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第19章 中外数学经典名题(2)

毕加索的正方体

毕加索将一块边长为3寸(1寸≈3.3厘米)的正方体木头漆成黑色,再切成若干1寸的小正方体。在角上的8个小方块有3个面是黑色的,最中央的小方块则是一点黑色也不会有,其余的18个小方块中,有12个两面是黑色的,6个一面是黑色的。请注意,两面黑色的方块,是一面黑色方块的2倍;三面黑色的方块,是一点黑色也没有的方块的8倍。现在有一块正方体木头,可情况恰好相反,把它漆成黑色并切成1寸的小方块以后,一面黑色的小方块,是两面黑色的小方块的2倍,一点黑色也没有的方块是三面黑色的方块的8倍。那么,这个方块的边长是多少呢?

答案是:这个方块是6寸的,这样大的一块木头切开后成为216块小木块。其中96块有一面黑色,48块有2面黑色,8块有三面黑色,64块全白色。

爱迪生的“骑马思维”

爱迪生爱迪生在工作之余,总是给助手讲一些既有教育意义又很有趣的故事,鼓励他们积极思考,努力工作。下面的故事是一则关于“骑马思维”的故事。

古代有一个国王,他有两个儿子。因为他年岁已高,所以,必须考虑好移交王位的事情。一天,他想考考两个儿子谁最聪明以便让他继承王位。他对他们说:“我给你们一人一匹马,黄色的给老大;青色的给老二。你们分别骑上自己的马,到泉边去饮水,谁的马走得慢,谁就是优胜者。”老大想,这好办,就慢骑呗!老二却不然,听了父亲话后便急匆匆地奔向马棚,不一会儿便到了目的地,返回家,并向父亲报到。老国王当时十分高兴,便立即决定将来由老二继承王位。原来,老二骑的是大哥的黄马。爱迪生要求他的助手不仅要有广博的知识,而且要具备这种“骑马思维”的方法和能力。

苏格拉底的花园

苏格拉底有一个学生问苏格拉底:“请告诉我,为什么我从未见您蹙眉皱额过,难道您的心情总是那么好吗?”苏格拉底答道:“因为没有什么东西,能使我失去了它而感到遗憾。”

的确,苏格拉底被判死刑后,他仍能保持乐天的禀性,这是难能可贵的。可是,当有人向他征求如何处理他惟一的遗产——一块梯形的花园时,他却皱了眉。在这块花园里,有4棵月桂树,他想把它分成大小都相等的4块,分别送给他的得意门生,要求在每块地上还能保留一棵月桂树,以免发生什么分歧。

你说怎样分才好呢?要把梯形加以分割,应设法找到梯形的相似形,是一种很巧妙的分法。

马克·吐温笔名的来历

萨缪尔·兰亨·克里曼斯在密西西比河当水手时,经常随船运送货物经过一座大桥。一货船载着一台高大的机器,要过大桥时,他听二副高喊:“马克吐温。”原来上游连日暴雨,河水上涨,深有两寻(寻是英美长度旧称,1寻为1.829米),“马克吐温”即水深两寻之意。船长听到喊声,立即抛锚停船,因为机器高出桥孔2寸,无法通过。正当船长一筹莫展时,萨缪尔想出了一个办法,既没有卸下机器,也没有等水落,就使船顺利通过了大桥,萨缪尔后来当上领航员,同时又开始了写作。由于他长期生活在密西西比河,就索性把马克·吐温当作了自己的笔名。

马克·吐温在一篇小说中还写了这样一个情节:一辆载重汽车,要通过某隧道。该隧道高3米,但汽车加上车上货物总高度偏偏是3.01米。车上货物十分沉重,又无法搬动。正当司机垂头丧气时,来了一个机灵人,给他出了一个好点子,使这辆载重汽车顺利通过了隧道。

这里有两个问题:马克·吐温用什么方法使船通过了大桥?小说中的机灵人又给司机出了一个什么好点子?

答案是:马克·吐温让大家往船上搬一些石子之类的重物,使船吃水深一点;而机灵人让司机把胎中的气放瘪了一点,即可通过隧道。

不添篱笆扩羊圈

大数学家欧拉小时候在巴塞尔神学校的课堂就读。有一天,小欧拉谦恭地向神职老师发问:“既然上帝无所不能,他能告诉我天上有多少颗星星吗?”

老师回答道:“这是无关紧要的,我们作为上帝的孩子,记住这一点就足够了:星星都是上帝亲手一颗颗地镶嵌在天幕上的。”

小欧拉百思不得其解:“既然星辰是由上帝一手安排的,他总该告诉我们一个数目吧?”

神学老师再也回答不了小欧拉的问题,他无可奈何地摇摇头叹声说道:“可怜的孩子,迷途的羔羊。”

就这样,小欧拉被神学校开除了。

老欧拉十分伤心地接回了儿子,想着:总得积攒学费送他上别的学校啊!老欧拉决定扩展羊圈,多养些羊,他招呼儿子,拆改旧羊圈。

可是没有多余的篱笆,怎么办呢?老欧拉没有了主意。

这时,站在一旁的小欧拉不慌不忙地说:“爸爸,篱笆有了。你看,旧羊圈长70码(1码≈0.9米),宽30码,面积为2100平方码,改成50码见方的新羊圈,不用添篱笆,羊圈就扩大了400平方码。”

“太妙了,你是怎么想到的?”

“我是从您书橱的《几何学》上看来的。如果把羊圈围成圆形,面积将最大,有3100多平方码呢!”

老欧拉明白了,原来儿子在自学数学,放羊时还见他在草地上画来画去。小欧拉自学数学的热情打动了老欧拉,他决心推动儿子进入古老而神秘的数学王国。

欧拉扩大羊圈不添篱笆的事实说明:在一定周长下,正方形的面积比长宽不等的矩形面积大,而圆又比正方形的面积大。正方形四四方方,简单匀称,是完善的几何图形之一。圆这个最简单的曲线最令人惊叹,它是惟一的具有无穷多条对称轴的轴对称图形,又是中心对称图形。正是这些对称图形的面积也最大。

百鸡问题

一般来说,其未知数多于方程个数的方程为不定方程。中国的《孙子算经》、《九章算术》等书中均有不定方程问题。《张邱建算经》中的百鸡问题是一个著名的求正整数解的一次不定方程问题。

张邱建生活在中国的南北朝时期。他幼年时就善于思考,聪颖敏捷,喜欢解答数学问题,被大家称为“神童”。当时的宰相非常惜才,便想了一道“百鸡之谜”来考察神童的水平。他把张邱建的父亲叫了去,说:“这里有100文钱,给我买100只鸡来,这100只鸡中应有公鸡、母鸡和小鸡。钱不能剩余也不能超出,鸡的数目不能多不能少。”当时,一只公鸡5文钱,一只母鸡3文钱,三只小鸡1文钱。怎样才能用百文钱买百只鸡呢?张邱建的父亲对算术很外行,他把此事告诉儿子。小邱建想了想,就在地上算起来。过了一会儿,他告诉父亲说:“买4只公鸡、18只母鸡和78只小鸡就行了。”小邱建以他的巧妙计算而受到了宰相的召见,并对他给予了奖励。张邱建从此更加勤奋地学习,终于成为一位著名的数学家,并编纂成《张邱建算经》,这是中国汉唐年间10部重要的数学著作之一。

凫雁问题

一只野鸭子从南海飞到北海要用7天,一只大雁从北海飞到南海要用9天。试问:若它们同时从两地起飞,几天后相遇?

这个有趣的问题出自中国古代数学名著《九章算术》,书中称野鸭子为凫,所以称这道题为凫雁问题。解法是:把两个天数相加作为除数,相乘作为被除数,除得的结果就是所求的天数。公元263年,大数学家刘徽在《九章算术注》中对这个解法作了解释:野鸭子7天能飞完一个全程,而大雁9天能飞完一个全程,取7和9的最小公倍数63,那么63天中,野鸭子可以飞9次,大雁可以飞7次。也就是说,野鸭子和大雁在63天里一共可以飞完16次,或者说,它们合作飞行16次共需63天。那么,它们合作飞行一次就需要63/16(天)。这个算法非常巧妙,我们的祖先是用比例的方法解决这个问题的。他们充分认识了比、分数、除数的相互联系,认识了比是数量之间的关系,分数是一种数,除法是一种运算,这是非常了不起的。

鸡兔同笼

一个笼子里有一些鸡和兔,现在只知道里面一共有35只头,94只脚,试问:鸡和兔各有多少只?

在中国,鸡兔同笼问题作为一类既有趣又重要的问题的代表,经常出现在各种数学书里,千百年来一直吸引着爱好数学的人去钻研。最早记录这个问题的,大约是在公元4-5世纪的《孙子算经》。

鸡兔同笼问题的解法是:设头数是a,脚数是b,则b/2-a是兔数;a-(b/2-a)是鸡数。这个巧妙的解法是怎样来的呢?鸡有两只脚,兔有四只脚,把脚数除以2,共有47对脚。由于鸡是一对脚,兔有两对脚,所以47中减去35,得12,也就是说,如果笼子里的动物都只有1对脚,就会多出12只脚来,这12只脚恰好是有2对脚的动物的,即有12只四脚动物,这当然就是兔子了。再用35个头减去12只兔子的头,剩下的就是鸡的头数。

如果用二元一次方程组来求解,就是,设鸡、兔数分别为X和Y:X+Y=35,2X+4Y=94。解这个方程组,既方便又简练。

奇怪的遗嘱

古印度,一位圣人临终前,把他的儿子们都叫到床前,立下了一份遗嘱:他共有17头牛,老大应得总数的1/2,老二应得1/3,老三只能得1/9。老人过世后,兄弟们商量如何分牛。但反复计算,也没有找出符合老人规定的分法,因为17的1/2是17/2;17的1/3是17/3;17的1/9是17/9。这三个数都不是整数,如果按这种分法,要活活杀掉两头牛,这在当时不允许。因为印度人非常崇拜牛,牛是不允许被宰杀的,而且也是不必要的。因此兄弟们请教了许多有学问的人,结果都表示爱莫能助。一天,一个老农牵着1头牛从这家门前经过,听说了这件事。他想了一会儿,便说道:“这容易,我把这头牛借给你们,你们按遗嘱的要求去分,分完后把这头牛给我就行了。”兄弟三人按照老农的说法一分,老大分得9头,老二分得6头,老三分得2头。分完之后,正好剩下了老农这头牛,自然就还给了他。

牛顿的牛吃青草问题

这是牛顿编写的一道既复杂又有趣的数学名题。有3块草地,面积分别为10/3顷、10顷和24顷。草地上的草长得一样厚且一样快。如果第一块草地可供12头牛吃4个星期,第二块草地可供21头牛吃9个星期,那么第三块草地恰好可以供多少头牛吃18个星期?牛顿经过潜心研究,发现了好几种不同的解法,但他认为如下这种比例解法更加有趣。

假定草地上的草被牛吃过以后不再生长,根据题中第一块地的条件推算,10顷草地可供8头牛吃18个星期或16头牛吃9个星期。但实际上青草被吃后还要生长,所以题中说:“10顷草地可供21头牛吃9个星期。”所以同样是10顷草地,同样是9星期,却可以多喂21-16=5头牛。这也意味着9个星期后5周里,10顷草地又长出的草可供5头牛吃9个星期,或是2.5头牛吃8个星期。那么18周的后14周里,10顷草地上新长的草供多少牛吃18周呢?由5∶14=2.5,便可算出是7头。如前所述,假设草不长时,10顷草地可供8头牛吃18周;而18周的后14周又生长出的青草可供7头牛吃18周。两者相加实际上是10顷草地可供15头牛吃18周。那24顷草地可供多少牛吃18个星期便容易算出了,十分明显,答案是36。

数学家们的墓志铭

大数学家阿基米德的墓碑上,镌刻着一个有趣的几何图形:一个圆球镶嵌在一个圆柱内。相传,这是阿基米得生前最为欣赏的一个定理。数学家鲁道夫的墓碑上刻着圆周率的35位数值,这个数值被叫做“鲁道夫数”,这是他毕生心血的结晶。

最奇特的墓志铭要数古希腊数学家丢番图了。他的墓志铭是一道谜语般的数学题:“他生命的六分之一是幸福的童年;再活上十二分之一,颊上长出了细细胡须;又过了生命的七分之一才结婚;再过五年他感到很幸福,得了个儿子;可是这孩子光辉灿烂的生命只有他父亲的一半;儿子死后,老人在悲痛中活了4年,结束了尘世的生涯。”幸亏有了这段奇特的墓志铭,后人才得以了解这位古希腊最后一位大数学家曾享年84岁,那么自然可以算出他何时结婚,何时得儿,何时儿子死亡。其年龄的算法是:设年龄为x,那么有x/6+x/12+x/7+5+x/2+4=x,解得x=84(岁)。

玄机奥妙

这是一道选自我国明代珠算家程大位的《算法统宗》中的数学题。题的内容是:“甲赶羊群逐草茂,乙拽肥羊随其后,戏间甲及一百否,甲说所云无差,若得这般一群凑,再添半群、小半群,得你一只来方凑,玄机奥妙谁猜透?”译成白话是:牧民甲赶着羊群向草茂盛的地方转移,牧民乙拉着一只肥羊在他后边走,乙边走边跟甲开玩笑:“你的羊够不够一百只?”甲说:“你说得没错,怎样凑上一百只呢?如果再有这么一群,然后再添上这群的一半,再添上一半的一半,最后再加上你那一只,这样就够一百只了。”牧民甲实际有多少只羊呢?我们可以设甲的羊群的只数为“1”,根据已知条件得出:1+1+1/2+1/4=11/4(倍)。11/4倍加上乙的那一只等于100只,由此可以得出(100-1)/(1+1+1/2+1/4)=99÷11/4=36(只)。

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