数学,这门古老而常新的科学,正阔步迈向远方。回顾过去,数学科学的巨大发展确立了它作为整个科学基础的地位,数学正突破传统的应用范围向几乎所有知识领域渗透,并越来越直接地为人类物质生产与日常生活作出贡献。同时,数学作为一种文化,已成为人类文明进步的标志。[1]P1
数学靓丽多姿,光彩照人,具有十分魅力,引人入胜。随着社会的发展,数学美感延伸、扩大、渗透到方方面面,特别是意识形态之中。数学及其思想方法除了是生产技术中必不可少的额工具外,它像音乐、绘画、雕塑、建筑、诗歌等艺术作品一样充满着美:逗人笑,受人称赞,供人欣赏。[2]P1
数学之美
什么是美?美是心借物的形象来表现情趣,是合规律性与合目的性的统一(朱光潜语)。美又是自由的形式:完好,和谐,鲜明。真与善,规律性与目的性的统一,就是美的本质和根源(李泽厚语)。然而人们认识美,探索美的秘密却是一个极为古老的课题。[3]P1
罗素曾说:“数学,如果正确地看,不但拥有真理,而且也具有至高的美。”的确,数学作为自然科学的语言,具有一般语言文学与艺术所共有的美的特点,即数学在其结构上、方法上也都具有自身的某种美,即所谓数学美。因而数学美是具体、形象、生动的。数学美的起源遥远,历史悠久。[4]P5
如果硬要将数学比做什么的话,那么它一定是无声的音乐,无色的图画。人们喜欢音乐,因为它有优美的旋律;人们喜欢图画,因为它描绘人和自然的美;然而人们更该喜欢数学,因为它像音乐一样和谐,像画一样美,它在更深的层次上,结实自然和人类社会的内在旋律,用简洁的、漂亮的定理和公式描述世界的本质。[5]P1
——和谐和谐就是协调、统一、秩序。是指若于事物相互共处,相辅相成。一场成功的音乐会,管、弦、锣、鼓和声演出,为一好例。在数学研究中,不论空间形式或是数量关系在一定条件下所有命题、公式虽各有个性,却无从矛盾;即使条件变了,命题的形式还能通过对称,对偶,对应等手段和谐地变换着。举例说:
如果△ABC的三边长是a,b,c,那么面积
(S(ABC))2=1/16
如果四面体A-BCD三棱的棱长是AB=a,AC=b,AD=c,BC=l,CD=m,DB=n,那么体积
(V(A-BCD))21/288
命题因推论,推广,开始进入新的境界,新旧虽有区别,但仍是和谐地前后统一着。
——简练数学研究避重就轻,以简取胜。前言万语说不清,讲不明;千头万绪,虽理还乱的现象,如果处理得当,用数学语言可以“一言以蔽之”。数学归纳法就是典型:两句胜过讲一万句,这当然不是笑话。当年匈牙利知名数学家厄尔多斯(ErdosPaul,1913-1996)要测试聪明小孩波萨(Posa)的书才华,即兴命题:“在1-2000二千个自然数中,任取一千零一个,那么一定有两个互素。”小孩用分类方法作出满分的答卷。后人在复述这个故事时,常归结为:证二相继自然数互素。怎样证二自然数n,n1(n>1)互素?预期用颇费的口舌的反证法,不如用我国3世纪时刘徽《九章·方田》注的更相减损术。只需做一次减法:n+1-n=1,于是(n,n1)=1,命题已证。难道还有比这更简练的说法吗?
——奇巧许多数学现象似无法实现,却是千真万确。事实胜于雄辩,犹如看了一场精彩的杂技表演,梦幻成真,你能不感染其美,不为之拍案惊奇叫好吗?在数学研究中奇事特多。例如存在一条带子(牟比乌斯带),蚂蚁不经过边缘,能爬遍带子正反两面所有的点。存在一个瓶子(克莱因瓶),蚂蚁可以经过瓶口爬遍瓶子内外两面所有的点。[6]
数学是那么神奇,那么迷人,那么令人神往,那么使人陶醉。
数学之趣
“我最恨数学了,都是数字。”这是一句常听到的话。可数学不是仅仅和数字有关的科学,它早已不再是象牙塔中供奉的偶像,然已走到人间的城市中,用它活泼的本性感染着我们。
首先我们来看看为人“恶”的数,作为上帝的宠物,它有哪些趣味性呢?举个例子告诉你:《一千零一夜》的故事几乎人尽皆知。不知道它的人可以说是个“文化盲”吧!
有个小学生做游戏,简单而有趣,先请他随便写一个三位数(以0打头的数不要),随后再把该数重新抄一遍,例如568经过这步“重抄”后,即可变成568568,然后把这张纸条分别传递给另外三个小朋友,要他们先以原数除以7,在将所得之先后两个商数分别除以11与13,最后再还给第一位小朋友。这时,他会惊奇地发现,在历经“折磨”之后,原来的568却又重新得返回到他的身旁。
说穿把三位数重抄一遍,其实质就等于是把原数去乘1001,而1001=7?1?3,由此性质出发,我们可以导出一个很实用的,判别一个大数能否被7,11,13整除的检验法,先将该数n自后向前,每三位一撇来分节,然后把各节字交替加减,并求出结果,记为f(n)。
例如,若n=29,415,926,535,897
则f(n)=897-535+926-415+29=902
此时,若7能整除f(n),则7也能整除原数n;对11和13来说,也是如此。
对本例来说,902能被11整除,但不能被7和13整除,上例我们判明原来的数29,415,926,535,897必能被11整除,但不能被7和13整除。
这个巧妙的方法被人称为“一箭三雕法”。[7]P33
接着我们来解数学妙题:幼儿园的滑梯,登上幼儿园滑梯的顶部需要9级楼梯,小朋友们有时登一级有时登两级,从来不登三级或更多,问有多少种不同方式登上顶部(例如,1-2-4-6-7-9是一种方式,1-2-3-4-6-7-9是另一种方式)?
解法:设登上第n级楼梯有an种方式,而登上n级楼梯,只可能在从n-1级登一级或从第n-2级这两种方式。因此,从地而上登上n级楼梯的方式数是登上第n-1级及登上n-2级楼梯的方式数之和,即an=an-2