Иэн Стюарт - Математические головоломки профессора Стюарта

– Ваше упущение, – сказал Сомс, – состояло в том, что вы не заметили, что двигаться могут не только стаканы, но и налитое в них вино. Я просто возьму второй и четвертый стаканы и перелью их содержимое в седьмой и девятый.

Monique de Jager, Franz J. Weissing, Peter M. J. Herman, Bart A. Nolet, and Johan van de Koppel. Le×vy walks evolve through interaction between movement and environmental complexity, Science 332 (4 June 2011) 1551–1553.

Мы видели, что при вычислении средних скоростей на фиксированном расстоянии нам следует использовать среднее гармоническое, а не среднее арифметическое значение. Гармоническое среднее возникает также при оценке расстояния между двумя аэропортами, если учитывать силу ветра, – по аналогичной, с небольшими отличиями, причине. Посмотрим на простую модель. Будем считать, что скорость самолета относительно воздуха равна c, летит он по прямой, а ветер дует строго вдоль этой прямой со скоростью w. Считаем, что c и w постоянны. Тогда a = c – w, b = c + w. Мы хотим оценить d на основании времен r и s. Чтобы избавиться от w, мы выразим a и b и получим a = d/r и b = d/s. Таким образом,

c – w = d/r, c+w = d/s.

Сложив, получим 2c = d (1/r + 1/s). Тогда c = d (1/r + + 1/s)/2. Если бы ветра не было, полет в одну сторону занял бы время t, где d = ct. Следовательно,

t = d/c = d/[d (1/r + 1/s)/2] = 1/[(1/r + 1/s)/2],

это и есть гармоническое среднее между r и s.

Короче говоря: если мы говорим о самолеточасах, то из этой простой модели воздействия ветра видно, что пользоваться следует гармоническим средним времени перелета в двух направлениях.

123456789 × 10 = 1234567890;

123456789 × 11 = 1358024679;

123456789 × 12 = 1481481468;

123456789 × 13 = 1604938257;

123456789 × 14 = 1728395046;

123456789 × 15 = 1851851835;

123456789 × 16 = 1975308624;

123456789 × 17 = 2098765413;

123456789 × 18 = 2222222202;

123456789 × 19 = 2345678991.

В этих произведениях присутствуют все десять цифр 0–9 в некотором порядке, за исключением тех случаев, когда мы умножаем на число, кратное 3… Вплоть до 19, когда красивая закономерность останавливается (19 не кратно 3, но в ответе дважды встречается 9 и нет 0).

Но затем закономерность возобновляется:

Следующие исключения возникают на 28 и 29. На числах 30–36 все работает, на 37 вновь происходит сбой. На этом месте я прекратил вычисления. Что происходит дальше? Понятия не имею.

Сомс затянул узел до конца, сплющил его и поднес к свету.

– Вот это да, пятиугольник! – изумленно воскликнул я.

– Точнее сказать, Ватсап, это похоже на правильный пятиугольник, у которого одна диагональ видима, а остальные три скрыты. Обратите внимание на отсутствие горизонтальной диагонали. Если ее добавить, к примеру, сложив полоску еще раз, то получится…

– Пятиконечная звезда! Пентаграмма! Ее используют в черной магии для вызова демонов!

Сомс кивнул.

– Но без этой последней складки и, соответственно, без одного ребра пентаграмма окажется неполной, и демон вырвется. Так что этот символ выражает угрозу выпустить в мир демонические силы, – он невесело улыбнулся. – Конечно, демонов в сверхъестественном смысле не существует, их невозможно ни вызвать, ни выпустить. Но вот люди демонического нрава, безусловно, существуют…

– Такие, к примеру, как в террористической организации Ал-Гебра! – воскликнул я. – Меня изгнали из Ал-Гебраистана оружием математического образования!

– Успокойтесь, Ватсап. Нет, я имел в виду скорее Матемагическую ассоциацию Нумерики. Это малоизвестная группа, и я сильно подозреваю, что она служит лишь официальным прикрытием для одной из дьявольских преступных схем Могиарти. Я сталкивался с ней и раньше, и теперь у меня в руках последнее, решающее звено, которое позволит нанести удар по зловещему профессору и навсегда разрушить эту часть его всемирной паутины преступлений. Если, конечно…

– Если что, Сомс?

– Если, конечно, мы сможем представить неопровержимые доказательства, когда дело дойдет до суда. Откуда мы знаем, что этот пятиугольник правильный?

– Но разве это не предельно просто?

– Напротив, вы скоро будете уверять меня, что это невероятно хитроумно и, может быть, вовсе не так, – хотя, говоря по существу, правильный ответ здесь совпадает с первой наивной догадкой. Осмелюсь предположить, что, как только мы установим этот факт, все остальное последует автоматически, но одного внешнего вида узла недостаточно. Однако я буду считать, что взаимное расположение линий на рисунке верно, так что у нас определенно есть пятиугольник с четырьмя диагоналями. Но действительно ли он правильный? В этом необходимо убедиться. Если это так, то этот факт должен следовать из постоянной ширины бумажной полоски. Обозначим углы так, как это делал великий Евклид из Александрии, и займемся геометрическими рассуждениями.

Я должен предупредить читателя, что остальная часть дискуссии будет интересна только тем, кто обладает некоторыми знаниями в евклидовой геометрии.

– Я начну, – объявил Сомс, – с нескольких простых наблюдений. Их можно доказать без большого труда с использованием базовой геометрии, так что подробности я опущу.

Во-первых, обратите внимание, что если две полоски, имеющие параллельные края, накладываются друг на друга, то в месте их перекрытия возникает ромб – параллелограмм, у которого все четыре стороны равны. Более того, если два таких ромба имеют одинаковую высоту и одинаковую сторону, то они конгруэнтны, то есть обладают одинаковыми размерами и формой. Следовательно, на диаграмме расплющенного узла присутствуют три конгруэнтных ромба.

– Почему только три? – спросил я в недоумении.

– Потому что CD и BE не совпадают с краями бумажной полоски, так что мы не можем пока сказать то же о ромбах CDRB или DESC. Вот почему я не провел линии CD.

Я, надо признаться, этого не заметил.

– В таком случае это невероятно тонкий момент, Сомс. Мало того, наше утверждение может оказаться попросту неверным!

Он почему-то вздохнул.

– Теперь мы переходим к центральному пункту моих рассуждений. Диагонали ромба рассекают его углы пополам, а противоположные углы равны, – Сомс отметил четыре угла греческой буквой θ (тета), см. рисунок слева.

По сходным причинам угол CAB также равен θ. Поскольку ромбы DEAT и PEAB конгруэнтны, я могу отметить буквой θ еще четыре угла. Получается рисунок справа.

– А теперь, Ватсап, скажите: что при взгляде на этот рисунок сразу же приходит в голову?

– На нем чертовски много букв θ, – без промедления отозвался я.

Он недовольно поморщился, и я услышал, как в горле у него что-то негромко зарокотало, не знаю уж почему.

– Это же очевидно, как шея высоченного жирафа, Ватсап! Посмотрите на треугольник EAB.

Я нашел треугольник и внимательно рассмотрел его, поначалу ничего не понимая. Ну… В этом треугольнике тоже много отметок θ. Так, так… все его углы составлены из θ! Теперь я понял.

– Сумма углов треугольника равна 180°, Сомс. В этом треугольнике углы равны θ, θ и 3θ. Их сумма 5θ равна 180°, а значит, θ = 36°.

– Когда-нибудь из вас еще получится геометр, – сказал Сомс. – Остальное доказывается легко. Отрезки DE, EA, AB и BC равны по длине, поскольку являются сторонами конгруэнтных ромбов. Углы ÐDEA, ÐEAB и ÐABC равны между собой, поскольку располагаются в конгруэнтных ромбах, и один из них, ÐEAB, равен 3 × θ, то есть 108°. Так что все три угла равны 108°. Но этому же равен внутренний угол правильного пятиугольника.

– Так что точки D, E, A, B, C являются углами правильного пятиугольника, и я могу завершить рисунок, проведя отрезок CD! – воскликнул я. – Как неле… – я поймал краем глаза его взгляд. – Э-э, как элегантно, Сомс!

Он пожал плечами.

– Пустяк, Ватсап. Этого достаточно, чтобы покончить с Матемагической ассоциацией Нумерики и причинить Могиарти некоторые неудобства. Сам же он… Боюсь, он окажется куда более крепким орешком.

E. S. Benilov, C. P. Cummins, and W. T. Lee. Why do bubbles in Guinness sink? arXiv: 1205.5233 [physics. flu-dyn].

– Собаки столкнулись через 10 секунд, – объявил Сомс.