科学之谜：差一点就对的数学

本不存在的多面体

下图中这个标致的球体模子，是加拿年夜滑铁卢年夜学的计较机科学家克雷格·卡普兰用纸板和透明胶带组装而当作的。它看起来就像美国建筑师巴克敏斯特·富勒发现的网格穹顶，或者像一种新条目足球。它由4个正十二边形和12个正十边形组成，此外它还留有28个等边三角形外形的缺口。

但这里却有一个年夜问题：这种球体模子在数学上是不成能存在的。这些正多边形本应不会在每个极点上完全对齐，所以它们无法组成这个球体模子。

那么为什么在实际中可以做当作这个模子呢？本来在组合的时辰，每个纸板城市微微地发生扭曲。卡普兰暗示，纸板的扭曲发生了一种“蒙混过关的身分”，能使得本该不成能的工作变为了可能。

卡普兰的模子，只是美国数学家诺曼·约翰逊在上个宿世纪60年月发现的数学现象中的一个新例子。那时的约翰逊，正尽力完当作一个由柏拉图在2000多年前就起头的项目：辑录所有完美的凸多面体。例如，各面都是全等的正多边形且每一个极点结构都是一样的凸多面体，叫做正多面体。它总共只有5种，别离是正四面体、立方体、正八面体、正十二面体和正二十面体。若是你用2种以上的正多边形构成一个凸多面体，且要求所有极点结构都不异，那么你可以获得13个阿基米德立体，以及无数种正棱柱（两个不异的正多边形被多个正方形毗连起来）和正反棱柱（两个不异的正多边形被多个等边三角形毗连起来）。阿基米德立体、正棱柱和正反棱柱统称为半正多面体。

若是用2种以上的正多边形构成一个凸多面体，但不要求所有极点结构都不异，那么除了半正多面体，还会有几多种多面体呢？1966年，约翰逊发现了92个如许的多面体，现统称为约翰逊多面体。他猜测本身已经找全了，几年之后，俄国数学家维克托·扎格勒尔证实了这一点。

然而在寻找这些多面体的时辰，约翰逊发现了一些奇异的现象。他用纸板来搭建想要寻找的外形，因为知足要求的多面体不会良多，他认为任何不成能的环境都能很快闪现出来。但事实上，他用纸板搭建出了良多个如许的多面体，但颠末数学阐发后，发现它们本应不存在。约翰逊细心一看，发现这些多面体的纸板都发生了扭曲，好比某个面扭曲得不像正方形，或者某个面变得不承平坦。约翰逊拿着铰剪试着对某些面进行修剪，使得各个面的纸板不再扭曲，可是修剪完后，各个面就不都是正多边形了。

这些差一点点就当作为完美的多面体，被称为拟约翰逊多面体。那时的约翰逊并没有太在意这种多面体。然而此刻，拟约翰逊多面体不仅吸引了卡普兰和其他数学家的乐趣，并且被算作“差点就对的数学”的一个典型例子。

差一点就骗到你

差点就对的数学并没有严酷的界说，它凡是就是指那种差一点就知足要求的，或者差一点就准确的数学现象。其判定尺度，也同时是基于人的体验。今朝，卡普兰在寻找新的拟约翰逊多面体的时辰，根基上是依靠于经验。若是你当作功地搭建了一个不成能的多面体，而且与要求很接近，那么你就找到了一个拟约翰逊多面体。

很多古老的问题就属于差点就对的数学。例如，尺规作图三浩劫题——三等分角（三等分一个肆意角）、化圆为方（作一个正方形，使它的面积等于已知圆的面积）和倍立方（作一个立方体，使它的体积是已知立方体的体积的两倍）——看起来很轻易解决，但最终被证实是不成能的，你最多只能找到一些近似的方式。

不外在很多时辰，“差点就对”往往意味着“差一点就骗到你”，可以拿来看成一个数学打趣或恶作剧。好比左图中，上面阿谁直角三角形被切当作四个部门。这些部门从头组合为下面的直角三角形时，会多出一个正方形的空地。那么，这个空地是从哪里来的？

这个谜题被称为“掉踪的正方形”，它是由美国业余魔术师保罗·嘉理在1953年提出的。谜题的解答很简单，但很多人都很难想到。图中上下两个年夜“三角形”其实不是真正的三角形，因为斜边不是一条直线，而是有一个小弯折：蓝色三角形斜边的斜率为0.4，而红色三角形斜边的斜率为0.375。这一不同很难被人所察觉，于是就导致了这个看似悖论的谜题。

此外，在美国动画片《辛普森一家》的某一集中，还呈现了一个令很多人年夜吃一惊的等式：3987¹²+4365¹²=4472¹²。这似乎直接否认了费马年夜心猿意马理，即当n年夜于2时，xⁿ+ yⁿ= zⁿ的方程是没有整数解的。若是你把这些数字输入一个袖珍计较器里，你会发现这个等式似乎是当作立的。但若是你有能显示更多位数的计较器，你会发现3987¹²+4365¹²开12次方的成果为4472.0000000070592907…，而不是4472。固然差值竟然小于1亿分之一，但等式其实并不当作立，所以费马可以安心了。

就差一点也有效

在日常糊口中最有效的一个差点就对的数学，就是2^7/12的成果是1.498307…（就是27开12次方）几乎等于1.5。这是西方音乐的十二平均律的根本，也是钢琴在每一个纯八度音程有12个键的原因。

音程就是两个单音之间的频率凹凸关系。好比纯八度音程和纯五度音程——频率比为2∶1的两个单音之间的音程被称为纯八度音程，频率比为3∶2的被称为纯五度音程。

在音乐的成长过程中，音乐家们但愿有一套尺度，能发生出一组单音序列，并且相邻两个单音的音程得是等比的，如许就便利调试各类乐器。若是该尺度发生的单音，还能构成纯八度音程、纯五度音程等各类常见音程，那将是一个很完美的工作。那么怎么能“包含万象”呢？后来，音乐家们提出了一个尺度，将八度的音程按频率等比例地分当作十二等份，每一等份称为一个半音即小二度。一个年夜二度则是两等份。每两个相邻的单音之间的频率比为2^1/12。这种发生一组单音的法子就是十二平均律。

十二平均律发生的一组单音中，每个单音后的第7个单音，与本来的单音的频率比则是2^7/12，约为1.498307，年夜致与3/2相等，这两个单音的音程就是一个纯五度音程。于是，这种“差点就对”使得十二平均律发生的单音，除了能构成纯八度音程以外，还能近似地构成纯五度音程。其他近似的“差点就对”，还能让十二平均律发生的单音年夜致构成纯四度、年夜三度等音程。于是，现代乐器的制造，都采用十二平均律来确定单音。

另一些差点就对的数学，却能给数学自己带来重年夜的影响。例如，拉马努金常数e^πㄏ163，约等于262537412640768743.99999999999925，很是接近整数。按理说，e、π和ㄏ163都是无理数，它们组合在一路竟然很是接近一个整数，这是一件很是神奇的工作。数学家认为，这不是什么巧合，而是某种更深一层的数学纪律导致的。具体的原因诠释起来比力复杂，但可以透露的一点是，该问题与数字163有关。此外，这个问题激发的联系与怪兽月光理论（见“拓展阅读”）很近似。

总之，真实宿世界往往是不完美的，然而差点就对的数学却能给实际带来一些近似的完美。就像生物学家发现了一个新物种一样，很多数学家起头对这种数学发生了极年夜地乐趣。对它们的进一步研究，必定还能带来更多意想不到的发现。

拓展阅读

怪兽月光理论

故事是如许的：1978年，英国数学家约翰·麦凯提出了一个既简单又怪僻的等式：196884=196883+1。第一个数字是196884，它是j函数的系数，而j函数是数论中的一个主要的多项式。而196883是与一个叫做怪兽群的数学对象有关的数字。很多人看到这个等式可能会耸耸肩，然后就略过了，但这个等式却引起了一些数学家的乐趣，他们决议细心研究。最终，他们发现两个看似无关的数学范畴——数论和怪兽群——竟能联系起来。这种联系是所谓的怪兽月光理论，它甚至可能对其他学科带来更普遍的意义。例如，美国闻名物理学家爱德华·威滕就猜测，把怪兽月光理论与弦理论连系起来，也许能获得一个描述量子引力的新模子。

发表于 2018-06-04 00:00
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