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同一个数学定理,为什么数学家要反复证明好几遍?

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一个数学命题被证明过一次,为什么还有人要再证一遍?这个问题听起来像抬杠,但它背后藏着数学这门学科真正的工作方式。


最近有人谈到,OpenAI曾意外产出了纳维-斯托克斯问题证明的两个版本。一些不熟悉数学的人对此感到困惑:同一个问题,两份不同的证明,怎么可能都正确?这个困惑恰好指向一个常被忽略的事实——证明不是作业题。

有数学家指出,多数人对数学的全部经验都停留在学校里,于是容易形成一种印象:数学家不过是在一张巨大的题目清单上往下做,把答案写出来,等着某位宇宙级的数学老师打勾。事实并非如此。证明是组织和推进数学思考的方式。可以把一个证明看成一段旅程,从陈述走到结论——而就像许多旅程一样,从A到B可以走很多条路。同一个问题出现多份证明,就是这么来的。

这种“再证一遍”、走一条还没走过的数学之路的做法,可以追溯到古代。最早的例子之一,是关于等腰三角形总有两条相等的边、底角也相等的命题。约在公元前350年,亚里士多德描述过一种证明,做法是从圆心向圆周画线——这份证明的原作者已经失传。大约50年后,欧几里得给出了一个只需要三角形、不需要圆的证明。这恰好绕开了一场数学争论:直线与曲线之间形成的角该如何定义。这个问题后来过了几千年才被解决。

欧几里得还出现在另一个例子里,说明反复攻击“已解决”的问题有多有用。他记录过一个证明:素数有无穷多个。假设你有一张有限的素数清单,把它们全部相乘,得到一个新数P,再定义q = P + 1。如果q是素数,它不可能在清单上,因为它比P大;如果q不是素数,那它必然能被某个素数整除,正如所有非素数一样。如果这个用来除的素数曾在清单上,它就必须也能整除P,但这就意味着它能整除q − P = 1,而这是不可能的。无论哪种情况,我们都找到了一个不在原清单上的素数。

据2023年的一项调查,欧几里得这个定理如今已有200种不同的证明。其中一份在当时切实推进了数学知识:莱昂哈德·欧拉在1737年发表了一个公式,把所有数之和与所有素数之积联系起来。他还借此暗示了素数的结构——不只是有无穷多个,而且沿着数轴往上会变得越来越稀疏。欧拉的公式在一个多世纪后启发了伯恩哈德·黎曼提出黎曼猜想,这是一个关于素数结构的深层问题,被视为当今数学最重要的未解之谜之一。如此看来,欧拉再啃一次欧几里得,很值。

也许令人意外的是,有时数学家会在暴露出推理缺陷之前,先给出同一个定理的多份证明。1933年,数学家威廉·格伦瓦尔德发表了一份证明,表明一个数a若相对所有素数具有某种性质,就总能写成另一个数x的n次方,即a = xⁿ。1942年,另一位数学家乔治·惠普尔斯用略有不同的数学给出了新证明。但到了1948年,王湘浩发现,这个结论对16并不成立,因为16不等于任何x的8次方。正确的结果如今被称为格伦瓦尔德-王定理。

更有意思的是,研究者甚至用数学方法研究过“证明之旅”这件事本身。在2022年的一篇论文中,斯坦福大学的斯科特·维特里和宾夕法尼亚州卡内基梅隆大学的西蒙·德德奥指出,如果一份数学证明是一串逻辑步骤,每一步都有极小的出错概率,那么证明足够长时,它更可能出错而不是正确。骰子掷得够多,掷出1几乎是必然的。那么数学家还怎么证明任何东西?

两人表明,一份数学证明的结构像一个网络,“真”沿着各步骤之间的路径传递,正如一段旅程。既然每一步都可能出错,这种“真”的强度会沿更长的路径衰减。但证明并不是在概念场里随机游走——它们有结构,论断常常被多条路径加固。这种结构让“真”能沿最强的路径传递,即便在其他路线上失效。正因如此,这个网络会经历两人所称的“认知相变”:在那种情形下,你可以极度确信这份证明是正确的。

这只是一个模型,未必被所有数学家接受,但它有吸引力,也符合自然的预期:数学家手里的证明越多,从A到B踩出的路越多,你就越能确信它是真的。在AI开始产出人类未必能理解的数学的时代,多条通往真相的路线——无论出自人类还是AI——或许能在本来只有不确定的地方带来信心。

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