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第23章 体验科学逻辑思维方法(4)

题干所反驳的观点的结论是:21世纪初,和发达国家相比,发展中国家有更多的人死于艾滋病;其根据是:艾滋病毒感染者人数在发达国家趋于稳定或略有下降,在发展中国家却持续快速上升。题干对此所作的反驳实际上指出:上述观点把“死于艾滋病的人数”和“感染艾滋病毒的人数”这两个相近的概念错误地当作同一概念使用;艾滋病毒感染者人数在发达国家虽低于发展中国家,但由于发达国家的艾滋病感染者从感染到发病,以及从发病到死亡的平均时间要大大短于发展中国家,因此,其实际死于艾滋病的人数仍可能多于发展中国家。

因此,B项恰当地概括了题干中的反驳所使用的方法。

其余各项均不恰当。

11/答案是D。

如果D项操作的结果是:孕妇缺乏维生素而非孕妇不缺乏维生素,则将加强题干的结论;否则,将削弱题干的结论。因此,D项操作对于判价题干的结论具有重要性。

如果A项操作的结果是:该缺乏维生素的孕妇的日常饮食中含有足量的维生素,则有利于加强题干的结论,但力度不如D项相应的结果。因为在D项中,进行比较的是孕妇和非孕妇,她们日常饮食中维生素都足量,但前者缺乏维生素而后者不,因此,和A项比较,这个孕妇缺乏维生素的原因,更可能与怀孕有关。其余各项对评价题干的结论都不具重要性。

12/答案是E。

建筑师和建筑材料供应商的区别在于:对于建筑材料供应商来说,如果他提供的建筑材料是合格的,他的任务就完成了;对于建筑师来说,使用合格的建筑材料,只是他完成任务的必要条件,而不意味着他已完成了任务。

题干把对具体历史事件的准确阐述,比作使用了合格的建筑材料;把作了此种准确阐述的历史学家,比作建筑师,而不是比作完成了任务的建筑材料供应商,这意在说明,准确地阐述具体的历史事件,对于历史学家的工作来说是必不可缺的,但这并不是他的主要任务。这正是E项所断定的。

其余各项对题干的概括均不如E项恰当。

13/答案是D。

D项是题干的推断所必须假设的。否则,如果在照相机前超速的汽车,到目测处并不超速,则通过目测处的超速汽车就可能少于50辆,则上述警察的目测准确率就可能高于50%。

其余各项均不是必须假设的。

14/答案是A。

如果A项的断定为真,则1940年的离婚率虽然低于目前,但中青年已婚男女的死亡率却大大高于目前,也就是说,在1940年,世界上与生身父母中离异的一位一起生活的单亲儿童的比例一定低于目前,但与生身父母中丧偶的一位一起生活的单亲儿童的比例一定高于目前。这就对题干的推断提出了严重的质疑。其余各项均不能构成质疑。

15/答案是A。

解析:

为使足球教练的论证成立,A项是必须假设的。否则,如果在球迷看来,赢家都是勇敢者,但勇敢者不一定都是赢家,也就是说,输家中也可能有勇敢者,这样就不能得出结论:每个输家在球迷眼里都是懦弱者,即足球教练的论证不能成立。

足球教练的结论是“每个输家在球迷眼里都是懦弱者”。根据足球教练的论证所依据的条件,这一结论的成立不依赖于球迷判断力的准确性,也不依赖于赢家或输家事实上是否为勇敢者或懦弱者,因此,其余各项均不是必须假设的。

(第四节 )非常规数学问题解法探微

有一些数学问题,例如操作问题、逻辑推理问题等,不能用通常的数学方法来解;还有一些实际问题,研究的是事物的某种状态或性质,其本身与数量无关,也不能用通常的数学方法来解。人们习惯上将上述的这类问题称为非常规数学问题。非常规数学问题近年来在各种数学竞赛、数学建模竞赛及数学知识应用竞赛等赛题中频频出现,特别是它与实际问题密切联系,因此受到广泛关注。

一、图解法

例1:海汉(柳卡问题)假设每天中午有一艘轮船由哈佛开往纽约,同时也有一艘轮船由纽约开往哈佛,航行时间都为七昼夜,且均沿同一航线航行。问今天中午从哈佛开出的一艘轮船将会遇到几艘从纽约开来的同一公司的轮船?

这是19世纪在一次世界科学会议期间,法国数学家柳卡向在场的数学家们提出的一个问题,它难倒了在场的所有数学家,连柳卡本人也没有彻底解决。后来有一位数学家通过下面的图解法,才使问题最终得到解决。

这种方法是:用两条横线分别表示纽约港和哈佛港,某天中午(记作第0天)从哈佛出发的轮船在第7天中午到达纽约,用从下到上的一条斜线表示。用从上到下的斜线依次表示每天中午由纽约开出的轮船经7昼夜到达哈佛。显然两种斜线的交点总数就是相遇的轮船数,共15艘。

值得注意的是,上述图解法,不但给出这一问题的一种简单、美妙、不用数字计算的非常规解法,更有意义的是它可作为一种模型,来解决这一类型的问题,请看下例:

例2:某路电车,由A站开往B站,每5分钟发一辆车,全程为20分钟。有一人骑车从B站到A站,在他出发时恰有一辆电车进站,当他到达A站时又恰有一辆电车出站,问:

(1)若骑车人在中途共遇到对面开来的10辆电车,则他出发后多少分钟到达A站?

(2)如果骑车人由B站到A站共用50分钟时间,则他一共遇到多少辆迎面开来的电车?

(3)若骑车人同某辆电车同时出发由A站返回B站,骑车人用40分钟到达B站时也恰有一辆电车进站,问在中途有多少辆电车超过他?

解:仿柳卡问题图解法,画出下面的图:

由图可知:(1)骑车人从B站总共遇到12辆从对面开来的电车到达A站所用的时间,恰好等于A站开出7辆车的时间,即35分钟。

(2)若骑车人一共用50分钟走完全程(即由0到10的那条由下到上的斜线),可知一共遇到15辆电车。

(3)由上到下画一条斜线(由0到8)即表示骑车人由A站出发40分钟后到达B站,可见中途共有3辆电车超过他。

二、赋值法

赋值法解题,是对本身与数量无关的问题巧妙地赋于某些特殊的数值(如±1、0与1等)将其转化成数量问题,然后利用整除性、奇偶性或正负号等的讨论,使问题得以解决。

例3有11只杯子都口朝上放着,然后将它们任意翻偶数只算一次操作(翻过的也可以再翻)。证明:无论操作多少次,都不能使11只杯子都口朝下。

解将口朝上的杯子记为1,口朝下的记为-1,然后计算每操作一次后11只杯子乘积的正负号:

开始,11只杯子都口朝上,所以乘积的符号为:111=1。

当翻动n个杯子(n为偶数且n≤10)使其口朝下时,乘积的符号为:111-n·(-1)n=1·1=1。

继续讨论可知,无论n是小于11的什么偶数,乘积的正负号均为正,而11只杯子都口朝下时,乘积为(-1)11=-1,故不可能办到。

本问题的一般结论是:奇数个杯子每次翻动偶数个或偶数个杯子每次翻动奇数个,都不能使所有杯子都口朝下。

三、抽屉原理

抽屉原理是证明“存在性”问题的有力工具,其最基本形式是:将n+1(或更多)个元素任意放入n个抽屉中,则至少有一个抽屉中至少有两个(或更多)元素。抽屉原理的正确性简单而显然,但具体运用并不容易,困难之处在于怎样设置抽屉,把一个实际问题转化为抽屉原理问题。

例4:世界上任意6个人中,总有3个人,或彼此都认识,或彼此都不认识。

这是有名的Ramsey问题,要用抽屉原理来解。

对6个人中的任一个人,不妨设为A来说,除A外的其余5人可分为同A相识或不同A相识两类(即两个抽屉),由抽屉原理可知,至少有一类中至少有3个人。分别讨论如下:

如果同A都认识的那一类中至少有3人,若有3人互相都不认识,则结论成立;否则至少有两个人互相认识,而这两人又都同A认识,故有3人互相认识,结论也成立。

如果同A都不认识的那一类中至少有3人,若其中有3人互相认识,则结论成立;否则,至少有两人彼此不认识,但这二人又都与A互不认识,故这时有3人互相不认识,结论也成立。

此问题也可以用染色法来证明:

在平面上用A1,A2……A6来代表6个人,设它们无三点共线。将互相认识的两人连一条红线,否则连一条蓝线。问题就转化为:在这15条连线中要证明至少有一个同颜色的三角形。

证明:考虑由A1出发的5条线,因为只有红、蓝两种颜色(两个抽屉),所以至少有3条为同色,不妨设A1A2、A1A3、A1A4为红色。其次,再考虑△A2A3A4三边的颜色,若均为蓝色则结论成立(此三人互相不认识);否则,至少有一条边为红色,例如A2A3,则△A1A2A3的三边都为红色,结论也成立(此三人彼此都认识)。

例5已知某学者在五年期间内每月至少发表一篇文章,又知他每年至多发19篇,则可得结论:他必在某连续的几个月内恰好发文24篇,试证明之。

解设此人在5年内(60个月)每月发文数为a1,a2……a60,又设此数列前n项和为S1,S2,…,S60≤19×5=95。

如果他在某连续的几个月内恰发文24篇,则说明存在两个编号i和j,使得Sj=Si+24(1≤i<j≤60)成立。

又S1+24,S2+24…,S60+24≤95+24=119共60个数,连同S1,S2…S60共120个数,将它们写在一起,即1≤S1,S2…S60,S1+24…S60+24≤119。

上式表明,在区间〔1,119〕中写了20个整数(元素),但〔1,119〕上只有119个不同的整数(设为抽屉),由抽屉原理知,在S1,S2…S60+24这120个整数中必有两个相等。又因为S1<S2…<S60彼此不相等,从而S1+20<S2+24<…<S60+24也各不相等,因此彼此相等的那两个数必来自两组之中,不妨设为Sj与Si+24相等,即Sj=Si+24成立。

四、逻辑推理

有一些涉及逻辑推理方面的问题,可通过逻辑推理方法,将矛盾结论排除,找出合理结论。推理顺序有顺推法和逆推法。

例6:要分派A、B、C、D、E五人去执行一项任务,但按实际情况必须满足以下条件:

(1)若A去,B也去;

(2)B、C两人中至少有一人去;

(3)B、C两人中必须去且只能去一人;

(4)C、D都去或都不去;

(5)E若去,则A、D都去。

问:应派谁们去?

解(逆推):

若E去→A、D都去→B去→C不去→D不去,导自矛盾。

所以E不能去。E不去→D去→C去→B不去→A不去,符合所有条件。

∴应当派C、D去。

例7:有4个人对话:甲说:我们当中只有一个人说假话。乙说:我们当中仅有两个人说假话。丙说:我们当中恰有三个人说假话。丁说:我们都说假话。试问:到底谁说的是真话?

解:因为四个人说的话彼此矛盾,所以不会有两个人都说真话,至多有一个人说真话。

但四个人不都说假话(因为这时丁说的就是真话)。

由上推理可知,恰有一个人(即丙)说真话,其他人都说假话。

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