什么样的数学科普书是有趣的呢?或许在每个人的心中都有自己的答案。但如果有这样一本书,能把我们熟悉或陌生的数字变成有趣的故事,故事之下是每个数背后的历史,同时又拓展出众多有趣的数学问题,而这些神奇的数又启发我们对数学的思考。成为我们进入数学世界的“引路人”。
斯图尔特的《不可思议的数》就是这样的一本书,书中从面熟的0到10,陌生的42、56和168,直肠子的有理数,难以捉摸的无理数,各种不可思议的数,各种不可思议的故事。
我们从42这个看似无趣却一点也不乏味的数字开始吧!一起领域数字的魅力!
其实,42一点都不乏味!
好吧,虽然这早已不是秘密了。
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普洛尼克数
所谓普洛尼克数(也叫长方形数、矩形数或 heteromecic 数)是指两个连续整数的积,因此它的形式是 。当 时,我们可以得到 。由于第 个三角形数是 ,所以普洛尼克数是三角形数的 倍。它还是前 个偶数之和。数量是普洛尼克数的点可以排列成一个矩形,这种矩形的一条边比另一条边大 (图 171)。
图 171 前 6 个普洛尼克数。阴影部分表示它们为什么是三角形数的 2 倍
这里有一个关于高斯的故事,在他还很年轻的时候,被老师要求完成一个一般形式的问题
很快发现,如果相同的和式以递减的顺序写出来,即
其相应的数对之和都等于。因为有 对这样的数对,所以它们的总和为 ,这是一个普洛尼克数。老师提出的问题的答案是这个数的一半,即 。然而,我们实际上并不知道高斯的老师在课上提出的问题到底是什么,它有可能更难。如果是这样的话,那么高斯就更聪明了。
2
第6个卡塔兰数
利用阶乘可以得到如下公式:
这又是一个在看似和圆或球体无关的问题里出现了 的例子。
图 172 把六边形分割成三角形的 14 种方法
它也是生成有 片叶子的二叉树的数量。二叉树源于一个根节点, 然后从这个节点开始向两边分枝。每个分枝都以点或叶子结束。每个点必须继续分出两枝(图 173)。
图 173 5 棵有 4 片叶子二叉树
如果你觉得这个想法有点难懂,那么它和代数还有一个更直接的联系——计算在加法或乘法算式中插入括号的方法的总数,例如对 abcd 而言, 有C5 种可能:
一般而言, 个符号有 种插入括号的方法。为了搞明白其中的联系, 我们可以把这些符号顺次填在树的叶子上。如果一对叶子有相同的节点,
那么就插入括号。如图 174 所示,我们先从左往右把 片叶子标上 、、、。然后,从下往上在连接 和 的节点旁标记 。它上面的节点连接了 和标记为 的节点,因此新的节点对应于 。最后,顶上的节点连接了 和 ,因此,它是 。
图 174 把二叉有根树转化成代数
许多其他的组合问题也会出现卡塔兰数;以上是最容易描述的一小部分。
3
魔方
一个 魔方的幻方常数是 。这样的魔方包含了 每个数各一次,平行于棱边的每行或经过中心的对角线中的数之和是相等的——这个和被称为幻方常数。所有 个数之和是 。这些数可以被分成 组不相交的三元组,而每个三元组相加后可以得到幻方常数,因此幻方常数必须是 。
这样的排列是存在的,图 175 就是一个例子。
3
其他特点
作者:[英]伊恩·斯图尔特 译者:何生