你爬一座山,不管你站在海拔0米还是海拔5000米,山的陡峭程度是一样的。
陡度只看"水平走了多远(h)"和"垂直爬了多高(v)",不看你在哪里。
举个例子:你从海拔100米爬到海拔200米,水平走了50米,那 h=50, v=100。你朋友从海拔3000米爬到海拔3100米,水平也走了50米,那 h=50, v=100。两段路的陡度应该一样——因为变化量完全相同!
所以陡度写成 S(h, v) = ?,h 是水平变化量,v 是垂直变化量。括号里只写 h 和 v,不写"你在哪里"——因为位置不影响陡度。
拖动画布上的两个点试试——不管点在哪里,只要 h 和 v 的比例一样,陡度就一样!
直线嘛,从头到尾都一样直,不可能走到一半突然变陡。
你在直线上选两个点算陡度,和选另外两个点算陡度,结果必须一样。
具体说:如果你把 h 和 v 同时放大2倍,就是在同一条直线上看更远的两个点,陡度不变。举个例子:一条直线上,相邻两个点之间 h=3, v=6,陡度 = 6/3 = 2。如果你看更远的两个点,h=6, v=12(同时放大2倍),陡度 = 12/6 = 2,还是2!
写成公式:S(h, v) = S(2h, 2v) = S(3h, 3v) = S(#h, #v),# 是任意正数。
这条规则直接排除了 S=h, S=h+v, S=h×v 这些定义——因为它们不满足"同时缩放 h 和 v,结果不变"。比如 S=h:h=3 时 S=3,h=6 时 S=6,变了!而 S=v/h:h=3,v=6 时 S=2,h=6,v=12 时 S=2,不变!
试试拖动两个点:把两个点拉远(h 和 v 都变大),看 S 值变不变!
我们要发明"陡度"这个概念,但不知道公式是什么。没关系,用5条常识来淘汰不合理的定义!
第1条:S 只依赖 h 和 v → 写成 S(h,v) = ?。这一步只是确定了输入是谁。
第2条:直线处处一样陡 → S(h,v) = S(#h, #v)。排除了 S=h, S=hv 等——比如 S=h:h=3 时 S=3,h=6 时 S=6,不满足!而 S=v/h 满足:6/3 = 12/6 = 2。
第3条:水平线陡度为零 → 当 v=0 时 S 必须等于 0。排除了 S=h/v——因为水平线 v=0,h/v = 无穷大,不是0!而 S=v/h:v=0 时 S=0/h=0,满足!
第4条:高度翻倍,陡度翻倍 → S(h, 2v) = 2S(h,v)。排除了 S=(v/h)²——因为 (2v/h)² = 4(v/h)²,高度翻倍陡度变4倍,不对!只有 v/h 的一次方才满足:2v/h = 2×(v/h),翻倍就是翻倍。同理 (v/h)³ 等高次方也被淘汰。
第5条:45度山丘陡度=1(纯粹为了好看!)→ 当 h=v 时 S=1。排除了 S=3×(v/h)——因为 h=v 时 3×1=3≠1。同理 S=974×(v/h) 等也被淘汰。
5条约束全部满足的,只剩一个:S(h,v) = v/h = rise/run!
点击"重力翻转"按钮看看:翻转后 h 和 v 互换,S 变成 1/S——只有 S=v/h 时这个关系最简洁。
楼梯:每级台阶高15cm、深25cm,陡度 = 15/25 = 0.6。这意味着你每走25cm的水平距离,就上升15cm。
高速公路坡度标志:"5%坡度"就是 v/h = 5/100 = 0.05,很缓。你开100米才上升5米。
滑梯:高2米、水平长1米,陡度 = 2/1 = 2,很陡!你每走1米水平距离就上升2米。
陡度>1意味着"爬得比走得还多"(v>h,比45度更陡),陡度<1意味着"走得多爬得少"(v 陡度=1就是45度——不偏不倚,水平和垂直一样多。画布上那条虚线就是45度参考线,把滑块拖到 S=1 看看!