数学题不会做?让大自然帮我们找答案

作者: 荷塘 & 婷子 & 荔枝

来源: 中科院物理所

发布日期: 2021-08-28 11:54:11

本文介绍了如何通过实验利用肥皂膜的表面张力来解决数学中的驿站选址问题,展示了自然现象与数学问题的巧妙结合。

先来问大家一个小问题:现在有四个城市,如果我们要建起一个或多个驿站,并在驿站和城市间修建道路将他们全部连接起来,且使得道路总长尽可能地小,那么我们该如何选择驿站的位置呢?对于一个特殊的情况,四个城市在一个正方形的四角,相信很多小伙伴都会凭直觉认为驿站建在正中心是最优解。因为用三角形三边关系我们知道,这个驿站的任何移动都会增加道路的总长度。不过如果我们有两个驿站呢?

大家可以试一试在(0,0)、(0,1)、(1,0)、(1,1)四点组成的正方形中,如果在和两处建起驿站,是不是会比在中心处建起驿站需要的道路总长要短一些呢?而如果问题不是正方形而是任意四边形,或者如果有更多的城市,似乎就较难发现最优解了。其实对于这一类问题,不借助数学的手段,还有让大自然替我们解答的方法。形成的肥皂膜的表面自由能与表面张力系数和表面积有关,表面积越大自由能越大。

而体系总是寻求自由能的最小值,因此会将表面积尽可能地缩小。而在我们的实验中,由于塑料片之间的宽度基本一致,所以为了达到最小的表面积,就需要肥皂膜在塑料片上的投影的总长度最小,而这正是我们之前看到的驿站问题所需要的。所以有了这个方法,对于这类驿站问题,只要我们将城市的相对位置用牙签或是其他的柱类物体复刻出来,就可以让肥皂水替我们解答这个问题啦~

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