Аннотация: В работе дан ответ на вопрос:существует ли Актуальная бесконечность.
Решение двадцать четвёртой проблемы Гильберта.
I.
Четвёртого июня 1925 года Давид Гильберт на съезде математиков, организованном вестфальским математическим обществом в Мюнстере в память Карла Вейерштрасса, выступил с докладом "О бесконечности".
Так к списку из 23-х нерешённых задач математики, озвученном им же на II Международном математическом конгрессе в Париже в 1900 году, добавилась 24-я проблема.
Бесконечна ли бесконечность? Именно с математической точки зрения.
Со времён Аристотеля бесконечность была разделена на потенциальную бесконечность и актуальную бесконечность.
Яркий представитель потенциальной бесконечности - натуральный ряд чисел:
1, 2, 3, 4, .... , K, ...., L, ... , M, ..., ... N, N+1, N +2, ...., ∞.
А существует ли Актуальная бесконечность?
О её существовании говорят парадоксы Галилео Галилея и Бернарда Больцано, теория множеств Георга Кантора.
Рассмотрим одно из "доказательств" существования Актуальной бесконечности на основе высшей математики.
Известна сумма первых натуральных чисел: S1 = N * (N +1) / 2,
где N - какое-либо натуральное число;
где S1 - сумма числового ряда, составленного из первых членов натурального ряда.
Известна сумма квадратов первых натуральных чисел: S2 = N * (N +1) * (2N + 1) / 6,
где S2 - сумма числового ряда, составленного из квадратов первых членов натурального ряда.
Известна сумма кубов первых натуральных чисел: S3 = N2 * (N + 1)2 / 4 = (S1)2,
где S3 - сумма числового ряда, составленного из кубов первых членов натурального ряда.
Если ряд, составленный из кубов натуральных чисел:
13 + 23 + 33 + 43 + .... + N3 = S3
равен квадрату ряда натуральных чисел:
(1 + 2 + 3 + 4 + .... + N)2 = (S1)2,
то можно предположить, что сумма ряда, составленного из членов натурального ряда в какой-либо степени n равна сумме ряда, составленного из тех же натуральных чисел, но уже в меньшей степени и так далее. Получается, что ряды сходятся.
Для доказательства воспользуемся формулой интегрирования:
∫ Nn dN = Nn+1 / (n +1)
Для более наглядного примера используем следующую формулу: ∫ Nn-1 dN = Nn / n
∑ Nn-1 = 1n-1 + 2n-1 + 3n-1 + .... + Nn-1 = Sn-1,
где 1, 2, 3, ... , N - натуральные числа;
n - степень, в которую возводятся натуральные числа
Sn-1 = ∑ Nn-1 - сумма ряда, составленного из членов натурального ряда в n-1 степени.
1n-1 + 2n-1 + 3n-1 + .... + Nn-1 = Sn-1
Sn-1 = (Nn / n) = Nn-1* N / n
Sn-1 / Nn-1 = N / n
При n = N →∞ Sn-1 / Nn-1 = N/N = 1
Следовательно, существует предел, к которому стремится отношение суммы числового ряда, составленного из членов натурального ряда в n-1 степени, к последнему из членов этого ряда, и этот предел стремится к единице.
На основе одного из парадоксов Галилея: "более длинный отрезок не содержит больше точек, чем более короткий", - можно доказать, что вся Вселенная сходится в одну точку, а точка становится всей Вселенной.
Возьмём треугольник ABC: основание треугольника - AC, стороны треугольника - AB и BC. Произвольно соединим стороны AB и BC отрезком DE. Вершину B соединим отрезками B1 и B2 с основанием AC.
На основании AC находятся четыре точки: A, 1, 2, C и на отрезке DE - четыре точки. Если на основании AC расположено бесчисленное множество точек, соответственно, на отрезке DE точек будет такое же количество.
На этом доказательство почему-то заканчивается. Но мы продолжим наши рассуждения.
Известно: на основании и на сторонах треугольника расположено бесчисленное количество точек, которые по определению не имеют ни длины, ни площади, ни объёма.
Однако можно смело утверждать, что стороны и основание треугольника имеют как бесчисленное количество точек, так и всего одну, в которой они сходятся.
Все точки основания AC сходятся в вершину B и становятся одной точкой B. Правда точка AC теперь будет иметь длину ac. То же самое можно сказать о других сторонах треугольника.
Кроме того, можно сказать, что все бесчисленные точки, находящиеся внутри треугольника ABC сходятся в вершине B, и таким образом, все точки треугольника ABC превращается в одну точку B, площадь которой равна площади всего треугольника.
От треугольника можно перейти к кубу, к любому другому объёмному телу.
В любом случае безразмерная точка становится или осязаемым телом или в безразмерную точку сходится всё.
Эти два примера говорят о том, что просто так утверждать, что Актуальной бесконечности не существует, - нельзя.
Таким образом, чтобы однозначно ответить на вопрос: существует ли Актуальная бесконечность или нет, - надо всего лишь подсчитать, измерить бесконечность.
Или соизмерить бесконечность с чем-то бесконечным, но известным. Найти тот предел, который ограничивает как бесконечный натуральный ряд чисел, так и все множества счётные и несчётные.
II.
Приступим к решению этой задачи.
Итак, имеем натуральный ряд чисел:
1, 2, 3, 4, .... , K, ...., L, ... , M, ..., ... N, ....
Ряд, составленный из квадратов членов натурального ряда чисел:
Чему равен предел отношений S2n-1 / N2n-1: ½ или ½ ℮?
Но что есть ℮?
Леонард Эйлер ввёл обозначение числа ℮. Но он не сказал, что ℮ - число, ℮ всего лишь предел, который он и назвал буквой "℮".
Второй замечательный предел математики.
℮ = (1 + 1 / n)n = 2,711365504332330
℮ = (1 + 1 / n)n = (1 + 1 / N)N = (1 + N)N / NN
Обозначим буквой E выражение (1 + 1/N)N, то есть
E = (1 + 1/N)N.
E - функция. Каждому значению числа N соответствует определённое значение E.
EN = F (N).
При N → ∞ E = ℮
В то же время, сумма конечного числа ряда, составленного из последовательных натуральных чисел, то есть арифметическая прогрессия- S1 - равна половине произведения конечного числа на следующее за ним, то есть:
S1 = N * (N + 1) / 2,
Соответственно, (S1)N = (N * (N + 1) / 2)N = NN * (N + 1)N / 2N,
тогда NN = [2S1 /(N + 1)]N или NN = [2S1 /(N + 1)]N,
то ℮ = E = (1+1/N)N *N2N / N2N = (1+N)N * NN/N2N = 2N *( S1)N /N2N,
следовательно, при N →∞: ℮ = 2N *( S1)N /N2N (8)
или ℮ = 2N/N *( S1)N /N2N-1 (8a)
или ln ℮ = N * ln 2 + N * ln S1 - 2N * ln N
N * ln 2 + N * ln S1 - 2N * ln N = 1
N * ln 2 + N * ln N + N* ln (N + 1) - N* ln 2 - 2N * ln N = 1
N * (ln (N + 1) - ln N) = 1
ln (1 + 1 / N) = 1 / N
℮1/N = (1+ 1 / N)
℮ = (1 + 1 / N)1/N
Соответственно, при S2n-1 / N2n-1 = ℮ / 2 = 2N *( S1)N /(2*N2N) =
Будем считать, что подготовительная работа закончена и приступим к непосредственным вычислениям.
Считаем, что
|S1| = 11 + 21 + 31 + ... + N1 = ∑N1
|S2| = 12 + 22 + 32 + ... + N2 = ∑N2
|S3 | = 13 + 23 + 33 + ... + N3 = ∑N3
|S4| = 14 + 24 + 34 + ... + N4 = ∑N4
........................................
|Sn| = 1n + 2n + 3n+ ... + Nn
то есть суммы рядов, полученные при непосредственном подсчёте чисел.
Соответственно,
S1 = ∫ dN = N2 / 2
S2 = ∫ N2 dN = N3/ 3
S3 = ∫ N3 dN = N4/ 4
S4 = ∫ N4 dN = N5/ 5
........................................
Sn = ∫ Nn dN = Nn+1/ (n+1)
то есть суммы рядов, полученные расчётным путём с помощью формул:
S2n-1 = (Sn-1)2 * n/2 (1)
S2n-1 = (S₁)n * 2n / 2n (2)
Из формулы (2) получается следующая формула:
S2n-1 / N2n-1 = N /2n *(1 + 1/N)n (10)
S2n-1 / N2n-1 = N /2n * E (11)
Благодаря этой формуле можно подсчитать отношение S2n-1 / N2n-1 при любом значении N от N = 0 до N = ∞.
При n = N, S2n-1 / N2n-1 = 1 /2 * E
Расчёты будем проводить табличным способом и результаты расчётов сведём в таблицы.
Таблица ?1. Отношение рассчитанных по формулам сумм числовых рядов, составленных из членов натурального ряда, возведенных в 2n - 1 степень, к суммам натурального ряда, возведённых в n степень, отношение S2n-1 / (S1)n.
Таблица ? 2. Отношение рассчитанных по формулам сумм числовых рядов, составленных из членов натурального ряда, возведенных в 2n - 1 , к членам натурального ряда, возведённых в 2n - 1 степень, отношение S2n-1 / N2n-1.