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符號運算與數值處理

Maple 協助找出數學奇蹟 Gömböc 模型

2010年上海世博會最引起話題的莫過於坐落在匈牙利館中央的 “類不倒翁”Gömböc模型展示,在2007年由Gábor Domokos與Péter Várkonyi數學家所證明。

“Gömböc是世界上首個人造的、只有一個穩定平衡點和一個非穩定平衡點的均質物體。” 無論怎樣放置,它都會回到原點,並立起達到穩定平衡的狀態。換句話說,Gömböc 是世界第一個能自行導正的物體 
world’s first self-righting object,秘密在於形狀的數學。

開始時,許多數學家多次討論、辯論,懷疑這樣的可能存在。在1995年俄國數學家Vladimir Arnold首次推測這個狀態的存在,最後經過10年的時間確定地證明並創造它的形狀
紐約時報更稱此發現為 年度最佳概念

數學是Gömböc的發現核心,而符號運算軟體Maple更在此發現中扮演關鍵角色。
 
剛開始此形狀被稱為三維凸狀mono-monostatic物件 — 因為它的幾何形狀僅有一種可能的方式去平衡並直立。數學家Domokos 與 Várkonyi當時已確定一個物件之雙參數家族,所有的物件皆有渴望的mono-monostatic特性。然而,他們尚無法確定所有的物件是凸狀的。

Maple被用於確定物體凸狀與否以及進一步證明此形狀的存在。這個過程中牽涉到非常龐大、複雜且要求精確的數學計算,而Maple的符號運算技術讓它變成可能

Gömböc的發現者之一Domokos說「Gömböc的模型必須是高度精準的,這表示我們無法漏掉任何一個細節。Maple讓計算謹慎且安全,它的處理能力可計算與瀏覽每個敏感的細節,在我們的發現階段Maple都是非常可信的同伴。」除此之外,Domokos更表示Gömböc的美在於它絕對的簡單。它雖然簡單讓高中生可以理解,但同時也奠定日後科學的基礎。

Domokos與Várkonyi陸續將他們的發現應用於現實生活的自然科學,
Domokos使用Maple建立各種陸龜的三維龜殼模型,其中他們發現兩百個陸龜物種中有兩個具有Gömböc形狀的龜殼。這個驚人的發現表示這些陸龜擁有獨特的進化優勢讓它們有能力自行導正。Domokos觀察到擁有這樣先天形狀的陸龜可以不使用肌肉即可在地心引力的作用上自然轉成腹部面朝下以達到自我保護,這也是一個非常典型的演進範例表示生存的最佳形狀。

延伸陸龜的研究,Domokos陸續探討海灘卵石的演進。Domokos與劍橋大學的Gary Gibbons試圖描述卵石的形狀以及形狀的演進。此外,他們亦嘗試了解卵石形狀集體演進時的相互作用。Domokos使用Maple研究可整合型微分方程式。解方程式可避免遺漏研究中重要的部分,此外,他同時也研究磨損過程中的摩擦和碰撞平衡比例(dominant pebble ratios ),這個比例是一個使得某些地理位置中的卵石呈現類似的全域幾何特性的現象。Domokos使用Maple決定此比例之關鍵摩擦係數。

Domokos將繼續深入研究數學形狀以及發現更多自然與科學的奇妙現象,Domokos說:「Maple 是我最喜歡的計算工具,非常簡單卻很強大。我們被眾多我們大腦也無法理解的幾何形狀所包圍,像Domokos這樣的形狀是朝往此研究的新語言!」


 

 

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