Frage:
Warum scheint eine Berechnung zum Zählen von Objekten, die einen bestimmten Bereich abdecken, unsinnige Einheiten zu ergeben?
Mark Eichenlaub
2017-09-06 14:37:57 UTC
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Angenommen, Sie möchten die Anzahl der Atome in einer rechteckigen Graphenschicht schätzen.Sie können das Blatt auf $ 10 ^ {7} $ Atome entlang einer Kante und $ 2 * 10 ^ {7} $ Atome entlang der anderen Kante schätzen.Multipliziert man, während man die Einheiten im Auge behält, erhält man

$$ 10 ^ {7} \ text {Atome} * 2 * 10 ^ {7} \ text {Atome} = 2 * 10 ^ {14} \ text {Atome} ^ 2 $$

Aber offensichtlich gibt es $ 2 * 10 ^ {14} $ Atome, nicht $ 2 * 10 ^ {14} \ text {Atome} ^ 2 $.Was ist falsch an dieser Berechnung?

In der Physik bedeutet "Zählen" von Dingen (Atomen, Molekülen, Birnen, Bananen und so weiter) im Allgemeinen keine Einheit.Schließlich kann jede physikalische Größe in [7 ursprüngliche] unterteilt werden (https://en.wikipedia.org/wiki/Physical_quantity#Base_quantities).Sie können den Widerspruch auch folgendermaßen lösen: "Ich habe 2 * 10⁷ Atome ** pro ** Reihe und 10⁷ Reihen".Wenn Sie 10 Körbe mit jeweils 10 Äpfeln haben, sagen Sie nicht, dass Sie 100 Äpfel² besitzen.
Kein Grund, die Zahlen so groß zu machen oder Atome in das Chaos einzubeziehen: Die Situation bleibt im Grunde unverändert, wenn wir beispielsweise ein $ 2 \ mal 2 $ -Raster von Äpfeln betrachten.
@QiaochuYuan Diese Community ist nicht besonders aufgeschlossen, welche Anfragen relevant sind.Wie es ist, hat die Frage 6 Downvotes.Wenn ich nach einem 2x2-Raster mit Äpfeln frage, wäre es noch schlimmer.
@MarkEichenlaub * Einige * in dieser Community * sind * vielleicht * nicht besonders aufgeschlossen gegenüber * dieser spezifischen * Frage, aber sie hat 22 positive Stimmen erhalten und ist eine der meistgesehenen in den letzten Tagen.
Fünf antworten:
ZeroTheHero
2017-09-06 15:01:40 UTC
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Ihre "Abmessungen" sind nicht ganz "korrekt". Die Berechnung sollte ungefähr $ 10 ^ {7} \ frac {\ hbox {Atome}} {\ hbox {Zeile}} \ mal 2 \ mal 10 ^ 7 \ hbox {Zeile} = 2 \ mal 10 ^ {14} $ sein Atome. In der Tat sind Atome Objekte, die gezählt und hinzugefügt werden müssen, wie Autos oder Birnen.


Ich glaube, ich erinnere mich an einen Mathematikkurs, dass die Griechen (anscheinend) keine Zahlen abstrahieren konnten und daher immer an "$ 5 $" als Objekte denken würden: $ 5 $ Äpfel, $ 5 $ Kieselsteine ​​usw. Sie könnten also hinzufügen Äpfel: $ 5 $ Äpfel + $ 5 $ Äpfel + $ 5 $ Äpfel sind $ 15 $ Äpfel.

Die Multiplikation war unterschiedlich und wurde als geometrische Operation betrachtet. Ein Rechteck der Seiten $ 3 $ m und $ 4 $ m hatte eine Fläche von $ 3 \ mal 4 = 12 \ hbox {m} ^ 2 $.

Infolgedessen "entdeckten" sie (anscheinend) nie das allgemeine abstrakte Ergebnis, dass $ a \ times b = b + b + b \ ldots $ ($ a $ times), da die beiden Operationen in gewissem Sinne "inkompatibel" waren ". Da wir in $ \ mathbb {R} ^ 3 $ leben, war es für sie außerdem nicht sinnvoll, mehr als $ 3 $ Zahlen miteinander zu multiplizieren.

Das OP möchte ebenfalls zwei "inkompatible" Operationen (im Sinne der Griechen) gleichsetzen, deren Ergebnis numerisch übereinstimmt, weil man alle Atome aller Zeilen summieren muss, anstatt Atome miteinander zu "multiplizieren".

Leider kann ich keine Quelle finden, um dies zu bestätigen.

Auf der anderen Seite hatten die alten Babylonier, einige Jahrhunderte (über tausend Jahre) vor den Griechen, einen algorithmischeren Ansatz in Bezug auf Mathematik, und in ihren Spielzeugproblemen (Übungen für Studenten usw.) fügten sie gerne Bereiche zu Bänden hinzu, und so weiterauf.(Quelle: siehe S. 673 von Knuths CACM-Artikel von 1972 [* Ancient Babylonian Algorithms *] (http://teaching.csse.uwa.edu.au/units/CITS1001/extension/ancient-babylonian-algorithms.pdf).)
@ShreevatsaR Vielen Dank für die Referenz, auf die ich mich sehr freue!
Farcher
2017-09-06 14:54:35 UTC
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Es gibt keine Einheit wie ein Atom $ ^ 2 $.

Sie zählen die Anzahl der Objekte (Atome) und fügen so

hinzu

$ 10 ^ {7} \, \ rm Atome \, + 10 ^ {7} \, \ rm Atome \, + 10 ^ {7} \, \ rm Atome \, + 10 ^ {7} \, \rm Atome \, +.....+ 10 ^ {7} \, \ rm Atome \, $

mit $ 2 * 10 ^ {7} $ Begriffen in der Summe und Sie schreiben dies in "Kurzschrift" als

$ (10 ^ {7} * 2 * 10 ^ {7}) \, \ rm Atome = 2 * 10 ^ {14} \, Atome $.

mmesser314
2017-09-06 17:02:44 UTC
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Atome sind nicht wirklich eine Einheit. Sie werden beim Multiplizieren nicht richtig kombiniert. Wenn Sie vorsichtig sind, können Sie sie in bestimmten Situationen zum Laufen bringen, wie beide anderen Antworten zeigen (+1 für beide).

Aber wie Sie gesehen haben, funktionieren sie nicht überall. Nicht wie eine Länge würde. Wenn der Abstand von Atom zu Atom 1 Angstrom beträgt, gibt es kein Problem mit einer Fläche von $ 10 ^ {14} $ Angstrom $ ^ 2 $.

Also, was ist die Einheit? Eine Zählung ist dimensionslos.

Trotzdem wird es oft als Einheit verwendet, in der es funktioniert. Sie müssen nur vorsichtig sein, um es nicht dort zu verwenden, wo es nicht ist.

Physiker sind manchmal so schlampig, dass Mathematiker viel vorsichtiger sind. Beispielsweise kann eine Funktion an den meisten Stellen einen Wert von $ 0 $ haben, aber eine hohe, dünne Spitze in der Nähe von $ 0 $, sodass der Bereich unter der Spitze 1 ist. Dies ist in einigen Situationen nützlich. Physiker finden, dass die Spitze unendlich schmal sein muss. Also haben sie die Dirac-Delta-Funktion erstellt, die überall $ 0 $ ist, außer bei $ 0 $. Der Wert bei $ 0 $ ist unendlich. Die Fläche unter der Spitze beträgt $ 1 $.

Ein Mathematiker würde Probleme mit einer solchen "Funktion" finden und sagen, dass sie nicht existiert. Ein Physiker achtet darauf, es dort einzusetzen, wo es funktioniert.

Könnten Sie bitte erklären, warum Sie sagen würden, dass es nicht existiert.Oder auf relevante Literatur verweisen, um diese Aussage besser zu verstehen?
@Griffin - mmesser314 gibt nur einen kurzen Überblick über die mathematischen Probleme mit der Dirac-Delta-Funktion.Und wie immer bei kurzen Übersichten vereinfacht es die Sache so sehr, dass es technisch falsch ist.Es zeigt jedoch immer noch das Problem, ohne sich in Details zu verlieren.Mathematiker definieren die Funktion zwar, erfordern jedoch entweder ein komplizierteres Konzept der "Funktion" oder der "Unendlichkeit" (zwei verschiedene Ansätze).In beiden Fällen ist auch ein komplizierteres Integrationskonzept erforderlich.
@Griffin Der Widerspruch tritt auf, wenn wir über das Maß einer Menge sprechen. Wenn eine Menge ein Maß von Null hat, trägt sie nicht zu einem Integral bei.Ein einzelner Punkt ist die kanonische Menge des Nullmaßes.Hier verursacht die Delta-Funktion Probleme, da das Integral an einem einzelnen Punkt nur ungleich Null ist und das Null sein muss.Wie Paulus erwähnt, gibt es Möglichkeiten, dies zu umgehen, aber alle erfordern, dass wir die Definitionen ein wenig ändern.
Das Erwähnen von Verteilungen hätte dazu beigetragen, die Dinge technisch korrekt zu machen, hätte aber den Punkt verdeckt.Vielen Dank an Paul Sinclair und Ukko für ihre Klarstellungen.Sie haben Beispiele dafür angeführt, dass Mathematiker vorsichtig sind.
Russell Borogove
2017-09-07 06:57:35 UTC
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Ihre Einheiten sind keine Atome, sondern Atombegrenzungsbreiten.Das Quadrat der Atombegrenzungsbreiten wird natürlich in Einheiten der Atombegrenzungsflächen angegeben.

Guill
2017-09-13 23:25:57 UTC
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Was an Ihrer Berechnung falsch ist, ist, dass Sie eine Dimension durch eine "Anzahl" ersetzt haben.
Der richtige Weg wäre, die Länge von $ 10 ^ 7 $ Atomen zu bestimmen.Angenommen, sie benötigen 1 cm, dann hätte $ 1 cm ^ 2 $ $ 1x10 ^ {14} $ Atome und the sheet (1 cm x 2 cm oder 2 $ cm ^ 2 $) would ($ 1x10 ^ {} enthaltenAtome / $ cm ^ 2 $ x 2 $ cm ^ 2 $ =) $ 2x10 ^ {14} $ Atome.



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