数学之美(26)——优中选优之数“φ”

千淘万漉虽辛苦,吹尽狂沙始到金——刘禹锡

上面两句诗词的意思是淘金要千遍万遍的过滤,虽然辛苦,但只有淘尽了泥沙,才会露出闪亮的黄金。

不过在我们日常生产和生活中,千遍万遍的挑选方法可能无法满足日益加快的生活节奏,那么就需要有一个可以优中选优而且节约时间的方法,这就是华罗庚教授提出的“优选法”。

寻找最美的身材比例

引入概念:黄金数φ

在建筑上,有很多矩形的部件,比如门,窗户等,方方正正的门和窗户很少,而特别扁的也很少,因为我们觉得不好看,不美观。那么什么样的矩形才能让我们觉得美观、顺眼呢?建筑学家通过调查研究,发现如果一个矩形减掉一个正方形后,剩下的矩形与原矩形相似(长宽比一致),人们普遍认为是好看、舒服的。(注:美的标准不一,这里是大众的美)见下图.

设AB=a,AD=b,矩形ABCD减掉的正方形为ABEF,剩下矩形为ECDF,其中FD=b-a

矩形ABCD∽矩形CEFD,

可得:

这个最“美”(满足宽与长的比为0.618的矩形)的矩形就出现了,我们将0.618成为黄金数,简称金数.

中外比

金数亦称为中外比,这是对线段来说的,把一条线段(AB)分割为两部分,使其中较小一部分(BC)与全长(AB)之比等于较大一部分(AC)与较小部分(BC)之比.

同理可求得,较小部分与较大部分的比值为0.618. 

如果线段AB是条琴弦,那么在中外比处弹奏声音“最”悦耳动听;如果线段AB是个演讲台的宽,那么演讲者站在中外比处“最”得体;我们看下面的五角星,也有中外比的存在。

五角星中的中外比(金数)

金数在生活中有着广泛的应用,人们找到了超过数千种与金数有关的,比如人体正常温度,接近0~100℃的金数38.2℃;某些植茎上两张相邻叶柄的夹角是137°28'≈(1-0.618)×360°,这种角度对植物通风和采光效果最佳;按人体正常体温37℃计算,37×0.618≈23℃,人在这个温度下感觉最舒适;如果每天工作8小时,8×0.618≈5,即在第5个小时最需要休息调整……

非常著名的斐波那契数列也符合这一规律:1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,……用数列的前一个数字除以后一个数字,商越来越接近0.618.

优选法

优选法是一种具有广泛应用价值的数学方法,我国著名数学家华罗庚曾为普及它作出重要贡献。他曾经亲自到群众中去宣传讲解这种方法,在我国农业生产上,产生了很大的作用。什么是优选法呢?看下面一个例子。

比如我们要测定一个种子在哪个温度下出芽率最高,只知道这个温度在0~40℃之间,怎么寻找这个“最佳”温度呢?

我们先找到0~40℃的两个黄金分割点温度(40×0.618=24.7℃,40×(1-0.618)=15.3℃),实验这两个温度,24.7℃代表24.7℃~40℃段;15.3℃代表0~15.3℃段。如果实验结果:24.7℃好于15.3℃,那么就淘汰0~15.3℃段;如果15.3℃好于24.7℃,那么就淘汰24.7~40℃段,然后将淘汰后的温度范围继续采用这种方法加以实验,直至找到最佳温度为止.

这样下来,只要实验数十次,就能找到最佳温度,而不用在0~40℃中每个1℃做实验了,既节约了时间又提高了效率与准度。

华罗庚教授的优选法的确是非常实用的数学方法在生活中的应用,无愧“应用数学大师”,不过他也指出,国外在上世纪50年代已经有了这样的设计,不过没有证明为什么0.618最优。这个方法的最优证明是由我国数学家洪加威教授于1973年完成的。

华罗庚在田间推广优选法

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