當前位置:編程學習大全網 - 源碼下載 - 馬丁·加德納的四個烏龜行進路徑的軌跡方程求解,長度是多少?

馬丁·加德納的四個烏龜行進路徑的軌跡方程求解,長度是多少?

此題不同於壹般的動力學問題,其速度的大小不變而方向確隨時變化。

將烏龜看作是質點,那麽基本思路如下:

1.全部質點的運動都具有等價性,即運動過程中質點之間的相對幾何關系不變。

2.任何壹個質點瞬間運動方向是其軌跡曲線的切線方向。

根據題意,采用極坐標描述比較方便,推導過程之中采用直角坐標系輔助說明。以N個質點所

***圓之圓心為坐標原點 O,任意選擇壹個質點在 OX 軸上,那麽有:

標號為 k 的質點 Pk ,其直角坐標為Pk(xk,yk),極坐標為Pk(r,θ+k*α),其中,θ為質點

P0的相角,k為質點編號,α=2π/n。由於任何時候,每個質點相對坐標原點的距離相等,所

以r壹樣。

假定P0點初始坐標為P0(R,0)..................即初始圓半徑為 R

現在研究P0質點的運動,假定任意時刻 P0(x,y),即有

x = r*cosθ....... dx = cosθ*dr - r*sinθ*dθ

y = r*sinθ....... dy = sinθ*dr + r*cosθ*dθ

P0追蹤的點為P1,其坐標為

x1 = r*cos(θ+α)

y1 = r*sin(θ+α)

P0運動軌跡的切線斜率為:

(y1 - y)/(x1 - x) = dy/dx ...........................(1)

(y1 - y)*dx

= r*[sin(θ+α) - sinθ]*(cosθ*dr - r*sinθ*dθ)

= 2r*sin(α/2)*cos(θ+α/2)*(cosθ*dr - r*sinθ*dθ)

= 2r*sin(π/n)*[ cos(θ+π/n)*cosθ*dr - r*cos(θ+π/n)*sinθ*dθ]

(x1 - x)*dy

= r*[cos(θ+α) - cosθ]*(sinθ*dr + r*cosθ*dθ)

= -2r*sin(π/n)*sin(θ+π/n)*(sinθ*dr + r*cosθ*dθ)

= -2r*sin(π/n)*[ sin(θ+π/n)*sinθ*dr + r*sin(θ+π/n)*cosθ*dθ]

展開(1)得到

(y1 - y)*dx - (x1 - x)*dy = 0

考慮到 r 僅僅在追趕的最後階段才是無窮小量,所以 r*sin(π/n) 可以約去,得到:

cos(π/n)*dr + r*sin(π/n)*dθ = 0

dr/r = -tg(π/n)*dθ .................................(2)

對(2)積分

ln(r) = -tg(π/n)θ + C

註意到初始條件,P0 坐標為(R,0),得到

r = R*e^[-tg(π/n)θ] .................................(3)

令 K = tg(π/n) ,簡化為

r = R*e(-K*θ)

求解曲線長度,采用標準公式:(ds)^2 = (dx)^2 + (dy)^2 推導得到

ds = [(dr)^2 + (r*dθ)^2]^(1/2)

= [(dr/dθ)^2 + r^2]^(1/2)*dθ

= [K^2 + 1]^(1/2)*r*dθ

對 ds 積分,註意積分區間為(0,∞)

定義積分符號:S[f(x)dx](a,b) 表示f(x)的定積分,積分區間為(a,b)

曲線長度 L = S[ds](0,∞)

L = R*[1 + (1/K)^2]^(1/2)

代入 K = tg(π/n) 得到

L = R/sin(π/n) .....................................(4)

對於那個著名的馬丁·加德納四個烏龜問題,就是 n = 4 的特例,其總路徑長度 L = √2*R

即四邊形的邊長。

  • 上一篇:代碼管理-gitlab使用方法建議
  • 下一篇:安全源代碼認證
  • copyright 2024編程學習大全網