李大壮在解答女儿在阅读《数学家的眼光》这本书遇到的问题时,除了就书中知识点讲解外,还常常扩展开来,以让女儿“融会贯通”,真正“学懂”数学。比如他在讲解“归纳与演绎”专题时,就用这种方法“诱导”女儿得出许多数学结论。
李大壮:完全不同的个位数有几个?
李慧香:1、2、3、…、9,共9个。
李大壮:完全不同的十位数有多少个?
李慧香:99-10+1=90。
李大壮:完全不同的百位数有多少个?
李慧香:999-100+1=900。
李大壮:完全不同的千位数有多少个?
李慧香:9999-1000+1=9000。
李大壮:9、90、900、9000有什么规律?
李慧香:9=9*10^0、90=9*10^1、900=9*10^2、9000=9*10^3
李大壮:N为整数且N≥1,那样完全不同的N位正整数有多少个?
李慧香:9*10^(N-1)个
李大壮:这种推导方法叫什么方法?
李慧香:归纳法。
李大壮:你可否用演绎法证明完全不同的N位正整数有9*10^(N-1)个?
李慧香:任意一个N位正整数,其个位上的数字可能为1、2、3、…、9中的任意一个数字,即有9种选择,十位上的数字可能为0、1、2、3、…、9中的任意一个数字,百位上的数字可能为0、1、2、3、…、9中的任意一个数字,千位上的数字可能为0、1、2、3、…、9中的任意一个数字,…,N位上的数字可能为0、1、2、3、…、9中的任意一个数字,由此可见十位上直到N位上的数字都有10种选择,因此完全不同的N位正整数个数为:
9*10*10*10*10*10*10*10*10*10*10*10…*10
共有N -1个10。
即有9*10^(N-1)个
李大壮:真聪明,你用二种方法证明了有关正整数数位上的数字排列组合的规律。还有没有别的方法?
李慧香:完全不同的N位正整数个数=99999…9-10000…0 +1=90000…0=9*10^(N-1)
其中99999…9共有N个9,10000…0共有N-1个0,90000…0也共有N-1个0。
李大壮:你这种方法叫什么方法?
李慧香:演绎法。
李大壮:对,同是演绎法,你前一种方法用的是排列组合法,而后一种用的是算术方法。
李慧香:同是证明,算术方法是最简单的,同一个问题可用不同的数学工具来解决。
李大壮:对,本条数学题如果与笛卡尔的《谈谈方法》扯上关系,你有什么看法?
李慧香:笛卡尔的方法就是发现问题,提出问题,做出假设,实验验证,直到得出正确结论为止,其中“发现问题,提出问题,做出假设”相当于归纳法,而“实验验证,直到得出正确结论”相当于演绎法。
李大壮:讲得对!你可否列出“完全不同的N位正整数有多少个?”的等价命题?
李慧香:N位正整数从小到大有多少个?N位正整数从大到小有多少个?如果用0、1、2、3、…、9这10个数字来造出N位正整数,可造出完全不同的个数有多少个?如果用0、1、2、3、…、9这10个数字来组成任意一个N位正整数,有多少种组法?等等,它们都是“完全不同的N位正整数有多少个?”的等价命题。
李大壮:讲得对!那由所有的N位正整数构成的集合,其元素个数是多少呢?
李慧香:9*10^(N-1)个。
李大壮:非常聪明!一个命题是“如果一个集合是由所有的N位正整数构成,那么其元素个数是9*10^(N-1)个”,那么它的逆否命题是什么?
李慧香:如果一个正整数集合的元素个数不是9*10^(N-1)个,那么它不是由所有的N位正整数构成的。
李大壮:如何证明?
李慧香:因逆否命题等价于原命题,即只需证明“如果一个集合是由所有的N位正整数构成,那么其元素个数是9*10^(N-1)个”成立即可。所有的N位正整数是无穷多的,但按照集合论有关元素的定义,二个或多个相同的N位正整数仅算一个元素,这样一来只需证明“完全不同的N位正整数有9*10^(N-1)个”即可。
李大壮:非常聪明!如果三个集合分别是{N位正整数}、{N位正整数|从小到大}、{N位正整数|从大到小},它们有什么关系?
李慧香:这三个集合是相同的。
李大壮:如果一个集合是{两个N位正整数之和},那么该集合的元素个数是否有可能存在无限多的情况?
李慧香:1.当N=1时,先探讨A1=1、A2=2、A3=3的情形,
{(Ai+Aj)|Ai∈{1,2,3},Aj∈{1,2,3},i=1、2、3,j=1、2、3}={2,3,4,3,4,5,4,5,6}={2,3,3,4,4,4,5,5,6}={2,3,4,5,6}
当N=1时,再探讨A1=1、A2=2、A3=3、A4=4的情形,
{(Ai+Aj)|Ai∈{1,2,3,4},Aj∈{1,2,3,4},i=1、2、3、4,j=1、2、3、4}={2,3,4,5,3,4,5,6,4,5,6,7,5,6,7,8}={2,3,3,4,4,4,5,5,5,5,6,6,6,7,7,8}={2,3,4,5,6,7,8}
2.当N=2时,探讨A1=10、A2=11、A3=12的情形,
{(Ai+Aj)|Ai∈{10,11,12},Aj∈{10,11,12},i=1、2、3,j=1、2、3}={20,21,22,21,22,23,22,23,24}={20,21,21,22,22,22,23,23,24}={20,21,22,23,24}
3. 当N=3时,探讨A1=100、A2=101、A3=102、A4=103的情形,
{(Ai+Aj)|Ai∈{100,101,102,103},Aj∈{100,101,102,103},i=1、2、3、4,j=1、2、3、4}={200,201,202,203,201,202,203,204,202,203,204,205,203,204,205,206}={200,201,201,202,202,202,203,203,203,203,204,204,204,205,205,206}={200,201,202,203,204,205,206}
……
由上面例子可归纳出如下规律:
当N=c时,c∈{x|x≥1的整数}设A1为最小的c位正整数,令A1=b,有A2=b+1、A3=b+2、A4=b+3、…、A9*10^(c-1)=b+9*10^(c-1)-1,而c位正整数从小到大共有9*10^(c-1)个,也即A9*10^(c-1)为最大的c位正整数,因此有:
{(Ai+Aj)|Ai∈{b,b+1,b+2,b+3,…,b+9*10^(c-1)-1},Aj∈{b,b+1,b+2,b+3,…,b+9*10^(c-1)-1},i=1、2、3、4、…、9*10^(c-1),j=1、2、3、4、…、9*10^(c-1)}={2b,2b+1,2b+2,2b+3,…,2b+18*10^(c-1)-2},因此有:
|{2b,2b+1,2b+2,2b+3,…,2b+18*10^(c-1)-2}|=2b+18*10^(c-1)-2-2b+1=18*10^(c-1)-1
因此当N无穷大时,也即c无穷大时,18*10^(c-1)-1→+∞,{两个N位正整数之和}为无限集,|{两个N位正整数之和}|为无限多;当N为一常数c时,c∈{x|x≥1的整数},
|{两个N位正整数之和}|=18*10^(c-1)-1,{两个N位正整数之和}为有限集。
李大壮:非常聪明!{三个N位正整数之和}是什么情况呢?
李慧香:依据上边有:|{三个N位正整数之和}|=b*3+3*9*10^(N-1)-3-b*3+1=27*10^(N-1)-2
当N无穷大时,27*10^(N-1)-2→+∞,{三个N位正整数之和}为无限集;当N为一常数c时,c∈{x|x≥1的整数},|{三个c位正整数之和}|=27*10^(c-1)-2为一定值,{三个c位正整数之和}为有限集。
李大壮:{k个N位正整数之和}是什么情况呢?k∈{x|x≥1的整数}。
李慧香:同样有:|{k个N位正整数之和}|=b*k+k*9*10^(N-1)-k-b*k+1=9k*10^(N-1)-k+1
当N无穷大时,无论k是常数还是无穷大,都有9k*10^(N-1)-k+1=k(9*10^(N-1)-1)+1→+∞,{k个N位正整数之和}为无限集;
当N为一常数c时,c∈{x|x≥1的整数},又有二种情形:
1) k为一定值时,|{k个c位正整数之和}|=9k*10^(c-1)-k+1为一定值,{k个c位正整数之和}为有限集。
2) k为无穷大时,9k*10^(c-1)-k+1=k(9*10^(c-1)-1)+1→+∞,{k个c位正整数之和}为无限集。
李大壮:太捧了!求一下{2位正整数}∪{两个2位正整数之和}∪{三个2位正整数之和}∪{四个2位正整数之和}…∪{k个2位正整数之和},k∈{x|x≥2的整数}
李慧香:{10,11,12,13,14,…,99k}
李大壮:好!n∈{x|x≥1的整数},S(n)=1/1+1/2+1/3+1/4+1/5+1/6+1/7+1/8+1/9+1/10+1/11+1/12+1/13+1/14+1/15+1/16+…+1/n,当n→+∞时,S(n)小于一定值吗?
李慧香:S=1/1+1/2+1/3+1/4+1/5+1/6+1/7+1/8+1/9+1/10+1/11+1/12+1/13+1/14+1/15+1/16+…+1/n=1/1+1/2+(1/3+1/4)+(1/5+1/6+1/7+1/8)+(1/9+1/10+1/11+1/12+1/13+1/14+1/15+1/16)+…+1/n≥1+1/2+2*1/4+4*1/8+8*1/16+…+1/n=1+1/2+1/2+1/2+1/2+…+1/n=1+m*1/2+…=1+m/2+…
其中m∈{x|x≥1的整数},当n→+∞时,有m→+∞,1+m/2+…→+∞,所以S(n)不可能小于一定值,而是无穷大。
李大壮:超棒!当n→+∞时,S(n)无穷大,此种情形在数学上用什么术语描述。
李慧香:发散。
李大壮就是用这些方法来辅导女儿数学的,使女儿数学越学越好。作为初二学生的李慧香通过阅读《数学家的眼光》这本书,在父亲扩展开来讲解后,她已提前掌握了不少高中数学知识。
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