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用数学眼光看世界
——中秋节与数学趣题

2017-05-07

小学教学(数学版) 2017年11期
关键词:多面体阿基米德群主

中秋节临近,在一个微信群里,群主发来祝福信息(如图1)。发现牵涉到数学,为之一乐:

图1

看完选项,想必读者已经知道答案了(记得是群主发的信息哦)。那么这个需要真诚面对的“事实”是什么呢?我们随便选一个数字,比如2,按照信息所说的操作步骤,得(2×3+3)×3=27,然后将 2和7相加,得到9,对应的选项是群主。

我们再看看一般性的情况:

假设我们任选一个数字a,按照信息所说的操作步骤,得(a×3+3)×3=9a+9。因数字 a 介于 1 到 9之间,所以9a+9一定是一个不超过90的两位数。把这个数的个位和十位上的数相加,那么该如何证明所得的和是9呢?这里提供两种方法:

方法一:所得两位数可以改写为9(a+1),一定是9的倍数。满足条件的两位数包括18、27、36、45、54、63、72、81、90(没有 99)。不难看出,这些两位数中任意一个数的个位和十位上的数之和均是9。其实,这正是9的倍数的特征:能被9整除的自然数,其各个数位上的数字之和必是9的倍数。因为结果是不大于90的两位数,所以十位和个位上的数之和只能是9,而不会是18或更大的倍数。

方法二:更一般地,假设所得的两位数是mn,即mn=9a+9。现在要计算 m+n。容易知道:mn=m×10+n,改写一下即得9m+m+n=9a+9。这个等式等号左右两边是恒等的,所以m=a,m+n=9。看来“事实”无可辩驳,只好真诚面对了!

不过,有时候我们面对一些数时也不要太“真诚”,下面一例也与中秋节有关(如图2):

图2 中秋打折的诱惑

最后再看一例,也能与中秋节搭上关系呢。最近在地铁站见到悬挂着烘托中秋节气氛的灯笼(如图3),当下一乐,便发到微信群里让大家猜猜中间那个叫什么体,看看大家的反应。

图3 中秋灯饰中的数学

结果发现,朋友们(其中只有少数是数学老师)的回答有物体、立体等,以多面体居多,也有人答十面体或十二面体。看得出来,数学味道渐渐浓厚,但不是我真正想要的答案。这不奇怪,学生在学校学习的立体,以正正规规的居多,如正方体、长方体、锥体(圆锥或棱锥)、柱体(圆柱和棱柱)和球体。倘若教师讲得深入一点,会涉及五个重要的正多面体(也叫Plato多面体),即正四、正六、正八、正十二和正二十面体,这与凸多面体的欧拉公式联系紧密 (有兴趣的读者可进一步查找资料)。而像图3中间那个立体,无论在课堂上还是课外都比较少见,即使见到也未必会去想是什么名字。叫不出名字,也许是因为不常见,也许是因为我们从来不会去教这些!但学校教育的目标之一,不就是要学生发现周围世界的数学吗?

言归正传,图3中间那个立体其实有来头,全名叫阿基米德多面体 (Archimedean polyhedra),是由至少两种正多边形所组成的凸多面体,且要求每个顶点的组成均一致。阿基米德多面体共有 13种(有兴趣的读者可以进一步自行搜寻)。手工制作这些立体并不难。以正方体为例,在正方体的每一个定点处削去一个正四面体 (即正三棱锥),即得一个阿基米德多面体(如图4)。

图4 阿基米德多面体的制作

这种并不常见的立体完全可以在课堂上介绍给学生,甚至可由学生自行制作出来(折纸是可以做到的)。其实,现实生活中会出现各种各样的数学元素,或数字,或图像,或图形,或立体……作为教师,我们常常跟学生说:数学无处不在。我们也要进一步问(问自己也问学生):数学到底在哪儿?用一双数学的眼睛去看世界,也别有乐趣。

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