
数论其实就是研究整数性质的数学,被誉为“最纯”的数学领域。在20世纪前,数论还一直叫算术呢。
但是,千万别以为整数就变不出什么花样。正整数按乘法性质划分,可以分成质数、合数、1,质数产生了很多一般人能理解却又悬而未解的问题,如哥德巴赫猜想,孪生质数猜想等。
也就是说,很多问题虽然形式上十分初等,解决起来却要用到许多艰深的数学知识。这一领域的研究从某种意义上推动了数学的发展,催生了大量的新思想和新方法。很多知名数学家都为数论都发展作出过贡献,包括费马、梅森、欧拉、高斯、勒让德、黎曼、希尔伯特等人。
高斯有过这么一个经典比喻:「数学是科学的皇后,数论是数学的皇后。」
——卡尔·弗里德里希·高斯
《数学女王的邀请》,被读者称为真正的初等数论入门读物,作者远山启从数的由来说起,如搭积木一般,层层递进,揭示出整数宇宙的深刻秩序。
《数学女王的邀请:初等数论入门》
作者:[日]远山启
译者:逸宁
01
小学时期的高斯
通过前文的介绍,想必大家已经了解到,用同余式能给计算带来极大的便利。在简化计算过程和思考方式等方面,可以说同余式是一项伟大的发明。
同余式是由伟大的数学家高斯(1777—1855)发明的。
高斯于1777年4月30日出生在德国的不伦瑞克。当时的德国由多个小国组成,不伦瑞克也是其中之一。
高斯的父亲是一名泥瓦匠,当时高斯的家庭条件比较贫困。高斯在上小学时进入了比特纳老师的班级学习。
有一天,比特纳老师让学生们计算从1到40的所有数的总和。
其实,比特纳老师当时很有可能只是因为感觉到上课有些疲惫,才故意出了一道题让学生们做,自己打算利用这段时间稍作休息。
对于小学生而言,得出从1加到40的结果需要花费很长时间,而比特纳老师或许是想利用这个间隙在教室里散散步。
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然而,比特纳老师刚把教鞭放下,高斯就立马站起来兴高采烈地喊道:“我算出来了!”
老师认为这个孩子肯定是哪里搞错了,于是就走过去瞥了一眼高斯的石板。令老师感到震惊的是,高斯的石板上确实写着正确答案820,而且他的计算方式并非像其他孩子那样,将1,2,3,···逐一相加,而是将1和40、2和39、3和38等首尾组合两两相加。这样一来,每组数字相加的结果均为41,一共有20组,所以答案为41×20=820。
比特纳老师对此感到震惊不已,没想到这个孩子竟然独自发现了等差数列的求和公式。他认为,这个孩子将来一定会成为一名颇有成就的数学家。
后来,比特纳老师又从德国的汉堡买来一本数学书送给高斯阅读。高斯对这本书爱不释手,并在书的封皮背面写道:“我很喜欢这本书。”
02
发现“黄金定理”
在比特纳老师的学校里,还有一位叫巴特尔斯的年轻教师,他后来成为了俄国喀山大学的教授。巴特尔斯发现了高斯的数学天赋,1788年,他专程前往高斯所在的中学任教。
高斯的父亲并不指望自己的儿子能学有所成,而是希望高斯能协助自己的泥瓦匠工作。他甚至觉得,年少的高斯在夜里学习简直就是在浪费灯油。
不过,高斯的母亲却很支持高斯,她想方设法要让高斯继续接受教育。在巴特尔斯老师和母亲的努力下,高斯获得了由布伦斯维克公爵资助的学费。高斯在15岁时考入高中,他不仅要学习数学,还开始学习希腊语和拉丁语等古典语言,并取得了惊人的进步。
在3年大学期间,高斯通读了过去众多伟大数学家的著作,最用功学习的是牛顿的《自然哲学的数学原理》。这本不朽的杰作记述了从力学原理到行星运动的方方面面。
另外,在校期间他还致力于数论的研究,并发现了被他称为“黄金定理”的二次互反律。
除此之外,他还发明了前文中用三条横线表示的同余式符号。
高斯在18岁时进入著名的哥根廷大学学习。完成学业后,他在1807年到1855年间一直作为教授留校工作,哥根廷大学也因此成为当时世界范围内的数学研究中心。
不过,高斯在进入大学后也曾为前途感到迷茫,不知自己该成为一名数学家还是一名语言学家。
03
解决正n边形的作图问题
高斯在大学的第二年,也就是1796年的3月30日,终于决定要成为一名数学家。
因为在这一天,他发现了正十七边形的尺规作图法。想必大家都知道,我们只用直尺和圆规就能画出正三边形(等边三角形)。
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另外,我们也能利用尺规作图法画出正四边形、正五边形和正六边形。
但是,我们却无论如何也画不出正七边形。古人曾尝试使用各种方法,最终都以失败告终了。
自古以来,有很多人研究过用尺规作图法来画正多边形的问题,但只有高斯真正地解决了这个难题。
就在1796年3月30日,高斯发现了正十七边形的尺规作图法。
他用数论而非几何学的方法解决了这个问题,也对“当n为哪些整数时,可以用直尺和圆规作出正n边形”这一问题做出了完整的解答。
他给出的答案如下:当ϕ(n)=2s且只有满足该条件时,我们才能用直尺和圆规作出正n边形(关于ϕ(n),请参考本书第5章第2节)
由于这一定理的证明过程超出了本书的范围,所以我在此将其省略。
不过,该定理确实解决了有关正n边形的难题。我们可以试着将一些具体的数值代入n,即可求得下列ϕ(n):
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因此,我们可以通过ϕ(n)的数值判断能否利用尺规作图法画出正n边形。
当n=17时,ϕ(17)=16=24,所以根据高斯发现的定理可知,可以用直尺和圆规作出正十七边形。
对于高斯而言,1796年3月30日无疑是值得纪念的一天,他也从这一天起开始坚持写日记。
高斯出身贫寒,为了节约纸张,他在写日记时故意把字写得很小、很密。他的这些日记中,记载了大量当时数学领域的重大发现。
04
代数学基本定理
高斯在哥廷根大学的学习生活结束于1798年,这是他在数学领域最活跃、最高产的时期。
其间,他独立完成了以数论为核心的学术巨著《算术研究》。
1798 年,高斯转入黑尔姆施泰特大学,之后提交了自己的学位论文。这篇论文的内容便是现今所谓的“代数学基本定理”。
想必一定有读者学过一元二次方程吧。所谓的一元二次方程,就是指形式为
的方程。该方程的根可以用以下公式表示。
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如果根号中的数是正数,那么就是实数。如果根号中的数是负数,那么其结果就是复数而非实数。
也就是说,如果不将数的范围从实数扩展到复数,那么就无法求解一元二次方程。
反言之,只要扩展到复数就能解开任意一元二次方程。
那么,一元三次方程、一元四次方程等高次方程的情况又如何呢?高斯的学位论文给出了这个问题的答案:
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也就是说,只要将数的范围扩展至复数,那么就能解开包括一元二次方程在内的一元n次方程。
《算术研究》于1801年出版,当时的高斯只有24岁。这本书可以说是高斯最杰出的著作,它的出版对于数学的发展史而言也是具有划时代意义的重大事件。
此后,高斯在数学的所有领域都取得了惊人的研究成果。可以说,几乎不存在他不曾涉及的数学领域。
此外,高斯的研究还不仅局限于数学,在天文学、物理学、力学和地质测量等领域也都有他活跃的身影。在电磁学中,至今还在使用“高斯”这个单位。
高斯于1855年2月23日逝世,享年78岁。不过,
只要数学仍在,他的名字就永远不会消失。

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《数学女王的邀请:初等数论入门》
作者:[日]远山启
译者:逸宁
日本长销数论入门科普读物,日本学校图书馆协议会选定图书。
迷倒高斯、费马、欧拉的“数学女王”,究竟有何魅人魔力?
本书是初等数论入门的通俗科普读本。书中以身边的生活之事为例,由浅入深、生动形象地介绍了数的奇妙性质与规律。作者用直观、易懂的讲解,引领读者去体会数论证明的不可思议与酣畅淋漓,在惊奇与畅快之中提升对数学的理解程度。
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