Квант 1972, №9 · Страницы
КВАНТЯБРЬ
1972
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНЫЙ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ
АКАДЕМИИ НАУК СССР И АКАДЕМИИ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ НАУК СССР
Главный редактор — академик И. К. Кикоин
Первый заместитель главного редактора — академик А. Н. Колмогоров
Редакционная коллекция:
Л. А. Арцимович, М. И. Башмаков, С. Т. Беляев, В. Г. Болтянский, И. Н. Бронштейн, Н. Б. Васильев, И. Ф. Гинзбург, Ю. Н. Ефремов, В. Г. Зубов, П. Л. Капица, В. А. Кириллин, А. И. Климанов (главный художник), С. М. Козел, В. А. Лешковцев (зам. главного редактора), Л. Г. Макар-Лиманов, А. И. Маркушевич, М. Д. Миллионшиков, Н. А. Патриеева, И. С. Петраков, Н. Х. Розов, А. П. Савин, И. Ш. Слободецкий, М. Л. Смолянский (зам. главного редактора), Я. А. Смородинский, В. А. Фабрикант, А. Т. Цветков, М. П. Шаскольская, С. И. Шварцбург, А. И. Ширшов.
Слева помещена фотография волн, возникших при движении диска с иглой в газе со скоростью, большей скорости звука, то есть скорости распространения волн в газе.
На первой странице обложки, на которой вы видите фрагмент картины Н. Рениха «Заморские гости», картина волн совершенного другая. Как определить скорость движения тела по фотографии картины волн, возникших при его движении? Об этом вы узнаете из статьи «Волны на воде» [см. стр. 10], помещенной в этом номере журнала.
Заведующая редакцией Л. В. Чернова. Главный художник А. И. Климанов.
Художественный редактор О. Н. Яковлева. Корректор М. Л. Медведская
Издательство «Наука», Главная редакция физико-математической литературы
117071, Москва В-71, Ленинский проспект, 15, Тел. 234-08-11, 234-07-93.
Сдано в набор 15/VI-72 г. Подписано в печать 27/VII-72 г. Бумага 70×100¹/16. Физ. печ. л. 4. Усл. печ. л. 5,2. Уч.-изд. л. 5,71. Тираж 312 650 Т-03331. Цена 30 коп. Заказ 1020.
Чеховский полиграфкомбинат Главполиграфпрома Государственного комитета Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли, г. Чехов Московской обл.
РУКОПИСИ НЕ ВОЗВРАШАЮТСЯ
ОСНОВАН
В
1970 ГОДУ
9
СЕНТЯБРЬ
1972
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНЫЙ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ
АКАДЕМИИ НАУК СССР И АКАДЕМИИ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ НАУК СССР
ИЗДАТЕЛЬСТВО • НАУКА •
ПЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
В НОМЕРЕ:
2 Интеграл Ю. И. Ионин
10 Волны на воде и «Заморские гости» Н. Рериxa А. Л. Смасенко
16 Сравнения Г. А. Кудревамов
22 Затеменные переменные В. А. Бронштэн
30 Путешествие мистера Клока Д. Бородин
МАТЕМАТИЧЕСКИЙ КРУЖОК
32 Решения задач вступительного контрольной работы в ЗМШ 1972 года А. Л. Тоом
ЗАДАЧНИК «КВАНТА»
36 Премии «Кванта»
37 Задачи M161—M165, Ф163—Ф167
39 Решения задач M123—M125, Ф138—Ф144
ПРАКТИКУМ АБИТУРИЕНТА
45 Научимся обращаться с абсолютной величиной Е. Б. Ваховский,
А. Б. Волянский
50 Варианты вступительных экзаменов по математике 1972 года
51 Движение по окружности Л. Г. Асламазов
РЕЦЕНЗИИ, БИБЛИОГРАФИЯ
58 Новые книги М. Л. Смолянский
ИНФОРМАЦИЯ
60 Телевидение готовит в ВУЗ И. А. Дьяконов, А. Г. Мордкович, И. М. Наслузов
ОТВЕТЫ, УКАЗАНИЯ, РЕШЕНИЯ
«КВАНТ» для МЛАДШИХ ШКОЛЬНИКОВ
СМЕСЬ (стр. 21, 31, 35, 38, 61)
2
В этой статье расссказывается об одном из важнейших математических понятий — интеграл. Используя это понятие, можно решать разнообразные геометрические и физические задачи.
Заметим, что по новой программе интегральное исчисление будет изучаться в курсе средней школы.
Подробнее с интегральным исчислением можно познакомиться по книге Б. Е. Вейцца, И. Т. Демидава «Алгебра и начала анализа» (пробный учебник для 10 класса под редакцией академика А. Н. Колмогорова). Однако изложение там ведется с нескольких позиций.
Когда вы до сих пор встречались с понятем функции, то чаще всего предложалось, что область определения функции состоит из чисел.
Например, функция определяна на множество чисел, удовлетворяющих и , а функция определяна на множество целых чисел.
Однако не менее значение имеет функция, область определения которых состоит не из чисел, а из множества, лежащих на прямой, в плоскости или в пространстве. Например, площадь можно рассматривать как функцию, которая определяна на множество плоских функур. Примогольнику со стороны и эта функция ставит в соответствие число , а кругу радиуса — число . Если задан какой-нибудь закон движения точки, то можно рассмотреть функцию, сопоставляющую каждому промежутку времени путь, проиденный за этот промежуток; область определения этой функции состоит из промежутков времени.
Обе рассмотренные функции можно жестста обладают свойством адитивности (от латинского addo — складаваю): если функция разбит на несколько частей, то площадь ее равна сумме площадей этих частей; если промежуток времени разбит на несколько частей, то сумма путей, проиденных за каждой из этих частей, оказывается равной путей, проиденному за весь промежуток.
Физика дает множество примеров адитивных функций.
Если задан движение материальной точки, произходящие под действием некоторой силы, то можно каждому отрезку траектории поставить в соответствии работы силы по перемещению точки, совершенню на этом отрезке. Это — адитивная функция.
Масса, загяд, энергия тела — также адитивные функции *).
Для изучения адитивных функций успешами великих ученых XVII—XVIII веков, прежде всего
*) Адитивность массы подробно обсуждалась в статье Я. А. Смородинского в «Кванте» № 3, 1972.
№ 1. Аддитивные функции промежутка
Функции, с примерами которых вы только что познакомились, приято называть функциями множества. Объические функции мы будем называть функциями числа, или числовыми функциями.
Простейшим видом функций множество является функция промежутка, то есть функция, область определения которых состоит из отрезков числовой оси.
О пределене. Функция промежутка называется аддитивной, если
(1) для любой пары отрезков и из ее области определения. (Через обозначает число, которое функция промежутка ставит в соответствие отрезку .
Будем предполагать, что область определения функции промежутка состоит из всех отрезков , содержащихся в некотором фиксированном отрезке .
Рассмотрим более подробно два примера аддитивных функций промежутка.
1°. Масса неоднородного стержня
Представьте себе, что на числовой оси от точки до точки расположен материалный стержень. Каждый отрезку этого стержня сопоставим число — массу этого отрезка. Полученная таким образом функция промежутка аддитивна: , — если отрезок стержня разбит на две части, то масса его равна сумме масс этих частей. В частиности, если масса распределена вдоль стержня равномерно, то есть стержень однороден, и — его линейная плотность (масса, прихождения на единицу длины), то .
2°. Приращение функции
Пусть — любая функция числа, определенная на отрезке . Тогда функция
(2) (то есть функция , которая промежутку ставит в соответствии число ) аддитивна. Проверим это: если , то
то есть
Уражение 1. Докажите, что для любой аддитивной функции промежутка найдется такая функция числа, что , то есть .
§ 2. Определение интеграла
Каким образом вычислют значение аддитивных функций промежутка?
Вернемся к примеру с массой стержня. Если стержень составлен из нескольких однородных кусков, то масса его равна , где —длины этих кусков, —их плотности (рис. 1). В общем же случае, когда стержень неоднороден, его разбиют на отрезки настолько малые, что бы на каждом из них разбиить на две части, то масса его равна сумме масс этих частей. В частиности, если масса распределена вдоль стержня равномерно, то есть стержень однороден, и — его линейная плотность (масса, прихождения на единицу длины), то .
4
Рис. 2.
масса была распределена «почти равномерно», иначе говоря, плотность стержня в точках каждой такого отрезка должна мало отличаться от средней плотности стержня на этом отрезке.
Средняя плотность стержня на отрезке равна . Аналогичное понятие нетрудно ввести для произвольной функции промежутка. Средней плотностью функции промежутка на отрезке (при ) будет назвать число .
Дать определение плотности «в точке» значительное сложнее, и мы не будем его здесь приводить еще и потому, что нам понадобится лишь одно свойство этой «точечной» плотности. Чтобы формировать это свойство, удобно ввести некоторые обозначения. Если отрезок входит в область определения числовой функции , то символами и мы будем обозначать соответственно наименьшее и наибольшее значения функции на этом отрезке. Интересующое на самом деле плотности состоит в следующем. Если числовая функция является плотностью функции промежутка , то средняя плотность функции промежутка на каждом отрезке заключена между числами и (рис. 2), то есть выполено неравенство
(3)
которое можно переписать так:
Предположим, что нам удалось для данной функции числа подбрать такую адитивную функцию промежутка , что на каждом отрезке из области определения функции выполнен неравенство (3). Однако ли определена этим функция промежутка ? Можно придумать пример «плохой» числовой функции , для которого адитивная функция промежутка неравенствами (3) однозначно не определяется. Однако пример приведен в упражнения 4. Но для любой, достаточно «хорошей» функции , например, для любой многоотонной функции, найдется только одна адитивная функция промежутка , значения которой на каждом отрезке удовлетворяют неравенству (3). То же утверждение справедливо и для кусочно-монотонных функций , то есть для функции, обладается на отрезки монотонности. Кусочно-монотонными являются степенная, показательная, логарифмическая, тригонометрические и многоге другие функции.
Мы подошли к определению интеграла.
О пределение. Пусть функция числа определена на отрезке . Адитивная функция промежутка , определенная на множество отрезков , содержащихся в отрезке , называется интегралом от функции , если для каждой отрезка выполнен неравенство
Таким образом, интеграл от числовой функции — это адитивная функция промежутка однозначно определено.
6
Этот интерраал равен 0,333. Точно назначение этого интеррала мы найдем в следующем параграфе. Как вы, может быть, договорась, оно равно .
И в более общем случае удается, разбив отрезок на достаточно мелкие части, приблизить суммой вида
где — точки, разбиающее отрезок на части, — точки из этих частей. Такое приближение может быть сделано сколь угодно точным.
Написанную выше сумму называют интерральной. Obviously интерралом по определению называют предел, к которым стремится интерральная сумма, когда разбиение становится все более мелким. При нашем определении интеррала понятие предел не используется. От интерральных сумм производило и обозначение интеррала. Символ так: «интеррал от a до бэ эф от икс по де икс». Функция называется подинтерральной, числа и соответственно нижним и верхним пределам интеррирования. Следует иметь в виду, что так же, как это одна и та же функция, символья обозначают одно и то же число — значение интеррала от функции на отрезке .
§ 4. Формулы интегрирования
Вычисление интерралов с помощью интерральных сумм — занятие довольно хлопотное, да и результат получается приближенный. Вместо этого поступают так: вычисляют несколько стандартных, часто встречшихся интерралов, а прочие интерралы пытаются свести к ним. Мы вычислим два стандартных интеррала
1° Вычисление .
Рассмотрим функцию промежутка , задаваемую формулой
Эта функция адитивна:
Докажем, что — интеррал от числовой функции . Для этого нужно установить, что на каждом отрезке выполняено неравенство . Проверим это неравенство для неотрицательных и . В этом случае , , так что нужно доказать, что
или
Раскладывая на множество и сокращая на , последнее неравенство можно переписать в виде
Это неравенство справедливо, так как слагаемые в его средней части не меньше слагаемых в левой части и не больше слагаемых в правой части.
Таким образом, адитивная функция промежутка является интеграла.
Формулы (10) и (11) удобно свести в одну. Для этого вычислим
Положим . Тогда . Следовательно,
Таким образом,
При отрицательном эта формула теряет смысл, так как в этом случае . Отражая стержень симметрично относительно начала координат, можно получить формулу
Позному, если , то
Вы видите, как применяются эти формулы, решая приведенные ниже примеры. Некоторые из них будут подробно разобраны в конце курпала (в разделе «Ответы, указания, решения») «Квант» № 10.
Уражение 5. Вычислить интегралы
a) ;
b) ;
c) ;
d) ;
e) ;
f) .
Уражение 6. a) Докажите, что если — нечетная функция, то
- Докажите, что если — четная функция, то
Уражение 7. Докажите, что если — периодическая функция, — ее период, то
О различных геометрических и физических приложениях интеграла будет рассакано в следующем номере курпала.
10
ВОЛНЫ НА ВОДЕ
И «ЗАМОРСКИЕ ГОСТИ» Н. РЕРИХА
А. Л. Стасенко
«Глубока, по-весеннему студена подернуть рыбью сinh реки. Весело плывут по ней наядные расписные ладьи с пестрыми парусами. Лихо поднялись их носовые части, завершащие головами драковов. Их яркая раскраска горит на солнце…
Далек и опасен путь варягов»*).
Речь идет о картине прекрасного русского художника Николая Рериха «Заморские гости» (1901), который можно полюбовать в Третьяковской галерее. Она воспроизведена на обложке нашего журнала.
Использовем это яркое позитическое полотно для размышлений на некоторых физических темы: о законе сохранения энергии, теории размещенной физических величины и статистической обработки результатов эксперимента. А причем тут картина? Просто, чтобы веселее.
В самом деле, разве не интересно попытаться определить, глядя на эту картину, с какой скоростью плывут заморские гости? Пусть относительно текущей воды, а не относительно берегов. А что в картине может нам дать необходимую информацию? Прежде всего — носовая волна, образующая с обих бортов у форшвения, завершащогося драконом. Далек, круговые волны, которые берегут по поверхности воды от корабля; качественно они похожи на окружности с общим центром, лежащим где-то в плоскостиватии ладьи. Добавим к этому постановку реи и паруса относительно осевой плоскости корабля. Может быть, вы найдете и еще что-нибудь, дающее
*) В. П. Князева, «Н. Рерих», Издательство «Искусство», 1968.
Рис. 1.
11
Рис. 2.
направление движения, может забраться вверх на такую высоту , где ее потенциальная энергия будет не больше кинетической энергии:
Отсюда
Таким образом, закон сохранения энергии и принцип суперпозиции движения позволяет нам сделать оценку для скорости корабля:
следовательно, (1)
Нам нужно лишь изменить угол и высоту носовой волны . Соответствующий расчет будет проведен ниже, а сейчас рассмотрим второй источник информации о движении корабля, который мы рассолгаем.
Поверхности волны
Поверхности волны — довольно сложный объект исследования, но мы можем многое узнать о них, исходя из очень простых сообщений размерности тех физических величины, которые описывают это явление. Для этого нужно прежде всегоясно представить себе принцип явления. Волна — это распространяющееся колебание. А почему поверхность волы, выведенная чем-то из положения равновесия, может колебаться? Всякое колебание является результатом «игры» двух факторов: силы, возвратаю-шей в положение равновесия, и инерции, заставляющей просакивать это положение равновесия.
Если на поверхности жидкости образуется «горб», то вернуть частицы жидкости в положение равновесия может, например, слая тяжесте (см. рис. 3a), пропорциональнаяускорению земного тяготения . Падая вниз, по инерции «горб» проявляется ниже положения равновесия; по соседству с ним будет вытеcenдругой «горб» и т. д., в результате чего побежит волна, характеризуется неокоторой скоростью и длиной (расстоянием между «горбами»). В рассматриваемом нами случае мерой инерности колеблющейся воды является ее плотность.
Итак, движение волны по поверхности жидкости описывается следующими величины (будем сразу писать их размерности):
Как их связать друг с другом? Например, как найти зависимость инерсуюшей нас скорости волны от других волинн , , ? Здесь-то нам и придут на помощь уже выписанные размерности.
Мы видим, что размерность содержит в знаменателье секунду. Из трех других волинн размерность времени входит только в (там в знаменателье стоп ). Отсюда не медленно пишем , и, очевидно, больше трогать нельзя: мы получили от него требуемую секунду в знаменателье размерности . Но вместе с этим дал нам в числе
12
, а нам нужен в числитель мemp без всякого корня. Значит, мы можем домножить на , и тогда все будет в порядке: величина имеет нужную нам размерность .
Итак,
Заметим, что мы получили только пропорциональное, а не равенство, так как перед может стоять любой множитель , не имеющий размерности, то есть . Можно быть, , а может быть, . Здесь наша теория бессильна, но она нам позволила выяснить главное — физику явления. Точное решение задачи дает значение , то есть
(2)
А где же здесь ? Его нет, но нам просто некуда детать килogramмы, входящие в размерность , их не счем сократить, чтобы в конечном результате величина изменяла только в . Это физический понятие: ведь и вес «горба»,ускоряющий его вниз, и масса «горба», определяющая его инерционность, пропорциональны — вот плотность и выпала из формулы (2). (Аналогичная ситuation имеет место в случае математического матрика, период которого по той же самой причине не зависит от массы, подвешенной на нити длиной ).
Не если волны становятся очень мелкими, «рябью» (ниже мы оценим, что значит очень мелкими), то «горб» стремится вернуть в положение равенства другая сила — сила поверхностного натяжения, связанная с коэффициентом поверхности натяжения . Это похоже на то, как если мы натянутую горизонтовую резиновую ленку приодняли пальцем кверху: тогда из-за натяжения ленки на пальце вниз стала бы действовать сила (рис. 36). В этом случае распространие волн будет зависеть от величины , , , . (Мы обозначили скорость волн, связанных с поверхностным натяжением, через , чтобы отличить ее от из формулы (2).)
Телеру у нас достаточно опыта, чтобы пользоваться размерностями, получить выражение для скорости волн (вспомним, что ):
Если мы хотим знак пропорционально изменить на знак равенства, нужно учеть недостатщий безразмерный множитель. Согласно точной теории он равен . Итак,
(3)
Разве не удивительно, что мы почти «бесплатно», не зная никаких теории, получили основное: характер зависимости между величины! Здесь уменьшено вспомнить, что по мнею знаменитого италянского физика Энрико Ферми «в физике…нет места для путанных мыслей…действительно поннимающие природу того или иного явления должны получать основные законы из сообщений размерности»*).
Для «студеной» воды
Учитывая это, мы построили график зависимости скорости поверхности волн, определяемой выражением (2) и (3), от величины (рис. 4).
*) Б. Понтекорво, «Энрико Ферми» М., «Знание», 1971, стр. 27.
13
Видно, что обе кривые пересекаются при см. Таким образом, при очень малых длинах волн () их скорость определяется поверхностным натяжением, при больших () —ускорением земного тяготения. В промежуточной области () скорость поверхностных волн определяется обоими факторами (силой земного тяготения и поверхностным натяжением). Выражение для скорости волны становится сложнее (). Зависимость от показана на рисунке 4 пунктной линейей.
В физике часто бывают так, что горячдо проще исследовать неокоторые предельные случаи (у нас это и ), а «промежуточная область» требует больших условий. К счастью, для нас эта область не существует, потому что, взглянув на картину Рериха, мы можем сказать достоверно, что круговые волны имеют длину, явно больше , и, следовательно, их скорость описывается выражением (2). Что бы найти ее, надо только «измерить» . Вычисления мы проведем ниже, а пока что сделаем еще один шаг.
Вспомним, что когда жук-водомер быстро бежит по воде или пуля летит в воздухе быстро звука, всегда образуется характерные «усы», которые тем тестие прижимаются к движущему телу, чем больше его скорость по сравнению со скоростью распространения возмущений, вызываемых телом. На рисунке 5 приведены три характерных случаев: если , волны обгоняют тело и лишь тестие скимаются в направлении движения; если , то гребни волн в одной точке (в направлении движения) направляют друг на другу; если , то тело обгоняет волны, и образуется «усы». (Фотография, приведенная на второй полосе обложки, иллюстрирует последний случай.)
Рис. 4
Рис. 5.
14
Взглянув на картину Рериха, мы видим, что на ней изображен первый случай; более того, поскольку незаметно даже намека на скатные волн в направлении движения корабля, мы должны заключить, что его скорость намного меньше, чем скорость движения волн:
Таким образом, с точки зрения поверхностных круговых волн корабль просто «точеется на месте».
А теперь приступим к вычислениям. Для этого нам нужно «измерить» высоту носовой волны , угол и длину поверхностной волны .
Измерения
Мы могли бы построать измерить нужные нам величины по картине поточнее, с учетом перспективы, проекций, ракурсов и т. д. Но, воервых, это довольно сложно и утомительно; во-вторых, мы оказывались бы при этом в смешном положении: действительно, нелено подходить к сказачному вымыслу художника как к экспериментальной полученной фотографии. К тому же мы не знаем, какой высоты был, например, нос
Рис. 7.
у изображенного корабля, какого размера нарисованные шиты. Есть, правда, на картине один характерный размер, который, по-видимому, мало изменился со времен варягов — это размер головы.
Прежде чем читать далее, по-proбуйте сами, пользовясь хотя бы этим «этаilonом», оценить и . Это будет ваше личное «измерение». Нельзя, однako, забывать, что картина воспринимается какымым зрителем очень индиvidualно. Покажите эту картину всем ребятам вашего класса и спросите каждого, что он думает о значениях , , (хорошо, если справиваемый при этом не слышал ответов других товаров;第二 этапа «показания» всех учеников будет похожи на независимые показания прибор). Полученные ответы запишите, затем постройте график, где по горизонтальной оси отложите значения , а по вертикальной — число человек , называших это значение .
Рис. 6.
Автор продолжал это со своим товарищами (всего было опрошено 30 человек) и получил графики, приведенные на рисунках 6 и 7. Интересно, что большинство опрошенных называли значения и , кратные 5 см, некоторые — кратные 2—2,5 см, но не менее (никто не назвал, например, , 1357891439 см). Это пожоже на то, как если бы изменяли расстояния линейной с минимальной ценой деления 2—2,5 см.
При помощи этих графиков мы можем найти средние значения и и считать их достаточно обечективными.
Процедура определения средних объчна. Каждый значение нужно умножить на число людей , называших его, взять сумму по всем и разделить на полное число опрошенных. В результате получим
Аналогично
Эти средние значения отмечены на рисунках 6 и 7 красными стрелками.
Точность наших «измерений»-опросов можно грубо оценить шириной плавной пунктирной кривой, взятой на половине ее высоты (красные линии на рисунках 6 и 7). Для физических экспериментов разработана, конечно, целая теория ошибок, в общем оцень положая на то, что мы сделали, только в эксперименте «опрашиваются» приборы.
А как бы с углом ? Все опрошенные сошлись на том, что он лежит где-то в пределах (корабль на картине довольно типоносый). Таким образом,
Тепер у нас есть все, чтобы сделать оценки скорости корабля и поверхностных волн.
Результаты
Подставляя значения , и из (5), (6), (7) в формулы (1) и (2), получим
Тепер мы с удивлением замечаем, что соответствия (8) и (9) несовместимы с неравенством (4). Действительно, судя по высоте носовой волны, корабль плавет со скоростью не меняшей, чем 2,25 , а если ориентировать на круговые поверхность волны, которые на картине почти концентрины, скорость корабля должна намного меньше скорости этих волн , которая и без того меньше .
При известной внешательности вы найдете много подобных физических неточностей и в других произведениях искусства (по-видимому, это связано с тем, что у него свой задан и законны). Тогда вы сможете не только положовать им и получить естественное удовлетворение, но и поворотить с младшим братом о законах физики, использую очень привлекательные иллюстрации.
16
Разделится или нет? Этот вопрос часто возникает в арифметике целых чисел. И это не случайно — ведь деление является наиболее сложным из арифметических действия.
Обозначим делимое и делитель буквами и (мы ограничимся случаем ), а частное и остаток — буквами и соответственно. Тогда (см. рисунок) , (определение деления с остатком).
Если , то , и мы говорим, что «а делимся на » или «а кратно ». Обозначается это с помощью троеочия: ; символ : означает «делимся на…»
Ответить на вопрос, делится или нет, в ряде случаев помогают признаки делимости. Но в школьном курсе рассматривают лишь простейшие из них: на 2, 3, 5 и 9. Признаки делимости, например, на 7, 11 лежат за пределами школьного курса. Знаний, получаемых на уроках арифметики, недостаточно, чтобы найти остаток от деления на 641, 1971 на 7, на 3. На эти и многое другие вопросы дает ответ теория сравнения, об элементах которого и рассказывается в данной статье.
- Остаток от деления
Нередко остаток представляется больший интерес, чем частное . Например, чтобы определить НОД
Рис. 1.
(*) Подробно об этом расскаZAно в статье В. Н. Вагутена «Алгоритм Евклида и основная теорема арифметики», «Квант» № 6, 1972.
18
мого, кратного modulo. При этом заменательно то, что сравнения имеют не только внешнее сходство с общими равенствами, но обладают почти всеми основными их свойствами.
Так, сравнения по одному и тому же modulo можно получить складывать, вычитать и перемножать:
(C)
Отсюда получается также следствия:
к части Dannого сравнения можно прибавлять одно и то же число, их можно умножать на одно и то же число, а также возводить в одну и ту же натуральную степень, то есть
Упражнения
-
Докажите критерий (К) и свойства сравнения (С).
-
Докажите, что части сравнения можно сокращать на число, взаимно простое с моделем (если, конечно, обе части сравнения делятся на это число).
-
Покажите, что сравнение 3x ≡ 4(mod5) верно при любом x, сравнимом с 3 по данному modulo.
-
Проверьте, что не существует целых чисел x, удовлетворяющих 3x ≡ 2(mod 6).
-
Сравнения по modulo и разбиения на классы
Свойства сравнения, данные в пункте 2, позволяют сравнительно просто решать многое задачи теории делимости, нередко встречалось среди олимпиадных, конкурсных и т.п. Рассмотрим неокоторые из них, но предварительно заметим, что при решении этих задач можно решать себе разбитым на классы чисел, сравнимых по данному modulo (при этом модель выбирается в зависимости от обстоятельств или определяется самим условием задачи).
При каждом a сравнению x ≡ a(mod m) удовлетворяет классы чисел x, которые при делении на m дают остаток r(a, m). Для каждой x выполняется одно из сравнений
или, что то же самое, одно из равенств
где t — соответствующее целое число. Итак, каждое целое принадлежит одному из m классов; не сравнимые по данному modulo числа принадлежат различным классам.
Упражнение
- Проверьте, что отношение сравнимости является отношением эквивалентности и разбиает все числа на классы сравнимых, а именно, докажите, что
a) x ≡ x(mod m);
b) x ≡ y(mod m) ⇒ y ≡ x(mod m);
b) x ≡ y, y ≡ z(mod m) ⇒ x ≡ z(mod m).
Подробно о разбиении на классы рассケано в статье М. М. Глухова «Отношение эквивалентности и разбиения множества», «Кваант» № 2, 1972.
- Некоторые задачи
Чтобы свободнее пользоваться «языком сравнения» при решении задач, рассмотрим следующие вопросы: какие классы, например, по modulo 6, содержат простые числа? Какому из этих классов принадлежит простое число 37? Какие классы по modulo 6 содержат целевые степени чисел?
Легко видеть, что класс x ≡ 0(mod 6) не содержит простых чисел: он состоит из чисел, кратных 6. Не входят простые числа в класс x ≡ 4(mod 6), так как он состоит из четырех чисел 4+6t = 2(2+3t) (и не содержит числа 2). классы x ≡ 2 и x ≡ 3(mod 6) содержат по одному простому числу: соответственно 2 и 3. классы x ≡ 1, x ≡ 5(mod 6) содержат все остальные простые числа; например, в первый из них входят 7 и 13, а во второй 11 и 17.
Так как (mod 6), то 37 принадлежит классу (mod 6).
Ответ на последний вопрос можно получить так: целое число по модулю 6 сравним с одним из остатков 0, 1, 2, 3, 4 и 5; его четвертая степень сравнима соответственно с четвертой степенью остатка, то есть с одним из чисел 0, 1, 16, 81, 256 и 625. Так как (mod 6), то четвертые степени целых чисел встреются лишь в классах (mod 6).
Остановимся еще на одном вопросе. До схх пор неизвестно, конечно или бесконечно множество пар простых чисел-близневов, то есть простых чисел вида
Примерами «близневов» служат 3 и 5, 5 и 7, 11 и 13. Но вот с тройками простых чисел вида
дело обстоятель значительно проще. По модулю 3 для имеем три возможности:
a) (mod 3).
Первому из этих классов принадлежит единственное простое число , которое соответствует простые числа и . Таким образом, первый возможность приводит к тройке (3, 5, 7). При (mod 3) (mod 3), открывая возможность приводит к тройке (3, 5, 7). При (mod 3) (mod 3), открывая или , что тоже не подходит. Итак, с помощью сравнения простого выясняется, что существует единственная тройка «близневов»: (3, 5, 7).
Теперь перейдем к решению задачи.
Задача 1. Наимuu
Решение. (mod 641), открывая (mod 641) и (mod 641), значит, (mod 641), то есть или *.
Задача 2. Наимuu последнюю цифру намурального числа .
Решение. Требуется найти .
Так как (mod 10), то (mod 10) и (mod 10). Из (mod 10) следует (mod 10), (mod 10) и (mod 10). Складывая полученное полученные сравнения, имеем
Таким образом, данное число оказывается цифрой 7.
Задача 3. Доказать, что не существует намуральных чисел , и , удовлетворяющих уравнению
Решение. Используем модель 3. В силу (mod 3) имеем (mod 3). С другой стороны, (mod 3), открывая (mod 3) или (mod 3) (в зависимости от четности ). Так как (mod 3), то .
Подчеркием, что при решении этой задачи мы должны быть, что надо использовать модель 3. Если мы взяли модель 4, то у нас противоречия не получилось бы. Вопрос о выборе подходящего модели при решении задачи сложен. Если он вас интересует — посмотрите статью М. И. Башмакова «Нравится ли вам возиться с целыми числами», «Квант», № 3, 1971.
*) Из геометрии известно, что цирклем и линейкой окружность можно разделить на равных частей, если это число простое. В свою время французский математик Пьер Ферма (1601—1665) считал, что все числа данного вида — простые. Однако позднее Леонард Эйлер (1707—1783) показал, что . После Эйлера «числами Ферма» занимается уравний математик-любитель И. М. Первушин, доказавший, в частности, что .
22
В. А. Бронштэн
При изучении Вселенной астроно-
мам не раз приходилось убеждаться
в том, что правильный анализ на-
блюдаемого явления почти всегда
позволяет получить множество данных об изучаемом небесном теле или группе тел. Прекрасным примером этого являются так называемые затменные переменные звезды.
В 1669 г. итальянский математик и астроном Дж. Монтанари обнаружил, что звезда Алголь (β Персея) периодически меняет свой блеск. (Возможно, что переменность блеска этой звезды была известна еще древним арабам, которые и назвали ее позетому Рас Аль-Гуль — «голова дьявола». Это арабское название превращалось потом в Алголь.) О работах Монтанари мы знаем мало, так как многое его сочинения не дошли до нас. Известно лишь, что он открыл переменность блеска не одного Алголя, а около эта звезд. Но каких именно, мы не знаем: каталог Монтанари погиб.
Сто с лишним лет спустя наблюдениями Алголя занялся английским любительством астрономии, восемнадцатлетний глухонемой юноша Джон Гудрайк. Из своих наблюдений за 1782—1783 гг. он установил, что Алголь, который обычно светит как звезда 2-й величины, примерно раз в трое суток ослабает до 3—4 величины.
В астрономии блеск звезд приято выражать в звездных величинах — единицах, пропорциональных логарифму освещности, создаваемой звездой на плоскости, перепендикулярной к ее лучам. Блеск звезды зависит только от ее силы света и расстояния от Земли, и не зависит от того, наблюдаем ли мы звезду простым глазом или в телескоп, поскольку освещность сразу глаза и объектива telescopа светом звезды, естественно, одна и та же. Блеск в астрономии приято обозначать буквой L (luminosity), звездную величины — буквой m.
Разность в 1 звездную величины соответствует отношению блеска в 2,512 раза *). Разность двух звездных величины величин m₁ и m₂ равна
где L₁ и L₂ — блеск звезд.
Наблюдая Алголь, Гудрайк заметил, что уменьшение его блеска до минимума и обратный рост до «нормального» значения продолжаются по 4,5 часа, после чего в течение 2 суток 12 часов звезда сохраняет постоянный блеск, а затем весы цикл повторяется снова. Гудрайк весы точно определял период изменения блеска звезды — 2 суток 20 часов 49 минут, что лишь на 3 минуты отличается от современного значения. Но самое главное состояние в том, что Гудрайк правильно наблюдает наблюдение им явление: он предположил, что здесь происходит затмение одной звезды (яркой) другой (темной), обращающийся вокруг первой. Звезды типа Алголя получили название затменных переменных.
Гипотеза Гудрайка подтвердилась спустя сто лет.
*) См. статью Л. Д. Марленского «Возможности оптических telescopов» («Квант» № 8, 1972).
24
Рис. 2.
= 1,27) у Алголя через полерiodа наступает вторичный минимум, когда его блеск падает лишь на звездной величины (рис. 2, а). Это означает, что спутник в системе Алголя не совсем темный, а излучает немного света, и когда его частично закрывается главная звезда, блеск системы несколько ослабевает. Поскольку геометрическая картина обихзатмений совершенно симметрина относительно центра главной звезда независямо от угла наклона орбиты к лучу зрения, очевидно, что закрываемая площадь диска спутника в точности равна закрываемой в главном минимуме площади диска главной звезда (см. рис. 2, б). Но тогда по соответствию амплитуд потери блеска в главном и вторичном минимуме ( и ) и соответствующих им значений блеска ( и ) можно найти относение поверхности яркости обихзезд (, ). Примем для простоты блеск системы вне затмения за единицу (); тогда из (1) будем иметь:
Потери блеска в главном и вторичном минимах будут равны и соответственно (мы ведь положили ). Но так как закрытые при затмениях площади дисков обихзезд равны, поверхности яркости закрываемых звезд относится как потери блеска в соответствующих минимах:
6
Подставив и , найдем для Алголя , то есть поверхность главной звезды почти в 13 раз ярче, чем поверхность спутника.
Зная относение яркости главной звезды и звезды-спутника, можно найти относение температур обихзезд. Экспериментально было установлено, что излучение с единицей поверхности светашихся тел порционально четвертой степени их температуры *). В нашем случае излучение с единицей поверхности — это поверхность яркости звезд. Следовательно, мы можем записать:
(5)
где , и , — поверхность ярости и абсолотные температуры главной звезды и звезды-спутника, — постоянная величины. Из соответствия (5) следует, что
Для эксперимента Алголя
Температуру главной звезды можно определить, изучая ее спектр, а точнее — распределение ярости вдоль спектра. Было установлено, что положение максимума энергии излучения, соответствующего длине волны , меняется при изменении температуры светашегося тела. При
*) Строго говора, такое соответствие между излучаемой энергией и температурой справедливо для абсолотного черного тела. Однако без большой ошибки его можно применять и для излучения packленных металлов, Солнца, звезд.
25
увеличении температуры тела максимум излучения смещается все дальше в области коротких волн. Таким образом,
где — абсолотная температура тела, — постоянная величины. Определив из наблюдаемой спектра звезды и знач , мы можем найти абсолотную температуру светашего тела . Для главной звезды системы Алголя ; зная эту величину, можно найти абсолотную температуру звезды-спутника. Она равна . (Спектр излучения звезды-спутника очень слабый и к тому же накладывается на спектр главной звезды.)
Мы уже говорили о том, что в спектре Алголя было обнаружено смещение линейной то к филолетовому, то к красному концу спектра с периодом , равным периоду изменения блеска звезды. Это значит, что звезда то приближается к нам, то удаляется от нас, образясь по орбите вокруг центра масс системы с периодом .
Согласно принципу Доплера скорость набольшшего приближения или удаления главной звезды ,лина волны линей спектра и ее смещение связаны соотношением
где — скорость света. Определив из наблюдаемой спектра звезды изменение длины волны при смещении линейки, можно найти по формуле (7) скорость движения главной звезды по орбите. Для Алголя было найдено, что . Эта величина равна орбitalной скорости .
Теперь, зная период 52 мин, можно определить радиус звезды:
Радиус орбиты Алголя почти в 5 раз больше радиуса орбиты Луны.
Если в спектре звезды видны спектральные линии не только ярко, но и слабого компонента (звезды спутника), то можно таким же точно путем найти радиус орбиты спутника . Для спутника Алголя (Алголь В) было найдено . Таким образом, радиус относительной орбиты, то есть орбиты спутника относительной главной звезды равен .
Зная радиус относительной орбиты и период обращения, мы можем по третьему закону Кеплера определить сумму масс обихз звезд. В обобщенной форме (выведенной Ньютоном) третий закон Кеплера имеет такой вид:
Здесь , — периоды обращения вокруг масс в первой и второй системы тел, , — большие полуоси орбит, — массы тел первой системы, , — массы тел второй системы. Прием за первую системы — системы Алголя, за вторую — системы «Солнце — Земля», за единицу массы, как это приятно в физике звезд, примем массу Солнца (т. е. положим ), а масс Земли пренебрежем (); большие полуоси заменим радиусами круговых орбит. Тогда получим:
Подставляя суток, суток, и найденное выше значение , получим , то есть сумма масс обихз звезд системы Алголя в 5,4 раза превышает массу Солнца.
Чтобы определить массу каждой звезды в отдельности, вспомним, что расстояния двух тел от центра их масс обратно пропорциональны массам. Значит,
26
В случае системы Алгоря . По сумме и относительной масс находим . Итак, звездаспутник имеет массу, почти равную солнечной, а главная звезда — массу примерно в 4,5 раза больше солнечной.
Аналіз кривой блеска позволяет не только найти радиусы орбит звездд, но и определить элементы орбиты: ее наклон к лучу зрения, эксцентриситет, положение плоскости орбиты в пространстве. Метод определения элементов орбиты затменной переменной звезды по кривой ее блеска был разработан в 1912 г. американским астрономом Г. РесSELOM *). Вот основы этого весы острумного метода.
Предположим, что мы наблюдаем затмение звезды (рис. 3, б). Пока главная звезда закрыта целиком, блеск системы изменяется не будет. В этом случае главный минимум на кривой блеска (рис. 3, а) будет плоским. Во вторичном минимуме произойдет колъеобразное затмение (рис. 3, б; малая звезда впереди) и он тоже плоским. Обозначим блеск звезды в любой момент затмения, пока оно не полное (или не колъеобразное), через , блеск в главном минимуме — через , блеск во вторичном минимуме — через . Блеск звезды вне затмения примем за единицу. Тогда потери блеска будут равны соответствию и .
Положение спутника на орбите относительно направления на Землю в каждой момент времени определяется углом фазы (см. рис. 4), который равен
где — момент времени, соответствующей середине главного минимума на кривой блеска (рис. 3, а), — период обращения спутника, равный период изменения блеска. В момент угол фазы . Для упрощения расчетов положим , то есть время будем вести от середины главного минимума. Прием радиус относительной орбиты за единицу () и обозначим относение радиуса меньшей звезды к радиусу большей через . Пусть орбита спутника наклонена
*) Первая общая теория затменных звезд и метод вычисления орбит были описаны в 1911 г. в Москве С. Н. Блажко в его докторской диссертации.
27
к картиной плоскости *) под углом (очевидно, что он близок к , иначе мы не увидели бы затмения). Нам нужно определить три неизвестных: .
Из кривой блеска мы можем для каждой момента времени определить формутрическую фазу затмения, равную отношению потери блеска в данной момент времени к потере блеска в главном минимуме:
ИЗ определения видно, что есть функция угла фазы . Именно по известной из наблюдаемой зависимости мы и определим величины .
Легко видеть, что формутрическая фаза однозначно зависит от трех величины: от расстояния между центрами дисков обежных звезд ( на рис. 5) и от их радиусов (или от одного из них, , и их отношения ). Численное она равна относению плоскид двойного сегмента к площади диска меньшей звезды, то есть к площади круга с центром в (рис. 5). Как же найти расстояние между центрами ?
Если бы плоскость орбиты проходила через луч зреня (), то было бы . Но так как орбита имеет наклон , величины будет функцией двух углов:
*) Картиной плоскостью называется плоскость, перpendикулярная лучу зреня.
Рис. 5.
и , из которых нам известен только второй (). Хотя формула, выражющая связь с и , несложна, мы не будем здесь ее выводить, чтобы избежать громоздких выкладок, а запишем ее в нейвном виде:
Кроме того, согласно сказанному выше,
Таким образом, мы имеем как будто лишь два уравнения с четырьмя неизвестными . Исключив , мы получим одно уравнение с третья неизвестными .
Но в нашем распоряжении не одна точка на кривой блеска, а много. Выбрав три точки, мы получим систему из трех уравнений с третья неизвестными, которое можно решить и получить величины (значит, и ).
В метода Рессела две точки выбраются фиксированными (они соответствуют и ), а третья точка — «скольствия», то есть в качестве третьей точки по очереди выбраются многое точки на кривой блеска. Из получаемых 10—20 решений для неизвестных берутся средние значения. Таким образом, в решении участует как бы вся кривой блеска.
Зная радиуса обежных звезд в долях радиуса орбиты (мы полагали ), мы можем найти абсцилтовые радиуса, а по ним — объемы. Поделив массы звезд на их объемы, мы найдем средние плотности звезд.
Если затмение не полное, а частное, решение будет более сложным, но метод Рессела позволяет достичь успеха и в этом случае.
Для выбранного нами примера — системы Алгола — мл. мл. . Зная размеры и массы, мы легко найти средние плотности обежных звезд .
Итак, из анализа кривой блеска затменной переменной звезды Алголь
30
Д. Бородин
Начало этой истории похож на детективный роман. В один из весенних дней 1970 года на борту самолета, совершающего кругосветный рейс, находились два пассажира. Один из них был американский физик Хафель, другой занимал целых два места и был зарегистрирован в эропорту как мистер Клок. Мистер Клок был на самом деле часами*), очень точными atomными часами, которые отсутствовали время с 13 знаками**).
Путешествие было предприятного для того, чтобы продемонстрировать эффективизmenя хода часов, предсказываемый теорий относительной.
Опыт был поставлен так, что в нем участвали на самом деле не один, а два самолета, в каждом из которых путешествовали по два экземпляра atomных часов. (Мистера Клок во втором самолете сопровождал другой физик Китинг).
Один из самолетов летел с запад на восток, другой — с востока на запад. Маршрут их проелегал на высоте примерно в 10 км и шел вдоль земной параллели. Скорость самолетов была около 1000 км/час, так что свой рейс они завершали примерно за двое суток (считая остановки в пути).
Когда показания часов сверли с часами на эродроме, то оказалось, что часы, которые летели на самолете с запад на восток, отстали на 5 стомиллионных долей секунды (как сейчас принято говорить, — на 50 наносекунд). Часы, obлетешие Землю с востока на запад, ушли вперед на 16 стомиллионных секунды (160 исек). Хотя в опыте было много помех, которые трудно поддаются точному учету (например, посадки самолета в промежуточных аэропортах), тем не менее эффективизmenя хода часов было продемонстрирован очень убедительно.
Физики, занимающие элементарными частицами, наблюдают эффективизmenя времени уже давно. Им хорошо известно, что летящая с большой скоростью частица, например, μ-mezон, «живет» дольше, чем покоящийся μ-mezон. Время жизни μ-mezона, летящого со скоростью , связано со временем жизни покоящегося μ-mezона формулой
( см/c — скорость света, микросекунд = c).
Только благодария такому замечениюраспада μ-mezон успевает пройти через всю толщу атмосферы Земли.
31
Другой эффектив заменления времени наблюдая астрономы. В поле тяжелости звезд согласно общей теории относительной времени заменяется и свет, излучаемый atomами на этих звездах, имеет частоту, меньше чем такое же излучение на Земле. Это «гравитационное» смешение спектральных линей звезд наблюдая уже давно. Американские физики Паунд и Репка наблюдая его и в земной лаборатории. В их опытах было показано, что с удалением источника излучения от поверхности Земли его частота увеличается (так же как далеко от звезды земные часы идут быстрее, чем часы на тяжелой звезде).
В опытах мистера Клока сказалась об эффективе. Часы, подняты на 10 км над Землей, идут быстро земных, как в опытах Паунда и Репки. За двое суток полета «гравитационный» эффектив должен был подогнать часы на +100 нсек. Кроме того, часы двигались вместе свращением Земли со скоростью Ω (R + h) + v (v > 0), если самолет летел с запада на восток, и v < 0, если самолет летел с востока на запад). Здесь Ω — угловая скорость Земли, равная рад/сек, R — радиус Земли, h — высота полета, v — скорость самолета. При этом часы отставали блядаря тому же эффективу, который приводит к заменению распада μ-мезонов. Часы не могут разделить оба эффективes
ПОПОЛНЕНИЕ КОМАНДЫ
Сборную функцию команду города необходимо было пополнить зашитником, получащитником, левым крайним направлением и центральным направлением. И хотя было 7 приближительного одинакового играющих претензий, задача оказалась не из легких, так как необходимы было учитывать их сыграность и весма сложные взаимотошення.
Капалов согласен войти в сборную только центральным направлением и то при условии, что Полянчков не будет зашитником, а Алексеев — левым крайним направлением. Колесников отказывется играть за сборную, если туда войдут Зборовский и Дымников вместе или если в команду будет включен Алексеев без Комарова, а чтобы согласилась выступать Комаров, надо отказаться от приглашения Колесникова и Капалова. Полянчков не желает играть вместе с Дымниковым, если в команде не будет Капалова или если Алексеев будет центральным направлением. Дымников согласи только в направлении и при условии, что в команде не будет Алексеева. Зборовский соглашение войти в сборную вместе с Дымниковым, но и при этом отказывется быть зашитником.
Кого и кем взгляли в сборную команду города?
А. С. Сорокин
32
Решения задач вступительного контрольной работы в 3МШ 1972 года
А. Л. Тоом
Условия этих задач и правила приема в заочную математическую школе при МГУ и ЛГУ были помещены в первом номере «Кванта» за этот год. Здесь мы помещаем решения и указания к некоторым из этих задач.
Новая вступительная работа во Всесоюзную заочную математическую школе будет опубликована в первом номере «Кванта» 1973 года.
- В треугольнике цептры высачной и описанной окружности симметрицы относительно одной из строкон. Найдите улы треугольника.
Обозначим концы той стороны, относительно которого симметрицы центры, через A и C, а третью вершину — через B (см. рис. 1). Пусть O и D — центры соответствующего высачной и описанной окружности. Если опустить из них перепределения на AC, то они упадут в одну точку M — середину отрезка OD (это и означает, что O и D симметрицы относительно AC). Нам надо найти углы треугольника: , , .
Докажем сначала, что . Действительно, (как радиус),
позетом , открыта . Следовательно, . Но (центр окружности, высачной в треугольник, находится в точке пересечения его биссектрис), позетом .
Отсюда следует, что , тогда медиана — одновременно и высота, значит, O лежит на BM.
Позному точки B, O, M и D лежат на одной прямой, а так как (как радиус), то .
С другой стороны, . Поэтому
.
Тогда
.
Итак,
.
Позному сумма углов треугольника равна , откуда , .
Ответ: .
33
- Двое церратом в макую церру. Перед ним на бумаге в цепочку написано несколько минусов. Каждый по очереди переправляем один или два соседних минуса на плоск. Вызываем mom, кто переправим последний минус. Кто вызываем при правальной церегне: начинающий или его партнер, и как ему надо для этого церрать, если вначале написано: a) 7 минусов; b) k минусов?
Выигравает при всех n начинающий. Опишем стратегию, применяя которую, он наверняка выиграет. Первый ход надо сделать в середине, чтобы оставшиеся минусы образовали два отдельных «куска» равной длины (на рисунке 2 изображена позиция после первого хода для n=7)
Рис. 2.
и n=8). После этого начинающий каждым своим ходом должен переправлять минусы, симметричные тем, которые перед этим переправил второй. Так, если второй переправил k-й (или k-й и k+1-й) минус справа, то надо переправить k-й (или k-й и k+1-й) минус слева. Тогда после каждого хода первого будет получаться симметриная позиция.
Второй каждым ходом будет переправлять один или два минуса, симметричные которых еще не переправлены; следовательно, эти минусы не могут быть последними, и второй не может выиграть.
- В треугольнике ABC проведимся биссерриса AK и медиана AM. Чему может равняться отношение сторон AB и AC, если известно, что один из отрезков BM, MK, KC равен получиме двух других?
Указа и е. Здесь необходимо рассмотреть шесть случаем, соответствующих клеткам таблицы (см. рис. 3).
В клетках написаны ответы.
Рис. 3.
- Существует ли хотя бы одно число a макое, что оба числа и – целые?
Пусть , .
Выразим a из первого равенства и подставим во второе:
Преобразуем:
Для выполнения этого равенства достаточно, чтобы было:
(В действительности это и необходимо, раз m, n – целые, но этого можно и не знать: ведь нам достаточно найти хотя одно значение a.)
Полученная система легко решается:
Ответ: такое a существует: например, (в действительности таких чисел всего два).
- Один из прямых грамбель okно. Андрей сказал: «Это или Витя, или Толя». Витя сказал: «Это сделал не я и не Юра». Толя сказал: «Вы оба говорите неправду». Дима сказал: «Нем, один из них сделал правду, а другой — нем». Юра сказал: «Нем, Дима, мы неправ». Их отец, коморому, конечно, можно доверять, уверен, что не менее трех грамбелься правду. Кто разбил okно?
Изображим заявления грамбель в виде таблицы из 5 строк и 5 столбцов
34
Рис. 4.
(рис. 4). Строки и столбцы называны первыми буквами имен братьев. Заявление каждого братья записывается столбом под первой буквой его имени. В этом столбце расставим плюсы и минуты по следующему правилу: плюс, если высказывание допускает, что брат, по имени которого называна строка, разбил окно, и минуту, если высказывание этого не допускает.
Так, в столбце под буквой А плюся стоит только против букв В и Т, поскольку Андрей сказал: «Это или Витя, или Толя». В столбце под буквой В минуты стоит только в строках В и Ю.
Чтобы заполнить столбец T, надо разобраться, в каком случае Андрей и Витя оба неправы. Например, если окно разбил Андрей, то Витя оказется прав, так как он это допускал, и в столбце B против буквы A стоит плюс. Вообще, Андрей и Витя оба оказутся неправы, только если окно разбил Юра, так как только в строке Ю на первых двух местах стоит минуты. Значит, в столбце T надо поставить плюс только против Ю.
Дima оказется прав, только еслировно один из первых двух братьев — Андрей и Витя — оказется прав, а другой неправ. Значит, в столбце Д плюс ставится только в тех строках, в которых на первых местах стоит один минус и один плюс.
Юра просто отрицает то, что сказал Дима; где в столбце Димы плюс, там у него минус, и наоборот. Таблица заполнен. Мы знаем, что не менее трех братьев сказали правду. Значит, надо искать строку, в которой не менее трех плюсов. Такая строка только одна — T.
Ответ: окно разбил Толя.
- Предумайте четырех целых неотрицательных чисел также, чтобы каждое число от 1 до 81 можно было представить в виде суммы четырех чисел — по одному из каждой тройки.
Годятся такие четырехки:
1, 2, 3
0, 3, 6
0, 9, 18
0, 27, 54.
Объясним, как они придуманы. Легче решить эту задачу в более общем виде: придумать k троек целых неотрицательных чисел таких, чтобы каждое число от 1 до 3^k можно было представить в виде суммы k чисел — по одному из каждой тройки.
При k=1 решение оченьindo: одна тройка 1, 2, 3. Пусть задача для k троек решения. Как подобрать еще один тройку, чтобы получить решение задачи для k+1?
Первое число надо взять равным нулю. Тогда, прибавляя его ко всем суммам k чисел, взятых по одному из первых троек, получим те же числа от 1 до 3^k.
Второе число возьмем равным 3^k. Прибавляя его к числам от 1 до 3^k, получим все числа от 3^k+1 до 2.3^k.
Третье число возьмем равным 2.3^k. Прибавляя его к тем же числам, получим все числа от 2.3^k+1 до 3.3^k = 3^k+1.
Итак, задача решения и для k+1. Так построены четырехи тройки. Доказано, что они годятся при каждом k, в том числе и при k=4.
35
Об экстремальных мочках
Ж.Б.Пинковский
Экстремальная точка — это точка, для которой неокоторая функция достигает наиболее или наиболее значения. Легко доказать, что точка пересечения медиан треугольника обладает следующим свойством: для нее сумма квадратов расстояний до вершин треугольника минимальная. В этой статье мы изложим в полне элементарное доказательство обобщения этого факта.
Пусть на плоскости данных точек. Введем на плоскости декартову систему координат с осями , и обозначим эти точки так: , , …, (рис. 1). Возьмем любую точку на плоскости. Квадрат расстояния от точки до точки легко найти по теореме Пифагора (рис. 2): . Сумма квадратов расстояний от до точки , , …, выглядит так:
Раскроем скобки и представим в виде суммы многочленов от и :
Получалась сумма двух многочленов, один зависит только от :
второй зависит только :
и . Заметаем, что и независными, поэтому достигает наиболее значения при таком , при котором наименьшее, и при таком , при котором наименьшее. Но и — это многочлены второго порядка (с несколько длинно записанными коэффициентами). Графиком функции будет парабола (рис. 3), ветви которой направлены вверх (), наименьшее значение достигается при , равном абсциссе вершины парабола. Отсюда легко найти значение , при котором минимальное: .
Аналогично находится координата (из ): .
Представляем читателю решить следующие задачи.
- Доказать, что координаты точки пересечения медиан треугольника с вершинами таковы:
- Точкой Торричелли называется точка треугольника, сумма расстояний от которой до вершины треугольника минимальная. Доказать, что из точки Торричелли стороны треугольника видны под углами .
36
Премии «Кванта»
Редакция журнала получила более 3000 писем с решениями задач, помещенных в разделе «Заданияк «Кванта». Среди авторов этих писем редакционная коллекция отбрала школьников, регуляро присылаших особенно оригинальные и удачные решения. Они нагружаются годовой подпиской на журнал «Квант» на 1973 год.
Вот имена победитель нашего конкурса:
Леонид Брагинский
Фрунзе, школа № 61;
Ирина Братовская
Усолье-Сибирское,
школа № 2;
Александр Григорян
Баку, школа № 211;
Владимир Кууск
Ржев, школа № 4;
Геннадий Левин
Куйбышев, школа № 135;
Юрий Лурье
Грозный, школа № 1;
Александр Макаричев
Львов, школа № 14;
Александр Шерстюк
Николаев, школа № 2;
Фарид Тухватуллин
Ташкент, школа № 110.
37
ЗАДАЧИ
М161. Озеро имеет форму невеликого -угольника. Докажите, что множество точек озера, из которых видны все его берега, либо пусто, либо заполняет внутренность выпуклого -угольника, где .
И. Н. Берништейн
М162. Последовательность натуральных чисел
(А) такова, что каждое натуральное число либо входит в последовательность (А), либо представляется в виде суммы двух чисел из последовательности (А), быть может, одинаковых.
Докажите, что для всех .
Ю. Г. Ерошкин, ученик 9 класса
М163. Докажите, что если диагонали выпуклого четырехугольника взаимно перпендикулярны, то процесс их точки пересечения на все четыре стороны (или их продолжения) лежат на одной окружности.
И. А. Кушинр
М164. На белых клетках бесконечной шахматной доски, заполненной верхиной полуплоскость (рис. 1), записаны какие-то числа так, что для каждой черной клетки сумма чисел, стоящих в двух соседних с ней клетках — справа и слева,— равна сумме двух других чисел, стоящих в соседних с ней клетках — сверху и спизу. Известно число, стоящее в одной клетке -й строки (голубой крестик на рисунке 1), а требуется узнать число, стоящее над ним в -й строке (красный знак вопроса на рисунке). Сколько еще чисел, стоящих в двух нижних строках (голубые точки на рисунке), нужно для этого знать?
М. Л. Гервер
38
М165.* На окружности расположено множество точек, состоящее из 100 дуг. Известно, что при юбом поворете окружности множество имеет общую точку . (Другими словами, для любого от до в множестве можно указать две точки, отстоящие друг от друга на .) Какую наименьшую сумму длины могут иметь 100 дуг, образующих множество ? Каков будет ответ, если дуг не 100, а ?
Ю. П. Лысов
Ф163. В однородно заряженной сфере радиуса имеется сферическая полость радиуса , центр которого находится на расстоянии от центра сферы (рис. 1). Найти направенно
Рис. 2.
электрического поля в различных точках полости, если плотность заряда равна .
В. Д. Кривценков
Ф164. Найти теплоемкость идеального газа в процессе, при котором температура газа а) пропорциональная квадрату его объема; 6) обратно пропорциональная его объему.
И. Ш. Слободецкий
Ф165. Оцените время упругого столкновения двух стальных или двух резиновых шаров с одинаковыми радиусами см. Для стали модуль Юнга н/м², плотность стали ке/м³. Модуль Юнга резины н/м², ее плотность ке/м³. Шарки движутся навстречу друг друг со скоростями м/c.
Какова средняя сила взаимодействия шариков?
Г. Л. Комкин
Ф166. Почему легче проткнуть шлом дыру, если шило врашает? Почему нужно вращать гвоздь, чтобы вытащить его из стены? Почему, когда вырежете хлеб или мясо, вы дивгаете нож взад-вперед, а когдарежете сыр, то только давите на нож?
А. Г. Косоуров
Ф167. Частота колбанный струны зависит от ее длины, натяжения и от погонной плотности — массы единиц длины струны. Определите вид этих зависимостей.
И. А. Зайцев
ЗАДАЧИ НА КОМБИНАТОРИКУ
-
В классе присутствуют 36 учашихся. Сколько существует варянтов выбора одного предметателя и одного секретаря для проведения классного собрания?
-
Автомобиль «Волга» имеет номер MMO-6057. Сколько всего машин может оказаться с индексом MMO?
-
Телефонные номера в Ленинграде состояят из шести цифр. Сколько всего телефонных номеров может быть в Ленинграде?
-
Во время обеда в столовой посетитель выбирает себе одну столовую, одну чайную ложки и одну вилку. Сколько всего существует выборов выбора, если в столовой имеется 20 столовых, 10 чайных ложек и 15 вилок?
-
В совершеннях по футбольной принимал участке 20 команда. Сколько встреч будет проведено между ними, если совершенняна проводятся в один круг?
-
В совершеннях по шахматам принимает участке 30 человек. Сколько будет сырно между ними, если совершенняна проводятся в один круг?
-
В раздичные дни для патрулирования выделено 50 офисеров и 100 солдат. Нужно их разбить на групы по три человека в каждой (один офисер и два солдата). Сколько существует варянтов составления патрулей?
Х. Ш. Шихалев
39
РЕШЕНИЯ
В этом номере мы публикуем решения задач M123—M125
M123
Найдите все натуральные числа m, для которых
(через n! обозначается произведение 1·2…·n).
Решениями уравнения являются числа 1, 2, 3, 4. В этом нетрудно убедиться неоредственной подстановкой. Докажем, что других решений нет. (Эта задача под номером 76 была опубликована в сборнике «Математическое просвещение» № 4 за 1935 год; в то время никакому изчитателей не удалось найти «убедительное доказательство того, что уравнение не имеет других решений» — так было написано в № 8 этого сборника за 1936 год). Простое доказательство, которое мы предлагаем, опирается на следующее теорему («поступат Бертрана», о котором расссказываюсь в «Кванте» № 5 за 1971 год и № 5 за 1972 год): между чисlamи a и 2a, где a>1, всегда найдется хотя бы одно простое число.
Пусть p — простое число, лежшее между 2x-1 и 2(2x-1). Если бы выполнялось уравнение
то получилось, что число p входит в разложение на простые множители правой части уравнения, так как оно меньше , и в то же время не может входить в разложение левой части, так как оно больше (2x-1). А это, по теореме о единственности разложения на простые множители, невозможно. Поэтому обязатено
Из этого неравенства находится, что x≤6. Но x=5 и x=6, как легко убедиться, не удовлетворяют уравнению.
В. П. Бешкарев
M124
Дан треугольник ABC. Найдите внутри него точку O, обладающий следующим свойством: для любой прямой, проходящий через точку O и пересекающей строкой треугольника AB в точке K и BC в точке L, выполняется равенство
Вообщее, доказante, что если p и q — произвольное заданное положительное число, то внутри треугольника ABC можно указыть также точку O, что для любой прямой KL, проходящий через эту точку (K лежит на AB, L на BC),
Проще всего решить эту задачу, используя понятие центра тяжестеи*).
*) См. статью Б. Ю. Когана «Физика помогает геометрии», «Кванте» № 5, 1971 и книгу М. Б. Балка «Геометрические приложения о центре тяжестеи», Физматлит, 1959.
40
В нашем доказательстве мы воспользовемся таким свойством центра тяжести: если в системе из грузников два грузника и заменить грузиком , помещенным в их центр тяжести, то положение центра тяжести системы не изменится (куривом выделены утверждение, вытекающие из этого свойства).
Поместим в вершины и треугольника единчные грузники и . тогда центр тяжести грузников и — точка пересечения медиан. Возьмем теперь точку на стороне , для которой , и представим грузик в виде суммы двух грузников: и . Центр тяжести грузников и находится в точке . тогда — центр тяжести грузников и , то , а центр тяжести грузников и лежит на прямой . Поэтому для любой прямой, проходящей через точку и пересекающей стороны и , выполняется первое равенство.
Аналогично доказывается, что если — центр тяжести грузников и , то для любой прямой, проходящей через точку и пересекающей стороны и треугольника, выполняется второе равенство. Действительно, возьмем на стороне точку , для которой , и представим грузик в виде суммы двух грузников и . тогда — центр тяжести грузников и , то , а точки , и лежат на одной прямой.
Доказательство законено.
Похожее решение задачи прислал нам Ф. Шмидель из Москвы.
Л. Г. Макаров
M125
a) Существует ли бесконечная последовательность натуральных чисел, обладающая следующим свойством:
Ни одно из этих чисел не делится на дружее, но среди каждой трех чисел можно выбрать два, сумма которых делится на третье?
b) Если нет, то как много чисел может быть в наборе, обладающим таким свойством?
b) Решите ту же задачу при дополнительном условии: в набор разрешается включать только нечетные числа.
Вот один пример такого набора из четырех чисел: 3, 5, 7, 107. Здесь среди трех чисел 3, 5, 7 сумма 5+7 делится на 3; в тройке 5, 7, 107 сумма 107+5 делится на 7; в тройке 3, 7, 107 сумма 7+107 делится на 3; наконец, в тройке 3, 5, 107 сумма 3+107 делится на 5.
Решим сначала задачу b).
К приведенной в условии последовательности из четырех чисел 3, 5, 7, 107 можно добавить пятье чисел 10693: 10693+5 делится на 3, 10693+3 делится на 7, 10693+7 делится на 5, 10693+107 делится на 3 и на 5, 10693+7 делится на 107.
Покажем, что из шести нечетных чисел образовать последовательности, удовлетворяющей условию задачи. Пусть — нечетные числа такие, что ни одно из них не делится на другое, но среди любых трех можно выбрать два, сумма которых делится на третье.
Сделаем несколько предварительных значений.
- Если — три числа нашей последовательности, , то не делится на .
Действительно, и , так как — нечетное число.
- Если — два числа нашей последовательности, , то делится на все числа последовательности, меньше , кроме быть, одного.
Действительно, если не делится на два числа и , меньше , то и делятся на , но тогда и делится на , что невозможно.
- Если — четые числа нашей последовательности, и делятся на , то не делится на .
Действительно, так как и делятся на , то делится на , в то время как не делится на (д нечетное число и не делится на ).
Пусть — три наиболее из шести чисел .
Какое из чисел согласно замечанию 2 делится не менее, чем на два из чисел . В то же время замечание 3 показывает, что у этих чисел нет среди чисел общего делителя. Следовательно, каждое из чисел делится на два из чисел и не делится на третье.
Пусть
делится на и и не делится на ;
делится на и и не делится на ;
делится на и и не делится на .
Тогда числа и делятся на . Следовательно, на делится и число .
В то же время делится на три из чисел , а так как не делится на , то делится на , откуда следует, что делится на . Получили противоречение с замечанием 1.
Таким образом, последовательность нечетных чисел с интерсуцизмом нас свойством может состоять самое большое из пятей чисел, задача b) решена.
Если последовательность состоит только из четырех чисел, то, не нарушая условия, можно их все разделить на 2. Будем поэтому считать, что в последовательности есть нечетные числа.
41
В силу задачи в) их не более пяты.
Замечания 1—3 справедливы теперь при некоторых дополнительных предположениях.
В замечании 1 нужно потребовать, чтобы не равнялось ; 2 справедливо, если число не равно сумме нижних двух членов последовательности, а 3 справедливо, если нечетное число.
Если члены последовательности четны, а нечетно, то числа и не делятся ни на , ни на , ни на . Следовательно, числа и делятся на , что противоречит замечанию 3.
Таким образом, в нашей последовательности не более двух четных чисел. Пусть их два: и (). тогда число делится на все нечетные члены последовательности и, следовательно, число — наиболее в последовательности.
Если число не равно сумме нижних последовательности, то, отбрасывая число , мы получим последовательность, для которой без всяких ограничений справедливы замечания 1, 2, 3. Решение задач в) показывает, что в такой последовательности не более пяты членов, то есть в исходной последовательности не более двух четных чисел. Пусть их два: и (). тогда число делится на все нечетные члены последовательности и, следовательно, число — наиболее в последовательности.
Космонавт массой 100 кг находится в космического корабля, масса которого равна 5 м, на фале длиной 64 м. Начиная наяжение фала, если корабль находится между космonautом и Землей на линии, соединяющей их центры тяжесте.
При расчете считать, что корабль движется по круговой орбите, высота которого от поверхности Земли пренебрежимо мала по сравнению с радиусом Земли ( км).
На космической корабль действуют две силы: сила прятяжения к Земле ( — масса корабля, — масса Земли,
и сила натяжения фала (рис. 1). Под действием этих сил корабль движется по окружности. Если угловая скорость движения корабля равна , то корабль движется с центростремительным ускорением , которое сообщает ему равнодействующая сил и . Согласно второму закону Ньютона , или
Рассмотрим силы, действующие на космоса. Это сила натяжения фала и сила прятяжения космоса к Земле
где — масса космоса, — радиус его орбиты. Под действием этих сил корабль движется по окружности радиуса , с угловой скоростью , то есть с центростремительным ускорением . Так как обе силы, действующие на космоса, направлены к центру Земли, то , или
42
Исключив ш из уравнения (1) и (2), получим
или
(3)
Но и поэтому:
(l — длина фала),
Это означает, что равенство (3) можно записать так:
Отсюда получаем:
Если тело массы находится на поверхности Земли, то на него действует силаяжестии . Это означает, что ускорение свободного падения равно величины . Поэтому мы можем выражение для силы натяжения фала переписать следующим образом:
Подставив в эту формулу численные значения и , найдем
Ф139
Футбольист ударил по мячу, сообщив ему скорость под углом к горизонту, и попал в нижний угол борот. Если бы футбольист ударил по мячу в том же месте футбольного поля и мяч попелел бы под тем же углом к горизонту, но с скоростью, на 5% большей скорости , то он попал бы в верхнюю горизонту. Найти скорость, с которой начинает двигаться мяч, если высота борот , а угол .
Запишем кинематические уравнения движения мяча. По горизонтали — вдоль оси мяч движется равномерно со скоростью (рис. 2); его координата меняется со временем по закону
Вдоль оси (по вертикали) мяч движется равноускорению сускорением , направленным вниз. Поэтому
В момент padения на землю и , где — дальность полета мяча. Поэтому
Если бы мяч начал двигаться со скоростью, на 5% большей скорости , то есть со скоростью 1,05 , то его координаты и менялись бы со временем так:
и
В момент ударения мяча о верхню шитну верот его координата была бы равна , а координата — высоте верот . Поэтому в момент удара о шитну верот
Решим теперь систему уравнений (1) — (4). Из уравнения (2) нетрудно найти время полета мяч в первом случае. Так как , то разделив это уравнение на , найдем:
Далее, разделив уравнение (3) на уравнение (1), получим:
Отсюда
Теперь, подставив выражение для в уравнение (4), найдем
43
Ф140
Будет ли давать правильные показания качества других барометра, если часть его трубки (ниже уровня труб) сделана из очень мягкой резины?
Давление выше уровня труб в барометрической трубке пренебрежимо мало по сравнению с atmosферным — это давление насыщенных паров труб. Поэтому можно считать его равным нулю. На уровне труби в чашке давление в барометрической трубке равно atmosферному. Следовательно, независимо от диаметра барометрической трубки и от того, как меняется ее диаметр с высотой, высота стольа труби уравновешивается atmosферное давление :
(ρ — плотность труб).
Это означает, что барометр будет давать правильные показания.
Интересно выяснить, что произойдет с резиновой трубкой, какова будет ее форму. Так как давление снаружи трубки равно atmosферному, а давление внутри трубки равно , то есть меньше atmosферного (atmosферному давлению равна величины , а ), то трубка будет скиматться, как показано на рисунке 3.
Ф141
Из «черного ящика», содержащого неизвестную электрическую схему, выведено три провода. Два из них соединяют с землей и затем снимают зависимость силы тока, induce по третьему проводу, от разности потенциаль между концом этого провода и землей. Соединия разные пары выводов с землей, строят графики для трех возможных вариантов включения схемы. Эти графики показаны на рисунке 4. Ток считается положительным, если он идет «к ящику», и отпечатальным в противоположном случае. Придумайте простейшую схему содержимого «черного ящика» и определите ее параметры.
Рассмотрим графики зависимости напряжения от тока, приведенные на рисунке 4. Из первого графика следует, что ток между выводом 1 и замкнутыми выводами 2 и 3 равен нулю, когда напряжение внешнего источника равно — 38. Это возможно только в том случае, когда между выводами 1 и 2 или между выводами 1 и 3 включен (или включены) источник (или источники) тока.
Из второго графика ясно, что между точки 2 и 3 и между точки 2 и 1 могут быть только сопротивления. Только в этом случае ток между выводом 2 и соединенным выводами 3 и 1 будет равен нулю при .
Из третього графика следует, что внутри ящика имеет источник, который включает или между точки 3 и 1, или между точки 3 и 2 (а, возможно, и там и там).
44
Рис. 5.
Схема внутрен «черного ящика» может быть такой, как показано на рисунке 5. Определим параметры этой схемы.
Из закона Ома для участка цепи следует, что изменение разности потенциальов на концах участка цепи связано с изменением тока через участок соответствием
Это означает, что сопротивление участка цепи равно
то есть равно по величины тангенсу угла наклона графика зависимости напряжения стока.
В первом случае, когда замещены выводы 2 и 3, содержимое «ящика» при изменении напряжения внешнего источника должно вести себя как два параллельных сопротивления и , общее сопротивление которых равно ом. Поэтому
(сопротивления и должны быть выражены в омах).
Кроме того, мы знаем, что ток во внешней цепи равен нулю, когда . Это означает, что когда ток равен нулю и схема внутренящего ящика как бы не связана с источником, падание напряжения на сопротивлении равно 3 . Но в этом случае сопротивления и включены последовательно с источником, следовательно, ток через них равен и падание напряжения на сопротивлении равно
Во втором случае внутри ящика должна вести себя как два параллельно включенных сопротивления и , общее сопротивление которых равно 6 ом. Поэтому
В третьем случае к внешнему источнику «подключены» параллельно соединенные сопротивления и , их общее сопротивление равно 2 ом:
Причем, так как в этом случае ток равен нулю при , то
Мы получили систему из 5 уравнений с 4 неизвестными: и . Проверим, совместна ли она. Разделив уравнение (1) на уравнение (2), найдем:
Аналогично, разделив уравнение (4) на уравнение (5), получим точно такое же соответствие между и . Это означает, что наша система совместна.
Найдем теперь сопротивления и . Для этого нам нужно решить систему из трех уравнений (1), (3) и (4). Вначале перешем ее, «перевернуть» каждое из уравнений:
или
или
или
Принимая и за новые неизвестные и решая получшуюся систему, найдем:
Отсюда следует, что
И. Ш. Словодечкий
45
НАУЧИМСЯ ОБРАЩАТЬСЯ С АБСОЛЮТНОЙ ВЕЛИЧИНОЙ
Е.Б.Ваховский, А.Б.Волынский
Идет экзамен. Абитуренту предложено тригонометрическое уравнение:
В процессе его решения абитурент выписывает следующую уравнение:
Полученное ложное числовое равенство означает, говорит абитурент, что данное уравнение не имеет решения.
Ответ неверный. В этом легко убедиться, подставив в первоначальное уравнение число , которое оказывается корнем.
Ошибка абитурента, кстати, очень распространенная, состоит в том, что не для всякого действияного
(1)
(в данном примере, в частности, абитурент считал, что ).
На самом деле единственное верным является то жество
(2)
в то время как равенство (1) справедливо лишь при (см. Е. С. Кочетков, Е. С. Кочетков «Алгебра и элементарные функции», § 77).
Таким образом, решая приведенное выше уравнение, абитурент должен получить
Если , то последнее уравнение записется так: , откуда , и в этом случае решение нет.
Если , то , и мы получим , откуда , что согласно с условиям .
Ответ: где .
Познакомимся теперь более подробно с понятием абсолотной величины.
Прежде всего заметим, что графики модели числа есть простое расстояние от точки числовой оси до начала отчета (см. рис. 1).
Приведенное сообщение облегчает решение большого класса неравенств.
Пример 1. Решить неравенства
(3)
(4)
Решение. Нераевенству (3) удовлетворяют только те точки числовой оси, расстояния от которых до начала отчета меньше , то есть точки, лежащие между и (рис. 2).
Ответ: . Это означает, что удовлетворяет системе
46
неравенств
По аналогичным соображениям решениями неравенства (4) служат значения , удовлетворяющие совокупности двух неравенств: (рис. 3).
Следует заметить, что при неравенство (3) не имеет решения. Неравенству (4) при удовлетворяет все действительные числа, а при — все, кроме .
Поэтому в примерах подобного типа мы должны в первую очередь интерсоваться знаком правой части. Так, например, неравенство часто автоматически решают с разбором случая и , полагая, что это необходимо, раз число стоит под знаком modуля. Однако проще всего здесь заметить, что при . Отсюда мы легко получаем ответ: если , то , если , то решений нет.
К неравенствам типа (3) и (4) свойства неокоторые неравенства, не содержащие знаков абсолотной величины.
Пример 2. Решить неравенство .
Решение. Извлечем из всех трех частей неравенства (арithmetic) квадратный корень. Полученное равnocильное неравенство легко решается с помощью графического представления (рис. 4).
Ответ: .
Пример 3 (МГУ, мек. mat., 1966). Решить неравенство
Решение. Это неравенство равnocильное совокупности двух неравенств: .
Обозначая через , мы получим совокупность неравенств:
47
Решение. Прежде всего надо избавиться от знаков абсолотной величины. Однако для этого надо знать, какой знак имеет числа и , стоящие под знаком modуля. Но каково число , заранее неизвестно, поэтому необходимо разобрать несколько случаев. Для того, чтобы сделать это наиболее экономным образом, разложим трехчлен на множители и представим данное неравенство в виде
Поскольку всегда , это неравенство равносильно системе
Чтобы решить систему (5), нанести на числовую ось точки и (рис. 5), которые разобьют ее на четые области. Для числа из каждой такой области ясно, какой знак имеет числа .
Например, если точка лежит в самом левой области , то . Таким образом, наше неравенство равносильно совокупности четырех систем:
Первая система не имеет решения. Решения остальных системы:
соответственно. Окончательный ответ:
Перейдем к следующему типу задач, связанных с абсолотной величиной.
Рассмотрим неравенство вида , где и — некоторые выражения, содержащие неизвестное .
В силу сообщений, которые мы приводили в примере 1, это неравенство равносильно либо системы
либо совокупности системы:
Точно так же неравенство равносильно либо совокупности системы
либо совокупности системы
В каждом конкретном примере такого типа надо уметить наиболее полезные путь.
Пример 5. Решить неравенство
Решение. Здесь направляется первый способ, так как для всех . Предложенное неравенство равносильно совокупности неравенств:
Каждеое из этих неравенств после подстановки становится квадратным относительно sin . Решая их с учетом неравенства , приходим к совокупности
48
Ответ:
Пример 6. Решить неравенство .
Решение. Здесь первый способ просто не применим, поскольку не имеем возможность решить неравенство . Второй способ сводит задачу к совокупности системы
которая в свою очередь сводится к совокупности системы
Решение первого: , решение второй: .
Ответ: .
Легко проверить, что уравнение также можно решать двумя способами, оно эквивалентно системе
или
Пример 7 (МАИ, 1970). Решить уравнение:
.
Решение. После простых преобразований мы получим
.
Приименим первый способ. После уравнения равносильно совокупности системы
Решение первого системы ; вторая система несовместна.
Ответ: .
Пример 8 (МГУ, физ. фак., 1963). Наимену дейстримельные решения уравнения
Решение. В этом случае первый способ, включая знака правой части, неудобен, так как параметр будет входить не только в уравнение, но и в соответствующей неравенства. Приименим второй способ.
Предложенное уравнение равносильно следующего совокупности системы:
Первая система сводится к системе
Так как , то должны выполнять неравенства .
Подставляя вместо и их выражения и решая относительно irrationalные неравенства, получа-
ВАРИАНТЫ ВСТУПИТЕЛЬХ ЭКЗАМЕНОВ
ПО МАТЕМАТИКЕ 1972 года
Московский государственный университет имени
М. В. Ломоносова
Химический факультет
- Пристань расположена в 27 км от пристанини ниже по течение реки. От пристанини по направлению к пристанини отходит первая лодка, а через час после ее отхода навстречу ей от пристанини отходит вторая лодка. Лодки встречаются в 18 км от пристанини .
Если бы лодки отошли от пристаней и навстречу друг другу одновременно, то они встретились бы через два с четырьмя часа. Найти скорость первой лодки в стоячей воде, если известно, что она вдвое больше скорости течение реки.
-
Решить уравнение
-
В трапеции углы и при основании соответственно равны 60° и 30°. Точка лежит на основании , причем . Точка лежит на основании , прямая перpendикулярна основанием трапеции и делит ее площадь пополам. Найти отношение .
-
Основанием треугольной прямиды служит прямогольный треугольник с прямым углом в вершине . Ребро перpendикулярно плоскости треугольника . Через середины и соответственно ребер и проведена плоскость, параллельная ребру и образующая в сечении четырехугольник (точка лежит на ребре ). Найти площадь четырехугольника , если известно, что , , .
-
Найти все значения , для которых выражение
положительное.
Географический факультет и почвенное отделение биологического факультета
-
В двух автоколоннах, по 28 автомобильей в каждой, было 11 «Жигуляй», остальные — «Московчи». Сколько «Московчи» было в каждой автоколонне, если известно, что в первой автоколонне на каждой машину «Жигуляи» приходилось в два раза больше «Московчи», чем во второй?
-
Найти все решения уравнения
удовлетворяющие условия 0 < x < 2. -
Найти все значения , для которых справедливо неравенство
-
Найти все числа и , для которых
-
Через вершины и треугольника проведена okружность, которая пересекает сторону в точке и сторону в точке . Найти , зная, что , , .
Биологическое отделение биологического факультета
-
Из пункта отправляется машина, а через час — мотоцикл, который догоняет машину в пункт . В этот момент из отправляется второй мотоцикл, и душий с той же скоростью, что и первый. Второй мотоцикл догоняет машину через шесть часов после своего отправления. За какое время мотоцикл проходит путь от пункта до пункт ?
-
Упростить выражение
-
Решить уравнение
-
Найти все решения уравнения
-
В треугольнике библиотрисы и пересекаются в точке . Найти отношение площади треугольника к площади четырехугольника , зная, что , , .
51
Для описания движения по окружности наряду с линейной скоростью вводят понятие угловой скорости. Если точка при движении по окружности за время описывается дугу, угловая мера которой , то угловая скорость .
Угловая скорость связана с линейной скоростью соотношением , где — радиус окружности, по которой движется точка (рис. 1). Понятие угловой скорости особенно удобно для описания врашения твердого тела вокруг оси. Хотя линейные скорости у точек, находящихся на разном расстоянии от оси, будут неодинаковыми, их угловые скорости будут равны, и можно говорить об угловой скорости врашения тела в целом.
Задча. Диск радиуса камтся без просkalзывания по горизонтальной плоскости. Скорость цепи диска постоянная и равна .
Рис. 1. Рис. 2.
С какой угловой скоростью при этом врачается диск?
Каждая точка диска участвует в двух движениях — в поступательном движении со скоростью вместе с центром диска и во врашательном движении вокруг центра с некоторой угловой скоростью .
Для нахождения воспользуемся отсутствием просkalзывания, то есть тем, что в каждый момент времени скорость точки диска, соприкасающейся с плоскостью, равна нулю. Это означает, что для точки (рис. 2) скорость поступательного движения равна по величины и противоположна по направлению линейной скорости врашательного движения . Отсюда сразу получаем .
Задча. Наименование модели , и можно же диска (рис. 3).
Рассмотрим вначале точку . Linейная скорость ее врашательного движения направлена вертикально в равна , то есть по величины скорости поступательного движения, которая, однako, направлена горизонтально. Складывая векторно эти две скорости, находим, что результатирующая скорость по величины равна и обращает угол с горизонтом. У точки скорости врашательного и поступательного движения направлены в одну сторону. Результирующая скорость равна и направлена
53
автомобиль, направлен к центру поворота и сообщает центростремительное ускорение: .
Максимальное значение силы трения , поэтому минимальное значение радиуса окружности, по которой еще возможно движение со скоростью , определяется из уравнения . Отсюда .
Сила реакции дороги при движении автомобиля по окружности не проходит через центр тяжестестия должны, чем больше скорость автомобиля. Величина силы трения тем больше, чем больше скорость автомобиля (). При некотором значении скорости момент силы трения превыстит момент силы реакции и автоматLIB опрокинется.
Задча a. При какой скорости автомобиля, движущийся по душе окружности радиуса , может опрокинться? Центр тяжестестия автомобиля находится на высоте над дорогой, ширина слева автомобиля (рис. 4).
В момент опрокинывания автомобиля как сила реакции дороги , так и сила трения приложены
Рис. 4.
к «внешнему» колесу. При движении автомобиля по окружности со скоростью на него действует сила трения . Эта сила создает момент относительно центра тяжестестия автомобиля . Максимальный момент силы реакции дороги относительно центра тяжестестия равен (в момент опрокинывания силы реакции проходит через внешнее колесо). Приравнивая эти моменты, найдем уравнение для максимальной скорости, при которой автоматLIB еще не опрокинется:
откуда
Чтобы автоматLIB мог двигаться с такой скоростью, необходимо коэффициент трения (см. предыдущую задачу).
Аналогичная ситuation возникает при повороте мотоцикла или велосипеда. Сила трения, созданная пространством ускорение, имеет момент относительно центра тяжестестия, стремящаяся опрокиннуть мотоцикл. Поэтому для компенсации этого момента моментом силы реакции дороги motoциклист накладяется в сторону поворота (рис. 5).
Задча a. Момощикст едет по горизональной дороге со скоростью , делая поворот радусом . На какой угол к горизонному он должен при этом наклониться, чтобы не упасть?
Сила трения между motoциклом и дорогой , так как она сообщает motoциклисту центростремительное ускорение. Сила реакции дороги . Условие равенства моментов силы трения и силы реакции относительно центра тяжестестия дает уравнение:
где — расстояние от центра тяжестестия со слева motoцикла (см. рис. 5).
57
сила реакции дороги обращается в нуль только в верхней точке петли. В самом деле, скорость автомобиля на других участках петли будет большей, и как легко видеть из решения предыдущей задачи, сила реакции дороги тоже будет большей, чем в точке . Поэтому, если автомобиль в верхней точке петли имеет скорость , то он нигде не оторвется от петли.
Теперь определяем, какую скорость должны иметь автомобиль в нижней точке петли , чтобы в верхней точке петли его скорость . Для нахождения скорости можно воспользоваться законом сохранения энергии, как если бы автомобиль двигаляя только под действием силы тяжести. Дело в том, что сила реакции дороги в каждой момент направлена перpendикулярно перемещению автомобиля, а следовательно, ее работа равна нулю (напомним, что работа cos , где — угол между силой и направлением перемещения ). Силой треня между колесами автомобиля и дорогой при движении с выключенным motorом можно пренебречь. Поэтому сумма потенциальной и кинетической энергии автомобиля при движении с выключенным motorом не меняется.
Приравняем значения энергии автомобиля в точках и . При этом будем отсчитывать высоту от уровня точки , то есть потенциальную энергию автомобиля в этой точке будем считать равной нулю. Тогда получаем
Подставляя сюда значение для исключой скорости , находим:
Если автомобиль выдет в петлю с такой скоростью, то он смотет совершить ее с выключенным motorом.
Определим теперь, с какой силой при этом автомобILITY будет давить на дорогу в точке . Скорость автомобиля в точке опять легко находится из закона сохранения энергии:
Подставляя сюда значение , находим, что скорость .
Воспользовавшись решением предыдущего задачи, по заданной скорости находится силу давления в точке :
Аналогично можно найти силу давления в любой другой точке «мертвой петли».
Упражнения
-
Найти угловую скорость искусственного спутника Земли, врашающегося по круговой орбите с периодом обращения ; Найти линейную скорость движения этого спутника, если известно, что его орбита расположена на расстоянии от поверхности Земли.
-
Диск радиуса помещен между двумя параллельными рейками. Рейки движутся со скоростями и . Определить угловую скорость врашения диска и скорость его центра. Просkalьзывание отсутствует.
-
Диск катится по горизонтальной поверхности без прокалывания. Показать, что концы векторов скоростей точки вертикального диаметра находятся на одной прямой.
-
Самолет движется по окружности с постоянной горизонтальной скоростью . Определить радиус этой окружности, если корпус самолета наклонен на угол .
-
Груз массей , подвешенный на нитки длины , равномерно врашается по кругу в горизонтальной плоскости. Найти период обращения груза, если при его врашении нить отклонена по вертикали на угол .
Определить также натяжение нити.
-
Автомобиль движется со скоростью по внутренней поверхности вертикального цилиндра радиуса по горизонтальной муку гругу. При каждом минимальном коэффициенте треня между шинами автомобиля и поверхности цилиндра этого воздуха?
-
Груз массей подвешен на нерастяжимой нити, максимальное возможное натяжение которого равно 1,5 mg. На какой максимальный угол можно отклонить нить от вертикали, чтобы при дальнейшем движения груза нить не оборвалась? Чему будет равно при этом натяжение нити в тот момент, когда нить составляет угол с вертикалью?
58
НОВЫЕ КНИГИ
В этом номере мы продолжаем публикать аннотации на книги, выходящие в 1972 году, представляющие интерес для наших читателей.
В III—IV кварталах 1972 года выдут в свет следующие книги (заказы можно направлять через магазины «Книга—почтой»).
МАТЕМАТИКА
Издательство «Наука»
- Дорофеев Г. В., Потапов М. К., Розов Н. Х. Пособие по математике для поступающих вузы. (Объем 30 л., тираж 300 000 экз., цена 1 р. 04 к.)
Книга предназначена для лиц, желающих углубить и расширить свои знания по математике перед вступительным экзаменом в высшее учебное заведение. Особенно полезной она может оказаться служателем подготовительных отделений вузов. Учителя средней школы найдет в ней богатый материал по некоторых узловым темам школьной программы.
В книге изложены отдельные теоретические вопросы, подкрепленные большим количеством разобранных конкурсных задач. Особое внимание автора делает логике решения, подробно обсуждают типичные ошибки поступающих. Книга снабжена упражнениями, взятыми из опыта применения экзаменов. - Погорелов А. В., Элементарная геометрия. (Объем 12 л., тираж 150 000 экз., цена 34 к.)
Книга представляется собой существенную переработку двух выездших раннее книг этого же автора «Планетория» (1969 г.) и «Сtereometрия» (1970 г.). Прежде всего несколько усилена аксиматика. Вопрос об изменении площадей изложен в форме, близкой к традиционной. Компактно изложены началастерометрии.
Параграфы заканчиваются многочисленными вопросами для повторения, контролирующих прохождение курса, и упражнениями.
Книга может быть рекомендована студентам педагогов, учтелям и учащемся средних школ.
-
Антонов Н. П., Выгодский М. Я., Никитин В. В. и др., Сборник задачи по элементарной математике. (Объем 29 л., тираж 300 000 экз., цена 88 к.)
Книга содержит около 1000 задач по элементарной математике. Рассчитана на лице, которые знакомы с курсом элементарной математики, но желают повторить этот курс и углубить свои знания без помощи преподавателя. Задание имеет целую помощь научиться решать математические задачи, поэтому в нем даны решения для большинства задач. -
Гжегорчик А., Популярная лозика. (Объем 6 л., тираж 30 000 экз., цена 30 к.)
Небольшая книга, знакомя читателя с элементами математической логики и ее приложений к различным отраслям современной науки и техники. Автор не касается более трудных вопросов, требующих от читателя специальной математической подготовки.
Книга рассчитана на широкий круглый, интересующая математическая логикой — отрасль науки, получивший в нашей дни важнейшее приложение значения.
- Яглом А. М., Яглом И. М., Вероятность и информация. (Объем 25 л., тираж 30 000 экз., цена 97 к.)
Одним из наиболее значительных направлений математической мысли, возникшим в последние десятилетия, является теория информатии. Клода Шеннона, которая служит математическимундаментом всей книгбернетки. В этой книге, рассчитанной на читателя, обладающего определенным интересом к математике и вопросам ее применения, но, возможно, и не обладающим знаниями, превосходящими курс средней школи, рассказывается о математическом понятии «вероятности» и, о возникшей на базе этого понятия шенноновской «мереколlectства информации», а также о некоторых приложениях теории информатии к теории связи, и технике, к языкозанению, и биологии.
Книга рассчитана на широкий круглый читатель, начиная от предложателей средней школи и студентов младших курсов вузов и кончая инженерами и научными работниками, не являющихся специалистами в области книгбернетки или теории вероятности.
Издательство «Просвещение»
- Окунев А. К. Квадратные функции, уравнения и неравенства в курсе математики средней шкoles. (Объем 10 л., тираж 100 000 экз., цена 45 к.)
Содержание пособия концентрирует вокруг квадратной функции и ее приложений в математике и других наук. Квадратные уравнения и неравенства рассматривают в процессе
59
Исследования функций и решения соответствующих задач теоретического и прикладного характера. Исследование функций осуществляется графическим и анализческим методами, при этомкрывается взаимосвязь этих методов и выязываются преимущества и недостатки каждой из них. Особое внимание уделено подбору и составлению задачи и упражнения, способствующих развитию логического мышления учащихся. Значительное число задач и упражнений решено, а к некоторым данным указаны.
Книга представляется интерес для учтелей и школьников старших классов.
- Ястрибенецкий Г. А. Уравнения и неравенства, содержащие параметры. (Объем 7 л., тираж 50 000 экз., цена 25 к.)
После посвязывающего решения уравнения и неравенства, содержащих параметры.
Каждай раздел содержит теоретическое вступление, несколько примеров для использования методов решения задачи и упражнения для самостоятельного решения, к которым в конце книги даны либо ответы, либо указания и решения.
Предлагаемое пособие будет полезным для учтелей и школьников старших классов.
ФИЗИКА
Издательство «Наука»
- Зубов В. Г., Шальов В. П. Задании по физике. (Объем 16 л., тираж 300 000 экз., цена 55 к.)
Сборник содержит задачи по физике, в основном, в объеме программы средней школьы. Некоторые задачи выходит за рамки школьной программы, однако все они снабжены необходимыми посясенными и могут быть решены на основе знаний, полученных в средней школе.
Заданияик предназначен для учащихся старших классов средней школе, студентов техническим и лиц, готовящихся к поступлению вузы.
- а) Элементарный учебник физики, м. I. Механика, методы, молекулярная физика, под ред. Г. С. Ландсерга. (Объем 36 л., тираж 300 000 экз., цена 1 р. 11 к.)
- Элементарный учебник физики, м. II. Электрическое и магнитизм, под ред. Г. С. Ландсерга. (Объем 30 л., тираж 300 000 экз., цена 94 к.)
в) Элементарный учебник физики, м. III. Колебания и волны, оптика, строение amола, под ред. Г. С. Ландсерга. (Объем 36 л., тираж 300 000 экз., цена 1 р. 13 к.)
Издание завоевало огромную популярность, особенно среди учтелей. Оно имеет целью поднять уровень преодоления физики в средней школе. Достоинством курса является глубина изложения физической стороны различных процессов в природе и технике. Изложение материалов ведется простым, ясным языком. Книга богатил инструкрована.
Рассчитана на преодоление физики и учащся старших классов средней школе. может служить ценным пособием для самообразования.
-
Над чем думают физики, вып. 8, физика мвердого тела (электронные свойства твердых тел), сборник научно-популярных статей. (Объем 14 л., тираж 50 000 экз., цена 70 к.)
Сборник переводов статей из американских научно-популярных журналов, посвященных достижением физики твердого тела. Статы написаны крупнейшими учтениями, активно работающими в этой бурно развивающейся области физики. Живой язык и простота изложения делают сборник доступным и интересным для широкого кругга читателей (от школьников старших классов, студентов и аспирантов по различным разделам физики твердого тела). -
Яворский В. М., Пинский А. А. Основы физики, м. II, Электроидианika, колебания и волны, основы квантовой физики атомов, молекул и мвердых мел, физика ядра и элементарных частиц. (Объем 35 л., тираж 200 000 экз., цена 1 р. 08 к.)
В книге рассмотрены все важнейшие разделы классической и современной физики. Особенность книги является попытка не разделять классическую и современную физiku, а рассматривать их как единую современную науку. Все физические идеи и важнейшие результаты современной физики получены без применения высшей математики.
Рассчитана на учащся старших классов интерсуцисса физики, преодолателей физики средней школе и техническим. может быть полезен студентам первых курсов вузов и лицам, занимающимся самообразованием.
- Комаров В. Н. Новая занимаемый астрономия. (Объем 15 л., тираж 50 000 экз., цена 60 к.)
Книга в занимаемый форме знаком читателя с наиболее интересными вопросами современной астрономии: необходимыми способами исследования космических объектов, движением искусственных небесных тел, новых оргиnalьными гипотезами и предположениями о физических процесах в космосе и геометрических свойствах Вселенной.
Особое внимание уделяется парадокальным явлениям, с которых встречаются исследования научной, и является как бы продлевается книги Я. Перельмана «Занимательная астрономия», построенной на современном материале.
М. Л. Смолянский
60
ТЕЛЕВИДЕНИЕ ГОТОВИТ В ВУЗ
В октября 1972 года начнаются занятия на телевизионных физико-математических подготовительных курсах, организационныхГлавной редакцией научно-популярных и учебных программ Центрального телевидения. Занятия на телевисах строятся на принципиах закрепления, углубления, расширения и систематизации знаний, которые учащся прибрели в школе. В течение учебного года зрителям третьей программы Центрального телевидения предлагается цикл передач по математике и физике, в основу которого положена «Программа вступительных экзаменов для поступающих в высшие учебные заведения СССР». Цикл составлен с учетом возможного полного освещения вопросов программ, вызвывающих у абитурентов наиболее трудности.
Работа курсов организационна следующим образом. Регулярно (по математике 1—2 раза в неделю, по физике — 1 раз в неделю) по теме введения программы Центрального телевидения проводятся занятия — лекции и практические занятия по решению задач. Ежедневно слушатель курсов предлагаются обязательные для выполнения домашние задания, состоящие из задачи и примеров различных трудностей. По математике таких заданий будет 20, причем каждое задание состоит из двух частей — основные задчи и дополнительные задчи; по физике — 40 домашних заданий. Кроме того, предполагается периодически проводить контрольные работы. Домашние задания и контрольные работы будут публикаются в ежедневнике «Программы телевидения и радиовещания».
Выполнить домашнее задание, слушатель курсов должны выступать на студию открытку—отчет о выполнении работы по специальной форме; выполнить контрольную работу, он должен выступать на студию аналогичную открытку и саму работу. Эти отчеты проверяются сотрудниками курсов и оцениваются в условиях баллах по специально разработанной шкале. Наболее активно и успешно работающие слушатели будут приглашаться для непредставленного участия в телепередачах, посвязываемых обслужению контрольных работ.
В 1972/73 учебном году предполагается также проведение очищих зачетов. Участие в них дает возможность обучающимся обектуновой проверить уровень своих знаний. Будущее абитуренты во время зачетов наступят в условия, сходных с теми, которые бывают наступательных экзаменах, то есть как бы проходят своеобразную психологическую подготовку. С другой стороны, предодаатели во время очищих зачетов могут определить степеньоспрятания учащимся материлла лекций, выявить пробелы в их знаниях и, соответственно, внесенные корректными в свою работу. Наочные зачеты вызываются телефретели, набравшие достоинное количество баллов. Всего в течение учебного года предполагается проведи 4 зачеты: 2 по физике — в Московском инженерно-физическом институте, 2 по математике — в Московском экономико-statisticalком институте (зачеты по математике будут проводиться при помощи электронно-вычислительных машин).
Слушатели курсов, успешно сдавшие очищные зачеты и активно работавшие в течение всего учебного года, получают свидетельства об окончании Телевизионных физико-математических курсов для поступающих вузы.
На телекурсы могут быть зачислены как учащиеся выпускных классов средних общеобразовательных школа и техническим, так и лица, уже имеющим среднее образование. Чтобы быть зачисленным на курсы, нужно прислать на Центральное телевидение в Главную редакцию научно-популярных и учебных программ заявление.
Возьмите обикновенную почтовую открытку и на ее лицевой стороне напишите свой домашний адрес, фамилию, имя, отчество. Обратную (числу) сторону открытки за-
Образец для поступающих на отделение математики
Фотография
3×4
АНКЕТА—ЗАЯВЛЕНИЕ
-
Фамилия, имя, отчество
(полностью) -
Год рождения
-
Род занятый (учесь, работа)
-
Место учебы (если учитель)
-
Место работы, должность и стаж (если работаете)
-
В какой выз собирается поступать
Прошу принять меня на отделение математики Телевизионных физико-математических курсов для поступающих вузы.
61
ПОЛНИТЕ ПО ПРИВЕДЕННОМУ ОБРАЗЦУ (РАСПОЛЖИВОТКРЫТКУ КОРТОКОЙ СТОРОНОЙ ПО ГОРИЗОНТАЛИ).
ОБРАЗЦЕДЛЯ ПОСТУПАЮЩИХ НА ОТДЕЛЕНИЕ ФИЗИКИ
Фотография
3×4
АНКЕТА—ЗАЯВЛЕНИЕ
- Фамилия, имя, отчество
(полностую) - Год рождения
- Род занятый
(учусь, работа) - Место учёбы
(если учитель) - Место работы, должность и стаж
(если работа) - В какой выз собирается поступать
Прошу принять меня на отделение физики Телевизионных физико-математических курсов для поступающих вузы.
Дата подпись
К анкете-заявленю приложите незаклеенный конверт с написанным на нем своим адресом (в этом конверте служатло, зачисленному на курсы, высылается «Извесение о зачислении» и руководство для занятый с аннотированными программами по математике и физике и с правилами работы курсов), вложите все это в конверт и отправьте по адресу: Москва, 113162, Шаболовка, 53, Главаная редакция научно-популярных и учебных программ, Телевизионные физико-математические курсы для поступающих вузы.
На конверте сделайте пометку «Ф» или «М», в зависимости от того, на какое отделение вы поступаете. Желание занимать на общих отделениях должны прислать в редакцию соответствующим образом оформленные два заявления, причем в разных конвертах.
И. А. Дьяковон,
А. Г. Мордкович,
И. И. Наслузов
ВРАЩЕНИЕ
ПРИ ОТРАЖЕНИИ
-
Кассета магнитофона вращается с некоторой скоростью против часовой стрелки. Она освещается лампочкой и отраженные лучи дают изображение вращаются кассеты. В какую скорону и с какой скоростью вращается это изображение?
-
Луч света падает на зеркало и отражается от него.
Зеркало вращается с некоторой скоростью против часовой стрелки. В каком направлении и с какой скоростью вращается отраженный луч? -
Зеркало неподвижно, вокруг него с некоторой скоростью против часовой стрелки вращается источник света (например, лазер), луч от которого падает в одну и ту же точку зеркала. В каком направлении и с какой скоростью вращается отраженный луч?
-
Зеркало неподвижно, источник света вращается вокруг своей оси против часовой стрелки. Как вращается отраженный луч?
А. Виленкин
62
К статье «Сравнения»
- Пусть (mod ), где НОД . Тогда (mod ).
- (mod ) (mod ).
- НОД кратен 3, а НОД и на 3 не делится.
- a) 4; 6) 2.
- Если (mod 3), то (mod 3) (проверьте!). Но тогда (mod 3).
- , где — целое число.
- Имеем . При целых и из этого равенства следует, что (mod 5). Но квадрат целого числа не сравним с 3 по модулю 5.
- У казан ие. (mod 4).
- . У казан ие. Использовите модуЛЬ 5.
- У казан ие. Использовите модуЛЬ 8.
- Это следует из свойств (C) сравнения.
- При помощи сравнения (mod 101) для натурального числа получаем сравнение — признак делимости на 101:
(mod 101). - (mod 11).
- , , не делится на 9.
- Нет.
К статье «Научимся обращаться с абсолютной величины»
- .
- .
- .
- a) ; 6) ;
- .
-
- , где .
- a) четная, 6) нечетная.
- .
- — любое действительное число.
- .
- .
К статье «Движение по окружности»
- Угловая скорость искусственного спутника Земли
Линейная скорость спутника , где — радиус орбиты. Подставляя сюда , где , находим . - Здесь возможны два случая (рис. 1). Если угловая скорость диска , а скорость его центра , то скорости точек, соприкасающих с рейками, будут соответствующим равны в случае a) ; в случае b) . (Мы приняли для определения, что ). Решая эти системы, находим:
a) ;
b) . - Скорость любой точки , лежащей на отрезке (см. рис. 2), находится по формуле , где — расстояние от точки до центра диска . Для любой точки , приладлежшей отрезку , имеем: , где — расстояние от точки до центра. Обозначим через расстояние от любой точки диаметра до точки соприкасающей диска с плоскостью. Тогда очевидно, что и , где — радиус диска. Поэтому скорость любой точки на диаметре находится по формуле: . Так как диск катится без просkalывания, то и для скорости получаем . Отсюда следует, что концы векторов скоростей нахождения на прямой, выходящей из точки и наклоненной к диаметру под углом, пропорциональным угловой скорости врашения диска .
Рис. 1.
63
Рис. 2.
Доказанное утверждение позволяет нам сделать вывод, что сложное движение точки, находящихся на диаметре BA, можно в каждый данный момент рассматривать как простое вращение вокруг неподвижной точки A с угловой скоростью , равной угловой скорости вращения вокруг диска. В самом деле, в каждый момент скорости этих точек направлены перpendicularно диаметру BA, а по величины равны произведению на расстояние до точки A.
Оказывается, что это утверждение справедливо для любой точки диска. Более того, оно является общим правилом. При любом движении твердого тела в каждый момент существует ось, вокруг которого тело проходит вращение — мгновенная ось вращения.
- На самом деле действуют (см. рис. 3) сила тяжесте и подъемная сила , направленная перpendicularно плоскости крыльев (так как самолет движется с постоянной скоростью, то сила тягги и сила лобового сопротивления воздействия друг друга). Равноведущая сила и должны быть направлена к центру окружности, по которой движется самолет, и создавать центровременное ускорение . Из рисунка находим: или км.
Рис. 3.
- Равноведущая сила и силы натяженияниты должны должна создавать центровременное ускорение , где — радиус круга, по которой вращается груз. Из рисунка 4 получаем: , откуда
Перiod обращения груза
Натяжениениты
- На автоматическе действуют (рис. 5) сила тяжесте , сила реакции со стороны цилиндра и сила трения . Так как автоматическая движется по горизонтальном кругу, то силы и уравновешивают друг друга.
Рис. 4.
Рис. 5.
другга, а сила создает центровременное ускорение . Максимальное значение силы трения связано с силой реакции соответствием . В результате получаем систему уравнений: , , из которой находится минимальное значение коэффициента трения
- Груз будет движаться по окружности радиуса (рис. 6). Центровременное ускорение груза (в скорость груза) создается разность величины силы натяженияниты и проекции силы тяжесте направлениениты: .
Позному , где — угол, образуемый нитью с вертикалью. По мере того, как груз будет опускаться, его
Рис. 6.
скорость будет расти, а угол β будет уменьшаться. Натяжение нити стanet максимальным при угле β = 0 (в тот момент, когда нить будет вертикальной):
Максимальная скорость груза находится по углу α, на которой отклоняют нить, из закона сохранения энергии:
Используя это соотношение, для максимального значения натяжения нити получаем формулу:
По условию задачи . Приравнивая эти выражения, находим cos α=0,5 и, следовательно, α=60°.
Определим теперь натяжение нити при β = α/2. Скорость груза в этот момент также находится из закона сохранения энергии:
Подставляя значение в формулу для силы натяжения, находим:
К «Удивительным равенствам»
(см. cmp. 21)
- Равенство эквивалентно таким (при c, d ≠ 0, c+d ≠ 0):
-
Указание. При находитсяни искомого пути основную роль играют многоугольники с нечетным числом городов на их границе.
-
74369053×87956=6541204425668.
-
Эскалатор движения с той же скоростью, что и второй друг, от входа до выхода помещается 42 ступенки.
К нашии гитамедии!
Объявляется подпись на 1973 г. на научно-популярный физико-математический журнал «Квант».
Журнал расчитан на учеников 7—10 классов. Он полезен учителям, особенно тем, кто ведет кружки или факультативные занятия, и всем любителем математики и физики.
Основное содержание журнала — материалы, помогающие лучше понять физику и математку, научиться применять эти науки для объяснения различных явлений и процессов, с которых мы сталкиваемся на практике, научиться решать задачи.
Журнал публикует на своих страницах обзорного характера, расссказывающие о достижениях науки и о проблемах, которые еще ждут своего решения, расссказы об ученных и расссказы самих ученных.
В журнале читатель найдет много задач: задачи, predлагавшиеся на вступительных экзаменах в различные виды, оптимизации задачи, и просто интересные задачи.
Заметки с описанием физических прибора и опытов помогут читателю поставить и proveсти физический эксперимент.
Журнал помещает решения на книги — уже вышшие и еще только готовящиеся к изданию.
Журнал в розничную торговлю не поступает.
Цена номера 30 коп. Стоимость годовой подписки 3 руб. 60 коп. Наш индекс 70465.