Том 3. Простые числа. Долгая дорога к бесконечности - страница 30
Если логарифмы сыграли важную роль в открытиях Гаусса, то мнимые числа были необходимы для результатов, позже полученных Риманом, поэтому небольшое путешествие в «мнимую» страну поможет нам лучше понять развитие теории простых чисел.
Готфрид Лейбниц однажды сказал: «Дух божий нашел тончайшую отдушину в этом чуде анализа, уроде из мира идей, двойственной сущности, находящейся между бытием и небытием, которую мы называем мнимым корнем из отрицательной единицы». Рассмотрим теперь, что подразумевается под «мнимым корнем из отрицательной единицы».
Мнимые числа имеют практическое применение в электронике. Действительные числа используются для измерения сопротивления — свойства объекта препятствовать прохождению через него электрического тока. А мнимые числа используются для измерения индуктивности (отношения магнитного потока к силе тока в катушке) и емкости (отношения величины электрического заряда к разности потенциалов между пластинами конденсатора).
Квадратный корень из числа а, записываемый как √а, — это такое число, квадрат которого (результат умножения на себя) равен а. Другими словами, √а = b означает, что b>2 = а. Например,
√4 = 2, потому что 2>2 = 4;
√9 = 3, потому что З>2 = 9.
С другой стороны, существует «правило знаков» при умножении и делении: плюс на плюс дает плюс, плюс на минус дает минус, и минус на минус дает плюс.
При записи в символах это выглядит так:
+ x + = +
+ х — = — х + = -
— x — = +
Возьмем в качестве примеров некоторые числа:
5 х 2 = 10;
— 5 x 2 = -10;
— 5 x -5 = 25.
Таким образом, квадрат числа, результат умножения на себя, никогда не может дать отрицательное число. Если исходное число положительное, то «плюс на плюс» даст положительный результат, а если исходное число отрицательное, то «минус на минус» также даст положительный результат. Именно поэтому в принципе невозможно извлечь квадратный корень из отрицательного числа. Например, √-4 не может равняться 2, так как 2 х 2 = 4, и не может равняться —2, так как -2 x -2 = 4.
Таким образом, мы можем утверждать, что √1 = 1, но √—1 не существует. Этот корень не существует как действительное число, но ничто не мешает нам определить его как «мнимое» число, которое мы будем обозначать буквой i:
√-1 = i
Давайте посмотрим, что происходит с числом i при возведении его в различные степени:
√-1 = i
i>2 = (√-1)>2 = -1
i>3 = i>2 х i = -1 х i = — i;
i>4 = i>3 x i = —i x i = i>2 = — (-1) = 1.
Продолжая таким образом, получим:
i>5 = i;
i>6 = -1;
i>7 = — i;
i>8 = 1
…
Необходимость найти значение квадратного корня из отрицательного числа возникает тогда, когда мы решаем определенные квадратные уравнения. Известно, что уравнения вида ах>2+ Ьх + с = 0 имеют два решения, выражаемые формулой:
Но эта формула не работает, когда число под корнем отрицательное.
В трактате Джироламо Кардано Ars magna («Великое искусство»), опубликованном в 1545 г., была сформулирована следующая задача: «Разделить 10 на две части, произведение которых равно 40». Если мы обозначим эти две части буквами х и у, мы можем записать:
х + у = 10;
x · у = 40.
Выражая у = 10 — х и подставляя во второе уравнение, получаем: х(10 — х) = 10x — х>2 = 40. Перенося все в правую часть, мы получим квадратное уравнение х>2 — 10x + 40 = 0, решения которого находятся по формуле:
Кардано рассмотрел два числа, являющиеся решениями уравнения:
5 + √-15 и 5 — √-15.
Сознавая, что они являются сложными (комплексными) числами, он проверил, что их сумма равна 10, а их произведение равно 40, и, таким образом, несмотря на «сопротивление ума», они являются решениями данной задачи.
Эти «сложные» корни уравнений часто появлялись при решении многих задач. (Корнями уравнения называются его возможные решения.) Они существовали и смущали математиков, которые не могли принять их в качестве чисел. Декарт сказал о них: «Как истинные, так и ложные корни не всегда бывают действительными, оказываясь иногда лишь мнимыми», тем самым определив один из терминов, который используется до сих пор для обозначения таких корней: «мнимые».
Мнимое число, например √-4, также может быть записано в виде √4∙√-1 = 2∙√-1, так как мы обозначили буквой