Monthly Archives for 01月 2008

马丁-伽德纳(Martin Gardner)

马丁伽德纳是当代最著名的数学科普作家之一。他于1914年生于美国俄克拉荷马州的塔尔萨,中学时代就对数学深感兴趣,并一直保持至今。由于他想成为一位物理学家,因此,他没有接受过正式的高定数学教育。他进入芝加哥大学之后,逐渐对科学哲学产生了兴趣,因此放弃了物理学,专攻哲学,并于1936年获得学士学位。毕业后,他从事新闻工作。1941年美国参战,他应征入海军服役四年。战后,他回到芝加哥大学,但未取得学位。其后8年他主要是自由撰稿人,特别是为儿童杂志“Humpty Dumpty”撰稿来维持生计。

1956年,数学界出现两件大事改变了的一生。当时由纽曼(Newman)主编的四大卷“The World of Mathematics”(数学世界)成为英美的畅销书。也正是这件事的影响下,有着110年历史的著名科普杂志“Scientic American”(科学美国人)的主编皮尔(Gerard Piel)看到了数学科普的商机,决定创办《数学游戏》专栏。由于此前伽德纳曾写过一两篇数学方面的文章给《科学美国人》,因此,皮尔邀请他主持这个专栏。后来他回忆说,他根本就没有准备好,当时他连一本有关数学游戏的书都没有。于是,他跑到纽约,买下所有有关的书籍。事情就这样开始了,这成为他终身的事业

他说他喜欢这个专栏是因为他热爱数学。但万万没有想到的是,《数学游戏》专栏受到广泛的欢迎,成为《科学美国人》的招牌产品。他本人也出了名,结交了许多大数学家,也受到许多业余数学爱好着的注意。从1956年到1981年,他几乎没�一篇,连续不断写了25年。1981年底他推休后,每年还偶尔写上一两篇。这些文章现在大都收集在一起,形成了是几本单行本。另外,他又写了十几本书,例如《数学狂欢节》(Mathematical Carnival)等,而《啊哈!灵机一动》(aha! insight)是其中最著名的。

由于他在数学科普方面的贡献,他容获1987年美国数学会斯蒂尔(Steele)奖和1994年数学交流奖

角谷猜想

“角谷猜想”又称“冰雹猜想”。它首先流传于美国,不久便传到欧洲,后来一位名叫角谷的日本人又把它带到亚洲,因而人们就顺势把它叫做“角谷猜想”。其实,叫它“冰雹猜想”更形象,也更恰当。

为什么叫它“冰雹猜想”呢?顾名思义,这首先要从自然现象——冰雹的形成谈起。

大家知道,小水滴在高空中受到上升气流的推动,在云层中忽上忽下,越积越大并形成冰,最后突然落下来,变成冰雹。

“冰雹猜想”就有这样的意思,它算来算去,数字上上下下,最后一下子像冰雹似地掉下来,变成一个数字:“1”.

这个数学猜想的通俗说法是这样的:

任意给一个自然数N,如果它是偶数,就将它除以2,即将它变成N/2,如果它是奇数,就将它乘以3再加1,即变成3N+1。

对任意的一个自然数施行这种演算手续,经有限步骤后,最后结果必然是最小的自然数1.

对这个猜想,你不妨任意挑几个数来试一试:

若 N=9,则 9×3+1=28, 28÷2=14, 14÷2=7, 7×3+1=22,22÷2=11,11×3+1=34,
34÷2=17,17×3+1=52,52÷2=26, 26÷2=13,13×3+1=40,40÷2=20,20÷2=10,
10÷2=5,5×3+1=16,16÷2=8,8÷2=4,4÷2=2,2÷2=1.

你看,经过19个回合(这叫“路径长度”),最后变成了“1”.

若 N=120,则 120÷2=60,60÷2=30,30÷2=15,15×3+1=46,46÷2=23,23×3+1=70,
70÷2=35,35×3+1=106,106÷2=53,53×3+1=160,160÷2=80,80÷2=40,40÷2=20,
20÷2=10,10÷2=5,5×3+1=16,16÷2=8,8÷2=4,4÷2=2,2÷2=1.

你看,经过20个回合,最后也仍然变成了“1”.

有一点更值得注意,假如N是2的正整数方幂,则不论这个数字多么庞大,它将“一落千丈”,很快地跌落到1.例如:

N=65536=216

则有:65536→32768→16384→8192→4096→2048
→1024→512→256→128→64→32→16→8→4→2→1.

你看,它的路径长度为16,比9的还要小些。

我们说“1”是变化的最终结果,其实不过是一种方便的说法。严格地讲,应当是它最后进入了“ 1→4→2→1”的循环圈。

这一结果如此奇异,是令人难以置信的。曾经有人拿各种各样的数字来试,但迄今为止,总是发现它们最后都无一例外地进入“1→4→2→1”这个死循环。已经验证的最大数目,已达到1099511627776.

由于数学这门科学的特点,尽管有了如此众多的实例,甚至再试验下去,达到更大的数目,但我们仍不能认为“冰雹猜想”已经获得证明,因此还只能称它为一个猜想。(在我们所查阅的资料中,尚未见到对这一猜想的完整证明。)可想而知,要证明它或推翻它,都是很不容易的,要设法说出它的实质,也似乎是难上加难。

不仅如此,对于“角谷猜想”,人们在研究过程中或作出了改动,或进行了推广,得出的结果同样富有奇趣。比如,对于“角谷猜想”若作如下更动:

任给一个自然数,若它是偶数,则将它除以2;若它是奇数,则将它乘以3再减1.……如此下去,经过有限次步骤运算后,它的结果必然毫无例外地进入以下三个死循环:

①1→2→1;②5→14→7→20→10→5;

③17→50→25→74→37→110→55→164→82→41
→122→61→182→91→272→136→68→34→17.

赌徒的谬误

琼斯先生和琼斯太大有五个孩子,都是女儿。琼斯太大:“我希望我们下一个孩子不是女孩。”先生:“我亲爱的,在生了五个女儿之后,下一个肯定是儿子。”琼斯先生对吗?

很多玩轮盘赌的赌徒以为,他们在盘子转过很多红色数字之后,就会落在黑的上,他们就可以赢了。事情将是这样进行的吗?

埃德加·阿兰·坡坚持认为,如果你在一轮掷骰子中已掷出五次两点,你下次再掷出两点的机会就要小于1/6了。他说得对不对呢?

如果你对任何这类问题回答说“对”,你就陷入了所谓“赌徒的谬误”之中。在掷骰子时,每掷一次都与以前掷出的点数完全无关。

琼斯先生和琼斯太太第六个孩子是女孩的概率仍然是1/2。轮盘赌的下一次赌数是红色的概率仍然是1/2。掷骰子时,下一次掷出2的概率仍然是1/6。

为了让问题更明朗,假定一个男孩扔硬币,扔了五次国徽向上。这时再扔一次,国徽向上的概率还是完全与以前一样:一半对一半,钱币对于它过去的结果是没有记忆的。

如果事件A的结果影响到事件B,那么就说B是“依赖”于A的。例如,你在明天穿雨衣的概率依赖于明天是否下雨的概率。在日常生活中说的“彼此没有关系”的事件称为“独立”事件。你明天穿雨衣的概率是和美国总统明天早餐吃鸡蛋的概率无关的。

大多数人很难相信一个独立事件的概率由于某种原因会不受临近的同类独立事件的影响。比如,第一次世界大战期间,前线的战士要找新的弹坑藏身。他们确信老的弹坑比较危险,因为他们相信新炮弹命中老弹坑的可能性较大。因为,看起来不可能两个炮弹一个接一个都落在同一点,这样他们就合理地认为新弹坑在一段时间内将会安全一些。

有一个故事讲的是很多年前有一个人坐飞机到处旅行。他担心可能哪一天会有一个旅客带着隐藏的炸弹。于是他就总是在他的公文包中带一枚他自己卸了火药的炸弹。他知道一架飞机上不太可能有某个旅客带着炸弹,他又进一步推论,一架飞机上同时有两个旅客带炸弹是更加不可能的事。事实,他自己带的炸弹不会影响其他旅客携带炸弹的概率,这种想法无非是以为一个硬币扔出的正反面会影响另一个硬币的正反面的另一种形式而已。

所有轮盘赌中最受欢迎的系统是戴伦伯特系统,它正是以赌徒未能认识到独立事件的独立性这一“赌徒谬误”为基础的。参与者赌红色或黑色(或其他任何一个对等赌金的赌),每赌失败一次就加大赌数,每赌赢一次就减少赌数。他们猜想,如果小小的象牙球让他赢了,那么就会有某种原因“记住”它,不太可能让他在下一次再赢;如果小球使他输了,这将感到抱歉,很可能帮助他在下一次赢。

事实是每一次旋转,轮盘都与以前旋的结果无关,这就十分简单地证明了,任何一个赌博系统给赌徒的好处都不会比给赌场主的还多。约翰·斯卡恩在他的“ 赌博大全”一书中写道:“当你象一般组织好的赌赛中常有的情况,你要因赌场主设赌而给他一定百分比的钱,故你赢的机会就如数学家所说的是负的期望。当你使用一种赌博系统时,你总要赌好多次,而每一次都是“负的期望”。绝无办法把这种负期望加成正的……“

埃德加·阿伦·坡写的骰子的笑话出在他的侦探故事的跋中,题为“玛丽·罗杰特之谜”。一粒骰子,一枚硬币,一个赌盘,或者任何一种随机装置,都会产生一系列独立事件,这些事件无论如何也不会受到这种装置过去状态的影响。如果你们总愿意相信某种赌徒谬误,那么一个有意义的课堂活动就是假装玩一次实际的以赌徒谬误为基础的赌博游戏。比如,一个学生可以反复抛掷硬币,只是在同一面出现三次之后,才与另一学生用扑克牌作筹码打赌。他总是赌硬币相反的那一面。换句话说,就是在三次出现国徽之后,他赌字;在三次出现字之后,他赌国徽。末了,比如说赌了50次,这时他手中的牌数绝不会正好与开始时一样多,但应该是差不多的。也就是说他赌赢赌输的概率是相等的。

八角形填数游戏

有两个四边形交错叠在一起,形成一个八角形.八角形有八个顶点,八个焦点.现把1至16,十六个数码,不重复,不遗漏放在这些点上,使得四边形四个顶点上放的数码的和等于34.四边形每条边上四个点[2个顶点,2个焦点]上放的数码的和亦是34.

让俺想想该怎么填,更新中~~~

2008年5月6日更新,答案已经做出来了,可以查看本文页码2(点击下面链接)

酒吧问题与少数人博弈

话说有100个人很喜欢泡酒吧。这些人在每个周末,都要决定是去酒吧活动还是待在家里休息。酒吧的容量是有限的,也就是说座位是有限的。如果去的人多了,去酒吧的人会感到不舒服。此时,他们留在家中比去酒吧更舒服。

假定酒吧的容量是60人,如果某人预测去酒吧的人数超过60人,他的决定是不去,反之则去。这100人如何作出去还是不去的决定呢?

这个博弈的前提条件做了如下限制:每一个参与者面临的信息只是以前去酒吧的人数,因此,他们只能根据以前的历史数据,归纳出此次行动的策略,没有其它的信息可以参考,他们之间更没有信息交流。

这就是著名的酒吧问题(Bar problem)。它是由美国人阿瑟教授(W.B. Arthur)1994年在《美国经济评论》发表的《归纳论证的有界理性》一文中首次提出来的。

酒吧问题所模拟的情况,非常接近于一个赌博者下注时面临的情景,比如股票选择、足球博彩。这个博弈的每个参与者,都面临着这样一个困惑:如果许多人预测去的人数超过60,而决定不去,那么酒吧的人数会很少,这时候作出的这些预测就错了。

反过来,如果有很大一部分人预测去的人数少于60,他们因而去了酒吧,则去的人会很多,超过了60,此时他们的预测也错了。

因而一个作出正确预测的人应该是,他能知道其他人如何作出预测。但是在这个问题中每个人预测时面临的信息来源都是一样的,即过去的历史,同时每个人无法知道别人如何作出预测,因此所谓正确的预测几乎不可能存在。

阿瑟教授通过真实的人群以及计算机模拟两种实验得到了两个迥异的、有趣的结果。

在对真实人群的实验中,实验对象的预测呈有规律的波浪状形态,实验的部分数据如下:

从上述数据看,虽然不同的博弈者采取了不同的策略,但是其中共同点是这些预测都是用归纳法进行的。我们完全可以把实验的结果看做是现实中大多数理性人作出的选择。

在这个实验中,更多的博弈者是根据上一次其他人作出的选择而作出这一次的预测。

然而,这个预测已经被实验证明在多数情况下是不正确的。那么,在这个层面上说明,这种预测是一个非线性的过程。

所谓这样一个非线性的过程是说,系统的未来情形对初始值有着强烈的敏感性,这就是人们常说的“蝴蝶效应”:在北京的一只蝴蝶动了一下翅膀,华盛顿就下了一场大暴雨。

通过计算机的模拟实验,得出了另一个结果:起初,去酒吧的人数没有一个固定的规律,然而,经过一段时间后,这个系统去与不去的人数之比接近于60: 40,尽管每个人不会固定地属于去或不去的人群,但这个系统的这个比例是不变的。如果把计算机模拟实验当做是更为全面的、客观的情形来看,计算机模拟的结果说明的是更为一般的规律。

生活中有很多例子与这个模型的道理是相通的。“股票买卖”、“交通拥挤”以及“足球博彩”等等问题都是这个模型的延伸。对这一类问题一般称之为“少数人博弈”。“少数人博弈”是改变了形式的酒吧问题,是由一位定居瑞士的中国人张翼成在1997年提出的。

在股票市场上,每个股民都在猜测其他股民的行为而努力与大多数股民不同。如果多数股民处于卖股票的位置,而你处于买的位置,股票价格低,你就是赢家;而当你处于少数的卖股票的位置,多数人想买股票,那么你持有的股票价格将上涨,你将获利。

在实际生活中,股民采取什么样的策略是多种多样的,他们完全根据以往的经验归纳得出自己的策略。在这种情况下,股市博弈也可以用少数者博弈来解释。

“少数人博弈”中还有一个特殊的结论,即:记忆长度长的人未必一定具有优势。因为,如果确实有这样的方法的话,在股票市场上,人们利用计算机存储的大量的股票的历史数据就肯定能够赚到钱了。但是,这样一来,人们将争抢着去购买存储量大、速度快的计算机了,在实际中人们还没有发现这是一个炒股必赢的方法。

“少数人博弈”还可以应用于城市交通。现代城市越来越大,道路越来越多、越来越宽,但交通却越来越拥挤。在这种情况下,司机选择行车路线就变成了一个复杂的少数人博弈问题。

实际的城市道路往往是复杂的网络。我们简化问题,假设在交通高峰期间,司机只面临两条路的选择。这个时候,往往要选择没有太多车的路线行走,此时他宁愿多开一段路程,而不愿意在塞车的地段焦急地等待。司机只能根据以往的经验,来判断哪条路更好走。当然,所有司机都不愿意在塞车的道路上行走。因此每一个司机的选择,必须考虑其他司机的选择。

在司机行车的“少数者博弈”问题中,司机经过多次的选择和学习,许多司机往往能找到规则性,这是以往成功和失败的经验教训给他的指引,但这不是必然有效的规则性。

在这个过程中,司机的经验和司机个人的性格起作用。有的司机因有更多的经验而更能躲开塞车的路段;有的司机经验不足,往往不能有效避开高峰路段;有的司机喜欢冒险,宁愿选择短距离的路线;而有的司机因为保守而宁愿选择有较少堵车的较远的路线,等等。最终,不同特点、不同经验司机的路线选择,决定了路线的拥挤程度。

一分为二

有一只正三角形,它的每边边长是1个单位。现在要画一条直线或者曲线,把它分成两块,进化论什么形状都可以,只是两块面积必须完全相等,并且要求所作的线段或者曲线的长度为最短,你们会画吗?

当然,人人都会想到的就是从三角形的一个顶点向底边作一条垂线就可以把这个正三角形平分为两个面积完全相等的两个三角形了,但是这样所使用的那一条垂线不见得是最短的。如果照这种方法做,那么根据勾股定理可以得知:

AD=(1^2 - (1/2)^2)^(1/2) = (1 - 1/4)^(1/2) = (3^(1/2))/2 ≈ 0.866。

这里还有第二种解法:作一个直角三角形,使它的两条直角边长均为1个单位长,那么斜边长就是2^(1/2),在下图的BC上截取一线段CF,其长为(2^(1/2))/2。过F作AC的平行线,交AB与D,过D作BC的平行线DE,则DE就是所求的线段。

很明显,这是△ADE,再根据几何定理‘两个相似三角形的面积之比等于对应边的平方之比’,可得出比例式:

S△ADE/S△ABC = 1/2,
所以DE符合原题的要求,并且

DE = CF = (2^(1/2))/2 ≈ 0.707。

0.707肯定是要比0.866短得多,可是解法不错,却还不是最优解。

前面两种方法都是从直线段的角度来考虑问题,现在改从曲线方面来解。我们先通过旋转与对称的办法,把六个正三角形拼成一个正六边形,并以A为圆心,在正六边形内画一个圆,则曲线弧形成一条封闭曲线,见下图:

根据有名的定理:“在面积为一定的平面图形中,以圆的周长为最短。”这使我们联想到,所要求的曲线弧必定是圆周长的1/6,也就是上图中的弧DE。它的画法和具体数学的计算如下:

因为正三角形的面积等于 (3^(1/2))/4,所以正六边形的面积等于 ((3^(1/2))/4) x 6。

而其面积的一半就是 ((3^(1/2))/4) x3。

设所求圆的半径为R,则有:

π*R*R = ((3^(1/2))/4) x3 ≈ 0.643。

以R(0.643单位长)为半径,A为圆心,即可画出弧DE的近似解。弧DE的长是圆周长的1/6,即 弧DE= (2πR)/6 ≈ 0.673。

可见曲线弧的长度要比前两种直线段解法中的线段都短得多。

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