博弈论

速算背后的秘密

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约翰·冯·诺依曼的生活多姿多彩,其间发生过许多有趣的事情。

有一次,约翰·冯·诺依曼在参加一场数学聚会时与一个年轻人讨论了起来。年轻人问道:“诺依曼先生,我有一个问题想向您讨教:两个自行车手在相聚32千米的两地,各骑一辆自行车相向而行,他们同时出发,其中有一个骑手的车把上停着一只苍蝇,这只苍蝇在两人出发时开始向另一位骑手径直飞去。苍蝇会在飞到另一位骑手的自行车把手上后立刻返回,继续飞向第一位骑手的自行车把手,这样苍蝇不断往返于两辆自行车之间,直到两车相遇为止。假如两位骑手的骑速为16千米每小时;苍蝇飞行的速度是24千米每小时,那么在两车相遇时,苍蝇共飞行了多少千米?”

约翰·冯·诺依曼略加思考,微微一笑回答道:“很简单,苍蝇飞了24千米。”

这道经典的数学题是由美国趣味数学大师马丁·加德纳所编,其中涉及无穷级数求和问题。按照常人思维,这道题乍看起来非常复杂,因为要想计算苍蝇飞过的路程,就要计算出苍蝇来回飞了多少次,同时还要计算出每次所花费的时间。但是,如果按照这种思路计算,这个问题很难在短时间内得到解决。

马丁·加德纳在解决这个问题时另辟蹊径,他避开了用无穷级数求解的方式,而是用转化的思路,轻松地便解决了这个问题。既然已经知道每辆自行车的平均速度是16千米每小时,两辆自行车相距32千米,那么从开始到相遇,两位骑手相向而行的总速度就是:16+16=32(千米/小时),于是两者相遇共花费的时间是:32/(16+16)=1(小时)。这个时间也是苍蝇飞行所花费的总时间,而苍蝇的平均飞行速度是24千米每小时,于是:24/1=24(千米)。马丁·加德纳这道题的答案正是24千米。

年轻人听了约翰·冯·诺依曼的答案也笑了起来,他自信地说:“您一定是按照加德纳的思路解的题。我真不明白一些数学家为什么要研究无穷级数求解。那样岂不是使问题变得更烦琐了?就像在解这道题时,如果用无穷级数求解,真不知道何时能够给出答案。”

约翰·冯·诺依曼听到年轻人的抱怨,感到十分诧异,他疑惑地回答:“我正是运用无穷级数求解的啊!”年轻人听到这样的回答,瞪大了双眼,一句话也说不出来了。

约翰·冯·诺依曼是“计算机之父”,他参与研制了世界上第一台电子多用途计算机。这台计算机的全称叫作电子数字积分计算机,英文简称为ENIAC。第二次世界大战期间,美国政府邀请约翰·冯·诺依曼担任弹道研究所顾问,参与第一颗原子弹以及各种导弹弹道的研究工作。为了进行弹道研究,美国科学家提出研制电子计算机的设想,而ENIAC就是在这个时间研发出来的。

当时,各国的武器装备水平不高,导弹在战争中起主导地位。开发新型弹道,研制新型大炮是美国陆军军械部的主要任务。为此,美国设立了专门的“弹道研究实验室”。“弹道研究实验室”坐落在马里兰州的阿伯丁。在那里,研究人员每天都要为美国军方提供6张射表。这些表格主要用于导弹研制的技术鉴定。这6张表格看似数量不多,但制作它们的工作量十分惊人,每一张表格都对应着几百条弹道的计算,而每条弹道都要建立复杂的非线性方程组,这些方程组很难求出准确解,只能通过数学方法进行近似计算。

用数值方法近似求解并不容易。而当时还没有快捷的计算工具,完成一张射表需要200名计算人员不辞辛劳地工作2个多月的时间。但是,战事紧迫,如果不能高效研制出先进的武器,只能付出更为惨重的代价。

就在这个时候,科学家莫希利提出了试制电子计算机的设想。美国军方对此十分支持,并拨下一笔巨款用以资助该研究项目。

这项研制工作不仅有资金支持,还有大量的人才支持。在众多人才中,约翰·冯·诺依曼是佼佼者,他的到来为计算机研制工作带来了极大的技术支持。当时的约翰·冯·诺依曼正在参与美国第一颗原子弹的研制工作,其间,他遇到并解决了大量计算问题。带着相关知识和技术,约翰·冯·诺依曼在投入计算机研制工作后显得尤为出色。

在研制ENIAC的过程中,专家团队遇到了两个主要问题:一是没有存储器的问题,二是布线接板控制问题。1945年,约翰·冯·诺依曼及其团队就这些问题提出了一个全新的解决方案,即“存储程序通用电子计算机方案”。在研制计算机的过程中,约翰·冯·诺依曼解决了诸多关键性问题,为确保计算机的顺利问世做出了重要贡献。

在约翰·冯·诺依曼等人的努力下,ENIAC最终研制成功。虽然这台计算机的体积庞大,需要耗费大量电能才能运转,每秒的运算速度也不过几千次,但是就当时的条件而言,它的计算速度已经比寻常的计算工具提高了整整1000多倍。这台计算机不仅能自动执行算术运算和逻辑运算,还能存储大量数据,它的问世打开了电子计算的大门,同时也象征着科学新时代的开始。

在研制ENIAC期间,有一次,几个专家就一个数学难题讨论了起来,但讨论了许久,没有一个人能理出头绪,其中一个年纪较小的数学家不甘心放弃,于是就带着计算仪器回到家继续演算。年轻人算了整整一个晚上才最终得到答案。第二天清晨,他急匆匆地回到实验室,迫不及待地向大家公布自己的答案。他炫耀地说:“我昨天用计算仪器一直算到凌晨四点半,终于让我找到了那道难题的五种解答。得到它们可真不容易!”

“什么不容易?”此时,刚走进实验室的约翰·冯·诺依曼好奇地问道。于是,大家将昨天讨论的数学难题讲述给他听,诺依曼听到数学难题一时来了兴致,很快陷入思考之中。过了一会,他逐一给出了四个正确答案。而那个忙了一夜的年轻数学家在惊讶之余,立刻将最后一个答案脱口而出,他可不希望所有的风头都被诺依曼抢去。

而诺依曼听到年轻数学家的答案也很惊讶,他只是略微思考一番,便肯定道:“你的答案完全正确。”得到诺依曼的肯定,年轻数学家十分开心,同时又心情复杂。面对众人,他满脸尴尬地离开了。而此时的约翰·冯·诺依曼却十分不解为何年轻数学家会如此迅速地想到答案,正当他一脸困惑地陷入思考久久不能自拔的时候,有人问道:“你在想什么?”

诺依曼不紧不慢地回答:“我只是在想他究竟用了什么方法竟能如此迅速地给出答案。”

众人听了他的话,纷纷大笑起来。有人向他道出了原委:“他是通过计算仪器用了整整一晚上的时间才算出的答案啊!”诺依曼一听,立刻释怀地跟着众人一同大笑起来。

诺依曼的聪明才智由此可见一斑。