03.05 你遇見過哪些不可思議的數學證明?

楊秋秋


答:數學中,的確有些證明讓人睜目結舌,大吃一驚。


我舉兩個例子:

一、歐拉關於巴塞爾級數的證明。

巴塞爾級數1+1/4+1/9+1/16+1/25+……求值問題,在十八世紀之前,都是世界性難題,難倒了一大批頂尖級的數學家,如:牛頓、萊布尼茨、約翰·伯努利、沃利斯等等。



然而,在1734年,27歲的大數學家歐拉,解決了這個問題,他使用的辦法巧妙得不可思議,證明過程只需三步,一位數學不差的中學生,都能看懂解法,然後就把這個世界難題解決了。



以上就是歐拉解決巴塞爾級數的方法。


二、三次根號2是無理數的證明

如果讓你證明三次根號2是無理數,你會怎麼做,會先假設為有理數,然後利用反正法去討論?

其實,我們只要利用著名的費馬大定理,就能輕鬆得到證明。




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艾伯史密斯


說到不可思議的數學證明題,怎麼可以少了MATRIX67。

 1.最經典的“無字證明”

  

  1989 年的《美國數學月刊》(American Mathematical Monthly)上有一個貌似非常困難的數學問題:下圖是由一個個小三角形組成的正六邊形棋盤,現在請你用右邊的三種(僅朝向不同的)菱形把整個棋盤全部擺滿(圖中只擺了其中一部分),證明當你擺滿整個棋盤後,你所使用的每種菱形數量一定相同。

  

  文章末尾提供了一個非常帥的“證明”。把每種菱形塗上一種顏色,整個圖形瞬間有了立體感,看上去就成了一個個立方體在牆角堆疊起來的樣子。三種菱形分別是從左側、右側、上方觀察整個立體圖形能夠看到的面,它們的數目顯然應該相等。

  

  嚴格地說,這個本來不算數學證明的。但它把一個純組合數學問題和立體空間圖形結合在了一起,實在讓人拍案叫絕。因此,這個問題及其鬼斧神工般的“證明”流傳甚廣,深受數學家們的喜愛。

  《最迷人的數學趣題——一位數學名家精彩的趣題珍集》(Mathematical Puzzles: A Connoisseur's Collection)一書的封皮上就赫然印著這個經典圖形。在數學中,類似的流氓證明數不勝數,不過上面這個可能算是最經典的了。

  


  2.旋輪線的面積

  

  

  

  

  車輪在地上旋轉一圈的過程中,車輪圓周上的某一點劃過的曲線就叫做“旋輪線”。在數學和物理中,旋輪線都有著非常重要而優美的性質。比如說,一段旋輪線下方的面積恰好是這個圓的面積的三倍。這個結論最早是由伽利略(Galileo Galilei,1564-1642)發現的。不過,在沒有微積分的時代,計算曲線下方的面積幾乎是一件不可能完成的任務。伽利略是如何求出旋輪線下方的面積的呢?

  他的方法簡單得實在是出人意料:它在金屬板上切出旋輪線的形狀,拿到秤上稱了稱,發現重量正好是對應的圓形金屬片的三倍。

  在試遍了各種數學方法卻都以失敗告終之後,伽利略果斷地耍起了流氓,用物理實驗的方法測出了圖形的面積。用物理實驗解決數學問題也不是一件稀罕事了,廣義費馬點(generalized Fermat point)問題就能用一套並不複雜的力學系統解出,施泰納問題(Steiner tree problem)也可以用肥皂膜實驗瞬間秒殺。


  3.歐拉的流氓證明法

  

  在數學史上,很多漂亮的定理最初的證明都是錯誤的。最典型的例子可能就是 1735 年大數學家歐拉(Euler)的“證明”了。他曾經仔細研究過所有完全平方數的倒數和的極限值,並且給出了一個漂亮的解答:

  

  這是一個出人意料的答案,圓周率 π 毫無徵兆地出現在了與幾何完全沒有關係的場合中。歐拉的證明另闢蹊徑,採用了一種常人完全想不到的絕妙方法。他根據方程 sin(x)/x = 0 的解,對 sin(x)/x 的級數展開進行因式分解,再利用對比係數的方法神奇地得到了問題的答案。不過,利用方程的解進行因式分解的方法只適用於有限多項式,在當時的數學背景下,這種方法不能直接套用到無窮級數上。雖然如此,歐拉利用這種不嚴格的類比,卻得出了正確的結果。歐拉大師耍了一個漂亮的流氓。


  4.國際象棋上的多米諾骨牌

  在一個8×8的國際象棋棋盤上,我們可以用32張多米諾骨牌(是兩個相連正方形的長方形牌)覆蓋整個棋盤上的64個方格。如果將對角線上的兩個方格切掉,剩下來的62個格子還能用31張骨牌覆蓋住嗎?

  

  答案是不能的。每一張骨牌在棋盤上必是覆蓋住兩個相鄰方格,一白一黑。所以31張骨牌應該可以蓋住31個黑格和31個白格。而這被切了角的棋盤上的方格有32個是一種顏色,另一種顏色是30個,因此是不能被31張骨牌覆蓋的。

  但是如果我們切掉的不是顏色相同的兩個呢?假如我們從棋盤的任何部位切掉兩個顏色不同的方格,那麼剩下來的62格是否一定能被31張骨牌完全蓋住?我可以告訴你這是一定能做到的,並且關於這個結論,存在一個非常漂亮的證明。建議讀者在繼續往下閱讀前,可以先自行思考如何證明這個結論。

  

  上圖就是那個漂亮的證明。不妨對它再贅述兩句。粗黑線條將整個棋盤轉變為一條首尾相連、黑白格相間的封閉路線。從這棋盤上切掉任何兩個顏色不同的方格,會讓這個封閉線路變成兩段線路(如果切掉的方格是相連的,那就是一條線路)。在這兩段(或一段)線路中,兩種顏色的格子數量都是偶數,故分別都可以被若干張骨牌覆蓋。從而證明整個棋盤可以被31張骨牌完全覆蓋。

  這個著名的棋盤問題是數學遊戲大師馬丁加德納提出的,而上述精妙絕倫的證明則是數學家哥莫瑞(Ralph Gomory)找到的。它們後來被收錄在《意料之外的絞刑和其他數學娛樂》這本書裡。


超級數學建模


所有正整數用一種特殊的求和方法加在一塊。等於多少?

你們猜猜等於多少?

無限大?

我來告訴你們吧!如果把所有正整數全部加在一塊,最後得出的結論,竟然是——

負的十二分之一!

你沒聽錯!就是個負數,而且還是個不到-1的負數!

這就是所有正整數的發散無窮級數和,被稱作拉馬努金求和∑,它是收斂的(也就是有結果的,反之如果沒有結果就是發散)。如果用更精準的辦法來求這個-1/12時,我們可以用黎曼zeta函數在自變量等於1時的結果,那也是1+2+3……的發散級數和。

收斂於一個負數!

有沒有感到很神奇!

好了,下了。

PS:本人有本科幻鳥說6月要出,名字在我暱稱那裡。


賴仲達


0.99999...(即9循環)=1

方法一:

令a=0.99999…①

10a=9.99999…②

②-①得

9a=9(左邊減左邊,右邊減右邊,右邊小數部分相同)

a=1

即0.99999…=1

方法二:

1/3=0.3333...

1/3*3=1

0.3333...*3=0.99999...

即1=0.9999...

純手打,給個贊!


讓我們來看下面這道題


作者張祥前統一場論

命題:任何兩個不相等的素數【就是隻能被1和本身整除的正整數】如果能夠除盡,除數只能是2和5

證明:如果A/B【A,B為素數】能夠除盡,我們把A/B乘以10的n【n為1,2,3,4,正整數】次方,結果為:

正整數除以10的n【n為1,2,3,4,正整數】次方,

而這個時候除數只能分解出2和5兩個素數。

證畢。


張祥前安徽


我就說這一個,沒有什麼能比我見過的這個更不可思議



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