人生中最可怕的噩梦，这个场景绝对能排前三……

人生中最可怕的噩梦，这个场景绝对能排前三……
2023/4/10 8:57:00 群学书院

     在地球上，能跨越语言、国界乃至物种，而实现无障碍沟通的，或许只有两样。

     第一是音乐，它美好而治愈。

     另外一个就是，数学，它困惑且充满痛苦。

     2022年，英国贝尔法斯特女王大学的研究人员发表了一项研究，让狗子分辨人在平静和压力状态下身体所散发的不同气味，结果显示，人在做数学题时所散发出的痛苦，狗闻了都坐不住!

     研究论文刊发出来的实验现场。图：Clara Wilson et al.

     心理学将这种状态归为“情感障碍”，甚至专门发明了术语——数学焦虑(Math Anxiety)。

     最为地球上最擅长解题的民族，中国数学题，甚至掀起了一场全球性“数学焦虑”。

     “下面这道题是李奶奶给小林出的一道题，请你帮小林回答李奶奶：一艘船上有26只绵羊和10只山羊，船上船长几岁？”

     这道小学五年级的作业，曾绕进了全球无数数学家、文学家、历史学家，就连《华盛顿邮报》、BBC等媒体也不得不感叹：中国数学题既是“无解”的，又是无穷解的……

     不过要说数学三大领域——代数学、几何学、分析学中，谁最让人畏惧，只需要扒扒每年高考之后，如约登上全国热搜第一的话题“高考数学”就知道了。

     大部分的精彩吐槽都集中在了“几何”上——“人生中最大的敌人不是自己，而是，几何”。

     “几何”风潮，甚至刮进了成年人的世界。

作为2023年最重磅的数学普及读物，2000多人打出了8.8高分的2021豆瓣年度科学新知图书《微积分的力量》姊妹篇：《几何学的力量》。

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     人生中最可怕的噩梦，

     这个场景绝对能排前三……

     文 | 阿信

     来源 | 中信出版

     01

     几何，构成人生的底层逻辑

     人，是三维生物。

     生活中，我们无时无刻不在通过建立空间感来感知这个世界。

     所以某种程度上说，几何学，或许是生活中最实用的学科，没有之一。

     不过，一旦当我们提起几何学时，往往先想到的是如何通过一系列步骤证明关于三角形的某个显而易见的性质，想起来都让人头大。

     如果你是这么理解“几何”的，那就不要怪自己总是学不好几何了!

     事实上，那是几何学的很小一部分。三角形之于几何学，就好比一个动词之于一部精彩的小说。

     这不是《几何学的力量》要讲的几何学，或者说这本书要讲述的几何学范围更广更大，远不是初高中课本所呈现的那样。

     几何这个词最早来自于阿拉伯语，指土地的测量。

     早期的几何学是有关长度、角度、面积和体积的经验性定律的收集，这些都是因为实际地质测量勘探、天文等需要而发展的。

     所以，数学从最开始诞生就一直是来源于人类的现实生活需要，而非纸上谈兵。

     公元前338年，希腊人欧几里得把在他以前的埃及和希腊人的几何学知识加以系统的总结和整理，写了一本书，书名叫做《几何原本》。

     欧几里得的《几何原本》是几何学史上有深远影响的一本书。

     现今我们学习的几何学课本多是以《几何原本》为依据编写的。

     欧几里得

     美国总统林肯就极其热爱几何学，林肯从欧几里得几何中汲取了一个理念：只要小心谨慎，就可以在无人质疑的公理基础上，通过严格的演绎步骤，按部就班地建立起一座高大稳固的信仰和认同的大厦。

     或许你可能还并不理解一个搞政治的人学几何学有什么用，但是，在林肯著名的葛底斯堡演说中，就可以听到欧几里得几何学的回声。

     他强调美国“奉行人人生而平等的主张(proposition)”。在欧几里得几何中，“proposition”指的是“命题”，即由不证自明的公理经逻辑推导得出的不可否认的事实。

     “几何学”一词的最初含义就是“丈量世界”，经过漫长的发展历程，它现在的含义已经包罗万象，可以解释世间万物的运行机制。

     几何教学的目标不是给学生灌输关于三角形的所有已知事实，而是培养他们利用原理构建事实的思维习惯，让他们成为像少年林肯那样的学生。

     02

     古老的几何学，

     今天还有用吗？

     在不少人看来，所谓“几何”，仅仅是一门学生时代的必修课程而已。

     对于往后的生活，几何的用处其实不大。

     真是这样的吗？

     拿最近全球热议的ChatGPT来说，如果你想要理解AI对语言的生成原理，就必须先了解一种叫“马尔可夫链”的概念。

     马尔可夫曾自娱自乐地把普希金的诗体小说《叶甫盖尼·奥涅金》的前20000个字母看作由元音字母和辅音字母组成的序列，准确地说，其中元音字母占43.2%，辅音字母占56.8%。

     人们可能会天真地以为这些字母之间是相互独立的，也就是说，一个辅音字母后面的那个字母也是辅音字母的可能性与该文本中其他任意一个字母是辅音字母的可能性一样大，都是56. 8%。

     但马尔可夫发现事实并非如此。他费力地把每对连续的字母分成了4类，即辅音-辅音、辅音-元音、元音-辅音、元音-元音，并绘制了示意图。

     这是一个马尔可夫链。

     如果当前字母是辅音字母，那么下一个字母是元音字母的概率为66.3%，是辅音字母的概率为33.7%。

     双元音字母的概率更小，一个元音字母后面跟着另一个元音字母的概率只有12.8%。这些数字在整个文本中都具有统计稳定性，你可以把它们视为普希金作品的统计学特征。

     后来，马尔可夫还分析了谢尔盖·阿克萨科夫的小说《孙子巴格罗夫的童年》中的10万个字母。

     阿克萨科夫作品中的元音字母的占比与普希金作品的差别不太大，为44.9%。但是，阿克萨科夫作品的马尔可夫链看起来与普希金的作品完全不同。

     说完这一串概率论原理你可能已经开始头疼了，但是别慌!

     简而言之，马尔科夫链意味着：即使是伟大的诗人，也可以通过数学发现其中存在某种行文规律，只要是有运行规律的东西，就可以存在于可以被几何学丈量的世界中。

     工程师、数学家克劳德·香农最先意识到，马尔可夫链不仅可用于分析文本，还可以生成文本。

     克劳德·香农

     假设你想以ON作为开头，生成一段与书面英语有相同统计性质的文本。那么，你可以用随机数生成器选择下一个字母，它是S的概率为14.7%，是T的概率为11.3%，以此类推。

     现代的马尔可夫链可以生成非常像人类语言的文本。

     Open AI推出的GPT-3等语言生成算法是香农的文本机器的精神继承者，只不过前者的训练数据要大得多，输入的也不是三字母组合，而是数百个单词长度的文本块。

     但是，两者的原理相同：输入一段摘自本书英文版的文本，马尔可夫链生成的下一个单词是“the”、“geometry”或“graupel”的概率有多大?

     通过不断模仿人类的语言文字习惯，最终，GPT-3算法生成的其他结果看上去与你正在读的这篇推文也没有多大的违和感。

     03

     游戏的本质是几何学？

     在2021世界计算大会“硬件技术与集成电路”主题峰会上，西安电子科技大学教授、博士生导师焦李成演讲开场时，给台下听众抛出了一个问题：为什么围棋人工智能程序，能够战胜围棋天才？

     与“阿尔法狗”进行“人机大战”的围棋职业选手柯洁曾给出过他的答案：“我们学的很多东西，不是一条直线往前走的，而是一条磕碰的弯路；而AI通过大量的计算和模拟，把弯路无限缩短成一条直线。”

     怎样才能完美地证明你不会输掉任何一句游戏呢？

     不管你是国服选手还是比肩职业，都肯定会有百密一疏的时候，但是，我们可以证明关于游戏的问题，就像我们可以证明几何问题一样，因为游戏就是几何学。

     我们还是从一个简单的游戏入手来理解几何学与游戏的关系，它就是“尼姆游戏”。

     该游戏的玩法如下：两个玩家坐在几堆石头前面，轮流拿走石头。你想拿多少块就拿多少块，但每次只能从同一堆石头里拿，这是尼姆游戏唯一的规则。轮到你时，不准不拿石头，也就是说，你至少得拿走一块。

     谁拿走最后一块石头，谁就是赢家。

     假设阿克巴和杰夫一起玩尼姆游戏。为简单起见，我们从只有2堆石头、每堆2块开始玩。阿克巴先拿，他该怎么办？

     阿克巴可以拿走2块，即把其中一堆石头拿光。但这不是一个好主意，因为随后杰夫就会拿光另一堆石头并成为赢家。

     所以，阿克巴应该从其中一堆石头中拿走1块。但他这样做的结果也好不到哪里去，因为杰夫可以一招制胜——他从另一堆石头中拿走1块，这样两堆石头就各剩下1块。阿克巴明白自己必输无疑，只能郁闷地拿走1块石头。

     从哪一堆里拿呢?根本不重要，阿克巴也知道这一点。杰夫拿走最后1块石头并赢得游戏。无论阿克巴第一步如何选择，他最后都会输。

     这个简单的回合制游戏为我们揭示了一个道理：游戏策略的本质仍是几何学。

     当石头从两个变为三个、四个、游戏的玩法就会形成一个树状图。游戏的所有可能性都被抽象成了一个几何模型。

如今，游戏厂家已经能通过更复杂的算法来引导AI学习玩家的策略，并让AI在自对弈训练中与不同策略的队友进行组队，从而能更好地理解玩家的意图。

     随着游戏中人机算法的升级迭代，你现在打游戏再也不用担心会被喷“你菜得

     像个人机”了，队友都贴心地劝你“你不如挂会儿机让人机替你打吧。”

     《几何学的力量》这本书让几何学变成了一门乐趣非凡的学问。

     美国威斯康星大学麦迪逊分校数学教授乔丹·艾伦伯格用风趣诙谐、寓教于乐的文字和现实生活案例告诉我们，几何学非但不是你人生中的“劫难”，更会成为你生活中的助力。

     这不是一本教你如何成为小镇做题家的几何解题方法集，而是告诉你“学习几何学究竟在现实世界有什么用？”并且让你爱上数学。

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