(rate)或变率(rate of change)、變化率,是一个变量(因变量)相对于另一个不同单位(量纲)变量(自变量或时间)发生变化的快慢程度。但是,除了上述精确的科学定义外,也可见到广义的“率”,其含盖两相同单位变量的比值。

就数学而言,是两个不同单位相关量相除的商,即一個量相對於另一不同單位量的變化,也是二维平面直角坐标系中,某一元实值函数图像上某点切线的斜率或该点的导数。如果该率中的除数(或分母)等于一个单位,且假设该作为除数的量可以系统地改变(即作为自变量),那么该率中的被除数(或分子)就表达了另一数(因变量)相应的变化率。在某些情况下,率可被视为一个数值随另一个数值的变化而引起的变化。

*以时间作为除数的率,是最常见的一种率,即“每单位时间”的某量变化,或“单位时间内”某物理量的变化量,称为随时间的变化率(rate of change with respect to time),简称时间变化率(time rate of change)、时变率(temporal rate),其数学本质即该量对时间的导数或时间导数(time derivative)。例如:速率、心率都是时变率。速率是物體的移動距離相對於時間的變化量,以每單位時間的移動距離來表示;心跳率是每分鐘的心跳次數。

*以非时间作为除数的率,则包括了电容率、磁导率、汇率等等。日常應用的例子如:汇率是两经济体货币的兑换率(具有两种不同货币单位)。

近代科学定义下的“ratio”(比)和“rate”(率),是兩個相似卻在用法上有所區分的概念。但是不论汉语的“比”和“率”,或是英语的“ratio”和“rate”,都由于漫长的历史因素并未以科学精确区分,偶有混用,造成了有时不符合定义的称呼。汉语中,例如称作“率”的圆周率、分率、打击率,严谨来说,是一种“比”。另一漢語詞彙“比率”,在使用上也显含糊,通常用來代表兩個同单位數量的比或比值(比的值),但也常用以表示率。英语中,例如称作“rate”的 tax rate、literacy rate、mortality rate 等,其实是一种“ratio”。

变化量与变化率
变化量(amount of change)或增量(increment),口语简称“变化”,是某物理量(或变量 y)在某一过程结束时的终态值与开始时的初态值之差,使用符号Δ。例如:“变量 y 的变化量”是 y₂ - y₁ ,记作 Δy 。变化量不同于变化率,后者是两变化量的商。

平均率与瞬时率
根据观察的时间尺度不同,分为以下两种变化率:

平均变化率(average rate of change)、平均率:在一个特定时间区间内,因变量相对于自变量的平均变化快慢。例如:开车从A点到B点的平均时速。

瞬时变化率(instantaneous rate of change)、瞬时率:在某一特定瞬间,因变量相对于自变量的实时变化快慢。亦即微积分中时间导数的定义。例如:开车中的某时刻,仪表盘上显示的瞬时时速。

物理學中的率
在物理學中,當我們提到率(rate)或變化率(rate of change)時,通常是指某物理量在單位時間內的變化量,以此概念為基礎,可以引申出各種物理變化率。然而,在不同的學術領域中,單位相同的變化率可能有不同的用法,因此有不同的名稱與解釋;相對的,基於歷史因素或其它原因,同一個名詞也可能在不同的領域中有相似但是不同的解讀與單位。

流率()
流率即單位時間內的流量。在流體力學中,流量的單位可以是體積,這稱為體積流率;流量的單位也可以是質量,這稱為質量流率。水文學中的「流量」()也是一種體積流率,但是它有另外的研究內涵。雖然流率在概念上只與流量和時間有關,但是在測量與計算上,一個可用的定義是流體速度與所通過的表面或截面的內積,亦即流體在單位時間內垂直通過某表面或截面的流量。

通量()
從流率可以導出通量,但是通量的確切定義要依照學術領域或是討論對象來決定。

在流體力學中,通量是流體在單位時間內垂直通過單位表面或截面的流量,亦即流率的面積密度,例如,體積通量與質量通量。因此,在已知流體通量的情形下,流率是通量的面積分,而在已知流率與正交面積的情形下,通量即流率與正交面積的比例。

在電磁學中,通量的定義是電場或磁場通過某正交表面或截面的流量(場線的總數,參見電通量與磁通量),這與流率的定義相似,不同的是這裡沒有時間的概念,在數學上則是向量場與正交表面或截面的面積分。場線的面積密度可以用來比較場的強弱:電通量的面積密度稱為「電通密度」,磁通量的面積密度稱為「磁通密度」。

备注
参见

  • 比例
  • 百万分率
  • 斜率
  • 长宽比
  • 黄金比例
  • 性价比
  • 分数
  • 音程

参考文献
扩展阅读

*
D.E. Smith, History of Mathematics, vol 2* Dover (1958) pp. 477ff
[https://books.google.com.tw/books?id=4MwZlzgvaGYC&pg=PA189#v=onepage&q&f=false Development of Multiplicative Reasoning in the Learning of Mathematics, p.189, Ratio vs. Rate*]

外部链接

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