Author: Раббот Ж.М. Васильев Н.Б. Гутенмахер В.Л. Тоом А.П.
Tags: математика элементарная математика задачи по математике
Year: 1987
Text
Н.Б.ВАСИЛЬЕВ
В.Л. ГУТЕНМАХЕР
Ж. М. РАБ БОТ
А. Л. ТООМ
T+v2" В 1 С
С а Е Ъ-а А
\ !
Н. Б. ВАСИЛЬЕВ
В. Л. ГУТЕНМАХЕР
Ж. М. РАББОТ
А. Л. ТООМ
ЗАОЧНЫЕ
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ
ОЛИМПИАДЫ
ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ. ПЕРЕРАБОТАННОЙ
москва «наука»
главная редакция
физико-математической литературы
1687
ББК 22.10
В19
УДК 51 @23)
Васильев Н. Б., Гутенмахер В. Л.,
Раббот Ж. М., Тоом А. Л.
В19 Заочные математические олимпиады. — 2-е
изд., перераб.— М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат.
лит., 1987. — 176 с. — 30 к.
Основу книги составляют задачи, предлагавшиеся на Всесоюз*, С
иых заочных математических олимпиадах и конкурсах Всесоюз-
Всесоюзной заочной математической школы для учащихся 7—10 классов.
Задачи развиты на тематические циклы, sa которыми следуют j
их решения, обсуждение и дополнительные вопросы для само-
самостоятельного обдумывания. С
Цель книги — научить читателя творчески относиться к ре- (
шеиию каждой интересной задачи, показать ему. с какими дру-
другими математическими вопросами связана эта задача и какие I
общие закономериостн лежат в основе ее решения. ,
1-е изд. — в 1981 г.
Для школьников 7—10 классов, преподавателей, студентов.
„ 1702010000—056 .„.„ ББК 22.10 \
053@2)-87 т
Рецензенты:
доктор физико-математических наук профессор А. А. Кириллову
доктор физико-математических наук А. Н. Паршин г
1
Николай Борисович Васильев. Виктор Львович Гутенмахер
Жозеф Михайлович Раббот,Андрей Леонович Тоом
ЗАОЧНЫЕ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОЛИМПИАДЫ
Редактор С. Л. Табачников (
Художественный редактор Т. И. Кольченко
Технический редактор В. Н. Кондакова I
Корректоры Е. Ю. Рычагова, М. Г. Жиеотовская j
ИБ J6 12867 Г
Сдано в набор 10.01.86. Подписано к печати 05.01.87. Форма!'
84X108/32. Бумага тип. № 2. Гарнитура литературная. Печать высо г
кая. Усл. печ. л. 9,24. Усл. кр.-отг. 9,66. Уч.-изд. л. 9,73. Тираж'
500 000 экз. B-й завод 300 001—500 000 экз.) Заказ № 466. Цеиа 30 коп. I
Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Наука> (
Главная редакция физико-математической литературы
117071 Москва В-71, Ленинский проспект, 15
1
Ленинградская типография № 2 головное предприятие ордена Тру- j
дового Красного Знамени Ленинградского объединения «Техинчс1- ая
книга» им. Евгении Соколовой Союзполиграфпрома при Tocj r;T«J
веином комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книж-
книжной торговли. 198052, г. Ленинград, Л-52, Измайловский проспект, 29. I
© Издательство «Наука».
Главная редакция I
физико-математической литературы, .
1981; с изменениями, 1986 u
ПРЕДИСЛОВИЕ
Эта книга адресована тем, кто любит решать не-
нестандартные математические задачи.
Специфика заочного обучения и заочных, «домаш-
«домашних» олимпиад состоит в том, что задачи предлагают-
предлагаются на длительное время. При такой неторопливой ис-
исследовательской работе естественно не только ре-
решить конкретную задачу, но также найти ее обоб-
обобщения и связи с другими задачами.
Цель книги—помочь читателю в этой работе. За
разрозненными фактами мы старались увидеть кон-
контуры важных математических понятий и конструкций,
показать, что обобщение сравнительно несложных за-
задач иногда выводит на передний край математики.
В первом параграфе книги собраны разнообразные
по содержанию и простые по формулировке занима-
занимательные задачи.
В каждом из следующих пяти параграфов за усло-
условиями задач следует их обсуждение: сначала приво-
приводится элементарное решение, затем в большинстве
случаев (после знака V) предлагается обобщение и
иногда (после слов «для знатоков») идет более труд-
трудный текст, использующий терминологию современной
математики. Каждый из этих параграфов заканчи-
заканчивается большим списком задач для самостоятельного
решения; кроме вопросов, близких к уже разобран-
ным, в их число включены также новые темы для ис-
исследования.
Обширный список литературы, приведенный в кон-
конце книги, указывает основные источники, которыми мы
пользовались, и рассчитан на то, чтобы дать читате-
читателям возможность глубже разобраться в заинтересо-
вавшей их проблеме.
За пять-лет, прошедших после первого издания
книги, мы получили много писем и отзывов от люби-
любителей математики. Некоторые задачи использовались
!• 3
на различных очных и заочных математических кон»
курсах, послужили основой докладов учащихся на ма*
тематических конференциях; по книге давались зада-*
ния ученикам заочной математической школы.
Этот опыт был учтен при переработке книги. До-<
бавлено много задач, в частности, составлены циклы
задач: решение уравнений в целых числах, делимость
многочленов, геометрические построения, доказатель-
доказательство неравенств, последовательности; включены новые
темы и в параграф «Необычные примеры и конструк-,
ции». Задачи для самостоятельного решения мы ста*
рались расположить и снабдить указаниями так, что-*'
бы помочь читателю повторить основные приемы рас- '
суждений.
Мы хотели бы выразить глубокую признательность'
академику И. М. Гельфанду, председателю Научного
совета Всесоюзной заочной математической школы, за
постоянное внимание к нашей работе и ценную кри- <
тику. Среди математиков, книги и советы которых '
оказали влияние на нашу работу, в первую очередь !
должны быть названы В. И. Арнольд, М. И. Башма-
Башмаков, В. Г. Болтянский, Н. Н. Воробьев, М. Л. Гервер,'
П. Б. Гусятников, Я. Г. Синай, Д. Б. Фукс, И. М. Яг-(
лом, Г. Н. Яковлев. Полезными предложениями, за-1
дачами и опытом занятий по книге поделились с нами
М. И. Жгенти, А. В. Карзанов, Э. Б. Кикодзе, А. К. Ко- i
вальджи, Н. Н. Константинов, С. М. Львовский,(
П. И. Масарская, Н. Е. Сохор, А. А. Третьяков, '
А. X. Шень, М. В. Якобсон и многие другие наши
друзья и коллеги. Мы благодарны за помощь в под- (
готовке рукописи Н. Ю. Вайсман, Л. Г. Серебреннико-
Серебренниковой, Л. В. Черновой и особенно С. Л. Табачникову^ ]
участие которого значительно превзошло обязанности >
редактора. <
Мы будем рады получить от читателей письма с '
замечаниями, новыми решениями и задачами; просьба
присылать их в адрес редакции журнала «Квант»зJ
103006 Москва К-6, ул. Горького, 32/1. !
§ I. ЗАДАЧИ ДЛЯ ПЕРВОГО ЗНАКОМСТВА
1-1. Можно ли в листе бумаги, вырванном из
школьной тетради, прорезать такую дыру, в которую
пролезет взрослый человек?
1-2. В уравнении
(х2 + ...)(*+1) = (х4+1)(х +2)
одно число стерто и заменено точками. Найдите стер-
стертое число, если известно, что один из корней этого
уравнения равен единице.
1-3. Петя тратит 1/3 часть своего времени на заня-
занятия в школе, 1/4 — на игру в футбол, 1/5—на про-
прослушивание пластинок, 1/6 — на телевизор, 1/7 — на
решение задач по математике. Можно ли так жить?
1-4. Четыре числа попарно сложили и получили
шесть сумм. Известны четыре наименьшие из этих
сумм: 1, 5, 8 и 9. Найдите две остальные суммы и сами
исходные числа.
1-5. Какое наибольшее число воскресений может
быть в году?
1-6. Четыре девочки — Катя, Лена, Маша и Нина —
участвовали в концерте. Они пели песни. Каждую
песню исполняли три девочки. Катя спела 8 песен —
больше всех, а Лена спела 5 песен — меньше всех.
Сколько песен было спето?
1-7. Три купчихи — Олимпиада, Сосипатра и По-
Поликсена — пили чай. Если бы Олимпиада выпила на
5 чашек больше, то она выпила бы столько, сколько
две другие вместе. Если бы Сосипатра выпила на
9 чашек больше, то она выпила бы столько, сколько
две другие вместе. Определите, сколько каждая вы-
выпила чашек и у кого какое отчество, если известно,
что Уваровна пила чай вприкуску, количество чашек
.чая, выпитых Титовной, кратно трем, а Карповна вы-
выпила 11 чашек.
1-8. Дама сдавала в багаж: диван, чемодан, сак-
саквояж, картину, корзину, картонку и маленькую соба-
собачонку. Диван весил столько же, сколько чемодан и
саквояж вместе, и столько же, сколько картина и кар-
картонка вместе. Картина, корзина и картонка весили
поровну, причем каждая из них — больше, чем соба-
собачонка. Когда выгружали багаж, дама заявила, что
собака не той породы. При проверке оказалось, что
собака перевешивает диван, если к ней на весы доба-
добавить саквояж или чемодан. Докажите, что претензия
дамы была справедлива.
1-9. Мотоциклист и велосипедист выехали одновре-
одновременно из пункта А в пункт В. Проехав треть пути, ве-
велосипедист остановился и поехал дальше лишь тогда,
когда мотоциклисту оставалась треть пути до В. Мо-.
тоциклист, доехав до В, сразу поехал обратно.
Кто приедет раньше: мотоциклист в А или велосипе-
велосипедист в 5?
1-10. Длины катетов прямоугольного треугольника
равны а и Ь. На его гипотенузе как на стороне во
внешнюю сторону треугольника построен квадрат,-
Найдите расстояние от вершины прямого угла тре*
угольника до центра квадрата.
1-11. За весну Обломов похудел на 25 %, затем за
лето прибавил в весе 20 %. за осень похудел на 10 %j
а за зиму прибавил 20 %. Похудел ли он или попра-
поправился за год?
1-12. Ивана Александровича Хлестакова пригла-
пригласили управлять департаментом и в течение трех дней
прислали ему 35 000 курьеров. Если бы в первый день
было прислано вдвое больше курьеров, чем на самом
деле, то общее число курьеров было бы пятой сте-
степенью того числа, на которое в третий день прислали
курьеров больше, чем во второй. Сколько курьеров
присылали каждый день?
1-13. После представления «Ревизора» состоялся
следующий диалог.
Бобчинский: Это вы, Петр Иванович, первый
сказали «Э!». Вы сами так говорили.
Добчинский: Нет, Петр Иванович, я так не го-
говорил. Это вы семгу первый заказали. Вы и сказали
«ЭЬ. А у меня зуб во рту со свистом.
Бобчинский: Что я семгу первый-заказал, это
верно. И верно, что у вас зуб со свистом, А все-таки
это вы первый сказали «Э!».
Выясните, кто первым сказал «ЭЬ, если известно,
что из девяти произнесенных в этом диалоге фраз-
утверждений четное число верных.
1-14. а) У стены круглой комнаты диаметром 3 м
на полу сидит кузнечик. Каждый его прыжок имеет
длину 2 м. Он начинает прыгать. В какие точки ком-
комнаты он может при этом попасть?
б) Тот же вопрос, если комната квадратная со
стороной 2 м, а кузнечик вначале сидит в углу.
1-15. Новая шахматная фигура «жираф» ходит
«буквой Т» на четыре клетки в одном направлении и
на пять клеток—в другом. Какое наибольшее число
жирафов можно расставить на шахматной доске так,
чтобы ни один не мог напасть на другого, сколько бы
он ни ходил?
1-16. Четверо ребят — Алеша, Боря, Ваня и Гри-
Гриша — соревновались в беге. На следующий день на
вопрос, кто какое место занял, они ответили так:
Алеша: Я не был ни первым, ни последним.
Боря: Я не был последним.
Ваня: Я был первым.
Гриша: Я был последним.
Известно, что три из этих ответов правильные,
а один — неверный. Кто сказал неправду? Кто был
первым?
1-17. Города А и В расположены на реке на рас-
расстоянии 10 км друг от друга. На что пароходу потре-
потребуется больше времени: проплыть от А до В и обрат-
обратно или проплыть 20 км по озеру?
1-18. Андрей бегает на лыжах быстрее Вити, но
медленнее Жени. Они одновременно побежали по кру-
круговой дорожке из одного места в одном направлении
и остановились в момент, когда были все трое в одном
месте. За это время Женя обогнал Витю 13 раз.
Сколько всего было обгонов?
1-19. Стальную плитку размерами 73X19 см об-
обвели карандашом на бумаге. Найдите центр получен-
полученного прямоугольника, имея в распоряжении только эту
плитку и карандаш.
1-20. Докажите, что в любой компании найдутся
два человека, имеющие равное число знакомых в этой
компании, (Если Л знаком с В, то В знаком с А.)]
1-21. Последовательность чисел строится по сле-
следующему закону. На первом месте стоит число 7,
далее за каждым числом стоит сумма цифр его квад*
рата, увеличенная на единицу. Так, на втором месте
стоит число 14, так как 72 = 49, а 4 + 9 + 1 = 14. На
третьем месте стоит число 17 и т. д. Какое число стой1*)
на 1000-м месте?
1-22. В 9 «Г» классе учатся три брата: Алеша,
Леня и Саша. Учитель заметил, что если кто-то из них
получает подряд две четверки или две тройки, то
дальше он учится кое-как и получает тройку; если он
получает подряд две пятерки, то совсем перестает за*
ниматься и получает двойку, а если он получает две
разные оценки, то следующей будет большая из них.,
В начале полугодия Алеша получил оценки 4 и 5,
Леня — 3 и 2, Саша — 2 и 4. Какие итоговые оценки
они получат за это полугодие, если учитель выставил
каждому по 30 оценок, а итоговая оценка — ближай-*
шее целое число к среднему арифметическому полу*
ченных оценок?
1-23. Математик шел домой вверх по течению
ручья со скоростью, в полтора раза большей, чем ско*
рость течения, и держал в руках шляпу и палку. На
ходу он бросил в ручей шляпу, перепутав ее с пал*
кой. Вскоре, заметив ошибку, он бросил палку в ручей'
и побежал назад со скоростью вдвое большей той,
с какой шел вперед. Догнав плывущую шляпу, ori
мгновенно достал ее из воды, повернулся и как ни
в чем ни бывало пошел домой с прежней скоростью.
Через 40 секунд после того, как он догнал шляпу, он
встретил палку, плывущую ему навстречу. Насколько
раньше пришел бы он домой, если бы все время шел
вперед?
1-24. Существует ли такое целое число, которое
при зачеркивании первой цифры уменьшается: а) в
Б7 раз; б) в 58 раз?
1-25. Четверть участников шахматного турнира со-
составляли гроссмейстеры, остальные были мастера.
Каждые два участника сыграли друг с другом один
раз. За выигрыш присуждалось очко, за ничью — пол-
полочка, за проигрыш — ноль. Мастера в сумме набрали
в 1,2 раза больше очков, чем гроссмейстеры. Сколько
было мастеров и сколько гроссмейстеров?
1-26. Существует ли четырехугольная пирамида, у
которой две противоположные боковые грани перпен-
перпендикулярны плоскости основания?
Рис. 1
ОТВЕТЫ И УКАЗАНИЯ
Задача 1-1. Ответ: можно. Примерный способ
показан на рис. 1. Количество изгибов полоски можно
делать больше или меньше, в зависимости от солид-
солидности того, кто должен про-
пролезать.
Задача 1-2. Ответ: 2.
Чтобы найти стертое число,
достаточно подставить в
уравнение х = 1.
Задача 1-3. Если Петя
может делать несколько
дел одновременно, то мож-
можно; если же нет — то нель-
нельзя: сумма данных чисел
больше единицы.
Задача 1-4. Ответ: две остальные суммы равны
12 и 16, а сами числа равны либо (—1), 2, 6 и 10,
либо (—3/2), 5/2, 13/2 и 19/2.
Задача 1-5. Ответ: 53. Среди любых семи после-
последовательно идущих дней обязательно встречается
одно воскресенье. Поскольку 365 = 52-7+1, 366 =
= 52-7 + 2, то в любом году получается 52 семерки
дней (недель) и еще остаток— 1 или 2 дня. В каждой
семерке ровно одно воскресенье, а в остатке — одно
или ни одного. Всего получается не более 53 воскре-
воскресений. Пример года, когда было 53 воскресенья —
1984-й. Столько же воскресений будет в 1989, 1995,
2000 гг.
Задача 1-6. Ответ: 9 песен. Если за каждую
песню давать каждой ее исполнительнице по конфете,
то общее число призовых конфет будет кратно трем.
Задача 1-7. Ответ: Олимпиада Карповна выпила
11 чашек, Сосипатра Титовна — 9 чашек, Поликсена
Уваровна — 7 чашек.
Задача 1-8. Обозначим массы предметов первы-
первыми буквами их названий: Д — масса дивана, Ч — че-
чемодана, С —саквояжа, К —картины (а также кор-
корзины и картонки — они весили поровну), М — малень-
маленькой собачонки. Если претензия дамы несправедлива,
to:
Д = Ч + С = 2К, К>М, М + С>Д, М + Ч>Д.
Отсюда М > Ч, М > С, 2К = Ч + С < 2М< 2К—
противоречие.
Задача 1-9. Ответ: велосипедист приедет раньше.
Поскольку велосипедист проехал треть пути раньше,
чем мотоциклист проехал две трети, то скорость ве-
велосипедиста больше половины скорости мотоциклиста.
Задача 1-10. Ответ: (V 2/2) (а+ 6). Пристроим
извне ко всем сторонам квадрата такие же треуголь-
b ники, как данный, таким обра*
зом, чтобы их катеты составляли
а продолжение друг друга — рис. 2,
Катеты этих треугольников обра-<
зуют новый квадрат, центр кото-
которого совпадает с центром преж-
прежнего. Искомое расстояние равно
половине диагонали нового ква*
драта, откуда следует ответ.
Задача 1-11. Ответ: поху«
дел. Если в начале весяы Обло-<
мов весил М кг, то к концу года он стал весить
0,75-1,2-0,9- l,2M = 0.972M кг.
Задача 1-12. Ответ: 24049, 5471, 5480 курьеров
в первый, второй и третий дни соответственно. Един-
стаедтая пятая степень целого числа, заключенная в
промежутке от 35 000 до 70 000, — это 95.
Задача 1-13. Ответ: Бобчинский. Вычеркивая
два равносильных утверждения, мы не меняем четно-
четности числа верных среди оставшихся, а вычеркивая два
противоположных утверждения, мы меняем четность.
Рис. 3
Задача 1-14. а) Ответ: все точки кольца с вну-
внутренним диаметром 1 м и внешним 3 м (на рис. 3, а
sto кольцо заштриховано). Ясно, что кузнечик не мо-
ЖТ. Щ№<ШШ\&% ъ \дапэд ъсшяга ближе чем на
полметра. Чтобы показать что кузнечик может по-
10
пасть в любую точку указанного кольца, надо сна-
сначала показать, что он может попасть в любую точку
у стены.
б) Ответ см. на рис. 3,6, где заштриховано иско-
искомое множество точек. Оно представляет собой всю
комнату, за исключением пересечения четырех кругов
радиуса 2 м с центрами в углах комнаты.
Задача 1-15. Ответ: 16 жирафов. На рис. 4 по-
показано, как можно расставить 8 жирафов: каждого
Z
3
5
3
Я
6
5
6
7
5
В
?
в
1
г
s
2
3
3
5
е
4
S
6
7
Рис. 4
из них можно поставить в любую клетку, на которой
стоит его номер. Остальных 8 жирафов можно расста-
расставить симметрично первым восьми.
Задача 1-16. Ответ: неправду сказал Ваня; пер-
первым был Боря. Если предположить, что неправду ска*
вал Алеша, то получится, что он был первым или по-
последним, но тогда неправду сказал еще либо Ваня,
либо Гриша, а это противоречит условию — неправду
сказал только один из мальчиков. Аналогично рас-
рассматриваются и все другие возможности.
Задача 1-17. Ответ: больше времени требуется
на путь по реке. Пусть скорость парохода равна и,
скорость течения v. Если u ^ v, то пароход вообще не
выплывет против течения, если же и > v > 0, то ре-
решение сводится к доказательству неравенства
Ю , ю 20
u + v
u — v
11
13
Задача 1-18. Ответ: 25. Те 13 моментов времени,
когда Женя обгонял Витю, разбивают все время дви-
движения на 14 промежутков, и за каждый промежуток
Женя опережал Витю ровно на один круг. Значит,
Женя сделал на 14 кругов больше Вити. Пусть Анд-
Андрей сделал на k кругов больше Вити. По условию
О < k < 14. Рассуждая аналогично, получаем, что
Андрей обогнал Витю k — 1 раз. Но Андрей сделал
на 14 — k кругов меньше Жени, и поэтому Женя обо-
обогнал его 13 — k раз. Всего произошло 13 + (?—1) +
,+ A3 — ft) = 25 обгонов.
Задача 1-19. На каждой из больших сторон пря-
прямоугольника отложим от концов по 19 см. Получим
1д .„ прямоугольник 35X19, име-
имеющий общий центр с исход-
исходным, а в нем мы уже смо-
сможем провести диагонали,
которые пересекаются в
73 центре — см. рис. 5.
Рис. 5 Задача 1-20. Пусть в
компании k человек. Тогда
каждый из них имеет в этой компании не меньше
нуля и не больше k — 1 знакомых. Если предполо-
предположить, что количества знакомых у всех людей различ-
различны, то получится противоречие. .Действительно, тогда
один имеет нуль знакомых, второй — одного, третий —
двух и т. д., наконец, последний имеет k— 1 знако-
знакомых. Но это значит, что последний знаком со всеми,
в частности, с первым, а тот ведь не был знаком ни
с кем!
Задача 1-21. Ответ: 11. Вычислим несколько
первых членов данной последовательности:
7; 14; 17; 20; 5; 8, И; 5; ...
Пятерка повторилась, значит, дальше будет период,
состоящий из трех чисел: 5, 8, 11.
Задача 1-22. Ответ: Алеша и Саша получат
оценки 4, а Леня — оценку 3. Начиная выписывать
оценки каждого из ребят, обнаруживаем, что с неко-
рого момента они периодически повторяются. Это схе-
схематически изображено на рис. 6. Подсчитав средние
значения оценок, получаем ответ.
Задача 1-23. Ответ: на две с половиной минуты.
Пусть математик бежал назад t секунд. Тогда палка
плыла назад t + 40 секунд. Обозначим скорость тече-
течения v. Тогда скорость ходьбы равна 1,5у, бега — Зи,
12
Расстояние, которое он бежал назад, равно расстоя-
расстоянию, которое плыла палка до встречи с ним, плюс
расстояние, которое он шел вперед, выловив шляпу,
до встречи с палкой:
3t>/=l,5 v • 40 + v (I + 40),
откуда t = 50 секунд. Время, которое он потерял, рав-
равно 50 секунд плюс время, которое ему потребовалось,
чтобы пройти то же рас-
расстояние, а оно вдвое боль-
больше. Всего получается Алеша
50 + 50-2 = 150 секунд.
Задача 1-24. Ответ:
а) существует, например ^
7125; б) не существует.
Обозначим через х за-
зачеркиваемую цифру, че-
через k—количество осталь- СОШО.
ных цифр, через у — чис-
число, остающееся после за-
зачеркивания. Тогда х-10*+
+ t/ = 58t/, откуда x-10ft=57t/. В последнем равен-
равенстве правая часть содержит простой множитель 19,
которого левая часть содержать
не может.
Задача 1-25. Ответ: 9 ма-
мастеров и 3 гроссмейстера. Если
п — число участников матча, то
—^5— — общее количество оч-
Рис. 6
ков в этом матче.
Задача 1-26. Ответ: суще-
существует. Пример такой пирамиды
приведен на рис. 7. Она по-
построена следующим образом. Бе-
Берется треугольная пирамида
SABC, у которой боковое ребро рис. 7
SA перпендикулярно плоскости
основания. Ее боковые грани SAC и SAB перпендику-
перпендикулярны основанию (как плоскости, проходящие через
перпендикуляр AS к основанию). Возьмем теперь про-
произвольные точки М и N на сторонах АС и АВ основа-
основания соответственно. Пирамида SMNBC удовлетворяет
условию задачи.
§ 2. ЦЕЛЫЕ ЧИСЛА И МНОГОЧЛЕНЫ
2-1. Ученику прислали задание, состоящее из 20
задач. За каждую верно решенную задачу ему ставят
8 баллов, за каждую неверно решенную — минус 5 бал-
баллов, за задачу, которую он не брался решать, — 0
баллов. Ученик получил в сумме 13 баллов. Сколько
задач он брался решать?
2-2. Можно ли разменять 25 руб. на рублевые,
трехрублевые и пятирублевые купюры так, чтобы по-
получить всего 10 купюр?
2-3. На миллиметровой бумаге нарисован прямо-
прямоугольник 272X204 мм (его стороны идут по линиям
сетки). Проведем его диагональ и отметим все узлы
сетки, которые на ней лежат. На сколько частей узлы
делят диагональ?
2-4. а) От прямоугольника 324X141 мм отрезают
несколько квадратов со стороной в 141 мм, пока не
останется прямоугольник, у которого длина одной сто-
стороны меньше 141 мм. От полученного прямоуголь-
прямоугольника отрезают квадраты, стороны которых равны по
длине его меньшей стороне, до тех пор, пока это воз-
возможно, и т. д. Какова длина стороны последнего
квадрата?
б) Найдите какие-нибудь два числа а и Ъ, чтобы
при таком разрезании прямоугольника а X Ъ получи-
получились квадраты шести разных размеров.
2-5. Три автомата печатают на карточках пары
целых чисел. Каждый автомат, прочитав некоторую
карточку, выдает новую карточку; прочитав карточку
с парой (т; п), первый автомат выдает карточку
(т — я; п), второй — карточку (т + я; я), третий —•
карточку (п; т). Пусть первоначально имеется кар-
карточка с парой чисел A9; 86). Можно ли, используя
автоматы в любом порядке, получить из нее карточку;
а) C1; 13); б) A2; 21)?
2-6. Один мастер делает на длинной ленте пометки
синим карандашом от ее начала через каждые 36 см.
Другой мастер делает пометки красным карандашом
от начала через каждые 25 см. Может ли синяя по-
пометка оказаться на расстоянии 1 см от какой-нибудь
красной?
2-7. Можно ли с помощью циркуля и линейки раз-
разделить угол в 19° на 19 равных частей?
U
2-8. Окружность разделена 20 точками на 20 рав-
равных частей. Сколько можно построить различных
замкнутых ломаных из 20 равных звеньев с верши-
вершинами в этих точках? (Две ломаные, получающиеся
друг из друга поворотом, считаются одинаковыми.)
2-9. Верно ли, что из 100 произвольных целых чи-
чисел всегда можно выбрать:
а) 15; б) 16
таких, у которых разность любых двух делится на 7?
2-10. Докажите, что если сумма квадратов двух
целых чисел делится на 3, то и каждое из них делится
на 3.
2-11. Докажите, что существует бесконечно много
натуральных чисел, не представимых в виде суммы
кубов трех неотрицательных целых чисел.
2-12. В классе 28 учеников, которые сидят по двое
на 14 партах. В начале каждого месяца учитель рас-
рассаживает их так, чтобы за каждой партой сидели
двое, никогда до этого рядом не сидевшие. Какое наи-
наибольшее число месяцев учитель сможет это делать?
2-13. Найдите какие-нибудь три последовательных
натуральных числа, каждое из которых делится на
квадрат целого числа, большего единицы.
2-14. Можно ли расставить все 12 чисел 1, 2, ...
..., 12 по окружности так, чтобы для любых трех чи-
чисел а, Ь, с, стоящих подряд, число Ь2 — ас делилось
на !3?
2-15. Верно ли, что при любом натуральном п
число п3 + Ъп — 1 простое?
2-16. Докажите, что при любом целом п число
л5 — 5и3 + 4л делится на 120.
2-17. Существует ли многочлен р(х) с цельГми
коэ |}фициентами такой, что:
а)р@)=19, рA) = 85, рB) = 1985;
2-18. Разложите многочлен:
а) х6 + xi + 1 на три множителя,
б) л^ + л;+ 1 на два множителя
с целыми коэффициентами.
2-19. При каком значении а многочлены х4-\-
•+- ах2 +1 и л;3 + о,х + 1 имеют общий корень?
2-20. Рассмотрим множество М натуральных чи-
чисел, представимых в виде х2 -j- 5t/2, где х и у — некото-
некоторые целые числа.
15
а) Докажите, что произведение двух чисел из М
также принадлежит М.
б) Назовем базисным число из М, большее 1, ко-
которое не делится ни на одно из чисел из М, кроме
себя и 1. Существуют ли числа из М, которые можно
двумя разными способами представить в виде произ-
произведения базисных?
в) Докажите, что базисных чисел бесконечно
много.
2-21. Нетрудно указать тройку квадратов целых
чисел, образующих арифметическую прогрессию: 1,25,
49. Найдите еще три такие тройки (из квадратов чи-
чисел, не имеющих общего делителя).
2-22. а) Найдите 7 решений в целых числах урав-
уравнения
б) Найдите еще 4 его решения в рациональных
числах.
Обсуждение задач
Задача 2-1. Ответ: ученик решал 13 задач.
Пусть х — количество правильно решенных задач,
у—неправильно решенных. Тогда 8л; — Ьу— 13. Пере-
Переписав это уравнение в виде
8 (* + »)= 13A+у),
ыы видим, что число х + у делится на 13. С другой
стороны, по условию, х-\-у не больше 20. Поэтому
х + у = 13 (при этом х = 6, у = 7).
V Можно решать уравнение 8х — Ъу = 13 так. Одно реше-
решение сразу угадывается: хо =»» 1, {/о = —1. При любом целом t
пара чисел х = 1+5/, у = —1+8/ тоже удовлетворяет этому
уравнению. Действительно,
8 {\ + 5<) — 5 (— 1 + 80 = (8 + б) + D0/ — 400 = 13.
При этом х + у = 13/, а так как х + У < 20, то / =» 1, к + у =*
«= 13, х = 6, у = 7.
Для любого линейного уравнения вида ах — by =» с (а и Ь —
взаимно простые числа) общий вид решений в целых числах
можно записать по такой же схеме. Находим какое-нибудь одно
его целое решение (лг0; у о). Тогда х =» х0 -J- W, у =» у0 -f- at, где
/е Z, — все его решения,
16
Задача 2-2. Ответ: нельзя.
Допустим, что можно взять k рублевых, / трехруб-
трехрублевых и m пятирублевых купюр так, чтобы выполня-
выполнялись условия задачи, т. е. й + / + m = 10 и ft + 3/ +
+ 5т = 25.
Вычитая из второго равенства первое, получим:
2/ + 4т = 15. Но последнее равенство невозможно,
так как его левая часть четна, а правая — нет. Зна-
Значит, наше предположение неверно.
V Вообще уравнение вида ах — by = с имеет решение в це-
целых числах тогда и только тогда, когда с делится на наибольший
общий делитель к. о. д.(а, Ь) чисел а и Ь.
В задаче 2-2 с = 15 не делится на н. о. д.(а, Ь) =
= и.о. д. B; 4) =2.
Задача 2-3. Ответ: на 68 частей.
Разобьем каждую из двух смежных сторон пря-
прямоугольника на 68 одинаковых частей и через точки
деления проведем прямые по линиям сетки. Тогда
диагональ прямоугольника разобьется узлами сетки
на 68 одинаковых частей, служащих диагоналями пря-
прямоугольников размером 3X4 мм. На диагонали каж-
каждого такого прямоугольника нет ни одного узла сетки.
V В общем случае диагональ прямоугольника тХп разби-
разбивается узлами сетки на н. о. д. (т, п) одинаковых отрезков.
Задача 2-4. а) Ответ: 3 мм.
Произведем деление с остатком:
324 = 141 -2 + 42 B квадрата со стороной 141 мм),
141 =42-3+ 15 C квадрата со стороной 42 мм),
42 = 15-2 + 12 B квадрата со стороной 15 мм),
15=12-1 + 3 A квадрат со стороной 12 мм),
12 = 3-4 D квадрата со стороной 3 мм).
V Для произвольного прямоугольника а X Ь длина стороны
последнего квадрата равна н. о. д. (а, Ь).
Действительно, процедура последовательного деления с ос-
остатком, которую мы проделали в решении задачи, — это алго-
алгоритм Евклида нахождения н. о. д. (а, Ь) (см. [34, 88, 98]).
Алгоритм Евклида основан на таком факте. Пусть
a = bq + r, тогда и. о. д.(а, Ь)= и. о. д.(Ь, г). Сам алгоритм
можно описать так. Если имеются два числа а и Ь, причем
а > Ь > 0, то сначала делим а на Ь и получаем остаток г\
(О ^ ri < Ь). Затем делим число Ь на ri и находим остаток г2
@<5r2<;/j). Далее делим число Г\ на число ъ, при этом
17
получается остаток rs @ г^ г3 < г2), и т. д., пока какой-нибудь
остаток Гп-i не разделится на остаток гп нацело, т. е. rn+t = 0.
Последний ненулевой остаток г„ и есть н. о. д. (о, Ь). В самом
деле,
г„ = н. о. д. (rn, rn-i) — н. о. д. (г„_ь г„_2) = ...
... = н. о. д. (r2, ri) = н. о. д. (г\, Ь) — н. о. д. {а, Ь)
В задаче 2-4 а) мы встретились с геометрической иллюстра-
иллюстрацией этого алгоритма.
Отметим еще, что по последовательности частных qi, qz, ...
..., qn, получающихся в процессе применения алгоритма Евкли-
Евклида, можно записать разложение дроби а\Ъ в цепную дробь (см.
[56, 61, 119]):
а . 1
«72 +
<7з
б) Ответ: например, а = 21, Ъ = 13.
Действительно, произведем деление с остатком?
21 = 1-13 + 8; 13== 1-8 +5; 8= 1-5 + 3; 5 = 1 -3 +,
+ 2; 3 = 1 • 2 + 1; 2=2-1. Таким образом, получают-
получаются квадраты со сторонами соответственно 13, 8, 5, 3,
2, 1 — шести разных размеров.
V Для произвольного натурального числа п можно найти та-
такие числа а и Ь, чтобы при разрезании получилось ровно п раз-
разных размеров квадратов.
В качестве таких чисел можно взять числа Fn+i и Fn+i по-
последовательности Фибоначчи, которая задается следующим обра-
«ом: Ft = 1, Fa=l, Fs = 2, ..., F* = F*_, + Fk~2 для k Js 3.
Если положить а = Fn+2 и b = Fn+i, то каждый раз от
прямоугольника F» X F^-i будет отрезаться только один квадрат
со стороной длины .Fft-i и оставаться прямоугольник F*_1Х^*-2.
В решении задачи 2-4 б) мы взяли F? = 13 и fs = 21; раз-
размеры квадратов получились равными первым шести различным
числам Фибоначчи; 1, 2, 3, 5, 8, 13.
Построенный пример прямоугольника а X Ь имеет наимень-
наименьшие возможные (при данном п) размеры; другими словами, если
числа а я Ь не больше Fn+z, то алгоритм Евклида дает
и.о. д. (а, Ь) не больше чем за л шагов (см. [63]).
Заметим также, что для отношения Fn+i/Fn двух соседних
чисел Фибоначчи разложение в цепиую дробь имеет чрезвычайна
18
Простой вид: оно состоит из одних единиц. Например,
F° 8
Задача 2-5. а) Ответ: можно.
Обозначим операции автоматов соответственно I,
II, III и условимся п сделанных подряд операций I
или II записывать соответственно как I" или II".
Тогда карточку C1; 13) можно получить из кар-
карточки A9; 86) так:
A9; 86)-^>(86; 19)Л>(Ю; 19) -^A9; 1O)-U
J->(9; i0)iIi>A0; 9)-^->(l; 9)-^> (9; 1)-^>
I' /p. ni" /1- «Л-lIwV 9^iHw9- Ч\ ",
—* (А ч—Ml» ч—*¦ \6> ч—МЛ о)—*¦
-^>E; 3)iH>C; 5)-^>A3; 5)-^> E; 13)-^> C1; 13).
б) Ответ: нельзя.
Поскольку операции I, II, III сохраняют н. о. д. (т, п),
а н.о.д. A9; 81)= 1 фн.о.д. A2; 21) = 3, из карточ-
карточки A9; 81) нельзя получить карточку A2; 21).
V Необходимое и достаточное условие того, чтобы из кар-
карточки (от, п) можно было получить карточку (а, Ь), состоит в
Том, что н. о. д. (от, п)= н.о.д. (а, Ь).
Необходимость этого условия очевидна; все операции 1, II,
III сохраняют н.о.д.
Если это условие выполнено, то обе карточки с помощью
операций 1 и III можно привести к карточке (d, d) по алгоритму
Евклида.
Действительно, каждый шаг алгоритма Евклида — это деле-
деление с остатком числа а на число b: a = bq + г @ ^ г < Ь).
Этот шаг можно провести так:
(о, Ь) -?* (г, 6).
Затем, после операции (г, ft) —>F, г), можно аналогично сде-
сделать следующий шаг алгоритма и т. д. до тех пор, пока не полу-
получится карточка (d, d).
Ичя по цепочке (о, Ь) ->.. .-*-(d, d) в обратном порядке
с заменой операции I на операцию II, мы из карточки {d, d)
получим карточку (а, Ь\,
19
Итак, проделав «спуск» от (ш, л) к (d, d), а затем «подъем»
от (d, d) к (а, Ь), мы придем в итоге от карточки (т, п) к кар-
карточке (а, Ь), что и требовалось.
Задача 2-6. Ответ: может.
Например, 9-я синяя пометка и 13-я красная нахо-
находятся друг от друга на расстоянии 1 см, так как
13-25—9-36=1.
V В этой задаче нам фактически надо было найти какое-
нибудь решение в целых числах одного из уравнений
25* — Збу = 1, 26* — Збу = — 1
или доказать, что таких решений иет.
Существует стандартная процедура, с помощью которой все*
еда можно найти решение уравнения ах-{-Ьу= 1, если
и.о.д.(а, Ь)= 1. Продемонстрируем ее на нашей задаче. Выпи-
Выпишем все шаги алгоритма Евклида (см. обсуждение задачи 2-4 а))
для нахождения н. о. д. C6; 25):
36 = 25-1 + 11; 25=11-2 + 3; 11=3-3 + 2; 3 = 2-1 + 1.
Перепишем эту цепочку равенства так:
11 = 36 — 25-1; 3 = 25—11-2; 2 = 11—3-3; 1=3 — 2-1.
Тогда получим ;
1 = 3- A1-3-3) = 3-4-11 = B5 -11-2) -4-11 =
= 25 • 4 — 11 • 9 = 25 • 4 — C6 — 25) • 9 = 25 • 13 — 36 • 9.
В результате получается равенство 25-13—36-9= 1, дающее
одно решение A3; 9) уравнения 25л; — 36{/ = 1.
Задача 2-7. Ответ: можно.
Проведем какую-нибудь окружность с центром в
вершине данного угла. Стороны этого угла высекают
на окружности дугу в 19°.
Если последовательно отложить циркулем эту дугу
на окружности еще 18 раз, то, поскольку 19X19=»
= 361, последняя засечка отсечет от первой дуги дугу
в 1°. Отложив циркулем эту дугу еще 17 раз, мы раз-,
делим дугу в 19° на 19 равных частей. Соединив полу-
ченныз засечки с вершиной угла, мы разделим дан-i
ный угол в 19° на 19 равных частей.
V Пусть m и л — взаимно простые натуральные числа
(и. о. д.(т, п) = 1) и m < п. Откладывая на окружности после*
m
довательно друг за другом равные дуги, составляющие — -к)
20
часть полной окружности, можно получить за п шагов все вер-
вершины правильного вписанного в окружность n-угольника (сделав
при этом т полных оборотов). На некотором х-м шаге мы полу-
получим вершину, соседнюю с начальной, — при этом мы сделаем не-
некоторое число у полных оборотов и еще пройдем ю часть
т , 1 _
окружности, так что х = у -\ . Отсюда получается гео-
геометрический способ решения уравнения
хт — уп = \
в целых числах. В нашей задаче т = 19, п = 360, х = 19, у = 1.
Задача 2-8. Ответ: 4 ломаные.
Будем считать какую-нибудь точку деления на-
начальной и занумеруем, начиная с нее, все точки деле-
деления по часовой стрелке числами 1, 2, 3, ..., 20.
Ломаные с одинаковыми звеньями будут получать-
получаться, если мы будем соединять последовательно каждую
точку с k-й по счету после нее до тех пор, пока не вер-
вернемся в исходную точку 1.
При k = 1 получится правильный двадцатиуголь-
ник с вершинами в точках 1, 2, 3, ..., 20.
При k = 2 — правильный десятиугольник с верши-
вершинами в точках 1, 3, 5, ..., 19.
При k = 3 — самопересекающаяся замкнутая ло-
ломаная с 20 вершинами в точках 1, 4, 7, 10, 13, 16, 19,
2, 5, 8, 11, 14, 17, 20, 3, 6, 9, 12, 15, 18.
При k = 4 — правильный пятиугольник.
При k = 5 — квадрат.
При k = 6 — самопересекающаяся замкнутая ло-
ломаная с 10 вершинами в точках 1, 7, 13, 19, 5, 11, 17,
3,9, 15.
При k = 7 — снова 20-звенная ломаная.
При k = 8 — 5-звенная ломаная (пятиконечная
звезда).
При k — 9 — снова 20-звенная ломаная.
При k = 10 получается вырожденная 2-звенная ло-
ломаная— дважды пройденный отрезок.
При k = 11 получается та же ломаная, что и при
k = 9, так как соединять точки через 10 по часовой
стрелке — то же самое, что соединять их через 8 про-
против часовой стрелки.
Точно так же при k = 12, 13, ..., 19 получаются
соответственно такие же ломаные, что и при k = 8,
¦*»«•¦» **
21
Таким образом, всего различных 20-звекных лома-
ломаных— четыре, они получаются при k = 1, 3, 7, 9.
V При любом п различных по форме правильных п-звенных
замкнутых ломаных будет столько, сколько существует натураль-
п
ных чисел, меньших -jj- и взаимно простых с п.
Количество натуральных чисел, меньших данного числа п и
взаимно простых с ним, обозначается обычно через ф(и). Функ-
Функция ф(п) называется функцией Эйлера; если ри рг, .... Pi — все
различные простыв числа, входящие в разложение числа п на
простыв множители, то
V р\ ) \ Рг ) \ Р1 )
Ответ к обобщению задачи 2-8 можно записать так: число
различных правильных п-звенных ломаных равно ф(п)/2. В част-
частности, если п = 20. то ф B0) = 20 (I — —J И — -g-) = 8, а чис-
число ломаных равно фB0)/2 = 4 (см. [88]).
Задача 2-9. а) Ответ: верно.
Разность двух чисел делится на 7 в том и только
в том случае, когда равны остатки от деления этих
чисел на 7. При делении на 7 существует семь воз-
возможных остатков: 0, 1,2, 3, 4, 5, 6.
Допустим, что нельзя выбрать 15 нужных чисел из
100. Это значит, что не более 14 чисел дают при деле-
делении на 7 остаток 0, не более 14 чисел — остаток 1,
аналогично — остатки 2, 3, 4, 5, 6. Но тогда всего чи-
чисел получается не более чем 14-7 = 98 < 100, и наше
допущение неверно.
V Решение задачи 2-9 а) — типичный пример применения
принципа Дирихле: если в п клетках сидит nk + 1 зайцев,
то хотя бы в одной клетке не меньше k + I зайцев (см. [43]).
В самом деле, если бы в каждой клетке было не больше h
зайцев, то всего зайцев было бы не больше чем nk, что противо-
противоречит условию.
б) Ответ: неверно.
Приведем контрпример: первые сто натуральных
чисел от 1 до 100. Среди них 14 чисел: 7, 14 98,
дающих в остатке 0; по 15 чисел, дающих в остатке
1 и 2; по 14 чисел, дающих в остатке 3, 4, 5, 6. Зна^
чнт, среди них нет 16 чисел, для которых разность
любых двух делится на 7.
22
Задача 2-10. Всякое целое число либо делится
на 3, либо при делении на 3 дает в остатке 1 или 2.
Если число п делится на 3, то его можно записать
в виде п — 3k, поэтому его квадрат можно записать
в виде 9k2, откуда видно, что он делится на 3.
Если число п при делении на 3 дает в остатке 1,
то его можно записать в виде n = 3k + 1, тогда для
его квадрата получаем: п2 = 3Ck2 + 2k)-\- 1, откуда
видно, что квадрат при делении на 3 также дает в
остатке 1.
Если число п при делении на 3 дает в остатке 2,
аналогично получаем: п? = 3C&2 + ik + 1)+ 1, т. е. и
в этом случае квадрат числа п дает при делении на
3 остаток 1„
Если ровно одно из двух чисел не делится на 3, то
его квадрат при делении на 3 дает, как мы видели,
остаток 1, поэтому сумма квадратов этих двух чисел
при делении на 3 дает остаток 1; а если ни одно из
двух чисел не делится на 3, то их квадраты оба дают
при делении на 3 остатки 1, поэтому сумма их квад-
квадратов при делении на 3 даст остаток 2.
Таким образом, сумма квадратов двух целых чи-
чисел делится на 3 лишь в случае делимости каждого
из них на 3.
V Переход от целых чисел к их остаткам от деления на
фиксированное число т — основбой прием в задачах на делимость
целых чисел. При этой постоянно используется следующее про-
простое правило: чтобы найти остаток от деления на m суммы или
произведения двух (или нескольких) целых чисел, достаточно про-
проделать те же операции с остатками и найти, какой остаток при
делении на пг дает результат.
Покажем, например, что утверждение задачи 2-10 останется
верным, если заменить в ее условии число 3 на число 7. Возведя
В квадрат числа от 0 до 6, можно убедиться, что остатки, кото-
которые дают квадраты целых чисел при делении на 7, — это только
0, 1, 2 и 4. Поскольку никакие два из этих четырех чисел, кроме
пары нулей, в сумме не дают числа, делящегося на 7, сумма
квадратов двух црлых чисел делится на 7, только если каждое
число делится на 7.
Для знатоков. Вопрос о том, может ли для данного простого
числа р сумма квадратов двух целых чисел х2 + у2 делиться на р,
есля ни одно из них не делится на р, эквивалентен такому: яв-
является ли (—1) квадратичным вычетом по модулю р, т.е. суще-
существует ли такое г, что 1 + г2 делится на р. Ответ (известный
23
еще Эйлеру): это возможно для чисел р вида 4k + 1 (р = 5, 13,
17, 29, ...) и невозможно для р = 4k + 3 (р = 3, 7, II, 19,
23, ...). Обобщение этого факта, позволяющее для каждых двух
чисел q и р быстро решить вопрос, является ли q квадратичным
вычетом по модулю р, — квадратичный закон взаимности Гаусса
(см. [31, 88]).
Задача 2-11. Покажем, что ни одно число вида
9/г + 4, где п — натуральное число, не представляется
в виде суммы трех кубов; поскольку чисел такого
вида бесконечно много, отсюда будет следовать утвер-
утверждение задачи.
Любое целое число имеет либо вид 3/, либо 3/+ 1,
либо 3/ — 1, где / — целое число. Поэтому куб любого
целого числа имеет соответственно вид либо 27/3, либо
27Z3 ± 27/2 + 9/ ± 1 = 9 C/3±3/2 + /) ± 1,
т. е. имеет вид либо 9/п, либо 9m ± 1.
Комбинируя всеми способами эти возможности, мы
получим, что сумма кубов трех целых чисел представ-
представляется одним из следующих вариантов: 9п; 9п ± 1}
9п ± 2; 9п ±3, но не может равняться числу вида
9п + 4 (и, кстати, 9п — 4).
V В 1909 г. были доказаны следующие гипотезы Э. Ва-
ринга A770 г.): каждое натуральное число может быть пред'
ставлено в виде суммы не более 9 кубов натуральных чисел; для
каждого натурального k любое натуральное число представляется
как сумма w или меньше k-x степеней натуральных чисел, где wt
зависит только от k. Первая гипотеза была доказана А. Виферич
хом, вторая — Д. Гильбертом (элементарное ее доказательство
было получено советским математиком Ю. В. Линником). Наи<
меньшее значение w = w(k) неизвестно уже для k = 4 (см,
[5, 118]).
Любопытно, что каждое натуральное число п легко предста*
вить в виде суммы пяти кубов целых чисел.
В самом деле, п — п3 делится на 6 при всех п. Поэтому
п = п3 + 6/, где t целое. Отсюда
п = п3 + (t + IK + (/ - IK + (- /K + (- О3-
Задача 2-12. Поскольку каждый ученик мог си-
сидеть не больше чем с 27 учениками, это не могло
длиться более 27 месяцев.
Покажем, как учитель мог рассаживать учеников
в течение 27 месяцев,
24
Занумеруем учеников числами от 1 до 28. Поста-
Поставим числа от 1 до 27 на окружности в вершинах
правильного 27-угольника, а число 28 — в центре этой
окружности. Соединим отрезком точки 1 и 28. Осталь-
Остальные точки соединим попарно отрезками, перпенднку-
Ю
Рис. 8
лярными этому отрезку — см. рис. 8, а. Рассадим уче-
учеников так: если два числа соединены отрезком, то
соответствующих им школьников сажаем за одну
парту.
В следующем месяце соединяем отрезком точки 2
и 28 и через остальные точки проводим перпендику-
перпендикулярные ему отрезки; рассаживаем учеников по этой
схеме — рис. 8,6. Дальше берем поочередно отрезки
28-3, 28-4 28-27 и проводим отрезки, перпенди-
перпендикулярные каждому из них.
V Заметим, что на рис. 8, а сумма номеров каждой пары
точек круга, соединенных отрезком, равна числу 29, которое дает
остаток 2 при делении иа 27, а точка I соединена с центром
точкой 28; эта последняя пара оказывается в особом положении:
среди чисел от 1 до 27 невозможно подобрать такую пару к чис-
числу I, кроме него самого, чтобы сумма чисел этой пары давала
остаток 2 при делении на 27.
На рис. 8, б ситуация аналогична: суммы пар номеров соеди-
соединенных точек дают при делении на 27 остаток 4, а для номера 2
среди чисел от 1 до 27 нет подходящей пары, кроме него самого;
бтот номер 2 соединен с центром 28.
Эти наблюдения приводят к следующей числовой интерпре-
интерпретации приведенного в задаче 2-12 расписания.
25
Фиксируем какое-нибудь число г от 1 до 27. Объединяем
в пары те номера от 1 до 27, которые в сумме дают остаток г
при делении на 27. При этом без пары останется только тот но-
номер х, который в сумме с самим собой дает при делении на 27
остаток г. Если г четно, то «= г/2, а ?сли нечетно, то х =•
•= (г + 27) /2. Этот номер х мы соединим с номером 28.
Для любого четного числа п учеников можно аналогичным
образом составить расписание на п — 1 месяц. Для этого надо
объединять в пары те номера из множества всех целых чисел
от 1 до п—I, сумма которых дает остаток г при делении на
п—1. Если г четно, то при этом без пары останется номер г/2,
а если нечетно, то номер (г + п—1)/2; этот номер объединим
Б пару с оставшимся номером п (см. [34]).
Задача 2-13. Ответ: например, 48, 49, 50 или
548, 549, 550.
V Можно показать, что вообще для любого k существует к
последовательных натуральных чисел, каждое из которых делит-
делится на квадрат целого числа, большего единицы.
Тут уместно воспользоваться так называемой китайской
теоремой об остатках (см. [88]): каковы бы ни были
натуральные попарно взаимно простые числа ai, пг, ..., ап и це-
целые неотрицательные числа г и гг, ¦¦ ¦, rn (n < Oi, r2 < «2,
..., гП < ап), существует такое натуральное число гп, которое
при делении на числа ai, «2, •.., ап соответственно дает остатки
Г|, гг, ..., гп.
Пусть р\, р\, ..., р\ — квадраты п различных простых чи-
чисел. Тогда, по этой теореме, найдется такое целое число гп, кото-
которое дает при делении на числа р\, р\, , р^ соответственно
остатки р\ — I, р\ — 2, ..., р\ — п. Поэтому п последовательных
чисел tn+\, m + 2, ..., m + n будут делиться соответственно
9 о 9
на pj, р|, .... р-.
Пример E48, 549, 550), указанный в ответе, подобран имен-
именно таким путем: полагаем pi = 2, р2 = 3, рз = 5, находим чис-
число гп, которое дает соответственно остатки 3, 7 и 22 при делении
на 4, 9 и 25; годится, например, число m = 547.
Это число m можно подобрать таким образом. Ищем его в
виде
m = а • 9 • 25 + 4 • Ъ ¦ 25 + 4 • 9 • с.
Нужно, чтобы число а-9-25 давало остаток 3 при делении
на 4, число 46-25 — остаток 7 при делении иа 9 и число 4-9-с —
остаток 22 при делении на 25. Полагая а = —I, b = 7, с = 2%
получаем m = 547.
26
Задача 2-14. Ответ: можно.
На рис. 9 приведены два примера нужной расста-
расстановки. Это можно проверить простым подсчетом.
а
Рис. 9
V Числа, выписанные на первом круге на рис. 9, а по часо-
часовой стрелке, — это остатки от деления последовательных степеней
1, 2, 22, 23, ..., 2й иа число 13, а против часовой стрелки —
остатки последовательных степеней I, 7, 72, 73, ..., 711. Есте-
Естественно, что для каждых трех соседних чисел а, Ь, с (а значит,
и для их остатков при делении на 13) число Ь2— ас делится на
13; если три числа а, Ь, с образуют геометрическую прогрессию,
то Ьг = ас.
Точно так же на рис. 9,6 выписаны остатки от деления на 13
последовательных степеней I, 6, б2, ..., 6" (по часовой стрелке)
и 1, II, II2 И11 (против часовой стрелки).
Числа 2, 6, II, 7, стоящие на рис. 9 рядом с 1, — это остатки
при делении на 13 чисел 2, 25, 27, 211.
Вообще, для любого простого р существует первообразный
корень — такое число г, что его степени I, г, г2, ..., гр~1 дают
все различные остатки 1, 2, ..., р— 1 при делении на р\ число
таких г равно ф(р—1)—числу взаимно простых с р—1 чисел
от I до р — 2 (см. комментарий к задаче 2-8).
В задаче 2-14 р = 13, ф(р— 1) = фA2) = 4, так как име-
имеется 4 числа, I, 5, 7, II, взаимно простых с числом 12 и меньших
его: все первообразные корни — остатки от деления на 13 чисел
2, 25, 27, 2" (см. [88]).
Задача 2-15. Ответ: неверно.
Например, при п = 6 число б3+ 5-6—1 равно
5-72.
V Знаток сразу ответил бы на вопрос задачи отрицательно,
так как, кроме констант, вообще не существует многочленов F(n)
с целыми коэффициентами, значения которых при всех натураль-
натуральных п— простые числа.
В самом деле, если свободный член а многочлена не равен О
и ±1, то значения F(ka) при целых k делятся на а и среди них
есть составные. Если а = ±1, то можно сначала «сдвинуть» мно-
многочлен— заменить F(n) на F{n-\-h) = G(n) так, чтобы свобод-
свободный член стал неравным ±1.
В задаче 2-15 найти п, при котором F(ri) = п3 + 5п—1 —
составное число, можно так. Положим п = т + I; у многочлена
F(m + I) = (m + IK + 5(m + I) — 1 свободный член равен 5, и
поэтому FF) делится на 5.
Отметим, что недавно (в 1970 г.) советский математик
Ю. В. Матиясевич доказал существование многочлена от 21 пе-
переменного с целыми коэффициентами, обладающего таким свой-
свойством: множество его положительных значений при целых зна-
значениях переменных совпадает с множеством простых чисел (см.
[47, 54, 100]).
Задача 2-16. Разложим данное число на множи-
множители:
п5 - 5га3 + in = п (п4 - 5п2 + 4) = п (п2 - I) (п2 - 4) =
В результате получилось произведение пяти последо-
последовательных целых чисел.
Одно из таких чисел обязательно делится на 5,
одно из трех последовательных чисел делится на 3, а
из четырех последовательных чисел одно делится
на 4, а другое — на 2. Поэтому произведение делится
на 120.
V Другое, комбинаторное решение этой задачи можно полу-
получить, если заметить, что при п ^ 3 число
1-2-3-4-5
есть биномиальный коэффициент Сп+2 (число 5-элементных под-
подмножеств из (п -f 2) элементов), а это число, несомненно, целое.
Вообще, многочлен F(x) принимает целые значения при всех
целых х тогда и только тогда, когда его можно представить в
виде суммы F (х) = ]Г] afeC* с целыми коэффициентами ak, где
rk х(х— 1) ... (х — fe + 1) ,_.
Сх= ^j (см. [104]).
Задача 2-17. а) Ответ: да.
Удобно искать такой многочлен в виде
р (х) = ах (х — 1) + Ьх + с.
28
Подставляя в это тождество х = 0, х- = 1 и х = 2, по-
получаем для определения коэффициентов а, Ь, с удоб-
удобную «треугольную» систему линейных уравнений
с= 19,
с = 85,
с =1985,
из которой находим: с = 19, & = 66, а = 917 и полу-
получаем ответ:
nlv\ Q17 v2 _ Я.К 1 v _1_ 1 Q
V Точно так же удобно искать многочлен степени не выше п,
принимающий в данных п + I точках ci, c2, ..., cn+i данные
значения. Записав р(х) в виде
Р (х) =¦ Ьо + Ь\ (х — с,) + Ь2 (х — ci) (x — с2) + ...
... + Ьп (х — с,) (х — с2) ... {х — сп)
и подставляя в это тождество х = С\, Сг, , cn+i, мы получаем
треугольную линейную систему для определения п + 1 неизвест-
неизвестных коэффициентов йо, bi, ..., Ьп.
Указанный метод нахождения многочлена с данными значе-
значениями называется способом интерполяции Ньютона.
б) Ответ: нет, не существует.
Для доказательства воспользуемся следующим
утверждением: если дан многочлен
с целыми коэффициентами, то для любых целых чи-
чисел cud целое число р(с)—p(d) делится на число
e — d.
Согласно этому утверждению число р( 19) — рA) =
= 66 должно делиться на число 19— 1 = 18, что не-
неверно, откуда и следует ответ.
Докажем справедливость высказанного утвержде-
утверждения:
... +an_i{c-d).
Для любого натурального k справедлива формула
ck - dk = (с — d) (с*-1 + сь~Ч + ... -f cdk~2 + dk-1)
29
(она получается из формулы суммы k членов геомет-
геометрической прогрессии с первым членом ск~1 и знаме-
знаменателем d/c). Поэтому каждое слагаемое в получен-
полученном равенстве для p(c) — p{d) делится на c — d, зна-
значит, и вся сумма делится на с — d.
V Аналогично можно показать, что для любого многочлена
р(х) и любого числа d многочлен р(х)—p(d) делится на мно-
многочлен x — d, т.е. p(x)—p{d) = {x-d)q(x), где q{x) — неко-
некоторый многочлен. Переписав это тождество в виде р(х) =
= (х — d)q(x) + p(d), получаем следующую теорему Без у:
остаток от деления многочлена р(х) на двучлен (х — d) равен
p(d).
Задача 2-18. а) Ответ: (х2 + х + 1)(х2 — х +
4- 1) (х4 - х2 + 1).
Действительно:
х8 + х4 + 1 = Xs + 2х4 + 1 — х* = (х4 + IJ — (х2J =
= (х4 + х2 + 1) (х4 — х2 + 1) =
= {{х2 + IJ — х2) (х4 — х2 + 1) =
= (X2 + X + I) (X2 - X + 1) (X* - X2 + 1).
б) Ответ: (х3 —х2+1)(х2+ х+1).
Действительно:
JC5 4" X + 1 = (*5 + X* + X3) — (X4 + X3 + X2) +
V Существуют многочлены любой степени с целыми коэффи-
коэффициентами, которые не разлагаются в произведение многочленов
меньшей степени с целыми коэффициентами (например, хп—-2).
Они называются неприводимыми (над кольцом целых чисел).
Имеются алгоритмы, позволяющие для любого многочлена
указать его разложение на неприводимые множители или пока-
показать, что он сам иеприводим (см. [85, 117]).
Задача 2-19. Ответ: при а = —2.
Пусть многочлены / (х) — х4 + ах2 + 1 и g(x) —
>=х3 -\-ax-\- 1 имеют общий корень хо. Тогда, умно-
умножив второй многочлен на х и вычитая из первого, по-
получим многочлен, имеющий тот же корень, а этот мно-
многочлен — просто
f{x)~ xg(x)=l —х.
Его единственный корень х0 = 1. Многочлены / (х) и
30
g(x) имеют этот корень при а =—2; чтобы убедиться
в этом, достаточно приравнять нулю Д1) и g(l)—
оба эти числа равны а + 2.
V Для того чтобы многочлены f(x) и g(x) имели общий ко-
корень Хо, нужно, чтобы оба они делились на многочлен х — хо
(теорема Безу, см. задачу 2-17). Найти общий делитель наиболь-
наибольшей степени двух многочленов можно с помощью алгоритма
Евклида — так же, как и наибольший общий делитель двух чи-
чисел. В решении задачи 2-19 мы проделали один шаг этого алго-
алгоритма— разделили многочлен f(x) на g(x) с остатком, который
оказался равным 1 — х.
Если далее разделить g(x) столбиком на (х—1), то полу-
получится остаток а + 2:
g (х) = (х - 1) (х' + х + а + 1) + (а + 2).
Если а = —2, то остаток равен 0; если же а Ф —2, то многочле-
многочлены не имеют общего делителя степени, большей 0.
Задача 2-20. а) Пусть k=a5 + 5b2 и 1 = с2 +
+ Ы2 — два каких-нибудь числа из множества М.
Тогда
Ы = (а2 + 5fc2) (с2 + Ы2) = (ас — 5bdf + 5 (ad + bcf. (*)
Таким образом, kl = х2 -{-Ъу2, где х = ас — 5bd,
y = ad-{- be, т. е. число Ы принадлежит М
б) Ответ: существуют. Например, 84 = 4-21 = 6-14.
Покажем, что все пять выписанных чисел принад-
принадлежат множеству М:
Для того чтобы показать, что числа 4, 6, 14, 21 — ба-
базисные, выпишем все числа из М, большие 1 и не пре-
превышающие 21 :4, 5, 6, 9, 14, 16, 20, 21. Среди них все,
кроме 16, 20, — базисные, потому что каждое из них
не делится ни на одно из предыдущих.
в) Предположим, напротив, что базисных чисел
конечное число: b\, b2, ..., Ьп. Тогда число 1 +
-\-5(bib2 ... ЬпJ, очевидно, принадлежащее М, не де-
делится ни на одно из чисел Ь\, Ьг, .-., Ьп, поэтому оно
само базисное и не равно ни одному из bi, b2, ¦¦¦, bn,
что противоречит предположению.
V Обратим внимание на аналогию между множеством М и
множеством всех натуральных чисел.
31
Так же как всякое натуральное число разлагается в произве-
произведение простых чисел, любое число из М разлагается в произве-
произведение базисных чиеел. Однако если натуральное число единствен-
единственным образом разлагается иа простые множители (основная тео-
теорема арифметики), то, согласно задаче 2-20 б), это неверно для
Чисел из множества М.
Для знатоков. Тождество (*) связано с правилом умножения
чисел вида х + у V—5 (см. [48]):
(а + Ь V11^) (с + й V11^) = (ас — 5аЬ) + (ad + be) V17^
Вопрос о разложении на множители чисел нз М эквивален-
эквивалентен вопросу о разложении на множители в кольце чисел вида
* + V V— б, где х и у ~- целые. Задачи о разложении на множи-
множители в кольцах такого типа сыграли важную роль в истории ма-
математики. Из этих задач возник новый раздел математики — ал-
алгебраическая теория чисел (см. [82]).
Задача 2-21. Ответ* например, G2,132,172),
{172,252,312), C12,412,492).
Тройка квадратов р2, q*, r2 образует арифметиче-
арифметическую прогрессию тогда и только тогда, когда р2 +
4- г2 = 2<72 или
(г — q)(r + q) = (q — p) (q+p).
Например, для третьей из указанных троек (р =>
«=31, ^ = 41, г = 49) получаем
D9 — 41) D9 + 41) = D1 — 31) D1 + 31) = 720.
V Вот общне формулы для таких троек (из взаимно про-
простых чисел):
р = п*-\- 2тл — m2, q=~m? + п3, г = тя + 2тп — па,
где /пип — произвольные взаимно простые числа. Если при ка-
каких-нибудь тип числа р, q, r имеют общий делитель, то мы
можем их сократить иа него. (Это бывает, когда числа т к ft
оба нечетны; тогда соответствующие числа р, д, г имеют общий
множитель 2. Других общих множителей, как нетрудно показать,
быть ие может.)
То, что числа такого вида годятся, можно проверить, под-
подставив их в соотношение (р — Q) (р + q) =• (д — г) (q + r).
К этим формулам можно прийти разными путями; мы укажем
один из них (см. [122]).
Пусть р2 -\-гг = 2<72. Разделив все члены этого уравнения иа
<72, получаем (plqJ + (r/qJ = 2. Обозначив plq через х, r/q^-
через у, получаем уравнение *2 + ^2 = 2. Таким образом, задача
за
нахождения чисел р, q, r сводится к решению уравнения
*г + Уг = 2 в рациональных числах х, у.
Идею решения объясним на геометрическом языке. Решить
полученное уравнение — это значит на окружности х2 + уг = 2
найти все точки с рациональными координатами. Возьмем одну
такую точку — скажем, (—1; —1). Если провести через этуточку
и другую рациональную точку (х; у) прямую, то ее угловой
коэффициент /= ((/+ 1)/(* + 1) рационален.
Верно и обратное: любая прямая с рациональным угловым
коэффициентом / Ф —1, проходящая через точку (—1; —^.пере-
—^.пересекает еще раз окружность хг + уг = 2 в рациональной точке
(х; у). Чтобы убедиться в этом, выразим у из уравнения прямой
У = t(l -\- х) — 1 и подставим в уравнение окружности:
x2 + (t(l+x)-\J = 2,
откуда
A + Р) x2 — 2t(\—t)x + (t2 — 2t — 1) = 0.
Это — квадратное уравнение относительно х, один корень кото-
которого, х = —1, мы знаем.
С помощью теоремы Виета находим второй корень: х =
р + 1
Мы нашли одну координату точЪи (я; у). Теперь можно най-
t2 + 2/ — 1
ти и вторую: у = 2 .
Положим затем t ¦= т/п\ тогда из формул для #=— и
у — — получаем тройку р, q, г в таком виде: р = —т2 + 2тя +
4-я2, q = m2 4- я2, г = m2 4- 2mn — n2.
Описанный способ рассуждений годится для отыскания всех
рациональных точек на кривой второго порядка (или — что то же
самое — всех целых решений уравнений типа ах2 + Ьху -\- суг =>
,•= dz2), задаваемой уравнением с целыми коэффициентами,
если известна хоть одна такая точка. Для выяснения вопроса
о том, существует ли такая точка, также существует эффектив-
эффективный алгоритм.
Задача 2-22. Ответы: а) семь решений в целых
числах: @;0), A;0), (—1;0), B; 6), B;-6), C; 12),
C;—12);
б) еще четыре решения в рациональных числах:
V Как находить новые решения в рациональных числах по
уже имеющимся, можно объяснить на геометрическом языке.
2 Н. Б. Васильев 33
Наше > равнение задает некоторую кривую на координатной пло-
плоскости Оху.
Пусть мы знаем какие-нибудь две точки этой кривой, коор-
координаты которых (х±; yi) и (хо; Уг) — рациональные числа. Пря-
Прямая, проходящая через эти точки, пересекает кривую в третьей
точке, поскольку уравнение кривой имеет третью степень.
Координаты хз, у г этой третьей точки будут рациональными
функциями от Х\, у\, Х2, у2 с целыми коэффициентами, т. е. тоже
рациональными числами.
Таким образом, отправляясь от двух каких-нибудь решений
(xi; yi), (хц; уг) уравнения в рациональных числах, мы получаем
новое решение (хз; Уз) в рациональных числах.
Представим теперь результаты соответствующих вычислений.
Прямая, проходящая через данные точки (Xi; yi) и (х*; У?.),
задается уравнением y=t(x — *i)-f-{/i, где t=(y2 — yi)l(xz— Xi).
Подставляя у в уравнение у2 = 6(х3 — х), получаем уравнение
третьей степени относительно х, два корня xh x* которого нам
известны (ведь точки лежат на кривой), а третий можно найти
по теореме Виета:
х3 = ty& —хг — х2. A)
Аналогично можно найти уз:
(Г)
Можно взять точку (хг; Уч), «совпадающую» с (хг. yi).—
провести в ней касательную к кривой; она будет пересекать кри-
кривую еще в одной точке:
*4 = <2/6-2х,, yi = t3/&. B)
Итак, мы получили формулы, позволяющие находить по из-
известным рациональным решениям уравнения уг = 6(х3 — х) но-
новые решения.
Дгя знатоков. Естественно задать следующие вопросы. Бу-
Будем ли мы указанным способом (проводя через известные рацио-
рациональные точки -прямые) получать каждый раз новые рациональ-
рациональные точки? Конечно или бесконечно множество рациональных
точек? Каким образом их все можно описать? Сколько среди
них целых точек?
Для того чтобы ответить на эти вопросы, целесообразно на
кривой третьей степени ввести операцию сложения точек, обла-
обладающую свойством ассоциативности. Описать ее удобнее для
кривой, заданной уравнением
у2 = х3 + ах + Ь. C)
(Любую неособую кривую Р(х, y)=Q третьей степени можно
некоторым преобразованием переменных привести к такому виду;
34
при этом если коэффициешы Р(х, у) были целыми, задачу оты-
отыскания рациональных точек на кривой Р(х, у)=0 можно свести
к аналогичной задаче для кривой C) с целыми а и Ь; для на-
нашей кривой уг = 6(х3— х) достаточно заменить переменные
v = 6х, и — 6у — она прииет вид и2 = v3 — 36t>.)
Рассмотрим две точки А, В кривой C), наймем третью точку
пересечения прямой АВ с этой кривой. Обозначим через А® В
точку, симметричную ей относительно оси Ох (рис. 10). Топа
для любых трех точек А, В к С кривой имеет место соотношение
Это свойство ассоциативности имеет интересную геометриче-
геометрическую интерпретацию. Если на плоскости проведены две тройки
еи
ел=(д®в)®с=д®(в ®с)
Рис. 10
прямых так, что прямые из разных троек пересекаются в 9 точках,
то кривая третьей степени, содержащая 8 из этих точек, должна
содержать и девятую. Если добавить к кривой бесконечно уда-
удаленную точку Z, то множество всех ее точек с операцией Ф об-
образует коммутативную группу (свойство А®В = В®А очевид-
очевидно). Точка Z играет в этой группе роль нуля; точкой 0 А, проти-
противоположной точке А, считается точка, симметричная точке А от-
2*
35
тосительно оси Ох. Условие принадлежности трех точек А, В, С
одной прямой имеет вид А®В = QC или А®В®С = Z.
Рациональные точки на кривой C) с целыми а, Ь также об-
образуют группу относительно операции Ф. Для нашей кривой
#2 = 6(х3 — х) сложение точек задается формулами A), (Г),
B), а именно
(*i; yi) © (х2; у2) = (х3; — УзУ,
i; J/i) = 2 (хп t/i) = (x4; j/4).
Все указанные в ответе точки легко получить из трех точек:
Е A;0), F (—1;0), G B; 6). При этом E®F имеет координаты
@; 0), ?©G=C;12), F®G = (—1/3; 4/3). E©F®G =i
«=(—1/2; —2/3), G®G = 2G = B5/24; —35/48), 2G@F =
•=(—1/49; 120/49), 2ОФ?= D9; 840) и т. д. (Заметим, что
Найти полностью группу рациональных точек для конкретной
кривой C) — очень трудная задача. Известно, что это — группа
с конечным числом образующих {теорема Морделла), но непро-
непросто найти в конкретном случае даже количество ее образующих
бесконечного порядка (т. е. количество независимых точек А кри-
кривой, для которых пА Ф Z пи при каком п). См. [122].
Целые точки, как видно из нашего примера, могут появлять-
появляться среди рациональных достаточно неожиданно. Однако, согласно
теореме Туэ, на неособой кривой степени 3 (или больше) их
всегда лишь конечное число.
Еще одна «теорема конечности» явилась недавней математи-
математической сенсацией: в 1983 г. появилось доказательство (молодого
математика Фалтингса) гипотезы Морделла: на неособой
кривой Р(х, у) = 0 рода больше 1 (кривая предполагается не-
неособой и иа бесконечности) может быть лишь конечное число ра-
рациональных точек (здесь Р(х, у)—неприводимый многочлен о
целыми коэффициентами).
Род кривой Р(х, у)—сравнительно легко вычисляемая цело-
целочисленная характеристика, связанная со степенью п многочлена
Р(х, у). К кривым рода 0 относятся окружности н другие кривые
второго порядка, рода 1 — неособые кривые третьей степени. Что
же касается неособых кривых Р(х, {/)= 0 степени п ^ 4, то их
род, как правило, не меньше двух, н поэтому они могут содер-
содержать лишь конечное число рациональных точек. В частности, это
относится к кривой Ферма х" + у" — 1 при п ^ 4.
Задачи для самостоятельного решения
2-23. Имеются контейнеры двух видов: по 130 кг
и по 160 кг. Нужно полностью загрузить ими грузовик
грузоподъемностью 3 тонны. Можно ли это сделать?,
36
2-24. По окружности радиуса 40 см катится
колесо радиуса 18 см. В колесо вбит гвоздь, кото-
который, ударяясь об окружность, оставляет на ней от-
отметки.
а) Сколько всего таких отметок оставит гвоздь на
окружности?
б) Сколько раз прокатится колесо по всей окруж-
окружности, прежде чем гвоздь попадет в уже отмеченную
ранее точку?
2-25. На кольцевой дороге проводилась эстафета
мотоциклистов. Старт и финиш находились в одном и
том же месте. Длина кольцевой дороги 330 км, а дли-
длина каждого этапа — 75 км (движение по дороге — од-
одностороннее). Сколько было пунктов, в которых пере-
передавалась эстафета, и каково расстояние между сосед-
соседними пунктами?
2-26. Про некоторую фигуру на плоскости известно,
что при повороте вокруг точки О на угол 48° она пере-
переходит в себя. Можно ли утверждать, что она перехо-
переходит в себя при повороте вокруг точки О на угол: а) 90°;
б) 72°?
2-27. Фигура на плоскости переходит в себя при
повороте вокруг точки О на угол 19°. Докажите, что
она переходит в себя при повороте на угол 86°.
2-28. Найдите наибольший общий делитель чисел:
а) 263— 1 и 291—1; б) 219+1 и 286+1.
2-29. От параллелограмма с острым углом 60° и
сторонами п>Ь (аи Ъ — целые числа) прямой, про-
проходящей через вершину, отрезают равносторонний тре-
треугольник. С оставшейся трапецией проделывают туже
операцию — получается параллелограмм, из него —
трапеция и так далее, пока не получится ромб, а) Ка-
Какова будет сторона ромба, если а = 1986, Ъ = 1800?
б) Найдите какие-нибудь а и Ъ, чтобы при таком раз-
разрезании параллелограмма получились треугольники
восьми разных размеров.
2-30. Прямоугольник разбит на клетки 1 X 1 см.
Внутри каждой клетки написано число. Известно, что
сумма всех чисел в каждой горизонтальной строчке
равна 1, а в каждом вертикальном столбике равна
2. Может ли площадь прямоугольника равняться
1986 см2?
2-31. Верно ли, что:
а) из 100 целых чисел всегда можно выбрать два
таких, что их сумма делится на 7;
37
б) из 5 целых чисеч всегда можно выбрать два та-
таких, разность квадратов которых делится на 7?
2-32. Пусть длины всех трех сторон прямоуголь-
прямоугольного треугольника — целые числа. /\1огут ли длины
обоих катетов быть нечетными?
2-33. Найдите три таких простых числа, чтобы их
сумма была в 5 раз меньше их произведения.
2-34. Найдите все такие простые числа р, что
число
а) р2+13;б) р2+14
— простое.
2-35. Докажите, что следующие числа составные!
а)&айТ+1; бJз1987-1.
2-36. Найдите все пары целых чисел, удовлетво-
удовлетворяющие уравнению:
а) х2 = j/2 + 2г/ + 13; б) х°- — Зху + 2г/2 = 3.
2-37. Докажите, что следующие уравнения ве
имеют решений в целых числах:
а) г/2 = 5х2 + 6; бJх—1 = г/2 (х>1).
2-38. Докажите, что если сумма нескольких целых
чисел делится на 6, то и сумма их кубов делится на 6.
2-39. Докажите, что при любых целых п и т число
ш5п — тп5 делится на 30.
2-40. Докажите, что если число а — 1 делится на
km, то число ak—1 делится на km+l (a,k,m — нату-
натуральные числа).
2-41. Найдите три последние цифры суммы
1 lco + 2юо _|_ 3ioo + 4юо + тшт _|_ 999 gggico _|_ 999 999100.'
2-42. Найдите какие-нибудь четыре последователь-
последовательных натуральных числа, каждое из которых делится
на кв-драт целого числа, большего единицы.
2-43. Напишите шесть чисел 1, 2, 3, 4, 5, 6 по ок-
окружности в таком порядке, чтобы для любых трех
"исел а, Ъ, с, стоящих подряд, число Ъ% — ас дели-
делилось на 7.
2-44. Укажите такое п, при котором число п* +
•A-(l-x-nL — составное. •
2-45. Докажите, что при всех натуральных п > 1
число
а) п4+4; б) пъ + п*+ 1
— составное.
88
2-46. Разложите многочлен л:9 + *4 — х—1 на
5 множителей с целыми коэффициентами.
2-47. Докажите, что многочлен (х -\- 1 Jп — х2п —
— 2х— 1 делится на многочлен х(х-{- 1)Bх + 1).
2-48. При каких значениях а и Ь многочлен
хп — ахп-х -\-Ъх — 1 делится на (л; — 1 J?
2-49. Известно, что многочлен f(x) при делении на
х—1 дает остаток 3, а при делении на х—2 — оста-
остаток 5. Какой остаток дает этот многочлен при делении
на (х— \)(х — 2)?
2-50. Докажите, что если у многочлена f(x) с це-
целыми коэффициентами значения ДО) и /A) нечетны,
то у него нет целых корней.
2-51. Докажите, что если f(x)—многочлен с це-
целыми коэффициентами и \fC) | = |Д7) | = 1, то этот
многочлен не имеет целых корней.
2-52. Пусть f(x)—многочлен седьмой степени с це-
целыми коэффициентами. Докажите, что если его значе-
значения при пяти различных целых значениях х по мо-
модулю равны 1, то многочлен нельзя разложить в про-
произведение двух многочленов ненулевой степени с це-
целыми коэффициентами.
2-53. Существует ли такое натуральное п, что чис-
число 3" + 1 делится на:
а) 51000; б) 101000?
2-54. Имеется много карточек, на каждой из кото-
которых написано одно из чисел 2, 3, 5, 7. 7^ожно ли выло-
выложить в ряд
а) 15; б) 16
карточек так, чтобы ни одно из произведений несколь-
нескольких подряд идущих чисел не было полным квадратом?
в) Какое наибольшее количество карточек, на ко-
которых написано одно из первых п простых чисел,
можно выложить в ряд так, чтобы выполнялось это
условие?
2-55. Во всех целочисленных точках (х;у) коорди-
координатной плоскости Оху растут деревья. Какой наи-
наибольшей ширины дорогу можно провести в этом лесу,
не задевая деревьев, если ее края должны быть пря-
прямыми, параллельными прямой
а) Зу = Ъх; б) ах = by,
где а и Ъ — заданные натуральные числа? (Толщиной
стволов пренебрегаем.),
39
2-56. а) Найдите четыре тройки (х; у; г) взаимно
простых чисел, удовлетворяющие уравнению х2 -fj
+ 2г/2 = г2.
б) Докажите, что существует бесконечно много та-
таких троек.
2-57. Натуральное число я ^ 7 обладает тем свой-
свойством, что все натуральные числа, меньшие я и взаим-
взаимно простые с ним, образуют арифметическую прогрес-
прогрессию. Докажите, что число я— или степень двойки,
или простое.
2-58. а) Найдите двузначное число, если известно,
что две последние цифры его квадрата совпадают с
8ТИМ ЧИСЛОМ.
б) Докажите, что для всякого я существует я-знач-
ное число, совпадающее с последними я цифрами сво-
своего квадрата (я-значное число может начинаться с
нуля).
2-59. а) Найдите десять троек (х; у; z) натураль-
натуральных чисел, удовлетворяющих уравнению x2-{-y2-{-z2=i
= 2>xyz.
б) Докажите, что существует бесконечно много та-
таких троек.
2-60. Докажите, что число (-y/S — V^)'987 можно
представить в виде a V^ — b^/2, где а и Ъ — такие це-
целые числа, что За2— 2Ь2 = 1.
2-61. Рассмотрим множество М натуральных чисел,
представимых в виде х2 -}- ху + у2, где хну — некото-
некоторые целые числа.
а) Докажите, что произведение двух чисел из М
также принадлежит М.
б) Назовем базисным число из М, большее 1, ко-
которое не делится ни на одно из чисел множества М,
кроме себя. Существует ли число из М, которое мож-
можно двумя разными способами представить в виде про-
произведения базисных?
2-62. Найдите пять троек натуральных чисел (х; у\
г), удовлетворяющих уравнению x\y\ — z\ (я! =
= 1-2- ... -п — произведение всех натуральных чи-
чисел от 1 до я).
§ 3. ПОСТРОЕНИЯ НА ПЛОСКОСТИ
И В ПРОСТРАНСТВЕ
3-1. Разделите данный отрезок АВ на четыре рав-
равные части с помощью циркуля и линейки, проведя
всего 6 линий (прямых и окружностей).
3-2. На плоскости даны две точки А и В. Одним
циркулем (без линейки) постройте середину отрезка
АВ.
3-3. Постройте циркулем и линейкой треугольник
по двум данным сторонам а и b (b > а), если из-
известно, что угол против одной из них в 3 раза больше
угла против другой.
3-4. Постройте циркулем и линейкой окружность
данного радиуса, касающуюся данной прямой и дан-
данной окружности.
3-5. Постройте циркулем и линейкой окружность,
касающуюся двух данных параллельных прямых / и щ
и данной окружности радиуса г, расположенной ме-
между / и т.
3-6. Внутри данного острого угла А ОВ дана точка
F. Постройте с ломощью циркуля и линейки точку М
на стороне О А, одинаково удаленную от точки F и
другой стороны угла, ОВ.
3-7. На плоскости задан отрезок длины 1. Построй*
те циркулем и линейкой отрезок длины -\M+V2-
3-8. Дана линейка с делениями через 1 см. По-
Постройте только с помощью этой линейки какую-ни-
какую-нибудь прямую, перпендикулярную данной прямой.
3-9. Дан параллелограмм ОВСА. Проведена пря-
прямая, которая отсекает от стороны ОВ одну треть, от
стороны ОА — одну четверть, считая от вершины О.
Какую часть эта прямая отсекает от диагонали ОС?
3-10. Даны две параллельные прямые, и на одной
из них отмечены две точки, А и В. Разделите отрезок
АВ на 3 равные части, используя только линейку.
3-11. Дан выпуклый четырехугольник. Проведем
две прямые, которые делят две его противоположные
стороны на три равные части. Докажите, что между
этими прямыми заключена треть площади четырех-
четырехугольника.
3-12. Точки А, В, С являются вершинами не-
неравнобедренного треугольника. Сколькими способами
41
можно поставить на плоскости точку D так, чтобы
множество точек {А, В, С, D} имело ось симметрии?
3-13. Из произвольной точки М внутри данного
острого угла А опустим перпендикуляры МР и MQ
на его стороны. Из вершины А опустим перпендику-
перпендикуляр АК на отрезок PQ. Докажите, что ZPAK =
«= ZMAQ.
3-14. Постройте с помощью циркуля и линейки
правильный десятиугольник.
3-15. Начертите окружность и разбейте ее на 12
равных частей. Выберите одну из точек деления А и
соедините ее прямыми с остальными точками деления,
а также проведите касательную к окружности в точ-
точке Л. В результате у вас получится пучок из 12 пря-
прямых, проходящих через точку А.
а) Докажите, что построенные прямые делят пло-
плоскость на 24 равных угла.
б) Выберите на окружности еще одну точку деле-
деления В и постройте из нее такой же пучок из 12 пря-
прямых, как из точки А. Докажите, что все ПО точек пе-
пересечения 23 построенных прямых (не считая точек А
и В) лежат на 11 окружностях — по 10 точек на каж-
каждой окружности.
3-16. Из угла прямоугольного биллиарда разме-
размерами иХ" (где tn, n—натуральные числа) катится
шар под углом в 30° к стенке биллиарда. Докажите,
что шар никогда не попадет в угол. (Разумеется, шар
считается точкой.)
3-17. Четыре точки расположены на плоскости. Мо-
Могут ли:
а) попарные расстояния между ними равняться со-
соответственно 1 см, 2 см, 3 см, 4 см, 5 см и 6 см;
б) пять попарных расстояний между ними рав-
равняться 1 см, а шестое— 1,8 см?
3-18. На сколько частей могут делить плоскость
четыре прямые?
3-19 На сколько частей делят пространство:
а) четыре;
б) пять плоскостей, проходящих через одну точку
(никакие три плоскости не имеют общей прямой)?
3-20. Дан выпуклый четырехгранный угол. По-
Постройте такое его сечение плоскостью, чтобы в сече-
сечении получился параллелограмм.
3-21. Докажите, что любую треугольную призму
с достаточно большой высотой можно пересечь пло-
42
скостью так, чтобы в сечении получился правильный
треугольник.
3-22. Андрей разрезал выпуклый картонный много-
многогранник по ребрам и послал получившийся набор гра-
граней по почте Коле. Коля склеил из всех этих граней
тоже выпуклый многогранник. Может ли случиться
так, что многогранники Андрея и Коли неодина-
неодинаковы?
3-23. Существует ли выпуклый девятигранник, у
которого все девять граней — четырехугольники?
3-24. Дано, что разверткой некоторой пирамиды
служит остроугольный треугольник, в котором прове-
проведены три средние линии. Докажите, что существует
прямоугольный параллелепипед, четыре несмежные
вершины которого являются вершинами этой пира-
пирамиды.
3-25. Дан трехгранный угол с вершиной О и дву-
двугранными углами, равными а, р и у. Из вершины О
к каждой грани проведен перпендикулярный ей луч,
направленный во внешнюю сторону (т. е. так, что этот
луч и трехгранный угол лежат по разные стороны от
плоскости грани). Найдите плоские углы трехгран-
трехгранного угла, образованного построенными лучами.
Обсуждение задач
Задача 3-1. Проведем две окружности радиуса
АВ с центрами в точках А и В. Через точки пересе-
пересечения этих окружностей проведем прямую, которая
пересекает отрезок АВ в точке С. Проведем теперь
окружность с центром в точке С радиусом АВ. Эта
окружность пересечет каждую из проведенных окруж-
окружностей в двух точках. И, наконец, проведем через эти
две пары точек две прямые — см. рис. 11.
Таким образом, мы провели 6 линий: три окруж-
окружности и три прямые. Докажем, что три проведенные
прямые делят отрезок А В па четыре равные части.
Как известно, геометрическим местом точек, равно-
равноудаленных от концов отрезка, является серединный
перпендикуляр этого отрезка — прямая, проведенная
через середину данного отрезка перпендикулярно
к нему.
Две точки пересечения двух первых построенных
окружностей находятся на одинаковом расстоянии АВ
от точек А и В, поэтому прямая, проходящая через
43
них, является серединным перпендикуляром отрезка
АВ и делит его на две равные части в точке С.
Рис. И
Аналогично точки пересечения третьей окружности
с одной из первых двух находятся на одинаковом рас-
расстоянии А В и от середины С отрезка АВ, и от конца
Рис. 12
этого отрезка, поэтому прямая, проходящая через эти
точки пересечения, делит половину отрезка АВ еще
раз пополам,
44
V Провести построение с помощью циркуля и линейки — это
значит свести решение задачи к выполнению некоторой последо-
последовательности следующих операций.
I. Через две данные точки провести прямую. II. Из данного
центра провести окружность данного радиуса. III. Найти точки
пересечения: а) двух прямых; б) прямой и окружности; в) двух
окружностей.
В нашей задаче последовательность этих операций такова: II,
II, III в), I, III а), II, III в), III в), I, I, III а), III а). При
втом выполнено условие за-
задачи: количество операций I
и II равно шести.
Попробуйте придумать
способы деления отрезка на
3 или на 5 равных частей так,
чтобы количество операций I и
II было как можно меньше.
На рис. 12 изображен способ
деления отрезка на 6 равных
частей, при котором количество
операций I и II равно 8.
Задача 3-2. Снача-
Сначала удвоим отрезок АВ,
т. е. построим такую точ-
точку С на прямой АВ, что
АВ = ВС. Для этого про-
проведем окружность с цен-
центром В и радиусом г =
•=ЯД. Затем, начиная от
точки А, отметим на этой
окружности последова-
последовательно такие точки Р, Q,
С, что АР = PQ = QC =
= г — см. рис. 13. Тре-
Треугольники АВР, PBQ и QBC — равносторонние, по-
поэтому угол ABC равен 180°. Следовательно, точка С
лежит на прямой АВ и АВ = ВС.
Теперь, отправляясь от точек А, В и С, найдем се-
середину отрезка АВ. Проведем окружность с центром
в точке С и радиусом С А =1г — см. рис. 13. Отметим
точки L, М ее пересечения с окружностью с центром
А и радиусом т=АВ. Далее, проведем две окруж-
окружности с центрами L и М и радиусом г = АВ. Эти ок-
окружности пересекаются в точке А и еще в одной
точке D.
Рис. 13
45
Докажем, что D — середина отрезка АВ. В самом
дече, точки L и М симметричны относительно прямой
АС, а точка D равноудалена от точек L и М, т. е. ле-
лежит на прямой АС. Рассмотрим теперь два равнобед-
равнобедренных треугольника ALD и CAL. Они подобны друг
другу, ведь у них при оск -
ваннях общий угот А. Запи-
Запишем пропорцию: AD:AL=*
— AL : С А ' или AD:r =
— г :2г. Отсюда получаем,
что 2AD = r = AB.
ft)
V В начале решения задачи
3-2 мы удвоили отрезок АВ
(построили точку С), проведя че-
четыре окружности. Это построе-
построение можно сделать экономнее —
Рис. 14 проведя три окружности — см.
рис. 14.
Задачу 3-2 можно обобщить: указать способ деления данного
отрезка с помощью циркуля на п равных частей. Точно так же
строится отрезок АС = пАВ, затем аналогично, по точкам А, В
Рис. 15
и С строится точка D — см. рис. 15. Из подобия равнобедренные
Треугольников ALD и ACL следует, что DA ¦ С А = г2 (в нашем
Ьлучае С А = пг и DA = л/п).
С этим построением связано преобразование плоскости, на-
навиваемое инверсией относительно окружности с центром А и ра-
радиусом г = АВ. Образ точки Р при этом преобразовании опреде-
46
ляется как точка Р', лежащая на луче АР, для которой
АР'-АР = г2. В задаче 3-2 мы фактически строили точку D, ко-
которая являлась образом точки С при инверсии.
Преобразование инверсии обладает замечательным свойством!
оно переводит' прямые и окружности снова в окружности и пря-
прямые.
Используя инверсию, можно показать, что операции III а) и
III б) (нахождение точек пересечения двух прямых и прямой с
окружностью), о которых шла речь в комментарии к предыдущей
задаче, можно выполнить одним циркулем. Отсюда можно выве-
вывести, что всякая задача на построение, решаемая с помощью цир-
циркуля и линейки, может быть решена с помощью одного циркуля
(теорема ЛТаскерони). (При этом, конечно, мы не можем
без линейки выполнить операцию I — провести через две данные
то ikh прямую. Вместо этого нужно условиться, что прямая опре-
определена, если заданы две ее точки.) (См. [45, 98].)
Задача 3-3. Предположим, что треугольник ABC
построен, ZB = 3 ZA — рис. 16. Проведем из точки В
до прямой АС отрезок BE та-
такой, что ZABE = ZBAC. Тог-
Тогда треугольник ABE будет
равнобедренным, поэтому
АЕ — BE. Треугольник ВСЕ
также будет равнобедренным,
поскольку каждый из углов * ^-zuj—i и—^ь.
ВЕС и СВЕ равен 2 ZBAC C a t ь-а А
(угол ВЕС—внешний угол Рис. 16
треугольника АЕВ); поэтому
BC=tCE = a. Следовательно, АЕ = ЕВ = Ь — а, так
как вся сторона АС равна Ь.
В треугольнике ВСЕ нам известны длины всех трех
сторон, поэтому его можно построить циркулем и ли-
линейкой. После этого на продолжении стороны СЕ от-
откладываем циркулем отрезок ЕА = Ъ — а. Треуголь-
Треугольник ABC — искомый.
Действительно, у него, очевидно, ВС = а и АС = Ь.
Докажем, что угол ABC втрое больше угла ВАС.
Треугольник ВАЕ — равнобедренный: АЕ = ЕВ — Ь —
— а, поэтому ZBAE= ZABE. Далее, угол ВЕС как
внешний угол треугольника АЕВ вдвое больше угла
ВАС. Поскольку треугольник ВСЕ — равнобедренный
(ВС = СЕ), угол СВЕ также вдвое больше угла ВАС.
Поэтому ZABC = 3 ZBAC, что и требовалось дока-
доказать.
47
Задача имеет решение, когда из отрезков a, a и
Ь — а можно построить треугольник, т. е. когда
За > Ь > а. При этом условии решение единственно.
V Написанный выше текст решения состоит из четырех аб-
вацев. Их можно озаглавить так: (I) анализ, B) построение,
C) доказательство, D) исследование. Обычно так оформляются
решения задач на построение.
Задача 3-4. Геометрическое место центров ок-
окружностей данного радиуса г, касающихся данной
прямой, есть пара прямых /] и 12, параллельных этой
прямой, проходящих на расстоянии г от нее.
Пусть О — центр данной окружности, R— ее ра-
радиус. Геометрическое место центров окружностей ра-
радиуса г, касающихся данной окружности, представ-
представляет собой: 1) две окружности радиусов R + г и
R — гс тем же центром О, если R > г, 2) окружность
радиуса R + г с центром в точке О и саму точку О,
если R = г; 3) окружность радиуса R + г с центром
в точке О, если R < г.
Центр искомого круга принадлежит пересечению
этих двух геометрических мест. Так как пересечение
двух параллельных прямых с двумя окружностями
может, самое большее, состоять из 8 точек, то число
решений задачи 3-4 может колебаться от 0 до 8 (про-
(проверьте, что все эти случаи возможны).
V Задача 3-4 решена нами методом геометрических мест.
Он заключается в следующем. Пусть точка X, которую тре-
требуется построить, определяется двумя условиями, вытекающими
из требования задачи. Находится сначала геометрическое место
точек, удовлетворяющих только одному из условий. Затем нахо-
находится геометрическое место точек, удовлетворяющих только вто-
второму условию. Общие точки этих двух множеств удовлетворяют
обоим условиям — это и есть искомые точки X.
Задача 3-4 сводится к построению центра X окружности. Мы
выделили два условия: 1) X находится на расстоянии г от дан-
данной окружности и 2) X находится на расстоянии г от данной
прямой. Найдя геометрические места точек, удовлетворяющих
каждому из этих условий, мы определили возможные положения
точки X.
Задача 3-5. Поскольку искомая окружность
должна касаться параллельных прямых / и и, ее
центр К находится на прямой, параллельной этим пря-
прямым и идущей посередине между ними. Радиус R этой
48
окружности равен, тем самым, половине расстояния
между прямыми / и т. С другой стороны, искомая ок-
окружность должна касаться данной окружности и, зна-
значит, ее центр К должен находиться на расстоянии
R + г или R— г (если R ^ г) от точки О. Таким об-
образом, точка К должна находиться на одной из ок-
окружностей с центром О и радиусами R + г и R — г.
Построение можно провести так. Построить пря-
прямую, идущую посередине между / и т, и затем по-
построить две окружности с центром О и радиусами
R + г и R — г (если R > г). Точка К будет одной из
точек пересечения прямой с окружностями.
V Эта задача тесно связана со знаменитой задачей
Аполлония (около 200 г. до нашей эры): даны три окруж~
ности, требуется провести четвертую, касающуюся трех данных.
Оказывается, эту трудную задачу можно с помощью преобразо-
преобразования инверсии свести к задаче 3-5.
Для определенности будем считать, что данные окружности
расположены вне друг друга. Если увеличить их радиусы на одну
и ту же величину, то центр касающейся их окружности останется
на месте. Увеличим радиусы настолько, чтобы две из данных
окружностей коснулись друг друга. После этого произведем ин-
инверсию всей плоскости (см. комментарий к задаче 3-2) относи-
относительно какой-нибудь окружности с центром в точке касания двух
данных окружностей. Эти окружности перейдут при этом в две
параллельные прямые, а третья — в окружность.
Решив задачу 3-5 для этих прямых и окружности, построив
образ точки К при обратной инверсии и проведя «сжатие>
окружностей, мы получим искомую окружность в задаче Апол-
лоиия.
Задача 3-6. Проведем прямую OF и отметим ка-
какую-нибудь точку N на луче О А. Опустим перпенди»
куляр NK из точки N на прямую ОВ. Проведем ок-
окружность с центром N и радиусом NK. Пусть L —
одна из точек пересечения этой окружности с лучом
OF. Через точку F проведем прямую, параллельную
NL. Точка М пересечения этой прямой с лучом ОА и
будет искомой — см. рис. 17.
В самом деле, гомотетия с центром О, переводя-
переводящая точку L в точку F, переводит, в силу параллель-
параллельности соответствующих прямых, точку N в точку М, а
точку К — в точку Р (основание перпендикуляра, опу-
опущенного из точки М на ОВ). Таким образом, из ра-
равенства NK = NL следует равенство MF = МР.
49
Задача имеет два решения (в процессе построения
окружность с центром TV и радиусом NK пересечет
луч О А в двух точках).
V Задача 3-6 решена нами методом подобия. Он заклю-
заключается, вообще говоря, в следующем. Сначала строится фигура,
р а
Рис. 17
подобная искомой, а затем оиа увеличивается (или уменьшается)
в нужном отношении.
В задаче 3-6 мы сначала построили ломаную KNL, для кото-
которой выполнено условие задачи, а затем построили подобную ей
лочапую PMF, проходящую через точку F.
Попробуем к решению задачи 3-6 применить метод геомет-
геометрических мест (см. комментарий к задаче 3-4). Оказывается, что
геометрическое место точек, равноудаленных от данной точки F
и от данной прямой ОБ, представляет собой параболу.
Для того чтобы убедиться в этом, воспользуемся методом
координат. Пусть h — расстояние от точки F до прямой ОБ. Вы-
Выберем систему координат Оху так, чтобы ось Ох совпала с пря-
прямой ОБ, а ось Оу прошла через точку F. Тогда точки (х; у),
которые равноудалены от точки F и прямой ОБ, должны удовле-
удовлетворять уравнению | у | = V*2 + (У — ЛJ. Возводя обе его части
в квадрат, получаем уравнение параболы: у = *2/2Л + А/2.
Таким образом, искомые точки в задаче 3-6—это точки пе-
пересечения параболы и прямой ОА. Всю параболу мы, конечно, не
можем построить циркулем и линейкой, но точки ее пересечения
с данной прямой, согласно задаче 3-6, построить несложно.
Задача 3-7. 1) Построим прямой угол и на его
сторонах отложим от вершины отрезки длины 1. Отре-.
зок, соединяющий их концы, имеет длину -\У2.
50
2) Отложим на прямой отрезок АВ длины
1 + V2, а затем —отрезок ВС длины 1 — см. рис. 18.
3) Построим на отрезке. АС как на диаметре ок-
окружность.
4) Проведем через точку В прямую, перпендику-
перпендикулярную д«гаметру АС.
Путь К — о^на из точек пересечения последней
прямой с окружностью. Докажем, что ВК =
Д А
р ру \ + -\2,
Действительно, треугольник АКС — прямоугольный,
так как АК,С — вписанный в
окружность угол, опирающий-
ся на ее диаметр. Квадрат вы-
высоты прямоугольного треуголь-
треугольника, опущенной на гипотенузу,
равен произведению отрезков,
на которые эта высота делит
гипотенузу, т. е. (l + V^) • 1-
V В этой задаче мы показали, как по заданным отрезкам а
и Ъ построить отрезки -\]ср + Ъ2 и ^fab. Используя теорему о па-
параллельных прямых, пересекающих стороны угла, можно по
заданным отрезкам а, Ь, с построить отрезок ab/c.
Комбинируя эти построения, можно построить много других
отрезков. Например, отрезок длины у аЬ + ей можно построить
так: построить отрезки длин т = \ab и я = л/cd, а затем — от-
отрезок длины ¦\Jm% + п2.
Оказывается, по данному отрезку длины 1 можно построить
лишь такие отрезки, длины которых выражаются рациональными
(арифметическими) операциями и многократным извлечением
квадратных корней.
Для знатоков. Длины всех таких отрезков образуют поле.
Разрешимость задачи 3-7 следует из того, что число '\fl-\--\2
входит в это поле. Неразрешимость классической задачи об
удвоении куба вытекает из того, что число у2 не входит в это
поле (см. [98]).
Задача 3-8. Отложим на данной прямой / отрез-
отрезки О А и ОВ длины 1 и от той же точки О — еще два
отрезка ОК и OL длины 1 (точки К и L лежат по
одну сторону от прямой; см. рис. 19). Пусть С — точ-
точка пересечения прямых АК и BL, а Н — прямых AL
и ВК. Тогда прямая СН и будет искомым перпенди-
перпендикуляром к прямой I.
51
л
о
Рис. 19
В
Для доказательства надо использовать две такие
теоремы: 1) если в треугольнике медиана, проведен-
проведенная к основанию, равна половине его длины, то угол
при вершине — прямой;
2) в треугольнике три вы-
высоты пересекаются в од-
одной точке.
V В задаче 3-8 речь шла
о построениях необычным на-
набором инструментов: линейкой
и эталоном длины. Как можно
убедиться, с их помощью уда-
удается решить очень многие стан-
стандартные задачи на построение:
провести через данную точку прямую, параллельную или пер-
перпендикулярную данной, отложить данный отрезок на данной
прямой и данный угол в любую сторону от данного луча.
Однако линейкой и эталоном длины можно построить не все,
что можно построить циркулем и линейкой. Например, нельзи по-
построить, исходя из отрезка длины 1, отрезок длины V1 + V2
(сравните с задачей 3-7); более того, в общем случае нельзя по-
построить даже прямоугольный треугольник по данным катету и
гипотенузе.
Оказывается, исходя из отрезка длины 1, можно построить
лишь такие отрезки, длины которых выражаются рациональными
операциями и извлечением квадратных корней из сумм квадратов
длин уже построенных отрезков (другими словами, выражения
для длин должны оставаться вещественными при всевозможных
изменениях знака перед всеми ради-
калами, см. [90]).
Задача 3-9. Ответ: 1/7.
Пусть К, L, М — точки пе-
пересечения проведенной прямой
со сторонами ОА, ОВ и диаго-
диагональю ОС соответственно —
см. рис. 20. Проделаем следую-
следующие построения, которые позволят нам представить
все нужные отношения в виде отношений отрезков
диагонали ОС.
Проведем отрезки ВВ' и АА', параллельные дан-
данной прямой, причем В' и Л' —точки на диагонали ОС.
Тогда треугольники ОВВ' и САА' равны (они симмет-
симметричны относительно центра параллелограмма), по-
Б2
этому OB' = СА'. Из равенств
OB': ОМ,
= ОА':ОМ,
получаем:
V Аналогично можно показать, что прямая, отсекающая от
сторон параллелограмма соответственно 1/К и 1/ц части, отсекает
от диагонали 1/(Л + ц) часть.
Опираясь на этот факт, можно доказать важное неравенство
для нормы вектора, определяемой следующим образом (см. [80]).
Пусть Ф — ограниченное замк-
замкнутое множество с центром
симметрии О (внутренней точ-
точкой Ф — см. рис. 21). Для каж-
каждого вектора а = ОА поло-
равным отношению
, где L — точка пере-
пересечения луча ОА с границей
фигуры Ф. Тогда если Ф вы-
выпукло, то выполнено «неравен-
«неравенство треугольника»:
жим II а |
й
Рис. 21
В частности, если Ф — круг радиуса 1 с центром О на пло-
плоскости Оху, то норма вектора — это обычная длина, а «неравен-
«неравенство треугольника» для векторов (jct; t/i) и (л*; (/г) выглядит так!
Задача 3-10. Достаточно провести (не считая
двух данных) 9 прямых (на рис. 22 прямые зануме-
занумерованы в порядке их появления). Докажем, что на
этом рисунке
АН = ВН=> АВ/2.
Отрезок CD можно получить из АВ гомотетией
с центром ? и с центром F; при той и другой гомоте-
гомотетии точка Н переходит в G (см. рис. 23). Поэтому
CG___EC_ CD_ Ft _ СО
Iff ~~ ЕА в АВ °~ FB ~ ВН '
откуда АН = ВН,
БЗ
Отрезок CG можно получить из отрезка АН гомо-
гомотетией с центром Е и из отрезка АВ — гомотетией о
центром М (см. рис. 24).
Е
Е
Рис. 23
При той и другой гомотетии точка L переходит в
точку К. Поскольку 2АН = АВ,
CL EC CO 2CO 2СМ
2CL
ЕА ~ АН
АВ
MB
ВК
откуда 2АК = ВК, т. е. АК = АВ/3. Аналогично дока-
доказывается, что на рис. 22
I* BKi=AB/3, т. е.
V Действуя таким же об-
образом дальше (проводя пря-
прямую AL и через точку N ее
пересечения с СВ—прямую EN(
пересекающую АВ и CD,
и т. д.), можно отсечь от от-
отрезка АВ 1/4-ю, затем I/5-ю и
вообще 1/и-ю часть для любого
натурального п.
Отметим еще связь этой
задачи, в которой речь идет об
отношении отрезков в трапеции, с предыдущей, в которой изуча-
изучались отношения отрезков в параллелограмме (см. рис, 25, а).
Прямая, проходящая через вершину В' параллелограмма A'B'C'D'
и середину Н' его стороны A'D', отсекает от его диагонали А С
отрезок А'М' = А'С'/З. Прямая, проходящая через точку М' и
параллельная стороне А'В', отсекает от сторон В'С н A'D' так-
также 1/3 часть. Рисунки 25, а и 25, б, как мы видим, очень похожи.
Причину аналогии между ними мы обсудим в комментарии к за-
задаче 3-20.
Задача 3-11. Для решения задачи сделаем до-
дополнительное построение: проведем во всех четырех-
четырехугольниках диагонали, как показано на рис. 26, а.
Рис. 26
Пусть площади крайних из заштрихованных на
рис. 26,а треугольников равны х и у соответственно.
Тогда площадь среднего равна (х-\-у)/2. Действи-
Действительно, их основания одинаковы, а высота среднего
равна полусумме высот крайних (это следует из того,
что высота среднего является средней линией трапе-
трапеции, основаниями которой служат высоты двух край-
крайних треугольников — см. рис. 26,6).
Б5
Такое же рассуждение можно провести и для трех
незаштрихованных на рис. 26, а треугольников. Итак,
площадь всего четырехугольника равна 3(х + у + z +
+ы)/2, а площадь заключенной между прямыми части
четырехугольника равна (х + у -)- г -f- и) /2, т. е,
в 3 раза меньше.
V Верно и более общее утверждение. Если несколько прямых
делят каждую из двух противоположных сторон четырехуголь-
четырехугольника на одинаковые части, то площади четырехугольников, на ко-
которые они разбивают данный четырехугольник, образуют арифме-
арифметическую прогрессию. Если же и две другие противоположные
стороны данного четырехугольника разбить на одинаковые части
Рис. 27
и провести соответствующие прямые, так что внутри четырех-
четырехугольника возникнет сетка из маленьких клеток — см. рис. 27, то
каждый отрезок с концами на противоположных сторонах четы-
четырехугольника разделится точками пересечения на одинаковые ча-
части и тем самым площади клеток в каждом ряду одного и дру-
другого направлений составят арифметическую прогрессию.
Любопытно, что все проведенные на рисунке прямые ка-<
саются некоторой параболы — см. рис. 27.
56
Если представить себе, что исходный четырехугольник состав-
составлен из шарнярно соединенных стержней, то при его изгибании в
пространстве соответствующие прямые будут по-прежнему пересе-
пересекаться— они лежат на седлообразной поверхности, «сотканной»
из двух семейств прямых.
Задача 3-12. Ответ: если треугольник непрямо-
непрямоугольный, то 6 способов, если прямоугольный — 5 спо-
способов.
Пусть множество точек {А, В, С, D} имеет ось сим-
симметрии. Вне оси симметрии может лежать лишь чет-
четное число точек, иначе их нельзя разбить на взаимно
симметричные пары. Поскольку все 4 точки не могут
лежать на оси (точки Л, В и С не лежат на одной
прямой), то надо рассмотреть два случая.
1) На оси нет точек нашего множества. Тогда
ось — серединный перпендикуляр к одной из сторон
¦треугольника ABC, а точка D симметрична противоле-
противолежащей этой стороне вершине. Таким образом, мы по-
получаем 3 способа поставить точку D — точки Di,D2,Dz
/SL f—«J/
Рис. 28
Рис. 29
на рис. 28; если С — 90°, то серединные перпендику-
перпендикуляры^ катетам АС и ВС дают нам одну и ту же точ-
точку D\ = D2, так как эти перпендикуляры являются
осями симметрии прямоугольника ACBD.
2) На оси лежат 2 точки. Тогда ось симметрии
проходит через две из точек А, В, С, а точка D сим-
симметрична третьей из этих точек относительно оси. Так
получаем еще 3 способа — см. рис. 29.
Никакие другие совпадения двух из шести по-
построенных точек, кроме рассмотренного в п. 1), для
неравнобедренного треугольника невозможны.
Задача 3-13. Построим окружность с диаметром
AM (рис. 30). Поскольку углы АРМ и AQM — прямые,
Б7
точки Р и Q лежат на этой окружности; ZMAQ =
= ZQPM (так как это вписанные в окружность углы,
опирающиеся на одну и ту же дугу). Заметим также,
что ZPAK= ZQPM. Действительно, ZPAK = 90° —
— ZAPK (AK — перпендику-
перпендикуляр к PQ) и ZQPM = 90° —
— ZAPK (MP — перпендику-
перпендикуляр к АР). Отсюда ZMAQ =
= ZPAK, что и требовалось
доказать.
V Эта задача неоднократно ис-
использована Д. Гильбертом в его зна-
знаменитой книге «Основания геомет-
Рис. 30 рии», в частности, для того, чтобы
выяснить, какие задачи на построе-
построение можно решить лишь с помощью линейки и эталона длины
(см. обсуждение задачи 3-8 и [90]).
Задача 3-14. Вычислим сторону правильного де-
десятиугольника по радиусу описанного около него
круга. Для этого рассмотрим равнобедренный тре-
треугольник АОВ, где О — центр
правильного десятиугольника, а
АВ — одна из его сторон (см.
рис. 31). Тогда ZAOB = 36° и
ZOAB = 72°. Проведем биссек-
биссектрису АВх угла ОАВ. Так как
треугольники OBtA и ВХАВ —
равнобедренные, то ЛВ=.
х
Рпс. 31
Пусть ОА = 1, АВ = х; из по-
подобия треугольников АОВ и
В\АВ вытекает пропорция
х 1
__
1-Х X '
Решая полученное уравнение, находим его положи-
положительный корень л: = ^—^ . Отрезок такой длины мы
можем построить (см. задачу 3-7). Далее, проводим
окружность радиуса 1 и последовательно откладываем
(V5 - О
на ней циркулем с раствором -1—х все вершины
правильного десятиугольника одну за другой.
Б8
V Число х— - часто встречается в разных задачах.
Например, sin 18° = — = (V^— 0/4-
Число т = \/х = (V^+ l)/2 известно с древних времен — оно
соответствует «золотому сечению»: если отрезок разделить в этом
отношении т, то отношение отрезка к большей его части будет
равно отношению большей части к меньшей. Это число возникает
и в связи с числами Фибоначчи (см. задачи 6-11, 6-16 и 6-17).
Для знатоков. Возможность построения правильного п-уголь-
. 180°
ника определяется тем, принадлежит ли число sin полю чи-
чисел, описанных в комментарии к задаче 3-7. Как показал
К. Ф. Гаусс, построить правильный n-угольник можно тогда и
только тогда, когда и = 2k-tii-nz- ... -nm, где щ — различные
простые числа вида г2 + 1.
Условие, выделяющее такие числа п, эквивалентно следую-
следующему: значение функции Эйлера <р(п) (см. комментарий к зада-
задаче 2-8) является степенью двойки. В задаче 3-14 п = 10,
1 АО°
sin == (V^T—l)/4 и количество <рA0) чисел, взаимно про-
простых с числом 10, равно 4 = 22.
Откуда возникает условие ф(гс) = 2*, можно пояснить при-
примерно так. При построении циркулем и линейкой количество по-
получаемых точек каждый раз, когда мы находим точки пересече-
пересечения двух окружностей и точки пересечения прямой и окружно-
окружности, удваивается. Поэтому в результате мы получаем, вообще
говоря, 2' решений. Допустим теперь, что мы нашли некоторый
алгоритм построения правильного п-угольника. По этому алго-
алгоритму мы можем получить не только этот правильный п-уголь-
ник, но также любую из правильных замкнутых n-звенных лома-
ломаных— «звездчатых многоугольников» (см. задачу 2-8). Их число
равно ф(п)/2. Тем самым <р(п) —степень двойки.
Необходимость и достаточность этого условия доказывается
алгебраически (см. [31, 51]).
Задача 3-15. а) Две соседние прямые проходят
через точку А окружности и образуют угол, вписан-
вписанный в окружность и опирающийся на дугу в 30° — см.
рис. 32. Согласно теореме о вписанном угле, этот угол
измеряется половиной дуги, на которую он опирается,
т. е. 15°, что и доказывает требуемое утверждение.
б) Рассмотрим точку М пересечения какой-нибудь
прямой первого пучка с какой-нибудь прямой второго
пучка. Проведем через эту точку, а также через точки
59
А а В окружность (на рис. 32 она показана черными
точками). Рассмотрим теперь точку N пересечения пря-
прямых, соседних со взятыми прямыми (например, по ча-
часовой стрелке). Тогда углы АМВ и AN В равны, по
скольку суммы углов при вершинах А и В треуголь-
треугольников АМВ и ANB одинаковы (угол МАВ на 15"
больше угла NAB, а угол NBA на 15° больше угла
МВА).
Рис. 32
Поскольку углы АМВ и AN В равны, точки А, М,
N и В лежат на одной окружности.
V Факт, установленный в задаче 3-15 б), хорошо объясня-
объясняется на языке «движений». Если прямая вращается равномерно
с угловой скоростью о вокруг точки А окружности, то, согласно
теореме о вписанном угле, другая ее точка пересечения с окруж-
окружностью равномерно движется по окружности с угловой скоро-
скоростью 2ш.
Если две пересекающиеся прямые 1а и 1в вращаются в пло-
плоскости вокруг двух своих точек А я В с одинаковой угловой
скоростью о, то траектория точки пересечения этих прямых—'
окружность. В самом деле, построим окружность у, проходящую
через три точки: А, В и точку М пересечения прямых в какой-
60
нибудь момент времени. С одной стороны, точка пересечения пря-
прямой 1а с окружностью y движется по окружности \ равномерно
с угловой скоростью 2ш, а с другой стороны, точно так же дви-
движется и точка пересечения прямой 1в с той же окружностью Y-
Но так как в какой-то момент времени точки пересечения прямых
1л и 1в с окружностью y находились в одной точке окружности Y.
то и все остальное время вращения прямых точки их пересечения
будут находиться на этой окружности.
Для знатоков. 23 проведенные прямые образуют сетку. Если
раскрасить клетки этой сетки в шахматном порядке, то мы уви-
увидим семейство окружностей, проходящих через точки А и В, к
семейство гипербол (картинка получится нагляднее, если в точках
А и В взять пучки не из 12, а из 24 пряных).
Гиперболы здесь возникают в связи со следующим обстоя-
обстоятельством. Если прямые U и 1в вращаются вокруг своих точек А
и В, одна с угловой скоростью ш, а другая — с угловой скоростью
(—ю) (в разные стороны), то точка их пересечения движется по
гиперболе.
В самом деле, найдется момент времени, когда рассматри-
рассматриваемые прямые 1а и 1в параллельны. Выберем систему координат
с центром в середине отрезка АВ, а ось Ох направим параллель-
параллельно прямым 1а и 1в.
Пусть координаты точки А равны (а; Ь), тогда координаты
точки В равны (—а; —Ь). В момент времени t уравнения пря-
прямых можно записать так:
х sin Ы — у cos a>t — a sin со/ — Ъ cos со/,
х sin Ы + у cos со/ = — a sin v>t — b cos v>t.
Координаты точки их пересечения равны
х = — Ъ ctg a>t,
У = — a tg Ы.
Следовательно, ху = об, т. е. точки пересечения прямых лежат на
гиперболе (см. [16]).
Задача 3-16. Будем отражать от стенок не шар,
а сам прямоугольник — биллиард. После всевозмож-
всевозможных многократных отражений прямоугольника относи-
относительно сторон (удобнее всего это делать на клетчатой
бумаге) мы получим сетку из прямых, разбивающую
плоскость на прямоугольники тХ«. Чтобы построить
траекторию шара в биллиарде, можно провести пря-
прямую из начальной точки О под углом в 30° к одной
из сторон, посмотреть, какие прямоугольники сетки
она пересекает, и сложить их «гармошкой» — рис. 33.
61
Докажем теперь, что прямая, проведенная через
узел О сетки под углом в 30° к стенке биллиарда, не
проходит через другие узлы. Отсюда будет следовать
утверждение задачи.
Ecin бы шар прошел через какой-то другой узел,
то получился бы прямоугольный треугольник с углом
6 2
Рис. 33
30°, длины катетов которого — целые числа. Но
ig30°=l/V3 (число иррациональное) не может рав-
равняться отношению двух целых чисел.
Для знатоков. Траектория шара в задаче 3-16 будет всюду
плотно «заметать» биллиард, хотя ее направление всегда будет
(.оставлять угол 30° с одной из сторон. Если биллиард имеет
форму окружности или эллипса, та траектория шара уже не бу-
будет всюду плотной — остаются области, куда она не заходит.
Вообще, поведение типичной траектории шара в биллиарде на
плоскости или в многомерном пространстве сильно зависит от
формы биллиарда. Для биллиардов, все борта которых обращены
» выпуклостью внутрь, доказана эргодичность: типичная траектория
шара всюду плотна в фазовом пространстве, она проходит сколь
угодно близко от любой точки биллиарда, причем в различных
направлениях. Именно к таким задачам о рассепвающчх билли-
биллиардах сводятся некоторые математические модели газа из твер-
твердых сталкивающихся «атомов». Выпуклые биллиарды, в част-
частности бимиарды с прямыми стенками, этим свойством уже, как
правило, не обладают, и описать тг„ ;тории в таких биллиардах
удалось лишь в частных случаях (с; . [ПО, 111]).
Задача 3-17. а) Ответ: могут.
Пример приведен на рис. 3-4.
б) Ответ: не могут.
62
Рассмотрим три точки, все попарные расстояния
между которыми равны 1 см. Они образуют правиль-
правильный треугольник с длиной стороны 1 см. Расстояния от
четвертой точки до каких-то двух из них равны 1 см,
поэтому четвертая точка с эти-
этими двумя также образует пра-
правильный треугольник. Поэто-
Поэтому все четыре точки должны
образовать ромб с длиной сто-
стороны 1 см — см. рис. 35. Но
А В
Рис. 34
Рис. 35
тогда шестое расстояние — длина большей диагона-
диагонали этого ромба, которая равна УЗ см, а 1,8^=
Ф УЗ.
V Обобщим эту задачу следующим образом.
При каких значениях а существуют четыре точки: а) на пло-
плоскости; б) в пространстве, попарные расстояния между которыми
равны 1, 1, 1, 1, 1, а?
Из решения задачи 3-17 ясно, что ответ на воспрос а) такой!
только при а = Уз. Из того же решения следует ответ на во-
вопрос б): при 0 < а < Уз. В самом деле, перегибая в простран-
пространстве ромб вдоль его меньшей диагонали, мы убеждаемся, что
расстояние между его противоположными вершинами может из-
изменяться от Уз до 0.
Для знатоков. Сделаем еще одно наблюдение: при Уз < а ^
^ 2 для любых трех из данных четырех точек выполняются не-
неравенства треугольника (длина большей стороны не превосходит
суммы длин двух других), однако в пространстве (и даже в
n-мерном евклидовом пространстве) не существует четырех точек
с такими попарными расстояниями.
Можно поставить более общий вопрос: можно ли располо-
расположить а) на плоскости; б) в пространстве четыре точки 1, 2, 3, 4
так, чтобы попарные расстояния между ними были равны данным
числам га, rls, Гц, г2з, r2i, rsi (г,,-— расстояние между точками /
и ?)? Безусловно, все числа гц должны быть неотрицательными
к удовлетворять неравенствам треугольника гц + r,k ^ г,Л. Но
етого мало. Для утвердительного ответа на вопрос б) необходимо
63
и достаточно, чтобы еще был неотрицательньш определитель
0
9
r12
4
4
1
4
0
4
4
i
4
r23
0
4
i
4
4
4
0
1
1
1
1
1
0
а для возможности расположения на плоскости (вопрос а))' нуж-
нужно, чтобы определитель А4 равнялся 0.
Если четыре точки 1, 2, 3, 4 размещены в пространстве, то
Д4 = 23C!JV2 = 288V2, где V — объем тетраэдра с вершинами
в этих точках. Отсюда ясно, что условие As, S^ 0 необходимо для
возможности размещения точек в пространстве.
Объясним, почему условия Гц ~^> 0, гц + rjk ^ rm, Л4 ^ 0 до-
достаточны для этого. Если зафиксировать все расстояния, кроме
Гз4, то треугольники 123 и 124 можно вращать вокруг общего
ребра 12 (двугранный угол ср между ними меняется от 0° до
180°). Тогда А4 как функция от *=а|4 будет квадратным трех-
трехчленом с отрицательным старшим коэффициентом. Его корни со-
соответствуют тем значениям х, при которых треугольники лежат
в одной плоскости (ф = 0° и ф = 180°). Когда ф меняется от 0"
до 180°, величина х пробегает все значения между корнями, т.е.
все значения, для которых Ai(x) 5= 0.
Заметим, кстати, что аналогичным образам с помощью опре-
определителя можно записать и формулу Герона для площади S тре-
треугольника со сторонами ri2, ria, г28:
S2 = Аз/B2B!J) = Аз/16,
где
'12
1
'12
0
4
1
'13
Г23
0
1
— Or2 r- -i- 9r2 г2 -4- 9г2 г2 _ И _ И — г4
— " 13Г23 ^ "\ЧГгЪ ^ -9/13 Г12 Г13 '23
(см. [83, 86]).
Задача 3-18. Ответ: 5, 8,9, 10 или 11.
На рис. 36 показаны примеры деления на 5, 8, 9,
10, 11 частей. Докажем, что не может быть иного
числа частей.
Если все прямые параллельны друг другу, то ча-
частей пять, Пусть не все прямые параллельны. Рас-
64
смотрим пару пересекающихся прямых — они делят
плоскость на 4 угла. Каждая из вновь проведенных
прямых пересекает не менее двух частей, на которые
делят плоскость уже проведенные прямые, и делит
каждую из этих частей на две. Поэтому каждая сле-
следующая прямая добавляет не менее двух новых час-
частей. В частности, четыре прямые, среди которых есть
непараллельные, делят плоскость не менее чем на
4 + 2-2 = 8 частей.
(8)
(S)
Рис. 36
Теперь докажем, что частей не больше одиннад-
одиннадцати. Будем проводить прямые по очереди. Первые
две прямые делят плоскость не более чем на четыре
части. Третья прямая имеет не более чем две точки
пересечения с прежними прямыми, делится ими не бо-
более чем на три части, и потому число частей увели-
увеличивается не более чем на три.
Четвертая прямая делится точками пересечения с
предыдущими не более чем на четыре части и потому
добавляет не более четырех новых частей.
Всего получается не более чем 4 + 3 + 4 = 11 ча-
частей.
V Эта задача естественно обобщается: на сколько частей мо-
могут делить плоскость п различных прямых?
Рассуждая подобно тому, как мы это делали выше, можно
доказать, что число частей либо равно (и+1), либо заключено
в промежутке от In до (и2 + п + 2)/2. Но, оказывается, не любое
число частей в этом промежутке может быть реализовано. На-
Например, 5 прямых не могут делить плоскость на 2-5 + 1 = 11
частей и, вообще, п прямых при п 3* 5 не могут делить плоскость1
на Bи + 1) частей. Интересно было бы найти, какие числа из
3 Н. Б. Васильев
65
промежутка от 2л до (и2 + п + 2)/2 могут реализоваться для п
прямых.
Интересен также вопрос о том, на какие именно области раз-
разбивают плоскость п прямых общего положения (никакие три из
которых не проходят через одну точку и никакие две не парал-
параллельны). Для п = 4 расположение прямых общего положения
всегда будет таким, как иа рис. 36, т. е. среди трех конечных об-
областей всегда один четырехугольник, два треугольника, среди
восьми бесконечных — три угла, четыре «бесконечных» треуголь-
треугольника и одии «бесконечный» четырехугольник. Для п 5s 5 возмож*
иы уже различные (по количеству треугольников и других обла-
областей) случаи.
Задача об оценке максимального числа треугольников в раз-
разбиении плоскости п прямыми, по существу, эквивалентна такой
8адаче В. И. Ариольда: пусть все ап = (и2 + и + 2)/2 области
разбиения раскрашены двумя красками — черной и белой — так,
что соседние области (граничащие по отрезку прямой или лучу)
окрашены в разные цвета, причем количество черных областей
равно Ьп. Какое наибольшее значение может принимать отноше-
отношение Ьп/о„?
Можно доказать (пользуясь, например, теоремой Эйлера —•
см. задачу 5-15), что bn/an ^ 2/3 (при любом п), причем в раз-
разбиении с наибольшим числом черных областей все (или почти все)
они должны быть треугольниками.
Недавно Ю. П. Чеканов, используя геометрические свойства
кривых третьей степени (см. обсуждение задачи 2-22), доказал,
что при достаточно больших п это отношение может быть сколь
угодно близко к 2/3 Точная оценка максимального числа черных
областей и треугольников известна лишь для некоторых п (в
частности, для п = 2к).
Задача 3-19. Ответ: 4 плоскости делят простран-
пространство на 14 частей, 5 плоскостей — на 22 части.
Докажем это. Три плоскости ось а2, а3 делят про-
пространство на 8 частей. Когда мы проводим четвертую
плоскость 0С4, она пересекается с тремя предыдущими
по трем прямым, проходящим через их общую точку.
Эти прямые делят плоскость ос4 на 6 углов. Следова-
Следовательно, из тех 8 частей, на которые пространство раз-
разбивалось плоскостями cci, ос2, аз, четвертая плоскость
СС4 пересекает 6 частей и делит каждую из них на
2 части. Таким образом, добавляется еще 6 частей,
всего их становится 8 + 6 = 14.
Точно так же пятая плоскость, пересекаясь с пре-
предыдущими по четырем прямым, добавляет 4-2 = 8 ча-
частей, и их становится 14 -f- 8 = 22.
66
V В общем случае для п плоскостей доказательство можно
проводить аналогично: 6-я, 7-я, ..., и-я плоскости добавляют
соответственно 2-5, 2-6, .., 2(и—1) новых частей, и всего их
становится (удобно записать сумму с самого первого члена)
2 + 2-1+2-2+ ... + 2 (и - 1).
Чтобы найти эту сумму, удобно складывать числа парами с
разных концов:
= 2 + (п - 1) п = п* - п + 2.
Задачу 3-19 можно свести к плоской задаче 3-18 следующим
образом: проведем вблизи одной из п плоскостей по одну и дру-
другую сторону параллельные ей плоскости. Тогда каждая из них
будет разбита (п—1) прямыми пересечения с остальными
(л — 1) из данных плоскостей на A/2) ((/г — IJ + (п — 1) + 2) =¦
= g частей (см. обсуждение задачи 3-18), и эти
п2 — п + 2 частей ровно по одной лежат в различных областях
пространства.
Описание разбиений пространства п плоскостями, проходящи-
проходящими через одну точку О, очевидно, эквивалентно описанию разбие-
разбиений сферы с центром О большими кругами. Например, 5 больших
кругов общего положения всегда делят сферу на 10 треугольни-
треугольников, 10 четырехугольников и 2 пятиугольника.
При п ^ 6 возможны (как в предыдущей задаче 3-18 для
п > 5) различные типы разбиений.
Задача 3-20. Найдем прямые пересечения пло-
плоскостей противоположных граней данного четырех-
четырехгранного угла. Через эти две прямые проведем пло-
плоскость а. Затем проведем параллельную ей плоскость
р, пересекающую все четыре ребра.
Докажем, что в сечении получится параллело-
параллелограмм. Плоскость р параллельна прямой пересечения
плоскостей двух противоположных граней, и, следо-
следовательно, она пересекает их по параллельным пря-
прямым. Таким образом, в сечении получился четырех-
четырехугольник, противоположные стороны которого попарно
параллельны, т. е. параллелограмм.
V Покажем теперь, как с помощью нашей конструкции мож-
можно связать две задачи 3-9 и 3-10 — см. рис. 25, 37.
Рассмотрим четырехугольную пирамиду, основание которой
является трапецией. Проведем сечение этой пирамиды плоскостью
так, чтобы в сечении получился параллелограмм. Две противопо-
3* 67
ложные стороны этого параллелограмма будут параллельны осно-
ваниям трапеции.
При центральном проектировании (с центром в вершине че-
четырехгранного угла) параллелограмм переходит в трапецию, а
отношение отрезков на па-
параллельных прямых сохра-
сохраняется.
Задача 3-21. Рас-
Рассмотрим развертку бо-
боковой поверхности
призмы — см. рис. 38.
Существование нуж-
нужного сечения эквива-
эквивалентно существованию
Рис. 38
ломаной с вершинами на четырех параллельных пря-
прямых развертки, такой что все три ее звена имеют оди-
одинаковую длину х, а концы лежат на прямой, перпен-
перпендикулярной этим параллельным прямым. Таким обра-
образом, достаточно доказать, что уравнение
V*2 — а2 + V*2 - & = V*2 - с2
A)
имеет решение при а^6
Рассмотрим функцию
а <Ь -{- с.
Эта функция определена при х2 ^ а2 и непрерывна.
Заметим, что / (а) = -\]с& — fe2 — -у/а2 — с2 <10, так как
Ъ 5г с, а / (-\]а2 + Ь2) — Ь + а — V«? + b2 — с2 > 0. Если
значения непрерывной функции на концах отрезка
имеют разные знаки, то в некоторой точке внутри от-
отрезка функция обращается в нуль. В нашем случае
эти условия выполнены на отрезке [а; -у/а2 + Ь2\. По-
Поэтому в некоторой точке х0 внутри этого отрезка функ-
68
ция f обращается в нуль: f(jCo)=O, и тем самым урав-
уравнение имеет решение.
V Решив уравнение A), мы найдем формулу, с помощью ко-
которой ломаную можно построить циркулем и линейкой.
Задача 3-22. Ответ: может.
Построим пример. Рассмотрим треугольную пира-
пирамиду, в основании которой — правильный треугольник,
двугранные углы при основании острые, а боковые
ребра различны. Из двух экземпляров такой пира-
пирамиды, склеив их по общему основанию, можно изго-
изготовить шестигранник (бипирамиду) тремя разными
способами — см. рис. 39, а. Все они имеют одинаковый
набор граней, но не равны друг другу. Еще один при-
пример см. на рис. 39, б.
V Если бы Андрей занумеровал все ребра и на каждой гра-
грани написал рядом с ребрами их номера, то Коля склеил бы точно
такой же выпуклый многогранник: если грани одного выпуклого
многогранника соответственно равны граням, другого выпуклого
многогранника, то эти многогранники равны (теорема К о -
ши — см. [83, 99]).
Для невыпуклых многогранников теорема Коши перестает
быть верной. Пример этому см. на pnq 40.
69
С середины прошлого века стоял следующий вопрос: суще-
существует ли нежесткий многогранник, составленный из жестких,
шарнирно соединенных граней — пластин? Только в 1977 rt
Рис. 40
американский математик Р. Конелли построил пример такого
многогранника ([50, 83]).
Задача 3-23. Ответ: да, существует.
Построим такой многогранник — см. рис. 41. Рас-
Рассмотрим четырехугольную пирамиду ABCDE, основа-
основание которой — ромб ABCD, а вершина Е проектирует-
проектируется в центр ромба. Рассмотрим в плоскости основания
Рис. 41
Рис. 42
квадрат AiBCxD с диагональю BD {BD — меньшая
диагональ ромба) и куб, нижним основанием которого
является этот квадрат. Возьмем пересечение куба с
пирамидой и часть пирамиды, лежащую выше куба.
В результате получим искомый многогранник.
V Знаток мог бы ответить на вопрос задачи 3-23 довольно
просто. Достаточно нарисовать плоскую схему, изображенную на
рис 42 и сослаться на теорему Штейница, которая утверждает^
что при естественных условиях на плоскую схему существует вц»
70
гуклый многогранник, грани, ребра и вершины которого взаимо-
взаимосвязаны так же, как области, звенья и узлы этой схемы — срав-
сравните схему на рис. 42 с рис. 41 —см. [99].
Задача 3-24. Пусть остроугольный треугольник
DiD2D3 со средними линиями АВ, АС и ВС (см.
рис. 43) является разверткой треугольной пирамиды
ABCD (вершины D\, D2 и D3 склеи-
склеиваются в одну точку D). Если реб-
ребру соответствует половина стороны
треугольника DiD2D3, то скрещи-
скрещивающемуся с ним ребру соответ-
соответствует средняя линия, параллельная
этой стороне, и наоборот. Поэтому
скрещивающиеся ребра пирамиды J-
равны. а
Построим параллелепипед, че-
четыре несмежные вершины которого
являются вершинами треугольной пирамиды. Для
этого проведем через каждое ребро пирамиды пло-
плоскость, параллельную скрещивающемуся с ним
ребру. Получим три пары параллельных плоско-
плоскостей, при пересечении которых образуется парал-
параллелепипед. Поскольку скрещивающиеся ребра исход-
исходной пирамиды равны, каждая грань параллелепи-
параллелепипеда — параллелограмм с равными диагоналями, т. е,
прямоугольник. Параллелепипед, у которого все гра-
грани — прямоугольники, являет-
является прямоугольным, что и тре-
требовалось доказать.
V Интересно, что верно и обрат-
обратное утверждение.
Если вершины тетраэдра явля-
являются четырьмя несмежными верши-
вершинами некоторого прямоугольного па-
параллелепипеда, то его развертка
представляет собой остроугольный
треугольник, в котором проведены средние линии. Действитель-
Действительно (см. рнс. 44), к каждой вершине примыкают три одинаковых
треугольника, причем примыкают оии тремя своими разноимен-
разноименными углами; тем самым сумма плоских углов в вершине тетра-
»дра равна 180°.
Тетраэдр, у которого все грани — одинаковые, но не обяза-
обязательно правильные треугольники, называется часто раеногранньш
тетраэдром,
71
У такого тетраэдра:
1) скрещивающиеся ребра равны друг другу;
2) центры вписанной и описанной сфер совпадают;
3) проекция на каждую плоскость, параллельную двум скре-
скрещивающимся ребрам, — прямоугольник;
4) сумма плоских углов при каждой вершине равна 180°;
5) каждый отрезок, соединяющий середины противоположных
ребер, перпендикулярен этим ребрам, или, что то же самое, при
повороте вокруг каждого такого отрезка на 180° тетраэдр совме-
совмещается с самим собой (эти отрезки — оси симметрии описанного
вокруг него прямоугольного параллелепипеда);
6) три отрезка, соединяющие середины противоположных ре-
ребер, взаимно перпендикулярны.
Интересно, что из каждого из этих свойств можно вывести
все остальные.
Задача 3-25. Ответ: п — а, п — р и п — у.
Выберем два из трех построенных лучей. Пусть
перпендикулярные им грани образуют двугранный
угол а. Его ребро перпендикулярно плоскости, в кото-
которой лежат выбранные лучи, поэтому он высекает на
Этой плоскости линейный угол а. Стороны этого ли-
линейного угла и выбранные лучи делят плоскость на
четыре угла; один из них равен а, два соседние с
ним — прямые; оставшийся четвертый угол — угол
между выбранными лучами — равен п — а.
V Задача 3-25 показывает, как связаны плоские углы од-
одного трехгранного угла с двугранными углами другого. Для трех-
трехгранных углов легко вывести формулу косинусов, которая дает
возможность, зная его плоские углы А, В, С, найти двугранные
углы; например, косинус двугранного угла у может быть вы-
вычислен гак:
cos С — cos A cos В
C0SY = sin A sin В • A>
Гораздо труднее, на первый взгляд, решить обратную задачу:
зная двугранные углы а, р, у, найти косинусы плоских углов.
Однако если воспользоваться построенным в задаче 3-25 новым
трехгранным углом, то нужная формула получается автомати-
автоматически.
Мы знаем из задачи, что если А, В, С — плоские углы, а а,
Р. \ — двугранные углы исходного трехгранного угла, то а' =
= я — А, Р' = я — В, у' = я — С — двугранные углы, а А' =
= я — а, В' = п — р, С = и — у — плоские углы нового трех-
72
гранного угла. Запишем формулу косинусов для нового трехгран-
трехгранного угла:
, cos С — cos A' cos В'
COS V = :—хг~:—57 •
1 sin A sin В
Тогда
_. cos (я — у) — cos (я — a) cos (я — Р)
COS \Я *~ С) = : ; г—; ; х\
sin (я — а) sin (я — р)
или
cosC=COsaCOsP + COSY. B)
sin a sin p
Формулы A) и B) называются еще формулами косинусов
для сферических треугольников. Рассмотрим сферу единичного
радиуса с центром в вершине трехгранного угла. Трехгранный
угол высекает на этой сфере криволинейный треугольник. Его
стороны — это дуги больших кругов радиуса 1, их длины равны
соответственно величинам плоских углов А, В, С (взятым в ра-
радианах) трехгранного угла. Его углы — это двугранные углы а,
Р, у трехгранного угла. Формула A) позволяет находить по трем
его сторонам его углы, а формула B) — по трем его углам —
стороны.
Построенный в задаче 3-25 трехгранный угол также высекает
на сфере треугольник, который называется полярным к первому.
В задаче установлено, как связаны друг с другом их стороны
и углы.
Задачи для самостоятельного решения
3-26. Постройте циркулем и линейкой отрезки, за-
заданные формулами (a, b, с, d, e — данные отрезки):
1) 4аЬ; 2) д/«2 + Ь2 + с2; 3) ab/c;
4) a V2/(V^ + V3); 5) (abc)/(de); 6) а
7) д/о2 + °Ь + ас; 8) \fabcd; 9)
10)
3-27. На прямой даны отрезки а и b (b > а). По-
Постройте одним циркулем отрезки, заданные форму-
формулами:
1) У*>2 — а2; 2) а УЗ"; 3) а-у/2- 4) ^/Ь2 + с2.
3-28. Постройте циркулем и линейкой треугольнш
по двум сторонам а и Ъ (Ь > а), если известно, чтс
угол против одной из них в два раза больше угла про-
Став другой,
7а
3-29. Дана окружность и точка вне ее. Постройте
с помощью циркуля и линейки секущую, проходящую
через эту точку так, чтобы отрезок секущей вне ок-
окружности равнялся отрезку внутри нее.
3-30. В круге проведены два радиуса. Постройте
циркулем и линейкой хорду, делящуюся этими ра-
радиусами на три одинаковые части.
3-31. С помощью циркуля и линейки в данный кру-
круговой сегмент впишите квадрат.
3-32. На координатной плоскости нарисована по-
полуволна синусоиды @ ^ х <; п, y = sinx). Постройте
циркулем и линейкой прямоугольник заданного пери-
периметра Р, две вершины которого лежат на синусоиде,
а две другие — на оси Ох.
3-33. Даны два отрезка с длинами 1 и я. Постройте
(циркулем и линейкой) квадрат, равновеликий дан-
данному кругу.
3-34. На координатной плоскости нарисован гра-
график функции у = х3. Пользуясь этим графиком, цир-
циркулем и линейкой, разделите данный угол на три рав-
равные угла.
3-35. Два зеркала образуют острый угол. Луч све-
света падает на одну из его сторон. Докажите, что, как
бы мал ни был угол, после нескольких отражений луч
из него выйдет.
3-36. Из одного угла прямоугольного биллиарда
размерами 19 X 86 под углом 45° выпущен шар. В ка-
какую из луз, расположенных по углам биллиарда, по-
попадет шар, и сколько раз он до этого отразится от
бортов? (Шар и лузы считаются точками.)
3-37. На стороне АВ треугольника ABC во внеш-
внешнюю сторону построен равносторонний треугольник.
Найдите расстояние от его центра до вершины С, если
длина стороны АВ равна с и ZC = 120°.
3-38. Постройте с помощью линейки с делениями
через 1 см биссектрису данного угла.
3-39. Постройте с помощью циркуля и линейки
правильный пятнадцатиугольник.
3-40. На плоскости взяты две точки А и В, рас-
расстояние между которыми — целое число п. Прове-
Проведены все окружности целочисленных радиусов с цен-
центрами Л и В. На полученной сетке отмечена последо-
последовательность узлов (точек пересечения окружностей),
в которой каждые два соседних узла — противополож-
противоположные вершины криволинейного четырехугольника.
74
а) Сделайте чертеж, взяв за единицу 0,5 см, а
п = 12.
б) Докажите, что все точки этой последователь-
кости лежат либо на одном эллипсе, либо на одной
гиперболе.
3-41. а) Нарисуйте фигуру из трех отрезков на пло-
плоскости, которая имеет шесть осей симметрии.
б) Может ли объединение трех отрезков на пло-
плоскости иметь больше шести осей симметрии?
3-42. Дан треугольник ABC. Найдите на его сто-
сторонах АВ и ВС такие точки К и L, что:
a) AK = KL = LB; б) AK = KL = LC.
3-43. Дан отрезок и отмечена его середина. По-
Постройте с помощью одной линейки прямую, проходя-
проходящую через данную точку параллельно данному от-
отрезку.
3-44. Даны две параллельные прямые и на одной
из них — некоторый отрезок. С помощью линейки по-
постройте отрезок, в два раза больший данного.
3-45. На сторонах остроугольного треугольника как
на диаметрах построены три окружности. Докажите,
что общие хорды каждых двух из этих окружностей
являются высотами этого треугольника.
3-46. На каждой стороне остроугольного треуголь-
треугольника отмечается точка и соединяется с противополож-
противоположной вершиной. На каждом из трех проведенных
отрезков как на диаметре строится окружность. Про-
Проводятся общие хорды каждых двух из этих окружно-
окружностей. Докажите, что эти хорды пересекаются в точке
пересечения высот исходного треугольника.
3-47. Коля отметил на плоскости четыре точки,
измерил все шесть расстояний между ними и сообщил
Вите эти шесть чисел. Витя построил у себя на пло-
плоскости четыре точки с теми же попарными расстоя-
расстояниями. Обязательно ли Витину фигуру можно совме-
совместить с Колиной, если:
а) указаны только шесть чисел;
б) указано, какой паре точек соответствует каж-
каждое расстояние?
3-48. Пусть на плоскости проведено п различных
прямых. Если через точку проходит k из этих прямых,
то число {k — 1) назовем кратностью этой точки. До-
Докажите, что проведенные прямые делят плоскость на
\(п + m + 1) частей, где m — сумма кратностей всех
точек пересечения прямых,
75
3-49. а] Пару чисел (tii;n2)\ где п{ ^ п2, назовем
осуществимой, если треугольник можно разрезать пря-
прямой, проходящей через его внутреннюю точку, на
Я] -угольник и пг-угольник. Сколько всего осуществи-
осуществимых пар?
б) Четверку чисел (пг, пч\ п3; п4), где tii ^ Пг ^
^ Пз =?S ti4, назовем осуществимой, если треугольник
можно разрезать парой прямых, проходящих через его
внутреннюю точку, на oi-угольник, п2-угольник, п3-
угольник и 04-угольник. Сколько всего осуществимых
четверок?
3-50. Четыре плоскости делят пространство на 15
частей. Сколько из этих частей могут содержать шар,
касающийся всех четырех плоскостей?
3-51. Каждое ребро тетраэдра разбито на 4 одина-
одинаковые части, и через все точки деления проведены пло-
екости, параллельные всем его граням. На сколько
частей разбит тетраэдр?
3-52. На какое максимальное число частей могут
разбивать пространство четыре сферы?
3-53. а) Постройте сечение куба плоскостью, про-
проходящей через его центр перпендикулярно какой-ни-
какой-нибудь его диагонали.
б) Примем диагональ d куба за ось Ох (точка
О— центр куба) и обозначим через S(x) площадь се-
сечения куба плоскостью, перпендикулярной диагонали
d и проходящей через точку х диагонали. Постройте
график функции S(x).
3-54. У тетраэдра двугранные углы при любой паре
противоположных ребер одинаковые. Веоно ли, что
противоположные ребра этого тетраэдра равны по
длине?
3-55. Постройте шестигранник, у которого в каж-
каждой вершине сходятся три ребра, причем ровно две
грани — пятиугольники.
3-58. Дана сфера единичного радиуса и трехгран-
трехгранный угол с вершиной в ее центре. Докажите, что пло-
щаА сферического треугольника — части сферы, ле-
лежащей внутри трехгранного угла, — равна (а + р +'
-\-у) — я, где а, р и у — величины двугранных углов
этого трехгранного угла (углы сферического треуголь-
треугольника ).
§ 4. НЕРАВЕНСТВА, ЭКСТРЕМУМЫ, ОЦЕНКИ
4-1. В прямоугольном треугольнике а и Ь — его ка-
катеты, с — гипотенуза, h — высота, опущенная на гипо-
гипотенузу. Докажите, что с + h больше а + Ь.
4-2. Уравнение ах2 + Ъх + с = 0 не имеет действи-
действительных корней, и а + Ь + с < 0. Какой знак имеет
число с?
4-3. Дан прямоугольник ABCD. В нем берется про-
произвольная точка, и через нее проводятся две прямые,
параллельные его сторонам. Они разбивают прямо-
прямоугольник на четыре меньших прямоугольника. Дока-
Докажите, что хотя бы один из двух прямоугольников, со-
содержащих точки Л и С, имеет площадь, не большую
1/4 площади всего прямоугольника.
4-4. В банк кладется 1000 руб. В каком случае
спустя 10 лет вкладчик получит больше денег: если
банк начисляет 5 % от имеющейся суммы один раз в
год или если он начисляет 5/12 % один раз в месяц'
4-5. Автобус считается переполненным, если в нем
находится более пятидесяти пассажиров. Два инспек-
инспектора ГАИ остановили колонну автобусов. Инспектор
Подберезовиков подсчитал процент переполненных ав-
автобусов, а инспектор Подосиновиков подсчитал про-
процент пассажиров, едущих в переполненных автобусах.
У кого процент больше?
4-6. Какое наименьшее число участников может
быть в математическом кружке, если известно, что де-
девочки составляют в нем:
а) меньше 50 %, но больше 40 %; б) меньше 44 %,
но больше 43 % ?
4-7. У грузового автомобиля передние покрышки
стираются через 15 000 км пути, а задние — через
25000 км. (На задних колесах по две покрышки, а на
передних — по одной такой же покрышке.) Как нужно
менять покрышки на колесах, чтобы проехать на од-
одних и тех же покрышках наибольшее расстояние? Най-
Найдите это расстояние.
4-8. Малыш может съесть торт за 10 минут, банку
варенья — за 13 минут и выпить кастрюлю молока за
14 минут, а Карлсон может сделать это за 6, 6 и 7 ми-
минут соответственно. За какое наименьшее время они
могут покончить с завтраком, состоящим из торта,
банки варенья и кастрюли молока?
77
4-9. Витя с Олей обычно встречаются на конечной
станции метро. Пусть поезда метро отправляются че-
через строго одинаковые интервалы времени. Первый
раз Витя прождал Олю 12 минут, и за это время от-
отправилось 5 поездов. Второй раз он прождал Олю
20 минут, и за это время - отправилось 6 поездов.
В третий раз он прождал Олю 30 минут. Сколько
поездов могло отправиться за это время?
4-10. Несколько ящиков весят вместе Ют, причем
каждый из них весит не больше одной тонны. Какое
наименьшее количество трехтонок заведомо доста-
достаточно, чтобы увезти за один раз весь этот груз?
4-11. Найдите три числа, каждое из которых равно
квадрату разности двух других чисел.
4-12. Докажите, что для любых натуральных т и
п, больших 1, хотя бы одно из чисел д/m и т-у] п не
превосходит -^3.
4-13. При каком п величина
Ig2-lg3- ... -Ign
Ю"
принимает наименьшее значение?
4-14. Известно, что числа х\, х2, х$, х4, х5 неотри-
неотрицательны и х\ + х2 + х3 + х4 + х$ = 1. Найдите наи-
наибольшее значение величины х\Х2 + х2х3 + Хзх4 + x4xs.
4-15. Докажите, что для любых а, Ь и с верно не-
неравенство
а4 + Ь4 + с4 > a2bc + b2ac + c2ab.
4-16. Докажите, что при любых положительных а
и b выполняется неравенство
_ 3 _ Б
2 Уа + 3 -у/b >'5 УаЬ.
4-17. Докажнте, что в любом выпуклом шестиуголь-
шестиугольнике найдется диагональ, которая отрезает от него
треугольник площади, не превосходящей 1/6 площади
шестиугольника.
4-18. Докажите, что для любых углов а, р, у, за-
заключенных между 0 и я, выполнено неравенство
sin a + sin р + sin y < 3 sin
4-19. Какую наибольшую площадь может иметь
четырехугольник, длины трех сторон которого равны 1?
78
4-20. Выпуклый многогранник с пятью вершинами
вписан в сферу радиуса 1. Найдите наибольший объем
такого многогранника.
4-21. На клетчатой бумаге со стороной клетки 1
проведена окружность радиуса 10. Докажите, что
внутри этой окружности лежит более 250 узлов сетки.
4-22. Можно ли из точки О направить в простран-
пространство 15 лучей так, чтобы угол между любыми двумя
был больше 60°?
4-23. На первой из двух одинаковых окружностей
отмечены три дуги по 25 каждая, на второй — две
дуги по 30° каждая. Докажите, что вторую окруж-.
ность можно так наложить на первую, чтобы отмечен-
отмеченные дуги не пересекались.
4-24. Докажите, что пять гирек можно располо-
расположить в порядке возрастания их масс, проделав не
более 7 взвешиваний на чашечных весах (позволяю-
(позволяющих за одно взвешивание сравнивать массы двух
гирек).
Обсуждение задач
Задача 4-1. Подсчитывая двумя способами пло-
площадь треугольника, получим ch = ab, откуда h = able
Неравенство с + h> a-\-b запишем так:
Умножая обе части на с (с > 0), получим эквивалент-
эквивалентное неравенство:
с2 — с (а + Ь) + аЬ > 0,
ЕЛИ
(с — а) (с — Ь) > 0.
Это неравенство верно, так как гипотенуза больше
Каждого катета.
V В решении этой задачи мы установили, что если произве-
произведения ch и аЪ двух пар положительных чисел одинаковы, то
«умма больше у той пары, числа которой более «раздвинуты»!
если а и Ь заключены между с и А, то с + А > а + Ъ. Этот факт
Вытекает также из того, что функция f{x) = к + А[х монотонно
возрастает при х ^ VЛ.
79
Задача 4-2. Ответ: с < 0.
Рассмотрим функцию f{x) = ах2-\- Ъх + с. По ус-
условию она не обращается в нуль, поэтому ее гра-
график— парабола — расположен либо целиком выше
оси Ох, либо целиком ниже.
Заметим, что /A)=а + Ь + с; это число, по усло-
условию, меньше нуля, значит, парабола расположена
ниже оси Ох. Поэтому /(л:)<;0 при всех значениях х
и, в частности, /@)= с < 0.
V В решении мы, по существу, использовали непрерывность
функции f: если функция непрерывна на промежутке и не обра-
обращается на нем в нуль, то все ее значения на этом промежутке
имеют один и тот же знак.
Задача 4-3. Проведем оси симметрии прямо-
прямоугольника. Они разбивают данный прямоугольник на
4 четверти. Если выбранная точка лежит в какой-ни-
какой-нибудь из двух четвертей, содержа-
содержащих точки А и С, или на границе
этих четвертей, то утверждение
задачи очевидно.
Пусть выбранная точка лежит
внутри одной из двух оставших-
оставшихся четвертей. Отразим обе пря-
Рис. 45 мые разреза относительно центра
симметрии прямоугольника.
Четыре прямые (две линии разреза и две симмет-
симметричные им) разбивают прямоугольник на 9 частей:
четыре части — площади Sb две части — площади S2,
две части — площади S3 и одна часгь — площади So
(см. рис. 45). Мы должны доказать, что Si + S2 или
Si -f- S3 не превосходит S/4, где S — площадь всего
прямоугольника. Так как
4S, + 2S2 + 2S3 = S — So < S,
TO
2S, + S2 + S3<S/2, или (S, + S2) + (S1 + S3)<S/2.
Значит, одно из чисел Si + S2, Si + S3 меньше S/4
(если бы оба они были не меньше S/4, то их сумма
была бы не меньше S/2).
V Представляет интерес следующая стереометрическая зада-
задача, похожая на задачу 4-3: пусть Vi ^ V2 ^ ... ^ V8 — объемы
восьми частей, на которые делят параллелепипед объема 1 три
плоскости, проходящие через его точку и параллельные его гра-
S2
ням; в каких пределах может изменяться каждая из величин Vi,
i= 1,2 8? Например, оказывается, что 0 sg V4 sg 1/8 и для
любого Vi, из этого промежутка существует соответствующее раз-
разбиение параллелепипеда. (При доказательстве неравенства
Vi ^ 1/8 удобно использовать тот факт, что две противополож-
противоположные части имеют объемы, произведения которых не больше 1/64.)
Аналогичный вопрос можно рассмотреть и для n-мерного парал-
параллелепипеда единичного объема. .
Задача 4-4. Ответ: если банк начисляет про-
проценты раз в месяц.
Пусть проценты начисляются раз в год. Тогда в
конце первого года вклад будет равен
(Ш00 + 1000 ¦ JL-) = 1000 A + ^ руб.
В конце второго года вклад увеличится на 5 % Уже от
этой суммы и станет равным
Рассуждая аналогично, увидим, что через 10 лет
вкладчик получит
юоо (i + -j^AI0 руб.
Если проценты начисляют раз в месяц, то таким
же образом найдем, что вкладчик через 10 лет (т. е.
через 120 месяцев) получит
Ю00A+-!|гI20руб.
Покажем, что второе число больше первого. Для
этого достаточно показать, что
~Т200
) "
Начнем вычислять правую часть этого неравенства —¦
произведение двенадцати одинаковых выражений
О + 1200") 0 + 1200") '•¦ A + l200~)-
В процессе умножения придется взять в каждой скоб-
скобке по 1 и все их перемножить—получим в резуль-
результате 1. Если же в одной скобке взять 5/1200, а в
других — по 1, то мы получим 5/1200; но таких
81
произведений столько же, сколько скобок, т. е. 12, и
они дают число 12-5/1200 = 5/100. Хотя мы учли еще
не все члены, получилось уже 1 + 5/100, поэтому все
произведение будет больше этого числа.
V Пусть в банк кладется К руб. и банк выплачивает р %
годовых. Рассуждая так же, как в решении задачи 4-4, мы уви-
увидим, что через т лет вкладчик получит К(\ + р/100)т руб. (так
называемая формула сложных процентов).
Эту величину можно грубо оценить снизу с помощью нера-
неравенства Бернулли, которое мы, по существу, уже доказали:
A + х)п > 1 + пх при х > 0, п > 1.
(В решении задачи 4-4 было х = 5/1200, п = 12.)
Из этого неравенства следует, что если сократить сроки вы-
выплаты и пропорционально уменьшить процент начисления, то
вкладчик получит большую сумму. Это связано с тем, что при
а > 0 последовательность
возрастает. Однако оказывается, что слишком большой выгоды от
сокращения сроков вкладчик получить не сможет, так как эта
последовательность ограничена. Ее предел равен числу еа. Если
иа калькуляторе посчитать суммы из задачи 4-4, то в первом
случае мы получим около 1629 руб., во втором — около 1647 руб.,
а 1000 е°.°5 « 1649.
Задача 4-5. Ответ: у Подосиновикова.
Пусть в колонне оказалось k переполненных и I не-
переполненных автобусов. Обозначим количество пас»
сажиров, едущих в переполненных автобусах, через
А, а количество остальных — через В.
Тогда А > 50?, В < 50/ и, значит, -?- > 50,-j < 50,
А ^ В тя
поэтому -г- > -j-. Из последнего неравенства выте«
кают следующие:
откуда
В последнем неравенстве слева стоит процент лю<
дей, едущих в переполненных автобусах, а справа-*
процент переполненных автобусов.
62
Задача 4-6. Ответ: а) 7; б) 16.
Пусть в кружке п участников, из них т девочек.
Нам надо найти наименьшее натуральное п, при кото-
котором существует такое натуральное т, что 2/5 ¦<
<Ст/п< 1/2.
Перебирая значения п от 2 до 7, находим, что
этому неравенству удовлетворяет только дробь 3/7
со знаменателем 7. Таким образом, 7 — наименьшее
возможное значение п.
V Обратим внимание на то, что дробь 3/7 получается из дро-
дробей 2/5 и 1/2 следующим образом: ее числитель есть сумма их
числителей, а знаменатель — сумма их знаменателей.
Для любых положительных дробей а/Ь и c/d (a/b < c/d)
дробь (а + с)I(Ь + d) удовлетворяет неравенствам а/Ь <
<(a + c)/(b + d) < c/d и называется медиантой этих дробей.
Выписывая несократимые дроби со знаменателем, не боль-
большим п, в порядке возрастания, мы получаем такую таблицу:
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0 1
1 7
1
6
1
6
1
ел]
1
5
1
5
1
4
1
4
I
т
1 2
4 7
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
2
5
2
5
2
5
1
2
1
2
1
~2
1
2
1
2
3 1 4
7 2 7
3
5
3
5
3
5
2
3
2
3
2
3
2
3
2 5
3 7
3
4
3
4
3
4
3
4
4
5
4
5
4
5
1
I
1
5 1
6 1
5 6 1
6 7 1
Здесь каждая я-я строчка (ряд Фарея) получается из
(я— 1)-й по следующему правилу: нужно в (п—1)-й строчке
отметить все такие пары соседних дробей alb, eld, у которых
сумма знаменателей равна п, и между ними вставить их медиан-
медианты— дроби (a + c)/(b+d) (они всегда получаются несократи-
несократимыми) .
В задаче а) мы нашли номер строчки п = 7, в которой впер-
впервые появляется дробь, расположенная между дробями 2/5 и 1/2.
В задаче б) действовать перебором довольно уто-
утомительно. Поступим следующим образом. Мы должны
83
кайти решение неравенств
100 n ^ 100 25 УЧ
с наименьшим натуральным п.
Перевернем все дроби и вычтем их общую целую
часть:
43 ^ т ^ 11 '
14 п-Чт 3 ,„.
~W> т >~ТГШ (Z>
То же самое сделаем еще раз:
1 m 3 2
14 и — 2га 3 '
1 m — 3 (п — 2т) 7т —Зп _2_ .„.
ТГ ^ п — 2ш ~~ п—2т < "Т ^ '
и еще раз:
1Ч> 7m-3n -^ 2 ' W
Заметим, что здесь впервые между границами не
равенства встречаются целые числа. Наименьшее из
них — число 2. Система уравнений п — 2т = 2, 7т —
— Зп = 1 имеет решение в натуральных числах п = 16,
Докажем, что именно оно и дает решение задачи.
Из неравенств B)—D) следует, что
п — 2m>0, 7m — 3/г>1 и п — 2пг>2.
Поэтому
п = 7 (п — 2т) + 2 Gт — Зп) > 7 • 2 + 2 • 1 = 16.
V Анализируя это решение, заметим, что, по существу, мы
43 И
раскладываем числа -т^т и -д=- в цепные дроби:
43
100
11
25
1
2 + -
1
2 + -
14
43
3 ~~
2 +
2 +
1
3 +
1
Я J-.
1
1
Г+Тз
1
1
Затем берем общую часть этих разложений на том шаге, где раз-
разложения отличаются, между' —и 13 вставляем наименьшее целое
число, т. е. 1, и в результате получаем ответ:
1 7
3 + гтт
Этот алгоритм позволяет быстро найти дробь т/п с наимень-
наименьшим знаменателем п в любом заданном интервале 0 < а <
<т/п< р (см. [61, 119]).
Задача 4-7. Ответ: наибольшее расстояние рав-
равно 20454 yj- км. Покрышки нужно менять так, чтобы
одну треть пути каждая из них была передней.
Примем за единицу количество резины, которое
может стереться на одной покрышке, пока она не при-
придет в негодность. Тогда всего перед поездкой имеется
6 единиц резины. Из условия следует, что за 1 км
пути стирается 1/15 000 единицы, если покрышка стоит
впереди, и 1/25 000, если она стоит сзади. Значит, за
1 км пути стирается 2/15 000 + 4/25 000=11/37 500
единиц резины. Пусть машина прошла х км. Тогда
стерлось 11лг/37 500 единиц резины. Так как может сте-
1 \х
реться не больше 6 единиц, имеем -g=-—— ^6, откуда
~-.
Чтобы проехать все 20 454 -ту- км, нужно менять
покрышки так, чтобы каждая из них треть этого пути
Стояла спереди: тогда все они сотрутся одновремен-
одновременно—к концу пути.
Задача 4-8. Ответ: 12 минут.
Совершенно ясно, что если Малыш и Карлсон
хотят съесть завтрак за наименьшее время, то начать
н кончить есть они должны одновременно — в против-
противном случае один из них может помочь другому и со-
сократить затраченное время.
Обозначим через х, у, z доли торта, варенья и мо-
молока, которые съел Малыш; тогда A—х), A—у)г
A — г) — доли этих продуктов, которые съел Карл-
Сон, а время, которое они затратили, равно
t = Юх + 13*/ + 142 = 6 A - х) + 6 A - у) + 7 A - г).
85
Тем самым мы приходим к следующей задаче:
найти наименьшее значение величины t=№x-{-
+ 13y-f-14z, если числа х, у, z удовлетворяют усло-
условиям 0 < л: < 1, 0 < у < 1, 0 < z sg 1 и
10* + \Ъу + 14z = 6(l -х) +6A -у) + 7A -г).
Из последнего соотношения можно выразить г че-
через хну:
Подставляя это выражение в формулу для t, по-
получаем
2 .1 .38
t = --^x + -ry + -r.
Из этой формулы мы видим, что t будет тем меньше,
чем больше х и чем меньше у. Возьмем самое большое
возможное значение х и самое меньшее у: х = 1,
# = 0. При этом /=12 минут, а г=у находится
в допустимых пределах.
Следовательно, наименьшее значение t достигается
в том случае, когда Малыш съедает торт и выпивает;
Y кастрюли молока, а Карлсон съедает все варенье
6
и выпивает у кастрюли молока.
V Мы свели задачу 4-8 к задаче линейного программирова<
ния: найти минимум линейной функции при условии, что перемен*
ные неотрицательны и удовлетворяют системе линейных нера-
неравенств и уравнений.
Если бы потребовалось решать аналогичную задачу для л>3
продуктов, то такой метод решения привел бы к довольно гро-
громоздким вычислениям; однако можно указать простое общее
правило, указывающее оптимальный план распределения про<
дуктов.
Пусть ai — время, за которое i-й продукт может съесть Ма-
Малыш, bi — время, за которое его может съесть Карлсон; при этом
мы будем считать, что продукты занумерованы в порядке возра<
стания отношений этих времен:
01 02 On
86
План, при котором время завтрака будет наименьшим, со-
состоит в следующем: Малыш начинает с первого продукта и ест
их дальше по порядку номеров, а Карлсон начинает одновре-
одновременно с ним с последнего продукта и ест их в обратном по-
порядке.
В нашей задаче три продукта надо упорядочить следующим
образом: первый — торт, второй — молоко, третий — варенье. От-
Отношения времен при этом будут удовлетворять неравенствам
10 14 13
В первые 6 минут Карлсон съедает варенье, а Малыш съедает
часть торта. За следующие 4 минуты Малыш доедает торт, а
4
К рлсон выпивает -=- молока. И, наконец, за последние 2 минуты
и [ оба выпивают оставшееся молоко. В результате Малышу до-
1 ., 6
ст. лея -=- молока, а Карлсону — -=-.
Для доказательства оптимальности предлагаемого плана
удобно ввести условную меру для каждого продукта. Будем счи-
т; ь питательность i-ro продукта равной (щ + 6/) калорий, тогда
скорость питания (калорий в единицу времени) при поедании «-го
а, + Ъ. Ь.
продукта у Малыша равна = 1 -\ , а у Карлсона
а{ at
Oj+ft, a
—т =1 + -—-. Мы видим, что скорость Малыша тем больше.
i i
чем меньше ai/bi, а скорость Карлсона — наоборот. Таким обра-
образом, чтобы за время t получить как можно больше калории, Ма-
.11 ш должен есть продукты в порядке номеров, а Карлсон — в
обратном порядке. Пусть Малыш и Карлсон получили по нашему
плану все (ai + 61) + ¦ • • +(°л + Ь„) калории за некоторое вре-
рч t. Тогда при любом другом плане за то же время t опч
получат меньше калорий, а значит, не смогут съесть все про-
продукты.
Можно указать графическую процедуру, дающую ответ. На-
Нарисуем во второй четверти координатной плоскости Оху ломаную,
I- нья которой — векторы с координатами {b\\ щ), (b2; as), ...
.. , (bn, an), идущие в таком порядке, что выполнены неравен-
с. ia A); начало М этой ломаной лежит на оси Ох, конец К —
и оси Оу (рис. 46 соответствует случаю п = 3; в задаче 4-8
три вектора, составляющие ломаную, имеют координаты F; 10),
G; 14) и F; 13)). Отметим точку L пересечения этой ломаной
с биссектрисой х + У = 0 второй координатной четверти,
87
Ордината t точки L указывает искомое минимальное время, прп-
> ¦[ _гь ML ломаной указывает продукты, которые съедает
Малыш, а часть LK — Карлсон.
п
Ао з:
Рис. 46
Задача 4-9. Ответ: 10 или 11 поездов.
Пусть поезда отправляются с интервалом в Т ми-
минут. Поскольку за 12 минут заведомо прошло 4 пол-
полных интервала, 47" ^ 12, т. е. Т ^ 3. Так как до
отправления первого из 5 поездов и после ухода по-
последнего из них прошло не более чем по Т мин, то
Т + 47" + Т > 12, т. е. Т > 2. Итак, 2 < Т < 3.
Аналогично, из того что за 20 минут отправилось
ровно 6 поездов, получаем 20/7 < Т sg; 4. Из этих не-
равенств следует, что 2 у < Т ^ 3.
Пусть за 30 минут отправилось и поездов. Тогда
аналогично получаем (п—\)Т ^ 30 <(п+ 1O" или
-^ 1 < п^-уг + I.
Учитывая, что 2 у < Г^З, найдем, что 9<п<
^ 11, т. е. п =* 10 или п = 11.
Если Г = 3 и первый поезд отправляется сразу
по приходу Вити, то за 30 минут отправится 11 поез-
поездов, а если при таком же Т первый поезд отправится
через 1 минуту после его прихода, то за 30 минут
отправится 10 поездов, т. е. оба варианта ответа реа-
реализуются.
V Решение этой задачи связано с таким обшим вопросом,
Пусть иа равных расстояниях Т друг от друга на прямой рас-
расставлены точки. Какое количество п этих точек может содержать
отрезок длины Ь? Ответ: у —1<п^
88
Задача 4-10. Ответ: 5 трехтонок.
Покажем сначала, что 4 трехтонок может не хва-
хватить. Возьмем 13 одинаковых ящиков весом но
10/13 тонны. Тогда в одну трехтонку мы не сможем
поместить больше трех ящиков, а в четыре — больше
12 ящиков.
Докажем теперь, что 5 трехтонок всегда хватает.
Действительно в каждую трехтонку мы можем погру-
погрузить не меньше двух тонн груза (если погружено мень-
меньше двух тонн, мы сможем добавить еще ящик). Тогда
в 5 трехтонок можно погрузить не меньше 10 тонн.
V Более общая задача. Несколько ящиков весят вместе
Т тонн, причем каждый из них весит не более 1 тонны. Какое
наименьшее количество р-тонок (р > 1) заведомо достаточно,
чтобы увезти за один раз весь этот груз? >
Пусть v = гДе \Р\ ~ Целая часть числа р. Тогда
3 [р] + 1 '
ответ — это наименьшее Целое число N, большее или равное
Г-У
Р- V'
В примере, показывающем, что меньшего количества машин
может не хватить, нужно все грузы взять равными (и несколько
большими \). Загружать N ящиков можно в порядке убывания
их масс. Для доказательства удобно использовать следующую
лемму: если имеется несколько ящиков общей массой боль.че
р тонн (каждый — не больше 1), то можно загрузить на р-тонку
больше р — у тонн. В задаче 4-10 р == 3, Т = 10, \ = 3/4; из
леммы следует, что на одну трехтонку можно загрузить больше
2 j- тонны, а весь груз, 10 тонн, как мы знаем, можно увезти
на 5 трехтонках; это как раз наименьшее целое число, большее
или равное
Г-у = 37
P-Y ~~ S '
Для знатоков. Эту задачу интересно сравнить с часто встре-
встречающейся в приложениях «задачей о камнях». Имеются несколь-
несколько камней с известными массами а±, аг, ..., а„ и р-тонка (р, а±,
аг, .... а„ — натуральные числа). Спрашивается, можно ли из
этих камней выбрать несколько так, чтобы полностью загрузить
ими р-тонку? Другими словами, существуют ли такие числа xi,
х2, .... х„, равные 0 или 1, что выполняется равенство
atxi + azx2+ ... + anxn = p? .
Последняя задача относится к классу так называемых уни-
универсальных переборных задач. Для их решения неизвестен
89
алгоритм, работающий существенно быстрее, чем полный перебор
всех вариантов. (В отличие от этой задачи загрузку ящиков,
о которой говорилось в обобщении задачи 4-10, можно произ-
произвести очень быстро; см. [97].)
Задача 4-11. Ответ: либо все три числа равны
нулю, либо-одно из них равно нулю, а два других —
единице.
Заметим, что все три числа неотрицательны, так
как каждое из них — квадрат. Обозначим их в по-
порядке убывания так: х ~^ у ~^ z ЗЭ: 0.
Тогда х — z^z у — z ЗЭ: 0, откуда (х — zJ ~&* {у —
— zJ. Но (х — zJ = y, а {у — zJ = х. Итак, с од-
одной стороны, х ^ у, с другой, у ^ х и тем самым
х = у. В таком случае получаем г = 0 и х = х2, т. е.
х = 0 или х = 1. •
V Неравенства не участвовали в условии этой задачи, а по-
появились в решенкч. Идея упорядочить равноправные неизвестные
помогает и во и.югих других ситуациях.
Задача 4-12. Заметим, что тип входят сим-
симметрично в условие задачи, поэтому можно считать,
что т ^= п ^ 2. При этом У« ^ У/г. Таким образом,
достаточно доказать неравенство Уп^.^3, или
п№<31/з. A)
Если п = 2, неравенство 21/2 ^ 31/3 верно, по-
поскольку при возведении обеих его частей в шестую
степень получается 8 < 9.
Возьмем теперь натуральный логарифм от обеих
частей неравенства A) и докажем, что -^-^-4—
при /г^З.
Производная от функции In*/* отрицательна при
З
так как In х > 1 при х ^ 3 > е.
Отсюда следует, что функция lnje/л: убывает при
х ^ 3 и, следовательно, In x/x ^ In 3/3 при х^З.
У Неравенство п3 sg 3" для натуральных п ^ 3 можно до-
доказать п по индукции; если оно верно для некоторого п = к, то
верно и для следующего п = k -J- 1: неравенство (к + IK г?| 3*+'
90
получается из k? ^ 3* почленным умножением на верное (при
з
I
A \
1 Ч—г" I
Задача 4-13. Ответ: наименьшее значение до-
достигается при п = 1010— 1 и при п = 1010.
Положим
Заметим, что
Если lgn<10, то an<an-i; если lgn=10, то
а„ = с„_ь если lgn > 10, то сл > cn_i. Таким обра-
образом, последовательность (ап) убывает до п = 1010—1,
затем имеет два равных члена с номерами 1010—1
и 1010, а начиная со следующего номера, последова-
последовательность возрастает.
Задача 4-14. Ответ: наибольшее значение равно
1/4.
Это значение достигается, например, при х\ =
= Х2 = 1/2 И Х3 = Xi = Х5 = 0.
Покажем, что х\х% + х2хз + x3Xi + X4JC5 ^ 1/4 при
всех неотрицательных значениях Х\, х2, Хз, xit x5.
В самом деле,
х2х3 + х3х4 + х4х5 < (*i + л:3 + л:5) {х2 + дг4),
так как если раскрыть в правой части скобки, то по-
получатся все члены, стоящие в левой части, и еще не-
несколько неотрицательных членов.
Теперь достаточно применить к двум числам, и =
— х\ + Хз + х5 ^ 0 и v = х2 + Xi ^ 0, составляющим
в сумме единицу, неравенство Vwy ^ " о °" межДУ
геометрическим и арифметическим средними, полу-
получим (я, + х3 + *5) (*2 + л:4) = ыо < (и + уJ/4 = ~.
V Аналогично можно доказать, что для любых п неотрица-
неотрицательных чисел Xi, X2 хп, дающих в сумме 1, наибольшее
значение величины xtXz + х&з + ... + xn~txn равно 1/4.
Задача 4-15. Для доказательства сравним ле-
левую и правую части данного в условии неравенства
С выражением a2b2 + b2c2 + а2с2: докажем, что
" + с4 > с2^2 + bzc2 + а2с2 > a2bc + b2ac + c2ab.
91
Сложив почленно три верных неравенства с4 +
+ Ь* — 2а2Ь2 > О, Ь4 + с4 — 2Ь2с2 > 0, с4 + а4 —
— 2а2с2 ^ 0, получаем
2 (с4 + б4 + с4) > 2 (а262 + Ь2с2 + gV).
Сложив почленно три верных неравенства а2(Ь2+'
+ с2 —26с)^=0, Ь2(с2 + с2 —2сс)^0, с2F2 + а2 —
— 2Ьа) ^ 0, получаем
с + c2ab).
V С неравенством из задачи 4-15 связана следующая общая
теорема Мюрхеда. Пусть дан одночлен х{ 1х22 хпп от
п переменных Х\, Хг, ..., хп. Назовем его симметризацией много-
многочлен Ф„ „ . а , Равный среднему арифметическому всевозмож-
всевозможных одночленов, полученных из данного перестановкой перемен-
переменных; например Ф2> 2, о (*• У> 2) = V ^У* "** ^22;2 + г2дг2)- Рассмо-
Рассмотрим два набора а = (cci, ..., а„) и р •= (Pi, ..., ря) показа-
показателей си ^ аа > ... ^ <Хп ^ 0 и Pi > р2 > ... > рл ^ 0.
Для того чтобы при всех неотрицательных значениях xt,
Хг, ..., хп выполнялось неравенство
необходимо и достаточно, чтобы набор а мажорировал набор
в следующем смысле:
+ Рг
oi + «a + ... + an = Pi + p2 + • • • + Pn-
Эту систему условий коротко записывают так:
(«И.О2 а„) > (Р,, р2, .... р„).
Она имеет такую наглядную интерпретацию: если наборы показа-
показателей изображать в виде лестниц, у которых ширина ступеней
равна 1, а высота — числам набора, то второй набор должен
получаться из первого отрезанием кусочков ступеней и перебра?
сыванием их направо вниз (на одну из следующих ступеней),
В задаче 4-15 (рис. 47) из набора D, 0, 0) получается B, 2, 0)t
а из него— B, 1, 1):
D, 0, 0) > B, 2, 0) > B. 1, 1).
©2
Операция «перебрасывания ступенек» подсказывает путь к дока-
доказательству любого из неравенств, о которых идет речь в теореме
Мюрхеда (см. [102]).,
> B,2,0}
Рис. 47
2, U1}
Фигуры из нескольких клеток, имеющие форму лестниц, ока-
оказываются удобными во многих других комбинаторных и алге-
алгебраических задачах (см. задачу 6-Ю).
Задача 4-16. Чтобы избавиться от радикалов,
положим х = Ь1/1Ъ, у = с1/10. Тогда данное неравен-
неравенство примет вид
Разделив обе части неравенства на уъ и обозначив
х/у через t, получим эквивалентное неравенство
3*5 _ 5t3 + 2 > 0.
Левая часть разлагается на множители:
/s + 4f+ 2)>0.
При t > 0 оба множителя неотрицательны, поэтому
неравенство справедливо. Оно обращается в равен-
равенство только при t = 1, т. е. при с3 = Ь2.
V Можно доказать исходное неравенство, воспользовавшись
неравенством между средним арифметическим и средним геомет-
геометрическим для пяти чисел:
Аналогично можно доказать, что для любых k положительных
чисел пи а3, .... а* и натуральных pi, рг р* с суммой
pi + ¦ ¦ • + Рк = Р
93
А вот еще очно доказательство (приводящее к иночту обоб-
щению); положив а — у5, Ь = хъ, прнв< зем исходное нераве/ "тво
к виду
3 ^F/5 + 2
Это — частный случай неравенства Юнга: для любых положи-
положительных х, у, а, р, где — + -g- = 1,
о р
Это, в свою очередь, — частный случай неравенства
f (x) + g (У) > ху, (*)
где f и g — дифференцируемые функции, определенные при всех
неотрицательных значениях аргумента, для которых f и g' —
взаимно обратные монотонно воз-
¦У ij=f(x)=^- з;5/з J растающие функции, причем
(функции f и g называются двои'
ственными по Юнгу).
Заметим, что для каждого
значения у найдется ровно одно
значение х, при котором неравен-
неравенство (*) обращается в равенство;
для этих значений у «=» f (x) и
х = g'(y). Поэтому функцию g
можно определить через функ-
функцию f так: для каждого k
g (ft) = max (kx - f (x)).
X
Такой переход от функции f к функции g называется преобразо*
ванием Лежандра функции f. При этом функция f будет, в свою
очередь, преобразованием Лежандра от функции g — см. рис. 48
(см. [79]).
Задача 4-17. Проведем три диагонали AD, BE
и CF шестиугольника ABCDEF, соединяющие каж-
каждую вершину с противоположной. Пусть они пересе-
пересекаются в точках К, L, М — см. рис. 49, с; в частном
случае точки К., L и М могут совпадать. Рассмотрим
шесть треугольников, которые вместе с треугольником
KLM составляют шестиугольник ABCDEF — на на-
нашем рисунке это треугольники ABL, BCL, CDM, DEhA,
94
EFK, FAK (рис. 4&, б). Площадь хотя бы одного из
них не больше 5/6, где 5 — площадь шестиугольника
(иначе сумма этих шести площадей была бы больше
S, что невозможно). Пусть, например, Sabl^-tt
(рис. 49,в). Мы утверждаем, что тогда площадь
одного из треугольников ABC и ABF с тем же осно-
ванием АВ, не больше -~-. В самом деле, площадь
я
а)
треугольника с основанием АВ и высотой h равна
AB-h/2, а высота треугольника ABL заключена
между высотами треугольников ABC и ABF, т. е. не
больше одной из них.
V В последнем рассуждении можно выделить часто встре-
встречающееся соображение: наибольшее значение линейной функции
f(x), заданной на некотором промежутке [а; Ь], всегда достига-
достигается в одном из концов промежутка, т. е. для любого х значение
f(x) не превосходит f(a) или f(b). В нашей задаче такой функ-
функцией была площадь треугольника f(h) = AB-h/2.
Задача 4-18. Пусть а ^ |3 ^ у. Считая а и C
фиксированными, рассмотрим производную по у раз-
разности правой и левой частей. Она равна
C sin ?±1±X_ sin Y)' = cos n + P + Y - cos Y > 0,
поскольку 0^ з ^у^я и при t^[0,n]
функция у = cos t убывает (производные постоянных
величин sin а и sin C равны 0). Если мы докажем
справедливость нашего неравенства при у = C, то оно
будет справедливо и при у ^ |3 — с ростом у разность
правой и левой частей неравенства будет возрастать.
95
И гак, осталось доказать, что при всех аир, а
sin а + 2 sin р < 3 sin a+^ .
Повторим то же рассуждение. Производная по C раз-
разности правой и левой частей равна
2 cos (-^~-) — 2cos C
поскольку 0 <!—g—— <:р<!я. Но при |3 = а нера-
неравенство превращается в равенство. Поэтому оно верно
при р ^s а.
V Веяв в условии задачи а + Р + у=п или а + Р + \=2я,
мы получим неравенства, эквивалентные тому, что периметр и
площадь любого треугольника не больше, чем у правильного тре-
треугольника с тем же радиусом описанной окружности.
Метод, которым решена эта задача, позволяет доказать сле-
¦ дующую общую теорему. Пусть на отрезке [а; Ь] задана функ-
функция f(x), производная которой f (x) не возрастает (такая функ-
функция называется выпуклой вверх). Тогда для любых п точек к\,
х2, .... х„ на этом отрезке и для любых п положительных чисел
pi, рг рп с суммой pi + ... + рп = 1 верно следующее нера-
неравенство Иенсена:
f (PlXi + • • • + РпХп) > Pif (*i) + . . . + рп! (Хп).
В нашей задаче f (х) = sin х, х е [0; я], a pt =¦ р2 = р3 = 1/3.
Если взять функцию f (х) = In х и Pi = р2 = ... = рп = 1/п,
То получится неравенство
[n Xi+ ... + Хп > In Xi + . . ¦ + In Хп
п ~" п '
или
1 Xl
— классическое неравенство между средним арифметическим и
средним геометрическим п чисел (xi > 0, ..., хп > 0).
Для функции f(х) = —х2 получится неравенство
а из него, положив xk = ak/bk, pk = б!/(б, + ... + 6^), мож-
можно вывести неравенство Коши — Буняковского;
96
согласно которол5у скалярное произведение двух векторов не
больше произведения их длин (в нашем доказательстве было
важно, что все Ь/, отличны от нуля, но последнее неравенство
справедливо, очевидно, и без этого предположения) — см. [80].
Задача 4-19. Ответ: Зд/З/4. (Эту площадь
имеет трапеция, у которой боковые стороны и одно
из оснований равны 1, а другое — 2.)
Пусть в четырехугольнике ABCD (который, оче-
очевидно, можно считать выпуклым) АВ = ВС = CD= 1
и К — середина стороны AD — см.
рис. 50. Дополнив ломаную A BCD
симметричной ей относительно точ-
ки К трехзвенной ломаной DB'C'A,
мы получим центрально-симметрич-
центрально-симметричный шестиугольник, все стороны ко-
которого равны 1. Его можно разбить
на три ромба АВСО, CDB'O,
В'С'АО, и площадь его равна sin a+
-г- sin |3 + sin у, где а, |3 и у — углы
между отрезками ОА, ОС и ОВ', в
сумме дающие 2я. Согласно преды-
предыдущей задаче эта площадь не боль-
„ . 2я Зл/з
ше 3 sin— ==—^—, причем равенство возможно, когда
а = р = y = 2я/3, т. е. когда построенный шестиуголь-
шестиугольник — правильный.
V Можно доказать, что наибольшим по площади среди всех
л-угольииков с заданными длинами п\, аа an-i последова-
последовательных сторон (кроме одной, AZ) будет тот, у которого все вер-
вершины лежат иа полуокружности с диаметром AZ. Это — вариант
(задачи Дидоны» о том, какую наибольшую площадь, примыкаю-
примыкающую к заданной прямой, можно огородить линией данной длины
с концами на этой прямой (такой линией будет полуокружность).
Если же известны все длины сторон n-угольника, то наиболь-
наибольшим по площади будет (единственный—если порядок сторон
фиксирован) вписанный в окружность. Соответственно наиболь-
наибольшую площадь среди всех фигур данного периметра имеет круг
(изопериметрическая теорема, см. [35]).
Задача 4-20. Ответ: д/З/2.
Выпуклый многогранник с 5 вершинами не может
быть ничем иным, кроме объединения двух тетраэд-
тетраэдров (треугольных пирамид) с общим основанием
4 Н. Б. Васильев 97
(рис. 51). В самом деле, у него найдется такая вер-
вершина, из которой выходят 4 ребра ко всем остальным
вершинам (если бы из каждой вершины исходило
только 3 ребра, то всего было бы 5-3= 15 концов
ребер, а это число равно удвоенному числу всех ребер
и должно быть четно). Если АВ, AD, АС и АЕ — че-
тыре последовательных реб-
ребра четырехгранного угла с
вершиной А, то наш мно-
многогранник — объединение
тетраэдров ABCD и АВСЕ
с общим основанием ABC.
Оценим объем многогран-
где fiD и Не — высоты тетра-
тетраэдров, опущенные соответ-
соответственно из вершин D и Е на
основание ABC, S — пло-
площадь треугольника ABC.
Пусть К — точка пересечения отрезка DE с пло-
плоскостью ABC; тогда hD + hE^ DK + КЕ = DE <2,
поскольку расстояние между любыми двумя точками
на сфере не больше ее диаметра.
Пусть R — радиус окружности, описанной около
треугольника ABC (т. е. сечения сферы плоскостью
ABC). Тогда (см. задачу 4-18 или 4-19)
<13 -\М° /4<1о д/о/4,
поскольку радиус любого сечения сферы не больше
радиуса сферы. Итак, V^-y/3/2, причем V = ^jsl2
в случае, когда ABC — правильный треугольник, впи-
вписанный в экватор, a D и Е — полюсы сферы.
V Общая задача: среди всех вписанных в сферу многогран-
многогранников с « вершинами найти многогранник максимального объ-
объема — очень трудна.
Можно показать, что для « = 6 таким многогранником будет
правильный октаэдр, но для п = 8 многогранником наибольшего
объема будет не куб. Для плоского аналога этой задачи дело
обстоит значительно проще: наибольшим по площади вписанным
в данную окружность «-угольником для каждого п является, оче-
очевидно, правильный (это — простое следствие выпуклости синуса
на отрезке от 0 до п, см. обсуждение задачи 4-18).
98
Задача 4-21. Рассмотрим единичные квадраты
с центрами во всех узлах сетки, находящихся внутри
круга радиуса 10 (стороны квадратов параллельны
линиям сетки).
Поскольку длина диагонали такого квадрата равна
л]2 < 2, все эти квадраты покрывают круг радиуса 9,
концентрический с данным кругом. Поэтому сумма их
площадей (численно равная количеству узлов сетки)
больше 81л — площади круга радиуса 9, а 81л; > 251.
V Можно сформулировать более общую задачу: оценить чис-
число решений в целых числах х, у неравенства х2 + у2 < п (в на-
нашей задаче п = 100). Из нашего рассуждения следует, что число
решений не меньше я (V« — 1J(см. [91]}.
Задача 4-22. Ответ: нельзя.
Проведем сферу радиуса R с центром в данной
точке О. Для каждого луча построим коническую по-
поверхность с вершиной О, осью которой служит этот
луч, а угол образующей с осью составляет 30°; рас-
рассмотрим «шапочку» — часть сферы, лежащую внутри
этого конуса. Площадь этой «шапочки» (сферического
сегмента) равна 2nRh, где h — высота «шапочки»:
h = R A — cos 30°) = R (l - V3/2),
поэтому отношение площади «шапочки» к площади
inR2 всей сферы равно
JL(i_
2 V
15
(Последнее неравенство_ эквивалентно таким: B —
- Л) 15 > 4, 26 > 15 УЗ, 262=676 > 152 • 3=675 .
Таким образом, некоторые две из 15 «шапочек»,
соответствующих 15 лучам, обязательно будут пере-
пересекаться, а следовательно, некоторые два луча обра-
образуют угол меньше 60°.
V Можно поставить более обший вопрос: какое наибольшее
значение ап может принимать наименьший из углов между п лу-
лучами, выходящими из одной точки пространства (или, что экви-
эквивалентно, какой наибольший размер могут иметь п одинаковых
непересекающихся «шапочек» на сфере)? Точный ответ на этот
вопрос известен лишь для п sg: 9 и п = 12, хотя для многих зна-
значений п получены хорошие оценки для величины со, — см. [116].
4* 99
Задача 4-23. Отметим на окружностях точки;
на первой — А, иа второй — В. Положение второй
окружности относительно первой при их наложении
будем задавать угловой величиной t дуги АВ, 0° ^
^ t < 360° (отсчет идет против часовой стрелки).
Назовем значение / запрещенным, если при соот-
соответствующем ему расположении окружностей хотя
бы одна пара отмеченных дуг пересекается.
Рассмотрим некоторую дугу в 25° и некоторую
дугу в 30°. Они пересекаются на некотором отрезке
?начений t величиной 55°. Всего таких запрещенных
отрезков не больше чем пар дуг, т. е. 3-2 = 6. По-
Поэтому множество запрещенных значений t имеет об-
общую величину не больше 6-55° = 330е и не покрывает
все множество значений t — от 0° до 360°. Значит, есть
и незапрещенные значения t, при которых никакая
пара дуг не пересекается.
V Аналогично можно доказать, что если на оцной единичной
окружности отмечены неперекрывающиеся дуги сй, иг, . ¦ ¦, а„, а
на другой — дуги Pi, (Зг, ..., pm, причем
/и (а, + а2 + ... + а„) + я (Р, + р2 + ... + Pm) < 360°,
то окружности можно совместить так, чтобы отмеченные дуги не
пересекались.
Интересен и в некотором смысле «обратный» вопрос: при
каких условиях на числа cti, .... ап, Pi, .. •, pm можно располо-
расположить соответствующие дуги так, чтобы при любом наложении
окружностей некоторые дуги перекрывались?
Отметим еще, что метод нашего решения задачи 4-23 можно
назвать непрерывным аналогом принципа Дирихле (см. зата-
чу 2-9); и недостаток у них общий: этот метод не показывает,
как найти требуемый способ наложения.
Задача 4-24. Проведем взвешивание гирек в три
этапа.
1. Возьмем две гирьки из пяти и сравним их. Пусть
их массы оказались а и Ь, причем а •< Ь. Возьмем
еще две гирьки и сравним их: с < d. Затем сравним
более тяжелые гирьки этих пар; можно считать, что
Ъ<й.
2. Найдем место пятой гирьки с массой е среди
тройки a <Cb <C d. Для этого достаточно двух взве-
взвешиваний: сначала надо сравнить е с Ь, затем е нужно
сравнить с а, если е <С Ь, и с d, если е > Ь. Теперь
мы знаем, как упорядочены четыре гирьки a, b, d и е,
100
3. Найдем место гирьки с среди тройки гирек а,
Ъ, е; на это также уйдет два взвешивания. Поскольку
после этапа 1 мы знаем, что с < d, тем самым мы
найдем место с среди четырех остальных гирек.
На этапе 1 мы произвели три взвешивания, на эта-
этапах 2 и 3 — по два взвешивания, т. е. всего 7 взве-
взвешиваний.
V Докажем, что меньше чем за 7 взвешиваний упорядочить
5 гирек нельзя. В самом деле, всего имеется 5! = 1-2-3-4-5 =
,»= 120 вариантов упорядочения пяти гирек. Каждое взвешивание
имеет два исхода. Поэтому р взвешиваний могут осуществить вы-
выбор не более чем из 2Р вариантов. (В худшем для нас случае
после очередного взвешивания число возможных вариантов сокра-
сокращается не более чем вдвое.) Поэтому, чтобы 5 гирек можно было
упорядочить за /; взвешиваний, должно выполняться неравенство
2p S* 120, или р S* Iog2 120, откуда р ^ 7.
В общем случае для упорядочения п гирек заведомо нужно
не менее чем Iog2(ft!) взвешиваний.
Общая задача о наименьшем числе F(п) взвешиваний, за ко-
которое можно упорядочить п гирек, полностью далеко не решена
и вызывает у специалистов по программированию большой ин-
интерес.
Придумано несколько общих способов упорядочения п гирек,
однако при больших п число взвешиваний во всех этих способах
превышает число [loga п!] + 1. Самый простой из них — это так
называемый алгоритм «бинарных вставок». На k-ou этапе этого
алгоритма [k = 1, 2 п—1) берется какая-нибудь новая
(k+ 1)-я гирька и ей находится место среди цепочки уже упоря-
упорядоченных k гирек. Сначала она сравнивается по массе с гирькой,
стоящей в середине этой цепочки, затем — с гирькой в середине
той половины цепочки, в которой она оказалась, и т. д. На k-vi
этап тратится не болеее чем [Iog2 k] + 1 взвешиваний. Таким об-
образом, мы можем упорядочить п гирек не более чем за
A + Iog22) +A + Iog23) + . • • + (l+log2 (и - 1))< n(l + log2n)
взвешиваний.
Итак, наименьшее число F(ri) взвешиваний удовлетворяет
неравенствам
log2 (n!) < F (п)< п A + log2 n).
Лишь при п ^ 4 алгоритм «бинарных вставок» дает правиль-
правильные значения F(n): FB) = 1, FC) = 3, ^D) = 5. Для случал
п= 5 он требует 8, а не F E) = 7 взвешиваний. Обобщение того
способа взвешиваний, который был указан в решении задачи про
пять гирек (алгоритм сортировки «вставками и слиянием» [94]),
101
дает наименьшее возможное число F(n) взвешиваний при п ^ 12
и п = 20, 21, но и он (как сообщил иам В. С. Гринберг) пе яв-
является оптимальным при всех п.
Задачи для самостоятельного решения
4-25. Пусть а и Ъ — длины катетов, а с и ft — дли-
длины гипотенузы и опущенной на нее высоты прямо-
прямоугольного треугольника. Какое наибольшее значение
может принимать величина (c-\-h)/(a +6)?
4-26. Про квадратный трехчлен f{x)= ах2— ах+1
известно, что \f(x) | ^ 1 при 0 ^ х ^ 1. Найдите наи-
наибольшее возможное значение а.
4-27. Известно, что доля блондинов среди голубо-
голубоглазых больше, чем доля блондинов среди всех лю-
людей. Что больше: доля голубоглазых среди блондинов
или доля голубоглазых среди всех людей?
4-28. Сумма десяти различных натуральных чисел
равна 1986. Какое наибольшее значение может при
этом принимать сумма трех наименьших из них?
4-29. Докажите, что если величины углов выпук-
выпуклого пятиугольника составляют арифметическую про-
прогрессию, то каждый из них больше 36°.
4-30. Внутри треугольника площади 1 берется про-
произвольная точка и через нее проводятся прямые, па-
параллельные сторонам треугольника. В результате тре-
треугольник разбивается на 6 частей. Занумеруем пло-
площади этих частей в порядке возрастания: St <
^ S2 ^ ... «^ S6. Какие значения может принимать
каждая из этих шести величин?
4-31. Площадь четырехугольника равна 1. Какую
наименьшую величину может иметь сумма его диаго-
диагоналей?
4-32. 9 одинаковых авторучек стоят 11 рублей
с копейками, а 13 таких же авторучек—15 рублей
с копейками. Сколько стоит одна авторучка?
4-33. Найдите наименьшее натуральное п, для ко-
которого существует такое натуральное т, что
4-34. Два промышленных предприятия, «Малыш»
и «Карлсон», могут работать на любом из трех видов
топлива: нефти, угле, газе. Запасы нефти таковы, что
«Малыш» может проработать на имеющейся нефти
102
16 месяцев, а «Карлсон» — 9 месяцев. Угля хватило
бы «Малышу» на 11 месяцев, а «Карлсону» — на 7 ме-
месяцев. Газ «Малыш» расходовал бы 5 месяцев,
а «Карлсон» — 3 месяца. Какое наибольшее время
смогут проработать оба предприятия на этих запасах
топлива? (Начинают и кончают работать оба пред-
предприятия одновременно.)
4-35. По шоссе в одном направлении с постоянной
скоростью через равные интервалы времени идут без
остановок автобусы. Один человек прошел по шоссе
4 км, и за это время его обогнали 6 автобусов. В дру-
другой раз он прошел 7 км, и за это время его обогнали
8 автобусов. В третий раз он прошел 17 км. Сколько
автобусов при этом могло его обогнать? (Все три раза
человек шел с одной и той же скоростью.)
4-36. Найдите все решения системы уравнений
ХУ — 22 = 1.
4-37. Найдите 11 чисел, каждое из которых равно
квадрату суммы десяти остальных.
4-38. При каком натуральном п величина
принимает наибольшее значение?
4-39. При каких значениях п можно подобрать п
чисел так, что сумма всех попарных произведений
этих чисел равна 1, а сумма квадратов всех этих чи-
чисел меньше чем 0,01?
4-40. Докажите, что при всех положительных а, Ь,
с выполняется неравенство
а5 + Ь5 + с5 > a2b2c + a2c2b + Ь2с2а.
4-41. Докажите, что при 0 < а < -^-,0К Ь < 1 вер-
верно неравенство
а Ь
\ sin х dx + \ arcsin x dx j> ab.
о о
4-42. Пусть а, Ь, с — стороны треугольника, Р и
S — его периметр и площадь соответственно. Дока-
Докажите неравенства:
а) Р2/3 < а2 + Ь2 + с2 < Р2/2;
б) 5 < (ab + Ьс + са) /6.
103
4-43. Что больше:
а) З50" или 7ЗЮ; б) 2зши или
в) log5 6 или logs 7; г) sin 6°/sin 5° или sin 7°/sin 6°i
д) tg67tg5°roig76°
4-44. Докажите, что:
а) для любых положительных чисел х, у, z
__L_ , _J ¦ _L_>___9___.
l+д:" l+y ~ \+z *** 3 + x + y + z'
б) д^я любых чисел а, P, -у, заключенных между
О и л,
sin a • sin p • sin у ^ sin3 *: Y .
О
4-45. Представьте число 100 в виде суммы не-
нескольких натуральных чисел так, чтобы их произве-
произведение было наибольшим.
4-46. Какую наибольшую площадь может иметь
пятиугольник, длины четырех сторон которого рав-
равны 1?
4-47. Можно ли в круге радиуса 10 разместить
300 точек так, чтобы попарные расстояния между
ними были не меньше 1?
4-48. На одной из двух одинаковых окружностей
отмечены 50 красных точек, на другой — несколько
синих дуг, сумма длин которых меньше, чем 1/50
длины окружности. Докажите, что можно так нало-
наложить первую окружность на вторую, что ни одна из
красных точек не окажется ни на одной из синих дуг.
4-49. На катетах а и Ъ прямоугольного треуголь-
треугольника выбираются точки Р и Q, из которых опускаются
перпендикуляры РК и QH на гипотенузу. Найдите
наименьшее значение суммы
KP+PQ + QH.
4-50. Два крейсера идут по морю с постоянными
скоростями. В 8.00 расстояние между ними было
20 миль, в 8.35—15 миль, в 8.55—13 миль. В какой
момент времени они будут находиться на кратчай-
кратчайшем расстоянии друг от друга? Каково это расстоя-
расстояние? (Море считается плоским, а крейсеры — точ-
точками.)
§ 5. НЕОБЫЧНЫЕ ПРИМЕРЫ И КОНСТРУКЦИИ
5-1. Поезд двигался в одном направлении 5,5 ч.
Известно, что за любой отрезок времени длитель-
длительностью в один час он проезжал ровно 100 км.
а) Верно ли, что поезд ехал равномерно?
б) Верно ли, что средняя скорость поезда равна
100 км/ч?
5-2. Один человек каждый месяц записывал свой
доход и расход. Может ли быть так, что за любые
пять идущих подряд месяцев его общий расход пре-
превышал доход, а в целом за год его доход превысил
расход?
5-3. Можно ли число 203 представить в виде суммы
нескольких натуральных чисел так, чтобы и произве-
произведение всех этих чисел тоже было равно 203?
5-4. Верно ли следующее утверждение: из любых
шести натуральных чисел можно выбрать либо три
попарно взаимно простых числа, либо три числа,
имеющих общий делитель, больший единицы?
5-5. Верны ли следующие утверждения:
а) из любых пяти различных чисел, выписанных
в ряд, можно выбрать какие-нибудь три, стоящие
в этом ряду в порядке убывания или в порядке воз-
возрастания;
б) из любых девяти различных чисел, выписанных
в ряд, можно выбрать какие-нибудь четыре, стоящих
в этом ряду в порядке убывания или в порядке воз-
возрастания?
5-6. а) Сумма нескольких чисел равна 1. Может
ли сумма их кубов быть больше 1?
б) Тот же вопрос для чисел, каждое из которых
вдобавок меньше 1.
5-7. Пусть f(x) — функция, непрерывная в каждой
точке отрезка [0; 1] и такая, что f(O) = f(l). Верно
ли, что график этой функции имеет хорду, парал-
параллельную оси абсцисс:
а) длины 1/5; б) длины 2/5?
(Хорда графика — отрезок с концами на графике.)
5-8. Может ли так быть, что длины всех сторон
одного треугольника меньше 1 см, длины всех сторон
другого треугольника больше 100 м, а площадь пер-
первого треугольника больше площади второго?
5-9. Может ли так быть, что:
105
а) длины всех трех высот треугольника меньше
1 см, а его площадь больше 100 см2;
б) длины всех трех высот треугольника больше
2 см, а его площадь меньше 2 см2?
5-10. Верно ли следующее утверждение: для любой
точки, лежащей внутри выпуклого четырехугольника,
сумма расстояний от нее до вершин четырехугольника
меньше его периметра?
5-11. Можно ли разрезать равнобедренный прямо-
прямоугольный треугольник на несколько подобных ему
треугольников так, чтобы среди них не было равных?
5-12. Можно ли из трех стержней и нескольких ни-
ниток изготовить жесткую пространственную конструк-
конструкцию так, чтобы стержни не соприкасались между со-
собой, а были бы только связаны нитками, прикреплен-
прикрепленными к их концам?
5-13. Можно ли в деревянном кубе проделать та-
такую дыру, через которую можно протащить такой же
куб?
5-14. Существует ли многогранник (не обязательно
выпуклый), у которого столько же ребер, вершин и
граней, сколько их у куба, но у которого нет четы-
четырехугольных граней?
5-15. Можно ли расположить на плоскости шесть
точек и соединить их непересекающимися отрезками
так, чтобы каждая точка была соединена ровно:
а) с тремя; б) с четырьмя
другими точками?
5-16. Существует ли замкнутая ломаная, которая
пересекает каждое свое звено ровно один раз и со-
состоит из:
а) 6 звеньев; б) 7 звеньев?
5-17. Имеется много одинаковых круглых монет.
Можно ли расположить на плоскости:
а) 24; б) 25
из них так, чтобы каждая касалась трех других?
5-18. Про некоторую компанию известно, что в ней
каждые два не знакомых друг с другом человека
имеют ровно двух общих знакомых, а каждые два
знакомых не имеют общих знакомых. Может ли такая
компания насчитывать более четырех человек?
5-19. Три друга сыграли несколько партий в шах-
шахматы, причем каждые двое сыграли одинаковое коли-
количество партий друг с другом. Потом они стали ре-
решать, кто из них оказался победителем. Первый ска-
106
зал: «У меня больше выигрышей, чем у каждого из
вас». Второй сказал: «У меня меньше проигрышей,
чем у каждого из вас». Третий промолчал, но когда
подсчитали очки, то оказалось, что больше всего
очков набрал именно третий. Могло ли так быть?
(Очки подсчитывались так: выигрыш — 1 очко,
ничья — 1/2 очка, проигрыш — 0 очков.)
5-20. Можно ли дополнить табличку 4X4 (см,
рис. 52) буквами В, 3, М и Ш*), обвести их рам-
рамками четырех типов (квадрат,
ромб, треугольник и круг) и
раскрасить их в четыре цвета так,
чтобы одновременно выполня-
выполнялись все следующие условия:
а) в каждой строке и в каж-
каждом столбце должны встречаться
все буквы, все цвета и все типы
рамок;
б) каждая буква должна
быть раскрашена по одному разу Рис- 52
каждым цветом;
в) рамка каждого типа должна содержать по разу
каждую букву и каждый цвет?
5-21. После каждого занятия несколько членов
математического кружка (не один и не все вместе)
заходят в кафе-мороженое. При этом в кружке дей-
действует строгое правило: после каждого визита в кафе
никакие двое из участников этого визита потом боль-
больше вместе мороженое не едят. На последнем занятии
выяснилось, что теперь члены кружка могут есть
мороженое только поодиночке.
а) Сколько могло быть занятий кружка, если
в нем 4 члена? (Приведите все возможные ответы.)
б) Составьте расписание 7 посещений кафе-моро-
кафе-мороженого, если в кружке 7 членов.
Обсуждение задач
Задача 5-1. а), б). Ответ: поезд мог ехать не-
неравномерно, н его средняя скорость не обязательно
равна 100 км/ч.
Покажем это. Разобьем все время движения по-
поезда на 11 получасовых интервалов. Пусть каждый
*) ВЗМШ — Всесоюзная заочная математическая школа.
107
нечетный по счету получас поезд движется точно тан
же, как первый получас, и проходит за каждый такой
получас k км @ ^ к ^ 100), а каждый четный полу-
получас пусть он движется точно так же, как второй по
счету получас, и проходит за каждый четный полу-
получас A00 — k) км. Тогда, как бы ни двигался поезд
первые два получаса — равномерно или нет, — за
каждый час движения поезд пройдет ровно 100 км.
Для ответа на вопрос б) найдем среднюю скорость
движения поезда. Расстояние, пройденное поездом за
все нечетные получасовые интервалы времени, равно
6k, а расстояние, пройденное им за все четные интер-
интервалы, равно 5A00 — k). Таким образом, за все 5,5 ча-
часов движения поезд прошел
6k + 5A00 — k) = 500 + k.
Поэтому его средняя скорость равна E00 + ^) /5,5
(км/ч). При k Ф 50 эта скорость не равна 100км/ч.
V В нашем примере движение поезда было периодическим а
периодом Т =¦=¦ 1 час. Можно показать, что такая периодичность
скорости движения следует из условий задачи. Из наших рассу-
рассуждений видно, что средняя скорость поезда может оказаться лю-
любым числом в интервале от 1000/11 (при к — 0) до 1200/11 (при
к = 100) км/ч.
Задача 5-2. Ответ: может.
Приведем пример:
2; 2; 2; 2; —9; 2; 2; 2; 2; —9; 2; 2.
Здесь выписаны подряд (с учетом знака) разности
между доходами и расходами человека (сальдо) за
каждый месяц года. Мы видим, что сумма любых
пяти последовательных чисел выписанной цепочки от-
отрицательна (равна —1), а в целом за год сумма всех
чисел положительна (равна 2).
V Обобщение этой задачи: в строчку выписано п чисел, при
этом сумма любых k соседних чисел отрицательна; может ли в
такой ситуации сумма всех п чисел быть положительной? Ответ
здесь такой: если п кратно к, то этого быть не может, а если п
не делится на к, то может. В нашей задаче п = 12, к = 5.
Это утверждение можно, в свою очередь, тоже обобщить.
Пусть в строчку выписано m чисел. Назовем сумму q идущих
подряд чисел из этой строчки ^-суммой. Тогда если для нату-
натуральных чисел тп, п и k выполняется неравенство m ^ n -{•
108
'+ k — d— 1, где d = н. о. д.(«, k)—наибольший общий делитель
чисел п и к, то можно написать в строчку т чисел так, что все
ее га-суммы будут иметь один знак, а все fe-суммы —другой знак.
Более того, все эти суммы могут принимать любые наперед за-
заданные значения.
В самом деле, составим систему к -j- n — Id линейных уравне-
уравнений с к + n — d — 1 неизвестными:
xi + . . . + xn =ai,
X2+ • • • +Vm =(V
Xk-d^~ • • • "T" xk+n-d-\ ~~ak-d'
„ ¦ i i» к
Л1 -f- . . . ~\- Afc = Ol,
*ч+ ¦ . . + *fe+, =&2'
*rt-d+ • • * +*ft+rt-d-l ==bn-d-
Можно показать, что эта система совместна: ее матрица имеет
максимально возможный ранг k + п — Id. Если числа п и k вза-
взаимно просты (d= 1), то она имеет единственное решение; если
же d > 1, то в системе имеется d—1 свободных неизвестных.
Таким образом, по заданным пик можно найти строчку из
п + к — d — I чисел, удовлетворяющих условию. Если т ^ п +
-f к — d—1, то строчка, образованная первыми т числами уже
выписанной строчки, тоже удовлетворяет условию.
Покажем теперь, что если т Зг п + к — d, то не существует
такой строчки из т чисел, что все ее я-суммы имеют один знак,
а все fe-суммы — другой.
Допустим, напротив, что нашлась такая строчка из п + к — d
чисел, и пусть п > k. Вычеркнем первые к чисел. Тогда в строчке
из оставшихся п — d чисел все fe-суммы по-прежнему имеют один
знак, а все (га — к) -суммы имеют другой знак. Поскольку
п — d = (п — к) -j- к — d,
мы от задачи с параметрами пик пришли к задаче с меньшими
числами: к и п — к. Повторяя эту процедуру (похожую на алго-
алгоритм Евклида), мы придем к такой ситуации: имеется строчка
чисел, в которой все d-суммы имеют один знак, а все W-суммы —
другой знак, что, очевидно, невозможно. (Заметим, что аналогич-
аналогичной процедурой — спуском от (п, к) к (k, п — k), похожей на
алгоритм Евклида, можно доказать и совместность выписанной
выше системы.)
Наконец, ясно, что если не существует строчки из п -j- к — d
чисел, удовлетворяющей условию, то нельзя выписать и более
длинную такую строчку.
109
Задача 5-3. Ответ: можно.
Действительно:
167 единиц
= 7-29- 1-1- ... -1.
167 единиц
V Поставим вопрос: какие натуральные числа нельзя пред-
представить одновременно в виде суммы и в виде произведения не-
нескольких (одних и тех же) натуральных чисел?
Ответ на этот вопрос такой: простые числа.
Интересен и такой вопрос, связанный с задачей 5-3: при ка-
каких натуральных значениях k уравнение
х{ + х2+ ... + xk =• Xi ¦ хг•...• Xk
имеет ненулевое решение в целых числах?
Оказывается, что при всех значениях k. Например:
при k — 1 X} — I;
при k = 2 Xi => x2 = 2;
при k > 2 Xi = x2 = ... = xk__2 = 1,
*ft_,=2, xk = k
(см. [109], задачи 186—189).
Задача 5-4. Ответ: неверно.
Контрпример: 6, 10, 15, 77, 91, 143.
Из этих шести чисел, 2-3, 2-5, 3-5, 7-11, 7-13,
,1ЫЗ, никакие три не имеют общего простого множи-
2-5 7-И
3-5 3 2-3 7-13 13 11-13
Рис. 53
теля, но два из каждых трех входят в первую или во
вторую тройку и потому не взаимно просты.
Это хорошо видно на схеме — рис. 53. В каждой
вершине треугольника поставлено одно из чисел, а на
каждой стороне — общий множитель чисел, стоящих
в ее концах,
110
V Если к условию задачи добавить еще одно слово, утвер-
утверждение станет верным: из любых шести натуральных чисел мож-
можно выбрать либо три попарно взаимно простых числа, либо три
числа, попарно имеющих общий делитель, больший единицы.
Знатокам эта задача, безусловно, напомнит такую: среди ше-
шести людей всегда можно выбрать трех попарно знакомых или
трех попарно незнакомых.
Задача 5-5. а) Ответ: верно.
Пусть а и Ъ — наибольшее и наименьшее из выпи-
выписанных чисел. Если между ними есть какое-то число,
то утверждение верно. Если они стоят рядом, то либо
справа, либо слева от них есть еще два числа. Они
и образуют нужную тройку чисел либо с числом а,
либо с числом Ь.
Для знатоков. По этому поводу имеется общая теорема: в
частично упорядоченном множестве, состоящем из тп + 1 эле-
элементов, всегда найдется либо цепочка длины т -\- 1, либо л + 1
попарно несравнимых элементов (эта теорема — следствие извест-
известной теоремы Дилворта: в частично упорядоченном мно-
множестве минимеилное число цепочек, содержащих все элементы
множества, равно максимальному числу попарно несравнимых
элементов).
При рассмотрении пяти чисел их можно упорядочить так.
Будем считать, что для чисел а и b выполняется отношение
о <( Ь, если а меньше Ь и число а стоит в выписанном ряду левее
числа Ь. Числа с и d оказываются в этом смысле несравнимыми
тогда и только тогда, когда они стоят в выписанном ряду в по-
порядке убывания.
Поскольку 5 = 2-2+1 (гп = п = 2), из сформулированной
теоремы следует, что из пяти чисел всегда найдутся три, иду-
идущие либо в порядке возрастания (цепочка длины m + 1 =3),
либо в порядке убывания (и + 1 = 3 попарно несравнимых эле-
элемента). Если в сформулированной выше теореме положить т=л,
то получится такое следствие: из конечной последовательности,
состоящей из л2 + 1 чисел, можно выбрать монотоиную подпосле-
подпоследовательность, состоящую из п + 1 чисел. Интересно, что верно
утверждение, которое получается из предыдущего «предельным
переходом» при л-»-оо: из любой бесконечной последовательно-
последовательности можно выбрать бесконечную монотонную подпоследователь*
ность. Доказать это даже легче, чем для конечного п.
б) Ответ: неверно.
Приведем контрпример — девять чисел: 3, 2, 1, 6,
Б, 4, 9, 8, 7.
111
Докажем, что никакие четыре цифры в этой после-
довательности не идут ни в порядке возрастания, ни
в порядке убывания. Для этого разобьем члены по-
последовательности на три тройки: 321, 654, 987.
Если какие-то две цифры из данных девяти стоят
в убывающем порядке (та, которая меньше, стоит
дальше от начала последовательности), то они обяза»
тельно из одной тройки. Значит, нельзя выбрать
больше трех цифр, стоящих в убывающем порядке,
поскольку все эти цифры должны находиться в одной
тройке.
Если же какие-то две цифры из этих девяти стоят
в возрастающем порядке, то они обязательно из раз-
разных троек. Так как троек всего три, то нельзя вы-
выбрать более трех цифр, стоящих в возрастающем по-
порядке.
Задача 6-6. а) Ответ: может.
Пример — два числа, 2 и —1: 2 + (—1)== 1; 23 +
.+ 1—1K = 7 > 1.
б) Ответ: может.
Пример — восемь чисел: два числа, каждое из ко-
которых равно 0,8, и шесть чисел, каждое из которых
равно —0,1:
2-0,8 + 6- (—0,1)= 1; 2- @,8K + 6- (—0,1K=* 1,018>1.
Для знатоков. Эта идея — добавлять к положительным чис-
числам много отрицательных, но величиной поменьше — помогает от-
оо
ветить на такой вопрос: может ли ряд ^ ап сходиться, а ряд
оо
из кубов У] а„ — расходиться? Ответ на этот вопрос положи*
телен. Приведем пример:
2 J + 1, 2 4 4
1 1 1\,П
Ряд (*) составляется так: следом за суммой f 1 — — — J по-
поставим 23 = 8 сумм ("п-— -7 т-Jt затем 33 = 27 сумм (-jr —
114 о /11
~6 S) затем п сумм 1Т~ 271
112
Указанный ряд сходится, так как сумма N его первых чле-
членов, где
8A' + 2а+33 + ... + п3)< N < 3 (I3 + 23 + ... + п3 + (п + IK)
не превышает числа ¦¦ t ¦ I она либо равна нулю, либо равна
1 , ' 1 \
т-,'. . либо равна -—-?—;—гг-1.
п+\ * 2(л+1) )
Ряд из кубов членов ряда (*) расходится, так как сумма п3
сумм y-^-J +^~^7 ~*~\~~2п~) РЭБНа 3^4' ПОЭТОМУ СУМ'
на первых 3A* + 2s + ¦ • • + п3) членов равна —j- и, значит, не-
неограниченно растет.
Можно доказать, что только для функций, имеющих вид
/(ж) = kx в некоторой окрестности нуля, из сходимости ряда
00 ОО
? ап следует сходимость ряда ^ / (ап)-
ft-l n-l
Задача 6-7. а) Ответ: верно.
Рассмотрим функцию у =* F (х) = / (х + у) — / (х),
определенную и непрерывную на отрезке [0; 4/5].
Нам нужно доказать, что на этом отрезке найдется
такая точка хо, что F(xo)=0. По определению функ-
функции у =* F(x), имеем:
() (I)
Поскольку /@)=«/A), почленно сложив равенства
A) — E), мы получим
Равенство (*) возможно только в двух случаях: либо
вес пять слагаемых в его левой части равны нулю —
аогда задача решена, либо среди этих слагаемых есть
113
числа разных знаков. Пусть F(x\) и F(x2)—числа
разных знаков, где 0 ^ хх < х2 ^ -g-. Тогда, в силу
непрерывности функции F(x), найдется такое число
хо {xi <хо< х2), что F(x0) = 0, что и требовалось.
б) Ответ: неверно, график может не иметь такой
хорды.
Рис. 54
На рис. 54 приведен нужный пример. Поясним,
как он построен.
Пусть точки А и В— концы отрезка [0; 1], точка
С — его середина, а точки D и Е делят его на три
равные части.
Проведем через точки А, С и В параллельные на-
наклонные 1\, 12 и /з, а через точки D и Е — пересекаю-
пересекающие их прямые т\ и т2 так, что яп || т2. Обозначив
через Pi, Р2, Рз и Р4 ближайшие к оёи абсцисс точки
пересечения прямых U, /2 и /3 с прямыми т\ и т%
получим ломаную APiDP2CPsEPiB. Покажем, что эта
ломаная служит искомым примером.
Во-первых, она является графиком непрерывкой
на отрезке [0; 1] функции f(x), причем Д0) = Д1)=0.
Во-вторых, она не имеет хорды длины 2/5, парал-
параллельной оси абсцисс. Действительно, если концы
хорды, параллельной оси Ох, лежат на соседних
звеньях ломаной, то она не превосходит, очевидно,
отрезка DE, равного 1/3. Если же концы хорды лежат
на звеньях «через одно» или «через два», то она не
меньше отрезка АС, равного 1/2. Поскольку
1 2 1
— < -=¦ < ¦7г, наше утверждение доказано.
О О Z
114
V Аналогично решению задачи 5-7 а) можно доказать, что
для i рафика данной в ее условии функции у = f(x) существует
хорда длины —, параллельная оси абсцисс (л— любое нату-
натуральное число) — см. [62].
Для знатоков. Последнее утверждение — частный случай
теоремы Лев и: если у плоского континуума есть хорда дли-
длины а, то у него есть и параллельная ей хорда длины а (где
«—произвольное натуральное число).
С другой стороны, для всякого числа а @ < а < 1), кото-
которое не представляется в виде — (где п — натуральное число),
можно аналогично решению задачи 5-7 б) построить пример пло-
плоского континуума, имеющего хорду длины 1 и не имеющего па-
параллельной ей хорды длины а — см. [99].
Отметим еще, что для периодической непрерывной функции
на прямой дело обстоит совершенно иначе: у ее графика найдет-
найдется горизонтальная хорда любой заданной длины.
Задача 5-8. Ответ: может.
Приведем пример. В качестве первого возьмем
правильный треугольник с длиной стороны 1/2 см,
а в качестве второго — равнобедренный треугольник
с основанием 200 м и высотой 10~7 м. Его боковая
сторона больше половины основания, т. е. тоже боль-
больше 100 м, а площадь равна Ю-5 м2 и меньше площади
первого треугольника, рав-
равной уз/16 смз.
Задача 5-9. а) Ответ:
может.
Приведем пример. Рас-
Рассмотрим равнобедренный
треугольник с основанием
800 см и высотой 0,3 см.
г 800 ¦ 0,3
Его площадь равна—„
и тем самым больше 100 см2. Покажем, что этот
треугольник удовлетворяет условию.
Действительно, его высота АН, опущенная на бо-
боковую сторону ВС (см. рис. 55), равна удвоенной
длине перпендикуляра DK, опущенного из середины
основания D на боковую сторону ВС, а этот перпен-
перпендикуляр, в свою очередь, меньше наклонной BD. От-
Отсюда вытекает, что высота АН меньше чем 0,6 см
и, значит, все высоты треугольника ABC меньше 1 см.
115
б) Ответ: не может.
Поскольку высоты треугольника больше 2 см, то
и его стороны больше 2 см, а тогда его площадь
больше чем -^ ¦ 2 • 2 = 2 (см2).
Задача 5-10. Ответ: неверно.
Контрпример показан на рис. 56. Мы взяли три
вершины А, В и D четырехугольника ABCD очень
Рис. 56
близко друг к другу, а четвертую вершину С и точку
О внутри четырехугольника — близко друг к другу
и далеко от Л, В и D.
Для знатоков. Поставим более общий вопрос. При каких k
для любой точки, лежащей внутри четырехугольника, сумма рас-
расстояний от нее до вершин четырехугольника меньше kP (Р — пе-
риметр четырехугольника)? Ответ: при k^ — . Объясним, почему
это так.
Для каждого четырехугольника ABCD точкой, для которой
сумма расстояний до вершин максимальна, является одна из его
вершин.
В самом деле, функция (на плоскости) М-+\АМ\, где А —
фиксированная точка плоскости, выпукла (ее( график— конус), а
сумма четырех выпуклых функций
ИМ) = | AM | + | ВМ | + | СМ | + | DM |
тоже выпукла. Наибольшее значение выпуклой функции на мно-
многоугольнике достигается в его вершине.
Покажем теперь, что это наибольшее значение меньше -~-Р.
Пусть оно достигается в вершине А Почленно складывая нера-
венства
| АС |< | АВ | + | ВС |, | АС | < | AD \ + | DC |,
получаем, что 2|АС| < Р и, тем более, что
116
Прибавляя к обеим частям последнего неравенства сумму
2\АВ\ +2|AD|, получаем требуемое неравенство
.(см. [24]).
о
Для любого k < — можно построить контрпример, полагая
| МА | = | МВ | = | MD | = | СО | = е,
где е — достаточно маленькое число (рис. 56).
Заметим еще, что для отыскания внутри данного выпуклого
четырехугольника точки с наименьшей суммой расстояний до вер-
вершин не нужно быть большим знатоком: это точка пересечения
его диагоналей.
Задача 5-11. Ответ: можно.
На рис. 57 показано, как разрезать прямоугольный
равнобедренный треугольник с длиной катета 7 см на
6 попарно различных рав-
равнобедренных прямоуголь-
прямоугольных треугольников.
V Оказывается, верно та-
такое утверждение: равнобедрен-
равнобедренный прямоугольный треуголь-
треугольник можно разрезать на любое,
большее 10, число попарно не-
неравных равнобедренных прямо-
прямоугольных треугольников.
Сначала покажем, как
можно разрезать его на любое
четное число частей 2k, где
к ^ 3. Будем исходить из рав-
равнобедренного прямоугольного треугольника ABC с прямым уг-
углом С. Продолжим его катеты СА и СВ и проведем прямую /
через вершину В перпендикулярно гипотенузе — см. рис. 58.
Построим ломаную ABiAiBzA^Bs ... BkAk, все звенья BiAt ко-
которой параллельны прямой АВ, а все звенья ЛВг+i параллельны
прямой ВС; через последнее звено BkAk ломаной проведем пря-
прямую, которая пересечет прямую ВС в некоторой точке D. В ре-
результате мы придем, как легко показать, к прямоугольному рав-
равнобедренному треугольнику DCAk, разбитому требуемым образом
на 2k + 2 подобных попарно неравных равнобедренных прямо-
прямоугольных треугольников (частный случай этой конструкции при
k=2 использован в решении задачи 5-11).
Э\/Г
т
В цепочке треугольников АС В, BABi, AB1A1, А1В1В1,
В2А1А2, ., Ak-iBkA* каждый следующий треугольник подобен
предыдущему с коэффициентом подобия V2 (гипотенуза преды-
предыдущего треугольника равна катету следующего), поэтому в по-
последовательности отрезков СА, AAi, A1A2, ..., Аъ-iA/, каждый
л в/с
Рис. 58
последующий вдвое длиннее предыдущего. Отсюда вытекает прак-
практический способ разрезания данного треугольника требуемым
образом.
Пусть нужно разделить равнобедренный прямоугольный тре-
треугольник с катетом а на 2k + 2 частей. Отложим от вершины пря«
а
мого угла на катете последовательно отрезки длиной
2а
4а
2k-\,
(так как 1 + 2 + ... + 2"~1 =«
2ft _ 1 ' 2—1 2—1
= 2*—1,это можно сделать); полученные точки и будут верши«
нами А, А\, А2, ,.,, Л* ломаной описанной выше конструкции.
Итак, можно разрезать треугольник иа 2k частей при k ^ 3.
Поскольку меньший из полученных при этом треугольников мож-
можно опять разрезать на 6 частей указанным выше способом, мы
можем разрезать исходный треугольник на 2k + Ы частей, где
k — любое целое число, большее 3, а I — любое натуральное чие<
118
ло. Но любое целое число, большее 10, представляется в таком
виде, так что высказанное утверждение справедливо.
Остался открытым вопрос о возможности разбиения тре-
треугольника на л =Si 5, п = 7 и п = 9 частей. Решение этого во-
вопроса мы оставляем читателю.
Задача 5-12. Ответ: можно.
Эскиз нужной конструкции с девятью нитками —
на рис. 59. Для ее изготовления в качестве стержней
удобно взять 3 карандаша.
Если все нитки одинаковой дли-
длины / и стержни имеют одинаковую
длину й, то для жесткости конст-
конструкции, изображенной на рис. 59,
необходимо, чтобы
d=i
1,47/.
Рис. 59
В нашей конструкции концы
стержней образуют два правильных
треугольника, расположенных в плоскостях, перпен-
перпендикулярных прямой, соединяющей их центры, и по-
повернутых на некоторый угол друг относительно друга.
Сами стержни лежат на попарно скрещивающихся
прямых.
V Соединение стержней и ниток ка рис. 59 такое же, как у
октаэдра (образует граф октаэдра — см. рнс. 66 к задаче 5-15).
Доказать математически существование
такой конструкции (достаточность ус-
лов и я
= ls\l\-\ -j=\ трудно.
\ 7
\
Рис. 60
Это соединение изобрел в 60-х гг.
архитектор Б. Фуллер. После него
появилось множество различных кон-
конструкций такого типа. При написании
этой книги авторы поставили следую-
следующую задачу: изготовить жесткую про-
пространственную конструкцию из стерж-
стержней и ниток так, чтобы сгержни не соприкасались между
собой и от каждого конца стержней отходило ровно по две нит-
нитки. Такое соединение было изготовлено архитектором В. Колей-
чуком. Схема соединения показана на рис. 60.
Задача 5-13. Ответ: можно.
Рассмотрим куб ABCDAiBiC\D1 с ребром а (см.
рис. 61, а) и пространственный шестиугольник
119
(его вершины не лежат в одной плоско-
плоскости). Оказывается, что сквозь эгот шестиугольник
(а значит, и сквозь куб) можно свободно, не задевая
его сторон, протащить куб с ребром а.
Чтобы убедиться в этом, изобразим на рис. 61,6
проекцию куба на плоскость, перпендикулярную его
s 1
i /
fl
a)
Б) У
Рис. 61
диагонали BD\. В силу симметрии куба эта проек-
проекция — правильный шестиугольник А'А\В[С'рD''. где
А' — проекция точки А, А\— проекция точки А\
и т. д. Таким образом, контур шестиугольника
A'A'Ji'fffl'D' — проекция пространственного шести-
шестиугольника AA\BiC\CD, а в центр О правильного ше-
шестиугольника проектируются оба конца диагонали
куба BDt.
Поскольку синус угла между любым ребром к}Са
и его диагональю равен \/2j?>, сторона правильного
шестиугольника равна a -\/2l2i, а радиус вписанной
в него окружности равен а \f2j2 — половине диаго-
диагонали квадрата со стороной а. Поэтому в шестиуголь-
шестиугольнике целиком, не задевая его сторон, поместится
квадрат с центром в точке О и стороной а, как пока-
показано на рис. 61, б.
Отсюда вытекает, что если поставить куб с реб-
ребром о так, чтобы его нижняя грань совпала с квад-
квадратом на рис. 61,6, и двигать куб перпендикулярно
плоскости шестиугольника, то куб не заденет сторон
шестиугольника. Значит, его можно также протащить
и сквозь пространственный шестиугольник вдоль диа-
диагонали BD\.
120
Таким образом, в деревянном кубе можно пробить
сквозную дыру, через которую можно протащить та-
такой же куб — см. рис. 62.
V Из приведенных рассуждений вытекает, что сквозь куб с
ребром а можно протащить даже куб несколько больших разме-
размеров, чем он сам, а именно любой куб с ребром, меньшим чем
Задача 5-14. Ответ:
существует.
Рис. 62
Рис. 63
На рис. 63 приведен пример такого многогранника.
Он получен следующим образом: на ребре BD тет-
тетраэдра ABCD сделана «зарубка» из двух треуголь-
треугольных граней — GEH и GFH. У него 8 вершин, 6 гра~
ней, 12 ребер.
V В многограннике, изображенном на рис. 63, две грани яв-
являются шестиугольниками с двумя общими ребрами, BE и FD.
В выпуклом многограннике такая ситуация
невозможна: две грани выпуклого много-
многогранника могут иметь не более одного об-
общего ребра.
Задача 5-15. а) Ответ: можно.
Пример приведен на рис. 64.
V Эта задача напоминает известную
задачу «о домиках и колодцах»: можно
ли начертить на плоскости девять не пере-
пересекающихся дорог, которые соединяют каждый из трех «домиков» с
каждым из трех «колодцев»? В этой сети дорог (так же, как в
задаче 5-15) 6 вершин и от каждой вершины отходят 3 отрезка
(рис. 65). Однако ответ на вопрос «о домиках и колодцах» отри-
отрицательный: такую сеть начертить нельзя.
Рис. 64
121
Ключом к доказательству этого факта служит теорема
Эйлера: пусть п — число вершин, m — число отрезков, соеди-
соединяющих некоторые из этих вершин, f — число многоугольников,
на которые разбита плоскость этими отрезками; тогда п + f =
m+l (см. [92]).
О
Рис. 65
Для знатоков. Имеет место теорема (Вагнер, Фари,
Штейн): если граф можно изобразить на плоскости без пересече-
пересечений, то его можно изобразить на плоскости и так, чтобы все его
ребра были отрезками. Необходимое и достаточное условие пла-
нарности графа — теорема Понтрягина — Куратов-
с к о г о: граф можно без пересечений изобразить на плоскости
тогда и только тогда, когда он не содержит подграфа, го'лео-
морфного графу с шестью вершинами типа «домики — колодцы»
или полному графу с пятью вершинами (пять точек, попарно со-
соединенных ребрами) (см. [92]).
б) Ответ: можно.
Рис. 66
Рис. 67
Пример показан на рис. 66. Можно считать, что
здесь изображен проволочный октаэдр (см. рис. 67),
сфотографированный из точки, лежащей вблизи цент-
центра одной из его граней.
122
Задача 5-16. а) Ответ: существует.
Пример показан на рис. 68.
V Для любого четного п ^ 6 существует замкнутая ломаная
из п звеньев, пересекающая каждое свое звено ровно один раз
Пример для п = 6 уже построен, а для n ^ 8 на рис. 69 показана
конструкция части такой лома-
ломаной (закон построения осталь-
остальной части ясен).
б) Ответ: не суще-
существует.
Р:ш. 68 Рис. 69
Предположим, что удалось построить такую лома-
ломаную. Рассмотрим какую-нибудь точку ее самопересе-
самопересечения. В ней пересекаются два звена, причем больше
ни с какими другими звеньями.они не пересекаются.
Поэтому все звенья ломаной можно разбить на пары,
соответствующие точкам ее самопересечения. Значит,
звеньев — четное число и их не может быть семь.
V Это рассуждение показывает, что вообще не существует
ломаной с нечетным числом звеньев, пересекающей каждое свое
звено ровно один раз.
Задача 5-17. Ответ: а) можно; б) нельзя.
а) На рис. 70, а показано, как можно разложить
24 монеты требуемым образом. Поясним, как это
сделано.
Пусть радиус монет равен R. Расположим центры
четырех монет в вершинах ромба со стороной 2R. Из
таких ромбиков можно набирать нужные узоры, сты-
стыкуя их крайними (расположенными по большой диа-
диагонали) монетами.
б) Предположим, что 25 монет разложены на пло-
плоскости требуемым образом, и придем к противоречию.
Отметим на краю каждой монеты те три места,
в которых она касается трех других. Подсчитаем об-
общее количество отмеченных мест двумя спСГСобами.
123
С одной стороны, число отмеченных мест четно, так
как эти места разбиваются на пары в точках касания
монет. С другой стороны, число отмеченных мест ие-
четно, так как оно равно количеству монет 25, умно-
умноженному на 3.
Полученное противоречие доказывает наше утвер-
утверждение.
V Интересно выяснить, при каких k нельзя расположить на
плоскости некоторое (конечное) число одинаковых круглых монет
так, чтобы каждая касалась k остальных. Оказывается, этого
нельзя сделать при k > 3. Докажем это.
Предположим, что на плоскости разложены одинаковые круг-
круглые монеты так, что каждая из них касается k других. Отметим
на плоскости центры всех монет и рассмотрим их выпуклую обо-
оболочку — наименьший содержащий нх выпуклый многоугольник.
Пусть А, В и С — три последовательные его вершины; тогда угол
ЛВС меньше 180°. Пусть монета с центром в точке В касается
монет с центрами Oi, O2, ..., О* (центры занумерованы в по-
порядке обхода вокруг точки В в одном из двух возможных на-
направлений). Легко показывается, что каждый из углов OiBOz,
О2ВО3, ..., Оь-iBOk не меньше 60°. Отсюда вытекает, что долж-
должно выполняться неравенство Л-60° ^ 180°, из которого следует,
что k ag: 3.
Покажем теперь, как при k = 3 можно разложить требуемым
образом любое достаточно большое четное число монет. Для
атого удобно использовать заготовки двух типов: «ромбик» из
четырех монет и «фонарик» из шести монет.
Из четырех «ромбиков» легко собрать цепочку из 16 монет.
На рис. 70, б показано, как можно эти «ромбики» и «фонарики»
сложить замкнутой цепочкой, содержащей 18 монет. Любое боль-
большее четное число можно представить в виде суммы 4п + 6т и
124
собрать соответствующую цепочку нз п «ромбиков» и т «фона-
«фонариков».
Интересны аналогичные вопросы о расположении шаров в
пространстве. В 1953 г. доказано, что к шару в пространстве
можно приложить не более 12 таких же шаров [116].
Задача 5-18. Ответ: может.
Поставим в соответствие каждому человеку точку,
причем разным людям — разные точки. Если-два че-
человека знакомы между собой, то соединим соответ-
соответствующие им точки отрезком. Тогда задача сведется
к такой: существует ли схема, у которой нет треуголь-
треугольников, а каждые две точки либо соединены отрезком,
либо являются противоположными вершинами ровно
одного четырехугольника?
На рис. 71, а, б приведены два простейших при-
примера таких схем. Нам требуется привести пример
в)
Рнс. 71
схемы, состоящей более чем из четырех точек. На
рнс. 71, в приведен пример схемы нз 16 точек и 40 от-
отрезков, удовлетворяющий условию. Полученная схе-
схема удовлетворяет условию задачи. В этом можно убе-
убедиться перебором, который упрощается из-за симмет-
симметрии схемы.
V Интересно, что описанная в решении задачи 5-18 конфигу-
конфигурация может быть описана как множество вершин, ребер и
больших диагоналей четырехмерного куба.
125
Можно показать, что в условиях задачи 5-18 у каждого че-
человека в данной компании имеется одинаковое количество знако-
знакомых. Действительно, пусть для каждого человека А через МА
обозначено множество его знакомых, а через Na — множество
людей, незнакомых с А. Тогда каждому элементу из Na можно
поставить в соответствие пару элементов из Мл (тех, с кем он
знаком). Нетрудно доказать, что соответствие между множе-
множеством NA и множеством всевозможных пар элементов МА будет
взаимно однозначным. Следовательно, если в Мл содержится тл
элементов, то в Na их содержится
тл(тА~Х)
, а всего в ком-
компании соберется п= 1 + тд +-jt тд {тА — 1) людей. Это равен-
равенство выполняется для любого человека А Но уравнение
J-*(x =п
имеет (при п > 1) только один положительный корень, поэтому
число тА одно и то же для всех А (см. [10]).
Полного ответа на вопрос, при каких значениях п суще-
существуют подобные компании, мы не знаем. Как показано выше,
п = 1 + т(т -)- 1)/2, где т — количество знакомых одного чело-
человека. Нетрудно доказать, что такие
компании не существуют при т = 3,
т = 4 и при m = 4& + 3, где /г —
любое натуральное число. Все извест-
известные нам примеры таких компаний
приведены на рис. 71,а, б, в.
Задача 5-19. Ответ: мог-
могло.
На рис. 72 схематически
показаны результаты всех пар-
партий турнира шахматистов,
удовлетворяющего условию за-
задачи. В нем каждая пара шахматистов сыграла по
7 партий. При этом:
— первый выиграл у второго две партии;
— второй выиграл у первого две партии;
— первый выиграл у третьего три партии;
— третий выиграл у первого четыре партии;
— остальные партии турнира окончились вничью,
8 этом турнире первый шахматист набрал 6,5 очков,
второй — 7 очков, третий — 7,5 очков; при этом пер-
первый выиграл больше всех — 5 партий, второй проиг«
Рис. 72
126
рал меньше всех — 2 партии, а больше всех очков
набрал третий.
V Можно составить табличку турнира (см. рис. 73): обозна-
обозначить все количество выигрышей (+), проигрышей (—) и иичьнх
(=) буквами и записать все условия задачи. При этом получит-
получится система линейных неравенств с большим числом переменных.
Решение задачи 5-19 показывает, что эта система имеет по край-
крайней мере одно решение в натуральных числах. Конечно, оно ие
единственно; интересно получить описание всех решений. Подроб-
Подробите обсуждение этой задачи см. в [39, 40].
ъ
а
п-а-Ь
d
с
n-c-d
а
b
n-a-b
f
е
n-e-f
с
d
n-c-d
е
f
n-e-f
Рис. 73
Рис. 74
Задача 5-20. Ответ: можно.
Способ заполнения изображен на рис. 74, разные
цвета показаны на этом рисунке разной штриховкой.
V Когда п различных знаков записаны в таблицу п X я так,
что в каждой строке и в каждом столбце стоят все различные
знаки, говорят, что задан латинский квадрат. Два латинских
квадрата А и В называются ортогональными, если в тех клетках,
где в квадрате А стоит i-й знак, в квадрате В все знаки раз-
различны (и так для каждого i = 1, 2, ..., п).
Наша задача состоя i& в том, чтобы построить три попарно
ортогональных латинских квадрата 4X4 (один дает цвет, вто-
второй — форму рамки, а третий — букву).
Для знатоков. Чтобы составлять подобные квадратные табли-
таблицы (они бывают полезны в прикладных задачах, например при
планировании многоцелевых экспериментов), удобно пользоваться
понятием конечной аффинной плоскости (см. [42]).
Пусть F — конечное поле из q элементов; пары (х; у) эле-
элементов F будем называть точками конечной аффинной плоскости,
а множества вида {(х, у): ах + by + с — 0}, где а, Ь, се F, при-
причем а или b не равно нулю, — прямыми.
127
Всего получается q2- точек и q(q+l) прямых, причем они
разбиваются на q + 1 семейств так, что в каждом семействе
ровно q «параллельных» друг другу прямых, а через каждую
точку проходит 9+1 прямая.
Например, одно семейство — это прямые х + с = 0, другое —
у -)- с = 0, третье — х + У + с = 0, четвертое (если q > 2) —
* + 2у + с = 0 и т. д.
Поставим в соответствие каждому из q + 1 семейств опре-
определенное свойство: «номер столбика», «номер строки», «буква»,
«форма рамки» и т. д. Припишем точкам каждой из q прямых
первого семейства определенный номер строки, точкам каждой из
прямых второго семейства — определенный номер столбца, треть-
третьего— букву, четвертого— форму рамки и т. д. Тогда мы получим
способ узнать, в какую клетку таблицы qXq поместить каждую
точку (х\ у), какой ей приписать цвет, какую букву и т. п. Каж-
Каждые две непараллельные прямые пересекаются в одной точке, так
что для каждых двух заданных свойств найдется ровно одна
клетка с нужной парой свойств.
При 9 = 4 имеется конечное поле из элементов 0, 1, а, Ь,
приводящее как раз к решению нашей задачи. Таблицы сложения
и умножения в этом поле приведены ниже.
+
0
1
а
b
0
0
1
а
Ъ
1
1
0
ъ
а
а
а
Ь
0
1
ь
b
а
1
0
-
0
1
а
Ь
0
0
0
0
0
1
0
1
а
Ь
а
0
а
Ь
1
ь
0
ъ
1
а
Задача 5-21. а) Ответ: 4 или 6 занятий.
Из условия следует, что члены кружка ходят в
кафе либо вдвоем, либо втроем.
Если они ходили каждый раз вдвоем, то занятий
было 6. В самом деле, если занумеровать участников
числами от 1 до 4, то ходить в кафе они могли только
в таких сочетаниях: A 2), A 3), A 4), B 3), B 4),
C 4).
Если же было хотя бы одно посещение кафе
втроем, то, кроме него, было всего три посещения:
каждый из этих троих мог ходить в кафе только
с четвертым.
б) Ответ: могут быть расписания двух типов:
A2 3 4 5 6), A 7), B 7), C 7), D 7), E 7), F 7)
или A 2 3), A 4 7), A 5 6), B 5 7), B 4 6), C 6 7),
C 4 5).
128
Эти ситуации можно изобразить графически. На
p.ic. 75, а изображено первое расписание: горизон-
горизонтальной прямой соответствует первое посещение кафе,
а прямым, соединяющим точку 7 с другими точка-
точками, — остальные посещения.
Рис. 75
Второе из приведенных расписаний иллюстрирует
рис. 75, б. Каждая линия на этом рисунке изображает
одно посещение; номера точек, через которые она про-
проходит, показывают состав учеников, посетивших в этот
раз кафе.
V С этой задачей связаны такие общие вопросы.
Пусть в множестве ? из л элементов выделены т различных
подмножеств, отличных от самого Е, так что для каждых двух
этементов из Е найдется ровно одно из выделенных подмножеств,
в которое входят оба эти элемента.
Может ли быть т < п? Когда возможно равенство т = п?
(См. [84], гл. Ill, § 5, упр. 12.)
Для знатоков. Докажем, что всегда m ^ п. Занумеруем все
выделенные подмножества: At, Аг, ,., Ат и элементы множе-
множества Е: at, а2, аз, .,., а„.
Каждому элементу at поставим в соответствие m-мерный век-
вектор с,- = (Л,1, hz Km) следующим образом: "Кц = 0, если
элемент а( ие входит в множество А,; Кц = 1, если этот элемент
входит в А/.
Из условия следует, что скалярное произведение любых двух
таких векторов равно 1, т. е. (aia,) = 1 при I Ф j, а скалярный
квадрат вектора не меньше 2 (так как каждый элемент входит
по крайней мере в 2 множества).
Допустим теперь, что т < п. Поскольку число п векторов ш
больше размерности пространства т, система векторов п\,
Ог, ..., а„ линейно зависима, т. е. уравнение
xiai + хга% + .. i + хпап = О
5 Н. В. Васильев 129
имеет ненулевое решение. Последоватечьно умножая обе части
этого уравнения скалярно на векторы а,, а2, ..., а„, получим
систему линейных уравнений вида
х + х2 + ... + *п = 0,
+ Ь2х2 + • • • + хп = О,
Х\ + х2+ ... + Ьпхп = О,
где все bi ^ 2. Но эта система имеет только нулевое решение (ее
определитель отличен от нуля), что противоречит нашему пред-
предположению. Таким образом, т"^ п.
Для равенства т = п необходимо и достаточно, чтобы имел
место один из следующих двух случаев:
1) в одно из выделенных подмножеств входят все элемен-
элементы Е, кроме одного, а остальные 'Выделенные подмножества со-
состоят из пар, образованных этим оставшимся элементом н всеми
остальными;
2) число п представляется в виде /(/— 1) + 1, всякое выде-
выделенное подмножество состоит из I элементов, и всякий элемент
множества Е принадлежит ровно I подмножествам.
Заметим, что вопрос, когда реализуется случай 2), не решен.
Система подмножеств множества Е из обобщения V, удовлетво-
удовлетворяющая условию 2), имеет специальное название: конечная про-
проективная плоскость порядки q = / — 1.
Покажем, как построить конечную проективную плоскость
порядка q **= ph (для п = ргк + р* + 1), где р — простое число.
Для этого нужно использовать «числа» из конечного поля по-
порядка рк.
Назовем точкой нашей плоскости тройку «чисел» (Xi, Хг, Хз)>
рассматриваемую с точностью до пропорциональности (т. е. трой-
тройки (xi, x2, хз) и (cxt, схг, схз) определяют одну и ту же точку).
Договоримся тройку @; 0; 0) не считать точкой.
Прямая задается тройкой «чисел» (а>, аг, а3) (кроме тройки
@; 0; 0)), рассматриваемой с точностью до пропорциональности.
Точка (xt, Хг, Хз) принадлежит прямой (at, a2, а3) в том и только
в том случае, когда
+ а2х2 + а3х3 = 0.
Ясно, что построенная проективная плоскость дает реализа-
реализацию случая 2). При этом точки плоскости — элементы множе-
множества Е, прямые— выделенные подмножества. Число точек и число
прямых одинаково, и каждые две точки принадлежат только од-
одной прямой.
При q = 2 получается как раз тот пример проективной пло-
плоскости порядка 2,-который изображен на рис. 75,6.
130
В п. б) задачи 5-21 была построена нужная система мно-
множеств для случая / = 3, п = 7.
Не для всех натуральных чисел q существует проективная
плоскость порядка q (например, для q —= Ь. q = 14); неизвестно,
существует ли проективная плоскость порядка 10 (см. [108,120]).
Задачи для самостоятельного решения
5-22. а) Можно лн составить квадратную таблицу
100ХЮ0 из чисел так, чтобы сумма чисел, стоящих
в каждом столбце, была положительна, а сумма чи-
чисел, стоящих в каждой строке, была отрицательна?
б) Можно ли в квадратной таблице размером 5X5
клеток расставить 25 чисел так, чтобы сумма четырех
чисел в каждом квадрате 2X2 была отрицательной,
а сумма всех 25 чисел — положительной?
5-23. Несколько человек в течение 7 часов наблю-
наблюдали за улиткой. Каждый наблюдал за ней ровно
1 час и заметил, что за этот час улитка проползла
ровно 1 м (хотя ползла она неравномерно, с оста-»
новками). Могла ли улитка за эти 7 часов про-
проползти:
а) больше 7 м; б) больше 12 м; в) меньше 5 м;
г) меньше 4 м?
5-24. а) Можно ли число 123 представить в виде
произведения нескольких натуральных чисел так,
чтобы сумма квадратов этих чисел тоже равнялась
123?
б) Тот же вопрос относительно числа 456.
5-25. Можно лн разместить на прямой:
а) 6; б) 7
отрезков так, чтобы каждую точку их объединения
содержали не более трех отрезков и из любых трех
отрезков два пересекались?
5-26. В автобус, едущий без кондуктора, вошли
15 незнакомых друг с другом людей. У каждого из
них есть только серебряные монеты достоинством в
10, 15 и 20 копеек. Билет стоит 5 копеек.
а) Могло ли так быть, что все пассажиры пра-
правильно заплатили за проезд, взяв сдачу друг у друга?
б) Докажите, что если у пассажиров меньше 19 се-
серебряных монет, то они не смогут правильно распла-
расплатиться за проезд.
в) Докажите, что если у всех пассажиров меньше
чем 2 рубля 50 копеек, то они не смогут расплатиться
б* 131
5-27. а) В магазин привезли платья двух цветов
и двух фасонов. Докажите, что для витрины можно
выбрать два платья, отличающиеся друг от друга
и цветом, и фасоном.
б) В магазин привезли платья трех цветов и трех
фасонов. Можно ли выбрать для витрины три платья
так, чтобы были представлены все три цвета и три
фасона?
5-28. Сумма нескольких чисел равна 1. Может ли
сумма их квадратов быть:
а) меньше 0,01; б) больше 100?
5-29. Верны ли следующие утверждения:
а) если в треугольниках А ВС и AiBiCi АВ = АхВи
ВС — ВХС\ и Z.A = Z/4i, то треугольники равны;
б) если три угла и две стороны одного треуголь-
треугольника равны трем углам и двум сторонам другого
треугольника, то такие треугольники равны;
в) если основания и боковые стороны одной тра-
трапеции соответственно равны основаниям и боковым
сторонам другой трапеции, то такие трапеции равны?
5-30. Может ли так быть:
а) длины всех трех биссектрис треугольника мень*
ше 1 см, а его площадь больше 1 см2;
б) длины всех трех биссектрис треугольника боль-
больше 100 см, а его площадь меньше 1 см2?
5-31, Какое число сторон может иметь плоский
многоугольник, являющийся:
а) пересечением; б) объединением
треугольника и выпуклого четырехугольника?
5-32. Можно ли сложить квадрат из четырех пли-
плиток размером 1 X 1, восьми плиток размером 2X2,
двенадцати плиток размером 3X3 и шестнадцати
плиток размером 4X4?
5-33. а) Можно ли какой-нибудь разносторонний
треугольник разрезать на два равных?
б) Можно ли разрезать квадрат на несколько ту-
тупоугольных треугольников?
в) Как разрезать треугольник с углами 15°, 105е
и 60е на равнобедренные треугольники?
г) Всякий ли треугольник можно разрезать на не-
несколько равнобедренных треугольников?
5-34. Может ли какой-нибудь треугольник помес-
поместиться внутри круга, радиус которого меньше
радиуса описанного вокруг ?того треугольника
круга?
132
5-35. Четырехугольник периметра Pi расположен
на плоскости внутри четырехугольника периметра Р%.
Может ли быть:
a) Pi > Р2; б) Pi > 2Р2?
5-36. Можно ли начертить на плоскости замкну-
замкнутую ломаную, пересекающую каждое свое звено:
а) 3 раза; б) п раз,
если точки пересечения звеньев ломаной не должны
совпадать с ее вершинами и ни через одну точку пе-
пересечения не должно проходить более двух звеньев?
5-37. Можно ли расположить на плоскости:
а) 12; б) 13
точек и соединить их непересекающимися отрезками
так, чтобы каждая точка была соединена с пятью
другими?
5-38. Подберите четыре тройки целых неотрица-
неотрицательных чисел так, чтобы каждое целое число от 1
до 81 можно было представить в виде суммы четы-
четырех чисел — по одному из каждой тройки:
5-39. Существует ли возрастающая геометрическая
прогрессия, у которой первые 100 членов — целые
числа, а все остальные члены не являются целыми
числами?
5-40. Могут ли числа 7, 8, 9 быть членами (не обя-
обязательно соседними) одной геометрической про-
прогрессии?
5-41. а) Требуется подключить к сети люстру с
семью лампочками так, чтобы можно было зажигать
любое количество лампочек от одной до семи. Можно
ли это сделать, если разрешается использовать только
три выключателя?
б) Тот же вопрос о люстре с восемью лампочками.
5-42. Руководитель математического кружка за-
задал на дом 20 задач. На следующем занятии выясни-
выяснилось, что каждый участник кружка решил ровно две
задачи, а каждую задачу решили ровно два уча-
участника.
а) Сколько было участников кружка?
б) Может ли руководитель кружка организовать
разбор всех задач таким образом, что каждый уча-
участник расскажет по одной решенной им задаче?
в) Докажите, что существует не менее двух спо-
способов организовать разбор задач таким образом,
и приведите пример ситуации, когда этих способов
ровно два.
133
г) Каким может быть число способов такой орга-
организации разбора задач?
5-43. Среди 25 офицеров поровну пехотинцев, ар-
артиллеристов, танкистов, связистов и летчиков и, кро-
кроме того, поровну генералов, полковников, майоров,
капитанов и лейтенантов, причем каждый из указан-
указанных пяти родов войск представлен офицерами всех
пяти рангов. Постройте этих офицеров в каре 5X5
так, чтобы в любой колонне и в любой шеренге встре-
встречались офицеры всех родов войск и всех рангов.
5-44. Одна треугольная пирамида расположена
внутри другой треугольной пирамиды.
а) Может ли сумма длин всех ребер внутренней
пирамиды быть больше суммы длин ребер внешней?
б) Может ли полная поверхность внутренней пи-
пирамиды быть больше полной поверхности внешней?
5-45. Можно ли завернуть кубик с ребром 1 см
в квадратный кусок бумаги со стороной 3 см?
5-46. Существует ли неправильный тетраэдр, у ко-
которого пять двугранных углов равны а? Если да, то
каков его шестой двугранный угол?
5-47. Можно ли на планете, имеющей форму шара
диаметра 1, расположить 8 станций слежения так,
чтобы любое тело, находящееся на высоте 1 над по-
поверхностью планеты, было видно по меньшей мере
с двух станций?
5-48. а) Придумайте пример выпуклого многогран-
многогранника, у которого все грани — параллелограммы, но
он — не параллелепипед.
б) Пусть число различных направлений ребер та-
такого многогранника равно k. Сколько у него граней?
5-49. а) Дан многочлен от двух переменных
Р(х,у) = х+ <* + У+ '>(* + >/).Будем составлять таб-
лицу его значений при целых неотрицательных х и у.
Докажите, что кажаое целое неотрицательное число
встретится в этой таблице один раз.
б) Придумайте такой многочлен Q(x, у, z) от трех
переменных, чтобы среди его значений при целых не-
неотрицательных х, у, z каждое целое неотрицательное
число встретилось один раз.
5-50. Существует ли такой многочлен Р(х,у), мно-
множество значений которого — множество всех положи-
положительных чисел?
§ 6. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ И ИТЕРАЦИИ
6-1. а) Найдите сотую цифру после запятой в де-
десятичной записи числа 1/7.
б) Найдите какое-нибудь шестизначное число, ко-
которое при умножении на числа 2, 3, 4, б, 6 дает шести-
шестизначные числа, отличающиеся от него только поряд-
порядком цифр.
6-2. Над цепью osep летела стая белых гусей. На
каждом озере свдилась половина гусей и еще пол-
полгуся, а остальные летели дальше. Все гуси сели на
семи озерах. Сколько гусей было в стае?
6-3. Последовательность (ап) задана первыми
двумя членами а\ =-= 2, «2 = 3 и условием ак+2 =
— ak+\/ak (k ~» 1, 2, 3, ...). Найдите а\9т-
6-4. В каждом из двух сосудов находится по А
литров воды. Ив первого сосуда переливают половину
имеющейся в нем воды во второй, затем из второго
переливают треть имеющейся в нем воды в пер-
первый, затем из первого переливают четверть имею-
имеющейся в нем воды во второй и т. д. Сколько воды
окажется в каждом из сосудов после 100 перели-
переливаний?
6-5. Имеются два сосуда. В них разлили 1 л воды.
Из первого сосуда переливают половину воды во вто-
второй, затем из второго переливают половину оказав-
оказавшейся в нем воды в первый, затем из первого перели-
переливают половину оказавшейся в нем воды во второй
и т. д. Докажите, что независимо от того, сколько
воды было сначала в каждом из сосудов, после
2 1
100 переливаний в них будет у л и -g- л с точно-
точностью до 1 миллилитра.
6-6. Строится числовая последовательность: пер-
первый ее член равен З1986, а каждый следующий член,
начиная со второго, равен сумме цифр предыдущего.
Найдите десятый член этой последовательности.
6-7. Вокруг поляны стоят 12 домиков, покрашен-'
ных в белый и красный цвета, в которых поселились
12 гномов. У каждого гнома нечетное число друзей.
В январе первый гном красит свой дом в тот цвет,
в который окрашены дома большинства его друзей.
В феврале это же делает второй (по часовой стрелке)
гном, в марте — третий и т. д. Докажите, что наступит
135
момент, после которого цвет дома у каждого гнома
перестанет меняться.
6-8. Представим себе, что на бесконечном листе
клетчатой бумаги несколько (конечное число) клеток
«заболели». Через каждый час одновременно проис-
ходят следующие изменения: если клетка больна,
а две клетки, слева и снизу от нее, здоровы, то она
выздоравливает; если клетка здорова, а две клетки,
снизу и слева от нее, больны, то она заболевает
(остальные клетки остаются такими, как были). До-
Докажите, что, как бы ни были расположены вначале
больные клетки, через некоторое время все клетки бу-
будут здоровы.
6-9. Перед шеренгой из N солдат стоит капрал
и командует: «Нале-ВО!» По этой команде некоторые
солдаты поворачиваются налево, остальные — напра-
направо. После этого через каждую секунду каждые два
солдата, оказавшиеся лицом друг к другу, поворачи-
поворачиваются друг к другу затылками. Докажите, что через
конечное время движение прекратится, и оцените, че-
через сколько секунд это заведомо произойдет.
6-10. На столе у чиновника Министерства Околич-
Околичностей *) лежит п томов Британской энциклопедии,
сложенных в несколько стопок. Каждый день, приходя
на работу, чиновник берет по одному тому из каждой
стопки, образует из них новую стопку, располагает
стопки по количеству томов (в невозрастающем по-
порядке) и заполняет ведомость, в которой указывает
количество томов в каждой стопке. Например, если
в первый день в ведомости записано (8, 3, 1, 1), то
на следующий день запись будет G, 4, 2), потом —
F, 3, 3, 1), (о, 4, 2, 2) и т. д. Что будет записано в ве-
ведомости через месяц, если общее количество томов п
равно: а) 6; б) 40? (Начальное разбиение на стопки
ыожет быть произвольным.)
6-11. Сколько среди десятизначных чисел, состоя-
состоящих из цифр 2 и 5, таких, у которых две двойки не
стоят рядом?
6-12. Ребята стоят по кругу. Им нужно выбрать
водящего, и они считаются следующим образом: пер-
первый остается в круге, следующий за ним по часовой
стрелке — второй — выходит из круга, следующий за
ним — третий — остается, четвертый выходит и т. д.,
*) Ч. Диккенс, «Крошка Доррит».
136
через одного по кругу. Круг все время сужается до
тех пор, пока в нем не останется только один чело-
человек. Определите, кто именно останется (на каком
месте он стоял первоначально, считая от первого по
часовой стрелке), если вначале стояло: а) 64 чело-
человека; б) 1986 человек.
6-13. Бесконечная последовательность нулей и еди-
единиц 0110100110010110... составлена по следующему
правилу. Сначала написан нуль. Затем делается бес-
бесконечное количество шагов. На каждом шаге к уже
написанному куску последовательности приписы-
приписывается новый кусок той же длины, получаемый из
него заменой всех нулей на единицы, а единиц — на
нули, а) Какая цифра, 0 или 1, стоит на 1986-м месте?
б) Будет ли эта последовательность, начиная с неко-
некоторого места, периодической?
6-14. На математическом вечере была проведена
следующая игра. Зритель из зала написал на двух
бумажках два последовательных натуральных числа
(по одному на каждой бумажке) и скатал их в ша^
рики. Ведущий дал вытянуть по одной бумажке двум
математикам, А и Б; каждый из них посмотрел, какое
число написано на его бумажке, но не сообщил его
второму. Затем между А и Б состоялся следующий
содержательный диалог.
А: Я не знаю, какое у тебя число.
Б: И я не знаю, какое у тебя число.
А: И я не знаю, какое у тебя число.
Б: И я не знаю, какое у тебя число.
Десять раз А говорил, что не знает, какое число у Б,
и десять раз Б отвечал, что
он не знает, какое число у А.
Зрителям это порядком на-
надоело, но вдруг на одиннад-
одиннадцатый раз А заявил: «Теперь
я знаю, какое у тебя число».
Тогда в диалог вмешался ве-
ведущий и спросил зрителей,
какие числа могли быть у А
и Б. Что они должны ему от- Рис 76
ветить?
6-15. На прямоугольную карту положили карту
той же местности, но меньшего масштаба (рис. 76).
Докажите, что можно проткнуть иголкой сразу обе
137
карты так, чтобы точка прокола изображала на обеих
картах одну и ту же точку местности.
6-16. Докажите, что последовательность
Vi + Vt, лЛ
..., V1+V1 + .TT+yi,
n раз
имеет предел, и найдите его.
6-17. Последовательность (ап)
2 3 5 8
1
задается так: «j ===== 1 и «п+1 ¦= 1 -} для каждого
п=1, 2, 3, ... Найдите число, которое меньше всех
членов последовательности с четными номерами (а?)
а4, Об, • • •) и одновременно больше всех ее членой
с нечетными номерами (аи а», а3, ••¦)•
6-18. Решите систему уравнений
— у2.
Обсуждение задач
Задача 6-1. а) Ответ: 8.
Начнем делить 1 на 7 «уголком» и увидим, что
последовательности цифр частного после запятой бу-
будет периодической с периодом из 6 цифр: A42857)-,
Так как 100 = 6-16 + 4, на 100-м месте после запятой
будет стоять четвертая цифра периода — цифра 8.
V Для любых натуральных чисел р и q дробь — представ'
ляется либо конечной десятичной дробью, либо бесконечной пе*
риодической десятичной дробью. В самом деле, деля р на 4
«уголком», мы будем получать остатки при делении некоторых
натуральных чисел на q. Остатком при делении на q может быть
целое неотрицательное число, меньшее q. Поэтому после не более
чем q делений либо какой-то очередной остаток окажется нулем
И мы получим конечную десятичную дробь, либо какие-то два
остатка совпадут и с этого места частные будут периодически
повторяться. В этом рассуждении использован принцип Дирихле,
о котором говорилось в обсуждении задачи 2-9.
138
б) Ответ: 142857.
Действительно, умножая это число на 2, 3, 4, б
и 6. получим числа 285714, 428571, 571428, 714285 и
857142 соответственно.
V Ответ в задаче б) — это число, составленное из цифр пе-
периода разложения числа 1/7 в десятичную дробь. Выписанные
пять чисел являются, в свою очередь, периодами разложения чи-
чисел 2/7, 3/7» 4/7, 5/7, 6/7 в десятичную дробь. В этом легко убе-
убедиться при делении числа 1 на 7 уголком: со второго шага мы
делим 3 на 7, начиная с третьего шага — 2 на 7, затем — 6. 4
и 5.
Задача 6-2. Ответ: 127 гусей.
Пусть вместе со стаей белых гусей вес время ле-
летит еще один, Серый гусь. Если к некоторому озеру
подлетает т белых гусей и Серый, то на этом озере
т , \ т + 1
садится -g- + y ~—5 ровно половина всех гу-
гусей. Поэтому после каждого озера число летящих гу-
гусей уменьшается ровно вдвое. После семи озер оно
уменьшается в 27 ¦= 128 раз, а остается летящим один
Серый гусь. Значит, вначале было 128 гусей, из них
127 — белых.
V Серый гусь возник в решении задачи не случайно. Обозна-
Обозначим через JC» количество летящих белых гусей, когда впереди
остается еще к озер. Тогда условие задачи записывается так:
х 1
xk — -vfel — — + -g-- Отсюда получаем для последовательности
(**) рекуррентное соотношение
Добавив Серого гуся, мы, по существу, сделали замену пере-
переменной: у г, = х„ -\- 1 и получили новую последовательность (уп).
Подставив в соотношение (*) Xk = yi,— 1 и xk-i = ук-х—1,
мы видим, что последовательность (у„) удовлетворяет более про-
простому соотношению: </* =«= 2уь>; {yi,) — это геометрическая про-
прогрессия со знаменателем 2. и, следовательно, ее общий член имеет
вид у„ = 2"i/o. Возвращаясь к последовательности (*,,), наводим
формулу ее общего члена х„ = 2" — 1.
Рассмотрим теперь более общий случай последовательности
(*:„). заданной соотношением
Если <? — 1, то (х„)—арифметическая прогрессия и ее об-
общий член задаегей формулой х„ = х'о + d(n— I).
139
Если q ф 1 и d = 0, то («„J^ геометрическая прогрессия и
х„ = q"x0. Если же ^ т^ 1 и d ф 0, то ищем такое z, чтобы по-
последовательность уп = х„-\- z стала геометрической прогрессией.
Подставляя хк = у к — z и Xk-i = y*-i — z в соотношение (**),
получаем: </* = w*-i + z(l—q) + d. Если z выбрать так, что
z(l —<?) -\-d =• 0, то у* ¦= qyk-i, откуда i/n = 9лУо- Тем самым
найдена формула общего члена: х„ = q"(xo -\- z)—z, где
z = -. В нашей задаче ^«=2, хо = 0, d = 1 и г = 1
(один Серый гусь).
Задача 6-3. Ответ: ai986 = 2/3.
Выпишем первые члены этой последовательности:
2,3,3/2, 1/2, 1/3,2/3,2,3,...
Так как два соседних члена а7 и а8 такие же, как а\
и а2, а каждый следующий член вычисляется по двум
предыдущим, то последовательность будет повто-
повторяться с периодом 6. Так как 1986 делится на 6, то
U1886 — Об = 2/3.
V Вообще, при любых ненулевых первых двух членах fli н
аг, последовательность из задачи 6-2 повторяется с периодом 6,
т. е. а„+е = а„. Для того чтобы в этом убедиться, достаточно вы-
выписать первые восемь членов последоватечьности:
вь а2, а2/аи \/аи 1/а2, ai/a2, аъ а2, ...
Удобно обозначить 1п|а„| через х„, тогда последовательность
(х„) будет подчиняться условию: х„+г = хп+, — х„ (при п ^ 1)
и, конечно, тоже будет периодической с периодом 6. Верен более
kn
общий факт: если rf = 2cos , где кит (k < т) —взаимно
простые натуральные числа, то последовательность, для которой
Jfn+2 = dxn+i — х„, периодическая с периодом 2т. При k = 1,
т = 3 получаем d = 2 cos — = 1 н период последовательности
равен 1т = 6.
Задача 6-4. Ответ: столько же, сколько было
вначале — по А л воды в каждом.
Чтобы убедиться в этом, покажем, что после каж-
каждых двух следующих переливаний количество воды
остается прежним. Когда в сосуд добавляют 1//мо
часть воды из другого, в нем становится
140
I
После этого, когда от него отлиеэют -¦—ю часть,
к -j- 1
в нем становится
л k + l
А
=А л-
Задача 6-5. Заметим, что если бы в первом со-
2 1
суде было -_- л, а во втором — — л, то после первого
переливания объемы поменялись бы местами, а после
второго переливания стали бы такими же, как вна-
вначале.
Будем вести отсчет именно от такого состояния.
Пусть после четного числа переливаний в первом со-
сосуде оказалось (у + р) л> гДе ~" з" ^ Р ^ 4 • тогда
во втором будет (у—pj л воды. После следующего
переливания в этих сосудах будет соответственно
( A
Л И A"~~2~) Л ВОДЫ)
и (т~т
Итак, после каждых двух переливаний добавка р
уменьшается в 4 раза. Значит, после 100 переливаний
E0 пар переливаний) добавка р уменьшится в 450 раз и
2 11 1
в сосудах будет: — + р • -^ и -^ — р • -^. Поскольку
2 1
добавка р удовлетворяет неравенству — — <1р^ —, до-
„ 1 1
бавка р • -pg- меньше чем 10000 и тем самым в сосудах
с большой точностью будет -^ л и ул.
V Если каждый раз переливать не половину, а ю часть
имеющейся воды, то после 100 переливаний с большой точностью
п п— 1
в сосудах окажется соответственно -=——у- и _ л воды.
Покажем, как найти этот ответ. Если в первом сосуде хп
воды, а во втором у л воды, то после первого переливания в пер-
вом будет х I I л. Для того чтобы после второго перели-
переливания в ием оказалось снова х л, должно выполняться соотноше-
соотношение у=х ( — J.Поскольку х + у=*1, получаем х = _ л,
п—1
141
Задача 6-6. Ответ: 9.
Если число делится на 9, то и сумма его цифр де-
делится на 9, а так как З1986 = 9-3i984, то все члены
данной последовательности делятся на 9.
Оценим их величины. Из неравенства З2 < 10 сле-
следует, что З1986 < 10993, поэтому в числе З1986 не больше
993 цифр. Значит, второй член последовательности не
больше чем 9-993 < 104, т. е. в нем не больше четырех
цифр. Тогда третий член последовательности не боль-
больше чем 9-4 = 36. а четвертый — меньше чем 18. По-
Поскольку четвертый член, как и предыдущие, делится
на 9, он равен 9. А значит, и все следующие равны 9.
V Вообще, в последовательности натуральных чисел, у кото-
которой и-й член — сумма цифр (и— 1)-го члена, все члены, начиная
с некоторого, одинаковы и равны остатку г от деления первого
члена на 9 (если г ф 0) ил» 9 (если г = 0).
Задача 6-7. Рассмотрим число пар гномов-дру-
гномов-друзей, у которых дома разного цвета. Каждый месяц
их количество не увеличивается. Действительно, если
очередной гном красит дом в тот же цвет, который
был раньше, то это число сохраняется; если же он
покрасил дом в другой цвет, то оно уменьшится. По-
Поскольку это целое число неотрицательно, оно не мо-
может все время 'уменьшаться, значит, начиная с неко-
некоторого момента, оно не будет изменяться. С этого
момента каждый гном всегда будет красить свой дом
в один и тот же цвет.
V Заметим, что в условии задачи нечетность числа друзей
у каждого гнома нужна лишь для того, чтобы было ясно, что та
кое большинство, а число гномов можно заменить на любое дру-
другое етное число. В решении этой задачи нам помог следующий
п р '1 е м: найти такую величину (количество пар друзей с разно
цветными домами), которая при указанной в условии операции
сохраняется или убывает. Этот прием часто помогает разобраться,
что происходит при многократном повторении той или иной one
ранки на некотором множестве.
Задача 6-8. Проведем через верхнюю сторону
самой верхней больной клетки горизонтальную пря-
прямую. Ясно, что ни одна клетка, расположенная выше
этой прямой, не заболеет. Аналогично не заболеет ни
одна клетка, находящаяся правее самой правой из
первоначально больных клеток Таким образом, все
клетки, которые, может быть, заболеют, лежат внутри
142
некоторого прямого угла. Рассмотрим наиболее уда-
удаленную от вершины угла диагональ, перпендикуляр-
перпендикулярную биссектрисе этого угла, на которой еще лежат
больные клетки. Ясно, что все больные клетки, лежа-
лежащие на ней, через час выздоровеют. Таким образом,
каждый час наиболее удаленная от вершины диаго-
диагональ, содержащая больные клетки, «шагает» к вер-
вершине угла. Следовательно, в некоторый момент она
достигнет вершины угла, внутри которого могут ле-
лежать больные клетки. Это и означает, что все клетки
выздоровели.
Для знатоков. Пусть каждая клетка на плоскости может на-
находиться в двух состояниях, 0 и 1 (или в одном из конечного
числа iV оостояний), и в,каждый момент времени /= 1, 2, 3, ...
принимает одно из этих состояний, в зависимости от состояний
нескольких своих соседей, по определенному правилу F, одинако-
одинаковому для всех соседей. Такие системы, получившие название кле-
клеточных автоматов, стали интенсивно изучаться в последнее десч-
тилетие физиками, конструкторами вычислительных машин и ма-
математиками. Для некоторых сравнительно простых правил (таких,
как, например, правила игры «Жизнь» Дж. Конвся— см. [74])
клеточный автомат обладает замечательно сложным поведением.
!)то относится не только к двумерным, но и одномерным (распо-
(расположенным на целочисленной прямой) клеточным автоматам. Они
широко исследуются с помощью моделирования на ЭВМ; по-
построены даже специальные программы, позволяющие наблюдать
поведение клеточного автомата на экране дисплея.
Математических результатов, относящихся к клеточным авто-
автоматам, пока получено немного. Для некоторых задач, относя-
относящихся к ним, доказана их алгоритмическая неразрешимость; на-
например для игры «Жизнь» не существует алгоритма, позволяю-
позволяющего по начальной конфигурации из конечного числа единиц
узнать, превратится ли она за некоторое время в пустую конфи-
конфигурацию «все нули».
Задача 6-9. Поставим в соответствие шеренге
солдат ломаную на клетчатой бумаге, линии которой
идут под углом 45е к горизонтальной прямой, как по-
показано на рис. 77, а: каждому солдату соответствует
очередной отрезок ломаной, причем если солдат смот-
смотрит направо, то соответствующий отрезок ломаной
идет вверх, а если налево — то вниз. Изменения, про-
происходящие в шеренге солдат за очередную секунду,
можно описать теперь так: концы A \vB ломаной не
Сдвигаются, а каждый уголок из двух соседних отрез-
143
ков, торчащий вверх '(«горка»)\ превращается в уго-
уголок, торчащий вниз («ямка»). Таким образом, высота
самой высокой «горки» за каждую секунду снижается,
и так будет до тех пор, пока в ломаной не остается
ьл одной «горки», т. е. она превратится в ломаную
АОВ из двух сторон прямоугольника АОВС (см.
рис. 77,6)'.
Рис. 77
Наибольшее число секунд, в течение которого мо-
может происходить движение в шеренге из N солдат,
равно N— 1: именно таким оно будет, если начальное
оасположение соответствует ломаной АСВ, а для лю-
любой другой ломаной с теми же концевыми вершинами
время до полной остановки будет меньше.
V Если в бесконечной шеренге почти все солдаты повернуты
налево и лишь некоторое конечное множество смотрят направо,
то движение по указанному в задаче правилу будет продолжать-
продолжаться бесконечное время — вдоль шеренги двигается сохраняющая
форму волна.
Интересно, что существуют одинаковые для всех солдат, сим-
метричные по отношению к замене «левого» на «правое» и тре-
требующие лишь зависимости от трех соседей правила, которые по«
зволяют исправить любой конечный дефект в бесконечной шерен»
ге. Вот одно из них. Пусть каждый солдат, который видит, что
первый и третий солдаты перед ним (с той стороны, куда он
смотрит) стоят к нему лицом, поворачивается к ним спиной;
тогда через конечный промежуток времени движение в любой
шеренге с «конечным дефектом» прекратится (см. [53]).
Задача 6-10. а) Ответ: C,2,1).
На рис. 78 нарисована схема. На ней изображены
все возможные типы записи в ведомости при п = 6.
Стрелка, ведущая из одной записи в другую, показы-
14-1
вает, что вслед за первой из этих записей обязательно
будет вторая. Мы видим, что не позже чем с седьмого
дня в ведомости каждый день будет запись C, 2, 1).
б) Ответ: D,3,2, 1).
B,Ш
C,3)
B,2,2)
{3,1,1,1)
i,
(До О
Рис. 78
Этот ответ можно получить, составив схему ана-
аналогично приведенной на рис. 78. Желающие могут ее
нарисовать (она содержит 42 записи) и увидеть, что
не позже чем с тринадцатого дня в ведомости каждый
день будет запись D, 3, 2, 1).
V В принципе, аналогичным образом можно нарисовать схе-
схему для любого заданного п, правда, при больших п это требует
очень много времени. Однако оказывается, что, не делая полного
перебора, можно выяснить, какие записи будут появляться в ве-
ведомости через достаточно большое время. Общий результат
можно сформулировать так. Если число томов п можно записать
в виде суммы последовательных натуральных чисел, начиная с 1,
т.е. n=l+2-t-... + ft = ft(ft+ l)/2 для некоторого ft, то, на-
начиная с некоторого дня, в ведомости все время будет повторять-
повторяться запись (ft, ft—I, k — 2, ..., 2, 1). (В задаче 6-10 а) и б) так
и было: 6 = 3-4/2, 10 = 4-5/2.) Если же число п не представ-
представляется в виде ft(ft + l)/2, то ведомость «зацикливается»: записи
в ней начинают повторяться с периодом ft таким, что
(k— l)fe/2 <n< ft(ft + l)/2.
Доказать этот результат и, кроме того, выяснить, какими бу-
будут циклы при п Ф k(k + l)/2, помогает следующая конструкция.
Рассмотрим первую координатную четверть с нанесенной на нее
координатной сеткой. Запись в ведомости (ki, кг, ..., ki), где
lii ^ k2 ^ ks ^ ... g& ki, изобразим так. Зачерним на рисунке
столбик высотой ki, рядом с ним — столбик высотой k%, затем —
высотой ks и т. д., до столбика высотой ft» (рис. 79).
6 Н. Б. Васильев 145
Процедуру, которую проделывает чиновник, на нашем рисун-
рисунке удобно делать так.
Первый этап. Отрезаем нижнюю строчку от черной фигуры,
сдвигаем то, что осталось, на одну клетку вправо и вниз, отре-
отрезанную часть поворачиваем на 90° против часовой стрелки (пре-
(превращаем отрезанную строчку в первый столбик).
Второй этап. Если новый первый столбик не самый высокий
(ниже второго), то отрежем и передвинем справа налево те чер-
иые квадратики, для которых слева есть свободное место. В кон-
конце второго этапа столбики расположатся по росту.
ш»>
С
0)
Рис. 79
Будем считать, что каждая черная клетка имеет две цело-
целочисленные координаты: номер столбца и номер строки, в которых
она стоит.
Основное соображение. Когда выполняется первый
этап, сумма координат каждой черной клетки не меняется, а
когда выполняется второй этап, для передвигаемых клеток она
уменьшается.
Рассмотрим теперь сумму обеих координат всех черных
клеток. Эта сумма не меняется на нервом этапе и уменьшается
на втором Отсюда следует, что второй этап можно повторить
лишь конечное число раз (сумма координат клеток — целое и по-
положительное число, поэтому она не может уменьшаться бесконеч-
бесконечно). Значит, начиная с некоторого момента, будет происходить
только первый этап. Следовательно, у каждой клетки сумма ко-
координат будет постоянной. С этого момента каждая клетка
(х; у) будет двигаться по циклу A; q—1) -*- B; q— 2)-»-...
г..-»-(<7—1; 1) -*¦ A; q—1), который мы назовем q-диагональю.
При этом незаполненной может быть лишь одна последняч
самая длинная диагональ. В самом деле, так как вторых этапов
уже ие происходит, то по ^-диагонали черные квадраты «ходят»
146
циклически с периодом q. Периоды в q-fi и в (q—1)-й диагона-
диагоналях отличаются на единицу. Поэтому не может случиться так,
что в (q—1)-й диагонали есть пустые клетки, а в q-н диагонали
есть хоть один черный квадрат, иначе черный квадрат q-fi диаго-
диагонали рано или поздно оказался бы справа от пустой клетки и"
пришлось бы провести второй этап.
Итак, пустые места могут быть лишь в последней диагонали.
Если п = ?(? + 1)/2, то все k диагоналей заполнятся; если
п ф k (k -\- 1) /2, то, очевидно, будут циклы.
Ступенчатые фигуры, составленные из квадратиков, а также
числовые таблицы такой формы, составленные из чисел 1, 2, ...
..., п, помогают решать многие задачи комбинаторики и алгебры,
связанные с подсчетом разбиений натурального числа на нату-
натуральные слагаемые, теорией представлений группы перестановок
и т. п. Они имеют специальное название — диаграммы Юнга.
Задача 6-11. Ответ: 144 числа.
Разобьем все десятизначные числа, удовлетворяю-
удовлетворяющие условию, на две группы. К первой отнесем те чис-
числа, которые кончаются на 5, а ко второй — те, которые
кончаются на 2.
Зачеркивая у всех чисел из первой группы по-
последнюю цифру 5, мы получаем все девятизначные
числа, у которых никакие две двойки не стоят рядом.
Зачеркивая у всех чисел из второй группы послед-
последние две цифры — 52, мы получаем все восьмизначные
числа, у которых никакие две двойки не стоят рядом.
Обозначим количество n-значных чисел, состоящих
из цифр 2 и 5, у которых никакие две двойки не стоят
рядом, через ап. Наше рассуждение показывает, что
flio = °э + «е-
Заметим, что оно годится для любого п ^ 3, т. е.
Поскольку ai = 2, а2 = 3, то по этой формуле
а3 = 5, а4 = 8, аь = 13 и т. д., аю = 144.
V Последовательность ап — это просто занумерованная с
третьего члена последовательность Фибоначчи (/¦"„) 1, 1, 2, 3, 5,
,.., т.е. an = Fn+2 — см. обсуждение задачи B-46).
Для возвратных последовательностей, у которых общий член
задается линейной функцией от нескольких предыдущих, суще-
существует стандартная процедура, позволяющая находить явную
формулу, задающую член такой последовательности как функцию
от его номера. Продемонстрируем ее на последовательности Фи-
Фибоначчи.
6* 147
Ищем геометрическую прогрессию ы* = аХк, удовлетворяю-'
щую соотношению un+i = un + un-i. Получаем уравнение А2—1
= Х+ 1. Находим его корни: А! 2 = (l ± УВ)/2. Таким образом,
.л + VsV
получаем две геометрические прогрессии вида о I —^ J и
с I J . Дли последовательности, полученной их почленным
сложением, также выполняется соотношение un+i = Мп + un-i-
Теперь находим Ъ и с так, чтобы формула
годилась для начальных членов Hi, Ыа-
Лля последовательности Фибоначчи щ = 1 и иг = 1, откуда
Ь= — с=1/Уб- Для последовательности (а„) из задачи 6-11
получаем формулу
.-уг
Задача 6-12. а) Ответ: первый.
После того как из круга выйдут 32 человека,
в нем останется 32 человека, и отсчет опять начнется
с пгрвого.
То же самое повторится снова: выйдут еще 16 че-
человек и отсчет опять начнется с первого. Пройдя еще
несколько раз по кругу, мы убеждаемся в том, что
останется первый.
б) Ответ: 1925-й.
Как видно из решения задачи г], если по кругу
стоят 2" человек, то первый (тот, с кого начинается
счет) останется в нем до конца. Пусть по кругу стоит
1986 человек. Будем идти по кругу, выводя их через
одного, и остановимся в тот момент, когда из круга
вышли 962 человека. В этот момент осталось 1986 —
— 962 = 1024 = 210 ребят и первый из оставшихся
имеет номер 2-962 + 1 = 1925. Он и останется в круге
до конца.
V Для общей задачи — когда по кругу стоят N ребят — но-
номер остающегося можно изящно определить с помощью двоичной
системы счисления: нужно записать число N в двоичной системе
и первую цифру (единицу) перенести в конец. Получится двоич-
двоичная запись искомого номера «водящего»,
148
Например: а) 64ю = 1000000а-> 00000012 = 1ю;
б) 1986,о = 111 ПООООЮг -*¦ 111 ЮОООЮЬ = 192510.
Было бы интересно найти решение аналогичной общей за-
задачи, когда из круга выходит каждый т-л (в конце остается
\т— 1) человек) (см. [94], упр. 1.3.2-22 и 5.1.1-2).
Задача 6-13. а) Ответ: 0.
Будем писать для удобства так: 0 = 1 и 1=0.
Обозначим (п + 1 )-й член построенной последова-
последовательности через Хп- х0 = 0, xi = 1, лг2 = 1, ... Нам
надо найти xi986-
На каждом шаге построения последовательности
ее длина удваивается. Выясним, на каком шаге по-
появится член JC|986. После 10 шагов мы получим 210 =
= 1024 члена последовательности, поэтому нам надо
сделать 11 шагов. На 11-м шаге мы должны припи-
приписать те же члены, что были до этого и заменить О
на 1, а 1—на 0, следовательно, xi9№ = Зс9б2 A986 —
— 1024 = 962). Рассуждая так же, мы найдем, что
Х962 = #45о (962 — 29 = 450), и т. д. В результате по-
получаем цепочку равенств
¦^1986 ^ -^962 == -^450 — -*М94 = #66 === -*-2 = ¦*•() === 0.
V При решении задачи 6-13 а) мы фактически пользовались
таким свойством данной последовательности:
1». *n = *n_2fc. где 2ft<n<2fc+l.
Другое решение этой задачи можно получить, опираясь на
следующие свойства нашей последовательности, которые будут
использованы и в решении задачи б): для всех п
2°. х2п = хп;
б) Ответ: непериодична.
Для доказательства заметим, что последователь-
последовательность можно строить по новому правилу: вначале есть
пара @; 1), затем к ней приписывается пара A; 0),
затем две пары: A; 0), @; 1) и т. д.: на каждом шаге
к уже имеющимся парам приписывается столько же
новых пар, которые получаются из старых заменой
каждой пары @; 1) на пару A; 0), а A; 0) — на
@; 1).
Допустим теперь, что данная последовательность
периодична и k — длина ее наименьшего периода.
Пусть сначала k = 2р — четное число. Тогда перио-
дп-шость последовательности означает, что существует
149
такое натуральное N, что при всех n~$sN выпол-
выполняется равенство хп = хп+2р. Но из нового правила
вытекает, что если разбить нашу последовательность
на пары (хо,Xi); (х2,ха) (х2п,x2n+i), ..., то пер-
первые члены всех пар составляют последовательность
х0, Х2, х^ ..., х2п, ..-, которая совпадает с исходной
^свойство 2°). Отсюда получаем хп = х2п = х2п+2Р —
*= %2(п+р) = Хп+Р, т. е. у последовательности есть пе-
период р, что противоречит тому, что 2р — наименьший
период.
Пусть теперь k = 2р + 1 — нечетное число. Тогда
в куске последовательности длины k разное число ну-
нулей и единиц. Предположим, что количество единиц
больше — по крайней мере р + 1 (случай, когда коли-
количество нулей больше, рассматривается аналогично).
Рассмотрим кусок последовательности длиной 2k.
В нем содержится не меньше чем 2р + 2 единиц, а ну-
нулей— не больше чем 2р, т. е. единиц по крайней мере
на 2 штуки больше. Но из нового правила вытекает,
что x2n+i = х2п (свойство 3°). Поэтому во всяком
куске нашей последовательности, начинающемся с
х2т, число единиц отличается от числа нулей не боль-
больше чем на единицу. Значит, последовательность не-
непериодична.
V Эта последовательность называется последовательностью
Jfiopca и часто встречается в разных областях математики (см.
задачу 6-18).
Общий ее член можно определить так: если запись числа п
р двоичной системе счисления содержит четное число единиц, тп
хп = 0; если же нечетное — то хп = 1.
Аналогичная последовательность получается из тройки 001,
если не удваивать, а утраивать куски:
001001 110001001 110 110 110001...
Эта последовательность называется «вальсом бесконечного поряд-
порядка», и, скользя по ней взглядом, можно как бы услышать мело-
мелодию вальса.
Интерес к таким последовательностям связан, в частности, с
теорией сложности по Колмогорову. Обе приведенные последова-
последовательности, будучи отнюдь ие случайными, обладают некоторыми
свойствами, требуемыми от таблиц случайных чисел. Так, доля
единиц среди первых k членов каждой из этих двух последова-
последовательностей стремится к половине при k -*¦ оог
150
Задача 6-14. Ответ: либо у А было число 20, а
у Б —число 21, либо у А —число 21, а у Б — чис-
число 22.
Нижеследующая таблица поясняет, какие выводы
может сделать умный зритель (например, мы с вами)
и делали А и Б на основании каждой реплики (реп-
(реплики даны сокращенно).
«I
1б
2А
2Б
А:
Б:
А:
Б:
Реплика
«Я
что
«Я
что
«я
что
«я
что
не знаю,
у тебя».
не знаю,
у тебя».
не знаю,
у тебя».
не знаю,
у тебя».
Вывод из реплики
У
У
У
У
А
Б
А
и
Б
не
не число
не 1 и не
не 1, не
не 3.
не 1, не
3 и не 4.
1.
2.
2
2,
Наш комментарий
Иначе А знал бы, что
у Б число 2.
Если бы у Б была 1,
то он знал бы, что
у А — число 2, а ее in
бы у Б было 2, то.
учитывая информа-
информацию из предыдущей
реплики, Б знал бы.
что у А число 3.
Иначе А знал бы,
учитывая предыду-
предыдущие выводы, что у Б
соответственно ити
3, или 4.
10А
юБ
А: «Я не знаю,
что у тебя».
Б: «Я не знаю,
что у тебя».
А: «Я знаю, что
у тебя».
У А не 1, не 2,
не 3 не 19.
У Б не 1, не 2,
не 3, .... не 20.
Либо у А число
20, тогда у Б —
число 21, либо
у А число 21,
тогда у Б —
число 22.
V Решая эту задачу, мы использовали соображения типа
«А думает, что Б думает, что ...». Подобные многократные от-
отражения действительности в умах людей (похожие на многократ-
многократные отражения в зеркалах) в последнее время привлекли внима-
внимание ученых и обсуждаются под названием «рефлексивных отра-
отражений» (латинское слово refiexus означает «отраженный») ').
') См. статью Тоом А. Л. На пути к рефлексивному ана-
анализу художественной прозы// Семиотика и информатика. Вып.
17. —М.: ВИНИТИ, 1981
Ы
Рис. 80
Из математических задач, где участвуют рефлексивные рассу-*
ждения, назовем серию задач «о мудрецах с запачканными лба-
лбами» (см. об этом, например, [55]).
Задача 6-15. Рассмотрим отображение /, nepei
водящее большую карту Ко в меньшую карту К\\
каждой точке, изображающей некоторый пункт на
карте Ко (Ko^>Ki), ставится в соответствие точка,
изображающая тот же пункт
на карте К\. Обозначим
через Кч образ карты К\
при этом же отображении
(рис. 80) и вообще поло-
положим f(Kn-l)= Кп, /1=1,
2, ... Прямоугольники Кв,
К\, К.2, ¦¦¦, Кп, ... имеют
ровно одну общую точку
х, поскольку размеры пря-
прямоугольников стремятся к
нулю.
Точка х и есть нужная точка прокола. Действи-
Действительно, из того, что х^.Кп-1, следует, что /(х)еК«
(для любого п). Тем самым точка f(x) тоже принад-
принадлежит всем прямоугольникам, а такая точка одна,
иоэтому х = f (х).
V Вообще, верна такая теорема: любое непрерывное ото-
отображение прямоугольника в себя имеет неподвижную точку. Так
что утверждение задачи 6-15 останется верным, даже если одну
карту смять и положить на другую карту (см. [30, 44, 98]).
К нашей задаче (когда карта не смята) возможен и другой
подход. Можно представить меньшую карту как полученную из
большей при помощи геометрического преобразования — компо-
композиции гомотетии и поворота. Если плоскость, на которой лежат
карты, представить как комплексную плоскость, то такое преобра-
преобразование представляется линейной функцией w (z) = qz -\- b, где
q, b, z — комплексные числа и q ф 0, 1.
Тогда неподвижная точка Zo находится как решение уравне-
уравнения z = qz + b, т. е. z0 = -т——.
Задача 6-16. Ответ: предел равен (l + л/ъI2.
Данная последовательность (ап) задается усло-
условиями щ = -у/\, а„+1 = У1+а„.
Сначала предположим, что у нее есть предел т.
Поскольку lim an+1 = lim an = т, перейдем в равен-
152
стве an+i = Vl + an к пределу и получим т = -у/\ -f- т.
Возводя в квадрат обе части полученного равенства,
приходим к квадратному уравнению т2 — т—1 = 0
при условии, что т > 0. Корнями этого уравнения бу-
. дут числа (l + V^)/2 и (l — л/5)/2, и, следовательно,
( V)/
)
Докажем теперь, что последовательность (а„) мо-
монотонно возрастает и все ее члены не больше числа
а; отсюда, по теореме Вейерштрасса, будет следовать,
что она имеет предел. Доказательство проведем по
индукции.
База индукции: а\ < а2 < т, т. е. 1 < у 1 + V? <
< (l + V^)/2> Здесь оба неравенства можно прове-
проверить почленным возведением в квадрат.
Теперь проделаем индукционный переход: пред-
предположим, что ctk-\ < ah < т, и докажем, что ак <
.< Cft+i < Т.
Неравенство cft < ak+x эквивалентно неравенству
Vl + ak-i < Vl + cft. Последнее неравенство верно,
так как по предположению индукции c^-i < ak.
Неравенство ctk+\ < т, или д/l + afe < т« эквива-
эквивалентно неравенству aft<;T2—1. Так как т2 — т —
— 1=0, то т2— 1 = т и, следовательно, ak < т.
Доказательство по индукции закончено.
V Заметим, что предел мы обозначили греческой буквой т
(тау), поскольку так принято обозначать замечательное число
(V5+ 1)/2 (см. задачу 3-14).
Если рассмотреть функцию / (х) = V1 + х, то последователь-
последовательность из задачи 6-16 можно представить себе как последователь-
ность f@), f(f(O)), f(f(f(O))), ...
Поведение последовательностей вида х0, f(xo), f(f(xo)),
f(f(f(xo))), ••• удобно изучать графически. В одной системе ко-
координат чертятся график функции у = f(x) и прямая у = х.
Тогда нашей последовательности соответствует геометрическая
процедура, изображенная на рис. 81. Из точки Мо (*о; 0) на
оси Ох проводим вертикальную прямую до пересечения с графи-
графиком функции у = f(x). Точка пересечения имеет координаты
No = (xu\ f(*o)). Из этой точки проводим горизонтальную пря-
прямую до пересечения с прямой у = х в точке Mt = (f{xo); f{xo)).
Из этой точки снова проводим вертикальную прямую до пересе-
пересечения с графиком функции у = f(x\ в точке Nt = (f(xo)\
153
и т. д. Абсциссы точек No, Nit ,j, (или ординаты точек Мо,
Mi, ...) являются членами нашей последовательности.
На рис. 81 изображен график функции / (х) = Vl + x из
задачи 6-16. Мы видим, что члены последовательности растут и
стремятся к числу т, где т—абсцисса точки пересечения графика
функции / (х) = Vl + х с прямой у = х. Вычисляя по формуле
xn+l = Vl + хп один за другим члены этой последовательности,
У
Р*х/
Hi
»2z
у=17+Х'
/Mo
-'/
/
О
ум*
Mf
i
г
. Рис.
2 3 Я
81
начиная с Ло = 0, мы тем самым находим все с большей точ-
точностью корень т уравнения хг — х — 1=0. Это наблюдение пояс-
поясняет следующий прием приближенного решения уравнений. Урав-
Уравнение F(x)= 0 переписывается в виде x = f(x). Выбирается
число хо и один за другим находятся члены последовательно-
последовательности хп по формуле. хп+1 =» f(jtn) при п :з> 1. Этот метод нахожде-
нахождения корней уравнения называется методом итераций или методом
последовательных приближений (см. [44, 64]).
Задача 6-17. Ответ: (V5+0/2.
Заметим, что все члены с^ последовательности
положительны и что число т= (-^5+l)/2 является
корнем уравнения т=1-|—. Покажем, что если
Gft < X, ТО Oft+i > Т И С/н-2 < Т.
Из неравенства аи < т вытекают следующие соот-
соотношения:
— и аА+2=1-Ь'
¦ = т«
164
1
1 + —. Последовательность
V Рассмотрим функцию / (х)
из задачи 6-17 есть последовательность f(l), f(f(l)), ... Поведе-
Поведение этой последовательности можно представить графически так
же, как и в предыдущей
задаче (см. рис. 82). J/,
Для знатоков. Знатоки,
конечно, заметили, что по- J|-
следовательность, рассмот-
рассмотренную в задаче 6-17, мож-
можно задать так: an = Fn+k/Fn,
где F* — k-й член последо-
последовательности Фибоначчи (см.
обсуждение задачи 6-11),
т. е. ап — подходящие дроби
1,
¦++•
1 +
1
1 + 1'
/
\g7
/
' \
1
I
7
11 1X-
1 +
1 +
2
Рис. 82
1 + 1
разложения числа т в бесконечную цепную дробь (см. [63]).
Задача 6-18. Ответ: @; 2),_ B; 0); (— 1 + л/Ъ;
- 1 + V5), (_ 1 _ V5; - 1 - ^5).
Подставив у = D — х2)/2 из первого уравнения
во второе, получим уравнение четвертой степени
2jc = 4-B-jc2/2J.
откуда *4/4 — 2a:2 + 2x = 0, или л; (л: — 2) (х2
~- 4) == 0. Решив это уравнение, найдем ответ.
.V Рассмотрим более общую систему уравнений вида
У
х-
-f(y)
(в задаче 6-18 f(x) = D-х2)/2).
Подставляя у из первого уравнения во второе, сведем задачу
к решению уравнения х = f(f(x)).
Ясно, что если х — неподвижная точка отображения /, т. е.
f(x) = х, то f(f(x)) = f(x) = х. Поэтому среди корней уравне-
уравнения x*=f(f(x)) будут все корни уравнения f(x) = *. В зада-
задаче 6-18 уравнение х = f(x) имеет вид х = D — х2)/2 и его корни
х = — 1 ± V5 Дают два решения исходной системы.
Два других ее решения, х = 0, Jt = 2, образуют «цикл» пе-
периода 2.
Для знатоков. Рассмотрим систему более общего вида:
2х2 =а — х\
2яс,-о-ж«.
4
(*)
Обозначим отображение х-*-(а — хг)/2 через f, a n-кратную ите-
итерацию этого отображения — через /".
Будем называть последовательность
орбитой точки Хо при отображении f.
Орбита точки Хо называется периодической (периода р), если
fn(x0) = хо и fk(x0) Ф хо при 1 ^ k < р.
Наша система (*) сводится к алгебраическому уравнению
fe(x)=x степени 2". Вопрос о том, имеет ли эта система реше-
решение (xi, Xz, ..., хр) с р различными числами (при данных значе-
значениях параметра а), можно сформулировать так: имеет ли ото-
отображение f орбиту периода р? Этому вопросу и вообще изучению
итераций непрерывных функций в последнее время посвящен ряд
серьезных математических работ.
На примере семейства отображений fa(x) = (а — х2)/2
(О ^ а ^ 8) можно проследить многие интересные феномены,
возникающие при итерациях отображений отрезка в себя, в част-
частности поведение орбит разных точек.
Нетрудно видеть, что при 0 ^ а ^ 8 наше отображение f3
переводит в себя отрезок [— 1 — V1 + а'г — 1 + Vl + а] и имеет
две «орбиты периода 1» (т. е. две неподвижные точки: х =
— — 1 ± Vl + о)- При 0 ^ а <: 3 других периодических орбит
у отображения fa нет. Можно доказать, что с возрастанием а
начинают появляться орбиты с другими периодами: при а > ai =
= 3 — с периодом 2, при а > аг = 5 — с периодом 4, при
0 >аз — 5,47 ... — с периодом 8 и т. д. Вообще, существует
возрастающая последовательность чисел ат такая, что при
а,п < а ^ am+i отображение имеет орбиты каждого из периодов
1, 2, 2а, .... 2т и не имеет орбит с другими периодами. Эта по-
последовательность сходится к критическому значению а„ =
= 5,6046 ... (найденному с помощью ЭВМ), после которого ха-
1 актер типичных орбит резко меняется. При этом последователь-
кость разностей ат — а«, ведет себя примерно, как геометриче-
геометрическая прогрессия со знаменателем К = D,66920 ...) -*. (Точно так
же и для многих других семейств непрерывных отображений воз-
возникают последовательности значений параметра ат, при которых
156
происходят «удвоения периодов», сходящиеся к критическим зна-
значениям а», причем всегда разность ат — а» стремится к нулю,
как прогрессия Ьт=сКт, т.е. отношение (ат—flm-i)/(flm+i—а,„)
всегда стремится к одному и тому же пределу К — постоянной
Фгйгенбаума.)
При а < а«, поведение орбиты почти любой точки х сравни-
сравнительно просто: если ат < а ^ am+i, то она приближается к не-
некоторой орбите периода 2т. Другим словами, при /7 = 2™ и
о ^ um+i одно решение нашей системы уравнений (*) можно
найти методом последовательных приближений.
Например, для функции ft(x) = D—*2)/2 из задачи 6-18
легко убедиться, что орбита любой точки х е [—2; 2] приближа-
приближается к орбите нуля @; 2; 0; 2; ...) периода 2.
При а ^ а.» картина резко усложняется: орбиты многих то-
точек х хаотически блуждают по некоторому бесконечному под-
подмножеству отрезка. Например, при а = а^ орбита нуля не при-
приближается ни к какой периодической орбите; более того, даже
последовательность @Я) знаков этих чисел непериодическая и
имеет сложное строение (см. таблицу).
п
/"@)
е„
1
2,80...
+
2
—1,12...
—
3
2,17...
+
4
0,44...
+
8
2,70...
+
6
-0,84...
—
...
...
...
Интересно отметить, что эта последовательность плюсов и ми-
минусов 0„ тесно связана с последовательностью Морса из зада-
задачи 6-13. Оказывается, что если под каждой парой соседних чле-
членов последовательности Морса написать знак «+», если эти
члены разные, и «—>, если они одинаковые, то получится в точ-
точности последовательность 0„:
0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 ...
При а > а» у отображения \а появляются периодические орбиты
не только периода 2". Какие в принципе периоды могут иметь
орбиты данного отображения, показывает следующая теорема
Шарковского (см. [78]).
Все натуральные числа упорядочиваются таким образом:
3,5,7,.
нечетные
3-2, 5-2, 7-2,
нечетные X 2
3 • 22, 5-22, 7-22, ...;...
нечетные х 4
...; ... 23, 22, 2, 1
степени 2
157
Тогда про каждые два натуральных числа можно сказать, какое
из них левее, а какое — правее. Если непрерывное отображение
отрезка в себя имеет орбиту периода г, то оно имеет и орбиты
всех периодов, стоящих правее, чем г.
Например, число 3 левее всех, и, в соответствии с этим, ото-
отображение, имеющее орбиту периода 3, имеет и орбиты всех пе-
периодов. Имеются и другие результаты о том, как могут меняться,
в зависимости от параметра, свойства итераций у семейств не-
непрерывных отображений отрезка в себя. Но многие наблюдения,
полученные при помощи ЭВМ, еще ждут своего объяснения.
Интерес к этой тематике объясняется тем, что она тесно свя-
связана с исследованием сложного, хаотического (случайного), т. е,
неустойчивого и непериодического, поведения динамических си-
систем с тремя и более переменными, моделирующих самые разные
физические процессы (см. [111, 113])'.
Задачи для самостоятельного решения
6-19. а) Найдите 1986-ю цифру после запятой в де-
десятичной записи числа 1/31.
б) При каких натуральных т < 31 период деся-
десятичной записи числа т/31 будет состоять из тех же
цифр, что и период числа 1/31?
6-20. а) Учитель предлагает ученику делить стол-
столбиком 19 на 73. Какая цифра будет стоять на 100-м
месте после запятой?
б) Пусть п — целое, 0 < п < 73. Число л/73 раз-
разлагается в бесконечную десятичную дробь. Докажите,
что в этой дроби не встречается двух одинаковых
цифр, стоящих подряд.
в) Укажите все простые числа р, для которых
в десятичных разложениях всех дробей п/р @ <С,
< п < р) нет двух одинаковых цифр, стоящих подряд.
6-21. Последовательность (а„) задается так: а^ =
= 7, ап+\ — сумма цифр числа а2п. Найдите я1000.
6-22. Последовательность (ап) задается так: Gi —
некоторое натуральное число, ап+\ — сумма квадратов
цифр числа ап, п^\. Докажите, что в этой последо-
последовательности обязательно встретится одно из чисел 1
или 89.
6-23. Последовательность (хп) задана своими пер-
ьыми двумя членами jq ф 0, х2 Ф^ 0 и условием
RXn — Хп_1«
Имеет ли период эта последовательность, если:
158
a) fe = V2; б) fe = V3; в) ft = (V5+l)/2; г) fe =
2"
6-24. Поток студентов пять раз сдавал один и тот
же зачет (не сумевшие сдать зачет приходили на сле-
следующий день). Каждый день успешно сдавала зачег
треть всех пришедших студентов и еще треть сту-
студента. Каково наименьшее возможное число студен-
студентов, так и не сдавших зачет за пять раз?
6-25. Жители островов Чунга и Чанга раз в год
на праздник обмениваются драгоценностями. Жители
Чунги привозят половину своих драгоценностей на
остров Чанга, а жители Чанги одновременно привозят
треть своих драгоценностей на остров Чунга. Так
продолжается с незапамятных времен. Какая часть
драгоценностей находится на каждом из островов?
(Никаких новых драгоценностей за это время на
островах не появилось, а старые не терялись.)
6-26. Решите систему
х2 = 1
6-27. Найдите с точностью до 0,01 сотый член
последовательности (хп), заданной условиями:
а) xie[0; 1], Xn+i = Xn(l — хп), n > 1;
б) Лае [0,1; 0,9], xn+i = 2хп(\—хп), п>1.
6-28. Последовательность многочленов
Р0(х)=1, Р1(х) = х, Р2(х) = х2-1, ...
задается условием
Докажите, что уравнение Рюо(л:) = 0 имеет 100 раз-
различных действительных корней.
6-29. Муравей прополз по ломаной #o#i#2#3...
из бесконечного числа звеньев #0#i, #i#2, Н2Н3,
Длины отрезков Н0Н1г Н\Н2 и Н0Н2 равны 5, 4 и Зсм;
159
HnHn+i — перпендикуляр, опущенный из точки Нп на
отрезок #„_2#п_1 (п = 2, 3, 4, .. .).
а) Какое расстояние прополз муравей?
б) На каких расстояниях от отрезков Н0Н2 и Н0Н\
находится точка, в которую он приполз?
6-30. В последовательности треугольников длины
сторон каждого последующего треугольника АпВпС„
равны длинам медиан предыдущего треугольника
An-iBn-iCn-i. Найдите длины сторон треугольника
АоообюооСюоо, если а' Ь, с — длины сторон треуголь-
треугольника А0В0С0.
6-31. В круг радиуса 1 вписан квадрат, в него—¦
круг, в него — правильный 8-угольник, в него — круг,
в него — правильный 16-угольник, в него — круг
и т. д.; в л-й круг вписан правильный 2п+1-угольник.
Докажите, что радиусы всех кругов больше 2/п.
6-32. Последовательность (ап) задана первым чле-
членом ai = 1 и условием с„+1 — ап +—§• • Докажите, что:
ап
а) эта последовательность не ограничена;
б) йдооо > 30.
в) Найдите предел Iim a
6-33. Последовательность (ап) задана первым чле-
членом а\ = 1 и условием а„+1 = —f--\ . Докажите,
что:
а) последовательность ограничена;
б) |alMo-2 |< C/4)ю<«>.
6-34. Найдите предел последовательности (с),
2
которая задается условиями: а\ =
6-35. Из тройки чисел а, Ъ, с образуем новую
тройку
\а — Ь\, \Ь — с\, \с — а\,
затем из этой тройки по тому же правилу — следую-
следующую и т. д. Всегда ли среди полученных таким обра-
образом чисел встретится 0, если числа а, Ь, с: а) целые;
б) не обязательно целые?
в) Те же вопросы для аналогичной операции над
иетверками чисел:
(а, Ь, с, d) -> (| а - Ъ |, | b - с |, | с - d \, | d - а |).
ISO
6-36. Население города состоит из п человек, и
каждый живет в отдельном домике. Однажды жители
города решили обменяться своими домами. После об-
обмена выяснилось, что расстояние между новыми до-
домами любых двух жителей не меньше, чем расстоя-
расстояние между их старыми домами. Докажите, что в ре-
результате обмена расстояния между домами любых
двух жителей города не изменились.
6-37. Выписываются подряд все числа, кратные
девяти:
9, 18, 27,36,45,54, 63, 72, 81, 90, 99, 108, 117
и для каждого из этих чисел находится сумма его
цифр:
9, 9, 9, 9, 9, 9, 9, 9, 9, 9, 18, 9, 9, ... (*)
Требуется указать закон, описывающий чередование
чисел в последовательности (*). На каком месте этой
последовательности впервые появится число 81, и ка-
каково будет следующее за ним число? Что раньше
встретится в этой последовательности — 4 раза под-
подряд число 27 или 3 раза подряд число 36?
6-38. Отрезок числовой оси от 0 до 1 покрашен
в зеленый цвет. Затем его средняя треть — отрезок
[1 21
~3' ~s\~ пеРекРашен в красный цвет; потом сред-
средняя треть каждого из оставшихся зелеными отрезков
тоже перекрашена в красный цвет, с оставшимися че-
четырьмя зелеными отрезками проделана та же опе-
операция, и так до бесконечности.
а) Найдите сумму длин красных отрезков.
б) Докажите, что число 1/4 будет зеленым до са-
самого конца.
2 2 2 2
в) Из суммы •з' + "9+-27"+"8Г+ ••• произволь-
произвольным образом вычеркнуто бесконечное число слагае-
слагаемых так, что осталось тоже бесконечно много слагае-
слагаемых; докажите, что их сумма — зеленое число.
г) Докажите, что все остальные числа (между 0
и 1) красные.
6-39. Назовем ломаной Дракона бесконечную по-
последовательность отрезков AOAU AiA2, A2A3, ... (на
плоскости), которая строится по следующему пра-
правилу. Сначала выбираются точки Ао и А\, отличные
друг от друга. Потом последовательно, по шагам,
F1
строятся следующие точки. На k-u шаге, где k = I,
2, ..., уже построенная ломаная АОАХ ... A2k-\ по-
поворачивается вокруг своей последней точки ~A2k-\ по
часовой стрелке на 90°. При этом повороте Ао пере-
переходит в A2k, Al переходит в Ал_х, вообще Ат пере-
переходит в A2k_m при всех /ле{0, 1, ..., 2к~1 — 1}.
Так получается ломаная А0А1 ... A2k, и затем де-
делается следующий шаг (рис. 83).
J
Ав >
в *
А
Аа А{
а) Постройте ломаную АоА\ ... Лзг-
б) Найдите общую формулу для последователь-
последовательности расстояний Л0Л,, АйА2, AtJA4 A0A2k, ...
в) Докажите, что ломаная Дракона ни по одному
отрезку не проходит дважды.
г) Ломаную Дракона удобно рисовать на клетча-
клетчатой бумаге (каждое звено — сторона клетки). Дока-
Докажите, что четыре бесконечные ломаные Дракона, вы-
выходящие из одного узла клетчатой бумаги в четырех
разных направлениях, проходят по всем отрезкам бес-
бесконечного листа клетчатой бумаги.
6-40. Гномы, живущие в белых и красных домн-
ках, ежегодно одновременно красят свои домики, при-
причем меняют цвет домика только те гномы, у кого
больше половины друзей прожили последний год
в домиках другого цвета. Докажите, что наступит год,
начиная с которого цвет некоторых домиков вовсе ке
будет меняться, а остальных — будет меняться каж-
каждый год.
УКАЗАНИЯ К ЗАДАЧАМ
ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ
2-23. Нужно выяснить, имеет ли уравнение 13* + 16(/ = 300
решение в целых неотрицательных числах (см. 2-1, 2-6, с. 16,20).
2-24. Отношение длин окружностей равно 40/18=20/9. По-
Поэтому гвоздь будет оставлять отметки через 9/20 длины большей
окружности (см. 2-8, с. 21).
2-25. См. 2-7, 2-8, с. 20—22.
2-26. Поскольку н. о. д. C60, 48) =24, вопрос а) сводится к
такому: существует ли фигура, которая при повороте вокруг точ-
точки О на 24е переходит в себя, а на 90° — нет?
2-27. См. 2-7, с. 20.
2-28. Можно проделать «спуск>, похожий иа алгоритм Ев-
Евклида (см. 2-4, с. 17), используя следующие утверждения:
н. о. д.(а — Ь, Ь) = н. о. д.(а, Ь); н. о. д.(а + Ь, Ъ) = н. о. д.(а, Ь);
если числа а и Ь нечетны, то н. о. д. B* ¦ а, Ь) = и. о. д. (а, Ь).
V Отбрасывание лишней степени двойки — основная идея
«бинарного алгоритма> отыскания наибольшего общего делителя,
который для чисел в двоичной записи (принятой в ЭВМ) удоб-
удобнее алгоритма Евклида (см. [94], т. 2, 4-5-2).
2-29. См. 2-4, с. 17.
2-30. Найдите сумму всех чисел в прямоугольнике двумя
способами: «по строкам> и «по столбцам:».
2-31. б) См. 2-9, 2-10, с. 22—23.
2-33. В равенстве pq—p— 9 + 1 = 6 левую часть можно
разложить на множители.
' 2-34. б) См. 2-10, с. 23.
2-35. б) Число п3—1 делится на п—1.
2-36. а) Многочлен х2 — (</ + IJ можно разложить на мно-
множители; после этого надо рассмотреть всевозможные разложения
числа 12 в произведение двух целых чисел одной четности.
2-38. См. 2-10, 2-16, с. 23, 27.
2-39. Если т и п не делятся на 5, то т4 — п1 делится на 5;
это можно доказать, выяснив, какие остатки дают квадраты (и
четвертые степени) при делении иа 5.
2-40. Разложите а* — 1 на множители, использовав формулу
из решения задачи 2-17 б), с. 29, и используйте то, что остаток
при делении а на k равен 1.
2-41. Три последние цифры любого натурального числа,
большего 100, те же, что и 100-й степени числа из его последних
трех цифр (и даже 100-й степени его последней цифры).
2-42. См. 2-13, с. 25. 2-43. См. 2-14, с. 26.
2-44. См. 2-15, с. 27.
2-45. а) п4 + 4 = (п2+ 2J — BпJ. б) См. 2-18, с. 29.
2-47. Достаточно доказать, что этот многочлен делится иа
каждый из многочленов х, х + 1, 2х + 1 (по теореме Безу, см.
комментарий к 2-17 б), с. 29^
163
2-48. Можно выяснить, при каких а и Ъ этот многочлен де-
делится на х — 1 (см. 2-17, с. 28—29), и выделить множитель
х—\.
V Многочлен р(х) делится на (х— dJ тогда и только тогда,
когда он сам и его производная р'(х) делятся на х — d.
2-49. Разделить многочлен /(*) на (х — 1)(х — 2) с остат-
остатком — значит представить его в виде
/(*) = g(x) (х- 1) (х- 2) + я* + ».
Найти числа а и b можно далее по теореме Безу (см. 2-17 б),
с. 29).
2-50. Для любого многочлена f(x) с целыми коэффициента-
коэффициентами число f(k) при четном k имеет ту же четность, что f@), a
при нечетном k — ту же, что и f(l).
2-51. Если многочлен с целыми коэффициентами имеет целый
корень с, то его значение в целой точке d (при с ф d) делится
Had —с (см. 2-17 б), с. 28).
2-52. Один из множителей должен быть многочленом третьей
(или мень.ией) степени. Такой многочлен не может принимать
значение 1 в четырех или более точках (это следует из теоремы
Безу). Докажите, что многочлен третьей степени не может при-
принимать в трех целых точках значение 1 и в двух — значение —1.
2-53. а) Рассуждая так же, как в задаче 2-40, можно убе-
убедиться, что если а5 +1 делится на 5т, то а5 +1 делится
на 5ra+i.
2-54. Выкладывая карточки в ряд, нужно следить за четно-
четностью количества карточек каждого типа. Обозначим через *k
произведение первых k чисел. Оно представляется в виде
где Ук — натуральное число, a S* = (а*; Р*; у*; 6*) — набор из
0 н 1. Наборы Sm и Sm+i отличаются только в одном из четырех
мест. Чтобы выполнялось условие задачи, нужно, чтобы ни один
из этих наборов не состоял из одних нулей и никакие два на-
набора Sm и Sn не совпадали при т Ф п. В самом деле, если ка-
какой-то набор Sk состоит из нулей, то произведение первых k чи-
чисел есть полный квадрат, а если какие-то два набора Sm и S..,
где т> п, совпали, то произведение чисел от (n -f- 1)-го до т-п
есть полный квадрат.
а) Задача сводится к такой: можно ли выписать подряд 15
ненулевых наборов из четырех цифр 0 и 1 друг за другом так,
чтобы каждые два соседних отличались ровно в одном месте, а
первым шел набор из трех нулей и одной единицы?
б) Подсчитайте общее количество наборов S (см. [7], зада-
задача 3-17).
в) Эту задачу для «знатоков> можно переформулировать
так: какое наибольшее число ребер n-мерного куба может со-
содержать цепочка ребер, не заходящая дважды в одну вершину?
2-55. Если а и b взаимно просты, то на каждой прямой
ах + by = с, где с — целое, растет дерево (см. 2-2, 2-6, 2-7,
с. 17, 20).
2-56. См. 2-21, с. 32.
2-57. В доказательстве можно использовать формулу для
164
функции Эйлера, приведенную в комментарии к решению 2-8,
с 22.
2-58. б) Доказательство удобно провести по индукции, начав
с конечной цифры 5 или 6.
V Вся бесконечная влево последовательность таких цифр
'(например, х = ...376) образует так называемое 10-адическое
число, для которого х2 = х; таким образом, в 10-адических чис-
числах квадратное уравнение хг = х имеет, кроме решений х=0=
= ...000 и х = 1 = ...001, еще два решения. В теории р-ади-
ческих чисел причудливым образом сплетаются свойства целых
и вещественных чисел (см. [82]).
2-59. Пусть тройка чисел (х0; уо; z0) — решение данного
уравнения. Тогда все тройки, полученные из нее перестановками
чисел Хо, ув, г0 — тоже решения. Если подставить в уравнение
тройку (х; уо', Zo), то из полученного квадратного относительно х
уравнения находится новое решение исходного уравнения.
2-60. Рассмотрите одновременно число (д/з + УгI987 =
= a V3 + Ь V2-
2-61. Полезно с числом a2 -{-ab + № из М связать выраже-
выражение а + 6ш и при перемножении двух таких выражений считать
со2 равным и — 1 (тогда будет выполняться, в частности, равен-
равенство (о -f- ba) (a — Ьш2) = а2 -\-ab + Ь2). Буквой а> здесь обозна-
обозначено комплексное число (l + V—з)/2, а — со2 = 1 — ш =
= A — V—3 )/2 — сопряженное к нему число.
2-62. Можно взять у = х\ —1.
3-26. 1) См. решение и комментарий к 3-7, с. 50—51, рис. 18.
3) Если п = able, то с/а = Ь/п.
4) Пусть m = a V2 = V + а2,
тогда о V2/( V2 + л/з) = ат/(т + п).
_ 4
6) Пусть т = V2 а, тогда а -\[2 = л/т • а.
3-27. По поводу таких построений см. 3-2, с. 45—47. В п. 1)
*Jb2 — а2 = У(Ь — а) (Ь + а), в п. 2) а Уз" = л/За-а, в п. 3) а л/2 =
= д/2о • а, так что в этих пунктах построения сводятся к пост-
построению среднего геометрического -yah отрезков а и Ь — с. 51,
рис. 18. Для этого повторите рис. 18, проведите на нем ра-
радиус ОК и отрезок, симметричный ему относительно прямой КВ.
4) Здесь можно использовать уже построенный в п. 3) от-
отрезок а ¦у/2-
3-28. См. 3-3, с. 47.
3-29. Здесь удобно использовать метод геометрических
мест — см 3-4, с. 48. Геометрическое место середин отрезков,
один конец которых находится в данной точке, а другой — на
данной окружности, является окружностью.
3-30—3-31. Здесь удобно действовать методом подобия —
см. 3-6, с. 49—50.
3-32. Наиболее удаленная от начала координат вершина пря-
прямоугольника находится на прямой у = п + ~ 2х.
2,33. г Ул = г Уп~ГТ/1.
165
3-34. Воспользуйтесь тождеством cos <р=4со5"— 3cos~.
Пусть cos ¦—¦ = х, тогда 4х3 = cos q> -f- Зх.
о
3-35—3-36. Удобно отражать от стенок сами фигуры: угол и
биллиард—см. 3-16, с. 61. В 3-36 рассмотрите сначала биллиард
размерами 3X5 н сделайте рисунок.
3-37. Опишите окружность около треугольника ABC.
3-38. См. 3-8, с. 51.
3-39. Используйте 3-14 (с. 58) и то, что 1/6—1/10 = 1/15.
3-40. Эллипс — геометрическое место точек плоскости, сумма
расстояний от которых до двух данных точек этой плоскости
постоянна. Гипербола — геометрическое место точек плоскости,
модуль разности расстояний от которых до двух данных точек
этой плоскости постоянен
3-41. б) Докажите, что если отрезки лежат на разных пря-
прямых, то любая ось симметрии объединения отрезков является
осью симметрии одного из отрезков.
3-42. Здесь удобно действовать методом подобия — см. 3 6,
с. 49.
3-43, 3-44. См. 3-10, с. 53—55.
3-46. Докажите, что три общие хорды трех попарно пер~~л-
кающихся окружностей пересекаются в одной точке, и восполь-
воспользуйтесь предыдущей задачей 3-45.
3-47. Среди вершин правильного двенадцатиугольника моЖ1 э
разными способами выбрать четыре вершины, все попарные рас-
расстояния между которыми различны.
3-48. Доказательство удобно провести методом математиче-
математической индукции (см. с. 112) по числу прямых.
3-50. См. 3-19, с. 66. Геометрическое место центров шаре >,
касающихся двух пересекающихся плоскостей, — пара перпен-и-
кулярных плоскостей. Геометрическое место центров шаров, к -
сеющихся трех попарно пересекающихся плоскостей, — Пересе -
ние двух пар плоскостей, т. е. четверка прямых. Число точек, о,
наково удаленных от четырех попарно пересекающихся плоски-
стей, не более восьми.
3-51. Не все части являются тетраэдрами, некоторые из
них — октаэдры (рис. 67 на с. 122).
3-52. См. 3-19, с. 66.
3-53. а) Плоскость, проходящая через середину диагонал i
куба и перпендикулярная ей, — геометрическое место точек, р
ноудаленных от ее концов. Найдите на ребрах куба такие точк..
б) Разделите диагональ иа три равные части и найд! ->
формулу для S(x) в каждой из этих частей. Площадь проект i
сечения на грань куба равна S(*)-sin<P, где <р — угол между
диагональю и гранью куба.
3-54. Докажите, что трехгранные углы тетраэдра равны (см.
3-24, 3-25, с. 71—73).
3-55. Нарисуйте сначала плоскую схему такого многогран-
многогранника (см. 3-23, с. 70).
3-56. Докажите, что: а) площадь «дольки» — сферическо: j
двуугольника, высекаемого на сфере двугранным углом трехгран-
трехгранного угла, равна 2а, где а — величина двугранного угла; б) сфе-
сферический треугольник является пересечением трех двуугольников,
образованных тремя двугранными углами трехгранного угла.
166
4-25. Наибольшее значение достигается при а = Ь. Можно
выразить все нужные элементы треугольника, например, через
еличину острого угла.
4-26. Воспользуйтесь тем, что /@) = /A) = 1, а наименьшее
тчение М"о") функции /(*) не меньше чем — 1.
4-27. См. 4-5, с. 82.
4-28. Сумма трех наименьших чисел не больше, чем утроен-
ое среднее арифметическое всех 10 чисел.
4-30. См. 4-3, с. 80. Начните с того, что посчитайте все пло-
площади для нескольких характерных случаев: точка в вершине,
середине стороны, в точке пересечения медиан.
4-31. Сначала полезно найти, какую наименьшую величину
ожет иметь произведение диагоналей.
4-32. Сколько, самое меньшее и самое большее, стоит одна
вторучка?
4-33. Можно действовать так же,_как в 4-6 б), с. 83, 84, ис-
используя равенство l/(_V3 — l) = (Уз + l)/2.
V Разложение Уз в цепную дробь получается периодиче-
ким. То, что 220 вольт и 127 вольт — обычное напряжение в
ети, не случайно — см. [57].
4-34. См. 4-8, с. 85.
4-35. См. 4-9, с. 88. Обозначим через р то расстояние, кото-
ое человек успевает пройти от одного обгона до следующего,
.огда
5р < 4 < 7 р.
7р < 7 < 9р.
(х-1)р< 17 < (х + 1)/7,
ае х — искомое число автобусов.
4-37. Пусть S — сумма всех одиннадцати чисел. Тогда каж-
ое из них есть корень уравнения х = (S — хJ, имеющего не
L/Олее двух решений. Поэтому среди искомых чисел не больше
вух различных.
4-38. Найдите отношение значения данной величины при
п = k -f- 1 к значению при n = k и выясните, при каких k это
отношение больше 1, а при каких — меньше (см. 4-13, с. 91).
4-39. Полезно рассмотреть сначала случай, когда все числа
равны между собой. Чтобы получить для п оценку сверху, удоб-
удобно сложить неравенства а? + а^^2а^а^, где а* A ^ k ^ п) —
исла, о которых идет речь в условии задачи.
4-40. См. 4-15, с. 91.
4-41. Интегралы в левой части можно представить как пло«
щади криволинейных треугольников, расположенных под и над
графиком функции у = sin x (см. 4-16, с. 94).
4-42. Здесь удобно использовать тот же прием, что и в до-
доказательстве каждого неравенства 4-15, с. 91; в одном из случаев
надо также учесть неравенство треугольника.
4-43. а) Представьте данные числа как степени с одинако-
одинаковыми показателями и сравните основания этих степеней.
о oSS 4-2>48
б) Чтобы сравнить числа 2а--5 и 3 , достаточно срав-
сравнить 29 с З4 и З08 с 2148 (т. е. D-У9 с 2 —см. 4-4, с. 81
167
в) Сравните числа log5F/5), logeF/5)', Ioge'G/6)",
г) Можно использовать равенство
2 sin 7° ¦ sin 5° = cos 2° — cos 12°.
Другие решения пунктов в), г) и д) можно получить, используя
следующий факт: если функция lgf(x) выпукла вверх (см. 4-18,
с. 96), то f(x+l)/f(x) > f(x)/f(x-l).
4-44. Можно рассуждать так же, как в решении задачи 4-18,
с. 95, используя функции: a) f(x) = 1/A + *); б) f(x) = lgsin*.
4-45. В искомую сумму выгодно включать лишь двойки и
тройки.
4-46. См. 419, с. 97.
4-47. Оцените количество узлов бесконечной сетки из пра-
правильных треугольников со стороной 1, лежащих в круге радиу-
радиуса 10 с центром в одном из узлов сетки (достаточно подсчитать
количество узлов, лежащих в правильном шестиугольнике со
сторонами длины 10, идущими по линиям сетки).
4-48. См. 4-23, с. 100.
4-49. Отразив гипотенузу симметрично относительно катетов,
получим на ее образах — двух параллельных отрезках — новые
точки К' и И' — образы точек К и Н. Задача сводится к тому,
чтобы минимизировать длину ломаной K'PQH'. (Положений то-
точек Р и Q, при которых достигается минимум длины, здесь бес-
бесконечно много.)
4-50. Квадрат расстояния между двумя точками, движущи-
движущимися равномерно и прямолинейно, выражается квадратным трех-
трехчленом от времени (это проще доказать, перейдя к системе ко-
координат, связанной с одной из этих точек). По трем значениям
квадратного трехчлена можно вычислить его коэффициенты, а
затем — найти его минимум.
Б-22. б) Отрицательные числа имеет смысл вписать в пять
клеток — центральную и в четыре, имеющие с ней общую вер-
вершину, — а положительные — в остальные 20 клеток.
5-23. Улитка могла проползти от 4 до 12 метров (см. 5-1,
с. 107-108).
5-24. См. 5-3, с. ПО.
Б-25. См. 5-5, с. 111—112.
5-26. а) Полезно рассмотреть сначала ситуацию, когда в
автобусе едут 2, 3 и 4 человека.
б) После размена у каждого должна остаться хотя бы одна
монета.
в) Полезно выяснить, сколько среди 15 человек таких, у ко-
которых только одна 15-копеечная монета.
5-27. Удобно составить таблицу, в которой строки соответ-
соответствуют цветам, а столбцы — фасонам.
5-28. См. 5-6, с. 112.
5-29. а) Постройте с помощью циркуля и линейки треуголь-
треугольник по двум сторонам и углу против одной из них. Исследуйте,
сколько решений имеет эта задача на построение.
б) Рассмотрите два треугольника: один со сторонами 1, а,
а2, второй — со сторонами а, а2, а3. При каких а существуют
эти треугольники?
5-30 Докажите, что один из углов между биссектрисами тре-
треугольника ие меньше 60° (выразите для этого углы между бис-
биссектрисами через углы треугольника), Оцените площадь четырех-
168
угольника, диагоналями которого являются эти биссектрисы. См.
[36], задача 272.
5-32. Эта задача связана с равенством
4 + 4-23 + 4-33 + • • • + 4-/г3 = &(k + IJ.
5-33. г) Попробуйте сначала разрезать прямоугольный тре-
треугольник на два равнобедренных.
Б-35. а) Внутренний четырехугольник не обязательно вы-
выпуклый.
б) Длина любого отрезка, расположенного внутри четырех-
четырехугольника, не превосходит половины его периметра.
5-36. б) Рассмотрите случаи четного и нечетного п (см. 5-16,
с. 123).
5-37. а) Рассмотрите проволочный икосаэдр, см. 5-15 б),
с. 122.
б) Попробуйте посчитать число отрезков (см. 5-16 6), 5-17 6),
с. 123).
5-38. Удобно каждое из чисел от 1 до 81 представить в виде
суммы степеней тройки, т. е. записать в троичной системе счис-
счисления.
5-40. Если 7/8 = qk, 9/8 = q" для некоторых целых k и п,
то 7я-9* = 8"+*.
5-41. б) Если у каждого выключателя два состояния (вклю-
(включен — выключен), то у трех выключателей всего восемь различ-
различных состояний, одно из которых соответствует случаю, когда все
лампочки погашены.
5-42. Изобразим задачи черными кружками, участников —
белыми и от каждого участника проведем отрезки к тем зада-
задачам, которые он решил. Тогда все отрезки образуют один или
несколько замкнутых путей — циклов.
г) В каждом цикле выбор осуществляется двумя способами,
а циклов — не более 10.
5-43. Удобнее описать периодическую расстановку офицеров
на бесконечной клетчатой плоскости Оху, разбитой на квадраты
5 X 5, в каждом из которых повторяется расстановка с нужными
свойствами. Офицеров каждого ранга можно расставить вдоль
параллельных друг другу наклонных прямых одного направления,
скажем, с угловым коэффициентом 1, а каждого рода войск —
другого направления, скажем, с угловым коэффициентом 2.
V Нужную расстановку можно получить также с помощью
конечного поля из остатков от деления на 5 — см. комментарий
к 5-20, с. 127.
5-44. а) Возьмем отрезок, поместим три вершины внешней
пирамиды очень близко к одному его концу, а четвертую — к
другому. Две вершины внутренней пирамиды поместим вблизи
одного конца отрезка, а две другие — вблизи другого.
б) Эта задача — обобщение следующей теоремы: периметр
выпуклого многоугольника меньше периметра любого содержа-
содержащего его многоугольника.
5-47. Станции можно расположить в вершинах куба.
5-48. В таком многограннике все ребра одного направления
имеют одинаковую длину и для каждой пары направлений суще-
существуют ровно две грани с соответствующими направлениями
сторон.
5-49. б) Многочлен в пункте а) можно записать как
Сх +C?+J/+1 (см. комментарий к 2-16, с. 28).
169
5-50. Найдите множество значений многочлена A —
6-19. См. 6-1 б) с. 139.
6-20. в) Докажите, что если в разложении дроби п/р, 0 ¦<
< п < р, в десятичную дробь где-то стоят две одинаковые циф-
цифры а, то существует натуральное число т такое, что т/р =>
= 0, аа..., т. е. выполняются неравенства
0<^ ioo-fl<Too-
Задача сводится к такой: нужно выбрать простые р такие,
что ни при каком натуральном о ^ 9 двузначное число, образо-
образованное двумя последними цифрами числа Ира, не превосходит
числа 100 — р.
6-21. Найдите период.
6-22. Докажите, что если а„ :> 163, то an+i < an. Остается
исследовать случаи, когда а.\ ^ 162.
6-23. См. 6-3, с. 140.
6-24. См. 6-2, с. 139—140.
?-25. См. 6-5, с. 141.
6-26. См. с. 153—156. Начертив графики функций у = 1 — хг
и у = х, нужно изучить поведение последовательности (*„), за-
заданной соотношением xn+i = 1 — х\ при различных xt. Ответ в
задаче зависит от четности п.
6-27. а) Функция f(x)=x(\ — x) возрастает при 0<х<1/2;
{(х) г=: 1/4 при 0 =s; х ;sr 1 и f A/и) <з Щи + 1} можно показать,
что х-, < 1/(я + 2) при п > 1.
б) Удобно сделать замену хп = ¦„- + hn.
6-28. Можно доказать методом математической индукции, что
Рп(х) имеет п корней. Учитывая чередование знаков многочлена
Pn+i(x) в точках, где Рп(х) обращается в 0, можно доказать,
что между каждыми двумя корнями Рп(х) лежит корень Pn+i(x);
кроме того, определив знак Рп(х) и Рп+\(х) при больших по мо-
модулю значениях х, можно доказать, что Рп+\{х) имеет корень
справа от наибольшего из корней Рп[х) и слева от наименьшего
его корня.
6-29. а) Путь муравья состоит из отрезков, длины которых
составляют две бесконечно убывающие геометрические прогрес-
прогрессии.
6-30. Треугольники, взятые через один, будут подобны друг
другу.
6-3J. Используйте неравенство sin х <_х при х > 0.
6-32. б), в) Можно доказать неравенство аъп > Зи и оценить
разность ап — Зл.
6-33. Оба утверждения можно доказать методом математи-
математической индукции (см. 6-16, с. 153): если неравенства
0<2 — ап< C/4)"
верны для n = k, то они верны и для п = А + 1.
6-34. Можно указать q <C 1 такое, что (начиная с некото-
некоторого п) ап+1 < qan.
6-35. б) Рассмотрите тройку чисел вида fex2, kx, k.
6-36. Рассмотрите сумму всех попарных расстояний — она,
конечно, не меняется при переселениях.
170
6-38. Удобно числа между 0 и 1 рассматривать как беско-
бесконечные троичные дроби из цифр 0, 1, 2; числа, о которых гово-
говорится в пункте в) — те, в троичной записи которых бесконечно
много нулей и двоек и иет ии одной единицы.
6-39. в) Для доказательства удобнее использовать другой
способ построения ломаной Дракона, чем указанный в условии
(конечно, нужно доказать, что он приводит к той же ломаной):
на п-м шаге на каждом звене уже построенной ломаной, как на
гипотенузе, строится равнобедренный прямоугольный треуголь-
треугольник, причем попеременно — справа и слева (так, что соседние
треугольники получаются один из другого поворотом на 90° во-
вокруг общей вершины); катеты построенных треугольников обра-
образуют новую ломаную; повернув ее на 45е относительно началь-
начальной точки и увеличив подобно в V2 раз, можно переходить к
(п + 1) -му шагу. (Подробный рассказ о ломаных Дракона см. в
«Кванте» № 2, 1970.)
г) Известное нам доказательство использует гауссовы (целые
комплексные) числа; было бы интересно найти простое элемен-
элементарное решение.
6-40. Нарисуем домики всех гномов на одном листе бумаги
в двух экземплярах. На первом экземпляре будем закрашивать
домики (по правилам, указанным в задаче) в нечетные годы
'A-й, 3-й, 5-й и т. д.), на втором экземпляре — в четные годы.
Соединим каждый домик с домиками друзей гиома, который
в нем живет, иа другом экземпляре. Для полученной схелы (она
называется двудольным графом) можно использовать тот же
прием, что и в решении 6-7, с. 142.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Сборники олимпиадных задач
1. Б а б к н с к а я И. Л. Задачи математических олимчиад. —
М.: Наука, 1975.
2. Б р у д н о А. Л., К а п л а н А. И. Олимпиады по про-
программированию для школьников.—М.: Наука, 1985.
3. Васильев Н. Б., Егоров А. А. Сборник подготови-
подготовительных задач к Всероссийской олимпиаде юных математиков.—
М.: Учпедгиз, 1963.
4. Васильев Н. Б., Савин А. П. Избранные задачи
математических олимпиад. — М.: Изд-во МГУ, 1968.
5. Венгерские математические олимпиады. — М.: Мир, 1976.
6. Задачи Московских математических олимпиад/Сост.
Гальперин Г. А., Т о л п ы г о А. К- — М.: Просвещение, 1986.
7. Избранные задачи. — М.: Мир, 1977.
8. Интересные задачи для любителей математики. Из ста-
старых русских задачников/Под ред. С. Н. О л е х н и к а, М. К- П о -
та по в а. — М.: Наука, 1984.
9. Морозова Е. А., Петраков И. С. Международные
математические олимпиады. — М.: Просвещение, 1971.
10. Сборник задач московских математических олимпиад/
Сост. Л е м а н А. А. — М.: Просвещение, 1965.
11. С. Н. Олехник, Ю. В. Нестеренко, М. К- Пота-
Потапов. Старинные занимательные задачи. — М.: Наука, 1985.
12. Физико-математические олимпиады/Сост. Брук Ю. М.,
Савин А. П. — М.: Знание, 1977.
13. Штейнгауз Г. Сто задач. — М.: Наука, 1986.
Статьи «Всесоюзная заочная олимпиада»
14. «Наука и жизнь».— 1968, № 11 (задачи); 1969, К» 2 (ре-
(решения) ;
«Комсомольская правда». — 9 января 1965 г.; 16 октября
1965 г.; 16 декабря 1967 г.;
«Учительская газета». — 16 октября 1965 г.; 22 октября
1966 г.;
«Математика в школе». — 1967, № 1.
Книги из серии «Библиотечка физико-математической шко-
школы». — М.: Наука
15. Башмаков М. И. Уравнения и неравенства. — 1976.
16. Васильев Н. Б., Гутенмахер В. Л. Прямые и кри-
кривые. — 1978.
172
17. Васильев Н. Б., Молчанов С. А., Розен-
тал ь А. Л., Савин А. П. Математические соревнования (гео-
(геометрия).— 1974.
18. Гельфанд И. М., Глаголева Е. Г., Кирил-
Кириллов А. А. Метод координат. — 1975.
19. Кириллов А. А. Пределы.— 1973.
Книги из серии «Библиотека математического кружка»
20. Прасолов В. В. Задачи по планиметрии, ч. I, II. —
М: Наука, 1986.
21. Р а д е м а х е р Г., Теплиц О. Числа и фигуры. — М.:
Физматгиз, 1962.
22. Шклярский Д. О., Ченпов Н. Н., Яглом И. М.
Избранные задачи и теоремы планиметрии. — М.: Наука, 1967
23. Шклярский Д. О., Ченцов Н. Н., Яглом И. Л1.
Избранные задачи и теоремы элементарной математики. Геомет-
Геометрия (стереометрия). — М.: Гостехиздат, 1954.
24. Ш к л я р с к и й Д. О., Ч е н ц о в Н. Н., Я г л о м И М.
Геометрические неравенства и задачи на максимум и минимум.—
М-: Наука, 1970.
25. Шклярский Д. О., Ченцов Н. Н., Яглом И. М.
Геометрические оценки и задачи из комбинаторной геометрии. —
М.: Наука, 1974.
26. Яглом И. М. Геометрические преобразования, ч. I, II.—
М.; Л.: Гостехиздат, 1956.
27. Яглом И. М., Болтянский В. Г. Выпуклые фигу-
фигуры.— М.; Л.: Гостехиздат, 1954.
28. Яглом А. М., Яглом И. М. Неэлементарные задачи в
элементарном изложении. — М.: Гостехиздат, 1954.
Книги из серии «Библиотечка «Квант». — М.: Наука
29. Башмаков М. И., Б е к к е р Б. М., Г о л ь х о в о й В. М.
Задачи по математике (алгебра и анализ).— 1982.
30. Болтянский В. Г., Ефремович В. А. Наглядная
топология. — 1982.
31. Гиндикин С. Г. Рассказы о физиках и математи-
математиках.—1985.
32. Данилов И. Д. Секреты программируемого микрокаль-
микрокалькулятора. — 1986.
33. Занимательно о физике и математике/Сост. Кро-
Кротов С. С. и Савин А. П.; Под ред. Л. Г. Асламазова —
1986.
34. Оре О. Приглашение в теорию чисел. —1980.
35. Тихомиров В. М. Рассказы о максимумах и миниму-
минимумах. — 1986.
36. Ш а р ы г и н И. Ф. Задачи по геометрии. Планиметрия. —
1986.
37. Штейнгауз Г. Математический калейдоскоп.— 1981.
Статьи из журнала «Квант»
38. А ш м а н о в С. Числа и многочлены. — 1980, № 2.
39. Балк М. Поиск решения.— 1976, № 9.
40. Балк К-, Балк М., Болтянский В. Метод малых
шевелений,.— 1979, № 4.
173
41 Башмаков М. Любите ли вы возиться с целыми чис-
числами?—1971, № 3.
42. Беве Л. Миии-геометрия, — 1976, № 6.
43. Б о л т я н с к и й В. Г. Шесть зайцев в пяти клетках. —
1977, № 2.
44. Б о лт я некий В. Г. Метод итераций,— 1983, № 3.
45. Брудно А. Л. Вокруг циркуля.— 1974, № 10.
46. Вагутен В. Н. Близкие дроби.— 1975, № 7.
47. В а р п а х о в с к и й Ф. Л., Колмогоров А. Н. О ре-
решении 10-й проблемы Гильберта. — 1970, № 7.
48. Васильев Н. Б., Г у т е н м а х е р В. Л. Пары чисел и
действия с ними.— 1985, № 1.
49. В е р т г е й м Б. Метод неподвижных точек. — 1980, № 6.
50. 3 а л г а л л е р В. Непрерывно изгибаемый многогран-
многогранник.—1978, № 9.
51. Ки р и л л о в А. А. О правильных многоугольниках, функ-
функции Эйлера и числах Ферма.— 1977, № 7
52. Крейн М. Г. Диофантово уравнение Маркова. —1985,
№ 4.
53. Курдюмов Г. Консервативность бесконечного строя. —
1979. № 7.
54. Матиясевич Ю. В. Формулы для простых чисел. —
1976, № 5.
55. Мил г А. А. Что сказал проводник.— 1973, № 8.
56. Нестеренко Ю. В., Никишин Е. М. Очерк о цеп-
цепных дробях. — 1983, № 5, 6.
57. Раббот Ж. М. Знаете ли вы, что 220 вольт/127 вольт»
^-у/3?— 1978, № 11.
58. То ом А. Л. Из жизни единиц. — 1974, № 9.
59. То ом А. Л., Гутеимахер В. Л., Раббот Ж. М.
Решения задач из задачника «Кванта». — 1970, № 8.
60. Фомин С. В. Разложение на множители.— 1983, № 7.
61. Фукс Д. Б., Фукс М. Б. О наилучших приближе-
приближениях.—1971, № 6, 11.
62. Яглом И. М. О хордах непрерывных кривых.— 1977,
№ 4.
Книги из серии «Популярные лекции по математике». — М.:
Наука
63. Воробьев Н. Н. Числа Фибоначчи. — 1983.
64. В и л е и к и н Н. Я. Метод последовательных приближе-
приближений — 1968.
65. Г е л ь ф о н д А. О. Решение уравнений в целых числах.—
1943.
66. К а л у ж н и н Л. А. Основная теорема арифметики. —
1969.
67. К о р о в к и н П. П. Введение в неравенства. — IS83.
68. К о с т о в с к и й А. Н. Геометрические построения од-
одним циркулем. — 1984.
69. М а р к у ш е в и ч А. И. Возвратные последовательно-
последовательности. —1983.
70. Смогоржевский А. С. Линейка в геометрических
построениях.— 1957.
71. Успенский В. А. Треугольник Паскаля.— 1979.
72. Ш а ш к и н Ю. А. Эйлерова характеристика. — 1984.
174
Книги из серии «Занимательная математика». — М.: Мир
73. Гарднер М. Математические головоломки и развлече-
развлечения. — 1971.
74. Гарднер М. Математические досуги. — 1972.
75. Гарднер М. Математические новеллы. —1974.
76. Математический цветник.— 1983.
Учебники, статьи, монографии
77. Алексеев В. Б. Теорема Абеля в задачах и реше-
решениях.— М.: Наука, 1976.
78. Ахромеева Т. С, Курдюмов С. П., Малинец-
к и й Г. Г. Парадоксы мира нестационарных структур/Новое в
жизни, науке, технике. Серия «Математика, кибернетика». — М.:
Знание, 1985.
79. Арнольд В. И. Математические методы классической
механики. — М.: Физматлит, 1974.
80. Беккенбах Э., Беллман Р. Неравенства. — М.:
Мир. 1965.
81. Башмакова И. Г. Диофант и диофантовы уравне-
уравнения. — М.: Наука, 1972.
82. Б о р е в и ч 3. И., Ш а ф а р е в и ч И. Р. Теория чисел. —
М.: Наука, 1985.
83. Берже М. Геометрия, ч. I, II. — М.: Мир, 1984.
84. Бур бак и Н. Теория множеств. — М.: Мир, 1970.
85. ван дер Варден Б. Л. Алгебра. — М.: Наука, 1979.
86. В е б е р Г., В е л ь ш т е й н И. Энциклопедия элементар-
элементарной математики. Т. 1—3. — Одесса: Матезис, 1906, Гл. II, §101.
87. В и л е н к и н Н. Я. Комбинаторика. — М.: Физматлит,
1969.
88. Виноградов И. М. Основы теории чисел. — М.: Нау-
Наука, 1972.
89. Г а р д н е р М. Математические чудеса и тайны. — М.:
Наука, 1S86.
90. Гильберт Д. Основания геометрии. — М.; Л.: Гостех-
издат, 1948.
91. Гильберт Д., Кон-Фоссен С. Наглядная геомет-
геометрия.— М.: Наука, 1981.
92. Зыков А. А. Введение в теорию графов. — М.: Наука
(в печати).
93. Кордемский Б. А. Математическая смекалка. — М.:
Наука, 1965.
94. Кнут Д. Искусство программирования для ЭВМ. Т. 1—
Э — М.: Мир, 1976—1978.
95. К о к с е т е р Г. С, Г р е й т ц е р С. Л. Новые встречи с
геометрией. — М.: Наука, 1978.
96. Ко кет ер Г. С. Введение в геометрию. — М.: Наука,
1966.
97. К У з н е ц о в О. П., А д е л ь с о н - В е л ь с к и й Г. М.
Дискретная математика для инженера. — М.: Энергия, 1960.
98. К у р а н т Р., Р о б б и н с Г. Что такое математика. —
М.: Просвещение, 1968.
99. Люстерник Л. А. Выпуклые фигуры и многогранни-
многогранники.— М.: Гостехиздат, 1956.
100. Манин Ю. И. Вычислимое и невычислимое. — М.: Со-
Советское радио, 1980.
175
101. Ma нкн Ю. И. Доказуемое и недоказуемое. — М.: Со-
Советское радио, 1979
102. Маршал А., Олкин И. Неравенства: теория мажо-
рнзации и ее приложения. — М.: Мир, 1983.
103. Пой а Д. Математическое открытие. — М.: Наука, 1970.
104. Пой а Г., Сеге Г. Задачи и теоремы из анализа. Т. 1,
2. —М.: Наука, 1978.
105- Постников М. М. Введение в теорию алгебраических
чисел. — М.: Наука, 1982.
106. Проблемы Гильберта/Сб. под ред. П. С. Александ-
Александрова. — М.: Наука, 1969.
107. Розов Н. X., Глаголева Е. Г., Раббот Ж. М.
Заочная математическая школа при МГУ/Новое в жизни, науке,
технике. Серия «Математика, кибернетика». — М.: Знание, 1973.
108. Р ы б н и к о в К. А. Введение в комбинаторный ана-
анализ. — Изд-во МГУ, 1985.
109. Серпинский В. 250 задач по элементарной теории
чисел. — М.: Просвещение, 1968.
110. Синай Я. Г. Динамические системы с упругими отра-
отражениями. — УМН, 1970, № 2.
111. Синай Я Г. Случайность неслучайного. — Природа,
1981, № 3.
112. С о м и и с к и и И. С, Головина Л. И., Я г л о м И. М.
О математической индукции.—М.: Наука, 1967.
113. Странные аттракторы/Серия «Математика. Новое в за-
зарубежной науке», вып. 22. — М.: Мир, 1981.
114. Тихонов А. Н, Костомаров Д. П. Рассказы
о прикладной математике. — М.: Наука, 1979.
115. Тоом А., Гутенмахер В., Васильев Н., Раб-
Раббот Ж. Задачи устного экзамена по математике. — М.: Изд-во
МГУ, 1970.
116. Тот Л. Ф. Расположения на плоскости, на сфере и в
пространстве.—М.: Физматгиз, 1958.
117. Фаддеев Д. К. Лекции по высшей алгебре. — М.;
Наука, 1984.
118. Хин чин А. Я- Три жемчужины теории чисел. — М.:
Наука, 1979.
119. Хин чин А. Я. Цепные дроби. — М.: Наука, 1978.
120. Холл М. Комбинаторика. — М.: Мир, 1970.
121. Яглом И. М. Булева структура и ее модели.—М.:
Советское радио, 1980.
Живые числа! Сб. ст. 1981. г./Пер. с нем. —М.: Мир, 1985.
СОДЕРЖАНИЕ
Обсуждение Задачи для
задач самостоятельного
решения
Предисловие . ....
§ 1. Задачи для первого зна-
знакомства
§ 2. Целые числа к многочлены
§ 3. Построения на" плоскости
и в пространстве .
§ 4. Неравенства, экстремумы,
оценки
§ 5. Необычные примеры и кон-
конструкции
§ 6. Последовательности и ите-
итерации
Указания к задачам для само-
самостоятельного решения .
Список литературы
5
14
41
77
105
135
163
172
16
43
79
107
138
36
73
102
131
158