书城科普科学未解之谜
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第6章 数学未解之题(3)

我国著名数学家华罗庚最使人们感到惊奇的是,自然界很多现象都与斐波那契数列有关。科学家们发现蜜蜂的繁殖速度也符合斐波那契数列。除了动物的繁殖外,植物的生长也与斐波那契数有关。如果一棵树每年都在生长,那么,一般说来,第一年只有主干,第二年有2枝,第三年有3枝,最后是5枝、8枝、13枝等,每年的分枝数正好为斐波那契数。还有一些学者发现自然界中花朵的花瓣数目也与斐波那契数有关。生物学中的“鲁德维格定律”,就是斐波那契数列在植物学中的应用。对于以上现象怎样解释呢?是偶然的巧合吗?大多数科学家认为,绝不是巧合。是这些动植物也懂得优选法吗?不是!其实道理很简单,自然界的生物在进化过程中都不自觉地服从着一条原则——“适者生存”,只有按照最优方案发展,才能很好地生存下去,否则就会慢慢被淘汰。这个说法正确吗?至今还被人们研究和印证着。

不可思议的“倍增效益”

两千多年前的希腊著名数学家阿基米德,曾经和当时的希腊国王打赌,让他在象棋格子盘(国外象棋每盘有64格)上每格每天放米,要求以后放的米粒数是前一天的一倍……等到国王按规则放完64倍后,他竟然输掉了全国的谷仓!……这就是倍增法的神奇效应,从最初的一个很小的数字,最后变成成千上万甚至无穷大……其效果是一般人无法想象的。这不仅反映一个数字规律,生物界的很多生物的生长都是遵循这一规则的,包括我们人类的细胞变化……从一定程度上来说,是倍增法则造就了这个丰富多彩的世界,也是倍增规律令我们感受到世界的神奇……倍增法则的存在告诉我们,任何事物都是人类可以掌控的。倍增的规则引发的后果可能令人目瞪口呆,开始微不足道的数字会变成巨大的不可想象的数字。因此,如果有人用倍增法和你打赌,你一定不能应战。另外,刚开始听起来很占便宜的事情,往往会吃亏。下面这个故事就是一个关于倍增应用的有趣的故事。

符合倍增法的植物

从前国外有个贪财的大富翁,虽然已非常有钱,可是每天还在盘算着如何得到更多的钱。一天,富翁在路上遇到一个衣着俭朴的年轻人,他连眼皮也没眨一下,就走了过去。年轻人自言自语地说:“1分钱换10万元总会有人干的……”富翁一听,急忙回头叫住年轻人:“喂,你说的换钱是怎么回事?”年轻人很有礼貌地一鞠躬说:“先生,是这样的,我可以在一个月内,每天给你送来10万元钱,虽然不是白给,但是代价是微不足道的,第一天只要你付我1分钱。”“1分钱?”富翁简直不敢相信自己的耳朵。“对,是1分钱。”年轻人说,“第二天再给你10万元时,你要付两分钱。”富翁急切地问:“以后呢?”“第三天,付4分钱;第四天,付8分钱……以后每天付给我的钱数都要比前一天多一倍。”“还有什么附加条件呢?”“就这些,但我们俩都必须遵守协定,谁也不准反悔!”于是,俩人签订了协定。10万元换几分钱!真是难得的好事!富翁满口答应:“好!就这样。”第二天一清早,年轻人准时到来,他说:‘先生,我把10万元送来了。”随即从大口袋里掏出整整10万元,并对富翁说:“下面该你付钱了。”富翁掏出一分钱放在桌子上,陌生人看了看,满意地放入衣袋说:“明天见。”说完走出门去。10万元钱从天而降!天下最大的便宜事叫富翁遇上了,他赶忙把钱藏了起来。第二天早晨,年轻人又来了,他拿出10万元,收下两分钱,临走时说:“明天请准备好4分钱。”第二个10万元又到手了!富翁乐得手舞足蹈。心想这个年轻人又蠢又怪!世上这样的人要是多几个多好,我们这些聪明人就会发了还要发,变成举世无双的大富豪了。第三天,年轻人用10万元换走了4分钱。第四天换走8分钱,以后又是1角6分、3角2分、6角4分,七天过去了,富翁白白收人70万元,而付出的仅仅是1元2角7分,富翁真想把期限再延长些,哪怕多半个月也好呀!年轻人照常每天送10万元来,第八天付给他1元2角8分,第九天付2元5角6分,第十天付5元1角2分,第十一天付10元2角4分,第十二天付20元4角8分,第十三天付40元9角6分,第十四天付81元9角2分。十四天过去了,富翁已经收入整整140万元,而付出的才150元多一点。又过了一段时间,富翁慢慢感到年轻人并不那么简单了,换钱也不像最初想象地那样合算了,十五天过后,每收入10万元,付出的已是几百元了,不过,总的来说还是收入的多,支出的少。可是,随着天数的增加,支出在飞速地增大,纯收入在逐日减少,第二十五天,富翁支出167772元1角6分,第一次超过了收入;第二十六天支出335544元3角2分,大大超过了收入;到了第三十天支出竟达5368709元1角2分。年轻人最后一次离开时,富翁连续算了一昼夜,终于发现:为了收入330万元,他付出了10737418元2角3分,亏了近800万元,富翁失算了!计算一下富翁付出的总钱数,以分为单位的话,就有以下三十个数相加:1+2+4+8+16+32+64+……+538870912。为了算出这个和,可以写成算式:1+2+4=2×2×2-11+2+4+8=2×2×2×2-1,……1+2+4+8+……+536870912=2×2×…×2-130个=1024×1024×1024-1=1073741823(分)从一分钱到一千万,短短的三十天时间,就发生了如此不可思议的改变!这是一个以智慧取胜的故事。其实倍增就是一种智慧,可以被运用到生活各个方面。它带来的效果总是神奇的。

扑朔迷离的“回文数猜想”

“回文”是文学中的一种修辞方法,指写成的句子前后两个字相同,就像“回”到了以前一般,因此称为回文。回文句正读倒读都可念,而且都可以读得通。这是文学中比较有趣的一种现象。但是这种现象在数学中也存在,我们称之为“回文数”比如121,101等等,指正读倒读都是同一个数。更有趣的是,人们在寻找回文数的时候发现,把任意一个两位以上自然数倒过来相加都能得到一个回文数。这就是著名的“回数猜想”。但是这个规则是不是放之四海而皆准呢?目前仍然没有人能证明。因此这是一个数学上著名的未解之谜。前面提到过哲学和数学相通的问题,但是数学和文学同样也有相通的现象,这听起来似乎令人觉得不可思议。但是的确存在,“回文”就是其中一例。传说,古代有一个秀才游桂林的斗鸡山,觉得山名有趣,信口说出一句话:“斗鸡山上山鸡斗。”他想把这句话作为上联来对一副对联,可是下联自己也对不上来。回家后便请教自己的老师,老师想了一下说:“我不久前游览了龙隐洞,就以此给你对个下联。”老师念道:“龙隐洞中洞隐龙。”对得很巧。这是一副回文对联。古代诗人王融曾写过一首著名的回文诗:“风朝拂锦幔,月晓照莲池。”反过来读:“池莲照晓月,幔锦拂朝风。”不管怎样读,都是一首诗。有趣的是,数学家族里的主要成员数中也有回文的,你看数101,正着读倒着读都是101;再看32123,正着读倒着读都是32123。这种正反读都一样的数很多,数学家给它们起了一个特殊的名字——回文式数,简称回文数。围绕着对回文数的研究,数学家们发现,有的回文数不老实,不是明明白白地站在数字的队伍里,而是隐藏在其他数里,经过特殊变换以后才显露真容。比如83,它不是回文数,将它与其倒数相加,83+38=121,就变成了回文数121。经过多次验算,数学家提出了一个猜想:任取一个自然数,把它倒过来与原数相加,然后把这个和数再与它的倒数相加,一直重复这个运算,最后总能得到一个回文数。数学家把这个猜想叫做“回数猜想”。请看:83:83+38=121,经过1步运算就能得到回文数121;68:68+86=154,154+451=605,605+506=1111,1111是回文数,只需3步运算就能得到;195=195+591=786,786+687=1473,1473+3741=5214,5214+4125=9339,要运算4步,得到的回文数是9339。是不是所有数经过上述运算都能产生回文数?也就是说,回数猜想是对的还是错的?这个问题至今没有解决。最初,人们是一个数一个数地去验算。当有人对196进行上述运算时,算了5万步,所处理的数已达到21000位,仍没有获得回文数。人们就猜测,也许196永远也变不成回文数。如果真的是这样,那么“回数猜想”就是错误的。然而,不管你算了多少步,这种运算总没到头,没到头就不能否定,要否定必须给出足够的理由。后来,人们又发现,在10万个自然数中,有5996个数,不管运算多久,似乎也产生不出回文数,196就是其中最小的一个。但是,不管怎样运算,就是没有人能找出它们产生不了回文数的确凿证据来。所以只能用含糊的词“似乎”来表述。此路不通。一些数学家就采取另外的方法来研究。他们对既是质数又是回文数的数进行了特别的研究,一方面想看看这些数有什么特性或规律,另一方面也想从中找出证明回数猜想的蛛丝马迹。通过研究,数学家发现了一些有特殊性质的回文质数。比如19391,把它的5个数字写在一个圆周上,你从其中任一个数开始,不管是顺时针写还是逆时针写,写出来的5位数都是质数。这种回文质数很少。数学家还发现回文质数除11外必须有奇数个数字。因为每个有偶数个数字的回文数,必然是11的倍数,所以它肯定不是质数。比如125521是一个有6位数字的回文数。判断能被11整除的方法是:一个数所有偶数位数字之和与所有奇数位数字之和的差是11的倍数,那么这个数就能被11整除。125521的奇数位数字是1、5、2,而偶数数字是2、5、1,而偶数位数字是2、2、1,它们和的差是:(2+5+1)-(1+5+2)=0是11的倍数,所以125521可以被11整除,它不是质数。有些回文数相乘之后,所得乘积还是回文数。例如212X141=29892。这样的例子还不少:11X11=121,22×22=484,111X 111=12321,111X 121=13431,111X131=14541,121X212=25652。在回文数中平方数是非常多的,比如121=112,12321=1112,1234321=11112……一直到12345678987654321=1111111112。你随意找一些回文数就会发现,平方数所占的比例比较大。立方数也有类似情况。比如1311=113,1367631=1113等等。对回文质数的研究虽然取得了一些成绩,发现了一些特性,但是用它们也不能证明“回数猜想”。“回数猜想”证明不出来,却没有挡住数学家想象的驰骋。他们又大胆地猜想:回文质数有无穷多个;回文质数对(中间的数字是连续的,而其他数字都相等,如30103和30203)也有无穷多对。但是也没有人能证明这些猜想是对的。扑朔迷离的回文质数又给数学家们出了一个难题。回文数无论在文学还是数学中都是一个有趣而奇特的现象。虽然关于它的奥秘,还没有完全解开,但是它们的存在向人们证实了,自然界永远有神秘的现象等待人们去揭示。