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a/b+c/d=a+c/b+d

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Academic year: 2021

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(1)

d

b

c

a

d

c

b

a

+

+

=

-費瑞和(Farey Sum)

解比率問題的妙用

林錫麟

1

劉祥通

2* 1嘉義縣協同高級中學 2國立嘉義大學 數學教育所

壹、 引 言

面 對 中 小 學 學 生 在 分 數 四 則 運 算 學 習 過 程 中 ,任 教 的 數 學 教 師 常 會 在 學生 分 數 運 算 練 習時 , 發 現 很 多 奇 形 怪 狀 的錯 誤 運 算 類 型 。特 別 是 當 教 完 分 數 的 乘 法, 學 生 習 得 分 數 乘 法 算 則 是 直 接 以 分 子 乘 分 子 、 分 母 乘分 母 的 方 式 對 應 相 乘 而 得到 分 數 乘 積 之 後, 再 碰 到 分 數 相 加 的 計 算時 , 有 些 學 生 便自 然 地 以 此 乘 法 算 則 套 用於 分 數 加 法 上 ,使 用 分 母 加 分 母 、 分 子 加分 子 的 方 式 對 應相 加 而 得 出 分 數 之 和 。 例如 : 1 3 + 3 4 = 1+3 4+3 = 4 7 這 類 既 可 笑 又 好 氣 的 典 型錯 誤 計 算 方 式 。 然 而 , 這種 分 子 加 分 子 , 分 母 加 分母 的 結 果 所得 分 數 並 非 毫 無 意 義 。 例如 : 小 威 參 加 三 對 三 籃 球 鬥 牛 賽 , 昨 天 的 比 賽 戰 績 在 五 次 投 籃 中 進 了 三 球 , 而 今 天 的 比 賽 在 六 次 投 籃 中 進 了 兩 球 。 試 問 兩 天 比 賽 下 來 的 戰 績 成 果 總 進 球 率 為 何 ? 答 : 第 一天 的 進 球 率 是 5 3, 第 二 天 的 * 為 本 文 通 訊 作 者 進 球 率 是

6

2

。 由 於 兩 天 比 賽 下 來 共 投 籃 5+6=11 次,投 進 的 球 數 是 3+2=5 球,因 此 兩 天 的 總 進球 率 就 相 當 於 將 這 兩 天 進球 率 的 分 母 加 分 母 (5+6), 分 子 加 分 子 (3+2)而 得 出 總 進球 率 為

11

5

的 結 果。但 是,值 得 注 意 的 是 在 解題 運 算 過 程 中 不 能 以 分 數加 法 5 3+

6

2

=

6

5

2

3

+

+

=

11

5

來 作 為 兩 天 比 賽 的 總 進 球 率 的 解 法 , 雖 然 獲 得 的 結 果 一 樣 都 是

11

5

, 卻 也 不 能 因 此 而 誤 用 了 分 數 加 法 運 算 。 筆 者 為 了 呈 現 上 題 的 分 母 與 分 子 的 對 應 相 加 確有 存 在 意 義 , 也 兼 顧 及 分數 加 法 的 原 有 算則 , 為 避 免 混 淆 , 另 外 引進 一 個 新 的 加 號⊕, 並 且 定 義

d

b

c

a

d

c

b

a

+

+

=

用 來 描 述 與 上 題 同 構 的 題 目 類 型 的 解 題 程 序 。 這 樣 的 算則 並 非 毫 無 根 據 , 在 數 學歷 史 上 , 確 實就 有 這 麼 一 號 人 物 — 英 國地 質 學 家 的 費 瑞 (John Farey, 1766-1826), 他

(2)

特 別 提 出

b

a

d

c

以 及

d

b

c

a

+

+

三 個 數 的 數 列 關 係 。 我 們 知 道

d

b

c

a

+

+

並 非

b

a

d

c

的 分 數 和,因 此,後人 為 了 區 別 起 見,特 別 將

d

b

c

a

+

+

稱 為

b

a

d

c

的 Farey Sum(費 瑞 和 )。不 妨 , 我 們 就 以

來代 表「 費 瑞 和 」的 符號,並 且 定 義 費 瑞 和 的 運 算 法 則 為 :

d

b

c

a

d

c

b

a

+

+

=

貳、 費 瑞和 其 應用

費 瑞 和 以 及 費 瑞 和 的 比 率 問 題 及 應 用 在 Mihaila(2004),Nind(2004)的 研 究 已 有 相 當 論 述與 貢 獻 , 作 者 拜 讀 之 後 ,心 有 所 感 。 不 揣淺 漏 擬 提 出 一 些 改 良 並 試圖 擴 大 其 應 用 範圍 , 期 能 將 費 瑞 和 的 方 法變 成 更 簡 捷 更 有 效 , 並 將 適 用 的 問 題 增 多 增 廣 。 職 是 以下 將 分 為 四 個 段 落 分 別 加以 闡 釋 : 一 、「 費 瑞 和 」(Farey Sum) 二 、 費 瑞和 的 應 用 三 、 費 瑞和 解 題 改 良 法 四 、 費 瑞和 的 擴 大 應 用 其 中 的 一 、「 費 瑞 和 」 (Farey Sum)與 二 、 費 瑞 和 的 應 用 兩 段 是 摘 自 Mihaila (2004) 的 論 述 , 三 與 四 段 是 作 者 針 對 Mihaila, Nind(2004)的 論 述 提 出 的 個 人 使 用 費 瑞 和 解題 所 改 良 或 延 伸 的 新 方 法, 再 以 費 瑞 和 及其 數 列 作 為 解 題 工 具 , 探索 中 學 階 段 讓 學生 十 分 困 擾 的 混 合 型 比 率問 題 以 及 分 數 大 小 比 較 問 題 作 為 擴 大 應 用 範 圍 , 而 從中 發 現 費 瑞 和 的 特 殊 妙 用。

一、「費瑞和」(Farey Sum)

什 麼 是「費 瑞 和 」? 當 給 定 兩 個 分數

b

a

d

c

,a、b、c、d 都 是自 然 數,則我 們 稱 分 數

d

b

c

a

+

+

b

a

d

c

的 「 費 瑞 和 」, 並 排 列 此 三 項

b

a

d

b

c

a

+

+

d

c

稱 為 「 費 瑞 數 列 」 (Farey Sequence)。 例 如 : 3 1 5 3的 費瑞 和

1

3 1 3

4

3

5

3 5

8

+

⊕ =

=

+

。 假 如

a

c

b

<

d

, 顯 然 費 瑞 和 的 大 小 介 於 原 兩 分 數 之 間 , 即 費 瑞 數 列 依 大 小 排 序 為 : a b < b+d < a+c c d 。 Farey 在 1816 年 首 次 發 表 了這 個 序 列 性質,只 是 當 時 他 並 沒 有 加 以 證 明 (Nind, 2004)。 我 們 先 以 直觀 的 例 子 來 說 明 , 例 如 : A 組 3 個 人 可 享用 1 塊 大 餅 ,B 組 5 個 人 可 享 用 3 塊 大餅 , 若 兩 組 合 併 8 個 人 共 有 4 塊大 餅 可 吃;原 本 B 組每 人 平 均 5 3 比 A 組 的 3 1 吃 得 多 ,兩 組 合 併 之 後 , B 組的 人 會 感覺 吃 虧 了 , A 組的 人 感 覺 比 原 來 分的 多 , 即 合 併 之 後的 情 況 介 於 A、B 之 間 。 以 數 學 式 子 來 說明 , 便 是 :

(3)

a b < c d ad<bc ad+cd<bc+cd d(a+c) d(b+d) < d(b+d) c(b+d) a+c b+d < d c 同 理 亦 可證 明 a b < b+d 。 a+c 而 我 們 又可 觀 察 到

a

c

b

d

a c

b

d

b d

b d

× + ×

+ =

+

+

,說 明費 瑞 和 可 以 視 為 「 前 項 a b 」與「 後 項 c d 」依 權 數 b 與 d 加 權 混 合 計算 的 結 果。費 瑞 和 a+c b+d 還 可 以看 成 是「 前 項 a b 」與「 後 項 d 」的 內 分 點 c ( 註 1 ) , 此 內分 點 將 原 來 的 線 段[ a b , c d ]的 長 度 分 割 為 db 的 兩 個分 線 段 比(如 下 圖)。 分 段 比 證明 如 下 :

a

b

c

d

d b

a+c

b+d

已 知

a

a c

c

b

b d

d

+

<

<

+

註 1 為 方 便 說 明 , 我 們 統 稱 a b 為 前 項 (較 小 量 ), c d 為 後 項 (較 大 量 ),費 瑞 和 a+c b+d 為 中 間 項 (分 點 量 或 混 合 量 )。

(

)

(

)

ba bc ab ad

a c

a

b b d

b d

b

c

a c

bc dc ad dc

d

b d

d b d

+ −

+ −

+

+

=

+

+

+

+

bc ad

d

d

b

bc ad

b

=

=

即 得 分 段 比=(

b

a

d

b

c

a

+

+

):(

d

b

c

a

d

c

+

+

) =d:b=後 項 分 母量 : 前 項 分 母 量 。

二、費瑞和的應用

一 般 在 國 中 課 程 相 關 參 考 書 籍 或 教 師 課 室 中 通常 以 代 數 方 法 解 「 雞 兔 同籠 問 題」,但 筆 者 利 用 a b , b+d , a+c c d 所 形 成 的 費 瑞 數 列關 係 以 及 三 者 在 數 線 上 的分 段 比 概 念 , 以 雞 兔 同 籠 問 題 為 例 , 引 用 Mihaila(2004)的 費 瑞 解 法 來 作 為 國 中 數 學 混 合 型 比率 問 題 的 新 解 題 策 略 。 問 題 一:雞 兔 同 籠 共 11 隻,合 計 28 隻 腳。 請 問 雞 兔 各 幾 隻 ? ( 一 ) 算術 解 法 : 1.(11×4-28)÷2=8 --雞,11-8=3 --兔。 如 果 11 隻 都 是 兔,則共 應 有 44 隻 腳, 比 實 際 的 腳數 多 出 44-28=16 隻 腳, 這 16 隻 腳 應 從 兔 子中 每 隻 拿 掉 兩 隻腳,而 將 有 16÷2=8 隻 被 拿 掉 兩 隻 腳 後 只 剩 下 兩 隻 腳 , 而 這 8 隻 就 變 為 兩 隻 腳 的 雞。 2.(28-11×2)÷2=3 --兔,11-3=8 --雞。 如 果 11 隻都 是 雞 , 則 只 有 22 隻 腳,

(4)

實 際 腳 數還 剩 下 28-22=6 隻 腳 , 這 6 隻 腳 應 裝 回 讓每 隻 雞 多 加 兩 隻 腳 , 而 讓其 中 的 6÷2=3 隻 變 成 四 隻 腳 , 而 這 3 隻 就 變 成 四 隻 腳的 兔 子 。 ( 二 ) 代數 解 法 : 設 雞 有 x 隻 ,兔 有 y 隻 列 出 二 元一 次 方 程 組

11

x y

+ =

c 2x+4y=28 d 由cd聯 立 解 出 x=8,y=3 答 : 籠 子裡 有 8 隻 雞 ,3 隻 兔 。 ( 三 )Mihaila(2004)的 費 瑞 解 法 : a b = 兔頭 兔腳 = 兔隻 數 4倍 兔 隻數 = 1 4 , c d = 雞頭 雞腳 = 雞隻 數 2倍 雞 隻數 = 1 2 , 雞 兔 同 籠混 合 後 的 頭數 腳數 4倍 兔 隻數+2倍 雞隻 數 雞+兔 隻 數 = 11 28 = a+c b+d 。 兔 d 混 合 b 雞 *---*---* a b = 兔 頭 兔 腳 = 1 4 11 28 = a+c b+d c d = 雞 頭 雞 腳 = 1 2 d:b=雞腳 : 兔 腳 =( 28 - 11 1 4 ):( 1 2 - 11 28 ) 28 : 4 28 =4:3 3 e 所 以 雞 腳 數=28× 4 7 =16 則 雞 頭 數 16÷2=8 兔 腳 數=28× 3 7 =12 則 兔 頭 數 12÷4=3 答 : 籠 子裡 有 8 隻 雞 ,3 隻 兔 。 ( 四 ) 解題 分 析 : 1.代 數 解 題 的關 鍵 式 是 列 代 數 式c與d,解 題 的 途 徑 是 透 過 假 設 未 知 數 列 出 代 數 式 c與d,然 後 用 消 去 法 解 出 未 知 數。影 響 代 數 解 題 的 主 要 因 素 是 能 否 適 當 地 假 設 未 知 數 並 依 題 意 列 出 正 確 適 當 的 方 程 組 。 2. 費 瑞 解 的 關 鍵 算 式 是 分 段 求 比 的 算 式 e, 解 題 的 途 徑 是 列 出 前 後 兩 項 與 中 間 混 合 項 的 三 個 比 率 量 , 並 排 列 出 費 瑞 數 列 , 再 利 用 算 式 e計 算 得 出 分 段 比 , 然 後 求 出 解 答 。 影 響 費 瑞 解 題 的 主 要 因 素 是 能 否 找 出 前 後 項 比 率 量 與 中 間 項 混 合 比 率 量 以及 能 否 善 用 分 段 比 的 算 式。 3.代 數 解 文 字 題 的 四 個 步 驟 為 一 般 學 生 所 熟 悉 , 是 為 假 設 未 知 數 → 列 出 方 程 式 → 求 解 未 知 數 → 答 案 檢 驗 。 而 由 前 述 Mihaila(2004)的 費 瑞 解 題 過 程 為 例 , 我 們 可 分 析 得 出 費 瑞 解 題 的 四 個 步 驟 為 找 出 前 後 項 比 率 量 與 中 間 項 混 合 比 率 量 ( 前 項 = a b = 兔頭 兔腳 = 1 4 , 後 項 = c d = 雞頭 雞腳 = 1 2 , 中 間 項 = a+c b+d = 頭數 雞腳 = 11 28 )→ 排 列 費 瑞 數 列 分 點 數 線 圖 ( a b = 1 4 --- a+c b+d = 11 28 --- d = c 1 2 ) →

(5)

計 算 分 段 比 (d:b= 雞 腳 : 兔 腳 =( 11 28 - 1 4 ):( 1 2 - 11 28 )= 4 28 : 3 28 =4:3) 並 求 出 答 案 →答 案 檢 驗 。 4.使 用 費 瑞 解 題 策 略 最 需 要 注 意 的 是 分 段 比 的 結 果 d:b 所 對 應 的 意 義 。 其 中 d 是 對 應 費 瑞數 列 1 4 , 11 28 , 1 2 中 後 項 1 2 的 分 母 量, 也 就 是 由 2 所 代 表的 2 倍 於 雞 頭 的 雞 腳 數 量 , b 是 對 應 費 瑞 數 列 前 項 1 4 的 分 母量,即 是 由 4 所 代 表 的 4 倍 於 兔 頭 的兔 腳 數 量。因 為 後 項 的 1 2 是雞 頭 與 雞 腳的 比 值 c d ,所 以 d 不 一 定 就等 於 2; 同 理 ,b 也 不 一 定 就 等 於 4, 因 此 d:b 不一 定 會 等 於 2:4。 而 需 經 分段 比 算 式 得 出 d:b=4:3=雞 腳 數 : 兔 腳 數 。 5.採 用 費 瑞 解 題 策 略 時 , 因 為 分 段 比 計 算 所 得的 d:b=後 項 分 母 量 : 前 項 分母 量 , 因 此 , 若 設 定 前 後 項 比 率 量 時 , 優 先 選 擇 將 題 目 的 求 解 量 置 於 比 率 量 的 分 母 , 便 能 更 快 求 出 答 案 。 此 為 費 瑞 解 題 法 的 一 項 重 要技 巧 發 現 。

三、費瑞解題改良新法

筆者以前述雞兔同籠問題為例,提出針 對 Mihaila 的改良式費瑞解法,改將求解量的 頭數置於前後項比率量的分母,直接關聯於 分段比的分母量,提供解題時更有效的策略。 問 題 一 : 雞 兔 同 籠 共 11 隻 , 合 計 28 隻 腳 。 請 問 雞 兔 各 幾 隻 ? 新 解 法 : 1. 決 定 前 後 項 比 率 量 與 中 間 項 混 合 比 率 量 : 求 解 目 標 是 雞 兔 各 幾 隻 , 因 此 選 擇 設 定 的 前 後 項 是 以 頭 數 為 分 母 、 腳 數 作 分 子 的 比率 量 。( 註 2 ) a b = 雞腳 數 雞頭 數 = 1 2 , c d = 兔腳 數 兔頭 數 = 4 1 , a+c b+d = 總腳 數 總頭 數 = 28 11 2.排 列 費 瑞 數 列 分 點 數 線 圖 兔 d 混 合 b 雞 *---*---* a b = 雞 腳 數 雞 頭 數= 2 1 a+c b+d = 總 腳 數 總 頭 數= 28 11 c d = 兔 腳 數 兔 頭 數 = 4 1 3.計 算 分 段 比 並 求 出 答 案 d:b=兔頭 數 : 雞 頭 數 = 28 2( ) : (4 28) 6 16: 3 :8 11 1− 1 11− =11 11= 3+8=11, 所 以:籠 子裡 有 3 隻 兔 子,8 隻雞。----答 註 2 Mihaila, I.(2004)在 使 用 費 瑞 和 解 雞 兔 同 籠 問 題 時,所 選 用 的 前 後 項 比 率 量 是:兔 頭 數 /兔 腳 數 =1/4,雞 頭 數 /雞 腳 數 =1/2;所 求 得 分 段 比 d:b=雞 腳 數 : 兔 腳 數 , 再 利 用 腳 數 比 例 求 出 頭 數 各 幾 何 。 改 良 之 後 將 前 後 項 取 為 倒 數 量,則 可 一 舉 求 出 兔 與 雞 的 頭 數 比 。

(6)

四、費瑞和的擴大應用

除 了 雞 兔同 籠 問 題 , 我 們 也 發 現 費瑞 和 對 於 濃 密度 合 金 與 混 合 溶 液 、 分 段速 率 等 混 合 型 比率 問 題 以 及 分 數 的 大 小 比較 問 題 都 特 具妙 用 。 茲 分 述 如 下 : ( 一 ) 濃 密 度 問 題 濃 密 度 問 題 一 直 是 國 小 高 年 級 到 國 中 學 生 頭 痛的 問 題 , 無 論 用 不 用 代 數法 , 解 題 的 瓶 頸始 終 難 以 克 服 , 費 瑞 和 的解 法 無 疑 提 供 一個 不 需 代 數 、 計 算 簡 單 、解 題 策 略 明 確的 老 少 咸 宜 的 好 方 法 。 問 題 二 : 一 頂 金 銀 合 金 的 皇 冠 重 300 公 克 且 比 重 為 15 公 克 /立 方 公 分 。 已 知 純 金 比 重 19.2 公 克 /立 方 公 分 , 純 銀 比 重 10.5 公 克 /立 方 公 分 。 問 皇 冠 中 的 黃 金 重 若 干 ? 1.問 題 二 的 費瑞 和 解 法 : 銀 合 金 金 *---*---* a b =10.5 公 克 立 方 公 分 15 19.2 公 克 立 方 公 分= c d (15-10.5):(19.2-15)=4.5:4.2 =金 的 體 積 (立 方 公 分 ): 銀 的 體 積 (立 方 公 分 ) 總 體 積=300÷15=20(立 方 公 分) 黃 金 體 積=20× 4.5+4.2 4.5 =10.345(立 方 公 分) 黃 金 重 量=19.2×10.345 =198.62(公 克)---答 問 題 三 : 甲 葡 萄 糖 溶 液 濃 度 2%, 乙 葡 萄 糖 溶 液 濃 度 5%。 若 將 甲 乙 混 合 成 濃 度 3%的 葡 萄 糖 溶 液 1200c.c.,問 甲 、 乙 各 需 取 用 多 少 c.c.? 2.問 題 三 的 費瑞 和 解 法 : 甲 溶 液 混 合 液 合 金 乙溶 液 *---*---* 2﹪ 3﹪ 5﹪= 葡 萄 糖 葡 萄 糖 溶 液 3% 2% 3 2 1 5% 3% 5 3 2 − == − − = 乙溶液量 甲溶液量 甲 需 1200× 3 =800(c.c.), 2 乙需 1200× 3 =400(c.c.)---答 1 3.解 題 分 析 : (1)問 題 二 代數 解 題 的 未 知 數 假設 可 根 據 求 解 需 要 , 以 黃 金 重 量 為 x、 銀 子 重 量 為 y。 但 列 方 程 組 就 不 容 易 了 , 利 用 重 量 和 列 出 x+y=300, 再 利 用 體 積 和 列 出 方程 式: 300 19 10.5 15 x y + = ,而 接 下 的 的 計 算 比 起 費 瑞 解 法 的 (15 10.5) : (19.2 15) 4.5 : 4.2− − = 來 得 複 雜 許 多 , 可 見 以 此 題 為 例 費 瑞 和 解 法 比 起 代 數 法解 題 確 有 簡 易 妙 用 之 處 。 (2)問 題 二 所 求是 黃 金 的 重 量,如 果 我 們 取 用 原 解 法 中 比 重 的 倒 數 為 前 後 項 , 則 費 瑞 數列 變 為: 1 ,1 , 1 19.2 15 10.5。雖然 可 以 一 舉 求 出 重 量 比 , 而 不 需 要 先 求 出 體 積 再 換 算 成 重 量 , 但 如 此 一 來 使

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計 算 更 為 繁 複 , 因 此 依 然 採 用 比 重 為 前 後 項 為佳 。 (3)本 題 說 明 在選 擇 前 後 項 的 比率 量 時 , 應 同 時 考 慮 要 將 求 解 量 置 於 分 母 的 策 略 或 是 否 造 成 計 算 上 的 困 擾 , 取 捨 之 後 成 為 最佳 策 略 。 (4)綜 合 問題 二 與 問 題 三 的 費 瑞 和解 法 中 知 道 , 學 童 即 使 不 懂 初 等 代 數 , 仍 然 能 夠 輕 鬆 算 出 這 種 原 本 傷 腦 筋 的 濃 密 度 混 合 問題 。 (5)當 然,我 們 也 必 須 了 解 捨 棄 傳統 代 數 解 題 方 式 則 應 有 費 瑞 數 列 的 大 小 關 係 以 及 分 段 比 所 得 的 意 義 等 先 備 知 識 , 而 對 這 些 知 識 的 理 解 亦 需 依 賴 初 等 代 數 的 工 具。 (6)費 瑞 法的 算 式 求 解 思 考 方 式 與代 數 法 直 接 以 題 意 來 列 式 的 方 式 大 為 不 同 。 針 對 混 合 型 比 率 問 題 , 要 能 有 效 正 確 地 使 用 代 數 的 列 式 必 須 奠 基 於 兩 個 重 要 基 礎 , 一 是 建 立 在 對 各 種 不 同 的 混 合 比 率 定 義 的 深 入 理 解 , 了 解 什 麼 是 濃 度 、 合 金 、 分 段 速 率 等 的 涵 義 ; 二 是 能 對 混 合 情 境 列 出 數 學 關 係 式 。 相 較 之 下 , 使 用 代 數 解 所 需 具 備 的 基 礎 條 件 要 高階 於 使 用 費 瑞 解 的 工 具 。 (二)速 率 問 題 問 題 四 : 甲 地 到 乙 地 , 去 程 速 率 50 公 里/小 時 , 回 程 速 率 90 公 里 /小 時 。 請 問 來 回 平 均 速 率 多 少 ? 1.代 數 與 費 瑞 和 綜 合 解 題 : 設 平 均 速 率 x 公 里/小 時 回 程 平 均 去 程 *---*---* 1 90 小 時 公 里 1 x 1 50 小 時 公 里 因 為 來 回路 程 等 長 , 所 以 1 1 1 90 , 1 1 1 50 x x − = = − 去程里數 回程里數 得 1 1 1 1 90 50 x− = −x x= 450 7 =64.4 (公里/小 時)---答 2.解 題 解 析 : 本 題 嘗 試 結 合 代 數 方 法 與 費 瑞 法 , 先 假 設 平 均速 率 為 x公 里/小 時。因 為 來 回 里 程 都 是 一 樣 , 而 分 段 比=後 項 分 母 量 : 前 項 分 母 量 , 所 以 考 慮 將 分 段 比 結 果 設 定 為 1:1=去 程 里 數 : 回 程 里 數 。 因 此 , 前 後 項 的 分 母 必 須 為 公 里 單 位 , 而 速 率 的 單 位 是 公 里 小 時 , 故 取 速 率 的 倒 數 而 得 費 瑞 數 列 : 1 90 小 時 公 里, 1 x 小 時 公 里, 1 50 小 時 公 里,再 以 分 段 比 算 式 求 出 未 知 數 x。 (三)分 數 比 較大 小 問 題 在 分 數 比 較 大 小 的 問 題 中 , 例 如29與 4 17哪 一 個 比 較 大 ?Nind(2004)使 用 費 瑞 和 的 數 列 的 概 念 來 說 明 : 因 為 4 1 9 2 5 1 < < , 且

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4 1 17 4 13 3 < < , 又 13 3 9 2 18 4 5 1 < = < , 所 以 得 出 17 4 9 2 < 的 結 論 。 從 這 個 過 程 觀 察 , 費 瑞 和 的 方 法 用 在分 數 大 小 比 較 並 不 是 一 個有 效 的 策 略 。同 時 Nind(2004)也 特 別 提醒 , 如 果 在 小 學 階段 介 紹 使 用 費 瑞 方 法 來 比較 分 數 大 小 , 還甚 至 會 導 致 反 效 果 , 因 為學 童 會 因 此 混淆 或 誤 用 了 分 數 加 法 算 則。 對 於 分 數 比 較 大 小 , 費 瑞 法 並 不 實 用 , 但 對 於分 數 比 較 大 小 中 的 一 個 問題 : 「 一 個 分 數將 分 子 與 分 母 同 時 加 上 某一 個 正 數 後 會 變大 或 是 變 小 ? 」 費 瑞 法 卻變 得 實 用 又 美 觀。 這 個 問 題 一 般 學 生 使 用的 策 略 通 常 是 真假 分 數 各 舉 一 例 來 做 歸 納與 宣 稱,而 具 備 數 感(number sense)的 學生 會 知 道 使 用 參考 點(benchmark)的比 較 方 法,但 多 數 的 人 則是 知 其 然 卻 不 知 其 所 以 然。 筆 者 發 現 費 瑞和 的 方 法 正 是 提 供 了 一 個以 數 線 為 空 間 的幾 何 理 解 模 式 , 使 分 數 比較 問 題 具 象 化 為數 字 的 移 動 關 係 , 讓 比 較大 小 問 題 變 得簡 單 又 生 動 有 趣 。 問 題 五 : 比 較111 211 311, , 123 223 323的 大 小 。 問 題 六 : 比 較123 153 183, , 119 149 179的 大 小 。 1.以1為 參 考點 的 解 法 (1) 問 題 五 : 111 1 12 211, 1 12 311, 1 12 123= −123 223= −223 323= −323 又 因 為 12 12 12 123> 223>323, 所 以111 211 311 123< 223<323 (2) 問 題 六 : 123 4 153 4 183 4 1 , 1 , 1 119= +119 149= +149 179= +179 又 因 為 4 4 4 119 >149 >179, 所 以123 153 183 119>149>179 2.幾 何 觀 點 的費 瑞 和 解 法 : (1)問 題 五:111 1 123< ,為 一 真 分 數,我 們 可 以 在 數線 上 點 出 其 相 對 位 置 為 111 123*---*1= 100 100(分 子 與 分 母 逐 次 加 100) 根 據 費 瑞和 及 其 數 列 關 係 a b a+c b+d c d 111 100 111 111 100 211 100 123 100 123 123 100 223 100 + < ⇒ < = < + 111 211 211 100 311 100 123 223 223 100 323 100 + ⇒ < < = < + 即 得111 211 311 1 123<223 323< < 。 我 們 可 以進 一 步 推 論 出 一 般 公 式 : 若 a b <1x y R y x, ∈ , > >0 且 y-r=x, r>0, 則 a b *---*1= x x = r r (真 分 數 位 於 1 的 左 方 )

(9)

1 1 a x a a x x b x b b x x a a x a y r r x b b x b y r r x a a x a y r r a y b b x b y r r b y + < ⇒ < < + + + − ⇒ < = < = = + + − + + − + + ⇒ < < = < + + − + + 即 a a x a y 1 b b x b y + + < < < + + 由 此 得 知 :分 子 分 母 同 時 加 上 任 意 正 實 數 的 真 分 數 ,加 得 愈 多 ,則 此 新 分 數 就 會 愈 向 右 移 而 愈 靠 近 1。 (2)問題 六:123119>1,為 一 假 分 數,我 們 可 以 在 數線 上 點 出 其 相 對 位 置 為 1=3030*---*123119 (分 子 與 分 母 逐 次 加 30) 根 據 費 瑞和 及 其 數 列 關 係 a b < a+c b+d < c d 30 123 30 30 123 153 123 30 119 30 30 119 149 119 30 30 153 183 153 123 30 30 149 179 149 119 + < ⇒ < = < + + ⇒ < = < < + 即 得1 183 153 123 179 149 119 < < < 。 我 們 可 以進 一 步 推 論 出 一 般 公 式 : 若 a b >1,x y R y x, ∈ , > >0x,y 且 y-r=x, r>0, 則 1= x x = r r *---* a b (假 分 數 位 於 1 的 右 方 ) 1 1 x a x x a a x b x x b b x r y r a x a a x r y r b x b b y r r a y a x a a y r r b y b x b b + < ⇒ < < + − + + ⇒ = = < = < − + + − + + + + ⇒ < = < < − + + + + 即1 y a x a a y b x b b + + < < < + + 由 此 得 知 :分 子 分 母 同 時 加 上 任 意 正 實 數 的 假 分 數 ,加 得 愈 多 ,則 此 新 分 數 就 會 愈 向 左 移 而 愈 靠 近 1。 3.解 題 分 析 (1)以 1為參 考 點 的 解 法 是 一 個 非常 有 效 的 方 法 , 因 為 這 些 分 數 的 分 子 與 分 母 同 加 一 正 數 , 所 以 其 分 子 分 母 之 差 都 會 一 樣 。若 是 真 分 數 就 以 1減 之 , 比 較與 1 的 差 距 , 這 些 差 距 的 分 數其 分 子 都 會 相 同 , 很 容 易 比 較 , 而 差 距 愈 小 者 , 原 真 分 數 愈 大 。 若 是 假 分 數 , 則 可 減 去 1, 所 餘 分 數 的 分 子 也 會 相 同,餘分 數 愈 大 者 則 原 分 數 就 也 愈大。 (2)費 瑞 和 觀 點提 供 一 個 幾 何 思考 模 型 , 透 過 數 線 的 圖 像 思 考 。 如 果 是 真 分 數 (<1), 則 1 位 於 其 右 , 隨 著 所 加的 數 愈 大 , 新分 數 就 愈 向 右 邊 的 1靠 近 , 數 字 也 隨 之 愈 大 。 如 果 是 假 分 數 (>1), 則 1 位 於 其 左 , 隨 著 所 加的 數 愈 大 , 新分 數 就 愈 向 左 邊 的 1靠 近 , 數 字 也 隨之 愈 小。若 a,b,x,y 均 為 正 實 數 且 b>a>0,y>x>0, 則 a b 是 真 分 數, b a 是 假分 數,我 們 可 以 用 一 個

(10)

數 線 圖 來表 示 相 對 的 分 數 大 小 關 係:

---+---→

(真 分 數 )ab→a+xb+x→a+yb+y→ 1←b+ya+y←b+xa+x←ba(假 分 數 )

因 此 , 費瑞 和 的 圖 像 思 考 提 供 一 種比 參 考 點 的 數量 比 較 思 考 更 為 生 動 而 直觀 的 方 法 。

參、 結 語

利 用 費 瑞和 及 其 費 瑞 數 列 關 係 , 可以 在 不 依 賴 代數 解 法 下 解 有 關 混 合 型 的比 率 問 題 。 混 合型 的 比 率 問 題 諸 如 , 雞 兔同 籠 後 的 頭 數 與腳 數 之 比 是 混 合 後 的 比 率, 金 銀 合 金 後的 比 重 也 是 混 合 的 比 率,3%葡 萄 糖 是 混 合 後的 溶 液 比 率 , 來 回 兩 速 率的 平 均 速 率 是 來回 兩 速 率 的 混 合 比 率 。 混合 後 的 比 率 是 將混 合 前 之 前 後 項 比 率 量 以某 一 比 值 關 係 混合 而 成 的 , 其 大 小 必 然 位於 原 來 兩 比 率 之 間 ; 而 費 瑞 和 位 於 前 後 項 之 間 , a b < a+c b+d < c d 且 費 瑞 數 列 形 成 一 種 特 別 的 比 例 關 係 , ( b a d b c a − + + ):( d b c a d c + + − )=d:b。 基 於 這 種 特 殊 的 比 例 關 係, 對 於 混 合 型 的 比 率 問 題, 都 可 以 用 費 瑞和 的 數 列 比 例 關 係 求 解 。不 但 如 此 , 費 瑞和 的 解 法 較 一 般 用 以 解 混合 型 比 率 問 題 之 代 數 法 所 呈 現 的 計 算 較 為 簡 易 , 具 有 數學 知 識 低 階 以 及 解 題 結 構清 晰 的 優 勢 , 針對 混 合 型 比 率 問 題 , 可 稱實 具 神 奇 妙 用。 費 瑞 和 與 其 數 列 之 比 例 不 但 在 數 量 與 代 數 問 題上 成 為 解 題 策 略 的 簡 易 工具 , 同 時 也 提 供了 一 種 幾 何 的 解 題 思 維 。透 過 這 種 在 一 維空 間 上 的 數 列 排 列 關 係 ,加 上 實 數 的 稠 密特 性 , 使 真 分 數 與 假 分 數的 分 母 分 子 各 加 相 同 正 數 後 變 大 或 變 小 的 判 斷 , 由 原 本的 數 量 運 算 轉 換 成 數 線 上點 座 標 的 移 動 圖像 , 這 是 運 用 費 瑞 和 永 遠位 在 前 後 項 之 間的 連 續 比 較 所 形 成 的 動 態幾 何 效 果 所 得 出 , 如 果 運 用 極 限 概 念 來 看 , 1

lim

x a x b x →∞ + = + , 真 分 數 漸 增 趨 近 於 右 方 的 1,假 分數 則 是 漸 減 趨 近 於 左 邊 的 1,顯 現 費 瑞 和 方法 生 動 活 潑 的 幾 何 屬 性 。

肆、 參考 文獻

Mihaila, I.(2004). Farey Sums and Understanding Ratios. Mathematics

Teacher, 98(3), 158-162.

Nind, Andrew(2004). Away with the Fareys.

參考文獻

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(A) The PC has the TCP/IP protocol stack correctly installed (B) The PC has connectivity with a local host (C) The Pc has a default gateway correctly configured (D) The Pc

[r]

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如圖,已知平行四邊形 EFGH 是平行四邊形 ABCD 的縮放圖形,則:... 阿美的房間長 3.2 公尺,寬

(A)乙甲丁丙 (B)乙丙丁甲 (C)丁甲乙丙

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