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数学谜题的兴起:17和18世纪

书籍名:《博弈论:决策制胜的法则》    作者:乔迪·德罗夫
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巴谢·德·梅齐里亚克的著作集合了当时的数学谜题,有些众所周知,比如:“狼、山羊和卷心菜”,幻方,整数问题,以及权重问题。让我们来看一个例子:用两个托盘的天平来称重量在1磅至40磅的重物,最少需要几个砝码,每个砝码的重量是多少?

从那以后,在17世纪,相继出现了一批类似的著作。1624年,法国耶稣会士让·勒雷雄(Jean Leurechon)以笔名亨利·凡·伊顿(Henry van Etton)出版了《趣味数学》(Récréations Mathématiques)。这本书与巴谢的作品相似,不过要写得更好一些。以此为范本,之后又出现了一系列专著,其中包括克劳德·梅朵(Claude Maydorge)1630年在法国出版的作品,于1633年翻译成英文,以及丹尼尔·斯温特(Daniel Schwenter)1636年在德国出版的作品。不过,最有影响力的作品是奥扎拉姆(Ozanam)的《趣味数学和物理》(Récréations Mathématiques et Physiques)。1725年,数学家和科学史家让·E.蒙蒂克拉(Jean E.Montucla)对这本书进行了修订和补充。

数学家和语言学家丹尼尔·斯温特的画像

18世纪,威廉·胡珀(William Hooper)的著作《理性的娱乐》(Rational Recreations,1774)也值得一提。书中提出的“消失的悖论”充分说明,一个看似简单的谜题,也会运用到有趣的数学特性。

虽然我们已经重点列举了一批数学家,他们都曾在游戏和数学谜题领域撰写过专著,但我们也不能忘记,该时期还有其他许多伟大的数学家,都曾解决过一些趣味难题,这些难题也会成为该领域的经典例题。其中最有名的三位分别是:艾萨克·牛顿(1642-1727)、莱昂哈德·欧拉(1707-1783),以及卡尔·弗里德里希·高斯(1777-1855)。

牛顿的著作《广义算术》(Arithmetica Universalis)拉丁文版于1707年出版,其中介绍了一些基础性的趣味谜题,以及作者在数学界的贡献。其中最有名的就是“牛顿的奶牛”问题。下面是书中列举的一个与运气游戏相关的概率问题。若干骰子同时掷出,以下三种结果,哪一种最有可能产生?

a)6枚骰子掷出,至少掷得一个6点。

b)12枚骰子掷出,至少掷得两个6点。

c)18枚骰子掷出,至少掷得三个6点。

如果搞清楚本书第三章中讨论的类似问题,那么这个题目一定难不倒你。

欧拉或许是最多产的数学家之一,进行了许多有趣的研究,比如在组合数学领域的“古希腊罗马方阵”,也称“欧拉方阵”。该方阵是一种幻方,将n个符号摆放于一个n×n格的方阵中,使得每个符号都会出现在各行各列当中。这可以说是当前十分热门的数独问题的真正前身。然而,毫无疑问,欧拉最有名的趣味问题是“柯尼斯堡七桥问题”。1759年,他曾就这个问题,在柏林科学院的论文集中发表拉丁语论文,并由此开创了图论。(图论是以图形的方式来描述一个体系当中各个元素之间的关系。它由若干顶点和连接顶点的边构成,顶点代表元素,边代表各元素之间的关系。)图论主要用来说明和解决优化问题。

柯尼斯堡七桥问题是这样的:用七座桥将四块陆地连接在一起,是否可能从这四块陆地中的任一块出发,恰好通过每座桥一次,再回到起点?欧拉证实,上述走法是不可能的,还提出了决定该路线是否可能实现的前提条件

我们最后要提到的是高斯,他在数学界做出了极大贡献,也倾注了少量时间致力于趣味问题的研究,包括我们接下来要讲到的“八皇后问题”:在国际象棋棋盘上摆放八个皇后,使其不能互相攻击,问有多少种不同的摆法。后来该问题类推为n个皇后在n×n格棋盘上的摆法。高斯首先采用了直观法,然后将其系统化为排列问题,最后证实“八皇后问题”有92种不同的解决方案。

该8×8格棋盘上仅展示了“八皇后问题”多种解决方案中的一种

胡珀悖论

威廉·胡珀在《理性的娱乐》一书中首次提到了胡珀悖论。这个谜题是这样的:以n代表单位长度,将一个边长为8n的正方形分成两个三角形和两个梯形。再用这四部分组成一个长为13n、宽为5n的矩形。如果以上情况可以实现,该正方形的面积(64n2)就等于该矩形的面积(65n2),也就“证实”了64等于65。那么请问读者,问题出在了哪里,1n2的“空缺”藏到哪里去了?即使这个悖论被解开了,它仍然是一个数学难题。如果我们对其进一步分析,就会发现更多的派生问题。观察一下几个图形的边长,并将其排序,我们就会得到这几个数字:3、5、8和13,它们是斐波那契数列里面几个相邻的项。该数列有个特点,每一项的平方都比前后两项之积多1或者少1,即:an2= an-1·an+1+(-1)n+1。这就可以解释,为什么当正方形的边长为斐波那契数列的其中一项,而矩形长宽分别是这一项的前后两项时,就会产生这种矛盾的问题。如果我们利用黄金比例(Φ),也会解开这一悖论,并将图形正确组合。不过,黄金比例也跟斐波那契数列相关。如果一个正方形的边长为Φ,也用同样的方法分成四部分,然后组成一个边长为1和Φ+1的矩形。这样我们就会发现,该正方形的面积就等于该矩形的面积,即1·(Φ+1)。

胡珀悖论提出:该正方形可以分成两个三角形和两个梯形,把这四个图形重新组合,就会形成一个矩形,而这个矩形的面积要比最初的正方形多出一个单位。



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