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TA的每日心情 | 奋斗 2014-12-7 07:58 |
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签到天数: 22 天 [LV.4]偶尔看看III 宣传员
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椅子放置问题
4 N# u+ h* |+ a% D) g) Z
: `8 z3 m% }! f3 \2 ]" m! K把椅子往不平的地面上一放,通常只有三只脚着地,放不稳,然而只要稍挪动几次,就可以四脚着地,放稳了.下面用数学语言证明.
8 @) [1 T- H- A I! u" B1 d* R6 w
一、 模型假设
: [0 F/ K A! e/ ~- Y对椅子和地面都要作一些必要的假设:
8 V) Y( N* X( M; U# f( O" Q; Q8 ]1. 椅子四条腿一样长,椅脚与地面接触可视为一个点,四脚的连线呈正方形.
) ?" P( p. x& q; y2 `2. 地面高度是连续变化的,沿任何方向都不会出现间断(没有像台阶那样的情况),即地面可视为数学上的连续曲面.5 O9 Y) O2 K6 I% s; G
3. 对于椅脚的间距和椅脚的长度而言,地面是相对平坦的,使椅子在任何位置至少有三只脚同时着地.4 U, Q( F% I- I: X' a
; E; P: _+ w0 w' @, H' |0 ]二、模型建立+ `" u( t& E4 I3 d
中心问题是数学语言表示四只脚同时着地的条件、结论.4 ^: {7 C$ l9 I# F$ S* o4 y
首先用变量表示椅子的位置,由于椅脚的连线呈正方形,以中心为对称点,正方形绕中心的旋转正好代表了椅子的位置的改变,于是可以用旋转角度 这一变量来表示椅子的位置., I" \. N+ q, E9 m+ P: e
其次要把椅脚着地用数学符号表示出来,如果用某个变量表示椅脚与地面的竖直距离,当这个距离为0时,表示椅脚着地了.椅子要挪动位置说明这个距离是位置变量的函数.8 ~) f6 c* M. Y
由于正方形的中心对称性,只要设两个距离函数就行了,记A、C两脚与地面距离之和为 ,B、D两脚与地面距离之和为 ,显然 、 ,由假设2知f、g都是连续函数,再由假设3知 、 至少有一个为0.当 时,不妨设 ,这样改变椅子的位置使四只脚同时着地,就归结为如下命题:5 @2 V8 A5 \/ c5 O# I
命题 已知 、 是 的连续函数,对任意 , * =0,且 ,则存在 ,使 .
: F9 M3 f4 q y8 r 9 I$ r/ C3 M* ~& k; u# n8 v/ Z
三、模型求解! a( G! d- D: V. K# o
将椅子旋转 ,对角线AC和BD互换,由 可知 .令 ,则 ,由f、g的连续性知h也是连续函数,由零点定理,必存在 使 , ,由 ,所以 .
( t/ ^$ k9 m; z5 D0 v+ B! Q% j" ]+ ~9 C3 x; I# H5 I) z2 ?1 P
四、评 注
% X7 u1 A1 T+ L% s/ |! @* m+ H 模型巧妙在于用一元变量 表示椅子的位置,用 的两个函数表示椅子四脚与地面的距离.利用正方形的中心对称性及旋转 并不是本质的,同学们可以考虑四脚呈长方形的情形.8 H# O' s1 [6 q# X1 l
/ V7 y ]: t% m0 B* f5 C |
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