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數(shù)學心

第六百五十一章 莫澤的移動沙發(fā)轉(zhuǎn)彎問題(結(jié)構(gòu))

數(shù)學心 蔡澤禹 1279 2022-04-16 14:01:13

  早在1966年,數(shù)學家莫澤(Leo.Moser)就提出了這個移動沙發(fā)問題。

  在單位寬度的走廊中,可圍繞直角移動的最大面積的平面形狀是什么?

  適應(yīng)轉(zhuǎn)角的最大沙發(fā)也被稱為“沙發(fā)常數(shù)”,其數(shù)值等于沙發(fā)最大的橫截面積

  通俗點說,誰能用最大的沙發(fā)完美通過90°的急彎,誰就是數(shù)學界的“秋名山車神”。

  在這場漂移過彎的比賽中,每個數(shù)學家都紛紛施展渾身解數(shù),暗下決心要將沙發(fā)秀起來。

  就在問題被提出的同年,有人馬上想到了正方形過彎法。

  正方形沙發(fā)過彎

  【沙發(fā)系數(shù)=1X1=1】

  這個不用轉(zhuǎn)動車頭的硬核過彎操作,甚至讓我們一下子就聯(lián)想到推箱子游戲,簡單粗暴的同時帶有一點愣頭青的味道。

  雖然這個辣眼睛的操作,并不能得到數(shù)學家們的一致認可,但卻打響了沙發(fā)問題的第一炮。

  沒過多久,數(shù)學家們對正方形沙發(fā)重新進行構(gòu)想,采用了半圓的設(shè)計理念。

  這個設(shè)計的神奇之處在于,過彎時,圓心會固定在轉(zhuǎn)角的頂點處,圓弧會緊貼走廊邊。

  這次,數(shù)學家們終于成功讓沙發(fā)頭轉(zhuǎn)起來了!

  而更讓他們感到興奮的是,半圓形的改裝使得沙發(fā)常數(shù)大大提高,一下子躍升到 1.57?!旧嘲l(fā)系數(shù)=(π×12)/2≈1.57】

  雖然半圓沙發(fā)取得了階段性的突破,但是問題也非常突出:看起來不太像沙發(fā),反而有點像量角器。

  他把上面的半圓形沙發(fā)整體拉長,然后再在中間根據(jù)頂點處所需要的空間摳掉一部分,設(shè)計出一個很像沙發(fā)的沙發(fā)。

  Hammersley沙發(fā),定義了更高標準的過彎。

  毫不夸張的說,這是沙發(fā)問題的里程碑。

  中間的挖掉的半圓半徑其實可以在 0到 1中間任意取值,這些沙發(fā)都可以穿過 L形的走廊。通過對一個二次函數(shù)取極值,我們就能求出最終沙發(fā)中間部分的半徑應(yīng)當取為 2/π,那么這時沙發(fā)的沙發(fā)常數(shù)就變成了

  在很長的的一段時間里,數(shù)學界的大部分人,包括Hammersley在內(nèi),都認為Hammersley沙發(fā)是完美的,是沙發(fā)問題的最終解。

  但同樣作為沙發(fā)問題的高玩的Gerver并不這么認為,他向Hammersley提出了質(zhì)疑。

  Hammersley不以為然,始終認為Hammersley沙發(fā)是最完美的。

  直到1992年,Gerver在Hammersley沙發(fā)的基礎(chǔ)上,通過旋轉(zhuǎn)路徑構(gòu)建新的形狀,提出了Gerver沙發(fā)。

  盡管看起來和Hammersley沙發(fā)沒什么區(qū)別,但從數(shù)學角度看,你會發(fā)現(xiàn)Gerver沙發(fā)更加復雜。

  看看下面的圖,刻度線描繪了邊界上不同部分之間的過渡點——3條直線、15條曲線段。

  其中 V, XIII和 XVIII三段是線段,

  I, VI, XII,和 XVII是圓弧,

  II, III, VII, XI, XV和 XVI是圓的漸開線,

  IV和 XIV是圓的漸開線的漸開線。

  每條曲線段由一個單獨的解析表達式描述。

  這個神似老式電話聽筒的Gerver沙發(fā),硬生生把沙發(fā)常數(shù)整整往上提升了足足 0.5%【沙發(fā)系數(shù)≈2.2195】,是目前單個走廊轉(zhuǎn)角沙發(fā)移動問題中尋找到的最優(yōu)解。

  Gerver沙發(fā)是否就是最優(yōu)的沙發(fā)曲線,他不得而知,但他表示最完美的沙發(fā)系數(shù)應(yīng)該是在2.2195~2.37之間。

  對于Gerver沙發(fā)的現(xiàn)世,數(shù)學家們紛紛拍手稱好,除了加州大學戴維斯分校數(shù)學系教授Dan Romik。

  據(jù)說Dan Romik剛拿駕照沒多久,但卻對沙發(fā)過彎問題有著極高的要求。

  他并不滿足于使用Gerver沙發(fā)漂移單個急彎,他認為能完美漂移過二連發(fā)急彎的男人才是真正的數(shù)學車神。

  為了可以 0距離感受沙發(fā),他甚至模仿葛優(yōu)躺在沙發(fā)上思考如何優(yōu)化。

  躺在沙發(fā)上的Romik,一下子就想起了類似比基尼的形狀。

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