愚公是谁?愚公者,一个笨老头也。愚公老师,却不是一个笨老师。中学语文课文里的《愚公移山》,那绝对是东方的经典,是我国传统文化的一个优秀故事。
近日,和学生一道再学习数学归纳法,数学归纳法是演绎推理的一种方式。对于和正整数有关的命题,大都可以考虑这种方法。就是要证明对于所有的正整数n,命题P(n)都成立,一个也不能少。
以前在引导学生感受这一方法时,通常用多米诺骨牌来说明。借助多媒体,学生可以真切地看到多米诺骨牌倒下的壮观和气魄。当然,除了用多米诺骨牌来表现外,还可以用图书、人体等来替代骨牌。表达的意思是一样的,推倒第一块,接着便会推倒第二块、第三块,直至成千上万块。有好事者还创造出多米诺骨牌吉尼斯世界纪录。
然而,多米诺骨牌无论制作得怎样的精致,数量仍旧是有限的,总有结束的时候。能够推倒的,依然只是有限块。然而,数学归纳法所要解决的,对所有正整数命题皆成立,要求从有限深入到无限。这样看来,用多米诺骨牌来解释数学归纳法,只是表面,没入实质;只是形似,难表其神。
中国传统文化博大精深,老子在《道德经》中说“道生一,一生二,二生三,三生万物”,寥寥数句,刻画出来的“无限”,言简意赅,淋漓尽致。所谓“万物”泛指的“无限”,乃是不断“生”出来的啊。
对数学归纳法阐述最为精准的,应当数愚公移山里的“愚公”,愚公老师用他朴素的语言,构造了一个“生生不息”的无限思维模型,给我们上了一节生动的数学课。
愚公老师说:“虽我之死,有子存焉;子又生孙,孙又生子;子又有子,子又有孙;子子孙孙无穷匮也,而山不加增,何苦而不平?”
在这节课上,愚公老师没有去谈什么多米诺骨牌,而是用自己的切身体会,从生活的角度表达了自己对数学归纳法的理解。在这里,愚公老师高调宣布了用“无限”战胜“有限”的胜利。即是以自己拥有的世代永续的无限家族,战胜了“山不加增”的有限山体。
有同学可能要反问愚公老师了,如果你愚公老师不能“生子”怎么办,既使你愚公老师能生,又如何能保证你的子孙中哪一辈不会“绝户”,甚至遇到计划生育时怎么办?问题可能令愚公老师很尴尬,甚至很难堪。
我想,学生能提出各种质疑愚公老师的问题,那将是绝对的好,说明学生在思考数学归纳法了!数学归纳法能证明和正整数有关的问题,就是要使得每一步都能成立,这里面的“成立”,或者“满足”,就是学生质疑愚公老师“能不能生”,以及愚公老师的后辈“会不会绝户”的问题。
所以愚公老师首先就要保证,自己和自己的各代子孙都能生育这个“前提条件”。不过学生和愚公老师的担忧,国家也都考虑到了,现在已经放开二胎了。
这样的话,愚公老师的家族就成为“一代接着一代、没有‘穷匮’、没有中断、没完没了、无穷无尽”的一个无限世代序列。这是实实在在的无限。
把愚公老师的生子计划转化为数学问题,按世代的顺序依次记下来就是正整数1、2、3……。愚公老师用“子孙都能生育”换来了“世代永续”、“无穷匮”的无限家族,终于跨越有限、成功进入无限的大门。
好了,愚公老师自己的故事说完了。那么我们来看看愚公老师的高明之处,既然愚公老师的子孙序列可以做到“无穷匮”,那么对于和正整数有关的命题列P(n)可不可以呢? 这时候就要看命题列P(n)是否具有愚公老师子孙序列的特性了。
如前所说,愚公首先要获得了他的子孙都能够“生子”的保证。类比到数学归纳法上,就是看P(n)的每一代能不能“生子”了,也就是说需要检验。事实上,数学归纳法本身正是在做这样的检验!
首先,数学归纳法的第一步是要验证n=1时P(1)成立。当然,有的时候不一定是从1开始,那要看初始值是什么。这相当于检验P(1)的正确性,就是愚公老师自己必须能“生子”一样,即有子存焉。
其次,对任意的正整数n,假设具有正确性的P(n),可以推导出P(n+1)也是正确的。就像判断愚公老师的每一代子孙都能“生子,子又能生孙”。一旦这两步都成立了,P (n) 的正确性序列能够一代代地“生”出下一代了,就可以像愚公老师所说的那样,“子子孙孙无穷匮也”,无一例外地全部都成立。
从《道德经》 的三生万物,愚公老师的生生不息,到“野火烧不尽,春风吹又生”,中国传统经典的无限观一直和“生”联在一起。一个“生”字,使得数学归纳法不再神秘。
很多的学生对数学归纳法那两步的检验始终不明不白,为什么要奠基,又为什么进行递推,一直不知所云。如果能聆听愚公老师的一节数学课,大概就能“会心一笑”,觉得那不过是在进行能不能“生”的检验而已!
一直以来,从事着高中数学的教学和研究,许多年的经验告诉我,数学是根植于生活之中,数学理论知识的提炼离不开我们的生活。然而纯粹的数学问题又是枯燥无味的,很多学生说“我待数学如初恋,数学虐我千百遍”,和数学的抽象难懂有关。
于是,我常常想,能不能把数学和传统文化与实际生活结合起来,把数学课上得学生更愿意去听,学生感到了兴趣,感觉到有意思,这样才能喜欢数学,爱上数学,才能领悟到数学是好玩的。
愚公老师给我们上了很精彩的一节课,谢谢愚公老师,也谢谢传统文化。