做什么事才能提高自己的数学思维 (数学中最基本的思维)

在生活中,我们经常会听见很多人向我们传达各种理论。例如股票涨跌的理论,成*学功**的理论,等等。那么,这些理论中到底哪些是对的,哪些是错的?怎样的理论是一个好的理论?

做什么事才能提高自己的数学思维,心中有数数学题

1801年年初,天文学家朱塞普·皮亚齐发现了一颗不在星表上的星星,后将其命名为谷神星。 皮亚齐跟踪了这颗星星40天,并且记录了相关的数据。可是之后由于地球的轨道运动,谷神星消失在太阳耀眼的背景眩光中。

虽然再过几个月,谷神星脱离了太阳背景眩光,应该可以被重新观测到,但是这要求我们知道谷神星的轨迹。然而,因为40天的观测数据较少,当时的数学工具还无法根据这些数据准确计算或预测出谷神星的轨道。

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这时,卡尔·弗里德里希·高斯出现了。高斯当时只有24岁,虽然年轻,但他研究包括月球的运动等与天体运动相关的问题已经有很多年。他18岁在计算天体运动轨道时,就发明了最小二乘估计这一方法。

高斯拿到皮亚齐的观测数据后立刻开始计算谷神星的运动轨道。 在计算轨道时,高斯除了借助最小二乘估计来消除观测误差,还发明了一系列方法来提高对行星运动轨道的估计精度。

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谷神星的轨道

很有意思的是,高斯在计算完成后,在11月底把他预测谷神星运动轨道的结果发给了他的一个朋友,匈牙利天文学家弗兰茨·萨韦尔·冯·扎克。

冯·扎克收集了高斯、他自己和其他一些人的预测结果,并把这些结果发表在1801年12月初的一本天文学刊物上。值得一提的是, 高斯的 预测结果和其他人的有很大不同

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谷神星上亮斑的地图

然而,如同真理掌握在少数人的手里那样, 只有高斯准确 预测出谷神星的位置:在1801年12月31日,谷神星消失在人们视线中一年后,冯·扎克在高斯预测的位置附近重新找到了谷神星!两天之后,天文学家海因里希·奥伯斯也根据高斯的预测结果发现了谷神星。

这个成就让当时年仅24岁的高斯在欧洲天文学界一下子声名鹊起。 高斯在1809年将最小二乘估计的公式发表在被后世奉为圭臬的巨著《天体运动论》中。

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谷神星内部可能的结构

故事说完了,我们的问题是: 为什么高斯当时能够一下子征服欧洲天文界?

答案很简单: 因为高斯在谷神星再次被人们观测到之前,成功地“预测”出谷神星的位置。

句中的关键词是 “预测”我们不妨设想如下场景。一个人在谷神星重新被观测到之后告诉大家:“我有一个理论,这个理论可以很好地解释为什么谷神星会再次出现在这里。”可以想象到的是,他的这个理论是一文不值的。

简单来说,“预测”比“解释”重要得多,也难得多。

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现在,我们应该可以回答“怎样的理论是一个好的理论”这一问题了。

想判断一个理论的好坏,关键要看它对未知事物的预测能力,而不是对已知事物的解释能力。 每个人都可以找出很多理论来“解释”已知,但是只有正确的理论,才能准确“预测”未知。

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英国近代经验主义哲学家弗朗西斯·培根,即说出那句“知识就是力量”的人,曾经把“科学方法”总结为以下五步:

•观察

•提出理论假设

•用这个理论假设做出一个预测

•用实验来验证预测是否成真

•分析你得到的结果

如果结果符合你的预测,你的理论就有可能是对的;如果不符合,你就需要修正假设。

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看到了吗? 科学方法强调的也是“预测”。

来源:刘雪峰《心中有数:生活中的数学思维》第2章