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【趣味数学题】最大张角问题

2021-11-04 09:42 作者:AoiSTZ23  | 我要投稿

郑涛(Tao Steven Zheng)著

【问题】

这个问题最早是由中世纪晚期的德国天文学家约翰·穆勒·冯·克尼斯伯格(Johannes Müller von Königsberg,1436 年 - 1476 年)[1] 提出并解答的问题。

[1] 约翰·穆勒·冯·克尼斯伯格的拉丁名字是雷格蒙塔努斯(Regiomontanus)。

图1

根据图1,如果高度 ab 是给定的常数,那么一个人应该站在什么距离 x 可视角 %5Ctheta 为最大?用微积分解决这个问题。

雷格蒙塔努斯没有用微积分来解这个问题!

【题解】

如图1,考虑三个角度 %5Calpha%5Cbeta%5Ctheta%20%3D%20%5Calpha%20-%20%5Cbeta%20。根据题意,

%5Ctan%7B%5Calpha%7D%20%3D%20%5Cfrac%7Bb%7D%7Bx%7D%20

%5Ctan%7B%5Cbeta%7D%20%3D%20%5Cfrac%7Ba%7D%7Bx%7D

因此,

%5Ctheta%20%3D%20%5Carctan%7B%5Cleft(%5Cfrac%7Bb%7D%7Bx%7D%5Cright)%7D%20-%20%5Carctan%7B%5Cleft(%5Cfrac%7Ba%7D%7Bx%7D%5Cright)%7D%20

%5Ctheta 对于 x 的导函数:

%5Cfrac%7Bd%5Ctheta%7D%7Bdx%7D%20%3D%20%5Cfrac%7B1%7D%7B1%2B%7B%5Cleft(%5Cfrac%7Bb%7D%7Bx%7D%20%5Cright)%7D%5E%7B2%7D%7D%20%5Ccdot%20%5Cfrac%7B-b%7D%7Bx%5E2%7D%20-%20%5Cfrac%7B1%7D%7B1%2B%7B%5Cleft(%5Cfrac%7Ba%7D%7Bx%7D%20%5Cright)%7D%5E%7B2%7D%7D%20%5Ccdot%20%5Cfrac%7B-a%7D%7Bx%5E2%7D%20

%5Cfrac%7Bd%5Ctheta%7D%7Bdx%7D%20%3D%20%5Cfrac%7B-b%7D%7Bx%5E2%2Bb%5E2%7D%20%2B%20%5Cfrac%7Ba%7D%7Bx%5E2%2Ba%5E2%7D

%5Cfrac%7Bd%5Ctheta%7D%7Bdx%7D%20%3D%200,然后解 x

0%20%3D%20%5Cfrac%7B-b%5Cleft(x%5E2%2Ba%5E2%5Cright)%20%2B%20a%5Cleft(x%5E2%2Bb%5E2%5Cright)%7D%7B%5Cleft(x%5E2%2Ba%5E2%5Cright)%20%5Cleft(x%5E2%2Bb%5E2%5Cright)%7D

0%20%3D%20-bx%5E2%20-%20a%5E2%20b%20%2B%20ax%5E2%20%2B%20ab%5E2%20

%20(b%20-%20a)x%5E2%20%3D%20ab%5E2%20-%20a%5E2%20b%20

(b%20-%20a)x%5E2%20%3D%20ab(b-a)

x%5E2%20%3D%20ab

%20x%20%3D%20%5Cpm%20%5Csqrt%7Bab%7D

正平方根是这个问题的正确答案。

x%20%3D%20%5Csqrt%7Bab%7D%20






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