Typesetting math: 100%

平面几何问题

2.28  正三角形带电薄片(带正电荷)位于Σ:x+y+z=a(其中a>0)的平面上,且带电薄片限定于ax0ay0之间,
        其电荷面密度为σ,试求出原点处的电场强度E(矢量)
|E|=3Σ:x+y+z=aσdS4πε0(x2+y2+z2)|x|x2+y2+z2

|E|cosE,i=Σ:x+y+z=aσ|x|dS4πε0(x2+y2+z2)32
|E|cosE,j=Σ:x+y+z=aσ|y|dS4πε0(x2+y2+z2)32
|E|cosE,k=Σ:x+y+z=aσ|z|dS4πε0(x2+y2+z2)32

|E|=3Σ:x+y+z=aσ|x|dS4πε0(x2+y2+z2)32=3σ4πε0Σ:x+y+z=a|x|(x2+y2+z2)32dS=3σ4πε0a0ay03|x|(x2+y2+(axy)2)32dxdy=3σ4πε0a0ay03|x|(x2+y2+(a+x+y)2)32dxdy=3σ4πε00a0ay3x(x2+y2+(axy)2)32dxdy=3σ4πε00a0ayx(x2+y2+(axy)2)32dxdy

0a0ayx(x2+y2+(axy)2)32dxdy=π6

 

如图,分别以ABC的边AC,BC为一边在三角形外作正方形ACFGBCED, IEF上的中点,求证: IHAB.

如图,分别以ABC的边AC,BC为一边在三角形外作正方形ACFGBCED, IHAB,求证: IEF上的中点.

EJCF的平行线交CI的延长线于J.证明CEJACB,则EJ=CB=FC,从而四边形EJFC为平行四边形,那么MFH上的中点.

分别过E,FCI的垂线,垂足为J,K.


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%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

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%\title{中国科学技术大学\\
%2015年硕士学位研究生入学考试试题}
%\author{(线性代数与解析几何)}
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%\newenvironment{newproof}{\par\CJKfamily{xiao}\noindent{\makebox[0pt][r]{\;\;}\textbf{证明:}}\color{black!90}\small}{\hfill\quad\par}

%\newenvironment{solution}{\par\CJKfamily{xiao}\noindent{\makebox[0pt][r]{\;\;}\textbf{解:}}\small}{\hfill\quad\par}

\newenvironment{Proof}{\par\noindent{\hei 证明}\hspace{1em}}{\qed\par}
\newenvironment{Answer}{\par\noindent{\hei 答}\hspace{1em}}{\par\song}
\newenvironment{Solution}{\par\noindent{\hei 解}\hspace{1em}}{\hfill\par\vspace{6pt}\song}
\newcommand{\Ker}{\mathrm{Ker}\,}

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\lfoot{科目名称:数学}
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\rfoot{第\thepage 页\quad 共\pageref{LastPage} 页}

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\begin{document}
%\maketitle

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%\shadowbox}{}

\begin{center} {\xiaochuhao \CJKfamily{kd}{Xionger问题与解答} }\\ {\yihao \CJKfamily{kd}{著名的积分和几何问题} }\\ {\sihao 微信公众号:Xionger的数学小屋\quad 投稿: 2609480070@qq.com} \end{center}

{\erhao

\definecolor{shadethmcolor}{cmyk}{0,.13,.11,0}
\definecolor{shaderulecolor}{cmyk}{0,0.88,0.85,0.35}
\begin{theorem} (XPS021, Ahmed's Integral)求证 \begin{align*} \int_0^1 {\frac{{\arctan \sqrt {{x^2} + 2} }}{{\left( {{x^2} + 1} \right)\sqrt {{x^2} + 2} }}dx}  = \frac{{5{\pi ^2}}}{{96}}. \end{align*} \end{theorem}}
{\sihao
\begin{Solution}
(陈洪葛)
π216=0101dxdy(1+x2)(1+y2)=01011(1+x2)(2+x2+y2)+1(1+y2)(2+x2+y2)dxdy=201011(1+x2)(2+x2+y2)dydx=2011(1+x2)2+x2arctan12+x2dx=201(π2(1+x2)2+x2arctan2+x2(1+x2)2+x2)dx=π26201arctan2+x2(1+x2)2+x2dx.
因此
01arctan2+x2(1+x2)2+x2dx=596π2.


(Xionger)先作一些准备工作.

t=x2+2x,我们有
1+dx(x2+1)x2+2=13dtt2+1=π12.

t=1x,我们有
1+dx(x2+1)x2+2=01t(t2+1)1+2t2dt=π12.


0+arctanx2+2(x2+1)x2+2dx=0+dx(x2+1)x2+201x2+21+(x2+2)y2dy=01dyy20+dx(x2+1)(x2+2+1/y2)=01π21y2+1(1y2y2+1)dy=π212.
回到原来的问题.
01arctanx2+2(x2+1)x2+2dx=01dx(x2+1)x2+201x2+21+(x2+2)y2dy=01dyy201dx(x2+1)(x2+2+1/y2)=01(π41y2+1y(y2+1)2y2+1arctany2y2+1)dy=π21601y(y2+1)2y2+1arctany2y2+1dy=π2161+arctan1t2+2(t2+1)t2+2dt(t=1y).

由于
1+arctanx2+2(x2+1)x2+2dx+1+arctan1t2+2(t2+1)t2+2dt=π21+1(x2+1)x2+2dx=π224.
进而有
01arctanx2+2(x2+1)x2+2dx=π216π224+1+arctanx2+2(x2+1)x2+2dx=π248+1+arctanx2+2(x2+1)x2+2dx.
因此
{01arctanx2+2(x2+1)x2+2dx1+arctanx2+2(x2+1)x2+2dx=π248,01arctanx2+2(x2+1)x2+2dx+1+arctanx2+2(x2+1)x2+2dx=π212.

01arctanx2+2(x2+1)x2+2dx=5π296,1+arctanx2+2(x2+1)x2+2dx=π232.
\end{Solution}

[1] Definitely an Integral: 10884, Zafar Ahmed, Knut Dale and George L. Lamb Jr. The American Mathematical Monthly Vol. 109, No. 7 (Aug. - Sep., 2002), pp. 670-671 (2 pages)
}

{\sihao

\definecolor{shadethmcolor}{cmyk}{0,.13,.11,0}
\definecolor{shaderulecolor}{cmyk}{0,0.88,0.85,0.35}
\begin{theorem}
(XPS022, Coxeter’s integrals) MSE论坛的Sangchul Lee (以前的昵称SOS 440,韩国首尔大学毕业,目前在UCLA读概率方向的Ph.D)曾研究过以下一系列定积分:
0π2arccoscosx1+2cosxdx=5π224,0π3arccoscosx1+2cosxdx=2π215,0π2arccos11+2cosxdx=π26,0π3arccos11+2cosxdx=π28,0arccos13arccos1cosx2cosxdx=π26,0π3arccos1cosx2cosxdx=1172π2,0π2arccoscosx1+2cosxdx=π26,0π3arccoscosx1+2cosxdx=5π248.

0π5arccos(3+52(5+2)cosx1+52(5+3)cosx)dx=11π2150,03π5arccos(35+2(52)cosx15+2(53)cosx)dx=61π2150.
\end{theorem}}
{\sihao
\begin{Solution} 下面贴出其中一个积分的解答过程,由西西(王永喜)在某论坛给出. \begin{align*} &\int_0^{\frac{\pi}{3}}{\arccos \left( \frac{1-\cos x}{\text{2}\cos x} \right) dx}=\int_0^{\frac{\pi}{3}}{\text{2}\arctan \sqrt{\frac{\text{3}\cos x-1}{\cos x+1}}dx} \\ &=\int_0^{\pi}{\text{4}\arctan \sqrt{\frac{\text{3}\cos 2y-1}{\cos 2y+1}}dy}\quad \left( x=2y \right) \\ &=\int_0^{\frac{\pi}{6}}{\text{4}\arctan \left( \frac{\sqrt{1-\text{3}\sin ^2y}}{\cos y} \right) dy}=\int_0^{\frac{\pi}{6}}{4\left[ \frac{\pi}{2}-\arctan \left( \frac{\cos y}{\sqrt{1-\text{3}\sin ^2y}} \right) \right] dy} \\ &=\frac{\pi ^2}{3}-4\int_0^{\frac{\pi}{6}}{\arctan \left( \frac{\cos y}{\sqrt{1-\text{3}\sin ^2y}} \right) dy} \\ &=\frac{\pi ^2}{3}-4\int_0^{\frac{\pi}{6}}{\int_0^1{\frac{\cos y}{\sqrt{1-\text{3}\sin ^2y}}\frac{dt}{1-\left( \frac{1-\sin ^2y}{1-\text{3}\sin ^2y} \right) t^2}dy}} \\ &=\frac{\pi ^2}{3}-\int_0^{\frac{\pi}{6}}{\int_0^1{\frac{\text{4}\cos y\sqrt{1-\text{3}\sin ^2y}dt}{\left( 1-\text{3}\sin ^2y \right) +\left( 1-\sin ^2y \right) t^2}dy}} \\ &=\frac{\pi ^2}{3}-\int_0^{\frac{\pi}{3}}{\int_0^1{\frac{4\sqrt{3}\cos ^2wdt}{\text{3}\cos ^2w+\left( 2+\cos ^2w \right) t^2}dw}}\quad \left( \sin w=\sqrt{3}\sin y \right) \\ &=\frac{\pi ^2}{3}-\int_0^{\frac{\pi}{3}}{\int_0^1{\frac{4\sqrt{3}\sec ^2wdt}{\left[ \left( 3+3t^2 \right) +2t^2\tan ^2w \right] \left( 1+\tan ^2w \right)}dw}} \\ &=\frac{\pi ^2}{3}-\int_0^{\sqrt{3}}{\int_0^1{\frac{4\sqrt{3}dtds}{\left[ \left( 3+3t^2 \right) +2t^2s^2 \right] \left( 1+s^2 \right)}}}\ \ \left( s=\tan w \right) \\ &=\frac{\pi ^2}{3}-\int_0^{\sqrt{3}}{\int_0^1{\frac{4\sqrt{3}}{t^2+3}\left( \frac{1}{1+s^2}-\frac{2t^2}{\left( 3t^2+3 \right) +2t^2s^2} \right) dtds}} \\ &=\frac{\pi ^2}{3}-\int_0^1{\frac{4\sqrt{3}}{t^2+3}\left[ \frac{\pi}{3}-\sqrt{\frac{2t^2}{3t^2+3}}\arctan \left( \sqrt{\frac{2t^2}{t^2+1}} \right) \right] dt} \\ &=\frac{\pi ^2}{9}+4\sqrt{2}\int_0^1{\frac{t}{\left( t^2+3 \right) \sqrt{t^2+1}}\arctan \left( \frac{t\sqrt{2}}{\sqrt{t^2+1}} \right) dt} \\ &=\frac{\pi ^2}{9}+\left[ \text{4}\tan ^{-1}\left( \frac{\sqrt{t^2+1}}{\sqrt{2}} \right) \tan ^{-1}\left( \frac{t\sqrt{2}}{\sqrt{t^2+1}} \right) \right] _{0}^{1}\\ &\quad-4\sqrt{2}\int_0^1{\frac{1}{\left( 3t^2+1 \right) \sqrt{t^2+1}}}\tan ^{-1}\left( \frac{\sqrt{t^2+1}}{\sqrt{2}} \right) dt \\ &=\frac{13\pi ^2}{36}-4\sqrt{2}\int_0^1{\frac{1}{\left( 3t^2+1 \right) \sqrt{t^2+1}}\tan ^{-1}\left( \frac{\sqrt{t^2+1}}{\sqrt{2}} \right) dt} \\ &=\frac{5\pi ^2}{36}-\int_0^1{\frac{4}{3t^2+1}\int_0^1{\frac{1}{1+\left( \frac{t^2+1}{2} \right) u^2}}dudt} \\ &=\frac{13\pi ^2}{36}-4\int_0^1{\int_0^1{\frac{1}{u^2+3}\left[ \frac{1}{t^2+\frac{1}{3}}-\frac{1}{t^2+\frac{u^2+2}{u^2}} \right] dudt}} \\ &=\frac{5\pi ^2}{36}+4\int_0^1{\frac{u}{\left( u^2+3 \right) \sqrt{u^2+2}}\tan ^{-1}\left( \frac{u}{\sqrt{u^2+2}} \right) du} \\ &=\frac{5\pi ^2}{36}+4\left[ \tan ^{-1}\sqrt{u^2+2}\tan ^{-1}\left( \frac{u}{\sqrt{u^2+2}} \right) \right] _{0}^{1}-4\int_0^1{\frac{\tan ^{-1}\sqrt{u^2+2}}{\left( u^2+1 \right) \sqrt{u^2+2}}du} \\ &=\frac{13\pi ^2}{36}-4\int_0^1{\frac{\tan ^{-1}\sqrt{u^2+2}}{\left( u^2+1 \right) \sqrt{u^2+2}}du}=\frac{13\pi ^2}{36}-\frac{5\pi ^2}{24}=\frac{11\pi ^2}{72}. \end{align*} \end{Solution}

%\textbf{注.}本题的分布函数是比较复杂的,我用如下的方法尝试了进行计算:

[1] H. S. M. Coxeter. The functions of Schlafli and Lobatschefsky. The Quarterly Journal of Mathematics, (1):13–29, 1935.

[2] H. S. M. Coxeter. A challenging definite integral. Am. Math. Mon., 95:330, 1988.
}

{\erhao
\definecolor{shadethmcolor}{cmyk}{0,.13,.11,0}
\definecolor{shaderulecolor}{cmyk}{0,0.88,0.85,0.35}
\begin{theorem} (XPS023,本本蛋蛋的问题,后面的积分由向老师给出解答)正三角形带电薄片(带正电荷)位于\(\,\Sigma\colon\,x+y+z=-a\)(其中\(\,a>0\))的平面上,且带电薄片限定于\(-a\le x\le 0\)与\(-a\le y\le 0\)之间,其电荷面密度为\(\sigma\),试求出原点处的电场强度\(\boldsymbol{E}\) (矢量). \end{theorem}
}

{\sihao
\begin{Solution}

|E|=3Σ:x+y+z=aσdS4πε0(x2+y2+z2)|x|x2+y2+z2

|E|cosE,i=Σ:x+y+z=aσ|x|dS4πε0(x2+y2+z2)32
|E|cosE,j=Σ:x+y+z=aσ|y|dS4πε0(x2+y2+z2)32
|E|cosE,k=Σ:x+y+z=aσ|z|dS4πε0(x2+y2+z2)32

|E|=3Σ:x+y+z=aσ|x|dS4πε0(x2+y2+z2)32=3σ4πε0Σ:x+y+z=a|x|(x2+y2+z2)32dS=3σ4πε0a0ay03|x|(x2+y2+(axy)2)32dxdy=3σ4πε0a0ay03|x|(x2+y2+(a+x+y)2)32dxdy=3σ4πε00a0ay3x(x2+y2+(axy)2)32dxdy=3σ4πε00a0ayx(x2+y2+(axy)2)32dxdy

0a0ayx(x2+y2+(axy)2)32dxdy=π6
\end{Solution}

}


{\erhao
\definecolor{shadethmcolor}{cmyk}{.10,.10,0,0}
\definecolor{shaderulecolor}{cmyk}{.75,.75,0,.5}
\begin{theorem} (XPS024, IBM官网的挑战题, August 1998)平面上有一个三角形$ABC$,若点$D,E,F$分别在边$AB,BC,CA$上,且$\triangle DEF$为正三角形, $AD=BE=CF$.求证: $\triangle ABC$也为正三角形. \end{theorem}
}

\end{document}

 

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\begin{document}
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\begin{center} {\xiaochuhao \CJKfamily{kd}{Xionger问题与解答} }\\ {\yihao \CJKfamily{kd}{18博的几道初等概率问题} }\\ {\sihao 微信公众号:Xionger的数学小屋\quad 投稿: 2609480070@qq.com} \end{center}

{\erhao

\definecolor{shadethmcolor}{cmyk}{0,.13,.11,0}
\definecolor{shaderulecolor}{cmyk}{0,0.88,0.85,0.35}
\begin{theorem} 一个游戏$100$关,每关得花费一分钟,并且有$1/2$的概率通关.如果某一关没过就得从第一关重新开始,概率还是$1/2$通过,求通关时间的期望. \end{theorem}}
{\sihao
\begin{Solution} 记$X=X_1+X_2+\cdots+X_n$为通关时间,其中$X_i$表示通过整个游戏,即通过第$100$关时在第$i$关玩了多少次, $1\leq i\leq 100$.注意到$\mathbb{E}[X_{100}]=2$且$\mathbb{E}[X_{i-1}]=2\mathbb{E}[X_i]$,因此 \begin{align*} \mathbb{E}\left[ X \right] &=\mathbb{E}\left[ \sum_{i=1}^{100}{X_i} \right] =\sum_{i=1}^{100}{\mathbb{E}\left[ X_i \right]}=\sum_{i=1}^{100}{2^{101-i}}\\ &=\sum_{i=1}^{100}{2^i}=2^{101}-2. \end{align*} \end{Solution}

\textbf{注.}本题的分布函数是比较复杂的,我用如下的方法尝试了进行计算:

记通关时间为n100.
\begin{enumerate}
\item[(1)] 若n=100,则该玩家必定一口气通过所有的100关,概率为12100;

\item[(2)] 若n=101,则该玩家先跪在第一关,然后重新开始一口气通过所有的100关,概率为(112)12100=12101,即1=1+0;

\item[(3)] 若n=102,则该玩家可能连续两次跪在第一关,然后重新开始一口气通过所有的100关;可能先是跪在第二关,然后重新开始一口气通过所有的100关.总的概率为22102=12101,即2=1+1=2+0;

\item[(4)] 若n=103,则该玩家可能连续三次跪在第一关,然后重新开始一口气通过所有的100关;可能先是跪在第二关,然后跪在第一关,接着重新开始一口气通过所有的100关;可能先是跪在第一关,然后跪在第二关,接着重新开始一口气通过所有的100关;另外一种可能是先跪在第三关,然后重新开始一口气通过所有的100关.总的概率为42103=12101,即3=1+1+1=1+2=2+1=3+0;
\end{enumerate}

如此类推4=1+1+1+1=1+1+2=1+2+1=2+1+1=3+1=1+3=2+2=4+0,总共8种分拆方式.对于更大的n,分拆个数也有此规律,因此我猜测:

\textcolor[rgb]{0.00,0.50,0.00}{对于正整数n,满足题意的整数分拆有2n1种.}

由此可得N=100+n的概率为
2n12N=12N+1n=12101.
故所求期望为
E=1002100+N=101N2101.
这说明,此款游戏永远不能通过所有关卡,这是荒谬的!

我很迷惑,求助于冯w,他告诉我里面存在一个分拆的问题,比如200=199+1,这意味着玩家首先没通过第199关,然后没通过第1关;然而本游戏只有100关,这就出现了问题!
}

{\erhao
\definecolor{shadethmcolor}{cmyk}{0,.13,.11,0}
\definecolor{shaderulecolor}{cmyk}{0,0.88,0.85,0.35}
\begin{theorem} 在$(0,1)$上的均匀分布中随机取数,若随机取$n$个数,当它们的求和第一次大于$1$时,就把这个$n$记录下来.求记录下的这个数的期望. \end{theorem}
}

{\sihao
\begin{Solution}
X1,X2,,XnU(0,1), S0=0,Sn=X1+X2++Xn,定义停时
τ=inf{n0:Sn>1}.问题转化为求E[Sτ].

我们可知Snn/2是一个鞅,因为Sτn2,满足最优取样定理的条件,可以得到
E[Sττ/2]=S0=0,因此E[Sτ]=E[τ]/2,只需求E[τ]即可.

考虑到τ是一个在{1,2,3,}上取值的计数随机变量,其期望为
E[τ]=n=1nPr(τ=n)=n=1Pr(τn),
这个公式可以参考钟开莱的《概率论教程》.这里,事件{τn}等价于事件{X1++Xn11},考虑正方体A:{(x1,,xn):0<xi<1}以及单纯形B:{(x1,,xn):0<xi<1,x1+x2++xn1},利用n重积分知识可计算出B的体积为VB=1n!,因此
E[τ]=n=1Pr(X1++Xn11)=n=0Pr(X1++Xn1)=n=0VBVA=n=01n!=e,
因此所求概率为
E[Sτ]=E[τ]/2=e2.
\end{Solution}

\textbf{注.}可以利用Wald方程证明
E[Sτ]=E[τ]E[Xn]=e2.
}


{\erhao
\definecolor{shadethmcolor}{cmyk}{.10,.10,0,0}
\definecolor{shaderulecolor}{cmyk}{.75,.75,0,.5}
\begin{theorem} 在一个圆周上随机取三点,求它们构成钝角三角形的概率. \end{theorem}
}

\end{document}

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