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微分方程~预测未来和反推过去

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第一部分

1. 刑侦剧中的“死亡时间”

看过《CSI》或《法医秦明》吗?法医到达现场,测量尸体温度,测量室温,然后就能告诉你:“死者大约死于昨晚10点到11点之间。”

[吃瓜群众]



这不是魔法,这是牛顿冷却定律的应用。

其中的逻辑非常直观:

一个物体变凉的速度,取决于它和周围环境的温差。温差越大,凉得越快;温差越小,凉得越慢。

[抠鼻]

* 刚倒出的开水(90度)在室温(20度)下,第一分钟可能降温5度。

* 等这杯水变成30度时,同样过一分钟,它可能只降温0.5度。

[吃瓜群众]

法医掌握了这个“变化规律”(微分方程),结合当前的尸温和环境温度,就能像倒放电影一样,反推出尸体温度是37度(正常体温)的那个时间点。

[皱眉]

2. 人口与资源的博弈

如果你把两只兔子放到一个资源无限的孤岛上,不用多久,整个岛都会被兔子淹没。这就是最简单的“指数增长”:兔子越多,生得越快。

但在现实世界中,这种疯狂增长不会一直持续。

生态学家使用微分方程来描述一种更残酷的平衡:逻辑斯谛增长模型。

[吃瓜群众]

故事是这样的:起初,资源充足,种群像疯了一样增长。但随着数量增加,食物变少、空间拥挤、天敌关注,增长的速度开始受到“阻力”。

[皱眉]

微分方程在这里扮演了裁判的角色,它引入了一个“环境容纳量”的概念。当种群数量接近这个天花板时,增长率会被强行拉低,最终归零,维持平衡。

如果不懂这个方程,我们在渔业捕捞时就会犯错——要么捕得太少浪费资源,要么捕得太多导致鱼群崩溃无法恢复。

第二部分:演算篇



案例一:推算死亡时间(Newton’s Law of Cooling)

数学方程:

物体温度的变化率,与(物体温度 - 环境温度)成正比。



实战解题:

假设警察在 晚上8:00 发现尸体。



问题:人是什么时候死的?

第一步:求出常数 k

解方程得到通解公式:



[what]

第二步:反推死亡时间



结论:

死者是在被发现前约 2.37 小时死亡的。

晚上8:00 减去 2小时22分 ≈ 下午 5:38。



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