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出门在外也不愁世界著名数学疑难问题简介
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世界著名数学疑难问题简介
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&&&&哥尼斯堡七桥问题
&&&&&&& 18世纪在哥尼斯堡城(今俄罗斯加里宁格勒)的普莱格尔河上有7座桥,将河中的两个岛和河岸连结,如图1所示。城中的居民经常沿河过桥散步,于是提出了一个问题:能否一次走遍7座桥,而每座桥只许通过一次,最后仍回到起始地点。这就是七桥问题,一个著名的图论问题。
&&&&&&& 这个问题看起来似乎不难,但人们始终没有能找到答案,最后问题提到了大数学家欧拉那里。欧拉以深邃的洞察力很快证明了这样的走法不存在。欧拉是这样解决问题的:既然陆地是桥梁的连接地点,不妨把图中被河隔开的陆地看成A、B、C、D4个点,7座桥表示成7条连接这4个点的线,如图2所示。
&&&&&&& 于是&七桥问题&就等价于图3中所画图形的一笔画问题了。欧拉注意到,每个点如果有进去的边就必须有出来的边,从而每个点连接的边数必须有偶数个才能完成一笔画。图3的每个点都连接着奇数条边,因此不可能一笔画出,这就说明不存在一次走遍7座桥,而每座桥只许通过一次的走法。欧拉对&七桥问题&的研究是图论研究的开始,同时也为拓扑学的研究提供了一个初等的例子。(更多的了解,请参看《力学园地》2010-4期的&释疑解惑&的介绍。)
&&&&哥德巴赫猜想
&&&&&&& 1742年德国人哥德巴赫给当时住在俄国彼得堡的大数学家欧拉写了一封信,在信中提出两个问题:第一,是否每个大于4的偶数都能表示为两个奇质数之和?如6=3+3,14=3+11等。第二,是否每个大于7的奇数都能表示3个奇质数之和?如9=3+3+3,15=3+5+7等。这就是著名的哥德巴赫猜想。它是数论中的一个著名问题,常被称为数学皇冠上的明珠。
&&&&&&& 实际上第一个问题的正确解法可以推出第二个问题的正确解法,因为每个大于7的奇数显然可以表示为一个大于4的偶数与3的和。1937年,苏联数学家维诺格拉多夫利用他独创的&三角和&方法证明了每个充分大的奇数可以表示为3个奇质数之和,基本上解决了第二个问题。但是第一个问题至今仍未解决。由于问题实在太困难了,数学家们开始研究较弱的命题:每个充分大的偶数可以表示为质因数个数分别为m、n的两个自然数之和,简记为&m+n&。1920年挪威数学家布龙证明了&9+9&;以后的20几年里,数学家们又陆续证明了&7+7&,&6+6&,&5+5&,&4+4&,&1+c&,其中c是常数。1956年中国数学家王元证明了&3+4&,随后又证明了&3+3&,&2+3&。60年代前半期,中外数学家将命题推进到&1+3&。1966年中国数学家陈景润证明了&1+2&,这一结果被称为&陈氏定理&,至今仍是最好的结果。陈景润的杰出成就使他得到广泛赞誉,不仅仅是因为&陈氏定理&使中国在哥德巴赫猜想的证明上处于领先地位,更重要的是以陈景润为代表的一大批中国数学家克服重重困难,不畏艰险,永攀高峰的精神将鼓舞和激励有志青年为使中国成为21世纪世界数学大国而奋斗!
&&&&费马大定理
&&&&&&& 300多年以前,法国数学家费马在一本书的空白处写下了一个定理:
&&&&&&& &设n是大于2的正整数,则不定方程xn+yn=zn没有非零整数解&。
&&&&&&& 费马宣称他发现了这个定理的一个真正奇妙的证明,但因书上空白太小,他写不下他的证明。300多年过去了,不知有多少专业数学家和业余数学爱好者绞尽脑汁企图证明它,但不是无功而返就是进展甚微。这就是纯数学中最著名的定理&费马大定理。
&&&&&&& 费马(1601年~1665年)是一位具有传奇色彩的数学家,他最初学习法律并以当律师谋生,后来成为议会议员,数学只不过是他的业余爱好,只能利用闲暇来研究。虽然年近30才认真注意数学,但费马对数论和微积分做出了第一流的贡献。他与笛卡儿几乎同时创立了解析几何,同时又是17世纪兴起的概率论的探索者之一。费马特别爱好数论,提出了许多定理,但费马只对其中一个定理给出了证明要点,其他定理除一个被证明是错的,一个未被证明外,其余的陆续被后来的数学家所证实。这唯一未被证明的定理就是上面所说的费马大定理,因为是最后一个未被证明对或错的定理,所以又称为费马最后定理。费马大定理虽然至今仍没有完全被证明,但已经有了很大进展,特别是最近几十年,进展更快。1976年瓦格斯塔夫证明了对小于105的素数费马大定理都成立。1983年一位年轻的德国数学家法尔廷斯证明了不定方程xn+yn=zn只能有有限多组解,他的突出贡献使他在1986年获得了数学界的最高奖之一费尔兹奖。1993年英国数学家威尔斯宣布证明了费马大定理,但随后发现了证明中的一个漏洞并作了修正。虽然威尔斯证明费马大定理还没有得到数学界的一致公认,但大多数数学家认为他证明的思路是正确的。毫无疑问,这使人们看到了希望。
&&&&西尔维斯特问题
&&&&&&& 数学史上有这样一件趣事,名流权威所不能解决的问题,却被&无名小卒&解决了,这就是西尔维斯特问题。
&&&&&&& 西尔维斯特(1814年~1897年)是英国著名数学家,他曾提出过一个很有趣的几何猜想(即西尔维斯特问题):平面上给定n个点(n&3)。如果过其中任意两点的直线都经过这些点中的另一个点,那么,这n个点在同一条直线上。
&&&&&&& 这个看起来好像很容易的问题,却难倒了不少数学家。甚至西尔维斯特本人直到逝世也没有能够解决它。50年过去了,许多著名数学家的探索都以失败告终。但出人意料的是,该问题最终却被一位&无名小卒&解决了。之所以说是&无名小卒&,是因为《美国科学新闻》《数学教师》等杂志在宣布这一问题的解答时,都没有提到这个人的名字。而且证明非常容易,连初中学生都能理解。下面我们来看看他的精巧的证明。
&&&&&&& 用反证法。假设这n个点不在同一直线上,那么过其中任意两点的直线外,均有已知点,它们到这条直线的距离都是正数。因为n是一个有限的数,所以这种距离最多只能有有限个。设A、B、C、D是其中的4个点,B、C、D在同一条直线上,而且A到这条直线的距离h是上面我们提到的距离中最小的.
&&&&&&& 不妨设D在B、C之间,D到AB、AC的距离分别为h1、h2,那么由h的最小性,有h1AB+h2AC>h(AB+AC)>hBC。由于这个不等式两端均表示△ABC的面积,因而矛盾。所以假设不对,这n个点只能在同一直线上。
&&&&古希腊三大几何问题
&&&&&& &传说大约在公元前400年,古希腊的雅典流行疫病,为了消除灾难,人们向太阳神阿波罗求助,阿波罗提出要求,说必须将他神殿前的立方体祭坛的体积扩大1倍,否则疫病会继续流行。人们百思不得其解,不得不求教于当时最伟大的学者柏拉图,柏拉图也感到无能为力。这就是古希腊三大几何问题之一的倍立方体问题。用数学语言表达就是:已知一个立方体,求作一个立方体,使它的体积是已知立方体的两倍。另外两个著名问题是三等分任意角和化圆为方问题。
&&&&&&& 古希腊三大几何问题既引人入胜,又十分困难。问题的妙处在于它们从形式上看非常简单,而实际上却有着深刻的内涵。它们都要求作图只能使用圆规和无刻度的直尺,而且只能有限次地使用直尺和圆规。但直尺和圆规所能作的基本图形只有:过两点画一条直线、作圆、作两条直线的交点、作两圆的交点、作一条直线与一个圆的交点。某个图形是可作的就是指从若干点出发,可以通过有限个上述基本图形复合得到。这一过程中隐含了近代代数学的思想。经过2000多年的艰苦探索,数学家们终于弄清楚了这3个古典难题是&不可能用尺规完成的作图题&。认识到有些事情确实是不可能的,这是数学思想的一大飞跃。
&&&&&&& 然而,一旦改变了作图的条件,问题则就会变成另外的样子。比如直尺上如果有了刻度,则倍立方体和三等分任意角就都是可作的了。数学家们在这些问题上又演绎出很多故事。直到最近,中国数学家和一位有志气的中学生,先后解决了美国著名几何学家佩多提出的关于&生锈圆规&(即半径固定的圆规)的两个作图问题,为尺规作图添了精彩的一笔.
&&&&百鸡问题
&&&&&&& 本问题记载于中国古代约5-6世纪成书的《张邱建算经》中,是原书卷下第38题,也是全书的最后一题:「今有鸡翁一,值钱伍;鸡母一,值钱三;鸡鶵三,值钱一。凡百钱买鸡百只,问鸡翁、母、鶵各几何?答曰:鸡翁四,值钱二十;鸡母十八,值钱五十四;鸡鶵七十八,值钱二十六。又答:鸡翁八,值钱四十;鸡 母十一,值钱三十三,鸡鶵八十一,值钱二十七。又答:鸡翁十二,值钱六十;鸡母四、值钱十二;鸡鶵八十 四,值钱二十八。」该问题导致三元不定方程组,其重要之处在于开创「一问多答」的先例,这是过去中国古算书中所没有的。
&&&&&&& 原书没有给出解法,只说如果少买7只母鸡,就可多买4只公鸡和3只小鸡。所以只要得出一组答案,就可以推出其余两组答案。中国古算书的著名校勘者甄鸾和李淳风注释该书时都没给出解法,只有约6世纪的算学家谢察微记述过一种不甚正确的解法。到了清代,研究百鸡术的人渐多,1815年骆腾风使用大衍求一术解决了百鸡问题。1874年丁取忠创用一个简易的算术解法。在此前后时曰醇(约1870)推广了百鸡问题,作《百鸡术衍》,从此百鸡问题和百鸡术才广为人知。百鸡问题还有多种表达形式,如百僧吃百馒,百钱 买百禽等。宋代杨辉算书内有类似问题,中古时近东各国也有相仿问题流传。例如印度算书和阿拉伯学者艾布 卡米勒的著作内都有百钱买百禽的问题,且与《张邱建算经》的题目几乎全同。
&&&&三十六军官问题
&&&&&&& 大数学家欧拉曾提出一个问题:即从不同的6个军团各选6种不同军阶的6名军官共36人,排成一个6行6列的方队,使得各行各列的6名军官恰好来自不同的军团而且军阶各不相同,应如何排这个方队?如果用(1,1)表示来自第一个军团具有第一种军阶的军官,用(1,2)表示来自第一个军团具有第二种军阶的军官,用(6,6)表示来自第六个军团具有第六种军阶的军官,则欧拉的问题就是如何将这36个数对排成方阵,使得每行每列的数无论从第一个数看还是从第二个数看,都恰好是由1、2、3、4、5、6组成。历史上称这个问题为三十六军官问题。
&&&&&&& 三十六军官问题提出后,很长一段时间没有得到解决,直到20世纪初才被证明这样的方队是排不起来的。尽管很容易将三十六军官问题中的军团数和军阶数推广到一般的n的情况,而相应的满足条件的方队被称为n阶欧拉方。欧拉曾猜测:对任何非负整数t,n=4t+2阶欧拉方都不存在。t=1时,这就是三十六军官问题,而t=2时,n=10,数学家们构造出了10阶欧拉方,这说明欧拉猜想不对。但到1960年,数学家们彻底解决了这个问题,证明了n=4t+2(t&2)阶欧拉方都是存在的。
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初中生该如何提高解答数学题的速度
来源:网络整理
作者:佚名
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  在考试时,我们常常感到时间很紧,试卷还没来得及做完,就到收卷时间了,虽然有些试题,只要再努一把力,我们是有可能做出来的。这其中的原因之一,就是解题速度太慢。
  几乎每个学生都知道,要想取得好成绩,必须努力学习,只有加强练习,多做习题,才能熟能生巧。可是有些学生天天趴在那里做题,但解出的题量却不多,花了大量的时间,却没有解出大量的习题,难道不应找一找原因吗?何况,我们并不比别人的时间更多。试想,如果你的解题速度提高10倍,那会是怎样一种情景?解题速度提高10倍?可能吗?答案是肯定的,完全可能。关键在于你想与不想了。
  那么,究竟怎样才能提高解题速度呢?
  首先,应十分熟悉习题中所涉及的内容,做到概念清晰,对定义、公式、定理和规则非常熟悉。你应该知道,解题、做练习只是学习过程中的一个环节,而不是学习的全部,你不能为解题而解题。解题是为阅读服务的,是检查你是否读懂了教科书,是否深刻理解了其中的概念、定理、公式和规则,能否利用这些概念、定理、公式和规则解决实际问题。解题时,我们的概念越清晰,对公式、定理和规则越熟悉,解题速度就越快。因此,我们在解题之前,应通过阅读教科书和做简单的练习,先熟悉、记忆和辨别这些基本内容,正确理解其涵义的本质,接着马上就做后面所配的练习,一刻也不要停留。我指导学生按此方法学习,几乎所有的学生都大大提高了解题的速度,其效果非常之好。
  第二,还要熟悉习题中所涉及到的以前学过的知识和与其他学科相关的知识。例如,有时候,我们遇到一道不会做的习题,不是我们没有学会现在所要学会的内容,而是要用到过去已经学过的一个公式,而我们却记得不很清楚了;或是中要用到的一个物理概念,而我们对此已不是十分清晰了;或是需用到一个特殊的定理,而我们却从未学过,这样就使解题速度大为降低。这时我们应先补充一些必须补充的相关知识,弄清楚与题目相关的概念、公式或定理,然后再去解题,否则就是浪费时间,当然,解题速度就更无从谈起了。
  第三,对基本的解题步骤和解题方法也要熟悉。解题的过程,是一个思维的过程。对一些基本的、常见的问题,前人已经总结出了一些基本的解题思路和常用的解题程序,我们一般只要顺着这些解题的思路,遵循这些解题的步骤,往往很容易找到习题的答案。否则,走了弯路就多花了时间。
  第四,要学会归纳总结。在解过一定数量的习题之后,对所涉及到的知识、解题方法进行归纳总结,以便使解题思路更为清晰,就能达到举一反三的效果,对于类似的习题一目了然,可以节约大量的解题时间。
  第五,应先易后难,逐步增加习题的难度。人们认识事物的过程都是从简单到复杂,一步一步由表及里地深入下去。一个人的能力也是通过锻炼逐步增长起来的。若简单的问题解多了,从而使概念清晰了,对公式、定理以及解题步骤熟悉了,解题时就会形成跳跃性思维,解题的速度就会大大提高。养成了习惯,遇到一般的难题,同样可以保持较高的解题速度。而我们有些学生不太重视这些基本的、简单的习题,认为没有必要花费时间去解这些简单的习题,结果是概念不清,公式、定理及解题步骤不熟,遇到稍难一些的题,就束手无策,解题速度就更不用说了。
  其实,解简单容易的习题,并不一定比解一道复杂难题的劳动强度和效率低。比如,与一个人扛一大袋大米上五层楼相比,一个人拎一个小提包也上到五层楼当然要轻松得多。但是,如果扛米的人只上一次,而拎包的人要来回上下50次、甚至100次,那么,拎包人比扛米人的劳动强度大。所以在相同时间内,解50道、100道简单题,可能要比解一道难题的劳动强度大。再如,若这袋大米的重量为100千克,由于太重,超出了扛米人的能力,以至于扛米人费了九牛二虎之力,却没能扛到五楼,虽然劳动强度很大,却是劳而无功。而拎包人一次只拎10千克,15次就可以把150千克的大米拎到五楼,劳动强度也许并不很大,而效率之高却是不言而喻的。由此可见,去解一道难以解出的难题,不如去解30道稍微简单一些的习题,其收获也许会更大。因此,我们在学习时,应根据自己的能力,先去解那些看似简单,却很重要的习题,以不断提高解题速度和解题能力。随着速度和能力的提高,再逐渐增加难度,就会达到事半功倍的效果。
  第六,认真、仔细地审题。对于一道具体的习题,解题时最重要的环节是审题。审题的第一步是读题,这是获取信息量和思考的过程。读题要慢,一边读,一边想,应特别注意每一句话的内在涵义,并从中找出隐含条件。读题一旦结束,哪些是已知条件?求解的结论是什么?还缺少哪些条件,可否从已知条件中推出?在你的脑海里,这些信息就应该已经结成了一张网,并有了初步的思路和解题方案,然后就是根据自己的思路,演算一遍,加以验证。有些学生没有养成读题、思考的习惯,心里着急,匆匆一看,就开始解题,结果常常是漏掉了一些信息,花了很长时间解不出来,还找不到原因,想快却慢了。很多时候学生来问问题,我和他一起读题,读到一半时,他说:&老师,我会了。&所以,在实际解题时,应特别注意,审题要认真、仔细。
  第七,学会画图。画图是一个翻译的过程。读题时,若能根据题义,把对数学(或其他学科)语言的理解,画成分析图,就使题目变得形象、直观。这样就把解题时的抽象思维,变成了形象思维,从而降低了解题难度。有些题目,只要分析图一画出来,其中的关系就变得一目了然。尤其是对于几何题,包括解析几何题,若不会画图,有时简直是无从下手。所以,牢记各种题型的基本作图方法,牢记各种的图像和意义及演变过程和条件,对于提高解题速度非常重要。画图时应注意尽量画得准确。画图准确,有时能使你一眼就看出答案,再进一步去演算证实就可以了;反之,作图不准确,有时会将你引入歧途。
  最后,对于常用的公式,如数学中的乘法公式、三角函数公式,常用的数字,如11~25的平方,特殊角的三角函数值,化学中常用元素的化学性质、化合价以及化学反应方程式等等,都要熟记在心,需用时信手拈来,则对提高演算速度极为有利。
  总之,学习是一个不断深化的认识过程,解题只是学习的一个重要环节。你对学习的内容越熟悉,对基本解题思路和方法越熟悉,背熟的数字、公式越多,并能把局部与整体有机地结合为一体,形成了跳跃性思维,就可以大大加快解题速度。
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