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[連載1]雞兔同籠,每個(gè)人都能解決的代數(shù)問(wèn)題!

 學(xué)霸數(shù)學(xué) 2022-07-04 發(fā)布于廣東

無(wú)論是小學(xué)奧數(shù)中,還是在初中常規(guī)方程中,雞兔同籠問(wèn)題都是非常典型的.

雞兔同籠問(wèn)題,不僅是我國(guó)古代數(shù)學(xué)名題,也是多種數(shù)學(xué)思想與解題方法的載體.學(xué)霸數(shù)學(xué)小編以此題開(kāi)篇,以敬先賢,也希望以此挖掘歸納出此題的思想方法,讓同學(xué)們掌握方法的同時(shí),更多的了解數(shù)學(xué)問(wèn)題中的文化內(nèi)涵.文尾也會(huì)留下相同的問(wèn)題,供同學(xué)們解答.

在中國(guó)南北朝時(shí)期的數(shù)學(xué)著作《孫子算經(jīng)》中就有雞免同籠問(wèn)題:今有雉兔同籠,上有三十五頭,下有九十四足.問(wèn)雉兔各幾何.”翻譯成現(xiàn)代文:若干只雞與兔子同關(guān)一處,從上看有35個(gè)頭,從下看有94條腿,問(wèn)有雞兔各多少只?

古人對(duì)于“雞兔同籠”問(wèn)題早已經(jīng)給出了許多精妙解法.例如在《孫子算經(jīng)》中說(shuō)到:上置頭,下置足,半其足,以頭除足,以足除頭即得.此方法就是半足法.而《算法統(tǒng)宗》給出了兩種算法:一種是“置總頭倍之得七十,與總足內(nèi)減七十余二四,折半得一十二是兔,以四足乘之得四十八,總足減之余四十六足為雞足,折半得二十三”;另一種算法叫做倍頭法,就是先求雞的只數(shù).

可能多數(shù)同學(xué)看不懂上述古文表述,下面我們分析一下現(xiàn)代人們的解法:

解法一:半足法,也稱“金雞獨(dú)立”法

我們假定雞和兔子通人性,能聽(tīng)懂人話,也能服從主人的命令,主人吹個(gè)口哨,一聲令下,所有的雞抬起一條腿,而兔子抬起兩條腿,這時(shí)候我們?nèi)绻椎降厣?,一?shù)腿數(shù),就會(huì)發(fā)現(xiàn)地上腿的總數(shù)變成了原來(lái)的一半,即47條腿.而雞的腿數(shù)與頭數(shù)相同,一條雞腿就代表一只雞,而兔的腿數(shù)是兔的頭數(shù)的2倍,這意味著每條多出來(lái)的腿代表著一只兔子,因此從47里頭減去頭數(shù)35,剩下來(lái)的就是兔的頭數(shù)12只,于是雞有35-12=23.

解法二:抬腳法

此方法在以前的算學(xué)課本中很常見(jiàn),也是我國(guó)更相減損術(shù)的一個(gè)應(yīng)用,晚清民國(guó)時(shí)的算術(shù)啟蒙基本都采用這種方法.仍然是假設(shè)雞和兔子都通人性,一聲令下,雞跟兔子都兩時(shí)抬起兩條腿,這時(shí)雞撲通一聲,坐到了地上,而兔子還有兩條腿立在地上,地上總有剩下94-35×2=24條兔子腿,故兔共12只,雞23只;當(dāng)然,此法也可進(jìn)行用“砍足法”來(lái)求解,同學(xué)們可以大膽嘗試.

解法三:極端假設(shè)法.在新中國(guó)成立后,由華羅庚等人參與編纂的數(shù)學(xué)讀物里常出現(xiàn)的解法

假設(shè)所有的兔子都變成了雞,那么如果是35只雞,就總共會(huì)有70條腿,但實(shí)際的腿數(shù)卻有94條,我們假設(shè)的比實(shí)際數(shù)目少24條腿,變少的原因在于兔子的腿少數(shù)了2條,于是兔子的只數(shù)24÷2=12只,雞23.當(dāng)然,假設(shè)全是兔時(shí),思路一樣,同學(xué)們可以試一試

解法四:公平設(shè)計(jì)法.

中國(guó)科學(xué)院院士張景中教授給出一種被稱為“公平設(shè)計(jì)法”的解法:兔子有4條腿,而雞卻只有兩條腿,這簡(jiǎn)直就是種族歧視,實(shí)在不公平,所以我們就將雞的兩個(gè)翅膀也看作腿,那么總共有35×4=140條腿,如果不把翅膀當(dāng)作腿時(shí),那么腿只有94條,所以多出的140-94=46條腿,是雞翅,于是雞的只數(shù)46÷2=23只,則兔有12.

以上解法主要對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行改變,通過(guò)差異進(jìn)行修正和還原,最后使原問(wèn)題得到解決的思想方法,此為假設(shè)法.當(dāng)然,除了上述4種方法外,我們還可以使用方程,一元一次方程和二元一次方程組都可以輕松解決;也可非常巧妙的通過(guò)面積法來(lái)解決;

解法五:一元一次方程

設(shè)雞的數(shù)量為x只,則兔子為(35-x)只,2x+4(35-x)=94,解得x=23;

解法六:二元一次方程組

設(shè)雞的數(shù)量為x只,兔的數(shù)量為y只,則x+y=35,2x+4y=94,x=23,y=12;

解法七:面積法

李樹(shù)清在《雞兔同籠問(wèn)題的解法探討》一文中提出把雞兔同籠問(wèn)題變成一道幾何題來(lái)做,如下圖,AB=35,表示共35個(gè)頭,BC=2,表示雞的兩條腿,AF=4,表示免的4條腿,總面積為94,求AHBH,即兔、雞各有多少只?

此法的巧妙之外在于將代數(shù)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為幾何問(wèn)題,腿的總數(shù)=雞頭數(shù)2+兔頭數(shù)2,轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)方形的面積=長(zhǎng)寬,

SAHEF+SHBCD=AH?HE+BH?BC=94,延長(zhǎng)CDAF于點(diǎn)G,SABCG=35×2=70,故四邊形GDEF的面積為94-70=24,FG=2,所以EF=24÷2=12,即兔子為12只,雞為23.

綜述:雞兔同籠問(wèn)題雖易,但它可能是多數(shù)人接觸到的第一個(gè)有方程思想的古代數(shù)學(xué)名題;方法中抬腿、砍足法的應(yīng)用,天馬行空卻不失其合理性.

留下以下兩個(gè)問(wèn)題,供同學(xué)們思考:

有雞和兔共40只,有120條腿,問(wèn)雞兔各多少只?

小明買了鉛筆和鋼筆共30支,鉛筆2元一支,鋼筆5元一支,共花了120元,問(wèn)鉛筆和鋼筆各多少支?

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