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光照问题


在 1950 年代初期,恩斯特·斯特劳斯提出了以下问题

1. 每个区域是否都能从区域内的每个点被照亮?

2. 每个区域是否都能从区域内的至少一个点被照亮?

这里,可照亮意味着从每个点到每个其他点都存在一条通过重复反射的路径。

PenroseRoom

在 1958 年,年轻的罗杰·彭罗斯利用椭圆的性质描述了一个具有弯曲墙壁的房间,无论蜡烛的位置如何,该房间始终存在黑暗(未被照亮)区域。彭罗斯的房间如上图所示,由顶部和底部的两个半椭圆以及左右两侧的两个蘑菇状突起(它们又由直线段和较小的半椭圆构成)组成。椭圆和蘑菇策略性地放置如图所示,红色点是半椭圆的焦点。基本上有三种可能的照明配置。在此图中,白色指示照明区域,灰色指示未照明区域,黑色十字线指示光源的位置。可以看出,整个房间(蓝色边框内的空间)永远无法完全照明。

托卡斯基(1995 年)表明,平面和三维空间中存在不可照亮的多边形房间,但问题 (2) 在多边形房间的情况下仍然是开放的。

TokarskyRoom

托卡斯基(1995 年;左图)构建了一个 26 边多边形的反例来反驳 (1) 在平面上的情况,后来改进为 24 边房间(卡斯特罗 1997 年;右图)。应该注意的是,托卡斯基房间是一个临界情况,因为实际上,当点光源放置在给定位置时,仍然存在有限数量的黑暗未被照亮。因此,对于扩展的光源,这个房间实际上可照亮的。

光照问题与台球密切相关。光从镜子表面反射与台球从台球桌边垫反射完全类似,因为反射定律——即入射角等于反射角——在两种情况下都同样适用。

在电视剧《数字追凶》第 4 季开篇剧集“信任度量”(2007 年)中,数学天才查理·艾普斯使用光照问题和托卡斯基的 26 边房间作为寻找逃犯卡特的动机。


另请参阅

美术馆定理台球

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参考文献

Castro, D. "Corrections." Quantum 7, 42, Jan. 1997.Croft, H. T.; Falconer, K. J.; and Guy, R. K. "Illumination Problems." §A5 in Unsolved Problems in Geometry. New York: Springer-Verlag, pp. 18-19, 1991.Klee, V. "Is Every Polygonal Region Illuminable from Some Point?" Math. Mag. 52, 180, 1969.Tokarsky, G. W. "Polygonal Rooms Not Illuminable from Every Point." Amer. Math. Monthly 102, 867-879, 1995.

在 Wolfram|Alpha 上被引用

光照问题

引用为

韦斯坦因,埃里克·W. "光照问题。" 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/IlluminationProblem.html

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