17 年蝉 — 素数生命周期蝉猜想

自然界中有一种蝉,拉丁名叫 Magicicada Septendecim,是昆虫里生命周期最长的:十七年。他们的生命从地下开始,幼虫从树根中耐心地吮吸汁液。过17年后,成虫从地里冒头,成群结队,一时间泛滥了整块地界。几周之后,他们交配产卵,后悄然死去。产下的卵也要待17年再冒头。(另有一种叫 Magicicada Tredecim,生命周期是13 年)。

生物学家相当困惑:为什么这种蝉的生命周期这么长?
一个数学爱好者客串回答,他注意到13 和 17 都是素数(即除了1和自身以外无其他约数),于是就提出了下面有趣的假说:

设有一种寄生于蝉的虫子。蝉冒头时一定要避开这种寄生虫的大年(即最繁盛的一年)。因为碰到寄生虫不是好事,会影响到这一代蝉的群体健康和生活质量。如果该虫的生命周期是 2 年,那么为了蝉自身的好处,蝉的生命周期是单数才好 (两代蝉中只有一代会遇到寄生虫的大年,比每代都撞上好。)同样地,为了蝉自己,生命周期最好也不是3的倍数,5 的倍数,…… 于是,比较合理的就是一个不太小的素数了。

对于17年生命周期的蝉,如果寄生虫的生命周期是 1 年,那么假设这一代蝉不幸遭遇寄生虫的话,过17代才会再次遭劫。如果寄生虫的生命周期是 2 年,那么也是再过17 代 (年头当然更长,是34 年)。对虫子来讲,17 代中只一代遇到十七年蝉的这个结果是不变的,只要寄生虫的生命周期是整数年(合理的假设)。而对蝉来讲,当寄生虫的周期从1年-16年 变化时,蝉已经越来越难遇到寄生虫的大年。如果寄生虫的生命周期是17年,糟糕了:可能每次都撞车:蝉被虫子克了。

论理,寄生虫的生命周期应该比较短,以此来增加繁衍和找到适合寄主的机会。寄生虫刚好也是17年的机会很小。而且,虫子没有机会了解蝉的生命周期;假定它能够逐渐延长生命周期(经过许多代),那么生命周期是8年时,仍会错过17年蝉的大年,除非下一代的周期立即变到9年。不过就这一次,接下来的几代还要再错过。
这个称为“素数周期蝉”的猜想得到证实了吗?我们先要问,怎样才算证实呢?这样提问题也很有趣。我们只能说“素数周期蝉”是一个合乎情理的猜想。数学和科学也有,而且需要,大胆的想象和猜测!

通过这个有趣的例子,让我们对于素数也有了更多认识!你作分数加法时,假定两个分数的分母是不同的素数,知道怎末做的人可能会说,My God!因为通分以后的公分母一定很大,刚好是两个分母的乘积。比方你如果做 (2/7) + (1/13) = ? (七分之二 加上 十三分之一 等于什么)公分母是 7 乘 13 得 91。蝉和寄生虫的公共大年,也就在找最小公倍数,和通分的概念是一样的。

一个神解 — 模式和变换 — 正方形幻方问题

神解是什么?在数学里,就是那些好美妙好神奇的解,恰到好处。好似飞来之笔,其实是有规律可循的。我们看一个正方形幻方的问题。

Prob Square Matrix

如上图所示的是一个正方形幻方。请把 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17 这九个数填入到其中的圆圈中,使得每个正方形的四个角上的数字和都相等。

首先细细地审一下问题:题目要每个正方形的四角和相等,那么共有几个正方形?明显地是有5 个小正方形。不过您是否意识到分成小格前的大正方形也有四个角:加上它该有6 个正方形。至于考虑顺序呢:最后这条件放在最后再考查。

这题有多个常规解答,思路是列等式找规律,求解路径各有千秋。除去这些外,给大家讲一个“神”解答;奥妙全在下面的两幅图里。

Square Mtx-Trsf

现在是见证奇迹的时刻哦,弄明白了吗?让我们把上下两个 3×3 方格分别叫做 图1 和 图2 。 图1的主对角线(A1B2C3)变成了图2里的中间一行,而图1中被对角线分开的两个拐角:右上和左下拐角,拉直后成了图2的最上和最下两行。

在图2中左上正方形的4个角点分别是 A1A2A3 B2. 他们的和不就是图1第一行和再加上B2 (中央格的数)吗?右下正方形呢?除去中央格的四个角点分别是C1C2C3,刚好是图1中第三行的三个数。那么如果图2中这两个正方形的四角点之和相等,等价的条件也就是图1中第一行的和,与第三行的和相等。
再注意到图二中的右上小正方形的四角和是图一中第三列数字和在加上中央格。类似地考察其他四角和条件。如每个边的中央小格连成的正方形,其数字和,要求也是同一个数。还有大正方形的四角数字和(
A2 + B3 + C2 + B1)要求也是同一个数。(关于最后两条件的考察–取巧的方式是先不作 再说)

如果图1中的填数字是按照魔幻方要求的:即每行,每列和两个对角线的和都相等,那么图二中的数字和就已经满足了多数条件。

我们寻求一个3×3阶魔幻方由数字 1357911131517 构成。这些数可由 123456789 加倍(乘2)后减1得到;而按每格如此变幻后:行和,列和,对角线和仍然相等。因而由洛书图的解我们能构造一个新解(每格数字分别乘二减一),然后按前述方法把对角线和拐角拉直:对于新问题的解就来了:[他们已经满足了所有条件哦!– 包括上段所说的最后两个条件;不信你自己验证嘛如下面图所示。

Solution-SquareMtx有点神解的味道:需要对代数原理和幻方的结构非常熟悉,而巧用变换。这个漂亮的解在一次作数学模型时由参加者发现:笔者觉得其构思的巧妙不逊于 高斯在算 1+2+3+…… + 100 时所发现的规律。推荐给有兴趣的读者欣赏数学方法和构思之妙。当然,此题不必这样作,但这样的解让人觉得好美,好神!即便杀鸡不用牛刀,还是可以“牛刀小试”吧?

黄金分割比 1.618 …… 的故事和应用

分比 (两个数的比)本质上就是分数,分比是两个线段长度的比。有什么好说的呢?黄金分割比就是很特别。

220px-SimilarGoldenRectangles.220px-Pentagram-phi-01

上面是简单图形中一些线段长度的比。有共同的地方吗?有的。这些图中所列的比都是一个共同的数:黄金分割比 1.618 …… (无尽不循环小数),如左图中, (a+b) : a = a : b = 1.618 …… 对于右图做点解释:外围是正五边形,里面有个正五角星,而五角星边交点又构成了个新的正五边形。从这图我们可以列出两对线段长的比(红线长 : 绿线长,和蓝线长 : 粉线长)?你猜对了,它们的比也是黄金分割比 1.618 …… 。

Fibonacci-GoldR这上面是一个很有趣的分数序列。它很有规律:每个分数的分母等于前一个分数的分子,再仔细点看:其分子是前一个分数分子分母相加的和。在前端再添加三项,规律会更加明显了:

1 ⁄ 1, 2 ⁄ 1, 3 ⁄ 2, 5 ⁄ 3, 8 ⁄ 5, ……

如上所说,该序列收敛到 1.618 …… 即黄金分割比。

(如果不确定什么叫收敛,就是说沿序列往后走时,所有的数可能时小时大,但是会越来越接近目标数 — 在本例中为黄金分割比)。

博学而聪明的读者已经联想到了 Fibonacci(斐波那契)序列:一点不错,Fibonacci序列和黄金分割比有着太紧密的联系;为简明记就不再展开了。

黄金分割比有很多应用。所以专门保留了一个记号:常数 Phi (希腊字母 φ ) 。有人认为它是深藏在自然背后的一个数。举个例子。

通过对于植物叶子的研究,发现两片叶子如果相邻(这里相邻的意思是前后脚跟着长出来),

Phi-1st fibonacci flower-02Leaf-Growth-13其间的角度和 φ 有关,具体点,相邻叶片间的角度 α 可用下式算:(角度单位是度)

α = 360 ⁄ (n φ )(计算式1),或者 α = (360 φ) ⁄ n (计算式2)
其中n 是正整数,常取 2 或 4. 若在(1)式中取 n = 2 得到约为 111 ̊ 15′ , 而若在(2)式中取 n = 4 则约为 145 ̊ ,这些数字在观察中得到证实。

艺术是自然的反映。所以艺术审美中也有黄金分割比。人体的比例,焦点的位置,小到长方形的长宽比等等。通过实际作品和实验心理学这一点也得证实。

回到数字 φ 本身。中文顺口溜可以记住 φ 的小数点后头十位数字:
φ = 1. 6 1 8 0 3 3 9 8 8 7 .. ..
一路要发,顶上山,玖发发吃 ……
有点俗:是通俗,不是鄙俗。φ 这个数还有什么特点呢?有的。

(1 ⁄ φ) = 0.618 033 988 7 .. ..
φ = 1.618 033 988 7 .. ..
φ 2 = 2.618 033 988 7 .. ..
上面三行的右侧,小数点后面所有的数字都完全一样,毫发不差!是不是叫人惊奇?在数学上这可以严格地导出。

最后,还和另外两个数,sqrt 5 以及 π 都有关联。我们有:
2 φ – 1 = sqrt 5 (即是 5 的平方根)

(5 ⁄ φ) < π < 2 φ
这些关联式后面的道理,就值得另外讨论了。

本篇完成时正值 6 月18 日。因为圆周率 π = 3.14 …… 3 月14 日被命名为 Pi 日,那因为 (1 除以 φ) = 0.618 ..是不是可以把 6 月18 日 命名为 Phi 日, 成为全球数学爱好者和学习者的又一个节日?在父亲节的时候,为人父者也可以给孩子们讲讲 Phi (φ) — 黄金分割比的故事啦。