小问题,大思考

一个博士朋友的儿子刚上初中不久,他就提出了下面的一个问题,我感觉很有深度,很难得,现在贴出来说说。

如下面图所示:已知线段AB和一点P,n等分线段,得到n+1个点与P连线。

问:n趋于无穷大时,这些连线长的平均值趋向一个定数吗? 如果是,该怎样求?

粗看起来好像没什么难度,然而稍微计算一下,就发现不那么简单,博士拿出了Maple这个数学软件,用求极限法得到了一个并不简单的结果:

后来,我觉得这个极限可以化为积分,得到了相同的结果:

其中的字母含义如下:

这个结果显然不是初中的知识了。

这个小孩很有天赋,他还把这个问题做引申发散开来。

首先,他问这样的平均距离除了对直线有外,对圆也有么?

我开始用积分算了一下,得到一个巨复杂的结果:

后来稍微优化了一下,

但可以看出,这已经不是可以用初等函数来表达的了,已经用了椭圆积分来表达了。然后,他又继续问了一个问题,在一个三角形内,是否存在这样的一个点,使得点到这三条线段的上述平均值相等?

在我看来,一般情况下存在这个点,原因如下:
因为一点(x,y)到线段的平均值的积分解是一个与x,y有关的二元函数
因此 另   p1p2的 值  设为f1(x,y), p2p3的值设置为f2(x,y),p3p1的值设置为f3(x,y)
显然有  f1(x,y)=f2(x,y); f2(x,y)=f3(x,y)
这是一个二元方程组,应该有一个解,但 估计无法用公式求解,只能数值求解了。

下面贴出一些LISP代码来验证求解。

有兴趣的不妨测试一下。

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