写给孩子的数学之美
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据说,在鲁班发明锯子之前,人们砍树全靠斧子,干活儿又累又慢。有一次在上山时,鲁班的手在无意间被一种山上长的野草叶子划破了。野草的叶子怎么会这么锋利呢?鲁班不由得驻足仔细观察,他发现,这叶子长长的,边缘有许多锋利的小齿。既然带有小齿的野草可以划伤手,那么更硬的“齿”能否划伤木头,甚至使其断成两截呢?带着这个想法,鲁班仿照野草的小齿制作了带齿的工具,锯子就这么被发明出来了。

从远古时期,人类就开始了对月球的凝望。在很长一段时间里,月球被视为神灵的领地,是圆满和平滑的。直到 1609 年,伽利略将他的望远镜转向月球,才发现它的表面并非完美的,而是布满了混乱的峭壁和陨石坑。

伽利略在望远镜里看到,月球黑暗的部分里有一些光点,这些光点逐渐变大、变亮,最后跟其他光亮的部分融为一体。伽利略觉得,这个现象很像早上的太阳照射在地球的山上,太阳爬得越高,山的阴影就缩得越小,最后整座山都沐浴在阳光之下。他认为,阴影和其他光学现象在地球和月球上应该是一样的。因此,伽利略下结论:月球的表面一定不是光滑的,而是高高低低,跟地球一样有山有谷。

这两则小故事的背后就是类比的力量。

那什么是类比呢?类比,是对两个事物进行比较,突出它们被认为相似的方面,其主要目的是用我们熟悉的事物去解释我们不熟悉的事物。类比推理,是一种基于类比的思维方式,即根据两个(或两类)事物的某些属性相同或相似,推出它们的另一属性也相同或相似。有人认为,类比是建立或揭示不同想法之间关系的智力“超链接”。

我国古代名著《战国策》中记载了一则邹忌的故事,算是类比推理的绝佳案例。

邹忌修八尺有余,而形貌昳丽。朝服衣冠,窥镜,谓其妻曰:“我孰与城北徐公美?”其妻曰:“君美甚,徐公何能及君也?”城北徐公,齐国之美丽者也。忌不自信,而复问其妾曰:“吾孰与徐公美?”妾曰:“徐公何能及君也?”旦日,客从外来,与坐谈,问之客曰:“吾与徐公孰美?”客曰:“徐公不若君之美也。”明日徐公来,孰视之,自以为不如;窥镜而自视,又弗如远甚。暮寝而思之,曰:“吾妻之美我者,私我也;妾之美我者,畏我也;客之美我者,欲有求于我也。”

于是入朝见威王,曰:“臣诚知不如徐公美。臣之妻私臣,臣之妾畏臣,臣之客欲有求于臣,皆以美于徐公。今齐地方千里,百二十城,宫妇左右莫不私王,朝廷之臣莫不畏王,四境之内莫不有求于王:由此观之,王之蔽甚矣。”

在上面这则故事中,邹忌分析了自己的妻妾和客人对自己不说实话的原因,并把这一套推理用在了相似的场景,即齐威王与宫妇、朝臣、其他诸侯国的关系,得出“王之蔽甚矣”的结论,最终使得齐威王大力纳谏,成就伟业。

在前面伽利略的故事中,伽利略基于一个事实——阴影和光学现象不因地球和月球而变化——和相似的观测现象,推测出月球上也应该和地球上一样有山有谷的结论。

类比推理是人类的思想基础,甚至也是一些非人类动物的思想基础。从人类发展历史来看,类比作为产生新发现的辅助手段,被广泛认为起着重要的启发式作用。化学先驱约瑟夫·普里斯特利(Joseph Priestley)认为,类比是探索研究的最佳指南,所有非偶然的发现都是在它的帮助下做出的。

从类比的对象来看,类比可以分为概念与操作的类比、结论的类比、方法的类比。通过类比,我们往往可以发现一些新的结论。

比如,我们已知在具有固定周长的所有长方形中,正方形的面积最大。那么,我们能不能通过类比,将这个结论推广到三维空间呢?

为此,我们首先得对这个命题所涉及的“二维”和“三维”概念进行类比。

由此,我们可以推测出这一命题的三维类比结论:在具有固定表面积的所有长方体中,立方体的体积最大。