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高等数学十分钟:“永不消逝的电波”的启示

(2006-10-16 21:17:28)
分类: 高数考研答疑室
高等数学十分钟:“永不消逝的电波”的启示
http://blog.sina.com.cn/m/slsq龚成通原创)
 
引子
     大家有没有看过电影“永不消逝的电波”,这部电影描写了在解放前,我上海地下党员李白在艰苦困难的条件下,用秘密电台为我党收集、发送情报,在完成了最一个重要的工作后,不幸被捕光荣牺牲。
     这里我们来看看国民党特务是怎么样抓住我党地下电台的,国民党特务机关用的是分区停电的方法,将整个上海划分区域实行停电,初步确定了我地下电台的位置,然后再将该区域实施同样的手段,将我地下电台位置的所在范围缩得小之又小,这样就很轻易地将我地下电台的位置锁定。
     在科学如此发达的今天看来,这个方法似乎显得十分笨拙。但是,当时无线电波定向探测的手段与工具是非常落后的,想到这个方法的人,实在也可算作是一个高人了——他懂得高等数学的二分法求根的原理。
 
一.原理、方法、例子
     定理(方程根的存在定理或函数零值点存在定理):若函数f(x)在闭区间[a,b]上连续,且f(a)f(b)<0,则方程f(x)=0在开区间(a,b)内至少有一个根。
     区间(a,b)就称为方程f(x)=0的含根区间
     二分法求根的方法就是利用上面的定理,在求出了函数f(x)在c=(a+b)/2点处的函数值f(c)以后[当然如果碰巧有f(c)=0那就是中了大奖了],就对半地缩小含根区间
     在f(a)<0,f(b)>0的条件下,如果f(c)<0,则新的含根区间就是(c,b);如果f(c)>0,则新的含根区间就是(a,c)。
     验证(2,3)是方程x=2+sin x的含根区间,并将此含根区间缩小一半。
     作辅助函数f(x)=x - (2+sinx),显然它在区间[2,3]上连续,且有
f(2)= - sin2<0,f(3)=1 - sin3>0,
由方程根的存在定理,可知(2,3)是方程f(x)=0即x=2+sin x的含根区间。
在含根区间的中点c=2.5处有f(2.5)=0.5 - sin2.5=-0.098….<0,所以经缩小一半以后的新的含根区间为(2.5,3)。
 
二.猜数游戏
     大家有没有做过下面的猜数游戏,我想好了一个三位数,要你猜出来。允许你向我咨询10次,而我对你的10次咨询问题只回答“是”或者“不是”,你能把这个数正确地猜出来吗?
     由于最小的三位数是100,最大的三位数是999,[100,999]就是所谓的含根区间,其中间值是549.5,所以你的第一个咨询问题应该是“这个数比549.5小吗?”假如我的回答为“不是!”那么你就可以将含根区间确定为[550,999](假如我的回答为“是!”类似地你就可以将含根区间确定为[100,549]),这样就将含根区间至少缩小了一半。这样最多猜十次必定会猜中的。
 
三.猜数游戏的思考
下面请大家思考这样的两个问题:
1.如果我想好的是两位数用同样的方法猜,要猜几次才行?
2.如果我想好的是四位数用同样的方法猜,要猜几次才行?
 
四.二分法求方程近似根在高等数学中的地位
1.高等数学教学大纲经过二十年三次重大修改,删去了不少内容,可是也有为数不多的新增并被加强的内容,这就是二分法求方程的近似根。
2.但是由于这个内容在考研大纲中没有,所以一般学校都在教学实施大纲中将他删除,代之于与考研有关的内容(例斜渐近线等)。
 
以上两个思考题的答案在我家沙发上找。

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