——李学数对小王子的劝告
当一门数学学科远离它的经验来源,或者甚至它只是由来自“实际”的思想间接激发产生的第二代和第三代,这门学科就危机四伏了。它会越来越走向纯美学化,越来越纯粹地为艺术而艺术……现在有一种巨大的危险:这门学科将沿着那条阻力最小的路线发展……将会分崩离析,成为许多无足轻重的分支……无论如何,我觉得唯一的补救办法就是恢复到青春回到起源,重新注入多少是直接经验的思想。
——冯·诺伊曼
“自动机是一个电子计算机的雏形,具有一个特殊的功能,就算一个极其简单的自动机也能显示一些完美、神秘的数学原理。我们可以通过玩自动机的游戏,揭示数学世界许多令人叹为观止的美妙现象,而这在之前是人们始料不及的,孩子,你要通过玩游戏学习数学。”李学数对小王子解释染色游戏的威力。
“老爷爷,你曾经对我说数学世界有许多可以玩的游戏,你要慧眼看出哪些是好玩的。
我想知道你有什么简单的数学道具,可以玩出不平凡的数学游戏?”
“好,你知道小孩子在小学时学算术会学到区分自然数为偶数和奇数。你当然明白偶数是能用2整除的数,而奇数是用2除会有余数1的数。”
偶数+偶数=偶数,奇数+奇数=偶数,
偶数+奇数=奇数+偶数=奇数,
发现最小的群〈ℤ2,+〉。”
“对,如果你把奇数写成[1]2,偶数写成[0]2,我们有加法表:
就是这个ℤ2群。”
“老爷爷,高斯发现的这个概念对他的研究有什么帮助呢?”
“高斯是一个既天才又勤奋的数学家,他很长寿,在数学和科学上有许多伟大的工作,如电学、大地测量学、复数、函数论、级数理论、代数基本定理、行星卫星轨道的算法、双曲几何、误差理论中的最小二乘法,还有数论中的模算术。
可是他很不愿意把他的工作公之于世。他曾给好友写信,表示担忧有人会对他的工作恶评而使他的名声受损;在给朋友的信中他这么说:‘……我无意把我非常广泛的研究工作整理出版,也许它们在我的有生之年绝不会发表,因为我害怕如果我大声地说出我的意见,我就会听到那些既迟钝又愚蠢的人的嚎叫……’”
高斯
“哎呀!老爷爷,高斯真高傲,把其他人看成比不上他的愚蠢的人。”
“孩子,你要原谅他的顾虑,这世间就是这样。俗话说‘枪打出头鸟’,你如果才智过人就像鹤立鸡群,你就会变成众矢之的,人们不但不欣赏你,反而要把你践踏一番,这就是人性可恶的一面。”(www.xing528.com)
“老爷爷,我们还是回来谈数学,高斯怎么发展他的‘奇、偶’运算的规律?”
“还好,他在1801年24岁时出版了一本名叫《算术研究》(Disquisitiones Arithmeticae)的第一本系统讲述数论的书,这书中介绍了他的‘同余’概念。
[定义1]令整数m≥2,对于整数a,b,我们定义
a≡b(modm)
当且仅当m可以整除a-b。
[定义2]令[k]n={an+k:a=0,±1,±2,…},而0≤k≤n-1。
我们称[k]n是k的同余系。
[例][0]2=所有偶数集合,
[1]2=所有奇数集合,
他定义了这些同余系的加法运算,比方说n=3,我们有ℤ3={[0]3,[1]3,[2]3}。
这就是ℤ3群。
我今天就用这个小小的群玩一个数学游戏。”
“啊!我很荣幸能用高斯的发现探索数学。”
“好,你现在看我画的图:
你看出什么奥妙吗?”
“我知道你是说一个ℤ3的元素x在运算x+[1]3后的结果。”小王子观察后,很快地回答。
“对,你能画出其他可能的运算吗?”
“行,你看下面两个图”:
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