盤點|數學裡十大無需語言的證明

盤點|數學裡十大無需語言的證明

這證明太強盜了

我無話可說

當談到複雜數學定理的證明時,很多人常常為之色變,認為這只是一個枯燥的公式堆砌和深奧的數學推導過程。

這當然是一個讓筆者感到糾結的誤解。

因為數學證明中包含的美麗與精巧實在是一道亮麗的風景線,而這種亮麗甚至不需要用語言來描述。所以我在這裡盤點了數學裡十大不需要語言的證明(proofs without words)。

0. 勾股定理

這個大家小學就學過的古老定理,有著無數傳奇故事。我可以很隨意的寫出她的10個不同的證明方法。而路明思(Elisha Scott Loomis)在 《畢達哥拉斯命題》( Pythagorean Proposition)提到這個定理的證明方式居然有367種之多,實在讓人驚訝。這裡給出一個不需要語言的證明方法。

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實際上勾股定理是餘弦定理的一種特殊情況,而餘弦定理的證明,同樣可以不用語言。

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1. 關於反正切的恆等式

關於反正切,有如下兩個很精彩的等式:

arctan1/2+arctan1/3=π/4 acrtan1+arctan2+arctan3=π

它們的證明方法也同樣精彩

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2. 幾何平均值小於算術平均值

這是不等式中最重要和基礎的等式:

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它也可以通過圖形來證明

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注意到△ABC∽△DBA ,可以很輕鬆地得到AB=√ab。剩下的就顯而易見了。

3. 1+3+5+…+(2n-1)= n 2

這是奇數的求和公式,下圖是當n=8時的情形

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4. 平方數的求和公式

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一個很漂亮的公式,證明的過程令人眼前一亮

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5. 立方數的求和公式

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立方數的求和證明與平方數的求和證明方法有些相像:

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6. 斐波那契數列的恆等式

可謂家喻戶曉的斐波那契數列指的是這樣一個數列:1、1、2、3、5、8、13、21 ……這個數列從第三項開始,每一項都等於前兩項之和,即 F n+1 = F n + F n-1

它的通項公式是

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有趣的是,這樣一個完全是自然數的數列,通項公式居然是用無理數來表達的

而且當n無窮大時, F n-1 / F n 越來越逼近黃金分割數0.618。正因為它的種種神奇性質,美國數學會甚至從1960年代起出版了《斐波納契數列》季刊。關於斐波那契數列,有一個恆等式是這樣的。

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這個等式很漂亮,不需要藉助複雜的數學推導,它有一個很直觀的證明方法。

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7. 結果為1/3的一組分子式

下面是一組分子式,他們的結果都等於1/3

讓我們用若干個小球看待這個公式。

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​8. 最受數學家喜愛的無字證明

1989 年的《美國數學月刊》(American Mathematical Monthly)上有一個貌似非常困難的數學問題:下圖是由一個個小三角形組成的正六邊形棋盤,現在請你用右邊的三種(僅朝向不同的)菱形把整個棋盤全部擺滿(圖中只擺了其中一部分),證明當你擺滿整個棋盤後,你所使用的

每種菱形數量一定相同

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《美國數學月刊》提供了一個非常帥的“證明”。把每種菱形塗上一種顏色,整個圖形瞬間有了立體感,看上去就成了一個個立方體在牆角堆疊起來的樣子。三種菱形分別是從左側、右側、上方觀察整個立體圖形能夠看到的面,它們的數目顯然應該相等。

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把一個純組合數學問題和立體空間圖形結合在了一起,實在讓人拍案叫絕。這個問題及其鬼斧神工般的“證明”流傳甚廣,深受數學家們的喜愛。死理性派曾經討論過 這個問題 。同時它還是死理性派logo的出處。

9. 棋盤上的數學證明

在一個8×8的國際象棋棋盤上,我們可以用

32張多米諾骨牌(是兩個相連正方形的長方形牌)覆蓋整個棋盤上的64個方格。如果將對角線上的兩個方格切掉,剩下來的62個格子還能用31張骨牌覆蓋住嗎?

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答案是不能的。每一張骨牌在棋盤上必是覆蓋住兩個相鄰方格,一白一黑。所以31張骨牌應該可以蓋住31個黑格和31個白格。而這被切了角的棋盤上的方格有32個是一種顏色,另一種顏色是30個,因此是不能被31張骨牌覆蓋的。

但是如果我們切掉的不是顏色相同的兩個呢?假如我們從棋盤的任何部位切掉兩個顏色不同的方格,那麼剩下來的62格是否一定能被31張骨牌完全蓋住?我可以告訴你這是一定能做到的,並且關於這個結論,存在一個非常漂亮的證明。建議讀者在繼續往下閱讀前,可以先自行思考如何證明這個結論。

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上圖就是那個漂亮的證明。不妨對它再贅述兩句。粗黑線條將整個棋盤轉變為一條首尾相連、黑白格相間的封閉路線。從這棋盤上切掉任何兩個顏色不同的方格,會讓這個封閉線路變成兩段線路(如果切掉的方格是相連的,那就是一條線路)。在這兩段(或一段)線路中,兩種顏色的格子數量都是偶數,故分別都可以被若干張骨牌覆蓋。從而證明整個棋盤可以被31張骨牌完全覆蓋。

這個著名的棋盤問題是數學遊戲大師馬丁•加德納提出的,而上述精妙絕倫的證明則是數學家哥莫瑞(Ralph Gomory)找到的。它們後來被收錄在《意料之外的絞刑和其他數學娛樂》這本書裡。

數學裡,有一種證明方法叫做Proofs without words。誠然,這種證明方法算不上嚴格,但是它卻將數學中包含的最精巧的東西一覽無餘地展現了出來。本文列舉了十個經典的例子。你還見過什麼高明的嗎,可以在回帖中寫出來。如果有很漂亮的,我會在這裡推薦出來。

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