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第6章 愚公移山

《列子》里有一则十分著名的寓言,叫做《愚公移山》。说的是北山有个名叫愚公的老人,年纪已经快90岁了。他的住所面对着太行、王屋两座大山,使他出入十分不便。愚公下决心要率领子孙们削平这两座大山,开出一条平坦的大路。他说干就干,带着三个能挑担的子孙,打石头、挖土方,用箢箕把土石运往渤海的边上。

黄河湾上有个名叫智叟的老头子,笑着来劝阻愚公说:“你怎么傻成这个样子了!你已经是风烛残年,剩下这点儿力气,连山上的一草一木也难以除掉,怎么能处理这么多的土石方呢?”愚公听了,便长叹一口气说:“你的思想太顽固了,简直是一窃不通!你要知道,即使我死了,还有儿子在呀;儿子又生孙子,孙子再生儿子,儿子又有儿子,儿子又有孙子,子子孙孙是无穷无尽的呀!而这两座大山却不会再增高,为什么怕挖不平呢?”智叟被驳得无话可说。

愚公的决心毫不动摇,每日挖山不止。他的决心终于感动了天帝,便派了两个大力神把这两座大山搬走了。

愚公回答智史的话,不但表达了他移山的决心,而且提出了一个有趣的无穷数列,即他的子孙后代繁殖的数列。

设愚公的儿子,即第一代的人数为a1;

愚公的孙子,即第二代子孙的人数为a2;

孙子的儿子,即第三代子孙的人数为a3;

一般地,第n代子孙的人数为an。

这样,我们就得到一个由正整数组成的无穷数列a1,a2,a3,…an(1)

这个数列描述了愚公子孙生殖繁衍的“无穷无尽”的状态。这个数列的每一项显然都与它前面的项有关,但这种关系不是确定的关系,而具有随机性质。可惜我们没有任何资料来确定(1)的具体数字。如果愚公的时代人们也自觉地计划生育,例如,一对夫妇只生两个孩子(假设愚公子孙们不能互相通婚),那么数列(1)就可成为递推数列:an+1=2an(2)

如果愚公有3个儿女,即a1=3,就得到下面这个数列:3,6,12,24,48,96,…(3)

这个数列(3),就是一个满足an+1=2an的数列。

客观世界的许多事物,都可借助数列来描述。例如由数列(3),人们就可能联想到天文学史上一个有趣的事实。

德国数学家蒂特乌斯1766年宣布了他发现的一个规则,这个规则确定各个行星与太阳之间递次距离的关系。几年之后,法国数学家博德认识到这一规则的重大意义,引起了人们对蒂特乌斯这一发现的充分肯定和重视。此后,这一规则便被称为博德定律。

让我们先看看下面这个表,然后再研究它的构造法则:行星名与太阳的距离[单位:110天文 单位(AV)]博德推算的距离实际距离水星43.9

金星77.2

地球1010.0

火星1615.2

28—

木星5252.0

土星10095.3

博德推算出的距离,依据的定律就是以数列(3)为基础的。如果对数列(3)的每一项都加上4,便得到表中博德推算的距离:4,7,10,16,28,52,100,…(4)

所以,数列(3)便是用以确定各行星与太阳之间的相对距离的博德定律。

你大概注意到了,表中博德距离为28的位置没有行星,你也大概知道,在土星之外还有别的行星。这是因为在博德定律刚提出来的时候,人们还只发现了表中所列举的那些行星。1871年,威廉·赫歇尔发现了天王星,它与太阳的实际距离为192,基本上符合博德定律(按博德的推算为196)。这使得天文学家为找不到与博德推算的距离为28的行星而焦虑不安。到了1801年,人们终于在火星和木星的轨道之间,发现了第一颗也是最大的一颗小行星,它与太阳的实际距离为27.6,与28非常接近。按照博德定律继续推算下去,下一个行星与太阳的距离应依次为:196、388、772,…

1846年,天文学家发现了海王星,按博德定律推算,它与太阳的距离应为388,但它与太阳的实际距离却是301,与388相差较大。但是到1930年天文学家又发现了冥王星,它离太阳的实际距离为396,却又与388十分接近。

博德通过观察数列(3)而得到博德定律,遗憾的是,对开始几个离太阳较近的行星虽然适用,但最后它终于不适用于推算距太阳较远的行星。

现在,我们再回到数列(2),数列(2)是一个递推数列,用递推方法建立数列的通项,是数学中最有用的方法之一。我们来看几个有趣的例子:图25

(一)我们知道,一条直线把一个平面分成两个区域。两条直线如果相交,则把平面分成4个区域;如果平行,则只能分成3个区域。(如图25所示)

现在问:如果平面上有n条直线,其中任何两条不平行,任何三条不共点,它们把平面分成多少个区域?(如图26所示)

不妨设这样的n条直线把平面分成an个区域。如图前n-1条直线已经把平面分成了an-1个区域,现在加上第n条直线,因为它与前面n-1条直线都相交,被那n-1条直线分成n段,每一段都把它所在的区域又一分为二,如图21中的AB把它所在的区域(阴影部分)分成Ⅰ与Ⅱ两个新区域。n段就增加了n个区域,所以有递推关系:an=an-1+n。再加上已经知道a1=2,便得到递推数列:a1=2an+1=an+n,n=1,2…(5)

(二)有一条2×n长的通道,现在要用2×1的瓷砖来铺盖它,2×1的瓷砖可以横放,也可以直放,如果按次序横放直放的摆法不同的铺盖算不同的铺法,那么有多少种不同的铺地方式?

易知a1=1,对于a2,因有横铺和竖铺两种方式,故a2=2。

把2×n长的通道的铺盖方式数记作an,如图28当我们从左至右把瓷砖铺下去,最后完成不外乎两种方式;最后一块竖铺,或最后两块横铺。

最后一块竖铺的方式数,与前面的2×(n-1)部分通道铺盖的方式数相同,有an-1种;同理,最后两块横铺的方式数为an-2。所以a1=1,a2=2an=an+1+an-2,n=3,4…(6)

再看另外一个问题:

在一条直线上有n个位置,在每个位置上站一男孩或一女孩,但男孩不得站在两个相邻的位置上,问有多少种站队法。

用an表示有n个位置时的站队数。

当n=1时,因可站一男孩或一女孩,有两种方式,所以a1=2。

当n=2时,有(男,女)、(女,男)、(女,女)3种站法,所以a2=3。

考虑有n个位置的情况:

假定前面n-1个位置已经站好,不管最后第n-1个位置站的是男孩还是女孩,都可以在第n个位置站一女孩,就有an-1种站法。

再考虑第n-1个位置站的是女孩的那些站法,这种站法都可在前n-2个位置站好之后再在后面站一女孩得到,故有an-2种站法。在这an-2种站法中,可于第n个位置加站一男孩,又得到一种n个位置的站法。所以an=an-1+an-2。即a1=2,a2=3an=an+1+an-2,n=3,4,……(7)

数列(5)与(6)这两个内容截然不同的问题,在本质上是相同的,它们都是斐波那契数列,只是开头起点不同而已。数列(5)从斐波那契数列的第二项开始,而数列(6)则从第三项开始。