书城童书《数学知识篇》(上)
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第14章 数学趣闻知多少(2)

直至1750年,诞生在瑞士国土上的伟大数学奇才欧拉宣布:他一举求出如2620和2924,5020和5564,6232和6368等六十对亲和数(一说五十九对),使他在寻数竞争中独占鳌头。

又过了一百多年,奇迹出现了,1866年,一位年仅十六岁的孩子竟正确地指出,前辈们丢掉了第二对较小的亲和数1184和1210,这戏剧性的发现使数学家们大为惊讶,据本世纪七十年代统计,人们已经找出一千二百多对亲和数,数学真是一个深不可测的海洋,它蕴藏着无穷无尽的奥妙。

“赌徒之学”

17世纪时,法国有一个很有名的赌徒,名字叫默勒。一天,这个老赌徒遇上了一件麻烦事,使他伤透了脑筋。

这天,默勒和一个侍卫官赌掷骰子,两人都下了30枚金币的赌注。如果默勒先掷出3次6点,默勒就可以赢得60枚金币;如果侍卫官先掷出3次4点,这60枚金币就归侍卫官赢走。可是,正当默勒掷出2次6点,而侍卫官只掷出了1次4点时,意外的事情发生了。侍卫官接到通知,必须马上回去陪国王接见外宾。

赌博无法继续下去了。那么,如何分配两人下的赌注呢?

默勒说:“我只要再掷出1次6点,就可以赢得全部金币,而你要掷出2次4点,才能赢得这么多金币。所以,我应该得到全部金币的3/4,也就是45枚金币。”

侍卫官不同意这种说法,反驳说:“假如继续赌下去,我要2次好机会才能取胜,而你只要一次就够了,是2∶1。所以,你只能取走全部金币的2/3,也就是40枚金币。”

两人争论不休,结果谁也说服不了谁。

事后,默勒越想越觉得自己的分法是公平合理的,可就是说不出为什么公平合理的道理来。于是,他写了一封信向法国著名数学家帕斯卡请教:

“两个赌徒规定谁先赢s局就算赢了。如果一人赢了a(a<S)局,另一人赢了b(b<s)局时,赌博中止了。应该怎样分配赌本才算公平合理?”

这个问题有趣得很。如果以两人已赢的局数作比例来分配他们的赌本,两人都将不服气,准会抢着嚷道:“假如继续赌下去,也许我的运气特别好,接下来全归我赢。”然而,假如继续赌下去,谁又能预先确定一定归谁赢呢?

即使是接下去的每一局,谁又能预先断定一定归谁赢呢?

帕斯卡对这个问题很有兴趣,他把这个题目连同他的解法,寄给了著名法国数学家费尔马。不久,费尔马在回信中又给出了另一种解法。他们两人不断通信,深入探讨这类问题,逐渐摸清了一些初步规律。

费尔马曾经计算了这样一个问题:“如果甲只差2局就获胜,乙只差3局就获胜时,赌博中止了,应如何分配赌本?”

费尔马想:假如继续赌下去,不论是甲胜还是乙胜,最多只要4局就可以决定胜负。于是他逐一列出这4局时可能出现的各种情况,发现一共只有16种。如果用a表示甲赢,用b表示乙赢,这16种可能出现的情况是:

aaaaaaabaabaaabbabaaabababbaabbbbaaabaabbabababbbbaabbabbbbabbbb在每4局,如果a出现2次或多于2次,则甲获胜。这类情况有11种;如果b出现3次或多于3次,则乙获胜,这类情况有5种。所以,费尔马算出了答案:赌本应当按11∶5的比例分配。

根据同样的算法,读者不难得出结论:在默勒那次中止了的赌博中,他提出的分法确实是合理的。

帕斯卡给费尔马的信,写于1654年7月29日,这是一个值得记住的日子。因为他们两人的通信,奠定了一门数学分支的基础,这门数学分支叫做概率论。

由于概率论与赌徒的这段渊源,常有人讥笑它为“赌徒之学”。

概率论主要研究隐藏在“偶然”现象中的数量规律。抛掷一枚硬币,落地时可能是正面朝上,也可以是背面朝上,谁也无法预先确定到底是哪一面朝上。它的结果纯粹是偶然的。连续地将一枚硬币抛掷50次,偶然也会出现次次都是正面朝上的情形。但是,如果继续不停地将硬币抛掷下去,这个“偶然”的现象便会呈现出一种明显的规律性。有人将硬币抛掷4040次,结果正面朝上占2048次;有人抛掷12000次,结果正面朝上占6019次;有人抛掷3万次,结果正面朝上占14998次。正面和背面朝上的机会各占1/2,抛掷硬币的次数越多,这种规律性就越明显。

概率论正是以这种规律作依据,对在个别场合下结果是不确定的现象,作出确定的结论。例如,将一枚硬币抛掷50次,概率论的结论是:出现25次正面朝上的机会是1/2。而次次出现下面朝上的机会是多少呢?假如有一座100万人的城市,全城人每天抛掷8小时,每分钟抛掷10次,那么,一般需要700多年,这座城市才会出现一回这样的情形。

8.法官的判决事情发生在古希腊。智慧大师、诡辩论者普洛塔赫尔在教他的学生款德尔学习律师业务时,师生之间约定,学生独立后第一次取得成绩,即第一次诉讼胜利时,必须付给老师酬金。

款德尔学完了全部课程,但却不急于出庭辩护,使老师迟迟得不到酬金。

老师这时想:“我要向法院提出诉讼,如果我赢了,我会得到罚款。如果我输了,我会得到酬金,这样无论如何我都胜了。”

于是普洛塔赫尔正式向法院提出了控诉。

学生得知这一情况之后,认为他们的老师根本没有获胜的希望,如果法院判被告输了,那么按二人的约定就不必付酬金。如果判被告赢了,那么根据法院裁决就没有付款的义务了。

师生二人的良好想法终于使法院开庭了。这场纠纷吸引了好多人。但法官的判决更使人敬佩不已。既没破坏师生之约,又使老师有了取得报酬的可能。

法官的判决是这样的:让老师放弃起诉,但给他权力再一次提出诉讼。理由是学生在第一次诉讼中取胜了,这第二次诉讼应无可置辩地有利于老师了。

国王给大臣们出的难题

据传古代欧洲有位国王,一天他非常高兴,便给大臣们出了一道数学题,并许诺谁先解出了这道题便予重赏。他说:“一个自然数,它的一半是一个完全平方数,它的三分之一是一个完全立方数,它的五分之一是某个自然数的五次方,这个数最小是多少?”

有位大臣的儿子十分聪明,第二天他就替父亲解出了这道题。

满足上述条件的数,必然是2,3,5的倍数,其最小值可以表为N=2a·3b·5c(其中a、b、c为自然数。)由于12N是完全平方数,所以2a-13b5c是完全平方数:那么a-1必为偶数,即a为奇数;b、c也必须是偶数,由于13N是完全立方数,那么b-1就为3的倍数,即b为被3除余1的数,如1,4,7,10,13,……等等;同理c是被5除余1的数,即1,6,11,16,21,……等等;此外还要满足条件:a与b都是5的倍数,a与c都是3的倍数。

综上所述,a是能被3和5整除的奇数,即a的最小值为15;b是能被5整除被3除余1的偶数,即b的最小值为10;c是被3整除被5除余1的偶数,即c的最小值为6。那么:

N=215·310·56=302330880000。

爱吹牛的理发师

1919年,著名英国数学家罗素编了一个很有趣的“笑话”。

小镇有个爱吹牛的理发师。有一天,理发师夸下海口说:“我给镇上所有不自己刮胡子的人刮胡子,而且只给这样的人刮胡子。”

大家听了直发笑。有人问他:“理发师先生,您给不给自己刮胡子呢?”

“这,这,……”理发师张口结舌,半晌说不出一句话来。

原来,这个爱吹牛的理发师,已经陷入自相矛盾的窘境。如果他给自己刮胡子,那就不符合他声明的前一半,这样,他就不应当给自己刮胡子;但是,如果他不给自己刮胡子,那又不符合他声明的后一半,所以,他又应当给自己刮胡子。无论刮不刮,横竖都不对。

像理发师这样在逻辑上自相矛盾的言论,叫做“悖论”。罗素编的这则笑话,就是数学史上著名的“理发师悖论”。

理发师的狼狈相是很好笑的,可是,数学家听了却笑不起来,因为他们自己也像那个爱吹牛的理发师一样,陷入了自相矛盾的尴尬境地。

实际上,20世纪初期的数学家们,比那个爱吹牛的理发师更狼狈。理发师只要撤消原来的声明,厚起脸皮哈哈一笑,什么事情都没有了;数学家可没有他那样幸运,因为他们遇上了一个无法回避的数学悖论,如果撤消原来的“声明”,那么,现代数学中大部分有价值的知识,也都荡然无存了。

这个数学悖论也是罗素提出来的。1902年,罗素从已被人们公认为数学基础理论的集合论中,按照数学家们通用的逻辑方法,“严格”地构造出这个数学悖论。把它通俗化就是理发师悖论。

集合论是19世纪末发展起来的一种数学理论,它已迅速深入到数学的每一个角落,直至中学数学课本。它极大地改变了整个数学的面貌。正当数学家们刚刚把数学奠立在集合论的基础上时,罗素悖论出现了,它用无可辩驳的事实指出,谁赞成集合论,谁将变成一个“爱吹牛的理发师”,从而陷入自相矛盾的窘境。数学家们尴尬万分,如果继续承认集合论,那么,号称绝对严密的数学,就会因为罗素悖论这样的怪物而不能自圆其说;如果不承认集合论,那么,许许多多重要的数学发明也就不复存在了。