Проблема выпаса коз
Задача о выпасе коз — это одна из двух связанных задач развлекательной математики, в которых задействована привязанная коза, пасущаяся на круглой территории: проблема внутреннего выпаса и проблема внешнего выпаса. Первый вариант предполагает обработку внутренней части круглой области , а второй — обработку внешней поверхности круглой области. Что касается внешней задачи, ограничение, заключающееся в том, что веревка не может войти в круглую область, диктует, что область выпаса образует эвольвенту . Если бы козу вместо этого привязали к столбу на краю круглой дорожки, который не мешал козе (а не к забору или силосу), внутренняя и внешняя проблема были бы дополнением простой круглой области.
Первоначальной проблемой была проблема внешнего выпаса скота, и она появилась в выпуске 1748 года английского ежегодного журнала «Дамский дневник : или Женский альманах» , обозначенного как «Вопрос». CCCIII, приписываемый Upnorensis (неизвестной исторической личности), заявил следующее:
Наблюдение за лошадью, привязанной для кормления в мужском парке, с одним концом веревки к передней ноге, а другим концом к одной из круглых железных перил, окружающих пруд, окружность которого составляет 160 ярдов, что равно длине длина веревки, какое самое большее количество земли могла бы прокормить лошадь?
Связанная с этим задача, касающаяся площади внутри круга без привязки к животным на скотном дворе, впервые появилась в 1894 году в первом выпуске известного журнала American Mathematical Monthly . Приписанное Чарльзу Э. Майерсу, оно было заявлено как:
Круг, содержащий один акр, разрезается другим, центр которого находится на окружности данного круга, а общая площадь для обоих равна половине акра. Найдите радиус режущей окружности.
Решения в обоих случаях нетривиальны, но поддаются прямому применению тригонометрии, аналитической геометрии или интегрального исчисления. Обе проблемы по своей сути трансцендентальны - они не имеют аналитических решений в замкнутой форме в евклидовой плоскости. Численные ответы должны быть получены с помощью процедуры итерационной аппроксимации. Проблемы с козлами не дают никаких новых математических открытий; скорее, это в первую очередь упражнения по искусной деконструкции проблем, чтобы облегчить их решение.
Были предложены и решены трехмерные аналоги и плоские задачи о границах/площадях других форм, включая очевидный прямоугольный сарай и/или поле. [1] Сформулировано обобщенное решение для любой гладкой выпуклой кривой типа эллипса и даже незамкнутых кривых. [2]
Проблема с внешним выпасом
[ редактировать ]Рассмотрен вопрос о пастбищной площади за пределами круга. Это касается ситуации, когда животное привязано к силосу. Сложность здесь в том, что пастбищная зона перекрывается вокруг бункера (т.е., как правило, привязь длиннее половины окружности бункера): коза может съесть траву только один раз, она не может съесть ее дважды. Ответ на предложенную задачу был дан в номере журнала за 1749 год неким Хитом и указан как 76 257,86 кв. ярдов. к чему пришли частично путем «проб и таблицы логарифмов». Ответ не настолько точен, как можно было бы предположить по количеству цифр точности. Аналитического решения предоставлено не было.
Полезное приближение
[ редактировать ]Пусть длина троса R = 160 ярдов. и радиус силоса r = R /(2 π ) ярдов. Эвольвента в четвертом квадранте представляет собой почти круговую дугу. Можно представить, что сегмент окружности с одинаковым периметром (длиной дуги) будет охватывать почти такую же площадь; радиус и, следовательно, площадь этого сегмента можно легко вычислить. Длина дуги эвольвенты определяется выражением поэтому длина дуги |FG| эвольвенты в четвертом квадранте равна . Пусть c — длина дугового сегмента эвольвенты между осью y и вертикальной линией, касательной к бункеру при θ = 3 π /2; это дуга, опирающаяся на Φ . (хотя дуга в минуту длиннее r , разница незначительна). Так . Длина дуги окружности равна и θ здесь — это π /2 радиан четвертого квадранта, поэтому , r радиус дуги окружности равен а площадь кругового сегмента, ограниченного им, равна . Площадь эвольвенты исключает половину площади силоса (1018,61) в четвертом квадранте, поэтому ее приблизительная площадь равна 18146, а пастбищная площадь включает полукруг радиуса R , ( ) итоги . Это 249 кв. ярдов. больше правильной области 76256, ошибка всего 0,33%. Этот метод аппроксимации может быть не так хорош для углов < 3 π /2 эвольвенты.
Если это имеет значение, существует конструктивный способ получить быструю и очень точную оценку : провести диагональ из точки по окружности пруда до его пересечения по оси Y. Длина диагонали 120 ярдов. потому что это троса. Таким образом, другой катет треугольника, нарисованная гипотенуза, равен ярдов. Так радианы, округленные до трех знаков.
Решение путем интегрирования с полярными координатами
[ редактировать ]Найдите площадь между кругом и его эвольвентой под углом от 2 π до −2 π, исключая любое перекрытие. В декартовых координатах уравнение эвольвенты трансцендентно; сделать линейный интеграл там вряд ли осуществимо. Более удачный подход — использовать полярные координаты ( z , θ ). Потому что «развертка» области под эвольвентой ограничена касательной (см. схему и вывод ниже), которая не является границей ( ) между перекрывающимися областями, декомпозиция задачи приводит к четырем вычислимым областям: полукругу, радиус которого равен длине троса ( A 1 ); площадь, «охваченная» тросом под углом 2 π ( A 2 ); часть площади A 2 от θ = 0 до касательного отрезка ( А 3 ); и область клина qFtq ( A 4 ). Итак, желаемая площадь A равна A 1 + ( A 2 − A 3 + A 4 ) · 2. Площадь(и), которую необходимо вычислить, находится между двумя квадратичными кривыми и обязательно будет интегралом или разностью интегралов.
Основными параметрами задачи являются , длина троса определена как 160 ярдов, и , радиус силоса. Нет необходимой связи между и , но здесь - радиус круга, длина окружности которого равна . Если определить точку привязки (см. диаграмму выше) в качестве начала координат с кругом, обозначающим окружность пруда под осью x , и на оси Y ниже круга, обозначающего точку пересечения троса при намотке по часовой стрелке и против часовой стрелки, пусть точка на окружности такая, что касательная к ней пересекает , и + Длина троса. Позволять быть точкой пересечения окружности пруда на оси y (напротив ) ниже начала координат. Тогда пусть острый быть .
Площадь под эвольвентой является функцией потому что это интеграл по квадратичной кривой. Область имеет фиксированную границу, определяемую параметром (т.е. окружность силоса). В этом случае площадь обратно пропорциональна , то есть чем больше , тем меньше площадь интеграла, а длина окружности является линейной функцией ( ). Итак, ищем выражение для площади под эвольвентой .
Во-первых, область А 1 представляет собой полукруг радиуса так
Далее находим угол которое будет использовано в пределах интегралов ниже. Позволять . является дополнительным к противоположному углу треугольника, прямой угол которого находится в точке t; а также дополняющий этот угол в третьем квадранте круга. это развернутая дуга , поэтому его длина дуги равна . Так и , так . Окончательно, и получается следующее уравнение: . Это трансцендентное уравнение, которое можно решить только методом проб и ошибок, полиномиальным разложением или итеративной процедурой, такой как Ньютон-Рафсон. . [3]
Затем вычислите площадь между окружностью пруда и эвольвентой. Вычислите площадь сужающегося «хвоста» эвольвенты, т. е. площадь перекрытия (обратите внимание, что из-за касательной tF эта площадь включает в себя клиновидную секцию, область A 4 , которую придется добавить обратно во время окончательного расчета). суммирование). Напомним, что площадь кругового сектора равна если угол в радианах. Представьте себе бесконечно тонкий круговой сектор из к опирается на бесконечно малый угол . касательная к , существует соответствующий бесконечно тонкий сектор эвольвенты из к стягивающий один и тот же бесконечно малый угол . Площадь этого сектора составляет где это радиус под некоторым углом , что , длина дуги окружности, «развернутой» под углом . Площадь под эвольвентой представляет собой сумму всех бесконечно многих бесконечно тонких секторов. под каким-то углом . Эта сумма
Границы интеграла представляют собой площадь под эвольвентой в четвертом квадранте между и . Угол измеряется на окружности, а не на эвольвенте, поэтому он меньше под некоторым углом, обозначенным . Не задано и должно определяться косвенно. К сожалению, нет способа упростить последний термин, представляющий нижнюю границу выражения eval, потому что не является рациональной дробью , поэтому его также можно заменить и вычислить сразу (без учета превентивно): который по пояснительным причинам можно переписать . Кажется уместным объединить фактор в постоянный член, чтобы получить общий знаменатель для всех членов, поэтому . преобладает линейный член интегрирования, поэтому можно записать: где является ненулевой положительной, но незначительной величиной.
А 4 — площадь своеобразного клина. . Эта площадь равна площади прямоугольного треугольника с вершиной t минус площадь сектора, ограниченного . где x представляет собой |tF| θ — угол, противоположный Φ в прямоугольном треугольнике. Так, . Если , то площадь клина путем сокращения.
Окончательное суммирование A 1 + ( A 2 − A 3 + A 4 ) · 2 равно . Любая неточность в расчете теперь является неопределенностью в и остаток . . Это полезно для выяснения взаимосвязей между параметрами. трансцендентно, поэтому определение является рекуррентным отношением. Первоначальное предположение представляет собой небольшую долю . Числовой ответ округлено до ближайшего квадратного ярда. [4] Стоит отметить, что , что является ответом для случая, когда длина троса равна половине окружности (или любой длины, такой что ) бункера, или нет необходимости учитывать перекрытие. Коза может съесть всю площадь большого круга, кроме 5%, определяемую длиной ее привязи, а половина площади, которую она не может съесть, находится в пределах периметра пруда/силоса. Единственная неточность в расчете заключается в том, что отсутствует представление в замкнутой форме для можно получить из представленной геометрии. Но небольшие неточности в когда существенно не повлияют на конечный результат.
Решение по отношению длины дуги
[ редактировать ]Точно так же, как площадь под линией пропорциональна длине линии между границами, так и площадь кругового сектора равна отношению длины дуги ( ) сектора ( ), площадь между эвольвентой и ограничивающей ее окружностью также пропорциональна длине дуги эвольвенты. : для . Таким образом, общая площадь выпаса равна . . . .
Проблема внутреннего выпаса
[ редактировать ]Позволять быть центром единичного круга. Коза/бык/лошадь привязана к точке. по окружности. Какова длина веревки должно быть, чтобы животное могло пастись ровно на половине площади круга (белая область на диаграмме в плоской геометрии, называемая линзой ) ?
Решение путем расчета площади линзы
[ редактировать ]Область, до которой может добраться животное, имеет форму асимметричной линзы , ограниченной двумя круговыми дугами .
Район линзы с двумя кругами радиусов и расстояние между центрами является
что упрощается в случае и половина площади круга
Уравнение может быть решено только итеративно и приводит к (последовательность A133731 в OEIS ).
Решение с использованием интеграции
[ редактировать ]Используя и интегрируем по правой половине площади линзы с
трансцендентное уравнение
Далее следует то же решение.
Действительно, используя тождества и , можно получить трансцендентное уравнение, полученное из площади линзы.
Решение по площади сектора плюс площадь сегмента
[ редактировать ]Площадь можно записать как сумму площади сектора плюс площадь сегмента. [5]
Предполагая, что поводок привязан к нижней части загона, определим как угол, под которым натянутый поводок поднимается вверх, когда коза находится на окружности. Определять как угол вниз к тому же месту, но от центра пера, а не от центра большего круга. Сумма углов треугольника равна для полученного равнобедренного треугольника , давая . Установка радиуса пера равным 1 и тригонометрии, например тогда дай .
Требование, чтобы половина площади пастбища составляла 1/4 площади загона, дает . Использование формул кругового сектора и площади кругового сегмента дает
- ,
что только предполагает .
Объединение в одно уравнение дает
- .
Обратите внимание, что решение для тогда взятие косинуса обеих сторон генерирует дополнительные решения, даже если включать очевидное ограничение .
Используя тригонометрические тождества, мы видим, что это то же самое трансцендентное уравнение, которое дают площадь линзы и интегрирование.
Решение закрытой формы
[ редактировать ]Используя методы комплексного анализа , в 2020 году Инго Уллиш получил решение в замкнутой форме как косинус отношения двух контурных интегралов : [6]
где С - окружность .
3-мерное расширение
[ редактировать ]Трехмерным аналогом двумерной задачи о козле является птица, привязанная к внутренней части сферы, причем привязь достаточно длинная, чтобы ограничить полет птицы половиной объема сферы. В трехмерном случае точка лежит на поверхности единичной сферы , и задача состоит в том, чтобы найти радиус второй сферы так, чтобы объем тела пересечения был равен ровно половине объема единичной сферы.
Объем единичной сферы, до которого может добраться животное, имеет форму трехмерной линзы со сторонами разной формы и определяется двумя сферическими колпачками .
Объем линзы с двумя сферами радиусов и расстояние между центрами является
что упрощается в случае и половина объема сферы
ведущие к решению
Можно продемонстрировать, что с увеличением размерности область достижимости приближается к половине сферы на критической длине. . Если , покрытая площадь почти не приближается к сфере; если , охватываемая площадь приближается к всей площади сферы. [7] [8]
См. также
[ редактировать ]- Проблема миссис Минивер , еще одна проблема выравнивания площадей круглых лунок и линз
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Бассетт, Гилберт (27 сентября 2021 г.). «Коза в городе» . Математический интеллект . 44 : 1–6. дои : 10.1007/s00283-021-10120-7 . ISSN 0343-6993 . S2CID 244171722 .
- ^ Майкл Э. Хоффман, «Бык и бункер: применение кривизны», American Mathematical Monthly 105 (1998), 55–58
- ^ Эталонное значение Φ при итеративном приближении составляет 0,21897952.
- ^ Алгоритмическое моделирование дает ответ 76255,66 [+0,005,-0] квадратных ярдов (предел числа с плавающей запятой одинарной точности на машине), возможная ошибка менее 3/4 площади игральной карты или спортивных игр. карта на поле площадью почти 17 акров.
- ^ Грайм, Джеймс (24 декабря 2022 г.). Проблема козла — числофил .
- ^ Уллиш, Инго (18 февраля 2020 г.). «Решение геометрической проблемы козла в закрытой форме». Математический интеллект . 42 (3): 12–16. дои : 10.1007/s00283-020-09966-0 . ISSN 0343-6993 . S2CID 213946036 . (Ошибка: дои : 10.1007/s00283-023-10299-x )
- ^ Фрейзер, Маршалл (март 1984 г.). «Пастущая коза в n измерениях» . Двухлетний математический журнал колледжа . 15 (2): 126–134. дои : 10.2307/2686517 . JSTOR 2686517 .
- ^ Мейерсон, Марк Д. (ноябрь 1984 г.). «Возвращение пасущейся козы в n измерениях» . Двухлетний математический журнал колледжа . 15 (5): 430–432. дои : 10.2307/2686558 . JSTOR 2686558 .
- Раймонд Клэр Арчибальд (1921). «Эвольвенты круга и пастбищная проблема» . Американский математический ежемесячник . 28 (8–9): 328–329. дои : 10.1080/00029890.1921.11986059 .
- Фрейзер, Маршалл (1982). «Сказка о двух козлах». Журнал «Математика» . 55 (4): 221–227. дои : 10.1080/0025570X.1985.11976987 . JSTOR 2690163 .
- Жан Жаклен (2003). «Проблема гиперкозла» . Квадратура (49): 6–12. ISSN 1142-2785 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Вайсштейн, Эрик В. «Проблема коз» . Математический мир .
- «Математик точно решил многовековую задачу о выпасе коз» . Журнал Кванта .
- Проблема коз — популярное видео о проблеме коз.