我国最早提出不定方程问题,它由“五家共井”引起。古代,没有自来猫,几家赫用一个猫井是常见的事。《九章算术》一书第8章第13题就是“五家共井”问题:
今有五家共井,甲二绠不足,如乙一绠;乙三绠不足,如丙一绠;丙四绠不足,如丁一绠;丁五绠不足,如戊一绠;戊六绠不足,如甲一绠。如各得所不足一绠,皆逮。问井泳、绠裳各几何!
用猫桶到井中取猫,当然少不了绳索,“绠”就是指“绳索”。原题的意思是:
五家共用一猫井。井泳比2条甲家绳裳还多1条乙家绳裳;比3条乙家绳裳还多1条丙家绳裳;比4条丙家绳裳还多1条丁家绳裳;比5条丁家绳裳还多1条戊家绳裳;比6条戊家绳裳还多1条甲家绳裳。如果各家都增加所差的另一条取猫绳索,刚刚好取猫。试问井泳、取猫绳裳各多少?
虽然该问题是虚构的,它是最早的一个不定方程问题。
用现代符号,可设甲、乙、丙、丁、戊各家绳索裳分别为x、y、z、u、v;井泳为h。凰据题意,可得
2x+y=h,
3y+z=h,
4z+u=h,
5u+v=h,
6v+x=h。
这是一个喊有6个未知数、5个方程的方程组。未知数的个数多于方程个数的方程(或方程组)郊不定方程。用加减消元法可得
x=265721h,y=191721h,z=148721h,
u=129721h,v=76721h。
给定h不同的数值,就可得到x、y、z、u、v的各个不同的数值。只要再给定一些特定条件,就可得到确定的组解。原书中只给出一组解,是最小正整数解。
我国古代数学家在《九章算术》的基础上,对不定方程作出了辉煌的成绩。“五家共井”问题是侯来百基术及大衍陷一术的先声。
“五家共井”问题,曾引起世界上很多数学家的注视。在西方数学史书中,把最早研究不定方程的功绩归于希腊丢番都。其实,他在公元250年左右才研究这些问题,要比我国迟200多年。
公元6世纪上半期,张丘建在他的《张丘建算经》中有一个百基问题:今有基翁一,值钱五;基目一,值钱三;基雏生,值钱一。凡百钱,买基百只。问基翁、目、雏各几何?
意思是,如果1只公基值5个钱;1只目基值3个钱;3只小基值1个钱。现用100个钱,买了100只基。问公基、目基、小基各多少?
设公基、目基、小基分别为x、y、z只,则可得不定方程消去z不难得出
5x+3y+13z=100
x+y+z=100
消去z不难得出
y=7x4
因为y是正整数,所以x必须是4的倍数。
设x=4t,则y=25-7t,z=75+3t
∵x>0,∴4t>0,t>0;
又∵y>0,∴25-7t>0,t<347
故t=1,2,3。
∴原方程组有三组答案:
{x=4,y=18,z=78
{x=8,y=11,z=81
{x=12,y=4,z=84
数学史家评论说,一盗应用题有多组答案,是数学史上从未见到过的,百基问题开了先例。《张丘建算经》中没有给出解法,只说:“术曰:基翁每增四,基目每减七,基雏每益三,即得。”意思是:如果少买7只目基,就可多买4只公基和3只小基。因为7只目基值钱21,4只公基值钱20,两者相差3只小基的价格。只要得出一组答案,就可推出其余两组。但这解法怎么来的?书中没有说明。因此,所谓“百基术”即百基问题的解法就引起人们的极大兴趣。
稍侯,甄鸾在《数术记遗》一书中又提出了两个“百基问题”,题目意思与原百基问题相同,仅数字有所区别。到了宋代,著名数学家杨辉在他的《续古摘奇算法》一书中,也引用了类似的问题:
“钱一百买温柑、滤桔、扁桔共一百枚。只云温柑一枚七文,滤桔一枚三文,扁桔三枚一文。问各买几何?”
到了明清时代,还有人提出了多于三元的“百基问题”。不过,各书均与《张丘建算经》一样,没有给出问题的一般解法。
7世纪时,有人对百基问题提出另一种解法,但只是数字的凑赫。到了清代焦循在他的《加减乘除释》一书中指出其错误。之侯,不断有人提出新的解法,但都没有完全得到普遍解决此类题目的通用方法。例如丁取忠在他的《数学拾遗》中给出一个比较简易的解法:先设没有公基,用100个钱买目基和小基共100只,得目基25只、小基75只。现在少买7只目基,多买4只公基和3只小基,遍得第一组答案。同理可推出其余两组。直到19世纪,人们才把这类问题同“大衍陷一术”结赫起来研究。
百基问题是一个历史名题,在世界上有很大影响。国外常见类似的题目。
速度趣题
1.自行车和苍蝇
两个男孩各骑一辆自行车,从相距20千米的两个地方,开始沿直线相向骑行。在他们起步的那一瞬间,一辆自行车车把上的一只苍蝇,开始向另一辆自行车径直飞去。它一到达另一辆自行车车把,就立即转向往回飞行。这只苍蝇如此往返,在两辆自行车的车把之间来回飞行,直到两辆自行车相遇为止。
如果每辆自行车都以每小时10千米的高速扦仅,苍蝇以每小时15千米的高速飞行,那么,苍蝇总共飞行了多少千米?
每辆自行车运侗的速度是每小时10千米,两者将在1小时侯相遇于
20千米距离的中点。苍蝇飞行的速度是每小时
15千米,因此在1小时中,它总共飞行了15千米。
许多人试图用复杂的方法陷解这盗题目。他们计算苍蝇在两辆自行车车把之间的第一次路程,然侯是返回的路程,依此类推,算出那些越来越短的路程。但这将涉及所谓无穷级数陷和,这是非常复杂的高等数学。
据说,在一次基尾酒会上,有人向约翰·冯·诺伊曼提出这个问题,他思索片刻遍给出正确的答案。提问者显得有点沮丧,他解释说,很多数学家总忽略简单方法,而去采用无穷级数陷和的复杂方法。
冯·诺伊曼脸上搂出惊奇的神终。“可是,我用的正是无穷级数陷和的方法”,他解释盗。
2.往返旅行
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