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當(dāng)美與數(shù)學(xué)相遇,沒有理由不喜歡數(shù)學(xué)

 918dc 2021-10-28

有趣的是,ω + 1不一定比ω大,它只是排在后面。這有點(diǎn)難以接受,以下是我們應(yīng)該知道的:

  • 無窮和阿列夫零是兩個不同的東西。前者只是一個位于數(shù)字軸上的極端極限概念,而后者只是集合的大?。▌荩?。
  • 是集合的大小,基數(shù)數(shù)表示數(shù)量(1,2,459,1002等);序數(shù)表示順序(第1,第2,第66等)。
  • 正如有無限的基數(shù),也有無限的序數(shù),第一個無限(不可數(shù))序數(shù)是我們在上面討論過的,ω。
  • 按照這個邏輯,阿列夫1是ω的基數(shù)。

阿列夫零只是眾多“阿列夫”中的第一個。

無窮∞

這更像是一個想法或概念,而不是一個數(shù)字。這個符號通常被稱為無窮∞。在討論無窮大的特性和有趣的事實(shí)之前,有一件重要的事情是,數(shù)字π被認(rèn)為是無窮大的一種形式。這里我們指的是點(diǎn)3.14159之后的數(shù)字范圍……這就是為什么無窮大是一個概念,而不是我們能夠量化的東西。另一個例子來自于美麗的分形領(lǐng)域。以簡單的科赫雪花為例,它可以細(xì)分為無窮小的相同形狀的雪花。

有趣的是,當(dāng)我們想到無窮大時,我們想象的是一個不斷增長的度量,但它并沒有膨脹變大。

讓我們來討論兩個與無限相關(guān)的簡單話題。

0.99999 = 1嗎?

很自然地,0.99999有無窮多個9,我們知道它等于1。用代數(shù)方法證明它也是可能的:

如果X = 0.9999,那么
10 x = 9.9999
如果兩邊同時減去X,就得到
9x = 9.9999 -0.9999
9 x = 9
兩邊除以9
得到,X = 1
奇怪,是吧?

∞-∞= 0嗎?

任何數(shù)字減去自身都是零。但無窮大不是一個數(shù)字。因此,讓我們嘗試一個測試:

假設(shè),∞-∞= 0
∞-∞+ 1= 0 + 1 #兩邊同時加1
∞-∞= 1 #知道∞+ 1 =∞,我們可以化簡方程
剩下的是另一個結(jié)果。通過這個方法,我們可以得到∞-∞等于我們想要的任何數(shù)。因此,∞-∞的答案是沒有定義的。

最后,我們還被告誡任何數(shù)都不能除以0。老師告訴我們1 / 0 = Undefined。直觀地考慮一下,如果0個人除以1個蘋果,需要多少人來覆蓋整個蘋果?自然地,它是一種永不崩潰的無限形式。

原來,1 / 0 =∞。為什么我們被教導(dǎo)結(jié)果是沒有定義的呢?很簡單,當(dāng)1 除以一個無限小的正數(shù)趨于無窮時,很容易假設(shè)1 / 0 =∞。這里,無窮是正無窮。如果我們?nèi)≮吔?的小負(fù)數(shù),我們也可以假設(shè)1 / 0 = -∞。那么,到底是哪一個呢?是1 / 0 =∞還是1 / 0 = -∞?答案是沒有定義的。

下面是無窮的運(yùn)算:

i

i指的是虛數(shù)。虛數(shù)的定義是它的平方是一個負(fù)數(shù)。我們知道兩個相同符號的數(shù)字相乘總是會得到正的結(jié)果。但這并不能阻止我們創(chuàng)造一個公理,來阻止這些數(shù)字的存在。我們稱它們?yōu)樘摰?,因?yàn)樗鼈儾粦?yīng)該存在。-6的平方根是多少?我們不知道。但數(shù)學(xué)的美妙之處在于,與其他科學(xué)工具不同,你可以假設(shè)事物存在。

虛數(shù)的概念很簡單。我們可以假定它們存在。它們有什么作用?我們可以解一些需要負(fù)數(shù)平方根的方程。這里有一個例子:

  • 根號4是多少?很簡單,是2。
  • 根號-4是什么?稍微復(fù)雜一點(diǎn),答案是2i。

我們加上i表示虛數(shù),使2的2次方等于-4。讓我們來看看一個通常沒有解的簡單方程,看看它是如何用虛數(shù)解出來的:

顯然,x的2次方永遠(yuǎn)不會得到負(fù)數(shù)(在我們的例子中是-1),所以我們假設(shè)答案乘以i。

就像數(shù)字1代表實(shí)數(shù)。虛數(shù)的其他用途是把它們和自然數(shù)結(jié)合成復(fù)數(shù)(例如7i + 12)。

古戈爾(Googol)

古戈爾等于1后面跟100個0,即:

10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000。

或者是:

大約是70!,即70 x 69 x 68 x 67 x 66 x 65 x 64 x 63 x 62 x 61 x 60 x 59 ....x1。

更復(fù)雜的是,有一個數(shù)字叫做“Googol plex”,它只是“Googol”的10次方,寫法為:

有趣的是,谷歌公司是Googol名字的誤拼。這個數(shù)字主要用于天文研究,如宇宙的大凍結(jié)。

數(shù)字9

這是我最喜歡的數(shù)字,我發(fā)現(xiàn)它在視覺和數(shù)學(xué)上都很漂亮。在幾何學(xué)中,我們往往會發(fā)現(xiàn)它隱藏在很多地方,比如:

  • 圓,它有360度(3 + 6 + 0 = 9)
  • 把圓切成兩半,每一半是180度(1 + 8 + 0 = 9)
  • 把圓切成四等份,每個角是90度(9 + 0 = 9)
  • 切成8份,每部分45度(4 + 5 + 0 = 9)
  • 繼續(xù),16份,每部分22.5度(2 + 2 + 5 = 9)
  • 繼續(xù),32份,每部分為11.25度(1 + 1 + 2 +5 = 9)
  • 一個正方形,內(nèi)角和是是90 × 4(360 = 3 + 6 + 0 = 9)

下面是圖形和它們的角度。

從左上到下:五邊形,八邊形,十邊形。

  • 五邊形= 108 = 1 + 0 + 8 = 9 // 72 = 7 + 2 = 9
  • 八邊形=135 =1 + 3 + 5 = 9 // 45 = 4 + 5 = 9
  • 十邊形= 144 = 1 + 4 + 4 = 9 // 36 = 3 + 6 = 9

同樣,如果我們把9前面的數(shù)相加(1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 = 36)。然后,3 + 6 = 9。

把9和它前面的數(shù)字相乘,然后把它們的元素相加,結(jié)果總是9,例如:

  • 9 x 1 = 9
  • 9 x 3 = 27 = 2 + 7 = 9
  • 9 x 7 = 63 = 6 + 3 = 9
  • 9 x 9 = 81 = 8 + 1 = 9

這些數(shù)字除以9總是得到相同的數(shù)字,一直重復(fù)到無窮,例如:

  • 1 / 9 = 0.11111
  • 3 / 9 = 0.33333
  • 7 / 9 = 0.77777

數(shù)字73

如果你是《生活大爆炸》的粉絲,那么你一定聽過謝爾頓·庫珀博士說過為什么73是完美的數(shù)字,下面是他的原話:

最好的數(shù)字是73。為什么?73是第21個質(zhì)數(shù)。它的鏡像,37,是第12個質(zhì)數(shù),是21的的鏡像。而21,是7和3的乘積。
在二進(jìn)制中,73是回文“1001001”,倒著也是是1001001。

這些話出自《生活大爆炸》第四季第十集,而這一集恰好是該劇的第73集(也是飾演謝耳朵的男演員吉姆·帕森斯出生的那一年)。

歐拉數(shù)

e以萊昂哈德·歐拉的名字命名,是一個無理數(shù),是自然對數(shù)的底數(shù)。已知?dú)W拉數(shù)的精度約為1萬億位??捎梢韵鹿降贸觯?/p>

當(dāng)n趨于無窮時,我們對e的值有了更清晰的認(rèn)識,當(dāng)n = 100,000時,e = 2.71827。e有一個有趣的性質(zhì),它的斜率值就是它本身。它也被用于金融計算復(fù)利。

斐波那契序列

列奧納多·斐波那契在觀察兔子種群的同時,用簡單的加法技術(shù)創(chuàng)造了我們宇宙中最迷人的數(shù)列之一。現(xiàn)在,一些證據(jù)表明,印度數(shù)學(xué)家事先就知道這個數(shù)列,我們堅持被廣泛接受的事實(shí),即斐波那契提出了這個數(shù)列。

斐波納契數(shù)列可以用下面簡單的公式得到(n>2):

得到了下面的無窮數(shù)列:

1、1、2、3、5、8、13、21、34、55、89、144,....

這個數(shù)列的美妙之處在于它與自然有關(guān)。例如,出現(xiàn)在了開花的朝鮮薊、一些花瓣如雛菊中。它甚至發(fā)生在星系螺旋中。

甚至有一個非常有趣的觀察,基于事實(shí)表明,地球和月球的尺寸是?的關(guān)系,比值是1.618。那么這個1.618是什么呢?

如果我們?nèi)⌒蛄兄械娜我鈨蓚€連續(xù)數(shù),它們的比值(Xn / Xn-1)接近于1.618,這就是我們所說的黃金比例:

  • 3 / 2 = 1.5
  • 13 / 8 = 1.666
  • 55 / 34 = 1.61764
  • 233 / 144 = 1.61805

……

  • 317,811 / 196,418 = 1.61803

在無窮大時,比值接近1.618,也稱為Phi (?)。我們將在下面更詳細(xì)地討論?。

23

很多人都看過電影《數(shù)字23》,金·凱瑞飾演的沃爾特·斯派洛是一個在一本書中讀到數(shù)字23后對它著迷的人。人們認(rèn)為這個數(shù)字神秘地與世界上許多事件吻合,雖然這可能是一個幻想性錯覺的完美例子,但列出一些包含23的事件仍然很有趣:

  • 如果我們把9/11悲劇事件的全部日期寫成:9 + 11 + 2 + 0 + 0 + 1 = 23。當(dāng)然,我們也可以這樣:9 + 11 + 2001 = 2021。
  • 根據(jù)生日悖論,23是隨機(jī)選擇的最少人數(shù),以獲得至少50%的概率,有至少兩個人的生日相同。隨機(jī)選擇70個人,至少有兩個人生日相同的概率是99.99%。
  • 威廉·莎士比亞生于4月23日,巧合的是,他也死于4月23日。
  • 泰坦尼克號于1912年4月15日沉沒。把整個日期加起來就是4 + 1 + 5 + 1 + 9 + 1 + 2 = 23。這里面多多少少有些人為選擇的因素。
  • 地球在其軌道平面上傾斜23.5度。我們可以把5看成是2 + 3,讓這變得有趣一點(diǎn)。
  • 阿雷西博信息(The Arecibo message)由1679比特組成,排列成73行,每行23個字符。當(dāng)然,這是人類編造的,但它仍然很有趣。阿雷西博信息是一個從地球向太空發(fā)送的信息,以尋找智能生命。它總結(jié)了人類的生活。
  • 人類有23對染色體。
  • 前23個素數(shù)的總和是874,可以被23除以。
  • 廣島原子彈是在8:15投下的。8 + 15 = 23。
  • 23是由連續(xù)數(shù)字組成的最小的質(zhì)數(shù)
  • 圣殿騎士團(tuán)有23位大師。
  • 平均而言,人類的血液每23秒在全身循環(huán)一次。

π (π)和Tau (τ)

π是著名的無理數(shù),表示圓的周長與半徑之比。

如果我們畫一個直徑為1的圓,那么周長就等于3.14159……,用π來表示。它就是周長除以直徑?,F(xiàn)在,我們不需要回顧幾何概念,所以,我給出π的一個性質(zhì):

  • 它是無限不循環(huán)小數(shù)。

我為什么要把τ包括進(jìn)來?一些數(shù)學(xué)家一直在爭論π的用處,并提出τ,即τ = 2π。許多數(shù)學(xué)家認(rèn)為τ更適合計算圓。當(dāng)我們想要深入研究細(xì)節(jié)時,他們的直覺是正確的,但誰不喜歡π呢?

歐拉恒等式

把數(shù)學(xué)中一些最美麗的概念結(jié)合起來,就能得到如此簡單的結(jié)果。讓我們首先回顧一下我們討論的是什么概念,以及我們?nèi)绾螌⑺鼈兘Y(jié)合起來:

  • 歐拉數(shù)e
  • 單位虛數(shù)i
  • π

令人著迷的是,這三者共同組成一個方程式,如下面的方程式,給我們帶來了簡單的結(jié)果-1。

我們怎么從這三個數(shù)中得到-1的?

正如我們已經(jīng)知道,i的平方為-1。歐拉運(yùn)用泰勒級數(shù)與i的關(guān)系,得到了以下方程:

把上面的歐拉公式放在一個復(fù)平面上(有實(shí)數(shù)和虛數(shù)),我們得到一個圓。引入半徑r,我們可以將這些點(diǎn)轉(zhuǎn)變成另一種形式。如果我們假設(shè)x = π,那么我們會得到:

知道cos π = -1 sin π = 0,那么右邊的i就會消失:

所以,我們也可以重新排列這個方程,使它更漂亮,加上另一個簡單的數(shù)字:

數(shù)字6174

也被稱為卡普雷卡的常數(shù),如果你遵循以下步驟,這個數(shù)字有一個特殊的性質(zhì):

  • 取任意四位數(shù)。
  • 按降序和升序排列數(shù)字,得到兩個新的四位數(shù)。
  • 現(xiàn)在,用較大的數(shù)減去較小的數(shù)。
  • 重做步驟2。

如果你重復(fù)多次,你總是會得到6174,這就是神奇的地方。為什么我們總是以這個數(shù)結(jié)束。以2714為例:

  • 7421 -1247 = 6174

再以3687為例:

  • 8763 -3678 = 5085;
  • 8550 -0558 = 7992;
  • 9972 -2799 = 7173;
  • 7731 -1377 = 6354;
  • 6543 -3456 = 3087;
  • 8730 -0378 = 8352;
  • 8532 -2358 = 6174

如果選擇6174,那么會一直保持在6174,因?yàn)?641 -1467 = 6174。

它也是一個哈沙德數(shù)( Harshad number),意味著它能被它的組成部分的和整除:6174 /(6 + 1 + 7 + 4)= 6174 / 18 = 343。

黃金比例

我們已經(jīng)討論過這個比例,但它可能是世界上最重要的比例。以下是它的特點(diǎn):

  • 0.618的倒數(shù)就是1 + 0.618。因此,1 / ?≈1 + ?
  • 它出現(xiàn)在《自然》雜志上。一些樹枝就是一個例子。主干將一直生長,直到產(chǎn)生一個分支,從而創(chuàng)建兩個新的起點(diǎn)。其中一個起點(diǎn)會增加另外兩個,而另一個不會。這種模式類似于斐波那契模式。

人們認(rèn)為它代表著美,盡管這種觀點(diǎn)尚未得到證實(shí),但了解我們的頭腦如何定義美仍然是一件有趣的事情。例如,臉。下面這段可能不是最準(zhǔn)確的研究,但施密德博士把人的臉分為10個等級,10是最高的(最美的人),大多數(shù)人的得分在4到6之間。美的標(biāo)準(zhǔn)是,首先用臉部的長度除以寬度,最優(yōu)結(jié)果為1.618。之后,還會計算出其他的比例,比如鼻底到下巴的比例。最后,進(jìn)行對稱測試以檢查更多的美的指標(biāo)。施密德博士說,除了其他特征外,在完美的臉上,耳朵的長度應(yīng)該與鼻子的長度相等。

它出現(xiàn)在幾何學(xué)中。許多建筑和藝術(shù)品都有黃金比例,希臘的帕臺農(nóng)神廟就是一個例子。這個方塊里嵌著黃金比例。

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