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猫抓老鼠的简单讨论

两个问题以及其解答

  1. 问题一:有一个圆形的操场,四周都是墙壁,无法逾越。操场里面有一只老鼠和一只猫,猫在努力的捉老鼠。如果老鼠和猫的奔跑速度一样,那么猫一定能够追到老鼠吗?

    正确的结论正是猫永远也追不上老鼠

    我们可以通过数学证明证明出,只要老鼠时刻沿着猫的位置到圆心的位置的连线的垂直方向跑,可以证明出永远也不会追上。数学证明见https://zhuanlan.zhihu.com/p/80701068

  2. 在一个圆形池塘中有一只老鼠,池塘岸边有一只不会游泳的猫。这只老鼠游泳的速度比猫在岸上奔跑的速度要小,但其在岸上奔跑的速度却大于猫的速度。所以,只要老鼠能够在猫还没跑过来的时候游到岸边,那么老鼠就得救了。问,猫的奔跑速度要至少是老鼠游泳速度的多少倍,才能确保抓得住老鼠?

    这道问题的一个简单问法是,假如猫在岸上的速度时老鼠游泳的4倍,那么猫能抓到老鼠吗?

    答案是不能。

    我们可以这么想,老鼠只要在小于1/4r处做绕圆心的圆运动,猫就跟不上老鼠,最终老鼠和猫和圆心会在一条直线上,圆心在老鼠和猫的中间。

    这时候只要老鼠沿着这条直线向远离猫的圆周跑去,假设老鼠的位置距离圆心为x,那么只要

    \[ \frac{r-x}{v_{老鼠}} < \frac{\pi r}{v_{猫}} \]

    老鼠就会比猫先到岸边,这时猫就再也抓不到老鼠了。

    根据猫的速度是老鼠的4倍,

    \[ x = \frac{4-\pi}{4}r \approx0.2146r \]

    所以,只要老鼠在0.2146r到0.25r之间,走到和猫与圆心呈一条直线的位置,猫和老鼠分别在圆心两侧,老鼠往远离猫的方向走,就可以走出。

    原问题问猫的最小速度是多少,才能保证抓住老鼠,依然可以看这篇文章的数学推导https://zhuanlan.zhihu.com/p/80701068