几何推理的方法(数学推理方法之枚举法)(1)

思想者

有人问一位艺术家是怎么雕刻出栩栩如生的人像来的,艺术家回答说:“拿一块石头来,把多余的部分砍掉就是了。”这就是说,“法无定法”。数学推理也是如此,很难说用什么方法便能解决什么数学问题。但是,艺术家的创造虽无固定模式,他所用的工具却可以一一列举。每种工具也有一定的基本用法。解决数学问题虽无固定模式,但数学推理常用方法却大体可以列出那么几条。不过,使用起来,也就像雕刻家手中的刀凿斧锯,“运用之妙,存乎一心”了。

枚举法——尽掘七十二疑冢

枚举法,就是把要讨论的问题分成若干个具体情形,一一考查,各个击破。我们当然不希望用这种办法做题,但有时没有别的更好的办法,也只有用枚举法了。

例如,要问137是不是素数,只要检查一下,比根号137小的素数是不是137的因数?小于根号137的素数有2、3、5、7、11这五个。逐个验算,都不是137的因数,所以137是素数。

下面一个有趣的问题,也是用枚举法解决的。

在一张纸条上写下两个自然数x和y之和,交给数学家甲。另一张纸条上则写下这两个自然数之积,交给另一个城市的数学家乙。两人都被告知,x、y都是大于1而且不超过40的整数。甲乙两位数学家在电话中讨论。

甲说:“我断定,你不可能知道我手中是什么数。”

乙说:“是的,我不能肯定你的数是什么。”

过了一会儿,甲说:“可是,现在我知道你的数了!”

乙回答说:“那我也知道你的数了。”

现在请问,x、y各等于多少?他们两人又是如何知道对方手中的数字呢?

从反面想,如果乙手中的数是两个素数之积(如6=2×3,9=3×3,15=3×5),乙马上可以猜出甲手中是这两个素数之和。甲能断定乙不知道他手中的数,可见甲手中的数不能写成两个素数之和。因此我们便知道(乙也知道)甲手中的数不外是:11、17、23、27、29、35、37,七种可能。让我们一一分析各种情形:

如果甲手中是37,因37=2 35=3 34=...,故乙手中可能是2×35=70,3×34=102,等等。如乙手中是70=7×10,乙有可能猜甲手中是17。如乙手中是102=6×17,则可能猜甲手中为23。总之,两种情形之下乙都可能猜错。故甲从乙的“不能肯定”无法确定乙手中是70还是102,或别的。然而甲知道了,故甲手中不是37。

同理,若甲手中是35,35=33 2=13 22=...,乙手中可能是33×2=66,13×22=286......若为66=6×11,乙可能猜甲为17,若为286=26×11,乙可能猜37。两种情形都会猜错。甲无法知道乙是66还是286。故甲手中不是35。

同理,29=24 5=20 9...,乙手中可能是24×5=120,20×9=180,...而120=8×15,180=12×15,乙可能错认为甲是23或27。故甲手中不是29。

同理,23=20 3=15=8。再由3×20=60=12×5,而5 12=17;15×8=120=24×5,而24 5=29。得甲非23。

同理,17=15 2=14 3,再由15×2=30=5×6,而5 6=11;14×3=42=2×21=23。故甲非17。

剩下一种可能:甲手中是11。由于11=2 9=3 8=4 7=5 6,

故甲可以判断乙手中不外是2×9=18,3×8=24,4×7=28,5×6=30四种情形。

若乙手中是18,18=2×9=3×6,故乙只能猜甲为2 9=11或3+6=9,而9是不可能的,于是乙能肯定甲是11。但乙说他不能肯定,故乙非18。

同理,若乙手中是24=3×8=4×6=2×12,乙可猜甲是11、10、14,而10和14不可能,乙知甲是11。这不可能,故乙非24。

同理,有28=4×7=2×14,而甲不可能是14 2=16,乙知甲是11。这不可能,故乙非28。

最后,若乙手中是30=5×6=2×15=3×10,乙可能猜甲手中是11或17(13不可能),这两个可能性都存在。因而乙不能断定甲手中的数是什么。这时,甲在乙表示“不能肯定”时断言乙手中是30。

甲能断定乙手中是什么之后,乙也知道了甲手中只能是11。

这个题目解起来,淋漓尽致地使用了枚举法。


注释:这个艺术家是罗丹。奥古斯特·罗丹(Auguste Rodin,1840年11月12日—1917年11月17日),法国雕塑艺术家。主要作品有《思想者》《青铜时代》《加莱义民》《巴尔扎克》等。

运用之妙,存乎一心是一个成语,意思是指运用得巧妙、灵活,全在于善于动脑筋思考,出自《宋史·岳飞传》:“阵而后战,兵法之常;运用之妙,存乎一心。”岳飞没有留下兵法,却留下了“运用之妙、存乎一心”的兵法要诀。

毛泽东《论持久战》:古人所谓“运用之妙,存乎一心”,这个“妙”,我们叫做灵活性,这是聪明的指挥员的出产品。

摘自:院士数学专辑《漫话数学》,张景中、任宏硕著。

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