ГЛАВА 10
ТЕОРЕМА СТРАШИЛЫ
Как правило, Гомера не считают гигантом мысли; он скорее пользуется репутацией одного из обычных жителей Спрингфилда. В эпизоде «Гомер против восемнадцатой поправки» (Homer vs. the Eighteenth Amendment, сезон 8, эпизод 18; 1997 год) он поднимает тост, который отражает его простую философию жизни: «За алкоголь! Причину и решение всех жизненных проблем!»
Тем не менее время от времени сценаристы все же дают Гомеру оторваться, чтобы исследовать нердовскую сторону его характера. Мы уже видели это в эпизоде «Волшебник Вечнозеленой аллеи» 1998 года; кроме того, есть и несколько эпизодов, в которых Гомер демонстрирует, что может быть образцовым гиком. Например, самый авторитетный в мире научный журнал Nature похвалил его за комментарий, сделанный в эпизоде «Забастовка учителей» (The PTA Disbands, сезон 6, эпизод 21; 1995 год). Поймав дочь на попытке построить вечный двигатель, Гомер твердо ставит ее на место: «В этом доме все подчиняется законам термодинамики!»
Помимо бессмысленного повторения самых фундаментальных законов науки, Гомер периодически принимается за реализацию научных программ. В эпизоде «Томак» (E-I-E-I-D’oh, сезон 11, эпизод 5; 1999 год) он становится фермером и разбрызгивает плутоний на своих полях, чтобы увеличить урожайность. Неудивительно, что в результате вырастают растения-мутанты. Гомер называет их томак, поскольку они похожи на томат, но внутри содержат табак.
Этот эпизод вдохновил Роба Бауэра, поклонника «Симпсонов» из штата Орегон, на повторение достижений Гомера. Вместо использования радиоактивного материала он привил корни табака к стеблю томата и стал ждать, что из этого получится. Это была не такая уж сумасшедшая идея, учитывая, что и томаты, и табак принадлежат к семейству пасленовых, а значит, их прививка может привести в результате к тому, что свойства одного растения передадутся другому. На самом деле в листьях томата Бауэра действительно присутствовал никотин, а это доказывает, что научный факт может быть почти таким же причудливым, как и научная фантастика.
Сценаристы стимулировали расцвет интеллекта Гомера и в эпизоде «Они спасли мозг Лизы», о котором шла речь в главе 7. После того как Стивен Хокинг увозит Лизу от разъяренной толпы, действие перемещается в бар Мо, где беседуют профессор Хокинг и Гомер. На ученого производят впечатление идеи Гомера по поводу космологии: «Гомер, твоя теория пончикообразной Вселенной заинтриговала меня. Я ее у тебя украду».
Хотя это звучит нелепо, но специалисты по космологии с математическим складом ума утверждают, что Вселенная действительно могла бы иметь структуру пончика. Для того чтобы объяснить вероятность такой геометрии, давайте упростим Вселенную, представив себе, что все космическое пространство стало плоским в результате перехода из трех- в двухмерное измерение, так что все сущее расположено на листе. Здравый смысл подсказывает, что этот вселенский лист должен быть плоским и простираться до бесконечности во всех направлениях. Однако космология редко согласуется со здравым смыслом. Эйнштейн учил нас, что пространство может искривляться, что в результате приводит к самым разным сценариям развития событий. Например, представьте себе, что лист Вселенной не бесконечен, а имеет четыре края и напоминает скорее большой прямоугольный лист резины. Далее вообразите, что вы соединяете две его длинные стороны так, чтобы образовать цилиндр, а затем соединяете два конца этого цилиндра, чтобы весь лист превратился в пустотелый пончик. Это и есть та модель Вселенной, которую обсуждали Хокинг и Гомер.
Если бы вы жили на поверхности этой пончикообразной Вселенной, то могли бы перемещаться по серой стрелке и в конце концов вернуться в исходное положение. Вы могли бы также отправиться по черной стрелке и снова оказались бы там, откуда начали движение. Пончикообразная Вселенная ведет себя как космическое пространство в популярной видеоигре Asteroids компании Atari. Если корабль игрока летит на восток, то он исчезает с экрана с правой стороны и снова появляется с левой. Точно так же, если корабль отправляется на север, он доходит до верхнего края экрана, после чего появляется в нижней его части, опять вернувшись в отправную точку.
Безусловно, мы проанализировали эту теорию только в контексте двух измерений, но согласно законам физики трехмерную Вселенную тоже можно свернуть в цилиндр, образуя своего рода пончик. Человеку, не имеющему отношения к математике, почти невозможно представить себе такие манипуляции с трехмерным пространством, но Хокинг и Гомер понимают, что пончик — это идеальная, вполне жизнеспособная, реальная форма для Вселенной. Британский ученый Джон Бердон Сандерсон Холдейн (1892–1964) однажды сказал: «Подозреваю, что Вселенная не только причудливее, чем мы себе представляем, но и причудливее, чем мы можем представить».
В других эпизодах сценаристы создают то или иное триггерное (переключающее из одного положения в другое) событие, которое стимулирует мозг Гомера, что, в свою очередь, позволяет ему добиваться успехов в математике. В эпизоде «ГОМР» (HOMR, сезон 12, эпизод 9; 2001 год) Гомер удаляет из своего мозга карандаш и вдруг осознает, что может использовать высшую математику, чтобы доказать, что Бога не существует. Он показывает доказательство своему богобоязненному соседу Неду Фландерсу, который сначала с подозрением относится к заявлению Гомера, что Бог исчезает под натиском логики. Но затем Фландерс анализирует доказательство и бормочет: «Ну-ка посмотрим… Может быть, он ошибся… Нет. Все верно. Эту бумагу никто не должен видеть». Фландерсу не удается найти ни одной ошибки в доказательстве Гомера, поэтому он решает сжечь лист, на котором оно написано.
Эта сцена отдает дань уважения одному из самых известных случаев в истории математики, когда величайший математик XVIII столетия Леонард Эйлер сделал вид, что доказал нечто противоположное выводу Гомера, а именно — что Бог существует. Инцидент произошел в тот период, когда Эйлер находился при дворе Екатерины Великой в Санкт-Петербурге. Екатерину и ее придворных все больше беспокоило влияние гостившего у них французского философа Дени Дидро, который был убежденным атеистом и, по слухам, приходил в ужас от математики. Эйлера попросили составить фальшивое уравнение, которое бы доказывало существование Бога и положило конец ереси Дидро. Когда Эйлер обнародовал это уравнение, Дидро потерял дар речи. После этого он стал объектом насмешек всего Петербурга и вскоре попросил разрешения вернуться в Париж.
Мозг Гомера получает еще один временный стимул в эпизоде «$прингфилд (или как я перестал бояться и полюбил легальные азартные игры)» ($pringfield (Or, How I Learned to Stop Worrying and Love Legalized Gambling), сезон 5, эпизод 10; 1993 год). В самом начале эпизода Генри Киссинджер (в какой-то мере необъяснимо) совершает прогулку по территории места работы Гомера, Спрингфилдской атомной электростанции. К сожалению, бывший госсекретарь США роняет свои фирменные очки в унитаз, когда заходит в один из туалетов электростанции. Будучи слишком робким, чтобы вытащить их оттуда, и слишком смущенным, чтобы попросить кого-то о помощи, Киссинджер бормочет себе под нос: «Никто не должен знать, что я упустил их в унитаз. Только не я, человек, написавший проект Парижского мирного соглашения».
Вскоре в ту же туалетную кабинку заходит Гомер и обнаруживает в унитазе очки. Разумеется, он не может не вытащить их оттуда, после чего очки как будто наделяют его силой разума Киссинджера. Все еще находясь в туалете, Гомер начинает как заведенный повторять математическую формулу:
Сумма квадратных корней любых двух сторон равнобедренного треугольника равна квадратному корню оставшейся стороны.
На первый взгляд может показаться, что это простое проговаривание теоремы Пифагора, но в действительности это не так по нескольким причинам. Настоящая теорема Пифагора гласит:
Квадрат гипотенузы прямоугольного треугольника равен сумме квадратов смежных сторон.
Самое очевидное различие состоит в том, что утверждение Гомера касается равнобедренного треугольника, тогда как теорема Пифагора описывает прямоугольный треугольник. Возможно, вы еще со школы помните, что равнобедренный треугольник имеет две стороны одинаковой длины, тогда как прямоугольный треугольник может иметь стороны любой длины, если один его угол прямой.
В утверждении Гомера есть еще две проблемы. Во-первых, он говорит о «квадратных корнях» сторон треугольника, тогда как в теореме Пифагора идет речь о квадратах сторон. Во-вторых, теорема Пифагора устанавливает зависимость между гипотенузой (самой длинной стороной прямоугольного треугольника) и двумя катетами, тогда как Гомер ставит «любые две стороны» равнобедренного треугольника в зависимость от «оставшейся стороны». В качестве «любых двух сторон» могут выступать либо две равные стороны, либо одна из равных сторон и неравная сторона.
Представленные ниже рисунки и уравнения подытоживают и подчеркивают различия между утверждением Гомера и теоремой Пифагора. Гомер взял стандартный фрагмент математической информации и изменил его, тем самым создав новый вариант теоремы Пифагора, а именно гипотезу Симпсона. Различие между теоремой и гипотезой состоит в том, что истинность первой доказана, тогда как вторая и не доказана, и не опровергнута… пока.
Гипотеза Симпсона касается всех равнобедренных треугольников, а значит, если мы попытаемся ее доказать, то должны продемонстрировать, что она верна для бесконечного множества треугольников. А для того чтобы опровергнуть гипотезу Симпсона, нам будет достаточно найти всего один треугольник, противоречащий ей. Поскольку опровержение кажется более легким, чем доказательство, давайте посмотрим, сможем ли мы найти такой треугольник.
Возьмем равнобедренный треугольник с двумя сторонами длиной 9 и основанием с длиной 4. Равна ли сумма квадратных корней любых двух сторон этого треугольника квадратному корню оставшейся стороны?
√9 + √9 = √4 подразумевает, что 3 + 3 = 2, что неверно
√9 + √4 = √9 подразумевает, что 3 + 2 = 3, что тоже неверно
В обоих случаях квадратные корни не дают в сумме нужное число, стало быть, гипотеза ошибочна.
Очевидно, что это не звездный час Гомера, но все же не судите его слишком строго, особенно учитывая, что он был под влиянием очков Киссинджера. В действительности если кто-то и виноват, так это сценаристы.
Джош Вайнштейн, который был ведущим сценаристом этого эпизода вместе с Биллом Окли, рассказывал, как создавалась эта сцена и почему она содержала столь бессмысленную гипотезу: «Эта шутка развивалась в обратном порядке, поскольку нам было нужно, чтобы босс Гомера мистер Бернс считал его умным человеком. Мы подумали: “Как же он может прийти к мысли, что Гомер умен? Было бы смешно, если бы он нашел очки в унитазе. А кому должны принадлежать эти очки? Генри Киссинджеру!” Нам нравится Генри Киссинджер (и все, что касается эпохи Никсона), и мы решили, что именно он подходит на роль человека, который бы подружился с мистером Бернсом».
Далее в сценарий необходимо было включить фразу, которая продемонстрировала бы обретенную Гомером уверенность в собственном интеллекте. Когда команда авторов приступила к работе, один из них вспомнил, что у произошедшего с Гомером случая много общего с одной из финальных сцен художественного фильма 1939 года «Волшебник страны Оз». Когда Дороти идет по желтой кирпичной дороге к волшебнику страны Оз, ее сопровождает Трусливый лев, мечтающий стать храбрым, Железный дровосек, рассчитывающий получить сердце, и Страшила, который надеется обрести разум. Принято считать, что Страшила олицетворяет собой типичный образ канзасского фермера: простого, но достойного человека, который, вероятно, мог бы быть очень умным, но у него нет формального образования. Когда в конце концов они находят волшебника, тот не может дать Страшиле мозг, но выдает ему диплом, и именно в этот момент Страшила произносит: «Сумма квадратных корней любых двух сторон равнобедренного треугольника равна квадратному корню оставшейся стороны».
Следовательно, Гомер цитирует фразу, впервые произнесенную Страшилой из «Волшебника страны Оз». То есть гипотеза Симпсона это на самом деле гипотеза Страшилы. Сценаристы «Симпсонов» использовали ту же математическую псевдогипотезу, так как оба факта (то, что Гомер нашел очки Киссинджера, и то, что Страшила получил диплом) оказали одинаковое влияние на героев, поскольку впоследствии и Гомер, и Страшила обрели уверенность в своих умственных способностях.
Только крохотная доля зрителей заметила, что Гомер повторяет гипотезу Страшилы. Их лучше всего описать как людей, занимающих в диаграмме Венна область пересечения между множеством страстных поклонников фильма «Волшебник страны Оз» и множеством математиков. В эту область входят Джеймс Йик, Анахита Рафи и Чарльз Бисли — студенты факультета математики и компьютерных наук Государственного университета Огасты, досконально изучившие оригинальную сцену из фильма «Волшебник страны Оз». В частности, они поставили под сомнение теорию о том, что Страшила должен был озвучить теорему Пифагора, но актер Рэй Болджер, игравший эту роль, случайно допустил ошибку, на которую никто не обратил внимания, пока не стало слишком поздно. Студенты утверждают, что сценаристы «Волшебника страны Оз» специально исказили теорему Пифагора: «Мы считаем, что это была умышленная диверсия, о чем говорит скорость, с которой актер произносит эту фразу, а также наличие трех очевидных ошибок в формулировке теоремы… Значит ли это, что сценаристы пытались тем самым высказать свое мнение по поводу реальной ценности дипломов? Пытались ли они подчеркнуть отсутствие истинных знаний у зрительской аудитории в целом, давая своей маленькой внутренней шуткой понять, что все мы своего рода “страшилы”?»
Каким бы ни было происхождение гипотезы Страшилы и стоящие за этим мотивы, она безусловно ложная, но при этом все же вдохновила троих математиков из Огасты на изучение противоположной гипотезы, которая гласит:
Сумма квадратных корней любых двух сторон равнобедренного треугольника никогда не равна квадратному корню оставшейся стороны.
Так верна ли гипотеза Йика, Рафи и Бисли? Мы можем это установить, проверив два уравнения. Начнем с уравнения (1), записав его в другом виде:
√a + √a ≠ √b
2√a ≠ √b
4a ≠ b
Последнее уравнение гласит, что длина a никогда не может составлять четверть длины b. В действительности так и должно быть, поскольку a должно быть больше ½b, иначе три стороны треугольника не соприкоснутся друг с другом. Беглый взгляд на представленный выше треугольник позволяет понять очевидность этого вывода.
Продемонстрировав истинность уравнения (1), проверим уравнение (2):
√a + √b ≠ √a
√b ≠ 0
b ≠ 0
Другими словами, согласно уравнению (2) основание равнобедренного треугольника не может иметь нулевую длину. Это действительно так, поскольку в противном случае у нас был бы треугольник всего с двумя сторонами, и они наложились бы друг на друга, а значит, мы получили бы треугольник только с одной стороной!
Таким образом, мы можем быть уверены, что сумма квадратных корней любых двух сторон равнобедренного треугольника никогда не будет равна квадратному корню оставшейся стороны. Это не такое уж глубокомысленное открытие, но тем не менее оно позволяет присвоить данному варианту гипотезы Страшилы статус теоремы.
* * *
Гипотеза Симпсона оказалась не чем иным, как гипотезой Страшилы, которая в любом случае ложная. Однако для семейства Симпсонов должно стать утешением то, что несколько важных (и верных) математических концепций носят их имя.
Например, парадокс Симпсона считается одним из самых непостижимых в математике. Он был изучен и популяризирован Эдвардом Симпсоном, который начал интересоваться статистикой в период работы в Блетчли-Парке, секретной штаб-квартире британского шифровального подразделения времен Второй мировой войны.
Одна из наиболее ярких иллюстраций парадокса Симпсона касается закона США о гражданских правах 1964 года — исторического документа, направленного на решение проблемы дискриминации. В частности, этот парадокс возникает в ходе тщательного анализа данных о результатах голосования республиканцев и демократов по поводу принятия закона в палате представителей США.
Демократы северных штатов США отдали за закон 94 процента голосов, тогда как республиканцы — всего 85 процентов. Следовательно, в северных штатах США за принятие закона проголосовало больше демократов, чем республиканцев.
В южных штатах за данный закон демократы отдали 7 процентов голосов, тогда как республиканцы — 0 процентов. То есть на юге США также проголосовало больше демократов, чем республиканцев.
Таким образом, напрашивается очевидный вывод: демократы продемонстрировали более активную поддержку Закона о гражданских правах, чем республиканцы. Однако если объединить данные по южным и северным штатам, получится, что за принятие закона проголосовали 80 процентов республиканцев и 61 процент демократов.
Другими словами, я утверждаю, что на севере и юге в отдельности демократы отдали больше голосов в поддержку закона, чем республиканцы, но в совокупности республиканцы опережают демократов! Как бы абсурдно это ни звучало, это бесспорный факт. В этом и состоит парадокс Симпсона.
Для того чтобы понять смысл данного парадокса, целесообразно проанализировать не проценты, а фактическое количество голосов. Демократы северных штатов отдали в поддержку закона 145 из 154 голосов (94 процента), тогда как республиканцы — 138 из 162 голосов (85 процентов). В южных штатов картина такая: демократы — 7 из 94 голосов (7 процентов), республиканцы — ноль из 10 голосов (0 процентов). Как уже было сказано, поддержка закона демократами на первый взгляд кажется более сильной, чем республиканцами, причем как на севере, так и на юге. Тем не менее в масштабах всей страны тенденция меняется на противоположную, поскольку за принятие закона проголосовали 152 из 248 демократов (61 процент) и 138 из 172 республиканцев (80 процентов).
Так как же нам объяснить этот пример парадокса Симпсона? Здесь есть четыре момента, которые проливают свет на загадку парадокса. Во-первых, сравнивая результаты голосования республиканцев и демократов, мы должны анализировать всю совокупность данных (в целом по стране). Это позволит прийти к заключению, что республиканцы поддержали Закон о гражданских правах более активно, чем демократы. Таким и должен быть окончательный вывод.
Во-вторых, хотя наша задача — проанализировать разницу между результатами голосования республиканцев и демократов, реально поражают различия между представителями северных и южных штатов независимо от того, к какой политической партии они принадлежат. В северных штатах США закон получил примерно 90-процентную поддержку, тогда как в южных она составила всего 7 процентов. Когда мы фокусируемся на одной переменной (например, демократы в сравнении с республиканцами), уделяя меньше внимания более важной переменной (например, север в сравнении с югом), то ее часто называют скрытой переменной.
В-третьих, во многих ситуациях проценты действительно имеет смысл использовать для сравнения, но в данном случае, начав с анализа одних только процентов, мы не приняли во внимание фактическое количество голосов, из-за чего не смогли оценить значимость определенных результатов. Например, 0 процентов голосов в пользу принятия закона, отданных республиканцами южных штатов, кажутся заслуживающими осуждения, но ведь южные штаты представлены всего 10 республиканцами; и если бы хоть один из них проголосовал за принятие закона, то поддержка южных республиканцев возросла бы с 0 до 10 процентов и превзошла бы поддержку демократов, составившую всего 7 процентов.
И последний, самый важный фрагмент этих данных — результаты голосования южных демократов. Ключевой момент здесь состоит в том, что в южных штатах поддержка закона была гораздо меньше, чем в северных, и южные штаты избирали преимущественно демократов, слабая поддержка закона которыми снизила средний показатель для всех представителей Демократической партии. Именно этим объясняется разворот тенденции в случае анализа всей совокупности данных.
Показательно, что результаты голосования за принятие Закона о гражданских правах 1964 года не относятся к числу редких статистических странностей. Подобный разворот тенденции в процессе интерпретации данных, который называют парадоксом Симпсона, создает путаницу во многих ситуациях, от спортивной статистики до медицинских данных.
Прежде чем закончить эту главу, хочу обратить ваше внимание на то, что в мире математики есть и другие Симпсоны. Например, имя Симпсон увековечено в так называемом правиле Симпсона — методе математического анализа, позволяющем рассчитать площадь под любой кривой. Этот метод назван по имени британского математика Томаса Симпсона (1710–1761), который в возрасте пятнадцати лет стал преподавателем математики в английском городе Нанитон. Восемь лет спустя, по данным историка Никколо Гуиччардини, он совершил одну из тех ошибок, которая может случиться с каждым из нас, и был «вынужден бежать в 1733 году в Дерби после того, как он или его помощник напугал девушку, одевшись как дьявол во время астрологического сеанса».
Безусловно, есть еще и теорема Карлсона-Симпсона, не требующая разъяснений; достаточно упомянуть о том, что она содержит принципы раскрашивания, о которых идет речь в теореме Хейлса-Джюитта, и используется в доказательстве Фюрстенберга-Кацнельсона. Но я уверен, что мне нет необходимости рассказывать вам об этом.
И наконец, не стоит забывать и о теореме Барта.
