亞馬遜的一道智力題,懸鏈線問題

2021-10-06 07:21:27 字數 2414 閱讀 7768

感覺這陣子網上開始流傳一道題,號稱是亞馬遜的面試題,問題挺有意思。大致是這樣。

有一根無彈性的繩子,長度是80m,然後兩端被掛在50m高的柱子上,問當繩子的中點離地面高度為10m的時候,兩個柱子的間距是多少。

很多人乍一看這個問題就知道這是乙個懸鏈線問題。需要用懸鏈線公式來求解。懸鏈線公式是由約翰·伯努利求解出來。他的哥哥也是乙個數學家,叫雅各比·伯努利。他的兒子也是數學家,叫丹尼·伯努利。這個約翰伯努利的故事非常多,儘管在數學上也還算有名,但是就讓我覺得這是乙個悲情的人物。

伯努利的老師就是大名鼎鼎的微積分創始人之一,萊布尼茨。萊布尼茨和牛頓後來鬧僵了,他苦心證明出最速下降曲線,想以此殺殺自己導師的競爭者牛頓的銳氣。他自己花了很長的時間證明出來,大概有幾個月那麼多,然後把問題發給牛頓,牛頓沒理他,他就開始嘲諷。這個時候,牛頓知道後怒了,看不起誰呢。晚上不睡覺了,整到凌晨四點,結果把問題就給整出來了,而且比它的證明更出色。

伯努利輔導了乙個貴族,這個貴族的名字叫洛必達,渴望在科學上有所造詣,但卻實力平平。沒有才華卻架不住財氣橫溢,於是開始了自己有錢人解決問題的方式。他寫信給約翰伯努利,大致意思就是你有我需要的才,我有你需要的財,我們做一筆交易……。因為伯努利恰巧要結婚,於是開始陸續向洛必達發一些自己的研究成果的信件。萊布尼茨知道之後,還有這好事?連忙問看還有需要嗎,我這裡還有一些其他的發現。後來洛必達把兩個人成果彙總,發表出一本書,這本書的重要成果還包括微積分史上重要的乙個法則,洛必達法則。再到後來,有人對這個法則補充了一些重要擴充,就是所謂的廣義洛必達法則。這個有財但是資質平平的「數學家」也因此名垂科學史,做了一筆非常值得的交易。

這個約翰伯努利,還借鑑自己的兒子的研究成果,想要出一本書,結果一發表,和他兒子討論問題的那些人先坐不住了,知道誰才是發現者,開始抨擊他。最後無奈只好撤稿,把成果歸還給兒子,於是有了丹尼爾·伯努利的著作《hydrodynamica》(流體力學)。

但是他也有揚眉吐氣的時候,好勝心很強的他一直想要證明自己比哥哥雅各比伯努利強,雖然大多數時候都沒能如願,但是在懸鏈線上確實雅各比犯了錯誤,而這個問題被約翰證明。自然也不會忘記拿這件事嘲諷自己的哥哥很久。

懸鏈線問題,以繩子的最低點也就是中點為原點,水平方向為x軸建立座標系,則繩子的曲線就是雙曲余弦函式,表示式:y=a

cosh

(da)

−ay=a\ cosh(\frac)-a

y=acos

h(ad

​)−a

。若繩子兩端在同一水平面上,還可以寫出乙個表示式da=

sinh

la\frac=sinh\frac

ad​=si

nhal

​,l是繩子總長的一半這裡就是40,d是兩個懸掛點距離的一半,是要求的量,a是由繩子本身性質決定的常數,y是懸線上的一點,這裡帶入柱子的高度,就是50。

現在有兩個表示式了,分別是雙曲正弦和雙曲余弦。然後利用雙曲正弦和雙曲余弦的關係,cos

h2(x

)−si

ngh2

(x)=

1cosh^2(x)-singh^2(x)=1

cosh2(

x)−s

ingh

2(x)

=1,這個公式當年微積分學過。和上面的公式都是記不住了網上查就好了。先把前兩個等式中的雙曲正弦和余弦表示出來,然後帶入三個等式一起就可以求解這個問題了。

如果繩子的最低點離地20m,意味著y的值就是50−20

=30m50-20=30m

50−20=

30m,此時可以求出d,然後2d就是兩個柱子的間隔。

但是如果當繩子的最低點是10m。意味著y=50

−10=40

my=50-10=40m

y=50−1

0=40

m,此時帶入到方程中,發現方程無解。這是什麼操作?這麼複雜的計算之後,沒有答案,是不是該心態崩了。

仔細思考之後發現,原來,繩子一共就長80m,中點都離地方10m了,那麼說明雙端掛的長度都是40m,這個時候只有對折才可以了,既然繩子是對折的,又要掛在柱子上,那麼兩根柱子只能是緊挨著,距離為0。而且,這又是一種理想問題,還得忽略柱子的寬度才行。呵呵呵,費勁心思去計算,發現根本不需要計算。

這個問題就很好的說明了,有時候知識越多反而思考問題不容易抓住本質,容易被自己的知識側重點所帶偏,返璞歸真,有些時候往往是乙個更好的解決思路。我們每個人要做知識的主人,而非被知識所牽著鼻子。

這個時候,不禁想起乙個段子。乙個博士群裡在討論物理問題,考慮一滴水從幾萬公尺的高空落下來或不會砸死人,大家各種建模,重力加速度,空氣阻力操作一通,這個時候群裡潛水的沒什麼文化的阿姨回答了一句,你們都沒淋過雨嗎?

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