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數學教學的趣味現象設計秦 贇 閆 森/精彩大結局/全本免費閱讀

時間:2019-08-03 16:21 /教材小說 / 編輯:水清
獨家完整版小說數學教學的趣味現象設計是秦 贇 閆 森最新寫的一本教材、機甲、學生的小說,這本小說的主角是小齊,古希臘,小尤拉,內容主要講述懷特先生:“特急!所有藥瓶須檢查朔方能出售。由於失誤,其中有一瓶藥&#x...

數學教學的趣味現象設計

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更新時間:2020-08-23 06:40:47

《數學教學的趣味現象設計》線上閱讀

《數學教學的趣味現象設計》章節

懷特先生:“特急!所有藥瓶須檢查方能出售。由於失誤,其中有一瓶藥每粒超重10毫克。請即退回分量有誤的那瓶藥。懷特先生很氣惱。

懷特先生:“倒黴極了,我只好從每瓶中取出一粒來秤一下。真是胡鬧。

懷特先生剛要手,布萊克小姐攔住了他。布萊克小姐:“等一下,沒必要秤十次,只需秤一次就夠了。這怎麼可能呢?

布萊克小姐的妙主意是從第一瓶中取出1粒,從第二瓶中取出2粒,第三瓶中取出3粒,以此類推,直至從第十瓶中取出10粒。把這55粒藥放在秤上,記下總重量。如果重5510毫克,也就是超過規格10毫克,她當即明其中只有一粒是超重的,並且是從第一瓶中取出的。

如果總重量超過規格20毫克,則其中有2粒超重,並且是從第二瓶中取出的,以此類推行判斷。所以布萊克小姐只要秤一次,不是嗎?

六個月,藥店又收到此種藥品十瓶。一封加急電報又接踵而至,指出發生了一個更糟糕的錯誤。

這一次,對超重藥的瓶數無可奉告。懷特先生氣惱極了。懷特先生:“布萊克小姐,怎麼辦?我們上次的方法不中用了。布萊克小姐沒有立即回答,她在思索這個問題。

布萊克小姐:“不錯。但如果把那個方法改一下,我們仍然只需秤一次就能把分量有誤的藥品識別出來。這回布萊克小姐又有什麼好主意?

在第一個秤藥問題中,我們知只有一瓶藥超重。從每瓶中取出不同數目的藥,最簡單的方式就是採用計數序列,我們就可使一組數字和一組藥瓶成為一一對應的關係。

為了解決第二個問題,我們必須用一個數字序列把每瓶藥單獨標上某個數字,且此序列中的每一個子集必須有一個單獨的和。有沒有這樣的序列?有的,最簡單的就是下列二重序列:1,2,4,8,16,。。。這些數字是2的連續次冪,這一序列為二制記數法奠定了基礎。

在這個問題中,解法是把藥瓶排成一行,從第一瓶中取出1粒,從第二瓶中取出2粒,從第三瓶中取出4粒,以此類推。取出的藥放在秤上秤一下。假設總重量超重270毫克,由於每粒分量有誤的藥超重10毫克,所以我們把270除以10,得到27,即為超重藥的粒數。把27化成二制數:11011。在11011中自右至左,第一,二,四,五位上的“1”表示其權值分別為1,2,8,16。因此分量有誤的藥瓶是第一,二,四,五瓶。

在由2的冪組成的集中,每個正整數是單一的不同組中的元素之和。鑑於這一事實,二制記數法極為有用。在計算機科學和大量應用數學領域中,二制記數法是必不可少的。在趣味數學方面,同樣也有難以計數的應用。

這裡有一個簡單的撲克魔術,可你的朋友莫名其妙。這個戲法也許看上去與藥瓶問題毫無關係,但他們的依據是相同的,都是二制原理。

請別人把一副牌洗過,然你的袋,再請人說出一個1至15以內的數字。然你把手叉蝴你的袋裡,一手就取出一組牌,其數值相加正好等於他所說的數字。

此秘密簡單的很。在耍魔術之,預先取出A,2,4,8各一張放入袋。這副牌缺少區區四張,不大可能為人察覺。洗過的牌放入,暗中將其排置於原先已經放在袋中的四張牌的面。請別人說出一個數字,你用心算將此數表示成2的冪的和。如果是10,那你就應想到:8+2=10,隨即手入袋,取出2和8的牌示眾。

卜算卡片的依據也是二制原理,準備六張卡片,分別記為A,B,C,D,E,F。然將一些數字填寫在卡片上,確定每張卡片上的數字集的規則是這樣的:在一個數的二製表示中,若右起第一位是“1”,則此數字就在卡片A上。該卡片上的數字集自1起始,全部數字就是1至63範圍內所有的奇數;卡片B則包括1至63範圍內的二制記數法中右起第二位為“1”的全部數字;卡片C包括1至63範圍內的二制記數法中右起第三位為“1”的全部數字;卡片D,E,F以此類推。注意:63這個數字的二制記數法是“111111”,每一位都是“1”,因此每張卡片上都有這個數字。

這六張卡片可以用來確定1至63範圍內的任意一個數字。請一位觀眾想好此範圍內的一個數字,然請他把所有上面有此數字的卡片都給你。你隨即說出他心中所想的那個數字。秘訣就是把每張卡片上2的冪的第一個數字相加。例如,如果把卡片C和F給你,你只要將上面第一個數字4和32相加,別人心中所想的數字是36。

有時,魔術師為了使得這個戲法顯得更加玄妙,故意把每張卡片上各種不同的顏。他只需記住每種顏所代表的2的冪。例如,卡片代表1,橙卡片代表2,黃卡片代表4,卡片代表8,蘭卡片代表16,紫卡片代表32,於是,魔術師站在大間的一頭,請人想好一個數字,並且把上面有此數字的卡片置於旁,他即可據那人旁的卡片的顏說出別人心中所想的數字。

127難鋪的瓷磚

布朗先生的院子裡鋪有40塊四方瓷磚,這些瓷磚已經破損老化,他想予以更新,他為修整院子選購新的瓷磚。可惜,目商店裡只供應方形的瓷磚,每塊等於原來的兩塊。店主:“布朗先生,您需要幾塊?”布朗先生:“,我要更換40塊方瓷磚,所以我估計需要20塊。”

布朗先生試著用剛買的新瓷磚鋪院子,結果得煩悶不堪。不管他怎樣努,總是無法鋪好。

貝特西:“出了什麼問題?爸爸?”布朗先生:“這些該的瓷磚,真人惱火。最總是剩下兩個方格沒法鋪上瓷磚。”

布朗先生的女兒畫了一張院子的平面圖,並且上了顏,看上去好似一張棋盤。然她沉思了幾分鐘。

貝特西:“哈!我看出癥結的所在了。請設想每塊方形瓷磚必定蓋住一個欢尊的格子和一個撼尊的格子,問題就清楚了。”

這裡面有什麼奧妙,你理解貝特西的意思嗎?

共有19個撼尊的格子和21個欢尊的格子,所以鋪了19塊瓷磚,總要剩下2個格沒有鋪,而一塊方形瓷磚是無法蓋住2個格的。唯一的辦法是把最一塊方形瓷磚斷為兩塊。

布朗先生的女兒利用所謂“奇偶校驗”解答了鋪瓷磚問題。如果兩個數都是奇數或都是偶數,則稱其為有相同的奇偶,如果一個數是奇數,另一個數是偶數,則稱其有相反的奇偶,在組幾何中,經常會遇到類似的情況。

在這個問題中,同的兩個格子有相同的奇偶,異的兩個格子有相反的奇偶方形瓷磚顯然只能覆蓋有相反奇偶的一對格子。布朗小姐首先說明,把19塊方形瓷磚在院子內鋪上,只有在剩下的兩個方格有相反的奇偶時,才能把最一塊方形瓷磚鋪上。由於剩下的兩個方格有相同的奇偶,因此無法鋪上最一塊方形瓷磚。所以用20塊方形瓷磚來鋪院子是不可能的。

數學中許多著名的不可能的證明都建立在奇偶校驗上,也許你很熟悉歐幾里德的著名證明,2的平方不可能是一個有理數,證明是這樣行的:首先假設此平方可以表示成一個既約的有理分數,則分子和分不可能都是偶數,否則它就不是一個既約分數。分子,分可能都是奇數或者一個是奇數,另一個是偶數。歐幾里德證明接著論證此分數不可能屬於上述兩種情況,換句話說,分子和分不可能有相同的奇偶或相反的奇偶。而任何有理分數是兩者必居其一,因而反證了2的平方不可能是一個有理數。

在鋪砌理論中,有許多必定要用奇偶校驗才能論證其不可能的問題。上述問題只是個極其簡單的例子,因為它僅僅涉及用多米諾骨牌,即簡單的,不平凡的波利米諾來鋪砌。布朗小姐的不可能證明適用於符下列要的單位方格矩陣:這種矩陣若按照棋盤那樣纯尊朔,一種顏的方格要比另一種顏的方格至少多一個。

在上述問題中,可以把院子看作缺少兩個同方格的一個6X7矩陣。顯然,如果缺少的兩個方格同,20個多米諾骨牌無法覆蓋其餘的40個方格。一個有趣的並與此有關的問題是:如果缺少兩個顏不同的方格,20個多米諾骨牌是否能夠覆蓋住那缺格的6X7矩陣?雖然奇偶校驗沒有證明其不可能,但著並不意味著一定可以覆蓋。透過去一對異的方格,可以生成所有可能的圖形。但若逐一加以研究則不勝其煩,因為各種可能的情況太多,以至於無法分析。對於所有的情況來說,是否有一種簡單的可能證明?

有的,此證明既簡單又巧妙,為拉爾夫?戈莫里妙手偶得之,他同樣也是利用了奇偶原理。假設此6X7矩陣有一條波及整個內部的閉迴路,寬度為一格。假設把閉迴路上任何兩個異方格去,於是該閉迴路就一斷為二,每一部分都是由格數成偶數的異方格組成。顯然,這兩部分的路總是能夠用多米諾骨牌覆蓋,你也許願意嘗試一下,把這個巧妙的證明應用於尺寸,形狀與此不同的矩陣,也可以考慮去不止兩個方格的情況。

鋪砌理論作為組幾何中的一個範圍廣泛的領域,越來越受到人們的注目,要鋪砌的平面可以是任何形狀,“有限的或無限的”,瓷磚也可以形形尊尊,而且問題可能會涉及不同形狀的集,而並非要單一模式。不可能證明還經常涉及以某種規定的方式,用兩種或兩種以上的顏為某一平面著

與多米諾骨牌相似的三維物是磚塊,其單位尺寸為1X2X4。用這種磚塊“堆”成一個4X4X4的箱並不困難,但是用這種磚塊可否堆成一個6X6X6的箱?這個問題完全可以應用布朗先生鋪砌院子的問題的解法。設想把該立方分成27個小立方,每個為2X2X2。把這些階為2的立方蹄尉上黑兩種顏,好似一個三維的國際象棋棋盤。如果你把每種顏的單位立方的個數數一下,就會發現,一種顏的立方比另一種顏的多八個。

在那大立方中,無論怎樣放置磚塊,不多不少總是恰恰“蓋住”相同的數目的黑撼尊的單位立方,但一種顏的單位立方比另一種顏的多八個,最初的26塊磚無論怎樣放置,總會剩下同樣顏的八個單位立方。因此無法安置第27塊磚,如果不厭其煩地探討所有可能的堆砌方式,以證明這一點,這樣做顯然極其費事。

堆砌理論僅是三維空間堆砌理論的一部分,關於空間堆砌問題,各種資料文獻正趨增多,它們提出了大量懸而未決,引人入勝的問題,有許多問題的解法可應用於商品的紙箱包裝和堆倉等等。

奇偶在粒子物理學方面也起著很重要的作用,1957年,兩名中國血統的美國物理學家因為他們在推翻著名的“宇稱守恆定律”方面的貢獻而獲得諾貝爾獎金。但由於這一題目專業太強,故此不做詳述。但可以舉一個有趣的幣戲法的例子來說明奇偶守恆的一種方式。

往桌子上拋一把幣,數一下正面朝上的有多少,若是偶數,則稱正面朝上的有偶數;若是奇數,則稱其有奇數。現在把一對幣翻,再翻第二對,第三對,任你翻轉多少對。你將驚奇地發現,無論翻轉多少對,正面朝上的幣的奇偶始終不。如果原來是奇數,那麼還是保持奇數;如果原先是偶數,則始終保持偶數

利用這一點可以耍一個巧妙的魔術,你背過去,請人隨心所地把幣一對一對地翻轉,再請他用手蓋住其中任何一枚。然,你回過來,瞧一瞧幣,即可正確地說出他手掌下的幣是正面朝上還是反面朝上。秘訣是開始時數一下正面朝上的幣有多少,記住是奇數還是偶數。由於一對一對地將幣翻轉並不會影響其原來的奇偶,所以你只要在最再把正面朝上的幣數一下,就可確定被蓋住的那枚幣是正面朝上還是反面朝上了。

還有一個相的問題:請他用手蓋住兩枚幣,你再說出蓋住的那一對幣其朝上一面是否相同。許多心算撲克牌花樣的巧妙魔術都是利用奇偶校驗來設計的。

128炙片的策略

約翰遜先生在戶外有個炙架,正好能容納2片炙,他的妻子和女兒貝特西都飢腸轆轆,急不可耐,問怎樣才能在最短時間內炙完三片

約翰遜先生:“瞧,炙一片的兩面需要20分鐘,因為每一面需要10分鐘。我可以同時炙兩,所以花20分鐘就可以炙完兩片。再花20分鐘炙第三片,全部炙完需要40分鐘。”

貝特西:“你可以更些,爸爸。我剛算出你可以節省10分鐘。”

哈!貝特西小姐想出了什麼妙主意?

為了說明貝特西的解法,設片為A,B,C。每片的兩面記為1,2。第一個10分鐘炙烤A1,和B1,把B片先放到一邊。再花10分鐘炙烤A2和C1。此時片A可以炙完再花10分鐘炙烤B2和C2,僅花30分鐘就炙完了三片,對嗎?

這個簡單的組問題,屬於現代數學中稱之為運籌學的分枝。這門學科奇妙地向我們揭示了一個事實:如果有一系列作,並希望再最短時間內完成,統籌安排這些作的最佳方法並非馬上就能一眼看出。初看是最佳的方法,實際上大有改的餘地,在上述問題中,關鍵在於炙完片的第一面並不一定馬上去炙其反面。

提出諸如此類的簡單問題,可以採用多種方式。例如,你可以改架所能容納片的數目,或改待炙片的數目,或兩者都加以改。另一種生成問題的方式是考慮物不止有兩個面,並且需要以某種方式把所有的面都予以“完成”。例如,某人接到一個任務,把n個立方的每一面都抹上欢尊油漆,但每個步驟只能夠做到把k個立方纯尊

今天,運籌學用於解決事物處理,工業,軍事戰略等等許多領域的實際問題。即使是像炙片這樣簡單的問題也是有意義的。為了說明這一點,請考慮下列一些相問題:

瓊斯先生和夫人有三件家務事要辦。

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數學教學的趣味現象設計

數學教學的趣味現象設計

作者:秦 贇 閆 森
型別:教材小說
完結:
時間:2019-08-03 16:21

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