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我最爱的一个证明

时间:2022-02-09 理论教育 版权反馈
【摘要】:设想一个平面上布满间距为1的水平直线和竖直直线,形成由一个个单位正方形组成的网格。出人意料的是,整个证明过程只占据了不到半个屏幕。从上往下看这一叠格子,你看到的会是这个图形的各个部分重叠地放在一个格子中,仿佛一个沾有污渍的方块。由于整个图形的总面积小于 1,因此这些“污渍”不会布满整个方块,方块上总有一块干净的地方。这个证明太漂亮了!这可能是我第一次如此强烈地体会到数学证明的美妙。

大概是我读高一的时候吧,有一天,我在网上看到了下面这个问题。

设想一个平面上布满间距为1的水平直线和竖直直线,形成由一个个单位正方形组成的网格。任意给定一个面积小于1的图形,证明这个图形总能放在网格中而不包含任何一个格点。

乍看之下,这简直就是一个世界级的难题,我自然是毫无思路。我滚动鼠标滚轮,继续往下看。出人意料的是,整个证明过程只占据了不到半个屏幕。

我们可以换一个角度来考虑这个问题:把图形随意放在网格中,如何重新布置网格使每个格点都在图形外面。

如图1所示,把给定的图形随意放在网格中,然后沿着网格线,把包含有图形的网格切成一个个1×1的小格子,从网格中拿出来。把它们全部重叠起来(不要旋转),再想象这些格子是透明的,而格子上的图形则是不透明的。从上往下看这一叠格子,你看到的会是这个图形的各个部分重叠地放在一个格子中,仿佛一个沾有污渍的方块。由于整个图形的总面积小于 1,因此这些“污渍”不会布满整个方块,方块上总有一块干净的地方。现在,用一根针从一个干净的地方刺下去,把这些重叠起来的方格刺穿。把这些格子放回原来的网格中,你将会看到每一个有图形的方格内都有一个针眼,这些针眼都不在图形内。把原来的网格擦掉,把这几个针眼看作是新网格的格点。按针眼的位置重画网格,那么新网格的所有格点都在原图形之外。这样,结论也就证出了。

图1

我还记得当时看完这个证明后,那种无法言表的震撼之感。这个证明太漂亮了!这可能是我第一次如此强烈地体会到数学证明的美妙。之后,我便有意识地去收集各种精彩的数学证明。这些数学证明的思路一个比一个巧妙,方法一个比一个诡异。

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