印度數學天才拉馬努金 一個世紀後讓矽谷大佬落淚
2016年10月7日

2016年4月,著名投資人尤里.米爾納在自己家中舉行了一場小規模的晚宴,到場嘉賓包括Google CEO皮查伊、Google創始人布林、Facebook創始人兼CEO朱克伯格及其他數十位矽谷領袖。晚宴上,米爾納放映了一部傳記體電影——《數造傳奇》(The Man Who Knew Infinity)。影片講述了印度傳奇數學家拉馬努金(Srinivasa Ramanujan)33歲短暫的一生。宴會結束後,朱克伯格等人是紅着眼眶走出來的。

 

英國教授收到天才的信
那是1913年1月,當時全世界最好的數學家之一,英國劍橋大學的哈代(G.H.Hardy)收到一封來自印度的信,信中說︰「請容我介紹我自己。我是在馬德拉斯港務信託會計課做事的職員,年薪只有20英鎊,年齡23歲(事實上是25歲)。我沒有受大學教育,不過受過普通教育。離開學校後我用我餘下的時間唸數學。我對於一些一般發散級數做了特別的觀察,所得結果讓地方上的數學家感到驚奇……請您過目我附上的紙張。我窮困,所以您如果認為我的一些定理有價值,我希望它們能夠發表出來。我並沒有附上實際的驗證或演算過程,但我指出我的想法。我沒有經驗,不過您給的任何勸告我都會珍惜。請原諒我的冒昧。」信中附上的120個定理和公式佔去9張紙。哈代覺得很奇特,就像看到一座森林,它的樹木卻像從其他星球上移植過來的。他約了同僚李特爾伍德(J.E.Littlewood)一起檢視這些定理,判定這是位天才的作品。
這個年輕人叫拉馬努金,他1887年12月12日生於印度馬德拉斯省坦焦爾地區貢伯戈訥姆(Kumbakonam,Tanjore district,Madras province)附近的埃羅得(Erode)。拉馬努金出生於一個貧窮的信奉婆羅門教的家庭,他是長子,還有兩個弟弟。他的父親是一家布店的小職員,收入微薄。全家老小共7口人,就靠父親每月20盧比的薪水生活。拉馬努金5歲開始上學,讀了兩年小學後,便升入貢伯戈訥姆的中學念書。1897年,即他10歲時,在初級考試中名列全坦焦爾地區第一名。他喜歡動腦筋想問題。有一次,他的老師講課講到零的性質:「零除以任何數,其得數均為零。」拉馬努金覺得有些疑惑,便站起來問老師:「零被零除是不是也得零?」這時,數學的奇妙性質已引起了他的注意。
12歲時,高班的同學借給他一本朗內(S. L. Loney)寫的《平面三角學》(Plane Trigonometry)。,他在短時間裏自學完全書,並解答出書中所有的問題,還獨立推導出歐拉公式(Euler's formula)。


因偏科未能畢業
1903年,他通過中學第一次分配考試,進入貢伯戈訥姆公立學院學習。在學院圖書館,他借到英國數學家G.S.卡爾(George Shoobridge Carr)的《純粹及應用數學的基本成果概要》(A Synopsis of Elementary Results in Pure and Applied Mathematics)一書。這本書中收錄了代數、微積分、三角學和解析幾何的5000多個方程,但沒有給出詳細證明。從1903年到1907年,拉馬努金仔細研讀這本書,證明並推廣了書中的結果。1904年,他因數學等課程學習成績優異獲得學院的獎學金,學年終,卻因英語等科成績不佳而失掉獎學金。最後,又因文科考試成績太差未能升級,被迫中途輟學。他在馬德拉斯的一所學院學習了短暫的一段時間,其後又返回貢伯戈訥姆公立學院,但因偏科又未能畢業。
從1907年到1911年,他一直沒有固定的職業,但生活的不安定並不能使他對數學的興趣稍減。他把研究得出的結論記錄在筆記本上。幾年下來,筆記本記了足足三大本。這些數學結論都沒有給出證明過程。


用數學筆記本求職
1909年,拉馬努金結婚,妻子詹基.安馬(Janki Amma)當時才9歲。成家以後,必須出外謀生。1910年,他打聽到蒂魯戈伊盧爾(Tirukoyilur)一個小鎮的鎮長R.艾亞爾(Aiyar)是一個數學愛好者,不久前還創立了印度數學學會。拉馬努金帶着自己的研究成果去找他,要求能有一份餬口的小差使。幾個月後,他又被介紹給R.拉奧(Rao)。拉奧是馬德拉斯以北150公里的內洛爾地方的徵收員,對數學很有興趣,也是印度數學學會的創建人之一。拉馬努金翻開揉破了的筆記本,向他解說自己的數學發現。拉奧十分憐惜這個年輕人的才能,並認為讓他幹辦事員的工作不能解除他的麻煩。他要拉馬努金回到馬德拉斯去,並願意按時給他一些錢,維持他一段時期的生活,同時向有關方面為拉馬努金爭取研究津貼,以使他能安心從事研究。
一天,拉馬努金碰到一位老朋友。這位老朋友對他說:「人們稱讚你有數學的天才!」拉馬努金聽了笑道:「天才?!請你看看我的肘吧!」只見他肘上的皮膚又黑又厚。他解釋他日夜在石板上計算,用破布來擦石板上的字太花時間,於是每幾分鐘就用肘直接擦石板上的字。朋友問他既然要作這麼多計算為何不用紙來寫?拉馬努金說他連吃飯都成問題,哪裏有錢去買這麼多的紙。


窮困潦倒 無錢買紙
原來,研究津貼沒能申請到手,拉馬努金又不願意成為別人經濟上的包袱,已有一個月沒到拉奧那裏拿錢了。幸好經拉奧及其他人介紹,他於1912年在馬德拉斯港務局找到一份工作,月薪為每月25盧比。在海港,他經常拾一些包裝紙來做草稿,有時利用工間休息在辦公室裏做計算。由於心不在焉,他曾幾次把算稿夾在工作文件中一起送交上級,惹出一些麻煩。這段時期,拉馬努金在數學上已初露頭角,在《印度數學會雜誌》(Journal of the Indian Mathematical Society)上發表了他的第一篇論文「伯努利數的一些性質」(Some Properties of Bernoulli's Nmbers),稍後,又發表了一批關於級數、無窮積、π的幾何近似構造的文章。
在一些朋友的鼓動下,拉馬努金於1913年1月16日給英國劍橋大學的著名數學家哈代寫了一封信,出現了本文開始時的那一幕。哈代及時給拉馬努金回了信,邀他來劍橋一起作研究。


30歲膺英國皇家學會會員
作為虔誠的婆羅門教徒,拉馬努金對離開印度有所顧慮。哈代頗覺失望,但仍繼續為此尋找機會。正好他的一位同事E.H.內維爾(Neville)在馬德拉斯講學,哈代委託他勸說這個年輕人,最後終於成功了。1914年,拉馬努金從印度來到三一學院,得到劍橋大學給予的很優厚的獎學金。哈代和李特爾伍德為他安排了一定的進修課程,以彌補他在基礎知識上的不足。在哈代和李特爾伍德的幫助下,他的研究工作進展迅速。在歐洲的5年裏,他在英國、法國、德國的數學雜誌上共發表了21篇論文(其中有幾篇是與哈代合作的),此外,在《印度數學會雜誌》還發表了多篇論文、注記等。由於研究成果卓著,拉馬努金於1918年被推選為英國皇家學會會員及三一學院的研究員。這些榮譽可說是一個數學家渴望的最高榮譽,而拉馬努金在30歲左右就都得到了,這是值得自豪的一方面。但是另一方面,由於他過度勞累,對身體也造成了一定的危害。又由於他是虔誠的婆羅門教徒,絕對奉行素食主義,在英國的這段時期,他總是自己煮食,且常常因研究而忘記吃飯。這就使得他的身體愈來愈虛弱,後來經常感到身上有無名的疼痛,最後才發現患了重病,可能是肺結核,這時是1917年。
拉馬努金在英國的最後一年幾乎全是在療養院度過的,但他仍全力以赴地從事數學研究。也許英國寒冷的氣候對肺病不利,如果回到印度可能會恢復健康。於是他決定回國。但由於第一次世界大戰的影響,他一直難以成行,直到1919年4月才回到印度。馬德拉斯大學為他安排了5年期每年250英鎊的研究津貼,同時擬提拔他為教授。


33歲逝世 遺失筆記本
1920年4月26日,拉馬努金病逝於馬德拉斯附近的切特普特(Chetput),年僅33歲。他一生清貧,死後僅留下兩張照片,以及一個熱敷用的熱水袋和一些書籍文稿。
拉馬努金在臨終前,仍以頑強的毅力進行數學研究,在馬德拉斯的病榻上產生了他的第四本筆記本。該筆記本被稱為「遺失的筆記本」,因為在他死後一直不知下落達50多年。直到1976年,美國賓夕法尼亞大學教授G.安德魯斯(Andrews)訪問劍橋大學三一學院時,在該校的圖書館中發現。這本筆記本中包含着600餘條公式,但都沒給出證明過程。
他的前三個筆記本已於1967年出版,「遺失的筆記本」也由印度總理於1987年12月22日批准公諸於世。他的合集已由劍橋大學出版社出版。作為對他的紀念,馬德拉斯大學建立的一個高等數學研究所,就以他的名字命名。
拉馬努金研究的領域是「數論」與「組合數學」。數論是研究整數的學問,而組合數學屬於離散數學,在電腦科學上有着廣泛的應用,同時也是密碼學,人工智慧、資料庫、演算法設計與分析的理論基礎。
拉馬努金最擅長的就是無限級數與數論。其中一個他與哈代一起研究的傑作就是Partition Formula。何謂partition?就是用正整數相加得出某個數的方法
以3為例,3=1+2=1+1+1,可以用3種方法表示(次序不同算同一方法),所以p(3)=3。
至於4,4=1+3=2+2=1+1+2=1+1+1+1,可以用5種方法表示,所以p(4)=5。
至於5,5=1+4=2+3=1+1+3=1+2+2=1+1+1+2=1+1+1+1+1+1,可以用7種方法表示,所以p(5)=7。
之後的數字開始變得愈來愈複雜了。P(100)已經等於190569292。那再大一些呢?P(10000)是多少?數學家都無能為力了。直至拉馬努金與哈代發現了以下的公式:


相信沒有幾人看得懂這條公式,不過至少可以感受一下大師的風采。


宣稱女神在夢中給其啟示
拉馬努金的數學貢獻為現代數學家從事數學研究提供了很好的史料,對現代數學的發展也產生了難以估量的影響。他在堆壘數論特別是整數分拆方面做出了重要貢獻,在橢圓函數、超幾何函數、發散級數等領域也有不少成果。他有着很強的數感,雖未受過嚴格數學訓練,卻能獨立發現了近3900個數學公式和命題。他經常宣稱在夢中娜瑪卡爾女神給其啟示,早晨醒來就能寫下不少數學公式和命題。他所預見的數學命題,日後有許多得到了證實。如比利時數學家德利涅(Pierre Deligne)於1973年證明了拉馬努金1916年提出的一個猜想,並因此獲得了1978年的菲爾茲獎。
除了在純數學方面做出卓越的成就以外,拉馬努金的理論還得到了廣泛的應用。他發現的好幾個定理在包括粒子物理、統計力學、電腦科學、密碼技術和空間技術等不同領域起着相當重要的作用,甚至晶體和塑料的研製也受到他創立的整數分拆理論的啟發。他生命中的最後一項成果──模仿θ函數有力地推動了用孤立波理論來研究癌細胞的惡化和擴散以及海嘯的運動;最近有專家認為,這一函數很可能被用來解釋宇宙黑洞的部分奧秘。
哈代曾感慨道:「我們學習數學,拉馬努金則發現並創造了數學。」他更喜歡公開聲稱的是,自己在數學上最大的成就是「發現了拉馬努金」。有一天,哈代乘了一輛出租汽車去醫院看他,這車牌號碼是1729。哈代對拉馬努金講出了這個數字,看來沒有什麼意義。可是拉馬努金想一下馬上回答:「這是能以兩個方式表述為兩個立方數之和的最小數字。」哈代發出感嘆:「每個數都是拉馬努金的朋友。」