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暗示的力量(2)
送交者: 零加一中 2019年03月01日12:37:33 於 [靈機一動] 發送悄悄話

《華爾街數學》中,有一篇《暗示的力量》,我用具體事例說明,“暗示”在科研中,也有着重要的作用。

第一個例子是 Ising 模型,在1925年由 Ising 提出後,直至 1944 年才由 Onsager 解出。在這之後,沒過幾年,那些原來死路一條的方法,猶如枯木逢春,一個個殊途同歸的嚴格解像雨後春筍似地冒了出來。我知道的就有四種, Kaufmann 的矩陣代數,Fisher 的(量子力學)產生湮滅算符,Percus 的排列組合方法,還有一種是 Dimer,作者記不得了。

第二個例子是集體震動模式(Collective Modes),1955年由Bohm Pines 提出,幾十年毫無進展。上世紀80年代末,AT&T 貝爾實驗室的數值模擬大師 Frank Stillinger 設計了一個極為精巧數值模擬實驗,“證明”嚴格解是存在的。他自己無法解決,就向我的博士後導師,上面提到的 Percus 求助,結果我和 Percus 1991年將這問題在一維解出,取得36年後零的突破。

這兩個超難題目有一個共同點,在有人“暗示”有解之後,很快就解出了。在這之前,就是漫漫長夜,根本看不到一絲曙光。這兩個例子應該屬於陽春白雪,這兒我來兩個下里巴人的例子。

復旦大學《數學分析》下冊有一道題目。有一圓球 X2 + Y2 + Z2 = 1。另有一平面X + Y + Z = 0。兩個面的交線密度為X2,問交線質量多少。我在大一自學時遇到此題,不會做,是請數學系一位老師幫忙做出來的。老師用的是第一類曲線積分的標準方法,逐步投影做出的,功力之強使我佩服得五體投地。十年後,在取得博士學位前後,我突發奇想,十年前這道積分題,可根據對稱性很容易解出。在這個圓環上質量密度為X2Y2,或Z2,質量是一樣的。所以我們只需要考慮質量密度為X2 + Y2 + Z2  的圓環,把結果再除以 3 即可,2 π /3。又過了20年,大約是 2008 年,我把這題貼在萬維網,考考大家。好久無人揭榜。終於有一天,一位高手給出了答案,同時將了我一軍,如果平面是AX + BY + CZ = 1,圓環質量是多少。這位網友辦事嚴謹,不像是無解的惡作劇。就是說,是一道高級“回家作業”。很顯然,他不是要我們用標準的投影方法來解,而且這些 ABC,怎麼個投影法。在此“暗示”的激勵下,經過大約一星期的絞盡腦汁,我終於解出

π (B2 + C2) / (A2 + B2 + C2)

當這位網友看到此題居然被解出,估計是心有不甘,問我是做出來的,還是腦筋急轉彎猜出來的。我告訴他,先考慮  X-Y 平面,線密度X2。然後將平面沿 Y 軸轉一角度 。。。高手過招,一個回合就夠了,他就此打住,沒再追問下去。這道伴隨了我整整 30 年的積分題,從原來老師的標準解法,到10年後自己的“聰明”解,到30 年後經過暗示而畫下的完美句點,確實是“暗示的力量”這個大標題的絕妙注釋。我是金庸迷,將這個故事定名為《三十年磨一劍》,收錄於《華爾街數學》。

第二個例子是我今天早晨的戰果。約兩星期前,一網友貼出如下題目。有一均勻硬幣,A  拋擲 5 次,B 拋擲 6 次,B 得到正面多於 A 的幾率是多少?這題不難,打開Excel,一會兒就會得到答案。但這顯然是“作弊”,為我所不屑。一支筆,一張紙,估計也不會用太多時間。這不是我的風格。幾天后,有網友得出了答案,1/2。經出題者確認後,我鐵口直斷,此題一定有“聰明”解,而且不限於 5 6,答案也是 2/1A 拋擲 N 次,B 拋擲 N+1 次,B>A 的幾率也是 1/2

以前上班時碰到這類問題,我都是在地鐵上考慮。現在退休了,我都是在走路鍛煉時考慮。經過約一星期的鍛煉,終於修成正果。

考慮三個獨立事件:(1A  扔硬幣 N 次;(2B  扔硬幣 N 次;(3B  扔硬幣 1 次。先考慮(1)和(2),B>A 的幾率是多少。考慮二維晶格,橫軸 X 代表 A,縱軸 Y 代表 B。考慮 NXN 的正方形,兩邊分別為 X 軸和 Y 軸。坐標代表結果,幾率可由二項式算出。對角線即 A=B。左上方是 B>A,右下方是 A>BA=B 的次數為

[C(N,0)]2 + [C(N,1)]2 + 。。。 + [C(N,N-1)]2 + [C(N,N)]2 = (2N)!/(N!)2 = P(N)

稍後我們會發現,P(N)  的值根本沒有用到。只考慮(1)(2),B>A 的次數是 [22N - P(N)]/2

現在把(3)和(1)(2)一起考慮。在事件(3),正面向上的幾率是 1/2。要使事件(1)(2)中B>A 的幾率增加,(1)(2)的結果必須在對角線上(A=B)。往下(3)向上也沒用,往上即使(3)向上也不會改變,已經算進去了。(1)(2)(3)一起考慮後,B>A  增加的次數為P(N)/2B>A  的總次數為 22N/2,幾率為1/2

採用同樣策略,我們會發現,如果 B A 多拋擲 M 次,B>A 的幾率也是 1/2。如果沒有網友的辛勤勞動給出的“暗示”,我大概不會冥思苦想一星期得出這個“聰明”解法。


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