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)
- 情况 2:铁柱哥不直挺挺地站在地球上。
- 为了简化问题,假设地球是个严格的球体,R=6371 km。
- 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!
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!
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:
铁柱哥微微地点了点头,想,这才是我铁柱哥的风范嘛!可是——
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:
*******************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
如下图所示,上边部分紧贴圆,长度为,下半部分为两条平行的圆的切线,长度为。
*******************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——
(地球内切于正八面体ABCDEF,铁柱的长为5倍的正八面体变长)
在这个结果下,铁柱的长度是:
(P.S. 正四面体需要 ,立方体需要,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?
鄙人智商有限,只能想到的方案。
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:
满足条件的最小曲线是 ,其中已在图中给出,是关于线段的中心对称曲线。
(具体的参数详见原论文,下附)
曲线 的总长度为
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
- 如果要求铁柱的头和脚都在地球上,则
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:
- Shortest inspection curves for a sphere. A. Zalgaller .Zap. Nauchn. Sem. POMI, 2003, Vol. 299: 87–108(原论文:俄语版)
- 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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作者:知乎用户(登录查看详情)
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