纸上谈兵必备神器，神奇的兰彻斯特方程式

历史上纸上谈兵的并非只有赵括一人，还有数学家。1914年一战期间，英国工程师弗雷德里克•兰彻斯特（我敢打赌这家伙是一个死理性派）异想天开地用数学解析战争，创立了著名的兰彻斯特战斗模型。通过它，我们能很容易地发现以少胜多背后的数学故事，比如经典的萨尔浒之战。但在故事开始前，有必要说明的是，这只是 一个简化的数学模型 ，忽略了一些难以量化的因素，譬如天时、地利、人和以及政治因素，而它们对战争也有举足轻重的影响。事实上，从科学角度讲，研究结果仅对研究的模型有效。不过我们都知道，研究总是从基础模型开始的。

兰切斯特方程又称兰彻斯特战斗理论或战斗动态理论，是应用数学方法研究敌对双方在战斗中的武器、兵力消灭过程的运筹学分支。1915年，英国工程师F.W.兰彻斯特在《战斗中的飞机》一文中，首先提出用常微分方程组描述敌对双方兵力消灭过程，定性地说明了集中兵力的原理。开始是用于分析交战过程中的双方伤亡比率，后用途逐渐推广。

兰切斯特把战斗简化为两种基本情况：远距离交火和近距离集中火力杀伤。远距离交火时，一方损失率既和对方兵力成正比，也和己方兵力成正比，以微分方程表示即为

dy/dt=-a*x*y

dx/dt=-b*x*y

其中x和y分别为红军和蓝军的战斗单位数量，a和b分别为红军和蓝军的平均单位战斗力，因此双方实力相等的条件为

a*x=b*y

即任一方的实力和本身战斗单位的数量成线性关系，也称兰切斯特线性律。这就是说，如果蓝军平均单位战斗力(包括武器、训练等因素)是红军四倍的话， 100 名蓝军和400名红军的战斗力相同，100名蓝军和400名红军交战的结果是同归于尽。集中优势兵力只是拼消耗，并不占便宜。但近距离集中火力杀伤时，一方损失率仅和对方战斗单位数量成正比，而和己方战斗单位数量无关，即

dy/dt=-a*x

dx/dt=-b*y

双方实力相等的条件变为

a*x^2=b*y^2

即任一方实力和本身战斗单位数量的平方成正比，也称兰切斯特平方律。仍假定蓝军平均单位战斗力是红军的四倍，100名蓝军和400名红军近战后，当蓝军 100人全军覆没时，红军仍有sqrt(400^2-4*100^2)=346人留下(这里sqrt为平方根，^2为平方)，即损失54人。这就是集中兵力打歼灭战的数学依据，而且优势兵力一方的实际损失比劣势兵力的一方还小。

考虑另一个情况：200名蓝军和400名红军交战，双方实力相等(sqrt(400^2-4*200^2)=0)。如果红军通过战术动作或计策使蓝军分成各为100人但互不支援的两半，则红军可以 54人的代价先歼灭蓝军的第一个100人，再用剩余的力量以64人的代价歼灭蓝军的第二个100人，红军总代价为118人，总战果为200人。这就是“各个击破”原则的数学解释，也是兵败如山倒的数学解释，因为兵败的典型特征是各自为战，首尾不顾，在客观上强化了被各个击破的机会。

仍然考虑蓝军100人，红军400人，双方战斗力差距为4：1的情况，但双方距离很远。如果红军付出一半的代价推进到近距离，按4:1的线性律，这时红军还剩200人，蓝军50人，但接下来红军就可以发挥近战优势，以27人的代价消灭蓝军的第二个50人。这就是勇猛突破、近战歼敌以克服敌人远射火力优势的数学解释。

兰切斯特方程证明，相同战斗力和战斗条件下，1000对2000人作战。几轮战斗下来。多方只要伤亡268人就能全歼1000人的队伍，兰切斯特方程特别适用于现代战争中分散化军队和远程火炮配置发生的战斗，远距离战斗比如炮战、空战、舰队海战很可能出现兰切斯特方程的理想情况。

在1914年，英国人兰切斯特F.W.Lanchester研究空战最佳编队，发现了兰切斯特方程。

当战斗双方在彼此视距外交战的时候，任一方实力与本身数量成正比，即兰切斯特线性律。

当战斗双方任意战斗单位都在彼此视野及火力范围以内交战的时候，任一方实力与本身数量的平方成正比，即兰切斯特平方律。

兰彻斯特的战斗力方程是：战斗力=参战单位总数×单位战斗效率。它表明：在数量达到最大饱和的条件下，提高质量才可以增强部队的战斗力，而且是倍增战斗力的最有效方法。在高新科学技术的影响下，军队的数量、质量与战斗力之间的关系已经发生了根本性变化：质量居于主导地位，数量退居次要地位，质量的优劣举足轻重，质量占绝对优势的军队将取得战争的主动权。一般说来，高技术应用在战场上形成的信息差、空间差、时间差和精度差，是无法以增加普通兵器和军队数量来弥补的；相反，作战部队数量的相对不足，却可以高技术武器装备为基础的质量优势来弥补，即通过提高单位战斗效率来提升战斗力。

战争实践表明，提高质量是部队建设的基本要求，在部队数量相差不大的情况下，质量高者获胜，质量差者失败，即兵贵精而不在多；倘若不能形成同一质量层次的对抗，处于劣势的一方纵有再多的飞机、坦克、大炮，也可能失去还手之力。假定A的单位战斗力是B的一半，但是数量是B的三倍。假定B有1000人，A有3000人。如果是面对面的战斗，A方损失355人即可消灭掉B方的1000人。现在A需要先接近B再进行面对面的战斗，按兰切斯特线性律，A付出1000人的代价歼灭B 500人以后接近，在2000对500的近战中，付出130人的代价歼灭B方500人，总损失1130人对1000人。兰切斯特方程没有考虑战场上的许多要素，并不完全，对局部的战役有参考价值，对整个战争的结局无能为力。兰切斯特方程在战争摸拟的时候会被经常使用，恩格尔曾经使用兰切斯特方程摸拟硫磺岛战役，计算结果与事实非常接近.

从兰彻斯特到将近百年后的今天，历史开始显得久远。但这并不妨碍我们做一回“事后诸葛亮”，意行沙场，也来纸上谈兵，用激扬文字再指点当年战场。而这一回，我们就从数学角度来讲述那场经典的以少胜多——萨尔浒之战。这是发生在万历四十七年（公元1619年），中国辽东的一场规模浩大且影响深远的大战。

在这场战役中，当时仅拥有约六万八旗子弟的后金军首领爱新觉罗•努尔哈赤，凭借着他老到的战略眼光，竟将兵力二倍于他、汹汹而来的大明王师打得惨败而归。此战明廷丧师近五万，将官战死者亦有三百余人，其中还包括山海关总兵杜松这样的高级将领，可谓精锐尽失。若说当年李成梁对待努尔哈赤的态度是“为虺弗摧”的话，经此一役的后金对明廷来说，已然是“为蛇若何”了。然而在此战之前，并非人人都把后金当回事，至少此次战役中明军方面最高统帅、辽东经略杨镐大人就是如此。据说在萨尔浒战役之前，杨镐曾与努尔哈赤修书一封，称大明王朝集结了四十七万大军将袭，并将出兵日期如实相告，似乎想以天朝神威威吓后金，好“不战而屈人之兵”。由此可见，在当时的杨镐看来，“消灭贼酋”不过是手到擒来的事情，根本没有想到会有战败的可能。但是事实上，如果杨镐大人了解兰彻斯特模型，也许他就会发现，虽然他的兵力是对方的两倍，但他的惨败却早在出师之日就已注定。何出此言呢？不妨让我们用兰彻斯特战斗方程来分析萨尔浒之战。当时努尔哈赤麾下的八旗子弟都是久经沙场的精锐，军队素质自然不可小觑。但明军亦有先进的武器和装备可与之抗衡，再加上常年和叛军作战的川军，以及由当年一代名将戚继光精心打造的浙军，军队的兵员能力也不在后金军之下。所以双方的杀伤率系数不妨看做是相等的。那么兵力情况又是怎么样呢？我们在前面就已说过，后金军的兵力约六万人，而明朝方面的数据则是十二万。恰如前面的例子一般，后者的兵力是前者的两倍。换言之，如果杨镐的大军就这么杀过来的话，似乎努尔哈赤唯一的方法，就是在对方到来之前，把自己手下兵士的作战能力提高到原来的四倍。但是一个很有趣的事实是，在萨尔浒之战的交战过程中，始终占据兵力优势的却是后金。原来杨镐在进攻的时候竟把自己的军队分成了四路，而这四路军队不但没有统一的调度，相互之间的通信也甚不灵便（实际战争中，有两路军队已经被努尔哈赤消灭了，第三路军竟还毫不知情）。这就使得本来兵力薄弱的努尔哈赤反倒拥有了以众击寡、各个击破的局部战略优势。虽然后金的兵力只有明朝的一半，但是后金每次战斗中面对的兵力，却都只有自己的一半。 假设明朝的四路军队中兵力平均分配，也就是每路有 3 万人（实际兵力部署与此相去不远）， 我们就会发现，拥有巨大人数优势的明军的军事实力和后金军其实是相当的！明军兵力分配方案，恰巧是使得它的军事实力总和最小。当时的明军能如同岳飞所梦想的那样“文臣不爱钱，武臣不惜死”，军队在损失惨重的情况下依然坚持战斗到最后一人。那样的话，努尔哈赤老兄真的是要操心下自己脑袋的去处了。可惜实际情况并非如此。古代战争的一个事实是，当某方的损失超过一定数量以后（这个数量通常还并不高），往往会因为士气低落而溃散，在接下来就变成“追亡逐北”的大溃败场面了。这种情况下战斗变为屠杀，溃散军队的杀伤率约等于 0。所以战争的胜负绝大多数都不是因为一方把另一方完全歼灭，而是因为一方的士气已经无法维系。当时的历史条件下，明军士气的水平其实很难达到伤亡人数约一半时才溃散。如果按照《窃明》中所说的标准——“除了处于死地外，最优秀的封建军队也不过能忍受一、两成的伤亡而不崩溃”来计算，当后金军取得胜利的时候，它所损失的兵力也不过1.28万人，还远不到其初始兵力的三分之一。借助数学工具，数百年后的我们可以轻松地计算出努尔哈赤必将取得大胜的结果 。

可惜的是当时背负十数万将士性命的统帅杨镐并没有这样的觉悟，即使当开原总兵马林根据自身的经验向他提出“王师当出万全，宜并兵一路，鼓行而前，执取罪人，倾其巢穴”这一清醒建议的时候，他也只是傲慢地坚持故我。如此无能的统帅最终葬送了大明的精锐之师。 后来的事情是：万历四十七年二月二十五日，大明王师正式出征；三月初一，西路军遭努尔哈赤攻击，寡不敌众，全军覆没，总兵杜松战死；三月初三，北路军遭受攻击，寡不敌众，全军覆没，总兵马林狼狈逃回；三月初五，东路军被后金军偷袭，猝不及防，全军覆没，总兵刘铤战死；三月初六，南路军接到三路大军战败的消息后匆忙撤兵，后金军趁势追击，损伤惨重。结果正如我们这群事后诸葛亮所分析的一样，可惜我们的分析也正如开原总兵马林的意见一样，终无改这场战事的结局。也许在因这场惨败而下狱到他被处斩以前，杨镐也曾多次反思过这场过战斗。他或许无法像我们这样定量计算出战斗的结果，但至少也应该会对《孙子兵法》虚实篇里“以众击寡”这个词有一层新的理解吧。