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趣题:舞台里的狮子

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     有一个半径为 10 米的圆形舞台,初始时舞台上的某个地方有一头狮子。这头狮子在舞台上以折线段的方式跑了 30 千米。求证:在整个过程中,这头狮子至少转了 2998 个弧度。

     有时候,换一个角度思考,问题就会迎刃而解。

      

      

      

      

      

      

      

     现在,让我们站在狮子的角度,用狮子的眼光来看周围的世界。这样的话,狮子本身就是静止不动的,运动的其实是整个舞台;再假设狮子的头也是始终朝北的,狮子原地旋转实际上就是整个舞台绕着它做圆周运动。这样一来,舞台中心的运动就只有两种形式:竖直向下的直线运动,以及以狮子为中心的圆弧运动。如下图,左图就是在我们看来,狮子的移动轨迹,其中圆心代表舞台中心;右图就是在狮子的眼中,舞台中心的移动轨迹,其中圆心代表狮子。注意到,由于舞台始终包含了狮子,因此舞台中心绝不可能跑出狮子周围 10 米的范围。因此,每段直线运动都不能持续太久。我们需要不断靠圆弧运动上调舞台中心的位置,让它有继续竖直向下移动的空间。

    

     由于舞台中心一共下降了 30000 米,但舞台中心的初始位置最多只能比终点位置高出 20 米,因而在整个过程中,舞台中心的高度至少还要靠圆弧运动上调 29980 米。因此,圆弧运动至少有 29980 米(事实上,由于两点之间直线段最短,走弧线绕了弯路,因此实际路程比 29980 米大得多)。如果每段圆弧的半径都是 10 米,那么所有圆弧的度数之和就应该有至少 2998 弧度;何况绝大多数圆弧的半径都小于 10 米,因此圆弧的总度数就更大了。这就说明了,在整个过程中,狮子至少转了 2998 个弧度。

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