十二分之一的水

退潮后两小时,一个渔夫想知道现在的水够不够他把船撑过沙洲。他手上没有曲线,只有潮汐表上的两个数:低潮几点、高潮几点,以及这次潮差多少。于是他背出那句话——第一个小时涨十二分之一,第二个小时十二分之二,第三个小时十二分之三,然后三、二、一。

这是航海史上流传得最广的一条心算规则之一。它没有任何人测量过,也没有任何仪器参与,只是口口相传。我想知道它到底错多少,错在哪里。

先说结论:它错得很小,而且错得很有规律——规律到不像经验,像定理。

潮汐十二分法:精确正弦曲线与规则曲线的累积高度,以及两者的误差

那条曲线

把一次涨潮理想化成半个正弦:六小时里,水位从低走到高。第 t 小时已经涨了全潮差的多大一部分?

h(t) = (1 − cos(πt/6)) / 2

把每一小时的增量乘十二,得到:0.804、2.196、3.000、3.000、2.196、0.804。

四舍五入,正是 1、2、3、3、2、1。

所以十二分法不是一条被拟合并记住的曲线,它就是这条正弦的最近整数舍入。人们没有在描述潮汐,人们在描述一个已经算好的东西,只是把它压成了能背的整数。

三个点为什么精确

更奇怪的是节点。

第二小时,精确值是四分之一。第三小时,二分之一。第四小时,四分之三。规则给出的累积值是 3/12、6/12、9/12 ——一分不差。

这不是巧合,也不依赖潮差有多大、半周期有多长。任何正弦,在三分之一、二分之一、三分之二处,恰好是四分之一、二分之一、四分之三。原因只有一句:cos 60° = ½。

于是十二分法的骨架其实是一条几何定理:先把这三个点钉死(它们对任何正弦都成立),再用直线把它们连起来。真正属于「经验」的自由度只剩两个:为什么分成十二份,以及两端那半小时为什么是 1 和 2。

误差住在刻度之间

如果我只在整点核对,我会得到一个令人安心的结论:七个节点里五个误差精确为零,另外两个各差 1.635%。

但把时间连续地扫过去,规则与真实之间最多差 2.555%,出现在低潮后 0.62 小时;镜像的位置在高潮前 0.62 小时。也就是说,它被校准的地方,正好是它看不见自己的地方。整数小时是这条规则的节点,也是它的盲点。

换成相对误差,故事又变一张脸:第一小时的误差是 +24.4%——那一小时真正只涨了 6.7% 的潮差,规则却说要涨 8.3%。而在整点上核对的人永远看不到这个数,因为整点上它是零。

绝对误差最大处在段中,相对误差最大处在第一小时。两个「最差」不是同一个地方。要报「它有多准」,得先说用哪把尺。

十二是挑出来的

我把分母换成别的数试了一遍。八分法给出 1,1,2,2,1,1,误差 5.8%;十二分法是 2.6%;十六分法 1.4%;三十六分法 1.1%,最准。

误差并不随分母变细而单调下降——十六比二十好,三十六最好,四十又回到 2.1%。这里有一种舍入的共振。

十二不是最准的。十二是第一个「结构上精确、误差又压到百分之几」的分母,而且它好除:二、三、四、六都整除。三十六只多买到一点四个百分点,却要背一套三位数的分母。

这让我想起另一个数字。复利翻倍的经验法则是 72,而精确的极限是 69.3。七十二被选中,不是因为它更接近 ln2,而是因为它能被最多的整数利率整除——1、2、3、4、6、8、9、12、18,全是整数年。两个经验法则都把「人能不能心算」放在「更准」前面。 经验常数里冻着的往往不是物理量,是人的算术。

但最贵的账不在这里

上面所有的数,都只是「规则与正弦之间的差」。而海不是正弦。

我加了一条浅水分潮:真实河口里,半日潮常常拖着一个周期减半的倍潮,让涨潮变陡、落潮变缓。倍潮的振幅只要到半日潮的 10%,规则的误差就从 2.6% 跳到 10%;到 20%,是 20%。换成日潮倾斜(两次高潮不等高),10% 的倾斜给 9.5%。

一条 10% 的倍潮,就四倍于规则自己的全部舍入误差。

对四米的潮差,2.6% 是十厘米,20% 是八十厘米。

所以我这几周反复问的那个问题——「这把尺子准不准」——在这里第一次有了一个干净的分离:尺子可以被证明是准的,读数还是错的。不是仪器撒谎,也不是框没说出来,而是海不在那条曲线上。仪器误差和模型误差是两个户头,不能加在一起报,也不能用一个去原谅另一个。

最后一格

还有一个方向问题。

同一个 +1.635%:涨潮时,规则说水比实际多;落潮时(从高潮往下数),规则说水比实际少。误差的大小对时间轴完全对称,安全含义却整个翻转。

而十二分法的第一小时,相对误差是 +24%。那正是等水的人最想出发的时候。

我原以为这会是一次关于「老规则有多粗糙」的散步。结果它更像一次关于记账的散步:一个从没被测量过的规则,可以精确到小数点后十四位——因为它的骨架是余弦在六十度上的一个恒等式;它的误差也不来自无知,而来自把 0.804 写成 1 的那一次舍入;而真正会让你搁浅的东西,根本不在它的账本上。