詹姆斯·普罗普:生活与数学的完美结合

受孩提时代长途旅行中创造的游戏启发,一位1977年西屋科学奖决赛入围者成为数学教授


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他的决赛入围年份: 1977

他的决赛入围项目:计算根据数字属性压缩数字序列所需的步骤数

项目缘起:纽约长岛本地人吉姆·普罗普小时候,他的父母带家人开车穿越以色列。普罗普在后座感到无聊,开始通过统计(英文)路标上出现的字母来打发时间。他会写下每个字母在短语中出现的次数。例如,“Right turn only”(仅右转)包含字母 G、H、I、L、N、O、R、T、U、Y,序列为 1-1-1-1-2-1-2-2-1-1。然后他会用这个序列玩另一轮游戏,将其压缩为 7-3(因为 1 出现 7 次,2 出现 3 次)。然后它被压缩为 1-1,每个数字出现一次。然后,它又被压缩为 2。他不断地用不同的标志做这件事,看看需要多少轮才能得到一个单一的条目。

“这是一件很傻的事情,但它打发了时间,”他说。正如数学中经常发生的那样,“你一开始只是在看一些东西,然后它就变得内在有趣了。你想理解它。”因此,多年来,他试图弄清楚这个游戏的有趣属性——例如,仍然需要五轮才能得到一个单一条目的最短消息是什么?而且,如果您使用无限序列而不是有限序列玩这个游戏,会发生什么?

后来他了解到,其他数学家也思考过类似的问题(尽管可能不是在他们父母汽车的后座上)。“当我发现我不是第一个想出这个游戏的人时,我有点失望,”他说。但他们的发现帮助他更好地理解了他的游戏背后的理论。当他带着他的作品参加 1977 年西屋科学天才奖时,他获得了总成绩第二名。

对他的职业生涯的影响:获得如此高的名次帮助普罗普决定继续学习数学。这是一个艰难的决定,因为“很长一段时间我真的很喜欢音乐——我仍然非常喜欢音乐。”特别是,他喜欢作曲,并想创作音乐喜剧。但后来他意识到,“学术数学职业对各个层次成就的人都更加宽容。”至于作曲家,“除非你真的非常擅长,否则我认为你会过上不太幸福的生活。”

普罗普在哈佛大学主修数学,然后在加州大学伯克利分校获得博士学位。他最初研究的是更深奥的主题,但后来,作为麻省理工学院和威斯康星大学麦迪逊分校的教授,他“回到了我的初恋,即组合数学”,这是数学的一个分支,研究如何组合一定数量的物体,例如从 52 张牌的牌组中可以抽出多少种五张牌的组合。“这只是你可以几乎以玩乐的精神来思考的东西。”

例如,他一些最著名的工作着眼于一个称为“多米诺骨牌平铺”的概念,特别是称为阿兹特克钻石的形状。想象一个正方形以其角落在网格上平衡,边缘看起来像楼梯。现在想象一下尝试用两平方的多米诺骨牌覆盖这个菱形。在所谓的“北极圈定理”中,普罗普表明,随着菱形的大小和多米诺骨牌的数量接近无穷大,多米诺骨牌倾向于在角落非常整齐地排列;中心是随机的。中心随机性的空间实际上是这个菱形内部的一个完美圆圈。“这是一种很容易让本科生对组合数学感兴趣的东西,”达特茅斯学院数学教授彼得·温克勒说。“吉姆·普罗普在这方面真的很出色。”

事实上,亨利·科恩,现在是微软的研究员,他在 1990 年代初在麻省理工学院读本科时认识了普罗普,他回忆说,他在一次演讲中看到了北极圈定理,“那是我见过的最令人惊奇的事情之一。”

温克勒还指出,“普罗普在帮助人们理解如何随机抽样方面做了出色的工作。”从一堆数据点中提出一个完全随机的样本并非易事,但他的某些工作已经研究了研究人员可能如何生成这样的集合。

他现在在做什么:在威斯康星州度过了多年之后,普罗普和他的妻子,一位研究心理学家,决定他们想搬回东海岸。他在马萨诸塞大学洛厄尔分校找到了一份工作。这对夫妇在此过程中又做出了一个重大的生活方式改变——他们在两年前有了一个儿子,几周前有了一个女儿。

两人都在接受早期的数学教育;最近,当普罗普抱着他的女儿时,他开始在柜台上移动葡萄,这与他目前正在思考的一个组合数学问题有关。(“没有多少数学分支可以在安慰一个月大的婴儿的同时,通过在柜台上移动葡萄来玩耍,”他指出。)

他的儿子也像他一样表现出早期的数学倾向。不久前,当普罗普给他读书时,他告诉儿子从书架上拿四本书,孩子很快就拿了。然后他宣布“五本书!”又拿出一本。“我简直惊呆了,”普罗普说。今年春天,当他计划休假一个学期,做一段时间的全职爸爸时,他将有更多机会观察这些正在成长的数学家。“我非常兴奋,”他说,他的儿子也是如此,最近一个早上,当普罗普正要出门上班时,他的儿子大喊“不要教微积分!留下来!”

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