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第3章 巴河姆的错误

俄国著名作家托尔斯泰不仅是一位伟大的文学家,而且还十分喜爱数学。他非常欣赏并经常向人们推荐下面的“割草人”问题:“一组割草人要割完两块地上的草,大的一块草地的面积比小的一块大一倍。全组人员上午都到较大的那块草地上去割草;下午全组人员均匀分成两半,一半人仍留在较大的草地上,另一半人到较小的那块草地上去割草。到傍晚时,大草地上的草刚好割完,小草地上还剩下一小块,第二天正好由一个人一天割完。问这组割草人共有多少人?”

这道题当然可以用代数方法求解,但托尔斯泰特别称赞利用几何图形的简便解法:如图9,左边的长方形代表大草地,右边的长方形代表小草地。设大草地的面积为1,根据题设条件,一半组员用了3个半天时间,恰好割完较大的一块草地,所以,一半组员半天恰好割草13。又因为小草地的面积是大草地的一半,即为12,一半组员半天割掉13,剩下12-13=16,恰好是一个人一天的工作量。由图知,全组人员一天共割的草地面积为4个13,即43,所以,全组人数是43÷16=8(人)。

托尔斯泰对学校里的算术教学工作很感兴趣,他甚至亲自写过一本算术课本。他特别喜欢那些貌似复杂、但能找到简便解法的算术题。对这个“割草人”问题,他就十分欣赏。直到晚年,还见人就称赞不已。实际上,这道题也的确为数学工作者所喜爱,直到今天,仍然经常出现在一些青少年教学读物中。

托尔斯泰还善于用数学概念作比喻来说明某些道理。例如,他曾用分数来比喻人的真实价值。他把别人对一个人的评价比作分子,这往往比较符合客观实际;把一个人自己对自己的评价比作分母,这往往是容易被夸大的。分子越大则分数的值越大,分母越大则分数的值越小。这是多么发人深省的至理名言!

托尔斯泰还曾经利用数学知识写过一篇小说,讽刺那些贪婪成性,要财不要命的人。题目叫做《一个人需要很多土地吗?》,这本书的大意是:有一个叫巴河姆的人到草原上去买地,卖主卖地的方法很特别。任何一个来买地的人,只要交1000卢布,他可以在一天之内,从太阳出山开始,由草原上任一点出发,在草原上走到太阳落山,如果在日落之前,他回到了出发点,那么,他这一天所走的路线所围住的土地,就算他买到的土地;如果他在日落之前没有回到出发点,那么他就一寸土地也得不到,白白丢掉1000卢布。

巴河姆认为这样的规定真是有利可图,便爽快地交了1000卢布。第二天太阳刚刚升起,巴河姆就在草原上迈开了大步。他先沿一条直线一口气走了10俄里,然后向左拐弯90°,又沿直线走了很远很远,才又向左拐弯90°,继续前进了2俄里。这时他发现天色已经不早。他已经足足走了24.7俄里的路程。于是,他不得不改变前进方向,直向出发点跑去。巴河姆终于在日落之前又跑了15俄里赶回了出发点。但是,当他停下来时,脚跟尚未站稳,便两腿一软,扑倒在地,口吐鲜血,一命呜呼了。

巴河姆付出了生命的代价,究竟换来了多少土地呢?让我们来计算一下:1俄里等于1.0668公里,巴河姆这一天共跑了(24.7+15)×1.0668=42.35公里的路程,围住了约86.72平方公里的土地,这块土地有8672公顷。

土地不可谓不多,但是人都死了,再多的土地又有什么用呢?这对那些爱财如命的人是一个绝妙的讽刺。这篇作品的讽刺意义还不止此,喜爱数学的托尔斯泰在作品中还有更深刻的寓意。

贪婪者也往往最愚蠢。巴河姆虽然贪心,拚命要围住更多的土地,但却不知道应该怎样走才最合算。他走的是一个直角梯形,如图10所示,是一种很不合理的走法。懂得中学平面几何的人都知道,如果巴河姆走一个正方形,围住同样多的土地只需要走37公里,要少走5公里。如果他走一个圆形,围住同样多的土地,则只需走33公里,大约只相当于他所走路程的3/4。这样,巴河姆也许还不至于累死哩!

为什么走圆形路线,能围住较大的面积呢?在回答这个问题之前,我们先看一个有趣的实验:将一条有固定长度的柔软的细丝的两头连接起来,围成一条有任意形状的封闭曲线(图11-a)。将此曲线轻轻地放在一个蒙有肥皂膜的铁框上(图11-b)。如果用小针将曲线内的薄膜刺破,这条曲线就立刻变成一个圆(图11-c)。

因为“在表面张力的作用下,液体有力求使其表面积达到最的趋势”。当我们刺破细线圈时,肥皂膜在表面张力的作用下,迅速向四周收缩,达到最小的面积。由于铁框的面积是固定的,线圈所围住的面积就达到最大。这个现象告诉我们:在所有周长相同的封闭平面曲线中,圆所围住的面积最大。

这个结论是正确的。但物理实验并不能够代替数学证明,它们的正确性还有待于数学的严格论证。这类数学问题称为“等周问题”,它们在高等数学中已经有了非常丰富的理论。

现在我们来证明这个结论:

设F是周长为定长l的封闭平面曲线中面积最大的图形。

首先,我们肯定F必定是一个凸图形,所谓凸图形,直观地说,就是没有凹进去的部分。数学上严格的说法是:在图形上任取两点联一线段,整个线段都在此图形的内部,称为凸图形。如图12-a。

如果F不是凸图形,如图13,必可在F上找到A、B两点,联结A、B两点的线段整个在F的外部。再以AB为轴,将凹进去的一段孤ACB翻折到AB的另外一侧,便得到一个新图形ABC′A,它的周长仍为l,但面积显然大于F的面积,这与F是周长为l的封闭平面曲线中面积最大的图形的假设矛盾。所以F必是凸图形。

其次,在F上任取一点A,从A出发沿曲线的一方前移到B点,使ACB弧的长度恰为F的周长l的一半。联结AB,把F分成两个图形F1和F1,则必有:F1的面积=F1的面积如果不是这样,则不妨设F1的面积>F1的面积,现在将F1的弧ADB以AB为对称轴翻拆过来,得到AC′B弧,则平面封闭曲线AC′BDA的周长仍为l,但所围成的面积为2F1,大于F1+F1即F的面积。这与F的面积最大的假设矛盾。

最后,我们证明最大面积的图形必为一圆形。假设在图14中F的一半F1不是半圆,如图15,在F1的边界上任取一点D,联结AD和BD,则∠ADB≠90°(否则F1的边界即为以AB为直径的圆)。AB弦与AD弧所围成的图形记作f2,BD弦与BD弧所围成的图形记作f1,(图15-a中阴影部分)。现在作直角三角形A′B′D′,使∠D′=90°,AD′=AD,B′D′=BD,则:△A′B′D′的面积>△ABD的面积再把f1加到A′D′上,f2加到B′D′上(如图15-b),得到一个新图形F′1,它的面积大于F1,但周长仍为l2。现将F′1以A′B′为对称轴翻折过来就得到一个周长为l的新图形,它的面积为F′1的2倍,必大于F的面积。与F的定义矛盾。

这就证明了,F必定是一个圆形。