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实际上,这位数学家给出的这道小谜题可以有多种解法。(试试看,你能找出几种?)在小说接下来的情节中,数学家自己给出了这样的解法:他说,1到10这10个数字可以看作一组组的石块,这些石块可以被摆成一个三角形,第1行是1块石头,第2行是2块石头,以此类推,第10行是10块石头。
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上图有什么明显的特点?那就是这个长方形看起来不完整,似乎只有1/2;而缺失的另外1/2正好给了我们发挥创造力的空间。如果我们把图中的三角形复制一下,再颠倒一下,拼接到空白的地方,那么这个不完整的长方形就被我们补齐了。补齐后的矩阵形式更加简单:它是一个由10行石块组成的长方形,每一行有11块石头,显然,补齐后,石头的总数是110块。
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我们知道,补全为长方形后,石头的总数增加了一倍。也就是说,原来的石头的块数是现在的1/2,用110除以2,我们就可以轻松地知道原来石头的块数是55块。
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这种借助摆石头来做算术的方法,可能看起来有些奇怪,但其实这是一种非常古老的计算手段,数学有多长的历史,这种摆石头算法的历史就有多长。熟悉语言学的读者应该知道,计算一词,英文中叫作calculate,这个词是由拉丁语词汇calculus演化而来的,calculus在拉丁语中的意思正是“计算用的鹅卵石”。要体会计算的乐趣,领略数学的美妙,你并不需要爱因斯坦般的天赋(“爱因斯坦”在德语中的意思是“一块石头”),但手持一些小石块确实能够帮助你更直观、更形象地理解一些巧妙的计算方法。
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X的奇幻之旅:在现实生活中发现数学思维之美 第3章 “敌人的敌人就是朋友”与“负负得正”法则
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一般来说,老师教会学生加法运算以后,就会马上让他们学习减法运算,这恐怕是世界各地数学教育通用的教学方式了。因为加法运算和减法运算所用到的数学技巧基本一样,逆转加法运算的过程就是减法运算了。减法运算最大的难点是“借位”,学会了“借位”的技巧,做减法就变得轻而易举了。实际上,加法中已经有了“进位”的技巧,减法中的“借位”就是加法中“进位”制运算过程的逆运算。如果你会做23+9的运算,那么23-9的运算也应该很容易掌握。
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但实际上,问题并不是这么简单。如果我们在一个更深的层次上探究这个问题,就会发现,减法运算其实给我们制造了一些加法运算中不会出现的复杂问题:减法会产生负数。如果你只有2块曲奇饼干,而我非要从你那里拿走6块曲奇饼干,会产生什么样的结果呢?显然,现实中我无法成功地拿走6块曲奇饼干,因为你根本没有那么多块饼干。但是,从理论上来说,我完全可以从你那里拿走6块曲奇饼干,而你则剩下负4块饼干(先不讨论负4块饼干有什么含义)。
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减法的出现,使得人类不得不扩展我们对数字的认识。负数的概念要比正数的概念抽象得多——从来没有人见过负4块曲奇饼干长什么样子,更加没法吃到负4块曲奇饼干——但是,通过抽象的思维,我们可以想象出负4块曲奇饼干。实际上,要想在数学的世界中继续前进,你就必须学会想象负4块曲奇饼干的概念。日常生活中,负数的概念无处不在,从我们的个人债务到银行账户的欠款;从零摄氏度的温度到地下的停车场,这些都会涉及负数。
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虽然我们都听说过并且时常接触负数的概念,但很多人对负数的真正含义仍然一知半解。我的同事安迪·鲁伊纳曾向我指出,在日常生活中,人们其实一直在使用各种各样有趣的途径,千方百计地绕过令人害怕的负数。在共同基金发给客户的账单上,亏损的数额通常用红色字体来表示,或者是加上括号以区别于赢利的数字,这些小技巧都是为了避免负号的出现。在历史书上,恺撒大帝的出生年份被表示为公元前100年(100 B.C.),这也是为了不写出-100这个令人不安的数字。地下停车场所处的楼层被标记为B1层(地下一层)、B2层(地下二层)等,因为人们不喜欢看到-1层、-2层这样的标示。温度的表示恐怕是唯一的例外,人们有时确实会说:室外温度是-5摄氏度(至少在我居住的美国纽约州伊萨卡市,人们会这么说,不知道世界其他地方的人是怎样表述零摄氏度以下的温度的)。小小的负号好像带着某种令人恐惧的魔力,负号是如此“负面”,以致大家总是唯恐避之不及。
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比负号更加令人不安的是“负负得正”的奇怪法则:负数乘以负数居然会得到一个正数!我想,我有必要试着向大家解释一下“负负得正”法则背后的玄机。
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当我们用一个负数乘以一个正数的时候,这个算式的意思到底是什么呢?比如,我用(-1)×3,这到底是一种什么样的运算呢?我们都知道1×3的意思很简单,就是1+1+1,那么以此类推,(-1)×3的意思自然应该是(-1)+(-1)+(-1),所以(-1)×3应该等于-3。如果你对此还有任何疑问,我们可以用借钱和还钱来进行一个类比:如果你每周向我借1元钱,那么3周以后你一共欠我3元钱,这应该很容易理解。
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理解了(-1)×3的意思,我们只要再进一步,就能理解为什么会有“负负得正”的规律。看看下面这几行算式:
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(-1)×3=-3
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(-1)×2=-2
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(-1)×1=-1
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(-1)×0=0
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(-1)×(-1) =?
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看一下这些等式右边的数字,它们有什么规律呢?很显然,这些数字是逐渐增加的:-3,-2,-1,0……每个算式的得数比上一个算式的得数增加1。所以,从逻辑上来说,(-1)×(-1)的得数必须是1,对吗?
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这是(-1)×(-1)=1的解释方法之一。这种解释方法的优点是,它保留了正常数学运算的规律:适用于正数的规律也应该适用于负数。
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如果你是一位冥顽不化的实用主义者,你可能会问:现实生活中真的是“负负得正”吗?这种规则在现实生活中,真的有对应的现实意义吗?我不得不承认,很多时候“负负得正”的规则似乎并不适用。传统智慧总是教育我们要亡羊补牢、迷途知返,因为“两个错误的行为并不能互相抵消为一个正确的行为”,错上加错的行为只会使结果越错越厉害。在语言上,也有很多“负负不得正”的例子,有时候两次否定仍然表示否定的意思,比如:在英语中,“I can’t get no satisfaction”表示的意思是“我不满意”。(写到这里,我不得不感叹语言是一种多么玄妙的东西,牛津大学的杰出语言哲学家J·L·奥斯汀曾经做过一次语言学的讲座。讲座中,奥斯汀指出:在很多语言里,双重否定表示肯定,但没有任何语言里的双重肯定会表示否定的意思。对此,听众席中的哥伦比亚大学哲学家西德尼·摩根贝沙在台下讽刺地回应道:“说得对,说得对!”)
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