質問<576>
「「ハムスターの道のり(有名な問題です)」」
日付 2001/7/18
質問者 つき


正方形の頂点にそれぞれハムスターがいます。
このとき隣のハムスターまでの距離は10cmとします。
そしてそれぞれハムスターが同時に同速で隣のハムスターに向かって進
んでいくと、ハムスターはらせん状(渦巻状)に進みながら中心まで行
くことになります。そしてハムスターは中心で一緒になることになりま
すが、出発してから一緒になるまでの間にハムスターはどれだけ進むこ
とになるでしょう。

これは速度の概念を用いると解きやすくなります。
あと、極限の概念を用いて解くこともできます。
これら2つとも、高校の範囲で解けます!!
僕はまだ速度のほうしか解けてないんで、いま極限の概念での解き方で
解けるように勉強中です。(勉_勉)

お便り
日付 2001/11/2
回答者 charliebrown


昨日はすばやい対応、ありがとうございました。
未解決問題をいくつか解決しましたので、順を追って解答を送りたいと
思います。

問題576:お互いを追跡するハムスターの道のりの問題
各ハムスターの速さは等しく、常にvで一定とします。四隅を出発して
から中心に到達するまでの時間をTとすれば、求める道のりはvTです。
正方形の対角線方向にxy座標を設定すると、各ハムスターは初め軸上
原点から5\(\sqrt{\quad}\)2cmの点にいます。時刻t=0に追跡運動を開始し、時刻tに
おけるハムスターの位置をP1~P4とすると、対称性から四角形P1P2P3P4
は原点が中心の正方形となります。追跡という性質から、ハムスターの
速度ベクトルはこの四角形の4辺と平行です。この速度ベクトルを、
原点に向かう方向(動径方向)とそれに垂直な方向(回転方向)に
分解すると、原点に向かう成分はv/\(\sqrt{\quad}\)2で(∵△OP1P2は直角二等辺三角形)、
ハムスターの位置にかかわらず一定です。したがってハムスターは螺旋
を描きながら、一定の速さv/\(\sqrt{\quad}\)2で原点に近づいていきます。
以上から、原点に到達する時間は、T=5\(\sqrt{\quad}\)2÷(v/\(\sqrt{\quad}\)2)=\(\frac{10}{v}\)。
∴vT=10[cm] となります。
結果はハムスターの速さvによらず、常に初めのハムスター間距離10cmと
等しくなります!

高校生の数学IIIまでの知識で十分理解できるように解答を書きましたが、
実際にこの問題を解くには微分方程式が必要です。ハムスターの回転角を
θとすると、微分方程式を解けば、θ=log{10/(10-vt)}(初期条件t=0でθ=0)
となります。