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1.3 把橢圓“捏”成圓

可以注意到圖1.5中弧ACBDCEDFEG所對的“橢圓周角”(角BCDEF)都是相等的,等于\arctan(1/n)。弧ABAC對稱,也可以讓它對應“橢圓周角”ACB,這個角也等于\arctan(1/n)。聯想到圓中有“等弧所對圓周角相等”的性質,而橢圓中沒有,于是想到如果把橢圓“捏”成圓,會不會有意外發現?

將圖1.5整體在橫向上壓縮到原來的1/\sqrt{n}倍,則橢圓就變成了單位圓,如圖1.6所示。

圖 1.6 把橢圓“捏”成單位圓

這樣一壓縮,線段ABCDEF的斜率就都從-1/n變成了-1/\sqrt{n},各段圓弧(除了FG)所對的圓周角也都變成了\arctan(1/\!\sqrt{n})。現在可以利用“等弧所對圓周角相等”了——這些圓弧的長度,都等于這個圓周角的2倍,即2\arctan(1/\sqrt{n})

滑塊的碰撞,可以看成從單位圓上不斷切下一段長度為2\arctan(1/\sqrt{n})的圓弧,直到剩余部分長度不超過2\arctan(1/\sqrt{n})為止。而整個單位圓的周長是2\pi注意\pi出現了!),于是可以得到總的碰撞次數:

\left\lceil \cfrac{2\pi}{2\arctan(1/\sqrt{n})} \right\rceil-1\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad(1.4)

這里的取整符號看起來較復雜,實際想要達到的效果是,一般情況(不能整除時)向下取整,特殊情況(能整除時)取商再減一。請讀者自行驗證。

由式(1.4)可以算出,當兩個滑塊質量相等時,\arctan(1/\sqrt{n}) = \pi/4,碰撞總次數為3。而當兩個滑塊質量懸殊時,1/\sqrt{n}會很小,此時\arctan(1/\sqrt{n})可以直接用1/\sqrt{n}來近似表示,于是碰撞總次數約為\lfloor \sqrt{n} \,\pi \rfloor。當兩個滑塊的質量之比n是100的冪時,\sqrt{n}就是10的冪,這就解釋了碰撞總次數為什么會恰好是\pi去掉小數點后的前若干位。


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