数学纪闻录

第141章 数学史纲要(2/2)

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1853年,威廉·尚克斯《数学贡献——主要包含圆周率计算至607位小数》,伦敦,1853年。(圆的求积问题)这堪称一部数据表,因为它将这项庞大计算中每一步的中间结果都制表列出,直至小数点后527位;其余位数是在印刷过程中补充的最终结果。例如,其中一步是计算601.5的601次幂的倒数,并给出了结果。展示这些结果共需87页。尚克斯先生还顺手完成了其他计算,如同刨花般迸发而出:给出了奈皮尔对数的底数e,以及2、3、5、10的对数值(均至137位小数);以及模数0.4342...至136位小数;还包括2的13次、25次、37次……直至721次幂的数值。

这些计算量惊人的延伸——至少在我们这个时代可以这么说——在多个方面都很有用:它们不仅证明了特定计算者付出劳动和保持精确的能力,更显示出社会整体在计算技能和勇气上的提升。我们说社会整体,是因为我们坚信,正如报纸上时不时会出现那个无与伦比的巨型芜菁的报道,这足以推定普通芜菁的个头正在变大,整体收成也在变重。所有了解化圆为方历史的人都知道,圆周率计算到小数位数的几次增加,都标志着整体计算能力的提升以及面对繁重计算劳动的勇气的增长。

这里可以比较两个不同的时代。在科克尔的年代,指导学生做普通减法时,会要求他们边算边念:4减7不够,借1当10,14减7等于7,写7记进1;8加进上来的1等于9,2减9不够…… 而我们眼前有一份未注明日期的公告,宣布在锡德纳姆水晶宫有两幅尺寸为7英尺2英寸乘6英尺6英寸的图表公开展示:数字9的912次幂及其前序各次幂的运算,包含超过73,000个数字。同时附有上述计算的验算过程,包含超过146,000个数字。由伦敦明辛巷的塞缪尔·范库尔特完成,他于1837年完成此项工作,时年十六岁。注:全部运算仅使用简单算术完成。 这位年轻的计算者通过连续平方的方法,计算了2的2次、4次、8次……直至512次幂,并用除法进行了验算。不过,如果采用简捷方法(即利用10-1=9的特性)连续乘以9,计算511次可能会容易得多。公告背面给出了2的2次、32次、64次、128次、256次和512次幂的数值。

2的幂次计算曾出于多种目的进行。在耶稣会士加斯帕·肖特于1658年在赫比波利(维尔茨堡)出版的四开本着作《自然与艺术的普遍魔力》第二卷中,他基于某种神学魔法的理由,发现圣母玛利亚的恩典等级数目是2的256次方,并计算出了这个数字。无论他的这个数字是否正确表达了他所宣称的结果,可以确定的是他正确地计算出了它——这一点通过与我们尚克斯先生的计算结果对比得到了证实。

关于尚克斯先生所计算的圆周率这608位数字,有一个细节或许本不值得特别关注,却依然引起了注意。人们或许会预期,在如此多的位数中,0到9这十个数字出现的次数应该大致相同,即每个数字大约出现61次。但实际情况却是:

· 数字 3 出现了 68 次;

· 数字 9 和 2 各出现了 67 次;

· 数字 4 出现了 64 次;

· 数字 1 和 6 各出现了 62 次;

· 数字 0 出现了 60 次;

· 数字 8 出现了 58 次;

· 数字 5 出现了 56 次;

· 而数字 7 仅仅出现了 44 次。

现在,假设所有数字出现的可能性均等,并且进行了608次抽取(即计算了608位),那么出现某个数字(比如7)的次数偏离其可能的平均值(比如61)达到如一侧低至44次或另一侧高至78次这样程度的概率,其可能性之低,赔率大约是45比1。数字7在圆周率的这个数值结构中,其出现次数如此之少,背后必定存在某种原因。

这便提供了一个可供推敲的领域,或许能让两类研究者联合起来探究。只有一个数字遭受了如此不公正的待遇,而这种不公若归因于偶然,则其概率低到令人难以置信——这个数字恰恰是那个充满神秘色彩的“七”!如果那些化圆为方者和那些热衷于解读《启示录》预言的人能够坐下来,共同研究这一现象,直到达成一致结论,并且在意见统一之前绝不轻易发表任何言论,那么他们必将赢得全人类的感激。——不过,我刚才说错了,真正应该被请教的对象,或许是那些金字塔奥秘的推测者。

我的一位朋友皮亚齐·史密斯教授的一位通信者注意到,数字3是出现频率最高的,而用简单数字表示的最接近圆周率的分数正是3又1\/7。史密斯教授本人,尽管他在埃及学上的许多观点被视为极高层次的悖论(尽管这些观点背后有大量扎实的研究工作作为支撑,并且这些工作的成果即使不接受其悖论部分的人也能加以利用),但他本人也倾向于从这些数字现象中,为他自己的某些理论找到佐证。

奇闻异算

这类计算上的奇谈,有时会作为新方法价值的例证出现。1863年,剑桥大学克莱尔学院的G.萨菲尔德硕士和圣约翰学院的J.R.伦恩硕士,为了展示萨菲尔德先生的综合除法法,公布了...(省略号代表被除数有多个零)除以7699的完整商,涵盖了整个循环节中的所有数字,该循环节长达7698位。

另一个为了演示方法而将计算推向极端长度的例子,是求解方程 x3 - 2x = 5。这个例子是牛顿方法的应用范例,后世所有改进的方法都以其为试金石。1831年,傅里叶关于方程的遗作出版,其中给出了耗时巨大、 巨量工作计算得到的33位解。我认为这是个好机会,可以借此展示w.G.霍纳方法的优越性——该方法当时在法国尚不为人知,在英国也知之甚少。于是在1841年,我向我的一班学生提议,以此为圣诞练习,要在这一点上超越傅里叶。我收到了好几份答案,彼此一致,都计算到了小数点后50位。1848年,我再次提出这个提议,要求超越50位;我得到的答案有75位、65位、63位、58位、57位和52位。但其中一份由邓多克海关署的w.哈里斯·约翰斯顿先生提交的答案,竟然计算到了小数点后101位!为了验证其准确性,我请约翰斯顿先生求解另一个方程,这个方程与上一个有某种关联(我当时并未说明)。他的求解结果验证了前一个解的正确性,但即便在他得到结果后,也未能看出两个方程之间的联系。我的读者可能同样感到困惑:这两个解分别是:

2.0...

9.0...

这些结果发表在《数学家》杂志第三卷第290页。1851年,我的另一位学生J.鲍尔·希克斯先生,在不知道约翰斯顿所做工作的情况下,将结果计算到了小数点后152位。该结果收录于《英国百科全书》的乘方与开方词条中。

我需要说明一下,当我只写教名的首字母时,通常指的是该首字母最常见对应的那个名字。我从未见过w.G.霍纳的全名,直到我询问了他的一位亲属才得知,正如我所料,他的全名是威廉·乔治,但他的名字是随一位姓此姓的亲戚起的。

2的平方根,计算到小数点后110位,是于1852年由我的学生威廉·亨利·科尔维尔先生(现任,1867年,巴格达民事军医)提供给我的。结果是:

1.

伯肯黑德的詹姆斯·斯蒂尔先生通过实际乘法验证了这个结果,并得出其平方为 2 -

\/ 1011?。

西尔维奥·费拉里男爵的十二进制算法。都灵,1854年,四开本。

这是一项严肃的提议,旨在改变我们的数字系统,采用十二进制。这样一来,10就代表十二,11代表十三,以此类推,需要为十和十一发明两个新的符号。数字的名称当然也必须更改。确实有人认为这种改变是可行的。我初次见到这个提议时觉得它很荒谬,现在依然这么认为。然而,我接下来要描述的那个提议,在这一点上完全超越了它,以至于我连对这个提议报以一笑的兴致都没有了。

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