数学题不会做?让大自然帮我们找答案|正经玩

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 。
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三角形三边关系
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?
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最优解示意图
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
实验器材
所标杯、塑料片、烧杯、图钉、泡泡水、双面胶、剪刀
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实验过程
首先将泡泡水倒入烧杯中
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用图钉将塑料片串起来
两个塑料片间保持一定的距离
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将连接好的塑料片完全浸入烧杯中
然后再取出
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发现塑料片上出现了最短路径
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PS.如果大家手边没有很硬的塑料片
可以将两个塑料片用双面胶粘起来增加硬度
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也会出现想要的效果哦
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原理解说
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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这次实验演示我们只展现了比较简单的四边形情况 , 大家可以动手试一试其他的情况~
上期回顾
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01.Endofentropy的实验分享如下:
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02.Titanium_Tzj的实验分享如下:
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03.独立团团长的实验分享如下:
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04.小南国的实验分享如下:
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05.艺灿的实验分享如下: