《博士的爱情方程式》
能够具体地把数学的“美”讲清楚,这就是电影了不起的地方。
数学最基础,也是最无聊的就是“数论”,仅仅是研究数本身。而这是其他人觉得最乏味的,也是数学家最感兴趣的。我一直期待有人能够把它讲得够清楚,尽管我有点感兴趣,也读过一些有意思的表达,但始终都是“远距离的比喻”,比如说“数学是一幅看不见颜色的画”,我能够理解那种美,但是不能感受那种美。
影片借助一个热爱数学的老师,讲述一个只有80分钟记忆的数学教授。讲了很多数字,以及数字的独特理解,让我们更直接更真切地感受数学。感受到数学的美,还有理解数学家的世界观。
首先,是数字与符号本身的美。
对于我们,数字和符号是毫无感情的。但是对于数学家而言,数字和符号就是心爱的人的名字。因为它是形象的,具体的,有血有肉有灵魂的。
一、圆周率
一开始,影片就以两个学生对圆周率的对话,来讲述数字和符号。一个学生背诵圆周率:圆周率是3.141592653。另一个学生说:真痛苦,为什么不直接是3呢?前者答道:如果你把它变成3,就会得到一个正六边形,不是圆。
作为学生能够如此记忆理解已经了不起了,但电影没有更多对圆周率的解释。其实老子说“大方无隅”,圆就是“正无限多边形”。所以圆周率必然是一个无限的数,如果它停下来,那么就必然是个正N边形了。
二、阶乘
最先出现的数字是“24”,本来就是女管家鞋子的码数而已,但是教授说这个数字很“尊贵”,因为是“是4的阶乘……你将1到4的所有数字相乘得24”。也就是说这个平常而乏味的数字,在数学教授的眼里,它就像拾级而上的贵人。当然,这样一来我们不仅了解了“阶乘”,也就知道了5的阶乘是120,
三、素数(质数)
接着是女管家的电话号码5761455,这个更让教授震撼“哦,太棒了。这跟10亿内的质数相等”(从1到10亿的整数中有5761455个质数)。当然这仅仅是个特殊的数字记忆,没有“阶乘”那么形象。但是目的是引出质数(也称素数)。老师说:“素数”中的“素”是真实的意思,天然而不加修饰。换句话说,只能被1或数字本身整除的数字,例如2,3,5,7,11,13,17,19,23,29……这些素数,就像天空中无穷尽的星星,不受任何已知法则的支配,我在这里,完全自立,换句话说,就像你们每一个都是独一无二的,绝对高贵不屈。
四、根号与虚数
教授给女管家的儿子起了个名字叫做阿根,因为他的平头,让他的脑袋看起来像个根号:好了,你是阿根。你接受任何数字,一个也不拒绝,是真正慷慨的符号,阿根。长大了的阿根就是数学老师,他向学生主要讲解:你将数字放在根号里面,1的平方根,1的根有“+1”和“-1”,两个。“-1”的平方根,是“+1”还是“-1”?不可能,为什么?因为“+1”和“-1”的平方根,都是“+1”。好,那么“-1”的平方根,究竟是什么?没有这样的数字。不,它就在这里。为了回答这个问题,意大利数学家,拉斐罗·邦别利发明了一个新数字“i”。那是在16世纪,“i”是一个虚数。因为它是一个很谦虚的数字……所以用了“谦虚”的“虚”字,而且谦卑的性格,从来没有出现在可见的世界,但总是存在于我们心里。用它短小的臂膀,支撑起它的整个世界。很明显,这些数字和符号,不仅被赋予了个性,还被赋予了美德。
五、完全数
在教授的影响下,女管家开始观察数。有一天她发现“把28的约数加起来就等于28”。教授告诉她:这是完全数。并且解释:他们是表达完美内含的珍贵数字,笛卡尔说过,就像完美的人是罕有的一样。完全数也是很罕有的,几千年来只发现了30个完全数。阿根具体地向学生解释:我给你们看完全数的另一个特点。完全数可以表示成相邻数的加总,1+2+3+4+5+6+……对,28。直到今天,完全数还是个谜,还没有人证明出一共存在着多少完全数。
完全数也被赋予了美德,但更重要的是阿根作为数学老师,一直在激励学生对数学的探索。
六、根号与直线
阿根打棒球意外受伤了,进了医院。女管家很担心,教授宽慰她,给她讲了直线和根号:在纸上画一条直线,这会让你平静下来,来吧。对,这是一条直线。但你想想看,你画的这条直线有头有尾,这就意味着你画的线是一段,两点间的距离。直线的定义是没有尽头的应该是没有界限的,但一张纸是有边界的,因为能力有限……我们只能把线段称为直线,真正的直线在哪?只有在这里(指着心脏),永恒的事实是看不见的,是不会因为事件,自然现象或是情绪而动摇的,那个看不见的世界支撑着看得见的世界。最重要的东西,我们在心中才能找到。你不必担心,根的含义是坚强,它保护每个数字。
这不仅延续上面对根号的表述,也利用直线和线段,展示了人类的有限能力与真理的无限性之间的矛盾。即“吾生也有涯,而知也无涯”。
七、1
教授和阿根在野外,和阿根讲解1的含义,以下是两人具体对话:这片叶子也是1,对。那是1片叶子,那棵雪松有那么多叶子……也是1棵树。一棵树只能算是1,真有趣。事实上定义“1”是很有挑战性的事。对你来说也是吗?很多事我不了解。我们来看看(把树叶揉碎),好了吗?告诉我,你现在怎么称呼这个?它像灰尘了,不再是一片叶子。没错,只有完整的时候,它才是一片叶子。对你来说也是,阿根。和谐的整体是美妙的,这就意味着好。
很明显,这不仅讲清楚1的“统一性”,也讲清楚了1的“整体性”,也就是僧璨《信心铭》所说的“一即一切,一切即一”。
其次,是数字与数字的关联。
一、亲和数
前面谈的是数字,接着是数字与数字的联系。女管家生日2月20日,和教授获得“学长奖”的编号“284号”两者的联系。这两者本来风牛马不相及,但是教授却指出了两者的关联:从你的内心,直观地抓住数字,你知道约数吗?我们把220和284的约数都写出来,除了他们自身。(220的约数)1,2,4,5,10,11,20,22,44,55,110;(284的约数)1,2,4,71,142。进入下一步,加起来,正确。你会这样看吗?这个漂亮的数字链,将所有284的约数加起来,得220;将所有220的约数加起来,得284。它们是亲和数,亲和数这种配对很稀少。即使是费马和笛卡尔也只是每人发现了一对,它们是上帝的设计,要彼此相亲相爱。美吗?第一个发现亲和数的是毕达哥拉斯,毕达哥拉斯作出了他的著名论断,“万物皆数”。
片中,老师还和孩子们解释了:顺便提一下接下来最小的一对亲和数是1184和1210,四个阿拉伯数字!这一对在1866年,意大利人,尼科洛·帕格尼尼,发现了这一对。你相信吗,那时候,帕格尼尼只有16岁,在读高中!重要的是努力思考,不要放弃。很明显这对孩子们尝试探索数字世界是一个很好的刺激,尽管一万个人里可能只有一个孩子有数学天赋和兴趣。
数与数,和万事万物一样,我们会觉得毫无关联,但是在科学的世界里,万物一体;在这个世界里,至少它们必定遵循共同的法则。而在发现万有理论之前,我们先要做的就是发现越来越多的联系。在政治学概念上,联系就是规律。
二、欧拉公式
亲和数已经能够让我们感到有趣了。那么被所有数学家都赞美的欧拉公式,到底美在哪里?我以前看到它,只觉得它神奇而且简洁,电影让我们有更深刻细致的了解。
影片最后,阿根这样和孩子们归纳总结:π是圆周率,这个数字,代表了无穷尽的宇宙。i是-1的平方根,这是个虚数,虚数i,从来都不惹人注意。最会耍花样的,就是e,e也叫做纳氏数字,是由英国的数学家约翰·纳皮尔创造的。纳氏数字是数学里面,非常重要的常数。现在,我跟大家探讨结论,按照运算法则,最后的值为e=2.7182818284……就比如它在不停转啊转,这个数字似乎失去了理性,像无限的宇宙。圆周率它来到e的身边,它们握手了,如果加上害羞的虚数i,他们就走在一起了,彼此一同呼吸。现在,它们之间没有联系,但如果我们加上一点东西,这个世界,就变样了。矛盾得到了解决。答案是:0。换句话说,它们所代表的,就是虚无的世界。这个公式,是由瑞士数学家18世纪的里奥纳多·欧拉创造的。这就是欧拉的方程式,他找到了数字之间的联系,就比如黑暗中,陨落的星星。这就是博士的方程式。
很明显,从一开始出现的π、i、1,到e本来是毫无关联的数,它们分别代表无限的宇宙,不可理喻的事实,谦虚的本体,完整与统一,虚无与圆满。但是欧拉居然把他们联系起来了,而且形成一道简洁而绝对的等式!这就是规律所在,等于发现上帝的设计。所以在形式上和描述上是完美的。
为什么说是教授的爱情方程式呢?
电影是以欧拉的方程式,解释了教授的心情。电影名称是“博士的爱情方程式”。教授有过一段难忘的感情,也有过一个孩子。但是感情没有结果,孩子也没有保住。所以,他始终觉得人生缺憾。
每一次我看到孩子们开心地玩耍,一首诗就浮现在我的脑海:看别人的小孩嬉戏。泪水止不住,为了我那失去的孩儿。我的心……是e,就像这个方程式永远等于-1。我们的新生活永远都丢失了,对于我们,开始步出生命的轨迹,
没有人施以援手来分担你的不幸,这是我唯一的愿望。
但是后来,教授通过与女管家和阿根的交往,重新理解了人生。把上面的公式变化一下,就成了。
人生远远都是缺憾的,人生可以是虚无的,但是换个方式来看,或者说遇见一个人,找到一件感兴趣的事,人生也可以是圆满的,充实的。如此理解,欧拉等式在哲理上也是完美的。
最后,是证明。
当然,不管是欧拉还是前面提到的其他数学家,他们为了表达自己的发现,都需要证明。对于数学教授而言:比其他人更早给出证明,这很重要;但更重要的是这个证明要漂亮。什么是漂亮呢?教授的理解是:在一个真正正确的证明里,无懈可击而引人注目的推理,与柔顺的逻辑共存,毫无冲突。就像没有人可以证明为什么星星很漂亮,要表达数学的美,很难。这个比喻比较遥远,但是我可以联系文学来谈我的理解。文学追求形式和内容的高度统一,但具体很难做到。比如诗歌,内容写得美要唱起来好听很难,唱起来好听的要内容写得好也很难。像骆宾王《鹅》和李叔同的《送别》,前者读起来好听,文字美;后者唱起来好听,文字也美。但其他的作品,包括李白和苏轼的作品,文字漂亮,但读起来却很难到达完美;Beyond的很多歌曲听着很美,但是文字斟酌起来有很多不够完美的地方。问题是,我们很难把它们修改完美。数学的证明要无懈可击,也要引人注目,就是既要符合逻辑,也要充满智慧和创意。靠着拖沓琐碎、繁复晦涩的过程证明出来,那就不够美。就像这部电影本身能够把抽象乏味的数学讲出趣味和美来,已经非常了不起,但看电影始终还是沉闷。而且像公式里的π、e、0还是没有讲透彻,尤其是e,它和一样是超越数,但却无法说清楚,讲出趣味来。当然这的确是难题,完美是难的。
不仅如此,电影还展示了数学家的世界观。
联系上面的三者,我们可以初步理解数学家对数字的痴迷。正如当女管家问教授要晚饭要吃什么时,教授为被打扰思路感到气愤,说:我没什么说的,现在,我在思考,你闯了进来,打搅了我去爱我的数字,就像偷窥人家上厕所一样粗鲁。因为数字本身就美,而发现数字之间的联系就更美。而且不管是本身的美还是关联的美,抽象的数和具体的万物一样。只是一般人无法体会,而数学家能够体会。他们研究数,为发现其“特点”而兴奋,更为发现其“联系”而感到振奋,因为这就是破解“密码”,窥探“真理”,理解“上帝的设计”,发现“世界的奥妙”。用阿根的话说:我不时想起博士的话,数学规律优美而精确。因为他们在日常生活中是无用的,即使找出了所有质数……也不能改善生活,没人会因此变得富有。当然,不管有多背离世界,很多数学发现都有实际应用,质数甚至以作密码的形式卷入了战争,这是丑恶的一面,但那不是数学的目的。数学的唯一目的是探知真理。
如何探索真理?在日常中,教授会观察,会思考。比如看女管家做饭,他会问:为什么你一定要不停地翻动肉片呢?女管家回答:因为锅子中间到边缘的温度不一样,为了让菜受热均匀,要变动它们的位置。教授的理解是:我明白了,它们分享每一个点,那么就没有谁一直霸占最好的点,什么事情……这么迷人?很明显,不仅很具体形象,充满数学趣味,也更充满人类特有的道德美感。能够上升到如此层次,更有可能发现背后更丰富的“联系”。
对于普通人来说,像阿根一样,经常会遇到难题。但教授是这样处理的:每次博士都不会直接给出正确答案,博士宁可费尽心机想办法打破我,因为答不出来而保持的沉默,不管我显得有多愚蠢,博士总是能替我找到积极面,并为我骄傲。而且教授会这样引导他:听着,每个难题都有其韵律。如果你把难题大声读出来,并且抓住它的韵律,你就能完全沉浸其中。你就会开始猜测哪些地方暗藏陷阱,买2块手帕和2双袜子,需380元;买同样的2块手帕和5双袜子,需710元。求每件商品的价格。一道题很难,至少要好好读题,把文字读通读懂,再思考。但是教授让阿根读出韵律来,这就大大地降低了难题的心理压力,拉近了与难题的心理距离,甚至对难题产生印记和乐趣。真是奇妙无比。
我在想,如果所有的孩子都看看电影,或者读读这篇文章,数学老师们能够把这样的观念和情感传输给学生;中国一定会诞生更多的数学家的!18.10.5