– 我讨厌“快速增长5厘米”之类的垃圾邮件
– 操！我他妈的连向量都还不是呢！

来源：http://brownsharpie.courtneygibbons.org/?p=508
另，可爱的叉烧妖MM给我推荐了一个有意思的东西，大家可以去看看。

  
    给定一个大圆C，里面的六个小圆均内切于圆C。如果这六个小圆中每相邻两个小圆均外切，则连接相对的内切点所成的三条线段共点。
    这是一个非常漂亮的结论。它的证明比较复杂。如果你能独立想出来的话，你就牛B了。大家不妨来挑战一下。

      
    Stanley Rabinowitz于1975给出了一个简单的初等证明。证明的关键在于下面的这个引理：圆周上有A、B、C、D、E、F六点，线段AD、BE、CF共点当且仅当AB·CD·EF=BC·DE·FA。
    引理的证明其实很简单。注意到圆周角∠CBE和∠CFE相等，圆周角∠BCF和∠BEF相等，于是△CPB∽△EPF。类似地，每一组相对的三角形都相似。于是，我们有：

  AB/DE = PA/PE
  CD/FA = PC/PA
  EF/BC = PF/PB
  PC/PE = PB/PF

    等式左边右边分别乘起来，结论也就证到了。
    引理的充分性也是类似的。假设AB·CD·EF=BC·DE·FA但三线不共点，令某两条线段（比如BE和CF）的交点为P，延长AP交圆于X，则有AB·CX·EF=BC·XE·FA，两式一比较我们就发现CX/XE=CD/DE，那只有可能是点X与点D重合。

    下面我们的任务就简单了：假如已知圆C的半径为R，圆P和圆Q外切且分别与圆C内切，半径分别为p和q，我们需要想办法求出线段AB的长度。

  
    延长AM交圆C于D，延长BM交圆C于E。△ACD和△APM都是等腰三角形，且有一个公共角∠A，因此这两个三角形相似，从而推出CD∥MP；同理，CE∥MQ。但PMQ在一条直线上，因此DCE也是一条直线。注意到圆周角∠EBA=∠EDA，且∠BAD=∠BED。于是我们发现△ABM和△EDM也是相似的，即AB/DE=AM/EM=BM/DM。但DE等于2R，于是有：
  AB/2R · AB/2R
= AM/EM · BM/DM
= AM/DM · BM/EM
= AP/CP · BQ/CQ
= p(R – p) · q(R – q)

    现在，把这个结论同时运用到六对外切圆上。假如六个圆与圆C的切点分别为A1、A2、A3、A4、A5、A6，则有：
   (A1A2 · A3A4 · A5A6)^2
=  64R^6 · r1(R-r1)·r2(R-r2)·r3(R-r3)·r4(R-r4)·r5(R-r5)·r6(R-r6)
=  (A2A3 · A4A5 · A6A1)^2
    那么A1A2·A3A4·A5A6=A2A3·A4A5·A6A1，由前面的引理我们就知道了A1A4、A2A5、A3A6三线共点。

来源：http://www.cut-the-knot.org/Curriculum/Geometry/SevenCirclesTheorem.shtml

        
    任意给定一个三角形ABC。令M为BC上的中点，令H为BC上的垂足。角A的平分线与BC交于点D。过B、C分别向角平分线AD作垂线，垂足分别为P、Q。证明H、P、M、Q四点共圆。
    证明过程不复杂，几句话就说完了。但如果你能独立想出证明过程来的话也不简单。继续看下去前不妨先试试看。

        
    结论看起来似乎很神奇，但证明过程却并没有什么很特别的地方。
    为了说明四点共圆，我们下面说明圆周角∠HQP=∠HMP。首先我们证明，∠HQP=∠ACB。由于∠AHC=∠AQC=90°，因此A、H、Q、C四点共圆，于是圆周角∠HQP=∠ACB。然后我们证明，∠ACB=∠HMP。延长BP后你会发现，P是BR的中点（AP既是角平分线又是垂线，等腰三角形三线合一），而M是BC的中点，于是PM∥RC，当然就有∠ACB=∠HMP。

题目来源：http://www.cut-the-knot.org/Curriculum/Geometry/BalticDarij1.shtml
平面几何真好玩啊……怀念一下初中的美好时光。

    据说，17世纪时，大数学家Fermat曾向意大利的物理学家和数学家Torricelli提出过这样一个问题：在已知锐角三角形ABC内求一点P，使得PA+PB+PC最小。Torricelli证明了，这个点是存在的，且∠APB=∠BPC=∠CPA=120°。他还指出，若分别以AB、BC、AC为边向外作等边三角形ABC'、BCA'、ACB'，则AA'、BB'、CC'三线共点，交点即为所求的点P。这个点后来被称为Fermat点，通常记作F。这个定理有很多种证明，这里我们先介绍一种比较简单的证明方法。
  
    考虑三角形内任一点P，将△ABP绕点B旋转60°得到△C'BP'。显然，△BPP'是等边三角形，PB=P'P；同时，PA也转移到了C'P'，于是PA+PB+PC=C'P'+P'P+PC，P点到三个顶点的距离和转换为了一条从C'到C的折线段。注意C'的位置是和P无关的（C'AB始终成等边三角形），因此折线段C'P'PC的长度的最小值即为CC'的长度。这个最小值是可以达到的，即P和P'可以恰好落在CC'上。如果点P在CC'上且∠APB=120°，则旋转之后∠C'P'B也等于120°，正好与∠BP'P组成一个平角，于是C'、P'、P、C四个点都在一条直线上，C'P'+P'P+PC达到最小。这个点就是我们要求的Fermat点F。注意这个点F满足以下两条性质：在等边三角形顶点C'与原三角形顶点C的连线上，对AB张角为120°。由对称性，∠BFC和∠CFA也都等于120°，且点F同时也在BB'和CC'上。这也说明了为什么AA'、BB'、CC'三线共点。

  
    这个题目真正有趣的地方在于，它有一个非常简单的物理解法。我们可以用Fermat原理来说明，为什么Fermat点F满足∠AFB=∠BFC=∠CFA=120°。假设我们固定AF的长度，那么F点的轨迹是一个以A为圆心的圆。当BF+FC达到最小时，路径B->F->C必然符合光的传播性质，反射点F满足入射角等于反射角，也就是说AF的延长线（即法线）平分∠BFC。同样地，固定BF的长度，则要想AF+FC最小，BF的延长线必须平分∠AFC。类似地，还有CF的延长线平分∠AFB。只有上述三个角平分关系同时成立时，AF+BF+CF才能达到最小，否则我总可以调整它们间的角度使其变得更优。再加上对顶角相等，我们立即看到，右图中所有这6个角全都等于60°。这样，我们就得到了先前证明的结论：存在点F使得它到A、B、C的距离和最小，此时∠AFB=∠BFC=∠CFA=120°。

    上面的这个问题有一个扩展，叫做广义Fermat点问题。考虑平面上n个点A1, A2, …, An，每个点都有一个权值W1, W2, …, Wn，广义Fermat点是这样的一个点P，它使得ΣPAi*Wi达到最小。广义Fermat点更具一般性，有非常高的实用价值。比如，城区里有n个住宅区，第i个住宅区里有Wi个人，问邮局设在哪里可以使所有人到邮局的总路程最短。目前，广义Fermat点问题还没有一般结论，但它可以通过力学模拟法完美解决。我们可以用力学模拟法说明，这个广义Fermat点是唯一存在的。事实上，我们可以建立力学模型找出这个点来。
  
    取一块木板，在木板上标出n个点所在的位置，各钻一个小孔。再找n条同样长的细绳，把所有绳子的其中一头扎结于一点；第i根绳子从木板上点Ai处的小孔穿过去，绳子另一头系上一个重Wi的砝码。所有准备工作就绪后，把木板水平悬在空中，此力学系统平衡后绳结所在的位置即为所求的点P。这是为什么呢？
    道理很简单。重物悬挂的位置有尽可能往低处走的趋向，此时重力势能转化为动能；当整个系统静止时，势能应该达到最小。假如我们用Hi来表示静止时第i个砝码离地面的距离，那么此时ΣHi*Wi达到最小。由于木板与地板之间的距离一定，因此ΣLi*Wi达到最大。又由于绳长为定值，所以ΣPAi*Wi达到最小。

Matrix67原创
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    前两篇文章中，我们提到了两个用杠杆原理解决数学问题的例子。这篇文章将从另一个物理领域出发，探索光学的一个重要原理与几何极值问题的关系。
    物理学的美不仅仅表现在简洁的公式上。我们还惊奇地发现，很多物理现象都是按照使某个变量达到极值的方式发生。一个典型的例子就是Fermat原理，它指出了光的传播路径的一个重要规律：光总是沿着所花时间最短的路径传播。这里我们将简单介绍一下Fermat原理，该系列后面的文章里将会用到这一原理。
    Fermat原理俗称“最快到达原理”、“最小时间原理”，意思是光线传播的路径总是满足这样一个规律：它总能使光在最短的时间内到达目的地。这个原理完美地统一了直线传播定律、反射定律和Snell定律，解释了为什么光线总是沿直线传播，为什么入射角等于反射角，以及光线在不同介质间传播为什么会发生折射现象。
    在Ted Chiang的著名科幻小说The Story of Your Life里有这样一段形象的描述：

    “好，这是一条光线从空气射进水中所走的路线。在碰到水面前，光线沿着直线前进；水有不同的折射率，所以光改变了前进方向。你以前听过这个，对吗？”
    我点点头，“当然。”
    “现在关于光所走路线有个有趣的性质。这条路线是这两点之间可能的最快的路线。”
    “又来了？”
    “想象一下，光线沿着这条路线前进。”他在图解中加了条虚线。
    “这条假想中的路线比光实际走的路线要短。但是光在水中前进的速度比在空气中小，而这条假想的路线的很大一部分是在水中的，所以光沿着这条假想的路线所花的时间要比沿着实际路线要长。”
    “好，我明白了。”
    “现在想象一下，假设光沿和另一条路线前进。”他画了第二条虚线。
    “这条路线减少了在水中的比例，但总长增加了。光沿着这条假想的路线所花的时间也要比沿着实际路线要长。”
    Gary放下粉笔，用蘸着粉笔屑的手指指着黑板上的图解，“任何假想的路线都比实际的要花更多的时间。换一句话说，光线走的路线是最有可能走得走快的一条。这就是Fermat定理的最小时间原理。”

    你发现Fermat原理有什么奇怪的地方了吗？你是不是感觉Fermat原理很诡异，但自己也说不清楚到底是为什么诡异？仔细想想你会发现，“最快到达”这种原理显然是不符合我们的行为方式的：假如我是光，我的传播规律是“最快到达”，但此时我要传播到哪里还不知道呢。Ted Chiang的小说对此也做出了详细的描述：

    “然而我仍要问你关于Fermat定理的东西。它的一些东西让我感到奇怪，但我不能正确指出那是什么。它只是不像是物理法则。”
     Gary的眼睛闪了一下，“我打赌我知道你想谈什么，”他用筷子把锅贴夹成两半，“你习惯于用起因和结果来思考折射：光照到水面上是起因，方向的变化是结果。但Fermat定理听上去很古怪，因为它以目的的形式来描述光的行为。它就像是光线的指挥官，‘你应该将抵达目的的时间最小化或最大化。’”
    我想了一下，“继续说。”
    “这是物理法则的一个老问题。人们在17世纪Fermat定理第一次成形时就一直在谈论它。Planck写了好几卷。本质是，普通的物理法则的表述是具有因果关系的，而像Fermat定理的可变法则具有目的性，几乎是目的论。”
    “嗯，这样解释道挺有趣。让我想一下。”我拿起一支标签笔，在餐巾纸上画了幅图解，就是Gary在我的黑板上画的那幅，“好，”我想我很大声地说道，“那么让我们假设光的目的是要沿着最快的路线前进。这样的话，光如何走呢？”
    “好吧，假若按人类行为学来说，光得检验每条可能的路线并计算每条得花多少时间。”他从盘子里戳起最后一块锅贴。
    “那样做的话，”我继续道，“光线得知道目的在哪儿。假如目的地在某某其他地方，最快的路线就会不同。”
    Gary再次点点头，“完全正确。‘最快的路线’的概念是无意义的，除非有特定的目的地。计算沿着一条假想的路线需多长时间也需要关于在这条路线上有什么东西的信息，比如水面在哪？”
    我继续看着纸巾上的图解，“在光开始移动前，它得事先知道所有这一切，对吗？”
    “这样说来，”Gary说，“光线不能沿着老路前进，然后再在后来返回。因为引起这样行为的路线不是最快的。在一开始光就已经做好了全部的计算。”
    我心中暗想，在光线能够选择它移动的方向前，它已经知道它最终会在那里结束。我知道这让我想起了什么，我抬起头看着Gary，“这让我困扰。”

  
    上面的论述似乎很抽象。我们来看一个实际的数学问题。这个问题有点怪，和其它的问题很不一样。给出一个点A，给出两个圆O1、O2，再给定O1上的一点B，问O2上是否存在一点C，使得B点的位置恰好能让AB+BC达到最小，也即对于O1上异于B的任一点B'都有AB'+B'C > AB+BC。你一时间可能找不到这个点C，这很正常，但光可以立即找到这个点C。因为从Fermat原理的角度看，光的思维方式是“逆向”的，这个别扭的题目正好顺应了它的思维方式。只要沿AB发射一条光线，在圆O1表面上发生反射后的光线与O2的交点即为点C。因为，A->B->C这条光路符合光的传播性质，这条路径是所有经过O1上一点到C的路径中最短的一条，其它所有的B'都会使光程增加。事实上，光就有这种神奇的本领：不管之前有过多少反射点，有过多少折射点，这条光线今后传播到的每一个点都满足这种无比别扭的“以它为终点则前面的定点均已达到最优”的性质。对于光来说，这是顺理成章的事；但从我们的角度来看，还没到目的地便能确保路径最优是很不可思议的。我们会习惯性地认为，光从A点出发往B走之前必须得先知道它的终点是C，然后才会知道B可以使光程最短，因此它才会往B走。这是明显有悖于我们熟知的因果关系的。或许说，这个世界本没有什么因果关系，仅仅是因为人类的思维被禁锢在了因果链式思维中？

    接下来，我们举两个火星例子。两个都是经典的小学奥赛题。
  
    问题1：给定直线l同侧的两点A和B，在直线上找一点C使得折线ACB最短。
    问题2：角ABC内有一点P，请在AB上找一点M，BC上找一点N，使得三角形PMN的周长最短。
    类似的问题还有很多。很多这类几何极值问题都和Fermat原理有直接