一个字都没写的数学证明题,凭啥就得了满分?

作者: physixfan

来源: 果壳少年

发布日期: 2018-10-22

本文介绍了数学中8个著名的无字证明,这些证明通过图形和几何的方式展示了数学定理的美丽和精巧,包括勾股定理、几何平均值小于算术平均值、奇数的求和公式等,展示了数学证明不仅仅是公式和推导,还有思想火花的闪现。

很多人都认为,数学证明只是一些乏味枯燥的公式堆砌和推导过程,但真正优秀的证明都包含着美丽又精巧的思想火花,甚至一个字不用写就把命题证得明明白白。今天的这篇推送里盘点了数学里8个著名的不需语言的证明(proofs without words),看过之后你一定会大受启发的。

1. 勾股定理

这个大家小学就学过的古老定理,有着无数传奇故事。我可以很随意的写出她的10个不同的证明方法。而路明思(Elisha Scott Loomis)在 《毕达哥拉斯命题》( Pythagorean Proposition)提到这个定理的证明方式居然有367种之多,实在让人惊讶。这里给出一个不需要语言的证明方法。图中的总面积(area)一直都是c²。

2. 几何平均值小于算术平均值

这是不等式中最重要和基础的等式:它也可以通过图形来证明。注意到△ABC∽△DBA ,可以很轻松地得到AB=√ab。剩下的就显而易见了。

3. 1+3+5+…+(2n-1)= n²

这是奇数的求和公式,下图是当n=8时的情形。

4. 平方数的求和公式

5. 立方数的求和公式

6. 结果为1/3的一组分数

下面是一组分数,他们的结果都等于1/3 。

7. 最受数学家喜爱的无字证明

1989 年的《美国数学月刊》(American Mathematical Monthly)上有一个貌似非常困难的数学问题:下图是由一个个小三角形组成的正六边形棋盘,现在请你用右边的三种(仅朝向不同的)菱形把整个棋盘全部摆满(图中只摆了其中一部分),证明当你摆满整个棋盘后,你所使用的每种菱形数量一定相同。《美国数学月刊》提供了一个非常帅的“证明”。

把每种菱形涂上一种颜色,整个图形瞬间有了立体感,看上去就成了一个个立方体在墙角堆叠起来的样子。三种菱形分别是从左侧、右侧、上方观察整个立体图形能够看到的面,它们的数目显然应该相等。它把一个纯组合数学问题和立体空间图形结合在了一起,实在让人拍案叫绝。这个问题及其鬼斧神工般的“证明”流传甚广,深受数学家们的喜爱。

8. 棋盘上的数学证明

在一个8×8的国际象棋棋盘上,我们可以用32张多米诺骨牌(两个相连正方形的长方形牌)覆盖整个棋盘上的64个方格。如果将对角线上的两个方格切掉,剩下来的62个格子还能用31张骨牌覆盖住吗?答案是不能的。每一张骨牌在棋盘上必是覆盖住两个相邻方格,一白一黑。所以31张骨牌应该可以盖住31个黑格和31个白格。而这被切了角的棋盘上的方格有32个是一种颜色,另一种颜色是30个,因此是不能被31张骨牌覆盖的。

但是如果我们切掉的不是颜色相同的两个呢?假如我们从棋盘的任何部位切掉两个颜色不同的方格,那么剩下来的62格是否一定能被31张骨牌完全盖住?我可以告诉你这是一定能做到的,并且关于这个结论,存在一个非常漂亮的证明。上图就是那个漂亮的证明。不妨对它再赘述两句。

粗黑线条将整个棋盘转变为一条首尾相连、黑白格相间的封闭路线,从这棋盘上切掉任何两个颜色不同的方格,会让这个封闭线路变成两段线路(如果切掉的方格是相连的,那就是一条线路)。在这两段(或一段)线路中,两种颜色的格子数量都是偶数,故分别都可以被若干张骨牌覆盖。从而证明整个棋盘可以被31张骨牌完全覆盖。

这个著名的棋盘问题是数学游戏大师马丁•加德纳提出的,而上述精妙绝伦的证明则是数学家哥莫瑞(Ralph Gomory)找到的。它们后来被收录在《意料之外的绞刑和其他数学娱乐》这本书里。

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