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無(wú)處不在的數(shù)學(xué)

來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 2009-08-20 09:27:17

智能內(nèi)容

  當(dāng)你趕到公交車站,看見要坐的那趟車剛剛離站,常常會(huì)很沮喪:太糟糕了,錯(cuò)過(guò)了最近的一班車。如果到站時(shí)沒看見汽車離站,你會(huì)怎么想呢?上一班車開走了,下一班說(shuō)不定馬上就到。

  日常生活中常有這樣的情況:等了很久都沒來(lái)車,忽然一下來(lái)了兩三輛。我一向認(rèn)為等車是運(yùn)氣問題,但數(shù)學(xué)家不這么看,他們給出了我從未想到過(guò)的答案。

  公交車為什么會(huì)會(huì)合?即使公交車每隔15分鐘準(zhǔn)時(shí)開出車庫(kù),乘客到達(dá)車站的稀密程度卻是不一樣的。某個(gè)站點(diǎn)忽然會(huì)有大量乘客聚集,他們須買票或者刷卡才能上車,這就使遇到這一情況的公交車慢了下來(lái),從而使下一站集合了更多的乘客。同時(shí),后一輛車更接近前車,因?yàn)閮绍囍g的候車時(shí)間減少,后車攬到的乘客少了,行駛速度加快。結(jié)果,要么是后車趕上前車,要么兩車同時(shí)到站。

  假定公交車每15分鐘從車庫(kù)駛出一輛,到達(dá)你所在的車站時(shí)3車會(huì)合,每輛車前后相差一分鐘。你知道自己平均等車的時(shí)間是多少嗎?

  按照數(shù)學(xué)家的計(jì)算,如果你看見一輛車剛剛駛離,也許它是第一輛或第二輛,那么你的等候時(shí)間只是一分鐘,如果是第三輛,則你需要等43分鐘。這意味著,下一輛車到來(lái)前,你的平均等候時(shí)間是(1+1+43)/3=15分鐘。而如果你到站時(shí),沒看見公交車,意味著你是在兩輛車中間的間隔到達(dá)的,你等待的時(shí)間也許是不到一分鐘,但更大的可能是43分鐘,這樣算下來(lái),你必須等候的平均時(shí)間是(43+0)/2=21.5分鐘。也就是說(shuō),如果你看不到一輛車駛離車站,你實(shí)際花費(fèi)的等車時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)!怎么樣,這個(gè)結(jié)果讓你大跌眼鏡了吧?

  還有一個(gè)故事更有趣:菲爾的兩個(gè)女朋友,貝基和薩拉,分別住在城北和城南,他不能確定該去看誰(shuí),于是隨機(jī)到達(dá)車站時(shí)哪個(gè)方向的車先來(lái),他就上哪趟車。向南的車是整點(diǎn)和整點(diǎn)過(guò)后的15分、30分、45分發(fā)車,向北的車是整點(diǎn)過(guò)后的1分、16分、31分、46分發(fā)車。一個(gè)月后,菲爾感到命運(yùn)似乎在告訴他什么,因?yàn)樗蝗タ催^(guò)貝基兩次,卻看了薩拉28次!數(shù)學(xué)家告訴我們,這不是什么命運(yùn)的安排。因?yàn)榉茽栯S機(jī)到站,向南列車和向北列車,雖然車次與車次之間都間隔15分鐘,但向北的列車每班車都比向南的車晚1分鐘,這間隔的1分鐘,使菲爾隨機(jī)趕上向北列車的可能性大大低于向南的列車,于是他看薩拉的次數(shù)自然遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于看貝基的次數(shù)了。這真是“概率弄人”啊。

  另一個(gè)與出行有關(guān)的數(shù)學(xué)題來(lái)自18世紀(jì)。哥尼斯堡城(在今俄羅斯)的市民熱衷一種消遣:連續(xù)而不重復(fù)地穿過(guò)這個(gè)城市的7座橋。沒人能夠完成。數(shù)學(xué)家歐拉把橋的地圖變換成網(wǎng)絡(luò)圖,最終發(fā)現(xiàn):要走完一條線路而其中的每一段行程只許經(jīng)過(guò)一次,只有當(dāng)結(jié)點(diǎn)數(shù)(在這里,歐拉把每座橋看做一個(gè)結(jié)點(diǎn)。如果出自一個(gè)結(jié)點(diǎn)的線的數(shù)目是奇數(shù),這個(gè)結(jié)點(diǎn)就是奇結(jié)點(diǎn),如果數(shù)目是偶數(shù),這個(gè)結(jié)點(diǎn)就是偶結(jié)點(diǎn))是0或2時(shí)才可能。其他情況下,如果不走回頭路,就不能遍歷整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。歐拉的這一發(fā)現(xiàn)對(duì)數(shù)學(xué)的兩個(gè)新領(lǐng)域——拓?fù)鋵W(xué)和圖論做了貢獻(xiàn)。

  現(xiàn)實(shí)生活中,對(duì)于郵遞員或煤氣抄表員來(lái)說(shuō),不走回頭路意味著效率的提高。以色列電力公司曾請(qǐng)專人調(diào)整走街方案,把盡可能多的奇結(jié)點(diǎn)變成偶結(jié)點(diǎn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)走遍整個(gè)街區(qū)所需時(shí)間減少了40%,因此需要雇傭的工人也減少了。現(xiàn)代社會(huì)講究效率,對(duì)于提高效率,數(shù)學(xué)大有用武之地。

  有人在賭場(chǎng)里玩押大小的游戲,用幾百元本金贏到七八倍的利錢。他向朋友夸耀時(shí)得意的不是自己小有斬獲,而是如何運(yùn)用數(shù)學(xué)推算出得勝的幾率。如同電影《雨人》,一心要發(fā)財(cái)?shù)牡艿埽鸦加兄钦蠀s對(duì)數(shù)字驚人敏感的哥哥帶去賭場(chǎng),從而大撈了一票。“我不信運(yùn)氣,我信數(shù)學(xué)!”

  為什么找不到四片葉子的三葉草?應(yīng)該在一星期中的哪一天購(gòu)買彩票?怎樣把一塊正方形的蛋糕切成7等份?為什么淋浴總是太熱或者太冷?想知道這些問題的答案嗎?趕緊研究數(shù)學(xué)去吧。數(shù)學(xué)可不只是加減乘除。數(shù)學(xué)之美,無(wú)處不在。

 

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