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丁丁梦游数学王国

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一天,丁丁看一本《数学王国故事》,看着看着就入迷了。突然,一只小狗从书中跳了出来,对丁丁说:“丁丁,你好!我是数学王国的麦斯狗,是数学的化身。听说你很喜欢数学,所以数学王国国王就派遣我来带你到数学王国旅游。”丁丁听了,高兴得跳了起来。

一、哥尼斯堡的七座桥

麦斯狗向空中抛出一块飞毯,随着一声“开”。飞毯慢慢舒展开来。丁丁无比高兴地踏了上去,只听“嗖”的一声,丁丁和麦斯狗就飞向了高空,呼啦啦的风声不绝于耳。飞毯在空中快速飞着,他们往下望,一片绿一片黄一片蓝快速变换着。

丁丁突然看到一个美丽的城堡,里面人来人往。丁丁好奇地问麦斯狗:“麦斯狗,你看,那美丽的城堡里有很多人呢,肯定很好玩吧。”

麦斯狗知道丁丁说的是哪个地方,对丁丁说:“那可是世界上著名的哥尼斯堡哦。”

“一个城堡还有什么特别之处吗?”丁丁追问道。

“当然,要不,我们就到这个城堡中玩玩吧。”

“好嘞!”丁丁欢呼雀跃。

麦斯狗按下飞毯,飞毯稳稳地降落到城堡里。麦斯狗收了飞毯,对丁丁说:“我们也在城堡中走走吧!”

“当然,不然下来干什么呢!”

两位边走边聊,麦斯狗对丁丁说:“你看,这是一条清澈的小河,河上的七座桥将河中的两个岛和河岸连接起来(如图1),多么有趣啊!”“是啊!真好玩啊!”“丁丁,我们做个游戏吧!”“好啊!”“你能不能从我们现在这个地方出发。走遍每座桥和两个岛?要求每座桥只准走一次,最后又回到我们现在这个地方。”

丁丁听后。对麦斯狗说:“你的游戏也太简单了,看我的。”说完,丁丁就迫不及待地走了起来。

一会儿,丁丁就走了几座桥,可是达不到麦斯狗的要求。丁丁不甘示弱,又从起点重走。走了几次,可丁丁还是不能完成这个游戏。

麦斯狗看丁丁也走累了,忙对丁丁说:“你就停下来吧!你是不能一次不重复地走遍这七座桥和两个岛的。”

“你这不是在骗我吗?早知道不行为啥还要我走呢?”丁丁已经累得上气不接下气。

“哈哈哈!”麦斯狗一边笑一边说,“其实,这就是数学历史上著名的‘哥尼斯堡七桥问题’。在你走之前,不知有多少人试着走了多少次,也都没有成功。”

麦斯狗停下了话头,丁丁虽然还在喘着粗气,却对麦斯狗说:“有趣,接着说。”

“后来,人们就把这个问题给了当时最伟大的数学家欧拉。欧拉将此问题简化成了一个图。”麦斯狗在地上边画边说,“两个岛用A、B两点表示,两岸用C、D两点表示。七座桥用a、b、c、d、e、f、g七条线表示,这样,‘哥尼斯堡七桥问题’就变成了一个连通图形(如图2)能否一笔画成的问题。欧拉经过不懈的努力研究,最后得出一笔画图形的规律:①凡是由偶点组成的连通图。一定可以一笔画成。画时可以把任一偶点为起点。最后一定能以这个点为终点一笔画成此图。②凡是只有两个奇点的连通图(其余都为偶点),一定可以一笔画成。画时必须以一个奇点为起点,另一个奇点为终点。③其他情况的连通图都不能一笔画成。”

丁丁听完一笔画图形规律后。再对照图2,发现图2有四个奇点,很明显,这样的连通图不能一笔画成。

丁丁发出感叹:“生活处处皆数学啊!”

最后,丁丁又在桥上走了几圈,并且还留了影,依依不舍地离开了哥尼斯堡。

二、单面世界

丁丁还在频繁地回头看哥尼斯堡,麦斯狗看到丁丁还依依不舍,就找了个话题:“我给你讲个故事吧!”

丁丁说:“好吧。”

麦斯狗讲了下面一个故事:

从前,一个县官的侄子偷了一个农民的东西,被抓住送到县衙。县官为了包庇自己的侄子,在判决纸正面写上了“农民应当关押”,反面写上了“小偷应当放掉”。执事官在宣布时,做了一个小动作,将判决纸扭了个弯,用手指将两端捏在一起。然后向大家宣布:应当放掉农民,应当关押小偷。县官听了结果,大怒,问是怎么回事,执事官把判决纸亮给县官,县官一看,哑口无言。最后没办法,只得关押了自己的侄子,放了农民。

丁丁听完,笑道:“这个故事真的有趣!不过这样的事情恐怕只能编造吧。”

麦斯狗望望丁丁,说:“虽然故事是编的,但这种事也是可能发生的。那就是在‘单面世界’上。”

第一次听到“单面世界”这个词。丁丁就来劲了:“快说说什么是‘单面世界’吧。”

麦斯狗说:“你在手工课上做过粘纸环吧。”“当然,这是常有的事。”“有没有把纸条粘错的情况?”“这常常会出现!”麦斯狗掏出一张纸条,粘成了一个环(如图3),亮给丁丁看。

丁丁一看:“对,同学们常犯这样的错误。”

“呵呵,这就是‘单面世界’。不信你把刚才故事中执事官做的事在这个环上试试。丁丁接了过来,试了一遍,发现果然可行。

“哈哈,看来我们的同学早就发现了这个‘单面世界’!”丁丁高兴地说。

麦斯狗接过丁丁的话说:“其实,这种纸圈是由德国数学家莫比乌斯于1858年首先发现的,所以,这种纸圈被称为‘莫比乌斯带’。因为它只有一个面,所以也叫‘单面世界’。”

丁丁听完了关于“莫比乌斯带”的故事,发出感叹:“数学真是奇妙无穷啊!”

“更奇妙的还有呢。”麦斯狗这句话把丁丁的胃口吊得更高了。

“快说快说!”丁丁催促麦斯狗。

麦斯狗又讲了一个故事:

古时候。有一个国王给他的五个儿子留下一份遗嘱:如果你们希望各自立国的话,可把我的国土分成五份,每人治理一个小国。但是,有一个条件,每个小国必须与其他四国有共同的国界,否则,不准分开!王子们遵照父王的遗嘱。请来最有才华的大臣帮助他们划分国土,然而,总有几个国家不能有共同的国界。正在王子们垂头丧气的时候,一位大臣送来了一个锦囊,说是遵照老国王的嘱托,在王子们遇到困y时拿出来。王子们立即打开,原来里面有一张纸,纸上写着:我的遗嘱是一道永远也解不出的难题,是为了使你们亲密团结、永不分开而留下的。

丁丁听得津津有味。

三、韩信点兵

麦斯狗说:“下面我给你讲个中国的数学故事吧。”丁丁说:“好啊。”“就讲讲韩信点兵吧,”麦斯狗接着说,“秦朝末年,楚汉相争。有一次,韩信的1500名将士与楚军大将李锋交战。苦战一场,楚军不敌,败退回营,汉军也死伤四五百人,于是,韩信整顿兵马也返回大本营。当行至一山坡时,忽有后军来报。说有楚军骑兵追来。只见远方尘土飞扬,杀声震天。汉军本来已十分疲惫,这时队伍大乱。韩信来到坡顶,见来敌不足五百骑,便急速点兵迎敌。他命令士兵3人一排,结果多出2名;接着命令士兵5人一排,结果多出3名;他又命令士兵7人一排,结果又多出2名。韩信马上向将士们说出‘我军有1073名勇士,敌人不足五百,我们居高临下,以众击寡,一定能打败敌人’的一番话。汉军本来就信服自己的统帅,这一来更相信韩信是‘神仙下凡’‘神机妙算’,于是士气大振。一时间旌旗摇动,鼓声震天,汉军步步进逼,楚军乱作一团。交战不久,楚军大败而逃。”

丁丁听完点点头:“很不错的故事啊!”

麦斯狗继续讲道:“在中国古代数学名著《孙子算经》中就有与韩信点兵类似的问题‘今有物不知其数,三三数之余二,五五数之余三,七七数之余二,问物几何’。”

丁丁听后说:“这个问题和韩信点兵都能用公倍数的方法求得。其实,我国古代学者早就研究过这个问题。例如我国明朝数学家程大位在他著的《算法统宗》中就用四句很通俗的口诀暗示了此题的解法。”丁丁说完,就写下了如下的口诀:

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。

麦斯狗对丁丁说:“你知道得太多了,真棒!”

丁丁刚要说话,突然,麦斯狗不见了,飞毯在天空中一下也不见了,丁丁从飞毯上掉落下来,丁丁吓得惊叫起来。

丁丁猛一抬头,醒了,原来丁丁趴在《数学王国故事》上做了一个梦。