书城科普读物趣味科学(科学知识大课堂)
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第29章 趣味数学(2)

突然,有一个身穿笨重防护服的人,从掩体里冲出,迎着试验方向奔去。这个勇敢的人去干什么呢?只见他一边跑,一边把事先准备好的许多小纸片举在头上,迎风撒去,纸片立即随着气流飘动起来。这时,他又转过身子,注视着小纸片的飘落,跟着小纸片的飘动跑起来,一边跑,一边数着自己的步子。等他拾起落在地上的纸片,气喘吁吁地回到掩体时,大家才看清他是著名的物理学家费米。

只见他十分兴奋地说:“大家听着,第一颗原子弹爆炸的威力,大约相当于2万吨普通军用炸药爆炸时所释放出来的能量。”

要不是他在物理学界非常有威望,大家都会认为他是在招摇撞骗,即使由于他的威望,对小小几张纸片竟能测出原子弹爆炸时的威力,大家也感到疑惑不解、半信半疑。没有想到,两小时后,经过精密仪器测定的结果,与费米的纸片测定结果相同。从此,人们不由得对费米更加崇敬了。

物理学家费米如何利用纸片推算出原子弹爆炸的威力呢?原来,原子弹爆炸时巨大的能量以三种形式释放出来:第一是爆炸中心产生极高的温度,辐射大量的热;第二是附近空气受热膨胀,产生强大的冲击波;第三是产生相当多的放射性粒子。费米计算了三种形式能量之间的关系,因此,只要测出一种能量,就可算出全部能量,即原子弹爆炸的威力。费米选择了测量冲击波的能量。这种能量,即强大气流的能量最容易测量。气流的能量正比于气流的速度,而气流的速度可以看作纸片飘动的速度。那么又如何知道纸片飘动的速度呢?纸片的速度为纸片飘过的距离除以飘动的时间。只要事先练习好每一步的准确距离和计算出跨一步的精确时间,在跟随小纸片奔跑时,记下小纸片落地时已跑了多少步,又记下跑到小纸片落地处一共是多少步,这样就能求得小纸片飘过的距离和飘动的时间,纸片的速度就知道了。当然,用这种方法推算出的爆炸威力的结果只能是近似的数值。

油画中的数学题

俄国一美术博物馆收藏了一幅奇怪的油画,画名就叫《难题》。油画的作者是著名俄国画家波格丹洛夫·别列斯基。油画描绘了俄国数学家、教育家拉金斯基和他的学生们正在演算黑板上的数学题。画面的主体是黑板上用白粉笔列的一道数学题。一群俄国小学生正仰着小脑袋,皱着小眉头,望着黑板上的数学题动脑筋。黑板上方有一个镜框,镜框里有拉金斯基的半身肖像。他面带微笑,双眼闪着聪睿和蔼之光,看着孩子们,好像在鼓励他们开动脑筋,攻克难关。

这幅油画中,黑板上的数学题占据了画面的中心,似乎显得单调、枯燥;但是,只要人们驻足观看一眼,就会被画面空间洋溢出的智慧吸引住,情不自禁地在油画前做起数学题来。

乍看之下,这道数学题似乎并不难,但是细细一看,却也不是很容易。它不仅使小学生搔头抓耳弄不明白,就是大人们也一下子难以算清。

黑板上列的是一道分数题:

分子是:10的平方加11的平方加12的平方加13的平方加14的平方;分母是:365。

求它的答案。

这道题是拉金斯基出给他所教的小学生做的。拉金斯基是俄国莫斯科大学的数学教授,是著名的数学家。他为什么要给小学生出数学题呢?

原来,拉金斯基虽然出生于俄罗斯偏远的农村,却天生地对数学有浓厚的兴趣,小时候常常为一些“难题”,算个几天几夜也不疲倦。11岁那年,他碰到一道二元二次方程式,无论他怎样绞尽脑汁,也解不出来。倔强的他独自徒步100多里,到城里向一位中学数学老师请教。老师只花了一分钟,教给了他一个简单的公式。他便很容易、很迅速地解开了这道方程式。这件事对拉金斯基深有触动:一些令乡村孩子们头疼的“难题”,只要有老师指导,其实是很容易解的。

拉金斯基通过自己的努力奋斗,终于成为俄罗斯出类拔萃的数学家。但是,他始终难忘乡村的孩子们。经过再三思考,他毅然辞去大学教授的职位,到乡村小学去当一名数学教师。他深知数学常常使农村孩子们畏惧,决心把枯燥的数学转变为孩子们喜爱的课程。于是,他利用数的一些特性,教给孩子们许多速算的方法。这既可以教给孩子们实际的技能,也可以激发孩子们的创造性,培养出对数学的浓厚兴趣和严谨的思维。油画中的数学题就是拉金斯基出的。他之所以要出这道题,是因为这道题看起来很麻烦,但是,如果了解了这道题几个数字之间存在的一个特性,它就迎刃而解了。

那么,这道题几个数字之间有什么特性呢?

你先算一算,它等于多少?

在计算中,你发现什么规律没有?拉金斯基在计算中发现了一个规律,就是:10的平方加11的平方加12的平方之和,正好等于13的平方加14的平方之和。而10的平方加11的平方加12的平方等于365;也就是说,13的平方加14的平方也等于365。这样,分子是两个365的和,而分母是一个365。分子除以分母,答案即可脱口而出地说出来:2。

这样的数学题,不仅教会学生速算的方法,更重要的是,它能启发学生细心地去考察数的一些性质,从而运用技巧去解决难题。画家别列斯基创作这幅油画,把看似枯燥的数学题绘进画幅,但却使观者如嚼橄榄,回味无穷,观众对拉金斯基出色的教学法赞不绝口。

看过这幅油画的人,在弄懂了它的寓意以后,再做数学题,都会特别留心数字之间是否有规律存在,并力图寻找出简便的运算方法来。中国著名数学家华罗庚曾经建议学数学的人,都看一看这幅油画。

9进制

乔治·兰伯特是美国加利福尼亚州一所中学的数学教师,他对数学特别敏感而且有极大的研究兴趣。他常年与数目、公式打交道,深感数学的神秘和魅力。特别有趣的是,他的妻子安妮连续3年都在同一天分娩,更使他感到冥冥之中的某种神秘力量造成了这种巧合。因此,他开始注意一些巧合的事件,力图用数学的方式来破解巧合。

随便举几例他发现的巧合。

法国皇帝拿破仑与纳粹元首希特勒相隔1个多世纪,但他们之间却有很多数字的巧合。拿破仑1804年执政,希特勒1933年上台,相隔129年。拿破仑1816年战败,希特勒1945年灭亡,相隔129年。拿破仑1809年占领维也纳,希特勒在1938年攻入维也纳,相隔也是129年。拿破仑1812年进攻俄国,希特勒1941年进攻苏联,其间相隔又是129年。

美国第16届总统林肯于1861年任总统,美国第35届总统肯尼迪于1961年任总统,时隔100年。两人同在星期五并在女人的参与下被刺遇害。接替林肯任总统的名叫约翰逊,接替肯尼迪任总统的也叫约翰逊。更巧的是,杀害林肯的凶手生于1829年,杀害肯尼迪的凶手生于1929年,又正好相隔100年。两名凶手都被捕获经审讯被处决。更令人吃惊的是,林肯出事这一天,他的一位姓肯尼迪的秘书曾急切建议林肯不要去剧院;而肯尼迪出事这天,他的一位叫林肯的秘书也曾极力劝告肯尼迪推迟达拉斯之行。

兰伯特被这些巧合和数字迷住了,他经常将这些数字翻来覆去地分解组合。他惊奇地发现拿破仑和希特勒的巧合数129与林肯和肯尼迪的巧合数100,把它们颠倒过来成为921和001,用921减去129,用100减去001,得数都能被9除尽:921-129=792,792÷9=88;100001=99;99÷9=11。而且,它们都有一个十位、个位相同的两位数商。

兰伯特异常吃惊。他又做游戏似地用这些名人的出生日期来做数字组合分解,又得到一个奇特的数学现象。

拿破仑出生于1769年8月15日,将这些数字连起来,构成一个数1769815。重新组合排列这些数,任意构成一个不同的数,例如9876511。在这两个数中,用大数减去小数,即9876511-1769815=8106696。把所得的差的各个数位上的数相加,得到一个两位数36。再把这个两位数十位和个位上的数相加,即3+6=9。最后的结果是9。

林肯出生于1809年2月12日,将这些数字连起来,构成一个数1809212。重新组合排列这些数,任意构成一个不同的数,例如9212081。在这两个数中,用大数减去小数,即9212081-1809212=7402869。把所得的差的各个数位上的数相加,得到一个两位数36。再把3和6相加,其结果仍然是9。

实际上,把任何人的生日写出来,按照上面的方法计算,最后得到的结果都是9。不信,用你的生日算一下,结果一定还是9!

兰伯特对9入了迷。

他发现,将1,2,3,4,5,6,7,8,9加在一起,它的和是45,那么4+5=9。

他发现,用9乘以任何数,得出的积数相加,结果它们的和总是9。

9×2=18——1+8=9

9×3=27——2+7=9

9×4=36——3+6=9

9×5=45——4+5=9

9×6=54——5+4=9

9×7=63——6+3=9

9×8=72——7+2=9

9×9=81——8+1=9

不论你用来乘9的数有多大,得数加起来总是9!你可以试用每一个数,结果绝对都如此:

9×78=702——7+0+2=9

9×1997=17973——1+7+9+7+3=27——2+7=9……他发现,取任何一个数,比如说1997,把每一位数加起来1+9+9+7=26,用1997减去26,就等于1971。这个数一定能被9除尽!1971÷9=219。

兰伯特带着对9的神秘感去请教大数学家乔希·波普。波普告诉他关于9的数理。

把一个大数的各位数字相加得到一个和;再把这个和的各位数字相加又得到一个和;这样继续下去,直到最后的数字之和是个一位数为止。最后这个数称为最初那个数的“数字根”。这个数字根等于原数除以9的余数。这个计算过程,被称为“弃9法”。

求一个数的数字根,最快的方法是在加原数的数字时把9舍去。例如求199798的数字根,其中有3个9,而1+8也等于9,就可以舍去,最后只剩下7。7就是199798这个原数的数字根。

由这些知识可以解释前面所述生日算法的奥妙。假定一个数n由很多数字组成,把n的各个数字打乱重排,就得到一个新的数n′。显然n和n′有相同的数字根(例如199798和199897),把两个数字根相减就会得0。也就是说n-n′一定是9的倍数,它的数字根是0或9。而在这种算法中,0和9本是一回事(即一个数除以9所得的余数)。n-n′=0,只有在n=n′即原数实际上没有改变时才发生;只要n≠n′,那么n·n′累次求数字和所得的结果一定是9。

懂得了弃9法,兰伯特顿悟了不少。他进而想到,人类根本不应当10个10个地数数(十进制),也不应该12个12个(一打)地数数,而应该9个9个地数数,实行九进制。

这听起来似乎令人难以接受。因为人类有史以来就使用十进制;而现在的电子计算机也是采用的二进制。使用九进制有必要吗?

科学家认为,使用九进制,能使加减乘除运算变得更快更准确。但目前对9的研究还很不够,9对人类来说还极具神秘性。包括兰伯特在内的数学家们正努力地探索9的奥秘,希望在21世纪能对9的研究有更大的突破。

在结束本文的时候,请欣赏以下美妙的数字,以唤起你对神秘的9的兴趣,让你成为打破9的神秘的突击手,使人类在21世纪有可能掌握一种更先进的九进制计数方法:

987654321×9=8888888889

987654321×18=17777777778

987654321×27=26666666667

987654321×36=35555555556

987654321×45=44444444445

987654321×54=53333333334

987654321×63=62222222223

987654321×72=71111111112

987654321×81=80000000001

会下金蛋的母鸡

神话里有个仙人,他有一个神奇的宝盆,装进石子就能变成金子;童话里有个仙女,她有一个神奇的手指,能点石成金;这些当然都是人们编造出来虚无飘渺的故事。

然而,在数学王国里,却真有一只神奇的会下金蛋的母鸡……那是在300多年前的法国。

当时巴黎有一位律师,名叫皮埃尔·费尔马,是一个数学爱好者。他把毕生的业余时间都用来研究数学,并且在许多数学领域里做出了开创性的贡献,被人们称为“业余数学家之王”。

费尔马性情好静,不喜欢写书和发表论文,但是喜欢在钻研别人的著作时,在书页的空白处随时写下问题,记下心得。