公元1852年,“孫子問題”的解法傳入歐洲,西方數學家們驚奇地發現,該解法竟和高斯的方法完全一樣。在感慨之餘,便稱這種方法為“中國孫子定理”。格拉特將軍巧算二元二次方程美軍從獨立戰爭開始到1861年的內戰,隻有兩人獲得過中將軍銜,一位是華盛頓,一位是司各脫,其後幾年未設這一職位。1864年2月,參眾兩院通過法案,決定恢複中將軍銜,林肯總統批準了這項法案,並將這一新設的軍銜授予格蘭特。
格蘭特是一位頗受爭議的將軍。在南北戰爭進行到關鍵時刻,林肯授予他以最高軍銜並委以北軍總司令的重任,表現出了非凡的用人膽略。林肯信任格蘭特,相信他能將屢屢失敗的北軍從迷穀中引向光明。
“格蘭特將軍,在這場偉大的戰爭中,國家對於你所建樹的功勳表示嘉獎,”林肯在授銜儀式上說,“因此,現特授予你合眾國陸軍中將軍銜。給予你這崇高榮譽的同時,也意味著把相應的重任交給你。”在這個儀式上,士兵們排成方隊。說來也巧,場上的士兵正好排成62個方陣,每個方陣的人數全一樣。整齊的隊伍,加上北軍士兵個個精神抖擻,整個訓練場顯出威武雄壯的氣派,林肯一看非常高興,大大誇獎了格蘭特一番。
格蘭特聽到了林肯的誇獎心裏非常高興,他提議要與士兵們站在一起。他脫下戰袍,改換輕裝,加入了士兵們的行列。格蘭特的這一舉動打破了原來的方陣,陪同林肯的將軍們都為他捏了一把汗。可格蘭特不忙不慌,隻見他命令士兵改換陣勢,把全部士兵(包括自己在內)改排成一個大方陣。說起來真巧,原來的小方陣一下子排成大方陣,而且人數不多不少。這樣一來林肯很高興,格蘭特也出盡了風頭。你知道他用什麼方法嗎?這批士兵有多少人呢?
“方陣問題”在我國古算中很常見,也是很有意思的題目。
當然,它們的解法不算困難。
設原先62個實心小方陣,每個小方陣的每邊人數為x;將軍本人也加進去以後,排成的一個大方陣,每邊人數為y。
根據題意,可以列出一個方程如下:
62x2+1=y2。
這是一個不定方程,移項分解就得到:
62x2=y2-1=(y-1)(y+1)。
到此地步,就可看出y非等於63不可。因為63-1不多不少恰好就是62,而63+1=64,又正好是8的平方。因此這批士兵共有:62×82=3968(人)。加上將軍自己,正好可以排成一個每邊有63人的方陣。
三角函數破陣孫臏與龐涓是同窗好友。龐涓早於孫臏下山前去魏國,被魏王封為大將。孫臏雖有雄韜大略,卻不善諂媚之術,四處周遊,無人重用。為了施展才華,他投奔到同窗學友龐涓處,希望能向魏王引薦。但是龐涓素知孫臏的才智在自己之上,因而擔心引薦孫臏,會搶了他大將的位置,一心想除掉這個隱患,同時,他又耳聞孫臏從老師那裏也有所得,想據為己有。他想出一毒計,在魏王前誣孫臏有叛國行為,請魏王對其施以臏刑,讓他無法逃脫。
龐涓將受不白之冤的孫臏關在一個秘密的地方,極力表明自己在魏王麵前替孫臏說了多少好話,才使他免於一死,同時向孫臏索要《孫子兵法》。孫臏當即答應。
孫臏一直對自己無辜地突遭不幸感到困惑,可萬萬沒有想到原來是同窗好友設下的陷阱,經童仆一說,他才恍然大悟。可是現在他雙腿不能行走,又在龐涓的看管之下。當晚他一會兒號啕大哭,一會兒嘻皮笑臉,語無倫次,傻相百出。他將抄好的書簡翻出來,投入火中。將食物打翻在地,見了土塊和汙物,孫臏卻抓起來就吃。龐涓相信孫臏確實已成為一個廢物,就放鬆了戒備。
後來一個叫禽滑厘的人聽說了孫臏的遭遇,他深知孫臏的才能,就想幫助他逃出魏國。於是他將孫臏的情況告訴了齊國的相國鄒忌,鄒忌又轉告齊王。齊王便派人將孫臏偷偷地帶回齊國。
孫臏在齊國受到重用。
孫臏所在的齊國與龐涓所在的魏國有多次交戰。相傳一次龐涓將孫臏的部隊圍在即墨城中,是孫臏活用鬼穀子所傳的陣圖使他突出重圍,為日後大敗龐涓創造了機會。孫臏的部隊被龐涓圍在即墨已經七天了。內無糧草,外無援兵,諸將憂心如焚,紛紛進帳請戰:與其被困死,不如殺出重圍,也許還能生還幾個呢!
大敵當前,眾寡懸殊,作為全軍統帥的孫臏,也在籌思對策。
這天晚上,孫臏攀上山頂的那棵老柏樹,縱目眺望,隻見遠處龐兵營房火把映天,兵馬屯紮整齊。環視一周,自己正是被困核心,外界形成六角包圍,就像被六把鉗子緊緊夾住一樣。
“全軍突圍是不可能的了!”孫臏自言自語地喃喃說道。
“元帥,怎麼這般泄氣?”隨從問道。
隻見孫臏不慌不忙地答道:“你等有所不知,這陣勢名為七曜陣,按日、月、金、木、水、火、土排列,客座應在中心,占日位,為我軍所在,受外圍‘一月五星’控製,嚴密包圍。‘一月五星’互相牽動,好生厲害,我軍倘若妄動,即刻會遭到群起聚殲,後果將不堪設想!”說著,信手在沙地上畫個草圖。
孫臏心想,要想突圍成功,必定要派一員猛將打頭陣。
隻聽他大喝一聲:“甘蒙聽令!”
孫臏手下猛將甘蒙無論如何沒有想到會點到自己,自己這兩下子,孫臏最清楚。這時他連聲叫喊:
“我不行啊,我不行!”
什麼行不行?一聲驚堂木響:“甘蒙膽敢違抗軍令,來人啊,推出去砍了!”
甘蒙慌了,連忙同意:“我去,我去。隻怕誤了軍機,可不是鬧著玩的。”
當晚,孫臏設酒席給甘蒙餞行,笑嗬嗬勸酒。甘蒙卻愁腸百結:此去必死無疑,我一死不足惜,可憐數萬弟兄都要斷送在我手中了!
“孫將軍,趁我未去黃泉之前,可還有什麼話說?”
“甘將軍,何出此言,今晚飲的是慶功酒,此番定能馬到成功!”孫臏一邊敬酒,一邊說下去,“你催動坐騎,徑直朝金木門的中心馳出,不去管番將的迎殺,便可安然突圍。”果真如此。兩天後,救援的軍隊會師牛頭山,大破七曜陣,直殺得龐涓人仰馬翻,潰不成軍。甘蒙立下了特等大功。
其中奧妙何在呢?原來孫臏曾命令可靠偵探探得番將坐騎的最快速度,隻相當於甘蒙追風馬的八成(百分之八十),孫臏估計到甘蒙一出營房(從日位朝金木連線的中點方向),龐涓人馬就會分別從六角座位(以日位為中心的正六邊形各頂點)衝擊,始終緊盯著甘蒙奔馳處靠近,但他們卻追不上甘蒙。
你知道這是什麼道理嗎?
圖(甲),當甘蒙從日位出發,徑直朝金木門的中心馳出(箭頭方向),顯然,僅討論金點(或木點)的敵人追逐情況即可。
圖(乙),甘蒙從O點跑至P1,同時金點敵將從A點追至P′1,=0.80P1;繼續前進,則敵將路線成AP1……P′2……P11′曲線。圖(丙),某種不同情況下,甘蒙跑到OH三分點的P處:
敵將追至P1(比曲線要近得多),接著立即搶先到H點攔截,即使這樣,他也追不上甘蒙,因為槡AH=3a,對△AP′H運用餘弦定理,則有槡P′H2=(1.6a)2+(槡3a)2=2×1.6a·槡3acos30°=0.76a2,故P′H=0.872a,P′H大於PH的八成,即P′H>0.8a。
所以,當敵將到達H點時,甘蒙已過H點;再繼續前進,路線幾乎在同一直線,甘蒙馬快,愈來愈追不上。
用不定方程算張宗昌有多少兵力張宗昌是綠林大盜出身,本來肚子裏沒有什麼文化,可說是鬥大字不識一筐。作為一軍之長更是個糊塗蛋,竟不知自己手下有多少兵!一日,他到某營地視察。該營營長集合了士兵之後,不知是因為緊張,還是與張宗昌一樣是個糊塗蛋,點了半天的士兵也沒點清。其實,這個營的人數不多,不過300多人。按照當時的排隊慣例,兩人排一行多出1人,改為3人、4人、5人、6人排一行,也都多出1人,7人排一行卻不多不少。我想學過最小公倍數原理的同學們一定可以算得出來。
解這道題有個辦法,先求出2、3、4、5、6的最小公倍數是60,推算出士兵總數應該是:60x+1,並且知道60x+1能被7除盡,經過幾次試算,就能找出x是什麼數,也就知道人數是多少了。
這個辦法,實際上是“湊”出個數來,對付較簡單的數是可以的。如果我們把題目改一下,把“士兵不超過400人”改為“士兵人數在1000到1200人之間”,或者改為“士兵人數在3900到4200之間”,用湊數的辦法就很困難了。如果采用列不定方程的辦法,就可以使解答具有普遍性,不論數目的數字多大,總是可以應用這種方法解答的。
設這支隊伍有x人。每2人、3人、4人、5人、6人排一行都多出一人,換一句話說,(x-1)能被2、3、4、5和6整除,而2、3、4、5和6五個數的最小公倍數是60,因此(x-1)亦能被60整除。除x-16=y,y應是正整數。變換一下,就列出不定方程式:
x=60y+1X能被7整除,即60y+17=8y+4y+17是正整數。設4y+17=t,t也應是正整數。變換一下,得出:
y=7t-14=t+3t-14設3t-14=t1,為了使y是正整數,t1亦是正整數,變換一下,得出:
t=4t1+13=t1+t1+13設t1+13=t2,為了使t是整數(並注意t1是正數),t2亦必須是正整數,變換一下,得出:
t1=3t2-1現在我們來列一個t2與x的關係式,x=60y+1=60(7t-14)+1=105t-14=105(4t1+13)-14=140t1+21=420t2-119t2是正整數,可以取1、2、3……,但題目規定這支隊伍不超過400人,所以t2隻能取值1,即x=420-119=301,這支部隊有301人。
引入這樣多未知數,目的就是要求出未知數x的通解(也可以求出y的通解),當取任何整數,我們將得到方程式x=60y+1所有整數解,這樣的解,具有普遍性,數學上稱為通解。事實上,這一題的解法,基本上已告訴大家,對ax+by=c這種類型的不定方程式,求出所有整解的一般方法。如果你知道,求兩個整數最大公約數的“輾轉相除”方法(或者將一個分數化成連分數的方法),你就會發現,上麵的解法實質上就是“輾轉相除”。
采用這個方法,很快就可以算出,當隊伍人數在1000與1200之間時,解答是1141(t2=3)。隊伍人數在3900到4200之間時,解答是4081人(t2=10)。
水兵的“特解”方程故事統觀全球流行的水兵服裝,其顯著特點是:上裝有方形披肩,下裝褲管肥大。
古代男子流行蓄長發,而水手為了適應海上的漂泊生活,喜歡將長發梳成辮子,並塗油增加美感。誰知油光鋥亮的辮梢又常常玷汙水手的服裝。於是,他們又在自己的肩上披上一塊方巾來保潔。這個方法曆經數百年的演變後,就成了今天別樹一幟的水兵上裝款式。
水兵褲褲筒肥大,這同樣與他們的海上活動緊密相關。水手們長年在驚濤中拚搏,一旦不慎落水,肥大的褲子將易於掙脫,從而減輕了負重;水手日常衝洗甲板勞作頻繁,肥大褲口可以罩住靴子、阻擋水花濺入;也有助於將褲筒翻卷過膝蓋。不知從何時開始,這種水兵褲在陸地上也逐漸流傳開來,並被人們視為時髦,甚至有意加大尺寸,變成了“喇叭褲”。
水兵們除穿著奇特外,做事也有自己的原則,由於他們長年要在海上度過,所以,養成了善於思考的好習慣,你看,一次海上訓練時,有5個水兵帶了1隻猴子,來到南太平洋的一個荒島上,在這裏,他們做了一個小小惡作劇,從而引出了一個小小的數學難題———他們一行5人剛踏上這個小島時,發現那裏有一大堆椰子,因為長時間的航行,旅途極度勞累,他們一躺下就睡著了。不久,第一名水兵醒來,他把椰子平分為5堆,還剩下一隻椰子便丟給猴子吃了,自己私藏起一堆,就翻身睡下。隔了一會兒,第二名、第三名、第四名、第五名水兵先後醒來,各自將這出“戲”(平分成5堆,自己私藏一堆,丟1隻椰子給猴子吃)重演了一番。天亮了,大家都心裏有數,誰也不說,但為了公平起見,又把剩下的椰子重新分成5堆,大家各取一堆。這時,說也奇怪,正好又多出1隻椰子,把它丟給了猴子。你能算出原先一共有多少隻椰子嗎?
此題存在著無限多解。現隻求最小整數解,並探討解的一般規律。
設N是最初的椰子數,F是天亮後最末一次分配時,每名水手所分到的椰子數,於是可列出下列的方程組:
N=5A+14A=5B+14B=5C+14C=5D+14D=5E+14E=5F+1化簡後可得:
1024N=15625F+11529由於椰子數N曾被連續6次分成5堆,因此如果某數是該方程的一個解,則把此數加上56(56=15625)後,顯然仍是方程的解。一般人解不定方程應用題,總是設法求出它的正整數解,可是數理邏輯學家懷特海卻想出一個異乎尋常的辦法,他先請負整數來幫忙,求出特解之後,再“讓位”給正整數。
令F=-1,代入方程可求出N=-4,既然-4是這個不定方程的一個“特解”,那麼-4+56仍然是該方程的特解,於是就馬上求出了本題的椰子數應該是:
-4+15625=15621(隻)懷特海怎麼會“領悟”出這種傳奇式的解法呢?假定當初有-4隻椰子,則在其中硬拿出一隻給猴子後,還剩下-4-1=-5(隻),分成五堆,每堆有-1隻椰子,私自藏起一堆後,還剩四堆,所以一共仍然是-4隻椰子,這正好是回到了沒有以前的情況。
設想x是原來的椰子數,y是經過一位水手搞小動作以後的椰子數,則有變換T(x)=y,其解析表達式是:
y=4(x-15)顯然,x=-4時,y=x,所以-4是這個線性變換的“不動點”。不動點是數學裏一個非常重要的概念,其意義已遠遠超出了題趣。
方程知道火箭炮在哪裏在海灣戰爭中,出盡風頭的美國軍隊顯然對這樣的一個事實感到萬分羞愧。1985年,有幾個小偷公然登上了海軍“山鷹”號航空母艦,拆卸了F-14飛機上的零部件。事情被發現後,美國全國一片嘩然,許多人批評說,一些軍火庫的防護網盡是破洞,報警係統名存實亡。
國際軍火商顯然知道哪些美國軍事裝備容易搞到手。美國官員多次截獲了出售數以百計的導彈、大炮,甚至直升機的清單。
在德國的一個美軍基地裏,美國官員發現先進的“毒刺”式導彈就隨意放在鏽跡斑斑的金屬箱子中,外麵還有“毒刺”式導彈的標記,好像生怕竊賊認不出來似的。
盜竊武器的人不僅有一般的小偷,甚至軍人和警衛人員也從事盜竊。失竊的武器大到導彈,小到手槍,五花八門。這些盜賊膽大包天的程度使人難以相信。
美軍華盛頓一個軍火庫,夜裏丟失了新研製的火箭炮。警察局長派善於運用數學偵察的愛克探長前往軍火庫偵察。愛克探長先找到當晚看守軍火庫的值勤士兵,問他們可曾發現什麼異常情況。兩個士兵回答:“昨天午夜我們聽到軍火庫後麵有響動,問口令但沒有人回答。正端起槍想轉到後麵看看,隻覺得腦袋上重重地挨了一下,然後就什麼也不知道了。”