25 Jul

收谷问题(1)

在农村,7月是忙碌的月份,农民们要忙着收割稻谷,收割完后要晒谷,同时还得准备“下秧”,准备新一轮的耕,BoJone家自然也不例外。不过我家田比较少(1亩左右),收割机几分钟搞定,谷也三两天就晒完了。不过在晒谷的时候,BoJone在考虑一个“收谷”问题:

晒谷时得先把成堆的谷子摊开,薄薄地平铺在平地上,等到傍晚或即将下雨时(这是最惨的情况,搞不好会淋谷)就将其收起来。问题就源于这里,一般来说我们会把谷均匀地铺成矩形,要把所有的谷都推到矩形里或外的哪一点上,才使得我们做功做小?

这个问题还可以推广开来,例如对于一地任意形状的谷子(如三角形),把它集中堆到哪个点最“轻松”?一堆固定质量的谷子,要把它平铺成什么形状,才使得收谷时最“轻松”?当然,这个问题的解不仅仅用于“收谷”,在很多规划建设中也可以应用到,例如要在一个人口大致均匀的城市中建设一个服务中心,这个服务中心应该建在哪里?这有点类似于我们之前讨论过的费马点问题 ,都是费马点只考虑了三个点的距离,而这个问题得考虑所有点的距离。

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27 Jul

科学空间:2011年8月重要天象

夏秋之交的八月,天象剧场依然是精彩纷呈。其中最受关注的要属英仙座流星雨,这也是天文爱好者每年最热衷观测的项目。虽然几颗较亮的行星在本月观测条件都较为一般,但海王星将在8月23日冲日,有兴趣的朋友可以借助望远统来对它进行观测。而小有名气的45P/Honda-Mrkos-Pajdusakovva彗星也将在8月16日过近地点逐渐进入较佳的观测时段。

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27 Aug

科学空间:2011年9月重要天象

秋高气爽的九月,天象剧场也逐渐热闹起来。秋分前后的夜晚,是一年中偶发流星出现最为频繁的时段。尤其是到了后半夜,如果赶上晴天,每小时看到二三十颗偶发流星都不成问题。与此同时,秋夜星空也不乏看点,美丽的仙女座星系M31肉眼可见,三角座星系M33等深空天体也是天文爱好者热衷的观测目标。除此之外,天王星将于本月迎来冲日,观测条件较好。

9月12日,我们又会迎来今年最重要的节日之一——中秋节。届时,不论您是身在他乡为“异客”,或是在家陪伴着亲人,BoJone都愿与你一起“举头望明月”。在此提前预祝大家中秋快乐、美满、团圆!

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2 Oct

[欧拉数学]素数有无穷多个的两个证明

素数是数的基本单元,就如同高楼大厦中的砖块一样。显然,素数有无穷多个是数论研究价值的前提。不然,数的研究就局限在有限个素数之内,那么很多数字就会失去了它们的魅力。就好比只有有限块砖头,就不能创建出建筑的奇迹一般。下面介绍两个关于素数无穷的经典证明,其中一个是欧几里得的证明,这是最原始、最简单的证法,相信很多读者已经学习过了,在此还是要提一下;另外一个是我在《怎样解题》中看到的,原作者是欧拉,也是一个非常美妙的证明。当然,本文强调的思想,论证过程可能会有一些不严谨的地方,请读者完善^_^

一、欧几里得证明

这个证明思想非常简单:若干个素数的积加上1后会产生新的素数因子。要是素数只有n个,那么我们就把它们相乘,然后加上1,得到的将会是什么呢?如果是一个素数,那么将会与素数只有n个矛盾;如果是一个合数,它除以原来的n个素数都不是整数,那么它就会拥有新的素数因子了,这还是和只有n个素数矛盾。不论哪种情况,只有素数有限,就会得出矛盾,于是素数必然是无限的。

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17 Nov

[欧拉数学]凸多面体的面、顶、棱公式

莱昂哈德·欧拉

莱昂哈德·欧拉

作为数学史上最高产的数学家(似乎没有之一),欧拉的研究几乎涉及了所有数学领域,包括数论、图论、微积分等,同时他还是一个物理学家,他与拉格朗日首创的变分法使得经典力学的研究达到了一个新的高度。欧拉具有惊人的计算能力和数学直觉,这对他的数学研究帮助极大。现在在很多领域,我们都可以看到不少以欧拉命名的公式、定理。欧拉在数学上极为高产,而且得出了相当多的正确结论,但其中有相当多的结论只是来源于他的数学直觉(创造性思维)以及类比推理,这并非欧拉不追求严谨,而是由于当时数学知识的局限性,难以严密化。还有,研究的顺序是:先得出答案,然后才论证答案!

再者,创造性思维往往令人叫绝,能更加促进我们的思维能力。过多地考虑严格性和技术细节,通常都妨碍了我们得出正确的答案。正如《解题的艺术》中说道粗略而有灵感的思想可能会引出严格证明;而有时,严格的证明会完全淡化论证的精髓。因此,我们不必在意欧拉证明的不严谨,反而,它是一次完美的视觉与思维享受。正因如此,一些绝妙、非严密、(在某种程度上)不正确的但同时得出了正确结果的数学论证,就被称为“欧拉数学”。事实上,任何人、任何研究都必须经过“欧拉数学”这一不严密的早期阶段。

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下面是一条关于凸多面体的面、顶、棱公式,它属于拓扑学的内容,我们称之为“欧拉公式”。(当然,公式是欧拉的,论证过程只是笔者粗糙地给出的)。

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18 Nov

[欧拉数学]黎曼ζ函数

欧拉数学的魅力在于,它运用类比的方法,把各个看似毫无关联的领域联系了起来,生动而巧妙地得出了正确的结果。他对$\frac{1}{1^2}+\frac{1}{2^2}+\frac{1}{3^2}+\frac{1}{4^2}+...=\frac{\pi^2}{6}$的计算便是一个典型的例子。虽然论证过程未必严谨,但是那“神奇”的推导已经令我们拍案叫绝,而且往往发人深思。这种效果通常是严格论证难以实现的,它不仅给予我们答案,而且还给予了我们启迪:新的思想,新的方向;有时,它还揭示了各个学科之间内在而深刻的联系。下面我们来观察一下数论中的“黎曼ζ函数”和“金钥匙”!

黎曼ζ函数指的是:
$$\xi (s)=\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^s}=\frac{1}{1^s}+\frac{1}{2^s}+\frac{1}{3^s}+\frac{1}{4^s}+...$$
本来s应该是一个实数,但是将复分析引入数论后,将s推广至复数具有更大的研究价值。

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19 Nov

[欧拉数学]素数定理及加强

1798年法国数学家勒让德提出:
$$\pi(n)\sim\frac{n}{\ln n}$$

这个式子被成为“素数定理”(the Prime Number Theorem, PNT)。它表达的是什么意思呢?其中$\pi(N)$指的是不大于N的素数个数,$\frac{N}{\ln N}$是一个计算结果,符号~叫做“渐近趋于”,整个式子意思就是“不大于N的素数个数渐近趋于$\frac{N}{\ln N}$”;简单来讲,就是说$\frac{N}{\ln N}$是$\pi(N)$的一个近似估计。也许有的读者会问为什么不用≈而用~呢?事实上,~包含的意思还有:
$$\lim_{N-\infty} \frac{\pi(N) \ln N}{N}=1$$

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21 Jan

[问题解答]木杆平衡

昨天一个QQ好友让我帮忙解决一道物理题目:

长为L的均匀木杆重Q,在木杆上离A端L/4处放有一重为Q/2的重物,平衡时,木杆AB与水平面的夹角θ有多大?

木杆平衡

木杆平衡

看上去挺有趣的。于是我先记了下来,今天早上思考了一会儿,得出了下面的结果。其中我解答并没有直接受力分析,而是用了我们之前已经谈到过的“最小势能原理”:平衡系统中的势能必取极(小)值

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