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。