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从《巴塞尔问题》的一种解法看数学之美

(2021-01-02 01:30:16) 下一个

从《巴塞尔问题》的一种解法看数学之美

什么是倒数勾股定理?直线型的数轴和曲线型的圆有什么关系?

2021年元旦,在油管上看到了《巴塞尔问题》的另类解法,大呼好酒。以下是视频链接,建议有兴趣的读者花20分钟看一看(可惜,国内朋友也许看不到,因为是油管,还是英文版的)https://youtu.be/d-o3eB9sfls
 
(又,今天居然在bilibili上找到了原视频的中文文字翻译版)---
 

巴塞尔问题(Basel Problem)由意大利数学家门戈利(Pietro Mengoli)于1644年(也有一说是1650年)提出,由大名鼎鼎的瑞士数学家欧拉在1735年解决(= pi^2/6)。问题很简单:  求所有自然数倒数的平方和, 即: 

             S = 1 + 1/4 + 1/9 + 1/16 + 1/25 + ... + 1/n^2 + ...                             

看完视频后,不由得击掌为快。曾经的五讲四美年代,哪四美记不清了。但数学之美,至少是3D型的。哪3D呢?面容、身材和心灵?读者的眼睛是雪亮的, 自会见仁见智。这里以《巴塞尔问题》为例,谈谈个人感知。

先看一看数学的结构之美。

                 平方一下,还平方一下,再平方一下……

                 加一点,接着少加一点,继续少加一点……                                               

规律吧。就这么规律得像辉煌的太阳,每天早上八九点钟,准时流连在青春的你的发梢。漂亮吧。就这么漂亮得像灿烂的银河,每天晚上八九点钟,按点飘逸在年青的你的头顶。简单(简洁)吧。就这么1、2、3地数下去,就那样4、5、6地加下去,简单得连小学生都看得懂。然而,就这么简单,就这么眉清目秀,就这么具有挑战性---端坐在那里,连续九十年、三代人,无解。

再看看数学的思维之美---看看他如何天马行空,却又长缨在握,抽象和具象相结合,几乎完美地解决了这个问题。

1)先是合乎逻辑,由pi(抱歉,不会打那个希腊字母pai)走向圆;
2)继而联手其物理兄弟,立了一回五瓣梅花桩(五个定理/律):  
   a) 平方反比定律(光强和距离的平方成反比)                         
   b) 初中平面几何四个定理(倒数勾股定理、四点共圆定理、直径所对圆周角为90度、圆周角等于同弧圆心角的一半)
3)接着,突发奇想,开始用金箍棒画圆圈、建灯塔---画第一个圈,点一盏小灯;画第二个(直径大一倍的)圈,点两盏(等价平分的)小灯;画第三个(直径比第二个大一倍的)圈,点四盏(等价平分的)小灯……以此归纳类推;
4)然后,念一句刘谦兄弟的口头禅---验证奇迹的时刻到了---于是,化圆为方,变有限为无穷(数轴就是一半径无限大的圆);
5)最后,用部分(个数)对等总体(个数)原理(这是一似非而是的原理,作者用其四两拨千斤,略施轻功,就运展了一回乾坤大挪移)将问题一举解决。
 
整个解题过程,活脱脱燕人张翼德一个,于百万数中取上将pi值,探囊取物耳。

多说几句,这个证明太漂亮了。面对一个复杂的高数问题(也是一个具有敲门砖性质的问题,因为它是至今都没能被证明的黎曼猜想的孪生兄弟---黎曼函数的特例。有兴趣的读者可由此入手,作进一步探研),用简单的初中知识,庖丁解牛般拿下。借用刁参谋长的名言:阿三哥(Sanderson,3Blue1Brown的创始人)不愧是开学馆的,证起题来滴水不漏,佩服,佩服!反过来看一看,现今又有多少“大咖”,把简单明瞭的问题,包装成不知所云的学术论文。以此对比,谁是大师,谁是大神,高下立判。

数学,还富含哲理之美

数字和符号,看起来枯燥,其实是有生命、有灵性的。那一串串单调的字符,何止包藏着灯塔?谁能说,它们不是照亮你在黑夜里前行的火炬、不是陪伴你风雨窗前的蜡烛?他们是你,是我,是人类的心灵之光。虽然微弱,却数不胜数,从无穷远走来,又向无穷远走去。最后,竟超越无穷,回归成一个有限的、小小的,和谐的圆。

“完了?”(真尤)美女轻轻一问。“哪有个完啦。”(高仓)健君浅浅一答。据说,后面还有一段话,解释了没完的原因,但由于当年审查没过,被剪掉了。让小可试着续个貂---

“美女,我所欲也。美图(鄙人给数学取的别名),亦我所欲也。二者可否得兼?To be, or not to be?  That is the question.”

列位看官作何解?我的答案是,肯定有解,而且有多组解(偷着笑,这个你懂的)。不过,如果有无穷多组解呢?那……那就吃不完,兜着走了。再扩展一下,如果把美酒也拽进来(原来,3D之美,是这三美?--- 偷着乐,这个可以有),那又如何走呢?三角恋啊,也许可借着酒劲,飞走……?

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