《这才是最好的数学书》——因需要而发现
关于这个专栏,主要是介绍日本一位很出名的数学家的科普读物,其中主要涉及数学古、近代史和一些学好数学的方法,另外还涉及了一些简单有趣的小题目。像这本书的封面所说——“读懂数学的、来龙去脉,就能参透数学的根源本质,从0到1,让你恍然大悟,一切数学都是因为人的需要而产生”,这无疑会极大地拉近数学和我们的距离,让我们能够激发出更大的兴趣去研读数学,这也许是这本书能够带给我们最有价值的东西。
对于第一章——数学,因需要而发现,作者概括地描述了古代数学史的源头和发展,溯源能到什么程度呢,楔形文字表示数字……从数学本身的角度,作者主要从代数和几何两条主线来阐述这段历史。在介绍无师自通的代数大师丢番图的时候,有一个小标题其实非常值得我们注意:简化是为了做麻烦事。这揭示了我们为何要定义一些“看似”无理、抽象的数学符号,其实是为了在论证更复杂问题时的方便。
下面记录两个简单的小题目:
罗伯特蛀虫问题:
有三本书A、B、C放在书架上,已知每本书封皮1cm,书厚3cm,那么现在A的第一页和C的最后一页被虫子蛀了一个洞,那么请问这个洞有多长?
其实我们再考虑如何列加法计算式的时候,就应该去思考这三本书究竟是怎样的一种摆放方式。
罗伯特蜗牛问题:
一个蜗牛爬300cm的旗杆,白天爬120cm,晚上下滑60cm,问蜗牛第几天到达旗杆顶部?
需要注意到的是,蜗牛到顶后其实就不需要考虑晚上下滑的那60cm了。
百五减算:
今有一人,问起贵庚,那人答:“我年龄以3除余1,以5除余2,以7除余3.”试问此人几岁?
其实对于熟悉算法的同学,看到这道题目会感觉非常有亲切感,因为很多c语言书籍中介绍穷举算法的时候,给出的“韩信点兵”的例子就和这个非常的相似,我们利用编程,从整数1往后穷举,当出现了满足三个条件的解即输出。
但是这是一道很古典的题目,在没有计算机的古代,他们是怎样计算的呢?
下面介绍两种方法。
法一:
对于3、5、7三个数字,我们找到3、5的公因数,得到一个序列,然后找到这个序列中除以7余3最小的数字 .(之所以选最小因为考虑到实际的问题,年龄的数字不会太大)。
那么对于3、7,5、7我们采取相同的策略,这样我们会得到三个数字,这里记作A、B、C。那么我们能够看到,A+B+C是一定满足上述的三个条件,但是这还并没有完,我们找到3、5、7的公因子,得到一个序列,假设记为Dn,那么我们应该能够看到A+B+C-Dn也是符合上述三个条件的。而减掉这个Dn,也恰好便是这“百五”的来历,因为你实际去操作,A+B+C = 157,而Dn取105时会得到比较合理的解。
法二:
我们尝试利用更加代数化的方法来解决这一问题。设N是年龄。
则我们容易列出下面的3个方程。
N = 3m+1 ①
N = 5n+2 ②
N = 7p+3 ③
则3m+1=5n+2,即m=1/3(5n+1) ④
5n+2=7p+3,即p=1/7(5n-1) ⑤
那么考虑到m、n、q都是正整数,我们再采取穷举n的策略,也可以得到答案。
火柴游戏:
如何利用6根火柴拼出4个正三角形呢?
其实搭火柴游戏在小学奥数当中常见,对于这个问题,如果我们还将思维局限在平面中,想拼出4个正三角形是有些困难的。那么我们将视野放到空间中,我们用6根火柴刚好能够拼出一个正四面体,问题便迎刃而解。
这个问题虽然很简单,但是我们能够看到,很多时候我们需要转换一下我们思维所在的“场”,即我们是基于平面内思考呢,还是空间内思考呢。二者结合问题灵活的切换。
一笔画问题:
将9个圆排成正方形,现在要如何画出4条直线得以闯过所有的圆呢?4条直线必须一笔到底,不能中断。
其实对于这种规模的问题,我们需要做的仅仅就是多几次尝试便可以得到答案。我们如果利用一个3x4的二维数组map来储存这个3x3的矩阵,则按照map[3][1]、map[2][1]、map[1][1]、map[1][2]、map[2][3]、map[3][4]、map[3][3]、map[3][2]、map[3][1]、map[2][2]、map[1][3]的顺序依次访问即可。
你真的懂指数吗?
在生物课上讲到细胞分裂时,老师出了以下问题:“1个细胞1分钟分裂为2个,再过1分钟2个又分裂为5个……像这样每分钟变为两倍,1小时后试管就满了。假设最初有两个细胞,要过几分钟试管才会满?”
几乎所有学生都举手回答:“30分钟。”但坐在角落的一个学生站起来答道:“应该是59分钟。”请问哪一个答案才是正确的?
答30分钟是典型的思维惯性,我们来进行量化的计算,容易得到容量是2^60个细胞,然后假设后者情况分裂x次,则有2^(x+1) = 2^60,则x = 59.我们应该看到,指数变化是爆炸式的,越往后的时间段里增长越大,它并不是一种线性增长,而前者显然把它看成了线性增长。