方与圆曲与直
难求的完美正方形
20世纪30年代,在英国剑桥大学的一间学生宿舍里,聚集了四名大学生,他们是塔特、斯东、史密斯、布鲁克斯。他们在研究一个有趣的数学问题——完美正方形。什么是完美正方形呢?如果一个大的正方形是由若干个大大小小的不同正方形构成,这个大正方形叫作“完美正方形”。
许多人认为,这样的正方形是根本不存在的。假如有,为什么没有人把它画出来呢?但是,聚集在这里的四名大学生,相信完美正方形是存在的。这次聚会虽然没讨论出一个结果,但是,他们下决心要突破这个难题。
几年之后,四个人再一次聚会,每个人都有成绩。布鲁克斯发现了一种“完美正方形”,史密斯和斯东发现了另一种,而塔特找到了进一步研究的途径。
又过了几年,他们发现了一个由39个大小不等的正方形组成的完美正方形。这个完美正方形不是碰运气找到的,而是在理论指导下完成的。这个完美正方形的每边长为4639单位,39个小正方形的边长依次为:
1564,1098,1033,944,1163,65,491,737,242,249,7,235,256,259,478,324,296,219,620,697,1231,1030,201,829,440,992,283,157,126,31,341,519,409,163,118,140,852,712,2378单位长。
四位当年的大学生通过完美正方形的研究,都成了组合数学和图论专家。他们的研究成果被应用到物理、化学、计算机技术、运筹学、语言学、建筑学等许多领域。
数学家又提出一个新的问题:存不存在由最少数目的正方形组成的完美正方形呢?
1978年,荷兰数学家杰维斯廷,设计了一个巧妙而又复杂的计算程序,借助于电子计算机的帮助,终于找到了这个由最少数目的正方形组成的完美正方形。它的边长为112单位长,由21个小正方形组成(如下图)。这些小正方形的边长依次为:
2,4,6,7,8,9,11,15,16,17,18,19,24,25,27,29,33,35,37,42,50单位长。
四位当年的大学生通过完美正方形的研究,都成了组合数学和图论专家。他们的研究成果被应用到物理、化学、计算机技术、运筹学、语言学、建筑学等许多领域。
数学家又提出一个新的问题:存不存在由最少数目的正方形组成的完美正方形呢?
1978年,荷兰数学家杰维斯廷,设计了一个巧妙而又复杂的计算程序,借助于电子计算机的帮助,终于找到了这个由最少数目的正方形组成的完美正方形。它的边长为112单位长,由21个小正方形组成(如下图)。这些小正方形的边长依次为:2, 4, 6, 7, 8, 9, 11, 15, 16, 17, 18, 19,24,25,27,29,33,35,37,42,50单位长。
塔特教授曾于1980年来我国讲学,他是世界上最著名的图论学专家。塔特教授满怀深情地讲述研究了40年的完美正方形的故事。
花边几何
生活中常常会看到许多漂亮的花边。
仔细观察,就会发现它们都是对称的。
对称,从字面上解释,就是两个东西,相对而又相称。如果把这两个东西对换一下,就好像没动过一样。
花边尽管很长,它往往是同一个图形的反复出现。如果把一个图形简化成一条短线段,可以研究一下一条长花边是由这个图形经过了什么样的动作构成的。
花边在数学上叫作“带饰”。带饰上的一部分图形经过平移可以生成全部带饰。这部分图形叫作“带饰单位”。
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