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解答:1. 我们可以用 A 和 B 来表示整个轨迹。它将取决于汽车速度 b、圆盘的旋转速度 s 以及距离 d、e 和 r。
参见:http://cs.nyu.edu/cs/faculty/shasha/papers/eddyfig1.doc
假设起点角度为 A,我们想要计算到圆盘边缘的距离。由于与汽车相比,圆盘移动缓慢,我们可以尝试将从起点到圆盘边缘的距离近似为 d/cos(A)。 (此距离假设从原点到圆盘顶部,然后到原点轨迹击中圆盘的点形成的三角形是直角三角形,而实际上它是一个略微倾斜的三角形。)因此,从起点到圆盘的行程时间大约为 d/(b cos(A))。
稍后我们将纠正此近似值。
这个结果意味着 C = arcsin ((d tan(A))/r)。
类似地,D = arcsin ((e tan(B))/r),并且从圆盘到目的地的距离为 e/cos(B)。从圆盘到目的地的行程时间为 e/(b cos(B))。
现在,使用我们的弦法,并参考下图,我们将寻找一个角度 H,使得在旋转圆盘的坐标系中穿过弦的时间等于圆盘适当旋转的时间。
http://cs.nyu.edu/cs/faculty/shasha/papers/eddyfig5car.doc
因此,H 由我们希望汽车在绝对平面中位移 (180 – (C + D)) 度这一约束唯一确定。
我们将此称为目标角度位移,或简称 tad。
tad 将等于弦所对的角度(achord = 180 – 2H)加上当弦被穿过时圆盘旋转的量。
adisk = 圆盘在弦被穿过时旋转的角度
= s * 穿过弦的时间
其中穿过弦的时间 = 弦长/b
其中弦长 = 2r cos(H)。
因此,adisk = (2rs cos(H))/B,并且我们有 adisk + achord = tad。
此结果约束了 H。
因此,总时间等于从起点到圆盘的时间加上穿过圆盘弦的时间加上从圆盘到目的地的时间。给定 A 和 B,可以找到所有这些时间。
由于计算机没有报错,我尝试了许多 A 和 B 的值,直到得到最佳值。
现在让我们重新审视一下这个近似值。
实际上,从起点到圆盘的距离稍微复杂一些。为了弄清楚,请注意从圆盘中心到 Y 的距离为 r。
设 X 为从 Y 到虚线的垂线与虚线的交点。[见图 eddyfig1.doc] 因此,r cos C 是从圆盘中心到 X 点的距离。(我们还不知道 C,但我们将通过迭代来计算它。)
回想一下,从原点到圆盘中心的距离为 d + r,即从原点到圆盘最顶点的距离加上半径。因此,从原点到 X 点的距离,简称为 dsp,为 dsp = d + (r – r cos C)。这意味着从起点到圆盘的线段距离为 [d + (r – r cos C)]/cos A。
为了通过迭代确定角度 C,我们从 dsp 的初始估计值(即 d/cos(A))开始。此估计值与 A 一起,给出了 X 和 Y 之间距离的估计值:dsp * sin(A)。这反过来又给出了 C 的初始估计值,即 arcsin(r/(dsp * sin(A)))。此公式允许我们将 dsp 重新计算为 d + (r – r cos C)。
数值结论是,使用最佳路线的总时间约为 56.8 秒。(如果圆盘根本不移动,则将为 60 秒。)A 和 B 各为 13 度。巧合的是,C 和 D 各约为 13.7 度。这意味着需要在圆盘周围移动近 153 度,但由于圆盘旋转得很快,因此弦所对的角度仅为 114 度。在圆盘上的时间略低于 25.2 秒,在此期间,圆盘旋转了 37.7 度多一点。因此,这些数字在 1 度以内匹配,这对于比赛来说已经足够了。
2. 我得到的 A 和 B 的最高平均值约为 15 度。这发生在每分钟 125 到 145 度之间的旋转速率下。请注意,更高的速率会缩小 A 和 B 的值。在每秒 10,000 度时,A 和 B 会减小到大约 1 度。