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第13章 数学科学发现(6)

19世纪20年代,著名的费尔巴哈定理诞生了,这个定理就是关于九点圆的证明的。德国数学家费尔巴哈在《直角三角形的一些特殊点的性质》中,阐述了自己对九点圆的证明,第一次指出了九点圆与内切圆及三个旁切圆相切,这就是人们通常所称的“费尔巴哈定理”。那时费尔巴哈年仅二十二岁。

第二个九点圆又可称为“十二点圆”,三角形的三个顶点是构成这个九点圆的这九个点中的一部分,而他们恰好与三角形的旁心三角形的三个高重合。此外的六个点分别是:三角形三个旁心的三边中点,三角形内心与三个旁心连线中点。第二个九点圆与第一个九点圆的性质大致相同,但是它与三角形的外接圆重合,圆心在三角形的外心上,第二个九点圆半径与第一个九点圆半径之比为2∶1。

关于九点圆的证法很多,但是无一例外,所有证法都很繁琐,让人很难理解,英国麦凯博士发表过一篇关于九点圆的论文就有十几页之长。关于九点圆的证明已经成为了难点,这更为九点圆增添了几分神秘的气息。

大自然的巧合无处不在,总是给人意想不到的惊喜。三角形是数学里最基本的图形之一,三角形虽然以它的稳固著称,然而,三角形里处处有玄机,等待着我们去探索,从勾股定理到正余弦定理,简单的三角形总是吸引着人们的注意,蕴涵着深厚的底蕴。

九点圆带给我们的不仅仅是惊异,它的特殊性也使它拥有了特殊的作用。九点圆正等待着人们对它进一步的发掘和利用。

简单的三条线相连却连出了九点圆,这是个数学的巧合,也是数学的神奇之处。也正是这种神奇,让古往今来多少科学家们为之前仆后继。

奇妙的幻方

传说很早以前,夏禹治水的时候,在河南洛阳附近的大河里浮出了一只乌龟,背上有一个很奇怪的图形,古人认为是一种祥瑞,预示着洪水将被夏禹王彻底制服。后人称之为“洛书”或“河图”。

如果把图形改成现在通用的阿拉伯数字,就成了下面的样子。

4 9 2

3 5 7

8 1 6

我们注意到上面的图形中,九个数字正好是从1到9,既无重复,也没有遗漏,但它们并不是按递增或递减顺序来排列。上图的排法,到底有何奥妙呢?

原来,图中任意一横行、一纵列及一条对角线上的三个数字之和全都相等,等于15。把具有这种性质的图表称为“幻方”或“纵横图”。上面这个三行三列的幻方就称“三阶幻方”,15是三阶幻方的常数。古代又称三阶幻方为“九宫”。古书上记载:“九宫者,二四为肩,六八为足,左三右七,载九履一,五居中央。”

把上面的九宫图旋转90°、180°与270°,再把它们与原图一起画在透明纸上,从反面来观察,这样一共可以得到八个图,但它们并无实质上的不同。

现已证明:三阶幻方只有一种构造方法。南宋数学家杨辉,在他著的《续古摘奇算法》里介绍了这种方法:只要将九个自然数按照从小到大的递增次序斜排,然后把上、下两数对调,左、右两数也对调,最后再把中部四数各向外面挺出,幻方就出现了。

神秘的阿拉伯数字带给人们的是无尽的遐想与迷恋,正如幻方问题是那样引人入胜。

神奇的“无8数”

朋友们,你们知道吗?在数学王国里,有一位神奇的主人,它是由1、2、3、4、5、6、7、9八个数字组成的一个八位数——12345679。因为它没有数字“8”,所以,我们都管它叫“无8数”。

“无8数”虽然是由普通的八个数字组成的,但是它具有许多奇特的功能。它与几组性质相同的数相乘,会产生意想不到的结果。你不信?就让它给你展示一下吧!

它若是与9、18、27、36、45、54、63、72、81(9的倍数)相乘,结果会由清一色的数字组成。

12345679×9=111111111

12345679×18=222222222

12345679×27=333333333

……

12345679×81=999999999

“无8数”不仅能乘出清一色的积,而且还能与12、15、21、24……(3的倍数,其中9的倍数除外)相乘,得出由3个数字组成的“三位一体”的特殊组合,其结果如下:

12345679×12=148148148

12345679×15=185185185

12345679×21=259259259

12345679×24=296296296

……

怎么样?朋友们,“无8数”够神奇的吧!这还不算,还有更精彩的呢,它若是与10、11、13、14、16、17……相乘,乘得的积会让8、7、5、4、2、1轮流休息(3、6、9是3的倍数,就轮不到它们休息了)。

12345679×10=123456790(数字“8”休息)

12345679×11=135802469(数字“7”休息)

12345679×13=160493827(数字“5”休息)

12345679×14=172839506(数字“4”休息)

12345679×16=197530864(数字“2”休息)

12345679×17=209876543(数字“1”休息)

……

怎么样?“无8数”够有人情味了吧!

看了这个结果后,大家一定会说:“无8数,真奇妙!”然而,它与10、19、28、37、46、55、64、73相乘,更是其乐无穷,积会让1、2、3、4、5、6、7、9八个数字轮流做开路先锋!

12345679×10=123456790

12345679×19=234567901

12345679×28=345679012

12345679×37=456790123

12345679×46=567901234

12345679×55=679012345

12345679×64=790123456

12345679×73=901234567

这个神奇的“无8数”还有不少有趣的性质,随着人们对“无8数”研究的深入,这种有趣的性质会越来越多地被发现出来。

看了“无8数”的展示,大家有什么感想呢?在神奇的数学王国里,有无数的“宝藏”等待着我们去挖掘。只要我们多学习,多积累,就一定能探索出更多的奥秘。

秦王点兵的原理

战神如果是个数学家,那他取胜的几率就会大增。从人类早期的战争开始,数学就无所不在,不论是发射弩箭还是挖掘地道攻城,数学定律就像冥冥之中的命运之神一样在起着作用。

秦王暗点兵和韩信乱点兵是我国古代的军事智慧,但其实都是后人对“物不知其数”问题的一种故事化。

“物不知其数”问题出自一千六百年前我国古代数学名著《孙子算经》。原题为:“今有物不知其数,三三数之二,五五数之三,七七数之二,问物几何?”

这道题的意思是:有一批物品,不知道有几件。如果三件三件地数,就会剩下两件;如果五件五件地数,就会剩下三件;如果七件七件地数,就会剩下两件。问:这批物品共有多少件?

如变成一个纯粹的数学问题就是:有一个数,用3除余2,用5除余3,用7除余2。求这个数。

其实这个问题很简单:用3除余2,用7除余2,所以用3与7的最小公倍数21除也余2,用21除余2的数我们首先就会想到23,而23恰好被5除余3,所以23就是本题的一个答案。

这个问题之所以简单,是由于有被3除和被7除余数相同这个特殊性。如果没有这个特殊性,问题就不那么简单了,就会更有趣儿得多。

我们换一个例子:韩信点一队士兵的人数,三人一组余两人,五人一组余三人,七人一组余四人。问:这队士兵至少有多少人?

这个题目是要求出一个正数,使之用3除余2,用5除余3,用7除余4,而且希望所求出的数尽可能地小。

我们举例加以细致的分析:

例如我们从用3除余2这个条件开始。满足这个条件的数是3n+2,其中n是非负整数。

要使3n+2还要满足用5除余3的条件,可以把n分别用1,2,3,…代入来试。当n=1时,3n+2=5,5除以5得1,不合题意;当n=2时,3n+2=8,8除以5正好余3,可见8这个数同时满足用3除余2和用5除余3这两个条件。

最后一个条件是用7除余4,8不满足这个条件,不合题意。所以我们要在8的基础上得到一个数,使之同时满足三个条件。

为此,我们想到,可以使新数等于8与3和5的一个倍数的和。因为8加上3与5的任何整数倍所得之和除以3仍然余2,除以5仍然余3。于是我们让新数为8+15m,分别把m=1,2,…代进去试验。当试到m=3时,得到新数为53,53除以7恰好余4满足所有条件,因而53就是本题的唯一答案。

我国古代学者早就研究过这个问题。例如明朝数学家程大位在他著的《算法统宗》(1593年)中就用四句很通俗的口诀暗示了此题的解法:

三人同行七十稀,

五树梅花廿一枝,

七子团圆正半月,

除百零五便得知。

“正半月”暗指15。“除百零五”的原意是,当所得的数比105大时,就105、105地往下减,使之小于105;相当于用105去除,求出余数。

这四句口诀暗示的意思是:当除数分别是3、5、7时,用70乘以用3除的余数,用21乘以用5除的余数,用15乘以用7除的余数,然后把这三个乘积相加。加得的结果如果比105大,就除以105,所得的余数就是满足题目要求的最小正整数解。

按这四句口诀暗示的方法计算韩信点的这队士兵的人数可得:

70×2+21×3+15×4=263,

263=2×105+53,

所以,这队士兵至少有53人。

在这种方法里,我们看到:70、21、15这三个数很重要,稍加研究,可以发现它们的特点是:

70是5与7的倍数,用3除余1;

21是3与7的倍数,用5除余1;

15是3与5的倍数,用7除余1。

因而:

70×2是5与7的倍数,用3除余2;

21×3是3与7的倍数,用5除余3;

15×4是3与5的倍数,用7除余4。

如果一个数用a除余数为b,那么给这个数加上a的一个倍数以后再除以a,余数仍然是b。所以,把70×2、21×3与15×4相加起来所得的结果能同时满足“用3除余2、用5除余3、用7除余4”的要求。

一般地,70m+21n+15k (1≤m<3, 1≤n<5,1≤k<7)

能同时满足“用3除余m、用5除余n、用7除余k ”的要求。除以105取余数,是为了求合乎题意的最小正整数解。

凡是三个除数两两互质的情况,都可以用上面的方法求解。

上面的方法所依据的理论,在中国称之为“孙子定理”,国外的书籍称之为“中国剩余定理”。

在古代战争的智谋当中也包含着数学原理,数学真的是无处不在啊!

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