那麼,填滿直徑為1斯塔迪姆的圓球,一共需要多少顆砂粒呢?阿基米德的答案是:這個數目不會超過10萬個第三級單位。
接下來,阿基米德將圓球的直徑不斷擴大,逐一計算了當圓球的直徑是100、1萬、100萬、1億、100億個斯塔迪姆時,填滿它所需要的砂粒數。最後,阿基米德得出答案說:填滿整個宇宙空間所需要的砂粒數,不會超過1000萬個第八級單位。
這個數究竟有多大呢?用科學計數法表示就是1063。這是一個非常大的數,如果用一般的記數法表示,得在1的後麵接連寫上63個0。
古時候,人們把104叫做“黑暗”,把108叫做是“黑暗的黑暗”,意思是它們已經大得數不清了,而阿基米德算出這個數,不知要比“黑暗的黑暗”還要“黑暗”多少倍。由此可見,解答“砂粒問題”,不僅顯示了阿基米德高超的計算能力,也顯示了他驚人的膽識與氣魄。
不過,用1063顆砂粒是填不滿宇宙空間的,充其量也隻能填滿宇宙一個小小的角落。但是,這不是阿基米德計算的過錯。因為古希臘人心目中的“天球”,即使與現在已經觀測到的宇宙空間相比,充其量也隻能算是一個小小的角落。
斐波拉契數列
13世紀初,歐洲最好的數學家是斐波拉契,他寫了一本叫做《算盤書》的著作,是當時歐洲最好的數學書。書中有許多有趣的數學題,其中最有趣的是下麵這個題目:
“如果一對兔子每月能生1對小兔子,而每對小兔在它出生後的第3個月裏,又能開始生1對小兔子,假定在不發生死亡的情況下,由1對初生的兔子開始,1年後能繁殖成多少對兔子?”
推算一下兔子的對數是很有意思的。為了敘述更有條理,我們假設最初的一對兔子出生在頭一年的12月份。顯然,1月份裏隻有1對兔子;到2月份時,這對兔子生了1對小兔,總共有2對兔子;在3月份裏,這對兔子又生了1對小兔,總共有3對小兔子;到4月份時,2月份出生的兔子開始生小兔了,這個月共出生了2對小兔,所以共有5對兔子;在5月份裏,不僅最初的那對兔子和2月份出生的兔子各生了1對小兔,3月份出生的兔子也生了1對小兔,總共出生了3對兔子,所以共有8對兔子……
照這樣繼續推算下去,當然能夠算出題目的答案,不過,斐波拉契對這種方法很不滿意,他覺得這種方法太繁瑣了,而且越推算到後麵情況越複雜,稍一不慎就會出現差錯。於是他又深入探索了題中的數量關係,終於找到了一種簡捷的解題方法。
斐波拉契把推算得到的頭幾個數擺成一串。
1,1,2,3,5,8……
這串數裏隱含著一個規律,從第3個數起,後麵的每個數都是它前麵那兩數的和。而根據這個規律,隻要作一些簡單的加法,就能推算出以後各個月兔子的數目了。
這樣,要知道1年後兔子的對數是多少,也就是看這串數的第13個數是多少。由5+8=13,8+13=21,13+21=34,21+34=55,34+55=89,55+89=144,89+144=233,不難算出題目的答案是233對。
按照這個規律推算出來的數,構成了數學史上一個有名的數列。大家都叫它“斐波拉契數列”。這個數列有許多奇特的性質,例如,從第3個數起,每個數與它後麵那個數的比值,都很接近0618,正好與大名鼎鼎的“黃金分割律”相吻合。人們還發現,連一些生物的生長規律,在某種假定下也可由這個數列來刻畫呢。
托爾斯泰問題
19世紀時,俄國有位大文豪叫列夫·托爾斯泰。他的作品形象生動逼真,心理描寫細膩,語言優美,用詞準確鮮明,對歐洲和世界文學產生過巨大影響。如《戰爭與和平》、《複活》等等,至今仍然擁有千千萬萬的讀者。
這位大文豪又是一個有名的“數學迷”。每當創作餘暇,隻要見到了有趣的數學題目,他就會丟下其他事情,沉湎於數學演算之中。他還動手編了許多數學題,這些題目都很有趣而且都不太難,富於思考性,因而在俄羅斯少年中廣為流傳。例如:
一些割草人在兩塊草地上割草,大草地的麵積比小草地大1倍。上午,全體割草人都在大草地上割草。下午他們對半分開,一半人留在大草地上,到傍晚時把剩下的草割完;另一半人到小草地上去割草,到傍晚還剩下一小塊沒割完。這一小塊地上的草第二天由一個割草人割完。假定每半天的勞動時間相等,每個割草人的工作效率也相等。問共有多少割草人?
這是托爾斯泰最為欣賞的一道數學題,他經常向人提起這個題目,並花費了許多時間去尋找它的各種解法。下麵這種巧妙的算術解法,相傳是托爾斯泰年輕時發現的。
在大草地上,因為全體人割了一上午,一半的人又割了一下午才將草割完,所以,如果把大草地的麵積看做是1,那麼,一半的人在半天時間裏的割草麵積就是1/3。
在小草地上,另一半人曾工作了一個下午。由於每人的工效相等,這樣,他們在這半天時間裏的割草麵積也是1/3。
由此可以算出第一天割草總麵積為4/3。
剩下的麵積是多少呢?由大草地的麵積比小草地大1倍,可知小草地的總麵積是1/2。因為第一天下午已割了1/3,所以還剩下1/6。這小塊地上的草第二天由1個人割完,說明每個割草人每天割草麵積是1/6。
將第一天割草總麵積除以第一天每人割草麵積,就是參加割草的總人數。
43÷16=8(人)
後來,托爾斯泰又發現可以用圖解法來解答這個題目,他對這種解法特別滿意。因為不需要作更多的解釋,隻要畫出了這個圖形,題目的答案也就呼之即出了。
正確的意見
兩個技術員需要一個最多能稱3公斤的秤。他們手邊隻有兩個一模一樣的彈簧。每個彈簧隻能稱1.5公斤的東西。他們決定用這兩個彈簧代替秤來稱東西。
可是他們的意見不一致:一個人主張把兩個彈簧疊起來,另一個人主張把兩彈簧並排地放著稱。
請問:哪一個的意見正確?
[答案:第二個人的主張是正確的。彈簧的最大載重量不是由它的長度和螺旋紋的圈數決定的。也不能由它疊起來稱東西,看起來長,可是它最大的載重量仍然是1.5公斤。
按照第二個人的主張,每個彈簧能載重1.5公斤,兩個彈簧並排放這就可以承受3公斤。]
奇特的墓誌銘
在大數學家阿基米德的墓碑上,鐫刻著一個有趣的幾何圖形:一個圓球鑲嵌在一個圓柱內。相傳,它是阿基米德生前最為欣賞的一個定理。
在數學家魯道夫的墓碑上,則鐫刻著圓周率π的35位數值。這個數值被叫做“魯道夫數”,它是魯道夫畢生心血的結晶。
大數學家高斯曾經表示,在他去世以後,希望人們在他的墓碑上刻上一個正17邊形。因為他是在完成了正17邊形的尺規作圖後,才決定獻身於數學研究的……
不過,最奇特的墓誌銘,卻是屬於古希臘數學家丟番圖的。他的墓碑上刻著一道謎語般的數學題:
過路人,這座石墓裏安葬著丟番圖。他生命的1/6是幸福的童年,生命的1/12是青少年時期。又過了生命的1/7他才結婚。婚後5年有一個孩子,孩子活到他父親一半的年紀便死去了。孩子死後,丟番圖在深深的悲哀中又活了4年,也結束了塵世生涯。過路人,你知道丟番圖的年紀嗎?”
丟番圖的年紀究竟有多大呢?
設他活了X歲,依題意有:
16X+112X+17X+5+12X+4=X。
這樣,要知道丟番圖的年紀,隻要解出這個方程就行了。
這段墓誌銘寫得太妙了。誰想知道丟番圖的年紀,誰就得解一個一元一次方程;而這又正好提醒前來瞻仰的人們,不要忘記了丟番圖獻身的事業。
在丟番圖之前,古希臘數學家習慣用幾何的觀點看待遇到的所有數學問題,而丟番圖則不然,他是古希臘第一個大代數學家,喜歡用代數的方法來解決問題。現代解方程的基本步驟,如移項、合並同類項、方程兩邊乘以同一因子等等,丟番圖都已知道了。他尤其擅長解答不定方程,發明了許多巧妙的方法,被西方數學家譽為這門數學分支的開山鼻祖。
丟番圖也是古希臘最後一個大數學家,遺憾的是,關於他的生平,後人幾乎一無所知,即不知道他生於何地,也不知道他卒於何時,幸虧有了這段奇特的墓誌銘,才知道他曾享有84歲的高齡。
推算科學家年齡
一位科學家在幾年前逝世,逝世時的年齡是他出生年數的129。如果這位科學家在1955年主持過一次學術討論會,求他當時的年齡。
分析:要想求出這位科學家在1955年時的年齡,首先必須知道他在哪一年出生。而這個出生年數應滿足條件:是29的倍數;小於1955。把小於1955的29的倍數羅列出來:
1943,1914,1885,1856……
在這些數中,哪一個是這位科學家的出生年數呢?如果是1885,那麼科學家在1955年的年齡就是:1955-1885=70,但他逝世時的年齡卻是1885÷29=65,這顯然是個矛盾。即科學家不能在1885年出生;同樣的方法可以說明在比1885年更早的年數裏出生也不行。現在,還剩下1943和1914兩個數。如果在1943年出生,不難知道學者在1955年的年齡為12歲,這是不符合事實的,因為科學家不可能的情況都排除,就可以知道出生年數為1914年,1955年時他的年齡為41歲。解決這個問題的基本思路就是“篩”法,其中也運用了歸謬法的思路。
誰的算法對
伊格納托夫是前蘇聯著名的科普作家,他一生寫下了許多題材新穎、內容豐富、形式活潑的作品,伐木人的爭論是其作品中的一道題。
尼基塔和巴維爾是兩個伐木人。有一天,倆人幹完活正準備吃飯,迎麵走來一個獵人:“你們好哪,兄弟們!我在森林裏迷了路,離村莊又遠,餓得心慌,請分給我一些吃的吧!”
“行啊,行啊,你坐下吧!尼基塔有4張餅,我有7張餅,咱們在一起湊合著吃吧”巴維爾熱情地說。尼基塔也隨聲附和著。於是三人平均分吃了11張餅。吃過飯,獵人摸出11個戈比,說道:“請別見怪,我身上隻有這些錢了,你倆商量著分吧!”
獵人走後,兩個伐木人爭論起來。尼基塔說:“我看這錢應該平分!”巴維爾分駁說:“11張餅的錢是11個戈比。正好是1張餅1個戈比,你應得4個,我應得7個!”
他們倆的算法,誰的對呢?顯然尼基塔的算法是錯的,兩人帶的餅的數目不同,當然分得的錢也應不同。再看巴維爾的算法:11張餅,11個戈比,每張餅1個戈比,看起來非常合理,如果問題是“獵人用11個戈比買了11張餅”,那麼巴維爾的算法的確是正確的。可問題是“3個人平均分吃了11張餅,並且尼基塔和巴維爾帶的餅又不一樣多”,實際上,11張餅平均分給3個人,就是說,每人吃了113張餅。尼基塔有4張餅,自己吃了113張餅,他給獵人吃了4-113=13張。而巴維爾也吃了113張,他分給獵人7-113=103張。
獵人吃了113張餅,付給11個戈比,也就是說,每次13張餅獵人付給一個戈比。他吃了尼基塔13張餅,故尼基塔應得1戈比,他吃了巴維爾103張餅,巴維爾應得10戈比,兩個人的算法都錯了。
水位會升高嗎
有一艘玩具小艇,載著幾顆鐵彈放在一隻盛滿水的大臉盆裏。當把小艇上的鐵彈全部投進水裏之後,請問水位是升高、降低,還是保持原狀不變?
請你試一試,然後再想一想,為什麼?
[答案:試驗結果水位降低了。根據“阿基米德原理”,任何物體浮在水麵上,將排去和該物體同重力的水容量。如果將物體沉入水內,則所排去的水容量,僅和該物體的體積相等。因為鐵彈比較重,放在艇內,可以排去很多水,可使水位增高很多。如果投入水內,因為它體積小,排去的水就有限,所以水位比放在艇內時要低得多。]
三等分角問題
隻準用直尺和圓規,你能將一個任意的角兩等分嗎?
這是一個很簡單的幾何作圖題。幾千年前,數學家們就已掌握了它的作圖方法。
在紙上任意畫一個角,以這個角的頂點O為圓心,任意選一個長度為半徑畫弧,找出這段弧與兩條邊的交點A、B。
然後,分別以A點和B點為圓心,以同一個半徑畫弧,隻要選用的半徑比A、B之間的距離的一半還大些,這兩段弧就會相交。找出這兩段弧的交點C。
最後,用直尺將O點與C點連接起來。不難驗證,直線OC已經將這個任意角分成了相等的兩部分。
顯然,采用同樣的方法,是不難將一個任意角4等分、8等分或者16等分的;隻要有耐心,將一個任意角512等分或者1024等分,也都不會是一件太難的事情。
那麼,隻準用直尺與圓規,能不能將一個任意角3等分呢?
這個題目看上去也很容易,似乎與兩等分角問題差不多。所以,在2000多年前,當古希臘人見到這個題目時,有不少人甚至不假思索就拿起了直尺與圓規……
一天過去了,一年過去了,人們磨禿了無數支筆,始終也畫不出一個符合題意的圖形來!
由2等分到3等分,難道僅僅由於這麼一點小小的變化,一道平淡無奇的幾何作圖題,就變成了一座高深莫測的數學迷宮?
這個題目吸引了許多數學家。公元前3世紀時,古希臘最偉大的數學家阿基米德,也曾拿起直尺與圓規,用這個題目測試過自己的智力。
阿基米德想出了一個辦法。他預先在直尺上記一點P,令直尺的一個端點為C。對於任意畫的一角,他以這個角的頂點O為圓心,以CP的長度為半徑畫半個圓,使這半個圓與角的兩條邊相交於A、B兩點。
然後,阿基米德移動直尺,使C點在AO的延長線上移動,使p點在圓周上移動。當直尺正好通過B點時停止移動,將C、P、B三點連接起來。
接下來,阿基米德將直尺沿直線CPB平行移動,使C點正好移動到O點,作直線OD。