2019年3月

英式幽默:连英国的鸭子都邀请你参加国际数学奥林匹克

 

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国际数学奥林匹克竞赛简称IMO,是一项围绕数学竞赛的国际青少年交流活动。每年有超过100个国家派队伍参加此项活动。如果用参赛国家数量为标准,可以说IMO是世界上规模最大的年度国际交流活动之一。

每年国际数学奥林匹克竞赛都会更换比赛地,赛事主办方也会录制竞赛的宣传视频。宣传视频除了介绍赛事本身,也会利用这个机会宣传当地风物。所以有时候,这些宣传视频会被人认为是旅游广告。2019年将在英国巴斯举办此项活动,主场设在英国巴斯大学。主办方也录制视频,颇具英式幽默。

 

视频开始是黑白画面,开始介绍英国。

两位主角反对,这根本不是英国的现状啊。在一番吐槽后,正片开始!

视频介绍了英国的著名的人物莎士比亚、达尔文、怀尔斯等——图中贝克汉姆的出现是一个搞笑梗。

然后,介绍世界文化遗产城市巴斯,以及主办地巴斯大学。

最后,不同人用不同语言欢迎大家来参加2019国际数学奥林匹克。

还有不同的语言欢迎你!有英语、法语、汉语、日语、俄语、德语、西语——最后还有鸭子语!

总之,算是一个颇具特色的国际数学奥林匹克宣传视频。

完全视频如下(6分钟)

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乌伦贝克成为首位阿贝尔奖女性得主

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根据阿贝尔奖官网消息。数学家凯伦·乌伦贝克(Karen Uhlenbeck)获得2019年阿贝尔数学奖,以表彰她在“几何偏微分方程、规范理论和可积系统的开创性贡献,以及她在分析、几何和数学物理领域的工作上的深远影响 。”乌伦贝克也成为第一位获得这个殊荣的女数学家。

 


规范理论(Gauge theory)是众多现代物理的理论基础,我们熟知的粒子物理、相对论、弦理论这些最前沿的的物理研究,规范理论都是不可或缺的工具。


英国萨里大学的教授阿尔卡利里在乌伦贝克的获奖工作介绍中说到,“基本力的大统一理论是物理学中的圣杯,她在数学中做出的重大贡献,给出很多有意义的办法,让我们能沿着这条路走下去”。

 

变分法研究的是,一个量的微小变化能如何帮助我们找到另一个量的极大值或极小值。乌伦贝克在变分法中也有杰出贡献,她最具影响力、也是她最引以为豪的成果之一,是发现了一种被称为“泡泡”的现象,这是她与合作者乔纳森·萨克斯共同完成的一项开创性工作的一部分。萨克斯和乌伦贝克研究的是“极小曲面”,它背后的数学理论涉及到肥皂膜是如何让自己形成能将能量最小化的形状。但这一理论总是会因为出现那些能无限集中能量的点而遭到破坏。乌伦贝克的洞见是,将这些点进行“放大”,她发现,实际上发生的是从曲面上会分离出一个新的泡泡。


乌伦贝克在1990年成为第二个在国际数学家大会做1小时报告的女数学家。而在他之前做1小时报告的女数学家,还要追述到1932年的埃米·诺特,乌伦贝克打破了近60年的记录。

阿贝尔奖在2003年首次颁发,仿照诺贝尔奖体系颁发,以弥补诺贝尔没有数学奖的遗憾。之前有很多数学家获得过此项奖励,公众熟知的有证明费马大定理的怀尔斯以及获得过诺贝尔经济学奖、奥斯卡获奖影片《美丽心灵》原型纳什。2019年阿贝尔奖奖金为600万挪威克朗,约合70万美元。

 

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人类第一次将33写成了3个整数的立方和

作者,数学西瓜,哆嗒数学网群友。

校对,Math001

 

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公元2019年3月的一天,一位叫Tim Browning(与Timothy Browning是同一人)的数学家再其个人主页上更新了一个网页,网页上的内容非常简单,没有任何多余的东西:
 
33 = 8866128975287528³ + (-8778405442862239)³ + (-2736111468807040)³
 
 
上面的算式是将自然数33用整数的立方和表示了出来。但是,可能出乎你预料的是,这是人类第一次知道,世间还存在着这样一个等式,第一次——我们第一次把33用这种方式写了出来!
 
为什么我们对这样一个等式如此着迷,让我们一起看下去。
 
 
 
建造房子式的“堆垒数论”
 
 
我们知道我们茅草堆垒出来能建造茅屋、砖石堆垒起来能建造砖房、钢筋混凝土堆垒起来能建造高楼大厦。
 
现在许多高楼大厦都是钢筋混凝土建筑的,但是是不是所有的高楼大厦都可以由钢筋混凝土来建筑呢?
 
这其实就是“堆垒数论”的思想。我们用简单的语言表达这个堆垒数论考虑的问题,如果考虑A、B两个整数的子集。如果A中的数都能被B中的某几个数相加得到,我们就说A能被B堆垒出来。大多时候,我们还要限制使用B中数字个数的数量。这时候,所使用的B中的数叫做堆垒项。
 
举几个例子:
 
如果A是所有不小于6的偶数集合,B是素数集合,并限制只能用2个B中的数。那么问题就是著名的哥德巴赫猜想。
 
如果A是自然数集合,B所有完全平方数集合,并限制只能用2个B中的数。自然数的能不能写成两个数平方和问题。
 
如果A是自然数集合,B所有完全平方数集合,并限制只能用3个B中的数。自然数能不能写成三个数平方和问题。
 
以此类推……
 
有时候,我们还可以反过来研究,比如,如果所有自然数都能被B中的数加出来,那么多少个数之内一定能办到?
 
我们用233来举例子把:
 
 
下面这些正整数方程是否有解呢:
 
233 = x² + y²
 
233 = x² + y² + z² 
 
233 = x² + y² + z² + w²
 
233 = x² + y² + z² + u² + v²
 
以上方程中的所有未知数地位是一样的,我们把那种通过交换顺序能变得一样的解看成相同的解可以得到:
 
第一个方程,有一组解:
 
233 = 8² + 13²
 
第二个方程,有两组解:
 
233 = 1² + 6² + 14²
 
第三个方程,有三组解:
 
233 = 2² + 6² + 7² +12²
233 = 3² + 4² + 8² +12²
233 = 4² + 6² + 9² +10²
 
第四个方程,有一组解
 
233 = 2² + 4² + 7² +8² +10²
 
 
在第三个方程的正整数解中,我们可以看出可以出现一样的元素12;
 
关于第四个方程有一则小故事,根据迪克逊的《数论史》(History of the Theory of Numbers)记载。1867年,史密斯(H. J. S. Smith)开始推广表为5个,7个平方数的结果。一位不为人知的委员会成员曾向巴黎科学院建议举办1882年的数学科学大奖(grand prix des science mathématiques)赛题目为“表为5个平方数的方法数”。实际上1881年春天就发布了公告悬赏这个问题,后来才将其作为赛题。史密斯和闵可夫斯基(H. Minkowski)(值得注意的是,闵可夫斯基当时才18岁)都获得了该大赛的全额奖金。他们俩都发展了n元二次型理论来求出表为5个平方数的方法数。
 
 
 
迷人的平方和
 
 
上面第一个方程为费马双平方和定理(Fermat's two-square theorem)的一个特例。费马还是“一如既往地”只写命题不给证明,这个命题也一样。这个命题最早被欧拉证明的。费马的这一命题即给出了所有4n+1型的素数都可以唯一地分解为两个平方数之和(至于如何求其唯一表示可以参看西尔弗曼的《数论概论》第26章)。那么其他数呢?
 
有下面一个定理:
 
一个大于1的整数可以写成两个平方整数之和,当且仅当的它的标准素数分解中不包含4n+3型素数或者4n+3型素数是偶次。
 
比如637 = 7²·13有两个素因子7与13,而是4n+1型,而7模4n+3,但素数7的次数为偶数2,故637 可以表示为两个平方数之和。实际上,637 = 14²+21²。
 
关于平方,我们还有勒让德三平方和定理(Legendre's three-square theorem):
 
整数可以写成三个整数的平方和(即允许堆垒项为零),当且仅当的它不为4^a(8b+7)型的数。(其中,4^a表示4的a次方,a与b都取自然数)
 
值得注意的是这里用的是“三个整数的平方和”与双平方和情形的描述有所不同。
 
勒让德的这一定理可以写为等价形式:
 
整数可以写成少于四个平方数之和(默认平方数从1开始),当且仅当的它不为4^a(8b+7)型的数。(其中,4^a表示4的a次方,a与b都取自然数)
 
对于平方数且时,有拉格朗日四平方和定理(Lagrange's four-square theorem)
 
每一个自然数可以写成四个整数的平方和(即允许堆垒项为零)。
 
我们不应该去纠结于当需要表示的数比较小时(比如取5、6,堆垒项总有零出现),四个整数中会出现零。我们应该看到当需要表示的数为很大很大的整数时,都可以由四个平方数来表示,就像再厉害的野马(大整数)都可以被这位驯马师(拉格朗日四平方和定理)驯服,这便就是此定理的重要意义。
 
 
华林问题
 
什么是华林问题呢?
 
1770年,英国当时的领袖数学家华林(Waring)(别因为音译名将其当作华人)在其《代数沉思录》(Meditationes Algebraicae)第二版中提到一句话:
 
每一个正整数可以写成4个整数的平方和(即允许堆垒项为零);可以写成9个正整数的立方和,可以写成19个整数的四次方和,如此等等。
 
当然这句话的一部分就是拉格朗日的定理,第二部分是华林通过大量数值试验得出的猜想,第三部分也是他得出的猜想。
 
对于每一个给定的正整数k,存在一个最小的正整数g(k),使得每一个自然数都可以写成不超过g(k)个整数的k次方和。
 
其中求g(k)的问题便是华林问题。经过上面关于平方数的介绍,我们知道了g(2) = 4。
 
1909年,德国数学家韦伊费列治(Wieferich)证明了g(3) = 9;后发现漏洞,于1912年由生于英国的美国数学家肯普纳(Kempner)补正;
 
1940年,印度数学家皮莱(Pillai)证明了g(6) = 73;
 
1964年,我国数学家陈景润证明了g(5) = 37;
 
1986年,三位数学巴拉苏布拉玛尼安(Ramachandran Balasubramanian)、德雷斯(F. Dress)和德西霍勒(Deshouillers)证明了g(4)=19;
 
 
再回来,整数立方和还有42
 
好了,回到我们最初的问题:自然数的整数立方和表示。在k=3时的华林问题中,我们知道每一个正整数都可以为不超过9个正整数的立方和;
 
如果将前面华林问题的堆垒项只允许用加法的条件放开,我们允许用减法,是什么情况呢?——这个问题其实就是简易华林问题——不要因为其命名为“简易华林问题”就觉得其比“华林问题”简单。
 
而将正整数表示成三个整数立方和的问题,就是堆垒项限制为3的简易问题。现在这个问题依然是没有解决的问题。
 
我们用v(k)表示满足相应条件最小的正整数,即对应于华林问题中的g(k).
 
1932年,V. Vesely证明了v(k)存在。
 
接着赖特(E. M. Wright)于1934年得到一个粗糙的估计:(此估计不等式的证明可以参看陈景润写的《初等数论Ⅲ》132页的内容)
 
v(k)≤2^(k+1) + k!/2
 
不久,赖特又对其改进,符号比较专业就不详述了。
 
再后来赖特还得到了v(k)≤2^(k+1) +4k,并研究了具体值。
 
 
1936年,莫德尔(Mordell)证明了除极少一部分数不能确定外,大部分整都适合v(3) = 4.
 
我国数学家柯召曾列出一张表,将100以内的数分解为4个立方数之和,表中几乎每一个数均可分解为x³+y³+2z³的形式,仅有两个例外
 
76 = 10³+7³+4³-11³,
99 = 5³+3³-1³
 
柯召教授这样做的目的或许是为了说明v(3)=4是正确的,但是这仅仅只能作为一些数值试验。
 
2003年,科学出版社出版了中文版的《数论中未解决的问题(第二版)》。其作者是为盖伊(1916年9月30日~)现在已经102岁高龄了。
 
在《数论中未解决的问题(第二版)》的第D章(该书编写了A~F章节)的D5问题中,提到除了形如9n±4数尚且不知道结论,对于所有其他的数都证明了是4个整数的立方和。
 
了解同余的小伙伴们,可以做下计算,任何整数的立方在mod 9 的情况下只有-1,0,1三种可能。所以 x³ + y³ + z³ 在mod 9 的情况下,只有0,±1,±2,±3这7种可能,而±4是不可能的。
 
所以形如9n±4数一定不能表示为三个整数的立方和。由此我们也可以知道v(3)>3,也就是说所有自然数不能仅由三个整数的立方和表示。但是退而求其次,哪些数可以由三个立方数表示呢?数学家们希望有像“费马双平方和定理”、“勒让德三平方和定理”这样的定理来引导人们,但是目前为止还没有。
 
接下来我们要步入主题了!
 
所有不为9n±4型的数都是三个整数的立方和吗?盖伊书中写道:1992年,他对所有小于1000的数用计算机搜索后发现,除了下面(标红部分截止2019年3月都还没有被解决)表中的数以外,对于其他小于1000的数都找到了这样的表示。
 
 
 
 
在1993年5月25日的一封电子邮件中,Andrew Bremner告诉盖伊有:
 
75 = 435203083³+(-435203231)³+4381159³
 
Conn和Vaserstein发现了
 
84 =  41639611³+(-41531726)³+(-8241191)³
 
后来人们找到了(上表标黄部分)
 
30=(-283059965)³+(-2218888517)³+2220422932³
52=60702901317³+23961292454³+(-61922712865)³
110=109938919³+16540290030³+(-16540291649)³
195=(-2238006277)³+(-5087472163)³+5227922915³
290=426417007³+2070897315³+(-2076906362)³
435=4460467³+(-4078175)³+(-2755337)³
444=3460795³+14820289³+(-14882930)³
452=(-2267462975)³+(-3041790413)³+3414300774³
462=1933609³+(-1832411)³+(-1024946)³
478=(-1368722)³+(-13434503)³+13439237³
 
2007年,Michael Beck, Eric Pine,Wayne Tarrant与Kim Yarbrough Jensen这四位数学家的论文指出小于1000的数还没有找到解的剩下:
 
33, 42, 74, 114, 156, 165, 318, 366, 390, 420, 543, 579, 609, 627, 633, 732, 758, 786, 789, 795, 903, 906 ,921, 948, 975
 
2016年,Sander G. Huisman指出小于1000的数还没有找到解的就剩:
33, 42, 114, 165, 390, 579, 627, 633, 732, 795, 906, 921, 975
 
最近,由Booker Andrew提交了一篇论文"Cracking the problem with 33",论文中找到33这个文章开头的结果,由Browning公之于众。我们可以看到每个元素都是10的16次方的数量级,要读出来应该快读到亿亿位了!
 
另外在数学节目Numberphile中,Timothy Browning做了一期名为“The Uncracked Problem with 33”的问题介绍,可惜目前没有中文字幕。可以从论文"Cracking the problem with 33"的摘要与论文标题看出Andrew Booker写这篇论文正是源于该视频。
 
也就是说到目前为止,100以内的自然数就剩下42还没有找到关于立方和的整数解了!
 

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如何合理的摆放煎饼

 

原文作者,Jehu Peters,高中数学教师。

翻译作者,巴特,哆嗒数学网翻译组成员。

校对,333。

 

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无论你是否相信,我觉得你一直以来用平底锅做煎饼的方式都是错误的。现在请注意了,我要谈谈该怎么样在你的平底锅中合理摆放每一张饼。首先可以把你的锅想象成一个大圆,每一张煎饼是一个放在锅里面的小圆,假设每张煎饼是一样大的,我们怎样安排才可以锅的空间尽可能物尽其用呢?

    显然,把煎饼铺满整个锅是很简单的情况。这样的一张煎饼将会铺满锅中的全部面积。如下图所示:

 


    但是或许你并不想吃这么大的煎饼(在我家叫做可丽饼)。那么如果考虑每锅两到三张饼的情况呢?那么在锅中如何摆放它们才能使每张饼尽可能的大一些呢?


    对于两张饼的情形,应该这样做:

    这并没有很好的利用空间。平时你可能从来没有过一锅做两张煎饼(除非你的面粉用完了),因为这很明显在顶部和底部浪费了很大的空间。这口锅都在求求你再加一张煎饼吧。所以你可能会放三张煎饼,然后摆放成这个样子:

 


    经过一番仔细的计算会发现一锅两张煎饼的情况只利用了50%的面积。而一锅三张煎饼利用了64.6%的面积。这确实是一个很大的进步,可能这也许就是没人一锅做两张煎饼的原因吧。但是如果我们一锅做更多的煎饼呢?
    一锅做四张煎饼的最优摆放是这样的。

 


    这样利用了整个锅面积的68.6%。如果你不是出于从数学角度对这个问题感兴趣的话,应该不会尝试一锅做更多煎饼的情况了。多做的第四张饼只将空间的利用率提高了4%,这张饼多的一点都不划算。

    然而,一锅四张煎饼是非常有意思的情形,因为这样利用的面积居然比一锅五张饼还要大!

    如上图所述的一锅五张煎饼的情况只利用了68.5%的面积!而六张饼的情况还要糟糕一点。


    实际上六张饼只覆盖了66.7%的面积,因为锅中间有一大块空间空了出来了,这是一种很糟糕的选择。但是当我们实验到幸运数字7的时候覆盖的面积有了大幅度的增长:

    上图中,有77.7%的面积被覆盖了。所以如果你想用锅做小煎饼的话,一锅七张是很不错的选择。但是我认为到这里这个问题作为煎饼问题已经没什么意义了,因为每张饼也太小了吧!


    如果你还想继续的话,也可以在锅里放61张一样大的煎饼覆盖81.3%的面积。看起来还是很好看的:


    只不过这时候你的一张煎饼更像是一个斑点。


    总而言之,一锅四张煎饼要比一锅三张煎饼更好。虽然直觉告诉你一锅三张煎饼要比一锅两张煎饼好,但是恐怕你之前并没有继续往下试试看。所以好好练习一下一锅烙四张煎饼的技术吧。如果你需要一次做一大批比如六十张煎饼的时候,一锅四张煎饼的方法会比一锅三张煎饼要少做了五锅呢。你看,数学就这么帮你节省了几分钟的时间。不用谢!

 

更新:


    我的一位在瑞典读者告诉我,在他们的国家,他们有时候会做一种很小的但很好吃的饼,他们称之为瑞典薄煎饼,你知道他们用一锅几张饼的方法吗?


    我想之前我不应该那么快就断言一锅七张饼这种方法做的饼太小了而没有实际用途。真是非常有趣的文化联系!

 

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世界太可怕!有人说微积分原理是错的

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有朋友在群里发了网易新闻的一个连接,问我数学界是不是又发生大事了?我定睛一看,果然大事。

 

 

原来我微积分的基础理论被颠覆了,并被另外一个中国人重建了。连接中提到丁小平是这样的介绍的:

我国数学家丁小平在微积分研究领域取得的成果值得关注。2018年8月,《中国科学报》分两期刊载了长文《由“数学大国”向“数学强国”迈进始于重视数学》,该文对丁小平所做的工作进行了报道。首先,丁小平以铁一般的证据系统地论证了现行微积分原理的错误;其次,指出人类长期以来建立不起来不含错误的微积分原理的原因,并重建数学的新数-形模型;最后,重建微积分原理。

我的第一反应不必理会,不就又是一位“民科”利用自媒体发声吗,网上多的是这种人啊。但后来,觉得不对了,不到一会儿,跟帖回复的数量就500+了。天呀撸,我最喜欢的柯洁夺得三星杯冠军,才300+的跟帖,国际数学家大会开幕的新闻,跟帖都是个位数。个人觉得,事情有点大了。

 

 

谨慎起见,我们要顺着文章的脉络梳理一番,找到《由“数学大国”向“数学强国”迈进始于重视数学》这篇文章。这篇文章分上、下两部分,分两次发表在《中国科学报》上,并同时刊发在科学网上(2018年8月13日、27日)。标题看上去没问题,看完上部分,似乎问题不大,说了数学的重要,用陆家羲的例子来说明中国数学要强调需要重视人才。但到下部分,画风突变,现在我们来截取一部分内容:

 

2011年10月11日,丁小平先生在《科技创新导报》发表了《关于现行微积分原理的再思考》。文章发表后引起了媒体关注,人民网等媒体以《杨振宁预言今成现实:中国惊现诺贝尔级数学成果》进行了报道。......,越是获得肯定,丁小平先生越是谨慎,他就自己研究的问题与微积分研究领域的院士进行了细致讨论,以期避免研究上可能出现的失误。

2015年12月,丁小平先生在《前沿科学》上发表了《浅谈现行微积分原理的错误》;......,2016年12月、2017年9月,《前沿科学》又陆续发表了丁小平先生的《略论作为微积分原理完善的实变函数》与《微分之讲授》两篇论文。文章指出了实变函数理论中的根本性错误,以及在普及新数—形模型之前应如何正确讲解微积分原理的思路。

 

 

继续查找《浅谈现行微积分原理的错误》这篇文章,果然,果然。套路都一样,拿着对微积分理论的一(故)知(意)半(曲)解,来了一次典型的“民科式”的傲慢批判。有兴趣的搜索标题可得。

 

 

然而,各个媒体已经转载开了。

看不下去了……

看不下去不仅因为这些“民科”论文,还因为为他写文章的背书各个教授们——如假包换的教授们啊。

我们看不下去,还因为这些中招的媒体:人民网、中国科学报、科教新报、中国日报……——在人们心目中证照齐全的严肃媒体啊。

 

——太可怕了,太可怕了!

 

好在这回网友们体现的素质比以上的那些高多了,他们的回复大致都是这个调调:、

 

——希望还在!

 

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2019年QS世界大学数学学科排名公布

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近日,QS官网公布了其2019年世界大学排名,同时公布了5个学科大类,48个学科小类的学科排名,我们哆嗒数学网依然只是关注数学学科的排名。

 

哆嗒君温馨提示:任何排名根据其排名方法都不能直接对应成学科实力,都有争议。不过我们队关于排名的讨论都持开放态度。

 

 

 

数学学科排名方面,美国院校依然霸榜,占据前十名中的七个席位。另外英国占据两席,最后一个席位被瑞士的一所学校占据。第一到第十分别是:麻省理工学院(美国)、哈佛大学大学(美国)、斯坦福大学(美国)、普林斯顿大学(美国)、剑桥大学(英国)、牛津大学(英国)、加州大学伯克利(美国)、苏黎世联邦理工学院(瑞士)、加州大学洛杉矶分校(美国)、纽约大学(美国)。

 

亚洲方面的前十排名中,来自中国的高校占据了其中6个,其中3个来自内地,3个来自香港。来自新加坡的新加坡国立大学排名第一,总排名13名。北京大学和日本的东京大学排名并列亚洲第二,总排名并列20名。第三到第十的高校分别为:清华大学(中国内地,25名)、香港中文大学(中国香港,28名)、京都大学(日本,并列36名)、香港科技大学(中国香港,并列36名)、上海交通大学(中国内地,42名)、香港大学(中国香港,并列45名)、首尔国立大学(韩国,并列47名)。

 


中国高校共有40所大学进入榜单。其中内地高校28所,香港高校和台湾高校各6所。在中国的高校的排名中,排名第一的是北京大学,世界排名并列第20名。清华大学和香港中文大学分列第二和第三位。哆嗒数学网下面再为你奉上所有中国高校的排名。

 

 

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