椅子能在不平的地面上放稳吗

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椅子能在不平的地面上放稳吗?

把椅子往不平的地面上一放,通常只有三只脚着地,放不稳,然而只要稍挪动几次,就可以四脚着地,放稳了。下面用数学语言证明。
一、 模型假设
对椅子和地面都要作一些必要的假设:
1、 椅子四条腿一样长,椅脚与地面接触可视为一个点,四脚的连线呈正方形。
2、 地面高度是连续变化的,沿任何方向都不会出现间断(没有像台阶那样的情况),即地面可视为数学上的连续曲面。 3、 对于椅脚的间距和椅脚的长度而言,地面是相对平坦的,使椅子在任何位置至少有三只脚同时着地。
二、模型建立 中心问题是数学语言表示四只脚同时着地的条件、结论。
首先用变量表示椅子的位置,由于椅脚的连线呈正方形,以中心为对称点,正
方形绕中心的旋转正好代表了椅子的位置的改变,于是可以用旋转角度&61553;这一变量来表示椅子的位置。
其次要把椅脚着地用数学符号表示出来,如果用某个变量表示椅

B&61602; B
A&61602;
C A x
C&61602;
D&61602; D

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脚与地面的竖直距离,当这个距离为0时,表示椅脚着地了。椅子要挪动位置说明这个距离是位置变量的函数。
由于正方形的中心对称性,只要设两个距离函数就行了,记A、C两脚与地面距离之和为&61480;&61481;&61553;f,B、D两脚与地面距离之和为&61480;&61481;&61553;g,显然&61480;&61481;&61553;f、&61480;&61481;0&61619;&61553;g,由假设2知f、g都是连续函数,再由假设3知
&61480;&61481;&61553;f、&61480;&61481;&61553;g至少有一个为0。当0&61501;&61553;时,不妨设&61480;&61481;&61480;&61481;0,0&61502;&61501;&61553;&61553;fg,这
样改变椅子的位置使四只脚同时着地,就归结为如下命题: 命题 已知&61480;&61481;&61553;f、&61480;&61481;&61553;g是&61553;的连续函数,对任意&61553;,&61480;&61481;&61553;f*&61480;&61481;&61553;g0,且&61480;&61481;&61480;&61481;00,00&61502;&61501;fg,则存在0&61553;,使&61480;&61481;&61480;&61481;000&61501;&61501;&61553;&61553;fg。
三、模型求解
将椅子旋转090,对角线AC和BD互换,由&61480;&61481;&61480;&61481;00,00&61502;&61501;fg可知
&61480;&61481;&61480;&61481;02,02&61501;&61502;&61552;&61552;fg。令&61480;&61481;&61480;&61481;&61480;&61481;&61553;&61553;&61553;fgh&61485;&61501;,则&61480;&61481;&61480;&61481;02,00&61500;&61502;&61552;hh,由f、g
的连续性知h也是连续函数,由零点定理,必存在&61480;&61481;2000&61552;&61553;&61553;&61500;&61500;使
&61480;&61481;00&61501;&61553;h,&61480;&61481;&61480;&61481;00&61553;&61553;fg&61501;,由&61480;&61481;&61480;&61481;0*00&61501;&61553;&61553;fg,所以&61480;&61481;&61480;&61481;000&61501;&61501;&61553;&61553;fg。

四、评 注
模型巧妙在于用已元变量&61553;表示椅子的位置,用&61553;的两个函数表示椅子四脚与地面的距离。利用正方形的中心对称性及旋转090并不是本质的,同学们可以考虑四脚呈长方形的情形
maggie13050 2024-05-12

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