担当授業のこととか,なんかそういった話題。

主に自分の身の回りのことと担当講義に関する話題。時々,寒いギャグ。

漢字に直すと。

2013-11-30 23:58:41 | Weblog
ドイツ人の名前に
Sommerfeld
というのがあるが、イギリスに
Summerfield
という名の店があった。英語版といったところであろう。
日本語(漢字)ならさしずめ
夏原
だろうか。

FellmannによるEulerの伝記によると、Eulerという姓の語源は「水辺の小さな草原」だという。漢字にすれば
水原
となろう。

Einsteinは一石であるが、そういう苗字が実際にあるかどうかは知らない。
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皆が思ったであろうこと。

2013-11-29 23:50:54 | 爺ネタ
アイソン彗星というのが太陽に大接近していて、肉眼でも観測できるかも、という話だったのだが、太陽に近づき過ぎて大部分が蒸発してしまったようだという。

このニュースを聞いて、ギリシャ神話のイカロスを思い浮かべた人は、僕だけではあるまい。
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冷える。

2013-11-28 23:57:35 | 爺ネタ
天気予報で明日の午前6時の予想気温が0℃であるのを見て,それだけでもうガタガタ震えている。

あくまでも予報なので必ずそうなるわけではないが,夜になってからかなり冷えてきたので,気温が一桁台前半になるだろうことは間違いない。

昼は20℃近くの暖かい気温だったというのに,気温差が20℃近くあるというのはなかなか厳しいものがある。

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コンダクタンスというアイデア。

2013-11-27 22:14:05 | physics
抵抗 R の両端の電位差 E と,抵抗を流れる電流 I の間には Ohm の法則

E=RI

が成立することが実験的に確立されているが,ここで,電流の流れにくさの指標である抵抗 R の逆数 1/R は流れやすさの目安を表すと考え,それをコンダクタンスと呼ぶ。

それを使うと,Ohm の法則は

I=(1/R)E

という関係式に書き換えられる。つまり,コンダクタンスは電流が電圧に比例するとみなした時の比例係数を与える。

これら二通りの Ohm の法則を状況に応じてうまく使い分けると,直列抵抗や並列抵抗の合成抵抗の値を容易に求めることができる。

【直列】

二つの抵抗 R,r が直列につながれているとき,それらの抵抗を流れる電流 I は共通であり,回路の両端の電圧はそれぞれの抵抗の両端の電圧の和に等しいことから

E=RI+rI=(R+r)I

となる。このとき I の係数 R+r が合成抵抗値に他ならない。

【並列】

二つの抵抗 R, r が並列につながれているとき,それらの抵抗の両端にかかる電圧 E は共通であり,回路を出入りする電流はそれぞれの抵抗を流れる電流の和に等しいことから

I=(1/R)E+(1/r)E=(1/R+1/r)E

となる。E の係数 1/R+1/r が合成抵抗のコンダクタンスに他ならないので,合成抵抗の値はその逆数 1/(1/R+1/r) である。なお,回路理論においてはこの値を R//r だか R||r のように簡便に書き表すことがあるようだ。


同じ考え方を線形な応答をするバネに応用してみよう。バネが Hooke の法則に従うとき,バネの一端に加えられた力 F(もちろん,他端には F と逆向きで大きさの等しい力がかかっているものとする)とバネの自然長からの伸び x の間には

F=-kx

という関係が成り立つというのが Hooke の法則である。この式において,バネ定数 k は「バネの伸びにくさ」を表す指標だと解釈される。この見方は,この関係式を

x=-(1/k)F

と書き換えると理解しやすいだろう。バネ定数 k が大きければ 1/k は小さいので同じ力 F を加えてもバネの伸び (1/k)F は小さくなる。逆に k が小さければ 1/k は大きく,したがってバネの伸びは大きくなる。こう考えると,バネ定数 k の逆数 1/k はバネの伸びやすさを表し,その逆数である k 自身は伸びにくさに対応することがわかる。

さて,バネ定数 k と K のバネを直列につないだ場合,力と弾性力が釣り合っている状態では二つのバネにかかる力 F は共通であり,伸び x は二つのバネそれぞれの伸びの和になるので,

x=-(1/k)F-(1/K)F=-(1/k+1/K)F

となり,直列にしたバネの伸びやすさは 1/k+1/K,つまりバネの伸びにくさであるバネ定数は 1/(1/k+1/K) となる。

他方,これらのバネを並列につないだ場合は伸び x が共通であり,それぞれのバネが発揮している弾性力の和が外力 F に等しいから,

F=-kx-Kx=-(k+K)x

が成り立つ。ゆえに並列につないだバネのバネ定数は k+K であることがわかる。


電気回路における合成抵抗の公式と,力学の理論における線形バネの合成の公式とはちょうど直列の場合と並列の場合が入れ替わっているが,

E ←→ x
I ←→ F

という対応付けをすればバネ定数は電気回路におけるコンダクタンスの役割を果たしているという解釈ができる。

ただ,思うに,外力として我々がコントロールしやすいのは

電気回路ならば電圧 E,
バネならば外力 F

のような気がするので,E←→F という対応の方がなんとなくすっきりする気がするのだが,残念ながらそうはなっていない。
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黒いの,いた。

2013-11-26 21:09:15 | Weblog
とある建物の中で見かけた黒い猫は,今日も定位置にいた。

とてもくつろいだ様子で,くってり寝ていた。思わず手を伸ばして撫でてしまった。実に柔らかく,優しい手触りであった。

これはもう毎日そこで寝ていることは確定したといってよいだろう。
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春の嵐のような。

2013-11-25 23:57:29 | 爺ネタ
今日の午後は荒れた空模様になった。湿った温かい風が吹き荒れ、傘の骨が煽られて折れ曲がってしまった。
春先のような嵐であった。
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掃き出し法はローテクである。

2013-11-24 23:48:04 | mathematics
連立1次方程式の解法として中学時代に教わるのは代入法と加減法という2つの消去法である。複数ある未知数のどれか一つを消去し,未知数が一つ少ない連立方程式を得て,それらからさらに一つ未知数を消去する,という操作を繰り返し,最終的には未知数が一つの,直ちに解ける1次方程式へと問題を同値変形していく手法である。

中学校で習う加減法は2つの方程式をそれぞれ何倍かしたもの同士を足したり引いたりする操作を許すが,主に大学で習う掃出し法で許される基本変形(基本操作)はそれに比べると「ローテク」であり,対応する操作は「ある行に,他の行の何倍かを足し合わせる」というものに限られる。

しかも,分数を避けるため,割り算をなるべく用いないようにという余計な制約をつけると,割り算以外の演算,つまり足す・引く・掛けるの組み合わせで割り算の代用をすることになり,いささか冗長かつ見通しの悪い計算が要求されることがある。また,どの行からどの行を引くのかといった引き算の順序を正しく把握していないと計算結果がおかしくなるが,暗算でその計算を処理することが苦手な人がいる。

というわけで,掃き出し法を学ぶとなぜかそれまで苦も無く解いていた2元連立1次方程式ですらまともに解けなくなる者が現れる。したがって,掃き出し法を身に付けさせるのは案外至難の業だと思われる。もっとも,分数の計算さえ厭わなければ非常に見通しの良い式変形が可能なのだが,手計算で分数の足し算・引き算を多くこなすのは困難なので,それはそれで難しいと思われる。

ところで,基本変形としてよく挙げられるのは

(1) ある行を何倍かする;
(2) ある行に他の行の何倍かを加える;
(3) ある行と他の行を入れ替える

の3種類であるが,(3) の操作は (1) と (2) の組み合わせで実現されることが知られている。また,この基本変形は結局のところ(拡大係数)行列の行ベクトルの1次結合を生み出す操作に他ならないので,ベクトルに関する基本演算である

(a) ある行を何倍かする(スカラー乗法);
(b) ある行に他の行を加える(加法)

の2つで代用が可能である。ただ,これは先に挙げた (1),(2),(3) のセットに比べるとより一層ローテク度が増している。実際,操作 (2) は,操作 (a),(b) を

(a) 第 j 行を r 倍する;
(b) 第 i 行に(r 倍された)第 j 行を加える;
(a) 第 j 行を 1/r 倍する

のように組み合わせた複合技でもってようやく実現されることになる。第 j 行のデータをリセットしてデフォルトの状態に戻すという手間が余分にかかってしまう。

とはいえ,分数の使用を最初から認めればこの (a) と (b) のセットで十分である。

ちなみに,代入に対応する基本変形は何だろうかと最近ようやく気になったのだが,実は次のように考えると,それは加減法の一種だとみなせるのである。

2x+3y=1

に,x=-4 を代入すると,

2(-4)+3y=1

を経て 3y=1-(-8)=9 と変形できるが,これは x=-4 の両辺を2倍した 2x=-8 を 2x+3y=1 から引いて得られる式でもある。つまり,

2x+3y=1
x=-4

において,第1式から,第2式の2倍を引くことが,第1式の x に第2式の右辺の値を代入し,その結果新たに現れる定数項を右辺に移項するところまでの操作に相当するわけである。

何ということはない話であるが,これでようやく中学校で習ったテクニックと基本変形という大学で習ったテクニックとのつながりがはっきりした気がして,自分としては理解が深まったように思う。

なお,基本変形 (1),(2),(3) を用いた場合,n元連立1次方程式は多くとも何回基本変形を施せば解けるのかという演算回数の見積もりは次のようになる。

まず (1,1) 成分を要として第1列を掃き出すためには,

<場合その壱>

(1,1) 成分が 0 でないならば,(1,1) 成分で第1行を割り,その結果をそれぞれ何倍かしたものを残りの (n-1) 行から引いて第 1 列を掃き出す必要がある。これは操作 (1) を1回,操作 (2) を (n-1) 回,つまり基本変形を合計 n 回要する。

<場合その弐>

(1,1) 成分,(2,1) 成分,・・・,(i-1,1) 成分がすべて 0 で,(i,1) 成分は 0 でないとき,第1行と第i行を入れ替え,

(必要があればそうして入れ替えた後の)第 1 行を (1,1) 成分の値で割り,

(必要があればそうして割った後の)第 1 行を何倍かし,それを他の行から引くことで,その第 1 列の成分を 0 にする

という操作が必要であるが,少なくとも元の第 1 行の先頭の数値は 0 であるから,その行から引く操作は不要である。

したがって,多くとも

操作 (3) が 1 回,
操作 (1) が 1 回,
操作 (2) が (n-2) 回

となり,第 1 列を掃き出すのに合計でやはり高々 n 回の基本変形を要することになる。

第 1 列を掃き出した後には未知数が (n-1) 個の連立方程式が得られるから,第 2 列は多くとも (n-1) 回の基本変形で掃き出しが完了する。

この操作は,操作後の方程式が1つになるまで続けなければならないから,高々

n+(n-1)+...+2=(n-1)(n+2)/2 回

の操作が必要になる。

そして,必要ならば最後に得られた未知数が1つの方程式の両辺をその係数で割るという操作 (1) が必要になる。その結果得られた値を,他の (n-1) 個の方程式に代入してその未知数を消去しなければならない。

そうすると,もう1つの未知数の値が確定するので,それを残りの (n-2) 個の方程式に代入して未知数を消去しなければならない。

これらの代入操作は,操作 (1) を 1 回と,操作 (2) を合計

(n-1)+(n-2)+・・・+1=n(n-1)/2 回

必要とするので,最終的に,高々

(n-1)(n+2)/2+1+n(n-1)/2=n2

の基本変形が必要になることになりそうである。

なお,この公式を n=2 のときに当てはめてみると,最悪でも 4 回の基本変形で問題が解けるという見積もりになる。また,未知数が3つのときは 9 回の基本変形を施せば必ず答えに到達できるはずということになる。

掃き出し法で連立方程式を解くという課題に取り組む際には,このような見積もりを念頭においておくとやりやすいかもしれない。
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そんな季節がやって来た。

2013-11-23 23:52:02 | 
久しぶりに、もぐちゃんを僕の胸元に飛びつかせることに成功した。そのまま抱きかかえたのち、そっと降ろしてやろうとした時のこと、お腹をつかんでいた手を離すそうとしたら、パチっと刺激を受けた。

静電気に悩まされる日々が到来してしまった。
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ときどきわからなくなる。

2013-11-22 23:56:48 | 食べ物,アニメ,資格試験・検定,株
「ミカサ」と「ミサカ」が、時々どっちがどっちかわからなくなる。

いつも不幸だー、とため息をついている説教が得意な、科学都市に住まうゼロの男子高校生に誤って召喚され、鬼神のごとき強さを発揮してその男子高校生を変な顔の巨人たちから身を呈して守る、そんなレベル5の口癖が「ミカサはミカサは・・・と○○してみたり」な電磁砲がミカサでよかったんだっけ?

とにかくどっちも異常に強い一途な女の子のキャラクターの名前だってことはわかってるんだけど。
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伝記が読みたい気分。

2013-11-21 23:57:32 | Weblog
読書の秋。

最近、久々に本を読みたい気分なのだが、読みたい本のジャンルは著名な科学者の伝記である。つい夢中になって何冊も借りてしまったが、そんなに読めるわけではないから、ターゲットを絞らないといけない。

うーん、どれにしようか…。全然決まらない…。
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