Srinivasa Ramanujan · 1887–1920

拉马努金

公式先于证明抵达,而它们大多是对的

p(n)14n3eπ2n/3p(n) \sim \frac{1}{4n\sqrt{3}}\, e^{\pi\sqrt{2n/3}}
哈代–拉马努金渐近公式 · 把分拆数的爆炸式增长算准到个位

斯里尼瓦瑟·拉马努金生于印度埃罗德,在库姆巴科纳姆长大。他数学之外的科目一概不及格,两次丢掉奖学金,最后在马德拉斯港务局做办事员。他的数学几乎全部自学,起点是一本卡尔的《纯数学基本结果概要》——五千条结论,基本不给证明。他此后的写法就带着那本书的影子:写下结果,不写来路。

1913 年 1 月,他写信给剑桥的哈代,附上约一百二十条公式。哈代后来说,其中有些他见所未见,而「它们必定是真的,因为如果不真,没有人能凭想象编出这种东西」。次年他远渡英国,1918 年当选皇家学会会员,是当时最年轻的一批。1919 年抱病回国,次年去世,年仅三十二。他留下三本笔记本和一叠散页——那叠散页 1976 年才被安德鲁斯在三一学院的箱子里重新发现,里面是他生命最后一年写下的模仿 θ 函数,今天仍在被人一条条地啃。

拉马努金肖像
护照照片,1913 · 剑桥三一学院藏 · Wikimedia Commons,公有领域

生平

  1. 1887
    生于埃罗德

    婆罗门家庭,家境清寒;在库姆巴科纳姆长大。

  2. 约1903
    得到卡尔的《概要》

    五千条结论,基本不给证明。他此后的写法就带着这本书的影子。

  3. 1904–1907
    两次丢掉奖学金

    数学之外的科目一概不及格;此后几年靠家教与接济度日。

  4. 1912
    马德拉斯港务局办事员

    工作之余在废纸上算,同事回忆他常常算到忘了下班。

  5. 1913
    致哈代的信

    1 月 16 日寄出,附约一百二十条公式。同批寄给另外两位剑桥学者的信没有回音。

  6. 1914
    远渡剑桥

    越洋违背他所属种姓的习俗;母亲据说是做了一个梦之后才松口。

  7. 1918
    分拆数与皇家学会

    与哈代给出 p(n) 的渐近公式,圆法由此发端;同年当选皇家学会会员。

  8. 1920
    病逝于库姆巴科纳姆

    年三十二。长期被认为死于肺结核,现在多认为是肝阿米巴病——一种当时可治的病。

展品厅

绝大多数展品都可以亲手把玩——这是本馆的立馆之本;少数以叙述为主的,做成故事展签。

镇馆之宝 · 亲手玩

圆周率的级数

一项换八位小数,而且是稳定地换。

1π=229801k=0(4k)!(1103+26390k)(k!)43964k\frac{1}{\pi} = \frac{2\sqrt{2}}{9801}\sum_{k=0}^{\infty}\frac{(4k)!\,(1103+26390k)}{(k!)^4\,396^{4k}}

1914 年他给出这个级数,只算第一项就已经对到小数点后六位,此后每加一项再买八位。它不是把 π 越算越近的普通级数——收敛快到近乎荒谬。1985 年戈斯珀用它算到一千七百万位;今天创造 π 位数世界纪录的丘德诺夫斯基算法,是它的直系后裔。拉马努金没有留下推导,只写下了结果;完整证明要等到 1987 年博温兄弟从模方程出发才补上,中间隔了七十三年。

一项一项加上去,看正确的位数怎样一次跳八位

第一项就对到小数点后六位,此后每加一项稳定地再买八位——六项四十七位。1985 年戈斯珀用它算到 一千七百万位;今天创造 π 位数世界纪录的丘德诺夫斯基算法,是这条式子的直系后裔。 拉马努金没有留下推导,只写下了结果;完整证明要等到 1987 年,博温兄弟从模方程 出发才补上——中间隔了七十三年。

镇馆之宝 · 亲手玩

分拆数 p(n)

把 n 拆成若干正整数之和,有多少种拆法?

p(4)=5p(4) = 5

问题小学生也听得懂:4 有五种拆法。可 p(n) 涨得极快,p(100) 已是一亿九千多万。哈代与拉马努金给出的渐近公式准得离谱——他们甚至能把 p(200) 算到精确的整数值。为算它发展出的「圆法」,此后成了解析数论的常规武器。

把 n 的所有拆法一行行摆出来,再看渐近公式追得有多紧

4 有五种拆法:4、3+1、2+2、2+1+1、1+1+1+1。问题小学生也听得懂,可 p(n) 涨得极快——p(100) 已是 190,569,292。右边画的是渐近公式除以精确值:n 小时 差着三成多,还带着奇偶交替的锯齿(那是真的,渐近公式只保证 n 大时准), 往右一路压向金色那条 1.0 线。补上更多项之后,哈代与拉马努金能把 p(200) 算到精确的整数 3,972,999,029,388。 为算它发展出的「圆法」,此后成了解析数论的常规武器。

分拆同余

每隔五个,p(n) 必定被 5 整除。

p(5n+4)0(mod5)p(5n+4) \equiv 0 \pmod 5

p(n) 涨得毫无章法,可他在麦克马洪手算的前两百项里看出:n 除以 5 余 4 的位置,p(n) 一定被 5 整除;余 5 的位置对 7 成立;余 6 的位置对 11 成立。把 2 到 13 挨个试一遍,只有 5、7、11 灵,而且各自只有一个余数位置——偏偏是这三个。为什么是它们,要到模形式的语言里才说得清;而他是先看见的。

p(n) 涨得毫无章法,可拉马努金在麦克马洪手算的前两百项里看出:每隔五个, p(n) 必被 5 整除;每隔七个必被 7 整除;每隔十一个必被 11 整除。 把 2 到 13 挨个试一遍,只有 5、7、11 成立,而且各自只有一个余数位置成立 ——偏偏是这三个。它们后来被放进模形式的框架里才算说清了为什么, 而他是先看见的。

嵌套根式

一层套一层,永远套下去,结果是个整整齐齐的 3。

1+21+31+4=3\sqrt{1+2\sqrt{1+3\sqrt{1+4\sqrt{\cdots}}}} = 3

1911 年他把这个式子登在《印度数学会会刊》上征解,半年无人应答,最后他自己给出了答案。它不是巧合:背后有一个可以生成无穷多同类等式的恒等式,而他一眼就能看见这类结构——这正是他那种「公式先于证明抵达」的典型样子。

截断总要给最里层填一个数。这里同时填 1 和填 0,两条曲线从上下两侧夹过来—— 说明极限跟你怎么起步无关:加到八层还只对得上一位小数,三十几层就在小数点后 九位上重合于 3。 1911 年拉马努金把这个式子登出来征解,半年没人答上,最后他自己给出答案: 背后是一个能生成无穷多同类等式的恒等式,而他一眼就看见了那个结构。

1729 与出租车数

哈代说那辆车的号码很没意思。拉马努金说,不。

哈代去普特尼的病房看他,随口说自己坐的出租车是 1729 号,一个乏味的数字。拉马努金立刻答:不,它是能用两种方式写成两个立方数之和的最小的数。1729 = 1³ + 12³ = 9³ + 10³。这不是记忆力——他对数字的熟悉是结构性的,像认得熟人一样认得它们。

故事展签故事展签:一句随口的闲话,换来数学史上最著名的即兴回答。

失落的笔记本

一叠散页在箱子里躺了五十六年。

1976 年,安德鲁斯在三一学院翻检瓦特森的遗物时,找到一叠约一百页的散稿——是拉马努金生命最后一年写的,此前无人知晓。里面是「模仿 θ 函数」,一类他只给了例子、没给定义的对象。直到 2002 年茨韦格斯才把它们放进一个正经的理论框架里;今天它们出现在黑洞熵的计算中。

故事展签故事展签:他最后一年写下的东西,数学界用了半个世纪才追上。

传承

他的工作没有留在十八世纪——每条链的终点,都是你今天正在使用的东西。

分拆数渐近公式圆法解析数论与堆垒问题
τ 函数与同余模形式费马大定理的证明路径
模仿 θ 函数调和马斯形式黑洞熵的计算

语录

我没有走大学里那条常规的路,我是在为自己另辟一条。

—— 1913 年 1 月 16 日致哈代的第一封信

不,那是个很有意思的数。它是能用两种方式写成两个立方数之和的最小的数。

—— 哈代《拉马努金:十二讲》,1940,转述病房里的对话