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一个人要长多高,才能让全世界的人都看到他?

本帖由 漂亮的石头2015-11-22 发布。版面名称:知乎日报

  1. 漂亮的石头

    漂亮的石头 版主 管理成员

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    [​IMG] 曾加,回答收藏数已达30w。公众号:PlusZeng

    不邀自来。【长回答,多图预警】

    这明明是一个很严谨的数学问题好么!开脑洞时,也要注意条理呀~

    既然大家都管这个巨人叫铁柱哥,那就叫铁柱哥吧。

    铁柱哥是个有理想、有情怀的人,他毕生最大的梦想,就是自己能被世界上所有眼睛没瞎的人用肉眼看到,为了这个理想,他愿意做任何事情。

    • 情况 1:铁柱哥直挺挺地站在地球上。

    显然,铁柱哥无论多高,总是有半个地球的人是看不到他的。

    (借用 @魏知的图)

    [​IMG]

    [​IMG]

    • 情况 2:铁柱哥不直挺挺地站在地球上。
    1. 为了简化问题,假设地球是个严格的球体,R=6371 km。
    2. 以太阳系为参照系。

    首先呢,地球可是会自转的。只要铁柱哥足够有耐心——

    情况 2.1:铁柱哥要在 1 年内被所有人看到

    看,天边那轮圆圆的太阳!你知道吗?世界上所有的东西,在一年内,都会被它的光芒普照!

    [​IMG]

    所以,铁柱哥只要是一个太阳上的一个 质点,就可以被所有人看到哦。很容易嘛~

    可铁柱哥不满意了,他想,这也太没出息了,我要在让地球上的所有人尽快看到我——

    情况 2.2:铁柱哥要在 1 天内被所有人看到

    看起来似乎没什么差别,但你要知道,有两个点是很棘手的,一个是北极点,一个是南极点。在这两个点上的人,它们的天空,可是隔了1个地球那么远的!

    [​IMG]

    所以,铁柱哥至少要有地球直径那么大,才能同时让北极人和南极人同时看到。

    事实上,这么高的铁柱哥,直挺挺地像棍子一样站着,就可以了:

    [​IMG]

    铁柱哥微微地点了点头,想,这才是我铁柱哥的风范嘛!可是——

    [​IMG]

    于是,铁柱哥提出了终极目标——

    情况 2.3:铁柱哥要在同一时刻被所有人看到

    显然,现在的铁柱哥,不可能再直挺挺地站着了,因为如果这样,无论他多高,地球背面的人一定是看不到他的。

    怎么办?

    看起来,把自己的身子绕地球一圈就可以了( @刘正茂 ),可惜,这是不正确的。

    • 若铁柱把身子绕着赤道转了一圈,北极点的人依然看不到他;
    • 若铁柱把身子绕着本初子午线转了一圈,下面这个地方的人依然看不到他:

    [​IMG]

    *铁柱哥的心理活动*

    如果地球是二维的,那该多好啊!” 铁柱心想。

    该问题的二维简化问题的答案是 [​IMG]

    如下图所示,上边部分紧贴圆,长度为 [​IMG],下半部分为两条平行的圆的切线,长度为 [​IMG]

    [​IMG]

    *铁柱哥回到了现实*

    那,该怎么办?

    伟大的铁柱又怎么会被难倒呢!

    “我是三维的,又怎能屈服于二维平面!”

    在追求完美的铁柱哥的脑海里,迅速地闪现了几个名词:

    正四面体……立方体……正八面体……正十二面体……正二十面体……

    最后,他把目光停在了 正八面体 上。

    球外切正八面体!就是这样!

    于是,铁柱把自己蜷缩成了这副模样——

    [​IMG]

    (地球内切于正八面体ABCDEF,铁柱的长为5倍的正八面体变长)

    [​IMG]

    在这个结果下,铁柱的长度是:

    [​IMG]

    (P.S. 正四面体需要 [​IMG],立方体需要 [​IMG],均大于此值)

    这是什么样的一个长度呢?—— 5 个铁柱,可以从地球连到月亮。

    铁柱哥咬咬牙,长到了月地距离的1/5,终于实现了让世界上所有人同时看到的夙愿

    真是完美的结局。

    ——————————

    可是,这,铁柱真的必须长到那么高吗?

    [​IMG]

    鄙人智商有限,只能想到 [​IMG] 的方案。

    可是,这么经典的一个问题,大牛们怎么可能没有研究过呢!

    经查询,该问题在 2003 年已被俄罗斯数学家 V. A. Zalgaller 解决。

    (感谢 @RAINBOW zyop 提供的资料)

    如下图所示:

    [​IMG]

    满足条件的最小曲线是 [​IMG] ,其中 [​IMG] 已在图中给出,[​IMG][​IMG] 关于线段 [​IMG] 的中心对称曲线。

    (具体的参数详见原论文,下附)

    曲线 [​IMG] 的总长度为

    [​IMG]

    这个距离大约是月地距离的 1/6。

    特别地,

    • 如果要求铁柱的脚站在地球上,则 [​IMG]
    • 如果要求铁柱的头和脚都在地球上,则 [​IMG]

    铁柱哥心中的疑问,终于得到了彻彻底底的解决。

    参考文献:

    1. Shortest inspection curves for a sphere. A. Zalgaller .Zap. Nauchn. Sem. POMI, 2003, Vol. 299: 87–108(原论文:俄语版)
    2. SHORTEST INSPECTION CURVES FOR THE SPHERE,V. A. Zalgaller, Journal of Mathematical Sciences, Vol. 131, No. 1, 2005 : 5307-5320 (翻译:英语版)

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