李尚志教授《数学聊斋》之五：算24 之不可能问题与难题

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李尚志教授《数学聊斋》之五：算24 之不可能问题与难题

       算24, 是很多人都知道的一种用扑克牌玩的游戏。每张牌代表一个的正整数。(为了简单起见，可以将J,Q,K及“大小王”去掉，并约定A代表1。) 参加游戏的4个人每人出一张牌，4张牌就代表了4个正整数。四个人就开始竞争，看谁最先将这4个正整数通过加减乘除算出24来，而且每个整数恰好用一次。所用的数学知识虽然只是简单的算术，但要算得又快又正确也不容易。并且还有很多难题出现。

        例如，如果4个数是1,1,1,1，你能算出24吗? 这个题目很难，所有的数学家都算不出来。你会不会因此而拼命地算这道题，希望有朝一日将这道题算出来，将所有的数学权威都打倒？只要你具有一点算术常识，就能看出用四个1按上述规则算出24是不可能的。因此你也不会白费力气去算这道“难题”。这不是难题，而是不可能问题。其实，现在有很多“民间数学家”拼命想解决的问题，比如用尺规作图三等分任意角、找出5次以上的一般代数方程的求根公式等等，也和这个问题一样是不可能问题。只不过这些问题的不可能性不容易看出，而是前辈数学家用较高深的数学知识才证明出来的。不过，既然已经证明了，就不再是难题，而是已经解决了的问题。

        又例如，4个数是5,5,5,1，让你算24，你能算出来吗？还有，如果4个数是3,3,7,7，或者4,4,7,7，或者3,3,8,8，你能算出来吗？

        也许，经过努力之后你仍然算不出来，于是你相信它们都是不可能算出的。不过，如果你看见这样的答案：5x(5-1/5) =24，就知道用5,5,5,1算24不是“不可能问题”，至多只能算是一个“难题”。其实，这个难题也不太难。只要你解除思想束缚，不要求中间每一步的计算结果都是整数，而允许出现分数，就能自己凑出答案来。不过，这样“凑出来”的答案让人感到是偶然的巧合。能不能有一个更自然的思考方法呢?  

        先用 5,5,1算出24：5x5-1=24。还剩下一个5没有用上。我们对 5x5–1 进行恒等变形，利用乘法对于加法的分配律将两项的公因子5提到括号外：
              24 = 5 x 5–1 = 5 x (5–1/5)

这样既保持了答数24不变，又将算式中两个5变成了3个5。

        你不妨自己试一下，用类似的方法用 4,4,7,7 或 3,3,7,7算24。
3,3,8,8 稍微不同，但也可以用同样的思路解决。