Примени математику

12.3. Киоск нужно установить в любой точке, по обе стороны от которой расположено одинаковое количество домов (рис. 29). Если общее число домов нечетно, а сами дома находятся, скажем, в точках А₁, А₂, ..., A_k, О, B_k, ..., В₂, B₁, то киоск нужно поставить у дома О. Если же общее число домов четно, а сами дома находятся в точках А₁, А₂, ..., A_k, B_k, ..., В₂, B₁, то киоск можно поставить в любой точке О между домами A_k и B_k. Действительно, общая сумма расстояний от киоска до всех домов складывается из расстояния от киоска до среднего дома О (если таковой имеется) и сумм расстояний от киоска до каждой пары домов A_i и B_i, где i = 1, ..., k. При этом любая из указанных сумм не превосходит соответственно величины A_iB_i а равна ей тогда и только тогда, когда киоск находится между домами A_i, B_i. Таким образом, необходимым и достаточным условием минимальности общей суммы является принадлежность точки установки киоска каждому из отрезков А₁В₁, A₂В₂, ..., A_kB_k и, кроме того, совпадение этой точки с точкой О среднего дома, если число домов нечетно.

Рис. 29

12.4. Школу следует построить в том из населенных пунктов А или В, в котором живет больше детей. Действительно, пусть для определенности таким пунктом является пункт А. Тогда если школа расположена в некоторой точке О, то затраты на перевозку детей пропорциональны величине

которая не может быть меньше, чем b*АВ, так как а>b, ОА≥0 и ОА + ОВ≥АВ. С другой стороны, указанная величина принимает как раз значение b*АВ, но только в единственном случае - когда точка О совпадает с точкой А.

12.5. Один из двух населенных пунктов А или В, например В, отразим симметрично относительно канала (точнее, относительно его ближайшего берега). Если мы соединим отрезком полученную точку С с точкой A, то точка D пересечения этого отрезка с каналом и будет искомой точкой расположения водонапорной башни (рис. 30). В самом деле, для любой другой точки Е на том же берегу канала суммарная длина труб до точек A и В будет равна суммарной длине труб до точек A и С (в силу симметрии относительно канала имеем равенства ЕВ = ЕС и DB = DC), которая в свою очередь будет превосходить величину АС = AD + DB, что и требовалось доказать.

Рис. 30

12.6. Отразив симметрично относительно канала данный населенный пункт А, мы получим точку В, из которой достаточно теперь опустить перпендикуляр ВС к магистрали, пересекающий канал в искомой точке D (рис. 31). Для доказательства того, что кратчайший маршрут от точки А к каналу, а затем к магистрали представляет собой ломаную ADC, заметим следующее: от любой другой точки Е канала сумма расстояний до точки A и до канала будет равна сумме расстояний до точки В и до канала, которая в свою очередь будет превосходить величину BC = AD + DC.

Рис. 31

12.7. Один из двух населенных пунктов A или В, например В, перенесем мысленно по направлению к каналу на расстояние, равное ширине канала (рис. 32). Полученную точку С соединим отрезком с точкой A, тогда точка D пересечения этого отрезка с берегом канала, ближайшим к точке A, как раз и даст один из концов моста DE. Докажем, что маршрут ADEB будет кратчайшим из всех возможных. Действительно, для любого другого расположения моста FG (точка F не совпадает с точкой D, но лежит на том же берегу) имеем

т. е. другой маршрут получается только длиннее.

Рис. 32

12.8. Если проекции населенных пунктов A и B на линию железной дороги удалены друг от друга менее, чем на длину платформы, то саму платформу достаточно разместить так, чтобы обе проекции оказались на ней (сумма расстояний до платформы не может быть меньше, чем сумма расстояний до железной дороги, и этот минимум как раз реализуется в данном случае).

Если же указанные проекции удалены друг от друга более, чем на длину платформы, то сама платформа должна располагаться между этими проекциями (в противном случае ее можно передвинуть так, чтобы сумма расстояний от нее до пунктов А я В была еще меньше). Перенесем точку В на длину платформы вдоль железной дороги в сторону сближения с точкой А (рис. 33). Для полученной точки С выберем на железной дороге точку D, для которой сумма AD+CD минимальна (см. задачу 12.5). Эта точка D и будет представлять собой ближайший к точке А край платформы. Докажем, что расположение платформы DE удовлетворяет условию задачи. Действительно, для любого другого расположения FG (край F считаем ближайшим к А) платформы имеем

что и требовалось доказать.

Рис. 33

12.9. Любой (не обязательно кратчайший) маршрут разобьем на три участка: от первого населенного пункта А к точке В одной магистрали, от точки В до точки С другой магистрали и от точки С до населенного пункта D (рис. 34).

Рис. 34