最神秘的數學常數,與所有實數有關,但數學家對它幾乎一無所知!

2020-12-04 艾伯史密斯

說到神秘的數學常數,大多數人腦海裡第一個跳出來的,要麼是圓周率π,要麼是自然對數底e。

其實不然,π和e對數學家來說固然神秘,但是我們也掌握了它們的不少知識,在數學裡,還有一個常數更神秘。

這個常數幾乎和所有實數相關聯,但是人們對它的了解,卻少得可憐,以至於寫這篇文章,我都沒有太多的信息告知你們。這個常數叫做——辛欽常數!

1964年,蘇聯數學家亞歷山大·雅科夫列維奇·辛欽,發現一個驚人的規律:對幾乎所有實數x(除有理數,實係數二次方程的解,以及自然對數的底e等特殊情況外),x的連分數表示式係數的算術平均值,都收斂於一個常數,這個常數和x無關,現稱作辛欽常數K0。

數學上可以證明,對於任何實數x,都可以唯一地表示成這樣的形式:

其中a0,a1,a2……都是整數,這個表達式叫做x的連分數展開,記作x=[ a0;a1,a2……]。

辛欽常數則說,幾乎所有實數表示的連分數展開式,其a0,a1,a2……的算術平均值,都收斂於辛欽常數K0。

不過其中要排除部分特殊的數,比如有理數,整係數二次方程的解,以及自然對數的底e等,而這些數,在實數中的比例幾乎為零。

其中,有理數的連分數展開是有限的,整係數二次方程的解展開會重複。

我們常用的十進位表示法,是存在缺陷的,主要有兩點:

(1) 有理數會出現重複的無線循環,比如1/3=0.33333333……;

(2) 十進位是人類特有的規定,這樣表示的數,與使用的進位有關,不具備通用性。

為了避免以上兩條缺點,於是,數學家發明了連分數。

在標準的連分數展開式中,有理數不會出現循環,連分數的展開式與進位無關;而且這樣的標準展開式,對每一個實數都是唯一的。

這就意味著,連分數的標準展開式,可以適用於宇宙的所有文明,而且不會因為進位的不同產生差異,比如:

(1)1/3用連分數表示就是[0;3];

(2)13/10用連分數表示就是[1;3,3];

這兩個數都是有理數,所以各係數的算術平均值,不會收斂於辛欽常數,

像圓周率π的標準展開式,就會收斂於辛欽常數。

目前數學家對辛欽常數的知之甚少,除了能計算大概的數值之外,幾乎一無所知,以下是幾點是辛欽常數待解決疑問。

(1) 為何圓周率可以得到辛欽常數,但自然對數就得不到?

(2) 為何幾乎所有實數,都能得到辛欽常數,裡面有何深層的關聯嗎?

(3) 辛欽常數是有理數還是無理數?

(4) 目前還沒有有效計算辛欽常數的辦法,定義所使用的級數,收斂相當之慢。

(5) 這個神秘的常數,到底有何實際意義?

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