第二章學生數學科學興趣培養2(2 / 3)

用一個大一點的數運算,結果還是這樣嗎?

取自然數N=16384。你會發現這個數連續用2除了14次,最後還是得1。

上麵用的兩個數都是偶數,奇數是不是這樣的呢?

取自然數N=19。按照上麵的法則來算,可以得到下麵一串數字:

19→58→29→88→44→22→11→34→17→52→26→13→40→20→10→5→16→8→4→2→1。

經過20步,最終也變為最小的自然數1。

這個有趣的現象引起了許多數學愛好者的興趣。一位美國數學家說:“有一個時期,在美國的大學裏,它幾乎成了最熱門的話題。數學係和計算機係的大學生,差不多人人都在研究它。”人們通過大量演算發現最後結果總是得1。於是,數學家便提出如下一個猜想:

對於任一個自然數N,如果N是偶數,就把它變成N2;如果N是奇數,就把它變成3N+1。按照這個法則運算下去,最終必然得1。

這個猜想最初是由哪位數學家提出來的,已經搞不清楚了,但似乎並不古老。20世紀30年代,德國漢堡大學的學生考拉茲就研究過它。1952年一位英國數學家獨立發現了它。幾年之後它又被一位美國數學家所發現。自20世紀50年代起,這個問題一再引起人們的廣泛興趣。

在日本,這個問題最早是由角穀靜夫介紹到日本的,所以日本人稱它為“角穀猜想”。1960年角穀靜夫初次聽到這個問題,他說:“有一個月,耶魯大學每一個人都在研究這個問題,但沒有任何結果。我到芝加哥大學提出這個問題之後,也出現了同樣現象。有人開玩笑說,這個問題是企圖減緩美國數學進展的一個陰謀。”足見這個問題的吸引力之大。

人們爭先恐後去研究這個猜想,一遍遍地進行運算,在運算過程中發現,算出來的數字忽大忽小,有的計算過程很長。比如從27算到1,需要112步。有人把演算過程形容為雲中的小水滴,在高空氣流的作用下,忽高忽低,遇冷結冰,體積越來越大,最後變成冰雹落了下來,而演算的數字最後也像冰雹一樣掉了下來,變成了1。因此人們又給這個猜想起了個形象的名字——冰雹猜想。

10.巧稱蘋果

秋天到了,蘋果園裏,樹上碩果累累,一派豐收景象。

小明的叔叔是林場的工程師,星期天加班。小明要叔叔帶他到果園去玩。

小明和叔叔來到蘋果質量檢驗處。叔叔仔細察看了職工們的工作:把摘下的蘋果分類,檢驗,裝箱。

“叔叔,一箱蘋果有多重?”小朋問。

“四五十公斤吧,重量不一定相同。”叔叔說。

“咱們稱一稱吧!”小明要求道。

“好。”叔叔把小明領到一架磅秤旁邊。不巧,管計量的職工有事離開了,把磅秤的小秤砣收了起來,隻留下了100公斤的大秤砣。

小明不高興了:“那怎麼稱一箱蘋果的重量?”

叔叔想了想,說:“咱們把這5箱蘋果兩兩合稱吧!”

小明說:“兩兩合稱就是每兩箱一起稱,一共要稱10次。”

叔叔說:“對。不過,需要說明一下:咱們稱的是蘋果連同紙箱的重量,叫做毛重;箱子裏麵蘋果的重量叫做淨重。咱們以下說的每箱蘋果的重量,都是毛重。”

小明和叔叔抬起蘋果箱過稱,記錄如下:

5箱蘋果,兩兩合稱,重量(單位:公斤)為:

111,112,113,114,115,

116,117,118,119,121。

叔叔知道小明是數學課外小組成員,便想考考他:“你算算每箱蘋果的重量,”叔叔又補充,“假定每箱蘋果重量的公斤數都是整數。”

小明說:“我把這10個數加起來,除以20,不就算出來了!”

叔叔笑了:“那是平均數。你從這10個數中,能看出這5箱蘋果的重量有兩箱相同嗎?”

小明說:“因為這10個數兩兩不相同,而且前麵9個是連續自然數,所以,我推測這5箱蘋果的重量兩兩不相同。”

“對。還有呢?”

“還有……沒有了!”

叔叔啟發說:“你從最簡單的數,比如1,2,3下手,找找規律。”

小明說:“我試試看。1,2,3兩兩相加,得到3,4,5。這是什麼規律呢?”

叔叔說:“思考要來一個飛躍,由簡單到複雜,由具體到抽象,才能發現規律。你剛才說的,抽象到一般情況就是,3個連續自然數n,n+1,n+2,兩兩之和為2n+1,2n+2,2n+3,還有3個連續自然數。”

小明恍然大悟:“哎呀,我的腦子到這會兒才有點兒開竅。111,112,113應該是3個連續自然數兩兩相加而得到的,這3個數是……”

小明在草稿紙上做了一些計算之後,把草稿紙遞給叔叔,說:“我已經算出來了,這5箱蘋果的重量是……”

小明觀察出這10個數,它們兩兩不同,而且前9個是連續的自然數,在叔叔的啟發下推出,這5箱蘋果的重量兩兩不相同,而且最小的3個重量數可能是連續的自然數。因為3個連續自然數兩兩之和仍為3個連續自然數,所以首先推出最小的3個重量的公斤數為55,56,57,它們兩兩之和為111,112,113。其次,第四個公斤數不可能是58,因為不然的話,便有58+55=56+57=113,得出了兩個113,這與已知條件“兩兩合稱,結果兩兩不同”相矛盾。取第四個公斤數為59,經過試驗:

55+59=114,56+59=115,

57+59=116,

符合已知條件。類似地,可以求得第五個公斤數為62。

因此,這5箱蘋果重量的公斤數分別是

55,56,57,59,62。

11.紙的高度

數學小組活動的時候,同學們都向小伶表示祝賀:“小伶成了電視明星了!”“小伶回答問題‘完全正確’(一個同學模仿電視台著名的節目主持人的口氣),給咱們數學小組爭了光!”

“哦,原來是那天看烹飪大師大獎賽時回答了一個問題,這沒有什麼!”小伶謙虛地說。

李老師及時引導同學們找“數學感覺”。“數學感覺”這個詞是李老師自編的,其來源是體育界和音樂界:踢足球的常說“球感”,遊泳的常說“水感”,搞音樂的常說“樂感”……

李老師說:“小伶回答的問題不是沒有什麼,而是大有文章可做,是數學裏非常有趣而且有用的一個內容。”

同學們催李老師快講。

李老師說:“抻麵條是把大麵條抻長,繞,扣,再抻,每一扣都比上一次的麵條根數增加一倍,而麵條一次比一次抻得細。現在我們看一個相反的問題。

“請同學們拿出剛發的《少年科學報》,打開,把這張報紙對折一次,一張變成了兩層;好,再對折一次,兩層變成了4層;再對折一次,4層變成了(小聰答話:8層),對。你們看看手邊的一疊紙,變厚了吧!

“假定你的這張紙很大很大,要多大就有多大。你把這張紙像剛才這樣對折30次後,再估計一下,這疊紙放在地麵上應該有多高?”

小明舉手問:“李老師,一張報紙的厚度是多少?”

李老師反問:“能量出一張紙有多厚嗎?”

小聰拿起一本書和一塊三角板,一邊演示一邊說:“我手中這本書的每一頁的厚度,與這張報紙的厚度差不多。我用三角板量一量書的厚度,再看看這本書有多少頁,就可以算出一張紙的厚度了。”停頓了一會兒,小聰接著說:“這本書的厚度約是12毫米,有150頁,我算出一張紙的厚度約是008毫米。”

李老師說:“我們假設所用的那張很大很大的紙很薄很薄,比如說厚度隻有001毫米。現在開始估計吧!誰先說?”

小明說:“大概有1米高吧!”

小俐說:“大概有10米高吧!”

小聰說:“大概有3層樓房高吧!”

小伶注意到李老師露出神秘的笑容,便大著膽子說:“大概有中央廣播電視塔那麼高吧!”

小明搖搖頭,說:“哪能呢!要知道,中央廣播電視塔是北京最高的建築物,塔高405米呢!”

李老師也搖搖頭,笑著說:“你們估計得太保守了!你們能想像得出,這個高度比世界第一高峰珠穆朗瑪峰的海拔高度(小聰插話:8848米)還要高嗎?這個高度比2000層的摩天大樓(每層高度以5米計算)還要高嗎?不過這座摩天大樓,地球上還沒有出現,是我想像中的。”

同學們都驚奇得瞪大著眼睛,異口同聲地說:“哎呀!這麼高呀!可能嗎?!”

這張紙對折30次,疊成了230張,而每張紙的厚度是001毫米,所以這疊紙的高度是

230×001=1073741824(毫米)

≈10737(米),

超過了世界第一高峰珠穆朗瑪峰的高度,也超過了想像中的兩千層高(以每層高5米計算)的摩天大樓的高度。

還有使你更為驚奇的呢!如果你把這張紙對折50次,那麼這疊紙的高度是