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下一个数是?

好玩的数学  · 公众号  · 数学  · 2017-04-11 08:58

正文

每天好玩的数学

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作者 - 彭翕成

摘自 -《师从张景中》


圆珠笔 5 元一支,买 3 支需要多少钱?


类似的题目,谁小学没做过?


如果你顺手写成:3×5=15元,能得分吗?


我读小学的时候,这种写法是绝对不行的。一定要写成:5×3=15元,才能得分。当时老师总是强调 3×5 表示 5 个 3 相加,即3+3+3+3+3,而 5×3 表示 3 个 5 相加,即 5+5+5,显然后者才符合题意。


实际上,很多小学老师都认为:过分严格区分 5×3 和 3×5 是吹毛求疵,是呆板、机械的做法,容易遏制学生的思维;而等后来学到乘法交换律,又要和学生说:5×3=3×5,不是多此一举吗?


但没有办法,当时的考试规定是一定要写成 5×3 才得分。事关考试升学,学生的前途命运,尽管老师心里有疑惑,甚至是不满,也是没有办法的。


后来张师(张景中院士,小编注) 知道了这个事情,写了几篇文章,得到多数小学老师的认同。有老师也写文章回应:从学术讨论上来说,大家的想法基本是一致的。问题是考试怎么办?


张师虽然不在小学教书,但是小学老师的心情他是非常理解的。他知道,在中国考试分数决定一切,不解决考试的问题,说什么也没有用。


于是张师写信给教育部的领导刘坚教授,表达老师们的呼声和自己的看法,刘坚教授觉得这个建议很有意义。后来,新的课程标准中明确指出:“ 3 个 5 可以写作 3×5,也可以写作 5×3,3 和 5 都是乘数(也可以叫因数)。”


有了正式文件,老师们心中就有底了,学生们没必要区分得那么辛苦。但很少有人知道这中间有张师的辛劳。


历史往往会重演。现在小学数学中有一类题弄,叫做找规律,譬如给出一些数,让你观察并总结规律,猜测下一个数。这种题目不只是小学中有,很多考试中都有,譬如公务员考试、教师招聘考试等。于是网络上、QQ群里,都不断有人问起。


我们先来看一些例子:


给出1、2、4、8、16,下一个数是?我们可以认为是32,因为后一个数是前一个数的2倍。


给出1、4、9、16、25,下一个数是?我们可以认为是36,因为前面每个数都是自然数的平方。


给出1、1、2、3、5、8,下一个数是?我们可以认为是13,因为从第三个数开始,每个数等于前两数之和。这就是著名的斐波那契数列,也叫兔子数列。


给出1、2、6、42、1806,那么下一个数是哪个呢?我们可以认为是3263442,规律是这组数的第一个数是1,后面的每个数都是前一个数乘以这个数加上1。验证如下:1,1×(1+1)=2,2×(2+1)=6,6×(6+1)=42,42×(42+1)=1806,1806×(1806+1)=3263442。


类似地,给出一组数:1、4、14、45、139,可认为规律是这组数的第一个数是1,然后:(1×3) + 1=4,(4×3) + 2=14,(14×3)+3=45,(45×3)+4=139。


给出60、30、20、15、12,可认为规律是这组数的第一个数是60,然后:1/2×60=30,1/3×60=20,1/4×60=15,1/5×60=12。


看了这么多例子,你是不是摸出了些门道来呢?这类问题,有些较简单,但有些却很难让人难以捉摸,很难猜到出题人所指的到底是啥规律。这类问题这几年在公务员考试中出现,难倒一大批人。


我们要特别强调:这种找规律,是一种不完全归纳。给出若干个数,是不能完全确定下一个数的。就好像你发现“一”是一横,“二”是二横,“三”是三横,能推出“四”是四横么?


我们此处所谓的发现了规律只是这组数表现较为明显的规律而已,并不唯一。可能另外的人从别的角度给出答案,也有说得过去的理由。


譬如1、2、3、4、5、6、7后面一定是8么?不一定。也可能是1啊,想想周日之后是不是又是周一?


又譬如2、4、8、16后面一定是32么?不一定。有人给出了这样的几何解释。如图,圆周上有2点,将圆分成2部分;圆周上有3点,将圆分成4部分;圆周上有4点,将圆分成8部分;圆周上有5点,将圆分成16部分;圆周上有6点,将圆分成30部分,而不是32部分。



考试命题的一个基本要求是题目的科学性,譬如单选题就要求有且仅有一个答案。显然这种所谓的数字规律题不满足要求。下面是2007年国家公务员考试测试卷第45题:


0,2,10,30,(     )

A. 68        B. 74        C. 60        D. 70


有人选A,他认为的规律:0³+0,1³+1,2³+2,3³+3,4³+4,即 an=n³+n,n为自然数。


有人选B,他认为的规律:0×2+2=2,2×2+6=10,10×2+10=30,30×2+14=74,即an+1=2an+4n+2,a₀=0,n为自然数。


你可能会倾向于A,但是否有足够的理由排除B呢?实际上,若学过高等数学,利用拉格朗日插值公式,可得出无数多的答案。


类似的例子还有不少。如2009年广东省公务员录用考试第2题:


168,183,195,210,(     )

A. 213        B. 222        C. 223        D. 225


有人将给出的几个数作差,得到15,12,15,于是猜测接下来的差会是12,而一项应当是 210+12=222。


有人则认为:168+1+6+8=183;183+1+8+3=195;195+1+9+5=210;所以 210+2+1+0=213。


我的一位朋友是作公务员考试培训的。他和我诉苦道:以上两种所谓的规律,在公务员考试中都出现过。所以在讲课时,两种思路都会讲,如果考试时真的出了这样的题目,也不知道是选A还是选B,只能看运气!想想看,考生那么多,哪能每个人的想法都与出题人一致呢?


此外,这种规律题还有些更特别的思维,已经完全不是找规律的逻辑题了,而是脑筋急转弯。


譬如1、2、3、5、4,下一个数字是什么?答是100。理由是:1、2、3、5、4的中文是一、二、三、五、四,分别是1画、2画、3画、4画、5画。而100的中文是百,6画。


但这样的题目也出现在考卷上,如2008 年重庆市公务员录用考试第71题。


图形推理:每道题包含问题图形和可供选择的4个图形。问题图形具有一定的相似性。也存在某种差异。你要从中找出其变化的规律,并把这种规律正确地运用到解题过程中,或者依据图形变化的规律进行选择。



一本公务员考试宝典写道:这道题的思路为汉字的笔画数,但是正确答案有两个选项。“王”、“外”、“同”、“里”四个汉字笔画数分别为4画、5画、6画、7画,因此应当选出一个笔画数为8画的汉字,符合条件的汉字有两个,“画”字与“依”字均为8画。因此这道题的正确选项有两项。


作为考题,是不是应该更严肃慎重一点呢?而对于教学而言,强迫学生去揣测出题人的意图,追求所谓的标准答案,不是在抹杀学生自己的想象力么?


我们来看一个外国的例子。


如果给出下面三角形,下一行应该填什么?想必很多人都会填写“1 4 6 4 1”,因为规律很明显,不就是杨辉三角么?

而有三个外国中学生给出了不同的答案,他们的文章 The Rascal Triangle 发表在2010 年的 THE COLLEGE MATHEMATICS JOURNAL。


文章先是设计了一个教学场景(三个作者不是一个学校的),老师很不满意他们给出的答案“1 4 5 4 1”,告诉他们3+3应该等于6,而不是等于5。


学生解释:我们定义的规则有所不同,除了每行两端都为1之外,其余每个数都等于肩上两数相乘,加1,除以头顶上(即再上一行对应位置上)的数,譬如第5行的4=(1×3+1)/1,5=(3×3+1)/2。


老师提出疑问,所给规则最后用到除法,那能否保证生成的数阵,每一个数都是整数?如果是杨辉三角,那就简单,整数相加总是整数。而若所得不是整数,则这样的定义规则显然是不完美的。


学生给出了巧妙的证明。将数阵旋转45°,得


0: 1   1   1   1   1    1    ...

1: 1   2   3   4   5    6    ...

2: 1   3   5   7   9    11   …

3: 1   4   7  10  13  16   ...

4: 1   5   9  13  17   21  ...


这样一来,数阵中的每一个位置对应哪个数就更好表述了。行数列数都从 0开始,则第m行第n列的数是mn+1,第m行为:1,m+1,2m+1,...,nm+1。

[m(n+1)+1][(m+1)n+1]+1

=[(mn+1)+m][(mn+1)+n]+1

=(mn+1)(mn+1)+m(mn+1)+(mn+1)n+mn+1

=(mn+1)[(mn+1)+m+n+1]

=(mn+1)[(m+1)(n+1)+1]


上式除以mn+1,所得 (m+1)(n +1) +1正好是第m+1行第n+1列的数。根据数学归纳法可知所有数都是整数。


作为老师,看到学生能有这样的创新,心里自然是高兴的。但可能也会有点担心,要是考试出这样的题目怎么办呢?


我想这种所谓的数字规律题,还是要引起相关主管部门的重视为好。要么取消这种题目,要么将之作为主观题,只要考生写出自己认为的规律,能够自圆其说,都要视情况给分。


延伸阅读

《师从张景中》彭翕成 著

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本书真切细致地记述了著名数学家张景中院士对青年学生的关心照顾和指导培养,而作者自己虚心向学,终略有小成。本书角度独特,记录真实可信。书里张师的教导对于年轻人治学具有广泛的指导意义,而其中的师生故事也让人潸然泪下。

本书不局限于对张景中先生治学研究、培养人才等有兴趣的数学爱好者,书中所传递的坚韧不拔的精神振奋人心,给人以鼓舞,适合所有有志奋斗者阅读。


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