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第21章 富兰克林的遗嘱

美国著名政治家富兰克林在他的遗嘱中,对自己的遗产作了具体的安排,其中谈到:

“1000英镑赠给波士顿的居民……把这笔钱按5%的利率借出。过了100年,这笔钱增加到131000英镑……那时用100000英镑来建造一所公共建筑物,剩下的31000英镑继续生息。在第二个100年尾,这笔钱增加到4061000英镑,其中的1061000英镑还是由波士顿的居民支配,而其余的3000000英镑让马萨诸塞州的公众管理。”

从这段遗嘱中,我们可以看出富兰克林为民着想的精神是非常可嘉的。不过开始只有区区1000英镑的赠款,就要为几百万英镑安排用场,这种设想是可能的吗?

富兰克林的遗嘱并非想当然,也不是一般地估计,而是经过精密的计算的。小朋友们,你知道怎么计算的吗?

数学魔术家

心算表演开始了,大厅内挤满了观众。一位教授走上讲台,简短的致词后,在黑板上写下了一个201位的大数:

916,748,679,200,391,580,986,600,275,853,810,624,831,066,801,443,086,224,071,265,164,279,346,570,403,670,965,932,792,057,674,803,067,900,227,965,775,473,400,756,816,883,056,208,210,161,291,328,455,648,057,801,586,067,711.

心算的要求,是求这个大数的23次方根。

表演者是印度的一位37岁的妇女,她的名字叫沙贡塔娜。今天,她要以惊人的心算能力,与一台先进的电子计算机展开竞赛,看看谁算得快,算得准确。

教授用4分钟写完这个大数。然后,沙贡塔娜便开始心算。与此同时,电子计算机也进行工作。运算结果,沙贡塔娜只用了50秒钟就向观众报出了正确的答案:546372891.与沙贡塔娜心算形成鲜明对比的是,计算机为了得出同样的答数,必须输入两万条指令和数据,然后再进行计算,花费的时间比沙贡塔娜要多得多。

大厅中爆发出暴风雨般的掌声和热烈的欢呼声,人们祝贺沙贡塔娜所取得的成功。

印度数学界1981年出现的这一奇闻,在国际上引起了轰动。美国报界称沙贡塔娜为“数学魔术家”。我国已故著名数学家华罗庚还为此专门给《数学情报》杂志撰写了一篇名为“天才与实践”的文章,赞扬了沙贡塔娜特殊的天才与刻苦实践的精神。值得提出的是,在这篇文章中,华罗庚教授对这个问题提出了一种非常巧妙的计算方法。

首先,华罗庚根据近似计算的原理和科学计数法的方法,将这个201位数写成916……711≈(9.167486792×1016)×108×23.

然后把9.167486792×1016输入计算器,开23次方,很容易得到它的方根为5.463728910.而108×23的23次方根为108.

∴23916……711=23(9.167486792×1016)×108×23

=5.463728910×108

=546372891

这便是所求的201位大数的23次方根。

在这里华罗庚教授运用指数的运算法则,借助于普通的计算器,用初等代数的方法,就解决了这个繁杂的计算问题。

《名画》

前苏联著名科学家别莱利曼在他所著的《趣味代数学》中介绍了波格达诺夫·别列斯基的《名画》,画上那位老师拉金斯基是一位自然科学教授,放弃了大学教席来到农村学校当一名普通老师。

画中,黑板上写着一道式子:

十几个学生,有的抓头,有的搔腮,都在吟思,看来老师正让大家心算这道题目,画面紧凑生动,寓意很深。

如果光凭心算来算这一题,是比较困难的,因为数据比较大,算起来比较繁。但如果仔细一研究,10、11、12、13、14这几个数目具有一种有趣的特性:

102+112+122=132+142,

而且

100+121+144=365.

所以,很容易算出画里的算式应等于2.

现在,把这个问题推广一点:还有没有其他这样五个连续的整数,前三个的平方和正好等于后两个的平方和呢?

设x为这五个连续整数的第二个数,(这样设有方便之处,为什么?)依题意可列得方程:

(x-1)2+x2+(x+1)2=(x+2)2+(x+3)2.

去括号,化简,得

x2-10x-11=0.

解这个一元二次方程,得

x1=11,x2=-1.

所以,具有所要求性质的数列有两组:拉金斯基的那组是10,11,12,13,14;另一组是-2,-1,0,1,2.

事实上,

(-2)2+(-1)2+02=12+22.

如何把问题进一步拓宽一点:有没有这样七个连续整数,前四个的平方和等于后三个的平方和?问题就是要解方程。

(x-3)2+(x-2)2+(x-1)2+x2=(x+1)2+(x+2)2+(x+3)2.

不难得出这个方程的解是x1=24,x2=0.

读者不难写出类似的等式。

月亮宝石的价值

你看过《月亮宝石》这本书吗?《月亮宝石》是十九世纪英国著名作家威廉·威尔基·柯林斯(1824-1889)的代表作,这本书被后世誉为“第一部英国侦探小说,也是最伟大的一部”。柯林斯也因此而被戴上“现代侦探小说的鼻祖”的桂冠。以写福尔摩斯探案小说闻名今世的柯南·道尔也在很大程度上受到他的影响。这部小说是围绕着一颗价值连城的黄色的印度钻石而展开的。这颗宝石原来一直被镶嵌在一尊四只手的印度神——月亮神的前额上。

1799年,英国侵略者攻入印度圣城塞林加柏尔。官兵烧杀劫掠,无恶不作。

英国侵略军军官亨卡什抢到这颗宝石后,把它带回英国。而印度爱国者不甘心国宝流落异邦,也跟踪来到英国,伺机夺回。亨卡什嫁祸于人,临死前把宝石送给侄女雷茜儿,但雷茜儿得到宝石的当晚就失窃了。

于是探长得以登场大显身手。几经波折,扑朔迷离的案情终于真相渐白。原来是以慈善家面目出现的雷茜儿的表哥艾伯怀特偷走了宝石。

艾伯怀特一方面为了逃避印度爱国者的追索,另一方面也为了销赃方便,想把宝石带到阿姆斯特丹去割成几块,他认为宝石如被割成几块,不成完璧,印度爱国者就可能因为不能再镶嵌到月亮神像上而放弃追索,从而有利于他销赃。

当然,宝石被割开,价值会大跌。但飞来之财,对艾伯怀特来说也足够他挥霍的了。

宝石的价值,要看它的纯净度,还要看它的颜色。而在颜色纯度都一样的情况下,其价值与重量的平方成正比。这块宝石,据当时的宝石商,高利贷者鲁克的估价,至少价值30000英镑,这在当时已经可算是天文数字了。而且贪婪的鲁克也是为了杀价才这样压低估价的。就算这块宝石价值30000英镑吧,再假定这块宝石重G克拉(克拉是计算宝石的重量单位,1克=5克拉)。

为方便计,假定艾伯怀特准备把宝石割成重量为x克拉及(G-x)克拉的两块,于是割开后宝石价y=[Kx2+K(G-x)]2=2KX2-2Kx+2KG。

显然,宝石的价格是x的二次函数,其中0<x<G。

这就是说,割开后宝石价值一定受损失,且当宝石割成相等两块时受损失最大。此时的价值只有原价的一半。

当然,故事的结局是:正当化装成水手的艾伯怀特揣着宝石准备动身上阿姆斯特丹时,探长们赶到了,但三位印度爱国者先到了一步,夺走了宝石并重新把宝石送回国,并镶嵌在月亮神的前额上去了!

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