那些神秘的数学常数

    我一直觉得,数学中的各种常数是最令人敬畏的东西,它们似乎是宇宙诞生之初上帝就已经精心选择好了的。那一串无限不循环的数字往往会让人陷入一种无底洞般的沉思——为什么这串数字就不是别的,偏偏就是这个样呢。除了那些众所周知的基本常数之外,还有很多非主流的数学常数,它们的存在性和无理性同样给它们赋予了浓重的神秘色彩。今天,就让我们一起来看一看,数学当中到底有哪些神秘的无理常数。

 
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    古希腊的大哲学家 Pythagoras 很早就注意到了数学与大千世界的联系,对数学科学的发展有着功不可没的贡献。他还创立了在古希腊影响最深远的学派之一—— Pythagoras 学派。 Pythagoras 学派对数字的认识达到了审美的高度。他们相信,在这个世界中“万物皆数”,所有事物都可以用整数或者整数之比来描述。
    第一个无理数 √2 的发现者就是一位 Pythagoras 学派的学者,他叫做 Hippasus 。据说,一日 Hippasus 向 Pythagoras 提出了这样的问题:边长为 1 的正方形,对角线长度能用整数之比来表示吗? Pythagoras 自己做了一些思考,证明了这个数确实无法用整数之比来表示。由于这一发现触犯了学派的信条,因此 Pythagoras 杀害了 Hippasus 。
    利用勾股定理可知,这个数是方程 x^2 = 2 的唯一正数解,我们通常就记作 √2 。 √2 可能是最具代表性的无理数了,我们之前曾经介绍过很多 2 的无理性的证明。无理数的出现推翻了古希腊数学体系中的一个最基本的假设,直接导致了第一次数学危机,整座数学大厦险些轰然倒塌。
    无理数虽说无理,在生产生活中的用途却是相当广泛。例如,量一量你手边的书本杂志的长与宽,你会发现它们的比值就约为 1.414 。这是因为通常印刷用的纸张都满足这么一个性质:把两条宽边对折到一起,得到一个新的长方形,则新长方形的长宽之比和原来一样。因此,如果原来的长宽比为 x : 1 ,新的长宽比就是 1 : x/2 。解方程 x : 1 = 1 : x/2 就能得到 x = √2

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100个囚犯和灯泡的那些事儿(上)

    说有 100 个囚犯分别关在 100 间牢房里。牢房外有一个空荡荡的房间,房间里有一个由开关控制的灯泡。初始时,灯是关着的。看守每次随便选择一名囚犯进入房间,但保证每个囚犯都会被选中无穷多次。如果在某一时刻,有囚犯成功断定出所有人都进过这个房间了,所有囚犯都能释放。游戏开始前,所有囚犯可以聚在一起商量对策,但在此之后它们唯一可用来交流的工具就只有那个灯泡。他们应该设计一个怎样的协议呢?

    这个经典的问题在网上转载无数,题目描述被好事者们改得天花乱坠,甚至加进了“这盏灯永远有充足的能源供应”、“如果灯泡坏了或是电路出了故障会马上修好”等条件,剥掉了“算法问题”的外壳,填补了本不存在的漏洞,让更多的人动起了脑筋。在论坛上,每次贴出这个问题,总会引起一大群人的口水战。但很不幸的是,这个题目的来源至今仍是个谜。据目前的已知情况推测,这个题目最早来源于 Berkeley 的电气工程荣誉学会,时间大概是 2001 年。在 2002 年的 7 月, IBM 的 Ponder This 趣题栏目介绍这个题目,囚犯与灯泡一炮走红,随即遍布网络的各个角落。 2003 年, The Mathematical Intelligencer 杂志上发表了一篇题为 One hundred prisoners and a lightbulb 的论文,也让囚犯们正式引起了数学家们的关注。

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Sangaku:颇具神秘色彩的几何游戏

    在几百年前的日本,人们定期用猪牛等牲口祭祀天神,以表达对上天恩赐的感谢。但这种祭祀方式花费很大,于是日本人想到在木板上刻画牲口的图案,然后挂在寺庙里祭祀上天。有一天,一位日本武士开始设想:除了猪牛羊马以外,我们还可以在木板上画点其它东西。他开始画一些原创的、美观的、有新意的图案献给天神。他用数学来祭祀,向上天表示自己的聪明才智。

    人们陆续在日本的寺院里发现了数百个这样的木板,上面写有各种几何问题和定理。后人把这些刻有数学问题的木板叫做Sangaku。木板上的文字大都是古代汉字,这些文字多是对图案的描述,不过现在已经很难理解了。一位叫做Hidetoshi Fukagawa的日本数学教师一直致力于搜寻、翻译和研究Sangaku。最近,Fukagawa和Princeton大学的Tony Rothman合作完成了一本叫做Sacred Mathematics的书,书里详细介绍了Sangaku的完整历史,还有不少的Sangaku照片第一次走出了日本。
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Benjamin Franklin的另类幻方

    Benjamin Franklin是一个与Leonardo da Vinci同样神秘的人,他是一个伟大的物理学家、发明家、文学家、实业家、政治家、思想家、社会活动家。他一生中留下了许多的迷,电影National Treasure里提到的绝大多数关于Benjamin Franklin的事情都是真的。刚出版的一本名为Benjamin Franklin's Numbers: An Unsung Mathematical Odyssey的书中提到,人们还长期忽视了Benjamin Franklin的一些数学成就。Franklin曾计算过战争的经济开销,曾做过人口数预计,这都是没有先例的。其中,最有趣的数学创造还是要数Franklin的“另类幻方”。
    一个3×3的幻方是这样的一个九宫格,格子里写有1到9这9个数字,每一行、每一列和两条对角线上的三个数加起来都是一个相同的数。当然,更大一些的幻方也是存在的,例如你可以用前16个正整数排列成4×4的幻方。Franklin发明了一些另类的幻方,它的要求更加严格,但看上去似乎更有意思一些。Franklin在一封信中写道:“我不满足于这些普通的幻方,这都是很普遍、很简单的东西了。我给我自己强加了一些任务,然后成功地创造出了一些具有其它各种性质的幻方,它们看上去更加神奇。”Franklin创造了下面这个8×8的幻方,每种颜色的数字加起来都等于260,不同寻常的是,你有至少六种方法去解读它。
  

    更牛B的是Franklin的16×16幻方,他称它为“史上最神奇的幻方”。在这个幻方中,每一行、每一列和每一个“/”形区域内的数字和都是2056。更不可思议的是,每一个4×4的子正方形内的数字之和也是2056 !
  

    Franklin仍不感到满足。Franklin想,既然有“幻方”,为什么没有“幻圆”?于是Franklin构造出了下面这个图形。这个图形里,每一条半径、每一个同心圆和图中画出的每一个偏心圆内的数字加起来都是360。
  

    你可以从下面这个图中看出上图的偏心圆是怎么画出来的。
  

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