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袁亚湘院士《数学漫谈》报告全文 2

下图中与我合影的是Maculan教授是巴西的共产党员。他曾经当过里约热内卢大学的校长,也是巴西高等教育部的部长。

Maculan(1943-)

数学家因为相信这些公理体系,往往是有信仰的。所以数学家中有信仰的人还是非常多的。

逻辑严谨

下面再讲另外一个数学的真,就是逻辑严谨。我引用爱因斯坦的一段话:“纯数学完全是一本逻辑的诗歌”。可见,没有逻辑那就根本不叫数学。

:
Pure mathematics is, in its way, the poetry of logical ideas.

大家看到我在给一些名人照片时,都会标注他们的出生年份和去世年份。大家注意到没有,数学家都是长寿的。爱因斯坦我不仅是给了他出生的年份,还给出了日期。大家发现没有今天(3月14日)是爱因斯坦的生日。

爱因斯坦(Albert Einstein,1879.3.14-1955)

证明严格

数学的另外一个真是数学证明严格。数学的证明一定是绝对的严格,容不得任何含糊。他不像有些学科,稀里糊涂就过去了。

我这里引用安德烈·韦依的话:“严格之于数学家,就如道德之于人”。

:
Rigour is to the mathematician what morality is to men.

安德烈·韦依是法国数学家,也是布尔巴基学派的创始人和早期的领导者。他在数论和代数几何都有基础性的工作。他还有个妹妹是著名的哲学家。一家都是厉害的人。

安德烈·韦依(Andre Weil,1906-1988)

2.3 数学之趣

再想跟大家谈谈数学的另外一个关键词,就是趣。

好玩

数学的趣,我再引用一下我国近代史上著名的数学家陈省身说过的话:

陈省身:
数学好玩,玩好数学。

陈省身(1911-2004)

我们来看看数学为什么好玩。数的本身就很好玩,今天因为时间关系,实际上你随便给我一个数,我都可以会讲这个数字的故事,它很好玩。大家知道数有很多的数列,等比数列、等差数列、斐波那契数列等等。

数还可以排成一个方阵,在中国古代就洛书河图,还有世界的方阵,这些数排起来都可以非常好玩。

大家还有一个感兴趣的倍数和约数,例如:

3的倍数各位数之和也是3的倍数
9的倍数各位数之和也是9的倍数

当然还有素数,就是只能被它自己除不能被别的比他小的不是1的数除的数。

2,3,5,7,11,13,17,23,29,31,37,41,43,...

还有很多特殊性质的数,例如完全数。完全数是什么东西呢?就是一个数,它所有的除了自身以外的约数的和恰好等于它本身。比如说6和28。

还有别的完全数,比如496、8126、33550336等。

关于数的研究是非常可观。大家记得刚才讲过高斯说“数学是科学的皇后”,其实后面还有一句:“数论是皇后上的皇冠”。

高斯(1777-1855)

所以研究数论那些问题都好玩。哥德巴赫猜想刚已经说了,再举一个例子就是孪生素数猜想:

存在无穷多个素数, 使得也是素数。

例如下面的例子:

所以孪生素数猜想就是不管你这个数多大,后面总能找到两个挨在一起的素数。这个很神奇。这个猜想目前还没有数学家证明。但是高兴地告诉大家,华人数学家张益唐在这个问题上做出了历史性的突破。

张益唐(1955-)

另外一个关于数的有趣问题是3X+1猜想:

任给一正整数,如果是奇数就乘3加1,如果是偶数就除以2,一直下去,最终一定会变成1。

几何

数学还有一个有趣的事情,几何非常有趣。很多中学生对数学感兴趣是在初等数学中学习了几何后。他们觉得做出辅助线很漂亮。

我再给大家讲一个例子,就是所谓的“五点共圆”问题。就是你随便画了一个五角星,它上面有五个顶点,这五个小三角形都可以做一个圆。每两个圆在外面都会有个交点。这5个点相连就是一个圆,这很神奇。

数学有趣还包括它的形状非常有趣。比如说,正多面体,也就是每个面一模一样的多面体,这个多面体在三维空间中只有五种——正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体、正二十面体,别的形状你也找不到。

还有一个非常有名的叫莫比乌斯带,是德国数学家莫比乌斯的姓取的。

莫比乌斯(August Mobius,1790-1868)
莫比乌斯带

我随便给大家拿一张纸看看,一般都有正面和反面,如果一只蚂蚁在正面,它不会翻跟头的话,它到不了另外一面。但是如果把这个蚂蚁放在莫比乌斯带的话,它只要在上面爬任何一面它都能爬到。也就是它只有一个面,没有两个面,神奇吧!

概率

数学还有一个有趣的就是概率或者随机。有很多喜欢数学的人会经常问一些关于概率的问题。我这里跟大家一个非常著名的布丰投针问题 。布丰跟好多业余数学家一样,大学也是学的法律。

布丰(Georges Buffon,1707-1788

他提出的投针问题讲的内容是:

在平面上画一些距离为的平行线,向此平面任投长度为($l<d$)的针,则针与平行线相交的概率是 $2l/dπ$。<="" p="">

布丰投针问题

这个结果是不是很神奇?所以同学们可以看到,数学的确有非常非常有趣的一些现象。当然,这些有趣数学家都是可以证明出来的。

极限

数学还有个有趣的是求极限。上过大学的人都知道很多非常有趣的极限题目。其中一个就是洛必达法则。

洛必达法则讲的是如果两个函数都趋向于无穷大的话,就像我们每个人只要我们能够活得无穷久,我们可以不断地学习,我们的知识都会趋向于无穷大。

但是两个人相比呢?知识都趋向于无穷大,知识相比,比的是什么东西呢?比的是他们的导数。导数就是增加的速度。也就是说,长跑比的不是起跑线,比的是速度。所以我非常不赞成很多地方大家都说不能输在起跑线上。因为我非常爱长跑,长跑不在于起跑线,而在于平均速度。

所以还在小学的同学们不要在乎起跑线,只要将来速度快就行了。当然在数学上求极限,这个叫做洛必达法则。

当然洛必达法则并不是洛必达发现的。约翰·贝努里发现了这个法则后写信告诉了洛必达。洛必达将之写进自己的书中。因此大家称之为洛必达法则。约翰·贝努里也有一个得意的地方,就是最伟大的数学家之一欧拉就是他的学生。

洛必达(L‘Hospital,1661-1704)
约翰·贝努里 (Johann Bernoulli ,1667-1748)

数学还有很多很多有趣的地方。但是因为时间关系,我也不能一直讲下去。我再讲一个生活上的事情,比如一个人头顶上为什么会有旋?这个数学家也可以用向量场来解释。关于这方面的数学定理大学数学系的学生大概都知道。

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