高中趣味数学小故事

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高中趣味数学小故事

1 1、蝴蝶效应

气象学家Lorenz提出一篇论文,名叫「一只蝴蝶拍一下翅膀会不会在Taxas州引起龙卷风?」论述某系统如果初期条件差一点点,结果会很不稳定,他把这种现象戏称做「蝴蝶效应」。就像我们投掷骰子两次,无论我们如何刻意去投掷,两次的物理现象和投出的点数也不一定是相同的。Lorenz为何要写这篇论文呢?

这故事发生在1961年的某个冬天,他如往常一般在办公室操作气象电脑。平时,他只需要将温度、湿度、压力等气象数据输入,电脑就会依据三个内建的微分方程式,计算出下一刻可能的气象数据,因此模拟出气象变化图。

这一天,Lorenz想更进一步了解某段纪录的後续变化,他把某时刻的气象数据重新输入电脑,让电脑计算出更多的後续结果。当时,电脑处理数据资料的数度不快,在结果出来之前,足够他喝杯咖啡并和友人闲聊一阵。在一小时後,结果出来了,不过令他目瞪口呆。结果和原资讯两相比较,初期数据还差不多,越到後期,数据差异就越大了,就像是不同的两笔资讯。而问题并不出在电脑,问题是他输入的数据差了0.000127,而这些微的差异却造成天壤之别。所以长期的准确预测天气是不可能的。 2

2、动物中的数学“天才”

蜜蜂蜂房是严格的六角柱状体,它的一端是平整的六角形开口,另一端是封闭的六角菱锥形的底,由三个相同的菱形组成。组成底盘的菱形的钝角为10928分,所有的锐角为7032分,这样既坚固又省料。蜂房的巢壁厚0.073毫米,误差极小。

丹顶鹤总是成群结队迁飞,而且排成“人”字形。“人”字形的角度是110度。更精确地计算还表明“人”字形夹角的一半——即每边与鹤群前进方向的夹角为54448!而金刚石结晶体的角度正好也是54448!是巧合还是某种大自然的“默契”? 蜘蛛结的“八卦”形网,是既复杂又美丽的八角形几何图案,人们即使用直尺的圆规也很难画出像蜘蛛网那样匀称的图案。

冬天,猫睡觉时总是把身体抱成一个球形,这其间也有数学,因为球形使身体的表面积最小,从而散发的热量也最少。

真正的数学“天才”是珊瑚虫。珊瑚虫在自己的身上记下“日历”,它们每年在自己的体壁上“刻画”出365条斑纹,显然是一天“画”一条。奇怪的是,古生物学家发现3


亿5千万年前的珊瑚虫每年“画”出400幅“水彩画”。天文学家告诉我们,当时地球一天仅21.9小时,一年不是365天,而是400天。生活时报 3 3、火柴游戏

一个最普通的火柴游戏就是两人一起玩,先置若干支火柴於桌上,两人轮流取,每次所取的数目可先作一些限制,规定取走最後一根火柴者获胜。

规则一:若限制每次所取的火柴数目最少一根,最多三根,则如何玩才可致胜? 例如:桌面上有n=15根火柴,甲﹑乙两人轮流取,甲先取,则甲应如何取才能致胜? 为了要取得最後一根,甲必须最後留下零根火柴给乙,故在最後一步之前的轮取中,甲不能留下1根或2根或3根,否则乙就可以全部取走而获胜。如果留下4根,则乙不能全取,则不管乙取几根123,甲必能取得所有剩下的火柴而赢了游戏。同理,若桌上留有8根火柴让乙去取,则无论乙如何取,甲都可使这一次轮取後留下4根火柴,最後也一定是甲获胜。由上之分析可知,甲只要使得桌面上的火柴数为481216...等让乙去取,则甲必稳操胜券。因此若原先桌面上的火柴数为15,则甲应取3根。∵15-3=12若原先桌面上的火柴数为18?则甲应先取2根∵18-2=16 规则二:限制每次所取的火柴数目为14根,则又如何致胜? 原则:若甲先取,则甲每次取时,须留5的倍数的火柴给乙去取。

通则:有n支火柴,每次可取1k支,则甲每次取後所留的火柴数目必须为k+1倍数。

规则三:限制每次所取的火柴数目不是连续的数,而是一些不连续的数,如137则又该如何玩法?

分析:137均为奇数,由於目标为0,而0为偶数,所以先取者甲,须使桌上的火柴数为偶数,因为乙在偶数的火柴数中,不可能再取去137根火柴後获得0,但假使如此也不能保证甲必赢,因为甲对於火柴数的奇或偶,也是无法依照己意来控制的。因为〔偶-=奇,奇-=偶〕,所以每次取後,桌上的火柴数奇偶相反。若开始时是奇数,17,甲先取,则不论甲取多少137,剩下的便是偶数,乙随後又把偶数变成奇数,甲又把奇数回覆到偶数,最後甲是注定为赢家;反之,若开始时为偶数,则甲注定会输。 通则:开局是奇数,先取者必胜;反之,若开局为偶数,则先取者会输。 规则四:限制每次所取的火柴数是14一个奇数,一个偶数。

分析:如前规则二,若甲先取,则甲每次取时留5的倍数的火柴给乙去取,则甲必胜。此外,若甲留给乙取的火柴数为5之倍数加2时,甲也可赢得游戏,因为玩的时候可以控


制每轮所取的火柴数为5若乙取1,甲则取4;若乙取4,则甲取1,最後剩下2根,那时乙只能取1,甲便可取得最後一根而获胜。

通则:若甲先取,则甲每次取时所留火柴数为5之倍数或5的倍数加26、韩信点兵 韩信点兵又称为中国剩余定理,相传汉高祖刘邦问大将军韩信统御兵士多少,韩信答说,每3人一列余1人、5人一列余2人、7人一列余4人、13人一列余6人……。刘邦茫然而不知其数。

我们先考虑下列的问题:假设兵不满一万,每5人一列、9人一列、13人一列、17一列都剩3人,则兵有多少?

首先我们先求591317之最小公倍数9945注:因为591317为两两互质的整数,故其最小公倍数为这些数的积,然後再加3,得9948人。

中国有一本数学古书「孙子算经」也有类似的问题:「今有物,不知其数,三三数之,剩二,五五数之,剩三,七七数之,剩二,问物几何? 答曰:「二十三」

术曰:「三三数之剩二,置一百四十,五五数之剩三,置六十三,七七数之剩二,置三十,并之,得二百三十三,以二百一十减之,即得。凡三三数之剩一,则置七十,五五数之剩一,则置二十一,七七数之剩一,则置十五,即得。」

孙子算经的作者及确实着作年代均不可考,不过根据考证,着作年代不会在晋朝之後,以这个考证来说上面这种问题的解法,中国人发现得比西方早,所以这个问题的推广及其解法,被称为中国剩余定理。中国剩余定理ChineseRemainderTheorem在近代抽象代数学中占有一席非常重要的地位。

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