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[数学趣味003]不等式

1.光的智慧:

光在同一种介质沿直线的传播。

让我们一起来回忆一下中学都做过的一道几何题:

小明(小明又中枪……)从A点去河CD打水至B点,求最短路线?

math_light_01

虽然简单,但是这个应用使用的也是最简单的定理:2点之间直线最短!解答方式可如下:

math_light_02

可以看出动点E在CD上移动,只有在AEB`在同一直线时,路线最短。

此时的AEB线,也是光从A点出发到达B点所必经过的E点,光竟然会每一次都找到最短的路,真是神奇的大自然,……那么我们再加强一下下:

还有一个规律:如果EF垂直于CD,那么角AEF = 角BEF,这就是众所周知的光的反射定律啦,光纤里面就是应用的光的这个特性,突然想起中学时,化学老师说一切物质都是由元素组成的,下面一位同学立即说到:那么光是由什么元素组成的呢?时,老师一时词穷的表情。

那么机智的朋友们,题1:怎么解释光是由什么组成的呢?难道光不是一种物质么?欢迎大家在评论里一起钻牛角尖 :P  PS:吐槽下,最近不能google,还是不方便很多。

也许你会想连猫看到一只老鼠也会选择直线跑过去,这算那门子的聪明,其实,猫走直线的原因也是光由直线传播的原因才会走直线的啦,想想海市蜃楼,想想一支筷子插透明水杯时的折角,如果光一直都不是直线传播的,那眼神要怎么扭曲才好使哈,那么怎么解释海市蜃楼呢,怎么光有时会变傻,不走直线?

light_

其实仔细一下这是是一种舍近求远的大智慧啦。折射定律

那么现在把上面小明的情况改一下:小明要把从A点从A点运至B点,在ACD平面是水泥地,速度为u m/s,而在BCD面是海滩,速度为 1 m/s,那么走AEB这条直线虽然是最短路线,但用时最短的路线是?,因为在水泥地里快一占,自然小明会想多在水泥地里面走一会

所以路线必然是AE`B,(E`B重合)这个E`就是一个临界点,如果E`住左或往右移动,总时间就会增加!

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神奇的是:光每次都能准确地算出这个E`的位置,为了最快!最快的穿过!其实光只是想尽方法要走一种最快的路线!

哈哈,光真是一种神奇的存在!!!

最后:加强一下对刚才的理解:题2:求下图从小明从A点到河OB上一点捡个石头B` ,再由B`到河OC上一点C`捡个石头,再由C`回到A的最短路径(其实就是找AB`C`三角形最小周长啦!【如果你觉得有意思,那么请想办法用最辩简洁的语句表达出来哦】

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上面和我们说的不等式有什么联系呢?

我们仔细想想,怎么算出折射定律中的E`点位置?

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求Time不等式的最小值!我们只要对这个不等式求导数(导数就是一个局部性质,就是描述这一点上附近的变化率,我们所求的E`就是要导数为0,因为不管是E`往左移,还是往右移,都是变大的:

所以对x求导得:

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这就是 sinAE`F/u = sinE`BD 这就是折射定律的公式啦!

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是不是很好玩!总结一下就是微积分求导可得不等式的的极值问题。

说到这里:实然想到:一个等周长下圆的面积最大的直观理解(扩展到三维就是等表面积,圆的体积最大):

1.1 首先我们把周长为c的线分成2段:每段长c/2

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直观上理解:这2段用c/2分出来的图形必然是相相对称的:如果他它不对称,那么这就可以把大的那一边对称过去,让两边都达到最大,所以可以直观的理解到:得出来的最大面积图形必然是一个对称图形。

1.2 现在我们只要求出c/2得到的面积最大

也就是说AC定长CB也定长时,用它会去围一个三角形,什么最大?S = AC*BC*sin角ACB/2 当角ACB = 90度时,面积就达到了最大,那么我们不断的重复这个举动,就可以得到当C点一直在角ACB上的图形移动时,时刻能保持最大面积,

所以没有比时刻保持角ACB为直角的图形围的面积更大了,这时就是最大。

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1.3然后我们来证明:以直径AB为边,C点在圆上的为直角三角形:

   O为圆心,所以OA = OB = OC 所以由等腰三角形2角相等:角OAC = 角OCA ;角OCB = 角OBC,  

   所以角OAC+角OBC = 角OCA+角OCB = 角ACB

   又因为三角形内角各为180度,角OAC+角ACB = 180度,所以角ACB是直角!!!


期待机智的博友折腾下题1,和题2,很好玩哇,大家一起玩!

神奇的大自然,圆圆的露珠:

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