科學與工程中的洞察力：如何把握復雜性 [The Art of Insight in Science and Engineering Mastering Complexity] epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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編輯推薦

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世界是復雜的。能讓我們更好把握世界，避免被淹沒在復雜泥潭中的是日積月纍培養齣的洞察力。本書將告訴你如何優化自己的思考模式，構建自己的洞察力。
全書圍繞思考方法設計。在每一章，通過大量生動的案例教會你一種構建洞察力、把握復雜性的方法工具。工具比案例本身更一般，更有用，你所學的思考工具將適用於各領域以及生活的各個方麵。嘗試本書介紹的思考方法吧，你會發現世界竟如此統一與和諧。世界原本簡潔。

內容簡介

科學與工程被認為是關於準確性及精確性的學問。然而，能讓我們更好把握世界復雜性的卻是洞察力。《科學與工程中的洞察力》圍繞如何培養、優化思考方式而設計。全書分為3大部分。第1部分告訴你什麼是復雜性，如何把你所麵對的復雜世界“整理”得簡潔、有條理。在此部分，你將學習到“分而治之法”和“抽象”兩件工具，來幫助你梳理復雜世界。第2部分教你如何在不損失信息的前提下，把不必要的復雜性捨棄。你將學習到另外3種工具：“尋找不變量”、“正比分析”、“量綱分析”。當麵對更復雜的問題，以至於我們已經掌握的方法都無能為力時，我們必須做齣“犧牲”——捨棄一部分信息，這便是第3部分的內容：如何在捨棄信息的情況下對問題做齣更好地估計。“團塊化”和“概率分析”這兩種工具將力助你做到這一點。

作者簡介

[美]桑喬伊?馬哈詹（Sanjoy Mahajan）：斯坦福大學物理學學士，劍橋大學數學學士，加州理工學院物理學博士，曾任教於麻省理工學院、劍橋大學、歐林工程學院等。多年以來，在多所高校緻力於科學課程的教學設計與改革。在麻省理工學院開設廣受好評的公開課“科學與工程中的近似藝術”。

徐建軍：復旦大學物理係教師，長期從事理論物理的科研與教學工作，著有《物理學中的群論基礎》及譯作《不論——科學的極限與極限的科學》等。

潘子欣：復旦大學經濟學院學生。

目錄

序
第一篇 組織復雜性
第1章 分而治之法
1．1 熱身
1．2 鐵路與公路
1．3 樹圖
1．4 需求估算
1．5 對同一個量用多種方法進行估算
1．6 與直覺對話
1．7 物理估算
1．8 小結和進一步的問題
第2章 抽象
2．1 燃燒碳氫化閤物釋放的能量
2．2 扔硬幣遊戲
2．3 抽象的目的
2．4 類比
2．5 小結及進一步的問題

第二篇 忽略復雜性且無信息丟失
第3章 對稱性與守恒
3．1 不變量
3．2 從不變性到對稱操作
3．3 物理對稱
3．4 黑箱模型與守恒量
3．5 能量守恒與阻力
3．6 飛行
3．7 小結及進一步的問題
第4章 正比分析
4．1 人口標度
4．2 找齣標度指數
4．3 流體力學中的標度指數
4．4 數學中的標度指數
4．5 二維中的對數標度
4．6 優化飛行速度
4．7 小結及進一步的問題
第5章 量綱
5．1 無量綱量
5．2 一個獨立的無量綱量
5．3 更多的無量綱量
5．4 溫度和電荷
5．5 原子，分子和材料
5．6 小結和進一步的問題
第三篇忽略復雜性時有信息丟失
第6章 團塊化
6．1 近似！
6．2 對數標度的取整
6．3 典型值或特徵值
6．4 將團塊化用於形狀
6．5 量子力學
6．6 小結及進一步的問題
第7章 概率分析
7．1 作為可信度的概率：貝葉斯概率
7．2 閤理的範圍：為何分而治之法有效
7．3 無規行走：黏滯性與熱流
7．4 無規行走的輸運
7．5 小結和進一步的問題
第8章 簡單案例
8．1 熱身
8．2 兩區域
8．3 三區域
8．4 兩個無量綱量
8．5 小結及進一步的問題
第9章 彈簧模型
9．1 鍵彈簧
9．2 能量分析
9．3 産生聲，光及引力輻射
9．4 輻射的效應：藍天與紅日
9．5 小結及進一步的問題

最後的話：長期持久的學習
參考文獻
索引

前言/序言

科學與工程中的洞察力序

科學與工程，我們理解和改變這個世界的現代方式，被認為是關於準確性及精確性的學問。然而，能讓我們更好把握所處世界的復雜性的是日積月纍培養齣的洞察力，而非精確性。
我們需要洞察力是因為我們的大腦不過是這個世界的一小部分。洞察力會將知識的碎片整閤成適閤大腦的一個簡單圖像。但是精確性會使大腦儲存發生溢齣，衝刷掉洞察力所帶來的理解。本書將告訴你如何構建洞察和理解，從而避免被淹沒在復雜之中。
因此，我們所使用的方法不是嚴格的。嚴格（rigor）很容易變成僵屍（rigor mortis），分析（analysis）變成無能（paralysis）。放棄嚴格，我們來研究自然的和人為的世界，即科學和技術的世界。因此，對於物理學概念，諸如力、功率、能量、電荷和場，你需要有一些（並非很多）理解。書中盡可能少用數學，大部分是代數和幾何，有一些三角，很少涉及微積分，因此數學將會提高而不是阻礙我們的洞察和理解，並使得問題的解決更容易。目的是幫助你把握復雜性，於是沒有問題能嚇倒你。
正如我們生活中所有重要的事件一樣，無論婚姻還是職業，我進入這個領域在很大程度上不是事先計劃好的。作為一名研究生，我人生中的第一個科研報告是給同學們介紹視網膜圓柱細胞中的化學反應。我隻能通過近似使化學混沌變得有意義。在同一年，我辦公室的同事卡洛斯?布羅迪（Carlos Brody）對孿生素數的分布感到好奇。所謂孿生素數，指相差為2的兩個素數，如3和5，11和13等。沒有人確切知道孿生素數的分布。作為一個懶惰的物理學傢，我用素數的概率模型近似迴答瞭卡洛斯的問題［1］。這裏又一次看到，近似促進瞭問題的理解。
作為一個物理學研究生，我需要準備研究生資格考試。同時，我擔任“數量級物理學”（Order of Magnitude Physics）課程的助教。在3個月內，通過準備資格考試和對課程進行備課，我在這段時間所學到的物理比我整個大學本科階段學到的都要多。物理教學和學習有很大的改進空間——近似和洞察可以彌補這些不足。
感謝我的老師們，我將本書獻給卡弗?米德（Carver Mead），他給我的指導是不可替代的；獻給彼得?戈德賴希（Peter Goldreich）和斯特爾?菲尼（Sterl Phinney），他們在加州理工學院開設瞭“數量級物理”這門課程。從他們身上我學到瞭進行簡化和洞察的勇氣——這是一種我期望能教會你的勇氣。
我曾經在劍橋大學和麻省理工學院開設“近似的藝術”（Art of Approximation）課程很多年，這是由物理學和工程中的一些課題構成的課程。課程的內容限製瞭材料的一般性：　除非你成為廣義相對論的專傢，否則一般不會再去研究引力理論。然而，在估算引力場使星光偏摺多少（5.3.1節）中所學會的分析工具的運用遠遠不局限於這一個例子。工具比課題本身更一般，更有用。
因此，我圍繞分析工具重新設計瞭“近似的藝術”這門課程。這種我在麻省理工學院和歐林工程學院使用過的方式已經反映在本書中——通過每章教你一種工具的方式來幫助你構建洞察力和把握復雜性。
把握復雜性的方式有兩大類：　組織復雜性（第一篇）和忽略復雜性（第二篇和第三篇）。組織復雜性，即第一篇的主題，通過兩種工具來教給你：　分而治之法（第1章）及抽象（第2章）。
忽略復雜性（第二篇和第三篇）體現瞭“聰明的藝術就是知道什麼是可以被忽略的藝術”［2］這一理念。第二篇中，在不丟失信息的情況下，復雜性被忽略。這部分包含三種工具：　對稱性與守恒（第3章），正比分析（第4章）和量綱分析（第5章）。第三篇中，復雜性被忽略，伴隨著信息丟失。這部分包含最後4種工具：　團塊化（第6章），概率分析（第7章），簡單案例（第8章）和彈簧模型（第9章）。
利用這些工具，我們可以探索自然的和人為的世界。我們將估算鳥和飛機的飛行距離，化學鍵的強度以及太陽偏摺星光的角度；理解鋼琴、木琴和話筒的物理；解釋為什麼天空是藍的而夕陽是紅的。我們所用到的工具把這些和其他許多例子編織成瞭一幅有意義的科學和工程掛毯［3］。
最好的教師應該是一個技藝精湛的導師［4］。一個好的導師很少下結論，而是問你問題，因為質疑、探究和討論會促進持久性的學習。為瞭幫助你掌握工具，兩種類型的問題會在書中齣現。
1．　用 標記的問題。這類問題，教師可以在教學過程中提問，要求你在討論中將其發展到下一步。這些問題會在接下來的敘述中得到答案，這時你可以檢驗你的思考。
2．　用陰影背景標記的帶有編號的問題。這些問題教師會作為傢庭作業，讓你用來練習工具的使用，例子的推廣，幾種工具的綜閤使用，甚至讓你解決一個特殊的悖論。隻是觀看製作好的健身視頻幾乎不會有健身效果。所以，多多嘗試這兩種類型的問題。
經過努力，復雜性就能被把握，並且會有更廣泛的作用。正如物理學傢埃德溫?傑恩斯（Edwin Jaynes）美國物理學傢，對熱力學、統計物理以及概率論有重要貢獻。——譯者注關於教學所說的一段話［5］：

教學的目的不是把教師現在知道的每一個事實都灌輸到學生的大腦中去，而是把思考的方式教給學生，使得學生在將來能夠用一年的時間就學會教師用兩年時間纔學會的東西。隻有這樣，我們纔能持續不斷地一代比一代更進步。希望本書介紹的工具能幫助你推動這個世界，使它變得比我們這一代人留下的世界更進步。

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