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楼主: 3.141592653

一百个著名初等数学问题

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发表于 2008-4-25 07:45 | 显示全部楼层
《100个著名初等数学问题—历史和解》
不知道那里有卖的。
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 楼主| 发表于 2008-4-26 20:42 | 显示全部楼层
第1问
公元前3世纪,当波加的阿波罗尼奥斯天真地继续研究阿基米德的大数时,可能不知晓等待他以及数学家的将是什么。“我要让你们看一看谁懂得大数,”阿基米德想。据说,他出于报复之心而虚构出关于牧牛的计算问题,解决这一问题所需的数字是如此庞大,以致直到最近才得以解决。而且,解决这一问题的并不是人而是机器:世界上最快的电脑。

他提出7个条件后,该问题继续说:“啊!朋友,如果你能算出每群中公牛和母牛的数目,你还是称不上无所不知或精通数字,也不能被列入智者之列。”原来,这些等式并不难解。事实上,它们有无限多的答案,而牛群总头数的最小数值为50389082,这些牛可以在西西里6358400公顷的大平原上自由自在地吃草。然而,阿基米德并未就此停止。他对公牛数目另外又提出了两项限制条件,从而使这问题变得难多了,这才是阿基米德难题的“正版”:“白公牛与黑公牛的数量和是一平方数。花公牛与黄公牛的数量和是一个三角数”。“如果你已算出这群牛的总数,噢!朋友,你俨然就是一个征服者了,不消说,你就是数字科学方面的专家了。”阿基米德的牛群问题采用了三角数和平方数的概念,这与毕达哥拉斯的工作有关。公元前6世纪,毕达哥拉斯及其追随者把数字用圆点布置成三角形、四方形或其他几何图形来表示数。如3、6和10这些数被称为三角数,因为它们可由构成正三角形的圆点来表示。
把这些条件整理如下:
1、白公牛=黄公牛+(1/2+1/3)黑公牛
2、黑公牛=黄公牛+(1/4+1/5)花公牛
3、花公牛=黄公牛+(1/6+1/7)白公牛
4、白母牛=(1/3+1/4)黑牛
5、黑母牛=(1/4+1/5)花牛
6、花母牛=(1/5+1/6)黄牛
7、黄母牛=(1/6+1/7)白牛
8.白公牛+黑公牛=平方数
9.花公牛+黄公牛=三角数(说n是三角数,必须满足:n个点能排出一个正三角形,于是n的形状是(k+1)k/2)
从条件1到7可以求出
白公牛=10366482m,黑公牛=7460514m,花公牛=7358060m,黄公牛=4149387m
白母牛=7206360m,黑母牛=4893246m,,花母牛=3515820m,黄母牛=5439213m,
要是令m=1就可以得简单情形的解答了。如果要考虑“正版”的话还要条件8、9。
再令m=4456749t2则可以满足条件8。从条件9可以得到下列佩尔方程:(2n+1)²-102571605819606(2t)²=1

102571605819606的连分数已经被我求出了,可是循环长200458,我的计算机速度慢,暂时无法计算。

由于用三角数和平方数对公牛进行限制,问题变得非常棘手,两千年里没有取得真正的进展。1880年,一位德国研究者在经过枯燥计算之后表明:符合所有8项条件的最小的牛头数为一个有206545位数的数,该数是以776开头的。阿基米德可能是一个有魔力之人,但他决不是个现实主义者:西西里小岛上决不会容下这样一群牛。正如一位数理论家所说:“即使它们是最小的微生物——不,即使它们是电子,一个以从地球到银河的距离为半径的圆也只能包含这种动物的很小一部分。”
  但没人认为缺乏现实感会妨碍数学研究。20年后的1899年,伊利诺斯希尔斯伯勒的一位土木工程师和他的几位朋友组成希尔斯伯勒数学俱乐部,致力于发现余下的206542位数。经过4年运算后,他们最后宣布,他们发现了12位最右边的数,又另外发现了28位最左边的数,但后来证明他们算的数都弄错了。60年后,3位加拿大人运用计算机首次发现了全部的答案,但他们从未予以公开发表。1981年,当出自劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的克雷1号巨型计算机的47页硬拷贝缩印在《趣味数学》杂志上时,全部的206545位数才最终公布于世。
  当时,克雷1号是世界上运算最快的计算机。克雷巨型计算机是昂贵的——最新型号值2,000万美元,实验室和公司不会买它来解决古老的数论问题。购买它是用于配制新的药物,勘探石油,破译苏联密码,在好莱坞电影中造成辉煌的特别效果以及模拟太空武器。
  然而,人们常常让巨型计算机解决数论史上棘手的计算问题,以便证明它们是否运转正常。计算这种问题的好处是可以轻易地对其答案——即使以前不知道这些答案——进行检验:将它们还原到其等式中去。阿基米德的牛群问题正是在劳伦斯·利弗莫尔实验室检验克雷1号时得以解决的。这台巨型计算机仅用10分钟就发现了206545位数的答案,并两次检验了这一问题的运算。
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 楼主| 发表于 2008-4-26 20:48 | 显示全部楼层
一位数学爱好者做的图
第四题
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 楼主| 发表于 2008-4-26 20:50 | 显示全部楼层
19
http://episte.math.ntu.edu.tw/ar ... html#08_SECTION0008  

33 ,34
http://www.gzjzes.net/forum/UpLoadFiles/20066131791377550.doc  
37
http://post.baidu.com/f?kz=119594994
55
http://post.baidu.com/f?kz=114012976
62 http://post.baidu.com/f?ct=33567 ... rn=50&lm=0&

66跟http://post.baidu.com/f?kz=159715388的方法一样

68  
http://www2.zzu.edu.cn/math/jingpinkecheng/yymx.doc
http://post.baidu.com/f?kz=141614710

71
只有正4面体、正6面体(正方体)、正8面体、正12面体、正20面体
证明见http://wxc.833200.com/jiaoan0412/bixiu09/jiaoan0929.doc
图片见
http://www.iac55.cn/attachments/ ... 916352548477801.swf  
89对数求导法呵

91
http://bbs.tom.com/forum/view_th ... &threadid=15757

http://post.baidu.com/f?ct=33567 ... %FD%D1%A7#170176642

92
一位匿名的网友说:
实际上帆船航行方向不能完全与风向相反不过可以与风向成一定角度地逆风行驶,主要是分别通过控制风帆和船身的方向来控制风对船的推力和水对船的阻力的方向,使这两个力的合力方向与船的行驶方向一致。
要想达到完全逆风行驶的目的,就要成Z字型行驶,如果与风的角度过小,会使船速太慢,而与风的角度过大则会使Z字型的路程过长,要想逆风速度最快,理论上应该是与风成45度角,但实际上由于空气和水的阻力等原因,取40度左右是最理想的。

93
http://episte.math.ntu.edu.tw/articles/sm/sm_27_07_2/

99
http://www.qsng.cn/uploadFiles/2006-09/1158543621055.doc里有
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 楼主| 发表于 2008-4-26 21:17 | 显示全部楼层
第92题
[转&改]
http://zhidao.baidu.com/question/7994274.html
帆船逆风前进
  很难想象帆船怎样能够逆着风前进。水手的确会告诉你们,正顶着风驾驶帆船是不可能的,帆船只能在跟风的方向成锐角的时候前进。可是这个锐角很小——大约只有直角的1/4,大约是22°——不管是正顶着风或者成22°的角度,看来是同样难以理解的。可是实际上,这两种情形不是没有区别的。我们现在来说明帆船是怎样跟风向成小角度逆着风前进的。
根据空气动力学原理,流体速度增加,压力就会减低。空气要绕过向外弯曲的帆面,必须加快速度,于是压力减小,产生吸力,把船帆扯向一边。船帆背风一面因压力降低而产生的吸力相当大,可比迎风一面把帆推动的力量大1倍。  
当风吹在帆上的时候,它总产生一个垂直帆面的力,这个力推动着船帆。如左图,AB线代表帆,因风力是平均分布在全部帆面上的,所以我们可以用R来代表风的压力,它作用在帆中心。把这力分解成两个:跟帆面垂直的力和跟帆面平行的力P。力P不能推动帆,因为风跟帆的摩擦太小了。剩下的力Q依着垂直帆面的方向推动着帆。
 懂得了这点,就容易懂得为什么帆船能够在跟风向成锐角的情况下送着风前进了。让我们用KK线代表船的龙骨线。如中图,风按箭头所表示的方向成锐角吹向这条线。AB线代表帆面,我们把帆转到这样的位置,使帆面刚好平分龙骨方向和风的方向的夹角。风对帆的压力q是跟帆面垂直的,把这个力分解成两个力:力R垂直龙骨线,力S顺着龙骨线指向前面。因为船朝力R的方向运动时候,因帆船的龙骨在水里很深,是要遇到水的强大的阻力的,所以力R几乎被抵消。剩下的只是指向前面的力S在推动船,因而,船是跟风向成着一个角度在前进,好像在逆风里一样。这种运动通常总采取“之”字形路线,像右图那样。水手们把这种行船法叫做“抢风行船”。
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 楼主| 发表于 2008-4-26 21:19 | 显示全部楼层
94题
http://www.lssyzx.com/kezu/mathe ... 006515103931643.doc
不知道过期没。。。
91  
记X,Y,Z分别在BC,CA,AB上  
固定Z的话,作Z关于AB、BC的对称点E、D,EZ交AB于G,DZ交BC于F,于是XZ=XE,YZ=YD,则X、Y必须在直线ED上才能取最小周长。  

从作图知, ∠BGZ=∠BFZ=90°于是BGZF共圆,且BZ是直径。对△BGF而言,GF=BZsinB,所以BZ ⊥AC时GF才能取最小值。再从作图知,GF是 △ZDE的中位线,即ED在此时也能取得最小值。  

这样来看,Z是B到AC的垂足。注意此结论的轮换性,于是X、Y、Z都是垂足了。  
于是问题的解答很简单,就是作三个垂足  

推广:  
直角或钝角三角形:不妨设C>=90,且BC<=AC<=AB,固定Z后的周长最小值2GF=2BZsinB >=2BCsinB,也就是Z点取在C上
那么Y点跟Z点重合,X是C到BA的垂足
81  欧拉直线的证明  
如果想从欧氏几何的角度证明欧拉直线,这现然是比较复杂的和蘩所的,对人的智力是一个极大挑战。单单画图就要费尽好多周折,并且还要分直角三角形,锐角三角形和钝角三形这三种情况进行讨论  

因此,我们应当使用解几的方法来做  
设点A(0,a)是Y轴不位于原点的任意一点,B(b,0),C(c,0,)是X轴上不重合的任意两点,显然,由于这三点都是任意的,因此三角形ABC的形状也是任意的。  
跟据重心坐标公式,容易得到重心的坐标P1(b+c/3,a/3)  

因为直线AB的斜率-a/b,所以AB边上的高所在的直线方程是y=b/a(x-c)  
另X=0,得到垂心的坐标)P2(0,-bc/a)  

设点(X,Y)是三角形的外心,则XY满足下两个方程  
(X-C)^2+y^2=x^2+(y-b)^2  
(X-b)^2_y^2=x^2+(y-b)^2  
解方程得,  
x=b+c/2,y=bc+a^2/2a,这就是外心的坐标P3  
P1P2所在直线的斜率是(a/3+bc/a)/((B+c)/3)=(a^2+3bc)/a(b+C)  
P1P3所在直线的斜率是(bc+a^2/2a+bc/a)/(b+c/2=0)=(a^2+3bc)/a(b+C)  


P1P2=P1P3,即这三点位于同一条直线上。
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 楼主| 发表于 2008-4-26 21:20 | 显示全部楼层
这都是一些数学爱好者的血汗成果
其他的我再慢慢整理
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 楼主| 发表于 2008-4-26 21:24 | 显示全部楼层
趁百年一遇的假期发上来。。。
大家要好好看啊。
估计下一次回来是一百年后了
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发表于 2008-12-28 14:25 | 显示全部楼层
不是100题吗?不够!
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