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数学发现的三部曲 精选

已有 7368 次阅读 2010-1-4 08:53 |个人分类:数学|系统分类:科研笔记

 
 
——数学禅思之一:思量与不思量
 
武夷山老师命题写“数学与禅”,一个大好而有趣的题目,舍不得放弃,所以“不假思索”就应承下来了,虽然我不知道怎么写,写什么。还好,我既不懂数学也不懂禅,大概正有资格乱说数学与禅——正如当年慧能师父,不识字却道出了划时代的偈句。不过,我谈禅是为了好玩儿,玩儿文字游戏和联想,与禅宗的概念是不是相容,我就不管了。
 
一篇文章大概是不够的,我不会写一篇;不会写一篇,那就多写几篇呀。把思考的过程一点点写出来,就像一边挑水劈柴,一边练习功夫,先想办法混进少林的山门,总有见着达摩的一天吧(“虚借”达摩说事儿,达摩的禅法与我们本土的禅宗不是一回事儿)。
 
数学的发现过程真的有点儿像参禅(也叫“逃禅”,老杜《酒中八仙歌》:“醉中往往爱逃禅。”不过这个“逃”字容易生出歧义,仿佛要逃离禅宗似的)。有人总结了,数学的发现通常要唱“三步曲”,就是“准备-沉思-觉悟”。也许任何科学思索的过程都有这三步,但数学唱得更好,因为它一直在唱。这个过程,显然很像坐禅,在菩提树下想一辈子,然后觉悟,成老佛爷。所以我也唱过,“菩提树下功夫,苹果枝头引力。铃儿响处,竹林外、别开天地。望断云,灿烂星河,嗟呀有边无际。”(东风第一枝,http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=254637。)
 
想数学只需要脑子动,所以走也数学,静也数学;想是数学,不想也是数学。生活中常有这样的事情:在我们绞尽脑汁回忆某个人或地方,怎么也想不起来,而在不想它的时候,它却突然冒出来了。Kurt O. Friedrichs曾说,“创造性思想经常是在艰苦的脑力活动之后,在精神疲惫而身体放松的状态下,突然降临的。”这种状态,正是曹洞宗所谓“思量个不思量底”(即不论有心还是无心,都在思量。)坐禅的真境界,正在于不思量的正念;而数学的发现,往往出现在无心的思量中。龚自珍说,“万一禅关騞然破,美人如玉剑如虹”,大概也是这个境界。美国数学家Leonard Eugene Dickson(1874 ~ 1954)讲过一个有趣的故事。他的母亲和姨妈曾一起思考几何题。晚上,妈妈在梦中证明了问题,还说梦话,被姨妈听了去。第二天上课时,姨妈拿出了答案,而妈妈却全忘了!
 
数学王爷高斯曾说,他多年未能证明的一个定理,“最后,两天前,我成功了——不是因为我的艰苦努力,而是靠上帝的恩赐。像一道闪电划过,那疑难立刻就解决了。我说不清楚到底是什么导线把我以前知道的和使我成功的东西联系起来了。” 还有一次,高斯在直觉的灵感闪过之后,大声地说,“我有结果了!可我还不知道是怎么得到它的。”
 
发明四元数的Hamilton曾向儿子讲过他的发现过程:  
10月16号那天正好星期一,是皇家科学院开理事会的日子,我步行去主持会议,你妈妈和我沿着皇家运河走着,她原来大概是驱车去的。尽管她不时和我说话,一股思想的潜流却在我头脑中涌动,带来了最后的结果,我立刻就感到了它的重要,这样说它一点儿也不过分。仿佛电流接通了,闪出一个火花,预示着(正如我立刻就预见了的)未来漫长的年月,会出现许多在它指引下的思想和工作,也许是我的(假如有时间的话),而归根结底是别人的,只要能让我长久地活着传播那个发现。我抑止不住冲动——尽管有点儿失去理智——拿起一把小刀就在布鲁厄姆桥上用符号i, j, k刻下了我们的那个基本公式…… 
Poincare在《科学与方法》(第三章“数学创造”)里,也讲过一段三部曲,是他发现“自守函数”的经过。(所谓“自守函数”,就是在某些变换下保持不变的函数,一般常见的函数都是自守函数。费玛大定理的证明也借助了Poincare在自守函数论的先驱工作。)他的“思量”与“不思量”,简直分明极了:  
我曾用半个月时间去努力证明不可能存在类似于我后来称为福克斯函数的那种函数。那时我还很无知。每天我坐在书桌前,一呆就是一两个小时。我试过很多组合,都没有结果。一天晚上,我一反常态地喝了一杯咖啡;我睡不着觉,一团团的思绪萦绕在脑子里;可以这样说,我感觉它们在碰撞,最后有一对结合在一起,形成一个稳定的组合。天亮时,我已经确立了一类福克斯函数的存在性,它们是从超几何级数导出来的。我只需要把结果写下来就行了,用了几个小时。
 
接下来,我想把这些函数表达为两个级数的商;这个想法完全是有意识的经过深思熟虑的,它们与椭圆函数的相似启发了我。我问自己,假如这些级数存在,它们该有什么样的性质?我没费多大力气就构造出了级数,我称它们为福克斯函数。
 
后来我离开了当时居住的卡昂,参加矿业学校主办的地质旅行。旅行的紧张令我忘记了数学的劳累。到库唐塞(Coutances)后,我们乘车游览。就在我的脚刚踏上汽车时,突然闪出一个想法——显然我先前的那些思想没有一点儿是为它准备的——我用来定义福克斯函数的变换与非欧几何的变换是相同的。我没证明它;我没有时间,因为一坐上车,就又和大家接着聊起来。不过有个时刻我感觉完全有把握了。一回到卡昂,我就用闲暇时间证实了结果,这才安下心来。
 
接着我研究了某些算术问题,没有什么显著的结果,没想那样的问题会与我先前的研究有丝毫的关联。失败令我很恼火,就到海边呆了几天,想些别的事情。一天,在沿断崖散步时,我又涌出一个想法——还是来得那样简单、突然而肯定——不定三元二次型变换也等同于非欧几何的变换。
 
回到卡昂时,我考虑了这个想法,导出了它的结果。二次型的例子表明,存在不同于对应于超几何函数的群的福克斯群;我发现我可以把θ-福克斯函数理论用于那些群,从而存在不同于我那时仅知道的从超几何级数导出的θ-福克斯函数。当然,我给自己的任务就是构造所有那样的函数。我展开了系统的进攻,攻克了一个个外围堡垒;但有一个堡垒很很坚固,只有它陷落了,我才能占领整个阵地。但我所有的努力只不过让我更认识了面前的困难,那真是难啊。所有这些工作都是有意识的。
 
这时我去了Valerien山,要去那儿服兵役。这样我要做截然不同的事情。一天,穿过林荫道时,曾经阻碍我的那个难题的解决办法,一下子出现在我的面前。我没有立刻去深入它,而是等退伍以后才回到那个问题。所有的元素都具备了,我只需要把它们按一定次序组装起来。就这样,我一鼓作气写出了最后的论文,没有一点儿困难。  
任何解过数学题的人都会有类似的经历,只不过我们解决的问题太小,高兴片刻就过了,没有把它记录下来,也没有留下记忆——还有同学记得证明第一道几何难题的经历吗?换句话说,我们冥想过,却没有真的觉悟。
 

网络图片,挺有趣的,可惜不知作者

http://www.longquanzs.org/resource/200810181224327903390.jpg

 





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