四腳連線呈長方形的椅子能在不平的地面上放穩嗎

2023-01-12 03:06:03 字數 798 閱讀 5909

問題:四腳連線呈長方形的椅子能在不平的地面上放穩嗎(第1章習題4)

模型假設對椅子和地面作如下假設:

1.椅子四腳一樣長,椅腳與地面接觸處可視為乙個點。2.地面高度是連續變化的,即地面視為連續曲面。

3.對於椅腳的間距和椅腳的長度而言,地面是相對平坦的,使椅子在任何位置至少有三隻

腳與地面同時著地。

模型構成首先用變數表示椅子的位置,以長方形一對角線ac為x軸,bd為y。設x軸y軸間夾角為θ。當椅子繞中心o旋轉角度θ』後。

長方形abcd轉至a『b『c』d『的位置,所以對角線ac與x軸的夾角θ』表示了椅子的位置。

記a,c,兩腳與地面的距離之和為f(θ』),b,d兩腳與地面的距離之和為g (θ』)。(f(θ』),g(θ』)>=0)。由假設2,f,g是連續函式。

由假設3,椅子在任何時候至少有三隻腳著地,所以對任何θ』,f(θ』)和g(θ』)中至少有乙個為0。當θ』=0時不妨設f(θ』)=0,g(θ』)>0.

這樣,改變椅子位置使四隻腳同時著地,就歸結為證明如下命題:已知f(θ』)和g (θ』)是θ』的連續函式,對任意θ』,f(θ』) g(θ』)=0,且f(0)=0,g(0)>0.證明存在θ1,使f(θ1) =g(θ1)=0.

模型求解將椅子旋轉θ,對角線ac與bd互換。由f(0)=0,g(0)>0知f(θ).>0,g(θ)=0。

令h(θ』)=f(θ』)-g(θ』),則h(0)<0,h(θ)>0。由f,g的連續性知h也是連續函式。根據連續函式的基本性質,必有θ1(0<θ1<θ)使h(θ1)=0,即f(θ1)=g(θ1)。

最後,因為f(θ1) g(θ1)=0,所以f(θ1)=g(θ1)=0.

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