“一位才华横溢的数学家,他内向、不喜交际、有点口吃,首次解决了一元三次方程,推动了数学发展的一大步。”

瓶子分油的古典数学问题由著名的意大利数学家尼柯洛·冯塔纳(NiccoloFontana)提出,他是一元三次方程通解的创始人。

16世纪的欧洲,一位数学家在一场公开的数学较量中,使用“独门秘籍”战胜对手,这是人类历史上第一次有人能解开一元三次方程,此人就是意大利的数学家尼柯洛冯塔纳。


但这个伟大的通解方法,却被意大利另一位数学家卡尔丹诺所剽窃,至今教材上还是叫做卡丹公式,这也是数学史上的最大耻辱。

01

8斤油的平分

尼柯洛·冯塔纳的分油问题:已知一个装满8斤油的瓶子,一个容量5斤的空瓶和一个3斤的空瓶。如何将油平分为两个4斤?


这个问题并不复杂,捯饬出1斤油就是问题的关键,经过简单的推理分析,我们数学猫孩子分油的过程:


问题似乎解决了,但这个分油的步数是最少吗?数学猫提出了怀疑,如果我们第一次把油倒入5斤瓶子呢,试试:


果然少一步,这次总共是7步!

我们采用列表尝试的方法,可并不是每一次尝试都会成功,花费很多时间,而且如果条件变了,又得重新尝试。

数学猫岂能停留在这样的层面上


02

寻求通解方法

1939年一位数学家再次提出更为复杂的分油问题:一个装着足够多油的油壶,用一个能装7斤和11斤的空瓶子,如何捯饬出2斤的油?


这次的油壶没有给出斤数的条件,使用不定方程或者尝试的方法就更为困难,同时还有很多版本的分油问题,比如:日本分油、泊松分油、韩信分油、史泰因豪斯分油、别莱利曼分油等等,找到一个通解方法就很有必要了。

尝试等效分析法(爱因斯坦也常用):

引用坐标(x,y),表达每一次分油操作后,剩余的油量;

确保x、y呈整数变化,模拟倒油;

有时两个量此消彼长(互相倒油);

有时一个量不变,一个量增加(等效为向瓶里倒入油);

有时一个量不变,一个量减小(等效为从瓶里倒出油);

用不定方程?NO,我们是数学猫,我们要玩数学;

变化的坐标暗示着某种物理运动,联想到光线反射或者台球碰撞;

建立坐标系,即设计台球桌;

直角满足不了上述要求,尝试利用等边三角形性质,大胆改变为60°;

坐标系不可怕,又很有用,数学猫经常在坐标系上玩五子棋;

这是一次创新,小心验证。

数学猫准备通过打台球的游戏,解决世界名题,很酷!

先建立60°坐标系,两个空瓶容量为边界(搭建平行四边形台球桌):


从原点向上打出台球,碰撞到台球桌的上边界,即把油倒入7斤瓶;

台球将开始不断碰撞,不断前行,遵循光线反射原理;

每次碰撞点的坐标,即为一次分油的操作结果;

坐标中一旦出现2,就分油成功;

总共碰撞了14次,分油完成;

最开始也可以把球打向右边界,可比较两种方案的最优步数;

台球数学也是数学猫研究课题,会在后期详细介绍。


动画如下:

,时长00:06

完美解决!大家可以尝试第一次把球打入右侧,即第一次把油倒入11斤空瓶,总共需要操作19步。

我们再用这个打台球的方法,验证下尼柯洛·冯塔纳的分油问题:



03

灵活处理

注意特殊情况:当油壶容量小于空瓶容量总和时,要适当修正坐标系(台球桌),避免出现不可能的分油操作(撞击点)。


砍掉台球桌右上角,形成新的台球桌:


04

数学猫奶茶

在数学猫的思维课堂上,我们当然也兴趣盎然地玩这一类数学趣题,把杯子数量进行扩充,增加难度,开拓智力。


数学猫原创小小说《神兽记》第三回,也提出了此类难题“子桐分酒”:

分油问题引人入胜,可增强我们的逻辑推理能力,也是数学猫爱玩的游戏。还是那句话,与孩子们一起玩数学!