“Người ngoài hành tinh” Ramanujan hay nhà toán học tự học thiên tài

Srinivasa Ramanujan là một hiện tượng độc đáo trong lịch sử Toán học thế giới: một người không được đào tạo chính quy nhưng có năng lực tự học và cảm nhận Toán học sâu sắc, tuy chỉ sống cuộc đời ngắn ngủi nhưng ông đã tìm ra nhiều kết quả Toán học kỳ diệu.

1.Một công thức lạ…

Ngày 31 tháng 1 năm 1913, nhà Toán học G.H. Hardy, giáo sư tại trường Đại học Cambridge, London, nhận được một phong thư khá dày, trong đó trang đầu là trang tự giới thiệu và 9 trang sau chứa chi chít công thức Toán, từ một địa chỉ nào đó ở tận miền nam Ấn-Độ xa xôi. Tác giả bức thư tự giới thiệu như sau:

“Thưa ông,
Tôi xin phép được tự giới thiệu tôi là thư ký kế toán hãng Port Trust ở bến cảng Madras, lương 20 bảng Anh một năm. Bây giờ tôi được 23 tuổi,…vân vân.”

Tiếp theo là 9 trang với hàng trăm công thức Toán, có công thức nhà Toán học Hardy biết là đúng, có công thức nhà Toán học chưa thấy bao giờ, không có một lời chứng minh hoặc giải thích nào đi kèm cả. Cuối thư có những hàng sau đây:

“Tôi nghèo, nếu ông tin tưởng ở giá trị những gì của tôi viết ở đây, tôi muốn nhờ ông cho công bố chúng. Tôi hoàn toàn tin tưởng ở những lời hướng dẫn của ông. Tôi xin lỗi đã làm phiền ông.”

Ngoài chuyện là có quá nhiều công thức lạ, nhưng chuyện đáng ngạc nhiên nhất là khởi đầu mấy trang Toán có công thức sau đây:

Ai cũng biết tổng các số dương không thể là một số âm, tổng của các số nguyên không thể là một phân số được. Hơn nữa tổng của chuỗi số này bằng vô cực, sao bằng một số hữu hạn được? Có gì lầm lẫn ở đây không? Nhìn qua một số công thức phức tạp nhưng chính xác trong phần sau, nhà Toán học Hardy không thể giải thích cái sai ở công thức đầu tiên này.

Thì ra nhà Toán học được xem là “người ngoài hành tinh” Ramanujan đã đi trước các nhà Khoa học chúng ta gần 100 năm khi đưa ra công thức ấy, không một lời giải thích (Sau này Ramanujan nói với Hardy rằng ông cố tình đưa ra công thức này lên đầu để gây sự chú ý cho Hardy). Ngày nay ta gọi công thức trên là tổng Ramanujan và đã được dùng trong lý thuyết dây (string theory), đặc biệt để giải nghĩa hiện tượng được gọi là hiệu ứng Casimir (Casimir Effect) trong cơ học lượng tử. Ta sẽ nói thêm về công thức kỳ lạ này ở trong phụ bản.

2. Srinivasa Ramanujan là ai?

Srinivasa Ramanujan (1887 – 1920) sinh tại làng Erode, phía nam thành phố Tamil Nadu, miền nam Ấn Độ trong một gia đình nghèo khó. Cha ông làm việc trong một cửa hàng buôn bán nhỏ, mẹ hát trong một ngôi đền. Đứa em nhỏ chết vì bệnh khi mới 3 tháng tuổi, hai người anh em khác cũng chết khi tuổi còn thơ. Còn Ramanujan bị mắc phải bệnh trái rạ khi mới 2 tuổi nhưng vượt qua được. Lên 5 tuổi, Ramanujan được cho đi học tại trường Kumbakonam, một thị trấn gần Madras, nơi gia đình đang sinh sống. Cậu bé không mấy vui thích với nhà trường.

Khi lớn lên một chút, Ramanujan học hết kiến thức Toán học của các thầy giáo ở trường và đọc sách Toán một mình. Mặc dầu không được học Toán có hệ thống, nhưng Ramanujan tỏ ra có một khả năng Toán kỳ lạ. Khi mới 12 tuổi chàng trẻ tuổi có thể giải được nhiều bài toán về Lý thuyết số và Giải tích. Thật đáng kinh ngạc khi Ramanujan có thể nghĩ ra những sự kiện và những ý tưởng Toán học trong một khung cảnh hoàn toàn trống vắng tri thức ở xung quanh.

Lùi lại thời Trung cổ, ta thấy Ấn Độ có một truyền thống sản xuất ra nhiều kết quả Toán học nhưng không đi kèm với chứng minh. Và cũng như các nhà Toán học Ấn Độ khác, Ramanujan không quan tâm mấy đến việc có được một chứng minh chính thống. Đơn giản là chàng chỉ đưa ra những kết quả Toán học đẹp đẽ, như là lấy chúng ra từ không khí, hầu hết là các đẳng thức và phương trình. Năm 1902 (15 tuổi), học được từ trong sách phương pháp giải phương trình bậc ba của các nhà Toán học Ý thế kỷ 16, Ramanujan tìm ra được, theo cách riêng của mình, cách giải phương trình bậc bốn. Rồi chàng lao đầu vào giải phương trình bậc năm nhưng không có kết quả. Chàng đâu biết rằng phương trình bậc năm không thể giải được bằng căn thức (Abel, Galois).

Tốt nghiệp trung học vào năm 1904, Ramanujan được tặng thưởng giải Rao vì học sinh có kết quả xuất sắc trong việc học Toán với điểm số cao hơn trần cực đại thông thường của nhà trường. Ramanujan được học bổng để vào học tại trường Đại học công lập Kumbakonam, ở đó Ramanujan đạt kết quả kỳ diệu về Toán học, nhưng tỏ ra không có năng lực gì ở các môn học còn lại, vì vậy Ramanujan mất học bổng. Chàng tự ý bỏ đi qua một thị trấn khác. Sau đó chàng xin vào học tại Đại học Pachaiyappa ở Madras. Cũng như ở trường trước, kết quả ở các môn học khác quá kém và cũng vì sức khỏe có vấn đề, chàng rớt trong kỳ tốt nghiệp. Tuy nhiên, chàng vẫn say mê tiếp tục nghiên cứu Toán học một cách độc lập.

Việc rời Đại học mà không có một tấm bằng nào làm chàng nản lòng. Theo truyền thống Ấn Độ, Ramanujan được phép cưới vợ. Gia đình cưới cô bé Janaki Amal mới 10 tuổi cho chàng, nhưng theo qui định, đám cưới chỉ hoàn tất khi cô gái đủ tuổi. Như vậy, hai người không sống chung với nhau. Ramanujan tiếp tục cuộc sống trong nghèo khó. Ramanujan trình cho một số giáo sư ở trường Đại học địa phương một vài kết quả của công trình nghiên cứu của mình để có được sự giới thiệu cần thiết khi đi xin việc. Công trình của chàng làm các giáo sư quá đỗi ngạc nhiên khiến cho mới đầu họ không tin là của chàng. Cho đến khi chàng chỉ cho họ thấy làm thế nào chàng có được các kết quả ấy, thì họ mới hiểu rằng chàng không phải là người làm đồ giả mạo, và họ viết cho chàng những thư giới thiệu nồng nhiệt, đôi khi có kèm thêm một chút tiền trợ giúp để cho chàng có thể tiếp tục nghiên cứu Toán học.

Ramanujan cho đăng trên tờ Journal of Indian Mathematical Society (Báo của hội Toán học Ấn Độ) một bài toán thách đố các nhà Toán học tìm ra cách giải. Câu hỏi là tìm kết quả của chuỗi diễn tả bởi các căn thức lồng vào nhau sau đây:

Sáu tháng trôi qua, không có một lời giải nào được gởi tới, vì vậy Ramanujan phải tiết lộ đáp số: Đó là số 3.

Năm 1912, cuối cùng thì Ramanujan cũng tìm được việc làm, đó là một chân thư ký ở công ty Madras Port Trust. Chàng làm việc tốt và hữu hiệu đến nỗi còn dư thời gian để nghiên cứu thêm Toán và công bố thêm một số bài báo trên tờ báo Toán học địa phương. Trông thấy tài năng sáng chói của chàng, một số bạn và những người cộng tác đem công trình của chàng cho một số nhà Toán học người Anh xem, hy vọng tìm được sự ủng hộ cho người bạn trẻ của họ. Bất hạnh thay, mọi nổ lực đều không có kết quả.

3. Bức thư gởi cho G.H. Hardy

Tháng 1 năm 1913, Ramanujan viết một bức thư cho G.H. Hardy (1877 – 1947), nhà Toán học người Anh tại Đại học Cambridge, kèm theo một bài dài 9 trang, nội dung là hơn 100 công thức (định lý) lấy từ công trình của mình. Hardy là giáo sư giảng dạy và là tác giả cuốn sách giáo khoa nổi tiếng thời ấy: cuốn A Course of Pure Mathematics. Ngoài ra ông còn cộng tác với nhà Toán học tài năng John Littlewood (trẻ hơn ông 10 tuổi) nghiên cứu nhiều đề tài về tính toán, lý luận, và Giải tích thuần lý.

Cảm tưởng đầu tiên của Hardy sau khi xem xong bức thư là đây là một tác phẩm giả mạo. Ông nghĩ rằng ai đó chép lại một bài báo của một nhà Toán học nào đó trong một tờ báo Toán học mà không ghi xuất xứ. Ông nhận ra một vài kết quả như là hệ quả đã được người khác tìm ra và được phổ biến ở phương Tây. Còn một số công thức hoặc định lý khác ông chưa hề thấy bao giờ. Ông ngạc nhiên và suy nghĩ. Khi đọc lại mấy trang này một lần nữa, ông nhận ra có một số kết quả ông không hiểu, dẫn xuất từ việc khảo sát chuỗi số siêu bội (hyper-geometric series) mà trước đây Euler và Gauss có nghiên cứu. Hardy quá ấn tượng và quá ngạc nhiên, sau này ông kể lại: “Những định lý này chinh phục tôi hoàn toàn. Từ trước tới giờ tôi chưa thấy những điều như thế này bao giờ cả.” (Kanigel. The Man Who Knew Infinity). Những định lý này phải đúng thôi, ông kết luận: “bởi vì nếu chúng không đúng, thì không một ai có đủ trí tưởng tượng để phát minh ra chúng.”

Hardy đem những gì Ramanujan đã viết cho các đồng nghiệp của ông xem, và họ cũng ngạc nhiên không kém. Rồi ông viết thư hồi âm cho Ramanujan, nói rằng ông rất quan tâm đến công trình của chàng và yêu cầu tác giả bổ sung chứng minh cho một vài định lý trong bảng công thức ấy. Ramanujan như nổ tung vì vui sướng khi nhận được thư trả lời, rồi ông viết cho Hardy: “Tôi như tìm được tình bạn ở nơi ông, vì ông là người đã đọc những điều tôi viết một cách có thiện cảm.” Sau cùng thì Hardy mời Ramanujan tới Đại học Cambridge. Trước lời mời của Hardy (nhân danh Đại học Cambridge), hội đồng Giáo Dục địa phương quyết định tài trợ cho Ramanujan một ngân khoản để ông làm việc tại Đại học Madras, hy vọng giữ ông ở lại Ấn Độ. Cha mẹ của Ramanujan tỏ ra chống đối việc ông đi Anh, cho nên ông buồn bả từ chối lời mời của Hardy. Hardy thất vọng, quan hệ giữa ông và Ramanujan nguội đi. Một thời gian sau, Hardy cố thử mời Ramanujan một lần nữa. Lần này thì Ramanujan sẵn sàng bởi vì mẹ của Ramanujan nằm mộng thấy vị Thần linh của gia đình nói rằng nên cho con trai bà rời khỏi nhà. (Neville, Srinivasa Ramanujan).

4. Công việc học tập và nghiên cứu ở London

Ngày 17 tháng 3 năm 1914, Ramanujan lên chiếc tàu thủy mang tên Nevasa rời Madras. Tàu đến Luân Đôn sau gần một tháng. Đón ông là E.H. Neville, người đã từng qua giảng dạy tại Đại học Madras, quen biết và giúp đỡ Ramanujan khi còn ở Madras. Mấy ngày đầu Ramanujan ở tạm nhà Neville, sau đó ông dọn về ở gần phòng của Hardy tại Cambridge, hai người gặp nhau hằng ngày đàm đạo về những định lý thú vị của Ramanujan. Trong thư, Hardy đã nhận được từ Ramanujan hơn 100 công thức (định lý), nay Ramanujan lại mang qua thêm nhiều công thức mới nữa. Nhìn qua tất cả, Hardy có thể nhận thấy một số định lý đã được biết rồi, một vài định lý thì ông cho là sai, nhưng có nhiều định lý quả là những phát hiện mới.

Littlewood đã nghe nhiều người, nhất là Hardy, nói về Ramanujan, nay có dịp đọc những trang ghi chép của chàng. Cũng như Hardy, Littlewood hết sức ngạc nhiên trước những công thức “đột phá” của chàng thanh niên đến từ một vùng trời xa lạ, thiếu hoàn toàn môi trường khoa học. Littlewood và Hardy cùng so sánh chàng thanh niên thiên tài này với Euler và Jacobi (Carl Gustave Jacobi (1804- 1851), một nhà Toán học người Đức, có nhiều đóng góp quan trọng nhiều lãnh vực: Hàm số elliptic, Phương trình vi phân, Lý thuyết số,…). Tuy nhiên cả hai Hardy và Littlewood cũng nhận ra rằng, có thể do tự học, chàng tỏ ra thiếu kiến thức nền tảng ở một số lãnh vực. Hardy nói: “Có nên chăng khi phải dạy cho chàng thanh niên này một số phần Toán hiện đại. Sự giới hạn kiến thức của chàng ở một số nơi cũng đáng ngạc nhiên như sự phong phú và sâu rộng kiến thức ở một số nơi khác.” (O Ore, Biography in Dictionary of Scientific Biography). Littlewood được giao công việc hướng dẫn Ramanujan học tập (mentor), bổ sung kiến thức nền tảng mới, cũng như cách thức trình bày lý luận Toán học chặt chẽ hơn. Littlewood viết: “Công việc này thật sự khó bởi vì mỗi khi tôi trình bày một vấn đề gì cho Ramanujan mà tôi nghĩ chàng cần, thì chính tôi bị chàng đưa đi xa, ra khỏi dự tính ban đầu của tôi.” (E Shils. Reflections on tradition, centre and periphery and the universal validity of science: the significance of the life of S. Ramanujan). Ramanujan cùng làm việc với Hardy và Littlewood ở Cambridge trong năm năm, ông đã công bố một phần của những khám phá mới của ông trong thời gian này.

Tuy nhiên, cuôc sống và cách thức làm việc của Hardy và Ramanujan hoàn toàn khác nhau nếu không muốn nói là đối chọi nhau. Họ cộng tác với nhau trong sự va chạm của hai nền văn hóa và hai cá tính khác nhau. Trong khi Hardy là người vô thần thì Ramanujan chìm đắm trong tôn giáo (đạo Hindu), từ tư tưởng cho đến cuộc sống hằng ngày.

Trong vài thập niên trước đó, Toán học phát triển và hiện đại hóa dần lên. Toán học đòi hỏi nhiều ở tính chính xác và tính hệ thống chặt chẽ. Hardy là tín đồ của trào lưu này. Trong khi đó, Toán học của Ramanujan dựa trên trực giác và đôi khi mang tính thần bí khó giải thích. Trong thời gian này, Littlewood, người phụ trách hướng dẫn cho Ramanujan, phải “xếp bút nghiên theo việc đao cung” do Thế chiến thứ nhất đã đến giai đoạn gay gắt nhất, Hardy thay thế vai trò của Littlewood trong việc hướng dẫn Ramanujan đi đúng đường (tính chính xác, tính hệ thống), thay vì triển khai Toán học chỉ dựa trên trực giác và cảm hứng (inspiration) mà Ramanujan vẫn thường làm.

Tháng 3 năm 1916 Ramanujan được trường Đại học Cambridge trao bằng Tiến sĩ Toán vì những thành quả trong nghiên cứu về Lý thuyết số. Một phần của nghiên cứu này là một bài báo dài khoảng 50 trang được đăng trong Proceedings of the London Mathematical Society (Lưu trữ của Hội Toán học London). Hardy và một số nhà Toán học đương thời nhận xét rằng bài báo về Lý thuyết số này quá độc đáo mà người ta đọc thấy được lần đầu trên tài liệu lưu trữ của Hội Toán học London. Qua đó người ta xác nhận thêm một lần nữa tài năng thiên phú đặc biệt của Ramanujan.

Cuối năm 1917, ông được bầu làm thành viên của Hội Toán học London. Năm 1918, ông được vinh dự trở thành thành viên của Hội đồng Hoàng gia Anh (Fellow of The Royal Society – The Royal Society có thể xem như Hàn Lâm Viện nước Anh), năm ấy ông 31 tuổi và là thành viên trẻ nhất kể từ ngày Hội đồng được thành lập vào năm 1660.

5. Thành quả và đóng góp của Ramanujan cho Toán học

• Từ đầu những năm 1900, Ramanujan đã bắt đầu tự nghiên cứu về Lý thuyết số, Hàm elliptic, Phân số liên tục, và chuỗi số theo cách riêng của mình. Trong hơn 100 công thức (Định lý) gởi cho nhà Toán học G.H. Hardy, hầu hết là công thức về chuỗi số.
• Ông tìm được ý nghĩa của tích phân Euler loại hai cho tất cả giá trị của n (dương, âm và phân số).
• Về dự đoán Goldbach: Đây là dự đoán cũ nhất (1742) cho tới nay vẫn chưa có lời chứng minh. Dự đoán nói rằng bất cứ số nguyên chẵn nào lớn hơn 2 cũng là tổng số của hai số nguyên tố. (Thí dụ như 12 = 5 + 7; 14 = 3 + 11). Ramanujan tuy không chứng minh được dự đoán trên nhưng chứng minh được rằng bất kỳ số nguyên khá lớn nào cũng là tổng của ít nhất bốn số nguyên tố.
• Sự phân cắt số nguyên (partition of whole numbers) là một bài toán tương tự mà Ramanujan quan tâm tới. Đây là một bài toán của Lý thuyết số và Đại số tổ hợp (Combinatorics). Thí dụ:
  4 = 3 + 1
  = 2 + 2
  = 2 + 1 + 1
  = 1 + 1 + 1 + 1.
  Ông cũng quan tâm tới hợp số (composite numbers) như là quan tâm tới số nguyên tố: cấu tạo, phân bố, và các dạng đặc biệt.
• Phương trình bậc ba, bậc bốn: Từ năm 1902, ông đã tìm được cách giải của riêng mình, và ông thử giải phương trình bậc năm nhưng không thành công (ông không hề biết trước đó Abel và Galois đã chứng minh được loại phương trình này không giải được bằng căn thức).
• Ông đã nghiên cứu về chuỗi số điều hòa và hàm Euler zeta. Trong sổ ghi chép của ông có nhiều công thức liên quan đến ζ(3). Ông khám phá lại công thức Euler:

• Năm 1917, ông đã tổng quát hóa được chuỗi Glaisher, nội dung được trình bày trong bài báo có tựa đề A series for Euler constant ϒ:

Từ đó ông đã tính ra được hằng số Euler ϒ với 15 số thập phân.

• Khoảng thời gian 1910 (trước giai đoạn qua London), ông thường đăng những bài nghiên cứu của mình trong tờ báo của hội Toán học Ấn Độ, tờ The Journal of the Indian Mathematical Society. Trên tờ báo này, trong thời gian ấy, ông đã có những bài báo về Phương trình Elliptic Modular.
• Về những số Bernoulli: Cũng trên tờ báo nói trên, vào năm 1911, ông có một bài báo xuất sắc về những số Bernoulli (tựa đề Some Properties of Bernoulli’s Numbers) được giới Toán học đánh giá cao. Mặc dù không học Đại học, nội dung này được ông nghiên cứu theo cách riêng của mình, Ramanujan đã đạt được những kết quả làm ngạc nhiên giới Toán học Ấn Độ.
• Về chuỗi siêu bội (hyper-geometric series): Trong cuốn sổ ghi chép của Ramanujan (người ta không biết đích xác thời gian, đâu đó khoảng 1912 – 1918) người ta đọc thấy Ramanujan khám phá ra những định lý về chuỗi siêu bội theo cách riêng của ông, những công thức này Gauss, Kummer, Pfaff-Saalschütz, Dixon và Dougall đã tìm ra trước đó rồi. Ngoài ra ông còn có một số khám phá mới chưa hề được biết ở Châu Âu trước đó, chẳng hạn như một số định lý về tích các chuỗi số siêu bội cũng như mở rộng tiệm cận của chúng. (Journal of Computational and Applied Mathematics, 2005. An entry of Ramanujan on hyper-geometric series in his Notebook).
• Năm 1918, Hardy và Ramanujan nghiên cứu về mở rộng hàm phân hoạch P(n) (partition functions). Hai ông đã đưa ra được dạng tiệm cận của chuỗi không hội tụ. Điều này cho phép tính toán sự phân cắt mọi số nguyên. (Năm 1937, Hans Rademacher – (1892 – 1969), nhà Toán học người Mỹ gốc Đức, giáo sư tại Đại học Pennsylvania, chuyên về Giải tích và Lý thuyết số, cải tiến phương pháp và tìm ra được chuỗi hội tụ để giải bài toán trên.) Công trình của Hardy và Ramanujan trong lãnh vực này đã cung cấp những phương pháp mới rất hữu hiệu để tìm ra công thức tiệm cận gọi là phương pháp đường tròn.

Theo Bruce C. Berndt, giáo sư trường Đại học Illinois, Ramanujan đã công bố 37 bài báo và rất nhiều công thức được ông ghi chép trong bốn cuốn tập (notebooks) mà một cuốn nay đã thất lạc. Người ta ước chừng trong những sổ ghi chép ấy có khoảng 4000 công thức (hoặc định lý), hầu hết không chứng minh. Từ đó đến nay một số lớn công thức đó đã được chứng minh, tạo hứng thú cho một số nhà Toán học thế hệ sau.

6. Cuộc sống riêng tư

Suốt cuộc đời ngắn ngủi, Ramanujan luôn luôn bị phiền nhiễu vì vấn đề sức khỏe của mình, nhất là trong thời gian 5 năm sống tại Anh. Ở đây khí hậu ẩm và lạnh khác với khí hậu nóng và khô ở quê hương ông miền nam Ấn Độ. Thêm vào đó là chế độ ăn uống không đầy đủ. Thời kỳ này là thời kỳ của Thế chiến thứ nhất 1914 – 1918, thực phẩm không những khan hiếm mà còn không đầy đủ cho chế độ ăn uống kiêng khem của ông (Ông tự đi mua thực phẩm và tự nấu ăn ở nhà theo chế độ riêng, phù hợp với tôn giáo của ông). Sức khỏe ông xấu dần. Cuối năm 1918, người ta phải đưa ông vào bệnh viện với chẩn đoán là kiệt sức vì thiếu sinh tố và thiếu dinh dưỡng. Ngoài ra, ông có dấu hiệu bệnh lao đang trên đà phát triển. Tháng 2 năm 1919, ông được đưa về quê hương. Một năm sau, năm 1920 ông qua đời, khi ấy ông mới vừa bước qua tuổi 33.

Ramanujan được mô tả như là con người trầm lặng, nghiêm trang nhưng vui tính. Ông theo hệ phái Ấn Độ giáo chính thống, nữ thần Namagiri Thayar là nữ thần của gia đình ông. Ông tin rằng chính vị nữ thần này đem lại niềm cảm hứng cho ông trong khi nghiên cứu Toán học (Kanigel. The Man Who Knew Infinity). Ông nói: “Đối với tôi, một phương trình chỉ có ý nghĩa khi nó phản ảnh một ý tưởng của Thượng đế.” (Chaitin, Gregory. Less Proof, More Truth).

Phụ bản 1: Những con số Taxi

Ramanujan được cho là quen thuộc với từng con số nguyên. Không có sự việc nào tốt hơn để chứng minh tình yêu của ông với các số nguyên – không một chút tình cờ nào cả – đó là việc xảy ra trong lần cuối cùng ông nói chuyện Hardy trước khi chết. Trong khi ông bị bệnh nằm liệt giường thì Hardy đến thăm. Hardy nói: “Tôi đến đây bằng taxi, nó mang một con số rất chán: số 1729.” Ramanujan ngạc nhiên, thu hết sức còn lại ngồi bật dậy trên giường và nói lớn: “Không, không đâu Hardy, đó là một con số rất thú vị! Nó là con số nhỏ nhất diễn tả tổng của tam thừa của hai số trong hai cách khác nhau!” Thật vậy:

1729 = 9^3 + 10 ^ 3 = 1^3 + 12^3

Số 1729 sau này được gọi là số taxi Ramanujan, hoặc là số Ramanujan.

Từ sự kiện này, có một chủ đề nghiên cứu về những con số taxi – đó là những con số T(n) nhỏ nhất có thể diễn tả là tổng của tam thừa hai số khác trong n cách khác nhau. Cho tới ngày nay mới chỉ tìm ra được 6 con số taxi đầu tiên. Năm khám phá các số này (từ số thứ ba trở đi) là 1957, 1991, 1997, và 2008.

Phụ bản 2: Tổng của chuổi số các số tự nhiên

Như chúng tôi đã giới thiệu, ngay trang đầu trong bức thư S. Ramanujan gởi cho G.H. Hardy có công thức:

Viết lại cho rõ:

Từ đâu Ramanujan kiếm ra công thức này? Nếu như nó sai, tại sao ngày nay người ta còn nhắc tới nó làm gì? Ta hãy xem:

Rõ ràng là tổng số càng ngày càng lớn khi n càng ngày càng lớn. Người ta nói tổng số tiến tới vô cực khi n tiến tới vô cực. Hơn thế nữa, tổng các số dương sao lại bằng số âm? Tổng các số nguyên sao lại bằng phân số ? Ramanujan viết nó từ năm 1913, và ông ta biết ông ta viết cái gì và vì lý do nào.

Ramanujan chắc chắn đang làm việc trên hàm số Euler zeta

Vào giữa thế kỷ 18, nhà Toán học đa tài Euler đã chứng minh được rằng:

Một cách tổng quát người ta biết rằng :

hội tụ tới một số hữu hạn khi x > 1. Người ta nói hàm số S(x), đặt tên là hàm số Euler zeta, được xác định khi x >1. Chuyện gì xảy ra khi thay x bởi giá trị x ≤ 1 ? Chẳng hạn như x = – 1?

S(-1) = 1 + 2 + 3 + 4 +…..

Chuỗi số sẽ phân kỳ (không có tổng hữu hạn). Nói một cách khác, trong trường hợp này chuỗi số có tổng bằng vô cực.

Bằng một kỹ thuật mở rộng hàm số, gọi là mở rộng giải tích liên tục (extension by analytic continuation), từ hàm số Euler zeta S(x) người ta được hàm số ζ(x), đặt tên là hàm số Riemann zeta, hoàn toàn xác định khi x ≤ 1. Nếu ta thu lại trên x > 1, thì hàm số Riemann zeta ζ(x) sẽ là hàm số Euler zeta. Hàm số ζ(x) do nhà Toán học xuất sắc Riemann của thế kỷ 19 sáng tạo ra.

Nếu chúng ta thay giá trị x = -1 vào hàm số Riemann zeta thì:

Nói cách khác, ta có:

Đó chính là lý do vì sao Ramanujan đưa ra công thức trên. Thời ấy ít người hiểu được, còn ông ta chẳng có lời giải thích nào.

Một “mẹo vặt” (Đây chỉ là một mẹo để có kết quả, không phải là một chứng minh nghiêm túc) để có hệ thức ấy:

Tại sao công thức có vẻ không hợp lý này lại quan trọng? Nói ngay, nó được dùng trong lý thuyết dây (string theory), một lý thuyết mới trong Vật lý.

Ngoài ra tổng Ramanujan có một ảnh hưởng lớn trên Vật lý lượng tử nhằm giải thích hiện tượng được gọi là hiệu ứng Casimir. Hendrik Casimir (1909 – 2000), một nhà Vật lý người Hà Lan, cho rằng tồn tại những lực hút giữa hai tấm kim loại đặt trong chân không do sự hiện diện của những hạt ảo (virtual particules – Theo Vật lý cổ điển, không có hiện tượng gì xảy ra trong khoảng chân không giữa hai tấm kim loại). Để tính tổng năng lượng của các lực hút giữa hai tấm kim loại này (phải hữu hạn) ông phải nhờ cách tính tổng Ramanujan. Sau khi tính toán, nhà Vật lý đi tới tổng:

1 + 8 + 27 + 64 + ….

Đó chính là S(-3), tức là giá trị của hàm số Euler zeta với x = -3:

Nhưng tổng này bằng vô cực, điều không hợp lý trong Vật lý. May thay, theo cách tính của Ramanujan, với x = -3 ≤ 1, thì S(-3) là một số hữu hạn. Đó là giá trị của hàm số Riemann zeta tại x = -3. Điều kỳ diệu là các nhà Vật lý lượng tử tạo ra những thí nghiệm và thấy có lực hút giữa hai tấm kim loại tương ứng với năng lượng hữu hạn cho bởi:

Chúng ta nên nhớ rằng tổng Ramanujan có từ đầu thế kỷ 20, còn Vật lý lượng tử được khám phá vào cuối thế kỷ 20. Cho nên có người gọi Ramanujan là “người ngoài hành tinh” là vì thế!

Tài liệu tham khảo

1. Aczel, Amir. A Strange Wilderness. Sterling New York. 2011.
2. Chaitin, Gregory. Less proof, more truth. New Scientist (2614).
3. Kanigel, Robert. The Man Who Knew Infinity: A Life of the Genius Ramanujan. Simon and Schuster. 2016.
4. Ramanujan, Srinivasa (1887–1920), mathematician. Oxford Dictionary of National Biography, September 2004 (Oxford University Press).
5. Neville, Eric Harold. Srinivasa Ramanujan. Nature. 149. 1942.
6. Ono, Ken; Aczel, Amir D. My Search for Ramanujan: How I Learned to Count. Springer. 2016.
7. https://en.wikipedia.org/wiki/Srinivasa_Ramanujan
8. https://medium.com/cantors-paradise/the-ramanujan-summation-1-2-3-112-a8cc23dea793
9. Và một số trang web và hình ảnh khác trên Internet.

Nguồn: Lê Quang Ánh, Ph.D