九章格数学 PhiloMath · K2C 正文 · M 段

数论与游戏初步

M1-4(编目代号 M1-4)· 夏季段游戏与实践册 · 正文编写版 · 已完成 120/120 页 · 2026-09-15
初中 · 七年级120 页 = 8 章 × 15 页体例:概念+方法+例题+思想卡+格物札记+游戏游戏与实践册
封面插画数 论 与 游 戏 初 步
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〇体例说明(写给读者和家长)

体例

本书怎么读:一章十五页

全书按「章」前进,每章恰好十五页。理论章的节奏是:第 1–3 页概念(从身边事引进新概念,配定义框)、第 4–8 页方法(法则一条一条立起来)、第 9–12 页例题(例 1–例 4,带完整解答)、第 13 页思想卡(一页只说一个数学思想)、第 14–15 页格物札记(把《九章算术》的古智慧与现代数学接通)。游戏章的节奏是:导入→规则→试玩×3→策略×3→进阶×3→复盘→思想卡→对弈赛→任务。综合站的节奏是:导入→热身→挑战×5→讲评→进阶×2→创意工坊→复盘→思想卡→对弈赛→任务。

写法约定(TEX 标准):分数写成上下两层的 12;绝对值写成 |−3| = 3;未知数用字母 x,方程写作 3x + 5 = 20;不等号 > < ≥ ≤ ≠ 各就各位;平方根写作 √2,平方与立方用小肩数字 x2、a3;点坐标写作 (2, −1);函数写作 y = 2x − 1;圆周率 π ≈ 3.14。中括号写成 [ ],比例号 ∶。

一全册目录(八章 · 每章 15 页)

  1. p.1–15第 1 章 素数与整除游戏章
  2. p.16–30第 2 章 独立钻石棋与不变量游戏章
  3. p.31–45第 3 章 概率初感游戏章
  4. p.46–60第 4 章 面积剪拼游戏章
  5. p.61–75第 5 章 近似与估计游戏章
  6. p.76–90第 6 章 七桥问题与图论初感游戏章
  7. p.91–105第 7 章 折纸几何游戏章
  8. p.106–120第 8 章 综合站:夏日研究综合站
第 1 章 · CHAPTER 1

素数与整除

p.1–15 · 游戏章 · 导入 1 · 规则 1 · 试玩 3 · 策略 3 · 进阶 3 · 复盘 1 · 思想卡 1 · 对弈赛 1 · 任务 1

p.1导入

数的原子:素数

化学里万物由一百多种元素搭成;数学里,「数的元素」是素数:2=2,6=2×3,360=23×32×5——每个大于 1 的整数,都能唯一地分解成一串素数的乘积(算术基本定理)。素数是乘法世界的原子。

本章玩转这些原子:埃氏筛「筛」出素数、试除法判素、短除法分解、再顺手认识完全数与哥德巴赫猜想。游戏精神贯穿:先动手,再讲理。

工坊配套:图形馆「素数筛工坊」让您亲手点格筛数,看素数如何在 100 格内现形。

p.2规则

整除·因数·倍数复习

整除:a÷b 无余数(b≠0),记 b|a。因数与倍数:6=2×3,2 与 3 是 6 的因数,6 是它们的倍数。

常用整除判据:2|尾数偶;5|尾数 0/5;3|各位数字和被 3 整除(9 同理);4|末两位;8|末三位;11|奇偶位数字和之差。

「3|数字和」的道理:10≡1(mod 3),所以 10 的任何次幂除以 3 都余 1——数字和「替」原数挨了同样的余数。八年级会正式给出这个论证。

p.3试玩

素数筛:埃氏筛操作

埃拉托斯特尼筛法(公元前 3 世纪):把 2~100 排成方格——①2 保留,划掉 2 的所有倍数;②下一个没划的是 3,保留,划掉 3 的倍数;③下一个 5……直到 √100=10。

动手做(工坊「素数筛工坊」或纸笔):最后幸存 25 个素数:2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37, 41, 43, 47, 53, 59, 61, 67, 71, 73, 79, 83, 89, 97。

为什么筛到 √100=10 就够?若 n 有大于 √n 的因数 p,则 n÷p 是小于 √n 的因数——大因数总拖着一个更小的同伴。试除只需试到平方根,下一页证明它。

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课文里的埃氏筛在这里看得见:数阵从 2 排起,每一步先圈出质数、再划去它的倍数,范围可以从 10 一直选到 200;还能自己动手筛,划错了会闪红提醒。扫一扫或输入网址即玩,无需登录。

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p.4试玩

整除特征判定竞赛

抢答规则:亮出一个数,说出它被哪些数(2、3、4、5、8、9、11)整除,快而准者得分。

第一轮:4 320 第二轮:12 960 第三轮:987 654

参考:4 320=25×33×5(尾数 0 有 2 与 5;数字和 9 有 3 与 9;末两位 20 有 4;末三位 320 有 8)。12 960=26×34×5。987 654:偶有 2;数字和 39 有 3;奇位和 (4+6+8)−(5+7+9)=−3,非 11 倍数——只有 2 与 3。

竞赛的诀窍不是背判据,是组合使用:先 2 再 3 再 5,剩下的交给试除。

p.5试玩

分解质因数接力

接力规则:一个数从队首传到队尾,每人分解一步(提出一个素因数),最后验收。

10 000=2×5 000→2×2×2 500→……=24×54;1 001=7×143=7×11×13;65 536=216。

验收标准:末棒给出「素因数幂次表」,全组核对乘积复原。1 001=7×11×13 是出题人最爱——记住它,见到 1001 倍数秒拆。

分解的长跑冠军如 216,一步都偷不了——素因数是数的指纹,两条路分解,殊途同归(唯一性)。

p.6策略

判断素数:试除到平方根

定理:n>1,若 n 没有不超过 √n 的素因数,则 n 是素数。
证:反设 n=ab 且 a≤b,则 a2≤ab=n → a≤√n——a 是小于等于 √n 的因数,与假设矛盾。∎

应用:判断 211 是否素数?√211≈14.5,试除 2、3、5、7、11、13——均不整除 → 素数 ✓(第 47 个素数)。

「平方根截断」让试除工作量骤降:判 10 000 以内的数至多试 22 个素数——手算可行的秘诀。

p.7策略

最大公因数与最小公倍数

最大公因数 gcd(a,b):公有的最大素因数幂之积。最小公倍数 lcm(a,b):所有素因数取最高幂之积。恒等式:gcd×lcm=a×b。

例:12=22×3,18=2×32。gcd=2×3=6(取低幂),lcm=22×32=36(取高幂),6×36=216=12×18 ✓。

「取低幂/取高幂」两句话替代所有枚举——分解质因数是 gcd 与 lcm 的「母语」。

p.8策略

短除法与互素

短除法:用公有的素数连续去除,直到两数互素为止——左侧一列乘起来是 gcd,全部旁数(含最后的商)乘起来是 lcm。

互素:gcd=1。相邻两个自然数必互素(若有公因数 d>1,则 d 整除它们的差 1,不可能);1 与任何数互素。

例:求 36 与 48 的 gcd:短除 2→18,24;2→9,12;3→3,4——gcd=2×2×3=12;lcm=2×2×3×3×4=144。3 与 4 互素,分母互素正是分数加法要通分的根源。

p.9进阶

完全数与亲和数

完全数:等于自身全部真因数之和的数。6=1+2+3;28=1+2+4+7+14。第三个完全数 496、第四个 8 128——古希腊人只找到这四个,欧拉证明「偶完全数必呈 2p−1(2p−1) 形」;奇完全数至今一个未找到,存在与否是千年悬案。

亲和数:互为对方真因数之和的数对——220 与 284(220 的真因数和恰为 284,反之亦然)。中世纪骑士曾互赠 220 与 284 表示友谊。

数论的游戏票根:定义极简,深渊无穷——完全数、亲和数、梅森素数,一张票看三场戏。

p.10进阶

哥德巴赫猜想的故事

1742 年哥德巴赫致信欧拉:「任何大于 2 的偶数都能写成两个素数之和?」欧拉深信而不能证。三个世纪过去,计算机验证到 4×1018 无一例外,证明仍然缺席。

中国人两度逼近:陈景润证明「1+2」(每个大偶数=素数+不超过两个素数的积,1966 年);华罗庚学派系统发展了解析数论工具。猜想的现状是最好的科学教育:验证一万次不叫证明,而「尚无反例」本身就是重要信息。

下一个突破者可能正在读这页书——数学史上许多猜想,答案迟到百年,等到的人当年也是学生。

p.11进阶

素数定理一瞥

素数越往后越稀,但稀得多有规律?素数定理(1896 年证明):前 n 个数中素数个数 ≈ n÷ln n。100 以内 25 个素数,估计 100÷ln 100≈21.7——量级正确;一百万以内 78 498 个,估计 72 381——越来越准。

素数还是「无限多」的:欧几里得的反证两千年不老——设只有有限个素数 p1…pk,则 p1p2…pk+1 除以任何 pi 都余 1,它的大于 1 的因数必是新素数,矛盾。

素数是数轴上的「星星」:越远越疏,却永不熄灭——欧氏的证明是数学史上最美的十行字之一。

p.12复盘

数论工具箱清单

判素试除到 √n(只试素数)
筛法埃氏筛批量出素数表
分解短除法→素因数幂次表
gcd/lcm低幂取公、高幂取全;gcd×lcm=ab
判据2、3、4、5、8、9、11 七件套
怀疑精神验证≠证明;猜想要有反例意识

工具箱六格——本册后面各章(钻石棋不变量、七桥图论)都会回来借工具。

p.13思想卡

〔少广〕乘法的原子世界

p.13

〔少广〕乘法的原子世界

「少广」章问的是:广少了怎么补?数论问的是:数拆到底剩什么?答案同源——把复合物还原到不可再分的基本单元。素数对乘法,就是原子对物质。

而「唯一分解」是一条深刻的和平条约:无论您从哪条路分解 360,最后都拿到同一份清单 23×32×5。秩序藏在必然性里——这为高中的多项式因式分解、代数整数分解铺路(那时您会见到「分解不再唯一」的世界,更妙)。

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p.14对弈赛

素数抢答赛

赛制:①判素抢答——亮数判素(100~400 范围),对 2 分错扣 1 分;②分解竞速——分解 6 位合数,先交卷验分;③猜数局——主持人说「我是两个素数之和」,抢答所有可能拆法(多解全列才得分)。

压轴题:为什么 2 是唯一的偶素数?用一句话说服裁判。参考:任何其他偶数都有因数 2 与自身,必是合数。

p.15任务

记录 100 内素数并找孪生素数

任务:①独立完成 100 内埃氏筛(纸笔或工坊),与标准表核对;②圈出所有孪生素数对(相差 2 的素数对:3 与 5、5 与 7、11 与 13……共 8 对);③观察:孪生素数在 100 内的分布是均匀还是「扎堆」?写两句观察记录;④家人问答:背出 10 以内 4 个素数并解释 1 为什么不是素数。

孪生素数猜想(无穷多对?)至今未解——您圈的 8 对,是人类已知 25 万亿对的最初几步脚印。

第 2 章 · CHAPTER 2

独立钻石棋与不变量

p.16–30 · 游戏章 · 导入 1 · 规则 1 · 试玩 3 · 策略 3 · 进阶 3 · 复盘 1 · 思想卡 1 · 对弈赛 1 · 任务 1

p.16导入

一盘棋的三百年

18 世纪末的法国宫廷,消磨长夜的贵族道具是一只小木盘:32 孔 32 子,拔起一子开局,跳吃收兵。它就是独立钻石棋(Peg Solitaire)——规则一分钟学会,最优解三百年才被穷尽(1890 年起数学家接力,1989 年计算机宣告全部结局)。

本章不为「通关」,为一件更酷的事:用不变量证明某些开局注定无解——数学家的先手,是算出「不可能」。

工坊配套:图形馆内置我们自研的「独立钻石棋」组件——内置 BFS 求解器,每一步都可请「上帝视角」支招。

p.17规则

走子规则与目标

规则:棋盘孔位如十字格网。开局拔掉一子留空。走子:任一子沿横竖方向跳过紧邻的一子落到其后的空位,被跳过的子拿走。无子可跳即终局。目标:剩子越少越好;中心剩 1 子(或指定位置剩 1 子)为满分结局。

关键约束:只能横竖跳、必须跳过子、落点必须空——每走一步总数减 1(跳走的子被收走)。32 子走 31 步到剩 1 子。

棋盘上没有「移动」,只有「跳吃」——像跳棋与围棋私定终身的产物。

p.18试玩

十字盘入门

最小实验盘:十字形 6 孔(上 1、中 3、下 1?改用「十字 5 孔+两翼」)。推荐入门盘:3×4 盘(12 孔 11 子,角空)——用工坊内置盘或纸笔画孔、纽扣当子。

入门目标:剩 2 子。别小看它:3×4 角空盘必有解(可剩 1),但中行空位全部无解——为什么?本章第 6 页的不变量给出判决。先玩:随意跳十步,感受「一步被动步步被动」。

建议节奏:第一盘自由发挥;第二盘每走前先数「还剩几子」——规划意识的萌芽。

p.19试玩

英式盘体验

标准英式盘:33 孔 32 子,中心空开局,目标中心剩 1——传说为一贵族囚徒在巴士底狱所创。工坊内置此盘。

体验要点:①开局别拔相邻于中心的子(经验:拔中点对称位置的子);②中盘警惕「孤子」——落单的子四周无伴,基本宣告出局;③残盘 6 子以内是「精算阶段」,一步之差天壤之别。

18 步经典解(伯松复原型)是世界公认的「最少步」中心解——在工坊里重放它,像看一场棋谱演出。

p.20试玩

阶段目标挑战

三级挑战(工坊计分):①剩 5 子以内(3×4 或 4×4 边中空盘):感受「双跳链」——连续跳吃一条线;②剩 2 子(4×4 边中空):必须规划「留下谁陪谁」;③剩 1 子(3×4 角空盘):全部棋力上线,配合第 6 页不变量排除死路。

记分:达成即 2 分,步数少于「BFS 最短步数+3」再 +1 分。别迷信运气:这棋每盘都可完全推理。

p.21策略

不变量思想:位置类

位置类不变量:把棋盘格子染成若干色类,使任何一次合法跳吃中,「被跳子」与「落子」同类、「起跳子」与「被收子」同类——于是每类子数的奇偶性在跳吃中改变方式完全锁定。

英式盘经典染法(交叉染色三类,类似国际象棋着色的推广):可以证明——开局拔子后,若某类空位数为偶(奇),终局该类空位数必保持偶(奇)。中心剩 1 的目标要求「三类空位数的奇偶」满足特定组合;3×4 盘中行空的开局恰好违反这一组合 → 注定无解。

不变量的威力:还没走一步,结局已判——「奇偶守恒」是棋盘上的宪法。

p.22策略

着法分析:连跳

棋感升级三条:①链式跳:同一直线上「跳—落—再跳」一口气可行,规划时把直线当成「传送带」;②孤子预警:每走一步扫一眼「周围无子的子」,优先处理或利用;③向心原则:残局目标在中心时,中盘尽量把「势」往中心推。

验证练习:在工坊 3×4 角空盘,刻意制造一次「一子连跳两步」——感受传送带效应。

p.23策略

经典 18 步解欣赏

中心解 18 步的骨架(英式盘,记号:方向+跳次):开局拔中心 → 五条「半十字」链依次跳吃 → 中盘搭「双臂桥」→ 残盘两跳归心。工坊内置 BFS 求解器可逐步重放。

欣赏任务:①观察 18 步解中「子最少跳过几次同一格」(答案:0——每格至多经过一次,且每条直线至多用一次);②数一数解中「向心跳」与「离心跳」的比例(约 5∶1)——向心原则的定量佐证。

看高手谱像看书法:每一跳都「省」——省步数、省孤子、省对称。

p.24进阶

变形盘面探索

换盘再战(工坊可选):①4×5 盘:多数空位可解,个别空位不可解——先猜后验;②三角盘:斜向跳吃的六边形棋盘(另一种商业版本);③残局定制:摆出「剩 3 子且都相邻」的终局图,反推可行吗?

探索守则:先用不变量筛(奇偶检查),再上棋盘验证——两道工序一个都不能省。

p.25进阶

用不变量判断无解

实战判决书(写清三步才算合格):①染色方案(怎么分类);②奇偶追踪(开局各类空位数的奇偶);③目标比对(终局要求的奇偶组合)→ 判决。

判决示范(3×4 盘中行空):交叉染色后,中行两空位同类;该类空位开局为偶,而「剩 1 子且在指定位」要求该类空位为奇——矛盾,无解成立。角空开局则三类奇偶全兼容 → 可解。

「判定不可能」与「找出解法」同样光荣——数学的双重荣耀。

p.26进阶

线上工坊对局

终极操练:工坊「独立钻石棋馆」三连任务——①3×4 角空盘不求助打剩 1 子;②同盘开启 BFS 提示,对比自己的路线与最短路差几步;③4×4 边中空盘打剩 1 子(可解已验证),记录您的步数与 BFS 最短步数。

AI 求解器是「事后诸葛亮」式老师:它不抢您的乐趣,只在您走完后告诉您「其实还有更短的」。

p.27复盘

不变量方法总结

总结卡四问:①这个棋的「守恒量」是什么(各类子数的奇偶)?②它能排除哪些开局(奇偶不兼容者)?③它不能告诉我们什么(不能给具体走法)?④同款思想还见过哪里(幻方中心必 5、点格棋奇偶定胜负)?

不变量家族的族训:变化万千处,先找不变的东西——找到它,混沌立判。

p.28思想卡

有些局注定无解:不变量的判词

p.13

有些局注定无解:不变量的判词

「试了一万次都不行」不等于「无解」;数学的无解判决书只需要一页:指出某个守恒量在开局与终局不兼容。这就是不变量方法——从「实践穷举」升维到「逻辑裁决」。

它的领土大得惊人:钻石棋无解局、15 滑块「十四-十五交换」无解、七桥问题不可一笔画、角谷猜想的进程……凡有「合法操作」处,皆有不变量站岗。学会先找不变量,是博弈者最便宜的超能力。

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p.29对弈赛

步数挑战赛

赛制:①资格赛:3×4 角空盘 5 分钟内剩 1 子,晋级;②排位赛:4×4 边中空盘剩 1 子,按步数排名(BFS 最短为基准,差 0 步满分);③盲棋表演:裁判逐步报「第几步跳哪个方向」,选手口述局面——连续答对 5 步者获「上帝视角」徽章。

赛制的隐藏彩蛋:排位赛冠军获得「为下一届设计开局题」的权利——最刁钻的开局,出自最懂棋的人。

p.30任务

向家人演示一盘并讲解

任务:①教家人规则(30 秒版+演示一跳);②陪打一局,故意留一个「让家人跳吃」的机会;③用「位置类」讲清为什么 3×4 中行空无解(讲不清就再学一遍第 6 页);④收集家人的一句评语写进任务卡。

检验标准:家人能独立走出第二次跳吃,即教学成功。教会一局棋,胜过自通十盘棋。

第 3 章 · CHAPTER 3

概率初感

p.31–45 · 游戏章 · 导入 1 · 规则 1 · 试玩 3 · 策略 3 · 进阶 3 · 复盘 1 · 思想卡 1 · 对弈赛 1 · 任务 1

p.31导入

抛硬币公平吗

足球开赛前掷硬币决定场地——正面朝上算「公平」吗?直觉说五五开。但硬币真的「公正」吗?斯坦福研究者曾用高速摄影发现:硬币落地时更倾向保持起跳时的那一面(约 51%)——「公平」也是一种可以被测量、被质疑的东西。

本章初识概率:随机不是「没有规律」,而是「规律以频率的方式显形」。掷骰子、摸彩球、玩竞猜,我们边玩边算。

工坊配套:图形馆「概率实验台」可以一键掷骰千次,看频率如何慢慢稳住。

p.32规则

随机事件与可能性

确定性事件:必然发生(概率 1)或必然不发生(概率 0)。随机事件:可能发生也可能不发生,概率在 0 与 1 之间。概率:刻画事件发生可能性大小的数。

三句话立规矩:①任何事件概率 P 满足 0 ≤ P ≤ 1;②所有等可能结果中,事件 P = 该事件包含的结果数 ÷ 结果总数;③「越接近 1 越常发生,越接近 0 越罕见」。

概率是「可能性的度量」——像用温度计量冷热,我们用 0 到 1 的数「量」可能。

p.33试玩

抛硬币实验与频率

实验设计:全班每组掷硬币 50 次,记录正面频率,汇成全班 450 次大样本。

预期结果:各组频率五花八门(0.38~0.64 都可能),样本越大频率越稳——全班汇总通常落在 0.45~0.55。这就是频率的稳定性:单次随机,大数有序。

蒲丰与穆林的掷币实验、计算机的百万次模拟——都在说同一句话:偶然之中有必然,必然藏在大数里。

p.34试玩

掷骰子事件枚举

骰子六面等可能。求事件概率三步:①列出全部结果(掷一枚 6 个);②识别目标事件包含几个;③相除。

「掷出偶数」P=3/6=1/2;「掷出 ≥5」P=2/6=1/3;「掷出 7」P=0;「掷出 ≤6」P=1。

两枚骰子升级:结果共 36 个(有序数对),「点数和为 7」P=6/36=1/6——和为 7 是骰子界的顶流(6 种组合,比任何别的和都多)。

p.35试玩

摸球实验设计

不透明袋:红球 3、白球 2、蓝球 1(同色无差别)。设计三个实验并预测:①摸一球,P(红)=3/6=1/2;②不放回连摸两球,P(两红)=? 枚举:第一红 3/6,剩 2 红 5 中再取 2/5 → 3/6×2/5=1/5(用「分步相乘」直觉版);③放回摸两次,P(至少一红)=1−P(全白)=1−(2/6)2=8/9。

「反过来算」是概率的巧门:「至少一个」的对立面是「一个也没有」——补集往往好算得多。

p.36策略

等可能性判定

等可能:每个基本结果「地位平等」。判定前先问:我列的「结果」是基本结果吗?拆到不能再拆才算数。

经典陷阱:「两枚硬币:一正一反的概率是 1/3?」——错!基本结果是(正正)(正反)(反正)(反反)四个,「一正一反」占两个 → P=1/2。「正反」与「反正」是两种不同的世界,合并它们就低估了概率。

「先拆基本结果,再数」——顺序错了,全盘皆错。

p.37策略

列表与树状图数样本点

多步实验的两大计数工具:列表法(两步实验画方格表,如两枚骰子 6×6);树状图(分支逐层展开,摸球不放回特别直观——第一层分支后第二层「少一个球」)。

示范:两枚骰子和为 8 的组合:列表对角线一扫:(2,6)(3,5)(4,4)(5,3)(6,2) 共 5 个 → P=5/36。

工具选择口诀:「两步用表,多步用树,有序有序、无序去重」。

p.38策略

简单概率计算

加法(互斥事件):不可能同时发生的事件,P(A∪B)=P(A)+P(B)。乘法(独立事件):互不影响的事件,P(A∩B)=P(A)×P(B)。

例:掷骰子「偶数或 5」=P(偶)+P(5)=1/2+1/6=2/3(互斥);连掷两次「两次都是 6」=1/6×1/6=1/36(独立)。

「互斥用加、独立用乘」八字诀——用错场合(对相依事件乱乘)是概率题第一错因。

p.39进阶

游戏公平性分析

案例裁决:「掷两枚骰子,和为 7 您赢我,和为 2 或 12 我赢您」公平吗?——您赢 P=6/36,我赢 P=2/36:三倍不公平!但街头骗局常反着包装:「我让您先挑 7,我只留 2 和 12」——听起来让您占便宜,其实您赢三倍于我?不对——重算:您赢 6/36、我赢 2/36,您确实占优;骗局的真实版本是「您赢我赔 1 倍,我赢您赔 5 倍」——赔率藏猫腻。

判断公平永远算期望:频率 × 赔付,两边对账。概率的第一社会用途:识破赔率话术。

p.40进阶

设计一个公平游戏

设计任务:用一枚骰子+一枚硬币设计双人游戏,要求双方获胜概率严格相等,并写出证明。示例骨架:骰子奇偶分两队,硬币定先手与「重掷权」……

验收标准:①等可能基本结果清单完整;②双方胜率算式各一条且相等;③同桌试玩 20 局验证(频率应接近 50%)。

「证明公平」+「实测公平」双重验收——理论派与实验派在游戏桌前握手。

p.41进阶

概率与生活决策

三个真实决策题:①「下雨概率 30%」要带伞吗?(若淋湿损失大,30% 也值得带——概率要乘上后果);②抽奖「中奖率 1%」买 100 张必中一张?(错——独立抽取不保证覆盖,P(全不中)≈0.366);③体检阳性就一定患病?(若病本身罕见,阳性大概率是「假阳性」——贝叶斯思想的预告)。

概率思维的四字要诀:看基率——别问概率是多少,先问「在什么人群里算」。

p.42复盘

频率与概率之辨

频率——实际做的:50 次里 23 次正面=0.46(会波动)
概率——理论算的:1/2=0.5(不波动)
关系——次数越多,频率越「认」概率
误用警报——「连开 5 把大,下一把该小了」(赌徒谬误:骰子没有记忆)

频率是概率的「影子」:影子越拉越长(样本越大),越像本人。但影子永远不是本人——单次事件只发生一次。

p.43思想卡

不确定中有确定:大数的秩序

p.13

不确定中有确定:大数的秩序

单次掷骰毫无规律,一万次掷骰却画出精确的频率曲线—— randomness 的深处是 law(大数定律)。保险、民意调查、核物理半衰期、遗传学孟德尔比例,全部靠这条「大数的秩序」吃饭。

更妙的是方向可以反过来:知道频率稳定,就能用随机数做确定的事——蒙特卡洛法用随机撒点算 π、算复杂面积。随机不是敌人,是工具。学会与不确定性合作,是现代人的数学必修课。

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p.44对弈赛

概率竞猜赛

赛制:①快算局:10 道基本概率题抢答(骰子、硬币、摸球);②裁判局:裁定三个「街头游戏」是否公平,并给出期望对账单;③实验局:各组用 30 次实验估一个未知比例(袋中球),全班比谁最接近真值。

实验局的教训年年相似:30 次太少——两小组可能差 20%。恰是体验「大数定律」最疼的一次。

p.45任务

统计一周天气并谈概率

任务:记录本地天气预报一周的「降水概率」与实际是否下雨,做对照表;计算「预报概率 ≥60% 的日子里,实际下雨的频率」;写 100 字短评:天气预报可信吗?它说的概率到底是什么意思(那一天会下雨的比例)?

加分思考:为什么天气概率不能靠「掷骰子」验证?(单日事件不可重复——它是「同类日子」的统计语言。)

第 4 章 · CHAPTER 4

面积剪拼

p.46–60 · 游戏章 · 导入 1 · 规则 1 · 试玩 3 · 策略 3 · 进阶 3 · 复盘 1 · 思想卡 1 · 对弈赛 1 · 任务 1

p.46导入

一块地换一块地:等积变换

《九章·方田》有云:田形歪七扭八不要紧,剪开重拼,面积不变。几何里最古老的魔法叫等积变换:形状改变、面积守恒。平行四边形「推」成矩形、三角形「补」成平行四边形——小学的面积公式,其实全是剪拼出来的。

本章把这门手艺练到进阶版:出入相补、割补求积、赵爽弦图。剪刀是几何学家的第一支笔。

工坊配套:图形馆「剪拼车间」支持拖拽切割与旋转拼接,实时显示面积对账。

p.47规则

剪拼规则与等积原理

剪拼规则:把图形沿直线剪成若干块,允许平移与旋转(不许翻面亦可,看规则约定),重新拼成另一个图形。等积原理:剪拼不改变总面积——新图形面积=原图形面积。

两条纪律:①块与块不重叠、不遗漏(对账第一原则);②剪的刀数尽量少——「三剪拼定理」保证:两个等面积多边形,总可经有限次剪拼互化(华莱士-博斯科里定理,剪数有上界)。

p.48试玩

正方形剪拼长方形

任务:把边长 4 的正方形(面积 16)剪拼成 2×8 的长方形。直觉失败?正确操作:沿两中线剪成 4 个 2×2 小方块,2×2 排两行——1×4 排布即 2×8 ✓。

进阶任务:边长 5 的正方形 → 长方形 3×8?面积 25≠24,差 1——不可能!但著名的「64=65 之谜」骗局(8×8 切四块拼 5×13)正是利用斜边不严格贴合的缝隙骗过眼睛。眼见不为实,面积要算账。

p.49试玩

平行四边形面积推导重现

小学公式「底×高」的推导重现:沿一条高剪下直角三角形,平移到另一侧——平行四边形变矩形。这一剪是所有面积公式的祖先:

平行四边形 → 矩形(剪移) → 三角形 → 平行四边形(倍拼) → 梯形 → 平行四边形(双倍拼)

本章作业:闭卷重演这条「推导链」,每步剪法画图说明——把公式从「背的」变成「剪的」。

p.50试玩

三角形剪拼

任务:把三角形剪两刀拼成矩形。思路:取两边中点连线(中位线)剪一刀,把顶上小三角旋转 180° 拼到旁边——平行四边形出现;再补一刀变矩形。锐角、直角、钝角三角形各试一次(钝角的最考验刀位)。

对账:矩形面积=12底×高——三角形面积公式的剪拼证明完成。

中位线是「面积搬运工」:它把顶角无损快递到底边两侧。

p.51策略

出入相补原理

出入相补(刘徽):一个平面图形从一处移置他处,面积不变;分割移置后各部分面积之和不变。它是全部「以盈补虚」技术的理论总纲。

应用示范:梯形面积的「刘徽拼法」——两个全等梯形一正一倒拼成平行四边形(底=上底+下底),面积公式水落石出。

「出入相补」四字是中国几何的定海神针:从方田到勾股,从刘徽到高中立体几何,它一以贯之。

p.52策略

割补法求组合面积

组合图形(多边形拼盘)求面积三板斧:①分割——切成基本图形分别算后求和;②补形——补成大图形再减去缺口;③等积变形——整体剪拼成易算形状。

实战:求「L 形地块」面积——分割两矩形;「回字形」——大减小;「斜十字」——旋转 45° 补成正方形减四角。

选刀口诀:凸多边形先想分割,有缺口先想补形,歪斜过度先想变形。

p.53策略

面积法证题初步

面积不只用来「求」,还能用来「证」:同一个图形,两种算法,立等式即定理。

示范:等底等高的三角形面积相等——由此立刻得到「平行线间夹同底三角形等积」,进而可证:三角形中线把原三角形分成两个等积形(等底同高)。「等积变换」的证明用法:欲证两线段关系,转证两图形等积。

面积是一座桥:把「形的结论」翻译成「数的等式」——九年级相似、八年级勾股,全在桥上。

p.54进阶

赵爽弦图拼装

三国时赵爽注《周髀算经》,用四张「弦图」证明勾股定理:四个全等直角三角形围成大正方形,中间留一个小正方孔。

拼装对账:大正方形边长 c(斜边)面积 c2=四个三角形(4×ab2=2ab)+小孔((b−a)2)→ c2=2ab+b2−2ab+a2=a2+b2。勾股定理,一图证毕——2002 年北京国际数学家大会会徽即此图。

在工坊「剪拼车间」亲手拖出弦图:当您把第四块三角落位的那一瞬,会理解什么叫「证明的美」。

p.55进阶

多边形剪拼难题

挑战集:①正三角形剪两刀拼矩形;②任意平行四边形剪一刀拼矩形(刀必须垂直于底吗?讨论);③十字形剪四刀拼正方形;④终极:用「两次剪拼」把一个平行四边形变成另一个同底等高但角度不同的平行四边形。

难题公约:每题先面积对账(不可能的当场识破),再动手剪——「64=65」的教训常备不懈。

p.56进阶

自创剪拼挑战

出题任务:设计一个「剪拼谜题」给同伴:①自选两个等面积图形(如 3×4 矩形与某 L 形);②限定刀数(越少越难);③附完整剪法图与面积对账单;④测试同伴用时。

出题的隐藏功课:您必须先穷举自己的剪法,才能确信「最少刀数」——出题即研究。

p.57复盘

等积变换方法表

对账先算两边面积,不等直接判不可能
中位线三角形剪拼的第一刀
倍拼补一个全等形,化斜为直
出入相补移块不减面积的总纲
面积法两算一图,立式成证

方法表五格,前三格是「手艺」,后两格是「思想」——手艺养思想,思想领手艺。

p.58思想卡

〔勾股〕出入相补:刘徽的剪拼智慧

p.13

〔勾股〕出入相补:刘徽的剪拼智慧

西方证明勾股用相似与比例(欧几里得),中国证明勾股用剪拼(赵爽弦图、刘徽出入相补)——殊途同归,而剪拼的妙处是看得见:每一步都是实体操作,证明与实验合而为一。

「出入相补」的现代转世叫「剪切不变量」与「组合几何」;折纸几何公理、机器人手臂的平面运动学,都受益于「移块不减面积」的古老直觉。最朴素的原理,往往走得最远。

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p.59对弈赛

剪拼创意赛

赛制:①限时拼装:给定散块(全等直角三角形×4),限时拼出弦图、矩形、平行四边形各一;②最少刀赛:同一转化,评委按刀数排名;③鉴伪局:裁判出示「7×7=46? 拼图骗局」,先识破者得双倍分。

评分三看:面积对账清不清、刀口直不直、说明有没有「为什么可行」。

p.60任务

设计一幅剪拼贺卡

任务:做一张送给家人的「数学贺卡」:正面是一个用硬纸板做的可拆拼图案(如弦图、七巧变体),背面写三行说明——①两态面积为何相等(对账单);②最少几刀;③一句《九章》风的话(如「以盈补虚,其积不变」)。

附加挑战:贺卡的散块能否再拼出一个第三种图形?能的话,您已摸到「等价剖分」的门环。

第 5 章 · CHAPTER 5

近似与估计

p.61–75 · 游戏章 · 导入 1 · 规则 1 · 试玩 3 · 策略 3 · 进阶 3 · 复盘 1 · 思想卡 1 · 对弈赛 1 · 任务 1

p.61导入

精确到何时够用

买 3.7 kg 西瓜,电子秤显示 3.684 kg——您只关心 3.7。火箭入轨却要精确到小数点后好几位——差一点就是万里。「精确到何时够用」是数学与现实的第一个接口:近似不是偷懒,是工程智慧。

本章练就三样本领:按需取近似、科学记数法管大数、估算验结果。会估算的人,计算器骗不了他。

工坊配套:图形馆「估计靶场」先猜后验,误差即时计分。

p.62规则

精确度与有效数字

精确度:近似数四舍五入到哪一位,就精确到哪一位。有效数字:从左边第一个非零数字起,到精确到的数位止,所有数字。

例:3.14159 取两位小数=3.14(精确到百分位,3 个有效数字);0.00257 取两位有效数字=0.0026(前导零不算有效数字——它们只报「小数点在哪里」)。

有效数字是「信息的计量」:3.14 与 3.140 不同——后者承诺「百分位后是 0」,是更强的声明。

p.63试玩

四舍五入操作赛

接力规则:报一个数与目标精确度,轮流作答,错者出局。

①6.048(十分位)→6.0;②0.795(两位小数)→0.80(末尾 0 必须写!);③30 540(千位)→31 000;④1.995(两位小数)→2.00。

两个坑:①「6.0」的 0 不能丢——丢掉就变成精确到个位;②连进位:1.995→2.00,连续两次进位。答案的「0」是承诺,不是装饰。

p.64试玩

估算购物总价

情境:购物车里有 4 件——12.8 元、8.9 元、24.5 元、6.2 元。收银前先心算:大约多少?

估法一(凑整):13+9+25+6=53 元;估法二(上下夹):低估 12+8+24+6=50,高估 13+9+25+7=54 → 真实总价在 50~54 之间(实际 52.4)。

「上下夹」是估算的黄金结构:给出区间而非单点——区间比单点诚实。

p.65试玩

大数估计:一亿粒米

挑战:「一亿粒米有多重/多大?」——袁隆平院士给学生出的名题。估算流程:①数一小撮:1 克约 50 粒(数 3 撮取平均);②1 亿粒 ≈ 1×108÷50=2×106 克=2 吨——约一头大象!③体积:米堆密度约 0.85 t/m3 → 约 2.4 m3,能装满一个小卧室。

估算的仪式感:先「拍脑袋」(1 吨?100 斤?),再「搭桥」(取样→放大),最后「复盘」(桥搭得稳吗)。费米问题的魅力就在这三步。

p.66策略

科学记数法

科学记数法:a×10n(1 ≤ |a| < 10,n 为整数)。大数取正 n:3 500 000=3.5×106;小数取负 n(七年级下正式学):0.000 35=3.5×10−4。

定 n 的口诀:小数点搬家次数——向左搬 6 位到「3.5」→ n=6。科学记数法一眼报出「数量级」:地球质量 5.97×1024 kg,电子 9.1×10−31 kg——指数之差就是世界的尺度之差。

天文学与生物学共用这套语言:从 10−10 m 的原子到 1026 m 的可观测宇宙,科学记数法是「宇宙标尺」。

p.67策略

估算策略与误差意识

三大策略:①凑整(就近取整运算);②放大缩小(全部取大/取小,得上下界);③基准比对(与 1、10、100 等基准比较定位数量级)。误差意识两条:相对误差(误差÷真值)比绝对误差更能说明「差得多不多」;运算会放大误差(先近似再乘,误差也跟着乘)。

「先精确后近似」优于「先近似后精确」——乘除混合运算里,近似越晚做越好。

p.68策略

近似计算的取舍原则

四舍五入:常规场景。进一法:装车、坐船——缺一点都不行,宁多勿少(2.1 辆车 → 3 辆)。去尾法:裁布、做衣服——余料无用,宁少勿多(4.9 套 → 4 套)。

同一道题三种答案:「347 人乘车,每车 40 人,需几辆?」——40×8=320<347,进一法得 9 辆。「400 元买 45 元一支的笔」——45×8=360,去尾法得 8 支。「平均每人 2.4 个苹果」——四舍五入报 2.4。

选法口诀:现实允许「多」用进一,不允许「多」用去尾,纯报告用四舍五入。

p.69进阶

生活估算项目

项目制任务(三选一):①「全班一年用多少张纸」——取样(每人每天估 5 张)→ 放大 → 换算成「几棵树」(1 棵树约 50 000 张 A4);②「学校操场能站多少人」——人均占地 0.25 m2 估容量;③「家庭年用水量」——月单据估算并给出节水 10% 的量化方案。

项目评分三要素:取样方式、放大链条、结论的误差声明——「约 2.1 万张 ±20%」比「21 000」更专业。

p.70进阶

用估算检验合理性

计算器时代的核心技能:验算答案的数量级。三道「抓错」题:①18.4×25=460?(估:18×25=450,接近,可能对 ✓ 实际 460);②0.53=1.5?(0.5 乘自己两次越乘越小,应<0.5,错!应为 0.125);③(3.9+4.2)×10=800?(估 8×10=80,错一位!应为 81)。

「数量级哨兵」上岗:任何计算器结果,先用 1 秒钟估一个量级——算错不怕,错得离谱才可怕。

p.71进阶

近似与误差传播初步

提问:a≈10(±0.1),b≈20(±0.5),a×b 的误差多大?——上界 10.1×20.5≈207,下界 9.9×19.5≈193:真值在 193~207,约 ±3.5%。观察:a 的相对误差 1%、b 的 2.5%,乘积相对误差约 3.5%——乘法的相对误差近似相加。

误差传播一瞥:加减看绝对误差累积,乘除看相对误差相加——这条法则统治着一切测量科学。

p.72复盘

估算能力自评

自评五项(各 1~5 分):①数量级直觉(报一个数,5 秒说出它的「邻居」);②上下夹技术;③费米问题搭桥;④三种取舍法选型;⑤计算器结果哨兵。填一张「最弱项→本周强化动作」对照卡。

估算的成长的标志:看到一道算式,答案的「影子」先于精算出现。

p.73思想卡

〔方田〕古人的圆周率:逼近的艺术

p.13

〔方田〕古人的圆周率:逼近的艺术

「方田」章的圆田术用「周三径一」(π≈3);刘徽觉得太糙,用割圆术:圆内接正多边形边数翻倍,面积步步逼近圆——「割之弥细,所失弥少,割之又割,以至于不可割」;祖冲之算到 3.1415926<π<3.1415927,领先世界近千年。

这是一切「近似」的圣杯故事:无限过程给出有限答案。您今天学的四舍五入,与刘徽的割圆、牛顿的级数、计算机的浮点,是同一条思想长河的不同河段。

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p.74对弈赛

估算竞猜赛

赛制:①量级抢答:报出「银河系恒星数」「校园年耗电量」类问题的量级(对指数得分);②上下夹赛:给出最窄的上下界(区间越窄分越高,答错区间外倒扣);③费米擂台:现场抽「本市有多少辆出租车」类题,3 分钟搭桥陈述。

竞猜赛的评分哲学:宽而对的区间胜过窄而错的——诚实的不确定性是高级素养。

p.75任务

估一次家庭月开支并复核

任务:①不查账本,先估算家庭月开支(分类搭桥:食/住/行/学);②再向家长要实际数(或查记账 app);③算相对误差并写复盘:哪类估得准(为什么)?哪类偏差大(漏了什么)?④给家庭一条「数据化节流建议」。

您会发现「隐性开支」(订阅、充电、外卖满减)最容易被低估——看不见的,恰是估算最该照亮的地方。

第 6 章 · CHAPTER 6

七桥问题与图论初感

p.76–90 · 游戏章 · 导入 1 · 规则 1 · 试玩 3 · 策略 3 · 进阶 3 · 复盘 1 · 思想卡 1 · 对弈赛 1 · 任务 1

p.76导入

柯尼斯堡的七座桥

18 世纪的柯尼斯堡(今加里宁格勒),普雷格尔河穿城而过,河中两岛由七座桥连接。市民散步时争论一个问题:能否不重复地走过七座桥,回到出发点?无数人实地尝试,全部失败。

1736 年,欧拉接手这道「散步题」——他做的第一件事惊人:把陆地缩成点、把桥画成线。大小、距离、风景统统扔掉,只剩「连通关系」。这一扔,扔出了一门新数学:图论。答案是:不可能。

工坊配套:图形馆「一笔画试炼场」内置七桥图与各类网络,拖线试走,自动判定。

p.77规则

一笔画规则与图的语言

一笔画:笔不离纸、每条线恰好画一次。图的语言:点(顶点)+线(边)构成「图」;与某点相连的边数叫该点的度。度为奇数的点叫奇点,度为偶数叫偶点。

翻译七桥问题:四个陆地区域=4 个顶点,七座桥=7 条边,每个顶点的度=该区拥有的桥数——柯尼斯堡图:度数 5、3、3、3——四个全是奇点。

「抽象」不是变简单,是换战场:从河岸与桥的物理世界,换到点与边的逻辑世界。

p.78试玩

一笔画判定游戏

试炼集(先猜后画):①五角星(一笔画 ✓);②「日」字(✓?试试);③「田」字(✗——四个内角点度都是 4,中心点度 8?重画发现全偶点……实际「田」可一笔画吗?动手);④五顶点全连(K5,每点度 4,全偶点——✓)。

先记录「猜」与「画」的胜负表——您猜错的比例,就是直觉需要升级的证据。

p.79试玩

七桥问题抽象化

把七桥图画出来(4 点 7 边),手动尝试「不重复走遍每边」:无论从哪个顶点出发、怎样安排顺序,总是差一口气——不是漏一座桥,就是被迫重复走。

记录至少 5 种失败路线后回答:失败是「路线没设计好」,还是「根本不可能」?——下一页的奇点计数实验给出裁决。

p.80试玩

奇点计数实验

统计任务:对试炼集的每个图,数出奇点个数,与「能否一笔画」并列成表:

五角星:奇点 0 个——✓;「日」字:奇点 2 个——✓;七桥图:奇点 4 个——✗;正八边形加两条对角线?——自己数。

规律呼之欲出:奇点越少越容易,四个奇点立刻失败。数据表先立,定理随后——数学发现的经典节奏。

p.81策略

欧拉判据:奇点个数

欧拉判据(连通图):①奇点个数为 0 → 能一笔画且回到起点(欧拉回路);②奇点恰为 2 → 能一笔画,起点与终点是那两个奇点(欧拉路径);③奇点 ≥4 → 不能一笔画。

七桥图 4 个奇点 → 不可能。1736 年欧拉的判定,把市民们几百年的失败一次说尽:不是没找到路,是路不存在。

判据为什么对?每次「经过」一个顶点用掉两条边(一进一出),所以中途顶点必须偶度——奇点只能当起点或终点,最多两个。

p.82策略

构造一笔画路径

判据给出「能不能」,构造给出「怎么走」:①找奇点(0 或 2 个);②从奇点出发(若存在);③贪心走「度数递减」的路线,最后留边回访。口诀:「先走岔路多的人」——度数高的顶点先消耗。

练习:「日」字图从哪个点起笔?(两个奇点之一。)走完全程后检查:8 条边一次不落。

p.83策略

图论建模初体验

建模三步(欧拉手法复刻):①识别要素:什么是点、什么是边?②丢弃无关信息:长度、形状、方向(本题);③在新世界求解,再把答案翻译回去。

练习建模:①「六人握手问题」——人=点,握手=边;②「航班网络」——城市=点,直飞航线=边(求「中转最多一次可达」=两步连通);③「班级朋友圈」——谁与谁互加好友?

建模的关键一问:这个问题里,什么信息是「桥」,什么信息只是「风景」?

p.84进阶

中国邮路一瞥

邮递员问题升级版:允许重复,但重复走的路最短。妙处:若图无奇点,零重复即可;有奇点则需「添重复边」把奇点配对消奇——添哪些边总长最小?

中国数学家管梅谷 1962 年提出并系统研究,国际上称中国邮路问题——环卫路线、洒水车、巡检机器人都在解它。

从「能不能走一遍」到「重复也走得最省」——问题升级一层,数学深一层。

p.85进阶

迷宫最短路

图论第二课:最短路径。给迷宫图各边标上长度,求两点最短路——广度优先搜索(BFS)逐层扩散:先访「一步可达」,再「两步可达」……第一次到达终点时的层数即最短步数。

工坊「一笔画试炼场」的迷宫关卡内置 BFS——您走一遍,机器走一遍,比比谁短。

导航软件每天为您跑亿万次 BFS 与它的改良版(Dijkstra、A*)——您口袋里装着欧拉的直系后代。

p.86进阶

社交网络与图

把班级社交网画成图:人=点,互加好友=边。可算的概念立刻涌现:①度=好友数(谁是人脉王);②连通=能否经好友链到达(六度分隔的班级版);③「桥」=拆掉后网络断开的边——信息传播的关键通道。

调查小项目:匿名问卷「您与哪些同学互为好友」,全班建图后统计:最大度、平均度、图是否连通、有几座「桥」。

社交平台的好友推荐、谣言传播控制、疫情流调——全是同一张「图」上的不同算法。

p.87复盘

从具体到抽象的跨越

本章的心路复盘:①起点是「散步难题」(具体、杂乱);②欧拉的刀是「抽象」(点边图);③判据是「不变量」(奇点个数);④胜利是「一次性解决所有同类题」。四步复刻一遍——这四步是所有数学建模的通用弧线,与上一章建模四步循环遥相呼应。

自问一句:如果让您向一年级小朋友讲「为什么七桥走不通」,您会用哪 30 秒?——讲得出,才算真懂。

p.88思想卡

欧拉的胜利:抽象让问题变简单

p.13

欧拉的胜利:抽象让问题变简单

七桥难题困住市民两百年,欧拉一页纸解决——他的武器不是更聪明的试走,而是一次彻底的抽象:扔掉桥的宽度、岛的花草、河的流速,只留「谁与谁相连」。

抽象常被误解为「变难」,欧拉的故事说反了:抽象让问题变简单——因为一旦进入「图」的世界,您面对的不再是七座具体的桥,而是「所有由点与边组成的问题」。一次抽象,万题归宗。这正是数学最深的温柔。

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p.89对弈赛

一笔画竞速赛

赛制:①判定轮:10 张图限时判定「能否一笔画+几个奇点」,判对得分;②走线轮:可一笔画的图现场走线,30 秒内完成;③改造轮:给七桥图「加一座桥」或「拆一座桥」,使它恰好可一笔画——写出方案并指认新起点终点。

改造轮彩蛋:加 1 座桥(连两奇点)→ 奇点从 4 变 2,可一笔画!——「改一座桥,救活一座城」。

p.90任务

给小区画路网图并判定

任务:①画出您家小区(或熟悉街区)的路网抽象图(路口=点,路=边);②数每个点的度,统计奇点;③判定:环卫车能否「不重复扫过每条路」?若不能,设计一座「虚拟桥」(在图上加一条边)使它可行,并解释现实意义(哪里需要重复扫);④写下 150 字「小区路网图论报告」。

这个任务的真实版:环卫部门每天在给全城做同样的计算——您的报告,是一份微型的市政算法。

第 7 章 · CHAPTER 7

折纸几何

p.91–105 · 游戏章 · 导入 1 · 规则 1 · 试玩 3 · 策略 3 · 进阶 3 · 复盘 1 · 思想卡 1 · 对弈赛 1 · 任务 1

p.91导入

一张纸的几何学

不用尺规、只用「折」,能做出哪些几何对象?——折出 45°、30°、60°;折出垂直平分线、角平分线;甚至折出正五边形与黄金矩形。一张正方形纸,就是一间随身携带的几何实验室。

折纸的每条折痕都是一次精确的数学操作——日本数学家把「折纸公理」正式化后,人们惊讶地发现:折纸能解决尺规做不到的问题(如三等分任意角)。本章折而思、思而折。

工坊配套:图形馆「折纸镜像馆」的翻折实验与本册操作一一对应。

p.92规则

折纸公理初步

折纸公理(藤田-羽鸟体系节选):O1 过给定两点可折一条线;O2 给定两点可折线使两点重合(即中垂线);O3 给定两线可折线使两线重合(角平分线);O4 过一点垂直于已知线可折;O5 同时把一点对到一条已知线上、折痕过另一定点。

对照尺规公理:尺规能做的折纸几乎都能做;而 O6(点线同时重合的三次操作)超越尺规——这是 20 世纪折纸数学最漂亮的发现。

p.93试玩

折出角平分线与垂直

操作一(垂直):把纸的上下边重合对折——折痕垂直于两边。理由:对折使两边重合,折痕上任意点到两边等距,即垂直平分线。

操作二(角平分线):把角的两条边重合对折——折痕平分该角。理由:折痕是对称轴,两半完全重合。

操作三(30°):对折出中线后再把一个 60° 角(正方形对角折出)向中线折靠——组合出 30°。每一步都是公理 O2 或 O3 的实体化。

p.94试玩

折正五边形

任务:用 A4 纸(长宽比约 √2)折出正五边形。简化路线(打结法):拿一条长纸带打一个「松」的平结,轻轻拉紧压平——出现的五边形理论上正(各边等长;角度略需修整,正因为纸带有厚度)。

追问:为什么打结出五边形?——结的自然张力把纸带折成最短闭合路径,五边形是「无滑移打结」的唯一产物。拓扑学在最日常的动作里埋了彩蛋。

p.95试玩

折黄金矩形

任务:从正方形纸折出黄金矩形(宽长比 1∶1+√52≈1∶1.618)。

折法:①正方形对折出中位线;②把左下角向中线折,使底边左端点落在中线上——折痕标记出 √5−12 处;③沿标记剪去一条,余下的矩形即为黄金矩形(约 1.618∶1,需用对角线核对)。工坊「镜像馆」有逐步引导版。

折痕即「无刻度的圆规」:黄金比藏在两次对折之间——上册黄金分割课的实体版。

p.96策略

折痕与对称轴

折纸的通用解码:每条折痕都是一次对称操作——折痕即对称轴,折痕两侧互为镜像。复杂作品=一串对称操作的叠加。

分析练习:拿一张成品折纸(纸鹤或飞机),沿折痕逐层展开,画出「折痕族谱」——您会发现所有折痕族分成两类:谷线(凹)与峰线(凸),且谷峰差恒为 ±2(前川定理:任何顶点处谷峰数之差为 2)——折纸自己的「欧拉判据」!

p.97策略

折纸与方程:三等分角的传说

尺规三等分任意角:两千年证明不可能(1837 年万采尔)。折纸呢?可以——阿部恒 1980 年给出三等分折纸法,靠的正是超越尺规的公理 O6(一线两点同时落两线)。

原理一瞥:O6 等价于解一个三次方程;尺规只能解二次方程的世界(平方根运算),折纸能解三次——工具的公理决定了能解什么方程。

「不可能」都是相对于工具而言的——换一套公理,不可能就变成可能。这句判词的分量,越往后读越重。

p.98策略

模块折纸与多面体

模块折纸(组合折纸):折多个相同单元(如「花球单元」),不胶不钉,靠插槽咬合成多面体。

数学看点:单元咬合的角度=多面体的二面角。入门建议从 6 单元的立方体花球开始,进阶可挑战 12 单元、20 单元的正多面体系列,感受「顶点处面角之和必须小于 360°」的约束——这就是为什么折纸球总有「棱」。

欧拉多面体公式(顶点−棱+面=2)在组合折纸中处处现身——八年级立体章节的甜蜜预告。

p.99进阶

折纸大师作品欣赏

欣赏三个「数学折纸」里程碑:①神谷哲史「龙神」——一张纸数千折,鳞爪俱全(复杂度极限);②三浦折叠——太阳能帆板的折法(几何对称+刚性折展,装上卫星上了天);③兰氏「圆河定理」——任何单顶点折痕图都可用圆与河填充——折纸设计从经验变成算法(TreeMaker 软件能按您画的「 Stick 图」自动生成折痕图)。

折纸工程师罗伯特朗的名言:「折纸是数学的体操,也是数学的户口。」——它现在是隐藏几何学、航天工程的正式公民。

p.100进阶

折纸与数学定理

用折痕「证明」三个定理:①三角形内角和 180°:把三个角向底边折靠——恰好拼平;②梯形中位线定理:折出两腰中点连线,与上下底重合对比;③勾股特例:等腰直角三角形沿斜边高折两次,两个小三角形与原三角形面积对账。

折痕证法是「出入相补」的手工版——上一章的剪拼思想,这一章换了双手执行。

p.101进阶

设计一个折纸作品

设计任务:①选择目标对象(船、盒、星形均可);②画出「折痕展开图」(CP 图)草稿——至少含 4 条谷线与 2 条峰线,标注谷峰差 =2;③实际折叠验证,记录「设计—失败—修改」的迭代过程;④给作品起名并写一句「数学注脚」。

设计者共识:第一版必败。折纸与建模一样,迭代才是常态——失败记录是作品的一部分。

p.102复盘

折纸几何方法册

对折=垂直平分线(O2)
叠边=角平分线(O3)
折靠点线=黄金分割的关键动作(O5)
谷峰差 2=可折叠性的内部审计
折痕族谱=读懂任何作品的地图

方法册五格装订成册,与「数论工具箱」「等积变换方法表」并排——您的「个人数学工具墙」又添一员。

p.103思想卡

折纸是看得见的证明

p.13

折纸是看得见的证明

「对折使两边重合」——这一个动作同时完成了构造与证明:垂直平分线不是「画的」,是被对称性「逼出来」的。折纸证明的说服力来自身体:您亲手执行了对称,也亲眼看它必然成立。

数学史上,构造与证明时常分家;折纸让它们团圆。看得见的证明,是数学与工艺共同的孩子——而它的出生证明上写着:对称,是他真正的父亲。

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p.104对弈赛

折纸作品赛

赛制:①标准局:限时折出角平分线、垂直、黄金矩形三件套,评委用重合度验收;②创意局:自选作品参赛,评分=数学含量(谷峰结构、对称轴数)+完成度+注脚质量;③挑战局:观众出「折出 15° 角」类任务,选手现场设计折法。

挑战局参考:45°(对角折)三等分?——不精确!15°=45°−30°,先折 30° 再差分——角的四则运算用折痕执行。

p.105任务

教家人折一件作品

任务:①选一件作品(建议「纸盒」——实用且含中位线思想);②把折法写成 6 步以内图文说明(每步标注用到的公理编号);③教学并记录:家人卡在哪一步?您如何调整语言?④让家人给作品打 1~5 星,附一句评价。

教学复盘金句:折纸教学最难的不是「折」,是「说清哪条边对哪条边」——精确的语言,是精确的手的影子。

第 8 章 · CHAPTER 8

综合站:夏日研究

p.106–120 · 综合站 · 导入 1 · 热身 1 · 挑战 5 · 讲评 1 · 进阶 2 · 创意工坊 1 · 复盘 1 · 思想卡 1 · 对弈赛 1 · 任务 1

p.106导入

夏日研究站开幕

学年终章不是考试,是一次微型研究:从本册六个领域(素数、钻石棋、概率、剪拼、估算、图论)任选其一,走完「开题—试做—修正—发布」的完整研究闭环。综合站五关热身,两轮进阶做研究,创意工坊出展板,最后发布会见。

研究站纪律:真实比完美重要——失败的数据与走通的路线,同样是研究成果。

p.107热身

素数快速判定

热身关卡:30 秒内判定三个数(如 173、221、289)是否素数,写出试除清单。√173≈13.2→试 2,3,5,7,11,13 全不通→素数 ✓;221=13×17(132=169<221,恰好抓到);289=172。

221 与 289 的教训:只背「质数表」会翻车,试除到平方根才是可靠的仪器。

p.108挑战

①钻石棋步数挑战

关卡:3×4 角空盘限时 5 分钟打剩 1 子;随后工坊 BFS 复盘:您的步数比最短路多几步?分析「多出来的步」发生在棋局哪个阶段(开局铺路/中盘缠斗/残局收束)。

复盘金标准:把「多走的步」归因到具体一手棋——归因能力是棋力与研究力的公约数。

p.109挑战

②概率实验设计

关卡:设计一个 30 秒可完成的随机实验,使某事件的概率恰好为 14,写出理论证明与一次试做数据。

参考:掷一枚骰子与一枚硬币,「骰子 ≤3 且硬币正面」——独立事件相乘:1/2×1/2=1/4 ✓。注意组合设计时先写乘法式、再动手试——顺序反了就成赌博。

p.110挑战

③剪拼难题

关卡:把 1×5 矩形剪两刀拼成尽量接近正方形的图形;先用面积对账判断「正方形能否达成」(面积 5,正方形边 √5——刀口允许斜线则可能!参考:沿两条斜线剪出 √5 边长的组件重拼)。

本关的深意:整边图形之间「斜剪互化」是一个深坑——勾股数 (√5)2=5 暗示 1×5 矩形与 √5×√5 正方形的剖分等价,这是华莱士定理的美的实例。

p.111挑战

④一笔画地图

关卡:给出「校园平面图」抽象后的网络(8 个顶点 10 条边,奇点 2 个),求一条欧拉路径并指明起终点。

起终点即两奇点——判据先行,走线不过是一套执行。走错的同学:检查是否「中途消耗了起点」。

p.112挑战

⑤估算大挑战

关卡:费米三连,各 90 秒:①本校学生一年的饮水量;②一张 A4 纸对折 20 次的厚度;③教室里空气的质量。

参考骨架:①2 000 人×1.5 L/天×200 天≈6×105 L=600 m3;②0.1 mm×220≈0.1 mm×106=100 m(比大多数教学楼高!);③教室 8×7×3 m3≈170 m3×1.2 kg/m3≈200 kg——空气重达两百公斤,是个被低估的住户。

p.113讲评

方法亮点讲评

五关讲评聚焦「研究方法」而非答案:①钻石棋的归因复盘;②概率题的先写证明再试做(顺序反了就是赌博);③剪拼的对账先行;④一笔画的判据先于走线;⑤费米题的误差声明。五句话合成研究心法:先证后试、先账后刀、先判后走、先界后数、先归因后结论。

p.114进阶

微型研究开题

开题表四栏:①问题(具体到可动手,如「3×5 盘哪些空位开局可剩 1 子」而非「钻石棋研究」);②已有信息(本册相关章节+工坊工具);③方法与计划(实验?枚举?理论推导?时间表);④预期与风险(最可能卡在哪)。

选题池参考:孪生素数在 200 内的分布/3×5 钻石棋全空位普查/硬币立稳的概率/纸飞机翼展与滑行距离/校园路网的最短送信路线。

开题评审只问一句:「您的问题,今天下午能动手吗?」——能,就是好题。

p.115进阶

微型研究进行

执行与记录:①按计划动手,原始数据即时记(不许事后补);②每 20 分钟写一行「进展日志」(做了什么/发现什么/下一步);③遭遇计划外现象不要丢弃——标注「意外发现」,它们常是论文最亮的部分;④时间过半时强制自查:方法需要修改吗?

研究的第一戒律:记录先于记忆——数据的诚信从「当场记」开始。

p.116创意工坊

成果展板制作

展板四区:①问题与动机(为什么值得研究);②方法与数据(图表优先,原始数据附页);③结论(含适用边界:「在本次实验条件下……」);④致谢与遗留(帮过您的人+没解决的问题)。

美学规范(与本套书同源):深蓝底、金色标题、图表不溢出——数据的美感也是说服力的一部分。

p.117复盘

研究过程复盘

复盘三问:①计划与实际偏差最大的一步是什么?为什么?②如果重做,最先改进什么?③研究中「最惊喜的瞬间」是什么——它离您的预期多远?

科学史的一致经验:惊喜是研究的报酬——按计划得到的东西叫验证,计划外得到的东西才叫发现。

p.118思想卡

研究是把好奇变成答案

p.13

研究是把好奇变成答案

好奇人人都有——「为什么 221 恰好不是素数」「为什么硬币立不住」;研究者的区别只在下一步:把好奇翻译成可动手的问题,再用方法把答案「挤」出来。这一章您走完的闭环(开题→数据→结论→发布),与大学实验室、与九章格的工坊管线,是同一条流水线。

《九章算术》本身就是一部「研究成果汇编」:246 个来自真实世界的问题,246 套可复用的术。愿您记住它的精神——问题从生活来,方法向可复用去。

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p.119对弈赛

成果发布会

发布会流程:每组 5 分钟发布+3 分钟答辩。答辩评委团(全班互评)三问制:①您的数据支持结论吗?②换个场景还成立吗?③下一步研究什么?观众每人一张「金问句」选票,投给全场最锋利的提问。

奖项:最佳研究奖、最佳方法奖、金问句奖、最佳展板奖——四种奖对应研究的四种美德:求真、严谨、好奇、表达。

p.120任务

暑假完成一个小研究

任务:把本章的研究在暑假完成「加长版」:①时间跨度 2 周以上;②数据量至少是课上版本的 5 倍;③成果形式三选一(论文 800 字/视频 3 分钟/展板 1 张);④开学时向新学年同学做 5 分钟演讲。

出发前收好这张字条:「研究所需的一切,您都已具备——好奇、方法、以及记录本。剩下的交给暑假。」M1 学年毕业快乐,八年级的函数与几何世界见。