南北朝時,一位印度法師把一部名為《百喻經》的書帶到中國,並將它譯成漢語。《百喻經》是大乘佛教宣講佛法的經書。全書借釋迦牟尼之口,講了98個故事,絕大部分都是寓言。其中有一則題為《三重樓寓》,寓言的大意是:一位富翁看見別人有一棟漂亮的三層樓房,莊嚴華麗,寬敞舒適。便產生了一個念頭:“我的錢財不比他少,為什麼不能造一棟這樣的樓房呢?”於是找來一位木匠,問他能不能建造像某人家那樣的高級樓房。木匠回答他說:“那房子本來就是我造的。”富人馬上說:“現在你給我也造一座樓,與那座一模一樣。”
於是,木匠便規劃好地皮,打好基礎,從地麵起一塊一塊地往上砌磚。富翁見木匠在地上砌磚,很不理解。便問木匠:“你這是要造什麼樣的房子?”木匠回答說:“造三層樓呀!”富翁又說:“我不要下麵的兩層樓,你先給我造最上一層樓。”木匠說:“這是不可能的。哪有不造第一層樓就能造第二層樓的呢?不造第二層樓,怎麼能造第三層呢?”聽了木匠的解釋,富翁還是不理解,仍然固執己見,樓房終於沒有造成。
我國明代文人劉元卿所撰的《賢奕編》一書中也有一則寓言,其大意是:有一位土財主家資十分富有,卻世代不識字。有一年,他請了一位先生來教兒子念書。先生開始教學生認字。先生寫一橫教學生說,這是一字,寫二橫說這是二字,寫三橫說這是三字。富翁的兒子高興起來,回家報告父親說,我已經學會讀書寫字了,不必再麻煩先生,也節省一些薪俸。富翁大喜,便辭退了先生。
第二天,富翁要請一位姓萬的親戚來吃飯,叫兒子寫一張請帖,兒子寫了很久還沒有寫好。父親感到奇怪,便到書房看個究竟。兒子正忙得滿頭大汗,埋怨說,天下這麼多姓,為什麼偏要姓萬?我從早晨寫到現在,還隻畫了500多橫呢?
這兩則寓言並沒有什麼聯係,它們各自諷刺的對象也是十分明顯的。把它們放在一起,許多人大概也不會產生更多的聯想。不過,仁者見仁,智者見智,對數學家來說,把這兩則寓言放在一起,就會聯想到數學中一個重要的原理——數學歸納法。數學歸納法是數學中最重要最有用的方法之一,許多與自然數有關的數學定理,都是依靠數學歸納法來證明的。
什麼是數學歸納法呢?讓我們談一個粗淺的比喻:過去行軍打仗,指揮部每天都要發布一個“口令”,作為本軍內部聯係的暗號。現在有一支成單行前進的很長很長的部隊,指揮員把“口令”傳給走在隊伍最前麵的第一個人,並且規定了每一個聽到了“口令”的人,都必須把“口令”準確無誤地傳達給緊跟在他後麵的一個人。於是,“口令”將會從第一個人傳給第二個,第二個人傳給第三個,如此繼續下去,不管這支隊伍有多長,兵員有多少,最終每一個人都可得到口令。
數學歸納法與此類似,它是用於證明與自然數有關的命題的。
假定有一個與自然數n有關的命題P(n),現在要證明P(n)對所有的自然數n都成立。如果能證明:(Ⅰ)P(n)在n=1時成立(這一步稱為“奠基”);(Ⅱ)如果P(n)對某一自然數k已成立,在這個前提下,一定可以推出P(n)對下一個自然數k+1也成立(這一步叫做“歸納”)。
有了這兩步,就可以斷定P(n)對所有的自然數都成立。
因為根據(Ⅰ),我們證明了P(n)對於n=1是成立的。於是根據(Ⅱ),在P(n)對n=1成立這一前提下,可以推出P(n)對n=2成立;再根據P(n)對n=2成立的條件,又可推出P(n)對n=3成立;以P(n)對n=3成立為前提,又可推出P(n)對n=4也成立。如此繼續下去,就可推出P(n)對所有的自然數n都成立。
現在我們看一個可用數學歸納法來解的趣題。1963年,北京市中學數學競賽有這樣一道試題:有2n(n為正整數)個小球,隨意把它分成若幹堆,在其中任意取兩堆,若甲堆的球數不大於乙堆的球數,則把甲堆的球合並到乙堆中去。這樣稱為一次操作。證明:在有限次操作以後,一定可以把所有的球都合並到一堆。
我們用數學歸納法來證明這個題目。
當n=1時,隻有兩個球。若原來隻分成了一堆,則結論已經成立。若開始分成了兩堆,每堆都是1個,把其中一堆的球合並到另一堆,就成為一堆了,命題的結論也成立。
假定n=k,即有2k個球時,不管把它們分成若幹堆,都可以通過有限次操作使合並成一堆。