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孤獨(dú)的質(zhì)數(shù)與我們的信用卡支付密碼

 百眼通 2018-04-13

暢享理財(cái)人生 · 共度悅讀時(shí)光READING TIME

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作者:史蒂夫·斯托加茨

現(xiàn)為康奈爾大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)系名譽(yù)教授,是一位頗有聲望的教師,也是世界上觀點(diǎn)被引用最多的數(shù)學(xué)家之一,他經(jīng)常擔(dān)任美國(guó)國(guó)家公共廣播電臺(tái)“廣播實(shí)驗(yàn)室”欄目的嘉賓,還為《紐約時(shí)報(bào)》撰寫(xiě)“數(shù)學(xué)的要素”在線專欄。

在《x的奇幻之旅》中,世界級(jí)數(shù)學(xué)家、《紐約時(shí)報(bào)》專欄作者史蒂夫·斯托加茨,將引領(lǐng)我們踏上一段領(lǐng)略最偉大的數(shù)學(xué)思想的賞心悅目之旅。沿途你會(huì)看到數(shù)學(xué)如何與文學(xué)、哲學(xué)、法律、醫(yī)學(xué)、藝術(shù)、商業(yè)彼此交融,甚至流行文化也能以我們意想不到的方式與數(shù)學(xué)共舞。不管你是否喜歡數(shù)學(xué)、了解數(shù)學(xué),每個(gè)人的生活卻都離不開(kāi)數(shù)學(xué),相信讀完這本啟迪智慧又妙趣橫生的書(shū)后,不少人會(huì)從此愛(ài)上數(shù)學(xué),重新發(fā)現(xiàn)和欣賞數(shù)學(xué)之美,成為“數(shù)學(xué)發(fā)燒友”。今天分享第八期:孤獨(dú)的質(zhì)數(shù)與我們的信用卡支付密碼。

一首20世紀(jì)60年代的美國(guó)老歌唱道:“1是最孤獨(dú)的數(shù)字,2也好不到哪里去?!蔽蚁耄诠陋?dú)的問(wèn)題上,質(zhì)數(shù)應(yīng)該算是一個(gè)需要特殊關(guān)注的群體了。

保羅·焦?fàn)栠_(dá)諾寫(xiě)過(guò)一本暢銷書(shū)《質(zhì)數(shù)的孤獨(dú)》?!顿|(zhì)數(shù)的孤獨(dú)》是一部悲傷的愛(ài)情小說(shuō):馬蒂亞和愛(ài)麗絲是兩個(gè)像質(zhì)數(shù)一樣孤獨(dú)的社會(huì)邊緣人。因?yàn)椴恍业耐?,兩人幾乎失去了和別人交流溝通的能力。但是在彼此破碎的靈魂里,他們卻找到了共鳴和救贖。在這本書(shū)里,作者這樣寫(xiě)道:

質(zhì)數(shù)只能被1和它自己整除。質(zhì)數(shù)和其他數(shù)字一樣,排在無(wú)窮無(wú)盡的自然數(shù)里,幾乎被相鄰的兩個(gè)數(shù)字?jǐn)D扁,雖然被擠壓著,卻又藏著一種格格不入的孤獨(dú)。質(zhì)數(shù)永遠(yuǎn)是可疑的、不合群的孤獨(dú)者,所以馬蒂亞喜歡質(zhì)數(shù)。有時(shí)候,馬蒂亞覺(jué)得質(zhì)數(shù)一定是誤入了某種陷阱,才會(huì)被囚禁在自然數(shù)的序列里,就像珍珠被囚禁在項(xiàng)鏈里,永遠(yuǎn)無(wú)法逃離。有時(shí)候,馬蒂亞又覺(jué)得也許質(zhì)數(shù)最大的愿望就是變成一個(gè)普通的自然數(shù),和別的數(shù)字一樣正常,不再那么格格不入,但是,這個(gè)愿望永遠(yuǎn)不可能實(shí)現(xiàn)……

大學(xué)一年級(jí)的時(shí)候,馬蒂亞學(xué)到這樣一個(gè)知識(shí)點(diǎn):質(zhì)數(shù)中還有一些更為特殊的數(shù)字,數(shù)學(xué)家們稱之為“孿生質(zhì)數(shù)”。每一對(duì)孿生質(zhì)數(shù)的位置相差不遠(yuǎn),幾乎可以說(shuō)是鄰居,但它們之間卻總會(huì)插進(jìn)一個(gè)偶數(shù),硬生生把它們隔開(kāi)。比如11和13、17和19、41和43都是孿生質(zhì)數(shù)。如果你繼續(xù)觀察下去,就會(huì)發(fā)現(xiàn)孿生質(zhì)數(shù)變得越來(lái)越少。越來(lái)越多孤立的質(zhì)數(shù),存在于這個(gè)寂靜的謎一樣的空間里。越觀察,你越會(huì)產(chǎn)生一個(gè)絕望的預(yù)感:之前發(fā)現(xiàn)的那些孿生質(zhì)數(shù)也許只是偶然的巧合,而孤獨(dú)、徹底的孤獨(dú),才是一個(gè)質(zhì)數(shù)真正的宿命。但是,就在你準(zhǔn)備放棄,覺(jué)得再也沒(méi)有必要繼續(xù)觀察下去的時(shí)候,你又會(huì)碰到一對(duì)孿生質(zhì)數(shù),它們緊緊地依偎在一起,對(duì)抗著周?chē)谋浜徒^望。數(shù)學(xué)家們相信,不管你觀察到哪里,前方一定還有更多的孿生質(zhì)數(shù),雖然沒(méi)有人知道,下一對(duì)孿生質(zhì)數(shù)會(huì)出現(xiàn)在哪里,但我們總會(huì)找到它們。

馬蒂亞覺(jué)得,他和愛(ài)麗絲就是一對(duì)孿生質(zhì)數(shù)。他們都很孤獨(dú),他們同樣迷失在這個(gè)冰冷的世界里,他們是彼此唯一的安慰,但他們之間仍隔著不可逾越的障礙,他們永遠(yuǎn)無(wú)法真正地緊挨著彼此。

在這里,我覺(jué)得有必要挖掘一下這段悲傷的文字里提到的那些美麗的思想:特別是質(zhì)數(shù)的孤獨(dú)和孿生質(zhì)數(shù)的宿命。這些問(wèn)題是數(shù)論里的核心問(wèn)題。數(shù)論的研究對(duì)象是整數(shù)和整數(shù)的性質(zhì)。數(shù)論一直被認(rèn)為是“最純粹”的數(shù)學(xué)領(lǐng)域。

在我們走進(jìn)數(shù)論這個(gè)令人呼吸困難的領(lǐng)域之前,先讓我們討論一個(gè)問(wèn)題。很多實(shí)用主義者都會(huì)問(wèn):數(shù)論到底有什么用處?數(shù)論的實(shí)際應(yīng)用主要表現(xiàn)在加密算法中。數(shù)論的性質(zhì)決定了它是密碼學(xué)的基礎(chǔ)。每天,加密算法保護(hù)著我們的個(gè)人信用卡的網(wǎng)上支付功能,也保護(hù)著每個(gè)國(guó)家的軍事機(jī)密。這種算法依賴于一個(gè)特殊的性質(zhì):一個(gè)巨大數(shù)字的質(zhì)因數(shù)是非常難以求得的。

但是,數(shù)學(xué)家們迷戀質(zhì)數(shù)并不是出于這個(gè)原因。對(duì)于數(shù)學(xué)家們來(lái)說(shuō),質(zhì)數(shù)的魅力在于它們具有“基本的重要性”。質(zhì)數(shù)之于算數(shù),就好比原子之于物理。

原子(atom)一詞的希臘語(yǔ)詞根是atomic,意思是“不能被切開(kāi)、不可分割”。在物理學(xué)知識(shí)中,所有的物質(zhì)都是由原子構(gòu)成的;在數(shù)學(xué)知識(shí)中,所有的數(shù)字都可以被分解成質(zhì)數(shù)。比如,60=2×2×3×5。我們可以說(shuō),60是一個(gè)合數(shù),2、3、5是它的質(zhì)因數(shù)。

那么,1這個(gè)數(shù)字怎么辦?1是質(zhì)數(shù)嗎?它不是。當(dāng)你理解了1為什么不是質(zhì)數(shù),你就會(huì)真正理解那首老歌的真諦:1真的是世界上最孤獨(dú)的數(shù)字,它比質(zhì)數(shù)還要孤獨(dú)。

從道理上來(lái)說(shuō),我們不應(yīng)該把數(shù)字1從質(zhì)數(shù)的隊(duì)伍中孤立出來(lái)。既然數(shù)字1只能被1和它本身整除,它不就應(yīng)該是一個(gè)質(zhì)數(shù)嗎?實(shí)際上,數(shù)字1確實(shí)曾經(jīng)被當(dāng)成質(zhì)數(shù),而且數(shù)字1當(dāng)質(zhì)數(shù)的時(shí)間也不短。但是,現(xiàn)代數(shù)學(xué)卻決定把數(shù)字1從質(zhì)數(shù)的隊(duì)伍中趕出去,這一舉動(dòng)只是為了方便起見(jiàn)。如果數(shù)字1是質(zhì)數(shù)的話,有一個(gè)定理就無(wú)法成立,但是人類需要這個(gè)定理,我們一定要讓這個(gè)定理成立。換句話說(shuō),為了達(dá)到自己的目的,為了得到我們想要的定理,人類操縱了質(zhì)數(shù)的定義,無(wú)情地把數(shù)字1趕了出去。

什么定理這么重要?這個(gè)定理就是:任何數(shù)都能以唯一的方式被分解成幾個(gè)質(zhì)數(shù)的乘積。如果我們承認(rèn)1是質(zhì)數(shù),那么“唯一的”這三個(gè)字就不再成立。比如說(shuō),6可以分解成2×3,也可以分解成1×2×3,還可以分解成1×1×2×3,諸如此類。只要數(shù)字1是質(zhì)數(shù),質(zhì)因數(shù)分解的方式就不唯一。這聽(tīng)起來(lái)很可笑,但是如果數(shù)字1是質(zhì)數(shù)的話,確實(shí)很不方便。

這個(gè)故事揭示出數(shù)學(xué)的真正面目。有時(shí)候我們會(huì)幼稚地認(rèn)為,人類是先發(fā)明出定義,然后把這些定義刻在石頭上,再根據(jù)這些板上釘釘?shù)亩x來(lái)推導(dǎo)定理。其實(shí),數(shù)學(xué)的真正面目并非如此。這種方法太過(guò)消極。人類才是數(shù)學(xué)的“主人”,定義是依據(jù)人類的意愿擬定的。尤其是當(dāng)一個(gè)小小的改變就能讓定理變得更嚴(yán)密的時(shí)候,我們才不會(huì)在乎數(shù)字1的感受!

好了,現(xiàn)在數(shù)字1已經(jīng)被我們從船上扔下去了,讓我來(lái)看看還在船上的諸位吧。在人類對(duì)質(zhì)數(shù)的了解中,最重要的一點(diǎn)是什么呢?那就是質(zhì)數(shù)是如此神秘、費(fèi)解和古怪。沒(méi)有任何人發(fā)現(xiàn)過(guò)質(zhì)數(shù)的通項(xiàng)公式。與物理中的原子不同,質(zhì)數(shù)不服從任何簡(jiǎn)單的規(guī)律,我們發(fā)現(xiàn)了“元素周期表”,卻研究不出一張“質(zhì)數(shù)周期表”。

前10個(gè)質(zhì)數(shù)就足夠給我們一個(gè)“下馬威”了:2、3、5、7、11、13、17、19、23、29。首先,第一個(gè)數(shù)字2已經(jīng)很神奇了:它很邊緣,是所有質(zhì)數(shù)中唯一的偶數(shù)。難怪歌里會(huì)唱:“1是最孤獨(dú)的數(shù)字,2也好不到哪里去。”

除了數(shù)字2之外,其他質(zhì)數(shù)都是奇數(shù),但它們也很莫名其妙??纯疵?jī)蓚€(gè)質(zhì)數(shù)之間的距離:有時(shí)是2(比如5和7),有時(shí)是4(比如13和17),有時(shí)是6(比如23和29)。

為了理解質(zhì)數(shù)到底有多神奇,我們看看基本的奇數(shù):1、3、5、7、9、11、13……相鄰奇數(shù)間的距離永遠(yuǎn)是2,比鼓點(diǎn)還要準(zhǔn)。所以,奇數(shù)可以用一個(gè)很簡(jiǎn)單的通項(xiàng)公式來(lái)表達(dá),第n個(gè)奇數(shù)是2n-1。而質(zhì)數(shù)呢?它們無(wú)組織、無(wú)紀(jì)律,毫無(wú)規(guī)律可言。

由于相鄰質(zhì)數(shù)間的距離很不規(guī)律這一現(xiàn)象,數(shù)學(xué)家們決定不再冥思苦想單個(gè)質(zhì)數(shù)出現(xiàn)的規(guī)律,而是用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法,把質(zhì)數(shù)當(dāng)成一個(gè)整體來(lái)看。比如,我們來(lái)看一看質(zhì)數(shù)在整數(shù)中究竟是如何分布的:小于等于10的質(zhì)數(shù)有多少個(gè)?小于等于100的質(zhì)數(shù)有多少個(gè)?小于等于任意整數(shù)N的質(zhì)數(shù)又有多少個(gè)?要回答這些問(wèn)題,需要用到一個(gè)統(tǒng)計(jì)學(xué)上的概念:累積分布。

想象我們沿著數(shù)軸行走,一邊走一邊數(shù)質(zhì)數(shù),就像搞人口普查的時(shí)候挨家挨戶地走訪一樣。質(zhì)數(shù)站在數(shù)軸上,我們從1開(kāi)始,一直向右走,手拿計(jì)數(shù)器,看見(jiàn)一個(gè)質(zhì)數(shù)就按一下計(jì)數(shù)器。這個(gè)計(jì)數(shù)器的讀數(shù)變化如下圖所示。

橫軸是你在數(shù)軸上的位置,縱軸是此時(shí)你手中計(jì)數(shù)器的讀數(shù),也就是小于等于x的質(zhì)數(shù)的個(gè)數(shù),當(dāng)x小于2,y的值是0,因?yàn)闀簳r(shí)還沒(méi)有找到任何質(zhì)數(shù)。當(dāng)我們走到數(shù)字2,就找到了一個(gè)質(zhì)數(shù)。所以,計(jì)數(shù)器的讀數(shù)為數(shù)字1,上圖的函數(shù)出現(xiàn)一個(gè)跳躍。然后,函數(shù)值又保持不變,直到我們走到數(shù)字3的位置,此時(shí)函數(shù)值又上移1格。這個(gè)函數(shù)的特征就是:持平、突增、持平、突增、持平、突增……最后,我們看到的是一個(gè)奇怪的樓梯,臺(tái)階忽高忽低。這個(gè)函數(shù)被數(shù)學(xué)家們稱為“素?cái)?shù)計(jì)數(shù)函數(shù)”。

請(qǐng)把這個(gè)奇怪的函數(shù)和下圖的“奇數(shù)計(jì)數(shù)函數(shù)”對(duì)比一下。

奇數(shù)所形成的樓梯是非常正常的,每個(gè)臺(tái)階都一樣高,順著一條斜率為1/2的直線一路攀升。這是因?yàn)橄噜徠鏀?shù)間的距離永遠(yuǎn)是2。

不得不說(shuō),質(zhì)數(shù)實(shí)在是太過(guò)奇特。既然質(zhì)數(shù)如此奇特,它們到底還有沒(méi)有什么規(guī)律可循呢?奇怪的是,質(zhì)數(shù)的分布還是有一定規(guī)律的。要找到這個(gè)規(guī)律,我們應(yīng)該暫時(shí)忘記高高低低的臺(tái)階給我們帶來(lái)的不快,專心看看這個(gè)樓梯的“走勢(shì)”。如果我們把素?cái)?shù)計(jì)數(shù)函數(shù)的圖像縮小,我們會(huì)慢慢地看到一條比較光滑的曲線。下圖是小于等于100的質(zhì)數(shù)的計(jì)數(shù)函數(shù)。

與之前的圖相比,臺(tái)階的高低不平看起來(lái)沒(méi)有那么明顯了,如果我們?cè)倏纯葱∮诘扔?0億的質(zhì)數(shù)的計(jì)數(shù)函數(shù),這條曲線還會(huì)變得更加平滑一些。

上圖的函數(shù)圖像看起來(lái)像一條直線,但其實(shí)它并不是一條直線。隨著這個(gè)函數(shù)的向上爬升,爬升的速度在以微小的速率減小。這說(shuō)明,隨著數(shù)字越來(lái)越大,質(zhì)數(shù)變得越來(lái)越稀疏。也許,所謂質(zhì)數(shù)的孤獨(dú),就是越往高處走越孤單、越疏離,俗話說(shuō)得好:高處不勝寒。

隨著數(shù)字越來(lái)越大,質(zhì)數(shù)變得越來(lái)越稀疏。這個(gè)性質(zhì)從圖像上來(lái)看并不明顯,但是換一個(gè)角度就能看得很清楚。在前30個(gè)正整數(shù)中,我們可以找到10個(gè)質(zhì)數(shù),也就是每3個(gè)正整數(shù)里就存在一個(gè)質(zhì)數(shù),質(zhì)數(shù)的比例可達(dá)33%。而在前100個(gè)正整數(shù)中,一共有25個(gè)質(zhì)數(shù),每4個(gè)正整數(shù)里就有一個(gè)是質(zhì)數(shù),質(zhì)數(shù)的比例下降到了25%。那么,前1億個(gè)正整數(shù)里質(zhì)數(shù)占多大比例呢?答案是: 5%。

這條看似筆直的曲線里,有著質(zhì)數(shù)蒼涼的命運(yùn):它們是越來(lái)越少的“瀕?!蔽锓N。當(dāng)然,質(zhì)數(shù)不會(huì)在某一點(diǎn)后完全消失;沿著數(shù)軸一直向右,總還是會(huì)找到更大的質(zhì)數(shù)——這一點(diǎn)歐幾里得早已告訴了我們。質(zhì)數(shù)是無(wú)窮的,但它們卻越變?cè)缴?,越變?cè)较∈?。我們沿著?shù)軸向右走得越遠(yuǎn),就越難看到質(zhì)數(shù)的身影。

通過(guò)擬合質(zhì)數(shù)的計(jì)數(shù)函數(shù),數(shù)論學(xué)家把質(zhì)數(shù)的“孤獨(dú)度”度量了出來(lái)。質(zhì)數(shù)的“孤獨(dú)度”由相鄰兩個(gè)質(zhì)數(shù)之間的距離來(lái)表示,如果N是一個(gè)非常大的數(shù),那么N附近兩個(gè)相鄰質(zhì)數(shù)間的平均距離是lnN,即N的自然對(duì)數(shù)。

相鄰質(zhì)數(shù)間的平均距離是lnN。在N比較小的時(shí)候,這個(gè)公式很不準(zhǔn)確,但隨著N的增大,這個(gè)公式會(huì)變得越來(lái)越精確。當(dāng)N趨于無(wú)窮大的時(shí)候,這個(gè)公式的誤差百分比就會(huì)趨近于零。為了有一個(gè)更直觀的認(rèn)識(shí),我們代入一些具體的數(shù)字。當(dāng)N=1 000的時(shí)候,小于等于1 000的質(zhì)數(shù)有168個(gè),所以1 000以下相鄰質(zhì)數(shù)的平均距離是1 000/68,大約為5.9。而我們的公式lnN給出的預(yù)測(cè)值則是ln(1 000)≈6.9。也就是說(shuō),當(dāng)N取1 000的時(shí)候,這個(gè)公式的誤差很大,公式的預(yù)測(cè)值比實(shí)際值高17%。但當(dāng)N非常大的時(shí)候,例如我們?nèi)= 1 000 000 000,此時(shí)質(zhì)數(shù)間平均距離的實(shí)際值和公式給出的預(yù)測(cè)值分別是19.7和20.7,預(yù)測(cè)值只比實(shí)際值高5%。

當(dāng)N趨于無(wú)窮大,lnN這個(gè)公式就可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)相鄰質(zhì)數(shù)間的平均距離,這個(gè)結(jié)果叫作素?cái)?shù)定理。1702年,德國(guó)著名數(shù)學(xué)家卡爾·弗里德里?!じ咚故状伟l(fā)現(xiàn)了這個(gè)定理(但是,當(dāng)時(shí)并未以論文形式發(fā)表這個(gè)結(jié)論),那時(shí)的高斯只有15歲。(看,在沒(méi)有游戲機(jī)的年代,一個(gè)孩子的學(xué)術(shù)研究能力有多強(qiáng)?。?/span>

而本章中提到的另外兩個(gè)少年——馬蒂亞和愛(ài)麗絲,則以另一種方式告訴我們質(zhì)數(shù)的美。我希望你可以感受到孿生質(zhì)數(shù)的神奇之處。隨著數(shù)字的增大,孿生質(zhì)數(shù)雖然越來(lái)越稀少,卻仍能堅(jiān)持“存在于這個(gè)寂靜的謎一樣的空間里”,這種凄美簡(jiǎn)直要讓我潸然淚下。你知道這有多不容易嗎,一切都對(duì)它們很不利。根據(jù)素?cái)?shù)定理,大數(shù)N附近相鄰質(zhì)數(shù)間的平均距離在lnN左右(N的數(shù)值很大的時(shí)候,lnN遠(yuǎn)大于2),在這樣的條件下,還能有只隔一個(gè)數(shù)的孿生質(zhì)數(shù)存在,這實(shí)在是一件非常神奇的事情。

是的,總有一些感天動(dòng)地的愛(ài)情可以戰(zhàn)勝命運(yùn)。在數(shù)軸延展至極遠(yuǎn)的位置,計(jì)算機(jī)仍然幫我們找到了真愛(ài)無(wú)敵的孿生質(zhì)數(shù)。目前已知的最大一對(duì)孿生質(zhì)數(shù),它們各有100 355位。

孿生質(zhì)數(shù)猜想告訴我們,這樣的數(shù)字永遠(yuǎn)不會(huì)消失。

但是,是否能在它們附近找到另一對(duì)孿生質(zhì)數(shù)?我們只能看運(yùn)氣了。

目 錄

前言

第1部分 數(shù)字

第1章 數(shù)學(xué):從企鵝的“魚(yú)”訂單到無(wú)窮大

第2章 一組組石頭與加減乘除運(yùn)算

第3章 “敵人的敵人就是朋友”與“負(fù)負(fù)得正”法則

第4章 交換律:7×3與3×7都等于21

第5章 無(wú)理數(shù):除法帶給我們的困惑

第6章 從笨拙的羅馬數(shù)字到美妙的阿拉伯?dāng)?shù)字

第2部分 數(shù)字之間的關(guān)系

第7章 x的樂(lè)趣與股票的盈虧

第8章 求根難題與虛擬的復(fù)數(shù)

第9章 應(yīng)用題:冷熱水龍頭一起灌滿浴缸需要多長(zhǎng)時(shí)間?

第10章 丑陋卻萬(wàn)能的二次方程求根公式

第11章 函數(shù):你能把一張紙對(duì)折8次以上嗎?

第3部分 形狀

第12章 跳舞的正方形與勾股定理

第13章 感性與邏輯兼?zhèn)涞膸缀巫C明方法

第14章 圓錐的魔法:從回音廊到拋物線

第15章 大自然中最常見(jiàn)的形狀——正弦波

第16章 圓周率是如何計(jì)算出來(lái)的?

第4部分 變化

第17章 微積分:找出最優(yōu)路徑的最可靠方法

第18章 積分譜成的優(yōu)雅數(shù)學(xué)變奏曲

第19章 指數(shù)e:關(guān)乎你婚姻成敗的數(shù)字符號(hào)

第20章 用微積分方程來(lái)分析愛(ài)情與三體問(wèn)題

第21章 向量微積分:帶人類走向現(xiàn)代化的使者

第5部分 數(shù)據(jù)

第22章 長(zhǎng)尾分布:從減稅額到恐怖襲擊事件

第23章 貝葉斯定理:辛普森殺死前妻的概率有多大?

第24章 線性代數(shù)與強(qiáng)大的谷歌搜索引擎

第6部分 前沿

第25章 孤獨(dú)的質(zhì)數(shù)與我們的信用卡支付密碼

第26章 群論:如何翻轉(zhuǎn)才能使床墊磨損率最小?

第27章 拓?fù)洌河媚葹跛箮?xiě)成的憂傷愛(ài)情故事

第28章 微分幾何:兩點(diǎn)之間最短路徑不止一條

第29章 無(wú)窮數(shù)列的和與一個(gè)溫文爾雅的騙子

第30章 “顯示滿房卻永遠(yuǎn)有空房”的希爾伯特酒店

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