十个例子讲述数学文化及素养

•十个例子讲述数学文化及素养

•例一：芝诺悖论与无限——从初等数学到高等数学

很多人都听过芝诺悖论中的“阿基里斯永远追不上乌龟”的问题，顾沛在分析这个问题时，指出这一悖论的症结在于混淆了有限与无限的问题。芝诺认为阿基里斯在追赶乌龟的过程中，首先要到达乌龟原先的位置A，而这时乌龟已经到了位置B，阿基里斯继续追赶则要先到达B，这时乌龟又到达了位置C，以此类推，阿基里斯似乎永远也追不上乌龟了，可是芝诺却忽视了一个问题，无限长度或时间的和，可能是有限的。

另一个与无限有关的是“有无限个房间的旅馆”问题，一个有无限个房间的旅馆客满后来了一个客人，应该怎样安排他？答案很简单，让原先住在1号房的客人搬进2号房，原先住在2号房的客人住进3号房，以此类推，让原先住在K 号房的客人住进K+1号房，这样就空出了1号房给新来的客人。同理，来了一个团的无穷个旅客，一万个团的无穷个旅客甚至无穷个团的无穷个旅客也应对自如了。在场的许多同学都有所领悟，给出了精彩的解答。

奇妙的数学，从有限到无限，不可能的也成了可能。

例二：海岸线的长度问题——分形与混沌

首先是分形问题。B．B．Mandelbrot发现英国的海岸线永远也无法测量，为什么呢？柯赫曲线的几何现象说明了这个问题。（组图略）

这样的一组图具有自相似性，在测量海岸线时，如果尺子的长度精确度不同，那么海岸线的形状就可以无限分形，当然无法准确测量了。正是这样一个问题，发展成了数学界一个非常重要的分支。

混沌问题。这个问题是E．N．Lorenz在做天气预报中发现的。大家都知道的“蝴蝶效应”，也是一种混沌现象，由此可见，数学问题无处不在。

例三：历史上的数学危机——数学的思想大解放

顾沛讲到，我们学习数学，却不知道数学背后的历史。

牛顿为了计算瞬时速度，创立了微积分学，可是贝克莱却对牛顿发难：无穷小作为一个量，究竟是否为0？

在算式 s/ t=gt +1/2 g( t)中，贝克莱质疑道：如果无穷小量等于0，则等号左端无意义，若不等于0，则右边的后一项不能随意取掉，因此，反驳贝克莱成了一个棘手的问题。

直到数百年后，柯西的极限理论的出现，“ξ-σ”语言的出现。才消除了这一危机。

由此可见，在数学中，知识的逻辑顺序与历史顺序有时是不同的。

例四：周髀算经与勾股定理——中国和世界数学的骄傲

顾沛讲到，很多人都知道北京2008年举行奥运会，可是却很少有人知道2002年在北京举行的“国际数学家大会”，这是我国许多世界顶尖数学大师和政府争取来的荣誉。这次大会的会徽就选择了周髀算经中勾股定理证明的图形。

美国宇航局的一次寻找外星人的行动中，也带去了一个证明勾股图形的黄金制品，可见勾股定理的证明是世界的骄傲。至今勾股定理的证明已经多达380种了，而很多人，仍在探寻新的方法。

例五：蒲丰投针问题——什么是创新

1777年，法国科学家蒲丰在宴请客人时，在地上铺了一张白纸，上面画着一条条等距离的平行线，而他给每个客人发许多等质量的，长度等于平行线距离的一半的针，让他们随意投放。事后，蒲丰对针落地的位置进行统计，共投针2212枚，与直线相交的704枚，两者相处，正好等于圆周率。求圆周率是一个

几何问题，而蒲丰却用概率的方法解决了，完全不相同的两个领域被神奇地联系起来，这就是某种意义上的创新。

例六：变换的方法——化繁为简

来看一道很常见的数学题“小王先快后慢，以不规则的速度用100秒沿直线从A点走到B点，有先慢后快以相反的方式从B返回A，问什么情况下，在A，B 间存在C使小王从A到B的时间等于从B到A的时间。为什么？”

当然答案非常简单，只需将第二次的小王换成大王。两者同时出发，问题就变成了解决一个相遇问题了。而题目中大部分条件都是起迷惑作用的。

顾沛在讲完这道题后，告诫大家，现实的问题纷繁复杂，要学会用这些数学素养简化条件，解决问题。

例七：类比的方法——举一反三

4个平面最多把空间分成多少个部分？答案是15个，但绝对不是由“4*4-1”得出的。方法是这样的，四个平面的情况中最复杂的是这四个平面组成了一个四面体，然后将四面体平展成一个平面，于是主要问题就集中在四面体的棱把这个平面分成几份了。

将陌生的复杂的问题用熟悉的简单的问题来类比，同样也是生活中的数学应用。

例八：哥尼斯堡七桥问题——抽象的观点

如何将哥尼斯堡的一条小河上的7座桥一次性走完呢？居民在多次尝试无果后，来请教大数学家欧拉。于是聪明的欧拉将居民的问题抽象为一笔画问题，在他的图纸上，线条的交点被分为奇界点和偶界点，并得出了一笔画问题能成功

的充要条件：奇界点≦2个。这就是抽象的观点的精髓：抓住问题本质，突出问题本质。

例九：“变中有不变”的观点——数学的生命力

数学大师陈省身先生，曾指出“三角形内角和为108度”这个命题不好，而认为“n边形的外角和为360度”是个好命题，因为它的变中有不变。

例十：数学中的审美的思想——数学的艺术

数学中有很多种类的美，简洁美、对称美、统一美、奇异美……顾教授给同学们展示了埃尔兰根纲领，欧拉公式，黄金比，斐波那契数列等许多让人匪夷所思的数学现象，着实让在座的每一位倾倒于数学的无限魅力。