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用公式表示座右铭:令鬼神肃然起敬的公式

用公式表示座右铭:令鬼神肃然起敬的公式根据著名的海伦一秦九韶公式(前者是古希腊数学家,后者是我国宋朝的学者。两人各自独立地研究出了这个重要公式。当然,那本由法国人所写的书是决不会写出秦九韶的名字,但我们自己切切不要忘记咱们祖先的重大成就):亮出答案了:三角形A和三角形B的面积居然是完全相等的!随便挑出3个正数,如果任意两数之和大于第三数,那么这3个正数就可作为一个三角形的边长。一旦给出了边长,那么三角形的形状和大小就完全确定了,从而也确定了它的面积。接着,该书不慌不忙、用游戏笔墨提出了两个趣味问题,并要求大家尽量不要去计算,完全通过自己的直觉和常识说出答案。第一个问题。今有两个三角形,三角形A的边长是5,5,6,三角形B的边长是5,5,8。请问:它们的面积相等不相等? (做这则游戏时,回答时间限定为30秒。)大多数人刚一听完问题,马上就回答:既然三角形的面积是由其三边之长来决定的,现在两条边对应相等,而第三边执存在着很大差异,

第一章 令鬼神肃然起敬的公式

批评某人笨得不可救药时,经常会说:“他老是犯常识性的错误。”

那么,如果时时刻刻遵循常识的教导,难道就不会犯错误了?

只怕未必。想到这里,脑子里立刻浮现起几十年前看过的一本法国人写的趣味数学书。尽管时间已过去数十年之久 ,书中的精彩内容依旧历历在目。下面让我从书中择其精华之一,与读者分享。首先我们从三角形的面积谈起。

随便挑出3个正数,如果任意两数之和大于第三数,那么这3个正数就可作为一个三角形的边长。一旦给出了边长,那么三角形的形状和大小就完全确定了,从而也确定了它的面积。

接着,该书不慌不忙、用游戏笔墨提出了两个趣味问题,并要求大家尽量不要去计算,完全通过自己的直觉和常识说出答案。

第一个问题。今有两个三角形,三角形A的边长是5,5,6,三角形B的边长是5,5,8。请问:它们的面积相等不相等? (做这则游戏时,回答时间限定为30秒。)大多数人刚一听完问题,马上就回答:既然三角形的面积是由其三边之长来决定的,现在两条边对应相等,而第三边执存在着很大差异,那么,面积当然百分之百不相等啰!

亮出答案了:三角形A和三角形B的面积居然是完全相等的!

根据著名的海伦一秦九韶公式(前者是古希腊数学家,后者是我国宋朝的学者。两人各自独立地研究出了这个重要公式。当然,那本由法国人所写的书是决不会写出秦九韶的名字,但我们自己切切不要忘记咱们祖先的重大成就):

用公式表示座右铭:令鬼神肃然起敬的公式(1)

答案公布后,场内一片混乱!大家七嘴八舌,都觉得想不通、不理解。

终于有个小男孩站了起来:“道理再明显不过了!你们也不想想:把三边之长为3,4,5的两个直角三角形拼在一起,一 种拼法是沿着边长为3的直角边去拼合,而另一种则是沿着边长为4的直角边去拼合:一个竖放,一个横放,当然面积相等啰,不相等才怪呢!”众人一听,顿时恍然大悟。

第二个问题:A三角形的三边之长是13,37,40,B三角形的三边之长是15,41,52,请在一分钟内作出正确的选择:

(1)A的面积大于B的面积;

(2) B的面积大于A的面积;

(3) A的面积同B的面积相等。

题目意思再明白不过了。由于受到刚才第一题的暗示和诱导 场内大约有4分之1的观众把答案猜为(3);但大部分观众根据自己牢不可破的常识来推理:既然A三角形的三条边长全部都对应小于B三角形的三边(13<15,37<41,40<52),那还用说?当然正确答案应该是(2)啰。即使是上帝或鬼神,也是这样判断的呀。

主持人公布答案了,正确答案竟然是(1)。顿时,场内就像刚烧开的沸水。大家根本不相信,难道上帝或鬼神也会犯常识性错误吗?

主持人冷冷地说:“21岁时因爱情而死于决斗的天才数学家伽罗华说过一句名言:你们可以不相信上帝,但是不能不相信数学!我还是要祭起我那个唯一的法宝——海龙一秦九韶公式来计算一下。”接着主持人在黑板上写出:

边长为13,37,40的三角形,半周长P₁=45,则

用公式表示座右铭:令鬼神肃然起敬的公式(2)

这就叫人想不通了。边长较小的三角形,面积反而较大,怎么会这样呢?

主持人于是建议大家,不妨把图形画出来看看。当然要用严格的“圆规-直尺作图法” ,按正确比例来绘制。最后发现,三边较长的那个三角形,矮而胖,横向虽然较长,然而高度太小,于是高与底边的乘积较小,结果造成了边长大、面积反而小的怪现象。

这种怪事是不是极为罕见的呢?事实表明决非如此。我们不妨把三角形的三边之长改为14,40,50;此时的半周长p=52,相应的三角形面积:

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由此可见,上面的咄咄怪事并不是凤毛麟角,它一点也不稀罕,而是有无穷多的。这个结论,也许大家连做梦也想不到吧!

最后,这位法国人在故事的结尾说了一句意味深长的话:

它(指海伦一秦九韶公式)真是一个令鬼神肃然起敬的公式啊!

写到这里,我也想题诗一首,作为全文之“跋”。诗云:

数理深夺造化工,天神犹自恨未通。

火箭卫星何足道,世界有尽数无穷。

摘自《好玩的数学》,谈祥柏著。

第二章 秦九韶公式及其他

方今世界各国,非常重视培养数学尖子,以高薪礼聘专家,充任数学奥林匹克学校或训练班的教练。美籍华人刘江枫教授,素为圈内人士所敬仰,就是这样一位杰出人才。

《避暑山庄》一文,介绍了杜德耐的巧妙解法,其材料即采自刘先生用英文所写的一篇长文。人们自然要问:√18 √20,√26是很特殊的无理数,如果换成别的二次根式,那又怎么办呢?

其实,一般方法是有的,而且早已被我国南宋时期的数学家秦九韶所解决了。即使是智力平庸之徒,只要机械地照代公式,即可求出正确答案,根本无需追求什么特殊的技巧。

白尚恕、沈康身、李迪、李继闵等四位中国古算专家在他们所编著的书中写道:“特别值得一提的是秦九韶的‘三斜求积公式’,即由三角形不等三边(大斜、中斜、小斜)计算三角形面积的公式:

用公式表示座右铭:令鬼神肃然起敬的公式(4)

它独立于西方的海伦(Heron,其生卒年代数学史家聚讼纷纭,各家意见有几百年的出入)公式而得来。”

这个问题在秦九韶《数书九章》中有专题讨论。此书卷五第二题就是为了解决大面积沙田的地亩测量而提出的:“问沙出田一段,有三斜,其小斜一十三里,中斜一十四里,大斜一十五里,里法三百步,欲知为田几何?"答曰:“三百十五顷。”其术文是:“以小斜幂并大斜幂,减中斜幂,余,半之。同乘于上,以小斜幂乘大斜幂,减上。余,四约之为实,开平方,得积。”若以大斜记为a,小斜记为b,中斜记为c,则秦九韶的术文实质上便是下面的公式:

用公式表示座右铭:令鬼神肃然起敬的公式(5)

由于古今度量衡不同,这里需要稍作解释:我国古代的一里等于三百步,一步为五尺,因此一千米相当于三千尺,亦即一千米等于二里。另外,一顷等于一百亩;而一亩等于六十平方丈。由此,容易算出:

1里=150丈,而1平方里=22500平方丈=375亩。

准备工作差不多了,我们即可算一算秦氏的题目,显然a=15,b=13,c= 14,代公式

用公式表示座右铭:令鬼神肃然起敬的公式(6)

84平方里=31 500亩=315顷,

与秦九韶给出的答数完全吻合!数字凑得非常整齐,这是中国古算的一大特色,使演算者取得了一种美滋滋的感受,忘却了解题的疲劳与艰辛。

有一个问题产生了,在应用海伦公式时,三条边是没有任何限制的,现在却要规定大、中小,这是否意味着有点美中不足,意味着秦九韶公式要比海伦公式“矮上一截”呢?

我这个人,历来有一点“打破沙锅问到底”的精神,不肯完全按照书本上的教导去行事,别人不敢越“雷池”一 步,我却有点“离经叛道”的思想。

于是,我不理睬什么“小、中、大”的规定,令a=13 ,b=14,c= 15而去代入上面的公式,此时便有

用公式表示座右铭:令鬼神肃然起敬的公式(7)

后来,我干脆“一不做,二不休”,继续设a= 15,b=14,c=13,此时便有

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结果竟然还是一-样! 这时我已产生了一种信念:a、b、c是根本没有必要去分为大、中、小的!秦九韶公式并不比海伦公式差。由于它能顺利处理二次根式,甚至比海伦公式还要略胜一筹!

为了寻根刨底,追它一个水落石出,让我们把秦氏公式中根号内的式子加以整理化简,可以看到:

用公式表示座右铭:令鬼神肃然起敬的公式(9)

到此地步,人们不禁恍然大悟。原来,根号里头的,乃是一个三元四次齐次对称表达式。当然,对a、b、c三个字母的任意排列,结果都是一模一样的!大、中、小之分,完全是个赘疣(you)了。

常言道:“送佛要送到西天。”现在让我们对海伦公式来作一些加工吧:

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为了方便起见与前后体例的一致,对根号内的式子按其本义代入,并进行恒等变换:

用公式表示座右铭:令鬼神肃然起敬的公式(11)

用公式表示座右铭:令鬼神肃然起敬的公式(12)

请看,那个对称式又来向我们“报到”了,这就完全证明了海伦公式与秦九韶公式的等价性!

最后,让我们来简单地说一说秦九韶其人。 秦九韶字道古,自称是鲁郡人,其实他本人生于四川,后来随父到达南宋首都临安(今杭州市),1244年曾被朝廷任命为建康府(今南京市)通判。他和南宋小朝廷的大官贾似道、吴潜等都有交往。当时统治集团内部斗争异常激烈,元军又频频南侵,宋朝统治朝不保夕。贾似道后来派他到广东梅州做地方官,最后就死在那里,寿六十余岁。

秦九韶其人性极机巧,星象、音律、算术以至营造等事无不精究。毬、马、弓、剑莫不能知。从自然科学到社会科学,从技术到文学,从游戏到武术无不通晓,实为当时我国不可多得的通才、全才。

然而他的人品不好,刘克庄骂他“暴如虎狼,毒如蛇蝎”,周密引用陈圣观的话说,“如所不喜者必遭其毒手,其险可知也”。秦在晚年时虽曾有过几次任命,都因遭到激烈反对而宣告撤销。

笔者当年住在杭州西溪时,附近仍有一个地名叫做道古桥,1987年重新经过那里,地名依旧未改。秦九韶作为宋元时代中算家的杰出代表是当之无愧的。在这一意义上,美国科学史家萨顿评估秦氏是“他那个民族、他那个时代,并且确实也是所有时代最伟大的数学家之一”。

这就是秦九韶的真面目。功绩与错误兼而有之。至于能否三七开,谁知道呢?

摘自《数学广角镜》,谈祥柏著

第三章 笔记和感悟

秦九韶是伟大的数学家,他还有一个重要成就是“大衍求一术”。

三角形面积与边长和形状有关,形状与角度和底和高有关。第一章提出的问题引人深思,也是一种充要条件的训练。

学而不思惘,思而不学则殆。让我们思考一个生活中的问题:

有两台电视机,屏幕对角线都是55英寸,但是一台比例是4:3,一台是16:9。问哪台电视机屏幕面积更大?请计算两台电视机屏幕长和宽的具体尺寸。计算和思考能够帮助你深刻地理解和掌握问题的本质。

注释:

翻山越岭:跋涉。

踩,践踏:跋前踬后(喻进退两难)。

文章或书籍正文后面的短文,说明写作经过、资料来源等与成书有关的情况:跋文。跋语。序跋。

相关链接:【变丑为妍术妙解避暑山庄难题 - 今日头条】https://m.toutiao.com/is/JmdfQHe/

上面这个链接不但介绍了避暑山庄难题的巧妙解法,而且有田恺公式的推导和应用。

【《孙子算经》中的度量衡 - 今日头条】https://m.toutiao.com/is/JmdHd5T/

上面这个链接介绍了古今中外的度量衡文化,以及相关例题。

用公式表示座右铭:令鬼神肃然起敬的公式(13)

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