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数学家为什么痴迷于证明?

数学中的一些题目可能表述起来很容易,但要解答却很难。

举例来说,1886年,布里斯托尔的克利夫顿学院(Clifton College)(图26)院长J. M.威尔逊(J. M.Wilson)向全校公布了下面这道“挑战题”:

图26 布里斯托尔克利夫顿学院,1898年

证明最多用四种颜色就可以给任何平面地图上色(相邻的国家有不同的颜色)。

这个问题当时已经存在了大约30年,图27显示了一个确实需要四种颜色的简单例子。

图27 一幅需要四种颜色的简单地图

威尔逊要求他的年轻学生们在“12月1日当天或之前”提交解答,但附带了一个严格的条件:

任何解答都不得超过30行一页的手稿或一页图表。

但事实证明,这太过于乐观了。

90年后,当K. 阿佩尔(K. Appel)和W. 黑肯(W. Haken)最终证明四色定理时,该证明包含了1万张图表,打印相关计算过程的纸在地面上堆了4英尺(1.2米)高。它甚至提出了有关数学中整个证明概念的一些基本问题。

“设法证明定理”

我认为,对许多人来说,关于证明的关键问题更为实际,即:数学家究竟为什么如此痴迷于证明?

当然,最显而易见的答案是,如果没有证明,所讨论的命题可能就是错误的(图28)。

但是,如果我们更深入地探究,问一下这是如何发生的,那么我们就会发现,这在很大程度上是因为数学家总是喜欢做出一般性的论断,声称这样或那样的陈述在无限多的特例中都是正确的。

从某种意义上说,这是去追求一种时时有挑战的惊险生活。

图28 这是一位典型数学研究者一周的安排。
这种略带戏谑的看法应归功于朱莉娅·鲁宾孙(Julia Robinson,1919—1985)

一个诱人的命题

例如,考虑以下陈述:

命题 :对于所有正整数 n ,991 n 2 +1都不是一个完全平方数。

这里所说的“完全平方数”是指一个整数的平方,除非你碰巧是数学这一领域中的专家(我肯定不是),否则很自然的做法是从考虑几个简单的例子开始。

例如,若 n =1,则991 n 2 +1=992,这不是一个完全平方数,最接近的完全平方数是31 2 =961。

n =2,我们求得991 n 2 +1=3965,这可以说是“差一点”,因为63 2 =3969。

尽管如此, n =2也就不会给出一个完全平方数。原则上,我们可以使用计算机以这种方式一直检查下去,直到比如说 n =1000。

如果你觉得一千个特例还不够,那一百万个呢?

甚至,比如说,一万亿亿个?

事实上,即使检验了这么多个特例,毕竟还是远不够好。

这个命题就是错误的,但让我们得知它是错误的最小 n 值是

n =12 055 735 790 331 359 447 442 538 767

此时991 n 2 +1是一个完全平方数。

这就是数学家需要证明的原因。 9wgC9auSNBFVAQklbr9cHYeeLNtReNOuScVKBrTFOYK5V7xxSlQPzmAddbucZkWQ

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