牛皮圈地问题与等周定理
理学院知行1601班
16271156 陈芃江
问题：
素材一：一百多年前，英国传教士柏格理深入乌蒙山腹地传教。相传他为建造教堂而找当地彝族土目安荣之买“一块牛皮大的地”，安氏以为微不足道，索性答应相赠；结果，柏格理杀牛款待安氏和在场苗人后，用牛皮围出60亩土地。安荣之大为惊诧，但也无话可说，只能遵守诺言赠地。柏格理于是在这块地上建造了后来著名的石门坎教堂。 素材二：《明史》吕宋传中亦有记载：时佛郎机强与吕宋互市，久之见其国弱可取，乃奉厚贿遗王，乞地如牛皮大，建屋以居。王不虞其诈，而许之。其人乃裂牛皮，联属至数千丈，围吕宋地，乞如约。王大骇，然业已许诺，无可柰何，遂听之。
那么，如何运用一块有限大小的牛皮圈出尽可能大的一块地呢？
一：问题分析与模型假设
由题意可知，目的就是为了建立一种模型，解决牛皮的使用方式，从而尽可能的获得更大的利益（最大面积的土地）。首先，在这个问题中，顺理成章的就会想到将牛皮尽可能的分为细条。然后根据题中的要求，细条以何种方式连接时所得的面积最大。最后，根据网上提供的知识，再结合自己的亲身体验，写出这种思想在生活中的应用。 模型假设：
在该问题中，假设分割者的手艺足够精湛，在当时的条件下尽可能的将牛皮 分成最细的细条且没有余料，牛皮条的衔接为边缘之间的完美衔接，没有重叠部分。假设所围的地为一块无起伏的平地，所围成的图形为一平面图形。那么问题转化为求同等周长下的最大面积图形。
二：模型建立：
首先，设C是周长为L且所围面积最大的平面封闭曲线。
1：先证：C上任两点所连线段一定在C内部或边界上，即C为凸曲线。
否则，若C上两点A、B连成的线段在C的外部，记C为曲线APBQ。作出曲线APB关于直线AB的对称曲线AP’B，可得到周长为L、面积比C大的曲线AP’BQ，这与C的面积最大性矛盾。
而C上任两点连线把C分为两部分。设D、E等分C的周长，记C为曲线DMEN。 下证：DE等分C的面积。
否则，不妨设曲线DME面积比DNE大。作出DME关于DE的对称曲线DM’E，可得到周长为L的曲线DMEM’，它面积比C大，矛盾。
从而，曲线DME是长为L/2且与直线DE围成图形面积最大的曲线。
下证：DME是半圆，且DE是直径。
否则，若曲线DME上有一点R使∠DRE≠90°，则在原直线上移动D、E，保持图形Ⅰ、Ⅱ的形状和大小不变，使∠DRE＝90°，得曲线DM’E。这时，△DRE面积变大了，因此曲线DM’E面积比DME大，矛盾。 因此，可以看出圆所围的面积最大。
三：模型求解：
以下取53公斤,宽2米,长2米6,厚度1.5厘米,50英尺以上的标准一级牛皮进行计算。
在当时的条件下，牛皮约能分至0.005米的宽度 由此可以计算出牛皮条的总长度约为：1040米 由C=1040米,可知R=165.52米.从而S=86070.993平方米.=129.106亩
因此,在周长一定的情况下,圆的方式能尽可能圈出足够大的地.四:模型应用
纪塔娜是神话中的人物，传说古代非洲北部沿海地区某部落酋长曾答应给纪塔娜一块“用灰鼠皮能包住”的土地。一块灰鼠皮能围多大的土地呢？聪明而美丽的纪塔娜想出一个巧妙地办法。她把灰鼠皮很细很细的线，再把这些线结成一条长带，用这条长带在海岸边划出了一块意想不到的、非常大的土地这块土地是一个半圆，海岸线（近似地看成直线）的一段是它的直径。试证：纪塔娜所围成的半圆形土地面积最大设带长为L以海岸线为轴作半圆的对称图形，得周长为2L的圆。再用海岸线与带长围成任一图形（不是半圆），同样沿海岸线作轴对称图形，得周长为2L的封闭图形。由该模型可知，纪塔娜所围成的半圆形土地的面积最大。
将纪塔娜问题稍作推广，改为“在一个半岛”（假定半岛由一个角构成，即所谓“海 角”），那么问题变为：给定一个角，求已知长度的一条线和角的两边所围出的最大面积，即已知角（海角）为YMX，线长为L，要求曲边三角形XMY面积达到最大时，X，Y的位置和曲线XY的形状应是怎样的？先来看几个特殊情形。若M=180，则回到纪塔娜的原问题。又如M=90，仍可用镜面反射来求解：首先关于一边，然后再关于另一边作镜面反射，这时，曲线连同它的镜像一起，构成了长为4L的封闭曲线。要想求出它围出的最大面积，按等周定理，要求的图形自然是圆。这个圆有两条给定的对称轴XY/和Y Y/，中心在两轴的交点M处，两轴把圆面积和圆周同时分成四等分。因此，原问题解就是象限角形：中心在已知角顶点的圆的1/4。我们的解法是把4个直角拼成一个周角，相应的曲线接成了封闭曲线。容易想到，探索等周定理的推广及其应用有无穷多种宜于采用此种解法求面积的特殊情形。比如，对M=360/2n=180/n ( n 为大于或等于3的自然数 ) 的“海角”，就可以用反复映射的方法，把给定长为L的曲线XY变成周长为2nL的封闭曲线，从而“海角问题”变为了等周问题。等周问题的解是圆，因此，海角问题的解就是一段弧。
这样，我们自然希望，对于任意的角M（
五：点评与讨论
在模型的构建过程中，上述论证显然是不够严谨的，但在我的能力范围之内尚不能给出更严谨的构建方法，以下方法源于网络：
这种构建方式显然精确的多，当然等周问题在1838年就已经有了完美的证明，由于水平限制在此就不做讨论了。
