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古典追跡パズル

湖の中心のボート、岸を回る

円形の湖の中心に、ボートが1艘います。真北の岸には、ボートの4倍の速さで走る虎が1匹。 虎は常にボートとの距離が最短になるように岸を移動します。 ボートのほうが遅いのに、虎に捕まらず岸にたどり着けるでしょうか?

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逃げられる理由

① 内側ほど速く回れます。 半径 r の位置でボートが出せる角速度は v⁄r です。 虎の角速度は V⁄R が上限なので、r < R/k の内側にいる間はボートのほうが角度の上で速く回れます。

② 中心をはさんで正反対の位置を保ちます。 この性質を利用して、虎と反対側に位置を取りながら、半径 R/k の少し内側までらせん状に外へ移動します。

③ 岸へまっすぐ進みます。 虎と反対側の岸へ直線で漕ぎます。虎は半周(πR)を走る必要があり、ボートが先に岸へ着けば脱出できます。

脱出できる条件: 残り距離 R(1−1/k) ÷ v < 半周 πR ÷ (kv)  ⟹  k < π + 1 ≈ 4.14

「4倍速」の設定(k=4)はこの境界をわずかに下回るため、ボートは岸にたどり着けます。 逆に k が π+1(約4.14)以上になると、この戦略では逃げ切れません(プリセットの「6倍」はその一例です)。

出典・元ネタ

このパズルは、円の中で追う側と逃げる側が動く「ライオンと人(Lion and Man)」系の追跡・回避問題から派生した、湖と怪物(犬)版です。 Rado が1925年に提起し Besicovitch が1952年に解析した古典は、両者が同じ速さで円の内側を動く別バージョンで、 今回の「中心のボートと、岸だけを速く走る虎」とは設定が異なります。 湖版の言い回しに単一の最初の作者はなく、レクリエーション数学の定番として広まっています。