韩信点兵数学故事( 五 )


韩信点兵数学故事

文章插图
余数问题是一个重要的数学问题 , 是计算机密码学的基石之一 。世界著名的数学家欧拉、高斯等人 , 都曾经研究过这个问题 。欧拉重新发现了这个定理(欧拉定理) , 给出了证明并定义了欧拉函数 。对正整数n , 欧拉函数φ (n)是小于或等于n的正整数中与n互质的数的数目 。此函数以其首名研究者欧拉命名 , 它又称为φ函数(由高斯所命名)或是欧拉总计函数(totient function , 由西尔维斯特所命名) 。例如φ(8)=4 , 因为1,3,5,7均和8互质 。
在数论中 , 欧拉函数是最重要也是最基础的一个函数 , 这个函数的很多性质及其证明虽然基础 , 但也"烧脑" , 家里没有要搞奥数的牛娃 , 就不要折磨脑细胞 , 咱们背背诗轻松解决好了 。
除了用于点兵 , 欧拉定理更是非对称加密(RSA)算法的核心 。欧拉关于数论的大部分工作也是在柏林完成的 , 他的数论著作在他的《全集》中占了整整四大卷 , 占全部著作的40% , 仅这四卷数论著作就足以使欧拉位列历史上最伟大的数学家之一 。
韩信点兵数学故事

文章插图
普鲁士的腓特列大帝曾想组成这样一支仪仗队 , 仪仗队共有36名军官 , 来自6支部队 , 每支部队中 , 上校、中校、少校、上尉、中尉、少尉各一名 。他希望这36名军官排成6×6的方阵 , 方阵的每一行 , 每一列的6名军官来自不同的部队并且军衔各不相同 。
令他恼火的是 , 这些军官怎么绞尽脑汁也排不成 。都说三个臭皮匠 , 赛过诸葛亮 , 但是在数学问题上 , 几千几万个臭皮匠都不顶用 。没法 , 腓特列大帝只能向数学大牛牛欧拉求救 。
欧拉先从最简单问题入手 , 当n=3 (即有3种部队、3种级别)的方阵 , 他很轻松排出来 , 然后是n=4 , n=5. 都很轻松就解出 , 得出的方阵叫欧拉方阵(又叫做正交拉丁方阵) 。但是当n=6 时 , 欧拉发现这是一个不可能完成的任务 。
韩信点兵数学故事

文章插图
1782年 , 欧拉总结道:"我已经试验研究了很多次 , 我确信不可能作出两个六阶的 , 并且对于10、14 , …以及奇数2倍的阶数都是不可能的 。"欧拉认为:4n + 2阶欧拉方阵不存在 , 这被后人称为"欧拉方阵猜想" 。
在没有计算机的年代 , 欧拉方阵猜想的证明非常困难 。一直到了1910年 , 一对兄弟俩 , 法国数学家加斯顿?塔里和赫伯特?塔里用了最笨的方法 , (不知道他们哪里来的耐心) , 穷举出了全部六阶拉丁方 , 从而证实了n=6时欧拉猜想是正确的:n=6 时 , 仪仗队是一个不可能完成的任务 。看到没? 最笨的方法也可以在数学史上留名啊 , 真是世上无难事 , 只怕有心人 。(现在用计算机已经知道 , 除了n=2,6以外 , 其余的正交拉丁方阵都存在 , 而且有多种构造的方法 。这个否定的结果是人们在180年的努力中未曾想到的 。)
韩信点兵数学故事

文章插图
欧拉恒等式 , 欧拉常数 , 欧拉示性数等
欧拉方阵体现着数学的美:整齐、对称、有规律、简单、自然… , 欧拉方阵在工农业生产 , 统计、组合设计、模拟、数值积分中均具有广泛的应用;另一方面 , 欧拉方阵在数学的发展中也有着重要的作用.但是 , 最要紧好玩 。欧拉没料到 , 后人居然把欧拉方阵能玩出花来 , 成为一种从9-99岁的人都无法抗拒的经典数字游戏 。欧拉方阵从瑞士起源 , 接着在日本推广 , 后来在英国发扬光大 , 最终风靡全世界 , 有了另一个简单好听的名字 , 数独 。其实欧拉方阵就是没有宫的标准数独 , 而数独其实正是一种特殊的欧拉方阵 。

推荐阅读