Проблемы Гильберта: историческое вступление

История Международных математических конгрессов насчитывает уже более ста лет; традиционно они проводятся раз в 4 года. Самый, наверное, знаменитый из них состоялся в августе 1900-го года в Париже. Именно на этом конгрессе, на секции преподавания и методологии математики, выступил 38-летний немецкий математик Давид Гильберт. В своем докладе он сформулировал те проблемы, которые, на его взгляд, являлись наиболее значимыми для математики начинающегося XX столетия.

Ни до, ни после него никто не ставил перед собой такую титаническую задачу. Даже в то время математика уже была достаточно специализированной: было много различных направлений, и одному человеку было очень трудно охватить все ее разделы. Но Гильберт отличался широким кругозором: он работал практически во всех существовавших тогда областях математики и во многих из них добился выдающиxся результатов. Это и позволило ему сформулировать ставшие знаменитыми 23 математические проблемы.

Эти проблемы делятся по областям математики следующим образом:

Из таблицы видно, что проблемы Гильберта относятся к самым разным областям математики, а некоторые --- сразу к нескольким областям. Это вполне естественно: математика едина, и одна и та же проблема может быть сформулирована и исследована в терминах различных математических дисциплин.

Доклад Гильберта на Парижском конгрессе можно найти, в частности, в недавно вышедшем двухтомнике его избранных трудов. 1 Вступительная часть этого доклада читается почти как литературное произведение. То была пора "романтической математики", и сам Гильберт начинает свой доклад словами, которые замечательно звучат и сейчас: "Кто из нас не хотел бы приоткрыть завесу, за которой скрыто наше будущее, чтобы хоть одним взглядом проникнуть в предстоящие успехи наших знаний и тайны его развития в ближайшие столетия? Каковы будут те особенные цели, которые поставят себе ведущие математические умы ближайшего поколения? Какие новые методы и новые факты будут открыты в новом столетии на широком и богатом поле математической мысли?" Так звучал математический доклад Гильберта на математическом международном конгрессе.

Когда эти проблемы были сформулированы, выяснилось, что некоторые из них либо решены, либо близки к решению. Однако другие потребовали для своего решения несколько десятков лет и усилий многих выдающихся математиков, а две из них до сих пор не решены. Почему же Гильберт включил в свой доклад именно эти 23 проблемы? Чем он руководствовался, формулируя их?

Сам Гильберт, поясняя свой выбор, приводил слова одного известного французского математика: "Математическую теорию можно считать совершенной только тогда, когда ты сделал ее настолько ясной, что берешься изложить ее содержание первому встречному". Конечно, здесь имеется некоторое преувеличение, но процитированная фраза показывает, что Гильберт придавал большое значение понятности и доступности математики.

Выбирая проблемы для своего доклада, Гильберт придерживался следующих принципов. Он говорил, что задача должна быть а) понятной (должно быть ясно, откуда она возникла); б) достаточно трудной, чтобы вызывать интерес; в) не настолько трудной, чтобы ее невозможно было решить.

Перейдем теперь к более подробному рассказу о некоторых из этих проблем.

1Гильберт Д. Избранные труды. Т. 1, 2. М.: Факториал, 1998. См. также Проблемы Гильберта. М.: Наука, 1969.

Первая проблема Гильберта: континуум-гипотеза

Континуум-гипотеза, первая проблема Гильберта, относится к задачам оснований математики и теории множеств. Она тесно связана с такими простыми и естественными вопросами, как "Сколько?", "Больше или меньше?", и практически любой старшеклассник может понять, в чем состоит эта проблема. Тем не менее, нам потребуются некоторые дополнительные сведения, чтобы ее сформулировать.

Эквивалентность множеств

Рассмотрим следующий пример. В школе проходит вечер танцев. Как определить, кого больше на этом вечере: девочек или мальчиков?

Можно, конечно, пересчитать тех и других и сравнить два полученных числа. Но гораздо проще дать ответ, когда оркестр заиграет вальс и все танцующие разобьются на пары. Тогда, если все присутствующие танцуют, значит, каждому нашлась пара, т. е. мальчиков и девочек одинаковое количество. Если же остались только мальчики, значит, мальчиков больше, и наоборот.

Этот способ, иногда более естественный, чем непосредственный пересчет, называется принципом разбиения на пары, или принципом взаимно однозначного соответствия.

Рассмотрим теперь совокупность объектов произвольной природы --- множество. Объекты, входящие в множество, называются его элементами. Если элемент x входит в множество X, это обозначают так: x X. Если множество X₁ содержится в множестве X₂, т. е. все элементы множества X₁ являются также элементами X₂, то говорят, что X₁ --- подмножество X₂, и кратко записывают так: X₁ X₂.

Множество конечно, если в нем конечное число элементов. Множества могут быть как конечными (например, множество учеников в классе), так и бесконечными (например, --- множество всех натуральных чисел 1,2,3,...). Множества, элементами которых являются числа, называются числовыми.

Пусть X и Y --- два множества. Говорят, что между этими множествами установлено взаимно однозначное соответствие, если все элементы этих двух множеств разбиты на пары вида (x,y), где x X, y Y, причем каждый элемент из X и каждый элемент из Y участвует ровно в одной паре.

Пример, когда все девочки и мальчики на танцевальном вечере разбиваются на пары, и есть пример взаимно однозначного соответствия между множеством девочек и множеством мальчиков.

Множества, между которыми можно установить взаимно однозначное соответствие, называются эквивалентными или равномощными. Два конечных множества эквивалентны тогда и только тогда, когда в них одинаковое количество элементов. Поэтому естественно считать, что если одно бесконечное множество эквивалентно другому, то в нем "столько же" элементов. Однако, опираясь на такое определение эквивалентности, можно получить весьма неожиданные свойства бесконечных множеств.

Бесконечные множества

Рассмотрим любое конечное множество и любое его собственное (непустое и не совпадающее с ним самим) подмножество. Тогда элементов в подмножестве меньше, чем в сам множестве, т. е. часть меньше целого.

Обладают ли бесконечные множества таким свойством? И может ли иметь смысл утверждение, что в одном бесконечном множестве "меньше" элементов, чем в другом, тоже бесконечном? Ведь про два бесконечных множества мы можем пока только сказать, эквивалентны они или нет. А существуют ли вообще неэквивалентные бесконечные множества?

Далее мы последовательно ответим на все эти вопросы. А для начала приведем забавную фантастическую историю из книги Н. Я. Виленкина "Рассказы о множествах".1Действие происходит в далеком будущем, когда жители разных галактик могут встречаться друг с другом. Поэтому для всех путешествующих по космосу построена огромная гостиница, протянувшаяся через несколько галактик.

В этой гостинице бесконечно много номеров (комнат), но, как и положено, все комнаты пронумерованы, и для любого натурального числа n есть комната с этим номером.

Однажды в этой гостинице проходил съезд космозоологов, в котором участвовали представители всех галактик. Так как галактик тоже бесконечное множество, все места в гостинице оказались занятыми. Но в это время к директору гостиницы приехал его друг и попросил поселить его в эту гостиницу.

"После некоторых размышлений директор обратился к администратору и сказал:

--- Поселите его в # 1.

--- Куда же я дену жильца этого номера? --- удивленно спросил администратор.

--- А его переселите в # 2. Жильца же из # 2 отправьте в # 3, из # 3 --- в # 4 и т. д."

Вообще, пусть постоялец, живущий в номере k, переедет в номер k+1, как это показано на следующем рисунке:

Тогда у каждого снова будет свой номер, а # 1 освободится.

Таким образом, нового гостя удалось поселить --- именно потому, что номеров в гостинице бесконечно много.

Первоначально участники съезда занимали все номера гостиницы, следовательно, между множеством космозоологов и множеством было установлено взаимно однозначное соответствие: каждому космозоологу дали по номеру, на двери которого написано соответствующее ему натуральное число. Естественно считать, что делегатов было "столько же", сколько имеется натуральных чисел. Но приехал еще один человек, его тоже поселили, и количество проживающих увеличилось на 1. Но их снова осталось "столько же", сколько и натуральных чисел: ведь все поместились в гостиницу! И если обозначить количество космозоологов через ₀2, то мы получим "тождество" ₀=₀+1. Ни для какого конечного ₀ оно, разумеется, не выполнено.

Мы пришли к удивительному выводу: если к множеству, которое эквивалентно , добавить еще один элемент, получится множество, которое снова эквивалентно . Но ведь совершенно ясно, что делегаты-космозоологи представляют собой часть того множества людей, которые разместились в гостинице после приезда нового гостя. Значит, в этом случае часть не "меньше" целого, а "равна" целому!

Итак, из определения эквивалентности (которое не приводит ни к каким "странностям" в случае конечных множеств) следует, что часть бесконечного множества может быть эквивалентна всему множеству.

Возможно, что известный математик Больцано3, который пытался в своих рассуждениях применять принцип взаимно однозначного соответствия, испугался таких непривычных эффектов и поэтому не стал дальше развивать эту теорию. Она показалась ему совершенно абсурдной. Но Георг Кантор4 во второй половине XIX века вновь заинтересовался этим вопросом, стал исследовать его и создал теорию множеств, важный раздел оснований математики.

Продолжим наш рассказ про бесконечную гостиницу.

Новый постоялец "не удивился, когда на другое утро ему предложили переселиться в #1,000,000. Просто в гостиницу прибыли запоздавшие космозоологи из галактики ВСК-3472, и надо было разместить еще 999,999 жильцов".

Но потом произошла какая-то накладка, и в эту же самую гостиницу приехали на съезд филателисты5. Их тоже было бесконечное множество --- по одному представителю от каждой галактики. Как же их всех разместить?

Эта задача оказалась весьма сложной. Но и в этом случае нашелся выход.

"В первую очередь администратор приказал переселить жильца из # 1 в # 2.

--- А жильца из # 2 переселите в # 4, из # 3 --- в # 6, вообще, из номера n --- в номер 2n.

Теперь стал ясен его план: таким путем он освободил бесконечное множество нечетных номеров и мог расселять в них филателистов. В результате четные номера оказались занятыми космозоологами, а нечетные --- филателистами... Филателист, стоявший в очереди n-м, занимал номер 2n-1". И снова всех удалось разместить в гостинице. Итак, еще более удивительный эффект: при объединении двух множеств, каждое из которых эквивалентно , вновь получается множество, эквивалентное . Т. e. даже при "удвоении" множества мы получаем множество, эквивалентное исходному!

Далее будем рассматривать только числовые множества --- подмножества числовой прямой. Множество всех чисел на этой прямой, т. е. множество действительных чисел, обычно обозначают через .

Счетные и несчетные множества

Рассмотрим следующую цепочку: . ( --- это множество целых чисел, а --- множество рациональных чисел, т. е. множество чисел вида p/q, где p и q --- целые, q0.) Все эти множества бесконечны. Рассмотрим вопрос об их эквивалентности.

Установим взаимно однозначное соответствие между и : образуем пары вида (n,2n) и (-n,2n+1), n, а также пару (0,1) (на первое место в каждой паре ставится число из , а на второе --- из ).

Есть и другой способ установить это соответствие, например, выписать все целые числа в таблицу, как показано на рисунке, и, обходя ее по стрелочкам, присваивать каждому целому числу некоторый номер. Таким образом, мы " пересчитаем" все целые числа: каждому z сопоставляется некоторое натуральное число (номер) и для каждого номера есть такое целое число, которому этот номер приписывается. При этом явную формулу выписывать не обязательно.

Таким образом, эквивалентно .

Всякое множество, эквивалентное множеству натуральных чисел, называется счетным. Такое множество можно "пересчитать": пронумеровать все его элементы натуральными числами.

На первый взгляд, рациональных чисел на прямой "намного больше" чем целых. Они расположены всюду плотно: в любом сколь угодно малом интервале их бесконечно много. Но оказывается, что множество также счетно. Докажем сначала счетность ⁺ (множества всех положительных рациональных чисел).

Выпишем все элементы ⁺ в такую таблицу: в первой строке --- все числа со знаменателем 1 (т. е. целые), во второй --- со знаменателем 2 и т. д. (см. рисунок). Каждое положительное рациональное число обязательно встретится в этой таблице, и не однажды (например, число 1====... встречается в каждой строке этой таблицы).

А теперь мы пересчитаем эти числа: идя по стрелочкам, присваиваем каждому числу номер (или пропускаем это число, если оно уже встречалось нам раньше в другой записи). Поскольку мы двигаемся по диагоналям, то мы обойдем всю таблицу (т. е. рано или поздно доберемся до любого из чисел).

Итак, мы указали способ пронумеровать все числа из ⁺, т. е. доказали, что ⁺ счетно.

Заметим, что этот способ нумерации не сохраняет порядка: из двух рациональных чисел большее может встретиться раньше, а может --- и позже.

Как же быть с отрицательными рациональными числами и нулем? Так же как с космозоологами и филателистами в бесконечной гостинице. Пронумеруем ⁺ не всеми натуральными числами, а только четными (давая им номера не 1, 2, 3, ..., а 2, 4, 6, ...), нулю присвоим номер 1, а всем отрицательным рациональным числам присвоим (по такой же схеме, что и положительным) нечетные номера, начиная с 3.

Теперь все рациональные числа занумерованы натуральными, следовательно, счетно.

Возникает естественный вопрос: Может быть, все бесконечные множества счетны?

Оказалось, что --- множество всех точек на числовой прямой --- несчетно. Этот результат, полученный Кантором в прошлом веке, произвел очень сильное впечатление на математиков.

Докажем этот факт так же, как это сделал Кантор: с помощью диагонального процесса.

Как мы знаем, каждое действительное число x можно записать в виде десятичной дроби:

x=A,₁₂..._n...,

Предположим теперь, что нам удалось пересчитать все действительные числа. Тогда их можно расположить по порядку:

x₁=A,₁₂₃₄...
x₂=B,₁₂₃₄...
x₃=C,₁₂₃₄...
x₄=D,₁₂₃₄...

Для любой цифры a определим цифру следующим образом:

=

Например, если

=0,2112...

Итак, с помощью диагонального процесса мы получили действительное число y, которое не совпадает ни с одним из чисел таблицы, ведь y отличается от каждого x_k по крайней мере k-й цифрой десятичного разложения, а разным записям, как мы знаем, соответствуют различные числа.

Предположив, что можно пересчитать все действительные числа, мы пришли к противоречию, указав число, которое не сосчитано. Следовательно, множество несчетно.

Множества и не являются эквивалентными, и , поэтому всех действительных чисел в некотором смысле "больше" чем натуральных. Говорят, что мощность множества ( мощность континуума) больше чем мощность .

Континуум-гипотеза

Теперь мы располагаем всеми необходимыми сведениями для того, чтобы сформулировать знаменитую первую проблему Гильберта:

Континуум-гипотеза.С точностью до эквивалентности, существуют только два типа бесконечных числовых множеств: счетное множество и континуум.

Иначе говоря, нужно установить, существует ли множество промежуточной мощности, т. е. такое множество T, T, которое не эквивалентно ни , ни .

Этой проблемой занимались очень многие математики. Сам Георг Кантор неоднократно заявлял, что доказал эту гипотезу, но всякий раз находил у себя ошибку.

О доказательствах в математике

Математика --- точная наука, требующая строгости рассуждений. Но что означает строго доказать какое-либо утверждение? Это означает вывести его из аксиом --- исходных положений, принимаемых без доказательства.

Конечно, в выборе аксиом, которые закладываются в основу теории, есть некоторый произвол. Но обычно аксиомы возникают естественным путем, из познания действительности. В теории множеств, частью которой являются конструкции, описанные в предыдущих разделах, тоже имеется общепризнанная система аксиом Цермело---Френкеля.

Доказать континуум-гипотезу --- значит, вывести ее из этих аксиом. Опровергнуть ее --- значит, показать, что если ее добавить к этой системе аксиом, то получится противоречивый набор утверждений.

Решение проблемы

Оказалось, что первая проблема Гильберта имеет совершенно неожиданное решение.

В 1963 году американский математик Паул Коэн доказал, что континуум-гипотезу нельзя ни доказать, ни опровергнуть.

Это означает, что если взять стандартную систему аксиом Цермело---Френкеля (ZF) и добавить к ней континуум-гипотезу в качестве еще одной аксиомы, то получится непротиворечивая система утверждений. Но если к ZF добавить отрицание континуум-гипотезы (т. е. противоположное утверждение), то вновь получится непротиворечивая система утверждений.

Таким образом, ни континуум-гипотезу, ни ее отрицание нельзя вывести из стандартной системы аксиом.

Этот вывод произвел очень сильный эффект и даже отразился в литературе (см. эпиграф).

Как же поступать с этой гипотезой? Обычно ее просто присоединяют к системе аксиом Цермело---Френкеля. Но каждый раз, когда что-либо доказывают, опираясь на континуум-гипотезу, обязательно указывают, что она была использована при доказательстве.

1Виленкин Н. Я. Рассказы о множествах. М.: Наука, 1965.

2₀ (читается: "алеф-нуль") -- стандартное обозначение для мощности (числа элементов) множества .

3Бернард Больцано (1781--1848) --- чешский математик.

4Георг Кантор (1845--1918) --- немецкий математик.

5Коллекционеры почтовых марок.

Седьмая проблема Гильберта

Иррациональные числа

Вернемся к подмножествам числовой прямой. Рассмотрим снова цепочку

.

Заметим, что мы доказали теорему существования иррациональных чисел, не предъявив ни одного иррационального числа.

Но совсем нетрудно привести и пример иррационального числа, например, это . Действительно, пусть это число рационально. Тогда его можно представить в виде несократимой дроби:

=,

Мы получили, что и p, и q делятся на 2, и дробь можно сократить на 2. Но мы же предполагали, что эта дробь несократима! Полученное противоречие означает, что 2 не может быть рациональным числом.

Итак, --- число иррациональное.

Конечно, когда мы доказали иррациональность числа , мы тем самым еще раз доказали теорему существования иррациональных чисел. Однако существуют и такие классы чисел, доказать существование которых намного проще, чем построить конкретный пример.

Алгебраические и трансцендентные числа

Число называется алгебраическим, если оно является корнем некоторого многочлена с целыми коэффициентами

n 1

a_n0

Множество алгебраических чисел обозначим буквой .

Легко видеть, что любое рациональное число является алгебраическим. Действительно, --- корень уравнения qx-p=0 с целыми коэффициентами a₁=q и a₀=-p. Итак, .

Однако не все алгебраические числа рациональны: например, число является корнем уравнения x²-2=0, следовательно, --- алгебраическое число.

Долгое время оставался нерешенным важный для математики вопрос: Существуют ли неалгебраические действительные числа? Только в 1844 году Лиувилль1 впервые привел пример трансцендентного (т. е. неалгебраического) числа.

Построение этого числа и доказательство его трансцендентности очень сложны. Доказать теорему существования трансцендентных чисел можно значительно проще, используя соображения об эквивалентности и неэквивалентности числовых множеств.

А именно, докажем, что множество алгебраических чисел счетно. Тогда, поскольку множество всех действительных чисел несчетно, мы установим существование неалгебраических чисел.

Построим взаимно однозначное соответствие между и некоторым подмножеством . Это будет означать, что --- конечно либо счетно. Но поскольку , то бесконечно, и значит, счетно.

Пусть -- некоторое алгебраическое число. Рассмотрим все многочлены с целыми коэффициентами, корнем которых является , и выберем среди них многочлен P минимальной степени (т. е. не будет корнем никакого многочлена с целыми коэффициентами меньшей степени).

Например, для рационального числа такой многочлен имеет степень 1, а для числа --- степень 2.

Разделим все коэффициенты многочлена P на их наибольший общий делитель. Получим многочлен, коэффициенты которого взаимно просты в совокупности (их наибольший общий делитель равен 1). Наконец, если старший коэффициент a_n отрицателен, умножим все коэффициенты многочлена на -1.

Полученный многочлен (т. е. многочлен с целыми коэффициентами, корнем которого является число , имеющий минимально возможную степень, взаимно простые коэффициенты и положительный старший коэффициент) называется минимальным многочленом числа .

Можно доказать, что такой многочлен определяется однозначно: каждое алгебраическое число имеет ровно один минимальный многочлен.

Количество действительных корней многочлена не больше чем его степень. Значит, можно пронумеровать (например, по возрастанию) все корни такого многочлена.

Теперь всякое алгебраическое число полностью определяется своим минимальным многочленом (т. е. набором его коэффициентов) и номером, который отличает от других корней этого многочлена:

(a₀,a₁,...,a_n-1,a_n,k).

Итак, каждому алгебраическому числу мы поставили в соответствие конечный набор целых чисел, причем по этому набору восстанавливается однозначно (т. е. разным числам соответствуют разные наборы).

Пронумеруем в порядке возрастания все простые числа (нетрудно показать, что их бесконечно много). Получим бесконечную последовательность {p_k}: p₁=2, p₂=3, p₃=5, p₄=7, ... Теперь набору целых чисел (a₀,a₁,...,a_n-1,a_n,k) можно поставить в соответствие произведение

Рассмотрим теперь сквозное отображение:

(a₀,a₁,...,a_n-1,a_n,k)=

Так как множество действительных чисел несчетно, то мы доказали существование неалгебраических чисел.

Однако теорема существования не указывает как определить, является ли данное число алгебраическим. А этот вопрос иногда является весьма важным для математики.

Квадратура круга