书城科普读物数学教学的趣味现象设计
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第14章 数学教学的趣味运用故事(11)

他的数学天赋被数学家拉普拉斯和拉格朗日发现。据说拉格朗日曾预言柯西将成为了不起的大数学家,并告诫其父不要让孩子过早接触数学,以免误入歧途,成为“不知道怎样使用自己语言”的大数学家。庆幸的是,柯西的小学是在家里上的,在其父循循善诱下,系统学习了古典语言、历史、诗歌等。具有传奇色彩的是,柯西政治流亡国外时,曾在意大利的一所大学里讲授过文学诗词课,并有《论诗词创作法》一书留世。柯西的文学功底由此可见一斑。G.波利亚年轻时对文学特别感兴趣,尤其喜欢德国大诗人海涅的作品,并以与海涅同日出生而骄傲,曾因把其作品译成匈牙利文而获奖。1921年来中国讲学的罗素是当代着名的哲学家、数理逻辑学家,着名的“理发师悖论”的发现者。但他也是一个文学家,有多篇小说集出版发行。令许多专业作家大跌眼镜的是,非科班出身的他于1950年获得诺贝尔文学奖。

再看着国内的数学家。华罗庚能诗善文,所写的科普文章居高临下,通俗易懂,是值得后人效法的楷模。苏步青自幼热爱旧体诗词,读过许多文史书籍。他把诗词作为自己的业余爱好,靠它来调剂生活。许宝综自幼即习古典文学,10岁后学作古文,文章言简意丰,功底非同寻常。李国平不仅是中国的“复分析”奠基人之一,也是一位优秀的诗人,其诗集《李国平诗选》1990年由武汉大学出版社出版发行,序言则是苏步青的一首颂诗:“名扬四海句清新,文字纵横如有神。气吞长虹连广宇,力挥彩笔净凡尘。东西南北径行遍,春夏秋冬人梦频。拙我生平偏爱咏,输君珠玉得安贫。”传为数坛佳话。

数学和文学是相通的。学习数学的人要注重文学修养,有志于数学的年轻人尤其不要忽视这一点。

61.数学比喻

许多名人喜欢用数学比喻,往往出语幽默、灰谐,好比深山闻钟,记人记忆久远。

古希腊哲学家芝诺号称“悖论之父”,他有四个数学悖论一直传到今天。他曾讲过一句名言:“大圆圈比小圆圈掌握的知识要多一点,但因为大圆圈的圆周比小圆圈的长,所以它与外界空白的接触面也就比小圆圈大,因此更感到知识的不足,需要努力去学习。”

人民教育家陶行知先生曾经说,他有八位好朋友做帮手,使他少犯错误,甚至可以不犯错误。他编了一首歌,读起来非常动听:我有八位好朋友,肯把万事指导我。你若想问真姓名,名字不同都姓何。何事、何故、何人、何如、何时、何来、何去,好像弟弟与哥哥。

还有一个西洋派,姓名颠倒叫几何。若向八贤常请教,虽是笨人少错误。美国作家杰克·伦敦成名后,曾收到过一位女士的求爱信:“你有一个出众的名声,我有一个高贵的地位。这两者加起来,再乘上万能的黄金,足以使我们建立起一个天堂都不能比拟的美满家庭。”杰克·伦敦连忙回信,他答得很妙:“根据你列出的那道爱情公式,我看还要开平方!不过这个平方根却是负数。”

62.蜂窝猜想

加拿大科学记者德富林在《环球邮报》上撰文称,经过1600年努力,数学家终于证明蜜蜂是世界上工作效率最高的建筑者。四世纪古希腊数学家佩波斯提出,蜂窝的优美形状,是自然界最有效劳动的代表。他猜想,人们所见到的、截面呈六边形的蜂窝,是蜜蜂采用最少量的蜂蜡建造成的。他的这一猜想称为“蜂窝猜想”,但这一猜想一直没有人能证明。美密执安大学数学家黑尔宣称,他已破解这一猜想。蜂窝是一座十分精密的建筑工程。蜜蜂建巢时,青壮年工蜂负责分泌片状新鲜蜂蜡,每片只有针头大小而另一些工蜂则负责将这些蜂蜡仔细摆放到一定的位置,以形成竖直六面柱体。每一面蜂蜡隔墙厚度及误差都非常小。6面隔墙宽度完全相同,墙之间的角度正好120度,形成一个完美的几何图形。人们一直疑问,蜜蜂为什么不让其巢室呈三角形、正方形或其他形状呢?隔墙为什么呈平面,而不是呈曲面呢?虽然蜂窝是一个三维体建筑,但每一个蜂巢都是六面柱体,而蜂蜡墙的总面积仅与蜂巢的截面有关。由此引出一个数学问题,即寻找面积最大、周长最小的平面图形。

1943年,匈牙利数学家陶斯巧妙地证明,在所有首尾相连的正多边形中,正多边形的周长是最小的。1943年,匈牙利数学家陶斯巧妙地证明,在所有首尾相连的正多边形中,正多边形的周长是最小的。但如果多边形的边是曲线时,会发生什么情况呢?陶斯认为,正六边形与其他任何形状的图形相比,它的周长最小,但他不能证明这一点。而黑尔在考虑了周边是曲线时,无论是曲线向外突,还是向内凹,都证明了由许多正六边形组成的图形周长最小,他已将19页的证明过程放在因特网上,许多专家都已看到了这一证明,认为黑尔的证明是正确的。

63.大金字塔之谜

墨西哥、希腊、苏丹都等国都有金字塔,但名声最为显赫的是埃及的金字塔。

埃及是世界上历史最悠久的文明古国之一。金字塔是古埃及文明的代表作,是埃及国家的象征,是埃及人民的骄傲。

金字塔,阿拉伯文意为“方锥体”,它是一种方底,尖顶的石砌建筑物,是古代埃及埋葬国王、王后或王室其他成员的陵墓。它既不是金子做的,也不是我们通常所见的宝塔形。是由于它规模宏大,从四面看都呈等腰三角形,很像汉语中的“金”字,故中文形象地把它译为“金字塔”。

埃及迄今发现的金字塔共约八十座,其中最大的是以高耸巍峨而被古代世界七大奇迹之首的胡夫大金字塔。在1889年巴黎埃菲尔铁塔落成前的四千多年的漫长岁月中,胡夫大金字塔一直是世界上最高的建筑物。

据一位名叫彼得的英国考古学者估计,胡夫大金字塔大约由230万块石块砌成,外层石块约115000块,平均每块重2.5吨,像一辆小汽车那样大,而大的甚至超过15吨。假如把这些石块凿成平均一立方英尺的小块,把它们沿赤道排成一行,其长度相当于赤道周长的三分之二。

1789年拿破仑入侵埃及时,于当年7月21日在金字塔地区与土耳其和埃及军队发生了一次激战,战后他观察了胡夫金字塔。据说他对塔的规模之大佩服得五体投地。他估算,如果把胡夫金字塔和与它相距不远的胡夫的儿子哈夫拉和孙子孟卡乌拉的金字塔的石块加在一起,可以砌一条三米高、一米厚的石墙沿着国界把整个法国围成一圈。

在四千多年前生产工具很落后的中古时代,埃及人是怎样采集、搬运数量如此之多,每块又如此之重的巨石垒成如此宏伟的大金字塔,真是十分难解的谜。

胡夫大金字塔底边原长230米,由于塔的外层石灰石脱落,现在底边减短为227米。塔原高146.5米,经风化腐蚀,现降至137米。塔的底角为51°51。整个金字塔建筑在一块巨大的凸形岩石上,占地约52900平方米,体积约260万立方米。它的四边正对着东南西北四个方向。

英国《伦敦观察家报》有一位编辑名叫约翰·泰勒,是天文学和数学的业余爱好者。他曾根据文献资料中提供的数据对大金字塔进行了研究。经过计算,他发现胡夫大金字塔令人难以置地包含着许多数学上的原理。

他首先注意到胡夫大金字塔底角不是60°而是51°51,从而发现每壁三角形的面积等于其高度的平方。另外,塔高与塔基周长的比就是地球半径与周长之比,因而,用塔高来除底边的2倍,即可求得圆周率。泰勒认为这个比例绝不是偶然的,它证明了古埃及人已经知道地球是圆形的,还知道地球半径与周长之比。

泰勒还借助文献资料中的数据研究古埃及人建金字塔时使用何种长度单位。当他把塔基的周长化为英寸为单位联系。他由此想到。英制长度单位与古埃及人使用的长度单位是否有一定关系?

泰勒的观念受到了英国数学家查尔斯·皮奇·史密斯教授的支持。1864年史密斯实地考查胡夫大金字塔后声称他发现了大金字塔更多的数学上的奥秘。例如,塔高乘以109就等于地球与太阳之间的距离,大金字塔不仅包含着长度的单位,还包含着计算时间的单位:塔基的周长按照某种单位计算的数据恰为一年的天数,等等。史密斯的这次实地考察受到了英国皇家学会的赞扬,被授予了学会的金质奖章。

后来,另一位英国人费伦德齐·彼特里带着他父亲用20年心血精心改进的测量仪器又对着大金字塔进行了测绘。在测绘中,他惊奇地发现,大金字塔在线条、角度等方面的误差几乎等于零,在350英尺的长度中,偏差不到0.25英寸。

但是彼特里在调查后写的书中否定了史密斯关于塔基周长等于一年的天数这种说法。

彼特里的书在科学家中引起了一场轩然大波。有人支持他,有人反对他。

大金字塔到底凝结着古埃及人多少知识和智慧,至今仍然是远没有完全解开的谜。

大金字塔之谜不断吸引着成千上万的热心人在探索。

64.“熟鸡蛋悖论”理论解释获实验支持

不知你是否留意过,把煮熟的鸡蛋放在桌面上让它水平旋转,如果达到一定转速,鸡蛋会自己竖起来。日本科学家通过实验证明,鸡蛋不仅能竖起来,在此过程中它还会完成几次弹跳。这为一种解释“熟鸡蛋悖论”的理论提供了实验证据。

日本庆应大学教授下村裕的研究小组在12日的《英国皇家学会学报》网络版上发表论文说,他们开发了一个模拟熟鸡蛋高速旋转的装置,用一个长轴为6厘米的橄榄状金属球代替鸡蛋,然后通过分析金属球坠落的声音、图像,以及铜制桌面电容的变化来跟踪它的运动过程。

模拟实验证实,当金属球以每秒25次的速度旋转时,开始旋转1.2秒钟后,金属球就能竖起来,在此过程中它会弹跳6次。弹跳高度最大为0.1毫米,空中停留时间约为0.02秒。之后,用鸡蛋做同样的实验也得到了类似的结果。

熟鸡蛋在旋转过程中竖立起来,这看上去是违反物理规律的,因为它的重心升高,整个系统的能量似乎增加了。这个问题长期困扰着物理学家,被称为“熟鸡蛋悖论”。2002年科学家曾报告说,这一现象事实上是熟鸡蛋的部分旋转能量在蛋壳与桌面之间的摩擦力作用下转换成了一个水平方向的推力,使熟鸡蛋的长轴方向改变,在一系列的摇晃震荡中由水平变为垂直。

根据推测,在鸡蛋水平旋转的过程中,其上下振动越来越激烈,当向上的力的加速度等于重力加速度时,鸡蛋就会发生弹跳。这次的实验结论与推测完全一致,显示这种对“熟鸡蛋悖论”解释是可信的。

65.轻率的结论

在你听到一种统计关系时,可得慎重一些,千万不要轻率地对事件发生的因果关系作出判定,因为事情并不那么简单。

让我们来看几个不可轻率作出结论的例子。

①统计资料表明,大多数汽车事故出在中等速度的行驶中,极少的事故是出在大于150公里/小时的行驶速度上的。这是否就意味着高速行驶比较安全?

正确答案:绝不是这样。统计关系往往不能表明因果关系。由于多数人是以中等速度开车,所以多数事故是出在中等速度的行驶中。

②有一个调查研究说脚大的孩子拼音比脚小的孩子好。这是否是说一个人脚的大小是他拼音能力的度量?

正确答案:不是的。这个研究对象是一群年龄不等的孩子。它的结果实际上是因为年龄较大的孩子脚大些,他们当然比年龄小的孩子拼得好些。

③常常听说,汽车事故多数发生在离家不远的地方,这是否就意味着在离家很远的公路上行车要比在城里安全些呢?

正确答案:不是,统计只不过反映了人们往往是在离家不远的地方开车,而很少在远处的公路上开车。

④有一项研究表明某一个国家的人民,喝牛奶和死于癌症的比例都很高。这是否说明是牛奶引起癌症呢?

正确答案:不对!原因是这个国家老年人的比例也很高。由于癌症通常是年龄大的人易得,正是这个因素提高了这个国家癌症死亡者的比例。

上述例子表明,统计学论述在涉及到因果关系时很容易造成误解。现代的广告,尤其是很多电视的商业广告正是以这种统计误解为其根基的。

66.骗人的“平均数”

刘木头开了一家小工厂,生产一种儿童玩具。

工厂里的管理人员由刘木头、他的弟弟及其他六个亲戚组成。工作人员由5个领工和10个工人组成。工厂经营得很顺利,现在需要一个新工人。

现在,刘木头来到了人才市场,正与一个叫小齐的年青人谈工作问题。

刘木头说:“我们这里报酬不错。平均薪金是每周300元。你在学徒期间每周得75元,不过很快就可以加工资。”

小齐上了几天班以后,要求和厂长刘木头谈谈。

小齐说:“你骗我!我已经找其他工人核对过了,没有一个人的工资超过每周100元。平均工资怎么可能是一周300元呢?”

刘木头皮笑肉不笑地回答:“小齐,不要激动嘛。平均工资确实是300元,不信你可以自己算一算。”

刘木头拿出了一张表,说道:“这是我每周付出的酬金。我得2400元,我弟弟得1000元,我的六个亲戚每人得250元,五个领工每人得200元,10个工人每人100元。总共是每周6900元,付给23个人,对吧?”

“对,对,对!你是对的,平均工资是每周300元。可你还是骗了我。”小齐生气地说。

刘木头说:“这我可不同意!你自己算的结果也表明我没骗你呀。”