说出来你可能不信,数学真能当饭吃。宇宙中普适的规律就是动物需要吃东西。食品饮品工业是世界上最大的工业系统。为了养活未来继续增长的人口,我们需要在未来五十年内生产过去1000年所生产的实物量。数学要为此做些什么吗?简单的答案是,不光要做,而且要所很多。这篇文章中我们将看到数学在食物中的应用,从它促进食物增长,到它在运输中起到的作用再到储存食物。
我们的大部分食物,包括庄稼和动物性食物,都是在农场中生产的。这看起来并不是一个高科技的场合,但是大量的科学和数学被用来提高农场的生产效率。实际上有很多计算机被用来模拟农场的行为以及被用来指导农民们如何最高效的管理农场。种庄稼的农民最关心的基本问题是:种什么作物,浇多少水,打多少药以及怎样应对天气和什么时间收割。
我们需要多少食物来养活整个世界?数学家也会考虑为全世界种庄稼的问题。如果我们打算用种植庄稼来养活全世界的话这是非常重要的。事物如何增长的问题被D'Arcy Thompson在一篇经典论文中研究过。如果一种数量相对较少的作物被种植而且可以一年接一年的栽种,假设作物数量用c来表示,那么作物总的增长速度正比于作物的总数。我们可以用一个微分方程来表达这种关系:d(c)/d(t)=a(t)c。
食物一旦生产出来就需要运输到需要它的地方去。这个过程难免需要对食物进行冷藏。热力学的公式,用来描述物体在受热或受冷后的行为,在这种情况下极端重要。利用这些公式我们可以避免大量的食物被浪费,还能保证运输和储存过程中的安全。向各地运输食物同样提供了大量运筹学的挑战,不同的食物拥有不同的形状不公重量和不同的保鲜时间让问题变得更加复杂。这些问题非常难解决。
一个经典的例子是快递员问题,这个问题想要发现快递员分发货物的最有路径。