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令人著迷的孤獨質數──《數學大觀念》

貓頭鷹出版社_96
・2017/05/01 ・5374字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 496 ・六年級

  • 【科科愛看書】無論何時,只要想到數學就一個頭兩個大?那你肯定還沒看過《數學大觀念:從數字到微積分,全面理解數學的 12 大觀念》!此書從簡單加減到高深微積分,用嶄新的視角連結密碼般的數字和真實人生,循序漸進去探索數學的規律和其中令人讚嘆的美好。讓我們一起將數學砍掉重練,邁向數學偉大的航道吧!

質數?合數?傻傻分不清楚

每一個正整數都能表示若干個 2 的次方之和,而且這個表示法是唯一的。在某種意義上,你可以說 2 的各個次方就像是磚塊,在加法的過程中逐漸砌成正數。在本文中,我們會看到質數也扮演著類似的角色,但這次是利用乘法:每一個正數都可以用唯一的一組質數乘積表示。然而,2 的次方很容易就能找出來,而且沒有什麼數學上的驚喜;反之質數卻棘手得多,而且我們對質數還有很多不了解的地方。

質數是恰好有兩個正因數的正整數,這兩個正因數就是 1 和該數本身。下面列出最初的幾個質數:2、3、5、7、11、13、17、19、23、29、31、37、41、43、47、53、⋯

1 這個數字並不被當作質數,因為它只有一個因數,也就是 1。(其實 1 之所以不被認為是質數還有一個更重要的原因,這點我們很快就會提到。)

請注意,2 是質數中唯一的偶數,有些人可能會因此說它是所有質數中最怪的!

2 是質數中唯一的偶數,有些人可能會因此說它是所有質數中最奇怪的!圖/Hiné Mizushima @Flickr

擁有三個或更多因數的正整數稱作合數,因為這些數字可由其他更小的因數合成。合數依序有:4、6、8、9、10、12、14、15、16、18、20、21、22、24、25、26、27、28、30、⋯。舉例來說,4 這個數字剛好有三個因數:1、2 和 4。6 則有四個因數:1、2、3 和 6。

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請注意,1 也不是合數,數學家將 1 這個數字稱作單位,它是所有整數的因數。

每一個合數都可以表示為若干個質數的乘積。要將 120 分解至只剩下質數,我們可能會寫先下 120=6×20,而 6 和 20 雖然都是合數,但它們都可以被分解成質數,也就是 6=2×3 以及 20=2×2×5。因此,120 = 2 × 2 × 2 × 3 × 5 = 233151

有趣的是,無論我們一開始用什麼方式分解此數,最後得到的質因數分解都是一樣的。這就是唯一分解定理,也稱作算術基本定理,它聲稱每個大於 1 的數字都有一組唯一的質因數分解法。

順帶一提,1 不算是質數的真正原因是:如果我們說他是一個質數,這個定理就無法成立。舉例來說,12 可以分解成2×2×3,但也可以說是 1×1×2×2×3,這樣的話,質因數分解就不會是唯一的了。

如果 1 是質數,那麼唯一分解定理就不能成立了。圖/Hiné Mizushima @Flickr

愛它,就要知道如何分解它

一旦你知道如何分解一個數字,其實就已經相當了解這個數字了。當我還小的時候,我最喜歡的數字是 9,但隨著我漸漸長大,我喜歡的數字開始變大,甚至更複雜。(比方說,π = 3.14159 …, φ = 1.618 …,e = 2.71828 …,還有,i,這個數字沒有辦法用小數表示)在我開始對無理數進行實驗之前,有一陣子我最喜歡的數字是 2520,因為在那些可以「被一到十都整除」的數目中,這是最小的一個。2520 的質因數分解如下:2520 = 23325171

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一旦你知道某數質因數分解的結果,你就可以立刻確定該數有多少個正因數。舉例來說,2520 的因數一定會是 2a3b5c7d,其中 a 可以是 0、1、2 或 3(四種選擇),b 可以是 0、1 或 2(三種選擇),c 可以是 0 或 1(兩種選擇),d 可以是 0 或 1(兩種選擇)。因此藉由乘法規則,2520 總共有 4×3×2×2=48 個正因數。

算術基本定理的證明利用了下列關於質數的事實(任何一本數論教科書都會在第一章證明這點):

若 p 是一個質數,且 p 能整除兩個或更多個數字的乘積,那麼在組成這個乘積的各個數字中,p 肯定是其中至少一項的因數。

舉例來說:999,999=333×3003 是 11 的倍數,所以 11 一定能整除 333 或 3003。(事實上,3003=11×273。)這個特性對合數來說就不是每次都能成立了,比方說 60=6×10 是 4 的倍數,但是 4 並無法整除 6 或是 10。

要證明唯一的分解定理,我們先反過來假設有些數字質因數分解的結果不只一組。如果 N 是擁有兩組不同的質因數分解的數字中最小的那一個,表示為:p1p2…pr = N = q1q2…qs

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其中所有的 pi 和 qj 項都是質數。因為 N 一定是質數 p1 的倍數,所以 p1 一定是其中一個 qj 項的因數。為了讓標記簡單一些,我們就說 p1 整除 q1 好了。因此,由於 q1 是質數,所以我們一定會得到 q1=p1。所以如果我們將上述等式都除以 p1,就會得到:P2…Pr=N/P1=q2…ps

但現在 N/P1 質因數分解也有兩個不同的結果了,這跟我們之前假設的「N是這種數目中的最小的一個」有所牴觸。

要是在火星,一切將不同

順帶一提,在某些數系中,並非所有數都有唯一的因數分解法。

舉例來說,在火星上,由於所有的火星人都有兩個頭,所以他們在生活中只會用偶數:2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28、30、……

在火星人的數系中,像 6 或 10 這樣的數目會被視為質數,因為在因數分解後,這些數目無法由更小的若干個偶數組成。在這個系統中,質數和合數單純地交替出現,每一個 4 的倍數都是合數(因為 4k=2×2k),而其他的所有偶數(像是 6、10、14、18 等等)都是質數,因為這些數不能被分解成兩個更小的偶數。

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讓我們來想想 180 這個數目:6×30 = 180 = 10×18

在火星人的數系中,180 可以被分解成兩種不同的質因數組合,所以在這顆星球的數系中,質因數分解的結果並非獨一無二。

圖/《數學大觀念

質數會不會消失?

1 到 100 之間恰好有 25 個質數,下一百個數中有 21 個質數,再下一百個數中則有 16 個質數。隨著數字愈來愈大,質數也愈來愈稀有。(但並沒有遵循任何可預測的方式,比如說三百到四百之間有 16 個質數,但四百到五百之間的質數有 17 個。)到了一百萬和一百萬零一百之間的時候,就只有 6 個質數了。質數會愈來愈稀有是很合理的,因為一個大樹底下的數字非常多,所以含有因數的可能性也更高。

我們可以證明一串不含任何質數的 100 個相連數字的確存在,甚至有些完全沒有出現質數的相連數字長達 1000 或 100,0000 個(看你想要多長都可以)。為了說服你接受這個事實,接下來我要立刻給你看 99 個相連的合數(雖然這並非由我首創)。研究一下這 99 個相連的數字:100! + 2, 100! + 3, 100! + 4, . . . , 100! + 100

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由於 100!=100×99×98×…×3×2×1,所以這個數一定能被 2 到 100 之間的所有數字整除。接下來想想 100!+53 這樣的數字,由於 53 能整除 100!,所以必定也能整除 100!+53。這個論述可以證明凡是 2 ≤ k ≤ 100,則 100!+k 一定會是 k  的倍數,所以這一定會是合數。

請注意,我們的論述並沒有提到 100!+1 是否為質數,但我們也可以證明這一點。有一個美麗的定理叫做威爾遜定理,它說若且唯若 n 是一個質數,則 (n− 1)!+1 是 n 的倍數。

用幾個較小的數目來實驗看看:1!+1=2 是 2 的倍數;2!+1=3 是 3 的倍數;3!+1=7「不是」4 的倍數;4!+1=25 是 5 的倍數;5!+1=121「不是」6 的倍數;6!+1=721 是 7 的倍數;以此類推。由於 101 是質數,而沃里斯定理表示 100!+1 會是 101 的倍數,所以該數就是合數。因此 100! 到 100!+100 包含了 101 個相連的合數。

連續 101 個相連的合數!圖/Tom Simpson @Flickr

因為在極大的數字中質數會變得愈來愈稀少,所以大家自然會好奇是不是在某一數之後就完全不會有質數了。不過就如同歐幾里德在兩千年前告訴我們的,這並不會發生。但可不要就這麼接受他說的話了,好好享受自己證明這點的樂趣吧。

定理:質數有無限多個。

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證明:反過來假設質數的數量有上限,那麼一定有一個最大的質數,這裡我們用 P 來表示。現在來看看 P!+1 這個數字,由於 P! 能夠被 2 到 P 之間的所有數字整除,就表示這些數字中沒有一個能整除 P!+1,所以 P!+1 一定有一個大於 P 的質因數,而這跟原本假設的「P是最大的質數」有所牴觸。

雖然我們永遠不會找到最大的質數,但這並沒有阻止數學家和電算科學家繼續尋找更大的質數。在我撰寫這本書的當下,目前已知的最大質數有 17,425,170 位數。光是要寫下這個數字就要花掉比本書多上大約一百倍的紙張,不過,我們也可以只寫成一行:257,885,161 − 1

要得知 2n−1 或 2n+1 是不是質數,我們有個非常管用的方式,這是為什麼此數可以用如此簡單的方式表達出來。

到底是不是質數?費馬為你驗真身

偉大的數學家費馬曾經證明:如果 p 是奇質數,那麼 2p−1−1肯定是 p 的倍數。

用最小的幾個奇質數試試看吧:對質數 3、5、7、11 來說,我們能看到 22−1=3 是 3 的倍數;24−1=15 是 5 的倍數;26−1=63 是 7 的倍數;且 210−1=1023 是 11 的倍數。

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至於合數,顯然當 n 是偶數的時候,2n-1−1 一定是奇數,所以此數不可能是 n 的倍數。接著拿最小的幾個奇合數來試試看:9、15、21,我們會看到 28−1=255 不是 9 的倍數;214−1=16,383 不是 15 的倍數;220−1=1,048,575 也不是 21 的倍數(甚至不是 3 的倍數)。

因此根據費馬定理,如果有一個很大的數目 N,使得 2N-1−1 不是 N 的倍數,那麼我們也可以百分之百確定 N 不是質數,就算不知道 N 的因數為何也無妨!

然而費馬定理的逆論述並不正確,因為的確有某些合數(稱做擬質數)表現得像質數一樣。最小的例子是 341=11×31,具有 2340−1 為 341 的倍數這個特性。雖然已經有人證明擬質數的存在非常稀有,但是仍然有無限多個,好在有方法可以排除它們。

令人著迷的完美數字

質數能運用在許多地方,尤其是電算科學。質數是幾乎所有加密演算法的核心,包括為了能在網路上安全地作金融交易而產生的「公開金鑰密碼系統」。這些演算法多數都是基於一個事實:對我們來說能迅速判斷出某數是否為質數,但截至目前為止,並無法迅速地完成某個大數的因數分解。

舉例來說,如果我隨機相乘兩個 1000 位數的質數並得到一個 2000 位數的答案,任何人或是電腦(除非某天有人打造出了一台量子電腦)能算出原來那兩個質數的機率都微乎其微。基於我們沒有能力分解大數而產生出來的這些密碼(像是 RSA 加密演算法),一般相信是相當安全的。

世人已經為質數著迷了數千年,古希臘人曾說,當一個數字等同於該數所有真因數(除了該數本身以外的各個因數)之和的時候,它就是一個完美的數字(正式名稱為「完全數」)。舉例來說,6 是一個完全數,因為它的真因數 1、2 和 3 的總和是 6。

6 是一個完全數,因為它的真因數 1、2 和 3 的總和是 6!圖/Robin @Flickr

下一個完全數是 28,它的真因數 1、2、4、7 和 14 總和為 28。再接下去的兩個完全數是 496 和 8128,這有任何規律嗎?讓我們看看這些數字質因數分解的結果:

6 = 2× 3
28 = 4 × 7
496 = 16 × 31
8128 = 64 × 127

你看出其中的規律了嗎?第一個數都是 2 的次方,第二個數都是第一數的兩倍再減 1 的結果,而且是個質數。(這就是為什麼上述等式中沒有 8×15 或是 32×63,因為 15 和 63 都不是質數。)我們可以將這個規律歸納成下面這個定理:

定理:若 2n−1 是一個質數,則 2n-1×(2n−1) 就是一個完全數。

證明:令 p=2n−1 為質數,而我們的目標是要證明2n-1p 是完全數。

2n-1p 的真因數為何?如果排除因數 p,剩下的因數就是簡單的 1、2、4、8、…、2n-1,其總和就是 2n-1=p。其他的真因數(不包括2n-1p)則包括因數 p,所以這些因數之和就是 p(1+2+4+8+…+2n−2)=p(2n−1−1)。因此,真因數的總和會是 p + p(2n-1−1) = p(1 + (2n-1−1)) = 2n-1p 正是待證的結果。

偉大的數學家歐拉(1707 ∼ 1783)證明了所有的完全數都遵循這個形式。在我撰寫這本書的當下,已經被找出的完全數總共有四十八個,而且全部都是偶數。

關於質數,仍有許多神秘未知

有任何完全數是奇數嗎?就目前為止,沒有人知道這個問題的答案。唯一知道的是如果有一個完全數是奇數,那麼這個數目一定超過三百位數,但目前也沒有人能證明它們並不存在。

有許多能夠簡單陳述的未解之謎都跟質數有關係,我們已經說明過目前無法得知是否有無限多個費氏數質數。(已經有人證明出費氏數裡面只有兩個完全平方(1 和 144),也只有兩個完全立方(1 和 8)。)

另外一個未解之謎稱作哥德巴赫猜想,它的猜測是所有大於二的偶數都是兩個質數之和。

同樣地,沒有人能夠證明這個猜想,不過有人證明出如果反例的確存在,那麼這個數字至少會有十九位數。(最近有個類似的問題已經有所突破,2013 年,賀歐夫各特(Harald Helfgott)證明了每一個大於七的奇數都可寫成頂多三個奇質數的和。)

最後,所謂的孿生質數是任意兩個相差 2 的質數。孿生質數的前幾個例子是 3 和 5、5 和 7、11 和 13、17 和 19、29 和 31。

你能看出來為什麼 3、5 和 7 是唯一的「三質數組」嗎? 雖然已經證實( 因為古斯塔夫(Gustav Dirichlet)一個定理中的特例)世上有無限多個結尾是 1 的質數(或者結尾是 3、7 或 9),是否有無限多個孿生質數這個問題依然還沒有答案。

不管怎麼樣,正整數就是有趣啦!

讓我們用一個有點可疑的證明來結束這一章,但我希望你好歹還是會同意這個論述。

主張:所有的正整數都很有趣!

證明:你一定會同意前幾個正整數都非常有趣,舉例來說,1 是第一個數字,2 是第一個偶數,3 是第一個奇數,4 既是 2+2 又是 2×2 等等。現在反過來假設並不是所有的數字都很有趣,那就必定會有第一個不有趣的數,我們稱之為 N。但光是這一點就讓 N 變得很有趣!所以不有趣的數字根本不存在。

太有趣啦~~~圖/GIPHY

數學大觀念》書封

 

 

 

 

本文摘自《數學大觀念:從數字到微積分,全面理解數學的 12 大觀念》,貓頭鷹出版

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文章難易度
貓頭鷹出版社_96
65 篇文章 ・ 26 位粉絲
貓頭鷹自 1992 年創立,初期以單卷式主題工具書為出版重心,逐步成為各類知識的展演舞台,尤其著力於科學科技、歷史人文與整理台灣物種等非虛構主題。以下分四項簡介:一、引介國際知名經典作品如西蒙.德.波娃《第二性》(法文譯家邱瑞鑾全文翻譯)、達爾文傳世經典《物種源始》、國際科技趨勢大師KK凱文.凱利《科技想要什麼》《必然》與《釋控》、法國史學大師巴森《從黎明到衰頹》、瑞典漢學家林西莉《漢字的故事》等。二、開發優秀中文創作品如腦科學家謝伯讓《大腦簡史》、羅一鈞《心之谷》、張隆志組織新生代未來史家撰寫《跨越世紀的信號》大系、婦運先驅顧燕翎《女性主義經典選讀》、翁佳音暨曹銘宗合著《吃的台灣史》等。三、也售出版權及翻譯稿至全世界。四、同時長期投入資源整理台灣物種,並以圖鑑形式陸續出版,如《台灣原生植物全圖鑑》計八卷九巨冊、《台灣蛇類圖鑑》、《台灣行道樹圖鑑》等,叫好又叫座。冀望讀者在愉悅中閱讀並感受知識的美好是貓頭鷹永續經營的宗旨。

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從認證到實踐:以智慧綠建築三大標章邁向淨零
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/11/15 ・4487字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 建研所 委託,泛科學企劃執行。 


當你走進一棟建築,是否能感受到它對環境的友善?或許不是每個人都意識到,但現今建築不只提供我們居住和工作的空間,更是肩負著重要的永續節能責任。

綠建築標準的誕生,正是為了應對全球氣候變遷與資源匱乏問題,確保建築設計能夠減少資源浪費、降低污染,同時提升我們的生活品質。然而,要成為綠建築並非易事,每一棟建築都需要通過層層關卡,才能獲得標章認證。

為推動環保永續的建築環境,政府自 1999 年起便陸續著手推動「綠建築標章」、「智慧建築標章」以及「綠建材標章」的相關政策。這些標章的設立,旨在透過標準化的建築評估系統,鼓勵建築設計融入生態友善、能源高效及健康安全的原則。並且政府在政策推動時,為鼓勵業界在規劃設計階段即導入綠建築手法,自 2003 年特別辦理優良綠建築作品評選活動。截至 2024 年為止,已有 130 件優良綠建築、31 件優良智慧建築得獎作品,涵蓋學校、醫療機構、公共住宅等各類型建築,不僅提升建築物的整體性能,也彰顯了政府對綠色、智慧建築的重視。

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說這麼多,你可能還不明白建築要變「綠」、變「聰明」的過程,要經歷哪些標準與挑戰?

綠建築標章智慧建築標章綠建材標章
來源:內政部建築研究所

第一招:依循 EEWH 標準,打造綠建築典範

環境友善和高效率運用資源,是綠建築(green building)的核心理念,但這樣的概念不僅限於外觀或用材這麼簡單,而是涵蓋建築物的整個生命週期,也就是包括規劃、設計、施工、營運和維護階段在內,都要貼合綠建築的價值。

關於綠建築的標準,讓我們先回到 1990 年,當時英國建築研究機構(BRE)首次發布有關「建築研究發展環境評估工具(Building Research Establishment Environmental Assessment Method,BREEAM®)」,是世界上第一個建築永續評估方法。美國則在綠建築委員會成立後,於 1998 年推出「能源與環境設計領導認證」(Leadership in Energy and Environmental Design, LEED)這套評估系統,加速推動了全球綠建築行動。

臺灣在綠建築的制訂上不落人後。由於臺灣地處亞熱帶,氣溫高,濕度也高,得要有一套我們自己的評分規則——臺灣綠建築評估系統「EEWH」應運而生,四個英文字母分別為 Ecology(生態)、Energy saving(節能)、Waste reduction(減廢)以及 Health(健康),分成「合格、銅、銀、黃金和鑽石」共五個等級,設有九大評估指標。

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我們就以「台江國家公園」為例,看它如何躍過一道道指標,成為「鑽石級」綠建築的國家公園!

位於臺南市四草大橋旁的「台江國家公園」是臺灣第8座國家公園,也是臺灣唯一的濕地型的國家公園。同時,還是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築,其外觀採白色系列,從高空俯瞰,就像在一座小島上座落了許多白色建築群的聚落;從地面看則有臺南鹽山的意象。

因其地形與地理位置的特殊,生物多樣性的保護則成了台江國家公園的首要考量。園區利用既有的魚塭結構,設計自然護岸,保留基地既有的雜木林和灌木草原,並種植原生與誘鳥誘蟲等多樣性植物,採用複層雜生混種綠化。以石籠作為擋土護坡與卵石回填增加了多孔隙,不僅強化了環境的保護力,也提供多樣的生物棲息環境,使這裡成為動植物共生的美好棲地。

台江國家公園是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築。圖/內政部建築研究所

第二招:想成綠建築,必用綠建材

要成為一幢優秀好棒棒的綠建築,使用在原料取得、產品製造、應用過程和使用後的再生利用循環中,對地球環境負荷最小、對人類身體健康無害的「綠建材」非常重要。

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這種建材最早是在 1988 年國際材料科學研究會上被提出,一路到今日,國際間對此一概念的共識主要包括再使用(reuse)、再循環(recycle)、廢棄物減量(reduce)和低污染(low emission materials)等特性,從而減少化學合成材料產生的生態負荷和能源消耗。同時,使用自然材料與低 VOC(Volatile Organic Compounds,揮發性有機化合物)建材,亦可避免對人體產生危害。

在綠建築標章後,內政部建築研究所也於 2004 年 7 月正式推行綠建材標章制度,以建材生命週期為主軸,提出「健康、生態、高性能、再生」四大方向。舉例來說,為確保室內環境品質,建材必須符合低逸散、低污染、低臭氣等條件;為了防溫室效應的影響,須使用本土材料以節省資源和能源;使用高性能與再生建材,不僅要經久耐用、具高度隔熱和防音等特性,也強調材料本身的再利用性。


在台江國家公園內,綠建材的應用是其獲得 EEWH 認證的重要部分。其不僅在設計結構上體現了生態理念,更在材料選擇上延續了對環境的關懷。園區步道以當地的蚵殼磚鋪設,並利用蚵殼作為建築格柵的填充材料,為鳥類和小生物營造棲息空間,讓「蚵殼磚」不再只是建材,而是與自然共生的橋樑。園區的內部裝修選用礦纖維天花板、矽酸鈣板、企口鋁板等符合綠建材標準的系統天花。牆面則粉刷乳膠漆,整體綠建材使用率為 52.8%。

被建築實體圍塑出的中庭廣場,牆面設計有蚵殼格柵。圖/內政部建築研究所

在日常節能方面,台江國家公園也做了相當細緻的設計。例如,引入樓板下的水面蒸散低溫外氣,屋頂下設置通風空氣層,高處設置排風窗讓熱空氣迅速排出,廊道還配備自動控制的微噴霧系統來降溫。屋頂採用蚵殼與漂流木創造生態棲地,創造空氣層及通風窗引入水面低溫外企,如此一來就能改善事內外氣溫及熱空氣的通風對流,不僅提升了隔熱效果,減少空調需求,讓建築如同「與海共舞」,在減廢與健康方面皆表現優異,展示出綠建築在地化的無限可能。

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島式建築群分割後所形成的巷道與水道。圖/內政部建築研究所

在綠建材的部分,另外補充獲選為 2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學新建工程,其採用生產過程中二氧化碳排放量較低的建材,比方提高高爐水泥(具高強度、耐久、緻密等特性,重點是發熱量低)的量,並使用能提高混凝土晚期抗壓性、降低混凝土成本與建物碳足跡的「爐石粉」,還用再生透水磚做人行道鋪面。

2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學。圖/內政部建築研究所
2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學。圖/內政部建築研究所

同樣入選 2023 年綠建築的還有雲林豐泰文教基金會的綠園區,首先,他們捨棄金屬建材,讓高爐水泥使用率達 100%。別具心意的是,他們也將施工開挖的土方做回填,將有高地差的荒地恢復成平坦綠地,本來還有點「工業風」的房舍告別荒蕪,無痛轉綠。

雲林豐泰文教基金會的綠園區。圖/內政部建築研究所

等等,這樣看來建築夠不夠綠的命運,似乎在建材選擇跟設計環節就決定了,是這樣嗎?當然不是,建築是活的,需要持續管理–有智慧的管理。

第三招:智慧管理與科技應用

我們對生態的友善性與資源運用的效率,除了從建築設計與建材的使用等角度介入,也須適度融入「智慧建築」(intelligent buildings)的概念,即運用資通訊科技來提升建築物效能、舒適度與安全性,使空間更人性化。像是透過建築物佈建感測器,用於蒐集環境資料和使用行為,並作為空調、照明等設備、設施運轉操作之重要參考。

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為了推動建築與資通訊產業的整合,內政部建築研究所於 2004 年建立了「智慧建築標章」制度,為消費者提供判斷建築物是否善用資通訊感知技術的標準。評估指標經多次修訂,目前是以「基礎設施、維運管理、安全防災、節能管理、健康舒適、智慧創新」等六大項指標作為評估基準。
以節能管理指標為例,為了掌握建築物生命週期中的能耗,需透過系統設備和技術的主動控制來達成低耗與節能的目標,評估重點包含設備效率、節能技術和能源管理三大面向。在健康舒適方面,則在空間整體環境、光環境、溫熱環境、空氣品質、水資源等物理環境,以及健康管理系統和便利服務上進行評估。

樹林藝文綜合大樓在設計與施工過程中,充分展現智慧建築應用綜合佈線、資訊通信、系統整合、設施管理、安全防災、節能管理、健康舒適及智慧創新 8 大指標先進技術,來達成兼顧環保和永續發展的理念,也是利用建築資訊模型(BIM)技術打造的指標性建築,受到國際矚目。

樹林藝文綜合大樓。圖/內政部建築研究所「111年優良智慧建築專輯」(新北市政府提供)

在興建階段,為了保留基地內 4 棵原有老樹,團隊透過測量儀器對老樹外觀進行精細掃描,並將大小等比例匯入 BIM 模型中,讓建築師能清晰掌握樹木與建築物之間的距離,確保施工過程不影響樹木健康。此外,在大樓啟用後,BIM 技術被運用於「電子維護管理系統」,透過 3D 建築資訊模型,提供大樓內設備位置及履歷資料的即時讀取。系統可進行設備的監測和維護,包括保養計畫、異常修繕及耗材管理,讓整棟大樓的全生命週期狀況都能得到妥善管理。

智慧建築導入 BIM 技術的應用,從建造設計擴展至施工和日常管理,使建築生命周期的管理更加智慧化。以 FM 系統 ( Facility Management,簡稱 FM ) 為例,該系統可在雲端進行遠端控制,根據會議室的使用時段靈活調節空調風門,會議期間開啟通往會議室的風門以加強換氣,而非使用時段則可根據二氧化碳濃度調整外氣空調箱的運轉頻率,保持低頻運作,實現節能效果。透過智慧管理提升了節能效益、建築物的維護效率和公共安全管理。

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總結

綠建築、綠建材與智慧建築這三大標章共同構建了邁向淨零碳排、居住健康和環境永續的基礎。綠建築標章強調設計與施工的生態友善與節能表現,從源頭減少碳足跡;綠建材標章則確保建材從生產到廢棄的全生命週期中對環境影響最小,並保障居民的健康;智慧建築標章運用科技應用,實現能源的高效管理和室內環境的精準調控,增強了居住的舒適性與安全性。這些標章的綜合應用,讓建築不僅是滿足基本居住需求,更成為實現淨零、促進健康和支持永續的具體實踐。

建築物於魚塭之上,採高腳屋的構造形式,尊重自然地貌。圖/內政部建築研究所

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民眾黨是未來台灣政治的樞紐?
林澤民_96
・2024/01/30 ・3382字 ・閱讀時間約 7 分鐘

一、前言

選後的立法院三黨不過半,但民眾黨有八席不分區立委,足以與民進黨或國民黨結成多數聯盟,勢將在國會居於樞紐地位。無獨有偶的是:民眾黨主席柯文哲在總統大選得到 26.5% 的選票,屈居第三,但因其獲得部分藍、綠選民的支持,在選民偏好順序組態的基礎上,它卻也同樣地居於樞紐地位。這個地位,將足以讓柯文哲及民眾黨在選後的台灣政壇持續激盪。

二、柯文哲是「孔多塞贏家」?

這次總統大選,誰能脫穎而出並不是一個特別令人殷盼的問題,更值得關心的問題是藍白綠「三跤㧣」在選民偏好順序組態中的消長。台灣總統大選採多數決選制,多數決選制英文叫 first-past-the-post(FPTP),簡單來講就是票多的贏,票少的輸。在 10 月中藍白合破局之後,賴蕭配會贏已經沒有懸念,但這只是選制定規之下的結果,換了另一個選制,同樣的選情可能就會險象環生。

從另一個角度想:選制是人為的,而選情反映的是社會現實。政治學者都知道天下沒有十全十美的選制;既定的選制推出了一位總統,並不代表選情的張力就會成為過眼雲煙。當三股社會勢力在制度的帷幕後繼續激盪,台灣政治將無法因新總統的誕生而趨於穩定。

圖/作者自製

如果在「三跤㧣」選舉之下,選情的激盪從候選人的得票多少看不出來,那要從哪裡看?政治學提供的一個方法是把候選人配對 PK,看是否有一位候選人能在所有的 PK 中取勝。這樣的候選人並不一定存在,如果不存在,那代表有 A 與 B 配對 A 勝,B 與 C 配對 B 勝,C 與 A 配對 C 勝的 A>B>C>A 的情形。這種情形,一般叫做「循環多數」(cyclical majorities),是 18 世紀法國學者孔多塞(Nicolas de Condorcet)首先提出。循環多數的存在意涵選舉結果隱藏了政治動盪。

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另一方面,如果有一位候選人能在配對 PK 時擊敗所有的其他候選人,這樣的候選人稱作「孔多塞贏家」(Condorcet winner),而在配對 PK 時均被擊敗的候選人則稱作「孔多塞輸家」(Condorcet loser)。三角嘟的選舉若無循環多數,則一定會有孔多塞贏家和孔多塞輸家,然而孔多塞贏家不一定即是多數決選制中贏得選舉的候選人,而多數決選制中贏得選舉的候選人卻可能是孔多塞輸家。

如果多數決選制中贏得選舉的候選人不是孔多塞贏家,那與循環多數一樣,意涵選後政治將不會穩定。

那麼,台灣這次總統大選,有沒有孔多塞贏家?如果有,是多數決選制之下當選的賴清德嗎?我根據戴立安先生調查規劃的《美麗島電子報》追蹤民調第 109 波(1 月 11 日至 12 日),也是選前最後民調的估計,得到的結果令人驚訝:得票墊後的柯文哲很可能是孔多塞贏家,而得票最多的賴清德很可能是孔多塞輸家。果然如此,那白色力量將會持續地激盪台灣政治!

我之前根據美麗島封關前第 101 波估計,侯友宜可能是孔多塞贏家,而賴清德是孔多塞輸家。現在得到不同的結果,顯示了封關期間的三股政治力量的消長。本來藍營期望的棄保不但沒有發生,而且柯文哲選前之夜在凱道浩大的造勢活動,還震驚了藍綠陣營。民調樣本估計出的孔多塞贏家本來就不準確,但短期內的改變,很可能反映了選情的激盪,甚至可能反映了循環多數的存在。

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三、如何從民調樣本估計孔多塞贏家

根據這波民調,總樣本 N=1001 位受訪者中,如果當時投票,會支持賴清德的受訪者共 355 人,佔 35.4%;支持侯友宜的受訪者共 247 人,佔 24.7%。支持柯文哲的受訪者共 200 人,佔 19.9%。

美麗島民調續問「最不希望誰當總統,也絕對不會投給他的候選人」,在會投票給三組候選人的 802 位支持者中,一共有 572 位對這個問題給予了明確的回答。《美麗島電子報》在其網站提供了交叉表如圖:

根據這個交叉表,我們可以估計每一位明確回答了續問的受訪者對三組候選人的偏好順序,然後再依這 572 人的偏好順序組態來判定在兩兩 PK 的情形下,候選人之間的輸贏如何。我得到的結果是:

  • 柯文哲 PK 賴清德:311 > 261(54.4% v. 45.6%)
  • 柯文哲 PK 侯友宜:287 > 285(50.2% v. 49.8%)
  • 侯友宜 PK 賴清德:293 > 279(51.2% v. 48.8%)

所以柯文哲是孔多塞贏家,賴清德是孔多塞輸家。當然我們如果考慮抽樣誤差(4.1%),除了柯文哲勝出賴清德具有統計顯著性之外,其他兩組配對可說難分難解。但在這 N=572 的小樣本中,三位候選人的得票率分別是:賴清德 40%,侯友宜 33%,柯文哲 27%,與選舉實際結果幾乎一模一樣。至少在這個反映了選舉結果的樣本中,柯文哲是孔多塞贏家。依多數決選制,孔多塞輸家賴清德當選。

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不過以上的分析有一個問題:各陣營的支持者中,有不少人無法明確回答「最不希望看到誰當總統,也絕對不會投給他做總統」的候選人。最嚴重的是賴清德的支持者,其「無反應率」(nonresponse rate)高達 34.5%。相對而言,侯友宜、柯文哲的支持者則分別只有 24.1%、23.8% 無法明確回答。為什麼賴的支持者有較多人無法指認最討厭的候選人?一個假設是因為藍、白性質相近,對許多綠營選民而言,其候選人的討厭程度可能難分軒輊。反過來說,藍、白陣營的選民大多數會最討厭綠營候選人,因此指認較無困難。無論如何,把無法明確回答偏好順序的受訪者歸為「遺失值」(missing value)而棄置不用總不是很恰當的做法,在這裡尤其可能會造成賴清德支持者數目的低估。

補救的辦法之一是在「無法明確回答等於無法區別」的假設下,把「遺失值」平分給投票對象之外的其他兩位候選人,也就是假設他們各有 1/2 的機會是無反應受訪者最討厭的候選人。這樣處理的結果,得到

  • 柯文哲 PK 賴清德:389 > 413(48.5% v. 51.5%)
  • 柯文哲 PK 侯友宜:396 > 406(49.4% v. 50.6%)
  • 侯友宜 PK 賴清德:376 > 426(46.9% v. 53.1%)

此時賴清德是孔多塞贏家,而柯文哲是孔多塞輸家。在這 N=802 的樣本中,三位候選人的得票率分別是:賴清德 44%,侯友宜 31%,柯文哲 25%。雖然依多數決選制,孔多塞贏家賴清德當選,但賴的得票率超過實際選舉結果(40%)。用無實證的假設來填補遺失值,反而造成賴清德支持者數目的高估。

如果擔心「無法明確回答等於無法區別」的假設太勉強,補救的辦法之二是把「遺失值」依有反應受訪者選擇最討厭對象的同樣比例,分給投票對象之外的其他兩位候選人。這樣處理的結果,得到

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  • 柯文哲 PK 賴清德:409 > 393(51.0% v. 49.0%)
  • 柯文哲 PK 侯友宜:407 > 395(50.8% v. 49.2%)
  • 侯友宜 PK 賴清德:417 > 385(52.0% v. 48.0%)

此時柯文哲又是孔多塞贏家,而賴清德又是孔多塞輸家了。這個樣本也是 N=802,三位候選人的得票率分別是:賴清德 44%,侯友宜 31%,柯文哲 25%,與上面的結果一樣。

以上三種無反應處理方法都不盡完美。第一種把無反應直接當遺失值丟棄,看似最不可取。然而縮小的樣本裡,三位候選人的支持度與實際選舉結果幾乎完全一致。後兩種以不同的假設補足了遺失值,但卻過度膨脹了賴清德的支持度。如果以樣本中候選人支持度與實際結果的比較來判斷遺失值處理方法的效度,我們不能排斥第一種方法及其結果。

無論如何,在缺乏完全資訊的情況下,我們發現的確有可能多數決輸家柯文哲是孔多塞贏家,而多數決贏家賴清德是孔多塞輸家。因為配對 PK 結果缺乏統計顯著性,我們甚至不能排除循環多數的存在。此後四年,多數決選制產生的總統能否在三角嘟力量的激盪下有效維持政治穩定,值得我們持續觀察。

四、結語

柯文哲之所以可以是孔多塞贏家,是因為藍綠選民傾向於最不希望對方的候選人當總統。而白營的中間偏藍位置,讓柯文哲與賴清德 PK 時,能夠得到大多數藍營選民的奧援而勝出。同樣的,當他與侯友宜 PK 時,他也能夠得到一部份綠營選民的奧援。只要他的支持者足夠,他也能夠勝出。反過來看,當賴清德與侯友宜 PK 時,除非他的基本盤夠大,否則從白營得到的奧援不一定足夠讓他勝出。民調 N=572 的樣本中,賴清德得 40%,侯友宜得 33%,柯文哲得 27%。由於柯的支持者討厭賴清德(52.5%)遠遠超過討厭侯友宜(23.7%),賴雖然基本盤較大,能夠從白營得到的奧援卻不多。而侯雖基本盤較小,卻有足夠的奧援。柯文哲之所以成為孔多塞贏家,賴清德之所以成為孔多塞輸家,都是這些因素的數學結果。

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資料來源

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林澤民_96
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台大電機系畢業,美國明尼蘇達大學政治學博士, 現任教於美國德州大學奧斯汀校區政府系。 林教授每年均參與中央研究院政治學研究所及政大選研中心 「政治學計量方法研習營」(Institute for Political Methodology)的教學工作, 並每兩年5-6月在台大政治系開授「理性行為分析專論」密集課程。 林教授的中文部落格多為文學、藝術、政治、社會、及文化評論。

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數學無聊是誰的錯?數學家其實很幽默?——《數盲、詐騙與偽科學》
大牌出版.出版大牌_96
・2024/01/08 ・2441字 ・閱讀時間約 5 分鐘

雖然很少有學生小學畢業後還不懂乘法表,但有很多人確實不會算,如果一個人開車的速度是每小時 56 公里,開了 4 小時之後,他就開了 224 公里。要是每公克花生賣 40 美分,而 1 袋花生賣 2.2 美元,那麼,這袋花生裡就有 5.5 公克花生。假如全世界人口中有 1/4 是中國人,其餘的 1/5 是印度人,那麼,印度人在全世界的人口中就占了 3/20,或說是 15%。當然,要理解這些問題,並不像學會算 35×4=140、(2.2)/(0.4)=5.5、1/5×(1–1/4)=3/20=0.15=15% 這麼簡單。對很多小學生來說,這不是自然而然就會的東西,要靠做很多很實用、或是純屬想像的問題,才能進一步學會。

至於估計,學校裡除了教一些四捨五入之外,通常也沒有別的了。四捨五入和合理的估計與真實人生大有關係,但課堂上很少串起這樣的連結。學校不會帶著小學生估計學校砌一面牆要用掉多少塊磚、班上跑最快的人速度多快、班上同學爸爸是禿頭的比例多高、一個人的頭圍與身高之比是多少、要堆出一座高度和帝國大廈等高的塔需要幾枚 5 美分硬幣,還有他們的教室能否容納這些 5 美分硬幣。

幾乎也沒人教歸納推理,也不會用猜測相關性質和規則的角度,來研究數學現象。在小學數學課裡談到非形式邏輯(informal logic)的機率,就跟講到冰島傳說一樣高。當然,也不會有人提到難題、遊戲和謎語。我相信,這是因為很多時候,聰明的 10 歲小孩輕輕鬆鬆就能打敗老師。

數學科普作家葛登能最不遺餘力探索數學和這些遊戲之間的密切關係。他寫了很多極有吸引力的書,也在《科學美國人》撰寫專欄,而這些都是會讓高中生或大學生感到很刺激的課外讀物(前提是有人指定他們去讀的話)。此外,數學家喬治.波利亞(George Polya)的《怎樣解題》(How to Solve It)和《數學與合情判讀》(Mathematics and Plausible Reasoning),或許也屬於這一類。有一本帶有這些人的文風、但屬於較初階的有趣好書,是瑪瑞琳.伯恩斯(Marilyn Burns)所寫的《我恨數學》(The I Hate Mathematics! Book),書裡有很多啟發性的提示,帶領讀者解題與發想各種奇思異想,是小學數學課本裡罕見的內容。

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圖/envato

有太多教科書仍列出太多人名和術語,就算有說明解析,也很少。比方說,教科書上會說加法是一種結合律運算(associative operation),因為(a + b)+ c=a +(b + c)。但很少人會提到非結合律運算,因此,充其量來說,結合律運算的定義是畫蛇添足。不管是結合律或非結合律,你知道了這些資訊之後要怎麼應用?書上還會介紹到其他術語,但除了用粗體字印在書頁中間的小框框裡,看起來很了不起之外,也沒什麼值得提的理由。這些術語滿足了很多人認為,知識就好比一門普通植物學,每種學問都可以在體系中,找到自己的類別和位置。相比之下,把數學當成有用的工具、思維方式或是獲得樂趣的途徑,在多數小學教育課綱中都是很陌生的概念(即使教科書內容不錯也一樣)。

或許有人會認為,在小學階段,可以用電腦軟體,來幫助學生掌握基本的算數原理及相關應用(應用題、估計等等)。可惜的是,目前可用的程式通常是從教科書上擷取無趣的例行練習,轉化成電腦螢幕版本而已。我不知道有任何軟體可用整合、一致且有效的方法,來教算術與解題應用。

小學階段的數學教學品質普遍不佳,最終必會有人怪罪於老師能力不足,而且對數學沒什麼興趣、或不懂欣賞數學。我認為,這當中有一部分又要歸咎於大專院校的師資培養課程中,很少或根本不強調數學。以我自己的教學經驗來說,我教過的學生中,表現最差的是中學生,而不是大學主修數學的學生。準小學老師的數學背景也很糟,很多時候甚至根本沒有相關的數學教學經歷。

而每所小學聘用一、兩位數學專才,在學校裡每天分別到不同班級輔導(或教授)數學,或許可以解決部分問題。有時我認為,如果大學數學教授和小學老師每年可以交換個幾星期,會是個好方法。同樣的,把主修數學的大學生和研究生交到小學老師手裡,不會造成傷害(事實上,後者或許能從前者身上學到一些東西)。而三、四、五年級的小學生則可以在完全適任的老師教導下,接觸到數學謎題與遊戲,將可大大獲益。

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圖/envato

稍微打個岔,謎題與數學之間很有關係,而且相關性會一直延續到大學與研究階段的數學。當然,把謎題換成幽默也通。我在《數學與幽默》(Mathematics and Humor)書中試著說明,數學和幽默都是某種益智遊戲,與猜謎、解題、遊戲和悖論多有共通之處。

數學和幽默都是把概念組合、拆開再拼回來,然後從中得到樂趣。慣用的手法包括並列、歸納、迭代和倒向(比方說「aixelsyd」就是把「dyslexia」﹝閱讀障礙﹞的字序倒過來)。那麼,如果我放寬這個條件,但緊縮另一個條件會怎樣?某一個領域的概念(像是綁辮子),和另一個看來完全不同領域的概念(如某些幾何圖形的對稱性)有什麼共通點?當然,即便不是數盲,可能也不熟悉數學這個面向,因為你必須要先具備一定程度的數學概念,才可以拿來耍弄。其他像獨創性、不協調感以及精簡的表達,對於數學和幽默來說也都同樣重要。

可能有人說過,因為所受訓練之故,數學家有一種特殊的幽默感。他們往往會接受字面意義,但字面上的解讀又常和標準用法的意義不同,因此很好笑。比方說,哪種運動比賽時要蓋臉?答案是,冰上曲棍球以及痲瘋病人拳擊(按:原文「Which two sports have face-offs」,「face-off」其中一個字面意義為「蓋臉」,而這也是冰上曲棍球常用的術語,意指「爭奪球權」)。他們也很沉溺於歸謬法(reductio ad absurdum),或設定極端前提條件然後做邏輯演練,以及各式各樣的字組遊戲。

如果可以透過小學、中學或大學階段的正式數學教育,或是非正式的數學科普書籍,傳達數學有趣的面向。我認為,數盲就不會像現在這麼普遍。

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——本書摘自《數盲、詐騙與偽科學》,2023 年 11 月,大牌出版,未經同意請勿轉載。

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大牌出版.出版大牌_96
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