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mc1-084 · MATHEMATICS EXTENSION

丢番图生平Diophantus's personal life

数学学习拓展 约 8 分钟阅读 中文English

内容概述

  • 数学故事
  • 数学史
  • 叙事

关于丢番图的生平仅知他活跃于亚历山大城;《希腊诗选》一则铭文题给出传奇细节:童年占一生 1/6,青年 1/12,单身汉 1/7 时间,结婚 5 年后得子,儿子比父早死 4 年、享年恰为父一半。设 x 为去世年龄,列方程解得 x=84。

中文正文

84° 丢番图生平

关于丢番图的生平,我们只确切地知道他曾活跃于亚历山大城。不过,《希腊诗选》(Greek Anthology)中的一个题,似乎能给我们一点儿细节。《希腊诗选》(或《帕拉廷诗选》(Palatine Anthology),大约是语法家梅特罗多勒斯(Metrodorus)在公元 500 年左右汇集的)[4]中有 46 个铭文形式的问题。有关丢番图的问题大意是这样说的:"丢番图的童年经过了生命的六分之一,青年经过了十二分之一,又做了七分之一的单身汉。结婚五年后生下一个儿子,儿子比父亲先死四年,年纪是他的一半。(问儿子死时丢番图多大年纪?)"

假如我们把"年纪是他的一半"理解为"年纪是他父亲享年的一半",那么,令 x 为丢番图去世时的年龄,我们很容易得到方程

x/6 + x/12 + x/7 + 5 + x/2 + 4 = x

结果是 x=84。于是,丢番图过了 14 年的童年,7 年的青春时光,12 年的单身汉,33 岁时结婚,5 年后,在他 38 岁时有了一个儿子,80 岁时,他 42 岁的儿子死了。假如我们把"年纪是他的一半"理解为"年纪正好是他父亲当时年纪的一半",结果就不同了,而且出现了分数年。根据这样的解释,丢番图是在 65⅓ 岁时死的,而儿子是 30⅔ 岁时死的。既然丢番图那么喜欢整数,我们还是让他的生命更长久些吧。

英文正文

84° Diophantus's personal life. Beyond the fact that Diophantus flourished at Alexandria, nothing certain is known about his life. There is, however, a problem in the Greek Anthology that purports to give us some details. The Greek, or Palatine, Anthology is a collection of forty-six number problems, in epigrammatic form, assembled about 500 A.D. by the grammarian Metrodorus. The problem concerning Diophantus appears as the following epitaphic summary: "Diophantus passed one sixth of his life in childhood, one twelfth in youth, and one seventh more as a bachelor. Five years after his marriage was born a son who died four years before his father, at half his father's age. [How old was Diophantus when he died?]"

If we interpret the phrase "at half his father's age" to mean "at half his father's final age," then, letting x denote Diophantus's age at death, we easily obtain the equation

x/6 + x/12 + x/7 + 5 + x/2 + 4 = x,

which gives x = 84. It then follows that Diophantus spent fourteen years in childhood, seven more in youth, and twelve more as a bachelor, thus marrying when he was thirty-three. Five years later, at the age of thirty-eight, he had a son who died at the age of forty-two when his father was eighty years old. If we should interpret the phrase "at half his father's age" to mean "when he was just half the age of his father," a different solution is obtained with the various episodes occurring at fractional years. Under this interpretation, Diophantus died when 65⅓ years old and his son when 30⅔ years old. Out of regard for Diophantus's love of integers, let us allow him and his son the longer spans of life.

相关题目

  • 题目:《希腊诗选》中关于丢番图年龄的铭文题:"童年占一生 1/6,青年 1/12,单身汉 1/7,婚后 5 年得子,子比父早死 4 年且享年恰为父一半。求丢番图去世年龄。"(即原书正文所引 epitaphic summary)
  • 提示:设丢番图去世年龄为 x,将各阶段时间用含 x 的代数式表示。
  • 解答或证明:列方程 x/6 + x/12 + x/7 + 5 + x/2 + 4 = x,解得 x = 84。

我们可以从故事中思考什么

  • 为什么同一句"at half his father's age"会有两种不同的理解?自然语言的歧义如何影响数学建模?
  • 如果把"half his father's age"理解为"当时父亲年龄的一半",为什么会出现分数解?这个解是否合理?
  • 《希腊诗选》为何用诗歌(epigram)的形式来包装数学问题?这反映了古希腊怎样的数学文化?

核心知识点讲解:丢番图问题(年龄方程)

选择理由

故事的核心就是一道以丢番图生平为背景的经典年龄问题,通过列一元一次方程求解,是"用代数解决实际问题"的绝佳范例。

概念介绍

丢番图问题(Diophantine problem)泛指一类求整数解(或有理数解)的代数方程问题;而此处特指以丢番图墓志铭为载体的一元一次方程应用题——将人生各阶段的时间占比转化为等量关系。

具体内容

设丢番图去世年龄为 x 岁:

| 阶段 | 占比 / 时间 | 代数表达式 | |------|------------|-----------| | 童年 | 1/6 | x/6 | | 青年 | 1/12 | x/12 | | 单身汉 | 1/7 | x/7 | | 结婚至生子 | 固定 5 年 | 5 | | 子先于父死 | 固定 4 年 | 4 | | 儿子寿命 | 父亲的 1/2 | x/2 |

各阶段之和等于总寿命 x:

\frac{x}{6} + \frac{x}{12} + \frac{x}{7} + 5 + \frac{x}{2} + 4 = x

通分(公分母 84):14x + 7x + 12x + 420 + 42x + 336 = 84x → 75x + 756 = 84x → x = 84

应用场景

年龄问题、分段计费问题、工程分配问题等一切涉及"部分之和等于整体"的实际应用。

与生活的联系

类似思路可用于规划自己的时间分配:如果把一天 24 小时类比为一生的 84 年,各项活动各占多少比例?能否列出一个"人生方程"?

主要思想方法与延伸讨论

主要思想方法

  • 数学建模:将文字叙述中的数量关系抽象为代数方程。
  • 分类讨论:对歧义短语给出不同解释,得到不同解并比较合理性。

延伸讨论

  • 若将"half his father's age"理解为动态比例(儿子始终是父亲当时年龄的一半),则需列更复杂的方程组,此时解为分数——这是否说明古人设计此题时已隐含"取整"偏好?
  • 丢番图《算术》(Arithmetic)中真正研究的"丢番图方程"(不定方程、整数解)与此处的一次方程有何本质区别?