數學的本質常常是簡單而直接,能給人以無限的遐想和美感

2021-01-11 遇見數學

「數學常常給人以一種深奧和複雜的感覺,但它的本質常常是簡單而直接的。……數學的美妙也恰恰在於一個好的方法,常常是最簡單明了的方法。因此,我會將『簡單即是美』的思想貫穿全書。」 這是吳軍博士在其著作《數學之美》(第二版)(人民郵電出版社,2019)前言中寫下的一段話,當我們看完本書後,發現「簡單即是美」一語中的。

隨著數學科學的普及,人們對數學認識的深化以及數學欣賞能力的提高,古希臘數學家普洛克拉斯的名言「哪裡有數,哪裡就有美」正讓越來越多的人產生共鳴。數學中充滿美的因素甚多,簡單性無疑是數學美的一個最基本內容,引用大科學家愛因斯坦的話:「美在本質上終究是簡單性。」數學的簡單性是人類思想表達經濟化要求的反映,它給人以無限的遐想和美感。吳軍博士從他的親身經歷出發,為讀者介紹了數學在信息科學領域的種種應用,以及兩位著名的數學信息科學大師的數學智慧。通過這些實際案例,為人們展示了數學和生活的緊密聯繫,以及數學思想背後蘊含的簡單之美。

數學的簡單美,並不是指數學內容本身簡單,而是指數學的表達形式、數學的證明方法和數學的理論體系的結構簡單。我們熟知的周長公式 就是一個很好的例證。幾何中完美的圖形——圓,內含的周長與半徑有著異常簡潔和諧的關係,一個富有傳奇色彩的數「」把它們緊緊相連。誠如科學大師牛頓所說:「真理在形式上從來都是簡單的,而不是複雜和含混不清的」,數學之美就是這樣體現的。《數學之美》中有兩個非常經典的數學例子,那就是搜尋引擎背後的基本數學原理,特別的簡單。二進位是世界上最簡單的計數方法,因為二進位只有 0 和 1 兩個數字,並且二進位還可以表示邏輯裡的「是」和「非」。布爾運算,就是一種針對二進位的運算,基本的運算只有「與」「或」「非」三種,非常簡單。

▲ 文氏圖表示的與或非三種運算

兩個月前,本號曾推送過筆者的一篇題為《感受數學模型方法至高深層的美》的文章,文中寫道:「數學模型的方法帶來的是其獨有的應用之美,是一種直入心扉、至高深層的大美。」 《數學之美》的作者認為:一個正確的數學模型應當在形式上是簡單的。他同時指出,如果你能拿數學工具來解決問題,那麼不管你的方法有多複雜,這裡面的基本思想都應該是簡單的。

在書的第 9 章「圖論和網絡爬蟲」裡,以大數學家歐拉用「一筆畫」解決著名的哥尼斯堡七橋問題作為例子,並由圖的節點和連接等概念延伸到了應用廣泛的各種搜索算法中,讓人體會到數學不僅有用而且還有無窮魅力。

▲ 數學家歐拉把實際的抽象問題簡化為平面上的點與線組合

難能可貴的是,作者的科學和文字功底俱佳,能夠將生活中遇到的複雜的、摸不著頭腦的問題以簡單清晰、直觀有效的模型或者公式解答出來,真所謂「居高才能臨下,深入才能淺出」。比如,作者用娓娓道來的筆法向讀者呈現了信息技術(自然語言處理)中的數學原理(統計語言模型)之美,等等。這樣的例子在書內可謂舉不勝舉,俯拾皆是。筆者以為,現實案例成了本書的一大特色和亮點,而且在吳軍博士的筆下,數學的本質思維是那樣的透徹和生動,帶給讀者的是新的啟示、新的方法和新的視野,於是,該書幾年前能夠榮獲國家圖書館第八屆文津獎也就在情理之中了。

必須指出,《數學之美》更多涉及的是計算機科學、資訊理論、概率論等,數學則是作為一件非常有力的工具出現在書中,並且把大道至簡的簡單性原則體現得淋漓盡致,成為激發廣大讀者對數學產生濃厚的興趣,進而熱愛數學、研究數學、應用數學,真正實現作者撰寫本書初衷的目的。即:希望這本書能幫助大家領悟數學之道,以便今後解決實際問題時能夠舉一反三。

本文作者殷堰工, 這裡特別感謝殷老師對 [遇見] 的關心和支持!

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