有趣的逻辑思维题 数学难题

作者&投稿:徐炊 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
有趣的逻辑思维题 数学难题~

数学三大难题
在20世纪八十年代初,我们这代“知青”为了多学点知识,纷纷进“五大”学习,然后又进“成人自考”深造。我在“西南财经大学”攻读经济专业时,一次高等数学的面授课上,一位德高望重的导师给我们讲到:人类文明的进步,与数学的发展成正比;人类数学的发展,中国亦有卓越的贡献,古有祖冲之,今有华罗庚。21世纪,还有在坐的各位及全国各地的有志之青年。

导师接着讲到:古代数学史上有世界三大难题(倍立方体、方圆、三分角)。近代数学史又有第五公设、费马大定理、任一大偶数表两素之和。这些都已为前人攻破的攻破,将突破的将突破。现代发达国家的数学家们又在钻研什么呢?21世纪数学精英们又攻什么呢?

这位导师继续讲了现代数学上的三大难题:一是有20棵树,每行四棵,古罗马、古希腊在16世纪就完成了16行的排列,18世纪高斯猜想能排18行,19世纪美国劳埃德完成此猜想,20世纪末两位电子计算机高手完成20行纪录,跨入21世纪还会有新突破吗?

二是相邻两国不同着一色,任一地图着色最少可用几色完成着色?五色已证出,四色至今仅美国阿佩尔和哈肯,罗列了很多图谱,通过电子计算机逐一理论完成,全面的逻辑的人工推理证明尚待有志者。

三是任三人中可证必有两人同性,任六人中必有三人互相认识或互相不认识(认识用红线连,不认识用蓝线连,即六质点中二色线连必出现单色三角形)。近年来国际奥林匹克数学竞赛也围绕此类热点题型遴选后备攻坚力量。(如十七个科学家讨论三课题,两两讨论一个题,证至少三个科学家讨论同一题;十八个点用两色连必出现单色四边形;两色连六个点必出现两个单色三角形,等等。)单色三角形研究中,尤以不出现单色三角形的极值图谱的研究更是难点中之难点,热门中之热门。

归纳为20棵树植树问题,四色绘地图问题,单色三角形问题。通称现代数学三大难题。

当年的大学生一学期中能亲聆导师教诲不到十次。数学三大难题是我们学子在课堂上最难忘最精彩的一课。光阴荏苒,时光如白驹过隙,弹指之间,今已是21世纪第一个年代了(以区别下一年代—— 一十年代),在此将我在大学学习中最精彩最难忘的一课奉献,以飨不同层次、不同爱好的读者。

“千僖难题”之一:P(多项式算法)问题对NP(非多项式算法)问题

在一个周六的晚上,你参加了一个盛大的晚会。由于感到局促不安,你想知道这一大厅中是否有你已经认识的人。你的主人向你提议说,你一定认识那位正在甜点盘附近角落的女士罗丝。不费一秒钟,你就能向那里扫视,并且发现你的主人是正确的。然而,如果没有这样的暗示,你就必须环顾整个大厅,一个个地审视每一个人,看是否有你认识的人。生成问题的一个解通常比验证一个给定的解时间花费要多得多。这是这种一般现象的一个例子。与此类似的是,如果某人告诉你,数13,717,421可以写成两个较小的数的乘积,你可能不知道是否应该相信他,但是如果他告诉你它可以因子分解为3607乘上3803,那么你就可以用一个袖珍计算器容易验证这是对的。不管我们编写程序是否灵巧,判定一个答案是可以很快利用内部知识来验证,还是没有这样的提示而需要花费大量时间来求解,被看作逻辑和计算机科学中最突出的问题之一。它是斯蒂文·考克(StephenCook)于1971年陈述的。

“千僖难题”之二: 霍奇(Hodge)猜想

二十世纪的数学家们发现了研究复杂对象的形状的强有力的办法。基本想法是问在怎样的程度上,我们可以把给定对象的形状通过把维数不断增加的简单几何营造块粘合在一起来形成。这种技巧是变得如此有用,使得它可以用许多不同的方式来推广;最终导至一些强有力的工具,使数学家在对他们研究中所遇到的形形色色的对象进行分类时取得巨大的进展。不幸的是,在这一推广中,程序的几何出发点变得模糊起来。在某种意义下,必须加上某些没有任何几何解释的部件。霍奇猜想断言,对于所谓射影代数簇这种特别完美的空间类型来说,称作霍奇闭链的部件实际上是称作代数闭链的几何部件的(有理线性)组合。

“千僖难题”之三: 庞加莱(Poincare)猜想

如果我们伸缩围绕一个苹果表面的橡皮带,那么我们可以既不扯断它,也不让它离开表面,使它慢慢移动收缩为一个点。另一方面,如果我们想象同样的橡皮带以适当的方向被伸缩在一个轮胎面上,那么不扯断橡皮带或者轮胎面,是没有办法把它收缩到一点的。我们说,苹果表面是“单连通的”,而轮胎面不是。大约在一百年以前,庞加莱已经知道,二维球面本质上可由单连通性来刻画,他提出三维球面(四维空间中与原点有单位距离的点的全体)的对应问题。这个问题立即变得无比困难,从那时起,数学家们就在为此奋斗。

“千僖难题”之四: 黎曼(Riemann)假设

有些数具有不能表示为两个更小的数的乘积的特殊性质,例如,2,3,5,7,等等。这样的数称为素数;它们在纯数学及其应用中都起着重要作用。在所有自然数中,这种素数的分布并不遵循任何有规则的模式;然而,德国数学家黎曼(1826~1866)观察到,素数的频率紧密相关于一个精心构造的所谓黎曼蔡塔函数z(s$的性态。著名的黎曼假设断言,方程z(s)=0的所有有意义的解都在一条直线上。这点已经对于开始的1,500,000,000个解验证过。证明它对于每一个有意义的解都成立将为围绕素数分布的许多奥秘带来光明。

“千僖难题”之五: 杨-米尔斯(Yang-Mills)存在性和质量缺口

量子物理的定律是以经典力学的牛顿定律对宏观世界的方式对基本粒子世界成立的。大约半个世纪以前,杨振宁和米尔斯发现,量子物理揭示了在基本粒子物理与几何对象的数学之间的令人注目的关系。基于杨-米尔斯方程的预言已经在如下的全世界范围内的实验室中所履行的高能实验中得到证实:布罗克哈文、斯坦福、欧洲粒子物理研究所和筑波。尽管如此,他们的既描述重粒子、又在数学上严格的方程没有已知的解。特别是,被大多数物理学家所确认、并且在他们的对于“夸克”的不可见性的解释中应用的“质量缺口”假设,从来没有得到一个数学上令人满意的证实。在这一问题上的进展需要在物理上和数学上两方面引进根本上的新观念。

“千僖难题”之六: 纳维叶-斯托克斯(Navier-Stokes)方程的存在性与光滑性

起伏的波浪跟随着我们的正在湖中蜿蜒穿梭的小船,湍急的气流跟随着我们的现代喷气式飞机的飞行。数学家和物理学家深信,无论是微风还是湍流,都可以通过理解纳维叶-斯托克斯方程的解,来对它们进行解释和预言。虽然这些方程是19世纪写下的,我们对它们的理解仍然极少。挑战在于对数学理论作出实质性的进展,使我们能解开隐藏在纳维叶-斯托克斯方程中的奥秘。

“千僖难题”之七: 贝赫(Birch)和斯维讷通-戴尔(Swinnerton-Dyer)猜想

数学家总是被诸如x^2+y^2=z^2那样的代数方程的所有整数解的刻画问题着迷。欧几里德曾经对这一方程给出完全的解答,但是对于更为复杂的方程,这就变得极为困难。事实上,正如马蒂雅谢维奇(Yu.V.Matiyasevich)指出,希尔伯特第十问题是不可解的,即,不存在一般的方法来确定这样的方法是否有一个整数解。当解是一个阿贝尔簇的点时,贝赫和斯维讷通-戴尔猜想认为,有理点的群的大小与一个有关的蔡塔函数z(s)在点s=1附近的性态。特别是,这个有趣的猜想认为,如果z(1)等于0,那么存在无限多个有理点(解),相反,如果z(1)不等于0,那么只存在有限多个这样的点。

1.做10道题,不如讲一道题。
孩子做完家庭作业后,家长不妨鼓励孩子开口讲解一下数学作业中的难题,也可以鼓励去想一想说一说,如果讲得好,家长还可进行小奖励,让孩子更有成就感。
原因
做10道数学题,不如让孩子“说”明白一道题。小学数学,重在思维的训练,思维训练活了,升到初高中,数学都不会差到哪去。家长要加强孩子“说”题的训练,让孩子把智慧说出来。
孩子能开口说解题思路,是最好的思维训练模式。很多家长以为数学就是要多做题,可是有的孩子考试做错了题,但遇到同类或相似题型时,仍然一错再错。不妨让孩子把错题订正后,“说”清楚错误环节,这样孩子的思路一下子就豁然开朗了。
2.要培养质疑的习惯。
在家庭教育中,家长要经常引导孩子主动提问,学会质疑、反省,并逐步养成习惯。
在孩子放学回家后,让孩子回顾当天所学的知识:老师如何讲解的,同学是如何回答的?当孩子回答出来之后,接着追问:“为什么?”“你是怎样想的?”启发孩子讲出思维的过程并尽量让他自己作出评价。
有时,可以故意制造一些错误让孩子去发现、评价、思考。通过这样的训练,孩子会在思维上逐步形成独立见解,养成一种质疑的习惯。
举一反三,学会变通
举一反三出自孔子的《论语·述而》:“举一隅,不以三隅反,则不复也。”意思是说:我举出一个墙角,你们应该要能灵活的推想到另外三个墙角,如果不能的话,我也不会再教你们了。后来,大家就把孔子说的这段话变成了“举一反三”这句成语,意思是说,学一件东西,可以灵活的思考,运用到其他相类似的东西上!
之前也常常听到家长反映,接到一些学生来信,说平时学习勤奋,请家教、上补习班,花了很多精力夯实基础知识,可考试时还是感觉反应慢、思路窄,只能就题论题,做不到举一反三,对于一些灵活性强的题目往往就束手无策。
在数学的训练中,一定要给孩子举一反三训练。一道题看似理解了,但他的思维可能比较直线,不多做几道举一反三或在此基础上变式的题,他还是转不过玩了。
举一反三其实就是“师傅领进门,学艺在自身”这句话的执行行为。


图形推理是培养逻辑思维能力最好的工具
假是真时真亦假,真是假时假亦真;逻辑思维是在规则的确定下而进行的思维,如果联系生活就属于非常规思维。一切看似与生活毫无联系却自在法则约束规范的范围内。
逻辑推理的“瞒天过海”可谓五花八门,好似一个万花筒,百变无穷,乐趣无穷。
请看下面一道题,您能选出答案吗?




这道题的推理过程是:通过观察,我们唯一判断方法就是按照顺时针和逆时针来判断第一行是逆、顺、逆第二行是顺、逆、顺第三行诗逆、顺、?所以?应该是逆时针,则只有A是符合的
从这道题中,我们不仅要具备很强的观察能力,同时具备逻辑推理能力,否则,看两遍,你的大脑就跟这些图形一样:晕乎乎的。
几何图形是助其锻炼逻辑思维的好工具,经典的图形推理题总有其构思、思路、巧妙的思维;经典在于其看似变态,而实际解法却简而又简单。
因此,多训练一些图形推理题,对其逻辑思维很有帮助。
应巧妙利用生活中的数学提高思维能力
在家庭教育中经常有这种学以致用的机会,应该充分地加以利用。
(1)购物:低年级家长在购物中可以训练孩子的运算能力。例如拿10元钱购物,该花多少元?钱够不够?找回多少?高年级家长可以训练孩子在购物中思考哪种方法更优惠,哪种方法更合理。
(2)游戏:家长在和孩子游戏(搭积木、七巧板、下棋、摆小棒等)的同时,引导孩子用数学思考的方法去发现问题,解决游戏中的问题,提升游戏的技能与技巧。将逆推法,分类讨论法,假设法等等用于游戏当中。
(3)另外,在旅游或家庭进行投资时,都可以让孩子参与进来,进行旅游预算,运用数学思维合理安排旅游,使同样的钱发挥最大的经济效益;核计投资彩票、股票,进行银行存款、贷款等。在家庭中运用数学方法练习解决现实生活实际问题,也不失为一种训练孩子数学思维的好办法。

数学三大难题
在20世纪八十年代初,我们这代“知青”为了多学点知识,纷纷进“五大”学习,然后又进“成人自考”深造。我在“西南财经大学”攻读经济专业时,一次高等数学的面授课上,一位德高望重的导师给我们讲到:人类文明的进步,与数学的发展成正比;人类数学的发展,中国亦有卓越的贡献,古有祖冲之,今有华罗庚。21世纪,还有在坐的各位及全国各地的有志之青年。

导师接着讲到:古代数学史上有世界三大难题(倍立方体、方圆、三分角)。近代数学史又有第五公设、费马大定理、任一大偶数表两素之和。这些都已为前人攻破的攻破,将突破的将突破。现代发达国家的数学家们又在钻研什么呢?21世纪数学精英们又攻什么呢?

这位导师继续讲了现代数学上的三大难题:一是有20棵树,每行四棵,古罗马、古希腊在16世纪就完成了16行的排列,18世纪高斯猜想能排18行,19世纪美国劳埃德完成此猜想,20世纪末两位电子计算机高手完成20行纪录,跨入21世纪还会有新突破吗?

二是相邻两国不同着一色,任一地图着色最少可用几色完成着色?五色已证出,四色至今仅美国阿佩尔和哈肯,罗列了很多图谱,通过电子计算机逐一理论完成,全面的逻辑的人工推理证明尚待有志者。

三是任三人中可证必有两人同性,任六人中必有三人互相认识或互相不认识(认识用红线连,不认识用蓝线连,即六质点中二色线连必出现单色三角形)。近年来国际奥林匹克数学竞赛也围绕此类热点题型遴选后备攻坚力量。(如十七个科学家讨论三课题,两两讨论一个题,证至少三个科学家讨论同一题;十八个点用两色连必出现单色四边形;两色连六个点必出现两个单色三角形,等等。)单色三角形研究中,尤以不出现单色三角形的极值图谱的研究更是难点中之难点,热门中之热门。

归纳为20棵树植树问题,四色绘地图问题,单色三角形问题。通称现代数学三大难题。

当年的大学生一学期中能亲聆导师教诲不到十次。数学三大难题是我们学子在课堂上最难忘最精彩的一课。光阴荏苒,时光如白驹过隙,弹指之间,今已是21世纪第一个年代了(以区别下一年代—— 一十年代),在此将我在大学学习中最精彩最难忘的一课奉献,以飨不同层次、不同爱好的读者。

“千僖难题”之一:P(多项式算法)问题对NP(非多项式算法)问题

在一个周六的晚上,你参加了一个盛大的晚会。由于感到局促不安,你想知道这一大厅中是否有你已经认识的人。你的主人向你提议说,你一定认识那位正在甜点盘附近角落的女士罗丝。不费一秒钟,你就能向那里扫视,并且发现你的主人是正确的。然而,如果没有这样的暗示,你就必须环顾整个大厅,一个个地审视每一个人,看是否有你认识的人。生成问题的一个解通常比验证一个给定的解时间花费要多得多。这是这种一般现象的一个例子。与此类似的是,如果某人告诉你,数13,717,421可以写成两个较小的数的乘积,你可能不知道是否应该相信他,但是如果他告诉你它可以因子分解为3607乘上3803,那么你就可以用一个袖珍计算器容易验证这是对的。不管我们编写程序是否灵巧,判定一个答案是可以很快利用内部知识来验证,还是没有这样的提示而需要花费大量时间来求解,被看作逻辑和计算机科学中最突出的问题之一。它是斯蒂文·考克(StephenCook)于1971年陈述的。

“千僖难题”之二: 霍奇(Hodge)猜想

二十世纪的数学家们发现了研究复杂对象的形状的强有力的办法。基本想法是问在怎样的程度上,我们可以把给定对象的形状通过把维数不断增加的简单几何营造块粘合在一起来形成。这种技巧是变得如此有用,使得它可以用许多不同的方式来推广;最终导至一些强有力的工具,使数学家在对他们研究中所遇到的形形色色的对象进行分类时取得巨大的进展。不幸的是,在这一推广中,程序的几何出发点变得模糊起来。在某种意义下,必须加上某些没有任何几何解释的部件。霍奇猜想断言,对于所谓射影代数簇这种特别完美的空间类型来说,称作霍奇闭链的部件实际上是称作代数闭链的几何部件的(有理线性)组合。

“千僖难题”之三: 庞加莱(Poincare)猜想

如果我们伸缩围绕一个苹果表面的橡皮带,那么我们可以既不扯断它,也不让它离开表面,使它慢慢移动收缩为一个点。另一方面,如果我们想象同样的橡皮带以适当的方向被伸缩在一个轮胎面上,那么不扯断橡皮带或者轮胎面,是没有办法把它收缩到一点的。我们说,苹果表面是“单连通的”,而轮胎面不是。大约在一百年以前,庞加莱已经知道,二维球面本质上可由单连通性来刻画,他提出三维球面(四维空间中与原点有单位距离的点的全体)的对应问题。这个问题立即变得无比困难,从那时起,数学家们就在为此奋斗。

“千僖难题”之四: 黎曼(Riemann)假设

有些数具有不能表示为两个更小的数的乘积的特殊性质,例如,2,3,5,7,等等。这样的数称为素数;它们在纯数学及其应用中都起着重要作用。在所有自然数中,这种素数的分布并不遵循任何有规则的模式;然而,德国数学家黎曼(1826~1866)观察到,素数的频率紧密相关于一个精心构造的所谓黎曼蔡塔函数z(s$的性态。著名的黎曼假设断言,方程z(s)=0的所有有意义的解都在一条直线上。这点已经对于开始的1,500,000,000个解验证过。证明它对于每一个有意义的解都成立将为围绕素数分布的许多奥秘带来光明。

“千僖难题”之五: 杨-米尔斯(Yang-Mills)存在性和质量缺口

量子物理的定律是以经典力学的牛顿定律对宏观世界的方式对基本粒子世界成立的。大约半个世纪以前,杨振宁和米尔斯发现,量子物理揭示了在基本粒子物理与几何对象的数学之间的令人注目的关系。基于杨-米尔斯方程的预言已经在如下的全世界范围内的实验室中所履行的高能实验中得到证实:布罗克哈文、斯坦福、欧洲粒子物理研究所和筑波。尽管如此,他们的既描述重粒子、又在数学上严格的方程没有已知的解。特别是,被大多数物理学家所确认、并且在他们的对于“夸克”的不可见性的解释中应用的“质量缺口”假设,从来没有得到一个数学上令人满意的证实。在这一问题上的进展需要在物理上和数学上两方面引进根本上的新观念。

“千僖难题”之六: 纳维叶-斯托克斯(Navier-Stokes)方程的存在性与光滑性

起伏的波浪跟随着我们的正在湖中蜿蜒穿梭的小船,湍急的气流跟随着我们的现代喷气式飞机的飞行。数学家和物理学家深信,无论是微风还是湍流,都可以通过理解纳维叶-斯托克斯方程的解,来对它们进行解释和预言。虽然这些方程是19世纪写下的,我们对它们的理解仍然极少。挑战在于对数学理论作出实质性的进展,使我们能解开隐藏在纳维叶-斯托克斯方程中的奥秘。

“千僖难题”之七: 贝赫(Birch)和斯维讷通-戴尔(Swinnerton-Dyer)猜想

数学家总是被诸如x^2+y^2=z^2那样的代数方程的所有整数解的刻画问题着迷。欧几里德曾经对这一方程给出完全的解答,但是对于更为复杂的方程,这就变得极为困难。事实上,正如马蒂雅谢维奇(Yu.V.Matiyasevich)指出,希尔伯特第十问题是不可解的,即,不存在一般的方法来确定这样的方法是否有一个整数解。当解是一个阿贝尔簇的点时,贝赫和斯维讷通-戴尔猜想认为,有理点的群的大小与一个有关的蔡塔函数z(s)在点s=1附近的性态。特别是,这个有趣的猜想认为,如果z(1)等于0,那么存在无限多个有理点(解),相反,如果z(1)不等于0,那么只存在有限多个这样的点。

有这么一道题,初看无从着手,但如果你真的有较强的逻辑能力和数学能力,相信会引起你浓厚的兴趣:

有两个人,假设称为A和B,现在数字2~100之间的99个自然数中有两个数,两个数的和告诉A,把两个数的积告诉B。

一、A说:“我不知道这两个数是什么,肯定B也不知道。”

二、B说:“本来我不知道,但是听到A说这句话,现在我知道了。”

三、A听到B说他知道了,也说:“现在我也知道了”。

详解:A说B肯定不知道是什么数字 如果B不知道这两个数字是什么,说明这两数不是质数,否则将这两个数字的积的质因数分解可以还原。同样这两个数字的积不会是大于53的质数,否则这两个数字的积只有一种拆分方法,因为其他拆分一定会有100因数)。 回到题目中联想……既然A能肯定B不知道这两个数字,那说明A知道这两个数的和,不可能分解为两个质数的和。因为任何大于4的偶数都可以分解为两个质数之和(1+1=2理论),所以,这两个数的和必为奇数,也就是说这两个数必定是一奇一偶两个数。同样两个数的和不可能等于“质数+2” 另:两个数的和不可能大于54。因为任何大于54的数都可以拆分成53+N的形式,而53和任意自然数的积一定有质因数53,与我的分析有些矛盾。这样两数之和中的这两个数的的范围大大缩小。那么组成这两个数的和的这两个数只可能等于: 11 17 23 27 29 35 37 41 47 中的一个。 B听了A说的话后,说“我现在知道这两个数字是多少了。 也就是说,B已经知道是“ 11 17 23 27 29 35 37 41 47这些数字中的”。那么咱们酸酸各种才分方式所得到的积: 11(2*9=18、3*8=24、4*7=28、5*6=30) 17(2*15=30、3*14=42、4*13=52、5*12=60、6*11=66、7*10=70、8*9=72) 23(2*21=42、……)………………以下的省略掉…… 可以看出,30、42等作为积出现了不止一次,所以两数之积不可能是30、42。所以我现在把他排除掉……,剩下的数就是可能的积,而对应的拆分方法我暂且说它是可能因数拆分。这个工作量比较大,先不忙划,继续往下分析。A听了B的话,也说:“那我也知道是多少了”。” 这句话说明,最终的两个数的和只包含一种可能拆分。 好,我们再看。 11可拆分为4+7和8+3,均为可能拆分。(因为28和24均不可能有其它的奇数*偶数的表示形式了)。 23可拆分为4+19和16+7,均为可能拆分。(因为68和112均不可能有其它的奇数*偶数的表示形式了)。 27可拆分为4+23和8+19。 35可拆分为4+31,16+19和32+3。 37可拆分为8+29和32+5。 47可拆分为4+43和16+31。 另: 29可拆分为6+23和16+13均为可能拆分 41可拆分为4+37和10+31,均为可能拆分。 那么现在只剩下17………………17(2*15=30、3*14=42、4*13=52、5*12=60、6*11=66、7*10=70、8*9=72)不难验证,其中30、42、60、66、70、72均不可能是两个是的乘积,只有4*13一种拆分方法。 所以答案只可能是一种 4和13

我行


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