书城自然科学必谈的数学趣闻
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第30章 从“猴子分桃子”谈起

海滩上有一堆桃子,这是五个猴子的财产,它们要平均分配。第一个猴子来到海滩,它左等右等,未等来别的猴子,便把桃子平均分成五堆,还剩一个,它就把剩下的一个扔到海里,自己拿起了5堆中的一堆。第二个猴子来了,它把剩下的桃子分成五堆,把剩下的一个又扔掉了,然后拿起一堆。以后每个猴子来了都是如此办理,问原来至少有多少个桃子?最后海滩上至少剩下多少桃子?这就是著名的猴子分桃子问题。著名的英国物理学家狄拉克曾提出了一种解法,相当巧妙地解决了这个问题。

设原来桃子N个,而五个猴子分得的桃子数分别为A1,A2……A5,则得到

N=5A1+1

4A1=5A2+1

4A2=5A3+1

4A3=5A1+1

4A4=5A5+1

经过一系列的代换,就可以得到N=3121,4A5=1020

其实这个答案是受到问题中“至少”这一前提限制而得到的,如果不考虑“至少”这个条件,符合前面关系式的答案是很多的。例如N=6246,4A5=2044;N=15621,4A5=5116等等。

但是使人感兴趣的不在于所得答案的多少,而是在于这类问题是怎样解出的,原来“猴子分桃子”就是这样的一个数学问题,若A0=N,A1=15(N-1),5An+1=4An-1

求An

解:由5An+1=4An-1,5An=4An-1-1

两式相减得:5(An+1-An)=4(An-An-1)

令Bn=An+1-An则有:Bn=45Bn-1

因此:

An= (An-An-1) (An-1-An-2) …… (A2-A1) A1

=Bn-1 Bn-2 …… B1 A1

=1-(45)n-11-45B1 A1

=5B1[1-(45)n-1] A1

又由于A1=15(N-1)

A2=15[45(N-1)-1]

则B1=A2-A1=-125(N 4)

于是:An=-15(N 4)[1-(45)n-1] 15(N-1)

=-1 4n-15n(N 4)

特别是当n=5时,有55(A5 1)=44(N 4)。由于5与4互质,则N 4必为55的整数倍,即N 4=55·P(P∈Z),同时A5 1=44·P令P=1即可求出前面的结果。

从上面的解法,我们看到,如果给定了必须的数列{an}的前几项,再由给定的关于数列若干连续的关系式,就可以由关系式推出一个新数列。因此,我们把这种关系式叫数列的逆推公式,由逆推公式得到的这种数列叫作逆归数列。逆归数列由于逆推公式的不同,因此求它的通项的方法也比较复杂。“猴子分桃子问题”在研究逆归数列上确实起到了开路先锋的作用。