趣味连续和等式

来源 :中国科技教育 | 被引量 : 0次 | 上传用户:XIEJUANJUAN1984
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  吴朝阳,数学博士,历史学博士,计算机科学硕士,目前任教于南京大学。
  “阿尚,1加2等于几?”“5啦。拜托——人家开学就3年级了。”“好吧,那4加5加6等于多少?”“很简单,等于15。”“为什么不说等于7加8呢?”“哦,真的是噢。”“阿尚,那你说9加10加11加12等于多少?”“那就等于13加14加15喽。”
  在去瑞士的大巴上与小侄子的这段对话,引出的是如下一系列有趣的等式:
  1 2=3
  4 5 6=7 8
  9 10 11 12=13 14 15
  16 17 18 19 20=21 22 23 24
  這个系列可以一直写下去,它有以下两大特点:①每个等式里的数都是连续自然数;②左边比右边多1个数。此外,我们还注意到,这系列等式恰好用尽所有的自然数,而第n个等式右边有刀个数,左边则比右边多1个。还有,等式中左右两串数的分界数有一个简单的公式:n(n 1)。
  有趣的事情还有很多,例如,我们还有如下的系列等式
  0 1 2=3
  4 5 … 8=9 10 11
  12 13 … 18=19 20 … 23
  24 25 … 31 32=33 34 … 38 39
  ……=……
  这系列等式从0开始,恰好用尽所有非负整数。与上一个系列不同,这系列等式左边总是比右边多2个数,其第n个等式左边有(n 2)个数,右边是n个,而这两串数的分界为2n2
  如此有趣,我们自然会想:如果左边比右边多出u个数,会不会有系列等式?如果有的话,又会是什么样子?于是,我们开启探索模式。
  设等式中参与加法的数从左到右是连续自然数,右边有m个数,左边多了u个,有m u个数。记左边开始的数为后,则左边最后一个数是k m u-1。相应地,等式右边开始于k m u而终结于k 2m u-1。于是,由等差数列的求和公式,我们得到:
  于是,第一个等式的左边是从2到43,右边是从44到61。暗藏的一个趣味点是:这系列等式虽然不是从1开始,但后一个等式的数也恰好是接着上一个等式的。换句话说,这系列等式恰好用尽除了1之外的所有自然数。
  我们略去繁琐的公式推导,仅在这里指出:当u为奇数,或者u的因数中恰有奇数个2,即u=22s-1(2t-1)时,我们都可以得到相似的系列和式,每个系列中的自然数前后相接,都用尽起始数之后的所有自然数。而当u是偶数且其因数中恰有偶数个2时,不存在类似的等式系列。
  有一个“大名垂宇宙”的定理叫勾股定理,与之相应的最著名的等式是:32 42=52
  这让我们好奇,会不会对平方和也有与上述相似的系列等式呢?于是,我们也马上展开探索。首先,我们需要明确“相似”的意思,从最直接的想法出发,我们对相似提出两点要求。
  (1)左边、右边都是连续自然数的平方和,并且右边的第一个恰好比左边的最后一个大1;
  (2)右边平方和的个数比左边少1个。
  根据这种相似的意思,我们设等式的左边开始于石2,终止于(k m)2。也就是说,左边的自然数从后开始,总共有(m 1)个。这样,右边的自然数必须从(k m 1)开始,并终止于(k 2m)。因此,根据左右相等的条件,我们得到等式:k2 … (k m)2=(k m 1)2 … (k 2m)2
  应用自然数连续平方和的求和公式,有:
  生命不止,好奇不息,我们继续考虑相似的问题:存在不存在左边比右边多2个数的平方和系列等式?左边比右边多u个的一般情况又如何?仔细推导发现:应用相等关系所得到的关于后的方程是一元二次方程,它除了u=1之外看不到解出整数后值的可能性。因此,这回的好奇心只好转而寻找新的兴奋点。
  平方和相等的系列等式没有什么新的希望,那么考虑平方和之间有倍数关系会怎么样?确实,我们能够有所发
  这,是不是非常有趣?
  这有些难以置信?那我们就来做一做推导证明——这一点都不复杂。首先,很容易计算出:
  然后,然后就不需要然后了。
  使用代数方法推导,我们可以找到无穷多个这种连续自然数平方和的倍数关系式。例如,对从1到11的平方和也有无穷多串11个连续自然数的平方和是它的整数倍。最小的一个从47开始到57,倍数关系是59倍。
  应用计算机计算,我们可以发现不少连续自然数的立方和等式,但系列等式似乎是不存在的。因此,我们对连续自然数的立方和,着重点也是寻找相似的倍数关系式,而我们也很快就找到好玩的实例:
  这些公式有些抽象,但表格是非常直观的,我们计算出上列公式中的前6个,列表如下。
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