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用演算法可以揪出大樂透有沒有作弊嗎?又或者是…中獎號碼?

活躍星系核_96
・2017/09/18 ・3342字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 493 ・六年級

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  • 作者 / 超科學貓,本身工作是平面設計師,自學程式語言 10 年,專研人工智慧深度學習領域約 8 年左右,主要研究記憶過程的演算法。仔細的去觀察這世界,就會發現許多奇怪的盲點,但以程式語言帶入去解,卻可以解釋許多問題;只要有記事本,我就可以創造一個世界。

「一券在手希望無窮」,但買大樂透中獎的卻都從來不是我。到底為什麼大樂透那麼難中?難道它真的有作弊嗎?又或是公務員常常中獎的掛並非空穴來風?

你是否也曾經看過一些類似的文章指出大樂透的作弊機制呢?內容大概是在說,明明是在 8 點截止購買,卻在 8 點 30 分才公開當期結果,這消失的 30 分鐘就是台彩在進行分析比對,開出一組沒有人中過、或是給公務人員中獎的號碼。

到底為什麼大樂透那麼難中?圖/By  krzys16 @ Pixabay

我研究人工智慧深度學習領域已有八年餘載,也有自己撰寫的一套人工智慧系統以及一些類似智慧型小軟體來輔助我的生活,這次我決定用我撰寫的人工智慧系統來演算樂透開獎的結果,想不到得到令人驚訝的結果,以下是我一個多月來的研究和分析,或許可以解釋或說明大樂透為什麼這麼難中,他是否真的有作弊呢?要怎麼買才會賺呢?

有可能打出一模一樣的撞球球型嗎?談自然機率與演算法

首先,我先舉幾個例子讓大家了解演算法及自然機率。

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有打過撞球的人都知道,每次開球後的球型幾乎沒有一次會與曾經開過的球型分佈一模一樣,從物理學來看,會不會有完全一模一樣的機率呢?答案是有的,那為什麼我們遇不到呢?因為他發生的機率實在太小太小了,小到我們在這一生或者幾輩子的時間裡都還遇不到一次,如果在加上空氣的濕度,球桌的毛順度,皮頭的摩擦力等等,在球桌這樣有限的空間範圍裡,16 顆球的碰撞後,出現一模一樣的機率幾乎為 0,但是不能說沒有。

如果上面所說的已經理解,再來看下面可能會比較清楚,有打過撞球的人都會有一種經驗,「怎麼球型又變成這樣!」沒錯,雖然上面說出現一模一樣的機率幾乎為 0,但是出現相似的機率卻高出很多,原因在於幾次碰撞後,由於外在的影響取決於習性,所以會很常出現相似的球型。

每次開球後的球型幾乎沒有一次會與曾經開過的球型分佈一模一樣。圖/By Paul Goyette @ flickr, CC BY-NC-SA 2.0

第三個例子或許有從電視上看過,或者親自被問過,這個問題是這樣的:隨機在 1~50 想一個數字,然後「魔術師」可以猜中你心裡所想的數字。你可能會認為你所想的那一個數字是隨機而來的 By Chance,但其實不然。在幼齡時期腦中的認知中沒有數字的概念時,我們根本無法得出那一個數字;因此這一個看似隨機而來的數字,其實是經由腦中不斷的演算各種環境數值後,求得的最大可能性,這些環境數值大多是在沒有意識到的情況下被記錄下來,但由於環境的參數太多太亂,所以這些資訊很難被演算變成結果,但卻會變成演算的一部分,而這樣的過程視為 By Design。

好,如果上面三個都能理解了,現在我們換成大樂透來看,假設開球的設備就像撞球的球檯,他是一個有限的空間和範圍,讓 49 顆號碼球互相碰撞後,最後取出的 7 個號碼 (含特別號),中頭獎的機率為 1/10,068,347,520,看起來機率非常的小,但實際機率卻不然,我們可以把每次的碰撞視為 By Design 而不是 By Chance,哪顆球與哪顆球會碰撞到,完全可以從演算法中計算出來,當然開獎的結果也可以由演算法得出。

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用演算法可以揪出大樂透有沒有作弊嗎?又或者是…中獎號碼?

演算的概念為,此次開獎的數組,是由過去相似模型中取得最大可能性的模型排列;簡單的說,你的身高樣貌等等,是由你的父母基因,還有父母的父母基因,一直追溯到最源頭;而你的父母、父母的父母,就會成為推算出你身高樣貌的數據,從最源頭的祖先累積下來的基因,就會變成龐大的數據。

以這樣的概念做為出發點,我做了為期一個月的實驗,這個實驗分成了三個部分;

  1. 確認大樂透是否作弊
  2. 以隨機數程式碼 Math.random() 模擬電腦隨機選號的機率
  3. 算出最大中獎率的投資報酬率

在第一個實驗中,我以我撰寫的人工智慧演算法套入截至目前 1,406 組的開獎結果,並且逐一預測每次開獎的結果和中獎次數;並且以前次、前前次,甚至可以推到前 10 次來演算這次的號碼。

令人驚訝的是,由演算法推算出下一次7個號碼(含特別號)預測中的機率約為70~72%左右(不過這裡指的不是中獎率,而是中1~6碼的機率)。但也不用高興的太早,因為這邊的機率為中 1 個號碼到中 6 個號碼的全部機率,如果要說是投資報酬率,就要以大樂透的規則中三碼以上才有獎金的結果來看;中三碼以上的機率其實只有 6%~7% 左右。接著為了確認是否有可能會有人為操作,於是再以開獎順序、大小順序來進行演算,或者調整 P 值當中的數據,將近三組的演算最高、最低做重新組合再演算;而這樣得出的結果幾乎都大同小異。

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而且各個位置開出來中的機率也幾乎平均在 20% 左右;從這邊可以得出,若在人為操縱的情況下,某個位置或者某一號碼,也可能是為了避開多人選的中獎號碼而選擇機率較低的情況,中獎的樹狀圖應該不會呈現平均。

在這邊舉一個簡單的例子:投擲硬幣出現正反面的機率為 1:1,若以此機率來看,投擲十次出現的機率應該約為 5:5 或 4:6,若今天有人為操作,當你投擲 100次的時候就會發現,正反面的比數會非常的大,可能是 20:80;而且不管是更換硬幣,或者更換投擲者,只要在人為操作的情況下,比例幾乎都會失衡。所以從各種情況下的演算過的機率幾乎相同的結果來看,台彩作弊的嫌疑甚低。

在第二個實驗中,以隨機數程式碼 Math.random() 隨機從 1~49 個號碼中選出 6 個不重覆的號碼進行比對的平均值。結果更令人驚訝,居然與第一個實驗的機率大致相同!於是基於好奇心,我決定以一組隨機 7 碼(含特別號)當做開獎結果,再算一筆隨機 6 碼當作電腦選號,結果也與上面相似。

第二個實驗結束後,幾乎可以得到幾個結論:

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  1. 演算法仰賴大數據,而 1,406 組的數據樣本太少,在虛無假設正確率過低的情況下,就算在乘上最大機率的演算結果,最後的機率仍然偏低。我這邊舉個例子,使用保險套能避孕的機率為 98%,但是這是在 100% 正確使用的情況下的機率,這裡的 100% 就是虛無假設,若在不正常的情況下使用,就會降低虛無假設的機率,若機率降為 80%,則成功避孕的機率為 0.8*98=78.4,所以就沒有原本的 98% 成功率來的高。
  2. 若在自然機率的情況下,演算法的機率應該會大過於隨機數。但在這裡卻沒有,原因可能為無法預測的情況。在撞球的例子當中有提到,若空氣的濕度、球檯的毛順度都會影響甚至改變演算的結果,而上面的演算法是在一個沒有其他干擾的情況下碰撞演算出來的,如果每次開獎前,都將號碼球經由不同的人弄亂,又或者每次都用不同的號碼球,這樣演算出了的結果就幾乎等於隨機數的結果了,這點從第二個實驗中的更改版中可以得到證實。若把中三碼以上的原始機率設為 y,則中獎的機率算法是 y*(n*(1/x+1)),n 代表不同的因素,x 代表各種因素中的重覆次數;因此可能是造成演算法的機率大大下降的原因。
圖/By  Bclaus_indesign @ Pixabay

第三個實驗為中獎的投資報酬率,從上面的兩個研究結果中已知單筆的中獎率為 7%,所以我以一次開出 300 組隨機數代表電腦選號來進行比對,扣除購買成本 50(元)*300(組)* 1406(次開獎)=21,090,000(元),以三碼為 400、四碼為 1,000、五碼 50,000 來換算,結果還是會賠本約為 2/3 的錢。但是平均卻有 1~2 次中 6 碼,大樂透只要 6 碼全中至少保證 1 億元,扣除2 千萬的成本似乎是可以投資的;但先別高興的太早,樂透中有一個機制叫做特別號,如果中的 6 碼是 5 碼+特別號,獎金只有約一百萬左右。

其實用很粗淺的方式換算的話每期只要銷售個大約一千五百多組以上,這樣就算有人中了頭獎台灣彩券也不太會賠本。加上原本中頭獎的機率就低,台彩就算在不作弊的情況下也不會賠錢,所以他不怕你中頭獎,以上面研究總結來看,大樂透作弊的機率甚低。不過「有夢最美,希望相隨」畢竟大樂透還是造就了許多億萬富翁,但是各位還是得依自己的狀況,依自己能力有限的範圍來做小額投資,千萬別走火入魔、傾家蕩產了。

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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不是不會髒,而是更難沾:耐污馬桶的表面科學
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/09/22 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 Panasonic 合作,泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享,不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上,「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水,但過不了幾天,馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑,甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢(黏質沙雷氏菌)。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」,讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看,世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制,並非打造完全不沾染髒污的材質,而是調整表面的物理與化學屬性,使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力,透過日常水流沖刷,便能輕易地將髒污帶走。

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為什麼污垢「黏不住」? 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」,我們得先像偵探一樣,拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇:

  1. 水垢與礦物沉積*1:我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時,這些離子會逐漸結晶析出,變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
  2. 生物膜與有機物*2:包含尿液中的無機鹽、油脂殘留,以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物,所組成的黏滑防禦大本營。
關鍵不是沖水,而是「這些污垢如何抓住表面」

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」,前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼,材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢?答案就藏在「表面能(Surface Energy)」與「濕潤性(Wettability)」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時,水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠,還是迅速攤平開來?這取決於表面的特性:

  • 疏水路線(Hydrophobic)*1:具備低表面能的疏水表面,能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠,當水珠滾動滑落時,就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走,這就是著名的「自清潔效應」。
  • 親水路線(Hydrophilic / Superhydrophilic)*2:相反地,極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子,在材料最外層形成一層薄薄的「水化層(Hydration Layer)」。這層水化層就像是實體的液體盾牌,讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底,只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻:傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆,髒污就像攀岩者,需要找到落腳點並用力撐住才能攀附;而我們做的是抽掉把手點,或是在把手上塗上潤滑油,讓髒污找不到施力點,自然難以停留。

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材料科學的核心:想辦法讓污垢「抓不住」

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢,下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢,在微生物學中被稱為「生物膜(Biofilm)」。細菌並不是孤立生長的,當單顆細菌落在表面後,如果覺得環境舒適,它就會開始分泌胞外聚合物(EPS),這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起,並築起堅固的防禦堡壘,這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出,要阻止生物膜形成,除了化學上的抗菌,材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論(Attachment Point Theory)」:

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  1. 粗糙與微孔洞表面:如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞,細菌(體積通常約 1 到 3 微米)就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點,還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
  2. 極致平滑與微結構表面:相反地,如果材料表面做到極致平滑,完全沒有微米級的缺陷;或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構,細菌的足跡構造(如鞭毛或纖毛)就無法在表面找到穩固的「接觸附著點(Contact Points)」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時,它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外,現代衛浴結構在設計時,也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角,等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

阻止細菌、生物膜找不到「落腳點」

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何,我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系:【材料層(低附著力)】+【結構層(無縫平滑)】+【動態流體層(泡沫與水流剪切力)】= 高效清潔!

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例,就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表:

1. 材料層:有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」(以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料,這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩)。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性,水滴不易長時間攤平停留;材質堅固、不易破裂,耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試,這種素材配合泡沫洗淨,在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌,從源頭阻斷細菌定殖。

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2. 結構層:無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上,A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計,減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫,並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計:

  • 泡沫防護:在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層,有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺;
  • 外圍防護:馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔,防止液體延著外壁滴落至地板;
  • 測漏防護:便座與馬桶本體採用不外露的防護設計,避免液體從縫隙飛濺滲漏。
Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶

3. 動態流體層:雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時,A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污,再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙,徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著,配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」,利用旋轉產生的流體剪切力,一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外,Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技,釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污,維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆,但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計,到微觀幾何的附著點控制,再到流體力學的水流沖刷,一座現代抗污馬桶的演進,縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而,A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破,展示了材料科學的另一種聰明思維:不靠強酸強鹼硬打,而是透過物理與化學邏輯,將「污垢固著」的機率降到最低。

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當材料科學與現代衛浴技術結合,刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持,我們得以從繁重的家務勞動中解放,享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文:A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文:Brushing up functional materials

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脂肪肝不只靠減肥!AI 看臉揪出風險,瘦瘦針與新藥能逆轉肝纖維化?
PanSci_96
・2026/11/07 ・1997字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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本文由 AI 協助生成,內容經編輯審閱。

你相信嗎?未來可能只要拍一張照片,AI 就能看出你的肝臟有沒有問題!這一集,就讓挺健康鄭丁靚醫師帶我們看懂,為什麼明明是肝臟的問題,卻會寫在臉上?而且,當大家還以為脂肪肝只能靠「少吃多動」來改善時,醫學界其實已經有了突破性的進展,就連大家熟知的「瘦瘦針」也成為治療肝病的新星。讓我們一起來了解脂肪肝的最新科學發展吧!

為什麼肝臟生病,會「寫在臉上」?

2026 年《Cell Reports Medicine》發表了一項涵蓋超過 1.1 萬人的研究,團隊開發出一套名為 3D-FAICE 的 AI 系統,透過分析受試者的三維臉部影像特徵,竟然能辨識出罹患脂肪肝的風險。

你可能會想,難道古人說的「印堂發黑」真有科學根據,還是 AI 學會了看面相?其實都不是。研究團隊進一步比對受試者的血液代謝物後發現,AI 算出的風險分數,和人體內的醣類、脂質及胺基酸代謝途徑息息相關。換句話說,AI 看到的並不是「脂肪肝長在臉上」,而是全身代謝失衡後,反映在臉部脂肪分布、組織型態等肉眼難以察覺的細微變化。

這也點出了一個核心觀念:脂肪肝從來不只是肝臟關起門來自己的問題,它更像是全身代謝系統拉警報時,浮現出來的一個強烈訊號。

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一樣都是脂肪肝,為什麼有人沒事,有人卻會肝硬化?

許多人在健檢報告上看到「脂肪肝」,可能會覺得:「不就是肝裡油太多嘛,少吃一點、多運動,明年再看看吧!」但這種「佛系」心態,很可能會讓你錯失治療的黃金期。

脂肪肝的進程是從「單純脂肪堆積」開始的。如果代謝異常持續,肝細胞會因為脂質毒性、氧化壓力而開始發炎,演變成「代謝性脂肪性肝炎(MASH)」。當肝臟反覆發炎、受傷,身體就會啟動修復機制,留下疤痕組織,這在醫學上稱為「肝纖維化」。

醫學上將肝纖維化分為 F0(無纖維化)到 F4(肝硬化)。所以,現在醫師看脂肪肝,已經不再只關心「脂肪有沒有變少」,而是更在意「肝臟有沒有持續發炎?纖維化到了什麼程度?」因為一旦肝臟長出疤痕,未來惡化成肝硬化、肝癌的風險就會大幅增加。

治療重大突破:新藥與「瘦瘦針」也能治肝?

過去面對已經開始纖維化的肝臟,醫師除了勸患者減重、運動外,並沒有太多直接針對肝臟修復的藥物。但近年來,脂肪肝的治療迎來了重大突破。

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2024 年,美國 FDA 核准了首款專門針對脂肪性肝炎的新藥「Resmetirom(Rezdiffra)」。它的機制非常特別,主要鎖定肝臟中的甲狀腺素受體 β(THR-β)。你可以把它想像成是在優化肝臟這座工廠的「內部產線」,讓肝臟更有效率地處理脂質,幫助減少脂肪堆積並減輕發炎傷害。臨床試驗顯示,有超過四分之一使用高劑量藥物的患者,肝纖維化獲得了至少一個等級的改善。

緊接著在 2025 年,大家熟知的「瘦瘦針」——Semaglutide(Wegovy 的主要成分)也正式取得了治療脂肪性肝炎的適應症。Semaglutide 是一款 GLP-1 受體促效劑,原本用來減重和控血糖。當患者體重下降、胰島素阻抗改善,送進肝臟的代謝負荷自然減輕。研究發現,接受治療的患者中,約有 63% 達到脂肪性肝炎緩解。這意味著,瘦瘦針的價值不再只限於減肥,對符合條件的肝病患者來說,它還能帶來肝臟組織實質的改善。

如何知道自己的脂肪肝走到哪一步?

既然有了治療新武器,我們要如何知道自己的脂肪肝只是「單純堆油」,還是已經「發炎長疤」了呢?

雖然肝臟切片最準確,但畢竟是侵入性檢查;而大家最常做的腹部超音波,雖然能看出肝臟有沒有脂肪,卻難以精準判斷纖維化的程度。因此,臨床上現在更強調「風險分層」。

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其實,你可以利用手邊的健檢報告,自己做初步的風險評估。例如利用「FIB-4」指數,只要套入你的年齡、AST、ALT(兩項肝指數)以及血小板數量,就能初步計算出肝纖維化的風險。如果算出來屬於中高風險,醫師就會建議進一步安排「肝臟彈性掃描(FibroScan)」,利用超音波震動來測量肝臟到底有多「硬」,作為後續治療決策的重要參考。

結語:長壽醫學觀點,別等出事才處理

從長壽醫學的角度來看,脂肪肝是一個提醒我們全身代謝出問題的警報。一旦發現脂肪肝,除了關注肝臟本身,更要同時檢視自己的血糖、血壓、血脂與胰島素阻抗。現在我們有了更進步的 AI 篩檢概念,以及能夠逆轉肝臟疤痕的新藥,我們更不應該等到肝硬化才來想辦法。及早評估、積極應對,才能為自己的健康後半場,保留更多美好的選擇。


延伸閱讀|實證醫學專欄|循證長壽、失智預防、更年期、睡眠科學|叮噹醫師
以同儕評審論文為根據的長壽科學深度解析。睡眠科學、光線生物學、更年期醫學、認知儲備、失智早期檢測。

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生活中的數理應用:節能、冷卻與機率思考
賴昭正_96
・2025/08/21 ・5603字 ・閱讀時間約 11 分鐘

隨著科技的快速進步及生活水準的不斷提高,人類在日常生活使用的工具越來越複雜。面對推陳出新,源源不絕的各種新式工具,要如何有效地使用它們呢?看到這麼多的廣告,又要如何判斷它們的真偽呢?

這些應用科學的工具固然帶來許多便利性,但是使用者在不了解背後科學原理的情況下,也可能發生誤解,造成一些錯誤觀念以訛傳訛,反而促成不必要的浪費。本文便是筆者以日常生活中的見聞,來探討生活用品背後的一些物理原理與數學,期望能釐清一些迷思,讓讀者能夠撥雲見日。

電熱水瓶

在「日常生活範式的轉變:從紙筆到 AI」一文裡,筆者提到了許多改變我們日常生活的現代科技,卻忘了非常重要的網路購物!事實上,除了菜市場外,筆者現在幾乎已不在任何商店買東西了。網路購物有一個很大的優點,那就是很容易比較不同品牌的商品。例如 2020 年筆者決定換個熱水瓶時,在美國最大的網路市場亞馬遜(Amazon)碰到一個問題:一般的熱水瓶(如松下)大約只要美金 100 左右,唯獨像印(Zojirushi)卻有高達美金 200 元以上的熱水瓶;仔細比較一下,唯一的大不同是後者有真空保溫的外層。一向節儉慣的筆者幾經思考後決定購買 4 公升裝的松下。

在透過提高裝貨運送速度、實施更嚴格的賣家驗證流程來應對假冒產品的擔憂後,中國大陸的「全球速賣通」(AliExpress) 似乎已重返美國市場,筆者最近兩、三年也開始敢在其網站購物了。數月前看到它廣告只要美金 150 元的像印真空保溫熱水瓶,一向喜歡佔小便宜的筆者就買了一隻,讓筆者有實際的數據來比較像印的高價是否值得。像印的規格資料謂保持在 90℃ 的平均功率是 24 瓦特;美國聖荷西市的電費是每一度(千瓦小時)0.39 美元,因此每年用在保溫的電費為

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松下的規格資料謂保持在 88℃ 的平均功率是 39 瓦特,因此每年用在保溫的電費是

即像印熱水瓶每年可節省約 51 美元的保溫費!值不值得高價買像印熱水瓶那就看讀者準備要用多久了。筆者的松下熱水瓶用了 4 年多,因此後悔當初沒有買比較貴的像印真空保溫熱水瓶了!

一般電熱水瓶均有所謂的「節能定時器功能」:因為晚上睡覺時不用熱水,所以在睡覺前將熱水瓶關掉,可以設定幾小時後,再自動加熱,讓讀者起來時立即有熱水泡茶或沖咖啡。這看起來是很方便,但真的節能嗎?

讓我們在這裡來分析一下吧。如果有科學儀器幫忙,分析將是輕而易舉;但事實上即使沒有,我們還是可以做很多有意義之分析的。我們關掉熱水瓶的電後,其溫度將類似圖一的紅線下降(註一),「最後」到達室溫。理論上「最後」應是慢慢逼近,永遠不可能達到室溫的。

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圖一: x 軸為特徵時間(相對值),y 軸為溫度。紅線為熱水瓶依據牛頓冷卻定律所畫出的降溫曲線,藍線代表熱水瓶維持保溫狀態。

但在實應上,我們可以說到達 1.5 之 x 座標時已經是室溫。而 1.5 到底是多少小時,則因電熱水瓶的設計及室溫之不同而異。如果設定的節能定時 x ≤ 1.5,那麼熱水瓶所散的熱正好由重新啟動的加熱補上,所以根本沒有節能;如果設定的 x > 1.5,則因熱水瓶在 x ≥ 1.5 後就已經不再散熱了,而沒有關掉的熱水瓶仍必須繼續保溫(圖一藍線),所以關掉熱水瓶是值得的、有節能的效果。

松下熱水瓶只有一個 6 小時的定時,筆者夏天做了一個實驗,發現 7 小時後還是室溫,所以沒用過它的「節能定時器功能」;像印松下熱水瓶在 6-12 小時間有 6 個定時。

便攜式空調

聖荷西夏天很熱的時間不長,因此筆者一直想買容易移動的「便攜式空調」(portable air conditioner),以便炎暑一過就可以收起來。以「portable air conditioner」搜尋亞馬遜網路市場,發現有價格差異很大的兩種空調:一種大約在美金 100 元以下,另一種則大約在 200 元以上。

仔細「研究」發現其差異是前者不必要往外面排熱氣,後者必須有管子通到外面以便排掉熱氣。我們知道能量不滅定律,如果用電產生的熱不往外排掉,那熱只能留在房間內,房間只會越來越熱,不可能變冷的!所以這類的「冷氣機」(圖二)只能像電扇一樣,讓你在電扇前面感到涼爽而已!

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事實上比電扇好一點的都加了一個水箱,利用蒸發水會吸熱,讓你感到的風比電扇更冷一點,所以價錢比普通電扇高一點。這種電扇在乾燥的地方事實上是一雙箭雕:除了吹冷風外,同時可以增加空氣的濕度;但是在濕度很高的台灣,其結果可能讓人感到更悶、更難受。

為什麼要使用水呢?除了是最常見的物質之外,水俱有許多其它物質所沒有的性質(參見「奇妙的水分子」),例如氣化熱(一克的水蒸發成一克的氣體所需的熱)、比熱(將一克的水提高溫度一度所需的熱)等等均比其它物質高出許多,所以我們馬上將看到水也常來當冷卻劑。

前面所談到之兩種空調在外表上的不同是「往外面排熱氣的管子」,在內部構造上則是「壓縮機的有無」。壓縮機將氣態冷媒擠壓成液態時會產生大量的熱,冷氣機必須透過「熱交換」將它們丟到外面去,這就是為什麼「真正的冷氣機」需要有通到外面的排氣管。被壓縮的冷媒到了壓力較低的地方會立即透過「熱交換」吸熱膨脹成氣態的冷媒。前者「熱交換」的媒體主要是室外的空氣(為了提高效力,大冷氣機會用水),後者則是室內的空氣(見圖二)。

沒有排氣管的冷氣機

所以真正的冷氣機應該要有排氣管,但筆者在網路上逛店時卻發現有壓縮機、但沒有排氣管的冷氣機!例如有一款「HANLIN HS02 移動冷氣 行動空調」廣告謂:「商業級強勁壓縮機秒速制冷,快速降溫,讓酷暑瞬間消散;……。免排水高溫自蒸發系統,內建水箱設計,開機預設開啟,免排水冷凝水,高溫排風自動霧化」。從產品特色看來,壓縮機所產生的熱量應該是用來蒸發(霧化)「水箱」的水(見圖三)。讓我們在這裡利用能量不滅定律來看看是否可行。

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該產品的規格謂其冷氣量為 1400 瓦特,即每秒鐘可以從室內拿掉1400焦耳的能量。前面提到水的汽化熱很高,約為每公克 2260 焦耳;因此該機器每秒鐘能蒸發掉約 0.62 公克(1400/2260)的水。也就是說為了保持室溫不變,一小時必須蒸發掉 2230 公克(2.23 公升)的水。因此除非水箱是 24 公升大,「12 小時預約定時,可設定開關機時間,方便您的生活」是絕對不可能的!還有,這些蒸發的水氣很快就會達到飽和點、結合成液態水,釋放出其剛吸收的汽化熱到室內,不可能降低室內溫度的!在廣告中他們特別介紹了「外出露營帳篷使用方法」,相信那才是該冷氣機可以真正發揮功能的地方;而商品配件中的「排水管」應該是用來「勸」我們在室內使用吧?

所以用蒸發水來冷卻壓縮機似乎是不可行的,但因為水的比熱較空氣高多了,循環「水箱」的水來冷卻壓縮機效益應該比空氣更高(見圖三),可行嗎?

DIKE 多功能移動式瞬涼水冷氣 HLE700WT就是基於這種想法的一個產品。其廣告謂:創新「無排熱管」冰風機,採用水冷循環及高效壓縮機製冷,出風降溫至 14℃,搭配獨立除溼、送風三合一功能四季都適用!前面涼快,後面涼快,無須排熱風管免窗戶施工。…製冷前需先將水箱加水,維持水循環運作,水箱裝滿 4 公升時可持續製冷 8 到 12小 時,一整天都涼爽。因為水是熱交換媒,因此廣告特別強調「大容量水箱」,讓我們在這裡也利用能量不滅定律來看看是否可行。

廣告中沒有提到冷氣量,讓我們在這裡假設與前面那款冷氣機一樣(1400瓦特)吧,即每秒鐘可以從室內拿掉1400焦耳的能量,或每小時可以拿掉5040千焦耳的能量。前面提到水的比熱很高,將1公克的水提升溫度一度需4.2焦耳;因此4公升(4000克)的水從30°C提升到100°C 水滾前可以拿掉1176千焦耳(4.2 x 4000 x 70)的熱,也就是說僅能夠拿掉冷氣機0.23小時的壓縮熱能(1176/5040)!

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彩券與選擇題

美國有許多州聯合起來的「百萬大獎」(Mega Millions):玩家可以從兩個獨立的數字池中挑選六個數字——從 1 到 70 中的五個不同數字(白球)和從 1 到 25 中的一個數字(金色百萬富翁球)。學過排列組合的讀者應該可以算出其得獎或然率是 302,575,350 之一(註二)。

美國的人口約為 335 百萬,估計絕對不會有半數以上的人買,所以其設計是每次有人中獎的機會不大,獎金下移累積,因此三不五時會出現一個大獎來製造大新聞。例如有一次大獎是 12.2 億美元,而每張「百萬大獎」券才 2 元;這麼高的「益本比」確實是相當吸引人,因此到處出現大排長龍購買,讀者會加入行列嗎?

數學及經濟學上有一稱為「預期價值」(expected value)——隨機變數可能的值,乘上其機率的總和——來幫助我們決定是否值得投資。例如假設拋硬幣正面的或然率為 2/3,反面的或然率為 1/3 ;如果擲出正面,您輸掉 $6,反面您贏得 $10;您賭嗎?這遊戲的「預期價值」為:

即平均而言,每次玩此遊戲大約會輸掉 $0.67,所以不值得玩。我們就用這個方法來看看是否值得去排長龍買「百萬大獎」吧。因為一定要買才能中獎,所以嚴格說來,在這裡不能用「預期價值」。但因為中獎幾率可以說是零,所以在這裡假設沒必要買,只是去選號碼,沒中獎時才交$2.00:

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也就是說即使每次都是大獎,我們每次只要去排隊選號就可以得到$2.00。筆者雖然退休了,沒什麼大事可做,還是不會浪費時間去排隊購買的;當然,如果是因為愛國,那就另當別論了!

但是如果有 $302,575,350 將所有的組合都買下來,那不是一定可以中獎得到 $12.2 億嗎?筆者謹在此建議「泛科學」讀者成立「美國愛國獎券基金會」,募款 $302,575,350 讓我們一起發財吧(註三)!

除了投資及愛國獎券外,「預期價值」在日常生活中事實上還有一個非常有用的地方:那就是決定考試選擇題的策略。早在 1977 年當筆者還不知道什麼是投資時,就已經用常識分析了這個問題:

現行(大學入學分科測驗)倒扣的計算方法(如五選一,答對 1 分,答錯扣 0.25 分),任何只要具備簡單或然率知識的人均能算出:如果考生「完全瞎猜」,則得分數與倒扣分數剛好互相抵消。

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上面這種稱為「邁可生倒扣公式」的預期價值是

在這種倒扣方法下,最佳戰略應該如何決定?顯然地,如果在五個答案中,我已經知道一個或一個以上的答案是錯的,那我應該答,因為得分的或然率已高於倒扣分的或然率:

但是如果我很不幸地「完完全全不知」呢?那因為答了也不吃虧,所以也應該答!!!總而言之,不管怎麼樣,每題都應該答!記住,每題都應該答!

「倒扣」的記分方法原有遏止考生投機的用意,可是根據上面的分析,邁可生倒扣公式不僅達不到遏止投機的目的,反而會助長之;所以,如果要避免考生猜題,倒扣比例應該提高。現在讀者應該不難算出:如果倒扣為 0.30 分,那麼邁可生倒扣公式之預期價值便變成 -0.04,就不值得瞎猜了!

結論

像印牌熱水瓶使用真空保溫,散熱率較低,也因之價格較高,但長期使用下來還是值得的。熱水瓶的「節能定時器功能」是否節能得看環境及定時長短。

「真正的冷氣機」一定要具有能「往外面排熱氣的管子」,否則因為能量不滅的關係,所有的熱只能留在室內,或許可以讓站在出風口處的人感到冷風或冷氣,但是絕對不可能使室溫下降的。事實上根本不需要分析,簡單的邏輯告訴我們:不拿熱到外面的任何機器都不可能讓室內冷下來的!筆者最後還是買了一款定價高一點、體積大很多、有管子通往外面、不怎麼方便的「便攜式空調」(註四),其冷氣量高達 4100 瓦特,為「HANLIN HS02 移動冷氣」的3倍!

美國之「百萬大獎」的「益本比」雖然可以上十億,但投資報酬率(預期價值)似乎太低,不值得浪費時間排隊去買的。如果考試選擇題採用的是「邁可生倒扣公式」,那即是完全不知道答案,也應該每題都要回答!

附註

(註一)只要透過基本微積分就可以導出來。熱水瓶的溫度(T)下降速率應該正比於散熱係數(σ)及裡外溫差(T-To):

式中的 To 為室外溫度,解得

式中的 Tw 為熱水瓶的設定溫度(即 t=0 時的溫度)。


(註二)選一「白球」的方法有 C(70, 5) ,選五「金色百萬富翁球」的方法有 C(25, 1) , 所以選一「白球」及五「金色球」的方法有:


(註三)筆者尚不知如何買下所有的 302,575,350 組合,請讀者提供高見。


(註四)事實上是冷暖兩用機:圖三中的室內、室外互換即成暖氣機。當暖氣機用時,因為要從室外拿熱進來,其效率比一般只在室內用電加熱的「純電熱器」高(2.7:1)。

延伸閱讀

  • 「奇妙的水分子」,科學月刊,1979年1月。
  • 「聯考與選擇題」,科學月刊,1977年8月。
  • 「日常生活中的物理與化學」,科學月刊,2010年12月。
  • 「日常生活範式的轉變:從紙筆到 AI」,泛科學,2023/03/08。
  • 《我愛科學》,華騰文化有限公司,2017年12月出版;內含「奇妙的水分子」、「聯考與選擇題」、「日常生活中的物理與化學」。
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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此獲有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪,IBM顧問研究化學家退休 。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲它轉載我的科學月刊上的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」。
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