品三個燒腦的數學邏輯案例,思本質,悟學不好數學最缺的是什麼

2020-12-05 中學數學精準輔導

加裡寧說:數學是思維的體操。數學是培養人的邏輯思維能力的關鍵,它將影響人在生活處事中的邏輯性和分析解決問題的能力。談及數學邏輯,我覺得大家都會有一個認識,推理是從事物本質出發,經過合乎情理的推導,得出問題結論的思維方式。邏輯就是一種循序漸進的過程,讓人覺得這個過程就是一個很嚴謹、經過深思熟慮的證明過程。

數學每一道演算、推理,都離不開嚴絲合縫的邏輯,沒有一絲一毫可以糊弄;只要邏輯清晰,不同的角度,殊路可以同歸。

我覺得數學邏輯是這樣的,數學邏輯,從數學的角度出發,將實際問題數學化,進而給出符合數學邏輯的一種遞推過程,這樣的一種分析過程,簡直是令人拍案叫絕,讚不絕口,覺得就應該如此推導,這真的是這樣。

哈代是20世紀傑出的分析學家,也是他所在的時代英國最傑出的數學家,他的一個數學家的獨白表達了他對數學的看法,影響頗廣。他也是一個唯美主義者,他認為「美是(數學的)第一道檢驗:難看的數學在這個世界上沒有長駐之地。」

狄拉克認為,「物理定律必須有數學的美,上帝用美麗的數學創造了這個世界。」狄拉克方程就是一個典型的例子,它是個很有名的方程,楊振寧對它也是非常讚嘆的,專門有文章提到這件事情,就是利用這個方程,人們發現了正電子。當初根據已有的實驗結果來講,它的方程不是這樣的。但他認為根據實驗結果得出的方程不美,所以就給修改了,修改之後很多東西又解釋不了,他就大膽地預言應該還有一個例子沒有發現,後來果然通過實驗發現了。他對這個公式當然也是非常的喜歡。

羅素說:「數學,如果正確地看,不但擁有真理,而且也有至高的美。」羅素是數學家,也是哲學家,獲得過諾貝爾獎文學獎。他所寫的《西方哲學史》從一個哲學家的角度,而非哲學史家的角度看待西方的哲學史,那獨特的視角、脈絡清晰,文筆也非常的流暢,但又不乏幽默,所以他對美的認知自然有非常廣闊的背景。

下面欣賞三個經典案例吧。

01還有1元錢去哪了

有3個人去投宿,一晚30元。3個人每人掏了10元湊夠30元交給了老闆。後來老闆說今天優惠只要25元就夠了,拿出5元命令服務生退還給他們,服務生偷偷藏起了2元,然後,把剩下的3元錢分給了那3個人,每人分到1元。

這樣,一開始每人掏了10元,現在又退回1元,也就是10-1=9,每人只花了9元錢,3個人每人9元,3×9=27元,服務生藏起的2元,27+2=29元,還有1元錢去了哪裡呢?

【分析】(1)問題計算方法的誤區在於27元為客人拿出的錢,包括了2元和25元的房費,應該加上互補的另一部分沒拿出的部分,即還在手中的3元。

(2)首先,每人所花費的9元錢已經包括了服務生藏起來的2元(即優惠價25元+

服務生私藏2元=27元=3×9元),因此,在計算這30元的組成時,不能再次算上服務生私藏的那2元錢,而應該加上退還給每人的1元錢。即:3×9+3×1=30元。

(3)這樣想就簡單了,把開始付的25元記作25,侍者偷拿的2元也相當於3個人付出的,記作2,加起來是27元,再加上找回的3元,27+3=30,和題目開始的30元一致。

以上均從整數的角度出發,試著去說明每部分錢的來源,進行理論上的矛盾解說,達到問題的解決,然而數學是講解一種邏輯思維的,數學就是把文字轉換為數字進行說話,用數學公式能夠反應事物的本質。

我們可以這樣來做。

(4)若不算老闆退的5元,則每個人出了25/3元,在得到25/3 + 1元後,每個人則出了號+1元,待者偷拿的2元,那麼總的錢數就是3(25/3+1)+2=30元。

都是歸因於我們的慣性思維,25/3為分數,不為整數。這就是數學的邏輯、嚴謹的魅力所在。

02智豬博弈

博弈中有個很經典的「智豬博弈」例子,它是這樣的:

籠子的一頭有一個按鈕,另一頭是飼料的出口和食槽。按一下按鈕,將有相當於10個單位的豬食進槽,但是按動按鈕所需付出的「勞動」,要消耗相當於2個單位的豬食。

每隻豬都必須要做出決策是等在食槽旁邊還是去按動按鈕。

如果大豬先到,大豬吃到9個單位的豬食,小豬只能吃到1個單位的豬食;如果同時到達,大豬吃到7個單位的豬食,小豬吃到3個單位的豬食;如果小豬先到,小豬可以吃到4個單位的豬食,而大豬只能吃到6個單位的豬食;如果兩隻豬同時跑去按按鈕,又翻過頭來同時跑到食槽前,大豬吃進7個單位的豬食,付出2個單位豬食的勞動,淨進食量即得益為5個單位的豬食,小豬吃進3個單位的豬食,付出2個單位豬食的勞動,實得1個單位的豬食;如果大豬跑去按按鈕,小豬先吃,大豬吃進6個單位的豬食,但付出2個單位用於勞動,實際得益為4個單位的豬食,小豬吃進4個單位的豬食因為沒有付出勞動,實得4個單位的豬食;如果大豬等待,小豬跑去按按鈕,大豬先吃,吃進9個單位的豬食,實際得益也是9個單位的豬食,小豬吃進1個單位的豬食,但付出了2個單位用於勞動,淨進食量為

-1個單位;如果大豬、小豬雙方都在餓著肚子等待對方去按按鈕,因此雙方得益均為0。

這場博弈的結果依賴於大豬對小豬行為的判斷,如果小豬去按動按鈕,大豬當然樂於等待在食槽旁吃掉9個單位的豬食;如果小豬等待,大豬將先去按動按鈕再跑回來以獲得相當於4個單位的豬食,這總比餓著肚子等要好。

對小豬來說,情況非常明了,無論大豬如何行動,它最好是等在食槽旁邊。

因此,這個博弈均衡結果是:每次都是大豬去按動按鈕,小豬先吃,大豬再趕來吃一共同生存。

03囚徒困境

1950年,數學家塔克任史丹福大學客座教授,在給一些心理學家作講演時,他用兩個囚犯的故事,將當時專家們正在研究的一類博弈論問題,作了形象化的解釋。從此以後,類似的博弈問題便有了一個專門名稱——「囚徒困境」。借著這個故事和名稱,「囚徒困境」廣為人知,在哲學、倫理學、社會學、政治學、經濟學乃至生物學等學科中,獲得了極為廣泛的應用。

【問題】何謂「囚徒困境」?

【分析】所謂的「囚徒困境」,大意如下:

甲、乙兩個人一起攜槍準備作案,被警察發現抓了起來。警方懷疑,這兩個人可能還犯有其他重罪,但沒有證據。於是分別進行審訊,為了分化瓦解對方,警方告訴他們,如果主動坦白,可以減輕處罰;頑抗到底,一旦同夥招供,就要受到嚴懲。當然,如果兩人都坦白,那麼所謂「主動交代」就不那麼值錢了,在這種情況下,兩人還是要受到嚴懲,只不過比一人頑抗到底要輕一些。在這種情形下,兩個囚犯都可以作出自己的選擇:或者供出他的同夥,即與警察合作,從而背叛他的同夥;或者保持沉默,也就是與他的同夥合作,而不是與警察合作。這樣就會出現以下幾種情況(為了更清楚地說明問題,我們給每種情況設定具體刑期):

(1)如果兩人都不坦白,警察會以非法攜帶槍枝罪而將二人各判刑1年;

(2)如果其中一人招供而另一人不招,坦白者作為證人將不會被起訴,另一人將會被重判15年;

(3)如果兩人都招供,則兩人都會因罪名各判10年。

【問題】這兩個囚犯該怎麼辦呢?這兩個囚犯是選擇互相合作還是互相背叛?

【分析】從表面上看,他們應該互相合作,保持沉默,因為這樣他們倆都能得到最好的結果——只判刑1年。但他們不得不仔細考慮對方可能採取什麼選擇。問題就這樣開始了,甲、乙兩個人都十分精明,而且都只關心減少自己的刑期,並不在乎對方被判多少年。

甲會這樣推理:假如乙不招,我只要一招供,馬上可以獲得自由,而不招卻要坐牢1年,顯然招比不招好;假如乙招了,我若不招,則要坐牢15年,招了只坐10年,顯然還是招比不招好。無論乙招與不招,我的最佳選擇都是招認。還是招了吧。

自然,乙也同樣精明,也會如此推理。

於是兩人都作出招供的選擇,這對他們個人來說都是最佳的,即最符合他們個體理性的選擇。

照博弈論的說法,這是本問題的唯一平衡點。只有在這一點上,任何一人單方面改變選擇,他只會得到較差的結果。而在別的點,比如兩人都拒認的場合,都有一人可以通過單方面改變選擇,來減少自己的刑期。也就是說,對方背叛,你也背叛將會更好些。這意味著,無論對方如何行動,如果你認為對方將合作,你背叛能得到更多;如果你認為對方將背叛你,你背叛也能得到更多。你背叛總是好的。這是一個有些讓人寒心的結論。

為什麼聰明的因犯,卻無法得到最好的結果?兩個人都招供,對兩個人而言並不是集體最優的選擇。無論對哪個人來說,兩個人都不招供,要比兩個人都招供好得多。「囚徒困境」這個問題為我們探討合作是怎樣形成的,提供了極為形象的解說方式,產生不良結局的原因是因為因犯二人都基於自私的角度開始考慮,這最終導致合作沒有產生。

如果你處於這個困境中,你將如何做呢?設想你認為對方將合作,你可以選合作,那麼你將得到「對雙方合作的獎勵」。當然,你也可以選背叛,得到「對雙方背叛的懲罰」。

04時常有的困惑

在媒體上看到這樣的一席話:「為了應付中高考,青春期的孩子們,花費大量的寶貴時間和健康,埋頭在題海中。想想大量初高中學習的許多晦澀知識,三角函數拋物線等等,大部分人以後一輩子都用不上。那麼,僅僅為了應試,花費大量的時間精力和青春,值嗎?

人生導師的解釋很簡單:基礎教育應該學。這些知識就像營養,會形成一個人的技能、品性及人格。

在筆者看來,這一個解惑答疑非常正確,卻顯得過於籠統,我試著來解構一下:

我是對學生這麼說:「我們現在一切美好的物質生活,我們的衣食住行,都源自於現代科技,而現代科技的基礎,就在數學。你要從心裡體驗到數學的『數字之美』、『邏輯之美』。」

在高中我特別喜歡物理教材,遺憾的是,教材講到電磁場的諸多原理時,只能淺嘗則止,老師通常一句「這公式的推理過程非常有意思,可惜我們的數學知識不夠,沒法展示具體的推理過程。」

這時候,我才深深體會到「花費大量的時間精力和青春學數學值嗎?」該是多麼淺薄。

當我們被資訊的海洋所包圍時,可以通過「數據」和「邏輯」這兩大法寶來甄別每一條資訊,是「真知」抑或是「毒雞湯」無所遁形。我深深體會到:當初的《幾何》教給我們「嚴絲合縫的邏輯」、「大道至簡的合理推理」是何等重要!

數學,本身就是一門非常優美的學科。

參考文獻:餘勝威,我和數學有約——趣味數學及算法解析,清華大學出版社出版時間:2015年04月

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