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小學數學故事:阿基米德的報復(2)

來源:網絡資源 文章作者:奧數網整理 2019-03-22 20:44:56

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  然而,阿基米德并未就此停止。他對公牛數目另外又提出了兩項限制條件,從而使這問題變得難多了:

  8.白公牛+黑公牛=一個平方數。

  9.花斑公牛+黃公牛=一個三角數。

  問題最后說:“如果你已算出這群牛的總數,噢!朋友,你儼然就是一個征服者了,不消說,你就是數字科學方面的專家了。”

  阿基米德的牛群問題由于采用了三角數和平方數的概念而與華達哥拉斯的工作有關。公元前6世紀,畢達哥拉斯及其追隨者用圓點布置成三角、四方或其他幾何圖形來表示數。如3、6和10這些數被稱為三角數,因為它們可由構成三角的圓點來表示

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  西門從海中拽出的魚的數目153也是一個三角數。由于同樣的原因,像4,9和16這些數被稱為平方數,因為它們可以用圓點布置成正方形來表示:

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  不要以為古人為斷定某個特定的數是否可以由特定的幾何圓點圖形表示而耗費長時間去胡寫亂畫,要知道,解決這一問題存在一種純數的方法。所有三角數都可由連續的整數(從1開始)相加得出;如3=1+2,6=1+2+3,以及10=1+2+3+4。所有的平方數都可由整數的平方得出:4=2×2,9=3×3,及16=4×4。

  由于用三角數和平方數對公牛進行限制,牛問題變得非常棘手,兩千年里沒有取得真正的進展。1880年,一位德國研究者在經過枯燥計算之后表明:符合所有8項條件的最小的牛頭數為一個有206,545位數的數,該數是以776開頭的。阿基米德可能是一個有魔力之人,但他決不是個現實主義者:西西里小島上決不會容下這樣一群牛。正如一位數理論家所說:“即使它們是最小的微生物――不,即使它們是電子,一個以從地球到銀河的距離為半徑的圓也只能包含這種動物的很小一部分。”

  但沒人認為缺乏現實感會妨礙數學研究。20年后的1899年,伊利諾斯希爾斯伯勒的一位土木工程師和他的幾位朋友組成希爾斯伯勒數學俱樂部,致力于發現余下的206,542位數。經過4年運算后,他們最后宣布,他們發現了12位最右邊的數,又另外發現了28位最左邊的數,但后來證明他們算的數都弄錯了。60年后,3位加拿大人運用計算機首次發現了全部的答案,但他們從未予以公開發表。1981年,當出自勞倫斯?利弗莫爾國家實驗室的克雷1號巨型計算機的47頁硬拷貝縮印在《趣味數學》雜志上時,全部的206,545位數才最終公布于世。

  當時,克雷1號是世界上運算最快的計算機?死拙扌陀嬎銠C是昂貴的――最新型號值2,000萬美元,實驗室和公司不會買它來解決古老的數論問題。購買它是用于配制新的藥物,勘探石油,破譯蘇聯密碼,在好萊塢電影中造成輝煌的特別效果以及模擬太空武器。

  然而,人們常常讓巨型計算機解決數論史上棘手的計算問題,以便證明它們是否運轉正常。計算這種問題的好處是可以輕易地對其答案――即使以前不知道這些答案――進行檢驗:將它們還原到其等式中去。阿基米德的牛群問題正是在勞倫斯?利弗莫爾實驗室檢驗克雷1號時得以解決的。這臺巨型計算機僅用10分鐘就發現了206,545位數的答案,并兩次檢驗了這一問題的運算。

  讓我們以一個阿基米德曾處理過而我們也許能解決的問題來結束本節吧。希倫給金匠一定量的金子(設其重量為W)制造皇冠。當希倫收到那頂皇冠時,他請阿基米德鑒定它是否含有全部的金子,或金匠是否偷走了一些而代之以較廉價的金屬。公元前1世紀著名的羅馬建筑師維特魯威是這樣記載的:“阿基米德反復琢磨這一問題,一天他偶然來到洗澡間,在那兒,他注意到,當他坐進浴缸里,漫出浴缸的水的數量等于他浸在浴缸中的身體所排出的水量。這一點向他暗示了解決這一問題的方法,于是他立即欣喜地跳出浴缸,光著身子向家奔去,并大聲喊著他已發現了他尋找的東西。因為當他跑的時候,他反復大聲地用希臘語叫道,我找著啦!我找著啦!”

  他找到了什么?阿基米德領悟到:既然金是密度最大的金屬,那么,重量為W的純金皇冠的體積會比同樣重量攙假的金皇冠的體積要小些。他讓一個容器裝滿水并投進重量為W的金子。然后他將溢出來的水收集起來,這些水的體積與該金子的體積相等。下一步他讓另一個容器裝滿水,皇冠在監督之下被放入水中。果然,它排出的水體積較大,證明那位卑劣的金匠偷去了希倫國王的金子。

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