關於分析首位數問題的數學趣話

人們對生活中的許多現象由於習以爲常而不求甚解。可是,如果仔細研究,這裏面可能蘊含着深奧的道理。

關於分析首位數問題的數學趣話

天文學家在進行天文計算時,經常要使用對效表。本世紀韌,有一次天文學家西蒙·紐科姆在查對數表時,偶然發現了這樣的現象:對數表開始的幾頁總要比後面幾頁磨損得厲害。這說明人們在查對數表時,較多地是使用了以1爲首的那幾頁。於是,紐科姆便產生這樣一個疑問:首位數是1的自然數在全體自然數中佔有多大的比例?它是不是要比首位數是其它數字的自然效要多?人們後來就把這個問題稱爲“首位數問題”。

大家可能會認爲這個問題是顯而易見的。因爲除0以外,共有九個數字:1,2,3,4,5,6,7,8,9,用其中任何一個數字開頭的自然數,在全體自然數中的分佈是均勻的,機會應該是均等的。這就是說,首位數爲1的自然數應該佔全體自然數的`1/9。可是,事實並不這麼簡單。1974年,現在是美國斯坦福大學統計學家的珀西·迪亞科尼斯(當時還在哈佛大學做研究生),研究了這個問題,所得到的結論出乎人們的意料:首位數是1的自然數約佔全體自然數的1/3。準確一點說,這個數值應該是lg2約爲0.30103。這是怎麼一回事呢?

事實上,用不同數字做首位數字,這樣的自然數的分佈並不是很均勻的,也不是很規則的。首位數是1的自然數的分佈規律是;

I到9之間,這樣的數只有1個,它就是1,所以佔1/9;

I到20之間,這樣的數有11個,它們是1,10,11……,19,所以約佔1/2,

1到30之間,這樣的數同樣有11個,約佔1/3,

1到100之間.這樣的數仍然只有]1個,約佔1/9,

l到200之間,這樣的數有111個,它們是1,10,11,…,19,100,101,…,199,約佔1/2。

注意到首位數是1的自然數在以上各區間的個數與這個區間內所有自然數個數的比值,總是在1/2與1/9之間來回振盪。於是,迪亞科尼斯經過研究,終於運用高等數學的方法,得出這些比值的合理平均值,它就是上面所講到的lg2。

迪亞科尼斯當時並不知道這樣偶然的發現有什麼實際意義。後來,美國西雅田波音航天局數學家梅爾達德·沙沙哈尼在研究用計算機描繪自然景象的問題時,用上了這個結論。近年來,美國波音航天局將這一成果用於飛機模擬器,使飛行員在不離開地面的情況下接受訓練,而能得到一種在空中飛行的實感。首位數問題的結論在科學技術中發揮了重大的作用。