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神秘有趣的質(zhì)數(shù)骨牌

來源:奧數(shù)網(wǎng) 文章作者:劉弋戈 2009-05-06 16:47:49

  在數(shù)學(xué)興趣班上,劉老師給大家出示了這樣一副圖(如圖1):在5×5的方格中分別填進(jìn)了連續(xù)自然數(shù)1、2、3、4……、25。同學(xué)們,你們看這些數(shù)的填法有什么奧妙嗎?張依說:"相鄰的兩個數(shù)都是一個奇數(shù)、一個偶數(shù)。"劉老師補(bǔ)充說明:"同學(xué)們說的很對。大家仔細(xì)觀察各橫排或豎排,我們把任何相鄰的兩格組在一起叫一張骨牌(如圖1-1),那么每張骨牌上兩數(shù)之和都很特別,你們發(fā)現(xiàn)了嗎?""每張骨牌上兩數(shù)之和都是質(zhì)數(shù)"焦朗強(qiáng)著說,"比如8+5=13、21+8=29、8+11=19"

                                

  從5×5的方陣出發(fā),取橫排相鄰兩格,或豎排相鄰兩格,可以組成40張骨牌(同學(xué)們已算出,即:(4+5)×4+4=40)。而且很容易驗(yàn)證,其中每張牌上的兩數(shù)之和都是質(zhì)數(shù),因而我們得到了一副質(zhì)數(shù)骨牌。

  同學(xué)們你能在2×2的方格中填上1-4連續(xù)四個自然數(shù),使它成為一副質(zhì)數(shù)骨牌嗎?張笛很快就找到了答案(如圖2),這里一共有4張骨牌,每張排的兩數(shù)之和是1+2=3、2+3=5、3+4=7、1+4=5。張依提出問題:"老師我用2-5四個連續(xù)自然數(shù)能不能填在方格里制成一副質(zhì)數(shù)骨牌呢?"大家試試看行嗎?…………

  同學(xué)們經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)后覺得不行,"好像不行,可為什么呢?"我們把四個數(shù)寫在一行,會發(fā)現(xiàn)它們組成的每張骨牌的數(shù)字和,實(shí)際就是1、2、3、4四個數(shù)兩兩之和,(即1+2,2+3,3+4,4+1四組和),而且所有相鄰的四個數(shù)都是如此。因此我們可以得到這樣一個結(jié)論:"這四組和中至少有一組2個數(shù)的和是3的倍數(shù)且不是3,即是合數(shù)。"(可以用抽屜原則和同余的方法來證明)所以不可能組成質(zhì)數(shù)骨牌。

  同學(xué)們的興致越來越高,他們又開始研究3×3的方格中(如圖3)填1-9九個連續(xù)自然數(shù)的質(zhì)數(shù)骨牌了。同學(xué)們實(shí)驗(yàn)了很久好象還是不行。"老師這種情況就是不行"楊宇辰說:"1-9九個數(shù)中有5個奇數(shù),4個偶數(shù),骨牌中相鄰的2個數(shù)不能是同奇或同偶,所以中間的方格必是奇數(shù)(如圖3-1),它與其他四個偶數(shù)的和必須是質(zhì)數(shù),而1-9中(奇數(shù)1、3、5、7、9,偶數(shù)有2、4、6、8)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)沒有一個奇數(shù)能分別與這四個偶數(shù)的和都是質(zhì)數(shù)。所以1-9不能制成質(zhì)數(shù)骨牌。

                                

  那么其他九個連續(xù)的自然數(shù)能否制成質(zhì)數(shù)骨牌呢?如:2、3、4、5、6、7、8、9、10或13、14、15、16、17、18、19、20、21。結(jié)果也是不可以的,我們把所有的情況,分為兩種情況:①5個奇數(shù)、4個偶數(shù)②5個偶數(shù)、4個奇數(shù)。通過驗(yàn)證可以得到以下結(jié)論:

  ①對于任何一個奇數(shù),都會存在至少一個偶數(shù)使它們的和是合數(shù)

 、趯τ谌魏我粋偶數(shù),也都會存在至少一個奇數(shù)使它們的和是合數(shù)

  所以任何九個連續(xù)的自然數(shù)都無法制成一副質(zhì)數(shù)骨牌。

  興趣小組的同學(xué)通過這些練習(xí)增長了很多見識,他們的數(shù)學(xué)邏輯思維能力也得到了很

  大的提高。同學(xué)們你們想不想也試試自己制作一副質(zhì)數(shù)骨牌呢?請試著在4×4的方格中填入1-16十六個連續(xù)的自然數(shù)使它成為質(zhì)數(shù)骨牌。(如圖4供大家參考)

學(xué)而思教師:劉弋戈

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