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挑战吴老师一个小学数学问题

已有 5089 次阅读 2011-4-27 14:15 |个人分类:立体逻辑|系统分类:观点评述| 小学数学

吴老师喜欢论战,我就开一个话题来和吴老师战一战。
吴老师要是累了,随时去休息,不要影响您的身体健康,我的初衷是希望用您喜欢的方式,活跃活跃您的精神,不希望累着您。好吗?
开始了:
您只要顺着我的问题回答,就好。当然,也欢迎您设擂台请我上来打擂,但,一定要从小学水平问题开始。我们都不要轻视小学水平问题啊。
 

乘法的含义是什么?

1.求一个数自加多次的结果;

2.知道每份数和份数求总数;

3.知道长度和宽度求面积。

这些含义的本质是相同的吗?

如果本质是相同的,那么适应范围也应该是相同的。

就是,总能从不同的每一个角度来解释同样乘法算式的含义。

真的是这样的吗?


下面让我们来检验一下:

__________________step 1_______________________

先在正整数范围来检验:
例如:3X4 =12
1. 3 这个数自己加自己加4次,结果是12
2. 每份有3个,共有4份,总共有12个
3. 宽是3,长是4的长方形面积为12
顺利通过。

有问题吗?

__________________step 2_______________________

然后在正实数范围来讨论。
例如:1.5 X 2.4 = 3.6
1. 1.5这个数加自己加2.4次,结果是3.6。
2. 每份有1.5这么多,共有2.4份,总共有3.6这么多;
3. 宽是1.5,长是2.4的长方形面积是3.6;

需要拓展的理解是:
1.原来“个数”也可以是小数,就是要允许有“不完整的个”存在。
2.原来“次数”也是可以是小数的,就是要允许一件事做到中途就中止下来不再做。
3.原来份数也可以是小数,就是要允许不完整的1份存在。

小数的面积好理解,只是单位取不同就很容易理解了。例如,原来一分米为单位的数,改为用米为单位的数。这对应观察计算的细致程度不一样。
有问题吗?
基本通过

__________________step 3_______________________

现在扩展到整个实数范围来讨论,也就是包含负的实数的乘法。
例如: -1.2 X 1.5 = -1.8
1. -1.2这个数加自己加1.5次,结果是-1.8。
2. 每份有-1.2这么多,共有1.5份,总共有-1.8这么多;
3. 宽是-1.2,长是1.5的长方形面积是-1.8;

需要拓展的理解是:
1.个数可以是负数,表示缺少的个数。
2.每份数也可以是负数,表示每份不足的数量;
3.宽度可以是负数,表示?
4.面积可以是负数,表示?
能请vigorous 老师试着来解释一下为什么会这样?

vigorous 老师解释如下:

那还不能定义有向线段啦,矢量啦。宽度可以是负数,在实空间中的有向线段。面积可以是负数,表示虚空间中两虚数长线段乘积。而根据两矢量叉乘可得到面积,而面积又可以看作垂直于此两矢量构成平面的一个矢量。

     vigorous 提到了方向,矢量的字眼。是的,能结合现实含义来理解吗?

我的解释如下:

1.2所说的乘法,是一维空间上的乘法。
3.所说的乘法,是一维空间上朝二维空间上进行扩展的乘法。
这是2种完全不同的乘法。

严格意义上来说:求面积的乘法,不能叫做“乘法”,而是“积分”。
1.2所说的2个乘法因子,是对应同一个“方向”的增长因子。就像一根绳子,对折3段,每段5米,总长3X5米,就是15米。其中的3和5都是沿绳子长度方向的度量。也就是说,其中的因子3,和因子5,如果画在数轴上,是相互“平行”的(方向重合的)。这是在同一维上的成倍增长。

而3所述的“乘法”,是对应两个正交方向上的增长因子。一个宽3米,长5米的房间的面积中的3和5,是相互垂直的方向上的数量。从数量单位上也可以看出:二者的乘积得到的数量的单位,和原来的单位已经不一样了。3米X5米 = 15平方米了,而绳子则是3段X5米/段 = 15米。
一个得到的结果仍然是在一维空间上的度量;另一个得到的结果是二维空间上的度量。
这个差异的语义区别,是我们通常没有注意到的。
当我们从低维向高维扩展时,我们所做的“扩维操作”和我们在低维上的“倍率”操作的含义,是严格不同的。

考虑到方向问题,我们扩展如下理解:

正负符号,还是要回到“缺少和多出”的角度来理解。
0宽度表示没有宽度,意思是相对参考点来说,没有朝任何方向延伸出来任意小的长度。
如果我们规定一个方向表示正,那么,另一个方向就表示负。
比如,两国的国境线,本来是固定不动的,不动的位置定义为0位置,现在,超别的国家移动了一个位置,那么,这个国家的面积就增多了;另一个国家的面积就减少了。
 -1.2 X 1.5 = -1.8
可解释为:
3.在以1.5为宽的形状的土地上,我们在长度方向退让了1.2,结果是我们让出了土地1.8。
问题解决
长度和面积都可以是负数,表示相对平衡点往正方向的反方向的移动产生的差异。

然而,问题就这样解决了吗?如果就这样解决了,这楼可真的就很没意思了。

__________________step 4_______________________

淡定一点,再看一个例子:
-2 X (-6) = 12
1. -2这个数加自己加-6次,结果是12。
2. 每份有-2这么多,共有-6份,总共有12这么多;
3. 宽是-2,长是-6的长方形面积是12;

现在需要拓展理解的是:
1.次数可以是负数;是还需要做的次数的意思吗?
2.份数也可以是负数;是缺少了这么多份的意思吗?
3.负方向的长度和宽度表示的面积为什么是多出来的面积?
1,2已经彻底没问题了,第3个问题有点费解了。
在长度方向和宽度方向分别都让步了2和6,我的面积反而多出来了12。
vigorous 老师, 您的大脑思维还能跟得上吗?
提示:图中的十字箭头线不是坐标轴,只表示A国国界扩大的正方向。

vigorous老师的回答是: 
说实话就是加减号和正负号混淆的一个问题,而且从常识上看减去长,减去宽,必然(减去了)正面积,而不是获得了。另外减去或得到的是面积而不仅仅是单独的长或宽。

我的初步分析:

关键是:由于同样的乘法,同样的计算结果,却不能同样按一惯的语义来解释,所以,我们现在真的就可以断定了:在二维上计算面积的乘法和在一维上计算倍率的乘法,在本质上是不同的运算类型(学术一点说,应该是不同的逻辑谓词),虽然名字都叫乘法,符号也用的是同一个,但实际只是在某种条件下,算面积的乘法和算倍率的乘法在数量关系上是一致的,并且能维持正常的逻辑语义,这正好起到了掩盖他们本来就不同的本质的作用。一旦我们变换环境条件,他们本质不同的马脚就暴露无遗。

本楼就可以到此为止了吗?

不!

另人震惊的谜底,往往就在我们不经意的疏忽中。

如果我们就此打住,我们就这样轻易地放过这个“本质不同”了,

vigorous 老师,您能最后一次再尝试猜猜这个简单而令人震惊的谜底是什么吗?
____________________ Step 5 _________________________________________

这个简单而令人震惊的谜底是:被我们敬仰已久的布尔逻辑,只是“半一维”的逻辑。

当我们的大脑的“空间数值计算”的水平已经达到十维,甚至借助电脑已经达到两百多维的时候,我们的“空间逻辑计算”能力却始终停留在“半一维”的水平!

何为“半一维”逻辑计算?就是只能在1维的逻辑数轴上的0和正逻辑数1上进行计算。

数值计算,实际上可以看成是“逻辑计算”和“正数值”计算的混合,如:

一维的数值计算中:

-2 X (-6) = [(-1)X 2] X [(-1) X 6] = [(-1)X(-1)] X [2 X 6] = 1 X 12 = 12

2 X (-6) = [(1)X 2] X [(-1) X 6] = [(1)X(-1)] X [2 X 6] = (-1) X 12 = -12

2 X 6 = [1 X 2] X [ 1 X 6 ]  = [(1)X (1)] X [2 X 6] =  1 X 12 = 12

0 X (-6) =[0 X 1] X [(-1) X 6 ] = [ 0 X (-1) ] X [1 X 6] = 0 X 6 = 0

0 X 6 = [0 X 1] X [1 X 6] = [0X1] X [1 X 6] = 0 X 6 = 0

将上述式子中的黑体部分提取出来,就是:

0 X 1 = 0 ---------------(1)

1 X 1 = 1 ---------------(2)

0 X (-1) = 0 ------------(3)

1 X (-1) = -1 -----------(4)

(-1) X (-1) = 1----------(5)

其中(1),(2)式表达了布尔逻辑的“与”运算规则。

而(3),(4),(5)则是扩展了负逻辑之后的“一维三态逻辑”的和负逻辑数(-1)相关的“与运算”规则。

为什么要强调是一维的逻辑?

这和我们已经明确的三个乘法的本质含义,只有算倍率的1,2是相同的,是一维上的乘法,而算面积的3的乘法,是二维上的乘法,是一个道理。二维上的数值计算和一维上的数值计算一样,可以认为是二维逻辑计算与二维正数计算的混合。

而二维的逻辑计算规则和一维的逻辑计算规则存在不同,则是本楼的谜底的谜底。

我们不难理解,二维三态逻辑“与计算”的规则应该是:

1 X 1 = 1-------------理解:两向都有多,总的才有多;

0 X 1 = 0-------------理解:只要1向没有,总的就没有;

0 X (-1) = 0----------理解:只要1向没有,总的就没有;

1 X (-1) = -1---------理解:只要1向有少,总的就有少;

(-1) X 1 = -1---------理解:只要1向有少,总的就有少; 

(-1) X (-1) = -1------理解:两向都有少,总的当然也有少; 

如此自然的二维三态逻辑,只是逻辑计算从1维向2维迈出的一小步。人类却用掉了100多年的时间才取得突破。真是遗憾!

_____________________ The end _____________________________________________



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