书城科普玄奥神秘的数学王国(新编科技大博览·B卷)
14740900000025

第25章 奇妙的数学问题(1)

数字中的周期现象周期现象是普遍存在的。如果你注意一下,就可以发现,数字中也存在着形形色色的周期现象。

例如,自然数经过5次乘方之后,其末位数会出现“重现”或“回归”:2的5次方是32,其末位仍然是2;3的5次方是243,其末位仍然是3;7的5次方,我们即使不算出其结果,也可以肯定它的末位必定还是7;等等。

观察一下从1至9的平方的末位数,可以发现它们组成了一个回文序列:1,4,9,6,5,6,9,4,1。10的平方100末位是0,而此后各数的平方的末位数又是1,4,9,6,5,6,9,4,1。整个自然数的平方的末位数,始终在那儿兜圈子,循环反复,以至无穷。而这些反复出现的周期,中间是以0来分界的。

人们还发现,一切平方数的根数只能是1,4,7,9这四个数字,不可能是其他数字。这里所称的“根数”,就是把一个正整数的各位数字统统相加起来,求出其和数,如果这个和数比9大,就一直减去9的整倍数,直至余数小于或等于9为止。例如,135的根数是9,246的根数是3,等等。

利用上述知识,有时很容易判别一个数究竟是不是平方数。譬如说,98765432123456789是不是一个平方数?我们不妨查一下它的根数,是8,而不是1,4,7,9中的一个,于是就可以肯定它不是一个完全平方数。

一切平方数的根数不仅具有如上的特性,而且当完全平方数依序递增时,其根数也是以1,4,9,7,7,9,4,1的回文序列反复出现的。不过,这一次是以9,而不是用0来作为各个周期的分界。下面举些实例来说明:

100(10的平方)的根数为1;

121(11的平方)的根数为4;

144(12的平方)的根数为9;

169(13的平方)的根数为7;

196(14的平方)的根数为7;

225(15的平方)的根数为9;

256(16的平方)的根数为4;

289(17的平方)的根数为1;

324(18的平方)的根数为9;——周期的分界标志361(19的平方)的根数为1;——下一周期的开始……平方数的这些性质,不仅有趣,而且有很大的实用价值。灵活运用这些性质,我们就可掌握许多速算的窍门。

数字趣谈——奇妙的9

将循环小数化成分数,是解决有关循环小数的基本方法。怎样才能将循环小数化成分数呢?这要请我们的老朋友——9来帮助解决问题。我们知道,在数列计算中,有一个无穷等比数列的求和公式:s=a1-q。其中a是这个数列的第一项,q是公比。下面要用这个公式来研究化循环小数为分数的方法。先观察下面两个循环小数0.6666……=0.6,0.242424……=0.24。它们都是从小数点后的第一位开始循环的,叫做纯循环小数。为了便于计算,先将它们写成分数的和的形式:

0.6666……=0.6+0.06+0.006+……

=610+6100+61000+6/10000+……

0.242424……=0.24+0.0024+0.000024+……=24100+2410000+241000000+……这就变成了无穷递宿等比数列的形式。0.6666……的公比是110,而0.242424……的公比是1100。根据求和公式得:

0.66……=6101-110=610-1=69,0.2424……=241001-1100=24100-1=2499。

由此可以看出,要把纯循环小数化为分数,只要把一个循环节的数学化为分子,让分母由9组成,循环节有几位数字,分母是几个9就行了。例如:

0.4444……=0.4=49

0.5656……=0.56=5999,

0.31233123……=0.3123=31239999=3471111。

下面再来看看以下两个循环小数:

0.2888……=0.28,0.3545454……=0.354它们都不是从小数点后的第一位开始循环的,这叫混循环小数。用分数的和可表示为:

0.28888……210+810+81000+810000+……

0.35454……=310+541000+54100000+……

这种和的形式,从第二项起,构成了一个分别以110,1100为公比的无穷递缩等比数列。由求和公式得:

0.2888……=210+81001-1〖〗10=210+8100-10=210+890=2×9+890=2690=1345。

0.35454……=310+5410001-1100=310+541000-10=310+54990=3×99+54900=351990=39110。

由此可以看出:把混循环小数化为分数,先去掉小数点,再用第二个循环节以前的数字减去不循环部分的数字,将得到的差作为分子;分母由9和0组成,9的个数等于一个循环节的位数,9的后面写0,0的个数等于不循环部分的位数。例如:

0.27777……=0.27=27-290=2590=518,

0.31252525……=0.3125=3125-319900=15474950。

数学的变化虽是无穷的,在研究了大量的现象或大量的例题后,应学会从特殊的问题中,要善于总结出一般规律的思考方法。这种由特殊情况归纳出一般情况的方法称为经验归纳法。

含义丰富的0

数学老师问学生一个问题:“某电脑商店一周前有某型号电脑20台,一周内售出20台而没有进货,现在该店还有几台这种型号的电脑?”学生们一般都会很快地回答:20台-20台=0台。这里,我们对0有了认识,给0下了个定义,就是:“0表示没有。”

通常0是表示没有,但是,它的意义是不是仅表示没有呢?它除了表示没有以外,还表示什么呢?

在日常生活中,天气冷热经常变化,一般冬天气温大约在0摄氏度左右。0摄氏度是不是表示没有温度呢?当然不是。如果0摄氏度表示没有温度,那么,0华氏度也表示没有温度吗?0华氏度就是0下1779摄氏度。我们知道,0摄氏度的温度比0下1779摄氏度的温度高,0摄氏度的气温比0下1779摄氏度的气温暖,不能说它没有温度,这样矛盾的事情怎样解决呢?

0本身充满着矛盾。拿0的作用来讲,因为任何多个0相加,它们的和还是0,岂不是很渺小吗?但是我们也可以说0的影响很大,如果有许多个因数相乘,其中只要有一个因数是0,它们的积就是0,你看这个0的影响不是很大吗?这样矛盾的事情在数学上的例子是不少的,要解决这样的矛盾问题,必须知道数学上的概念是相对的,不是不变的。对小学生来说,0是表示没有。但对中学生来说,0可以表示起始。在数学运算中,0还扮演着一个很重要的角色呢。在电子计算机里,0的作用就更大了,因为电子计算机采用0与1这两个基本数码的二进位制,任何数码都由这两个基本数码组成。

备受尊敬的7

在我们的生活中,有许多与7有关的事和物。

一个星期有7天;人头上的眼睛、耳朵、鼻孔、嘴共有7个孔;一个成年人的身高等于他本人7个头高;我国的传统玩具7巧板,用7块图形可以拼搭出变化无穷的图案;太阳光的光色由赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫7种色构成,给予了大自然千变万化的色彩;音乐家用do、re、mi、fa、so、la、si7个音,弹奏出无数美妙的乐曲;我国传说中的牛郎和织女,每逢7月初7相会,人们把这天叫做“7夕”……10个数字中,为什么“7”会受到人们这样的器重呢?

人们对数的认识是逐步发展的,最初,古人只认识1和2,3就被认为是“多”的意思,俗话说“三思而后行”,是指做任何事情必须多想想,而不是说只想3次。

后来人们又认识了一些数,如一只手就表示5,“7”这个数在有些地方就用来表示“多”了。

埃及发现的莱茵特纸草卷上记载着这样一道题:有7个老妇人,每个人有7只猫,每只猫吃7只鼠,每只鼠吃7穗麦,每穗麦出7颗麦粒,问人、猫、鼠、麦穗、麦粒各有多少?

答案是:7个人,49只猫,343只鼠,2401穗麦,16807颗麦粒。由7开始计算得到的这些数,对古代人来说确实是一个不小的数。

我国西南部的少数民族土族的妇女,衣袖上镶着7道彩色的锦边:红、橙、蓝、白、黄、绿、黑,以此来表示世上的万物,把它镶在衣袖上的意思是万物要靠勤劳的双手去创造。

7被看作“多”的化身,还因为古人把“7”敬拜为“神数”。

最初,人们把天空中3颗会“走”的星球:太阳(太阳是恒星,古代由于科学不发达,误认为太阳绕地球转)、月亮、金星看作“神灵”,后来又发现木星、火星、水星、土星也会“走”,这样就有7颗星球被看作是有“神灵”的。于是7被看作是“神数”。

人们在观察星空时,还发现,月亮除了一两天看不见外,其余28天,从月牙到月半,从月半到月圆,再到月半、月牙,正好把28天分成了4个7天,这又和受尊敬的“7颗”星球相配,于是人们就把这样的7天称为是星的日期,即7天为一个“星期”,直到现在有的国家还把一个星期中的7天称为月亮天、火星天、水星天、木星天、金星天、土星天和太阳天。

就这样,7成了一个受尊敬的数。

数学黑洞

在古希腊神话中,科林斯国王西西弗斯被罚将一块巨石推到一座山上,但是无论他怎么努力,这块巨石总是在到达山顶之前不可避免地滚下来,于是他只好重新再推,永无休止。著名的西西弗斯串就是根据这个故事而得名的。

什么是西西弗斯串呢?也就是任取一个数,例如35962,数出这个数中的偶数个数、奇数个数、及所有数字的个数,就可得到2(2个偶数)、3(3个奇数)、5(总共五位数),用这三个数组成下一个数字串235。对235重复上述程序,就会得到1,2,3,将数串123再重复进行,仍得123。对这个程序和数的“宇宙”,123就是一个数学黑洞。

是否每一个数最后都能得到123呢?用一个大数试试看。例如:8888887777444992222,在这个数中偶数、奇数、全部数字个数分别为11、9、20,将这三个数合起来得到11920,对11920这个数串重复这个程序得到235,再重复这个程序得到123,于是便进入“黑洞”了。

这就是数学黑洞“西西弗斯串”。同学们努力学习,去探索、发现其中的奥秘吧!

费马大定理和费马小定理

如果三个正整数分别是某个直角三角形的三条边长,这样的三个正数就叫做勾股数。一般地说,勾股数就是不定方程X2+Y2=Z2的每一组正整数解。

在公元前1900—1600年的巴比伦泥块中,记载了一些如(119,120,169),(3367,3456,4825),(12709,13500,18541)这样一些数值很大的勾股数,说明当时已经有人开始探求勾股数的公式。

欧几里得在《几何原本》中第一次给出了求勾股数的公式。中国的《九章算术》则最先给出了它的现代形式:

设(z+x)∶y=m∶n(m>;n>;0),则

x∶y∶z=m2-n22∶mnm2+n22

显然利用公式可以给出不定方程x2+y2=z2的无限多级解。然而这个结果自然会引出这样的一个话题,在公式x2+y2=z2中,若未知数的次数比2还大,还有没有正整数解呢?

大约在1637年,费马经过认真总结研究,证明出一个立方数不可能表示为两个方立方数之和,一四次方数也不可能表示两个四次方数之和。一般说来,当正整数n>;2时,不定方程xn+yn+zn没有正整数解,这就是人们常说的费马大定理。可是,人们一直没有发现费马的证明,这就激起了许多数学家对这个问题的兴趣。

欧拉证明了n=3或4的情形,即方程x3+y3=z3与x4+y4=z4没有不为零的正整数解。

19世纪数学家勒让德和狄里赫勒同时证明了n=5的情况。之后数学家拉梅又证明了n=7的情况。

为了得到费马大定理的普遍证明,1908年德国哥廷根科学院悬赏10万马克,向全世界征求解答,限期100年,吸引得某些商人也加入了研究行列。但由于费马大定理不可能有初等证明,因而那些连初等数论的基本常识都不熟悉的人,对此只能“望洋兴叹”了。

为什么叫“费马大定理”而不叫“费马定理”呢?那是因为费马在1640年还发现过一个定理。

如果p是质数,并且a与p互质,那么数ap-a一定能被p整除。这是初等数论中的一个重要定理,但证明的难度及影响远不如“费马大定理”,因此,后人把它称做“费马小定理”。

跷跷板与不等式

游乐场里的跷跷板,大个儿总是沉沉地压向一端,而小个儿总是被抬到高处,这与数学里的不等式是多么相像!

楞儿游泳班的8个孩子,这时也在游乐场里玩跷跷板。他们之中,有5个女孩子,3个男孩子。女孩子的体重都是25公斤,男孩子的体重都是30公斤。