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如何快速判断电路串并联(弹簧串并联与布雷斯悖论)

时间:2023-08-23 作者: 小编 阅读量: 5 栏目名: 钓鱼百科

2005年,首尔发起了一项拆除快速路的项目。实际上,这是一种称为布雷斯悖论的现象,德国数学家迪特里希·布雷斯在研究交通模型时发现了这一点。为了更好地说明布雷斯悖论,首先我们要先来看一道关于弹簧的物理题。事实上,这种弹簧和绳索的布置实际上是布雷斯悖论的类比。这就是布雷斯悖论,通过从网络中删除一条较短的快速道路,实际上可能会减少旅行时间。布雷斯悖论虽然有趣,但我们还是希望它能给我们带来益处。

1968年,韩国首尔在清溪川上方修建了一条六车道的快速路以改善交通流量。起初它奏效了,汽车拥堵情况得到了缓。但随着时间的推移,越来越多的汽车开始出现,最后这条路就一直处于拥堵情况。2005年,首尔发起了一项拆除快速路的项目。这引起了很多争议,他们认为拆除这条快速路肯定会使整交通变得更糟。但当道路被拆除时,情况出乎每个人的意料,交通流量得到改善,市民的出行时间减少了。

实际上,这是一种称为布雷斯悖论的现象,德国数学家迪特里希·布雷斯在研究交通模型时发现了这一点。他注意到,与我们的直觉相反,在交通网络中增加一条额外的道路,实际上可能会增加通行时间。为了更好地说明布雷斯悖论,首先我们要先来看一道关于弹簧的物理题。

如图所示,两个弹簧由一小段蓝色绳子连接在一起,最底部有一个重物。还有一条红绳和一条绿绳,它们都处于松弛状态,并没有承受任何重量。问题来了,当剪断蓝色的绳子时重物会上升还是下降?

一般人认为,这条蓝色的绳子处于张紧状态,所以当剪掉它的时候,会释放掉它的张力,重物肯定会下降。但事实上,当我们剪掉蓝色绳子的时候,重物会上升。这是因为,在蓝色绳子还链接的时候,两个弹簧处于串联状态;而剪断绳子之后,弹簧就由串联变成了并联。应用我们初中物理的知识,我们知道并联的弹簧比串联的弹性系数k要大得多,因此总的伸长量就短了。

事实上,这种弹簧和绳索的布置实际上是布雷斯悖论的类比。想象一下,有A和B两个城镇,它们之间有一个道路网络,如图所示。图中红色和绿色的路相当于绕远路,但它们都非常宽,从不堵车。中间灰色的路很窄,但优点是路很直距离也很短。中间还有一段蓝色的路很宽也很短。

红色、绿色和蓝色的道路非常宽阔,不管在这些路上有多少车,沿着红、绿色道路行驶总是需要11分钟,沿着蓝色道路行驶需要1分钟。而灰色的道路很窄,行车时间取决于道路上有多少辆车。为了简单起见,假设每有100辆车,驶完一条灰色道路就需要一分钟的时间。

现在,假设有800辆汽车试图从城镇A到B,它们都选择走中间路线。所以一辆车走第一条灰色道路需要8分钟,蓝色道路需要1分钟,第二条灰色道路也需要8分钟,总共耗时17分钟。问题是司机真的都会走同一条路吗?事实上,一些司机可以切换到不同的路线,但他们会发现其他两条路线都需要19分钟,比走中间路线更久,所以基本不会有司机会走别的路线。

这与弹簧和绳索有什么关系?重物就像路上的汽车数量,重物向下多远就像开车需要多长时间。绿色、蓝色和红色的道路就像绿色、蓝色和红色的绳索,对它们施加多大的重量并不重要,它们是恒定的。而灰色道路就像弹簧,重物越重,弹簧伸长得就越多。

那么,当我们像切断弹簧间的蓝色绳索一样,把蓝色道路拆除时会发生什么?现在A和B之间只剩两条可能的路线。假设司机可以获得最新的拥堵信息,那么将达到一个新的平衡,其中一半汽车走一条路线,另一半的汽车走另一条路线。这意味着现在每条银色道路上都有400辆汽车,所以现在任何一辆车的总行程时间是4 11=15分钟,这比蓝色道路被切断之前的17分钟还短。

这就是布雷斯悖论,通过从网络中删除一条较短的快速道路,实际上可能会减少旅行时间。布雷斯悖论虽然有趣,但我们还是希望它能给我们带来益处。毕竟,随着车子越来越多,交通拥堵现象也越来越明显了。那么问题来了,我们要如何确定布雷斯悖论会在哪个道路中发生呢?

如果我们拆除了一条路,它可以改善当地的交通,但我们怎么知道它不会让别的地方的交通变得更糟?有一个工程说法,局部改进可能只会将问题转移到其他地方。所以到目前为止,我们的唯一方法是运行计算机模拟,在程序中拆除一条道路,然后看它如何影响整体交通。

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