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空間有限的情況下,怎樣才能堆疊最多的球體呢?——《數學的故事》

時報出版_96
・2019/10/08 ・5488字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 540 ・八年級

文/蔡天新,本文摘錄自《數學的故事》,2019年時報出版

有些數學證明如此美妙,只能是上帝的創造,數學家不過是幸運地發現了它們而已。

——艾狄胥

探險家和作家雷利

沃爾特.雷利(Sir Walter Raleigh)是十六世紀後期英國著名的探險家,算得上是當時的風雲人物。他本是女王伊莉沙白一世的寵臣,三十一歲受封為爵士,後來被女王的繼任者詹姆斯一世指控謀反並囚禁於倫敦塔,最終被處以極刑。

雷利的肖像畫。圖/wikimedia

雷利少年時即參加法國宗教戰爭,後就讀牛津大學,畢業後又參與鎮壓愛爾蘭人的起義。他坦率批評英國對愛爾蘭人的政策,引起了伊莉莎白女王的注意。女王欣賞雷利的才幹,也被他的個人魅力吸引。

伊莉莎白女王賜予雷利倫敦特勒姆旅館的部分租借權、各色絨呢的出口權,讓他擔任錫礦主管、海軍中將和議員,乃至王宮侍衛長、英吉利海峽的澤西島總督。後來雷利瞞著女王與她的侍女偷偷結婚生子。女王發現後,把他和妻子雙雙關入倫敦塔,雖然不久後就釋放了他們,但雷利從此失去了比他年長二十一歲、終身未嫁的女王的恩寵。

雷利為了航海曾學習數學,也學過化學和醫術。與女王決裂之前,他曾遠距指揮在美國的北卡羅萊納和維吉尼亞建立殖民地。北卡羅萊納沿海的羅阿諾克島原本是英國人在新大陸最早的定居點,可惜一百一十六名移民某天卻突然人間蒸發,包括在新大陸誕生的第一名英國嬰孩維吉尼亞.戴爾(Virginia Dare),至今依然是未解之謎。那時距離「五月花」號駛往麻薩諸塞尚有半個多世紀。

被處死前的雷利。圖/時報出版提供

如今,北卡羅萊納州的首府羅利就是以雷利的名字命名,羅阿諾克島上也有羅利堡國家歷史遺址,該島隸屬的縣名叫戴爾,即以那位新生兒的名字命名。有趣的是,同屬戴爾縣的小鷹鎮是一九○三年十二月十七日萊特兄弟首次成功試飛飛機的地方,小鷹鎮的沙洲與羅阿諾克島相距不超過十公里,中間隔著羅阿諾克海峽。

寫到這裡我想順便說,人名、地名、物名的中文譯名各異相當常見,例如義大利汽車製造商費拉里和他生產的跑車、賽車法拉利其實源於同一個單詞 Ferrari。而叫費拉里的義大利人中,還有十六世紀的一位助理醫生,他因為率先提出四次方程的代數解,成了那個時代最偉大的數學家之一。

一五九四年,雷利聽說南美洲有金礦,決定再次出海。他懷疑上一次的殖民行動之所以失敗,是因為彈藥不足以致全軍覆沒,這次打算準備足夠的食物、淡水、火藥、槍彈和炮彈。

那時的炮彈均為直徑相同的鐵球,雷利為此命令他的科學顧問、數學家哈里奧特(Thomas Harriot)找出在有限空間內盡可能堆放炮彈的方法,並計算船隊的彈艙能夠堆放多少發炮彈,由此產生了堆球問題和克卜勒猜想,我們將在後文中介紹。

奧利諾科河的全景。圖/wikimedia

雷利率領的遠征軍抵達蓋亞那以後,沿奧利諾科河航行到西班牙殖民地的腹地。奧利諾科河是南美洲四大河流之一,發源於委內瑞拉與巴西接壤處,上游是哥倫比亞與委內瑞拉的界河。

二○○○年我第一次去哥倫比亞時,搭乘的飛機便是從此河入海處進入南美大陸。西班牙人的文件和印第安的傳說使雷利相信,南美洲有一座「黃金之城」。他的確也找到了一些金礦,但沒有一處足以讓他殖民開發。

返回英國後,雷利出版了《蓋亞那的發現》一書。在他被處死(與他冒犯了英國國王不願得罪的西班牙人有關)以後,人們發現雷利還有許多文學著作,包括五百六十行遺詩。詩中他稱伊莉莎白女王為月亮女神,但也指責她絕情,很可能是影射她將他囚禁一事。此外他還寫了一些散文與一部《世界史》(從創世紀一直寫到西元前二世紀)。

蓋亞那位於南美大陸東北部,西鄰委內瑞拉,南接巴西,東邊是說荷蘭語的蘇利南和說法語的法屬圭亞那,雖然人口只有七十多萬,國土面積卻幾乎與英國本土一樣大。如今,可能會讓雷利比較欣慰的是,蓋亞那不僅是英聯邦成員國,也是拉丁美洲二十個國家裡唯一以英語為官方語言的。而在日本著名漫畫《海賊王》裡,雷利變成了海盜,而且只是個副船長,後來還成了鍍膜匠。

家庭教師哈里奧特

掛在母校牛津大學的哈里奧特像。 圖/wikimedia

現在我們來說說隨雷利遠征蓋亞那的首席科學顧問哈里奧特。哈里奧特出生於牛津,就讀牛津大學的聖瑪麗學堂,在學生時代就展現出超凡的數學才能,畢業後不久就進入雷利家,成為一名家庭教師。

哈里奧特參與了雷利家族船隻的設計,並用自己的天文學知識為導航提供建議。一五八五年,雷利派他參加新大陸的羅阿諾克島探險,聘他為科學顧問,主要負責測量。

哈里奧特繪製了後來被稱為維吉尼亞州和北卡羅萊納州的地圖,考察報告出版後也多次重印。返回英國後,哈里奧特受雇於著名的珀西家族成員、諾森伯蘭九世伯爵,在伯爵家成為多產的數學家、天文學家和翻譯家,尤其擅長翻譯印第安人的阿爾岡昆語。

哈里奧特繪製的月球地圖。圖/wikimedia

哈里奧特率先繪製出月球的地圖,日期標注為一六○九年七月,比伽利略早了四個月。一六○七年哈雷彗星的回歸也引起了哈里奧特對天文學的關注,他自製(另說購買)了一架望遠鏡,與伽利略各自獨立發現了太陽黑子和木星衛星。

他還率先發現了光的折射理論,只不過沒有發表。哈里奧特生前已是享有盛譽的天文學家和數學家,一九七○年,月球的一個隕石坑以他的名字命名。

身為數學家,哈里奧特被公認是英國代數學學派的奠基人,他在該領域的巨著《使用分析學》(Artis analyticaepraxis)在他去世十年後才出版。

書中改進了方程理論,注重根與係數的關係,詳細論述了如何由已知根建構方程式,並揭示出任何 n 次方程與 n 個線性方程之積是等價的,接近高斯在十九世紀證明的代數基本定理。特別的是,哈里奧特還創造了不等號「>」和「<」,這兩個符號也沿用至今。

如何在最小空間內堆放最多炮彈?

前文提到,雷利要求哈里奧特找出在有限船艙內堆放最多炮彈的方法。哈里奧特很快就給出了答案:先以三角形狀排好最低一層,然後讓第二層的球心盡可能地低,依次增加層數,就能得到一個盡可能最高效率的堆疊法。

科學稱為最密集的排列,也就是所謂的砲彈堆疊。圖/wikimedia

我們從中可輕易看出,按照這樣的堆放方式,每個非邊緣的炮彈恰好與十二顆炮彈相切,即同層六顆,上一層和下一層各三顆。關於一顆球能否與十三個同樣大小的球相切,一個世紀以後,牛頓與蘇格蘭天文學家格雷果里(James Gregory)有過爭論,牛頓的否定答案無疑是正確的。

這十二個切點形成的十二面體包緊了一個球體,所有這些十二面體可以填滿整個空間。把十二面體分成十二個全等的錐體,可以求得它的體積為 \(4\sqrt{2}\)。再按照阿基米德的球體積計算公式,每一顆球的體積是 4π/3。兩者相除即得球堆的密度為 \( \frac{\pi}{\sqrt{18}}\)。德國人克卜勒則給了更簡潔的方法,我們將在下節介紹,現在先來看平面的情形。

假如我們考慮二維的問題,即在平面上填塞圓。首先,我們讓每一個圓與四個同樣大小的圓相切,那麼在 m 行 n 列個圓的長方形排列中,圓的面積總和為 mnπ,而長方形的面積為 4mn,於是兩者的比值為 π/4。不難看出,只要平面的範圍(相比小圓的半徑)夠大,那麼小圓的半徑大小不影響這一比值。

其次,我們讓每一個圓與六個同樣大小的圓相切,由畢氏定理可知,每行圓的高度為 \(\sqrt{3}\),但每隔一行會減少一個圓,因此圓面積總和為 \(\frac{m\left ( 2n-1 \right )\pi }{\sqrt{3}} \),而長方形的面積仍為 4mn,於是兩者的比值趨近於 \( \frac{\pi}{\sqrt{12}}\),比第一種排列方式更緊密。當然,無論哪一種,都比空間球的堆積密度要大。

哈里奧特也是一位原子論愛好者,該學說源於古希臘哲學家德謨克利特(Demokritos)。德謨克利特相信,萬物的本原是原子,原子是一種不可分割的物質微粒,且毫無空隙。哈里奧特認為,研究球的堆放問題有助於理解物質的結構和組成。

一六○一年前後,他寫信把這個想法和堆球問題告訴了比他年輕十一歲、正在布拉格擔任羅馬帝國皇家天文學家的克卜勒,不巧那會兒克卜勒正埋頭研究天體理論,沒有太多興趣和時間考慮微觀世界。

克卜勒的雪花和猜想

前民主德國發行的克卜勒紀念郵票。圖/時報出版提供

一五七一年某個冬日,克卜勒出生於德國西南部的符騰堡公國(現巴登 – 符騰堡州的一部分),與愛因斯坦可謂正宗老鄉。他是一樁不幸婚姻的早產兒,父親是庸碌的傭兵,母親是一家小酒館老闆的愛吵架女兒。克卜勒身材矮小、體弱多病,但天資聰穎,幸運獲得了符騰堡公國領主專為貧困家庭的聰明孩子設立的豐厚獎學金,否則可能根本沒機會接受良好的教育。

克卜勒十六歲時進入圖賓根大學,之後屢獲幸運女神眷顧。首先,他的天文學老師是德國唯一一位堅信哥白尼「日心說」的人。

其次,在他拿到文學學士和碩士學位,準備成為牧師時,奧地利格拉茨市某間中學剛好需要一位數學老師,他在學校的推薦下前往補缺。再次,隔年夏天二十三歲的克卜勒在幫學生上課時,腦袋裡忽然閃過一個奇妙的念頭。

如前文所言,古希臘人只知道有四面體、六面體、八面體、十二面體和二十面體這五種正多面體(柏拉圖多面體),從畢達哥拉斯到柏拉圖都信奉「數學和諧論」,這一點啟發了克卜勒,深信行星的運行軌跡也應該是完美的幾何圖形。

圖示遵守克卜勒行星運動定律的兩個行星軌道。圖/wikimedia

四年後,他發現了行星運動的第一定律和第二定律:所有行星分別在大小不同的橢圓軌道上運行;在同等的時間裡,行星的矢徑在軌道平面上掃過的面積相同。這兩個定律以及後來發現的第三定律,為克卜勒贏得了「天空立法者」美名。

一六一一年,也就是收到哈里奧特來信五年後,克卜勒出版了小冊子《六角雪花》(The Six-Cornered Snowflake)。

六角形的雪花。圖/時報出版提供

他不僅在書裡解釋了雪花為什麼是六角形,還探討了諸如蜂窩的結構、石榴果實為何是十二面體等現象,是最早從幾何出發研究自然的著作之一。克卜勒認為,雪花之所以呈六角形,是因為一個圓盤最多能與六個相同的圓盤相切,正六邊形可以平鋪整個平面。

尤其值得一提的是,正是在這本書裡,克卜勒提出了一個著名的猜想。

克卜勒猜想

在一個容器中堆放同樣的小球,所能得到的最大密度是 \( \frac{\pi}{\sqrt{18}}\)。

克卜勒是這樣敘述球體堆放方法的:考慮一個邊長為 2 的正方體,它的體積為 8。分別以它的全部八個頂點及全部六個面的中心為球心,以 \( \frac{\sqrt{2}}{2}\) 為半徑作十四個球體,由畢氏定理和每個面的對角線長為 \(2\sqrt{2}\)可知,每個面中心的球體與該面尖角上的四個球體剛好相切。

這樣一來,在這個正方體內,球體佔有的體積等於四個球體的體積(八個角,每個角有1/8個球體;六個面,每個面有1/2個球體)。故而密度是

\(\frac{4\left ( \frac{4}{3}\pi \left ( \frac{\sqrt{2}}{2} \right )^{3} \right )}{2}= \frac{\pi }{\sqrt{18}}= 0.740480…\)

雖然在上述方法中,正方體內沒有一個完整的球,但若換成一個大箱子,以這些正方體為基本單位來填滿箱子時,不完整球體的體積與中間那許多完整球體的體積相比就是微不足道的。同樣道理,箱子的形狀也不會影響密度。然而,克卜勒猜想的充分性卻難以證實。

面心立方(左)與六方最密堆積(右)示意圖。圖/wikimedia

一八三一年,「數學王子」高斯證明了克卜勒猜想在「格點型」的特殊情形下是成立的。所謂格點型是指用座標表示時,所有球心也落在座標和偶數整點上。

一九○○年,德國數學家希爾伯特(David Hilbert)在巴黎國際數學家大會上提出了二十三個有待解決的問題,其中第十八個問題的第三部分就涉及堆球問題。

從那以後,有許多數學家(包括美國華人數學家項武義)都曾宣布、發表或以為自己證明了克卜勒猜想,但都未能獲得一致的認可。

二○○五年,美國《數學年刊》發表了一篇長達一百二十頁的論文,宣布克卜勒猜想已經獲得證明。該篇論文的作者是美國數學家赫爾斯(Thomas Hales),他在著名的「朗蘭茲綱領」問題上有過重要貢獻。赫爾斯將堆球問題分為五千多種情況,考慮了十萬多個線性規劃問題,他的電腦程式運行了兩年,其複雜性超過一九七六年地圖四色問題的證明。

一個顯而易見的現象是,絕大多數幾何學家都不懂電腦程式,而電腦專家又難以理解深奧的幾何學。就連審稿小組的負責人都承認,他們對於這篇論文的正確性只有 99%的把握。鑑於此,我們繼續期待(如同期待費馬定理)將來會有更簡潔有效的證明方法。

——本文摘自《數學的故事》,2019 年 5 月,時報出版

 

 

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出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

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用這劑補好新冠預防保護力!免疫功能低下病患防疫新解方—長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2882字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022 年美、法、英、澳及歐盟等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示該藥品針對 Omicron、BA.4、BA.5 等變異株具療效。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
帕克斯洛維德
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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在完成環球航行之前,人類是如何計算出地球周長的?——《數學就是這樣用:找出生活問題的最佳解》
天下文化_96
・2022/12/03 ・1906字 ・閱讀時間約 3 分鐘

十六世紀初的環球航行

既然史上第一次環球航行到十六世紀初才完成,埃拉托斯特尼在公元前 240 年又是用什麼方法,這麼準確估算出地球周長呢?他顯然不可能用捲尺繞地球一圈。他的替代做法是先測量地球表面上的一小段距離,再利用一些巧妙的數學運算,省去必須測量整段長度的麻煩。

埃拉托斯特尼在公元前 240 年又是用什麼方法,這麼準確估算出地球周長呢?圖/pexels

埃拉托斯特尼掌管古代最好的亞歷山卓圖書館,在幾個科學領域都有極有趣的貢獻,包括數學、天文學、地理學、音樂等等。不過,儘管他有新穎的工作成果,同時代的人卻瞧不起他的能力,還給他「第二名」(Beta)這個綽號,暗示他不是第一流的思想家。

質數表的誕生

他提出的聰明想法之一是,用有系統的方式產生一系列質數。為了找出從 1 到 100 之間的所有質數,埃拉托斯特尼提出以下的程序。從 2 這個數開始,刪掉隨後所有 2 的倍數,只要在數字表中刪除每走 2 步遇到的整數就行了。接著走到 2 以後還沒刪掉的下一個整數,顯然是 3,現在要有系統的刪除每走 3 步遇到的所有數字,就刪掉了 3 的所有倍數。這個方法在此刻開始顯出自己的本領。整數表中還沒有刪掉的下一個數是 5,重複我們在前面兩個數所用的方法,把每走 5 步遇到的數字全部淘汰掉。

這個程序的要訣是:移到下一個還保留著的數字,然後往後面刪掉這個新數字的所有倍數。如果你做得很有系統,把 7 的倍數都淘汰之後,就會產生一個小於 100 的質數表。

埃拉托斯特尼篩法是個找出在一特定整數以下的所有質數之簡單演算法。圖/wikipedia

這個程序極為聰明,省去了必須考慮很多的麻煩,非常適合電腦執行,但若要大量產生質數,它的問題是很快就會變得效率低落。它是思考的捷徑,可以讓你像機器般產生質數表,但這不是我想在本書裡頌揚的那種捷徑。我想要的是發掘質數的聰明策略。

利用太陽的位置計算地球周長

不過,我要給埃拉托斯特尼的地球周長計算工作打高分,因為太巧妙了。他聽說斯溫尼特(Swenet)城裡有一口井,太陽每年會有一天在它的天頂。太陽在夏至正午直射井底,不會在井邊投下任何影子。斯溫尼特就是今天的亞斯文(Aswan),離北回歸線不遠,北回歸線位於北緯 23.4 度,是我們發現太陽能夠從頭頂直射的最遠位置。

太陽在夏至正午直射井底,不會在井邊投下任何影子。圖/pexels

埃拉托斯特尼知道可以利用這個和太陽位置有關的資訊,在夏至這天進行實驗,讓他算出地球的周長。雖然這樣他就不必用捲尺繞地球一圈,但這項實驗還是需要走走路。他相信亞歷山卓位於斯溫尼特的正北方,於是在夏至那天,他在亞歷山卓豎起一根竿子。兩地的經度實際上差了 2 度,雖然沒有百分之百準確,不過我要為他的實驗精神鼓掌。

那天,太陽直射斯溫尼特,沒在那口井投下影子,但卻讓亞歷山卓的竿子產生一道影子。埃拉托斯特尼測量了影子長度和竿子長度,就能畫出一個具同樣比例的三角形,然後量出角度,這會告訴他亞歷山卓在地球周長上與斯溫尼特距離多遠。他量出的角度是 7.2 度,也就是一整個圓的 1/50,現在他只須知道亞歷山卓到斯溫尼特的實際距離。

他沒有親自走到斯溫尼特,而是雇了一位專門丈量距離的人員,稱為測距員(bematist),他們會在兩座城鎮之間走直線,當中只要有任何偏差都會把估算搞砸。丈量結果會用更大的計量單位來記錄:斯塔德。結果,亞歷山卓在斯溫尼特以北 5,000 斯塔德,倘若這是繞地球一整圈的 1/50,那麼地球的周長就會等於 250,000 斯塔德。

今天我們並不確定,埃拉托斯特尼所雇的測量員到底是用多少步來計量他的斯塔德,但就如我在前面解釋過的,這個丈量結果好極了。用一點幾何學,他就省去了雇人走地球一圈的需求。

用一點幾何學,他就省去了雇人走地球一圈的需求。圖/pexels

幾何學的英文字 geometry 正源自這個實驗,因為拆解之後,它是意指「丈量地球」的希臘文:geo=地球,metry=丈量。

——本文摘自《數學就是這樣用:找出生活問題的最佳解》,2022 年 11 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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偉大數學家之子,把玩幾何學的瓷器設計師:威廉.德摩根 ——《科學月刊》
科學月刊_96
・2022/02/05 ・4054字 ・閱讀時間約 8 分鐘

  • 作者/林家妤 Sharkie Lin,因為數學成為斜槓青年,進行數學藝術創作、策展、採訪、寫作、創意教學、博物館規劃,希望能為世界帶來一點樂趣。

Take Home Message

  • 德摩根來自一個學識豐富的家族,其父親奧古斯都.德摩根為德摩根定律的發明者。
  • 數學是德摩根創作的核心,他的數學家父親啟發他在設計中創作出崇高的對稱、形狀、圖樣。
  • 德摩根的許多圖案和設計都以對稱組織而成,吸引觀者眼睛看向清晰的中心對稱軸。
  • 從方形鋪磚到圓形瓷盤,德摩根在他所有的平面設計中都考慮到構圖的形狀。每片瓷磚設計也都經過數學考量,因此當瓷磚安裝在牆上時,各種設計元素就能互相匹配,並創造出美麗且結構良好的圖案。

德摩根(William De Morgan)是英國維多利亞時代的瓷器設計師,他多以奇妙的生物和花卉、蔓藤花紋作為創作題材,其作品的想像力非常豐富,並且深受伊斯蘭藝術與中東陶瓷設計的影響。這個特別的姓氏是否讓你覺得很熟悉呢?

英國維多利亞時代的瓷器設計師德摩根,其作品深受伊斯蘭藝術與中東陶瓷設計影響。圖/Public domain, Wikimedia Commons

擁有大數學家父親的瓷器設計師

德摩根來自一個學識豐富的家族,他的父親是奧古斯都‧德摩根(Augustus De Morgan),這位就是鼎鼎大名的德摩根定律(De Morgan’s laws)發明者!奧古斯都‧德摩根是倫敦大學學院(University College London, UCL)第一位教授,同時也是倫敦數學協會(London Mathematical Society)的第一任主席;而他最著名的學生,就是被譽為首位程式設計師的勒芙蕾絲(Ada Lovelace)。

德摩根的母親蘇菲‧弗蘭德(Sophia Elizabeth Frend)則是英國作家與社會運動者,她廣泛撰寫了她熱情支持的社會問題,例如監獄改革、反活體解剖、廢除奴隸制。而德摩根的外公威廉‧弗蘭德(William Frend)則是一位神職人員、社會改革者與數學家;其胞弟喬治後來成為了一名數學家,胞妹瑪麗則是童話故事的作者。

繪畫是德摩根最初的藝術追求,本可以讓他進入更安靜的創作生活,但在德摩根遇見他的終身好友莫里斯(William Morris)之後,他便從學校退學放棄成為藝術家,轉而成為追求技術革新的設計師。

德摩根對技術充滿好奇,常進行化學研究創造新的光澤釉,以及精心研發創新的上釉、燒製及上色技術,製造彩色玻璃和陶瓷讓他著迷,他甚至還設計並製造了自己的窯爐,成立自己的公司為好友莫里斯製作作品。此種強調藝術與手工藝的結合,影響了英國美術工藝運動。

現今倫敦維多利亞與亞伯特博物館(Victoria and Albert Museum, V&A)的文創商品中,依然販售許多莫里斯的花紋圖樣設計。V&A 裡頭也收藏了大約 1200 件德摩根的作品,這兩位威廉為英國留下了許多美妙的幾何設計。

由於德摩根長年專注於光澤器物的研發,未能更新他的圖樣設計以至於過時,加上他對於經營公司沒什麼興趣,公司因而倒閉;而後健康狀況不佳的德摩根便去義大利過冬,並在配偶的鼓勵之下開始寫小說。他不放棄自己的創作之旅,不但減緩了心中的憂鬱,更在 65 歲的時候成為受大眾歡迎的作家。

德摩根的配偶艾芙琳(Evelyn De Morgan)在繪畫上有卓越的成就,內容常使用精神、神話、寓言主題突出女性身體,用以表現精神主義與女性主義。德摩根於 48 歲時與小自己 16 歲的艾芙琳結婚,他們在靈性研究和體驗上有共同興趣,並且相信他們的藝術可以永遠為每個人創造一個更美好、更美麗的世界。

兩人過世之後由艾芙琳的姊妹斯特林(Wilhelmina Stirling)成立了德摩根基金會(De Morgan Foundation),整理德摩根夫婦兩人超過上千件作品,包括陶瓷、油畫、素描等,目前在 3 個地方有長期合作展出,相關地點列於文末。

「崇高的對稱」展覽

介紹完本文主角德摩根與其家族、朋友之後,來看看德摩根基金會為數學與文化策劃的展覽「崇高的對稱:德摩根瓷器設計背後的數學」(Sublime Symmetry: The Mathematics behind De Morgan’s Ceramic Designs)吧!

這檔展覽最初於 2018 年 5 月~10 月於倫敦市政府的市政廳藝廊(Guildhall Art Gallery)展出,筆者正好在 2018 年夏天至倫敦旅行,並且有幸在隔年訪問瓦茨美術館-藝術家村(Watts Gallery – Artists’ Village),與本檔展覽的策展人哈迪(Sarah Hardy)對談。

策展人哈迪表示,相較於過往以藝術與心靈的角度詮釋德摩根夫婦的作品,這回的策展緣由是來自一位挫折的數學教師朋友。這位友人抱怨教授歷史的同事可以帶著孩子去城堡與豪宅校外旅行,但是自己教的數學卻只能被限制在教室中,希望能夠點燃學童對於數學的熱情。

因此策展人便策劃了一檔與「數學」有關的藝術展覽,又因為德摩根家族與倫敦數學協會有深厚的歷史淵源,讓這一切變得相對容易,也使得過往以詮釋藝術作品為主的策展人,能夠透過嚴謹的數學檢驗與嶄新的幾何視角,向大眾介紹德摩根的作品。

哈迪提到有次在展場一個孩子看了德摩根的瓷器,說道:「圖案中間有一條線耶,兩邊長得一樣。」提醒了她德摩根作品的幾何設計強烈可見。而這檔展覽的內容正好適合英國學生學習歷程的第二階段(key stage 2, KS-2)階段,也就是 7~11 歲的孩子學習。同時策展單位也在官網提供教育素材包,供教師引導學生學習幾何形狀與規則。

數學是他創作的核心,數學家父親啟發德摩根在設計中創作出崇高的對稱(symmetry)、形狀(shape)、圖樣(pattern)。接著,我們就以這 3 大面向介紹德摩根的幾何設計。

  • Symmetry 對稱

「對稱是變化中的不變。」(Symmetry is “Change without Change”)

-韋爾切克(Frank Wilczek),2004 年諾貝爾物理學獎得主

在藝術中,「對稱」普遍被認為是美的代名詞。這種數學工具可以透過反射、旋轉、縮放來變換設計,但不改變其他屬性,因此對稱可以說是變化中的不變。關於對稱的各種基本變換,可見筆者發表於《科學月刊》第 623 期〈發現臺灣日常文化中的幾何元素─花磚幾何學〉的文章。

德摩根的許多圖案和設計都是以對稱組織而成,吸引觀者眼睛看向清晰的中心對稱軸。這條線,賦予了精心設計的圖樣能呈現出各種不同表現型式,像是花卉圖案和起伏的樹葉捲曲,因其對稱排列而顯得富含結構與秩序。

德摩根的許多圖案和設計都是以對稱組織而成,吸引觀者眼睛看向清晰的中心對稱軸。圖/Jean-Pierre Dalbéra, CC BY 2.0, Flickr
  • Shape 形狀

德摩根曾經說過,古希臘數學家歐幾里得(Euclid)的著作是最引人入勝的文學作品,顯示了他對於形狀的性質與結構深感興趣。

從方形鋪磚到圓形瓷盤,德摩根在他所有的平面設計中都考慮到構圖的形狀。每片瓷磚設計也都經過數學考量,因此當瓷磚安裝在牆上時,各種設計元素就能互相匹配,並創造出美麗且結構良好的圖案。

在德摩根精心設計的瓷盤邊界和圖案邊緣,也可以看到連續的圓形圖樣。他從伊斯蘭幾何設計中借用了這種裝飾技巧,這種圓形圖案代表了「阿拉的無限本質」,因為它們沒有開始也沒有結束,可以被無止境地追隨。德摩根控制了這些圓圈的特性,以確保他的邊界設計符合比例。

德摩根的瓷器作品。圖/作者提供

此外,圓形對稱也為德摩根的平面設計增添趣味和活力。圍繞瓷盤邊緣旋轉的圖樣,使得觀者的視線能圍繞著設計呈現美妙的圓形運動,讓他的奇幻動植物看起來更加栩栩如生。

  • Pattern 圖樣

這些複雜幾何圖樣的設計,往往需要具備嚴謹的幾何學知識,才能想像將單一瓷磚的圖樣設計重複覆蓋整面牆的結果。當設計圖樣完整呈現時,便可以充分欣賞德摩根設計的精華,就像是他在倫敦萊頓屋博物館阿拉伯廳(Arab Hall, Leighton House Museum)裡輝煌的瓷磚設計。

要如何思考這麼大尺度的瓷磚設計呢?德摩根首先會先在紙上繪製他的大型瓷磚設計方案,並使用比例和複雜的測量方法以確保這些設計能成功,然後再將它們應用到物理瓷磚表面。

由於他的繪圖技能與天生對於數學的理解能力,使得他的花器作品能巧妙在設計中運用數學。德摩根利用他對視覺和空間的感知,藉由控制二維圖面,即使圖樣轉換到擁有複雜形狀表面的花瓶與花盆上,還有塗在陶瓷表面上時,也都能完美符合三維物體的每條曲線。因此他可以創造出美麗的設計,並且與花瓶或盤子本身相互呼應。

這檔展覽除了介紹德摩根的幾何設計外,展場中還有一些別出心裁的互動小遊戲,例如將德摩根的設計圖樣製作成puzzle 15 數字推盤遊戲。首先將原本的圖樣分割成 4×4 的 16 個方塊,而後取走角落的方塊,並滑動剩餘的 15 個方塊打亂圖案。看看你能不能拼回來原本的圖案?

取自德摩根設計圖樣的 puzzle 15 數字推盤遊戲。圖/作者提供

此外,本次辦理展覽的倫敦數學協會也提供了一些有趣的展品,像是早期收藏的木製數學模型,以及各式立體的潘洛斯平鋪(Penrose tiling)等多元的立體幾何模型,讓觀眾對於數學視覺化更有感覺。

德摩根無疑是英國融合數學與設計的始祖之一,正在閱讀這篇文章的你,若是下回有機會拜訪英國,不妨也循著德摩根的蹤跡,來趟具有深度的數學文化走讀之旅。

看完文章,你是否也想來趟英國幾何文化之旅呢?

以後若有機會,不妨照著下方的地圖走一趟英國,感受一下數學與藝術融合的氛圍吧!

想了解更多德摩根的作品,也可以參考《崇高的對稱》展覽手冊,


或到德摩根基金會官網看看哦!

延伸閱讀

  • 〈本文選自《科學月刊》2022 年 2 月號〉
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