这是不用公式就能看懂的数学和物理,看过了的都说好(上)

作者: Cloudiiink

来源: 中科院物理所

发布日期: 2018-09-16 10:56:21

本文介绍了如何通过简单的图示来理解和证明数学和物理中的复杂概念,特别是几何和不等式的证明。文章还包含了一个有趣的填充蛋糕小游戏,展示了如何通过对称性分析来解决实际问题。

这是不用公式就能看懂的数学和物理,看过了的都说好。虽然不管是我们的数学老师还是物理老师都一直教导我们,在思考问题的时候不要陷入到计算的细节。但是有句话是这么说的,计算不是万能的,没有计算是万万不能的。比如无论多么精巧的几何问题,在笛卡尔发明了解析几何之后,无论如何你都有最后一手暴力计算。如果一个方程组解决不了问题,那就再加一个方程组。但是在东西算多了以后,你往往会迷茫,我是谁?我在哪?我要算啥?

迷失在一个又一个的数学技巧里面。现在大家都说无图言X, 今天我们就来介绍介绍那些巧妙的用一张图就写完的证明。

在初学不等式的时候,往往会遇到几个奇奇怪怪的平均数。什么算术平均数还有几何平均数。那时候既搞不懂两个都是数,为什么一个叫算术一个叫几何,也分不清楚哪个不哪个大,每次到了要用的时候还要现算一下。

直到后来看了这个……上图中的半圆直径长度为 a+b,所以半径的长度为 (a+b)/2,也就是 a 和 b 这两个数的算术平均值。利用射影定理,只要沿着 a 线段与 b 线段的交点做一条垂线,我们就能得到几何平均。

最后来个大家玩一个很有趣的题目。我们有一堆菱形的小蛋糕,现在需要用这些小蛋糕来拼满一个正六边形的盘子,如下图所示。可以看到,小蛋糕一共有三种朝向。

问题来了,这三种方向小蛋糕各占了多少比例?点击下方空白区域查看答案 ▼ 三个方向的小蛋糕数量均相同。我们可以给图片染了个色,现在看见这个「立体图」,每个方向上的小蛋糕之和都对应了相同的正方形。更取巧的方法是通过对称性分析。我们可以通过旋转操作把不同方向的小蛋糕进行轮换,没有一个方向是特殊的。

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