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第16章 数学之最

最巨大的数学专著

公元前4世纪,古希腊数学家欧几里得写过一部《几何原本》,共有13卷,它成为不朽的经典著作流传至今。1939年,书架上突然出现了《数学原本》(第一卷)。好大的口气!作者是谁?署名是从未听说过的布尔巴基。这部书从那时起,到1973年,已出到第35卷,至今还没有写完。它是目前最巨大的数学专著。

布尔巴基是一个集体的笔名。本世纪20年代末,法国巴黎大学有几名大学生,立志要把迄今为止的全部数学,用最新的观点,重新加以整理。这几个初出茅庐的青年人,准备用3年的时间,写出一部《数学原本》,建立起自己的体系。这当然是过高的奢望,结果他们写了40年,至今还没有完成,但是布尔巴基学派却在这一过程中形成了。他们在数学界独树一帜,把全部数学看作按不同结构进行演绎的体系,因而以结构主义的思想蜚声国际,赢得了数学界的赞扬。布尔巴基学派甚至已经影响到中学教科书,我国近几年翻译的英、美、日本中学教材里,都有它的影子。

布尔巴基学派最初的成员有狄多涅和威尔等人,他们开始写《数学原本》时只是20来岁的青年,现在已经70开外,成为国际著名的数学教授了。

《数学原本》是一部有崭新体系的数学专著,而并非东拼西凑的数学百科全书,它以吸收最新数学成果并加以剖析而受到重视。近几年,《数学原本》的前几卷已重新修订,每卷又补充了近三分之一的新材料。这部巨著是用法文写的,现在已有英、俄、日等国文字的译本。翻译《数学原本》是一个巨大的工程,翻译成日文时,还曾专门成立了一个委员会。

最繁琐的几何作图题

早在古代,就有人能用直尺和圆规作出正三角形、正方形和正五边形了。可是,利用尺规来作正七边形或正十一边形或正十三边形的任何尝试,却都是以失败而告终。

这种局面持续了二千多年,数学家们猜想,凡是边数为素数的正多边形(如正七、正十一、正十三边形等)看来用圆规和直尺是作不出来的。但是在1796年,完全出乎数学界的意料之外,19岁的德国青年数学家高斯找到了用圆规和直尺来作边数为素数的正十七边形的方法。这个成就是如此辉煌,不仅使数学界为之轰动,而且也促使高斯把数学选为自己的终身职业。

五年以后,高斯又进一步宣布了能否作任意正多边形的判据。他证明了下面的定理:凡是边数为“费尔马素数”(即边数是2+1形状的数,而且还要是素数)的正多边形,就一定可以用尺规来作图。当n=2时,就是正十七边形;当n=3时,就是正二百五十七边形;当n=4时,就是正六万五千五百三十七边形……他还证明了,如果边数是素数,但不是费尔马素数的话(例如上面所提到过的正七边形,正十一边形等),那末这样的正多边形就不能用圆规和直尺来作出。

紧接在17以后的两个“费尔马素数”是257和65537。后来,数学家黎西罗果然给出了正二百五十七边形的完善作法,写满了整整80页纸。

另一位数学家盖尔美斯按照高斯的方法,得出了正六万五千五百三十七边形的尺规作图方法,他的手稿装满了整整一只手提皮箱,至今还保存在德国的著名学府哥庭根大学里。这道几何作图题的证明,可说是最为繁琐的了。

最精确的圆周率

圆周长与直径的比,称为圆周率,符号π,我国古代很早就得出了比较精确的圆周率。我国古籍《隋书·律历志》记载,南北朝的科学家祖冲之推算圆周率π的真值在3.1415926与3.1415927之间,他所得到的π的近似分数是密率355/113。德国人奥托在1573年才重新得出祖冲之密率355/113,落后了11个世纪。英国数学家向克斯穷毕生精力,把圆周率算到小数点以后707位,曾被传为佳话,但是他在第528位上产生了一个错误,因此后面的100多位数字是不正确的。

由于电子计算机的问世,圆周率计算的精确性的纪录一个接一个地被打破。就目前所知,人们已经计算到小数点后面100万位,这是由两位法国女数学工作者吉劳德与波叶算出的。1973年5月24日,她们利用7600CDC型电子计算机完成了这一工作,但直到同年9月才得到证实。所公布的100万位的圆周率的值是3.141592653589793……5779458151,如把这些数字印成一本书,这本书将足有200页厚,读者读这本书时一定会感到这是世界上最沉闷乏味的一本书。

1983年,日本东京大学的两位学者利用超高速的HITAC电子计算机,把π算到了16777216位,他们打算在不久的将来把计算位数再要翻一番,并最终突破1亿位大关。国际数学竞赛中得奖最多的国家1959年,罗马尼亚“物理数学学会”向东欧七国发出邀请,建议在布加勒斯特举行第一届国际数学奥林匹克。以后,每年比赛一次,从未间断。比赛的东道国大都是东欧国家,只有第十八届比赛是在奥地利举行的。

开始几年,参加者只是苏联和东欧一些国家。到1967年,英国、法国和瑞典也参加了;从1974年起,美国也开始参加。最近几届的参加国已有20个以上,其中亚洲国家有蒙古和越南。

根据历届比赛的统计结果,无论从团体总分以及获得一等奖的人数来看,苏联都名列第一,处于遥遥领先的地位。

苏联从1934年开始就举办数学竞赛。举办数学竞赛的地方,不仅有莫斯科、列宁格勒、基辅等大城市,甚至还有一些中小城市。

全苏数学竞赛的试题内容,也是从浅到深,各种程度的题目都有,所用的数学工具虽然简单,但往往需要过人的机智才能解决。苏联正是从大量数学爱好者中层层“筛选”而培养出尖子的。由于尖子们“身经百战”,因此在国际比赛中也就得分较多。

苏联的一些著名数学家,如概率论大师廓尔莫郭洛夫、数学分析专家欣钦等,也经常为全苏数学竞赛出一些妙趣横生、难度很大的题目。在比赛以前,还请各方面的专家为考生作若干次专题讲演。这些措施在培养一支高水平的数学后备军方面起了积极的作用。

最古老的数学文献

科学的萌芽可以追溯到几万年以前,零星的有关数学的考古发现也至少有5000年的历史了。但是现存的专门记录数学的比较系统的文献,当以公元前1700年左右的埃及草片文书为最古老。

古埃及人用墨水在一种纸莎草“纸”上记录各种文献,这种“纸”有的就是草叶,有的是把草的髓部紧压后再切成薄片。1858年,苏格兰古董商兰德在尼罗河边的小镇买下了一批草片文书,全部是数学文献,人称兰德草片,现藏在英国博物馆。1893年俄国的戈里尼晓夫也买到一批草片,后被称之为莫斯科草片。兰德草片中许多草片连在一起,称为草卷,最大的一卷高0.3米,长达5.5米。

在这些草片里有数学问题和解答。兰德草片中有85题,莫斯科草片中有25题,都是用象形文字写的。经过研究和翻译,发现草片文书已经有分数,能用算术解含一个未知量的一次方程或简单二次方程,会计算矩形、梯形和三角形的面积。例如兰德草片中的第63题是“把700块面包分发给4人,第一人是2/3,第二人1/2,第三人1/3,第四人1/4”。

和埃及草片文书的时间差不多的还有巴比伦人(在今伊拉克)的泥版文书,这是当胶泥未干时刻上字然后晒干保存下来的,但这种早期泥版保存下来的不多,远不如埃及草卷来得全面而系统。最高荣誉的数学奖闻名于世的诺贝尔科学奖中没有数学奖,所以国际数学家会议从1936年起颁发菲尔兹奖章,它是世界上最高的数学奖,同诺贝尔奖金一样享有国际盛名。

菲尔兹是加拿大数学家。1924年,国际数学家会议在加拿大多伦多举行,菲尔兹是会议的组织者,他倡议设立数学奖,并把会议剩余的经费作为基金。1932年,菲尔兹去世。同年,于苏黎世召开的国际数学家会议接受了菲尔兹的倡议。1936年,国际数学家会议在奥斯陆举行,第一次颁发了菲尔兹奖章。

国际数学家会议每四年举行1次,每次会议上把菲尔兹金质奖章授予那些对数学领域作出卓越贡献的人,一般每次授予2至4人。根据菲尔兹的倡议,不仅要奖励已获得的成果,而且要鼓励获奖者取得进一步的成就。这意味着奖章只能授予比较年青的数学家。到目前为止,共有24人获奖,都不超过40岁。这一点是和诺贝尔奖金不相同的。

最近的国际数学家会议是1978年在芬兰的赫尔辛基举行的。法国的德利涅(34岁)、美国的费弗曼(29岁)、奎林(38岁)、苏联的玛利古斯(32岁)四人获奖。玛利古斯在苏联国内不受重视,政府不批准他参加国际会议。当赫尔辛基会议宣布缺席授予玛利古斯菲尔兹奖时,全场起立,鼓掌致敬。

1982年颁布得奖的名单:法国的孔耐、美国的色斯顿以及中国的丘成桐。丘成桐是获得这项荣誉的第一位中国人,他1949年出生于广东,后去香港,在美国加州大学获博士学位,现为普林斯顿研究院教授。非欧几何的创始人欧几里得的《几何原本》至今仍然是中学平面几何的基石。《几何原本》共13卷,第一卷上有35条定义,5条公理和5条公设。这些公理和公设是全书的基石,其他的命题和定理都是这些定义、公理和公设的逻辑推理。

在5条公设中,前四条都容易验证,如两点之间可以连一直线。但是,第五公设“通过直线外一点,能并且只能作一条平行于原来直线的直线”很难验证。欧几里得本人也怀疑这一点,总是尽量避免引用它。因此在《几何原本》中,前二十八个命题的证明中没有用到第五公设;直到第二十九个命题时,不得不用第五公设。

能不能把第五公设删掉?能不能由其他公理、公设来证明第五公设?自公元5世纪来,探索这一问题的人历代不绝。1815年,罗巴切夫斯基开始研究第五公设,经过10年的冥思苦索,公开声明第五公设是不能用其他公设、公理证明的;并且采用了一条与第五公设相反的公理,即“经过直线外已知点至少可以作两条直线和已知直线不相交”。由其他原来的公设、公理和修改了的第五公设(即上面讲的公理)组成了新的公理体系。形成了新的非欧几何学,其严密性不亚于欧几里得几何。人们称新的几何学为罗巴切夫斯基几何。

从罗巴切夫斯基的公理体系出发,用逻辑推理的方法,可以得出与欧几里得几何截然不同的结果。如两平行线之间的距离不相等,三角形内角之和小于180°等。

高斯很早就提出了非欧几何的轮廓。但是,他生前始终没有发表这一成果。高斯的同学伏尔刚·鲍耶终身从事第五公设的证明,毫无成就,内心非常痛苦。他的儿子约·鲍耶继续钻研这一难题,终于在彼此独立的情况下,比罗巴切夫斯基迟几年发表非欧几何的成果。因此,约·鲍耶也成为非欧几何的创始人之一。

最大数字的表示法

在古代人的心目中,那些很大的数目字,如天上星星的颗数,岸边砂子的粒数,一场倾盆大雨落下的雨点数等等,他们无以名之,只好笼统地说是“不计其数”了。

首先提出记述庞大数字的人是公元前3世纪古希腊的数学家兼物理学家阿基米德,他在其名著《砂粒计数》中提出的方法,同现代科学中表达大数目字的方法很类似。他从当时古希腊算术中最大的数“万”开始,引进一个新数“万万”(亿)作为第二阶,然后是“亿亿”(第三阶单位),“亿亿亿”(第四阶单位)等等。

大乘佛教中也有许多表示巨大数字的名称,如“恒河沙”、“那由他”等等,最大的一个名叫“阿僧祗”,据说相当于10110。在英文中通常用centillion表示最大的数字,意思就是1的后面再加600个零。较此更大的数便得用文字来说明。有人还设计出一个单词milli-millimillillion,其意为10的60亿次方,也可叫Megiston,这个字普通用记号⑩来表示。但是因为这个数字实在太庞大了,所以已经没有什么实质的意义。目前可观察到的这部分宇宙(即总星系)中,质子和中子的全部总数也不过是1080而已!已故的美国哥伦比亚大学教授、数学家爱德华·卡斯纳创立了一个表示大数的词,叫做googol,它相当于10100。从1010到10100则称为googol群。

在数学界已为人相当熟悉的最大数字,根据其创用者的姓,取名为Skewes,这个数是10的10次方的10次方的3次方。首先提出的人史丘斯(Skewes)现任南非开普顿大学教授,他于1933年及1955年在两篇有关素数的论文中提到过它。

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