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42,人類破解宇宙生命終極答案,竟是3個整數的立方和!

時間:2024-01-08
42,可以寫成3個整數的立方和!這是數學界的一大突破,由MIT和布里斯托大學的數學家共同發現,他們以“生命、宇宙以及一切”的網頁標題,公布了這一成果。
人類第一次將42寫成了3個整數的立方和!
昨天,有人在 MIT 數學系的網站上貼出一個等式,網頁很簡單,但沒給出結果:
(-80538738812075974)^3 + 80435758145817515^3 + 12602123297335631^3
等于 42
在推特上,菲爾茲獎得主高爾斯也轉發了這個結果。
這是一個大新聞,因為至此,下面這句話成為了定理:
除了 9n±4 型自然數外,所有 100 以內的自然數都能寫成三個整數的立方和。
是的,在此之前,42是100以內最后一個尚未找到立方和的整數解的自然數。現在,這個解也找到了。
找到這個等式的數學家是來自布里斯托大學的 Andrew Booker 和來自麻省理工學院的Andrew Sutherland

Andrew Booker 是布里斯托大學數學教授

Andrew Sutherland是MIT數學系首席研究科學家
今年3月, Andrew Booker 找到了33的立方和整數解,同樣引起數學界轟動。昨天,Andrew Booker穿著印有“42”的T恤接受采訪,解釋了他們的研究過程。

在被問到“你們解決這個問題后,有沒有興奮得跳起來”時,Booker說:“我這次倒是沒有跳起來,但是你知道,解決一個三、四十年來一直懸而未決的問題,實在是令人很滿足!當然,這個論題本身還沒有解決,下一個數字是114……”
有意思的是,兩位數學家公布這一結果的網頁標題是“生命、宇宙以及一切”(Life, the Universe and Everything)

MIT的網頁截圖
在道格拉斯·亞當斯著名的《銀河系漫游指南》系列中,42是“生命、宇宙以及一切的終極答案”

茫茫宇宙中,一個 “具有超級智慧的泛維度種族” 對關于生命意義的無休止的爭論感到厭煩了,他們決定一勞永逸地解決這個問題。他們建造了宇宙一切空間和時間中第二強大的電腦 “沉思”,向它尋求 “關于生命、宇宙,以及一切的終極答案”。


整整 750 萬年后,“沉思” 給出了答案 —42。


面對這個玄妙的答案,泛維度種族需要回過頭先弄明白生命宇宙以及一切的終極問題,方能理解答案。但 “沉思” 不能勝任此項艱巨的任務,它說:“你們需要一臺能夠計算出這個終極答案的電腦,這臺電腦具有無限和微妙的復雜性,以至于有機生命本身將會成為操作母體的一部分。你們自身也會以一種新的生命形式投入到這臺電腦中,去操控為期 1000 萬年的程序。我將會為你們設計出這臺電腦,并且我已為它取好名字。它將會被稱為…… 地球。”

癡迷、癡狂!人類尋找三立方數和簡史

人類為什么對這樣一個等式如此著迷呢?
這個問題至少可以追溯到 1825 年,數學家想知道,如果給定整數 K,是否存在整數 X、Y、Z,滿足:
X^3 + Y^3 + Z^3 = K。


數論領域下有一大分支叫“丟番圖方程”:
x^3+y^3+z^3=k 是否存在整數解是丟番圖方程中的一個問題。
丟番圖 (Diophantine) 是一位古希臘的大數學家,被認為是第一位懂得使用符號代表數來研究問題的人。
丟番圖和他的墓志銘
其中丟番圖最著名的事跡可能就是他的墓志銘 —— 曾經連續多年出現在各地中小學生的寒假作業擴展訓練上:

墳中安葬著丟番圖。

多么令人驚訝,它忠實地記錄了所經歷的道路。

上帝給予的童年占六分之一,

又過十二分之一,兩頰長胡,

再過七分之一,點燃起結婚的蠟燭。

五年之后天賜貴子,

可憐遲到的寧馨兒,享年僅及其父之半,便進入冰冷的墓。

悲傷只有用數論的研究去彌補,

又過四年,他也走完了人生的旅途。

回到丟番圖方程,由于立方數模 9 同余 0、1 或 - 1,三立方數和模 9 不可能同余 4 或 5,因而這是整數解存在的一個必要條件。因此9k+4或9k+5這種形式的整數不能寫成三個立方數之和。然而,對于該條件是否同時為充分條件目前仍未有定論。

1992年,牛津大學的Roger Heath-Brown 提出猜想,即其它所有整數都可以用無窮多種不同的方式寫成三個立方數的和。在那以后,數學家們似乎已經被 Heath-Brown 的論點所說服,然而,找到把任何特定的數寫成三個立方數之和的方法仍然是一個難題。
2000年,哈佛大學的Noam Elkies提出了一個實用的算法來尋找這類解。Elkies和其他數學家使用類似的方法,成功地為許多較小的整數找到了立方和的整數解。
(https://arxiv.org/abs/math/0005139)
2015年,數學家Tim Browning錄制了一段視頻,解釋了這個問題。在那個時候,只有33、42和74這三個小于100的整數尚未找到解。這段視頻讓更多的人注意到了這個問題,并帶來了一系列的突破。

Tim Browning的視頻讓更多數學家關注這個問題
受到這段視頻的啟發,幾個月后,Sander Huisman找到了74的立方和整數解:
Tim Browning再次錄制了一段關于Huisman解決74的視頻。另一位數學家,即布里斯托大學的Andrew Booker看到了這段視頻,決定解決這個問題。
他提出了一種新的算法,這種算法能更有效地找到一個特定數字的解。2019年2月27日,Booker公布了33的立方和整數解。
42也被解決了!Andrew Sutherland和Andrew Booker同時更新他們的主頁,報告了42的立方和的整數解:
這意味著100以內的自然數的立方和的整數解全部找到!
1000以內還沒找到解的整數只剩下:
114,165,390,579,627,633,732,906,921 和 975。
100 以內三立方和的非零解全表


最后,附上 100 以內三立方和的非零解全表(多種寫法選取其中一個):
1 = (-1)3 + 13 + 13
2 = 73 + (-5)3 + (-6)3
3 = 13 + 13 + 13
4 不可能
5 不可能
6 = (-1)3 + (-1)3 + 23
7 = 1043 + 323 + (-105)3
8 = (-1)3 + 13 + 23
9 = 2173 + (-52)3 + (-216)3
10 = 13 + 13 + 23
11 = (-2)3 + (-2)3 + 33
12 = 73 + 103 + (-11)3
13 不可能
14 不可能
15 = (-1)3 + 23 + 23
16 = (-511)3 + (-1609)3 + 16263
17 = 13 + 23 + 23
18 = (-1)3 + (-2)3 + 33
19 = 193 + (-14)3 + (-16)3
20 = 13 + (-2)3 + 33
21 = (-11)3 + (-14)3 + 163
22 不可能
23 不可能
24 = (-2901096694)3 + (-15550555555)3 + 155841398273
25 = (-1)3 + (-1)3 + 33
26 = 2973 + 1613 + (-312)3
27 = (-1)3 + 13 + 33
28 = 143 + 133 + (-17)3
29 = 13 + 13 + 33
30 = (-283059965)3 + (-2218888517)3 + 22204229323
31 不可能
32 不可能
33 = 88661289752875283 + (-8778405442862239)3 + (-2736111468807040)3
34 = (-1)3 + 23 + 33
35 = 143 + (-8)3 + (-13)3
36 = 13 + 23 + 33
37 = 503 + 373 + (-56)3
38 = 13 + (-3)3 + 43
39 = 1173673 + 1344763 + (-159380)3
40 不可能
41 不可能
42 = (-80538738812075974)3 + 804357581458175153 + 126021232973356313
43 = 23 + 23 + 33
44 = (-5)3 + (-7)3 + 83
45 = 23 + (-3)3 + 43
46 = (-2)3 + 33 + 33
47 = 63 + 73 + (-8)3
48 = (-23)3 + (-26)3 + 313
49 不可能
50 不可能
51 = 6023 + 6593 + (-796)3
52 = 239612924543 + 607029013173 + (-61922712865)3
53 = (-1)3 + 33 + 33
54 = (-7)3 + (-11)3 + 123
55 = 13 + 33 + 33
56 = (-11)3 + (-21)3 + 223
57 = 13 + (-2)3 + 43
58 不可能
59 不可能
60 = (-1)3 + (-4)3 + 53
61 = 8453 + 6683 + (-966)3
62 = 33 + 33 + 23
63 = 73 + (-4)3 + (-6)3
64 = (-1)3 + 13 + 43
65 = 913 + 853 + (-111)3
66 = 13 + 13 + 43
67 不可能
68 不可能
69 = 23 + (-4)3 + 53
70 = 113 + 203 + (-21)3
71 = (-1)3 + 23 + 43
72 = 73 + 93 + (-10)3
73 = 13 + 23 + 43
74 = (-284650292555885)3 + (66229832190556)3 + (283450105697727)3
75 = 43811593 + 4352030833 + (-435203231)3
76 不可能
77 不可能
78 = 263 + 533 + (-55)3
79 = (-19)3 + (-33)3 + 353
80 = 692413 + 1035323 + (-112969)3
81 = 103 + 173 + (-18)3
82 = (-11)3 + (-11)3 + 143
83 = (-2)3 + 33 + 43
84 = (-8241191)3 + (-41531726)3 + 416396113
85 不可能
86 不可能
87 = (-1972)3 + (-4126)3 + 42713
88 = 33 + (-4)3 + 53
89 = 63 + 63 + (-7)3
90 = (-1)3 + 33 + 43
91 = 3643 + 1923 + (-381)3
92 = 13 + 33 + 43
93 = (-5)3 + (-5)3 + 73
94 不可能
95 不可能
96 = 108533 + 131393 + (-15250)3
97 = (-1)3 + (-3)3 + 53
98 = 143 + 93 + (-15)3
99 = 23 + 33 + 43
100 = 73 + (-3)3 + (-6)3

文章來源:綜合aperiodical、哆嗒數學網

IEEE Spectrum

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