“蚂蚁圆柱问题”最优路径判别及解析
2026-08-09 17:45:52
发布于:浙江
创作者:YYF Link(此为转载,版权为YYF Link所有,原文出处)
本文研究蚂蚁在圆柱体表面从一点到其正对点(主视图最左下到最右上)的最短路径问题,通过将路径分解为底面弦与侧面展开图直线,建立总长度关于底面圆心角 θ的目标函数 L(θ)利用微分法求得驻点,通过二阶导数严格证明内部驻点均为局部极大值,从而确定全局最小值仅在区间端点取得。比较两端点路径长度,得到最短路径的判别准则。本文推导严谨,结论简洁明确。
一、问题溯源
有一个底面半径为 ,高为 的圆柱, 是底面圆周上的一点,在主视图最左下角; 为顶面圆周上一点,在主视图最右上角。一只蚂蚁从 出发,可在圆柱表面自由爬行,求其爬至 点的最短路径。
二、确定路线
这个路线本质上是走完 的圆周角,让蚂蚁绕到圆柱的另一边,并且克服圆柱的高。所以任何路线都可以被简化为"走 圆心角 + 走高"两部分。因此可以排除所有多次进出端面(逆向走高)、在端面内绕行(逆向走圆心角)等非必要复杂路线。
假设路线在顶面走的圆心角是 ,在地面走的圆心角是 。则侧面路线走的圆心角为 。而对于圆柱,显然在 不变时,在侧面的路径长度不变(圆心角定理,圆柱母线等长)。所以将 的圆周角分别在顶面和底面走是毫无必要的。如图,这两条线路走过了相同圆心角,则侧面路线长度相等,但显然红色的线路更长。所以路线是唯一的:在底/顶面走一条弦,其余路线均在侧面。

三、表示总长度
设蚂蚁从 沿底面某一条弦走到底面圆周上一点 ,再由 沿侧面最短路径至 。设底面圆心为 ,弧 的圆心角为 ,即 (,弧度制)。

如图为蚂蚁路线及圆柱体沿高 切割的侧面展开图。图中 ,则总长度 。
计算底面弦长 :
,在等腰 中,顶角为 。取 的中点 ,连结 。
因为等腰三角形三线合一,则 。
由正弦定义,
计算侧面长 :
为直径, 是圆柱的一条高
显然弧 与弧 长度相等。
又 是直径
弧 与弧 的度数之和为
,
总长度 ,
(1)
四、求驻点
对 求导(链式求导):
(2)
令 ,得方程:
(3)
五、判定驻点非全局最小值
1. 求二阶导数
第一项:原式
第二项:原式
(4)
2. 求解 并代入
由 (3):
,
(5)
将 (5) 代入 (4):
,
(6)
3. 证明全局最小
我们需要证明 时,,即
令 ,
则
在 上严格递减
且 ,
在 上,
即
(7)
将 (7) 代入 (6),则 。
在闭区间 上连续,所以由极值定理必取得全局最小值; 在开区间 上可导,若全局最小值在某个内部点取得,那么该点应是全局最小点;由 Fermat 定理必须有 。因此, 的全局最小值只能在区间端点取得。即路程最小时, 的值只能为 或 。
六、结论
端点 :
端点 :
令两者相等,得
因此最终判别规则为:
【预告】我们即将开始研究蚂蚁圆台问题,具体内容详见此贴。
全部评论 350
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2026-08-04 来自 浙江
3这真的是二年级吗?我下学期5年级就做不出
2026-08-04 来自 上海
2用勾股定理
2026-08-04 来自 湖北
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62026-08-04 来自 上海
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关于如何发:
$\text{\Huge\color{red}\fbox{顶!}}$2026-07-27 来自 浙江
162026-07-28 来自 上海
42026-07-28 来自 上海
22026-07-29 来自 浙江
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这是还想上榜吗?(支持)
2026-07-27 来自 江西
7顶
2026-07-27 来自 浙江
2一个旧的,一个新的都上榜了。
2026-07-31 来自 上海
2互关
2026-08-04 来自 北京
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评论你随便删
2026-08-02 来自 湖北
5这件事情我原谅你,但是我也纳闷,这篇文章明明有这么多明显的人为书写的迹象,许多风格甚至与AI的大相径庭。那为什么还不止一个人质疑AI生成呢?所以我大抵上觉得这些如此评价的人,大概都没仔细,完整的阅读这篇文章,所以才妄下断语。我认为如今社会发展的同时,这也是人们必须要反省的。


2026-08-03 来自 浙江
4要知道,小学二年级联合会上的每一篇文章都是通过严格的审核的,所以可信度绝对是高的。
2026-08-03 来自 浙江
2qpzc
2026-08-03 来自 河南
12026-08-03 来自 浙江
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找规律=阅读理解
2026-08-03 来自 浙江
3这条评论的作用是让工具大全上榜一而不被A+B没了顶下去
2026-08-01 来自 浙江
3大家加把劲儿!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
2026-07-31 来自 浙江
32026-08-01 来自 广东
1hyw?疯了吧?
2026-08-02 来自 福建
1我顶你 ¥%……&……%¥%%¥#¥%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#@#%$%^&^%$#@%……%¥#@#$%^&^%$%#@%……%¥#
2026-08-02 来自 福建
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2026-07-27 来自 浙江
32026-07-27 来自 浙江
1zczc!!!
2026-07-31 来自 浙江
0???
2026-08-05 来自 浙江
0
2026-08-04 来自 江苏
22026-08-04 来自 江苏
12026-08-04 来自 江苏
12026-08-04 来自 江苏
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2026-08-03 来自 河南
2数学大佬啊%%%
希望大佬能再挖一下拉格朗日的其他成就,比如拉格朗日乘数法等2026-08-02 来自 安徽
2居然还是钻石+出题人%%%
orz2026-08-02 来自 安徽
0他那个钻石是靠AI拿的……
2026-08-02 来自 上海
0666演都不演了在这边造谣。你觉得ACGO官方不会查AI的吗?
2026-08-02 来自 浙江
0
我不认为是笑话
刚好我正在读2026-08-02 来自 河南
2谢谢!
2026-08-02 来自 浙江
1
这条评论的作用是让工具大全上榜一而不被A+B没了顶下去
2026-08-01 来自 浙江
2?
2026-08-01 来自 浙江
1qpzc
2026-08-03 来自 河南
0
这条评论的作用是让工具大全上榜一而不被A+B没了顶下去
2026-08-01 来自 浙江
22026-08-01 来自 湖北
2d d d2026-07-31 来自 江西
22026-08-02 来自 上海
0
d
2026-07-27 来自 浙江
2谢谢支持!
2026-07-27 来自 浙江
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1周前 来自 江西
1其实我还挺好奇,为什么中间过程那么多
1周前 来自 广东
1勾股定理的妙用啊
1周前 来自 广东
11周前 来自 广东
0是的,理论上做题只要有结论就行了。但是课本少了关键的理论证明——凭什么只需要分类讨论这两种走法?于是这篇论文就告诉了我们答案。
1周前 来自 江西
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