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第31章 趣味数学(4)

这个猜想最初是由哪位数学家提出来的,已经搞不清楚了,但似乎并不古老。20世纪30年代,德国汉堡大学的学生考拉兹就研究过它。1952年一位英国数学家独立发现了它。几年之后它又被一位美国数学家所发现。自20世纪50年代起,这个问题一再引起人们的广泛兴趣。

在日本,这个问题最早是由角谷静夫介绍到日本的,所以日本人称它为“角谷猜想”。1960年角谷静夫初次听到这个问题,他说:“有一个月,耶鲁大学每一个人都在研究这个问题,但没有任何结果。我到芝加哥大学提出这个问题之后,也出现了同样现象。有人开玩笑说,这个问题是企图减缓美国数学进展的一个阴谋。”足见这个问题的吸引力之大。

人们争先恐后去研究这个猜想,一遍遍地进行运算,在运算过程中发现,算出来的数字忽大忽小,有的计算过程很长。比如从27算到1,需要112步。有人把演算过程形容为云中的小水滴,在高空气流的作用下,忽高忽低,遇冷结冰,体积越来越大,最后变成冰雹落了下来,而演算的数字最后也像冰雹一样掉了下来,变成了1。因此人们又给这个猜想起了个形象的名字——冰雹猜想。

巧称苹果

秋天到了,苹果园里,树上硕果累累,一派丰收景象。

小明的叔叔是林场的工程师,星期天加班。小明要叔叔带他到果园去玩。

小明和叔叔来到苹果质量检验处。叔叔仔细察看了职工们的工作:把摘下的苹果分类,检验,装箱。

“叔叔,一箱苹果有多重?”小朋问。

“四五十公斤吧,重量不一定相同。”叔叔说。

“咱们称一称吧!”小明要求道。

“好。”叔叔把小明领到一架磅秤旁边。不巧,管计量的职工有事离开了,把磅秤的小秤砣收了起来,只留下了100公斤的大秤砣。

小明不高兴了:“那怎么称一箱苹果的重量?”

叔叔想了想,说:“咱们把这5箱苹果两两合称吧!”

小明说:“两两合称就是每两箱一起称,一共要称10次。”

叔叔说:“对。不过,需要说明一下:咱们称的是苹果连同纸箱的重量,叫做毛重;箱子里面苹果的重量叫做净重。咱们以下说的每箱苹果的重量,都是毛重。”

小明和叔叔抬起苹果箱过称,记录如下:

5箱苹果,两两合称,重量(单位:公斤)为:

111,112,113,114,115,

116,117,118,119,121。

叔叔知道小明是数学课外小组成员,便想考考他:“你算算每箱苹果的重量,”叔叔又补充,“假定每箱苹果重量的公斤数都是整数。”

小明说:“我把这10个数加起来,除以20,不就算出来了!”

叔叔笑了:“那是平均数。你从这10个数中,能看出这5箱苹果的重量有两箱相同吗?”

小明说:“因为这10个数两两不相同,而且前面9个是连续自然数,所以,我推测这5箱苹果的重量两两不相同。”

“对。还有呢?”

“还有……没有了!”

叔叔启发说:“你从最简单的数,比如1,2,3下手,找找规律。”

小明说:“我试试看。1,2,3两两相加,得到3,4,5。这是什么规律呢?”

叔叔说:“思考要来一个飞跃,由简单到复杂,由具体到抽象,才能发现规律。你刚才说的,抽象到一般情况就是,3个连续自然数n,n+1,n+2,两两之和为2n+1,2n+2,2n+3,还有3个连续自然数。”

小明恍然大悟:“哎呀,我的脑子到这会儿才有点儿开窍。111,112,113应该是3个连续自然数两两相加而得到的,这3个数是……”

小明在草稿纸上做了一些计算之后,把草稿纸递给叔叔,说:“我已经算出来了,这5箱苹果的重量是……”

小明观察出这10个数,它们两两不同,而且前9个是连续的自然数,在叔叔的启发下推出,这5箱苹果的重量两两不相同,而且最小的3个重量数可能是连续的自然数。因为3个连续自然数两两之和仍为3个连续自然数,所以首先推出最小的3个重量的公斤数为55,56,57,它们两两之和为111,112,113。其次,第四个公斤数不可能是58,因为不然的话,便有58+55=56+57=113,得出了两个113,这与已知条件“两两合称,结果两两不同”相矛盾。取第四个公斤数为59,经过试验:

55+59=114,56+59=115,

57+59=116,

符合已知条件。类似地,可以求得第五个公斤数为62。

因此,这5箱苹果重量的公斤数分别是

55,56,57,59,62。

纸的高度

数学小组活动的时候,同学们都向小伶表示祝贺:“小伶成了电视明星了!”“小伶回答问题‘完全正确’(一个同学模仿电视台著名的节目主持人的口气),给咱们数学小组争了光!”

“哦,原来是那天看烹饪大师大奖赛时回答了一个问题,这没有什么!”小伶谦虚地说。

李老师及时引导同学们找“数学感觉”。“数学感觉”这个词是李老师自编的,其来源是体育界和音乐界:踢足球的常说“球感”,游泳的常说“水感”,搞音乐的常说“乐感”……李老师说:“小伶回答的问题不是没有什么,而是大有文章可做,是数学里非常有趣而且有用的一个内容。”

同学们催李老师快讲。

李老师说:“抻面条是把大面条抻长,绕,扣,再抻,每一扣都比上一次的面条根数增加一倍,而面条一次比一次抻得细。现在我们看一个相反的问题。”

“请同学们拿出刚发的《少年科学报》,打开,把这张报纸对折一次,一张变成了两层;好,再对折一次,两层变成了4层;再对折一次,4层变成了(小聪答话:8层),对。你们看看手边的一叠纸,变厚了吧!

“假定你的这张纸很大很大,要多大就有多大。你把这张纸像刚才这样对折30次后,再估计一下,这叠纸放在地面上应该有多高?”

小明举手问:“李老师,一张报纸的厚度是多少?”

李老师反问:“能量出一张纸有多厚吗?”

小聪拿起一本书和一块三角板,一边演示一边说:“我手中这本书的每一页的厚度,与这张报纸的厚度差不多。我用三角板量一量书的厚度,再看看这本书有多少页,就可以算出一张纸的厚度了。”停顿了一会儿,小聪接着说:“这本书的厚度约是12毫米,有150页,我算出一张纸的厚度约是0.08毫米。”

李老师说:“我们假设所用的那张很大很大的纸很薄很薄,比如说厚度只有0.01毫米。现在开始估计吧!谁先说?”

小明说:“大概有1米高吧!”

小俐说:“大概有10米高吧!”

小聪说:“大概有3层楼房高吧!”

小伶注意到李老师露出神秘的笑容,便大着胆子说:“大概有中央广播电视塔那么高吧!”

小明摇摇头,说:“哪能呢!要知道,中央广播电视塔是北京最高的建筑物,塔高405米呢!”

李老师也摇摇头,笑着说:“你们估计得太保守了!你们能想像得出,这个高度比世界第一高峰珠穆朗玛峰的海拔高度(小聪插话:8848米)还要高吗?这个高度比2000层的摩天大楼(每层高度以5米计算)还要高吗?不过这座摩天大楼,地球上还没有出现,是我想像中的。”

同学们都惊奇得瞪大着眼睛,异口同声地说:“哎呀!这么高呀!可能吗?”

这张纸对折30次,叠成了230张,而每张纸的厚度是0.01毫米,所以这叠纸的高度是230×0.01=10737418.24(毫米)≈10737(米),超过了世界第一高峰珠穆朗玛峰的高度,也超过了想像中的两千层高(以每层高5米计算)的摩天大楼的高度。

还有使你更为惊奇的呢!如果你把这张纸对折50次,那么这叠纸的高度是250×0.01=11258999068426.24(毫米)≈11258999(公里),大约是地球到月球的距离的30倍!

几只黑兔

小聪暑假期间到乡下外祖母家住了一个星期,他跟着大舅的儿子牛牛上河边钓鱼,去村后逮鸟,可有意思呢!

有一天,牛牛拿着两把镰刀,带小聪去河边割草。牛牛告诉小聪,他家和小聪的二舅家都养了百十来只兔子,原来是分开养的,因为现在农忙,便把两群兔子放在一起饲养。一会儿,小哥儿俩便割了一大筐草。牛牛背着草,小聪拿着镰刀,来到小聪的二舅家。

嗬,二舅家的后院成了养兔场,兔笼一个挨一个,笼里养着白兔和黑兔。牛牛告诉小聪,他们两家一共养了260只兔子,大舅家的兔群里有13%的黑兔,二舅家的兔群里有12.5%的黑兔。这时,牛牛眼珠一转,对小聪说:“你算算看,你大舅家和二舅家各养了多少只黑兔?”

小聪说:“我是数学小组的组员,正想显显身手呢!”他跑进屋里,拿起纸笔便写:

260×13%=33.8,

260×12.5%=32.5。

咦,奇怪了!

“牛牛哥,怎么算出来的黑兔数都是小数呀!”

“不会吧!黑兔数应该是整数。”

牛牛走过去一看小聪的算式,说:“唉,你把已知条件搞错了。我是说,大舅家的兔群里有13%的黑兔,二舅家的兔群里有12.5%的黑兔,不是说260只兔子的13%和12.5%。”

小聪挠挠头,问:“牛牛哥,你家有多少只兔子?”

牛牛笑着说:“这可是个关键数,我不能告诉你!你好好开动脑筋,一定能求出来的。”

小聪抓住关键,深入思考,终于算出了大舅家和二舅家的黑兔数。小哥儿俩到养兔场,一边给兔子添草,一边数数黑兔有几只,小聪还想验证自己的计算结果呢!

小聪后来是这样算的:

因为大舅的兔群里有13%的黑兔,所以,100只兔子里,就有13只黑兔;200只兔子里,就有26只黑兔。因为活兔子的数目是整数,所以,大舅家的兔群里只能有100只兔子或200只兔子。这样,二舅家的兔群里就有160只兔子或60只兔子。

因为160×12.5%=20,

60×12.5%=7.5,

而活兔子数不可能是小数,所以,二舅家的兔群里不可能有60只兔子,只能有160只兔子。于是,大舅家的兔群里有100只兔子。

因此,大舅家有13只黑兔,二舅家有20只黑兔。

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