盤點數學裡十大不需要語言的證明

2021-01-11 央視網科教

  當談到複雜數學定理的證明時,很多人常常為之色變,認為這只是一個枯燥的公式堆砌和深奧的數學推導過程。這當然是一個讓筆者感到糾結的誤解。因為數學證明中包含的美麗與精巧實在是一道亮麗的風景線,而這種亮麗甚至不需要用語言來描述。所以我在這裡盤點了數學裡十大不需要語言的證明(proofs without words)。讓讀者在領略數學所包含的無與倫比的精巧之外,更從此愛上數學。

0. 勾股定理

  這個大家小學就學過的古老定理,有著無數傳奇故事。我可以很隨意的寫出她的10個不同的證明方法。而路明思(Elisha Scott Loomis)在 《畢達哥拉斯命題》( Pythagorean Proposition)提到這個定理的證明方式居然有367種之多,實在讓人驚訝。這裡給出一個不需要語言的證明方法。

  實際上勾股定理是餘弦定理的一種特殊情況,而餘弦定理的證明,同樣可以不用語言。

1. 關於反正切的恆等式

  關於反正切,有如下兩個很精彩的等式:

arctan1/2+arctan1/3=π/4acrtan1+arctan2+arctan3=π

  它們的證明方法也同樣精彩

2. 幾何平均值小於算術平均值

  這是不等式中最重要和基礎的等式:

  它也可以通過圖形來證明。

  注意到△ABC∽△DBA ,可以很輕鬆地得到AB=√ab。剩下的就顯而易見了。

3. 1+3+5+…+(2n-1)= n 2

  這是奇數的求和公式,下圖是當n=8時的情形

4. 平方數的求和公式 5. 立方數的求和公式6. 斐波那契數列的恆等式

  可謂家喻戶曉的斐波那契數列指的是這樣一個數列:1、1、2、3、5、8、13、21 ……

  這個數列從第三項開始,每一項都等於前兩項之和, F n+1 = F n + F n-1 。

  它的通項公式是

  有趣的是,這樣一個完全是自然數的數列,通項公式居然是用無理數來表達的。而且當n無窮大時 F n-1 / F n 越來越逼近黃金分割數0.618。正因為它的種種神奇性質,美國數學會甚至從1960年代起出版了《斐波納契數列》季刊。關於斐波那契數列,有一個恆等式是這樣的

  這個等式很漂亮,不需要藉助複雜的數學推導,它有一個很直觀的證明方法

7. 結果為1/3的一組分子式

  下面是一組分子式,他們的結果都等於1/3 :

8. 最受數學家喜愛的無字證明

  1989 年的《美國數學月刊》(American Mathematical Monthly)上有一個貌似非常困難的數學問題:下圖是由一個個小三角形組成的正六邊形棋盤,現在請你用右邊的三種(僅朝向不同的)菱形把整個棋盤全部擺滿(圖中只擺了其中一部分),證明當你擺滿整個棋盤後,你所使用的每種菱形數量一定相同。

  《美國數學月刊》提供了一個非常帥的「證明」。把每種菱形塗上一種顏色,整個圖形瞬間有了立體感,看上去就成了一個個立方體在牆角堆疊起來的樣子。三種菱形分別是從左側、右側、上方觀察整個立體圖形能夠看到的面,它們的數目顯然應該相等。

  它把一個純組合數學問題和立體空間圖形結合在了一起,實在讓人拍案叫絕。這個問題及其鬼斧神工般的「證明」流傳甚廣,深受數學家們的喜愛。死理性派曾經討論過 這個問題 。同時它還是死理性派logo的出處。

9. 棋盤上的數學證明

  在一個8×8的西洋棋棋盤上,我們可以用32張多米諾骨牌(是兩個相連正方形的長方形牌)覆蓋整個棋盤上的64個方格。如果將對角線上的兩個方格切掉,剩下來的62個格子還能用31張骨牌覆蓋住嗎?

  答案是不能的。每一張骨牌在棋盤上必是覆蓋住兩個相鄰方格,一白一黑。所以31張骨牌應該可以蓋住31個黑格和31個白格。而這被切了角的棋盤上的方格有32個是一種顏色,另一種顏色是30個,因此是不能被31張骨牌覆蓋的。

  但是如果我們切掉的不是顏色相同的兩個呢?假如我們從棋盤的任何部位切掉兩個顏色不同的方格,那麼剩下來的62格是否一定能被31張骨牌完全蓋住?我可以告訴你這是一定能做到的,並且關於這個結論,存在一個非常漂亮的證明。建議讀者在繼續往下閱讀前,可以先自行思考如何證明這個結論。

  上圖就是那個漂亮的證明。不妨對它再贅述兩句。粗黑線條將整個棋盤轉變為一條首尾相連、黑白格相間的封閉路線。從這棋盤上切掉任何兩個顏色不同的方格,會讓這個封閉線路變成兩段線路(如果切掉的方格是相連的,那就是一條線路)。在這兩段(或一段)線路中,兩種顏色的格子數量都是偶數,故分別都可以被若干張骨牌覆蓋。從而證明整個棋盤可以被31張骨牌完全覆蓋。

  這個著名的棋盤問題是數學遊戲大師馬丁 加德納提出的,而上述精妙絕倫的證明則是數學家哥莫瑞(Ralph Gomory)找到的。它們後來被收錄在《意料之外的絞刑和其他數學娛樂》這本書裡。

相關焦點

  • 外媒盤點十大影響世界文明進程的數學方程
    核心提示:許多科學家都曾坦承,自己非常喜歡某些數學方程式,並不僅僅因其功能,更在於它們所表現出的那種簡約而不簡單、形式如詩句般優雅的美感。近期,外媒盤點十大影響世界文明進程的數學方程。
  • 2017年度十大流行語出爐!驚不驚喜,意不意外?
    海外網12月22日電 12月21日,國家語言資源監測與研究中心、商務印書館、人民網、騰訊網聯合主辦的「漢語盤點2017」揭曉儀式在北京舉行。本次活動自開啟後,陸續發布了2017年度十大流行語、十大新詞語、十大網絡用語。活動共收到網友推薦字詞數千條,推薦和投票點擊量達2億次。
  • Thurston:數學中的證明與進展
    符號的數學語言與人類語言系統密切相關。大多數微積分學生都能記得的數學符號的片段只有一個動詞,「 」。這就是為什麼學生在需要動詞的時候會用到它。幾乎所有在美國教過微積分的人都知道,學生們會本能地寫出「 」之類的東西。 (2) 視覺,空間感,運動感覺(動覺)。
  • 數學證明的遊戲,發現暗藏在數字裡的真相
    公理是棋盤上棋子的起始位置,邏輯推理規則是決定棋子如何運動的參數,證明是棋子一步一步的運動軌跡。在下西洋棋時,每一步棋都可能有成千上萬種可能。例如,開局四步棋之後(黑白各兩步),在棋盤上,棋子的分布就已經有 71852 種可能了。通常,你不需要走幾步棋就能達到這樣的效果。對於圍棋來說,棋子分布可能性的數量更甚。
  • 為什麼費馬最後定理的證明不需要加強
    本月的專欄作家麥可哈裡斯是哥倫比亞大學的數學教授,也是「 沒有道歉的數學 」一書的作者。查看所有量化色譜柱邏輯學家在表達這些觀點時講述了他們各自專業的語言 - 集理論和理論計算機科學。他們提出的建議本質上是有效的,並且有一天可能會產生新的問題,而不是費馬的問題。
  • 數學符號:宇宙的語言
    李善蘭中西數學符號差異,是由中西傳統文化的差異造成的,需要從文化傳統心理的深層次進行剖析。李善蘭是19世紀後半葉中國最重要的數學家、天文學家,牛頓力學就是1858年被李善蘭引入中國的。數學關係和證明不是歸納的而是演繹的,是形式的。換句話說,數學是一個形式系統。
  • 初中數學如何學得又快又好- 不等式公理及證明
    初中數學如何學得又快又好?有些同學在學習初中數學的時候感覺比較吃力,有點跟不上老師的步伐,解題的速度不知道如何加快,不知道如何學好初中數學?為了讓同學們的初中數學學得又快又好,通過這篇文章,我們詳解不等式的公理以及證明,來幫助基礎知識掌握得不錯的同學在考試過程中更好的運用該公式,從而為我們學好初中數學走好第一步方法介紹-李澤宇老師數學三招之「翻譯」什麼是「翻譯」?其實很簡單,我們遇到中文的時候,往往需要把它們「翻譯」為數學的語言。
  • 2018年度十大網絡流行語盤點 2018年十大網絡用語都是什麼意思
    2018年度十大網絡流行語盤點 2018年十大網絡用語都是什麼意思 2018年12月21日 HuangJiang來源:天氣網
  • 盤點世界十大珍稀猴子
    &nbsp&nbsp&nbsp&nbsp南京現食蟹猴:小精靈磕頭作揖要好吃的盤點世界十大珍稀猴子&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp食蟹猴是什麼?
  • 盤點娛樂圈十大靈異事件
    盤點娛樂圈十大靈異事件  我們身邊總是會有這樣那樣的奇觀的消息傳出,不知道是真的還是假的,但是有的人真的看見了有鬼魂的出現,這樣的靈異時間到底是為什麼呢!現在為大家盤點娛樂圈駭人聽聞的10大巨星靈異事件。  1.翁美玲沒有死?  據香港媒體報導,雖然當年翁美玲因為情感問題自殺。
  • 盤點十大恐怖食人事件!
    可是,自古以來,人吃人的事時有發生,導致食人的原因有多種:因為風俗文化,因為生存需要,或僅僅是為了取樂,不管何種原因,食人者是不可饒恕的。國外一家網站為我們盤點了十大最典型食人事件,讓我們來看看這些恐怖片。
  • 「符號數學」終於向「神經網絡」屈服:AI 學會數學證明了?
    在人的大腦裡,數十億個互連的神經元網絡會處理感知的數據,讓我們能夠從經驗中學習。人工神經網絡還可以按照它們自學而來的規則,通過互連的層過濾大量數據,從而預測和識別模式。 到目前為止,大家把神經網絡看作是AI的靈丹妙藥,能夠解決可以重述為模式識別問題的技術難題。他們提供聽起來顯得很自然的語言翻譯。照片應用用它們來識別相冊裡面的老面孔並對其進行分類。
  • 最長數學證明破解世界難題:看完需要100億年
    但是,數學同行們發現,這個研究團隊所得出的結論同樣也很難驗證,因為他們是利用超級計算機證明出來的,證明的過程非常複雜,堪稱世界最長的數學證明,閱讀全部的證明文件需要花費100億年。據了解,這個研究團隊成員包括美國德克薩斯大學數學家瑪裡金-休爾博士、英國斯望西大學數學家奧利弗-庫爾曼博士和美國肯塔基大學數學家維克多-馬雷克教授等。
  • 2020 年程式語言盤點展望:Java 老兵不死,Kotlin 蓄勢待發
    在進入新的十年之際,各行各業都在進行盤點與展望。SegmentFault 作為開發者社區與科技行業的垂直媒體,一直關注行業的發展與相關動態,近期已陸續為大家整理了各大平臺、社區針對技術領域作出的預測與盤點。
  • 年終盤點:2020年睡眠和生物節律領域十大研究突破
    年終盤點:2019年帕金森病十大基礎研究進展2. 年終盤點:2019年帕金森病十大臨床研究進展3. 年終盤點:2019年阿爾茨海默病十大基礎研究進展4. 年終盤點:2019年神經炎症領域十大基礎研究進展9. 年終盤點:2019年神經活動記錄十大基礎研究進展10.
  • 盤點全球各地關於月球的十大神話
    盤點全球各地關於月球的十大神話時間:2019-01-07 14:12   來源:IT之家   責任編輯:莫小煙 川北在線核心提示:原標題:盤點全球各地關於月球的十大神話 月球一直是全球各地神話傳說故事中的核心部分,本文盤點了全球各地關於月球的十大神話,或許是月球的神秘感,才驅使人們不懈努力地探索這顆衛星。
  • 盤點十大基因突變的動物
    盤點十大基因突變的動物時間:2015-12-14 12:16   來源:川北在線整理   責任編輯:沫朵 川北在線核心提示:原標題:盤點十大基因突變的動物 導讀:在動物的世界中,也會有極個別的動物也會有基因突變的情況發生,從而導致它們形態各異,顯得與其同類物種顯得格格不入。今天,我們來盤點下十大基因突變的動物有哪些?
  • 世界十大最好看的科普書排行榜,這些最具價值的書籍,你看過嗎?
    來源:排行榜123科普書顧名思義就是用最通俗且自然的語言文字去傳播科學和技術知識的書籍,有數學、宇宙或者是物理學等多種類型。那麼今天小編就來為大家盤點世界十大最好看的科普書,快來看看吧。世界十大最好看的科普書:1、可怕的科學2、不該存在的技術3、上帝擲骰子嗎4、被禁止的科學5、果殼中的宇宙6、從一到無窮大
  • 我們,在年度熱詞裡
    2020熱搜詞離不開「疫情」「漢語盤點2020」揭曉儀式上,2020年度十大新詞語、十大流行語、十大網絡用語陸續發布。2020年度十大新詞語是:復工復產、新冠疫情、無症狀感染者、方艙醫院、健康碼、數字人民幣、服貿會、雙循環、天問一號、無接觸配送。
  • 十大盆景名貴樹種有哪些?盤點十大盆景名貴樹種
    那麼大家對於十大盆景名貴樹種了解多少呢?下面小編就為大家盤點一下十大盆景名貴樹種吧!1.柏類盆景。柏是中國的一種長壽樹種;柏,品種居多,作為園藝栽培的主要有檜柏、龍柏、翠柏、偃柏、瓔珞柏、真柏、球柏等。雖然柏沒有美麗的花,但它姿態蒼勁,四季常青,在中國花苑裡具有很重要的地位。用它製作盆景,古樸高雅、發人幽思。2.松類盆景。