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上图中的缝衣针是我们到目前为止遇到的最长的针,长度为5。这根针被折弯了两次,首尾相连后构成了一个三角形。三角形的三条边长分别为1、2、2,可能相交的木板条缝数的期望值分别为p、2p、2p。根据期望值的相加性,整根针可能相交的木板条缝数的期望值是三条边的总和,即:
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p+2p+2p=5p
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换言之,对于折弯的缝衣针而言,“与长度为N的缝衣针相交的木板条缝数的期望值是Np”这一结论也成立。
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接下来,我们再讨论一下下图所示各种形状的缝衣针的情况。
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我们在前面见过这些图形。2 000年前,阿基米德与欧多克斯在提出穷竭法时,就使用了这些图形。最后一幅图看上去像一个直径为1的圆,但实际上它是由65 536根短缝衣针构成的多边形。我们的肉眼无法看出两者之间的不同,当然,地板也不会知道它们不是同一形状。因此可以说,与直径为1的圆相交的木板条缝数的期望值,约等于与65 536边形相交的木板条缝数的期望值。根据“折针”规则,这两个期望值都是Np,其中N是多边形的周长。那么,这个多边形的周长是多少呢?应该非常接近于圆的周长。圆的半径为1/2,它的周长是π,所以与圆相交的木板条缝数的期望值是πp。
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这种把问题复杂化的方法,大家认为怎么样?问题变得越来越复杂,越来越具有一般性,但是否有人认为我们还没有解决最基本的问题:p到底是多少?
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大家可能都没有想到,我们刚才已经算出p的值了。
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与圆相交的木板条缝数到底是多少?我们把缝衣针折成圆形之后,在由硬币变成缝衣针时丧失的对称性又被我们找回来了。如此一来,这个难题就变得简单多了。无论圆落在什么位置都没有关系,因为与它相交的木板条缝数一定是2。
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因此,相交木板条缝数的期望值就是2。我们知道该期望值还等于πp,于是,我们算出p=2/π,这跟布封的计算结果不谋而合。实际上,上述证明过程适用于所有缝衣针,无论它是多边形还是弯曲的,相交木板条缝数的期望值都是Lp,其中L是以木板条宽度为计量单位时缝衣针的长度。即使把一人份意大利面扔到地板上,想知道其中一根面条会骑在几条地板缝上,我也能准确地告诉你它的期望值是多少。这就是布封投针问题的一般形式,数学家们开玩笑说这是“布封的面条问题”。
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海洋与炸药
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巴比埃的证明让我想起代数几何学家皮埃尔·德利涅(Pierre Deligne)写给他的老师亚历山大·格罗腾迪克(Alexander Grothendieck)的信中的一句话:“似乎什么也没发生,但到最后,一个极不平凡的定理却出现在我们面前。”
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人们在挖隧道时使用的炸药杀伤力越来越强,在外行人的眼中,数学家就跟这些挖隧道的人一样:他们不断地使用越来越有效的工具,越来越深入地探究未知世界。借助有效的工具确实是一种好方法,不过格罗腾迪克的看法却不同。20世纪六七十年代,这位数学家重新阐释了理论数学的意义,他指出:“在我眼中,我们准备探究的未知事物就像泥土或者坚硬的泥灰岩,难以穿透……大海悄无声息,似乎没有发生任何变化,也没有任何物体改变位置,海水离我们是那么遥远,我们几乎听不见海浪的声音……但到最后,海水会清除一切阻碍。”
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未知事物就是海底的石头,阻碍我们前进的步伐。我们可以反复在岩缝中填上炸药并引爆,直到炸碎这块岩石。布封进行的复杂微积分计算,就与这种方法十分相似。或者,我们也可以采用一种深思熟虑的方法,逐渐加深我们的理解,到最后,就像岩石被平静的海水淹没一样,曾经让我们一筹莫展的难题在我们面前迎刃而解。
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当前,数学研究所采用的方法,就是坐禅式冥想与炸药爆破二者相互作用并取得微妙平衡的产物。
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数学家与精神病人
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1860年,21岁的巴比埃发表了他对布封定理的证明方法,那时他是巴黎高等师范学院的一名有前途的学生。1865年,因为精神问题,他离开了巴黎,没有留下联络方式。从那以后,没有一位数学家见过他。直到1880年,他的一位老师约瑟夫·波特兰(Joseph Bertrand)在一家精神病院里发现了巴比埃。格罗腾迪克于20世纪80年代离开学术界,目前在比利牛斯山脉过着塞林格式的隐居生活。没有人知道他现在正在研究什么数学问题,或者他是否还在做数学研究,有人说他以牧羊为生。
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关于数学,人们普遍持有一种错误的观念,觉得数学会令人发疯,或者数学本身就非常疯狂。前文中讲的那个故事正好佐证了这种想法。戴维·福斯特·华莱士(David Foster Wallace)是数学背景最深厚的现代小说家(他曾经中止小说创作,就无限集合论写了一本厚厚的书)。华莱士把这种错误的观念描述成“数学情节剧”,主人公是“普罗米修斯–伊卡洛斯式的人物,他最突出的天赋就是傲慢自大,这也是他致命的缺陷”。《美丽心灵》(A Beautiful Mind)、《证据》(Proof)与《圆周率》(π)等电影把数学视为困难与逃避现实的代名词。斯科特·特罗(Scott Turow)在畅销悬疑小说《推定无罪》(Presumed Innocent)中设置了一个峰回路转的情节:疯狂的凶手竟然是主角的妻子,她是一位数学家。(小说的悬疑情节来自女主角对一种扭曲性别观的追求,极其明显地暗示了凶手之所以如此疯狂,是因为她作为一名女性竟然无视困难去钻研数学。)最近,这个故事又摇身一变,在小说《夜色中狗的离奇逸事》(The curious Incident of the Dog in the Night-Time)中粉墨登场:数学天赋成了孤独症的一个致病因素。
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华莱士不认同这种对数学家心理状况的描述,我与他的观点一致。在现实世界中,数学家是一群普普通通的人,过着平常的生活。他们的确会在困难重重的抽象世界里孤身奋战,但这样的状况并不是经常发生。数学家不会过度用脑而使自己崩溃,相反,数学研究往往会使他们的心理更加健康。我发现,在极端情绪出现时,数学问题往往具有最强的安抚作用,可以消除某些心理疾病。与冥想一样,数学也可以让我们直接接触宇宙,将我们置身于广袤的天地间。如果不让我钻研数学,我反倒有可能发疯。
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想办法促使累积奖金向下分配
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我们还是回到马萨诸塞州,接着谈彩票问题。
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参与“Cash WinFall”游戏的人越多,利润就会越少;每多一个人大量购买彩票,就会多一个人瓜分奖金。杰拉德·塞尔比告诉我,“随机策略”团队的卢玉然(音)有一次提出了一个建议。卢认为,在累积奖金向下分配时,“随机策略”团队与塞尔比团队应该轮流参与游戏,以确保每个团队都有一个更大的利润空间。塞尔比认为这个提议的意思是,“你是大户,我也是大户,但是我们无法阻止别的玩家分走我们的利润”,而通过合作,至少塞尔比团队和“随机策略”团队可以互相钳制。这个提议很有道理,塞尔比却拒绝接受。他觉得利用游戏中的巧合是一件心安理得的事,因为游戏规则对所有玩家一视同仁。但是,如果同其他玩家合谋,在他看来就是作弊,即使合谋的内容并不一定会破坏彩票游戏的规则。因此,这三个团队可以说是“三足鼎立”。由于大户们在每次开奖前都会购买120万~140万张彩票,因此塞尔比估计,在奖金向下分配日,彩票价值的期望值仅比彩票的价格高出15%。
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