畢氏和他的學生們正在玩石子,將石子排列成三角形、四角形...等凸多邊形,邊研究邊欣賞三角數、四角數、...等凸多邊形多角數,也們將數用小石子排列成各種形狀,例如10粒小石子可以排成三角形或矩形,10叫做三角形數或矩形數,因此,數都賦有形狀,從而有形數 (figurate numbers) 之稱。對畢氏學派而言,數與形是一家的:萬有都是整數,每個整數都有「形」。
「算」或「calculus」的古字,在西方相當於 Pebble,意指「弄石」;在東方是筭,意指「弄竹」,就是竹簽來進行計算的工具,被稱為「疇算」。對古人而言,算術就是擺弄小石子或竹簽以作計算的技術。因此,用小石子或竹簽來代表數是很自然的事。
三角形數
四角形數
五角形數
那我們就從三角形數開始研究起吧!
在研究三角形數前,我們先將三角形數依邊長度進行整隊,排成一列,邊長一的就是1=1,1+2=3, 1+2+3=6,1+2+3+4=10,……或是省去計算而成1,3,6,10,15,21,........,給個專有名詞就是三角數數列,數列的意思就是將數排成一列,可是這要分辨第幾個數就很困難,從觀察可以知三角數就是自然數的連加,因此我們下一個定義:△n=1+2+3+4+…+n
如
三角數數列就可以寫成△1,△2,△3,△4,△5,△6 ,△7,……
那麼第n幾個三角數是多少呢?△n=?
先以二個△6來作實驗,把二個以△▽的排列,發現新的圖形成為一個矩形6╳7=42,因為是二個△6圖形,所以還要在除以2,得到答案21。
所以當是△n時可以知道,可以成為邊長為n和n+1的矩形,那麼這時就得到公式
問題與討論:
問題一:在中國宋朝數學家楊輝,他在工地上堆積了許多圓草束,從側面看去它們堆積成一個三角形的樣子。最頂層只有一根,第二層只有二根, 第三層只有三根。在計算由草束堆成尖垛時候,想到頂層是一束,從上到下逐層增加一束,如果知道底層的束數,就可以算出全部草束的總數。他提出的一個問題是:「今有圭垛草一堆,頂上一束,底闊八束。問共幾束?」請問這是那個三角形數呢?
問題二:?就奇數和偶數的狀況來觀察三角形數,那麼它會是有規律的出現嗎?如果有規律那麼是怎麼樣的規律呢?
問題三:高斯年幼時已表現出超卓的數學才華,當他還在唸小學時,某天老師要求學生們計算以下的算式:1 + 2 + 3 + … + 100=?高斯卻能輕易地把正確答案,你能計算出來是多少嗎?
問題四:波蘭中學數學比賽出過的一個問題:證明三角數1+2+…+n的最後一位數不可能出現2,4,7,9。例如S1=1,S2=3,S3= 6,S4=10,S5= 15,S6=21,S7=28。
問題五:高斯在1796年7月10日在日記中寫道: 何自然數是最多三個三角形數的和。這會是真的嗎?
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文/施朝祥2018.12.2 于廖廍仔莊竹圍仔吉祥自然農場