2020年3月30日,本号曾经感性地描绘像地图一样的函数,表述了对地理科学的喜爱,也看到了数学与其他自然学科结合的一面。
一年之后,随着认识的不断增长,本号的主人看到了函数结合的不仅是地理科学,还有更抽象的时空和广阔的自然与社会空间。万物皆可函数,感性即是理性,世间万象皆可量化。
他走在建设中的森林公园,这是东平河与汾江河的交叉点,登上20米高的山岗,可以看到一个用于分洪的船闸。(登山栈道建设中)
在这里他知道了如何判断曲面的最大值和最小值。把东看成x方向,北看成y方向,上看成z方向,当山上某一点向二维各向走都是向下的时候,这里就是山的最高峰,也就是对应函数的最大值。
在这一点,对应的函数平面每个方向的一阶偏导数都是0(最高),同时每个方向上的二阶偏导数都是正的(向下凹)。于是就需要求出每个方向的方向导数,也就是
(cos α、cos β为在x方向,y方向方向余弦),之后对其对x、y方向继续求二阶偏导数,得出二阶偏导数的和
。在二元函数下,可以写成
,即
,这个函数的值决定它有无极值。
通过求出极值点后代入,即可算出山的最高最低点和对应的高度。
他骑着电动车在东平河的河堤上,看到太阳下落的轨迹,犹如一条二次曲线。他想到三维空间里运动的物体的轨迹构成了曲线,曲线动而成曲面,曲面交再成曲线,而二次曲线是里面的一种。
例如日落下风筝上的圆形风标,旋转起来就像是椭球面。河道的转弯就像是双曲线的一支,把弯曲的河道沿着一定的轴线旋转一周,就成为了双曲面。跨越河道的桥梁,如果旋转的话,就是旋转抛物面。桥上的桥塔延展出宽度,就是双曲抛物面。
这些二次曲面在坐标中都是一个函数,它们是椭圆、双曲线和抛物线旋转、平移得到的。对应着一条三元二次方程的不同项,可以由唯一的矩阵决定。
这些日落下想象的曲面之间的交线,形成了电动车的轨迹,轮船的尾流,放风筝男孩手中风筝的飞翔路径。
当曲面交叉把极值的条件框住,就是拉格朗日乘数法。
它规定一定的限制条件,去求这个条件下的最大或最小值。例如在夕阳下的东平河畔,求放风筝的男孩,骑电动车的青年,满载陶瓷的轮船相距最近的条件。
这需要一个类似
的方程。然后对每个变量求一阶偏导数,解出辅助变量,代入求值。
他对数学深入了解之后,发现函数中的地图就是一种对世界的数学建模。例如计算人口密度、商业密度等的最大最小值时,可考虑函数的二阶偏导数问题,通过量化的方式解决。
他用线性代数的知识去解市场上的水果价格,用概率论解决助力车的问题,并通过场、向量、分布来描述不同领域的现象。这些都离不开函数的应用。
在未来,他还会用函数的地图,这是数学建模在实际问题和抽象世界问题的应用,可以让问题更加具体化,通过标准化的数学模型进行更有效的计算,预测可知的未来。