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第10章 1曹冲6岁称象(9)

牛顿曾经说过:“在数学中,最微小的误差也不能忽略。”我们平时学习数学,就应该有这种谨慎细心,一丝不苟的态度,严格要求自己,今后参加工作才能有对人民、对事业高度负责的精神。

56巧量对角线

初二年级的智力竞赛正在紧张地进行。只见主持人拎出一只铁皮箱子放到桌面上。“同学们,我这儿有一只长方体形状的箱子,还有一把卷尺,你能不能量出对角线AC的长度?”

小华立即举手抢答:“那不简单,把箱子打开,用卷尺量一量AC’多长就得了!”

主持人:“不行啊,你不见箱子上了锁,打不开呀!”

沉默了片刻。

小文举起了手:“量一量A’C’的长,再量一量AA’的长。因为角钱AC’的长了!”

主持人:“回答正确。我再提一个问题,如果不允许计算,只能量一次,能得到AC’的长度吗?”

怎么办呀?台下许多同学小声议论起来。这时候只见主持人轻轻地推了一下箱子。

有了!小明立刻要求作答:“先把箱子对准桌子的两条直角边,记下靠左面的一条底边的位置。再将箱子往左挪,正好挪过一个箱子的宽度,从桌子顶角M量到箱子挪好以后的端点N上,这个量得的长度即为箱子对角线的长度。”

全场一片掌声!

主持人:漂亮极了。同学们在学习平面几何的时候为了证题,不是常常添置辅助线吗?刚刚解这个问题时移动了箱子,可以理解为添加了一个辅助长方体,是把平面几何的方法类推到空间来,这个方法今后学习立体几何时就会派上用场。

57小欧拉智改羊圈

欧拉是数学史上着名的数学家,他在数论、几何学、天文数学、微积分等好几个数学的分支领域中都取得了出色的成就。不过,这个大数学家在孩提时代却一点也不讨老师的喜欢,他是一个被学校除了名的小学生。

事情是因为星星而引起的。当时,小欧拉在一个教会学校里读书。有一次,他向老师提问,天上有多少颗星星。老师是个神学的信徒,他不知道天上究竟有多少颗星,圣经上也没有回答过。

其实,天上的星星数不清,是无限的。我们的肉眼可见的星星也有几千颗。这个老师不懂装懂,回答欧拉说:“天上有多少颗星星,这无关紧要,只要知道天上的星星是上帝镶嵌上去的就够了。”

欧拉感到很奇怪:“天那么大,那么高,地上没有扶梯,上帝是怎么把星星一颗一颗镶嵌到一在幕上的呢?上帝亲自把它们一颗一颗地放在天幕,他为什么忘记了星星的数目呢?上帝会不会太粗心了呢?”

他向老师提出了心中的疑问,老师又一次被问住了,涨红了脸,不知如何回答才好。老师的心中顿时升起一股怒气,这不仅是因为一个才上学的孩子向老师问出了这样的问题,使老师下不了台,更主要的是,老师把上帝看得高于一切。

小欧拉居然责怪上帝为什么没有记住星星的数目,言外之意是对万能的上帝提出了怀疑。在老师的心目中,这可是个严重的问题。

在欧拉的年代,对上帝是绝对不能怀疑的,人们只能做思想的奴隶,绝对不允许自由思考。小欧拉没有与教会、与上帝“保持一致”,老师就让他离开学校回家。

但是,在小欧拉心中,上帝神圣的光环消失了。他想,上帝是个窝囊废,他怎么连天上的星星也记不住?他又想,上帝是个独裁者,连提出问题都成了罪。他又想,上帝也许是个别人编造出来的家伙,根本就不存在。

回家后无事,他就帮助爸爸放羊,成了一个牧童。他一面放羊,一面读书。他读的书中,有不少数学书。

爸爸的羊群渐渐增多了,达到了100只。原来的羊圈有点小了,爸爸决定建造一个新的羊圈。他用尺量出了一块长方形的土地,长40米,宽15米,他一算,面积正好是600平方米,平均每一头羊占地6平方米。正打算动工的时候,他发现他的材料只够围100米的篱笆,不够用。若要围成长40米,宽15米的羊圈,其周长将是110米(15+15+40+40=110)父亲感到很为难,若要按原计划建造,就要再添10米长的材料;要是缩小面积,每头羊的面积就会小于6平方米。

小欧拉却向父亲说,不用缩小羊圈,也不用担心每头羊的领地会小于原来的计划。他有办法。父亲不相信小欧拉会有办法,听了没有理他。小欧拉急了,大声说,只有稍稍移动一下羊圈的桩子就行了。

父亲听了直摇头,心想:“世界上哪有这样便宜的事情?”但是,小欧拉却坚持说,他一定能两全齐美。父亲终于同意让儿子试试看。

小欧拉见父亲同意了,站起身来,跑到准备动工的羊圈旁。他以一个木桩为中心,将原来的40米边长截短,缩短到25米。父亲着急了,说:“那怎么成呢?那怎么成呢?这个羊圈太小了,太小了。”小欧拉也不回答,跑到另一条边上,将原来15米的边长延长,又增加了10米,变成了25米。经这样一改,原来计划中的羊圈变成了一个25米边长的正方形。然后,小欧拉很自信地对爸爸说:“现在,篱笆也够了,面积也够了。”

父亲照着小欧拉设计的羊圈扎上了篱笆,100米长的篱笆真的够了,不多不少,全部用光。面积也足够了,而且还稍稍大了一些。父亲心里感到非常高兴。孩子比自己聪明,真会动脑筋,将来一定大有出息。

父亲感到,让这么聪明的孩子放羊实在是及可惜了。后来,他想办法让小欧拉认识了一个大数学家伯努利。通过这位数学家的推荐,1720年,小欧拉成了巴塞尔大学的大学生。这一年,小欧拉13岁,是这所大学最年轻的大学生。

58数学神童维纳的年龄

20世纪着名数学家诺伯特·维纳,从小就智力超常,三岁时就能读写,十四岁时就大学毕业了。几年后,他又通过了博士论文答辩,成为美国哈佛大学的科学博士。

在博士学位的授予仪式上,执行主席看到一脸稚气的维纳,颇为惊讶,于是就当面询问他的年龄。维纳不愧为数学神童,他的回答十分巧妙:“我今年岁数的立方是个四位数,岁数的四次方是个六位数,这两个数,刚好把十个数字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9全都用上了,不重不漏。这意味着全体数字都向我俯首称臣,预祝我将来在数学领域里一定能干出一番惊天动地的大事业。”

维纳此言一出,四座皆惊,大家都被他的这道妙题深深地吸引住了。整个会场上的人,都在议论他的年龄问题。

其实这个问题不难解答,但是需要一点数字“灵感”。不难发现,21的立方是四位数,而22的立方已经是五位数了,所以维纳的年龄最多是21岁;同样道理,18的四次方是六位数,而17的四次方则是五位数了,所以维纳的年龄至少是18岁。这样,维纳的年龄只可能是18、19、20、21这四个数中的一个。

剩下的工作就是“一一筛选”了。20的立方是8000,有3个重复数字0,不合题意。同理,19的四次方等于130321,21的四次方等于194481,都不合题意。最后只剩下一个18,是不是正确答案呢?验算一下,18的立方等于5832,四次方等于104976,恰好“不重不漏”地用完了十个阿拉伯数字,多么完美的组合!

这个年仅18岁的少年博士,后来果然成就了一番大事业:他成为信息论的前驱和控制论的奠基人。

59没有来的举手

从前,山东省有个大军阀,在一次会议开始时想点点名,了解一下那些人来,那些人没来。可是,到会的人数比较多,点名很费事,于是这个不学无术的军阀就想了一个“办法”,他大声地叫道:

“没有来的人举手!”

他认为没有来的人总是少数,只要知道哪些人没来,来的人无需一一点名就明白了。到会的人面面相觑,都感到莫明其妙。

在数学中,集合是一个重要的基本概念。今天会议应到的人就构成一个集合。其中实到的人是应到的人的一部分。我们就把应到的人叫做“全集”,实到的人叫做它的“子集”。

未到的人也是应到的人的一部分,所以它也是一个子集。实到的人这个子集与未到的人这个子集正好是应到的人这个全集,我们把这两个子集叫做互补的集合。这个军阀为了了解“实到的人”这个子集,转而去了解这个子集的补集——未到的人的集合。这个方法是不错的。不过由于他脱离了实际,结果闹了个大笑话。

“补集”的思想在我们生活中是常用的。现在是什么时间了?3点差2分。这里不说2点58分,因为3点差2分比较简单明了。我们在电视和小说中也常看到,公安人员侦破案子时,总是逐一地把确证为不可能做案的嫌疑者排除掉,从而缩小嫌疑对象的范围,这里也用到补集的思想。

在小学,学习心算和速算时,补数的用途很多。进位的加法的口诀是“进一减补”,退位减法的口诀是“退一加补”。乘法速算用到补数的地方也不少。

9加1得10,9和1可以看成是互补的。仿此,97和3,999和1也是互补的。倒数关系以及初中学的相反数关系,也都可以理解为一种互补的关系。

在几何里,补角和余角,都是互补思想的运用。不过以直角为全集时,两个角的关系不叫互补,而叫互余罢了。

60蜜蜂的“语言”

语言和文字是人类交流思想的工具。聋哑人无法说话,只有用“手语”来代替。动物没有语言和文字,也只有用姿势和叫声来表达自己的感情。

蜜蜂是一种群居的昆虫,它有共同利用蜜源的习性。在探蜜和采蜜的过程中,需要传递信息。在千万年的实践中,蜜蜂创造了自己的“语言”。

蜜蜂在采集蜂蜜前,先得派出少数“侦察兵”去寻找开花泌蜜的植物群。当“侦察兵”发现花丛后,它得向群蜂表明花丛在何方?距离蜂巢有多远?不了解这些信息,群蜂是无法去采集的。于是,“侦察兵”们就以“舞蹈”的动作来表示食物所在的地方和距离,并引导蜂群前去采集。

在中学所学的坐标系中,除了直角坐标系以外,还有一种极坐标系。那就是先在平面上确定一条射线OX,这条线叫做极轴。如果平面上一点P与O点连线OP与极轴ox的夹角为α,且P点到O点的距离为ρ,那么我们就用(ρ,α)来表示P点的极坐标。这就告诉我们,只要知道某一个角度和距离,就可以确定某一点的位置。蜜蜂本能地运用极坐标的原理,通过舞蹈的动作,巧妙地表达出花丛与蜂巢的距离和方位。

蜜蜂跳的一种“8字形舞”不仅表示距离,而且还指明方向。在一定时间内“8字形舞”的圈数和腹部摆动的次数,就表示蜂巢到花丛的距离。如果以15秒钟作为计时单位,花丛距蜂巢越远,蜜蜂舞蹈的圆圈数就越少,直线爬行的时间就比较长,腹部摆动的次数就比较多。下表是在15秒钟内蜜蜂舞蹈的圈数和腹部摆动的次数以及蜂巢与花丛的距离表:

只知道距离是不够的蜜蜂在舞蹈时还利用太阳的角度来指示方向。“太阳角”就是以蜂巢为角的顶点,它相当于极坐标中的O点;向太阳方向的射线相当于极轴ox;向花丛方向的射线相当于OP。这时太阳方向与花丛方向就构成一个角(相当于a),这个角就标志着花丛的方向。

如果蜜蜂在舞蹈时,头朝上,从下往上跑直线,这就是说要向着太阳这个方向飞才能找到花丛,按照上述传递信息的方法,蜜蜂就可以根据指定的方向和距离,顺利地找到花丛。

61花砖铺设问题

随着人们生活水平的提高,许多人喜欢用装饰用的花砖来铺设地面,这在数学里是一门学问,叫做平面花砖铺设问题,也叫做镶嵌图案问题,即采用单一闭合图形拼合在一起来覆盖一个平面,而图形间没有空隙,也没有重叠。什么样的图形能够满足这样的条件?

我们先来研究正多边形。先看看正方形,这是大家熟悉的图形。很明显,正方形是可以覆盖一个平面的。

再来看看正三角形,正三角形也是可以覆盖一个平面的。

正六边形也是可以覆盖一个平面,这不仅早在古希腊时就为人们所确认,而且昆虫中的蜜蜂就是用正六边形来建造蜂巢的。

为什么正方形、正三角形、正六边形能够覆盖一个平面?因为过每一个正方形公共顶点的正方形有四个,每个正方形的每个内角为90°。

4个90°正好是360°。过每一个正三角形顶点可安排六个正三角形,每个内角60°,共为360°。同样,过每个正六边形顶点有三个正六边形,每个内角为120°,三个内角正好为360°,由此可知,要使正多边形能覆盖平面,必须要求这个正多边形的内角度数能整除360°。

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