知识体验 KNOWLEDGE IN ACTION
亲手实验,满足好奇。
亲手调整,亲眼验证你感兴趣的原理。
今天会有什么发现呢?
多样学科,小小发现
选择今天想探索的内容。
体验将随机展示。
01 / IT · 通往答案的路径
逐格查找,
每次缩小一半查找。
在从1开始依次排列的数字中寻找目标。
一起看看两种方法各要检查多少次数值。
更改目标或数量后,将从头比较两种查找方法。
次数指检查是否与目标相等的数字个数。如果查找尚未结束,两种方法的最终次数差还可能变化。
更改目标并查找,发现今天的任务。
亲自查找后发现
检查中间的数字,就能一次排除不含答案的那一半。
二分查找适用于已排序的数据。本体验使用已排好序的数字,比较时不计入排序的成本。如果目标就在最前面,顺序查找也可能更快找到。
进一步了解原理 · NIST:二分查找
02 / IT · 等待与传输
即使线路很快,
仍然需要等待。
试着调整文件大小、线路速率和往返时延。
分别观察等待响应和随后传输文件所需的时间。
1字节等于8比特。这里按1MB = 100万字节、1Mbps = 每秒100万比特计算。
调整大小、速率和时延,发现今天的任务。
亲自拆分等待时间后发现
文件传输速率与等待响应的时间是不同的因素。
总时间 = 一次往返时延 + 文件大小 × 8 ÷ 线路速率。这是忽略连接准备和拥塞、以恒定速率传输的简化模型。实际下载时间会随多次通信、服务器处理、拥塞和传输丢失而变化。
进一步了解原理 · Cloudflare:网络时延
03 / 化学 · 用对数理解差异
pH相差一格,
浓度就相差十倍。
试着调整两种虚拟溶液的pH。
用氢离子浓度的近似值比较A与B的差异。
溶液颜色仅用于帮助区分的概念示意,不代表实际指示剂颜色或溶液的安全性。
调整两种溶液的pH,发现今天的任务。
亲自比较后发现
pH越低,氢离子浓度的近似值越大。
这里按[H₃O⁺] ≈ 10−pH mol/L计算。严格的pH定义使用活度而非浓度。中性pH为7是25°C时的标准,仅凭pH无法判断安全性或酸本身的强弱。0~14是本体验的探索范围,并非所有溶液的pH都在此范围内。
进一步了解原理 · OpenStax:pH与pOH
04 / 化学 · 最先耗尽的原料
两种分子,
能全部反应吗?
按反应比例配对虚拟分子。
根据2H₂ + O₂ → 2H₂O,看看能生成多少水。
这是将2个氢分子与1个氧分子配成一组的虚拟组合模型。显示的水分子数是该模型中最多可生成的数量。
调整分子数量,发现今天的任务。
亲自配对后发现
能按所需比例配对的分子,决定了可生成的水分子数量。
每组需要2个H₂和1个O₂。可组成的组数是“氢分子数 ÷ 2的整数部分”与“氧分子数”中的较小值。如果氢分子数为奇数,会剩下1个氢分子,因此两种分子都可能有剩余。本体验并非重现实际反应速率、条件和产率的实验。
进一步了解原理 · OpenStax:限量反应物与反应产率
05 / 物理学 · 理解电学的三个量
改变电压和电阻,
电流会怎样?
这是在一个电阻两端施加直流电压的虚拟电路。
一起比较流过的电流和消耗的功率。
相对初始值的功率以6V、100Ω时的0.36W为基准比较。1A等于1,000mA。
调整电压和电阻,发现今天的任务。
亲自调整电路参数后发现
电阻不变时,电流与电压成正比,功率与电压的平方成正比。
按欧姆定律I = V ÷ R和功率公式P = V² ÷ R计算。这是由一个阻值恒定的电阻构成的直流模型。实际材料、灯泡和电子设备的电阻可能随温度及工作状态而变化。本体验用于在屏幕上理解这些关系,不提供实际接线指导。
进一步了解原理 · OpenStax:欧姆定律 · 电功率与电能
06 / 物理学 · 变换形式的能量
高度降低,
运动随之增强。
一个原本静止的虚拟物体开始下落。
势能和动能发生变化时,它们的总和还相同吗?
表示从初始高度下降了多少,而非下落时间的比例。
调整高度、质量和下落位置,发现今天的任务。
亲自调整位置后发现
势能减少多少,动能就增加多少。
本模型的重力加速度为9.8m/s²,无摩擦和空气阻力。设初始高度为h、已下降的比例为p,则势能为mgh(1 − p),动能为mghp,速率为√(2ghp)。势能以地面为零点,100%表示碰撞前一刻。不包含碰撞后转化为形变、热和声音的过程。
进一步了解原理 · OpenStax:重力势能 · NASA:能量守恒
07 / 数字中的“通常水平”
即使只有一个人改变,
平均数也会随之变化吗?
这是六位虚拟人物的月收入。
调整最右侧人物的收入,进行比较。
柱高始终按0~1,000万韩元的范围比较。
拖动滑块或使用方向键调整。
调整数字,发现今天的任务。
亲自调整后发现
收入相近时,平均数与中位数很接近。
平均数是所有数值之和除以人数,中位数是按大小排序后居中的值。六人时,取中间两个值的平均数。哪种代表值合适,取决于分布和所问的问题。
08 / 色彩营造的画面
同一张海报,
仅凭颜色就能改变。
选择背景色、文字色和强调色。
同时观察氛围的变化与文字的易读性。
小小发现的
大大乐趣。
好奇心停留的地方,杂学书库
小小发现的
大大乐趣。
好奇心停留的地方,杂学书库
调整颜色,发现今天的任务。
亲自调整后发现
相同的构图,换种颜色就会给人不同印象。
背景色改变大面积区域的观感,强调色改变吸引视线的部分。文字与背景的明暗差异影响易读性。显示的数值是根据两种颜色的相对亮度计算的对比度。
09 / 为书籍定位的规则
六本书,
该按什么顺序上架?
点击书籍,从左到右依次上架。
按分类号从小到大的顺序排列。
尚未找到位置的书
虚拟图书 · 点击书籍即可移到书架。再次点击已上架的书即可取下。键盘操作请使用Tab和Enter。
请帮助这六本散落的书找到各自的位置。
亲自上架后发现
分类号将相同主题的书归类,并指明在书架上查找的位置。
KDC是按主题分类图书的体系。这里通过大类主题的分类号学习排列顺序。实际图书馆中,同一分类号内还会根据著者号等索书号的其余部分及图书馆规则确定顺序。
经济·社会 · 时间与复利
当利息也产生利息,
时间造就差距。
用相同本金和利率比较单利与复利。
延长期限,两笔金额的差距会怎样变化?
假设每年利率相同,且没有追加存款或取款。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整后发现
复利不仅对本金计息,也会对已产生的利息继续计息。
单利金额 = 本金 × (1 + 年利率 × 期限),按年复利金额 = 本金 × (1 + 年利率)期限。计算时,将以%表示的利率除以100使用。这是未计税费、手续费和物价变化的学习用计算,不预测实际产品的收益率。
进一步了解原理 · Investor.gov:复利原理
数学·统计 · 基准比例与概率
准确的提醒,
也可能出错的原因。
为10,000条虚拟消息开启垃圾消息提醒。
调整垃圾消息比例和检测性能,比较提醒的可靠程度。
条数是根据概率计算的预期值。不检查实际消息,也不发送提醒。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整后发现
垃圾消息稀少时,即使误报率很低,也可能作用于大量正常消息。
正确提醒数 = 10,000 × 垃圾消息比例 × 检出率,误报数 = 10,000 × 正常消息比例 × 误报率。提醒中垃圾消息的比例为正确提醒数 ÷ 全部提醒数。即使检测性能相同,结果也会随垃圾消息原本的普遍程度而变化。
进一步了解原理 · OpenStax:概率与条件概率
生命·环境 · 种群与增长
快速增长后,
为什么会变慢?
观察食物与空间有限的虚拟种群。
调整初始个体数量、环境容纳量和时间,比较增长曲线。
个体数量表示平均趋势,因此可显示为小数。“步”是本模型的时间单位。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整后发现
越接近环境的上限,继续增长的余地就越小。
逻辑斯谛模型使用dN/dt = rN(1 − N/K)。N为个体数量,K为固定的环境容纳量,r为增长系数。这里显示该方程的连续时间解。这是忽略迁移、季节和食物变化的简化模型,不用于预测实际生态系统。
进一步了解原理 · OpenStax:逻辑斯谛方程
数学·统计 · 相同条件下的优化
围栏长度相同,
面积却会改变。
用固定长度的围栏围出一个长方形。
长与宽的比例会改变能围出的面积。
这是四边均用围栏围起的长方形,不包含借用墙壁或留出入口的情况。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整后发现
长与宽越接近,同样长度的围栏就能围出越大的空间。
长 + 宽 = 周长 ÷ 2,面积 = 长 × 宽。周长固定的长方形中,长与宽相等的正方形面积最大。按最大面积 = (周长 ÷ 4)2进行比较。
进一步了解原理 · OpenStax:相同周长的面积比较
地球·宇宙 · 地图比例尺
地图上的一小段,
实际有多远?
选择比例尺,调整地图上的长度。
一起观察实际距离和正方形区域的面积。
地图上的长度是虚拟数值,并非用尺子在屏幕上测得的长度。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整后发现
比例尺分母越大,相同的图上长度所代表的实际空间就越大。
比例尺为1 : S时,实际距离(km) = 图上长度(cm) × S ÷ 100,000。正方形的实际面积为实际边长(km)的平方。不考虑地图投影变形和地形坡度。在屏幕上放大地图,也不意味着印刷用比例尺标注的数字会自动改变。
进一步了解原理 · USGS:地图与比例尺指南
地球·宇宙 · 季节与太阳
随季节改变的,
正午阳光角度。
调整纬度和太阳的季节位置。
正午太阳高度和1m长杆的影子会一起变化。
正数表示北纬,负数表示南纬。0°为赤道。
这里的正午指当地太阳最高时的太阳正午,而非时钟的12点。地球自转轴倾角固定为约23.4°。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整后发现
即使处于相同季节位置,南北半球的阳光角度也不同。
太阳正午高度角 ≈ 90° − |纬度 − 太阳赤纬|。垂直立于水平面上的1m高杆,其影长按1 ÷ tan(高度角)计算。高度角为90°时,影长为0。不考虑大气折射和地形,季节赤纬采用代表值。
进一步了解原理 · NOAA:太阳位置计算公式
IT · 构成图像的数据
像素增加,
需要存储的数据也会增加。
调整图像的宽、高和每像素比特数。
比较压缩前像素数据所占的存储空间。
图中的网格是用于说明像素的缩小模型,不代表屏幕尺寸或印刷尺寸。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整后发现
宽和高分别增大为两倍,像素数和数据量就会变为四倍。
像素数据量(字节) = 横向像素数 × 纵向像素数 × 每像素比特数 ÷ 8。这里1MB为1,000,000字节。由于不计文件头、调色板、行尾填充数据和压缩,实际图像文件大小会有所不同。8比特是表示灰度亮度等内容的一种方式;本例中,32比特里额外的8比特表示透明度。
进一步了解原理 · Microsoft:位图的像素数据与存储结构
化学 · 稀释与溶质量
加水后虽然变稀,
溶解的量仍然相同。
调整虚拟溶液的浓度、体积和加水量。
观察溶质量保持不变而浓度发生变化的过程。
g/L表示每1L溶液中溶解的溶质质量。加入的水不含溶质。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整后发现
溶液体积变为两倍时,浓度减半,但溶质量保持不变。
初始浓度 × 初始体积 = 最终浓度 × 最终体积。体积使用相同单位即可计算。本模型假设溶质不发生反应或蒸发、完全混合,且溶液与水的体积可以直接相加。
进一步了解原理 · OpenStax:溶液的浓度与稀释
物理学 · 分贝与声音叠加
声强加倍,
分贝也会加倍吗?
试着改变单个声音的分贝值和同声级声音的数量。
比较同一点处叠加后的声强与分贝值的差别。
不会播放实际声音。声强的倍数与人感受到的响度倍数不同。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整后发现
将两个同声级声音的声强相加,声级约增加3dB。
N个声音的合成声级 = 单个声音的声级 + 10 × log₁₀(N)。假设这些声音在同一观测点的声级相同,彼此独立且不保持固定的相位关系。本模型不用于计算同相波的叠加、主观响度或听力保护建议。
进一步了解原理 · 曼彻斯特大学:不同声音的声强叠加
经济·社会 · 物价与购买力
金钱增长的速度,
比物价更快吗?
试着分别改变金额增长率和通货膨胀率。
将未来的金额按初始时点的物价折算后进行比较。
假设同一篮子商品的价格按设定比率上涨。不使用实测物价或金融产品收益率。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整后发现
即使金额增加,如果物价上涨得更快,同样的钱能买到的东西也会减少。
名义金额 = 初始金额 × (1 + 金额增长率)期限,按初始物价折算的金额 = 名义金额 ÷ (1 + 通货膨胀率)期限。考虑物价后的年增长率按(1 + 金额增长率) ÷ (1 + 通货膨胀率) − 1计算。计算时需将百分数除以100。这是使用固定虚拟比率的教学模型,不考虑税费、手续费及个人消费差异。
进一步了解原理 · 欧洲中央银行:通货膨胀与购买力
生命·环境 · 遗传概率
从双亲各获得一个,
决定后代的组合。
了解决定豌豆种子形状的一个基因。
改变双亲的基因型,比较可能的组合。
A和a是同一基因的两个等位基因。在本例中,只要有至少一个A,就表现为圆粒种子。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整后发现
Aa与Aa杂交时,四种组合中有一种为aa。皱粒种子的理论概率为25%。
这是单基因完全显性模型,每个亲本以相同概率传递两个等位基因中的一个。四个方格表示等可能的组合,并不意味着实际每四个后代的比例必定为3 : 1。每次受精都是独立的概率事件。并非所有生物的性状都遵循这一规律,显性也不意味着更好或更常见。
进一步了解原理 · OpenStax:孟德尔遗传定律与庞尼特方格
物理学 · 力与移动距离
省力的代价,
是要拉更长的绳子。
试着改变物体的质量、承重绳段数和提升高度。
同时比较所需的力与拉绳距离。
数的是支撑运动物体的绳段,与用手拉动的绳子数量不同。
质量用kg表示,力用N表示。承重绳段越多,每段绳分担的力越小。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整后发现
承重绳段数加倍,所需的力减半,拉绳距离加倍。将同一物体提升到相同高度,所做的功相同。
拉力 = 质量 × 重力加速度 ÷ 承重绳段数,拉绳距离 = 承重绳段数 × 高度,所做的功 = 力 × 拉绳距离。本理想模型取重力加速度为9.8m/s²,忽略绳子和滑轮的质量及摩擦,使物体匀速上升。图中仅示意分担力的原理,不指导实际绕绳方法。
进一步了解原理 · OpenStax:滑轮与机械利益
地球·宇宙 · 月相
月球被照亮的一面,
我们从哪个方向看?
试着改变月球绕地球运行的位置。
比较从地球上看到的明亮部分的比例与形状。
此位置的月相 · 上弦月
90°处的上弦月与270°处的下弦月都亮了一半,但明亮部分的朝向不同。本图以北方朝上为基准。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整后发现
月球始终有一半受到太阳照射,但从地球看向这明亮一面的方向发生变化,因此月相也随之改变。
月相不是由地球的影子遮挡造成的。地球的影子投到月球上的现象称为月食。本体验采用月球沿圆形轨道匀速运动、平均朔望月为29.53天的模型。明亮比例按50 × (1 − cos 位置角)计算,经过天数按29.53 × 位置角 ÷ 360计算。本模型不是用于预测月球实际位置、农历日期、是否发生月食或观测时间的日历。
进一步了解原理 · NASA:月相与明亮的一面
数学·统计 · 样本与误差
多问一些人,
误差会减少多少?
试着改变参与调查的样本量和赞成比例。
比较近似95%置信区间的误差范围如何变化。
50%加减9.8%p,表示从40.2%到59.8%。%p表示百分点,用于表示比例之间的差值。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整后发现
在比例相同的情况下,样本量增加到四倍,误差范围减半。误差范围并不会按样本量增加的倍数直接缩小。
误差范围(%p) = 1.96 × √(p × (1 − p) ÷ 样本量) × 100,其中p为赞成比例除以100所得的值。这是总体非常大且样本独立随机抽取时的正态近似。样本量越小,或比例越接近0%或100%,这一近似就越不准确。其含义是,以相同方式反复调查并构造区间,其中约95%的区间会包含真实比例,而不是本次区间包含真实比例的概率为95%。增加样本量也无法解决回答偏差或调查遗漏群体的问题。
进一步了解原理 · NIST:比例的置信区间与正态近似
生活·通识 · 摄影视角
站在同一位置,
能拍下多宽的画面?
试着改变传感器宽度和镜头焦距。
比较水平视角与被摄物所在距离处的取景宽度。
视角是画面涵盖方向的夹角,取景宽度是选定距离的平面上横向可见的长度。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整后发现
拍摄位置和传感器相同时,焦距越长,取景范围越窄。传感器宽度减小,视角也会变窄。
水平视角 = 2 × arctan(传感器宽度 ÷ (2 × 焦距)),取景宽度 = 被摄物距离 × 传感器宽度 ÷ 焦距。传感器宽度与焦距使用相同单位,视角换算为度显示。本模型是将直线呈现为直线的理想针孔模型,不考虑畸变及对焦导致的视角变化。被摄物距离从模型的投影中心量起,并非从实际镜筒前端量起。在同一位置更换镜头会改变视角,而改变前后物体相对大小的透视变化发生在移动拍摄位置时。
进一步了解原理 · Edmund Optics:焦距与视角
IT · 组合条件的逻辑
组合两个条件,
结果会怎样变化?
只开启一个输入,结果也会开启吗?
改变两个条件与组合规则,了解通知、搜索和程序的判断原理。
0 = 关闭 · 假 / 1 = 开启 · 真
OR在两者都为真时也为真。NOT只对A取反,因此不使用B。
调整数值,发现今天的任务。
亲自组合后发现
即使条件相同,使用AND、OR、XOR或NOT中的不同规则,结果也会不同。
这是只使用0和1两个值的逻辑模型。AND在A和B都为1时、OR在至少一个为1时、XOR在两者不同时,结果为1。NOT在A为0时结果为1,A为1时结果为0。本模型展示条件判断的结构,不模拟实际电路的电压或运行时间。
进一步了解原理 · OpenStax:条件与逻辑运算 · Analog Devices:XOR逻辑
化学 · 不停进行的平衡
没有变化时,
反应也停止了吗?
设定A与B相互转化的快慢,再调整时间。
观察各物质的量不再变化时,双向转化是否仍在继续。
初始时A为80、B为20,总量始终为100。这里的没有变化,并不是指A与B的量相等,而是指各自的量不随时间改变。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整时间后发现
平衡时A与B的量不必相等。双向转化速率相等,因此各自的量不再变化。
这是A ↔ B按1 : 1转化的封闭虚拟模型,转化速率为各物质的量 × 转化系数。系数保持不变,总量维持在100。平衡时B的量 = 100 × 正向系数 ÷ (正向系数 + 逆向系数)。双向转化持续进行,但净变化趋近0。不包含实际物质、温度和反应步骤带来的复杂速率变化。
进一步了解原理 · OpenStax:化学平衡与动态平衡
生命·环境 · 食物链中的能量
沿食物链向上,
能量去了哪里?
生产者储存的能量有多少会传递到下一级?
改变传递比例与营养级,比较能量金字塔。
图中比较的是能量,而非生物数量或体重。假设所有营养级的传递比例相同,实际生态系统中并非总是固定为10%。
调整数值,发现今天的任务。
亲自提高营养级后发现
若每一级传递10%,向上两级后获得的能量就是初始能量的1%。
所选营养级的能量 = 生产者能量 × (传递比例 ÷ 100)级数。未传递的能量会在生命活动中转化为热,或通过未被取食的部分、排泄物、遗体等转移到其他路径,并不表示能量消失了。生态系统中的营养物质循环利用,而能量进入并传递,最终以热的形式散布到周围。
进一步了解原理 · OpenStax:生态系统的能量流动
经济·社会 · 分工与比较优势
即使一个人两样都做得更快,
分工也会带来变化吗?
两个人各用8小时生产虚拟产品X和Y。
改变各自的时间分配,看看是否比平均分配时生产得更多。
| 人员 | X | Y |
|---|---|---|
| A | 4单位 | 2单位 |
| B | 1单位 | 1单位 |
剩余时间用于生产Y。比较基准固定为两人分别将50%的时间用于X与Y的初始分配(X为20,Y为12)。
调整数值,发现今天的任务。
亲自分工后发现
A生产两种产品都更快,但生产X时,A放弃的Y更少。
生产1单位X需要放弃的Y,A为0.5单位,B为1单位。像这样,机会成本更低的一方就拥有生产X的比较优势。若A用于X的时间为75%,B为0%,则X产量为24、Y产量为12,比初始分配多生产4单位X。这是产量与工作时间成正比的虚拟示例,不考虑质量、运输和协调成本。
进一步了解原理 · OpenStax:绝对优势与比较优势
生命·环境 · 自然选择
即使环境相同,
性状的比例也会改变。
比较复制自身性状的A和B两种类型。
改变对下一代的贡献程度与世代数,观察比例的变化。
其余为B类型。A与B的比例之和始终为100%。
系数表示在给定环境中通过生存和繁殖对下一代作出贡献的程度。若分别为1.1与1,A的贡献比B高10%。这并不意味着该性状本身总是更好。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整世代后发现
对下一代贡献更多的类型,随着世代更替,在群体中所占的比例会增加。
设初始A比例为p₀(0~1)、两个贡献系数为wA·wB、世代数为g,则A的比例为p₀ × wAg ÷ [p₀ × wAg + (1 − p₀) × wBg]。本教学模型假设两种类型通过无性生殖原样传递自身性状,且环境与系数保持不变。它不同于基因型杂交模型,不考虑变异、迁移和随机遗传漂变。仅比较比例,不预测实际个体数量。进化没有预定的目标或终点。
进一步了解原理 · 加州大学伯克利分校:自然选择的比例模型(PDF) · OpenStax:环境与相对适合度
经济·社会 · 价格弹性
价格降低了,
销售额也可能减少。
试着改变虚拟产品的价格和需求反应程度。
价格降低5单位时,销量与销售额会如何变化?
P为价格,Q为销量。两个需求公式都是虚拟设定的关系。
降价幅度始终为5个价格单位。销售额等于价格 × 销量,与扣除成本后的利润不同。
调整数值,发现今天的任务。
亲自降价后发现
即使降低价格,如果销量增加得不够多,销售额也会减少。
区间弹性等于销量变化率除以价格变化率的绝对值,各变化率均以降价前后数值的平均值为基准。小于1时,降价后销售额减少;等于1时保持不变;大于1时增加。选择价格27.5、Q = 100 − 2P时,降价前后销售额均为1,237.5。这是不考虑成本、竞争、季节及消费者差异的线性虚拟需求模型。它比较降价前后的区间,不预测实际商品的需求或收益。
进一步了解原理 · OpenStax:中点法与价格弹性 · 弹性与销售额的关系
地球·宇宙 · 空气的重量
越往高处,
上方剩余的空气越少。
假设整个空气层温度相同,试着改变海拔高度。
以海平面气压为100%,高处的气压会有多大变化?
这是适用于整个空气层的模型温度,并非特定海拔的实际气温。
气压与上方空气层的重量有关。温暖的空气层分布得更广,因此气压随海拔升高而降低得较慢。
调整数值,发现今天的任务。
亲自改变高度后发现
海拔升高,上方空气的重量减少,气压随之降低。
这是气压P = P₀ × exp[−Mgh ÷ (RT)]的等温理想大气模型。海平面气压P₀为1,013.25hPa,空气摩尔质量M为0.0289644kg/mol,重力加速度g为9.80665m/s²,气体常数R约为8.31446J/(mol·K),h为海拔高度(m),T为摄氏温度 + 273.15(K)。假设整个空气层的温度、组成和重力保持不变,不考虑水汽及天气变化。它不同于气温随海拔降低的标准大气计算,不能用于实际气压预报或海拔测量。
进一步了解原理 · NASA:重力作用下的理想气体与等温近似
生活·通识 · 音乐与振动
升高一个八度,
振动频率就会加倍。
设定从基准音升高或降低多少个半音。
比较相同时间内绘出的波形周期数与两个音的频率。
点击后依次短暂播放基准音和所选音。
Hz表示1秒内振动的次数。波形以相同的大小(振幅)绘制。音高与响度是不同的特性。
调整数值,发现今天的任务。
亲自移动音高后发现
一个八度包含12个半音。升高12格,频率加倍;降低则减半。
在12平均律中,频率 = 基准频率 × 2(半音数 ÷ 12)。每移动一个半音,频率约乘以1.05946,因此即使移动相同格数,以Hz表示的差值也会随基准音而改变。仅在点击按钮时,以相同振幅播放两个正弦波音,不考虑实际乐器的音色、泛音和调律差异。频率比为两倍,并不意味着感受到的响度为两倍。
进一步了解原理 · UNSW:音的频率与12平均律
IT · 无损压缩
将重复内容合并存储,
总能变得更小吗?
相同字符连续出现时,以“数量 + 字符”的形式合并存储。
改变字符排列与重复次数,比较原文和压缩结果。
原文每个字符占1字节,压缩后的每组存储为数量1字节 + 字符1字节。节省率为负时,压缩后反而更大。
调整数值,发现今天的任务。
亲自合并重复内容后发现
相同字符连续重复得越长,存储原文所需的组数越少。
这种方法称为游程编码(RLE)。例如,将AAAAAAAA存储为“8, A”,还原时写出8次A即可恢复原文。如果A与B始终交替出现,每个字符需要2字节,大小就会加倍。屏幕上的数量以便于阅读的数字显示,但在存储模型中,数量按1字节计算。这是省略头部、仅用于A和B字符的教学模型,并不完整模拟实际BMP文件格式或通用压缩程序。压缩方法的效果取决于数据的模式。
进一步了解原理 · Microsoft:使用连续数量与颜色值存储的RLE
物理学 · 密度与浮力
即使物体变重,
漂浮时的浸没比例也可能相同。
试着改变物体的密度、体积和液体种类。
比较向下的重力与液体向上的托力。
物体密度大于液体时,即使完全浸没,仍有向下的合力。密度相同时,完全浸没处的重力与浮力相等,处于中性浮力状态。
调整数值,发现今天的任务。
亲自让物体漂浮后发现
体积增大时,重力与最大浮力都会增大。决定漂浮时浸没比例的是两者的密度比。
根据阿基米德原理,浮力等于物体排开液体的重力。物体漂浮时,浮力 = 重力,因此浸没体积比例 = 物体密度 ÷ 液体密度。若此比值大于1,物体就无法漂浮在液面上,浸没比例显示为100%。假设整个物体密度均匀且不可压缩,液体静止,不考虑表面张力、流体阻力及与底部接触。向下的合力为完全浸没后重力减去浮力的值,并不表示下沉速度。N是力的单位,重力加速度取9.80665m/s²。
进一步了解原理 · OpenStax:阿基米德原理
数学·统计 · 生日问题
仅有23人相聚,
就有人生日相同的概率是多大?
增加聚集的人数,数一数可以比较多少对。
比较任意两人生日相同与有人出生在指定日期这两种情况。
“指定日期”是在查看大家的生日之前确定的一天。在本模型中,无论指定哪一天,概率都相同。
调整数值,发现今天的任务。
亲自增加人数后发现
23人之间有253对可以比较。任意两人生日相同的可能性,远大于有人生日为指定日期的可能性。
生日重合的概率,可用1减去“所有人生日都不同的概率”求得。若有n人,可以比较的共有n(n − 1) ÷ 2对。不能将所有配对的生日重合事件视为彼此独立,也不能将配对数乘以1/365来求总概率。假设生日均匀分布在365天中,且每个人的生日彼此独立,不考虑闰日及实际出生日期的季节性集中。这表示人数较少时也可能有较高概率,并不表示一定会重合。
进一步了解原理 · 加州大学伯克利分校:生日问题与对立事件(PDF)
地球·宇宙 · 湿度与露点
让空气冷却,
湿度会怎样变化?
设定初始气温与相对湿度,再让空气冷却。
即使不添加水汽,湿度也会升高,降到露点以下时便会形成水滴。
保持气压不变,不添加水汽。在达到饱和前,按水汽压恒定进行比较。本模型用于了解冷杯周围空气冷却的原理。
调整数值,发现今天的任务。
亲自冷却空气后发现
温度越低,饱和水汽压越低,相对湿度就越高。露点以下,部分水汽会凝结成水。
相对湿度 = 当前水汽压 ÷ 该温度下的饱和水汽压 × 100%。饱和水汽压使用以液态水表面为基准的Magnus近似公式eₛ(T) = 6.112 × exp[17.62T ÷ (243.12 + T)]hPa计算。露点是饱和水汽压等于初始空气水汽压时的温度。若目标温度更低,多余水汽会凝结,使水汽压降至饱和值,相对湿度显示为100%。“超出饱和的部分”是凝结前水汽压与目标温度下饱和水汽压的差值,并非水滴质量或凝结速率。零度以下的露点也以液态水为基准显示,与霜点不同。这是不考虑过饱和、气压变化及热交换速率的平衡模型。
进一步了解原理 · NPL:露点与相对湿度
化学 · 分子形状与极性
即使存在极性键,
也可能因方向而相互抵消。
试着改变与中心原子相连的两个相同化学键之间的夹角。
将表示各化学键极性的箭头相加,会剩下什么?
表示电子分布偏向一侧的程度,并非断键所需的能量或键的强度。
从中心朝外侧原子方向放置大小相同的箭头。在方向相反的180°时,两个箭头相互抵消。
调整数值,发现今天的任务。
亲自将箭头相加后
即使存在极性键,只要它们对称且方向相反,合向量也可能为0。
设两个大小均为m的键偶极矩之间的夹角为θ,则合向量的大小为2m × cos(θ/2)。理解分子极性需要同时考虑键角和方向。本体验是仅将两个相同化学键的向量相加的几何模型,不计算实际整个分子的电子分布或偶极矩。104.5°是用于比较弯曲形的示例,显示的相对单位并非水的实测值,也不是Debye单位。实际键角由电子对的排列等决定,不能像滑块一样任意改变。
进一步了解原理 · OpenStax:分子结构与极性
生命与环境 · 酶的工作位点
即使不断添加原料,
速率也有上限。
提高酶所处理的原料——底物的浓度。
如果也改变酶量,最大速率和达到其一半时的浓度会如何变化?
mM即mmol/L,表示每1L溶液中底物的量。比较同一种酶在相同温度和pH下,反应刚开始时的速率。
调整数值,发现今天的任务。
亲自添加原料后
当大部分酶都在处理底物时,即使再添加原料,速率也只会略微增加。增加酶量,最大速率也会随之增大。
采用Michaelis–Menten模型的初始速率公式v = Vₘₐₓ × [S] ÷ (Kₘ + [S])。底物浓度[S]和Kₘ的单位为mM,Kₘ固定为2mM。最大速率Vₘₐₓ按酶的相对量 × 10设定,采用虚构的速率单位。当底物浓度等于Kₘ时,无论酶量多少,速率都为最大速率的一半。假设底物远多于酶,反应遵循简单的饱和动力学,不考虑抑制、协同性、随时间发生的原料耗尽及酶变性。本模型不用于预测酶的总产量或特定实验的实际速率。
进一步了解原理 · MIT:酶催化与反应速率(PDF)
经济·社会 · 选择与合作
对个人有利的选择,
未必对双方最好。
两人各做一次决定,且不知道对方的选择。
改变合作与背叛的组合,比较各自的得分及双方总分。
分数越高,对自己越有利。双方都合作时各得3分,都背叛时各得1分;只有一方背叛时,背叛方得5分,合作方得0分。
调整数值,发现今天的任务。
亲自改变双方的选择后
无论对方如何选择,个人选择背叛的得分都更高。但双方都背叛的总分低于双方都合作时的总分。
这种得分结构称为囚徒困境。双方仅同时做一次决定,选择前没有沟通,也没有具有约束力的承诺。如果只考虑自己的得分,双方都背叛就是纳什均衡。均衡意味着任何一方都无法仅靠单独改变选择来获益,并不意味着结果对所有人都最好。分数是虚构的回报,并非监禁期限。如果考虑重复交往中的信任、报复、协商或关心他人的动机,结果可能不同。
进一步了解原理 · MIT:囚徒困境与纳什均衡(PDF)
生活·通识 · 排队
只是稍微拥挤了一些,
等待却会长得多。
为单个服务窗口调整顾客到达速率和服务速率。
窗口几乎不停歇时,平均等待时间会变得多长?
本模型中的到达间隔和每人的服务时间每次都可能不同。服务速率为6人/分钟,意味着平均服务时间为10秒。平均人数为0.5人并不是说有半个人,而是对多个时刻的等待人数取平均。
调整数值,发现今天的任务。
亲自改变排队条件后
到达速率越接近服务速率,消化积压顾客的余力就越少,等待时间会急剧增长。
这是单个窗口按先到先服务原则运行的M/M/1稳态模型。假设到达遵循独立的Poisson过程,服务时间服从独立的指数分布,且等待空间充足。当平均到达速率λ和平均服务速率μ的单位为人/分钟时,等待时间 = 60λ ÷ [μ(μ − λ)]秒,逗留时间 = 60 ÷ (μ − λ)秒,等待人数 = λ² ÷ [μ(μ − λ)]人。只有λ < μ时,才存在有限的稳态平均值,此时λ/μ为窗口利用率。若λ ≥ μ,λ/μ表示请求负荷与服务能力的比值,并非实际利用率。这意味着无法显示稳定的平均值,并不意味着每位顾客都必然无限等待。这些值不用于预测瞬时队长、预约、多窗口、服务过程中离开等情况或实际店铺的拥挤程度。
进一步了解原理 · MIT:M/M/1排队模型(PDF)
IT · 错误检测
只用一个校验位,
能发现错误吗?
在4个数据位后附加一个校验位进行发送。
如果传输途中发生比特翻转,接收方能发现错误吗?
翻转比特时,0变为1,1变为0。对同一位置翻转两次会恢复原值。校验只使用收到的五个比特。
调整数值,发现今天的任务。
亲自翻转比特后
偶校验通过附加校验位,使1的个数为偶数。如果收到的1的个数为奇数,就能检测到错误。
四个数据位从左到右分别表示8、4、2、1的值,最右侧的校验位不计入数据值。传输的五个比特中,最终有奇数个发生变化时能够检测到错误,但有偶数个变化时可能漏检。“未检测到”并不保证数据正确。仅校验位发生变化也会检测到错误,而数据值可能保持不变。仅凭这种方法无法确定哪个比特出错,也无法恢复原始数据。本体验是比较最多两次比特翻转的模型。
进一步了解原理 · MIT:数字信息与奇偶校验
生命·环境 · 渗透
水能通过的膜,
两侧浓度不同时会怎样?
改变仅允许水通过的膜两侧的溶质浓度。
在两侧水压相同的初始时刻,水的净移动朝向哪一侧?
mM表示每1L溶液中含有多少mmol溶质。本模型中的溶质溶于水后不解离成离子,也不能通过膜。水会双向通过,箭头表示两个方向合计后的净移动。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整膜两侧的条件后
两侧水压相同时,水从溶质浓度低的一侧向浓度高的一侧净移动。浓度相等时,不会因这一差异产生净移动。
稀的理想非电解质溶液的渗透压为π = CRT。C的单位为mol/m³,R约为8.31446J/(mol·K),T为摄氏温度 + 273.15(K)。数值上1mM = 1mol/m³,因此用显示的浓度 × R × T ÷ 1,000求得以kPa为单位的渗透压。内侧 − 外侧的渗透压差,是阻止水净移动所需的内侧 − 外侧水压差,并不意味着从一开始就实际存在该水压差。这里只按初始浓度进行比较,不计算体积和浓度随时间的变化,也不计算移动速率。本模型不用于预测实际细胞中复杂的溶质与膜运输,或特定生物的反应。
进一步了解原理 · OpenStax:溶液的渗透压
数学·统计 · 分组与整体
即使在各组中领先,
总体结果也可能反转。
假设用A、B两种方法各解答100道题。
只改变简单题和难题的占比,总体成功率还会相同吗?
简单题成功率固定为A 90%、B 80%,难题固定为A 40%、B 30%。其余题目均为难题。%p表示两个百分比之间的百分点差。
调整数值,发现今天的任务。
亲自改变题目构成后
总体成功率是按题目数量对各组成功率加权得到的平均值。简单题占比不同时,在各组中领先的A,总体上却可能落后。
这种反转称为辛普森悖论。设简单题比例分别为介于0~1的a、b,则A总体 = 90a + 40(1 − a),B总体 = 80b + 30(1 − b)。采用相同占比时,A始终领先10%p;但当A的简单题占比为10%、B为90%时,总体成功率变为A 45%、B 75%。各难度内的差值和总体差值回答的是不同问题。这是为两种方法分配不同题目构成的虚构数据,仅凭这些数据无法确定哪种方法是实际成功的原因。实际比较时,还应考察如何划分组别,以及构成差异为何产生。
进一步了解原理 · Williams College:加权平均与辛普森悖论(PDF)
生活·通识 · 热泵
用电来搬运热量,
传来的热量会多于耗电量。
这是在两个温度恒定的热源之间传递热量的理想热泵。
改变两侧温度和输入能量,比较传递的热量与能量之和。
制热性能系数为传递的热量 ÷ 输入能量,制冷性能系数为吸收的热量 ÷ 输入能量。kWh表示能量的多少,并不单独规定功率或运行时间。
调整数值,发现今天的任务。
亲自追踪热量的传递后
传递的热量包含输入能量和从低温侧吸收的热量。即使传递的热量超过耗电量,也没有凭空创造能量。
可逆Carnot热泵的理想极限为制热COP = T高 ÷ (T高 − T低),制冷COP = T低 ÷ (T高 − T低)。温度必须用摄氏温度加273.15后的绝对温度K计算。传给高温侧的热量 = 从低温侧吸收的热量 + 输入的功,两种COP之差始终为1。假设两侧均为吸放热后温度仍保持不变的热库,且电能全部转化为功。这是不考虑实际设备的摩擦、压缩损失、换热所需温差等因素的理论上限,不能用显示值预测实际空调或供暖设备的性能与费用。
进一步了解原理 · OpenStax:热力学与热泵的主要公式
化学 · 电池与电极
更换两种金属,
电压和流动方向也会改变。
选择两个电极,各金属分别浸在含有自身金属离子的溶液中。
标准还原电势之差产生电池电压。
以金属离子接受2个电子的反应M²⁺ + 2e⁻ → M进行比较。交换左右两侧时,电压大小不变,电子流动方向改变。
调整数值,发现今天的任务。
亲自选择电极后
标准还原电势较低的一侧,金属失去电子;较高的一侧,金属离子接受电子。外电路中的电子从氧化极流向还原极。
理想原电池的标准电压为还原极的标准还原电势 − 氧化极的标准还原电势。按自发反应方向显示电压大小;若金属相同且离子活度相同,则没有电势差。假设温度为25°C,金属为纯固体,各M²⁺离子的活度为1,并以标准氢电极为基准进行比较。表中电势均四舍五入至小数点后三位。最大电功的大小为nFE,其中n = 2mol电子/mol反应,F = 96,485.33212C/mol,结果以kJ/mol表示。不考虑实际电池中的浓度变化、内阻、过电势和副反应。电压不同于表示储存电荷量的容量,仅凭该值无法得知实际输出功率或使用时间。
进一步了解原理 · OpenStax:电极电势与电池电压 · 标准半电池电势表
物理学 · 折射与全反射
光遇到界面时,
会向法线偏折吗?
选择光出发和进入的介质,并改变角度。
光进入折射率较低的介质时,有时无法穿过界面。
法线是垂直于界面的假想线。角度从法线起算,而不是从界面起算。发生反射时,反射角等于入射角。
调整数值,发现今天的任务。
亲自改变光的方向后
进入折射率较大的介质时,光向法线偏折。进入折射率较小的介质时,光偏离法线;超过临界角时会发生全反射。
用斯涅尔定律n₁sinθ₁ = n₂sinθ₂计算折射角。只有n₁大于n₂时,才存在临界角θc = asin(n₂/n₁)。入射角等于临界角时,折射角为90°,是沿界面的极限方向;只有大于临界角才会发生全反射。“无全反射条件”表示两种介质的折射率关系不允许发生全反射。假设两种介质透明且均匀,界面平整,折射率固定,不考虑实际折射率对波长和温度的依赖。本体验比较光的方向,不计算部分反射光的强度、偏振或吸收。选择相同折射率时,光的方向不变,也不显示界面反射。
进一步了解原理 · OpenStax:折射与斯涅尔定律
经济·社会 · 累进税
更高的税率,
只适用于该档的收入。
在教学用虚构税率表中逐步增加收入。
即使跨入新税档,也不会对全部收入采用新税率。
最初200单位的税率为0%,超过200至400的部分为10%,超过400至800的部分为20%,超过800的部分为30%。不使用任何实际国家的税率或货币。
调整数值,发现今天的任务。
亲自跨越收入税档后
平均税率是税额占全部收入的比例,边际税率是适用于下一笔新增收入的税率。两者回答的是不同问题。
分档累进税将各档内的收入部分 × 该档税率后相加。收入为400单位时,最初200的税额为0,接下来200的税额为20,总计20单位。此后新增部分适用20%的税率,因此分界点的边际税率按“下一笔新增收入”显示。本模型所有税档的税率均低于100%,因此增加收入也会增加税后收入,不会在跨档瞬间出现税后收入下降。仅使用虚构应税收入和虚构税率,不考虑扣除、税额抵免、福利补助和其他税种。本体验用于比较分档征税的原理,并非计算实际税额或到手收入的工具。
进一步了解原理 · IRS:按税档对应收入部分征税的原理
地球·宇宙 · 地震波
利用P波与S波的到达时间差,
可以估算距离。
改变先到的P波与后到的S波之间的时间差。
这是两种波沿相同路径以不同速度传播的模型。
固定两种速度时,时间差越大,观测站离震源越远。仅凭一个观测站的时间差,无法判断震源在哪个方向。
调整数值,发现今天的任务。
亲自比较两种波后
传播距离越远,较快的P波与较慢的S波到达时间差越大。需要结合这一时间差和两种速度,才能求得距离。
传播相同距离d时,到达时间差Δt = d/vS − d/vP,因此d = Δt ÷ (1/vS − 1/vP)。本体验假设两种波在均匀固体中,沿相同直线路径以恒定速度传播。震源距离是观测站到地下地震发生点的距离,并非地图上量取的到震中的地表距离。P波、S波时间是以发生时刻为0的模型传播时间。“时间差1秒对应的距离”是距离换算系数,不同于某一种波的速度。不考虑实际地球内部各层的速度变化、折射和不同路径;求取震源方向与位置需要多个观测站的记录和更详细的模型。本体验不预测地震发生。
进一步了解原理 · USGS:利用地震波及到达时间定位地震
IT · 缓存替换
增加存储槽后,
读取原始数据的次数反而会增加吗?
用称为缓存的小型存储空间,处理同一组十二次请求。
改变存储槽数量和替换规则,比较从原始存储中读取缓存所缺数据的次数。
请求顺序固定为1 → 2 → 3 → 4 → 1 → 2 → 5 → 1 → 2 → 3 → 4 → 5。从空缓存开始。缓存中没有的数据会从原始存储中读取并放入缓存,首次读取也计入次数。数据已在缓存中时,不读取原始存储。
调整数值,发现今天的任务。
亲自改变存储规则后
缓存的效果不仅取决于存储槽数量,还取决于替换规则和请求顺序。逐步观察同一组请求的数据如何被保存。
FIFO保持进入顺序,即使命中缓存也不改变顺序。LRU会将命中的数据移至最近使用的位置。当数据不在缓存中且存储槽已满时,按各自规则替换最旧的数据。对于这组请求,FIFO的未命中次数从3个槽时的9次,增加到4个槽时的10次,这称为Belady异常。同样使用4个槽时,LRU未命中8次。仅凭这一结果,不能说FIFO始终较差,或LRU对所有请求都更好。命中率为命中次数 ÷ 已处理请求数,请求数为0时不定义命中率。这是将每个编号视为一份大小相同数据的替换原理模型,不计算实际浏览器缓存的有效期、通信时间、容量或写入成本。
进一步了解原理 · MIT:FIFO、LRU与内存替换
数学·统计 · 模型与误差
即使完全拟合观测点,
在其他点上又会怎样?
用加入小幅扰动的六个观测点建立多项式模型。
改变复杂度和扰动,同时比较未参与拟合的二十个基准点上的误差。
观测点用于拟合模型,基准点仅用于比较误差。RMSE是将误差平方后取平均,再开平方所得的值,越小表示越接近相应的点。
调整数值,发现今天的任务。
亲自改变模型复杂度后
即使模型经过所有观测点,也可能偏离其他基准点更远。请同时查看拟合点的误差和另行比较的点的误差。
观测x为−1、−0.6、−0.2、0.2、0.6、1,在y = 3 + 2x上加上扰动倍数 × [0.2, −0.2, 0.3, −0.3, 0.2, −0.2]。通过最小化这六个点的误差平方和拟合多项式。基准x是从−0.95到0.95、间隔为0.1的二十个点,基准y为无扰动的3 + 2x。本体验比较的是已知生成原理的虚构数据上的基准误差,基准点并非实际单独采集的观测数据。5次模型可以经过全部六个受扰动的观测点,但可能在点之间大幅弯曲,导致基准误差增加。这并不意味着复杂模型总是不好,或简单模型总是好;扰动为0时,三个模型都拟合同一条直线。这些数值不能保证实际未知的未来结果的误差。
进一步了解原理 · scikit-learn:欠拟合与过拟合
生命·环境 · 生物多样性
即使物种数相同,
占比不同,结果也会改变。
改变物种数量和第一个物种的占比。
比较其余物种平均分配剩余占比的分布。
显示值是各物种占总体的比例,并非个体数量。第一个物种并不总是数量最多的物种。这是未包含物种名称和特征的虚构分布。
调整数值,发现今天的任务。
亲自改变物种占比后
即使物种数相同,当占比集中在少数物种上时,分布的多样性也会降低。物种数和占比的均匀程度是不同的特征。
设物种占比为p,则香农多样性H = −Σp ln(p),使用自然对数。exp(H)是具有相同H的均匀分布的有效物种数,并不意味着实际存在小数个物种。均匀度显示为H ÷ ln(物种数) × 100,所有物种占比相同时为100%。在4种情况下,第一个物种占25%时,各物种均占25%;第一个物种占70%时,其余各占10%。滑块以5%为步长,因此无法选择3种时精确均分的占比⅓。这里只比较占比均为正数的理想分布,不涉及样本量、观测误差或物种间关系。较高的指标并不总意味着生态系统健康,还需另行考察物种身份、稀有性和保护价值。
进一步了解原理 · Hokkaido University:多样性指标
生活·通识 · 作业顺序
即使一项任务加快,
总工期会保持不变吗?
准备完成后,两个团队同时沿上、下两条路径开展工作。
改变任务时长,找出等待两条路径都结束后的完成时刻。
准备任务A固定为2分钟,收尾任务F固定为1分钟。B完成后才能开始D,C完成后才能开始E,D和E都完成后才能开始F。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整作业时间后
决定完成时刻的最长作业路径称为关键路径。只缩短较短路径上的作业,整体完成时刻可能不变。
整体完成时间为 2 + max(B + D, C + E) + 1。“作业时间总和”是六项作业时间相加的值,两条路径同时进行,因此它与实际经过的时间不同。每条路径的时差等于较长路径的时间减去该路径的时间,即使延迟这么久,也不会推迟整体完成。默认情况下,下方路径为 8 分钟,上方路径为 7 分钟,因此上方路径有 1 分钟的时差。两条路径时间相同时,两者都是关键路径,只缩短其中一条,仍需等待另一条。缩短作业时间时,关键路径本身也可能改变。这是一个假设不同团队不共享资源、各项作业时间确定的依赖关系模型,给出的是不考虑人员冲突、作业中断和时间不确定性的最早完成时间。
进一步了解原理 · MIT:关键路径法(PDF)
化学 · 饱和与溶解度
即使加入很多固体,
也不一定全部溶解。
将一种溶解度随温度变化的虚拟固体放入水中。
改变温度、水量和固体量,比较溶解量与剩余量。
设定虚拟固体的溶解度为每 100g 水可溶解 (20 + 温度)g。温度为 40°C 时,100g 水最多可溶解 60g。这不是特定物质的实际溶解度表。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整溶解上限后
一定条件下能溶解的量有上限。加入量超过上限时,剩余固体不会溶解;冷却使上限降低时,部分溶质会重新析出为固体。
最大溶解量 = 溶解度 × 水的质量 ÷ 100,溶解量 = min(加入量, 最大溶解量),剩余固体 = 加入量 − 溶解量。显示的比例为已溶解固体的质量 ÷ 水的质量 × 100,不同于以溶液总质量为基准的质量百分比。假设经过足够长的时间,在各条件下均达到溶解平衡。溶解量达到最大溶解量即为饱和,并非只有存在剩余固体时才饱和。不考虑水的蒸发、过饱和、溶解速率和溶解热。这是一种设定为溶解度随温度升高而增加的虚拟物质,并非所有固体都遵循这一关系。
进一步了解原理 · OpenStax:溶解度与饱和溶液
物理学 · 电磁感应
产生电压的,
是磁场的变化。
在一定时间内改变穿过线圈的磁场。
改变变化量、所需时间、匝数和角度,比较平均感应电压。
单匝线圈面积固定为 0.01m²。在面积和角度不变的情况下,只有磁场发生变化。变化量为 0T 表示磁场不变,而非没有磁场。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整变化快慢后
相同的磁场变化若发生在更短时间内,平均感应电压的大小就更大。反转变化方向,电压的正负号也会改变。
磁通量是综合考虑面积和方向后,描述穿过线圈平面磁场的量。在均匀磁场中,Φ = BAcosθ。θ 是垂直于线圈平面的法线与磁场的夹角。根据法拉第定律,平均感应电动势 ε = −NΔΦ ÷ Δt,其中 N 为匝数。1mWb 等于 0.001Wb。正负号以选定的法线和绕线方向为基准,负值不表示电压的大小较小。楞次定律中的负号表示阻碍磁通量变化的方向。假设线圈各匝的面积和所处磁场相同,不考虑随时间变化的具体波形、线圈电阻及自感。不计算实际电流或功率,只比较指定时间段内的平均电压。
进一步了解原理 · OpenStax:磁通量 · 法拉第定律与楞次定律
经济·社会 · 外部成本
生产者承担的成本,
与社会付出的成本不同。
改变每多生产一件商品所产生的成本。
比较只考虑生产者成本与同时计入第 3 方损害成本时的产量。
产量为 q 时,每多生产 1 件的收益为 (120 − q) 成本单位/件。生产者成本和外部成本不随产量变化。使用虚拟市场的数值。
调整数值,发现今天的任务。
亲自补上遗漏的成本后
如果存在交易双方不承担的损害成本,市场产量可能不同于使全社会净收益最大的产量。
外部成本是未直接参与交易的第 3 方承担的成本。社会边际成本 = 私人边际成本 + 边际外部成本。在竞争市场中,只反映私人成本的产量为 q = 120 − 私人成本;计入外部成本、使整体净收益最大的产量为 q = 120 − 私人成本 − 外部成本。在两种产量之间,社会成本大于新增收益,净收益损失为三角形面积,即 ½ × 产量差 × 边际外部成本。全部生产造成的外部损害总额与这项损失是不同的值。这是仅考虑生产负外部性的连续数量模型,不考虑污染实际损害的估算、市场支配力、政策执行成本和正外部性。使用虚拟商品和成本单位进行比较,不能用来预测实际监管或税收的效果。
进一步了解原理 · OpenStax:污染与外部成本经济学
地球·宇宙 · 反射与能量
反射更多阳光,
吸收的能量就会减少。
改变一颗无大气虚拟行星的阳光反射比例。
查看整颗行星的平均能量与辐射平衡温度之间的关系。
垂直于阳光的截面接收的辐射能量固定为 1,361W/m²。球体截面积为总表面积的 ¼,因此整颗行星全表面积上的平均入射能量为 340.25W/m²。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整反射比例后
反射越多,吸收的能量就越少,辐射出同等能量时的平衡温度也越低。摄氏温度与吸收量并不成正比。
整颗行星在所有波长上反射阳光的比例称为 Bond 反照率 a。全表面积平均吸收量 = S(1 − a) ÷ 4,黑体辐射发射量 = σT⁴,两者相等时的温度为 T = [S(1 − a) ÷ (4σ)]¼。采用 S = 1,361W/m²、σ = 5.670374419 × 10⁻⁸W/(m²·K⁴),摄氏温度为 T − 273.15。这是一个将整颗球形行星视为同一温度、仅吸收太阳辐射且热辐射发射率为 1 的简化模型。不考虑大气与温室效应、昼夜和纬度间的温差、冰与云的反馈及达到平衡所需的时间。显示的温度不是实际地球表面温度,也不是对特定地区气候的预测。
进一步了解原理 · NASA:地球能量收支 · 太阳辐射与地球数值资料
IT · 字符与字节
看起来是一组字符,
存储大小却不同。
改变字符示例和重复次数。
比较屏幕上的字符簇、码点、UTF-16 单元和 UTF-8 字节。
在这六个示例中,每重复一次就是一个扩展字素簇。字符簇是否一定在屏幕上呈现为一个图形,取决于字体和设备。
调整数值,发现今天的任务。
亲自选择字符后
韩文“가”是一个码点,但用 UTF-8 存储时占 3 字节。字符计数与存储大小计量采用不同的标准。
Unicode 码点是区分字符的编号,UTF-8 是将每个 Unicode 标量值存储为 1~4 字节的编码。JavaScript 的字符串长度是 UTF-16 代码单元数,一个笑脸表情符号 😊 使用 2 个代码单元。扩展字素簇是一种 Unicode 边界标准,可将组合重音符和连接表情符号等多个码点归为一组。é(U+00E9) 与 e + 组合重音符(U+0065 U+0301) 看起来相似,但存储的码点不同,UTF-8 大小分别为 2 字节和 3 字节。本体验比较六个固定示例,不对输入进行规范化,也不分割任意字符串。屏幕上呈现的图形数量与 Unicode 字符簇数量并不总是相同。不计入文件头、编码标记和压缩大小。
进一步了解原理 · Python 官方文档:Unicode 与 UTF-8 · Unicode:字素簇边界
数学·统计 · 路径与连接
不重复走任何一条路,
能走遍所有道路吗?
在柯尼斯堡七桥问题中,尝试减少或增加道路。
各点连接的道路数和整体连通状态会改变能否走完全程。
可以多次经过同一个点,但每条路必须恰好经过一次。连接相同两点的平行道路也视为不同的道路。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整连接后
在中间各点,进入与离开的道路成对出现。要让每条路恰好经过一次,必须同时考虑连通状态和奇数度顶点的数量。
与一个点相连的道路数称为图中该顶点的度。当所有有道路连接的点彼此连通时,若奇数度顶点有 0 处,就存在从同一点出发并返回的欧拉回路;若有 2 处,就存在以这两个点为起点和终点的开放欧拉路径。奇数度顶点更多时,就无法每条路恰好经过一次而走完全程。如果有道路连接的点之间不连通,即使所有顶点的度都是偶数,也无法一次走完全程。没有道路连接的孤立点不计入连通条件。本体验的道路是无方向和通行限制的虚拟图,不计算图中道路的长度、距离或实际道路上的最优行进路线。
进一步了解原理 · MIT:图与欧拉路径(PDF)
生命·环境 · 个体数量估计
通过再次遇见的比例,
估算总体大小。
改变首次观察时标记的数量和第二次观察时遇到的数量。
根据其中与首次标记个体重合的数量,估计总个体数。
R 是两次观察都包含的数量,因此不能超过 M 和 C 中的较小值。两次观察均针对同一个虚拟种群。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整重合数量后
如果标记个体已在总体中充分混合,就认为第二次观察中遇到标记个体的比例与总体的标记比例相近。
Lincoln–Petersen 点估计为总个体数 N̂ = M × C ÷ R。它来自总体标记比例 M/N 与第二次观察标记比例 R/C 相近的关系。直接确认的不同个体数为 M + C − R,与总体估计值不同。R 为 0 时无法用此公式估计;R 较小时,即使重合数量只差几只,估计值也会大幅波动。假设两次观察之间种群封闭,无出生、死亡和迁移,个体充分混合,标记保持完好且识别准确,各个体被捕获的概率相同,标记后行为不变。不计算小样本的偏差校正或置信区间。这是帮助理解虚拟观察数量关系的体验,不是实际动物捕获、标记方法或实际种群数量的指导资料。
进一步了解原理 · 怀俄明大学:标记重捕与种群数量估计
生活·通识 · 摄影透视
相机靠近时,
前后物体的大小差异会增大。
这是一台针孔相机,两个实际宽度相同的物体一前一后放置。
改变相机位置和焦距,区分投影大小及其比例。
两物体的实际宽度均固定为 0.3m。只有前后位置不同,显示的 mm 是投影到像平面上的宽度。
调整数值,发现今天的任务。
亲自移动相机后
相机到前后物体的距离比决定了两物体的投影大小比。在同一位置只改变焦距,两者宽度会一起改变,比例保持不变。
理想针孔投影中,像平面上的宽度 w′ = f × w ÷ z。f 为焦距,w 为实际宽度,z 为相机到物体的距离。实际宽度相同的两物体,其投影宽度比为远处物体距离 ÷ 近处物体距离 = (d + 间距) ÷ d,焦距在公式中约去。相机越往后移,该比例越接近 1。改变焦距时,若为保持相同构图而同时移动拍摄位置,位置变化就会产生透视差异。上方布局图展示相机与物体的距离关系。条形图的 36mm 刻度是比较投影宽度的固定基准。这是物平面与像平面平行的几何模型,不计算镜头畸变、失焦模糊、景深或脸部形状变化。
进一步了解原理 · MIT 教材:成像与针孔投影 · 哥伦比亚大学:透视投影几何
化学 · 光的吸收
光经过的路径越长,
剩余的光会如何变化?
同一颜色的光穿过均匀的虚拟溶液。
改变浓度、通过距离和入射光量,区分吸光度与透射率。
这是一种吸收系数 ε 设为 1 L/(mmol·cm) 的虚拟溶质。亮度单位与系数用于比较原理,并非实际物质的测量值。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整光通过的条件后
浓度与通过距离的乘积决定吸光度。即使吸光度加倍,透过光的比例也不一定减半。
Beer–Lambert 定律为吸光度 A = ε × 浓度 c × 光程长度 l = −log₁₀(透过光 ÷ 入射光)。本体验中,透射率按 100 × 10⁻ᴬ % 计算,透过光量按入射光 × 10⁻ᴬ 计算。吸光度是对数值,不同于被吸收光的百分比。A 从 0.5 增至 1 时,透射率约从 31.623% 降至 10%。浓度和距离不变、仅将入射光减半时,透过光与被吸收光都减半,但透射率和吸光度不变。浓度为 0 时,此模型中的光全部透过。这是理想线性吸光模型,假设单色光穿过均匀溶液,不发生反射、散射和发光,不考虑容器与溶剂的吸收。它不是用于测量实际物质浓度或预测特定液体透明度的工具。
进一步了解原理 · IUPAC:Beer–Lambert 定律
物理学 · 碰撞与动量
碰撞后速度虽会改变,
但有一个总量保持不变。
左侧物体 1 和右侧物体 2 在同一直线上运动。
改变质量、速度和反弹程度,比较碰撞前后的动量与动能。
速度的 + 表示向右,− 表示向左。只有左侧物体速度大于右侧物体、两者间距缩小时才计算碰撞。否则速度保持不变。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整碰撞条件后
如果施加于两物体的外部冲量为 0,碰撞前后的总动量相同。动能是否守恒需要另行考察。
总动量 p = m₁v₁ + m₂v₂,动能为 ½m₁v₁² + ½m₂v₂²。两物体相互接近时,碰撞后速度由 v₁′ = [p − m₂e(v₁ − v₂)] ÷ (m₁ + m₂)、v₂′ = [p + m₁e(v₁ − v₂)] ÷ (m₁ + m₂) 确定。e 为碰撞后相互远离的相对速率 ÷ 碰撞前相互接近的相对速率。e = 1 时动能守恒;e = 0 时,两物体以 p ÷ (m₁ + m₂) 的相同速度运动。一起运动并不意味着一定静止。减少的动能转化为形变、热、声音等其他形式,并不表示总能量消失。这是无外部冲量的一维理想碰撞,不计算摩擦、转动、碰撞时间和形变过程。两物体间距保持不变或增大时,不应用碰撞事件。
进一步了解原理 · 佛罗里达大学:两物体碰撞(PDF)
经济·社会 · 投票方式
偏好相同,
计票方式会改变结果吗?
三个群体对 A、B、C 的偏好顺序各不相同。
改变各群体人数和投票方式,比较相同偏好下的统计结果。
越靠近箭头起始端,偏好程度越高。总人数会随操作变化,并非始终为 100 人。每个人都对三名候选人给出完整排名。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整计票方式后
相对多数制只看第一偏好,博尔达计分制则为所有排名赋分。即使偏好相同,胜者也可能因汇总内容不同而改变。
相对多数制给每个人的第 1 偏好候选人一票。博尔达计分制为第 1 偏好 2 分、第 2 偏好 1 分、第 3 偏好 0 分,因此 A = 2a + c,B = a + 2b,C = b + 2c。前两名决选制先比较第 1 偏好票数,若有候选人获得过半数票(超过总票数的一半),则直接获胜。若无人过半且能确定前两名,每个人就在剩余两名候选人中给自己更偏好的一方一票。若因第二名并列而无法选出两人,则显示“需要补充规则”,不任意决定。相对多数制、博尔达计分制及最终决选中,最高值相同均显示为平票。默认偏好下,相对多数制由 A 以 40 票获胜,博尔达计分制由 B 以 110 分获胜,决选由 A 以 65 票获胜,胜者随方式改变。这里使用的都是虚拟的完整偏好,不涉及实际选举规则、策略性投票、弃权或不完整排名。这并不意味着某一种方式在所有情况下都最好。
进一步了解原理 · OpenStax:投票方式
地球·宇宙 · 地下水流动
在孔隙中流动的水,
也需要差异来推动。
设想一个充满水的均匀多孔介质层。
改变透水程度、两端水头差和流动距离,比较水流。
截面积固定为 5m²,有效孔隙率固定为 0.3。水头是将水因位置和压力而具有的能量用高度表示的量,并非仅指地表高度差。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整水流通道条件后
水头差相同时,越容易透水的介质层,水流越多;通过距离越长,单位距离上的水头差越小。
Darcy 定律中,水力梯度 i = Δh ÷ L,以总截面为基准的流速 q = K × i,流量 Q = q × 截面积。q 以包含固体的整个截面为基准,而非仅以水实际流过的孔隙为基准。采用有效孔隙率 nₑ = 0.3 时,孔隙内平均速度为 q ÷ nₑ,此处约为 Darcy 流速的 3.333 倍。水头差为 0 时,此模型中的流量为 0;只将 K 加倍,流量也会加倍。固定两端水头差,将距离加倍,水力梯度与流量均减半。这是完全饱和、均匀介质层中的稳定流动,水的性质、截面积和孔隙率保持不变。K 是为比较而选用的虚拟值,并非特定土壤或岩石的测量值。不预测非饱和土壤中的雨水入渗、实际地下水到达时间、污染物迁移或地基安全性。
进一步了解原理 · USGS:地下水水力学(PDF) · USGS:孔隙与地下水流动
IT · 并发执行
两者各加了一次,
结果却可能只加了一次。
A 和 B 分别给共享数字 10 加上 1。
改变读写顺序及是否加锁,逐步查看执行过程。
读取是读取共享值、各自准备好加上 1 后的数值;写入则是将准备好的数值存入共享值。开启锁后,先读取的一方完成写入,另一方才开始。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整执行顺序后
即使代码让两者各加一次,也可能因共享值的读写顺序而丢失一次加法。
如果 A 和 B 都读到 10,就会各自准备写入 11。即使两者依次写入 11,最终值仍为 11,因此丢失了一次更新。这称为丢失更新。如果用同一把锁保护读取、计算、写入的整个过程,先开始的一方完成后,另一方才会读取新值,最终值就会变为 12。只锁住写入操作,无法解决此前读到旧值的问题。目标 12 是两次加法都完成后的值,并非中间步骤的正确答案。在两者都只完成读取的阶段,共享值尚未改变,也尚未发生丢失更新。本体验是展示操作顺序的模型,不会运行真实的浏览器线程,也不涉及多台计算机之间的同步或死锁。
进一步了解原理 · OSTEP:线程与共享值(PDF) · OSTEP:锁(PDF)
数学·统计 · 多重检验
找得多了,
偶然也可能看起来像差异。
在实际没有差异的条件下,多次进行相互独立的检验。
改变检验次数和错误阈值,比较至少出现一次假阳性的概率。
假阳性是指实际没有差异,却判定存在差异的情况。假设所有原假设都成立,且各检验相互独立。平均 0.05次是指在相同条件下反复进行时的平均值,并不表示一次结果可以被拆分。
调整数值,发现今天的任务。
亲自改变检验次数后
即使每次检验的错误阈值很小,多次检验中至少出现一次假阳性的概率仍可能增大。
设单次检验的假阳性概率为 p,检验次数为 m,则在所有原假设均成立、各检验相互独立的情况下,至少出现一次假阳性的概率为 1 − (1 − p)ᵐ。平均假阳性次数为 mp。不进行校正,将阈值 α = 5% 用于 20次检验时,整体概率约为 64.15%。Bonferroni 校正将每次检验的阈值降至 α ÷ m,使整体错误率不超过 α。这一上限保证不要求各检验相互独立,但此处显示的精确概率以独立性为前提。整体概率与平均次数是不同的量。本体验不生成检验结果或实际 p 值,p 值也不表示原假设成立的概率或效应存在的概率。更严格的阈值可能使微小差异更难被发现,实际研究还需要考虑假设的分组及检验之间的关系。
进一步了解原理 · MIT:多重检验的错误概率(PDF) · NIST:Bonferroni 原理
生命·环境 · 遗传密码
三个字母一组,
只改一个会怎样?
在一段虚构 RNA 中,改变第二个密码子 GAA 的一个字母。
比较产生相同氨基酸、不同氨基酸及提前终止的情况。
RNA 按 5′ → 3′ 方向读取 AUG · GAA · UUC · UAA。从 AUG 对应的 Met(甲硫氨酸)开始,GAA 对应 Glu(谷氨酸),UUC 对应 Phe(苯丙氨酸)。终止不是氨基酸,而是停止翻译的信号。
调整数值,发现今天的任务。
亲自改变 RNA 的一个字母后
多个密码子可能编码同一种氨基酸,因此改变一个字母是否会改变氨基酸,取决于具体密码子。
密码子是 RNA 中连续的三个碱基。按照标准遗传密码表(表 1),GAA 和 GAG 都编码 Glu,因此这种变化不改变氨基酸序列,属于同义变化。GUA 编码 Val(缬氨酸),属于错义变化;变为 UAA 则属于使终止信号提前的无义变化。如果第二个密码子是终止密码子,生成一个 Met 后翻译就结束,后面的 UUC 不再被翻译。如果填入原来的字母,则归为无变化。起始位置和每三个字母一组的阅读框保持固定,不涉及字母的插入或删除。不同生物和细胞器的密码子表存在例外,同义变化也不意味着在真实生物中总是没有任何影响。这是用于观察短合成 RNA 翻译原理的模型,不能用于判断实际基因或疾病的影响。
进一步了解原理 · NCBI:标准遗传密码表 · OpenStax:密码子与遗传密码
生活·通识 · 摄影曝光
即使亮度相同,
光量与运动轨迹也会不同。
在同一场景中,改变光圈、快门时间和 ISO。
分别比较传感器接收的光量、模型亮度和运动轨迹。
基准为 f/4 · 1/200秒 · ISO 100。场景照明、焦距、相机位置及被摄对象的移动速度均保持相同。ISO 会放大本模型的亮度,但不会增加进入传感器的光子数。
调整数值,发现今天的任务。
亲自改变拍摄条件后
光圈和快门时间改变入射光量,ISO 则改变模型对这些光的亮度响应。即使亮度相同,运动轨迹也可能不同。
在其他条件相同时,光量与快门时间成正比,与光圈值的平方成反比。从 f/4 开大到 f/2,光量变为四倍;从 1/200秒缩短至 1/800秒,光量变为 ¼ 倍,因此同时改变这两项时,接收的光量与基准相同。由于时间缩短,运动轨迹长度为 ¼ 倍。在 f/8 下将 ISO 改为 400,接收的光量虽为 ¼ 倍,模型亮度却与基准相同。亮度差 +1档表示两倍,−1档表示一半。模型亮度采用与 ISO 成正比的线性增益,不模拟高光达到上限而被截断的现象,也不模拟实际照片的色调处理、测光和噪点。运动轨迹是匀速移动的点留下的相对长度,不能用于评价相机抖动或整体清晰度。模型也不包含镜头透光率差异、景深及自动曝光。
进一步了解原理 · Nikon:光圈、快门与曝光基础 · Nikon:ISO 感光度
化学 · 缓冲溶液
即使加入酸,
若有配对成分来接纳呢?
改变弱酸 HA 与共轭碱 A− 的量,再加入少量强酸。
同时查看剩余共轭碱、pH 变化及可使用近似的范围。
体积固定为 1L,加入酸后也不改变。使用 pKa = 5 的虚构弱酸。这些并非实际物质的测量值或溶液配制条件。
调整数值,发现今天的任务。
亲自改变酸的量后
共轭碱接纳加入的 H+ 并转变为弱酸,可减小 pH 的变化。但能接纳酸的配对成分的量是有限的。
首先按化学计量计算 A− + H+ → HA 的反应。共轭碱接纳多少 H+,A− 就减少多少,HA 就增加多少。图中的量按中和量计算,并非考虑微量酸解离及水的平衡后的精确离子量。Henderson–Hasselbalch 近似公式为 pH ≈ pKa + log₁₀(A− ÷ HA)。比例相同的两种溶液,其初始近似 pH 相同,但弱酸和共轭碱较多的一方,接纳同量强酸时 pH 变化更小。本体验仅在计算后 A− 剩余量不少于 10mmol,且 A− ÷ HA 为 0.1~10 时显示近似值。超出范围时标为“超出近似范围”,并不表示实际 pH 不存在或为 0。共轭碱全部耗尽后,会显示剩余强酸的量,但不再用此公式继续计算 pH。这是弱酸与共轭碱完成化学计量反应后适用的理想溶液近似,不计算精确的酸解离平衡、离子活度及体积变化。
进一步了解原理 · OpenStax:缓冲溶液与缓冲容量
物理学 · 力矩
按得离支点越远,
就越容易转动吗?
改变杆右侧力的大小、作用位置和方向。
与左侧固定力产生的力矩比较,寻找转动平衡。
左侧在距支点 1m 处施加向下的 20N 力。右侧角度从杆的向右方向朝下测量,90° 表示向下按压的力。
调整数值,发现今天的任务。
亲自改变施力位置后
力矩不仅取决于力的大小,还取决于到支点的距离及力的方向。
力矩大小为 τ = rF sin θ。r sin θ 是从转轴到力的作用线的垂直距离,即力臂。将相同的力在两倍距离处垂直施加,力矩变为两倍;倾斜至 30° 时,在距离和力相同的情况下,力矩变为一半。在与杆平行的 0°、180° 方向,力矩为 0,因此仅靠右侧力无法抵消左侧力矩。“平衡力”是所需力的计算值,可能超过 10~40N 的可调范围。合力矩为 + 时,最初有使杆逆时针转动的作用;为 − 时,则有使杆顺时针转动的作用。0 表示本模型达到转动平衡,并不表示自由物体所受的所有力都已平衡。支点固定,通过反作用力限制杆的平移。假设杆为无重量的刚性杆,初始静止,且无转动摩擦,不计算随时间变化的运动。力矩单位 N·m 不转换为表示能量的 J。
进一步了解原理 · OpenStax:力矩与力臂 · OpenStax:力与力矩的平衡
经济·社会 · 拍卖方式
即使出价最高,
也要付自己的出价吗?
A、B、C 为一件虚拟物品将出价写入信封提交。
保持出价不变,只改变中标者的付款规则。
这件物品对 A 的价值固定为 80分。出价与估值并不相同。最高出价并列时,还需要额外的中标者确定规则。
调整数值,发现今天的任务。
亲自改变付款规则后
即使是同一个人中标,支付自己的出价还是次高出价,也会使支付值不同。
最高出价唯一时,两种规则都由该出价者中标。在第 1 价格密封拍卖中,中标者支付自己的出价;在第 2 价格密封拍卖中,则支付其他参与者中的最高出价。未中标者支付 0分。A 中标时的净收益为 80 − 支付值,未中标时为 0。如果 A 出价 90分,并按第 1 价格中标,净收益可能为 −10分。最高出价并列时,不会随意指定获胜者,而是将支付值和净收益标为“未定”。模型使用一件物品、一次出价及虚拟估值和分数,不设最低成交价,也没有参与费或手续费。不计算参与者的策略选择、信息差异,或适用于所有拍卖的最优策略。
进一步了解原理 · MIT:拍卖的付款规则与策略(PDF)
地球·宇宙 · 公转周期
在更远处绕一圈,
时间也会更长吗?
改变虚拟圆轨道的半径和中心恒星的质量。
比较公转周期与速度,并调整时间查看当前位置。
将 1AU、1太阳质量条件下的圆轨道周期设为 1模型年,速度设为 1倍。1模型年是接近地球公转周期的基准,并非实际天体精确位置的预测值。
调整数值,发现今天的任务。
亲自改变轨道条件后
中心质量相同时,圆轨道越远,速度越小,绕行一圈所需时间越长。
在圆轨道中,若引力提供向心力,则周期 T ∝ √(r³ ÷ M),速度 v ∝ √(M ÷ r)。这里使用以 AU 为单位的半径 r 和以太阳质量为单位的 M,归一化为 T = √(r³ ÷ M)模型年,相对于基准的速度 = √(M ÷ r)倍。质量相同时,半径加倍,周期变为 √8倍,速度变为 1 ÷ √2倍。半径相同时,中心质量加倍,周期变为 1 ÷ √2倍,速度变为 √2倍。累计圈数为时间 ÷ 周期,当前角度表示其中一圈内的位置。假设中心恒星的质量远大于公转物体的质量,且轨道为圆形。各项设置用于比较不同的可能轨道,不模拟航天器瞬间改变轨道。恒星的图示大小固定,并不表示根据质量计算了实际恒星半径。不计算椭圆轨道、多天体相互作用或实际行星位置。
进一步了解原理 · OpenStax:引力与公转周期
IT · 表连接
按相同的键连接后,
行却增加或消失了。
将左表的 A、B、C 与右表的键进行匹配。
改变右表数据和连接方式,查看结果中的每一行。
左表固定为 3行。NULL 不是数字 0 或空字符串,而是表示没有对应的右表行。
调整数值,发现今天的任务。
亲自改变表的匹配关系后
连接会将相同键的行全部配对。右表的键重复时,左表的一行可能变为结果中的多行。
INNER JOIN 将相同键所对应的所有行配对放入结果。没有匹配的左表行和右表行都会被排除。LEFT JOIN 也放入所有配对,但对于每个完全没有匹配的左表行,还会添加一行,并将右侧值设为 NULL。因此,LEFT JOIN 会保留左表数据,但不表示结果始终与左表一样为 3行。右表 A 有两行时,左表 A 会匹配两次。键不同的 D、E 不会与左表的 A、B、C 匹配。本界面比较小型固定表,不连接实际数据库。为便于说明,行顺序按左表和右表的顺序固定;实际 SQL 中若要保证顺序,需要使用 ORDER BY。
进一步了解原理 · PostgreSQL:表连接 · PostgreSQL:SELECT 与连接表
数学·统计 · 曲线下的面积
将小块面积相加,
就会更接近曲线。
将 y = x² 从 x = 0 到 2 的曲线下面积分块。
改变分块数和取高方式,与精确面积比较。
函数固定为 x²,区间固定为 [0, 2]。误差的正负号区分偏大与偏小,去掉符号后的差值大小就是绝对误差。
调整数值,发现今天的任务。
亲自将面积分块后
曲线下面积可以通过小区间的面积相加来近似。即使分块数相同,采用的高度不同,也会造成差异。
分块数为 n 时,宽度为 Δx = 2 ÷ n。矩形法将所选位置的 x² × Δx 相加,梯形法将两端高度的平均值 × Δx 相加。这条曲线下的精确面积为 ∫₀² x² dx = 8 ÷ 3。这里使用递增且向上弯曲的凸函数 x²,因此左端点法和中点法偏小,右端点法和梯形法偏大。这一关系不能直接套用于所有函数。显示值四舍五入保留三位小数,计算使用舍入前的值。未规定 y 的实际物理单位,也不将 x² 在 [0, 2] 上的面积解释为概率。若要作为概率密度函数处理,还需另外确认总面积为 1 等条件。
进一步了解原理 · OpenStax:用小块面积之和近似面积 · OpenStax:中点法与梯形法积分
生命·环境 · 表面积与体积
内部增长很快,
表面也够用吗?
改变原球的大小,以及将相同总体积分成的小球数量。
通过几何模型,观察经表面交换与内部体积的关系。
圆形图案是球的截面,数值表示整个球的表面积和体积。原球和小球按相同长度刻度绘制。
调整数值,发现今天的任务。
亲自改变大小和分割数量后
球变大时,体积按半径的三次方增长,表面积按平方增长。将相同总体积分成小球,会增加新的表面。
球的表面积为 4πr²,体积为 4πr³ ÷ 3,表面积/体积为 3 ÷ r。将半径为 R 的球的体积分成 N 个相同的球,小球半径为 R ÷ ∛N,总表面积为原来的 ∛N 倍。分成 8个时,表面积为 2倍;分成 64个时,为 4倍。分割时仅保持总体积不变,并假设新表面形成后,每个球的表面都独立暴露。图示并非将小球无缝填装在原球内,也不模拟实际的细胞分裂过程。这个模型用于理解可进行交换的表面积与正比于体积的内部需求之间的关系。实际细胞的形状、膜褶皱、运输系统及代谢率各不相同,因此不能仅凭这个比值预测交换速率或可存活的大小。小数显示值经过四舍五入,计算使用舍入前的值。
进一步了解原理 · OpenStax:细胞的表面积与体积
生活·通识 · 换行与留白
尽量填满前面的行,
总成本也会降低吗?
保持单词顺序,在规定宽度内进行换行。
比较优先填满前行的排版与整体留白成本较低的排版。
每个字符和单词间的空格各占 1单位。不拆分单词,末行成本设为 0。
调整数值,发现今天的任务。
亲自改变换行规则后
尽量填满前行的选择,未必能使整体成本最小。还需要一起比较后续各行的留白。
前行优先排版会持续填充当前行,直到下一个单词放不下时才换行。最小成本排版则比较可能的换行方式,找到剩余宽度的平方和或立方和最小的结果。本体验将末行成本设为 0,同一行的单词间仅放置 1单位的空格。保持单词顺序,不允许省略、重复或拆分单词。宽度为 6 时,若首行为“one of”,下一行“us”的剩余宽度为 4,平方成本为 16。若分为“one”和“of us”,成本则降为 9 + 1 = 10。最小成本相同时,优先选择行数较少的排版;行数也相同时,显示前行单词更多的排版。因此可能仅展示多种最优排版中的一种。这是采用等宽短英文单词的虚拟成本模型,不评价实际文字的美观或可读性。不计算比例字体、韩文标点、不同语言的换行规则及连字符断词。
进一步了解原理 · MIT:比较整体成本的换行
化学 · 气体状态
缩小空间,
压力会怎样变化?
改变等量理想气体的温度和体积。
与基准状态比较,观察哪些因素影响压力。
气体的物质的量固定为 0.1mol。基准为 300K、5L,图中的 20个点是表示等量气体的标记,并非实际分子数量。
调整数值,发现今天的任务。
亲自改变温度和空间后
等量理想气体的绝对温度越高、体积越小,压力就越高。关键在于哪些条件保持不变。
理想气体状态方程为 PV = nRT。这里 n = 0.1mol,R = 8.314462618J/(mol·K),体积使用 L、压力使用 kPa 时,kPa × L = J。压力由 nRT ÷ V 求得,温度始终使用绝对温度 K。摄氏温度仅通过 K − 273.15 换算后显示,不用于比例计算。只有温度不变时,压力 × 体积才保持不变;提高温度,这个乘积也会增大。两幅气体图使用相同的体积刻度和相同数量的代表点。这些点不模拟实际粒子数量或碰撞过程。该理想气体模型忽略分子间作用力及粒子自身的体积,因此不预测实际气体的高压状态、液化或相变。显示数值经过四舍五入,计算使用舍入前的值。
进一步了解原理 · OpenStax:理想气体的压力、体积与温度 · OpenStax:气体分子运动模型
物理学 · 角动量
靠近转轴,
会快多少?
将两侧质量块以相同距离向转轴内侧或外侧移动。
比较角动量与转动能量各自如何变化。
初始时两侧距离均为 1m。这是一个理想转动模型,中心转子的转动惯量固定为 1kg·m²,两侧各有一个质量固定为 1kg 的质点。
调整数值,发现今天的任务。
亲自改变质量块的距离后
质量块靠近转轴时,转动惯量减小,角速度增大。即使角动量相同,转动能量也不一定相同。
角动量为 L = Iω,转动动能为 K = Iω² ÷ 2。若两侧各 1kg 的质点到转轴的距离为 r,则总转动惯量为 I = 1kg·m² + 2 × 1kg × r²。初始时 r = 1m,因此 I = 3kg·m²。若绕转轴的外力矩为零,前后角动量相等,改变位置后的角速度由 L ÷ I 决定。改变布局所做的内部净功等于转动动能的变化 W = K后 − K前。向内移动时需要输入正功,向外移动时的负功则对应理想情况下回收能量。假设在比较的前后两个时刻,质点的径向速度均为 0。不考虑摩擦、空气阻力和热损失,此模型也不用于计算人的手臂或实际身体运动。两种布局使用相同的距离刻度绘制。
进一步了解原理 · OpenStax:角动量守恒 · OpenStax:计算转动惯量
经济·社会 · 沉没成本
已经付出的成本,
与今后的选择?
调整无法收回的过去成本,以及今后的成本与收益。
用虚拟分数比较继续与停止的差别。
停止后,未来的成本与收益均为 0。两种选择都同样保留过去成本,总分因此降低的记录也会如实显示。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整成本与收益后
已经付出的成本不会从记录中消失。但由于两种选择都包含这笔成本,比较未来差异时它会相互抵消。
继续的总分为 −过去成本 −未来成本 +未来收益,停止的总分为 −过去成本。两者相减,得到继续 −停止 = 未来收益 −未来成本,过去成本便相互抵消。差值为正时,继续的得分较高;为负时,停止的得分较高;为 0 时,两种选择相同。即使两个总分都为负,只要未来净收益为正,继续也可能损失更少。本体验采用虚拟分数模型,假设停止时没有退款、转售或违约金,未来数值确定,且无论选择哪种方案,过去成本都无法收回。可以收回的成本,以及因选择而异的结果,需要另行纳入未来的比较。
进一步了解原理 · OpenStax:决策相关成本与沉没成本
地球·宇宙 · 板块边界
比起各自的运动,
更要看彼此的方向差异
调整边界两侧板块的水平与竖直速度。
分解相对运动,观察汇聚、离散、错动及斜向运动。
边界固定为竖直线。规定向右为水平正方向、向上为竖直正方向,相对速度按 B − A 计算。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整两个板块的速度后
两板块之间边界的变化取决于相对速度。分别观察垂直于边界和平行于边界的运动。
垂直分量为 B 的水平速度 −A 的水平速度,平行分量为 B 的竖直速度 −A 的竖直速度。垂直分量为负时是汇聚,为正时是离散;垂直分量为 0 且仅有平行分量时,是转换边界的错动。若两个分量都存在,还会显示汇聚 +错动或离散 +错动的斜向运动。两个板块的速度相同时,即使都在运动,也处于相对静止状态。相对速率是两个分量的平方和的平方根,与方向分量不同。此图是以固定边界为参照比较速度矢量的平面概念图,不模拟实际地面的移动或碰撞过程。汇聚并不总会引发俯冲,具体取决于板块类型与地质条件。本体验的数值不用于预测地震的发生、震级、时间或实际断层的活动。
进一步了解原理 · USGS:三种板块边界与相对运动
IT · 信号采样
记录相同的点,
却有不同的波形
调整信号频率及每 1秒记录数值的次数。
比较采样点之间隐藏的变化,以及经过相同采样点的不同波形。
以 20次/秒采样时,将 1秒分为 20个间隔,包含两端共记录 21个点。两条波形均在 0秒从数值 1 开始,曲线表示采样点之间的模型值。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整采样间隔后
只在稀疏的时刻观察时,快速波形也可能留下与慢速波形相同的数值。仅凭采样点无法区分两者。
原始波形为 cos(2πft),采样时刻为 t = n ÷ fₛ。f 是信号频率,fₛ 是每 1秒记录数值的次数。设 f 除以 fₛ 的余数为 r,则折叠频率为 min(r, fₛ − r),处于 0 到 fₛ ÷ 2 之间。本体验将两个余弦波形的初相位固定为 0,因此它们在所有采样点上的值都相同。当折叠频率为 0 时,即使所有点的值均为 1,原始信号仍在点与点之间振荡。同时包含 0秒与 1秒,共有 fₛ + 1 个点;这并不是通过连接采样点来重建原始信号。要区分理想的带限信号,采样频率必须大于最高频率的两倍。在恰好两倍的边界上,信息可能因初相位而丢失,因此不能将这一边界理解为普遍的重建保证。这是单一波形的采样模型,不计算硬件的音质、画质、噪声或滤波器。
进一步了解原理 · MIT:采样与混叠(PDF)
数学·统计 · 瞬时变化率
两点之间的变化,
与一点处的变化率
调整曲线上的起始位置及两点之间的间隔。
观察平均变化率逐渐接近瞬时变化率的过程。
函数固定为 y = x²。第二个点的横坐标为 x + h,且 h 始终为正,因此不会实际代入 0。
调整数值,发现今天的任务。
亲自让两点靠近后
平均变化率是两点之间 y 的变化量除以 x 的间隔。将间隔缩小并趋近于 0 时的极限定义为瞬时变化率。
对于 y = x²,平均变化率为 [(x + h)² − x²] ÷ h = 2x + h,起点处的瞬时变化率为 2x。两者的差值为 h,因此间隔越小,差值也越小。这一结果针对这里指定的二次函数,并非所有曲线的误差都是 h。只要间隔仍为正,平均变化率就不与瞬时变化率完全相等。图中的割线连接两个点,短切线段则表示起点处的瞬时斜率。切线并不定义为“只与曲线相交一次的直线”。y 的变化量与以 y单位/x单位 表示的变化率,其单位也不同。负变化率表示 x 增加时 y 向下变化的方向。这是未代入时间、距离数据的函数模型,其数值不用于预测实际速度或未来变化。
进一步了解原理 · OpenStax:平均变化率与导数的定义
生命·环境 · 遗传漂变
即使没有优势,
比例也会改变。
从相同的初始比例出发,抽取下一代的基因拷贝。
调整拷贝数、世代数和重复实验,观察随机性的影响。
初始为 A 50%、B 50%。拷贝数 N 指基因拷贝的数量,与拥有两套基因的个体数量不同。
调整数值,发现今天的任务。
亲自逐代抽取后
即使任何一方都没有优势,随机抽取下一代也可能改变比例。这种随机的频率变化称为遗传漂变。
这是每代从上一代独立、有放回地抽取 N 个拷贝的中性模型。抽到 A 的概率等于上一代 A 的频率,A 与 B 均无繁殖优势,也不存在突变或迁移。初始图与最终图各自显示全部 N 个拷贝。当频率变为 0 或 100% 时,由于此模型没有新拷贝进入,此后将一直保持不变。从初始频率 0.5 出发,经过 g 代后频率的理论标准差为 √{0.25 × [1 − (1 − 1/N)ᵍ]}。这是理想重复实验整体分布的数值,并非根据屏幕上的 8次实验计算的标准差,也不是当前结果的误差范围。拷贝数越少,理论标准差越大,但不保证每一次实验的变化幅度都更大。% 表示频率,%p 表示两个百分比之差。实验编号用于选择可在相同设置下重现的模型重复实验。改变拷贝数对应不同的模型实验,不用于预测实际种群的进化或健康状况。
进一步了解原理 · OpenStax:群体遗传学与遗传漂变 · Simons Institute:中性拷贝抽样模型(PDF)
生活·通识 · 白平衡
光改变的颜色,
以什么为基准?
调整照射相同材料的光,以及校正基准。
比较以灰色为基准与选择有色材料为基准的情况。
通道差值根据实际灰色材料计算,而非所选基准色。材料保持不变,只调整光照与校正。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整校正基准后
要消除光的偏色,应选择实际呈中性的白色或灰色作为基准。将有色材料设为中性色,可能使其他颜色失真。
观察到的线性 RGB 是材料固定反射值与光照值逐通道相乘的结果。将所选基准的三个通道平均值作为目标值,并以目标值 ÷ 各通道值确定校正倍率。应用比例为 0% 时,倍率为 1;为 100% 时,完全使用计算出的倍率。该算术平均值是模型设定的亮度基准,并非物理亮度或白色的最大亮度。通过实际灰色的最大通道值 −最小通道值比较其中性程度。若选择有色基准,即使基准自身的通道值变得相等,实际灰色仍可能发生偏色。计算在线性 RGB 中进行,屏幕颜色则在校正后转换为 sRGB。仅在转换时将数值裁剪到 0~1 范围内显示,并单独提示超过 1 的通道数。统计使用超出显示范围后尚未裁剪的数值,因此应区分屏幕上裁剪后的颜色与计算值。这是简单的逐通道光照与校正模型,不模拟实际光源的光谱、色温、相机校正或人的精确色觉。
进一步了解原理 · Adobe:白平衡的中性色基准 · W3C:线性 RGB 与 sRGB 转换
化学 · 两相间的分配
即使一起出发,
保留时间也不同。
两种组分分配于流动相和固定相中。
调整分配程度与流量,比较哪种组分先流出。
这是长度为 10cm、流动相与固定相体积各为 1mL 的理想模型。K 为固定相浓度 ÷ 流动相浓度,无单位。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整停留比例后
在固定相中停留更多的组分,随流动相移动的时间较少,因此较晚流出。各组分的分配程度不同时,即使一起出发,到达时间也会不同。
假设两相之间迅速达到线性分配平衡。由于固定相与流动相体积相等,在流动相中的比例为 1 ÷ (1 + K),在固定相中的比例为 K ÷ (1 + K)。这一过程不同于两种物质相互转化的反应,也不同于添加溶剂进行稀释。一般而言,保留因子 k′ = K × 固定相体积 ÷ 流动相体积,保留时间 tᵣ = tₘ × (1 + k′)。此模型的 tₘ 为流动相体积 ÷ 流量。流量加倍时,两个保留时间及其差值均减半。时间差增大并不意味着实际分离度提高。图中标记表示组分中心的到达时间,不计算谱带宽度、扩散、柱效或样品过载。保留时间相同,表示在此模型中两种组分的中心同时到达。
进一步了解原理 · Agilent:两相分配与保留(PDF) · Waters:保留因子与保留时间
物理学 · 偏振与透射光强
在被阻断的光路中,
再加一片滤光片会怎样?
固定第一片的轴,转动最后一片。
插入中间一片后,偏振方向与透射光强会如何变化?
原始光为非偏振光,第一片的轴角度为 0°。没有中间片时,其中间片角度不参与计算。所有角度均以第一片的轴为基准测量。
调整数值,发现今天的任务。
亲自依次调整偏振轴后
光的透射取决于紧前方的偏振方向与下一片轴之间的夹角。中间片不产生光,而是改变偏振方向和光强。
理想的第一片偏振片让非偏振光的一半光强通过。此后,每片的透射比例由马吕斯定律决定,即 cos²(与紧前方偏振方向的角度差)。仅放置 0° 与 90° 两片时,透射光强为 0。在两者之间插入 45° 的偏振片后,50% × cos²45° × cos²45° = 原始光的 12.5% 可以通过。最后一片的透射比例以紧前方到达的光为基准,最终透射光强则以原始光为基准,两者分母不同。即使入射光强为 0,该值仍是由轴之间的关系确定的理论系数,并非将 0 除以 0 得到的实测比例。每片的轴旋转 180° 后仍为同一轴,本体验比较 0° 至 90° 的范围。这一过程选择的是垂直于传播方向的电场振动方向,并不像折射那样改变光的传播方向。这是理想偏振片模型,不计算实际材料的吸收、散射或漏光。
进一步了解原理 · OpenStax:偏振与马吕斯定律
下文提供偏振与旋光性的背景资料。手性溶液使偏振面旋转的现象,与本体验中的吸收型偏振片不同。
经济·社会 · 共同分担与相关性
共同分担时,
仍有波动留下。
增加平均分担虚拟损失的人数。
调整损失共同变动的程度,比较每人份额的波动。
每人的预期损失均为 20分,标准差均为 10分。这是假设任意两人的相关系数均为 ρ 的虚拟模型,条形表示方差(分²),而非标准差。
调整数值,发现今天的任务。
亲自增加共同冲击后
汇集相互独立的损失,可以减少每人份额的波动。大家共同承受的冲击,即使人数增加,也不会仅靠分担而消失。
N 人平均损失的方差为 100 × [ρ + (1 − ρ) ÷ N]分²。将共同冲击的方差 100ρ 与分担个体冲击后的方差 100(1 − ρ) ÷ N 相加,再取平方根,就得到每人份额的标准差。相关系数为 0 时,标准差为 10 ÷ √N分;为 1 时,无论人数多少,标准差均为 10分。总损失的标准差为 N × 每人份额的标准差,因此即使每人份额的波动减小,总和的波动仍可能增加。每人的预期损失仍为 20分,本体验并不会消除损失本身。标准差表示波动,不同于损失发生概率、最大损失或给定概率下的范围。此模型由相互独立的共同冲击与个体冲击构成;一般情况下,相关系数为 0 并不一定意味着独立。这里比较的是相同条件下的虚拟共同分担,不涉及实际保费或投资风险。
进一步了解原理 · MIT:协方差与相关性(PDF)
下方的大数定律文章提供汇集独立损失的基础资料。存在共同冲击时,不能直接套用独立重复的结论。
地球·宇宙 · 视差与距离
从两个位置看到的角度,
是通往遥远恒星的线索
调整两个观测点之间的间距与目标距离。
在相同角度刻度下,比较遥远目标的方向变化有多微小。
目标位于基线的中垂线上。上方为位置关系示意图,并非实际比例。下方角度经过放大以便观察,两次观测使用相同刻度。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整两个观测点的间距后
基线相同时,目标越远,观测方向的差异越小。要将角度换算为距离,除了微小角度,还必须知道观测点之间的间距。
半角 p 按 arctan[B ÷ (2D)] 计算,使用前须将 B 与 D 换算为相同的长度单位。这里的 D 是从基线中点到目标的垂直距离。1pc 恰好等于 (648000 ÷ π)AU,1角秒为 1/3600度,1mas 为 1/1000角秒。这是基线垂直于视线、目标位于中垂线上的理想几何关系,两个观测方向的总差值为 2p。当基线如地球轨道两端之间那样为 2AU 时,恒星周年视差是总变化量的一半,即 p。小角度距离公式为 D(pc) ≈ [B(AU) ÷ 2] ÷ p(角秒),而 1 ÷ p 是假设 B = 2AU 时的公式。不能直接代入 mas 数值。若基线实际为 4AU,却假定为 2AU,就会在相同角度下将距离误读为实际的一半。精确的 arctan 角度与小角度距离近似分别计算,再在屏幕上四舍五入。不计算实际观测中的噪声、自行或基线方向变化。
进一步了解原理 · OpenStax:利用视差测量恒星距离 · IAU:秒差距的精确定义(PDF)
下方单位换算文章中的天文学部分提供理解光年与秒差距的基础资料,并非专门讲解视差测量的文章。
IT · 死锁与资源顺序
各自占有一个并等待,
会怎样陷入停滞?
调整两个任务获取资源 X 和 Y 的顺序。
逐步推进尝试阶段,追踪占有与请求的关系。
实线表示资源 → 占有它的任务,虚线表示任务 → 正在等待的资源。改变顺序后,将在新条件下从头遵循相同的执行规则。
调整数值,发现今天的任务。
亲自追踪彼此的请求后
如果双方都占有对方所需的资源并等待,可能都无法继续。两个任务均遵循相同的全局资源顺序,就能防止此模型中的循环等待。
X 与 Y 是同一时刻只能由一个任务占有的独占资源。任务依次获得第一个、第二个资源后,在下一次尝试时完成工作,并同时归还两个资源。从 A 开始交替尝试,已完成的任务会被跳过。若无法获得资源,则保留已占有的资源并等待。模型假设存在互斥、占有并等待、不可强制剥夺;当两个资源的占有与请求形成循环时,就会发生死锁。获取顺序不同并不意味着总会死锁,这里展示的是指定的交替执行历史是否会达到该状态。两个任务都遵循相同的全局顺序时,不会形成循环;资源释放后,任务再次尝试并完成。选择顺序并不能恢复已经执行的实际任务。不模拟实际数据库的调度器、超时或回滚策略。
进一步了解原理 · OSTEP:并发执行中的死锁问题(PDF)
下方数据库文章提供工作单元、事务与回滚的基础资料,并非专门讲解锁或死锁的文章。
数学·统计 · 均值回归
曾经异常高的数值,
下次还会一样吗?
调整第一次观测值与两次观测的相关系数。
区分下一次观测的期望值与自行选择的扰动结果。
两次观测各自的总体均值均为 0,标准差均为 1。扰动由你选择一个具体示例,滑块范围并不表示所有可能结果,也不表示各结果等概率。
调整数值,发现今天的任务。
亲自区分期望值与单个示例后
第一次观测较极端时,下一次观测的期望值可能更接近中心。但这并不意味着下一次的所有结果都必然向中心移动。
设 X 和独立扰动 E 为相互独立、均值为 0、方差为 1 的标准正态变量,并构造 Y = ρX + √(1 − ρ²)E。在这个二元正态模型中,首次观测为 x 时,下一次观测的条件期望为 ρx,条件标准差为 √(1 − ρ²)。对于一般数据,仅知道相关系数并不能保证此公式始终成立。当 0 ≤ ρ < 1 时,按首次取值极端而选出的群体,其下一次观测的期望值会更接近 0。这与整个群体的均值 0 发生变化不同,也不保证个人的下一次结果。当相关系数为 1 时,下一个值与第一个值相同,不使用扰动。手动选择的 E 是正态分布中的一个示例,并非从整个分布中随机抽样,也不限制结果范围。关键是不要把即使没有干预也可能出现的变化,断定为表扬、惩罚或治疗等的效果。本体验不用于预测人的成绩、能力或健康。
进一步了解原理 · MIT:均值回归(PDF) · Penn State:二元正态分布与条件分布
下方邓宁—克鲁格效应文章中对测量方法的批评部分,将极端群体比较与均值回归的注意事项联系起来。这并非使用此模型评价个人的资料。
生命·环境 · 捕食者与猎物
彼此的数量改变着,
增长与减少的方向
调整初始猎物指数、捕食者指数和观察时间。
用相同刻度追踪两个种群如何改变彼此的变化率。
种群以无量纲指数表示,时间也使用模型单位。这是连续理想模型的计算,不表示实际动物数量或日历日期。
调整数值,发现今天的任务。
亲自追踪两个种群的变化后
猎物增加会影响捕食者的增长,捕食者增加则会抑制猎物增长。请分别观察当前变化率的正负号与曲线峰值。
无量纲 Lotka–Volterra 模型为 dx/dt = x(1 − y)、dy/dt = y(x − 1)。x 是猎物指数,y 是捕食者指数。猎物指数大于 1 时,捕食者增加;捕食者指数大于 1 时,猎物减少。两者均为 1 的点是平衡点,其他正初值对应的轨道为中性闭合轨道,不会衰减收敛到该点。H = x − ln x + y − ln y 是这个理想模型的守恒量。所显示的曲线是截至所选当前时间的数值计算记录,不补画尚未经过的未来。峰值的时间差源于相互作用,并非设定固定外部延迟的结果。与具有环境容纳量的单一种群增长不同,两个种群会改变彼此的变化率,但模型不包含环境容纳量、迁移、季节、随机灭绝或环境冲击。这不意味着实际生态系统必然按同样周期变化,也不预测实际个体数量、防治效果或灭绝风险。屏幕显示值经过四舍五入,计算使用舍入前的值。
进一步了解原理 · MIT:生态系统中的捕食者—猎物模型(PDF) · MIT:捕食者—猎物方程
下方赤潮文章是有关食物关系与生态系统变化的背景资料,并非验证捕食者方程周期或实际防治效果的文章。
生活·通识 · 分层隔热
热量穿过三层,
温度在哪里下降?
调整虚拟中间层的厚度、导热系数及外层厚度。
比较相同温差下的热流密度与各层温降。
内层固定为 1cm、k = 0.20,外层固定为 k = 0.80 W/(m·K)。导热系数为虚拟值,不代表特定产品的性能。
调整数值,发现今天的任务。
亲自追踪各层温度后
在相同温差下,总热阻越大,通过传导流动的热量越少。各层温降与热阻成正比,并非仅取决于厚度。
三层的单位面积热阻为 Rᵢ = Lᵢ ÷ kᵢ,其中 L 从 cm 换算为 m 后使用。串联各层的总热阻为 ΣRᵢ,热流密度为 q = 温差 ÷ ΣRᵢ。稳态时,通过各层的热流密度相同,各层温降为 qRᵢ。图中横轴对三层采用相同的实际厚度刻度,温度线也在相应深度连接各界面的温度值。中间层厚度为 0 时,该层消失,导热系数的选择不影响计算。这是一个虚拟案例:基准外侧温度为 0°C,内侧温度比外侧高出所选温差。温差的 K 数值与 °C 差值相同,但不混用绝对温度单位。仅计算接触完全的 1 维稳态导热,不包含对流、辐射、热桥、湿气及随时间变化的蓄热。这不是预测实际建筑供暖费用或各产品节省金额的模型。
进一步了解原理 · OpenStax:导热与多层热阻
下方环保聚合物文章是有关用作建筑保温材料的聚合物的背景资料,并非认证本体验的虚拟导热系数或比较产品性能的文章。
IT · 公钥密码
人人可用的上锁钥匙,
如何只有我能重新打开?
用极小的公开数字追踪加密与解密过程。
更换密钥对和消息,检查能否还原原来的数字。
请勿输入真实密码或私钥。极小的公开示例与不加填充的 RSA 计算并不是安全的实用密码。
调整数值,发现今天的任务。
亲自观察公钥密码的变化后
加密与解密使用不同的指数,但共用相同的模数 n。可以计算各条消息的结果,确认两把密钥的关系。
用不同的素数 p、q 构造 n = pq 和 φ = (p − 1)(q − 1)。公开指数 e 与解密指数 d 配对,使 ed 除以 φ 的余数为 1。密文为 c = mᵉ mod n,解密为 cᵈ mod n,通过反复计算整数余数,避免计算完整的大整数幂。满足 0 ≤ m < n 的整数消息,即使为 0 或与 p·q 有公因数,也能还原。更换密钥对时,消息滑块的最大值变为 n − 1,超出范围的值会调低。此界面的 p·q·d 均为公开的小数值学习示例。实际公钥密码需要足够大的密钥、安全填充与协议等,不应将这种不加填充的原始 RSA 用于加密真实秘密信息。本体验不再现 HTTPS 实际通信方式的完整过程。
进一步了解原理 · RSA 原始论文:公钥与解密(PDF)
下方通信文章是理解 TLS、HTTPS 与加密作用的基础资料。这个小数值 RSA 模型并不能解释实际 TLS 的全部加密过程。
化学 · 活化能
反应需要越过的山丘,
温度与催化剂会改变它。
调整温度、活化能垒及催化剂降低的能垒。
与同一反应在 300K 下的基准比较,观察速率比。
使用彼此相同的虚拟指前因子。比值为 2 倍,并不意味着所有实际反应的时间都会恰好减半。
调整数值,发现今天的任务。
亲自观察活化能的变化后
温度改变能够越过能垒的分子比例,催化剂则通过另一条路径降低能垒。两种效果共同体现在速率比中。
使用 Arrhenius 方程 k = A exp(−Eₐ/RT)。所有路径的虚拟指前因子 A 相同,气体常数 R = 8.31446261815324 J/(mol·K)。计算时将能垒的 kJ/mol 换算为 J/mol。仅改变温度的比值为 exp[(Eₐ/R)(1/300 − 1/T)],同温度下催化剂使能垒降低 C 的效果为 exp(C/RT)。综合比值是两者的乘积,基准为具有相同 Eₐ 的 300K 无催化剂反应。图表纵轴采用速率比的对数刻度,相同格距表示相同的倍数差。路径示意图将催化前后的起始与终止能量端点设为相同。催化剂改变活化能垒和路径,不改变反应能量差 ΔE 或平衡本身。这是排除反应机理、浓度变化、催化剂消耗等因素的虚拟比较,不预测实际物质的反应时间或危险。
进一步了解原理 · OpenStax:碰撞理论与 Arrhenius 方程
可在下方催化剂文章中继续阅读活化能与反应路径的差异。
物理学 · 驻波与共振
即使弦在振动,
也有始终静止的位置。
调整弦长、振动模态与瞬时相位。
请区分波节的位置与整根弦变平直的瞬间。
相位是用于选取某一瞬间的角度,并非经过的秒数。即使所有点的瞬时位移都为 0,仍会单独标出永久波节。
调整数值,发现今天的任务。
亲自观察驻波与共振的变化后
两端反射的波叠加时,某些位置始终不动。弦瞬间变平直,并不意味着所有点都成为波节。
对于两端固定的理想弦,将波速固定为 v = 100m/s。第 n 模态的波长为 λ = 2L/n,固有频率为 f = nv/(2L)。归一化位移表示为 y(x) = sin(nπx/L) cos(相位)。波节位于 x = jL/n,除去两端后有 n − 1 个,波腹有 n 个。在 90°、270° 时,即使所有点的瞬时位移均为 0,永久波节的位置仍保持不变。图中横轴为所有弦共用的实际长度 0~2m,纵轴为归一化位移 −1~1,改变弦长时,右端也会移动。相位用于选取静态画面中的瞬间,并不代表实际经过时间或所有模态的同一时刻。不包含张力、线密度、阻尼及复合振动,也不自动播放声音。
进一步了解原理 · OpenStax:驻波与共振
下方共振文章将弦长、固有频率与乐器的共振联系起来。
数学·统计 · 随机游走
即使每一步都随机移动,
散布范围也有规律。
调整步数与示例路径。
请区分单条路径的最终位置与所有可能路径的概率。
每一步独立地向左或向右移动 1 格,概率各为 1/2。更换示例路径不会改变精确概率分布与理论值。
调整数值,发现今天的任务。
亲自观察随机游走的变化后
即使每次方向都随机,均方距离仍随步数等量增长。单条路径的最终距离与所有路径的平均值不同。
在独立、对称的 1 维随机游走中,若 n 步中有 k 步向右,最终位置为 X = 2k − n。其概率用组合数 C(n,k)/2ⁿ 精确计算。总体平均位置为 0,均方距离为 n,均方根距离为 √n。平均绝对距离 E|X| 是各位置绝对值与其概率乘积之和,因此不等于均方根距离。路径 A、B、C 分别是由公开固定随机种子生成的一个示例,点击按钮时不会随机抽取新样本,也不会汇总这些路径来估计理论值。精确概率分布独立于示例路径计算。路径图横轴为步数、纵轴为位置;概率柱状图横轴为最终位置、纵轴为精确概率。单条路径实际的最终距离不一定为 √n。本体验不直接再现连续布朗运动,也不预测股票或价格。
进一步了解原理 · MIT:随机游走与扩散
可在下方布朗运动文章中阅读不规则运动与随机游走之间的联系。
生命·环境 · 物质积累
进食摄入的量,与
从体内排出的量
调整食物浓度、清除率、级别与时间。
比较当前浓度与经过足够长时间后的平衡浓度。
食物储库的浓度始终恒定,所有消费者的初始浓度均为 0。这里使用虚拟浓度与模型时间,不代表实际物质的毒性或食品安全标准。
调整数值,发现今天的任务。
亲自观察物质积累的变化后
较高级别的浓度是否更高,取决于摄入速率与清除速率的关系。时间较短时,可能尚未达到平衡浓度。
设食物的恒定浓度为 C₀,四个消费级别的浓度均从 0 开始。各级别的流入系数 a = 0.5/模型时间,清除率 k 在所有级别均相同。通过 dCⱼ/dt = aCⱼ₋₁ − kCⱼ 同时计算流入与清除。第一级的流入为 aC₀。解为 Cⱼ(t) = C₀(a/k)ʲ[1 − exp(−kt)Σᵢ₌₀ʲ⁻¹(kt)ⁱ/i!],平衡浓度为 Cⱼ* = C₀(a/k)ʲ。当前值与平衡值分别表示,在时间 0 时,消费者浓度恰好为 0。当 a/k > 1 时,平衡浓度逐级升高;但当 a/k ≤ 1 时,并不会仅因处于食物链更高级别就自动富集。图中比较的是物质浓度及流入、清除速率,而非能量传递量。这是一个简单线性模型,不包含实际环境中的食物变化、生长稀释、不同物质的代谢及直接从水中摄入等因素。不能用来判断实际污染物浓度、暴露风险、毒性或食物摄入。
进一步了解原理 · 美国 EPA:食物链物质积累的流入与清除模型
下方环境污染文章是理解环境持久性物质与生态系统联系的基础资料,并不提供此处的虚拟系数或毒性标准。
经济·社会 · 税收负担
缴纳税款的人,与
实际承担税负的人
调整需求、供给对价格的反应及每笔交易的税额。
也请观察同样的税款由谁缴纳,是否会改变结果。
斜率越大,相同价格变化引起的数量变化越小。即使税额为 0,显示的占比仍表示征收正税额时的税负占比,实际税负为 0。
调整数值,发现今天的任务。
亲自观察税负的变化后
即使更换法定缴税方,这个竞争模型中的价格与交易量也相同。相对而言数量调整较小的一方,会因价格变化而承担更多税负。
虚拟需求为购买价格 Pb = 60 − bD·Q,供给为销售收入 Ps = 20 + bS·Q。征税前数量 Q₀ = 40/(bD + bS),价格 P₀ = 20 + bS·Q₀。征收单位税 t 后,Pb − Ps = t,因此 Q = (40 − t)/(bD + bS)。买方的单位税负为 Pb − P₀ = bD·t/(bD + bS),卖方的单位税负为 P₀ − Ps = bS·t/(bD + bS),两者之和为 t。正税额下,买方承担的份额为 bD/(bD + bS),卖方承担的份额为 bS/(bD + bS);税额为 0 时,实际税负与税收收入也均为 0。法定缴税方只改变税款的上缴方,不改变此模型的经济结果。图表以实际坐标显示征税前的点,以及征税后同一交易量下购买价格与销售价格的差。假设完全竞争、不存在逃避税行为且无价格管制,并保持消费者与生产者的曲线本身不变。与已有的累进所得税体验不同,这里讨论交易税在市场价格中的负担,不提供实际税法、政策效果或个人税务判断。
进一步了解原理 · OpenStax:弹性与税负
下方供需文章是理解市场价格与价格反应的基础资料,并非解释这个虚拟交易税模型或实际税法的文章。
地球·宇宙 · 放射性测年
从剩余元素与生成元素,
回溯经过的时间。
调整半衰期、经过的半衰期数及初始已有的子元素。
比较校正与忽略初始子元素时计算出的年龄。
母元素从期望量 64 开始。数值结果按期望量计算,与下方单个原子图中的一个示例分别看待。这并非实际同位素的年龄值。
调整数值,发现今天的任务。
亲自观察放射性定年的变化后
要读出时间,需要区分衰变生成的子元素与初始已有的子元素。若把初始部分都视为衰变结果,计算出的年龄会偏大。
在封闭系统中,初始母元素期望量 P₀ = 64,初始子元素 D₀ = 64 × 所选初始比例。设经过的半衰期数为 s,半衰期为 h,则 P = 64 × 2⁻ˢ,衰变生成的子元素为 64 − P,子元素总量 D = D₀ + 64 − P。因此,母元素与全部子元素之和守恒,为 64 + D₀。校正初始子元素后的年龄为 h·log₂[1 + (D − D₀)/P],忽略初始子元素的年龄为 h·log₂(1 + D/P)。此计算使用期望量。单个原子图是由公开固定种子生成、寿命服从指数分布的一个示例,并不遵循每过一个半衰期就恰好有一半原子衰变的规则。每个尚未衰变原子在单位时间内的衰变概率恒定,初始子元素与单个母原子的衰变图分开显示。假设母元素与子元素均无外部流入或损失,且已知初始子元素,这是理想条件。对于实际岩石,需要考察矿物形成后是否始终保持封闭系统,并分析初始成分与同位素体系;不能用此虚拟元素判断实际岩石年龄或辐射风险。
进一步了解原理 · OpenStax:放射性衰变与定年
下方核裂变与核聚变文章是理解核衰变与同位素的基础资料,并非验证这个虚拟定年计算或实际岩石年龄的文章。
生活·通识 · 反馈控制
刚调整的控制,
若依据延迟读到的温度呢?
调整控制增益、测量延迟、目标与时间。
比较截至当前的温度与下一瞬间的加热、冷却指令。
从相对环境温差 0 开始,负值指令表示主动冷却。不再现普通暖气的开关控制,也不提供实际设备的推荐设置。
调整数值,发现今天的任务。
亲自观察反馈控制的变化后
对延迟收到的数值作出强烈反应,可能在超过目标后仍继续加热。仅使用比例控制时,由于热量向环境散失,温度与目标之间仍会存在差距。
以环境温度为 0 的归一化差值 x 计算,x₀ = 0。热模型为 x(k + 1) = 0.8x(k) + 0.2u(k),控制为 u(k) = 增益 × [目标 − x(max(0, k − 延迟))]。初始时刻之前的测量值设为 0,正值指令表示加热,负值指令表示主动冷却。最后一步的指令将用于尚未计算的下一步,与截至当前的温度记录分别表示。平衡时 x* = 增益 × 目标/(1 + 增益),因此可以看到比例控制的偏差,即与目标之间仍存在稳态差距。此平衡值是方程的固定点,并不保证所有增益与延迟组合都会收敛于此。图中仅显示截至所选当前步的记录,并在共用温差刻度 0~5 上分别标出目标与平衡值。即使较强增益与延迟产生超调、振荡,也不能仅凭较短的观察窗口证明长期稳定性。这是虚拟主动加热、冷却设备,不预测实际暖气的开关、功率或安全运行,也不推荐设置。
进一步了解原理 · MIT:反馈与控制基础 · MIT:离散时间反馈与振荡
下方智能暖气文章是理解温度传感器与执行器联系的基础资料,并非建议采用本体验中的虚拟控制增益或延迟数值的文章。
化学 · 热容与热平衡
两个温度不同的物体,
会在什么温度达到一致?
调整两个物体的质量、初始温度及 A 的虚拟比热容。
一起观察最终温度与彼此交换的热量。
B 的比热容固定为 1 kJ/(kg·K)。如果比热容与质量的乘积,即热容相同,那么即使质量不同,最终温度也处于两个初始温度的中间。
调整数值,发现今天的任务。
亲自调整热容后
达到相同温度的位置并非仅由质量决定。还要考虑物体的热容,即在相同温差下交换热量的多少。
热容 C = 质量 × 比热容。设两个物体的热容为 C_A、C_B,则最终温度 T_f = (C_A·T_A + C_B·T_B)/(C_A + C_B)。各物体吸收的热量为 Q_A = C_A(T_f − T_A)、Q_B = C_B(T_f − T_B),吸热记为正,放热记为负。由于不与外界交换热量,Q_A + Q_B = 0,最终温度位于两个初始温度之间。热量从温度较高的物体传向温度较低的物体,初始温度相同时,传递的热量为 0。摄氏温差 1°C 等于 1K。假设两个比热容恒定的虚拟物体完全热接触,不考虑相变、化学反应及向外界散热。这不是用于计算实际物质混合实验或烹饪结果的操作方案。
进一步了解原理 · OpenStax:比热容与量热
下文是介绍化工过程能量守恒与能量衡算的基础资料。本体验中的两个物体和虚拟比热容不代表实际工艺中的物料配比。
物理学 · 圆孔衍射
把孔缩小,
光会扩散得更宽。
改变圆孔直径、光的波长及到屏幕的距离。
比较第一暗环和偏离中心位置的相对光强。
将各设置的中心光强归一为 1 后比较。屏幕越远,环的实际半径越大,但在孔径和波长相同时,角宽保持不变。
调整数值,发现今天的任务。
亲自改变孔径和波长后
小孔会使光因衍射而更加扩散,而非更集中于一点。同一孔径下,波长越长,形成的图样也越宽。
这是单色光均匀照射圆孔形成的理想艾里图样。将直径 D、波长 λ、屏幕距离 z、距中心的距离 r 均以 m 为单位,令 u = πDr/(λz),则相对光强 I = [2J₁(u)/u]²。J₁ 是 1 阶贝塞尔函数,在中心 u = 0 处,I = 1。第一暗环出现在 J₁ 的第一个正零点 u ≈ 3.831706 处。其角度约为 1.21967λ/D,屏幕上的半径为该值乘以 z,内部圆面积为 πr²。各设置的曲线均将中心光强归一为 1,因此不比较绝对光强或入射光的总量。采用相干单色光的远场、小角度衍射近似,不预测实际相机的整体清晰度或其他光学损耗。
进一步了解原理 · OpenStax:圆孔与衍射宽度 · MIT:艾里图样的相对光强(PDF)
下文可用于比较海浪在结构物周围扩散的衍射现象。本体验研究单色光与圆孔,不是计算海浪大小的模型。
经济·社会 · 稳定匹配
彼此的偏好顺序,
通过暂留提案来匹配。
改变双方的偏好排序及先提出提案的一方。
逐步跟随提案,观察配对保持或改变的原因。
虚拟对象 A·B·C 为一方,X·Y·Z 为另一方。所有排序均无并列,即使尚未配对,也会统计相对于当前分配的阻塞对。
调整数值,发现今天的任务。
亲自跟随提案顺序后
可以暂留收到的提案,收到更偏好的提案时再更换。最终不会留下彼此都比当前对象更偏好的其他配对。
这是 Gale–Shapley 延迟接受算法。从未配对的提案者中按名称顺序选出第一个,让其按自身偏好顺序向尚未提案过的对象提出提案。接收方暂留最偏好的提案,收到更偏好的提案时便释放先前的提案者。被拒绝或释放的提案者向下一对象提案,重复至所有对象完成配对。若另外两个对象都比当前对象更偏好彼此,则将其计为阻塞对。未配对被视为劣于所有对象,因此进行中的数值表示未完成分配的改进可能。完成的分配若不存在这种配对,就是稳定的。稳定性不代表总体满意度之和最大或结果最公平。在此类双方数量相等、偏好完整且严格的条件下,该算法会产生对提案方最有利的稳定匹配。改变偏好组合或提案方向后,会显示在该条件下从头计算的记录,不评价真实人物的价值或适配程度。
进一步了解原理 · MIT:稳定匹配与延迟接受(PDF)
下文介绍他人的选择如何影响自身结果这一博弈论基础。稳定匹配的提案流程与排序条件在本体验中另行说明。
地球·宇宙 · 旋转坐标
同样的直线运动,
在旋转画面中呈现曲线
改变旋转速度及物体的初始速率、方向和时间。
比较同一运动在非旋转坐标系与旋转坐标系中的表现。
起点为 (1, 0),初始方向 0° 为向右。只改变旋转速度时,是从不同视角观察同一实际直线路径;改变物体的初始速率或方向时,实际路径也会改变。
调整数值,发现今天的任务。
亲自旋转观察坐标系后
即使物体在惯性坐标系中沿直线运动,在旋转坐标系中也会显得弯曲。解释该坐标系中的加速度时,需要同时考虑科里奥利项和离心项。
不受外力的物体在非旋转惯性坐标系中按 r(t) = (1, 0) + vt 做匀速直线运动。旋转速度为恒定的 ω,旋转坐标按 r′ = R(−ωt)r 计算。R 为平面旋转变换。旋转坐标系中的速度为 v′ = R(−ωt)v − ω × r′,加速度为科里奥利项 −2ω × v′ 与离心项 −ω × (ω × r′) 之和。用平面分量表示,科里奥利项为 (2ωv′y, −2ωv′x),离心项为 (ω²x′, ω²y′)。惯性坐标系中的加速度为 0,这两项源于在旋转坐标系中描述运动,并非实际施加了新力。两条路径采用相同长度刻度,显示至所选时刻。这是匀速旋转的平面转盘的虚拟坐标模型,不预测真实地球上的风、台风或特定半球的大气运动。
进一步了解原理 · MIT:旋转参考系
下文介绍不受外力时保持匀速直线运动的惯性基础。旋转坐标系中的路径和两个惯性项在本体验中另行说明。
IT · 最短路径
即使第一段路便宜,
到终点的总成本也会不同。
改变箭头的成本,尝试从 S 到达 T。
比较眼前最便宜的路与总成本最低的路。
其余成本为 A → C = 8、B → C = 1、B → T = 9。图中线条的长度与成本无关,只能沿箭头方向移动。
调整数值,发现今天的任务。
亲自改变路径成本后
第一段便宜,不代表整条路径最便宜。必须加上后续各段的成本,才能得出从 S 到 T 的最低成本。
路径总成本是所经箭头成本之和。这个小型有向网络共有四条路径:S → A → T、S → A → C → T、S → B → T、S → B → C → T。局部选择会在当前位置选择成本最低的下一个箭头,成本相同时按终点顶点的名称顺序选择。最低总成本通过比较全部四条路径得出。若最低值并列,会显示路径数量,并绘制按名称顺序选出的一条代表路径。这种局部选择规则与 Dijkstra 算法不同。这是采用正虚拟成本的教学模型,不预测真实通信网络状态或交通时间。
进一步了解原理 · MIT:最短路径与成本之和(PDF)
下文介绍节点、链路、路由器及绕行路径的基础知识。四条路径的最低总成本计算在本体验中另行说明。
数学·统计 · 迭代与测量
沿同一条线更细致地测量,
就会发现更长的曲折。
在线段上反复构造小三角形凸起。
比较跳过顶点测得的长度与沿全部曲折测得的长度。
这里按固定的顶点数量间隔连接,并非移动等长尺子测量。阶段较低时,可用的顶点间隔也会减少。
调整数值,发现今天的任务。
亲自沿小曲折测量后
大幅跨越的测量线会遗漏小曲折。沿同一曲线的顶点测量得越密,测得的长度就越接近全部线段的总长度。
Koch 曲线将每条线段替换为四条长度为原长 1/3 的线段。迭代 n 阶段时,线段数为 4ⁿ,每条线段长度为初始长度 L/3ⁿ,总长度为 L(4/3)ⁿ。测量线连接每隔 2ʳ 个保留的顶点,将长度相加,并包含最后的端点。这与实际海岸线中移动等长尺子的测量规则不同。画面显示的是 0~4 阶段的有限折线,其自身维数为 1。log 4 / log 3 是理想无限迭代的自相似结构维数,并非在当前画面中测得的维数。两条线采用相同的 cm 刻度,不预测实际海岸线的长度或维数。
进一步了解原理 · Brown:迭代结构的长度与增长 · Wisconsin:自相似结构的维数
生命·环境 · 节律同步
周期不同的时钟,
能跟随信号同步吗?
改变内部时钟的周期及其与外部信号的耦合。
在每天相同的时刻观察两种节律的相位差。
外部周期固定为 24 小时。相位小时是将两种节律的角度差换算成小时的值,并非实际就寝时刻。
调整数值,发现今天的任务。
亲自观察两个时钟的差异后
自由运行周期不同时,相位差会累积。信号足够强时,模型中会出现稳定相位,但仅凭这一条件,不能断定当前节律已经同步。
将虚拟振荡器的内部相位减去外部相位所得的差记为 φ。相位变化率为 dφ/dt = Δ − K sin φ,自由运行周期的差异为 Δ = 2π(1/τ − 1/24)。τ 为内部自由运行周期,K 为模型耦合系数。当 K > |Δ| 时存在稳定相位,相等的边界不属于严格稳定条件。当 K = 0 且 τ = 24 时,所有相位均保持中性,这与信号将相位差拉回的同步不同。即使存在稳定点,瞬态响应仍需要时间;从恰好相反的不稳定点出发的特殊轨迹,可能一直停留在那里。当前相位折返显示在大于等于 −12 且小于 +12 的范围内,累积变化与图表则包含转动圈数。这是显示每天同一外部时刻状态及截至所选日期历史路径的简单相位模型。K 不是光照亮度或进食量,也不用于制定人的睡眠、进食时间或判断健康状况。
进一步了解原理 · 原始研究:生物节律的相位同步
下文是介绍身体中枢时钟、外周时钟与环境信号关系的基础资料。请勿将此虚拟模型的数值解读为进食或睡眠时间表。
生活·通识 · 选择性注意
暂时忽略文字含义,
选择墨水颜色。
比较词义与颜色一致和不一致的条件。
亲自回答 9 道题,感受阅读与颜色选择之间的冲突。
请选择文字的墨水颜色,而非文字所表示的颜色。可使用按钮或键盘 1·2·3 作答。
请选择条件并开始。
各条件下已完成的记录仅在浏览此页面期间用于比较。改变条件会取消正在进行的题目,改变排列或重置也会清除比较记录。
一致条件 · 尚无已完成记录。
不一致条件 · 尚无已完成记录。
亲自作答,发现今日任务。
亲自忽略词义、选择颜色后
熟悉的阅读过程可能与选择墨水颜色产生冲突。并排观察一致与不一致条件下的正确反应时间和错误次数。
Stroop 的原始研究采用忽略词义、说出墨水颜色的任务。本页面是通过按钮作答的简短教学体验,与原始研究的口头反应测试不同。每种排列中,红、蓝、绿墨水各出现三次。点击开始、刺激显示后,使用设备时钟计量至首次回答的时间,回答后需自行点击下一题。仅将答对题目的时间排序并计算中位数,若没有答对题目则不显示时间。错误单独计数,不换算为时间 0 或罚分。离开标签页或窗口被隐藏时,正在进行的体验会取消。设备、输入延迟、色觉、练习及条件顺序都会影响结果,因此不强制产生不一致条件总是更慢的结果。请勿将结果解读为个人智力、专注力分数或临床判断。单次反应时间和比较记录不会传输或保存到设备,仅将任务完成情况写入已有的体验记录。
进一步了解原理 · Stroop:阅读与颜色反应干扰的原始研究
下文介绍选择所需信息、排除无关信息的注意力基础知识。请勿将体验中的反应时间作为判断训练效果或健康状况的依据。
化学 · 电荷与金属生成
即使通入相同电荷,
生成的金属量也会不同。
改变电流、通电时间和金属离子。
探索电子的量与金属物质的量、质量之间的关系。
这是通入电荷全部用于还原所选金属离子的理想模型。铝假设处于适当的电解条件,并非水溶液电镀示例。
调整数值,发现今天的任务。
从电子的量推算金属的量后
一个铜离子接受两个电子,一个银离子接受一个电子后变成金属。即使电荷相同,生成质量也随所需电子数和摩尔质量而不同。
将电流 I 恒定通入 t 秒,总电荷为 Q = It。除以 1mol 电子所带电荷量,即法拉第常数 F ≈ 96485.33212331001 C/mol,得到电子的物质的量 Q/F。设每个金属离子需要的电子数为 n,则金属的物质的量为 Q/(nF),乘以摩尔质量 M 后,质量为 MQ/(nF)。铜、银、铝的代表性摩尔质量分别为 63.546、107.8682、26.9815384 g/mol,所需电子数分别为 2·1·3 个。F 是元电荷与阿伏伽德罗常数的乘积。图中三条直线表示相同电荷下理想生成质量的关系,所选点是当前计算结果。通入电荷为 0 时,电子和金属的物质的量也均为 0。计算假设金属离子充足、电流效率为 100%。实际电解中,其他反应、电势、电解质及表面状态也会影响结果,这不代表可以在水溶液中电镀铝。
进一步了解原理 · OpenStax:电解与生成物质的量 · NIST:SI 定义常数 · CIAAW:标准原子量
下方电化学文章介绍电解池、法拉第物质的量关系及电镀背景。阅读时请注意区分,不要将体验中的理想生成量视为实际电镀工艺的结果。
物理学 · 静摩擦与动摩擦
摩擦力的上限与实际值,
何时相同,何时不同?
改变坡度、摩擦系数、质量及运动状态。
在相同条件下比较静止物体与已沿斜面下滑的物体。
静摩擦力仅按需要的大小作用,且不能超过上限。已经滑动时使用动摩擦力,并显示当前加速度的方向。
调整数值,发现今天的任务。
观察摩擦力的实际值后
静止物体的摩擦力并非始终最大。它只需抵住向下的力;已滑动时,则使用另一摩擦系数计算。
斜面角 θ 的正切等于高度/水平长度。重力沿斜面的分量为 mg sin θ,支持力 N 为 mg cos θ,采用 g = 9.80665 m/s²。静摩擦力上限为 μsN。初始静止且 tan θ ≤ μs 时,实际摩擦力等于 mg sin θ,合力为 0。即使恰好达到上限,在此理想模型中也能保持静止。斜面更陡时开始滑动,已经沿斜面下滑时也采用动摩擦力 μkN。μk 为 μs 乘以所选系数比值。此时向下的加速度为 g(sin θ − μk cos θ)。若为负,表示向下运动的物体此刻正在减速,并不代表已经停止或向上运动。图中以相同刻度显示重力、支持力和实际摩擦力这三个力。沿斜面的重力分量是重力分解所得,不额外添加第四个力。这是接触面的简单摩擦模型,仅比较瞬时状态,不计算速度或运动路径。
进一步了解原理 · OpenStax:静摩擦与动摩擦
下方经典力学文章是介绍合力、质量与加速度关系的基础资料。斜面摩擦系数或静摩擦力上限公式可继续阅读上方公式资料。
经济·社会 · 垄断与交易量
相同的需求与成本,
销售规则会改变交易量。
改变需求起始价格、斜率及边际成本。
比较竞争基准与单一价格垄断下的交易量、价格和福利。
这是省略固定成本、外部成本及价格歧视的虚拟市场。交易量为 0 时,没有实际销售,因此不显示成交价格,并将剩余和无谓损失均显示为 0。
调整数值,发现今天的任务。
同时改变销量与价格后
以单一价格销售时,增加销量也会降低原有销售部分的价格。因此边际收益低于价格,利润最大化的交易量也小于竞争基准。
虚拟逆需求为 P = A − Bq,恒定边际成本为 c。总收益为 Pq = Aq − Bq²,多卖一单位所增加的边际收益为 MR = A − 2Bq。竞争基准下 P = c,因此 qC = max(0, (A − c)/B);单一价格垄断下 MR = c,因此 qM = qC/2。垄断追求的是收益减去成本 cq 后的利润最大化,而非销售额本身最大化。消费者剩余是支付意愿与价格之间的三角形,生产者剩余是价格与成本之间的矩形。由于没有固定成本,本模型中的生产者剩余等于利润。两种剩余之和为总剩余,相较竞争基准减少的总剩余就是无谓损失。无谓损失是消失交易的净收益,与消费者剩余对应不同面积。若成本 c 大于等于起始价格 A,两种规则下都没有交易,因此不显示实际销售价格。图中仅绘制正价格刻度范围内的边际收益区间,并以实际数量、价格坐标展示剩余与损失的面积。
进一步了解原理 · OpenStax:垄断的利润最大化与福利
下方微观经济学文章是介绍需求的价格响应及竞争与垄断定价能力差异的基础资料。边际收益与无谓损失的精确计算可继续阅读上方公式资料。
地球·宇宙 · 引力差异
即使都被拉向同一侧,
与中心的差值也各不相同。
改变外部天体的引力强度、距离及表面位置。
并排查看引力本身,以及减去地心处引力后得到的差分引力。
在随地球中心运动的参考系中,观察地表与地心所受外部引力的差异。外部天体视为点质量,图中不绘制地球自身的引力或海水高度。
调整数值,发现今天的任务。
与地球中心比较后
近侧受到的拉力比地心更大,远侧则更小。相对地心的差值在两侧都可能指向外侧,但实际引力并没有反向。
使用模型半径 R = 1、外部点质量的引力强度参数 μ 和中心间距 D。设地心为 (0, 0),外部天体为 (D, 0),地表位置为 p = (cos α, sin α),则外部引力加速度为 g(p) = μ(D − x, −y)/[(D − x)² + y²]³ᐟ²。地心受到 g(0) = (μ/D², 0) 的加速度,地表与地心的差分引力为 Δg = g(p) − g(0)。将 Δg 投影到地表向外方向,正值表示向外,负值表示向内。远侧所受的外部引力本身也指向天体,只是比地心受到的拉力小,这一差异表现为向外。地表放大图用相同的箭头标度比较十二个位置。当天体距离足够远时,差分引力的典型大小近似与距离的三次方成反比,应与外部引力本身的平方反比关系区分。实际潮汐还受海岸、海底、自转、其他天体和海洋响应的影响。本图不预测海水高度、高潮与低潮时间或当地潮汐时刻。
进一步了解原理 · NOAA:产生潮汐的差分引力 · OpenStax:潮汐力与相对地心的差异
IT · 不可分割的选择
即使按单位重量价值挑选,
最佳组合也可能不同。
调整背包容量、物品清单和选择方法。
比较按单位重量价值装入的方法与所有可能的组合。
每件物品各有一件,不能拆分装入。在不超过背包限额的组合中比较总价值。
调整数值,发现今天的任务。
比较高价值物品与最佳组合后
一件单位重量价值高的物品,可能使剩余空间难以利用。对于不可拆分的物品,除了各自的排名,一起装入的组合也很重要。
0/1 背包问题中,每件物品只能选择整件装入或不装入。按比值排序的方法先考虑价值/重量较大的物品,剩余限额能容纳就装入。比值相同时,从 A 开始优先考虑。全局最优方法比较包括空背包在内的全部 64 种组合,选出限额内价值最大的组合。如果多个组合达到相同的最大价值,则显示其中一个。按比值排序的方法并非总是错误,在清单 B 的限额为 6 时,两种方法的价值都是 16。本模型与允许拆分物品的分数背包问题有所区别。
进一步了解原理 · MIT:0/1 背包问题与选择组合
数学·统计 · 余数与周期
两个重复的日程,
起始位置也要匹配才能重合。
调整两个周期的组合及各自的余数。
找出指向同一时刻的两个条件何时同时成立。
寻找 t 除以各周期所得余数均为指定值的时刻。即使存在最小公倍数,起始位置不匹配时,两个日程也一次都不会重合。
调整数值,发现今天的任务。
同时匹配周期与余数后
两个周期互质时,无论选择什么余数,都存在同时满足条件的时刻。如果存在公约数,两个余数之差必须能被该公约数整除。
两个条件为 t ≡ rA (mod m)、t ≡ rB (mod n)。如果最大公约数 g = gcd(m, n) 能整除余数之差 rB − rA,就有解,并从首个解开始,每隔最小公倍数 mn/g 再次重合。否则,在所有时刻都无解。屏幕上的最小公倍数是两个周期本身的值,并不表示无解时存在实际的重合间隔。图表包含整数时刻 0~70 的两端,首个解在大于等于 0 且小于最小公倍数的范围内寻找。这是省略了实际日历节假日和不规则日程的整数周期模型。
进一步了解原理 · MIT:中国剩余定理
生命·环境 · 封闭群体中的传播
即使传播比率相同,
可接受传播的群体减少,结果也会改变。
调整传播、退出比率及初始传播中的数量。
观察可接受传播的群体减少时,三个群体如何变化。
这是没有外部流入、总量为 100 单位的虚拟群体。小数表示模型中的连续量,并非预测实际人数、日期或感染风险的数值。
调整数值,发现今天的任务。
观察可传播对象逐渐减少的过程后
增长或减少并非仅由传播系数决定。仍可接受传播的数量 S 减少时,当前有效传播比率也会变小,因此可能出现传播中数量下降的区间。
封闭 SIR 模型通过 dS/dt = −βSI/100、dI/dt = βSI/100 − γI、dR/dt = γI 连接三个群体。总量始终为 100,没有新增流入、出生或再次传播。R 是退出传播状态的群体,并不限定为全部康复。β/γ 是基准比率,当前有效比率为 (β/γ)S/100。I 为正时,该值大于 1 则当时增长,小于该值则减少。恰好等于 1 时,只表示该瞬间的变化率为 0,并不表示会一直保持不变。初始 I = 0 时,即使比率很大也不会产生传播。模型时间和系数并非实际疾病的临床资料,也不用于估计个人感染风险或流行规模。
进一步了解原理 · Duke:SIR 的假设与微分方程 · Duke:增长条件与模型分析
生活·通识 · 眼睛的盲点
眼前的屏幕与眼中形成的像,
其间有一小块空缺。
切换观察眼并调整目标间距进行观察。
在单独的投影模型中,观察距离与像的左右位置之间的关系。
轻轻遮住另一只眼睛,不要按压,持续注视十字,缓慢改变实际观看距离。如有不适请停止,也可以选择用双眼观看。目标是否消失不计入任务得分。
切换眼睛方向并调整模型值,发现今天的任务。
区分眼内的空缺与投影后
视神经离开视网膜处的视神经盘没有感光细胞,因此形成盲点。目标是否可见,取决于个人、屏幕和观看距离。
右侧视野成像于左侧视网膜,左侧视野成像于右侧视网膜。下方理想针孔投影模型将投影面距离设为 1 个任意单位,展示横向间距 a 和前向距离 d 对应的方向角 arctan(a/d) 与像位置 −a/d。它并非再现实际眼睛聚焦、视网膜曲面及个人盲点位置与大小的眼睛模型。模型中的角度和长度不是实际屏幕视角或视网膜位置的测量值,也不是判断视力或眼睛健康的检查。无论观察结果如何,完成操作即可完成任务。
进一步了解原理 · OpenStax:视网膜与视神经盘 · Exploratorium:盲点观察方法
化学 · 电子能级与光
比起起始高度,
下降的能量差更重要。
调整虚拟原子的两个能级间隔和基准高度。
比较单个发射光子的波长与多个光子的总能量。
这是两个能级之间允许一种向下跃迁的虚拟模型。同种跃迁多次发生时,会产生能量相同的光子。
调整数值,发现今天的任务。
将能级与单个光子联系起来后
两个能级升高相同幅度,向下跃迁的能量差仍然相同。光子数增加时,总能量增大,但单个光子的波长保持不变。
允许跃迁时,单个光子的能量为 ΔE = E上 − E下 = hf = hc/λ。同种光的光子有 N 个时,总能量为 NΔE。采用普朗克常数 h = 6.62607015 × 10⁻³⁴ J·s、光速 c = 299792458 m/s,以及 1eV = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ J。能量间隔越大,频率越高,波长越短。图中展示两个能级和一种允许的跃迁。可见光范围大致标为 380~780nm,边界可能因人而异。实际原子具有多个能级和选择定则,并非所有跃迁都被允许。本模型不用于判断实际焰色、元素种类、发射线的相对强度或肉眼所见颜色。
进一步了解原理 · OpenStax:原子光谱与能级跃迁 · NIST:SI 物理常数
下方焰色反应文章继续介绍激发态电子的能量跃迁、发射线及元素分析的背景。
物理学 · 波长与散射
即使是相同的小粒子,
不同波长的光也会有不同的散射。
调整两束光的波长与观测方向。
在相同标度的散射强度曲线上,分别观察波长与方向的影响。
这是非偏振光在远小于光波长的相同粒子上发生的单次弹性散射。入射强度、粒子数、观测距离和极化率均保持相同。
调整数值,发现今天的任务。
分别改变波长与方向后
短波长的光散射更强。在相同方向比较两束光时,其强度比由波长决定,但各自的强度会随观测方向改变。
在这些条件下,散射强度与 (1 + cos²θ)/λ⁴ 成正比。若将 550nm 光的前向散射强度定为 1,则相对强度为 (550/λ)⁴ × (1 + cos²θ)/2。θ 是入射光传播方向与观测方向的夹角。前向 0° 与后向 180° 的强度相同,侧向 90° 的强度为各自的一半。在相同方向将 A 除以 B,角度因子约去,强度比为 (λB/λA)⁴。图中的半径表示相对强度,并非光子的传播距离或概率。强于基准时,数值可以超过 1。实际天空颜色还受太阳光谱、大气路径、吸收、多次散射和眼睛敏感度共同影响,因此不能仅凭此曲线预测实际颜色。
进一步了解原理 · University of Texas:光的散射与角分布 · NOAA/NWS:天空呈蓝色的原因
下方瑞利散射文章继续介绍短波长光的散射,以及蓝天和红色晚霞的成因。
经济·社会 · 订货与库存
订货次数减少,
等待使用的库存就会增加。
调整年需求量、单次订货成本与保管费。
观察两项成本之和如何随单次订货量变化。
本模型假设需求恒定,库存降至 0 时立即补充,并在无缺货、无折扣的条件下重复。采购单价恒定,因此不纳入不同订货量的成本比较。
调整数值,发现今天的任务。
拆分重复订货的成本后
单次订货量大,订货次数就少,可节省订货费。但平均库存也会增加,使保管费上升。两项成本相等时,总成本最低。
设年需求量为 D、单次固定成本为 K、每件年度保管费为 H、订货量为 Q,则年平均订货频率为 D/Q,平均库存为 Q/2。因此,年度相关成本为 DK/Q + HQ/2,连续模型的最优量为 Q* = √(2DK/H),最低成本为 √(2DKH)。在最优点,年度订货费与保管费相等。订货量为最优量的一半或两倍时,两项成本之和为最低成本的 1.25 倍。滑块每次移动 20 件,但连续最优值可能位于刻度之间。D/Q 为小数表示长期重复时的年平均频率,并不表示实际某一年的整数订货计划。成本图每次使用所显示的共同年度成本标度比较三条曲线。这是省略需求波动、交货期、空间限制和折扣的学习模型,并非为实际业务推荐订货量的计算工具。
进一步了解原理 · MIT:库存管理与经济订货量
下方经济订货量文章直接解释订货费与保管费的关系,以及相同的最优量公式。
地球·宇宙 · 水波色散
波峰与波群,
会以相同速度前进吗?
调整波长与水深,观察相同时间后的传播距离。
比较波峰的相速度与窄带波群的群速度。
这是振幅小、水深恒定的线性表面重力波。省略水流、表面张力和黏性,群速度并非所有水粒子的整体移动速度。
调整数值,发现今天的任务。
比较波峰与波群的传播后
水深相对波长较浅时,两种速度相近。在相对较深的水中,窄带波群的群速度接近波峰相速度的一半。
波数 k = 2π/λ、水深为 h、重力加速度 g = 9.80665 m/s² 时,色散关系为 ω² = gk tanh(kh)。相速度为 cp = ω/k,群速度为 cg = dω/dk = cp[1 + 2kh/sinh(2kh)]/2。kh 很小时,两种速度都接近 √(gh);kh 很大时,群速度接近相速度的一半。这里的浅和深并非仅按水深划分,而是指波长与水深的关系。经过相同时间 t 后,传播距离分别为 cp·t、cg·t,在 0 秒时,两者距离都为 0。只改变时间不会改变速度本身。群速度用于描述窄频带波群及其能量传递。由于这是恒定水深下的小振幅模型,因此不预测实际海啸的波高、到达时间、淹没情况或航行风险。
进一步了解原理 · MIT:表面重力波的色散与群速度 · NOAA:海啸与长波基础
下方海啸文章是介绍波长远大于水深时的 √(gh) 关系及水深影响的基础资料。一般色散公式与群速度的推导可继续阅读上方 MIT 资料。
IT · 并行处理与串行任务
即使分工协作,
仍有必须依次完成的工作。
在同一任务中,调整串行部分的比例与核心数。
比较增加核心后缩短的时间与无法缩短的时间。
总工作量固定。仅将并行部分均匀分配,省略通信与分配成本,得到理想上限。
调整数值,发现今天的任务。
串行部分决定加速比的极限
增加核心也无法缩短串行工作。并行部分越短,剩余串行部分的影响就越大。
设单核工作时间为 1、串行比例为 f、核心数为 N,则耗时为 T = f + (1−f)/N,加速比为 1/T。每核效率为加速比/N。当 f 大于 0 时,即使无限增加核心,加速比也只会趋近 1/f。f=0 时的 ∞ 表示不存在有限的理想上限,当前 N 个核心的加速比为 N。N=1 或全部为串行工作时,加速比为 1。实际执行的总工作量始终为 1,而 N×T 是包含等待中核心的预留核心时间,与实际执行的 CPU 工作量不同。实际计算机还存在分配、通信和内存开销,因此此曲线不保证硬件性能。
进一步了解原理 · LLNL:并行计算与阿姆达尔定律
数学·统计 · 揭示规则与概率
看到了山羊,
也要看门是如何打开的。
最初选择 1 号门。主持人打开其他门,只留下另一扇门未开。
比较知晓答案的主持人与随机主持人的开门规则。
随机主持人打开了奖品的情况保留为灰色,不纳入胜率计算。不另加某个特定编号的门被打开这一条件。
调整数值,发现今天的任务。
也要观察公开信息产生的过程
如果知道答案的主持人始终只打开山羊,最初选错的情况都会使换门策略成功。不知情开门时,则需要重新筛选只打开山羊的情况进行计算。
奖品等概率藏在 N 扇门后,最初选择 1 号门。主持人只留下另一扇门关闭,打开 N−2 扇门。知道答案的主持人不会打开藏有奖品的门;如果最初选择正确,则等概率选择留下哪扇其他门。此时,坚持的胜率为 1/N,换门的胜率为 (N−1)/N。不知情的主持人随机选择留下的门,因此也可能打开藏有奖品的门。其中只打开山羊的情况占 2/N,在此条件下,坚持与换门的胜率各为 1/2。图中每格是 N 种奖品位置与 N−1 种主持人抽签结果的等概率组合。知道答案的主持人必须留下某扇门时,抽签值不参与决定结果,因此相同结果会出现在多个格子中。这是精确计数所有情况的模型,并非随机实验中的短期连胜记录。
进一步了解原理 · Jeffrey S. Rosenthal:蒙提霍尔问题与随机开门的区别
生活·通识 · 影像合成与透明度
去除绿色背景时,
相似颜色的衣服也会被去除吗?
调整去色容差与柔化边界。
并排比较原图、透明度蒙版及新背景上的合成结果。
黑色蒙版表示 Alpha 为 0,白色表示 Alpha 为 1。由于仅凭颜色区分衣服与背景,与键控色相同的衣服也会被去除。
调整数值,发现今天的任务。
选取颜色与合成背景
扩大容差范围可以去除更多绿色背景,但也可能丢失主体中的相似颜色。Alpha 蒙版决定各部分保留多少,随后再合成新背景。
键控色为 RGB(0,180,0)。将每个像素与键控色在 R、G、B 通道上的差值中的最大值作为颜色距离 d。d 小于等于容差 t 时,Alpha α=0。在此范围之外,若柔化边界宽度 s 为 0,则 α=1;若 s 为正,则按 α=min(1,(d−t)/s) 计算。在不透明新背景上合成时,各通道的计算为 α×原图+(1−α)×新背景。Alpha 为 0 时只显示新背景,为 1 时只显示原图,介于两者之间时取两个数值的加权和。本体验是直接混合 8 位 RGB 通道数值并在最后四舍五入的学习模型,不再现感知色差、实际光量或商业软件的键控算法。省略了毛发、溢色校正等实际拍摄中的复杂边界。
进一步了解原理 · Adobe:键控效果的用途与调整 · W3C:Alpha 合成计算
物理学 · 流动与压强
流体在狭窄处加速,
静压会如何变化?
调整出口截面积、高度与入口流速。
在相同能量标度下比较压力、速度和高度。
这是同一流线上的定常、不可压缩流动,没有摩擦、泵或涡轮。理想入口条件设为截面积 4cm²、绝对压力 300kPa、高度 2m。
调整数值,发现今天的任务。
使流体加速的能量从哪里来?
高度相同时,出口变窄会因连续性方程而使流速增大、静压降低。如果高度也发生变化,还必须计入势能变化。
采用密度ρ=1000kg/m³的理想流体,g=9.80665m/s²。由连续性方程Q=A₁v₁=A₂v₂可得v₂=v₁/(A₂/A₁)。同一流线上的伯努利方程P/(ρg)+v²/(2g)+h=常数,表示压力水头、速度水头与位置水头之和守恒。因此,P₂=P₁+ρ(v₁²−v₂²)/2−ρg(h₂−h₁)。圆的半径与截面积的平方根成正比,所有水头条均采用相同的0~36m刻度。水头并不只表示实际管道的高度。每次调整均在保持指定入口流速和压力的理想边界条件下计算,并不意味着改变实际管道的截面积后,泵的流量仍然不变。由于忽略了摩擦损失、压缩和外界做功,本计算器不能用于实际管道设计,也不能预测互不相关的两股流动的压力。
进一步了解原理 · OpenStax:伯努利方程与高度项 · NASA:流速与静压 · NASA:截面积与质量守恒
化学 · 蒸馏与组分衡算
即使一起蒸发,
蒸气中的比例也会改变。
对100mol假想混合物进行一次平衡分离。
改变进料组成、相对挥发度和分为蒸气的比例,比较纯度与回收率。
这是相对挥发度恒定的理想二元平衡。蒸气比例是预设的分离条件,并非用于确定实际加热量、压力或温度的调节值。
调整数值,发现今天的任务。
纯度与回收量是不同的数值
挥发性更强的组分在蒸气中占比更高。但分出更多蒸气时,蒸气中的比例与从进料中回收的量会以不同方式变化。
设组分A在进料中的摩尔分数为z,在液体中的摩尔分数为x,在蒸气中的摩尔分数为y,蒸气占总量的比例为β。在相对挥发度α恒定时,y=αx/[1+(α−1)x],组分衡算为z=(1−β)x+βy。总量100mol分为液体L=100(1−β)和蒸气V=100β,进料中A的量100z等于Lx+Vy。回收率为Vy/(100z),与蒸气纯度y不同。当α=1时,x=y=z,没有分离效果。曲线采用组成刻度,下方条形图采用统一的0~100mol数量刻度,不会将两相分别拉伸至相同长度。这是单个平衡级的理想模型,不能预测实际物质的沸点、加热方法、共沸、回流或蒸馏塔性能。
进一步了解原理 · IChemE:气液平衡与总物料、组分衡算 · HKUST:相对挥发度与蒸馏基础
可在下方的蒸馏文章中继续了解两种组分共同蒸发时的组成差异,以及实际分离的局限。
生命·环境 · 基因连锁与重组
两个基因的组合,
何时会独立决定?
一起考察两个假想基因座。
改变重组率和亲本组合,比较测交中四种比例的期望值。
假设AaBb与ab/ab进行测交。不考虑突变、选择和性别差异,数值为期望值,并非随机实验结果。
调整数值,发现今天的任务。
关注一同传递的组合,而不只是各个基因
重组率较低时,亲本携带的组合会更频繁地传递。改变亲本组合后,出现较多的配子类型也会改变,但亲本型的总概率不变。
含有两个基因座的AaBb产生的配子为AB、Ab、aB和ab。在AB/ab相引相中,AB和ab为亲本型;在Ab/aB相斥相中,Ab和aB为亲本型。重组率为r时,每种亲本型的概率为(1−r)/2,每种重组型的概率为r/2,四种概率之和为1。测交对象ab/ab始终提供ab配子,因此子代分别对应AaBb、Aabb、aaBb和aabb,各自的期望值为子代数量×概率。当r=50%时,四种组合各占25%,分布与自由组合时相同。但这并不一定意味着基因座位于不同染色体上,或不存在物理连锁。同一染色体上相距较远的基因座,观测重组率也可能接近50%。本模型不将该比例换算为实际DNA距离、家族遗传风险或疾病预测。
进一步了解原理 · OpenStax:基因连锁、重组与遗传图谱
经济·社会 · 共有资源与使用规则
共同使用的库存,
能维持多久?
四人依次使用24单位的公共库存。
改变A、B的申请量、使用期数和统一上限,查看实际领取量与剩余量。
每期按A→B→C→D的顺序领取。C、D各申请2单位。库存不会再生或返还,实际领取量不超过剩余库存。
调整数值,发现今天的任务。
将申请量与实际领取量分开来看
每个人的小额领取累积起来,也会减少公共库存。因上限而削减的申请量,与因库存耗尽而未能领取的量,原因不同。
初始库存为24单位,每期四人按A→B→C→D的顺序申请。设有统一上限时,先将每次申请量限制为最多2单位,再与剩余库存比较,确定实际领取量并立即扣除。各期始终满足累计领取量+剩余量=24。第0期所有人尚未领取,剩余量为24。所有未满足的申请量,均为因统一上限而削减的量与因库存不足而未领取的量之和。该假想模型不含再生,因此统一上限也不能保证永久持续,库存仍可能耗尽。到达顺序和申请量也会影响分配。本模型不能得出上限总是最公平或最高效的结论,也不能预测实际政策效果或生态资源的恢复量。
进一步了解原理 · 诺贝尔奖官方学术背景:公共资源与使用规则
可在下方的公地文章中继续了解竞争性、过度使用及使用者制定管理规则的背景。
地球·宇宙 · 气块与大气稳定度
向上移动的空气,
会比周围更轻吗?
分别比较干空气块与周围空气的温度。
改变地表温度、环境直减率和移动高度,查看同一高度上的浮力方向。
假设干空气块的温度曲线为线性,每升高1km约降低9.8℃。仅判断同压、同种理想气体因温差产生的浮力。
调整数值,发现今天的任务。
同一高度上的温差比初始温度更重要
抬升后的空气块若比周围更冷,就会受到使其返回的浮力。逆温属于稳定情况,但即使没有逆温,干空气也可能稳定。
将地表温度为T₀的干空气块移至高度z(km),按给定的线性温度曲线Tₚ=T₀−9.8z与环境温度Tₑ=T₀−Γz进行比较。同压且组成相同的理想气体,其密度与绝对温度成反比,因此空气块单位质量所受的浮力加速度为b=g(TₚK/TₑK−1)。g=9.80665m/s²,K表示在℃数值上加273.15得到的绝对温度。1K的温差等于1℃的温差。环境直减率Γ小于9.8℃/km时,该干空气模型稳定;相等时为中性;大于时不稳定。因此,即使在6.5℃/km下,干空气块也稳定;Γ为负的逆温意味着环境温度随高度升高而升高,是强稳定的一个例子。在高度0m处,温差和浮力为0,但按直减率划分的稳定性类别不变。这是采用固定直减率的教学比较,并未对实际绝热、流体静力学微分方程或上升轨迹进行积分计算。模型忽略凝结、潜热、混合、风和阻力,不能预测实际天气或污染浓度。
进一步了解原理 · NWS:环境与空气块的稳定度比较 · NWS:干绝热直减率 · NWS:逆温与稳定层
明天,也来一个小发现
今天的发现逐渐积累。
已发现的体验 0/128 · 今日已完成任务 0/128
任务每天按韩国时间更新。记录保存在此设备的浏览器中。
如果今天的操作激起了好奇心,
就阅读相关内容,加深自己的理解吧。