漸修與頓悟:從費馬大定理的證明看創造力的5要素

2020-12-04 徵稿啟事

偉大的數學家費馬(Pierre De Fermat),這個17世紀製造麻煩的天才,經常挑戰數學家們的理論。

我們都知道的勾股定理:

大家也都知道這個方程式有無窮多個整數解,如a=3,b=4,c=5。但是費馬對它進行了質疑。大約在1637年左右,費瑪在閱讀丟番圖(Diophatus)《算術》拉丁文譯本時,曾在第11卷第8命題旁寫下如是的文字:「將一個立方數分成兩個立方數之和,或一個四次冪分成兩個四次冪之和,或者一般地將一個高於二次的冪分成兩個同次冪之和,這是不可能的。關於此,我確信已發現了一種美妙的證法,可惜這裡空白的地方太小,我寫不下了。」這也就是著名的費馬大定理,又被稱為「費馬最後的定理」。

300多年來,無數的數學家接力嘗試,要去解決這個難題,卻都徒勞無功。這個號稱世紀難題的「費馬最後定理」也就成了數學界的心頭病,極欲解之而後快。甚至到了1908年,哥廷根皇家科學協會還公布了沃爾夫斯凱爾獎:凡在2007年9月13日前解決費馬大定理者,將獲得10萬馬克獎勵。提供這個獎金的人是沃爾夫斯凱爾。此人是德國實業家,年輕時有一次為情所困,決意在午夜自殺。但在臨自殺前,他偶然讀到了庫默爾論述柯西和拉梅證明費馬定理的錯誤一文,這讓他情不自禁地計算到天明。設定自殺時間過了,他也放不下問題的證明,數學讓他重生並後來成為大富豪。1908年這位富豪在去世前,訂立遺囑,將其一半遺產捐贈設獎,以謝其救命之恩。

從此世界上每年都會有成千上萬人宣稱證明了費馬大定理,但全部都是錯的。一些數學權威機構,不得不提前準備好證明否定書。

1983年,德國數學家法爾廷斯證明了莫德爾猜想,從而翻開了費馬大定理研究的新篇章。1986年美國加州大學伯克利分校的肯·裡貝特教授完成了弗雷命題的證明。

1986年,英國數學家普林斯頓大學的安德魯·威爾斯聽到裡貝特證明弗雷命題後,感到攻克費馬大定理到了最後攻關階段,並且這剛好是他的研究領域。於是,他開始放棄所有其它活動,精心梳理有關領域的基本理論。

和無數其他數學家一樣,安德魯·威爾斯(Andrew Wiles)對這個問題也是苦思了30多年,並且觸及到了成功的邊緣。1994年1月威爾斯邀請劍橋大學講師理察·泰勒到普林斯頓幫他完善科利瓦金—弗萊切方法解決問題。但整整8個月過去,問題沒有解決。泰勒準備再過一個月後回劍橋,然後威爾斯正式公布手稿,承認證明失敗。

1994年9月19日,威爾斯想自己證明失敗原因該怎麼寫,回顧自己是先用巖澤理論未能突破而後用科利瓦金—弗萊切方法,又對該法一類特殊歐拉系出了問題。這樣一想,突然又想到何不再用巖澤理論結合科利瓦金—弗萊切方法試試?問題解法就是這樣,威爾斯絕處逢生,修補了漏洞。

1994年10月25日11點4分11秒,威爾斯通過他以前的學生、美國俄亥俄州立大學教授卡爾·魯賓向世界數學界發送了費馬大定理的完整證明郵件,包括一篇長文《模形橢圓曲線和費馬大定理》,作者安德魯·威爾斯。另一篇短文《某些赫克代數的環理論性質》(作者理察·泰勒和安德魯·威爾斯)。至此費馬大定理終於得到證明。

對於那一天早晨,那個不可思議的靈感突襲而來,威爾斯是這樣描繪的:「它是如此美麗,簡單而優雅,那時我盯著它足足有20分鐘,不理解我為什麼錯過那麼多次,真的不敢相信。然後,我在系裡走來走去,又回桌子上看它是否在那兒,確實在那兒,我不能控制自己,太激動了,這是我一生的工作中最重要的時刻。」

在《直覺——你所不知的潛力與危害》一書中,作者戴維·邁爾斯認為:威爾斯的「創造瞬間」說明了(斯騰伯格和託德·洛巴特)描述創造力的5要素模型:

第一個要素是專業知識技能。「機會只青睞有準備的人」,路易斯·巴斯德( Louis Pasteur)說。我們通過積累獲得越來越多的知識和印象,就有越多的機會創造性地構建「大廈」。威爾斯有最好的知識基礎:理論和方法的結合。這其實是一個「漸修」的過程。

第二個要素是想像能力。創造的瞬間使我們以新視角來看待新事物、認識模式、產生聯繫。哥白尼首先積累有關太陽系和行星的專業知識,然後重新確定整個太陽系圍繞太陽,而不是地球。威爾斯的想像結合了兩個重要成分,但還不完整。

第三個要素是冒險特質。斯騰伯格和洛巴特在他們圍繞創造性主題的書——《不同凡響》(DejF-ying theCrowd,書中闡述了創造力的6個影響要素:智慧、知識、認知風格、人格特質、動機和環境)中總結到:有創造性的人在克服困難時喜歡冒險,有耐心,尋找新的體驗。發明家經常在失敗後仍然堅持,愛迪生在電燈泡的發明過程中經歷過無數次的失敗。

第四個要素是內部動機。創造性的研究者特裡薩·阿瑪貝爾和貝絲·亨尼西的解釋是:如果工作本身帶來樂趣、享受感、滿足感和挑戰性,那麼受這種動機激勵的人最具有創造性。

第五個要素是創造性的環境。新奇的、有價值的想法經常受關聯關係的激發、支持和淨化。研究發現,最著名的科學家獲發明家很少是孤獨的天才。他們都是受其他人的指導、挑戰或支持。許多人都需要有與他人合作的情商。而我們上面提到的威爾斯先生,一個相對的孤獨者,也是站在其他人的肩膀上,並和他的學生一起合作。

戴維·邁爾斯在書中還為我們列舉了幾個類似的「頓悟」案例。阿基米德走進澡堂,發現了純金皇冠比銀質的排出更少的水,於是大呼「找到了!有了!」。德國有機化學家克庫勒做夢夢到了纏繞的蛇,引導他發現了苯的環狀結構,這個模型被命名為克庫勒模型。愛因斯坦被問到是怎麼想到相對論的,他說:「概念和語言在我的思想加工裡沒有任何作用。」

另據一個調查顯示,72位科學和醫學諾貝爾獎獲得者暗示了直覺對他們成功的影響:「我們感覺像有一隻手在牽著我們。」

實際上人類所有的創造性思維都帶有突發性,因此有人認為:凡創造性思維都可以稱之為頓悟,比如靈感、直覺等。頓悟的突發性、獨特性、不穩定性、情緒性,會讓人感覺「踏破鐵鞋無覓處,得來全不費功夫」。但其實,如果沒有「踏破鐵鞋」,不被逼入「無覓處」的絕境,就不會有「得來全不費功夫」的頓悟。

相關焦點

  • 濃墨重彩的費馬大定理證明
    例如,當一個直角三角形的兩條直角邊長度分別為3和4時,那麼斜邊長度一定是5,因為3 2 +4 2 =5 2 。顯然這三個數字滿足畢達哥拉斯定理的條件,據此我們同樣可以經由任意兩個完全平方數(如9,16,25)求出另外一個完全平方數。
  • 數理史上的絕妙證明:費馬大定理
    費馬宣稱自己證明了但在書邊寫不下證明過程的那個猜想,後來變成了費馬大定理。三百多年來,費馬大定理的證明吸引了大批數學家前僕後繼,也產生了諸多無心插柳式的成果。如今,費馬大定理算是得到了證明,但也許我們還是可以期待費馬曾以為得到過的那種簡明的證明。
  • 數理史上的絕妙證明:費馬大定理 | 賢說八道
    原創: 曹則賢 返樸費馬宣稱自己證明了但在書邊寫不下證明過程的那個猜想,後來變成了費馬大定理。三百多年來,費馬大定理的證明吸引了大批數學家前僕後繼,也產生了諸多無心插柳式的成果。
  • 數理史上的絕妙證明:費馬大定理|賢說八道
    費馬宣稱自己證明了但在書邊寫不下證明過程的那個猜想,後來變成了費馬大定理。三百多年來,費馬大定理的證明吸引了大批數學家前僕後繼,也產生了諸多無心插柳式的成果。如今,費馬大定理算是得到了證明,但也許我們還是可以期待費馬曾以為得到過的那種簡明的證明。
  • 費馬真的知道費馬大定理的證明嗎?
    他仍然確信費馬是帶著一個沒有向任何人揭示的他所聲稱的證明歸於塵土的。  多虧了現代數學家安德魯·懷爾斯,我們才能夠知道費馬的聲稱是正確的,他也因為在費馬大定理上的著名工作而在不久前獲得了阿貝爾獎。但是,費馬真的有那個絕妙的證明嗎?這正是我今天想要探討的。
  • 費馬大定理的啟示:數學內容、方法的豐富促成了費馬大定理的解決
    費馬大定理的證明事件已經過去多年了,回顧起來還是會給我很大的震撼,功給了我很大的啟發。目前的社會早就已經進入了高速的知識增長、爆炸時代,而我們的教育仍然是以知識的積累為目的的,不敢說直接淘汰這種教育,但重新審視和改革是必須的。知識的爆炸增長是全面覆蓋的,數學自然也不例外。
  • 費馬大定理為什麼敢叫「大」定理?
    恰好他讀到了前人一篇試圖證明費馬大定理但是失敗了的論文。更不可思議的是,他發現了其中一行證明邏輯上有個漏洞,而這個漏洞可能導致費馬大定理得到證明!於是,他開始了全神貫注的證明工作。最後,他補救了該論文的證明,得出的結論 是:「費馬大定理不可證」不見得是真命題。
  • 重磅 | 費馬大定理有反例?你怎麼看?
    在動畫片《辛普森一家》中,辛普森曾經構造出費馬大定理的一個「反例」:
  • 懷爾斯用新方法證明了費馬大定理,數學界認為費馬本人都未曾證明
    筆記中的數學命題,往往沒寫下證明過程,留下了一個極為誘人的挑戰。幾年內,讀者幾乎證明出了所有命題,除了那個關於高維勾股數組的命題,那是「最後一個」未能被證明的命題(費馬大定理也稱作「費馬最後的定理」)。 幾個世紀以來,費馬大定理成了科學家、業餘愛好者和「民科」們追逐的對象,每次看似靠近卻發現沒有出路。
  • 費馬大定理:費馬自己故意不寫證明,坑了數學家們358年
    他就是費馬,留下了費馬大定理。正是這樣的靈活轉變,才使得費馬創造出了費馬大定理。費馬大定理的闡述並不複雜,可令人奇怪的是,費馬自己並沒有給出來證明過程。這個傢伙開始調皮了,他在費馬大定理的手稿旁邊留下了一句話,大意是我已經想出了一個很巧妙的證明方法,但是紙已經沒地方寫了,那我就省略了。實際上他的手稿還有一片不小的空白,他在故意的引誘其他數學家。
  • 費馬大定理證明者獲阿貝爾獎
    挪威科學與文學院15日宣布,將2016年度阿貝爾獎授予英國數學家安德魯·懷爾斯,以表彰他在證明費馬大定理方面所作出的卓越貢獻。
  • 費馬大定理是啥?有啥用?
    我們有必要了解數學本身的局限性,才能更好地使用它的原理和思維方式,還是從畢達哥拉斯定理的推廣說起。在幾何上有很多整數組滿足畢達哥拉斯定理,它們就是勾股數,比如(3,4,5),(5,12,13)等。從代數上解釋勾股數,就是方程a^2+b^2=c^2的整數解。
  • 指數為3的費馬大定理的證明(下)
    有了前面2篇的準備,我們現在開始給出高斯對於n=3時費馬大定理的證明。實際上高斯是證明了一個更為一般的結論,即對於每個單位ε,型如x^3+y^3=εz^3的方程在復整數範圍中沒有xyz≠0的解。下面我們來說具體說明如何證明這3步。(I)的證明:假設復整數x,y,z,滿足x^3+y^3=εz^3且xyz≠0,x,y,z兩兩互素(如果有公因子等式兩邊除一下消去即可)。
  • 指數為3的費馬大定理的證明(上)
    費馬大定理大家都非常熟悉,是說型如x^n+y^n=z^n(n大於2的整數)成立的x,y,z是不存在的。這一假設最終在1995年由英國數學家懷爾斯徹底證明。今天只介紹在《數學的100個基本問題》中提到的關於n=3的時候一個精巧證明,而提供這一證明的正式偉大的數學王子——高斯。
  • 費馬大定理,難道只有一種證明方法?就沒人問這事?
    ;那個偉大的畢達哥拉斯定理,已經擁有幾百種證明方法;好吧,現在,可不可以問:你推崇的費馬大定理,為什麼不去追求第二種證明方法?看清楚,是用兩種方法來證明看看你給她的名字,就知道她有多麼重要;大定理,是大定理,你甚至稱呼她---費馬終極定理;看看她等待的時間,就知道她有多麼深奧;她等待了三百年,這是三個世紀啊
  • 從3到n:費馬大定理得證歷程
    此話發表於1670年,費馬已過世5年。大家翻遍費馬遺稿,也沒找到這一證明。19世紀初,費馬遺留的其他問題均告解決,只剩這一問題懸而未解,是以被稱為「費馬最後定理」(我國稱「費馬大定理」)。 費馬大定理 不存在正整數x、y、z,使得xn+yn=zn;n為大於2的正整數。
  • 費馬大定理這三百年,鬼知道它究竟經歷了什麼?
    不過費馬對大定理的研究也止步於此,他並沒有給出對其他自然數n的相關證明。在聽聞費馬的評註之後,德國數學家萊布尼茨(Leibniz)也獨立證明了"n=4"的情形,證明的手法與費馬如出一轍。在費馬大定理提出後,18世紀最偉大的數學家之一歐拉(Euler)成為取得重大進展的第一人。1770年,歐拉證明了當"n=3"的時候,費馬大定理成立。
  • 費馬大定理:從赫克代數到橢圓曲線,一部輝煌的數學史詩
    .這個結論與費馬大定理的要求還有很大的距離.但是人們感覺畢竟是從另外的角度向費馬大定理靠近,而且有希望從代數幾何方面獲得解決費馬大定理的有力工具.TSW猜想來推出費馬大定理。 1988年,報紙聲稱東京大學38歲的宮岡洋證出了費馬大定理。不過也像過去一樣,被發現巨大邏輯漏洞。
  • 費馬大定理,數學最大的浪漫
    —費馬大定理。費馬小定理?……小先生就來講講費馬最後的定理——費馬大定理                   我們熟知的費馬做過很多數學上的貢獻,但其實,他的主業是一名律師,而數學家只是他的業餘身份,他也因此獲得了「業餘數學家之王」的稱號。
  • 臨沂「農民數學家」迷上「費馬大定理」推算9年
    程中永20歲起就跟著大哥一起打工,痴迷於研究費馬大定理的程中佔常常與弟弟程中永探討各種數學難題,一來二去,兄弟倆都成了「數學迷」。1995年,英國數學家安德魯·懷爾斯發表歷史性長文《模橢圓曲線和費馬大定理》,被認為是「20世紀最重大的數學成就」,懷爾斯的論證過程共五章130頁。