阿基米德-邪恶的数和友好的数.docx
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1、阿基米德-邪恶的数和友好的数现为麻省理工学院大学生的米歇尔弗里德曼,1985年在布鲁克林高中毕业 班就读时春风得意,获得了当年的威斯汀豪斯科学天才奖的第三名。为了他这一 获奖项目,他不想用海虾、果蝇或扁虫来弄脏自己的手,也不想处理随便任何一 个多年遗留下的理论上的问题。不,他只是挑选了堪称数学上最古老而未决的问 题来对付。那是困扰着古希腊人和自那以后的每个人的一个问题:即存在奇数完 全数吗?毕达哥拉斯及其好友认为,整数的完满性,即完全数是任何其所有除数之和 (该除数本身外)等于该数本身的整数。第一个完全数是6o它可被1、2和3 整除并且是1、2和3之和。第二个完全数是28o它的除数是1、2、4
2、、7和14, 这些数加起来为28o希腊人所知道的就是这些,尽管他们做过尝试,但没有发 现奇数完全数。圣经评论家注意到,完全数6和28反映在宇宙的结构中:上帝在6天内创 造了世界,月亮每28天绕地球一周。然而,使这些数字成为完全数的是其本身, 而不是凭经验所了解的世界的任何联系。圣,奥古斯丁是这样表述的:6本身是 一个完全数,并不是因为上帝在6天内创造了万物才如此;倒不如反过来说才对: 因为6是完全数,所以上帝在6天内创造了万物。即使不存在6天工作一说,6 依然会是个完全数。队数学的整个领域都极其散漫,坦普尔大学数学教授小彼得哈及斯说,我 研究完全数是出于闲散的好奇心,因为它可能是最古老的未决问
3、题。研究它也许 意义不大,然而这一问题如此古老,没有人认为对之进行研究完全是浪费时间。 如果这一问题是5年前第一次提出来的,那它是决不会令人感兴趣的。无论在哪一领域,达到完善总是很难的,偶数完全数也不例外。但是,人们 至少知道它们是存在的。我们已发现了 30个偶数完全数,最大的是一个由13 万位阿拉伯数字组成的庞然大物:2216,090 (2216,090-1) o也许第三H一个完 全数不会出现了,因为早在2300多年前数学家就已知道有无穷多的素数(即只 能被工和它本身整除的数),但在同一时期,他们却不能决定完全数是不是无限 的。要是在俄国茶室或四季咖啡馆里喝着可乐会见米歇尔弗里德曼我会很高
4、兴的,但他宁可让我们在斯替韦桑特中学他的校长办公室中见面,而该校是曼哈 顿数学家和科学家的中心。传说,爱因斯坦不能做加减运算,但可在睡梦中研究 高深的数学。米歇尔的情况也可以这么说。在选择我们会见时间这种简单的事情 中就体现了出来,因为这位杰出的小伙子不适于将中学时间一一第三节和第五 节一一转换成我们常人所遵照的小时和分钟。然而一旦我们真聚到了 一起,这 位腼腆的天才就口若悬河地谈论起来,一下成了使人兴趣盎然的人了。米歇尔告诉我:去年我为一位数学老师写一篇论文,我知道关于奇数完全 数的问题。这问题使我感兴趣,因为它很简单,可还没人找到答案。接着,米 歇尔首先回顾了完全数的历史。古人只知道4个完
5、全数,它们是:6, 28, 496和8, 128。欧几里得认识到 大概只有古希腊的神祗才晓得他是如何知道的完全数位数1.21(22-1)=612.22(23-1)=2823.24(25-1)=4964.26(27-1)=8, 128.80565.212(213-1)=33, 550, 336.10126.216(217-1)=8, 589, 869.,7.218(219-1)=137, 438, 691, 3288.230(231-1)=199.260(261-1)=3710.288(289-1)=5411.2106(2107-1)=6512.2126(2127-1)=7713.2520(25
6、21-1)=31414.2606(2607-1)=36615.21,16.22,17.22,18.23,19.24,20.24,21.29,22.29,23.211,24.219,25.221,26.223,27.244,28.286,278(21,279-1)=.770202(22,203-1)=.1, 327280(22,281-1)=.1, 373216(22,317-1)=.1, 937252(24,253-1)=.2, 561422(24,423-1)=.2, 663688(29,689-1)=,5, 834940(29,941-1)=5, 985212(211, 213-1)=36
7、(219, 937-1)=.6, 75112, 003700(221,208(223,496(244,242(286,701-1)=209-1)=497-1)=243-1)=13,13,26,51,06697379092479, 502130, 10029.2132, 048(2132, 049-1)=30.2216, 090(2216, 091-1)=这4个数是由公式2n-l (2n-l)当n=2, 3, 5和7时推出来的。算式如下: n = 2, 21 (22-1) =2 (3) =6n=3, 22 (23-1) =4 (7) =28n = 5, 24 (25-1) =16 (31) =4
8、96n = 7, 26 (27-1) =64 (127) =8, 128欧几里得看出,在全部的4个算式中,2n-l是素数(3, 7, 31和127)。 这种发现促使他证明一个重要的定理:当2n-l为素数时,那么公式2n-l(2n-l) 则得出偶数完全数。欧几里得的证明使得完全数理论有了一个兴旺的开端。但由于其他数学家的 短视,这一理论进展缓慢。许多思想精微的人自以为他们看出了数字模式,其实 这些数字并不存在。如果他们看得更远一点,他们就会发现这种模式是虚幻的。古人观察到,前4个完全数都是以6和8结尾的。进一步说,最后一个阿拉 伯数字似乎是6, 8, 6, 8地交替出现。所以有人推测,完全数最后
9、一个阿拉伯 数总会是6或8,并且它们会继续交替出现。第五个完全数一一古代人并不知道 的确是以6结尾的。但第六个完全数也是以6结尾的,这就打破了交替出现 的模式。然而,关于最后一个阿拉伯数字总是6或8这一点,古人还是正确的。今天,数学家可以研究30个完全数一一比古人多出7倍以上一一但他们还必须 找出尾数为6和8的模式。古人还观察到,第一个完全数有一位数字,第二位完全数有2位数字,第三 个有3位数,第四个有4位数。所以他们推测,第五个完全数会有5位数。在欧 几里得故去17个世纪后发现了第五个完全数,它赫然具有8位数:33,550,336o 并且位数继续迅速增多,以下3个完全数分别为8, 589,
10、869, 056; 137, 438, 691, 328;和 2, 305, 843, 008, 139, 952, 128。欧几里得证明了一旦2n-l是素数,那么2n-l (2n-l)就会得出一个完全数, 但他并没有说n的哪一个整数值会使2n-l成为素数。由于使2n-l为素数的前4 个n值为前4个素数(2, 3, 5, 7),可能有人推测:如n为素数,2n-l也会 是素数。那么,让我们来试试看第五个素数:Ho如n=ll, 2n-l则为2, 047, 而2, 047并非素数(它是23和89的积)。真实情况是:要使2n-l为素数,n 必须是素数,而n为素数并不就意味着2n-l是素数。事实上,对于
11、n的大多数 素数值来说,2nd并不是素数。由2n-l 一式得出的数列现在称作默塞纳数列,马林默塞纳是17世纪的巴 黎僧侣,他在尽僧职之余抽空进行数论的研究。根据欧几里得的公式,每发现一 个新的默塞纳素数,就会自动出现一个完全数。1644年,默塞纳自己说,213-1, 217-1和219-1这3个默塞纳数是素数(8, 191; 131, 077和524, 287)。这位 僧侣还声称267-1这个巨大的默塞纳数会是位素数。在250多年的时间里,没有 人对这一大胆的声言提出疑问。1903年,在美国数学协会的一次会议上,哥伦比亚大学教授弗兰克纳尔 逊科尔提交了一篇慎重的论文,题为:论大数的分解因子。数
12、学史家埃里克,坦 普贝尔记下这一时刻所发生的事:一向沉默寡言的科尔走上台去,不言不语地 开始在黑板上计算267。然后小心地减去1,得出21位的庞大数字:147, 573, 952, 589, 676, 412, 927。他仍一语不发地移到黑板上的空白处,一步步做起了乘法运算:193, 707, 721x761, 838, 257, 287两次计算结果相同。默塞纳的猜想一一假如确曾如此的话一一就此消失在数 学神话的废物堆里了。据记载,这是第一次也是惟一的一次,美国数学协会的一 位听众在宣读论文之前向其作者热烈欢呼。科尔一声不吱在他座位上坐下。没人 向他提任何问题。在欧几里得证明他的公式总是得出偶
13、数完全数的大约2, 000年之后,18世 纪的瑞士数学家伦纳德尤勒证明,该公式将得出全部的偶数完全数。这样,我 们就可以用另一种方式提出奇数完全数问题:是否存在不是由欧几里得公式得出 的完全数呢?为弄清最近取得的进展,年轻的米歇尔弗里德曼埋头翻阅过期杂志:计 算数学、数论杂志、数学学报及一堆决不会在咖啡桌上看到的其他期 刊。他甚至参阅理查德盖伊的艰深的经典著作数论中的未决问题,该书不 仅讨论完全数,而且还探讨十几个其他神秘专题:近超完全数、友谊图表、 优雅图、贪婪规则系统、纽环游戏、达文波特-施尼茨尔系列、半友善数、 友善数和不可接触数。米歇尔知道,困于这一棘手问题的数论学家们验明:如果真有奇
14、数完全数存 在的话,所必须具备的各类特征有:它必须被至少8个不同的素数整除,其中最 大的一定要大于300, 000,次大的也要大于1, 000。如果奇数完全数不能被3 除,它至少应被11个不同的素数整除。此外,当一个奇数完全数除以12时,它 应有余数1;当它除以36时 它的余数应该是9。我们从这些验证中能得出什么结论呢?对奇数完全数的限制越多,奇数完全 数存在的可能性就越小。1973年,彼得哈吉斯运用这样的限制条件并借助于计 算机肯定地证明了 1050以下没有奇数完全数。米歇尔从盖伊的书中看到,自1973 年以来,其他数论家渐渐地把奇数完全数不可能存在的上限推到10100,尽管 有人对后面这一
15、证明表示怀疑。既然与盖伊一样有权威的人对这些证明提出质疑,米歇尔决定重新研究更低 限问题。他运用IBMPC机及一组限制因素,包括一些文献中极少提到的来自印 度的限制因素,证明在1079之下不存在奇数完全数,1079有8个素数因数一一 这是一个奇数完全数所能有的最少的素数因数的数目。米歇尔说:我在论文中只是引用了盖伊的话:以前(关于奇数完全数低限 很高)的证明是可疑的。当我参加威斯汀豪斯决赛时,我决定检查其他一些证明, 但没有发现它们可疑的原因。因此,我给盖伊打了电话,他告诉我,数学家不喜 欢由计算机做出的证明,因为你没法知道:编程序的人出继漏了吗?计算机出故 障了吗?“即使该计算机的计算错误(
16、比如说在别的计算机上)被检查出来,但由于那 些证明本身常常很长并且很复杂,因而除了原作者没人对它们一步步地仔细加以 审查。只有哈吉斯的证明(整整长达83页!)曾由其他数学家全面地审查过, 并宣布为有充分根据。米歇尔哧哧地笑了,他不无骄傲地说:我的证明也是可疑的。威斯汀豪斯 的人们不是没有理解就是满不在乎。就我所知,没人真正审阅过我的论文。根据他的论文及其他辅助材料,米歇尔成了从多达1, 100名参赛者中选出 的40名威斯汀豪斯决赛选手之一。他们40人被召到华盛顿,在那儿决出10位 优胜者。米歇尔解释说:一旦你来到华盛顿,那几乎就不是根据你的论文来看 了。一组科学家对你进行面试,他们会问:你如何
17、测出太阳与地球间的距离? 你如何测出华盛顿纪念碑的高度?有一女孩说:用卷尺测量。有位科学家领带 上面附有半张元素周期表,他就元素周期表问题向每个人提问。有些人注意到了 领带并径直读出答案。我不这样,因此我不得不记住氧的质子数及电子层数。米歇尔补充说:向我们提问的还有一位精神病医生。我吃了一惊。当我 谈到精神病医生时,人们都感到吃惊。他向人们询问他们的家庭生活。威斯汀豪 斯想发现未来的诺贝尔奖获得者。那才是他们的大事。他们希望在前10名中有 未来的诺贝尔奖获得者。米歇尔解释说,过去有5名威斯汀豪斯决赛选手(一 年有40个,并且这种竞赛一直进行了 44年)获得诺贝尔奖,但这5人之中,只 有1人是前
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