116. Shoelaces at the Airport


你正在奥黑尔机场(O'Hare)走向登机口,途中要系一次鞋带。前方刚好有一段你打算使用的自动步道(moving walkway)。为了尽快到达登机口,你应该现在就停下来系鞋带,还是等走上自动步道以后再系?

答案是:等走上自动步道以后再系。

关键在于,系鞋带的这段时间里你本人是站着不动的,但在步道上你仍会被步道带着继续前进;站在实地上却会完全停住。因此把这段“干等”放到步道上,可以让步道替你免费地走一小段路。

设你相对所站表面的步行速度为\(w\)(在实地上即为相对地面的速度),自动步道速度为\(v\),步道长度为\(L\),系鞋带需时为\(t\),全程距离(起点到登机口)为\(D\)。无论在哪里系鞋带,都要花掉同样的时间\(t\),区别只在于这段时间里你有没有向前移动。

情形一:在实地上系。 你在实地上站定\(t\),位置完全不动。此外你仍要走过长度为\(L\)的步道(速度\(w+v\))和长度为\(D-L\)的实地(速度\(w\)):

\[ T_{\text{地}} = t + \frac{D-L}{w} + \frac{L}{w+v}.\]

情形二:在步道上系。 你在步道上站定\(t\),期间被步道向前带动\(vt\),于是仍需自己步行的步道只剩\(L-vt\):

\[ T_{\text{道}} = t + \frac{D-L}{w} + \frac{L-vt}{w+v}.\]

(这里假定步道足够长,即\(vt\le L\);真实的步道很长,而系鞋带只要几秒,所以这一步是合理的。事实上,在步道上任意位置系鞋带,结论都一样。)

两式相减:

\[ T_{\text{地}} - T_{\text{道}} = \frac{L}{w+v} - \frac{L-vt}{w+v} = \frac{vt}{w+v} > 0.\]

所以在步道上系总是更快,节省的时间恰好是\(\frac{vt}{w+v}\)。

让两个人同时同速出发:甲在踏上步道前停下系鞋带,乙踏上步道后再停下系鞋带。停下的这段时间里,乙正被步道向前送,于是乙领先了\(vt\);而甲白白站了\(t\),一步也没挪。系完后两人再以相同的速度走,乙自然始终领先,先到登机口。也就是说,步道会把“干等”的那段时间变成一小段免费路程,而站在实地上干等则一无所获。

把结论反过来想也很有意思:如果途中要加速冲刺(而不是停顿),那就应当留到离开步道之后再冲刺。因为步道本身已经给你加了\(v\),在步道上冲刺所能多出来的相对收益反而更小;而停顿(速度降为\(0\))恰恰相反,放在步道上最划算。一句话:停顿安排在步道上,冲刺安排在实地上。

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