Далее мы попробуем рассмотреть простую задачу в этих аспектах и показать, как они помогают найти решение. Мы поговорим о квадратах натуральных чисел.

Наблюдение

Наблюдение зависит от наблюдателя. Наблюдая, мы можем распознать только то, что нам уже известно. Если мы хотим увидеть что-то неизвестное, нужно обращать внимание на все, что удивляет нас, и при этом два наблюдателя будут видеть одно и то же явление по-разному. Наблюдатель также обычно замечает изменения в привычной обстановке, но не может сказать, какие именно изменения произошли.

В любом случае и при любых обстоятельствах наблюдение — это не просто взгляд на вещи, это умственный процесс, итогом которого обычно является описание или объяснение увиденного.

В математике результатом наблюдений обычно являются закономерности. Какую закономерность можно увидеть, если взглянуть на квадраты первых натуральных чисел?

Взяв за основу ряд 1, 2, 3, 4, 5, …, мы создали ряд 1, 4, 9, 16, 23, … Какими особенностями обладает полученный ряд? Его члены не являются последовательными числами. Они кажутся случайными, однако были получены по определенному правилу.

Чтобы лучше понять полученное, снова обратим внимание на исходный ряд.

Почему мы говорим, что числа 1, 2, 3, 4, 3… являются последовательными? Потому что разница между каждым числом и соседним с ним всегда равна 1. Перенесем это наблюдение на второй ряд. Чему равны разности между его соседними членами?

Эврика! Разности между квадратами чисел — это нечетные числа: 1, 3, 5, 7, 9.

* * *

* * *

Интуиция

По результатам наблюдений можно интуитивно определить некое правило, которое можно будет подтвердить экспериментально.

Эксперимент

В число обязательных требований к эксперименту входят подконтрольность и воспроизводимость. В математике это легко исполнимо. Ничто не может помешать нам заново вычислить квадраты первых натуральных чисел.

Эксперимент подтверждает выявленную закономерность. Вычислив разницу между квадратами первых 13 натуральных чисел (включая 0), мы получили первые 12 нечетных чисел: 1, 3, 3, 7, 9, 11, 13, 13, 17, 19, 21, 23.

Гипотеза

Наша гипотеза заключается в том, что найденная закономерность выполняется для любой последовательности натуральных чисел. Здесь мы переходим от конечного к бесконечному, от частного к общему. Наша гипотеза будет формулироваться так:

Но как мы можем подтвердить эту гипотезу? Невозможно ведь провести эксперимент на всем бесконечном множестве натуральных чисел.

Аналогия

С другой стороны, возникает вопрос: понимаем ли мы на самом деле природу наблюдаемого явления? Вычисления показывают, что результаты должны подчиняться некоторой закономерности. Но понимаем ли мы ее? Понимаем ли мы, почему разность между квадратами соседних чисел обязательно является нечетным числом?

Здесь мы не хотим подтвердить или доказать гипотезу — мы хотим понять ее. Числа и вычисления говорят с нами, но их язык — это язык логики. Мы принимаем результаты вычислений, однако, возможно, не до конца понимаем истинную причину того, почему результаты выглядят именно так, а не иначе.

Прояснить причины увиденного, возможно, поможет аналогия. Что, если мы отставим в сторону идею о числе и будем рассматривать лишь квадраты? Ничто не мешает нам рассматривать эти геометрические фигуры. По сути, вторая степень, возведение в квадрат, имеет аналогию в геометрии. Квадратные числа называются так потому, что их можно представить следующим образом:

В чем разница между двумя «последовательными» квадратами? Что нужно добавить к данному квадрату, например, 25 = 5·5, чтобы превратить его в следующий квадрат, 36 = 6·6? Посмотрим.

Следующий квадрат получается, если добавить к 25 две полосы длиной в 5 единиц и еще один единичный квадрат, который располагается в углу. Иными словами, 36 = 25 + 2·5 + 1. Аналогично можно показать:

6²  = 36 = 25 + 2·5 + 1

5² = 25 = 16 + 2·4 + 1

4² = 16 = 9 + 2·3 + 1

З² = 9 = 4 + 2·2 + 1

2² = 4 = 1 + 2·1 + 1.

Мы обнаружили ключ к задаче. Разности между соседними квадратными числами всегда нечетны, потому что для построения следующего полного квадрата к предыдущему нужно добавить единичный квадрат.

Подтверждение

Мы хотим окончательно доказать нашу гипотезу, не проводя экспериментов над всеми натуральными числами и не используя геометрическую аналогию. Эксперимент и аналогия помогают сформулировать теорему или понять явление, но не позволяют подтвердить правильность полученного результата для всех квадратов.

Вернемся к исходному наблюдению в поисках достаточно убедительных аргументов. В последней таблице в ряду исходных чисел и в ряду их квадратов четные и нечетные числа чередуются. Иными словами,

четное² = четное;

нечетное² = нечетное.

Разность между четным и нечетным числом всегда будет нечетной:

четное — нечетное = нечетное;

нечетное — четное = нечетное.

Можно сделать вывод: разность между последовательными квадратными числами всегда будет нечетной. Должны ли мы принять этот вывод как окончательный?

Несомненно, мы совершенно убеждены в его истинности. Но выполнено ли это доказательство по всем правилам? Многие считают, что алгебраическое доказательство — более убедительное и независимое, чем интуитивное.

Пусть n — произвольное натуральное число. Следующим за ним, по определению, является n + 1. Возведем оба этих числа в квадрат и вычислим их разность:

(n +1)² — n² = n² + 2n + 1 — n² = 2n + 1.

Число 2n + 1 всегда будет нечетным, так как 2n четное для любого n. Следовательно, разность между квадратами соседних чисел всегда будет нечетным числом. Более того, последовательность разностей будет представлять собой последовательность всех нечетных чисел вида 2n + 1.

Те, кто полагает, что эти рассуждения более убедительны и их можно с большей уверенностью принять в качестве окончательного доказательства нашей гипотезы, могут посмотреть на них еще раз и убедиться, что они тождественны геометрическим рассуждениям, приведенным выше. Привычное использование n для обозначения любого натурального числа как бы уводит нас в сторону от интуитивно понятного геометрического доказательства, которое раскрывает суть проблемы.

Тот факт, что разность между (n + 2)² и n² равна 2n + 1, доказывает истинность гипотезы, а геометрическое доказательство помогает понять это. О подобном говорил Херш: формулу 2 + 2 = 4 можно доказать, применив аксиоматику и правила формальной логики, однако истинная причина убедительности этой формулы в том, что ее можно подтвердить, просто переставляя камни. На следующей схеме вкратце описан путь, по которому мы должны идти в математическом творчестве к его конечной цели — объяснению явлений.