解決數學問題,不一定非要走直線,學會走折線,會讓你事半功倍!

這裡有一塊長方形的鋼板,中間有一條長方形的空洞。現在需要把整塊鋼板,修剪成一個正方形,並且不準有零料剩餘。再有,就是不準把這塊鋼板剪得七零八落的,最多隻能剪成兩塊,再重新拼接上。

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你能解決這個難題嗎?

解這樣的題,就要從面積開始入手考慮。

我們先來計算一下這塊鋼板的面積:

10×7-6×1

=70-6

=64

由上我們得知,這塊鋼板拼成正方形以後,其邊長為8。

因為這塊鋼板上下,左右都是對稱的,因此可以考慮把它分成對稱的兩塊,再考慮把其中的一塊,剪拼成4×8的矩形。

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注意到這半塊鋼板,已有一邊為4,因此只要考慮使另一邊為8,並把凹口補上即可。整塊鋼板的拼補方案如下圖。

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這個方案理論上是可行的,但要把鋼板剪成六塊,並不符合題目的要求。我們也只有放棄它,再去想其它的辦法。

其實,我們在一開始,不必從對稱的角度出發,而是緊緊抓住最後拼補成的正方形邊長為8這條線索。從這塊鋼板的一邊上直接剪下兩條1×7的長條,再把其中一條分為一個1×1的小方塊和一條1×6的長條。1×6的長條用來填補空洞,而1×1的小方塊與1×7的長條接起來拼在鋼板的另一邊上,即可成為一個正方形。如下圖。

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但這時鋼板總共剪成了四塊,還是不符合要求。為此,我們不得不重新考慮。

思考一個問題,連續兩次走進思維“死衚衕”,確實讓人感到有點沮喪。但是,從另一個方面來說也是對自己的考驗。這樣的時刻,我們可不能放棄,應該好好反省一下自己。

我們需要冷靜下來,看一看自己,是否存在“習慣定向”。“習慣定向”是一個心理學名詞,它表示人們把過去成功經歷中所接受的各種設定,無條件地帶到新的情況中。有些時候,“習慣定向”可幫助人們很快再次取得成功,但更多時候“習慣定向”卻讓人陷入泥潭。

數學上有許多難題,並不是難在它有多麼複雜,而是難在它利用“習慣定向”,誘導解題者屢屢走上死路。

當然,要發覺是哪種“習慣定向”,並不是一件很容易的事。但只要細心考察題目條件,凝神靜氣地分析一下題目要求,或許就能讓你“茅塞頓開”。

具體說到題目,我們就應該發現,圖形拼剪題目,更多時候都是沿直線剪,有的是題目規定,有的是以前這樣做過並獲得了成功;而我們這道題,並沒有這樣規定,我們卻自己畫地為牢,不但老是想著沿直線剪,而且老是要求剪下的是矩形。為什麼不可以沿折線甚至沿曲線剪呢?

當然,沿曲線剪獲得成功的希望非常渺茫。但沿折線剪顯然是—條值得試一試的新思路。

考慮到這塊鋼板的對稱性,而且只能剪成兩塊,再考慮到拼成的正方形是個具有多種對稱性的圖形,我們應該堅定這樣的信念:符合這個要求的剪法一定具有某種對稱性。

根據拼成的正方形的邊長應該是8,我們還是從鋼板的一條長為10的邊入手,設法從這條邊上剪得為8的邊長。

開剪點有兩種選法:

一種是取在這條邊上距一個端點,比方說距右端點為2的地方,根據剛才所說的對稱性的想法,在這條邊的對邊上與這個開剪點呈對稱的點,即距左端點為2的點,也應該取作一個開剪點;

另一種是把這條邊上距一個端點為1的點和距另一個端點為1的另一個點都取作開剪點,同樣根據對稱性的想法,對邊上也應該有兩個相應的開剪點。

前一種取法有兩個開剪點,剪出的兩條折線,根據對稱性,應該都終止於中間那個長方形空洞,從而僅把這塊鋼板分為兩塊;而後一種取法有四個開剪點,剪出的四條折線,無論是怎樣的走向,都不可能把鋼板僅分為兩塊。因此,我們取前而舍後。

於是,我們就從鋼板上面那條邊上距右端點為2的地方開始向下剪。(由於對稱性,我們僅描述從這個開剪點出發的折線的走向。)由於我們要剪出的是一條折線,因此要考慮向下剪到何處轉彎,向外轉還是向內轉。

注意到那長方形空洞的寬是1,而我們要填補這個空洞,那麼直覺告訴我們,剪出的折線“臺階”應該取1這個高度才比較妥當。雖然我們目前還不知道怎樣用這種“臺階”來填補這個空洞。總之我們覺得,在向下剪到1處轉向,轉為沿水平方向剪,值得試一試。那麼應該是向外轉還是向內轉呢?當然是向內轉,因為如果向外,不但馬上就要遇到鋼板的直邊,而且剪下的左邊那部分鋼板其寬度就要大於8,這樣就無法拼出邊長為8的正方形了。

我們在距鋼板上面那條邊1的地方向左轉以後,便沿水平方向前進。由於我們的折線最終要止於那長方形空洞,因此我們還是要向下轉的。那麼走多遠才向下轉呢?

注意鋼板上面那條邊與空洞的垂直距離為3,我們已經向下走了1,還有2。根據折線“臺階”應該高1的猜想,我們走完這段水平距離,還要有兩次向下的轉向,才能到達那空洞。如果我們到達空洞時是在空洞的左上頂點,那麼我們只能把剪下的右面那塊鋼板垂直向下移動以填補空洞,這樣拼成的鋼板,暫且不說別的,至少其橫向寬度仍為10,不可能形成邊長為8的正方形。因此我們不能走到空洞的左上頂點,而必須留出為2的餘地,以讓剪下的部分能向左下方移動從而填補空洞,並在寬度上縮排2,使拼成的鋼板的寬度變成8。

如此說來,我們應該在向左水平地走了一段距離後向下走1個長度,再向左走一段距離後再向下走1個長度,來到空洞上面那條邊上距其左端點為2處。也就是說,我們還有兩段水平距離要走,其總長度是空洞上面那條邊的長度6減去2,即4。根據對稱性的想法,每段水平距離的長度應為2。

解決數學問題,不一定非要走直線,學會走折線,會讓你事半功倍!

這樣我們得到了如上圖所示的階梯式折線。

從下面那個開剪點出發的折線可根據對稱性的想法而得出。我們把這樣剪下的兩塊鋼板試著重新拼合,結果如何呢?居然成功了!為自己鼓掌!

解決數學問題,不一定非要走直線,學會走折線,會讓你事半功倍!

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大家可能覺得,上面的解題思路帶著很大的巧合成分。確實如此,在數學問題中,很多東西就是這樣的“無巧不成書”。正是經過這樣不斷嘗試,不斷修正,透過看來很不嚴格的推測,設法取得想要的結果。