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数学花园漫游记:寻找正交拉丁方的方法

时间:2026-01-24 理论教育 晴浪 版权反馈
【摘要】:许多数学家一直在寻找编排各种不同的拉丁方的方法。针对这种情况,我们就需要编排出另一种拉丁方:这里的A、B、C、D、E代表5个品种;a、b、c、d、e代表播种日期。这个复杂的拉丁方,实际上是重叠起来的两个拉丁方。一次实验,常常需要许多个拉丁方,而且要求其中的每两个都是正交的。因此,寻找更多互相正交的拉丁方,就成了很有实际意义的数学问题。

生产队引进了5个新的小麦品种。想知道哪个品种对本地最合适,这就要种试验田。

有人说,找5块田,分别种上5个不同的品种,到明年夏收算出亩产,就可以确定哪个品种最好了。

这个办法有很明显的缺点。因为5块田的各种条件不可能完全相同,亩产的高低,不能作为选择品种的可靠标准。

有人说,最好找一大块田,把它分成5小块,分别种上5个不同的品种,自然条件总可以一致了吧。

这个办法还是有缺点,比如说,灌渠的水是从东向西流的,东边与西边的条件就不一样。

数学家研究了这个问题,建议把一块地分成5×5=25小块,按照下图的办法,分别种上A、B、C、D、E5种小麦。

这个图有一个巧妙的特点:在每一竖行中,A、B、C、D、E各出现一次;在每一横行中,A、B、C、D、E也是各出现一次。

如果这块地南边比北边肥一些,现在不论南边北边,5个品种都有,还是可以从亩产比较它们的优劣。

这个巧妙的办法是怎样编排出来的呢?

为了方便,我们去掉方格,留下字母:

这是一个用拉丁字母排成的方块,在数学里叫“拉丁方”。它有几个不同的字母,就有多少横行,多少竖行,每一横行和每一竖行中,每个字母恰好出现一次。这个拉丁方有5个不同的字母,是5阶的。下面是一个4阶拉丁方:

我们用5阶拉丁方作为例子,来说明拉丁方的编排法。

先从左到右写一排A、B、C、D、E;然后依次错后一行,写上四行A、B、C、D、E,成为一个平行四边形的样子;再把右边突出的一块三角形的部分剪下来,贴到左边空着的一块三角形上,这就成了前面的拉丁方。

用这个方法,可以编排出随便多少阶的拉丁方。

编排拉丁方,看起来简单,其实是一件很复杂的工作。许多数学家一直在寻找编排各种不同的拉丁方的方法。

也许你会问,有了一种拉丁方不就行了吗?为什么非要编出各种不同的拉丁方来呢?

要回答这个问题,我们得回到小麦试验田去。

种试验田要犁田、播种、施肥、中耕、收割,每件工作都不可能在25块田里同时进行。

就说播种吧,如果一天只能播完5小块田,那怎样安排才好呢?

如果第一天把品种A的5小块田播完,第二天播品种B的5小块田,第三天播品种C……直到第五天,才把5个品种都播完。5个品种的播种日期就有了先后,而这5天的天气如果各不相同,有的日子刮风,有的日子下雨,这就必然会影响试验。

针对这种情况,我们就需要编排出另一种拉丁方:

这里的A、B、C、D、E代表5个品种;a、b、c、d、e代表播种日期。仔细看这个表,你就会发现:(https://www.xing528.com)

每一横行中,A、B、C、D、E各有一个,每一竖行也是这样。

5个有A的地方,a、b、c、d、e各有一个;B、C、D、E也是这样。

5个有a的地方,A、B、C、D、E各有一个;b、c、d、e也是这样。

按这个表来安排播种,就可以解决前面提出的问题。

这个复杂的拉丁方,实际上是重叠起来的两个拉丁方。如果能搭配得这样巧,我们就说这两个拉丁方是正交的。一次实验,常常需要许多个拉丁方,而且要求其中的每两个都是正交的。因此,寻找更多互相正交的拉丁方,就成了很有实际意义的数学问题。

研究这种问题的数学,叫做实验设计。

名师导读

你听过数学的学习中也要做试验的吗?马教授在《试验田里的数学》一文中,由已知的田地种哪个品种的小麦这个问题,非常恰当的引出了实验设计在数学学科的应用。

小学数学课程标准》指出:“学生学习应当是一个生动活泼的、主动的和富有个性的过程。除接受学习外,动手实践、自主探索与合作交流同样是学习数学的重要方式。学生应当有足够的时间和空间经历观察、实验、猜测、计算、推理、验证等活动过程。

例如在体积的概念教学中,利用量杯和小石块让学生充分体会什么是物体的体积。

实验准备:课前准备一个量杯,一个小石块。

实验演示:

1.将一个量杯装满水;

2.将小石子放在这个量杯中,有水溢出;

3.学生很容易想出杯中的水会溢出,同时用实验得出相同的结论证实;

4.提出问题:为什么水会溢出?

5.学生说出原因:小石头占去了杯子里的一部分地方,所以有一部分水装不下;

6.师生归纳总结:像小石头这样,物体所占空间的大小叫做物体的体积。

实验说明:考虑到本节课的特点,体积是空间概念,空间的概念较抽象,有些学生不好理解,因此,将无法衡量的空间转化成具体的一部分水,学生比较容易的理解了“所占空间”的含义,进而,深入的认识了体积的概念。

学生在试验情境中的“做”中学,对知识形成过程,对问题发现、解决、引伸、变换等过程的实验模拟和探索,这种试验式的教和学拓宽了学生的思维活动空间,使他们的思维更有深刻性和批判性。在数学教学中教师演示实验、让学生动手做数学实验,能有效激发学生用数学的眼光探索数学的新知识。

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