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《给孩子的趣味数学:数学原来这么好玩》丛书导读

民国时期,著名画家、教育家、漫画家、作家丰子恺给刘薰宇的《数学趣味》一书作序,原文如下:

我中学时代最不欢喜数学,最欢喜图画,常常为了图画而抛荒数学课。看见某画理书上说:“学数学与学图画,头脑的用法相反,故长于数学者往往不善图画,长于图画者往往不善数学。”我得了这话的辩护,便放心地抛荒数学课,仿佛数学越坏,图画会越好起来似的。现在回想觉得可笑又可惜,放弃了青年时代应修的一种功课。我一直没有尝过数学的兴味,一直没有游览过数学的世界,到底是损失!

最近给我稍稍补偿这损失的,便是这册书里的几篇文章。我与薰宇相识后,他便做这些文章。他每次发表,我都读,诱我读的,是它们的富有趣味的题材。我常不知不觉地被诱进数学的世界里去。每次想:假如从前有这样的数学书,也许我不会抛荒数学,因而不会相信那画理书上的话。我曾鼓励薰宇续作,将来结集成书。现在书就将出版了,薰宇要我作序。数学的书,叫我这从小抛荒数学的人作序,也是奇事。而我居然作了,更属异闻!序,似乎应该是对于全书的内容有所品评或阐发的,然而我的序没有,只表示我是每篇的爱读者而已。——唯其中《韩信点兵》一篇给我的回想很不好:这篇发表时,我正患眼疾,医生叮嘱我灯下不可看书,而我接到杂志,竟在灯下一口气读完了。次日眼睛很痛,又去看医生。

一九三三年耶稣诞
子恺

一篇简短的序言,让我们读到了大画家丰子恺对没有学好数学的懊悔,也读到了《数学趣味》的趣味。这趣味让丰子恺对该书爱不释手,忍着眼痛也要看完。如此精彩,到底是怎样的书呢?让我们一起来品味刘薰宇的数学科普丛书。

一、读其文,先品其人——认识丛书作者刘薰宇

刘薰宇(1896—1967),贵州贵阳人。我国现代数学家,也是我国现代数学教育家和出版家,受过法国数学教育的熏陶,曾任多所大学和中学数学教师或校长,担任过人民教育出版社副总编辑,审定过我国中小学数学教材,出版了中小学数学教科书和科普读物,发表了大量数学教育方面的论文,筹备出版了《中学生》《新少年》等青少年期刊。

担任人民教育出版社副总编辑期间,编写了一系列中学数学教材。算术谁编的?刘薰宇!代数谁编的?刘薰宇!平面几何谁编的?刘薰宇!立体几何谁编的?刘薰宇!解析几何谁编的?刘薰宇!……注意不是主编,而是编!我们对作者的景仰之情如滔滔江水,连绵不绝。

民国时期,语文教育家夏丏尊出过一本书,名为《文章作法》,这本书的第二作者是刘薰宇,一个数学家编写语文专著,可谓文理兼修,惊为天人。

刘薰宇作为中国数学科普第一人,论著特点之一就是:说理浅明,以趣味丰富的文字写枯燥的算理。所以,他的科普著作深受人们的喜爱,下面仅对《数学趣味》《马先生谈算学》《数学的园地》和《因数和因式》中的内容做一简单的介绍,增进我们对他的科普著作的了解,进而去阅读,并享受其中的数学趣味,汲取这位数学家留给我们的“教育遗产”。

二、作品赏析

刘薰宇的《马先生谈算学》这部著作从1937年1月开始,陆续按月发表在《中学生》上,预定于1937年,在《中学生》上登载完毕,但由于时局动乱,难以静心撰写,时至1939年冬天才完稿,前后历时三年。

刘薰宇写该书的动机是:“在增进学算学的人对于算学的趣味。对于学习算学的态度,思索问题的途径,以及探究题目间的关系和变化,我很用心地去选择和计划表出它们的方法。我希望,能够把这没有生命的算学问题注进一点儿活力。”该书是以第三人称——“马先生”的口吻来进行书写的,主要围绕如何用图解法求解一些算术四则问题,收集了100多道题目加以解释,但它并不是什么难题详解之类的书。马先生是一位风趣幽默的老师,在和同学们的交流中循循善诱,把复杂的数学问题通过深入浅出的语言,通过生动形象的画图加以解决。例如书中有这么一段:

鸡、兔同一笼共十九个头,五十二只脚,求鸡、兔各有几只?

不用说,这题目包含一个事实条件,鸡是两只脚,而兔是四只脚。

“依头数说,这是‘和一定’的关系。”马先生一边说,一边画 AB 线。

“但若就脚来说,两只鸡的才等于一只兔的,这又是‘定倍数’的关系。假设全是兔,兔应当有十三只;假设全是鸡,就应当有二十六只。由此得 CD 线,两线交于 E 。竖看得七只兔,横看得十二只鸡,这就对了。”

七只兔,二十八只脚,十二只鸡,二十四只脚,一共正好五十二只脚。

这种方法正如刘薰宇先生强调的:“用图解法直接来解决算术问题,这不但便于观察和思索,而且还可使算术更切近于实用一点。图解,本来已沟通了代数和几何,而成为解析几何学的骨干。所以,若从算术起,就充分地运用它,我想,这不但对于进一步学习算学中的其他部门,有着不少的帮助,而且对于学理、工科,乃至于统计等,也是有益的。”《马先生谈算学》中的图像法不正是中学的函数图像的雏形吗?在学习函数和解析法分析问题时,马先生让你水到渠成。《马先生谈算学》共有30部分,依次为:他是这样开场的、怎样具体地表出数量以及两个数量间的关系、解答如何产生——交差原理、就讲和差算罢、“追赶上前”的话、时钟的两只针、流水行舟、年龄的关系、多多少少、鸟兽同笼问题、分工合作、归一法的问题、截长补短、还原算、五个指头四个叉、排方阵、全部通过、七零八落、韩信点兵、话说分数、三态之一——几分之几、三态之二——求偏、三态之三——求全、显出原形、从比到比例、这要算不可能了、大半不可能的复比例、物物交换、按比分配、结束的一课。

《马先生谈算学》充分体现了刘薰宇先生对数学的态度,一方面认为人人应该学习数学,但不是说人人都要当数学家;另一方面认为人人都能学习数学,但不是说人人都能成为数学家。科学的价值与需求在当时已经不容怀疑,而算术、代数、几何、三角、解析几何以及初等微积分等中等程度的数学是科学必备的基础。所以,“谨以此书献给真实爱好科学的青年朋友”表达了刘薰宇先生出版该书的心声。

《数学趣味》共有11部分,依次是:数学是什么、数学所给与人们的、数的启示、从数学问题说到我们的思想、恨点不到头、堆罗汉、八仙过海、棕榄谜、韩信点兵、王老头子的汤圆、假使我们有十二根手指。《数学趣味》是一本有趣的数学史,从数学是什么到数的启示,你会读到数的历史演变,你会读到从数到式的发展。从数学问题说我们的思想中,刘薰宇先生通过鸡兔同笼、勾股定理两个耳熟能详的问题,分析了数学中的通法和特法的关系,以及特殊与一般的关系。

大概说来,在十六七年前吧,从一部旧小说上,也许是《镜花缘》,看到一个数学题的算法,觉得很巧妙,至今仍没有忘记。那是一个关于鸡兔同笼的问题,题上的数字现在已有点儿模糊,假使总共十二个头,三十只脚,要求的便是那笼子里边究竟有几只鸡、几只兔。

那书上的算法很简便,将总共的脚的数目三十折半,得十五,从这十五中减去总共的头的数目十二,剩的是三,这就是那笼子里面的兔的只数;再从总共的头数减去兔的头数三,剩的是九,便是要求的鸡的数目。真是一点儿不差,三只兔和九只鸡,总共恰是十二个头,三十只脚。

……

八方桌和六方桌,总共八张,总共有五十二个角,试求每种各有几张。这个题目具备了前面所举的三个条件中的第一个和第二个,只缺第三个,所以不能完全用相同的方法计算。先将五十二折半得二十六,八方和六方折半以后,它们的角的数目相差虽只有一,但六方的折半还有三个角,八方的还有四个。所以,在三十六个角里面,必须将每张桌折半以后的脚数三只三只地都减去。总共减去三乘八得出来的二十四个角,所剩的才是每张八方桌比每张六方桌所多出的角数的一半。所以二十六减去二十四剩二,这便是八方桌有两张,八张减去二张剩六张,这就是六方桌的数目。将原来的方法用到这道题上,步骤就复杂了,但教科书上所说的方法,用到那些形式相差很远的例子上并不繁重,这就可以证明两种方法使用范围的广狭了。

读了上面的例子,你是否认识到越是普遍的法则,用来对付特殊的事例,往往越是容易显出不灵巧,但它的效用并不在使人得到小花招,而是要给大家一种可靠的、能够一以当百的方法。你是否认识到这可以列方程和方程组,解法更加普遍。

中国很老的数学书,如《周髀算经》上面,就载有一个关于直角三角形的定理,所谓“勾三股四弦五”。这正和希腊数学家毕达哥拉斯的定理:“直角三角形的斜边的平方等于它两边的平方的和。”本质上没有区别。但由于表出的方法不同,它们的进展就大相悬殊。从时间上看,毕达哥拉斯是纪元前六世纪的人,《周髀算经》出世的时代虽已不能确定,但总不止二千六百年。从这儿,我们中国人也可以自傲了,这样的定理,我们老早就有的。这似乎比把墨子的木鸢当作飞行机的始祖来得大方些。然而为什么毕达哥拉斯的定理在数学史上有着很大的发展,而“勾三股四弦五”的说法,却没有新的突破呢?

这进一步告诉我们,我们的科学研究,尤其数学研究要从实际问题出发,从特殊到一般,发现普遍真理。刘薰宇进一步分析了一般三角形的三边类勾股的关系,扩展到费马定理,层层递进,精彩纷呈。

刘薰宇出版《数学趣味》有两个目的:一是打破一种观念:“许多人以为数学是枯燥、繁杂、令人头疼、不切实用的学科,因而望而却步。打破这种观念,这是第一个共同的企图。”二是暗示处理材料和思索问题的方法:“许多人以为学习数学,只要呆记书本上的法则、公式、定理等等,再将练习题做完,这就算全部掌握了。其实书本上的知识不但有限,而且也太固定了,我们所能遇见的更鲜活的材料不知有多少。将死板的方法用到这些活泼的材料上去,使它俩相得益彰,这是一条学习的正轨。学习不但要收集一些材料,还要掌握一些方法。掌握方法比收集材料更有效果。”

中学生可以看懂高等数学中的微积分,也许你认为这是天方夜谭吧。当你打开刘薰宇的《数学的园地》,你会发现微积分其实很简单。该书比较系统地说明了函数、诱导函数、积分、微分等概念及它们的运算法的基本原理。抽象、枯燥的高等数学内容,经过他巧妙的手法写出来,只要学过初等代数和几何的人,就能很轻松、毫不费力地读完并掌握。所以,该书完全可以作为中学生必备的重要自学书籍。

记起一段笑话,一段戏文上的笑话。有一个穷书生,讨了一个有钱人家的女儿做老婆,因此,平日就以怕老婆出了名。后来,他的运道亨通了,进京朝考,居然一榜及第。他身上披起了蓝衫,许多差人侍候着。回到家里,一心以为这回可以向他的老婆复仇了。哪知老婆见了他,仍然是神气活现的样子。他觉得这未免有些奇怪,便问:“从前我穷,你向我摆架子,现在我做了官,为什么你还要摆架子呢?”

她的回答很妙:“愧煞你是一个读书人,还做了官,‘水涨船高’你都不晓得吗?”

你懂得“水涨船高”吗?船的位置的高低,是随着水的涨落变的。用数学上的话来说,船的位置就是水的涨落的函数。说女子是男子的函数,也就是同样的理由。在家从父,出嫁从夫,夫死从子,这已经有点儿像函数的样子了。如果还嫌粗略,我们不妨再精细一点儿说。女子一生下来,父亲是知识阶级,或官僚政客,她就是千金小姐;若父亲是挑粪、担水的,她就是丫头。这个地位一直到了她嫁人以后才会发生改变。这时,改变也很大:嫁的是大官僚,她便是夫人;嫁的是小官僚,她便是太太;嫁的是教书匠,她便是师母;嫁的是生意人,她便是老板娘;嫁的是 x ,她就是 y y 总是随着 x 变的,自己无法做主。这种情形和“水涨船高”真是一样,所以我说,女子是男子的函数, y x 的函数。

函数的概念比较抽象,刘薰宇先生以旧社会妇女没地位,处处要服从男人这个事实作为从属关系的例子,把“一个变化另一个也跟着变”的道理说得幽默生动。相对于函数,微分、积分、导数以及微分方程更加抽象,但刘薰宇先生依然把它们讲得栩栩如生,通俗易懂。

《因数和因式》中,刘薰宇先生把小学的数和中学的式放在一起,可以类比学习,对于爱好数学的学生、学有余力的学生、在六年级着手初小衔接的学生,可以仔细读一读,品一品,你会发现二者之间有着紧密的联系。书中有一些名词在今天读起来更觉得生动:比如我们现在称为分解质因数,本书中称为“析因数”,分解因式在本书中称为“析因式”。有关式的部分,刘薰宇先生在书中做了细致的阐述,对初中数学中数与式的巩固、拓展提升有很大的帮助。

三、刘薰宇著作对后世的影响

刘薰宇的论著在当时深受人们的喜爱,有些人正是因为读了他的论著才对数学感兴趣,不再觉得数学是枯燥、难懂的学科。

著名物理学家、诺贝尔奖得者杨振宁在对香港中学生的演讲中说:“早在中学时代,由于偶然的机会我对数学产生了兴趣,而且发现了自己的数学能力。20 世纪30年代,有一杂志名叫《中学生》。我想香港的一些图书馆一定还收藏有这份杂志。这份杂志非常好,面向中学生,办得认真,内容有趣。有一位刘薰宇先生,他是位数学家,写过许多通俗易懂和极其有趣的数学方面的文章。我记得,我读了他写的关于智力测验的文章,才知道排列和奇偶排列这些极为重要的数学概念。”

著名数学家、国家最高科学技术奖获得者谷超豪院士说:“我很早就对数学产生了兴趣,中学时期除了好好学习课本外,我还看了不少课外书。记得看了刘薰宇先生的《数学的园地》,其中有一段讲述了微积分思想,从什么是速度讲起。当时在学中学物理课,我自以为很懂得速度、加速度等概念,然而读了这本书之后才发现,原来速度概念要用到微积分才能精确了解,于是对数学愈发地感兴趣了。”

刘薰宇先生的这些作品与教科书不同,刘薰宇说“在嬉皮笑脸中来谈点严肃的数学法则”(刘薰宇《科学小品和我》),这样的写法很得著名艺术家丰子恺的称赞。

好友李异鸣先生从孔夫子旧书网购得刘薰宇先生的《马先生谈算学》《数学趣味》《数学的园地》《因数和因式》套书。2020 年春节,新冠肺炎疫情蔓延,待家防护,捧读大师这四本著作,仿佛和大师做了一番月余的长谈。“数学很难,数学很枯燥,数学很重要”,这是很多中小学生的内心独白。今天,我要向所有的中小学生推荐这套丛书,这套丛书能够让人感知数学知识可以是有趣的,也应该是有趣的,学习数学知识并不是苦差事。好书永远有生命力,刘薰宇先生的这套丛书就是好书,一代代人读,启迪智慧,开创未来。

北京市第八十中学 杨根深
2020年4月 QJLd9mO5JHYpJWcPZ7BeLtHBwwoC7/HYv9vbXyLZzrTewP/7iVHtH86dIj6R4JEl

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