這份文件是節錄edx的一門課程Street Fighting Math(SFM)上的精華內容,供沒修過這堂課的朋友一睹其樂趣。英文文字的部份是直接由課程內容剪下貼上。這份文件數學的部份會寫得非常隨意,重意不重形。
課程網址 https://www.edx.org/course/mitx/mitx-6-sfmx-street-fighting-math-1501#.U4bhk1T_QjA
有關這門課:
這門課和其他MOOC不同的地方主要在於課程內容都是閱讀材料,配合一些網頁上的互動元件,授課影片非常稀少。課程的目標是傳授估算的數學技巧。大部分在學校的課程強調嚴謹(rigor),但解決真實世界問題的時候嚴謹可能導致很多冤枉路(課程中稱為屍僵 rigor mortis ),而估算可以指引正確的道路。
教授提供了一個比較好想像的例子:
The theme of this course is the virtue of approximation, of having a rough idea of what to expect before starting exact calculations or looking for a proof. Imagine that you are studying a subject based on five postulates used to construct a 10-step proof. Without understanding why the theorem is true, you must search a gigantic space of
$5^{10}$ paths. A common response is to random walk through the problem space, in the hope of wandering into the theorem. Higher-level approaches and ways of thinking about the problem help you break the path into manageable pieces, each with a tractable search space.
- Dimension Analysis
- Easy Case
- Lumping
- Pictorial Proofs
- Taking out the Big Part
- Analogy
亮點:猜積分技巧 重要概念:
- 指數沒有Dimension
-
$dx$ 代表微小的$x$,$dx$的Dimension和$x$相同 -
$\frac{d}{dx}$ 的dimension和$\frac{1}{x}$一樣
$$\displaystyle 2^ n = \underbrace{2\times 2\times \cdots \times 2}_{\hbox{$n$ terms}}.$$ The notion of “how many times" is a pure number, so an exponent is dimensionless.
範例:估算積分 $$\displaystyle \def\1 {e^{-\alpha x^2}} \left[\int e^{-\alpha x^2}, dx\right] = \underbrace{\left[e^{-\alpha x^2}\right]}{1} \times \underbrace{\left[dx\right]}{{\rm L}} = {\rm L}.$$
The third and final step in this dimensional analysis is to construct an
範例:
使用簡單的例子來驗證你猜的答案。但這招好像不用特別講一般人應該都會用。課程裡舉的例子非專業人士也不太會碰到。是以以下只以一個範例填塞內容。
範例:
For the Gaussian integral $$\displaystyle \int _{-\infty }^{\infty } e^{-\alpha x^2}, dx,$$use the three easy-cases tests$-\alpha \to 0$,
$\sqrt {\pi }/\alpha$ $1+(\sqrt \pi -1)/\alpha$ $1/\alpha ^2+(\sqrt \pi -1)/\alpha$
概算,這章主要有下列內容,以下僅給出關鍵字。如果想知道詳細內容,恭喜您,您有足夠動機來修這門課了。
- 日常生活中的估計(商學院朋友可能比較有興趣)
- 估計積分
- 1/e heuristic
- Full width at half maximum(FWHM)
- 估計微分
- secant approximation
- Significant-change approximation
- 估計微分方程
估計尿布市場的大小 https://www.youtube.com/watch?v=kNLFin3Ph6U#t=166
is it a coinsident that
圖像思考,本章有很多範例如,圓面積、算幾不等式、任意兩點等分三角形面積。不過我覺得可以 take away 的內容是
一般人大概知道由泰勒展開式展開
Is there an analogous argument to help estimate
這章大概是整門課最酷的地方
把所有的數字都分成 1, few , 和 10。其中$(\text{few})^2=10$
範例:估計$3600 \times 4.4\times 10^{4}\times 32$ 3600大概是一個few三個10 4.4大概是一個few 32大概是一個few和一個10 算式總共有三個few和八個10,結合few之後剩下一個few和九個10$$3600 \times 4.4\times 10^{4}\times 32 \approx 3\times 10^9$$
依此邏輯$nz$ 很小時也可用$$ e^{nz}\approx 1+nz$$
even better,
Alternatively,
even better,
https://www.youtube.com/watch?v=gAQZDW9wYv4 請自行google
私心覺得是最精彩的習題
Q:系統中每回合會有5%細菌會突變,請問140回合後有多少細菌還未突變
A:
即估算
一組好用的規則是
對一個深度未知的水井投擲石頭,4秒後聽到水聲,問高如何? 嚴格的作法是解: $$\displaystyle T = \underbrace{\sqrt {2h\over g}}{\rm rock} , + \underbrace{h\over c{\rm s}}_{\rm sound}$$ 但音速有$340m/s$ 使得後項非常小,可以先算前面的部份。 把$g$用$10m/s^2$帶入,得到高約$80m$。$80m$的井聲音約飛了$80m/340m/s \approx .24s$,接著再用剩下的$4-0.24=3.76$再去估一次高度。得到$70.87m$ (嚴格值$71.56m$) (課程這個答案應該也有敲計算機,用人估算的話我是估$75m$)
使用Successive approximation的理由不外乎是拿精度換速度,但更深刻的意義在於如果今天有個微小的模型修正,但使得模型會沒有公式解,這種作法可以幫助得到概算的答案。
例題:
- Find
$s$ in the easy case$s\approx 0$ . Don't use a calculator! - Find
$s$ in the easy case$|s|\gg 1$ . Don't use a calculator! - Improve the preceding estimate (the case
$|s|\gg 1$ ) using one round of successive approximation. You shouldn't need a calculator.
課開始時我很期待這章的內容,但真正到了這章卻沒有很驚豔的感覺。
唯一比較有趣的是微分運算子$D$ 的討論。例如:$e^D$ 可以把函數往左移。把微分放在指數上是什麼意義呢?關鍵就在於建立微分運算子與一般數字的類比。
次方的類比:$D^2f$ 就是對函數$f$ 微分兩次
多項式的類比:$(D^2+D+I)f$,就是微分兩次的$f$ 加上微分一次的,再加上都沒微分的。
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