拉马努金:以一己之力挑战整个欧洲的数学家

他恐怕是历史上最特别的数学家,一生留下3900多个公式,却几乎没有一点证明。在他去世后的一百年里,人们不断证实他留下的公式,甚至在黑洞物理、量子力学和弦论等领域,这些公式都能体现出巨大价值。

他就是被誉为“与神对话”的数学天才——斯里尼瓦瑟·拉马努金(Srinivasa Ramanujan)。他甚至曾以一己之力挑战整个欧洲的数学家,起因则是黎曼猜想。

拉马努金出生于印度婆罗门种姓(1887年),但家族已经衰落,一家人生活拮据。

他的数学天赋是在11岁时被发现的,他家的两位房客正好是数学系大学生,给拉马努金带来很多数学书,没想到年仅11岁的他很快就学完了,而且对无穷级数很感兴趣。

命运的转折发生在1903年,16岁的拉马努金拿到了一本凯尔(G. S. Carr)的《纯数学与应用数学基本结果概要》(A Synopsis of Elementary Results in Pure and Applied Mathematics)。这本书写于1886年,总结了当时已知的5000个数学定理。正是这本书激发了拉马努金的创造力,他开始忘我地研究。

《纯数学与应用数学基本结果概要》的封面与内页

进入大学后,他严重偏科,除了数学,其他学科都没能及格,最后连学位都没能拿到。

之后,他在极度贫困的状态下,继续研究数学。有幸经过重重推荐,得到了印度数学学会负责人拉马钱德拉·拉奥(Ramachandra Rao)的资助,得以持续发表自己的研究成果。印度数学家们被拉马努金的才华震惊了,开始帮他与英国数学家取得联系。

1913年,拉马努金发表了一长串神奇的公式,给剑桥大学的三位数学家,只有哈代(Godfrey Harold Hardy)意识到了拉马努金的天赋,他看后表示,从未见过如此美丽的东西。

戈弗雷·哈罗德·哈代(Godfrey Harold Hardy)

比如这个关于黄金分割律Φ、自然对数e和圆周率π的公式,采用无穷连分数的形式:

拉马努金擅长以直觉得出公式,但缺乏正规教育,从来不进行证明。

他往往会得出一些无穷递归等式,然后通过微调其中的数字,得到非常精准的结果。

比如,这个关于圆周率π的公式:

1103,26390和396到底是怎么得到的?!

哈代惊呆了,他希望拉马努金能进一步给出证明。

拉马努金曾经看过哈代的《无穷阶数》(Orders of Infinity),热衷于无穷级数的他,非常喜欢这本书。但在书中,哈代提到:“尚未找到一个公式,能明确地表述出给定范围内的素数个数”。

哈代的《无穷阶数》

这让拉马努金激动不已,因为他确信自己找到了一个这样的公式,为此他与哈代进行了多次信件交流。但信中只有公式,没有证明。哈代与李特尔伍德经过解读发现,拉马努金所做的,正是对高斯猜想(对素数分布的估算)的改进,与黎曼的理论很接近(可以参见往期文章黎曼留给世界的谜题)。但他的公式里,没有包含ζ函数零点相关的项来消除误差,因为他认为ζ函数所带来的误差能被相互抵消。

这一次拉马努金错了,但他的发现,却给哈代带来了重要的启示:如果零点不在ζ函数的临界线(实部等于1/2的那条线)上,那么这个估算的误差会大很多。

在此基础上,哈代证明了:黎曼ζ函数存在无穷多个非平凡零点的实部都是1/2。这是数学家们第一次在黎曼猜想问题上取得的重要成果。

黎曼猜想:黎曼ζ函数的非平凡零点的实部都是1/2。哈代证明了存在无穷多个这样的非平凡零点,取得了重要的突破。

这一切的起因,竟然是一位没有接受过系统教育的印度青年,以一己之力挑战整个欧洲的数学家。

哈代知道这位印度青年拥有非凡的天赋,他只是需要尽快熟悉一下最新的知识,于是哈代竭尽全力,安排拉马努金来剑桥学习。

哈代曾这样评价拉马努金:“他知识不足的程度跟知识的深厚都让人很吃惊。他是能够发现模方程和定理的人……到达前所未闻的地步,他对连分数的掌握……超出了世界上任何一个数学家,他自己发现了ζ函数的泛函方程和解析数论中的很多著名问题中级数的主要项;但他却没有听说过双周期函数或者柯西定理,对复变函数只有非常模糊的概念……”

哈代还评价道:“作为一个贫穷且孤独的印度人,他有着绝对的劣势,却凭借自己的头脑来应对欧洲的智慧积累”。

剑桥大学三一学院

虽然到了剑桥之后,拉马努金始终没能撼动黎曼猜想,但是他却和哈代、李特尔伍德一起,在分拆数问题上取得了重大突破。

所谓的分拆数(Integer Partition),又叫整数分拆,就是指一个正整数能拆分成多少种正整数相加的方式。

比如3可以拆分成:3,2+1或者1+1+1,数字顺序交换视为同一种。

又比如5就可以拆分成:5,4+1,3+2,3+1+1,2+2+1,2+1+1+1,1+1+1+1+1,一共7种分拆(partition)方式。

一开始很简单,但随着数字增加,会变得异常复杂。

比如当数字增加到200,则有3 972 999 029 388种拆分法。

拉马努金得到神启,写下了一个极其简洁的估算公式:

在200的分拆数上,估算值的误差大约是3%。而哈代的同事,被誉为“人类计算器”的麦克马洪(Percy MacMahon)整整计算了一周,才得到了精确值。

后来拉马努金与哈代又提出了一个更优的估计,这个估算值四舍五入后准确无误:

阿达玛将数学家研究数学的过程划分为四个部分:预备阶段、酝酿发酵、灵光乍现、严谨证明,毫无疑问拉马努金在第三方面具有超凡的天赋,但在第四部分却极其匮乏。

而他的老师与合作者哈代,则擅长复杂的证明,他们对分拆数的研究,产生了一项新技术“圆法”。

后来,哈代与李特尔伍德(John Edensor Littlewood)首次运用这一方法,在哥德巴赫猜想(每一个大于2的偶数都能写成两个素数之和)上做出了重要贡献(1923年),证明了:每个相对较大的奇数都能写成三个素数之和。因此,这个方法又被称为“哈代-李特尔伍德圆法”。

值得一提的是,十三年之后(1936年),华罗庚先生来到剑桥大学访问学习,受到哈代-李特尔伍德学派的影响,在解析数论上取得了重要成果,并将哥德巴赫猜想问题带回中国,这才有了后来国内对这一问题空前的热度。

左三为华罗庚,右二为陈景润

1920年,拉马努金和黎曼一样得了肺结核,英年早逝。

拉马努金留下了大量关于无穷递归的等式,其中有许多神来之笔,没有人知道这些公式是如何得来的。它们如同神迹,至今仍是一个迷。

这些公式,启迪并引领了许多现代数学的研究领域,比如数论中的模形式、韦伊猜想(Weil conjectures)、L函数和朗兰兹纲领(Langlands program)、以及黑洞物理、类θ函数、弦论和量子引力理论等物理理论。

甚至有数学家在这些公式的启发下,经过进一步研究获得了菲尔兹奖。哈代曾说过:他一生对数学最大的贡献就是发现了拉马努金。

如今设立了拉马努金奖,以奖励在数学领域中作出杰出贡献的年轻数学家(获奖者的年龄需在32岁以下)。张伟、恽之玮、刘一峰、唐云清、张瑞祥等5位中国数学家曾获得过该奖。

拉马努金死后一百余年,他生前所埋藏的数学宝藏依然在被发掘。返回搜狐,查看更多

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