通过一道妇孺皆知的经典问题逐步抽象,直至超越你的想象!

文摘   2024-10-21 11:30   江苏  
让我们以一道深入人心的经典问题作为引子,逐步揭开抽象思维的神秘面纱,直至超越你的想象。
在此之前,让我们先简要勾勒出抽象思维的轮廓:它是一种忽略细枝末节,直击事物核心共性的思考方式。正是这种能力,让我们得以洞察世间万物的内在联系,感叹于宇宙间那不可思议的相通之理。数学,作为抽象思维的典范,引领我们不断探索、理解并解决复杂问题,揭示隐藏于表象之下的深刻规律。
此刻,让我们以一道家喻户晓的经典问题——“鸡兔同笼”为桥梁,将抽象思维从抽象的世界带入具象的世界。
鸡、兔共30只,共有84只脚,鸡兔各有多少只?

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。

在此,我们暂不采用传统的假设法,尽管它是解决此类问题的经典途径。

众所周知,我们人类计数的方式经历了从具体石头计数、结绳计数到抽象的刻痕计数的过程,直至最后,形成用图形表示数的方式——数形结合。现在,就让我们从这种可视化的抽象方式入手。

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,用更简单的语言描述未知数,比如,某些符号,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。

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。

相信至此,各位读者已对抽象思维的魅力有了更为直观的感受。它如同数学世界中的一把钥匙,解锁了理解与解决现实世界复杂挑战的大门。这不仅仅是一场计算上的革命,更是数学思维在现实应用中的华丽绽放。

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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。

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