解法一(面積)
如下圖所示,代表三只蝸牛的初始位置。
圖1
經過很短的時間,三只蝸牛分別運動到了。因為時間很短所以
在蝸牛
的運動方向上,即
在直線
上。同理
、
也分別在
、
上。三只蝸牛的運動速度相等,所以
,這樣三角形
也是一個等邊三角形。
再經過一個很短的時間,三只蝸牛運動到了
再經過一個很短的時間,三只蝸牛運動到了
……
也就是說:三只蝸牛在運動過程中,始終保持等邊三角形的形狀。同時,這個等邊三角形一邊在旋轉一邊在縮小,當縮小至一個點(重心)時三只蝸牛相遇。
現在看看三角形邊長、旋轉角是如何隨時間變化的。
考察三角形的面積,可知:
邊長為的等邊三角形,其面積為
上式兩邊微分,可得
與
的邊長分別為
、
,所以根據上式可知
的面積計算公式有兩個:
公式代入公式,可得
公式代入公式,可得
上面兩個公式是在附近推導得出的,但是同樣適用於
。換句話說就是:在三只蝸牛的運動過程中,上面兩個公式是一直都成立的。
根據公式可知三角形邊長隨時間變化的函數為:
上式中的表示等邊三角形的初始邊長,即
的邊長。
令可得
上式表明:運動8分鍾后,三角形的邊長將變為零,此時三只蝸牛相遇於點。三只蝸牛各自爬行的路程為
。
中重心
至各個頂點的距離為
,則
上式代入公式,可得
對於蝸牛,以重心
為極點,
為極軸建立極坐標系。上式就是蝸牛
在這個極坐標系下的軌跡方程。可見:蝸牛的運動軌跡是對數螺旋曲線。
根據上式可知蝸牛的旋轉圈數為:
當時,
。所以三只蝸牛轉了無窮圈。
解法二(正弦定理)
參考圖1,對套用正弦定理,有
對上式做進一步化簡:
公式代入上式,可得
上式除以公式,可得
公式分別等價於公式。接下來的解法請參考解法一。
解法三(余弦定理)
參考圖1,對套用余弦定理,有
上式略去二階微元,可得
中,
邊的高為
上式的實質其實還是正弦定理。
上面兩個公式相除,可得
公式分別等價於公式。接下來的解法請參考解法一。
解法四(速度分解)
參考下圖,對蝸牛的速度進行分解:
圖2
徑向速度使兩只蝸牛之間的距離增大或減小,其數值為:
上式中的負號表示兩只蝸牛之間的距離隨時間的增加而變小。
橫向速度使等邊三角形旋轉,其數值為:
上面兩個公式相除,可得:
公式分別等價於公式。接下來的解法請參考解法一。
解法五(極坐標)
如下圖所示,考察蝸牛的運動軌跡。以重心
為極點,
為極軸建立極坐標系。
圖3
參考圖1,這個運動軌跡有一個特點,那就是運動方向與極徑的夾角始終為。
把運動速度分解為徑向速度
(極徑增大為正)與橫向速度
。
上式中的表示等邊三角形的初始邊長,即
的邊長。
令上式的,可求得
也就是說:三只蝸牛運動8分鍾后,將相遇於點。三只蝸牛各自爬行的路程為
。
徑向速度與橫向速度
滿足下式
將公式代入上式,可得
上式兩邊求定積分,可得
上式表明:蝸牛的運動軌跡是一個對數螺旋曲線。
根據上式可知蝸牛的旋轉圈數為:
當時,
。所以三只蝸牛轉了無窮圈。
解法六(平面直角坐標)
參考圖1,以點為原心,建立
坐標系,如下圖所示:
圖4
參考等邊三角形。以
為參照物,
有兩個速度,把這兩個速度分解為兩個:
一個是平行於的縱向速度
,這個速度使等邊三角形
的邊長變小。等邊三角形
的邊長隨時間變化的函數為
一個是垂直於的橫向速度
,這個速度使得運動軌跡的切線方位角
增大,即:
公式代入上式,可得:
假定經過時間行駛了距離
,則:
根據公式可得曲率與之間的關系:
根據上式可知
根據上式可知:
坐標系內,蝸牛
的運動軌跡滿足下式
根據公式可知
公式代入,再代入公式,可得
上式兩邊求定積分,可得
可知:
這是一個什么曲線呢?對公式進行變形,可得:
表示以
坐標系的原點為極點,
軸為極軸,建立極坐標系。極坐標系里有一條曲線,極徑
隨極角
變化的函數為
,這是一條對數螺旋曲線。
表示旋轉曲線。旋轉角為
,即順時針旋轉曲線
。
表示旋轉后的曲線再平移。其實就是把極點移動至重心
。
旋轉、平移后的螺旋曲線,極點位於重心,極軸與
重合。
既是切線方位角,又是極坐標系里的極角,其原因在於:極徑與切線的夾角始終為一恆定值(
)。另一個解釋是:參考圖1,
與
的夾角是極角,
與
的夾角是切線角,這兩個角度均等於三角形
相對於三角形
的旋轉角。
結論
1)運動8分鍾后,三只蝸牛相遇;
2)三只蝸牛至相遇時,各自爬行了40cm;
3)三只蝸牛的運動軌跡是對數螺旋曲線;
4)三只蝸牛至相遇時,各自轉了無窮圈。