Математика. 
Риторика

Предисловие книги известного математика Дьердя Пойа (1887—1985) содержит интересные наблюдения о роли различных форм мышления в науке. Обратите также внимание на то, что ученый признает значение примеров из смежных научных областей и даже истории для облегчения восприятия и актуализации учебного материала точных наук.

«Эта книга имеет различные тесно связанные между собой цели. В первую очередь она предназначена для того, чтобы помочь учащимся и преподавателям математики в одном важном вопросе, которому обычно не уделяют должного внимания.

1. Строго говоря, все наши знания за пределами математики и доказательной логики (которая фактически является ветвью математики) состоят из предположений. Мы закрепляем свои математические знания доказательными рассуждениями, но подкрепляем свои предположения правдоподобными рассуждениями. Математическое доказательство является доказательным рассуждением, а индуктивные доводы физика, косвенные улики юриста, документальные доводы историка и статистические доводы экономиста относятся к правдоподобным рассуждениям.

Различие между этими двумя типами рассуждений велико и многообразно. Доказательное рассуждение надежно, неоспоримо и окончательно. Правдоподобное рассуждение рискованно, спорно и условно.

Доказательные рассуждения пронизывают науки как раз в той же мере, что и математика, но сами по себе (как и сама по себе математика) не способны давать существенно новые знания об окружающем нас мире. Все новое, что мы узнаем о мире, связано с правдоподобными рассуждениями, являющимися единственным типом рассуждений, которым мы интересуемся в повседневных делах. Доказательное рассуждение имеет жесткие стандарты, кодифицированные и выясненные логикой (формальной, или доказательной логикой), являющейся теорией доказательных рассуждений. Стандарты правдоподобных рассуждений текучи, и нет никакой теории таких рассуждений, которая могла бы по ясности сравниться с доказательной логикой или обладала бы сравнимой с ней согласованностью.

2. Заслуживает нашего внимания другой момент, касающийся этих двух типов рассуждений. Всякий знает, что математика предоставляет прекрасную возможность научиться доказательным рассуждениям, но я утверждаю также, что в обычных учебных планах учебных заведений нет предмета, который давал бы сравнимую возможность научиться правдоподобным рассуждениям. Я обращаюсь ко всем, кто обучается математике, элементарной или высшей, и заинтересован в овладении ею, и говорю: «Конечно, будем учиться доказывать, но будем также учиться догадываться».

Это звучит немного парадоксально, и я должен подчеркнуть несколько обстоятельств, чтобы избежать возможных недоразумений.

…Серьезный человек, научающий математику, намеревающийся сделать математику делом своей жизни, должен учиться доказательным рассуждениям; это его профессия и отличительный признак его науки. Однако для настоящего успеха он должен учиться и правдоподобным рассуждениям; это тот тип рассуждений, от которого будет зависеть его творческая работа. Человек, занимающийся математикой как вспомогательным предметом или как любитель, также должен получить некоторое знакомство с доказательными рассуждениями; может быть, у него не будет особой надобности непосредственно их применять, но он должен овладеть стандартом, с которым он мог бы сравнивать всевозможные выдвигаемые в качестве доказательств доводы, встречающиеся ему в современной жизни. Но во всех его начинаниях ему будут нужны правдоподобные рассуждения.

3. Действенное применение правдоподобных рассуждений есть практический навык, и ему, как и всякому другому практическому навыку, учатся путем подражания и практики.

…Чтобы охватить широкий круг читателей, я пытался проиллюстрировать каждый важный вопрос как можно более элементарным примером. Однако в нескольких случаях я был вынужден взять не слишком элементарный пример, чтобы подкрепить утверждение достаточно убедительно. В действительности я чувствовал, что должен привести и примеры, имеющие исторический интерес, и примеры, обладающие настоящей математической красотой, и примеры, иллюстрирующие параллелизм методов в других науках или в повседневной жизни.

Следует добавить, что многие из приведенных рассказов получили свою окончательную форму в результате своего рода неформального психологического эксперимента. Я обсуждал предмет с несколькими различными студенческими группами, часто прерывая свое изложение вопросами вроде следующего: «Хорошо, а что бы вы сделали в такой ситуации?» Некоторые места, включенные в текст книги, были подсказаны ответами моих слушателей или моя первоначальная версия изменялась каким-либо другим образом под влиянием реакции моей аудитории.

4. Примерами правдоподобных рассуждений, собранными в этой книге, можно воспользоваться и для другой цели: они могут пролить некоторый свет на философскую проблему, являющуюся предметом оживленных споров: проблему индукции.

…Когда биолог пытается исследовать какую-нибудь общую проблему, скажем, генетики, ему очень важно выбрать какой-нибудь специальный вид растения или животного, вполне пригодный для экспериментального изучения его проблемы. Когда химик намеревается исследовать какую-нибудь общую проблему, касающуюся, скажем, скорости химических реакций, ему очень важно выбрать какие-нибудь специальные вещества, на которых было бы удобно проделать эксперименты, уместные в его проблеме. Выбор подходящего экспериментального материала чрезвычайно важен для индуктивного исследования любой проблемы. Мне кажется, что математика в некоторых отношениях является наиболее подходящим экспериментальным материалом для изучения индуктивных рассуждений. Это изучение вызывает необходимость некоторого рода психологических экспериментов: вы должны испытать на опыте, какое влияние на вашу веру в рассматриваемое предположение оказывают различные виды доводов. Благодаря своей неотъемлемой простоте и ясности, математические объекты подходят для этого рода психологического эксперимента гораздо лучше, чем объекты из любой другой области. На следующих страницах читатель будет иметь полную возможность в этом убедиться"^[1].

Пример из книги американского математика Мориса Клайна (1908— 1992) свидетельствует, что даже в точных науках полемика не обходится порой без весьма язвительного употребления фразеологии {башня из слоновой кости), афоризмов и аналогий. Их использование позволяет сообщить рациональным доводам положительный эмоциональный фон, способствующий убеждающему воздействию аргументов.

«Тех, кто гордится созданием математики, не опороченной связью с физическим миром, а под давлением начинает утверждать, что в один прекрасный день другие найдут применение их ныне бесцельным работам, можно было бы оставить в покое. Но их действия противоречат всему ходу истории. Их уверенность в том, что математика, освобожденная от связей с естественными науками, принесет более весомые, разнообразные и плодотворные результаты, применимые к более широкому кругу явлений, чем старая, традиционная математика, не подкрепляется ничем, кроме их же собственного голословного утверждения.

…Защитники и критики чистой математики по вполне понятным причинам находятся в достаточно натянутых отношениях друг с другом. Все споры между ними тотчас рождают юмористические или саркастические замечания. Прикладные математики, язвят приверженцы чистой математики, не заботятся о строгих доказательствах — единственно, что их интересует, это соответствие полученных ими результатов физическим явлениям. Типичным представителем прикладной математики был один из основоположников современной «теоретической электротехники» англичанин Оливер Хевисайд (1856—1925). Применяемые им методы решений, с точки зрения чистых математиков, были сомнительны в силу полной своей необоснованности, за что Хевисайда не раз резко критиковали. В свою очередь Хевисайд относился к своим критикам, которых он называл «логическими контролерами», с высокомерным пренебрежением. «Логике нетрудно быть терпеливой, ведь она вечна», — говорил он. Ему доводилось не раз приводить чистых математиков в замешательство. В те времена, когда так называемые расходящиеся ряды считались полностью «незаконными», Хевисайд заявил по поводу одного из таких рядов: «Подумаешь, ряд расходится! Ведь можем же мы что-нибудь с ним сделать!» Впоследствии все «экстравагантные» методы Хевисайда были строго обоснованы и даже породили новые направления математических исследований. Дабы уязвить пуристов, прикладные математики имеют обыкновение утверждать, что чистые математики способны лишь находить трудности в любом решении, тогда как прикладные математики могут разрешить любую трудность. Популярно также высказывание, что чистые математики решают «то, что можно, так как нужно», а прикладные — «то, что нужно, так как можно».

Прикладные математики любят поддразнивать пуристов и по-другому. Математикам, работающим в приложениях, приходится решать те задачи, которые ставит природа, тогда как чистые математики сами придумывают себе задачи. Вот почему прикладные математики говорят, что чистые математики ведут себя подобно человеку, который ищет потерянный на темной улице ключ под фонарем только потому, что там светлее.

А чтобы еще больше унизить своих извечных противников, прикладные математики рассказывают и такую историю. У одного человека скопилось грязное белье, и он отправился на поиски прачечной. Увидев вывеску «Прием белья в стирку», он заходит помещение и кладет узел с бельем на прилавок. Владелец заведения, глядя на посетителя с некоторым удивлением, спрашивает: «Что вам угодно?» «Я хочу отдать белье в стирку», — говорит посетитель. «Но мы не принимаем белье в стирку», — отвечает хозяин заведения. На этот раз удивляется посетитель. «А для чего же эта вывеска в витрине?» — спрашивает он. «Не обращайте на нее внимания, — отвечает хозяин, — мы ее сделали просто так».

Спор между прикладными и чистыми математиками продолжается, а поскольку в современной математике тон задают чистые математики, они могут позволить себе смотреть сверху вниз на своих «заблудших собратьев» и даже выговаривать им. Как заметил профессор Клиффорд Э. Трусделл, «прикладная математика» — это оскорбление, наносимое теми, кто считает себя «чистыми» математиками, тем, кого они считают «нечистыми»… но «чистая» математика — самоубийственное отрицание своего происхождения от воспринимаемых человеком ощущений или тайный пароль, позволяющий «чистых» отличать от «нечистых», — не более чем болезнь, изобретенная в прошлом веке… Она стала самоцелью, и никому из чистых математиков не приходит в голову задуматься над тем, для чего нужна их наука. Само по себе такое положение не слишком завидно. Цель математики — открывать нечто достойное познания. Ныне же одно математическое исследование порождает другое, то свою очередь порождает третье и т. д. В храме математики никто более не осмеливается спрашивать чтолибо о цели и смысле. Математика утратила связь с реальностью. Стены башни из слоновой кости стали настолько толстыми, что находящиеся внутри исследователи перестали видеть то, что происходит снаружи. Попавшие в башню умы оказались в изоляции"^[2].

Введение

к книге советского математика Елены Сергеевны Вентцель (1907—2002) иллюстрирует необходимость актуализации учебного материала дисциплины обращением как к примерам из окружающей действительности, так к практическим инженерным приложениям фундаментальной науки.

«Теорией случайных процессов называется математическая наука, изучающая закономерности случайных явлений в динамике их развития.

При изучении явлений окружающего мира мы часто сталкиваемся с процессами, течение которых заранее предсказать в точности невозможно. Эта неопределенность (непредсказуемость) вызвана влиянием случайных факторов, воздействующих на ход процесса. Приведем несколько примеров таких процессов.

• 1. Напряжение в электросети, номинально постоянное и равное 220 В, фактически меняется во времени, колеблется вокруг номинала иод влиянием таких случайных факторов, как количество и вид включенных в сеть приборов, моменты их включений и выключений и т. д.
• 2. Население города (или области) меняется с течением времени случайным (непредсказуемым) образом под влиянием таких факторов, как рождаемость, смертность, миграция и т. д.
• 3. Уровень воды в реке (или в водохранилище) меняется во времени случайным образом в зависимости от погоды, количества осадков, таяния снега, интенсивности оросительных мероприятий и т. д.
• 4. Частица, совершающая броуновское движение в поле зрения микроскопа, меняет свое положение случайным образом в результате соударений с молекулами жидкости.
• 5. Происходит полет космической ракеты, которую необходимо вывести в заданный момент в заданную точку пространства с заданными направлением и абсолютным значением вектора скорости. Фактическое движение ракеты не совпадает с расчетным из-за таких случайных факторов, как турбулентность атмосферы, неоднородность горючего, ошибки в отработке команд и т. д.
• 6. ЭВМ в ходе работы может случайным образом переходить из состояния в состояние… Переходы из состояния в состояние происходят иод действием случайных факторов, таких как колебания напряжения в сети питания ЭВМ, выход из строя отдельных элементов, момент обнаружения неисправностей, время их устранения и т. д.

Строго говоря, в природе не существует совершенно не случайных, в точности детерминированных процессов, но есть процессы, на ход которых случайные факторы влияют так слабо, что при изучении явления ими можно пренебречь (пример: процесс обращения планет вокруг Солнца). Однако существуют и такие процессы, где случайность играет основную роль (пример: вышерассмотренный процесс броуновского движения частицы). Между двумя крайними случаями лежит целый спектр процессов, в которых случайность играет большую или меньшую роль. Учитывать (или не учитывать) случайность процесса зависит также и от того, какую практическую задачу мы решаем. Например, при составлении расписания движения самолетов между двумя пунктами можно считать их траектории прямолинейными, а движение — равномерным; те же допущения не подойдут, если решается задача конструирования автопилота для управления полетом самолета.

…Теория случайных процессов имеет широкое поле инженерных приложений. По мере углубления и уточнения наших знаний об окружающем мире, по мере усложнения технических устройств все большее число процессов приходится рассматривать как случайные, учитывая не только их поведение «в среднем», но и случайные отклонения от этого среднего. Соответственно все большее значение приобретает теория случайных процессов.

Для современного периода развития техники характерно широкое применение компьютеров (ЭВМ), автоматизированное управление производственными процессами, а также автоматизированные и автоматические системы управления. Работа любой такой системы связана со случайными вариациями протекающих в ней процессов, т. е. с возникновением е ней случайного процесса. Разумное проектирование таких систем и анализ их работы требуют от инженера знания основ теории случайных процессов.

В настоящее время практически нет таких областей инженерной деятельности, которые не были бы связаны со случайными процессами и необходимостью их изучения. Любое работающее техническое устройство находится под влиянием случайных факторов, в большей или меньшей степени влияющих на режим его работы.

Все без исключения метеорологические характеристики (температура, давление, влажность, скорость ветра, его направление и т. д.) представляют собой случайные процессы. Развитие и взаимодействие различных биологических популяций также носят черты случайных процессов.

Все виды хозяйственной деятельности человека тоже зависят от случайных факторов (погода, случайные колебания спроса и предложения, количество людей, которых можно вовлечь в производство и т. п.) и, значит, описываются с помощью тех либо других случайных процессов. Работа любой автоматизированной системы управления (АСУ) представляет собой случайный процесс, обусловленный случайными моментами поступления информации и запросов, случайными моментами возникновения отказов элементов комплекса технических средств, ошибками операторов и т. п. Рост народонаселения, учет которого необходим при проектировании новых жилых массивов, также представляет собой случайный процесс.

Из этого не следует, что теория случайных процессов — единственный математический аппарат, пригодный для изучения таких явлений. Наряду с ним может применяться и обычный, «детерминистский» аппарат, в котором случайные факторы не учитываются. Но, пользуясь им, нельзя забывать, что он дает только приближенное, схематичное описание процесса, некоторое его «среднее» протекание, относительно которого возможны отклонения. При углубленном изучении процесса такие отклонения, как правило, приходится учитывать, для чего прибегают к аппарату теории случайных процессов"^[3].

• [1] Пойа Д. Математика и правдоподобные рассуждения. М., 1975. С. 14—20.
• [2] Клайн М. Математика. Утрата определенности. М.: Мир, 1984. С. 348—349.
• [3] Вентцель Е. С., Овчаров Л. А. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения. М" 1991. С. 5−11.