Математические головоломки профессора Стюарта - Иэн Стюарт

Ровно за одним замечательным исключением.

В теореме содержится сюрприз. Уникальный сюрприз: сеть с семью узлами. Шесть из них образуют шестиугольник, а один располагается посередине, на одном из диаметров. В этой сети возможно 6! = 720 перестановок; соответственно, половина равна 360. Но в реальности получить можно только 120.

В рассуждениях используется абстрактная алгебра, а именно некоторые элегантные свойства групп перестановок. Подробности см.: Alex Fink and Richard Guy, Rick's tricky six puzzle: S5 sits specially in S6, Mathematics Magazine 82 (2009) 83–102.

Сложно, как азбука

Время от времени математикам на ум приходят безумные, на первый взгляд, идеи, влекущие за собой, как оказывается позже, громадные последствия. ABC-гипотеза – из их числа.

Помните Великую теорему Ферма? В 1637 г. Пьер де Ферма высказал гипотезу о том, что если n³ 3, то уравнение Ферма

an + bn = cn

не имеет ненулевых целых решений. С другой стороны, при n = 2 таких решений бесконечно много, вспомнить хотя бы пифагорову тройку 3² + 4² = 5². Прошло 358 лет, прежде чем правоту Ферма доказали Эндрю Уайлс и Ричард Тейлор (см. «Кабинет…» с. 50).

Дело сделано, можно было бы подумать. Но в 1983 г. Ричард Мейсон вдруг понял, что никто и никогда не рассматривал внимательно Великую теорему Ферма для первых степеней:

a + b = c.

Не нужно быть алгебраическим гением, чтобы найти решения этого уравнения: 1 + 2 = 3, 2 + 2 = 4. Но Мейсон задумался, не станет ли этот вопрос интереснее, если наложить на a, b и c более серьезные ограничения. В результате возникла новая блестящая догадка и родилась новая гипотеза – так называемая гипотеза ABC (или гипотеза Эстерле – Массера), которая произведет настоящую революцию в теории чисел, если кому-нибудь удастся ее доказать. В ее пользу имеется огромное количество численных свидетельств, но доказательство пока, похоже, ускользает, за возможным исключением работы Синити Мотидзуки. Я еще вернусь к ней, когда мы разберемся, о чем, собственно, идет речь.

Более 2000 лет назад Евклид знал, как можно найти все пифагоровы тройки при помощи того, что мы сегодня называем алгебраическими формулами. В 1851 г. Жозеф Лиувилль доказал, что для уравнения Ферма при n ≥ 3 подобной формулы не существует. Мейсон заинтересовался более простым уравнением:

a (x) + b (x) = c (x),

где a (x), b (x) и c (x) – многочлены. Многочлен – это алгебраическая комбинация степеней x, такая, к примеру, как 5x4 – 17x3 + 33x – 4.

Решения, опять же, найти несложно, но они не могут все быть «интересными». Степенью многочлена называется наибольшая степень x, которая в нем присутствует. Мейсон доказал, что если это уравнение верно, то степени a, b и c меньше числа различных комплексных решений x уравнения a (x) b (x) c (x) = 0. Оказалось, что У. Уилсон Стозерс доказал то же самое в 1981 г., но Мейсон развил эту идею дальше.

Специалисты по теории чисел часто ищут аналогии между многочленами и целыми числами. Естественным аналогом теоремы Мейсона – Стозерса могла бы быть такая: пусть a + b = c, где a, b и c – целые числа, не имеющие общих делителей. Тогда число простых делителей у каждого из чисел a, b и c меньше числа различных простых делителей abc.

К несчастью, очевидно, что это утверждение неверно. Так, если взять сумму 9 + 16 = 25, то имеем 9 = 3 × 3 (2 делителя), 16 = 2 × 2 × 2 × 2 (4 делителя) и 25 = 5 × 5 (2 делителя). А их произведение abc = 9 × 16 × 25 имеет лишь три различных простых делителя (2, 3 и 5). Упс. Однако математики не сдаются. В данном случае они попытались модифицировать это утверждение так, чтобы оно выглядело правдоподобным. В 1985 г. Дэвид Массер и Жозеф Эстерле сделали именно это. Их вариант утверждения выглядит так:

«Для любого ε > 0 существует лишь конечное число троек положительных целых чисел, не имеющих общих делителей и удовлетворяющих уравнению a + b = c, таких, что с > d1 + ε, где d обозначает произведение различных простых делителей abc».

Это и есть гипотеза ABC. Если бы ее удалось доказать, многие глубокие и сложные теоремы, доказанные в последние десятилетия с огромными усилиями и самыми хитроумными методами, оказались бы ее прямыми следствиями и получили более простые доказательства. Более того, все эти доказательства были бы очень похожи между собой: провести несложную рутинную подготовку, а затем применить «теорему ABC», как она бы тогда называлась. Эндрю Грэнвилл и Томас Такер[35] пишут, что разрешение этой гипотезы произвело бы «…необычайный эффект на наши представления о теории чисел. Доказательство или опровержение ее было бы ошеломительным».

Но вернемся к Мотидзуки, уважаемому специалисту по теории чисел с солидным багажом исследований. В 2012 г. он изложил предполагаемое доказательство гипотезы ABC в серии из четырех препринтов – статей, не представленных пока для официальной публикации. Вопреки его намерениям эта публикация привлекла внимание средств массовой информации, хотя с его стороны, конечно, было наивно полагать, что подобного исхода удастся избежать. В настоящее время специалисты проверяют 500 или около того страниц принципиально новой математики, из которых состоит доказательство. Это занимает много времени и усилий, потому что идеи в нем формализованны, сложны и необычны; однако никто не отвергает доказательство только по этой причине. Одна ошибка уже найдена, но Мотидзуки заявил, что она не портит доказательство. Он продолжает публиковать отчеты по ходу проверки, а эксперты продолжают свою работу.

Кольца из правильных многогранников

Восемь одинаковых кубов, плотно составленных гранями, образуют куб вдвое большего размера. Восемь кубов можно составить и так, чтобы они образовали «кольцо» – объемную фигуру с отверстием, топологически – тор.

Приложив некоторые усилия, можно проделать то же самое с тремя другими правильными многогранниками: октаэдром, додекаэдром и икосаэдром. Во всех четырех случаях многогранники совершенно правильные и стыкуются друг с другом в точности: это очевидно для кубов и прямо следует из симметрии для трех остальных многогранников.

Однако всего существует пять правильных многогранников, и для одного из них – тетраэдра – этот метод не работает. Поэтому в 1957 г. Гуго Штейнгауз задал вопрос о том, можно ли склеить некоторое количество одинаковых правильных тетраэдров гранью к грани так, чтобы они образовали замкнутое кольцо. Ответ на его вопрос был дан годом позже, когда С. Сверчковский доказал, что подобная комбинация невозможна. Тетраэдр – особый многогранник.

Однако в 2013 г. Майкл Элгерсма и Стэн Вэгон открыли красивое восьмисторонне-симметричное кольцо из 48 тетраэдров. Неужели Сверчковский ошибся?

Вовсе нет, как объяснили Элгерсма и Вэгон в своей статье, посвященной этому открытию. Если изготовить эту комбинацию из правильных тетраэдров, останется небольшой разрыв. Этот разрыв можно закрыть, если удлинить ребра, показанные на рисунке жирными линиями, с 1 до 1,00274, примерно на одну пятисотую, чего человеческий глаз заметить не в состоянии.

Сверчковский спрашивал: если взять много тетраэдров и составить их в кольцо с разрывом, то насколько маленьким может оказаться этот разрыв? Можно ли сделать его сколь угодно маленьким по отношению к размеру одного тетраэдра за счет использования достаточно большого их числа? Ответ на этот вопрос неизвестен до сих пор, при условии что тетраэдры не могут пересекаться друг с другом, однако Элгерсма и Вэгон доказали, что, если разрешить взаимопроникновение, ответ должен быть положительным. К примеру, 438 тетраэдров оставляют разрыв, составляющий примерно одну десятитысячную длины ребра.

Авторы предположили, что ответ должен быть положительным, даже если тетраэдрам не разрешено пересекаться, но конструкции при этом должны возникать значительно более сложные. В доказательство они нашли серию колец со все уменьшающимися разрывами. Нынешний рекорд, открытый в 2014 г., представляет собой почти замкнутое кольцо из 540 непересекающихся тетраэдров с разрывом 5 × 10–18.