Математические головоломки и развлечения

Лучшим из них, по моему мнению, следует считать фокус Стюарта Джеймса «Предсказание будущего». Джеймс известен как блестящий мастер по придумыванию карточных фокусов, основанных на тонких математических идеях.

Из тщательно перетасованной колоды вы выбираете девять карт — от туза до девятки — и располагаете их по порядку так, чтобы туз оказался сверху. Показав карты зрителям, вы заявите, что сейчас разделите отобранные девять карт так, что никто не сможет с уверенностью сказать, где находится та или иная карта. Держа девять карт вверх рубашкой, вы делаете вид, что наугад разбиваете их на две части, а на самом деле перекладываете наверх три нижние карты, после чего ваши девять карт расположатся так (мы называем карты по порядку, сверху вниз; 1 соответствует тузу): 7-8-9-1-2-3-4-5-6.

Медленно снимая по одной карте из тех девяти, что вы держите в руках (каждый раз вы берете верхнюю карту), вы кладете их поверх большой колоды, лежащей перед вами на столе. При этом каждый раз, сняв очередную карту, вы спрашиваете зрителя, не желает ли он ее выбрать (зритель должен выбрать по своему усмотрению одну из девяти карт). Когда зритель укажет выбранную им карту, вы оставляете ее сверху тех карт, которые еще не успели выложить на стол, и откладываете их в сторону.

Попросите теперь зрителя снять верхнюю часть большой колоды. Подсчитав число карт в снятой и оставшейся частях колоды, найдите цифровые корни полученных вами чисел. Сложите оба цифровых корня и, если результат окажется больше 9, замените их сумму ее цифровым корнем. Откройте теперь выбранную зрителем карту (самую верхнюю из отложенных вами карт). Ее значение в точности совпадает с полученным вами результатом и позволяет предсказывать его заранее!

Объясняется фокус очень просто. После того как вы отобрали девять карт, расположили их по порядку и переложили три нижние карты наверх, самой верхней из девяти карт будет семерка. В колоде останутся 43 карты. Цифровой корень числа 43 равен 7. Если зритель не выберет семерку вы возвращаете ее в колоду, увеличивая тем самым число карт в ней до 44. После этого верхней картой у вас в руках становится 8, и цифровой корень числа 44 также равен 8. Иначе говоря, какую бы карту зритель ни выбрал, ее значение всегда совпадает с цифровым корнем числа карт в колоде. Разбиение колоды на две части, подсчет числа карт в каждой из них и другие описанные выше действия, разумеется, приводят к числу, совпадающему с цифровым корнем числа всех карт в колоде.

* * *

В начале этой главы было сказано, что поскольку основанием нашей системы счисления служит число 10, то цифровой корень любого числа совпадает с остатком при делении этого числа на 9.

Это утверждение нетрудно доказать. Некоторых читателей, может быть, заинтересует неформальный набросок этого доказательства.

Рассмотрим какое-нибудь четырехзначное число, например 4135. Его можно записать в виде суммы степеней числа 10:

(4 ∙ 1000) + (1 ∙ 100) + (3 ∙ 10) + (5 ∙ 1).

Вычитая по 1 из каждой степени 10, то же число можно представить в виде:

(4 ∙ 999) + (1 ∙ 99) + (3 ∙ 9) + (5 ∙ 0) + 4 + 1 + 3 + 5.

Все выражения в скобках кратны 9. Отбросив их, мы получаем сумму цифр исходного числа: 4+1+3 + 5.

В общем случае четырехзначное число abed представимо в виде

(а ∙ 999) + (Ь ∙ 99) + (с ∙ 9) + (d ∙ 0) + а + Ь + с + d,

и поэтому после вычеркивания чисел, кратных 9, должна оставаться сумма a+b+c+d. Разумеется, эта сумма не обязательно должна выражаться однозначным числом, но, записав ее так же, как исходное число, и вычеркнув все кратные 9, мы всегда можем найти ее остаток при делении на 9 и т. д. до тех пор, пока не получим однозначное число — цифровой корень. Сказанное справедливо для любого числа, как бы велико оно ни было. Поэтому цифровой корень — это число, которое остается после того, как из исходного числа вычеркнуто максимальное число девяток, то есть после деления исходного числа на 9.

Цифровые корни часто используют для того, чтобы убедиться, что какое-нибудь очень большое число не является совершенным квадратом или кубом. Все квадраты имеют цифровые корни 1, 4, 7 или 9, а их последними цифрами могут быть 2, 3, 7 или 8. Кубы могут оканчиваться на любую цифру, но их цифровыми корнями могут быть только 1, 8 или 9. Самое любопытное, что четные совершенные числа (а до сих пор не было найдено ни одного нечетного совершенного числа) должны оканчиваться цифрой 6 или 8. Если отбросить наименьшее совершенное число 6, то у всех остальных совершенных чисел цифровой корень равен 1.

Ответы

Если при игре в кости число, до которого ведется счет, выбирает первый игрок, то ему лучше всего остановить свой выбор на каком-нибудь числе с цифровым корнем, равным 7. Как следует из приведенной здесь таблицы, именно при 7 выигрыш первого игрока обеспечен (при правильной игре) в трех случаях из шести возможных, то есть с вероятностью 1/2 при первом бросании на кости выпадает столько очков, сколько нужно первому игроку для выигрыша. При всех других цифровых остатках шансы первого игрока на победу хуже.

Глава 20. ДЕВЯТЬ ЗАДАЧ

1. Сцепленные болты. Два одинаковых болта сцеплены нарезкой (рис. 109).

Рис. 109 Сцепленные болты.

Взяв их покрепче за головки, чтобы они не могли проворачиваться, обведите несколько раз один болт вокруг другого в направлении, указанном стрелками (повертев перед этим большими пальцами рук, вы сможете наглядно представить себе движение болтов).

Будут ли головки болтов: а) сближаться, б) расходиться или в) оставаться на неизменном расстоянии друг от друга?

Использовать при решении задачи настоящие болты не разрешается.

2. Кругосветный полет. Группа самолетов базируется на небольшом острове. Баки каждого самолета вмещают столько топлива, что его хватает на облет половины земного шара. При заправке в воздухе из баков одного самолета в баки другого можно перекачивать любое количество горючего. На земле заправку можно производить только на острове. Для удобства решения задачи предполагается, что заправка на земле и в воздухе происходит мгновенно, бех потерь времени.

Чему равно минимальное число самолетов, которые смогут обеспечить полет одного самолета по большому кругу, если считать, что скорость и расход топлива у всех самолетов одинаковы и все самолеты благополучно возвращаются на свою базу?

3. Окружность на шахматной доске. Сторона клетки на шахматной доске 4 см. Чему равен радиус наибольшей окружности, которую можно провести на шахматной доске так, чтобы она проходила только по черным клеткам?

4. Универсальная пробка. Во многих сборниках головоломок объясняется, как вырезать пробку, которой можно плотно заткнуть квадратное, круглое и треугольное отверстия (рис. 110).

Рис. 110 Универсальная пробка.

Не менее интересно вычислить объем такой пробки. Предположим, что радиус ее круглого основания равен единице длины, а высота — двум единицам и что ребро в ее верхней части (имеющее в длину также две единицы) расположено строго над одним из диаметров основания и параллельно ему. Все параллельные сечения пробки, плоскость которых перпендикулярна верхнему ребру, имеют вид треугольников.