程慶保

【摘要】數(shù)學(xué)直覺是直覺思維在對數(shù)學(xué)知識理解上的主要表現(xiàn)形式，也被稱為合情推理.在數(shù)學(xué)漫長的發(fā)展過程中，數(shù)學(xué)直覺起了巨大的推動作用，因而，中學(xué)教學(xué)不能忽視學(xué)生數(shù)學(xué)直覺的培養(yǎng).本文以卡布列克運算為例，闡述了從數(shù)學(xué)直覺發(fā)現(xiàn)結(jié)論，到演繹推理證明結(jié)論，再利用數(shù)學(xué)直覺發(fā)現(xiàn)新結(jié)論的完整過程，這樣的過程正是數(shù)學(xué)得到發(fā)展必須經(jīng)歷的.

【關(guān)鍵詞】數(shù)學(xué)直覺；卡布列克；黑洞數(shù)

直覺思維是人類一種重要的心理活動，指對一個問題不經(jīng)過嚴(yán)密的邏輯分析，僅依據(jù)內(nèi)因的感知迅速地對問題答案做出判斷.而所謂數(shù)學(xué)直覺，是直覺思維在對數(shù)學(xué)知識理解上的主要表現(xiàn)形式，是人們根據(jù)已有的知識和經(jīng)驗，通過觀察、聯(lián)想、類比、歸納等活動，對數(shù)學(xué)結(jié)論做出迅速的判斷，我們也將之稱為合情推理.

在數(shù)學(xué)的漫長發(fā)展過程中，數(shù)學(xué)直覺起到了巨大的推動作用.從勾股定理到圓冪定理，從哥德巴赫猜想到孿生素數(shù)，數(shù)學(xué)史中的每一個重要的定理和猜想都離不開數(shù)學(xué)直覺.因而，在中學(xué)數(shù)學(xué)的教學(xué)中，我們不能忽視對學(xué)生數(shù)學(xué)直覺思維的培養(yǎng).

卡布列克是一名美國的數(shù)學(xué)家，他設(shè)計了一種神奇的運算：對于一個數(shù)字不完全相同的四位數(shù)，如果將數(shù)字重新排列，組成一個最大的數(shù)和一個最小的數(shù)，然后作差，產(chǎn)生一個新的四位數(shù)（如果差不是四位數(shù)，則用0補齊）；將這個四位數(shù)中的數(shù)字重新排列，繼續(xù)組成一個最大數(shù)和最小數(shù)，作差……按照這樣的運算法則，不停繼續(xù)下去.他在對幾個數(shù)字進(jìn)行這樣的運算后，發(fā)現(xiàn)總是得到一個穩(wěn)定的結(jié)果：6 174.例如，我們對數(shù)字2 566進(jìn)行這樣的運算，第一次得到的結(jié)果為4 266，第二次得到的結(jié)果為4 176，第三次便得到6 174；如果數(shù)字為2 561，第一次結(jié)果是5 265，第二次結(jié)果為3 996，第三次結(jié)果為6 264，第四次結(jié)果為4 176，第五次結(jié)果為6 174.于是，依靠數(shù)學(xué)直覺，卡布列克大膽猜想：任意一個四位數(shù)，經(jīng)過這樣的運算，總會得到6 174.如此，在嘗試了幾次后，他還認(rèn)為最多經(jīng)過七次，就可以得到6 174.

實際上，這樣的過程如果交給學(xué)生去探索，完全可以引導(dǎo)學(xué)生猜測出這樣的結(jié)論，這也是培養(yǎng)其數(shù)學(xué)直覺的過程.但是如何讓學(xué)生去信服自己的數(shù)學(xué)直覺呢？這個時候便可借助演繹推理來進(jìn)行——通過適當(dāng)?shù)淖C明去分析所猜想結(jié)論的合理性.這樣，學(xué)生便經(jīng)歷了從數(shù)學(xué)直覺到演繹推理的過程，通過數(shù)學(xué)直覺發(fā)現(xiàn)結(jié)論，而通過演繹推理肯定結(jié)論.

那么，卡布列克的猜想是否合理呢？我們很容易證明：在這樣的運算下，在有限步內(nèi)必然會進(jìn)入一個循環(huán).理由很簡單，從1 000～9 999，四位數(shù)一共只有9 000個，如果加上限制條件，數(shù)字只會更少.那么，循環(huán)節(jié)是否只有6 174這一個數(shù)？是否存在一個數(shù)字需要通過8次或者8次以上的運算才能得到6 174？很多數(shù)學(xué)愛好者對此進(jìn)行過證明，更有人使用編程解決了這個問題.筆者在此提供一種建立在簡單枚舉基礎(chǔ)上的證明方法.

我們?nèi)我饨o出一個四位數(shù)，將其數(shù)字重新排列，不妨設(shè)組成的最大數(shù)為abcd，其中滿足9≥a≥b≥c≥d≥0，那么最小數(shù)則為dcba，經(jīng)過一次卡布列克運算，我們能得到

abcd-dcba=999（a-d）+90（b-c）=K1.

由條件知：a-d>b-c，否則會有a=b=c=d.

若a-d=1，則b-c=0，K1=0 999；

若a-d=2，則b-c=0或1，K1=1 998或2 088；

若a-d=3，則b-c=0或1或2，K1=2 997或3 087或3 177；

……

這樣進(jìn)行下去，K1共有1+2+3+…+9=45個可能的取值.

若對K1進(jìn)行一次卡布列克運算得到的結(jié)果為K2，經(jīng)計算，K2共有20個可能的取值，分別為8 991，8 082，8 352，7 173，8 532，6 354，6 264，8 172，6 174，4 176，5 355，7 992，5 994，3 996，1 998，4 995，3 087，5 265，9 621，7 443.

此時，再將其中19個不為6 174的數(shù)進(jìn)行卡布列克運算，得到的K3只有13個取值：8 082，8 532，6 174，6 354，3 087，4 176，7 443，1 998，7 173，5 355，6 264，8 352，3 996.

繼續(xù)下去，K4的取值共有10個：8 532，6 174，3 087，8 352，3 996，8 082，6 354，1 998，4 176，6 264；

K5的取值共有7個：6 174，8 352，6 264，8 532，3 087，8 082，4 176；

K6的取值共有3個：6 174，8 352，8 532；

而K7只可能取6 174.

故任意一個四位數(shù)，只需要經(jīng)過最多7步卡布列克運算，便能夠得到6 174.

通過上述過程，我們證明了卡布列克的猜想的合理性.值得一提的是，如今數(shù)學(xué)家們將6 174這個數(shù)稱為卡布列克常數(shù).實際上，在數(shù)學(xué)直覺的助推下，我們還能夠有更進(jìn)一步的猜想.如，對于更高位的數(shù)，在卡布列克運算下，是否也存在像6 174這樣的常數(shù)呢？如果有，最多需要幾次運算得到呢？類似的猜想促使著我們不斷地進(jìn)行探索，而數(shù)學(xué)也就是在這樣不斷的探索中得到了發(fā)展.

【參考文獻(xiàn)】

[1]馬明.馬明教育論文集[M].南京：江蘇教育出版社，1986.