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佩尔方程与阿基米德群牛问题

9月4日下午,作为科普基地与“社会大课堂”的支持机构,中国科学院数学与系统科学研究院迎来了240名北京师大二附中高一年级的学生与老师。这是该校在新学年的开始组织的一次“走进科学院,走近科学家!”活动。

数学与系统科学院为参加本次活动的学生们准备了丰富的内容。首先数学所的研究员王元院士为学生们做了非常精彩的数学科普报告,报告的题目是“佩尔方程与阿基米德群牛问题”。

 

王元院士从“什么是佩尔方程?”讲起,一边介绍历史上曾经有很多人研究过佩尔方程有没有解,如何解的问题。同时他告诉学生们其实佩尔方程与佩尔这个人一点关系都没有,但是为什么还要用他名字来命名呢?接着他又讲了是谁命名佩尔方程的故事。

大约在公元1200多年印度人就知道了佩尔方程的解法。有文献记载古希腊数学家在2000年前就知道这个方程,但是没有证据表明他们在那个时期会解这个方程。大数学家欧拉也曾研究过佩尔方程,并取得了一些进展。最早证明佩尔方程解存在的是法国数学家拉格朗日,他在1768年写了一本书,提出佩尔方程有解,有无穷多个解并给出了证明,这就是拉格朗日定理。虽然拉格朗日从数学上解决了佩尔方程解的存在性问题,但是从应用数学的角度来看,这个问题并没有解决,研究才刚刚开始。

王元院士一边讲解佩尔方程研究的进展,一边穿插地介绍与这些知识有关的故事。他说阿基米德曾经用诗提出了一个“群牛问题”,但是两千多年来一直没有解决。直到21世纪这个问题才得到解决。为什么那么难?因为这是一个不定方程也叫丢番图方程。所有数论与近代数学研究的最重要内容就是研究不定方程,例如,数学家研究了350年才解决的费马大定理与还未解决的哥德巴赫猜想都是不定方程,可见不定方程是很重要的。许多复杂的问题都是先一步一步地化成佩尔方程,然后再加以解决的。

虽然高一的学生还没有学过不定方程的知识,但是王元院士从定义、定理到方程的解法层层展开,把佩尔方程知识的来龙去脉讲得清清楚楚、明明白白,学生们听得津津有味。可以看出他们听懂了王元院士所讲的内容。短短40分钟的报告使学生学到许多书本上学不到的知识。

 
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