Изменчивая природа математического доказательства. Доказать нельзя поверить

Нет ни одной другой естественнонаучной или аналитической дисциплины, где доказательство использовалось бы с такой же готовностью и привычкой, как в математике. Это орудие делает теоретическую математику особенной: проложенная с тщанием дорога, которая следует строгим аналитическим правилам и неуклонно ведет к определенному выводу. Доказательство — это наше орудие для установления абсолютной и безупречной истинности математических утверждений. Именно поэтому мы можем опираться на математику Евклида, созданную 2300 лет назад, с той же готовностью, что и на современную. Ни в одной другой дисциплине это невозможно (хотя много интересного по этому вопросу можно найти в разд. 1.10).

В нашей книге мы познакомим читателя с математиками и их занятиями, используя понятие «доказательства» как пробный камень. По пути мы познакомимся с причудами и характерными чертами некоторых математиков и их профессии в целом. Это захватывающее путешествие, сулящее много удовольствий и сюрпризов.

1.2 Понятие доказательства

Мы начнем обсуждение с вдохновенной цитаты математика Майкла Атья (р. 1929) [ATI2]:

Мы все знаем, что нам нравится в музыке, живописи или поэзии, а вот объяснить, почему нам это нравится, гораздо сложнее. То же самое относится и к математике, которую отчасти тоже можно назвать формой искусства. Можно составить длинный список желательных качеств: красота, изящество, важность, оригинальность, польза, глубина, широта, краткость, простота и ясность. Однако отдельно взятая работа вряд ли может сочетать их все; более того, некоторые из них несочетаемы. Как в сонатах, квартетах или симфониях приемлемы разные качества, точно так же и математические сочинения разных типов требуют разных подходов. Полезную аналогию представляет собой и архитектура. Собор, дворец или замок требуют совершенно разных выразительных средств, нежели офисное здание или жилой дом. Здание привлекает нас тем, что в нем соразмерно сочетаются качества, соответствующие его цели, но в конце концов наша эстетическая оценка инстинктивна и субъективна. Лучшие критики часто несогласны друг с другом.

Рис. 1.2. «Вы хотите доказательство? Я Вам дам доказательство!» (© Sidney Harris, www.sciencecartoonsplus.com)

Математика имеет длинную и славную историю. Наряду с философией она относится к старейшей точке приложения человеческого интеллектуального интереса. Человеческой природе присуще стремление понять окружающий мир, и математика — естественный проводник на этом пути. Но для древних математика была прекрасна и ценна сама по себе; схоластическое стремление обладало внутренней ценностью и эстетической привлекательностью. Математику стоило изучать ради нее самой.

С самых первых дней математика была ограничена практическими вопросами. Египтян, как и греков, заботили вопросы землемерия (см. рис. 1.3). Естественным образом рождались геометрические и тригонометрические задачи. В них возникали треугольники и прямоугольники, так что ранние геометрии занимались этими объектами. Естественно было рассматривать и окружности — для проектирования арен, водных резервуаров и тому подобных объектов. Поэтому античная геометрии (и аксиомы Евклида для нее) имела дело с окружностями.

Рис. 1.3. Вопросы землемерия

Ранняя математика была феноменологичной. Если можно было сделать разумное изображение, оно считалось достаточным подтверждением математического «факта». Иногда рассуждали по аналогии или призывали на помощь богов. Представление о том, что математическое утверждение может быть доказано, не было еще развитой идеей. Не было стандартов понятия доказательства. Аналитическая структура — «правила игры» — еще не была создана. Если бы один древний египтянин сказал другому: «Я не понимаю, почему это математическое утверждение верно. Пожалуйста, докажи его,» — такое требование было бы невозможно понять. Понятие доказательства не входило в активный словарь математиков того времени.