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1、-生活中的趣味数学-第 8 页生活中的趣味数学今天我主要来讲一讲生活中的有关数学的几个趣味问题：缪勒-莱耶错觉 看看上面的带箭头的两条直线，猜猜看哪条更长? 是上面那条吗? 错了!其实它们一样长. 这就是有名的缪勒-莱耶错觉,也叫箭形错觉。它是指两条长度相等的直线,如果一条直线的两端加上向外的两条斜线,另一条直线的两端加上向内的两条斜线,则前者会显得比后者长得多。现在明白了吗?大金字塔之谜 墨西哥、希腊、苏丹等国都有金字塔，但名声最为显赫的是埃及的金字塔。埃及是世界上历史最悠久的文明古国之一。金字塔是古埃及文明的代表作，是埃及国家的象征，是埃及人民的骄傲。金字塔，阿拉伯文意为方锥体，它是一种方
2、底，尖顶的石砌建筑物，是古代埃及埋葬国王、王后或王室其他成员的陵墓。它既不是金子做的，也不是我们通常所见的宝塔形。是由于它规模宏大，从四面看都呈等腰三角形，很像汉语中的金字，故中文形象地把它译为金字塔。埃及迄今发现的金字塔共约八十座，其中最大的是以高耸巍峨而被誉为古代世界七大奇迹之首的胡夫大金字塔。在1889年巴黎埃菲尔铁塔落成前的四千多年的漫长岁月中，胡夫大金字塔一直是世界上最高的建筑物。据一位名叫彼得的英国考古学者估计，胡夫大金字塔大约由230万块石块砌成，外层石块约115000块，平均每块重2.5吨，像一辆小汽车那样大，而大的甚至超过15吨。假如把这些石块凿成平均一立方英尺的小块，把它们
3、沿赤道排成一行，其长度相当于赤道周长的三分之二。1789年拿破仑入侵埃及时，于当年7月21日在金字塔地区与土耳其和埃及军队发生了一次激战，战后他观察了胡夫金字塔。据说他对塔的规模之大佩服得五体投地。他估算，如果把胡夫金字塔和与它相距不远胡夫的儿子哈夫拉和孙子孟卡乌拉的金字塔的石块加在一起，可以砌一条三米高、一米厚的石墙沿着国界把整个法国围成一圈。在四千多年前生产工具很落后的中古时代，埃及人是怎样采集、搬运数量如此之多，每块又如此之重的巨石垒成如此宏伟的大金字塔，仍是十分难解的谜。 胡夫大金字塔底边原长230米，由于塔的外层石灰石脱落，现在底边减短为227米。塔原高，经风化腐蚀，现降至137米。
4、塔的底角为5151 。整个金字塔建筑在一块巨大的凸形岩石上，占地约52900平方米，体积约260万立方米。它的四边正对着东南西北四个方向。英国伦敦观察家报有一位编辑名叫约翰泰勒，是天文学和数学的业余爱好者。他曾根据文献资料中提供的数据对大金字塔进行了研究。经过计算，他发现胡夫大金字塔令人难以置信地包含着许多数学上的原理。他首先注意到胡夫大金字塔底角不是60而是5151，从而发现每壁三角形的面积等于其高度的平方。另外，塔高与塔基周长的比就是地球半径与周长之比，因而，用塔高来除底边的2倍，即可求得圆周率。泰勒认为这个比例绝不是偶然的，它证明了古埃及人已经知道地球是圆形的，还知道地球半径与周长之比。
5、泰勒还借助文献资料中的数据研究古埃及人建金字塔时使用何种长度单位。当他把塔基的周长以英寸为单位时，由此他想到：英制长度单位与古埃及人使用的长度单位是否有一定关系？泰勒的观念受到了英国数学家查尔斯皮奇史密斯教授的支持。1864年史密斯实地考查胡夫大金字塔后声称他发现了大金字塔更多的数学上的奥秘。例如，塔高乘以109就等于地球与太阳之间的距离，大金字塔不仅包含着长度的单位，还包含着计算时间的单位：塔基的周长按照某种单位计算的数据恰为一年的天数等等。史密斯的这次实地考察受到了英国皇家学会的赞扬，被授予了学会的金质奖章。后来，另一位英国人费伦德齐彼特里带着他父亲用20年心血精心改进的测量仪器又对着大金
6、字塔进行了测绘。在测绘中，他惊奇地发现，大金字塔在线条、角度等方面的误差几乎等于零，在350英尺的长度中，偏差不到。但是彼特里在调查后写的书中否定了史密斯关于塔基周长等于一年的天数这种说法。彼特里的书在科学家中引起了一场轩然大波。有人支持他，有人反对他。大金字塔到底凝结着古埃及人多少知识和智慧，至今仍然是没有完全解开的谜。大金字塔之谜不断吸引着成千上万的热心人在探索。希望有兴趣的同学以后做一下这方面的研究！数学不光在建筑上应用很多，在文学上也有很多表现：回环诗图 图1是宋代诗人秦观写的一首回环诗。全诗共14个字，写在图中的外层圆圈上。读出来共有4句，每句7个字，写在图中内层的方块里。这首回环诗
7、，要把圆圈上的字按顺时针方向连读，每句由7个相邻的字组成。第一句从圆圈下部偏左的“赏”字开始读；然后沿着圆圈顺时针方向跳过两个字，从“去”开始读第二句；再往下跳过三个字，从“酒”开始读第三句；再往下跳过两个字，从“醒”开始读第四句。四句连读，就是一首好诗：赏花归去马如飞，去马如飞酒力微。酒力微醒时已暮，醒时已暮赏花归。这四句读下来，头脑里就像放电视一样，闪现出姹紫嫣红的花，蹄声笃笃的马，颠颠巍巍的人，暮色苍茫的天。如果继续顺时针方向往下跳过三个字，就回到“赏”字，又可将诗重新欣赏一遍了。生活中的圆圈，在数学上叫做圆周。一个圆周的长度是有限的，但是沿着圆周却能一圈又一圈地继续走下去，周而复始，永
8、无止境。回环诗把诗句排列在圆周上，前句的后半，兼作后句的前半，用数学的趣味增强文学的趣味，用数学美衬托文学美。Fraser螺旋请注意！ 你在左图可以看到 Fraser 螺旋.黑色的一圈圈的弧看起来是一个螺旋,其实它们是由一组同心圆构成.看右图,这种幻觉逐渐不明显了.如果你用手遮住上图的上半部分,这种幻觉不复存在.这意味着知觉上的特性必然产生此种效应. 这是怎么回事?！ 这种Fraser螺旋错觉是最复杂的盘旋绳索错觉,许多因素导致了这种视觉上的错觉.因此,即使这些同心圆本身的轨迹暴露了,背景上每一个带有方向性的小单元格使之产生螺旋上升的知觉. 这种错觉的形成是因为多变的背景.你会发现右图的错觉不
9、是很明显了,只是因为背景改变了,但它确实还存在.这些带有方向性的小单元格分组聚合,使螺旋路径明显. 这三幅图表明了发生在视网膜上和大脑皮层细胞在简单图形的加工过程中的影响.这种螺旋效应可能由这些区域的方位敏感性细胞造成.例如,连续的视觉效果是视皮层上相似细胞之间的水平连接.成对细胞间交叉相联的模式并非完全固定不变的,随着环境的变化而稍微改变.细胞间相互影响,使视网膜上形成的简单的连续的线由于方向性单元格而倾斜,造成错觉. 填充错觉看看这幅图，中间有一个黑点，周围是一团灰雾。 盯着黑点目光不要移动， 你觉得灰雾消失了！ 同样的你试试下边的那幅，这次灰雾不会消失了。 这是怎么回事？为什么灰雾有时消
10、失有时又不消失？这是怎么回事？！ 我们的眼睛不习惯于固定的刺激，视觉中有一个系统调节眼球的运动使物体的视像保持在视网膜上的某个固定的区域，我们将这个系统称之为视觉稳定系统。 你可以通过后像来体验这种视觉稳定的效果。如果你盯着一个物体看上一分钟，移走目光后它的后像仍会在眼前停留几秒种，然后才会消失。你可以通过眨眼使其多停留一会儿。 现在再来看看左边的那幅图，大多数人当他们凝视黑点的时候都感到灰雾消失了，而对右边的那幅灰点不会消失。在左边的图里，从中心的黑点向外灰雾逐渐由黑变浅，这种渐变与视觉的停留过程是一致的，当然如果你的目光随意移动的话，灰雾的视像一直保留在视网膜上。当你注目盯着黑点时，灰雾逐
11、渐减弱直到消失，而背景的颜色取而代之。 前边的图与后边的几乎一模一样，除了有一个黑环以外。黑环的作用是无论你怎样努力的盯着灰雾都能使其不至于在视觉中消失。当你凝视黑点的时候，你的眼球仍然在不时的运动，当然这种眼球的颤动与扫视时的那种运动是不同的，这时的颤动是非常微弱的。但正是这种运动使视像停住。当一个物体象左边图中的灰雾一样，颜色逐渐由灰变白时，这种变化正好与视像逐渐消失的变化是一样的，这样你就会觉得物体消失了。当你移动目光后再来看灰雾时，它又会再出现，这是因为你的眼球做了一个足够大的运动。右边图中灰雾不消失的原因在于很小的眼动都能使视像停留。大小恒常性错觉 在这幅图像中，一个大个子正在追赶一
12、个小个子，对不对？ 其实，这两个人完全是一模一样的！（不信？用尺子量量看！）你所看见的并不一定总是你所感知的。眼见为实在这里就不适用了！ 这是怎么回事?!对于这种错觉，斯坦福大学的心理学家 Roger Shepard 认为它与三维图像的适当的深度知觉有关。 与这有关的是，后面的那个人看起来比前面的那个人离你远些，但是，不管怎样，后面的那个人在实际尺寸上与前面那个人是一样大的。 通常一个东西离你越远，它就显得越小，换句话说，它的视角变小了。在这幅图里，后面的图形与前面的图形有着相同的尺寸（和相同的视角。由于两个图形的视觉相同而距离不同，因此，你的视觉系统就会认为后面的那个人一定比前面的大。这个例
13、子说明了你所看见的并不一定是你所感知的。你的视觉系统常常依据从视觉环境中得出规则来作出推论。你可以通过改变这个例子来发现一些通常隐藏着的视知觉规律，比方说，如果你把后面的图形移到与前面的图形相同的位置，这种视觉的大小错觉便会消失。这是因为，在水平面上，随着物体往后退， 不仅视角变小了，而且它们在视野中相对于水平线的位置也升高了。从这幅图画中可以看出，在同一平面的距离不同的两个人，后面的那人虽然实际尺寸的个头很小，在前面的人之后，却显得很正常。 在稍右一点的地方，你可以看到后景中的那个人被放到与前面的人相同的位置。现在你就会出现另外一错觉，这种错觉正好与前面提到的Shepard错觉相反。在She
14、pard错觉中，前面的那个图形（通常有较大的视觉被放到后景中，这样就使得后面的图形比前面的图形显得大一些。而在这种错觉中，后面的较小视角的图形被移到前景中。另一个需要考虑的变量是，物体是被认为在地面上还是浮起来的。这个变量确实在大小错觉中起作用。把图形从地面上移去会彻底改变你对图景的感知。一个浮在地面上的物体与停在地面上的物体有很大的不同。图画的背景也是非常重要的，因为它提供了深度的尺度。如果你删除背景， 图像就成了平的，没有了立体感，你就不会有错觉产生，或者，即使有也是非常微弱的。在非透视图中改变图形的深度是没有意义的，错觉也不会出现，但是，你的视觉系统，依据与水平线的对比，会得到另一个结果
15、。这些错觉表明你的视觉系统从视觉环境中得出了很多规则，用以判断物体的大小和位置的关系。“一笔画”的规律题目你能笔尖不离纸，一笔画出下面的每个图形吗？试试看。（不走重复线路）要正确解答这道题，必须弄清一笔画图形有哪些特点。早在18世纪，瑞士的著名数学家欧拉就找到了一笔画的规律。欧拉认为，能一笔画的图形必须是连通图。连通图就是指一个图形各部分总是有边相连的，这道题中的三个图都是连通图。 但是，不是所有的连通图都可以一笔画的。能否一笔画是由图的奇、偶点的数目来决定的。什么叫奇、偶点呢？与奇数（单数）条边相连的点叫做奇点；与偶数（双数）条边相连的点叫做偶点。如图1中的、为奇点，、为偶点。数学家欧拉找到
16、一笔画的规律是什么呢?1凡是由偶点组成的连通图，一定可以一笔画成。画时可以把任一偶点为起点，最后一定能以这个点为终点画完此图。例如，图2都是偶点，画的线路可以是：2凡是只有两个奇点的连通图(其余都为偶点),一定可以一笔画成.画时必须把一个奇点为起点,另一个奇点为终点.例如,图1的线路是：3其他情况的图都不能一笔画出。不可能的楼梯 在这个楼梯中，你能分清哪一个是最高或最低的楼梯吗？ 当你沿顺时针走的时候，会发生什么呢？如果是逆时针，情况会怎么样呢？这是怎么回事？！ 这是一个由遗传学家 Lionel Penrose设计的不可能的自然模型。同时它给 M. C. Escher 创作著名的画 上升还是下
17、降? 以最初的灵感。这个模型在右边被分割，但是你感觉不到这种分裂，因为你的视觉系统 M. C. Escher 假定它是一个从整体上观察的模型，因此你假定楼梯是结合在一起的。虽然这个楼梯在概念上是不可能，但是这并干扰你对它的感知。实际上，这种情况对大多数人来说是不清楚的。 虽然 M.C. Escher 、 Lionel 和 Roger Penrose使这个不可能楼梯图形很有名，但是它是多年前瑞典的艺术家 Oscar Reutersvard 独立发现的。不过 Penroses 和 Escher并不知道他的发现。自从那以来，出现了无数的 Roger Penrose和 Oscar Reutersvar
18、d发现的不可能楼梯模型的变式。 在20世纪60年代，斯坦福大学心理系学家 Roger Shepard 制作了一个关于这个不可能楼梯的听觉版本。“黑夜还是白天？” 、“圆形的拱顶之四”都是 M.C.Escher 的名作，不一致的网格给人造成了一种图形背景错觉，图形中的分界线是模糊的，你对图画可以有两种理解。在“黑夜还是白天”这幅图里，你可以认为是白天一群白天鹅在天上飞，也可以认为是一群黑天鹅在夜空中飞。在“第四个圆圈”也是如此，有时看到的是天使，有时看到的是恶魔。你很难同时对图画作出两种理解这两幅画是 M.C.Escher 最有名的关于不可能图形的作品。如果你跟着瀑布水流的方向你会发现它是一个永
19、无终止的循环，但这在物理上是不可能的。如果你顺着“上升还是下降”中的楼梯行走，你会发现这也是一个永无休止的循环，但你不知道是在上楼还是在下楼。这两幅画都是源于英国数学家 Roger Penrose和 他的父亲 Lionel Penrose 的思想基础上创作的。不可能的三叉戟“不可能的三叉戟”的历史 这幅图形还有其它一些名称：“魔鬼的餐叉”、“三个U形棍”、“Widgit”、“Blivit”、“不可能的圆柱”等等。没有人知道谁最先设计了这种图形，尽管它最开始是在1964年五月和七月同时出现在几个很流行的工程学，航空学和科幻小说类出版物上的。同年，D.H.Schuster在美国心理杂志发表了一篇文
20、章，第一次提出了不可能图形在心理学界的重要性。早在五十年代中期，一位MIT工程师就率先提出了这一观点，只是当时没有能够得到证实。 多年以后，这一观点又被以无尽的形式和版本重新提出来。举例来说，斯坦福的心理学家Roger Shepard 聪明地运用了这个观点作为一种不可能像的基础。 瑞典艺术家 Oscar Reutersv?rd 掌握了这些图形后，创作出了上千幅不尽相同的这类作品。这是怎么回事？！ 在所有不可能图形中，最著名也是最有意思的当数“不可能的三叉戟”。中间尖头的轮廓最终融合进了其他两个尖头的外轮廓中。而且中间尖头的顶部低于其他两个外部的尖头。这种似是而非的观点却是颇为有力的，因为在这里
21、面含有多种不可能事件的来源。 请用手盖住图形的某些部分。如果你盖上顶上那部分，你会发现剩下的部分是可能存在的。从这个例子来看，你会解释说是前景图形是建在一个平整的由两个矩形尖头组成的平面上的。 现在只看图形的下半部分。你解释说这个图形是建在由三个并排但分隔开的圆柱组成的曲面上的。 当你把图形的这两部分分开看时，对于它们的形状就出现了不同的解释。而且，当你把这两部分结合在一起时，你拥有一种解释（看前景部分，同时你又得到另一种解释（看背景部分。因而图形也就违反了物体成分与背景间关系的基本特性。当你看这个图形时，你首先考虑的是它的轮廓或是等高线，由此你会试着去注意它的边界。你的视觉系统发生了混乱，因
22、为图形的轮廓线间的关系是不明确的（被红线标出的）：虽然是同一条线，但看上去却是两种解释都符合。换句话说，这个图形利用了一个事实，那就是一个圆柱由两条线组成，而一个矩形框却需要三条。这种幻觉正是建立在每两条线在一端形成一个圆柱，而每三条却在另一端形成矩形框的基础上的。这种不明确还违背了另一种基本特性，即在平面与曲面之间平面被扭动成曲面。两个突出的边缘也可以解释成是三个直角面的边缘或者说是圆柱表面的无滑动边缘。这个图形，更深的来讲，是为更深入地评价中间一个尖头给出了两种截然相反的提示。 尽管这个图形揭示了一些不可能事件的来源,但你所注意的第一件事却是去计算自相矛盾论点的个数。这表明你的视觉系统通过
23、数数来比较不同的区域。这个图形或许正是少数几个能揭示上面论点的图形之一。而其他不可能事件的来源也许并不这么简单。 与此相一致的，当“不可能的三叉戟”拥有7个，8个或以上的圆柱，那图形的不可能性就不再会这样明显了，尽管其他矛盾还依然存在。 当不可能图形的不可能地带变长或变短时,你会有什么样的感觉呢? 这些例子表明了你的大脑是如何建立具有象征意义的深度形象的。一些细节被用来建立一种对局部感觉的清楚的深度描绘。总的来讲，就是图形整体的一致性并不被看作是非常重要的。如果你不是一上来就注意整个图形，那你一定会去比较不同的部分，直到你意识到它是不可能的为止。 当图形很长时，你可能会在某个区域里感觉它是三维
24、的，而且它的不可能性并不是能马上被感知出来的。这是因为矛盾的线索被分的太开了。 当图形为中等长度时，它很容易被看成是个三维的物体，而且会很快的感觉出它的不可能性。 如果尖头特别短，那么就得在一块相同的区域里同时满足两种不同的解释。但这两种解释间并没有一致性，幻觉也就没有了。一些早期关于不可能图形的书籍和出版物把不可能图形错误地规定了成了两类：作为三维图形建立起来的是一类；其余的是另一类。不可能的三叉戟图形被归在了第二类，因为从表面上看，其不能解决的冲突是产生在前景与背景之间的。但实际上，所有不可能图形都可以看作是由某一优势地带的一些三维图形组成的。你现在看到的是由日本艺术家 Shigeo Fu
25、kuda 在1985年创作的“不可能的三叉戟”和“消失的柱子”。在“消失的柱子”中你可以看到：在它的顶部有三个圆形的柱子，而它的底部却是有两个方形的柱子组成的。这幅幻想作品的感觉仅仅是来自于对边界的刻划。日本艺术家Shigeo Fukuda在幻想艺术方面杰出，他的作品大多是错觉图形，在全世界展出。他在日本非常出名，几乎所有的作品都被展出。他创造了一种平面和空间上的错觉艺术，包括了各种各样的类型：不可能图形，模糊雕塑，扭曲投影，变形艺术等等。他还写了三本有关错觉的著作。上面的“二重奏”是一个三维雕塑，当你围着它走一圈，它从钢琴师变成了一个小提琴师，上面的三幅图画是从不同的视角观看这幅雕塑的。烤面
26、包的时间史密斯家里有一个老式的烤面包器，一次只能放两片面包，每片烤一面。要烤另一面，你得取出面包片，把它们翻个面，然后再放回到烤面包器中去。烤面包器对放在它上面的每片面包，正好要花1分钟的时间烤完一面。一天早晨，史密斯夫人要烤3片面包，两面都烤。史密斯先生越过报纸的顶端注视着他夫人。当他看了他夫人的操作后，他笑了。她花了4分钟时间。“亲爱的，你可以用少一点的时间烤完这3片面包，”他说，“这可以使我们电费账单上的金额减少一些。”史密斯先生说得对不对？如果他说得对，那他的夫人该怎样才能在不到4分钟的时间内烤完那3片面包呢？答案用3分钟的时间烤完3片面包而且是两面都烤，是一件简单的事。我们把3片面包
27、叫做A、B、C。每片面包的两面分别用数字l、2代表。烤面包的程序是：第一分钟：烤A1面和B1面。取出面包片，把B翻个面放回烤面包器。把A放在一旁而把C放入烤面包器。 第二分钟：烤B2面和C1面。取出面包片，把C翻个面放回烤面包器。把B放在一旁（现在它两面都烤好了）而把A放回烤面包器。 第三分钟：烤A2和C2面。至此，3片面包的每一面都烤好了。不可能的三角形 尽管这个不可能的三角形任何一个角看起来都是合情合理的，但是当你从整体来看，你就会发现一个自相矛盾的地方： 这个三角形的三条边看起来都向后退并同时朝着你偏靠。但是，不知何故，它们组成了一个不可能的结构！我们很难设想这些不同的部分是怎么构成一个
28、看似非常真实的三维物体的！其实，造成“不可能图形”的并不是图形本身，而是你对图形的三维知觉系统，这一系统在你知觉图形的立体心理模型时起强制作用。在解释一幅三维图形的时候，你的视觉系统将会自动产生这一作用。在现实生活中，我们可以构造出这个不可能三角形的物理模型，但这个模型只能从某一个角度看才是不可能的。看一看下面的这个例子！其中，在镜子中显示的才是真实的结构！在把二维平面图形知觉为三维立体心理图形时，执行这一过程的机制会极大地影响你的视觉系统。正是在这一强制执行的机制的影响下，你的视觉系统对图形中的每一个点都赋予了深度。此外，对你的视觉系统来说，当你感觉到一个荒谬的、不和常理的或者是矛盾的图形线
29、索时，它将坚持这些强制约束机制，而不去否认这些线索。具体来说，一幅图像的某些结构元素和你三维知觉解释系统的某些结构元素相对应。例如，一个规则就是，二维直线应该被解释成三维直线。同样的，二维的平行线应该被解释为三维的平行线。连续的直线被解释为连续的直线。在透视图像中，锐角和钝角都被解释为90角。外面的线段被看作是外形轮廓的分界线。这一外形分界线在你定义整个心理图像的外形轮廓时起着极其重要的作用。这些规则可以被总称为“一般视觉规则”，这一规则说明，在没有相反信息的影响下，你的视觉系统总是假定你在从一个主要视角观看事物。让我们看一看这一规则是如何造成这个不可能的三角形的。上图显示的是不可能三角形的顶
30、点。其实，这幅图像在视觉上是具有迷惑性的。例如，折线abbba构成的一翼的分界线，而这一轮廓线的延长线又被右翼折线abbbcc所封闭。此外，还有许多其它的可能性。另一个例子可以从以上的图像中看出来。在这个情景中，信息是由所谓的“T连接”提供的。T连接就是这些折线交汇的连接点。其中两条直线是同线的，组成了“T”的顶部。T连接是深度知觉的良好的线索（但并非完全可靠）。“T”的顶部通常是起封闭作用的轮廓线。“T”的茎干部续接在其后。 但是，封闭是视觉系统的一种特殊的情形。局部地说，并不存在封闭的暗示线索。视觉系统直接将直线abc和abc知觉为连续的直线，而不是突然的中断。因此，折线abccba定义出了一块连续表面的边界线。所有三个角的情况都可以这样来解释。 这些强制约束机制在不同的水平上进行着，首先在局部进行，然后转到整体。当你观看一幅不可能三角形的图像时，你会首先观看局部区域，以形成一幅完整的图像。 三角形的每一个顶角都产生透视，尽管三个顶角各自体现了不同角度的三角形。把三个顶角合成一个整体，就产生了一个空间不可能图形。