书城科普玄奥神秘的数学王国(新编科技大博览·B卷)
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第24章 数学与生活(8)

你可能会说:“这个问题太简单了,只要把每级台阶的宽度和高度量一下,再把它们的值都加起来不就行了吗?”可是,请你想想,这样做是不是太费事了呢?

图1表示由几级台阶组成的一段楼梯,其中AB、BC分别表示这几级台阶的总宽度和总高度,只要量出AB和BC,再把它们的长度相加,得到的值就是所需地毯的长度。这是为什么呢?

先设想楼梯只有两级台阶,如图2所示,那么所需地毯的长度是折线ABCDE的长,如果分别延长AB、ED,用G表示两延长线的交点,你会发现:BC=GD,CD=BG,所以折线ABCDE的长度就是AG与GE的和,也是AF与FE的和。

图2图3再把楼梯变成三级台阶,如图3所示。延长AB、GF,用I表示两延长线的交点。现在你可以马上说出所需地毯的长度是AH与HG的长度之和了吧。

依此类推,不论一段楼梯有多少级台阶,我们总能很快量出这段楼梯所需地毯的长度。

怎样把一个多边形木架固定住

如果将三根木条用钉子钉成一个三角形木架,它的形状是不会改变的,这就是“三角形的稳定性”原理。

图1图2但是,如果像图1那样,用四根木条钉成一个四边形木架ABCD,它的形状可能要改变,这就是说,四边形没有稳定性。

要使这个四边形木架不活动,只要根据三角形的稳定性原理,用一根木条将它的一对顶点,比如说A和C连接起来,把它图3分成两个三角形就可以了。我们常可见到,在用木条做成的栅栏门上,斜着钉了一根木条,这样做就是为了使它稳固。

不仅四边形不具有稳定性,而且边数比4大的多边形都不具有稳定性。

如果有一个用木条钉成的凸六边形木架ABCDEF,如图2所示,你能否再钉上三根木条,使它不能活动呢?

有“三角形的稳定性”原理,这个问题就不难解决了。图3中的这些连接方法,都能使木架稳固不动。

实际上,还有其他方法,你不妨试一试,看还能怎样连接。

怎样使修路的费用最少

开发区里有两家大型的工厂,它们的位置如图所示,分别位于A点和B点。它们的产品都要先运到一条河边,在图上用直线XY表示,再通过船运出去。现在准备在河边建一个轮船码头,并且再修两条公路分别从两家工厂直通这个码头。这个码头应该选在哪一点,才能使修路的费用最小呢?

由于修路的费用与路的长度直接相关,要使修路的费用最小,也就是要使两条公路的总长最短。因此,化为数学问题,也就是如何在直线XY上选取一点C,使AC+BC最短。

现在我们应用数学知识,来解决这个问题。先从B点作一条关于直线XY的垂线,与XY的交点设为E,延长这条垂线至D点,使得DE的长等于BE。连接A、D两点,与XY的交点就是我们要求的C点。

下面我们来证明AC+BC最短。由于B点和D点是关于XY的对称点,所以从点B到XY上任一点的长度等于从D到这一点的长度,因而,从A点到XY上再到B点的总长,就转化为从A点到XY再到D点的长度,根据两点之间直线最短,可知AD是A到XY再到D的最短距离,也就是说AC+BC=AD是点A到XY再到点B的最短距离。

其实,对于许多实际问题,只要我们能找出其中的数学含义,便可以运用数学知识加以解决。

怎样估计池塘里的鱼数

在日常生活中,常常需要估计农作物等的产量,例如估计水稻的亩产等。常用的办法是先收割一小部分,如1分地(1亩=10分)的作物,测量出产量再乘以10,即得1亩地的产量。为了尽量减少误差,也常分不同地块收割几小部分的作物,测出产量后求平均值,再用平均值去估计总的亩产量。

水稻等作物的产量可以认为是均匀的,不同地块的产量相差不多,所以可以用上述方法进行估计。但若要估计某池塘里的鱼数,上述方法就行不通了。因为鱼在池塘里是到处游动的,且不同地方的鱼数也不一样,当然,也不可能把池塘里的鱼全部捕上来数一遍。那么,池塘里的鱼数到底是怎样估计出来的呢?

有一个巧妙的办法,先从池塘里任意捕一部分鱼,例如100条,做上记号后再放回池塘。过一段时间以后,可以认为这些做过记号的鱼游到了池塘的各个地方,或说均匀地分布在整个鱼群中。此时,再一次捕一部分鱼,例如50条,数出其中做过记号的鱼数,假设其中有两条鱼做过记号。现在,已知50条鱼中有2条做过记号,即做过记号的鱼数占全部鱼数的250。那么,(池塘里)总共多少条鱼中有100条是做过记号的?很容易计算出,100÷(2÷50)=2500,因此,池塘里总共有鱼约2500条。

同样,为了尽量减少误差,我们也可以分不同时间、不同地点多次捕出部分鱼来,数出其中做过记号的鱼数,计算其所占的比例,求出这些比例的平均值,然后再计算出池塘里总的鱼数。例如分5次捕鱼,每次做过记号的鱼所占比例分别为250、370、5100、380和475,经计算,15(250+370+5100+380+475)≈0.0447,100÷0.0447≈2237所以,池塘里共有鱼约2237条。

车站应设在哪里

我们上学、上班或旅游购物,经常要乘坐公共汽车。有的人住得离车站比较近,有的比较远。那么车站究竟设在哪儿最好?它又是根据什么定出来的呢?

一个车站无论设在哪儿,总是不可能让每个人乘车都最方便,选择车站设置点的原则,就是要尽可能地使所有乘车的人总体上感到最方便。

我们先来看一个简单的例子:设一条公路边A、B两点各有一个工厂,每个厂每天分别有20人和30人要乘坐某路公共汽车上下班。现要在两厂之间设一个车站,试问车站设在什么地方最合适呢?要使所有乘车人总体上感到最方便,就是要使他们每天上下班走的总路程(从车站到工厂)最短。设A、B两厂相距a米,如果车站设在C点,离A厂x(0≤x≤a)米,离B厂a-x米,则工人走的总路程s为:

s=x×20+(a-x)×30=30a-10x。

要使s最小,x愈大愈好,而C点必须在AB之间,因此x最多为a,也即C点与B点重合,车站设在B厂门口最好。

从上面的例子可以看出,车站设置要尽量靠近乘车人数多的地方(B厂)。如果公路旁的工厂(或学校等)不止两家,解决的方法也是类似的。我们再来看一个较为复杂的例子。

假设公路旁有A、B、C、D、E共5家工厂,每天分别有25、30、20、17、20人要乘坐某路公共汽车上下班。问车站设置点F选在何处最佳。

计算方法是这样的:

先计算总的乘车人数P和P/2,

P=25+30+20+17+20=112(人),P/2=56(人)。

再依次计算沿路各厂的累计乘车人数,并与P/2比较:

A厂人数25<;56,

A、B两厂人数:25+30=55<;56,

A、B、C三厂人数:25+30+20=75>;56。

A厂乘车人数少于总乘车人数的一半,也就是说A厂乘车人数少于B、C、D、E四厂的乘车人数总和,故车站要靠近B、C、D、E一方;同样,A、B两厂乘车人数少于总乘车人数的一半,故车站要靠近C、D、E的一方;而A、B、C三厂乘车人数多于总乘车人数的一半,所以车站又要靠近A、B、C三厂的一方。综上所述,车站既要靠近A、B、C三厂的一方,又要靠近C、D、E三厂的一方,因此设在它们公共的一点C点,即车站设在C厂门口最佳。

防癌普查中呈阳性的一定是癌症患者吗

为了早期诊断、早期治疗,我国的医疗机构常进行防癌普查。在每一次普查中,总会有一些人检查结果呈阳性反应,于是他们就以为自己真的患了癌症。实际情况是不是这样呢?

其实每一种检验都有或大或小的误差。这种误差又分两种情况,一种是没有病,检验结果却说有问题(呈阳性反应),这是一种“扩大化”的误差;另一种是有病却没有被查出来(呈阴性反应),这是一种“缩小化”的误差。防癌普查中呈阳性反应的人,有可能真的患了癌症,也有可能是“扩大化”误差造成阳性,实际上并没有患癌症。同样,呈阴性反应的人,也并非都没患癌症,可能原本是癌病患者,却未被查出来。

那么,发生这两种误差的可能性有多大呢?特别是发生“扩大化”误差的可能性有多大呢?如果这种可能性比较大,那么呈阳性反应的人真的患癌症的可能性就较小。

我们以某次防肝癌普查为例来说明这个问题。假设某医疗机构使用某种方法检查肝癌,检查的可靠性为99%,即出现两种误差的可能性为1%。总的来说,这种检查方法的可靠性是不错的。现在有一人检查结果为阳性,他患肝癌的可能性有多大呢?

据估计,肝癌发病率为004%。假设检查总人数是100万人,那么其中肝癌患者约有400人,不患肝癌者大约有999600人。因为检查的可靠性为99%,因此在400个肝癌患者中,检查结果呈阳性的有400×99%=396人,呈阴性的有4人;在其余不患肝癌的检查者中,检查结果呈阳性的有999600×1%=9996人,其余呈阴性。总的来说,检查结果呈阳性的共有396+9996=10392人,而其中真正患肝癌的只有396人,约占全体呈阳性反应者的381%。换句话说,检查结果呈阳性的人,真正患肝癌的可能性只有约381%,而因“扩大化”误差造成被误判的可能性却有1-381%=9619%。

所以,在普查中呈阳性反应的人不必过于惊慌。尽管检查方法是不错的,可靠性也很高,但阳性反应者真的患病的可能性还是不大的。

疾病普查怎样进行最省力

我国的医疗机构常进行一些疾病的普查。一种常见的普查方法是验血,通过验血,可以对肝炎、霍乱、血吸虫病等多种疾病作出早期诊断。普通的验血普查方法是:由医疗人员到各个普查点抽取每位接受检查人员的少量血液,做好标记,由医疗人员带回医院或研究机构逐一检查,最后再把检查结果告诉每一位被检查者。这种普查方法虽然很有效,但检查过程费时费力。有没有省时省力一点的办法呢?答案是肯定的。我们举一个例子来说明这个问题。

某次疾病普查需要对上海市1400万居民进行肝炎病毒的验血普查。医疗人员抽取血样带回以后,有两种验血方案可供选择。第一种是普通的方法,即对每份血样逐一进行检查。另一种方案是把所有血样先进行分组,每组100份,从同一组的每份血样中抽取一部分(验血只需要极少量的血样)进行混合,然后再对混合后的血样进行检查。如果检查结果呈阴性,即没有检出肝炎病毒,则表明该组100份血样都无病毒;如果检查结果呈阳性,即检出肝炎病毒,则表明该组100份血样中有某一份或某几份带有病毒,为了查明到底哪一份或哪几份血样带有病毒,必须对这100份血样再逐一检查一遍。那么到底采用哪种方案好呢?

如果采用第一种方案的话,每组血样要做100次检查,而若采用第二种方案,每组血样可能只要做一次检查,也可能要做101次检查。为了作出比较,必须求出采用第二种方案时每组血样需要做的平均检查次数,而这又需要知道两种检查次数出现的可能性有多大。

根据以往资料或试查资料(疾病普查之前常先进行小范围内的试查)估计,肝炎病毒的携带率为0.1%,即平均每1000人中有1人为病毒携带者,或说每份血样中带有病毒的可能性是01%。因此每组血样中每份都不带病毒的可能性是:

(1-0.1%)100≈90.48%,而有一份或几份带有病毒的可能性是1-90.48%=9.52%。因此,采用第二种方案验血,每组血样需要检查的平均次数为:

1×90.48%+101×9.52%=10.52(次),比采用第一种方案节省了89.48%。如果每验血一次需要花费10元钱的话,采用第一种方案进行检查需要花1.4亿元,而采用第二种方案只需要花1472.8万元,比采用第一种方案节省了1亿多元。

事实上,采用第二种方案进行验血时,并不一定每组含100份血样,也可以每组含50份或150份血样,等等,有兴趣的少年朋友可以试着计算一下,此时又能比采用第一种方案节省多少费用。