Читаем Математика для гуманитариев: живые лекции онлайн бесплатно

Оглавление

Предисловие 4

Раздел I

Лекция 1 8

Лекция 2 43

Лекция 3 83

Лекция 4 111

Лекция 5 143

Раздел II

Лекция 1 186

Лекция 2 218

Лекция 3 236

Лекция 4 258

Предисловие

Посвящается моей жене Марине, деточкам Мише, Гале, Свете и Юре, любимым Маме и Папе, а также всем моим родственникам и друзьям!

История написания этой книги такова. Долгие годы я ездил по всей стране с лекциями «Математика для экономистов» в разных ее вариан­тах (теория игр, микроэкономика или теория принятия решений — все эти на первый взгляд разные по содержанию дисциплины очень быстро превращались в простой математический ликбез для преподавателей эко­номики) .

Постепенно я понял, чем отличается гуманитарное мышление от мы­шления представителей точных наук — понял на таком уровне, когда «понимание» переходит в качество преподавания.

Я стал преподавать математику (под видом всех этих «псевдоэконо­мик») неспециалистам таким образом, чтобы как можно скорее «заце­пить их за живое» и заставить напряженно думать над сложными веща­ми. Пришлось придумать (или накопать в разных учебниках) целый ряд якобы жизненных ситуаций, которые при формализации давали нетри­виальное игровое взаимодействие; при поиске же равновесия в соответ­ствующей игре слушатели уже были готовы решать уравнения, изучать построения и графики, зачастую вспоминать производные и интегралы и т. п. Чувство, что всё это проходили когда-то в университете только ради муштры и зазубривания, постепенно уходило.

Потом я понял, что ограничение только околоэкономическими сюже­тами (и аудитория преподавателей экономических дисциплин) мне на­чинает, так сказать, жать. Душа просила большего — а именно: бесед с широким кругом нематематиков, и прежде всего гуманитариев (техна­рей я всегда сторонился — они всюду ищут конкретику и прикладное значение).

И вот я сказал Михаилу Викторовичу Поваляеву, ктитору* Универ­ситета Дмитрия Пожарского и одновременно директору Филипповской Школы в Москве, что хочу где-нибудь испробовать свои идеи относи­тельно преподавания математики гуманитариям. Он предложил Вечер­ние Курсы Университета Дмитрия Пожарского.

И тут началось.

*«Ктитор» — по-гречески «строитель», то есть человек, не просто дающий деньги на какое-то дело, но и активно в этом деле участвующий.

Уже на первый запуск записалось около пары сотни слушателей, из которых 30-40 регулярно ходили на занятия. Иногда приходилось перемещаться в актовый зал — все слушатели просто не помещались в обычных классных комнатах Филипповской школы.

Но и это еще не всё. Уж не знаю, что тут сказалось — вековой голод гуманитариев по человеческому преподаванию «великой и ужасной» Ца­рицы всех наук, «сарафанное радио» или моя фанатичная манера чтения лекций, но через пару лет записанные и выложенные в интернет видео­записи посетило несколько десятков тысяч человек.

Мне реально казалось, что я ухватил «гуманитарного бога» за бороду. Разумеется, тут не могло обойтись без какой-то особенной удачи, «звезд особого схождения».

И вот спустя год мне звонит Катя Богданович, учитель математики в Филипповской Школе, и говорит: «Лёша, я всё перенесла на бумагу». Я опешил — это же какая работа: вырезать все мои слова-паразиты, перенести мою рваную речь с видеозаписи на текст!

Несомненно, без этих 70 часов работы (как мне призналась Екате­рина!) книга бы никогда не смогла увидеть свет — у меня ни в каком обозримом будущем не появилось бы столько свободного времени. Бегло проглядев рукопись и снова посоветовавшись с Михаилом Викторовичем Поваляевым, я понял: нужно «пропустить» книгу сквозь взгляд истинно­го гуманитария, раз уж она предназначена именно для этой аудитории.

И я попросил известного историка Сергея Владимировича Волкова прочитать рукопись и пометить все места, в которых мне что-то каза­лось очевидным, но таковым не было, или где используются термины, которые могут гуманитария сбить с толку («трансцендентность» и «ир­рациональность», например, как оказалось, в жизни тоже имеют какие- то значения, о чем я сам до общения с Сергеем Владимировичем и не подозревал!).

После этого я передал рукопись своему папе, Владимиру Васильевичу Савватееву, тоже математику по образованию и преподавателю многих математических дисциплин. Текст был им доработан с включением так называемых «врезок» (мой папа их так назвал) и иногда отдельных аб­зацев, выделенных курсивом. Папа обработал замечания Сергея Влади­мировича, а также нашел и исправил множество неточностей и ошибок.

Кроме того, огромную работу проделал верстальщик Евгений Ива­нов. Отдельные несуразности выловил мой ученик Саша Новиков, кото­рый прочел рукопись на одной из последних стадий готовности, а также мой друг и коллега, ведущий специалист по комбинаторной геометрии в нашей стране Андрей Михайлович Райгородский. Наконец, целиком от начала и до конца одну из финальных версий книги прочла Дарья Орешенкова, секретарь Университета Дмитрия Пожарского, и «вылови­ла» несколько дополнительных спорных мест.

Всем, кто мне помогал в процессе работы над книгой на разных ста­диях, я хочу здесь выразить свою глубочайшую признательность и бла­годарность — ваши поддержка и помощь были бесценны, книга без вас бы не вышла никогда!

Наконец, самое большое спасибо хочу сказать моей жене Марине за крайне внимательное неоднократное вычитывание всей книги, а также за моральную поддержку в течение всего этого времени!

В итоге, несмотря на окончательное наше решение оставить в каче­стве автора одного меня, фактически книга является совместной работой многих людей! Разумеется, все оставшиеся ошибки и недочеты при этом я целиком и полностью беру на себя.

Надеюсь, что всем, кто эту книгу прочтет и проработает, математика уже никогда не будет казаться чем-то скучным, нудным или отвлечен­ным! Приятного вам чтения, друзья!

В процессе работы над курсом лекций, легших в основу этой книги, автор получал поддержку от Русского фонда содействия образованию и науке, а также от Министерства образования и науки Российской Фе­дерации в рамках гранта Правительства РФ Ш 14.U04.31.002 от 26 июня 2013 года «Изучение разнообразия и социальных взаимодействий с фо­кусом на экономике и обществе России» (администрируемого Российской Экономической Школой).

Раздел I

«Математику уже затем учить надо, что она ум в порядок приводит».

М. В. Ломоносов

Лекция 1

Алексей Савватеев: Здравствуйте!

Аудитория: Здравствуйте!

А.С.: Для начала я расскажу кое-что о себе.

В 1990 году я закончил 57-ю школу г. Москвы. Может быть, кто- то из вас ее знает. Тогда это была математическая школа. Но в 1989 году по инициативе нашей учительницы литературы Зои Алексан­дровны Блюминой было принято решение набрать гуманитарный класс, чтобы уравновесить огромный перекос учащихся в мужскую сторону в нашей школе. Я был в 11-м классе, а набрали 9-й.

Зачем я об этом говорю? У меня в гуманитарном классе была подруга, которой я объяснял математику. Однажды надо было ре­шить уравнение типа sin ж = ^ Я объяснял, объяснял, объяснял,

_ai,o_I„_H,_ICpC_,_raiCKpOTIJ₁,„_Kp™,»o_ypMira„„_8i,^I

Она говорит: «Стой... Там же был sina;».

Я начинаю объяснять: «Это закрытый терм, замкнутая пере­менная, она уничтожится». Ничего не понимает, в глазах ужас. Я продолжаю: «Мы должны решить уравнение относительно у, да?»

— Нужно же было относительно х решать, ну зачем ты «у» написал?

У меня случился затык, не могу объяснить и всё. И тогда я по­нял, что из меня получается очень плохой учитель. Я привык го­ворить со школьниками, которые приходили на маткружок. А они не задавали таких вопросов.

Спустя годы я закончил мехмат МГУ и Российскую Экономи­ческую Школу (РЭШ), после чего ездил по регионам России, вел курсы повышения квалификации для преподавателей экономики. В Москве считалось, что экономика — наука совершенно матема­тизированная и точная. По крайней мере, и в РЭШ, и в Высшей Школе Экономики до сих пор всячески насаждается, что мате­матика — это главное в экономике. В регионах мы столкнулись, однако, с преподавателями, которым было трудно перешагнуть че­рез вещи, для математиков очевидные. Но через пять дней курса многие слушатели оказывались очень способными к математике. Просто в некотором месте у них стоял заслон. Его полезно пре­одолеть всем, ибо это — часть интеллектуальной культуры. Да­же если вы никогда не занимались математикой, некоторые вещи знать надо... Так же как я должен знать что-то про историю или химию.

Давайте теперь поговорим о словосочетании «абсолютное дока­зательство». Если вы в общем и целом поймете, что это такое, то значит, мы не зря сегодня позанимались с вами.

Что такое абсолютное доказательство, я объясню на примерах. Начнем с игры в «пятнадцать».

Слушатель: Пятнашки?

Слушатель: Шестнашки?

А.С.: Чтобы мы говорили об одном и том же, я объясню пра­вила этой игры.

В квадрате 4x4 имеется пятнадцать одинаковых квадратных фишек, пронумерованных от 1 до 15. Их нельзя вынимать, мож­но только передвигать на свободное место. Стандартная исходная позиция: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 и пустое ме­сто, которое используется для передвижения фишек. (См. рис. 1; может быть задана и нестандартная исходная позиция.)

Пустое место можно гнать по всей игровой зоне, т. е. разрешен­ное действие при игре — передвижение на пустое место одной из соседних с ним фишек.

Игру придумал где-то 130 лет назад американский математик- популяризатор Сэм Лойд. А чуть позже он пообещал большой приз

Такая вот детская игра. Делайте, что хотите (в рамках ука­занного правила). Передвигайте фишки как вам угодно. Только приведите игру в исходную позицию. Начался настоящий пятна- шечный бум. Примечательно, что на этот момент наука алгебра в другой части света находилась в очень продвинутом состоянии. Математики сказали свое веское слово, предоставив абсолютное доказательство того, что выиграть в такую игру невозможно. Тем не менее ажиотаж с игрой в пятнашки продолжался еще много лет — так много было желающих посрамить математику и «сру­бить» тысячу долларов.

($1000) тому, кто переведет комбинацию с картинки рис. 2 в исход­ную позицию на рис. 1.

Что же означает в этой игре «абсолютное доказательство»? Это значит: какие бы действия вы не совершили, сколько бы времени и каким количеством способов бы не передвигали фишки, вы ни­когда, ни при каких условиях не вернетесь из позиции на рис. 2 в исходную позицию на рис. 1. В частности, если кто-то предъявил такое решение, значит он — лгун. Он, видимо, взял, выдрал фиш­ки из коробки и расставил их в правильном порядке. Абсолютное доказательство — это точное, настолько точное утверждение, на­сколько вообще что-то может быть точным. Математика — наука точных утверждений. Не «примерно», не «может быть», не «скорее всего, не приведете», а никогда, ни при каких условиях не приве­дете, какие бы способности к этой игре у вас ни были.

Я постараюсь доказать эту теорему. Но что значит «постараюсь доказать»? Что вообще означает «доказать»? Что значит «я ее докажу»? Как вы это понимаете?

Слушатель: Мы будем убеждены.

А.С.: Вот именно. Я найду способ вас убедить. Но с другой стороны, это не совсем то, что нам нужно.

Расскажу такую историю. Один рыцарь объяснял другому ры­царю математику. Первый рыцарь был очень умный, а второй — очень глупый. Второй рыцарь никак не мог понять доказательство. И тогда умный рыцарь говорит: «Честное благородное слово, это так». И второй сразу поверил: «Ну, тогда о чем разговор. Мы же с Вами люди безупречной чести, и я, конечно, Вам верю. Я полно­стью убежден».

У нас разговор пойдет не о таком способе убеждения. Идея ма­тематического, абсолютного доказательства не в том, что я дам честное слово, а в том, что я, апеллируя к вашему разумению, передам вам какое-то знание, которое вы потом столь же спокой­но передадите дальше. Вы придёте и скажете: «Мы знаем, поче­му в “пятнашки” бессмысленно играть. Мы это знаем совершенно точно, нам это доказал Алексей. И не просто доказал при помощи какого-то там шаманства, пошаманил-пошаманил и сказал, что нет решения у этой задачи. Мы получили такое знание, которое смо­жем воспроизвести и доказать, что выиграть в игру “пятнашки” невозможно».

Насчет пошаманить есть очень поучительный эпизод из жиз­ни математиков. В начале XX века жил в Индии математик Сри­ниваса Рамануджан. На момент начала нашей истории ему было 26 лет. Он заваливал письмами лондонское математическое обще­ство, в которых были формулы, содержащие числа «7Г» и «е» (мы с ними позже познакомимся) и страшные бесконечные суммы, ко­торым эти выражения равны. В Лондоне проверяют — всё верно. А Рамануджан присылает всё новые и новые письма. Профессор математики Г. Харди приглашает его приехать в Англию и рас­сказать, как он выводит эти формулы. Рамануджан отвечает, что формулы сообщает ему во сне богиня Маха-Лакшми1. Харди, ко­нечно, посмеялся, решив, что индус не хочет делиться секретом.

Английский математик пишет новое письмо, в котором пытается заверить Рамануджана, что никто не будет претендовать на его открытие. Такое предположение оскорбляет индуса. Он отвечает, что совершенно не дорожит такими вещами, как авторство.

В конце концов Рамануджан все-таки приехал в Лондон, где стал профессором университета. Многие присланные им формулы оказались верны. Но далеко не все из предложенных им формул на сегодняшний день доказаны. Некоторые из них остаются от­кровениями, которые были сообщены богиней Рамануджану. «Аб­солютное» их доказательство пока неизвестно.

А теперь отдохнем, посмотрим на этот футбольный мяч (рис. 3).

Из чего состоит мяч? Он сшит из лоскутков. Вы когда-нибудь задумывались над том, как именно сделан футбольный мяч и по­чему именно так? Это чисто математический вопрос. Вы пока подумайте, где же тут математика. А я приступаю к математиче­скому доказательству невозможности выиграть в игру «15».

Начнем с гораздо более простой ситуации. Возьмем доску 8x8 (рис. 4) и достаточно большой запас (заведомо больший, чем нам может понадобиться) костей домино (одна доминошка покрывает две клеточки на доске).