讓你立刻愛上數學的10個算術遊戲

最新 09-08

數學到底哪裡有趣了，數學之美又在哪裡？

這篇文章精心選擇了 10 個老少咸宜的算術問題，以定理、趣題甚至未解之謎等各種形式帶領大家窺探數學世界的一角。不少問題背後都蘊含了深刻的數學知識，觸及到數學的各個領域。希望從小數學就不及格的朋友們能夠喜歡上數學這門充滿樂趣的學科。

數字黑洞 6174

任意選一個四位數（數字不能全相同），把所有數字從大到小排列，再把所有數字從小到大排列，用前者減去後者得到一個新的數。重複對新得到的數進行上述操作，7 步以內必然會得到 6174。

例如，選擇四位數 6767：

6174 這個「黑洞」就叫做 Kaprekar 常數。對於三位數，也有一個數字黑洞——495。

3x + 1 問題

從任意一個正整數開始，重複對其進行下面的操作：如果這個數是偶數，把它除以 2 ；如果這個數是奇數，則把它擴大到原來的 3 倍後再加 1 。你會發現，序列最終總會變成 4, 2, 1, 4, 2, 1, … 的循環。

例如，所選的數是 67，根據上面的規則可以依次得到：

67, 202, 101, 304, 152, 76, 38, 19, 58, 29, 88, 44, 22, 11, 34, 17,52, 26, 13, 40, 20, 10, 5, 16, 8, 4, 2, 1, 4, 2, 1, ...

數學家們試了很多數，沒有一個能逃脫「421 陷阱」。但是，是否對於所有的數，序列最終總會變成 4, 2, 1 循環呢？

這個問題可以說是一個「坑」——乍看之下，問題非常簡單，突破口很多，於是數學家們紛紛往裡面跳；殊不知進去容易出去難，不少數學家到死都沒把這個問題搞出來。已經中招的數學家不計其數，這可以從 3x + 1 問題的各種別名看出來： 3x + 1 問題又叫 Collatz 猜想、 Syracuse 問題、 Kakutani 問題、 Hasse 演算法、 Ulam 問題等等。後來，由於命名爭議太大，乾脆讓誰都不沾光，直接叫做 3x + 1 問題算了。

直到現在，數學家們仍然沒有證明，這個規律對於所有的數都成立。

特殊兩位數乘法的速算

如果兩個兩位數的十位相同，個位數相加為 10，那麼你可以立即說出這兩個數的乘積。如果這兩個數分別寫作 AB 和 AC，那麼它們的乘積的前兩位就是 A 和 A + 1 的乘積，後兩位就是 B 和 C 的乘積。

比如，47 和 43 的十位數相同，個位數之和為 10，因而它們乘積的前兩位就是 4×(4 + 1)=20，後兩位就是 7×3=21。也就是說，47×43=2021。

類似地，61×69=4209，86×84=7224，35×35=1225，等等。

這個速算方法背後的原因是，(10 x + y) (10 x + (10 - y)) = 100 x (x + 1) + y (10 - y) 對任意 x 和 y 都成立。

幻方中的幻「方」

一個「三階幻方」是指把數字 1 到 9 填入 3×3 的方格，使得每一行、每一列和兩條對角線的三個數之和正好都相同。下圖就是一個三階幻方，每條直線上的三個數之和都等於 15。

大家或許都聽說過幻方這玩意兒，但不知道幻方中的一些美妙的性質。例如，任意一個三階幻方都滿足，各行所組成的三位數的平方和，等於各行逆序所組成的三位數的平方和。對於上圖中的三階幻方，就有

8162+ 3572+ 4922= 6182+ 7532+ 2942

利用線性代數，我們可以證明這個結論。

天然形成的幻方

從 1/19 到 18/19 這 18 個分數的小數循環節長度都是 18。把這 18 個循環節排成一個 18×18 的數字陣，恰好構成一個幻方——每一行、每一列和兩條對角線上的數字之和都是 81 （註：嚴格意義上說它不算幻方，因為方陣中有相同數字）。

196 演算法

一個數正讀反讀都一樣，我們就把它叫做「迴文數」。隨便選一個數，不斷加上把它反過來寫之後得到的數，直到得出一個迴文數為止。例如，所選的數是 67，兩步就可以得到一個迴文數 484：

67 + 76 = 143143 + 341 = 484

把 69 變成一個迴文數則需要四步：

89 的「迴文數之路」則特別長，要到第 24 步才會得到第一個迴文數，8813200023188。

大家或許會想，不斷地「一正一反相加」，最後總能得到一個迴文數，這當然不足為奇了。事實情況也確實是這樣——對於幾乎所有的數，按照規則不斷加下去，遲早會出現迴文數。不過，196 卻是一個相當引人注目的例外。數學家們已經用計算機算到了 3 億多位數，都沒有產生過一次迴文數。從 196 出發，究竟能否加出迴文數來？196 究竟特殊在哪兒？這至今仍是個謎。

Farey 序列

選取一個正整數 n。把所有分母不超過 n 的最簡分數找出來，從小到大排序。這個分數序列就叫做 Farey 序列。例如，下面展示的就是 n = 7 時的 Farey 序列。

定理：在 Farey 序列中，對於任意兩個相鄰分數，先算出前者的分母乘以後者的分子，再算出前者的分子乘以後者的分母，則這兩個乘積一定正好相差1 ！

這個定理有從數論到圖論的各種證明。甚至有一種證明方法巧妙地藉助 Pick 定理，把它轉換為了一個不證自明的幾何問題！

唯一的解

經典數字謎題：用 1 到 9 組成一個九位數，使得這個數的第一位能被 1 整除，前兩位組成的兩位數能被 2 整除，前三位組成的三位數能被 3 整除，以此類推，一直到整個九位數能被 9 整除。

數在變，數字不變

三個神奇的分數

而 100/9801 則等於 0.0102030405060708091011121314151617181920212223 … 。

利用組合數學中的「生成函數」可以完美地解釋這些現象的產生原因。

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