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第11章 数学花絮(4)

因为第一次留下的是偶数,即2的倍数,第二次留下的皆是4的倍数……第六次留下的是64的倍数。由于在100个自然数中,只有64是64的倍数,所以报第六次后只留下一个人,他在第一次报数时报的是64。

如果将这道题略微改动一下:

百人排列,报偶数的人出列,留下的继续以此法报数,最后留下的将是哪两人?

一个当然是报1的人,若把第一个人去掉,那么每个人报的数都比原先少1,原来报奇数的现在报偶数。而原来的问题中,最后留下的是第一次报64的人,因此在这个问题中,留下的将是第一次报65和报1的人。

对于这两个问题如果不限定是百人,那么就有这样的规律:前一问题第n次留下的是2n的倍数;后者将是1与2n+1。

7只茶杯口朝上,每次同时翻扣4只,

几次后,杯口全部朝下

首先可以肯定的是,这是不可能的。简单的办法是把杯口朝上的茶杯记成+1,把杯口朝下的茶杯记成一1。这样,问题就变为+1,+1,+1,+1,+1,+1,+1七个数,每次翻动,就改变四个数的符号,这七个数的乘积保持不变。因为改变一个数的符号,即此数乘以-1,四个-1相乘,即(-1)4=1,所以七个数的乘积经过翻动,仍然保持不变。

原来的七个数乘积是十上,不管经过多少次翻动,七个数的乘积始终是+1,而七个-1的乘积为-1,所以不可能把七个数都变成-1,即不可能把七只杯子全部翻成杯口向下。

如果把这道题里的七改成任意一个正奇数,四改成任意一个正偶数,答案仍旧是不可能的。

如果把七改成假数,即有偶数个茶杯,那就一定能经过若干次翻动,让全部杯口朝下。

另外,要是每次翻动奇数个茶杯,那不管原来茶杯是奇数个还是偶数个,也一定能够经过若干次翻动,让全部杯口朝下。

为什么说自然界充满了圆

圆是最常见的曲线。

我们居住的地球是圆的,给地球光与热的太阳是圆的。

人的眼珠是圆的,体内的红血球、血小板也是圆的。在人体的里里外外,可以找到许许多多圆形的组成部分。

动物的外形,盘起来的蛇像一个圆锥,蚯蚓像一个长长的圆柱,麻雀像一个圆球连在一个椭圆球上,再接一个扇形的尾巴。植物的叶绿体是圆的,许多根、茎、叶、花、果实是圆的。在显微镜上,圆的团藻表现了生物进化的生动情景。

随着科学技术的发展,人们曾想象组成万物的原子是圆的。最近,用电子显微镜拍到的照片,可以看到各种不同的原子,的确是圆的。

自然界充满了圆。但是,人类在自己发展的漫长岁月中,画出圆来制造圆形的东西,还只是很短的一瞬。今天,要是没有了圆形的东西,人类的生产和生活简直不堪设想。

你知道“祖率”吗

南北朝时期的祖冲之是我国古代伟大的数学家。他计算的圆周率,准确到了小数点后第七位:

3.1415926<圆周率<3.1415927。

要是用这个圆周率去计算一个半径为10千米的圆的面积,误差不超过几平方米。

祖冲之计算圆周率使用了一种叫做“缀术”[缀zhuì]的方法,可惜这种方法早已失传,无从查考。要是缀术就是割圆术,那祖冲之要算出圆内按正二万四千五百七十六边形的周长,才能得出小数点后第七位那样精确的数字。计算这样一个圆内接正多边形的周长是相当繁杂的,除去加、减、乘、除,还要乘方和开方。开方尤其麻烦,估计他计算的时候,得保留十六位小数,进行二十二次开方。当时还没有算盘,只能用一种叫做“算筹”的小竹棍摆来摆去进行计算,可见祖冲之计算圆周率花费劳动之大!他是世界上第一个把圆周率算到小数点后第七位的数学家,差不多又过了一千年,才有人把圆周率计算得更为精确。

祖冲之不只以小数形式表示圆周率,他还以分数形式表示圆周率,提出“约率”为■,“密率”为■。

人们为了纪念祖冲之的伟大功绩,把他算得的圆周率称为“祖率”。

分数的妙用

有一位阿拉伯老人,生前养有11匹马,他去世前立下遗嘱:大儿子、二儿子、小儿子分别继承遗产的■、■、■。儿子们想来想去没法分:他们所得到的都不是整数,即分别为■、■和■,总不能把一匹马割成几块来分吧?聪明的邻居牵来了自己的1匹马,对他们说:“你们看,现在有12匹马了,老大得12匹的■就是6匹,老二得12匹的就■是3匹,老三得12匹的■就是2匹,还乘一匹我照旧牵回家去。”这样就把难分的问题解决了。

分数起源于“分”。在原始社会,人们集体劳动,要平均分配果实和猎物,逐渐有了分数的概念。以后在土地计算、土木建筑、水利工程等测量过程中,当所用的长度单位不能量尽所量线段时,便产生了分数。

人们从认识分数到研究分数,是从单位分数开始的。单位分数就是形如■(n是≠1的自然数)的分数。在3700多年前埃及的纸草书上,已经认识到:所有分子为2、分母为2n+1(n为2到49的自然数)的分数,可以分解为一些不相同的单位分数之和。如:

■=■+■,

■=■+■+■

而通过这种表示法可以进行任何分数运算。如:

■=■+■+■

=■+■+■+■+■

=■+■+■

=■+■+■

=■+■=■+■+■

巴比伦人也使用六十进位的分数,即分母是60、602、603、的分数。在很长一段时间内,欧洲人将分数运算视为畏途。

中国是世界上较早对一般分数进行研究的国家。公元前5世纪的《考工记》中,就有“十分寸之一为一枚”的记载,即寸等于1分。西汉时期《周髀算经》中,已经有了更复杂的分数运算。公元1世纪(东汉时期)的数学专著《九章算术》中,专列“方田”一章,介绍通分、约分、比较分数大小的方法,以及有关加、减、乘、除运算的法则。这些知识与现代采用的方法基本相同,比印度领先500多年,比欧洲早1400多年。

负数的引入

今天人们都能用正负数来表示相反方向的两种量。例如以海平面为0点,世界上最高的珠穆朗玛峰的高度为+8844.43米,世界上最深的马里亚纳海沟深为-11034米。在日常生活中,则用“+”表示收入,“-”表示支出。可是在历史上,负数的引入却经历了漫长而曲折的道路。

古代人在实践活动中遇到了一些问题;如相互间借用东西,对借出方和借入方来说,同一样的东西具有不同的意义。分配物品时,有时暂时不够,就要欠某个成员一定数量。再如从一个地方,两个骑手同时向相反的方向奔驰,离开出发点的距离即使相同,但两者之间却有个距离的问题。久而久之。古代人意识到仅用数量来表示一事物是不全面的,似乎还应加上表示方向的符号。为了表示具有相反的量和解决被减数小于减数等问题,逐渐产生了负数。

中国是世界是最早认识和应用负数的国家。早在二千年前的《九章算术》中,就有了以卖出粮食的数目为正(可收钱)、买入粮食的数目为负(要付钱),以入仓为正、出仓为负的思想。这些思想,西方要迟于中国八九百年才出现。

无理数的风波

无理数就是不能表示为整数或两整数之比的实数,如■、π等等。这些数不像自然数或负数那样,它不是在实际生活中直接碰到,而是在数学计算中间接发现的。

人们发现的第一个无理数是■。据说,它的发现还曾掀起一场巨大的风波。古希腊毕达哥拉斯学派是一个研究数学、科学、哲学的团体,他们认为一切数都是整数或者整数之比。有一个名叫希帕索斯的学生,在研究1和2的比例项时(如果1:x=x:2,那么x为1和2的比例中项),左思右想都想不出这个中项值。后来他画一边长为1的长方形,设对角线为x,于是x2=12+12=2。他想,x代表正方形对角线长,而x2=2,那么x必定是确定的数。但它是整数还是分数呢?x不能是整数,那么x会不会是分数呢?毕达哥拉斯和他的学生们绞尽脑汁也找不到这个分数。

这样,如果x既不是整数又不是分数,它是什么样的数呢?希帕索斯等人认为这必定是一个数。这一发现,使得毕达哥拉斯学派的观点动摇了,从而导致了西方数学史上的第一次“数学危机”。而希帕索斯本人因违背了毕达哥拉斯学派的观点而受到处罚,被扔到大海里淹死了。

无理数的发现,使数的概念又扩展了一步。

神秘的9

爱因斯坦出生在1879年3月14日。把这些数字连在一起,就成了1879314。重新排列这些数字,任意构成一个不同的数(例如3714819),在这两个数中,用大的减去小的(在这个例子中就是3714819-1879314=1835505),得到一个差数。把差数的各个数字加起来,如果是二位数,就再把它的两个数字加起来,最后的结果是9(即1+8+3+5+5+0+5=27,2+7=9)。

牛顿的生日是1642年12月25日,哥白尼的生日是1743年2月19日,高斯出生于1777年4月30日,居里夫人出生于1867年11月7日,只要按照上面的方法去计算,最后一定都得到9。实际上,把任何人的生日写出来,做同样的计算,最后得到的都是9。

把一个大数的各位数字相加得到一个和,再把这个和的各位数字相加又得到一个和,这样继续下去,直到最后的数字之和是个一位数为止。最后这个数称为最初那个数的“数字根”。这个数字根等于原数除以9的余数。这个计算过程,常常称为“弃九法”。

求一个数的数字根,最快的方法是在加原数的数字时把9舍去。例如求385916的数字根,其中有9,而且3+6,8+1都是9,就可以舍产,最后只剩下5,就是原数的数字根。

利用弃九法,可以检验很大数目的加减乘除的结果。例如α-b=c,为了检验结果c,用α的数字根减去b的数字根(如果前者较小就加上9),看看差数是否对得上c的数字根。如果对不上,那么前面的结果肯定是算错了;如果对上了,那么计算正确的可能性是■。

由这些知识可以解释生日算法的奥妙。假定一个数n由很多数字组成,把n的各个数字打乱重排,就得到一个新的数n′显然n和n′有相同的数字根,把两数字根相减就会得0。也就是说,n-n′一定是9的倍数,它的数字根是0或9。而在我们的算法中,0和9本是一回事,(即一个数除以9所得的余数)。n-n′=0只有在n=n′即原数实际上没有改变时才发生;只有n≠n′,n-n′累次求数字和所得的结果就一定是9。

π的“马拉松计算”

圆的周长与直径之比是一个常数,人们称之为圆周率,记为π。为了计算它的值,人类从公元前2世纪开始,一直算到今天,虽然获得了数亿位,可以印成厚达百万页书的数,却仍然是一个近似值。因此,人们把关于π的计算,称为科学史上的“马拉松”。

关于π的值,较早见于公元前2世纪中国的《周髀算经》,里面有周三径一的记载。东汉的数学家又将π值改为■(约为3.16)。第一个用正确方法计算得π的,是魏晋时期的刘徽,在公元263年,他首创了用圆的内接正多边形的面积来逼近于圆面积的方法,算得π的值约为3.14。我国称这种方法为割圆术。直到1200年后,西方人才找到了类似的方法。后人为纪念刘徽的贡献,将3.14称为徽率。

公元460年南朝的祖冲之仍采用刘徽的割圆术,算得到π为3.1415926,这是世界上获得的第一个具有七位小数的圆周率。祖冲之还找到了两个近似于π的分数值:■和■。这两个分数化为小数,其值虽不如他算得的小数值准确,但用分数来代替π,在计算上简单,这种思想西方人直到一千多年后才产生。

祖冲之取得的这个π值,保持了一千多年的世界纪录。直到1596年,荷兰数学家卢道夫才经过长期艰苦的努力,算得了具有15位小数的π,以后他把这个数推进到35位。1610年他逝世时,人们给他立了一块奇特的墓碑,上面刻有他算得的π值:3.14159265358979323846264338327950288,以示纪念,并把这个数称为“卢道夫数”。

从此之后,西方数学家计算π的工作,有了飞速的进展。

1948年1月,弗格森与雷思奇合作,才算得正确的808位小数的π值。但这种计算依然费时费力,直到电子计算机问世后,对π的人工计算才告结束。20世纪50年代,人们用计算机算得了10万位小数的π,70年代又刷新到150万位。1990年,美国数学家采用新的计算方法,算到的π值已到4.8亿位。

棋盘上的麦粒有多少问题

在印度有一个古老的传说:舍罕王打算奖赏国际象棋的发明人——宰相西萨·班·达依尔。国王问他想要什么,他对国王说:“陛下,请您在这张棋盘的第1个小格里,赏给我1粒麦子,在第2个小格里给2粒,第3小格给4粒,以后每一小格都比前一小格加一倍。请您把这样摆满棋盘上所有64格的麦粒,都赏给您的仆人吧!”国王觉得这个要求太容易满足了,就命令给他这些麦粒。当人们把一袋一袋的麦子搬来开始计数时,国王才发现:就是把全印度甚至全世界的麦粒全拿来,也满足不了那位宰相的要求。

那么,宰相要求得到的麦粒到底有多少呢?总数为:

1+2+22+23+……263=264-1

=18446744073709551615(粒)

人们估计,全世界两千年也难以生产出这么多麦子!

与这十分相似的,还有另一个印度的古老传说:在世界中心贝拿勒斯(在印度北部)的圣庙里,一块黄铜板上插着三根宝石针。印度教的主神梵天在创造世界的时候,在其中一根针上从下到上地穿好了由大到小的64片金片,这就是所谓梵塔。不论白天黑夜,总有一个僧侣在按照下面的法则移动这些金片:一次只移动一片,不管在哪根针上,小片必须在大片上面。当所有的金片都从梵天穿好的那根针上移到另外一根上时,世界就将在一声霹雳中消灭,梵塔、庙宇和众生都将同归于尽。

不管这个传说是否可信,如果考虑一下把64片金片,由一根针上移到另一根针上,并且始终保持上小下大的顺序,一共需要移动多少次,那么,不难发现:不管把哪一片移到另一根针上,移动的次数都要比移动上面一片增加一倍。这样,移动第1片只需1次,第2片则需2次,第3片需22次,……第64片需263次。全部次数为:

1+2+22+……+263=264-1

=18444744073709551615

这和“麦粒问题”的计算结果是完全相同的!假如每秒钟移动一次,共需要多长时间呢?一年大约有31556926秒,计算表明,移完这些金片需要5800多亿年!

你知道数学史最长的国家是哪个国家吗

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