12.07 世界上最偉大的十個公式及其實際應用(一)

不知道大家喜不喜歡數理化,不知道大家認不認可“買菜小學數學就夠了,沒必要學那麼多”的說法。今天,咱們就來盤點一下世界上最偉大的十個公式及其實際應用,讓你重新認識數理化的力量。

世界上最偉大的十個公式及其實際應用(一)

數理化


1.1+1=2。提出者:大自然。

世界上最偉大的十個公式及其實際應用(一)

1+1=2

也許你覺得這個公式太low了,這不簡直就是常識嗎?可是,你有1個蘋果,我有1個蘋果,我們一共擁有的如果不是2個蘋果,那我們認知的世界就完全崩塌了。它是數理化乃至宇宙的基礎。

2.圓的周長公式C=πd(C為圓的周長,d為圓的直徑,π為常數)。提出者:古代人類。

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圓的周長公式

話說近2萬年前的石器時代,山頂洞人就學會了用尖狀的石器鑽孔,石器的尖是圓心,它的寬度就是直徑。

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山頂洞人的石器

後來到了陶器時代,人們學會了在轉盤上製作陶器,轉盤軸就是圓心,泥塊邊緣距離軸心的長度就是半徑。

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在轉盤上製作陶器

再後來人們學會了通過燒製木塊使其變軟後彎曲,也就是咱們古文中說的輮以為輪,製作木車的車輪。這時候問題就來了,要製作一個1丈寬的車輪,需要多長的木塊呢?

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輮以為輪

古時候的天才們開動腦筋思考,發現輪子的寬度和木塊的長度之間存在某種關係。把車輪拆卸開仔細比對發現了一個驚人的結論:不管多寬的車輪,組成車輪的木塊的長度和車輪的寬度的比例都相等!

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古人思考

對於剛搞清楚加減乘除的古人來說,這是多麼重大的發現啊,它可以指導人們按照需求準備原材料,誰家造車輪啦、造圓形的房頂啦、造木盆啦,只要是圓形的東西,都可以用這個“比例”計算。那這個比例具體是多少呢?人們就量出木塊的長度,比如是3丈,然後再量出車輪的寬度,比如是1丈,人們就得出了“比例”的大小——3,並起名為π。

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π

現在人們已經利用電子計算機將π的值算到了小數點後幾萬億個,但最根本的原理,和第一個計算它的人並沒有區別。後來人們發現圓的面積也和神奇的π有關係,得出了圓的面積公式S=πr²,然後進一步推導出圓柱體的體積公式V=πr²h,圓錐體的體積公式V=1/3πr²h,球體的體積公式V=4/3πr³···

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球體的體積公式積分推導過程

有了這些公式,人們分土地、造柱子、做各種模具,就都有了科學依據。這一切,都是因為發現了π。

3.勾股定理a²+b²=c²(a、b為直角三角形的兩條直角邊邊長,c為斜邊邊長)。提出者:商高、畢達哥拉斯。

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勾股定理

據公元前1000年左右的西周時代的《周髀算經》記載,商高:“故折矩,勾廣三,股修四,經隅五。”這是勾股定理的最早描述,早於畢達哥拉斯定理五六百年,但是並未形成定理,著實可惜。

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《周髀算經》

討厭數學的人可能會說,不就是個特殊的直角三角形的規律嗎?有什麼了不起的?非也非也,勾股定理開啟了用代數思想解決幾何問題的大門,是數形結合的紐帶。

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數形結合

由於發現了直角三角形三條邊邊長的數學關係,人們自然就想將其推廣到任意的三角形。方法很簡單,任意一個三角形都能沿一個頂點做一條垂線從而將其分為兩個直角三角形。

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三角形的垂線

這時,三角函數就誕生了。數學家定義直角三角形中的一個角α的對邊比斜邊的值為sinα,鄰邊比斜邊的值為cosα,對邊比鄰邊的值為tanα,由此得出三角函數基本公式。

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三角函數基本公式

再根據勾股定理a²+b²=c²,上圖中(y/r)²+(x/r)²=(y²+x²)/r²=1,即sinα²+cosα²=1。在此基礎上,數學家們推導出了更多的三角函數公式。

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三角函數衍生公式

看著密密麻麻的三角函數衍生公式,是不是快懵逼了?如果你是一個沒有學過數學,沒有學過勾股定理的人,告訴你這密密麻麻的符號構成的等式其實表示的是三角形的邊長、角度之間的關係,你會信嗎?這就是勾股定理的偉大之處,它是用代數方法解決圖形問題的先驅。

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用代數方法解決圖形問題

後來一代數學宗師笛卡爾建立了座標系,平面圖形和三維物體都能夠用座標,也就是代數來表示。平面解析幾何以及空間解析幾何的大廈便這樣建立起來了。

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空間解析幾何

解析幾何學是人類數學史上的里程碑式成就。它的應用可實在是太廣泛了。

比如飛機發動機葉片的形狀參數,什麼樣的形狀、厚度能達到最佳的傳動效果、強度、耐熱性?那奇奇怪怪的樣子不是為了看起來很酷而造的,都是經過科學的數學計算的。

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飛機發動機葉片

比如新落成的上海中心金融大廈,建成的樣子很美,曲線感極強。那只是藝術家的靈光乍現嗎?顯然不可能,為了有最佳的風阻、角度、重心等,工程師為其進行了無數的數學建模。

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上海中心金融大廈

再比如咱們豔羨無比的德國超高精度五軸數控機床,為什麼能夠進行那麼精密的加工?數控系統包含的都是解析幾何的公式,如何計算軌跡,如何選擇下刀地點,如何多軸聯動,每一步操作都需要大量數學計算得出的精確數據來支撐。

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德國超高精度五軸數控機床

今天,我就簡單介紹這三個簡單的入門級公式,希望能夠引起大家的興趣,提高大家對數學的認識。我們的人生充滿數學,我們的未來需要數學,數學的美亟需你我去發現。

敬請期待下期。


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