这是一所简陋的乡村学校。教室是一间有着木板墙和贴有瓷砖炉子的房间,黑板架在一个木架子上,黑板前面是一群表情各异的孩子,他们在兴致勃勃地思考写在黑板上的一道心算题,有的孩子还没有找到思路,有的孩子已经悄悄地把答案报给老师。老师穿着黑色西装、白色衬衣,还打着领结,他整齐干练的穿着和前景中一个孩子破烂的衣衫以及粗陋的柳条鞋形成了鲜明的对比。
这幅画是俄罗斯画家尼古拉∙佩德罗维奇∙伯格丹诺夫-贝尔斯基(Nikolay Petrovich Bogdanov-Belsky)1895年创作的作品,名字叫做《心算,在S. A. 拉钦斯基的乡村学校》。
画名中的S. A. 拉钦斯基(Sergey Aleksandrovich Rachinsky),即画中的那位老师,是俄罗斯著名的教育家、植物学家和数学家,他是莫斯科大学的教授,是圣彼得堡帝国科学院的通讯院士,也是第一个将达尔文的《物种起源》翻译成俄文的学者。拉钦斯基出身于贵族家庭,受过很好的教育,他的朋友圈中不乏著名的作家、艺术家和科学家,其中包括托尔斯泰,柴科夫斯基和著名的文人阿克萨柯夫兄弟等等。
受托尔斯泰的影响,拉钦斯基十分关注贫苦农民的生活。1872年,他回到家乡斯摩棱斯克省的塔夫沃村,全身心地投入到公共教育事业中。伯格丹诺夫-贝尔斯基的这幅画,描绘的正是这位大学教授和科学院院士在乡村学校中给农村的孩子上了一堂算术课,在课上给孩子们出了一道心算题的场景。而画家本人就曾经是拉钦斯基的学生,所以画面上呈现的内容是具有相当真实性和可信度的。
现在我们来看看黑板上的这道题。
(102 + 112 + 122 + 132 + 142) / 365 = ?
这道题若是笔算,相信对于绝大多数的小学生都不是问题。不过,如果不能拿纸笔,只能通过心算来解决,却不是那么容易。
第一种可能,是背过平方数表的朋友,他们可以轻易背出20以内任何一个整数的平方数,这样只需要默默计算100 + 121 + 144 + 169 + 196,得到730,再除以365,就可以得出答案2来。通过这种方法得出答案的朋友,靠的是“硬实力”,解法却不够漂亮。
第二种可能——其实基本上不可能——是通过平方和公式来计算。平方和公式即
12 + 22 + 32 + … + n2 = n(n + 1)(2n + 1)/6
通过平方和公式,
102 + 112 + 122 + 132 + 142
= (12 + 22 + 32 + … + 142) – (12 + 22 + 32 + … + 92)
= 14(14 + 1)(28 + 1)/6 – 9(9 + 1)(18 + 1)/6
= 730
虽然平方和公式很强大,但最后一步对于心算来说难度非常大。个人觉得这种可能性很小。
第三种可能,利用和差的平方公式,对心算的要求就要简单多了。
102 + 112 + 122 + 132 + 142
= (12 – 2)2 + (12 – 1)2 + 122 + (12 + 1)2 + (12 + 2)2
= 5∙122 + 4 + 1 + 1 + 4
= 5∙122 + 10
= 730
这个解法的巧妙在于利用5个整数关于12对称,所以解开平方括号后的中间项加减抵消了,剩下五个12的平方、两个2的平方和两个1的平方。很快就能得到结果。
第四种可能,和第三种有些类似,利用平方数等于奇数和的性质:
n2 = 1 + 3 + 5 + … + (2n – 1)
所以,122 – 112 = 23,122 – 102 = 23 + 21。
而,132 – 122 = 25,142 – 122 = 25 + 27。
因此,
102 + 112 + 122 + 132 + 142
= 5∙122 – 23 – 21 – 23 + 25 + 25 + 27
= 5∙122 + 10
= 730
还有一种高级解法,就是发现10、11、12、13和14是拉钦斯基数列五元组,存在:
102 + 112 + 122 = 132 + 142 = 365
所谓“拉钦斯基数列”,指的是存在2k + 1个连续整数m1, m2, m3, …, m2k + 1,使得
m21 + m22 + … + m2k + 1 = m2k + 2 + … + m22k + m22k + 1
可以证明,对于任意正整数k,都存在使得上式成立的拉钦斯基数列。
特别地,可以构造m1 = 2k2 + k,这样我们有恒等式:
(2k2 + k)2 + (2k2 + k + 1)2 + … + (2k2 + 2k)2 = (2k2 + 2k + 1)2 + … + (2k2 + 3k – 1)2 + (2k2 + 3k)2
恒等的证明过程略。
当k = 1时,32 + 42 = 52,即最常见的勾股数三元组。
当k = 2时,102 + 112 + 122 = 132 + 142,即《心算》画中的五个数字。
当k = 3时,212 + 222 + 232 + 242 = 252 + 262 + 272。
当k = 4时,362 + 372 + 382 + 392 + 402 = 412 + 422 + 432 + 442。
当k = 5时,552 + 562 + 572 + 582 + 592 + 602 = 612 + 622 + 632 + 642 + 652。
…
这个数列以拉钦斯基命名,就是画中那个穿着黑色西装、白色衬衣,打着领结,认真聆听孩子答案的老师,那个在乡村小学里教算术的教授和院士。