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王梓坤谈演绎法:物体下落、素数与哥德巴赫问题

好玩的数学  · 公众号  · 数学  · 2017-06-04 08:26

正文


严密、准确、透彻的演绎思维往往可以导致惊人的结果。下面我们举两个例子。


关于物体从高空下落的运动,亚里士多德曾断言:“快慢与其重量成正比。”这就是说,重的要比轻的落得快些。这个错误的论断延续了一千八百多年,直到伽利略出现才得到纠正。伽利略认为:在真空中,轻重物体应同时落地,他除了用实验来证明以外,还指出一个十分简单的推理证法,使反对者不得不尊重事实。设物体A比B重得多,按照亚里士多德的说法,A应比B先落地,现在把A与B捆在一起成为物体A+B,一方面,因A+B比A重,它应比A先落地;另一方面,由于A比B落得快,B应减慢A的下落速度,所以A+B又应比A后落地,导到了自相矛盾的结论:A+B既应比A先落地,又比A后落地。既然这个矛盾来源于亚里士多德的论断,因此,这个论断是错误的。



请看,一千多年的错误竟被如此简单的推理所揭露,我们不能不佩服伽利略的思想是何等尖锐明确。


下一个例子同样闪耀着智慧的光辉,它是数学中一种证题方法的典范。


任何一个正整数,除了可以被1与它自己除尽外,如果不能被其他整数除尽,即不能分解因子,就称为素数。例如:2,3,5,7,11,13等都是素数,而4,6,8等则不是(因为它们至少都可被2除尽)。


问题:一共有多少个素数?


欧几里得回答说:有无穷多个。他的证法很简单:如果只有有限多个,那么,就可把他们统统写出来,记为P1,P2,…,Pn,此外,再没有更大的素数了。



然而P1×P2××Pn+1或者是一个素数,它显然比一切P1,P2,…,Pn都大,或者它包含比他们都大的素数因子,不论哪种情况,总有更大的素数存在,这样便发生了矛盾。因此,只有有限多个素数的假设是错误的。这个证明再简单也没有了,在数学中叫做构造性证明。 欧几里得的证法真是出奇制胜,一针见血,闪耀着智慧的光辉。你不是说素数全都在此,再也没有了吗?他却立即给你找出一个,使你张口结舌,无言以对。


关于素数还有不少有趣的难题,它们大都易懂而难证,其一就是哥德巴赫问题。容易想像在一切整数中,素数该是最基本的了,因为其他整数可以分解为素数得乘积,例如:6=2×3 ,8=2×2×2,9=3×3等,于是,1742年德国人哥德巴赫在信中问欧拉:“一切偶数都能分解为两个素数的和吗?”(拿化学打比方,就相当于问:一切化合物能分解为两种元素的和吗)此问题的数学提法是:“对任一偶数2n,n为大于1正整数,是否存在两个素数P1,P2,使2n=P1+P2?”对于常见的偶数,答案是肯定的,例如6=3+3,8=3+5……困难在于“一切”二字,这问题久悬未决已两百多年。我国数学家陈景润做出了成绩,把它的解决向前推进了一步。他证明:大偶数都可以表示为一个素数加不超过两个素数的乘积,简称“1+2”。这与最终的目标“1+1”(即一个素数加一个素数)虽仍还有距离,但已是目前国际上关于此问题的最好结果了。


正确的思维可以导出深远的结果,但这并等于说智慧是万能的。我们不能同意拉普拉斯的一段话,虽然他是当时最杰出的学者之一。1814年,他在《概率论的哲学试验》一书中说:“智慧,如果能在某一瞬间知道鼓动着自然的一切力量,知道大自然所有组成部分的相对位置;再者,如果它是非常浩瀚的,足以分析这些材料,并能把上至庞大的天体,下至微小的原子的所有运动都囊括于一个公式之中,那么,对于它就没有什么东西是不可靠的了,无论是将来来或过去,在它面前都会昭然若揭。”这种超现实的万能的“智慧”,否定了物质的无限性,否定了物质运动的偶然性。不能是别的,只能是一种主观的幻想。


* 本文选自《科学发现纵横谈》,作者王梓坤,中华书局出版。



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