这个小学生都会算的题目,竟然难倒了那么多数学家?

作者: 赵世恩

来源: 果壳少年

发布日期: 2018-09-04

本文探讨了数列的基本概念及其在数学中的应用,特别是通过汉诺塔游戏、冰雹猜想和0.999...等于1的问题,展示了数列在解决实际问题中的重要作用。

所谓数列,指的是按照先后顺序排列好的一列数。对于一个数列,我们一般写作{a_n}。a_1叫做这个数列的首项,a_n叫做这个数列的第n项,又因为这里的n可以是任意的正整数,因此我们也将a_n叫做数列的通项。人们对数列的研究主要聚焦于下面三个方面:第一,研究数列{a_n}的通项公式,即a_n和n的关系。

这样,我们就能够通过n表示出数列的所有项;第二,研究数列的{a_n}的变化趋势,即{a_n}是递增的、递减的或是周期性的,数列是收敛的还是发散的等等;第三,研究数列{a_n}的前n项和S_n以及它们构成的新数列{S_n}。

在高中阶段,我们要学到等差数列、等比数列以及它们的推广形式。历史上也有许多著名的数列,例如斐波那契数列,三角函数,卡特兰数,杨辉三角,大衍数列等,今天我们再来了解几个有趣的数列。

一、推塔秘籍。汉诺塔的游戏里有三根杆(编号A、B、C),在A杆自下而上、由大到小按顺序放置多个盘子。游戏的目标是把A杆上的盘子全部移到C杆上,并仍保持原有顺序叠好。

操作规则:每次只能移动一个盘子,并且在移动过程中三根杆上都始终保持大盘在下,小盘在上,操作过程中盘子可以置于A、B、C任一杆上。为了顺利地完成游戏,我们要先研究一下这个数列:a_n表示当盘子个数为n时,我们需要移动盘子的次数。这时,我们非常关心该数列的通项公式。

二、冰雹猜想(3x+1猜想)。上世纪70年代中期,美国各所名牌大学校园内,人们都像发疯一般,玩弄一种数学游戏。这个游戏十分简单:任意写出一个自然数N,并且按照以下的规律进行计算:如果是个奇数,则下一步变成3N+1;如果是个偶数,则下一步变成N/2。一直计算下去,人们发现,无论N是怎样一个数字,最终都无法逃出落入4-2-1的循环,变化趋势非常奇特。

三、0.999...到底为啥等于1。

我们年轻的时候都思考过这么一个问题:为什么0.999...=1呢?其实这也可以通过数列证明。首先我们考虑这个数列:0.9,0.09,0.009,0.0009,...这是一个首项a_1=0.9,公比q=0.1的等比数列。而这个数列前n项和S_n组成的数列{S_n}是:0.9,0.99,0.999,0.9999,...我们可以发现0.999...就是S_n的极限。

根据等比数列求和公式,S_n=0.9*[1-(0.1)^n]/(1-0.1)=1-(0.1)^n.因此我们很容易得到结论:0.999...=1.

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