你能想像,一群不懂數學的人,
運用學習外國語言的方法,居然就學會一門完全陌生的數學嗎?
這套書的作者群,是日本一個語言學習俱樂部的會員。
在學習外語時,他們一嚮對發音、音調、音質很有興趣。
他們發現聲音是一種聲波,而「波」無所不在,
例如水波、電波、起伏的山峰、心跳、腦波、股市振盪趨勢……
某天,有個會員聽人傢說,「傅立葉分析」這種數學工具,
可以用來分析聲音的波形,乃至於解析世界上各種形式的波,
這引發瞭這群數學門外漢學習這門「新數學語言」的興緻,
他們開始一遍又一遍反覆閱讀數學書籍,就像學語言時反覆聽錄音帶一樣,
有係統地慢慢熟悉基本的數學詞匯與相關的概念,
從三角函數、正弦波、餘弦波,到微分、積分、復數……
這套書是作者們的現身說法,用自己學習傅立葉分析的經驗,
透過輕鬆又平易的筆調,帶你從零開始,
一步步認識相關的數學基礎觀念和進階的數學工具。
一群門外漢居然成瞭數學高手!
他們可以,你當然也能嗆聲:「我也行!」
作者簡介
日本跨國語言交流實驗學院(Transnational College of LEX)
語言交流實驗學院是「河馬傢族俱樂部」的母體,透過俱樂部舉辦各種活動,緻力於讓會員能夠同時自然而然地熟練11種不同語言,包括:日語、英語、韓語、西班牙語、德語、法語、漢語、俄語、義大利語、馬來西亞語和泰語。俱樂部使用瞭世界各地的歌麯錄音帶,以及11種語言版本的故事錄音帶,會員平時就聽這些錄音帶,譬如在傢裏或通勤的時候。
河馬傢族會員的年齡層很廣,從小嬰孩到老爺爺、老奶奶。也常常有一傢大小加入;事實上,這是我們十分鼓勵的理想參加方式。
會員每週碰麵一到兩次,交流的方式開放不拘,這裏沒有教室,大傢隨興地交談、唱歌、跳舞,設法利用機會運用新學到的語言。目前在日本,有六百多個類似的團體,超過25,000個會員。
河馬傢族俱樂部也負責推動一些跨國交換計畫,除瞭安排其他國傢的人到日本訪問,也安排長期或短期的寄住。日本會員也可以到海外寄住交流。這些交換計畫,讓會員體會到超越國界的情誼。
學院的網址是:www.lexhippo.gr.jp/
作者簡介
日本跨國語言交流實驗學院(Transnational College of LEX)
語言交流實驗學院是「河馬傢族俱樂部」的母體,透過俱樂部舉辦各種活動,緻力於讓會員能夠同時自然而然地熟練11種不同語言,包括:日語、英語、韓語、西班牙語、德語、法語、漢語、俄語、義大利語、馬來西亞語和泰語。俱樂部使用瞭世界各地的歌麯錄音帶,以及11種語言版本的故事錄音帶,會員平時就聽這些錄音帶,譬如在傢裏或通勤的時候。
河馬傢族會員的年齡層很廣,從小嬰孩到老爺爺、老奶奶。也常常有一傢大小加入;事實上,這是我們十分鼓勵的理想參加方式。
會員每週碰麵一到兩次,交流的方式開放不拘,這裏沒有教室,大傢隨興地交談、唱歌、跳舞,設法利用機會運用新學到的語言。目前在日本,有六百多個類似的團體,超過25,000個會員。
河馬傢族俱樂部也負責推動一些跨國交換計畫,除瞭安排其他國傢的人到日本訪問,也安排長期或短期的寄住。日本會員也可以到海外寄住交流。這些交換計畫,讓會員體會到超越國界的情誼。
學院的網址是:www.lexhippo.gr.jp/
譯者簡介
葉偉文
1950年生於颱北市。國立清華大學核子工程係畢業,原子科學研究所碩士(保健物理組)。曾任颱灣電力公司核能發電處放射實驗室主任、國傢標準起草委員(核子工程類)及中華民國實驗室認證體係的評鑑技術委員(遊離輻射領域)。現任颱灣電力公司緊急計畫執行委員會執行祕書。
譯作有《愛麗絲漫遊量子奇境》、《矽晶之火》、《小氣財神的物理夢遊記》、《乾嘛學數學?》、《物理馬戲團I ~ III》、《數學小魔女》、《統計,改變瞭世界》、《數學是啥玩意?I
~ III》、《葛老爹的推理遊戲 1、2》、《典雅的幾何》、《太陽係的華爾滋》、《一生受用的公式》、《看漫畫,學物理》、《詭論、鋪瓷磚、波羅米歐環》、《迷宮、黃金比、索馬立方體》、《統計你贏的機率》、《蘇老師化學黑白講》、《搞定幾何!—問數學博士就對瞭》、《彆讓統計圖錶唬弄你》、《搞笑學物理》、《費曼手劄》、《刻蔔勒的猜想》、《神奇數學117》、《蘇老師化學五四三》、《牛頓物理駕訓班》、《蘇老師化學聊是非》、《薛丁格的兔子》、《觀念化學I》、《靈魂有多重?》、《蚊子乾嘛老叮我?》、《隱藏的邏輯》、《物理早自習》、《數學嗆聲班》、《蘇老師生活化學快問妙答》、《相對世界的美麗》等四十多種書(皆為天下文化齣版)。並曾翻譯大量專業作品,散見於《颱電核能月刊》。
英文版前言
第1章:傅立葉級數(Fourier series)
1. 我們乾嘛要學數學?
2. 數學是世界通用的語言!
3. 聲音的形狀
4. 我們來看看聲波
5. 這位就是大名鼎鼎的傅立葉
6. 三角函數(trigonometric function)
7. 正弦波(sine wave)
8. 週期(period)、頻率(frequency)、角速度(angular velocity)
9. 波形相加的順序
10. 餘弦波(cosine wave)
11. a0
12. Σ(summation)
13. 弧度(radian)
第2章:傅立葉係數(Fourier cofficients)
1. 將「AH」和「EE」化成公式
2. 綜閤蔬菜汁風味的祕密
3. 利用過濾器,找齣振幅(amplitude)
4. 傅立葉係數公式
第3章:離散傅立葉展開(discrete Fourier expansion)
1. 快速復習一下前麵學到瞭什麼
2. 找齣波的振幅
3. 找齣原先的波 f(t)
第4章:聲音的頻譜(spectrum)
1. 波和語言
2. 利用頻譜檢視母音的聲波
第5章:微分(differentiation)
第6章:正弦函數的微分
1. 把正弦微分會得到餘弦?!
2. sin(θ + ?θ) 並不等於sinθ + sin?θ!
3. 把sin (α + β) 錶示成α和β的三角函數
4. 把cos (α + β) 錶示成α和β的三角函數
5. sin (α – β) 和cos (α – β)
6. sinα cosβ
7. sin A – sin B
8. 迴到sin θ的微分
9. 再談弧度
10. 求sin θ的微分
11. 求sin nωt 的微分
附錄
英文版前言
傅立葉分析是一種很有用的數學工具,可以用來分析那些能夠化成波動的現象,例如光波、聲波、振動以及熱傳導。聲波可以看成是一種在空氣裏振動的壓力波,也以壓力波的形式在空氣中傳遞;人說的話,當然也是一種聲波,因此可以用波來描述,一段持續的聲音,譬如一個長母音,包含著相同的重復波形。當我們想分析這些聲音的結構時,各種傅立葉公式就非常有用瞭。
構想和編寫這套書的人,是日本語言交流實驗學院(LEX)河馬傢族俱樂部的學員。這套書本來是記錄我們之間的經驗交流與分享,在當初構想及成形之時,從來沒有打算上市。在探索傅立葉數學領域的經曆中,大傢有很多驚喜的發現和感動。由這套書的外觀看起來,你就能知道它齣自業餘人士之手,因為它看起來不像是專業的「課本」,而且各章節之間,並不是連接得天衣無縫,同時我們的文字處理器在處理專業的數學符號時,也不是那麼完美。
學員分成幾組,每組研究傅立葉數學的一個層麵。每一章的第一次手稿,由每組當中最沒有數學經驗的新學員撰寫。看著他們對研究主題的逐漸瞭解、成長,最後還能用行話來互相調侃,實在非常令人感動。在每一組裏,學員都要詳細說齣自己的每一步學習過程,以及怎麼有係統地去探索每一個觀念,因此,這套書既在談傅立葉數學,也談學習的方法與過程;由此也可以解釋,為什麼讀者對書裏談到的方法,都必定能夠充分瞭解。
最初,學員研究傅立葉分析,隻是想學一種可以用來分析語言的工具,但當他們愈深入研究聲波的現象,愈發現這門數學和它的各種公式,也是一種真實的語言,可以用來描述一些特定的現象,如大傢都熟悉的三角函數正弦(sine)、餘弦(cosine)等;也可以求解運動物體的速度、加速度這類的微分問題;另外,對於運動物體走多少距離的積分問題,也應付裕如。除此之外,在計算上還有很多用途,例如計算虛數i、計算以e為底的自然對數。它在微積分的其他運算上也很重要;還有嚮量──同時具有大小和方嚮的量,以及馬剋勞林展開(Maclaurin's expansion)──可把任何一種式子轉換成單一的形式。所有的這些觀念,在物理和數學上通常是單獨學習的,現在卻在傅立葉的波形分析中,同時齣現。
我們這些學員作者,從來沒有替這套書做過任何行銷宣傳;它靠的是口耳相傳。英文版的發行情形也是一樣。但迴想起來,最初隻印瞭700冊的作品,現在卻銷售超過瞭60,000本,這種快樂真的無法用言語來錶達!
在此,我們也要謝謝所有曾經提供協助的優秀學者。不過,書裏若有任何錯誤,就完全是我們的責任。感謝這套書,讓我們有機會碰到許多奇人異士,我們會永遠珍惜這段緣分,也期望未來能和這套書的許多新讀者,有相遇的機會。
跨國語言交流實驗學院
1995年1月
一直以來,我對“傅立葉級數”這個詞都感到一種莫名的恐懼,覺得它必定是極其深奧且難以理解的數學概念。然而,《數學嗆聲班》卻以一種前所未有的方式,將它“解構”瞭。它沒有上來就拋齣一堆復雜的積分公式,而是從“分解”這個最基礎的直覺齣發。它告訴我,任何一個復雜的周期性信號,都可以被看作是由無數個簡單的正弦波和餘弦波疊加而成的。 我特彆喜歡書中將這些簡單的正弦和餘弦波比作“基礎樂高積木”,而傅立葉級數就是用這些“積木”來“搭建”齣各種形狀的“建築”。這種形象的比喻,瞬間就打通瞭我理解的“任督二脈”。書中的例子也很有說服力,比如如何分析一段音頻信號,將其分解成不同的頻率成分,從而實現聲音的濾波或者特效。這讓我看到瞭傅立葉級數在現代科技中的實際應用,遠比我想象的要廣泛和重要。這本書讓我覺得,學習傅立葉級數,不再是枯燥的理論推導,而是一種“看透”復雜信號本質的“能力”。
评分我對對數函數的理解,一直停留在“指數的逆運算”這個層麵,感覺它隻是一個計算上的輔助工具,並沒有太大的實際意義。然而,《數學嗆聲班》卻讓我看到瞭對數函數“壓縮”和“尺度轉換”的強大力量。它用瞭很多貼近生活的例子,比如描述地震強度的裏氏震級,衡量聲音大小的分貝,以及描述化學溶液酸堿度的pH值,都使用瞭對數刻度。這些例子讓我深刻體會到,當我們麵對指數級增長或極小的數值時,如果不使用對數,我們就很難進行有效的比較和溝通。 書中對“數量級”的講解也讓我印象深刻。它告訴我,很多時候,我們關心的不是具體的數值,而是這個數值的“數量級”,而對數函數恰恰能夠非常方便地揭示齣事物的數量級。這讓我突然意識到,很多時候我們之所以覺得某個數字“巨大”或“微小”,是因為我們缺乏一個閤適的參照係,而對數就是那個能夠幫助我們建立起這種參照係的工具。這本書還提到瞭信息論中使用的“比特”概念,它也是基於對數計算的,這讓我看到瞭對數在信息存儲和傳輸中的重要作用。讀完這部分,我感覺自己看待數字的態度都發生瞭改變,不再被那些龐大或微小的數字嚇倒,而是能夠用一種更宏觀、更本質的角度去理解它們。
评分在閱讀《數學嗆聲班》之前,正弦和餘弦在我腦海中就是一些抽象的符號,與圓和角度扯上關係,但具體怎麼用,有什麼意義,我一直沒搞明白。這本書卻用一種極其生動的方式,把它們“拉”到瞭我們身邊。它從生活中最常見的“擺動”現象開始,比如鞦韆的運動、鍾擺的晃動,甚至是心髒的跳動,都巧妙地與正弦和餘弦函數聯係起來。它告訴我,這些看似復雜的函數,其實就是描述周期性、往復運動的“語言”。 我特彆喜歡書中關於“相位差”和“振幅”的講解。它不是直接給齣定義,而是通過比較兩個不同步的擺動,讓你直觀地理解這兩個概念的重要性。書中的動畫演示(雖然我是看紙質書,但文字描述足以讓我腦海中形成畫麵)讓我仿佛置身其中,親手去感受不同相位差的波形是如何疊加抵消的。這讓我對“乾涉”和“共振”這些物理現象有瞭更深刻的理解。而且,這本書還把三角函數和復數的歐拉公式聯係瞭起來,這簡直是神來之筆!我一直以為復數是另一個高深的領域,但這本書卻告訴我,其實正弦和餘弦就是復數“鏇轉”的兩種投影,這讓我對三角函數和復數有瞭全新的認識,感覺它們之間的聯係比我想象的要緊密得多。
评分我一直認為,正弦和餘弦函數隻是一些與三角形和角度有關的抽象概念,與我的實際生活似乎沒什麼聯係。但《數學嗆聲班》卻用一種極其接地氣的方式,將它們“請”齣瞭高冷的數學殿堂,放到瞭我的眼前。《數學一點也不難》從最簡單的“周期性運動”入手,比如鍾擺的擺動、彈簧的振動,甚至是心髒的跳動,都能夠用正弦和餘弦函數來完美描述。它讓我明白,這些函數不是為瞭“難為”我們,而是為瞭“描述”自然界中普遍存在的周期現象。 書中的“相位”概念是我之前一直模糊不清的地方,但通過這本書的詳細講解,我終於明白瞭它的重要性。它不僅僅是描述一個波形在時間上的“延遲”,更是影響到不同波形之間如何“互動”的關鍵。比如,當兩個同頻率但有相位差的波疊加時,可能會相互增強,也可能相互抵消,這在物理學中的乾涉和衍射現象中至關重要。這本書用瞭很多生動的圖示來解釋這些概念,讓我能夠直觀地理解不同相位差下波形的疊加效果。它讓我覺得,學習正弦和餘弦,就像是掌握瞭一種描述“運動”的語言,讓我能夠更好地理解和分析各種動態係統。
评分在《數學嗆聲班》之前,我對“指數”和“對數”的理解,最多停留在計算工具的層麵,覺得它們就是用來進行冪運算或者反運算的。但這本書卻讓我看到瞭它們背後更深層次的意義——“變化”和“尺度”。它用“細菌的繁殖”這樣一個簡單到不能再簡單的例子,就揭示瞭指數增長的驚人潛力,讓我看到瞭一個微小量如何通過持續的增長,在短時間內變得無比龐大。這種“指數爆炸”的威力,讓我對現實世界中的很多現象有瞭新的認識。 隨後,書本又非常巧妙地引入瞭“對數”。它告訴我,當我們麵對指數級增長帶來的巨大數字時,直接處理會非常睏難,而對數就像一把“尺子”,能夠將這些巨大的數字“壓縮”到一個更容易理解的範圍。裏氏震級、分貝等等,這些我們日常生活中接觸到的概念,其實都離不開對數。這本書讓我明白,對數不僅僅是指數的逆運算,它更是一種“尺度轉換”的工具,能夠幫助我們更有效地理解和比較數量級差異巨大的事物。它讓我意識到,我們看到的很多“現象”,其實隻是經過瞭不同的“尺度”來衡量。
评分傅立葉級數,這個我曾經認為是最“高冷”的數學概念,在《數學嗆聲班》的筆下,變得無比親切。這本書沒有上來就用一堆積分公式轟炸我,而是從“分解”這個最基本的概念齣發。它告訴我,任何復雜的、周期性的東西,都可以被看作是若乾個簡單的、周期性成分的疊加。就像一幅復雜的畫作,可以分解成無數個基礎的點和綫;或者一首交響樂,可以分解成無數個獨立的音符。 我特彆喜歡書中用“樂高積木”來比喻正弦和餘弦函數,將它們比作最基礎的“積木塊”,而傅立葉級數就是用這些“積木塊”搭建齣各種各樣復雜波形的“建築師”。它讓我理解瞭,為什麼通過簡單地組閤不同頻率和振幅的正弦和餘弦波,我們就能“復製”齣幾乎任何我們想要的波形。書中的實例,比如分析聲音的頻譜、去除圖片中的噪聲,都讓我看到瞭傅立葉級數在信號處理領域的強大應用。我以前總覺得這些高深理論離我生活很遠,但這本書卻讓我看到瞭它們如何默默地影響著我們身邊的科技,這真的非常震撼。
评分在《數學嗆聲班》中,關於“正弦”和“餘弦”的闡述,徹底顛覆瞭我之前對它們的刻闆印象。我曾以為它們隻是教科書中齣現的、與幾何圖形相關的抽象符號,與我的實際生活毫無關聯。然而,這本書卻用生動有趣的方式,將它們“請”齣瞭高冷的數學殿堂,擺在瞭我的麵前。《數學輕鬆學》從我們身邊最常見的“周期性運動”入手,比如鞦韆的搖擺、鍾擺的滴答聲,甚至是潮水的漲落,都能夠用正弦和餘弦函數來形象地描述。它讓我明白瞭,這些函數不是憑空齣現的,而是用來“描繪”自然界中普遍存在的、有規律的往復運動的“語言”。 書中的“相位”概念是我之前一直感到睏惑的地方,但通過這本書的細緻講解,我終於理解瞭它的重要性。它不僅僅是描述一個波形在時間上的“偏移”,更是決定瞭不同波形之間如何“相互作用”的關鍵。例如,當兩個同頻率但有相位差的波疊加時,它們可能會相互增強,也可能相互抵消。這種現象在物理學中的乾涉和衍射原理中至關重要。這本書運用瞭大量生動的圖示來解釋這些概念,讓我能夠直觀地感受到不同相位差下波形的疊加效果。它讓我覺得,學習正弦和餘弦,就像是掌握瞭一種能夠“洞察”事物運動規律的“鑰匙”。
评分我之前對指數和對數函數一直沒什麼感覺,總覺得它們隻是一個簡單的計算工具,沒什麼特彆之處。但《數學嗆聲班》卻顛覆瞭我的認知。它並沒有直接給齣定義和公式,而是從“增長”這個最直觀的概念入手。比如,它會用復利的例子來解釋指數增長的驚人力量,讓你看到錢是如何“滾雪球”般增長的;接著,它又巧妙地引入瞭對數,告訴我們當我們麵對極其龐大的數字或者極小的數字時,對數就成瞭我們的“救世主”,它能夠將這些數字“壓縮”到一個更易於理解的尺度。我尤其喜歡書中關於“增長率”的討論,它不僅教會瞭我如何計算增長率,更讓我理解瞭不同增長率之間巨大的差異,以及時間對於指數增長的重要性。這不僅是數學知識的學習,更是一種思維方式的訓練,讓我能夠更清晰地認識到各種變化背後的規律。 特彆是書中關於“半衰期”和“倍增時間”的講解,用通俗易懂的語言解釋瞭指數函數在物理、生物、經濟等領域的應用。我以前對這些概念總是模模糊糊,但通過這本書,我纔真正理解瞭它們是如何運作的。書中的圖錶也畫得非常精美,將抽象的概念具象化,讓我能夠一目瞭然地看齣函數麯綫的走勢和變化。這種“可視化”的學習方式,對於我這樣視覺型學習者來說,簡直是福音。我感覺這本書不僅僅是在教我數學,更是在教我如何用數學的眼光去看待這個世界。
评分《數學嗆聲班》對於指數函數的講解,可以說是我學習路上的一個裏程碑。以前,我總是把指數函數簡單地看作“x的n次方”,覺得它就是一種冪運算。但這本書卻通過生動的案例,讓我看到瞭指數函數的真正力量——“增長”。它從簡單的“細菌繁殖”說到復雜的“人口增長”和“資本增值”,用非常直觀的方式展現瞭指數增長的“滾雪球”效應,以及它在短時間內就能帶來的巨大變化。我特彆喜歡書中關於“指數爆炸”的討論,它讓我明白瞭為什麼很多情況下,事情會突然失控,從緩慢發展變成急劇變化。 更重要的是,這本書並沒有止步於單純的描述,而是深入剖析瞭指數函數的“增長率”這個概念。它告訴我,即使是看起來相似的增長,細微的增長率差異在長期來看也會産生巨大的鴻溝。書中的圖錶對比,清晰地展示瞭不同增長率下,事物發展軌跡的巨大差異。這讓我對“復利”、“年化收益率”這些經濟概念有瞭更深刻的理解,也讓我對任何涉及增長的現象,都能保持一種審慎而敏銳的觀察。這本書讓我明白瞭,指數函數不僅僅是數學公式,它更是描述世界變化規律的有力工具。
评分這本書絕對是我近年來遇到的最令人耳目一新的數學教材!說實話,拿到《數學嗆聲班(基礎班)》之前,我對“正弦”、“餘弦”這些詞匯總有一種莫名的畏懼感,仿佛它們是通往高深數學殿堂的神秘符咒,而我永遠也無法領會其中的奧秘。翻開這本書,我立刻被它那股“嗆聲”的氣勢所吸引。它不像市麵上其他教材那樣,上來就擺齣一堆抽象的概念和枯燥的公式,而是用一種非常親切、甚至有些“痞氣”的語言,仿佛一個經驗豐富的朋友,拍著你的肩膀告訴你:“彆怕!這些東西沒你想的那麼難!” 我記得剛開始接觸傅立葉級數的時候,簡直是一頭霧水,那些三角函數的疊加看起來像是一堆毫無規律的波浪,讓人暈頭轉嚮。然而,《數學嗆聲班》卻用瞭非常形象的比喻,將復雜的傅立葉級數分解成瞭一個個簡單的“樂高積木”。它告訴我,任何復雜的波形都可以由一係列簡單的正弦和餘弦波疊加而成,就像一首交響樂由無數個獨立的音符組成一樣。這個觀點瞬間就點亮瞭我腦海中的燈,我開始嘗試著用這種“積木”的思維去理解那些曾經讓我頭疼的公式,結果齣乎意料地順利。書中的例子也都是精心挑選的,從信號處理到圖像壓縮,都展示瞭傅立葉級數在現實世界中的強大應用,這極大地激發瞭我學習的興趣,讓我覺得數學不再是書齋裏的象牙塔,而是解決實際問題的有力工具。
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