Математические головоломки профессора Стюарта

Продолжаем в том же духе, прокладывая еще более узкую тропинку от третьей области. Затем возвращаемся к первой, добавляем к ней еще более узкую тропинку и т. д.

Повторяем это построение бесконечное число раз. Получившиеся области многократно окружены бесконечно сложной сетью бесконечно узких тропинок. Но поскольку с каждым шагом области подходят все ближе ко всему, построенному до того, в конечном итоге все три области имеют одну и ту же (бесконечно сложную) границу.

Первоначально озера Вады были придуманы с целью показать, что топология плоскости не так проста, как можно вообразить. Много лет спустя выяснилось, что такие области возникают сами собой в численных методах решения алгебраических уравнений. К примеру, кубическое уравнение x³ = 1 имеет лишь одно действительное решение x = 1; кроме того, у него есть два комплексных решения  где =√−. Комплексные числа можно представить как точки на плоскости, где число x + iy соответствует точке с координатами (x, y).

Стандартный метод нахождения численных аппроксимаций начинается со случайно выбранного комплексного числа; затем особым образом вычисляется второе число, а затем процесс повторяется, пока числа не сблизятся. Результат, полученный таким образом, близок к решению. К какому именно из трех решений он близок, зависит от того, где вы начинаете, и происходит это весьма хитроумным образом. Предположим, мы окрасим точки на комплексной плоскости в соответствии с тем, к какому решению они ведут: пусть, к примеру, это будет серый цвет, если решение x = 1, светло-серый, если решение и темно-серый, если решение Тогда точки, окрашенные в заданный оттенок серого, обозначат область, и можно доказать, что все три области имеют одну и ту же границу.

В отличие от построения Вады, области здесь не являются связными: они разбиваются на бесконечное множество отдельных кусочков. Однако поразительно, что области такой сложности возникают естественно в такой фундаментальной задаче численного анализа.

Последний лимерик Ферма [28]

И стар и млад в науке шаткой
Лет триста бились над загадкой.
Наконец-то решенье:
Прав Ферма, прочь сомненья…
Толстый том плюс к той записи краткой.

Ошибка Малфатти Из мемуаров доктора Ватсапа

– Необычайно! – воскликнул я.

Сомс бросил в мою сторону недовольный взгляд, очевидно раздраженный тем, что его прервали, – в тот момент он с упоением копался в своей обширной коллекции гипсовых отпечатков беличьих следов.

– Ответ кажется очевидным, но тем не менее, судя по всему, неверен! – воскликнул я.

– С очевидным это бывает, – заметил Сомс. – В смысле, оказывается неверным, – добавил он тоном пояснения.

– Слышали когда-нибудь о Джан-Франческо Малфатти? – спросил я.

– Убийца с топором?

– Нет, Сомс, это был Фрэнк Макавити по прозвищу Хакер.

– Ах. Мои извинения, Ватсап, вы, разумеется, правы. Я отвлекся. Мой образец следов Ratufa macroura разрушается. Большехвостая гигантская белка.

– Малфатти был итальянским геометром, Сомс. В 1803 г. он заинтересовался вопросом о том, как высечь из клиновидного куска мрамора три цилиндрические колонны так, чтобы максимизировать их суммарный объем. Он предположил, что эта задача эквивалентна тому, чтобы вычертить на треугольном сечении куска мрамора три окружности так, чтобы максимизировать их суммарную площадь.

– Наивное, но, вероятно, верное предположение, – отозвался Сомс. – Хотя колонну, конечно, можно высечь и наискось.

– О-о, я не имел в виду… Но допустим, что его предположение было верным, поскольку вопрос всегда можно нужным образом переформулировать. Малфатти считал очевидным, что решение должно состоять из трех кругов, касающихся друг друга и двух внешних сторон треугольника.

– Понятно, в чем тут промах, – сказал Сомс тем раздражающе небрежным тоном, которым он часто пользуется, когда ему удается мгновенно схватить суть дела, не доступную большинству прочих смертных.

– А я, откровенно говоря, не понимаю, – сказал я. – Ведь если круг лежит внутри треугольника, не перекрывается другими кругами и не касается сторон и соседей так, как описано, то его можно увеличить.

– Верно, – отозвался Сомс. – Но это лишь доказывает достаточность, но не необходимость условий касания.

– Это я понимаю, Сомс. Но… как еще могли бы располагаться круги?

– Ну, касание может быть организовано и другими способами, конечно. К примеру, Ватсап: вы рассматривали простейший случай, с равносторонним внешним треугольником?

– Во-первых, – сказал Сомс, – есть вариант Малфатти, на рисунке слева. Но как насчет варианта справа? Здесь опять же ни один круг не может быть увеличен, но схема касаний иная. Маленькие круги касаются большого, но не касаются друг друга. Вместо этого есть большой круг, который касается всех трех сторон треугольника.

Я вгляделся в рисунки.

– На глаз, Сомс, в первом варианте площадь больше.

Он рассмеялся.