Hiển thị các bài đăng có nhãn Toán học - thực tiễn. Hiển thị tất cả bài đăng
Hiển thị các bài đăng có nhãn Toán học - thực tiễn. Hiển thị tất cả bài đăng

Chủ Nhật, 18 tháng 11, 2012

Toán học và Bài toán "Đấu trường 100" (kênh VTV3)

Bài toán "Đấu trường 100" trong chuyên mục "Toán học & Đời sống" trên Tạp chí Toán học Tuổi trẻ, của tác giả Trần Hoành Sơn, viết về ứng dụng toán học trong một gameshow đang phát trên kênh VTV3. MATHVN xin giới thiệu cùng bạn đọc.
Bai toan dau truong 100
Bai toan dau truong 100 VTV3
Bài báo đã chỉ ra rằng số tiền lớn nhất mà 1 người chơi có thể nhận được trong "Đấu trường 100" là xấp xỉ 63.874.000 đồng.
Nguồn: Tạp chí THTT - NXBGD

Thứ Sáu, 9 tháng 3, 2012

Đồ thị hàm số trong ... động tác thể dục

Bỗng dưng... vào được Facebook và phát hiện một bức tranh khá thú vị đăng trên tường của MathVn (bạn Ớt Cay đăng). Bức tranh có tên tiếng anh là "beautiful dance moves".
Tiêu đề "Đồ thị hàm số trong ... động tác thể dục" là do MathVn đặt. Mời bạn xem tranh...
do thi ham so trong cac dong tac the duc

Thứ Năm, 22 tháng 12, 2011

Toán ứng dụng Việt Nam: Kém phát triển

Ở nước ta hiện nay, vẫn chưa có công trình nghiên cứu toán học nào ứng dụng đáng kể vào kinh tế là một thực trạng rất đau xót - GS.TSKH Lê Tuấn Hoa, chủ tịch hội Toán học Việt Nam, chia sẻ bên lề hội nghị quốc tế về toán học và ứng dụng (ICMA 2011) diễn ra tại đại học Kinh tế – Luật (ĐH Quốc gia TP.HCM) từ ngày 20/12 - 22/12 năm 2011.
Toán ứng dụng Việt Nam: Kém phát triển
GS Lê Tuấn Hoa và GS Efim Zelmanov
Phát biểu tại buổi khai mạc ICMA 2011 sáng 20.12, GS Efim Zelmanov – người nhận giải Field năm 1994 cho biết, toán học là một bộ phận không thể thiếu đối với tiến bộ công nghệ hiện đại. Toán hiện diện khắp nơi từ y, sinh học, tự động hoá, lĩnh vực công nghệ truyền thông… cho đến các mô hình tài chính. Ranh giới giữa toán thuần tuý và công nghệ ngày càng mờ nhạt, nên sự phát triển của một quốc gia như Việt Nam rất cần những người làm toán.

Trong khi đó, những câu hỏi về nhu cầu và tương lai toán học ở Việt Nam, sự phát triển kinh tế xã hội và khoa học công nghệ đòi hỏi bao nhiêu người có chuyên môn về toán, chuyên môn đến mức nào và trong những chuyên ngành gì... vẫn chưa ai trả lời được. Trong một tham luận viết cho hội thảo về đào tạo toán học tại Việt Nam, GS Nguyễn Tiến Dũng đang giảng dạy tại đại học Toulouse – Pháp, cho biết mọi tổ chức và doanh nghiệp lớn đều cần những người có trình độ về toán ở mức sau đại học để tham gia nghiên cứu các vấn đề kỹ thuật, tài chính và chiến lược cho tổ chức, doanh nghiệp đó. Đấy là hướng đi của thế giới trong thế kỷ 21, và cũng là hướng đi của Việt Nam trong những thập kỷ tới nếu Việt Nam muốn đuổi kịp thế giới. Rất tiếc, hiện số người có trình độ toán cao cấp ở Việt Nam còn quá ít, và đóng góp của họ cũng chưa được nhiều, các tổ chức và doanh nghiệp lớn của Việt Nam hầu như vắng bóng họ.

Do vậy, ICMA 2011 được chờ đợi tạo ra một diễn đàn hợp tác cho các nhà toán học và các nhà khoa học trên thế giới đang làm việc trong các lĩnh vực có liên quan đến toán học, trong đó có kinh tế – tài chính. Với sự tham dự của hơn 120 nhà toán học, trong đó trên 80 đại biểu từ nước ngoài và gần 70 báo cáo khoa học về toán và các vấn đề ứng dụng, TS Nguyễn Văn Luân, hiệu trưởng trường đại học Kinh tế – luật hy vọng “hội nghị sẽ thúc đẩy trao đổi giữa các nhà toán học và ứng dụng toán học ở trong và ngoài Việt Nam, đặc biệt trong kinh tế – tài chính và một số lĩnh vực khác trong tương lai”. Tuy nhiên, theo GS Lê Tuấn Hoa, từ những nghiên cứu được báo cáo (ví dụ ở hội nghị này) đến những ứng dụng thực tế nhiều khi có khoảng cách dài. Chờ đón một kết quả hội nghị ra thực tế ngay thì trong toán không thể có được. Nhiều khi bản thân những người nghiên cứu ra lý thuyết đó cũng không biết. Nền toán học Việt Nam những năm vừa qua có những thành tựu rất đáng tự hào, nhưng về tổng thể so với thế giới thì vẫn còn rất yếu. Ông cho biết, cả nước hiện chỉ có khoảng 1.000 tiến sĩ toán. Trong đó, số người thực sự đang làm toán chỉ trên dưới 200. Đó là thực tế khá u ám.

GS Hoa dẫn chứng, riêng tập đoàn Microsoft của Mỹ đã có hơn 1.000 nhà toán học được tuyển dụng từ khắp thế giới; mỗi hội nghị chuyên đề toán ở Hàn Quốc cũng tập hợp hàng trăm nhà toán học. Toán học Hàn Quốc có xuất phát điểm thấp hơn Việt Nam, trong vòng 30 năm qua đã phát triển vượt bậc, và toán học đã đóng góp rất đáng kể cho sự phát triển kinh tế của họ.
Nếu Việt Nam không có sự cải thiện ngành toán, nhất là cách thức dạy và học toán trong nhà trường, chúng ta không những tiếp tục thua kém về khoa học mà khoảng cách kinh tế với các nước sẽ càng xa.
Giáo sư Lê Tuấn Hoa

Bên lề hội nghị ICMA 2011, GS Ngô Việt Trung cho biết, một trong những hạn chế lớn nhất khiến ứng dụng khoa học của Việt Nam khó phát huy là thiếu động lực phát triển. Phần lớn các công ty tư nhân Việt Nam có quy mô quá nhỏ, còn các tập đoàn lớn thường không quan tâm đến hiệu quả. Họ sẵn sàng mua các ứng dụng của nước ngoài chứ không muốn đặt hàng nghiên cứu trong nước. Nghịch lý đó tồn tại trong khắp các lĩnh vực khoa học chứ không riêng toán học. Bên cạnh đó, đội ngũ làm toán cũng yếu. Thật ra, theo GS Trung, người làm toán ứng dụng để giải quyết những vấn đề cụ thể, cần có một tập thể nhiều nhà khoa học chứ không thể chỉ một cá nhân mà làm được. Muốn như thế phải có đầu tư mạnh. Trong điều kiện hiện tại, nếu không có hỗ trợ của Nhà nước thì bản thân các nhà khoa học không tài nào thực hiện được.

MATHVN.COM (Theo Sài Gòn Tiếp Thị Online)

Thứ Bảy, 19 tháng 2, 2011

Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học

“Hai phát hiện vĩ đại nhất của hình học, một là định lý Pythagore, và hai là tỷ lệ vàng – một thứ có thể so sánh là quý như vàng, còn thứ kia có giá trị như một viên ngọc quý” - Kepler

Ф và Bí mật của vẻ đẹp hài hòa
Tỷ lệ vàng khi được áp dụng trong nghệ thuật đều mang đến cho con người 1 cảm giác đẹp hài hòa và dễ chịu một cách khó giải thích. Do đó, nó được giảng trong các môn học như nghệ thuật, kiến trúc, mỹ thuật, trang trí, hội họa, điêu khắc, nhiếp ảnh, vv… như là một quy luật, tương hợp kỳ lạ với óc thẩm mỹ tự nhiên của con người.
Apple vận dụng tỷ lệ vàng trong các thiết kế của mình, ngay cả trang Twitter cũng vận dụng nó, các mẫu logo của các công ty hàng đầu thế giới cũng áp dụng tỉ lệ vàng. Tờ báo mà bạn đang đọc, màn hình vi tính, thẻ tín dụng, toà nhà cao ốc, cánh hoa, lá cây – tất cả mọi thứ đều được tạo lập dựa trên một nguyên tắc, một tỷ lệ, một giá trị cân đối. Dường như Tạo hóa đang tiết lộ với chúng ta về bí mật của bản thiết kế mà Ngài đưa vào trong mỗi phần tử của vũ trụ.
Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 1)
Qua nhiều thế kỷ, cái đẹp tuyệt đối của nghệ thuật và óc thẩm mỹ của loài người chưa bao giờ chệch quá xa khỏi tỷ lệ kỳ bí này.
Vẻ đẹp của cơ thể con người cũng có liên quan tới số Ф. Thương của phép chia chiều cao từ đầu tới chân với khoảng cách từ rốn tới chân ≈ 1.618, thể hiện sự hài hoà cân đối của cơ thể. Chúng ta cũng có thể tìm ra kết quả tương tự trong tỷ lệ của chiều dài cái đầu với khoảng cách từ mắt tới cằm; hay tỷ lệ của khoảng cách từ mũi tới cằm trên khoảng cách từ môi tới cằm. Những tỷ lệ của gương mặt càng tiến gần tới tỷ lệ này thì gương mặt càng hài hoà cân đối. Thậm chí sở thích của chúng ta dường như cũng đã được định sẵn.
Trong một cuộc nghiên cứu nổi tiếng do Gustav Fechner tiến hành năm 1876, trong đó người ta được yêu cầu chọn một hình chữ nhật ưng ý nhất trong số một bộ các hình chữ nhật có kích thước từ một vuông đến gấp đôi. Kết quả là kích thước hình chữ nhật càng gần với hình chữ nhật vàng thì số người lựa chọn càng tăng lên. Ông còn nghiên cứu xa thêm bằng cách đo đạc tỉ lệ của các cửa sổ và cửa ra vào của các ngôi nhà, và phát hiện phần lớn chúng xấp xỉ tỉ lệ vàng. Điều đó cho thấy óc thẩm mỹ đã đưa nhân loại đến gần tỉ lệ vàng mà bản thân họ cũng không biết.
Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 2)
Tỉ lệ các cạnh của hình chữ nhật càng gần Ф thì càng bắt mắt.
Hình chữ nhật có chiều dài / chiều rộng = Ф được gọi là hình chữ nhật vàng
Cả loài người vẫn không thể giải thích được tại sao vô số những thực thể hữu cơ lẫn vô cơ tìm thấy trong tự nhiên lặp đi lặp lại tỷ lệ đặc biệt trên. Nguyên nhân đằng sau con số chi phối sự cân đối hài hoà và vẻ đẹp của toàn thể vũ trụ và nhân loại ấy là gì? Câu hỏi này đã thu hút sự quan tâm đặc biệt của rất nhiều người trong hàng thiên niên kỷ qua, nhưng cho đến ngày nay nó vẫn tiếp tục là một điều bí ẩn.

Ф và các công trình kiến trúc
Tỉ lệ vàng đã được áp dụng trong các kích thước kiến trúc của các công trình nổi tiếng như đền Parthenon Hi Lạp, các kim tự tháp Giza và thậm chí của cả tòa nhà trụ sở Liên hợp quốc tại New York. Một số kiến trúc Việt Nam cũng thể hiện tỉ lệ này.
“Thước tầm” thời xưa của Việt Nam với những số đo xuất phát từ các kích thước của con người cũng tuân thủ quy luật của Tỷ Lệ Vàng. Tỉ lệ giữa “khoảng nằm” và “khoảng đứng” luôn là một số ≈ Ф, mặc dù con số ấy có sai khác đôi chút giữa các phường thợ khác nhau.
Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 3)
“Hình chữ nhật vàng” trong thiết kế đền thờ Parthenon tại Hy Lạp
Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 4)
Tháp CN tại Toronto, Canada là tòa tháp cao nhất thế giới, cũng được thiết kế theo tỉ lệ vàng. Tỉ số giữa tổng chiều cao tháp so với độ cao của đài quan sát là 553,33m : 342m = 1,618 = Ф
Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 5)Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 6)
Kiến trúc tuyệt mỹ của thế giới – Taj Mahal – xây năm 1648, cũng chứa trong nó tỉ lệ vàng
Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 7)
Tháp Rùa, Hà Nội
Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 8)
Một công cụ hay được dùng trong nghiên cứu và ứng dụng Tỉ lệ vàng là chiếc compa Tỉ lệ vàng.
Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 9)
Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 10) Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 11)
Compa tỉ lệ vàng. Ta có ABEC là hình bình hành, nên 
FG/GH=FB/BA= Ф
Một số kiến trúc khác có thiết kế phù hợp với tỉ lệ vàng:
Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 12)Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 13)
Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 14)Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 15)

Ф và Quy tắc phần ba trong nhiếp ảnh
Hằng số Ф chi phối hầu như mọi thiết kế của tự nhiên nói chung và các sinh thể nói riêng, tạo ra vẻ đẹp hài hòa. Tỉ lệ vàng là một khuôn mẫu đã đi vào sách vở và vẫn được giảng dạy cho đến ngày nay, do đó việc người ta áp dụng nó trong nhiếp ảnh là một điều dễ hiểu.
Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 16)
Cách dựng “hình chữ nhật vàng”
Trong nhiếp ảnh, người ta thường nói đến quy tắc phần ba: 1+0,618+1.
Các nhiếp ảnh gia giàu kinh nghiệm đều biết Tỉ lệ vàng trong việc sắp xếp bố cục, và sử dụng chúng nhuần nhuyễn một cách gần như tự động, không phải suy nghĩ. Nhưng trước khi đạt được đến trình độ ấy thì họ thường phải học hỏi và luyện tập nhiều. Dưới đây là một số bức ảnh chụp có sử dụng quy tắc này.
Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 17)
Khi càng đặt nhiều đường “Phi” trùng với các đường nét chính của chủ thể, thì tính hấp dẫn càng cao hơn
Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 18)
Như với thí dụ trên, con mắt của con ngựa được đặt ngay một “giao điểm” của “Phi”.
Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 19)
Một ví dụ khác, với hình trên, cách bố trí điểm “Phi” được đặt ở ngay mắt trái của chủ thể, để tạo chủ điểm hấp dẫn.
Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 20)
Đường chân trời được đặt ngay tại đường “Phi” trên, ngôi nhà thờ, và con đường tạo mối liên kết với nhau
Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 21)Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 22)
Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 23)
Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 24)
Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 25)
Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 26)
Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 27)Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 28)
Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 29)
Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 30)
Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 31)
Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 32)
Tỷ lệ vàng - một phát hiện vĩ đại của hình học - www.MATHVN.com (Ảnh 33)
Để luyện tập cách sử dụng tỉ lệ vàng trong nhiếp ảnh, độc giả có thể truy cập:http://photoinf.com/Golden_Mean/photo-adjuster.html

Lịch sử bí ẩn của Tỉ lệ Thần thánh
Franziskanermönch Luca Pacioli di Borgo San Sepolcro (1445 – 1514) – một giáo viên toán ở Perugia, đã gọi tỉ lệ này là Tỉ lệ Thần thánh (“De Divia Proportione”) và cho ra đời 3 cuốn sách vào năm 1509. Trong cuốn đầu tiên ông chỉ nêu các vấn đề toán học. Trong cuốn thứ hai ông đưa ra một đoạn ngắn về sự liên quan giữa bản viết của một người La Mã là Vitruvius từ thế kỉ 1 trước công nguyên với Kiến trúc, trong đó nói về việc lấy tỉ lệ người như là một khuôn mẫu.
Adolf Zeising (1854) đưa ra mối liên quan giữa tỉ lệ vàng và Nghệ thuật. Ông tin chắc rằng mọi vật thể sống đều tuân theo một qui luật tự nhiên về thẩm mỹ, mà cơ bản ở đây là tuân theo Tỉ lệ vàng. Ông đã tìm kiếm và nhận thấy rằng tỉ lệ vàng có ở khắp mọi nơi. Nghiên cứu của ông đã gây tiếng vang lớn trong dư luận.
Martin Ohm (em trai của George Simon Ohm với định luật Ohm nổi tiếng) từng đưa Tỉ lệ Vàng đưa vào giảng dạy trong một giáo trình toán. Cụm từ sectio aurea (tỉ lệ Thần thánh) cũng được đưa ra trong thời kì này.
Vào những năm đầu thế kỉ 20 xuất hiện một bài viết về quan sát tỉ lệ vàng của một người Rumani tên là Matila Costiescu Ghyka. Ông đã kết hợp giữa lý thuyết của Pacioli và nghiên cứu về thẩm mỹ của Zeising và kết luận Tỉ lệ vàng như là một bí ẩn của vũ trụ, xuất hiện khắp mọi nơi.
Trước đây người ta vẫn cho rằng một người La Mã là Vitruvius sống cách đây gần 2.100 năm đã phát minh ra tỉ lệ vàng. Tuy nhiên Tỉ lệ Vàng đã được tìm thấy trong các kiến trúc cổ xưa hơn nhiều, ví dụ Kim tự tháp Lớn của Ai Cập.
Cho đến ngày nay nhân loại vẫn không biết kiến thức về Tỷ lệ Vàng có từ bao giờ.

Thứ Ba, 5 tháng 10, 2010

Phương trình Roberto Carlos đã được giải

13 năm sau khi hậu vệ trái huyền thoại của bóng đá thế giới Roberto Carlos sút tung lưới Les Bleus, các nhà khoa học người Pháp mới có thể lí giải được cú sút phát hình quả chuối kì lạ đó.
Phuong trinh Roberto Carlos da duoc giai
Cho đến thời điểm hiện tại, pha lập công của Roberto Carlos vào ngày 3/6/1997 tại cúp Tứ hùng vẫn được liệt vào danh sách những bàn thắng kinh điển của bóng đá thế giới. Một cú sút phạt hoàn hảo, bóng đi rất căng theo hình vòng cung khiến Barthez chỉ còn biết đứng im như trời trồng.
Và phải mất 13 năm sau đó, một nhóm khoa học người Pháp mới có thể giải thích được pha ghi bàn hoàn hảo của cựu hậu vệ Real. Thậm chí, họ còn lập riêng ra một công thức toán học lấy tên là “phương trình Carlos”.
 Video siêu phẩm của Roberto Carlos
“Quả bóng đó đã bay theo quỹ đạo quả chuối vượt qua hàng rào một cách một cách hoàn hảo. Nó đã đi đúng theo hướng mà Carlos đã tính toán từ trước bất kể ảnh hưởng của gió”, nhóm khoa học Pháp- Escuela Politécnica cho biết.
“Nó như một sự sắp đặt của số phận. Một cú sút tuyệt vời vượt qua cả nguyên tắc thông thường của trọng lực, nhưng chắc chắn, đó không phải là một cú sút may mắn và Carlos hoàn toàn có thể thực hiện lại nó”.
“Anh ấy đã sút rất mạnh vào phần trên của trái bóng và kéo lê nó 1 khoảng, khi đó bóng sẽ đi theo đường xoắn ốc. Cú sút của Beckham cũng có độ xoáy rất lớn song nó khác hẳn với cú sút của Carlos”.
Để có thể giải thích rõ hơn về cú sút không tưởng của hậu vệ người Brazil, nhóm nhà khoa học này còn dùng súng bắn bảo nước với tốc độ tương đương với cú sút đó (khoảng 110 km/h) để đưa ra câu trả lời chính xác nhất.
Sau khi trở thành nạn nhân của pha sút phạt hàng rào kinh điển đó, thủ thành Barthez cho biết: “Đó là một cú sút không thể tin được, tôi không nghĩ mình có thể chứng kiến nó một lần nữa”.
Trong khi đó, nhân vật chính của pha bóng đó cũng tỏ ra hết sức bất ngờ: “Tôi biết mình đã làm điều gì đó bất thường song không biết chính xác nó là cái gì”.
MathVn.Com (Theo Bongdaso)

Thứ Năm, 30 tháng 9, 2010

Sự đặc biệt của hàm số 1/r

Một trong những hàm đặc biệt nhất của toán học trong không gian 3 chiều (không gian mà chúng ta đang sống trong đó) là hàm số 1/r, có nghĩa là hàm “1 chia cho khoảng cách”. Chữ r ở đây có thể hiểu là “radius”, có nghĩa là bán kính, tính từ một tâm điểm nào đó, hay nói rộng hơn, là khoảng cách giữa hai điểm khác nhau.
Hàm 1/r đặc biệt ở chỗ nào ?
Thứ nhất, nó là hàm thế năng trong định luật vạn vật hấp dẫn của Newton: định luật này nói rằng, hai vật có khối lượng m_1,m_2 và cách nhau một khoảng cách r thì sẽ có lực hút nhau (tác động lên mỗi vật, theo hướng về vật kia) bằng
F = G \frac{m_1m_2}{r^2} trong đó Ghằng số hấp dẫn. Theo lý thuyết cơ học Hamilton, lực này được sinh ra chính bởi một năng lượng, gọi là thế năng, bằng
U = - G \frac{m_1m_2}{r} Như vậy, hàm thế năng trong định luật của Newton (là định luật “khiến cho” trái đất quay quanh mặt trời và mặt trăng quay quanh trái đất) tỷ lệ thuận với các khối lợng của vật, và với hàm 1/r. (Nếu như ta coi mỗi vật đều có khối lượng bằng 1 đơn vị, và hằng số hấp dẫn cũng bằng 1 đơn vị, thì hàm thế năng chính bằng 1/r).
Thế nhưng, tại sao Tạo Hóa lại chọn hàm 1/r là hàm thế năng cho lực hấp dẫn, mà không phải một hàm khác ? Điều này quả là kỳ bí. Nếu giả sử, có một thế giới khác, mà trong đó hàm thế năng này không phải là 1/r, mà là 1/r^{3/2} chẳng hạn, thì “trái đất” trong thế giới đó vẫn cứ quanh quanh mặt trời trong thế giới đó, chứ chẳng phải vì thế mà nó đâm vào mặt trời hay bắn ra ngoài !
Tôi không biết vì sao Tạo Hóa lại chọn như vậy, nhưng thử đưa ra đấy một lý thuyết: hàm 1/r được “chọn” làm hàm thế năng cho lực hấp dẫn, bởi vì nó là một nghệm của phương trình sau:
\Delta u := u_{xx} + u_{yy} + u_{zz} = 0 trong đó u = 1/r = 1/\sqrt{x^2 + y^2 + z^2}, còn  u_{xx} có nghĩa là đạo hàm hai lần của u theo x.
Toán tử \Delta được gọi là toán tử Laplace, phương trình trên được gọi là phương trình Laplace, còn các nghiệm của nó được gọi là các hàm điều hòa (harmonic).
Chú ý là hàm 1/r có kỳ dị tại điểm 0: nó tiến tới vô cùng khi bán kính r tiến tới 0.  Bởi vậy nó chỉ thỏa mãn phương trình \Delta u = 0 ỏ ngoài điểm 0, còn nếu tính cả điểm 0, thì ta được công thưc chính xác hơn như sau:
\Delta (1/r) = - 4 \pi \delta(x,y,z) trong đó \delta(x,y,z)hàm Dirac. Hàm Dirac không phải một hàm số theo nghĩa thông thường, mà là một hàm số theo nghĩa hàm suy rộng (hay là theo nghĩa phân bố của Laurent Schwartz): hình dung là nó có tích phân (hay độ đo) bằng 1, nhưng chỉ tập trung tại mỗi một điểm là điểm 0, và bằng 0 tại mọi điểm khác. Vì tính chất này, nên hàm 1/r, hay nói chính xác hơn, là hàm 1 / (4\pi r),  được gọi là nghiệm cơ bản của phương trình Laplace trong không gian 3 chiều.
Hình dung là ta có một nguồn nhiệt (heat source) duy nhất tại điểm 0 (trong một không gian vô hạn, thuần nhất, bất động) với “cường độ” bằng 4\pi, và giả sử nhiệt độ tại tất cả các điểm khác đã ổn định không tăng lên thêm mà cũng không giảm đi . Khi đó nhiệt độ tại mỗi điểm chính bằng 1/r, trong đó r là khoảng cách từ nguồn nhiệt. Điều đó là bởi vì, phương trình truyền nhiệt (đã chẩn hóa) chính là phương trình
u_t = \Delta u trong đó u hàm nhiệt đột là biến thời gian. Nếu ta coi là nhiệt độ không đổi theo thời gian (trạng thái “steady”) thì ta được phương trình Laplace.
Để giải phương trình Laplace tổng quát hơn (không thuần nhất):
\Delta u = f trong đó f là một hàm bất kỳ trong không gian, ta chỉ cần lấy các nghiệm cơ bản của nó (mỗi nghiệm một cho điểm trong không gian được tính làm điểm nguồn), nhân với hàm f rồi lấy tích phân (trên không gian các điểm nguồn, tức là cũng chính là không gian {\mathbb R}^3 của chúng ta):
u(\bold{x}) = - \frac{1}{4 \pi} \int_{{\mathbb R}^3} \frac{ f  (\bold{y} )}{| \bold{y} - \bold{x}| } d\bold{y} Công thức trên cũng là công thức cho phép chúng ta tính áp suất của một chất lỏng “incompressible” khi biết trờng vận tốc của nó và lực bên ngoài tác động lên nó (để đơn giản, ta giả sử là chất lỏng có thể tích vô hạn). Để tính áp suất, ta có thể dùng phương trình Navier-Stokes incompressible:
\partial v / \partial t + v. \nabla v = - \nabla p + \Delta v + X trong đó v là trường vận tốc thỏa mãn div(v) = 0, X= (X_1,X_2,X_3) là lực tác động từ bên ngoài, và p là  áp  suất. Lấy divergence của phương trình Navier-Stokes phía trên, ta được phương trình Laplace cho p:
\Delta p = f := div (X - v. \nabla v ) và từ đó suy ra p theo công thức phía trên.
Vì các lý do tương tự như trên, mà chúng ta thấy hàm 1/r trong rất nhiều công thức toán lý.
Quay trở lại chuyện lực hấp dẫn. Nếu ta hình hung “trường hấp dẫn” cũng tương tự như là “trường nhiệt độ”, và các vật thể sinh ra các trường hấp dẫn tương tự như là các nguồn nhiệt sinh ra các trường nhiệt độ, với tính chất “điều hòa”, thì điều này có thể lý giải tại sao hàm thế năng hấp dẫn phải là hàm 1/r ?
Các nhà vật lý hiện tại vẫn đang đau đầu về chuyện làm sao kết hợp lực hấp dẫn (hay thế năng hấp dẫn) vào cùng với các lực khác (điện từ, mạnh, yếu …) thành chung một “lý thuyết thống nhất”. Không biết điều này có liên quan gì đến sự đặc biệt của  hàm 1/r không ?
MathVn.Com (Theo zung.zetamu.com)

Bài đăng phổ biến