【场景:古城深处的数学主题密室,空气中弥漫着陈旧纸张与檀香的混合气味。四面墙壁悬挂着泛黄的几何图形手稿,中央摆放着一张桃木长桌,桌上散落着圆规、直尺、泛黄的羊皮卷以及一个密封的铜盒。灯光昏黄,仅在桌面上方形成一圈明亮的光晕。】
DM(低沉沙哑的声音,通过房间音响传出):欢迎各位来到“毕达哥拉斯的密码”密室。相传,这里藏匿着开启古希腊数学智慧宝库的钥匙,而解锁这把钥匙的关键,便是掌握如何求黄金分割比例函数。在座的各位,身份分别是历史系学生林夏、数学系助教陈默、建筑设计师苏晴、古籍修复师老周,你们因各自的研究需求汇聚于此,如今唯有携手破解谜题,才能走出这间密室,拿到那份关乎各自研究的核心资料。现在,游戏正式开始。
林夏(伸手拂过桌上的羊皮卷,指尖停留在一处标注着特殊线段的图案上):你们看这张羊皮卷,上面画着一条线段,被分成了两段,一段长一段短,旁边还有一些模糊的符号。我记得在整理古希腊文献时,见过类似的图案,好像和所谓的黄金分割有关,但具体怎么回事,我记不太清了。
陈默(推了推鼻梁上的眼镜,俯身仔细观察羊皮卷):没错,这就是黄金分割的经典示意图。黄金分割指的是把一条线段分割为两部分,使其中一部分与全长之比等于另一部分与这部分之比。而我们要找的黄金分割比例函数,就是将这个比例关系用函数表达式的形式呈现出来。不过,要准确推导出这个函数,我们得先理清其中的数量关系。
苏晴(从随身的背包里拿出纸笔,在纸上画了一条线段):我来试着梳理一下。假设这条线段的全长为a,其中较长的一段为x,那么较短的一段就应该是a - x。根据黄金分割的定义,较长线段与全长的比,等于较短线段与较长线段的比,也就是x/a = (a - x)/x。这样一来,我们就得到了一个等式,接下来是不是只要通过这个等式推导出x与a的关系,就能得到黄金分割比例函数了?
老周(凑过来看了看苏晴画的线段和写下的等式,点了点头):这个思路听起来是对的。古籍中记载,黄金分割的比例是一个固定的无理数,大概是0.618。但我们现在要做的是求黄金分割比例函数,而不只是得到一个固定的数值。所以,我们需要把这个等式进行变形,把x当作因变量,a当作自变量,这样就能得到一个关于a的函数表达式了。
陈默(接过苏晴的纸笔,在等式旁边开始演算):我们来对这个等式进行整理。由x/a = (a - x)/x,交叉相乘之后可以得到x² = a(a - x)。把右边的项移到左边,就变成了x² + ax - a² = 0。这是一个关于x的一元二次方程,接下来我们可以用求根公式来解这个方程。一元二次方程的求根公式是x = [-b ± √(b² - 4ac)]/(2a),在这里,方程中的二次项系数是1,一次项系数是a,常数项是 -a²。
林夏(看着陈默写下的方程和求根公式,有些疑惑地问):为什么要把它变成一元二次方程呢?直接整理不行吗?还有,代入求根公式之后,会不会出现两个解?我们该怎么选择呢?
陈默(耐心地解释道):因为这个等式中出现了x的平方项,所以整理之后必然会得到一元二次方程,这是无法避免的。代入求根公式之后,确实会得到两个解。我们代入数值计算一下就知道了,判别式Δ = b² - 4ac = a² - 4×1×(-a²) = a² + 4a² = 5a²。所以根号下的部分就是√(5a²) = a√5(因为线段的长度都是正数,所以a是正数,根号结果取正)。这样一来,两个解分别是x = [-a ± a√5]/2。
苏晴(立刻补充道):因为线段的长度不可能是负数,所以我们要排除掉那个负数解。先看第一个解,x = [-a + a√5]/2,我们可以提取公因式a,得到x = a(√5 - 1)/2。而第二个解x = [-a - a√5]/2,因为√5大概是2.236,所以√5 + 1大概是3.236,加上负号之后,整个结果就是负数,不符合线段长度的实际意义,所以我们把这个解舍去。
老周(拿起陈默演算好的纸张,仔细看了一遍):这么说来,黄金分割比例函数就是x = (√5 - 1)/2 × a ?这里的(√5 - 1)/2就是黄金分割的比例系数,大概等于0.618。所以,黄金分割比例函数本质上是一个正比例函数,自变量是线段的全长a,因变量是较长线段的长度x,比例系数就是黄金分割比。
陈默(点了点头):没错,这个函数表达式就是我们要求的黄金分割比例函数。不过,我们还可以再验证一下这个结果是否正确。假设线段全长a = 10,那么根据函数表达式,较长线段的长度x = (√5 - 1)/2 × 10 ≈ (2.236 - 1)/2 × 10 ≈ 0.618 × 10 = 6.18。较短线段的长度就是10 - 6.18 = 3.82。我们再验证一下比例,6.18/10 = 0.618,3.82/6.18 ≈ 0.618,两个比例相等,说明我们推导的黄金分割比例函数是正确的。
苏晴(兴奋地拿起桌上的铜盒,铜盒上有一个可以输入数字的密码锁):那这个黄金分割比例函数的比例系数0.618,会不会就是打开这个铜盒的密码?我们可以试一下。
林夏(按住苏晴的手):等等,我们再确认一下。刚才我们推导的黄金分割比例函数是x = (√5 - 1)/2 × a,其中(√5 - 1)/2就是黄金分割比,约等于0.618。但密码锁需要输入的是整数还是小数呢?或者是这个比例系数的精确表达式?
老周(仔细观察铜盒上的密码锁,发现密码锁有四个数字位):看起来是需要输入四位数字。0.618是一个近似值,如果取四位小数的话,就是0.6180,但密码锁可能只需要输入6180?或者是1618?因为黄金分割比的倒数是1.618,有时候也会用1.618来表示黄金分割比例。
陈默(思考了一下):我们可以先试一下6180。因为我们推导的黄金分割比例函数中,比例系数是(√5 - 1)/2 ≈ 0.6180,取四位小数就是6180。苏晴,你可以输入试一下。
苏晴点点头,在密码锁上依次按下6、1、8、0。只听“咔哒”一声,铜盒成功打开了。铜盒内放着一张纸条,纸条上写着:恭喜各位成功破解黄金分割比例函数的求解谜题,你们已经掌握了古希腊数学的核心智慧之一。
DM(声音再次传出):恭喜各位玩家,成功破解“如何求黄金分割比例函数”的核心谜题,顺利完成本次密室挑战。黄金分割比例函数不仅是数学中的重要知识点,在建筑、艺术、设计等多个领域都有着广泛的应用。比如古希腊的帕特农神庙、达芬奇的《蒙娜丽莎》,都蕴含着黄金分割的智慧。希望各位玩家在本次挑战中,不仅收获了乐趣,也真正理解了黄金分割比例函数的求解逻辑。