谜题探险:百慕大玩具车竞赛

如何使用遥控车找出从康涅狄格州到百慕大的最佳路径

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虚构的综合帆船运动员朱庇特·普罗普在从康涅狄格州到百慕大的比赛中,充分利用了漩涡和墨西哥湾流。为了展示他的技巧,他提出了一个简单的游戏,可以使用遥控车和一个地面旋转圆盘进行。

目标是从北侧的横杆到达南侧的横杆——确切地说,是从北侧横杆与虚线段(“康涅狄格州”)的交点,到南侧横杆与虚线段(“百慕大”)的交点,以最短的时间到达。中间的圆盘顺时针旋转,因此试图直接沿着虚线前进是失败的。(正如我非虚构的攀岩朋友肯塔基·皮特所说,“两点之间最短的路径是一条直线,但最容易的路径会曲折。”这条路径的曲折程度很大。)

事实上,先稍微向东南方向行驶可能是个好主意,然后以某种方式穿过略微偏离虚线向东旋转的圆盘,然后向西南方向行驶至终点,如图所示。

http://cs.nyu.edu/cs/faculty/shasha/papers/eddyfig1.doc

b = 车速(每分钟100米)

d = 从起点到圆盘最北端的距离(25米)

e = 从圆盘南端到终点的距离(25米)

r = 圆盘的半径(25米)

s = 圆盘的旋转速度(每分钟30度)

A = 从康涅狄格州出发,偏离穿过圆盘中心的直线的角度

B = 接近百慕大时,偏离穿过圆盘中心的直线的角度。

请注意,如果圆盘根本不旋转,那么 A 和 B 都应该为 0。只需沿着虚线指示的直线路径行驶即可。

热身 1
如果圆盘旋转速度极快(例如每分钟 10,000 转),那么 A 和 B 应该取什么值?


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值得注意的是,对于圆盘的中间旋转速度,我们希望 A 和 B 为正值。但现在的问题变成了:汽车应该如何穿过圆盘,才能从北侧线段到达圆盘的点移动到南侧线段离开圆盘的点?

热身 2
您怎么看?

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问题:1. 好的,而且对于本专栏来说不寻常的是,我现在想邀请您进行计算。我自己使用了一些三角学和计算机语言,但解决方案将解释如何设置问题以及给出答案。

提示: 主要挑战在于弄清楚如何将其设置为好像 A 和 B 是已知值。(然后可以推导出此图中的 H 角。)

http://cs.nyu.edu/cs/faculty/shasha/papers/eddyfig5car.doc

然后,计算机可以搜索不同的 A 和 B 值。如果您对问题有优雅的封闭式解决方案,我非常感兴趣。

2. 现在是一个高级问题。对于圆盘的哪些旋转速度,A 和 B 的平均值将接近其最大值? 最大值是多少?

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