正文 第九章:生活中的數學故事(3 / 3)

36+24+16+12+8+4+4+4=108(分)或者為:

4×[(10-1)+6+4+3+2+1+1+1]=108(分)照相機中的學問你一定見過照相機專用的三腳架,它伸出三條長長的腿,穩穩地托住上麵的照相機,使得拍出來的照片不會因為拍攝者手的輕微移動而模糊。除了照相機的三腳架,拍電影的攝像機也有一個三腳架,往往腳上還有輪子,方便攝像機的移動。

我們生活中四個腳的東西很多,像桌子、椅子、各種鞋架子、超市的貨物架等等,不是也很穩當嗎,為什麼照相機不用四腳架,卻用三腳架呢?

這是因為照相機使用了一個重要性質:不在同一條直線上的三個點,能確定一個平麵,而且隻能確定這一個平麵,也就是說,這個平麵是唯一的,隻有一個,絕對不會有第二個。照相機的三個腳就構成三角形的三個頂點,它們不在同一直線上,按照上麵的性質,這三個點正好構成三腳架底部的唯一平麵,三腳架上麵的照相機就穩當地定在這個平麵上,由於是唯一的平麵,照相機才不會晃動,影響拍攝效果。

在生活中,我們有這樣的經驗:有時候由於地麵不平整,椅子的一隻腳上下地動,一會上,一會下,使得坐在上麵的人很不舒服。因為不在同一條直線上的三個點構成一個唯一平麵,而椅子有四個腳,相當於四個點了,其中的三個點構成了一個平麵,剩下的那個點可能在這個平麵上,也可能不在這個平麵上。當椅子的第四個腳不在另三隻腳構成的平麵上時,這隻腳就會懸著,椅子就晃了。

照相機如果使用四腳架,就必須保證四個腳同在一平麵上才能穩定,這就要求地麵很平整,如果地麵不平,照相機就放不穩當。桌子、椅子和各種架子一般都擺在室內,地麵都比較平整,而照相機可不一定都在室內使用啊,有時還要在森林中拍照呢。

那就不如使用三腳架了,三腳架對地麵沒有要求,不論地麵情況怎麼樣,照相機總會放得穩穩當當。這就是照相機使用三腳架的原因。

引人入勝的魔方魔方是生活中常見的一種遊戲玩具,它是1973年由匈牙利建築師埃爾諾·魯比克發明的智力玩具。因為魔方的奇妙好玩,短短幾年就風靡全球,為此,1980年在德國埃森市,魯比克被授予“本年度最佳遊戲發明獎”。

我們先看看魔方是什麼樣的。它是一個立方體的形狀,它的六個表麵上分別塗上了六種不同的顏色,每一個麵又分成九塊,這九塊的顏色開始時是相同的。立方體內部有一個結構很巧妙的十字軸,組成大立方體的26個小組件也不是完全一樣的。而是分成三類:中心塊、邊塊和角塊,無論組裝還是拆卸都很方便,製造成本也很低廉。

魔方的旋轉中心有一個六向接頭,每一個頭分別連接著六個中心塊、八個角塊和十二個邊塊。它們依次鑲嵌在旋轉中心上,組成了一個完整的魔方體。這時,它就可以按橫列或縱列繞中心塊任意旋轉,出現變化無窮的圖案。

據精確計算,魔方能變幻出各種不同顏色的全部圖案總數為:4.325×1029,這麼大的數,約相當於全世界總人口60億的70億倍,真是不得了。

魔方的玩法簡單極了,每個動作都是以一個麵為單位,按順時針或逆時針的方向旋轉90度,任何人隻要瞧上一眼都能學會,連兩三歲的小孩也能自由擺弄它。雖然如此,要想把一個弄亂了的魔方恢複成原始的模樣卻是極其困難的。目前已知的最少還原步法為52步,而理論上有人證明隻需23步就可以把一個任意打亂的狀態“六麵還原”。這中間還存在著巨大的鴻溝難以跨越。

魔方是一種極有數學意義的智力玩具,其中包含著數學上“線性代數”以及“群論”的深刻道理,而且它還與理論物理問題有內在聯係。如今,雖然智力遊戲玩具越來越豐富了,但魔方在全世界仍然有無數的愛好者。

狼、羊、白菜怎樣過河?

這個題目是這樣的:有一個人帶著一隻狼、一隻羊、一棵白菜來到河邊(我們假設狼是不吃人的)。河邊正好有一條空著的小船,渡河時船很小隻能允許主人帶一樣東西,如果帶兩樣東西上船船就會沉下去。另一方麵,如果沒人照管,狼會吃掉羊,羊又會啃白菜,所以狼與羊、羊與白菜在主人不在的情況下,是不能放在一起的。問主人應當采取什麼樣的過河方案,才能把狼、羊、白菜都安全地帶到對岸去呢?

這個問題稱“狼、羊、白菜問題”,是一個古老的智力題,流傳很廣。它出自英國神學家阿爾奎恩的《益智題》一書。阿爾奎恩也是一位教育家,在邏輯學、神學、數學、天文學方麵都有很多著作。

這個問題的正確答案是這樣的。主人先帶羊過河,因為狼不吃白菜;然後空船返回。第二次帶狼過河,到對岸後放下狼,帶羊返回。將羊放在此岸上後,把白菜帶過河;然後空船返回。第四次把岸上的羊帶過河。這時,主人把狼、羊、白菜都帶過了河,可以繼續走路了。

這真是一個有趣的問題,對嗎?如果你沒有想到返回的船上還可以帶回一樣東西的話,也許你就解答不出這道題了,這就是求解這道題的關鍵所在。主人第一次過河時,必須帶羊走,因為狼與白菜可以放在一起,沒有危險;第二次主人帶狼過河,狼到對岸後,如果羊不帶回,那麼狼會吃羊,所以主人要帶回羊;第三次主人帶白菜過河,使河對岸出現狼和白菜這種安全的局麵;最後一次帶羊過河;三樣東西就這樣全給帶到對岸,而且毫無損失。

這個問題還有另一個答案,那就是主人第二次過河時,帶白菜過河,與狼對調一下。由於狼與白菜對羊而言,地位相同(一個吃羊,一個羊要吃),所以才有第二種方案。“狼、羊、白菜問題”就這兩種方案,你全知道了。

如果主人帶的東西更多,那麼在分析這道題時會複雜許多。

這時就要借助數學工具———圖來化簡問題,尋求算法了。

螞蟻舉重物引出的數學知識你看過螞蟻工作時的樣子嗎?它帶著和它細小身材不相稱的大麥粒敏捷地順著一株植物莖向下麵爬去。這真是不可思議,這小小的螞蟻從哪兒來的這麼強大的體力,能夠並不十分吃力地搬動比它體重重過十倍的重物呢?要是一個人搬運相當於他體重這麼多倍的重物,如背著一架大鋼琴爬上梯子,簡直是不可能的。

難道螞蟻比人還有力氣嗎?

果真是這樣的嗎?這個問題,沒有幾何學的幫助,也是無法解答的。

讓我們先分析一下動物的肌肉。從剛殺死的青蛙身上取下肌肉,做個實驗。把青蛙的腿肚肌連同它附著的大腿骨和腱子掛起來,把一個鉤子穿在腱子上,鉤上掛一個砝碼。假如把兩根電線連在這肌肉的兩端,並接通電流,那麼這條肌肉就馬上收縮而提起砝碼。逐漸增加砝碼以測出這條肌肉的最大舉重能力。現在依次把兩條、三條或四條同樣的肌肉連接起來,連通電流,於是砝碼提高到和肌肉條數相當的倍數。試想,如果這些肌肉都是生長在一起的,也會得到同樣的結果。因此我們知道肌肉提高力的大小並不決定於肌肉重或長度,而決定於它的粗細,也就是決定於它的截麵大小。

設想有兩個動物:第二個動物的直線尺寸都是第一個的2倍,那麼第二個的體積、體重就是第一個動物的8倍;但是,在麵的度量上,第二個動物肌肉的截麵卻隻是前者的4倍。這樣看來,雖然一個動物身體已經長到原來的2倍,體重已經變為原來的8倍,但它的肌肉力量卻隻增加到原來的4倍。也就是說,這動物體力和體重相比反而弱了一半。根據同樣理由,一個動物在長度上是同類的另一個的3倍,在相對的體力上將減弱到隻抵另一個的13;4倍長的動物,它的提高力也相對地降低到14。

動物的體積和重力不和肌肉力量作同樣比例增長的原理,解釋了為什麼昆蟲類,如黃蜂、螞蟻等能夠背負等於本身體重30倍、40倍的重物,而人類在正常情況下———運動員和重物搬運工人例外,卻隻能負荷體重的910,而我們認為能幹活的馬,也隻能負荷自己體重的710。

蜘蛛結網引發的故事

笛卡兒是17世紀法國的哲學家和數學家,他在哲學和數學領域做出了很多貢獻。他有敏銳的觀察力,善於思考,很注重生活中與數學有關的問題。

有一次他患了重病,躺在床上,望著天花板。他看到一隻蜘蛛正忙著在角落上結網。它一會兒在天花板上爬來爬去,一會兒順著吐出的絲在空中移動。看著看著,他被吸引住了,陷入了沉思。

他在想什麼呢?原來,一個問題出現在他的腦中———如何在空間確定蜘蛛的位置呢?

思考了一會兒,他想到,在房間這個空間裏,牆與地麵是不動的,唯有蜘蛛在移動,能不能將牆與地麵作為不動的參照平麵,用兩麵牆的交線以及牆與地麵的交線,在空間來確定蜘蛛的位置呢?

他急忙讓家人拿來紙筆,試著畫了一個圖形。P代表空中的蜘蛛,由P到兩麵牆的距離為X和Y,到地麵的距離為Z。這樣,通過三個距離值就準確地標出蜘蛛P的位置來了。

病好以後,他又進行了長時間的研究,由此創建出一門新的數學分支,就叫做解析幾何。在空間解析幾何中,用三條互相垂直的線(X、Y、Z)組成一個空間坐標,三條線也叫做軸,即X軸、Y軸和Z軸;三軸兩兩決定一個平麵,如XY平麵、YZ平麵和XZ平麵,每個軸都垂直於另兩個軸所決定的平麵。在這個坐標係中的任何一點均可用三軸的坐標值來表示(X、Y、Z),如P(2,2,1)即表明了P點的位置。這個坐標,就叫做笛卡兒坐標。

有了笛卡兒坐標,人們就可以把幾何學上的問題用代數方程來進行研究,許多問題解決起來就容易多了。解析幾何這門課程,同學們上高中後就可學習到了。你們也要像笛卡兒一樣,留心觀察周圍的各種現像,鍛煉自己的觀察力、思考能力,這樣你們就會發現,生活中有許多奇妙的科學問題。