书城科普读物数学教学的趣味现象设计
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第23章 数学教学的趣味运用故事(20)

115.生命的数学现象

生命的数学现象到处可见。

扔一块骨头,狗看到了,会毫不犹豫地沿直线方向追去。我们自然不会相信狗懂得两点之间的距离,以直线为最短,只是生存的本能,促使它这样行动罢了。

动物的骨骼,各部分都有一定的比例关系。这种比例关系,已经成为研究古生物的重要方法。

更有趣的,是最近有科学家对动物的肠子长与身长作了调查,发现兔子、山羊的肠长与身长的比大,老虎、狼的肠长与身长的比小。他们认为:食草动物,肠长与身长比大,性格温和;食肉动物,肠长与身长比小,性格凶暴。这是因为兔子、山羊吃草,老虎、狼吃肉,草比肉难消化,需要的时间长,所以肠子也就相对长一些了。

根据这种认识,他们又对以肉食为主的西方人和以素食为主的东方人作了调查,发现西方人的肠长与身长的比,几乎普遍小于东方人。于是,在他们看来,这就是东方人比较文雅、西方人容易激动的一个原因。

尤其令人惊异的是蜜蜂。这种小昆虫,能够把蜂房正六棱柱底部的三个全等菱形的钝角,都建造成109度。计算确定,这样的蜂房消耗材料最少。今天,我们已把蜜蜂和各种飞禽走兽,都请进了仿生学中来,充当我们的老师。

蔓生植物牵牛花、菜豆、蛇麻草等,是沿着螺旋线的方向,缠绕其他植物往上长的。还有榆树的叶子,橡树的枝条,也是按照螺旋线排列的。根据数学的分析,这样可以最有效地接受阳光照射。蜗牛壳、牛角等是螺旋形。甚至松鼠在树干上相互追逐,也是沿螺旋线奔跑的。这是从树顶的一边到树底的另一边的最短线。

蛋白分子和核酸分子的空间结构,也是螺旋形结构,被称为生物的基本结构。

世界上大部分地区的妇女头发是直的,有人认为直发不够美观,老去烫成卷发。可是,非洲很多地区的妇女,头发生下来就是卷的,有人认为卷发不够美观,又老去烫成直发。天然卷发的角肮蛋白结构呈螺旋形,不烫就直不了。

长期自然选择的结果,生物按照数学法则来选择适应本身需要的形状,这种事例太多了。

西瓜为什么长成球状?任何同体积的几何体中,以球的表面积最小。西瓜长成球状,就可以减少表面水分散失,有利于它传种接代。这个特点,正好符合人爱吃果肉、不爱吃瓜皮的愿望。

竹子长成空心圆锥形,可以用有限的表面积,获得尽可能大的体积,这对提高它的生存能力有利。不过,也有反常的情况。前不久,在湖南发现了二十多亩方竹,竹竿截面呈正方形。

植物的叶子有叶脉。叶脉是输送水分和养分的交通线。科学家发现,各种植物叶子的几何形状虽然千差万别,可是叶脉的图案,却与叶片形状有着最经济的对应关系。叶脉的图案,能使维管束的数量最少,而运输效果最好。已经有人提出来了,将来设计工厂或者城市的管道系统时,应该向植物的叶脉学习。

116.少了一元钱

楠楠的妈妈下岗后,在市场卖茶叶蛋,生意还不错。双休日到了,楠楠帮妈妈卖蛋,她把蛋分成两份:大茶叶蛋30只,一元两只;小的、有点碎的有30只,一元三只。很快,茶叶蛋卖光了,共收入1×(30÷2)+1×(30÷3)=25(元)。

下午,楠楠又去市场卖茶叶蛋,还是60只。她想,分蛋很麻烦,干脆我把蛋放在一起搭配着卖。大的一元两只,小的一元三只,合起来就是两元五只,价格和上午的一样。很快,茶叶蛋又卖完了。可是,楠楠一点钱,发现下午只卖了24元钱。

同样是60只茶叶蛋,价格不变,只是用不同的方式卖,为什么下午会少卖1元钱呢?回到家,楠楠仔细思索,又拿出笔在纸上画画算算,终于弄明白了。

原来,按上午的卖法,大小茶叶蛋各有30只。但是如果以下午的卖法去卖,卖出5个为一批,那么当自己卖出十批后,已卖出20只大茶叶蛋,30只小茶叶蛋,也就是这时一元三只的蛋已经没有了,只剩下一元两只的蛋。这十个蛋按上午的卖法,应该卖到5元,但自己还是以两元钱五个的搭配方式卖出,只卖了4元,所以搭配的这60个蛋比分开卖的要少1元钱。

117.你身上的计算器

我们的手也能成为一个可以进行简单计算的计算器。这里有一个小窍门:计算9的倍数时,如图中所示,从左到右给你的手指编号。现在选择你想计算的9的倍数,假设这个乘式是7×9。只要像图示那样,弯曲标有数字7的手指。然后数弯曲的那根手指左边剩下的手指数是6,它右边剩下的手指根数是3,将它们放在一起,得出7×9的答案是63。

118.多少只袜子才能配成一对

如果你从装着黑色和蓝色袜子的抽屉里拿出两只,它们或许始终都无法配成一对。可是如果你从抽屉里拿出3只子,那么,不管成对的那双袜子是黑色还是蓝色,最终都会有一双颜色一样的。如此说来,只要借助一只额外的袜子,数学规则就能战胜墨菲法则。

当然只有当袜子是两种颜色时,这种情况才成立。如果抽屉里有3种颜色的袜子,例如蓝色、黑色和白色袜子,你要想拿出一双颜色一样的,至少必须取出4只袜子。如果抽屉里有10种不同颜色的袜子,你就必须拿出11只。根据上述情况总结出来的数学规则是:如果你有N种类型的袜子,你必须取出N+1只,才能确保有一双是完全一样的。

119.火车相向而行的问题

两列火车沿相同轨道相向而行,每列火车的时速都是50千米。两车相距100千米时,一只苍蝇以每小时60千米的速度从火车A开始向火车B的方向飞行。它与火车B相遇后,马上掉头向火车A飞行,如此反复,直到两辆火车相撞在一起。这只苍蝇在被压碎前一共飞行了多远?从火车出发到相撞的这一小段时间,苍蝇一直以每小时60千米的速度飞行,因此在两车相撞时,苍蝇飞行了60千米。所以不管苍蝇是沿直线飞行,还是沿“Z”形线路飞行,或者在空中翻滚着飞行,其结果都一样。

120.抛硬币并非最公平

抛硬币是做决定时普遍使用的一种方法。人们认为这种方法对当事人双方都很公平,因为他们认为钱币落下后正面朝上和反面朝上的概率都一样,都是50%。但是有趣的是,这种非常受欢迎的想法并不正确。

首先,虽然硬币落地时立在地上的可能性非常小,但是这种可能性是存在的。其次,即使我们排除了这种很小的可能性,测试结果也显示,如果你按常规方法抛硬币,即用大拇指轻弹,开始抛时硬币朝上的一面在落地时仍朝上的可能性大约是51%。

之所以会发生上述情况,是因为在用大拇指轻弹时,有些时候钱币不会发生翻转,它只会像一个颤抖的飞碟那样上升,然后下降。如果下次你要选出将要抛钱币的人手上的钱币落地后哪面会朝上,你在抛之前应该先看一看哪面朝上,这样你猜对的概率要高一些。但是如果那个人是握起钱币,又把拳头调了一个个儿,那么,你就应该选择与开始时相反的一面。

121.同一天过生日的概率

假设你在参加一个由50人组成的婚礼,有人或许会问:“我想知道这里两个人的生日一样的概率是多少?此处的一样指的是同一天生日,如5月5日,并非指出生时间完全相同。”

正确答案是,大约有两位生日是同一天的客人参加这个婚礼。如果这群人的生日均匀地分布在一年的任何时候,两个人拥有相同生日的概率是97%。换句话说就是,你必须参加30场这种规模的聚会,才能遇到一场没有宾客出生日期相同的聚会。

两个特定的人拥有相同出生时间的概率是1/365。问题的关键是该群体规模的大小。随着人数增加,两个人拥有相同生日的概率会更高。在10人一组的团队中,两个人拥有相同生日的概率大约是12%。在50人的聚会中,这个概率大约是97%。然而,只有人数升至366人(其中有一人可能在2月29日出生)时,你才能确定这个群体中一定有两个人的生日是同一天。

122.数学风力的影响

盛夏,天气闷热。一天,物价检查员小李走进一家副食品店,在水产组柜台前站下来,借头顶上旋转的吊扇解热。

这时一位中年妇女走近柜台买了1千克小虾。买后,这位妇女似乎觉得分量不够,就顺手把装虾的纸袋拿到一个公平秤上一称,发现少了25千克,这位妇女立即要求营业员补上,并批评营业员缺斤少两,克扣群众。

营业员把虾要过来重称了一下,不多不少,还是1千克。这一切都被小李看在眼里。

正当营业员和这位妇女争辩时,小李走上前用几句话道出了其中的奥秘,使营业员和这位妇女心服口服,然后营业员心悦诚服地给这位顾客补上25克虾。

原来吊扇旋转的风力对称形成了一种压力,所以出现了轻微涨称的现象。

123.生活中的“12”规律

平时空闲的生活中,您有留意过12这个数吗?如果你仔细观察,就会发现,它和我们的生活密切相关,它就在我们身边。你看,一年有12个月,钟表上有12个数,时针转一圈是12个小时。在我国和亚洲一些国家,人的属相有12生肖。还有,12件商品是一打,一个篮球队有12名队员,就连足球比赛罚点球的英制长度也是12码。

有趣的是,人体的某些结构也和12这个数结下了不解之缘。人的身体有12对脑神经,我国传统的中医学认为,人有12经脉。小肠的第一部分叫12指肠,就是说它的长度相当于12个横指。人体的两个眼球共有12块成对分布的眼外肌,使眼球能灵活地转动。人体的脊椎骨中共有12块胸椎,分别和肋骨相接。肋骨弯曲如弓,保护着心和肺。从胸椎通出12对神经,在中枢神经和胸腹部肌肉皮肤之间建立起灵敏的神经联系,构成完整的体系。

12就在您的生活中。仔细观察看,在你的周围还有12吗?

在忙忙碌碌的生活中,您不妨放下脚步,细心体会生活中的有趣事物,您会发现原来在我们的生活是这么的美好。

124.动物习性中的数学

冬令时节,天寒地冻,小猫、小狗在睡觉时,不是我们想象中的那样趴着身子,而是喜欢蜷缩着。那么你是否想过这是为什么呢?它与数学有联系吗?我们先来思考一道熟悉的数学问题,题目是:用12块棱长1厘米的正方体小木块搭成不同的长方体,共有几种不同搭法?

通过动手搭拼、试验,得到4种不同的搭法。

利用学过的知识,可知道这4个长方体的体积都相等,而它们的表面积分别为:50(平方厘米)、40(平方厘米)、38(平方厘米)、32(平方厘米),即(图4)的表面积最小。

这道题表明这样一个数学规律:在体积相等的情况下,小正方体之间的重合部分越多,其表面积就越小。

根据这个数学规律,我们不难悟出:小猫、小狗在冬天喜欢蜷缩着身子睡觉,正是在体积不变的情况下,增加身子相互重合部分,因此,减少暴露在外面的表面积,也就是受寒面积减少,散发的热量也会减少。小猫、小狗在冬天蜷缩着身子睡觉可以起到防寒保温的作用。

125.数列的应用——复利

让我们来先来看一个有关阿瑞和阿杰的小故事吧。阿瑞和阿杰同时大学毕业,阿瑞在内地家乡找了份工作,而阿杰则南下深圳求发展。两人找到的工作薪水一样高,都是年收入3万元。

阿瑞的家乡每年经济发展速度是1%,而阿杰所在的深圳则是3%,让我们来看看40年后,都发生了些什么?40年后,阿瑞、阿杰都已62岁了,这时,阿瑞的年收入变成了4.5万元,而阿杰的收入变成了每年9.8万元,整整比阿瑞多了2倍多。

原因究竟在哪儿呢?为什么40年的光阴会发生这么大的变化?其实根本原因就在那2%的增长率差异和40年的时光荏苒上。

在讲70规则之前,得先给你介绍一下什么叫复利?复利是个和单利相对应的经济概念,单利的计算不用把利息计入本金计算;而复利恰恰相反,它的利息要并入本金中重复计息。

比如你现在往银行存入100元钱,年利率是10%,那么一年后无论您用单利还是复利计算利息,本息合计是一样的,全是110元;

但到了第二年差别就出来了,如果用单利计算利息,第二年的计息基础仍是100元,利息也就仍是10元,本息合计就是120元。

可复利就不一样了,第二年的计息基础是110元,一年下来利息就变成了11元,本息合计就成了211元,已比单利计算的多了1元钱,如果本金再大一点,年限再长一些,差距之大可想而知。

现在再向你介绍一个被称为70规则的古老规律,或许它能帮你更清楚的了解增长率和复利的巨大威力。按照70规则,如果某个经济变量每年按X%增长,在将近70/X年以后这个变量就会翻一番。

阿瑞身处经济发展速度为1%的内地,要翻一番需要70年的时间,而在阿杰所处的深圳,收入按3%增长,因此,收入翻一番只需要70/3年左右,或23年。这下,你该明白为什么阿杰老来显得比阿瑞阔绰的多了吧。