Царица наук EN

Часть IX · Горизонты Глава 60 из 60

Передний край

Курс кончается там, где кончаются ответы. Карта неизведанного: задачи тысячелетия, гипотеза Коллатца, P против NP; как математику делают сегодня — вместе, с компьютерами, Lean и ИИ; и возвращение к семи вопросам, с которых всё началось.

3 курс и выше 55 минут

Опирается на: 59 · Хаос и фракталы

Вы научитесь

  • какие задачи математика ещё не решила и почему их так трудно решить
  • что такое классы P и NP и почему «проверить легко» не значит «найти легко»
  • как сегодня проверяют доказательства: компьютерный перебор, системы вроде Lean и искусственный интеллект

Прошлая глава закончилась вопросом, на который никто не знает ответа: связно ли множество Мандельброта «в малом». Картинку можно нарисовать с любой точностью, а доказательства нет. Эта глава целиком состоит из таких мест — из края карты, за которым начинается неизвестное.

Курс начинался с ловушки: пять точек на окружности режут круг на 16 частей, шесть — на 31, хотя рука пишет 32. Из неё мы вынесли главное правило математики: сколько бы примеров ни подтверждало закономерность, это ещё не доказательство. Теперь, в конце, это правило видно в полную силу. Ниже гипотезы, проверенные на миллиардах миллиардов примеров и всё равно не доказанные, гипотезы, которые продержались десятилетия и рухнули, и доказательства, которые проверяет уже не только человек.

Глава устроена как карта неизведанного: сначала сама карта, потом три похода к её краю — к задаче для пятиклассника, к вопросу о том, что легче, найти или проверить, и к семи задачам на миллион. Потом о том, как математики работают сегодня. А в конце мы вернёмся к семи вопросам из первой главы и к карте всего курса.

Край карты

Открытая проблема — это утверждение, которое никто не сумел ни доказать, ни опровергнуть. Мы встречали их по дороге: гипотеза Гольдбаха в главе о простых числах, гипотеза Римана в главе 44, континуум-гипотеза в главе 52 (с ней, как выяснилось, случай особый). Математики умеют не только решать задачи, но и хорошо их ставить, и некоторые списки задач стали историческими событиями.

8 августа 1900 года на Международном конгрессе математиков в Париже Давид Гильберт прочитал доклад о задачах, которые достанутся новому веку. В докладе он успел рассказать о десяти, в напечатанном тексте их 23. Судьбы вышли разными. Третью, о разрезании многогранников, решил в том же 1900 году его ученик Макс Ден (глава 20). Седьмую, о трансцендентности чисел вроде $2^{\sqrt 2}$, — Александр Гельфонд и Теодор Шнайдер в 1934–1935 годах. Десятую — Юрий Матиясевич в 1970 году, и ответ оказался отрицательным (глава 56). Первую, континуум-гипотезу, нельзя ни доказать, ни опровергнуть из обычных аксиом. А восьмая, куда входит гипотеза Римана, открыта до сих пор.

Через сто лет, 24 мая 2000 года, Математический институт Клэя объявил в Париже семь задач тысячелетия и назначил за каждую миллион долларов. Правила строгие: решение должно выйти в рецензируемом журнале, пройти не меньше двух лет и получить признание специалистов, и только тогда институт начинает его рассматривать.

Каждая линия — путешествие задачи от года, когда её поставили, до года ответа. Пунктир уходит в туман: ответа пока нет. Тяните ползунок года и смотрите, как карта светлеет; коснитесь линии, чтобы прочитать историю задачи. Статусы — на сентябрь 2026 года.

Посмотрите на ползунок в положении 1900 и 2026. Больше всего островов появилось во второй половине XX века, и в их историях снова и снова повторяются три сюжета. Задачу решает новая теория, построенная совсем для другого, как модулярные формы для Великой теоремы Ферма. Задачу решает компьютер, перебрав огромное число случаев, как в задаче четырёх красок. Или задача оказывается не той, чем казалась: гипотезу опровергает пример, который никто не догадывался искать.

Задача для пятиклассника

Возьмите любое натуральное число. Если оно чётное, разделите пополам, если нечётное — умножьте на 3 и прибавьте 1. С результатом сделайте то же самое, и так далее. Из шестёрки получается $6 \to 3 \to 10 \to 5 \to 16 \to 8 \to 4 \to 2 \to 1$, а дальше цикл $1 \to 4 \to 2 \to 1$. Немецкий математик Лотар Коллатц придумал эту игру в 1937 году и спросил: всегда ли она приходит к единице?

Введите своё число или выберите пример. Высота на графике — десятичный логарифм значения, так что каждое деление вверх — в десять раз больше. На второй вкладке — число шагов для всех чисел до 10 000.

Число 27 делает 111 шагов и по дороге забирается до 9232, а 97, хоть и больше, делает 118 и поднимается до той же вершины. Из чисел до миллиона дольше всех идёт 837 799: 524 шага, с пиком почти в три миллиарда. На второй вкладке видно, что число шагов меняется от числа к числу беспорядочно, но облако точек расслоено на полосы. Полностью объяснить эти полосы никто не может.

Сколько шагов нужно числу 7, чтобы дойти до единицы?

$7 \to 22 \to 11 \to 34 \to 17 \to 52 \to 26 \to 13 \to 40 \to 20 \to 10 \to 5 \to 16 \to 8 \to 4 \to 2 \to 1$ — 16 шагов. По дороге число поднимается до 52.

Компьютеры проверили гипотезу для всех чисел до $2^{71} \approx 2{,}36 \cdot 10^{21}$: этот рекорд чешский учёный Давид Барина установил в январе 2025 года. Проверять каждое число честно, до самой единицы, было бы слишком долго. Проверщики пользуются простым наблюдением, и его стоит доказать: оно показывает, как математика превращает бесконечную проверку в конечную.

(а) Если для каждого $n$ от 2 до $N$ траектория числа $n$ когда-нибудь опускается ниже $n$, то все числа от 1 до $N$ доходят до единицы. (б) Чётное $n$ опускается ниже себя за один шаг, а $n = 4k + 1$ при $k \ge 1$ — за три. Поэтому проверять нужно только числа вида $4k + 3$.

Идея: не вести каждое число до единицы, а только до первого меньшего числа — дальше его судьба уже известна.

Чётное число $n$ за один шаг превращается в $\frac n2 < n$. На чертеже — прыжок влево. Нечётное $n = 4k + 1$ превращается в $3n + 1 = 12k + 4$. Это прыжок далеко вправо. Число $12k + 4$ чётное, следующий шаг — $6k + 2$. И оно чётное: следующий шаг — $3k + 1$. При $k \ge 1$ это меньше $4k + 1 = n$: за три шага число опустилось ниже себя. Это пункт (б). С числами вида $4k + 3$ так не выходит. На чертеже это $n + 2 = 4k + 3$: первый шаг даёт $3(4k + 3) + 1 = 12k + 10$, второй — $6k + 5$, нечётное число, которое больше $4k + 3$, и траектория идёт дальше вверх. Такие числа и приходится проверять. Пункт (а) — индукция по $n$ (глава 13). Единица до единицы доходит. Пусть все числа меньше $n$ до неё доходят, а траектория $n$ опустилась до какого-то $m < n$. От $m$ дальше идёт траектория самого $m$, а она по предположению приходит к единице. Значит, приходит и $n$. Чтобы проверить гипотезу для всех $n \le N$, достаточно для каждого $n \equiv 3 \pmod 4$ из этого промежутка дождаться, когда траектория опустится ниже $n$. Уже этот шаг отсекает три четверти чисел; настоящие программы отсекают так почти все остальные, рассматривая остатки по модулю $2^{k}$ для больших $k$.

Почему же доказательства нет? Нечётный шаг умножает примерно на 3, чётный делит на 2, и если бы чётные и нечётные числа попадались как орёл и решка, в среднем за пару шагов число умножалось бы на $\frac34$ и быстро падало бы. Эта «вероятностная» картина объясняет, почему гипотеза выглядит верной, но ничего не доказывает: траектория одного числа — не монетка. Ближе всех к цели подошёл Теренс Тао. В 2019 году он доказал, что почти все траектории, в точном смысле плотности, опускаются ниже любой сколь угодно медленно растущей границы — например, ниже $\log\log\log\log n$. Почти все — не значит все. Есть и тревожный знак: в 1972 году Джон Конвей показал, что для некоторых похожих правил, где вместо «пополам» и «$3n + 1$» стоят другие линейные функции по остаткам, вопрос «придёт ли число к единице» алгоритмически неразрешим, в духе проблемы остановки. Говорят, Пал Эрдёш сказал о задаче Коллатца, что математика ещё не готова к таким вопросам.

Проверить легко, найти трудно

Вот игра на пару минут. Даны несколько чисел и цель. Нужно выбрать из них такие, чтобы сумма была ровно равна цели.

Нажимайте на числа, пока сумма не совпадёт с целью. Потом включите перебор: машина честно проходит подмножества одно за другим. Сравните счётчик для 12 и для 20 чисел.

Если кто-то принесёт вам ответ, проверить его легко: сложить несколько чисел. А найти ответ самому трудно. У $n$ чисел $2^n$ подмножеств (глава 45), и с каждым новым числом их вдвое больше. Даже компьютер, проверяющий миллиард подмножеств в секунду, быстро сдаётся.

Чисел $n$Подмножеств $2^n$Перебор при $10^9$ в секунду
20$\approx 10^6$одна тысячная секунды
40$\approx 1{,}1 \cdot 10^{12}$18 минут
50$\approx 1{,}1 \cdot 10^{15}$13 дней
60$\approx 1{,}2 \cdot 10^{18}$36 лет
100$\approx 1{,}3 \cdot 10^{30}$$4 \cdot 10^{13}$ лет, в три тысячи раз больше возраста Вселенной

Перебор — не единственный способ. Есть хитрость, которая снимает с экспоненты половину.

Задачу о сумме подмножества для $n$ чисел можно решить примерно за $n \cdot 2^{n/2}$ действий.

Разделим числа на две половины по $\frac n2$. Выпишем все суммы подмножеств первой половины — их $2^{n/2}$, — и так же для второй. Отсортируем второй список; это занимает порядка $2^{n/2} \cdot \frac n2$ сравнений. Теперь для каждой суммы $s$ из первого списка ищем в отсортированном втором число $T - s$, где $T$ — цель. Двоичный поиск, деление отрезка пополам, находит его или убеждается, что его нет, за $\log_2 2^{n/2} = \frac n2$ сравнений. Всего выходит порядка $n \cdot 2^{n/2}$ действий. Правильность: любое подмножество всех чисел однозначно делится на часть из первой половины и часть из второй, и его сумма равна $T$ ровно тогда, когда сумма первой части равна $s$, а второй — $T - s$. Поэтому, если ответ есть, поиск его найдёт, а если поиск ничего не нашёл, ответа нет.

Для ста чисел это $100 \cdot 2^{50} \approx 10^{17}$ действий вместо $10^{30}$: работы в десять триллионов раз меньше, но при миллиарде действий в секунду это всё ещё несколько лет. Никто не знает способа, который справлялся бы с задачей за время, растущее с $n$ как многочлен, а не как экспонента. Никто не доказал и того, что такого способа нет. Это и есть знаменитый вопрос.

Говорят, что задача решается за полиномиальное время, если есть алгоритм, число шагов которого на входе длины $n$ не больше $Cn^k$ для каких-то постоянных $C$ и $k$. Класс P — задачи с ответом «да» или «нет», которые решаются за полиномиальное время. Класс NP — задачи, в которых ответ «да» можно подтвердить подсказкой, и подсказка проверяется за полиномиальное время. Для суммы подмножества подсказка — сам набор чисел.

Всякая задача из P лежит в NP: подсказка не нужна, можно просто решить. Вопрос в обратном: равны ли классы, $\mathrm P = \mathrm{NP}$? Его поставил Стивен Кук в 1971 году, независимо от него к тому же пришёл Леонид Левин в СССР. Но первым, кажется, об этом задумался Курт Гёдель: в письме Джону фон Нейману 20 марта 1956 года он спрашивал, можно ли находить доказательства теорем за время, растущее как $n$ или $n^2$ от их длины, и замечал, что тогда творческую работу математика можно было бы полностью заменить машиной.

Главное открытие Кука и Левина в том, что среди задач NP есть самые трудные: достаточно быстро решить одну из них, и быстро решаются все.

Задачу из NP называют NP-полной, если любую задачу из NP можно свести к ней за полиномиальное время: переписать любой вход той задачи во вход этой так, что ответы совпадают.

Задача о выполнимости логической формулы — можно ли так присвоить переменным значения «истина» и «ложь», чтобы формула стала истинной, — NP-полна.

Доказательство требует точного определения алгоритма через машину Тьюринга (глава 56) и занимает несколько страниц, поэтому здесь примем теорему без доказательства. Идея такая. Задача из NP — это проверяющая машина, которая за полиномиальное число шагов читает вход и подсказку. Всю работу этой машины, клетку ленты за клеткой и шаг за шагом, можно записать формулой полиномиального размера: переменные говорят, какой символ стоит в какой клетке в какой момент, а формула требует, чтобы каждый шаг подчинялся программе и в конце машина сказала «да». Подсказка, которую машина примет, существует ровно тогда, когда формула выполнима. Полное доказательство есть, например, в учебнике Майкла Сипсера «Introduction to the Theory of Computation».

В 1972 году Ричард Карп показал, что ещё 21 знаменитая задача NP-полна: среди них задача о рюкзаке, частный случай которой — наша сумма подмножества, раскраска графа в три цвета (глава 46) и поиск гамильтонова цикла. Потом к ним добавились тысячи других, от расписаний до судоку произвольного размера. Все они — одна задача в разных костюмах: найдите быстрый алгоритм для любой, и $\mathrm P = \mathrm{NP}$.

Допустим, завтра докажут, что $\mathrm P \ne \mathrm{NP}$. Станет ли от этого доказуемо надёжным шифр RSA?

Разложение на множители лежит в NP, но специалисты не верят, что оно NP-полно: у него особая структура. Поэтому оно может оказаться лёгким, даже если $\mathrm P \ne \mathrm{NP}$. Вот почему надёжность шифров из главы 41 держится не на теоремах, а на том, что никто не нашёл быстрого способа. В обратную сторону связь есть: если бы $\mathrm P = \mathrm{NP}$ и быстрый алгоритм был практичным, пала бы вся криптография с открытым ключом.

Семь задач на миллион

P против NP — одна из семи задач тысячелетия. Вот все семь, со статусом на сентябрь 2026 года.

ЗадачаОткудаСтатус
P против NPКук, 1971открыта
Гипотеза РиманаРиман, 1859открыта
Уравнения Навье — СтоксаЛере, 1934заявлено решение одного из вариантов, идёт проверка
Янг — Миллс и щель массфизика 1954 годаоткрыта
Гипотеза ХоджаХодж, 1950открыта
Гипотеза Бёрча — Суиннертон-Дайера1960-еоткрыта
Гипотеза ПуанкареПуанкаре, 1904доказана Перельманом

Гипотеза Римана. В главе 44 мы видели, что простые числа распределены почти как случайные и что точность закона их распределения определяют нули дзета-функции. Гипотеза утверждает, что все нетривиальные нули лежат на прямой $\operatorname{Re} s = \frac12$, то есть что ошибка закона не больше, чем у честной случайности. Дэвид Платт и Тимоти Траджиан в 2021 году строго проверили её для всех нулей до высоты $3 \cdot 10^{12}$ — это больше двенадцати триллионов нулей. На гипотезе Римана держатся сотни теорем, доказанных в виде «если гипотеза верна, то…».

Уравнения Навье — Стокса (Навье, 1822; Стокс, 1845) описывают движение вязкой жидкости — воды в трубе, воздуха вокруг крыла. Физики и инженеры решают их на компьютерах каждый день, но математика не знает, всегда ли у трёхмерных уравнений есть гладкое решение или жидкость за конечное время может прийти в состояние с бесконечной скоростью, «взорваться». Постановка Клэя, которую написал Чарльз Фефферман, засчитывает любой из вариантов: доказательство гладкости или пример взрыва, в том числе при гладкой внешней силе. 8 сентября 2026 года компания OpenAI объявила, что её система из множества работающих вместе моделей ИИ нашла доказательство именно такого взрыва — при специально построенной внешней силе, — и проверила его в Lean. Работа опирается на подход, который до этого развивали Диего Кордоба и Луис Мартинес-Сороа; за сутки до OpenAI о похожих результатах для родственных уравнений объявили Тристан Бакмастер и Левент Альпёге. Институт Клэя назвал задачу, по-видимому, решённой, но рассматривать её будет, как положено, не спеша. Главный для физиков вопрос — может ли взорваться жидкость без внешней силы — остаётся открытым. К тому времени, как вы это читаете, картина может проясниться.

Янг — Миллс и щель масс. Квантовая теория полей Янга — Миллса (1954) лежит в основе Стандартной модели физики частиц и прекрасно подтверждается опытами. Но строгой математической теории таких полей в четырёхмерном пространстве-времени нет. Задачу сформулировали Артур Джаффе и Эдвард Виттен: построить такую теорию и доказать, что у её частиц есть наименьшая положительная масса.

Гипотеза Ходжа — о многомерных пространствах, заданных многочленами. Она утверждает, что определённые топологические «формы» в них — классы Ходжа — всегда собираются из кусков, тоже заданных многочленами. Это вопрос о том, насколько алгебра видит топологию.

Гипотеза Бёрча — Суиннертон-Дайера — об эллиптических кривых из главы 44. Бесконечно ли много рациональных точек у кривой и «насколько» много, по гипотезе, можно прочитать по её дзета-функции в точке $s = 1$. Брайан Бёрч и Питер Суиннертон-Дайер пришли к ней в начале 1960-х годов, считая точки на одном из первых компьютеров, EDSAC-2 в Кембридже. В простейших случаях — когда дзета-функция кривой обращается в точке $s = 1$ в нуль не выше первого порядка — гипотеза доказана (Гросс и Загир, 1986; Колывагин, 1989).

Гипотеза Пуанкаре — единственная решённая. Всякое замкнутое трёхмерное многообразие, в котором любую петлю можно стянуть в точку, — это трёхмерная сфера (глава 57). Григорий Перельман выложил доказательство в 2002–2003 годах, отказался от Филдсовской премии в 2006 году и от премии Клэя в 2010-м.

Как работают математики сегодня

Образ одинокого гения за столом верен лишь наполовину. Перельман действительно работал один, а Эндрю Уайлс семь лет втайне доказывал теорему Ферма. Но всё больше задач решают вместе, и не только с людьми.

Вместе

В январе 2009 года Тимоти Гауэрс спросил в своём блоге, возможна ли математика «массового сотрудничества», и предложил задачу. Десятки людей обсуждали её в комментариях, и за шесть недель нашли новое доказательство плотностной теоремы Хейлса — Джеветта; статью подписали коллективным псевдонимом D. H. J. Polymath. В 2013 году Итан Чжан доказал, что простых чисел, отстоящих друг от друга не больше чем на 70 миллионов, бесконечно много. Проект «Полимат» вместе с идеями Джеймса Мейнарда уменьшил 70 миллионов до 246 (глава 3). До двойки, то есть до гипотезы о близнецах, пока не дошли.

С компьютером

В 1976 году Кеннет Аппель и Вольфганг Хакен доказали теорему о четырёх красках (глава 46), сведя её к проверке почти двух тысяч конфигураций, которую выполнил компьютер за больше чем тысячу часов работы. Многие математики были недовольны: доказательство, которое нельзя прочитать, казалось не вполне доказательством. В 1998 году Томас Хейлс доказал гипотезу Кеплера о плотнейшей укладке шаров, и снова с огромным перебором; рецензенты журнала после нескольких лет работы написали, что уверены в правильности на 99 процентов. Мы видели такие доказательства и в этом курсе: постоянную Фейгенбаума и аттрактор Лоренца в главе 59, пятого усердного бобра в главе 56.

С программой, которая проверяет

Ответом на сомнения стали программы, проверяющие доказательства целиком, от аксиом. Доказательство записывают на особом языке так, что каждый шаг — применение правила логики или уже проверенной теоремы, и программа принимает его, только если все шаги законны.

Система формальной проверки доказательств — программа, которая принимает доказательство, записанное на формальном языке, только если каждый шаг законным образом следует из аксиом и уже проверенных утверждений. Самые известные — Coq (сейчас Rocq), Isabelle и Lean.

Вот как это выглядит в миниатюре. Числа строятся из нуля и операции «следующее число» $\mathrm S$, как в аксиомах Пеано (глава 56): $1 = \mathrm S(0)$, $2 = \mathrm S(\mathrm S(0))$. Сложение задано двумя правилами. Докажем, что $2 + 2 = 4$.

Нажимайте правила, как тактики в Lean. Машина применяет правило к первому подходящему месту и отказывается, если применить некуда. Когда стороны совпадут буква в букву, закройте цель командой rfl. Попробуйте доказать $2 + 2 = 5$.

Четыре шага для $2 + 2 = 4$ выглядят смешно, но так устроена любая формальная проверка: большие теоремы состоят из тысяч лемм, леммы — из таких шагов, и машина проверяет каждый. Ложное утверждение она не примет, как ни старайся. Ошибиться может только тот, кто записал формулировку: машина докажет ровно то, что написано, поэтому людям остаётся проверить, что написано то, что имели в виду.

Систему Lean начал Леонардо де Моура в Microsoft Research в 2013 году. Сообщество математиков собрало для неё библиотеку mathlib, в которой уже сотни тысяч формально проверенных определений и теорем. В декабре 2020 года Петер Шольце, лауреат Филдсовской премии, предложил проверить в Lean главную теорему своей с Дастином Клаузеном новой теории, в которой сам не был полностью уверен. «Эксперимент с жидким тензором» завершили в июле 2022 года: теорема верна. В 2024 году Кевин Баззард начал пятилетний проект формализации доказательства Великой теоремы Ферма. А в сентябре 2026 года компания Anthropic сообщила, что её модель Claude за 11 дней, почти самостоятельно, построила первое полное компьютерно проверенное доказательство теоремы Ферма: около 13 миллионов строк на Lean и почти тридцать тысяч промежуточных теорем. Оно идёт историческим путём Уайлса и Тейлора, а не той обновлённой дорогой, которую прокладывает проект Баззарда, но без его заделов и без mathlib не обошлось бы. Баззард сам скомпилировал код и проверил: теорема Ферма выведена из одних стандартных аксиом.

С искусственным интеллектом

Ещё в 2024 году системы AlphaProof и AlphaGeometry 2 компании Google DeepMind набрали на задачах Международной математической олимпиады 28 баллов из 42, уровень серебряной медали. Задачи им переводили на язык Lean люди, и на некоторые ушли дни. В июле 2025 года модель Gemini Deep Think решила пять задач из шести олимпиады того года обычным языком, за положенные четыре с половиной часа, и координаторы олимпиады официально оценили решения на 35 баллов — уровень золотой медали. Экспериментальная модель OpenAI показала тот же результат по оценке бывших медалистов.

Олимпиадные задачи решены заранее, а исследовательские — нет. В 2025–2026 годах системы ИИ помогли закрыть ряд задач из собрания Пала Эрдёша: иногда находили забытое решение в литературе, иногда — новое доказательство, которое потом проверяли люди и программы вроде Lean. В мае 2026 года модель OpenAI опровергла гипотезу Эрдёша 1946 года о единичных расстояниях: Эрдёш считал, что среди $n$ точек плоскости пар на расстоянии ровно 1 бывает лишь чуть больше $n$, а модель нашла расстановки, где их порядка $n^{1 + c}$ с постоянным $c > 0$. Затем пришёл сентябрь 2026 года и заявка на задачу тысячелетия о Навье — Стокса.

Что это значит для математики, спорят сами математики. Теренс Тао сначала назвал новые результаты о взрыве замечательным достижением, но вскоре добавил, что метод OpenAI не переносится на аналитические, то есть «природные», внешние силы и что ИИ может менять математику не только к лучшему. Многих беспокоит и другое: ответы могут начать приходить раньше, чем люди успеют вынести из задач методы и понимание, которые обычно рождаются по дороге к ответу. Доказательство — не только сертификат истинности, но и объяснение, почему что-то верно. Спрашивать, какие вопросы интересны, и понимать ответы по-прежнему приходится людям.

Что открыли вчера

Кроме громких споров, у передового края есть тихие, уже проверенные победы. Несколько из последних лет.

В 2016 году Марина Вязовская доказала, что в восьмимерном пространстве плотнее всего шары укладываются по решётке $E_8$, а через несколько дней вместе с Генри Коном, Абхинавом Кумаром, Стивеном Миллером и Даниилом Радченко — что в 24-мерном лучшая укладка даёт решётка Лича. В трёхмерном пространстве та же задача — гипотеза Кеплера — потребовала компьютера и сотен страниц; в размерностях 8 и 24 Вязовская нашла короткое и красивое доказательство с помощью модулярных форм. В 2022 году она стала второй женщиной, получившей Филдсовскую премию.

В 2024 году группа под руководством Денниса Гайцгори и Сэма Раскина выложила доказательство геометрической гипотезы Ленглендса — пять статей почти на тысячу страниц. Это один из краеугольных камней программы Ленглендса, огромной сети гипотез, связывающих теорию чисел, симметрии и анализ.

В феврале 2025 года Хун Ван и Джошуа Заль доказали гипотезу Какеи в трёхмерном пространстве. Множество, содержащее отрезок длины 1 в каждом направлении, может иметь нулевой объём — это показал Абрам Безикович ещё в 1920-х годах, — но теперь известно, что его размерность всё равно равна трём: такое множество не может быть «тоньше» объёма. В 2026 году Хун Ван получила Филдсовскую премию вместе с Юй Дэном, Джоном Пардоном и Джейкобом Цимерманом.

А в октябре 2024 года Никита Гладков, Игорь Пак и Александр Зимин опровергли гипотезу о двухъярусной кровати (Питер Кастелейн, 1985). Она касалась случайных путей в графе и казалась настолько очевидной, что её пытались доказать почти сорок лет. Контрпример — граф с 7222 вершинами, а нарушение равно примерно $10^{-6500}$: ни один эксперимент его бы не заметил. Та же мораль, что у круга Мозера из первой главы, только с шестью с половиной тысячами нулей после запятой.

Семь ответов

В первой главе мы задали семь вопросов. Звучали они почти по-детски, а ответы потребовали всего курса. Вот они вместе.

Правило знаков — не договорённость. Если отрицательные числа подчиняются распределительному закону, иначе нельзя: из $0 = (-1)\bigl(1 + (-1)\bigr) = -1 + (-1)(-1)$ следует $(-1)(-1) = 1$ (глава 2). На плоскости умножение на $-1$ — разворот на $180^\circ$, и два разворота дают полный оборот (глава 15).

Ножницами — нельзя, даже по кривым (глава 20). Циркулем и линейкой построить равный кругу квадрат тоже нельзя: $\pi$ трансцендентно (глава 6, глава 43). А разрезать на конечное число кусков, которые не вырежешь ножницами, и сложить квадрат одними сдвигами можно: Лацкович, 1990, около $10^{50}$ кусков (глава 54).

Формулы в радикалах для уравнения пятой степени нет: Абель доказал это в 1824 году, а Галуа объяснил причину — перестановки пяти корней «запутываются» так, что никакое конечное число этажей радикалов их не распутает (глава 14, глава 43).

Точек на отрезке больше: натуральных чисел счётное множество, а точек отрезка — континуум, и диагональ Кантора всегда найдёт точку, которой не хватило номера (глава 52). Есть ли что-то между — вопрос, на который обычные аксиомы не отвечают.

Шифр держится на действиях, которые легко выполнить и, насколько известно, трудно обратить: возведение в степень по модулю против разложения на множители и дискретного логарифма (глава 41), умножение точки эллиптической кривой против логарифма на кривой (глава 44). «Насколько известно» — не оговорка: трудность обращения не доказана, и она упирается в вопросы того же рода, что P против NP.

Уравнения атмосферы детерминированы, но хаотичны: малые ошибки измерений растут экспоненциально, и каждая новая верная цифра продлевает прогноз лишь на фиксированный срок, а из-за движений всех масштабов предел около двух недель не отодвинуть никакой точностью (глава 31, глава 59).

Да. В любой непротиворечивой системе аксиом, которую можно выписать механически и в которой есть арифметика, найдутся истинные, но недоказуемые в ней утверждения о числах (Гёдель, 1931; глава 56). Недоказуемость относительна системе аксиом: новая аксиома закрывает старую дыру и открывает новую.

Конечная

На главной странице курс нарисован как схема метро: десять линий, 61 станция, пересадки там, где идея одной части работает в другой. Вот та же схема в последний раз, со всем, что вы прочитали. Станция «Передний край» — конечная курса, но не линии: пути идут дальше, в области, куда учебник уже не помещается.

Закрашены прочитанные главы. Выберите большой вопрос — крупно загорится глава с ответом, помельче — главы, которые к нему подступаются. Внизу — станции будущего: куда вести линии дальше.

Математика — не собрание готовых ответов, а способ получать ответы, в которых можно быть уверенным. Всё в этом курсе держится на доказательствах, а на краю карты видно, как их ищут: примерами, которые подсказывают, контрпримерами, которые отрезвляют, и рассуждениями, которые делают ответ окончательным.

Что читать дальше

Если курс понравился, вот с чего продолжить. Книги — для разных уровней, все существуют и переведены на русский, кроме отмеченных.

  • Рихард Курант, Герберт Роббинс, «Что такое математика?» — классика, на которую равнялся этот курс.
  • Яков Перельман, «Живая математика» и Мартин Гарднер, «Математические головоломки и развлечения» — чтобы не терять лёгкости.
  • Владимир Арнольд, «Задачи для детей от 5 до 15 лет» — короткие задачи, над которыми думают и взрослые.
  • Иэн Стюарт, «Величайшие математические задачи» — открытые и недавно решённые проблемы, популярно и точно.
  • Саймон Сингх, «Великая теорема Ферма» и Джон Дербишир, «Простая одержимость» — истории теоремы Ферма и гипотезы Римана.
  • Джеймс Глик, «Хаос. Создание новой науки» и Бенуа Мандельброт, «Фрактальная геометрия природы» — к главе 59.
  • Дуглас Хофштадтер, «Гёдель, Эшер, Бах: эта бесконечная гирлянда» — к главе 56.
  • Стивен Строгац, «Nonlinear Dynamics and Chaos» и «The Princeton Companion to Mathematics» под редакцией Тимоти Гауэрса — на английском; первая — учебник для студентов, вторая — энциклопедия всей современной математики, написанная самими математиками.
  • Natural Number Game (Кевин Баззард и соавторы) и Mathematics in Lean (Джереми Авигад и Патрик Массо) — бесплатные онлайн-курсы на английском, где сложение из аксиом Пеано доказывают в Lean, как в виджете выше.
  • Сайты «Математические этюды» (etudes.ru) и «Задачи» (problems.ru), видео 3Blue1Brown — для глаз и для рук.

Куда дальше

Следующей главы нет: эта — последняя. Но курс не кончается. В каталоге тем главы можно отобрать по теме и уровню и пройти курс заново другой дорогой, например только по доказательствам или только по приложениям. Решатели разберут по шагам вашу собственную задачу — от квадратного уравнения и производной до собственных чисел матрицы. Тренажёры, как сумма подмножества из этой главы, придумывают задачи без конца и принимают ответ в любой верной форме. А если хочется начать сначала, первая глава ждёт с тем же вопросом: сколько частей получится, если точек на окружности шесть? Теперь вы знаете, почему 31, и знаете, что за этим числом стоит вся математика: заметить, усомниться и доказать.

В этой главе

  1. Край карты
  2. Задача для пятиклассника
  3. Проверить легко, найти трудно
  4. Семь задач на миллион
  5. Как работают математики сегодня
  6. Что открыли вчера
  7. Семь ответов
  8. Конечная
  9. Что читать дальше
  10. Куда дальше

Главы курса