书城科普读物探索未知-诗歌与数学
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第5章 宝塔诗与三角数

诗歌中有一种叫做“宝塔诗”的特殊体裁,这种诗由若干行组成,第一行只有一个字,第二行二个字,第三行三个字,如此类推。当书写时每句都居中排列,就形成一个等腰三角形,像一座宝塔一样,故名“宝塔诗”。历代诗人,涉足“宝塔诗”者不乏其人。

清朝末年,东京有一所中国留学生学习陆军的预备学校,名叫成城学校。学生都是由清政府选派的皇亲国戚,其中不少纨绔子弟。他们在国外每日花天酒地,不求进取,只等混满时日,回国稳捞个军官。这些保皇派,还装出“大将军”的派头,嘲笑“自由平等”,向要求革命的留学生示威。1903年,鲁迅在日本东京弘文学院学习,看到这些情况十分气愤,便写了一首八行的宝塔诗来讽刺他们:兵成城大将军威风凛凛

处处有精神

挺胸肚开步行

说什么自由平等

哨官营官是我本份

(见周振甫编注,《鲁迅诗全编》第257页,浙江文艺出版社出版)

随着时代的进步,医疗卫生条件的改善,在我国基本上消灭了天花,在今天因感染天花而导致麻脸的人已经很罕见了。但在旧社会的中国,特别是农村,麻子是很多的。美学家朱光潜先生在《谈美诗简》中,引用了一首流传在四川的嘲笑麻子的宝塔诗:啥豆巴满脸花雨打浮沙

蜜蜂错认家

荔枝核桃苦瓜

满天星斗打落花

这首诗拿别人生理上的缺陷来开玩笑,内容是不足取的。

但它想象丰富,比喻奇特,在诗句字数递增变化上显得十分自然,还是有其特色的。

如果用数学的语言,宝塔诗不如叫做三角诗更为恰当。

诗歌中有这许多有趣且有名的三角,数学中也有许多有趣而且有名的三角。最著名的恐怕要算下面的“杨辉三角”了。

杨辉是我国宋朝时候的数学家,他在公元1261年写了一本《详解九章算法》,里面画了下面这样一张图:图名叫做“开方作法本源”。杨辉在书中说,这个方法出自《释锁算书》,贾宪曾经用过它。但《释锁算书》早已失传,其刊行年代已无从查考,是否贾宪所著也无法判定。又因为“开方作法本源”这一名词较为古奥,所以后人就干脆把这个图形简称“杨辉三角”。

在西方,这个图形称为“巴斯卡三角”,因为一般都认为这是巴斯卡在1654年发明的。其实在巴斯卡之前已有人论及过,最早的是德国人阿批纳斯,他曾经把这个图形刻在1527年著的一本算术书的封面上。但不管怎样,西方人发现杨辉三角至少要比中国人晚300年光景。

杨辉三角用数字写出来是:

1

11

121

1331

14641

15101051

1615201561

……

杨辉三角中数的构造是有规律的。每一个数在它上面那一行中,有两个和它最靠近的数,分别称为该数“左肩”或“右肩”上的数。例如,杨辉三角第六行第三个数是10,它的上一行中,最靠近这个10的两个数,左边的是4,右边的是6,那么4与6分别称为10“左肩”和“右肩”上的数。(靠边的数只有一个左肩或右肩,另一个视为0)。

杨辉三角中每一个数都等于它的左右两肩之和,例如10=4+6。根据这一规则,可以写出杨辉三角的任一行上的数,一般地有:第n+1行:1=C0n,C1n,C2n,……C(n-1)n=1

这里,记号Crn表示从n件物品中取出r件的组合数。求组合数的公式是:Crn=n(n-1)…(n-r+1)r!=n!r!(n-r)!

和杨辉三角有最直接联系的是二项式定理。在初中代数中,我们学过求二项式的展开式:(a+b)0=1(a+b≠0)

(a+b)1=a+b

(a+b)2=a2+2ab+b2

(a+b)3=a3+3a2b+3ab2+b3

(a+b)4=a4+4a3b+6a2b2+4ab3+b4

不难看出,(a+b)1展开后的系数1,1就是杨辉三角第二行的数字;(a+b)2展开后的系数1,2,1就是杨辉三角中第三行的数字;(a+b)3展开后的系数1,3,3,1就是杨辉三角第四行的数字;同样地,(a+b)4展开后的系数1,4,6,4,1即杨辉三角中第五行的数字。一般地,杨辉三角中第n+1行的数字就是(a+b)n展开后各项的系数。例如,杨辉三角第七行的数字是1,6,15,20,15,6,1,那么,(a+b)6的展开式就是:(a+b)6=a6+6a5b+15a4b2+20a3b3+15a2b4+6ab5+b6

杨辉三角有许多有趣的应用,有兴趣的读者,可参阅华罗庚著的《从杨辉三角谈起》一书。

现在我们来介绍另一种有趣的三角:

(一)第一种司特灵(1692-1770)三角这个三角的构造方法是:除第一行为1外,其余各行中的每一个数,都等于它右肩上的数乘以右肩所在的行数,再加上左肩而得。例如第5行第3个数是35,它的右肩为6,左肩为11,右肩所在的行数为4,所以35=6×4+11。

这个三角中的数与下面这个展开式中的系数有关:x(x-1)(x-2)…\[x-(n-1)\]

=anxn-an-1xn-1+an-2xn-2-…±a1x上式中的an,an-1,an-2,…就是上面三角中第n行从右至左的各个数字。例如,三角中第5行从右至左的数字依次是1,10,35,50,24。那么,就有x(x-1)(x-2)(x-3)(x-4)

=x5-10x4+35x3-50x2+24x这个三角中的数称为第一类司特灵数。这个三角我们就姑且称它为第一类司特灵三角。司特灵三角中第n行倒数(从右至左)第r个数,记作nr,那么就有公式:……

x(x-1)(x-2)…[x-(n-1)]=nnXn-nn-1Xn-1+nn-2Xn-2-…±n1X(二)下面这个三角可称为第二类司特灵三角,它的每一行中的数称为第二类司特灵数。它表示把一个含有n个元素的集合划分成r个非空子集的方法数,记作nr。例如含有4个元素的集合a,b,c,d,划分为2个非空子集的方法数共有7种,即a/bcd,b/acd,c/abd,d/abc.ab/cd,ac/bd,ad/bc.所以42

1

11

131

1761

11525101

1319065151

这个第二类司特灵三角中第n第r个数就是nr,例如第4行第2个数为7,所以42=7。又例如,第5行第3个数为25,所以53=25,即把一个5个元素的集合分成3个非空子集的方法数数有53=25种。

第二类司特灵三角的制造方法是:第n行第r个数等于它的右肩乘以右肩所在的位数(即为r)再加上左肩。例如第3行第2个数为7,它的左肩是1,右肩是3,右肩的3在该行的第2位,故有7=3×2+1。