书城科普读物数学教学的趣味现象设计
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第21章 数学教学的趣味运用故事(18)

自然数列里的自然数是按照由小到大的顺序排列的。每一个自然数后面都有一个而且只有一个后继数,并且除“1”以外,每一个自然数都有一个而且只有一个先行的数(即紧挨在它前一个数)。

自然数列里不存在“最后”的自然数。自然数的个数是无限的。

有了自然数范围内的计数能力,这可是一个人一生发展中早期最富有意义的大事之一!试想:如果这一步不能实现,那末人们一辈子就只能学数数了。而且人生有限,数目无穷,就是穷其一生,还学不尽呢!

人类有了自然数和自然数的计数能力,也是人类自身发展及数学认识发展史上具有里程碑意义的大事!有了这种能力,人类方得以计数万物,窥天测地,认识自然,改造世界;由此,数学科学方得以奠基、萌生,并逐步发展、壮大,成长为今天这样根深蒂固、叶茂叶繁、常长常青的参天大树!

108.数学中的“一一对应”

我们已经看到,在数量观念的萌生时期,要区别一个、两个、三个、四个……这样的数量,都是很艰难的;至于赋予数的名称并用言语表达,当时就更谈不上了。可是,尽管如此,切不要认为我们的远古祖先一定完全分不清超过三以上的数量。当他们将要舍弃那种将被数的物品拿在手中或置于脚边的做法,拟或远在这之前,一种我们今天称之为“-一对应”的物体数量比较方法就出现了。

什么是“-一对应”的方法呢?

比如,将采集的果实平均分配给大家,一定存在够分不够分的问题。那时人们还不知道用“数”的办法进行比较,只有依靠实际分配的过程和结果才能确知这一点。分配时,把所有的果实先按一人一个来分,如果最后有一些成员没有分到果实,那就说明今天采集的果实少了;如果一人分到一个以后还有剩余,那就说明今天采集的果实够多了;如果一人分一个,最后正好分完,那就说明今天采集的果实(与人数相比)不多也不少,或者说与人数“同样多”。

可以看出,这种数量比较法的关键,就是两类事物之间“一个对一个的搭配”,这种“搭配方式”就是我们所说的“-一对应‘’。通过这种对应的方式,不仅可以比较出数量之间的多与少,而且可以发现数量之间的相等关系”。

开始的时候,总是这种直接进行的对所涉及事物数量的比较。后来,人们发现对于许多种事物,都可以借助自己身上的一部分器官来完成数量上的比较。

比如,猎取两只野兽,捕获两条鱼,分到两个果子,这些都是和自己的“两只眼睛”一样多的。因此,表达两个物品的个数,就说成“像我的眼睛一样多”。

当人们意识到不仅自己的一双手可以用于数量比较,而且手指也能用来帮忙的时候,“屈指数数”就成为现实了。

这是几个物体与几个指头之间的“-一对应”。

1个物体,就伸出(或弯曲)1个手指表示。

2个物体,伸出(或弯曲)2个手指表示。

3个物体,伸出(或弯曲)3个手指表示。

4个物体,伸出(或弯曲)4个手指表示。

5个物体呢?伸出1只手(5个手指)来表示。

这样,用两只手,就可以表示出6、7、8、9、10各数了。

要表示更多一些的数量,只好又请脚趾来帮忙了。

这样,11就是“一个人的全部手指加上一个脚趾”;

15就是“像一个人的全部手指和一只脚的脚趾一样多”;

20就是“像一个人身上所有的手指头和脚趾头那样多”,或者干脆将它表示为“整个人”。

我们看到,即使那时人类没有产生抽象的数,没有各数的名称和读法、写法,但借助人体器官,根据“-一对应”的准则,还是能够认识与表示出较大一些的数量的。

大约在250O年前,罗马人还处在文化发展的初期,当时它们是用手指作为计数工具的。为了表示一、二、三、四个物体,就分别伸出一、二、三、四个指头;表示五个物体就伸出一只手;表示十个物体就伸出两只手。为了记录这些数,就把它们写在木板或羊皮上,用I、II、III来代替手指数;要表示一只手时,就写成“V”形,表示大拇指与其余四指张开的形状;表示两只手时,就画成“VV”形,后来又写成两只手对腕交叉或一只手向上一只手向下的“X”形,这就是罗马数字的雏形。

后来,为了表示较大的数,又用符号C表示100,C是拉丁文一百的起首字母;用符号M表示1000,M是拉丁文一千的起首字母;取字母C的一半,成为符号I,表示50;取字母M的一半,转化为符号D,表示500。

这样,罗马数字就有下面7个基本符号:

I(1),V(5),X(10),L(50),C(100),D(500),M(1000)。

用罗马数字记数时,采用加减法的原则。一般地,从左到右,先写表示大数的数字,后写表示较小的数的数字,表示相加。例如6写作“VI”,3写作“XXXI”,850写作“DCCC”。但在需要连续写出四个相同的字母时,相加改为相减,而把表示较小的数的数字写在前面。例如4写作“IV”,9写作“IX”,90写作“XC”。

除了国际通用的阿拉伯数字,罗马数字目前还保留使用。但因书写繁难,人们很少采用。生活中,以钟面上使用最为常见。

从最初只用物体间相互搭配的办法来比较两种事物的多少,发展到用手指这样一种具体事物来对应其他各种事物以表示多少,只要伸出几个手指,就会与有几个物体联系起来,这是人类计数史上一个很大的进步。

109.一进制记数法的局限

使用实物或结绳、刻痕,用一对一的方式来记数,这种记数方式用进位制的语言来说就是一进制。一进制的好处是简单,有几件东西,就打上几个绳结或刻划地道纹痕;数目有增减,绳结或刻痕就相应地予以增减。像这种事大约连今天三四岁的孩童也可以办得到。然而,使用一进制也有很大的局限性。一旦数目大了,它几乎就无能为力了。

我国曾流传着这样一则笑话。

从前有个财主目不识丁,他请了个私塾先生教儿子读书。

先生来了以后,先教孩子描红。描一笔,先生就说:“这是‘一’字”;描两笔,先生就说:“这是‘二’字”;描三笔,先生又说:“这是‘三’字”。

财主的儿子觉得识字不过如此:添出笔,就多“一”,这有什么难的!于是他告诉爹爹把先生辞掉了。

不久,财主家要请一个姓万的亲戚来喝酒,就让宝贝儿子写请帖。谁料过了很久也不见宝贝儿子把请帖拿来,于是财主便到书房来催。

宝贝儿子一见到父亲,便半是表功半是诉苦地说:“天下姓氏多得很,为什么偏偏姓万!我从一早到现在手不停笔,也才措了五百多划,离一万远着哩!”

这则笑料,的确是嘲讽自作聪明、自以为是这一现象的好材料。然而,即使是今天的读者,也千万别急于嘲笑“画‘万划’表‘万”’童子的愚蠢。事实上,这位童子只不过是在重复一段古代一进制记数法的做法而已。也许正是由于古人反反复复重复这种记数法,从内心深处真切地生发诸般“记数难,难于上青天”的感慨,他们才急于摆脱“一进制”的羁绊,寻求建立合理的进位制以满足记数的需要。

110.日记里的数字

今天气温24度。我到市场买了三条鱼,最大的一条有两斤重、一尺半长,回到家里正好8点。

在这24、3、l、2、1.5、吕中,只有3和1是精确数,其他都是近似数。

狗有四条腿,蛇有一个头。这样的数能够精确,也应该精确。

本县有56万人,我的头发是11万根。这样的数也能够精确,知道万以上的数,就可以了。

许多近似数大不一样。像表示时间、长度、重量、温度、角度的数,只能是近似数,不能是精确数。这就是说,你想要精确数,也办不到。

谁也说不出一条鱼的精确重量。事实上,鱼的重量随时随地在变。地球上的重力大小不是处处相同的;鱼身上有水分,水分可以挥发,又可以吸收空气中的某些气体,什么时间、什么地方的重量才精确呢?就是有精确重量,任何现代的先进测量工具,包括电子计算机也无能为力,并且永远无能为力。人能做的事情,只能是尽量满足不同的要求。

把椅子腿的角度做歪一度的木匠,不能算蹩脚的木匠;而打捞海底沉船的时候,把沉船位置算错一纬度的技术员,就是很不称职的技术员了。因为在地球上,经度相同,纬度相差一度,距离就差一百多公里远了。

日记里的数都有单位。

当今世界上,使用的度量单位也够多的了。同一种量,往往又有种种自成系统的单位。长度的单位,英美国家喜欢用英里、码、英尺、英寸。据说,一码的长度,最初是英王亨利一世的指端到鼻子的距离;一英尺是以查理曼大帝的脚长为依据;把三颗又圆又干的麦粒连在一起是一英寸。这样定长度有点可笑,相互之间的换算更叫人心烦。

我国历史上有里、引、丈、步、尺、寸等长度单位,而且各个时期的“尺”长又不尽相同。古典文学中有“身长九尺”的说法。那时的一尺,肯定比现在的一市尺要小。要不,在身长九尺的人面前,就是最高的篮球运动员,也是矮得出奇的小个子了。

人类交往多了,这么多不同的长度单位,实在太不方便了,有必要统一起来。

1790年,法国国民议会决定建立一套能适合国际需要的度量制度。9年后,在法国数学家拉普拉斯领导下,定出了“米”的单位。

1875年,国际计量组织规定,以通过巴黎的地球子午线长度的四千万分之一为一米。14年后,决定以一根铂铱合金米尺上的两条刻线间的距离作为一米,精度是千万分之一。

1960年,国际计量大会通过:以规定条件下的氪原子,在真空中辐射的光波波长来确定一米的长度,精度是十亿分之一。23年后,通过用激光来代替氪,精度又提高了一百倍。

人家不欣赏我们的市尺、市寸,我们也对他们的脚长、麦粒不感兴趣。大家都用公制,倒是个好办法。

1984年2月27日,国务院发布了《关于在我国统一实行法定计量单位的命令》。这就是国际计量大会讨论通过采用的以米制为基础的国际单位制。

大家把度量单位统一起来是件好事。可是,为什么不用中国制,不用英国制,偏偏要用法国人创立的公制呢?

这里面有这样的一些道理:

公制里的大小单位之间的进位关系,是十进制、百进制或者千进制。

一公里是1000米,一米是100厘米,一厘米是10毫米;一吨是1000公斤,一公斤是I000克。这样的大小单位的换算,动动小数点便行了。这比一里是150丈,一英尺是12英寸要方便得多。

公制里的长度单位,和重量单位、时间单位以及其他的一些单位,互相配合得好。一立方米的水,正好是一吨,使质量一克的物体产生1厘米/秒加速度的力,正好是一达因,真是好记好用。

都用公制,不同国家和地区的度量单位一致了;度量进位制和数的十进制一致了;度量进位制和数的十进制一致了;同类别大小单位的各级进位方式一致了;不同物理量的相互关系协调了。

为什么时间不用十进制呢?

其实,科学上用的时间,基本单位是秒,比秒小的时间单位也是十进制的。分和小时是按一昼夜长度,结合生活习惯划分的,本来就不是十分精确的单位。至于日、月、年,更是由天文现象决定的,想化成十进,也不可能了。

最短的时间单位叫“那诺秒”。一那诺秒等于1.0X10-’,相当于光线走3O厘米花费的时间。

日记中的“24度”,要写成24℃,以免与其他温标混淆。

科学上有一种表示温度的方法叫“绝对温标”,也叫开氏温标,记作K。OK=-273.15℃=-273℃。

OK是达不到的。现代的超低温技术,已经能够获得十分接近于OK的温度。至于能够达到的高温,理论上不受限制。

111.年龄算法的特点

父亲现在的年龄,与儿子现在的年龄加起来是110岁;等到儿子的年龄,与父亲现在的年龄相同时,儿子的年龄是孙子现在的年龄的9倍;那时,孙子的年龄比儿子现在的年龄大4岁。请问:孙子现在的年龄大?

碰上这样弯来揭去的问题,首先要有不怕的精神准备,然后开始理一理头绪。题牵涉到的人不过三个——父亲、儿子和孙子。用得上的时间不过两个——那时和现在。此外,还得对年龄本身的特点有所认识。

年龄本身有什么特点呢?

第一,年龄只能随时间增加,不会减少,数学上是没有“越活越年轻”的。所以,求解出来的真实年龄有负值,便应该舍去。

第二,时间给予人的年龄是相等的,很公正。这就是说,每过一年,每人都增长一岁,不想要这一岁不行,想蹦着长也不行。

第三,不特别声明,数学题中的年龄取整数。这虽然不太符合真实情况,也还符合一般习惯。

好了,现在来解题。

解题时设未知数要以大胆些,不必怕未知数设多了。题里有父亲、儿子、孙子三人,就分别设他们现在的年龄是X、y、Z岁。然后,逐句分析题意,列出方程式。

第一句很明确

X+y=110…(1)

第二句也清楚,当儿子年龄达到X岁时,就有X=9z…(2)