1.流传久远的算术趣题
古代俄罗斯民间流传着这样的算术题:
“路上走着七个老头儿,
每个老头儿拿着七根手杖,
每根手杖上有七个树杈,
每个树杈上挂着七个竹篮,
每个竹篮里有七个竹笼,
每个竹笼里有七只麻雀,
总共有多少麻雀?”
老头儿数是7,手杖数是77=49,树杈数是777=497=343,竹篮数是7777=3437=2401,竹笼数是77777=24017=16807,麻雀数是777777=168077=117649。总共有十一万七千六百四十九只麻雀。七个老头儿能提着十一万多只麻雀遛弯儿,可真不简单啊!若每只麻雀按20克算,这些麻雀有2吨多重呢!
2.惊人的老鼠繁殖
一对老鼠原也没什么稀奇,但谈到它们的繁殖能力,确实叫人大吃一惊。
这是日本古代一本有名的算术书《尘劫记》里的题目。
“正月里,有2只大老鼠生了12只小老鼠,这两代共计是14只。
这些长大了的老鼠在二月里互相成亲,每对(2只)都生了12只小老鼠,连大带小共计是98只。三月里又有49对老鼠各生下12只小老鼠。这四代共计是686只。
这样,每月一回,父母、儿女、孙子、曾孙子、子子孙孙,总是每对生12只,那么12个月里将变成多少只呢?”
经过计算,是二百七十六亿八千二百五十七万四千四百零二只。这是多么大的数字,又是多么惊人的繁殖能力呀!
3.全体数字向我朝拜
小朋友,你们听说过维纳这个名字吗?诺伯特·维纳是20世纪最伟大的数学家之一,如今被广泛应用的数学分支信息论、控制论都是由他奠定基础的。
维纳有着非常高的天资。据说,他3岁就能读会写,7岁时就能阅读和理解着名诗人和科学家高深的着作。他大学毕业的时候才14岁,过了几年,他又获得了世界闻名的美国哈佛大学的博士学位。
在授予维纳博士学位的仪式上,来了很多客人。其中有一位嘉宾看到年轻的维纳,好奇地问他:“你今年多大啊?”
维纳虽然获得了博士学位,但毕竟还是个孩子,听别人这样问他,不禁就想当众显示一下自己的才智。他说:“我今年的岁数,连续乘三次,是个四位数;连续乘四次,是个六位数;两个数正好是把0、1、2、3、4、5、6、7、8、9全部用上去,而且既没有重复,又没有遗漏。这意味着,全体数字都向我朝拜,预祝我将来在数学领域里干出一番大事业来!”
维纳这么一说,好像给所有在座的嘉宾出了一道智力题一样,大家都在纷纷议论,维纳到底有几岁。其实,这个题目说难也不难。只要多试几次,就可以了。假定维纳的年纪是在20岁左右,那么我们可以把20上下的数字都来试一试,看看是不是符合这些条件。我们看到,222222等于10648,已经是五位数,所以不合条件,可以排除。而17171717等于83521,又小了,不符合乘四次是个六位数的条件。这样一来,答案就在18、19、20、21之间了。202020=8000,19191919=130321,21212121=194481,这几个结果里都有重复的数字,所以也不合题意,最后就剩下18了。我们来看看:
181818=5832
18181818=104976
果然没有重复的数字。所以,维纳当时应该是18岁。
4.韩信暗点兵
我国汉初军事家韩信,神机妙算,百战百胜。传说在一次战斗前为了弄清敌方兵力,韩信化装到敌营外侦察,隔着高大寨墙偷听里面敌将正在指挥练兵。
只听得按3人一行整队时最后剩零头1人,按5人一行整队时剩零头2人,7人一行整队时剩零头3人,11人一行整队时剩零头1人。据此韩信很快算出敌兵有892人。于是针对敌情调兵遣将,一举击败了敌兵。这就是流传于民间的故事“韩信暗点兵”。
“韩信暗点兵”作为数学问题最早出现在我国的《孙子算经》中。原文是:“今有物不知其数,三三数之剩二,五五数之剩三,七七数之剩二,问物几何子”
用现代话来说:“现在有一堆东西,不知它的数量。如果三个三个地数最后剩二个,五个五个地数最后剩三个,七个七个地数最后剩二个,问这一堆东西有多少个?”
该书给出的解法是:
N=702+213+152-2105
这个解法巧妙之处在于70、21、15这三个数。
70可以被5和7整除,并且是用3除余1的最小正整数,因此270被3除余2;
21可以被3和7整除,并且是用5除余1的最小正整数,因此321被5除余3;
15可以被3和5整除,并且是用7除余1的最小正整数,因此215被7除余2。
这样一来,702+213+152被3除余2,被5除余3,被7除余2。这个数大于100,容易算出3、5、7的最小公倍数是105。从这个数中减去两倍的105,不会影响被3、5、7除所得的余数。
N=702+213+152-2105=23
仿照《孙子算经》中“物不知数”问题的解法,来算一算“韩信暗点兵”:N=3851+2312+3303+2101-1155=2047-1155=892
“韩信暗点兵”在中国古代数学史上有过不少有趣的别名,如“鬼谷算”、“秦王暗点兵”、“剪管术”、“隔墙算”等。
这就是着名的“中国剩余定理”或“孙子剩余定理”。
5.到底有多少兔子
你知道澳大利亚吗?它位于南半球,是大洋洲的一个国家,它的国土全都被海洋包围着。我们今天先讲的是一个澳大利亚和兔子的故事。
本来,澳大利亚没有兔子,1859年,一家动物园引进了24只兔子,供人们观赏。可是几年后的一天,动物园失火了,关兔子的栅栏被烧毁,兔子全都跑了出来,变成了野兔。谁也没有想到,兔子繁殖的速度竟会是这样惊人,短短几十年的时间,就达到了40多亿只。它们破坏庄稼,和牛羊争吃牧草,造成的损失十分巨大,使人们大伤脑筋。尽管人们采取了大量措施,可是兔子的祸害还是不见减轻。
为什么兔子会繁殖得这么快呢?我们再讲一个故事,你就会知道了。12世纪,意大利有位叫做斐波那契的数学家写了一本《算盘书》的着作,他在里面说明了怎样应用阿拉伯数字,和如何用它们进行加减乘除计算和解题。在其中,他通过一个有趣的故事,出了一道题:“如果一对兔子每月能生1对小兔子,而每对小兔子在它出生后的第3个月里,又能开始生1对小兔子,假如每只兔子都能活下来,那由第一对兔子开始,1年后能有多少对兔子?”从第一个月开始,兔子的对数就依次为1,1,2,3,5……,可以看出,从第三项开始,每一项都等于前两项之和,而一年后,就是1+(1+2)+(1+1+2)+(1+1+2+1+1+2)……一直加到第十二个月,那么,共有兔子144对,共有288只,而如果按这个规律再往下写下去,增加的速度是特别惊人的,到第571个月,就是说到第47年的时候,一共有多少兔子了呢?这个数目要达到96后面有117个零!如果真到那个时候,这些兔子恐怕地球都装不下了呢!
6.鸡兔同笼
你以前听说过“鸡兔同笼”问题吗?这个问题,是我国古代着名趣题之一。大约在1500年前,《孙子算经》中就记载了这个有趣的问题。书中是这样叙述的:“今有鸡兔同笼,上有三十五头,下有九十四足,问鸡兔各几何?这四句话的意思是:有若干只鸡兔同在一个笼子里,从上面数,有35个头;从下面数,有94只脚。求笼中各有几只鸡和兔?
你会解答这个问题吗?你想知道《孙子算经》中是如何解答这个问题的吗?
解答思路是这样的:假如砍去每只鸡、每只兔一半的脚,则每只鸡就变成了“独角鸡”,每只兔就变成了“双脚兔”。这样,(1)鸡和兔的脚的总数就由94只变成了47只;(2)如果笼子里有一只兔子,则脚的总数就比头的总数多1。因此,脚的总只数47与总头数35的差,就是兔子的只数,即47-35=12(只)。显然,鸡的只数就是35-12=23(只)了。
这一思路新颖而奇特,其“砍足法”也令古今中外数学家赞叹不已。这种思维方法叫化归法。化归法就是在解决问题时,先不对问题采取直接的分析,而是将题中的条件或问题进行变形,使之转化,直到最终把它归成某个已经解决的问题。
7.春联中的数学
清乾隆五十年,朝廷为了表示国泰民安,曾邀集了全国有声望的老人逾千人,为他们举行了一次盛大寿宴。在宴会上,乾隆看到一位老寿星,鹤发童颜,神采奕奕,一问竟是与会者中的最长者,非常高兴,就以这位寿星的岁数为题,说出上联。座中一位博学多才的大臣纪晓岚即时对出了下联。
乾隆的上联是:花甲重开,又加三七岁月。
纪晓岚的下联:古稀双庆,更多一度春秋。
那这位寿星到底年岁几何呢?
上联中的“花甲”是指60岁,“花甲重开”就是两60,“三七岁月”是21岁,即602+21=141。
下联中的“古稀”指七十岁,“古稀双庆”就是两个70岁,“一度春秋”就是1年,即702+1=141。
8.米兰芬算灯
李汝珍,清代人,是个“学无所不窥”的才子,可能是学问钻研多了,所以官场上却甚不得意。他写了好几本书,《镜花缘》是流传最广的一本。此书中描写了一位精通算学的才女“矶花仙子”名叫米兰芬。
米兰芬和众姐妹在宗伯府聚会,来到小鳌山楼上观灯。楼上的灯形状有两种,一种灯是上面三个大球,下缀六个小球,一种灯是上面三个大球下面十八个小球。楼下的灯也有两种,一种是一个大球缀二个小球,一种是一大球缀四个小球。知道楼上有大灯球396个,小灯球1440个,楼下有大灯球360个,小灯球1200个。
才女们要米兰芬计算,楼上楼下的四种灯各有多少盏?
米兰芬说:“以楼下论,将小灯球数折半,得600,减去大灯球数360,即得缀四个小灯球的灯数为240,用360减240得120,即得缀二个小灯球的灯数为120。此用‘鸡兔同笼’之法。”用同样的方法算楼上灯数:“以1440折半,得720,720-396=324,324÷6=54。得缀十八个小灯球的灯数为54。用396-543=234,234÷3=78。即缀六个小灯球的灯数为78。”
这里说的“鸡兔同笼”法,是指的我国古代的一种类型题目,比如在一个笼中关有鸡与兔,数头有100个,数脚有240只。问鸡、兔各有多少?
对此题,有一个简单巧妙的算法,就是:如果让鸡都缩起一只脚,“金鸡独立”站着;让兔子全部抬起二只前腿,只用二只后腿站着,这时,再数脚数,就应是240除以2,得120只脚。
如笼中全是鸡,由于此时数鸡时,每只鸡都是一头一脚(另一脚缩起来了)。故100只鸡应只有100只脚,现在却有120只脚,多的20只脚是那儿来的呢?原来每只兔子都要多数1只脚,这就说明兔子数是20,而鸡数则是80。
现在你明白了米兰芬的算法了吧!比如说楼下的灯,一大球下缀二小球,就相当于“一只鸡有二只脚”,一大球下缀四小球就相当于“一只兔有四只脚”。所以,用“鸡兔同笼”之法就算清楚了。
至于楼上的灯,小球数折半,就相当于把灯改制成“每灯三个大球,下缀三个小球”和“每灯三个大球,下缀九个小球”这两种。如果都是前一种灯,则大小灯球数应相等。现小球数为720(=1440÷2),大球数396,多出324个小球。是因为每盏第二种灯小灯球多出6个的原因,从而用324÷6=54,即其中有54盏第二种灯,第二种灯共用大灯球162个,故第一种灯用大灯球234个,除以3得78,就是第一种灯数了。
朋友,如果换了你来解决这道题,你又会怎么做呢?
9.铺地锦
前面已经介绍了,米兰芬是《镜花缘》里的一个“才女”,精通数学,在书中有不少她解数学题的故事。
有一位才女要考考米兰芬:“有一套金杯,大小一共9只,共用126两黄金打造,这些杯子从小到大每只都比前一只重同样多,且第二只是第一只重量的2倍”,她问米兰芬,“你能算出杯重吗?”
米兰芬说:“这要用‘差分之法’。”并算出这9只杯子重量依次为2两8钱、5两6钱、8两4钱、11两2钱、14两、16两8钱、19两6钱,22两4钱和25两2钱。
这里“差分之法”实际上就是现在的等差数列的计算方法。由于从第二个杯子起,各个杯子的重量分别是最小杯的2、3、4、5、6、7、8、9倍,所以,这些杯子的重量是最小杯子的
1+2+3+4+5+6+7+8+9=9(9+1)÷2=45(倍)。
于是,最小的杯子重量为126÷45=2.8(两),以后再算出各个杯子的重量。
又有一位才女指着一张圆桌,问米兰芬:“你能算出它的周长吗?”
米兰芬说可以,她叫人拿尺量得圆桌直径为3尺2寸,然后画了一个“铺地锦”: