數學手抄報資料:多少只動物

這是久違的奎貝爾教授.奎貝爾教授:“我又為你們想出一個問題.在我飼養的動物中,除了兩隻以外所有的動物都是狗,除了兩隻以外,所有的都是貓,除了兩隻以外所有的都是鸚鵡,我總共養了多少只動物?你想出來了嗎?

奎貝爾教授只養了三隻動物:一隻狗,一隻貓和一隻鸚鵡。除了兩隻以外所有的都是狗,除了兩隻以外所有的都是貓,除了兩隻以外所有的都是鸚鵡。

如果你領悟到“所有”這個詞可以指僅僅一隻動物的話,頭腦中就有了這個問題的答案。最簡單的情況一隻狗,一隻貓,一隻鸚鵡,既是其解。然而,把這個問題用代數形式來表示也是一次很好的練習。

令x,y,z分別為狗,貓,鸚鵡的只數,n為動物的總數,我們可以寫出下列四個聯立方程:

n=x+2

n=y+2

n=z+2

n=x+y+z

解此聯立方程有許多標準方法。顯然,根據前三個方程式,可得出x=y=z。由於3n=x+y+z+6減去第四個方程,得到n=3,因此x+2=3,所以x=1。全部答案可由x值求得。

由於動物只數通常是正整數(誰養的貓是用分數來表示只數的?),可以把奎貝爾教授的動物問題看作所謂刁番圖問題的一個平凡例子。這是一個其方程解必須是整數的代數問題。一個刁番圖方程有時無解,有時只有一個解,有時有不止一個或個數有限的解,有時有無窮多個解。下面是一個難度稍大的刁番圖問題,同樣也與聯立方程和三種不同的動物有關。

一頭母牛價格10元錢,一頭豬價格3元錢,一頭羊價格0.5元錢。一個農夫買了一百頭牲口,每種至少買了一頭,總共花了100元錢,問每種牲口買了多少頭?

令x為母牛的頭數,y為豬的頭數,z為羊的頭數,可以寫下如下兩個方程式:

10x+3y+z/2=100

x+y+z=100

把第一個方程中的各項都乘以2消去分數,再與第二個方程相減以便消去z,這樣得到下列方程式:

19x+5y=100

x和y可能有那些整數值?一種解法是把係數最小的項放到方程的左邊:5y=100-19x,把兩邊都除以5得到:

y=(100-19x)/5

再把100和19x除以5,將餘數(如果有的話)和除數5寫成分數的形式,結果為:

y=20-3x-4x/5

顯然,表達式4x/5必須是整數,亦即x必須是5的倍數。5的最小倍數既是其自身,由此得出y的值為1,將x,y的值帶入任何一個原方程,可得z等於94。如果x為任何比5更大的5的倍數,則y變為負數。所以,此題僅有一個解:5頭母牛,一頭豬和94頭羊。你只要把這個問題中牲口的價錢改變一下,便可以學到許多初等刁番圖分析的知識。例如,設母牛價錢為4元錢,豬的價錢為2元錢,羊的價錢為三分之一元錢,一個農夫準備花一百元錢買一百頭牲口,並且每種牲口至少買一頭,試問他每種牲口可以買多少頭?關於這一問題,恰好有三種解。但是如果母牛價錢為5元錢,豬的價錢為2元錢,羊0.5元錢呢?那就無解。

刁番圖分析是數論的一大分支,其實際套用範圍極廣。有一個著名的刁番圖問題,以費馬最後定理而著稱:設有方程xn+yn=zn,其中n是大於2的正整數,問此方程是否有整數解(如果n=2,則稱此為畢達格拉斯三元數組,具有自32+42=52起始的無窮多組解)?這是一個最著名的數論問題,已經由英國數學家安德魯。威爾斯解決,他用於解決此問題的方法可以說是大大出乎人們的意料,他套用了一種叫做橢圓函式的理論,實際上,他證明的並不是方程本身,而是在橢圓函式領域中另一個著名的猜想:谷山-志村猜想。由於橢圓函式的模形式與費馬最後定理同構,所以,等於是從側面攻破了這個300多年的大難題。