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數(shù)學(xué)之美(26)——優(yōu)中選優(yōu)之?dāng)?shù)“φ”

 昵稱32937624 2019-05-06

上面兩句詩詞的意思是淘金要千遍萬遍的過濾,雖然辛苦,但只有淘盡了泥沙,才會(huì)露出閃亮的黃金。

不過在我們?nèi)粘Ia(chǎn)和生活中,千遍萬遍的挑選方法可能無法滿足日益加快的生活節(jié)奏,那么就需要有一個(gè)可以優(yōu)中選優(yōu)而且節(jié)約時(shí)間的方法,這就是華羅庚教授提出的“優(yōu)選法”。

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引入概念:黃金數(shù)φ

在建筑上,有很多矩形的部件,比如門,窗戶等,方方正正的門和窗戶很少,而特別扁的也很少,因?yàn)槲覀冇X得不好看,不美觀。那么什么樣的矩形才能讓我們覺得美觀、順眼呢?建筑學(xué)家通過調(diào)查研究,發(fā)現(xiàn)如果一個(gè)矩形減掉一個(gè)正方形后,剩下的矩形與原矩形相似(長寬比一致),人們普遍認(rèn)為是好看、舒服的。(注:美的標(biāo)準(zhǔn)不一,這里是大眾的美)見下圖.

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設(shè)AB=a,AD=b,矩形ABCD減掉的正方形為ABEF,剩下矩形為ECDF,其中FD=b-a

矩形ABCD∽矩形CEFD,

可得:

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這個(gè)最“美”(滿足寬與長的比為0.618的矩形)的矩形就出現(xiàn)了,我們將0.618成為黃金數(shù),簡(jiǎn)稱金數(shù).

中外比

金數(shù)亦稱為中外比,這是對(duì)線段來說的,把一條線段(AB)分割為兩部分,使其中較小一部分(BC)與全長(AB)之比等于較大一部分(AC)與較小部分(BC)之比.

同理可求得,較小部分與較大部分的比值為0.618.

如果線段AB是條琴弦,那么在中外比處彈奏聲音“最”悅耳動(dòng)聽;如果線段AB是個(gè)演講臺(tái)的寬,那么演講者站在中外比處“最”得體;我們看下面的五角星,也有中外比的存在。

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五角星中的中外比(金數(shù))

金數(shù)在生活中有著廣泛的應(yīng)用,人們找到了超過數(shù)千種與金數(shù)有關(guān)的,比如人體正常溫度,接近0~100℃的金數(shù)38.2℃;某些植莖上兩張相鄰葉柄的夾角是137°28'≈(1-0.618)×360°,這種角度對(duì)植物通風(fēng)和采光效果最佳;按人體正常體溫37℃計(jì)算,37×0.618≈23℃,人在這個(gè)溫度下感覺最舒適;如果每天工作8小時(shí),8×0.618≈5,即在第5個(gè)小時(shí)最需要休息調(diào)整……

非常著名的斐波那契數(shù)列也符合這一規(guī)律:1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,……用數(shù)列的前一個(gè)數(shù)字除以后一個(gè)數(shù)字,商越來越接近0.618.

優(yōu)選法

優(yōu)選法是一種具有廣泛應(yīng)用價(jià)值的數(shù)學(xué)方法,我國著名數(shù)學(xué)家華羅庚曾為普及它作出重要貢獻(xiàn)。他曾經(jīng)親自到群眾中去宣傳講解這種方法,在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上,產(chǎn)生了很大的作用。什么是優(yōu)選法呢?看下面一個(gè)例子。

比如我們要測(cè)定一個(gè)種子在哪個(gè)溫度下出芽率最高,只知道這個(gè)溫度在0~40℃之間,怎么尋找這個(gè)“最佳”溫度呢?

我們先找到0~40℃的兩個(gè)黃金分割點(diǎn)溫度(40×0.618=24.7℃,40×(1-0.618)=15.3℃),實(shí)驗(yàn)這兩個(gè)溫度,24.7℃代表24.7℃~40℃段;15.3℃代表0~15.3℃段。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果:24.7℃好于15.3℃,那么就淘汰0~15.3℃段;如果15.3℃好于24.7℃,那么就淘汰24.7~40℃段,然后將淘汰后的溫度范圍繼續(xù)采用這種方法加以實(shí)驗(yàn),直至找到最佳溫度為止.

這樣下來,只要實(shí)驗(yàn)數(shù)十次,就能找到最佳溫度,而不用在0~40℃中每個(gè)1℃做實(shí)驗(yàn)了,既節(jié)約了時(shí)間又提高了效率與準(zhǔn)度。

華羅庚教授的優(yōu)選法的確是非常實(shí)用的數(shù)學(xué)方法在生活中的應(yīng)用,無愧“應(yīng)用數(shù)學(xué)大師”,不過他也指出,國外在上世紀(jì)50年代已經(jīng)有了這樣的設(shè)計(jì),不過沒有證明為什么0.618最優(yōu)。這個(gè)方法的最優(yōu)證明是由我國數(shù)學(xué)家洪加威教授于1973年完成的。

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