De schipbreukeling op het eiland

Een schipbreukeling spoelt aan op een onbewoond eiland. Hij gaat het eiland verkennen en dit blijkt de vorm te hebben van een gelijkzijdige driehoek. Vervolgens vraagt hij zich af waar hij het beste zijn kamp op kan zetten, zodanig dat hij het gemakkelijkst de drie kusten kan bereiken om uit te kijken naar passerende schepen. Waar kan de schipbreukeling het beste zijn kamp opzetten?
Eiland
Aangespoeld op een onbewoond eiland
Grafiek

Tsja, aanspoelen op een onbewoond eiland roept wellicht hele idyllische beelden op zoals het plaatje hierboven. Echter, mensen zijn sociale en bovenal angstige dieren, dus waarschijnlijk ga je al heel snel proberen er weg te komen. Onze schipbreukeling vergaat het niet anders en hij ontdekt dat het eiland de vorm heeft van een gelijkzijdige driehoek (een driehoek waarvan de drie zijden even lang zijn).

Eiland
Het eiland heeft de vorm van een gelijkzijdige driehoek
En dan komt de boeiende vraag: waar kan hij het beste zijn kamp opzetten zodat hij op de meest efficiënte manier de drie kusten in de gaten kan houden?

Het antwoord is nog veel boeiender: dat maakt helemaal niets uit! Welk punt hij ook kiest, de afstanden die hij moet afleggen naar de verschillende kusten zijn samen altijd gelijk. De schipbreukeling mag een willekeurige locatie uitzoeken voor zijn kampement, er is geen goed of fout.
Bergen
Natuurlijke obstakels zoals bergen zijn natuurlijk wel iets om rekening mee te houden...
Voor de liefhebbers volgt hieronder de wiskundige onderbouwing.
Voor de bewijsvoering ga ik allereerst uit van een willekeurige driehoek. De driehoek heeft hoekpunten A, B en C, zijden a, b en c, en hoeken α, β en γ:
Grafiek
Ik leg een assenstelsel aan, zodanig dat A samenvalt met de oorsprong en C ligt op de x-as:
Grafiek
Vervolgens kies ik een willekeurig punt K waar de schipbreukeling zijn kamp opzet:
Grafiek
De kortste afstanden vanuit het punt K naar de drie kusten zijn uiteraard die paden die loodrecht op de kusten staan:
Grafiek
Tot slot trek ik nog twee hulplijnen en geef ik nog wat hoeken aan:
Grafiek
Dan kan nu de wiskunde losbarsten :) Het punt K heeft coördinaten (x, y). Ik moet uitdrukkingen zien te vinden voor de lijnstukken KR, KS en KT, oftewel, de afstanden r, s en t. Laten we beginnen met de afstand s, die is het simpelst:
Vergelijking
Voor de tangens van de hoek δ geldt:
Vergelijking
Zodat voor δ geldt:
Vergelijking
Voor de hoek ε kan ik schrijven:
Vergelijking
Met behulp van de stelling van Pythagoras kan ik het lijnstuk AK berekenen:
Vergelijking
Met behulp van vergelijking (5) kan ik de sinus van ε opschrijven:
Vergelijking
Hieruit volgt, met behulp van (4):
Vergelijking
Ik breng even de volgende verschilformule (van twee willekeurige hoeken) uit de goniometrie in herinnering:
Vergelijking
Hiermee kan ik vergelijking (7) omschrijven als volgt:
Vergelijking
Even deze twee tussendoortjes:
Vergelijking
Vergelijking
Hiermee wordt (9):
Vergelijking
En dit combineer ik met vergelijking (3):
Vergelijking
Nu moet ik nog een uitdrukking vinden voor r. Voor de tangens van de hoek φ geldt:
Vergelijking
Zodat voor φ geldt:
Vergelijking
Voor de hoek θ kan ik schrijven:
Vergelijking
Met behulp van de stelling van Pythagoras kan ik het lijnstuk CK berekenen:
Vergelijking
Met behulp van vergelijking (17) kan ik de sinus van θ opschrijven:
Vergelijking
Hieruit volgt, met behulp van (16):
Vergelijking
Ik maak wederom gebruik van (8). Daarmee kan ik vergelijking (19) omschrijven als volgt:
Vergelijking
Met behulp van de twee tussendoortjes (10) en (11) wordt (20):
Vergelijking
En dit combineer ik met vergelijking (15):
Vergelijking
De som van r, s en t, die noem ik L, wordt dan:
Vergelijking
En nu komt het. Omdat het eiland de vorm heeft van een gelijkzijdige driehoek betekent dit dat α = β = γ. En dus ook dat sin α = sin γ. Daarmee valt de term met x helemaal weg uit vergelijking (23). De som van de hoeken van een driehoek is 180 graden, dus in dit geval is α = β = γ = 60 graden. Hieruit volgt dat cos α = cos γ = 0.5. En daar volgt weer uit dat ook de term met y helemaal wegvalt uit vergelijking (23). In het geval van een gelijkzijdige driehoek is dit wat er overblijft van vergelijking (23):
Vergelijking
Hier komt helemaal geen x of y meer in voor, dus het punt K is inderdaad vrij te kiezen. De drie paden naar de drie kusten zijn samen altijd even lang, namelijk: b sin γ!