第二章 自然数与人工数 (1/2)

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    一、最纯粹的数学

    数学通常被人们尤其是数学家们誉为科学的女皇。既然是女皇，自然要力图避免与其他知识分支扯上关系。比如在一次“纯粹数学与应用数学联席会议”上，希尔伯特应邀作一次公开演讲，以帮助消除这两种数学家之间的敌意，他是这样说的：

    我们常常听说，纯粹数学与应用数学是彼此敌对的。事实并非如此。纯粹数学和应用数学并非彼此敌对。它们过去不曾敌对，将来也不会敌对。它们不可能彼此敌对，因为两者其实毫无共同之处。

    然而，尽管数学喜欢保持纯粹，并尽力远离其他科学，但其他科学尤其是物理学，却极力同数学“亲善”。事实上，纯粹数学的几乎每一个分支现在都被用来解释物理世界的某个特征。这包括抽象群理论、非交换代数、非欧几何等一直被认为最为纯粹、绝不可能付诸应用的学科。

    但迄今为止，除了起智力训练的作用以外，还有一个巨大的数学分支成功地保持住了自己的无用性，它真可以被冠以“纯粹之王”的名号呢。这就是所谓的“数论”（这里的数指整数），它是纯粹数学思想最古老也最复杂的产物之一。

    说来也怪，从某种角度来讲，数论这种最纯粹的数学竟然又可以称为一门经验科学，甚至是一门实验科学。事实上，它的绝大多数命题都是通过尝试用数来做不同的事情而提出的，就像物理学定律是通过尝试用物体来做不同的事情而提出的一样。此外，数论的一些命题已经“在数学上”得到了证明，而另一些命题还停留在纯粹经验的阶段，至今仍在考验最出色数学家的能力，这一点也和物理学一样。

    让我们以质数问题为例来说明这一点。所谓质数，是指那些不能用两个或两个以上更小整数的乘积来表示的数，比如 2，3，5，7，11，13，17等就是这样的数。而比如12可以写成2×2×3，所以就不是质数。

    质数的数目是无限的呢，还是存在着一个最大的质数，凡是比这个数更大的数都可以表示成已有质数的乘积呢？这个问题最早是欧几里得（Euclid）解决的，他简单而优雅地证明了并不存在什么“最大的质数”，质数的数目超出了任何限度。

    为了考察这个问题，让我们暂时假定只知道有限个质数，其中最大的用N表示。现在我们把所有已知的质数都乘起来，再加上1，把它写成以下形式：

    （1×2×3×5×7×11×13×…×N）+1。

    这个数当然比那个据称的“最大质数”N大得多。但它显然不能被我们的任何一个质数（到N为止，包括N在内）除尽，因为从这个数的构造方式可以看出，拿这些质数中的任何一个来除它，都会留下余数1。

    因此，这个数要么本身也是一个质数，要么必定能被一个比N更大的质数整除。而这两种情况都与我们最初假设的N是最大的质数相矛盾。

    这种证明方式被称为归谬法，是数学家最爱用的工具之一。

    图9

    一旦知道质数的数目是无限的，我们自然会问，是否有什么简单的办法可以把它们一个不漏地挨个写出来。古希腊哲学家和数学家埃拉托色尼（Eratosthenes）最早提出了这样一种方法，即所谓的“筛法”。你只需将完整的自然数列 1，2，3，4…写下来，然后相继删去所有2的倍数、3的倍数、5的倍数，等等。图9显示了将埃拉托色尼的“筛法”用于前100个数的情况，其中总共有26个质数。通过使用这种简单的筛法，我们已经制作了10亿以内的质数表。

    倘若能设计出一个公式，可以迅速地自动找到所有质数而且仅仅是质数，那该多方便啊。可惜，经过数个世纪的努力，我们仍然没有找到这样的公式。1640年，著名的法国数学家费马（Pierre Fermat）认为自己已经设计出了一个只产生质数的公式：22n+1，其中n取1，2，3，4等自然数的值。

    运用这个公式，我们得到：

    221+1=5，

    222+1=17，

    223+1=257，

    224+1=65537。

    这几个数的确都是质数。但在费马宣布这个公式之后大约一个世纪，德国数学家欧拉（Leonard Euler）证明，费马的第五个数225+1=4 294 967 297并非质数，而是6 700 417与641的乘积。于是，费马这个演算质数的经验规则被证明是错误的。

    还有一个引人注目的公式也可以产生许多质数。这个公式是：

    n2-n+41，

    其中n也取1，2，3等自然数的值。人们已经发现，在n取1到40之间某个数的情况下，用上述公式都能产生质数。可惜到了第41步，这个公式也不管用了。

    事实上，

    (41)2-41+41＝412＝41×41，

    这是一个平方数，而不是质数。

    人们还尝试过另一个公式：

    n2-79n+1601，

    在n取从1到79之间的某个数时，这个公式都能产生质数，然而当n＝80时，它又失效了！

    于是，寻找只产生质数的普遍公式的问题仍然没有得到解决。

    尚未得到证明也没有被否证的数论定理的另一个有趣例子是1742年提出的所谓“哥德巴赫猜想”。它说：每一个偶数都能表示成两个质数之和。从一些简单的例子很容易看出它是对的，比如12=7+5，24=17+7，32=29+3。但数学家们虽然就此作了大量研究，却依然不能确凿地证明这个命题是对的，也找不出一个反例来否证它。直到1931年，苏联数学家施尼雷尔曼（Schnirelmann）才朝着所期望的证明成功地迈出了建设性的第一步。他证明，每一个偶数都是不多于300 000个质数之和。后来，“300 000个质数之和”与“2个质数之和”之间的差距被另一位苏联数学家维诺格拉多夫（Vinogradoff）大大缩短了。他把史尼雷尔曼的结论减少到“4个质数之和”。但是从维诺格拉多夫的“4个质数”到哥德巴赫的“2个质数”，这最后的两步似乎最难迈过去。我们不知道究竟需要几年还是几个世纪，才能最终证明或否证这个困难的命题。

    由此可见，要想导出能够自动给出小于任意大的数的所有质数的公式，我们还有很远的路要走，我们甚至不确定究竟能否导出这样的公式呢。

    现在，我们也许可以问一个更为谦卑的问题：在给定的数值区间内，质数所占的百分比有多少。随着数变得越来越大，这个百分比是否大致保持恒定？如果不是，它是增大还是减小？我们可以通过查找不同数值区间内的质数数目来经验地回答这个问题。我们发现，100以内有 26个质数，1 000以内有168个，1 000 000以内有78 498个，1 000 000 000以内有50 847 478个。把这些质数数目除以相应的数值区间，我们便得到了下面这张表：

    数值区间

    1~N

    质数数目

    比率

    偏差（%）

    1~100

    26

    0.260

    0.217

    20

    1~1 000

    168

    0.168

    0.145

    16

    1~106

    78 498

    0.078 498

    0.072 382

    8

    1~109

    50 847 478

    0.050 847 478

    0.048 254 942

    5

    从这张表上首先可以看出，随着数值区间的扩大，质数的相对数目在逐渐减少，但并不存在质数的终点。

    有没有什么简单的办法能对质数在大数当中所占百分比的这种减小做出数学表示呢？有的，而且支配质数平均分布的法则堪称整个数学中最引人注目的发现之一。这条法则说：从1到任何更大的数N之间质数所占的百分比近似由N的自然对数的倒数所表示。11N越大，这种近似就越精确。

    从上表的第四栏可以查到N的自然对数的倒数。将它们与前一栏的值对比一下，就会看到两者非常接近，而且N越大就越接近。

    和其他许多数论命题一样，上述质数定理起初也是凭经验发现的，而且长时间得不到严格的数学证明。直到19世纪末，法国数学家阿达马（Jacques Solomon Hadamard）和比利时数学家普桑（de la Vallée Poussin）才终于证明了它。其证明方法太过繁难，这里就不去解释了。

    既然讨论整数，就不能不提到著名的费马大定理，尽管这个定理与质数的性质并无必然联系。这个问题可以追溯到古埃及，那里的每一个好木匠都知道，一个三边之比为3:4:5的三角形必定包含一个直角。事实上，古埃及人正是把这样一个三角形（现在被称为埃及三角形）用作木匠的曲尺。

    公元3世纪时，亚历山大里亚的丢番图（Diophantes）开始思考这样一个问题：是否只有3和4这两个整数才满足其平方和等于另一个整数的平方？他证明，还有其他三个一组的整数（事实上有无穷多组）具有这样的性质，并且给出了找到这些整数的一般规则。这些三边均为整数的直角三角形被称为毕达哥拉斯三角形，埃及三角形是其中第一个。构造毕达哥拉斯三角形的问题可以简单地表述成解代数方程

    x2+y2=z2，

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