数学美欣赏 第1章 数学的简洁性

数学美欣赏(内容选自《数学美拾趣》、《数学聊斋》和《直观几何》)课程简介了解数学的趣味性，初步懂得数学在理论和实际中的应用，欣赏数学的绚丽多彩的艺术世界.学习要求1. 用U盘复制电子讲稿，并打印.2. 课后认真阅读讲稿.3. 适当安排若干次课堂独立作业. 做课堂作业时, 允许参考本讲稿, 可以摘录讲稿内容.考核要求1. 进行期中考试和期末考试，均为开卷.2. 期末总评成绩=期中考试成绩×50%+期末考试成绩×50%.3. 期中考试、期末考试和课堂独立作业中没有任何计算题和证明题，也没有填空题和选择题, 题型均为问答题.第1讲第1章数学的简洁性序言著名科学家伽利略说过：“数学是上帝用来书写宇宙的文字”.简洁本身就是一种美，而数学的首要特点在于它的简洁.数学家莫德尔说：在数学美的各个属性中，首先要推崇的大概是简单性了.自然界原本就是简洁的：光是沿直线方向传播的——这是光传播的最捷路线.植物的叶序排布是植物叶子通风、采光最佳的布局.某些攀缘植物如藤类，它们绕着攀依物螺旋式的向上生长，它们所选的螺线形状对于植物上攀路径来讲是最节省的.大雁迁徙时排成的人字形，一边与其飞行方向夹角是 ，从空气动力学角度看，这个角度对于大雁队伍飞行是54448'''最佳的，即阻力最小(顺便一提：金刚石晶体中也蕴含这种角度).，这种比值的分支导流系统经流体动力学研究表明，它在输导液体时能量消耗最少.生物学家和数学家们(如著名科学家开普勒、数学家列厄木、柯尼希等)在研究蜂房构造时发现：在体积一定的条件下，蜂房的构造是最省材料的.这些最佳、最好、最省、……的事实，来自生物的进化与自然选择，然而它同时展现了自然界的简洁，而且也展现了自然界的和谐. 宇宙万物如此，数学，它作为用来描述宇宙的文字和工具也应当是简洁与和谐的.诗人但丁曾赞美道：“圆是最美的图形”．太阳是圆的、满月是圆的、水珠看上去(投影)是圆的、……，圆的线条明快、简练、对称.近代数学研究还发现圆的等周极值性质：在周长给定的封闭图形中，圆所围的面积最大.无论是古人，还是今人，人们对圆有着特殊亲切的情感，都因为圆的简洁美.数学中人们对于简洁的追求是永无止境的：建立公理体系时，人们试图找出最少的几条(抛弃任何多余的赘物)；对命题的证明，人们力求严谨、简练(因而人们对某些命题的证明在不断地改进)；对计算的方法，人们要求尽量便捷、明快(因而人们不断地在探索计算方法的创新)，……，数学拒绝繁冗.正如牛顿所说：数学家不但更容易接受漂亮的结果，不喜欢丑陋的结论，而且他们也非常推崇优美与雅致的证明，而不喜欢笨拙与繁复的推理.数学大师欧拉曾研究过天平砝码最优(少)配置问题，并且证明了：若有1，2，22，32， (2)克的砝码，只允许其放在天平的一端，利用它们可称出1——()1122122221n nn +--=+++++ 之间的任何整数克重物体的重量.例如，当3n =时，我们有4个砝码：1克，2克，22克和32克，即1克，2克，4克和8克. 利用它们，我们可称出1克——3121+-克(即15克)之间的任何整数克重物体的重量, 即可称出1克，2克, 3克, …, 15克的重量. 这由下表可以明白.这个问题其实与数的二进制有关. 进而，欧拉还证明了(它与数的三进制有关)：有1，3，23，33， (3)克重的砝码，允许其放在天平两端， 利用它们可以称出1----()11231333312n nn +--=+++++ 之间任何整数克重物体的重量.例如，当2n =时，我们有3个砝码：1克，3克和23克，即1克，3克和9克. 利用它们，我们可称出1克——21312+-克(即13克)之间的任何整数克重物体的重量, 即可称出1克, 2克, 3克, …,13克的重量. 这由下表可以明白.以上两个事实是“以少应付多”的典范，这也是数学简洁性使然. 下面的所谓“省刻度尺问题”, 尽管人们尚未对此得出一般结论，但目前仅有的结果也足以使人倍感兴趣：一根6cm 长的尺子，只须刻上两个刻度(在1cm 和4cm 处)，就可量出1cm ——6cm 之间任何整数厘米长的物体长，即可量出1cm ，2cm ，3cm ，4cm ，5cm 和6cm 的长度(下简称“完全度量”).若用a b →表示从a 量到b 的话，那么具体度量如下：1(01→)，2(46→)，3(14→)，4(04→)，5(16→)，6(06→).一根13cm 的尺子，只须在1cm ，4cm ，5cm 和11cm 四处刻上刻度，便可完成1——13cm 的完全度量. 具体度量如下：1(01→), 2(1113→), 3(14→), 4(04→), 5(05→), 6(511→), 7(411→), 8(513→), 9(413→), 10(111→), 11(011→), 12(113→), 13(013→).对于22cm的尺子，只须刻上六个刻度，即在：1cm，2cm，3cm，8cm，13cm和18cm；或者1cm，4cm，5cm，12cm，14cm 和20cm处刻上刻度，可完成1——22cm的完全度量.对于23cm的尺子来讲，也只须六个刻度：1cm，4cm，10cm，16cm，18cm和21cm，便可完成1——23cm的完全度量.一根36cm的尺子，只须在1cm，3cm，6cm，13cm，20cm，27cm，31cm和35cm处刻上八个刻度，便可完成1cm——36cm 的完全度量.对于40cm的尺子，刻上九个刻度：1cm，2cm，3cm，4cm，10cm，17cm，24cm，29cm和35cm，即可完成1——40cm 的完全度量.这类问题与应用数学中所谓最优化方法有关，这门学科的核心是最省、最好(对效益讲是最大).用“少”去表现“多”，或者求极大、极小等，均是数学简洁性的另类表现. 比如“植树问题”. 英国数学家、物理学家牛顿曾经很喜欢下面一类题目：9棵树栽9行，每行栽3棵，如何栽? 乍看此题似乎无解，其实不然，看了左下图(图中黑点表示树的位置，下同)，你会恍然大悟！牛顿还发现：9棵树每行栽3棵，可栽行数的最大值不是9，而是10，见右上图. 左下图给出10棵树，栽10行，每行栽3棵的栽法.其实，10棵树，每行栽3棵，可栽的最多行数也不是10，而是12，见右上图.英国数学家、逻辑学家道奇生在其童话名著《艾丽丝漫游仙境》中也提出下面一道植树问题：10棵树，栽成5行，每行栽4棵，如何栽? 此题答案据说有300种之多，下面诸图给出了其中的几种.十九世纪末，英国的数学游戏大师杜登尼在其所著《520个趣味数学难题》中也提出了下面的问题：16棵树，栽成15行，每行栽4棵，如何栽? 杜登尼的答案见左下图.美国趣味数学大师山姆·洛伊德曾花费大量精力研究“20棵树，每行栽4棵，至多可栽多少行”，他给出了可栽18行的答案，见右下图.几年前人们借助于电子计算机给出了上述问题可栽20行的最佳方案，见左下图.稍后曾见报载，国内有人给出可栽21行的方案(右上图)，然而严格的验证工作恐非易事——这些点是否真的共线?既便结论无误，但它是否是可栽的最多行数，人们尚不得而知.在英国数学家薛尔维斯特在临终前几年(1893年)提出了一个貌似简单的问题：对于在平面上不全共线的任意n个点，总可以找到一条直线，使其仅过其中的两个点.直到1933年，人们才找到一个繁琐的证明. 此后，1944年、1948年又先后有人给出了证明. 1980年前后，《美国科学新闻》杂志重提旧事时，又一次向人们介绍了薛尔维斯特问题和凯利于1948年给出的证明.我们很容易体会到：一个定理(或习题)证明(或解法)的简化，将认为是做了一件漂亮的工作，即它是美妙的. 由于简洁，数学语言(包括图形)不仅能描述世界上的万物，而且也能为世界上所有文明社会所接受和理解，甚至还将成为与其它星球上的居民(如果存在的话)交流思想的工具.在为美国发射的在茫茫太空中去寻觅地球外文明的“先驱者号飞船”(探测器)征集所携带的礼物时，我国已故著名数学家华罗庚曾建议带上数学中用以表示勾股定理(毕达哥拉斯定理)的简单、明快的数形图，它似乎应为宇宙所有文明生物所理解.225=217数学中的简洁性的例子是不胜枚举的：比如三角形，尽管它有千姿百态，但人们却可用12S ah=(a 为底边长，h 为该边上高)或海伦公式S =为三角形半周长)去表达所有三角形的面积.数学的简洁性系指其抽象性、概括性和统一性. 正是因为数学具有抽象性和统一性，因而其形式应当是简单的. 实现数学的简单性(抽象、统一)的重要手段是使用数学符号.附录 有趣的数制十进制数543210809306810000001000091000310001061810010910310010610.=⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯=⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯210123562.4083510610210410010810310.----=⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯特点: 十进制数由十个数字0 1 2 3 4 5 6 7 8 9，，，，，，，，，组成. 二进制数4321110111212021212=⨯+⨯+⨯+⨯+⨯.321012341110.11011212120212120212----=⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯,特点: 二进制数由两个数字0和1组成. 三进制数432112312101.2211323130313232313---=⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯.特点: 三进制数由两个数字0,1和2组成. 前面讲过, 利用四个砝码: 1g , 2g,4g, 8g , 可以称出1g ——15g 的整数克重量. 把重量用二进制表示, 可以得到相应的砝码组合方式.用四个砝码1g ,2g, 4g ,8g可以称出1g ——15g 的整数克重量前面还讲过, 利用三个砝码: 1g, 3g, 9g, 可以称出1g——13g的整数克重量(允许砝码放在天平的两个托盘中). 把重量用三进制表示, 可以得到相应的砝码组合方式. 下表中加下标3的数(如3101)表示三进制数, 不加下标3的数为十进制数.用三个砝码1g, 3g, 9g可以称出1g——13g的整数克重量1.1 数学符号人总想给客观事物赋予某种意义和价值，利用符号认识新事物，研究新问题，从而使客观世界秩序化，这便创造了科学、技术、文化、艺术、……. 符号就是某种事物的代号，人们总是探索用简单的记号去表现复杂的事物，符号也正是这样产生的. 文字是表达事物的符号，一个语种就是一个“符号系统”. 这些符号的组合便是语言. 人们试图用“精密”的方法研究艺术，这在很大程度上依靠符号.符号对于数学的发展来讲更是极为重要的，它可使人们摆脱数学自身的抽象与约束，集中精力于主要环节，这在事实上增加了人们的思维能力. 没有符号去表示数及其运算，数学的发展是不可想象的.数学语言是困难的，但又是永恒的(纽曼语). 数是数学乃至科学的语言，符号则是记录、表达这些语言的文字. 正如没有文字，语言也难以发展一样，几乎每一个数学分支都是靠一种符号语言而生存，数学符号是贯穿于数学全部的支柱.古代数学的漫长历程, 今日数学的飞速发展，十七世纪、十八世纪欧洲数学的兴起, 我国几千年数学发展进程的缓慢，这些在某种程度上都归咎于数学符号的运用得当与否. 简练、方便的数学符号对于书写、运算、推理来讲，是何等重要! 反之，没有符号或符号不恰当、不简练，势必影响到数学的推理和演算. 然而，数学符号的产生、使用和流传却经历了一个十分漫长的过程. 在这个过程中，始终贯穿着人们对于自然、和谐与美的追求.古埃及和我国一样，是世界上四大文明古国之一. 早在四千多年以前，埃及人已懂得了数学，在数的计算方面还会使用分数，不过, 他们用的是“单位分数”(分子是1的分数). 此外，他们还能计算直线形和圆的面积. 他们知道了圆周率约为3.16，同时也懂得了棱台和球的体积计算等. 可是，他们却是用下面的符号记数的：这样书写和运算起来都不方便，比如写数2314，就要用符号表示. 后来他们把符号作了简化而成为古代巴比伦人(巴比伦即当今希腊一带地方)计数使用的是六十进制，当然它也有其优点，因为60有约数2，3，4，5，6，10，12，15，30，60等，这样，在计算分数时会带来某种方便(现在时间上的小时、分、秒制及角度制，仍是六十进制). 巴比伦人已经研究了二次方程和某些三次方程的解法，他们在公元前2000年就开始将楔形线条组成符号(称为楔形文字)，且将它们刻在泥板上，然后放到烈日下晒干以备保存. 同样，他们也是用楔形文字来表示数，无论是用来记录还是运算，都相对来说方便了许多.我国在纸张没有发明以前，已经开始用算筹进行记数和运算了. 算筹是指计算时使用的小竹棍(或木棍、骨棍)，这也是世界上最早的计算工具. 用算筹表示数的方法是：记数时, 个位用纵式，其余位纵横相间，故有“一纵十横，百立千僵”之说. 数字中有0时，将其位置空出，比如86021可表示为：在甲骨文中，数字是用下面的符号表示的(形象、自如)：码”的记数方法(方便、明快)：在计数上欧洲人开始使用的是罗马数字：阿拉伯数字据说是印度人发明的，后传入阿拉伯国家，经阿拉伯人改进、使用，因其简便性而传遍整个世界，成为通用的记数符号.我们再来看看方程用符号表示的历史(代数学的产生与方程研究关系甚密) . 在埃及出土的3600年前的莱因特纸草上有下面一串符号：它既不是什么绘画艺术，也不是什么装饰图案，它表达的是一个代数方程式，用今天的符号表示，即211137327x ⎛⎫+++= ⎪⎝⎭. 宋、元时期我国也开始了相当于现代方程论的研究，当时记 数仍使用算筹. 在那时出现的数学著作中，就是用下图中的记号来表示二次三项式2412136x x -+的, 其中，x 的系数旁边注以“元”字，常数项注以“太”字，筹上画斜线表示“负数”．到了十六世纪，数学家卡尔达诺、韦达等人对方程符号有了改进. 直到笛卡儿才第一个提倡用x、y和z表示未知数，他曾用--+--∝xxx xx x926240表示32926240-+-=, 这与现在的方程写法几乎一致.x x x其实，数学表达式的演变正是人们追求数学的和谐、简洁、方便和明晰的审美过程. 笛卡儿的符号已接近现代通用的记号, 直到1693年, 沃利斯创造了现在人们仍在使用的记号：4320++++=．x bx cx dx e韦达是第一个引进字母系数的人，但他仍用希腊人的齐次原则、拉丁记号plano和solido分别表示平面数和立体数；用aequtur表示等于，in表示乘号，quad和cub分别表示平方和立方，这显然不简便. 笛卡儿的符号已有较大程度的简化.我们还想指出一点：数及其运算只有用符号去表示，才能更加确切和明了. 随着数学的发展，随着人们对于数的认识的深化，用原有符号去表示新的概念，有时竟会感到无能为力(没有根号如何表示某些无理数?)，这需要创新.圆周率(圆的周长与直径的比)是一个常数，但它又是无限不循环小数. 1737年欧拉首先倡导用希腊字母π来表示它(早在1600年英国数学家奥特雷德曾用π作为圆周长的符号)，且通用于全世界.用e 表示特殊的无理常数(也是超越数)——欧拉常数1lim 1 2.718281828459045nn n →∞⎛⎫+= ⎪⎝⎭的也是欧拉. 我们知道，要具体写出圆周率或欧拉常数，这是根本不可能的(它们无限且不循环)，然而用数学符号却可精确地表示它们(正像不能写完1.41421356=表达一样).i 表示，还是数学家欧拉于1777年首创的(这也使我们想到：欧拉的成就与他对数学符号的创造不无关系). 在奇妙的等式10i eπ+=中，所出现的五个数中的三个符号都是出自数学大师欧拉之手!从上面的例子我们可以看到：数学符号的重要在于它有无限的力量和手段来协助直觉，把社会和自然乃至宇宙中的数学关系联系起来，去解答一些已知或未知的问题，去创造更深、更新的思维形式.说到数学符号, 我们当然还不应忘记图形. 点、线、面、体的产生正是人们对客观事物的抽象和概括，欧几里得几何、非欧几何、解析几何正是研究这些图形的分支. 除此之外，还有许多精彩的例子. 首先我们会想到“哥尼斯堡七桥问题”.布勒格尔河流经哥尼斯堡市区，河中有两个河心岛，它们之间以及它们与河岸之间共有七座桥连接. 当地居民曾被一个问题搞得百思不得其解，这个问题是：你能否无遗漏又不重复地走遍七座桥而回到出发地?人们在不停地走着、试着，却无一人成功.数学大师欧拉接触此问题后，他巧妙地用数学手段将问题转化、化简，并成功地解决了这个难题. 首先，他将问题抽象成图形：用点代表河岸和小岛，用线代表桥(注意上面两个图中的A，B，C，D的对应)，于是得到右上图这个简单的图形，同时问题相应地改为：能否一笔画出这个图形?为了解决这个问题，我们首先明确：一笔画就是从图形上某点出发，笔不离开纸，并且每条线都只画一次不重复.其次，我们定义：若从图中某点出发的线的条数是偶数，则称该点为偶点; 若从图中某点出发的线的条数是奇数，则称该点为奇点.在左图中，从每一点出发都有两条线. 因此，这四个点都是偶点. 在右图中有4个点，从③、④两点出发的线有2条，故③、④是偶点；从①、②两点出发的线有3条，故这两个点是奇点.一个图形能否一笔画成，关键在于图中的奇点的个数. 欧拉发现了一个图形可以一笔画成的判定准则：奇点在一笔画中只能作为起点或终点. 在上述哥尼斯堡七桥问题中，所有的点都是奇点，因此，要想一笔画出下图是不可能的，也就是说，要想不重复地走过哥尼斯堡的七座桥，那是不可能的.欧拉的这项研究导致了拓扑学这门数学分支的诞生(在很大程度上讲，这也促进了图论这门学科的创立).例下面的图形能一笔画成吗?答第1图可以一笔画成.在第2图中，E点是偶点，其它点是奇点，所以第2图不能一笔画成. 第3图可以一笔画成.很难想象，如果欧拉不是运用了图形符号而是用河、桥去探讨这个问题，结果将会是怎样? 那样的话，解决问题的难度要变得很大，更谈不上新的数学分支的诞生.运用类似的方法，欧拉还证明了著名的关于多面体的顶点数V、棱数E和面数F之间的关系式——欧拉公式：由此人们发现了正多面体仅有五种：正四面体、正六面体(立方体)、正八面体、正十二面体和正二十面体.关于欧拉公式，我们可以用四面体和六面体来验证.六人相识问题：在任何6个人中, 必可从中找出3个人，使得他们要么彼此都相识，要么彼此都不相识.把这个抽象的问题转化成“点”与“染色直线”，从而巧妙地解答它，这不能不说是符号的一大功劳(要知道, 6人之间的C==种).相互关系的可能情况有26152232768把六个人用点A、B、C、D、E和F表示. 若两个人相识，则用红线连接相应的点，若两人不相识，则用黑线连接相应的点. 点A与B、C、D、E和F的连线(5条)中，必有三条线的颜色相同, 不妨设A B、A C和A D为红色.再考虑B、C、D三点间的连线. 若它们全为黑色，则B、C、D三点为所求(左上图，它们代表的三个人彼此都不相识)；若三点间的连线至少有一条为红色，设它为B C，这时A、B、C三点为所求(右上图，它们代表的三个人彼此都相识).我们还可以有进一步的结论：上述(彼此都相识或都不相识的)“三人组”在六个人中至少存在两组(证明见本节末附录).顺便讲一句：若要求彼此相识或不相识的人数是4，则总人数要增至18；若要求彼此相识或不相识的人数是5(这时有20010种组合方式)，则总人数要增至43人——49人之间(具体人数至今不详)；若要求彼此相识或不相识的人数是6，则总人数要增至102——165之间，确定它们是人们目前尚不可及的事.上面的事实，再次证明了数学符号的威力. 没有它, 至少问题的叙述会变得复杂而困难，或者根本无法表达清楚.世界原本是简洁的, 数学也是.没有数学语言(符号)的帮助，许多科学、技术的发展会变得迟缓，甚至停滞，这决非耸人听闻.我们说过：数、字母、代数式是符号，图同样也是符号，它们(数与形)之间的彼此借鉴与相互的通融，使得数学符号被赋予新意且更具魅力和美感. 为了更好地研究数学，人们必须创造且使用数学符号.如今，我们简直难以想象：如果没有现今的数学符号，数学乃至整个科学的面貌将会是何种模样!附录证明: 上述(彼此都相识或都不相识的)“三人组”在六个人中至少存在两组.证明为证该结论, 我们注意到, 在本节的证明中, 我们实际上已证了下列命题若从某点向其余三点所引线段同色, 则在上述四点中, 必有某三点, 使得以其为顶点的三角形的三边同色(为方便, 以下称三边同色的三角形为同色三角形).只需考虑下列两图所对应的情形.在左图中．．．．, 若B E、B F同为红色，则在A、B、E、F中，可产生同色三角形(上述命题), 且它异于B C D∆. 所以结论成立. 若B E、B F同为黑色，则在B、D、E、F中，也可产生同色三角形, 且它异于B C D∆. 所以结论仍真. 若B E、B F一红一黑, 不妨设B E为红, B F为黑.设C F 为红(否则, 有黑BC F BC D ∆≠∆, 得证), A E为黑(否则, 有红A B E B C D ∆≠∆, 得证),D F为红(否则, 有黑B D F B C D ∆≠∆, 得证),A F为黑(否则, 有红A C F B C D ∆≠∆, 得证),E F为红(否则, 有红A E FBC D∆≠∆, 得证),D E为黑(否则, 有红D E F B C D ∆≠∆, 得证), C E 为红(否则, 有黑C D E B C D ∆≠∆, 得证). 此时, C EF∆为红三角形. 故结论成立.在上面的．．．．右图中．．．, 设C D 为黑(否则, A B C∆和A C D ∆均为红三角形, 结论成立).若C E 、C F 均为黑， 则在C 、D 、E 、F 中，可产生同色三角形，且该三角形异于A B C ∆. 所以结论成立. 若C E 、C F 均为红，则同理可证结论成立. 若C E 、C F 一红一黑，不妨设C E 红, C F 黑.设B E 黑(否则, 有红B C E A B C ∆≠∆, 得证),B D黑(否则, 有红∆≠∆, 得证), D F红(否∆≠∆, 得证), D E红(否则, 有黑B D E A B CA B D A B C则, 有黑C D F ABC∆≠∆, 得证). 此时, 在A、D、E、F中，可产生同色三角形，且它异于A B C∆. 所以结论成立.31。