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數學應用問題(一)單位
2014/12/08 09:59:24瀏覽6420|回應1|推薦4

一般數學的計算,是純量,不含單位值的運算。如

1+3=4, 2*3=6⋯

之類的。但是,實際上在真正運用的時候,很多數值是加上其單位的,於是數字就有了特別的性質。如,1000台幣,30公里,60公斤,2小時⋯它們之間是不同的性質,無法比較的。直接去運算時會有問題,如1000台幣加30公里等於什麼?

而1000台幣加500台幣就有意義了,等於是1500台幣。

1000台幣加20美元會是什麼?表面上是不同單位,但是台幣和美元是貨幣單位,它們之間可以通過匯率換算成相同單位再做相加。如果今日匯率是1美元兌30.5台幣,則1000台幣加20美元等於

1000台幣+20美元*30.5*台幣/美元 = 1000台幣+ 610台幣 = 1610 台幣。

要注意到美元對台幣的匯率是有單位的,就是 台幣/美元 。如果沒有匯率,台幣和美元的相加就沒法計算了。

在這裡,就可以看出,單位是一個量值,1000台幣指的純數值*台幣。就是

 1000台幣 = 1000 (數值)* 台幣 (單位)

這是用「乘法」來看單位,單位也可以用「除法」來看(本質上,乘法等同除法,除法可以看成乘上倒數),例如看一個分數,分母就是單位之意,如果是1/2+1/3,我們通常運算是要「通分」,把分母化成相同的單位,才能相加,例如1/2+1/3=3/6+2/6=5/6。如果分母不通分時,可以看成:1/2+((2/3)/2)=(1+2/3)/2,把1/3換成(2/3)/2,相當於把1/3的分子值乘上它換算成分母為1/2的「匯率」。

例如123除以12等於10餘3,所以10*12+3等於123如果把12當成一個單位如「打」,則是10又3/12打,把2當成當成單位「雙」,則42等於21*2,為21雙。如果10又3/12打+21雙是什麼,就如同前面的匯率問題一樣,要把「打」換成「雙」來計算,或是打「雙」換成「打」來計算。本例中,一雙等於1/6打,一打等於6雙。

如果是單位相乘時會發生什麼?

1000台幣*100台幣 = 100000台幣平方(台幣^2)。台幣平方是什麼?我不知道,但是它是有意義的單位,和台幣是不同的單位。而1000台幣*100 = 100000台幣,要注意到二者的不同之處。

不同的單位之間,如果建立了關係後,才能運算,但是單位之間不能混淆。例如運費每1公里加10元。則30公里的運費:

運費費率: 10元/公里

30 公里 * 10 元/公里 = 300 元。

又例如,某甲欲雇用臨時工人工作五日,每人工資一日2000元,他計劃要雇用十人,請問某甲將要花多少錢?

人數,10 人。

費率:每人每日2000元  = 2000元/人*日。

10 人 * 5 日 * 2000元/人*日 = 100000 元。

又例如,物理學運動第二課,就是等加速度,從0加速t秒後,其運動距離是

s = 1/2 * a * t^2

公式中有時間單位的平方,所算的卻值是距離。等加速度值a的單位,就是(距離/時間^2),這樣運算的結果,時間平方會消去,剩下的值才是距離。

如果不管單位,直接以數值計算,在實際運用上會出現問題,這個例子就是我實際遇到的⋯

二向量a向量,b向量,劃出a向量在b向量的投影。這其實很簡單,但是我因為疏忽了單位問題,所以出了錯誤:

如果向量a和向量b的夾角為theta, 則a 在 b 的投影應是|a|cos(theta)*「b的單位向量」。向量是「方向」和「量」的乘積,指考慮方向,而把量定為1的向量就是單位向量。所以b的單位向量,就應是b/|b|。結果我的算式是|a|cos(theta)b,結果就畫出離譜的結果。

在電腦繪圖中,通常繪圖語言內的數值都是附有長度單位的,所以運算時要注意,一般是pp, 或是pt。平時如果習慣使用公分,那麼這個算式在繪圖時就會出現問題,和前例一樣的問題:

a=1cm*1cm;

show(string(a)"平方公分");

結果a不會是1, 而是一個奇怪的數值。因為電腦會把cm轉換成pt, 1cm約是28pt,所以最後a會得到近似28^2的數值。所以在寫程式給電腦運算時,如果給的值帶有單位時,就要小心一點處理。

很多人一開始學化學,物理的時候,常常會因為「單位」問題,搞的頭暈眼花。就是因為化學物理的算式中,都是帶有單位的值在作運算,而不是單純的數值計算而己。在套用公式時,要注意數值是不是帶有單位。

( 知識學習科學百科 )
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狐禪
等級:4
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2014/12/08 13:16
一旦有了單位,數學就是在翻譯人世或自然現象間的關係了,由難以推理的自然語言變成有嚴格邏輯的數學語句。