小铃铛 发表于 2021-3-12 22:08:23

题中用的2个动词意思是不同的。rolls 是指翻滚,是沿着...表面翻滚。题中A沿着B的表面翻滚一周。
而题目最后提问的是revolve ,它是指旋转,是指围绕着自身某个点,某个轴旋转,问的是A沿着B翻滚了一周,到达原先位置,它本身旋转了几次。大家也看到了,旋转了4次。但需要明白的是,A沿着B翻滚,确实只翻滚了3周。这就是这题有趣的地方。

wayne 发表于 2021-3-13 09:55:27

大圆太平凡,没劲,不能体现问题的本质。

前面 大家都提到了自转和公转, 一开始我总觉得这个词汇不对劲,本质上是纯数学的问题,用了物理学的词汇,以至于 一度 混淆了 交流 。我一直在找合适的数学解释,所以就 举了个三叶草的 例子。
三叶草曲线$C$的极坐标方程是 $r(\theta)=sin(3\theta)$, 假设周长为$1$的小圆在周长的为$n$的三叶草曲线$C$上纯滚动运动,如果我们还假定了$n$是整数,那么小圆遍历完曲线$C$一个大循环刚好能回到出发点,这个时候小圆总共转了$g(n)$圈,求$g(n)$

https://bbs.emath.ac.cn/data/attachment/forum/202103/12/182519sxpp6ogxszcuxguc.png

zhouguang 发表于 2021-3-13 13:07:19

是不是n+3圈呀?
1、周长1的圆,在长度n的线段上滚动,转n圈。
2、周长1的圆,绕一个点滚动一周后,转1圈。
3、周长1的圆,绕周长为n的三叶草滚动一遍后,相当于绕一个叶子的3倍,转n+3圈。

zhouguang 发表于 2021-3-13 13:13:30

上当啦,上面的第3点是不对的,不相当于绕一个叶子的3倍。
在中间少转了一圈。
我改答案为n+2圈。哈哈。

mathe 发表于 2021-3-13 13:42:46

三叶草有两个问题,一个是两片叶子中间有一段无法滚到。零一个问题是即使不考虑有部分无法滚到,还有一个尖角,从这个角的起始位置开始到结束于这个位置,如果路径长度正好是圆周长的长度,开始和结束时小圆的方向是不同的。
如果是一直沿着图上光滑路径行走,实际上走遍三个叶子是,只饶了两周,所以的确贴着滚动时饶了n+2圈

zhouguang 发表于 2021-3-13 13:43:10

盗图哈
1、绿色切线有2对,所以外滚圆比内滚圆多转2圈。
2、内滚圆只有周长的加成哈。
3、所以,外滚圆n+2圈,内滚圆n圈。

wayne 发表于 2021-3-13 15:41:42

我举出三叶草的 例子,其实是想 完全摆脱 物理学的 自转和公转 这种词汇,用纯数学的角度来 解释。

周长为$1$的小圆沿着长度为$n$的一般曲线做纯滚运动,多出来的圈数取决于 这个一般曲线的拓扑学意义上的自绕的圈数,而跟曲线自身的凹凸性,曲率半径,极值点 这种函数性态无关。

比如,三叶草可以等价于 一个 线圈 打了一个钮结。把三叶草的曲线的其中一个结往外拉一下子,相当于这个曲线,极坐标方程是$r(\theta)=sin(\theta)$,所以$g(n) = n+2$


对于非封闭曲线,也分两种情况,比如直线, 不存在自交的情况,那么$g(n)=n$,
但是对于这种$x(t)=t -t^3,y(t)=-t^2$,自交了一次,打了一个结,所以$g(n) = n+1$

wayne 发表于 2021-3-13 16:09:44

再比如,对于这个曲线,极坐标方程是$r(\theta)=sin(2\theta)$,因为曲线打了三圈,所以$g(n) = n+3$,那么,新的问题就是对于一般曲线,给定方程,那么 它的自绕圈数是多少?这是要往复变函数、围道积分,或者是钮结理论上引吗。。。

happysxyf 发表于 2021-3-13 16:15:08

本帖最后由 happysxyf 于 2021-3-13 16:42 编辑

外摆线(圆外螺线)
假设有一个半径为R的定圆,若另一个半径为r的圆在其外滚动,则圆周上的一定点在滚动时划出的轨迹就是一条外摆线(圆外螺线)。

小圆绕大圆外转1圈,小圆自转k+1圈。

内外摆线的恩怨演示(fp3.exe演示代码)
fp3 o(i,j)=(3+t)*cos(i)-cos((3+t)*i),(3+t)*sin(i)-sin((3+t)*i),0pi 15

wayne 发表于 2021-3-13 16:44:13

终于尘埃落定,找准方向了:lol :lol :lol 。
准确的说,是微分几何的范畴,一般曲线的指数 ,总曲率(Total curvature),单位切向量关于起点的卷绕数 (Turning number),对于封闭曲线,这个总曲率的值总是$2\pi$的整数倍。

https://en.wikipedia.org/wiki/Winding_number#Turning_number
https://en.wikipedia.org/wiki/Total_curvature
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查看完整版本: 看上去像个悖论,谁能来个清晰的解释