解题方法:文学范例


 

24.1 研讨会

24.1.1 数学问题解决工具

在本次研讨会中,我们浏览一些文献并收集问题解决策略。我们已经见过几种方法:

已见过的原则

  1. 归纳法(唯一行简化阶梯形定理)
  2. 反证法(克莱罗定理)
  3. 变形法(霍普夫绕数定理)
  4. 不变量(岛屿上的莫尔斯指数)

24.1.2 四本主要的问题解决书籍

我们将介绍更多原则和技巧,并借此机会介绍一些文献。我们来看 4 本书:

图1. 4 本超级明星书籍:波利亚:《怎样解题》。陶哲轩:《解决数学问题》,珀金斯:《尤里卡效应》,波萨门蒂尔和克鲁利克:《问题解决策略》。

24.1.3 问题解决框架:波利亚原则

所有问题解决书籍之母是波利亚的《怎样解题》,该书于1945年出版。如果你阅读并吸收这本书,你的数学能力会立即得到可衡量的提升。70多年后,它仍然是最好的。以下是现在著名的波利亚原则

波利亚原则

  1. 理解问题:未知量、数据、画图。
  2. 制定计划:有类似或相关的问题吗?
  3. 执行计划:检查每一步。
  4. 检查解答:其他问题也能这样解决吗?

24.1.4 简约的力量

这听起来有点像“开门,穿过门,关门”这样的“如何离开房子”的建议。但看到方法中的力量是令人惊奇的。为什么它强大?因为如果一个人第一次看到一个较难的问题,他会完全迷失。(证明:如果不是这样,那么问题就是简单的……)我们从哪里开始?这时有一个指南告诉你:嗯,首先开始理解问题,这就已经很好了。

24.1.5 应用波利亚原则:三角形内接正方形

这是波利亚书中提到的一个几何问题示例。这个问题甚至出现在该书后来一些版本的封面上。

问题A:在三角形 T 中内接一个正方形 Q ,使得 Q 的两个顶点在 T 的底边上,且 T 的另外两边各包含 Q 的一个顶点。

24.1.6 波利亚的另一个问题

这是波利亚的另一个问题,稍作改写。也请使用波利亚原则解决这个问题:

问题B:水以每秒一立方米的恒定速率流入一个圆锥形容器 x 2 + y 2 = z 2 z 0 。当水深为 z 米时,水位上升的速率是多少?

24.1.7 陶哲轩的问题解决书籍

我们收藏中第二好的书是陶哲轩的《解决数学问题》。为什么?和波利亚一样,陶哲轩也证明了新的重要定理(很多是作为唯一作者),因此获得了一些信誉。以下是他书中的一些问题:

问题C:一个整数 n n 5 有相同的最后一位数字。

问题D:如果 k 是一个正奇数,那么 1 k + 2 k + + n k 能被 n + 1 整除。

24.1.8 陶哲轩最喜欢的恒等式

陶哲轩称以下恒等式为“他最喜欢的代数恒等式”。我们已经在一次练习考试中做过前 n 个平方和的情况。

问题E: 1 3 + 2 3 + + n 3 = ( 1 + 2 + + n ) 2

24.1.9 从例子到原则:揭示陶哲轩的方法

陶哲轩没有给出正式的策略列表,但在第 4 页的一个例子中解释了以下原则。我们在此转述这些“变形原则”:

陶哲轩的变形原则

  1. 考虑特殊、极端或退化情况。
  2. 解决问题的简化版本。
  3. 提出一个猜想。
  4. 推导出能达成目标的中间步骤。
  5. 重新表述,特别是尝试逆否命题。
  6. 检查类似问题的解答。
  7. 推广问题。

24.1.10 突破之路:珀金斯的分析

珀金斯的书巧妙地分析了突破性想法的机制。它提炼出以下突破性想法的机制。它捕捉得相当好,因为快速解决的问题很少开辟新领域。

珀金斯

  1. 长期探索。 99 %的汗水。工作数年或数十年。
  2. 几乎没有明显进展。许多失败。
  3. 一个触发事件。可能是外部环境。
  4. 一个认知上的顿悟。通常一闪而过。尤里卡!
  5. 转化。充实它。得出推论。

24.1.11 珀金斯的谜题:硬币

以下练习来自珀金斯的书。试着自己解决它,并记录你是如何完成解决这个问题的任务的。

问题F:有人带了一枚古币给博物馆馆长,想出售。硬币上印着公元前540年。馆长非但没有考虑购买,反而报了警。为什么?

24.1.12 珀金斯的另一个问题

如果这个问题太简单(实验表明有些人能很快回答。对另一些人则需要更长时间),试试这个,同样来自珀金斯:

问题G:你正驾驶一辆吉普车穿越撒哈拉沙漠。你遇到一个人面朝下躺在沙子里,死了。周围没有任何足迹。几天来没有风可以破坏足迹。你查看那人背包里的东西。你发现了什么?

24.1.13 装备教育者:问题解决策略

波萨门蒂尔和克鲁利克的书更多是为教师准备的,而不是为研究数学家。它讲解了以下原则:

波萨门蒂尔-克鲁利克

2

  1. 逻辑推理
  2. 识别模式
  3. 逆向工作
  4. 采用不同视角
  5. 考虑极端情况
  6. 解决更简单的问题
  7. 组织数据
  8. 画图
  9. 考虑所有可能性
  10. 实验、猜测和检验

24.1.14 推广座位问题

这里有一个经常出现的策略:“使其更一般化”。例如,在《波萨门蒂尔-克鲁利克:数学问题解决策略》一书中有一个问题:

问题H:我们有一个 5 × 5 的学生座位安排。老师希望每个学生都换位置,移到左边、右边、前面或后面的座位。这可能吗?通过先观察较小的教室,如 2 × 2 3 × 3 2 × 3 ,来解决这个问题。在哪些情况下是可能的?

一旦你有了想法,证明这个陈述。

练习

练习1. 一首童谣谜语是:“在我去圣艾夫斯的路上,我遇到一个男人带着七个妻子,每个妻子有七个麻袋,每个麻袋有七只猫,每只猫有七只小猫:小猫、猫、麻袋和妻子,有多少人要去圣艾夫斯?”假装不知道答案,解开这个谜语,并遵循波利亚原则。这首童谣的灵感来自最古老的数学问题文本之一,莱因德纸草书。但这是一个更严肃的问题,翻译过来是:“有多少只小猫来自圣艾夫斯”?

练习2. (陶哲轩)三角形中的垂直平分线交于一点。

练习3. (陶哲轩)找出所有边长成等差数列 a a + d a + 2 d 的三角形。

练习4. 这里有一些儿童谜语。我们希望你不是全都知道(如果你知道答案,就没什么益处了)。记录你寻找答案的过程:

  1. 我年轻时很高,年老时很矮。我是什么?
  2. 什么东西越干越湿?
  3. 什么东西能跑但不能走?
  4. 什么东西满是洞却能盛水?

练习5. 15 拼图(由诺伊斯·帕尔默·查普曼于1874年发明)中,数字 1 - 15 排列在一个 4 × 4 的网格中。留下一个空格 0 。任务是将一个打乱的拼图重新排序,使所有数字按顺序排列,且 0 在最右下角。玩家可以将 0 与相邻的棋子交换。萨姆·洛伊德建议从交换了 14 15 的初始状态开始,并悬赏 1000 美元求解。证明无法赢得奖金。