【通俗數學】最短路徑

2021-02-19 職業數學家在民間

剛才的鏡子都是假設的,現在我們在下圖上下邊要用兩個真正的鏡子。假設B點處是一個光源,我們站在A點觀察。在A點可以看到許多條光線,因為在兩個鏡子的互相映照下,B點光源有無數個鏡像光源,比如下圖中的兩個鏡像光源B',B''。而其中最亮的光線,也是最短的光線,肯定是由B點直接照射向A 點的光線。

但現在我在B點前方設置一個紫色障礙,這時,從A點看到的最亮的,也是最短的光線就是經過一次折射後照過來的兩根光線(如上圖所示),也就是分別從鏡像光源B',B''照射過來的兩根光線。注意了,這兩根光線其實分別對應著上兩節中喝完水直接回家,或餵完草直接回家的最短路徑。這裡涉及到光學的一個原理:

接下來,我們在A,B兩點周圍分別設如下的紫色障礙,這時上面的兩條折射光線已經被擋住了。

現在,從A點看到的最亮的,也是最短的光線就是經過兩次折射後照過來的光線(如上圖所示)。而這根光線對應著上一節中喝完水,接著餵草,最後回家的最短路徑。

所以光能幫我們找到最短路徑,實際上每個帶限制條件(比如先喝水還是先餵草,喝幾次水,餵幾次草)的最短路徑,都對應著從B點到A點的一根光線。

其實除了光線外,重力也可以幫我們找到最短路徑。我們來做個實驗,在一個桌子上穿兩個孔A和B,讓一根繩子在桌面上穿過這兩個孔,繩子末端繫著兩個等重的砝碼。

經驗告訴我們當兩個砝碼平衡的時候,桌面上的繩子拉直成一條連接A和B的線段。

因為物理學中有一個最小勢能原理,這個原理告訴我們兩個砝碼平衡的時候,他們的重力勢能的和,或者說,他們所處的高度的和,要達到最小值。所以露在桌面上的繩子會儘可能的短。

接下來,我們在桌子上安裝一根和桌面平行的細棍,它和桌面的距離幾乎為零。

這次我們讓繩子先繞過細棍,再穿過兩個孔。這時根據最小勢能原理,當砝碼平衡時,繩子拉成一條折線,代表從A點出發到細棍再到B點的最短路徑。

在兩個孔的另一邊也安裝一根同樣的細棍,這次我們讓繩子分別繞過兩根細棍再穿過兩個孔。

根據最小勢能原理,當砝碼平衡時,繩子拉成的折線,代表從A點出發到下方細棍再到上方細棍,最後回到B點的最短路徑。這和第三節中的那個喝完水,接著餵草,最後回家的最短路徑完全對應。

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