在不平地面上把椅子放稳的充分必要条件
数学建模试题(带答案)四
数学建模部分课后习题解答1.在稳定的椅子问题中，如设椅子的四脚连线呈长方形，结论如何？ 解：模型假设（1） 椅子四条腿一样长，椅脚与地面接触处视为一点，四脚的连线呈长方形 （2） 地面高度是连续变化的，沿任何方向都不会出现间断（没有像台阶那样的情况），即从数学角度来看，地面是连续曲面。
这个假设相当于给出了椅子能放稳的必要条件（3） 椅子在任何位置至少有三只脚同时着地。
为了保证这一点，要求对于椅脚的间距和椅腿的长度而言，地面是相对平坦的。
因为在地面上椅脚间距和椅腿长度的尺寸大小相当的范围内，如果出现深沟或凸峰（即使是连续变化的），此时三只脚是无法同时着地的。
模型建立在上述假设下，解决问题的关键在于选择合适的变量，把椅子四只脚同时着地表示出来。
首先，引入合适的变量来表示椅子位置的挪动。
生活经验告诉我们，要把椅子通过挪动放稳，通常有拖动或转动椅子两种办法，也就是数学上所说的平移与旋转变换。
然而，平移椅子后问题的条件没有发生本质变化，所以用平移的办法是不能解决问题的。
于是可尝试将椅子就地旋转，并试图在旋转过程中找到一种椅子能放稳的情形。
注意到椅脚连线呈长方形，长方形是中心对称图形，绕它的对称中心旋转180度后，椅子仍在原地。
把长方形绕它的对称中心旋转，这可以表示椅子位置的改变。
于是，旋转角度θ这一变量就表示了椅子的位置。
为此，在平面上建立直角坐标系来解决问题。
设椅脚连线为长方形ABCD,以对角线AC 所在的直线为x 轴，对称中心O 为原点，建立平面直角坐标系。
椅子绕O 点沿逆时针方向旋转角度θ后，长方形ABCD 转至A1B1C1D1的位置，这样就可以用旋转角）0（πθθ≤≤表示出椅子绕点O 旋转θ后的位置。
其次，把椅脚是否着地用数学形式表示出来。
当椅脚与地面的竖直距离为零时，椅脚就着地了，而当这个距离大于零时，椅脚不着地。
由于椅子在不同的位置是θ的函数，因此，椅脚与地面的竖直距离也是θ的函数。
由于椅子有四只脚，因而椅脚与地面的竖直距离有四个，它们都是θ的函数，而由假设（3）可知，椅子在任何位置至少有三只脚同时着地，即这四个函数对于任意的θ，其函数值至少有三个同时为0。
椅子（四条腿的椅脚连线呈长方形）能在不平的地面上放稳吗？
其次要把椅脚着地用数学符号表示出来。
椅子在不同位置时椅脚与地面的距离不同，当距离为0时，就是椅子四只脚着地，所以这个距离就是椅子位置变量θ的函数。
虽椅子有四只脚，四个距离，但由长方形是中心对称图形可用两个距离函数就行了。
A,C 两脚与地面的距离之和为()f θB,D 两脚与地面的距离之和为()g θ由假设2知道地面为连续曲面所以()f θ，()g θ是连续函数。
由假设3可得对于任意的θ，()f θ，()g θ至少一个为0。
可以假设(0)f =0，(0)g 〉0，而当椅子旋转180度后，对角线AC ，BD 互换，于是()f π〉0，()g π=0。
这样，改变椅子的位置使四只脚着地，就归结为证明如下的数学问题：已知()f θ，()g θ是θ的连续函数， 对任意的θ，()f θ*()g θ=0，而且()(0)0f g π==， (0)0,()0f g π>>。
证明存在0θ，使(0)(0)0f g θθ==。
五、模型求解（显示模型的求解方法、步骤及运算程序、结果）令()()()h f g θθθ=-，则(0)0h <和()0h π>。
由f 和g 的连续性知h 也是连续函数。
根据连续函数的基本性质，比存在0(0)θθπ<<使得(0)0h θ=，即(0)(0)f g θθ=。
最后因为(0)*(0)0f g θθ=，所以(0)(0)0f g θθ==。
文案 编辑词条B 添加义项?文案，原指放书的桌子，后来指在桌子上写字的人。
现在指的是公司或企业中从事文字工作的职位，就是以文字来表现已经制定的创意策略。
文案它不同于设计师用画面或其他手段的表现手法，它是一个与广告创意先后相继的表现的过程、发展的过程、深化的过程，多存在于广告公司，企业宣传，新闻策划等。
基本信息中文名称文案外文名称Copy目录1发展历程2主要工作3分类构成4基本要求5工作范围6文案写法7实际应用折叠编辑本段发展历程汉字"文案"(wén àn)是指古代官衙中掌管档案、负责起草文书的幕友,亦指官署中的公文、书信等;在现代，文案的称呼主要用在商业领域，其意义与中国古代所说的文案是有区别的。
椅子能否在不平的地面上放稳(长方形解答)
长方形椅子能否在不平的地面上放稳吗？【题记】我在网上看了很多答案，也看了参考答案，发现都是旋转180度的做法，其实你想一想当长方形ABCD 旋转180度后，只是A、C交换和B、D交换而已，AC变成CA，BD变成DB,那么只有f(0)=f(pi),g(0)=g(pi), h(0)=h(pi)<0根本证明不了问题，我思考了一下做出了自己的证法：【问题提出】把椅子往不平的地面上一放，通常不会放稳，只有三只脚着地，但是我们稍微挪动几次，一般都可以使四只脚同时着地．看似与数学无关的问题却可以用数学方法解释．【构建模型】根据生活常识，通过平移与旋转变换即可将椅子放稳．长方形是中心对称图形，在平面上建立直角坐标系来解决问题．如下图所示，设椅脚连线为长方形ABCD，以对角线AC所在的直线为x轴，对称中心O为原点，建立平面直角坐标系．θ（0≤θ≤π）是椅子旋转的角度，即AC旋转的角度。
如下图：由于椅子有四只脚，因而椅脚与地面的竖直距离有四个，考虑到长方形中心对称性，只要设两个距离就行，设A、B与地面竖直距离之和为f（θ），C、D与地面竖直距离之和为g（θ），其中θ∈[0，π]，从而可以得到如下数学问题。
数学模型：已知f（θ）和g（θ）是θ的非负连续函数，对任意θ，f（θ）•g(θ)＝0，证明：存在θ0∈[0，π]，使得f（θ0）＝g（θ0）＝0成立。
【模型求解】1、最高地势选取，正方形旋转时，四个顶点都在同一个圆上，选取这个密闭的圆域，则在密闭的圆域中的光滑曲面内一定有最低点，并过此点做出切面，假设有一根与对角线相同长度的木棒在圆上旋转，它的中心到切面的距离称为地势，设地势与旋转的角度有函数关系k（θ），此为连续函数，[0,2*pi]必有最大值，选取最大值，不妨设此处就是x轴。
那么任何对角线在x轴处都比另一条对角线的地势高，结合实际情况，便有x轴处对角线对应函数值为零，另一条对角线对应的函数值大于等于零。
2、设h（θ）＝f(θ)－g（θ），由于f(θ)，g（θ）连续，所以h（θ）连续。
椅子能在不平的地面放稳吗
椅子能在不平的地面放稳吗？问题提出把一张椅子往不平的地面上一放，通常只有三只脚着地，然而只需稍为转动一定角度，就可以使四只脚同时着地，即放稳了。
怎样用数学模型来描述和证明这个实际问题呢？模型假设为了能用数学语言描述，对椅子和地面需作一些必要的假设。
1. 椅子四只脚一样长，椅脚与地面接触处视为一个点。
四只脚的连线呈正方形。
（对椅子的假设）2. 地面的高度是连续变化的，即可视为数学上的连续曲面。
（对地面的假设）3. 地面是较平坦的，使椅子在任何时候都同时有三只脚同时着地。
（对两者关系的假设）模型建立主要问题是如何用数学语言把椅子四只脚同时着地的条件表达出来。
1.引入函数以正方形的中心为原点建立坐标系，用θ表示椅子转动的角度，从而确定椅子的位置。
椅脚着地，即椅脚与地面距离为0，这就是椅子与地面的数量关系。
因此，我们可用θ的函数表示椅脚与地面距离，因为图形具有对称性，故不必用4个函数，而只用2个函数即可。
设f(θ) 表示椅脚A 与C 两脚到地面距离之和；g(θ) 表示椅脚B 与D 两脚到地面距离之和.2.函数的性质（1） 由假设2，函数f(θ)与g(θ)是θ的非负连续函数，0≤θ≤2π; （2） 由假设3，对任意θ∈[0，2π]，f(θ)g(θ)=0，不妨设f(0)>0,g(0)=0； （3） 当把椅子转动π/2时，则AC 与BD 互换了位置，由假设1，’f(π/2)=g(0) ，g(π/2)= f(0).3.把问题化作数学命题椅子四只脚同时着地等价于存在一点θ0，使f(θ0)=g(θ0)=0.因此，原问题等价于以下命题：命题已知函数f(θ)与g(θ)是θ的非负连续函数，0≤θ≤2π，且满足：（1）f(0)>0,g(0)=0；（2）对任意θ∈[0，2π]，f(θ)g(θ)=0；（3）f(π/2)=g(0) ，g(π/2)= f(0).则必存在一点θ0∈[0，2π]，使f(θ0)=g(θ0)=0.模型求证命题已知函数f(θ)与g(θ)是θ的非负连续函数，0≤θ≤2π，且满足：（1）f(0)>0,g(0)=0；（2）对任意θ∈[0，2π]，f(θ)g(θ)=0；（3）f(π/2)=g(0) ，g(π/2)= f(0).则必存在一点θ0∈[0，2π]，使f(θ0)=g(θ0)=0.求证：∵ f(0)>0,g(0)=0 ∴ f(π/2)=g(0)=0, g(π/2)= f(0)>0令h(θ)=f(θ)-g(θ), 则在[0，π/2]上连续且h(θ)=f(0)-g(0) >0, h(π/2)=f(π/2)-g(π/2)<0由连续函数介值定理可知，必存在一点0<θ0<π/2使h(θ0)=0即f(θ0)=g(θ0)，∵f(θ0)与g(θ0)至少有一个为0，∴f(θ0)=g(θ0)=0模型的解的意义是在满足三点假设的前提下，我们证明了通过转动椅子，必定可把它放稳，而且转动的角度不需超过90度（顺时针或逆时针）。
椅子(四条腿的椅脚连线呈长方形)能在不平的地面上放稳吗？
其次要把椅脚着地用数学符号表示出来。
椅子在不同位置时椅脚与地面的距离不同，当距离为0时，就是椅子四只脚着地，所以这个距离就是椅子位置变量θ的函数。
虽椅子有四只脚，四个距离，但由长方形是中心对称图形可用两个距离函数就行了。
A,C 两脚与地面的距离之和为()f θ
B,D 两脚与地面的距离之和为()g θ
由假设2知道地面为连续曲面所以()f θ，()g θ是连续函数。
由假设3可得对于任意的θ，()f θ，()g θ至少一个为0。
可以假设(0)f =0，(0)g 〉0，而当椅子旋转180度后，对角线AC ，BD 互换，于是()f π〉0，()g π=0。
这样，改变椅子的位置使四只脚着地，就归结为证明如下的数学问题：
已知()f θ，()g θ是θ的连续函数， 对任意的θ，()f θ*()g θ=0，而且()(0)0f g π==， (0)0,()0f g π>>。
证明存在0θ，使(0)(0)0f g θθ==。
五、模型求解
（显示模型的求解方法、步骤及运算程序、结果）
令()()()h f g θθθ=-，则(0)0h <和()0h π>。
由f 和g 的连续性知h 也是连续函数。
根据连续函数的基本性质，比存在0(0)θθπ<<使得(0)0h θ=，即(0)(0)f g θθ=。
最后因为(0)*(0)0f g θθ=，所以(0)(0)0f g θθ==。
椅子能在不平的地面放稳的数学模型
椅子能在不平的地面放稳的数学模型下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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长方形椅子能否在不平的地面上放稳吗(谷风经验)
长方形椅子能否在不平的地面上放稳？一、问题提出在日常生活中有这样的现象：把椅子往不平的地面上一放，通常只有三只脚着地，放不稳，然而只需稍微挪动几次，一般都可以使四只脚同时着地，课本上已经证明了四条腿正方形连线的椅子能放平，现在建模说明长方形椅子的情况。
二、模型假设首先对椅子和地面做一些必要的假设（同正方形椅子一致）：（1）椅子四条腿一样长，椅脚与地面接触处视为一点，四脚的连线呈长方形；（2）地面高度是连续变化的，沿任何方向都不会出现间断(没有像台阶那样的情况)，即从数学的角度看，地面是连续曲面；（3）地面相对平坦，使椅子在任何位置至少有三只脚同时着地；三、模型构成首先，引入合适的变量来表示椅子位置的挪动。
生活经验告诉我们，要把椅子通过挪动放稳，通常有拖动或转动椅子两种办法，也就是数学上所说的平移与旋转变换。
然而，平移椅子后问题的条件没有发生本质变化，所以用平移的办法是不能解决问题的，于是可将椅子就地旋转，并在旋转过程中找到一种椅子能放稳的情形。
椅脚连线呈长方形，长方形是中心对称图形，把长方形绕它的对称中心O旋转，这可以表示椅子位置的改变。
于是，旋转角度θ这一变量就表示了椅子的位置，所以可以在平面上建立直角坐标系来解决问题。
如下图1所示，设椅脚连线为长方形ABCD，以对角线AC所在的直线为x轴，对称中心O为原点，建立平面直角坐标系。
椅子绕O点沿逆时针方向旋转角度θ后，长方形ABCD 转至A1B1C1D1的位置，这样就可以用旋转角θ（0≤θ≤2π）表示出椅子绕点O旋转θ后的椅子的位置。
图1 变量θ表示椅子的位置其次，把椅脚是否着地用数学形式表示出来。
由上述假设可知，当椅脚与地面的竖直距离为零时，椅脚就着地了，而当这个距离大于零时，椅脚不着地。
由于椅子在不同的位置是θ的函数，因此，椅脚与地面的竖直距离也是θ的函数。
由于椅子有四只脚，因而椅脚与地面的竖直距离有四个，它们都是θ的函数。
而由假设(3)可知，椅子在任何位置至少有三只脚同时着地，即这四个函数对于任意的θ，其函数值至少有三个同时为0。
椅子能在不平的地面上放稳吗
椅子能在不平的地面上放稳吗？把椅子往不平的地面上一放，通常只有三只脚着地，放不稳，然而只要稍挪动几次，就可以四脚着地，放稳了。
下面用数学语言证明。
一、 模型假设对椅子和地面都要作一些必要的假设：1、 椅子四条腿一样长，椅脚与地面接触可视为一个点，四脚的连线呈正方形。
2、 地面高度是连续变化的，沿任何方向都不会出现间断（没有像台阶那样的情况），即地面可视为数学上的连续曲面。
3、 对于椅脚的间距和椅脚的长度而言，地面是相对平坦的，使椅子在任何位置至少有三只脚同时着地。
二、模型建立中心问题是数学语言表示四只脚同时着地的条件、结论。
首先用变量表示椅子的位置，由于椅脚的连线呈正方形，以中心为对称点，正方形绕中心的旋转正好代表了椅子的位置的改变，于是可以用旋转角度θ这一变量来表示椅子的位置。
其次要把椅脚着地用数学符号表示出来，如果用某个变量表示椅脚与地面的竖直距离，当这个距离为0时，表示椅脚着地了。
椅子要挪动位置说明这个距离是位置变量的函数。
由于正方形的中心对称性，只要设两个距离函数就行了，记A 、C 两脚与地面距离之和为()θf ，B 、D 两脚与地面距离之和为()θg ，显然()θf 、()0≥θg ，由假设2知f 、g 都是连续函数，再由假设3知()θf 、()θg 至少有一个为0。
当0=θ时，不妨设()()0,0>=θθf g ，这样改变椅子的位置使四只脚同时着地，就归结为如下命题：命题 已知()θf 、()θg 是θ的连续函数，对任意θ，()θf *()θg =0，且()()00,00>=f g ，则存在0θ，使()()000==θθf g 。
三、模型求解将椅子旋转090，对角线AC 和BD 互换，由()()00,00>=f g 可知()()02,02=>ππf g 。
令()()()h f g θθθ=-，则()()02,00<>πh h ，由f 、g的连续性知h 也是连续函数，由零点定理，必存在()2000πθθ<<使()00=θh ，()()00θθf g =，由()()0*00=θθf g ，所以()()000==θθf g 。
00.3-方桌椅能在不平的地面上放稳吗
g f 0
综上论述，可知对于正方形桌椅只要旋转0º到 90º之间的一个角度就可以将其放稳。
2.长方形 顺时针转
4 3 2 1
4
D B′ C
2 4
3 2 1
A′
A
-4
-2 -1 -2 -3 -4
-4
-2 -1 -2
2
4
D′
B
C ′ -4
-3
0 0 时：设对角点A，C
顺时针转
4 3 2 1
D C
2 4
4
B′ 3
2 1 -4 -2 -1 -2
A′
A
-4
-2 -1 -2 -3 -4
2
4
B
C′
-3 -4
D′
0 0 时：设对角点，D的位 与地面距离大于零； 对角点B，D与地面 置；对角点B，D旋 距离等于零。 转到新的位置。 即 即g 0 0, f 0 0 0 F 0 g 0 f 0 0 g 1 f 0 0, f 1 0
这样方桌椅放不稳和放稳两种情形可以转换为至有一对对顶点与地面距离之和大于零和两对对顶点与地面距离之和等于零两个系统状态
方桌椅能在不平的 地面上放稳吗？
不稳的方桌椅
生活中常碰到，一个方形桌子或椅 子无法在地面上放稳的情况，但是经过 旋转或移动位置，多次重复后，桌子或 椅子就能放稳。这是个生活中的小事， 那么它有没有数学背景？数学在这个小 事中能不能起到作用？旋转的角度是多 少？需要旋转多少次？ 回答这些问题的过程就是一个运用 数学知识解决实际问题的建模过程。将 数学知识运用于这样一些小事中是学习 和掌握数学建模思想的一个途径，经常 这样的训练可以逐步学会 “用数学”。
长方形的椅子能在凹凸不平的地面上放稳吗
长方形的椅子能在不平的地面上站稳吗？一、问题提出椅子(四条腿的椅脚连线呈长方形)能在不平的地面上放稳吗？把椅子往不平的地面上一放，通常只有三只脚着地，放不稳,然而只要稍挪动几次，就可以四脚着地，放稳了。
以下用数学语言证明。
二、问题分析该模型看似与数学与数学无关，但我们可以用数学语言给予表述，并用数学工具来证明，经过分析，我们可以一元变量θ表示椅子的位置，用θ的两个函数表示椅子四脚与地面的距离，进而把模型假设和椅子同时着地的结论用简单、精确的数学语言表达出来，构成了这个实际问题的数学模型。
三、模型假设为了明确问题，对上述现象中的有关因素在符合日常生活的前提下，做出如下假设：（1）椅子四条腿一样长，椅脚与地面接触处视为一点，四脚的连线呈长方形．（2）地面高度是连续变化的，沿任何方向都不会出现间断(没有像台阶那样的情况)，即从数学的角度看，地面是连续曲面．（3）椅子在任何位置至少有三只脚同时着地．为保证这一点，要求对于椅脚的间距和椅腿的长度而言，地面是相对平坦的．因为在地面上与椅脚间距和椅腿长度的尺寸大小相当的范围内，如果出现深沟或凸峰(即使是连续变化的)，此时三只脚是无法同时着地的．四、模型建立在上述假设下，解决问题的关键在于选择合适的变量，把椅子四只脚同时着地表示出来.首先，引入合适的变量来表示椅子位置的挪动．要把椅子通过挪动放稳，通常有拖动或转动椅子两种办法，也就是数学上所说的平移与旋转变换．然而，平移椅子后问题的条件没有发生本质变化，所以用平移的办法是不能解决问题的．于是可尝试将椅子就地旋转，并试图在旋转过程中找到一种椅子能放稳的情形．椅脚连线呈长方形，长方形是中心对称图形，绕它的对称中心旋转180度后，椅子仍在原地．把长方形绕它的对称中心O旋转，这可以表示椅子位置的改变。
于是，旋转角度θ这一变量就表示了椅子的位置．为此，在平面上建立直角坐标系来解决问题．如下图所示，设椅脚连线为长方形ABCD，以对角线AC所在的直线为x轴，对称中心O为原点，建立平面直角坐标系．椅子绕O点沿逆时针方向旋转角度θ后，长方形ABCD转至A1B1C1D1的位置，这样就可以用旋转角θ（0≤θ≤π）表示出椅子绕点O旋转θ后的位置．其次，把椅脚是否着地用数学形式表示出来.我们知道，当椅脚与地面的竖直距离为零时，椅脚就着地了，而当这个距离大于零时，椅脚不着地.由于椅子在不同的位置是θ的函数，因此，椅脚与地面的竖直距离也是θ的函数.由于椅子有四只脚，因而椅脚与地面的竖直距离有四个，它们都是θ的函数．而由假设(3)可知，椅子在任何位置至少有三只脚同时着地，即这四个函数对于任意的θ，其函数值至少有三个同时为0．因此，只需引入两个距离函数即可．考虑到长方形ABCD是中心对称图形，绕其对称中心O沿逆时针方向旋转180°后，长方形位置不变，但A,C和B,D对换了．因此，记A，B两脚与地面竖直距离是之和为f（θ），C、D两脚与地面的竖直距离之和为g（θ），其中θϵ[0，π],从而将原问题转化成数学问题，数学模型：已知f（θ）和g（θ）是非负的连续函数，对于任意的θ，有f（θ）·g（θ）=0. 证明存在某个θ0 ϵ[0，π]，使得f（θ0）= g（θ0）=0成立.五、模型求解如果f（0）=g（0）=0，那么结论成立。
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数学的实践与认识
MATHEMATICS IN PRACTICE AND THEORY
1999 Vol.29 No.3 P.62-65
在不平地面上把椅子放稳的
充分必要条件
赵彦晖
摘 要：把椅子放在不平的地面上，通常只有三只脚着地，放不稳，然而只需稍挪动几次，就可以使四只脚同时着地、放稳.本文指出，当且仅当椅子的四脚共圆时，才能在一般不平的地面上放稳，并对此建立了数学模型，给出了理论上的证明.
关键词：椅子：不平地面；放稳；充分必要条件；数学模型
The Sufficient and Necessary Condition to
Make a Chair Steady on Uneven Ground
Zhao Yanhui
(Xi′an Univ. of Arch. & Tech., Xi′an 710055)
Abstract：Under normal conditions, it is impossible to make a chair Steady on uneven ground. In this paper, a mathematical model on this question is established, and it is proved that a sufficient and necessary conditon to make the chair Steady on uneven ground is four feet of the chair is on the common circle. Keywords：Chair, Uneven Ground, Stendy, Sufficient and Necessary Condition, Mathematical Model▲ 在不平的地面上能否把椅子放稳问题已在文［1］、［2］中作过介绍，但这些文献中都只就四脚连线呈正方形(或长方形)的椅子进行讨论.众所周知，我们日常生活中所遇到的椅子大都是四脚连线呈等腰梯形的椅子，那么，对这样的椅子甚至四脚连线为任意四边形的椅子是否也能在不平的地面上放稳?文［1］、［2］中并未讨论，也没有作出任何结论.对此，本文进行了全面的讨论，给出了完整的结论，使问题得到了圆满的解决.
1 模型假设
首先讨论四脚共圆的椅子，对此，我们作如下的必要假设：
假设1 椅子四条腿一样长，椅脚与地面接触处可视为一个点，椅子四脚连线为圆内接四边形 即椅子四个脚共面且共圆.
假设2 地面高度是连续变化的，即地面可视为数学上的连续曲面.
假设3 对于椅脚的间距和椅腿的长度而言，地面是相对平坦的，使椅子在任何位置至少有三只脚同时着地.
上述假设显然是合理的［1］.
2 模型建立
将椅子放在地面上任一位置，并使至少三只脚同时着地.这时以椅子四脚共圆的圆心O为原点，四脚所在的平面为xoy坐标面，并使椅脚之一(如椅脚A)在x轴的正半轴上建立平面坐标系，如图1.
图1
由假设1，椅子四脚A、B、C、D共圆，设其圆的半径为R，则这四点必在圆周
x2+y2=R2 (1)
上，且各点的坐标分别为A(R，0)，B(Rcosθ1，Rsinθ1),C(Rcosθ2,Rsinθ2),D(Rcosθ3,Rsinθ3)，其中θ1,θ2,θ3分别为OB、OC、OD与OA的夹角.显然，这三个夹角应满足条件
0＜θ1＜θ2＜θ3＜2π (2)
如果让椅子绕O点转动，则A、B、C、D四点将同时绕O点转动，并且转过同样的角度.设转过的角度为θ(取逆时针方向为正)，则转动后A、B、C、D四点对应的坐标分别为
见图2.这样，参数θ就决定了椅子的位置.
图2
由假设2，地面可视为数学上的连续曲面，因此，如果取过原点O，垂直于上述xoy面向上的轴为oz轴，则在如此选取的oxyz空间直角坐标系下，地面的方程便可写成
z=f(x,y) (4)
其中f(x,y)是x,y的二元连续函数.特别地，在圆周(1)上，z必为极角θ的以2π为周期的单值连续函数
z=φ(θ) (5)
于是，在空间直角坐标系下，地面上与(3)中A′,B′,C′,D′对应的点分别为
由假设3，地面是相对平坦的，使椅子在任何位置至少有三只脚同时着地.这样，改变椅子位置(即让椅子绕O点转动)能否使四脚同时着地的问题就归结为求解是否存在θ∈[0,2π]使(6)中A"、B"、C"、D"四点共面.这就是我们对该问题建立的数学模型.
3 模型求解
上面所建立的数学模型即证明下面的定理
定理1 设φ(θ)是以2π为周期的连续函数，R＞0，θ1,θ2,θ3是满足不等式(2)的任意常数，则一定存在θ0∈[0,2π]，使当θ=θ0时(6)中A",B",C",D"四点共面.
证 A",B",C",D"四点共面的充要条件是
(7)
记，则直接计算可知
将F(θ)在[0,2π]上积分，注意到φ(θ)是以2π为周期的连续函数，R,θ1,θ2,θ3均为常数，则立可得出
于是，由积分中值定理知，存在θ0∈[0,2π]，使
这说明，当θ=θ0时(7)式成立.从而，当θ=θ0时(6)中A",B",C",D"四点共面.
定理1说明，对四脚共圆的椅子，在不平的地面上，总可以经适当旋转把椅子放稳.
4 放稳椅子的充要条件
前面，我们对四脚共圆的椅子进行了讨论，并建立了数学模型.那么，对四脚不共圆的椅子是否也能在一般不平的地面上放稳呢?回答是否定的，其反例如下：
例 设椅子的四脚共面但不共圆，地面为半径充分大的球面，则这样的椅子在相应的地面上总放不稳.
证 (用反证法) 假设在这样的球面上存在四点A、B、C、D使椅子的四脚在这四点同时着地，则这四点必共面，即在同一平面上.从而，这四点必在此平面与球面的交圆上，亦即，这四点必共圆.这就与椅子四脚不共圆矛盾，这个矛盾说明假设错而该例的结论真.
此例说明，当椅子四条腿一样长但四脚不共圆时，无论怎么放，也不可能在球面型的地面上放稳.而由前三部分所建立的数学模型及讨论说明，当椅子四条腿一样长且四脚共圆时，对任意的连续平坦地面，无论在何处，都可以经适当旋转把椅子放稳.这样，我们就证明了下面的结论：
定理2 在不平的地面上把椅子放稳的充分必要条件是椅子的四脚共圆.
5 模型应用
椅子问题虽然是日常生活中一件非常普通的事，但在上段就一般椅子给出的结论对实践却有指导性的意义.通常，在制作椅子时，我们事先并不知道要把椅子放在什么样的地面上，因此，我们无法也不可能对地面提出任何要求，但为了保证椅子将来能在任何连续平坦的地面上放稳，我们可对椅子的设计提出一定的要求，这个要求就是，必须且只需把椅子做成四脚共圆或四脚连线呈圆内接四边形的形式.这也正好说明我们的祖先为什么都把椅子做成了正方形，长方形和等腰梯型，其原因就是它们都是圆内接四边形，这样的椅子能放稳.
当然，上述结论不只是对制作椅子有用，而对四脚共面的所有物体，如桌子，家用电器，甚至送上月球的四脚机器或设备等，都有设计方面的应用价值.■
作者单位：赵彦晖(西安建筑科技大学，西安，710055)
参考文献：
［1］姜启源、数学模型，第二版，高等教育出版社，1993：8-11.
［2］W.F.Lucas:Discrete and System Models.Springer-Verlay,1983
收稿日期：1998-7-20
在不平地面上把椅子放稳的充分必要条件
作者：赵彦晖， Zhao Yanhui
作者单位：西安建筑科技大学,西安,710055
刊名：
数学的实践与认识
英文刊名：MATHEMATICS IN PRACTICE AND THEORY
年，卷(期)：1999，29(3)
被引用次数：0次
1.姜启源数学模型 1993
2.W F Lucas Discrete and System Models 1983
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