正文 第1章 數學·物理奇觀(1)(3 / 3)

在微觀世界,人類的認識也從分子認識到原子,從原子認識到原子核。原子核的直徑約10厘米,原子核還可以分解為質子、中子,它們的直徑更小。這一分解過程也可以無窮盡地進行下去,這樣就帶來了無限小的概念。

無限大、無限小的含義已經涉及數的變化趨勢了,這是從定量到變量的過渡中產生的數,是微積分的基礎。

兔子問題之趣

1202年,意大利數學家斐波那契在他的《算盤書》中提出一個問題:有人想知道在一年中一對免子可以繁殖多少對,就築了牆把一對兔子放在裏麵。如果每對大兔每月生一對小兔子,而每對小兔生長一個月就成為大兔,並且所有的兔子都全部存活,那麼一年後圍牆中有多少對兔子?

假定在1月1日把一對小兔子放進圍牆,用表示一對小兔,用表示一對大兔。每對大兔經過一個月後又繁殖出新的一對小兔,一對小兔經過一個月變成一對大兔,不過還沒有生出小兔子。

兔子繁殖中的數學經過計算發現,從第三個月起,每月兔子的對數都等於前兩月的和。這個規律可以任意地遞推下去。如果把第n個月的兔子對數記為un,就得到:

un+2=un+1+un(n=1,2,3……)

而u1=u2=1

把這些數的前13個寫出來,就是:1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144,233。也就是說,到下一年的1月初,圍牆裏就有了233對兔子。這就是問題的答案。

根據以上算式給出的規律,這個數列顯然可以任意多項地寫下去,我們稱它為“斐波那契數列”,其中的數就稱為“斐波那契數”。

研究這個數列有很大的意義。這個數列的通項公式:

un=151+52n-1-52n

經數學推算可發現,隨著n的增大,unun+1越來越接近於5-12。這就是說,一個所有的項都是有理數的數列,卻與5-12這樣一個無理數有密切的關係。更奇怪的是,這個數恰好就是“黃金分割”的值,在幾何學和優選法中都少不了它。

這個數列還有以下的性質:

(1)un和un+1的最大公約數是1

(n=1,2,3……)

(2)u1+u2+……+un=un+2-1

(n=1,2,3……)

(3)u2n+1=u2n+1+u2n,u2n=un(un+1+un-1)

(n=2,3,4

這個數列的性質很多。美國現在有一份專門的雜誌《斐波那契季刊》,刊登有關這個數列性質的最新發現。

生物學家也對此產生了興趣。因為他們發現,許多生物的生長也遵循斐波那契數列。如果一棵樹每年都在生長,第二年有2個分枝,通常第三年就有3個分枝,第四年有5個分枝,第五年有8個,與斐波那契數相一致。數學就是這樣以它令人驚訝的能力,揭示出自然界的許多奧秘。

百雞問題之趣

公元5世紀末,我國數學家張邱建在他著的《張邱建算經》中提出了一個著名的百雞問題:“今有雞翁一,值錢五;雞母一,值錢三;雞雛三,值錢一。凡百錢,買雞百隻,問雞翁、母、雛各幾何?答曰:雞翁四,值錢二十;雞母十八,值錢五十四;雞雛七十八,值錢二十六。又答曰:雞翁八,值錢四十;雞母十一,值錢三十三;雞雛八十一,值錢二十七。又答:雞翁十二,值錢六十;雞母四,值錢十二;雞雛八十四,值錢二十八。”設公雞、母雞、小雞各x、y、z隻,則

5x+3y+13z=100

x+y+z=100

未知數的個數多於方程的個數,這種方程(組)叫做不定方程(組)。消去z得y=25-74x。因x、y、z代表公雞、母雞、小雞的隻數,故隻能取非負的整數,所以x必為4的倍數。設x=4t,則y=25-7t,z=75+3t(t整數)。由x,y,z大於等於0可得0小於等於t小於25/7,所以t=0,1,2,3。

對於t的4個值得對應的4組解:

x=0

y=25

z=75x=4

y=18

z=78x=8

y=11

z=81x=12

y=4

z=84

原書中的3組案是取正整數解,但是一組解也符合題意。

百羊問題之趣

百羊問題是出自中國古代算書《算法統宗》中的一道題。

這個問題說的是牧羊人趕著一群羊在河邊放牧,有人問他:“你趕來的這群羊大概有一百隻吧?”牧羊人答道:“如果這一群羊加上一倍,再加上原來這群羊的一半,又加上原來這群羊的四分之一,連你牽著的這隻肥羊也算進去,才剛好湊滿一百隻。”誰能知道這群羊一共有幾隻?

根據題意,我們可設這群羊共有x隻,則

x+x+12x+14x+1=100,解這個方程得:x=36,也就是牧羊人放牧的這群羊共有36隻。

構造方式巧解題之趣

例1已知x1、x2均為正數,求證:

1+x21+1+x222大於等於1+x1+x222。