谁是世界上最孤独的数?

作者: Ent

来源: 果壳

发布日期: 2015-08-20

文章讨论了数学中的黄金分割率φ,探讨了其在数学上的“孤独性”,即它是所有数中最难以接近的数。文章还提到,虽然φ在审美上被一些人认为是最美的数,但实际上它在审美上的特殊性被夸大了,而在自然界中,φ的精确性在生物生长模式中得到了体现。

看到哪个数,你会觉得最孤独?有人会说是1,因为它孤身一人。有人会说是0,因为它没有任何存在感。有人会说是214,有人会说是419(咦)。这些都是字面上的直接联想,因人而异,很难说哪个比哪个更加孤独。然而对一个学过数学的人来说,确实存在一个最“孤独”的数。这个数就是所谓的黄金分割率φ。

许多人说它是最美的数,美不美这种事情是一个主观概念——但我们能从数学上证明,它是最“无理”的数,最难以接近的数,因而在这个意义上,是最孤独的数。一个无理(irrational)数有很多种表现方式。我们最熟悉的是无限不循环小数的形式,每多写下一位数,就是用一个更加精确的有理(rational)数去逼近它。当然,这个过程永远到不了尽头。

但是无理数也可以用分数的形式表现,只不过这个分数也是无穷无尽的——这就需要“连分数”。能够证明,每一个有限的连分数都代表一个有理数,而每一个有理数能且只能表示成两种形式的连分数。同样的步骤完全适用于无理数,但这时得到的连分式就会一直延续下去。使用连分数来逼近,就会遇到一个“逼近速度”的问题:每前进一步,近似值向精确值靠近了多少呢?

更一般地,假如一个无理数α,它的某一步连分式展开后变成了 p / q 的形式,那么一定有 | α - p/q | < 1 / q^2。而且,这一定是当前最好的精确值,任何比它更精确的分式都一定需要更大的分母。那么回到我们开始的问题。最快的逼近速度有多快?从上面的公式可以看出来,这完全取决于连分式里具体的每个数——数字越大逼近越快,数字越小逼近越慢。而最小的正整数,当然就是1了。

如果有这样一个数:[1; 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, ...],你肯定猜到了,这就是传说中的黄金分割数φ,1.61803398... 。我们试着逼近一下,得到的是2/1 = 2,3/2 = 1.5,5/3 = 1.66666...,8/5 = 1.6,13/8 = 1.625,21/13 = 1.61538...。进行了6次近似,结果才到小数点后2位!

刚才我们用π仅仅进行了2次近似,就精确到了小数点后6位。1是最小的正整数。因此,φ,这个全部由1组成的连分数,是所有数中最难以接近的数。没有之一。许多人说φ是最美的数,贯穿整个西方艺术史,所有优秀的设计都要用到它。这其实是夸大其词了。黄金率在审美上没有什么特殊之处,我们看到的只是人们企图攀附它来寻找所谓的理论依据而已。然而,自然界“懂得”它的真正含义。要想避开周期,只能用无理数。

结果就是这样:大有改善,但是还有很多缝隙没用上。毕竟,无理数是可以用连分数近似的。近似得太好的话,就和分数没有太多差别。因此,我们必须找一个距离分数最远的、最难近似的、最无理的数,这样才不会产生周期性,才能补上中间的那些空隙。这就是φ。它所对应的角度,大约是137.5度。这个数字必须极其精确,不然就会毁掉整个图样。

如果说φ里体现了美,我倒宁愿认为是它展现了自然界的一角,而不是因为似是而非的神秘主义。不论在审美的意义上φ是否是一个美的数,在数学的意义上φ是一个高冷的数。它最为高效,然而又最难靠近,最是无理,因此,它也是最孤独的数。而相比之下,一个人之所以孤独,则常常不是因为无理,而是因为过于理性了。

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