不邀自来。【长回答,多图预警】

这明明是一个很严谨的数学问题好么!开脑洞时,也要注意条理呀~

既然大家都管这个巨人叫铁柱哥,那就叫铁柱哥吧。

铁柱哥是个有理想、有情怀的人,他毕生最大的梦想,就是自己能被世界上所有眼睛没瞎的人用肉眼看到,为了这个理想,他愿意做任何事情。

  • 情况 1:铁柱哥直挺挺地站在地球上。

显然,铁柱哥无论多高,总是有半个地球的人是看不到他的。
(借用 @魏知的图)

一个人要长到多高才可以让全世界的人们都可以看到他?插图

一个人要长到多高才可以让全世界的人们都可以看到他?插图1

  • 情况 2:铁柱哥不直挺挺地站在地球上。

  1. 为了简化问题,假设地球是个严格的球体,R=6371 km。
  2. 以太阳系为参照系。

首先呢,地球可是会自转的。只要铁柱哥足够有耐心——

情况 2.1:铁柱哥要在 1 年内被所有人看到

看,天边那轮圆圆的太阳!你知道吗?世界上所有的东西,在一年内,都会被它的光芒普照!

一个人要长到多高才可以让全世界的人们都可以看到他?插图2

所以,铁柱哥只要是一个太阳上的一个 质点,就可以被所有人看到哦。很容易嘛~

可铁柱哥不满意了,他想,这也太没出息了,我要在让地球上的所有人尽快看到我——

情况 2.2:铁柱哥要在 1 天内被所有人看到

看起来似乎没什么差别,但你要知道,有两个点是很棘手的,一个是北极点,一个是南极点。在这两个点上的人,它们的天空,可是隔了1个地球那么远的!

一个人要长到多高才可以让全世界的人们都可以看到他?插图3

所以,铁柱哥至少要有地球直径那么大,才能同时让北极人和南极人同时看到。

事实上,这么高的铁柱哥,直挺挺地像棍子一样站着,就可以了:

一个人要长到多高才可以让全世界的人们都可以看到他?插图4

铁柱哥微微地点了点头,想,这才是我铁柱哥的风范嘛!可是——

一个人要长到多高才可以让全世界的人们都可以看到他?插图5

于是,铁柱哥提出了终极目标——

情况 2.3:铁柱哥要在同一时刻被所有人看到

显然,现在的铁柱哥,不可能再直挺挺地站着了,因为如果这样,无论他多高,地球背面的人一定是看不到他的。

怎么办?

看起来,把自己的身子绕地球一圈就可以了( @刘正茂 ),可惜,这是不正确的。

  • 若铁柱把身子绕着赤道转了一圈,北极点的人依然看不到他;
  • 若铁柱把身子绕着本初子午线转了一圈,下面这个地方的人依然看不到他:

一个人要长到多高才可以让全世界的人们都可以看到他?插图6

*******************铁柱哥的心理活动*******************

如果地球是二维的,那该多好啊!” 铁柱心想。

该问题的二维简化问题的答案是 (2+\pi )R
如下图所示,上边部分紧贴圆,长度为\pi R,下半部分为两条平行的圆的切线,长度为2R

一个人要长到多高才可以让全世界的人们都可以看到他?插图10

*******************铁柱哥回到了现实*******************

那,该怎么办?

伟大的铁柱又怎么会被难倒呢!

“我是三维的,又怎能屈服于二维平面!”

在追求完美的铁柱哥的脑海里,迅速地闪现了几个名词:
正四面体……立方体……正八面体……正十二面体……正二十面体……

最后,他把目光停在了 正八面体 上。

球外切正八面体!就是这样!

于是,铁柱把自己蜷缩成了这副模样——

一个人要长到多高才可以让全世界的人们都可以看到他?插图11

(地球内切于正八面体ABCDEF,铁柱的长为5倍的正八面体变长)

一个人要长到多高才可以让全世界的人们都可以看到他?插图12

在这个结果下,铁柱的长度是:
L=5\sqrt{6}R\approx 12.25R\approx 78028 km

(P.S. 正四面体需要 6\sqrt{6}R ,立方体需要14R,均大于此值)

这是什么样的一个长度呢?——5个铁柱,可以从地球连到月亮。

铁柱哥咬咬牙,长到了月地距离的1/5,终于实现了让世界上所有人同时看到的夙愿

真是完美的结局。

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可是,这,铁柱真的必须长到那么高吗?

一个人要长到多高才可以让全世界的人们都可以看到他?插图16

鄙人智商有限,只能想到5\sqrt{6}R 的方案。

可是,这么经典的一个问题,大牛们怎么可能没有研究过呢!

经查询,该问题在 2003 年已被俄罗斯数学家 V. A. Zalgaller 解决。
(感谢 @rainbow zyop 提供的资料)

如下图所示:

一个人要长到多高才可以让全世界的人们都可以看到他?插图18

满足条件的最小曲线是 P_{1} P_{2} P_{3}P_{4}  P_{5}  ,其中P_{1} P_{2} P_{3}已在图中给出,P_{3} P_{4} P_{5}P_{1} P_{2} P_{3}关于线段P_{3} OQ的中心对称曲线。

(具体的参数详见原论文,下附)

曲线 P_{1} P_{2} P_{3}P_{4}  P_{5}  的总长度为

L\approx 9.576778R\approx 61013km

这个距离大约是月地距离的1/6。

特别地,

  • 如果要求铁柱的脚站在地球上,则 L\approx 10.605428R
  • 如果要求铁柱的头和脚都在地球上,则 L\approx 11.477734R

铁柱哥心中的疑问,终于得到了彻彻底底的解决。

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参考文献:

  1. Shortest inspection curves for a sphere. A. Zalgaller .Zap. Nauchn. Sem. POMI, 2003, Vol. 299: 87–108(原论文:俄语版)
  2. SHORTEST INSPECTION CURVES FOR THE SPHERE,V. A. Zalgaller, Journal of Mathematical Sciences, Vol. 131, No. 1, 2005 : 5307-5320 (翻译:英语版)

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相关问题:
若一球体的任意切面均与空间某「绳」相交,该「绳」的最短长度是多少? – 匿名用户的回答

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:知乎用户(登录查看详情)

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