编者按
我们曾分享过应如何欣赏数学之美,又应如何感受数学之真。这些或许都需要你走进数学的世界,真正了解它,方可达成。但数学的趣味,却更直白!简单的一组数字、隐藏背后的性质,甚至是看起来毫无关联、实则关系颇深的“隐秘关系”,都会让你觉得数学是如此有趣!
撰文 | 袁亚湘
让我们回到数学的又一个关键词——有趣。
著名数学家陈省身曾说过:“数学好玩,玩好数学”。微分几何中有“高斯-博内-陈公式”、“陈示性类”、“陈-西蒙理论”等,由此可见他在微分几何学中的大师级地位。那么,数学究竟有哪些好玩之处呢?
陈省身(1911-2004)
首先,数本身就很好玩。在小学,小朋友们在认识数之后很快就会了解到很多有趣的数列,如等差数列、等比数列、斐波那契数列等等。等差数列和等比数列的每项计算和若干项求和都有简单的公式。斐波那契数列 {1,1,2,3,5,8,13,21,……} 是意大利数学家斐波那契在研究兔子繁殖的数目增长规律时发现的。
他在1202年出版的《算书》中提出了如下问题:假定每对兔子在出生两个月以后的每个月都会生出一对新的兔子,请问从一对兔子开始,一年后共有多少对兔子?研究每个月的兔子数目就可导出斐波那契数列,该数列的第1、第2项都是1,数列中的其它项都是该项之前的两项数字之和。斐波那契数列有很多有趣的性质,其中之一是它前后相邻两项的比值逐渐近似于黄金分割比例。《算书》把印度-阿拉伯计数法引进了欧洲,书中还包括了不少贸易和货币兑换的相关内容。
斐波那契(1170-1250)
若干个数以特定的方式排列可以组成一个方阵。我国在远古时代就有了著名的河图洛书。洛书是把1到9排成一个3乘3的方阵,横的每行、竖的每列三个数加起来都是15,而且每条对角线的三个数加起来也是15。类似地,我们可以用1到16排成一个四阶的方阵,使每条线上加起来都是34。
在乘法法则中,关于倍数和约数也有许多有趣的现象。例如:如果一个数是3的倍数,那么它的各位数之和也会是3的倍数;一个数是9的倍数,它的各位数之和也是9的倍数。
有些乘法还有速算方式,比如:一个数加1乘以这个数减1等于该数的平方减去1;个位是5的两位数的平方就是把其十位上的数字乘以它自己加1,再在后面补上25即可得到答案,譬如45的平方是2025、75的平方是5625。
只用到简单的加减乘除四则运算,我们就可以得到一些有趣的数字谜题。举个例子:任给一个正整数,如果是奇数就乘3加1,如果是偶数就除以2,一直做下去,这个数最终一定会变成1。如果从7开始,我们就会得到22,11,34,17,52,26,13,40,20,10,5,16,8,4,2,1。这个有趣的问题通常被称为“3X 1猜想”,该猜想在西方有很多不同的名字,其中之一是科拉兹猜想,而在东方它常常被称为角谷猜想。这是因为有人认为德国数学家科拉兹是最早研究这个问题的科学家,而日本数学家角谷是把该问题带到东方的学者。这个猜想虽然至今还没有被证明,但大家普遍认为其结论是正确的。