正文 第一章 邪惡的數和友好的數

現為麻省理工學院大學生的米歇爾·弗里德曼,1985年在布魯克林高中畢業班就讀時春風得意,獲得了當年的威斯汀豪斯科學天才獎的第三名。為了他這一獲獎項目,他不想用海蝦、果蠅或扁蟲來弄髒自己的手,也不想處理隨便任何一個多年遺留下的理論上的問題。不,他只是挑選了堪稱數學上最古老而未決的問題來對付。那是困擾著古希臘人和自那以後的每個人的一個問題:即存在奇數完全數嗎?

畢達哥拉斯及其好友認為,整數的完滿性,即完全數是任何其所有除數之和(該除數本身外)等於該數本身的整數。第一個完全數是6。它可被1、2和3整除並且是1、2和3之和。第二個完全數是28。它的除數是1、2、4、7和14,這些數加起來為28。希臘人所知道的就是這些,儘管他們做過嘗試,但沒有發現奇數完全數。

聖經評論家注意到,完全數6和28反映在宇宙的結構中:上帝在6天內創造了世界,月亮每28天繞地球一周。然而,使這些數字成為完全數的是其本身,而不是憑經驗所了解的世界的任何聯繫。聖·奧古斯丁是這樣表述的:「6本身是一個完全數,並不是因為上帝在6天內創造了萬物才如此;倒不如反過來說才對:因為6是完全數,所以上帝在6天內創造了萬物。即使不存在6天工作一說,6依然會是個完全數。」

「數學的整個領域都極其散漫,」坦普爾大學數學教授小彼得·哈及斯說,「我研究完全數是出於閑散的好奇心,因為它可能是最古老的未決問題。研究它也許意義不大,然而這一問題如此古老,沒有人認為對之進行研究完全是浪費時間。如果這一問題是5年前第一次提出來的,那它是決不會令人感興趣的。」

無論在哪一領域,達到完善總是很難的,偶數完全數也不例外。但是,人們至少知道它們是存在的。我們已發現了30個偶數完全數,最大的是一個由13萬位阿拉伯數字組成的龐然大物:2216,090(2216,090-1)。也許第三十一個完全數不會出現了,因為早在2300多年前數學家就已知道有無窮多的素數(即只能被1和它本身整除的數),但在同一時期,他們卻不能決定完全數是不是無限的。

要是在俄國茶室或「四季」咖啡館裡喝著可樂會見米歇爾·弗里德曼我會很高興的,但他寧可讓我們在斯替韋桑特中學他的校長辦公室中見面,而該校是曼哈頓數學家和科學家的中心。傳說,愛因斯坦不能做加減運算,但可在睡夢中研究高深的數學。米歇爾的情況也可以這麼說。在選擇我們會見時間這種簡單的事情中就體現了出來,因為這位傑出的小夥子不適於將中學時間——「第三節」和「第五節」——轉換成我們常人所遵照的小時和分鐘。然而一旦我們真聚到了一起,這位靦腆的天才就口若懸河地談論起來,一下成了使人興趣盎然的人了。

米歇爾告訴我:「去年我為一位數學老師寫一篇論文,我知道關於奇數完全數的問題。這問題使我感興趣,因為它很簡單,可還沒人找到答案。」接著,米歇爾首先回顧了完全數的歷史。

古人只知道4個完全數,它們是:6,28,496和8,128。歐幾里得認識到——大概只有古希臘的神祗才曉得他是如何知道的

完全數 ………… 位數

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

這4個數是由公式2n-1(2n-1)當n=2,3,5和7時推出來的。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

歐幾里得看出,在全部的4個算式中,2n-1是素數(3,7,31和127)。這種發現促使他證明一個重要的定理:當2n-1為素數時,那麼公式2n-1(2n-1)則得出偶數完全數。

歐幾里得的證明使得完全數理論有了一個興旺的開端。但由於其他數學家的短視,這一理論進展緩慢。許多思想精微的人自以為他們看出了數字模式,其實這些數字並不存在。如果他們看得更遠一點,他們就會發現這種模式是虛幻的。

古人觀察到,前4個完全數都是以6和8結尾的。進一步說,最後一個阿拉伯數字似乎是6,8,6,8地交替出現。所以有人推測,完全數最後一個阿拉伯數總會是6或8,並且它們會繼續交替出現。第五個完全數——古代人並不知道——的確是以6結尾的。但第六個完全數也是以6結尾的,這就打破了交替出現的模式。然而,關於最後一個阿拉伯數字總是6或8這一點,古人還是正確的。今天,數學家可以研究30個完全數——比古人多出7倍以上——但他們還必須找出尾數為6和8的模式。

古人還觀察到,第一個完全數有一位數字,第二位完全數有2位數字,第三個有3位數,第四個有4位數。所以他們推測,第五個完全數會有5位數。在歐幾里得故去17個世紀後發現了第五個完全數,它赫然具有8位數:33,550,336。並且位數繼續迅速增多,以下3個完全數分別為8,589,869,056;137,438,691,328;和2,305,843,008,139,952,128。

歐幾里得證明了一旦2n-1是素數,那麼2n-1(2n-1)就會得出一個完全數,但他並沒有說n的哪一個整數值會使2n-1成為素數。由於使2n-1為素數的前4個n值為前4個素數(2,3,5,7),可能有人推測:如n為素數,2n-1也會是素數。那麼,讓我們來試試看第五個素數:11。如n=11,2n-1則為2,047,而2,047並非素數(它是23和89的積)。真實情況是:要使2n-1為素數,n必須是素數,而n為素數並不就意味著2n-1是素數。事實上,對於n的大多數素數值來說,2n-1並不是素數。

由2n-1一式得出的數列現在稱作默塞納數列,馬林·默塞納是17世紀的巴黎僧侶,他在盡僧職之餘抽空進行數論的研究

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