從一道高考題欣賞出租車(chē)幾何學(xué)

236800 安徽省亳州市第一中學(xué) 史 嘉

從一道高考題欣賞出租車(chē)幾何學(xué)

236800 安徽省亳州市第一中學(xué) 史 嘉

2009年高考數(shù)學(xué)上海理科卷第13題:

某地街道呈現(xiàn)東—西、南—北向的網(wǎng)格狀，相鄰街距都為1，兩街道相交的點(diǎn)稱(chēng)為格點(diǎn)．若以互相垂直的兩條街道為軸建立直角坐標(biāo)系，現(xiàn)有下述格點(diǎn)(-2，2)，(3，1)，(3，4)，(-2，3)，(4，5)，(6，6)為報(bào)刊零售點(diǎn)．請(qǐng)確定一個(gè)格點(diǎn)(除零售點(diǎn)外)________為發(fā)行站，使6個(gè)零售點(diǎn)沿街道到發(fā)行站之間路程的和最短．

該題以現(xiàn)代城市棋盤(pán)式布局(如北京道路幾乎都是東西和南北走向)為背景而抽象出的理想模型．題中兩格點(diǎn)間的“路程”不同于歐氏幾何中兩點(diǎn)間的“距離”，如給定兩點(diǎn) A(x1，y1)，B(x2，y2)，歐氏幾何的距離即 dAB，而題中的路程為lAB=|x1-x2|+|y1-y2|.在城市中，我們說(shuō)兩點(diǎn)間的距離，往往不是指兩點(diǎn)間的直線(xiàn)距離(位移)，而是考慮它們相距多少個(gè)街區(qū)(路程)，這種理想模型正是出租車(chē)幾何學(xué)(taxicabgeometry)的現(xiàn)實(shí)意義．假設(shè)每條街道都是水平或豎直的，那么只要你朝著目標(biāo)走(假如不故意繞道)，不管怎樣走，“距離”(路程)都是一樣的，如圖1．

我們知道，除了經(jīng)典的歐氏幾何，還有非歐幾何．在日常生活空間里，歐氏幾何是適用的;而在宇宙空間中或原子核世界，羅氏幾何更符合客觀(guān)實(shí)際;在地球表面研究航海、航空等實(shí)際問(wèn)題中，黎曼幾何更準(zhǔn)確一些．出租車(chē)幾何也算是一種全新的非歐幾何，適用于城市街道距離的測(cè)量，尤其是對(duì)出租車(chē)師傅，其名稱(chēng)就來(lái)源于此．接下來(lái)，我們從點(diǎn)和距離的定義談起．

在出租車(chē)幾何學(xué)中，點(diǎn)還是定義為形如(x，y)的有序?qū)崝?shù)對(duì)，角度大小的定義也和原來(lái)一樣．只是，兩點(diǎn)A(x1，y1)和B(x2，y2)的距離重新定義為了|AB|=|x1-x2|+|y1-y2|，即兩點(diǎn)的橫坐標(biāo)之差與縱坐標(biāo)之差的和．

其中對(duì)“距離”的定義是合理的，因?yàn)樗鼭M(mǎn)足距離公理:

圖1

(1)非負(fù)性:任意兩點(diǎn)A和B，都有一個(gè)非負(fù)實(shí)數(shù)|AB|與之對(duì)應(yīng)，該實(shí)數(shù)就叫做點(diǎn)A到點(diǎn)B的距離;

(2)對(duì)稱(chēng)性:A到B的距離與B到A的距離相等，即|AB|=|BA|;

(3)零距離:當(dāng)且僅當(dāng)這兩點(diǎn)重合時(shí)，距離|AB|=0;

(4)三角形不等式:對(duì)于任意三點(diǎn)A、B和 C，總有|AB|+|BC|≥|AC|成立．

也就是說(shuō)出租車(chē)幾何學(xué)是建立在一個(gè)合理的度量空間上的．我們這就進(jìn)入一個(gè)全新的幾何世界:出租車(chē)幾何．

在這個(gè)世界里，很多經(jīng)典定理仍然成立．比方說(shuō)，三角形的內(nèi)角和還是180度．因?yàn)?，這是一個(gè)關(guān)于角度的定理，與距離的度量方式無(wú)關(guān)．不過(guò)，一旦涉及到三角形的邊長(zhǎng)(距離)，就會(huì)出現(xiàn)“古怪”的現(xiàn)象．

第一個(gè)“古怪”的現(xiàn)象就是三角形中等邊未必對(duì)等角了．底角不相等的等腰三角形不計(jì)其數(shù)，如圖2中的△ABC，AC=BC，但∠A≠∠B．類(lèi)似地，等角對(duì)等邊也不成立了，例如圖3中的三角形，雖然∠B=∠C，但AC=5，AB=7．“奇怪”的是，在出租車(chē)幾何中，甚至能畫(huà)出等邊直角三角形，如圖4，AB=AC=BC=4，但AB⊥BC．

圖2 圖3

圖4 圖5

在這個(gè)世界里，兩個(gè)三角形的三邊對(duì)應(yīng)相等(SSS)并不能用來(lái)判斷他們?nèi)龋鐖D5中的△ABC和△A'B'C'，顯然 AB=A'B'，BC=B'C'，AC=A'C'，但這兩個(gè)三角形并不全等．邊角邊(SAS)也不能作為全等三角形的判定依據(jù)．如圖6中兩個(gè)直角邊長(zhǎng)均為2的直角三角形，它們明顯不能完全重合在一起．

圖6 圖7

圖8

在新的游戲規(guī)則下，很多圖形會(huì)變得不可思議．我們知道線(xiàn)段的垂直平分線(xiàn)為“到兩端點(diǎn)距離相等的點(diǎn)的集合”，是一條直線(xiàn)．在這個(gè)幾何世界里，如果垂直平分線(xiàn)還那樣定義的話(huà)，會(huì)是怎樣的圖形呢?在一般情況下，垂直平分線(xiàn)并不是“垂直”平分線(xiàn)，而是一條折線(xiàn)，如圖7;有時(shí)還不唯一，甚至不再是“線(xiàn)”，如圖8，線(xiàn)段AB的垂直平分線(xiàn)就是線(xiàn)段連接著兩整塊的區(qū)域．

圖9

盡管線(xiàn)段的垂直平分線(xiàn)如此怪異，不過(guò)(一般情況下)三角形三邊的垂直平分線(xiàn)仍然交于一點(diǎn)，如圖9．這是因?yàn)椋叭切稳叺拇怪逼椒志€(xiàn)交于一點(diǎn)”的證明過(guò)程只與垂直平分線(xiàn)的定義有關(guān)，而與垂直平分線(xiàn)的具體形式無(wú)關(guān)．那么，這個(gè)點(diǎn)是否是三角形的“外心”?這個(gè)三角形也有外接圓嗎?圓又是怎樣的圖形?

在出租車(chē)幾何中，最有趣的就是圓．如果我們?nèi)匀欢x圓為“到某定點(diǎn)的距離為定長(zhǎng)的點(diǎn)的集合”的話(huà)，那么圖10中的“正方形ABCD”就是一個(gè)半徑為2的圓．因?yàn)槠鋱A周上的所有點(diǎn)到圓心O的“距離”都是2．但是，“正方形”卻又未必是圓，如圖11的“正方形ABCD”就不滿(mǎn)足圓的定義．更令人驚奇的是，這個(gè)幾何世界的圓周率不再是無(wú)理數(shù)π了，而是有理數(shù)4．神奇的還不止這些．圓的方程變得更簡(jiǎn)單了，如圓心在原點(diǎn)的單位圓方程是|x|+|y|=1，任意圓的標(biāo)準(zhǔn)方程為|x-a|+|y-b|=r，其中(a，b)為圓心，r為半徑．

圖10 圖11

原來(lái)，圖9中的點(diǎn)O也是名副其實(shí)的“外心”，以它為圓心、以4為半徑的圓(即圖12中的“正方形DEFG”)就是△ABC的外接圓．也就是說(shuō)，在出租車(chē)幾何里，一般位置上的三個(gè)點(diǎn)也唯一地確定了一個(gè)圓．不過(guò)，也有例外，比如同時(shí)過(guò)點(diǎn) A(-1，0)、B(0，-1)、C(0，1)的圓就有無(wú)窮多個(gè)．這是因?yàn)椋珹B和 AC的垂直平分線(xiàn)都不是“線(xiàn)”，而是整塊的區(qū)域．因此這幾條“垂直平分線(xiàn)”的交集不止一個(gè)點(diǎn)，如圖13，圓O1(即正方形ADEF)和圓O2(即正方形AGHI)都是△ABC的外接圓．

圖12 圖13

到此，我們只是初步領(lǐng)略了出租車(chē)幾何的“怪異美”．正如文［3］所打的一個(gè)形象比喻:石桌面上刻著縱橫相錯(cuò)的網(wǎng)格，旁邊擺放著黑白兩種顏色的棋子．你認(rèn)為這一定是為下圍棋準(zhǔn)備的么?未必，可以下圍棋，還可以下五子棋．棋具相同，規(guī)則有別，就是不同的游戲．出租車(chē)幾何就是有別于歐氏幾何規(guī)則的新游戲．那么，還有哪些歐氏幾何的經(jīng)典結(jié)論在出租車(chē)幾何學(xué)中同樣成立?出租車(chē)幾何學(xué)中有什么漂亮而獨(dú)特的結(jié)論?如何定義一些更加復(fù)雜的幾何對(duì)象?它們?cè)诔鲎廛?chē)幾何學(xué)中又是什么樣的?感興趣的讀者可以taxicabgeometry以為關(guān)鍵詞，用百度等搜索相關(guān)信息，不妨繼續(xù)往下探索這個(gè)不為人知的神奇世界.

近幾年，以出租車(chē)幾何為背景的高考題除2009年上海文理卷中的兩題外，還有2010年廣東理科第21題，以“折線(xiàn)距離”d(A，B)=|x2-x1|+|y2-y1|為背景命制，值得關(guān)注．最后，利用出租車(chē)幾何中的距離(即考題中的路程)求解報(bào)刊發(fā)行站的位置．

只有y=3或4時(shí)6個(gè)因式不異號(hào)，即等號(hào)成立．

故L≥13+9=22，此時(shí)不與零售點(diǎn)重合的格點(diǎn)只有(3，3).

1 Matrix67.出租車(chē)幾何學(xué):一個(gè)全新的幾何世界http:∥www.matrix67.com/blog/archives/4078

2 Taxicabgeometry.http://en.wikipedia.org/wiki/Taxicab_geometry

3 彭翕成.不同的公理不同的幾何［J］.中學(xué)數(shù)學(xué)，2011，5

20110721)