第三章趣味數學之謎1(3 / 3)

許多人試圖用複雜的方法求解這道題目。他們計算蒼蠅在兩輛自行車車把之間的第一次路程,然後是返回的路程,依此類推,算出那些越來越短的路程。但這將涉及所謂無窮級數求和,這是非常複雜的高等數學。

據說,在一次雞尾酒會上,有人向約翰·馮·諾伊曼提出這個問題,他思索片刻便給出正確的答案。提問者顯得有點沮喪,他解釋說,很多數學家總忽略簡單方法,而去采用無窮級數求和的複雜方法。

馮·諾伊曼臉上露出驚奇的神色。“可是,我用的正是無窮級數求和的方法”,他解釋道。

2.往返旅行

當我們駕駛汽車旅行的時候,汽車在不同的時刻當然會以不同的速度行駛。如果把全部距離除以駕駛汽車的全部時間,所得到的結果叫做這次旅行的平均速度。

史密斯先生計劃駕駛汽車從芝加哥去底特律,然後返回。他希望整個往返旅行的平均速度為每小時60千米。在抵達底特律的時候,他發現他的平均速度隻達到每小時30千米。

為了把往返旅行的平均速度提高到每小時60千米,史密斯在返回時的平均速度必須是每小時多少千米呢?

求解這道令人困惑的小小難題,並不需要知道芝加哥與底特律之間的距離。

在抵達底特律的時候,史密斯已經走過了一定的距離,這花去了他一定的時間。如果他要把他的平均速度翻一番,他應該在同樣的時間中走過上述距離的兩倍。很明顯,要做到這一點,他必須不花任何時間便回到芝加哥。這是不可能的,因此史密斯根本沒有辦法把他的平均速度提高到每小時60千米。無論他返回時的速度有多快,整個旅行的平均速度肯定要低於每小時60千米。

如果我們為史密斯的旅行假設一個距離,事情便會容易理解一些。比如說,假設往返旅程各為30千米。由於他的平均速度為每小時30千米,他將用1小時的時間完成前一半的旅行。他希望往返旅行的平均速度為每小時60千米,這意味著他必須在1小時中完成整個60千米的旅程。可是,他已經把1小時的時間全都用了。無論他返回時速度有多快,他所用的時間全都用了。無論他返回時速度有多快,他所用的時間將多於1小時,因此他必定要用多於1小時的時間完成60千米的旅程,這使得他的平均速度低於每小時60千米。

五家共井

我國最早提出不定方程問題,它由“五家共井”引起。古代,沒有自來水,幾家合用一個水井是常見的事。《九章算術》一書第8章第13題就是“五家共井”問題:

今有五家共井,甲二綆不足,如乙一綆;乙三綆不足,如丙一綆;丙四綆不足,如丁一綆;丁五綆不足,如戊一綆;戊六綆不足,如甲一綆。如各得所不足一綆,皆逮。問井深、綆長各幾何!

用水桶到井中取水,當然少不了繩索,“綆”就是指“繩索”。原題的意思是:

五家共用一水井。井深比2條甲家繩長還多1條乙家繩長;比3條乙家繩長還多1條丙家繩長;比4條丙家繩長還多1條丁家繩長;比5條丁家繩長還多1條戊家繩長;比6條戊家繩長還多1條甲家繩長。如果各家都增加所差的另一條取水繩索,剛剛好取水。試問井深、取水繩長各多少?

雖然該問題是虛構的,它是最早的一個不定方程問題。

用現代符號,可設甲、乙、丙、丁、戊各家繩索長分別為x、y、z、u、v;井深為h。根據題意,可得

2x+y=h,3y+z=h,4z+u=h,5u+v=h,6v+x=h。

這是一個含有6個未知數、5個方程的方程組。未知數的個數多於方程個數的方程(或方程組)叫不定方程。用加減消元法可得

x=265721h,y=191721h,z=148721h,

u=129721h,v=76721h。

給定h不同的數值,就可得到x、y、z、u、v的各個不同的數值。隻要再給定一些特定條件,就可得到確定的組解。原書中隻給出一組解,是最小正整數解。

我國古代數學家在《九章算術》的基礎上,對不定方程作出了輝煌的成績。“五家共井”問題是後來百雞術及大衍求一術的先聲。

“五家共井”問題,曾引起世界上很多數學家的注視。在西方數學史書中,把最早研究不定方程的功績歸於希臘丟番都。其實,他在公元250年左右才研究這些問題,要比我國遲200多年。

公元6世紀上半期,張丘建在他的《張丘建算經》中有一個百雞問題: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?

意思是,如果1隻公雞值5個錢;1隻母雞值3個錢;3隻小雞值1個錢。現用100個錢,買了100隻雞。問公雞、母雞、小雞各多少?

設公雞、母雞、小雞分別為x、y、z隻,則可得不定方程消去z不難得出

5x+3y+13z=100x+y+z=100

消去z不難得出

y=7x4

因為y是正整數,所以x必須是4的倍數。

設x=4t,則y=25-7t,z=75+3t

∵x>0,∴4t>0,t>0;

又∵y>0,∴25-7t>0,t<347

故t=1,2,3。

∴原方程組有三組答案:

{x=4,y=18,z=783,{x=8,y=11,z=813,{x=12,y=4,z=84

數學史家評論說,一道應用題有多組答案,是數學史上從未見到過的,百雞問題開了先例。《張丘建算經》中沒有給出解法,隻說:“術曰:雞翁每增四,雞母每減七,雞雛每益三,即得。”意思是:如果少買7隻母雞,就可多買4隻公雞和3隻小雞。因為7隻母雞值錢21,4隻公雞值錢20,兩者相差3隻小雞的價格。隻要得出一組答案,就可推出其餘兩組。但這解法怎麼來的?書中沒有說明。因此,所謂“百雞術”即百雞問題的解法就引起人們的極大興趣。

稍後,甄鸞在《數術記遺》一書中又提出了兩個“百雞問題”,題目意思與原百雞問題相同,僅數字有所區別。到了宋代,著名數學家楊輝在他的《續古摘奇算法》一書中,也引用了類似的問題:

“錢一百買溫柑、綠桔、扁桔共一百枚。隻雲溫柑一枚七文,綠桔一枚三文,扁桔三枚一文。問各買幾何?”

到了明清時代,還有人提出了多於三元的“百雞問題”。不過,各書均與《張丘建算經》一樣,沒有給出問題的一般解法。

7世紀時,有人對百雞問題提出另一種解法,但隻是數字的湊合。到了清代焦循在他的《加減乘除釋》一書中指出其錯誤。之後,不斷有人提出新的解法,但都沒有完全得到普遍解決此類題目的通用方法。例如丁取忠在他的《數學拾遺》中給出一個比較簡易的解法:先設沒有公雞,用100個錢買母雞和小雞共100隻,得母雞25隻、小雞75隻。現在少買7隻母雞,多買4隻公雞和3隻小雞,便得第一組答案。同理可推出其餘兩組。直到19世紀,人們才把這類問題同“大衍求一術”結合起來研究。

百雞問題是一個曆史名題,在世界上有很大影響。國外常見類似的題目。