网友 思维机器 在 反相吧 发了一个 帖 《数学问题,连接两个点的曲线旋转所成曲面中,面积最小的曲线是什么?》 https://tieba.baidu.com/p/7543575658 。
回复 10 楼, 简单的情况, A B 点 的 y 坐标相同, 那么, 最小面积 解 出现在 AB 线段(一字型) 和 轴为 x 轴 的 工字形 之间, 也就是 线段 AB 和 折线 ACDB 之间 。
AB 间 距离 记为 AB, AC 长度 记为 R, EC 长度 记为 r, AB > 0 , R > 0 , R > r , r >= 0 。 可以证明, 只要满足 AB > R - r , 折线 AEFB 的 旋转面积 总可以 小于 线段 AB 的 旋转面积 。 也就是说, 无论 AB 间 的 距离 多小, 总是 可以有 折线 AEFB 旋转的面积 比 线段 AB 旋转 的 面积小 。
还可以 证明, 当 r = R - AB / 2 时, 折线 AEFB 的 旋转面积 取 极值点(极小值), AEFB 旋转面积 最小 。
显然, 当 r > 0 时, E 在 AC 上 ; 当 r = 0 时 , E 和 C 重合, EF 和 CD 重合; 当 r < 0 时, E 在 AC 的 延长线 上, 这种情况 实际中 也就是 EF 和 CD 重合 , 此时 AEFB 旋转面积 虽然 不是 极小值, 但是是 最小值 。
第一个 证明 是一个 一元一次不等式, 第二个证明 是 二次函数 求 极值, 不等式 和 二次函数 都是 根据 AEFB 旋转面积 公式 列的, 过程 就不写上来了 。
以上说明, 在 AC 上 存在 一点 E, E 不和 A 重合, 使得 折线 AEFB 的 旋转面积 最小 。
这是 折线 的 最小解, 曲线 的 最小解 可能 比 折线 的 最小解 大 或 小 或 相等, 这个 是 不确定 的, 需要 数学 上 证明 。
但 从 折线 可以 看到 一些 趋势, 比如 曲线 的 最小解 也 可能 只有 一个 。
本来想 从 折线 的 状况 推导出 曲线 的一些 状况, 但 严格的说, 似乎行不通 。 从 折线 的 状况 推想出 曲线 的 状况 归根结底 似乎 总是 感性 和 经验 的 。
当然, 由于 时间关系(从 昨天 到 今天), 这个 结论 也是 初步的, 想的 也许 还不透彻, 也许 有很多 没想到, 还要 继续 思考 研究 。
我这里 想 证明 的 命题 是 , 任取一条 折线 AEFB , 总能 找到(作出) 至少 一条 旋转面积 与之 相等 的 曲线 。 AEFB 和 线段 AB 、折线 ACDB 是否重合,这些细节可以自行决定 。
我希望 仅利用 对 折线 的 分析 来 证明 这个 命题 。
这个 命题 挺重要的 , 它 能让 我们 很快 的 知道 题目 的 状况 和 曲线 的 性质 。
如果 只 通过 对 折线 的 研究 就能 证明 这个 命题 , 是 很有意义 的 。
折线, 当然 内容也很多, 但, 如果 只 利用 上面 对 线段 AB 、折线 AEFB 、折线 ACDB 的 分析, 只 利用 这样 的 模型 ,能不能 证明 这个 命题 ? 这本身也是一个 有趣 的 问题 呢 。
直接 去套 欧拉-拉格朗日 方程 第二种 形式 是 无聊 和 乏味 的, 欧拉-拉格朗日 方程 封装了 事物 的 变化 和 复杂性, 将 我们 与 事物 的 变化 和 复杂性 隔离开来 。
我们 可以 这样 来 玩, 把 一根皮筋 拴 在 AB 上, 一头 拴 在 A 点, 另一端 拴 在 B 点 , 从 皮筋 的 中点 向下拉扯 皮筋 , 皮筋 拉伸 变形 为 曲线, 我们 观察 和 研究 拉伸 过程 中, 随着 皮筋(曲线) 形状 的 变化, 旋转面积 的 大小 如何 变化 ? 我想 也能 看到 由大到小, 又 由小到大 的 过程 。
我们 还可以 控制 对 皮筋 的 拉伸, 使之 呈现 不同 的 形状变化 。
在 数学 上, 我们 可以 添加 一些 函数 把 线段 AB 变成 曲线, 这就是 “拉伸”, 我们 观察 和 研究 各种 拉伸 过程 中 旋转面积 的 大小 变化 和 极值点 。
看 按 f ( x ) 使 AB 弯曲 的 旋转面积 极小值 和 按 g ( x ) 使 AB 弯曲 的 旋转面积 极小值 , 哪个 更小 ?
可以 弄 出 一些 函数 让 AB 弯曲 , 比如 g1 (x) , g2 (x), g3 (x) …… , 看 这组 函数 中 每个函数 导致 的 旋转面积 变化 和 极小值 ,
也可以 再弄一组 函数, 比如 f1 (x), f2 (x) , f3 (x) ……
f 组 和 g 组 还可以 团体 比较一下 。
唯一 的 最小解 我们并不稀罕, 我们 更关心 广泛 的 离散种子 的 变化趋势 、生存状况 、 活力 和 生命力 。
可以把 这些 种子 叠加起来,像 级数一样, 也就是 把 g1 (x) , g2 (x), g3 (x) …… f1 (x), f2 (x) , f3 (x) …… 叠加起来, 看 旋转面积 的 变化 和 极值点 又如何 ?
我们可以 去 任意 的 叠加 它们 。
可以 给 这些 叠加后 的 (效果) 样本 计算 一个 “方差”, 这样 的 结果 会不会 接近 “唯一 的 最小解” ?
哎 , 这 快变成 概率统计课 了 。
其实 用 n 元函数极值定理 应该 也可以 得到 和 欧拉-拉格朗日 方程 第二种 形式 一样 的 结果, 也就是 那个 唯一的 最小解 。
n 元函数极值定理 见 《二元函数 的 极值点 怎么求 ?》 https://www.cnblogs.com/KSongKing/p/13022641.html 。