Текст книги "Занимательная математика"

Автор книги: Георгий Гамов

Соавторы: Марвин Стерн
сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 6 страниц)

Джин и тоник

– А вот еще одна задачка для вас, – произнес один из яхтсменов, потягивая джин с тоником. – Предположим, что перед вами два бокала, наполненные вровень один неразбавленным джином, другой – чистым тоником. Вы отливаете в мерный стаканчик джин из первого бокала и переливаете его во второй бокал, хорошенько перемешиваете содержимое второго бокала, после чего наполняете смесью мерный стаканчик и переливаете смесь в первый бокал.

Вопрос заключается в следующем. Чего больше: джина в бокале с тоником или тоника в бокале с джином?

– Разумеется, больше джина в стакане с тоником, – заметил другой яхтсмен, – ведь вы налили в бокал с тоником мерный стаканчик неразбавленного джина, а влили в бокал с джином мерный стаканчик смеси тоника с джином.

– Насколько я могу судить, вы совершенно уверены в этом, но вынужден вас разочаровать: ваш ответ совершенно неверен. Подумайте сами. Вы переливаете мерный стаканчик жидкости из первого бокала во второй, а затем мерный стаканчик жидкости возвращаете из второго бокала в первый. Так как первоначально оба бокала были налиты вровень, они остаются налитыми вровень и после переливаний. Это означает, что джин, отлитый из первого бокала, восполнен тоником из второго бокала и находится во втором бокале, восполняя убыль тоника. Следовательно, джина в бокале с тоником ровно столько же, сколько тоника – в бокале с джином.

– Признаться, я все еще не понимаю.

– О'кей. Попробуем разобраться во всем с числами. Предположим, что в каждом из бокалов первоначально содержалось по 3 унции жидкости [13]13
  Торговая единица веса, равная 28,35 г. – Прим. перев.


[Закрыть] и что мерный стаканчик вмещает 1 унцию жидкости. Вы берете треть джина, или 1 его унцию, и переливаете в бокал с тоником, в котором в результате оказывается 4 унции жидкости. Во втором бокале теперь содержится три четверти тоника и одна четверть джина. Вы тщательно перемешиваете содержимое второго бокала и отливаете из него в мерный стаканчик 1 унцию смеси. Эта смесь содержит три четверти тоника и одну четверть джина. После того как вы переливаете мерный стаканчик такой смеси в первый бокал, баланс по количеству жидкости восстанавливается, но теперь у вас в первом бокале 2 1/4 унции джина и 3/4 унции тоника. А оставшиеся в бокале с тоником 3/4 унции джина заменяют перелитые в бокал с джином 3/4 унции тоника. Понятно?

Если бы было так, как думали вы, и джина во втором бокале после двух переливаний оказалось больше, чем тоника в бокале с джином, то это означало бы, что общее количество джина увеличилось, а общее количество тоника – уменьшилось. Неплохой способ превращать воду в вино!

Баржа в шлюзе

– Вернемся к задачам, связанным с водной стихией, – вмешался в разговор еще один яхтсмен. – Вот одна неплохая задачка для вас. Я задавал ее в свое время нескольким физикам, и ни один из них не смог правильно решить ее. Баржа с грузом металлолома на борту вошла в шлюз. По какой-то неизвестной причине матросы на барже начали сбрасывать металлолом в воду и занимались этим до тех пор, пока полностью не опустошили трюмы баржи. Вопрос заключается в том, что произойдет с уровнем воды в шлюзе?

– Ничего, уровень воды в шлюзе не изменится, – сказал один из яхтсменов.

– Нет, уровень воды в шлюзе поднимется, – настаивал другой.

– Именно такие ответы я получал от физиков, – заметил первый яхтсмен. – Но в действительности ни тот, ни другой ответ не верен. Уровень воды в шлюзе понизится. Дело в том, что по закону Архимеда любое плавающее тело вытесняет объем воды, вес которого равен весу тела. Так как железо гораздо тяжелее воды, объем вытесняемой воды, когда железо находится на плаву, в трюме баржи, гораздо больше объема железа. Когда же железо оказывается в воде на дне шлюза, оно вытесняет лишь то количество воды, которое соответствует его объему. Следовательно, уровень воды в шлюзе, после того как железо выброшено за борт, должен понизиться.

– Мне не совсем ясно, – запротестовал один из слушателей.

– Давайте рассуждать иначе. Астрономы утверждают, что некоторые звезды, например белый карлик Сириус Б, состоят из вещества, которое в миллион раз плотнее воды. Кубический сантиметр такого вещества весил бы несколько тонн. Если столь тяжелый кубик поместить на баржу, то баржа осядет в воде очень глубоко и уровень воды в шлюзе поднимется. Если же кубический сантиметр звездного вещества покоится на дне, то он вытесняет всего лишь 1 кубический сантиметр воды, т. е. практически ничего, и уровень воды в шлюзе понижается. В случае с металлоломом получится то же самое, только различие в уровнях воды будет не столь заметно.

7. Аэронавтика

Против ветра

Как-то раз группа офицеров ВВС США сидела в столовой при аэродроме, попивала кофе и разглядывала последние выпуски юмористических журналов.

– Послушай-ка, Джек, – спросил один из летчиков, – ты, кажется, собирался сегодня слетать на базу N и вернуться к обеду?

– Я изменил свои планы, – ответил Джек. – База N находится к востоку отсюда, а сегодня дует сильный восточный ветер, который намного уменьшит мою скорость. Я предпочитаю слетать на базу завтра. Метеорологи предсказывают на завтра тихую погоду.

– Но если ты планировал вернуться сегодня же, то ветер никак не скажется на продолжительности полета, – удивился первый офицер. – Ветер вряд ли утихнет сегодня до заката и на обратном пути станет попутным. Сколько времени проиграешь по пути на базу, столько наверстаешь на обратном пути.

– Разве? – усомнился Джек.

– Конечно. Какие могут быть сомнения?

– Сразу видно, что летный стаж у тебя не особенно велик, – заметил Джек, – ив специальной теории относительности ты не силен.

– А при чем здесь специальная теория относительности?

– Так уж случилось, приятель, что именно она стала теоретической основой эксперимента Майкельсона, с помощью которого тот пытался обнаружить так называемый «эфирный ветер», вызываемый движением Земли в космическом пространстве…

Но прежде всего мне хотелось бы решить задачу, связанную с моим полетом на базу N. На тот случай, если ты не слишком силен в математике, я попытаюсь сначала объяснить суть решения на словах. Как тебе известно, из-за встречного ветра скорость самолета уменьшается, поэтому на путь туда времени затрачивается больше, а из-за попутного ветра скорость самолета увеличивается, поэтому на обратный путь времени уходит меньше. Это означает, что сопротивление воздуха, или уменьшение скорости, оказывают на тебя более длительное воздействие, а с повышенной скоростью ты летишь более короткое время. Следовательно, «потери» больше, чем «прибыль». Понятно?

Но если по математике у тебя было «отлично», то убедить тебя в правильности решения может лишь формула. Пусть V – скорость моего самолета (я хочу сказать, скорость в полете относительно земли), a v – скорость ветра. Если расстояние до базы N равно L, то полетное время при встречном ветре равно L/(V-v), а при попутном ветре L/(V+v). Следовательно, на полет туда и обратно я затрачу время

Так как 2L/V – время на полет туда и обратно в безветренную погоду, мы заключаем, что в ветреный день полетное время туда и обратно всегда больше. Например, если скорость ветра была бы равна половине скорости самолета v/V = 1/2, то продолжительность полета увеличилась бы в раза по сравнению с продолжительностью полета при отсутствии ветра. А если бы скорость ветра была лишь чуть-чуть меньше скорости самолета, то на то, чтобы преодолеть даже короткие расстояния против ветра, потребовался бы не один день; а если бы V оказалась равной скорости ветра v, то время в полете обратилось бы в бесконечность. Разумеется, для реактивного самолета, на котором я летаю, скорость ветра особого значения не имеет, и когда я сослался на ветреную погоду, то сделал это нарочно, чтобы только удивить тебя. В действительности же мне позвонили и сообщили, что человек, с которым я должен был встретиться, прибудет завтра.

– Прекрасно! Если ты не спешишь, то расскажи мне об эксперименте Майкельсона.

– Охотно. Проблема состояла в следующем. Чтобы объяснить, как свет распространяется в пространстве, некоторые ученые предположили, что существует некая субстанция, названная ими эфиром, которая заполняет всю Вселенную. Майкельсону пришла мысль, что если бы эфир существовал, то можно было бы обнаружить эфирный ветер, обдувающий Землю, когда она движется в космическом пространстве. Земля обращается вокруг Солнца со скоростью около 29,8 км/с, поэтому эфирный ветер мы должны ощущать так же, как ты ощущаешь ветер, дующий тебе в лицо, когда ты летишь в открытой кабине.

В своем эксперименте Майкельсон послал два пучка света, один – в направлении гипотетического эфирного ветра, другой – в перпендикулярном направлении. В конце пути каждый из пучков отражался назад, к источнику, где оба пучка сравнивались, Майкельсон ожидал, что пучок, распространяющийся в направлении эфирного ветра и против него, вернется к источнику с опозданием, как это было бы с моим самолетом, если бы я слетал в ветреный день на базу N и обратно, а пучок, распространяющийся перпендикулярно эфирному ветру, также запаздывал бы, но время запаздывания было бы другим. Сравнивая времена запаздывания пучков. Майкельсон надеялся обнаружить движение Земли сквозь световой эфир.

– И ему удалось обнаружить эфирный ветер?

– Нет. Оказалось, что оба пучка возвращались к источнику одновременно и без какого бы то ни было запаздывания. Отрицательный результат эксперимента Майкельсона очень озадачил физиков, пока Эйнштейн не объяснил его, создав свою знаменитую специальную теорию относительности, перевернувшую старые представления о пространстве и времени. Должен признаться, что я никогда не думал, что предстоящий полет на базу N приведет меня к этому небольшому экскурсу по поводу теории относительности Эйнштейна. Забавно, как задача о полете против ветра и возвращении с попутным ветром может ввести в заблуждение. На первый взгляд кажется, что проигрыш во времени при полете против ветра полностью компенсируется выигрышем во времени при полете с попутным ветром на обратном пути.

Самонаводящиеся ракеты

– Раз ты так лихо решаешь головоломные задачи, – заметил первый офицер, – я хочу предложить тебе одну весьма замысловатую задачку, которую недавно услышал от приятеля. Представь себе четыре самонаводящиеся ракеты, первоначально расположенные в вершинах квадрата со стороной 20 миль [14]14
  Это круглое число указано для удобства решения. Без ущерба смыслу задачи можно считать, что длина стороны квадрата равна 20 км. – Прим. перев.


[Закрыть]. Каждая ракета, как видно из рисунка, нацелена на другую – в соседней вершине квадрата, если вершины обходить по часовой стрелке.

Говоривший на минуту остановился и набросал в блокноте небольшой чертеж, который вы видите на рисунке, после чего продолжал:

– Скорость ракет пусть будет, скажем, 1 миля в секунду. При таком расположении все четыре ракеты после запуска будут постепенно поворачиваться вправо по часовой стрелке, держа курс на свою цель, и в конце концов столкнутся в центре квадрата. Требуется определить, какое расстояние успеют пролететь ракеты от запуска до столкновения.

– Это очень трудная математическая задача, – задумчиво произнес Джек. – Для решения ее, по-видимому, придется ввести полярные координаты с началом в центре квадрата, тогда я смогу написать дифференциальное уравнение для траекторий ракет. Но, разумеется, я не могу сделать это, не сходя с места.

– В этом-то все и дело. Всякий, кто знает высшую математику, может решить эту задачку, но вся соль в том и состоит, чтобы найти ее решение, настолько простое, что понять его смог всякий

– Не думаю, чтобы такое решение можно было найти. Мне кажется, что траектории ракет имеют форму весьма замысловатых геометрических фигур.

– Вся хитрость в том и состоит, что знать траектории ракет тебе совсем не нужно. Все, что необходимо иметь в виду для решения, – простой и очевидный факт: во время полета четыре ракеты располагаются в вершинах квадрата, который сжимается и поворачивается по часовой стрелке. Забудем о вращении и сосредоточим внимание только на сжатии квадрата. Так как ракеты нацелены друг на друга, скорость каждой ракеты всегда направлена вдоль одной из сторон сжимающегося квадрата на ракету, расположенную в соседней вершине. Следовательно, скорость, с которой сжимаются стороны квадрата, равна скорости ракет, т. е. составляет 1 милю в секунду. А так как первоначально каждая ракета находилась на расстоянии 20 миль от цели, от запуска до столкновения ракет проходит 20 секунд.

– Очень, очень интересно, – произнес Джек. – Надо будет как– нибудь на маневрах проверить решение на четырех истребителях. Вот потеха получится!

Дозаправка

– А вот еще одна задача, которая, возможно, заинтересует вас, друзья, – вмешался в разговор другой летчик. – Предположим, что вы получили задание доставить бомбу в некоторую удаленную точку земного шара, расстояние до которой во много раз превосходит дальность полета без дозаправки имеющегося в вашем распоряжении самолета. Вам не остается ничего другого, как воспользоваться методом дозаправки в воздухе. Предположим, что одновременно с одного и того же аэродрома взлетают несколько одинаковых самолетов, которые дозаправляют друг друга в воздухе и постепенно, один за другим, прекращают полет.

Сколько самолетов понадобится вам для выполнения задания? Для простоты мы будем предполагать, что расход топлива измеряется в милях на галлон [15]15
  Единица объема. В США, где происходит действие этой задачи, 1 галлон для жидкости (топлива) равен 3,78543 дм ³. – Прим. перев.


[Закрыть]и не зависит от нагрузки самолета.

– Знаешь, мы все слишком устали, чтобы решать такие сложные задачи, поэтому ты просто сообщи нам решение, – предложил один из летчиков.

– Будь по-вашему. Предположим, что первоначально в вашем распоряжении имеется n одинаковых самолетов, включая тот, на борту которого находится бомба, и что топливные баки всех самолетов перед вылетом полностью заправлены. В полете наступает такой момент, когда в баках любого из n самолетов топлива остается ровно столько, сколько необходимо для полной заправки топливных баков всех (n – 1) остальных самолетов. Например, если с аэродрома в полет отправились 10 самолетов и каждый нес в топливных баках 10 000 галлонов топлива, то они летят до тех пор, пока у каждого не останется по 9000 галлонов топлива. В этот момент все топливо, находящееся на борту одного из 10 самолетов, используется для дозаправки 9 остальных самолетов, самолет с опустошенными баками прекращает полет, а остальные самолеты продолжат полет с полностью заправленными топливными баками. Следующая дозаправка производится, когда запас топлива в баках каждого самолета уменьшится на 1/9. Самолет-заправщик, отдав все имевшееся у него топливо, совершает посадку, а остальные 8 самолетов с полностью заправленными топливными баками продолжают полет. Следующие дозаправки производятся, когда запас топлива в баках каждого самолета уменьшится на 1/8, 1/7 и т. д., пока не останется один-единственный самолет, на борту которого находится бомба. Израсходовав все топливо до последней капли, он достигает цели и сбрасывает бомбу.

Обозначив дальность полета без дозаправки через R, количество самолетов – через n, мы получаем формулу для расстояния до цели, которое может преодолеть самолет – носитель бомбы:

Например, при n = 10 сумма в квадратных скобках равна 2,929. Это означает, что при такой схеме дозаправки, о которой я только что рассказал, можно долететь до цели, находящейся почти втрое дальше, чем позволяет дальность полета отдельно взятого самолета [16]16
  Читатель, должно быть, уже заметил, что в квадратных скобках стоит тот же бесконечный ряд, с которым мы уже сталкивались в задаче о наклонном столбике из домино (стр. 70).


[Закрыть].

Эпилог. Мораль

Книга была написана. Мы втроем, Гамов, Стерн и еще один любитель задач-головоломок Теодор фон Карман [17]17
  Теодор фон Карман – выдающийся специалист в области аэродинамики


[Закрыть], сидели в ресторанчике в Вудз Хоул за бутылкой сливовицы. Возник вопрос, поровну ли поделен крепкий напиток.

– Предположим, что все трое из нас – законченные эгоцентристы. Можем ли мы разделить сливовицу так, чтобы каждый из нас был удовлетворен, если ему достанется не меньше сливовицы, чем любому другому? – спросил Гамов. – Мы хорошо знаем, как решается эта задача в случае, когда спорят двое завистливых детей. Один из спорщиков делит предмет спора на две части, которые он считает равноценными, а другой получает право выбрать любую из двух частей по своему усмотрению. Как следовало бы обобщить эту задачу о справедливом разделе на случай трех участников спора?

Фон Карман, улыбнувшись, обратился к Стерну:

– Позвольте мне слегка переформулировать задачу, после чего вы, я в этом просто уверен, не сможете не решить ее. Рассмотрим задачу, которая ставится так: каждый из нас должен быть удовлетворен, если ему достанется по крайней мере причитающаяся ему доля сливовицы (т. е. по крайней мере 1/3 содержимого бутылки). Теперь для вас не составит труда решить задачу.

– Действительно, кажется, я понял, как решить задачу, – сказал Стерн. – Фон Карман делит сливовицу на три порции, которые он считает равными, и поэтому будет удовлетворен, получив любую из них.

Если Гамов считает, что в рюмке А сливовицы больше, чем в В или С, а я считаю, что больше всего сливовицы налито в рюмку В, то никаких осложнений не возникает. Гамов берет себе рюмку А, я – рюмку В, а фон Карман получает рюмку С. Затруднение может возникнуть только в том случае, если и Гамов, и я сочтем, что больше всего сливовицы оказалось налитой в рюмку А. Но и в этом случае, если мы оба согласимся, что в рюмке В сливовицы больше, чем в рюмке С, то задача существенно упрощается. Гамову и мне необходимо разделить содержимое рюмок В и С так, как это делают двое детей в задаче о честном разделе, а фон Карману достанется рюмка С.

Единственная трудность возникает в том случае, когда и Гамов и я сочтем, что больше всего сливовицы в рюмке А, но при этом Гамову будет казаться, что в рюмке В сливовицы больше, чем в рюмке С, а мне – что в рюмке С сливовицы больше, чем в рюмке В. В этом случае я предоставлю Гамову разделить содержимое рюмок А и В так, как ему кажется будет поровну. При этом он перельет часть сливовицы из рюмки А в рюмку В.

Если после переливания я буду по-прежнему думать, что в рюмке А сливовицы больше, чем в любой из двух остальных рюмок, и возьму ее себе, то Гамову не останется ничего другого, как выбрать рюмку В, поскольку до переливания он считал, что меньше всего сливовицы в рюмке С, а это означает, что в С заведомо меньше 1/3 всей сливовицы. Разумеется, фон Карман предпочел бы выбрать рюмку В, так как после того, как он разлил поровну (как ему казалось) сливовицу по трем рюмкам, Гамов добавил в В сливовицы из рюмки А. Но поскольку задача сформулирована так, что каждый из нас должен быть удовлетворен, если получит по крайней мере причитающуюся ему долю спиртного, т. е. 1/3 всей сливовицы, фон Карман не сможет протестовать, даже если Гамов выберет рюмку В.

Если же после того, как Гамов отольет сливовицу из рюмки А в рюмку В, то в силу тех же соображений я бы выбрал рюмку В, Гамов довольствовался бы рюмкой А, а фон Карману досталась бы рюмка С.

Если бы после переливания я решил выбрать рюмку С, то фон Карман мог бы взять рюмку В, а Гамов должен был бы взять рюмку А.

Выслушав решение, фон Карман улыбнулся:

– Теперь вы понимаете, почему я слегка изменил условия задачи? Вместо того чтобы каждый из нас считал себя удовлетворенным, если ему досталось по крайней мере столько же сливовицы, сколько любому из остальных, я предложил, чтобы каждый из нас довольствовался, получив не менее причитающейся ему честной доли – 1/3 сливовицы. Один из этапов вашего решения показывает, что задача в первоначальной формулировке неразрешима.

Эту головоломку, мне кажется, можно по праву отнести к проблемам с моралью из области человеческих отношений.