实际工作中时常会遇到一些纯算术运算,有时运算起来很麻烦,必须借助一些简单的代数方法。比如下面这个例子:
这个数值是多大?意义何在?这个数在物理学科的相对论力学中意义重大。旧力学理论认为,若一个物体同时参与同方向的两种运动,这两种运动的速度分别是v1和v2,那么总的速度就是(v1+v2)。但相对论力学认为,这时的总速度应该是下面的式子:
其中,c表示真空中光的传播速度(通常取300000千米/秒)。若v1和v2都为1千米/秒,按照旧力学理论,总速度就是2千米/秒,但是在相对论力学中,这个总速度为:
这两个数值的相差多少呢?从式子中可以看出这个差别非常小。那么,是否能用精密仪器测出差别呢?我们不妨先计算出这个差值。
我们分别用算术和代数两种方法,看哪种方法更简便。先来看算术方法。
将上面的分数改变一下,得出:
然后用分子除以分母:
不难看出,这种方法十分麻烦,不仅耗时耗力,还容易出错。计算的时候,必须看清楚最后得到的商中有几个9,到第几位时才变成别的数字。
接下来看看代数方法,这个方法非常简便。我们先引入一个近似等式。假如一个分数a的值非常小,则(www.daowen.com)
只要在式子两边都乘以(1+a),即可得出
1=(1+a)(1-a)
即
1=1-a2
因为这里的a很小,所以a2更小,可以忽略。
现在来计算一下上面的那个数值:
最后得出结论,两种方法的计算结果相同,但代数方法更为简便。若读者了解相对论力学,就会明白代数方法对于相关问题的研究非常重要。这个结果还告诉我们,常见的物体速度根本无法跟光的速度相提并论。旧力学理论体系认为物体速度可以叠加,这一结果跟实际结果的差别可以忽略不计。
上面我们计算到小数点后十二位,而即便使用最精确的测量仪器也只能测量到小数点后第九位,一般精确到小数点后第三位到第四位。在爱因斯坦的相对论力学中,如果物体的运动速度比光速小很多,可以不考虑精确,但现实生活中的一些领域需要精确的计算。比如,在空间研究中卫星或火箭的运行速度已经达到10千米/秒,甚至更快,这时旧力学和相对论力学的差别就出来了。现代科技中这一差别已经体现在方方面面。
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