В поисках бесконечности

Вскоре Урысон понял, что задача Егорова лишь частный случай гораздо более общей проблемы: что такое размерность геометрической фигуры, то есть сколько измерений она имеет, почему надо говорить, что отрезок или окружность имеют размерность 1, квадрат — размерность 2, а куб или шар — размерность 3? Вот как вспоминает об этом периоде жизни П. С. Урысона его ближайший друг П. С. Александров: "...Все лето 1921 года прошло в напряженных попытках найти "настоящее" определение (размерности), причем П. С. переходил от одного варианта к другому, постоянно строя примеры, показывавшие, почему тот или иной вариант надо отбросить. Это были два месяца действительно всепоглощающих размышлений. Наконец, в одно утро в конце августа II. С. проснулся с готовым, окончательным и всем теперь хорошо известным индуктивным определением размерности... В то же утро во время купания в Клязьме П. С. Урысон рассказал мне свое определение размерности и тут же, во время этого разговора, затянувшегося на несколько часов, набросал план всего построения теории размерности с целым рядом теорем, бывших тогда гипотезами, за которые неизвестно было, как и взяться, и которые затем доказывались одна за другой в течение последующих месяцев. Никогда потом я не был участником или свидетелем математического разговора, который состоял бы из такого сплошного потока новых мыслей, как в то августовское утро. Вся набросанная тогда программа полностью осуществилась в течение зимы 1921/22 года; к весне 1922 года вся теория размерности была готова...". \

Основная идея определения размерности по Урысону заключается в следующем. Чтобы отделить часть линии от всей остальной линии обычно достаточно двух или нескольких точек (на рис. 32 часть четырехлепестковой розы, содержащая центр, отделяется от остальной розы восемью точками). Но часть поверхности уже невозможно отделить от всей поверхности несколькими точками — для этого обязательно потребуется целая линия: сколько бы точек ни взять на поверхности, их всегда можно обойти. Точно так же часть трехмерного пространства отделяется от всего остального пространства поверхностью.

Рис. 32

Все это надо было еще уточнить: на некоторых линиях для отделения части требуется бесконечно много точек, но эти точки не образуют в совокупности никакой линии. Урысону удалось точно сформулировать все нужные определения. В каком-то смысле его определения напоминали определения Евклида (оконечность линии — точки, оконечность поверхности — линии). Но это сходство примерно такое же, как между греческой триерой и современным океанским лайнером.

Уточним эти определения. Назовем границей точечного множества A в объемлющем его точечном множестве X совокупность всех точек на X, сколь угодно близко к которым есть как точки, принадлежащие A, так и точки из X, которые A не принадлежат. Например, для квадрата на плоскости граница совпадает с его обычной границей, а для того же квадрата в пространстве — с ним самим. Множество A называется открытым в X, если оно не содержит ни одной точки своей границы в X. Примером такого множества может служить круг на плоскости, если отбросить граничную окружность.

Множество X имеет размерность нуль, если любая его тонка содержится в сколь угодно малом множестве, граница которого в X пуста. Примерами таких множеств могут служить любое конечное множество точек, точки с рациональными координатами на прямой, канторово множество и т. д.

Далее, множество X имеет размерность один, если оно не является нуль-мерным, но любая его точка может быть заключена в сколь угодно малое открытое в X множество, граница которого в X нуль-мерна.

Оказалось, что не только все обычные линии (окружности, отрезки прямых, эллипсы и т. д.) имеют размерность единица по Урысону, но и все каиторовы линии имеют ту же размерность. Поэтому можно было определить понятие не только плоской, но и пространственной линии:

Линией называется континуум размерности единица.

А теперь было уже ясно, как определять поверхности, трехмерные тела и вообще множества любой размерности. Поскольку Урысон дает сначала определение размерности 0, затем с помощью этого определения — определение размерности 1, затем точно так же — определение размерности 2 и т. д., введенное Урысоном общее определение размерности называют индуктивным.

Работу надо не рецензировать, а печатать!

Урысон доказал много интереснейших теорем, связанных с введенным им понятием размерности. Но одну самую главную теорему ему никак не удавалось доказать: не получалось доказательство того, что самый обычный куб имеет размерность 3. После длительных усилий он нашел замечательный выход из положения, придумав новое определение размерности. Мы не будем детально излагать это определение, а поясним его на простейших фигурах.

Рис. 33