类比:数学与烹饪

如果我们有一个馅饼配方,有几件事我们可以预期。如果我们把配料加倍,我们可能会得到双倍的馅饼。但如果我们把配料分开烹饪,我们不会期望把它们放在一起后还能得到原来的馅饼。你不能把鸡蛋、面粉和糖分别放在不同的烤箱里烘烤,最后再拼在一起。

在数学中,我们可能会对哪些可以(或不可以)重新排列产生误导性的直觉。

学习了加法后,我们记住了像 2 + 4 = 6 这样的事实。但这可能会误入这样的想法:"每当我看到 2 和 4,我就可以简化成 6"。

虽然 2 + 4 = 6,但 "baked(2) + baked(4)" 不等于 "baked(6)"。把未混合的配料放在指数烤箱中烘烤,我们得到:

$2^2 + 4^2 \neq 6^2$

我们只能自信地说:

$(2 + 4)^2 = 6^2$

我们把配料结合起来, 然后 然后烘烤结果。指数运算,就像烤苹果派一样,会改变原始配料,使得它们之后无法轻易合并。虽然我们可能 识别 原始的2和4并不直接可用。两个烤好的馅饼不能砸到一起合并馅料。

这种困惑在微积分中让我卡壳,在学习导数(烘焙中的坏小子)时。

在代数中,我们内化规则如:

\displaystyle{x^2 \cdot x^4 = x^6}

但我们的直觉在遇到导数时会让我们误入歧途。

\displaystyle{\frac{d}{dx}(x^2) \cdot \frac{d}{dx}(x^4) \neq \frac{d}{dx}x^6}

因为

\displaystyle{2x \cdot 4x^3 \neq 6x^5 }

原始多项式可以相乘,但 导数 相乘后的多项式不能轻易重新排列。乘法使函数以某种方式相互作用,使得求导 更复杂的:

运用乘积法则,我们得到:

\displaystyle{\frac{d}{dx}(x^2 \cdot x^4) = (\frac{d}{dx}x^2)x^4 + (\frac{d}{dx}x^4)x^2 = (2x)x^4 + (4x^3)x^2 = 6x^5}

在学习微积分时,我困惑于为什么标准运算(如乘法)需要特殊处理。我以为我已经学完了“算术”的新规则。

但并非如此:函数相乘时,会以奇特的方式相互作用。看每一边如何长出自己的一小片面积(df * gdg * f)? 被乘的函数被“烘焙在一起”,整体效果同时依赖于两者。我们不能孤立地检查它们(例如, df 或者 dg 单独)。

现在,有些情况下输入 可以 可以分别处理后再组合(线性代数)。烹饪中的类比可能是奶昔:苹果/香蕉奶昔与桃子/芒果奶昔混合,等同于一开始就把所有原料搅拌在一起。

一个常见的假设是运算通常是线性的,但$\sin(a + b) \not= \sin(a) + \sin(b)$和$(a + b)^2 \not= a^2 + b^2$。抱歉,如果我们想让数学味道正确,就必须小心地烹饪食材。

当对数学规则的直觉说不通时,问自己:“我们是在做馅饼,还是在做奶昔?”

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