涂玉霞:原来数学可以这样学

我发现自己在阅读上,有时会有“叶公好龙”的倾向。

每次听说有好书,总是默默想,碎碎念,希望赶紧一睹为快。可是,等书真正到手,却时常因为诸多原因把它们打入“冷宫”,置之不顾了。

这书幸亏不会说话,要不然准会嘲讽我这个“假读书人”。

这不,去年底,朋友不嫌麻烦,从网上淘出刘薰宇的三本《原来数学可以这样学》送给我。当我翻了几页,看到了n!和Σ之类符号后,顿觉头皮发麻,便又故态复萌,让它跟众多的书一起排队去了。

这些日子,虽然事情也是不断,但毕竟还有不少可以机动的时间。前几天,我特地给自己做了一次郑重的自我批评。于是,我如壮士断腕一般,又拿出《原来数学可以这样学》丛书的《数学趣味》,下狠心,三天非要把它读完。

今天终于读完了。你若问我,感觉如何?我告诉你,另外两本我也想赶紧看完。

此书魅力如此之大,作者刘薰宇何许人也?

刘薰宇先生是我国著名的数学教育家,其教育生涯横跨民国和新中国两个时期,曾在多所大学和中学担任数学教师或校长,还担任过人民教育出版社副总编辑,审定过我国中小学数学教材,发表了大量数学教育方面的论文,出版了很多中小学数学教科书和科普读物。

1983年,杨振宁在向香港中学生介绍自己的学习数学过程时,就专门提到了刘薰宇先生。他说:“有一位刘薰宇先生,他是位数学家,写过许多通俗易懂和极其有趣的数学方面的文章。我记得,我读了他写的关于一个智力测验的文章,才知道排列和奇偶排列这些极为重要的数学概念。”

大名鼎鼎的,获得诺贝尔物理学奖的科学家如此褒奖他,可见刘教授有多厉害了。

让我吃惊的是,这样的数学科普书,作序的人居然是著名的作家和画家丰子恺先生,如此跨界,也是挺潮的。

丰子恺先生说:“我一直没有尝过数学的兴味,一直没有游览过数学的世界,到底是损失!最近给我稍稍补偿这损失的,便是这册书里的几篇文章。我与薰宇相识后,他便做这些文章。他每次发表,我都读,诱我读的,是它们的富有趣味的题材。我常不知不觉地被诱进数学的世界里去。”

到底怎么有趣法,不身临其中,是很难体会到的。故,我也只好选一些趣题,让大家尝试鲜呗。

首先上个“韩信点兵”

刘薰宇教授谈他自己还是读小学的时候,一位盐老板出一道题考他,说,做出来请他吃饭。

题目一说就明白。

三个三个地数剩两个,五个五个地数剩三个,七个七个地数也剩两个,到底有几个?

当年刘薰宇同学也是意气风发,踌躇满志,心想,这不就是求公倍数吗?小儿科一个。

于是,他连忙说,算得出,而且不止一个。

盐老板连夸奖孩子聪明。

刘薰宇想到原来自己做过的题目,三个三个地数差两个,五个五个地数差四个,七个七个地数差六个,至少是几个?就是求出3、5、7的最小公倍数,然后加上1(刚好都是余1),得出106。

于是,就用他自己的一套思路口算出了答案,最小是104,还有209。

结果盐老板说不对,一验算,果然不是。

害得刘薰宇回来后,被爷爷好一顿数落,告诫他今后,“宁在人前全不会,勿在人前会不全。”

果真是封建时代的爷爷,当今我们的家长朋友们,断然不会这样指责孩子,一定会请教盐老板,如何算出正确答案才对。

那这道题到底怎么解答呢?

这道题出自数学典籍《孙子算经》, “有物不知其数,三三数之剩二,五五数之剩三,七七数之剩二。问物几何?”

后来,人们为了让这个问题更具体化,就把它改编成“韩信点兵”问题。

有一次战斗后,韩信要清点士兵的人数。让士兵三人一组,就有两人没法编组;五人一组,就有三人无法编组;七人一组,就有两人无法编组。那么请问这些士兵一共有几人?

如何去思考呢?咱们先记住两点常识:

第一,某数的倍数的倍数还是某数的倍数;

第二,某数的若干倍数的和还是某数的倍数。

35是5和7的倍数,并且除以3余2,

21是3和7的倍数,并且除以5余1,要想余3,就应该包含3个21,即21×3。

15是3和5的倍数,并且除以7余1,要想余2,就应该包含2个15,即15×2。

将以上三个数字相加

35+21×3+15×2=128。

105是3、5、7的公倍数,因此加上或者减去105之后,不会改变除以3、5、7的余数,128-105=23。通解是:23+105n,其中n=0,1,2,3…

是不是很难懂?那么就看阿图的演示方法吧:(上下对照着看)

35 +        21 ×3  +          15×2  =    128   

7的倍数  +  7的倍数  +  7的倍数余2=7的倍数余2

5的倍数  +  5的倍数余3 +  5的倍数=5的倍数余3

3的倍数余2 + 3的倍数  +  3的倍数=3的倍数余2

懂了?好的,咱们小试一下牛刀。

4个4个地数余3个,5个5个地数余2个,7个7个地数余3个,最少有多少个呢?

是不是有点绕,头想疼了可不赖我。

换个地方看看“堆罗汉”

堆罗汉是啥意思呢?从最下排起数上去,每排次第少一个人, 直到顶上只有一个人为止。

像这类依序相差同样的数的一群数, 在数学上我们叫它们是等差级数。关于等差级数的计算,其实并不难懂,如

1+2+3+4+5+6+ 7......+n

听过高斯故事的都知道,首尾相加,乘以项数,除以2,即可。用字母表示就是:n(n+1)/2   

和这个性质相类似的,还有从1起到某数为止的各整数的平方和、立方和 :

1^2+2^2+3^2+4^2+5^2……

1^3+2^3+3^3+4^3+5^3……

(^2,^3,是简书表示平方、立方的格式)

求和公式不知记得么,分别是:

∑n^2=n(n+1)(2n+1)/6

∑n^3=[(n×(n+1))/2]^2

但是怎么推导来的呢?刘薰宇先生的方法,可以说是绝妙无比了。

求平方和:

用小方块可以分别表示1、2、3、4的平方。

1^2+2^2+3^2+4^2

把他们堆起来,就可以变成第1图或者第2图的样子。再把两个第1图和第2图合起来,就变成了第3图,是它们和的3倍。


第3图的长是1+2+3+4,,宽是2×4+1。

因为1^2+2^2+3^2+4^2是它们面积的三分之一,所以平方和是:

4(4+1)/2  ×( 2×4+1)÷3

换成n,推到一般规律就是

  n(n+1)(2n+1)/6

当然,这种归纳方法不严密。需要再用n+1,运用到公式中去,看成不成立,我们这儿就免了,反正大家也懂。

那如何求立方和呢?

请看看下图,有没有发现,2的立方就是3的平方减去1的平方。3的立方,就是6的平方减去3的平方,4的立方就是10的平方减去6的平方。把他们合在一起,刚好就是10的平方。


所以1^3+2^3+3^3+4^3=(1+2+3+4)的平方

推到一般规律上去,就是

[(n×(n+1))/2]^2

华罗庚先生曾说,

数缺形时少直观,形少数时难入微。

数形结合百般好,隔离分家万事休。

把这首诗来表达此时的心情是不是觉得特别精准?

好吧,我们再来练一道题。

1/2+1/4+1/8+1/16+1/32+1/64+1/128=

不妨也画画图,肯定会有收获。

累了吗?一而再,再而三,我们加把油,接着上。

一起来看看八仙过海

不知道你碰到过“八仙过海”这类的玩意儿没有?我在一些旅游景点看过,比如算命的人拿出百家姓,让人家点上,点下后,就能猜出别人姓啥。那有点复杂,我们弄个简单的。

一个人将八种不同的钱分上下两排排在桌上,叫你看准一个,记在心头。

他将钱收起,重新排过,仍是上下两排,又叫你看定你前次认准的那一个在哪一排,将它记住。

他再将钱收起,又重新排成两排,这回他叫你看,并且叫你告诉他你所看准的那一个钱这三次位置的上下。

比如你向他说“上下下”,他就将下一排的第二个指给你。你虽觉得有点儿奇异,想抵赖,可是你的脸色也不肯替你隐瞒了。

这人为什么会有这样的本领呢?你会疑心他是偶然猜中的,然而再来一次、 两次、三次,他总不会失败,这当然不是偶然了。

这里藏着什么秘密?为了方便,我把这八个钱用字母表示。先摆成这样:

DCBA

HGFE

你说在上,那么,一定就是ABCD了,他就摆成下面这样,都放在右边,左边不管他们的顺序了。

OOCA

OODB

然后你说在下,那一定是BD,他又摆成了这样。其他的顺序无关紧要了。

OOOB

OOOD

你再说上,那一定就是B了。

当然这太小儿科了,我们现在来个升级版的。

就是别人看你摆了三次后,才告诉你上上下,你就能说出他想的是哪个字母。

当真?试试呗。

先摆成这样:

D    C    B    A

H    G    F    E

再从右到左,一上一下的顺序收。

(AEBFCGDH),然后按照从左往右,先摆下面一排,再摆上面一排。

F    B    E    A

H    D    G    C

又按照从右到左,一上一下的顺序收(ACEGBDFH)。

还是按照从左往右,先摆下面一排,再摆上面一排。

G    E    C    A

H      F    D    B

为什么我们能猜出来?大家看看这些字母的位置。

A 上上上    B上上下

C上下上      D上下下

E下上上      F下上下

G下下上      H下下下

八个字母的位置没有一个是相同的,他无法说哪个,你都能指出来。

现在明白了吗?八仙过海,隐藏的就是排列问题。生活中排列问题比比皆是。

比如,一张八仙桌,现在有8位客人到你们家做客。那么,他们坐的位置有多少种不同的排列方式呢?

通常大家以为可能有几十种吧。

刘教授告诉我们,先固定一个位置,那么这个位置,8个人都可以轮流去坐。等第一个人固定好后,第二个位置,有7个人可以轮流去坐。依次类推,就是:

8x7 x6 x5x4x3x2x 1=40320(种)

估计这种讲法,很多人还是感到云里雾里,那我们退到原点去思考:

1个人坐一个位置,就是1种情况

2个人坐两个位置,就是12,21,两种情况

3个人坐三个位置,就是123,132,213,231,312,321,6种情况。

4个人去坐四个位置,就是1234,1243,1324,1342,1423,1432,2134,2143,2314,2341,2413,2431,3124,3142,3214,3241,3412,3421,4123,4132,4213,4231,4312,4321,共24种。

再列下去,我可就要晕了,有没有发现规律呢?

1!=1

2!=2x1= 2

3!=3x2x1=6

4!=4x3x2x1=24

再推广一下,n个东西全体不重复的排列就是n的阶乘n.

好了,我们变化一下。若有18个队员,要选11人参加比赛,有多少种情况呢?

遇到难题,我是特别愿意退一步的,我认为对解题对人生皆有大大的好处。

正如布袋和尚的悟道诗所言:

手把青秧插满田,低头便见水中天;

心地清净方为道,退步原来是向前。

我们先思考:

如果有4个人,选2个人比赛,那么有多少种情况。

用1、2、3、4代表这4个人。

如果是组成两位数,那就是12,21,13,31,14,41,23,32,24,42,34,43一共12种。

但选人比赛,12和21,13和31等,都是同种情况。所以

4x3÷(1 x2)=6

如果4人选3个人比赛,那么有多少种情况。

如果组成三位数,就有24种情况:

1当大王(在百位)有6种:

123,132,124,142,134.143

其他数当大王肯定也是6种,所以共24种。

但是123,132,213,231,312,321,不都是1、2、3这3个人吗?所以要除以6。(3个数字摆3位数,有6种摆法,0除外。)

4x3x2 ÷(3x2 x1)=4

在n个人中选择m个人参加比赛,就是n! ÷m!

再试试身手?

有5个不同的字母,选出3个来摆,有多少种不同的摆法?

朋友,如果,你已经看到这一行来了,说明你是真的爱数学;如果你不仅看了还懂了,说明你真的擅长数学;如果你没坚持看到这儿,那说明你的天赋可能在理科之外……

哈哈,和大家说着玩呢,锻炼锻炼一下大脑,开心就好!正如,著名数学家陈省身先生所言:数学好玩。

最后,引用一下罗素的话吧:数学是这样一回事,研究它这种玩意儿的人也不知道自己究竟在干什么。

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