鐘錶上的數學問題

2021-06-21 03:21:33 字數 2398 閱讀 8088

鐘錶上有很多有趣的數學問題,下面就循序漸進的帶大家走入神秘的鐘錶問題。

1.中午12點整的時候,時針與分針發生重合。請問下一次重合是什麼時刻?

初略的看,12點之後1點之前,分針永遠在時針前面,可以感受到重合將會發生在1點05分和1點10分之間。

我們假設1點x分時兩針重合。注意到分針的速度是時針的12倍,於是我們便有方程:x = x / 12 + 5.

解得x = 60 / 11. 所以1點5分60/11秒,時針與分針再次重合。

2.一天24小時之內,時針與分針發生了多少次重合?

如果我們硬要用數學方法算,則如下:

記x為從零點整開始過了x分鐘後兩針重合,方程的解的個數就是答案:x % 60 = (x / 12) % 60,0 <= x < 60*24=1440

直接去求方程的解的個數是比較麻煩的。當然可以求出有22個解。

這裡給出乙個比較直觀簡單的想法。

從零點整開始到零點59分59秒,有一次重疊,這是顯然的;

從1點整到1點59分59秒,有一次重疊,這是因為分針掃了一周,而時針只是從1走到了2;

從2點整到2點59分59秒,類似的,也有一次重疊;

這樣下去貌似每個小時段都會有重疊發生。那麼到底有沒有例外呢?

有。在11點整到11點59分59秒,這裡是不會發生重疊的。為什麼?

因為12點整兩針重疊,往前的一小段時間裡分針永遠在時針後面(我們假設回撥時鐘,則分針走得都比時針快)。

於是我們便有了最終答案,除去兩個11點,一天裡便發生24 - 2 = 22次重疊。

還有一種思路是,我們考慮12小時內,時針轉了一圈,分針裝了12圈,所以發生了11次重合(剛滿12小時那一瞬間重合是不算的)。

這樣得出的結論也是22次。

3.算出所有兩針重疊的時刻

注意到兩次相鄰重疊的時間間隔是一樣的。為什麼?可以這樣考慮。設某時刻兩針重疊,過x分鐘再次重疊。

有 x - x / 12 = 60.可以解出 x = 60 + 60 / 11.

這樣我們便知道重疊時分針都在時鐘盤面的11等分處。

於是答案便是:0時0分,1時60/11分,2時120/11分,……,10時600/11分,12時0分,13時60/11分,……,22時600/11分

4.當時針分針重合,秒針指在49秒處,問現在時幾點?

由上面的結論,注意60*4/11分約等於21分49秒,所以答案是4時21分49秒或16時21分49秒。怎麼算出是4?

對於60k/11,49秒約為9/11分(49*11/60約為9),也就是60k除以11餘9,注意60除以11餘5,我們很快就想到了5*4除以11餘9,4就是這樣出來的。

5.兩針夾角成x度(0 <= x <= 180),一天之內會發生多少次?

當x為0時,便是我們熟悉的22次。其他情況怎麼算?

我們可以充分利用已經得到的結論。

我們先考慮0 < x <= 90。這裡有兩種情形,一種是分針領先於時針,另外一種分針落後時針也可以形成固定角度。

對於領先的情形,我們這樣考慮。假設某時刻分針領先於時針x度,則下一次再次領先於時針x度需要多長時間?

還是和3題裡面一樣的方程,同樣也有3題一樣的結論,就是領先於時針x度有22次。能理解麼?

對於落後的情形亦是如此,也有22次。

所以對於x = 0 或 x = 180,重疊會發生22次;對於0 < x < 180, 重疊會發生四十四次。

6.三針重疊一天會發生多少次(未完待續)

總結

講了這麼多,讓我們來總結下規律。

注意到分針的速度為6°每分鐘,時針的速度為0.5°每分鐘,我們便有:

時針角度公式

這裡分針角度公式

這裡例子

當前時間7:23,則時針角度為:(60 * 7 + 23) / 2 = 221.5;分針角度為:23 * 6 = 138

時針分針夾角公式

例子

當前時間2:15,則兩針夾角為:| (60 * 2 - 11 * 15) / 2 | = 22.5

現在我們回頭看看原先的重合問題。

重合即兩個角度相等,便有方程:

這裡0:00, 1:05.

45, 2:10.

90, 3:16.

36,……

參考:

2018 6 18 數學問題

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