一道趣題 如何通過調整角度使探照燈照亮整個平面?

時間 2021-05-29 22:49:57

1樓:

經三鮮同學提醒,大於pi的情況疏忽了。重新寫乙個更詳細的算了。

如果n=1或n=2,成立顯然,以下考慮n>=3的情況。

定義楔形wedge:從一點出發的兩條射線圍成的類似扇形的區域(但是無限延伸),稱兩條射線的夾角為楔形的張角,這個點為楔形的頂點。

楔形的補complementary wedge:把這兩條射線反向,圍成的楔形(類似對頂角)。注意補的張角和原張角是相等的,和普通的補不一樣,相當於旋轉180度。

乙個光源可照亮的範圍,就是張角為的乙個楔形。

題目要求照亮整個平面,下面證明的思路是:

先考慮特殊情況:對於張角的楔形區域,假如光源在其補中,可以完全覆蓋這個楔形。

但是我們需要照亮整個平面,平面可看做張角為的楔形,很遺憾不能直接用引理1。我們希望對於任意放置的光源,能夠將平面分割為若干特別的張角的楔形,這樣:

用1中的結論,每個楔形裡的光源都可照亮其補。於是整個平面被完全覆蓋。

開始引理1

給出一楔形,設其張角為,在其補中有個光源(各自位置任意給定),每個點可照亮張角為的楔形。則可以調整它們照射的角度,使其覆蓋。

可用歸納法證明,畫出k=1的情況防止誤解。

引理2令對於任意放置的光源,都可將找到乙個點,以其為頂點可做出張角分別為的三個楔形,各包含個光源。通俗地說,就是把平面近似平均切成了三塊,每塊近似包含了三分之一的光源,並且每塊包含的光源能照亮的角度之和與楔形張角相等。「近似」是由於需要取整。

證明:隨意安排這三個楔形的順序和邊界的方向。假設像這個樣子:

下面,邊界的方向固定,尋找這個合適的頂點。

把直線從最下方慢慢向上移動。由於要有個光源,所以右下的光源數要大於等於,類似,左上的光源數大於等於,這樣限制了的範圍。做出使其恰好包含個光源,設交點分別為。

如果重合,則得解。如果不重合:

看做數軸的點。處於最下方時,右下恰有個光源,可以取得任意小,直到小於:

處於最上方時,左上恰有個光源,可以取得任意小,直到小於:

當向上移動時,由連續性,必有可行域重合時。相交時即找到目標頂點,由此可將平面三分。

定理(目標):

由引理2,我們可將平面三分,三分是保證每個楔形的張角都不大於,以利用引理1;由引理1,每個楔形的光源可完全覆蓋這個楔形的補,這些補合起來就是完整平面,這樣就得到了照亮完整平面的方法。證完。

程式實現,引理2中三分平面用時, 引理1用時,總體。

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