數學閱讀(2013/09/27)


敞開你的大腦,一起來玩數學

                                        文 敬永鍵

天才的誕生

保羅艾狄胥(Paul Erdös 1905~1996)是二十世紀最重要的數學家之一。祖籍匈牙利,足跡卻遍及世界各地。並非他愛好旅遊,而是一旦聽說任何地方有什麼特別的數學發明或猜想,艾狄胥一定迫不及待的趕去參與研究討論。終其一生,包括與他人合作及獨立完成所發表的論文,共計一千四百多篇。這個數目相較於現今國內外任何數學教授所發表的論文數量而言,不諦是個天文數字。

  這樣的一個數學奇才,究竟是如何培養出來的呢?當然除了本身的天賦之外,據艾狄胥自己表示,有兩件事是重要的關鍵。第一是在他三歲時,母親每天出門教書前,總把他交給一個討厭的德國女教師。他為了計算還有多少天才放暑假,好和母親一起生活,因此學會了數數,而由此很快就進入了算術,沒多久他就可以表演心算三、四位數的乘法了。另一個原因是艾狄胥十一歲進入布達佩斯的塔瓦斯美卓街中學就讀時,初次讀到的《中學數學雜誌》,簡稱為《中數雜誌》(KöMal)。《中數雜誌》每個月都會邀請當時著名的數學家和教育家撰稿。但無論這些文章如何精采動人,真正引人入勝的卻是競賽題目。每個月當《中數雜誌》寄達,全匈牙利的天才數學學生就開始絞盡腦汁,構思最美妙的解題方法。答出的人就把答案寄回《中數雜誌》,由自願擔任的裁判進行評審,其中最好的答案便會刊登在雜誌上。每年年底,雜誌上還會刊出年度頂尖好手的照片。艾狄胥說:「唯一的獎賞是,當你的照片出現在年底的解題好手名錄時,你會覺得自己彷彿站在世界的頂端。」

奇妙的質數

  數學的範圍相當廣泛,數論、代數、幾何、微積分、機率、三角乃至最近十年才發展出來的碎形(混沌),要想專精其中任何一項都不是易事,所以一個數學家通常只熟悉一個到數個領域,而艾狄胥是少數能夠精通各方面的數學家。在一個數學研究會上,台上的報告者可能正在談論某個主題,那是艾狄胥不常接觸的,但他卻每每在報告者下台的同時,禮貌性的趨前和對方寒喧,順便告訴他:你剛才提到的問題我已經想到解決的方法了。

  不過艾狄胥年輕時最感興趣的主題是質數。在他早期發表的論文中,幾乎都和質數有關。什麼是質數呢?在大於1的正整數中,只能被1和自己整除的數就是質數。例如3=1×3就是質數,而6=1×6=2×3則不是質數。最小的幾個質數是235711131719232931。如果我們寫的夠多就會發現,一開始質數還算是很密集的,1104個質數,1120也有4個質數,可是數字愈大,質數就愈少。例如91100中只有一個質數97。這樣的現象引發了諸多猜想。第一,質數是否有窮多個?還是超過某個足夠大的整數之後,就再也沒有質數了?早在西元三世紀,希臘數學家歐幾里德(Euclid)對這個問題就給了一個來自天書的證明,他證明出質數有無限多個。這樣的證明對國中生來說稍嫌艱澀了些,所以並不是本文的主題。艾狄胥的父親教他觀察下面的現象:質數的距離,似乎可以很近,也可以很遠。例如23只相差1,是兩個最接近的質數。而像11137173、甚至是10000000000611000000000063這樣只差2的連續兩個質數,我們稱之為孿生質數。有數學家推測孿生質數也會有無限多組,但至今尚無人能夠證明。我們又發現,兩個質數也可以距離相當相當遠,甚至要多遠就有多遠。例如,在36288013628811之間(不包含此兩數)的連續9個整數都不是質數。

魯斯-阿倫數對

    喜歡美國職棒的人,一定聽過幾年前的全壘打大戰。聖路易紅雀隊的麥奎爾(Mark McGwire)和芝加哥小熊隊的索沙(Sammy Sosa)為打破單季最多61支全壘打的紀錄而奮戰。當麥奎爾擊出破紀錄的第62號全壘打時,全場觀眾齊聲歡呼,都為自己能見證這偉大的一刻而雀躍不已。其實類似的戲碼在約40年前也上映過一次。一九七四年四月八日傍晚,道奇隊投手面對漢克阿倫(Hank Aaron)寬敞的好球帶投出一記快速直球,阿倫一棒將它揮出全壘打牆,成為他生涯的第715號全壘打。至此,由貝比魯斯(Babe Ruth)保持了39年的714支全壘打紀錄終於被突破。在場的觀眾中有一位數學專家,閒來無事把714715兩個數字拿來研究,無意中卻發現幾個奇怪的現象。第一、這兩個數的乘積正好是前7個質數的連乘積(714×7152×3×5×7×11×13×17)。第二、它們各自的質因數總和相等(7142×3×7×177155×11×13,而2+3+7+175+11+13)。還有人發現714+7151429,這個數字恰巧也是個質數,甚至將四個數字重新排列的結果:12494129421992419421都是質數(只要不將24放在最後一位)。於是,這位專家就將符合以下條件的兩個數叫做「魯斯阿倫」數對。第一、這兩個數只相差1。第二、它們各自的質因數總和相等。目前所知最小的「魯斯阿倫」數對是56。艾狄胥推測並證明出「魯斯阿倫」數對應會有無限多組。

 


問題

1 . 77的質因數總和是         

2 . 78的質因數總和是         

3 . 你可以寫出一組文中沒有提到的魯斯阿倫數對嗎?                

4 . 你可以找到一組文中沒有提到的孿生質數嗎?                

5 . 你讀了這篇文章,有甚麼感想嗎?且寫在下面。