Значимые фигуры. Жизнь и открытия великих математиков

Если сделать отрезок прямой вдвое больше, его длина увеличится в 2 раза. Удвоение квадрата увеличит его площадь в 4 раза, а удвоение куба увеличит его объем в 8 раз. Эти числа – 2¹, 2² и 2³, то есть 2 в степени, соответствующей размерности фигуры. Если «ковер» увеличить вдвое, его можно разделить на три копии оригинала. Так что 2 в степени, равной размерности фигуры, должно равняться 3. Следовательно, размерность составляет ln 3/ln 2, то есть приблизительно 1,585. Более общее определение, не ограниченное самоподобными фракталами, называется размерностью Хаусдорфа – Бесиковича, а более практичный вариант – размерностью Минковского (рассчитывается путем подсчета клеток на чертеже). Размерность фрактала полезна в приложениях и представляет собой один из способов проверить фрактальную модель экспериментально. Таким образом, к примеру, удалось показать, что облака хорошо моделируются фракталами, причем размерность фотоизображения (с проекцией на плоскость проще работать, на ней проще проводить измерения) составляет примерно 1,35.

* * *

Вот еще пример иронии судьбы, который прекрасно иллюстрирует опасность поспешных и категоричных оценок в математике. В 1980 г. Мандельброт, занимаясь поисками новых приложений фрактальной геометрии, вновь взглянул на статью Жюлиа 1917 г. – ту самую, которую в свое время рекомендовал ему дядя и которую он отверг как слишком абстрактную. В ней Жюлиа и еще один математик, Пьер Фату, анализировали странное поведение комплексных функций в итерационном процессе. То есть берем некоторое число, применяем к нему функцию, получаем следующее число, применяем к нему функцию, получаем третье число и так далее, до бесконечности. Авторы сосредоточились на простейшем нетривиальном случае квадратных функций вида f(z) = z² + c для комплексной постоянной c. Поведение данной схемы зависит от c сложным образом[33]. Жюлиа и Фату доказали несколько глубоких и трудных теорем о данном конкретном итерационном процессе, но все в символьном виде. Мандельброт же заинтересовался тем, как выглядит эта функция графически.

Расчеты оказались слишком длинными и сложными, чтобы проводить их вручную, вероятно, именно поэтому Жюлиа и Фату в свое время не исследовали геометрию процесса. Но теперь компьютеры уже начинали обретать реальную мощь, к тому же Мандельброт работал не где-нибудь, а в IBM. Так что он написал соответствующую программу для компьютера и распечатал картинку. Она получилась грязной (у принтера заканчивались чернила) и грубой, но принесла удивительное открытие. Сложная динамика Жюлиа и Фату управляется одним-единственным геометрическим объектом, и этот объект – или, точнее, его граница – является фракталом. Размерность границы равна 2, так что этот фрактал «почти заполняющий». Мы сегодня называем его множеством Мандельброта – это название предложил Адриан Дуади. Как всегда, выяснилось, что открывали его (или проходили совсем рядом) не раз; в частности, Роберт Брукс и Питер Мателски нарисовали это же множество в 1978 г. Множество Мандельброта дает сложный и красивый компьютерный рисунок и одновременно является объектом интенсивных математических исследований, принесших их авторам по крайней мере две Филдсовские медали.

Так что та самая абстрактная статья, посвященная теоретической математике, которую Мандельброт первоначально отверг, содержала, как оказалось, идею, ставшую центральной для теории фракталов – а ведь Мандельброт увлекся этой темой именно потому, что она была далека от абстракции и тесно связана с природой. Математика едина, в ней все переплетено, а абстрактное и конкретное тесно связано тонкими нитями логики. Ни одна из этих философий не может взять верх, а крупнейшие прорывы часто являются результатом использования того и другого одновременно.

25. Наизнанку. Уильям Тёрстон

Математики ничто так не любят, как поговорить с другими математиками: об их работе, в надежде уловить какую-нибудь новую идею, которая поможет разобраться с собственной текущей задачей; о новом тайском ресторанчике, который открылся на краю кампуса; о семье и общих друзьях. Как правило, они делают это, сидя небольшими группами за столиками и попивая кофе. Как однажды сказал Альфред Реньи, «математик – это машина по переработке кофе в теоремы». У него получился каламбур, поскольку слово Satz по-немецки означает и «теорема», и «(кофейная) гуща».