圆覆盖圆的问题(1).doc

圆的最小覆盖唐高翼(B01151140) 指导老师: 林磊摘 要 本论文探讨了用n个圆去覆盖一个圆的最小覆盖问题,给出了n从1到6时子圆的最小半径。关键词 圆的覆盖, 最小半径, 正弦定理Abstract In this paper we research that a circle is covered by n smaller circles, and what is the minimal radius of circles. We find out the minimal radius when n is from 1 to 6.Keyword circle covered by circles, the minimal radius, the sine theorem. 在现代化农业生产中，为了使灌溉自动化。农民们需要在农田里铺设水管，在水管的某处安装喷水笼头。为了更好地利用水资源，必须对喷水笼头的个数，位置进行合理的安排。固定的一块农田，因喷水笼头的个数不同，安装不同，喷水范围不同。抽象到数学中，就是用n个圆去覆盖一个圆,用n个圆去覆盖正方形,长方形,等等.例如用n个大小不同的圆去覆盖一个圆,那么这些圆的半径会是多少呢?为了计算方便,我们不妨设用n个大小相同的圆来覆盖.设被覆盖的圆为母圆,半径设为1。假定要去覆盖母圆的子圆的半径为r。显然r=1时是成立的.那么我们不禁去思考r=,r=时子圆还能覆盖母圆吗? r的最小时又可以等于多少呢?下面我们研究一下n为1,2,3,4,5,6时的最小覆盖问题。一. n=1时,这时只有一个子圆,显然r=1。二. n=2时,这时有两个子圆覆盖母圆,那么必有一个子圆至少覆盖母圆的圆周,这时母圆的直径是子圆的一条弦,所以2r2。因此r=1。三. n=3时,这时有三个子圆覆盖母圆,则必定要覆盖圆周,故至少有一个子圆要覆盖至少的圆周,因此半径至少为,但可找到r=的三子圆覆盖。（如图）。将母圆圆周三等分，得A,B,C三点,分别以AB,BC,AC中点为圆心，弦长为半径分别画圆即得。图四. n=4时,这时有四个子圆覆盖母圆,则四个子圆要覆盖圆周,故至少有一圆要覆盖至少的圆周,因此半径至少为,可找到r=的四子圆覆盖。（如图）。将母圆圆周四等分，得A,B,C,D四点，分别以AB,BC,CD,DA的中点为圆心，弦长为半径分别画圆即得。图 2五. n=5时,这时有五个子圆覆盖母圆,依照母圆圆心与子圆的位置关系,可将五个子圆的排列方式分为:圆心在一个子圆的内部;圆心在三个子圆的边界;圆心在四个子圆的边界;圆心在五个子圆的边界。对于,又可分为两种情况:包含母圆圆心的子圆与母圆圆周不相交,这时只有四个子圆覆盖母圆的圆周,故至少有一个圆要覆盖至少圆周,因此半径至少为。（如图3）。先将母圆圆周四等分，得A,B,C,D四点，分别以AB,BC,CD,DA的中点为圆心，弦长为半径画圆，再以母圆圆心为圆心，弦长为半径画圆即得。图 3包含母圆圆心的子圆与母圆圆周相交（略）. 圆心在三个子圆的边界。（如图4）。因为五个子圆半径相等,所以与母圆圆心相交的子圆所覆盖的母圆圆周相等,设这些母圆圆周所对的圆心角为,由此可得相交圆的半径为r=。那么剩下的母圆圆周为(2-3),它由两个子圆覆盖,故至少有一圆要覆盖至少的圆周。因此半径至少为r=。因为五个子圆半径相等,所以r=r, 由此得,r=。在母圆上取一点A，将它绕圆心旋转角两次，得到B,C两点，再在圆周另一边取一点D，使它与C在圆周上相隔1.313，然后让它绕圆心旋转，得到E，AB,BC,DE与圆心可分别一圆。又分别以线段AE,CD的中点为圆心，A,D为圆上的一点可画圆。图 4 圆心在四个子圆的边界,（如图5）。设与母圆圆心相交的子圆所覆盖的母圆圆周所对的圆心角为。则相交子圆的半径为r=。不与母圆圆心相交的子圆所覆盖的母圆圆周为(2)。这时半径至少为r=sin2。因为五个子圆半径相等,所以r=r, 由此得,r=。在母圆上取一点A，将它绕圆心旋转角角四次，得到B,C,D,E四点，相临两点和圆心可画一圆，又以线段AE中点为圆心，以A为圆上一点又可画一圆。图 5 圆心在五个子圆的边界。（如图6）。这时可知至少有一圆要覆盖至少母圆的圆周。即子圆要覆盖的扇形。因此半径至少为r=。 图6 在母圆上取一点A，将它绕圆心旋转角四次，得到B,C,D,E四点，则AB,BC,CD,DE,EA与圆心可分别画一圆。综上,当五个圆要覆盖一个圆时，其最小半径小于等于。六n6时，这时有六个子圆覆盖母圆，类似n5时，可将母圆圆心与子圆位置关系分为：母圆圆心在一个子圆的内部；在三个子圆的边界；四个子圆的边界；五个子圆的边界；六个子圆的边界。对于，（如图7）。包含母圆圆心的子圆与母圆无交点，因此5个子圆要覆盖母圆的圆周，故至少有一个子圆要覆盖母圆的至少圆周，半径至少为0.618。在五. 的基础上,只需再画一个圆心在母圆圆心，半径为的圆即得。图 7对于，（如图8）。类似于n5时，与母圆圆心相交的子圆要覆盖角为的扇形，因此r=。剩下的三个子圆要覆盖母圆的至少为(2-3)的圆周，故至少有一个子圆要覆盖母圆的至少为的圆周。r=。因为六个子圆半径相等，所以r=r, 由此得,r=。将母圆圆周三等分，得到A,B,C三个三等分点。将它们分别绕圆心旋转角，得D,E,F。则AD,BE,CF与圆心可画一圆，又以线段DB,EC,FA中点为圆心，A,B,C为圆上一点分别画一圆。图 8对于，如图9。类似于n5时，与母圆圆心相交的子圆要覆盖角为的扇形，因此r=。剩下的两个子圆要覆盖母圆的至少为(2)的圆周，故至少有一个子圆要覆盖母圆的至少为的圆周r=cos。因为六个子圆半径相等，所以r=r, 由此得,r=。 在母圆上取一点A，将它绕圆心旋转角两次，得到B,C两点，则将A绕圆心旋转角，得到D点，再将D绕圆心旋转角两次，得到E,F点，则AB,BC,DE,EF与圆心可画一圆，又以CD,FA中点为圆心，A,D为圆上一点又可分别画一圆。图 9对于，（如图10）。类似于n5时，与母圆圆心相交的子圆要覆盖角为的扇形，因此r=。剩下的一个子圆要覆盖母圆的至少为(2)的圆周，r=。因为六个子圆半径相等，所以r=r, 由此得,r=。在母圆圆周上取一点A，将它绕圆心旋转角五次，得到B,C,D,E,F五点，AB,BC,CD,DE,EF与圆心可分别画一圆。又以AF中点为圆心，A为圆上一点又可画一圆。图 10 对于母圆圆心在六个子圆的边界，如图11。由于这六个子圆要覆盖母圆的圆周，故至少有一个子圆要覆盖母圆的扇形，半径至少为，但可找到半径为(0.577)的子圆覆盖母圆。在母圆圆周上取一点A，将它绕圆心旋转角，得到B,C,D,E,F五点，AB,BC,CD,DE,EF,FA可与圆心分别画一圆。图 11综上，当六个相同的圆要覆盖一个圆时，其最小半径约为。参考文献1 董培仁，一个最优化问题的多角度探求，数学通报J，2005年2期。2 袁震东，数学建模与中学数学，数学教学J，2005年1期 3 王玉娇，几何中分类思想的运用，致谢 本论文在林磊老师悉心指导下完成的，从论文的选题，开题到初稿的完成，林磊老师在工作繁忙情况下给我指导，修改，充实，完善。期间，给我提供了很多有参考价值的资料。提出不少意见。我学到了治学的严谨，学到了一种认真踏实的态度。我也学会了一种研究探索的方法，客观的去做，仔细的总结和分析。在此感谢林磊老师！ 8