数弹孔的数学大师

来源 :科学之谜 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Whding713
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  2018年高考语文全国卷II的作文题给了这么一个资料:“二战期间,为了加强对战机防护,英美军方调查了作战后幸存飞机上的弹痕的分布,决定哪里弹痕多就加强哪里,然而统计学家沃德力排众议,指出更应该注意弹痕少的部位,因为这些部位收到重创的战机,很难有机会返航,而这部分数据被忽略了,事实证明,沃德是正确的。”
  这个沃德是一位二战期间隐居在战场幕后的英雄,他不仅用自己的数学天才挽救了无数空军飞行员的生命,而且用数学理论提升了美国军队后勤补给的验收效率,为美国赢得战争做出了非常重要的贡献。
  为避难远走美国
  1902年,亚伯拉罕·沃德出生于奥匈帝国(今罗马尼亚)的克卢日—纳波卡市的一个犹太家庭。上学读书时,沃德偏爱数学,很有天分,考入了斐迪南一世国王大学(1948年改称巴贝什·博尧依大学)数学系。大学毕业后在数学专业一路深造,1931年,沃德拿到了数学博士学位,掌握了多门深奥的数学理论,培养了良好的数学思维习惯。
  然而,沃德完成学业的日子却正好赶上了纳粹势力崛起的时期,毗邻德国的奥地利,也掀起了迫害犹太人的风暴。1938年,纳粹德国吞并了奥地利,为了避难,沃德不得不离开欧洲,前往美国。
  在美国,沃德这样的人才是深受欢迎的。美国企业家新近创立的“考尔斯经济学研究委员会”很快就向沃德发出邀请,招聘他做计量经济学领域的研究员。不久,二战爆发了,沃德又被美国政府召入“统计学研究小组”。
  “统计学研究小组”是美国政府为打赢二战而成立的数学家智囊团,其成员包括控制论的创始人诺伯特·维纳、哈佛大学统计系的创建者弗雷德里克·莫斯特勒以及建立现代货币数量论的米尔顿·弗里德曼等等。
  “统计学研究小组”的办公室设在哥伦比亚大学,每天,美国军方都会在这里丢给沃德和“诺伯特·维纳”们一堆“作战任务”:计算轰炸机炸弹的弹道,帮助轰炸机投弹手锁定目标;根据德国、日本大型军舰的照片建模,测算敌舰的航速和转弯能力;设计为运输船队护航的美国海军的编队规模和航行路线,降低运输船在大西洋遭遇德国潜艇的概率……这些都是战争带给数学家们的课题,显然,这些课题也只有精通密码学、运筹学、概率论、统计学和计算科学的顶尖数学家才能胜任。
  数弹孔挽救空军
  1943年的一天,沃德正在哥伦比亚大学画着各种方程和数学矩阵,新的任务又分派下来了。美军飞行员在德国天空正遇到强劲的挑战,战机频频被击落。为了减少损失率,美国空军决定给战机增加防弹装甲。但装甲笨重,又会降低战机的机动性,所以,最好只在战机上最需要补强的部位提供装甲。空军长官们想知道,到底哪里才是战机最需要补强(增加装甲)的部位。
  沃德开始搜集数据,他观察了大量被子弹击中却幸运“跛行”返航的B29轰炸机,那些轰炸机已经千疮百孔,被美军飞行员戏称为“瑞士奶酪”。通过阅读大量的弹孔记录,沃德发现,B29庞大的机身上弹孔最多,其次是机翼,而发动机和燃油系统处的弹孔数量还不到机身弹孔数量的一半。情况似乎很清楚了——B29机身受到子弹攻击的概率更高,而且是安置电子设备和投弹手的舱室,最需要补充装甲——空军长官的第一反应也是这样的。但是,这种观点是错误的,沃德也知道它为什么错了。
  随后,沃德向美国国防部提交了调查报告,认为发动机和燃油系统才是B29最需要保护的“核心部位”。他在报告中解释道,机身和机翼大量的弹孔表明,这里容易被击中,但也意味着,即使这里承受了大量的火力,B29还是可以返航的。在B29的“核心部位”很少发现弹孔,并不是因为这里不容易中弹,而是因为这里只要被打中,B29就会坠落,飞不回来。即,美军看到的B29的弹孔记录只是来自于幸存者,仅仅依靠幸存者所做的判断是不科学的,那些被忽视了的非幸存者才是关键,他们根本就没有飞回来。这就好比医生去医治经过枪击而活下来的人,他们会发现伤者的手部、腿部中弹的很多,而头部和心脏中彈的情况少之又少,正说明了人的头部和心脏更需要保护。
  美国空军采用了沃德的建议,加强了对于发动机和燃油系统的防护,这在后来被证明是无比正确的决策,美军战机的损失率大大降低。
  “序贯分析”节省军用物资
  二战中,美国军用物资的消耗量大得惊人。对于习惯奢侈的美国大兵们来说,汽油、弹药、火炮、巧克力、香烟一个都不能少,他们每天都要在战场上“烧”掉数千万美金。美国政府虽然财大气粗,也不得不考虑军需节省的事情。但是,美国军方十分重视士兵的生命安全,自然不会削减军队的后勤补给,他们希望能够在军用物资的验收环节做到一些节省。于是,1944年,军方把这个课题抛给了沃德,让他想想办法。
  沃德明白,军用物资的验收一定要保证准确性,因为军用物资的质量有可能会到影响一场战役的胜负。然而,验收时要提高准确性,往往会带来物资的浪费。
  比如,工厂生产了1万枚炮弹,如果想知道合格率,你可以挨个地把这1万枚炮弹全部打完,做一个统计表——这样的做法最准确,但全部炮弹都被浪费了。所以,正常情况下,军队采用的是抽样检查。验收的一方,先定下一个标准,假设定为“合格率必须大于99%”。根据这个标准,设定合适的样本数量,比如500枚样本或者1000枚样本,抽取两组,分别做测试,计算平均合格率。最后,用样本的合格率,估算所有炮弹的合格率。但这样的检查属于固定抽样,做一次验收就需要打完1000枚或者2000枚炮弹,花费太高。为了减少浪费,沃德开创性地提出了“序贯分析”理论。
  所谓序贯分析,是一种灵活的抽样方案。验收的一方,不事先规定总的抽样的数量,而是先抽少量样本,根据其结果,再决定“停止抽样”或“继续抽样”“抽多少”。如此进行下去,直至决定停止抽样为止。比如,1万枚炮弹,要求合格率必须大于99%,这意味着100枚炮弹里,最多只能有1枚不合格。那么,验收方先抽样100枚出来,进行测试。如果不合格的炮弹的数量大于1,那么这批炮弹极可能不符合要求,就不用接着测试了;如果不合格的炮弹的数量少于1,可以通过数学计算,判断接下来还要不要继续抽样,需要抽多少。因此,序贯分析边抽边检、不断调整后续行动。这样,就能充分利用抽样检查的结果,既能保证准确性,又能大量地减少浪费。
  在序贯分析理论用于军队补给验收的当月,其威力就显现出来,美军军用卡车轮胎的供应量一下子比上个月提升了6.37%。在后续的战争期间,序贯分析为美国军方节省了大量军火物资,其价值远远超过了美国政府投入“统计学研究小组”的全部研究经费。
其他文献
一直以来,我们都对外星人的存在充满好奇。如果有一天,外星人主动和我们联系,那他们的电话我们是接听还是挂断?发来的信息是查看还是删除?  与外星人通讯的“微波窗口”  尽管外星人的存在看似有迹可循,然而,科学家们对外星生命发出的无线电信号的第一次全面搜寻却扑了个空,未曾找到任何外星生命的迹象。  天文学家菲利普·莫里森和朱塞佩·科科尼早在20世纪50年代就曾指出,哪怕相隔光年的距离,两个拥有先进技术
期刊
随手拿起一瓶矿泉水,会发现在瓶底有一個三角形符号,里面还有一个数字“1”,在符号下方标着“PET”三个字母。这个PET就代表着制作矿泉水瓶的材料名——聚对苯二甲酸乙二酯。这种材料是一种有机高分子材料,是国际上通用的用来装水和饮料等液体的食品级塑料。它的熔点在250℃以上,要发生化学变化也要在100℃以上。有时候我们往矿泉水瓶里倒热水,矿泉水瓶只是会发生形变,但不会产生有毒的化学物质,更不会溶解到水
期刊
在你吃水果时,是否注意到一个问题:为啥西瓜吃起来是中间甜,而苹果则是靠近表皮的位置甜?其实这是两种水果的构造和累积糖分的差异形成的。  苹果属于“梨果”,果肉主要是由花托、花萼和花筒发育而来,靠近种子吃起来酸酸的那塊则是由子房发育而来。西瓜则属于“瓠果”,我们吃的瓜瓤是西瓜膨大的胎座发育而来的,简单的说,胎座就是西瓜产生种子的地方,可以形象的比喻成“植物胎盘”。由于苹果和西瓜是由不同的器官发育而来
期刊
日本东京的涉谷搬来了一位住户,引起一番轰动。这位住户有什么特别之处呢?他是一个机器人!名字叫做“涉谷未来”。  “涉谷未来”由日本与美国微软公司合作研制,没有实体,他活跃在网络上,是一个在特定应用程序上和人们聊天的聊天机器人。他的设定是一个7岁的一年级小男生的形象,喜欢拍照和观察人类,喜欢和人们聊天,懂得通过聊天来学习,是一个成长型机器人。  沙特阿拉伯是世界上第一个赋予机器人公民身份的国家,但是
期刊
这种高能粒子流就在我们的周围,它们会对我们产生何种影响?  目前,我们常认为,太空很遥远,但它其实与我们紧密相连:就在此时此刻,来自太空深处的“碎片”正不断地穿过我们的身体。这些“碎片”就是宇宙射线带来的。  来自高空的辐射  1912年,一位奥地利物理学家发现了宇宙射线,他就是维克托·弗朗西斯·赫斯。  一个了不起的事情是,他在1905年获得了奥地利格拉茨大学的博士学位,当时他只有23岁。之后,
期刊
人类探寻外星生命的脚步从未停歇,却没有什么真正的进展。为什么人类不能够向宇宙输出生命呢?有科学家认为在我们生存的银河系中,就有不少贫瘠但适宜生命生存的行星,虽然我们仍然没能在这些星球上找到外星生命,但也许能在银河系中播种生命。  有一种说法认为地球上的生命来源于带有生命的彗星的撞击,那么人类或许可以做出这样的“彗星”。装载地球生命驶向宇宙的工具叫做光帆,以恒星的光压作为推进力,只要有恒星,那么它便
期刊
目前如果要评选科学界最前沿、最热门的研究领域,大多数人会把选票投给引力波,因为该领域的科学家两年内4次捕获来自黑洞的引力波、1次获得诺贝尔奖,并且该领域对所有科技发达国家的研究计划产生了影响。  又见引力波  值得庆幸的是,在刚刚过去的2017年10月,科学家又宣布,在8月17日,美国激光干涉仪引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Obser
期刊
随着人工智能的不断发展,机器人可以拥有一个越来越具智慧的“大脑”了,它们可以说人话,做翻译,写歌曲,绘图画,但是它們的躯体还是丑陋僵硬的传统机械模样,与其智力升级完全没法匹配。但是,随着一种特殊人造肌肉的出现,人形机器人距离它们的身材大改造将更近一步。  美国哥伦比亚大学的一个研究团队已经利用一种特殊的柔性材料成功制造出非凡的人造肌肉。科学家测试了人造肌肉在机器人制造方面的多种应用环境,在这些实验
期刊
衣服能自动调节温度,确保你永远不会太热或太冷,它们还可以减少地球能源的使用。  地球气候似乎越来异常了,一个地方冬冷夏热的定律似乎越来越不可靠。前几天还热得要命,穿着短袖短裤,冲凉水澡;骤然之间寒流突袭,仅仅一个晚上就变得天寒地冻,得赶紧找出压箱底的秋裤棉袄。一不注意妥当保暖,就极有可能“得罪”流感病毒。  面对经常变脸的温度,不经常看天气预报的你,有没有觉得经常随身带着外套是一件麻烦事?会不会希
期刊
当你登山迷路后  野外徒步是一项很有吸引力的健身活动,吸引着大量的游客徒步前往山区和丛林里探险。然而,几乎每年都有成千上万的旅行者在那些地方迷路或失踪。  想象一下:在旷野的丛林,你发生了意外,不小心从山坡上摔下来,不幸的是还摔断了腿。周围是陌生又隐蔽的环境下,你已经无法判断出你所处位置。接下来,你喝光了水,吃光了身边可以利用的食物。随着时间推移,你的体力逐渐消耗殆尽。而天色变得越来越暗,夜晚即将
期刊