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数学 · 从不完整的信息中选择数学模型

模型在数据范围外还成立吗

模型和表格完全吻合,却预测出蜡烛长度是负数。

模型是用某一段范围内的数据建立的,超出这段范围就可能失效。相信一个预测之前,先检查它的数值是否可能,以及它离数据有多远。

这一课属于不完整信息下选择模型。它把说明模型的局限并改进模型的最后一步讲得更细。

相信预测之前要检查什么?

按顺序问三个问题。

  1. 预测出来的数值在现实中可能吗?
  2. 在这个输入值上,规则还成立吗?
  3. 这个输入值离我用的数据有多远?

前两个问题只要有一个答“不”,或者第三个问题的间隔很大,这个预测就要加一句警告。

例子:一支燃烧的蜡烛

一支蜡烛点燃时长20 cm。每隔一小时量一次长度L(cm)。

t(小时) 1 2 3 4
L(cm) 18 16 14 12

建立模型。 每小时缩短2 cm,所以L = 20 − 2t。核对:t = 3时,20 − 6 = 14,和表格一致。

预测t = 12。 L = 20 − 24 = −4 cm。蜡烛的长度不可能是负数,所以这个预测没有通过第一个问题。

找出界限。 蜡烛烧完时L = 0,即20 − 2t = 0,得t = 10。模型适用于0 ≤ t ≤ 10。

写出说明。 模型适用于0 ≤ t ≤ 10。到t = 12时蜡烛早已烧完,实际长度是0 cm。

数据只记录到第4小时,所以预测第8小时的长度,要靠“燃烧速度不变”这个假设。

会丢分的错误

最常见的失误,是直接写L = −4,不加任何说明。算式没有错,但答案在现实中不可能。

步骤 错误做法 正确做法
计算 L = 20 − 2(12) = −4 L = −4,这是不可能的
检查 没有检查 长度不能是负数
结论 长度是 −4 cm 到t = 10蜡烛已烧完,所以L = 0
范围 没有写 0 ≤ t ≤ 10

只要看一眼答案的正负号,就能发现这个错误。

自我检测

水箱开始时有10升水,每分钟注入5升,所以V = 10 + 5t。水箱容量是60升。适用范围是什么?t = 12时会发生什么?

答案

水箱装满时10 + 5t = 60,所以5t = 50,t = 10。模型适用于0 ≤ t ≤ 10。

t = 12时模型给出V = 10 + 60 = 70升,超过了容量。实际水量是60升,多出来的水会溢出。

接下来学什么?

继续读题目没有说明假设时的两种合理模型。想用图像来比较模型和数据,可以试试图像证据比较实验室 (英文)。

综合练习把四种技巧混在一起。如果想让老师陪你练习范围检查,可以了解线上一对一数学补习。

常见问题

什么是外推?

外推就是用模型去预测数据范围之外的情况。它比范围内的预测风险更大,因为超出量度范围后,规律可能已经改变。

怎样看出一个预测不可能?

拿它对照实际情境。长度不能是负数,水箱装不下超过容量的水,人数也不能是小数。数值违反这些常识,就说明模型已超出范围。

要不要把适用范围和模型一起写出来?

要。写出范围,例如0 ≤ t ≤ 10,读的人就知道模型在哪里可以信任。读的人也不用再猜。

在数据范围内的预测一定可靠吗?

比较安全,但不是绝对。实际数值有小误差,所以把预测当作估计值,并合理地取近似值。

如果你的预测常常算出不可能的数值,到最后才发现,一对一数学课可以让老师用你自己的题目,把范围检查变成你的习惯。

  • 为孩子安排线上一对一课程,由经验丰富的老师授课。
  • 第一堂是一小时试听课,RM50 起。学费在预约前就先谈好。
  • 对老师满意就继续上课,每堂约 1.5 小时;不满意可以要求换老师。