世界经典数学名题.docx
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世界经典数学名题
世界经典数学名题
鸡兔同笼
《孙子算经》卷下第31题叫“鸡兔同笼”问题,也是一道世界数学名题。
“有一群野鸡和兔子关在同一个笼子里,头数是35,脚数是94。
问野鸡和兔子的数目各是多少?
”这个题目编得很有趣,如果35只动物全是鸡,就应该有70只脚;如果全是兔,就应该有140只脚,而题中却说共有94只脚,给人一种左右为难的印象。
其实,解题关键也正在这里,假设35只动物全是鸡,则共有70只脚,与题中“脚数是94”相比较,还差24只脚,将1只兔看作是鸡,脚数就会相差2,有多少只兔被看作是鸡了呢?
242=12。
算到这里,答案也就呼之欲出了。
清朝时,作家李汝珍把这类问题写进了小说《镜花缘》中。
书中有这样一个情节,一座楼阁到处挂满了五彩缤纷的大小灯球,一种是大灯下缀2个小灯,另一种是大灯下缀4个小灯,大灯共360个,小灯共1200个。
一位才女把大灯看作是头,小灯看作是脚;把一种灯球看作是鸡,把另一种看作是兔,运用“脚数的一半减头数得兔数,头数减兔数得鸡数”的算法,很快就算出了一大二小的灯是120盏,一大四小的灯是240盏,赢得了一片喝彩声。
伴随古代中外文化交流,鸡兔同笼问题很快就漂洋过海流传到了日本。
不过到了日本之后,鸡变成了仙鹤,兔变成了乌龟,鸡兔同笼变成了赫赫有名的“鹤龟算”。
狗跑与兔跳
行程问题是中小学里常见的一类数学应用题,也是一类很古老的数学问题。
在我国古代数学名著《九章算术》里,收集了很多这方面的题目如书中第6章第14题:
“狗追兔子。
兔子先跑100步,狗只追了250步便停了下来,这时它离兔子只有30步的距离了。
问如果狗不停下来,还要跑多少步才能追上兔子?
”这道追及问题编得很有趣,它没有直接告诉狗与兔的“速度差”,反而节外生枝地让狗在追及过程中停了下来,数量关系显得扑朔迷离。
2000年前,我们的祖先解决这类问题已经很有经验了,所以书中只是简单地说,用(25030)作除数,用(100-30)作被除数,即可算出题目的答案。
世界各国人民都很喜爱解答这类问题,一本公元8世纪时在欧洲很流行的习题集中,也记载了一个狗与兔的追及问题:
“狗追兔子,兔子在狗前
幸福的童年,生命的1/12是少年时期。
又过了生命的1/7他才结婚,婚后5年有了1个孩子。
这孩子活到他父亲一半的年纪便死去了。
孩子死后,丢番图在深深的哀痛中活了4年,也结束了尘世生涯。
”
这段墓志铭写得太妙了。
谁要想知道丢番图的年纪,就得解一个一元一次方程;而这正好提醒前来瞻仰的人们,不要忘了丢番图所献身的事业。
化圆为方问题
公元前6世纪时,有位叫安拉克萨哥拉的古希腊学者,被他的政敌丢进了监狱。
在牢房里他无事可干,整天思索着这样一个数学问题:
“怎样用直尺和圆规作一个正方形,使它的面积与某个已知圆的面积相等?
”这就是著名的化圆为方问题。
当然,安拉克萨哥拉没能解决这个问题。
但他也不必为此感到羞愧,因为在他以后的2400多年里,许许多多比他更加优秀的数学家,也都未能解决这个问题。
化圆为方看上去谁都能办到,实际上却谁也办不到,因而具有极大的魅力。
15世纪时,连欧洲最杰出的艺术大师达·芬奇也曾拿起直尺圆规,试图解决这个问题呢。
年复一年,有关化圆为方的论文雪片似地飞向各国科学院,多得叫数学家们无法审读,以致在1775年,巴黎科学院为了维持正常的工作秩序,不得不宣布不再审读这方面的论文。
化圆为方的狂热终止于1882年,在这一年里,德国数学家林德曼证明了π是一个超越数,从而在理论上论证了化圆为方是不可能由尺规作图法完成的。
现在仍然有些青少年在尝试化圆为方,显然,这只会是白白浪费精力。
立方倍积问题
公元前5世纪时,一场大瘟疫凭空降临到古希腊的第罗斯岛上,夺去了许多人的生命,幸存的人们纷纷躲进神庙,祈求神灵保佑。
神说:
“你们想活命,就必须把庙中的祭坛加大1倍,并且不许改变它的形状。
”祭坛是个正方体,第罗斯人连夜加工,把祭坛的长、宽、高都加大了1倍,以为这样就满足了神的要求。
岂料瘟疫更加疯狂地蔓延开来,第罗斯人满腹狐疑,再次匍匐在神像前。
神怒气冲冲地说:
“这个祭坛是原来的8倍!
”第罗斯人没有办法,派人向当时最有名的学者柏拉图请教,不料他也解决不了这个问题……
故事中提到的这个数学问题,也是一个举世闻名的几何作图难题,叫立方倍积问题:
“做一个立方体,使它的体积等于已知立方体的两倍。
”如果借助其他工具,解决这个问题是很容易的,古希腊的埃拉托斯芬、攸多克萨斯,英国的牛顿等人都曾发明过一些巧妙的方法,但是,如果限制用直尺和圆规去解决,2000年来,无论是初学几何的少年,还是天才的数学大师,却无一不束手无策。
1837年,又是法国数学家闻脱兹尔最先从理论上证明:
同三等分角问题一样,立方倍积问题也是不能由尺规作图法解决的,才了结了这桩数学悬案。
三等分角问题
在2000多年前,古希腊数学家苛刻地限制几何作图工具,规定画几何图形时,只准许使用直尺和圆规。
于是,从一些本来很简单的作图题中,产生了一批举世闻名的数学难题。
例如三等分角问题:
“只使用直尺与圆规做一个角,使它等于一个已知角的1/3。
”
大数学家阿基米德曾试图解决这个难题。
他预先在直尺上作了一个记号,很轻松地将一个角分成了三等份。
可是,人们不承认他解决了这个难题。
因为古希腊人还规定:
作图时直尺上不能有任何刻度,而且直尺与圆规都只允许使用有限次。
三等分角看上去非常简单,做起来却非常难,几千年来,它激发了一代又一代的数学家。
有人说,在西方数学史上,几乎每一个称得上是数学家的人,都曾拿起直尺圆规,用三等分角测试过自己的智力,但谁也未能取得成功,直到1837年,法国数学家闻脱兹尔从理论上予以证明,只使用直尺圆规是无法三等分一个任意角的,才率先走出了这座困惑了无数人的数学迷宫。
数图之谜
现在世界上所能见到的最古老的数学文献,是古埃及的莱因特纸草书。
书中记载了85个数学问题,在书写第79题的位置上,作者画了一个台阶,台阶旁依次写着7、49、343、2401和16807这5个数,书的旁边依次画有图、猫、老鼠、大麦、量器等字样,除此之外就没有别的什么东西了。
由于这是书中唯一未明确给出答案的题目,后来,这个题目究竟是什么意思,成了一个有趣的谜。
数学史学家康托尔猜出了这个谜,他认为题目的意思是:
“有7个人,每个人养着7只猫,每只猫吃7只老鼠,每只老鼠吃7棵麦穗,每棵麦穗可以长成7个量器的大麦,问各有多少?
”经他这么一解释,书中给出的那5个数就正好成了题目的答案。
有趣的是,在莱因特纸草书出土之前600多年,意大利数学家斐波拉契曾遍了一道很相似的数学题:
“7位老太太一起到罗马去,每人有7匹骡子,每匹骡子驮7个口袋,每个口袋盛7个面包,每个面包有7把小刀,每把小刀有7个刀鞘。
问各有多少?
”比斐波拉契还早几百年,我国古书里也记载了一个相似的数学题:
“今有出门望有九隄,隄有九木,木有九枝,枝有九巢,巢有九禽,禽有九雏,雏有九毛,毛有九色。
问各几何?
”在不同的民族、不同的国家、不同的时间里,竟流传着一个同样的问题,这也是一个很有趣的谜。