有理距离
在平面上是否存在一个点,它到单位正方形的四个顶点的距离都是有理数?
第一次知道这个问题竟然没被解决时,我很是吃惊——我原本还以为这个问题会有一些很平凡的解呢。然而,仔细想想也不奇怪,这和很多其他的数学难题一样,本质上都是 Diophantus 方程,其解的存在性都是很难判断的。只不过,某些问题的叙述方式会给人带来一种格外基本、格外初等的感觉。与这个问题类似的是 Euler 完美长方体问题:是否存在一个长方体,它的长、宽、高、所有面对角线以及体对角线的长度都是有理数?事实上,还有很多“构造点集让距离满足一定关系”形式的数学问题,它们都是长期以来悬而未解的难题。
单位分数够用吗?
那么,一个自然的问题就是:是不是任何正有理数都可以写成有限个不同的单位分数的和呢?你可能会说:单位分数会越变越小,如果有理数很大的话,难道不会出现单位分数不够用的情况吗?这个问题相当于在问:1+1/2+1/3+……一项一项加起来的话,能达到要多大有多大的值吗?答案是肯定的!实际上,如果用上一点高等数学的话,我们可以证明,从1加到1/n,当n越来越大,这个和也会越来越接近ln(n)+γ,这里ln(n)是n的自然对数,而γ被称为欧拉-马歇罗尼常数。因为对数ln(n)会随着n增长而越变越大没有界限,所以自然可以要多大有多大。这个和在数学中又叫调和级数,有着广泛的应用。
从整数到多项式
我们在中学里就学过多项式。对于一个变量x,我们取它的一些次方\(x^a, x^b\)等等,乘上系数,然后加起来,就得到了一个多项式,比如说\(x^7+6x^3+4\),就是一个关于\(x\)的多项式。在这里,我们考虑那些系数都是复数的多项式,也就是复系数多项式。数学家们很早就发现,这些多项式与正整数有一种神奇的相似性:可以做加法、减法、乘法,也可以分解因数,可以求最大公约数和最小公倍数,同样有着唯一分解定理:正整数可以唯一分解成素数的乘积,而多项式也能唯一分解成所谓“不可约多项式”的乘积。基本上,在数论中对正整数性质的研究,很多都可以直接搬到多项式上来。于是,遇上有关正整数的问题,把它迁移到多项式之中,未尝不是一个提出问题的好办法。自然,因为多项式本来结构就比较复杂,相关的问题也更难解决,但这不妨碍数学家的步伐,毕竟他们要攻克的就是难题。
数学很有趣值得思考研究 。