书城科普读物探索未知-诗歌与数学
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第6章 回文诗中的循环美

北京老舍茶馆有一副对联:

前门大碗茶,茶碗大门前

其中的下联是将上联倒过来而得到的,它将这家茶馆的地理位置,经营特色一览无遗地表现出来了,但总共只用了区区5个字。真可谓别出心裁,妙笔生花。

这种对联叫做回文联。回文是我国古代文学中一种特殊的修辞方法,有回文诗、回文词、回文联、回文句等等。回文的特点是:在一篇作品中,作者精心地挑选字词,巧妙地安排顺序,使得一篇作品倒转过来从头读起,也同样是有意义的作品。

虽然,由于这种高度的形式主义的束缚,使得大多数回文作品是意义不大的文字游戏,但唐、宋以来,确实也有不少写得好的回文,如苏试的七律《游金山寺》:潮随暗浪雪山倾,远浦渔舟钓月明。

桥对寺门松径小,槛当泉眼石波清。

迢迢绿树江天晓,霭霭红霞晚日晴。

遥望四边云接水,碧峰千点数鸥轻。

把它倒转过来,仍然是一首完整的七律诗:

轻鸥数点千峰碧,水接云边四望遥。

晴日晚霞红霭霭,晓天江树绿迢迢。

清波石眼泉当槛,小径松门寺对桥。

明月钓舟渔浦远,倾山雪浪暗随潮。

这首回文诗无论是顺读或倒读,都是情景交融、清新可读的好诗,历来被视为回文中的上乘之作。再以老舍茶馆门前的回文联而论,也是雅俗共赏、情趣盎然,不失为脍炙人口的佳作。

文学中有回文体,数学中也有一种“回文数”。把一个正整数的各位数字反转过来,得到一个新的正整数,例如315的各位数字反转过来得513。后者称为前者的反序数,也称为回文数。利用回文数可编出许多有趣的数学问题。例如:一个二位数与它的回文数之和是一个平方数,这样的数最大的是多少?设这个二位数的十位数字为x,个位数字为y,则依题意有:(10x+y)+(10y+x)=10(x+y)+(x+y)=11(x+y)

x+y必须是11与某一平方数的乘积,因x,y都是数字,它们的和不能大于18,所以x+y要满足条件x+y=11,要10x+y最大,只有x=9,y=2。所以,本题的答案是92。

回文中还有一种特殊形式的循环句,把一句话写成一个环形,不管你从哪一个字开始,按一定的方向(例如顺时针方向)顺序读下去,都是一句意义完整的话。例如下面的图中古人写在圆形茶具上的一句回文。当朋友围桌而坐,品茗谈心的时候,不管你坐在哪个位置,从对着你的那个字开头,按顺时针方向读下去,都得到一句咏茶的话:不可一日无此君→可一日无此君不?

→一日无此君不可

→日无此君不可一

→无此君不可一日

→此君不可一日无

→君不可一日无此

每一句都合乎语法,贴切通顺,用不同的语气,说明了人不可一天无茶。

20世纪80年代初期,在我国一次全国性的青少年智力竞赛中,出了这样一道数学题:“有一个六位数,将它分别乘以1,2,3,4,5,6后仍然得到一个六位数,并且都由原来的六位数的数字组成(只是排列顺序不同),求这个六位数。

这个问题如果严格按照逻辑推理的程序,要得出正确的结论,不但需要冗长的计算,而且有相当的难度。在实战的智力竞赛中,由于题目多,时间短,不可能那么从容不迫地去推理。因此,真正参加竞赛的同学仅靠逻辑思维,往往很难有获胜的把握,有时也要依靠一点灵感和直觉,或者说也要适当的辅以形象思维。

现在我们从另一角度来思考这一问题:

设所求的六位数为x=abcdef,(这里的a,b,c,d,e,f分别为0至9之间的数字),数学家相信,数学具有某种统一性与和谐性。既然x,2x,3x,4x,5x,6x都是由相同的6个数字组成的六位数,只是排列的顺序不同,这种排列可能具有某种循环关系,换句话说,x,2x,3x,4x,5x,6x可能由x的6个数字依次循环排列而成。或者说,与上图类似,把a,b,c,d,e,f这6个数字顺次写在一个圆周上,按顺时针方向,顺次从每一个字开头读出一个六位数:abcdef→bcdefa→cdefab→defabc→efabcd→fabcde。

这6个六位数恰好就是我们要求的x,2x,3x,4x,5x,6x。

这种猜想是不是有点异想天开?事实上,科学研究中许多重大的突破,往往是首先大胆地跳跃到某种结论上,然后再努力去检验结论的。我们要敢于也要善于“大胆的一跳”,当然,这往往也是很“艰难的一跳”。

这种猜想有可能吗?我们不妨先循这一猜想的思路走下去。我们既然希望找到某种循环关系,有些分数是循环小数,不妨就以它们进行试验。如果将x,2x,3x,4x,5x,6x的每一个都除以7x,就得到分数:17,27,37,47,57,67

它们都是循环小数。我们希望的循环关系,如果存在的话,是否与这些分数的循环有关呢?不妨试一试看,这是不难办到的。由直接计算便可得到:17=0.142857…

27=0.285714…

37=0.142857…

47=0.571428…

57=0.714285…

67=0.857142…

这样,我们就连猜带试地很快发现x=142857了。并且如上图所示,x,2x,3x,4x,5x,6x,确实分别是从图中任一数开头依顺时针方向读出的6个六位数,只不过顺序与我们原来的猜想略有不同而已,它的顺序是:x→3x→2x→6x→4x→5x多么美妙的直觉,多么漂亮的推理,多么和谐的结果,形象思维与理性思维达到了合理的统一,它们相得益彰,并没有不可逾越的鸿沟。

这里再给读者介绍1963年第四届国际中学生数学奥林匹克(IMO)的一道试题:“一个自然数n在十进制表示下,最后一位数字为6,将这个数字移到其余数字的前面,所得的新数为原数n的四倍,求满足这一条件的最小自然数n。”

这道试题一般都利用不定方程求解,由于是国际竞赛试题,自然有相当的难度。但是我们根据上题的经验,也可能直觉地猜想:这个题目所求的自然数n的各位数字也可能具有某种循环性,题目要求我们求最小的一个n,那就只要取一个循环节就可以了。甚至还可以设想这个循环节也是6位的。在这种大胆的猜想之下,我们就可以用还原的竖式乘法来检验。

设所求的数为n=abcde6(a,b,c,d,e分别为十万位,万位,千位,百位,十位上的数字)依题意,应有a b c d e 6×46 a b c d e这可能吗?

由4×6=24,知e=4,且进位2;

由4×e=4×4=16及进位2,知d=8,且进位1;由4×d=4×8=32及进位1,知c=3,且进位3;由4×c=4×3=12及进位3,知b=5,且进位1;由4×b=4×5=20及进位1,知a=1,且进位2;由4×a=4×1=4及进位2,恰得6且无进位。

完全达到了我们预期的结果。根据只要求n最小,取n=abcde6=153846就可以了。根据循环性,153846153846,153846153846153846等数也都符合题目的要求,不过不是最小的一个罢了。

推理如此简单,一般的初中甚至小学高年级学生都能作出,这大概是当年命题的专家们所始料未及的。不过,这道题目既已成为国际数学奥林匹克的正式试题,也就“一登龙门,身价百倍”了。