最短的折痕

这可能是关于什么?

2015年10月18日,创建日期:GeoGebra公司

问题

一个有趣的优化问题由杜德尼:

折叠一页,使底部外角接触到内侧边缘,折痕尽可能短。这是一个我们可以提出的简单问题,但它将困扰许多读者,让他们无法找到折页的位置。我举了两个折叠示例:

Dudeney的折痕最小化问题

可以看出,右侧的折痕比左侧的折痕长,但后者并不是最短的折痕。

工具书类

  1. H.E.Dudeney,536难题和好奇问题《查尔斯·斯克里布纳之子》(Charles Scribner’s Sons),1967年

答案

在$M.$Bisect$AM$和$E.$中等分$AB$。在$M$处画一条垂直于$AB$的线,以及直径为$BE.$的半圆。让$N$是这两者的交点。

Dudeney折痕最小化-答案

线$EN$给出了在这些条件下可能出现的最短折痕的方向。

解决方案

下面的解决方案是毕达哥拉斯定理的直接应用,也是微积分的开始。

考虑到Dudeney“折叠页面”,假设$AD\gt AB=4.$Denote$x=BE$

Dudeney折皱最小化解决方案

然后依次:$AE=4-x;$$EB’=BE=x;$$AB'=平方{x^{2}-(4-x)^{2}}$

此外,三角形$AEB'$和$FSB'$相似,因此$\displaystyle FS=\frac{AE\cdot B'F}{AB'}=\frac{4(4-x)}{\sqrt{x^{2}-(4-x)^{2}}}$

$\开始{align}BS&=BF+FS\\&=\sqrt{x^{2}-(4-x)^{2}}+\frac{4(4-x)}{\sqrt{x^{2}-(4-x)^{2}}}\\&=\压裂{x^{2}-(4x)^{2}+4(4-x)}{\sqrt{x^{2}-(4-x)^{2}}}\\&=\frac{4x}{\sqrt{x^{2}-(4-x)^{2}}}\\&=\frac{2x}{\sqrt{2(x-2)}}。\结束{对齐}$

最后

$\开始{align}ES^{2}&=BE^2+BS^2\\&=x^{2}+\裂缝{4x^{2}}{2(x-2)}\\&=\压裂{x^{3}}{x-2}\\\结束{对齐}$

考虑函数$\displaystyle f(x)=\frac{x^{3}}{\sqrt{x-2}}$

$\显示样式f'(x)=\frac{3x^{2}(x-2)-x^{3}}{(x-2)^{2{}}=\frac{2x^{2](x-3)}{$

$x=0$不会产生折痕,但$x=3$会产生折痕。接下来我们发现$f“”(3)\gt 0$,因此$x=3$是局部最小值。

这说明了为什么杜德尼的答案是正确的。由于$x=3,$$MN=\sqrt{2}$和$BS=3\sqrt}$,$意味着$ES$通过$N.$,因此Dudeney的答案是微积分解决方案的副产品。如果能在没有微积分的情况下得出他的结果,那将是令人兴奋的。

因此,根据Dudeney的说法,以$4$为基数的页面的最小折痕等于$3\sqrt{3}.$对于垂直大小至少为$3\sqrt{2}.$的任何页面,都可以获得这种折痕然而,很明显,对于垂直边$b\lt3\sqrt{3},通过中点$M$的垂直折痕将短于$3\sqart{3}.$显然,Dudeney假设,对于“页面”,垂直面与水平面之比超过$3\sqrt{3}/4$

 

纸张折叠几何

相关材料
阅读更多。。。

优化问题示例III

  • 数学家喜欢优化
  • 披萨店的数学
  • 展现最佳状态的距离
  • 建造桥梁
  • 线性规划
  • 最佳距离居住
  • 投影之间的距离
  • 惠更斯问题
  • 弯曲梯形中的优化
  • 算术级数的最大差异
  • 梯形中的面积优化
  • 两个约束条件下的最小值
  • 多变量优化
  • 具有对数的循环和的极小值
  • 不等式秘密的神奇解问题
  • Leo Giugiuc的约束优化
  • Crux Mathematicorum的4033题
  • Leo Giugiuc的一个不寻常的问题
  • 一个在两个变量三元组中有约束的循环不等式
  • Kunihiko Chikaya的两个问题
  • 一个不等式及其修正
  • 来自中国竞争的二变量优化
  • |联系人| |首页| |目录| |几何图形|

    版权所有©1996-2018亚历山大·博戈莫尼

    71895730