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第13章 时空的问题

大多数人关于时空的思考是通过旅行——在一段时间内通过一段空间——进行的,这就是我们面对的关于速度、距离与时间的问题。

从游戏中,我们学到:为了改善对时空的观念,我们偶尔也需要在头脑中旅行。

爱情之旅

一个风俗学者在考察土著人时爱上了一位土著姑娘,便试图用当地的风俗来为自己找一位新娘。当地的土著人都睡在熊皮做的睡袋里,而他们求婚的习惯是让害着相思病的情郎偷偷摸进屋去,把中意的新娘连同睡袋一起带回家。

学者心惊胆战地前往土著驻地,在这段爱情之旅中,他空手前往时的速度为每小时5公里,背着土著姑娘返回时的速度为每小时3公里,往返总共用了7个小时。当他回到基地,打开睡袋向同事炫耀他的战利品时,发现里面怒气冲冲站起来的是姑娘的爷爷。这位罗密欧的下场我们不得而知,但你能否算出他走了多远?

时间观念

小明和小亮两人是好朋友,而且住在同一条街上。

有一次,小明忘了更换家里钟表的电池,结果钟停止不动了。更换了新电池后,小明想:“我要到小亮家里去,顺便看看正确的时间。”于是小明到了小亮家,回家后顺便将自己家里的钟调到正确的时间。

要知道往返两家也需要时间,小明如何能保证调准自家的钟表呢?

奔跑的狗

甲乙两人同时从相距100公里的两地出发,相向而行。甲每小时走6公里,乙每小时走4公里。甲带了一只狗和他同时出发,狗以每小时10公里的速度向乙跑去,遇到乙即回头向甲跑去;遇到甲又回头向乙跑去,直到甲乙两人相遇时狗才停住。问这只狗共跑了多少公里?

上与下的瞬间

有一个登山运动员登山。他一大早从山脚下出发,到达山顶。在山顶住了一晚后,第二天一大早又从山顶原路回到山下。请问,这个人在往返途中,有没有一个地方是他前后两天同一时间经过的?

两个职员

有两个职员,同时从里斯本向西班牙出发,甲每天走7公里;乙第一天走1公里,第二天走2公里,第三天走3公里,这以后每天各多走1公里。问这两人出发后经过多少天可以相遇?

帆船比赛

两只帆船进行比赛,要在最短时间内往返行驶24公里。第一条船用每小时20公里的匀速行完全程,第二船去时的速度是每小时16公里,回程速度是每小时24公里。

乍看起来,第二条船在起程时落后于第一条船的航程,恰与第二条船在回程时领先的航程一样,因此,似应与第一条船同时到达。但比赛结果是第一条船获胜。为什么第二条船落后了呢?

大西洋上

法国数学家柳卡?施斗姆生于瑞士,因数学上的成就,他于1836年当选为法国科学院院士。他对射影几何与微分几何都作出了重要贡献。一次在某国际科学会议期间,在有许多著名数学家参加的晚宴上,他提出了如下的一个“会船”问题,人们也称它为“柳卡趣题”:

每天中午有一艘轮船从塞纳河口的勒阿佛尔(巴黎的外港)开往纽约。在每天的同一时刻,也有该公司的一些船从纽约开往勒阿佛尔。

轮船在横渡大西洋途中所花的时间恰好是7天7夜,并且全部航程都是匀速行驶的。轮船在大西洋上按照一定的航线航行,在近距离内,对面开来的船可以互相看得到。问今天中午从勒阿佛尔开出去的轮船,到达纽约时,将会遇到几艘同一公司的轮船从对面开来?

奇妙的时空点

一个飞行员驾机向南飞100公里,再向东飞100公里,再向北飞100公里,这时他发现又回到了原出发点,问他是从哪里出发的?

你会说这有何难,他是从北极出发的。对,算你说对了。但现在请你再想一个符合这个题意的出发点。你能想出来吗?

圣彼得堡的飞艇

一架飞艇从圣彼得堡起飞,径直向北飞行。在向北飞了500公里以后,飞艇转弯向东飞。在这个方向上飞了500公里。然后飞艇转向南,飞行500公里后,又转向西飞行500公里,就降落到地面上了。请问飞艇是否降落到原出发点?

你一定会说:“向前走500步,向后走500步,再向右走500步,再向左走500步,我们一定能回到出发的地方。”

你认为上面这个问题的答案是这样的吗?

七桥问题

“拓扑学”起源于公元1736年一个著名问题——哥尼斯堡七桥问题——的解决。

俄罗斯有一个地区叫做加里宁格勒州,过去叫哥尼斯堡,这座美丽的城市因开拓了两个数学新领域——拓扑学和图论而著名。这座城市有两个岛屿及连接它们的七座桥。岛与河岸之间架有六座桥,另一座桥则连接着两个岛。

当时,居民们有一项普遍喜爱的消遣活动,是在一次行走中跨过全部七座桥而不许重复经过任何一座桥。但是好像谁也没有成功。因此,问题来了,那么,有没有可能在一次行走中走过全部七座桥而不重复经过任何一座呢?

空间连线

这是道最具挑战的连线题。

用四条直线把下面九个黑点连起来,条件是:直线将穿过所有的九个黑点,而且要一笔画成。

和所有问题一样,这道题也有一个标准的答案。事实上,如果你突破自己的思维,只要用一条线就可以把九个点连上,而且答案不止一种。

失踪的正方形

把一张方格纸贴在纸板上。按画上正方形,然后沿示直线切成5小块。当你照的样子把这些小块拼成正方形的时候,中间居然出现了一个洞!

正方形是由49个小正方形组成的。正方形却只有48个小正方形。哪一个小正方形没有了?它到哪儿去了?

火柴的游戏

用火柴棒摆出下列图形,移动其中5根火柴棒,看能不能做成两个正方形?

请再使用6根火柴棒,做成4个正三角形。

硬币十字架

在一张桌子上摆上10枚硬币,横向5枚,纵向6枚。现在可移动两枚硬币,使纵横两个序列每列都包括6枚硬币。你能做到吗?

完美正方形

1926年,苏联数学家鲁金对“完美正方形”的存在提出了猜想。所谓“完美正方形”,是指它可以用一些大小各不相同,并且边长为整数的小正方形铺满。

这个问题引起了当时正在英国剑桥大学读书的塔特、斯通等四名学生的兴趣。1938年,他们终于找到了一个由63个大小不同的小正方形组成的大正方形,人们称它为“63阶的完美正方形”。次年,有人给出了一个“39阶的完美正方形”。

1964年,塔特的学生、滑铁卢大学的威尔逊博士找到了一个“25阶的完美正方形”。这个图形保持了12年的最佳纪录,这是不是阶数最小的完美正方形呢?

1978年,荷兰特温特技术大学的杜依维斯蒂尤,用大型电子计算机算出了一个“21阶的完美正方形”,数表示该小正方形的边长。这是完美正方形的最终目标了,因为鲁金曾证明,小于21阶的完美正方形是不存在的。

在这之前,人们已经知道,长33、宽32的矩形是能够被若干个边长为不同整数的正方形所铺满的。现在请你试一试,把这样的图画出来。可以告诉你的是,它是由边长为1、4、7、8、9、10、14、15、18的九个小正方形铺满的。

候车室的时间

有四个人坐在火车站候车室的一条长椅上。一位老者走上前来,问道:“请问,现在是什么时间?”四个人同时看了一下自己的手表,然后分别作了回答。

甲说:“现在是12点54分。”

乙说:“不,是12点57分。”

丙说:“我的表是1点零3分。”

丁说:“我的表是1点零2分。”

事实上这四个人的表分别有2、3、4和5分钟的误差(这一顺序并非对应于他们回答时的顺序)。你能够计算出现在的准确时间吗?

百米冲刺

甲和乙比赛100米冲刺,结果甲领先10米到达终点。乙再和丙比赛100米冲刺,结果乙领先10米取胜。

现在甲和丙作同样的比赛,结果会怎样呢?

路碑

回文符是指这样一种符号串,从左面向右读它,与从右面向左读它是一样的。例如,212和4334这样的数就是回文符。

一个司机驾车经过某地,发现路碑的公里读数是个回文符,读作“13931”。

然后,他继续驾车行驶,过了两个小时,这个司机又看了一下路碑,使他惊讶的是,这时的路碑读数又是一个不同的回文符。假设这个司机驾车的时速不超过100公里,那么,此期间他的时速是多少?

河的宽度

黑、白两只渡船在一条河的南北两岸同时相向渡河。

假设河的宽度在各处不变,渡船的航线和两岸成直角,并且两只船的航速都保持不变,但一只船的航速要比另一只稍快。它们在河中的某处擦肩而过,此处离较近的南岸有720米。靠岸后两只船都分别停靠了10分钟然后返回。在返回的途中,两只船在离北岸400米处再次相遇。

这条河有多宽?

步行的时间

老王家住A市,但在B市上班,每个工作日,他都乘火车往返于AB两市之间。每天下午五点,他都准时出现在A市火车站出口处,老王的夫人驾着车在那儿等他,然后开车一起回家。有一天老王提前下班,下午四点他已经走出A市火车站。那天天气不错,他就自己沿着夫人来接他的路线步行回家。途中,他遇到了开车来接他的夫人,然后坐车一起回家,结果比通常提前了10分钟到家。

假设王夫人的驾车速度不变,并且这天也是准时出发去接通常五点钟到火车站的丈夫。你能否算出老王在坐上汽车之前已经走了多长时间?

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