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连续统假设之迷

(注:文中将阿拉夫零记为alf(0),阿拉夫一记为alf(1),依次类推…)

由于alf(0)是无穷基数,阿拉夫是有异于有限运算的神奇运算,因而,以下的结果也不足为怪:

alf(0)+ 1 = alf(0)

alf(0) + n = alf(0)

alf(0) + alf(0) = alf(0)

alf(0) × n = alf(0)

alf(0) × alf(0) = alf(0)

alf(0)是自然数集的基数。一个无穷基数,只要是可数集,其基数必为alf(0)。由可排序性,可知如整数集、有理数集的基数为alf(0);或由它们的基数为alf(0),得它们为可数集。而实数集不可数(可由康托粉尘线反证不可数)推之存在比alf(0)更大的基数。乘法运算无法突破 alf(0),但幂集可突破:2alf(0) = alf(1)

可以证明实数集的基数card(R) = alf(1)。进而,阿拉夫”家族”一发而不可收:2alf(1) = alf(2); 2alf(2) = alf(3); ……

alf(2)究竟有何意义?人们冥思苦想,得出:空间所有曲线的数目。但而后的alf(3),人类绞尽脑汁,至今为能道出眉目来。此外,还有一个令人困惑的连续统之迷:“alf(0)与alf(1)之间是否还存在另一个基数?”

公元1878年,康托提出了这样的猜想:在alf(0)与alf(1)之间不存在其它的基数。但当时康托本人对此无法予以证实。

公元1900年,在巴黎召开的第二次国际数学家会议上,德国哥庭根大学教授希尔伯特提出了举世闻名的23个二十世纪须攻克的数学问题中,连续统假设显赫的排在第一个。然而这个问题的最终结果却是完全出人意料的。

公元1938年,奥地利数学家哥德尔证明了“连续统假设决不会引出矛盾”,意味着人类根本不可能找出连续统假设有什么错误。1963年,美国数学家柯亨居然证明了:“连续统假设是独立的”,也就是说连续统假设根本不可能被证明。

费马大定理

17世纪的一位法国数学家,提出了一个数学难题,使得后来的数学家一筹莫展,这个人就是费马(1601——1665)。

这道题是这样的:当n>2时,x^n+y^n=z^n没有正整数解。在数学上这称为“费马大定理”。为了获得它的一个肯定的或者否定的证明,历史上几次悬赏征求答案,一代又一代最优秀的数学家都曾研究过,但是300多年过去了,至今既未获得最终证明,也未被推翻。即使用现代的电子计算机也只能证明:当n小于等于4100万时,费马大定理是正确的。由于当时费马声称他已解决了这个问题,但是他没有公布结果,于是留下了这个数学难题中少有的千古之谜。

费马生于法国南部,在大学里学的是法律,以后以律师为职业,并被推举为议员。费马的业余时间全用来读书,哲学、文学、历史、法律样样都读。30岁时迷恋上数学,直到他64岁病逝,一生中有许多伟大的发现。不过,他极少公开发表论文、著作,主要通过与友人通信透露他的思想。他的很多成果都是在他死后,由他儿子通过整理他的笔记和批注整理出来的。好在费马有个“不动笔墨不读书”的习惯,凡是他读过的书,都有他的圈圈点点,勾勾画画,页边还有他的评论。他利用公务之余钻研数学,并且成果累累。后世数学家从他的诸多猜想和大胆创造中受益非浅,赞誉他为“业余数学家之王”。

费马对数学的贡献包括:与笛卡尔共同创立了解析几何;创造了作曲线切线的方法,被微积分发明人之一牛顿奉为微积分的思想先驱;通过提出有价值的猜想,指明了关于整数的理论——数论的发展方向。他还研究了掷骰子赌博的输赢规律,从而成为古典概率论的奠基人之一。

四色猜想

世界近代三大数学难题之一。四色猜想的提出来自英国。1852年,毕业于伦敦大学的弗南西斯.格思里来到一家科研单位搞地图着色工作时,发现了一种有趣的现象:“看来,每幅地图都可以用四种颜色着色,使得有共同边界的国家着上不同的颜色。”这个结论能不能从数学上加以严格证明呢?他和在大学读书的弟弟格里斯决心试一试。兄弟二人为证明这一问题而使用的稿纸已经堆了一大叠,可是研究工作没有进展。

1852年10月23日,他的弟弟就这个问题的证明请教他的老师、著名数学家德.摩尔根,摩尔根也没有能找到解决这个问题的途径,于是写信向自己的好友、著名数学家哈密尔顿爵士请教。哈密尔顿接到摩尔根的信后,对四色问题进行论证。但直到1865年哈密尔顿逝世为止,问题也没有能够解决。

1872年,英国当时最著名的数学家凯利正式向伦敦数学学会提出了这个问题,于是四色猜想成了世界数学界关注的问题。世界上许多一流的数学家都纷纷参加了四色猜想的大会战。1878~1880年两年间,著名的律师兼数学家肯普和泰勒两人分别提交了证明四色猜想的论文,宣布证明了四色定理,大家都认为四色猜想从此也就解决了。

11年后,即1890年,数学家赫伍德以自己的精确计算指出肯普的证明是错误的。不久,泰勒的证明也被人们否定了。后来,越来越多的数学家虽然对此绞尽脑汁,但一无所获。于是,人们开始认识到,这个貌似容易的题目,其实是一个可与费马猜想相媲美的难题:先辈数学大师们的努力,为后世的数学家揭示四色猜想之谜铺平了道路。

进入20世纪以来,科学家们对四色猜想的证明基本上是按照肯普的想法在进行。1913年,伯克霍夫在肯普的基础上引进了一些新技巧,美国数学家富兰克林于1939年证明了22国以下的地图都可以用四色着色。1950年,有人从22国推进到35国。1960年,有人又证明了39国以下的地图可以只用四种颜色着色;随后又推进到了50国。看来这种推进仍然十分缓慢。电子计算机问世以后,由于演算速度迅速提高,加之人机对话的出现,大大加快了对四色猜想证明的进程。1976年,美国数学家阿佩尔与哈肯在美国伊利诺斯大学的两台不同的电子计算机上,用了1200个小时,作了100亿判断,终于完成了四色定理的证明。四色猜想的计算机证明,轰动了世界。它不仅解决了一个历时100多年的难题,而且有可能成为数学史上一系列新思维的起点。不过也有不少数学家并不满足于计算机取得的成就,他们还在寻找一种简捷明快的书面证明方法。

费马猜想

费马猜想﹝Fermat’s conjecture﹞又称费马大定理或费马问题,是数论中最著名的世界难题之一。1637年,法国数学家费马在巴歇校订的希腊数学家丢番图的《算术》第 II卷第8命题旁边写道:“将一个立方数分为两个立方数,一个四次幂分为两个四次幂,或者一般地将一个高于二次的幂分为两个同次的幂,这是不可能的。关于此,我确信已发现一种美妙的证法,可惜这里空白的地方太小,写不下。”费马去世后,人们找不到这个猜想的证明,由此激发起许多数学家的兴趣。欧拉、勒让德、高斯、阿贝尔、狄利克雷、柯西等大数学家都试证过,但谁也没有得到普遍的证法。300多年以来,无数优秀学者为证明这个猜想,付出了巨大精力,同时亦产生出不少重要的数学概念及分支。

若用不定方程来表示,费马大定理即:当n > 2时,不定方程x^n + y ^n = z ^n 没有xyz≠0的整数解。为了证明这个结果,只需证明方程x^4 + y ^4 = z ^4 ,(x , y) = 1和方程x^p + y^p = z^p ,(x , y) = (x , z) = (y , z) = 1﹝p是一个奇素数﹞均无xyz≠0的整数解。

n = 4的情形已由莱布尼茨和欧拉解决。费马本人证明了p = 3的情,但证明不完全。勒让德﹝1823﹞和狄利克雷﹝1825﹞证明了p = 5的情形。1839年,拉梅证明了p = 7的情形。1847年,德国数学家库默尔对费马猜想作出了突破性的工作。他创立了理想数论,这使得他证明了当p < 100时,除了p = 37,59,67这三个数以外,费马猜想都成立。后来他又进行深入研究,证明了对于上述三个数费马猜想也成立。在近代数学家中,范迪维尔对费马猜想作出重要贡献。他从本世纪20年代开始研究费马猜想,首先发现并改正了库默尔证明中的缺陷。在以后的30余年内,他进行了大量的工作,得到了使费马猜想成立一些充分条件。他和另外两位数学家共同证明了当p < 4002时费马猜想成立。

现代数学家还利用大型电子计算器来探索费马猜想,使p 的数目有很大的推进。到1977年为止,瓦格斯塔夫证明了p < 125000时,费马猜想成立。1987年据国外消息报导,费马猜想近年来取得了惊人的研究成果:格朗维尔和希思─布龙证明了“对几乎所有的指数,费马大定理成立”, 证明中用到了法尔廷斯﹝Faltings﹞的结果。另外一个重要结果是:费马猜想若有反例,即存在x > 0,y > 0,z > 0,n > 2,使xn + y n = z n ,则x > 101,800,000。

经过三百多年来历代数学家的不断努力,剑桥大学怀尔斯终于1995年正式彻底解决这一大难题。

角谷猜想

“角谷猜想”又称“冰雹猜想”。它首先流传于美国,不久便传到欧洲,后来一位名叫角谷的日本人又把它带到亚洲,因而人们就顺势把它叫做“角谷猜想”。其实,叫它“冰雹猜想”更形象,也更恰当。

为什么叫它“冰雹猜想”呢?顾名思义,这首先要从自然现象——冰雹的形成谈起。

大家知道,小水滴在高空中受到上升气流的推动,在云层中忽上忽下,越积越大并形成冰,最后突然落下来,变成冰雹。

“冰雹猜想”就有这样的意思,它算来算去,数字上上下下,最后一下子像冰雹似地掉下来,变成一个数字:“1”.

这个数学猜想的通俗说法是这样的:

任意给一个自然数N,如果它是偶数,就将它除以2,即将它变成N/2,如果它是奇数,就将它乘以3再加1,即变成3N+1。

对任意的一个自然数施行这种演算手续,经有限步骤后,最后结果必然是最小的自然数1.

对这个猜想,你不妨任意挑几个数来试一试:

若 N=9,则 9×3+1=28, 28÷2=14, 14÷2=7, 7×3+1=22,22÷2=11,11×3+1=34,
34÷2=17,17×3+1=52,52÷2=26, 26÷2=13,13×3+1=40,40÷2=20,20÷2=10,
10÷2=5,5×3+1=16,16÷2=8,8÷2=4,4÷2=2,2÷2=1.

你看,经过19个回合(这叫“路径长度”),最后变成了“1”.

若 N=120,则 120÷2=60,60÷2=30,30÷2=15,15×3+1=46,46÷2=23,23×3+1=70,
70÷2=35,35×3+1=106,106÷2=53,53×3+1=160,160÷2=80,80÷2=40,40÷2=20,
20÷2=10,10÷2=5,5×3+1=16,16÷2=8,8÷2=4,4÷2=2,2÷2=1.

你看,经过20个回合,最后也仍然变成了“1”.

有一点更值得注意,假如N是2的正整数方幂,则不论这个数字多么庞大,它将“一落千丈”,很快地跌落到1.例如:

N=65536=216

则有:65536→32768→16384→8192→4096→2048
→1024→512→256→128→64→32→16→8→4→2→1.

你看,它的路径长度为16,比9的还要小些。

我们说“1”是变化的最终结果,其实不过是一种方便的说法。严格地讲,应当是它最后进入了“ 1→4→2→1”的循环圈。

这一结果如此奇异,是令人难以置信的。曾经有人拿各种各样的数字来试,但迄今为止,总是发现它们最后都无一例外地进入“1→4→2→1”这个死循环。已经验证的最大数目,已达到1099511627776.

由于数学这门科学的特点,尽管有了如此众多的实例,甚至再试验下去,达到更大的数目,但我们仍不能认为“冰雹猜想”已经获得证明,因此还只能称它为一个猜想。(在我们所查阅的资料中,尚未见到对这一猜想的完整证明。)可想而知,要证明它或推翻它,都是很不容易的,要设法说出它的实质,也似乎是难上加难。

不仅如此,对于“角谷猜想”,人们在研究过程中或作出了改动,或进行了推广,得出的结果同样富有奇趣。比如,对于“角谷猜想”若作如下更动:

任给一个自然数,若它是偶数,则将它除以2;若它是奇数,则将它乘以3再减1.……如此下去,经过有限次步骤运算后,它的结果必然毫无例外地进入以下三个死循环:

①1→2→1;②5→14→7→20→10→5;

③17→50→25→74→37→110→55→164→82→41
→122→61→182→91→272→136→68→34→17.

长生不死的怪物

有一种怪物出生时就长着M只手和N条腿,它没天夜里都要把自己的的手变成2M-N只,把自己的腿变成2N-M条,如此下去,不管哪天,只要在2M-N及2N-M中有一个成为负数,这只怪物就会死去。现在想问问你,这种怪物在什么情况下会长生不死?

大家都知道,只要2M-N或者2N-M中有任何一人数成负数,怪物才会死,那么一个不死的怪物,必需要满足不管经过多少个日夜夜,2M-N与2N-M这两个数都为不为负,这是本题的关键。

把上面的信息都写成数学式就是2M - N≥ 0 且2N - M ≥ 0。

也就是 M ≥ N/2 且 N ≥ M/2

到这里似乎已经解法已经走到尽头了,那我就换一种解法,看下面的做法:

把手脚数相加:(2M - N) + (2N - M) = M + N,也就是说,它的手脚数会随着日子的增加而改变,可是手脚数之和是不变的一个常数。

再把手脚相减:(2M - N) - (2N - M) = 3(M - N),这个结果表示手脚数之差是以3位的速度随日子的过去而增大的。

从上面两个结果可以看出,当M不等于N的时候,最终必然有一天,手或者脚的数目会成为负数,因为如果脚的数目如果添加,那手的数目必然要减小;或者说手的数目添加,那脚的数目必然也会减小。但是当M等于N的时候,却能保证手脚数之差为0,也就是手脚数永远相同。

由此我们可知道,当M=N≥0时,这种怪物就能长生不死,用文字表达为:如果这种怪物没手没脚或者有手有脚且手脚数相同,这种怪物就能长生不死。

伟大的一元钱

作者:(美)Keillor

一元钱能买下整个宇宙?然而,且慢……

公元3221年,地球大学的历史学教授正在电视前讲课(不知道那时候是不是还用电视这玩意儿),他面前有几百个屏幕,里面显示着遍布宇宙各星球的听课学生的面庞。

“今天的内容将跨越10个世纪之久,事情起源于1921年,当时有一位卡罗斯先生向芝加哥国家第一银行存入了一元钱——元是早被淘汰的货币单位。按照规定,银行每年得给储户支付利息,年底还得把利息转入下一年的本金,这叫利上加利,中国古代就叫‘驴打滚’。”

接下去,教授讲授的内容如下:

卡罗斯逝世前指定他的第40代孙为这笔钱的继承人。银行届时得按x (1 + 3%) n来支付。其中x就是这微不足道的一元钱,n是计息的年限。所以100年后,也就是2021年,这笔钱就成了19.01元;再到2221年,即n=300时,总数达到了6921元。

到公元2229年,地球上的每个人都取消的姓名,由优生协会中心编以一个科学数码登记号,例如“B262H72756(男)”等。

400年的时间过去了,原来20世纪的不少豪门巨富,包括当年美国石油大亨洛克菲勒家族在内,都由于子孙更替,财富逐渐分散而湮没。但是卡罗斯的这笔钱由于不能提前支取,所以始终还在增加,从四百年后的13万变成了五百年后的252万。

岁月流逝,时代发展,科学家一直在研究如何延缓人类衰老的过程,卡罗斯一世那个时代的科学家们就开始想从牛奶里提取延年益寿的产品。(这里教授不得不向学生们解释什么是牛奶和奶牛。因为这些事物早已经被保存在太阳系土星的博物馆里了。)到了公元25世纪,这一研究终于取得了突破性的进展, K122B62411(男)教授用射线把人类的寿命延长到了200岁。而这时卡罗斯一世当初的一元钱也已达5790万的规模,需要有一个基金会来专门管理了。

公元27世纪已出现两件大事:一是发明了能克服引力的振动式宇宙飞船。人类得以毫无阻碍地来往于太阳系的所有行星;另外一件则是解决了食品问题,推出了可供信用的药片,致使农业和畜牧业已不再是必要,代之以化学上的分解与合成。这时,卡罗斯基金已高达9亿元,他的后人刚刚传到了第27代。到公元28 世纪,太阳系最高议会决定拆除月球,已消除宇宙航行的障碍,从此不再有诗人吟咏的那晶莹迷人的月光了(教授提醒同学说,凡是不知道月亮为何物的人都可以去博物馆欣赏一下月色。拆除月亮的工作前后用了86年。)

到29世纪初期,基金总数已过3000亿,按当时币值换算,卡罗斯的后代实际上已拥有了地球、火星、金星上的全部不动资产。

公元2900年,基金会遇上了非常尴尬的难题:卡罗斯先生的第39代年满三十,正在和一位姑娘谈恋爱,新的一代即将诞生。但即使把太阳系九大行星的全部资产都折算成现金,也不够支付届时所需的本金和利息,赤字高达470亿!更何况哪里来这么多的现金呢?如果卡罗斯的第40代孙诞生的话,银行应该如何面对?

Taoii’s Says: 谋杀了他的第39代传人?

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