Математика для гиков - Рафаель Роузен

Каждый слышал от кого-нибудь: «Это случайность». Но что есть случайность? И как математическая случайность связана с нашей повседневной жизнью?

Оказывается, что в эпоху Интернета случайность крайне важна. Онлайн-сделки – включая банки, розничную торговлю и другие организации, которым необходима передача конфиденциальной информации, – основаны на генерировании случайных чисел для безопасного соединения (см. главу 4.3). Ряд чисел является случайным, если в нем нет видимой закономерности и нельзя предугадать, какое число появится после любого другого числа в последовательности. Когда вы играете в кости, числа выпадают случайным образом, но так как объем онлайн-операций огромен, а требования к случайным числам настолько велики, кинуть кости или вытащить цифры для них просто невозможно.

Ученые обратились к компьютерам, чтобы генерировать случайные числа, но так как компьютеры «в глубине души» являются детерминированными машинами (следуют правилам), то генерируемые компьютером случайные числа – вовсе не случайны. Если бы кто-то узнал алгоритм, по которому компьютер выбирает числа, а также начальное число, этот человек в теории мог бы предугадывать числа в последовательности. Последовательность выглядит случайной, но в реальности таковой не является. Вот почему компьютерные генераторы случайных чисел также известны как генераторы псевдослучайных чисел.

Однако ученые приблизились к созданию действительно случайных чисел с помощью устройств, изучающих такие физические явления, как радиопомехи, квантовое поведение фотонов и выделение тепла. Эти явления могут определить свою собственную случайность без алгоритмов, созданных человеком. Так как наше доверие к случайности растет вместе с доверием к Интернету, нам нужны все по-настоящему случайные числа, какие только возможны.

Случайные числа и лотерея

Генераторы случайных чисел – это не просто инструменты в руках ученых и математиков. Если вам нравится играть в лотерею, вы можете воспользоваться некоторыми сайтами, которые генерируют случайный выбор лотереи. Просто надо знать, что это не обязательно приведет вас к выигрышным числам.

В 1977 году дизайнеры Чарльз и Рэй Имзы выпустили фильм, где продемонстрировали широкий спектр размеров в нашем мире, начиная от царства крошечных атомов и заканчивая границами известной нам Вселенной. Фильм «Степени десяти» начинается с показа пары, отдыхающей в парке Чикаго. Камера расположена в метре над парой и вскоре начинает удаляться: каждые десять секунд камера отъезжает в десять раз дальше, чем она была до этого, и в следующем кадре показано в десять раз больше, чем в предыдущем. Вскоре зритель видит весь Чикаго, а потом и всю Землю. В конце концов, зритель покидает Солнечную систему и даже галактику Млечного Пути, путешествуя сквозь световые годы, чтобы увидеть структуру галактик во Вселенной.

Затем камера возвращается к паре и начинает приближаться, фокусируясь на руке мужчины. Теперь камера приближается в десять раз ближе каждые 10 секунд и в конце концов показывает протоны и нейтроны в ядре атома углерода в руке мужчины.

В целом путешествие охватывает 40 степеней десяти от 10–16 до 1024 метров. Путешествие стало возможным путем добавления нуля к концу шкалы измерения.

Гугол

Некоторые числа можно назвать, но для восприятия они слишком велики. Одно из таких чисел – гугол = 10100 или 1 и 100 нулей после нее. Название «гугол» было создано в 1938 году Милтоном Сироттой, 9-летним племянником математика Эдварда Каснера. Насколько гугол большой? Представьте, что общее количество элементарных частиц во Вселенной составляет примерно 1080.

Для большинства стран мира стандартной системой измерения является метрическая система. Метрическая система была изобретена во Франции в 1799 году и была предназначена заменить разные стандарты измерения в Европе, которые отличались в каждом городе, округе и стране. Метрическая система облегчает измерения, определяя стандартную цифру основных единиц – метр, килограмм и секунда, – и позволяет людям модифицировать их, добавив префикс. А так как префиксы основаны на кратных числах 10, метрическая система еще известна как десятичная система. Вот некоторые префиксы:

Микро = 1/1 000 000

Милли = 1/1000

Санти = 1/100

Деци = 1/10

Дека = 10

Гепта = 100

Кило = 1000

Мега = 1 000 000

Так, например, километр – это расстояние, равное 1000 метрам, миллиграмм – масса, равная 1/1000 грамма. Другие базовые метрические единицы включают в себя ампер для электрического тока; кельвин для термодинамической температуры; моль для количества вещества; и канделу для света.

Одним из самых захватывающих аспектов метрической системы является то, как собственно определяются базовые единицы. Давайте рассмотрим метр. Сначала стандартный метр был охарактеризован как 1/10 млн расстояния между экватором и Северным полюсом, измеренное через Париж. Но из расчетов было исключено небольшое уплощение кривизны Земли, то есть расчеты отклонялись на 0,2 мм (Земля не идеальный шар). Позднее в 1889 году метр был определен как длина определенного металлической перекладины из платины или иридия. Однако ученым было неудобно использовать такие стандарты, так как перекладина могла менять форму в разных температурах и деформироваться при неправильной поддержке; любая попытка определить температуру метровой перекладины и системы поддержки должна была бы опираться на метрические единицы, включая сантиметры. Но так как метровая перекладина должна быть стандартной метрической единицей длины, то измерение ее с помощью других метрических единиц просто невозможно.

В наши дни стандартный метр измеряется более универсальным образом: как расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299,792,458 секунды.

Английская система

Английская система отличается от метрической тем, что ее единицы измерения разрабатывались в Англии веками и включают в себя единицы, которые использовали древние римляне и англосаксы. Названия этих единиц довольно благозвучны и включают такие термины, как «драхма», «пинта», «хогсхед». Ну, а если вы разбираетесь в вине, то знаете, что 4,5-литровая бутылка называется Реобоам, а 15-литровая – Навуходоносор.