书城童书中华少儿科普知识读本:数理化
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第5章 飞渡数学王国(5)

老人去世后,兄弟3人聚在一起商量如何分牛。起先,他们以为这是一件非常容 易的事,可是,他们商量来、商量去,商量了老半天,也没有找出一种符合老人规定 的分法。因为17的1/2是812,17的1/3是523,17的1/9是18〖〗9,这3个数都不是整数!

而且,这种分法需要活活杀死2头牛,实际上是根本行不通的。

兄弟3人解决不了这个问题,去向许多有学问的人请教,大家聚在一起商量了老 半天,也没有找出一种符合老人规定的分法。

一天,有个老农牵着1头牛从这家门口经过,听说了这件事,他想了一会儿,开 口说道:“这件事其实很容易。这样吧,我把这头牛借给你们,你们按总数的1/2、 1/3、1/9去分,分完后再把这头牛还给我就行了。

兄弟3人决定按老农的分法去试一试。这时,他们手中共有18头牛,老大分1/2, 得9头;老二分1/3,得6头;老三分1/9,得2头,真是巧极了,这么一来,他们刚好分 掉了自己家的17头牛,而且还余下1头,正好原封不动地还给那位老农。

这个难住了那么多人的数学问题,就在这变魔术似的一借一还中,干脆利落地给 解决了。

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那位聪明的老农弄清了遗嘱的秘密。老人规定3个儿子各得17头牛的1/2、1/3、 和1/9,实际上,也就是要他们按这个比例去分配。把1/2∶1/3∶1/9化成整数比是9∶ 6∶2,而9+6+2又正好等于17,所以,按照9、6、2这3个数字去分配,就正好符合遗嘱 规定的分法。

48.托尔斯泰最为欣赏的数学题

大文豪托尔斯泰也是一个有名的”数学迷“.每当创作余暇,只要见到了有趣的 数学题目,他就会丢下其他事情,沉湎于数学演算之中。他还动手编了许多数学题, 这些题目都很有趣而且都不太难,富于思考性,因而在俄罗斯少年中广为流传。例如 :

一些割草人在两块草地上割草,大草地的面积比小草地大1倍。上午,全体割草 人都在大草地上割草。下午他们对半分开,一半人留在大草地上,到傍晚时把剩下的 草割完;另一半人到小草地上去割草,到傍晚还剩下一小块没割完。这一小块地上的 草第二天由一个割草人割完。假定每半天的劳动时间相等,每个割草人的工作效率也 相等。问共有多少割草人?

这是托尔斯泰最为欣赏的一道数学题,他经常向人提起这个题目,并花费了许多 时间去寻找它的各种解法。下面这种巧妙的算术解法,相传是托尔斯泰年轻时发现的 .

在大草地上,因为全体人割了一上午,一半的人又割了一下午才将草割完,所以 ,如果把大草地的面积看作是1,那么,一半的人在半天时间里的割草面积就是1/3.

在小草地上,另一半人曾工作了一个下午。由于每人的工效相等,这样,他们在 这半天时间里的割草面积也是1/3.

由此可以算出第一天割草总面积为4/3.

剩下的面积是多少呢?由大草地的面积比小草地大1倍,可知小草地的总面积是 1/2.因为第一天下午已割了1/3,所以还剩下1/6.这小块地上的草第二天由1个人割完 ,说明每个割草人每天割草面积是1/6.

将第一天割草总面积除以第一天每人割草面积,就是参加割草的总人数。

43÷16=8(人)

后来,托尔斯泰又发现可以用图解法来解答这个题目,他对这种解法特别满意。 因为不需要作更多的解释,只要画出了这个图形,题目的答案也就呼之即出了。

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19世纪时,俄国有位大文豪叫列夫·托尔斯泰。他的作品形象生动逼真,心理描 写细腻,语言优美,用词准确鲜明,对欧洲和世界文学产生过巨大影响。如《战争与 和平》、《复活》等等,至今仍然拥有千千万万的读者。

49.躺在床上思考的数学家

笛卡尔(ReneDescartes1596~1650年)法国哲学家、数学家、物理学家、解析几 何奠基人之一。生于法国图伦的一个贵族家庭。

笛卡尔从小丧母,得父亲的溺爱。他身体不好,父亲就与学校商量,每天早上不 起床,在床上读书。后来养成了喜欢安静,善于思考的习惯。笛卡尔后来说,他的大 部分成果出自早上躺在床上的思考。

有一次,笛卡尔生病,躺在床上,他想:身体病了,头脑不能闲着。突然,他看 到屋顶上的一只蜘蛛拉着丝垂下来。灵机一动,他想,可以把蜘蛛看作为一个点,它 在屋子里可以上、下、左、右运动,能不能用一组有序的实数,把蜘蛛某一时刻的位 置确定下来呢?他又想,屋子里相邻的两面墙,还有地面总共可以交出3条直线,如 果把地面上的墙角作为起点,把交出来的3条直线作为3根数轴,那么空间中任何一点 的位置,不就可以用在这3根数轴上,找到的3个有序实数来表示了吗?

在蜘蛛爬行的启示下,笛卡尔创建了坐标系。坐标系如同架设在代数和几何之间 的一座桥梁。在坐标系下,几何中的”点“和代数中的一组有序的”实数“建立了联 系,进一步,几何图形和代数中的方程建立了联系。可以把几何图形通过坐标系化成 方程来研究,也可以通过画出图形,来研究方程的性质。这样一来,笛卡尔就创立了 一门新的几何学--解析几何。

解析几何是通过坐标系,用代数的方法来研究几何问题。解析几何的创立为微积 分的产生奠定了基础,是数学发展的一个重要转折点。

50.葡萄酒桶的立体几何

开普勒是一位出色的天文学家,同时也是一位卓越的数学家。由于生活所迫,他 当过家庭教师,教授数学。他对于求圆面积的问题非常感兴趣,进行过深入的研究。 开普勒想,古代数学家用分割的方法去求圆面积,所得的结果都是近似值。为了提高 近似的程度,就需要不断增加分割的次数。但是,不管分割几千次,几万次,只要是 有限次,求出来的总是圆面积的近似值。要想求出圆面积的精确值,必须分割无穷多 次,把圆分成无穷多等份才行。天啊,把圆分成了无穷多等份,每一份会是什么样子 呢?

开普勒决心分下去。他模仿切西反的方法,把圆分割成许多小扇形。不同的是, 他一上来就把圆分成无穷多个小扇形,而不是从圆内接正六边形出发,然后再边数逐 次倍增。

开普勒用无限分割方法求出许多图形的面积,经检查结果都是对的,这也说明他 所使用的方法也是正确的。开普勒大胆地把圆分割成无穷多个小扇形,又果敢地断言 :无穷小的扇形面积,和它对应的无穷小的三角形面积相等。他在前人有限分割的基 础上,向前迈出了重要的一步,并著《葡萄酒桶的立体几何》一书,在欧洲很快就流 传开来。数学家高度评价开普勒的工作,称赞这本书是人们创造求面积和体积新方法 的灵感源泉。

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开普勒毕业于图宾根大学。他原来想成为一名路德教的传教士,但后来对天文学 产生了浓厚的兴趣,立志研究天文。1594年,开普勒成为奥地利的格莱兹大学讲师。 1599年,他成了丹麦天文学家第谷·布拉赫的助手,当时第谷是布拉格鲁道夫二世的 宫廷天文学家。1601年,第谷突然死去,开普勒整理了第谷遗留下的大量资料,于 1609年提出行星运动的前两条定律,10年之后1619年提出第三条定律。开普勒在天文 学上做出了划时代的贡献。

51.无限大与无限小

人们一般碰到的数,无论是实数还是复数,都有确定的量值,换句话说是有限的 .这反映了我们通常碰到的事物是有限的,总可以用这些数计量。

最早的时候,人们将整个宇宙理解为地球,航海学的测量又测得地球半径为6370 公里,对人们来说,那是一个非常大的数。16世纪,哥白尼的”日心说“又将宇宙扩 大到以太阳为中心的太阳系,太阳系的半径为60亿公里,约是地球半径的94万倍,地 球与之相比只是沧海一粟了。18世纪,人们的视野扩展到银河系,银河系的直径相当 于9.3312×1017公里,这个数字更是大得惊人。随着科学技术的发展,人们借助射电 望远镜,又将宇宙范围扩展到星系团、超星系团,以至总星系。这些星系的半径都在 数百万光年(光年即光走一年的路程,大约9.46×1012公里)以上,这个数字简直是 无法把握的。总星系之上当然还有更大的宇宙,永远不会穷尽。这样就出现了无限大 的概念,数学上记为∞。它的含义是比任何实数都大的数,这个数当然是虚拟的,不 是一个确定的数。

在微观世界,人类的认识也从分子认识到原子,从原子认识到原子核。原子核的 直径约10-13厘米,原子核还可以分解为质子、中子,它们的直径更小。这一分解过 程也可以无穷尽地进行下去。这样就带来了无限小的概念。

无限大、无限小的含义已经涉及数的变化趋势了,这是从确定量到变量的过渡中 产生的数,是微积分的基础。

52.驰名中外的”百鸡犬“

相传在南北朝时期,我国出了一名”神童“叫张邱建,他计算能力超群,名气越 来越大。宰相知道后想弄清真假,把他的父亲叫去,给了100文钱,让第二天带100只 鸡来。并规定100只鸡中公鸡、母鸡、小鸡都要有,不准多也不准少,刚好是百钱百 鸡。

当时,买1只公鸡5文钱,买1只母鸡3文钱,买3只小鸡才1文钱。怎样才能凑成百 鸡百钱呢?”神童“想了一会儿,告诉父亲说,只要送4只公鸡、18只母鸡和78只小 鸡去就行了。

第二天,宰相见到送来的鸡正好满足百鸡百钱,大为惊奇。他想了一下,又给了 100文钱,让明天再送100只鸡来,还规定不准只有4只公鸡。

这个问题也没有难住”神童“.他想了一会儿,叫父亲送8只公鸡、11只母鸡和81 只小鸡去。还告诉父亲说,遇到类似的问题,只要怎样怎样就行了。

第二天,宰相见到了100只鸡,赞叹不已。他又给了100文钱,要求下次再送100 只鸡来。

岂料一会儿,”神童“的父亲就送来了100只鸡。宰相一数:公鸡12只、母鸡4只 ,小鸡84只,正好又满足百鸡百钱……

在张邱建生活的那个年代,人们还不会布列不定方程组,那么,他又是怎样算出 题目的几个答案的呢?

原来,张邱建发现了一个秘密:4只公鸡值20文钱,3只小鸡值1文钱,合起来鸡 数是7,钱数是21;而7只母鸡呢,鸡数是7,钱数也是21.如果少买7只母鸡,就可以用这 笔钱多买4只公鸡和3只小鸡。这样,百鸡仍是百鸡,百钱仍是百钱。所以,只要求出 一个答案,根据这种法则,马上就可以求出其他的答案来。

这就是驰名中外的”百鸡术“.

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张邱建是我国南北朝时著名的数学家。他的名著《张邱建算经》里,最后一个题 目就是这个有趣的”百鸡问题“.

53.会背九九歌算本领吗

春秋时代的霸主之一齐桓公招聘贤才,但无人应聘。一天,有一个人前来求见, 齐桓公说:”你有什么本领?“来者说:”我会九九歌。“齐桓公嘲笑他:”会背九 九歌也算本领吗?“那人回答:”背九九歌确实算不上什么大本领,但是如果您对我 也能以礼相待,还怕比我高明的贤士不来应聘吗?“齐桓公觉得有理,就款待了他, 后来果然招到很多能人。

这里的九九歌,就是现代的乘法九九表。这个故事也说明,九九歌在我国很早就 已经普遍被人掌握了。在我国敦煌等地出土的西汉竹简(竹简是我国古代人用来写字 的竹片)上,都记载着不完整的”九九表“.例如,敦煌的汉简中的”九九表“共十 六句,即是:

九九八十一八八六十四五七卅五二三而六

八九七十二七八五十六四七廿八五五廿五二二而四

七九六十三六八八三七廿一四五廿

五八三五十五

今天,人们可以用电子计算器来代替许多数学表,但在很多情况下,人们还在使 用九九表,因为它方便易学,也很实用。

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最早的数学表

54.地图着色的四色猜想

人人都熟悉地图,可并不是人人都知道,绘制一张地图最少要用几种颜色,才能 把相邻的国家或不同的区域区分开来。这个地图着色问题,是一个著名的数学难题, 它曾经吸引了好几代优秀的数学家为之奋斗,并且从中获得了一个又一个杰出的成就 ,为数学的发展增添了光辉。

在地图上区分两个相邻的国家或区域,要用不同的颜色来涂这两个国家或区域。 如一幅表示某个国家的省区地图,图中虚线表示各省界。可见,用两种颜色是区分不 开的,三种颜色就够了。A、B、C三省各用一色,D省和B省用同样的颜色。

又如右图所示的地图,1,2,3,4表示四个国家。因为这张地图的四个国家中任何 两个都有公共边界,所以必须用四种颜色才能把它们区分开。

于是,有的数学家猜想:任何地图着色只需四种颜色就足够了。