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《數學心》第332章 拉馬努金連分數機
  細數人類史上最偉大的那些思想,斯裡尼瓦瑟·拉馬努金(Srinivasa Ramanujan)絕對能算得上是其中一個。很多人或許從《知無涯者》這部傳記電影中獲悉了他短暫而傳奇的一生。

  1887年,拉馬努金出生在一個距離馬德拉斯(現在的金奈)約400公裡的小村莊裡,很早的時候,他就對數學產生了濃厚的興趣。他不喜歡大多數數學家所喜歡的那種形式證明,出身貧寒而靠著自學成才的他總能提出打破傳統的數學思想。

  1914年,在劍橋大學數學家哈代(G.H.Hardy)的邀請之下,拉馬努金於啟航前往英國,開始了數學史上最迷人的一段合作,兩個惺惺相惜的偉大頭腦衍生出了一系列數論領域的重要成果。拉馬努金提出過許多猜想,其中很多都被證實是正確的。除了那些實實在在的數學定理之外,他的思想也給許多後世的科學家帶去了啟示。

  泰勒公式:

  在拉馬努金提出的定理中,經常涉及到連分數的概念,它會將一個數表示成為無限的嵌套分數和。以色列理工學院的數學家Gal Raayoni和他的同事受到拉馬努金的啟發,利用這種思路發明了一種新穎、系統的方法,並將它取名為拉馬努金機。這是一種計算機程序,它可以利用算法推導出基本常數的新的數學公式,並揭示其基本結構。

  與物理和所有其他科學中的測量不同,數學常數可以用一個恰當的公式計算到任意精度(即小數點後任意位),從而提供的是一個絕對的基本真理。從這個意義上說,數學常數包含的是無限數量的數據(例如無理數中的無限數列序列)。e和π就是兩個幾乎無處不在的基本數學常數,從抽象的數學到幾何物理,從生物到化學,到處都有他們的身影。

  然而,幾個世紀以來,與基本常數有關的新的數學公式很少出現,只有非常偶爾才有零星的發現。但是利用新的算法,拉馬努金機已經找到了幾十個表示π、e,以及黎曼ζ函數值的連分數。其中有的是之前就被數學家找到的,還有一些則是全新的。

  在這項研究中,Raayoni等人提出了兩種算法,它們被證明在發現新結果方面非常有效:一種是密碼學裡的中途相遇(MITM)算法的變體,還有一種是針對連分數遞歸結構的梯度下降(GD)算法。這兩種算法都是基於數值匹配,因此可以在不需要證明,也不需要具備任何數學結構的先驗知識就能找到新的猜想公式。

  MITM需要生成許多的數學表達式,為有限次數的迭代計算它們的值,然後消除那些給出不準確結果的表達式。例如,e的值是以2.718開頭的小數,當試圖近似e時,任何可能產生過高或過低的值的猜想都將被排除。再計算出那些似乎可行的猜想,進行更多的迭代,以確定哪些猜測可能正確的。

  這樣的方法對沒有數學結構的基本常數格外有吸引力,因為它推翻了在形式證明中時序邏輯的傳統方法。研究人員提出了一種新的概念方法:這是一種利用數值數據揭示新的內部結構和猜想的計算機算法,就像擁有了過去只有偉大的數學家才具有的數學直覺,為新的數學研究提供了線索。

  華威大學的數學家Saul Schleimer認為,拉馬努金機就像是一個泛化的試錯過程,它可以在不知道這些猜想為什麽正確的情況下產生這些猜想,而且它也像拉馬努金一樣很喜歡連分數。不過,Schleimer表示,他認為拉馬努金機是比不上拉馬努金的,因為拉馬努金的連分數更加微妙,在某種意義上說更加成熟。所以他認為雖然這是一項很好的實驗數學,但還不能被當做是一種新的思維方式。

  研究小組希望人們可以為新的猜想提交證明,他們將拉馬努金機的軟件分享在網站上供人下載使用。他們決定,一旦有誰發現了某個猜測,就會用發現者的名字為該猜想命名。
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