盯着结论看,直到它变得显然成立为止

    很多看上去很显然的结论,其实是需要严格证明的,并且有时候证明相当困难。比方说算术基本定理,每一个数分解质因数的方法都是唯一的。这看上去几乎是显然的,但证明过程需要很多深刻的数论知识。更极端的例子则是 Jordan 曲线定理,即平面上每一条不与自身相交的封闭曲线都把平面分成了里外两部分。这几乎就是一句废话,但要想严格证明起来相当不容易, Camille Jordan 本人的证明最后发现竟然也是错误的。
    最近 MathOverflow 上有人提了一个非常有趣的问题:有那么多结论很显然但证明很困难的定理,那有没有什么结论很不可思议但证明过程却不言而喻的定理呢?

    在众人的回答中,呼声最高的就是 Desargues 定理:若三角形 ABC 和 A’B’C’ 中, AA’ 、 BB’ 、 CC’ 所在直线交于一点,则两个三角形中每一组对应边的交点(即 BC 和 B’C’ 的交点 D 、 AC 和 A’C’ 的交点 E 、 AB 和 A’B’ 的交点 F )是共线的。

      

    这个定理看上去太神奇了,大家一定会以为证明很难吧。但事实上,这个定理根本不需要证明,它显然是成立的。现在,把 P-ABC 看成一个三棱锥,而 A’B’C’ 则是一个不平行于底面的截面。由于 AB 、 A’B’ 在同一平面内,因此这两条线会相交;这个交点既在平面 ABC 上,也在平面 A’B’C’ 上,因而也就在两平面的交线上。同理,另外两个交点也都在平面 ABC 和 A’B’C’ 的交线上,因此三个交点共线。当然,画在纸上的也好,照相机照出来的也好,人眼看到的也好,其实都是一个二维图形罢了。因此,命题在平面上也是成立的(这背后的逻辑是,在立体图形的平面投影中,直线仍然是直的,共线的仍然共线,共点的仍然共点;借助射影几何的思想,我们能给出一个更严格的证明)。

    这个证明神就神在,当你悟到之后,整个证明过程不但不需要一个字,而且连图形说明都可以不用,只需要盯着原图看,结论自己就跳出来了。看来,我们又多了一种证明问题的思路:盯着问题看,直到它突然一下变得显然成立了为止。

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经典证明:Cantor集中的元素两两相加可以遍历[0,2]

    今天看到一个有趣的证明,来源在这里

      

    Cantor 集是一个简单而又神奇的分形图形。把 [0, 1] 三等分,挖去中间那一段(即挖去 (1/3, 2/3) ),然后把剩下两段也都分别进行三等分,并挖去各自中间的一段。这样无限地进行下去,最后得到的极限点集就是 Cantor 集了(上面那张图不是分割线,是 Cantor 集的一个示意图)。我们通常把 Cantor 集记作 C 。Cantor 集具有很多神奇的性质:它的 Lebesgue 测度为 0,但它却包含有不可数个点;它里面的每个点都不是孤点,但它却又是无处稠密的。你可以在这里看到一些具体的分析。

    Cantor 集还有很多其他的性质。若 A 、 B 是两个集合,定义 A + B = {a + b | a ∈ A 并且 b ∈ B} ,也就是 A 中的某个元素与 B 中的某个元素相加可能得到的所有结果。下面我们将证明,C + C = [0, 2]。

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锈规作图续篇:单用一个只能画单位圆的圆规如何作线段中点

    在这个 Blog 的一篇很老很老的文章里,我曾经讲过一个非常有趣的几何作图问题,这个问题最早是由 D. Pedoe 教授在 1983 年提出的:给定 A 、 B 两点,只用一个生锈的圆规(没有直尺),如何找出一个点 C ,使得 A 、 B 、 C 恰好构成一个等边三角形?所谓“生锈的圆规”,也就是一个被卡住的圆规,它的两脚张角不能改变。我们不妨假设,它只能画出单位大小的圆。1987 年,我国的侯晓荣等人成功地解决了这个问题,并借助复平面理论得到了很多一般的结果,其研究成果《锈规作图论》发表在了《中国科学技术大学学报》上。

    锈规作出等边三角形的方法非常漂亮:利用锈规作图,我们能构造出两点之间由单位长线段构成的折线段,进而实现平行四边形的构造(已知其中三个点,能够只用锈规找出第四个点),进而完成等边三角形的构造。刚才提到的那篇“很老很老的文章”里有详细的描述,继续阅读之前,强烈建议先看一看。

    事实上,D. Pedoe 教授还提过另外一个问题:给定 A 、 B 两点,只用锈规能否作出 A 、 B 连线的中点?注意,由于没有直尺,线段 AB 实际上是画不出的。要想“隔空”找出线段的中点,显然并不容易。

    前几天翻起张景中的《数学家的眼光》,就是为了查阅这个问题的解决方法。《数学家的眼光》一书中详细描述了锈规作图找中点的方法,在这里和大家分享。

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趣题:公司应该雇用多少员工?

    某大公司有这么一个规定:只要有一个员工过生日,当天所有员工全部放假一天。但在其余时候,所有员工都没有假期,必须正常上班。这个公司需要雇用多少员工,才能让公司一年内所有员工的总工作时间期望值最大?
    假设一年有 365 天,每个员工的生日都概率均等地分布在这 365 天里。

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趣题:和为90度的一组锐角,正弦值之和一定大于1

    偶然瞥见一道很妙的题目:已知三个锐角 α 、 β 、 γ 的和为 90°,求证:sinα + sinβ + sinγ > 1

    这个问题的证明方法有很多,不过大家一定会喜欢下面这个证明:

      

    作一个半径为 1 的 90° 扇形,于是图中 α + β + γ = 90° 。注意到 △ABM 的面积可以写成 (1/2) · AB · AM · sinα = sinα / 2,类似地 △AMN 、 △ANC 的面积分别为 sinβ / 2 和 sinγ / 2 ,但他们的面积之和显然大于 △ABC。于是,sinα / 2 + sinβ / 2 + sinγ / 2 > 1/2,即 sinα + sinβ + sinγ > 1 。

    这个问题来源于张景中的《数学家的眼光》。