斯图姆的轮船相遇问题

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  斯图姆是法国数学家,在数学的许多领域都做过开创性的工作。一次,斯图姆去参加一个国际学术会议,一位朋友向他请教下面这个问题:
  每天中午有一艘轮船从哈佛开往纽约,且每天同一时刻也有一艘轮船从纽约开往哈佛,轮船在途中均要航行七天七夜。试问,每条从哈佛开出的轮船在到达纽约前能遇上几艘从纽约开来的轮船?
  同学们,请你们尝试解决这个问题。你们想到方法了吗?不知道你们有没有想到过采用下面这些方法:
  一、游戏法
  你可以组织班上的同学一起来做个解题游戏:你站在学校操场的一边,扮成从哈佛开出的那艘轮船,其他同学站在操场的另一边,扮成从纽约开往哈佛的轮船,中间用六张小凳均匀分成七等份(相邻两张小凳间的距离约两步长),用来表示一个昼夜的航程(白天一步,夜晚一步)。在你的口令声中,他们一个接一个地用相同的步幅向你这边走过来,前一位同学刚走到小凳处,后一位同学就开始出发,犹如每天中午从纽约开出的轮船。当第一位同学走到你这边,你就立刻匀速向对面走去,并记下迎面碰到的同学数。当你走到对面的时候,结果就出来了,一共遇到了15位同学。这就是说,将会遇到15艘同一公司的轮船从对面开来。
  不仅如此,如果你注意记录下与每一位同学相遇的地点的话,你会发现每到小凳处就会遇到一位同学,每到两张相邻小凳之间处也会遇到一位同学,加上出发时遇到的那位同学,一算便知在途中遇到了15位同学。
  同学们,你们说这样的解题游戏是不是很有趣啊?
  二、算术法
  在做解题游戏的过程中,如果设每艘轮船的速度是x海里/昼夜,一艘轮船刚与迎面驶来的轮船相遇时,同下一艘即将相遇的轮船间刚好相差一昼夜的航程(想一想,为什么),即为x海里。因此,同下一艘轮船相遇的时间应是x÷(x x)=0.5(昼夜),也就是说一艘轮船可以在一昼夜遇到两艘迎面驶来的轮船。那么,七昼夜一共可以遇到7×2=14(艘)从对面开来的轮船,加上出港时遇到的一艘,一共15艘轮船。
  同学们,你们说这样的算术解法是不是既简单又有趣呢?
  三、图示法
  如下图所示,如果我们用两条平行线分别表示哈佛和纽约这两座城市,把从纽约出发的轮船的出发日期和到达哈佛的日期连成线段,这些线段都是长度相同的平行线段,表示它们各自的航行路程的图线。最后我们假设这艘从哈佛出发的轮船的出发时间为7号,把它的出发时间与它的到达时间也用线段相连,不难发现这根线段的长度与上面的平行线段是等长的,这与条件“轮船都在同一航线上航行”相吻合。看!奇迹出现了,这条线段与从纽约出发的轮船航行路程的图线产生了15个交点,这15个交点的位置就是它们相遇的具体地点,因此“斯图姆的轮船相遇问题”的解应为15艘轮船。
  四、转化法
  我们先来考虑一个问题:“如果该轮船公司要维持哈佛与纽约之间的正常航行,至少需要配备多少艘轮船?”要解决这一问题,可设一艘轮船第一天中午从哈佛出发,经过七天,第八天中午到达纽约,第九天中午从纽约出发,再过七天,第十六天又回到了哈佛,开始准备下一个来回的航行。这十六天中,每天中午需从哈佛发出一艘轮船,所以,要想维持正常航行至少需要16艘轮船。
  那么,如果该轮船公司的16艘轮船都在航线上,其中一艘轮船从哈佛出发时,它后面一艘轮船正好回到哈佛,它们之间没有其他的轮船;这艘轮船到达纽约时,它前面一艘轮船正好从纽约出发,它们之间也没有其他的轮船。这样,在从哈佛到纽约的航程中,该轮船与本公司的其他15艘轮船都要相遇一次。因此,从哈佛出发的轮船沿途将会遇到15艘同一公司的轮船从对面开来。
  同学们,让我们进一步思考,分析以上几种方法,提炼出一种最适合你们自己的方法。
  游戏法可以帮助我们理解题目并得到答案,但显得十分麻烦,因为它需要很多同学一起参加,不能一个人完成。
  算术法显得简单,只要一个简单的式子就解决问题了,但对题目意义的理解要求很高,只有在充分理解题意,掌握必要的方法后,才能列出正确的算式,否则很容易出错。
  图示法的优点比较明显:不仅有游戏法的特点,容易得到结果,还能帮助我们理解题意,用起来也十分简单,不容易出错。
  转化法虽然比较简单,但其局限性也很突出,一般很少有人会想到运用这种方法。
  同学们,不管你们选择使用哪种方法,只要你们记住:数学来源于生活,生活中到处都有有趣的数学问题,它们正等待着聪明的你们去发现并加以解决。
  (编辑 孙世奇)
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