书城教材教辅数学教学的趣味之谜设计
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第16章 数学教学的趣味之谜推荐(12)

答案是先走棋者输。具体策略是:后走者以棋盘的一条竖直平分线为对称轴,将“相”放在对方棋子的对称位置。这种策略对后走棋者来说是必胜策略。因为先走者走棋后,按策略,后走者总可以走棋,而且因为“相”的斜飞规则,后走者的棋不可能吃先走者的棋,同时也不可能被先走者的棋吃掉。这样按策略走下去,先走者必输无疑。

103.什么是选择与推理

对于复杂的问题,只要已知条件是充分的,能不能得出正确的结论,关键在于能否掌握正确的推理方法,从而选择出准确的结果。

流传很广的“谁养斑马”就是一个有趣的例子。这道号称世界难题的题,起源于美国,轰动一时,使很多人着了迷。它像一阵风,吹到世界各地,到处便掀起了解题热。在我国青少年中,同样也引起了反响,甚至一些老人也参加了研究和讨论。

原题说的是:某地从西向东,排列着五幢颜色各不相同的房子,侨居着5个不同国籍的人,他们都喜欢饲养动物,并且所养的动物种类各不相同。另外,5个人各喝不同类型的饮料,抽不同牌子的香烟。请你找一找:谁是喝水的人?谁是饲养斑马的人?已知条件有:

1.英国人住的是红色房子;

2.西班牙人养的是狗;

3.住绿色房子的人喝咖啡;

4.乌克兰人喝茶;

5.绿色房子位于白色房子相邻的东侧;

6.抽万宝路牌香烟的人养蜗牛;

7.住在黄色房子中的人抽可乐牌香烟;

8.正中那幢房子的主人喝牛奶;

9.挪威人住在西边第一幢房子里;

10.抽本生牌香烟的人和养狐狸的人是隔壁邻居;

11.抽可乐牌香烟的人和养马的人也是隔壁邻居;

12.抽肯特牌香烟的人喝桔子水;

13.日本人抽摩尔牌香烟;

14.挪威人和住蓝色房子的人是隔壁邻居。

这个题头绪很多,关系复杂。请你自己动手画一个图,便目了然了。

问题涉及:房子自西向东的顺序号码是1、2、3、4、5;房子的5种颜色;5个国家;5种饮料;5种香烟;5种动物。5×6=30,共30个元素。每个元素用一个字表示。

根据已知条件,在两个字之间连线。例如,条件1,英国人住红房子,便连一条线:

英红(条件1);

同理,还可以画出:

西狗(条件2);

绿咖(条件3);

乌茶(条件4);

万蜗(条件6);

黄可(条件7);

3奶(条件8);

1挪(条件9);

肯桔(条件12);

日摩(条件13);

2蓝(条件14);

另外,还有三个条件没有用上,就是:

条件5,绿色房子与白色房子相邻,绿在东;

条件10,抽本生烟的人在养狐狸的人隔壁;

条件11,抽可乐烟的人在养马的人隔壁。

把条件5和条件1、条件9结合起来,得:

1——黄。由1,1不可能是红的;由2——蓝,和由白绿相邻,1也不可能是白或者绿。

从连线情况看出,抽可乐烟的人住1。用条件11,又得2——马。这样,图上已有13条连线了。

再用条件5,绿白相邻,红房子只能是3或者5了。这需要分两种情况讨论:

A,要是红房子是第5,得:

红……5,白……3,绿……4。这些是在假定A之下推出来的,用虚线连,表示区别于题设条件。

进一步,得:

乌——蓝。乌兰克人要是住白,应该喝奶;要是住绿,应该喝咖啡,都与茶矛盾,所以只有住蓝色房子。

乌……本。乌克兰住2必养马,所以不能抽万宝路,又因为不喝桔子水,所以不能抽肯特。

西——肯,因为西班牙人不养蜗牛,所以不抽万宝路。

于是,西班牙人要喝桔子水。这样,西……绿、西……白都不可能。推出了矛盾,说明这个假设红……5行不通,虚线作废。

B,红房子一定是第3。于是,红——3,白——4,绿——5。

乌克兰人只能住在蓝或者白,又需要分两种情况来讨论。

B1,由乌——白,得西——绿。因西班牙人养狗,不能在2。

于是得西——本。因西班牙人喝咖啡,不能抽肯特。

由条件10,西班牙人隔壁养狐,得白——狐。因为乌住白,养狐,不能抽万宝路。

于是,乌克兰人又喝茶又喝桔子水,矛盾。

B2,由乌——蓝,得乌——本。因乌——养马,不能抽万宝路;喝茶,不能抽肯特。

西——肯。西养狗,不能抽万宝路。

英——万。用条件10,养狐人是抽本生的隔壁,而英国人养蜗牛,只有挪——狐。

结论:日本人养斑马;挪威人喝水。

从上例可知,要想做出正确的推理和选择,对错综复杂的现象需慎重分析与判断。

104.欧拉的奇妙公式F+V-E=2怎么来的

数学思想的特点是,一旦它们被确定为真,它们应适用于所有情形。例如,要将前K个计数数相加,1+2+3+……+k,只需代入公式k(k+1)/2。这公式在数学上曾用所谓归纳法得到证明。按照自然法则,不可能就从1开始的相继计数数的每一个可能的集合对这公式作出验证,但是数学证明之美在于它们不需要蛮力。瑞士数学家伦哈德·欧拉以他的许多数学发现着称,特别是在拓扑学领域。他对柯尼斯堡桥问题的解被认为开创了拓扑网络的研究。拓扑学研究的是物体变形时保持不变的那些特性。例如,将立方体拉长和压扁,可使它变形成四面体,反之亦然。立方体的大小显然变了,它的面、顶点和棱的数目也是如此。结果人们会问,哪些特性留下来保持不变呢?一种观察是立方体内部的任一点仍旧是四面体的内点。

除拓扑学之外,欧拉证明的有关多面体的一种不变特性的一个迷人的定理是:如果将多面体的面数与顶点数相加再减去棱数,结果总是2。F+V-E=2。可在如图所示的柏拉图立体上做试验。如果你有充沛的精力,可再在菱形三十二面体上试一下。

105.什么是埃及乘法

埃及乘法存留了好多世纪,并且传播于各种文明。在古希腊学校中,它以埃及计算的名称教给学生。在中世纪,它的技巧在教学和论述中有专门的名称,例如加倍法和减半法。这里是赖因德草卷中的一个例子,记载着一位埃及文牍员是怎样做12×12的。先从12开始。然后加倍得24,再加倍得48,又加倍得96。接着在4和8旁边划斜撇,指出它们的和是12。于是把它们的对应数相加,得答数144。埃及乘法免除了背乘法表,因为它主要依靠加法。

除法与此相似。要将1120除以80,你只要找出80乘上多少能得1120。除数或者加倍,或者乘以10,100,1000等等,视被除数大小而定。于是可将结果加倍,直至一个等于1120的和被找到为止。如果问题是除不尽的,埃及人就用分数,像在47÷33的例子中。

106.什么是完全平方数

完全平方数是这样一种数:它可以写成一个正整数的平方。例如,36是6×6,49是7×7。

你知道吗?

从1开始的n个奇数的和是一个完全平方数,n2——即:

1+3+5+7+……+(2n-1)=n2。

例如1+3+5+7+9=25=52。

每一个完全平方数的末位数是:

0,1,4,5,6,或9。

每一个完全平方数要末能被3整除,要末减去1能被3整除。

每一个完全平方数要末能被4整除,要末减去1能被4整除。

每一个完全平方数要末能被5整除,要末加上1或减去1能被5整除。

107.π的寓言是什么

很多年以前,当时的那些数有一次盛会。数1在会上得意非凡。数2带着所有其他偶数出席。凡能找到的素数统统都来了。甚至还来了一些分数,像1/2、1/4和2/3。有几个根式也到场,像刚刚从以3为斜边的直角三角形上下来的2和7。但是当π翩然而至时,每一位都问道,“谁邀请你了?”“你说‘谁邀请我’,这是什么意思?”π问道,“我是一个数。”“你的确是一个数,但是你知道你在数轴上的位置吗?”“那末2呢?”π问道。“依照毕达哥拉斯定理,并且用圆规,我确切地知道我在数轴上的位置,”2回答道。

π感到窘迫和痛心,但它说道,“我在数3后面一点。”2和7刚从以3为斜边的直角三角形上下来。

“但是确切的位置在哪里呢?”它们都插进来说。

因为1是每一个数的因数,1感觉到了π的痛苦,说道,“让我们给π一个介绍自己的机会吧。”

于是π开始讲自己的故事。“你们大家都知道,大概巴比伦人最先发现了我。某个古代文牍员以不同长度的半径画了一些圆。他取了每个圆的直径(将半径加倍)。只是为了好玩,他决定以每个圆的直径为单位长度在圆周上丈量。使他惊奇的是,他发现不管圆的大小如何,圆周总是直径的3倍多一点。这是一个令人兴奋的发现。这个消息迅速传遍世界,从埃及到希腊到中国。人们到处都在研究我。由于我与圆的特殊关系,他们于是设计用我来计算出圆的面积和周长的新方法。人们急于求出我的精确值。请勿见怪,但是他们知道我不是一个寻常的数,特别因为他们从来没有遇到过像我这样的数。他们没有能力从他们的任何一个正规代数方程导出我,所以后来他们把我又称做超越数。你们或许认为人们已经放弃找出我的精确数值。我满足于π这个名称。它很适合于我。可是不,你知道有些数学家是多么顽强,他们希望精益求精。所以在从那时直到现在的若干个世纪中,已经发展出一些新的工具和方法,以获得更准确的近似。

着名数学家阿基米德发现我在31071与313之间。我在《圣经》中出现两次,我的值被认为是3。埃及数学家用3.16作为我的值。公元150年,托勒密把我估算成3.1416。

数学家们知道他们永远得不到我的精确数值,但是他们继续不断地把我拉长,拉出越来越多的小数位。你不能想像,带着这么多小数位在身边,是多么大的一个负担。一旦用了微积分和计算机,我将长达几百万位。

他们说,对于计算各种数量,例如体积、面积、周长,以及任何与圆、圆柱、圆锥、球有关的数量,我是必要的。我在概率中也有作用。有了我的几百方小数位的近似,现代计算机将依靠我来检验它们的能力,并测试它们的准确度和速率。”

“不要说了,”1叫喊道。1继续说,“我相信我们大家都同意像π这样一个有名望的数应该算在我们中间。我们毕竟知道,我们各自都在数轴上有我们自己的点。没有一个数能够占有另一个数的点。π有它的点。知道一个数的点的精确位置,并不是有关这个数的最重要的事情。”

“同意,”3叫喊道,它是神秘数中的一个。“我想π使我们这个聚会增添了一点神秘性、多样性和迷惑性,”2说。“欢迎,”其余的数都插进来说。“让我们把我们的会开起来吧。让我们开始计数吧,”π说。

108.迷人的素数问题

将数分类的一个方法是把它们描述成或是素数或是复合数。素数只有1和自己这两个因数。它不能被任何其他数整除。另一方面,复合数除了1和自己以外还有别的因数(例如,12不是素数,因为它的因数是1、2、3、4、6和12)。此外,每一个数可以用惟一的素数积来描述(12的素数积是2×2×3)——这积称做它的素因数分解。除了12以外,没有别的数能由两个2和一个3相乘而得。18世纪初,克里斯琴·哥德巴赫写信给伦哈德·欧拉,说他相信能证明除2以外的每一偶整数是两个素数的和(例如,8=5+3;28=11+17)。这个清楚而简单的陈述至今仍是未解决的数学问题之一。数学家所探究的其他迷人的素数问题中有孪生素数、梅森素数和索菲·热尔曼素数。

109.什么是“四色问题”

在给地图着色的时候,我们总是给相邻的不同区域涂上不同的颜色,使这些区域互相之间有所区别。那么,画一张地图,要用多少种不同的颜色呢?如果一张地图需要用四种颜色着色,我们就称它为“四色地图”;如果需要用五种颜色,我们就称它为“五色地图”;依此类推。

1852年10月,刚从伦敦大学毕业不久的青年数学家弗兰西斯·古色利在为一张英国地图着色时,发现最多只要4种颜色,就能把相邻的国家区分开来。古色利写信把自己的发现告诉在大学学习物理的弟弟弗雷德里克,弗雷德里克又向他的数学老师摩根提出,摩根又去请教哈密尔顿,并由此引起了一场长达120多年的证明大战。这就是着名的“四色问题”,它与费马大定理、哥德巴赫猜想一起,被称为近代三大数学难题。

1879年,肯泊在一篇论文中发表了一个证明,1890年,希伍德指出了肯泊证明中的错误,同时也指出,肯泊的方法可以用来成功地证明每个地图都可用5(或少于5)种颜色着色。这就是“五色定理”。