分蛋糕问题。
一.问题提出
妹妹小英过生日,妈妈给做了一块边界形状任意的蛋糕(如图所示),哥哥小明也想吃,小英指着蛋糕上一点对哥哥说,你能过这一点切一刀,让切下的两块蛋糕面积相等,便把其中的一块送给你。如图1所示。
图 1二.模型假设。
1.假设蛋糕是平放在桌上的,即蛋糕表面与水平面是平行的。
2.假设蛋糕的质地均匀,即是蛋糕密度相同,形状为不规则柱形。
三.模型建立。
这问题可归结为如下平面几何题,已知:平面上一条没有交叉点的封闭曲线(无论什么形状), p是曲线所围成的图形上一点。(如图2)
图2 求证: 存在一条过p的直线l,将这图形的面积二等分。
四.模型求解。
过p点任作一直线l,l将曲线所围图形分为两部分,其面积分别记为、。如果此种情况很难办到),则l即是所要找的直线。现在,我们考虑的情形:
不失一般性,设,首先,建立如图(2)的坐标轴:x轴。 设直线l与x轴的初始交角为(如图3)。
图 3以点p为旋转中心,将直线l按逆时针方向旋转,则面积、就连续地依赖于角的变化。 即,都是关于的连续函数。
令,则函数是闭区间上的连续函数,并且:
根据零点定理, 存在一点,使得:
即,存在一点使得。
五.模型结论。
通过上述几何问题的证明,我们得知:
对于蛋糕上的任意一个指定点,一定存在过这指定点的一条直线l, 使得沿l对切这蛋糕能将这蛋糕切成面积相等的两块。
六.模型评价。
本模型只从理论上证明了二等分蛋糕的可行性。但是,怎样将一个蛋糕具体二等分,这问题并没有解决。
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