美国公路系统内部的数学原理(The Math Inside the US Highway System)

乍一看,美国公路系统就像是一堆杂乱的道路:

Interstate_Highway_plan_October_1,_1970

然而,这些数字遵循一个网格,其中有一些没人告诉过我的规则(图片来源, 点击放大):

278theinterstatesystem

  • 偶数公路东西走向(I-90, I-10),奇数公路南北走向(I-5, I-95)。想想"偶数"(Even)走向"东"(East)。

  • 数字向东北方向增大。(嘿,纽约认为自己是世界中心,对吧?)I-5在西海岸,I-95在东海岸。I-10一定在德克萨斯州,I-90一定在马萨诸塞州。

  • 辅助州际公路与主要州际公路相连,并且有三位数字:290连接90,495连接95,等等。

    • 奇数的前缀(190)从州际公路单次接入城市("分支")。
    • 偶数的前缀(495)通常环绕城市(作为人工系统,存在例外)。 highway numbering example

哇。一个简单的编号方案传达了如此多的信息!无需看地图,我就知道可以沿着I-90从西雅图开到波士顿。也许到了那里我会沿着I-95向南,一路到佛罗里达。途中我会走I-10向西,到洛杉矶,然后沿I-5向北返回西雅图。

这是如何实现的?

  • 我们有一个数字的概念,以及它的所有属性(偶/奇、大小、位数……)

  • 我们注意到现实世界中的物体(公路)具有各种属性(南北走向、位置、主干/支线)

  • 我们将数字的属性与物体的属性关联起来

road property table math numbers

就是数学思维。这不是关于快速算术或记忆公式,而是关于连接模式。数学是一个由虚构对象组成的动物园,我们将它们与现实世界中的对象联系起来。这些虚构对象的"有用性"取决于我们的想象力。

扩展公路系统(Extending the highway system)

我们已经用尽了数字的所有有趣性质了吗?比如说它是否为质数? 素数(Prime Number).

假设本地路线使用小的质数:路线2、3、5、7、11。(是的,记住2是质数。)

road prime numbering

一旦主要路线被编号,更小的道路(这些道路) 连接 它们可以遵循此规则:

  • 如果你连接两条路线,使用它们的乘积。3 * 11 = 33,因此路线33连接路线3和11。

  • 如果你绕回同一条路线,只需将其平方。3 * 3 = 9,因此路线9连接路线3到自身。

  • 如果你连接三条道路,它可以是路线66(连接路线2、3和11)。

这总是有效吗?当然。任何两个质数相乘,得到一个 独特的 独一无二的数。33 不可能由任何其他质数组合得到。(花哨的数学术语:每个数都有唯一的质因数分解。)

计算机科学(Computer Science)

看到了吗?我们试图将一大堆信息塞进一个小数字里。这就是 二进制数据(Binary Data).

一个八位二进制数,比如 01000100 本质上就是八个是非问题:

  • 你是东西向吗?(是则1,否则0)
  • 你是本地连接吗?(是则1...)
  • 你是分支道路吗?
  • 将路线号码视为一组二进制数字...
    • 个位上有数字吗?
    • 两位上有数字吗?
    • 四位上有数字吗?
    • 八位数上有任何数字吗?
    • 十六位数上有任何数字吗?

一个8位二进制数可以将许多相关问题打包进一个字节,这正是二进制如此高效的原因。

继续向上

数字拥有许多性质,对吧?难道我们不好奇去发现更多吗,比如余数(模算术(Modular Arithmetic))?也许路线12(即一组11,余数为1)与路线11有某种联系。

数学愉快。

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