亚马逊的一道智力题,悬链线问题

亚马逊的一道智力题,悬链线问题


  感觉这阵子网上开始流传一道题,号称是亚马逊的面试题,问题挺有意思。大致是这样。

有一根无弹性的绳子,长度是80m,然后两端被挂在50m高的柱子上,问当绳子的中点离地面高度为10m的时候,两个柱子的间距是多少。

  很多人乍一看这个问题就知道这是一个悬链线问题。需要用悬链线公式来求解。悬链线公式是由约翰·伯努利求解出来。他的哥哥也是一个数学家,叫雅各比·伯努利。他的儿子也是数学家,叫丹尼·伯努利。这个约翰伯努利的故事非常多,尽管在数学上也还算有名,但是就让我觉得这是一个悲情的人物。
  伯努利的老师就是大名鼎鼎的微积分创始人之一,莱布尼茨。莱布尼茨和牛顿后来闹僵了,他苦心证明出最速下降曲线,想以此杀杀自己导师的竞争者牛顿的锐气。他自己花了很长的时间证明出来,大概有几个月那么多,然后把问题发给牛顿,牛顿没理他,他就开始嘲讽。这个时候,牛顿知道后怒了,看不起谁呢。晚上不睡觉了,整到凌晨四点,结果把问题就给整出来了,而且比它的证明更出色。
  伯努利辅导了一个贵族,这个贵族的名字叫洛必达,渴望在科学上有所造诣,但却实力平平。没有才华却架不住财气横溢,于是开始了自己有钱人解决问题的方式。他写信给约翰伯努利,大致意思就是你有我需要的才,我有你需要的财,我们做一笔交易……。因为伯努利恰巧要结婚,于是开始陆续向洛必达发一些自己的研究成果的信件。莱布尼茨知道之后,还有这好事?连忙问看还有需要吗,我这里还有一些其他的发现。后来洛必达把两个人成果汇总,发表出一本书,这本书的重要成果还包括微积分史上重要的一个法则,洛必达法则。再到后来,有人对这个法则补充了一些重要扩充,就是所谓的广义洛必达法则。这个有财但是资质平平的“数学家”也因此名垂科学史,做了一笔非常值得的交易。
  这个约翰伯努利,还借鉴自己的儿子的研究成果,想要出一本书,结果一发表,和他儿子讨论问题的那些人先坐不住了,知道谁才是发现者,开始抨击他。最后无奈只好撤稿,把成果归还给儿子,于是有了丹尼尔·伯努利的著作《Hydrodynamica》(流体力学)。
  但是他也有扬眉吐气的时候,好胜心很强的他一直想要证明自己比哥哥雅各比伯努利强,虽然大多数时候都没能如愿,但是在悬链线上确实雅各比犯了错误,而这个问题被约翰证明。自然也不会忘记拿这件事嘲讽自己的哥哥很久。
  悬链线问题,以绳子的最低点也就是中点为原点,水平方向为x轴建立坐标系,则绳子的曲线就是双曲余弦函数,表达式: y = a   c o s h ( d a ) a y=a\ cosh(\frac{d}{a})-a 。若绳子两端在同一水平面上,还可以写出一个表达式 d a = s i n h L a \frac{d}{a}=sinh\frac{L}{a} ,L是绳子总长的一半这里就是40,d是两个悬挂点距离的一半,是要求的量,a是由绳子本身性质决定的常数,y是悬线上的一点,这里带入柱子的高度,就是50。
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  现在有两个表达式了,分别是双曲正弦和双曲余弦。然后利用双曲正弦和双曲余弦的关系, c o s h 2 ( x ) s i n g h 2 ( x ) = 1 cosh^2(x)-singh^2(x)=1 ,这个公式当年微积分学过。和上面的公式都是记不住了网上查就好了。先把前两个等式中的双曲正弦和余弦表示出来,然后带入三个等式一起就可以求解这个问题了。
悬链线问题
  如果绳子的最低点离地20m,意味着y的值就是 50 20 = 30 m 50-20=30m ,此时可以求出d,然后2d就是两个柱子的间隔。
  但是如果当绳子的最低点是10m。意味着 y = 50 10 = 40 m y=50-10=40m ,此时带入到方程中,发现方程无解。这是什么操作?这么复杂的计算之后,没有答案,是不是该心态崩了。
  仔细思考之后发现,原来,绳子一共就长80m,中点都离地方10m了,那么说明双端挂的长度都是40m,这个时候只有对折才可以了,既然绳子是对折的,又要挂在柱子上,那么两根柱子只能是紧挨着,距离为0。而且,这又是一种理想问题,还得忽略柱子的宽度才行。呵呵呵,费劲心思去计算,发现根本不需要计算。
  这个问题就很好的说明了,有时候知识越多反而思考问题不容易抓住本质,容易被自己的知识侧重点所带偏,返璞归真,有些时候往往是一个更好的解决思路。我们每个人要做知识的主人,而非被知识所牵着鼻子。
  这个时候,不禁想起一个段子。一个博士群里在讨论物理问题,考虑一滴水从几万米的高空落下来或不会砸死人,大家各种建模,重力加速度,空气阻力操作一通,这个时候群里潜水的没什么文化的阿姨回答了一句,你们都没淋过雨吗?

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