不完美的完美

数学上的“差之毫厘”是对“几乎正确的答案”的精确表示

尽管看起来很完美,但这种立体只能存在于不完美的现实世界中。

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点。


数学是完美的领域。(或者我们数学家喜欢这样告诉自己。)证明是纯粹逻辑的丰碑,而且因为我们证明的对象是只存在于我们头脑中的抽象概念,它们完美地遵守逻辑规则。

完美会令人陶醉。我们将 π 计算到数万亿位,尽管事实上几十位就足以计算已知宇宙中任何长度,误差在原子宽度之内。“足够好”永远不够好。

当数学应用于现实世界时,会发生一件有趣的事情:它奏效了。诚然,它并不完全完美——现实世界不像我们头脑中那些纯粹的数学对象那样循规蹈矩,但已经相当不错了。牛顿的万有引力定律在数学上非常简单,但与现实世界惊人地吻合,至少在人类尺度上是这样。爱因斯坦的广义相对论建立在数学的支架之上,这些数学原本是为了分析抽象空间而存在的,但结果却对描述大规模空间和时间非常有用。现实世界似乎非常出色地逼近了抽象数学。物理学家和数学家尤金·维格纳在一场著名的讲座中描述了这种现象,随后以论文形式发表,称之为“数学在自然科学中不合理的有效性”。


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《Nautilus》杂志的一篇文章中,我写到了这种现象的哈哈镜式镜像:数学上的“差之毫厘”。我受到滑铁卢大学计算机科学家克雷格·卡普兰和他于 2016 年 2 月撰写的关于“差之毫厘”约翰逊固体的文章的启发,开始撰写关于“差之毫厘”的文章。他用纸板和胶带制作的图形看起来很完美,但却找不到等边三角形或正十边形或正十二边形。他的文章启发我(和其他人)在数学中寻找更多“差之毫厘”的例子:从文艺复兴时期的“差之毫厘”多边形到音乐中的平均律,再到色彩鲜艳的数学理论,称为“怪兽月光”。撰写这篇文章很有挑战性,因为没有客观标准来定义什么是“差之毫厘”。有时我觉得自己像是在试图抓住一把沙子。最后,我对数学上的“差之毫厘”有了这样的理解。

“差之毫厘”存在于理想主义、不屈不挠的数学与我们放纵、务实的感官之间的模糊边界中。它们颠倒了近似的逻辑。通常,现实世界是柏拉图领域的 imperfect 阴影。潜在数学的完美性在可实现的条件下丧失了。但是对于“差之毫厘”而言,现实世界是不完美领域的完美阴影。卡普兰说,近似是“对正确答案的不正确估计”,而“差之毫厘是对几乎正确的答案的精确表示”。

《Nautilus》上阅读完整文章。

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