本周的小提琴手是一个关于尽快回家的逻辑难题。
爱丽丝、鲍勃和凯里一起出发,各自以不同的恒定速度走回家。一旦三个人都回家了,他们就可以吃煎饼了!爱丽丝10分钟就能走回家,鲍伯20分钟就能走,凯莉30分钟就能走。幸运的是,他们中的任何人都可以背着其他人,而不会降低自己的行走速度。假设他们可以把某人抱起来,放下,然后瞬间改变方向。他们吃煎饼最快的速度是什么?
额外学分
现在有第四个:迪。迪是最慢的,步行回家需要60分钟。和以前一样,任何人都可以带其他人,在每个人都回家之前,他们不会吃煎饼。这种情况发生的最快速度是什么?
我的解决方案:
[显示解决方案]
乍一看,这似乎是一个逻辑难题,但它具有良好的几何直觉。具体来说,想象一下$x$-轴上的时间和$y$-轴上家的距离。如果Alice、Bob和Carey(从现在起我就叫他们A、B、C)以恒定速度行走,他们的路径会显示为直线。
对于第一个问题,最佳做法如下:
- A+C一起骑行,B独自骑行。
- 在某一时刻,A放下C,返回与B会面。
- C独自回家。
- A遇见B,把他们接起来,然后A+B一起骑车回家。
发生的最佳情况是A、B、C都能同时到家,如下图所示。如果C在A+B之前到家,那么A应该早一点把它们送回家,从而与B一起早一点到家。同样,如果C在A+B之后到家,则A应该晚一点把他们送回家,这样他们可以更快到家。
在图中,蓝线表示“A斜率”$\pm 1$,绿线表示“B斜率”$1\pm\frac{1}{2}$,红线表示“C斜率”$\pm\frac{1{3}$。兴趣点为F、G、H,如图所示。我用未知量$p,q,r$来表示它们的坐标,单位是10分钟。我们现在有三个方程式:
- FG具有斜率$1$,因此$p-\tfrac{1}{2} q个=q-p$
- GH具有斜率$-1$,因此$1-\tfrac{1}{2} 问=r-q$
- FH具有斜率$-\frac{1}{3}$,因此$1-p=\tfrac{1'{3}(r-p)$
求解这些方程,我们得到
\[
p=\frac{3}{4},\quad q=1,\quid r=\frac{3}}{2}。
\]因为我使用的单位是10分钟,所以到达时间是$10r=10\cdot\frac{3}{2}$分钟,或者正好是15分钟。
注:我要感谢评论员TLK指出我的解决方案的前一个版本中的错误。我第一次写文章时有点草率,以为a会一路把C带回家,然后再回来接B!
额外信贷
对于额外的学分,解决方案要复杂得多:
- A+D一起骑行,B+C一起骑行
- 在某一时刻,A放下D,回到B身边。
- D继续向家走去。
- A遇到B,和B一起回家,C独自继续。
- A+B遇到D,B把D带回家,A转身回来。
- A与C相遇,将C带回家。
再一次,最理想的情况是A、B、C、D都能同时到家。这是相应的图表。
这一次,我们有了更多的方程和变量。
- FG具有斜率$1$,因此$p-\tfrac{1}{2} q个=q-p$。
- FH具有斜率$-\tfrac{1}{6}$,因此$H=(p+s,1-p-\tfrac}{6} 秒)$换$s$。
- GJ有斜率$-\tfrac{1}{3}$,因此$J=(q+r,1-\tfrac}{2} q个-\tfrac{1}{3} 第页$.
- GH具有斜率$-1$,因此$p+s-q=p+\tfrac{1}{6} 秒-\tfrac{1}{2} q个$
- HJ斜率为$1$,因此$q+r-p-s=p+\tfrac{1}{6} 秒-\tfrac{1}{2} q个-\tfrac{1}{3} 第页$.
- 香港的斜率为$-\tfrac{1}{2}$,因此为$1-p-\tfrac{1}{6} 秒=\tfrac{1}{2}(t-p-s)$。
- JK有斜率$-1$,因此$1-\tfrac{1}{2} q个-\tfrac{1}{3} 第页=t-q-r$。
求解这些方程,我们得到:
\[
p=\压裂{5}{8},\四
q=\frac{5}{6},\fquad
r=\frac{7}{16},\quad
s=\frac{1}{2},\quad
t=\压裂{41}{24}。
\]到达时间为$10t=\frac{205}{12}$分钟或17.0833分钟,或者确切地说17分5秒.
注:我要感谢评论员Sanandan Swaminathan指出了我以前版本的解决方案中的一个错误。再一次,我在第一次写文章时有点草率,以为a会在第一次回程时接C,而实际上a最好接B!这是我找到的前一个(次优)解决方案的图表,它只达到17.8125分钟,即17分48.75秒。