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計算機(jī)助力數(shù)學(xué)研究

最近,英國布里斯托大學(xué)數(shù)學(xué)家安德魯•布克教授借助計算機(jī)破解了困擾人們64年的一道數(shù)學(xué)難題:33如何用3個立方數(shù)字之和表達(dá)。雖然這個問題看似簡單,但它卻是一道長期存在的數(shù)論難題,它至少可追溯至1955年;其實早在公元3世紀(jì),希臘思想家就可能認(rèn)真思考過這個問題,這是要解的方程:X^3+Y^3+Z^3=K。布克教授設(shè)計了一種新的計算機(jī)算法,讓計算機(jī)來尋找找這一方程的解,超級計算機(jī)使用了高達(dá)10^16次冪的值(每個數(shù)字高達(dá)99千萬億)來尋找答案。在計算機(jī)算法運(yùn)行幾周后,一個答案出現(xiàn)了:8866128975287528^3+–8778405442862239^3+–2736111468807040^3=33。在計算機(jī)的助力下,這道數(shù)學(xué)難題終于被破解了!

計算機(jī)助力數(shù)學(xué)研究

由上可見,計算機(jī)的應(yīng)用,既改變了數(shù)學(xué)研究的方法,也提高了數(shù)學(xué)研究的效率。眾所周知,數(shù)學(xué)是計算機(jī)科學(xué)的理論基礎(chǔ);回顧計算機(jī)發(fā)展史,其中的每一次飛躍都離不開數(shù)學(xué)的貢獻(xiàn)。有趣的是,計算機(jī)的出現(xiàn)反過來給予人們另外一種探索數(shù)學(xué)規(guī)律的手段。

計算機(jī)的發(fā)明,是為計算而來,而計算能力始終是計算機(jī)的根本。計算機(jī)的介入,擴(kuò)展了數(shù)學(xué)研究的領(lǐng)域,促進(jìn)了計算數(shù)學(xué)的發(fā)展;尤其是運(yùn)算量極其龐大的數(shù)學(xué)問題,大多數(shù)情況只能借助計算機(jī)來解決。例如,四色問題、E8結(jié)構(gòu)、費(fèi)克特問題、開普勒猜想、埃爾德什差異問題、畢氏三元數(shù)問題等著名數(shù)學(xué)難題,都是借助計算機(jī)來破解的。值得一提的是,當(dāng)今的大素數(shù)就是借助計算機(jī)來探究的。例如,2018年美國一名數(shù)學(xué)愛好者借助計算機(jī)并利用網(wǎng)格計算技術(shù)發(fā)現(xiàn)了第51個梅森素數(shù):2^82589933-1(即2的82589933次方減1),該數(shù)有 24862048 位;它是迄今為止人類發(fā)現(xiàn)的最大素數(shù),如果用普通字號將它打印下來,其長度將超過100公里!

計算機(jī)成為數(shù)學(xué)研究的工具已是大勢所趨,不可阻擋。正如中國科學(xué)家及未來學(xué)家周海中教授在《21世紀(jì)數(shù)學(xué)展望》一文中所言:計算機(jī)在數(shù)學(xué)研究中發(fā)揮的作用將越來越大;借助計算機(jī)解決數(shù)學(xué)問題將激勵人們?nèi)で蟾谩⒏唵蔚姆椒ǎ布由钊藗儗?shù)學(xué)本質(zhì)特征的認(rèn)識,還推動以計算機(jī)為基礎(chǔ)的人工智能的發(fā)展。毫無疑問,在計算機(jī)的助力下,破解數(shù)學(xué)難題的成果今后會越來越多。

也許有人會問:借助計算機(jī)破解數(shù)學(xué)難題,這樣“正確”的證明,還算不算是“數(shù)學(xué)”?由于數(shù)據(jù)的絕對量過于龐大,以至于沒有辦法由人工進(jìn)行驗證,那么這種證明能否被驗證真?zhèn)危咳绻麛?shù)學(xué)家的工作是通過理論幫助人類更好地理解數(shù)學(xué),那通過窮舉來解決問題的計算機(jī)究竟有什么存在的意義?或許我們只能希望早日有人能給出數(shù)學(xué)問題的邏輯證明。例如,2014年英國計算機(jī)專家借助超級計算機(jī)證明了埃爾德什差異問題;一年后,美國加州大學(xué)洛杉磯分校數(shù)學(xué)家陶哲軒教授就用傳統(tǒng)方式成功破解了這道難題,此事震動了全球數(shù)學(xué)界。

盡管基于人腦的傳統(tǒng)證明仍是基本的,計算機(jī)在幫助數(shù)學(xué)家發(fā)現(xiàn)新定理、指明正式證明的道路方面也是功不可沒的。更重要的是,在很多情況下,計算的結(jié)果要比人工的證明更令人信服。畢竟人工證明會被小錯誤、疏忽和對前人也許并不正確的結(jié)果的依賴所干擾。目前各種跡象都表明:在可預(yù)見的未來,數(shù)學(xué)家將會和計算機(jī)互利共存;計算機(jī)助力數(shù)學(xué)研究將會成為一種新的形態(tài),這是不以人的意志為轉(zhuǎn)移的發(fā)展趨勢。

(作者系新加坡南洋理工大學(xué)博士)

責(zé)編:微科普

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