數字真奇妙——簡單完美的六和麻煩的七

2021-01-16 遇見數學

本文作者劉瑞祥,[遇見數學] 感謝劉老師投稿支持!

數字 6 很有意思,有很多簡潔、優美的興致。比方很多人都知道,6 是最小的完全數,也就是說,他的全部「真約數(小於它本身的約數)」的和與積是相等的。而且它的真約數之和、之積恰等於它本身。有人說這是因為上帝在 6 天之內造出了整個世界,而也有說,正是因為 6 是完全數,所以上帝創造世界需要六天。但是6得有意思的性質遠不止這些。

比如說,對於所謂「費馬猜想(現在是費馬定理了)」來說, n=6 是第一個無需專門證明即可知 x^n+y^n=z^n 沒有正整數解的情況。這是因為只要我們證明了 n=3 沒有正整數解,那麼 n=6 沒有正整數解乃是順理成章的事情。

既然提到費馬猜想,我們不妨把眼光轉向幾何:圓內接正六邊形是最容易作的多邊形,即使只用圓規,六等分一個圓也不會增加難度。這當然是因為圓內接正六邊形的邊長等於圓半徑。而正是因為這一點,我們可以從正六邊形開始逐漸逼近圓,以此來計算圓周率。這就是劉徽《九章算術注》中的做法。而我們知道,在立體幾何裡,正六邊形還和正方體有著密切的聯繫,比如可以從正方體裡做一個正六邊形的截面。另外,最簡單的多面體——正四面體——具有 6 條稜,最普通的幾何體——長方體——具有 6 個面等等,都說明 6 這個數字的確很有意思。

相比之下,7 就麻煩多了。雖然歷史上很多人對 7 情有獨鍾,比如音階、星期乃至竹林七賢、過去七佛、七大奇蹟、北鬥七星、七巧板、哥尼斯堡七橋問題等等地方都會遇到 7,但除了後兩者都和數學關係不大。在數學上,7 可以算是最小的麻煩數。

比如,一個數除以 7,如果除不盡,那麼它循環節居然達到了「驚人」的 6 位。我現在還記得當年剛學循環小數時計算 1÷7 的恐怖經歷。這在除數小於 13 的數字裡是最長的。根據抽屜原則我們知道,如果兩個整數無法整除,那麼分母為 n 時,循環節最多為(n-1)位,數字 7 完美地詮釋了這一點。不過後來我從一本數學讀物上學了一招,可以方便地計算 1-6 除以 7 的循環節:

如圖,裡圈數字是被除數,外圈數字是按順時針排列的循環節,對照如下:

這些循環節有個共同的奇妙特性,那就是前三位和後三位加一起恰好是 999,類似的性質也可以在其他循環小數中遇到。這是初等數論中很有代表性的結論。可以說,因為我們有 7 這個最小的「麻煩數」,數論上一些不容易察覺到的性質就有了一個很好、隨手可得的例證。這大概就是 7 給我們的正面意義吧。

我們再來看看幾何:正七邊形還是第一個不能用尺規做出的正多邊形。但是很多資料語焉不詳,比如我手頭一本書說的是「單用直尺和圓規幾乎不可能做出」,難道說尺規聯合使用就能做出了?也許那本書的作者確實是這麼認為的,因為那本書上就記載著這樣一個做法——取圓內接正三角形邊長的一半為該圓內接正七邊形的邊長(見下左圖):

不過仔細算一下,或者在數學軟體裡度量一下就知道,這僅是近似做法。上右圖是資料 1 中列舉的另一種近似做法:可以記做「下七八,上四三,九七在中間;角下五,肩上九,一一點二左右手。」

為什麼不能用尺規畫出正七邊形?原因是這其中需要用到解三次方程。而摺紙可以實現這一點,所以可以用摺紙來製作真正的正七邊形,但是也很麻煩,大家可以閱讀資料 2。不但如此,正七邊形的「麻煩」還在於它的邊長需要動用複數工具,雖然最後的結果肯定會消去虛數單位 i,但是表達式裡卻需要始終帶著這麼個東西。有興趣者可以查閱下面的資料 3。雖然我們不能用尺規做出正七邊形,但是如果已經給我們一個正七邊形,我們卻有把握用尺規作出一個與之面積相等的正方形。這是因為正七邊形可以分成十四個全等的直角三角形,從而拼成一個矩形,而做出與已知矩形面積相等的正方形,則是簡單的。

在立體幾何裡,可以證明,沒有任何幾何體恰好有七條稜。這個證明方法就留給讀者了。這是 7 這個數字「麻煩」的又一例。

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