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小数点后第十五位数字之谜

摘要 :知道小数点后第十五位数字有什么好处?为什么数学家要花时间做这类计算?只需要一台手提电脑、一套最新商用软件和一种源自17世纪的近似法,你就能解决今日的数学难题。

在数学常数中,π和欧拉数e被视为绝对的明星。其他还有很多常数,但都不及这两个常数出名。如在直角三角几何学中扮演重要角色的李特伍德—塞勒姆—泉常数就是一例。

一些三角函数如正弦、余弦和正切函数等,在物理学、工程学及测量学上得到广泛应用。另一方面,纯数学家则对函数的理论一面更感兴趣。举例来说,把三角函数乘上某个系数后再相加,结果会如何?更多项连续相加之后,总和会不会趋近一极限,或者趋于无穷?在1935年出版的经典教科书《三角级数》( Trig onometric Series )中,波兰数学家齐格蒙德(Antoni Zygmund)证明某一连续的余弦函数的和取决于某个参数。若该参数大于一定值,和为有限;若小于该定值,和则趋向无穷。齐格蒙德在证明中提到李特伍德(John E.Littlewood)、塞勒姆(Raphaёl Salem)及泉(Shin-ichi Izumi)3人未发表的研究成果,所以这个值被称为李特伍德—塞勒姆—泉常数。为了求这个常数的精确值,某个积分的值必须等于0,而这正是难处理的部分。因为该积分不完全可解,只能算出近似值。

1964年,当时计算机科学尚处于初级阶段,西北大学两位数学家在期刊《计算数学》( Mathematics of Computation )上发表了一篇短文,称该常数的值介于0.30483与0.30484之间。他们在IBM制造的709数据处理系统——当时最快、最先进的计算机系统之一——上使用近似方法,计算出该积分的“根”,也就是积分值恰为0的值。但不过6个月后,马萨诸塞州斯佩里兰德中心的邱吉(Robert Church)对他们的研究泼了冷水。他提交了一篇短文,在文中警告同行,说他们计算出来的数字从小数点后第三位开始就错了。

1964年10月28日,邱吉把文章投稿到《计算数学》。不到6个星期,密苏里州中西研究所的数学家路克(Yudell Luke)、菲尔(Wyman Fair)、库姆斯(Ger aldine Coombs)和莫兰(Rosemary Moran)确认了邱吉的研究成果,不仅如此,他们还把邱吉的工作提高了一步。他们以IBM 162科学计算机执行运算,把李特伍德—塞勒姆—泉常数算到小数点后第十五位。

接下来是历时45年的沉寂。2009年,《计算数学》再次刊登了一篇探讨这个常数的论文,文章以符合时代潮流的电子形式发表。在那篇论文中,塞维亚大学的西班牙数学家德雷纳(Juan Arias de Reyna)和荷兰同行、阿姆斯特丹数学与计算机科学中心的范·德鲁内(Jan van de Lune)一起,发表了两人再次计算出的那个常数,精确度大幅提高。他们利用17世纪牛顿和拉弗森(Joseph Raphson)提出的方法求函数和积分的近似根。借助于这项旧时的方法在最新式机器上的运用,他们用一台手提电脑,在20分钟内计算出了这个常数小数点后第5000位上的准确数字。

有人很可能会问,为什么数学家要花时间或者说浪费时间做这类计算。知道小数点后第5000位数字有什么好处?嗯,让德雷纳和范·德鲁内感兴趣的,不只是更精确的李特伍德—塞勒姆—泉常数值,两人解释说,他们感兴趣的是可以用来执行计算的方法。他们想证明:要解决今日的一些数学难题,只需要一台手提电脑、一套最新商用软件如Mathematica,以及一种源自17世纪的近似计算法。 oA4BvF/QuJN3ADNqWJh2rxr8xOjqb1qIkjADI5kXbs9V8O+TKveDRpIIdg5cH2TH

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