书城科普玄奥神秘的数学王国(新编科技大博览·B卷)
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第22章 数学与生活(6)

一个圆上有12个点,A1,A2,A3,…,A11,A12,以它们为顶点连三角形,使每个点恰好是一个三角形的顶点,且各个三角形的边都不相交,问有多少种不同的连法?

根据题设要求,图中应连4个三角形,且每个三角形的两顶点或者是圆上相邻的两点,或者中间恰含3、6、9个点。我们分几种情况来考虑:

第一种情况:每一三角形的任一顶点都与另一顶点相邻,此时,其中的一个三角形就可惟一的确定一种连法。比如△A1A2A3确定的连法由如下4个三角形构成:

△A1A2A3,△A4A5A6,△A7A8A9,△A10A11A12。同样,△A2A3A4,△A3A4A5也分别确定另两种不同的连法,一共得到3种连法,而其他三角形确定的连法均与这3种中的一种相同,比如△A4A5A6确定的连法与△A1A2A3确定的连法相同。由此可知,在第一种情况下,有3种连法。

进一步,我们来考察这里的代表三角形A1A2A3,A2A3A4,A3A4A5,记变换A1→A2→A3→…→A11→A12→A1为π,可知在变换π下,A1A2A3→A2A3A4→A3A4A5。这说明,当给出一种连法后,其他连法都可以由π的变换得到。这种变换的不变性被科学家们称作对称的基本形态——一种高层次的对称。

第二种情况:恰有一个三角形,存在一顶点与另一顶点相邻,这里又分两种情况:

(1)这个三角形有两顶点相邻,此时这个三角形惟一地确定一种连法,比如△A1A5A6确定一种连法,连续作11次π的变换,共得到12种不同的连法,第12次变换后,△A1A5A6又回到△A1A5A6的位置。

同样我们考虑与△A1A5A6处于对称位置的另一三角形△A1A7A8也确定一种连法,连续作11次π的变换,又得到另12种不同的连法。

此时,一共得到24种连法。

(2)这个三角形的任两顶点都不相邻。

比如△A1A5A6确定一种连法。通过π的变换,一共得到4种不同的连法。

由此可知在第二种情况下,一共有28种连法。

第三种情况:有两个三角形,存在一顶点不与另一顶点相邻。

这两个三角形确定一种连法,比如△A1A5A6和△A7A8A12确定一种连法,由π的变换一共得到12种连法。

又比如△A1A5A6和△A7A11A12确定另一种连法,由π的变换又得到12种连法。

如画出图形可知,前者呈轴对称状态,后者呈中心对称状态,故第三种情况下有24种连法。

综上所述,所有不同的连法共有:

3+28+24=55种。

最多可放多少圆

在一个边长为10厘米的正方形中,最多可平放多少个既不相交也不重叠的直径为1厘米的圆?

图1可能有人立刻会想到排成10排,每排排10个圆,这样正好可以排满整个正方形,如图1,一共可排100个圆。

不过,如图2所示,我们发现,4个等圆两两相切和3个等圆两两相切相比,4个圆中间所剩的空隙较大,因此采用这种摆放方法圆的数量并不是最多的。

如果能充分利用中间的空隙,把摆放的圆“挤紧”,就能摆放更多的圆。所以,可把圆摆成每3个成两两相切,每排交错摆放,这样能够排到11排,其总高度还不到10厘米。图2如图3所示,第一排摆10个,第二排摆9个,第三排摆10个,……这样有6排10个圆,5排9个圆,一共可摆放105个圆。

但是,这样摆,最上一排与正方形的上边缘还留下了一段空隙,这段空隙能不能再利用了呢?

我们可以试着将摆9个圆的一排改成摆10个圆,这就可以多1个圆如图4,我们可将两排摆9个圆的改为摆10个圆,因此最多可摆放107个圆。

伊格纳托夫是前苏联著名的科普作家,他一生写下了许多题材新颖、内容丰富、形式活泼的作品,伐木人的争论是其作品中的一道题。

尼基塔和巴维尔是两个伐木人。有一天,两人干完活正准备吃饭,迎面走来一个猎人:“你们好啊,兄弟们!我在森林里迷了路,离村庄又远,饿得心慌,请分给我一些吃的吧!”

“行啊,行啊,你坐下吧!尼基塔有4张饼,我有7张饼,咱们在一起凑合着吃吧。”巴维尔热情地说。尼基塔也随声附和着。于是三人平均分吃了11张饼。吃过饭,猎人摸出11个戈比,说道:“请别见怪,我身上只有这些钱了,你俩商量着分吧!”

猎人走后,两个伐木人争论起来。尼基塔说:“我看这钱应该平分!”巴维尔反驳说:“11张饼的钱是11个戈比,正好是1张饼1个戈比,你应得4个,我应得7个!”

他们俩的算法,谁的对呢?显然尼基塔的算法是错的,两人带的饼的数目不同,当然分得的钱也应不同。再看巴维尔的算法:11张饼,11个戈比,每张饼1个戈比,看起来非常合理,如果问题是“猎人用11个戈比买了11张饼”,那么巴维尔的算法的确是正确的。可问题是“3个人平均分吃了11张饼”,并且尼基塔和巴维尔带的饼又不一样多。”实际上,11张饼平均分给3个人,就是说,每人吃了113张饼。尼基塔有4张饼,自己吃了113张饼,他给猎人吃了4-113=13张。而巴维尔也吃了113张,他分给猎人7-113=103张。

猎人吃了113张饼,付给11个戈比,也就是说,每吃13张饼猎人付给一个戈比。他吃了尼基塔13张饼,故尼基塔应得1戈比,他吃了巴维尔103张饼,巴维尔应得10戈比,两个人的算法都错了。

36名军官

设有6种军衔和来自6个团的36名军官,能不能把他们排成6×6的队列,使得每行每列里都有每种军衔的1名军官和每个团的1名军官呢?

这是18世纪瑞士数学家欧拉提出的一个趣味数学问题。它在统计学,尤其是在试验设计中有重要的影响。

为了易于说明,我们先考虑有3种军衔和来自3个团的9名军官。用1、2、3分别表示3种军衔,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示3个不同的团,这时,相应的问题的解答是:

123

312

231ⅠⅡⅢ

ⅢⅠⅡ

ⅡⅢⅠ

军衔阵列团阵列

(1,Ⅰ)(2,Ⅱ)(3,Ⅲ)

(3,Ⅱ)(1,Ⅲ)(2,Ⅰ)

(2,Ⅲ)(3,Ⅰ)(1,Ⅱ)

并置阵列

上面军衔阵列和团阵列分别是由3个不同符号构成的3行3列的阵列(3×3),其中每个符号在每行与每列恰好只出现一次,我们把这种阵列叫3阶拉丁方。而并置阵列中32个有序对都是不同的(即并置后,所有可能的9种情况都出现了),称军衔阵列和团阵列是正交拉丁方。

那么,36名军官问题就成了:是否存在6阶正交拉丁方呢?欧拉曾猜想,阶数为4k+2(k是正整数)的拉丁方,任何两个同阶的拉丁方都不是正交的。容易证明2阶拉丁方不正交。1901年法国数学家Tarry用穷举法证明了不存在6阶正交拉丁方。直到1959年才有3位统计学家终于证明了,除了2阶和6阶外,其他情况都有解。欧拉的猜想中,除这两种情况外,其余都猜错了。

龟与鹤

龟和鹤都是长寿的动物。一天鹤爹与鹤子遇见了龟祖和龟孙,彼此谈起了年龄。原来鹤爹的年龄是鹤子年龄的2倍,龟祖的年龄是龟孙年龄的5倍。它们年龄之和如果乘上3,等于900岁。如果再过10年,鹤族年龄的5倍加上龟族的年龄也是900岁。问现在它们的年龄各是多少?

解答:设鹤子现在的年龄是x,龟孙现在的年龄是y。则鹤爹现年为2x,龟祖现年5y,有方程:

3[(2x+x)+(5y+y)]=900

10年以后,鹤子、鹤爹的年龄分别为x+10和2x+10,龟孙、龟祖的年龄分别为y+10和5y+10,于是又有方程,5[(x+10)+(2x+10)]+(y+10)+(5y+10)=900联立两个方程,简化为:

x+2y=100

5x+2y=260

解得:x=40

y=30

因此,鹤子现年40岁,鹤爹现年80岁,龟孙现年30岁,龟祖现年150岁。

乘车者的常识

有一个乘车者经常坐从东郊到西郊的公共汽车。一天,他嫌车太挤,就沿着共公汽车行车路线走。这时,他发现对面来的公共汽车每隔6分钟遇见一次,而背后开来的公共汽车每隔12分钟超过他一次。他心算了一下,就知道,这条路线上的公共汽车是隔多少分钟发车一次了。你也能算出来吗?

解答:假设公共汽车的速度是y,人的走路速度是x,又设两次发车间隔时间里,公共汽车行驶的路程为S。

那么,在迎面见到公共汽车的情况下,每经过S距离的时间是t1=6分钟,并且S/x+y=t2同样,在相同方向的情况下,每经过S距离的时间是t2=12分钟,并且Sy-x=t2。解联立方程组:

Sx+y=t1①

Sy-x=t2②

将①化简为:

xS+yS=1t1③

将②化简为:

yS-xS=1t2④

③、④相加:

2yS=1t1+1t2

∴Sy=2t1t2t1+t2

∵t1=6,t2=12

∴Sy=8

因为Sy正是每段间隔中所需的时间,即发车的间隔时间,所以每两个车发车时间相隔8分钟。

两支蜡烛

停电时分,小曹点起了两支蜡烛。这两只蜡烛一般长,可不一般粗。粗蜡烛可点2小时,细蜡烛可点1小时。来电以后,小曹吹灭了两支蜡烛,发现粗蜡烛是细蜡烛长度的2倍。问停电时间有多少分钟?

解答:设停电时间为x小时。

粗蜡烛2小时点完,1小时可点1/2根,x小时可点去x2根,还剩1-x2根(即它剩下的长度)。

细蜡烛1小时点完,1小时可点1整根,x小时可点去x根(x不到1根),还剩下的长度为1-x。

于是:1-x2=2(1-x)

解方程:得x=2/3小时=40分钟

因此,停电时间为40分钟。

说容易也难

电视机厂的一个组装班组。已知工作天数比班组人数多2,如此组装的电视机总台数是1001台,问平均每人每天组装几台电视机?

解答:因为总台数=平均台数×人数×天数,所以总台数等于3个因子相乘。由于1001=13×11×7,仅仅这一种组合方式,所以根据题意13应是工作天数,11应是班组人数。剩下7就是平均每人每天组装的台数。

这道题如果用解方程的办法来做,实际上是一个三次方程。

要解三次方程,可不是件容易的事。在历史上还发生过一次辩论,就是因为争夺谁是最先发现三次方程解法的。最后,由于历史的误会,只好木已成舟地命名它为卡丹公式,它是这样讲的:

如果要解一个一般的三次方程:

ax3+3bx2+3cx+d=0

只需要把方程转换为另一个三次方程:

y3+3py+2q=0

其中:

x=y-ba

p=ca-b2a2

2q=2b3a3-3bca2+da

这时,可求得y的解:

y=3-q+q2+p3+3-q-q2+p3

由y的解,再通过x=y-ba,转换成x的解。

你来当裁判

有一块土地南北长a米,东西宽b米,是一个矩形。这块土地分给甲、乙两人承包。甲负责东西两边的绿化,乙负责南北两边的绿化。显然甲、乙有意见,因为a≠b,他们植树的工作量不一样。

那么,怎么让他们植树的长度一样呢?有人说:“把矩形的周长平均一下,一人一半。”也有人说:“还不如把地重新分过,还是那么大面积,换成正方形就行了。”

请你公正裁判一下,到底哪种办法更合理,而且对甲、乙两人都有好处?

解答:这是先给大家介绍一下两种平均值的概念:算术平均值和几何平均值。假如有a、b两数,它们的算术平均值是a+b2,它们的几何平均值是ab,而且可以证明算术平均值总是大于或等于它的几何平均值。证明如下:

a+b2-ab=12(a+b-2ab)

=12(a-b)2

因为任何数的平方大于等于零。

丢蕃都的年龄

丢蕃都是一个数学家,他生活在公元3世纪的古希腊。在他的墓碑上有着一个谜语方程,它的谜底就是数学家的寿命。墓碑是这样写的:

“在这里长眠的是丢蕃都,他生命的1/6是童年,再过了生命的1/12,他成为青年,并结了婚,这样度过了一生的1/7,再过5年,他有一个儿子,但儿子只活了他寿命的一半,以后,他在数学中寻求安慰,度过了4年,终于也结束了他的一生。”

请你算一算,丢蕃都活了多少岁?

解答:设他活了x岁

列方程:

16x+112x+17x+5+1〖〗2x+4=x

14x+7x+12x+42x84+9=x

75x+756=84x

9x=756

x=84

丢蕃都活了84岁。

庞贝古城

庞贝是意大利的古城,它位于维苏威火山东南麓。它全盛时期到火山爆发把它湮没,正好是横跨公元前后相同的年数。原来人们都不知道有这么一个古城,在挖掘的那年,才发现庞贝已被火山爆发湮没了1669年,而挖掘的工作一直延续了212年,到挖掘结束后,证实与庞贝城最繁华的时期已相距2039年。请问:庞贝城全盛时是哪年?火山爆发把它湮没又是哪年?挖掘工作又是从哪年到哪年?

解答:设庞贝城全盛时为公元前x年,由于它横跨公元前后,火山爆发把它湮没在公元后x年。

设挖掘工作从公元y年到z年,则

y-x=1669①

z+x=2039②

z-y=212③

由①+②,得

y+z=3708④

由③、④联立,得z=1960

由此,y=1748

x=79