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超有趣到令人捨不得睡的數學

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放屁的味道就算力道只有一半還是很臭?

即使減少了討厭的味道……

我們每天都依靠著感覺過生活。所謂的「五感」,就是視覺、聽覺、味覺、嗅覺與觸覺。事實上在這些感覺之中,存在著法則。我們舉「味道」這個例子來看看。

在緊閉的房間中如果有討厭的味道或是屁味,只要使用消臭劑或是空氣清淨機就至少能減輕一半的味道。然而,我們卻無法感覺到「啊!味道少了一半了!」

我們感覺到的是「幾乎沒什麼改變!」「還是很臭啊!」如果要讓人感覺到「味道少了一半」,其實是必須去除90%的味道才行。

「聲音」也是一樣。我們聽到(感覺到)的昆蟲所發出的聲音,其實與演唱會的巨大音量同等級。仔細想想這一點,其實很有趣。

如果人類可以感知音量的絕對值,那麼昆蟲的聲音因為音量小,感受力應該較小,而演唱會的大音量就會讓感受力變得較大。但實際上並非如此。

無論是較小的音量或是較大的音量,我們的感覺其實是相同的。這是因為我們的感知是相同的,無關音量的大小。

10單位能量的音量要增加多少倍,人類才能感受到音量放大了好幾倍呢?

一般都會認為「因為要讓音量倍增,那麼音量調整到20個單位試試看可不可以分辨得出來?」只不過人類的耳朵並非如此敏銳。要讓人感覺到「音量變成2倍」,實際上必須將音量增加到10倍。「10」單位的音量調整到「100」個單位,我們才能勉勉強強感受到音量增加到了「2倍」。

◆ 費希納將人類的感覺算式化

韋伯-費希納定律

如果把R當成感覺強度,S當成刺激強度,那麼它們之間的公式如下:

R=klogS/S0

S0是把感覺強度歸零的刺激強度(閾值,Sensorythreshold,是令對象發生某種變化所需的某種條件的值),K是刺激常數(因感覺而異的數值)

要讓人感受到變成四倍,實際上就必須要是「10*10」也就是能量必須增加到100倍。

人類的感覺能被定量化

真要說起來,人類的感覺不是加法,很明顯地應該是乘法。這就是1860年所提出的「韋伯-費希納定律」,也就是「感覺強度R與刺激強度S的對數成比例」,而這也成為「精神物理學」(又稱心理物理學)的發端。

「精神物理學」是心理學家韋伯(Ernst Heinrich Weber,1795~1878)思考「心理學的世界是否可以定量化表現?」而開始的一門學問。而所謂人的感覺是非常主觀的東西。但是,如果一切都以「主觀」考量的話,就不能成為一門學問了,就會因此而變成純藝術的世界。心理學家韋伯為了讓人類肉眼無法看見的心情或感覺被定量化,而在1840年代做了各式各樣的研究。

接著在1860年,物理學家費希納(Feichner Gustav Theodora,1801~1887)成功將這些研究算式化。這不僅成為心理學的起源,同時也被稱為「精神物理學」的法則。

總而言之,我們人類的感覺絕對不是無法控制、毫無章法的東西,是可以被定量化的。依據「韋伯-費希納定律」所感覺到的激烈變化的環境,也就是所感覺到的刺激,實際上是非常美妙且準確的。

人孔蓋為什麼是圓的?

人孔蓋中隱藏著π

馬路上的人孔蓋為什麼是圓的?誰都不會注意到的風景中存在其理由。如果人孔蓋是四角形的話,會變成怎麼樣呢?

如此一來,其對角線的長度會比邊長還要長,只要稍微轉動蓋子,沉重的鐵塊就會掉進洞穴裡,非常危險。

但是,蓋子的形狀如果是「圓形」,不管如何轉動蓋子,都絕對不會掉下去。因為在圓形中沒有其他部分比其直徑還要長。

除此之外,圓滾滾的蓋子容易轉動,在施工中移動時非常方便,而且圓形的外觀也讓人有比較溫柔優雅的印象。無論是機能性或是設計感,圓形都是最適合的形狀,圓形物體也在生活四周默默地支持著我們。

而在這樣的圓形當中所隱藏的數學,就是「圓周率π」。圓周率的定義是圓的周長與直徑的比值。所有的圓形,無論是多大直徑的圓型,都是一定的比值。人類透過測量形狀的作業而發現數學,這個工作從四千年前就已經開始。

大家也一起來動動手吧!

請準備一個紙杯、一把尺、鉛筆與紙張。我們要用這些東西來求出圓周率。舉例來說,我測量了手邊的紙杯口圓周長度,大約是21公分,直徑約是7公分,那麼「21÷7=3」,圓周率大約就是3。

再去測量更大的紙杯,得到差不多是3.1的數值。但是測量紙杯得不到我們從教科書上學習到的圓周率π,約是3.14這樣的數值。

在重要的事物中都隱藏著「圓形」

那麼應該怎麼做才能求得正確的數值呢?自古以來,世人一直都在思考不用測量的方式,而是用「計算」的方式去求得圓周率的方法。在日本,關孝和(10位數)、鐮田俊清(25位數)、建部賢弘(41位數)、松永良弼(50位數)等和算家,早在18世紀的江戶時代就開始競相挑戰計算圓周率。特別是關孝和的優秀弟子建部賢弘所研究出的方法,因其使用了無窮級數的思考方法,而達到世界級水準的第一級成績,展現出當時的日本可以說是數學大國的事實。

事實上,在重要的事物中都隱藏著「圓形」。

地球、天體運動、日本的錢幣、夫婦圓滿、圓滑……等全部都隱藏著「圓」。與西洋數學相同,日本人對於重要的「圓」的探索追求依然持續不斷。

2002年,東京大學的金田團隊求出了超越前人的一兆位圓周率。「π=3.141592653589793238462643383279……」

無限延續的這個數字的真面目到底是什麼,尚未獲得解答。今後人們也將與「圓」共同生存,繼續挑戰「圓的解謎」。
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