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在玩完長方形數( https://www.youtube.com/watch?v=V7tBWcTTP9U )後,我們班為只能排出一條線或一個點的數取名叫做「不四數」(不能排出四邊形數的數)、「不好數」、「怪怪的數」、「黑數」(讓那個人黑掉了)、「線點數」,這就是數學家的「質數」和「1」;可以排出長方形或正方形的數就叫做「四數」、「好數」、「正常的數」(全班討論時改成正長數,可以排出正方形或長方形的數)、「大數」(那個人很大方地數)、「方形數」,這就是數學家的合數,從算式來看,都能找到1和自己以外的數去合成它。

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既然合數,都可以分解,分解出來的數就是質數了嗎?8=2×4,將8做「因數分解」時,分解出來的2是質數,但4不是,4還可以再分解,於是8=2×4=2×2×2,這時才是不能再分解了。當8分解成2×2×2時,就稱為「質因數分解」,至於2則是它的「質因數」。言至於此,我們開始將其他數字做質因數分解,熟悉這個新玩意,學生倒是提了一個好問題。「這樣有什麼用?」

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「質因數分解有什麼用?」我直覺反應是「質因數分解很有用,後面就會用到。」但是又不滿意自己這樣的答案,難道接下來的課堂,學生真的能自發性地說,質因數分解真的很有用嗎?我都有點遲疑了。幸好,師大數學教育中心的數學奠基模組,由黎懿瑩老師設計的「終極密碼」,給了我們一個很好的答案。

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在老師手上有20張撲克牌,是A、2、3、5、7這五個數字,每個數字有四張牌。從我手中抽出七張牌,由小排到大立在講桌上,請小朋友猜猜看,這七個數字是多少?

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一次猜七個數字?這怎麼可能!別擔心,小朋友可以發問問題,問其中一牌是多少,或是最大的數字、最小的數字,也可以這兩個數字相加或相減,甚至於七個數字加起來或乘起來也行,而老師會回答運算後的數字,也只會回答一個數字。

全班總共可以問三個問題,第一個問題後寫下七個數字,如果全部命中,就能得到3分;第二個問題後全部命中,得到2分;第三個問題後答對,得到1分。這一回合結束。

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第一回合,七張牌抽出來後,我從小排到大立在講桌上,讓學生可以提問。第一個提問的小朋友,居然就問出關鍵問題:「全部乘起來是多少?」於是,我在黑板上寫下「全部乘積:84」

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這時,有些小朋友似乎發現了什麼,不過許多人還是一頭霧水,怎麼從一個數字,猜出七個數字?無論是否抓到關鍵,每個人都寫下第一組答案。接著,第二個小朋友提問:「全部加起來是多少?」,於是,我接著寫下「全部加總:17」,開始有更多人確定了,第三個小朋友提問:「最後一張是多少?」,我寫下「最後數字:7」每個人都在小白板寫下三組數字後,老師就要開獎了。

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這一期開出來的七個數字分別是....A、A、A、2、2、3、7,YA!居然真的有一半的人答對,有人在第一次、有人在第二次、也有人在第三次,不過,還有人無法理解,為什麼他們可以猜到七個數字是多少?

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「提示你們,要猜出終極密碼,跟昨天學的質因數分解有關。」

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第二期的七個數字,再度從20張撲克牌中抽出,依然從小排到大,這次第一個小朋友獲得提問權時,其他同學都跟著說:「問全部乘起來!」我故意說:「可以問問別的問題嘛,不一定要跟第一期一樣。」「不行!不行!」於是,「全部乘起來是多少?」再度成為第一個問題,我在黑板寫下「全部乘積:420」

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經過提示,大家開始做質因數分解,只是數字有點大,所以需要一點時間,不過,這一個問題後,大家都說,不用再問第二個了,我還是讓之前沒能答對的小朋友來問問,於是「全部加起來是多少?」再度被問到,「全部加總:21」大家露出滿意的笑容,說驗算成功。

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最後開出這一期的七個數字,分別是A、A、2、2、3、5、7,幾乎全班答對了!

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「你怎麼知道的?」當然要請小朋友來解答。「首先,老師拿的五種牌裡,除了1之外,其他四個數字──2、3、5、7都是質數。所以,我把420做質因數分解,就是這四個數字的組合,分解出來2×2×3×5×7,就可以得到五張牌是2、2、3、5、7,另外兩張牌,就一定是1,因為不管任何數,乘以1都不會變。」

解答非常完整。小朋友頓時說出,質因數分解真好用。

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我們回想一下,質因數分解的時候,我們做了哪些事情。首先是寫420=2×(  ),因為是偶數,所以先想到用2來分解,為了要算出2乘以多少是420,我們會用除法,於是旁邊寫下除法直式,420÷2=210。

接著210還可以再分解,於是420=2×210=2×2×(  ),就會計算210÷2=105,第二個除法直式出現。

105可以再分解,於是2×2×105=2×2×5×(  ),旁邊計算105÷5=21,第三個除法直式出現。

21可以再分解,於是2×2×5×21=2×2×5×3×(  ),旁邊計算21÷3=7,第四個除法直式出現。

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為了把420分解到不能再分解,我們用了四個除法直式,這四個除法直式都有個共同的特點,那就是餘數一定是0,那麼「餘數」可以簡化嗎?在直式裡,2×210=420,可以把被除數420分完,所以420下面還需要再寫一次420嗎?在質因數分解的時候,餘數0變得不需要寫了,當然2×210的420,也可以不用再寫一次,因為一定要等於420,否則就要換別的數字來除了。因此,除法直式裡的「除數×商的結果」以及「餘數0」都被省略掉,並將除法符號上下顛倒,簡化成另外一種除法直式,我們就稱它為「短除法」,至於原本比較完整的除法直式,就稱為「長除法」。從「長除法」到「短除法」,我們看見了數學家找尋簡單的方法來解決複雜問題的驚人能力,四個式子的長除法,再轉變成短除法後,也讓連續除下去可以接著寫下去,要破解終極密碼,自然是如虎添翼了。

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