Dada una porción de pastel (de ángulo theta), ¿cuál es el corte más corto que se puede hacer que dividirá la porción de manera uniforme? ¿Cómo puedes demostrarlo?

Básicamente, por la misma razón por la que un círculo es la curva más corta que encierra un área determinada, cualquier corte mínimo (localmente) debe tener una curvatura constante y debe intersecar el límite perpendicularmente a menos que termine en un ángulo mayor que [matemático] 180 ^ \ circ [/ matemáticas] (¿por qué?) Eso deja tres posibilidades:


(No te aburriré con los detalles de mostrar que un corte que va de un lado a sí mismo, o del arco a sí mismo, o incluso un círculo en el interior del corte, no puede ser más corto. Una prueba completa necesitaría incluir estos detalles, y también debería mostrar que existe un corte mínimo en primer lugar).

Deje que [math] r [/ math] sea el radio del pastel; entonces el segmento tiene área [math] \ tfrac {r ^ 2} {2} \ theta [/ math].

Entonces encontramos que

  • el corte rojo es el más corto para [matemática] 0 <\ theta \ le 62.63957 ^ \ circ [/ matemática],
  • el corte verde es el más corto para [matemáticas] 62.63957 ^ \ circ \ le \ theta \ le 180 ^ \ circ [/ matemáticas], y
  • el corte azul es el más corto para [matemáticas] 180 ^ \ circ \ le \ theta [/ matemáticas].

(Las imágenes de arriba están dibujadas en el ángulo crítico [matemático] \ theta \ aprox 62.63957 ^ \ circ [/ matemático] para el cual los cortes rojo y verde tienen la misma longitud).

Suponga que theta es una fracción entera de pi, es decir, theta = pi / n. Reclamación: un arco circular es el corte deseado.

Prueba: Sea L el corte más corto con longitud Lmin. Luego, colocando los sectores restantes (n-1) y completando el círculo, vemos que nuestros cortes encierran un área fija de pi * r * r con una longitud n * Lmin. Entonces, la pregunta ahora es encontrar el valor más bajo de n * Lmin tal que el área que encierra es una constante. Y BAM! Es un círculo, todos lo sabemos.

Para theta un múltiplo irracional de pi, este argumento no se extiende, pero creo que la respuesta general sería un arco circular.

¿Podrías simplemente perforar una pieza circular de la rebanada?

El área del pastel es pi * r ^ 2
El área de la rebanada es theta * r ^ 2/2
Divida la rebanada por la mitad y cada pieza tiene área = theta * r ^ 2/4.
Un círculo con la mitad del área de la rebanada necesitaría radio, a = r * Sqrt [theta / 4 * pi]
La circunferencia de este círculo es 2 * pi * a = r * Sqrt [theta * pi]
Para theta <18.2 grados (1 / pi radianes), esto es más corto que el corte de radio (línea azul en la respuesta de Anders Kaseorg). Pero esto siempre es más grande que r * theta / Sqrt [2], el corte rojo.

Para obtener crédito adicional, ¿cabría un círculo del área correcta dentro de la rebanada?

Creo que la respuesta es cualitativamente diferente para ángulos pequeños versus ángulos grandes. Para un ángulo agudo muy pequeño, el corte más corto debe ser un atajo aproximadamente perpendicular a la dirección de “corte” aproximadamente el 71% del camino desde el vértice hasta el borde. Pero si el ángulo es suficientemente grande (probablemente cualquier ángulo obtuso, por ejemplo), entonces el corte más corto es probablemente un corte recto desde el vértice hasta el borde.

Hay momentos en que las matemáticas no son una solución práctica …

Actualizar:

Porque, a veces, las matemáticas no son una solución PRÁCTICA. Solo hay una forma práctica de cortar una rebanada de pizza NUNCA, teniendo en cuenta la CORTEZA, y es desde el vértice hasta la mitad de la corteza. Uno no necesita matemáticas para hacer eso, solo sentido común y un buen ojo. Si la pregunta simplemente indica cómo dividir un sector de manera uniforme, entonces se necesita una respuesta matemática.

La experiencia como equipo de servicio de Pizza Hut también ayuda (como lo hice hace más de 2 décadas).