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阿基米德的报复-第章

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    “数学的整个领域都极其散漫,”坦普尔大学数学教授小彼得。哈及斯说,“我研究完全数是出于闲散的好奇心,因为它可能是最古老的未决问题。研究它也许意义不大,然而这一问题如此古老,没有人认为对之进行研究完全是浪费时间。如果这一问题是5年前第一次提出来的,那它是决不会令人感兴趣的。”

    无论在哪一领域,达到完善总是很难的,偶数完全数也不例外。但是,人们至少知道它们是存在的。我们已发现了30个偶数完全数,最大的是一个由13万位阿拉伯数字组成的庞然大物:2216,090(2216,090…1)。也许第三十一个完全数不会出现了,因为早在2300多年前数学家就已知道有无穷多的素数(即只能被1和它本身整除的数),但在同一时期,他们却不能决定完全数是不是无限的。

    要是在俄国茶室或“四季”咖啡馆里喝着可乐会见米歇尔。弗里德曼我会很高兴的,但他宁可让我们在斯替韦桑特中学他的校长办公室中见面,而该校是曼哈顿数学家和科学家的中心。传说,爱因斯坦不能做加减运算,但可在睡梦中研究高深的数学。米歇尔的情况也可以这么说。在选择我们会见时间这种简单的事情中就体现了出来,因为这位杰出的小伙子不适于将中学时间——“第三节”和“第五节”——转换成我们常人所遵照的小时和分钟。然而一旦我们真聚到了一起,这位腼腆的天才就口若悬河地谈论起来,一下成了使人兴趣盎然的人了。

    米歇尔告诉我:“去年我为一位数学老师写一篇论文,我知道关于奇数完全数的问题。这问题使我感兴趣,因为它很简单,可还没人找到答案。”接着,米歇尔首先回顾了完全数的历史。

    古人只知道4个完全数,它们是:6,28,496和8,128。欧几里得认识到——大概只有古希腊的神祗才晓得他是如何知道的完全数  …………  位数1。  21 (22…1 ) =6…………1 2。  22 ( 23…1 ) =28…………2 3。  24 (25…1) =496…………3 4。  26 (27…1) =8,128…………4 5。  212 (213…1) =33,550,336…………8 6。  216 (217…1 ) =8,589,869…………056…………10 7。  218 (219…1) =137,438,691,328…………12 8。  230 (231…1) =…………19 9。  260 (261…1) =…………37 10。 288 (289…1) =…………54 11。 2106 (2107…1) =…………65 12。 2126 (2127…1 ) =…………77 13。 2520 (2521…1 ) =…………314 14。 2606 (2607…1 ) =…………366 15。 21,278 (21,279…1) =…………770 16。 22,202 (22,203…1) =…………1,327 17。 22,280 (22,281…1) =…………1,373 18。 23,216 (22,317…1) =…………1,937 19。 24,252 (24,253…1) =…………2,561 20。 24,422 (24,423…1)=…………2,663 21。 29,688 (29,689…1) =…………5,834 22。 29,940 (29,94l…l)=…………5,985 23。 211,212 (211,213…1)=…………6,751 24。 219,36 (219,937…1)=…………12,003 25。 221,700 (221,701…1)=…………13,066 26。 223,208 (223,209…1)=…………13,973 27。 244,496 (244,497…1)=…………26,790 28。 286,242 (286,243…1)=…………51,924 29。 2132,048 (2132,049…1)=…………79,502 30。 2216,090 (2216,091…1)=…………130,100这4个数是由公式2n…1(2n…1)当n=2,3,5和7时推出来的。算式如下:n=2,21(22…1)=2(3)=6 n=3,22(23…1)=4(7)=28 n=5,24(25…1)=16(31)=496 n=7,26(27…1)=64(127)=8,128欧几里得看出,在全部的4个算式中,2n…1是素数(3,7,31和127)。这种发现促使他证明一个重要的定理:当2n…1为素数时,那么公式2n…1(2n…1)则得出偶数完全数。

    欧几里得的证明使得完全数理论有了一个兴旺的开端。但由于其他数学家的短视,这一理论进展缓慢。许多思想精微的人自以为他们看出了数字模式,其实这些数字并不存在。如果他们看得更远一点,他们就会发现这种模式是虚幻的。

    古人观察到,前4个完全数都是以6和8结尾的。进一步说,最后一个阿拉伯数字似乎是6,8,6,8地交替出现。所以有人推测,完全数最后一个阿拉伯数总会是6或8,并且它们会继续交替出现。第五个完全数——古代人并不知道——的确是以6结尾的。但第六个完全数也是以6结尾的,这就打破了交替出现的模式。然而,关于最后一个阿拉伯数字总是6或8这一点,古人还是正确的。今天,数学家可以研究30个完全数——比古人多出7倍以上——但他们还必须找出尾数为6和8的模式。

    古人还观察到,第一个完全数有一位数字,第二位完全数有2位数字,第三个有3位数,第四个有4位数。所以他们推测,第五个完全数会有5位数。在欧几里得故去17个世纪后发现了第五个完全数,它赫然具有8位数:33,550,336。并且位数继续迅速增多,以下3个完全数分别为8,589,869,056;137,438,691,328;和2,305,843,008,139,952,128。欧几里得证明了一旦2n…1是素数,那么2n…1(2n…1)就会得出一个完全数,但他并没有说n的哪一个整数值会使2n…1成为素数。由于使2n…1为素数的前4个n值为前4个素数(2,3,5,7),可能有人推测:如n为素数,2n…1也会是素数。那么,让我们来试试看第五个素数:11。如n=11,2n…1则为2,047,而2,047并非素数(它是23和89的积)。真实情况是:要使2n…1为素数,n必须是素数,而n为素数并不就意味着2n…1是素数。事实上,对于n的大多数素数值来说,2n…1并不是素数。

    由2n…1一式得出的数列现在称作默塞纳数列,马林。默塞纳是17世纪的巴黎僧侣,他在尽僧职之余抽空进行数论的研究。根据欧几里得的公式,每发现一个新的默塞纳素数,就会自动出现一个完全数。 1644年,默塞纳自己说,213…1,217…1和219…1这3个默塞纳数是素数(8,191;131,071和524,287)。这位僧侣还声称267…1这个巨大的默塞纳数会是位素数。在250多年的时间里,没有人对这一大胆的声言提出疑问。

    1903年,在美国数学协会的一次会议上,哥伦比亚大学教授弗兰克。纳尔逊。科尔提交了一篇慎重的论文,题为:论大数的分解因子。数学史家埃里克。坦普。贝尔记下这一时刻所发生的事:“一向沉默寡言的科尔走上台去,不言不语地开始在黑板上计算267。然后小心地减去1,得出21位的庞大数字:147,573,952,589,676,412,927。他仍一语不发地移到黑板上的空白处,一步步做起了乘法运算:193,707,721×761,838,257,287两次计算结果相同。默塞纳的猜想——假如确曾如此的话——就此消失在数学神话的废物堆里了。据记载,这是第一次也是惟一的一次,美国数学协会的一位听众在宣读论文之前向其作者热烈欢呼。科尔一声不吱在他座位上坐下。没人向他提任何问题。”

    在欧几里得证明他的公式总是得出偶数完全数的大约2,000年之后,18世纪的瑞士数学家伦纳德。尤勒证明,该公式将得出全部的偶数完全数。这样,我们就可以用另一种方式提出奇数完全数问题:是否存在不是由欧几里得公式得出的完全数呢?

    为弄清最近取得的进展,年轻的米歇尔。弗里德曼埋头翻阅过期杂志:《计算数学》、《数论杂志》、《数学学报》及一堆决不会在咖啡桌上看到的其他期刊。他甚至参阅理查德。盖伊的艰深的经典著作《数论中的未决问题》,该书不仅讨论完全数,而且还探讨十几个其他神秘专题:“近超完全数”、“友谊图表”、“优雅图”、“贪婪规则系统”、“纽环游戏”、“达文波特…施尼茨尔系列”、“半友善数”、“友善数”和“不可接触数”。

    米歇尔知道,困于这一棘手问题的数论学家们验明:如果真有奇数完全数存在的话,所必须具备的各类特征有:它必须被至少8个不同的素数整除,其中最大的一定要大于300,000,次大的也要大于1,000。如果奇数完全数不能被3除,它至少应被11个不同的素数整除。此外,当一个奇数完全数除以12时,它应有余数1;当它除以36时,它的余数应该是9。我们从这些验证中能得出什么结论呢?对奇数完全数的限制越多,奇数完全数存在的可能性就越小。1973年,彼得。哈吉斯运用这样的限制条件并借助于计算机肯定地证明了1050以下没有奇数完全数。米歇尔从盖伊的书中看到,自1973年以来,其他数论家“渐渐地把奇数完全数不可能存在的上限推到10100,尽管有人对后面这一证明表示怀疑”。

    既然与盖伊一样有权威的人对这些证明提出质疑,米歇尔决定重新研究更低限问题。他运用 IBM PC机及一组限制因素,包括一些文献中极少提到的来自印度的限制因素,证明在1079之下不存在奇数完全数,1079有8个素数因数——这是一个奇数完全数所能有的最少的素数因数的数目。

    米歇尔说:“我在论文中只是引用了盖伊的话:以前(关于奇数完全数低限很高)的证明是可疑的。当我参加威斯汀豪斯决赛时,我决定检查其他一些证明,但没有发现它们可疑的原因。因此,我给盖伊打了电话,他告诉我,数学家不喜欢由计算机做出的证明,因为你没法知道:编程序的人出继漏了吗?计算机出故障了吗?”

    即使该计算机的计算错误(比如说在别的计算机上)被检查出来,但由于那些证明本身常常很长并且很复杂,因而除了原作者没人对它们一步步地仔
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