数学教育公众理解科学

如果让数学家去送外卖结果会怎么样?

2020-02-19  本文已影响0人  刷牙喝凉白开

在一次家庭聚会中,

聚会的人职业各不相同,

有教育家、数学家、厨师……

突然,

女主人说:现在需要做饼,

我有教程,原材料,

你们几个做一下吧……

教育家开始低头查看教程,

一字一句读得很认真,

厨师已经开始下手和面了……

只有数学家坐在那里纹丝不动,

女主人不高兴了,

对他说:我想你是不是在怀疑教程中的数据是否准确?

数学家摇摇头说:

不不不,

我觉得还是出去买吧……

河内塔

河内塔

位于越南境内,

兴建于1812年的旗楼,

楼层总高度约为33.4米,

升上棋子后高度约为41米,

据说,(没有确切依据)

河内塔游戏的名称来源于此。

河内塔(汉诺塔)游戏

1883年,法国数学家卢卡斯

发明了河内塔游戏,

并且将这一游戏贩卖之后,

至今,

这款益智游戏仍然风靡全世界,

当然,

手机软件中也少补了它的身影.

游戏规则

这款游戏制作精美,玩法简单易上手。

游戏中,玩家的任务就是将左边的棋子,

按照原样放在右边的杆子上。

但有一个规则,就是大的棋子不能放在小的棋子上面。

通过移动,将所有的棋子全部移动到右边的杆子上面即可过关。

没有玩过的小伙伴赶紧来动动脑筋吧!

当然,

初始圆盘的个数是不固定的,

如果初始圆盘数目是n的话,

那么至少需要移动的步数为:

2^n-1.

关于这个游戏有个传说的,

据说印度教三个主神之一的

梵天所遗留下的印度塔,

不过是由64片黄金做成的圆盘所构成。

梵天的使徒以跟河内塔相同的规矩,

不停地移动这64块黄金圆盘,

一旦印度塔完成最后一个步骤后,

世界末日也就会随之降临。

假设梵天使徒移动黄金圆盘的速度是

每秒钟一片,

(手速够快了)

则需要的时间为:(2^64-1)秒,

即:18 446 744 073 709 551 615 秒.

换算成年是:大约 5 850 亿年,

比目前所知道的宇宙的年龄还要大很多倍!

三根柱的河内塔游戏步骤可以写成

简单算法。

这个益智游戏也经常是计算机程序

设计课堂上讲授递归算法的教材。

不过,

四根柱子或更多跟柱子的河内塔的

最佳算法至今仍旧是个未知的谜题。

或许,等着P=NP问题解决的那一天,

这个问题就可解了吧……

由于河内塔与其它数学领域有着密切关系,

比如格雷码或多维超立方体上

找出哈密顿路径之类的问题,

使得数学家们一直对这个课题孜孜不懈地研究……

 哈密顿路径(回路)

天文学家哈密顿(William Rowan Hamilton) 提出,

在一个有多个城市的地图网络中,

寻找一条从给定的起点到给定的终点沿途

恰好经过所有其他城市一次的路径。

这个问题和著名的七桥问题的不同之处在于,

过桥只需要确定起点,而不用确定终点。

哈密顿问题寻找一条

从给定的起点到给定的终点

沿途恰好经过所有其他城市一次的路径。

生活中处处都存在着最优解,

修建一座桥梁、一段高速公路、一条隧道……

甚至一个水厂、工厂的选址也要达到最优……

当然,

外卖员接单后的行驶路线也涉及到最优解!

没错,是理论上的!

回到题目的问题:

如果让数学家去送外卖结果会怎么样?

那么他一定会先设计出

皮亚诺曲线

再出发!

1890年,

意大利数学家皮亚诺

向世人展示了空间填满曲线的第一例.

三维空间的希尔伯特立方体是二维空间

皮亚诺曲线的延伸形式

图中这个10.2厘米大小、青铜色的

不锈钢造型由加州大学柏克莱分校瑟坤设计

英国科学作家达林认为这个发现相当于

“对数学传统结构的大地震”,

俄罗斯数学家魏能金表示:

当讨论这些曲线时,

所有既成事实都崩溃了,

一些基本概念变得毫无意义……

皮亚诺曲线可以解释为:

空间填充曲线.

往往是利用迭代方法创造曲折盘绕的线条,

并在最终完全覆盖曲线所处空间。

皮亚诺曲线是一个连续的曲线,

但它和科赫雪花、维尔特拉斯函数等

具有相同的特性——

曲线上任一点都找不到单一的切线。

皮亚诺曲线由许多非常实际的应用方式

如何挑选一条最具效率的旅程拜访数个不同的城镇;

如何设计为数个固定送餐地点最佳的路径系统;

向各个医院输送血浆的最佳物流路径;

……

目前,有科学家提出

利用空间填充曲线的想法,

开发武器定位系统,

只要能在地球轨道上摆上一台计算机,

就能以很高的效率指挥这套系统……

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