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第15章 数学教学的趣味之谜推荐(11)

1714年,英国政府宣布,谁能找到确定海上航行船只确切位置的方法,就奖励他两万英镑。英国人哈里森是一位木匠和手工艺人。从1728年开始,他制作出了好几只适合在船上使用的计时器,一只比一只更轻便、更精确。1739年,他又制作出了第一只适合远洋航行用的计时器,但有点复杂,也不十分精确。又经过多年的研究和试验,终于在1761年建造了一只相当精确的计时器,用它计算出来的经度只有几海里的误差。这只计时器有一个用几种不同金属制成的内置平衡装置,它既可抗御船只的颠簸,又能适应温度的变化。但是,哈里森还必须对他的计时器进行多次试验,成功以后才能获得悬赏。1762年,在一次从英国到加勒比海的巴巴多斯的航行中使用了这个计时器。航行历时5个月,哈里森的计时器只慢了15秒。但是,10年以后,英国政府才给哈里森颁发了奖金。这只计时器的出现开辟了航海事业的新纪元。从此,在海上航行的船只可以知道自己的确切位置,并有可能绘制出更加精确的航海图,为找到更加快捷的新航线提供了可能。

96.先抽签后抽签哪个中奖机会大

我们常会碰到这样的问题,10个人抽一个奖,应该说每人获奖的概率是一样的。但有的人认为,先抽合算,后抽不合算。现在我们来分析一下:

第一人抽着奖的概率是110,抽不着奖的概率为910;

第二人抽时只有9个签,有两种可能:①第一人已抽着奖,第二人抽着奖的概率应是110×09=0;②第一人未抽着奖,第二人抽着奖的概率应是910×19=110。

所以第二人抽着奖的概率为:

P=110×09+910×19=110

因此,第二人抽签,不管第一人是否抽到奖,他抽到奖的概率仍是110。

第三人去抽签时还有8张签,也是两种情况:

①前面两个人中已有一个抽着奖,第三人抽着奖的概率应是(110×09+010+19)×08)=0

②第一、二人都未抽着奖,而第三人抽着奖的概率应是:

910×89×18=110

所以第三人抽着奖的概率为:

(110×09+010×19)×08+910×89×89×18=110

因此,不管第一人,第二人是否抽着奖,第三人抽着奖的概率仍为110,所以10人抽签不管先抽还是后抽,抽着奖的概率是一样的,机会是一样的。

97.怎样让客人等吃饭的时间最少

星期天,家里来了客人。爸爸妈妈留客人吃饭,准备烧四个菜、一个汤、两个冷盘。你算算需花多少时间。

取米淘米3分钟,烧饭10分钟,闷饭6分钟,炒菜(甲乙丙菜)各要4分钟、5分钟、6分钟,清蒸菜10分钟,烧一锅汤要10分钟,每次洗锅要0.5分钟,每次盛菜到碗里要1分钟,盛饭配碗筷要2分钟,配制两冷盘各要5分钟、4分钟。这样,大约一个小时以后,客人可以吃饭。

3+10+6+4+5+6+3×0.5+10+10+3+2+5+4=69.5分钟。

如果我们作一个统筹安排,烧饭用电饭锅,烧菜分两只锅炒,先取米淘米烧饭,同时烧汤、配冷菜、清蒸等。可以同时用两只锅炒菜,如下图安排:

这样的话,我们实际用了:3+10+10+5.5+2=30.5分钟,让客人少等半个多小时就能吃到饭。

98.哪些灯还亮着

有一百盏电灯,排成一横行。自左向右,我们给电灯编上号码1,2,3……99,100。每一盏灯由一个拉线开关控制着。最初,电灯全是关着的。

另外,还有一百个学生。第一个学生走过来,把凡是号码是1的倍数的电灯的开关拉了一下;接着第二个学生走了过来,把凡是号码是2的倍数的电灯开关拉了一下;第三个人再走过来,把凡是号码是3的倍数的电灯上的开关拉了一下,如此下去,最后那个学生走过来,把编号能被100整除的电灯上的开关拉一下。这样做过之后,问:“哪些灯是亮着的?”

这简直令人眼花缭乱,不易理出头绪,方法不当就更不得要领。

正确的思考是:由于最初所有的电灯都是关着的,所以被拉了偶数次开关的电灯,仍然是关着的;只有那些被拉了奇数次开关的电灯才是亮着的。因此,人们只须去关心那些被拉过奇数次开关的电灯。

按照问题所规定的法则,编号为n的电灯被拉过几次呢?要看整数n中有多少个正因数。如果n不是平方数,那么n的全部正因数的个数是偶数,这盏灯是关着的。只有当n是平方数时,n的全部正因数个数是奇数,这盏电灯被拉过奇数次,因此它是亮着的。

这样,我们知道了,只有编号为

1,4,9,16,25,36,49,64,81,100的灯是亮着的。

最后举一例,看你是否有了“对称意识”:

……两人把一个棋子,从左到右移动,使它经过一排方格中的每一个格,这排方格的总数是1990,谁把棋子移动到最后一格,谁就获胜。两人轮流,一次移动1至3格。如果你先走,你会赢吗?若再模仿前两个游戏,就会因找不到对称中心而困惑。但如果你有“对称意识”,就会立刻想到在四个格子里,对手先走,你必能获胜。这样,你走第一次时只要使剩余的格数是4的倍数就行了,对手走1格,你走3格;对手走2格,你走2格;对手走3格,你走1格,一直到你把棋子移到最后一格里。

为此,你的第一步只要把棋子移到左边的第二个格子里,(1990÷4=497×4+2)就稳操胜券了。

99.疾病普查怎样进行最省力

我国的医疗机构常进行一些疾病的普查。一种常见的普查方法是验血,通过验血,可以对肝炎、霍乱、血吸虫病等多种疾病作出早期诊断。普通的验血普查方法是:由医疗人员到各个普查点抽取每位接受检查人员的少量血液,做好标记,由医疗人员带回医院或研究机构逐一检查,最后再把检查结果告诉每一位被检查者。这种普查方法虽然很有效,但检查过程费时费力。有没有省时省力一点的办法呢?答案是肯定的。我们举一个例子来说明这个问题。

某次疾病普查需要对上海市1400万居民进行肝炎病毒的验血普查。医疗人员抽取血样带回以后,有两种验血方案可供选择。第一种是普通的方法,即对每份血样逐一进行检查。另一种方案是把所有血样先进行分组,每组100份,从同一组的每份血样中抽取一部分(验血只需要极少量的血样)进行混合,然后再对混合后的血样进行检查。如果检查结果呈阴性,即没有检出肝炎病毒,则表明该组100份血样都无病毒;如果检查结果呈阳性,即检出肝炎病毒,则表明该组100份血样中有某一份或某几份带有病毒,为了查明到底哪一份或哪几份血样带有病毒,必须对这100份血样再逐一检查一遍。那么到底采用哪种方案好呢?

如果采用第一种方案的话,每组血样要做100次检查,而若采用第二种方案,每组血样可能只要做一次检查,也可能要做101次检查。为了作出比较,必须求出采用第二种方案时每组血样需要做的平均检查次数,而这又需要知道两种检查次数出现的可能性有多大。

根据以往资料或试查资料(疾病普查之前常先进行小范围内的试查)估计,肝炎病毒的携带率为0.1%,即平均每1000人中有1人为病毒携带者,或说每份血样中带有病毒的可能性是0.1%。因此每组血样中每份都不带病毒的可能性是:

(1-0.1%)100≈90.48%,

而有一份或几份带有病毒的可能性是1-90.48%=9.52%。因此,采用第二种方案验血,每组血样需要检查的平均次数为:

1×90.48%+101×9.52%=10.52(次),

比采用第一种方案节省了89.48%。如果每验血一次需要花费10元钱的话,采用第一种方案进行检查需要花1.4亿元,而采用第二种方案只需要花1472.8万元,比采用第一种方案节省了1亿多元。

事实上,采用第二种方案进行验血时,并不一定每组含100份血样,也可以每组含50份或150份血样,等等,有兴趣的少年朋友可以试着计算一下,此时又能比采用第一种方案节省多少费用。

100.数字中为何有周期现象

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。

101.古希腊三大几何问题是什么

传说大约在公元前400年,古希腊的雅典流行疫病,为了消除灾难,人们向太阳神阿波罗求助,阿波罗提出要求,说必须将他神殿前的立方体祭坛的体积扩大1倍,否则疫病会继续流行。人们百思不得其解,不得不求教于当时最伟大的学者柏拉图,柏拉图也感到无能为力。这就是古希腊三大几何问题之一的倍立方体问题。用数学语言表达就是:已知一个立方体,求作一个立方体,使它的体积是已知立方体的两倍。另外两个着名问题是三等份任意角和化圆为方问题。

古希腊三大几何问题既引人入胜,又十分困难。问题的妙处在于它们从形式上看非常简单,而实际上却有着深刻的内涵。它们都要求作图只能使用圆规和无刻度的直尺,而且只能有限次地使用直尺和圆规。但直尺和圆规所能作的基本图形只有:过两点画一条直线、作圆、作两条直线的交点、作两圆的交点、作一条直线与一个圆的交点。某个图形是可作的就是指从若干点出发,可以通过有限个上述基本图形复合得到。这一过程中隐含了近代代数学的思想。经过2000多年的艰苦探索,数学家们终于弄清楚了这3个古典难题是“不可能用尺规完成的作图题”。认识到有些事情确实是不可能的,这是数学思想的一大飞跃。

然而,一旦改变了作图的条件,问题则就会变成另外的样子。比如直尺上如果有了刻度,则倍立方体和三等份任意角就都是可测量的了。数学家们在这些问题上又演绎出很多故事。直到最近,中国数学家和一位有志气的中学生,先后解决了美国着名几何学家佩多提出的关于“生锈圆规”(即半径固定的圆规)的两个作图问题,为尺规作图添了精彩的一笔。

102.博弈论是什么

下棋已成为许多人茶余饭后乐此不疲的一项业余爱好。既要对弈,就必有胜负。赢棋的奥妙是一个很值得研究的问题。而研究这类问题的学问就是博弈论,又叫对策论。

博弈论是20世纪20年代才发展起来的新兴学科,由冯·诺曼等人的研究开始,最先被用于考虑经济问题和军事问题,之后也被用解决一些社会问题。下面用一个简单的例子来看看是如何考虑问题的。

例如,两人轮流在国际象棋棋盘的空格内放入“相”棋,一方为黑棋,一方为白棋。当任何一方放“相”棋时,要保证不被对方已放入的“相”吃掉,谁先无法放棋子谁为输者。问谁为输者?(国际象棋棋盘为8×8格的方形棋盘,“相”的走法为斜飞,格数不限)

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