Автор недоказанной теоремы

Равенство классов P и NP

Простыми словами говоря, проблема равенства P = NP состоит в следующем: если положительный ответ на какой-то вопрос можно довольно быстро проверить (за полиномиальное время), то правда ли, что ответ на этот вопрос можно довольно быстро найти (также за полиномиальное время и используя полиномиальную память)? Другими словами, действительно ли решение задачи проверить не легче, чем его отыскать? Суть здесь  в том, что некоторые расчеты и  вычисления легче решать по алгоритму, а не вычислять перебором, и таким образом экономить кучу времени и ресурсов.

Гипотеза Ходжа

Гипотеза Ходжа сформулирована в 1941 году и состоит в том, что для особенно хороших типов пространств, называемых проективными алгебраическими многообразиями, так называемые циклы Ходжа являются комбинациями объектов, имеющих геометрическую интерпретацию, — алгебраических циклов.

Здесь объясняя простыми словами можно сказать следующее:  в 20 веке были открыты очень сложные геометрические формы, типа искривленных бутылок. Так вот, было высказано предположение, что чтобы сконструировать эти объекты для описания, надо применять совсем головоломные формы, которые не имеют геометрической сути «этакие страшные многомерные каляки-маляки» или же все – таки можно обойтись условно-стандартной алгеброй+геометрией.

Гипотеза Римана

Здесь человеческим языком объяснить довольно сложно, достаточно знать, что решение данной проблемы будет иметь далеко идущие последствия в области распределения простых чисел.  Проблема настолько важна и насущна, что даже выведение контрпримера гипотезы – на усмотрение ученого совета университета, проблему можно будет считать доказанной, так что здесь можно попробовать и метод «от обратного».  Даже если удастся переформулировать гипотезу в более узком смысле – и тут институт Клэя выплатит некоторую сумму денег.

Теория Янга — Миллса

Физика элементарных частиц — один из любимых разделов доктора Шелдона Купера. Тут квантовая теория двух умных дядек говорит нам о том, что для любой простой калибровочной группе в пространстве существует дефект массы отличный от нулевого.  Это утверждение установлено экспериментальными данными и численному моделированию, однако доказать его пока никто не может.

Уравнения Навье-Стокса

Здесь нам наверняка бы помог Говард Воловиц, если бы существовал в реальности – ведь это загадка из гидродинамики, причем основа основ. Уравнения описывают движения вязкой ньютоновской жидкости, имеют огромное практическое значение, а главное описывают турбулентность, которую никак не удается загнать в рамки науки и предугадать ее свойства и действия.  Обоснование построения этих уравнений позволило бы не тыкать пальцем в небо, а понять турбулентность изнутри и сделать самолеты и механизмы более устойчивыми.

Гипотеза Бёрча — Свиннертон-Дайера

Здесь я, правда,  пытался подобрать простые слова, однако тут такая дремучая алгебра,  что без глубокого погружения не обойтись. Тем же, кто не хочет нырять с аквалангом в  матан, надо знать, что данная гипотеза позволяет быстро и безболезненно находить ранг эллиптических кривых, а если бы этой гипотезы не было, то для вычисления этого ранга нужна была бы простыня вычислений. Ну и естественно также надо знать, что доказательство этой гипотезы обогатит вас на миллион долларов.

Нельзя не отметить, что почти в каждой области есть уже продвижения, и даже доказаны случаи для отдельных примеров. Поэтому не стоит медлить, а то получится как с теоремой Ферма, которая поддалась Эндрю Уайлсу через 3 с лишним века в 1994 году,  и принесла ему Абелевскую премию и около 6 млн. норвежских крон (50 миллионов рублей по сегодняшнему курсу).

«Я знаю только то, что ничего не знаю, но другие не знают и этого»



(Сократ, древнегреческий философ)

НИКОМУ не дано владеть вселенским разумом и знать ВСЁ. Тем не менее, у большинства ученых, да и тех, кто просто любит размышлять и исследовать, всегда есть стремление узнать больше, разгадать загадки. Но остались ли еще неразгаданные темы у человечества? Ведь, кажется, все уже ясно и нужно только применять полученные веками знания?

НЕ стоит отчаиваться! Еще остались нерешенные проблемы из области математики, логики, которые в 2000 году эксперты Математического института Клэя в Кембридже (Массачусетс, США) объединили в список, так называемые, 7 загадок тысячелетия (Millennium Prize Problems). Эти проблемы волнуют ученых всей планеты. С тех пор и по сей день любой человек может заявить, что нашел решение одной из задач, доказать гипотезу и получить от бостонского миллиардера Лэндона Клэя (в честь которого и назван институт) премию.
Он уже выделил на эти цели 7 миллионов долларов. К слову сказать, на сегодняшний день одна из проблем уже решена.

Итак, вы готовы узнать о математических загадках?

Уравнения Навье — Стокса (сформулированы в 1822 году)

Область: гидроаэродинамика

Уравнения о турбулентных, воздушных потоках, а также течении жидкостей известны как уравнения Навье — Стокса. Если, к примеру, плыть по озеру на чем-либо, то неизбежно вокруг возникнут волны. Это касается и воздушного пространства: при полете на самолете в воздухе также будут образовываться турбулентные потоки.

Данные уравнения как раз производят описание процессов движения вязкой жидкости
и являются стержневой задачей всей гидродинамики. Для некоторых частных случаев уже найдены решения, в которых части уравнений отбрасываются, как не влияющие на конечный результат, но в общем виде решения этих уравнений не найдены.

Необходимо найти решение уравнениям и выявить гладкие функции.

Гипотеза Римана (сформулирована в 1859 году)

Область: теория чисел

Известно, что распределение простых чисел (Которые делятся только на себя и на единицу: 2,3,5,7,11…) среди всех натуральных чисел не подчиняется никакой закономерности.


Над этой проблемой задумался немецкий математик Риман, который сделал свое предположение, теоретически касающееся свойств имеющейся последовательности простых чисел. Уже давно известны так называемые парные простые числа — простые числа-близнецы, разность между которыми равна 2, например 11 и 13, 29 и 31, 59 и 61. Иногда они образуют целые скопления, например, 101, 103, 107, 109 и 113.

Если такие скопления будут найдены и выведен определенный алгоритм, то это приведет к революционному изменению наших знаний в области шифрования и к невиданному прорыву в области безопасности Интернета.

Проблема Пуанкаре (сформулирована в 1904 году. Решена в 2002 году.)

Область: топология или геометрия многомерных пространств

Суть проблемы заключается в топологии и состоит в том, что если натягивать резиновую ленту, к примеру, на яблоко (сферу), то будет теоретически возможным сжать ее до точки, медленно перемещая без отрыва от поверхности ленту. Однако если эту же ленту натянуть вокруг бублика (тора), то сжать ленту без разрыва ленты или разлома самого бублика не представляется возможным. Т.е. вся поверхность сферы односвязна, в то время как тора – нет
. Задача состояла в том, чтобы доказать, что односвязной является только сфера.

Представитель ленинградской геометрической школы Григорий Яковлевич Перельман
является лауреатом премии тысячелетия математического института Клэя (2010 г.) за решение проблемы Пуанкаре. От знаменитой Фильдсовской премии он отказался.

Гипотеза Ходжа (сформулирована в 1941 году)

Область: алгебраическая геометрия

В реальности существуют множество как простых, так и куда более сложных геометрических объектов. Чем сложнее объект, тем труднее его изучать. Сейчас учеными придуман и вовсю применяется подход, основанный на использовании частей одного целого («кирпичики») для изучения этого объекта, как пример — конструктор. Зная свойства «кирпичиков», становится возможным подступиться и к свойствам самого объекта.
Гипотеза Ходжа в данном случае связана с некоторыми свойствами как «кирпичиков», так и объектов.

Это очень серьезная проблема алгебраической геометрии: найти точные пути и методы анализа сложных объектов с помощью простых «кирпичиков».

Уравнения Янга — Миллса (сформулированы в 1954 году)

Область: геометрия и квантовая физика

Физики Янг и Миллс описывают мир элементарных частиц. Они, обнаружив связь между геометрией и физикой элементарных частиц, написали свои уравнения в области квантовой физики. Тем самым был найден путь к объединению теорий электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий.


На уровне микрочастиц возникает «неприятный» эффект: если на частицу действуют несколько полей сразу, их совокупный эффект уже нельзя разложить на действие каждого из них поодиночке. Это происходит по причине того, что в этой теории друг к другу притягиваются не только частицы материи, но и сами силовые линии поля.

Хотя и уравнения Янга — Миллса приняты всеми физиками мира, экспериментально теория, касающаяся предсказывания массы элементарных частиц, не доказана.

Гипотеза Берча и Свиннертон-Дайера (сформулирована в 1960 году)

Область: алгебра и теория чисел

Гипотеза связана с уравнениями эллиптических кривых и множеством их рациональных решений
. В доказательстве теоремы Ферма эллиптические кривые заняли одно из важнейших мест. А в криптографии они образуют целый раздел имени себя, и на них основаны некоторые российские стандарты цифровой подписи.

Задача в том, что нужно описать ВСЕ решения в целых числах x, y, z алгебраических уравнений, то есть уравнений от нескольких переменных с целыми коэффициентами.

Проблема Кука (сформулирована в 1971 году)

Область: математическая логика и кибернетика

Ее еще называют «Равенство классов P и NP», и она является одной из наиболее важных задач теории алгоритмов, логики и информатики.

Может ли процесс проверки правильности решения какой-либо задачи длиться дольше, чем время, затраченное на само решение этой задачи
(независимо от алгоритма проверки)?

На решение одной и той же задачи, порой, нужно разное количество времени, если изменить условия и алгоритмы. К примеру: в большой компании вы ищете знакомого. Если вы знаете, что он сидит в углу или за столиком — то вам понадобится доли секунд, чтобы его увидеть. Но если вы не будете знать точно, где находится объект, то затратите больше времени на его поиски, обходя всех гостей.

Основным вопросом является: все или не все задачи, которые можно легко и быстро проверить, можно также легко и быстро решить?

Математика, как может показаться многим, не так далека от реальности. Она является тем механизмом, с помощью которого можно описать наш мир и многие явления. Математика всюду. И прав был В.О. Ключевский, который изрек: «Не цветы виноваты, что слепой их не видит»
.

И в заключение….

Одну из самых популярных теорем математики — Великую (Последнюю) теорему Ферма: аn + bn = cn — не могли доказать 358 лет! И только в 1994 году британец Эндрю Уайлз смог дать ей решение.

Итак, Великая теорема Ферма (нередко называемая послед­ней теоремой Ферма), сформулированная в 1637 году блестя­щим французским математиком Пьером Ферма, очень проста по своей сути и понятна любому человеку со средним образова­нием. Она гласит, что формула а в степени n + b в степени n = c в степени n не имеет натуральных (то есть не дробных) решений для n > 2. Вроде все просто и понятно, но лучшие ученые-математики и простые любители бились над поиском решения более трех с половиной веков.

Почему она так знаменита? Сейчас узнаем…

Мало ли доказанных, недоказанных и пока не доказанных теорем? Тут все дело в том, что Великая теорема Ферма являет собой самый большой контраст между простотой формулировки и сложностью доказательства. Великая теорема Ферма – задача невероятно трудная, и тем не менее ее формулировку может понять каждый с 5-ю классами средней школы, а вот доказательство – даже далеко не всякий математик-профессионал. Ни в физике, ни в химии, ни в биологии, ни в той же математике нет ни одной проблемы, которая формулировалась бы так просто, но оставалась нерешенной так долго. 2. В чем же она состоит?

Начнем с пифагоровых штанов Формулировка действительно проста – на первый взгляд. Как известно нам с детства, «пифагоровы штаны на все стороны равны». Проблема выглядит столь простой потому, что в основе ее лежало математическое утверждение, которое всем известно, – теорема Пифагора: в любом прямоугольном треугольнике квадрат, построенный на гипотенузе, равен сумме квадратов, построенных на катетах.

В V веке до н.э. Пифагор основал пифагорейское братство. Пифагорейцы, помимо прочего, изучали целочисленные тройки, удовлетворяющие равенству x²+y²=z². Они доказали, что пифагоровых троек бесконечно много, и получили общие формулы для их нахождения. Наверное, они пробовали искать тройки и более высоких степеней. Убедившись, что это не получается, пифагорейцы оставили бесполезные попытки. Члены братства были больше философами и эстетами, чем математиками.

То есть легко подобрать множество чисел, которые прекрасно удовлетворяют равенству x²+y²=z²

Начиная с 3, 4, 5 – действительно, младшекласснику понятно, что 9+16=25.

Или 5, 12, 13: 25 + 144 = 169. Замечательно.

Ну и так далее. А если взять похожее уравнение x³+y³=z³ ? Может, тоже есть такие числа?

И так далее (рис.1).

Так вот, оказывается, что их НЕТ. Вот тут начинается подвох. Простота – кажущаяся, потому что трудно доказать не наличие чего-то, а наоборот, отсутствие. Когда надо доказать, что решение есть, можно и нужно просто привести это решение.

Доказать отсутствие сложнее: например, некто говорит: такое-то уравнение не имеет решений. Посадить его в лужу? легко: бац – а вот оно, решение! (приведите решение). И все, оппонент сражен. А как доказать отсутствие?

Сказать: «Я не нашел таких решений»? А может, ты плохо искал? А вдруг они есть, только очень большие, ну очень, такие, что даже у сверхмощного компьютера пока не хватает силенок? Вот это-то и сложно.

В наглядном виде это можно показать так: если взять два квадратика подходящих размеров и разобрать на единичные квадратики, то из этой кучки единичных квадратиков получается третий квадратик (рис. 2):

А проделаем то же с третьим измерением (рис. 3) – не получается. Не хватает кубиков, или остаются лишние:

А вот математик XVII века француз Пьер де Ферма с увлечением исследовал общее уравнение x
n
+y
n
=z
n
. И, наконец, сделал вывод: при n>2 целочисленных решений не существует. Доказательство Ферма безвозвратно утеряно. Рукописи горят! Осталось лишь его замечание в «Арифметике» Диофанта: «Я нашел поистине удивительное доказательство этого предложения, но поля здесь слишком узки для того, чтобы вместить его».

Вообще-то, теорема без доказательства называется гипотезой. Но за Ферма закрепилась слава, что он никогда не ошибается. Даже если он не оставлял доказательства какого-нибудь утверждения, впоследствии оно подтверждалось. К тому же, Ферма доказал свой тезис для n=4. Так гипотеза французского математика вошла в историю как Великая теорема Ферма.

После Ферма над поиском доказательства работали такие ве­ликие умы, как Леонард Эйлер (в 1770 году им было предложено решение для n = 3),

Адриен Лежандр и Иоганн Дирихле (эти ученые в 1825 году совместно нашли доказательство для n = 5), Габриель Ламе (нашедший доказательство для n = 7) и многие другие. К середине 80-х годов прошлого века стало понятно, что ученый мир находится на пути к окончательному решению Великой теоремы Ферма, однако только в 1993 году математики увидели и поверили, что трехвековая эпопея по поиску доказа­тельства последней теоремы Ферма практически закончилась.

Легко показывается, что теорему Ферма достаточно доказать только для простых n: 3, 5, 7, 11, 13, 17, … При составных n доказательство остаётся в силе. Но и простых чисел бесконечно много…

В 1825 году, применив метод Софи Жермен, женщины-математика, Дирихле и Лежандр независимо друг от друга доказали теорему для n=5. В 1839 году тем же методом француз Габриель Ламе показал истинность теоремы для n=7. Постепенно теорему доказали почти для всех n, меньших ста.

Наконец, немецкий математик Эрнст Куммер в блестящем исследовании показал, что методами математики XIX века теорему в общем виде доказать нельзя. Премия Французской Академии Наук, учреждённая в 1847 году за доказательство теоремы Ферма, осталась невручённой.

В 1907 году богатый немецкий промышленник Пауль Вольфскель из-за неразделённой любви решил свести счёты с жизнью. Как истинный немец он назначил дату и время самоубийства: ровно в полночь. В последний день он составил завещание и написал письма друзьям и родственникам. Дела закончились раньше полночи. Надо сказать, что Пауль интересовался математикой. От нечего делать он пошёл в библиотеку и принялся читать знаменитую статью Куммера. Неожиданно ему показалось, что Куммер в ходе рассуждений совершил ошибку. Вольфскель стал с карандашом в руках разбирать это место статьи. Полночь миновала, наступило утро. Пробел в доказательстве был восполнен. Да и сам повод для самоубийства теперь выглядел совершенно нелепым. Пауль разорвал прощальные письма и переписал завещание.

Большинство профессиональных математиков считали поиск доказательства Великой теоремы Ферма безнадёжным делом и решительно отказывались тратить время на такое бесполезное занятие. Зато любители порезвились на славу. Через несколько недель после объявления на Гёттингенский университет обрушилась лавина «доказательств». Профессор Э. М. Ландау, в обязанность которого входил разбор присланных доказательств, раздал своим студентам карточки:

Уважаемый(ая) . . . . . . . .

Благодарю Вас за присланную Вами рукопись с доказательством Великой теоремы Ферма. Первая ошибка находится на стр. … в строке… . Из-за неё всё доказательство утрачивает силу.

Профессор Э. М. Ландау

В 1963 году Пауль Коэн, опираясь на выводы Гёделя, доказал неразрешимость одной из двадцати трех проблем Гильберта — гипотезы континуума. А что, если Великая теорема Ферма тоже неразрешима?! Но истинных фанатиков Великой теоремы это ничуть не разочаровало. Появление компьютеров неожиданно дало математикам новый метод доказательства. После Второй мировой войны группы программистов и математиков доказали Великую теорему Ферма при всех значениях n до 500, затем до 1 000, а позже до 10 000.

В 80-е годы Сэмюэль Вагстафф поднял предел до 25 000, а в 90-ых математики заявили, что Великая теорема Ферма верна при всех значениях n до 4 миллионов. Но если от бесконечности отнять даже триллион триллионов, она не станет меньше. Математиков не убеждает статистика. Доказать Великую теорему значило доказать её для ВСЕХ n, уходящих в бесконечность.

В 1954 году два молодых японских друга-математика занялись исследованием модулярных форм. Эти формы порождают ряды чисел, каждая — свой ряд. Случайно Танияма сравнил эти ряды с рядами, порождаемыми эллиптическими уравнениями. Они совпадали! Но модулярные формы – геометрические объекты, а эллиптические уравнения – алгебраические. Между столь разными объектами никогда не находили связи.

Тем не менее, друзья после тщательной проверки выдвинули гипотезу: у каждого эллиптического уравнения существует двойник – модулярная форма, и наоборот. Именно эта гипотеза стала фундаментом целого направления в математике, но до тех пор, пока гипотеза Таниямы–Симуры не была доказана, всё здание могло рухнуть в любой момент.

В 1984 году Герхард Фрей показал, что решение уравнения Ферма, если оно существует, можно включить в некоторое эллиптическое уравнение. Двумя годами позже профессор Кен Рибет доказал, что это гипотетическое уравнение не может иметь двойника в модулярном мире. Отныне Великая теорема Ферма была нерасторжимо связана с гипотезой Таниямы–Симуры. Доказав, что любая эллиптическая кривая модулярна, мы делаем вывод, что эллиптического уравнения с решением уравнения Ферма не существует, и Великая теорема Ферма была бы тотчас же доказана. Но в течение тридцати лет доказать гипотезу Таниямы–Симуры не удавалось, и надежд на успех оставалось всё меньше.

В 1963 году, когда ему было всего десять лет, Эндрю Уайлс уже был очарован математикой. Когда он узнал о Великой теореме, то понял, что не сможет отступиться от неё. Школьником, студентом, аспирантом он готовил себя к этой задаче.

Узнав о выводах Кена Рибета, Уайлс с головой ушёл в доказательство гипотезы Таниямы–Симуры. Он решил работать в полной изоляции и секретности. «Я понимал, что всё, что имеет какое-то отношение к Великой теореме Ферма, вызывает слишком большой интерес… Слишком много зрителей заведомо мешают достижению цели». Семь лет упорной работы принесли плоды, Уайлс наконец завершил доказательство гипотезы Таниямы–Симуры.

В 1993 году английский математик Эндрю Уайлс представил миру свое доказательство Великой теоремы Ферма (Уайльс прочитал свой сенсационный доклад на конференции в Институте сэра Исаака Ньютона в Кембридже.) , работа над которым продолжалась более семи лет.

Пока в печати продолжалась шумиха, началась серьёзная работа по проверке доказательства. Каждый фрагмент доказательства должен быть тщательно изучен прежде, чем доказательство может быть признано строгим и точным. Уайлс провёл беспокойное лето в ожидании отзывов рецензентов, надеясь, что ему удастся получить их одобрение. В конце августа эксперты нашли недостаточно обоснованное суждение.

Оказалось, что данное решение содержит грубую ошибку, хотя в целом и верно. Уайлс не сдался, призвал на помощь известного специалиста в теории чисел Ричарда Тейлора, и уже в 1994 году они опубликовали исправлен­ное и дополненное доказательство теоремы. Самое удивительное, что эта работа заняла целых 130 (!) полос в математическом журнале «Annals of Mathematics». Но и на этом история не закончилась — последняя точка была поставлена только в следующем, 1995 году, когда в свет вышел окончательный и «идеальный», с математи­ческой точки зрения, вариант доказательства.

«…через полминуты после начала праздничного обеда по случаю её дня рождения, я подарил Наде рукопись полного доказательства» (Эндрю Уальс). Я ещё не говорил, что математики странные люди?

На этот раз никаких сомнений в доказательстве не было. Две статьи были подвергнуты самому тщательному анализу и в мае 1995 года были опубликованы в журнале «Annals of Mathematics».

С того момента прошло немало времени, однако в обществе до сих пор бытует мнение о неразрешимости Великой теоремы Фер­ма. Но даже те, кто знает о найденном доказательстве, продолжают работу в этом направлении — мало кого устраивает, что Великая теорема требует решения в 130 страниц!

Поэтому сейчас силы очень многих математиков (в основном это любители, а не профессио­нальные ученые) брошены на поиски простого и лаконичного до­казательства, однако этот путь, скорее всего, не приведет никуда…

Нерешаемые задачи — это 7 интереснейших математических проблем. Каждая из них была предложена в свое время известными учеными, как правило, в виде гипотез. Вот уже много десятилетий над их решением ломают головы математики во всем мире. Тех, кто добьется успеха, ждет вознаграждение в миллион американских долларов, предложенное институтом Клэйя.

Институт Клэйя

Под таким названием известна частная некоммерческая организация, штаб-квартира которой находится в Кембридже, штат Массачусетс. Она была основана в 1998 году гарвардским математиком А. Джеффи и бизнесменом Л. Клэйем. Целью деятельности института является популяризация и развитие математических знаний. Для ее достижения организация выдает премии ученым и спонсирует многообещающие исследования.

В начале 21 столетия Математический институт Клэйя предложил премию тем, кто решит проблемы, которые известны, как самые сложные нерешаемые задачи, назвав свой список Millennium Prize Problems. Из «Списка Гильберта» в него вошла только гипотеза Римана.

Задачи тысячелетия

В список института Клэйя изначально входили:

• гипотеза о циклах Ходжа;
• уравнения квантовой теории Янга — Миллса;
• гипотеза Пуанкаре;
• проблема равенства классов Р и NP;
• гипотеза Римана;
• о существовании и гладкости его решений;
• проблема Берча — Свиннертон-Дайера.

Эти открытые математические проблемы представляют огромный интерес, так как могут иметь множество практических реализаций.

Что доказал Григорий Перельман

В 1900 году известный ученый-философ Анри Пуанкаре предположил, что всякое односвязное компактное 3-мерное многообразие без края гомеоморфно 3-мерной сфере. Ее доказательство в общем случае не находилось в течение века. Лишь в 2002-2003 годах петербургский математик Г. Перельман опубликовал ряд статей с решением проблемы Пуанкаре. Они произвели эффект разорвавшейся бомбы. В 2010 году гипотеза Пуанкаре была исключена из списка «Нерешенные задачи» института Клэйя, а самому Перельману было предложено получить полагающееся ему немалое вознаграждение, от которого последний отказался, не объяснив причин своего решения.

Самое понятное объяснение того, что удалось доказать российскому математику, можно дать, представив, что на бублик (тор), натягивают резиновый диск, а затем пытаются стянуть края его окружности в одну точку. Очевидно, что это невозможно. Другое дело, если произвести этот эксперимент с шаром. В таком случае вроде бы трехмерная сфера, получившаяся из диска, окружность которого стянули в точку гипотетическим шнуром, будет трехмерной в понимании обычного человека, но двумерной с точки зрения математики.

Пуанкаре предположил, что трехмерная сфера является единственным трехмерным «предметом», поверхность которой можно стянуть в одну точку, а Перельману удалось это доказать. Таким образом, список «Нерешаемые задачи» сегодня состоит из 6 проблем.

Теория Янга-Миллса

Эта математическая проблема была предложена ее авторами в 1954-м году. Научная формулировка теории имеет следующий вид: для любой простой компактной калибровочной группы квантовая пространственная теория, созданная Янгом и Милльсом, существует, и при этом имеет нулевой дефект массы.

Если говорить на языке, понятном для обычного человека, взаимодействия между природными объектами (частицами, телами, волнами и пр.) делятся на 4 типа: электромагнитное, гравитационное, слабое и сильное. Уже много лет физики пытаются создать общую теорию поля. Она должна стать инструментом для объяснения всех этих взаимодействий. Теория Янга-Миллса — это математический язык, с помощью которого стало возможно описать 3 из 4-х основных сил природы. Она не применима к гравитации. Поэтому нельзя считать, что Янгу и Миллсу удалось создать теорию поля.

Кроме того, нелинейность предложенных уравнений делает их крайне сложными для решения. При малых константах связи их удается приближенно решить в виде ряда теории возмущений. Однако пока непонятно, как можно решить эти уравнения при сильной связи.

Уравнения Навье-Стокса

С помощью этих выражений описываются такие процессы, как воздушные потоки, течение жидкостей и турбулентность. Для некоторых частных случаев аналитические решения уравнения Навье-Стокса уже были найдены, однако сделать это для общего пока никому не удалось. В то же время, численное моделирование для конкретных значений скорости, плотности, давления, времени и так далее позволяет добиться прекрасных результатов. Остается надеяться, что у кого-нибудь получится применить уравнения Навье-Стокса в обратном направлении, т. е. вычислить с их помощью параметры, либо доказать, что метода решения нет.

Задача Берча — Свиннертон-Дайера

К категории «Нерешенные задачи» относится и гипотеза, предложенная английскими учеными из Кембриджского университета. Еще 2300 лет назад древнегреческий ученый Эвклид дал полное описание решений уравнения x2 + y2 = z2.

Если для каждого из простых чисел посчитать количество точек на кривой по его модулю, получится бесконечный набор целых чисел. Если конкретным образом «склеить» его в 1 функцию комплексной переменной, тогда получится дзета-функция Хассе-Вейля для кривой третьего порядка, обозначаемая буквой L. Она содержит информацию о поведении по модулю всех простых чисел сразу.

Брайан Берч и Питер Свиннертон-Дайер выдвинули гипотезу относительно эллиптических кривых. Согласно ей, структура и количество множества ее рациональных решений связаны с поведением L-функции в единице. Недоказанная на данный момент гипотеза Берча — Свиннертон-Дайера зависит от описания алгебраических уравнений 3 степени и является единственным сравнительно простым общим способом расчета ранга эллиптических кривых.

Чтобы понять практическую важность этой задачи, достаточно сказать, что в современной криптографии на эллиптических кривых основан целый класс асимметричных систем, и на их применении основаны отечественные стандарты цифровой подписи.

Равенство классов p и np

Если остальные «Задачи тысячелетия» относятся к чисто математическим, то эта имеет отношение к актуальной теории алгоритмов. Проблема, касающаяся равенства классов р и np, известная также, как проблема Кука-Левина, понятным языком может быть сформулирована следующим образом. Предположим, что положительный ответ на некий вопрос можно проверить достаточно быстро, т. е. за полиномиальное время (ПВ). Тогда правильно ли утверждение, что ответ на него можно довольно быстро отыскать? Еще проще звучит так: действительно ли решение задачи проверить не труднее, чем его найти? Если равенство классов р и np будет когда-либо доказано, то все проблемы подбора можно будет решать за ПВ. На данный момент многие специалисты сомневаются в истинности этого утверждения, хотя не могут доказать обратное.

Гипотеза Римана

Вплоть до 1859 года не было выявлено какой-либо закономерности, которая описывала бы, как распределяются простые числа среди натуральных. Возможно, это было связано с тем, что наука занималась другими вопросами. Однако к середине 19 столетия ситуация изменилась, и они стали одними из наиболее актуальных, которыми начала заниматься математика.

Гипотеза Римана, появившаяся в этот период — это предположение о том, что в распределении простых чисел существует определенная закономерность.

Сегодня многие современные ученые считают, что если она будет доказана, то придется пересмотреть многие фундаментальные принципы современной криптографии, составляющие основу значительной части механизмов электронной коммерции.

Согласно гипотезе Римана, характер распределения простых чисел, возможно, существенно отличается от предполагаемого на данный момент. Дело в том, что до сих пока не было обнаружено какой-либо системы в распределения простых чисел. Например, существует проблема «близнецов», разность между которыми равна 2. Этими числами являются 11 и 13, 29. Другие простые числа образуют скопления. Это 101, 103, 107 и др. Ученые давно подозревали, что подобные скопления существуют и среди очень больших простых чисел. Если их найдут, то стойкость современных криптоключей окажется под вопросом.

Гипотеза о циклах Ходжа

Эта нерешенная до сих пор задача сформулирована в 1941 году. Гипотеза Ходжа предполагает возможность аппроксимации формы любого объекта путем «склеивания» вместе простых тел большей размерности. Этот способ был известен и успешно применяется достаточно давно. Однако не известно, до какой степени можно производить упрощение.

Теперь вы знаете, какие нерешаемые задачи существуют на данный момент. Они являются предметом исследования тысяч ученых во всем мире. Остается надеяться, что в ближайшее время они будут решены, а их практическое применение поможет человечеству выйти на новый виток технологического развития.

Лев Валентинович Руди, автор статьи «Пьер Ферма и его «недоказуемая» теорема»,прочитав публикацию об одном из 100 гениев современности математике , который был назван гением благодаря своему решению теоремы Ферма, предложил опубликовать свое альтернативное мнение на эту тему. На что мы охотно откликнулись и публикуем его статью без сокращений.

Пьер Ферма и его «недоказуемая» теорема

В этом году исполнилось 410 лет со дня рождения великого французского математика Пьера Ферма. Академик В.М. Тихомиров пишет о П. Ферма: «Лишь один математик удостоился того, что имя его стало нарицательным. Если говорят «ферматист», значит, речь идет о человеке, одержимом до безумия какой-то несбыточной идеей. Но это слово не может быть отнесено к самому Пьеру Ферма (1601-1665), одному из самых светлых умов Франции.

П. Ферма — человек удивительной судьбы: один из величайших математиков мира, он не был «профессиональным» математиком. По профессии Ферма был юристом. Он получил великолепное образование и был выдающимся знатоком искусства и литературы. Всю жизнь он проработал на государственной службе, последние 17 лет был советником парламента в Тулузе. К математике его влекла бескорыстная и возвышенная любовь, и именно эта наука дала ему все, что может дать человеку любовь: упоение красотой, наслаждение и счастье.

В бумагах и переписке Ферма сформулировал немало красивых утверждений, о которых он писал, что располагает их доказательством. И постепенно таких недоказанных утверждений становилось все меньше и, наконец, осталось только одно — его загадочная Великая теорема!

Однако, тем, кто интересуется математикой, имя Ферма говорит о многом независимо от его Великой теоремы. Он был одним из самых проницательных умов своего времени, его считают основоположником теории чисел, он внес огромный вклад в развитие аналитической геометрии, математического анализа. Мы признательны Ферма за то, что он приоткрыл для нас мир, полный красоты и загадочности» (nature.web.ru:8001›db/msg.html…).

Странная, однако, «признательность»!? Математический мир и просвещенное человечество проигнорировали 410-й юбилей Ферма. Все было, как всегда, тихо, мирно, буднично… Не было слышно фанфар, хвалебных речей, тостов. Из всех математиков мира только Ферма «удостоился» такой высокой чести, что при слове «ферматист», все понимают, что речь идет о полудурке, который «до безумия одержим несбыточной идеей» найти утерянное доказательство теоремы Ферма!

В своем замечании на полях книги Диофанта Ферма писал: «Я нашел поистине удивительное доказательство своему утверждению, но поля книги узки, чтобы его уместить». Так это же был «момент слабости математического гения XVII века». Этот тупица не понимал, что «ошибается», а, скорее всего, он просто «врал», «лукавил».

Если Ферма утверждал, значит, доказательство у него было!? Уровень знаний был не выше, чем у современного десятиклассника, но если какой-то инженер пытается найти это доказательство, то его высмеивают, объявляют безумцем. И совсем другое дело, если американский 10-летний мальчик Э. Уайлс «принимает в качестве исходной гипотезы, что Ферма не мог знать намного больше математики, чем он», и начинает «доказывать» эту «недоказуемую теорему». На такое, естественно, способен только «гений».

Случайно я попал на сайт (works.tarefer.ru›50/100086/index.html), где студентка Читинского ГТУ Кушенко В.В. пишет о Ферма: «…Маленький городок Бомон и все его пять тысяч жителей не в силах осознать, что здесь родился великий Ферма, последний математик-алхимик, решавший праздные задачи грядущих столетий, тишайший судейский крючок, лукавый сфинкс, замучивший человечество своими загадками, осторожный и благонравный чинуша, подтасовщик, интриган, домосед, завистник, гениальный компилятор, один из четырех титанов математики… Ферма почти не выезжал из Тулузы, где осел после женитьбы на Луизе де Лонг, дочери советника парламента. Благодаря тестю он дослужился до звания советника и приобрел вожделенную приставку «де». Сын третьего сословия, практичный отпрыск богатых кожевников, нашпигованный латынью и францисканским благочестием, он не ставил перед собой грандиозных задач в реальной жизни…

В свой бурный век он прожил основательно и тихо. Он не писал философских трактатов, как Декарт, не был наперсником французских королей, как Виет, не воевал, не путешествовал, не создавал математические кружки, не имел учеников и не печатался при жизни… Не обнаружив никаких сознательных претензий на место в истории, Ферма умирает 12 января 1665 года».

Я был потрясен, шокирован… А кто был первым «математиком-алхимиком»!? Что это за «праздные задачи грядущих столетий»!? «Чинуша, подтасовщик, интриган, домосед, завистник»… Откуда у этих зеленых юнцов и юниц столько пренебрежения, презрения, цинизма к человеку, жившему за 400 лет до них!? Какое кощунство, вопиющая несправедливость!? Но, не сами же юнцы все это придумали!? Их надоумили математики, «цари наук», то самое «человечество», которое «лукавый сфинкс» Ферма «замучил своими загадками».

Однако, Ферма не может нести какую-либо ответственность за то, что спесивые, но бездарные потомки триста с лишним лет сшибали свои рога о его школьную теоремку. Унижая, оплевывая Ферма, математики пытаются спасти свою честь мундира!? Но никакой «чести» давно нет, даже «мундира» нет!? Детская задачка Ферма стала величайшим позором «отборной, доблестной» армии математиков мира!?

«Цари наук» опозорились тем, что семь поколений математических «светил» так и не смогли доказать школьную теоремку, которую доказали и П. Ферма, и арабский математик ал-Худжанди за 700 лет до Ферма!? Они опозорились и тем, что вместо признания своих ошибок, ославили П. Ферма обманщиком и стали раздувать миф о «недоказуемости» его теоремы!? Математики опозорились и тем, что уже целое столетие остервенело травят математиков-любителей, «бьют по голове своих братьев меньших». Эта травля стала самым позорным, после утопления Пифагором Гиппаса, деянием математиков во всей истории научной мысли! Они опозорились и тем, что под видом «доказательства» теоремы Ферма, подсунули просвещенному человечеству сомнительное «творение» Э. Уайлса, которое «не понимают» даже самые яркие светила математики!?

410-летний юбилей со дня рождения П. Ферма — это, несомненно, достаточно веский довод для того, чтобы математики, наконец, образумились и перестали бы наводить тень на плетень и восстановили бы доброе, честное имя великого математика. П. Ферма «не обнаружил никаких сознательных претензий на место в истории», но эта своенравная и капризная Дама сама внесла его на руках в свои анналы, зато многих рьяных и ретивых «претендентов» она выплюнула, как изжеванную жвачку. И ничего с этим не поделаешь, всего одна из многих его красивых теорем навечно вписала имя П. Ферма в историю.

Но это уникальное творение Ферма и само уже целое столетие загнано в «подполье», объявлено «вне закона», стало самой презренной и ненавистной задачей во всей истории математики. Но настало время этому «гадкому утенку» математики превращаться в прекрасного лебедя! Удивительная загадка Ферма выстрадала свое право занять достойное место и в сокровищнице математических знаний, и в каждой школе мира рядом со своей сестрой — теоремой Пифагора.

Такая уникальная, изящная задача просто не может не иметь и красивые, изящные решения. Если теорема Пифагора имеет 400 доказательств, то пусть в первое время у теоремы Ферма будет всего 4 простых доказательства. Они есть, постепенно их станет больше!? Я считаю, что 410-летний юбилей П. Ферма — это самый подходящий повод или случай, для того, чтобы математикам-профессионалам образумиться и прекратить, наконец, эту бессмысленную, абсурдную, хлопотную и абсолютно бесполезную «блокаду» любителей!?

1. 1 Murad :

   Мы равенство Zn = Xn + Yn считали Диофанта уравнение или великой теоремой Ферма, а это есть решение уравнения (Zn- Xn) Xn = (Zn – Yn) Yn. Тогда Zn =-(Xn + Yn) есть решение уравнения (Zn + Xn) Xn = (Zn + Yn) Yn. Эти уравнения и решения связаны со свойствами целых чисел и действия над ними. Значит, не знаем свойства целых чисел?! Обладая такими ограниченными знаниями не раскроем истину.
   Рассмотрим решения Zn = +(Xn + Yn) и Zn =-(Xn + Yn), когда n = 1. Целые числа + Z образуются с помощью 10 цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Они делиться на 2 целые числа +X – четные, последние правые цифры: 0, 2, 4, 6, 8 и +Y – нечетные, последние правые цифры: 1, 3, 5, 7, 9, т.е. + X = + Y. Количество Y = 5 – нечетных и X = 5 – четных чисел равно: Z = 10. Удовлетворяет уравнению: (Z – X) X = (Z – Y) Y, а решение +Z = +X + Y= +(X + Y).
   Целые числа -Z состоят из объединения -X – четные и -Y – нечетные, и удовлетворяет уравнению:
   (Z + X) X = (Z + Y) Y, а решение -Z = – X – Y = – (X + Y).
   Если Z/X = Y или Z / Y = X, то Z = XY; Z / -X = -Y или Z / -Y = -X, то Z = (-X)(-Y). Деление проверяется умножением.
   Однозначные положительные и отрицательные числа состоят из 5 нечетных и 5 нечетных чисел.
   Рассмотрим случай n = 2. Тогда Z2 = X2 + Y2 является решения уравнения (Z2 – X2) X2 = (Z2 – Y2) Y2 и Z2 = -(X2 + Y2) есть решение уравнения (Z2 + X2) X2 = (Z2 + Y2) Y2. Мы Z2 = X2 + Y2 считали теоремой Пифагора и тогда решение Z2 = -(X2 + Y2) является этой же теоремой. Знаем, что диагональ квадрата делить его на 2 части, где диагональ является гипотенузой. Тогда справедливы равенства: Z2 = X2 + Y2, и Z2 = -(X2 + Y2) где X и Y катеты. И еще решения R2 = X2 + Y2 и R2 =- (X2 + Y2) являются круги, центры являются началом квадратной системы координат и с радиусом R. Их можно записать в виде (5n)2 = (3n)2 + (4n)2 , где n – целые положительные и отрицательные, и являются 3 последовательные числа. Также решениями являются 2-разрядные числа XY, которые начинается с 00 и заканчивается 99 и есть 102 =10х10 и считать 1 век = 100 годов.
   Рассмотрим решения, когда n = 3. Тогда Z3 = X3 + Y3 решения уравнения (Z3 – X3) X3 = (Z3 – Y3) Y3.
   3 -разрядные числа XYZ начинается с 000 и заканчивается 999 и есть 103 =10х10х10 =1000 годов=10веков
   Из 1000 кубиков одинакового размера и цвета можно составить рубик порядка 10. Рассмотрим рубик порядка +103=+1000 – красный и -103=-1000 – синий. Они состоят из 103= 1000 кубиков. Если разложим, и кубики поставить в один ряд или друг на друга, без промежутков, то получим горизонтальный или вертикальный отрезок длины 2000. Рубик – большой куб, покрыто маленькими кубами, начиная с размера 1бутто = 10ст.-21, и в него нельзя добавить или убавить одного куба.
   — (1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 + 9+10); + (1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 + 9+10);
   — (12 + 22 + 32 + 42 + 52 + 62 + 72 + 82 + 92+102); + (12 + 22 + 32 + 42 + 52 + 62 + 72 + 82 + 92+102);
   — (13 + 23 + 33 + 43 + 53 + 63 + 73 + 83 + 93+103); + (13 + 23 + 33 + 43 + 53 + 63 + 73 + 83 + 93+103).
   Каждое целое число 1. Сложить 1(единицы) 9 + 9 =18, 10 + 9 =19, 10 +10 =20, 11 +10 =21, а произведения:
   111111111 х 111111111= 12345678987654321; 1111111111 х 111111111= 123456789987654321.
   0111111111х1111111110= 0123456789876543210; 01111111111х1111111110= 01234567899876543210.
   Эти операции можно выполнить 20-разрядных калькуляторах.
   Известно, что +(n3 – n) всегда делится на +6, а – (n3 – n) делится на -6. Знаем, что n3 – n = (n-1)n(n+1). Это есть 3 последовательные числа (n-1)n(n+1), где n – четное, то делится на 2, (n-1) и (n+1) нечетные, делятся на 3. Тогда (n-1)n(n+1) всегда делится на 6. Если n=0, то (n-1)n(n+1)=(-1)0(+1), n=20, то(n-1)n(n+1)=(19)(20)(21).
   Знаем, что 19 х 19 = 361. Это означает, что одного квадрата окружают 360 квадратов и тогда одного куба окружают 360 кубов. Выполняется равенство: 6 n – 1 + 6n. Если n=60, то 360 – 1 + 360, а n=61, то 366 – 1 + 366.
   Из вышеуказанных утверждений вытекают обобщения:
   n5 – 4n = (n2-4) n (n2+4); n7 – 9n = (n3-9) n (n3+9); n9 –16 n= (n4-16) n (n4+16);
   0… (n-9) (n-8) (n-7) (n-6) (n-5) (n-4) (n-3) (n-2) (n-1)n(n+1) (n+2) (n+3) (n+4) (n+5) (n+6) (n+7) (n+8) (n+9)…2n
   (n+1) х (n+1) = 0123… (n-3) (n-2) (n-1) n (n+1) n (n-1) (n-2) (n-3)…3210
   n! = 0123… (n-3) (n-2) (n-1) n; n! = n (n-1) (n-2) (n-3)…3210; (n+1)! = n! (n +1).
   0 +1 +2+3+…+ (n-3) + (n-2) + (n-1) +n=n (n+1)/2; n + (n-1) + (n-2) + (n-3) +…+3+2+1+0=n (n+1)/2;
   n (n+1)/2 + (n+1) + n (n+1)/2 = n (n+1) + (n+1) = (n+1) (n+1) = (n+1)2.
   Если 0123… (n-3) (n-2) (n-1) n (n+1) n (n-1) (n-2) (n-3)…3210 х 11=
   = 013… (2n-5) (2n-3) (2n-1) (2n+1) (2n+1) (2n-1) (2n-3) (2n-5)…310.
   Любое целое число n есть степени 10, имеет: – n и +n, +1/ n и -1/ n, нечетное и четное:
   — (n + n +…+ n) =-n2; – (n x n x…x n) = -nn; – (1/n + 1/n +…+ 1/n) = – 1; – (1/n x 1/n x…x1/n) = -n-n;
   + (n + n +…+ n) =+n2; + (n x n x…x n) = + nn; + (1/n +…+1/n) = + 1; + (1/n x 1/n x…x1/n) = + n-n.
   Ясно, что если любое целое число сложить само себя, то увеличиться в 2 раза, а произведение будет квадратом: X = a, Y = a, X+Y = a +a = 2a; XY = a x a =a2. Это считали теоремой Виета – ошибка!
   Если в данное число добавить и отнять число b, то сумма не меняется, а произведение меняется, например:
   X = a + b, Y =a – b, X+Y = a + b + a – b = 2a; XY = (a + b) x (a –b) = a2- b2.
   X = a +√b , Y = a -√b , X+Y = a +√b + a – √b = 2a; XY = (a +√b) x (a -√b) = a2- b.
   X = a + bi, Y =a – bi, X+Y = a + bi + a – bi = 2a; XY = (a + bi) x (a –bi) = a2+ b2.
   X = a +√b i, Y = a – √bi, X+Y = a +√bi+ a – √bi =2a, XY = (a -√bi) x (a -√bi) = a2+b.
   Если вместо букв a и b поставить целые числа, то получим парадоксы, абсурды, и недоверия математике.

Нерешаемые задачи — это 7 интереснейших математических проблем. Каждая из них была предложена в свое время известными учеными, как правило, в виде гипотез. Вот уже много десятилетий над их решением ломают головы математики во всем мире. Тех, кто добьется успеха, ждет вознаграждение в миллион американских долларов, предложенное институтом Клэйя.

Институт Клэйя

Под таким названием известна частная некоммерческая организация, штаб-квартира которой находится в Кембридже, штат Массачусетс. Она была основана в 1998 году гарвардским математиком А. Джеффи и бизнесменом Л. Клэйем. Целью деятельности института является популяризация и развитие математических знаний. Для ее достижения организация выдает премии ученым и спонсирует многообещающие исследования.

В начале 21 столетия Математический институт Клэйя предложил премию тем, кто решит проблемы, которые известны, как самые сложные нерешаемые задачи, назвав свой список Millennium Prize Problems. Из «Списка Гильберта» в него вошла только гипотеза Римана.

Задачи тысячелетия

В список института Клэйя изначально входили:

• гипотеза о циклах Ходжа;
• уравнения квантовой теории Янга — Миллса;
• гипотеза Пуанкаре;
• проблема равенства классов Р и NP;
• гипотеза Римана;
• о существовании и гладкости его решений;
• проблема Берча — Свиннертон-Дайера.

Эти открытые математические проблемы представляют огромный интерес, так как могут иметь множество практических реализаций.

Что доказал Григорий Перельман

В 1900 году известный ученый-философ Анри Пуанкаре предположил, что всякое односвязное компактное 3-мерное многообразие без края гомеоморфно 3-мерной сфере. Ее доказательство в общем случае не находилось в течение века. Лишь в 2002-2003 годах петербургский математик Г. Перельман опубликовал ряд статей с решением проблемы Пуанкаре. Они произвели эффект разорвавшейся бомбы. В 2010 году гипотеза Пуанкаре была исключена из списка «Нерешенные задачи» института Клэйя, а самому Перельману было предложено получить полагающееся ему немалое вознаграждение, от которого последний отказался, не объяснив причин своего решения.

Самое понятное объяснение того, что удалось доказать российскому математику, можно дать, представив, что на бублик (тор), натягивают резиновый диск, а затем пытаются стянуть края его окружности в одну точку. Очевидно, что это невозможно. Другое дело, если произвести этот эксперимент с шаром. В таком случае вроде бы трехмерная сфера, получившаяся из диска, окружность которого стянули в точку гипотетическим шнуром, будет трехмерной в понимании обычного человека, но двумерной с точки зрения математики.

Пуанкаре предположил, что трехмерная сфера является единственным трехмерным «предметом», поверхность которой можно стянуть в одну точку, а Перельману удалось это доказать. Таким образом, список «Нерешаемые задачи» сегодня состоит из 6 проблем.

Теория Янга-Миллса

Эта математическая проблема была предложена ее авторами в 1954-м году. Научная формулировка теории имеет следующий вид: для любой простой компактной калибровочной группы квантовая пространственная теория, созданная Янгом и Милльсом, существует, и при этом имеет нулевой дефект массы.

Если говорить на языке, понятном для обычного человека, взаимодействия между природными объектами (частицами, телами, волнами и пр.) делятся на 4 типа: электромагнитное, гравитационное, слабое и сильное. Уже много лет физики пытаются создать общую теорию поля. Она должна стать инструментом для объяснения всех этих взаимодействий. Теория Янга-Миллса — это математический язык, с помощью которого стало возможно описать 3 из 4-х основных сил природы. Она не применима к гравитации. Поэтому нельзя считать, что Янгу и Миллсу удалось создать теорию поля.

Кроме того, нелинейность предложенных уравнений делает их крайне сложными для решения. При малых константах связи их удается приближенно решить в виде ряда теории возмущений. Однако пока непонятно, как можно решить эти уравнения при сильной связи.

Уравнения Навье-Стокса

С помощью этих выражений описываются такие процессы, как воздушные потоки, течение жидкостей и турбулентность. Для некоторых частных случаев аналитические решения уравнения Навье-Стокса уже были найдены, однако сделать это для общего пока никому не удалось. В то же время, численное моделирование для конкретных значений скорости, плотности, давления, времени и так далее позволяет добиться прекрасных результатов. Остается надеяться, что у кого-нибудь получится применить уравнения Навье-Стокса в обратном направлении, т. е. вычислить с их помощью параметры, либо доказать, что метода решения нет.

Задача Берча — Свиннертон-Дайера

К категории «Нерешенные задачи» относится и гипотеза, предложенная английскими учеными из Кембриджского университета. Еще 2300 лет назад древнегреческий ученый Эвклид дал полное описание решений уравнения x2 + y2 = z2.

Если для каждого из простых чисел посчитать количество точек на кривой по его модулю, получится бесконечный набор целых чисел. Если конкретным образом «склеить» его в 1 функцию комплексной переменной, тогда получится дзета-функция Хассе-Вейля для кривой третьего порядка, обозначаемая буквой L. Она содержит информацию о поведении по модулю всех простых чисел сразу.

Брайан Берч и Питер Свиннертон-Дайер выдвинули гипотезу относительно эллиптических кривых. Согласно ей, структура и количество множества ее рациональных решений связаны с поведением L-функции в единице. Недоказанная на данный момент гипотеза Берча — Свиннертон-Дайера зависит от описания алгебраических уравнений 3 степени и является единственным сравнительно простым общим способом расчета ранга эллиптических кривых.

Чтобы понять практическую важность этой задачи, достаточно сказать, что в современной криптографии на эллиптических кривых основан целый класс асимметричных систем, и на их применении основаны отечественные стандарты цифровой подписи.

Равенство классов p и np

Если остальные «Задачи тысячелетия» относятся к чисто математическим, то эта имеет отношение к актуальной теории алгоритмов. Проблема, касающаяся равенства классов р и np, известная также, как проблема Кука-Левина, понятным языком может быть сформулирована следующим образом. Предположим, что положительный ответ на некий вопрос можно проверить достаточно быстро, т. е. за полиномиальное время (ПВ). Тогда правильно ли утверждение, что ответ на него можно довольно быстро отыскать? Еще проще звучит так: действительно ли решение задачи проверить не труднее, чем его найти? Если равенство классов р и np будет когда-либо доказано, то все проблемы подбора можно будет решать за ПВ. На данный момент многие специалисты сомневаются в истинности этого утверждения, хотя не могут доказать обратное.

Гипотеза Римана

Вплоть до 1859 года не было выявлено какой-либо закономерности, которая описывала бы, как распределяются простые числа среди натуральных. Возможно, это было связано с тем, что наука занималась другими вопросами. Однако к середине 19 столетия ситуация изменилась, и они стали одними из наиболее актуальных, которыми начала заниматься математика.

Гипотеза Римана, появившаяся в этот период — это предположение о том, что в распределении простых чисел существует определенная закономерность.

Сегодня многие современные ученые считают, что если она будет доказана, то придется пересмотреть многие фундаментальные принципы современной криптографии, составляющие основу значительной части механизмов электронной коммерции.

Согласно гипотезе Римана, характер распределения простых чисел, возможно, существенно отличается от предполагаемого на данный момент. Дело в том, что до сих пока не было обнаружено какой-либо системы в распределения простых чисел. Например, существует проблема «близнецов», разность между которыми равна 2. Этими числами являются 11 и 13, 29. Другие простые числа образуют скопления. Это 101, 103, 107 и др. Ученые давно подозревали, что подобные скопления существуют и среди очень больших простых чисел. Если их найдут, то стойкость современных криптоключей окажется под вопросом.

Гипотеза о циклах Ходжа

Эта нерешенная до сих пор задача сформулирована в 1941 году. Гипотеза Ходжа предполагает возможность аппроксимации формы любого объекта путем «склеивания» вместе простых тел большей размерности. Этот способ был известен и успешно применяется достаточно давно. Однако не известно, до какой степени можно производить упрощение.

Теперь вы знаете, какие нерешаемые задачи существуют на данный момент. Они являются предметом исследования тысяч ученых во всем мире. Остается надеяться, что в ближайшее время они будут решены, а их практическое применение поможет человечеству выйти на новый виток технологического развития.

— » Задачи человечества

ЗАДАЧИ МАТЕМАТИКИ, НЕ РЕШЕННЫЕ ЧЕЛОВЕЧЕСТВОМ

Задачи Гильберта

23 важнейших проблем математики были представлены величайшим немецким математиком Давидом Гильбертом на Втором Международном конгресе математиков в Париже в 1990 году. Тогда эти проблемы (охватывающие основания математики, алгебру, теорию чисел, геометрию, топологию, алгебраическую геометрию, группы Ли, вещественный и комплексный анализ, дифференциальные уравнения, математическую физику, вариационное исчисление и теорию вероятностей, не были решены. На данный момент решены 16 проблем из 23. Ещё 2 не являются корректными математическими проблемами (одна сформулирована слишком расплывчато, чтобы понять, решена она или нет, другая, далёкая от решения, — физическая, а не математическая). Из оставшихся 5 проблем две не решены никак, а три решены только для некоторых случаев

Задачи Ландау

До сих пор существует много открытых вопросов, связанных с простыми числами (простое число — это число, которое имеет отлько два делителя: единицу и само это число). Наиболее важные вопросы были перечислены Эдмундом Ландау
на Пятом Междунанародном математическом конгресе:

Первая проблема Ландау

(проблема Гольдбаха): верно ли, что каждое чётное число, большее двух, может быть представлено в виде суммы двух простых чисел, а каждое нечётное число, большее 5, может быть представлено в виде суммы трёх простых чисел?

Вторая проблема Ландау
: бесконечно ли множество «простых близнецов»
— простых чисел, разность между которыми равна 2?
Третья проблема Ландау
(гипотеза Лежандра): верно ли, что для всякого натурального числа n между и всегда найдётся простое число?
Четвёртая проблема Ландау
: бесконечно ли множество простых чисел вида , где n — натуральное число?

Задачи тысячелетия (Millennium Prize Problems)

Это семь математических задач, з
а решение каждой из которых инcтитут Клея предложил приз в 1 000 000 долларов США. Вынося на суд математиков эти семь задач, иститут Клея сравнил их с 23 задачами Д.Гильберта, которые оказали большое влияние на на математику ХХ века. Из 23 проблем Гильберта большинство уже решены, и только одна — гипотеза Римана — вошла в список задач тысячелетия. По состоянию на декабрь 2012 года только одна из семи проблем тысячелетия (гипотеза Пуанкаре) решена. Приз за её решение присуждён российскому математику Григорию Перельману, который от него отказался.

Вот список этих семи задач
:

№1. Равенство классов P и NP

Если положительный ответ на какой-то вопрос можно быстро
проверить (используя некоторую вспомогательную информацию, называемую сертификатом), то верно ли, что и сам ответ (вместе с сертификатом) на этот вопрос можно быстро
найти? Задачи первого типа относятся к классуц NP, второго — классу Р. Проблема равенства этих классов является одной из важнейших проблем теории алгоритмов.

№2. Гипотеза Ходжа

Важная проблема алгебраической геометрии. Гипотеза описывает классы комогологий на комплексных проективных многообразиях, реализуемые алгебраическими подмногообразиями.

№3. Гипотеза Пуанкаре (доказана Г.Я.Перельманом)

Cчитается наиболее известной проблемой топологии. Говоря более просто, она утверждает, что всякий 3D «объект», обладающий некоторыми свойствами трёхмерной сферы (например, каждая петля внутри него должна быть стягиваема), обязан быть сферой с точностью до деформации. Премия за доказательство гипотезы Пуанкаре присуждена российскому математику Г.Я.Перельману, опубликовавшему в 2002 году серию работ, из которых следует справедливость гипотезы Пуанкаре.

№4. Гипотеза Римана

Гипотеза гласит, что все нетривиальные (то есть имеющие ненулевую мнимую часть) нули дзета-функции Римана имеют действительную часть 1/2. Гипотеза Римана была восьмой в списке проблем Гильберта.

№5. Теория Янга — Миллса

Задача из области физики элементарных частиц. Требуется доказать, что для любой простой компактной калибровочной группы G квантовая теория Янга — Миллса для четырехмарного пространства существует и имеет ненулевой дефект массы. Это утверждение соответствует экспериментальным данным и численному моделированию, однако доказать его до сих пор не удалось.

№6. Существование и гладкость решений уравнений Навье — Стокса

Уравнения Навье — Стокса описывают движение вязкой жидкости. Одна из важнейших задач гидродинамики.

№7. Гипотеза Бёрча — Свиннертон-Дайера

Гипотеза связана с уравнениями эллиптических кривых и множеством их рациональных решений.

Иногда усердное изучение точных наук может принести свои плоды — вы станете не только известны на весь мир, но и богаты. Награды даются, впрочем, не за что попало, и в современной науке очень много недоказанных теорий, теорем и задач, которые плодятся по мере развития наук, взять хотя бы Коуровские или Днестровские тетради, этакие сборники с неразрешимыми физико-математическими, и не только, задачами. Однако есть и поистине сложные теоремы, которые не могут разгадать уже не один десяток лет, и вот за них то и выставлена награда американским институтом Клэя в размере 1 млн. долларов США за каждую. До 2002 года общий джекпот равнялся 7 миллионам, так как «задач тысячелетия» было семь, однако российский математик Григорий Перельман решил гипотезу Пуанкаре, эпически отказавшись от миллиона, даже не открыв дверь математикам США, которые хотели вручить ему его честно заработанные премиальные. Итак, включаем Теорию Большого Взрыва для фона и настроения, и смотрим, за что еще можно срубить круглую сумму.

Равенство классов P и NP

Простыми словами говоря, проблема равенства P = NP состоит в следующем: если положительный ответ на какой-то вопрос можно довольно быстро проверить (за полиномиальное время), то правда ли, что ответ на этот вопрос можно довольно быстро найти (также за полиномиальное время и используя полиномиальную память)? Другими словами, действительно ли решение задачи проверить не легче, чем его отыскать? Суть здесь в том, что некоторые расчеты и вычисления легче решать по алгоритму, а не вычислять перебором, и таким образом экономить кучу времени и ресурсов.

Гипотеза Ходжа

Гипотеза Ходжа сформулирована в 1941 году и состоит в том, что для особенно хороших типов пространств, называемых проективными алгебраическими многообразиями, так называемые циклы Ходжа являются комбинациями объектов, имеющих геометрическую интерпретацию, — алгебраических циклов.

Здесь объясняя простыми словами можно сказать следующее: в 20 веке были открыты очень сложные геометрические формы, типа искривленных бутылок. Так вот, было высказано предположение, что чтобы сконструировать эти объекты для описания, надо применять совсем головоломные формы, которые не имеют геометрической сути «этакие страшные многомерные каляки-маляки» или же все — таки можно обойтись условно-стандартной алгеброй+геометрией.

Гипотеза Римана

Здесь человеческим языком объяснить довольно сложно, достаточно знать, что решение данной проблемы будет иметь далеко идущие последствия в области распределения простых чисел. Проблема настолько важна и насущна, что даже выведение контрпримера гипотезы — на усмотрение ученого совета университета, проблему можно будет считать доказанной, так что здесь можно попробовать и метод «от обратного». Даже если удастся переформулировать гипотезу в более узком смысле — и тут институт Клэя выплатит некоторую сумму денег.

Теория Янга — Миллса

Физика элементарных частиц — один из любимых разделов доктора Шелдона Купера. Тут квантовая теория двух умных дядек говорит нам о том, что для любой простой калибровочной группе в пространстве существует дефект массы отличный от нулевого. Это утверждение установлено экспериментальными данными и численному моделированию, однако доказать его пока никто не может.

Уравнения Навье-Стокса

Здесь нам наверняка бы помог Говард Воловиц, если бы существовал в реальности — ведь это загадка из гидродинамики, причем основа основ. Уравнения описывают движения вязкой ньютоновской жидкости, имеют огромное практическое значение, а главное описывают турбулентность, которую никак не удается загнать в рамки науки и предугадать ее свойства и действия. Обоснование построения этих уравнений позволило бы не тыкать пальцем в небо, а понять турбулентность изнутри и сделать самолеты и механизмы более устойчивыми.

Гипотеза Бёрча — Свиннертон-Дайера

Здесь я, правда, пытался подобрать простые слова, однако тут такая дремучая алгебра, что без глубокого погружения не обойтись. Тем же, кто не хочет нырять с аквалангом в матан, надо знать, что данная гипотеза позволяет быстро и безболезненно находить ранг эллиптических кривых, а если бы этой гипотезы не было, то для вычисления этого ранга нужна была бы простыня вычислений. Ну и естественно также надо знать, что доказательство этой гипотезы обогатит вас на миллион долларов.

Нельзя не отметить, что почти в каждой области есть уже продвижения, и даже доказаны случаи для отдельных примеров. Поэтому не стоит медлить, а то получится как с теоремой Ферма, которая поддалась Эндрю Уайлсу через 3 с лишним века в 1994 году, и принесла ему Абелевскую премию и около 6 млн. норвежских крон (50 миллионов рублей по сегодняшнему курсу).

Часто, беседуя со старшеклассниками об исследовательских работах по математике, слышу следующее: «Что можно нового открыть в математике?» А действительно: может быть все великие открытия сделаны, а теоремы доказаны?

8 августа 1900 года на международном математическом конгрессе в Париже математик Дэвид Гилберт (David Hilbert) изложил список проблем, которые, как он полагал, предстояло решить в ХХ веке. В списке было 23 пункта. Двадцать один из них на данный момент решены. Последней решенной проблемой из списка Гилберта была знаменитая теорема Ферма, с которой ученые не могли справиться в течение 358 лет. В 1994 году свое решение предложил британец Эндрю Уайлз. Оно и оказалось верным.

По примеру Гилберта в конце прошлого века многие математики пытались сформулировать подобные стратегические задачи на ХХI век. Один из таких списков приобрел широкую известность благодаря бостонскому миллиардеру Лэндону Клэю (Landon T. Clay). В 1998 году на его средства в Кембридже (Массачусетс, США) был основан Математический институт Клэя (Clay Mathematics Institute) и установлены премии за решение ряда важнейших проблем современной математики. 24 мая 2000 года эксперты института выбрали семь проблем — по числу миллионов долларов, выделенных на премии. Список получил название Millennium Prize Problems:

1. Проблема Кука (сформулирована в 1971 году)

Допустим, что вы, находясь в большой компании, хотите убедиться, что там же находится ваш знакомый. Если вам скажут, что он сидит в углу, то достаточно будет доли секунды, чтобы, бросив взгляд, убедиться в истинности информации. В отсутствие этой информации вы будете вынуждены обойти всю комнату, рассматривая гостей. Это говорит о том, что решение какой-либо задачи часто занимает больше времени, чем проверка правильности решения.

Стивен Кук сформулировал проблему: может ли проверка правильности решения задачи быть более длительной, чем само получение решения, независимо от алгоритма проверки. Эта проблема также является одной из нерешенных задач из области логики и информатики. Ее решение могло бы революционным образом изменить основы криптографии, используемой при передаче и хранении данных.

2. Гипотеза Римана (сформулирована в 1859 году)

Некоторые целые числа не могут быть выражены как произведение двух меньших целых чисел, например 2, 3, 5, 7 и так далее. Такие числа называются простыми и играют важную роль в чистой математике и ее приложениях. Распределение простых чисел среди ряда всех натуральных чисел не подчиняется никакой закономерности. Однако немецкий математик Риман высказал предположение, касающееся свойств последовательности простых чисел. Если гипотеза Римана будет доказана, то это приведет к революционному изменению наших знаний в области шифрования и к невиданному прорыву в области безопасности Интернета.

3. Гипотеза Берча и Свиннертон-Дайера (сформулирована в 1960 году)

Связана с описанием множества решений некоторых алгебраических уравнений от нескольких переменных с целыми коэффициентами. Примером подобного уравнения является выражение x2 + y2 = z2. Эвклид дал полное описание решений этого уравнения, но для более сложных уравнений поиск решений становится чрезвычайно трудным.

4. Гипотеза Ходжа (сформулирована в 1941 году)

В ХХ веке математики открыли мощный метод исследования формы сложных объектов. Основная идея заключается в том, чтобы использовать вместо самого объекта простые «кирпичики», которые склеиваются между собой и образуют его подобие. Гипотеза Ходжа связана с некоторыми предположениями относительно свойств таких «кирпичиков» и объектов.

5. Уравнения Навье — Стокса (сформулированы в 1822 году)

Если плыть в лодке по озеру, то возникнут волны, а если лететь в самолете, в воздухе возникнут турбулентные потоки. Предполагается, что эти и другие явления описываются уравнениями, известными как уравнения Навье — Стокса. Решения этих уравнений неизвестны, и при этом даже неизвестно, как их решать. Необходимо показать, что решение существует и является достаточно гладкой функцией. Решение этой проблемы позволит существенно изменить способы проведения гидро- и аэродинамических расчетов.

6. Проблема Пуанкаре (сформулирована в 1904 году)

Если натянуть резиновую ленту на яблоко, то можно, медленно перемещая ленту без отрыва от поверхности, сжать ее до точки. С другой стороны, если ту же самую резиновую ленту соответствующим образом натянуть вокруг бублика, то никаким способом невозможно сжать ленту в точку, не разрывая ленту или не ломая бублик. Говорят, что поверхность яблока односвязна, а поверхность бублика — нет. Доказать, что односвязна только сфера, оказалось настолько трудно, что математики ищут правильный ответ до сих пор.

7. Уравнения Янга — Миллса (сформулированы в 1954 году)

Уравнения квантовой физики описывают мир элементарных частиц. Физики Янг и Миллс, обнаружив связь между геометрией и физикой элементарных частиц, написали свои уравнения. Тем самым они нашли путь к объединению теорий электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий. Из уравнений Янга — Миллса следовало существование частиц, которые действительно наблюдались в лабораториях во всем мире, поэтому теория Янга — Миллса принята большинством физиков несмотря на то, что в рамках этой теории до сих пор не удается предсказывать массы элементарных частиц.

Думаю, что этот материал, опубликованный в блоге интересен не только студентам, но и школьникам, серьёзно занимающимся математикой. Есть над чем подумать, выбирая темы и направления исследовательских работ.
Интерес к математике
обозначился у Ферма как-то неожиданно и в
достаточно зрелом возрасте. В 1629 г. в его руки
попадает латинский перевод работы Паппа,
содержащий краткую сводку результатов Аполлония
о свойствах конических сечений. Ферма, полиглот,
знаток права и античной филологии, вдруг
задается целью полностью восстановить ход
рассуждений знаменитого ученого. С таким же
успехом современный адвокат может попытаться
самостоятельно воспроизвести все
доказательства по монографии из проблем, скажем,
алгебраической топологии. Однако, немыслимое
предприятие увенчивается успехом. Более того,
вникая в геометрические построения древних, он
совершает удивительное открытие: для нахождения
максимумов и минимумов площадей фигур не нужны
хитроумные чертежи. Всегда можно составить и
решить некое простое алгебраическое уравнение,
корни которого определяют экстремум. Он придумал
алгоритм, который станет основой
дифференциального исчисления.

Он быстро продвинулся дальше. Он нашел
достаточные условия существования максимумов,
научился определять точки перегиба, провел
касательные ко всем известным кривым второго и
третьего порядка. Еще несколько лет, и он находит
новый чисто алгебраический метод нахождения
квадратур для парабол и гипербол произвольного
порядка (то есть интегралов от функций вида y p
= Cx q
и y p x q = С
), вычисляет
площади, объемы, моменты инерции тел вращения.
Это был настоящий прорыв. Чувствуя это, Ферма
начинает искать общения с математическими
авторитетами того времени. Он уверен в себе и
жаждет признания.

В 1636 г. он пишет первое письмо Его преподобию
Марену Мерсенну: ”Святой отец! Я Вам чрезвычайно
признателен за честь, которую Вы мне оказали,
подав надежду на то, что мы сможем беседовать
письменно; …Я буду очень рад узнать от Вас о всех
новых трактатах и книгах по Математике, которые
появилась за последние пять-шесть лет. …Я нашел
также много аналитических методов для различных
проблем, как числовых, так и геометрических, для
решения которых анализ Виета недостаточен. Всем
этим я поделюсь с Вами, когда Вы захотите, и
притом без всякого высокомерия, от которого я
более свободен и более далек, чем любой другой
человек на свете.”

Кто такой отец Мерсенн? Это францисканский
монах, ученый скромных дарований и замечательный
организатор, в течении 30 лет возглавлявший
парижский математический кружок, который стал
подлинным центром французской науки. В
последствии кружок Мерсенна указом Людовика XIV
будет преобразован в Парижскую академию наук.
Мерсенн неустанно вел огромную переписку, и его
келья в монастыре ордена минимов на Королевской
площади была своего рода “почтамтом для всех
ученых Европы, начиная от Галилея и кончая
Гоббсом”. Переписка заменяла тогда научные
журналы, которые появились значительно позже.
Сборища у Мерсенна происходили еженедельно. Ядро
кружка составляли самые блестящие
естествоиспытатели того времен: Робервиль,
Паскаль-отец, Дезарг, Мидорж, Арди и конечно же,
знаменитый и повсеместно признанный Декарт. Рене
дю Перрон Декарт (Картезий), дворянская мантия,
два родовых поместья, основоположник
картезианства, “отец” аналитической геометрии,
один из основателей новой математики, а так же
друг и товарищ Мерсенна по иезуитскому колледжу.
Этот замечательный человек станет кошмаром для
Ферма.

Мерсенн счел результаты Ферма достаточно
интересными, чтобы ввести провинциала в свой
элитный клуб. Ферма тут же завязывает переписку
со многими членами кружка и буквально засыпает
письмами самого Мерсенна. Кроме того, он отсылает
на суд ученых мужей законченные рукописи:
“Введение к плоским и телесным местам”, а год
спустя — “Способ отыскания максимумов и
минимумов” и “Ответы на вопросы Б. Кавальери”.
То, что излагал Ферма, была абсолютная новь,
однако сенсация не состоялась. Современники не
содрогнулись. Они мало, что поняли, но зато нашли
однозначные указание на то, что идею алгоритма
максимизации Ферма заимствовал из трактата
Иоханнеса Кеплера с забавным названием “Новая
стереометрия винных бочек”. Действительно, в
рассуждения Кеплера встречаются фразы типа
“Объем фигуры наибольший, если по обе стороны от
места наибольшего значения убывание сначала
нечувствительно”. Но идея малости приращения
функции вблизи экстремума вовсе не носилась в
воздухе. Лучшие аналитические умы того времени
были не готовы к манипуляциям с малыми
величинами. Дело в том, что в то время алгебра
считалась разновидностью арифметики, то есть
математикой второго сорта, примитивным
подручным средством, разработанным для нужд
низменной практики (“хорошо считают только
торговцы”). Традиция предписывала
придерживаться сугубо геометрических методов
доказательств, восходящих к античной математике.
Ферма первый понял, что бесконечно малые
величины можно складывать и сокращать, но
довольно затруднительно изображать в виде
отрезков.

Понадобилось почти столетие, чтобы Жан
д’Аламбер в знаменитой “Энциклопедии” признал:
“Ферма был изобретателем новых исчислений.
Именно у него мы встречаем первое приложение
дифференциалов для нахождения касательных”. В
конце XVIII века еще более определенно выскажется
Жозеф Луи граф де Лагранж: “Но геометры —
современники Ферма — не поняли этого нового рода
исчисления. Они усмотрели лишь частные случаи. И
это изобретение, которое появилось незадолго
перед “Геометрией” Декарта, оставалось
бесплодным в течении сорока лет”. Лагранж имеет
в виду 1674 г., когда вышли в свет “Лекции” Исаака
Барроу, подробно освещавшие метод Ферма.

Кроме всего прочего быстро обнаружилось, что
Ферма более склонен формулировать новые
проблемы, нежели, чем смиренно решать задачи,
предложенные метрами. В эпоху дуэлей обмен
задачами между учеными мужами был общепринят,
как форма выяснения проблем, связанных с
субординацией. Однако Ферма явно не знает меры.
Каждое его письмо — это вызов, содержащий десятки
сложных нерешенных задач, причем на самые
неожиданные темы. Вот образчик его стиля
(адресовано Френиклю де Бесси): “Item, каков
наименьший квадрат, который при уменьшении на 109
и прибавлении единицы даст квадрат? Если Вы не
пришлете мне общего решения, то пришлите частное
для этих двух чисел, которые я выбрал небольшими,
чтобы Вас не очень затруднить. После того как Я
получу от Вас ответ, я предложу Вам некоторые
другие вещи. Ясно без особых оговорок, что в моем
предложении требуется найти целые числа,
поскольку в случае дробных чисел самый
незначительный арифметик смог бы прийти к цели.”
Ферма часто повторялся, формулируя одни и те же
вопросы по несколько раз, и откровенно блефовал,
утверждая, что располагает необыкновенно
изящным решением предложенной задачи. Не
обходилось и без прямых ошибок. Некоторые из них
были замечены современниками, а кое какие
коварные утверждения вводили в заблуждение
читателей в течении столетий.

Кружок Мерсенна прореагировал адекватно. Лишь
Робервиль, единственный член кружка, имевший
проблемы с происхождением, сохраняет дружеский
тон писем. Добрый пастырь отец Мерсенн пытался
вразумить “тулузского нахала”. Но Ферма не
намерен оправдываться: ”Преподобный отец! Вы мне
пишете, что постановка моих невозможных проблем
рассердила и охладила господ Сен-Мартена и
Френикля и что это послужило причиной
прекращения их писем. Однако я хочу возразить им,
что то, что кажется сначала невозможным, на самом
деле не является таковым и что есть много
проблем, о которых, как сказал Архимед… ” и т.д..

Однако Ферма лукавит. Именно Френиклю он послал
задачу о нахождении прямоугольного треугольника
с целочисленными сторонами, площадь которого
равна квадрату целого числа. Послал, хотя знал,
что задача заведомо не имеет решения.

Самую враждебную позицию по отношению к Ферма
занял Декарт. В его письме Мерсенну от 1938 г.
читаем: “так как я узнал, что это тот самый
человек который перед тем пытался опровергнуть
мою “Диоптрику”, и так как Вы сообщили мне, что
он послал это после того, как прочел мою
“Геометрию” и в удивлении, что я не нашел ту же
вещь, т. е. (как имею основание его истолковать)
послал это с целью вступить в соперничество и
показать, что в этом он знает больше, чем я, и так
как еще из ваших писем я узнал, что за ним
числится репутация весьма сведущего геометра, то
я считаю себя обязанным ему ответить.” Свой
ответ Декарт в последствии торжественно
обозначит как “малый процесс Математики против
г. Ферма”.

Легко понять, что привело в ярость именитого
ученого. Во-первых, в рассуждениях Ферма
постоянно фигурируют координатные оси и
представление чисел отрезками — прием, который
Декарт всесторонне развивает в своей только что
изданной “Геометрии”. Ферма приходит к идее
замены чертежа вычислениями совершенно
самостоятельно, в чем-то он даже более
последователен, чем Декарт. Во-вторых, Ферма
блестяще демонстрирует эффективность своего
метода нахождения минимумов на примере задачи о
кратчайшем пути светового луча, уточняя и
дополняя Декарта с его “Диоптрикой”.

Заслуги Декарта как мыслителя и новатора
огромны, но откроем современную “Математическую
энциклопедию” и просмотрим список терминов
связанных с его именем: “Декартовы координаты”
(Лейбниц, 1692) , “Декартов лист”, “Декарта овалы
”. Ни одно из его рассуждений не вошло в историю
как “Теорема Декарта”. Декарт в первую очередь
идеолог: он основатель философской школы, он
формирует понятия, совершенствует систему
буквенных обозначений, но в его творческом
наследии мало новых конкретных приемов. В
противоположность ему Пьер Ферма мало пишет, но
по любому поводу может придумать массу
остроумных математических трюков (см. там же
“Теорема Ферма”, ”Принцип Ферма”, ”Метод
бесконечного спуска Ферма”). Вероятно, они
вполне справедливо завидовали друг другу.
Столкновение было неизбежно. При иезуитском
посредничестве Мерсенна разгорается война,
длившаяся два года. Впрочем, Мерсенн и здесь
оказался прав перед историей: яростная схватка
двух титанов, их напряженная, мягко говоря,
полемика способствовала осмыслению ключевых
понятий математического анализа.

Первым теряет интерес к дискуссии Ферма.
По-видимому, он напрямую объяснился с Декартом и
больше никогда не задевал соперника. В одной из
своих последних работ “Синтез для рефракции”,
рукопись которой он послал де ла Шамбру, Ферма
через слово поминает “ученейшего Декарта” и
всячески подчеркивает его приоритет в вопросах
оптики. Между тем именно эта рукопись содержала
описание знаменитого “принципа Ферма”, который
обеспечивает исчерпывающее объяснение законов
отражения и преломления света. Реверансы в
сторону Декарта в работе такого уровня были
совершенно излишни.

Что же произошло? Почему Ферма, отложив в
сторону самолюбие, пошел на примирение? Читая
письма Ферма тех лет (1638 — 1640 гг.), можно
предположить самое простое: в этот период его
научные интересы резко изменились. Он
забрасывает модную циклоиду, перестает
интересоваться касательными и площадями, и на
долгие 20 лет забывает о своем методе нахождения
максимума. Имея огромные заслуги в математике
непрерывного, Ферма целиком погружается в
математику дискретного, оставив опостылевшие
геометрические чертежи своим оппонентам. Его
новой страстью становятся числа. Собственно
говоря, вся “Теория чисел”, как самостоятельная
математическая дисциплина, своим появлением на
свет целиком обязана жизни и творчеству Ферма.

<…> После смерти Ферма его сын Самюэль издал
в 1670 г. принадлежащий отцу экземпляр
“Арифметики” под названием “Шесть книг
арифметики александрийца Диофанта с
комментариями Л. Г. Баше и замечаниями П. де Ферма,
тулузского сенатора”. В книгу были включены
также некоторые письма Декарта и полный текст
сочинения Жака де Бильи “Новое открытие в
искусстве анализа”, написанное на основе писем
Ферма. Издание имело невероятный успех. Перед
изумленными специалистами открылся невиданный
яркий мир. Неожиданность, а главное доступность,
демократичность теоретико-числовых результатов
Ферма породили массу подражаний. В то время мало
кто понимал как вычисляется площадь параболы, но
каждый школяр мог осознать формулировку Великой
теоремы Ферма. Началась настоящая охота за
неизвестными и утерянными письмами ученого. До
конца XVII в. было издано и переиздано каждое
найденное его слово. Но бурная история развития
идей Ферма только начиналась.

Уайлсу потребовались годы работы и знание самых современных разделов математики. Недавно он получил за это достижение премию, которую называют Нобелевкой для математиков. При этом формулировка теоремы Ферма крайне проста: она утверждает, что нет таких целых значений x, y и z, для которых бы выполнялось равенство xⁿ+yⁿ=zⁿ при n больше 2. Эту теорему сформулировал французский математик Пьер де Ферма в XVII веке. Читая «Арифметику» Диофанта, он записал уравнение на полях, в той части книги, где речь шла о теореме Пифагора.

Заметки на полях

Теорема Пифагора известна каждому, кто в школе хотя бы иногда не прогуливал математику: в прямоугольном треугольнике сумма квадратов катетов равна квадрату гипотенузы. Теорема была доказана, как можно догадаться, Пифагором, а уже его ученики доказали, что существует бесконечное множество так называемых пифагорейских троек — целых чисел, для которых выполняется условие x²+y²=z². Например, 3²+4²=5² или 99²+4900²=4901².

Ферма задался вопросом: а что если вместо квадратов в формуле будут кубы: x³+y³=z³? Можно ли для такого равенства найти красивые тройки целых чисел? А если в показателе степени будет стоять 4? А если 5? Ферма утверждал, что если показатель степени больше двух, то таких троек целых чисел не существует. Рядом с формулировкой теоремы Ферма оставил коварную запись: «Я нашел поистине удивительное доказательство этого предложения, но поля здесь слишком узки для того, чтобы вместить его». В чем заключалось это доказательство, он так никому и не сообщил.

В обычной жизни Ферма был крупным провинциальным чиновником, а наукой занимался в свободное от работы время. В то время среди математиков было не очень-то принято делиться с коллегами своими результатами. Ферма же выделялся особенной замкнутостью даже среди коллег: он мало с кем обсуждал свои идеи, а когда ему удавалось найти интересное решение сложной математической задачи, он развлекался тем, что отправлял товарищам-математикам формулировки этих задач, но не их решения. Публиковать свои математические выкладки он тоже не стремился.

Знаменитая теорема не канула в Лету вместе с другими открытиями Ферма лишь благодаря тому, что старший сын эксцентричного ученого-любителя после смерти отца взялся опубликовать все его отрывочные заметки. В них обнаружилось множество интересных и важных для математики теорем — часто без доказательств или лишь с набросками таковых. С тех пор все они были доказаны, и только уравнение, известное теперь как теорема Ферма, упорно не поддавалось.

Загадка на века

Простота формулировки и замечание, оставленное Ферма по поводу доказательства теоремы, дразнили профессионалов и любителей математики на протяжении веков. Ведь Ферма располагал теми же знаниями, что и его современники, значит, для доказательства теоремы требовалось лишь сделать какой-то необычный ход.

В истории попыток доказать, что «нужных» троек целых чисел не существует, порой случались небольшие прорывы. Так, через сто лет после Ферма Леонарду Эйлеру удалось доказать, что теорема верна при n=3. Другие математики доказали теорему для еще нескольких частных случаев или же намечали возможные подступы к решению задачи. Во второй половине XX века стали доступны компьютеры и математикам удалось показать, что теорема Ферма верна при значениях n от 2 до 500, затем счет пошел на тысячи, затем на миллионы, однако все это по-прежнему не означало, что утверждение Ферма верно для любых значений n.

Дело жизни

Таково было положение дел, когда о теореме впервые узнал десятилетний Эндрю Уайлс. Он загорелся идеей доказать ее, и эта мысль не оставляла ученого на протяжении всей математической карьеры.

Во второй половине 1980-х годов Уайлс полностью сосредоточился на теореме Ферма. Он продолжал преподавать в Принстонском университете, но отказался от участия в конференциях и любой другой публичной деятельности. Уайлс никому не рассказывал о своей цели: во-первых, ему не хотелось тратить время на обсуждения, во-вторых, в случае успеха слава досталась бы ему одному. А в третьих, его могли просто не принять всерьез — уж больно много чудаков и сумасшедших покушалось до него на доказательство великой теоремы. Он понимал, что ему потребуются годы работы и боялся, что, если он будет рассказывать о своей работе, в последний момент решающий шаг сделает кто-то другой. Для того чтобы не вызывать подозрений, Уайлс воспользовался одним из своих исследований, посвященных эллиптическим кривым. Оно было завершено, но математик публиковал его по кусочкам, притворяясь, что продолжает свои исследования в этой области. В тайну своей настоящей работы Уайлс посвятил только жену, и многие коллеги ученого начали считать, что его «исчезновение» связано с тем, что бедняга исчерпал свой математический талант.

В 1988 году, когда Уайлс вовсю работал над своим доказательством, японский математик Иоичи Мияока заявил, что ему удалось «взломать» теорему Ферма. Математики всего мира принялись изучать выкладки Мияоки и, к несчастью для него, в рассуждениях обнаружились серьезные пробелы, так что Уайлс продолжил работу.

Однако к 1991 году математик перебрал все доступные ему инструменты, а теорема Ферма все еще не поддавалась. Уайлсу пришлось прервать отшельничество, чтобы пообщаться с коллегами и выяснить, нет ли у тех каких-нибудь новых идей, полезных для его работы. И такие идеи нашлись — работа Уайлса сдвинулась с мертвой точки, и он уже предвидел успех, однако математику нужно было проверить все созданные выкладки. Уайлсу требовался эксперт, владеющий всеми тонкостями использованных им методов, однако это означало, что этого человека придется посвятить в свой замысел. И Уайлс доверился своему коллеге в Принстоне Нику Катцу.

Эксперту предстояло разобраться в работе, которую Уайлс вел в течение нескольких лет. Подступиться к такому объему материала было непросто, и Уайлс с Катцом нашли изящный выход. Уайлс объявил курс лекций для аспирантов с весьма расплывчатым названием «Вычисления по поводу эллиптических кривых». На лекциях Уайлс детально излагал ту часть доказательства, в которой он не был уверен и которая нуждалась в проверке. Только Катц знал, к чему все эти выкладки, для всех остальных слушателей это был просто курс лекций, причем крайне сложный, очень детальный и не очень понятно, к чему применимый. Постепенно слушатели разбежались, и в конце концов в аудитории на лекциях присутствовали лишь сами Уайлс и Катц.

Теорема доказана…

Проверка позволила убедиться, что в доказательстве Уайлса нет пробелов. В 1993 году он был уверен, что в его работе все верно. Ученый представил результат своих трудов на крупном математическом симпозиуме в Кембридже в конце июня 1993 года.

Весть о том, что теорема Ферма доказана, наделала много шуму. Тем более что для завершения работы Уайлсу потребовалось сначала доказать так называемую гипотезу Таниямы—Шимуры. Для математиков она не менее, а может быть даже более важна, чем собственно теорема Ферма, так как позволяет установить связь между разделами математики, ранее казавшимися крайне далекими друг от друга. В прессе поднялась шумиха, и Уайлс стал знаменитостью.

…или все-таки нет?

Он отправил свое доказательство для публикации в научный журнал, и шестеро рецензентов принялись за тщательную проверку его выкладок, занимавших 200 страниц. Одна из частей доказательства попала на проверку Катцу. С большинством вопросов, возникающих у рецензентов, Уайлс легко справлялся, однако у Катца возник небольшой вопрос, на который автор доказательства не смог сразу ответить. И чем больше он углублялся в разъяснения, тем очевиднее становилось, что речь идет не о небольшой ошибке, а о серьезной проблеме, пропущенной Катцом и Уайлсом, даже несмотря на устроенный ими курс лекций именно по самой «проблемной» части доказательства.

Уайлс надеялся «починить» доказательство, найдя способ устранить ошибку, но ему это никак не удавалось, и среди математиков поползли слухи, что и на этот раз доказательство теоремы Ферма не выдержало критики. Конечно, Уайлсом и без того была проделана огромная работа, которая дала много важных результатов, но он хотел доказать теорему Ферма, и для него найденная ошибка была кошмаром.

Уайлс снова скрылся от публики и работал лишь с одним из рецензентов своей статьи (и по совместительству бывшим аспирантом) Ричардом Тейлором. Тейлор для этого специально приехал в Принстон. Все лето 1994 года они искали решение проблемы и не нашли. Уайлс уже готов был смириться с поражением, но Тейлор уговорил его продолжить поиски до октября, когда Тейлору нужно было уезжать.

Не надеясь найти решение, Уайлс, по крайней мере, решил понять, почему в его выкладки вкралась ошибка. Утром 19 сентября 1994 года математик сидел в своем кабинете, изучая использованные им методы доказательства, и внезапно его озарило. Он понял, что нужно сделать, чтобы его доказательство снова заработало. Наконец-то он смог отправить статью с доказательством теоремы Ферма, а также совместную с Тейлором статью с необходимыми дополнительными доказательствами в редакцию журнала Annals of Mathematics. Эти работы были опубликованы в 1995 году. Теорема Ферма была доказана,теперь — без всяких сомнений.

Грандиозная шутка

И все же в этой истории осталась одна загадка. Три с половиной века математики бились над теоремой Ферма, а ее доказательство потребовало использования самых современных методов и доказательства другой важной теоремы, сформулированной лишь в XX веке. Всего этого во времена Ферма просто не было. Действительно ли он располагал «поистине удивительным доказательством» своей теоремы? Есть подозрение, что нет, ибо в записках Ферма остались следы поисков решений при n =4 и n=5, что было бы излишне, будь у математика доказательство теоремы в общем виде. Но даже если самонадеянный математик-затворник ошибся, значение созданной им интриги трудно переоценить. Ощущение, что «истина где-то рядом» вдохновляло на поиски решения многих математиков, и кто знает, как сложилась бы судьба теоремы, не будь она столь популярна.

 Екатерина Боровикова