คำตอบของ J. Kenji López-Alt สำหรับปัญหาหัวหอม (2021)
(medium.com/@drspoulsen)- จากการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของปัญหาการหั่นหัวหอมแบบ รัศมี ให้ได้ขนาดสม่ำเสมอ พบว่าปลายมีดไม่ควรมุ่งไปที่ค่าอัตราส่วนทองคำผกผัน 0.61803398875… แต่ควรมุ่งไปที่จุด ต่ำกว่ารัศมี 55.73066%
- แบบจำลองลดรูปหัวหอมให้เป็น ครึ่งวงกลมรัศมี 1 และสมมติให้มีชั้นและจำนวนการหั่นเป็นอนันต์ เพื่อให้แก้ได้ด้วยคณิตศาสตร์ต่อเนื่องและแคลคูลัสหลายตัวแปร
- แก่นของการคำนวณคือใช้ Jacobian ของการแปลงพิกัดเพื่อหาพื้นที่สัมพัทธ์ของชิ้นส่วนเล็กจิ๋ว แล้วหาความลึก
hที่ทำให้ความแปรปรวนของพื้นที่นั้นต่ำที่สุด - เมื่อนำ การอินทิเกรตเชิงตัวเลข และการหาค่าน้อยสุดเชิงตัวเลขใน Mathematica มาใช้ จะพบว่าความแปรปรวนต่ำสุดเกิดใกล้
h ≈ 0.55และ “true onion constant” มีค่าเป็น0.5573066… - ค่านี้อิงกับหัวหอมอุดมคติที่มีชั้นเป็นอนันต์ ส่วนหัวหอมจริงที่มี จำนวนชั้นจำกัด อาจมีความลึกที่เหมาะสมที่สุดต่างออกไป
ปัญหาที่เริ่มจากคำแนะนำให้หั่นโดยเล็งต่ำลงไป 60%
- ในวิดีโอ YouTube ของเชฟ Kenji López-Alt มีเรื่องเล่าว่าเพื่อนนักคณิตศาสตร์คนหนึ่งบอกให้หั่นหัวหอมแบบรัศมีโดยเล็งไปที่จุดต่ำกว่าศูนย์กลาง ประมาณ 60% ของรัศมี
- ค่านั้นถูกอธิบายว่าเกี่ยวข้องกับค่าอัตราส่วนทองคำผกผัน
0.61803398875… - จากนั้นเมื่อทดลองหั่นหัวหอมจริงตามนั้น ก็เกิดคำถามว่าทำไมค่าดังกล่าวจึงออกมาเช่นนั้นในเชิงคณิตศาสตร์
- หลังจากไม่คืบหน้าอยู่สองเดือน ก็มีการคำนวณต่อเนื่องสองวันและพบค่าที่เรียกว่า “true onion constant”
แบบจำลองหัวหอมที่คำนวณได้
- หัวหอมถูกทำให้ง่ายลงเป็น ครึ่งวงกลมรัศมี 1 โดยมีศูนย์กลางอยู่ที่จุดกำเนิดและวางอยู่ในครึ่งระนาบด้านบน
- ไม่พิจารณาโครงสร้างสามมิติและรูปตัดขวางของหัวหอมจริง
- การลดรูปนี้เป็นการประมาณเพื่อให้จัดการปัญหาได้ง่ายขึ้น
- เนื่องจากจำนวนชั้นมีผลต่อคำตอบ จึงสมมติให้เป็นหัวหอมที่มีชั้นอนันต์
- ถ้าหัวหอมมีชั้นเดียว การหั่นเข้าหาศูนย์กลางจะดีที่สุด
- ถ้าเป็นหัวหอมสิบชั้น ควรเล็งต่ำกว่าศูนย์กลาง
- เมื่อกำหนดให้มีชั้นอนันต์ ก็สามารถพิจารณาการหั่นจำนวนอนันต์ไปพร้อมกันได้อย่างเป็นธรรมชาติ
- สมมตินี้ทำให้ปัญหาถูกย้ายเข้าสู่ขอบเขตของ คณิตศาสตร์ต่อเนื่อง และสามารถใช้แคลคูลัสได้
วัดความสม่ำเสมอของชิ้นด้วย Jacobian
- ในการแปลงพิกัดเชิงขั้วทั่วไป พื้นที่เล็ก
dx dyจะเปลี่ยนเป็นr dr dθโดยที่rทำหน้าที่เป็น Jacobian - ค่านี้ใช้เป็นมาตรวัดเพื่อเปรียบเทียบว่าชิ้นส่วนเล็กจิ๋วของหัวหอมมีขนาดต่างกันเพียงใด
- ชิ้นที่อยู่ใกล้ศูนย์กลางจะเล็กกว่าเพราะ
rมีค่าน้อย - ชิ้นที่อยู่ใกล้ขอบจะใหญ่กว่าเพราะ
rมีค่ามาก
- ชิ้นที่อยู่ใกล้ศูนย์กลางจะเล็กกว่าเพราะ
- ความสม่ำเสมอของชิ้นถูกวัดด้วย ความแปรปรวน ของน้ำหนักพื้นที่เล็กจิ๋ว
- ถ้าความแปรปรวนมาก แปลว่าชิ้นต่าง ๆ สม่ำเสมอน้อยกว่า
- ถ้าความแปรปรวนน้อย แปลว่าชิ้นต่าง ๆ สม่ำเสมอมากขึ้น
- หลังจากคำนวณน้ำหนักพื้นที่เฉลี่ยและความแปรปรวนในกรณีหั่นเข้าหาศูนย์กลางก่อนแล้ว จึงแนะนำระบบพิกัดใหม่สำหรับการหั่นที่เล็งไปยังจุดใต้ศูนย์กลาง
ระบบพิกัดที่เล็งไปยังจุดหนึ่งใต้ศูนย์กลาง
- กำหนดให้จุดที่แนวมีดมุ่งไปอยู่ที่
(0, -h)ใต้จุดกำเนิด และสร้างระบบพิกัดสำหรับh > 0 - ในระบบนี้ มุม
θวัดจากจุด(0, -h)ส่วนรัศมีrวัดจากจุดกำเนิด(0, 0)- ส่วนเชิงรัศมีใช้จำลองชั้นของหัวหอมโดยอิงจากจุดกำเนิด
- ทิศทางของมุมใช้จำลองวิธีที่มีดเคลื่อนเป็นเส้นตรงโดยมุ่งไปยัง
(0, -h)
- ระบบพิกัดนี้ทำงานได้โดยไม่มีปัญหาเฉพาะในครึ่งระนาบด้านบน และเนื่องจากหัวหอมในแบบจำลองอยู่ในครึ่งระนาบนี้ทั้งหมดจึงสามารถใช้งานได้
- อาศัยสมมาตร จึงวิเคราะห์เพียงครึ่งด้านขวาก็เพียงพอ
- โดเมนคือ
0 ≤ θ ≤ arctan(1/h) - ช่วงของรัศมีคือ
h tan(θ) ≤ r ≤ 1
- โดเมนคือ
- ใช้กฎโคไซน์เพื่อหาความสัมพันธ์ระหว่าง
(x, y)กับ(r, θ)และคำนวณ Jacobian สำหรับความลึกhที่กำหนด - จาก Jacobian นี้ จึงนิยามน้ำหนักพื้นที่เฉลี่ย
A(h)และความแปรปรวนv(h)
ผลการคำนวณ: true onion constant
- เนื่องจากการอินทิเกรต
v(h)ด้วยมือดูยากมากหรือแทบเป็นไปไม่ได้ จึงใช้ การอินทิเกรตเชิงตัวเลข ของ Mathematica - เมื่อพล็อตความแปรปรวนเทียบกับ
hจะพบค่าต่ำสุดใกล้h = .55 - ผลการหาค่าน้อยสุดเชิงตัวเลขให้ว่า “true onion constant” ของหัวหอมอุดมคติที่มีชั้นอนันต์คือ
0.5573066… - หากต้องการหั่นแบบรัศมีให้ได้ความสม่ำเสมอที่สุด แนวมีดควรมุ่งไปยังจุดต่ำกว่าศูนย์กลางของหัวหอม ที่ 55.73066% ของรัศมี
- ค่านี้ใกล้กับ
61.803%ที่กล่าวในวิดีโอ แต่ไม่เท่ากัน - ในกรณีหัวหอมจริงที่มีจำนวนชั้นจำกัด ค่านี้อาจแตกต่างออกไป
- ถ้ามีหนึ่งชั้น ความลึกที่เหมาะที่สุดคือ
0 - ถ้ามีชั้นอนันต์คือ
0.5573066… - สำหรับหัวหอมสิบชั้น คาดว่าความลึกที่เหมาะที่สุดจะอยู่ระหว่าง
0กับ0.5573066…แต่ยังไม่ได้มีการศึกษาอย่างลึกซึ้ง
- ถ้ามีหนึ่งชั้น ความลึกที่เหมาะที่สุดคือ
อัปเดตภายหลัง: รูปปิดและชื่อเรียก
- ต่อมาสามารถคำนวณ
v(h)ให้อยู่ใน รูปปิด ได้ - ในแคลคูลัส เมื่อต้องการหาค่าต่ำสุดของฟังก์ชัน จะตั้งอนุพันธ์ให้เท่ากับ 0 ดังนั้นจึงคำนวณ
v'(h) - ในช่วง
(0, 1)ราก เพียงตัวเดียว ของอนุพันธ์นี้ก็คือค่าคงที่หัวหอม- จุดนี้เป็นจุดวิกฤตของ
v(h) - เครื่องหมายของ
v'(h)เปลี่ยนจากลบเป็นบวก จึงเป็นจุดต่ำสุด
- จุดนี้เป็นจุดวิกฤตของ
- วิธีนี้ทำให้สามารถคำนวณค่าคงที่หัวหอมได้ด้วยความแม่นยำตามต้องการ และมีการแสดงเลขทศนิยมถึง 1000 หลัก
- มีการเลือกใช้อักษรฮีบรู samekh เป็นชื่อของค่าคงที่ทางคณิตศาสตร์นี้
- เหตุผลที่เลือกคืออักษรนั้นดูคล้ายหัวหอม
1 ความคิดเห็น
ความคิดเห็นบน Hacker News
ผมเป็นผู้เขียนบล็อกโพสต์นี้เอง ดีใจที่มีคนสนใจบทความนี้ และผมเอาสไลด์ที่ครอบคลุมทั้งการตั้งปัญหา เนื้อหาทางคณิตศาสตร์ ไปจนถึง หัวหอมสามมิติ ไว้ที่นี่: https://drspoulsen.github.io/Onion_Marp/index.html
ผมยังได้ส่งต้นฉบับอย่างเป็นทางการที่สรุปรายละเอียดของปัญหาและวิธีแก้ไปยังวารสารคณิตศาสตร์สันทนาการแล้ว และยินดีตอบคำถามด้วย
วงกลมสามารถแบ่งเป็นส่วนโค้งเท่า ๆ กันได้ง่าย เช่น ส่วนโค้งขนาด 3 องศา 120 ชิ้นด้วยพิกัดเชิงขั้ว แต่การทำแบบเดียวกันบนผิวทรงกลมด้วยพิกัดทรงกลมนั้นแย่มาก และเท่าที่ผมเข้าใจ ไม่มีทางได้ผลคล้าย ๆ กันในการปูกระเบื้องผิวทรงกลมด้วย รูปทรงเดียวกันรูปเดียว
ผมนึกถึงปัญหานี้ตอนคิดถึงระบบพิกัดบนแผนที่ที่ให้ “สี่เหลี่ยมจัตุรัส” แต่ละช่องกลายเป็นพื้นที่เท่ากันบนทรงกลม แม้จะมีการบิดเบี้ยวก็ตาม และมันก็ดูเกี่ยวข้องกับว่าปัญหาอนาล็อกสองมิติของหัวหอมตอบคำถามสามมิติดั้งเดิมได้มากแค่ไหน
ผมสงสัยว่าทำไมถึงจำลองหัวหอมครึ่งลูกเป็น “ครึ่งหนึ่งของจานกลมรัศมี 1” หัวหอมครึ่งลูกใกล้เคียงครึ่งทรงกลมมากกว่า และผมไม่รู้ว่าทำไมเราจึงควรคาดหวังว่าคำตอบจะเหมือนกัน
ถ้าคิดถึงหน้าตัดด้านนอกตรงปลายทั้งสองของหัวหอม คือใกล้ส้นมีดกับปลายมีด จะเห็นว่ายิ่งไปทางปลายก็ยิ่งต้องหั่นให้ใกล้แนวดิ่งมากขึ้น เมื่อด้านนอกถูกหั่นในแนวดิ่งมากขึ้น หน้าตัดตรงกลางก็น่าจะต้องหั่นให้ตื้นลงเล็กน้อย ดังนั้นผมคิดว่าการเรียกสิ่งนี้ว่า ค่าคงที่หัวหอม จริง ๆ อาจจะผิด
คิดเหมือนเราพยายามรวบรวมหมึกในปริมาณเท่ากันจากรูปทรงที่ทาสีไว้ก็ได้ ต่างจากจานกลมสม่ำเสมอ จานกลมถ่วงน้ำหนักในบทความจะเข้มกว่าที่ด้านบนและด้านล่าง และจางกว่าตรงกลาง จริง ๆ แล้วเฉดจะค่อย ๆ เปลี่ยน ไม่ใช่เป็นแถบอย่างในภาพ ASCII
ส่วนตัวผมขี้เกียจ เลยหั่นหัวหอมครึ่งลูกตั้งฉากกับแกน และไม่ได้หั่นแนวรัศมีเพื่อความสม่ำเสมอด้วย
ในทางกลับกัน ยูทูบเบอร์สายอาหาร Adam Ragusea ย้ำหนักแน่นว่าความไม่เป็นเนื้อเดียวกันนั้นสำคัญ การเพิ่มประสิทธิภาพให้สม่ำเสมออาจไม่ใช่กลยุทธ์ที่ดีที่สุดเสมอไป
https://www.youtube.com/watch?v=5cWRCldqrxM
เคล็ดลับสำหรับสลัดซีซาร์คือ วางถุงครูตองแบบแพ็กบนโต๊ะให้แบน แล้วใช้ก้นกระทะกดบดซ้ำ ๆ จะได้ชิ้นครูตองหลายขนาด เศษคล้ายกรวด และผงปนกัน หลังจากเคยกินแบบนี้ในร้านอาหารหรู ผมก็ทำแบบนั้นมาตลอด
กฎนี้ทำให้ได้ความสม่ำเสมอของวัตถุดิบอย่างหัวหอมใกล้เคียงพอกับที่สูตรอาหารส่วนใหญ่คาดหวัง และดูมีแนวโน้มว่า Ragusea ก็น่าจะเห็นด้วยว่าเป็นวิธีแก้สำหรับการตั้งปัญหาแบบนั้น
อย่างไรก็ตาม มุมมองจำนวนมากของ Ragusea ไม่ได้ยืนหยัดได้ดีนักเมื่อเวลาผ่านไป และบางส่วนเจ้าตัวก็ยอมรับเองด้วย
Marco Pierre-White แนะนำให้ขูดหัวหอมด้วยที่ขูด ซึ่งเป็นการหลบปัญหาทั้งหมดได้อย่างฉลาด
พูดได้ว่าเป็นการขูดปมกอร์เดียนทิ้งไปเลย
https://youtu.be/glIUUrh6qtQ?t=40
“ความสมบูรณ์แบบคือผลรวมของสิ่งเล็ก ๆ มากมายที่ทำออกมาได้ดี”
สำหรับกระเทียม ผมชอบบดในหลาย ๆ สูตรมากกว่า จะได้ขอบที่หยาบกว่า ทำให้เข้ากับอาหารได้ดีกว่า และตอนผัดก็สุกกรอบได้ดี
สงสัยว่ามีที่ไหนอธิบายปัญหานี้เป็นลายลักษณ์อักษรไหม ต้นฉบับเหมือนปล่อยให้วิดีโออธิบาย ส่วนในบทความดูเหมือนจะพูดถึงแค่คำตอบที่เสนอในวิดีโออื่นกับคำตอบใหม่ เลยไม่รู้ว่ากำลังแก้โจทย์อะไรอยู่
แปลกใจที่ Kenji ยังทำ รอยกรีดแนวนอน อยู่ ถ้าหั่นแนวตั้งแบบเอียงมุมแล้ว รู้สึกว่ารอยกรีดแนวนอนไม่จำเป็นเลย
หลายปีก่อนเคยกรีดแนวนอนบนหัวหอมแล้วผิวหนังฉีกเหมือน flap avulsion ด้วย
หัวหอมครึ่งลูกที่ยังไม่ถูกหั่นแนวตั้งสามารถกรีดแนวนอนได้อย่างปลอดภัยและง่าย แต่หลังจากหั่นแนวตั้งไปแล้วจะทำได้ยากกว่ามาก
แต่บางทีอาจควรลองเอาฮอตด็อกใส่ตรงส่วนนิ้วเพื่อทดสอบก่อน
น่าทึ่ง และดีใจมากที่อินทิกรัลมี คำตอบรูปปิด อยากรู้มากว่าถ้าเป็นกรณีแบบไม่ต่อเนื่องจะออกมาเป็นอย่างไร และก็น่าจะเขียนโค้ดจำลองได้ค่อนข้างง่ายด้วย
วิธีของ Chef Jean-Pierre ดีกว่า ทำให้เรียบง่ายไว้ และยังแสดงให้เห็นด้วยว่าทำไมรอยกรีดแนวนอนถึงไม่ค่อยสมเหตุสมผล
[1] https://www.youtube.com/watch?v=QjZ1LFqNWRM&list=PLnujfCpADf...
ในอาหารระดับสูงยังมีแนวคิดที่เรียกได้ตามตัวอักษรว่า ทรงลูกเต๋าที่สมบูรณ์แบบ ด้วย เป็นวิธีที่ลอกชั้นของหัวหอมทั้งชั้นออกมา กดให้แผ่เหมือนแผ่น แล้วหั่นเป็นตารางสี่เหลี่ยมเพื่อสับ