2012年7月4日星期三

《盡數森聲》第二話:數學少女1—名為算式的情書



x² - 5x  + 6 = 0
因為  x² - 5x + 6 = (x - 2)(x - 3)
所以 (x - 2)(x - 3) = 0
x = 2 或  x = 3


分清每一條算式背後,作者想傳達的意義,才能讀好數學。正如細味情書每句背後的心意,才能抓緊幸福。《數學少女1—數列與規律》第二章,名為算式的情書。數學少女蒂德菈希望學好數學,於是寫信向主角請教。


蒂德菈從小學開始就覺得數學問題很有趣。但是升中之後,無論是上課還是讀書,都常常覺得無法完全理解。到高中之後,由於知道數學很重要,要好好學習,所以才想要解決無法完全理解的問題。


嚴密思考﹑嚴密定義
經主角一問,蒂德菈學習數學的問題一目了然。主角問蒂德菈質數和絕對值的定義,蒂德菈答「像是5或7之類」及「5和 -5的絕對值都是5」,追問下才有「只有1和自己本身能整除的數」及「去掉負號就好」的粗疏定義,而非「就大於一的整數p,當它只能被1和 整除時, 就是質數」及「當 x ≥ 0, 的絕對值 | x | 就是 x ;當 x < 0,絕對值 | x | 就是 -x」等的嚴密定義。


數學家會找出對構成數學世界有用的數學概念,然後將它命名,這就是定義。將概念清楚規定下來,就能勉強算是定義了。但是,能否定義和能否派上用場又是兩回事。在蒂德菈的質數定義裡,質數包含1。這會令質因數分解的唯一性消失,定義用途便會隨之消失。另外,在蒂德菈的絕對值定義裡,「把負號拿掉」這種說法太籠統,會產生將 -x 的負號拿掉就是 x ,3(即-(-3))的絕對值反而是 -3 的謬誤。要進一步確認,就不能嫌過程像吹毛求疵,必須嚴密思考。習慣嚴密思考就能習慣算式,甚至數學也說不定。


蒂德菈開始覺得她浪費了中學生活。她原本覺得她還算勤力的,但是她不曾嚴密讀過課本裡面的定義及算式,發現她自己的數學學得非常鬆散。不過,從現在開始用正確方法學習數學也不算遲。


1024 的因數和是多少?答案是2047 。
正整數 的因數和是多少?答案在乎如何表達。


算式分類
算式有分三種。當題目是 x – 1 = 0時,通常做法是在等式兩邊加上1,得 x = 1。這是一條方程式。 當題目是 2(– 1) = 2– 2時,通常做法是演算左方, 得左方 2(x – 1) 展開之後變成 2– 2,和右方吻合,故此這是恆等式。方程式和恆等式的分別在於:方程式是「當 x 代入某數時,這算式成立」,任務是同時操作兩邊,求出令這算式成立的某數 x ;而恆等式是「無論 x 代入任何數,這算式都會成立」,任務是逐邊操作,以證明算式永遠成立。分清方程式和恆等式,才能明白作者每一條算式的意圖,讀懂整段數學。


但是,既然分辨方程式和恆等式是非常重要,到底有沒有辦法分辨?有時候作者會刻意指明,當然容易分辨。有時亦需要從敘述和上文下理判斷。在算式變化過程中,每一步都是恆等式。這是一個例子:


(x + 1)(x – 1)
= (x + 1) × x – (x + 1) × 1
= x × x + 1 × xx × 1 – 1 × 1
= x² + xx – 1
= x² – 1


一直都用等號連接,像這樣無論 x 代入任何數,等式都必然成立,也就變成一連串的恆等式。一步一步慢慢來,最後就能得到這個恆等式:


(x + 1)(x – 1) = x² – 1


這段恆等式,就是為了要讓人理解才把算式變化像慢動作般呈現。所以決不能有「哇!好多算式」這種負面想法,要一步一步慢慢理解。再來看看這段算式:


x² - 5x + 6 = 0
因為 x² - 5x + 6 = (x - 2)(x - 3)
所以(x - 2)(x - 3) = 0
x = 2 或 x = 3


第二行構成恆等式,也就是「對所有 皆成立」,並按此將第一行的題目化成第三行的算式,即以 (x - 2)(x - 3) = 0 代替 x² - 5x + 6 = 0 求解。


除了方程式與恆等式,算式還可以是定義式。當一條複雜算式出現時,為它的一部分命名,進而簡化算式,就能讓算式變得簡單易懂。命名的時候用上等號,句子便會變成算式。它無法像方程式般可以解開,也不用像恆等式般需要證明,只要自己方便就好。以 α + β 為例,若在算式段落不斷重覆出現,就可命名它為s,以定義式 sα + β 表示。當然,不用 s,用任何符號也可以,唯獨在別的地方用作其他意思的符號就不行了。舉例說,若已定義 s = α + β 就不能再定義 s = αβ ,否則閱讀起來便會混亂,也失卻命名的意義。


數學書內有很多算式。這些算式都是作者為了傳達自己想法而寫下。這些算式背後一定有想傳達訊息的某人。


和的形式與積的形式
x² - 5x + 6 = 0 還是 (x – 2)(x – 3) = 0?
在閱讀算式的時候,注意算式整體形式也能幫助理解。x² - 5x + 6 = 0 乃和的形式,它會方便加減操作,但對解方程於事無補;而 (x – 2)(x – 3) = 0是積的形式,解方程時會相當方便,但操作起來卻十分麻煩。作者選用的形式會提示他的下一步行動。注意這點便能讀通上文下理。


數式背後
算式背後都有一段歷史。當我們在讀算式時,就像是和無數數學家格鬥,一定會花時間。當我們展開一道算式,就像穿越幾百年時空,和當年數學家一起面對相同問題。該做的事,不單是閱讀,還要動手寫,以確保自己真正理解。算式也是數學的語言,算式背後,有著某人想要傳達的訊息。這人可以是某校的老師,或幾百年前的數學家,更可以是遠在天邊,近在眼前的同學。他們將用心研習的學問,連同真誠解決問題的心意,化成算式,呈現眼前。
結語
青文出版社小說《數學少女》,香港各大連鎖漫畫店,可供訂購。

2012年6月24日星期日

《盡數森聲》第一話:數學少女1—數列與規律




1, 1, 2, 3, 接著是 5 和 8
1, 4, 27, 256 接著是 3125 和 46656
6, 15, 35, 77 接著是 143 和 221
6, 2, 8, 2, 10, 18 接著是 4 和 12

看見數列,總會有找一條算式表示各項的衝動,以預測下項數值。正如人生在世,面對身邊萬千事物,總會希望找出事物規律,以規畫自己行為。《數學少女1—數列與規律》第一章,數列與規律。數學少女米爾迦和主角的邂逅,源自普通的數列謎題。

《我喜歡數學》
主角喜歡數學,是因為比起記憶東西,他更喜歡思考,數學並不是要唤起陳舊的記憶,而是要拓展新的發現,記憶性的東西就只能死記,像是人名﹑地名﹑單字﹑元素表,沒有第二種方法,但是數學不同,只要給予問題的條件,就會像將材料和道具準備好放在桌上,勝負的關鍵不是記憶,而是思考。可是,最後的謎題好像又不是這一回事。

《數列謎題沒有所謂正確答案》
米爾迦反指:數列謎題沒有所謂正確答案。1, 2, 3, 4 接著不一定是5,它可以突然增加到 10, 20, 30, 40,再增加到 100, 200, 300, 400 …這樣也算是一種數列。若果首數項是提示,當數列無限延伸,到底要提示到第幾個才夠呢?世上的事就是這樣,不曉得之後會發生甚麼事,或許與原先預計的不同……

1, 2, 3, 4, 6, 9, 8, 12, 18, 27 接著下去是甚麼?如能以文字表示規律,就有希望找出算式表示各項。主角與數學少女米爾迦探索數列算式的旅程,就此開始。

青文出版社小說《數學少女》,香港各大連鎖漫畫店,可供訂購。

2012年6月17日星期日

《同人轉載》新世紀數學少女

又是來自 Kirk Chan 的同人創作。《新世紀數學少女》調寄《新世紀福音戰士》主題曲《殘酷天使的行動綱領》。徵求好心人試唱,成為下一輯網誌的主題曲。

《新世紀數學少女》 詞:Kirk Chan

(國語)
困難又複雜的許多問題
數學少女啊快去解開謎底

(粵語)

方程 似天邊浮雲
等號的雙方有太多可能
無論三元二次
或是一個數字
兩邊數值永遠相等

扉頁 猜想中停留
讓後世學者無止境探求
過程縱有跌宕
也不放棄希望
相信一天可得出答案

X的 N次再加上Y的N次
會否與ZN相等
三百年後終於也証明到
只可有平凡的根

數學家總是在建構新的定理
為使應付各種時候再變化
計算當中若見反例被留下
我想知道那裏是有錯嗎
驗算讓我知道answer真與假
在妳的雙眼裏我望見了火花

(SIN THETA 若OVER TANGENT THETA
約了SIN 就等於COSINE)

鉛筆 在白紙留痕
坐標中每個點也都可能
看著直線落下
將這空間分隔
以耐性找出最佳解答

哲人 在世間留痕
在歷史長河裏幾番追尋
伴我踏上征旅
送上多方指引
追蹤往日步履足印

再挫敗再困倦此刻也未停步
計算用心也用神
再看著身邊努力的少女臉孔
讓我心充滿信心

數學中存在各種各樣的知識
在世間充滿著無數的變化
用耐心與冷靜逐步去追尋
但我想知道你會伴我解答嗎
判別式讓我知道解的真與假
在妳的雙眼裏我望見了火花

再挫敗再困倦此刻也未停步
計算用心也用神
再看著身邊努力的少女臉孔
讓我心充滿信心

數學中存在各種各樣的知識
在世間充滿著無數的變化
用耐心與冷靜逐步去追尋
但我想知道你會伴我解答嗎
判別式讓我知道解的真與假
在妳的雙眼裏我望見了火花

原曲:
http://www.youtube.com/watch?v=uV1pNQiQhL8&feature=related