§ 2.8 方桌问题将一张四条腿的方桌放在不平的地面上,不允许将桌子移到别处,但允许其绕中心旋转
,是否总能设法使其四条腿同时落地?
不附加任何条件,答案显然 是否定的,
因此我们 假设
( 1) 地面为连续曲面 ( 2)
方桌的四条腿长度相同
( 3) 相对于地面的弯曲程度而言,方桌的腿是足够长的 ( 4)
方桌的腿只要有一点接触地面就算着地。
总可以使三条腿同时着地。
现在,我们来证明:如果上述假设条件成立,那么答案是肯定的。以方桌的中心为坐标原点作直角坐标系如 图所示,方桌的四条腿分别在 A,B,C,D处,A,C的初始位置在 x轴上,
而 B,D则在 y轴上,当方桌绕中 心 0旋转时,对角线 AC与 x轴的夹角记为 θ。
容易看出,当四条腿尚未全部着地时,腿到地面的距离是不确定的。为消除这一不确定性,令 f(θ)为 A,C离地距离之和,
g(θ)为 B,D离地距离之和,它们的值 由 θ唯一确定。由 假设
( 1),f(θ),g(θ)均为 θ的连续函数。又 由 假设( 3),三条腿总能同时着地,故 f(θ)g(θ)=0必成立( θ)。不妨设
f(0)=0,g(0)>0(若 g(0)也为 0,则初始时刻已四条腿着地,不必再旋转),于是问题归结为:
y
x
θC
D
A
B
o
已知 f(θ),g(θ)均为 θ的连续函数,f(0)=0,g(0)>0且对任意 θ有
f(θ)g(θ)=0,求证存在某一 θ0,使 f(θ0)=g(θ0)=0。
(证法一) 当 θ=π/2时,AC与 BD互换位置,故 f(π/2)>0,
g(π/2)=0。作 h(θ)=f(θ)-g(θ),显然,h(θ)也是 θ的连续函数,
h(0)=f(0)-g(0)<0而 h(π/2)=f(π/2)-g(π/2)>0,由连续函数的取零值定理,存在 θo,0<θo<π/2,h(θ0)=0,即 f(θo)=g(θo)。
又由于 f(θo)g(θo)=0,故必有 f(θo)=g(θo)=0,证毕。
(证法二) 同证一可得 f(π/2)>0,g(π/2)=0。令 θo=sup {θ|f
(ζ)=0,0≤ζ<θ},显然 θ0<π/2。因为 f 连续,由上确界定义必有 f(θ0)=0,且对任意小 的 ε>0,总有 δ>0且 δ<ε,使
f(θ0+δ)>0。因为 f(θ0+δ)g (θo+δ)=0,故必有 g (θ0+δ)=0,由 δ
可任意小且 g连续,可知必 有 g (θ0)=0,证毕。证法二除用 到 f,g的连续性外,还用到了上确界的性质。
,是否总能设法使其四条腿同时落地?
不附加任何条件,答案显然 是否定的,
因此我们 假设
( 1) 地面为连续曲面 ( 2)
方桌的四条腿长度相同
( 3) 相对于地面的弯曲程度而言,方桌的腿是足够长的 ( 4)
方桌的腿只要有一点接触地面就算着地。
总可以使三条腿同时着地。
现在,我们来证明:如果上述假设条件成立,那么答案是肯定的。以方桌的中心为坐标原点作直角坐标系如 图所示,方桌的四条腿分别在 A,B,C,D处,A,C的初始位置在 x轴上,
而 B,D则在 y轴上,当方桌绕中 心 0旋转时,对角线 AC与 x轴的夹角记为 θ。
容易看出,当四条腿尚未全部着地时,腿到地面的距离是不确定的。为消除这一不确定性,令 f(θ)为 A,C离地距离之和,
g(θ)为 B,D离地距离之和,它们的值 由 θ唯一确定。由 假设
( 1),f(θ),g(θ)均为 θ的连续函数。又 由 假设( 3),三条腿总能同时着地,故 f(θ)g(θ)=0必成立( θ)。不妨设
f(0)=0,g(0)>0(若 g(0)也为 0,则初始时刻已四条腿着地,不必再旋转),于是问题归结为:
y
x
θC
D
A
B
o
已知 f(θ),g(θ)均为 θ的连续函数,f(0)=0,g(0)>0且对任意 θ有
f(θ)g(θ)=0,求证存在某一 θ0,使 f(θ0)=g(θ0)=0。
(证法一) 当 θ=π/2时,AC与 BD互换位置,故 f(π/2)>0,
g(π/2)=0。作 h(θ)=f(θ)-g(θ),显然,h(θ)也是 θ的连续函数,
h(0)=f(0)-g(0)<0而 h(π/2)=f(π/2)-g(π/2)>0,由连续函数的取零值定理,存在 θo,0<θo<π/2,h(θ0)=0,即 f(θo)=g(θo)。
又由于 f(θo)g(θo)=0,故必有 f(θo)=g(θo)=0,证毕。
(证法二) 同证一可得 f(π/2)>0,g(π/2)=0。令 θo=sup {θ|f
(ζ)=0,0≤ζ<θ},显然 θ0<π/2。因为 f 连续,由上确界定义必有 f(θ0)=0,且对任意小 的 ε>0,总有 δ>0且 δ<ε,使
f(θ0+δ)>0。因为 f(θ0+δ)g (θo+δ)=0,故必有 g (θ0+δ)=0,由 δ
可任意小且 g连续,可知必 有 g (θ0)=0,证毕。证法二除用 到 f,g的连续性外,还用到了上确界的性质。