出发点

迪克赢不了,因为他不知道该遵循什么样的思路来找到起点。飞行员可以从南极附近的某一点出发,要求该点满足以下条件:向南飞行100公里后,再向东飞行100公里。他只会绕南极转两圈,而不是像刚才那样绕南极转一圈。然后他自然会再次向北飞回到起点。满足这一条件的起点形成了一个以南极为中心的新圆圈。同样,飞行员可以从较小圆圈上的一个点开始,只要它能满足飞机向东飞行时绕南极转三四圈的要求...任意正整数圈数。可以看出,满足条件的点形成一个无限系列的同心圆,南极是圆心,半径无限接近100公里。

下面是另一个导航问题,它涉及到一条奇妙的球面曲线,即所谓的“等倾曲线”或“等水平线”。假设一架飞机从赤道上的一个点出发,向东北方向飞行,那么它最后降落在哪里?它的路线有多长?这条路线的形状是什么?

你会惊讶地发现,飞机的航线是一条以恒定角度与地球子午线相交的螺旋曲线,它的最终着陆点是在北极。这条曲线是一个球形螺旋线,它必须绕北极旋转,它旋转得越多,它就变得越小,最后它在北极结束。把飞机当作一个移动点,人们甚至可以认为这个点绕北极转了无数圈,然后它经过的路线长度仍然是有限的和可计算的。因此,如果飞机以恒定的速度飞行,它最终会在一定时间内到达北极。

对于不同类型的地图,等倾线在地图上显示不同的形式。在著名的墨卡托世界地图上,它显示为一条直线。事实上,正是因为这个原因,墨卡托地图受到了航海家的青睐。如果一艘船或一架飞机在旅行时保持罗盘指针不变,那么它的路线在地图上显示为一条直线。

如果一架飞机从北极向西南飞行,会发生什么?这个问题和上面的问题可以说是互补的,因为它们的路径在形状上完全相同,但方向相反。但是有一点,我们不能确定这条曲线在赤道上的哪个点相交,或者它可能与赤道上的任何一点相交。这个结论可以得到证明,因为从赤道上的任何一点向相反的方向飞行都可以回到北极。当然,如果飞机从北极出发,穿过赤道后继续飞行,它最终会落到南极。

如果我们将等倾线投影到一个平行于赤道并与北极(或南极)相切的平面上,那么此时的投影线就是等倾线螺旋线,也称为对数螺旋线。这个螺旋线和半径之间的交角保持不变。

另一个众所周知的路线问题是四只乌龟的问题。它也包括对数螺线,但是有一个图像故事来介绍这种技术。

汤姆。皮沙训练了四只小海龟:安娜、博斯、查尔斯和蒂里拉,并依次给它们编号为A、B、C和D。有一天,他把四只小乌龟放在一个房间的四个角落里,这样一来,a总是向b所在的位置移动,b总是向c所在的位置移动。类似地,c将向d移动,d将向a移动。他邀请全家观看。

“非常有趣,我的儿子!”皮沙先生高兴地说,“每只乌龟都以同样的速度直爬到它前面的乌龟身上,然后他们四个人每时每刻都在一个正方形的角落里。”(如图9所示)

图9

“是的,爸爸。”汤姆说,“这个正方形一直在变,变得越来越小。看!他们很快就会聚集在中心!”

假设每只乌龟以每秒1厘米的速度前进,正方形的房子每边长3米,每只乌龟需要多长时间才能爬到中心?当然,在解决问题时,我们可以把乌龟当作一个点。

比萨先生拿出他的计算器,并计划使用他的计算能力。这时,比萨太太喊道,“别数了,亲爱的,问题很简单,需要5分钟!”

比萨太太是怎么想出来的?

我们只是简单地检查两个相邻的海龟,比如A和b。A总是不相关的。这是一种效果,乙不在角落移动,甲沿着墙直接爬向乙。

上述思想是解决问题的关键。路线和每堵墙的长度一样。因为墙有300厘米长,而甲的移动速度是每秒1厘米,它肯定需要300秒,也就是说,5分钟才能到达乙。其他三只乌龟也是如此,所以5分钟后,四只乌龟同时到达广场的中心。

借助于计算器,我们不难在很短的时间间隔内画出海龟的位置,并将每一时间间隔内四只海龟的位置依次连成一条线。结果,形成了图10所示的图形。

图10

对于正多边形的角上的所有点有类似的规则吗?请首先研究正三角形,然后研究正五边形。如果你知道正多边形的边长,并问乌龟为了赶上前一只乌龟必须走的路的长度,你能找到一个通用公式吗?如果是无限多的海龟,同时从一个规则的无限多边形的四角开始,依次首尾追逐,结果会是什么?他们永远不会在一起吗?再假设原来的多边形不是规则的正多边形,例如,四只乌龟同时从一个矩形的四个顶点开始,结果会是什么?

回到我们最初的例子。如果四只小乌龟在房间的中间相遇,发现他们都互相厌恶,他们背对着对方爬走了,每只乌龟都径直离开了它左边的小乌龟,四只乌龟会回到房间的四个角落吗?