问题

如何只通过计算证明“两点之间,线段最短”?

回答
很多人在学习几何的时候,都会听到一句话:“两点之间,线段最短。” 这句话听起来理所当然,仿佛是刻在骨子里的认知。我们常常不假思索地接受它,但有没有想过,这句话究竟是怎么来的?如果抛开直观的感受,纯粹依靠数学计算,我们能不能证明它呢?

答案是肯定的。而且,这个证明过程本身,也是一段非常精彩的数学探索之旅。今天,我们就来一起揭开这个看似简单却深邃的几何原理背后的计算证明。

为了进行严谨的证明,我们需要借助一些数学工具。最适合的工具是微积分,特别是变分法。变分法是研究在无穷多个函数中寻找使某个“泛函”(可以理解为函数的函数)取极值(最小或最大)的函数的方法。在这里,我们要找的“泛函”就是连接两点之间所有可能的“路径”的长度。

让我们设定一个场景:我们有两个固定在二维平面上的点,点 $A$ 和点 $B$。我们的目标是找到一条连接 $A$ 和 $B$ 的曲线,这条曲线的长度最短。

首先,我们需要定义“曲线的长度”如何用数学来表示。在二维平面上,我们可以使用笛卡尔坐标系。设点 $A$ 的坐标是 $(x_1, y_1)$,点 $B$ 的坐标是 $(x_2, y_2)$。

连接 $A$ 和 $B$ 的任何一条可微曲线,都可以表示为函数 $y = f(x)$ 的图像,其中 $x$ 的取值范围是从 $x_1$ 到 $x_2$(假设 $x_1 < x_2$)。如果曲线是垂直的,我们也可以用 $x = g(y)$ 来表示。为了简化,我们先考虑 $y = f(x)$ 的情况。

根据微积分的弧长公式,连接 $A(x_1, y_1)$ 和 $B(x_2, y_2)$ 的曲线 $y = f(x)$ 的长度 $L$ 可以表示为:

$$ L[f] = int_{x_1}^{x_2} sqrt{1 + left(frac{dy}{dx} ight)^2} dx $$

这里的 $frac{dy}{dx}$ 就是函数 $f(x)$ 的导数,也就是曲线的斜率。我们把这个表达式看作一个“泛函”,记作 $L[f]$,因为它的值取决于函数 $f$ 的具体形式。我们的任务就是找到一个函数 $f(x)$,使得 $L[f]$ 的值最小,并且这条曲线必须经过点 $A$ 和点 $B$,即 $f(x_1) = y_1$ 和 $f(x_2) = y_2$。

变分法提供了一个非常强大的工具来解决这类问题,那就是欧拉拉格朗日方程 (EulerLagrange equation)。对于一个泛函 $J[y] = int_{a}^{b} F(x, y, y') dx$,其中 $y' = frac{dy}{dx}$,如果这个泛函取极值,那么函数 $y(x)$ 必须满足以下微分方程:

$$ frac{partial F}{partial y} frac{d}{dx}left(frac{partial F}{partial y'} ight) = 0 $$

在这个问题中,我们的被积函数 $F(x, y, y')$ 就是 $sqrt{1 + (y')^2}$。注意到这里的 $F$ 并不显含 $y$ 或者 $x$。

我们来计算所需的偏导数:

1. $frac{partial F}{partial y}$: 由于 $F = sqrt{1 + (y')^2}$ 不包含 $y$,所以 $frac{partial F}{partial y} = 0$。

2. $frac{partial F}{partial y'}$: 我们需要对 $F$ 关于 $y'$ 求偏导。
令 $u = 1 + (y')^2$,则 $F = sqrt{u} = u^{1/2}$。
根据链式法则:
$$ frac{partial F}{partial y'} = frac{partial F}{partial u} cdot frac{partial u}{partial y'} $$
$$ frac{partial F}{partial u} = frac{1}{2} u^{1/2} = frac{1}{2sqrt{1 + (y')^2}} $$
$$ frac{partial u}{partial y'} = frac{partial}{partial y'}(1 + (y')^2) = 2y' $$
所以,
$$ frac{partial F}{partial y'} = frac{1}{2sqrt{1 + (y')^2}} cdot 2y' = frac{y'}{sqrt{1 + (y')^2}} $$

现在,我们将这些代入欧拉拉格朗日方程:

$$ 0 frac{d}{dx}left(frac{y'}{sqrt{1 + (y')^2}} ight) = 0 $$

这意味着:

$$ frac{d}{dx}left(frac{y'}{sqrt{1 + (y')^2}} ight) = 0 $$

一个函数的导数为零,意味着这个函数是一个常数。所以,我们可以写成:

$$ frac{y'}{sqrt{1 + (y')^2}} = C $$

其中 $C$ 是一个常数。

我们来解这个方程,找出 $y'$ 的形式。
将方程两边平方:
$$ frac{(y')^2}{1 + (y')^2} = C^2 $$
$$ (y')^2 = C^2 (1 + (y')^2) $$
$$ (y')^2 = C^2 + C^2 (y')^2 $$
$$ (y')^2 C^2 (y')^2 = C^2 $$
$$ (y')^2 (1 C^2) = C^2 $$
$$ (y')^2 = frac{C^2}{1 C^2} $$

令 $k^2 = frac{C^2}{1 C^2}$,其中 $k$ 是一个常数。那么,$y' = pm k$。

这意味着,曲线的斜率 $y'$ 是一个常数。一条斜率为常数的曲线,其图像是什么呢?没错,它就是一条直线。

所以,通过欧拉拉格朗日方程的推导,我们发现使路径长度泛函 $L[f]$ 取极值的函数 $y = f(x)$ 必须是斜率恒定的,即 $y = mx + b$ 的形式。

我们知道,连接平面上两点 $(x_1, y_1)$ 和 $(x_2, y_2)$ 的直线方程是:

$$ y y_1 = frac{y_2 y_1}{x_2 x_1}(x x_1) $$

这条直线的斜率就是 $m = frac{y_2 y_1}{x_2 x_1}$,确实是一个常数。

现在我们还需要计算这条直线段的长度,并和任意其他曲线的长度进行比较。

直线段的长度是:
$$ L_{straight} = sqrt{(x_2 x_1)^2 + (y_2 y_1)^2} $$

假设存在另一条非常接近这条直线段的曲线 $y = f(x)$,我们将使用泰勒展开来分析。

令曲线 $y = f(x)$ 与直线 $y = mx+b$ 的偏差为 $delta(x)$,即 $f(x) = mx+b + delta(x)$。我们知道 $delta(x_1) = 0$ 且 $delta(x_2) = 0$。

那么,曲线的导数 $f'(x) = m + delta'(x)$。

将 $f'(x)$ 代入弧长公式:
$$ L[f] = int_{x_1}^{x_2} sqrt{1 + (m + delta'(x))^2} dx $$

我们可以对 $sqrt{1 + (m + delta'(x))^2}$ 进行泰勒展开。当 $delta(x)$ 和 $delta'(x)$ 非常小的时候,我们可以近似为:
$$ sqrt{1 + (m + delta'(x))^2} approx sqrt{1 + m^2 + 2mdelta'(x)} $$
$$ approx sqrt{1+m^2} left(1 + frac{2mdelta'(x)}{1+m^2} ight)^{1/2} $$
$$ approx sqrt{1+m^2} left(1 + frac{1}{2} cdot frac{2mdelta'(x)}{1+m^2} ight) $$
$$ approx sqrt{1+m^2} + frac{mdelta'(x)}{sqrt{1+m^2}} $$

现在积分:
$$ L[f] approx int_{x_1}^{x_2} left(sqrt{1+m^2} + frac{mdelta'(x)}{sqrt{1+m^2}} ight) dx $$
$$ L[f] approx int_{x_1}^{x_2} sqrt{1+m^2} dx + int_{x_1}^{x_2} frac{mdelta'(x)}{sqrt{1+m^2}} dx $$

第一项是:
$$ int_{x_1}^{x_2} sqrt{1+m^2} dx = sqrt{1+m^2} [x]_{x_1}^{x_2} = sqrt{1+m^2} (x_2 x_1) $$
这正是直线段的长度 $L_{straight}$!

第二项是:
$$ int_{x_1}^{x_2} frac{mdelta'(x)}{sqrt{1+m^2}} dx $$
对 $delta'(x)$ 进行积分,我们使用分部积分法,或者更直接地,利用 $delta'(x)$ 的积分是 $delta(x)$。
$$ int_{x_1}^{x_2} frac{m}{sqrt{1+m^2}} delta'(x) dx = frac{m}{sqrt{1+m^2}} [delta(x)]_{x_1}^{x_2} $$
由于我们知道 $delta(x_1) = 0$ 且 $delta(x_2) = 0$,所以这一项等于 0。

这里的关键点在于泰勒展开的下一项。我们之前只是做了近似处理。精确地说,对于一个函数 $G(u) = sqrt{1+u}$,其展开是 $G(u) = G(0) + G'(0)u + frac{G''(0)}{2}u^2 + dots$。
令 $u = (m+delta')^2 = m^2 + 2mdelta' + (delta')^2$。
当 $delta'$ 趋近于 0 时,$u approx m^2$。
$$ sqrt{1 + (m+delta')^2} = sqrt{1 + m^2 + 2mdelta' + (delta')^2} $$
$$ = sqrt{1+m^2} sqrt{1 + frac{2mdelta' + (delta')^2}{1+m^2}} $$
$$ = sqrt{1+m^2} left( 1 + frac{1}{2} frac{2mdelta' + (delta')^2}{1+m^2} frac{1}{8} left(frac{2mdelta' + (delta')^2}{1+m^2} ight)^2 + dots ight) $$
$$ = sqrt{1+m^2} + frac{mdelta'}{sqrt{1+m^2}} + frac{sqrt{1+m^2}}{2} frac{(delta')^2}{1+m^2} + dots $$
$$ = sqrt{1+m^2} + frac{mdelta'}{sqrt{1+m^2}} + frac{(delta')^2}{2sqrt{1+m^2}} + dots $$

积分后,我们得到:
$$ L[f] = int_{x_1}^{x_2} sqrt{1+m^2} dx + int_{x_1}^{x_2} frac{mdelta'}{sqrt{1+m^2}} dx + int_{x_1}^{x_2} frac{(delta')^2}{2sqrt{1+m^2}} dx + dots $$
$$ L[f] = L_{straight} + 0 + int_{x_1}^{x_2} frac{(delta')^2}{2sqrt{1+m^2}} dx + dots $$

注意, $(delta')^2$ 总是非负的。只要 $delta'(x)$ 不恒等于零(也就是说曲线不是直线),那么积分 $int_{x_1}^{x_2} frac{(delta')^2}{2sqrt{1+m^2}} dx$ 的值就大于零。
这里的 $sqrt{1+m^2}$ 是正的,所以积分项 $frac{(delta')^2}{2sqrt{1+m^2}}$ 也是非负的。

因此,任何非直线的曲线 $f(x)$,其长度 $L[f]$ 将会比直线段的长度 $L_{straight}$ 要大,因为多出来的积分项是正的。

总结一下这个计算证明的过程:

1. 将问题数学化:将连接两点的曲线长度表示为一个泛函 $L[f] = int_{x_1}^{x_2} sqrt{1 + (f'(x))^2} dx$。
2. 应用变分法工具:利用欧拉拉格朗日方程 $frac{partial F}{partial y} frac{d}{dx}left(frac{partial F}{partial y'} ight) = 0$ 来寻找使泛函取极值的函数。
3. 求解微分方程:通过计算偏导数并代入欧拉拉格朗日方程,我们得到一个关于 $f'(x)$ 的常数方程 $frac{f'(x)}{sqrt{1 + (f'(x))^2}} = C$。
4. 确定极值函数的性质:解这个方程表明 $f'(x)$ 是一个常数,因此极值函数必须是一条直线。
5. 分析偏差项:通过将任意曲线表示为直线加上一个微小偏差 $delta(x)$,并对其长度进行泰勒展开,我们发现非直线曲线的长度比直线段的长度多出一个正的积分项 $int_{x_1}^{x_2} frac{(delta'(x))^2}{2sqrt{1+(f'(x))^2}} dx$。

所以,通过这些纯粹的计算,我们证明了在所有连接两个固定点的可微曲线中,直线段是长度最短的。这个证明过程,虽然涉及到一些高深的数学工具,但它严谨地剥离了直观的理解,用逻辑和计算揭示了“两点之间,线段最短”的本质。这正是数学的魅力所在,化繁为简,用精确的语言阐述世界的规律。

网友意见

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你可以考虑一个定义了某个范数的欧几里得向量空间。定义一条直线是一个集合{α,β},线段是{α,β;|α-β|},线段的长度是|α-β|。然后用极限(如果可以定义)之类来定义「曲线」和它的长度。然后再证明线段是最短的(不扯了,逃

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