前言
阿基米德的头脑较之荷马有更丰富的想象力。
——伏尔泰
伊萨克·牛顿有句著名而又谦逊的格言：“我所以比别人看得更远，
是因为我站在巨人的肩膀上。”当时，他心中确实铭记着古代最伟大的一
位数学家，希腊叙拉古城的阿基米德。然而，阿基米德还是一位力学天才，
在他众多的机械发明中，有水车，又称作阿基米德螺旋泵，是一种用于抽
水进行灌溉的螺旋状泵。虽然人们对于阿基米德的生平以及他对自己的功
绩的评价知之甚少，但多数评论家猜测，他对于自己在理论数学上的发现
比实用发明更重视。例如，一个叫普卢塔克的写道：“而阿基米德具有这
样一种崇高的精神，这样一种深奥的魂灵和这样一种科学理论的财富，虽
然他的许许多多的发明为他赢得了声誉，并使他以‘超人的精明’而闻名，
但他并不愿为这些课题著书立说，流传后世，而把一个工程师的工作和有
助于生活需求的每一件艺术品都视为卑贱和和庸俗。他只潜心于研究那些
不受生活品需求影响的精妙而有魅力的学科。”其他评论家则进一步认为，
甚至当他从事杠杆、滑轮或其他机械研究时，他也是为了探索力学的普遍
原理，而不是为了实际应用。
实际上，阿基米德对于理论的偏重胜于实际到什么程度可能永远不得
而知。但有一点是清楚的：在他的作品中，理论和应用之间的关系是紧张
的，而这种紧张的关系一直持续渗透到以后22 个世纪的数学之中。
本书主要概述了数学所涉及的领域和范畴。我并不认为这本书包罗万
象，然而它选择的主题很离奇，但它也只能如此。数学是世间每所大学都
从事研究的一门学科，它至少像生物学一样有广泛的领域，在生物界中，
某个研究人员正努力研究艾滋病毒，而另一个研究人员则在研究袋熊的社
会化问题。
我对数学的探讨犹如我在研究中国莱谱，到处品尝，识别常见的配料
和特殊的风味。在仅仅用过一次中餐之后，你很难成为一名中餐美食家，
但比起从未吃过中餐的人却又知之较多。数学亦如此。研究几个数学课题，
是不可能掌握数学中一切重要的内容的，但比起那些一窍不通的人来，你
对这些课题的感受却又深得多。
目前已出版了许多论及数学方面的哲学基础的书籍，从某种程度上讲
这是必然性的科学，因为它的结论在逻辑上是无懈可击的。还有许多作品
却狂热地详述数学无穷大的性质和高维度的美。这种带有哲学式的、富有
诗意的离题的论述却有它的市场，但却远没有涉及大多数数学家们所关切
的问题。我在本书中主要描述的是那些数学工作者在实际中所遇到的地地
道道的实用的问题。
我还想批驳一个错误观点：仅仅肯花力气进行足够的运算，就可得到
数学的任何结果，换句话说，如果你想解一道数学题，只需做足够量的运
算就行了。即使你我缺乏解数学难题的能力，但我们也怀疑内行人士——
这些理解数学符号的人——是否都能够对他们选择的任何一个问题经过潜
心研究后找到答案。毕竟，我们的知识使我们相信数学是属于演绎推理，
推断一个数学结果要像推论“所有人都必定要死的”和“苏格拉底是人”，
因此“苏格拉底必定要死的”一样简单就好了！
我写作本书的目的之一是要说明一种数学知识的局限性。在我们所考
查的每个数学领域中，我要指出什么是已知的和什么是未知的。有时我们
的知识是有局限的，因为某些领域刚刚开发，还没有多少数学家投身于对
它的研究。知之甚少是这一问题的主要困难。此外，数学家的知识的局限
性也是比较重要的因素。它表明，这些问题要从数学方面获得快速解简直
是不可能的。
数字中充满了新奇。数字和形状是人文料学中最早关心的课题，但有
关的许多问题仍然令人费解。比一个素数的概念更简单的能是什么——一
个大于1 的整数，像3，5，17，或31 等不能被1 和本身之外的其他整数
整除的数？早在古希腊人的时代就知道素数是无穷尽的，但是没有一个人
知道孪生素数——成对的素数，如3 和5，相差2，它们是否也是无穷尽的。
没有人知道是否存在无限多的完全数，像6 一样等于它所有因子（当然除
去它本身外，即3，2 和1）之和的整数。而且没有人知道一个完全数是否
是奇数。匈牙利伟大的数论家保罗·厄尔多斯是一个证明素数基本定理的
大师——他在18 岁的时候，就提出了著名的论证：在每个大于1 的整数和
它的倍数之间一定有一个素数——他认为，数学家们还远远没有理解整
数，更何况其他类型的数。他说：“至少还得再过100 万年，我们才可能
理解素数。”
在数学上，对形状的理解也远远不够。在二维方面，关于什么形状可
以在一定条件下用砖瓦贴盖表面的问题还有许多疑难未解之处。在三维的
砖瓦贴面模拟中，形状的填充要尽可能使给定的空间密集，这对于许多基
本形状来说仍悬而未决。但是，缺乏理论知识未必总是实用主义者的拦路
虎，设计师罗纳德·雷施制造出三层半的复活节彩蛋就是明证。
由于有关数字和形状的基本问题仍未解决，因此对计算机——一种复
杂的数字工具——能做什么和不能做什么常常众说纷纭，并出现一些混乱
状态，这不足为怪。我尽量避开那些关于人和机器的本质的含糊不清的形
而上学问题，便于向人们展示人们所不了解的关于计算的理论局限性方面
的问题。我要讲述图灵通用计算机的惊人之处——分成若干单元的一条
纸。我要考查一种可能出现的局限性：计算机科学家认为，他们将能够证
明某些仅仅在探索阶段的计算问题——包括旅行推销员在一连串的城市之
间要选择的最短路线的问题——从来没有被计算机（或数学家）有效地解
决。从理论转移到实践，我特意检验了汉斯·伯林纳和丹尼·希尔设计的
对弈机和通用计算机，使“三个臭皮匠，顶过诸葛亮”的构想走向极端。
要知道这些努力的整个结局如何还为时过早，但这两种机器的性能在某些
领域，已经超过了传统计算机。
从根本上说，旅行推销员问题无疑是数学问题，可是实际上已证明，
用传统的数学方法解答它是无效的。在这本书里，我将介绍一种出现在设
计选举系统或分配代表的问题中的类似的解决办法。从绝对意义上说，数
学对这些问题是毫无帮助的。的确，数学证明了，它对开创一个完善的民
主选举制在理论上无益，尽管缺乏完善的民主体制，但数学为公正的选举
制和国会的公正分配方法指出了道路。
传说阿基米德是在一时的愤怒之中设计出一个关于牧牛的极其困难的
数字问题。他的报复一直持续了22 个世纪，直到1981 年，使用刚诞生的
一台巨型计算机才彻底解决了这一问题。牧牛的问题多少有些编造的味
道。但是，面对阿基米德的报复，一代代数学家所感受到的挫折常常类似
于那些比较自然地出现的较简单的数学问题所造成的报复。这种数学本身
造成的报复看来还没有迹象会消退。
一个令人惊奇的宗教学生，
解出了无穷大的平方根，
这使他对计数烦躁不宁，
他终于放弃了数学又继续学神。
——无名氏