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数学这门学科到底有多有趣?

超级数学建模  · 公众号  · 数学  · 2017-11-07 22:27

正文

这才是

数学


一提到数学,大部分人想到的往往是做题;数学是一个只关乎对错的学科;数学就是一个以“表现和成绩”说话的学科…… 实际上,数学是一门很有意思的学科。


举个栗子,大家熟知的 鸡兔同笼问题


这个问题,是我国古代著名趣题之一。大约在1500年前,《孙子算经》中就记载了这个有趣的问题。书中是这样叙述的:

“今有雉兔同笼,上有三十五头,下有九十四足,问雉兔各几何?”


这四句话的意思是:有若干只鸡兔同在一个笼子里,从上面数,有35个头;从下面数,有94只脚。求笼中各有几只鸡和兔?


一看到这道题,很多人立马想到 建立方程组

于是,你开始设未知数:设鸡x只,兔子y只。


列方程:

2x+4y=94(脚)

x+y=35(头)

得出x=23(只鸡)  y=12(只兔)


如果你只会这么做,那你一定是 被应试教育洗脑 啦~


其实除了课本上的解法,这道题还有其他好玩的解法。


包贝尔抬脚法


假设所有的鸡和兔子都会听口令,吹一声口哨,所有的鸡和兔子抬起一只脚,再吹一声口哨,所有的鸡和兔子再抬起一只脚,这时候所有的鸡就都一屁股坐在地上了,那么地上剩下的脚就都是兔子的脚:

94-35×2=24

每只兔子还剩两只脚:24÷2=12

所以兔子就是12只,鸡是23只。


浓度三角法


假设35只全是鸡,那就是70条腿;35只全是兔子,就是140条腿。而实际是94条腿。


所以35只鸡和兔是按照23:12分配,所以鸡是23只,兔是12只。


这样去理解数学,是不是觉得数学也没那么枯燥了?乔·博勒在她的新书《这才是数学(教师篇)》中就讲到,数学是一个开放性的学科,我们要学会欣赏数学之美,要用成长式的数学思维去学习数学。


要想真正理解数学的本质,最好从人类社会与自然界中的数学开始。


动物也会运用数学


还有一个很有趣的现象,海豚在水中通过发射超声波来定位。


海豚会发出一种像敲击声一样的声波,这些声波在遇到障碍物后会传回给海豚。然后海豚利用声波来回所消耗的时间和回声的质量来找到他们的同类。实际上海豚在回声定位的过程中进行了比率运算,这和我们在代数课上做的比率练习题是一样的,只不过我们在代数课上不停地做重复练习,而不知道知识应用的任何真实场景。


蜘蛛织网时,它首先会在两个比较稳固的垂直支撑物 (例如树杈) 上编织一个星型的网,然后开始沿着螺旋线织网。因为蜘蛛需要尽快通过螺旋线型的网来加固中间的星型网,所以它的选择是沿着对数螺旋线织网。在对数螺旋线中,螺旋线旋臂之间的距离越来越大,而且增大的速率是相同的 (如图3.6) 。这意味着对数螺旋线在向外扩张时,随着圈数的增加,它扩张的速度也越来越快。因为沿着对数螺旋线织网会在网上留下很多空间,所以蜘蛛还会织第二张更为紧密的网。


这张新网的轨迹就是 等距螺旋线 ,也就是说相邻旋臂之间的距离是相等的。因为第二条螺旋线比较长,所以蜘蛛要花更长的时间去织沿着这条螺旋线的网。不过,因为等距螺旋网填补了蜘蛛网的漏洞,所以蜘蛛可以捉到更多的昆虫。


人类可以通过运算来完成这项了不起的工程,但蜘蛛在织网过程中天生就会运用这些数学知识。


雪花中也有数学


如果你仔细观察雪花,你会发现一个有趣的现象。虽然每个雪花是不同的,但它们都是六边形,每个雪花通常都有六个顶点。雪花总是六边形的原因是:雪花是由水分子构成的,当水结冰时,水分子会以六边形的形式结合在一起。


数学还可以救命


还记得著名的“费马大定理”吗?身为律师和业余数学家的皮埃尔•德•费马 (其被誉为“业余数学家之王”) 有两个习惯,一个是提出猜想,一个是阅读时在书页空白处记录推论结果。


一天晚上,他在研究丢番图《算述》中的一个问题,这个问题是找出能够使x^2+y^2=z^2成立的所有x、y和z的整数。像平时一样,他在书的空白处写道:

“任何一个数的立方,不能分成两个数的立方之和,或者任何一个数的四次方,不能分成两个数的四次方之和。一般来说,不可能将一个高于二次的幂分成两个同次的幂之和。我已经发现了这个n>2结论的美妙论证,可惜这里的空白地方太小,写不下。”


也就是说,费马得出结论,当n>2时,方程x^n+y^n=z^n没有整数解。


从那时起,这项证明萦绕着数学家们,成千上万人耗费毕生精力想要找到答案。法国科学学院悬赏3000法郎和金牌给任何可以解出此题的人。


然而,最大的奖项是由20世纪初德国数学家保罗•沃尔夫凯勒提供,他在遗嘱中为这个证明留下10万马克,相当于现在的200万欧元 (超过1500万人民币)


据说,当时沃尔夫凯勒疯狂的迷恋上一个漂亮的女孩子,但是却被无数次决绝,他感到很沮丧,于是定下了自杀的日子,决定在午夜钟响的时候告别这个世界。


到了这一天,沃尔夫凯勒写了遗嘱,并且给所有的朋友亲戚写了信。等他做完所有的事情,距离午夜钟响还有几个小时。在他等待午夜时分时,他随意的从书架中取下一本数学书。这本书恰好记录了奥古斯丁•路易•柯西证明“费马大定理”的尝试。沃尔夫凯勒因为试图纠正柯西证明中的一个错误,竟忘记了自杀。午夜过去,数学重燃了他生存的意志,尽管他没能纠正柯西证明中的错误。


数学也可以很浪漫







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