有趣的數學問題:你的鞋帶有多長?為什麼十字交叉式是最有效的

2020-12-13 電子通信和數學

你的鞋帶有多長?

答案當然是「視情況而定」。這取決於你如何繫鞋帶。

在網上搜索,有三種非常常見的基本鞋帶樣式(以及幾十種更花哨的其他方法)。

我們要看的是如下三個,我們將稱之為十字交叉式,花邊式,蝴蝶結式

對於上面的所有樣式,我用紅色來代表鞋帶的一部分,而綠色代表路徑

不同的鞋設計有不同數量的鞋眼。在這個分析中,我使用字母n表示小孔對的數量。

我們將用字母d來描述每一行小孔之間的距離,用字母w來表示當鞋子被拉緊時每一邊小孔之間的距離。在這個分析中,我假設這些行是平行的,距離相等的。

利用一些高中幾何,再加上一點畢達哥拉斯定理,就可以算出鞋帶的長度

例如,如下我們看到一個簡單的交叉對角線的長度

對於所有的鞋帶計算,鞋帶的飛端假設是恆定的,所以我們只是在比較鞋裡的鞋帶的長度。以下是計算結果:

Criss-Cross(十字交叉式)

對於交叉式,在鞋w底部有一個直的截面,然後是(n-1)對簡單的對角線。

Straight-Laced(花邊式)

對於花邊式,有(n-1)組水平條和簡單對角線,加上一個大對角線,它將鞋帶從下角返回到相對的上角。

Bow-Tie(蝴蝶結式)

對於蝴蝶結,事情有點複雜,因為這取決於是否有奇數或偶數排孔眼(模式之間的交叉和側花邊交替)

當網眼行數為奇數時,直線段和交叉段(加上底部)的數量是相同的,如果孔眼行數為偶數,則交叉部分比直線部分多一個,如果改變設計模式,使最底的部分是直的,而不是交叉。如果選擇此設計,需要將上面方程中的n項和(n-2)項進行切換

總結:

繪製出這三個方程的圖表,結果表明,花邊式總是需要最長的鞋帶,其次十字交叉式,蝴蝶結則更短。

進一步的分析(不在本文的討論範圍內)表明,對於十字左右交替的模式是最有效的設計。這裡會儘量用圖形化的方式展示,不使用數學的方式。

為此,請檢查下面的曲線圖。這些是鞋帶長度的標量圖。圖表中向右移動顯示鞋帶在鞋的w軸上的測量值,向上移動顯示鞋帶在鞋的d軸上的測量值。每條鞋帶都必須從一個角穿過再到相反的角(完成垂直步驟和水平步驟的數量,左右交替,並從鞋的頂部到底部)

圖表中心的紫色圓點表示鞋的「底部」的孔眼

圖如上所示。這條線幾乎沿著主要的對角線(除了中間部分,它是底部交叉的,在所有鞋帶圖案中都很常見)。不難想像,從圖的一個角到另一個角的一條直線是這兩點之間的最短距離,因此沿著這條路線對應的鞋帶圖案就是最短的繫鞋帶的方法。

這表明十字交錯的圖案是最有效的繫鞋帶風格。

下面的圖表顯示了花邊式圖案的標量路徑。

你可以從上面看到連接對角的線條是如何變長的,而且這種圖案比十字交叉法使用更多的線

最後,為了完整起見,這裡是蝴蝶結方法的示意圖。這裡,這條線並沒有一直向右延伸

消除繫鞋帶時需要左右變換的約束(如上圖所示),可以使標量圖中的直線隨著梯度的增加而變短。

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