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攣生質數:質數不再孤獨?

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Academic year: 2022

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(1)

HPM 通訊第十六卷第十一期第一版

發行人:洪萬生(台灣師大數學系退休教授)

主編:蘇惠玉(西松高中)副主編:林倉億(台南一中)

助理編輯:黃俊瑋(台灣師大數學所研究生)

編輯小組:蘇意雯(台北市立教育大學)蘇俊鴻(北一女中)

黃清揚(福和國中)葉吉海(陽明高中)

陳彥宏(成功高中)陳啟文(中山女高)

王文珮(青溪國中)黃哲男(台南女中)

英家銘(台北醫學大學)謝佳叡(台灣師大數學系)

創刊日:1998 年 10 月 5 日 每月 5 日出刊 網址:http://math.ntnu.edu.tw/~horng

攣生質數:質數不再孤獨?

洪萬生

台灣師大數學系退休教授

二0一三年五月,國際數學界的焦點,都集中在孿生質數猜想(twin primes conjecture)研究的劃時代突破貢獻上。這是華人數學家張益唐撼動數學界的驚人之舉,

他在 1991 年獲得美國普度大學博士學位後,一直都找不到與學術有關的工作,甚至被 迫在速食店打工。即使後來有機會在美國新罕布夏大學(University of New Hampshire)

數學與統計系擔任專任講師,也只能以純教學換取溫飽,但他內心始終平和,從不怨懟,

名利如浮雲,卻從不放棄他最愛的數學研究。

五月下旬,我接到數學教育家 Jerry Becker 轉來的《紐約時報》有關張益唐的報導,

一時沒有太大注意。幾天內,我不知道是哪來的靈感,開始利用 Google 搜尋 “Yitang

Zhang” 和「張益唐」,才發現張益唐已經在孿生質數猜想的研究上,樹立了空前的、具

有深刻洞察力的里程碑。

由於張益唐的罕見成就只能用不可思議的「一則傳奇」來形容,因此,在本文中,

我們也想參用文學敘事的方式,來介紹這個孿生質數猜想。

孿生質數與數學小說

所謂孿生質數,是指兩個相鄰的質數,其間只隔著一個偶數,譬如 11 和 13,17 和 19,41 和 43 等等。那麼,由於歐幾里得老早(在二千多年前)已經證明了質數個數無 限多,這種雙胞胎質數是否也一樣有無限多對呢?這就是孿生質數猜測。

質數是很多數學家的最愛,譬如數學家兼科普作家桑托伊(Marcus du Sautoy)原 先打算他的雙胞胎女兒命名為 forty-one 和 forty-three,但因太太不大贊成,他只好退 而求其次,變成「秘密的」中名(middle name)。

 攣生質數:質數不再孤獨?

 聯立方程組的程序性解法:

卡丹諾與程大位

 半角公式

 為國中學生推薦數學普及閱讀書單

(2)

HPM 通訊第十六卷第十一期第二版

對於一般作家來說,好像也很難抵擋質數的魅力。我們且先看膾炙人口的數學小說

《博士熱愛的算式》(小川洋子著)如何形容質數:

在這個世界上,質數是博士的最愛。雖然我也知道質數的存在,但我從來沒有想到 可以成為愛的對象。雖然是個古怪的對象,博士愛的方式卻很正統:疼惜對方,無 私地為對方奉獻,抱著一份敬愛,時而愛撫,時而跪在一旁呵護,隨時陪伴在一旁。

我認為質數的魅力在於無法說明它出現的秩序。每一個質數都沒有因數,隨意 地出現在數列中。雖然數字越大就越不容易找到質數,卻無法根據一定的規則預測 質數的出現。這種惱人的反覆無常,使追求完美的博士完全拜倒在它的石榴裙下。

至於孿生質數呢,則有數學小說《質數的孤獨》(保羅‧裘安諾著)針對一對各自 極端孤獨的戀人之動人比喻:

在大學的第一年,馬提亞發現質數當中還有一些更特別的數字,數學家稱之為「孿 生質數」。

這是一對彼此非常接近的質數,幾乎是緊緊相鄰,但它們之間總是會存在著一 個偶數,讓它們無法真正地碰在一起,例如 11 和 13、17 和 19、41 和 43 這些數字。

如果有耐性地一直數下去,將會發現這種孿生質數越來越少見,越來越常碰到 的是孤立的質數,迷失在全是由數字所組成的安靜、整齊的空間裡。

接著你會很痛苦地意識到,孿生質數一直要等到意外事件發生的時候才會碰在 一起,而它們的真正的宿命是注定一輩子孤獨。然後,當你正準備要放棄、不想繼 續算下去的時候,卻又碰上另外一對孿生質數,它們緊緊地抓住對方。於是數學家 之間有一種共同的信念,就是盡量地往前數,總是會遇上另一對孿生質數,雖然沒 有人知道它們何時會出現,但一定會碰到。

本小說問世時,作者保羅‧裘安諾還是一位物理學博士生,因此,他塑造男主角馬提亞 是一位頗有才氣的數學家,讓他來對孿生質數「現身說法」,看來是相當合理的敘事。

而上述引文最後一句,就是作者對孿生質數猜想的一個說明。

事實上,針對張益唐現象,有許多中文寫成的評論或感想都提及《質數的孤獨》,

可見文學敘事對科學普及,的確發揮了意想不到的助益。在這本小說中,作者還舉數學 實例挑戰讀者:

2760889966649、2760889966651 是否為攣生質數?

小說中的男主角曾利用 3, 5, 7, 11, 13, …, 37, …, 43 等質數,試著除這兩個數,結果太疲 累了,最後只好放棄。

孿生質數猜測緣起

根據文獻記載,這個猜想被認為是法國數學家波里納克(Alphonse de Polignac)於

(3)

HPM 通訊第十六卷第十一期第三版

1849 年所提出。1912 年,德國數學家藍道(Edmond Landau)在國際數學家大會中,

提出四個重大的數論問題,其中有一個就是孿生質數猜想。這種「加持」當然讓孿生質 數猜想更具魅力,成為一個偉大級的數學難題!

為了思考這個猜想成立的可能性,數學家利用數值計算方法,來加以檢驗。於是,

我們目前知道的結果有如下列:

‧小於10 的自然數中有 1,224 對孿生質數 5

‧小於10 的自然數中有 8,164 對孿生質數 6

‧小於3.3107的自然數中有 152,892 對孿生質數

‧小於10 的自然數中有 224,376,048 對孿生質數 11

還有,2011 年所發現的迄今最大的孿生質數對是:3,756,801,695,68510666,6691

由於質數的個數無限多,因此,這個孿生質數猜想當然可以連結到質數在自然數中 的分布情況,而後者也在十九世紀末(1896 年),由法國數學家阿達瑪(J. Hadamard)

和比利時數學家瓦里普桑(C. Vallee-Poussin)獨立證明出來,這就是大名鼎鼎的質數定 理:

n時, ( )

n

n

/ log

n

其中

(n)是小於或等於n的質數個數。當我們運用經驗法則來確認這個定理時,我們可 以提供一些數據,來表現質數在自然中的「密度」 ( ) /

n n

:在一億以內,有 5,761,455 個質數;在一兆以內,有 37,607,912,018 個質數。前者密度為 0.06,後者則只剩下 0.038,

可見質數越來越孤獨。

另一方面,上述質數定理也可以讓我們據以「驗證」質數之間的「平均距離」

/ ( ) log

nn

n

,也就是,在很大的自然數 n 以內,這一距離大約是 log n 。譬如說吧,

一億以內的質數之平均距離大約是 17.4,一兆以內的質數的平均距離則增為大約 26.6,

因此,看起來質數的確是越來越「孤獨」。從而,孿生質數的「罕見」,應該更是不遑多 讓了。

張益唐的劃時代突破

在張益唐之前,孿生質數猜想的最重要研究結果,是 2005 年由郭德史東(Daniel A.

Goldston)、品茨(Janos Pintz)和伊耳迪倫(Cem Yildirim)所完成,他們證明了:當

p 是第

n n個質數時,

lim inf 1 0 log

n n

n

n

p p

p



 。

(4)

HPM 通訊第十六卷第十一期第四版

根據這個結果,相鄰質數的距離

p

n1

p

n還是可能趨近無限大,儘管其量階(order of magnitude)比log

p

n小得多,從而比值的極限成為 0。這可以充分說明,何以張益唐的 定理會變得如此石破天驚:

7

1 ) 7 10

( inf

lim n

p

n

p

n  

因為它告訴我們:當n很大時,一定有兩個相鄰的質數,它們之間的距離不會超過七千 萬。或許有不少人會納悶這離孿生質數猜想不是還很遠嗎?其實不然,因為數學家花了 才幾個月的時間,利用張益唐的方法,已經成功地將這個上界縮少到大約 4680 左右,

看來縮小到 2 已是指日可待,如此,則孿生質數猜想就得證了。

張益唐從 2008 年起開始研究孿生質數猜想,關鍵的想法出現在 2012 年夏天,當時 他前往科羅拉多州訪問舊友音樂家齊雅格,手邊沒帶有任何資料,純粹想要散散心。沒 想到長時間的孤獨奮鬥,在朋友家院子閒坐二十分鐘,終於找到了最後的解題出路。這 個發現過程看來一點都沒有戲劇性,張益唐的低調個性,大概不致於像阿基米德一樣,

光著身體衝出澡堂,高喊著 Eureka! Eureka!(我發現了!我發現了!)。他謙稱自己的 研究能夠成功,運氣是一個不可或缺的因素,不過,他也強調,無論如何,就是要繼續 不斷地思考!

結語

張益唐的故事充滿了啟發性,《數理人文》特刊編輯評論說:「個人修為可以坦然面 對失落的黃金二十年,但這段故事仍然讓人心生感慨與警惕。在張益唐證明了質數並不 孤獨之後,我們祝福他在數學上也不再孤獨。」我們也深有同感!對於這一位「居陋巷」,

始終「不改其志」的今之顏回,我們除了最高等級的推崇之外,實在找不到更誠摯的祝 賀之詞了。

不過,評價張益唐的成就,大概再也沒有比 Henryk Iwaniec 表達得更貼切了。Iwaniec 是解析數論大師,他在 2013 年 5 月底致函丘成桐教授,對張益唐推崇備至(引自《數 學與人文》)

張益唐的文章三周前被《數學年刊》(Annals of Mathematics) 接收,而在此之前,

他在解析數論學界並不為人所熟知。但是他掌握解析數論最複雜課題的知識,並得 以運用自如。他能夠突破令許多專家都止步不前的屏障,並非因為人們忽視了微小 之處,而是由於他引入了全新而巧妙的佈局並漂亮地加以執行。僅從論證的清晰的 邏輯架構,你可以立即感受到這項工作幾乎無可置疑的優秀。這並不意味著這篇文 章簡單或者初等。恰恰相反,張的工作是解析數論的頂峰之作。他也優雅地借用其 他領域的工具,比如間接用到有限域上代數簇的黎曼猜想。張的工作將引發持久雪 崩式的優化和改進,以及隨之而來的理論創新。一夜之間,張重新定位了解析數論 的焦點。隨後的進展需要等待多久,令人期待。

(5)

HPM 通訊第十六卷第十一期第五版

另一方面,由於張益唐的傳奇,有關孿生質數猜想的文學或數學敘事,想必會有新 的版本問世,我們且拭目以待。

附記:

本文原版已收入洪萬生、蘇惠玉、蘇俊鴻及郭慶章合著,《數說新語》,開學文化出 版社即將出版。

1. 為節省影印成本,本通訊將減少紙版的的發行,請讀者盡量改訂 PDF 電子檔。要訂閱請將您的大名,

地址,e-mail 至 [email protected]

2. 本通訊若需影印僅限教學用,若需轉載請洽原作者或本通訊發行人。

3. 歡迎對數學教育、數學史、教育時事評論等主題有興趣的教師、家長及學生踴躍投稿。投稿請 e-mail [email protected]

4. 本通訊內容可至網站下載。網址:http://math.ntnu.edu.tw/~horng/letter/hpmletter.htm 5. 以下是本通訊在各縣市學校的聯絡員,有事沒事請就聯絡

《HPM 通訊》駐校連絡員

日本:陳昭蓉 (東京 Boston Consulting Group) 、李佳嬅(東京大學)

德國:張復凱(Mainz 大學)

基隆市:許文璋(南榮國中)

台北市:英家銘(台北醫學大學)楊淑芬(松山高中)杜雲華、陳彥宏、游經祥、蘇慧珍(成功高中)

蘇俊鴻(北一女中)陳啟文(中山女高)蘇惠玉(西松高中)蕭文俊(中崙高中)

郭慶章(建國中學)李秀卿(景美女中)王錫熙(三民國中)謝佩珍、葉和文(百齡高中)

彭良禎(師大附中)郭守德(大安高工)張瑄芳(永春高中)張美玲(景興國中)

文宏元(金歐女中)林裕意(開平中學)林壽福、吳如皓 (興雅國中) 傅聖國(健康國小)

李素幸(雙園國中)程麗娟(民生國中)林美杏(中正國中)朱賡忠(建成國中)

新北市:顏志成(新莊高中) 陳鳳珠(中正國中)黃清揚(福和國中)董芳成(海山高中)孫梅茵

(海山高工)周宗奎(清水中學)莊嘉玲(林口高中)王鼎勳、吳建任(樹林中學)陳玉芬

(明德高中)羅春暉 (二重國小) 賴素貞(瑞芳高工)楊淑玲(義學國中)林建宏 (丹鳳國中)

莊耀仁(溪崑國中)

宜蘭縣:陳敏皓(蘭陽女中)吳秉鴻(國華國中)林肯輝(羅東國中)林宜靜(羅東高中)

桃園縣:許雪珍、葉吉海(陽明高中)王文珮(青溪國中) 陳威南(平鎮中學)

洪宜亭、郭志輝(內壢高中) 鐘啟哲(武漢國中)徐梅芳(新坡國中) 程和欽 (大園國際高中)、

鍾秀瓏(東安國中)陳春廷(楊光國民中小學)王瑜君(桃園國中)

新竹市:李俊坤(新竹高中)、洪正川、林典蔚(新竹高商)

新竹縣:陳夢綺、陳瑩琪、陳淑婷(竹北高中)

苗栗縣:廖淑芳 (照南國中)

台中市:阮錫琦(西苑高中)、劉雅茵(台中二中)、林芳羽(大里高中)、洪秀敏(豐原高中)、李傑霖、

賴信志、陳姿研(台中女中)、莊佳維(成功國中)、李建勳(萬和國中)

南投縣:洪誌陽(普台高中)

嘉義市:謝三寶(嘉義高工)郭夢瑤(嘉義高中)

台南市:林倉億(台南一中)黃哲男、洪士薰、廖婉雅(台南女中)劉天祥、邱靜如(台南二中)張靖宜

(後甲國中)李奕瑩(建興國中)、李建宗(北門高工)林旻志(歸仁國中)

高雄市:廖惠儀(大仁國中)歐士福(前金國中)林義強(高雄女中)

屏東縣:陳冠良(枋寮高中)楊瓊茹(屏東高中)黃俊才(中正國中)

澎湖縣:何嘉祥 林玉芬(馬公高中)

金門:楊玉星(金城中學)馬祖:王連發(馬祖高中)

附註:本通訊長期徵求各位老師的教學心得。懇請各位老師惠賜高見!

(6)

HPM 通訊第十六卷第十一期第六版

聯立方程組的程序性解法:卡丹諾與程大位

林倉億 國立台南一中

卡丹諾的〈論方法的規則〉

若僅是從解聯立方程組得到未知數的值來看,那 16 世紀的數學家卡丹諾 (Girolamo Cardano, 1501~1576)也曾經得出相關的成果。卡丹諾的名聲並不太好,有些人喜歡用賭 徒來稱呼他,但他的著作《大技術》(Ars Magna)奠定了他在數學發展史中的地位。一般 人提到《大技術》一書,總是著眼於其中的解三次方程式,而忽略了卡丹諾在這本書中 的第 29 章〈論方法的規則〉(De regula Modi,英文翻譯為 On the Rule of Method)中提 出了相當於二元一次聯立方程組的解法。卡丹諾以一個例子來說明:

7 呎長的綠色絲綢與 3 呎長的黑色絲綢要價 72 個硬幣,在相同價格下,2 呎長的綠 色絲綢與 4 呎長的黑色絲綢要價 52 個硬幣。我們想要知道它們個別的價格。

在正確地解出此題後,卡丹諾審視整個解題過程,然後得到了一般性的「規則」:

現在我得到了這個規則,我說:「將比較大的長度 7 呎,以及硬幣總數 72,一同除 以比較小的長度 3,然後將所得的商乘以第二個情況中的長度,就是原來比較短的 絲綢。然後從[乘以]長度的乘積中減去第二個情況中剩下的長度,再將剩下的差除 價格 52 與[乘以價格的]乘積的差,就會得到第一個情況中比較長的價格。」

以今日的符號表示,若方程組為 1 1 1

2 2 2

a x b y c a x b y c

 

  

 ,依卡丹諾所給的「規則」,可得出

1

2 2

1

1

2 2

1

c b c x b

a b a b

 

 

。卡丹諾所謂的「規則」,意義上比較相近於今日所用「算則」(algorithm)

一詞, 也就是說,他寫出的並非解的公式,而是告訴讀者依照他所給定的計算步驟,

一步一步算下去,最後就能得出未知數的值。然而,讀者或許會質疑,卡丹諾一席話跟 今日認知的「算則」之間,兩者有著不小的落差,更甚者,卡丹諾看起來只是在談這個 特例,而非一般化的解法。原因就出在卡丹諾所處的時代,符號代數並未發展完成,在 少了符號的幫助之下,卡丹諾只好用特例的數值來表示一般化的情況,這在早期的數學 中是很常見的情形。也正因如此,我們也就毋需大驚小怪他所寫出來的「規則」會長成 這副德性了。

(7)

HPM 通訊第十六卷第十一期第七版

卡丹諾非常推崇這個「規則」,還稱呼它為「規則之母」!卡丹諾的推崇其實並不 單單指「規則」本身,而是包括從一系列運算中抽象化出「規則」的過程,也就是說,

讀者只要能掌握此抽象化過程,那麼,就能如卡丹諾在這一章開頭中所說的:「那麼你 就會得到解決任何相似問題的『方法的規則』。」由於《大技術》一書流傳很廣,因此,

卡丹諾對抽象化「規則」的追求,著實深深影響了後來符號代數的發展。

《算法統宗》的「二色方程歌」

程大位,字汝思,號賓渠,生於明朝嘉靖 12 年(西元 1533 年),卒於明朝萬曆 34 年(西元 1606 年)。關於程大位的生平記載並不多,據稱他年少時聰穎而好學,除了讀 儒家書外,更嗜書法與數學。二十歲外出經商後,更不忘四處搜羅有關的字帖及書籍。

他的長輩程時用稱他「凡客遊湖海,遇古其文字及算數諸書,則購而玩之,齋心一志,

至忘寢食。」數學書與書法帖被並稱「購而玩之」,可見在當時數學的地位與技藝相去 不遠。不同於長輩認為的數學僅是玩物,程大位自己十分注重對數學的鑽研,他說:

予幼耽習是學,弱冠商游吳楚遍訪明師,繹其文義,審至成法。

程大位的家族善於經商,因此,他從小學習數學或許有為將來經商而用的目的,但成年 之後,他對數學的興趣,已超乎商業應用了。他常常重金購買算書,並四處拜訪懂數學 的人,指點自己在數學上的疑惑。到了晚年,他將自己數十年來的心得撰寫成書,於 1592 年出版《直指算法統宗》(簡稱為《算法統宗》)。程大位還特別針對數學初學者,將《算 法統宗》17 卷刪減成只有 4 卷的《算法纂要》,於 1598 年印刻。

明朝數學的特色之一,就是商業用數學的發展,《算法統宗》充分反映此一特色,

書中不僅編有不少日用、商用的數學內容,也包含珠算的詳盡說明。而無論是數學的解 題方法或是算盤的操作步驟,程大位多用各式易於記誦的口訣,甚至是歌行體的方式呈 現。例如「二色方程歌」就是關於二元一次聯立方程組的解法:

世人欲要識方程,物價俱將左右陳。右上法乘左中下,次將左上右行乘;

中間相減餘為法,下位相減餘為實;法除實為右中價,得價須將右中乘;

右下價內減去積,餘為實數甚分明;右上為法除下實,便為上價細推尋。

中國古代的方程是直行呈現的,不同於今日的橫式表現方式。不過,讀者只要將熟悉的 二元一次聯立方程組轉成直的,配合方程歌中的右上、左中下(左中及左下)等操作,

就能求得正確的解。以《算法統宗》所載之例「今有馬三匹、牛二頭共價銀一百一十四 兩,又馬四匹、牛五頭共價一百六十二兩五錢。問馬、牛價各若干」說明:

(8)

HPM 通訊第十六卷第十一期第八版

原文 中國的直式列法 今日的方程組表示法

世人欲要識方程 物價俱將左右陳

4 3 5 2 162.5 114

設馬一匹x兩,牛一頭 y 兩 3 2 114

4 5 162.5

x y

x y

 

  

右上法乘左中下

次將左上右行乘

12 12 15 8 487.5 456

12 8 456 12 15 487.5

x y x y

 

  

中間相減餘為法

下位相減餘為實 7

31.5

7

y

31.5

法除實為右中價 得價須將右中乘

3 右中價 31.5 7 4.5   9

114

4.5 3 9 114

y

 

x

 

右下價內減去積 餘為實數甚分明

3 105

3x105 右上為法除下實

便為上價細推尋 上價105 3 35 x35

由上述的例子可看出,「二色方程歌」仍無異於《九章算術》的解法,只是多了巧

思,將過程用韻文的方式呈現,讓讀者易於記誦然後依樣操作。除了「二色方程歌」外,

《算法統宗》中還有「三色方程歌」與「四色方程歌」,在此僅抄錄「三色方程歌」以 饗讀者。

三色方程法更奇,物價三行作左基。左右互乘須減盡,中下價餘左位宜;

又列二行仍乘減,中中左中減無餘;下餘為法價除實,法實相除下價知。

參考資料:

Chabert, Jean-Luc (Ed.) (1999). A History of Algorithms: From th Pebble to the Microchip.

New York: Springer.

Witmer, Y. Richard (translated) (2007). The Rules of Algebra (Ars Magna). New York:

Dover.

明‧程大位,《算法統宗》,收入郭書春主編,《中國科學技術典籍通彙》數學卷一,鄭 州:河南教育出版社,1993。

李迪主編 (1999). 《中國數學史大系第六卷》,北京:北京師範大學出版社。

(9)

HPM 通訊第十六卷第十一期第九版

半角公式

蘇俊鴻

台北市立第一女子中學

一般說來,半角公式的推導常是透過倍角公式。由於

2 2 2 2

cos 2

cos

 

sin

2 cos

  1 1 2sin

因此,

2 1 cos 2 sin 2

2 1 cos 2 cos 2

令 2

2

  代入,即得

 

sin 1 cos

2 2

     ,cos 1 cos

2 2

     ,其中 依 2

所在

的象限決定。至於倍角公式,則是由和角公式推得。換言之,公式推導的順序是和角公 式→倍角公式→半角公式。

然而,當我們檢視托勒密天文學集大成的著作《The Almagest》,他在為製作弦表所 提出的一系列命題中,半角公式竟然比和角公式還要更早提出!一起來看看托勒密是如 何證明。

如圖一,給定半圓,AC為直徑,D 為

BC 弧的中點。從 D 點作 DE 垂直

AC於 E 點,

AC取 F 點,使得 AF

AB

,連接 BD ,CD及 DF 。如果令BAC,則 BD 為 所

對應的弦長,而CD為 2

所對應的弦長。

首先, 1 1 1

( ) ( )

2 2 2

CE

CF

AC

AF

AC

AB

,又ACDDCE,所以

AC CD CD

CE CD

2

AC CE

   。若ACBC已知,由畢氏定理可得 AB ,因而CE可知,所以CD

A

B

C D

F E

圖一

(10)

HPM 通訊第十六卷第十一期第一○版

求。進一步,如果令AC 1,則BDsin,ACcos,那麼 2 2 1

sin (1 cos ) 2

CD

2

  

sin 1 cos

2 2

    ,就是現在所熟知的半角公式。

事實上,我們也能利用另一個在高中課程中經常出現的問題來證明半角公式。如圖 二,給定一直角三角形ABC,在CB上延長取 BD

AB

,則 1

ADC

2

ABC

   。若

AB

 ,1

ABC

  ,則ACsin,BCcos ,且

2 2

sin (1 cos )

AD

 

 sin2

cos2

2 cos

 1 2(1 cos )

因此

sin 1 cos2 1 cos sin2 2(1 cos ) 2(1 cos ) 2

AC AD

   

 

 

   

 

1 cos 1 cos

cos2 2(1 cos ) 2

CD AD

  

 

  

換言之,半角公式的證明,除了代數的方法外,亦可運用幾何的方式,有興趣的讀 者,不妨自己嘗試看看。

2

(11)

HPM 通訊第十六卷第十一期第一一版

為國中學生推薦數學普及閱讀書單

洪萬生

台灣師範大學數學系退休教授

從數學普及觀點來說,國中學生值得讀哪些書籍?這個問題在十二年國教特色招生 的前提下,似乎也有兩難的困境。在如火如荼實施高中聯考或國中基測的年代,教師與 家長基於升學壓力,沒有幾位「賢明的」家長與老師放心他們的子弟或學生閱讀數學普 及書籍這些所謂的這些「課外書」。現在,高中聯考與基測都(以經或即將)廢除了,

家長與教師大概又會為了明星高中的特色招生大感焦慮,因此,任何推動數學普及閱讀 的活動,在國中這個學習階段,似乎又變得非常不切實際。

當然,如果特色招收學生的條件包括數學普及書籍閱讀,那麼,家長與教師「被迫 鼓勵」他們的子弟與學生開始閱讀這些課外書,大概也很容易理解。如此,一般學生對 於數學的印象,或許可以超出補習班講義與參考書之外。不過,總是因為考試而被迫唸 書,不知道一般的青少年學生作何感想?不知道他們的「青春叛逆」有無可能呼應數普 活動帶來的「知識獵奇」?

以下這一份書目,是應《親子天下》的編輯之邀所擬定,希望能為國中學生的數學 學習,提供(主要出自補習班的)解題之外的視野。我的靈感部份來自馬祖爾(Barry Mazur)為《啟發每個人的數學小書》之推薦序:

這本小書所帶來的興奮感,剛好和它的大小成反比。這本書的重量,比如說,相較 於當代微積分教科書(有時候,我很好奇搬著它們到處跑的學生,為什麼沒有額外 的體育課學分),真是有相當大的對比。不知道是出自懶惰還是有一般的躁動靈魂,

當我還是青少年的時候,我很喜歡那些去除噱頭,旨在寫出主題本質的並帶點叛逆 性的輕薄小書。

這本小書觸動了馬祖爾十二歲時的「躁動靈魂」,啟發或安頓了他的年少數學心智。馬 祖爾是哈佛大學講座教授,是一位非常傑出的數學家。見賢思齊,他的反思或許值得我 們參考與借鏡。

現在,請參考我所列舉的書目及簡短推薦文:

‧《快樂學習:圓形、正方形、三角形》﹝套書﹞,遠哲出版:

本書利用實作,學習大自然與日常生活中處處可見的方形、圓形與三角形,以及它 們的幾何性質,啟發國中學生深刻體會數學知識如何有用與有趣。

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HPM 通訊第十六卷第十一期第一二版

《如何穿過一張明信片》,究竟出版:

本書帶領讀者利用唾手可得的材料,比如紙、筆、直尺和膠水等,折出各種多邊形、

曲線以及多面體等,幫助讀者在實作中體會相關的幾何原理。

《3 小時讀通幾何》,世茂出版:

本書從簡單的圖形入手,逐步帶領讀者進入幾何學的結構世界,同時輔以漫畫的敘 事,讓讀者可以透過「以畫圖表示」的途徑,將複雜的內容具象化。儘管最後兩章超出 國中數學範圍,不過,開卷開眼界,無法完全理解又何妨呢?

《摺摺稱奇:初登大雅之堂的摺紙數學》,三民出版:

本書主要討論摺紙與尺規作圖,希望在摺紙的實作情境中,說明初等平面幾何與日 常生活經驗之密切關連。雖然有些內容超出國中數學範圍,但是,本書作者群希望強調 數學的古典內容,具有永恆的學習價值。

《觀念數學小學堂》,小天下出版:

在這本六年級生七年級必備的數學先修讀本中,作者強調數學的概念理解,企圖為 國中學生提供初等數學的結構面向知識。這在同一類型的數學普及讀物中,是非常難得 的嘗試。

《算法少女》,小知堂文化出版:

這是為少年讀者書寫的一本勵志類的數學小說。作者以十八世紀日本江戶為背景,

敘述一位極富正義感且有數學才華的少女,如何拒絕大名的家教邀請,而以教導下階層 的幼童數學為職志。

《卡里布彎‧數學獵人》,四也出版:

這是一本以布農族少年學習打獵的故事。作者巧妙地融數學問題於故事情節之中,

因而數學的解題張力得以轉化成為小說敘事的張力。作者從數學小說這個文類入手,使 得數學普及創作展現了更豐富的可能性。

《啟發每個人的數學小書》,究竟出版:

這是企圖啟發每一個人的一本數學小書。儘管作者所謂的「每一個人」,並不一定 包括青少年,然而,本書所展現的數學現代性之精神與自由主義的倫理主張之對比,即 使對國中學生而言,也非常值得推薦。

《神奇酷數學》(套書八冊),小天下出版:

本套書前四冊主題是數與量之計算與推理,後四冊則是有關圖形與空間的幾何知識。

作者深刻瞭解初等數學知識的本質,並能以豐富多元的方式,配合插畫者對於數學的趣 味元素之掌握,呈現國中小數學的有趣風貌。

參考文獻

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