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普考申論題 107年 [地震測報] 地球物理數學概要

第 一 題

十八世紀(1772 年)德國天文學家波德(Bode)提出了一個經驗式來歸納太陽系行星與太陽之間的距離。下表是當年波德所取得的觀測數據,距離為天文單位(AU)。

| 行星名稱 | 水星 | 金星 | 地球 | 火星 | 木星 | 土星 | 天王星 | 海王星 | 冥王星 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 與太陽距離 | 0.38 | 0.72 | 1.00 | 1.52 | 5.20 | 9.57 | 19.19 | 30.07 | 38.62 |

波德先設定一個數列如下:
0, 0.3, 0.6, 1.2, 2.4, 4.8, 9.6, 19.2, 38.4, …
其次將每個數加大一個量變成
0.4, 0.7, 1.0, 1.6, 2.8, 5.2, 10.0, 19.6, 38.8, …
至此,波德發現這個數列居然相當吻合表列的距離數據。於是他先設定起始條件,第一顆行星次序 n=1,其與太陽距離 d(n) = 0.4。再幾經試誤(trial and error)之後他提出了一個簡單的數學式表示行星與太陽之間的距離,稱之為波德定律。請根據上面的規則推算並寫出波德定律。(20 分)
📝 此題為申論題

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觀察波德數列的構成,先找出原始數列的規律,發現從第二項開始為公比為 2 的等比數列。將該數列的一般項表示為關於行星次序 n 的函數,加上常數 0.4,即可推導出波德定律的數學式。

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【解題思路】觀察數列前後項的倍數關係與加法關係,推導出等比數列的通項公式,並建立與行星次序 $n$ 的函數關係。 【詳解】 已知條件整理:

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