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雨中的因材施教

2014/06/10 | | 標籤:

孔子強調因材施教,根據不同學生的特質,告訴他們不同的答案,才是最理想的老師。這道理,之前的那位教導徒弟該如何撐傘的大和尚也懂。

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Photo Credit:Kalexanderson

走了半天,大和尚一行人總算來到個小聚落,聚落裡的人生活很清苦,沒什麼能佈施給他們的,大和尚跟徒弟在聚落裡的祠堂睡了一晚,隔天一早即動身前往下一個村落。雖然肚子還很餓,但至少天氣放晴了,大雨清洗過的草原,翠意盎然,光是看著,就令人比昨天更精神抖擻。然而好景不常,才離開祠堂沒一刻鐘,烏雲彷彿像發現自己睡過頭了,迅速從後方趕上,稀哩嘩啦地又是一陣大雨。更糟糕的是,揹行囊的胖徒弟出發時看到天氣好,不小心將傘留在祠堂裡。大和尚一行人躲在路旁的草棚底下避雨,討論該怎麼辦。

「我比較瘦,跑得比較快,不如師父跟大家在這裡等著,我回去拿傘。」

一位體態單薄的瘦徒弟自告奮勇,大和尚擔心他感冒,但也想不到別的方法,只好目測一下他的身形,再看看棚子外的雨勢,掐指算了算。大夥兒送瘦徒弟出發時,最機靈的小徒弟聽見大和尚對瘦徒弟說

「你現在回去,雨會從你身後打來。要是雨勢斜到……度,你就全力衝刺,不然,以……的速度走慢一點,比較不會淋濕。」

雨聲蓋住了大和尚的話,小徒弟聽得不是很清楚。過了半响,瘦徒弟還沒回來,坐成一圈的大夥兒開始擔心起他會不會迷路。胖徒弟霍地站了起來

「我去找他好了。」

「你?不要好了,你那麼胖,跑不快,表面積又大,會淋到特別多的雨,等等感冒了。」

「傘是我保管的,本來就該我去找回來才是。」

現在才想到,誰叫你早上只顧著吃。小徒弟心裡嘀咕著,但同門師兄弟一場,不好意思說出來。

「好吧,那就麻煩你走一遭,看看他到底去哪裡了。」

大和尚又掐指計算了一會兒,接著說

「你隨時注意雨勢,根據雨打下來的角度,調整你的最佳速度為……。」

大和尚用手杖在地上寫了一道複雜的式子,胖徒弟把式子抄在手上,作勢吞掉。

那是上台前寫「人」避免緊張的吧。

小徒弟又想吐草他,等到胖徒弟跑出去後,他才問大和尚

「師父,同樣都是在雨天裡奔跑,為什麼你給了一道最佳速率的式子給胖師兄,但告訴瘦師兄的卻是『要嘛全力跑,不然慢慢跑』呢?」

「因材施教,他們倆個嘛,身材不同。」

大和尚露出微笑,他回答

「在雨中行走,我們常以為全力奔跑,降低在雨中停留的時間,可以淋到最少的雨。但事實上,跑得越快,雨勢相對會變得更水平,身體受雨的面積因此增加,臉上、胸膛,都會被雨淋到。因為『被淋到的雨』同時跟『雨中停留時間』和『身體受雨面積』都成正比,最小化前者,卻大幅增加了後者,反而不一定是最佳結果。」

大和尚又拿起手杖,在濕掉的泥土地上畫了個圖形。

因材施教

 

「瘦徒兒的身高h,身寬w,他的側面可以用一個長方形來近似。假設雨勢跟水平夾角是φ,瘦徒兒奔跑的速度是vr,那麼,單位時間內,長方形的高所受到的雨勢是:h∙(vr -u∙cosϕ)/vr

長方形的寬被雨淋到的量則是:(w∙u∙sinϕ)/vr

兩個相加,整理後得到:h+u(w∙sinϕ-h∙cosϕ)/vr

從這個式子裡可以看到,要是 w∙sinϕ-h∙cosϕ>0,表示第二項是正的,這時候提升vr跑越快越好,因為第二項會減少。但要是 ,則跑太快,反而第二項負的會變小,表示會淋到更多雨。這時 w∙sinϕ-h∙cosϕ<0,最佳策略就是『像風一樣』,保持同等於雨勢水平分量的奔跑速度,抵銷雨的水平速度。這麼一來,只有頭頂、肩膀、以瘦徒兒的高鼻子會濕。這麼一說,他倒是很像那個香港藝人,唱〈風一樣的男子〉的……」

大和尚自己傻笑了起來。

      

       小徒弟不理師父無聊的笑點,蹲下來低頭鑽研泥土上的畫。除了長方形之外,師父還畫了另一個橢圓形的人,那應該就是胖師兄吧,可是,這兩者之間有甚麼差異呢?站著的大和尚回答,一句句解釋從小徒弟頭上落下來

「橢圓形的胖徒弟,就算雨是垂直的,他的胸口跟鮪魚肚都還是會被淋濕噢。」

「原來是近似於身體的幾何圖形不同啊…」

「是啊,假設胖徒兒的身材是一個橢圓形,用方程式表示為:x2/a2 +y2/c2 =1

其他的計算方式就差不多,一樣算出他的表面積在不同奔跑速度影響下,被雨淋到的份量,再利用微分取極值。可以得到:ve=u∙cosϕ+(a/c) 2∙tanϕ∙u∙sinϕ 這樣的結果。有趣的是啊……」

大和尚講得興起,不管在一旁開始推導的小徒弟,或早就被催眠到睡著的其他徒兒,自顧自地說下去

「這式子告訴我們,要是胖徒兒的肚子越大,個頭越小,得就得跑得更快。這難道是上天對體型的歧視嗎……」

過了大半刻,好不容易雨停了,胖徒弟跟瘦徒弟才一起回來。當他們的身影同時出現在草棚前時,還在算微分的小徒弟抬頭一看,背對陽光的他們,看起來就像是一個10。學過二進位的小徒弟想,果然是2個人啊。

 

參考文獻

D. Kalman and B. Torrence,“Keeping dry: The mathematics of running in the rain,” Mathematics Magazine, pp. 266-277, Oct. 2009

註:更多賴以威的數學故事,請參考《超展開數學教室》。

關於作者

賴 以威

賴以威

數學作家、譯者,作品散見於聯合報、未來少年、國語日報,與各家網路媒體。師大附中,台大電機畢業。 我深信數學大師約翰·馮·諾伊曼的名言「If people do not believe that mathematics is simple, it is only because they do not realize how complicated life is」。為了讓各位跟我一樣相信這句話,我們得先從數學有多簡單來說起,聊聊數學,也用數學說故事。 歡迎加入我與太太廖珮妤一起創辦的: 數感實驗室