计算机助力破解数学难题

来源：科技前沿（科技河）　　作者：宋良

　　最近,美国斯坦福大学、卡内基梅隆大学和罗切斯特理工学院的科学家彻底破解了一个被称为凯勒猜想的数学难题。凯勒猜想是一个已存在了90年之久的谜题，它与不同空间维度上的密铺问题有关。科学家直接将这个数学难题转化成了对10亿个结果进行“暴力搜索”；他们把相关代码输入40台计算机组成的计算集群，30分钟后，计算机给出了一个200GB大小的证明结果：凯勒猜想在不超过7维的空间上都是正确的。
　　计算机是20世纪最先进的科学技术发明之一，对人类的生产活动和社会活动产生了极其重大的影响，成为信息社会中必不可少的重要工具。在当今互联网时代，计算机已经应用于几乎所有的领域，数学当然也不例外。目前，许多科学家正在借助计算机来解决数学难题，相信不久的将来这方面将会有所突破。
　　借助计算机来解决数学难题，是很值得人们关注的。而计算机的应用，既改变了数学研究的方法，也提高了数学研究的效率。众所周知,数学是一切现代科学的基础，尤其是计算机科学的基础理论；回顾计算机发展史,其中的每一次飞跃都离不开数学的贡献。有趣的是，计算机的出现反过来给予人们另外一种探索数学规律的手段。
　　计算机的发明，是为计算而来，而计算能力始终是计算机的根本。计算机的介入，扩展了数学研究的领域，促进了计算数学的发展。尤其是运算量极其庞大的数学问题，大多数情况只能借助计算机来解决。例如，四色问题、E8结构、费克特问题、开普勒猜想、凯勒猜想、埃尔德什差异问题、毕氏三元数问题、x^3+y^3+z^3=k方程等著名数学难题，都是借助计算机来破解的。
　　从上世纪50年代中期起，数学家开始用计算机进行证明定理的尝试。当年英国哲学家及数学家伯特兰·罗素教授经年累月在《数学原理》一书中证明的定理,美籍中国数理逻辑学家王浩教授在1959年只用了9分钟机器时间就证明了其中350条以上,当时引起了轰动,以致通常把1959年称为机器证明的元年。借助计算机来解决数学难题还可以改变了人们对数学以往的认识，产生了新的方法，发展了新的领域。
　　此外，当今的大素数只能借助计算机来探究。例如，2018年美国一名数学爱好者就借助计算机并通过一个名为“因特网梅森素数大搜索”(GIMPS)项目，成功发现了第51个梅森素数——2^82589933-1(即2的82589933次方减1)；该数有24862048位，是迄今为止人类发现的最大素数。如果用普通字号将它打印下来，其长度将超过100公里！
　　也许有人会问：借助计算机破解数学难题，这样“正确”的证明，还算不算是“数学”？由于数据的绝对量过于庞大，以至于没有办法由人工进行验证，那么这种证明能否被验证真伪？如果数学家的工作是通过理论帮助人类更好地理解数学，那通过穷举来解决问题的计算机究竟有什么存在的意义？其实相对于传统数学，新潮数学已经悄然出现，这种新潮数学最明显的标志就是逻辑推理加入计算机辅助运算，二者合并起来对数学难题进行破解。
　　也许我们只能希望早日有人能用传统方式给出数学问题的逻辑推理。例如，2014年，英国计算机专家阿列克谢·利什特沙博士和鲍里斯·科涅夫博士借助超级计算机证明了埃尔德什差异问题，其运算数据量达13GB之多。一年后，美国加州大学洛杉矶分校数学家陶哲轩教授就用传统方式成功破解了这一难题，此事震动了全球数学界。
　　不过绝大部分复杂的数学问题，可能需要新的数学工具，甚至新的数学概念来解决；这些都是当前计算机无法完成的，因为目前的计算机不具备“自主意识”，也不具备真正能推理和解决深度问题的能力。但是也有例外，近代数学的三大难题之一的四色问题，目前就是计算机基本完成证明的；这只是在数量上取得了成功，但在数学上还没有完成四色问题的逻辑证明。
　　美籍波兰数学家斯塔尼斯拉夫·乌拉姆教授在1976年出版的《一个数学家的奇遇》一书中指出，展望将来会出现一个数学研究的新时代，那时候计算机将成为数学研究的不可缺少的工具。他认为，数学问题将会以游戏的形式提出来,然后由计算机来玩这些游戏，并证明什么东西能成立，什么东西不能成立。
　　计算机目前成为数学研究的有效工具已是大势所趋，不可阻挡。正如中国科学家及未来学家周海中教授在1993年发表的经典论文《21世纪数学展望》中所言：计算机在数学研究中发挥的作用将越来越大；借助计算机解决数学问题将激励人们去寻求更好、更简单的方法，也加深人们对数学本质特征的认识，还推动以计算机为基础的人工智能发展。毫无疑问，在计算机的助力下，破解数学难题的成果今后会越来越多。

　　文/宋良(作者单位：新加坡南洋理工大学理学院)
 

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