数学魔法师康威的游戏人生

作者: 倪忆

来源: 普林小虎队

发布日期: 2021-12-19 08:00:00

John Horton Conway是一位著名的数学家,以其发明的“生命游戏”而闻名。他的研究涵盖了组合数学、纽结理论等多个领域,并以其独特的教学风格和对数学的热爱而受到广泛喜爱。Conway的生平和成就展示了他在数学界的影响力,以及他对数学游戏和初等数学的热情。

本文初稿写作于2004年,首发在《心桥》杂志上。微信版本作了一些修改,并更换了插图。本文的主角John Horton Conway不幸于2020年4月11日因新冠肺炎逝世,享年82岁。

上帝是怎样创造这个世界的?按照《圣经》的说法,第一天他在一片混沌中游荡,发现太黑了,就说:“要有光”,然后就有了光……他总共花了六天来创造万物,第七天休息。但并不是就此一劳永逸地结束了,麻烦事还在后头,像什么偷食禁果之类的。他得花更多的时间和精力来维护这个系统,有时不爽了还得格一下盘(大洪水),——当然格盘之前需要保存一下数据(诺亚方舟)。

其实没有这么麻烦,上帝这样的大智者,自然找得到最方便的办法。他应该是在一张餐巾纸上随手写几个公式作为定义这个世界的规则,然后制造一次大爆炸。接下来的事情就不用他管了,他只需端起一杯咖啡,在一旁悠然地看。

不信吗?那么就尝试一下Game of Life吧。在一个有许多正方格的大棋盘上随意放一些棋子,称为胞体(cell),然后遵循下面的规则:

(i) 复生:一个胞体在t时刻是“死”,而在t+1时刻是“活”,如果它的八个邻域有三个胞体在t时刻是“活”的。

(ii) 死于孤单:一个活的胞体在t时刻没有或只有一个胞体邻域,就会在t+1时刻死亡。

(iii) 死于过度拥挤:一个活的胞体在t时刻如有四个或四个以上的邻居,就会在t+1时刻因过度拥挤而死去。

(iv) 生存之道:一个胞体在t时刻生存而能延续生命到t+1时刻,当且仅当它在t时刻有二个或三个活邻域。

就是这样简单的规则,却可以随着初始状态的不同产生无穷无尽的变化,有兴趣的读者可以连上https://playgameoflife.com/,随意自己设定初始状态,或者打开别人设计好的一些有趣的状态,看看这个简单平台上出现的复杂世界。用“生命游戏”可以模拟任何图灵机。

1970年,这个“生命游戏”甫一发明出来便轰动了世界,很多人乐此不疲。据说有一段时间,全世界四分之一的电脑都在运行这个程序。这个游戏的设计者,就是本文的主角,普林斯顿大学数学系教授,英国数学家John Horton Conway。

大约十年前的一篇访问记中,说Conway每天打开计算机时,屏幕上会随机显示十个日期,比如1789年7月14日,2037年12月26日等等,Conway则心算出这些日期分别是星期几,输入后才能进入电脑。他的最高纪录还不到20秒就算出了全部星期。

这种情形我倒是从没见过,因为我见到的Conway一向都是使用common room(公共休息室)外的公用电脑。Conway绝对是一个占用公共资源的专家。系里的common room就是他的办公室,里面的沙发宽大又舒适,足够容纳他的身躯。Common room内外有好几块黑板,刚好能让他打草稿——按他自己的说法是:talk to myself on the blackboards。

Conway从来不看信,收到信件后便往故纸堆里一扔。等他再发现这些信件时,看到上面的邮戳是几年前的,就决定永远不去拆阅,免得自己产生内疚感。不过他e-mail收得倒是非常勤,经常能看见他坐在common room外的公用电脑前,满面笑容,飞快地打着字。

Conway是一位组合学家。他研究的问题多数带有组合特性,看起来非常浅显,但其中却蕴藏着深刻的数学思想。就拿前面提到的生命游戏来说。1940年,John von Neumann提出cellular automaton(元胞自动机),试图建立一个数学模型来描述机器的自动复制与生长。Von Neumann最初的模型非常复杂,Conway将其简化成人人都能理解的“生命游戏”。

Conway的另外一项出名的工作来自纽结(knot)理论。纽结理论是拓扑学的一个分支,但也可以用纯粹的组合方法进行研究,这正是Conway的拿手好戏。Conway在六十年代发现了一个奇妙的拆接(crossing change)关系式,可以用来递归地定义Alexander多项式,连中学生都能看得懂,计算起来也很方便。

Conway于90年代初离开剑桥大学,来到普林斯顿做访问教授。按普林斯顿的惯例,从别处挖人来时,给的是终身职位,但第一年的头衔还是访问教授,这样如果一年过后这人不愿意留下,还可以回原来的学校。Conway解释说当初并不是他自己作决定留下来,“I was undecided”,是他的太太喜欢这里。

Conway结过三次婚,跟第一位太太生了四个女儿,跟第二位有两个儿子,跟第三位又生了个儿子。去年底他大病初愈时,我看见他带着一个蹒跚学步的小男孩玩,便问他:“Is he your grandson?” 他自豪地回答:“No, he is my son。”再问其年龄,答曰两年三个月。我顿时肃然起敬,——要知道Conway可是1937年出生的。

Conway非常热衷于研究有趣的初等数学,下面这个look-and-say序列就是一例,他在common room里给我讲过:1, 11, 21, 1211, 111221, 312211, 13112221, ...这里面有什么规律呢?说穿了非常低幼。第二个数字11应该读作“1个1”,表示前一个数字是1个1。第三个数字21应该读作“2个1”,表示前一个数字是2个1连写在一起。

Conway是数学游戏爱好者,他发明过好多游戏,生命游戏只是其中最有名的一个。据说以前在剑桥时,他经常在休息室里赤着脚,用纸和笔来玩数学游戏。有时他抓着学生、同事和访客陪他玩,找不到对手就自己坐在地下研究这些游戏。

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