在一个偏僻的小村庄里,有一位老者,他的房舍就坐落在一片茂密的竹林之中,四周环绕着清澈见底的小溪。老者的生活显得与世无争,但他的心中却有着不为人知的一面——他是一个热爱数学的问题解决者。
有一天,村子里的孩子们围坐在老者的草庐旁,他们听着老者讲述一个古怪又迷人的故事。这个故事涉及到一个让人头疼的问题:“如果你站在我家门口,如果你走向东边100步,再走向南边100步,然后再回到起点,你会发现自己原来比起开始时多行了多少步?”孩子们都被这问题搞糊涂了,而老者只是微笑着,没有立刻回答他们。
随后,老者拿出一张纸和笔,说:“你们想象一下,如果这个世界是由无数个方格构成,那么每一步都可以看作是在某个方格内移动。如果我们用‘x’表示水平方向上的移动,用‘y’表示垂直方向上的移动,那么问题就变成了找到满足以下条件的一个点:
x + y = 0
x^2 + y^2 = 400
这是一个典型的以太斯定理(Pythagorean Theorem)形式的问题,只不过这里没有给出直角三角形中的斜边长度。”说完,这位智慧如海的长者闭上了眼睛,让孩子们自己去找答案。
小男孩小女孩各自拿出了自己的算盘,小男孩先试了一下,却发现很难解答;而小女孩则迅速地运转她的算盘,她计算了好几次,最终笑容满面的告诉大家她找到了正确答案。她得出的结果是“-70”。
其他孩子也纷纷尝试,最终都得到相同的结果:-70。这时候,村子里的居民和孩子们都惊讶于这其中蕴含的是什么奥秘?
就在大家准备离开的时候,小女孩突然问道:“老师,我们为什么要从原来的位置回归呢?如果我们一直往前走,不是应该越来越远吗?”
听到这些话,一位聪明过人的年轻学子站起来说:“其实,这个问题根本不需要用复杂的代数方法去解释,它背后的逻辑非常简单。你只需要注意到,每次走100步后,你总共已经行进了200步,因为你既向东又向南,都是一条直线。而根据题目,我们要求最终回到起始点,所以实际上你的路径形成了一条圆圈。”
他继续说道,“现在考虑到每一步都是正弦或余弦值相等,即x=y或者x=-y,从图形上看就是画两个半径相同、中心不同且互为直角两圆。在这种情况下,当你沿着圆周运动时,由于总距离保持不变,也就是200米,每一次循环都会使你的所处位置与初始位置之间增加或减少一定量。”
最后,他指出,“所以当第一次完成完整循环后,你将比起最初多行进20米;第二次循环后,又增加40米;第三次更是60米……依此类推,因此,在第五轮之后,就会达到额外行进70米的情况。”
于是,他们明白了,为何通过5轮操作之后才会有额外行进建立出来,并且最终得到的是+70,而不是像最初设想那样直接返回原位。人们对数学真可谓神奇,每一步都充满了意料之外的情趣和挑战。
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