美国高中几何2?

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这题出得真是时候,我昨天刚好在教这个内容(虽然我是搞计算机的)。 先说答案:这个问题有无数解(无穷多)。 再说个人的一点疑惑:为什么美国中学的数学教育这么强调“定义”的重要性?

答主本人在美国本科和研究生都读过,但读的并不是数学院而是CS(所以没有系统学习微积分和拓扑学),因此对于“什么是几何”这个问题并没有什么清晰概念。不过根据我在美国这么多年混的经验来看,一般美国人(特别是文科)对数的想法就是“数字+计算”,比如3+1=4这样的(这种想法当然比较狭隘,但我个人觉得比国内大部分人要强很多了);而“几何”在他们脑海里的印象就完全是另一个样子了:各种奇怪的多边形、线段、轨迹... 因为之前看过知乎上好多拿中文来黑美国的,说他们数学怎么怎么不行云云,所以我还是决定用英文来解释这个问题:What is Geometry? Geometry就是“研究形状(shape)的理论”。那么什么又是“形(shape)”呢?这词太笼统,我们不如具体一点,把“形”定义为“集合X与它本身做差得到的集合”,即shapeless = {x-x|x}。这样“形”可以理解为所有“可加减”的元素组成的集合。(注意:这里为了讨论方便我把集合抽象成了元素,其实多数情况下geometry里的set是无理数集)

基于上面的定义,现在可以回答问题了:本题的答案是:无限多个。原因如下: 在一个普通的直角坐标系里,我们可以把每一个点表示成 (x,y) 的集合,其中x,y都是整数,这样点的差就可以写成 (x,y) - (u,v) = (x-u,y-v)。这两个式子一相加,由于任何两个整数的绝对值都是有限个整数之差,因此(x,y)-(u,v)的差一定是有限个整数的绝对值之差的组合。例如,当差是0时,就意味着x等于u且y等于v;而当差是一时,就等于(x-u)+(y-v)=1。于是我们就可以说(x,y)等于(u,v)加上(0,1)这一组。

现在考虑所有的点,也就是所有可能的(x,y)的集合。这些集合可以写成一长串,并且经过加减可以得到所有可能的(u,v)的集合。然而问题是,无论x,y如何变化,它们总是存在于同一个(x,y)集合中,也就是说上面的一长串集合最后会是一个环,而这个环的每一项与每两项的和都会归回到原点(0,0)上。因此不管我们怎么开始(随便取x,y的值),最终结果总会回到原点,这意味着所有的(x,y)都可以表示成(u,v)的集合。这就是无数多解的原因所在。

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