Сворачивание Листа Бумаги

Дан лист бумаги шириной в 4 дюйма и высотой в 8 дюймов. Пионер Вовочка перегнул его так, что нижний правый угол листа коснулся левого края листа. (См. рисунок). Известно, что точка касания не может быть удалена от нижнего левого угла листа более чем на 4 дюйма (Почему?). Определить длину L линии сгиба. Как свернуть бумагу, чтобы L была минимальна?

Введём обозначения h, x, и y так, как это показано на рисунке.

> restart;

> A1:=plots[textplot]({[2.6,1.9,'L'],[3.7,2,'h'], [.1,1.1,`y`],[.5,.3,`x`],},align=RIGHT):

> A3:=plot({[[0,0],[0,8],[4,8],[4,4.45],[1.219,0], [0,0]],[[4,4.45],[0, 2.5],[1.219,0]]},color=blue):

> A4:=plot([[4,4.45],[4,0],[1.219,0]],color=red):

> A5:=plots[polygonplot]([[4,4.45],[0,4.45],[0,2.5]], style=patch,color=tan):

> plots[display]([A1,A3,A4,A5],axes=boxed, scaling=constrained);

[Maple Plot]

Из рисунка легко вывести несколько уравнений, связывающих x, y, h, и L . Например, по теореме Пифагора из маленького (по рисунку) прямоугольного треугольника с катетами х и у следует уравнение eq1:

> eq1 := y^2+x^2=(4-x)^2;

eq1 := y^2+x^2 = (4-x)^2

eq2 выведем по той же теореме из правого прямоугольного треугольника с искомой гипотенузой L и катетами длин h и 4-x:

> eq2 := L^2 = (4-x)^2 + h^2;

eq2 := L^2 = (4-x)^2+h^2

Легко заметить, что коричневый треугольник с гипотенузой h и катетами 4 и h-y подобен левому "маленькому" треугольнику с гипотенузой 4-x и катетами y и x. Это позволит нам составить уравнение eq3:

> eq3 := 4/(h-y)=y/x;

eq3 := 4/(h-y) = y/x

> h := solve(eq3,h);

h := (4*x+y^2)/y

> x := solve(eq1,x);

x := -1/8*y^2+2

> L := unapply(sqrt(op(2,simplify(eq2))),y);

L := proc (y) options operator, arrow; 1/8*((16+y^2...

В результате мы получили выражение для L как функцию переменной y. Имея под рукой Maple, легко оценить поведение этой функции, построив её график:

> plot(L,2..4);

[Maple Plot]

Мы видим, что минимальное значение длины перегиба примерно равно L = 5.2 дюйма и достигается оно, когда y = 2.8 дюйма. Мы можем получить более точное значение, используя функцию fsolve , при изменении у от 2.6 до 3, где мы ожидаем, что производная от "перегиб"-функции обратится в 0.

> y1 := fsolve(diff(L(y),y),y,2.6..3);

y1 := 2.828427125

Теперь мы вычислит значения х и L для этого значения y.

> minL := L(y1);

minL := 5.196152423

> minx := subs(y=y1,x);

minx := 1.000000000

Отметьте, что получилось целочисленное значение для minx . Это наводит на простое "геометрическо-практическое" решение: сложив лист дважды вдвое по ширине, легко разбить нижнее основание листа на отрезки по 1 дюйму. Именно на расстоянии 1 дюйма от левого нижнего края листа и следует начинать перегибать лист.

Exercise: Используя Maple, построить график, отвечающий случаю минимальной длины перегиба.

Exercise: Предположим, нам захотелось минимизировать L + y, а не L. Минимум быд бы в той же самой точке? Решите такую задачу..

 

 
 
Hosted by uCoz