Знаменитые проблемы, сформулированные Давидом Гильбертом на Парижском международном математическом конгрессе 1900-го года, оказали определяющее влияние на развитие математики XX столетия. Одна из целей этой брошюры - показать, что многие известные и достаточно сложные математические проблемы возникают вполне естественным образом, так что даже старшеклассник может понять причины появления этих проблем и их формулировки.Текст брошюры представляет собой обработку записи лекции, прочитанной автором 23 октября 1999 года на Малом мехмате для школьников 9-11 классов.
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 своём 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 её разделы. Но Гильберт отличался широким кругозором: он работал практически во всех существовавших тогда областях математики и во многих из них добился выдающихся результатов. Это и позволило ему сформулировать ставшие знаменитыми 23 математические проблемы.
Эти проблемы делятся по областям математики следующим образом:
Области математики | № проблем |
Основания математики | 1,2 |
Алгебра | 13, 14, 17 |
Теория чисел | 7-12 |
Геометрия | 3, 4, 18 |
Топология | 16 |
Алгебраическая геометрия | 12-16, 22 |
Группы Ли | 5, 14, 18 |
Вещественный и комплексный анализ | 13,22 |
Дифференциальные уравнения | 16, 19 -21 |
Математическая физика и теория вероятностей | 6 |
Вариационное исчисление | 23 |
- 3 -
Из таблицы (см. с. 3) 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.* 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 её настолько ясной, что берёшься изложить её содержание первому встречному». Конечно, здесь имеется некоторое преувеличение, но процитированная фраза пока-
------------------------
* Гильберт Д. Избранные труды. Т. 1, 2. М.: Факториал,
1998. См. также Проблемы Гильберта. М.: Наука, 1969.
- 4 -
зывает, 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 её невозможно было решить.
Перейдём теперь к более подробному рассказу о некоторых из этих проблем.
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 чём состоит эта проблема. Тем не менее, нам потребуются некоторые дополнительные сведения, чтобы её сформулировать.
Рассмотрим следующий пример. В школе проходит вечер танцев. Как определить, кого больше на этом вечере: девочек или мальчиков?
