Three Sticks


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题目

有三根木棍,当前不能组成三角形;也就是说,其中最长的一根长度大于另外两根长度之和。

你把这根最长木棍截短,截去的长度恰好等于另外两根长度之和。这样又得到三根木棍。

如果这三根仍然不能组成三角形,就再次对当前最长的一根做同样操作:截去“其余两根长度之和”这么多。

如此反复,直到三根木棍可以组成三角形,或者最长那根被截到完全消失。

问:这个过程有可能永远进行下去吗?

分析

可以,确实有可能无限进行。

构造一个“做完一次操作后,三根木棍的比例关系完全不变”的例子即可。

设初始三边满足\(a\lt b\lt c\),且\(c\gt a+b\),所以不能组成三角形。对最长边\(c\)做一次操作后,三边变成\(a,b,c-a-b\)

如果我们希望新三边与原三边只是按同一比例缩小并重新排序,那么最自然的要求就是\(c-a-b\lt a\lt b\),并且:

\[ \frac{b}{a}=\frac{c}{b}=\frac{a}{c-a-b}.\]

这里隐含了一个额外约束:原来最长的那根被截短后,变成了新的最短边。这不是题目给出的前提,而是我们为了做“自相似构造”主动加上的条件。只要能构造出这样一种特殊情形,就已经足以说明“这个过程可以无限进行”。

设上述公共比值为\(r>1\),那么三边可写成与\(1,r,r^2\)成比例,而截短后的新边则与\(\frac{1}{r}\)成比例。所以必须有\(\frac{1}{r^2-r-1}=r\),也就是:

\[ r^3-r^2-r-1=0.\]

这个方程有唯一正根

\[ r\approx1.839286.\]

于是我们可以取初始三边为

\[ a,ar,ar^2.\]

做一次操作后,最长边\(ar^2\)变为

\[ ar^2-(a+ar)=a(r^2-r-1)=\frac{a}{r}\]

因此新三边正好是

\[ \frac{a}{r},a,ar,\]

这恰好是原来三边整体缩小\(\frac{1}{r}\)倍后的结果。

另外,由

\[ r^2-r-1=\frac{1}{r}>0\]

可知\(ar^2>a+ar\),所以初始确实不能组成三角形;而缩放并不会改变这一性质,因此以后每一步也都仍然不能组成三角形。

这样一来,每做一步都只是把三边同时乘上\(\frac{1}{r}\),比例关系始终不变;因此它们永远不会组成三角形,而最长边在任何有限步后也都不会恰好变成\(0\)。所以这个过程可以无限进行下去。

补充:上面的“无限进行”是纯数学意义下的理想化结论,把木棍看成可以无限细分的连续线段。若回到物理世界,真要一直切下去,迟早要把问题交给量子尺度甚至普朗克尺度;到那时,限制我们的就不只是三角形不等式,而是整个物理学了。

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