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標(biāo)題: 數(shù)字追兇,比福爾摩斯還快 [打印本頁(yè)]

作者: f.luo    時(shí)間: 2011-9-23 09:53
標(biāo)題: 數(shù)字追兇,比福爾摩斯還快
轉(zhuǎn)自:果殼,死性理派
http://www.guokr.com/article/64333/

警察在處理案子時(shí)總會(huì)遇到許多難題,其中之一就是根據(jù)犯罪現(xiàn)場(chǎng)的蛛絲馬跡還原出兇手作案時(shí)的完整情況。他們要從海量的干擾信息中篩選出對(duì)案件有幫助的,再通過(guò)分析這些信息推斷出正確的結(jié)論。

這正是數(shù)學(xué)拯救世界的時(shí)刻。從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的數(shù)據(jù)可以使用小波、概率論和統(tǒng)計(jì)學(xué)等方法進(jìn)行儲(chǔ)存與解讀。對(duì)于警察來(lái)說(shuō),數(shù)學(xué)最重要的功能是通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的各種變換處理,一舉找到真正有用的信息。根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析,警方往往要逆向地還原出案發(fā)時(shí)的場(chǎng)景,確定誰(shuí)才是嫌疑犯。這個(gè)要倒過(guò)來(lái)的過(guò)程,在數(shù)學(xué)上被稱為反問(wèn)題。接下來(lái)我們就通過(guò)列舉幾個(gè)實(shí)例來(lái)展示數(shù)學(xué)是如何在偵查領(lǐng)域立下戰(zhàn)功的。
算出車禍時(shí)的汽車行駛速度


交通事故可謂是世界上最頻發(fā)的案件,而案發(fā)時(shí)的車速則是衡量事故責(zé)任的重要依據(jù)之一。

一般來(lái)說(shuō),警察在交通事故現(xiàn)場(chǎng)能夠獲得的信息不外乎車輛被損壞的程度、目擊者描述以及車胎的印記。但倘若沒(méi)人看到,誰(shuí)來(lái)判斷這是意外車禍還是蓄意謀殺?但如果車主真的踩了剎車(也就是意外車禍),輪胎痕跡是不會(huì)說(shuō)謊的。通!安冗^(guò)剎車”的輪胎痕跡應(yīng)該呈現(xiàn)一個(gè)“三段式”的特征:


通過(guò)前后輪胎痕判斷軸距(示意圖)

滾印-壓印-拖印。由于汽車的制動(dòng)力是逐漸加強(qiáng)的,所以在司機(jī)踩下制動(dòng)的時(shí)候,胎痕首先會(huì)從滾印變成壓印,而后車胎“抱死”,拖印也就在這個(gè)時(shí)候出現(xiàn)了。因此,只要測(cè)量壓印和拖印出現(xiàn)的時(shí)間和特征,就可以很輕易地得知汽車是否剎車,以及是何時(shí)開(kāi)始剎車的了。這個(gè)問(wèn)題謀殺站曾在 意外車禍還是蓄意謀殺?輪胎痕跡不說(shuō)謊! 中有過(guò)詳細(xì)討論。

如果我們只關(guān)心車速,那只要測(cè)出制動(dòng)拖印長(zhǎng)度(即剎車距離)和地面的摩擦系數(shù),就可以請(qǐng)出牛頓經(jīng)典力學(xué)登場(chǎng)解決問(wèn)題了。也許這是一個(gè)高中生都會(huì)做的物理題,但它的確在事故調(diào)查中發(fā)揮了很大作用。

實(shí)際中,交警的估算要復(fù)雜很多,比如剎車過(guò)程中,摩擦系數(shù)(實(shí)際中稱為附著系數(shù))會(huì)隨著汽車制動(dòng)的過(guò)程而發(fā)生變化,這時(shí)就需要大量的實(shí)踐總結(jié),用一個(gè)可靠的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)修正。而如果事故是發(fā)生在積水較深的路面上,積水的影響則不容忽視(水滑現(xiàn)象),這時(shí)候的計(jì)算則需要引入水壓強(qiáng)以及水和胎面間迎擊面長(zhǎng)度這些變量。
還原歹徒車牌號(hào)碼

“緊急!緊急!城南方向有一家珠寶店被搶劫了!”大家紛紛武裝到牙齒,摩拳擦掌,準(zhǔn)備去和歹徒搏斗。可是等等,哪輛車才是歹徒駕駛的?

好消息是攝像頭拍下了汽車逃逸時(shí)的畫面。

壞消息是那個(gè)畫面看不清楚。


別擔(dān)心,這時(shí)候數(shù)學(xué)又大顯神威了。我們可以認(rèn)為,看不清的圖像就是清晰圖像經(jīng)過(guò)“模糊”過(guò)程后得到的結(jié)果。用數(shù)學(xué)的話來(lái)說(shuō)就是,“模糊”可以看做是一個(gè)函數(shù)。只要我們能夠知道這個(gè)函數(shù)的表達(dá)式,就可以設(shè)法逆向地還原出清晰的圖像。我們同樣可以用函數(shù)來(lái)表示清晰圖像與模糊圖像,分別記為 f 和 h ,而把模糊過(guò)程記為 g。那么一般而言,這個(gè)模糊過(guò)程的模型就是如下這樣:
  

在上式中,x 表示任意一個(gè)像素, f( x ) 是清晰圖像中每個(gè)像素的圖像, h( x ) 就是模糊圖像中每個(gè)像素的圖像。如果我們能夠知道 g( y ) 的詳細(xì)情況(這可以根據(jù)汽車的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況模擬得出),那么便能夠通過(guò) h( x ) 解出 f( x )。下圖是用數(shù)學(xué)方法得到的清晰圖像與抓住歹徒后拍攝的真實(shí)圖像,是不是感到還原度非常高呢?



從算出連環(huán)殺手的住處到確定傳染病的傳染源

連環(huán)殺人犯總讓人都感到恐慌,尤其是當(dāng)你和他同處一城的時(shí)候。如何根據(jù)已有的犯罪地點(diǎn)、時(shí)間等數(shù)據(jù),推測(cè)出兇手的家在哪里?

在美劇 《NUMB3RS》 的第一集里就出現(xiàn)了這樣的情節(jié)。然而與一般警局不同的是,他們請(qǐng)來(lái)了一位數(shù)學(xué)家,這位數(shù)學(xué)家就使用了犯罪地理學(xué)中如下的公式,計(jì)算出了連環(huán)殺手可能的住處。



其中 | X i - x n | + | Y i - y n | 表示的是點(diǎn) ( X i , Y i ) 到第 n 個(gè)犯罪地點(diǎn) ( x n , y n ) 的 曼哈頓距離 。其中還有三個(gè)常數(shù) f , g , k ,則大概是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或由計(jì)算機(jī)擬合得到的。這個(gè)公式計(jì)算出來(lái)的 p i,j 就表示犯罪住處位于 ( X i , Y i ) 的概率。


這么一大塊公式看起來(lái)很神奇,它是怎么得到的?實(shí)際上,通過(guò)對(duì)犯罪心理學(xué)的研究,數(shù)學(xué)家發(fā)現(xiàn)犯罪分子在作案時(shí)有兩個(gè)比較明顯的特征:

1.考慮到成本,便捷性以及對(duì)周圍環(huán)境的熟悉,他們不會(huì)在離自己住所太遠(yuǎn)的地方作案——實(shí)際上 70% 的連環(huán)殺人犯都會(huì)在離住所兩英里內(nèi)的區(qū)域作案.

2.為了安全起見(jiàn),不留下讓警察懷疑到自己的蛛絲馬跡,連環(huán)殺人犯也不會(huì)貿(mào)然對(duì)自己的鄰居下手。

上述的公式就是在這樣的大框架內(nèi)得出來(lái)的,并且在實(shí)際運(yùn)用中效果也很不錯(cuò)。

有趣的是,這個(gè)本用來(lái)抓捕犯人的數(shù)學(xué)公式竟然還能用到對(duì)傳染病的控制上!衛(wèi)生部門希望在傳染病剛剛流行的時(shí)候就能夠找到傳染病的源頭,從而在造成更大影響之前將其撲滅。巧合的是,傳染病的傳播特征和罪犯選擇作案地點(diǎn)的特征非常相似。無(wú)論是什么樣的傳染病,都需要生活在寄主體內(nèi),基本不可能在空氣中長(zhǎng)久地漂浮,所以它們不會(huì)感染離源頭太遠(yuǎn)的地方。又因?yàn)閭魅静≡床荒馨俜职俦WC感染遇見(jiàn)的每一個(gè)寄主,所以它們需要從源頭擴(kuò)散到一定的距離才能找到適合生存的新環(huán)境——“不能太遠(yuǎn)也不能太近”,這和連環(huán)殺手的作案風(fēng)格如出一轍。在這里,數(shù)學(xué)又一次出人意料地在看起來(lái)不相關(guān)的領(lǐng)域大展拳腳。

    本文對(duì)一些現(xiàn)代的數(shù)學(xué)破案方法做了一個(gè)概括的介紹,但沒(méi)有詳細(xì)地解釋具體細(xì)節(jié)。這是因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中涉案的諸多因素都很復(fù)雜,并且絕大多數(shù)情況下這些方法需要借助計(jì)算機(jī)模擬,并非一兩段話就能夠說(shuō)明詳情。

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作者: wccd    時(shí)間: 2013-8-13 11:28
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