Как не ошибаться

Вычисления в обратном порядке, или почему алгебра столь трудна для понимания

В процессе обучения есть два опасных поворота, из-за которых у многих детей возникают трудности с изучением математики. Первый наступает в начальной школе, когда вводится понятие дроби. До этого момента любое число было
натуральным
, одним из ряда 0, 1, 2, 3… Такие числа представляют собой ответ на вопрос «сколько?»
[100]
. То есть пока мы имели дело с весьма простым понятием, настолько примитивным, что, если довериться слухам, его постигают даже многие животные
{80}

. Переход от этого понятия к гораздо более широкой концепции, где число может означать «какая часть», – слишком серьезный шаг, который можно приравнять к мировоззренческому сдвигу. («Бог создал натуральные числа. Все остальное – творение человека», – сказал Леопольд Кронекер, алгебраист XIX столетия.)

Второй опасный поворот – алгебра. Почему она так трудна для понимания? Потому что до появления алгебры все числовые вычисления выполняются сугубо алгоритмически. Вы вводите определенные числа в некое устройство для выполнения операции сложения, умножения или (в школах с традиционным подходом к обучению) даже деления столбиком – и, повернув рычаг, получаете на выходе результат.
Алгебра представляет собой нечто иное. Это вычисления в обратном порядке. Предположим, вам нужно решить такой пример:

x

 + 8 = 15

Вы знаете, что получено
на выходе
данного устройства для операции сложения (а именно 15); вам необходимо методом обратных вычислений определить, что было введено в это устройство вместе с числом 8.
В данном случае, как вам наверняка объяснил учитель математики в седьмом классе, можно выполнить перенос из одной части уравнения в другую, чтобы известные числа оказались с одной стороны:

x
 = 15 – 8

После этого можно просто ввести числа 15 и 8 в устройство для выполнения операции вычитания (позаботившись при этом, чтобы числа вводились в правильном порядке), определив таким способом, что
x
 должен быть равен 7.
Однако не всегда все так просто. Возможно, вам понадобится решить квадратное уравнение такого типа:

x
² – 
x
 = 1.

Я уже слышу ваши протесты!
Да что вы говорите? Серьезно?
Действительно, с какой стати вам вообще делать это, если только вы не получили от учителя такого задания?

Помните ту ракету из 
второй главы
? Ведь она и поныне все еще бешено мчится к вам.


Возможно, вы уже знаете: эта ракета запущена с высоты 100 метров над поверхностью земли и движется вверх со скоростью 200 метров в секунду. Если не было бы силы тяжести, она продолжала бы лететь вверх по прямой в соответствии с законами Ньютона, каждую секунду поднимаясь на очередных 200 метров. Через
x
 секунд ракета была бы расположена на высоте, которую описывает следующая линейная функция:

высота = 100 + 200
x
.

Однако существует такая вещь, как сила тяжести, которая изгибает траекторию движения ракеты и заставляет ее двигаться по кривой назад, к поверхности земли. Оказывается, это воздействие силы тяжести можно описать уравнением, содержащим квадратичный член:

высота = 100 + 200
x
 – 5
x
²,

где
знак минуса
стоит перед квадратичным членом только потому, что сила тяжести толкает ракету вниз, а не вверх.

Существует много вопросов, которые вы можете задать по поводу летящей к вам ракеты, однако самый важный из них звучит просто: когда же она наконец приземлится? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо определить, когда высота местоположения ракеты будет равна нулю, другими словами – найти значение
x
, при котором уравнение приобретет такой вид:

100 + 200
x
 – 5
x
² = 0.

Совершенно непонятно, как именно в этом уравнении следовало бы выполнить перестановку, чтобы найти 
x

. Может быть, вам и не понадобится этого делать. Метод последовательного приближения – это мощное оружие. Если в представленную выше формулу подставить
x
 = 10, чтобы увидеть, на какой высоте будет ракета через 10 секунд, получится 1600 метров. Подставьте
x
 = 20 – и получите 2100 метров – значит, ракета все еще летит вверх. При
x
 = 30 вы снова получите 1600 метров, а это значит, что пик уже пройден. При
x

 = 40 ракета снова окажется на высоте 100 метров над поверхностью земли. Можно было бы прибавить еще 10 секунд, но, когда мы настолько близки к столкновению, это наверняка слишком большой промежуток времени. Подставив в формулу
x
 = 41, вы получите −105 метров. Это не означает, что, согласно вашим оценкам, ракета ушла под землю; скорее, это означает, что столкновение уже произошло, поэтому ваша красивая, чистая модель движения ракеты, как говорят в баллистике, больше не работает.

Итак, если 41 секунда – слишком много, как насчет 40,5 секунды? Это значение дает −1,25 метра, чуть меньше нуля. Переведите часы еще немного назад, на 40,4 секунды – и получите 19,2 метра, а значит, столкновение еще не произошло. Как насчет 40,49 секунды? Очень близко, всего 0,8 метра над поверхностью земли. Данный процесс можно продолжать и дальше.

Как видите, применяя метод подбора, осторожно перемещая стрелку часов то вперед, то назад, можно получить настолько близкое значение времени столкновения ракеты с землей, насколько захотите.
Но действительно ли мы «решили» уравнение? Скорее всего, вы не позволите себе ответить утвердительно; ведь даже если вы продолжите корректировать свои догадки по поводу времени столкновения ракеты с поверхностью земли, пока не получите

40,4939015319…

секунды после запуска ракеты, все равно у вас нет

самого
ответа, а есть только его
приближенное
значение. Однако на практике нет необходимости определять время столкновения до миллионной доли секунды, не так ли? Пожалуй, вполне довольно было бы сказать «около 40 секунд». Попытавшись получить любой более точный ответ, вы только потратите время зря. Кроме того, по всей вероятности, этот ответ все равно будет неправильным, поскольку наша простая модель движения ракеты не учитывает многие другие факторы, такие как сопротивление воздуха,

изменение
сопротивления воздуха в зависимости от погоды, вращение самой ракеты и так далее. Воздействие всех факторов может быть незначительным, но их достаточно для того, чтобы удержать вас от попыток определить время встречи ракеты с землей с точностью до микросекунды.

Если вам действительно необходимо точное решение, не беспокойтесь – вам поможет формула корней квадратного уравнения. Возможно, когда-то в прошлом вы уже проходили эту формулу, но вряд ли вы сейчас ее вспомните. Правда, может быть, у вас феноменальная память? Или вам только двенадцать лет? В таком случае вот она: если
х
 – это решение уравнения

c
 +
bx
 + a
x
² = 0

где
a, b
 и 
c
 – это какие угодно числа, тогда


В случае с ракетой
c
 = 100,
b
 = 200, а 
a

 = −5. Следовательно, согласно данной формуле корней квадратного уравнения
х
 равно:


Большинство символов, присутствующих в этой формуле, можно ввести в калькулятор, но есть один забавный символ, выпадающий из общего ряда: символ ±. Создается впечатление, будто знак плюс и знак минус очень любят друг друга, что не так уж далеко от истины. Этот символ говорит: хотя мы и начали свое математическое предложение с утверждения о том, что

х
 =

в итоге мы все равно окажемся в состоянии неопределенности. Символ ± (подобно пустой фишке в игре Scrabble) можно прочитать и как +, и как −, в зависимости от того, что мы выберем. Каждый сделанный нами выбор позволяет получить значение
х
, при котором выполняется уравнение 100 + 200
x
 – 5
x
² = 0. Следовательно, у этого уравнения не одно, а два решения.
Тот факт, что этому уравнению удовлетворяют два значения
х

, можно определить на глаз, даже если вы давно забыли формулу корней квадратного уравнения. Для этого можно нарисовать график уравнения
y
 = 100 + 200
x
 – 5
x
², получив красивую перевернутую параболу:


Горизонтальная линия – ось
х
; на ней расположены те точки на плоскости, ордината которых равна 0. Когда кривая
y
 = 100 + 200
x
 – 5
x
² пересекается с осью
х
, должно быть верно как то, что
y
 равно 100 + 200
x
 – 5
x
², так и то, что
y
 = 0; следовательно, 100 + 200
x
 – 5
x

² = 0 – в точности то уравнение, которое мы пытаемся решить, только теперь оно представлено в геометрическом виде, а вопрос состоит в пересечении кривой с горизонтальной осью.
Геометрическая интуиция подсказывает: если такая парабола расположена над осью
х
, она должна пересекать эту ось в двух точках – ни больше, ни меньше. Другими словами, существует два значения
х
, при которых 100 + 200
x
 – 5
x
² = 0.
Так какие это значения?
Если мы интерпретируем символ ± как «плюс», то получим

x

= 20 + 2√105,

что равно 40,4939015319… – тот же ответ, который мы получили методом последовательного приближения. Но, выбрав знак «минус», мы получим

x
= 20 – 2√105,

что равно –0,4939015319…
В качестве ответа на наш первоначальный вопрос это решение в каком-то смысле абсурдно. В ответ на вопрос: «Когда ракета ударит по мне?» – нельзя сказать: «Полсекунды назад».
Тем не менее это отрицательное значение
х

 представляет собой решение данного уравнения, а когда математика говорит нам что-то, мы должны хотя бы попытаться прислушаться к ней. Что означает отрицательное число? Вот один из способов понять это. Мы сказали, что ракета была запущена с высоты 100 метров над поверхностью земли, со скоростью 200 метров в секунду. Однако на самом деле это означало только то, что в момент времени 0 ракета двигалась вверх с указанной скоростью с данного местоположения. Что если на самом деле ракета была запущена из другого места? Может быть, запуск ракеты произошел не в момент 0 с высоты 100 метров, а немного раньше, причем прямо с поверхности земли. В какое же время это произошло?

Расчеты говорят нам о следующем: существует в точности два момента времени, в которые ракета находится на уровне земли. Один момент – 0,4939… секунды назад. Именно в это время ракета была запущена. Другой момент – через 40,4939… секунды от настоящего момента. В это время ракета приземлится.

Вполне возможно, что получение двух ответов на один и тот же вопрос не кажется вам проблематичным, особенно если вы привыкли иметь дело с формулой корней квадратного уравнения. Однако, если вам исполнилось всего двенадцать лет, это порождает настоящий мировоззренческий сдвиг. Вы провели шесть долгих лет учебы в школе, пытаясь разобраться, в чем же ответ, а теперь выясняется, что такой вещи вообще нет.
И это только квадратные уравнения! А если вам придется решить такое уравнение:

x
³ + 2
x

² – 11
x
 = 12?

Это
кубическое
уравнение, другими словами, уравнение, в котором есть
х
, возведенный в третью степень. К счастью, существует формула корней кубического уравнения, позволяющая посредством прямых вычислений определить, какое значение
х

 можно ввести в решающее устройство, повернуть рычаг и получить ответ 12. Но вы не учили в школе формулу корней кубического уравнения, поскольку это достаточно сложное уравнение, составленное только в конце эпохи Возрождения, когда странствующие алгебраисты скитались по всей Италии, втягивая друг друга в ожесточенные математические баталии, в которых ставкой выступало решение уравнений, а на кону стояли деньги и статус. Немногие математики, знавшие формулу корней кубического уравнения, держали ее в секрете и записывали только в виде зашифрованных стихов

{81}
.
Но это длинная история. Суть в том, что метод обратных вычислений довольно сложен.
Трудность задачи логического вывода (той самой задачи, над решением которой работали исследователи, искавшие в библейские скрытые коды) обусловлена тем, что это именно такая задача. Будь мы ученые, или исследователи Торы, или малыши, изумленно взирающие на тучи, – в любом случае мы имеем дело лишь с 
наблюдениями
. На их основе мы строим
гипотезы

: из какого исходного материала создан мир, который мы видим? Логический вывод таков: мы столкнулись с трудной задачей, возможно, самой трудной из всех задач. Отталкиваясь от формы туч и их движения, мы проходим обратный путь, чтобы найти
х
 – систему, которая их создала.

Все материалы, размещенные в боте и канале, получены из открытых источников сети Интернет, либо присланы пользователями  бота. 
Все права на тексты книг принадлежат их авторам и владельцам. Тексты книг предоставлены исключительно для ознакомления. Администрация бота не несет ответственности за материалы, расположенные здесь