Магия математики: Как найти x и зачем это нужно - Артур Бенджамин

Эта схема известна под названием «канторовский диагональный процесс», но мне больше по душе «доказательство через кантор-аргумент» (кхм, прошу прощения).

По сути, мы только что показали, что, несмотря на бесконечность рациональных величин, величин иррациональных все же больше. Просто выберите случайное действительное значение, лежащее на оси, и оно почти наверняка окажется иррациональным.

Бесконечные ряды очень часто появляются при решении задач, связанных с вероятностью. Предположим, что вы кидаете два шестигранных кубика, причем кидаете до тех пор, пока в сумме у вас не выпадет 6 или 7. Если 6 выпадает раньше 7, вы выиграли, если наоборот – проиграли. Каковы ваши шансы на победу? Количество возможных комбинаций равно 6 × 6 = 36. Пять из них дают в сумме 6 (а именно (1, 5), (2, 4), (3, 3), (4, 2), (5, 1)), шесть – 7 ((1, 6), (2, 5), (3, 4), (4, 3), (5, 2), (6, 1)). Следовательно, ваши шансы на победу составляют меньше 50 %. Но сколько именно? Всего значимых для вас комбинаций 5 + 6 = 11, в остальных случаях кубики придется бросать вновь. Из этих одиннадцати пять приведут вас к выигрышу, шесть – к поражению. Значит, ваши шансы равны 5/11.

К тому же ответу можно прийти и с помощью геометрического ряда. Шансы на выигрыш при первом броске равны 5/36. А при втором? Чтобы он вообще состоялся, при первом броске вам надо выбрость что-то, кроме 6 или 7. Не забываем, что оптимальный для нас результат – 6. Общая вероятность выбросить 6 или 7 при первом броске – 5/36 + 6/36 = 11/36, выбросить другую комбинацию – 25/36. Чтобы определить вероятность выигрыша при втором броске, умножим это число на вероятность выбросить 6 при любом броске – 5/36, – в результате получим (25/36)(5/36). Для третьего броска получим уже (25/36)(25/36)(5/36), для четвертого – (25/36)³(5/36) и т. д. Сложив все вместе, получим

что и требовалось доказать.◻

Гармонический ряд и синусоидальные изменения

Когда бесконечный ряд приводит нас к (конечной) сумме, мы говорим, что сумма сходится к этому значению. Когда же этого не происходит, мы говорим, что ряд расходится. Если ряд сходится, то отдельные его значения должны суммироваться до величин, стремящихся к 0. Например, ряд 1 + 1/2 + 1/4 + 1/8 +… сходится к 2, а значит, его члены 1, 1/2, 1/4, 1/8… все ближе подходят к 0.

Обратное же высказывание будет неверным, потому стремление каждого последующего члена ряда к 0 не есть гарантия того, что он не разойдется. Самый важный пример этого утверждения – гармонический ряд, названный так еще древними греками, обнаружившими, что струны лиры, соотносящиеся по длине, как 1, 1/2, 1/3, 1/4, 1/5…, издают гармоничные созвучия.

Теорема: Гармонический ряд является расходящимся, то есть

Доказательство: Прежде чем доказывать, что сумма этого ряда равна бесконечности, покажем сначала, что это есть просто некое очень большое число. Для этого разобьем ряд на несколько частей на основании количества цифр в знаменателе. Обратите внимание, что, поскольку каждый из первых 9 членов больше 1/10, то

Каждый из следующих 90 членов больше 1/100, поэтому

Аналогично поступим со следующими 900 членами (надо ли говорить, что каждый из них больше 1/1000?):

И так далее –

и тому подобное. Следовательно, сумма всех-всех членов равна как минимум

и так до бесконечности.

А вот забавный факт:

где γ есть число 0,5772155649…, так называемая постоянная Эйлера – Маскерони, а ln n – натуральный логарифм n, описанный нами в главе 10 (кстати, до сих пор доподлинно неизвестно, является ли число γ («гамма») рациональным или иррациональным). Аппроксимация будет тем точнее, чем больше будет значение n. А вот и таблица, в которой сумма ряда сопоставлена с аппроксимацией:

Не менее удивителен и следующий факт: одного взгляда на простые знаменатели достаточно, чтобы понять, что при большом простом значении p

где M = 0,2614972…, то есть постоянная Мертенса. Аппроксимация, таким образом, будет становиться точнее и точнее с увеличением значения p.

Следствием этого факта является то, что

Стремление к бесконечности здесь действительно имеет место: логарифм логарифма числа p есть величина малая даже при очень большом значении самого p. Так, сумма обратных величин всех простых чисел в диапазоне от самого первого из них до числа гугол (10100) будет меньше 6!

Хотите увидеть, что произойдет, если немного модифицировать гармонический ряд? Даже если выбросить из него определенное конечное количество членов, он все еще будет расходиться. Например, если выбросить первый миллион –  – который в сумме даст 14, все оставшиеся члены все равно будут стремиться к бесконечности.

Ряд будет расходиться, даже если его расширить. Например, так как при имеем

Уменьшение каждого члена, даже деление на 100, ничего не изменит:

Так что же, получается, вообще нет никаких способов заставить этот ряд сойтись? Есть! Как показал Эйлер, достаточно просто возвести знаменатели всех его членов в квадрат:

В принципе, воспользовавшись интегральным исчислением, можно показать, что при любом значении p > 1 ряд

будет сходиться к значению, меньшему, чем Например, при p = 1,01 ряд будет сходиться, даже если все его члены будут лишь ненамного меньше членов гармонического ряда:

А теперь возьмем гармонический ряд и уберем из него все числа, в которых есть цифра 9. И смотрите, что произойдет: приравнять все оставшиеся члены к бесконечности уже не получится, а значит, ряд будет сходиться к некой величине. Доказать это можно, просчитав все числа без девяток. Для этого разобъем их на несколько групп в соответствии с длиной знаменателя. Начнем, к примеру, с восьми дробей с однозначным знаменателем: Членов с двумя цифрами под чертой будет 8 × 9 = 72, потому что вариантов выбора первой цифры (любой, кроме 0 и 9) у нас восемь, а вариантов выбора второй – девять. Таким же образом чисел с трехзначным знаменателем получится 8 × 9 × 9, а с n-значным – 8 × 9n–1. Обратите внимание, что наибольшей дробью с одной цифрой в знаменателе будет 1, Благодаря этому мы можем разбить весь ряд на несколько групп, следующим образом:

и т. д. Общая же сумма составит не больше, чем

Таким образом, гармонический ряд без девяток будет сходиться к величине, не превышающей 80.◻

Секрет в том, что в этом ряду почти все большие величины обязательно будут иметь девятку. Если загадать случайное число (то есть число со случайным порядком случайных цифр), вероятность того, что среди первых n знаков не появится цифра 9, будет равна (9/10)n, и она будет стремиться к нулю по мере увеличения значения n.

Давайте посмотрим на числа π и e как на случайный набор цифр. Существует теоретическая вероятность, что рано или поздно среди них вам встретится ваше любимое целое число. Например, мое любимое 2520 – это знаки с 1845 по 1848 числа π. Первые 6 чисел Фибоначчи – 1, 1, 2, 3, 5, 8 – появляются вновь, начиная с 820 390 позиции. Удивительного тут на самом деле ничего нет: шансы, что идущие подряд 6 цифр совпадут со случайным шестизначным числом, – один к миллиону. А так как среди первого миллиона знаков у нас примерно один миллион шестизначных последовательностей, наши шансы не так уж и малы. С другой стороны, удивителен тот факт, что число 999 999 появляется в π сравнительно скоро, уже на 763 знаке. По этому поводу физик Ричард Фейнман как-то заметил, что если бы он помнил и воспроизводил первые 767 знаков, люди бы верили в то, что π – число вполне себе рациональное, ведь он заканчивал бы словами «Девять, девять, девять, девять, девять, девять и т. д.!».

Представляете, существуют даже специальные программы (в том числе и онлайн), которые ищут придуманные вами последовательности цифр среди знаков π и e. Испытывая одну из них, я с удивлением обнаружил, что знаки числа π, начиная с трехтысячного, выглядят как 31961 – день моего рождения, 19 марта 1961 года[36]!