Секреты числа Пи. Почему неразрешима задача о квадратуре круга - [10]

(1/4)∙π = 4∙arctg (1/5) — arctg (1/239).

точно вычислил 248 знаков Я. Он также ошибся в вычислениях, но допустил ошибку в самом конце расчетов, всего вычислив 250 знаков.

В 1853 году его немецкий коллега Якоб Гейнрих Вильхельм Леманн (1800–1863) рассчитал 261 знак Я, что принесло ему известность в математике. Его именем также назван кратер на Луне. В следующем году немецкий профессор Рихтер вычислил 330, затем 400 и, наконец, 500 знаков.

Английский математик-любитель Уильям Шэнкс (1812–1882) посвятил свою жизнь вычислениям. Наряду с расчетами других констант в 1875 году он получил 707 знаков π, что увековечено на знаменитом фризе Дворца открытий в Париже. Но это стоило музею немалых затрат: фриз был построен в 1937 году, а в 1946 году Дэниел Фергюсон в статье в журнале Nature показал, что верными являются лишь первые 527 знаков. Огастеса де Моргана (1806–1871) крайне удивил тот факт, что цифра 7 встречается в записи числа π заметно чаще остальных.

Подобно многим ученым, занимавшимся объемными расчетами, Шэнкс допускал ошибки. Он не располагал правильным ответом, с которым можно было бы свериться, поэтому считал свои вычисления верными. Не стоит забывать, что в те времена не было ни компьютеров, ни калькуляторов, все расчеты выполнялись на листах бумаги, испещренных бесчисленными цифрами. Теперь во Дворце открытий можно посмотреть на исправленное значение π. Такова дань уважения объяснимой человеческой ошибке. В наши дни было обнаружено, где именно ошибся Шэнкс, который вычислял π поэтапно.

Не стоит умалчивать о достижении Фергюсона — последнего, о котором мы расскажем, прежде чем перейдем к повествованию о компьютерной эре. В 1947 году он опубликовал 808 знаков π. Для расчетов ему понадобился целый год, арифмометр, много терпения и следующая формула:

π/4 = 3∙arctg (1/4) + arctg (1/20) + arctg (1/1985)

В 1882 году немецкий математик фон Линдеман изрядно охладил пыл тех, кто занимался расчетами числа π, доказав, что оно не является алгебраическим, поэтому не может быть найдено построением с помощью циркуля и линейки. Линдеман доказал трансцендентность числа π. Следует отметить, что в его объемном доказательстве ни разу не использовались геометрические методы. Таким образом, число π покинуло мир геометрии, и это произошло точно в тот день, когда была доказана его трансцендентность.

Оригинальное доказательство Линдемана основано на тех же примерах, которые за несколько лет до того использовал Шарль Эрмит (1822–1901) для доказательства трансцендентности числа е — еще одной известной константы. Линдеман пришел к выводу, что линейная комбинация степеней е с коэффициентами A_k и показателями степени B_k (вещественными или комплексными)

А₁е^в1 + А₂е^в2 + … + А_nе^вn

не может быть равной нулю (за исключением случая, когда все коэффициенты нулевые). Так как знаменитая формула Эйлера может быть записана в следующем виде:

e^πi + 1 = e^πi + e⁰ = 0,

она удовлетворяет условиям Линдемана (А₁ = A₂ = 1, B₁ = πi, В₂ = 0), поэтому πi не может являться алгебраическим числом, равно как и само π. Число π не является алгебраическим, следовательно, оно трансцендентно. Так как оно трансцендентно, его нельзя получить построением с помощью циркуля и линейки. Конечно, за этим последовали новые, менее сложные доказательства, но и приведенных выкладок было достаточно, чтобы снять завесу тайны с числа π. До Линдемана было известно, что трансцендентность числа π означает, что задача о квадратуре круга нерешаема. Доказательство Линдемана положило конец поискам решения этой легендарной задачи. Было окончательно установлено: задача о квадратуре круга не имеет решения.

Глава 2 Бесконечная незначительность и трансцендентность числа π

Лицо π было скрыто маской. Все понимали, что сорвать ее, оставшись при этом в живых, не сможет никто. Сквозь прорези маски пронзительно, безжалостно, холодно и загадочно смотрели глаза.

Бертран Рассел

Мы подробно, знак за знаком, проследили путь числа π в поисках трансцендентности. Линдеман завершил поиски и расставил все по местам. Теперь мы знаем, что π трансцендентно, его нельзя построить с помощью циркуля и линейки, поэтому задача о квадратуре круга не имеет решения.

Чтобы лучше понять значимость и важность π в мире математики, совершим небольшую экскурсию в неспокойный мир бесконечности. Это отдельная вселенная, очень обширная и запутанная, полная вопросов, лежащих между философией и реальным миром. Этот мир настолько необычен, что некоторыми его аспектами занимается высшая математика, в которой действия с бесконечностью предельно упрощаются. Мы рассмотрим эту область лишь поверхностно, особенно не углубляясь. Тем не менее обзор бесконечности в математике нетривиален, требует определенных усилий, а иногда просто скучен и повергает в уныние.

Предупредив читателя, мы начинаем нашу экскурсию в мир бесконечности с почти что абсурдного вопроса: «Что такое число?» Чтобы ответить на него, начнем с рассмотрения самого представления о числах.

Числа и множества

В основе практически всех основных понятий лежат множества — простые совокупности объектов, которые мы будем перечислять в фигурных скобках, разделяя запятыми. Например,