这道题太过经典了。我太喜欢这道经典题,因为,我们可以通过不同的视角来探索这道题,而这个探索的过程就是数学的本质,数学的全部奥义。
今天,我们暂别传统的假设法,转而采用一种更直观的方式。
想想看,人类计数从具体的石头、结绳,到抽象的刻痕计数,直至最后,形成用图形表示数的方式,步步演进。现在,就让我们借助数形结合的方式,以可视化的方式,解决鸡兔同笼问题。在这个过程中,你会发现,数学其实并不遥远,它就藏在我们每一次的思考与探索之中。
我们可以用一个线段表示兔子的数量,用另一个线段表示鸡的数量,由于一只兔子有4只脚,所以,兔脚的数量就是兔子数量的4倍,画4个同样长度的线段就可以表示出兔子的数量,同理,我们也可以用线段表示出鸡脚的数量。如下图所示。
如此,我们就实现了抽象,把问题中的各种数量用图形的方式刻画出来。这种方式可以非常直观地理解兔子和鸡的数量,以及兔子和兔脚,鸡和鸡脚的数量关系。
进一步转换,把鸡和兔子的数量之和乘以两倍,得到如下图所示的关系。经过这样的变换,我们可以顺理成章地抵消掉和鸡相关的线段,只保留兔子的数量关系。
有了上面的推理,要得到正确的答案应该已经不是难事,只要把上下两个做相减操作,就能得到只包含兔子数量关系的线段,如下图所示,由此便可以顺利地解出答案。
虽然,数形结合的方式非常直观,也很容易理解,在很多情况下可以帮助我们更加方便地分析问题。
但是,这种程度的抽象在应对更复杂的问题时不太容易解决,会增加复杂度,甚至无法解,比如,有三个变量,甚至四个变量,甚至出现平方,立方等关系。鉴于此,我们需要进一步抽象。
如何抽象呢?
我们知道抽象就是忽略一些细枝末节,寻找事物之间的共性,寻找变与不变,上述用线段图抽象的方式,在变换的过程中,代表兔子和鸡的数量的线段没有变化,变化只有代表兔子和鸡的数量的线段的多少。
那我们是不是可以进一步思考,用其他更简介的符号来替代线段图呢?
答案是显而易见的,就是我们熟知的方程思想。
我们假设,兔子的数量为x,鸡的数量为y,则有如下的关系成立。
x+y=30 (1)
4x+2y=84 (2)
这就是我们初中要学习的二元一次方程组。当然,这道题也可以用一元一次方程的方法求解。我们就不针对这个方法展开讨论。接下来就是怎么解的问题。
(1)×2 => 2x+2y=60 (3)
(2)-(3) => 2x=24
由此,我们也能够顺利解出答案。
到此结束了么?
数学家说:不,我们还可以进一步抽象。我们依然遵循抽象思维的方式,寻找变与不变,同与不同。
从上面计算的过程看,我们只是对方程式进行了简单的加减乘除运算,并且这个计算的过程中,x,y这两个未知数并没有发生变化,发生变化的只有x,y前面的系数,以及等号右边的值。
所以,我们是不是可以更大胆一点,进一步抽象,发明一种工具,只保留其系数和等号右边的值?
答案是显而易见的,而这个工具就是矩阵。矩阵在计算机领域有着广泛的应用,特别是在搜索引擎算法和人工智能等领域。
我们继续回归到上面的话题。
那么,用矩阵的方式,如何计算鸡兔同笼问题呢?矩阵计算如下图所示,因为这个内容不是中学必考知识点,我只做简要解释,矩阵中“|”右边的数字就是我们上面一元二次方程组未知数前面的系数,“|”右边的数字是我们上面两个方程等号右边的值。图中4r1-r2表示矩阵中第二行上的元素乘以4减去第一行上所有的元素(我这里并没有严格遵循矩阵计算的规则,若是您感兴趣可以翻阅线性代数教材)。
显然,当我们进一步抽象,用矩阵的方式计算,我们发现这种计算方式是可以帮助我们实现简化的目的,在做消元的过程中,不用再去写一堆不会变化的变量。
我坚信,当诸位阅读至此,对于抽象思维必然已经获得了更为直观且深刻的领会。如此这般,在日常的数学学习历程中,我们便能够有意识地持续锤炼自身的抽象思维能力,凭借这种强大的思维武器去剖析和理解更多纷繁复杂的事物,犹如在知识的迷宫中点亮一盏明灯,指引我们穿越重重迷雾,直达事物的核心与本质,从而在数学学习以及探索世界奥秘的征程中不断披荆斩棘,收获更多深刻的认知与宝贵的智慧。
每当我看到大家谈“数学”色变,每当我看到世人面对数学时眼中流露出恐惧之色时,我都想告诉他们,他们对数学的感觉是错误的,每当我看到数学被世人误解,总有种痛心的感觉,我想告诉他们数学真实的面貌。所以,我毅然决然地来实现这个梦想,把数学真实的面貌展现给大家,最终,让大家爱上数学。
我主要围绕K12数学从五个维度抽丝剥茧把真正的数学展现给大家。