

Таблица 1: Лента времени математического доказательства 

Вавилонская табличка с первым доказательством. ~1800 до н. э.

Фалес использует доказательства. ~600 до н. э.

Пифагор доказывает, что число иррационально. ~529 до н. э.

Протагор дает некоторые из первых формальных доказательств. ~430 до н. э.

Гиппократ изобретает доказательство от противного. ~420 до н. э.