科普大师提出的数学趣题

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  20世纪下半叶,美国科普界叱咤风云数十年的三位大师级人物是艾萨克·阿西莫夫、卡尔·萨根与马丁·加德纳,堪称不分伯仲,各领风骚。时至今日,前面两位大师均已逝世,唯有加德纳先生依然健在并且老当益壮,在数学传播领域继续发挥着无可替代的作用。这位当代数学科普大师编制的诸多趣味数学问题,因其令人赞叹的生活性、灵活性、深刻性、独创性而被广泛流传,吸引了全世界的数学爱好者的普遍关注。现向大家介绍其中的几则经典趣题。
  一、 电梯事件
  第二次世界大战中德军占领法国期间,有一天,巴黎的一家旅馆里有四个人共乘一部电梯下楼。其中一个是身穿军装的纳粹军官;一个是当地的法国人,是反纳粹地下组织的秘密成员;第三个是一位漂亮的少女;第四个是一位老妇人。他们相互不认识。突然电源发生了故障,电梯停住不动了,电灯也熄了,电梯内漆黑一团。这时发出了一声接吻的声音,随后是一掌打在脸上的声音。过了一会,电灯又亮了,纳粹军官的一只眼睛下面出现了一块猩红的伤痕。
  老妇人想:“真是活该!幸亏如今的年轻姑娘们学会了如何保护自己。”
  少女寻思:“这个纳粹分子真怪!他没有吻我,想必是吻了这位老妇人或者那位漂亮小伙子,真不知道是怎么回事!”
  纳粹军官在想:“怎么啦!我什么事情也没做,可能是这个法国男子想吻这位姑娘,她失手打了我。”这几个人的想法是不是很奇怪?那么请你推测一下电梯里究竟发生了什么事情?
  显然这是一个非常有意思的问题,因为从表面上来看,接吻是男女之间的事情,可电梯里的两个女性都确定自己没有被侵犯,这就导致了读者的疑惑:那一记耳光又是如何而来的?请注意,如果你也是这样思考的话,那么你就已经陷入到大师巧妙设置的“陷井”中了,因为引导掉入陷井的路径正是“强吻→被打”的常规思维。只要你能跳出定势思维的泥沼,从背景等其他因素综合考虑这个事件,问题就能真相大白,并使你哑然失笑拍案击节。
  下面我们就根据当事人的想法来进行逻辑推理。首先考虑老妇人的想法,她认为是纳粹军官吻了少女而挨了少女的打,这间接说明了老妇人没有被吻;其次少女认为是纳粹军官吻了老妇人或法国小伙子导致被打,这也间接说明少女没有被吻;而纳粹军官的想法证明他什么也没有做,由此可知老妇人、少女、纳粹军官三人与接吻无关。那么唯一可能就是,那吻声是法国小伙子自己弄出来的,而且老妇人和少女都没有打纳粹军官,纳粹军官也不可能打他自己,那么只能是法国小伙子打了纳粹军官。
   综合上述分析可还原事件的真相:法国小伙子是反纳粹地下组织的秘密成员,当然仇恨纳粹军官,于是停电时,他先亲自己的手臂一下,然后狠狠打了纳粹军官一个耳光,用这个巧妙方法既解心头之恨又毫无破绽。由此可见,法国小伙子才是耳光事件的策划和操作者。
  二、 谁讲真话
  汤姆老师到一所新学校去应聘,在面试时被问到这样的一则趣题:假若您到一所教室里,发现教室里有10个同学,他们每人都和您讲了一句话。学生1:我们10个人中只有1人讲假话;学生2:我们10个人中只有2人讲假话;学生3:我们10个人中只有3人讲假话;学生4:我们10个人中只有4人讲假话;学生5:我们10个人中只有5人讲假话;学生6:我们10个人中只有6人讲假话;学生7:我们10个人中只有7人讲假话;学生8:我们10个人中只有8人讲假话;学生9:我们10个人中只有9人讲假话;学生10:我们10个人讲的全是假话。请你判断这10个人中,究竟谁讲的是假话?(当然我们假定这10个人的话在逻辑上都是站得住的,即不存在自相矛盾。)
  该题颇有新意,人物众多,叙述方式都有相近之处,仅有一字之差,但相互间的联系很难弄清,极易产生思维混乱和理解障碍,让人不知从何下手。而事实上此题的难度并不大,只要采用反向理解否定结论的方法来推断,就能轻而易举地顺利解答。
  根据题意叙述,我们知道10个人所说的话各不相同,那么讲真话的只能有1人。明确了这一点,那么就可以沿着学生讲话线索顺藤摸瓜,得到最终结果。如果学生1讲的 “我们10个人中只有1人讲假话”为真,也就是说共有9人说真话,那么除了学生1的这句真话,在剩下的九个人中还应有8人也讲真话,而这与起初“讲真话的只能有1人”的判断矛盾,所以学生1讲真话的假设应予否定。同样道理,学生2、学生3、学生4、学生5……等人讲真话的可能性都被类似一一排除,只有学生9所说的话“我们10个人中只有9人讲假话”,即只有1人说真话,此人就是学生9自己,与原命题判断没有矛盾,可以成立,所以可判定学生9讲的是真话。
  这则趣题由于它风格非常独特,令人有耳目一新之感,所以给广大读者留下了深刻的印象。值得一提的是该题的解题思想就叫“反证法”,这种解题思想已为人们广泛接受和运用。你是否学会了这种证明方法了呢?
  三、 完美握手
  有一天,一位先生这样说道:“前些日子,我同我太太一起参加了一个宴会,酒席上还有另外4对夫妻。大家见面时相互问候,亲切握手。当然,没有人和自己的太太握手,自己也不会同自己握手。另外我发现,大家与一个人握过手之后,都没有再和他(或她)进行第二次握手。当彼此之间的握手全部结束之后,喜欢钻牛角尖的我好奇地询问在座的各位先生和女士,当然也包括我太太在内,每人各握过几次手?使我惊奇的是,每个人报出的握手次数竟完全不一样,这非常奇特。因为它牵涉到下面我要问的一个问题:我太太同别人共握了几次手?你从我的叙述中发现线索了么?如果暂时还没有,那么请允许我增加一些说明,一是为了使这个问题不至于产生歧义,二是使之更加严密让你摸不着头脑。请听好:①甲与乙握手,在计算握手次数时,甲算一次,乙也算一次。②握手并不要求一个都不漏,可握也可不握。就是这些,请您开动脑筋解决这个问题吧!”
  首先从整体上分析:既然宴会上共有5对夫妻合计10人,任何人都不同自己握手,也不同自己的配偶握手,所以,任何一个人握手的次数最多只能等于8。由于这位先生已问其他的9人,得知他们每人握手的次数都不一样,可见这9个人的握手次数必定是0、1、2、3、4、5、6、7、8,这是一个容易得出的结论。
  其次从细节入手:显然握手次数为8的那一位同除了自己的配偶以外的每个人都握过了手,所以只有这个人的配偶才有可能是握手次数为0的人。换句话说,握手次数是8和握手次数是0的是一对夫妻。这下把8、0排除后,接着类似可以推定,握手次数是7和握手次数是1的是一对夫妻,握手次数是6和握手次数是2;握手次数是5和握手次数是3的是一对夫妻。最后只剩下握手次数为4的人,可以断定,此人肯定是提出问题的那位先生的太太。
  问题终于解决了,现在让我们再来回顾一下这道被许多评论家们誉为“完美”的题目。评论家之所以有这样极端的观点,并不是出于对数学学科中专业美的推崇和渲染,而是从一个普通人的角度来审视判定得出的,因为在日常生活中不可或缺的数学思维如对称性、递归性、消去法都在这道题的解答中得到充分的展示。难怪对数学普及极为重视的评论家们发自内心地赞叹:这样的数学题目,真是太“艺术化”了。
  看出来了吗?在加德纳的巧思妙想中,一个个抽象的数学问题变得生动活泼趣味盎然。难怪他的数学科普作品具有全球范围内的巨大吸引力,精巧得让人爱不释手,品味良久,甚至令许多数学家也为之着迷。事实上,很多青少年正是因为加德纳的趣味数学题才对数学产生了浓厚兴趣,甚至有家庭主妇因其而成为趣味数学专家的事例。正由于加德纳在数学科普领域取得的巨大成功,人们尊称这位在美国家喻户晓的传奇人物为“数学传教士”,堪称众望所归,名符其实。
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