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图上看见的规律,哪一步才成为证明?

一张铺砌图能引出猜想,换一组坐标能把找矩形变成找碰撞,换一种画法也可能凭空多出螺旋。三种图分别帮我们猜、推和排除一种解释。

本文的问题 · 3
  1. 先试会输的例子,再问为什么总会赢
  2. 换图时,哪一条关系必须一起搬过去?
  3. 把所有整数都画一遍,螺旋还在吗?

先试会输的例子,再问为什么总会赢

Knuth 在矩形铺砌的计数里发现一个意外规律。再跑几个尺寸,结果都吻合,这很适合用来决定下一步研究什么。若想把「到现在还没错」写成「所有尺寸都成立」,MIT 的证明课给了不同的标准:从明说的假设,逐步推出要证明的命题。可以把猜想写给另一位读者,请他选一个最有希望出错的尺寸。找到反例就推翻了全称说法;没找到,仍须说明是什么约束排除了其余反例。

原文与时间戳 · 2
all of a sudden you jump to a conjecture then you try it on it on another couple of cases
Stanford Lecture: Don Knuth—"A Conjecture That Had To Be True" (2017) · ▶ 51:16–51:26
is a verification of a proposition by a chain of logical deductions from a set of axioms.
Lec 1 | MIT 6.042J Mathematics for Computer Science, Fall 2010 · ▶ 7:39–8:16

换图时,哪一条关系必须一起搬过去?

在闭曲线上找矩形,直接拖动四个点很难知道该看什么。改为每次只取两点,用它们的中点作平面坐标,用两点间距作高度。现在两个不同点对撞到同一个三维位置,就给出等长、互相平分的两条对角线。编码说明了碰撞为何足够,仍要证明碰撞必定存在。立方体旋转与四个对象的排列提供第二项检查:哪怕两边恰好都有 24 个元素,也得验证先后做两次动作时对应关系仍成立。

原文与时间戳 · 3
the midpoint of A and C is the same as the midpoint of B and D
Who cares about topology? (Old version) · ▶ 2:47–2:55
exactly d units above that midpoint m
Who cares about topology? (Old version) · ▶ 4:06–4:11
which preserves composition
Group theory, abstraction, and the 196,883-dimensional monster · ▶ 11:42–11:51

把所有整数都画一遍,螺旋还在吗?

把整数 n 画在半径 n、极角 n 弧度的位置,先别筛质数。每走 44 步就接近转完七圈,所以某些细臂原本就会出现。现在才筛:哪些臂上缺点是质数条件造成的?另一个圆格点问题采取相反策略,从面积与按距离分环两条路去数同一批整数点。前者用对照图排除绘图规则,后者先证明两种算法数的是同一对象。两者都比「图上又出现了 π」多了一步。

原文与时间戳 · 3
taking 44 steps is very close to a whole number of turns
Why do prime numbers make these spirals? | Dirichlet’s theorem and pi approximations · ▶ 7:13–7:21
how many lattice points of the plane sit inside a big circle
Pi hiding in prime regularities · ▶ 1:51–2:00
count how many lattice points are on a given one of these rings
Pi hiding in prime regularities · ▶ 4:27–4:36

读完再想一步

选一张最近说服过你的图,在边上写出它表现的对象、绘图规则,以及还差哪一步才能把所见推广到图外的案例。