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感受数学之美 作业帮这个专利让学生读懂“表达式”

2021年09月04日 10:18 来源:中华网财经
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数字、符号、公式和定理,如果说数学给人的是一种深奥和复杂的感觉。那表达式作为数学的语言,也散发着同样的气质。表达式(Expression)也被称为表示式、运算式,在数学领域中是指一些符号依据上下文的规则,有限而定义良好的组合。差不多从小学开始,我们就开始接触各类表达式,从最初的简便计算到初高中因式分解,包括让很多人头疼的三角函数分式化简。

不会做怎么办?其实一直到现在,对于一些复杂的表达式,市面上的普通计算器很多都给不出结果。2021年4月,作业帮的一项“表达式”相关专利发明获国家知识产权局授权,授权公告号为CN107797963B。这项专利发明对应的功能是作业帮的一款数学软件——智能计算器。

智能计算器的设计灵感来自于美国科学家斯蒂芬・沃尔夫勒姆(Stephen Wolfram)的公司1988年发布的一款著名的数学软件Mathematica。 Mathematica拥有强大的数值计算和符号运算能力,可以让人们随心所欲地进行各种复杂的数学运算,比如解方程、求导数、求矩阵的逆、画三维图形等等。这款软件自推出后,在科学家、工程师以及其他各种职业人群中得到了广泛的应用和好评。

“我们想做一个东西,针对中小学生常见的计算题的形式,不仅给出它的计算结果,也能给出运算过程。”作业帮首席算法专家宋旸说,K12群体(中小学生)还用不到那么专业且复杂的一个软件,但是对于小学生的简便计算、初高中因式分解,比如解个方程,三角函数分式化简等,孩子们需要答案,也需要有过程的呈现。

2016年初,基于这样一个需求,作业帮产研中心设立了项目组,并搭建起了六人团队:两个人负责后台核心算法,两个人做前端功能开发,一人负责后端服务框架,一人负责设计。

普通的计算器不能给出表达式结果并展示运算过程,智能计算器如何将因式分解、三角函数等这些复杂的表达式的运算过程和结果呈现出来?

感受数学之美 作业帮这个专利让学生读懂“表达式”

图说:点开①②③……,会看到对应步骤的解释

“它背后是一种符号计算,但是把每一个符号定义成一个元素。”宋旸介绍,符号之间的计算会有很多规则,某些规则下可以去做一些化简计算,可以合并,可以重新排序等等,然后基于这种推理,把细微的逻辑结合进去。

比如简便计算,其实它不是简单的就拿这个数字直接算出来就结束了,它是把这些东西拆成若干个符号组合,比如乘法分配率、加法交换率、数字拆分,所有这些规则都要把它形式化表示出来,表示出来之后,然后做各种组合,各种组合下去找一个最优路径。

差不多用了三四个月的时间,从简便运算到因式分解、到方程、方程组、分式方程,再到一些带根号的表达式化解、三角函数,基本上中小学生在数学学习过程中遇到的各种类型的表达式,这款智能计算器都能给出结果,也能给出过程,并且给出这个过程的依据和解释。

智能计算器在作业帮APP上线后,每天约数十万的访问量。智能计算器中十大类型的表达式,基本涵盖了从小学到高中计算题的主要类型。甚至到了5年后的今天,市面上也没有其他的计算器能够做到,给出这些中小学生常见的表达式的结果,以及运算过程。

感受数学之美 作业帮这个专利让学生读懂“表达式”

图说:计算器里的“使用须知”,帮助用户正确地入表达式

2016年9月,以作业帮教育科技(北京)有限公司位主体,该专利申请在国家知识产权局的官网申请公开。在专利的申请书中,几位发明人这样写道:通过发明中提供的表达式处理方法,使得用户在结果界面中即可查看表达式信息处理的中间步骤和最终结果,方便用户了解处理表达式信息的中间步骤,进而更深更广地学习数学知识。

伽利略说,数学是上帝用来书写宇宙的语言。

进入信息时代,经过几千年演化变得高深和抽象化的数学,其实就在我们天天用的产品和技术中。尽管数学常常给人一种深奥和复杂的感觉,但借助一些好的工具,让更多人体验求解的乐趣,体会数学的美感,或许可以让数学在我们的生活中重新焕发生机。

感受数学之美 作业帮这个专利让学生读懂“表达式”

背景资料:

作业帮教育科技(北京)有限公司成立于2015年,一直致力于用科技手段助力教育普惠,运用人工智能、大数据等前沿技术,为全国中小学生提供更高效的学习解决方案。

据统计,在作业帮所有主体之下,自公司成立以来共计有170余项专利申请,覆盖了语音识别、自然语言处理、图像和OCR识别等AI技术,以及大数据处理等领域。

(责任编辑:CF001)

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