什么样的数学科普书是有趣的呢?或许在每个人的心中都有自己的答案。但如果有这样一本书,能把我们熟悉或陌生的数字变成有趣的故事,故事之下是每个数背后的历史,同时又拓展出众多有趣的数学问题,而这些神奇的数又启发我们对数学的思考。成为我们进入数学世界的“引路人”。

斯图尔特的《不可思议的数》就是这样的一本书,书中从面熟的0到10,陌生的42、56和168,直肠子的有理数,难以捉摸的无理数,各种不可思议的数,各种不可思议的故事。

我们从42这个看似无趣却一点也不乏味的数字开始吧!一起领域数字的魅力!

来源 | 《不可思议的数》
作者 | [英]伊恩·斯图尔特(Ian Stewart)
译者 | 何生

近日,数学家终于谱写出了 42 的三个整数的立方和。这解决了一个已经被考虑了 65 年的问题,42 已经不是最孤单的数字了。

其实,42一点都不乏味!

好吧,虽然这早已不是秘密了。

这个数在道格拉斯·亚当斯的《银河系搭车客指南》里很重要,它是“关于生命、宇宙以及一切之终极问题”的答案。这 一发现马上产生了一个新问题:什么才是真正的关于生命、宇宙和所有一切之终极问题?亚当斯说,他选择这个数是因为,他快速地问了一圈朋友们,大家都认为 图片 是最乏味的。
在此,我想保护 图片 不受这样的诽谤。就数学意义而言,图片 毫无疑问无法和 图片图片,甚至是 图片 相提并论。然而,它也并不是完全无趣的。图片 是普洛尼克数、卡塔兰数,也是最小的魔方幻方常数。当然,它还有一些其他特点。

1
普洛尼克数

所谓普洛尼克数(也叫长方形数、矩形数或 heteromecic 数)是指两个连续整数的积,因此它的形式是  。当  时,我们可以得到 。由于第  个三角形数是  ,所以普洛尼克数是三角形数的  倍。它还是前  个偶数之和。数量是普洛尼克数的点可以排列成一个矩形,这种矩形的一条边比另一条边大 (图 171)。

图 171 前 6 个普洛尼克数。阴影部分表示它们为什么是三角形数的 2 倍

这里有一个关于高斯的故事,在他还很年轻的时候,被老师要求完成一个一般形式的问题

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很快发现,如果相同的和式以递减的顺序写出来,即

其相应的数对之和都等于。因为有  对这样的数对,所以它们的总和为 ,这是一个普洛尼克数。老师提出的问题的答案是这个数的一半,即 。然而,我们实际上并不知道高斯的老师在课上提出的问题到底是什么,它有可能更难。如果是这样的话,那么高斯就更聪明了。

2
第6个卡塔兰数

卡塔兰数出现在许多不同的组合问题里,所谓组合问题是指对各种数学任务的完成方法进行计数。这个问题可以追溯到欧拉,他计数了一个多边形可以分割成多少种顶点相接的三角形。后来,欧仁·卡塔兰发现了这类问题和代数之间的联系:在加法或乘法算式里插入括号的方法有多少种。我很快就会做解释,但首先让我先介绍一下这类数。
对 n = 0, 1, 2,…而言,前几个卡塔兰数 Cn 

利用阶乘可以得到如下公式:

当 图片 比较大时,它还有一个很好的近似公式:
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这又是一个在看似和圆或球体无关的问题里出现了  的例子。

图片 是把正 图片 边形分割成三角形的不同方法的数量(图 172)。
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图 172 把六边形分割成三角形的 14 种方法

它也是生成有  片叶子的二叉树的数量。二叉树源于一个根节点, 然后从这个节点开始向两边分枝。每个分枝都以点或叶子结束。每个点必须继续分出两枝(图 173)。

图 173 5 棵有 4 片叶子二叉树

如果你觉得这个想法有点难懂,那么它和代数还有一个更直接的联系——计算在加法或乘法算式中插入括号的方法的总数,例如对 abcd 而言, 有C5 种可能:

一般而言, 个符号有  种插入括号的方法。为了搞明白其中的联系, 我们可以把这些符号顺次填在树的叶子上。如果一对叶子有相同的节点,

那么就插入括号。如图 174 所示,我们先从左往右把  片叶子标上 。然后,从下往上在连接  和  的节点旁标记 。它上面的节点连接了  和标记为 的节点,因此新的节点对应于 。最后,顶上的节点连接了  和 ,因此,它是 

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图 174 把二叉有根树转化成代数

许多其他的组合问题也会出现卡塔兰数;以上是最容易描述的一小部分。

3
魔方

一个  魔方的幻方常数是 。这样的魔方包含了  每个数各一次,平行于棱边的每行或经过中心的对角线中的数之和是相等的——这个和被称为幻方常数。所有  个数之和是 。这些数可以被分成 组不相交的三元组,而每个三元组相加后可以得到幻方常数,因此幻方常数必须是 


这样的排列是存在的,图 175 就是一个例子。

图 175 图片 魔方的连续三层

3
其他特点

1. 图片 是分拆 图片 的不同方法的数量,拆分需按自然顺序把数写成整数之和。
2. 图片 是第二个楔形数,所谓楔形数是指 图片 个不同质数之积。在这里,图片
3. 图片 是第三个 图片 边形数,它和三角形数类似,但基于的是正 图片 边形。
4. 图片 是超级多重完全数:除数之和的除数之和(包括 图片),这样重复 图片 次之后的数字等于自己。
5.在一段时期内,图片 是已知最好的 图片 的无理性度量值,即精确量化 图片 有多“无理”的一种方法。特别是库尔特·马勒在 1953 年证明了对任意有理数p/q 而言,有
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不过,V. 卡·萨利科夫在 2008 年将 图片 修订成 图片,因此 图片 在这里又变回了无趣。
6.图片 是第三个本原伪完全数。所谓本原伪完全数需满足条件:
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其中 图片 是可以整除 图片 的不同质数。前几个本原伪完全数分别是
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7. 图片 是这样的一种 图片,存在小于 图片 的 图片 个不同正整数 图片图片图片图片, 且 图片图片 和 图片 全都可以整除 图片。它是仅有的已知具有这种性质的数,但人们尚不知道是否还存在其他这样的数。
8.图片 是被证明的香肠猜想里的最小维度(见第 56 章)。不过,人们猜想命题在大于等于 图片 维时都成立,因此,图片 在这里的意义依赖于当下掌握的知识。
看到了吗? 图片 一点都不乏味!

作者:[英]伊恩·斯图尔特    译者:何生