左图是一个凹多边形，而且凹得相当厉害。作为一个完美主义者，我很难容忍这么一个图形，总想着要把凹进去的部分翻出来，把它还原为一个凸多边形。不幸的是，翻折之后的结果仍然不是凸多边形，图中又产生了新的凹陷。于是，我们想继续把凹进去的部分往外翻，直到整个图形变成凸多边形为止。问题是，这个过程有完吗？换句话说，我们一定能通过有限多步翻折，把凹多边形变成凸的吗？

    这个问题有着非常纠结复杂的历史。这个问题最早可能是由数学家 Paul Erdős 正式提出的。 1935 年，他在 American Mathematical Monthly 上猜想，经过有限步翻折之后，凹多边形一定能变凸。 1939 年， Béla Szőkefalvi-Nagy 给出了一个证明。因此，这个结论又叫做 Erdős-Nagy 定理。有趣的是，这个问题是如此的自然，以至于在此之后，又有一大堆人重新提出并研究了这个问题，而且他们明显并不知道相互之间的已有研究。这事儿给我们带来的好处就是，我们有了 Erdős-Nagy 定理的好几种截然不同的证明方法。不过，这些证明或者太长，或者太高深，或者又有些漏洞。 1999 年， Godfried Toussaint 从这些证明中取长补短，给出了一个比较初等的证明。

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考虑这么一个游戏：不断在区间 [0, 1] 中概率均等地选取随机数，直到所取的数第一次比上一个数小。那么，平均需要抽取多少个随机数，才会出现这样的情况？

 
答案：记 P_i 为第 i 次才取到小于前一个数的数的概率。则我们要求的就是 P₁ + 2 * P₂ + 3 * P₃ + 4 * P₄ + … 。妙就妙在下面这个变形（在继续看下去之前你能想到吗）：

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    某日凌晨4点多，网友Superwyh发来短信说，他梦到了这样一个颇具启发性的问题：如果我们能够证明两个数之间不存在其它的数，这是否足以说明这两个数是相等的？正好当时我还没睡，稍微想了一下，发现这个命题是成立的，因为它的逆否命题显然成立。倘若两个数不相等，那它们之间一定能够插入其它的数（例如这两个数的算术平均值）；反过来，如果两个数之间无法插入别的数，这两个数自然就应该相等了。
    这个命题是相当具有启发性的。或许有人会想，能不能用这一思路去证明两个数相等呢？
    关于两数是否相等的争论，最著名的就是那个关于0.9999....和1是否相等的问题了。这一问题理解起来简单，细想起来争议颇大，真可谓是一个全民化的数学争论，与著名的Monty Hall问题有得一拼。不了解极限概念的人可能会说，不管你在后面写多少个9，它都不能达到1的，量变和质变存在本质上的区别。因此，当高中数学课上老师明确指出0.9999....精确地等于1时，还是有不少人瞠目结舌，甚至高声反对。

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    我们想要计算无穷级数Σ(1/n)*(-1)^(n+1) = 1 - 1/2 + 1/3 - 1/4 + 1/5 - 1/6 ...。首先我们需要说明，这个无穷级数是收敛的。注意到，从1的后面开始，每减去一个数后紧接着都会加上一个比它小的数，因此不管你加到哪儿，它的和始终不会超过1；另外，从1-1/2之后开始，每加一个数紧接着都会减去一个比它小的数，因此无论加到什么位置，整个和始终大于1/2。这说明，这个级数是收敛的，并且它收敛到1/2和1之间的某个数（事实上这个数是ln(2) ）。

    好了，令这个无穷级数为S，现在对S进行这样的变换：

S = 1 - 1/2 + 1/3 - 1/4 + 1/5 - 1/6 + ...
  = (1 + 1/3 + 1/5 + 1/7 + ...) - (1/2 + 1/4 + 1/6 + 1/8 + ...)
  = (1 + 1/3 + 1/5 + 1/7 + ...) - (1/2 + 1/4 + 1/6 + 1/8 + ...) + (1/2 + 1/4 + 1/6 + 1/8 + ...) - (1/2 + 1/4 + 1/6 + 1/8 + ...)
  = (1 + 1/2 + 1/3 + 1/4 + ...) - 2 * (1/2 + 1/4 + 1/6 + 1/8 + ...)
  = (1 + 1/2 + 1/3 + 1/4 + ...) - (1 + 1/2 + 1/3 + 1/4 + ...)
  = 0

    但刚才不是说了S是大于1/2的么？这怎么可能呢？

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    给出一个连续函数，某一点上的导数为正说明函数在这一点是上升的，换句话说函数从左边充分靠近该点时函数值总小于这个点，从右边靠近该点时函数值总大于这个点。但这并不等于说这一点左右是一个单增区间，也就是说该点左右任意小的邻域内函数都不是单调递增的。你能找出这样的函数来吗？

    昨天数学课上，我学到了一个比较牛B的东西：函数上某一点导数为正，该点邻域不一定形成单增区间。虽然左边的点都比该点低，右边的点都比该点高，但这并不能说明左边和右边各自都是单增的。这样的函数确实存在，而且并不是那种很怪的函数，仅仅是一个简单的初等函数：f(x) = x + 2x^2*sin(1/x)。由于x=0时函数没有定义，我们规定f(0)=0。按照导数的定义，函数在x=0时的导数值为
   Limit[ (f(0+Δx)-f(0))/(Δx-0), Δx->0 ]
= Limit[ f(Δx)/Δx, Δx->0 ]
= Limit[ 1 + 2Δx*sin(1/Δx) , Δx->0 ]
= 1

    这说明函数在x=0处的导数确实是正的。当x≠0时，按照求导法则可以求出f'(x) = 1 - 2*cos(1/x) + 4x*sin(1/x)。当|x|充分小时，最后一项可以忽略不计；此时只要1/x恰好等于2πn (n为整数)，那么f'(x)保证是负的。这就告诉我们，x=0左右任意近的位置都存在导数为负的情况，这样不管邻域范围多小总能找到一个函数值在减小的地方。
    其实，看一下f(x)的函数图象，你会立即明白这是怎么回事。这个函数越接近原点抖动频率越快（到原点时“周期”无限小），同时振幅也越小（到原点时振幅为0，这样可以保证导数存在）；但这个函数总的来说呈上升趋势。因此，这个函数才有我们前面提到的奇怪性质。

    近来一些人问我，听说你们文科班的不学极限啊。我回答，嗯，而且更强的是，不学极限但学导数。这个话题非常有趣。我打算详细介绍一下我们的课本是什么样子的。
    薄，封面绿色的，上书“第三册（选修I）”。
    整本书只有两章，统计和导数。
    统计里面只有三节，抽样方法、总体分布的估计（教你写正字，画表格）、总体期望值和方差的估计。最喜剧的是，在三种抽样方法中有一种（系统抽样）被认为太难了而在文科课本中被删掉。整章内容十几页搞定，然后是些题和和你们一样的随机数表。
    导数里面有六节，分别是导数的背景、概念、怎么求多项式函数的导数、极值、最值和微积分的历史。
    有人问，极限都没有，导数怎么学？这个课程的安排绝对体现了编写人员的聪明才智：他从斜率等出发，把概念用文字表达出来，把用定义求导的那个式子当作一个很长的“记作……”的符号，并在那些书上前面从来没出现过的陌生符号（lim和→）后面加注释。然后就告诉你，x^n的导数是nx^(n-1)。又有人问，三角函数呢？没有。对数和指数函数的导数都没有。“e”在这本书上压根儿没出现过。课本的意思就是说，你只要知道多项式函数怎么求导，怎么用来求极值就行了。你不用知道这是为什么。这是一个现成的工具，用就是。