《數學演義》對古今中外著名的數學故事用演義文體進行通而不俗、深入淺出的論述。例如十進制和二進制的故事和游戲，《九章算術》寓理于算的高招，三次方程與四次方程求根公式的演繹，兔子序列與優(yōu)選法，笛卡兒之夢，油漆匠悖論，人口論中的數學，太和殿的屋頂是什么形狀？怎樣對圖進行計算？防空導彈需要多少枚？如何算出系統工程的竣工日期？你想做數學家嗎？等等。行文流暢生動，推理嚴格簡潔，是一部雅俗共賞的科普著作。

更多科學出版社服務，請掃碼獲取。

《數學演義》只要求讀者具有2003年教育部制訂的高中《數學課程標準》中規(guī)定的基礎知識�，F將《數學演義》獻給廣大中學師生、大學師生和數學工作者。

　　第一回手指腳趾計數自然二進十進游戲高雅
　　話說5萬多年前，我們的祖先手持石器木棒，刀耕火種，狩獵捕魚，逐漸有了“有無與多少”的概念。他們清點獵物和收獲的野果，拿過一只山雞，就扳屈一個指頭，10個指頭全扳屈了，就在地上放一塊石子，心知已得10只山雞，這就是10進制的萌芽。指頭是自然界賦予人類的，所以后人稱從1開始的正整數為自然數。19世紀，德國大數學家克羅內克說：“上帝創(chuàng)造了自然數，其余一切都是人造的。”此話中的“上帝”如果理解成宇宙，則此言言之有理。我國民間約定俗成了一種“手指數”：伸直一個指頭代表1，伸直兩個指頭代表2， ，伸直五個指頭代表5，伸出大拇指與小拇指代表6，伸出食指與中指和大拇指捏在一起代表7，伸出大拇指與食指代表8，伸出食指且彎曲代表9，伸出一個拳頭代表10。古代南美洲印第安人生活困苦，加之天氣炎熱，幾乎人人赤腳，于是在他們的瑪雅文化中使用20進制(手指加腳趾=20)，有些國家也受了瑪雅文化的影響，例如丹麥人、威爾士人、格陵蘭人等，用一口人代表20，兩口人代表40等等，英國人常用Score(20，記賬，計算)這個詞，他們心目中20和計數是有內在聯系的。古巴比倫人(今伊拉克人的祖先)則用60進制，全世界的計時一直到現在仍在沿用60進位制。
　　到了近代，數學家把進位制用級數來表達，例如
　　在十進制中，2004=4×100+0×101+0×102+2×103
　　模仿十進制的這種表達方式，其他進位制的數字最大者不能超過進位制基數(十進制基數是10)減1，例如5進制中沒有形如2005這個數。
　　在5進制中數碼2004折合成10進制為254( 符號表示“規(guī)定”)：2004 4×50+0×51+0×52+2×53=254在20進制中數碼2004折合成10進制為16004：2004 4×200+0×201+0×202+2×203=16004一般而言，正整數在10進制中是N，則當N=a0×b0+a1×b1+a2×b2+ +an×bn時，在b進制中寫成N=anan-1an-2 a0，其中b是自然數。
　　17世紀，德國大數學家萊布尼茨發(fā)明了二進制，在二進制中，只有0與1兩個數字，如果0是斷電，1是通電，則用0-1化表達的整數適于“電氣化”，所以在計算機上二進制很吃香。
　　在十進制與二進制中，可以編制不少好玩的數字游戲。
　　【游戲1】“用手指計算器”計算5到10之間的任二數之積。
　　例如8×9，一只手上伸出8-5=3個指頭，另一只手伸出9-5=4個指頭，3+4=7，7就是積的十位數字，把兩手彎曲的指頭數相乘得
　　2×1=2，2就是積的個位數，于是8×9=72。
　　道理：ab=［(a-5)+(b-5)］10+(10-a)(10-b)。
　　【游戲2】把你心中的兩位數的十位數字乘以5加上7，再二倍，加上原來兩位數的個位數，結果是幾？這個幾減去14就是你讓我猜的那個數。
　　道理：設你心中的兩位數是ab，則2(5a+7)+b=(10a+b)+14=ab+14。
　　【游戲3】把你心中的三位數的百位數字乘以2，加上3，乘以5，加上7，再加上原來那個數的十位數字，乘以2，加上3，乘以5，再加上原來那個數的個位數字，結果是幾？這個幾減去235就是你讓我猜的那個數。
　　道理：設你心中的三位數是abc，則
　　52［5(2a+3)+7+b］+3+c=100a+10b+c+235。
　　【游戲4】把你心中的三位數的數字順序顛倒過來，如果你那個數百位與個位不一樣，你告訴我這兩個數之差的最后一個數字，我就能猜出這個數。
　　道理：abc=100a+10b+c，cba=100c+10b+a，a≠c，于是
　　abc-cba=100(a-c)+(c-a)，知道了c-a，就知道a-c，于是差100(a-c)+(c-a)就知道了。
　　【游戲5】① 13579111315
　　② 236710111415
　�、� 456712131415
　　④ 89101112131415
　　一個不超過15歲的孩子，只要他告訴我他的年齡在哪幾行，我立刻知道他今年幾歲。
　　謎底：把他告知的那幾行的排頭相加即得。
　　道理：把上述4行的數(1至15)都表成二進制，則知第1行最后數字是1，第2行倒數第2個數字是1，第3行倒數第3個數字是1，第4行第1個數字是1，而未知數(年齡)x可表示成x=a020+a121+a222+a323x在第n行，則an-1=1，例如你說你的年齡在1，3，4行，則a0=a2=a3=1，x=a020+a121+a222+a323=1+22+23=13(歲)。
　　如果你用1到31(25-1)這31個數字排成5行，每行16個數，排頭分別是1，2，4，8，16，且把在2進制中最后一個數字為1的數排在第1行，把2進制中倒數第2個數字為1的數排在第2行，倒數第3個數字為1的排在第3行，倒數第4個數為1的排在第4行，倒數第5個數為1的排在第5行。則可以問一位青少年(不超過31歲)，讓他告知他的年齡在第幾行，再把這幾行的排頭相加，即是他的年齡。
　　依此類推，可以制作n+1行的數表，排頭分別是1，2，4， ，2n，進行相似游戲。且容易證明每行恰有2n個不同的數，這些數來自｛1，2，3， ，2n+1-1｝。
　　第二回測天度地作周髀弄巧動智證勾股
　　第二回測天度地作周髀
　　弄巧動智證勾股
　　公元前11世紀，商紂王暴虐無道，寵淫婦妲己，殺忠臣比干，朝廷揮霍無度，官僚苛政猛于虎，弄得神州民不聊生；周武王起兵伐紂，一呼百應，糾兵不堪一擊，紂王兵敗自焚，西周建國。武王封其胞弟周公為相，周公乃中國古代第一聰明人，他上知天文下知地理又精通數學，不但有治國平天下之韜略，而且重視科學技術，鼓勵臣民鉆研自然科學。朝中一位文臣喚作商高，這位商高是當時有名的星相家，兼善計算，一日，風和日麗，朝中無要事，周公在王家花園散步，見商高拿一個繩圈擺弄，只見那繩圈上用紅色等分成12等份，每份1尺(1米=3尺)。周公問道：“此物何用？”商高答：“此圈大有學問。”周公追問：“何許學問，請先生指教�！鄙谈哂谑窍蜻@位開國重臣論述了下面一段12尺繩圈上的數學，商高考慮邊長為整數的由繩圈構成的三角形。
　　(1)把繩圈拉緊構成的三角形中，不會有邊長大于5的三角形。
　　事實上，設由繩圈構成的三角形中邊長分別為x尺、y尺和z尺，則應有x+y+z=12若x≥6，則y+z=12-x≤6≤x而在三角形中，兩邊之和y+z應大于第三邊x，矛盾，所以x不應大于5。
　　這時x∈｛1，2，3，4，5｝。
　　(2) 當x=1時，y+z=12-x=11。與(1)同理可知y≤5，z≤5，這樣，y+z≤10，與y+z=11矛盾，可見不存在x=1尺的由繩圈構成的三角形。
　　(3) 當x=3時，y+z=12-3=9，y≤3時，z=9-y≥9-3=6，與z≤5相違，故y≥4；同理z≥4，于是只能是y=4，z=5，或y=5，z=4，即這時三角形三邊長只能是3尺、4尺和5尺。
　　(4) 當x=4時，y+z=12-4=8，由y≤5，z≤5知y∈｛3，4，5｝，這時只有三種可能：
　�、賦=4，y=3，z=5，②x=4，y=4，z=4，③x=4，y=5，z=3。
　　由①②③知繩圈構成的邊長為整數的三角形，若一邊長為4，則只有兩種情形，或者邊長分別為3尺、4尺和5尺，或者是邊長為4的正三角形。
　　(5) 當x=5時，y+z=12-5=7，又由y≤5，z≤5知y∈｛2，3，4，5｝，這時只有四種可能：
　�、躼=5，y=4，z=3，⑤x=5，y=5，z=2，⑥x=5，y=3，z=4，⑦x=5，y=2，z=5。
　　綜上所述，商高對周公下結論說：
　　用這條繩圈構成的邊長為整數的三角形只有三種：
　　第一種：三邊長皆4尺的正三角形，它的三個角都是60°。
　　第二種：底邊長2尺，兩腰皆5尺的等腰三角形。
　　第三種：邊長分別為3尺、4尺和5尺的一個三角形，這個三角形有一個角是90°，這個角與5尺長的邊相對；我把它的最短邊叫做勾，最長的邊叫做弦，另一條邊叫做股，這時勾2+股2=弦2，(即32+42=52)。
　　勾3股4弦5的這種直角三角形是由三個連續(xù)整數為邊長的唯一的直角三角形。事實上，設x為整數，x-1，x，x+1是一個直角三角形的三條邊之長，由
　　勾2+股2=弦2
　　得
　　(x-1)2+x2=(x+1)2
　　x(x-4)=0
　　解得正整數x=4，于是x-1=3，x+1=5，即這種三角形是唯一的，它就是我們上面由繩圈構成的那個勾3股4弦5的直角三角形。
　　周公聽了商高上述一番論述，贊嘆道：“商高賢弟真神人也�！敝芄�向商高咨詢如何計算天有多高地有多廣。周公問道：“夫天不可階而升，地不可得尺寸而度，請問數安從出？”商高答道：“勾廣3，股修4，徑隅5�！鄙谈咧钢�豎立的8尺長的牛大腿骨說，大人您瞧，這根“周髀”的影子長6尺，按我們上面從繩圈得到的結論，即按直角三角形三邊之比為3∶4∶5可知，從“周髀”的頂到“周髀”影子的端點之距離應該是2×5=10尺。見圖2-1。如果我們能測得日下之長AD，則可以得日高股長=AD勾長
　　斜至日弦長=AD勾長從而算出日高與“斜至日”。
　　圖2-1
　　后來周公的后代陳子把商高的“勾三股四弦五”的結論32+42=52推而廣之，說了下面一句十分重要的有歷史意義的話：“求斜至日者，以日下為勾，以日高為股，勾股各自乘，并以開方除之，得斜至日。”此言載入我國最早的一部數學經典《周髀算經》上。陳子的話用現在的話來講就是“直角三角形斜邊之長等于兩直角邊平方和的算術平方根”，此即我們現在所說的勾股定理。據說陳子等人測得“日下=60000里，日高=80000里”(1里=500米)，于是
　　斜至日=600002+800002=100000里
　　這些數據顯然是錯的，在不知宇宙的無窮性和地球是球狀星體又缺乏測