02.07 科學普及:神奇的指數爆炸,讓宇宙都“無可奈何”的數學現象

純數學是魔術家真正的魔杖。——諾瓦列斯

一張A4紙可以做什麼?普通人的回答或許很簡單,可以做筆記,可以打印材料,但是在數學看來,一張A4紙卻可以連接地月,甚至是戳穿宇宙。其實這並非異想天開,而是數學的神秘之處。

腦洞大開的科學假設——宇宙“裝”不下的紙

數學家曾提出這樣一個有趣的科學假設:如果將一張厚度0.1 mm的A4紙不斷對摺,它的厚度能變得多大?一起來看一下:

1、原有厚度:0.1*20 mm

2、對摺1次:0.1*21 mm

3、對摺2次:0.1*22 mm

……

X、對摺N次:0.1*2n mm

當對摺3次後,A4紙的厚度為0.8 mm,已超過指甲的厚度;當對摺23次後,A4紙的厚度將超過1 Km;當將對摺30次後,A4紙的厚度將達到100 Km。以此類推,A4紙的厚度將達到多少呢?

科學普及:神奇的指數爆炸,讓宇宙都“無可奈何”的數學現象

據數學家模擬測算:當對摺51次後,A4紙的厚度約為2.25億Km,這一厚度足以連接地球和太陽;當對摺的次數達到81次後,A4紙的厚度約為127786光年,這一厚度已經超過銀河系的直徑;當對摺103次後,A4紙的厚度將超過930光年,這也是目前可觀測的宇宙直徑,換句話說,宇宙已經“裝”不下這張A4紙了!

當然,上面只是純粹的數學理論計算,現實中A4紙最多最多可以對摺7次。曾經有位外國女士嘗試挑戰把紙對摺20次,為此她花費85美元購買了一種超薄的衛生紙。但是最終結果是,她只完成了11次對摺。

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國王也吃癟——無法兌現的獎勵

相傳,國際象棋起源於古印度,當時的國王打算重賞發明者。發明者於是向國王提出了自己的請求:“陛下,請您在這張棋盤的第一個小格內賞我1粒麥子、第二個小格內賞2粒、第三格內賞4粒……之後每一格都比前一個格多一倍,直到填滿64格。”

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國王很慷慨地答應了發明者的請求,獎賞工作也很快便開始了。出人意料的是,一袋又一袋的麥子被扛到棋盤前,但是格子卻始終無法被填滿。國王很快也發現,即使拿出全國的麥子,也無法兌現對發明者的獎賞。

那麼國王最後應該要賞賜發明者多少粒麥子呢?這就要用到數學中所學的等比數列求和公式,S(總粒數)=2*(263-1)+1。根據麥粒的重量估計,大約需要獎勵發明者兩千多億噸小麥。這麼多小麥,即使放到現在也是個天文數字,更不用說在古代。

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指數函數與指數爆炸

要了解指數爆炸,首先要弄清指數的概念。現代指數概念,是著名大數學家笛卡爾在1637年引入的,是為乘方數專門設計的記號系統,即指數函數。

指數爆炸並不是真正的爆炸,而是特指計算過程中,指數函數值的“爆炸性”增長(blow up)。

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無處不在的指數爆炸

在日常工作和生活中,人們會常用到指數爆炸或者指數爆炸的思維方式,尤其是在計算機和商業領域。

  • 指數爆炸思維與社交電商行業

指數爆炸思維或者說裂變思維,是社交電商利潤大爆炸的核心。舉個簡單的例子:美妝微商要推銷一款很好用的口紅。微商通常會跟客戶這麼說,如果使用後覺得口紅很好,以後每推薦兩個人來買這款口紅,就免費送一支。業績經過了多次的乘方,最終才形成了非常龐大的數字!

按照這種方式,購買這款口紅的客戶心就會越來越多,雖然起點看似很低,都是一旦積累起足夠的客戶,收益是非常可觀的,這就是一種指數爆炸思維或裂變思維。

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  • 指數爆炸與密碼

大家都知道,密碼的位數越多,其安全程度也就會越高,其實這背後蘊含的原理同樣可以用指數爆炸來解釋。為了讓大家更直觀的認識,我們舉一個特別簡單的例子,單純用數字0和1作密碼。

當密碼只有2位,那麼密碼組合只可能是01、10 、11、00;當密碼增加一位變為3位,密碼組合變為001、010、100、110、101、011、000和111八中可能。以此類推,密碼每增加一位,密碼組合就會增加2倍,因此只要你的密碼位數足夠多,超級計算機也不可能輕易破解。

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結語

其實數學並不像大家想像中那麼枯燥無味,只要我們用心去觀察,就會發現生活中處處充滿著數學的魅力。當然,數學界還有很多未知的風景等著我們探索和發現。學好數理化,走遍天下都不怕,看來並不是全無道理。


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