有4座城市,分別位于邊長20km的正方形的4個頂點上。由于各城市之間的商業(yè)往來日益頻繁,政府決定設計公路網(wǎng)連接所有城市,希望經費能控制在最少,因此要求將公路設計得越短越好。
工程師考慮了許多方案,如圖所示的3種情形。最后的結論是認為沿著兩條對角線AC和BD所建的公路會最短,長度只有56.6km。其實這不是最短的路線,還有更好的答案。你能找到嗎?
解答與分析
其實最短的路線是如圖所示的形狀,其中有2個三叉路口,3條公路都以120°的夾角會合。利用簡單的幾何學就可以證明其總長度為54.6km。也可以在兩塊透明塑料板之間,用4枚直立的釘子代表正方形的4個頂點,然后浸入肥皂水中,取出后所形成的肥皂膜形狀,也就是本題路線的形狀。其他類似的最短路線的問題,也都可以用這種方法加以解決,而且經常會有出人意料的結果。這類問題通常被稱為史坦納問題(Steiner problems),以紀念這位最先研究這類問題的德國數(shù)學家。