大数跨境

硬核帖丨如何运用数学思维,击败皮皮 GAN 的 66g 无厘头挑战?

硬核帖丨如何运用数学思维,击败皮皮 GAN 的 66g 无厘头挑战? GANCUBE
2020-06-01
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本文由 皮皮阿木杉 投稿

GAN 魔方公众号优选刊登

恭喜 皮皮阿木杉

获赠 任意款魔方 一只





如何运用数学思维

打败皮皮 GAN 的无厘头挑战?


皮皮阿木杉


众所周知,魔方是由匈牙利布达佩斯建筑学院教授厄尔诺·鲁比克发明的。不得不说,魔方,与数学、物理等结下了不解之缘。就好比说新款魔方的发明要考虑到结构学,魔方公式的推导也离不开数学的高级计算,当然,计算机的应用也功不可没,甚至说魔方与我们的生活息息相关……


在维度领域,魔方被视为三维空间的象征,在物理中,魔方被视为结构与力的完美结合,然而在数学领域,魔方被视为立体几何的象征,空间向量,建立空间直角坐标系……这些大家在高中再熟悉不过了。


不久前,皮皮 GAN 在微信公众号上发表了推文《不存在的 66 的诞生》,紧接着发布了一条#挑战 66 克#之《让我一次喷个够》视频,鼓励粉丝寻求喷数的答案(具体内容见以下视频):


于是,很多魔友进行了大胆尝试、合理推测、精密计算……我作为一位无聊的魔友,自然也加入了这一行列,并总结了大致如下三种方法希望大家喜欢:


1. 平均值法


这种方法是最常用的,计算量适中,就是利用了把每一喷视为减轻质量相同这一理想化模型。就好比说,为了测量一个坏的水龙头一天的漏水量,当然我们不能蹲在那里数一整天,所以,我们就要数一分钟的漏水量,从而计算推断出一天,甚至一年的量。


平均值法


∵ 在这段视频里,前一段喷了 7 喷,质量减轻 0.9g,后一段 3 喷,质量减轻 0.4 g

前一段平均X1=0.9÷7≈0.128571428g/喷

后一段平均X2=0.4÷3≈0.13333333g/喷

总平均X=½(0.128571428+0.13333333)=0.13095238g/喷

起始时 GAN 牌消毒液质量为 126.3g,之后减轻到 66.1g,△m=60.2g

 ∴ n=△m/X≈459.7090943 

故应为 460 喷


这种问题并不是四舍五入得出的,就好比说 108 个小朋友出去坐车,一辆车最多容纳 20 人,平均要 5.4 辆车,但实际上,我们需要 6 辆车才能容下,就是这个道理。


2. 导函法 


这种方法看上去很吓人,而实际上就是个一次函数,求导后就是一个常数,说明质量是均匀递减的,跟方法一极其类似,然后就是带入数据,解出答案了。


其实,这个问题中质量跟喷数是呈负相关的,有点类似初中学的一次函数,概念示意图大致如下:


导函法


这种方法也是考虑最理想的状况,把它考虑成直线,求出方程,当然,导数只是一个过程罢了。

解:设方程f(x)=kx+b

∴ f'(x)=k=△y/△x=-0.1285

∴ 将(0,126.3)带入方程得 b=126.3

∴ 将 y=66.1 带入得 x≈468


这种取值方法与一相同,但是误差也是较大的,所以说,并没用到太多的导数


3. 线性回归分析法 


方法计算量极大,我也是算了 20 分钟的,但是却比较准确。因为线性回归分析法是对具有线性关系的两个变量,即解释变量(喷数)、预报变量(质量)进行统计分析的常用方法。而后续对其进行残差分析可知其残差平方和很小,R² 很大,接近于 1 所以说明拟合程度极高,也就是相对精准。但是计算量极大,需要考虑积分思想,方法原理来自人教版高中数学选修 2-3 第三章《统计案例》。



线性回归分析法


∵ 根据题意可知,两种变量呈负相关,所以考虑线性回归求解

∴ 列出已知数据分布表

y(质量)

x(喷数)

126.3

0

126.3

1

126.2

2

126.1

3

125.9

4

125.7

5

125.7

6

125.4

7



设  y =bx+a

从 x=1 开始计算

x 的平均数 x°=4

y 的平均数 y°=125.9

∴ 回归直线过样本中心点(4,129.5)

b=∑(xi-x。)(yi-y。)/=(3521.1-3525.2)/(140-112)≈-0.146

      ∑(xi-x。)²

a=y°-bx°=126.484

∴ 回归直线 y=-0.146x+126.484

∵ 此直线是回归直线∴可以检验残差

残差平方和=(e1)²+(e2)²+(e3)²+(e4)²+(e5)²+(e6)²+(e7)²=0.013816

R²=1-0.0013816/0.58=0.976→1

∴ 说明拟合程度极高

∴ y=-0.146x+126.484 可以看做是其回归方程

∴ 将 y=66.1 带入得 x≈413.59 即 414 喷

∴ 约为 414 喷(估计计算值,而非准确预测)


由此可见,我们在考虑这些问题时,都是预测估计值,跟实际值肯定有偏差。


四、误差分析


误差可以减小,但不可避免。所以我们只考虑理想状态下的情况,然而实际很坑。


1. 称量误差

毕竟是天平只精确到了小数点后一位,如果改用化学分析天平可能效果更好,但本人计算误差难以避免。


2. 消毒液挥发 

假设那真的是一瓶 GAN 牌的消毒液,那么消毒液一般的成分都有①乙醇(百分之75左右),浓度越高越挥发②过氧乙酸,挥发性极强,就是一股醋味③次氯酸钠,也就是 84 消毒液主要成分,当然,含氯的消毒剂大多都有挥发性比如醋酸氯己定④过氧化氢,高锰酸钾(这个显然很扯,毕竟消毒液是无色的),等强氧化试剂……


3. 外界环境因素

温度 温度越高挥发越快;

② 饱和蒸汽压 由于未知视频拍摄地,所以饱和蒸汽压对液体挥发影响也有一点,而饱和蒸汽压又和当地温度有关,从而影响相对湿度,影响液体汽化等;

③ 外界做功 理想计算已经超过 400 喷,多少外界会对瓶内做功,温度会上升,然后影响①;

④ 个人操作 手轻手重多少会影响每一次喷的量。


以上均为个人拙见,由于时间仓促,难免有疏漏之处,请各位见谅,谢谢。


就像复原魔方一样,高手难免会有手滑之时,所以,我们能做的,就是在每场比赛中减少失误,做最好的自己,坚定信念,心怀不惧,抛开阴霾,感受窗外的阳光,聆听自然的美好(✪▽✪)……


最后送大家一首小诗:


《魔友行》

                          ——阿木杉

 入魔路上道艰辛,常有魔友较高低。

 C F O P 心熟记,左桥右桥搭心底。

 高阶魔方烧脑筋,异形魔方迷人心。

 祝愿诸君跳 O P,再祝各位破 P B。






再次谢谢 皮皮阿木杉 的来稿

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END



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