谁将成为“三体”世界的最后赢家

去年看了一部家喻户晓的国产科幻小说——《三体》,刷新了自己的世界观,我不仅对“黑暗森林”理论感到惊异,还对作者刘慈欣充满了敬佩。能写出这样的科幻作品势必需要丰厚的数学、物理、天文、地理等知识。

书中留给我最深刻印象、让我觉得最不可思议的当属“歌者”使用的“二向箔”武器,其厉害之处在于可以将“三维”中的一个维度坍缩,最后变成“二维”,例如下图。

(图片来源于网络)

就好像一个三维物体变成了一幅画。

“歌者”作为未知高等文明的底层人员,担任的工作是监听并分析太空信号,他一直监视着地球文明和三体文明,并毁灭其发现的文明。他这样做的原因作者已经通过“黑暗森林”理论进行了阐述。书中提到了宇宙社会学中的两条公理。第一,生存是文明的第一需要;第二,文明不断扩张,但宇宙中物质的总量保持不变。

因此,宇宙就像一个“黑暗森林”,每个文明都是带枪的猎人,潜行于这林间,一旦发现其他生命,不管是天使还是魔鬼,都要将其消灭,因为其他生命是永恒的威胁、永恒的资源争夺者,任何暴露自己存在的文明都会被消灭。

在罗辑发出的坐标星体和三体母星被其他监听人员毁灭之后,“歌者”发现并开始清理太阳系文明,但在清理的时候他发现了盲点(地球文明采取了掩体计划),所以放弃采用光粒而使用降维武器“二向箔”进行攻击,太阳最终被永远地定格成了二维。而且由于二向箔打击范围内的逃逸速度为光速,因此除非以光速逃逸,所有三维事物都无法逃脱“二向箔”的打击。

那高等文明如果想避免受到“二向箔”的打击,就要自己将自己变为低维,那样就能在遭受“二向箔”攻击时保持自身不变,以保全自己的“文明”。

其实,数学中也有一种东西可以看做是“降维操作”,那就是“求导”,而且数学中有一个特例,能够在这种“降维操作”中,保持自身不变,那就是以e为底的指数,或者说自然指数

自然对数/指数求导

 

前面已经说到了的来源,以及以自然对数为底的指数、对数,相关文章有《自然底数e怎么就“自然”了?》、《0的0次方为何等于1?》、《对数可以延长人类寿命?》、《拉普拉斯变换中的S是个什么鬼?》等。但是因为其特殊性,想必有人对其中一个问题比较好奇,就是为什么对自然指数函数求导的结果还是其本身,所以针对这种特殊性质做了一下推导。

我们知道是通过下面的公式得到的,推导过程可见《自然底数e怎么就“自然”了?》

为了得到更加普适的公式,先从对以a为底的对数函数求导入手,来研究对指数函数的求导,进而找到对自然指数求导这种特殊情况下的求导结果。

对数求导

令对数函数:

由导数的定义有:

这样,我们就得到了对数函数的通用求导公式。显然,a=e时有(lnx)’=1/x.

以上就是对数及自然对数的求导过程及结果。

反函数的导数

由于指数函数和对数函数互为反函数,所以先看看反函数的求导结果与原函数求导结果的关系:

y=(x)为x-1(y)的反函数,-1(y)在y的某领域内严格单调可导,且满足[-1(y)]’ ≠ 0.

x处给增量Δx ≠ 0,由反函数的单调性知:Δy=(xx)–(x) ≠ 0

又反函数的连续性知,Δx→0时必有Δy→0,因此:

即,反函数的导数等于原函数导数的倒数

指数求导

既然如此,利用上述的对数函数求导结果和反函数的导数,可以证明对指数函数的微分进行证明。

y=f(x)=ax

则有

a=e时,有(ex)’=exlne=ex

这就是为什么以自然底数e为底的指数求导之后还是其本身。


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