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三根表针,两两互为 120° 是几点?

本帖由 漂亮的石头2021-08-10 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] 奥贝里斯克,Ah~fresh brains~I'm coming~ 阅读原文

    不存在一个时刻,使时针、分针、秒针互呈 120°。证明如下:

    设:

    时针运动方程为

    [​IMG]

    分针运动方程为

    [​IMG]

    秒针运动方程为

    [​IMG]

    其中时间

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    以 min 为单位,则有

    [​IMG]

    [​IMG]

    [​IMG]

    假设存在题述情形,即三针在某时刻互呈 120°分布,则存在两类情形:

    (1) 从秒针所在位置顺时针看去,依次为分针、时针;

    (2) 从秒针所在位置顺时针看去,依次为时针、分针。

    有方程组(a):

    [​IMG]

    [​IMG]

    [​IMG]

    其中,

    [​IMG]



    对情形(1),方程组(a)第二个方程中 120°前取加号,第三个方程 120°前取减号;

    对情形(2),方程组(a)第二个方程中 120°前取减号,第三个方程 120°前取加号。

    联立得不定方程(b):

    [​IMG]

    其中

    [​IMG]

    由于表盘内容以

    [​IMG]

    (即

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    )为最小正周期,因此将

    [​IMG]

    范围限制为

    [​IMG]

    解不等式

    [​IMG]

    对情形(1),解得

    [​IMG]

    对情形(2),解得

    [​IMG]

    因此,满足情形(1)对应不定方程的时刻在 12 小时内共出现 11 次,分别为:

    序号(n=k+1)时分秒
    102149.[09]
    212716.[36]
    323243.[63]
    433810.[90]
    544338.[18]
    65495.[45]
    765432.[72]
    8800
    99527.[27]
    10101054.[54]
    11111621.[81]

    (注:此处中括号表示无限循环小数的循环节,下同。)

    满足情形(2)对应不定方程的时刻在 12 小时内共出现 11 次,分别为:

    序号(n=k)时分秒
    104338.[18]
    21495.[45]
    325432.[72]
    4400
    55527.[27]
    661054.[54]
    771621.[81]
    882149.[09]
    992716.[36]
    10103243.[63]
    11113810.[90]

    由于不定方程(b)成立为方程组(a)成立的必要不充分条件,因此上述 22 个解仅满足不定方程(b),即仅能保证

    [​IMG]

    为整数,不一定满足方程组(a),即保证

    [​IMG]

    同时为整数。需要对上述解进行一次验证。

    以情形(1)

    [​IMG]

    时为例,令

    [​IMG]

    ,解得

    [​IMG]

    ,不满足约束条件,故舍去。

    而事实上此时有:

    [​IMG]

    [​IMG]

    [​IMG]

    不满足题目要求。

    同理可验证其余 21 个解均不满足要求,方程组(a)无解。

    至此,完成了对“不存在一个时刻使时针、分针、秒针互呈 120°”命题的证明。以下将采用数值计算方式寻找最接近题目要求的近似解

    设时针与分针夹角为

    [​IMG]

    ,分针与秒针夹角为

    [​IMG]

    ,时针与秒针夹角为

    [​IMG]

    ,并将其范围限制于

    [​IMG]

    区间,定义偏差

    [​IMG]

    ,以

    [​IMG]

    为步长进行遍历搜寻偏差最小的时刻。

    clear;omega_1=0.5;omega_2=6;omega_3=360;t=1/60000:1/60000:720;theta_1=omega_1*t;theta_2=omega_2*t;theta_3=omega_3*t;delta_1=min(mod(abs(theta_2-theta_1),360),360-mod(abs(theta_2-theta_1),360));delta_2=min(mod(abs(theta_3-theta_2),360),360-mod(abs(theta_3-theta_2),360));delta_3=min(mod(abs(theta_3-theta_1),360),360-mod(abs(theta_3-theta_1),360));var=abs(delta_1-120)+abs(delta_2-120)+abs(delta_3-120);[~,I]=min(var);T=t(I);h=floor(T/60);m=floor(T-60*h);s=60*(T-60*h-m);

    基于所定义的偏差,可以得出:在 0~12 时范围内,最接近题目要求的近似解为2 时 54 分 34 秒 548 毫秒,此时时针与分针夹角约为

    [​IMG]

    ,分针与秒针夹角约为

    [​IMG]

    ,时针与秒针夹角约为

    [​IMG]



    阅读原文
     
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