一个神解 — 模式和变换 — 正方形幻方问题

神解是什么?在数学里,就是那些好美妙好神奇的解,恰到好处。好似飞来之笔,其实是有规律可循的。我们看一个正方形幻方的问题。

Prob Square Matrix

如上图所示的是一个正方形幻方。请把 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17 这九个数填入到其中的圆圈中,使得每个正方形的四个角上的数字和都相等。

首先细细地审一下问题:题目要每个正方形的四角和相等,那么共有几个正方形?明显地是有5 个小正方形。不过您是否意识到分成小格前的大正方形也有四个角:加上它该有6 个正方形。至于考虑顺序呢:最后这条件放在最后再考查。

这题有多个常规解答,思路是列等式找规律,求解路径各有千秋。除去这些外,给大家讲一个“神”解答;奥妙全在下面的两幅图里。

Square Mtx-Trsf

现在是见证奇迹的时刻哦,弄明白了吗?让我们把上下两个 3×3 方格分别叫做 图1 和 图2 。 图1的主对角线(A1B2C3)变成了图2里的中间一行,而图1中被对角线分开的两个拐角:右上和左下拐角,拉直后成了图2的最上和最下两行。

在图2中左上正方形的4个角点分别是 A1A2A3 B2. 他们的和不就是图1第一行和再加上B2 (中央格的数)吗?右下正方形呢?除去中央格的四个角点分别是C1C2C3,刚好是图1中第三行的三个数。那么如果图2中这两个正方形的四角点之和相等,等价的条件也就是图1中第一行的和,与第三行的和相等。
再注意到图二中的右上小正方形的四角和是图一中第三列数字和在加上中央格。类似地考察其他四角和条件。如每个边的中央小格连成的正方形,其数字和,要求也是同一个数。还有大正方形的四角数字和(
A2 + B3 + C2 + B1)要求也是同一个数。(关于最后两条件的考察–取巧的方式是先不作 再说)

如果图1中的填数字是按照魔幻方要求的:即每行,每列和两个对角线的和都相等,那么图二中的数字和就已经满足了多数条件。

我们寻求一个3×3阶魔幻方由数字 1357911131517 构成。这些数可由 123456789 加倍(乘2)后减1得到;而按每格如此变幻后:行和,列和,对角线和仍然相等。因而由洛书图的解我们能构造一个新解(每格数字分别乘二减一),然后按前述方法把对角线和拐角拉直:对于新问题的解就来了:[他们已经满足了所有条件哦!– 包括上段所说的最后两个条件;不信你自己验证嘛如下面图所示。

Solution-SquareMtx有点神解的味道:需要对代数原理和幻方的结构非常熟悉,而巧用变换。这个漂亮的解在一次作数学模型时由参加者发现:笔者觉得其构思的巧妙不逊于 高斯在算 1+2+3+…… + 100 时所发现的规律。推荐给有兴趣的读者欣赏数学方法和构思之妙。当然,此题不必这样作,但这样的解让人觉得好美,好神!即便杀鸡不用牛刀,还是可以“牛刀小试”吧?

数学王子高斯:生平,贡献和启示

高斯,全名约翰卡尔弗雷里奇高斯,1777 – 1855,是德国数学家。幼时聪颖,最著名的故事就是他小学时怎样回答老师给他的那道数学题,让他算一加二加三 …… 一直加到一百。高斯从两边分别取数加起来: 1 + 100 = 1012+99=101,…… 如此下去刹那间就算出来结果是 50 × 101 = 5050. 这是上小学的高斯自己想出来的;稍加推广,就可以解决任何等差数列求和的问题。这是真正的天才杰作,成就了神童之誉。高斯在数学领域里终身建树颇丰,有数学王子 (Prince of Mathematics)之称。

高斯的工作涉猎数学的多个分支。除了数学外,他亦探入或与人合作探索天文和物理领域。在他的早期成长中,对于神学和语言学亦显出不同反响的理解才能。

高斯的最主要成就和他受的教育

少年天才的高斯接受了正规严谨的教育,曾在卡罗琳那学院和世界知名的哥廷堡大学共学习六年(1792 – 1795, 1795 – 1798)。1796 年高斯19岁时他就发现了用直尺和圆规作正十七边形的方法:继承了来自古希腊的数学传统–只要可能的话,就只用直尺和圆规完全准确地作出任何几何图形。

1799年(22岁),高斯的博士论文改进了现在称为代数基本定理的证明。该定理说:复系数多项式至少有一个复根;通过因子分解的过程,这表明 n多项式在复数域有n个根。在严谨性上,高斯的证明比前证明进了一大步。

高斯用直尺和圆规作正十七边形的方法,是建立在传统上的,用到了代数,还联系了可作图性与费尔马数。这成为他最得意之作;今天学习纯粹数学的人仍把它当作代数和几何结合的典范。分圆多项式理论就是在这工作中萌芽的,后得到进一步发展 (不仅是他本人的工作)。在博士论文中的证明,他自己还不满意:用了一生时间来改进代数基本定理的证明(见下文)。

非这两个工作莫属高斯一生的代表作。

其他工作

21岁时(1798年)他完成了算术教程(这里,算术主要指现在称为‘数论’的内容 – 数论是数学中即基础又高难的一分支)。由此奠定他在数论上的地位。数论中最常用到的模同余的记号,也是由于高斯的提倡而成为标准。例如,16 除以7,余数是2,在模同余理论中,写成 16 ≡ 2 (模7)。记号≡读作同余;这大大简化了表达,体现了大家风范。

高斯还结合圆锥曲线和高次方程组(高至8次)开创了(理论)天文学的工作。其中用到了一些复杂方法如付利叶变换和三角插值。1801年(24岁),他的理论预报当年即得到天文观测的证实。此后,高斯与物理学教授Wilhelm Weber长期合作,富有成果。他建立了磁观察站和磁俱乐部,是电磁学理论的先驱之一。他的工作也涉及到光学领域。他还主持了当地大地测量(1818 年,在汉诺威王国,现为德国的一部分)。正态分布,又称误差分布,高斯分布,在实验和统计数据处理上有重要意义。高斯在其中的工作从“高斯分布”的名称上就可以看到。

我们难以尽数高斯的成就。那个 1+2+3+ … + 100 的故事,由此衍生了高斯序列(或者三角形数:如1,1+2=3,1+2+3=6,1+2+3+4=10,…; 1,3,6,10 就是三角形数);而高斯的一个发现,是任何自然数可以写成不超过三个三角形数的和 — 来自他笔记 (”ΕΥΡΗΚΑ! num = Δ + Δ + Δ”)。喜悦之情溢于言表 — 我们看到王子在数学世界的快乐!这是1796 年,他发现正十七边形尺规作图法的同一年。这是年轻时随手的作品,是大师的小品。

他用一生的时间改进他的工作,推敲每个细节。在1849年(距首次发表已有50年之久;当时他已经72岁高龄)高斯给出了关于代数基本定理的一个证明,按近代标准完全严谨。天才也如此磨砺自己的工作,让人感佩!晚年高斯成为荷兰皇家协会会员及荷兰艺术科学学院院士(外籍)。他不为名所累,提携后人,欣赏同行,对新秀黎曼在曲面几何上工作由衷称赞。

高斯的启示

每个人都能够从高斯的故事和贡献中得到一些启示。少年神童很多,但是成就堪比高斯的寥寥。高斯治学毫不浮躁,终其一生改进早期已作出的成果,仅此就让今天的浮躁者汗颜。高斯既无愧于少年神童,而他的学术成就和地位却来自于追求进取和不断磨砺。为后世治学树立了榜样。

八边形的面积 (好简单!)

看下面这个图,请!

Rotate-Square-Octa-lbl

很有趣,是不是?

这个图有一个圆,圆内接的一个正方形,再加上那个正方形旋转45度以后的新正方形 组成的。其他不过是线和线,线和圆弧的交点而已。这个图其实不复杂,但是蛮有趣。

两个正方形的边是相交的,得到 8 个顶点。把这些顶点依照顺序连接起来,我们得到一个八边形。请参看上图 (如果看不清,点击放大), 原正方形ABCD 和 旋转45度后的新正方形 A0B0C0D0 交于 8个点: 按顺序连起来,得到八边形 E1E2F1F2G1G2K1K2. 这个八边形是一个正八边形 (即所有边的长度相等,所有内角的角度相等),你能证明吗?

利用对称性加上旋转的性质,很容易找出若干全等的三角形。由全等形的对应边相等,对应角相等就能得到正八边形的结论。(提示:旋转45度在这里起了关键作用。正方形的4个顶点把圆周分成四段,每段90度;45度刚好一半。如果旋转90度新正方形和旧的重合,旋转45度交点构成正八边形。如果旋转的是 0-90度之间任何其他角度,交点也构成一个八边形,但不会是正八边形。)

大一点的正八边形是把原来正方形和新的正方形的顶点交替连接起来,于是得到 AABBCCDD . 类似地,可以说明这是一个正八边形。

八边形的英文叫做 Octagon,和它类似的有个词Octopus 章鱼,因章鱼有八条腿。Wow,我们做出了正八边形 (联想:章鱼)!

下面来看两个有趣的面积计算。给定原来正方形的边长等于2,那末,

1) 正八边形 E1E2F1F2G1G2K1K2 的面积是多少?

2) 正八边形 AABBCCDD 的面积是多少?

我们先看第一个问题: 注意到正八边形 E1E2F1F2G1G2K1K2 的面积是正方形的面积减去四角上的四个小三角形面积;而这些小三角形是全等的。小三角形(比方说 等腰直角三角形E, 在顶上的图里,就是角上浅蓝色的小三角形) 的边长呢?这个要稍微用点劲。

注意到 A : K : E = 1 : sqrt 2 : 1, 其中 sqrt 2 是2的平方根,大约是 1.414, 或者7/5. 我们只要把 A0B0 = 2 分成 (1+sqrt 2 + 1) 份,取出 1份,就是E 的长度。而E = E = 2 ÷ (1+sqrt 2 + 1). 所以等腰直角三角形E 的面积就可以算出了(直角边相乘,别忘了除以二)。把这个面积乘以4,从正方形里减去,就是八边形面积的答案。刚刚我们完成了什么?八边形的面积计算!一点不难,是不是?

好了,我们把第二个问题:

2) 正八边形 AABBCCDD 的面积是多少?

留给读者思考。