正文 第19章 數學教學的趣味奧秘推薦(2)(1 / 3)

6.“盈不足術”

如果有人出這樣一道題:4個人合買一件12元的禮物。問每人應出多少錢?你會毫不費力地回答:每人應出3元。從代數的角度來看,這隻不過是解方程4x=12而已,非常簡單。但令人驚奇的是,象px-q=0這種簡單的一次方程問題,在古代卻要大費周折,用相當麻煩的辦法來解決。

在中世紀的歐洲,為了解px-q=0這種類型的問題,有時要用到所謂“雙設法”,即通過兩次假設以求未知數的方法。這種方法的大意是:設a1和a2是x值的兩個猜測數,b1和b2是誤差,這時有:

a1p-q=b1,(1)

a2p-q=b2,(2)

(1)-(2)得p(a1-a2)=b1-b2,p=b1-b2a1-a2。

(1)×a2-(2)×a1,得-q(a2-a1)=a2b1-a1b2,

即,q=a2b1-a1b2a1-a2。

因此,x=qp=a2b1-a1b2b1-b2,

於是就求出了x的值。在代數學的符號係統發展起來之前,“雙設法”是中世紀歐洲解決算術問題的一種主要方法,並得到廣泛的應用。十三世紀著名的意大利數學家斐波那契,最早介紹了這種方法,並把它叫做“阿爾-契丹耶(elchataym)”,這顯然是阿拉伯語的音譯。因為在11~13世紀,這種方法就引起了阿拉伯數學家的重視,並稱之為“契丹算法”。另一方麵,我們知道當時阿拉伯人所說的“契丹”,實際上就指的是中國。“契丹算法”就是“中國算法”。由此看來,“雙設法”追本溯源應該來自中國,來自中國古代的“盈不足術”。正是我國早已有之的“盈不足術”很可能經由阿拉伯傳入歐洲,在歐洲數學發展中起了重要的作用。

“盈不足”又稱“盈朒(róu),是我國古代解決“盈虧類”問題的一種算術方法,“盈”就是“多”,“不足”就是“少”。我國古代數學名著《九章算術》裏有一章就叫做“盈不足”,其中第一個問題是:“今有共買物,人出8,盈3;人出7,不足4。問人數、物價各幾何?”這道題的題意是:現在有幾個人合起來買東西。如果每人出8元,則多3元;如果每人出7元,則少4元。問人數和物價各是多少?《九章算術》給出了這個問題的一般解法,我們用現在的代數式來表示:設每人出a1,盈(或不足)b1;每人出a2,盈(或不足)b2。其中,在盈的情況下,b1,b2>0,不足時,b1,b2<0。於是,人數p或物價q可由下列公式計算出來:

p=b1-b2a1-a2q=a2b1-a1b2a1-a2。

在上述問題中,由這兩個公式可得人數p=7(人),物價q=53(元)。

“盈不足術”是中國古代數學的一項傑出成就。用“盈不足”算法,不僅能解決盈虧類問題,而且還能解決一些較複雜的問題。例如,設好地一畝產糧300斤,次地七畝產糧500斤;現在有一頃地共產糧1萬斤;問好地和次地各有多少畝?這道題雖然沒有給出“盈”和“不足”的數值,但可以假定有好地20畝,次地80畝,於是,可算出這種情況應多產糧171427斤。如果假定有好地10畝,次地90畝,則應少產糧57137。因此,根據上述公式即可算出好的有12畝半,次地有87畝半。

當然,應用我們學到的一次方程或二次方程等代數知識,很容易解決日常遇到的算術難題,不必多此一舉地再用“盈不足術”了。但在高等數學範圍內,有時還要用盈不足術推求高次數字方程或函數實根的近似值。

7.牛頓問題

牛頓是17世紀英國最著名的數學家。他不僅勇於探索高深的數學理論,也很重視數學的普及教育,曾專門為中學生編寫過一套數學課本。牛頓認為:“學習科學時,題目比規則還有用些。”所以在書中編排了許多複雜而又有趣的數學題,用來鍛煉學生的數學思維能力。下麵這個題目就是書中一道著名的習題。

“有3塊草地,麵積分別是313頃、10頃和24頃。草地上的草一樣厚,而且長得一樣快。如果第一塊草地可以供12頭牛吃4個星期,第二塊草地可以供21頭牛吃9個星期,那麼,第三塊草地恰好可以供多少牛吃18個星期?”

這個題目的確複雜而又有趣。因為在幾個月的時間裏,被牛吃過的草地還會長出新的青草來,而這青草的生長量,又因時間的長短、麵積的大小而各不相同!

牛頓潛心研究過這個題目,發現好幾種不同的解法。他認為,下麵這種比例解法最為有趣。

首先,假設草地上的青草被牛吃過以後不再生長。因為“313頃草地可以供12頭牛吃4個星期”,按照這個比例,10頃草地就可以供8頭牛吃18個星期,或者說可以供16頭牛吃9個星期。

由於實際上青草被牛吃過以後還會生長,所以題中說:“10頃草地可以供四頭牛吃9個星期。”把這兩個結論比較一下就會發現,同樣是10頃草地,同樣是9個星期,卻可以多養活21-16=5頭牛。