有關斐波那契數列的趣題實在不少,有興趣的讀者不妨試試找找看!
墨比烏斯環
現在,我們通過一個有趣的問題,來介紹墨比烏斯環。
某個地區有三個村莊和三個學校,現在要從每一個村莊到三個學校各修一條路,能不能使這些路互不相交呢?每個村莊要修三條路通向三個學校,所以總共得修3×3=9條路。左圖畫出了八條路,要修第九條路就不可能了。
你可以再試試,我斷定你也會失敗的。為什麼呢?歐拉公式n-m+p=2可以說明這一點。
假定你竟把這九條路都修好了,那麼,每個村莊和每個學校,就相當於一個頂點(n),每一條路就相當於一段邊界(m),道路之間的土地就相當於分成若幹個國家(p)。因為有九條路、六個頂點,所以根據歐拉公式,6-9+p=2,得p=5,就是說有五個國家。
從一個村莊出發,隨便走一段路,就會到達一個學校;再走一段路,就會到達另一個村莊;再走一段路,又會到達另一個學校。總之,走三段路是不會回到原地的,也就是說,三段邊界圍不出一個國家。可見每個國家都至少有四段邊界。
我們知道,每一段邊界兩側各有一個國家,九條邊界兩側共有十八個國名。現在,每一個國家至少有四段邊界,18÷4=45,而國家的數目不可能出現小數,所以國家至多是四個。
這裏說國家至多是四個,前麵根據歐拉公式算出來,國家必須有五個,不就矛盾了嗎?這隻能說明開始的假定是不合理的,也就是說,你不可能按題目提出的要求把路修好。
這種在地麵上不可能完成的修路計劃,在特殊的曲麵上倒是可以完成。把n=6、m=9、p=4代進歐拉公式6-9+4=3-h,得h=2。
這說明在連接數是2的曲麵上,就可以修好這樣的九條路。墨比烏斯環正是一種連接數是2的曲麵。
什麼是墨比烏斯環呢?把一個長的紙條,扭轉180°,把兩端粘在一起,就成了一個墨比烏斯環。
你把墨比烏斯環沿中線剪開。不要以為這樣一剪,環就分成了兩個。它仍舊是一個紙環,當然大了一倍,仔細檢查一下,它扭了360°。
剪了一圈,它沒有分成兩片,可見它的連接數至少是2。
如果用剛才的辦法,再沿中線剪一圈,紙環分成互不相聯的兩個環,雖然它們互相套著。這說明墨比烏斯的連接數不是3,隻可能是2。
現在我們就來看一看,怎樣在連接數是2的墨比烏斯環上安排那九條路。
用一個透明的紙來做一個墨比烏斯環。如果你用的紙不是透明的,那就要正反兩麵都畫好,粘好之後,你就會得到一個修路的方案。
墨比烏斯環有許多有趣的性質。它沒有正反兩麵,換句話說,你沒有辦法把它一麵染成藍的,一麵染成紅的。不信你就試試看。它沒有上下兩個邊,換句話說,你沒有辦法把它的一個邊染成紅的,另一個邊染成藍的。不信你就試試看。
在墨比烏斯環上畫地圖,根據前麵所說的原則染色,需要五種顏色。你不妨試試看。
還有一個有趣的問題,也是在平麵上辦不到,而在墨比烏斯環上可以辦到。這個問題是:有個地區有五個村莊,在每兩個村莊之間修一條公路,能不能使這些公路都不相交?現在要上一個八級樓梯,規定每次隻能上一階樓梯或上二階樓梯,問可能有多少種不同的跨法?解決這個問題,先從最簡單的情況入手,從中尋求規律。
假如樓梯隻有一階,那麼隻有一種跨法;假如樓梯有二階,那麼有兩種不同的跨法;假如樓梯有三階,那麼有三種不同的跨法;假如樓梯有四階,那麼有五種不同的跨法;觀察得到的幾個數:
1,2,3,5顯然,它們是斐波那契數列的前幾個數,後幾個數應是:
1,2,3,5,8,13,21,34因此,當上八階樓梯時,應有34種不同的跨法。
四色問題
在有關地圖的各種問題中,最使數學家感到困難和興趣的,要數四色問題了。
四色問題是怎麼回事呢?找一張全國地圖,你看河北省染成了粉紅的顏色,河南省染成了米黃的顏色,……為什麼要這樣染顏色呢?當然不是因為河北省這塊地方是粉紅色的,或者河南省這塊地方是米黃色的。
地圖上染的顏色和地麵上天然的顏色並沒有什麼關係。地圖染顏色,隻不過為了醒目,看起來清楚一些。要是把一張全國地圖全染成粉紅色,你要找出河北省和河南省的分界線就困難了。
當然,也不必把每一個省都染成不同的顏色。相距較遠的省,即使染成了相同的顏色,也不影響我們看地圖。我們隻要掌握一條染色原則:相鄰的省要染上不同的顏色。
那麼,我們至少要準備幾種顏色呢?為了回答這個問題,我們先做一個試驗。
拿一張沒有染色的中國地圖來。再準備一盒顏色鉛筆。
我們從左上方開始吧。
你看,新疆、青海、甘肅三個省,它們兩兩相鄰。根據前麵說的原則,它們的顏色都不能相同。因此,你馬上就得用到三支顏色鉛筆。比如說,甘肅染紅色,青海染黃色,新疆染綠色。
好。為了節約顏色,盡可能隻用這三種顏色,你現在把這三支顏色鉛筆留在桌上,把其他的筆收起來。看看隻用這三支筆,能不能把全國各省,都按染色原則染上適當的顏色。