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四元数:桥上的公式

在证明复数就是实数对、复数乘法会旋转平面之后,哈密顿想在空间中做同样的事。他在寻找三元数 $a + bi + cj$,以及一种满足模的定律的乘法:乘积的大小应等于大小的乘积。他试了很多年,尤其是在 1843 年,以至于孩子们每天早上都问他会不会乘三元数了。 为什么三个不行 算术里藏着一个障碍。如果存在一种满足模的定律、系数为整数的三元数乘法规则,那么两个三平方和的乘积就总会是三平方和。但是 $$3 = 1^2 + 1^2 + 1^2, \qquad 5 = 2^2 + 1^2 + 0^2, \qquad 3 \times 5 = 15,$$而 $15$ 不是三个平方数之和(试试看:可用的平方数是 $0, 1, 4, 9$,任何三个的组合都凑不出 $15$)。用四个平方数,困难就消失了:$15 = 9 + 4 + 1 + 1$。而且从 1748 年起,人们就知道欧拉的四平方恒等式:两个四平方和的乘积总是四平方和。大自然似乎要求四个部分,而不是三个。 那次散步 1843 年 10 月 16 日是星期一,哈密顿和妻子沿着皇家运河从邓辛克步行去都柏林,去主持皇家爱尔兰学院的一次会议。二十二年后,他亲自向儿子讲述了当时的情景: 虽然她不时和我说话,但我心里一直有一股思想的暗流在涌动,它终于得出了一个结果,说我立刻感到了它的重要性也不为过。仿佛一条电路接通了,迸出了一个火花。[……] 我也无法抗拒那股冲动,尽管它也许并不怎么合乎哲学:在我们经过布鲁厄姆桥时,用小刀在桥的一块石头上刻下了带有符号 i、j、k 的基本公式。 — 威廉·罗恩·哈密顿,致儿子阿奇博尔德的信(1865) 这个公式是 $$i^2 = j^2 = k^2 = ijk = -1.$$ 都柏林布鲁姆桥(旧称布鲁厄姆桥)上的纪念牌:“1843 年 10 月 16 日,威廉·罗恩·哈密顿爵士从这里经过时,灵光一闪,发现了四元数乘法的基本公式 i² = j² = k² = ijk = −1,并把它刻在了这座桥的一块石头上”。Cone83 · Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0 乘法表 一个四元数是 $q = a + bi + cj + dk$,含四个实数。所有乘积都可以从桥上的公式推出。把 $ijk = -1$ 的右边乘以 $k$:$ijk^2 = -k$,即 $-ij = -k$,于是 $ij = k$。同样可得:

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冯·诺依曼结构:EDVAC 报告

1945 年在宾夕法尼亚大学完成的 ENIAC 是当时世界上最快的电子计算机:它用近一万八千只电子管,每秒做五千次加法。但要换一种计算,就得在面板上重新接线、重新拨动开关,这是一组程序员要干好几天的活。 两名程序员在操作 ENIAC 的控制面板,宾夕法尼亚大学摩尔学院,约 1946 年。United States Army · Wikimedia Commons · 公有领域 ENIAC 的工程师 J. 普雷斯珀·埃克特和约翰·莫奇利已经在规划下一台机器 EDVAC,打算把程序存放在存储器里。冯·诺依曼开始参加他们的会议,并在 1945 年 6 月写了一份文本,用一种抽象的、几乎是生物学的语言,谈论“器官”和“神经元”,把小组的想法组织起来。 《EDVAC 报告初稿》的扉页,日期为 1945 年 6 月 30 日。John von Neumann · Wikimedia Commons · 公有领域 计算机的组成部分 《EDVAC 报告初稿》描述的计算机包括: 运算器,进行计算; 控制器,逐条读取指令并让它们得到执行; 存储器,同时存放数和指令,全都写成二进制数字串; 输入和输出设备。 决定性的新意在第 3 项。由于程序存放在与数据相同的存储器里,换一种计算就是改动存储器里的数,而不是改动导线。程序甚至可以计算并修改自己的指令。这就是 1936 年图灵的通用机的思想,落实到了电子管和水银延迟线上。 四行的程序 设想一个有八个位置的存储器,编号从 0 到 7,再加一个叫累加器的寄存器:

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通用机:程序也是数据

每台图灵机只做一件事。加 1 的机器就加 1;写 $\frac17$ 的机器就写 $\frac17$。要做别的计算,就得换一台机器。在 1936 年,这是常态:机械计算器、穿孔卡片制表机和潮汐预测机都是为一项任务而造的,换任务就意味着换机器或重新接线。 在同一篇论文里,图灵证明了这并非必要。 读机器的机器 任何机器的规则表都可以作为文字写在纸带上。于是图灵描述了一台特殊的机器 $U$——通用机,它这样工作: 在纸带上接收一台机器 $M$ 的描述,后面跟着一个输入 $x$。 在描述中查找与 $M$ 当前状态以及 $M$ 正在读的符号相对应的规则。 在代表 $M$ 的纸带的那部分上执行这条规则,记下新状态,回到第 2 步。 这样,只要收到任何一台机器的规则表,$U$ 就能一步一步地模仿它。用符号写: $$U(\langle M\rangle,x)=M(x)\quad\text{对每台机器 }M\text{ 和每个输入 }x.$$代价是慢:$M$ 的每一步,$U$ 都要用许多步去查找和抄写。但 $U$ 能算的,恰恰是所有机器合起来能算的。 程序放进内存 实际的推论就是存储程序的思想。不必为每项任务造一台机器,只造一台,任务作为数据输入,放在存数字的同一个内存里。换任务就变成了换文字。你在手机上打开一个应用时正是如此:设备总是那一台,变的是它读的描述。 更进一步:如果程序是数据,一个程序就可以读、写、修改别的程序。编译器和操作系统做的就是这件事;从某种意义上说,停机问题证明中那台接收自身描述的机器 $D$ 也是如此。 Pilot ACE,图灵设计的缩小版,在国家物理实验室建成,1950 年投入运行。它现在陈列于伦敦科学博物馆。Philafrenzy · Wikimedia Commons · CC BY 2.0 从纸上到金属 战后,1945 至 1946 年,图灵在国家物理实验室写出了一台存储程序计算机——ACE(自动计算引擎)——的完整设计。这个设计很大胆:用水银延迟线做内存,每秒一百万个脉冲,甚至设想机器可以编程修改自己的指令。官僚作风和工程师的短缺拖慢了建造。缩小版的 Pilot ACE 直到 1950 年才运行起来,有一段时间它是世界上最快的计算机之一。 与此同时,在曼彻斯特,弗雷德里克·威廉姆斯和汤姆·基尔伯恩于 1948 年 6 月 21 日,在一台绰号**“宝贝”**的机器上运行了第一个存放在电子内存中的程序。几个月后图灵来到曼彻斯特,参与了此后几台机器的工作。

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纳皮尔算筹:用小棒做乘法

对数用于天文学中的大型计算。为了日常的运算,纳皮尔发明了另一样东西,1617 年,也就是他去世那年,发表在一本小书《算筹术》(Rabdologia)中。书名来自希腊语 rhabdos(棒)和 lógos(计算):用小棒计算。 算筹 每一根算筹,也叫"骨头",因为最贵的是象牙做的,顶端写着 0 到 9 中的一个数字,下面是它的 1 到 9 倍,写在九个被斜线分开的小方格里。十位在斜线上方,个位在下方。例如 7 的算筹上写着 $0/7$、$1/4$、$2/1$、$2/8$、$3/5$、$4/2$、$4/9$、$5/6$、$6/3$。 一套 17 世纪的纳皮尔算筹及其盒子,藏于剑桥惠普尔博物馆。Marsupium · Wikimedia Commons · 公有领域 怎样相乘 计算 $425\times6$ 时,把 4、2、5 三根算筹并排放好,看第六行: $$4\times6=24\ \to\ 2/4,\qquad2\times6=12\ \to\ 1/2,\qquad5\times6=30\ \to\ 3/0.$$现在从右到左沿斜线相加。第一条斜线只有 0。第二条有 3 和 2:得 5。第三条有 1 和 4:得 5。最后一条只有 2。结果是 $$425\times6=2550.$$斜线自动完成了普通乘法中的"进位":每个乘积的十位,都落在下一个乘积个位所在的同一条斜线上。如果一条斜线的和超过 9,多出的部分就进到下一条,和加法一样。 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。 多位数的乘数 要乘一个多位数,比如 $425\times36$,就分别读出第 6 行和第 3 行,再把结果按正确的位置相加: $$425\times36=425\times30+425\times6=12\,750+2\,550=15\,300.$$最大的好处是谁也不需要背乘法表:只要会读、会加就行。算筹在几年内传遍欧洲,一直用到 19 世纪。在《算筹术》中,纳皮尔还描述了速算盒,一种更精巧的条板盒,不用写下任何加法就能做更大的乘法。

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用尺规等分双纽线

1694 年,雅各布·伯努利研究了一条形如横躺的数字 8 的曲线,称之为 lemniscus,意思是蝴蝶结丝带。以点 $(\pm\frac1{\sqrt2},0)$ 为焦点,它是到两个焦点距离之积等于 $\frac12$ 的点的集合。它的方程是 $$(x^2+y^2)^2=x^2-y^2,$$用极坐标表示则是 $r^2=\cos2\theta$。一个半世纪之后,阿贝尔证明了一个关于它的定理,像是从欧几里得的书里走出来的:对于哪些数 $n$,可以只用尺规把双纽线分成 $n$ 段等长的弧? 伯努利双纽线 r² = cos 2θ,七个点把它分成八段等长的弧。曲线两次经过中心。Euler’s Eyes 绘图 弧长 首先,曲线的一段有多长?在极坐标中,一小段弧满足 $ds^2=dr^2+r^2\,d\theta^2$。对 $r^2=\cos2\theta$ 求导, $$2r\,dr=-2\sin2\theta\,d\theta,\qquad\sin2\theta=\sqrt{1-\cos^22\theta}=\sqrt{1-r^4},$$所以 $d\theta=-\dfrac{r\,dr}{\sqrt{1-r^4}}$,并且 $$ds^2=dr^2+\frac{r^4\,dr^2}{1-r^4}=\frac{dr^2}{1-r^4}.$$于是,从中心到距中心为 $r$ 的点的弧长是 $$\boxed{s=\int_0^r\frac{dt}{\sqrt{1-t^4}}.}$$这就是双纽线积分,也就是定义双纽线正弦的那个积分。换句话说:双纽线上沿弧距中心为 $s$ 的点,到中心的距离是 $\operatorname{sl}(s)$。双纽线正弦之于双纽线,正如正弦之于圆。从中心到顶端的弧长为 $\frac\varpi2\approx1.3110$,整条曲线长 $2\varpi\approx5.2441$。 1751 年的圣诞节 1718 年,意大利伯爵朱利奥·法尼亚诺发现了如何用尺规把双纽线的一段弧加倍:给定一段弧,作出长度为它两倍的另一段弧。没有人太在意。1751 年 12 月 23 日,柏林科学院把法尼亚诺的著作交给欧拉审阅。欧拉立刻看出了其中的价值,把法尼亚诺的公式推广为这些积分的加法公式。将近一个世纪后,雅可比说那一天是椭圆函数的诞生日。 分成八段 我们用双纽线正弦写出法尼亚诺的公式: $$\operatorname{sl}(2u)=\frac{2\operatorname{sl}(u)\sqrt{1-\operatorname{sl}(u)^4}}{1+\operatorname{sl}(u)^4}.$$要把曲线分成八等份,只需找到平分从中心到顶端那段弧的点。顶端在 $r=1$,所以我们寻找满足 $\operatorname{sl}(2u)=1$ 的 $s=\operatorname{sl}(u)$: $$1+s^4=2s\sqrt{1-s^4}.$$两边平方,并令 $w=s^2$: $$(1+w^2)^2=4w(1-w^2)\quad\Longrightarrow\quad w^4+4w^3+2w^2-4w+1=0.$$这个多项式是完全平方:$(w^2+2w-1)^2$。所以 $w^2+2w-1=0$,正根为 $w=\sqrt2-1$。所求的点到中心的距离是 $$\boxed{r=\sqrt{\sqrt2-1}\approx0.6436.}$$这个数只涉及平方根,而平方根可以用尺规作出。以曲线中心为圆心、$\sqrt{\sqrt2-1}$ 为半径画圆,它与双纽线交于上图中间的四个点。 阿贝尔定理 高斯在 1796 年证明了正十七边形可以用尺规作出,更一般地,当 $n$ 是 2 的幂乘以不同的费马素数(如 3、5、17、257、65537)时,圆可以被分成 $n$ 等份。在 1801 年的书中,他留下了一句神秘的话:同样的原理也适用于积分 $\int\frac{dx}{\sqrt{1-x^4}}$。此后他没有再发表任何相关内容。

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纳什议价解

本文对一个经典的经济问题给出了新的处理,这个问题以多种形式出现,如讨价还价、双边垄断等。 — 约翰·纳什,《讨价还价问题》(1950) 1948 年,还是卡内基理工学院本科生的纳什上了一门国际经济学课,这是他一生中唯一的经济学课。他从课上带走了一个问题:两个人谈判时,怎样分配协议带来的收益?经济学家们认为,答案取决于双方的心理、技巧和虚张声势,一般而言无话可说。纳什证明:如果协议必须满足几条合理的要求,那么可能的答案只有一个。这篇论文在他到普林斯顿之前就已写成,1950 年发表在《计量经济学》(Econometrica)杂志上。 问题 两个人 1 和 2 可以达成协议。每个可能的协议都给每人带来一份收益,用效用衡量:$u_1$ 和 $u_2$。如果达不成协议,每人保留原有的东西,即谈判破裂点 $(d_1,d_2)$。只有当协议给每人的至少不少于没有协议时的所得,它才有意义。 四个要求 纳什要求解具有四条性质: 有效性。 不应存在另一个对双方同时都更好的协议。 对称性。 如果局面是对称的,双方的可能性和破裂点都相同,那么双方所得相等。 不变性。 如果把某人的效用换一种尺度来衡量,就像把摄氏度换成华氏度,解不变。 无关选项的独立性。 如果一个问题的解在一个更小的问题中仍然可行,它仍然是解。去掉没人会选的选项,不改变协议。 纳什定理说:同时具有这四条性质的规则只有一个:选择使相对于破裂点的收益之积 $$\boxed{(u_1-d_1)\cdot(u_2-d_2)}$$最大的协议。 分 10 元钱 两个人要分 10 元钱。如果谈不拢,谁也拿不到:$d=(0,0)$。为简单起见,设效用就是钱本身。若 1 号拿 $x$,2 号就拿 $10-x$,乘积是 $$P(x)=x(10-x)=25-(x-5)^2.$$最大值在 $x=5$:每人 5 元。在对称情形下,这并不意外。 有好退路的人分得更多 现在设 1 号有一条退路:谈不拢时,她能在别处拿到 4 元,而 2 号仍然一无所有。破裂点是 $(4,0)$。相对于破裂点的收益是 $x-4$ 和 $10-x$,乘积为 $$P(x)=(x-4)(10-x)=9-(x-7)^2,\qquad4\leq x\leq10.$$ 相对于破裂点的收益之积 (x − 4)(10 − x)。x = 4 时它为零,因为 1 号从协议中一无所得;x = 10 时也为零,因为 2 号一无所得。最大值 9 在 x = 7 处。Euler’s Eyes 绘图 最大值在 $x=7$:1 号分 7 元,2 号分 3 元。每人都比没有协议时多得 3 元。纳什解平分剩余,即协议在每人已有保障之外所创造的价值。所以有好退路的人分得更多:退路不是白送的,而是谈判的起点。

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麦克斯韦方程组:从法拉第的力线到矢量

起初,看到这么强大的数学力量被施加在这个问题上,我几乎吓了一跳;后来我又惊讶地发现,这个问题竟然承受得这么好。 — 迈克尔·法拉第致麦克斯韦的信(1857 年 3 月 25 日) 1820 年以前,电和磁是两门不相干的学问。电会产生火花,让人头发竖起;磁让指南针指向北方。那一年,丹麦人汉斯·克里斯蒂安·奥斯特在哥本哈根大学的一堂课上把电池接到一根导线上,看到旁边的磁针动了。电流产生了磁。 法拉第的力线 迈克尔·法拉第(1791–1867),想象出力线的铁匠之子。作者不详,1850 年代 · Wikimedia Commons · 公有领域 在伦敦,铁匠的儿子迈克尔·法拉第——他 13 岁就离开学校去当装订学徒——把这一发现推进了一步。1821 年,他造出了第一台电动机:一根绕着磁铁转动的导线。1831 年,他发现了奥斯特效应的反面:一块在导线附近 运动 的磁铁会产生电流。这就是 电磁感应,所有电站发电机和自行车发电机的原理。 法拉第除了算术之外不懂数学。他思考时,想象磁铁和电荷周围的空间充满了 力线,就像铁屑在磁铁周围画出的线条那样。重要的是力线,而不是磁铁。数学家们认为这个想法很幼稚:在他们看来,力是超距作用的,就像牛顿的引力一样。 麦克斯韦认真对待法拉第的力线。1855 年,24 岁的他发表了《论法拉第的力线》,把图像翻译成了方程。1861 年和 1862 年,他在《论物理力线》中设想了一个空间的力学模型:旋转的流体管,管与管之间隔着像齿轮一样的小球。这个模型很奇特,但起到了脚手架的作用。借助它,麦克斯韦找到了 位移电流 和 波的速度。1865 年,在《电磁场的动力学理论》中,他拆掉了脚手架:只剩下方程,共 二十个,含二十个未知量,按分量一个个写出。 四元数还是矢量? 二十个方程很难读。需要一种更好的记号,而且已经有一个候选者:爱尔兰人威廉·罗恩·哈密顿的 四元数,一种由四部分组成的数,$q=w+ai+bj+ck$。麦克斯韦的中学同学彼得·格思里·泰特是四元数的大力倡导者,在 1870 年至 1871 年两人的通信中,他试图说服麦克斯韦在《通论》里使用四元数。 麦克斯韦只接受了一半。他喜欢含三个分量的部分 $ai+bj+ck$,它能很好地表示有方向的量,比如磁场;但他看不出第四部分 $w$ 有什么物理意义。在《电磁通论》(1873)中,他把标量部分与矢量部分分开,并且只是适度地使用四元数。在 1871 年的一篇论文中,他为场的运算起了一些我们至今仍在使用的名字:curl,即旋度,衡量一个场绕某点旋转的程度;还有 convergence,衡量场向某点汇聚的程度,它与今天的散度正好相反。 《电磁通论》第一卷扉页(牛津,1873)。Wikimedia Commons · 公有领域 下一步是由两位自学成才的《通论》读者迈出的。英国人奥利弗·亥维赛,一位 16 岁辍学的电报员,和耶鲁大学的美国人约西亚·威拉德·吉布斯,抛弃了四元数,各自独立地创立了现代 矢量分析,包括点积和叉积。1884 年和 1885 年,亥维赛把麦克斯韦的二十个方程改写成了 四个。今天每本教科书里出现的都是这种形式。

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四个平方数就够了

任取一个正整数,试着把它写成完全平方数 $0, 1, 4, 9, 16, 25, \ldots$ 之和,用的项数越少越好: $$\begin{aligned} 5&=4+1,\\ 6&=4+1+1,\\ 7&=4+1+1+1,\\ 30&=25+4+1,\\ 2026&=2025+1=45^2+1^2. \end{aligned}$$有些数本身就是平方数,有些需要两个,有些需要三个。7 需要四个:没有别的办法。会不会有哪个数需要五个?1770 年,拉格朗日证明了:不会。 每个正整数都是四个整数的平方之和。 把 0 也算作平方数,这就是说总存在 $a, b, c, d$,使得 $n=a^2+b^2+c^2+d^2$。 一个延续了十五个世纪的猜想 大约公元 250 年,亚历山大的希腊人丢番图在他的问题中,不加说明地用到了某些数可以写成四个平方数之和这一事实。1621 年,法国人克洛德-加斯帕尔·巴歇出版了丢番图《算术》的拉丁文版本,并明确写出了这个论断。他说自己验证到了 325,但不知道如何证明。 费马正是在巴歇这本书的页边写下了他那些著名的批注。费马宣称自己用无穷递降法证明了它,但和往常一样,从未拿出证明。 欧拉的四十年 欧拉为证明它尝试了大约四十年,始终没有完成。但他在 1748 年找到了关键的一块:一个恒等式,说明两个四平方和的乘积仍然是四平方和。 $$\begin{aligned} &(a^2+b^2+c^2+d^2)(e^2+f^2+g^2+h^2)\\ &\quad=(ae+bf+cg+dh)^2\\ &\qquad+(af-be+ch-dg)^2\\ &\qquad+(ag-bh-ce+df)^2\\ &\qquad+(ah+bg-cf-de)^2. \end{aligned}$$它看起来像魔术,但只要把两边展开就行:所有交叉项都成对抵消。例如,$7=2^2+1^2+1^2+1^2$,$15=3^2+2^2+1^2+1^2$。恒等式给出 $$\begin{aligned}105&=7\cdot15=10^2+1^2+0^2+(-2)^2\\&=100+1+0+4.\end{aligned}$$这个结论威力很大。每个数都是素数的乘积。如果每个素数都是四平方和,恒等式就保证它们的乘积也是。所以只需要对素数证明这个定理。 拉格朗日的证明 就在这里,1770 年已在柏林的拉格朗日登场了。他的证明分两个阶段,两个阶段都属于费马递降法一类。 第一阶段。 对每个奇素数 $p$,存在 $x$ 和 $y$,使 $x^2+y^2+1$ 是 $p$ 的倍数。理由是一个计数:$x$ 从 $0$ 取到 $\frac{p-1}2$ 时,数 $x^2$ 除以 $p$ 留下 $\frac{p+1}2$ 个不同的余数,数 $-1-y^2$ 也是如此。由于 $\frac{p+1}2+\frac{p+1}2=p+1$ 多于 $p$ 个可能的余数,根据抽屉原理,两张表之间必有一个余数重复。所以 $p$ 的某个倍数,比如 $mp$,是四平方和:$x^2+y^2+1^2+0^2$。

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指数演算:求 x 的 x 次幂的导数

莱布尼茨的微积分会对指数固定的幂求导,比如 $x^3$ 或 $x^{1/2}$:$x^n$ 的导数是 $nx^{n-1}$。但在 1694 年给莱布尼茨的一封信里,约翰·伯努利摆出了一个怪东西:表达式 $$y=x^x,$$其中底数 和 指数同时变化。$x^n$ 的法则用不上,因为指数不固定;$a^x$ 的法则也用不上,因为底数不固定。1697 年,约翰在《学者学报》上发表了"指数演算原理",给出了处理这类幂的方法。他把它们称为 游动的(percurrent),因为指数在各个值之间游动。 对数的诀窍 思路是把幂变成我们会求导的乘积。设 $x>0$,两边取自然对数: $$\ln y=x\ln x.$$现在两边对 $x$ 求导。左边由链式法则得到 $\dfrac{y'}y$。右边由乘积法则得到 $1\cdot\ln x+x\cdot\dfrac1x=\ln x+1$。于是 $\dfrac{y'}{y}=\ln x+1$, $$\boxed{\frac{d}{dx}\,x^x=x^x\,(\ln x+1).}$$这种对函数的对数而不是函数本身求导的技巧,后来被称为 对数求导法。它对任何 $f>0$ 的 $y=f(x)^{g(x)}$ 都适用: $$\ln y=g\ln f\quad\Longrightarrow\quad y'=f^{\,g}\left(g'\ln f+g\,\frac{f'}f\right).$$括号里的两项分别记录了两种变化:指数的变化 $g'\ln f$,和底数的变化 $g\frac{f'}f$。如果底数固定,只剩第一项,回到 $\frac{d}{dx}a^x=a^x\ln a$;如果指数固定,只剩第二项,回到 $nx^{n-1}$。 x 的 x 次幂在哪里最小 由于 $x^x$ 总是正的,导数的符号就是 $\ln x+1$ 的符号。当 $x<\frac1e$ 时为负,当 $x>\frac1e$ 时为正。函数一直下降到 $x=\frac1e\approx0.368$,然后上升。最小值是 $$\left(\frac1e\right)^{1/e}=e^{-1/e}\approx0.692.$$也就是说:在所有正数中,没有哪个数的自身次幂小于 $0.692$。例如 $0.5^{0.5}=\sqrt{0.5}\approx0.707$,$0.3^{0.3}\approx0.697$,都略高一点。 在零附近呢? 当 $x$ 趋近零时,$x^x$ 会怎样?底数趋于零,往下拉;指数趋于零,往 1 拉。谁赢?写成 $x^x=e^{x\ln x}$,用 洛必达法则 计算指数:

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索菲·热尔曼恒等式:分解看似是素数的数

有些数看起来像素数,其实不是。比如 629,它不是偶数,个位不是 5,也不是 3 的倍数。但 $629=5^4+4$,这个形式出卖了它:它可以用一个以索菲·热尔曼命名的恒等式来分解。 恒等式 对任意数 $a$ 和 $b$, $$\begin{aligned}a^4+4b^4={}&\left(a^2+2b^2+2ab\right)\\&\times\left(a^2+2b^2-2ab\right).\end{aligned}$$发现它的诀窍是配方,就像推导二次方程求根公式时那样。$a^4+4b^4$ 差不多就是 $a^2+2b^2$ 的平方,只缺中间项 $4a^2b^2$。把这一项加上再减去, $$\begin{aligned}a^4+4b^4&=\left(a^4+4a^2b^2+4b^4\right)-4a^2b^2\\&=\left(a^2+2b^2\right)^2-(2ab)^2.\end{aligned}$$现在它成了两个平方之差,用 $u^2-v^2=(u+v)(u-v)$ 就完成了。 在例子中,取 $a=5$、$b=1$: $$5^4+4=(25+2+10)(25+2-10)=37\cdot17=629.$$看似是素数的数 这个恒等式一下子说明了许多看起来无害的数都是合数。例如,当 $n>1$ 时 $n^4+4$ 总是合数:只要取 $a=n$、$b=1$,两个因数 $n^2+2n+2$ 和 $n^2-2n+2$ 都大于 1。只有 $n=1$ 例外,因为这时第二个因数等于 $1$,而 $1^4+4=5$ 是素数。 一个更令人惊讶的例子来自 2 的幂。数 $2^{10}+1=1025$ 可以写成 $1+4\cdot4^4$,即 $a=1$、$b=4$: $$2^{10}+1=(1+32+8)(1+32-8)=41\cdot25.$$对于形如 $2^{4k+2}+1$ 的数,这种分解在 19 世纪被用来拆开巨大的数。1869 年,法国人福蒂内·朗德里手工分解了 18 位数 $2^{58}+1$;不久之后,莱昂-弗朗索瓦-安托万·奥里弗耶指出,用索菲·热尔曼恒等式,第一步拆分只需一行。 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。 一道奥赛题 索菲·热尔曼恒等式是数学奥林匹克最喜欢的工具之一。一道经典题目问:$4^{545}+545^4$ 是素数吗?看起来不用计算机根本无法回答,但这个恒等式几行就说明了它不是。见第二道练习。 练习:分解 3⁴ + 4 · 2⁴ = 145取 $a=3$、$b=2$:$a^2+2b^2=9+8=17$,$2ab=12$。所以 $145=(17+12)(17-12)=29\cdot5$。