书城科普读物数学教学的趣味现象设计
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第22章 数学教学的趣味运用故事(19)

两个方程有三个未知数,还需要再立一个方程才好解。不用说,应该在第三句上打主意了。关键是要找出“那时”孙子的年龄,找到后减去y等于4,就是第三个方程。“那时”孙子的年龄是多少呢?是现在孙子的年龄互加上若干年。这若干年是多少年呢?就是儿子从现在年龄y活到X岁时的年数,也就是x-y。于是得到:

[(x-y)+z]-y=4…(3)

解①②③三元一次方程组,得z=8(岁)。

下面的一个题,就难一些了。这是一个察有实据的故事:

19世纪,英国有个数学家叫狄摩根.曾在逻辑研究方面作过贡献,活了65岁。生前某一年,有人问他:“你多大年龄啦?”在西方,除非至亲好友,随便问人家年龄是不礼貌的。狄摩根倒没有计较,他想了想,说:“我在公元x平方年时是X岁。”

狄摩根开的是什么玩笑呢?看到他一本正经的样子,问话的人便认真思索起来:要是设他出生年是公元y年,就有X岁时是公元y+X年,得:

Y+X=x2

这个方程有两个未知数,是不定方程,可以根据年龄本身的特点,化成不等式来求解。

狄摩根是19世纪的数学家,又只活了65岁,那他的出生年,就一定在1735年后,在1835年前。

1835>y>1735

1835>X2-X>1735

这样,我们就可以把这个一元二次不等式的左右两边,分别求解,然后再取它们的公共解。

X2-X-1835<0

分解因式,化简,得

-42.34<x<43.34

年龄不能是负数,得X<43.34。

X2-X-1735>0

分解因式,化简,舍去负数,得X>42.16。

于是,公共解是43.34>X>42.16。

考虑到年龄取整数,满足上式的只有X=43(岁)

因为狄摩根在43岁时是公元432=1849年,所以他是在公元1806年出生、1871年去世的。

列出方程,用不等式寻找狄摩根的年龄相当费事,有点像公安人员在破案了。其实,这个题有一个非常简单的解法,是小学生也能很快给出答案的。

我们很容易算出来,在1700-2000之间,只有三个完全平方数。这就是422=1764,432=1849,442=1936。

要是狄摩根在1764年是42岁,他活到19世纪就有70多岁了,所以不对。要是狄摩根在1936年是44岁,那他是1892年生,19世纪末才8岁,不可能是这个世纪的数学家。所以,答案只能是:在1849年时,狄摩根43岁。

112.数学的分析与判断

曹操兵败赤壁,在三岔路口自作聪明,走了华容道,中了孔明的计,差一点丢了命。久经战场的曹操并非平庸之辈,怎么会自投罗网呢?原来他的想法错了。

曹操想,要从左路走,得看左路是否有埋伏。没有埋伏,说明路线对头;有埋伏,说明应该改从右面走。要是右面又有埋伏,说明主干道选错了。怎样判断有无埋伏,按理说,应该以调查到的事实为依据。可是,曹操主观断定冒烟的那条路上无埋伏,终于倒了大霉。

曹操的错误,错在把不可靠的臆测作为已知条件,经过推理,得到的结论当然是不可靠的。犯这种错误的人很多。其实,再复杂的问题,只要已知条件是充分的,能不能得出正确的结论,关键在于能否掌握正确的推理方法。流传很广的“谁养斑马?”就是一个有趣的例子。

这道号称世界难题的题,起源于美国,轰动一时,使很多人着了迷。它像一阵风,吹到世界各地,到处便掀起了解题热。在我国青少年中,同样也引起了反响,甚至一些老人,也参加了研究和讨论。

原题说的是:某地从西向东,排列着五幢颜色各不相同的房子,侨居着五个不同国籍的人,他们都喜欢饲养动物,并且所养的动物种类各不相同。另外,五个人各喝不同类型的饮料,抽不同牌子的香烟。请你找一找:谁是喝水的人?谁是饲养斑马的人?已知条件计有:

l.英国人住的是红色房子;

2.西班牙人养的是狗;

3.住绿色房子的人喝咖啡;

4.乌克兰人喝茶;

5.绿色房子位于白色房子相邻的东侧;

6.抽万宝路牌香烟的人养蜗牛;

7.住在黄色房子中的人抽可乐牌香烟;

8.正中那幢房子的主人喝牛奶;

9.挪威人住在西边第一幢房子里;

10.抽本生牌香烟的人和养狐狸的人是隔壁邻居;

11.抽可乐牌香烟的人和养马的人也是隔壁邻居;

12.抽肯特牌香烟的人喝桔子水;

13.日本人抽摩尔牌香烟;

14.挪威人和住蓝色房子的人是隔壁邻居。

这个题头绪很多,关系复杂。请你自己动手画一个图,便一目了然了。

问题涉及:房子自西向东的顺序号码是l、2、3、4、5;房子五种颜色;五个国家;五种饮料1;五种香烟;五种动物。5X6=30,共30个元素。每个元素用一个黑体字表示。

根据已知条件,在黑体字之间连结。例如,条件1,英国人住红房子,便连一条线:

英——红(条件1)。

同理,还可以画出:

西——构(条件2);

绿——咖(条件3);

乌——茶(条件4);

万——蜗(条件6);

黄——可(条件7);

3——奶(条件8);

1——挪(条件9);

肯——桔(条件12);

日——摩(条件13);

2——蓝(条件14);

另外,还有三个条件没有用上,就是

条件5,绿色房子与白色房子相邻,绿在东;

条件10,抽本生烟的人在养狐狸的人隔壁;

条件11,抽可乐烟的在养马的人隔壁。

把条件5和条件互、条件9结合起来,得

1——黄。由1,1不可能是红的;由2——蓝,和由白绿相邻,且也不可能是白或者绿。

从连线情况看出,抽可乐烟的人住1。用条件11,又得2——马。这样,图上已有13条连线了。

再用条件5,绿白要邻,红房子只能是3或者5了。这需要分两种情形讨论:

A,要是红房子是第5,得

红……5,白……3,绿……4。这些是在假定A之下推出来的,用虚线连,表示区别于题设条件。

进一步,得

乌……蓝。乌克兰人要是住白,应该喝奶;要是住绿,应该喝咖啡,都与茶矛盾,所以只有住蓝色房子。

乌……本。乌克兰住2必养马,所以不能抽万宝路;又因为不喝桔子水,所以不能抽肯特。

西……肯。因为西班牙人不养蜗牛,所以不抽历宝路。

于是,西班牙人要喝桔子水。这样,西……绿、西……白都不可能。推出了矛盾,说明这个假设红……5行不通,虚线作废。

B,红房子一定是第3。于是,红……3,自……4,绿……5。

乌克兰人只能住在蓝或者白,又需要分两种螃况来讨论。

B1,由乌……白,得西……绿。因西班牙人养狗,不能在2。

于是得西……本。因西班牙人喝咖啡,不能抽肯特。

由条件10,西班牙人隔壁养狐,得白……狐。因为乌住白,养狐,不能抽万宝路。

于是,乌克兰人又喝茶又喝桔子水,矛盾。

B2,由乌=蓝,得乌=本。因乌养马,不能抽万宝路;喝茶,不能抽肯特。

西=肯。西养狗,不能抽万宝路。

英=万。用条件10,养狐人和抽本生的隔壁,而英国人养蜗牛,只有挪=狐。

结论:日本人养斑马;挪威人喝水。

113.机器人与模糊数学

1980年6月,美国高级军用电子计算机两把发出警报:苏联的洲际弹道导弹向美国飞来了。这个权威性的“发言”,谁也不能等闲视之。于是,地面上一片惊慌,将近150架BedZ轰炸机的驾驶员,立即开动了引擎,等待信号起飞,眼看一场大打出手的场面就要来临。可是,信号始终没有发出。事后检查,是一个集成电路发生了故障,计算机计算错了,发出了假警报。

电子计算机正在多方面代替人的繁重劳动。近年来,它的存储容量越来越大,计算速度越来越快,准确性越来越高,功能越来越完善,甚至已发展到能识别图像、分辨声音和嗅认气味。导弹和宇宙飞船的跟踪和控制,要是没有计算机帮忙,事情就很不好办。另外,它工作起来又是多么任劳任怨,埋头苦干。叫人最不放心的,是它的可靠性,万一某一个或者几个元件、电路发生故障,计算机就会“乱弹琴”,发出荒诞的结论或者古怪的信息。

据报导,在比利时布鲁塞尔召开的一次世界博览会上,电子计算机承担了办理饭店坐位分配的任务,因机器故障,竟使几万客人找不到位置吃饭,闹了一个大笑话。

怎样进一步提高计算机的可靠性,当务之急是提高元件质量,使机器少出毛病。从长远来说,计算机应该“再学习”,向人的脑子学习。

人的脑子有一百多亿个神经元,每年约有8百多万个神经元的功能失调,累计起来,一个活到80岁的人,就有7亿个神经元不能工作,约占人脑总神经元的十几分之一。可是,这并不影响人的正常思维。要是计算机的电子元件和电子线路,能像人脑的神经元和神经系统那样,即使一部分元件发生故障,也能保证计算机正常工作,可靠性就会大大提高,不致出现前面说的笑话了。

你也许会说,那我们就按人脑结构设计计算机好了。谈何容易。别的不说,神经元互相之间是怎样联系的,现在还无法说清楚。人对自己脑子的结构还了解得很不够。又怎样能着手设计人脑式的计算机呢。在信息密度和存储容量方面,计算机也要向人脑学习。现在计算机存储装置的信息密度相当高。可是,人脑的信息密度和记忆容量,却比计算机高亿倍。

再有,计算机的进一步微型化是有光明前途的。1946年,美国的第一台计算机是一个重30吨、占地1702米的庞然大物;现在采用固体线路,安装密度可达104元件/厘米3,真是进步很大。可是,人脑每厘米3有107个神经元,是微型机的一千倍。

计算机用来作识别机的时候,往往一点不通人情。比如我们见到一个好久未见的熟人,他可能比以前胖些或者瘦些,不管怎样,我们仍旧能认识他。计算机可不是这样,它只能把这人现在的身长、体重、胖瘦等,与以前储存的资料作比较,稍有差别,就会作出“不认识”的判断。

计算机有个力求精确的习惯,要使它模仿人脑的功能进行一些识别和分类,倒希望它有一定程度的模糊。这就用得上模糊数学了。

模糊数学是1965年创立的,现已发展成模糊集合、模糊代数、模糊拓扑、模糊分析、模糊逻辑、模糊规划等学科。随着计算机的发展,应用也越来越广。模糊数学处理的是模糊的东西,可模糊数学本身并不模糊。

我们接触和使用电子计算机的机会越来越多。大家都很关心的是:将来能设计出像人脑一样的电子计算机吗?不少科学家是抱乐观态度的。他们认为,可以设计出一种能用来设计较复杂的计算机的计算机,而较复杂的计算机,又能设计出更复杂的计算机。这样下去,最后设计出像人脑那样的计算机是可能的。正因为这样,也有人担心头脑发达的机器人,将来会不会对它的主人采取不礼貌的行为。许多科学家是不相信这点的。

114.佛像有多重

24寸电视机的荧光屏,看起来比12寸的大得多。有人说,这里的24寸和12寸,指的是荧光屏的对角线长度,两个屏的表面积,应该是4比1才对。这样的说法对吗?

大雄宝殿里有尊巨大的释加牟尼塑像。有人说,只要把香案桌上那尊模样一样的小释加牟尼塑像一称,便能算出大释加牟厄佛像的重量。这是怎么回事呢?

这是不相干的两件事,可它们的数学道理是一样的,先说数学道理。

两正方形面积的比,是它们边长比的平方。我们知道,两正方形对角线长的比,等于它们边长的比。这样,两正方形面积的比,也是它们对角线长的比的平方。更一般一些,可以说两正方形面积的比,等于它们对应线段的比的平方。大小不同的圆,也有类似的情况。

正方形和正方形,圆和圆,都是相似的。平面上的一切相似形,都有上面说的这种性质。

可是,电视机荧光屏的玻璃表面不是平面,是个曲面,也能这样算吗?

是的。数学的研究证明,相似几何体表面积的比,等于它们对应线段的比的平方。可见24时电视机荧光屏的表面积是12时的4倍。不仅如此,相似几何体的体积的比,还等于它们对应线段的比的立方。长度、面积和体积的这种关系,叫做相似比原理。

根据相似比原理,大小两尊释加牟尼塑像是相似几何体,要是用同样材料塑造,那它们体积的比,就等于它们的重量的比了。

说到这里不禁想起童话小说《格列佛游记》来。这部小说的作者,数学知识不坏。他说:格列佛到了小人国,他一顿饭的食量,相当于小人国公民1728人吃一顿的总和。初读到这里,觉得奇怪;仔细一想,才发现有道理。原来格列佛的身高,是小人国成人身高的12倍。于是,他的体积是一个小人国成人体积的123=1728倍。不过,这样计算有两点勉强的地方:一是把格列佛与小人国成人,看成了相似几何体;二是假定格列佛和小人国成人的体积,与他们的食量成正比。

小说毕竟是小说。说历史上真有过大人国和小人国,恐怕谁也不会相信。可是,在我国新疆维吾尔自治区,有一个叫千间房和锡格沁千佛洞的地方,是唐代玄类去天竺取经时到过的地方。这里许多建筑物的未烧制过的大砖头上,留下了制造者的手印,每一个手指印,竟有现代人的两个手指印那么宽。照此推算,这些古代巨人的体重,大约是现代人的8倍了。这是什么民族呢?也许,他们的手大得不成比例吧。

包饺子也遇到类似的问题。同样一斤面,为什么包得越大,馅用得越多呢?

道理是这样的:假定大小饺子的皮一样厚,再假定大小饺子是相似几何体;那么,饺皮随尺寸比的平方增加,可是饺馅体积却随尺寸比的立方增加,饺馅的消耗自然就比饺皮快了。实际的情况,不可能完全符合两个假定,所以计算结果是近似的,相似比原理的实用价值很大。