Торт для именинницы
Обед шел к концу. Мистер Джонс сидел за столом вместе с женой, десятилетним сыном и семилетней дочерью Сьюзен.
Был день рождения Сьюзен, и миссис Джонс испекла небольшой квадратный торт 20 см × 20 см и толщиной 5 см, обильно покрытый глазурью сверху и с четырех сторон.
Мистер Джонс. Замечательный торт! Всем хватит. Первый кусок торта я отрежу для Сьюзен. Ей сегодня исполнилось 7 лет, и я отступлю на 7 см от углов и проведу разрезы через центр.
Кусок получился причудливой формы, и Сьюзен, которой он достался, пожаловалась.
Сьюзен. Папа, ты отрезал мне маленький кусочек, меньше четверти! Даже если ты отрезал мне четверть торта, то глазури на ней маловато!
Брат Сьюзен придерживался другого мнения.
Брат. Какая ты жадина, Сьюзен! Мне кажется, что папа отрезал тебе слишком много. Не мешало бы тебе кое с кем поделиться излишками.
Мистер Джонс. Вы оба заблуждаетесь. Сьюзен получила ровно четверть торта и ровно четверть глазури.
Не могли бы вы объяснить, прав ли мистер Джонс?
Чтобы убедиться в правоте мистера Джонса, достаточно продолжить линии разрезов за центр до пересечения с противоположными сторонами торта. Продлив каждый разрез, вы тотчас же убедитесь, что они делят торт на четыре конгруэнтные части.
Как разрезать праздничный пирог?
Задача о разрезании пирога легко обобщается с квадрата на другие правильные многоугольники.
Предположим, например, что торт или праздничный пирог испечены в форме равностороннего треугольника и разрезы проведены под углом 120° из центра (рис. 20). Ясно, что каждый кусок составляет треть пирога. В этом нетрудно убедиться, если провести штриховую линию. Если пирог испечен в форме правильного пятиугольника, то, проведя из центра два разреза под углом 72°, мы отрежем от пирога одну пятую. Если пирог имеет форму правильного шестиугольника, то, чтобы отрезать от него одну шестую, необходимо провести из центра два разреза под углом 360° : 6 = 60°. Тот же метод обобщается и на правильные многоугольники с большим числом сторон, хотя угол между разрезами не всегда выражается целым числом градусов.
Разрезание квадрата на 4 конгруэнтные части другой формы долгое время было одной из излюбленных задач на разрезание. Если, разрезав картонный квадрат на 4 части так, как показано на рис. 21, вы предложите кому-нибудь из своих знакомых составить квадрат из четвертушек, то, как правило, ваш приятель сочтет задачу трудной. После того как он успешно справится с ней, попросите его составить из тех же четвертушек два квадрата.
Последняя задача в отличие от предыдущих носит несколько жульнический характер: решить ее ваш приятель сможет лишь в том случае, если догадается, что одним из двух квадратов служит отверстие в середине другого квадрата (рис. 22). Размеры отверстия зависят от угла, который линия разреза составляет со стороной исходного квадрата. Если этот угол равен 90°, то отверстие исчезает. Если угол равен 45°, то отверстие достигает наибольших размеров.
Глава 3
Находки в мире чисел
Неожиданные решения арифметических задач
Говоря об арифметике, разные люди вкладывают в это понятие различное содержание. Мы будем понимать под арифметикой все, что так или иначе связано с изучением свойств целых чисел и операций сложения, вычитания, умножения и деления, производимых над числами.
Когда-то, на заре человечества (точную дату не может назвать ни один антрополог), первобытные люди открыли, что предметы можно считать и результат счета не зависит от того, в каком порядке сосчитаны предметы. Например, если вы приметесь считать двух овец по пальцам, то результат будет одним и тем же независимо от того, с какой овцы вы начнете считать и будете ли вы загибать пальцы с мизинца или с большого пальца. У вас всегда получится 2, а если вы сосчитаете две овцы, а потом еще одну, то у вас всегда получится 3.
Такие арифметические теоремы, как «2 + 1 = 3», созревали и становились достоянием умов на протяжении нескольких столетий. Если бы мы могли прокрутить назад пленку, на которой была бы запечатлена история человечества, то вряд ли нам удалось найти какой-то век, о котором можно было бы с уверенностью сказать: «Именно тогда человечество открыло арифметику». Маленькие дети овладевают понятием числа так же постепенно и незаметно. В один прекрасный день ребенок может впервые заявить изумленным родителям: «Один плюс один — два», но смысл этого утверждения ясен малышу задолго до того, как он выскажет свою первую арифметическую теорему.
Все истинные теоремы арифметики следуют непосредственно из аксиом и определений числовой системы, но это отнюдь не означает, будто истинность или ложность любого арифметического утверждения легко распознается на слух. Если кто-нибудь скажет, что при умножении 12345679 на 9 получается 111111111, вы можете не верить ему до тех пор, пока сами не умножите одно число на другое. Существуют арифметические теоремы, которые просто сформулировать, но так трудно доказать, что никто пока не знает, верны ли они. Примерам таких утверждений может служить знаменитая гипотеза Гольбаха: всякое четное число больше 2 представимо в виде суммы двух простых чисел. Никому до сих пор не удалось ни доказать ее, ни построить контрпример.
В этой главе мы рассмотрим несколько задач о числах, допускающих неожиданно простые решения, додуматься до которых не так-то просто. При выборе задач мы отдавали предпочтение таким, которые при всей элементарности служили бы ступенькой, позволяющей читателю подняться на более высокую ступень арифметики, получившей название теории чисел. Например, рассказ-задача «Разбитые грампластинки» вводит в круг простейших идей диофантова анализа — решения уравнений в целых числах. Другая задача «Один лишний» познакомит вас с важным понятием наименьшего общего кратного и интересным фокусом, основанным на замечательной «китайской теореме об остатках».
Дихотомия (последовательное разбиение множества на 2 части), играющая важную роль в вычислительной технике и теории автоматической сортировки данных, лежит в основе задачи об угадывании номера телефона Элен и позволяет читателю войти в круг вопросов, связанных с двоичной системой счисления. Принцип «птичка в клетке», известный также под названием принципа Дирихле, позволяет доказывать многие важные факты из теории чисел. Мы используем его для доказательства двух забавных утверждений: о бумажных долларах и о числе волос на голове человека. Свойство двух целых чисел быть взаимно простыми (не иметь общих делителей, кроме единицы) позволяет доказать, что, за исключением 12 часов, часовая, минутная и секундная стрелки часов никогда не совпадают (обычно это вычисление доказывают, проделывая довольно громоздкие выкладки).
Задача о счете по бутылкам легко решается, если воспользоваться понятием сравнения по модулю, и заставляет вспомнить о знаменитой задаче Иосифа Флавия, которую можно удивительно наглядно продемонстрировать при помощи колоды игральных карт.
Хотя задачи, собранные в этой главе, математики сочли бы тривиальными, открываемые ими направления для исследований в теории чисел далеко не тривиальны и не могут не поражать изяществом и идейным богатством древнейшей из всех дедуктивных систем — системы, оперирующей с символами, обозначающими знакомые всем числа.
Разбитые грампластинки
Больше всего на свете Боб и Элен любили всякого рода головоломки. Особенно им нравилось ставить в тупик друг друга и своих друзей каверзными вопросами.
Однажды, когда Боб и Элен проезжали мимо магазина грампластинок, Боб задал Элен вопрос.
Боб. Ты все еще собираешь пластинки с джазовой музыкой?
Элен. Нет, половину всех пластинок и еще полпластинки я подарила Сьюзен.
Элен. Половину оставшихся пластинок и еще полпластинки я подарила Джо.
Элен. После этого у меня осталась одна пластинка. Я подарю ее тебе, если ты скажешь, сколько пластинок было у меня в коллекции до того, как я начала ее раздавать.
Боб не сразу смог решить задачу, так как не мог понять, зачем Элен понадобилось дарить друзьям половинки пластинок.
Внезапно его осенила блестящая мысль, и он понял, что ни одна пластинка не была разбита на половники. Боб ответил на вопрос Элен, и та подарила ему последнюю пластинку из своей коллекция.
Какая мысль пришла Бобу в голову?
Половинки целого
Неужели вы попались в ловушку и не подумали, что половина чего-то и ½ могут оказаться целым числом? Если да, то, должно быть, попытались решить задачу, ведя счет на половинки грампластинок, и, запутавшись вскоре в вычислениях, оставили затею как безнадежную. Неожиданно простым решение получается, если догадаться, что половина от нечетного числа и еще половина равны целому числу.
