數學

玩弄數學題目

玩弄數學題目

黃敏晃/台大數學系退休 1.逆向思考 著名的瑞士發展心理學家皮亞傑 ( J . Piaget,1897-1980 ),將人的認知發展 ( cognitive development)分成幾個大階段,即感覺動作期(sensori-motor),前操作期(pre-operational stage) ,具體操作期(concrete operational stage),及形式操作期(formal operational stage),小學生大都屬於具體操作期,而國中生則是由具體操作期,過渡到形式操作期的關鍵階段。 當然,這樣的說法是平均性的。因為有些小學生已經進入了形式操作期,而有些高中生,甚至於大學生在數學領域卻還停留在具體操作期。其差異在於當此人遇到適當的刺激(學校的制式數學課程中,這樣的機會夠多)時,肯不肯自行動腦筋操練。若他只想請別人教他如何算出正確答案,不想理解為什麼要如此算,他的認知發展就會延遲。所以,筆者的座右銘是"勞者多能",而非"能者多勞"。 數學教育的終極目標是,希望每個人都能形式地操弄抽象的數學概念,以得到數學題目的答案;進一步也希望大家能將如此的形式運思能力,遷移(transfer )到非數學領域的解題上。由此看出,由具體操作期提升到形式操作期,是小學高年級和國中數學課程中非常重要的任務。值得這兩階段的數學老師花時問思考,如何的教學才能順利達成任務。 形式操作期的人有許多特徵,是具體操作期的小孩尚未發展出來的,其中一項是逆向思考的能力。數學中的逆向解題,是在題目尚未解出前,假設已經解出,再由結果(是未知的)倒推回去。不難看到,這是蠻強的能力。因此,我常用逆向思考才方便解的題目,做為檢驗學生是否已然進入形式操作期。有次,我對某班六年級生出了一道題目如下(取自數學偵探, P.34~35 ,小天下)。 題目1 某餐即只有情同姊妹的三位女侍,她們習慣每天共享全部小費(暫時放在櫃台後一個筒內,下工返家前平分拿走)。有晚甲回家前從筒裡拿了三分之一的錢後,留下 960 元。次日中午前甲最早到店,發現昨晚留下的 960 元,原封不動留在話筒中。她問後來陸續到店的乙和丙,她們都說昨晚有從筒中拿走三分之一的錢才回家。原來甲竟是三人中最後離店的,問昨天收到的小費總共多少元? 我喜歡這道題,因為題中數目很少只有 960元和1/3,解題時,得將題目故事 (Problem story)的流程列出後,由尾巴倒回來解,是個典型的逆向思考題。筆者心中的流程,可以下圖表示。 2.關鍵字眼 會從一個故事境中抽出段落狀態,寫出流程,是一種高級的心智能力,需要學習鍛練後才能夠用的得心應手。但學校的制式數學課程中,並沒有將它當作一項教學目標 。許多小學老師抱怨,她們的學生遇到文字描述的情境題時,常喜歡用關鍵字法解題。以致有時結果南轅北轍,不知所云。下面所舉兩道題目(取自筆者的書數學年夜飯,P.162~163,心理出版社) ,用關鍵字法解題是一定解錯的。 題目2 甲、乙、丙三人合資做生意,賺了614,300元後,甲拿了他應得的利潤185,000元退出合作。 問乙和丙共賺了多少錢? 題目3 林老師為他班上同學明天要舉辦的慶生會買了 12 包餅乾,當晚她開了一包和她的家人試吃,她家裡 6 個人每人一塊剛好分完這包餅隊。問還剩下多少塊餅乾? 這兩項題目故意將學生會注意到的關鍵字"共"和"剩下"放入題中文字,引誘學生踏入佈好的文字陷阱。因沒有好方法及耐心(因為教如何了解題意需要長時期的培養)作這方面的教學,許多老師和家長都走速成的"皇家捷徑"(好像楚古希臘時代的大哲學家柏拉圖說過: There is no royal Short cut to geometry,當時流行的數學就是幾何 geometry ) ,即教小孩看到題目有"共"就加或乘,有"剩下"或"餘"的字眼就減或除。 這樣的結果可想而知,碰到例行性的文字題時當然通行無阻。相對於沒學到如此的訣竅,而自行努力掙扎來了解題意(數學題目中的情境可以隨意變化,對小孩而才,把適當的數學概念從一個情境,遷移到另一情境並不如想像的容易,卻是學到數學抽象化精神的必要歷程)的學生,解題效率和由此得到的成績,固然有天壤之別會讓師長得到暫時的滿足。 但是,一路掙扎著學習的學生,若沒有氣餒,信心沒被擊潰,而且戰勝困難,成功學會,則他長期之後的發展,必然勝過一路用偷吃步方法學數學的學生。因為在掙扎的過程中,他已經養成了能力。不用說複雜的非例行性問題,就如上面三道題目,就足以把投機者三振出局了。下面再布一道非例行性問題他是取自數學年夜飯, P.183~200 ) ,供讀者參考。 題目4 一年的十二個月當中,有幾個月是有五個星期天的?提示:本題答案不只有一組解。 3.多元解決 讓我們把討論的焦點,拉回到題目 1 的解題。如果讀者了解上面的流程圖,難按照它解出此題的答案。分三段,由尾巴解回來如下: 1.流程圖的尾巴,即最右邊的箭頭說,甲在B元(無法用其他方式稱呼這筆錢用記號表示:這裡採用代數手法,文字母)中拿走1/3後,剩下 960 元;故 960 元是B元的2/3。這表示甲拿走了960元的一半,即 480 元。所以, B=960+480=1440元。 2.流程圖的中間箭頭說,丙由A元中取走1/3後剩下B元;現在已知B=1440元,故模仿上段的計算過程,可以算出 A=B×3/2=B=1/2B=1440+720=2160元 3.流程圖的最左邊箭頭說,乙從櫃台後錢筒中,當天累積的總共小費中提出後1/3剩下A元;現在已知A=2160元,故模仿上而方法算出當天總共的小費是2160 ×3/2=2160+1080=3240元 這是我在向此班學生布題目1時,心中預想的解法和答案。我希望經過討論,最後能出現類似這樣的解法,於是我讓學生分組討論約5分鐘。這班30位同學,平常就習慣分組,5人一組共6組。看起來,小組討論的狀況還蠻順暢的,但仍然被要求延長到10分鐘。 分組討論時間結束後,各組都到黑板上寫出解與答。有趣的是 6 組都各有不同解題想法,如下。其中雖然也有錯的,解釋不清楚的,已然大大超出我的預期。 1.960元×1/3=320 元。因為題目中只有這兩個數目,他們判斷要用乘法解題。 2.960元×3=2880元,沒弄清楚題意,以為每人拿到960元小費,3人就乘上3。 3.960元÷2=480原是甲拿走的,480元×3=1440元,是全部小費。 4.乙、丙兩人一起先走,甲後來才走。先算甲拿走的錢960÷2=480元,故乙、丙走後留下了960+480=1440元;而這筆錢是總共小費的1/3,故總共的小費是1440元×3=4320元。 5.乙先走,丙次走,甲最後走,但丙知乙有先拿了1/3。和4一樣,得先算出甲拿走的錢960元÷2=480元,故丙拿走他那一分後留下的錢是960+480=1440元給甲;故丙也拿了1440元,即乙走後留下了1440+1440=2880元;而乙也拿了一樣多的錢,所以,總共的小費是2880+1440=4320元。 6.乙先走,丙次走,甲最後走,但丙和甲都不知道有人先走,以為自己第一個走的人。這組合我的解題想法相同,但他們用代數方程列式求解,且有流程如下 4.活學活用 當我要求全班安靜下來,把注意力放到黑板上時,他們赫然發現,黑板列出了 6 組不同的解題,5種不同的答案。課室中立刻傳出驚呼聲,到底那種解是對的?那種答案才是正確的?許多老師不喜歡課室產生爭議,因為秩序可能因此變亂,失去控制;再加上爭議背後的實質問題,可能不容易掌握。有收老師沒信心,甚至於連學生的解法對不對,都搞不清楚。這可能是有些老師堅持,學生一定只能用老師的解法解題的原因之一;不如此就打錯,多輕鬆,但老師的一言堂對教育多麼不真誠! 教育的目的在培養學生的能力,使他們出社會後,有能力適應今日變化萬千的社會環境。能力的擁有包含知識的取得,但後者並不能前者的全部。但擁有許多知識的書呆子,常作風保守,思想和行為都不夠變通。當我們說,知識就是力量時,前提是我們會活用知識。 什麼叫活用數學知識?單純的說,就是在他的生活中碰到困難時,能借用數學知識幫忙解題。筆者有次在某家 Pizza 店偷聽到排在我前面的幾位小朋友(應該是小學高年級生)的如下對話。 「9寸(直徑)的是 2 人份,12吋的 4 人份,好奇怪喲”」 「有什麼奇怪的?」 「不成比例呀!2人變4人,尺寸沒加倍。」 「對喲,應該是18吋,但18吋的Pizza好大。」 「慢一點, Pizza 是面積,不是長度。」 「什麼意思?」 「 Pizza 是圓面積,你們還記得圓面積的公式嗎?」 「記得,是圓周率乘上半徑乘半徑?」 「但是9吋和12吋,是不是要換算成公分才能計算?」 「怎麼換算?」 「我記得1吋相當於2 . 54公分,但乘起來好煩。」 「有電算器就好了”」 「不要換算了,英國人怎麼算面積,難道他們也要把公分換成英吋才能算?」 「有道理,我們就直接算。 9 × 9 是 81,12 × 12 是 144 ,還要乘上圓周率。圓周率要用 3 ,還是 3 . 14 ?」 「討厭死了,還要做三位小數和3位數的乘法。真的是沒電腦算不動了”」 「算起來頭大,不如不算圓周率,就用 81 和 144 來算,好像不是 1 倍。」 「81的一半是40,算1人份,4人份應該是160才對,少了一點。」 「如果把 144 除以 4 ,則1人份是 36 ,跟 40 也很接近了,可以了啦”」 在上面的對話中,雖然他們數學知識用的不是很正確(例如,錯把直徑當半徑,圓周率不乘就看是否2倍, 40 與 36 等的單位也沒弄清楚),卻沒有影響推論的結果。重要的是,他們確實是在使用”圓面積”相關的知識,在解決問題(關於 Pizza 直徑和分享人數不成比例的困感)。我認為是小孩活用數學知識的一個好案例。 5.小組報告 老實說,我還蠻喜歡我上課(不管對象是當老師或學生)的課室中產生爭議的。當然是與上課內容戚戚相關的,而非風馬牛不相干的爭議。爭議常因為對同一個議題,出現了兩造不相同的看法;有時在討論後能相容,有時則是互相矛盾的。課室中的爭論,使每個人都集中精神,想弄清楚誰對誰錯。 處理爭議最佳的方法,是不要怕浪費時間,讓雙方辯個一清二楚。在此過程中,課室中的每個人,即使沒有直接參與辯論,卻會隨著兩造針鋒相對的理由共舞,大動腦筋想作個明智的判斷,到底那方的理由比較充足?也許因此就產生了認知衝突(cognitive conflict )。皮亞傑說,沒有認知衝突,就沒有學習。課室中的爭議,提供了多好的學習機會! 我各組輪流上台報告,說明他們留在黑板上的解題記錄。第1組和2組,說不清楚他們為什麼要乘於1/3和3,很快自己認錯下台。第3的過程中,算出甲拿到 480 元是對的,因為甲把筒中錢 3 等分她拿走1份後剩下2份是960元,故 1 份楚 960÷2 = 480 元;但480 X3=1440元為全部小費的答案,則是錯的,乙和丙拿到的錢卻要比 480 元多,這點受到大家的質疑,他們無法圓滿說明,只好認錯而退第4組和 5組的最後答案一樣,表示他們對題目意義的解釋相同,即乙和丙在分小費時是互相知道的,(雖然他們所說的題目故事不完全一致,第 4 組說乙、丙一起走了,第 5 組說乙、丙雖沒一起來,但後來的丙知道乙先走了),故算出 4320 元為總共的小費。過程中都先算出乙、丙走後留下給甲的 1440 元,這筆款項其實是總小費的1/3。雖然最後的算法梢有不同(一組用加法,另一組用乘法),但並不影響最後的結果。這兩組報告後都得到全班的鼓掌肯定。 第 6 組因用到英文字母 X 代表未知數故花了些時間回答同學關於這方而的問題,如”X” 是什麼?”為什麼不用國字,或 □ 、 ○ 、 △ 等符號?’等擦邊球,但大家都察覺到,用符號代表未知數很方便,尤其列出流程圖更是得到全班的讚賞。然而解出的答案與第 4 、 5 組不同,使全班感到不安。他們全都把頭轉向我,要我做出誰對誰錯的裁決:「老師,到底那個答案才是對的?」 我當然也不會放棄這麼好的機會,於是太極拳招式出手"如封似閉"、"一順水推舟",把問題原封不動丟回去:「你們自己的意見呢?各小組討論一下吧!」沒想到小組討論沒多久,就有人舉手發問:「老師,要討論什麼?」我說:「就是這些解法和答案,誰對誰錯啊。」他們說:「這沒什麼好討論的,我們認為第 4 、 5 、 6 組的解法都對,但卻出現了兩組不同的答案,這才麻煩。」班上立刻有許多附和的聲音,要求澄清討論的內容。我說:「那你們為什麼認為,這三組的解法都是對的呢?」 6.判斷選擇 有位小女生舉手發言:「因為這三組講的故事情節,沒有違背題目的意思。」另一組的一位小男生補充說:「因為題目只說甲是最後走的,沒說乙和丙誰先走,或是一起走。所以,這三組的講法卻是可能發生的。事實上,也只有這三種狀況不可能有第四種啦」。我問:「同意嗎?有人有另外的意見嗎?」全班表示同意後,我說:「第 4 、 5 、 6 的解法都是對的,答案也都正確。你們心裡不安的原因,是你們習慣於數學問題只有一組正確的答案。但是,我們運用數學來解生活中的實際問題時,解答常不只一組。譬如說,假說我們班明天要開慶生會,老師拿 1000 元請同學去買飲料和點心,不同的同學解決買回的東西一定不同,對不對,甚至有人還會省一些錢找給老師。」有人喊:「不用了,當跑路工放口袋就好了。」全班大笑。我繼續說:「數學課本裡的題目,命題的目的是希望你們用某種特定的數學知識或方法解題(檢驗學生是否學到),故不會讓同學弄不清楚,老師出考試題時也大致如此。但真實的題目,被不一定這樣單純,有時候你需要判斷,找理由支持你的決定,有時還得想出各種解法,然後選擇其中一種。」之後,我出了下面兩道題合同學討論。 題目5 救國團(早期的全國性青年社團)活動中心的統計顯示,男、女生宿舍的用水量很不同,平均每位男生每天 15 公升,女生每天 20 公升。有人因此推論說,女生洗澡比男生仔細,所以女生比較乾淨;但有人反駁說,因為男生一般說來比較乾淨,故洗澡時不需要用那麼多的水。你認為那種講法較有道理? 題目6 甲、乙常結伴登山,有天接近中午時在深山遇到因迷路而挨餓的山友丙,遂邀他共同進餐 • 甲、乙各帶了 5 條和 4 條一樣大小的麵包,三人一起吃完這 9 條麵包後,丙拿出一張千元大鈔酬謝,兩人推辭不掉,只好接受。問他們該如何分這筆錢?為什麼要這樣分? 題目 5 使全班男女各成一幫,吵成一團,我只好制止,並請他們討論題目 6。結果 6 組同學,給出 3 種不同的分法如下親愛的讀者,你喜歡那種分法呢? A.各分 500 元,因為兩人都出力幫忙了,錢也不是那麼多,無需斤斤計較,傷了兩人的友情。 B.B 把 1000 元依 5 : 4 的比例分給甲和乙,因為這是兩人登山跡,買麵包所花的錢之比例,意義是投資報酬率。 C.把 1000 元依 2 : 1 的方式分給甲和乙。因為 3 人一起進餐,平分了 9 條麵包,故每人用去 3 條,在丙食用的 3 條中,甲、乙各提供了 2 條和 1 條,所以這樣才能反應兩人的實質貢獻。

由直角三角形談二平線之間的距離

由直角三角形談二平線之間的距離

文/蔡文景 原理 --> 大家都知道,二條平行線之間處處等距離,那麼同學有沒有想過,既然處處等距離,這個距離有沒有什麼方法可以算出來?請看底下二個例題的說明: 例一:設直線L1:3x+4y=12 , L2:3x+4y=24 ,試求L1 和L2 的距離? 解: L1: X 4 0 Y 0 3 A(4,0),B(0,3) 則 AB = = 5 L2: X 8 0 Y 0 6 C(8,0), D(0,6) 則 CD = = 10 作 OH ⊥ CD 於H 並交 AB 於K ,則 OH 為直角三角形OCD斜邊上的高, OK 為直角三角形OAB斜邊上的高。 因此 = △OAB面積 = → OK = = 同理 = △OCD面積 = → OH = = 故此二平行線之間的距離為 KH = OH - OK = - = 例二:設直線L1:4x+3y=12 ,L2:4x+3y=-24 ,試求L1 和L2 的距離? 解: L1: X 3 0 Y 0 4 A(3,0),B(0,4) 則 AB = = 5 L2: X -6 0 Y 0 -8 C(-6,0), D(0,-8) 則 CD = = 10 作 OH ⊥ CD 於H 並延長 OH 交 AB 於K ,則 OH 為直角三角形OCD斜邊上的高, OK 為直角三角形OAB斜邊上的高。 因此 = △OAB面積 = → OK = = 同理 = △OCD面積 = → OH = = 故此二平行線之間的距離為 KH = OH + OK = + = 從上面兩個例子可以看出,有關於二條平行線之間的距離的問題可以利用直角三角形斜邊上的高的技巧予以算出,接下來再看一般的型式。 對於一般的二條平行線L1:a1x+b1y=c1 和L2:a1x+b1y=c2 ,其中c1 ≠ c2 (因為任意二條平行線的方程式,其x 項係數和y 項係數成某一比例關係,故可以假設成一樣的係數。) L1: X 0 Y 0 A(,0), B( 0 ,) 則 設 OK 為直角三角形OAB斜邊上的高 因 = △OAB面積 = L2: X 0 Y 0 A(,0), B( 0 ,) 則 設 OH 為直角三角形OCD斜邊上的高 因 = △OCD面積 = (1)若c1c2 > 0 (即c1 和c2 同號) 表示 OK 和 OH 會有一部份重合在一起(如例一:12 和24 同號,因此 OK 是 OH 的一部份) 因此 (註1) (2)若c1c2 1 和c2 異號) 表示 OK 和 OH 方向不一樣,不會有重合的情況(如例二:12 和-24 異號,因此 OK 和 OH 不會有重合的情況) 因此 (註2) 由上述二種討論,我們可知兩平行線之間的距離為 實例驗證 我們再驗證例一和例二。 例一的驗證: a1 = 3 , b1 = 4 , c1 = 12 , c2 = 24 例二的驗證: a1 = 4 , b1 = 3 , c1 = 12 , c2 = 24 與前面的計算相吻合。

美妙的數字世界-同餘的世界

美妙的數字世界-同餘的世界

文/謝新傳 有一天,彥廷和佩珊兩人在談旅遊的事,他們很關心出遊日期是週幾,彥廷問佩珊:「今年(公元2002年,是平年)的一月一日是星期二,那麼明年的一月一日是星期幾?」,佩珊幾乎連想都沒想,就回答彥廷說;「公元2003年的一月一日是星期三」。彥廷對她的心算速度感到十分佩服也覺得很訝異,就請教佩珊為什麼能算這麼快?佩珊說從一月一日算起再過365 天(就是52週又1天),365除以7得商52餘1,52 這個數在這裏並不重要,而這個「餘數」1 才是重點。而一加一等於二,所以明年的一月一日就是星期三。 在上面這一小段故事中,出現了365 和1 這兩個自然數,這兩個數字當然是不相等同的,但在〝餘數世界〞裏,它們被看成是〝相同〞的數。比如365和1用7去除,結果餘數都是1,我們就說365 和1 同餘。 在數學上,如果整數a與b同時除以m(m≠0)所得的餘數相同(也就是說(a-b)能被m整除)時,我們就說a與b(模m)同餘,或著讀作a同餘於b(模m),並且記為a≡b(mod m)。,這裏順便一提,同餘的概念和符號都是數學王子高斯發明的。 就上面的例子而言: 1 ≡ 8 ≡ 15 ≡ 22 ≡ 29 ≡ 36 ≡ .... ≡ 358 ≡ 365(mod 7) 又比如:30 ≡ 9(mod 7) 100 ≡ 52(mod 12) 甚至於 97 ≡ -3(mod 4) -37 ≡ -13(mod 6) 底下先介紹有關同餘的幾個重要性質之後,就會帶領同學進入豐富的數字世界。 §如果a≡b(mod m) 而且c≡d(mod m) 那麼 (性質1)a+c ≡ b+d(mod m) (性質2)a − c ≡ b − d(mod m) (性質3)a × c ≡ b × d(mod m) (性質4)an ≡ bn (mod m) 上述這四個「數字性質」證明並不困難,所以留著給同學自行證明。現在將這幾個簡單的數字性質加以活用,介紹如下: (1)三的倍數判別法: 一個整數各位數碼的總和除以3的餘數與該整數除以3的餘數是相同的。進一步說,一個整數如果各位數碼的總和如果是3的倍數,那麼它也就是3 的倍數。 為了讓同學容易瞭解起見,現在先用兩位數來說明: 有一個二位數ab,它的十位數是a,個位數是b ,那麼它的代數表示式為10 ×a+b 。 而10≡1(mod 3) , 而由(性質3)可知10×a≡1×a(mod 3)即10a≡a(mod 3) 又已知b≡b(mod 3) 再由(性質1)我們可得到下面結論:10a+b≡a+b(mod 3) 由上式我們知道一件事,(10a+b)和(a+b)去除以3 所得的餘數相同。更進一步而言,當(a+b)是三倍數時,原數10a+b也會是三的倍數。 其次我們再來證明一般n 位數的情形:設an−1 an−2 an−3............ a1 a0為一個n位數,他的代數式表示為: an−1 ×10n−1+ an−2 ×10n−2+ an−3 ×10n−3+.............. a1×101+ a0 而其中 a0 ≡ a0(mod 3) 10≡ 1(mod 3) 而由(性質3)可知 10×a1 ≡ a1(mod 3) 102≡ 1(mod 3) 同理可知 102×a2 ≡ a2(mod 3) ...................... ...................... 10n−2 ≡ 1(mod 3) 同理可知 10n−2×an−2 ≡ an−2(mod 3) 10n−1 ≡ 1(mod 3) 同理可知 10n−1×an−1 ≡ an−1(mod 3) 再由(性質1)可得到如下的式子: 10n−1×an−1+10n−2×an−2+ .......102×a2+101×a1+ a0 ≡ an−1 +an−2+.........+ a2+a1 + a0(mod 3) 易言之n 位數an−1 an−2.......a2 a1 a0 和an−1+an−2+.........+ a2+a1 + a0 同餘 也就是說n位數an−1 an−2.......a2 a1 a0它除以3 的餘數和an−1 +an−2 +.........+a2 +a1 + a0 除以3 的餘數相同。 比如說4 2 0 8 ÷ 3 餘2 , 而(4+2+0+8)÷3 也餘2 更進一步而言,當an − 1 + an −2+.........+ a2+a1 + a0 是3 的倍數時, n 位數an−1 an−2.......a2a1 a0 也會是3 的倍數。 (2)十一的倍數判別法: 一個正整數,它的奇位數碼的總和減去偶位數碼的總和除以11 的餘數和原數除以11 的餘數相同。更進一步說,一個正整數,它的奇位數碼的總和減去偶位數碼的總和如果是11的倍數(0也是11的倍數),那麼這個整數也就是11 的倍數。 《證明》同上題一樣,我們先從一個簡單的三位數946 說明: 因 6 ≡ 6 (mod 11) 10 ≡ −1(mod 11) → 40 ≡ −4(mod 11) 100 ≡ 1 (mod 11) → 900 ≡ 9(mod 11) 由以上三式及(性質1)知:946 ≡9+6−4≡0 (mod 11) 946 就是11 的倍數 現在我們作一般性的證明: 假設an−1 an−2 an−3............ a1 a0為n位數,他的代數式表示為: an−1 × 10n-1 + an-2 × 10n-2 + an-3 × 10n-3 +.............. a1 + 101+ a0 其中a0 , a2 , a4 , a6 , a8 ,.............為奇數位 a1 , a3 , a5 , a7 , a9 ,.............為偶數位 而 1 ≡ 1(mod 11) 10 ≡ −1(mod 11) 102 ≡ 1(mod 11) 103 ≡ −1(mod 11) .......................... 我們發現10 的奇數乘方,它和-1 同餘而10 的偶數乘方,它和1 同餘如此一來,我們可得到下面同餘關係式: 當n 是奇數時 an−1 ×10n−1+ an−2 ×10n−2+ an−3 ×10n−3+..............a1 ×101+ a0 ≡ (an−1+ an−3+ an−5+...... a2+ a0)−( an−2+ an−4+an−6+...... a3+ a1) (mod 11) 若n 是偶數時 an−1 ×10n−1+ an−2 ×10n−2+ an−3 ×10n−3+..............a1 ×101+ a0 ≡ (an−2+ an−4+ an−6+...... a2+ a0)−( an−1+ an−3+an−5+...... a3+ a1) (mod 11) 此即原數同餘於奇位數碼的總和減去偶位數碼的總和 比如4719這個數的奇數位總和減去偶數位總和=(9+7)-(4+1)=11是11 的倍數,果然4719=11×429 再看23456 這個數的奇數位總和減去偶數位總和=(2+4+6)-(3+5)=4果然, 23456÷11=2132——餘4 (3)求21000 除以13 的餘數 我們首先知道2的6次方26=64 ,它比13的5倍少1 因此 26 ≡ −1 ( mod 13 ) 那麼由(性質4)可得 (26)2 ≡ (−1)2 ( mod 13) 即212 ≡ 1( mod 13 )⇒ (212)83≡ 1 83 ( mod 13 ) ⇒ 2996 ≡ 1 (mod 13 ) 其次我們又知道1000÷12=83........餘4 所以2996 x24≡ 1 x24 ( mod 13 ) 亦即 21000 ≡ 16 ( mod 13 ) 而眾所皆知16除以13的餘數是3,故21000 除以13 的餘數就是3 (4)求101000除以7的餘數 首先我們很容易發現1001 是7 的倍數,也就是 1000≡−1 (mod 7) 底下我們再使用一些同餘的簡單性質,即可將本題答案求出: 既然1000≡−1 (mod 7)⇒ 1000333 ≡ (−1)333 (mod 7) 亦即10999 ≡ −1 (mod 7) ⇒10999x10 ≡ −1x10 (mod 7) ⇒101000 ≡ −10 (mod 7) ⇒101000 ≡ −10 +14(mod 7) ⇒101000 ≡ 4(mod 7)

正方體的平面截面

正方體的平面截面

文/ 黃敏晃 台大數學系退休 許文化 北市石牌國小退休 一、空間能力本天成? 俗語說“男女有別”,外顯的特徵與行為,如男人頭髮剪得較短,會長鬍子,有喉結,女人身材較苗條,胸部凸起,喜歡穿裙子等,明眼人一看即知。但他們內蘊的思想和能力,有什麼性別差異嗎? 思想,價值觀等都是後天形成的,只與此人過去的經驗以及受到的教養有關;能力則與先天、後天的因素都相關。如說鳥有飛翔的能力,除了有翅膀、全身骨骼有空洞組織(故不會太重)等天生因素外,後天的練習也是必要的。君不見雞和會飛的鳥一樣,先天上有相同的硬體設備,但長久受人餵養,失去了飛行的需求,後天的訓練不足,就飛不起來了。筆者都是學數學的,下面就稍微看一這方面的性別差異。 我們一般的印象中,女生在數理方面的能力要比男生差些。譬如說,在各級升學考試中女生的數學平均成績,會比男生的平均差許多。如果考試成績不算是好的表徵,我們也可以從男女生選讀的大學科系之人數,來做判斷:選讀大學第一類組科系(比較不需要很強的數理能力〉的女生,比選讀其他類組科系(需要較強的數理能力)的,在人數上要多很多。男生雖不是完全相反,筆者中的年長者,親自聽到一些美國的女生說,他們數學方面能力沒有得到良好發展的原因是,中學時候數學能力太好的女生沒有男生約妳出去(妳太精明,佔不到便宜),所以她們會寧願在數學課堂中裝傻,久而久之數學能力就真的變差了。也有人控訴說,一些美國的中小學老師在上數學課時有性別岐視:簡單的問題點女生作答,難的問題則都要求男生回答;男生怕出醜,故努力鑽研下,能力得到發展。 上段所述美國影響該國女生數學能力發展的社會因素,在台灣並不顯著,但我國學生數學能力有性別差異的事實依然存在。這是否表示我國中小學生數學能力方面的性別差異,都是天生的?我們認為不見得。讓我們看數學內部的幾何能力吧。 在數學能力的性別差異中,幾何方面的差異尤其顯著。民國 94 年第二次國中基本能力測驗的數學試題,難度比第一次要提高一些,女生的平均成績比第一次下降的幅度,比男生大了許多。依筆者兩人的猜測,一個重要的因素是,第二次基測試題中,與幾何有關的題目多了 5 題(第一次有 11 題,第二次16 題)。另外,筆者聽過一些計程車司機抱怨,女性司機駕駛汽車的能力不佳。這裡包含她們在緊急狀況時應變較慢(空間量和時間的估計能力),認路能力差(mental map腦圖在處理點和線的關係方面資訊時不是很清楚)等。 這樣說並不對女性有任何不敬之處。事實上,女性在說話表達方面的能力,比男性高出許多倍,加上他們比較有耐心,而且細心,貼心等優點,都是男性遠遠不及的。有些腦神經方面的專家認為,這些兩性的差異和左、右腦的分工有關,關鍵是身體分泌的兩性荷爾蒙雄性荷爾蒙有利右腦發展,幾何空間方面的能力屬右腦掌控;而雌性荷爾蒙則有利左腦發展,左腦管語言與程序方面的能力。換句話說,他們認為這方面的能力之發展受到先天的限制。 另一派的學者認為,這些能力的發展當然和後天的經驗與教育相關。譬如說,一般家長送小孩的禮物,女生常是洋娃娃,讓她們玩家家酒,男生則是工具型的,讓他們可以敲敲打打,或積木和火柴盒小汽車之類,引起他們堆疊和野外賽車的興趣。到他們長大些,家長也比較不介意兒子爬樹,到處亂跑,但他們怕女兒受到壞人傷害,所以比較限制她們的活動範圍。長期在這樣的條件限制下,幾何(特別是空間)能力方面的性別差異於是形成,並逐漸加大。 二、眼見為憑最真實 從上面的論述看來,數學(包含幾何,尤其是空間)方面能力的發展,與先天、後天的因素都有關。站在教育人員的立場,我們當然要強調,不管先天的差異有多大,我們都應該想辦法,讓學生把必要的能力發展出來。這裡包含更佳的教材選擇,以及教學方法的改進等等。 事實上,我們中小學在幾何方面的教學狀況並不佳,空間方面的教材更嫌不足(這點世界各國皆然),為什麼?空間是3 維(即長、寬、高)的,比平面的2 維(只有長和寬)教材要複雜許多,且大部分知識要以平面的相關知識為先備經驗。當平面幾何沒學好時,立體幾何就很難教得動了。但最主要的原因還是缺少適當的教具。譬如說,在空間中既不相交又不平行的兩條直線(因此無法放在同一平面上),它們之間的最短距離,老師只會教如何套公式求值,而不會真的拉直兩條繩子來讓學生感受,這條公式來由的直覺。 本文下面想介紹一則與空間幾何有關的教材。本教材想解決的主要問題是:用一個平面去切割一個正方體,所得到的截面可能是怎麼樣的平面圖形? 這個問題年長的筆者曾對國北師(現改名成國立台北教育大學)現職教師數學教育碩士班選修“中小學老師的幾何學”的學生提出過,也曾對大學生、高中生、國中生,較年輕的筆者甚至於在小學高年級的班上提出過。由於有適當的教具,各級學生都可作不同層次的探討,所以算是適當的空間幾何教材。 最方便的教具是粉筆盒,它雖是個長方體,但還蠻接近正方體的;學生可藉它想像平面切割的概略狀況,用各種顏色的白板筆,在它外表留下切痕;其缺點是無法真的切割,看不到確實的截面。也有人曾用保麗龍正方塊,鋸出各種截面給學生參看;雖然清楚,學生卻無法自己動手做實驗,感覺不到調整切割位置時,截面變化的動態感覺。 筆者使用的是用透明的壓克力板黏成的正方體,裡面裝水(最好再滴上紅藍墨水之類),把水面當成切割平面。此時,當我們調整盒子與桌面的相對位置,就會得到各式各樣的截面。如圖一所示,是最大的正三角形,而圖二則是一般的銳角三角形(水都集中在O點所在的那個角落)幾何免不了要做些証明,為什麼 圖一中的△ ABC 為正三角形?因為 OA = OB = OC ,而AB 、 BC 和 CA 分別是全等的直角△ OAB 、△ OBC 和△OCA的斜邊,所以有 OA = OB = OC 的結果。小學生雖無法做嚴格的証明,但這樣的論証過程,他們可以理解。到了活動的末期,他們也能模仿著提出類似的說明。 在圖二中,若 OD = OE ,則△ODF △OEF(等邊夾直角),故 DF = EF (此時截面△DEF是個等腰三角形)。所以,在 OD , OE 和 OF 都不相等的狀況下,△ DEF 的三邊都不等長。調整水面的D、E、F點(水量也可增減),學生就可以得到各種銳角三角形。 截面的三角形一定是銳角的三角形嗎?可不可以是直角三角形,或是鈍角三角形呢?讀者先自己想想,下文自然會有交待。一般小學裡(國中應該也有類似教具), 1 公升的容器教具都由6 塊每邊10 公分的正方形透明壓克力板做成,故讀者應該去借用來進行自己的實驗。筆者強烈建議,讀者閱讀本文時,必要時刻一定要做些實驗來驗証。 三、有水沒水相互補 如果讀者已經做了些實驗,應該已經記錄出各種形狀的截面。除了上述的三角形外還有四邊形、五邊形和六邊形,七邊形以上的平面形並沒有出現,為什麼?仔細觀察,然後想想看,到底是什麼原因? 答案並不難,截面形狀中的每一條邊,都是水面和正方體某一面相交的線(簡稱兩面的交線)。正方體只有六個面(即上、下、左、右、前、後),交線最多只可能有六條。故截面不可能出現邊數大於等於七的平面圖形。圖三、圖四所示,是截面為五邊形和六邊形的情形。讀者請用自己的道具實驗看看,如何得到五邊形和六邊形的截面? 有些學生實驗後跟我們說,要得到五邊形和六邊形的截面,所用的水量,比形成三角形截面的水量要多很多,但也不能太滿。讀者,你認為是這樣嗎? 其實,實驗所用的水量並不需要超過半盒。因為有水和沒水的空間是互補的(補成一公升的正方體),所以把一整盒的水分裝在兩盒裡,只要我們適當調整盒子和桌面的相對位置,一定會得到一樣的截面。讀者不妨實驗看看,是不是如此? 現在請讀者在自己的正方體盒內,倒入剛好半盒的水,調整盒子和桌面的相對位置得到各種截面的形狀。你得到怎麼樣的截面圖形呢?請記錄在紙上,如圖五∼八的樣子。 圖七是將盒子的一面平置在桌面上,假設桌面為水平面,則ABCD各點都會是它們所在各邊的中點,因此,截面ABCD和底面全等,是個正方形;圖五的截面不難証明是個長方形(請讀者自行提供理由);圖六的截面也是個長方形,調整盒子的方式是將 CG 邊平貼水平的桌面, BF 也比 DH 邊更接近桌面,此時 BN = FQ = MD = PH ,因此 MP = DH = CG = NQ 而 NQ ⊥ MN ⊥ MP ,故MNQP為一個長方形;在圖八中,D和B為頂點,而A與C各為它所在邊的中點,所以ABCD為一個菱形(非正方形,其中∠B=∠D為銳角,而∠A=∠C 為鈍角),為什麼它的四個邊等長呢?讀者請自行說明理由。 半盒水的截面,可視為是將一個正方體切成體積相等的兩半之切割面。上面的四個切割方式,所切割出來的兩半,不難看出是全等的兩半(讀者說得出道理嗎?)最有趣的切割是截面為正六邊形的切割,圖形如圖四,此截面和各邊的交點都是該邊的中點,讀者能証明此截面是個正六邊形嗎? 四、永遠永遠不相交 要証明一個六邊形為一個正六邊形時,我們得証明兩件事,即各邊等長,各角等大。 圖四中的六邊形,各邊等長嗎?如何証明? 有位小學生告訴我,該六邊形的每邊長都等於各面正方形對角線的一半,因為各面都是全等的正方形,故六邊等長。這樣的道理足夠嗎?我問他,為什麼邊長會等於正方形對角線的一半?他畫了圖九中的補助線說,把對角線的中點,和兩端點連接,這些會把正方形右上邊的直角三角形,切割成四個全等的三角形,我沒有繼續追問下去(為什麼這四個三角形會全等?),讀者若認為有必要把道理講得更清楚,請自行補充。 要証明這個六邊形的六個內角相等,小學生就有點困難了。他們當然可以感覺到這個六邊形的對稱味道,不只是線對稱(如圖十所示,共有六條對稱軸,粗虛線的是三條對角線,細虛線的是對邊中點的連線),點對稱(其對稱中心是上述六條線對稱軸的交點),而且還是每旋轉60°後圖形看來毫無改變的輪轉對稱。這樣的感覺雖然不能當作證明,但卻能引導進一步証明的方向。 他們看看自己畫出來的圖四圖形說(因為手裡盛著水的正方體盒子不能轉動),如果我們轉動正方體,正六邊形會不會起變化?另一位同學問,為什麼要這樣做?「因為當這條也轉成旁邊一條邊時,它左端的角就變成右端的角了。」「轉的時候,可能會變形呢!」「對,老師說過多邊形不像三角形那樣堅固。」「那我們把每兩個相鄰都多加一條線,變成三角形。」於是他們得到如圖十一。 有了這個圖之後,國中生就不難証明,剛剛新畫出來的六條線段都等長:如圖十二所示,若正方體的邊長為2 ,且A 和C 都是它們所在邊的中點,則 CD =1 , BD =2 , BA =1 ,因此 , ,即這些線段都是正方體邊長的倍,故等長。 証明了這些線段等長之後,當然就不難推論得知,這些小三角形都全等(三邊對應相等),所以其對應角也相等。因此就証出了此六邊形的六個內角為正六邊形的事實。 在某國中班証明了這個六邊形為正六邊形之後,有位同學注意到此結果的一個推論;即正六邊形的對邊是平行的,而這些互相平行的對邊又位於正方體相對且平行的兩面上。他問,這兩者是否有因果關係? 他們就此討論後,釐清了如下的道理:位於正方體相對且平行的兩個面上的兩條直線,當然是“永遠永遠不會相交的”(因為它們若相交,平行的兩個面也會有交點,不可能),但是一個平面上兩條永不相交的兩條直線,一定會平行。因為,若它們不平行,如圖十三中的L1 和L2 ,用另一條直線L 去截它們時,同側的內角之和(如圖十三中的∠ 1+ ∠ 3 和∠ 2 +∠ 4),不可能等於180 °(若等於180 °時,L1和L2就平行了),所以在此和小於180 °的那側,延長後就會相交而形成一個三角形(三角形的三內角之和等於180 °)。 五、有名有姓的形狀 “一個截面形狀中,位於正方體相對兩面上的兩邊為平行”之事實,對截面所形成的平面圖形,有極大限制,他們討論後歸納如下: (1)截面若是個六邊形,不管是不是個正形,它的三雙對邊都互相平行。讀者可以自己實驗觀察,或參看圖四。 (2)截面若是個五邊形,它會有兩雙對邊位於正方體相對的面上,因此平行。由此可知,它不可能形成一個正五邊形(正五邊形的任意兩邊都不平行,為什麼呢?想想看)。請讀者自己實驗觀察,或參看圖三。我們可以綜合上述的兩點說,截面的五邊形和六邊形並不是一般的五邊形和六邊形。因為它們都帶有強烈的條件(各有兩雙和三雙對邊平行),這樣的條件在截面為四邊形時,非常明顯的呈現出來。 (3)截面是個四邊形時,這四邊位於正方體的四個面上。由於正方體的六個面分成(上,下),(左,右),(前,後)三組互相平行的面,故一定有一雙對邊位於同一組面上,即它們是平行的,換句話說,它們不是一般的四邊形,而是有名有姓的四邊形,即梯形(一雙對邊平行)和平行四邊形(兩雙對邊平行)。 圖十四是個梯形,圖十五則是非菱形,也非長方形平行四邊形( BE = GD ≠ DF )。 當截面是個三角形時,由於水都聚集在正方體一個頂點的角落,故三個邊處於此頂點所在的三個互不平行的三個面上,因此不可能有互相平行的狀況產生,反過來說,若是有兩邊平行,也不可能形成三角形。這麼說,是不是這些三角形可以是個一般的三角形嗎? 當有位同學提出上述問題時,另一位同學突然想起,在本文前面提過要大家實驗,看看是否能形成直角或鈍角三角形的問題。他說,他實驗很多次都無法得到這兩種三角形,他大聲問全班同學,是否有人實驗出來?有的話,請他出來demo一下。大家的鴉雀無聲,使全班產生了一個共同的懷疑:是不是不可能形成直角三角形和鈍角三角形的截面呢? 証明某些狀況不會發生,和証明某些現象會成立,是很不一樣的課題,通常後者比前者容易進行。大部分學生都只會用“實驗不出來”,作為不會發生直角或鈍角三角形截面的理由。學生也知道,數學裡這樣不能說服別人。每次進行這個活動,到了這裡,每位同學都來找我們幫忙。我們給的提示是如下的定理: 在△ ABC 中, (1)若有一邊長的平方,等於另兩邊長平方的和時,譬如說 AB 2 = BC 2 + CA 2 則此三角形是直角三角形,∠ C 為直角。(圖十六) (2)若有一邊長的平方,大於另兩邊長平方的和時,譬如說 AB 2 > BC 2 + CA 2 則此三角形是個鈍角三角形,∠C為鈍角。(圖十七) (3)若任意一邊長的平方,都小於另兩邊長平方的和時, AB 2 < BC 2 + CA 2 , BC 2 < CA 2 + AB 2 ,CA 2 < AB 2 + BC 2 ,則此三角形是個銳角三角形。(圖十八) 六、如何証明不可能? 其實,上述的(1)是畢氏定理的逆定理,一般國三的論証幾何課本中都會証明它的成立。(2)和(3)則可以用樞杻定理(也叫做大角對大邊定理)來加以說明:若兩個三角形有兩邊對應相等,則它們所夾的角,大角所對應邊也大。反過來說,大邊所對的角也大。(圖十九) 樞杻定理可以實驗方式讓學生理解(以兩根長短隨意的筷子為邊,學生用繩子量由此兩邊夾不同大小角度時,觀察對邊的長短與角度大小之關係),然後由此去討論上節最後提到的定理:假設我們先有直角三角形ABC,∠C的對邊 之長當然等於兩股平方和之平方根,即。現在固定兩股長,並變動它們所夾角之角度,用樞杻定理說明其邊角關係,就得到了這個定理。 高中以上的學生,也可以用餘弦定理來說明這個定理:三角形ABC中,∠ C= θ,則其對邊有如下關係(圖二十) AB 2 = AC 2 + BC 2 - 2AC .BC cos θ 當θ=90°時,cosθ=0,我們得到畢氏定理AB 2 = AC 2 + BC 2; 當0<θ< 90 °時, cos θ> 0 ,故 2AC .BC cos θ 為正,因此定理 AB 2 > AC 2 + BC 2 ;當90 °<θ< 180 °時, cos θ< 0 ,故 2AC .BC cos θ 為負,因此 AB 2 < AC 2+BC 2 。 有了上節最後所述定理後,如何和正方體的平面截面會不會出現直角三角形,或是鈍角三角形連接起來呢?我們在黑板上畫出如圖二十一的圖形,令三角形之三頂點為A、B、C,O是水聚集的角落。又設 OA =a , OB =b , OC =c,則由畢氏定理,我們可以得到如下的關係(注意到△OAB,△OBC和△ OCA 都是直角三角形) BC 2 = b 2 + c 2 CA 2 = c 2 + a 2 AB 2 = a 2 + b 2 以 AB 、 BC 和 CA 為三邊形成的三角形,可能有下列三種情況嗎?請讀者自己動手算算看。 BC 2 CA 2 + AB 2 ? CA 2 AB 2 + BC 2 ? AB 2 BC 2 + CA 2 ? 讀者已算過一則式子後就知道(上面三個式子其實是輪換對稱式,即將A改寫B,B改成C,C改成A時,第一式會變成第二式,第二式會變成第三式,第三式變回第一式等,故只要檢驗一個式子即可),這些式子是不可能成立的,即任意一邊長的平方,都會小於另兩邊長平方的和,換句話說,△ABC 一定是銳角三角形。 本文介紹的活動,在我們要求學生整理全班曾討論過的截面形狀(如下)後結束。 1. 三角形-正三角形和銳角的等腰三角形(非正三角形)會出現,但直角和鈍角三角形不會出現。 2. 四邊形-正方形,非正方形的長方形和菱形,非長方形也非菱形的平行四邊形,梯形會出現,其他四邊形都不會出現。 3. 五邊形-有兩雙對邊互相平行的五邊形會出現,其他的五邊形都不會出現。 4. 六邊形-三雙對邊互相平行的六邊形,包含正六邊形會出現,其他的六邊形不會出現。 5. 邊數為七以上的多邊形不會出現。 以往立體幾何的數學,由於教具的缺乏,無法有效的進行,現在電腦可以幫許多忙。但用電腦呈現立體圖之前,還是要有具體的形體操作,學生才能形成確實的感覺。中小學數學教師若能在這方面努力,設計出好的教具與配合的教學活動,對幾何教學的改進,會產生很大的作用。本文拋磚引玉,希望能引出更好的作品。

某天下午

某天下午

文/黃敏晃 台大數學系退休 1 香菇粥記事 前幾天開完每周例會後,幾位有事的人先行告退。剩下我們五人,無意間踱入了附近的一家香菇粥店進中餐。這家店小小的,座位不多,菜色也單純,主食和小菜只有如下的選擇: 我們三女二男各點了一碗香姑粥,女小男大,又合起來點了所有小菜各一盤,吃得十分過癮。吃完有人問總共多少錢時,馬上有人回答說 500 元有找,確實點是可找回 45 元。大家都很驚訝, A 先生怎能算得這麼快?他開玩笑說,因為這是小攤的,他想搶先付帳,以後大攤的再換別人請客。說完,他拿出一張 500 元大鈔到櫃檯,果然找回 45 元。 大家雖然懊惱被他搶去這麼好的請客機會(好吃又便宜),還是客氣地謝了他 • 有人認真的請他把心算過程說一下,他解釋算法如下:如果每人都點大碗的粥,則皆為 45 元;把炸豆腐的 25 元五等分後,補每人 5 元就是 50 元;再把剩下小菜每人分一盤,合起來每人 100 元,五人總共 500 元。這就是他的第一句話, 500元有找。找多少呢?因為三位女士都只點了小碗的粥,每碗比大碗的少 15 元,故要找回 15 元 x3 一 45 元。 聽他講完,大家都稱讚他算得巧。他客氣的說,是價錢定得好,才容易湊 100 元,硬算也沒那麼難。講老實話,肯花點心思,講究巧妙的算法是值得鼓勵的。我們都是退休的數學老師,既然有人提到數學,大家自然往這方面動腦筋,小吃店的食物有什麼可和數學扯上關係呢?討論後找到兩個項目,如下: 1.這家店一天有多少收入?賺錢嗎? 2.大碗粥和小碗粥的價錢是 3 : 2 但其份量是否按此比例呢? 我們決定先玩第 1 個項目。這種估計需要一些數據,其中一樣是客人的數目,這又和營業時間(段)有關係,若想長期調查至少得做一個月或一星期的觀察記錄,才能評估利弊,遂找機會和老闆聊上幾句話,以了解詳情。 「生意不錯啊,我們剛才等了好一會兒,才坐得進來。」「勉強啦,承蒙照顧。你們人多,最起碼得有一張桌子,只好找散客挪一下,不那麼容易,害你們久等,真不好意思。」 「你們東西新鮮好吃,值得等的。」謝謝。小店就靠客人吃得順口,下次會再來捧場。」「是不是每天都這麼多客人?我們剛才快一點才來,應該是第三輪客人了嘛,還是坐得滿滿的。晚餐應該也一樣吧!「不,我們最主要的客群是上午來附近市場買菜的主婦,每人一小碗粥,一盤小菜,人很擠的,一直到 11 點才退。中午靠附近的上班族,人數還好。晚上則有放學的學生,回家前先填一下肚子,我們傍晚 7 點半就關門打烊了」 從以上的對話看來,我們知道早餐比午餐的三輪客人要多得多,晚餐則比午餐少。由於這是概略描述,我們得做些較精準的假設,譬如說,午餐三輪,早餐(因為時問長)六輪,晚餐一輪,外帶的一輪。一輪客人有多少呢?這家小店坐滿時 36 人,但任何時候都不可能完全坐滿,故我們將一輪客人定義為 32 人。如此,客人數就約為 32 人 × ( 6 + 3+ 1 +1 ) =32x11大約350 人。 假設每人的平均消費額是 35 +50 = 85 ,則此店每天的總營收大概是 85 × 350 = 29750 元大約 3 萬元。利潤大約是多少?又該如何估算?利潤就是營收扣去成本,成本分直接和問接成本兩類。直接成本就是材料費(包含噸、醋等調味料),加上清洗、烹調的人工(這裡當然包含廚師手藝之評價),照呼客人和上菜的店員(人員方面看起來全部由這對夫婦包辦了,故這裡就是他們兩人的薪水)。間接成本含店面租金(這裡接近市場及學校,雖面積不大,但四萬元跑不掉),設備(廚具、桌椅、碗然,此店蠻簡陋)、水電、保險和營業稅等。 這樣算下去,真是沒完沒了。故一般商業上不這樣算,而是將營收直接乘上各行業的利潤函數。照筆者知道,像這樣有店面的小吃館,利潤應該是三到四成,低估點也有二成五, 3 萬元 x25 % = 7500 元。每天純賺 7500元,一個月也有 20 萬出頭,算是很不錯的小生意了。 2 二大三小碗 現在,其他客人全都離聞了,只剩下我們這群客人。老闆夫婦一方面在清理中餐的碗盤,一方面在準備晚餐的食材。我們早先曾經向老闆表白,希望在店裡稍微休息,得到允諾,所以能在店裡討論第二道數學問題,即大碗和小碗香姑粥的價錢比既然是 3 比 2 ,它們的份量比是否也一樣?答案有三種可能的選項:兩大碗和三小碗份量相等、兩大碗多過三小碗,以及兩大碗少於三小碗。親愛的讀者,你選哪樣?想想看! 這是很容易具體驗證的,但有人要求在驗證前,每人先想個理由,挑個選項後再實驗求證。結果為兩位女士選擇相等,理由是這樣比較合理;兩位男士認為兩大碗的份量應多過三小碗的份量,理由是一般的商業行為都是「買少量稍貴,大量買較便宜」;唯有一位 B 女士獨排眾議,說兩大碗合起來會少於三小碗的總和,理由是老闆會為了顧客的健康,不讓好吃的胖子(五人中只我一個胖,顯然指我吃相難看)吃那麼多。大家都為了這種說法笑了出來。 老闆娘收拾好東西,已經離店到隔壁大樓的住處休息了。老闆隔我們一張桌上坐著,大概等我們離開,好早點休息。聽到 B 女士的論點,他也不禁笑出聲來。我們問他,會這樣嗎?他說不會,因為他相信他賣的東西都是健康的,若是他認為不健康,他絕不會賣。他說你們這批客人是他見過最好玩的,他早就準備好兩大一小的容器,好讓我們做實驗。 此店用來盛粥的容器是紙做的,底部稍為縮小的圓柱狀筒子,形如右圖,數學裡稱之為圓平台。我們向老闆要水,三次裝滿小圓筒,小心倒入兩個大圓筒,結果剛好相等。選擇相等的兩位女士大呼勝利。老闆也說,他認為如此才公平,所以特別設計後去訂做的,不是市面上隨便買的。 這時 B 女士說且慢,他問老闆,他盛粥時容器是否都裝滿?老闆說,這是不可能的,因為盛滿不好拿,一不小就會倒出來,故粥面都會比碗的邊沿低約 0 . 8 公分。B 女士說,現在有變數了吧。 實驗重做!這次的實驗由老闆親自操刀,因為只有他能捏扭得住粥面的高度 • 剛才我們做實驗時,捧小碗時是雙手在碗的外面。這次老闆左手的大姆指,是扣在小碗內側的,他說這是他插粥進碗的習慣資勢,粥面一定不會碰到姆指尖的。在他的慎重實驗下,我們實在看不出有什麼差異。或者可以這麼說,差異不是我們肉眼可以辨識的程度。 對老闆而言,他已經滿意了。但對我們,這等於沒結果。有人說,這正是需要數學精算的時候,但若用圓柱形的體積來計算,誤差可能比老闆的實驗還要來得大。我說,我知道圓平台的體積公式。大家都問是如何的?我於是畫出右圖並寫出下式(參看圖 2 中字母 A , B , H 之意義) : 我們正要討論這個公式時,老闆說:「對不起,我們要休息了。謝過他後,我們決定到附近的咖啡館繼續討論。等大家都拿到飲料,坐下來之後,又搶到付帳的 A 先生說:「這個式子怎麼這樣奇怪,還除以 3 。A 和 B 是上、下底的面積這可以理解,因為相應於梯形的面積公式中的上底和下底。但為什麼有個,太複雜了。」 我解釋說:「面積是 2 維的,故梯形面積要除以 2 :體積是 3 維的,因此要除以 3 ,這和圓錐體積公式有 1/3 是一樣的。事實上,若將三角形和平行四邊形(含長方形)看成為梯形特例(三角形上底為 0 ,平行四邊形的上、下底等長),它們的面積計算都適用梯形公式。同理,把圓錐和圓柱視為圓平台的特例(錐餿的上底面積為 0 , 柱體的上、下底面積相等),則三則公式是完全一樣的。除以 2 時要有兩個長度量來做平均,再乘以高才得到梯形面積:圓平台的體積會除以 3 ,表示需要有 3 個面積量做平均,但除上、下底的面積外,並沒有其他的面積量可以用,故只好將上、下底面積的幾何平均做為第三個面積量,公式才會變成這樣。」 B 女士說:「你說得頭頭是道,但數學公式都是如此造出來的嗎?我說:「對不起,我剛才只是解釋公式各項的意義。要導出此公式有兩種方式,一是用積分,另一種是高中學生能做的式子運算,都可以導出同樣的公式。」 C 女士插嘴說:「慢一點,我們現在的要務不是討論這條公式是怎樣導出來的,而是要討論此公式能否幫我們分辨二大碗和三小碗是否份量相等的問題。」 D 女士說:「 C 姐不用急, B 姐的顧慮也是對的,若這條公式不對,用它做為討論的基礎也沒用。」於是大家要我先導出此公式。 3 公式有用嗎? 由於他們都是中、小學老師,早就忘了微積分,所以要求我用高中方法導公式。我告訴他們,方法過程和用三角形面積公式導梯形公式是一樣的,但不是一般課本上的方式。我先畫了個梯形EFGM,如圖 3 ,並將兩側邊延長相交於 O 點,如此我們得到了兩個三角形, △ OEF 與 △ OMG 。由 O 向 EF 作垂線,並延長變成 MG 上的垂線(為什麼?想想看)。 設 △ OEF 的高為 h ,而梯形的高為 H ,EF= a , MG= b ,則梯形面積為 為了簡化上式,並消去不應該在公式中出現之文字參數 h ,我們得找關係。由 △ OEF 和 △ OMG 相似,可得 此式代入上面梯形 EFGM 的面積計算式可得 模仿上面的做法,我先畫了個圓平台的圖,如圖 4 。假設上底圓的半徑是 r ’下底圓的半徑為 R ,則 A 二斤πr2, B=πR2 。延伸圓平台的側面,交於一點 O ,形成兩個圓錐體,都以 O 為尖點,小圓錐以上底圓為底部,大圓錐以下底圓為底部”連接 O 和上底圓心 P ,並延伸到下底圓的圓心 Q ,得到兩圓錐的高。設 OP =h , PQ =H ,則圓平台的體積 V 可以計算如下: 為簡化上式,並消去不該在公式巾出現的文字參數 h ,我們需要利用一些關係,弄出一些式子。 △ OMP 相似於 △ ONQ 給出比例式: 代入上面圓平台體積V的計算是可得 導出公式後,大家都覺得很神奇,導出的過程竟然並不困難。有人問,為什麼以前沒見過此公式,這樣單純的公式為什麼不在中學數學教科書中出現?我說,它其實沒那麼重要,不知道也沒什麼。有人建議,這公式的導引過程,應做為高中數學教材中,式子運算這部分的練習題,這當然是高中數學教科書作者的選擇。我們接著要看看,這個公式能否幫助我們分辨二大、三小碗之間誰大、誰小的問題。 看看這個公式,大家都面有難色,因為公式中有個大家不習慣操弄的根號“”。 A 先生提議說:「讓我們把兩個式子寫出來看看”」 C 女士說,用英文大寫字母代表大的圓平台(碗),小寫字母代表小的。大家也都接受,於是有了下面的關係式。 當粥面低於碗面0.8公分時問題成為 問題式子中的 B ‘和 b ‘,是因為高變小後下(大的)底 B 和 b 會變小,故用不同文字代替。但這樣一來,變數增多,推論遂變得不可行。 B 女士怪我說:「若不是教授弄出這麼複雜的公式,我們本來是有機會利用圓柱體的公式做些推論的。」真是這樣嗎? D 女士提議模仿上面的方法,寫出式子如下: 這個問題能由前面的關係是推論而得到結果嗎? B女士說,當然,因為 ,在此式中,由於 H > h ,故有 3/2a" width="51" height="24" align="absmiddle" /> 。大家都稱讚她,推論巧妙,真酷! B 女士說,由此推論知道,複雜的式子是不太有用的。 A 先生說,照你的上述推論,我們也得到,粥面低於碗面 0 . 8 公分時,兩大碗的總和,還是大於三小碗的結論。三位女士一致反對,說那是誤用公式的結果。親愛的讀者,你同意嗎?

我生活中的數學

我生活中的數學

文/黃敏晃 台大數學系退休 1數學無用? 有人請筆者去演講,題目是「數學與生活情境之連結」。事後整理講稿,又補充資料,寫成此文,目的想說明生活中常會應用到數學。希望用筆者的生活經驗作示範,拋磚引玉,讓讀者反思,生活中是否也有類似的,甚至更精彩的案例,進而領悟到數學對生活的重要。 數學是許多中、小學生討厭的學科之一。原因複雜,其一是感覺「數學沒路用 J 。小孩的生活單純,除了購物外,他們不太會感受到數學知識的需要。沒用的東西幹嘛學?其實小孩的世界處處充滿數學的痕跡。例1中的每句話,都是筆者親自聽到不同孩子說的,請注意其中的數學成份。 例1 1.這包糖果蠻大包,一定超過 40 個,足夠分給全班了( 2.這台電梯可載七位 70 公斤的大人,雖然現在擠進 10 人,但都是不到 50 公斤的小孩,所以訊號沒響。 3.我發現台北市 200 號以上的公車,都是兩段收費。 4.橄欖球不完全是圓的,彈跳起來不規則。 5.這個風箏做成線對稱的菱形,左右受力均勻,飛在空中時,才不會被吹到打轉。 即使是低年級的小朋友,他們的生活中也無法免除數學的影響。筆者聽過一位媽媽描述,剛上小一的兒子,尚未學到數的合成分解前的趣事,請看例 2 中母子的電話對話。 例 2 「媽,我要 5 塊錢買橡皮擦。」 「早上不是才給你一個 10 元銅板嗎?用這個銅板就可以買了。」 「但我已經把它用掉了。」 「你是怎麼用掉的?」 「我要打(這通)電話給你,電話機上寫1元,5元,10元都可用,我就投下去了。」 如果老師和家長能夠善用孩子的數學經驗,應該會讓孩子對數學是否有用」這件事,產生不同看法,也影響孩子學習數學的動機,讓他們更積極、主動,得到更好的學習效果。事實上,別人的經驗到底隔了一層,不如自己的經驗那麼親切、深刻。所以,師長若能掌握自家孩子的經驗,助益當然要大得多。 師長要幫助孩子前,最好先自我實踐。自己不會的事情不但沒感覺,講出來的話還會心虛。即使你的身份不是老師或家長,也可以試試看,從自己的生活經驗中,挖出一些有數學味道的東西,然而該怎麼做呢?筆者的心得是,進行這種行為全靠反省、檢討。其實,人類之所以有別於其他動物,全靠我們夠大的腦袋瓜,約有 1400c . c.這麼大,可以做這樣的腦部運作,從經驗中吸取教訓,調整行為,造出全新的事物。 萬事起頭難,尤其是像「生活經驗中的數學要素」,常會和你擦身而過。若不隨時留意,保持高度警覺,尤其是量感方面,一定抓不住。所以,筆者提供自己的做法做為參考。 2往事歷歷 反省與檢討,一定要養成習慣才會有效。筆者約在 1986 年左右,感到這件工作的重要性後,開始自我訓練。當時筆者還是個夜貓子,午夜最有空,洗過澡後,會泡杯咖啡或一壺濃茶,邊喝邊想,今天發生了什麼事?哪些和數學有關?將整理後登錄在筆記簿上備查。筆者文章裡或演講時談到的案例,大多來自筆記。這個習慣仍持續到現在,退休後生活作息改變,早睡早起,反思活動就留到每天早餐後。所以,當友人和學生羨慕筆者找得到這麼多與生活相關的數學案例時,他們可能沒有連想到背後的辛酸。筆者曾說藝人是「台上五分鐘,台下十年功。世間的天才很少,大部分的成就都有前因。 一個人會對某件事付出努力,是因他有正確的態度,即把它當作最重要的事情來看待。許多老師說,數學和生活的連接很重要,但常常只是嘴巴說說,並未實際從生活中尋求含有數學成份的案例,這種態度很難說服學生,因為學生很容易看出你「誠意不足」。 有次看電視,講到許多節目都有諧星幫忙潤滑,總能在關鍵時刻接話,講出幽默橋段,連接適當故事,令人佩服時,有位來賓爆料說,其實這些諧星們經常聚餐,互相切磋在何種狀況說什麼話,可能得到什麼效果。他們的專業精神,值得我們學習。為方便起見,筆者們從購物行為說起,從中牽涉到一些數學運算。讀者可就例 3 的項目作練習。若加入些曲折、令人意外的情節,更是講課時(或寫作)的絕佳題材。 例3 1.造數-用身上的錢湊出貨物價款。 2.加法-買幾樣貨品,計算各貨款的和。 3.減法-拿出大鈔,付錢找零。 4.乘法-買同價貨物多項,求總貨款。 5.除法-好幾人同吃一桌,餐後平分付帳。 6.百分率-計算 5 %或 10 %的貨物稅, 15 %的小費。 7.比價一貨比三家,同樣的貨品誰最便宜?而不同品牌,則有不同因素介入。 例 3 中的第 7 項有很多變化的,拙作「人問處處有數學」中有則選購一瓶咖啡粉的案例,可供參考。在傳統市場買菜,有時會產生 3 把青菜或 4 個頻果只要 50 元的促銷,這樣買固然方便,是否比稱斤兩便宜呢?若買的量少,價錢也不高,通常也沒人認真追究。 由於筆者個性大而化之,對小錢不甚追究,曾吃過幾次小虧。譬如說,付帳後找回的零錢,常不點算就放口袋,事後發現有誤,店家卻不認帳,幾次學乖後就比較注意了!最近和內人去那種專賣給大學生吃的簡餐店,飯後付一張千元大鈔,竟只找回 4 張百元鈔!筆者問餐價多少,老闆說各100元,那怎麼只找筆者 400 元?她連忙道歉說,誤將一張佰元鈔看成 500 元。照筆者看,她的收銀機內,各類鈔票放在清楚位置,怎有可能弄錯? 關於這點,美國的商家就好得多,他們用加法而非減法結帳,絕不馬虎:假設消費物品總價含稅為 8 . 65 美元,你拿一張 10 美元紙鈔付帳時,他們會指著貨品說 8 . 65 美元,拿出一張1美元紙鈔說 9 . 65 美元,再拿出一個 25 分的銅板( 1 美元一 100 美分,這種銅板俗稱 quater ,即 1/4 美元),對你說 9 . 9 美元,最後再拿一個 10 分的銀角子,再對你說 10 美元。 3四捨五入 筆者常到某連鎖店買衛生紙,因為它在廣告中宣稱,同類產品它最便宜。這類衛生紙產品已然規格化,如每包 120 抽,尺寸約為止方形,大小一致,品質相差不多(每張都由兩張較薄的合成),故比較價格是有意義的。另一家在夾報廣告單上說,每小包賣 8 元。因它離筆者家較遠,筆者還是帶著那張廣告單到這家連鎖店去買。 該店門口大張看板貼著:衛生紙每小包 8 元;而店內有一處存放著由 12 小包組成一大包的貨品,有張較小的看板,寫著:每大包 99 元。筆者便拿了兩大包到櫃台結帳,收銀機「叮」的一聲,年輕的店員說:「198 元。」 當下筆者有點猶豫,到底要不要計較這「 6 元」的差額?筆者覺得產品已夠便宜,「 6 元」對筆者也無關痛癢。通常筆者都很「鄉愿」地不吭聲,但這次真的很想知道,一個店家對自家貨品價格上的「數量矛盾」有沒有察覺?有的話,又抱持何種態度?於是筆者在付她 200 元時說:「不對,你應該找我 8 元!」 她愣了一下後,冷靜地說:「沒錯,每大包99元,兩大包共198元」筆者指著門口「每小包 8 元」 的看板說:「每小包 8 元,一大包共有 12 小包, 8x 12 一 96 。所以你每大包只能收 96 元。 」「小包的當然賣 8 元,但大包的是每大包 99 元。」她顯然完全沒察覺到,大包和小包的衛生紙之問,存在著某種「化聚」關係。 筆者說:「如果我買的是 24 小包,你算算是多少錢?」她說:「可是你拿的是大包的。」「你要我把它們拆開來算,才看得到它們是 24 小包嗎?」不清楚她有沒有聽懂,因為她沒回應,逕自按鈴把店長找來。一位打扮俐落的中年婦人,很有威嚴地問著:「你有什麼問題?」筆者告訴她後,她在計算機上打出 99÷12=8 . 25 給筆者看,然後說:「沒錯, 8 . 25 在四捨五入後就是 8 ,一小包是賣 8 元。」筆者真的又好氣又好笑,打出最後一張王牌說:「我不管你如何四捨五入,只問你每小包有沒有收超過 8 元?這張發票就是證據,你們比這張廣告單的店家賣的貴,照理說,你們應該用 2 倍價買回去才對。」 這時已有一大群顧客聚集在櫃台邊,她態度立刻軟下來說:「請等一下。,她打了個電話後,吩咐女店員重新打了張 192 元的發票給筆者。當天下午,筆者又經過該店,一大包 99 元的看板已經拿下來了。筆者突然感到後侮,早上不該買那麼多,不然現在就可以再去買,看他們一大包到底賣多少錢? 一般的生意邏輯是,買少稍貴,買多便宜。若每小包賣 8 元,則一大包售價應該是 96 元以下才合理。關於此事該店大可解釋為:一大包 99 元本是它的售價,當競爭對手打出每小包 8 元的低價後,只好跟進。臨時在各連鎖店貼出每小包 8 元的看板,以免砸了「這類貨品最便宜」的招牌,只是忘了兩者間的連結。上述案例給了筆者兩點感想,一是很多店家的數學程度有很大的改進空問,該店長的「四捨五入」運用,真是令人慚愧!我國的數學教育,到底出了什麼問題?竟有人把「四捨五入」和生活情境如此連結。其次,積極面對是有效的。筆者的個性低調,多一事不如少一事,讓店家佔點小便宜並不在意,人生何苦斤斤計較?但想到這些人若不加以點醒,可能變本加厲,最後害人害己,故盡點社會教育的責任,也是應該。 4無所不在 前陣子,兒子媳婦開車載筆者去診所看病,途經一大幅廣告看板,宣傳「月息 4 分」的貸款店。關於「 4 分」的意義,車上 3 人竟有二種不同解釋: 4/100或4/1000到底哪個才是止確的? 對某種數據做「解讀,是生活中常遇到的「溝通」問題,其判斷需要做簡單的估計:假設每月利息是4/100,則一年利息(此處暫時忽略複利的影響),差不多是4/1000×12=48/1000<5/100 這樣算來,年利率幾乎等於銀行貸款的行情,輪不到打此廣告的「高利貸」店來做此生意。由此推論可知,月息 4 分表示每個月要繳納 4 %的利息,比如說借款 100 萬元,每個月需交利息 4 萬元,一年的利息是 48 萬元,幾乎是所借款項的一半。所以,美國人將放高利貸比喻為 loan Shark (貸款鯊魚),會吃人的。 數學除了「解讀」溝通,還有更洞察人心的溝通案例(例 4 )。 例 4 有次搭捷運從公館到淡水,正是上班人潮最多的時候。人老又撐著拐杖,很快就有好心的年輕女生讓座,謝座坐下不久後,她的手機響起,聽其對話知道是一起要去淡水的朋友,且在同一班列車上(同時在古亭站),但不同車廂(他在第 2 ,她在第 5 ) • 兩人顯然很想立刻見面,要在擁擠的車廂內找人相當困難,只好作罷。 筆者想了想後告訴她,捷運每節車廂有四個門,把整個車廂分成十二個區塊,如圖一,每個區塊估計約有 20人,在 20 人中找到朋友,遠比在整個車廂 200 多人中找到朋友容易許多。她聽完立刻用手機回 call ,溝通了她的位置,他在列車抵達台北火車站前,就站在她身邊了。筆者很高興能用數學溝通,回報她讓座的善行。 這些用法雖然沒有出現在中、小學數學課本,卻是座標定位法的簡單應用,是我臨時想到的。如果你沒有把數學忘記,能活學活用,應該也用得上,下面也是最近發生的例子。 例5 女兒女婿最近搬來跟筆者和內人同住,當然歡迎。筆者把書房讓出來,雖然乘機丟了很多東西,還是有捨不得丟的老古董需要收納,於是買了幾個收納箱回來 • 收好東西後想放床下,才發現箱子太高,塞不進去。只好再量了床底板的高度,到賣場去找高度適合的箱子,才完成任務。 記得以前每兩、三年,就會想改變一下辦公室或臥房的擺設(喜新厭舊)。初次發想時採具體運作,即興的搬動書桌、櫥櫃等,看看位置是否合適?不但辛苦,效果也不好。後來就學會形式運作:先量好房間及各式家具的尺寸,按比例畫出各種可能擺設的縮小圖,判斷可行後,才具體動手。 數學對人類的最大功用,就是如例5 的「規劃」,而不是等事情發生,成敗無法改變後,再亡羊補牢。理論上,規劃可以減少失敗機率,使數學變成人類最寶貴的學問之一。所以,即使數學這麼抽象、形式,學起來這麼困難,還是各級學校的必修課程之一。 5形成推論 數學能有這麼多功能,最主要是有「推論」這個運作。「推論」源自古希臘人對幾何的探索,他們發現「眼見不一定為真」後,逐漸發展出「從大家共同承認的道理和事實(公理和公設),推論出結果」的學問,被認為是現代數學的聞端。本文暫不多談歷史與學理,僅看一些生活推理的案例。 例6 某次和數位退休老師聊天,談到很多學校遇缺不補,反而找退休老師代課。對年青的候補老師並不公平,對這個行業發展也不好。究其原因,是少子化現象,以往每年新生兒約 30 萬人,近幾年銳減到不足 20 萬人。每年少了 10 萬個學生,縱使每班學生人數略有調降(小學每班最多 30 人,國中35 人,高中 40 人),但全國總班級數仍持續下降,故相應的老師總人數(每班約配 2 位)勢必跟著調降。 倘若同一所學校內,今年退休老師數,大於減班而需要調降的老師數,理論上應加聘一些老師來任教。但是,若明年還會減班,且沒人退休,校方就不會聘用新老師,而改以退休老師代課。從這個問題出發,筆者們談到台灣未來的人口數,預測它會大幅下降,如下:假設辜灣每年出生 20 萬個嬰兒,又假設每個人的壽命為 80 歲(概略的平均年齡)。則未來辜灣的總人口數應上限為 1, 600 萬人( 20 萬 x 80 = 1600 萬人)。 這是狀況理想化的估計,相較以往每年出生約 30 萬個嬰兒,而人口總數約 2400 萬, 2400 萬+ 30 萬= 80 (歲)。由此看來,這應該是合理的計算模式。問題是,在此狀況下,教師人數只會持續下降,對想投身教職的年青人而言,並不是好消息。於此順便談談這群退休教師的看法,最近失業率持續超過 5 % ,其中流浪老師約占 2 萬人之多,要如何安置他們呢?讓筆者們先分析此問題的一些週邊狀況,如下: A.年輕老師養成需一段時間,縱使大學畢業前已完成教育學程,也經歷了實習的磨練,但要成為一個運作順利的老師,據經驗估計至少需要五年,這也是家長們喜歡退休老師短期代課的原因。換句話說,新聘老師的頭五年是學校投資老師,這段時期他常會需要校方或資深老師幫忙協助。 B .年長( > 50 歲)的資深老師,雖然經驗豐富,但與精力充沛的小學生一起過一天( 07 : 30 ~ 16 : 30),常感體力不足,若想領月退俸,得滿足退休條件:年齡十服務年資≧85 , 大部分老師大學畢業時剛滿 22 歲,到 54 歲才服務滿 32 年, 54 + 32 = 86 > 85 ,故 54 或 56 歲(男生兵役)後才是屆齡退休。 C.有年長老師表示,到 50 歲就有職業倦怠症了,為符合退休條件還得拖 5 年,感覺很辛苦。筆者試問,若把月薪(約 7 萬元)分一半請一位年輕教師,分擔年長老師大部分任務(如帶一個班的級任),年長老師擔任指導的角色,直到退休,是否願意?許多年長老師回答,願意。 本提議不可能強制執行,非得要年長老師願意才能進行。好處是解決部分流浪教師的問題,而政府需支出的經費為健保與退休金等,年長老師分出一半薪水後,減輕了職務責任,幾年後也得以拿到月退的年資。看起來應該是多贏的政策,但筆者想政府(不管煎綠)不見得會採納,這還需要很多配套措施。 6用進廢退 達爾文的「進化論」中談到兩個主要進化機制,「基因突變」及「用進廢退」。本文想談的是後者,意指動物的某些器官因使用頻率的多寡,而進化或退化 • 如鯨豚類之哺乳動物,原是生活在陸地(有適合呼吸的肺,而無適合在水中吸取氧氣的鰓),後因追逐獵物,選擇到海中生活,久而久之,其手腳型態的四肢退化,逐漸進化成適合水中運動的鰭類型態。 「用進廢退」跟本文有什麼關係?筆者的觀點是,人的潛力是很大的(很想用「潛力無窮一詞,據說至今人腦被活用-activated-的腦細胞僅 5 %左右;若能多 l %的腦細胞被活用,應該不得了),如果筆者們能夠堅持,專注全力於一件事,定可以把這件事越做越好。這件事也許是游泳、騎單車,或是「把數學和生活情境連接」,筆者的個人案例,可做為佐證。 例7 筆者在腳踝開刀三個月之後,開始使用拐杖,因拐杖把手呈圓弧形,施力不當而使右手姆指變成媽媽手(因母親懷抱嬰兒而產生姆指相關肌腱發炎而名),連寫字都有困難,更別說作其他動作,因而開始訓練用左手,左撇子能用左手做出一般人右手能做的事,表示人體的結構左、右是對稱的。開始時筆者訓練左手做些右手常做的事,諸如吃飯或刷牙。在刷斷一根牙刷後,覺得有必要分解刷牙的基本動作,還算單純,如下:左右橫刷,上下縱刷,由裡往外挑等,練習一段時問後,才能俐落執行。 用筷子挾食物,則不如刷牙單純(不禁想起招待過來亭訪問的外國友人,第一次用筷子的窘態),由於每根手指使力的大小和方向都不相同,我以挾起一粒花生,放入口中為初級目標鍛鍊左手,直到撰寫本文時,左手還僅能用刀、叉和湯匙吃飯。 例 8 為響應節能減碳,少用冷氣,家裡買了幾架電風扇。不同款式,不同品牌,但都是零件打散裝箱運來的,需要組裝後才能使用。看懂零件圖(看圖形辨認零件),及組裝圖(弄清楚各零件之間的相互位置關係),並能按圖組裝出可以運轉的電風扇,是現代國民必備的數學能力。組裝第一架電風扇時,看圖動手,有時還要想想,有點像解數學中的非例行性問題;但第二架和第三架風扇的組裝方式雖不盡相同,但都變成例行性解題。應該是人類本能上擁有某種程度的類化能力,故相似任務很容易上手。 由此可見,人類的許多能力,包含數學能力在內,都是可以發展出來的,且越用越熟練。從筆者的生活經驗中,抽出數學要素的能力,也是經過長期發展,變成專長之一。這篇文章長了些,雖然言猶未盡,還是得結束,未談到的事情,下篇文章再談吧!

九宮陣法巧布局

九宮陣法巧布局

文/ 黃敏晃/台大數學系退休 戴寶蓮/北市民生國小退休 1.武功陣法 河南嵩山少林寺號稱中國武功的聖地,寺裡的僧眾在念(佛)經,修心養性之外,也修練武功,健體強身。由於寺處山林之中,毋需如市鎮地區之寺廟一般做那麼多隨緣法事,僧眾較能專注投入研討,因而他們在佛學和武功上都有過人的成就。 少林武功雖然以個人的十八般武藝為主,也重視團隊的陣法。因為河南位於中原,向來是兵家必爭之地,戰事頻仍。少林寺雖地處偏遠山區,仍免不了受波及致敗將殘兵,散卒游勇入侵,傷害僧人和入禪寺避難的民眾。 在人數眾多的戰爭場面中,單打獨鬥勢必威力大減,於是,少林僧人布陣防禦,發展出有名的十八銅人陣。十八個人擠在一起,若沒有事先演練好的補位走步功夫的話,一旦陣式發動,定會眾人擠成一團,自亂陣腳,不等敵手進攻,就已陣仗潰敗了。 因此,任挑的十八位少林僧人需能布好一個十八銅人陣,每人不但要會好幾套武術,還得練好腳步移位的功夫。但是小和尚並不是一開始即練複雜的陣法,而是先從較簡單的陣法練起,諸如兩儀陣( 2 人)、三才陣( 3 人)、四象陣( 4 人)、五行陣( 5 人)、六合陣( 6 人)、七星陣( 7 人)、八卦陣( 8 人)、九宮陣( 9 人)等。尤其九宮陣是十八銅人陣的基礎,後者是由兩惆九宮陣變化組合而成的。 本文要討論的主題,就是九宮陣法: 布九宮陣的九位僧兵分別拿三種不同的武器盾牌(下文將以圓形 “○” 表示);單刀(以三角形“△”表示)、齊眉棍(以長方形”▌”表示)。每種武器各由 3 人持有,但這三人穿著三種不同顏色的衣服一紅、黃、藍。 以下文中每道題最後答案的九宮陣,都如同左圖所顯示那樣。在九宮格中,每一格皆有一位僧兵,每位在衣服顏色或武器形式上皆不相同。 任何體力活動,如球類、跑步等若要成為頂尖高手,一定也要擁有強健的思維能力,武功陣法,也不例外。因此少林寺在訓練小和尚布陣時,被不直接教,而是用圖式指出拿某種武器穿某種顏色袈裟的人應該站在某個位置。這樣利用圖式的訊息來訓練小和尚的推理思考能力,常此以往能力將大幅提升,小和尚長人之後方能變成明事理,辨是非的高僧。 以下是舉出最簡單的例子說明九宮陣式的布陣法: 例1中的九個訊息,明白的指出拿那種兵器,穿那種顏色衣服的僧兵,該站在九宮陣的那個位置(網格)依訊息完成布陣。 2.布陣指示 為什麼我們會說上例中各僧兵該站的位置非常明確呢?以上例中第一則訊息(右上圖)來說,看到此圖時,讀者都會自動地在用腦袋裡補劃虛線而成。由此看來,除第九則訊息(下排最右)不明確(該僧兵的位置有三種可能,即九宮陣中下排的任一個格子)外,其他訊息都是明確的。」的位置雖不明確,但當其他 8 人都站定後,此僧兵的位置,也沒有選擇了。此題的解答,讀者應該不難自行作出,如右圖的樣子。往下的例子題目難度會越來越高。 例2 例2 這題的訊息指示有明確和不明確的;明確的訊息指示在往後的題目中會越來越少,而不明確的訊息指示則會增多。不明確的訊息中,有些是用如□打 × 的方式表示”不能站在這裡一的禁制型訊息。 上面例 2中明確的訊息只有5個,依序是上排 3個以及中排左邊和中問的 2 個。中排右邊是位置明確禁制,下排的 3 個則是位置不明確的禁制。親愛的讀者,請先想一想,再依指示訊息完成最右邊的九宮陣。 要布例2畫個九宮陣,一定要先把確定的訊息搞定,然後再考慮比較模糊的訊息。 第一波:例 2 的前五個訊息是第一波要先固定的。 第二波:繼第一波之後,例2題目中排最右邊的訊息就可以用了,因為把禁制的格位刪除後,只剩左下方的那一格位置。 第三波:其後,最下排左邊的訊息指示,除掉禁制格位,只剩中排中間那個位置。 依續,例 2 題目指示接著要確定最下排中間及右邊的訊息逐步完成第四波、第五波得到最後的答案。 在最後的完整答案圖中,格中所加數字號碼是用來表示第幾波確定訊息的順位。往後的各例題中,題目所提示的訊息之排列會越來越隨機,所以布陣者一定要將訊息運用的先後順序確定,才能順利解題。 例3 此題與例 1 、例 2 在格式上梢有不同,除了確定的位置指示(網格)和禁止指示符號之外,增加了兩位僧兵的相對位置關係,即訊息格子內都有明確僧兵的身影,這樣子的指示清楚地顯示了訊息的優先順序( Priority )之重要性,亦即一定要先確定第一波的訊息後,第二波的訊息才能產生作用。 請先依指示訊息解題,完成例 3 的布陣,再往下閱讀吧!例 3 的題目顯然比例 1 、例 2 要難些了。不管如何,讀者一定要自行努力嘗試後,才能對答案。希 望你的答案如左下圖那樣。格子中有訊息的波號,照這些數字碼的順序,逐步布陣,方得解答。你使用的訊息時頓序如下: 第一波:上排左→中排右→上排右→下排中 第二波:上排中→中排左→中排中 第三波:下排右→下排左 3.新舊問題 例4的題目中,讀者在任何階段都要選對訊息,才能順利解題“當然題目中的訊息會越來越模糊,不但位置如此,衣服顏色和武器也都一樣。例 4 有新的符號出現,即中排中的單刀和下排中的盾牌誰沒有指明是穿那種顏色袈裟的人,而中排左、下排左和右則是只指定袈裟顏色的僧兵,卻沒指明他們拿的兵器種類,想想看,要怎樣解題呢?你先布完陣式,再往下看吧! 本題(例 4 )與之前的幾個例題最大不同之處是有了不確定的人物,或是他拿的兵器未知,或是他的袈裟顏色未知。如此看來,本例題中含有兩種不同的問題,一是人物定性的問題,另一個是這些人的定位問題。後者是舊型的問題,前者則是新型的問題。 處理新舊混合問題的策略之一,是把新的部分先解決,之後就只要處理老問題了。 1.依例 4提供的資訊,數顏色就知道,缺了兩位穿紅色的僧兵,故知題目中之中排中拿單刀和下排中拿盾牌的僧兵都應該是穿紅衣服。即可將這兩則訊息改成如下圖所示的明確型式。 2.至於三位只有指示衣服顏色,而兵器未知的訊息,也不難由點算得知: 中排左→藍衣人拿齊眉棍(單刀和盾牌已出現) 下排左→黃衣人拿盾牌(單刀、齊眉棍已有) 下排右→紅衣人拿齊眉棍(單刀、盾牌已確定) 3.如上把人物定性之後,接著回到老問題(定位)。藉由之前的舊經驗,分波段使用訊息: 第一波:三位藍衣僧兵的位置(訊息上排左、上排中、中排左),剛好由右上到左下 第二波:由中排中,上排右的訊息判知紅衣刀在左上,黃衣刀在中下,別無選擇。 第三波:由中排右和下排左的訊息知道,黃衣棍和黃衣盾的位置,也成唯一選擇中左、中右。 第四波:剩下的紅衣盾不能在左上到右下的斜對角線,只能在中上,而紅衣棍毫無疑問在右下的位置。 4.解題模式 讀者應心裡有數,本文題目難度已經隨著例題編號的數目而增加。下面的例 5事實上已有些難度,你可先思考再試著解題! 相信你已經歷解題嘗試,即使沒成功,也起碼想了超過 5 分鐘之久。增進數學能力的過程被沒有”Royal Shortcut " (皇家的捷徑),唯一的方法是每題都花時問想清楚,一段時問後,你會驚訝自己能力的提升。 每人的解題想法並不相同,最好不要一味的模仿別人,嘗試形成自己的解題風格。以本例而言,筆者之一喜歡以位置為思考的主軸,另一人則喜歡先確定人物的衣色及兵器。下面是後者的想法: 1.藍衣棍(中排中)和紅衣棍(下排左)既已出列下排右的訊息一定是黃衣棍。 2.計數各色的數目,只藍衣缺 1 人,故下排中訊息裡的盾兵,一定穿藍衣。 3.紅色棍、刀已出列,故上排左訊息中的紅衣人一定拿盾牌。 4.黃色棍和盾牌已出列,故上排右訊息中的黃衣人一定拿單刀。 把人物確定後,剩下來的只是位置,現在讓我們回歸到本例之前的有關定位的經驗。把訊息分成幾波,逐波推論。 第一波:中排中和下排左的訊息先放入九宮陣中,連同波號也標明(如此,以後較容易複製解題歷程 )。 第二波:上排左、上排右和中排右三個訊息,原有幾個可能性,但在第一波之後,都只剩下一個可能,因此可確定放入九宮陣。 第三波:有兩個訊息示,則下排中和下排右,它們所指示的位置剩下唯一的選擇,放入如圖所示。 剩下的兩個訊息,讀者可自行解題填入九宮格陣完成布陣。 例6 又比上例難了些,建議讀者先行解題十分鐘後,再行閱讀。仿前例先將題目中不確定的人物特性定性如下: 1.由顏色點算知道,中排右的 ○ 盾牌是藍色的,即訊息可改成右圖。 2.衣刀和紅衣棍都已出列,故知下排中的紅衣人拿的是盾牌,如右圖。 3.藍衣刀和藍衣盾皆已到列,故知下排左的藍衣人拿的是齊眉棍,如右圖。 5.邏輯推論 現在題目中的人物都已定性,剩下位置的問題。第 1 波的訊息只有一個,即上排左提供的紅衣棍的位置。先把此訊息填入此格,如右圖所示。然後再看看題目中所提供的訊息,有那一條可用?你看到了嗎?再仔細檢查! 仔細檢查每一則訊息後,終於發現中排中問的訊息已經變成確定的指示:藍衣刀和紅衣棍之問的相對位置關係是固定的,藍衣刀在紅衣棍的左下方。填入此訊息後,九宮陣形成如右的圖示。看著此圖,回頭檢視題目中的訊息,有那個是可用的呢? 有人說上排中問的紅衣刀應站在九宮陣的右下角,對不對?為什麼呢?因為此訊息沒禁制的 3 個位置中,有 2 個被佔用了,剩下唯一的選擇。接下去呢?又可用那個訊息?想想看! 中排左的訊息是目前唯一可確定的訊息,因為其中三角形的位置一定要在右(直)行的中或下格,中格已有紅衣棍,不合,下格剛好是紅衣刀,故黃衣盾牌的位置就是中排左,如右圖所示。 由兩位筆者在台北市的某個實驗場所拿這收教材對高年級小學生實驗的經驗,此題的下一個訊息是很難找到的, 5 個班各 30 位左右的學生,只有 3 個班各有一位指出,上排右的訊息此時已然可用:黃衣刀所站位置在九宮陣的上排,他所在那行的下排是位拿盾的人,但下排的中問和右邊已有兩把刀,故這位拿盾牌的人一定在下排左的位置,黃衣刀也確定在上排左的位置,如右圖所示。 九宮陣左下拿盾牌的僧兵到底穿那色袈裟呢?題目所提供的訊息說,他不可以穿紅衣,黃衣盾已出現,故他是藍衣棍,如右圖所示。此時,只剩下藍衣棍,紅衣盾和黃衣棍」還未定位,他們到底各該佔據那個位置呢? 到此,全班也都又可以參與了:由題目中左下方的訊息知道,藍衣棍不能在中(直)行的上、中兩個位置(紅衣刀在九宮陣的右下方),故只能在右上方的位置。又由題目中右下方的訊息知道,黃衣棍的右邊不能是紅衣人,故他只能在九宮陣的上排中間的位置,如右圖所示。剩下來的紅衣盾牌,只能在九宮陣的中央位置。 本例解到這裡應該已經完成,但在筆者進行實驗教學的班級,每班都有同學提出異議說:「老師,有一個訊息完全沒用到!」他們指的就是位於題目中排右的 ○ ▌□,筆者當然開放全班討論,希望借機提升學生的推理能力。 讀者不難想像,課室裡的同學立刻分成兩派,進行大辯論。一派說,不需要用到的訊息,不會出現在題目中,既然出現一定是有必要的;我們解題時沒用到,表示還沒解完,或答案有錯。 另一派說,這道題目的要求是把三兵三色共九個僧兵,按題目提供的訊息布到一個九宮陣內去。現在我們已經完成了這個任務了,表示解題成功。為了布一個九宮陣,九個僧兵通常需要九個訊息(一個訊息指示一人的位置),但是,當其中的八人已經定位後,九宮陣中就只剩最後一個同位子給第九人。換句話說,關於第九人位置的訊息,本來就是不需要的,若出現,我們也只做最後的檢驗:一般是看看合不合,第 6 例的情形,則只看有沒有矛盾,如此而已。 親愛的讀者,你認為那派有道理呢? 6.自我挑戰 讀者現在已經清楚,本文的題目旨在訓練學生的邏輯推理能力,而這種歷程最重要的是學生自己的投入。完全聽或看別人推論,是無法提升自己的推理能力的。所以下而我們出了一些題目,讓讀者練習。當然,題目由比較容易漸漸會越來越難,過程勝於結果,故不附答案。希望提升自己推理能力的讀者,自己動手解題布陣。 附註:本文部分材料改編自九章出版社出版的LOGlX邏輯智力遊戲。希望看到更多更難題目的讀者,請從上述的出版中尋找。

漫談幾何與空間能力

漫談幾何與空間能力

文/ 黃敏晃 台大數學系退休 李和淑 北一女退休 廖淑麗 北市民生國小教師 一 、 空 間 能 力 普 遍 差 前幾天,我們有一群退休的數學老師在一起開會。談到中小學生的數學能力時,有人提到,雖然計算能力的大幅下降是外顯的現象,現在課程設計團隊以這點作為改進的重點,則是短視的作法。因為計算的熟練度,固然也會影響思考的流暢度,但計算只要熟練到某種程度,這方向的缺點即可補救,並不需要學生花那麼多時間作計算的練習。這樣做的兩個缺點是,太多的計算練習會讓學生厭煩,導致他們對數學產生反感;其次,數學的教學時間一再減少,故部分時間應善用在改進學生數學能力的其他弱點上。 什麼是中小學生數學能力的其他弱點呢?大家當然都各有見解,討論之後形成的共識是,計算之外的最大弱點在幾何的學習,空間能力尤其不足。有人說,這方面的能力不只學生不足,我們數學老師也很差。當場有人出了兩道題目考試,如下(都只能心想,不能動筆畫): 題目1: 乘坐大氣球上升200 公尺後,向西北飛1000 公尺,下降100 公尺,再向東北飛500公尺,接著調轉方向,向東南飛1000 公尺,最後下降100公尺,問現在他和起點間的位置關係如何? 題目2: 有一個紙做的圓平台,如圖一。它有平行的上、下底,都是圓,上小下大。問它的展開圖是下面那個圖? 題目1 本用口述方式布題,但大家都無法同時記住題中六個訊息。雖然其中有三個訊息,是關於垂直上升和下降的,即上升200 公尺,二次下降100公尺,可以互相抵消。另外的三個訊息,並沒有如此單純的關係。所以,在第二次口述後,還有人掌握不住的狀況下,出題人還是被要求寫在白板上,有人還偷偷地畫成如圖三的平面圖。 不難看到,此圖令我們立刻連結到有關長方形的知識:對邊等長且平行,故向西北飛1000 公尺和向東南飛1000 公尺可以互相抵消,即整體運動的最後效果只剩下「向東北飛行500 公尺」,答案就出來了。 這個題目立刻驗證了,我們這群退休的數學老師,空間能力差的事實,請讀者想想,你在這方面的能力,有比我們更好嗎? 二 、 腦 中 有 圖 作 用 大 問題在於,為什麼我們在這方面的思考效果這麼差?或者根本無法思考?一般而言,我們對和數量有關的問題,即使是沒遭遇過的「非例行性問題」(non-routine problems)如下面的題目也可以想,而且效果也還不錯。 題目3:要經營一條巴士路線時,需要多少輛巴士? 題目4 :如果把全台灣的樹都砍光, 打成紙漿後, 並製成紙, 來印2000 元鈔票,問可印出多少元? 這裡指出,這兩題都是資訊嚴重不足的費米問題。由於這兩道題不在現在想討論課題的主軸上,容許筆者們在後面,若有多餘的篇幅,再加說明。讀者不妨乘這個閱讀的空檔,自己先想想。下面,暫時讓我們回到幾何方面的思維。 在討論當中, 有人提到腦圖(mental map)說,若人有腦圖,則在幾何的思考上會有較佳的效率。他舉例說,當我們要由台北市的和平高中(位於辛亥路和基隆路的交口),到孔廟(由捷運圓山站走路5分鐘可到)時,若是搭公用交通系統,則沿基隆路搭公車到公館捷運站,搭捷運到圓山站,出站後問人即可(那裡在地的商家都知道);但若是要自己開車,則腦中有圖才會清楚開車的方向,由於捷運圓山站在中山北路的西側,可以中山南北路為參考軸,沿辛亥路到羅斯福路,接中山南路到北路的西側,可以中山南北路為參考軸,沿辛亥路到羅斯福路,接中山南路到北路到圓山附近,再問路到孔廟。 有人補充說,上述的走法並不是唯一的路線,只要利用平行與垂直的道路,就可以找出許多代替的道路。譬如說,從基隆路左轉到敦化南路(大致上與中山南北路平行),到松山機場附近再左轉到民權東路或民族東路,過了中山北路再右轉,就可以直接到達圓山捷運站。如此反而可以解決,中山北路沿線通通不准左轉的麻煩。 這樣的思維, 唯一的先決條件是,思考者腦中有圖。若腦中無圖,死記住左轉右轉的順序與次數,是無法順利走到終點的。筆者也提供了在台北車站捷運站,台北火車站地下站和與它們連接的地下街道路迷路的“經驗”─每次到那裡都是為了轉車,或匆匆路過到街面上餐廳,從不無事遛達;由於那裡的地下街路線錯綜複雜,也沒有簡圖可參考,故無法形成腦圖;當我置身於未經過的新地點時,就會迷路了。 迷路的經驗並不只是筆者專有,其他老師也紛紛提供他們的迷路事蹟。其中有一則是當地的簡圖所造成的,怎麼說呢?當我們參觀一個地方,而這個地方又佔地遼闊,路線眾多時,通常在幾個入口處都有簡圖介紹各景點的位置關係;有些簡圖並不從讀圖者的角度來擺設。當然,每個入口所掛的圖都是同一張圖,但不同的地點,圖所擺的方位應該不一樣。譬如說,若圖四左邊是圖中東口附近A點的圖,則北口附近B點的圖應該如圖四右邊,如此才會貼合看圖者實際的視線方位,產生契合認知的腦圖。若按照這種原則,在西口的C點和南口的D 點,看到的地圖應該如何?請讀者自行研究看看(圖中的線是路徑)。 三 、 旋 轉 移 位 逆 向 走 這裡向讀者報告,台大校園的地圖,在羅斯福路和新生南路交口的正門入口處,以及辛亥路和復興南路交口的後門入口處各有一張,它們的擺設方式就是如上述體貼讀者的方式。十年前,台大各入口處擺設的簡圖是完全一樣的(除了「你在此」的點不一樣外,方位都一樣是北上南下的方式)。這種擺設方式,對不習慣自行在腦袋中把所看到的地圖旋轉過來的人而言,是有一定程度的困難的。 如果我們從對面或斜角看一幅字,由於其中有許多認得的字,腦中自然會主動地做旋轉移位的工作,把眼睛看到的圖像,調整成我們認字最方便的方位。但是,若我們看到是一個不認識的外國字,如韓文或印度字,從不同的角度看,應該不很容易認出同一個字來。把不對方位的簡圖,掃入腦中作為腦圖,以之對應現實的地形地物來認路,其難度可能更勝過剛才所描述的認外國字的任務。 有人把討論拉回到題目1 的圖解說,此題所述的方向之間的關係是平行和垂直,因此還有人能自動畫出腦圖而解答,若將矩形改成平行四邊形,腦圖的判認還會如此方便嗎?有人說看情形,若把該題中的「向東北飛500公尺」,改成「向東飛500公尺」,則困難度不見得增加,反而會減少。為什麼呢? 題目1 中路線關係設計成平行和垂直,而要求口述布題來考空間能力,是因為我們人類的腦細胞,經過長期的演化,已發展出專職判認和眼睛視線平行和垂直景像的腦細胞。所以只要將腦圖調整成平行和垂直「即假設我們面向西北」,這些專職細胞就會自動運作而成功解題。 地圖是現代人類很重要的工具,所以現代教育很強調讀圖的能力。製圖的制式規格是將北方放在視線的上方,南方在視線下方(東和西因此自動定位在視線右方和左方),在傳統的讀圖教育(傳統相對於多元觀點,即現任教育部長杜正勝說的,可把台灣地圖橫過來,東方擺在視線上方,而大陸所處的西方就在我們視線下方啦)下成長的我們,東西南北所形成的十字軸線,在我們腦中已形成深層的烙印和專司平行垂直的腦細胞,建構出互補的方位系統,所以,只要題目中有關「東、西、南、北」的方位描述,對我們都變簡單。由此作單純結合的東南、西北,等也不算太難;若進一步延伸到「由北偏西28°」的描述,就稍微難一點了。 從認知的角度來說,以東西南北為腦中參考坐標的主軸,則東南、西北等是做這些主軸形成的90 °角之平分線;而「北偏西28 °」則是「以已知直線為一邊,求作28 °角的另一邊」作角雖然比較容易,但前者並不是作一般角的平分線,而是作出45 °的「特別角」,這個角之所以特別,是因為它在小學生使用的三角板上出現,每個人都很熟悉它,所以作它被認為比作一般角要容易許多。 討論中另一種迷路的情形,牽涉到「逆運作」的思考模式。譬如說,你從某個入口進入幅員遼闊的地區,沿著一條路線作了部分的參觀,由於時間的限制你必需沿原路回去;來時的左轉會變成右轉,右轉變成左轉,而且順序倒置,你認為「地標」(land mark)的地形地物,也要換個角度來加以辨認。這件事本身就是很重要的幾何能力─一個幾何物件,在不同的方位看起來,各會是什麼樣子? 你都能辨認嗎? 譬如說,你認為圖五的兩個立體四連塊是同一個物件在不同方位的視圖嗎? 四 、 左 右 手 兩 種 系 統 讀者手頭如果有大小一樣的小正方體,不妨把它們黏起來,看看如圖五左邊那樣的四連塊,從那個角度看可以變成如右邊那樣。最好是做完實驗,再繼續看本文下面。 如果讀者真的做了如上的實驗,你一定知道,圖五中的兩個連塊是非常不同的四連塊,無論如何翻轉移動,都沒辦法將其中一個變成另一個。其實,它們可視為握拳的左右手,如下圖所示。 大家都知道,左手怎麼樣都不可能變成右手。在數學上,左、右手(或上面的兩個立體四連塊)雖是全等的形體,但卻是立體面鏡射的結果。粗略地說,當我們照鏡子時,左、右手會互換,即左手變成右手的結構,右手變成左手的結構。這裡所謂的結構是,把大姆指外的四指握拳時的動作當成為旋轉的方向時,大姆指的指尖指向的方向,如下圖所示。 立體四連塊共有八個,其中可完全貼桌面的5 個,可視為是5 個平面正方形連塊(請參看民93 年10 月出版的本刊第43卷第6期P37-48,黃敏晃和許文化的文章「連塊遊戲」,或黃敏晃的書「讓我們來玩數學吧」, P40 ∼ 51 ,小天下,民94 年3 月),如圖八中上排的4個和下排最左邊的 ;下排的另3個則無法平貼桌面(不管怎麼擺,總有一個以上的小正方體不會貼桌面)。 讓小學生把玩上述的8 個立體四連塊之後,我們將這些四連塊各別裝入黑色的袋中,要求他們伸手入袋中,用手來辨認袋中到底是那個立體?或將這8個立體全數放入袋中,叫他們拿出指定的立體。 在這樣的任務中,小學生除上述代表左右手系統的四連塊外,都沒有問題,而這兩個常常弄錯。面談中他們說,沒弄錯的6 個立體,腦中有非常清楚的圖像,另2 個則看著辨識都有些問題,純粹靠手指頭感覺更不容易。 實驗發現,讓學生親自動手組成8 個四連塊後,錯誤率會降低,而有左、右手系統概念的小孩通常不會錯。另外,沒經過上述教學處理的兒童,小三和小五以上學生之間有很大差異。這使我們猜測,這兩年當中,小孩在這方面能力有關鍵性的發展,但我們並未弄清楚,為什麼如此? 我們也讓學生玩正方體五連塊,由於數目多達30 幾個,即使是可視為平面(正方形)五連塊的12 個(如圖九, 參看前述的書「讓我們玩數學吧」, P77)學生都覺得結構有點複雜,難以掌握,更不用談有立體結構的另外20 幾個了。 五 、 回 歸 原 型 辦 識 強 在立體五連塊的辨認活動中,我們發現若學生之前有親自畫出平面(正方形)五連塊時,對上面十二個立體五連塊之辨認成績會較好。另外,當學生在之前立體四連塊的活動中,辨認成績較佳者,立體五連塊的辨認成績也較佳。 這些成績較佳的學生,在面談時說,因為之前的活動提供了辨認的「原型」(Proto-type),即他們視可完全貼桌面的12 個立體五連塊和平面五連塊為可互通的幾何物件;而有些立體五連塊可以由立體四連塊加一個小正方體而生成,如圖十所示,有斜線者就是新加的小正方形。 像上述的那樣,把一些要認識的新幾何物件,視為和已知的幾何物件等同或變形,或者由這些已知的幾何物件加一點簡單的元件而變成,這樣的認知方式是很有效的。如此,我們的腦袋需要記住的幾何物件就可以減少些,剩下較多的空間可用來作思考運作。 與上述添加運作相反的是刪減或切割,前述的題目2的正確答案是圖二的右圖,因為我們可以將一個圓平台,視為是一個正圓錐(即錐之尖點向底面所作垂線之垂足,剛好落在底圓的圓心上),切去一個小的正圓錐而形成。現在,將圓錐剪開得到的展開圖(如下圖所示),應該就可看出為什麼圖二的右圖是正確的答案了。 利用一個已知的幾何物件作為基本模型,來認知或處理一個新物件或新問題的解題策略,並不限於幾何方面的課題,筆者去年寫了一篇文章「親愛的,我把數學題目變簡單了」(見飛揚雜誌第三十期,P9∼14 ,國民中學學生基本學力測驗推動工作委員會,民93 年11 月出版)裡面討論了一些非幾何性的問題,討論的方式也是採取「回歸原型問題」的模式。 這樣的討論模式最困難之處,在於找出新問題的「原型題目」。老師用這套模式時的麻煩是,每個人已有的「知識庫」並不一樣,故同一個問題,不同的人可找出不同的「原型」。一般而言,在我們腦中的資訊並不那麼容易抽取出來。譬如說,中小學的同學名字,我們腦中都有存留(看著畢業紀念冊時就知道),但久不使用,抽取的機制生鏽了,臨時碰到老同學,並不一定叫得出他的名字。 能否抽取腦中已有的資訊,是一個問題,是否能「應用」這個抽取出來的知識,又是一個問題。前一個問題與記憶的儲存以及知識的分類方式有關。通常我們會把類似的知識組成一個系統,裡面各項之間的關係,或可上下推論,或只是鬆散的橫向連結。例如,上述有關平面立體四連塊的資訊,可互相推論;而中小學同學的名字,則以當時常在一起玩的「死黨」方式,堆疊在一起。 因此,抽取記憶的有效方式,是視該項資訊的儲存和分類系統,找尋適當的線頭(Cue),以便抽絲剝繭。碰到一位老同學時,想起他或他的死黨發生過的「事件」(死黨常是由事件發生時的人際關係而組織的),或是他們的綽號,應該是可用的線頭。 六 、 檢 查 記 憶 靠 推 論 當資訊歸類系統雜亂時,不但記憶的抽取效率差,抽取出來後的使用,也常變成困擾。有次,筆者把一位擅長踢毽子的初(國)中同學,記成小學同學,因為筆者只在小學時代踢毽子,初中時代瘋別的運動去了,故把這位同學歸類錯誤,怎樣也想不起他的名字,回家後從小學的畢業紀念冊開始查,直到初中的畢業紀念冊才找到他。 數學知識的歸類也是如此,譬如說上述題目2,選擇圖二的左圖為答案的人,就是把圓平台的展開圖,歸到和圓柱體之展開圖為同類的結果。圓柱體的展開圖是小學教材,故大多數人會以先取得知識做為「原型」來吸納組織結構並記憶相類似的案例。 當一個系統會發生錯誤時,我們都要製造一個檢驗的補助系統,如同身份證號碼和銀行帳號的檢查碼那樣,才能保證錯誤率不致高出容忍的程度。知識的記憶系統也會出錯,故需要檢查的機制。數學知識的檢查機制,大多是看看推論後會不會產生矛盾,或不合理的現象。 以題目2 為例說,選圖二的左圖不合理的地方在於,當我們選擇上底圓上一點A 來做為展開圖的剪開點時,其下底圓上的對應點B 已經確定,即是由A點和上下底圓的圓心O和P三點所決定的平面,與底圓周的交點B。不難看到,如此的A點是上底圓周長的任一點都可以的,而且剪開的結果都應該一樣,即上、下底圓的對應點A與B的連線長AB應該都相等。但在圖二的左圖中,對應點的連線長都不一樣長。 在本文開頭提到的數學老師的會議中,與會的數學老師們都認為,像上段文字裡那樣的檢驗記憶中數學知識是否合理的能力,是國內學生的數學能力中最弱的一環。至於所以會這樣的原因,老師們提供如下列的事實: 1. 強烈競爭的升學考試,使中小學的數學教學趨向高效率的單向知識傳輸,學生都信任老師告訴他的知識,他只要記住,考試時抽出使用即可。 2. 由於許多考試題目都以選擇題方式命題,不需要在試卷上展現推論或計算過程,故很多老師和學生都不重視數學這門課最重要的精神,即推論和一致性(即不會產生矛盾)。 3. 這樣的教學使學生對數學產生錯誤的印象,這令許多數學的從業人員憂心不已,長久如此下去,對整個數學都非常不利的。 拉拉雜雜的寫了許多文字,題目3和4 的費米(Fermi ,是義大利裔的美國物理學家,得過諾貝爾獎)都尚未處理。本來的構想是要借這兩個題目,來討論人如何思考,如何利用僅知的一點點資訊,來做粗略的估計。但本文的長度已超過了筆者規劃的程度,所以要在這裡就把本文終結了。至於文中提到的題目3 和4 ,只好等下次再另寫一篇文章來說明了。如此的虎頭蛇尾,實在是筆者的第一次。但這兩個題目的討論,最起碼還需要2000 字以上才行,所以筆者決定此刻收筆,特此向讀者致歉。

森棚教官的數學題-用三湊三

森棚教官的數學題-用三湊三

小定想要用3的次方數(1, 3, 9, 27, 81 . . . )用加法湊出3的倍數。比如湊成6有上圖三種方法: 注意到:只要湊出來,選數字的順序不用管,即3 + 1 + 1 + 1 和1 + 3 + 1 + 1是同一個方法。 1.湊出9 有五種方法,你能寫出來嗎? 2.湊出12 有七種方法,你能寫出來嗎? 3. 如果你一直試,可以算出湊出3n (n = 1, 2, 3, 4, . . . )的方法數分別有2, 3, 5, 7, 9, 12, 15, 18, 23, . . . .。你可以找到這個數列的規律嗎? 4.這個數列之中, 偶數有「有限多個」還是「無限多個」?

指尖陀螺玩科學-從科學遊戲到探究歷程

指尖陀螺玩科學-從科學遊戲到探究歷程

文/謝甫宜 國立高雄師範大學科學教育研究所物理組博士 教師不僅是知識的消費者與傳播者,也可以成為知識的生產者與創造者。本文分享以科學遊戲本位設計生動有趣的指尖陀螺的科學探究活動課程,秉持:「科學遊戲,提供動手玩科學的樂趣;探究歷程,為我們留下思考的痕跡」之理念活化教學,兼顧寓教於樂與增進概念理解。 現代資訊充裕又講求創課發想的年代,許多曾經風靡一時的玩具,風潮一過便常被束諸高閣或回收,倘若能善用這些玩具的運作機制仍有機會賦予其嶄新的教學應用。例如,最療癒的玩具聖品之ㄧ即「指尖陀螺」,在2015至2017年之間,從國小至高中校園裡幾乎人手一個。筆者根據多年科普教材研製與帶領學童實作活動之經驗,發展與歸納以下兩項科學探究活動提供讀者參考之外,也用以培養學生問題解決能力與科學探究能力。兩項科學探究活動及其相對應的核心概念為:(1)指尖陀螺費納奇鏡探究活動-視覺暫留現象,和(2)指尖陀螺電磁感應探究活動-楞次定律與法拉第定律。 圖1. 宜蘭「陀陀螺工場」的大型指尖陀螺 圖2. 台東新生國中之指尖陀螺設計科學探究活動 實作材料與實驗步驟 一、指尖陀螺費納奇鏡探究活動 1.實作材料: 鐵製配重的指尖陀螺2個、動畫圖卡、光碟片、強力磁鐵9顆、雙面膠帶。 2.實驗步驟: 步驟1. 繪製動畫圖卡,如圖3所示;剪下圖卡再緊密黏貼於光碟片上。 說明: (1)動畫圖卡因快速轉動可產生連續動畫; (2)相鄰的每一張圖卡之圖案的動作不宜相差太大。 步驟2. 指尖陀螺各葉片上各吸附3顆強力磁鐵,以下簡稱強磁,如圖4所示。說明: (1)採用強磁的目的為托高圖卡與指尖陀螺軸承之間的距離、減少摩擦力、也避免指尖陀螺快速旋轉而甩出。 (2)採用強磁而不用膠水或雙面膠帶黏貼圖卡,則是方便更換圖卡。 (3)強磁之間的吸附力甚強,應避免小朋友操作時夾傷。。 圖3. 連續動畫的圖卡 圖4. 指尖陀螺葉片各吸附3顆強磁 早期女性生涯發展理論將女性就業與否作為區分的指標,分為家庭導向與生涯導向,前者從事家管、傳統的女性職業,後者則選擇從事男性主導、較專業的工作,後期較不如此區別,而朝向如何兼顧家庭與工作,以及女性生涯發展歷程的探討為主。 步驟3. 以另外各一顆強磁夾住光碟片吸附在指尖陀螺各對應吸附有強磁之各葉片上,如圖5與圖6所示; 圖5. 強磁吸附夾住光碟片 圖6. 吸附強磁的指尖陀螺作為底座並夾住光碟 步驟4. 以「順時鐘方向」快速轉動黏貼圖卡與光碟片的指尖陀螺,再手持另一顆指尖陀螺使之「逆時鐘方向」旋轉,眼睛透過手持旋轉的指尖陀螺間距來觀察圖卡的圖樣變化,如圖7與圖8所示。 圖7. 以旋轉的指尖陀螺觀察圖卡變化 圖8. 向轉動觀察是否具有動漫成效 說明: (1)黏貼圖卡光碟片之指尖陀螺的轉動方向,與作為觀察之手持指尖陀螺的轉動方向,兩者採用反向轉動之目的是為產生「相對運動」,觀察者較容易觀察動漫圖片變化之成效。 (2)黏貼圖卡之指尖陀螺與手持指尖陀螺的轉動方向若同向,觀察是否也能看到動漫變化的成效。 (3)若仍不易觀察到圖卡產生連續動漫的效果,可以透過相機或是手機的照相或錄影方式來加以觀察或錄影,因相機或手機的照相功能是需要一段短時間抓取(catching)外界的圖像才會拍攝到照片,可視為讓眼睛所見到的物體運動「變慢了」!亦即相機等於是一張張去抓取拍攝的畫面,如此,在旋轉不算是非常快速的指尖陀螺而言,指尖陀螺所承載的光碟片上之圖卡便能一張張呈現出來,不像是眼睛所見「模糊而難以辨識」! 二、指尖陀螺電磁感應探究活動 1.實作材料: 鐵製配重的指尖陀螺1個、強力磁鐵9顆、鋁箔或錫箔盒、乒乓球,如圖9所示。 圖9. 指尖陀螺電磁感應教材組 2.實驗步驟: 步驟1. 鋁箔盒(或錫箔盒)包裹住乒乓球並施壓讓鋁箔盒凹陷,以製作半球狀且底部光滑的鋁箔杯,如圖10所示。 說明: (1)試著讓鋁箔盒因受壓而凹陷成圓弧狀; (2)連同鋁箔盒與乒乓球以指尖陀螺葉片尖端來壓鋁箔外皮,使其原本褶皺的外皮光滑圓潤。 (3)鋁箔杯外皮愈光滑圓潤,則稍後在指尖陀螺軸承上轉動時,所受摩擦力愈小,產生渦流時之電阻也愈小,鋁箔杯之轉速也會愈快。 步驟2. 以強力磁鐵各3顆吸附指尖陀螺葉片上,並將步驟1中所製成的鋁箔杯置於指尖陀螺軸承上,如圖11所示。 圖10. 鋁箔盒包裹乒乓球並施壓 圖11. 將鋁箔杯置於指尖陀螺軸上 步驟3. 快速旋轉指尖陀螺,觀察底部為圓弧狀的鋁箔杯運動情形,如圖12、圖13與圖14所示 圖12. 原靜止的鋁箔杯 圖13. 鋁箔杯開始旋轉 圖14. 鋁箔杯轉速變慢 說明: (1)指尖陀螺旋轉時,先按住鋁箔杯再轉動指尖陀螺,可使鋁箔杯轉動穩定而不會左右搖擺或旋出,如圖15所示。 (2)指尖陀螺平順地轉動後,觀察鋁箔杯隨著指尖陀螺一起轉動的情形,如圖16所示。 圖15. 先按住鋁杯再轉動指尖陀螺 圖16. 觀察鋁箔杯與指尖陀螺一起轉動情形 步驟4. 以不同數量的強力磁鐵控制磁場強弱,觀察鋁箔盒轉速是否改變。 科學原理介紹 一、指尖陀螺費納奇鏡概念解釋: 「費納奇鏡」(Phenakistoscope)屬於一項演示「視覺暫留」的經典科普活動。教師或家長如作為探究實作活動,筆者提供以下兩項操縱變因的實驗處理方式,可增進學生覺知影響視覺暫留現象的主要成因並進一步量化與探索: 1.承載圖卡之指尖陀螺的轉速 (1)因為本活動以手指撥動指尖陀螺轉動以觀察圖卡的連續變化情形,此轉速雖然不至於太快,卻不易觀察圖卡的動畫效果。透過另外手持轉動中的指尖陀螺葉片之間的縫隙,如同播放卡通的「影格」使得一張張圖卡逐項出現,以產生動畫的視覺暫留成效。 (2)如上述實驗步驟6說明(3),我們亦可藉由相機或手機照相與錄影觀察便能清楚看到動畫般的成效!因為相機或手機的照相功能需要短時間抓取外界的影像拍攝照片,提供眼睛所見物體之運動「變慢」,亦即一張張圖卡的畫面能逐次呈現出來。 2.用以觀察與轉動圖卡的兩個指尖陀螺之間的相對運動 轉動圖卡的指尖陀螺與手持用以觀察圖卡的指尖陀螺,兩者之間轉動的相對運動影響觀察視覺暫留的成效。因此,觀察者可以試著調整兩者各自的轉速,理解並探索在某一特定的轉速範圍中,能清晰地辨識圖卡產生的動漫效果。 二、指尖陀螺電磁感應概念解釋: 本活動以指尖陀螺帶動強力磁鐵之轉動,造成強磁之磁力線通過鋁箔杯磁通量的改變形成「電磁感應」並產生「渦流」,跟著帶動鋁箔杯也隨著吸附在指尖陀螺葉片上的強磁而轉動,如圖17所示。 圖17. 鋁箔杯的電磁感應 根據圖17鋁箔杯的電磁感應,以法拉第定律與楞次定律解釋如下: 1.圖中右下角磁鐵N極離開時,磁通量瞬間變小,靠近磁鐵N極的鋁箔杯則被感應成S極而產生順時鐘的渦流,視為被N極所吸引而順時鐘轉動。 2.圖中左下角磁鐵S極離開時,磁通量瞬間變小,靠近磁鐵S極的鋁箔杯則被感應成N極而產生逆時鐘渦流,視為被S極所吸引而順時鐘轉動。 3.指尖陀螺轉速愈快,強磁轉動愈快,對於鋁箔杯之磁通量變化也愈大。因此,鋁箔杯轉速也隨之愈快。 概念延伸與生活運用 除了指尖陀螺設計的費納奇鏡與電磁感應,筆者再提供其他素材進行此兩項概念為本位的教材創作,藉此增進讀者在生活上的運用。 首先,將指尖陀螺以快乾膠黏著在放置CD盒或布丁盒的支架上,再將可呈現連續動畫的圖卡以強力磁鐵吸附在圖卡的正面,如圖18與圖19所示。 圖18. 指尖陀螺連同圖卡黏著在支架上 圖19. 圖卡正面以強磁吸附指尖陀螺 將上述整組裝置面對一平面鏡,撥動指尖陀螺快速轉動後,眼睛靠近並從費納奇鏡每張圖卡之間的縫隙觀察平面鏡,如此便能清楚地觀察每一張圖卡產生動漫的成效,如圖20所示! 圖20. 從圖卡之間的縫隙觀察平面鏡中轉動的圖卡變化 其次,我們可以剪裁飲料罐底部來代替鋁箔杯,如圖21所示。從上述「二、指尖陀螺電磁感應探究活動」重複實驗步驟1至3,我們透過觀察可發現鋁罐的底蓋不僅質量比鋁箔杯更大,旋轉時的慣性也較大而不容易被甩出,較厚的鋁蓋所產生的渦流也遠大於鋁箔杯,其旋轉速率大於同樣條件下的鋁箔杯旋轉速率。 圖21. 鋁罐底蓋的旋轉 再者,以鋁合金製的指尖陀螺放置於吸附強磁之鐵製紙尖陀螺的軸承上。當底下鐵製的指尖陀螺快速轉動時,亦可使鋁合金製的指尖陀螺旋轉;反之,先撥動鋁合金製指尖陀螺快速旋轉時,則因鐵製紙尖陀螺所吸附強磁的作用,快速地使鋁合金製指尖陀螺轉速變慢、直到停止!如圖22所示。 此實驗操作說明鋁合金製指尖陀螺的旋轉因有著底下強磁對其產生電磁感應(吸附作用與渦流),即汽車或機車、電梯等日常生活中所運用的「磁剎車的原理」。 圖22. 磁剎車原理的說明 筆者主張科普實作活動可提供學生愉悅與成功的學習經驗,以及提升科學學習動機。這些科普實作活動經妥切地規劃與創意設計,便可成為培養學生高層次推理思考的科學探究課程。 本文從科普實作活動中所設計的探究課程,不僅藉由指尖陀螺的教材製作增進學生對於視覺暫留與電磁感應的概念理解,同時也從改變操縱變因的活動中培養問題解決能力與生活運用。

森棚教官的數學題-湊成1

森棚教官的數學題-湊成1

游森棚/ 國立臺灣師範大學數學系教授 分子是1分母為正整數的分數叫做單位分數。用一些不同的單位分數加起來可以湊成1,比如: 如果分母只能用奇數3, 5, 7, . . . , 那其中的一個湊法(還有很多的湊法)是: 1. 如果分母只能用偶數2, 4, 6, . . . , 要湊成1要怎麼湊?最少需要幾項? 2. 如果分母只能用2, 5, 8, 11, 14, 17, . . . (即形如3k + 2的數),要湊成1要怎麼湊?最少需要幾項?

森棚教官的數學題-互不整除

森棚教官的數學題-互不整除

游森棚/ 國立臺灣師範大學數學系教授 小志想在 中選一些數, 讓任何一個都不是其他任何一個的倍數。他選了 這四個數。 這看起來是最好的結果了,,因為不管加進去1, 4, 6, 8, 9, 10 中的那一個, 都會出現一個數是另一個數的倍數。 但是,小定對小志說:其實你可以選更多個數! 1. 小定說得對嗎? 2. 如果現在選的數要使得其中「任何一個數的兩倍」 除以「其他任何一個數」 都除不盡,最多可以選幾個數?