6個算術游戲讓你愛上數(shù)學
數(shù)學的基本要素是:邏輯和直觀、分析和推理、共性和個性,基礎數(shù)學的知識與運用是個人與團體生活中不可或缺的一部分,所以我們應該學好數(shù)學。
很多家長都想知道,怎么讓孩子對數(shù)學感興趣?杭州萬達夏令營準備了6個算術游戲,以定理、趣題甚至未解之謎等各種形式帶領大家窺探數(shù)學世界的一角。不少問題背后都蘊含了深刻的數(shù)學知識,觸及到數(shù)學的各個領域。希望從小數(shù)學就不及格的朋友們能夠喜歡上數(shù)學這門充滿樂趣的學科。
數(shù)字黑洞 6174
任意選一個四位數(shù)(數(shù)字不能全相同),把所有數(shù)字從大到小排列,再把所有數(shù)字從小到大排列,用前者減去后者得到一個新的數(shù)。重復對新得到的數(shù)進行上述操作,7 步以內(nèi)必然會得到 6174。
例如,選擇四位數(shù) 6767:
7766 - 6677 = 1089
9810 - 0189 = 9621
9621 - 1269 = 8352
8532 - 2358 = 6174
7641 - 1467 = 6174
……
6174 這個“黑洞”就叫做 kaprekar 常數(shù)。對于三位數(shù),也有一個數(shù)字黑洞——495。
3x + 1 問題
從任意一個正整數(shù)開始,重復對其進行下面的操作:如果這個數(shù)是偶數(shù),把它除以 2 ;如果這個數(shù)是奇數(shù),則把它擴大到原來的 3 倍后再加 1 。你會發(fā)現(xiàn),序列最終總會變成 4, 2, 1, 4, 2, 1, … 的循環(huán)。
例如,所選的數(shù)是 67,根據(jù)上面的規(guī)則可以依次得到:
67, 202, 101, 304, 152, 76, 38, 19, 58, 29, 88, 44, 22, 11, 34, 17,
52, 26, 13, 40, 20, 10, 5, 16, 8, 4, 2, 1, 4, 2, 1, ...
數(shù)學家們試了很多數(shù),沒有一個能逃脫“421 陷阱”。但是,是否對于 所有 的數(shù),序列最終總會變成 4, 2, 1 循環(huán)呢?
這個問題可以說是一個“坑”——乍看之下,問題非常簡單,突破口很多,于是數(shù)學家們紛紛往里面跳;殊不知進去容易出去難,不少數(shù)學家到死都沒把這個問題搞出來。已經(jīng)中招的數(shù)學家不計其數(shù),這可以從 3x + 1 問題的各種別名看出來: 3x + 1 問題又叫 collatz 猜想、 syracuse 問題、 kakutani 問題、 hasse 算法、 ulam 問題等等。后來,由于命名爭議太大,干脆讓誰都不沾光,直接叫做 3x + 1 問題算了。
直到現(xiàn)在,數(shù)學家們?nèi)匀粵]有證明,這個規(guī)律對于所有的數(shù)都成立。
特殊兩位數(shù)乘法的速算
如果兩個兩位數(shù)的十位相同,個位數(shù)相加為 10,那么你可以立即說出這兩個數(shù)的乘積。如果這兩個數(shù)分別寫作 ab 和 ac,那么它們的乘積的前兩位就是 a 和 a + 1 的乘積,后兩位就是 b 和 c 的乘積。
比如,47 和 43 的十位數(shù)相同,個位數(shù)之和為 10,因而它們乘積的前兩位就是 4×(4 + 1)=20,后兩位就是 7×3=21。也就是說,47×43=2021。
類似地,61×69=4209,86×84=7224,35×35=1225,等等。
這個速算方法背后的原因是,(10 x + y) (10 x + (10 - y)) = 100 x (x + 1) + y (10 - y) 對任意 x 和 y 都成立。
196 算法
一個數(shù)正讀反讀都一樣,我們就把它叫做“回文數(shù)”。隨便選一個數(shù),不斷加上把它反過來寫之后得到的數(shù),直到得出一個回文數(shù)為止。例如,所選的數(shù)是 67,兩步就可以得到一個回文數(shù) 484:
67 + 76 = 143
143 + 341 = 484
把 69 變成一個回文數(shù)則需要四步:
69 + 96 = 165
165 + 561 = 726
726 + 627 = 1353
1353 + 3531 = 4884
89 的“回文數(shù)之路”則特別長,要到第 24 步才會得到第一個回文數(shù),8813200023188。
大家或許會想,不斷地“一正一反相加”,最后總能得到一個回文數(shù),這當然不足為奇了。事實情況也確實是這樣——對于幾乎所有的數(shù),按照規(guī)則不斷加下去,遲早會出現(xiàn)回文數(shù)。不過,196 卻是一個相當引人注目的例外。數(shù)學家們已經(jīng)用計算機算到了 3 億多位數(shù),都沒有產(chǎn)生過一次回文數(shù)。從 196 出發(fā),究竟能否加出回文數(shù)來?196 究竟特殊在哪兒?這至今仍是個謎。
唯一的解
經(jīng)典數(shù)字謎題:用1到9組成一個九位數(shù),使得這個數(shù)的第一位能被1整除,前兩位組成的兩位數(shù)能被2整除,前三位組成的三位數(shù)能被3整除,以此類推,一直到整個九位數(shù)能被9整除。
沒錯,真的有這樣猛的數(shù):381654729。其中3能被1整除,38能被2整除,381能被3整除,一直到整個數(shù)能被9整除。這個數(shù)既可以用整除的性質(zhì)一步步推出來,也能利用計算機編程找到。
另一個有趣的事實是,在所有由1到9所組成的362880個不同的九位數(shù)中,381654729是唯一一個滿足要求的數(shù)!
數(shù)在變,數(shù)字不變
123456789的兩倍是246913578,正好又是一個由1到9組成的數(shù)字。
246913578的兩倍是493827156,正好又是一個由1到9組成的數(shù)字。
把493827156再翻一倍,987654312,依舊恰好由數(shù)字1到9組成的。
把987654312再翻一倍的話,將會得到一個10 位數(shù)1975308624,它里面仍然沒有重復數(shù)字,恰好由0到9這10個數(shù)字組成。
再把1975308624翻一倍,這個數(shù)將變成3950617248,依舊是由0到9組成的。
不過,這個規(guī)律卻并不會一直持續(xù)下去。繼續(xù)把3950617248翻一倍將會得到7901234496,第一次出現(xiàn)了例外。
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