Потому что — для каждого положения Меркурия посмотрим, какую долю времени выигрывает у него Венера, когда Земля находится где-нибудь — и когда она на диаметрально противоположной точке своей орбиты:
Каждой из этих долей соответствуют точки орбиты Венеры внутри соответствующих окружностей с центром в одном из положений Земли. Но внутренности этих окружностей пересекаются только внутри орбиты Венеры — а значит, высекаемые ими кусочки орбиты Венеры не пересекаются. И поэтому полусумма долей, когда Венера выигрывает у Меркурия при одном и при другом положении Земли, меньше половины. Усредняя — получаем, что Венера у Меркурия выигрывает меньше половины времени, так что в "зачёте матчей один на один" Меркурий точно выигрывает. (И это рассуждение вполне универсальное.)
Увы, дальше начинает работать парадокс голосования: может быть, Марс, который не может выиграть — оттянет на себя "голоса" (простите, долю времени) у Меркурия, и из-за этого выиграет Венера.
Более того, можно построить "искусственный пример" (чисто математический, конечно), когда все орбиты круговые, с независимыми периодами — но выигрывает не самая внутренняя планета!
Более того, можно построить "искусственный пример" (чисто математический, конечно), когда все орбиты круговые, с независимыми периодами — но выигрывает не самая внутренняя планета!
А именно — представим себе, что вместо одной Венеры по близким орбитам их крутится пара-тройка десятков (кто сказал "пояс астероидов"?), с немного отличающимися периодами. Тогда, чтобы Меркурий выиграл, нужно как минимум, чтобы на дуге через ближайшую точку его орбиты не было ни одной Венеры:
А вероятность этого экспоненциально мала (по количеству N Венер). Так что, начиная с определённого их количества, она становится меньше 1/(N+1) — и выиграет одна из N Венер.
Кстати, можно прикинуть, сколько их для этого нужно. Дуга размера 72 градуса это (1/5) от длины окружности, так что нам нужно, чтобы выполнялось
(4/5)^N < 1/(N+1).
(4/5)^10 это чуть больше 0.1, а вот (4/5)^12 уже 0.068<0.7<1/13.
(4/5)^N < 1/(N+1).
(4/5)^10 это чуть больше 0.1, а вот (4/5)^12 уже 0.068<0.7<1/13.
(Но это если орбиту внутренней планеты взять круговой радиуса 0.4)
Впрочем, несмотря на всё вышесказанное, для нашей тройки Меркурий-Венера-Марс, выигрывает таки Меркурий, примерно с соотношением 0.46:0.36:0.18.
Ну и 0.46 можно, опять-таки, прикинуть — посмотрев на полусумму долей времени выигрыша Меркурия, по двум противоположным положениям Земли. Когда Меркурий с Землёй на одной прямой через Солнце, то в ближайшем положении он довольно сильно выигрывает, в наиболее удалённом больше всего проигрывает, но даже так среднее арифметическое даёт 0.49:
Это, конечно, "прикидка на коленке". Но она оказывается вполне точной: вот видео с честной симуляцией
https://www.youtube.com/watch?v=GDgbVIqGADQ
(собственно, откуда я эту историю и узнал, точнее, из его адаптации —
https://www.youtube.com/watch?v=SumDHcnCRuU )
https://www.youtube.com/watch?v=GDgbVIqGADQ
(собственно, откуда я эту историю и узнал, точнее, из его адаптации —
https://www.youtube.com/watch?v=SumDHcnCRuU )
YouTube
Mercury is the closest planet to all seven other planets
Just showing the simulation which we used to validate the Whirly Dirly Corollary. Kind of a fun fact about our Solar System and orbiting bodies in general. Check out our Physics Today article! I also got to work with CGPGrey to present this find in a cool…
И последнее: если вместо вопроса про долю времени мы будем спрашивать, "какая планета в среднем ближайшая", то в приближении круговых орбит угадать, что опять победит Меркурий, довольно несложно.
Представьте себе график расстояния до Земли. Это верхняя половина конуса с вершиной в Земле. В частности — это выпуклая функция. Поэтому её среднее по кругам-орбитам с центром в Солнце будет возрастать с радиусом. Ибо — проводим касательную к внутренней окружности до пересечений BC с внешней и пользуемся неравенством Йенсена (в данном случае — неравенством треугольника, что расстояние до точки касания меньше среднего арифметического расстояний до концов дуги BC), после чего усредняем по положению внутренней планеты:
Представьте себе график расстояния до Земли. Это верхняя половина конуса с вершиной в Земле. В частности — это выпуклая функция. Поэтому её среднее по кругам-орбитам с центром в Солнце будет возрастать с радиусом. Ибо — проводим касательную к внутренней окружности до пересечений BC с внешней и пользуемся неравенством Йенсена (в данном случае — неравенством треугольника, что расстояние до точки касания меньше среднего арифметического расстояний до концов дуги BC), после чего усредняем по положению внутренней планеты:
Математические байки
Меньше, чем через три часа, в "Математических вечерах ЛШСМ" ( https://www.mccme.ru/dubna/lect2020/ ) лекция Александра Логунова, "Гармонические функции и парадоксы вокруг теоремы Лиувилля".
На самом деле — тут по делу даже не выпуклость, а (следующая из неё) положительность оператора Лапласа (а Δ(r)>0 можно увидеть и непосредственно). И тут надо вспомнить про гармонические функции: Δ(f)=0 (для "хороших" f) равносильно тому, что среднее f по окружности с данным центром это просто её значение в центре (собственно, в одну сторону это так и называется, "теорема о среднем значении для гармонических функций"). Ну и давайте я тут вспомню летнюю лекцию Александра Логунова.