阿基米德群牛問題

阿基米德群牛問題

公元前3世紀下半葉古希臘科學家阿基米德在論著《群牛問題》中記載了本問題。該問題在1880年由阿姆托爾提供了一種解答,該解答需要求解二元二次方程t-d*u=1,因d的值達400多萬億,所以完全問題的最小解中牛的總數是一個超過20萬位的數,可見阿基米德當時未必解出過這個問題,且它的結果也與實際不符。歷史上對這個問題的研究豐富了初等數論的內容。

問題的來歷

公元前3世紀下半葉古希臘科學家阿基米德在論著《群牛問題》中記載了本問題。原文用詩句寫成:

朋友,如果你自認為還有幾分聰明,

請來準確無誤地算一算太陽神的牛群,

它們聚集在西西里島,

分成四群悠閒地品嘗青草。

第一群象乳汁一般白潔,

第二群閃耀著烏黑的光澤。

第三群棕黃,

第四群毛色花俏,

每群牛有公有母、有多有少。

先告訴你各群的公牛比例:

白牛數等於棕牛數再加上黑牛數的三分之一又二分之一。

此外,黑牛數為花牛數的四分之一加五分之一,再加上全部棕公牛。

朋友,你還必須牢記花牛數是白牛的六分之一又七分之一,

再搭上全部的棕色公牛。

但是,各群的母牛都有不同的比例:

白色的母牛數等於全部黑色公母牛的三分之一又四分之一。

而黑母牛又是全部花牛的四分之一加上五分之一,

請注意,母牛公牛都要算進去。

同樣的,花母牛的數字是全部棕牛的五分之一加六分之一。

最後,棕色母牛與全部白牛的六分之一加七分之一相一致。

朋友,若你能確切地告訴我這些公牛母牛膘肥體壯、毛色各異,

一共有多少聚集在那裡,

你就不愧為精通算計。

但你還稱不上聰明無比,

除非你能回答如下的問題:

把所有的黑白公牛齊集一起,

恰排成正方形,整整齊齊。

遼闊的西西里島草地,

還有不少公牛在聚集。

當棕色的公牛與花公牛走到一起,

排成一個三角形狀。

棕色公牛、花公牛頭頭在場,

其他的牛沒有一頭敢往裡闖。

朋友,你若能夠根據上述條件,

準確說出各種牛的數量,

那你就是勝利者,

你的聲譽將如日月永放光芒。

題目: 西西里島的草地上, 太陽神的牛群中有公牛也有母牛,公牛母牛都是白、 黑、 花、 棕4種毛色; 白色公牛多於棕色公牛, 多出的頭數是黑色公牛的 12+13 ; 黑色公牛多於棕色公牛, 多出的頭數是花公牛的 14+15 ; 花公牛多於棕色公牛, 多出的頭數是白色公牛的 16+17 ; 白色母牛是黑牛的 13+14 ; 黑色母牛是花牛的 14+15 ;花母牛是棕色牛的 15+16 ; 棕色母牛是白色牛的 16+17 .問各色公牛與母牛有多少頭?

問題的深意

阿基米德的論文向來是以命題的形式來表達的,而這篇的體例不同,它是用詩句寫成的。標題是給埃拉托塞尼的信。胡爾奇(Hultsch)曾猜想這是阿基米德“顯本領(tour de force)”之作,以此向亞歷山大的學者們(特別是阿波羅尼奧斯)挑戰。但它的真實性頗值得懷疑,因為“群牛問題”大概很早以前就已存在,阿基米德只是重新研究而已,詩句也未必出自他的手 。

問題的敘述

詩的大意是:西西里島草原上有一大群牛,公牛和母牛各有4種顏色。設W、X、Y、Z分別表示白、黑、黃、花色的公牛數, w、x、y、z分別表示這白、黑、黃、花色的母牛數。

要求有

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為一個正方形(數),

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為一個三角形(數)(即形如 的數,m為正整數)。

求各種顏色牛的數目。

倒數第二個條件中的正方形數有兩種解釋:

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一種是 ,因為要擠成一個正方形,還需要考慮身長與體寬的比,故右端不是任意兩個正整數之積mn而是 (k是常數),稱為“較簡問題”。

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另一種為 (完全平方數),即長與寬上牛的數目相等,稱為“完全問題” 。

問題的解決

“較簡問題”已由武爾姆解決。“完全問題”在1880年為阿姆托爾(Amthor)所解決。

即使較簡問題,牛的總數也已達到頭之多!

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而完全需要求解二元二次方程 。

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最小解牛的總數是,位數超過20萬!當時阿基米德未必解得出來。

而即使沒有最後兩個條件,群牛問題的最小正數解也達50'389'082,故它的敘述自然與實際不符——西西里島再大也裝不下這么多牛的。但歷史上對這個問題的研究豐富了初等數論的內容 。

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