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鐘表問題 一題多解鍛煉數學的思維

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ID:94349 發表于 2015-11-2 13:47 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
摘要:鐘表問題是一道經典的數學習題。本文列舉了運用算數方法、代數方法、高等數學方法等不同的求解思路。通過對該問題的多種解答的分析,總結出不同解法的思維特點。

  鐘表問題是一道經典的趣味數學問題:假如當前時間為12點整,此時,鐘表的時針和分針重合。求下一次兩者重合的時間。這是一道淺顯易懂的問題,而且求解所需的數學知識非常簡單。可以運用算術方法、代數方法、高等數學等各種方法求解。
若當前時刻為12點整,則時針和分針均指向刻度12。隨后,因為兩者的角速度不同,因此逐漸分開,但經過1小時后,分針轉過一周,有趕上時針的趨勢,因此兩者漸漸重合。1點整時,分針指向刻度12,時針指向刻度1;1點5分時,分針恰指向刻度1,時針則超過刻度1。由于表盤上共有12大格(介于刻度1,2,3…,12之間),每個大格又被分為5小格,則時針前進1大格為1小時,前進1小格為12分鐘。由此可以看出,1點5分時,時針位于刻度1后第1小格的5/12處;而在1點零6分時,分針恰指向刻度1后第1小格處,時針介于第1小格的6/12=1/2處。因此,1點零5分時,時針在分鐘之前;1點零6分時,分針已超過時針。兩者重合發生在這兩個時刻之間。
算術求解:其實該鐘表問題類似于算術中的“追擊”問題。只要選擇好運動的起點,便可以套用公式:追擊時間=路程/速度差求解。分針的角速度為1(小格/分鐘),時針的角速度為其1/12(小格/分鐘)。兩者速度差為11/12(小格/分鐘)。我們選擇運動起點為1點整,此時分針落后時針5小格,因此:
即兩者重合時間為1點5分27.3秒。
       代數求解:分針角速度為時針角速度的12倍,因此若設時針從1點整起到兩針重合時走過的角度為x(單位:小格),則分針走過的距離為12x;另外,注意到1點整時,分針指向刻度12,時針指向刻度1,兩者相差5小格。建立方程如下:
分針走過了5.45小格,結果同算術求解。
       等比數列公式求解:高等數學求解的思考過程是在初始條件下,考慮分針追擊時針的過程。1點整時,時針(處于刻度1處)超前分針(處于刻度12處)5小格;則5分鐘后分針到達刻度1,時針前進了5/12小格;下一次追擊,分針前進5/12小格,時針前進(5/12)/12小格;如此下去,則兩者最終相差為無窮小量,即分針追上時針。在此過程中,分針走過距離為:
答案同算術、代數解法。
分析求解:最開始我們已分析出12點整后,分針、時針將于1點5分后1點6分之間相遇,但我們尚不知準確的時刻。繼續按照這個思路分析,則在2點整后,兩者相遇發生2點10分之后;3點整后,兩者相遇發生3點15分之后;4點整后,兩者相遇發生4點20分之后……兩者12小時內最后一次重合發生在下一個12點整,其間共發生12次重合。又因為時針、分針都是勻速轉動,因此每次重合間時間段相等。這也就是說,每次間隔為12/11大格(代表小時),或者60/11小格(代表分鐘)。依次重合的時間為:
小時,而
小時,而
小時,而
小時,而
………
小時,而
小時。
由此我們得到了12小時內每次時針、分針重合的時刻。
       由上面四種可以看出不同解法的思維特點。對問題進行正確的分析時各種解法的基礎,但是算術解法和代數解法側重點在于確立一個初始狀態和終了狀態,并通過兩者的等值關系求解。而高等數學方法則是將上述追擊過程直接通過一個無窮級數計算,并根據級數的收斂性得出結果。因此,雖然計算過程看似復雜,然而思考的過程確簡單明了。分析求解方法則是分析了時針、分針重合的特點,通盤考慮求解,也具有鮮明的特點。


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