數學之書

發稿時間:2013/02/02
數學之書
數學之書
作者|柯利弗德.皮寇弗/著
譯者|陳以禮
出版社|時報出版
出版日期|2013/01/07

  每個經由科學拓展的領域都能發現數學的蹤跡,甚至稍微細心點還能察覺數學對我們日常生活的影響。這本書是皮寇弗精心打造的數學知識百科,透過精簡的文字、繽紛的圖片,將數學史上二百五十個重大成就完整呈現。豐富的條目不僅展示人類所能想出最奇特的物品及想法,更詮釋數學史上許多著名里程碑背後的奧妙。

文章節錄

西元1921年/超空間迷航記

波達亞納(Baudhayana,約西元前800年),

薩莫斯的畢達哥拉斯(Pythagoras of Samos,約西元前580年~約西元前500年)

  想像在一條扭曲的水管中有一隻機器甲蟲,而且這個小傢伙就在水管內不限次數隨機地往前或往後移動,並假設這是一條無限長的水管,請問這隻機器甲蟲無論如何隨機亂走,最終卻還是回到起點的機率,是多少?

  匈牙利數學家波利亞在西元1921年證明該機率為1──在一維空間內不限次數隨機亂走後,最終一定會回到原點。如果把這隻機器甲蟲放到二維空間(平面)中的原點,同樣也是朝東西南北任一方向不限次數地隨機亂走,則機器甲蟲最終回到原點的機率還是一樣是1。

  波利亞也同時證明了我們所處三維空間世界的特殊性:三維空間是第一個有可能讓機器甲蟲永遠迷航的歐幾里得空間。將機器甲蟲置於三維空間不限次數隨機亂走的話,最終還能回到原點的機率只有百分之三十四。在更高維度的n維空間裡,機器甲蟲回到原點的機率就更低了,大約只剩 1/(2n) 的機率;這1/(2n) 的機率恰巧也是機器甲蟲第二步就走回原點的機率,換句話說,如果機器甲蟲在更高維度空間裡無法盡早退回原點的話,恐怕就得永遠迷航下去了。

  雖然波利亞的雙親都是猶太人,但是兩人在波利亞出生前一年就改信羅馬天主教。波利亞誕生於匈牙利布達佩斯,隨後在西元1940年代成為史丹佛大學數學系教授。波利亞所著《怎樣解題》(How to Solve it)一書不但賣出超過一百萬冊,他本人更被許多人視為二十世紀最具有影響力的數學家之一。

西元1925年/希爾伯特旅館悖論

希爾伯特(David Hilbert,西元1862年~西元1943年)

  在某個有五百間客房的旅館中,每個房間都有旅客入住;在下午時分抵達旅館的你被告知已經沒有多餘的客房,正當你打算無助地離開時,希爾伯特旅館悖論(the paradox of Hilbert’s Grand Hotel)登場了。想像一下這間旅館有著無數間客房,同樣每一間也都住了旅客;儘管旅館已經客滿了,櫃台還是可以挪出一間客房給你。這怎麼可能呢?更奇妙的是,就算同一天有數不清的旅客為了參加研討會而下榻同一間旅館,櫃台同樣可以滿足所有人的要求安排房間,藉此機會海削一票!

  德國數學家希爾伯特在西元1920年代提出這個悖論,藉以描述無限這個概念不可思議的特質。讓我們來看看你究竟是如何住進希爾伯特的大旅館。當你隻身一人抵達客滿的旅館時,櫃台將原本住在一號房的客人挪到二號房、把原本住在二號房的客人挪到三號房⋯⋯以此類推,所以現在一號房就成為你的專屬客房了。而為了安排陸續抵達且無法盡數的旅客,櫃台就把已經入住的旅客通通移到偶數號的房間(原一號房改成二號房,原二號房成四號房,原三號房改成六號房⋯⋯),再把這些晚到的旅客通通安排進所有空出來的奇數號碼房。

  康托爾的超限數(Cantor’s Transfinite number)理論可以用來解釋希爾伯特旅館悖論,亦即儘管在一間正常的旅館中,奇數號碼的房間數一定小於旅館的全部客房數,但是在一間有著無數客房的旅館中,奇數房的「數量」可不見得小於旅館全部客房的「數量」(數學家使用「基數」這個詞彙比較這些以無限客房為元素所組成的集合大小)。

西元2001年/床單問題

賈莉雯(Britney Gallivan,西元1985年生)

  某個失眠的夜晚讓你決定換張床單改變氣氛。這張床單只有0.4公釐那麼薄,對摺一次會變成0.8公釐厚,請問你需要對摺幾次才能讓床單厚度跟地球到月亮之間的距離一樣?這個床單問題(bed sheet problem)神奇的答案是:只要把床單對摺四十次以後,你就可以睡在月球上面了!這個問題其他版本的說法是:如果你可以把手中厚 0.1公釐的紙張連續對摺五十一次的話,堆起來的高度甚至比地球到太陽的距離還遠!

  儘管如此,現實生活中其實不可能把一個物體連續對摺到那麼多次,以往在二十世紀大家普遍認定一張真正的紙不論有多大,最多也只能對摺七次到八次而已,可是,一位高中生賈莉雯卻在西元2002年,出乎世界意料之外地把一張紙整整對摺了十二次。

  賈莉雯在西元2001年找到方程式,用以刻劃按單一方向對摺一張已知大小的紙張的次數上限。以厚度為 t的紙張為例,如果要對摺 n 次的話,則一開始這張紙最短的邊長必須是:L = [(πt)/6] × (2n + 4) × (2n - 1)。仔細研究 (2n + 4) × (2n - 1)這條算式,從 n = 0 開始,其計算結果分別是0、1、4、14、50、186、714、2,794、11,050、43,946、175,274、700,074…的整數數列,這表示當對摺到第十一次的時候,為了裝訂留邊所損失的材料,會是第一次對摺所損失的 700,074 倍。

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