书城教材教辅智力加油大派队(中小学生奥林匹克集训与选拔)
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第10章

4个三角形的总面积是2ab,中间那个小正方形的面积是(b-a)2,它们的和是2ab+(b-a)2=a2+b2。比较这两种方法算出的结果,就有,a2+b2=c2。

赵爽的证法鲜明地体现了我国古代证题术的特色。这就是先对图形进行移、合、拼、补,然后再通过代数运算得出几何问题的证明。这种方法融几何代数于一体,不仅严谨,而且直观,显示出与古代西方数学完全不同的风格。

比赵爽稍晚几年,我国数学家刘徽发明了一种更巧妙的证法。

在刘徽的证法里,已经用不着进行代数运算了。

刘徽想:直角三角形3条边的平方,可以看作3个不全相等的正方形,这样,要证明勾股定理,就可以理解为要证明:两条直角边上的正方形面积之和,等于斜边上正方形的面积。

于是,刘徽首先作出两条直角边上的正方形,他把由一条直角边形成的正方形叫做“朱方”,把由另一条直角边形成的正方形叫做“青方”,然后把图中标注有“出”的那部分图形,移到标注有“入”的那些位置,就拼成了图中斜置的那个正方形。刘徽把斜置的那个正方形叫做“弦方”,它正好是由直角三角形斜边形成的一个正方形。

经过这样一番移、合、拼、补,自然而然地得出结论:

朱方十青方=弦方。

即a2+b2=c2。

“青朱出入图”,这是一幅多么神奇的图啊!甚至不用去标注任何文字,只要相应地涂上朱、青两种颜色,也能把蕴含于勾股定理中的数学真理,清晰地展示在世人面前。

我国着名数学家华罗庚认为,无论是在哪个星球上,数学都是一切有智慧生物的共同语言。如果人类要与其他星球上的高级生物交流信息,最好是送去几个数学图形。其中,华罗庚特别推荐了这幅“青朱出入图”。

我们深信,如果外星人真的见到了这幅图,一定很快就会明白:地球上生活着具有高度智慧和文明的友邻,那里的人们不仅懂得“数形关系”,而且还善于几何证明。

蜜蜂的智慧

蜜蜂的勤劳是最受人们赞赏的。有人作过计算,一只蜜蜂要酿造1公斤的蜜,就得去100万朵花上采集原料。如果花丛离蜂房的平均距离是15公里,那么,每采1公斤蜜,蜜蜂就得飞上45万公里,几乎等于绕地球赤道飞行了11圈。

其实,蜜蜂不仅勤劳,也极有智慧。它们在建造蜂房时显示出惊人的数学才华,连人间的许多建筑师也感到惭愧呢!

着名生物学家达尔文甚至说:“如果一个人看到蜂房而不倍加赞扬,那他一定是个糊涂虫。”

蜂房是蜜蜂盛装蜂蜜的库房。它由许许多多个正六棱柱状的蜂巢组成,蜂巢一个挨着一个,紧密地排列着,中间没有一点空隙。

早在2200多年前,一位叫巴普士的古希腊数学家,就对蜂房精巧奇妙的结构作了细致的观察与研究。

巴普士在他的着作《数学汇编》中写道:蜂房里到处是等边等角的正多边形图案,非常匀称规则。在数学上,如果用正多边形去铺满整个平面,这样的正多边形只可能有3种,即正三角形、正方形、正六边形。蜜蜂凭着它本能的智慧,选择了角数最多的正六边形。这样,它们就可以用同样多的原材料,使蜂房具有最大的容积,从而贮藏更多的蜂蜜。

也就是说,蜂房不仅精巧奇妙,而且十分符合需要,是一种最经济的结构。

历史上,蜜蜂的智慧引起了众多科学家的注意。着名天文学家开普勒曾经指出:这种充满空间的对称蜂房的角,应该和菱形12面体的角一样。法国天文学家马拉尔弟则亲自动手测量了许多蜂房,他发现:每个正六边形蜂巢的底,都是由3个全等的菱形拼成的,而且,每个菱形的钝角都等于109°28′,锐角应该是70°32′。

18世纪初,法国自然哲学家列奥缪拉猜测:用这样的角度建造起来的蜂房,一定是相同容积中最省材料的。为了证实这个猜测,他请教了巴黎科学院院士、瑞士数学家克尼格。

这样的问题在数学上叫极值问题。克尼格用高等数学的方法作了大量计算,最后得出结论说,建造相同容积中最省材料的蜂房,每个菱形的钝角应该是109°26′,锐角都等于70°34′。

这个结论与蜂房的实际数值仅2′之差。

圆周有360°,而每1°又有60′。2′的误差是很小的。人们宽宏大量地想:小蜜蜂能够做到这一步已经很不错了,至于2′的小小误差嘛,完全可以谅解。

可是事情并没有完结。1743年,着名数学家马克劳林重新研究了蜂房的形状,得出一个令人震惊的结论:要建造最经济的蜂房,每个菱形的钝角应该是109°28′16″,锐角应该是70°31′44″。

这个结论与蜂房的实际数值吻合。原来,不是蜜蜂错了,而是数学家克尼格算错了!

数学家怎么会算错了呢?后来发现,当年克尼格计算用的对数表印错了。

小小的蜜蜂可真不简单,数学家到18世纪中叶才能计算出来、予以证实的问题,它在人类有史之前已经应用到蜂房上去了。

神奇的幻方

相传在大禹治水的年代里,陕西的洛水常常大肆泛滥。洪水冲毁房舍,吞没田园,给两岸人民带来巨大的灾难。于是,每当洪水泛滥的季节来临之前,人们都抬着猪羊去河边祭河神。每一次,等人们摆好祭品,河中就会爬出一只大乌龟来,慢吞吞地绕着祭品转一圈。大乌龟走后,河水又照样泛滥起来。

后来,人们开始留心观察这只大乌龟。发现乌龟壳有9大块,横着数是3行,竖着数是3列,每一块乌龟壳上都有几个小点点,正好凑成从1到9的数字。可是,谁也弄不懂这些小点点究竟是什么意思。

有一年,这只大乌龟又爬上岸来,忽然,一个看热闹的小孩惊奇地叫了起来:“多有趣啊,这些小点点不论是横着加,竖着加,还是斜着加,算出的结果都是15!”人们想,河神大概是每样祭品都要15份吧,赶紧抬来15头猪和15头牛献给河神……果然,河水从此再也不泛滥了。

这个神奇的故事在我国流传极广,甚至写进许多古代数学家的着作里。乌龟壳上的这些点点,后来被称作是“洛书”。一些人把它吹得神乎其神,说它揭示了数学的奥秘,甚至胡说因为有了“洛书”,才开始出现了数学。

撇开这些迷信色彩不谈,“洛书”确实有它迷人的地方。普普通通的9个自然数,经过一番巧妙的排列,就把它们每3个数相加和是15的8个算式,全都包含在一个图案之中,真是令人不可思议。

在数学上,像这样一些具有奇妙性质的图案叫做“幻方”。“洛书”有3行3列,所以叫3阶幻方。它也是世界上最古老的一个幻方。

构造3阶幻方有一个很简单的方法。首先,把前9个自然数按规定的样子摆好。接下来,只要把方框外边的4个数分别写进它对面的空格里就行了。根据同样的方法,还可以造出一个5阶幻方来,但却造不出一个4阶幻方。实际上,构造幻方并没有一个统一的方法,主要依靠人的灵巧智慧,正因为此,幻方赢得了无数人的喜爱。

历史上,最先把幻方当作数学问题来研究的人,是我国宋朝的着名数学家杨辉。他深入探索各类幻方的奥秘,总结出一些构造幻方的简单法则,还动手构造了许多极为有趣的幻方。被杨辉称为“攒九图”的幻方,就是他用前33个自然数构造而成的。

攒九图有哪些奇妙的性质呢?请动手算算:每个圆圈上的数加起来都等于多少?而每条直径上数加起来,又都等于多少?

幻方不仅吸引了许多数学家,也吸引了许许多多的数学爱好者。我国清朝有位叫张潮的学者,本来不是搞数学的,却被幻方弄得“神魂颠倒”。后来,他构造出了一批非常别致的幻方。“龟文聚六图”,就是张潮的杰作之一。图中的24个数起到了40个数的作用,使各个6边形中诸数之和都等于75。

大约在15世纪初,幻方辗转流传到了欧洲各国,它的变幻莫测,它的高深奇妙,很快就使成千上万的欧洲人如痴如狂。包括欧拉在内的许多着名数学家,也对幻方产生了浓郁的兴趣。

欧拉曾想出一个奇妙的幻方。它由前64个自然数组成,每列或每行的和都是260,而半列或半行的和又都等于130。最有趣的是,这个幻方的行列数正好与国际象棋棋盘相同,按照马走“日”

字的规定,根据这个幻方里数的排列顺序,马就可以不重复地跳遍整个棋盘!所以,这个幻方又叫“马步幻方”。

近百年来,幻方的形式越来越稀奇古怪,性质也越来越光怪陆离。现在,许多人都认为,最有趣的幻方属于“双料幻方”。它的奥秘和规律,数学家至今尚未完全弄清楚呢。

8阶幻方就是一个双料幻方。

为什么叫做双料幻方?因为,它的每一行、每一列以及每条对角线上8个数的和,都等于同一个常数840;而这样8个数的积呢,又都等于另一个常数2058068231856000。

有个叫阿当斯的英国人,为了找到一种稀奇古怪的幻方,竟毫不吝啬地献出了毕生的精力。

1910年,当阿当斯还是一个小伙子时,就开始整天摆弄前19个自然数,试图把它们摆成一个六角幻方。在以后的47年里,阿当斯食不香,寝不安,一有空就把这19个数摆来摆去,然而,经历了成千上万次的失败,始终也没有找出一种合适的摆法。1957年的一天,正在病中的阿当斯闲得无聊,在一张小纸条上写写画画,没想到竟画出一个六角幻方。不料乐极生悲,阿当斯不久就把这个小纸条搞丢了。后来,他又经过5年的艰苦探索,才重新找到那个丢失了的六角幻方。

六角幻方得到了幻方专家的高度赞赏,被誉为数学宝库中的“稀世珍宝”。马丁博士是一位大名鼎鼎的美国幻方专家,毕生从事幻方研究,光4阶幻方他就熟悉880种不同的排法,可他见到六角幻方后,也感到是大开眼界。

智判波斯猫案

一位金发妇女,看见一只全身雪白的波斯猫正蹲在马路边上,便抱起它走了。可是,没走多远,一位红头发的夫人追了上去,拦住她,说:“夫人,这是我的波斯猫,刚才一不小心,让它跑了出来,因为才养了几天,所以不认得家了。请您还给我吧!”金发妇女回答说:“这是我的波斯猫啊!您看它的一只眼睛是红的,一只眼睛是蓝的,我不会认错!”

“我的波斯猫也是一只红眼睛,一只蓝眼睛。”

“那我不清楚。反正这是我的波斯猫。”金发妇女说着,又要往前走。红头发夫人不让她走,于是两人争执起来。

正在值勤的警察马歇听了两位妇女的诉说,他无法辨别谁说的是真,谁说的是假,正觉为难,忽然灵机一动,有了主意。他从金发妇女手中抱过波斯猫,看了看猫的后脚,然后用手蒙住,说:“你们可知道,它哪只后脚上有一块小伤疤?”

两位妇女都给问住了。但金发妇女很快就说:“右脚。”马歇没松开手。她马上又说:

“哦,不!我弄错了,是左脚。”

红头发夫人只是疑惑地望着马歇,没讲一句话。

这时,马歇松开手,彬彬有礼地对金发妇女说:“夫人,这不是您的猫。”说完,把猫交给了红头发夫人。

金发妇女对马歇大喊道:“您也太草率了吧,你怎么就知道这不是我的猫呢。”

马歇笑嘻嘻地说:“夫人,这只猫的后脚并没有伤疤,我刚才是故意问的。”

这时,金发妇女才红着脸悄悄走了。

巧寻县印

清朝年间,兰溪新任知县叫黄敬。

黄知县为官清廉。谁知到任未满两个月,县印被盗。当时这印章是代表权力的象征,这事非同小可。官印失窃,这是严重的失职,如果上级官府知道了,必将受到严厉惩处。

黄知县想来想去,觉得只有一个人最为可疑。此人姓胡,是县衙的狱吏。此人经常利用职权,贪赃枉法,百姓恨之入骨。黄知县到任后,曾查处了此人。估计这姓胡的狱吏一定怀恨在心,窃走官印,报复黄知县。

但黄知县还没拿到真凭实据,姓胡的肯定不会认账。万一逼得太紧,惹得他狗急跳墙,把县印毁掉,那就浑身长满嘴巴也说不清了。这事既不能硬逼,又不能公开,非常棘手。

黄知县想来想去,只有一个办法了。那就是找个机会把空印盒给他,让他自己把县印装进去,送回来。于是,当天午夜,公堂故意失火,所有公差都来救火,胡狱吏也到了现场。黄知县见了胡狱吏,当即交给他一个任务,并把空印盒给了他。胡狱吏一看,知道上当,但已无可奈何。

第二天,胡狱吏手捧印盒,送到了知县面前。知县打开印盒一看,县印果真完整无损在里面。

螃蟹变魔术

有两只螃蟹和两条蚯蚓在大道上相遇了。经过商量,它们决定进城里去逛逛。

啊!城里真是好玩,要什么有什么。只看得它们眼花缭乱。

来到电影院,它们想再看看电影,可一摸口袋,一分钱也没有了。

怎么办?蚯蚓之一提议说:“我们设法去挣些钱怎么样?”

挣钱?那当然好!可怎么个挣法呢?还是那条蚯蚓胸有成竹地说:“我们去广场表演魔术,那儿观众多,能挣钱。”

于是,它们来到广场上,竖起一块牌子,上写:请看惊险魔术表演——斩蚯蚓。立刻,许多观众围拢来看,只见蚯蚓之一躺在场地中央,螃蟹之二举起利剪似的前足,喀嚓一声,把它斩成两段。

观众们发出一片惊呼,有几个见出了命案,就想冲上来抓住那行凶的螃蟹。

蚯蚓之二忙制止道:“别着急,请你们看!”它指着那躺着的蚯蚓说。

观众们一看都愣住了:两截断蚯蚓变成了两条有头有尾的完整蚯蚓。

“这是怎么回事?”观众们奇怪地问,“怎么会变成了两条蚯蚓?”

“怎么样?我们的惊险魔术名符其实吧?感谢各位的捧场,请有钱的给个赏钱,没钱的给个掌声。”

“哗”的一片掌声响起,观众们啧啧称奇,拼命鼓掌,同时丢下了许多钱。

螃蟹之二也跃跃欲试,它叫蚯蚓之二也在场地上躺好,高举前蟹就要下手。

“慢!”螃蟹之一阻止它道,“你知道这里面的要领吗?”

“知道!知道!”螃蟹之二随口应道,边说边照着蚯蚓之二的后部就斩下去。

螃蟹之一惊叫一声:“不好!”

螃蟹之二忙问:“怎么了?”只见螃蟹之一显出一副无可奈何的样子。

观众们都兴趣十足地注视着地上断成两截的蚯蚓,看那断蚯蚓是怎么再生的。

过一段时间,大家竟看到:那段只有尾巴没有头的蚯蚓从切断处长出的不是头,而是一条尾巴,变成了一条无头的两尾蚯蚓。

螃蟹之二呆住了,它着急地问螃蟹之一:“你斩的蚯蚓能长出头来,为什么我的不能?”

螃蟹之一说道:“在蚯蚓前五节到八节的地方斩断就能很快再生成完整的蚯蚓。在十五节以后斩断,后半截就不能长出头部了,只能长出尾巴。”

黑猫智救猩猩

猩爸爸出远门去了,家里只剩下了猩妈妈和小猩猩,偏偏这个时候,小猩猩得了急病,而且病得十分厉害,躺在床上直说胡话。

邻居猴大妈来串门,一见这情形,过去摸了摸小猩猩的额头,非常烫手,就责怪猩妈妈道:“你怎么不快去请医生呀!”

猩妈妈抽泣着说道:“我去请过医生了,可医生不在,要两天后才回来。它爸爸又不在,这可怎么办呀?”

猴大妈想了想,说:“森林站的医生不在,那只有送小猩猩去动物城的医院了,可不能在这里干等。”

猩猩妈妈又哭起来,它说:“我也这样想过,可路这么远,我根本背不动。”

“这倒也是。”猴大妈也无可奈何地说,“即使我跟你一块去,咱们两个也背不动。”