38.逻辑体系的奇迹
公元前3世纪时，最着名的数学中心是亚历山大城；在亚历山大城，最着名的数学家是欧几里得。
欧几里得知识渊博，数学造诣精湛，尤其擅长于几何证明。连当时的国王也经常向他请教数学问题。有一次，国王做一道几何证明题，接连做了许多天都没有做出来，就问欧几里得，能不能把几何证明搞得稍微简单一些。欧几里得认为国王想投机取巧，于是不客气地回答说：“陛下，几何学里可没有专门为您开辟的大道！”这句话长久地流传下来，许多人把它当做学习几何的箴言。
在数学上，欧几里得最大的贡献是编了一本书。当然，仅凭这一本书，就足以使他获得不配的声誉。
这本书，也就是震烁古今的数学巨着《几何原本》。
为了编好这本书，欧几里得创造了一种巧妙的陈述方式。一开头，他介绍了所有的定义，让大家一翻开书，就知道书中的每个概念是什么意思。例如，什么叫做点？书中说：“点是没有部分的。”什么叫做线？书中说：“线有长度但没有宽度。”这样一来，大家就不会对书中的概述产生歧义了。
接下来，欧几里得提出了5个公理和5个公设：
公理1与同一件东西相等的一些东西，它们彼此也是相等的。
公理2等量加等量，总量仍相等。
公理3等量减等量，总量仍相等。
公理4彼此重合的东西彼此是相等的。
公理5整体大于部分。
公设1从任意的一个点到另外一个点作一条直线是可能是。
公设2把有限的直线不断循直线延长是可能的。
公设3以任一点为圆心和任一距离为半径作一圆是可能的。
公设4所有的直角都相等。
公设5如果一直线与两直线相交，且同侧所交两内角之和小于两直角，则两直线无限延长后必相交于该侧的一点。
在现在看来，公理与公设实际上是一回事，它们都是最基本的数学结论。公理的正确性是无庸置疑的，因为它们都经过了长期实际践的反复检验。而且，除了第5公设以外，其他公理的正确性几乎是“一目了然”的。想想看，你能找出一个例子，说明这些公理不正确吗？
这些公理是干什么用的？欧几里得把它们作为数学推理的基础。他想，既然谁也无法否认公理的正确性，那么，用它们作理论依据去证明数学定理，只要证明的过程不出差错，定理的正确性也是理论证据，却能推导出新的数学定理来。这样，就可以用一根逻辑的链条，把所有的定理都串联起来，让每一个环节都衔接得丝丝入扣，无懈可击。
在《几何原本》里，欧几里得用这种方式，有条不紊地证明了467个重要的数学定理。
从此，古希腊丰富的几何学知识，形成了一个逻辑严谨的科学体系。
这是一个奇迹！2000多年后，大科学家爱因斯坦仍然怀着深深的敬意称赞说：这是“世界第一次目睹了一个逻辑体系的奇迹”。
39.尺规作图拾趣
希腊是奥林匹克运动的发源地。奥运会上的每一个竞赛项目，对运动器械都有明确的规定，不然的话，就不易显示出谁“更快、更高、更强”。一些古希腊人认为，几何作图也应像体育竞赛一样，对作图工作作一番明确的规定，不然的话，就不易显示出谁的逻辑思维能力更强。
应该怎样限制几何作图工具呢？他们认为，几何图形都是由直线和圆组成的，有了直尺和圆规，就能作出这两样图形，不需要再添加其他的工具。于是规定在几何作图时，只准许使用圆规和没有刻度的直尺，并且规定只准许使用有限次。
由于有了这样一个规定，一些普普通通的几何作图题，顷刻间身价百倍，万众瞩目，有不少题目甚至让西方数学家苦苦思索了2000多年。
尺规作图特有的魅力，使无数的人沉湎其中，乐而忘返。连拿破仑这样一位威震欧洲的风云人物，在转战南北的余暇，也常常沉醉于尺规作图的乐趣中。有一次，他还编了一道尺规作图题，向全法国数学家挑战呢。
拿破仑出的题目是：“只准许使用圆规，将一个已知圆心的圆周4等分。”
由于圆心O是已知的，求出这个题目的答案并不难。
我们可以在圆周上任意选一点A，用圆规量出OA的长度，然后以A点为圆心画弧，得到B点；再以B点为圆心画弧，得到C点；再以C点为圆心画弧，得到D点。这时，用圆规量出AC的长度，再分别以A点和D点为圆心画两条弧，得到交点M。接下来，只要用圆规量出OM的长度，逐一在圆周上划分，就可以把圆周4等分了。
如果再增添一把直尺，将这些4等分点连接起来，就可以得到一个正4边形。由此不难看出，等分圆周与作正多边形实际上是一回事。
只使用直尺和圆规，怎样作出一个正5边形和正6边形呢？
这两个题目都很容易解答，有兴趣的读者不妨试一试。
不过，只使用直尺和圆规，要作出正7边形可就不那么容易了。别看由6到7，仅仅只增加了一条边，却一跃成为古代几何的四大名题之一。尺规作图题就是这样变化莫测。
这个看上去非常简单的题目，曾经使许多着名数学家都束手无策。后来，大数学家阿基米德发现了前人之所以全都失败了的原因：正7边形是不能由尺规作出的。阿基米德从理论上严格证明了这一结论。
那么，采用尺规作图法，究竟有哪些正多边形作得出来，有哪些作不出来呢？
有人猜测：如果正多边形的边数是大于5的质数，这种正多边形就一定作不出来。
17是一个比5大的质数，按上面这种说法，正17边形是一定作不出来的。在过去的2000年里，确实有许多数学家试图作出正17边形，但无一不遭受失败。岂料在1796年，18岁的大学生高斯居然用尺规作出了一个正17边形，顿时震动了整个欧洲数学界。
这件事也深深震动了高斯，使他充分意识到自己的数学能力，从此决心献身于数学研究，后来终于成为一代数学大师。
高斯还发明了一个判别法则，指出什么样的正多边形能由尺规作出，什么样的正多边形则不能，圆满地解决了正多边形的可能性问题。高斯的判别法则表明，能够由尺规作出的正多边形是很少的，例如，在边数是100以内的正多边形中，能够由尺规作出的只有24种。
有趣的是，正7边形的边数虽少，却不能由尺规作出；而正257边形，边数多得叫人实际上很难画出这样的图形，却一定可由尺规作出。1832边形，边数多得叫人实际上很难画出这样的图形，却一定可由尺规作出。1832年，数学家黎克洛根据高斯指出的原则，解决了正257边形的作图问题。他的作图步骤极其繁琐，写满了80页纸，创造了一项“世界纪录”。
不久，德国人赫尔梅斯又刷新了这个纪录。他费了10年功夫，解决了正65537有的作图问题。这是世界上最繁琐的尺规作图题。据说，赫尔梅斯手稿可以装满整整一手提箱呢！
40.有形状的数
毕达哥拉斯不仅知道奇数、偶数、质数、合数，还把自然数分成了亲和数、亏数、完全数等等。他分类的方法很奇特，其中，最有趣的是“形数”。
什么是形数呢？毕达哥拉斯研究数的概念时，喜欢把数描绘成沙滩上的小石子，小石子能够摆成不同的几何图形，于是就产生一系列的形数。
毕达哥拉斯发现，当小石子的数目是1、3、6、10等数时，小石子都能摆成正三角形，他把这些数叫做三角形数；当小石子的数目是1、4、9、16等数时，小石子都能摆成正方形，他把这些数叫做正方形数；当小石子的数目是1、5、12、22等数时，小石子都能摆成正五边形，他把这些数叫做五边形数……
这样一来，抽象的自然数就有了生动的形象，寻找它们之间的规律也就容易多了。不难看出，头四个三角形数都是一些连续自然数的和。瞧，3是第二个三角形数，它等于1＋2；6是第三个三角形数，它等于1＋2＋3；10是第四个三角形数，它等于1＋2＋3＋4。
看到这里，人们很自然地就会生发出一个猜想：第五个三角形数应该等于1＋2＋3＋4＋5，第六个三角形数应该等于1＋2＋3＋4＋5＋6，第七个三角形数应该等于……
这个猜想对不对呢？
由于自然数有了“形状”，验证这个猜想费不了什么事。只要拿15个或者21个小石子出来摆一下，很快就会发现：它们都能摆成正三角形，都是三角形数，而且正好就是第五个和第六个三角形数。
就这样，毕达哥拉斯借助生动的几何直观，很快就发现了自然数的一个规律：连续自然数的和都是三角形数。如果用字母n表示最后一个加数，那么1＋2＋…＋n的和也是一个三角形数，而且正好就是第n个三角形数。
毕达哥拉斯还发现，第n个正方形数等于n2，第n个五边形数等于n（3n－1）／2，第n个六边形数等于2n（n－1）……根据这些规律，人们就可以写出很多很多的形数。
不过，毕达哥拉斯并不因此而满足。譬如三角形数，需要一个数一个数地相加，才能算出一个新的三角形数，毕达哥拉斯认为这太麻烦了，于是着手去寻找一种简捷的计算方法。经过深入探索自然数的内在规律，他又发现，
1＋2＋……＋n＝12×n×（n＋1）
这是一个重要的数学公式，有了它，计算连续自然数的和可就方便多了。例如，要计算一堆电线杆数目，用不着一一去数，只要知道它有多少层就行了。如果它有7层，只要用7代替公式中的n，就能算出这堆电线杆的数目。
1＋2＋3十4＋5＋6＋7
＝12×7×（7＋1）＝28（根）
就这样，毕达哥拉斯借助生动的几何直观，发现了许多有趣的数学定理。而且，这些定理都能以纯几何的方法来证明。
例如，在一些正方形数里，左上角第一个框内的数是1，它是1的平方；第二框内由1＋3组成，共有4个小石子，它是2的平方；第三个框内由1＋3＋5组成，共有9个小石子，它是3的平方。……由此不难看出，只要在正方形数上作些记号，就能令人信服地说明一个数学定理：“从1开始，任何个相继的奇数之和是完全平方。”即
1＋3＋5＋……＋（2n－1）＝n2
41.费尔马小定理
17世纪时，有个法国律师叫费尔马。他非常喜欢数学，常常利用业余时间研究高深的数学问题，结果取得了很大的成就，被人称为“业余数学家之王”。
费尔马研究数学时，不喜欢搞证明，喜欢提问题。他凭借丰富的想像力和深刻的洞察力，提出了一系列重要的数学猜想，深刻地影响了数学的发展。他提出了“费尔马大定理”，几百年来吸引了无数的数学家，是一个至今尚未完全解决的着名数学难题。
费尔马最喜欢的数学分支是数论。他曾深入研究过质数的性质。1640年，他发现了一个有趣的现象：
当n＝1时，22n＋1＝221＋1＝5；
当n＝2时，22n＋1＝222＋1＝17；
当n＝3时，22n＋1＝223＋1＝257；
当n＝4时，22n＋1＝224＋1＝65537；
费尔马没有继续算下去，他猜测说：只要n是自然数，由这个公式算出的数一定都是质数。
这是一个很有名的猜想。由于演算起来很麻烦，很少有人去验证它。1732年，大数学家欧拉认真研究了这个问题。他发现，费尔马只要往下演算一个自然数，就会发现由这个公式算出的数不全是质数。
n＝5时，22n＋1＝225＋1＝4294967297，
4294967297可以分解成641×6700417，它不是质数。也就是说，费尔马的这个猜想不能成为一个求质数的公式。
实际上，几千年来，数学家们一直在寻找这样一个公式，一个能求出所有质数的公式。但直到现在，谁也未能找到这样一个公式。而且谁也未能找到证据，说这样的公式就一定不存在。这样的公式究竟存在不存在，也就成了一个着名的数学难题。
费尔马有心找出一个求质数的公式，结果未能成功，人们发现，倒是他无意提出的另一个猜想，对寻找质数很有用处。
费尔马猜测说：如果P是一个质数，那么，对于任何自然数n，np－n一定能够被P整除。这一回，费尔马猜对了。这个猜想被人称做费尔马小定理。例如11是质数，2是自然数，所以211－2一定能被11整除。
如果反过来问：若n能够整除2n－2，n是否一定就是质数呢？
答案是否定的。但人们发现，由这个公式算出的数绝大多数是质数。有人统计过，在1010以内，只要n能整除（2n－2），则n有99.9967％的可能是质数。这样，只要能剔除为数极少的冒牌质数，鉴定一个数是不是质数也就不难了。
利用费尔马小定理，这是目前最有效的鉴定质数的方法。要判断一个数的n是不是质数，首先看它能不能被（2n－2）整除，如果不能整除，它一定是合数；如果能整除，它就极有可能是质数。有消息说，在电子计算机上运用这种新方法，要鉴定一个上百位的数是不是质数，一般只要15秒钟就够了。
42.破碎的数
在拉丁文里，分数一词源于frangere，是打破、断裂的意思，因此分数也曾被人叫做是“破碎数”。
在数的历史上，分数几乎与自然数同样古老，在各个民族最古老的文献里，都能找到有关数的记载，然而，分数在数学中传播并获得自己的地位，却用了几千年的时间。
