Математические головоломки и развлечения

Ответы

Нашу задачу о сложенном листе бумаги лучше всего решать как задачу на отыскание экстремума из математического анализа. Если х — расстояние от угла А (который мы накладываем на левый край листа) до точки пересечения линии сгиба с нижним краем листа, то длина остальной части нижнего края равна 8 — х. Расстояние от левого нижнего угла листа до точки, в которую попадает при сгибании листа угол А, будет равно

а расстояние от угла А до точки пересечения линии сгиба с правым краем листа равно

Приравняв производную последней функции нулю, мы найдем значение х=6. Следовательно, угол А касается левого края в точке, отстоящей от основания на

а длина сгиба составляет

или немногим больше 10,392 см.

Интересная особенность этой задачи заключается в том, что минимальная длина сгиба, пересекающего нижний край листа, не зависит от ширины листа и получается при х, равном 3/4 ширины.

Три четверти ширины, умноженные на

дают длину сгиба. Если требуется минимизировать площадь той части листа, которая при сгибании оказывается сверху, то х всегда должен составлять 2/3 ширины.

Длина сгиба в более простом варианте задачи (когда ширина листка бумаги была сужена до 7,68 см а угол А помещен в точку левого края, находящуюся на расстоянии 5,76 см от основания листа) составляет ровно 10 см.

Глава 32. КВАДРИРОВАНИЕ КВАДРАТА

Можно ли разрезать квадрат на меньшие квадраты так, что среди последних никакие два не будут одинаковыми? Долгое время считали, что эта чрезвычайно трудная математическая задача неразрешима. Преодолеть все трудности удалось лишь после того, как задача была переведена на язык теории электрических цепей, а затем снова на язык геометрии плоских фигур. Ниже мы приводим увлекательный рассказ профессора математики университета в Торонто Уильяма Т. Татта о том, как ему и трем его товарищам по Кембриджскому университету удалось в конце концов дрировать квадрат.

Это рассказ о математическом исследовании, проведенном в 1936–1938 годах четырьмя студентами Тринити-колледжа Кембриджского университета. Одним из них был автор этой статьи.

Другим — К. А. Б. Смит, будущий специалист по статистическим проблемами генетики, автор многих статей по теории игр и задачи об отыскании фальшивой монеты среди заданного набора монет. Третьим участником был А. Г. Стоун, один из изобретателей флексатонов, позже получивший ряд важных результатов в исследовании теоретико-множественной топологии. Четвертым был Р. Л. Брукс, который впоследствии стал государственным чиновником, но на всю жизнь остался верен своему увлечению математическими головоломками. Свидетельство тому — важная теорема из теории раскраски графов, носящая его имя. С присущей молодости скромностью эти четверо студентов называли себя не иначе как «выдающимися математиками» Тринити-колледжа.

В 1936 году литература по задаче о разрезании прямоугольника на неповторяющиеся квадраты была крайне бедна. Так, было известно, что прямоугольник со сторонами 32 и 33 единицы можно разрезать на девять квадратов со сторонами 1, 4, 7, 8, 9, 10, 14, 15 и 18 единиц (рис. 159).

Стоуна заинтересовало высказанное в «Кентерберийских головоломках» Дьюдени предположение о том, что квадрат нельзя разрезать на неповторяющиеся квадраты. Из чистого любопытства он попытался найти доказательство этой гипотезы, но безуспешно, однако ему удалось найти разбиение прямоугольника со сторонами 176 и 177 единиц на 11 неповторяющихся квадратов (рис. 160).

Достигнутый успех, хотя он и не был полным, окрылил воображение Стоуна и трех его друзей, и вскоре все всерьез увлеклись задачей и стали уделять ей много времени. Была разработана специальная терминология. Прямоугольник, который можно разрезать на неповторяющиеся квадраты, назвали «совершенным» прямоугольником. Позднее для обозначения прямоугольника, который допускает разрезание на два или большее число квадратов, не обязательно разных, был предложен термин «квадрируемый» прямоугольник.

Оказалось, что построить совершенный прямоугольник крайне просто. Метод построения заключается в следующем. Нарисуем прямоугольник, разрезанный на меньшие прямоугольники (рис. 161), и рассмотрим получившийся рисунок как искаженное изображение некоторого квадрируемого прямоугольника.

Предположив, что меньшие прямоугольники на самом деле являются квадратами, с помощью несложных алгебраических выкладок найдем, какими должны быть длины сторон этих квадратов, чтобы сделанное предположение было верным. Рассмотрим, например, прямоугольник, изображенный на рис. 161.

Рис. 161

Обозначив стороны двух смежных квадратов через х и у, сразу же получим, что длина стороны примыкающего к ним снизу квадрата равна х + у, а сторона квадрата, примыкающего слева к квадратам со сторонами у и х + у, равна х + 2у и т. д. Продолжая этот процесс, получим показанные на рис. 161 формулы, выражающие длины сторон всех 11 квадратов, на которые разрезан исходный прямоугольник. Эти формулы обеспечивают плотное (то есть без просветов и наложений) прилегание квадратов друг к другу всюду, кроме отрезка АВ. Выбирая х и у так, чтобы они удовлетворяли уравнению

(Зх + у) + (Зx — Зу) = (14у — Зx),

или

16у = 9х,

можно добиться плотного прилегания квадратов, граничащих и по отрезку АВ. Полагая х = 16, у = 9 (эта пара значений х и у удовлетворяет только что выписанному уравнению), получаем совершенный прямоугольник, показанный на рис. 160, который был впервые найден Стоуном.

Иногда длины сторон квадратов, вычисленные по этому методу, оказывались отрицательными. Однако, как выяснилось, такие «отрицательные» квадраты небольшим изменением исходного рисунка всегда можно превратить в «положительные», поэтому никаких особых неприятностей при появлении «отрицательных» квадратов у нас не возникало. В некоторых более сложных случаях за неизвестные необходимо было принимать длины х, у и z сторон трех квадратов, тогда после всех алгебраических преобразований приходилось решать не одно, а два линейных уравнения. Иногда дрируемый прямоугольник не приводился к совершенному, в этом случае попытка считалась неудачной. К счастью, это случалось не слишком часто. Мы включали в свой каталог лишь «простые» совершенные прямоугольники, то есть совершенные прямоугольники, не содержащие других совершенных прямоугольников. Например, совершенный прямоугольник, получающийся из изображенного на рис. 159 квадрата путем пристраивания к нему сверху квадрата со стороной 32 единицы, не будет простым, и его не включили в список.

На первом этапе исследования было построено много совершенных квадратов, допускающих разбиение на квадраты, число которых было различным: от 9 до 26. Окончательной, или канонической, формой прямоугольника мы считали такую, в которой длины сторон составляющих прямоугольник квадратов выражались взаимно простыми целыми числами. Мы надеялись, что, построив достаточно много совершенных прямоугольников, в конце концов сможем найти «совершенный квадрат». Однако по мере того, как удлинялся список совершенных прямоугольников, начала таять надежда, а вместе с ней пошла на убыль и производительность.