誰說數(shù)學(xué)是枯燥的?在數(shù)學(xué)里,有很多歡樂而又深刻的數(shù)學(xué)定理和坑爹的數(shù)學(xué)題,下面和初三網(wǎng)小編一起看一下吧。
喝醉的小鳥
定理:喝醉的酒鬼總能找到回家的路,喝醉的小鳥則可能永遠(yuǎn)也回不了家。
假設(shè)有一條水平直線,從某個位置出發(fā),每次有 50% 的概率向左走1米,有50%的概率向右走1米。按照這種方式無限地隨機(jī)游走下去,最終能回到出發(fā)點的概率是多少?答案是100% 。在一維隨機(jī)游走過程中,只要時間足夠長,我們最終總能回到出發(fā)點。
現(xiàn)在考慮一個喝醉的酒鬼,他在街道上隨機(jī)游走。假設(shè)整個城市的街道呈網(wǎng)格狀分布,酒鬼每走到一個十字路口,都會概率均等地選擇一條路(包括自己來時的那條路)繼續(xù)走下去。那么他最終能夠回到出發(fā)點的概率是多少呢?答案也還是 100% 。剛開始,這個醉鬼可能會越走越遠(yuǎn),但最后他總能找到回家路。
不過,醉酒的小鳥就沒有這么幸運了。假如一只小鳥飛行時,每次都從上、下、左、右、前、后中概率均等地選擇一個方向,那么它很有可能永遠(yuǎn)也回不到 出發(fā)點了。事實上,在三維網(wǎng)格中隨機(jī)游走,最終能回到出發(fā)點的概率只有大約 34% 。
這個定理是著名數(shù)學(xué)家波利亞(George Pólya)在 1921 年證明的。隨著維度的增加,回到出發(fā)點的概率將變得越來越低。在四維網(wǎng)格中隨機(jī)游走,最終能回到出發(fā)點的概率是 19.3% ,而在八維空間中,這個概率只有 7.3% 。
“你在這里”
定理:把一張當(dāng)?shù)氐牡貓D平鋪在地上,則總能在地圖上找到一點,這個點下面的地上的點正好就是它在地圖上所表示的位置。
也就是說,如果在商場的地板上畫了一張整個商場的地圖,那么你總能在地圖上精確地作一個“你在這里”的標(biāo)記。
1912 年,荷蘭數(shù)學(xué)家布勞威爾(Luitzen Brouwer)證明了這么一個定理:假設(shè) D 是某個圓盤中的點集,f 是一個從 D 到它自身的連續(xù)函數(shù),則一定有一個點 x ,使得 f(x) = x 。換句話說,讓一個圓盤里的所有點做連續(xù)的運動,則總有一個點可以正好回到運動之前的位置。這個定理叫做布勞威爾不動點定理(Brouwer fixed point theorem)。
除了上面的“地圖定理”,布勞威爾不動點定理還有很多其他奇妙的推論。如果取兩張大小相同的紙,把其中一張紙揉成一團(tuán)之后放在另一張紙上,根據(jù)布勞威爾不動點定理,紙團(tuán)上一定 存在一點,它正好位于下面那張紙的同一個點的正上方。
這個定理也可以擴(kuò)展到三維空間中去:當(dāng)你攪拌完咖啡后,一定能在咖啡中找到一個點,它在攪拌前后的位置相同(雖然這個點在攪拌過程中可 能到過別的地方)。
不能撫平的毛球
定理:你永遠(yuǎn)不能理順椰子上的毛。
想象一個表面長滿毛的球體,你能把所有的毛全部梳平,不留下任何像雞冠一樣的一撮毛或者像頭發(fā)一樣的旋嗎?拓?fù)鋵W(xué)告訴你,這是辦不到的。這叫做毛球定理(hairy ball theorem),它也是由布勞威爾首先證明的。用數(shù)學(xué)語言來說就是,在一個球體表面,不可能存在連續(xù)的單位向量場。這個定理可以推廣到更高維的空間:對于任意一個偶數(shù)維的球面,連續(xù)的單位向量場都是不存在的。
毛球定理在氣象學(xué)上有一個有趣的應(yīng)用:由于地球表面的風(fēng)速和風(fēng)向都是連續(xù)的,因此由毛球定理,地球上總會有一個風(fēng)速為 0 的地方,也就是說氣旋和風(fēng)眼是不可避免的。
說它坑爹,是因為這史上最多人做錯的8道小學(xué)數(shù)學(xué)題!
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