彼女と二人で行ってきた。
ごちそうさまでした!来年もよい年でありますように。
設問は「監視員が正方形プール(10メートル四方)の角にいて、プールの縁は秒速2メートル、水中は同1メートルで移動する。スタートからプール内で最も移動に時間のかかる場所まで、何秒で着くか」というもの。
まず、監視員の位置を原点Oとする。残りの角を、Oから反時計回りにA, B, Cとする。そして、点Aがx軸上に、点Cがy軸上にあるように座標軸を設定する。
プールは直線y=xに関して対称なので、「最も移動に時間のかかる場所」は対角線OB上にあることは自明。(追記)そんなことはないですね。訂正。
ということで早速OB上の点を探し始める……とややこしくなる。なぜややこしいかというと、監視員がプールの縁を歩くから。角を曲がってさらに歩いたりするケースも考えないといけない。ややこしい。
すこしでも簡単に考えたいので、とっかかりとして角を曲がらない泳ぎ方だけ考えたい。OからAまで歩くと5秒かかる。じゃあ、5秒まででプールのどの地点まで泳げるだろうか?
以下、プールの対象性を考慮して、三角形OABに着目して考えることにしよう。
5秒でどこまで泳げるか、を考えるには少し発想の転換が必要である。たとえば歩いたり泳いだりして5秒でX地点までたどり着いたとしよう。でももし、もっと速くX地点にたどり着くルートがあるとすれば、そのX地点は5秒で泳げる限界ラインよりも手前だということになる。逆に考えると、X地点まで最も速くたどり着けるルートを探してやる必要がある。
ということで、プールの任意の点までもっとも速くたどり着くルートを探そう。ルートというのは、要するにどこからプールに飛び込むかの問題だ。なぜなら、飛び込み地点が決まれば、あとは一直線に泳ぐのが一番速いからだ。もっと言うと、プールに飛び込む角度をどうすると一番速いかという問題になる。
三角形OAB内に点Pをとり、Pからx軸におろした垂線がx軸と交わる点をHとする。監視員がプールに飛び込む点をQとする。このときPまで最も速くたどり着くのはQがどこにあるときか。
飛び込む角度だけが問題になるので、計算を単純にするためOP=1としてしまおう。角POHはφとしておく。で、問題の角PQHをθとする。
点Oから点Qまで歩き、点Qから点Pまで泳いだときにかかる時間Tはφとθの関数となる。φを固定すると、θの値がどのようになったとき、時間Tが最小になるだろうか?
ということで、π/4 (=45°)π/3 (=60°)の角度で泳ぐのが最速とわかる。
(以下、あとで修正する)