几乎每个小学生都听过数学王子高斯年仅10岁就妙算1 2 3 ... 100的故事。
具体的方法:利用交换律和结合律,拼凑出1 100=2 99=3 98=...=50 51,共50项,每项的和是101,所以总和等于101x50=5050。
那么,为什么高斯会想到这样巧妙的算法?普通人就想不到呢?
高斯
数形结合原因在于:人类天生对抽象的数字不敏感。
人类对数的认识,最早来自于对图形的感知。无论是远古的“结绳计数”还是古希腊毕达哥拉斯的“万物皆数”,其本质都是将数和图形联系在一起。这种“数形结合”的思想,深刻地影响并持续推动着数学向前发展:
毕达哥拉斯应用“数形结合”的思想,发现了勾股定理;
毕达哥拉斯
勾股定理
笛卡尔应用“数形结合”的思想,发现了解析几何;
笛卡尔
怀尔斯应用“数形结合”的思想,证明了费马大定理……
怀尔斯
“摆好姿势”那么回到这道题,如何将数变成图形呢?
我们可以把1看作一个边长为1的乐高正方形,把2看作两个这样的乐高正方形,……依次类推。
接下来,按照下图所示“摆好姿势”:
第一行摆一个乐高正方形,第二行摆两个乐高正方形,……依次类推。
这些乐高正方形最终摆在一起,就组成了一个“乐高梯形”。
1 2 3 ... 100的含义就转换成:乐高正方形的总数是多少?(结论1)
根据面积的定义可知:
乐高梯形的面积=乐高正方形的总数(结论2) “成功了一半”
即使我们连梯形的面积公式都不知道,也可以用下面的方法求解:
首先,将该乐高梯形倒放过来,如下图所示:
然后,将倒放的乐高梯形和原来的乐高梯形拼起来:
这样就组成了一个长为101、宽为100的乐高长方形。根据长方形的面积公式:
长方形的面积=长x宽
这个乐高长方形的面积等于101x100=10100。它是由两个乐高梯形拼起来的,所以乐高梯形的面积等于它的一半,即:10100/2=5050。
这就是“成功一半”的含义啦!
从而根据前面的结论1和结论2,可以推出:1 2 3 ... 100=5050。
是不是很有意思?玩两把乐高就把数学题给解了:)
延伸思考1 2 3 ... 100是一种特殊的等差数列(公差为1)求和,那么对于一般的等差数列,上面这个“摆好姿势,就成功了一半”的武功心法是不是一样适用呢?
答案是肯定的,因为按照上面的方式按行摆好边长为1的乐高正方形之后,把组成的图形倒放之后再和它拼接,仍然可以拼成长方形。
这里再插播一个小思考:
我们知道高斯生活在18世纪,而早在17世纪牛顿就发明了微积分,很难想象如果17世纪还不知道怎么算等差数列求和的话,怎么可能玩得转微积分。
牛顿
所以可以得出一个结论:等差数列求和方法,并不是高斯发明的。
之所以小高斯的故事如此出名,以至于大家都认为高斯发明了等差数列求和,只是因为高斯晚年提起了小时候求解等差数列的得意经历罢了,而且当年他的老师出的等差数列比1 2 3... 100要复杂得多……
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