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第4章 团结的力量

从前,有一位老人,在临终的时候,他把7个儿子召集到床前,给每个儿子一支竹筷,让他们折断。每一个儿子都毫不费力地把它折断了。接着老人又将7支竹筷捆成一束交给他们,看谁能把7支竹筷同时折断,7个儿子都试了一遍,谁也没有这个本领。于是,老人抓住这个事例语重心长地教育孩子们说:如果你们7兄弟能够团结一致,同心协力,就可以产生巨大的力量,克服一切困难,外人谁也不敢欺侮你们。如果你们互不团结、勾心斗角,就会被外人各个击破、受到欺侮。

老人用形象的比喻,说明了一个平凡而伟大的真理:团结就是力量。

无独有偶,《魏书》中也有一则类似的寓言,题目叫做《阿豺命子弟折箭》。

吐谷浑的国王阿豺有20个儿子,他在临终之前,唯恐儿子们在自己死后争权夺利,互相残杀。便把20个儿子都召到床前,吩咐每人去取一支箭来,大家共取来20支箭摆在地上。阿豺命令他的弟弟慕利延说:“你拿一支箭折断给他们看看。”慕利延拿起一支箭轻轻一折就断了。阿豺又命令说:“你把那19支箭捆成一束一起折断吧!”慕利延用尽了吃奶的力气也不能折断。阿豺便对儿子们说:“你们都看见了吧?单者易折,众则难摧。你们只有努力同心,团结一致,我们的国家才能长治久安啊!”说罢便瞌然长逝了。

“单者易折,众则难摧”。这个平凡而深刻的道理,是人人都懂得的。这两篇寓言,同工异曲,都是为了说明这个道理。

细心的读者也许已经注意到了,这两篇寓言所要说明的道理完全相同,所用的方法也完全一样,但是在写法上却有一点细微的差别。老人有7个儿子,所以要儿子们同时折断7支竹筷,来说明7个人团结一起会产生很大的力量。阿豺有20个儿子,为什么不让他们同时折断20支箭,来说明20个人团结的力量,却只用19支箭呢?原来这中间还有一个数学的道理哩!

要拆断一支圆形的竹筷需要多大的力量呢?根据力学的知识,当外力作用于竹筷时,竹筷会产生一个“挠度”f,当挠度达到极限时,竹筷就会断裂。挠度f按下面的公式计算:f=43×Pl3Eπd4,其中:P——作用的外力;l——竹筷的长;E——弹性模量,与竹筷的材质有关;d——竹筷的直径。

由公式可知,当竹筷的长度、材质一定时,折断一支竹筷所用的力和折断一把竹筷所用的力之比,等于一支竹筷和一把竹筷的直径的四次方之比。

为简便计,设一支竹筷的直径为1,那么“一把”竹筷的直径是多少呢?我们当然希望,当若干支竹筷捆作一把时,最好能接近于圆形。这就是两篇寓言中为什么分别用7支竹筷和19支箭的道理了。

众所周知,一个圆恰能被6个与它同样大小的圆环绕一层。换句话说,7支竹筷捆作一束时比较接近于圆形。再扩大一层,恰好要19支竹筷捆作一束才比较接近于圆形。即任一个圆可以用6个相等的圆环绕一层,可用18个相等的圆环绕2层,用36个圆环绕3层。一般地,用6(1+2+3+…+n)=3n(n+1)个圆可以环绕n层。

现在,我们再来看看折断7支一束或19支一束的竹筷所用的力是折断一支竹筷所用之力的多少倍?设折断一支竹筷所用之力为P1,这竹筷直径为d1=1;折断7支竹筷所用之力为P7,直径为d7;折断19支竹筷所用之力为P19,直径为d19。由图16与图17知,d7可以近似地看作等于3,d19可以近似地看作等于5。于是P1∶P7=d41∶d47=14∶34=1∶81

P1∶P19=d41∶d419=14∶54=1∶625

这意味着,折断7支竹筷所需之力是折断1支竹筷所需之力的81倍;而折断19支竹箭所需之力是折断1支竹箭所需之力的625倍。

这就是为什么“单者易折,众则难摧”的道理!

关于图16和图17,数学史上还有一个非常有趣的故事:1910年,有一个名叫亚当斯的人,试图把1,2,3,4,5,6,7这7个数分别填在图23中的7个圆内的圆心处,使得每一条直线上的数加起来的和都相等。亚当斯很快发现,这是不可能的。如图18所示,如果有x+y=y+z,就必须x=z,但每个数只能填在一个圆心处而不能填在两个圆心处。所以,亚当斯要求的填数法是不存在的。但是他经过不断探索,终于在1957年发现了,把1,2,…19这19个数分别填在图17的诸圆内圆心处,如图19所示,其中每条线上的数相加之和都等于38。

由于环绕每一层的各圆的圆心都排列成一个正六边形,所以,把像图19这样填了数的图形称为幻六边形。亚当斯是用手工排列试出来的,人们自然会问,是否还有更多层的幻六边形呢?回答是否定的。

崔哥后来证明了:不论有多少层环绕圆,也不论用多长的数列1,2,……唯一的幻六边形就只有图20所给出的一个。下面我们来给出这个结论的证明:图20图21

设n为环绕圆的层数。我们先证明,若具有n层的幻六边形,必然有n=2。如图21所示,诸圆心所构成的直线,可分成三个方向的平行线,在每一个方向上,都有2n+1条直线。设每一条直线上诸数之和为常数S,则沿某固定方向上的2n+1条直线上各数之和为(2n+1)S。另一方面,前面证明了,环绕n层共需要3n(n+1)个圆,加上中心的一个共3n(n+1)+1个圆。所以,沿某一固定方向上的2n+1条直线上共有3n(n+1)+1=3n2+3n+1个数,它们分别是1,2,3,…3n2+3n+1,其和为1+2+…+(3n2+3n+1)=12(3n2+3n+1)(3n2+3n+2)=12[(2n2+n)(2n+1)+n2][(2n2+1)(2n+1)(n2+1)]=12[(2n+1)(n+1)+n2][(2n+1)(n+1)(n2+1)]=12[(2n2+1)(n+1)2+(2n+1)(n+1)(n2+1)(2n2+1)+n2(n2+1)]用两种不同方法求出的和应该相等,即有(2n+1)S=12[(2n+1)2(n+1)2+(2n+1)(n+1)(2n2+1)+n2(n2+1)]或者2(2n+1)S=(2n+1)\[(2n+1)(n+1)2+(n+1)(2n2+1)\]+n2(n2+1)。

因为2S是整数,所以2n+1整除右边,从而有2n+1整除n2(n2+1)。

注意到2n+1与n2是互素的(因为不然的话,设d是2n+1与n2的一个最大的素公因数,则d>1。但d整除n2,必然d整除n;又d整除2n+1,就推出d整除1,与d>1矛盾),便有2n+1整除n2+1,从而有2n+1整除4(n2+1)。但4(n2+1)=4n2+4=4n2-1+5=(2n+1)(2n-1)+5,由2n+1整除4(n2+1)即可推出2n+1整除5。这只有n=0或n=2才有可能。但n>0,故必有n=2。这就证明了,如果存在幻六边形,只能是2层的。

至于2层的幻六边形是否存在,图20已经作了回答。至于图26是不是唯一的幻六边形呢?我们可以像图28所示的那样,把19个数分别记为x1,x2,…x19。由于每个方向上有5条线,若每条线上各数之和均为S,则有5S=x1+x2+…+x19=1+2+…+19=12×19×20=190

于是S=38。剩下的就是计算每一个xi(i=1,2,…19),最后不难得出结论,图20是唯一的幻六边形。

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