阮一峰博客上看到这么一个数学题(原文是 maths.org 2014 年的一篇文章):
已知:小圆的半径为 $r$,大圆的半径为 $4r$
问:小圆自身滚动了几周?
我们很容易认为:
我们可以把小圆视作在平面上运动,向前运动的路程就是大圆的周长 $8 \pi r$。
小圆向前运动时,每次自转一周,运动的路程是小圆的周长 $2 \pi r$。
所以答案应该是:
$\frac {8 \pi r} {2 \pi r} = 4$
可是原作者提醒我们,小圆在这个过程中有一个隐藏的自转被忽略了。
假设两个圆半径相等,然后用硬币实验:
正面硬币充当运动圆,反面硬币充当固定圆。
正面硬币从上方位置,顺时针运动,依次经过右方,下方,左方,然后回到上方初始位置,完成对反面硬币的一周运动。
可以非常明了的发现,正面硬币运动到下方位置,才走了一半的周长,但可以观察到已经旋转一周了!
在评论区有人提示,如果将其中固定圆的周长设为 0,那么就是运动圆围绕一个点转一圈。
周长方向一点相对运动都没有,但是也可以看到完成了一次自转。
思考
黑圆与蓝圆半径为 $r$,红圆半径为 $3r$
黑圆围绕蓝圆一周
按照上面的结论,黑圆自转两周,也就是说放到平面上来看,运动距离为 $4 \pi r$
按蓝圆(半径 $1r$)来算,似乎等于 1 倍蓝圆周长。
按红圆(半径 $3r$)来算,似乎等于 3 倍蓝圆周长。
感觉这两种思考方式都符合我们的认知逻辑,但实际结果是:周长的变化是等于粉圆的周长。
如何彻底推翻之前的错误认知,我没有想通这一点。
我可能智商不够,感觉现在自己的脑袋有点糊了,可能暂时只能 “记住就行了”。
下次再继续思考这个问题。
如果谁看到这个问题,能在留言中给我指点指点,感激不尽。