一个圆面,如果用一条直线来分割它,显然它被分成两部分;如果画两条直线,那么圆面最多被分成四部分。如果要问:在圆面上画十条直线,圆面最多被分成多少部分?这时再用观察和实验的方法就十分困难了。用什么办法解决这个问题呢?那就需要探索其中的规律。
先从最简单的情况实验起:
用一条直线分割圆面,圆而被分成两部分;
用两条直线分割圆面,圆面最多被分成四部分;
用三条直线分割圆面,圆面最多被分成七部分;
用四条直线分割圆面,圆面最多被分成十一部分:
我们分析以上的几个结果:
S1=2=1+1
S2=4=1+1+2
S3=7=1+1+2+3
S4=11=1+1+2+3+4
发现圆面被分割成的部分是由两部分组成的:一部分是1,另一部分是若干个从1开始的连续自然数的和,最后一个加数恰好等于所画直线的条数。
了解了这个规律,求直线分割圆面时,就可以应用这个规律,而不再去实验。
比如,用五条直线去分割圆面,那么圆面最多被分割成S5=1+1+2+3+4+5=16个部分。
当用十条直线去分割圆面,那么圆面最多被分割成:
S10=1+1+2+3+4+5+6+7+8+9+10=56个部分。
这就是开始提出的问题,已得到了解决。
解决这类问题有没有一个一般的公式呢?有!下面我们就来推出这个公式,以后再求这类问题时,只要代入公式就可以了。
如果用n条直线分割平面,那么平面最多被分成Sn=1+1+2+3+4+5+…+(n-2)+(n-1)+n=1+(n+1)n2=12(n2+n+2)个部分。
用这个公式,计算二十条直线分割圆面,那么圆面最多被分成S20=12(202+20+2)=211个部分。
上面推导一般公式的过程采用的是不完全归纳法,更严格地证明需要利用数学归纳法,这到高中才能学到。上面的问题可以归结为用数学归纳法证明以下的命题:
平面内有n条直线,其中任何两条都不平行,而且任何三条都不经过同一点,那么这n条直线将平面分成12(n2+n+2)个部分。