Квант
Квант 1973, №2

Квант 1973, №2 · Страницы

Лист 1

без номераНабрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

Квашт
2
1973
Научно-популярный
физико-
математический
журнал

Лист 2

без номераНабрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

Лист 3

без номераНабрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

Главный редактор — академик И. К. Кикоин
Первый заместитель главного редактора — академик А. Н. Колмогороз

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 (элавный художник),
С. М. Козел,
В. А. Лешковцев (зам. главного редактора),
Л. Г. Макар-Лиманов,
А. И. Маркушевич,
М. Д. Миллионщиков,
Н. А. Патрикева,
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.

Редакция:
В. Н. Березин,
А. Н. Виленкин,
Т. М. Макарова (художественный редактор),
Н. А. Минц,
Т. С. Петрова,
В. А. Тихомирова,
Л. В. Чернова (зав. редакцией).

Корректор Т. А. Панькова
117071, Москва, В-71, Ленинский проспект, 15, «Квант», тел. 234-08-11, 234-07-93

Сдано в набор 16/XI 1972 г. Подписано в печать 26/XII 1972 г. Бумага 70×100/16 Физ. печ. л. 5 Усл. печ. л. 6,5 Уч.-изд. л. 7,66 Тираж 379 580 экз.
Т-20448
Цена 30 коп. Заказ 2102

Чеховский полигraphический комбинат «Соизполгraphпрома» при Государственной комитете Совета Министров СССР по делам издаательств, полигraphи и книжной торговли.
г. Чехов Московской области Русописи не возвращаются

Основан в 1970 году 1973

Научно-популярный физико-математический журнал
Академии наук СССР и Академии педагогических наук СССР

Издательство «Наука»
Главная редакция физико-математической литературы

В НОМЕРЕ:

2 Я. А. Смородинский. Николай Коперник
9 Николая Коперника малый коментарий относительно установленных им гипотез о небесных движениях
11 Н. Б. Демидович. Вычисления, ошибки, контроль
17 Д. Бородин. Гравитационная масса
22 М. Г. Крейн, А. А. Нудельман. О некоторых пространственных изоперimetрических задачах
27 В. Н. Ваудтен. Числа CnkC_n^k, многочлены, последовательности
35 А. В. Бялко. Козеффициент полезного действия ракеты

Математический кругок
39 М. Л. Гервер. Про лису и собаку

Задачик «Кванта»
45 Задачи M186—M190 и Ф198—Ф202
47 Решения задачи M146—M150 и Ф164—Ф169

Практикум абитуриента
58 М. И. Шабунин, С. В. Черemnых. Трионометрические уравнения
64 Московский институт народного хозяйства имени Г. В. Плеханова
67 И. А. Дьяковов, А. Г. Мордкович, И. И. Наслузов. Телевизонные физико-mатематические курсы для поступающих вузы

«Квант» для младших школьников
68 Задачи
69 А. Н. Виленкин. Картезанский водолаз

Информация
70 В. В. Иванов, А. Г. Фономов. Экономико-mатематическая школа при экономическом факультете МГУ

Рецензии, библиография
72 П. А. Серпов. Отпутивающая реклама
74 М. Л. Смолянский. Новые книги
75 Ответы, указания, решения

Уголок коллекционера (3-я стр. обложки)
А. В. Алтыкис. Марки, посвязывающие Копернику
Смесь (стр. 21, 38, 44, 66, 73)

Портрет Николая Коперника, который мы приводим на первой странице обложки, был написан неизвестным художником в 1575 году.

На второй странице обложки — кабинет геометрики Краковского университета, где услуга Коперника с 1491 года. Поскольку учебников не хватало, основные теоремы чертили на стенах.

На четвертой странице вы видите еще один портрет Коперника. Предполагают, что это авторортрет ученого.

Лист 6

с. 4Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

4

го-нибудь истинного, поскольку она не может дать что-либо подобное; если же он сочетет истинным то, что придумано для другого употребления, то после такой науки оказывается более глубым, чем когда присутствал…»

Идей автора предисловия состояла в том, что теория Коперника удобна для вычисления, но не имеет никакого отношения к реальному миру. Тем не менее в 1616 году, при жизни Галилея и Кеплера, декретом инквизиции книга Коперника была включена в список запрещенных церковью книг.

Но все эти меры оказались бесполезными. Новая наука завоевыла себе признание, древняя наукауходила в историю.

Древние идеи

В неведому глубь вековушло время, когда человек впервые увидел среди неподвижных звезд седьмые небесных тел, положение которых изменялось на его глазах. Солнце, Луна, Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн удивляли и пуляли древних наблюдаемый неба. Движение их предшеало тревоги и радости. Солнце приссил с собой времега года, Луна сменяла дни и ночи, багровый Марс был предвестником войны.

Еще египтане залили, что движения Солнца и Луны можно предсказывать. Те, кто умел это делать, занимали особое положение — они были жрецами, знающим тайны богов. Жрецы обьявляли о начале года, о праздниках, о сроках работ на полях. С тех пор на многое сотни лет наблюдаемые небесных тел было связано с календарем. Сам Коперник углубился в астрономию, когда в 1514 году пала Лев Х признавал к исправлению календаря. (Эта реформа — переход к новому стили — была проведена позже, в 1574 году.)

Греки пошли значительно дальше египтан. Они задумались над тем, как устроена вся планетная система, как движутся планеты. Еще в III веке до нашей эры Аристарх Самос-

Рис. 1.
сккий высказал идею о гелиюцентрической системе — системе планет с Солнцем в центре. Во II веке до нашей эры на острове Родосе и в Александрии наблюдал звезды Гиппарх, который первый научился предсказывать положение Солнца и Луны, создав теорию их движения. Астрономыды видели, что каждая планета движется по своим особым правилам; поэтому они говорили о теории Марса, теории Луны и т. д. Только Кеплер смог обединить эти разрозненные теории в единую схему.

Первую последовательную схему планетной системы дал Клавдий Потолемей, работавший в Александрии в середине II века нашей эры. Он в значительной степени опирался на труды Гиппарха, которые не дошли до наших дней. Система Потолемей продолжалась 15 веков и дожила, почти не изменившись, до Коперника. Вплоть до XVI века никако не сомневался в ее истинности *).

Потолемей считал, что в центре Вселенной расположена Земля, а вокруг нее врачается семь сфера, которые включают за собой семь планет (рис. 1)

*) Сочинение Потолеемя называлась «Математический трактат в XIII книгах». В арабском переводе, в котором с ним познакомились средневековые учены, оно называлось «Альмагест» (от греческого «μεγίζτη» — величайшее). Под этим названем оно цитируется и сейчас.

Лист 7

с. 5Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

5

в таком порядке: Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн. На рисунке 1 в действительности изображена не система Птолемея — она значительное более сложна. До того, как о ней расскаatzать, почти сначала, что ознакомлено для греков (да и для Коперника) построить теорию движения планеты.

Кinematika без диамники

Белым пятом в системе знаний древних естественныхателей было то, что они не имели ни малейшего представления о диамнике. Причина движения тел была для них недоступна. Когда камень толкали, все было понятно — хотя и в этой задаче никаких количественных соотношения получить не могли (да и не думали об этом). Когда же дело касалось планет, то ни о каких причины движения и речи быть не могло — планеты двигались сами по себе, просто потому, что движение заключено в их природе. Почти вся наука о движении описана у Коперника. Так: «Аристотель говорит, что единому и простому телу присуше и простое движение; из простых же движений одно прямолинейное, другой круговое; из прямолинейных одно идет вверх, другой вниз. Поэтому всекое простое движение идет или к середине вниз, или от середины вверх, или вокруг середины, и это движение круговое. Только земле и воде, которые считаются тяжелыми, следует двигаться вниз, то есть стремиться к середине; воздух же и огонь, обладающие легкостью, должны двигаться вверх и удаляться от середины. И какется вполне сообщаемым приписать этим четырем стихиям прямолинейное движение, а небесным телам представить вращаться кругом середины. Так утверждает Аристотель».
Вот и вся механика движих. Итак, планеты должны двигаться по окружностям и, наверное, с постоянной скоростью, так как (опять из Коперника): «Круговое движение всегда совершается равномерно, либо оно имеет неубывающий причину…» Отсюда и

Руководство книги «De revolutionibus orbium coelestium» («О врацении небесных сфера»), открывая на мои странице, где Коперник нарисовал циркулем Солнечного системы, хранился в Кракове, и коснулись пальцами бумаги, еще можно оценить «бороздики», оставленные циркулем великою астронома. В предисловии к своему труду Коперник признается, что лишь уговоры иупреки друзей убедили его дать согласие на издание своего практаша.

«Зал правосудия» в замке Гейльсберг. Здесь Коперник желал с дядей епископом после возврачи из Имали, впломь до смерти моей чечесственного прелама в 1512 году.

Лист 8

с. 6Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

6

схема геоцентрической системы. Но система, изображенная на рисунке 1, хотя и очень эффективна, противоречит наблюдениям; с ее помощью нельзя разобраться в истинном движении планет.

Эта задача и стояла перед Плоlemем. Как совместить «приицип инерции Аристотеля» с реальным миром? Как описать реальный мир на основании одной kinematики?

Движение сфера

Древние наблюдатели видели, что движение планет сложное. Они разделили это сложное движение на несколько более простых. Первым главным движением было суточное движение неба, вторым — его годовое движение. В этих двух движениях участвовали все семь сфера, которые тянули за собой планеты. Восьмая сфера, к которой прикреплены звезды, была неподвижна. Еще Гиппарх усовершенствовал эту систему. Чтобы учеть движение точки весеннего равноведствия (точки пересечения плоскости экватора с орбитой Земли), он приписал восемой сфере медленное движение на один градус за 100 лет (по 36″ в год) *).

Однако эти простые движения не удовлетворяли «приицип инерции Аристотеля». Скорости их были неопостояны. Поэтому говорили о существовании двух неравенств. Первое неравномерность движения планет по орбитам; второе — наблюдашеся «попятное» движение планет — изменение направления их движения по небу на противоположное. Только у Солнца и Луны не было второго неравенства. Поэтому уже теория Гиппарха позволяет их положение с ошибкой, меняющей одной минуты. С этим неравенствами надо было справиться, и Плоlemей справился с ним вликолепно.

*) В действительности смение точки весеннего равноведствия проискодит немного быстрее — на 50″ в год.

Рис. 2.

Экцентр и эквант

Выход из, казалось бы, безнадежного положения был весна остроумен. Надо предположить, что по окружности вокруг центра Мироздания (Земли в системе Плоlemея) движется не сама планета, а лишь центр другой окружности, называющий эпицикла движется по основной орбите, называющей деферентом *). В результате таких постройной okазывается (хорошее упражнение для читателя!), что планеты по-прежнему движутся по окружности (она называется экцентром), но центр ее смещен относительно Земли.

Таким образом была установлена важная kinematическая эквивалентность схемы движения экцикла по деференту и эквант. Но столб просятая схема описывала лишь путь Солнца, которое всегда движется по небу в одном направлении, не поворачиваясь. Угловая скорость движения Солнца по экцентру (относительно его центра) предполагалась постоянной. Тогда, оченьindo,

*) Такое движение в механике называют парой врашения.

Лист 9

с. 7Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

7

угловая скорость движения, наблюдаемая с Земли, оказывается переменной. Так просто обязываюсь первое неравенство.

Для планет теории нужно было условиять. Особенно трудно было объяснить движения Меркурия, у которой, как мы теперь знаем, самый большой эксцентриситет: он равен 0,2 и в 10 раз больше, чем у Земли.

К двум окружностям добавили третью — эквант. Центр экванта обладает той особенностью, что наблюдает, находящийся в нем, видел бы равномерное движение планеты. Иными словами, хотя угол ϕ\phi (рис. 3) изменяется со временем неравномерно, угол ϕ\phi растет пропорционально времени. Таким образом как бы видилась фиктивная планета, движущаяся равномерно по экванту. Гипотеза экванта (при дополнительном условиянии, что центр экванта пополам) улучшила теории, но и она оказывается же недостаточной. Пришлось вдвое дополнительные предположения, например, что центр экванта сам движется по окружности или что по эпициклу катится друг эпицикл. В конечном случае для описания движения планета надо было вдвое почти 40 различных круговых движений. Да и сама гипотеза экван-

та была на самом деле чужда кинематике. Схема, таким образом, была сложной и неудовлетворительной с принципальной точки зрения. Однако она позволяет точно расчитывать положение Солнца и планет и поэтому удовлетворяла всех. Расчитанные на ее основе астроνομические таблицы (так называемые Альфонсинские таблицы) были во всеобщем употреблении с XIII века *). Правда, надо иметь в виду, что только в конце XV века подписное учение Птолемея стало распространться в университетах Европы — до этогоучились по тяжелым латинским переводам арабских трактатов.

В то время наиболее важно было расчитывать движения Солнца и Луны; для этого теории Птолемея было достаточно. Причина этого обстоятельства, как мы сейчас знаем, лежит в малости эксцентриситов (малой витянутости) планетных орбит, которые позволяют приближению описывается системой Птолемея.

Солнце — Центр Вселенной

Итак, не практическое целлюлистей перед Коперником, когда он начал размышлять над системой планет. Вопрос о каледиарной реформе был только лишьним поводом. Коперник не мог принять сложной системы катящся сфер Птолемея. Он не оставил после себя никаких дневников или записей, по которым можно было бы восстановить ход его мыслей. Никто не знает, о чем он думал почти сорок лет, создавая свою систему.

Когда сейчас мы смотрим на систему Птолемея, то обнаруживаем много

*) Таблицы, с большой точностью расчитанные по системе Коперника, были опубlikованы в 1551 году Эразмом Рейнгольдом. Ночью 17 августа 1563 года Тихо Браге увидел, что Юпитер и Сатурн почти совпадают на небе. Посмотрев в таблицы, он обнаружил, что Альфонсинские таблицы предсказывают время этого события с ошибкой в мести, а Коперниковские — в 7 дней. Этот случай дал толок работами Тихо Браге, а потом и Кеплера.

Лист 10

с. 8Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

8

закономерностей, которые трудно считать случайными и на которые не мог не обратить внимание Коперник. Почему центры эпискклов Меркурия, Венеры и Солнца, всегда лежат на одной прямой? Почему перiodы обращения Марса, Юпitera и Сатурна в их эпискклах равны одному земному году?

Немало таких проблем связи с системой Птолемея.

Гипотеза Коперника была проста. Надом помещать в старой Птолемеевской системе Землю и Солнце местами, оставив только Луну врашаться вокруг Земли (рис. 4). Но эта простая гипотеза была недоступна для понимания большинства современников Коперника. Первый раз в истории науки наблюдаемый был лишь своего привилегированного положения, и обсуждался вопрос о картине мира с точки зрения другой (движущейся относительно наблюдаемой) координатной системы. Такой шаг былреволюционным не только с точки зрения церкови — Земля и человека перестали быть главными во Вселенной,— но и с точки зрения механики — никака еще относительно движения не использовалась для решения конкретных задач. Поместив центр планетной системы на Солнце, Коперник сразу же упростил ее схему.

После того, что было расссказано, читатель будет понятно в «Малый комментарий», в котором Коперник кратко формулирует свою идею (см. стр. 9).

По схеме Коперника суточное движение неба объявлялось вращением Земли вокруг своей оси, годичное движение — обращением ее вокруг Солнца. Исчезло второе неравенство — попятное движение планет стало следствием разной угловой скорости движения Земли и других планет на своих орбитах. Замечательным образом отпала необходимость и в гипотезе о вращении восвым сферы: для объявления движения звезд достаточно было предположить, что плоскость орбиты Земли медленно вращается в сторону, обратную движению самой Земли по орбите.

Но не следует думать, что простая схема Коперника полностью решила задачу. Наломним, что естественное движение планет должно происковать все то, чего древние пытались достичь для каждой планеты при помощи эпискклов. Однако, вопрос мнения Аполлония и древних, движение планет не оказывается равномерным, даже после отнесения этой неравномерности за счет обращения Земли. Следовательно, планеты движутся не по концентрическим кругам, а иным образом, каким — мы покажем в дальнейшем…»

Теперь мы знаем, что непостоянство скорости движения планет по орбитам следует из законов Коперра и его не нужно избегать в теории. Но Коперник остается в плену своих законов kinematики и стремится достичь равномерности движения введением все тех же эпискклов и эксцентров (однако без эквантов). В результате его схема планетной системы оказывается достаточно слож-

Лист 11

с. 9Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

9

ной и совсем не пожожей на простую гелиюцентрическую модель, с которой он начал. Конец «Малого комментария» выглядел так: «Таким образом, Меркурий движется при помощи всего семи кругов, Венера — при помощи пятки, Земля — при помощи трех, а Луна вокруг них — при помощи четырех; наконец, Марс, Юпитер и Сатурн — при помощи пятки кругов каждый. Таким образом, для Вселенной будет дистанно 34 кругов, при помощи которых можно обьясить весь механизм мира…».

Теория Коперника, как и многие другие теории (далее современные), оказывается очень эффективной в первом ее приближении. При попытках же улучшить ее соглашение с опытом она начинает усложнять и терять убедительность. Такое положение объясно свидетельствует об организации пороках теории. Этот симплот увидел Кеплер, открывший основной дефект теории Коперника: планеты на самом деле движутся по эллипсам, а не по окружности, и описание их движения многими окружностями в принципие не может быть простым. Однако в рассуждениях Коперника заключалось важное открытие. Предположив, что центр эксцентра движется по окружности, он заметил то, чего не заметил древние: планеты стали двигаться не по окружности, а по овалу. «Против отклонения путь планет от кругового совершения Птолемей с основанием возражал бы Копернику, но я не возражаю», — писал Кеплер.

Система Коперника не была существенно точнее Птолемеевой. Более того, изменение системы отсчета не могло изменить результатов вычислений. Однако переход к гелиюцентрической системе настолько изменял все представления о строении мира, что за ним вскоре последовали открытия Галилея и Кеплера, а затем и создание механики Ньютоном. Псестому книга Коперника оказаласьfundamentом, на котором построена вся современная наука. Именно в этом смысле слова ее считают одной из величайших книг, когда-либо написанных рукой человека.

Николая Коперника
малый комментарий относительно установленных
им гипотез о небесных движениях

Наши предки велили множество небесных сфера, как я полагаю, для того, чтобы сохранить принцип равномерности для обьяснения видимых движений светил. Им казалось слишком не будет всегда двигаться равномерно. Однако они полагали возможность, что при сложении или совместномучасии нескольких движений светила будет казаться по отношению к какому-либо месту движущимся неравномерно.

Это не могли добиться Калипп и Евдокс, старшшеся получить решение посредством концентрических кругов и им们 обьяснить все особенности движений планет, не только относится к видимым круговращением звезд, но даже и те, когда, как нам кажется, планеты то поднимаются в верхние части неба, то опускаются, чего, конечно, концентриность никак не может допустить. Поэтому было сочто лучшим мнене, что это можно воспроизвести при помощи эксцентрических кругов и эпициклов, с чем, наконец, больше часть ученых и согласилась.

Однако, все то, что об этом в разных местах дает Птолемеем и многими другими, хотя и соответствует числовым расчетам, но тоже возбудает немальные сомнения. Действительно, все это оказалось достаточно

Лист 12

с. 10Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

10

ным только при условии, что надо выдумать некоторые круги, называемые эквапами. Но тогда получалось, что светило движалось с постоянной скоростью не по несущей его орбите и не вокруг собственного ее центра. Поэтому, подобные рассуждания не представлялись достаточно совершенными, не волне удовлетворяющими разум.

Так вот, обратив на это внимание, я часто размышлял, нельзя ли найти какое-нибудь более讼циональное сочетание кругов, которые можно было бы объяснить все видимые неравномерности, причем каждое движение само по себе было бы равномерным, как этого требует принципи совершенного движения. Когда я приступил к этой весы, конечно, трудной и почти неразрешимой задаче, то у меня все же появились мысль, как этого можно добиться при помощи меншшего числа сфера и более удобных сочетаний по сравнению с тем, что было сделано раньше, если только согласиться с неокторыми нашими требованиями, которые называют аксиомами. Они следуют ниже в таком порядке.

Первое требование. Не существует одного центра для всех небесных орбит или сфера.

Второе требование. Центр Земли не является центром мира, но только центром тяготения и центром лунной орбиты.

Третье требование. Все сферы движутся вокруг Солнца, расположенного как бы в середине всего, так что около Солнца находится центр мира.

Четвертое требование. Отношение, которое расстояние между Солнцем и Землей имеет к высоте небесной твердии, меньше относения радиуса Земли к ее расстоянию от Солнца, так что по сравнению с высотой твердии оно будет даже неощутимым.

Пятое требование. Все движения, замечащиеся у небесной твердии, принадлежат неей самой, но Земле. Именно Земля с ближайшими к ней стихиями вся врачается в суточном движении вокруг неизменных своих полосов, причем твердь и самоое высшее небо осталось все время неподвижными.

Шестое требование. Все замечаемые нами у Солнца движения не свойственны ему, но принадлежат Земле и нашей сфере, вместе с которой мы врачаемся вокруг Солнца, как и всякая другая планета; таким образом, Земля имеет несколько движений.

Седьмое требование. Каждыйся прямые и поляные движения планет принадлежат не им, но Земле. Таким образом, одно это ее движение достаточно для объяснения большого числа видимых в небе неравномерностей.

При помощи этих предпосылок я постараюсь коротко показать, как можно вполне упорядоченно сохранить равномерность движения. Однако здесь ради краткости я полагаю нужно опустить математические доказательства, поскольку они предназначаены для более общирного социения. Впрочем, при описании этих кругов мы ужежем величины получаемого орбит, при помощи которых каждый светящий в математике легко может, как хорошо подобная композиция кругов подойдет к числовым расчетам и наблюдениям.

Позному пустую никто не полагает, что мы вместе с пифагорецами легкомысленно утверждаем подвижность Земли; для этого он найдет серые доказательства в моем описании кругов. Ведь те доводы, при помощи натурального главным образом пытаются установить ее неподвижность, опираются большешей частью на видимость; все они сразу же рукнут, если мы также на основании видимых явлений заставим Землю врачаться.

Лист 13

с. 11Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

11

Вычисления, ошибки, контроль
Н. Б. Демидович

Ошибки наблюдения
Считать точно не всегда означает считать правильно. Расстояние для примера следующего задачу.
Сторона квадратного участка земли равна 1,4 м. Чему равен его полуперimetр p и площадь S (рис. 1)?
Решение направляется само собой: p=1,4+1,4=2,8p = 1,4 + 1,4 = 2,8 (mm), S=1,4×1,4=1,96S = 1,4 \times 1,4 = 1,96 (m2m^2). Но насколько точен этот ответ? Абсолютно точен, если длина стороны участка задана точно. А если она не задана, а, например, измерена дециметровой мерной лентой? Тогда естественно предположить, что 1,4 м — это деление ленты, близкий к истинной длине измеренной стороны участка. Отсюда ясно лишь, что точная длина отлачается от 1,4 м не более чем на 0,05 м, то есть абсолотная велична ошибки наблюдения (она называется абсолотом-

Рис. 1.

ной порезинострой измеряемой величины x и обозначается Δx\Delta_x) не превыходит 0,05 м.

Возникает практический важный вопрос: с какой точностью при указанных предосыdkах можно определить площадь? Этим и подобными ему вопросами занимается специальный раздел математики — теория приближенных вычислений. Продемонстрируем на данной задаче ее методы.

Пусть истинная длина стороны (далее все длины измеряются в метрах) равна 1,4 + α\alpha, где ∣α∣≤0,05|\alpha| \leq 0,05, то есть 0,5≤α≤0,050,5 \leq \alpha \leq 0,05. Тогда полуперimetр участка равен p=(1,4+α)+(1,4+α)=2,8+2αp = (1,4 + \alpha) + (1,4 + \alpha) = 2,8 + 2\alpha.

Абсолютная погрешность Δp\Delta_p значения полуперimetра 2,8 не превыходит 2×0,05=0,12 \times 0,05 = 0,1, то есть 2,7=2,8−0,1≤p≤2,8+0,1=2,92,7 = 2,8 - 0,1 \leq p \leq 2,8 + 0,1 = 2,9.

Легко проверяемая формула
∣(xприбл.±yприбл.)∣≤Δx+Δy\left|(x_{\text{прибл.}} \pm y_{\text{прибл.}})\right| \leq \Delta_x + \Delta_y

показывает, что при сложении и вычитании чисел их абсолотные погрешности складываются.

При умножении чисел удобнее дело с относительной погрешностью. Относимый погрешность Δx\Delta_x числа x называется относение абсолотной погрешности Δx\Delta_x к абсолотной величне числа x: εx=Δxxточн\varepsilon_x = \frac{\Delta_x}{x_{\text{точн}}}. Поскольку xточнx_{\text{точн}} мы

Лист 14

с. 12Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

12

не знаем, можно εx′\varepsilon'_x заменить на εx\varepsilon_x, где εx=Δxxприбл\varepsilon_x = \frac{\Delta_x}{x_{\text{прибл}}}. В данном примере εx=0,051,4≈0,036=3,6%\varepsilon_x = \frac{0,05}{1,4} \approx 0,036 = 3,6\%.

Заменяя значения εx′=Δxxточн\varepsilon'_x = \frac{\Delta_x}{x_{\text{точн}}} на εx=Δxxприбл\varepsilon_x = \frac{\Delta_x}{x_{\text{прибл}}}, мы, конечно, допускаем некоторую погрешность, но обычно она настолько мала, что его всегда пренебрегают.

При умножении и делении чисел произходит сложение их относительной погрешности. Доказательство этого утверждения мы оставляем читателю, затем только, что надо оценить числа

εxy=∣(x+α)(y+β)−xyxy∣\varepsilon_{xy} = \left| \frac{(x + \alpha)(y + \beta) - xy}{xy} \right|

и

εxy=∣x+αy+β−xyxy∣.\varepsilon_{\frac{x}{y}} = \left| \frac{\frac{x + \alpha}{y + \beta} - \frac{x}{y}}{\frac{x}{y}} \right|.

Тепер вернемся к нашей задаче. Площадь участка получается как произведение длины сторонон, поэтому ее относительная погрешность имеет порядок 7,2%. Приемые вычисления дают

S=(1,4+α)2=1,96+2,8α+α2.S = (1,4 + \alpha)^2 = 1,96 + 2,8\alpha + \alpha^2.

Здесь 1,96 — наш первоначальный ответ, а два других слагаемых — его отклонения от точного ответа. Оценим абсолотную погрешность результата:

ΔS≤∣2,8α+α2∣≤∣2,8α∣+α2≤∣2,8⋅0,05∣+∣0,05∣2=0,1425<0,15.\Delta_S \leq |2,8\alpha + \alpha^2| \leq |2,8\alpha| + \alpha^2 \leq |2,8 \cdot 0,05| + |0,05|^2 = 0,1425 < 0,15.

Значит, площадь SS лежит в пределах

1,81=1,96−0,15<S<1,96+0,15=2,11.1,81 = 1,96 - 0,15 < S < 1,96 + 0,15 = 2,11.

Посления формула наглядно показывает, что в первоначальном ответе 1,96, содержащем два знака последной, может не оказаться ни одной верной цифры.

Так теория приближенных вычислений избавляет нас от иллюзии, будто больше число точно вычисленных цифр всегда обеспечивает соответствующее точность самого результата. Более того, она дает ответ, как точность результата зависит от точности исходных данных, их количества и вида действия, производимых над ними.

Округление чисел

В исходном примере мы решили, что число 1,4 м получилось при изменении дециметровой мерной лентой и потому погрешность изменения не превышает 7,2%. Приемые вычисления дают

S=(1,4+α)2=1,96+2,8α+α2.S = (1,4 + \alpha)^2 = 1,96 + 2,8\alpha + \alpha^2.

Здесь 1,96 — наш первоначальный ответ, а два других слагаемых — его отклонения от точного ответа. Оценим абсолотную погрешность результата:

ΔS≤∣2,8α+α2∣≤∣2,8α∣+α2≤∣2,8⋅0,05∣+∣0,05∣2=0,1425<0,15.\Delta_S \leq |2,8\alpha + \alpha^2| \leq |2,8\alpha| + \alpha^2 \leq |2,8 \cdot 0,05| + |0,05|^2 = 0,1425 < 0,15.

Значит, площадь SS лежит в пределах

1,81=1,96−0,15<S<1,96+0,15=2,11.1,81 = 1,96 - 0,15 < S < 1,96 + 0,15 = 2,11.

Посления формула наглядно показывает, что в первоначальном ответе 1,96, содержащим два знака последной, может не оказаться ни одной верной цифры.

Так теория приближенных вычислений избавляет нас от иллюзии, будто больше число точно вычисленных цифр всегда обеспечивает соответствующее точность самого результата. Более того, она дает ответ, как точность результата зависит от точности исходных данных, их количества и вида действия, производимых над ними.

Один пример

В теории приближенных вычислений, в частности, разработывается также примеры счета, которые, гарантируя достинение необходимой точности результата, сводят число операций к минимуму.

Рассмотрим, например, умножение положительных nn-разрядных правилных десятичных дробей, то есть чисел вида

A=0,a1a2…an,A = 0, a_1 a_2 \dots a_n,

где 0≤ai≤90 \leq a_i \leq 9 (i=1,2,…,ni = 1, 2, \dots, n). Известно, что десятичная дробь (1) является сокращенной записью числа

A=a110+⋯+ai10i+⋯+an10n.A = \frac{a_1}{10} + \dots + \frac{a_i}{10^i} + \dots + \frac{a_n}{10^n}.

Лист 15

с. 13Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

13

Будем считать дробь (1) приближенным, грамотно округленным числом. Тогда она имеет абсолотную погрешность, не превыходящую 510n+1\frac{5}{10^{n+1}}.

Пусть

A=0,a1a2…an,A = 0, a_1 a_2 \dots a_n,
B=0,b1b2…bnB = 0, b_1 b_2 \dots b_n

— два приближенных числа, а α\alpha и β\beta — их соответствующие отклонения от точных чисел, причем одинаково: ∣α∣≤0,5⋅10−n,∣β∣≤0,5⋅10−n|\alpha| \leq 0,5 \cdot 10^{-n}, |\beta| \leq 0,5 \cdot 10^{-n}. Вычислим абсолотную ошибку произведения:

ΔAB=(A+α)⋅(B+β)−AB=α⋅B+β⋅A+α⋅β.\Delta_{AB} = (A + \alpha) \cdot (B + \beta) - AB = \alpha \cdot B + \beta \cdot A + \alpha \cdot \beta.

Здесь ∣α⋅β∣=∣α∣⋅∣β∣≤0,5×10−n⋅0,5⋅10−n=0,25⋅10−2n|\alpha \cdot \beta| = |\alpha| \cdot |\beta| \leq 0,5 \times 10^{-n} \cdot 0,5 \cdot 10^{-n} = 0,25 \cdot 10^{-2n}, то есть этот член по модулю не превыходит четырти последней возможной цифры результатата и потому может не принадлежать во внимание. Оценим сумму двух средних слагаемых, учитывая, что A<1A < 1 и B<1B < 1. Получим ∣α⋅B+β⋅A∣<∣0,5⋅10−n⋅1∣+0,5⋅10−n⋅1∣=10−n|\alpha \cdot B + \beta \cdot A| < |0,5 \cdot 10^{-n} \cdot 1| + 0,5 \cdot 10^{-n} \cdot 1| = 10^{-n}.

Значит, из 2n2n цифр произведения гарантируется верность лишь первых n−1n-1 цифр, nn-я цифра в силу (2) уже оказывается комнентальной (она может отличаться от верной на ±1\pm 1). Верность цифр (n+1)(n+1)-й и далее формула (2) совершенно не гарантирует. Поэтому эти цифры не哉чем включать в окончательный ответ.

Отсюда следует, что при умножении приближенных чисел школьным способом — «лескенкой влево» — мы половину работы делаем впустую. Спрашиваем, а можно ли эту половину работы вообше не делать? Оказывается, можно. Для этого надо использовать сокращенный способ умножения — «лескенкой вправо». Далее в целых наглядности изложения мы ограничимся примером умножения приближенных чисел 0,587×0,7360,587 \times 0,736.

Как известно, умножение десятичных дробей выполняется аналогично умножению целых чисел. Ниже приведится три способа умножения

×0,587×0,587×0,587\times 0,587 \times 0,587 \times 0,587
×0,736×0,736×0,736\times 0,736 \times 0,736 \times 0,736
×4109×4109×4109\times 4109 \times 4109 \times 4109
1761+1761+1761+17611761 + 1761 + 1761 + 1761
4109×3522×3522×35224109 \times 3522 \times 3522 \times 3522
0,4320×0,4320×0,43200,4320 \times 0,4320 \times 0,4320

(a) — «лескенкой влево» (школьный);

При способе (6), в отличие от способа (a), умножение начинается с старших цифр множимого и множителя; учет единиц переноса от соседней правой цифры множимого (реже — от двух соседних) производится сразу. После небольшой тринировки этот способ становится не труднее способа (a).

Способ (в) представляет собой сокращенную модификацию способа (6), в котором частные произведения не вычисляются до конца, а сразу округляются. Место округления обеспечивает в окончательном ответе одну лишню цифру, которая необходима для правильного округления последней, комнентальной, цифры.

Okончательный ответ нашло применяю по всем тем способам его вычисления будет 0,432. Для его получения по способу (в) потребовалось вдвое меньше работы и времени, чем по способам (a) и (6). Указанный примем особенно пропагандировал выделшийся советский математик, инженер и кораблестритель, академик А. Н. Крылов, чью книгу *) мы рекомендуем нашему читателю.

Последовательные приближения и контроль вычислений

Приближенныесть исходных данных (ошибка наблюдания и изменения) является не единственной причиной ошибки результатата. Другим источником ошибки результатата служит приближенность самого процесса вычисления. Причны такого явления коре-

*) А. Н. Крылов, Лекции о приближенных вычислениях, М., ФМ, 1954.

Лист 16

с. 14Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

14

наяся или в принципиальной необходимости проверки точное вычисление (например, 2\sqrt{2}, sin 20∘20^\circ), или в неудобстве использования точной формулы результатата (так, точная простая дробь 1/71/7, как правило, заменяется на приближенную десятичную дробь 0,143). Разработка способов вычисления с наперед заданной скольго большой степени точности представляется собой важное прикладное направление классического вычислений математики. Понятие об этих способах читатель получит, взглянув на последнюю страницу таблицы Брадиса. Там приводятся формулы — так называемые бесконечные ряды,— по которым вычисляются значения синуса, тангенса, логарифма и других табличных функций. Анализ этих формулы вывляется основной методической прием — замену вычисления исходной функции вычислением многочлена, то есть другой, более простой функции, значения которой с заданной степенью точности равны значениям исходной функции.

Другим способом проверения вычисления с заданной степенью точности является метод последовательных приближений. Продемонстрируем его на вычислении квадратного корня из числа AA.

В качестве нулевого приближения A\sqrt{A} возьмем произвольное положительное число x0x_0.

Рассмотрим на числовой прямой (рис. 2) отрезок, ограниченный точками x0x_0 и Ax0\frac{A}{x_0}. Построим второе приближение x1x_1 как среднее арифметическое x0x_0 и Ax0\frac{A}{x_0}:

x1=12(x0+Ax0):x_1 = \frac{1}{2} \left( x_0 + \frac{A}{x_0} \right) :

Имеем по свойству среднего арифметического x0⩽x1⩽Ax0x_0 \leqslant x_1 \leqslant \frac{A}{x_0} и по свойству обратных величины Ax0⩾Ax1⩾x0\frac{A}{x_0} \geqslant \frac{A}{x_1} \geqslant x_0. Иными словами, отрезок

∣A−x2A+x2∣<1.\left| \frac{A - x^2}{A + x^2} \right| < 1.

Эти отрезки стягиваются к единственной точке xx, принадлежащей всем отрезкам. Для вычисления xx подставим его в формулу (3): x=12⋅(x+Ax),x=Ax,x=Ax = \frac{1}{2} \cdot \left( x + \frac{A}{x} \right), x = \frac{A}{x}, x = \sqrt{A}.

Точка x=Ax = \sqrt{A} принадлежит всем отрезкам, поэтому xnx_n стремится к x=Ax = \sqrt{A}, то есть метод последовательных приближений решает по-

Лист 17

с. 15Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

15

ставленную задачу. Остается заметить, что вычисление следует прекращать после того, как xn+1x_{n+1} становится равным xnx_n с заданным количеством десятичных знаков.

Метод последовательных приближений обладает одним большим достоинством: случайная ошибка в промежуточных действиях не повлияет на величины результата, а лишь увеличит время на его получения.

Вобщее при проведении вычисления контроллю должно быть удалено самое сердезное внимание. Конечно, процесс вычисления можно повторить заново, но это вдвое увеличит общее время работы. В особо ответственных случаях приходится идти и на этот шаг, но возможности и другие методы контроля, учитывающие специфику конкретного расчета. Например, если от одного аргумента xx вычисляется sin xx и cos xx, то естественно затем подсчитать sin⁡2x+cos⁡2x\sin^2 x + \cos^2 x и сравнить с единицей.

Еще один пример

Особый интерес представляет методика, позволяющая контролировать каждый этап вычисления. Продемонстрируем ее на примере решения системы линейных алгебраических уравнений.

Пусть нам задана система двух уравнений с двумя неизвестными:

5x+2y=19,3x+7y=23.\begin{align*} 5x + 2y &= 19, \\ 3x + 7y &= 23. \end{align*}

Запишем ее коэффициенты и свободные члены в виде таблицы:

53271923\begin{align*} \frac{5}{3} &\frac{2}{7} \frac{19}{23} \\ \end{align*}

Пополним эту таблицу контролировать сумме элементов соответствующей строки. Получим расчетную таблицу:

532719232633\begin{align*} \frac{5}{3} &\frac{2}{7} \frac{19}{23} \frac{26}{33} \\ \end{align*}

В дальнейшем будем рассматривать таблицу (5) как изображение двух систем с одинаковыми коэффициентами и разными свободными членами: системы (4) и системы

5x~+2y~3x~+7y~=2613∣0,47∣3,823∣5,233∣\begin{align*} \frac{5\tilde{x} + 2\tilde{y}}{3\tilde{x} + 7\tilde{y}} &= 26 \\ \frac{1}{3} \left| \frac{0,4}{7} \right| \frac{3,8}{23} \left| \frac{5,2}{33} \right| \\ \end{align*}

Решая системы (4) и (6) методом Гаусса, подelimм все элементы первого строки на ее первый член. Получим таблицу

∣13∣0,473,823∣5,233∣\left| \frac{1}{3} \right| \frac{0,4}{7} \frac{3,8}{23} \left| \frac{5,2}{33} \right|

Контроль состоит в том, что на любом этапе сумма трех чисел любой строки должна равнять четвертому числу; здесь это выполняется.

Далее умножим все элементы первого строки на первый член второй строки. Получим

∣33∣1,27∣11,423∣∣15,633∣\left| \frac{3}{3} \right| \frac{1,2}{7} \left| \frac{11,4}{23} \right| \left| \frac{15,6}{33} \right|

Вычтем почленно из 2-й строки 1-ю:

∣30∣1,25,8∣11,411,6∣∣15,617,4∣\left| \frac{3}{0} \right| \frac{1,2}{5,8} \left| \frac{11,4}{11,6} \right| \left| \frac{15,6}{17,4} \right|

Из второй строки (8) получаем

y=11,65,8=2,y~=17,45,8=3.y = \frac{11,6}{5,8} = 2, \quad \tilde{y} = \frac{17,4}{5,8} = 3.

Наконец, из 1-й строки таблицы (7) находится

x=3,8−2⋅0,4=3,x~=5,2−3⋅0,4=4.x = 3,8 - 2 \cdot 0,4 = 3, \\ \tilde{x} = 5,2 - 3 \cdot 0,4 = 4.

Искомое решение: x=3,y=2x = 3, y = 2; решение системы (6): x~=4,y~=3\tilde{x} = 4, \tilde{y} = 3. Имеют место равенства

x~=x+1,y~=y+1,\tilde{x} = x + 1, \quad \tilde{y} = y + 1,

значит, система решения верно. Отметим, что если в окончательном ответе равенства (9) не выполнются, то или при сочетании местом слишком грубые округления, или была где-

Лист 18

с. 16Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

16

то допущена ошибка. Наличие контROLного столбца на каждом этапе вычисленной позволяет быстро найти место ошибки или неточности.

Равенства (9) является обоснованием способа контроля. Если мы возьмем систему (6), решениями которой является решение системы (4), увеличенные на единицу, x=x+1x = x + 1, y=y+1y = y + 1, то свободные члены системы (6) будут равны сумме коэффициентов строк системы (4). Например, для первой строки системы (4)

5(x~−1)+2(y~−1)=19,5(\tilde{x} - 1) + 2(\tilde{y} - 1) = 19,
5x~−5+2y~−2=19,5\tilde{x} - 5 + 2\tilde{y} - 2 = 19,
5x~+2y~=19+5+2=26.5\tilde{x} + 2\tilde{y} = 19 + 5 + 2 = 26.

Указанное свойство легко проверяется в обшем случае. А поскольку при решении мы переходим к эквивалентным системам, то и в них суммы коэффициентов должны равны числам в контрольном столбце.

Ошибки метода

Существует еще одна группа причины, приводящая к ошибке результата. Она носит название «ошибка метода». Проверяется она, например, в том случае, когда вместо точной системы уравнения рассматривается система более простых уравнений, приближенно описывающих тот же процесс. Причины такой замены бывают самые разнообразные: отсутствие точной системы уравнения, невозможность подготовить исходные данные для точной системы, невозможность или большешая сложность точно решить имеющийся точную систему и другие. В качестве примера рассмотрим задачу из учебника физики.

Самолем лемит горизонтального на высome HH со скоростью vv. На каком горизонтальном расстоянии от объекта он должен сбросить bomбу для прямого попадания в этом объект?

При упрощении предположения — отсутствии сопротивления воздействия воздействия.

Искомое рассмотрение SS получается из формулы S=v⋅tS = v \cdot t при gt22=H\frac{gt^2}{2} = H, отсюда S=v⋅2HgS = v \cdot \sqrt{\frac{2H}{g}}.

Согласно этому предположению траектория bomбы представляет собой парабoly (синяя кривая на рис. 3).

Но в действительности сопротивление воздействия должна быть траекторию более крупной. Она носит название «баллистической кривой» (красная кривая на рисунке 3) и строится на основе опытных данных и дополнительных теоретических предложений. Баллистическая кривая заметно уменьшает «ошибку метода», но в силу своего экспериментального характеристика несколько увеличивает «ошибку наблюдания» и «ошибку округления».

Теперь можно подвести некоторые итоги. Приведенные примеры и расчёжения показывают, что процесс численного расчета любой практической задачи должен быть тщательно спланирован.

Этапами на этом пути служат:

  1. выбор метода решения с оценкой ошибки, которое он дает;
  2. оценка точности исходных данных;
  3. выбор схемы с оценкой точности округления промежуточных величины и разумной организации контроля.

Существование влияние на дальнейшее развитие методов вычисления оказывает вычислительная техника, особенно электронные цифровые вычислительные машины (ЭЦВМ), которые позволяют выполнять расчеты, состоящие из миллиардов арифметических действия. Это остоятельство требует повышенного внимания к накоплению ошибок и выбору схем учета, менее «чувствительных» к ним.

Лист 19

с. 17Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

17

Гравитационная масса
Д. Бородин

Физики имеют дело с двумя массами — инертной и gravитационной. Первая входит в законы движения Ньютона, второй — в закон есемирного тяготения.

Согласно закону всемирного тяготения величины силы пряжения между двумя материалов точками равна

F=γm1m2r2,F = \gamma \frac{m_1 m_2}{r^2},

(1)

где γ\gamma — gravитационная постоянная ∗^*), m1m_1 и m2m_2 — массы материалов точки, rr — расстояние между ними. Массы m1m_1 и m2m_2, входящие в эту формулу, — те же самые величины, которые входят во второй закон Ньютона

F=ma,F = ma,

(2)

связывающий силу иускорение тела.

Роль массы в формулах (1) и (2) совершенно различна. В выражении (2) она определяет инертоность материалов точки, а в выражении (1) характеризует поле тягости, которое создает материалная точка, и силу, с которой это поле действует на другую/materialную точку. Заметим, что в силу третьего закона Ньютона нам все равно, какую массу (m1m_1 или m2m_2) считать создающей поле, а какую — находящейся в этом поле: действие равно противодействию. То,

γ=6,6732⋅10−11hm2kc2\gamma = 6,6732 \cdot 10^{-11} \frac{hm^2}{kc^2}

(скобки ознакомлен возможно неточно в двух последних знаках).

что масса, входящая в закон тяготения (1),— ее называют gravитационной (или тяготеющей) массой—оказывает той же, что и инертаная масса, входящая в формулу (2), есть величий закон приоды.

Его называют прицципом экземпляrosis gravитационной и инертной масс.

В обыделенной жизни мы к этому прицципу настолько привели, что не обращаем на него внимание. А между тем мы его использем, когда определяем массу тела, взвешивая его на весах; производя эту операцию, мы, не задумываясь о физике, моглиливо предполагаем, что сила пряжения к земле пропорциональна инертоной массе этого тела. Мы сказали «пропорциональная». На самом деле на практике обе массы — и gravитационная, и инертная — изменяются в одних и тех же единицах и численно равны. Поэтому мы никогда и не думаем, какая именно масса физирует в том или ином случае. Единницу изменения массы прияго выбирать так, чтобы во втором законе Ньютона не было никаких коэффициентов; тогда в законе всемирного тяготения появляется численный коэффициент γ\gamma. Можно, конечно,вести новую единицу для gravитационного массы так, что m′=γmm' = \sqrt{\gamma m}; тогда и в формуле (1) исчезает коэффициент γ\gamma, но появляется m′m'. Таким образом можно подчеркнуть физическое развитие инертоной и gravитационной масс; однако на практике это было бы очень недобно.

Лист 21

без номераНабрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

поле. Если обозначить направность поля через EE, то сила, действующая на заряд ee, будет равна eEeE. Уравнение Ньютона при этом выглядит так:

ma=eE,m a = e E,

а ускорение

a=emE,a = \frac{e}{m} E,

как мы видим, зависит от отношения зарядка kk массе, то есть от величины, различной для разных части.

Здесь надо подерknить, что электрический заряд ee определяет силу, с которой поле действует на частицу, а инертая масса mm — ускорение, возникающее под действием этой силы. В гравиатционном поле сила определяется той же самой инертной массой, которая определяет и ускорение. Иначе говоря, роль гравиатционного «заряда» (то есть гравиатционной массы по нашей терминологии) играет все та же инертая масса, и отношение обенх масс (играющее роль относения e/me/m) в случае гравиатционного поля равно единице. Это и есть приципп эквивалентности.

Вращающаяся Земля

Рассмотрим тело, находящемся во врашающей системе координат, например, на Земле. На него (с точки зреня земного наблюдаателя) действует центробежная сила инерции ∗*), направленная перpendикулярно оси врашения Земли. Величина центробежной силы инерции равна

Fцб=mω2r.F_{цб} = m \omega^2 r.

(mm — инертая масса, rr — расстояние от оси врашения, ω\omega — угловая скорость).

Так как эта сила пропорциональна инертной массе, то в поле центро-
*) Это та самая сила, которая прижимаетплота к креслу на кругтом вращке. Силы такого типа, появляющиеся при переходе в неинерциальную систему координат, называются инерциальными.

бежных сил также действует закон Галилея: ускорение тела

a=ω2ra = \omega^2 r

не зависит от его массы. Например, на экваторе это ускорение равно 0,02 m/c2m/c^2.

Для того чтобы понять, как возникает центробежная сила инерции, рассмотрим простую задачу о грузике, подвешенным на нитке. Наблюдаемый вне Земли будет видеть, что грузик и подвескаются вместе с Землей. Грузик имеет ускорение ω2ρ\omega^2\rho (ρ\rho — расстояние до оси Земли); значит, на него действует сила Fцс=mnω2ρF_{цс} = m_n \omega^2\rho, направленная к оси врашения (mnm_n — инертая масса). Эта сила создает прияжением к центру Земли FT=mrgF_T = m_r g (mrm_r — гравиатционная масса) и натяжением нити Fr+FH=FцсF_r + F_H = F_{цс} (рис. 1, а).

Если мы теперь перепишем баланс сил так:

Fr+FH−Fцс=0,F_r + F_H - F_{цс} = 0,

то можно сказать, что груз находится в равновесии (как это видит наблюдаемый на Земле) под действием трех сил. Третья сила, −Fцс-F_{цс}, направлена в стороны от оси врашения, и есть центробежная сила инерции FцбF_{цб} (рис. 1, б).

Опытые Этвеша

Вопрос о проверке прициппа эквивалентности занимаем еще Ньютона. Им же был проделан и первый опыт. Ньютон наблюдаал качание мятников, сделанных из разных материалов (рис. 2). Из прициппа эквивалентности следует, что период колебаний

Лист 23

с. 21Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

21

Рис. 4. Опыт Дике. На рисунке схематически показано положение стрелки, регистрирующий закручивание нити крутильных величин.

Свв в разное время суток, если mr≠mim_r \neq m_i. Внизу приведен гипотетический график показаний стрелки в таком опите.

Опыты Дике и Брагиинского
Более точные эксперименты были проведены только в 1962 году. Американский физик Дике поставил новые опыты, в которых gravитационной силой, действующей на коромышло крутильных весов, была сила прятяжения грузков не Землей, а Солнцем. Если коромышло не трогать, не поворачивать его на 180∘180^\circ, как это делалось в опытах Этвеша, то направление закручивания нити крутильных весов, казалось бы, будет оставаться неизменным. Дике, однako, заметил, что если приципл эквивалентности неправедлив, то коромышло весов должны медленно поворачивать из-за действия на образцы силы прятяжения со стороны Солнца (рис. 4). Орентация коромышла относительно Солнца изменяется со временем из-за врашения Земли, и экспериментатор должен был бы наблюдать крутильные колбания нити с

перiodом в 24 часа. Таких колбаний обнаружено не было. Преимуществом опытов Дике по сравнению с опытами Этвеша было то, что в новых опытах экспериментатор не должен был сам изменять положение коромышла; это избавляло его от опасности дополнительных ошибок.

Аналіз показал, что в опытах Дике ошибка была уменьшена до 10−1010^{-10}.

Результат Дике был улучшен советским физиком В. Б. Брагиинским. Брагиинский использовал идею Дике, но понизил возможность ошибку до 10−1210^{-12}.

Вряд ли можно ожидать, что в ближайшее время кто-либо займет новые опытами: слишком много труда надо на это затратить, и слишком малы шансы, что приципл эквивалентности может оказаться неправедливым при изменении с еще большей точностью.

Ошибка Галилея

Галилей рассужdal так: Возьмем два камня, большой и малейший. Предположим, что большой камень падает быстрее малейшего. Свяжем их вместе и бросим эти связанные камни с высоты вниз. Если больший камень падает быстрее малейшего, то малейший должен тормозить движение большого. Но тогда связанные вместе камни падают быстрее медленнее одного большого, но быстрее малейшего. С другой стороны, масса связанных камней больше массы каждого из них, значит, они должны по условию падают быстрее. Получается видимое противоречие. Положение не спадает и противостеvementе предположение, что больший камень падает медленнее. Казалось бы, отсюда следует закон равенства ускорений всех тел.

На самом деле это не так. Ошибка рассужdenя — в нейвном предположении, что ускорение тел зависит только от одной физической величины — «тяжестки» (то есть от gravитационного массы). Если бы масс было две (гравитационная и не равная ей инертиная), то подсбное «доказательство» проводится было нельзя.

Лист 24

с. 22Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

22

О некоторых пространственных изоперметрических задач

M. Г. Крейн, A. А. Нудельман

Введение

Прежде чем приступить к предмету настоящего статьи, предлагаем читателю самостоятельно доказать (или вспомнить) следующие хорошего известные предложения.

Предложение 1.
Среди всех параллелограммов с заданным перimetром наибольшую площадь имеет квадрат.

Предложение 2.
Среди всех параллелограммов с заданным перimetром и длиной одной из диагоналей наибольшего площадь имеет ромб.

Очевидно, что предложение 2 эквивалентно следующему:

Предложение 2’.
Среди всех треугольников с заданным перimetром и длиной одной из сторон наибольшего площадь равноведенный треугольник.

Предложение 3.
Среди всех треугольников с заданным perimetром наибольшую площадь имеет равноведенный треугольник.

Предложения 1—3 относятся к числу таких называемых изоперметрических задач: среди фигур определяемого вида с заданным perimetром требуется найти фигур наибольший площади. Отметим здесь, что предложения 1 и 3 являются частными случаями более общего утверждения: среди всех nn-угольников с заданным perimetром наибольшую площадь имеет равноведенный nn-угольник. Из него предложим переход легко получить, что среди всех фигур с заданным perimetром (на вид фигур не накладывается ограниченной наибольшую площадью площадь имеет круг *).

Постановка задач

Рассмотрим теперь пространенные аналоги предложений 1—3; в них параллелограммы заменяются параллелипедами, треугольники — тетраэдрами (треугольными парамиами), а площади — объемами.

Задание 1. Среди всех параллелипедов с заданной суммой длины ребер найти параллелипед, имеющий наибольший объем.

Задание 2. Среди всех параллелипедов с заданным суммой длины ребер и длиной одной из диагоналей наибольшего площадь имеющий наибольший объем.

Прежде чем переформулировать задачу 2 так, чтобы получить аналог предложения 2’, введем некоторые определения.

Замкнутую ломанную linцию, состоящую из четырех звеньев, вершины которого не лежат в одной плоскости, называем пространственным четырехугольником. О тетраэдре, вершины которого совпадают с вершинами пространственного четырехугольника, будем говорить, что он намянут на этот четырехугольник (рис. 1).

Легко видеть, что объем tetraэдра, натянутого на пространственный

*) Изящное доказательство этого утверждения, не использующее предельного перехода, читатель найдет в книге: Г. Радемахер и О. Теплиц. Числа и фигуры, М., Физматгиз, 1962.

Лист 25

с. 23Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

23

Четырехугольник, сторонами которого является диагональ параллелепида и три его последовательных ребра (рис. 2), составляют одну шестую часть объема параллелепида. Поэтому задача 2 включает следующей задаче:

Задание 2’. Среди всех пространственных четырехугольников с заданным периметром 2р и длиной одной из сторон h найти макой, что нам нужно на него метраэдр имеем наиболее объем.

После решения этой задачи легко решается.

Задание 3. Среди всех пространственных четырехугольников с заданным периметром 2р найти макой, что нам нужно на него метраэдр имеем максимально объем.

Решение задач

Решение задачи 1

Так как среди параллелограммов с фиксированными длинами сторона наиболее площадь имеет прямуюгольник, а среди параллелопедов с фиксированными длинами ребер наиболее объем имеет прямуюгольный параллелопед, то при решении задачи 1 достаточно рассматривать прямуюгольные параллелопеды.

Рис. 2.

Рис. 3.

Если длины ребер прямого параллелопеда обозначит через a1,a2,a3a_1, a_2, a_3, то известное неравенство между средним арфметическим и средним геометрическим

a1a2a33≤13(a1+a2+a3)\sqrt[3]{a_1 a_2 a_3} \leq \frac{1}{3} (a_1 + a_2 + a_3)

(где знак равенства имеет место лишь в случае a1=a2=a3a_1 = a_2 = a_3) приводит к следующему результату:

Теорема 1. Среди всех параллелопедов с заданной суммой длины ребер наиболее объем имеем куб.

Решение задачи 2'

Приступим к рассмотрению задачи 2’. При ее решении будет использовано следующое вспомогательное предложение.

Обозначим через П плоскость, перpendикулярную стороне AB пространственного четырехугольника ABCD (рис. 3). Спроектировав ABCD на П, получим треугольник BEF.

Лемма 1. Объем V метраэдра, нам нужно на ABCD, вычисляется по формуле

V=13hS,V = \frac{1}{3} h S,

(1)

еде h−dлина стороны AB,S− площадь треугольника BEFh - \text{dлина стороны } AB, S - \text{ площадь треугольника } BEF.

Для доказательства достаточно заметить, что терзеры ABCD и ABEF равновелики, так как каждый из них равновелик терзару ABCF.

Формула (1) сразу подсказывает пусть решения задачи 2’: нужно длины и положения сторона BC, CD и

Лист 26

с. 24Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

24

Рис. 4.
AD (рис. 3) выбрать так, чтобы площадь треугольника BEF оказалась наиболее широкой из возможных.

Чтобы добиться этого, позаботемся сначала о том, чтобы его перimetр был наиболее ширким. Развернем на плоскость грани ABFD, FDCE, CEB, проектирующие четырехугольник ABCD на плоскость П. В полученной системе плоской фигуре (рис. 4) длина стороны B1B2B_1B_2 равна перimetру треугольника BFE, откуда ясно, что этот перimetр будет наиболее ширким в том случае, когда отрезки AD, DC, CB образуют один и тот же угол α=arccos⁡h2p−h\alpha = \arccos \frac{h}{2p-h} со стороны AB (рис. 5). Таким образом, пространственный четырехугольник со стороны AB=hAB = h и перimetром 2p2p, для которого треугольник BEF имеет наиболее ширкий перimetр, можно получить в результате следующего построения: прямогольник со стороны AB1=hAB_1 = h и диагональ AB2=2p−hAB_2 = 2p - h сворачивается в треугольную призму так, что точки B1B_1 и B2B_2 совпадают, а ее боковым ребром служит отрезок AB1AB_1. При этом линии B1ADCB2B_1ADCB_2 превращается в исходный пространственный четырехугольник.

Решение задачи 3

Подсчитаем максимальный объем, о котором идет речь в теореме 2. Из рисунка 5 мы видим, что перimetр треугольника BFE равен (2p−h)2−h2=2p(p−h)\sqrt{(2p-h)^2-h^2} = 2\sqrt{p(p-h)}, а значит, его наиболее площадь равна [2p(p−h)3]2=p(p−h)33\left[\frac{2\sqrt{p(p-h)}}{3}\right]^2 = \frac{p(p-h)}{3\sqrt{3}};

наконец, наиболее площадь наянутого tetraэдра, в соответствии с формулой (1), равен

V=13hp(p−h)33=p93h(p−h).V = \frac{1}{3}h \frac{p(p-h)}{3\sqrt{3}} = \frac{p}{9\sqrt{3}}h(p-h).

Теперь легко решается задача 3. Она отличается от задачи 2’ тем, что в ней задается molъко перimetр четырехугольника.

Лист 27

с. 25Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

25

Очевидно, что для ее решения достаточно в предыдущей задаче задать такое значение hh, при котором права часть формулы (2) принимает наиболее значение. Это значение hh находится с помощью неравенства между средним аргметическим и средним геометрическим:

h(p−h)≤[h+(p−h)2]2=p24;h(p-h) \leq \left[ \frac{h+(p-h)}{2} \right]^2 = \frac{p^2}{4};

оно равно p2\frac{p}{2}, так как h=p−hh = p - h именно при h=p2h = \frac{p}{2}. Отсюда следует решение задачи 3:

Теорема 3. Средние метраэдров, намиными на пространстве четырехугольники с заданным периметром, наиболее объем имеем метраэдр, наминый на четырехугольник, у которого все стороны равны и равны углы, образованные любой парой сторона.

Действительно, если h=p2h = \frac{p}{2}, то длина каждой из трех остальных сторон равна 2p−h3=p2\frac{2p-h}{3} = \frac{p}{2}; равенство углов можно получить непосредственно вычисленем (так как h=p2h = \frac{p}{2}, то все углы равны агссos1/3^1/3), однako проще заметить, что в расматриваемом четырехугольнике все стороны равно равны.

Средствами, выходящими за рамки элементарной математики, можно доказать, что параллелепид, дающий решение задачи 2, дает также решение следующей задачи: при же условиях найти параллелепид с наиболее заданным полной поверхности.

Некоторые обобщения

Формула (1) может быть обобщена на тела более сложной формы, чем tetraэдр, и позволяет решить для таких тел задачи, подобные задачи 2 и 3, аналогичным путем: сведённым пространственной изоперметрической задачи к плоской изоперметрической задаче.

Пусть задана неокторая nn-венная пространственная ломана A0A1…AnA_0 A_1 \dots A_n. Будем говорить, что она является простым каркасом, если все плоскость, проходящая через ее концы A0A_0 и AnA_n, имеет с ломанной A1A2…An−1A_1 A_2 \dots A_{n-1} не более одной общей точки.

О многограннике, гранями которого служат треугольники A0A1A2A_0 A_1 A_2, A0A2A3A_0 A_2 A_3, …, A0An−1AnA_0 A_{n-1} A_n и треугольники AnA0A1A_n A_0 A_1, AnA1A2A_n A_1 A_2, …, AnAn−2An−1A_n A_{n-2} A_{n-1}, будем говорить, что он намянут на данный простой каркас (рис. 6) (указанные грани образуют его «общивку»).

Так как многогранник, натянутый на простой каркас, можно составить из tetraэдров A0A1A2AnA_0 A_1 A_2 A_n, A0A2A3AnA_0 A_2 A_3 A_n, …, A0An−2An−1AnA_0 A_{n-2} A_{n-1} A_n, к каждому из которых применяется лемма 1, то верна.

Лемма 2. Объем VV многогранника, намянутого на простой каркас, вычисляется по формуле

V=13hS,V = \frac{1}{3} h S,

еде hh – расстояние между концами A0A_0 и AnA_n, SS – площадь многоугольника A0A12…An−12AnA_0 A_1^2 \dots A_{n-1}^2 A_n (An2=A02A_n^2 = A_0^2), являющегося проекцией каркаса на плоскость П, перпендикулярную прямой A0AnA_0 A_n.

Используя тот же пример, что при доказательстве теоремы 2, читатель легко доказет, опираясь на решение изоперметрической задачи для nn-угольников, следующее теорему:

Теорема 4. Средние многогранники, намянутых на простые nn-венные каркасы A0A1…AnA_0 A_1 \dots A_n с данным расстоянием hh между концами, наиболее заданным имеем многоугольник, намянутый на каркас, расположенный на боковых гранах правый н-у陛ной прізмы, у которой отрезок A0AnA_0 A_n служит ребром, а основание имеем аргметр L2−h2\sqrt{L^2 - h^2}; при этом стороны каркаса образуют с A0AnA_0 A_n равные углы α=arccos⁡hL\alpha = \arccos \frac{h}{L}.

Лист 28

с. 26Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

26

Таким образом, наиболее объем равен
112h(L2−h2)1nctgπn.\frac{1}{12} h (L^2 - h^2) \frac{1}{n} \text{ctg} \frac{\pi}{n}.
Если же не фиксировать расстояние между концами каркаса, то из теоремы 4 немедленно следует.

Теорема 5. Среди всех многогранников, нам нужны на простые n-звенные каркасы данной длины L, наиболее объем имеем многогранник, нам нужный на каркас, расположенный на боковых гранах правый n-уzelновой прізмы с высотой L3\frac{L}{\sqrt{3}} и периметром основания L23L \sqrt{\frac{2}{3}}, причем стороны каркаса образуют с высотой прізмы равные α = arccos⁡13\arccos \frac{1}{\sqrt{3}}. Этом наиболее объем равен
1183L3⋅1nctgπn.\frac{1}{18 \sqrt{3}} L^3 \cdot \frac{1}{n} \text{ctg} \frac{\pi}{n}.

Известно, что среди n-угольников с заданным длинами сторон наиболее площадь имеет тот, который можно вписать в окружность. Используя этот факт, читатель сможет доказать, что среди всех многогранников, нам нужны на простые n-звенные каркасы с данным длинами звенев a1,a2,…,ana_1, a_2, \dots, a_n и расстоянием h между концами, наиболее объем имеет многогранник, нам нужный на каркас, расположенный на боковых гранах прізмы с высотой h, сторонами основания bk=akL2−h2L(k=1,2,…,n)b_k = a_k \frac{\sqrt{L^2 - h^2}}{L} (k=1, 2, \dots, n), где L=a1+a2+⋯+anL = a_1 + a_2 + \dots + a_n, причем основание прізмы можно вписать в окружность.

Откажемся теперь от требования, чтобы каркас был непреемно составлен из прямолинейных отрезков: будем рассматривать «гладкие» пространственные кривые. Кривая называется гладкой, если в каждой ее точке можно проведить касательную и направление касательной «плавно» изменяется при малых изменениях положения точки касания. Таким образом, мы не рассматриваем кривых с «изломами», хотя ценой неоторого усложнения изложения можно было бы распространить результаты и на такие кривые. Гладкую пространственную кривую AB называем простым гладким каркасом, если всякая плоскость, проходящая через концы A и B, имеет с ней не более одной общей точки.

Пусть точка M перемещается по простому каркасу. Тогда отрезки AM и BM опущут неоторые поверхности, составляющие «обшивку» каркаса; о теле, ограниченном «обшивкой», будем по-прежнему говорить, что оно натянуто на каркас (рис. 7).

С помощью предельного перехода можно показать, что объем тела, натянутого на гладкий простой каркас, также вычисля-

Рис. 7.

ется по формуле (1), в которой S теперь обозначает площадь фигуры, ограниченной проекцией каркаса на плоскость Π. Характер предельного перехода интуитивно ясен: нужно заменить гладкий каркас «близки» к нему ломанными; однако проведение точных расчудений — дело довольно скрупулезное.

Используя изоперimetрическое свойство окружности, можно, как и выше, убедиться в справедливости следующего теорем:

Теорема 6. Среди всех мел, нам нужны на простые гладкие каркасы с данной длиной L и с данной расстоянием h между концами, наиболее объем имеем имеем имеем, нам нужное на каркас, представляющий собой один вимок винтовой линии с шагом h, расположенный на круговой цилиндрической поверхности с радиусом основания L2−h22π\frac{\sqrt{L^2 - h^2}}{2\pi} (рис. 7).

Теорема 7. Среди всех мел, нам нужны на простые гладкие каркасы с данной длиной L, наиболее объем имеем имеем имеем, нам нужное на каркас, представляющий собой один вимок винтовой линии с шагом h = L3\frac{L}{\sqrt{3}}, расположенный на круговой цилиндрической поверхности с радиусом основания L2−h22π\frac{\sqrt{L^2 - h^2}}{2\pi}.

Лист 29

с. 27Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

27

Числа CnkC_n^k, многочлены, последовательности
(несколько подходов к одной задаче)
В. Н. Вагумен

Напомним одну задачу из «Задачика «Кванта», элементарное решение которого было написано в «Кванте» № 12 за 1972 год.

М138. Докажите, что если mm и nn—члены числа 1<m<n1 < m < n, то

∑k=1n(−1)kkmCkk=0,\sum_{k=1}^{n} (-1)^k k^m C_k^k = 0,

его CkkC_k^k — биоминальные коэффициенты.

Разные доказательства этих точек детять послужат нам удачным поводом для того, чтобы познакомить читателя с некоторыми важными математическими понятиями и фактами, не входящими в школьную программу (конечные разности, интерполяционная формула для многочленов, произвольная многочлена, степенной ряд экспоненты). Вслед за определениями и теоремии в каждом параграфе читатель встретиет слова «вернемся теперь к нашей задаче», а за ними — новое решение задачи М138.

Доказательства теorem можно пропустить, но лучше их разобрать, хотя сделать это нелегко, так как они написаны очень коротко.

Введение. Биоминальные коэффициенты и формулировка задачи

Мы перечислим несколько свойств чисел CnkC_n^k. Каждый из свойств 0.1—0.3 можно принять за определение этих чисел.

0.1. CnkC_n^k — коэффициенты многочлена

(a+x)n=Cn0an+Cn1an−1x+⋯+Cnkan−kxk+⋯+Cnnxn.(a + x)^n = C_n^0 a^n + C_n^1 a^{n-1} x + \dots + C_n^k a^{n-k} x^k + \dots + C_n^n x^n.

0.2. Cn0=1;Cnn=1C_n^0 = 1; C_n^n = 1; для каждого k=1,2,…,n−1k = 1,2, \dots, n - 1

Cnk=Cn−1k−1+Cn−1k.C_n^k = C_{n-1}^{k-1} + C_{n-1}^k.

0.3. Для всех nn и kk (0⩽k⩽n0 \leqslant k \leqslant n)

Cnk=n(n−1)…(n−k+1)1⋅2⋅⋯⋅k,C_n^k = \frac{n(n-1)\dots(n-k+1)}{1 \cdot 2 \cdot \dots \cdot k}, или Cnk=n!k!(n−k)!,C_n^k = \frac{n!}{k!(n-k)!},

где m!=1⋅2⋅3…m;0!=1!=1m! = 1 \cdot 2 \cdot 3 \dots m; \quad 0! = 1! = 1.

Уражение 0. a) Найдите числа CnkC_n^k для всех nn от 1 до 10, пользоваться каждым из определений 0.1, 0.2, 0.3. б) Выведите 0.2 из 0.1, пользоваться токдевом (a+x)n=(a+x)n−1(a+x)(a + x)^n = (a + x)^{n-1}(a + x). b) Выведите 0.3 из 0.2, пользоваться математической индук-

Лист 30

с. 28Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

28

цини (то есть проверьте, что если формула (3) верна для n−1n-1, то она верна и для nn).
г) Проверьте, что Cnk=Cnn−kC_n^k = C_n^{n-k}.

Многочлен a+xa + x иногда называют «биномом» (бином — то же, что двуилен), формулу (1) — формулой «бинома Ньютона», а числа CnkC_n^k — «биномальные козффициенты».

Положим в равенстве (1) aa равным 1. Получим

(1+x)n=Cn0+Cn1x+⋯+Cnkxk+⋯+Cnnxn.(1 + x)^n = C_n^0 + C_n^1 x + \dots + C_n^k x^k + \dots + C_n^n x^n.

Подставив сюда x=−1x = -1, получим

Cn0−Cn1+Cn2−⋯+(−1)kCnk+⋯+(−1)nCnn=0.C_n^0 - C_n^1 + C_n^2 - \dots + (-1)^k C_n^k + \dots + (-1)^n C_n^n = 0.

Оказывается, что кроме соответствия (5) для чисел CnkC_n^k верны еще следующие равенства:

−Cn1+2Cn2−3Cn3+⋯+(−1)nnCnn=0,- C_n^1 + 2 C_n^2 - 3 C_n^3 + \dots + (-1)^n n C_n^n = 0,
−Cn1+22Cn2−32Cn3+⋯+(−1)nn2Cnn=0,- C_n^1 + 2^2 C_n^2 - 3^2 C_n^3 + \dots + (-1)^n n^2 C_n^n = 0,
−Cn1+2n−1Cn2−3n−1Cn3+⋯+(−1)nnn−1Cnn=0.- C_n^1 + 2^{n-1} C_n^2 - 3^{n-1} C_n^3 + \dots + (-1)^n n^{n-1} C_n^n = 0.

Именно эти равенства требовалось доказать в задаче М138; о них и будет идти речь в конце каждого параграфа.

В дальнейшем мы будем часто пользоваться короткой записью сумм с помощью значка Σ\Sigma. Например, формулу (1) можно коротко записать так:

(a+x)n=∑k=0k=nCnkan−kxk,(a + x)^n = \sum_{k=0}^{k=n} C_n^k a^{n-k} x^k,
формулу (4) −(1+x)n=∑k=0k=nCnkxk,-(1 + x)^n = \sum_{k=0}^{k=n} C_n^k x^k,
равенство (5) −∑k=0k=n(−1)kCnk=0-\sum_{k=0}^{k=n} (-1)^k C_n^k = 0 и, наконец, равенства (6), которые требуются доказать в задаче М138 —

∑k=1k=n(−1)kkmCnk=0\sum_{k=1}^{k=n} (-1)^k k^m C_n^k = 0

при каждом натуральном m<nm < n.

§ 1. Последовательности и конечные разности

Пусть на множество целых неотрицательных чисел 0, 1, 2, 3… задана функция ff. Это значит, что задана последовательность

f(0),f(1),f(2),f(3),…f(0), f(1), f(2), f(3), \dots

Если из каждой члена последовательности ff, разумеется, кроме первого, вычесть предшествующий ему член последовательности, то мы получим новую последовательность — последовательность разностей

f(1)−f(0),f(2)−f(1),f(3)−f(2),…f(1) - f(0), f(2) - f(1), f(3) - f(2), \dots

Обозначим соответствующее ей функцию через Δf\Delta f: Δf(0)=f(1)−f(0);\Delta f(0) = f(1) - f(0);
Δf(1)=f(2)−f(1);\Delta f(1) = f(2) - f(1); Δf(2)=f(3)−f(2)…\Delta f(2) = f(3) - f(2) \dots

Если продель эту же операцию — переход от ff к Δf\Delta f — с последовательностью Δf\Delta f, то мы получим последовательность

f(2)−2f(1)+f(0),f(3)−2f(2)+f(1),…f(2) - 2f(1) + f(0), f(3) - 2f(2) + f(1), \dots

Обозначим ее через Δ2f\Delta^2 f.

Лист 31

с. 29Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

29

Эта последовательность называется последовательностью вторых разностей для ff. Еще раз взявности, получим последовательность третьих разностей — Δ3f\Delta^3 f:

f(3)−3f(2)+3f(1)−f(0),f(4)−3f(3)+3f(2)−f(1),…f(3) - 3f(2) + 3f(1) - f(0), f(4) - 3f(3) + 3f(2) - f(1), \dots

и так далее.

Таким образом, по определению

Δn+1f(x)=Δnf(x+1)−Δnf(x).\Delta^{n+1}f(x) = \Delta^n f(x + 1) - \Delta^n f(x).

(7)

(Напомним, что аргумент xx функций ff, Δf\Delta f, Δ2f\Delta^2 f, … принимает целые неотрицательные значения: x=0,1,2,…x = 0, 1, 2, \dots).

Рассмотрим в качестве первого примера постоянную функцию ff:

f(0)=f(1)=f(2)=⋯=a.f(0) = f(1) = f(2) = \dots = a.

Для нее последовательность разностей Δf\Delta f будет, очевидно, состоять из одних нуляй. Кратко это запишем так: Δf≡0\Delta f \equiv 0 (при всех xx).

Естественно, что и последовательности Δ2f\Delta^2 f, …, Δnf\Delta^n f так же будут состоять из одних нуляй, то есть Δnf≡0\Delta^n f \equiv 0.

Если ff — линейная функция: f(x)=ax+bf(x) = ax + b, то есть если последовательность представляется собой арифметической прогрессию b,a+b,2a+b,3a+b,…b, a + b, 2a + b, 3a + b, \dots, то все члены последовательности Δf\Delta f будут равны одному и тому же числу aa. Отсюда Δ2f≡0\Delta^2 f \equiv 0.

Если ff — квадратный трехчлен f(x)=ax2+bx+cf(x) = ax^2 + bx + c, то Δf\Delta f — линейная функция (от номера xx):

Δf(x)=f(x+1)−f(x)=a(x+1)2+b(x+1)+c−ax2−bx−c=2ax+b.\Delta f(x) = f(x + 1) - f(x) = a(x + 1)^2 + b(x + 1) + c - ax^2 - bx - c = 2ax + b.

Тогда Δ2f\Delta^2 f — постоянная функция: Δ2f=2a\Delta^2 f = 2a. Следовательно, Δ3f=0\Delta^3 f = 0 и, конечно, Δnf=0\Delta^n f = 0 для всех n>2n > 2.

У правах не имеем 1. а) Пусть f(x)=x3f(x) = x^3. Найдите Δf\Delta f, Δ2f\Delta^2 f, Δ3f\Delta^3 f, … 6) Тот же вопрос, если f(x)=2xf(x) = 2^x.

Наши наблюдения обобщаются в следующих двух теоремах.

1.1. Число Δnf(x)\Delta^n f(x) выражается через значения функций ff по формуле

Δnf(x)=Cn0f(x+n)−Cn1f(x+n−1)+⋯+(−1)nCnnf(x)=\Delta^n f(x) = C_n^0 f(x + n) - C_n^1 f(x + n - 1) + \dots + (-1)^n C_n^n f(x) =

=∑k=0k=n(−1)kCnkf(x+n−k).= \sum_{k=0}^{k=n} (-1)^k C_n^k f(x + n - k).

1.2. Если f(x)f(x) — многочлен степени m<nm < n, то Δnf=0\Delta^n f = 0.

Оба утверждения 1.1 и 1.2 доказываются индукцией по nn. Для n=1,2,3n = 1, 2, 3 мы их уже проверили. Предполагается, что они верны для nn, доказываем для n+1n+1.

1.1. Используя (7), (8) и (2), получаем

Δn+1f(x)=Δnf(x+1)−Δnf(x)=\Delta^{n+1}f(x) = \Delta^n f(x + 1) - \Delta^n f(x) =

=Cn0f(x+n+1)−Cn1f(x+n)+⋯+(−1)nCnnf(x)−Cn0f(x+n)+⋯+(−1)nCnnf(x)== C_n^0 f(x + n + 1) - C_n^1 f(x + n) + \dots + (-1)^n C_n^n f(x) - C_n^0 f(x + n) + \dots + (-1)^n C_n^n f(x) =

=Cn0f(x+n+1)−Cn1f(x+n)+⋯+(−1)nCnnf(x+n)+(−1)n×Cnnf(x).= C_n^0 f(x + n + 1) - C_n^1 f(x + n) + \dots + (-1)^n C_n^n f(x + n) + (-1)^n \times C_n^n f(x).

1.2. Пусть f(x)=a0+a1x+⋯+ajxj+⋯+amxmf(x) = a_0 + a_1 x + \dots + a_j x^j + \dots + a_m x^m. Нашим mm равенств (они следуют из (4))

(x+1)j−xj=Cj1xj−1+Cj2xj−2+⋯+Cjj−1x+1(x + 1)^j - x^j = C_j^1 x^{j-1} + C_j^2 x^{j-2} + \dots + C_j^{j-1} x + 1

(здесь j=1,2,…,mj = 1, 2, \dots, m). Умножим их соответственно на коэффициенты aja_j и сложим. Получим: влевой части Δf(x)=f(x+1)−f(x)\Delta f(x) = f(x + 1) - f(x), в правой — неокторый многочлен от g(x)g(x) степени не выше m−1m - 1. Если m<nm < n, то m−1<n−1m - 1 < n - 1 и по предположению индукции Δn−1g=0\Delta^{n-1}g = 0. Следовательно, Δnf=Δn−1(Δf)=Δng=0\Delta^n f = \Delta^{n-1} (\Delta f) = \Delta^n g = 0.

Лист 32

с. 30Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

30

Вернемся теперь к нашей задаче.

Равенство (6’), согласно 1.1. в точности ознакомлен, что Δnf(0)=0\Delta^n f(0) = 0 для функции f(x)=xmf(x) = x^m, а это следует пряmo из утверждения 1.2.

Задача 1. Пусть f(x)=a+a1x+⋯+anxnf(x) = a + a_1x + \dots + a_nx^n. Найдите Δnf\Delta^n f. Пользовать этим результатом, вычислите сумму

∑k=0k=n(−1)kknCnk.\sum_{k=0}^{k=n} (-1)^k k^n C_n^k.

Задача 2. Докажите, что есть Δn+1f(x)=0\Delta^{n+1} f(x) = 0 для всех xx, то f(x)f(x) — многочлен степени не выше nn.

Задача 3. Найдите все последовательности ff, для которых Δf(x)=λf(x)\Delta f(x) = \lambda f(x), где λ\lambda — некоторое число.

§ 2. Многочлены и интерполяционная формула

Мы знаем, что через две точки можно проведити единственную прямую. Другими словами, если заданы две пары чисел (α0,β0),(α1,β1)(\alpha_0, \beta_0), (\alpha_1, \beta_1), причем α0≠α1\alpha_0 \neq \alpha_1, то существует единственный многочлен степени не выше первой P(x)=ax+bP(x) = ax + b такой, что P(α0)=β0P(\alpha_0) = \beta_0 и P(α1)=β1P(\alpha_1) = \beta_1.

Этот факт обобщается следующим образом.

Пусть заданы n+1n + 1 различных чисел α0,α1,…,αn\alpha_0, \alpha_1, \dots, \alpha_n и n+1n + 1 чисел β0,β1,…,βn\beta_0, \beta_1, \dots, \beta_n. Тогда справедливые следующие утверждения.

2.1. Существует многочлен PP степени не выше nn макой, что

P(αi)=βi(для всех i=0,1,…,n).P(\alpha_i) = \beta_i \quad (\text{для всех } i = 0,1,\dots,n).

2.2. Многочлен PP определяется единственным образом.

Для доказательства 2.1 достаточно представить такой многочлен. Для этого рассмотрим сначала многочлены

Dk(x)=(x−α0)(x−α1)…(x−αk−1)(x−αk+1)…(x−αn)(αk−α0)(αk−α1)…(αk−αk−1)(αk−αk+1)…(αk−αn)D_k(x) = \frac{(x - \alpha_0)(x - \alpha_1)\dots(x - \alpha_{k-1})(x - \alpha_{k+1})\dots(x - \alpha_n)}{(\alpha_k - \alpha_0)(\alpha_k - \alpha_1)\dots(\alpha_k - \alpha_{k-1})(\alpha_k - \alpha_{k+1})\dots(\alpha_k - \alpha_n)}

(в числитель и знаменатель по nn многочленей). Ясно, что

Dk(αi)={1, если i=k;0, если i≠k.D_k(\alpha_i) = \begin{cases} 1, \text{ если } i = k; \\ 0, \text{ если } i \neq k. \end{cases}

Умножим теперь Dk(x)D_k(x) на число βk\beta_k и сложим все эти многочлены. Для получения многочлена

P(x)=∑k=0k=nβkDk(x)P(x) = \sum_{k=0}^{k=n} \beta_k D_k(x)

выполнены все равенства (9).

Для доказательства 2.2 нам понадобится две важные теоремы о корнях многочленов.

2.3. Если многочлен

f(x)=a0+a1x+⋯+anxnf(x) = a_0 + a_1x + \dots + a_nx^n

степени не выше n+1n + 1 различных корней, то этом многочлен равен 0, то есть a0=a1=a2=⋯=an=0a_0 = a_1 = a_2 = \dots = a_n = 0.

2.4. («Теорема Безу».) Если α\alpha — корень многочлена f(x)f(x), то многочлен f(x)f(x) делится на x−αx - \alpha, то есть

f(x)=(x−α)g(x),f(x) = (x - \alpha)g(x),

еде g(x)g(x) — некоторый многочлен.

Лист 33

с. 31Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

31

Доказательство 2.4. Напишем nn точекств (xj−αj)=(x−α)(xj−1+xj−2α+…+αj−2x+αj−1)(x^j - \alpha^j) = (x - \alpha)(x^{j-1} + x^{j-2}\alpha + \ldots + \alpha^{j-2}x + \alpha^{j-1}), (j=1,2,…,n)(j=1, 2, \ldots, n), умножим их соответственно на коэффициенты aja_j и сложим все эти точекств. Получим формулу, справедливую для любого многочлена (12) и любого числа α\alpha:

f(x)−f(α)=(x−α)g(x),f(x) - f(\alpha) = (x - \alpha)g(x),

где g(x)g(x) — неокоторый многочлен. В частности, если f(α)=0f(\alpha)=0, получаем (13).

Доказательство 2.3. проведем индукцией по nn. Для n=1n=1 утверждение 2.3 очевидно. Докажем, что если оно верно для n−1n-1, то верно и для nn. Пусть α0,α1,…,αn\alpha_0, \alpha_1, \ldots, \alpha_n — корни многочлена (12). Тогда, согласно 2.4:

f(x)=(x−αn)g(x),f(x) = (x - \alpha_n)g(x),

причем многочлен g(x)g(x) имеет степень не выше n−1n-1 и имеет nn различных корней α0,α1,…,αn−1\alpha_0, \alpha_1, \ldots, \alpha_{n-1}. По предположению индукции, g(x)g(x) равен нулю; из (14) следует, что f(x)f(x) тоже равен нулю.

Доказательство 2.2. Пусть p1p_1 и p2p_2 — два многочлена, для каждой из которых верны равенства (9). Тогда их разность удовлетворяет условиям теоремы 2.3 ( многочлен f(x)=p1(x)−p2(x)f(x) = p_1(x) - p_2(x)) степени не выше n+1n+1 корней α0,α1,…,αn\alpha_0, \alpha_1, \ldots, \alpha_n и поэтому равна нулю, то есть p1(x)=p2(x)p_1(x) = p_2(x).

Итак, мы доказали, что через n+1n+1 точку (α0,β0),(α1,β1),…,(αn,βn)(\alpha_0, \beta_0), (\alpha_1, \beta_1), \ldots, (\alpha_n, \beta_n) можно proveсти единственную кривую вида

y=f(x)=a0+a1x+…+anxn,y = f(x) = a_0 + a_1x + \ldots + a_nx^n,

и даже привели формулу, позволяющего сразу написать нужный многочлен. Эта формула (11) называется интегриционной формулой Лаэранжа.

Упражнение 2. a) Найдите квадратный треугольник, который в точках 2, 3, 5 принадлежит значения соответствующего 7, 11, 13. 6) Найдите многочлен степени не выше 4, график которого проходит через точки (−2,−7),(−1,0),(0,1),(1,2),(2,9)(-2, -7), (-1, 0), (0, 1), (1, 2), (2, 9).

Вернемся к нашей задаче. Построим многочлен степени не выше nn, который в точках αk=k(k=0,1,2,…,n)\alpha_k = k(k=0, 1, 2, \ldots, n) принадлежит значения соответствующего βk=km\beta_k = k^m. Из формулы (11) следует, что этот многочлен равен ∑k=0k=nkmDk(x)\sum_{k=0}^{k=n} k^mD_k(x), где

Dk(x)=x(x−1)…(x−k+1)(x−k−1)…(x−n)k(k−1)…1(−1)(−2)…(k−n).D_k(x) = \frac{x(x-1)\ldots(x-k+1)(x-k-1)\ldots(x-n)}{k(k-1)\ldots1(-1)(-2)\ldots(k-n)}.

Ясно, что коэффициент при xnx^n у многочлена (15) равен

1k(k−1)…1(−1)(−2)…(k−n)=(−1)k−n1k!(n−k)!=(−1)nn!(−1)kCnk,\frac{1}{k(k-1)\ldots1(-1)(-2)\ldots(k-n)} = (-1)^{k-n} \frac{1}{k!(n-k)!} = \frac{(-1)^n}{n!} (-1)^k C_n^k,

позному коэффициент при xnx^n у многочлена P(x)P(x) равен

(1/n!)(−1)n∑k=0k=n(−1)kkmCnk.(1/n!) (-1)^n \sum_{k=0}^{k=n} (-1)^k k^m C_n^k.

С другой стороны, ясно, что многочлен P(x)P(x) есть просто xmx^m, ведь m<nm < n. Поэтому коэффициент при xnx^n у P(x)P(x) равен нулю.

Задание 4. Докажите, что набор чисел y0,y1,…,yny_0, y_1, \ldots, y_n удовлетворяет условиям: «для любого многочлена f(x)f(x) степени не выше n−1n-1 справедливо равенство

∑k=0k=nf(k)yk=0»,\sum_{k=0}^{k=n} f(k)y_k = 0»,

в том и только том случае, если yk=t(−1)kCnky_k = t(-1)^k C_n^k, где tt — неокоторе число.

Лист 34

с. 32Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

32

Задание 5 (обобщение). Докажите, что если числа α0,α1,…,αn\alpha_0, \alpha_1, \dots, \alpha_n попарно различны, то система уравнения

y0+y1+⋯+yn=0,y_0 + y_1 + \dots + y_n = 0,
α0y0+α1y1+⋯+αnyn=0,\alpha_0 y_0 + \alpha_1 y_1 + \dots + \alpha_n y_n = 0,
α02y0+α12y1+⋯+αn2yn=0,\alpha_0^2 y_0 + \alpha_1^2 y_1 + \dots + \alpha_n^2 y_n = 0,
α0n−1y0+α1n−1y1+⋯+αnn−1yn=0\alpha_0^{n-1} y_0 + \alpha_1^{n-1} y_1 + \dots + \alpha_n^{n-1} y_n = 0

имеет решение набор чисел

yk=t(αk−α1)(αh−α2)…(αk−αk−1)(αh−αk+1)…(αh−αn)y_k = \frac{t}{(\alpha_k - \alpha_1)(\alpha_h - \alpha_2) \dots (\alpha_k - \alpha_{k-1})(\alpha_h - \alpha_{k+1}) \dots (\alpha_h - \alpha_n)}

(k=0,1,…,n+1k=0, 1, \dots, n+1), где tt — произвольное число, и не имеет других решений.

§ 3. Производная многочлен и кратные корни

Пусть f(x)f(x) — многочлен степени nn:

f(x)=a0+a1x+a2x2+⋯+an−1xn−1+anxn=∑k=0k=nakxk.f(x) = a_0 + a_1 x + a_2 x^2 + \dots + a_{n-1} x^{n-1} + a_n x^n = \sum_{k=0}^{k=n} a_k x^k.

Тогда по определению многочлен степени n−1n-1

f′(x)=a1+2a2x+⋯+(n−1)an−1xn−2+nanxn−1=∑k=1k=nkakxk−1f'(x) = a_1 + 2 a_2 x + \dots + (n-1) a_{n-1} x^{n-2} + n a_n x^{n-1} = \sum_{k=1}^{k=n} ka_k x^{k-1}

называется произвольной многочлен f(x)f(x). Оказывается верным следующее утверждение.

3.1. Если многочлен f(x)f(x) делится на (x−α)m+1(x - \alpha)^{m+1}, то многочлен f′(x)f'(x) делится на (x−α)m(x - \alpha)^m. Другими словами, если число α\alpha является корнем кратности m+1m+1 многочлен f(x)f(x), то α\alpha является корнем кратности не менее mm многочлен f′(x)f'(x).

Для доказательства 3.1. мы используем такую лемму.

3.2. Если f(x)=(x−α)g(x)f(x) = (x - \alpha)g(x), то

f′(x)=g(x)+(x−α)g′(x).f'(x) = g(x) + (x - \alpha)g'(x).

(16)

Доказательство 3.2. Если g(x)=bn−1xn−1+⋯+b1x+b0g(x) = b_{n-1} x^{n-1} + \dots + b_1 x + b_0, то, как не трудно проверить, пользоваться определением произвольной многочлена, и правая, и левая часть равенства (16) равна

(b0−b1α)+2(b1−b2α)x+⋯+(n−1)(bn−2−bn−1α)xn−2+nbn−1xn−1.(b_0 - b_1 \alpha) + 2 (b_1 - b_2 \alpha) x + \dots + (n-1) (b_{n-2} - b_{n-1} \alpha) x^{n-2} + n b_{n-1} x^{n-1}.

Доказательство 3.1 проверен indykцией по mm. Проверим 3.1 при m=1m=1. Если f(x)f(x) делится на (x−α)2(x - \alpha)^2, то f(x)=(x−α)g(x)f(x) = (x - \alpha) g(x), где g(x)g(x) делится на (x−α)(x - \alpha), и, как видно из (16), f′(x)f'(x) тоже делится на (x−α)(x - \alpha).

Доказательство 3.1 верно для m−1m-1, то оно верно и для mm. Пусть f(x)f(x) делится на (x−α)m+1(x - \alpha)^{m+1}. Тогда f(x)=(x−α)g(x)f(x) = (x - \alpha) g(x), где g(x)g(x) делится на (x−α)m(x - \alpha)^m, и из (16) следует, что f′(x)f'(x) делится на (x−α)m(x - \alpha)^m (g′(x)g'(x) делится на (x−α)m−1(x - \alpha)^{m-1} по предложению indykции).

У практике 3. a) Имеет ли многочлен x3−x2−8x+12x^3 - x^2 - 8x + 12 кратные корни?

  1. Найдите a,ba, b и cc такие, что многочлен x3+ax2+bx+cx^3 + ax^2 + bx + c делится на (x+1)2(x+1)^2.

Вернемся теперь к нашей задаче. Равенство (6’) означает в точности, что многочлен fm(x)=∑k=0k=nkmCknxk−1f_m(x) = \sum_{k=0}^{k=n} k^m C_k^n x^{k-1} имеет число x=−1x = -1 своим корнем.

Доказем более сильное утверждение: многочлен xfm(x)x f_m(x) имеет число (−1)(-1) корнем кратности n−mn-m, то есть делится на (x+1)n−m(x+1)^{n-m} (если m<nm < n).

Для xf0(x)=∑k=0k=nCknxk=(1+x)nxf_0(x) = \sum_{k=0}^{k=n} C_k^n x^k = (1+x)^n это очень удобно. Для 0<m<n0 < m < n проведем indykцию по mm. Пусть xfm−1(x)xf_{m-1}(x) имеет число (−1)(-1) корнем крат-

Лист 37

с. 35Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

35

Козффициент полезного действия ракеты

А. В. Бялко

Начнем с небольшой задачи. За какое время электрический утог потребляется столько энергии, сколько необходимо для его запуска на орбиту спутника Земли? (Мощность утого P=1 квтP = 1 \text{ квт}, масса m=1 ккэ.m = 1 \text{ ккэ.})

Кинетическая энергия спутника, движущаяся по круговой орбите, mv22=mgR2\frac{mv^2}{2} = \frac{mgR}{2}, где vv — первая космическая скорость, RR — радиус Земли. Потенциальной энергией mghmgh для несликом высоких орбит можно пренебречь по сравнению с Kinetic Energy of a Sputtering Kite PtP_t, найдем что

t=mgR2P=3,2⋅104c≈9 u.t = \frac{mgR}{2P} = 3,2 \cdot 10^4 c \approx 9 \text{ u.}

Всего 9 часов! 9 киловатт-часов, 36 копеек необходимы для выведения на орбиту спутника Земли каждого килограмма массы. Почему же для осуществления космических программы требуются затраты, созмерные с национальными бюджетами необходимых стран?

Потому, что эта энергия, 9 квт-ч, необходима, но недостачана. Потому, что ракетка как телловая машина имеет очень низкий коэффициент полезного действия. Попробем его найти.

Сначала выведем формулу, связывающего массу и скорость ракеты, то есть решим «задачу Циолковского». Сложность здесь состоит в том, что масса ракеты при разгоне все время уменшается — выгорает топливо. Такие процессы изучают, решая дифференциальные уравнения, чтобы этого избежать, представим себе, что сгорание происходит не непрерывно, а некими малыми порциями. Скажем, каждый раз ракета выбрасывает 1N\frac{1}{N}-ю часть своей массы, как бы выстреливает снарядом, масса которого в NN раз меньше массы ракеты в этот момент (рис. 1).

Скорость такого «снаряда» относительно ракеты будем считать постоянной и называть скоростью истечения VV. При каждом таком «выстреле» выполняется закон сохранения количества движения. Пусть вначале масса ракеты была M0M_0, а скорость равна нулю. Тогда M0NV\frac{M_0}{N} V — количество движения массы, выбореенной после первого толчка и (1−1N)M0v1(1 - \frac{1}{N}) M_0 v_1 — равное ему коли-

Лист 39

без номераНабрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

Рассмотрим ракетный дивигатель, закрепленный неподвижно, так называемый стендовый дивигатель. При сторани массы μ (мы считаем вместе и горючее, и описатель) выделяется энергия qμ, но только часть ее превращается в кинетическая энергия продуктивная μ V22\frac{V^2}{2}. Поэтому V22<q\frac{V^2}{2} < q. Если ввести коэффициент полезного действия стендового дивигателя η0\eta_0 — отношение полезной *) энергии к затраченной, — то получим

μV22=η0qμ,\mu \frac{V^2}{2} = \eta_0 q \mu,

V=2η0q,V = \sqrt{2 \eta_0 q},

то есть скорость истечения для данной химической реакции не может превысить ее предельной скорости истечения V0=2qV_0 = \sqrt{2 q} (так как η0<1\eta_0 < 1).

Рассмотрим несколько химических реакций и вычислим для них предельные скорости истечения.

  1. Горение ацетилена:

2C2H2+5O2=4CO2+2H2O+611 ккал.2C_2H_2 + 5O_2 = 4CO_2 + 2H_2O + 611 \text{ ккал.}

Число килокалорий в правой части уравнения реакции показывает, какая энергия выделяется при сторани массы, равной сумме молей горючего и описатель. В данном случае — при сторани двух молей C2H2C_2H_2 и пяты молей O2O_2, то есть всего 2⋅26+5⋅32=212 e2 \cdot 26 + 5 \cdot 32 = 212 \text{ e}. Таким образом, тепловорная способность этого топлива

q=611212καl2=2880καl2=1,2⋅107m2c2,q = \frac{611}{212} \frac{\kappa \alpha l}{2} = 2880 \frac{\kappa \alpha l}{2} = 1,2 \cdot 10^7 \frac{m^2}{c^2},

а предельная скорость истечения

V0=2q=4,9κmc.V_0 = \sqrt{2 q} = 4,9 \frac{\kappa m}{c}.

*) Заметим, что энергия μV22\frac{\mu V^2}{2} не является по-настоящему полезной. Ведь основная задача — разогнать до нужной скорости полезную массу, а не отходящие газы.

  1. 2H2+O2=2H2O+115,6 ккал.2H_2 + O_2 = 2H_2O + 115,6 \text{ ккал.}

Вычисляем аналогично

q=3220καlκe;V0=5,2κmc.q = 3220 \frac{\kappa \alpha l}{\kappa e}; V_0 = 5,2 \frac{\kappa m}{c}.

  1. 2Al+32O2=Al2O3+394 ккал;2Al + \frac{3}{2}O_2 = Al_2O_3 + 394 \text{ ккал;}

q=3860καlκe;V0=5,6 км/c.q = 3860 \frac{\kappa \alpha l}{\kappa e}; V_0 = 5,6 \text{ км/c.}

Найбольшая из всех возможных предельная скорость истечения достигается в реакции горения металлического бериллия:

Be+12O2=BeO+146 ккал;Be + \frac{1}{2}O_2 = BeO + 146 \text{ ккал;}

q=5840καlκe;V0=7 км/c.q = 5840 \frac{\kappa \alpha l}{\kappa e}; V_0 = 7 \text{ км/c.}

Практическому использованную этой реакции, однако, мешает то обстоятельство, что металлический бериллий и его соединения очень ядовиты.

Рассмотрим теперь коэффициент полезного действия ракеты в целом, то есть относение равной qM0qM_0, поскольку подавляющая часть начальной массы приходится на топливо. Таким образом,

η=mv22M0q=v22qe−v/V.\eta = \frac{mv^2}{2M_0 q} = \frac{v^2}{2q} e^{-v/V}.

Или, подставляя вместе qq его выра-

Лист 41

с. 39Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

39

Про лису и собаку

М. Л. Гервер

Эта заметка не имеет отношения к этому:
«лиса» и «собака» — просто удобные условия наваивания для двух движущихся мочек, одна из которых «пымает полимать» другую.

§ 1. Формулировка задачи
Лиса бежит по прямой с постояной скоростью. Собака гонится за лисой с той же скоростью, причем бежит так, что видит лису все время перед собой. Лиса бежит из точки Л₀ (рис. 1) в направлении, указанным стрелкой. Собака в начальной момент нахождения в точке С₀. При каких С₀ собака догонит лису?

Сейчас трудно установить, кто придумал эту красивую задачу — ее уже много лет предлагал на механите МГУ студентам, которые не腋но узнали, что такое производаная. После того, как tema «Производная» была включена в программу математических школа, про лису и собаку стали рассказывать и школьникам, заранее предупреждая, что это — «задча с двумя звездочками».

В начале 1972 года мы предложили задачу про лису и собаку в 10 «б» классе 57-й школьги г. Москвы. Первым в классе ее решили (разными способами) Коля Надрашиил, Володя Лидский и Сержа Глядков*). Однако из решения (приуманное С. Глядковым) удалось упростить настолько, что оно стало совсем «элементарным».

Это решение (не требующое знакомства с понятием производаной) и будет приведено ниже. Прежде, чем читать его, попробyte, конечно, решить задачу сами. может быть, это не удался (я уже предупреждал, что задча трудная) — тогда постаятесь хотя бы угадать ответ. Он довольно неожиданный.

§ 2. Попробуем угадать ответ

  1. Обозначим прямую, по которой бежит лиса Л, через l. В точке Л₀ восставим к ней перпендикуляр p (рис. 2).

*) Сейчас все это — уже первокурники.

Лист 42

с. 40Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

40

Куляра pp), то лису не догнать. Доказать это можно, например, так.

Разложим скорость собаки vv на две составляющие: v1v_1 (вдоль ll) и vpv_p (вдоль pp). Спроектируем точку C0C_0 на прямую ll в точку Π\Pi (C0Π⊥lC_0\Pi \perp l). Тогда v1v_1 можно использовать как скорость *) с которой точка Π\Pi движется вдоль прямой ll вслед за Π\Pi. Поскольку v1<vv_1 < v, то расстояние между Π\Pi и Π\Pi не уменьшается с течением времени **), так что собака в этом случае не догонит лису.

  1. Пока все было просто. Трудности начинаются, когда точка C0C_0 — вне прямой ll и вперед Π0\Pi_0 (выше перпендикулара pp).

Проведем из точки Π0\Pi_0 два луча: q1q_1 и q2q_2 (рис. 3) — под углом 45∘45^\circ к прямым ll и pp. Зона, окрашенная на рисунке 3, безопасна для лисы: если C0C_0 находится в этой зоне, то собака, бегущая из точки C0C_0, не догонит лису. Чтобы доказать это, возьмем точку C0C_0 даже не внутри, а на границе зоны (например, на луче q1q_1).

*) vv — это вектор, а vv — его длина.
**) Расстояние между Π\Pi и Π\Pi даже увеличается; расстояние между CC и Π\Pi, как мы покажем ниже, наоборот, уменьшается.

Пусть λ1\lambda_1 — такая точка на прямой ll, что C0λ1⊥lC_0\lambda_1 \perp l. Далее бы собака бежит к ll по более длинному пути. Значит, когда лиса окажется в точке λ1\lambda_1, собака еще не добежит до ll. Легко проверить, что при этом она окажется позади лисы — за перпендикулом C0λ1C_0\lambda_1. А в такой ситуации, как мы уже видели, она не сможет догонять лису.

  1. Так или примерно так начинает решать обсуждаемую задачу большинство лодей.

Инутчина подсказывает, что зону, безопасную для лисы, можно еще расширить. Как же она выглядит? Примерно так, как на рисунке 4? Нет, оказывается, не так…

§ 3. В движущей системе координат

Сделаем решительный шаг, который резко упростит все дальнейшие расчёжения. Выберем прямую渤ную систему координат x,yx, y так, чтобы она равномерно движалась вместе с лисой *) в направлении оси yy. Пусть в начальной момент лиса находится на движущей системе (в точке OO). Тогда она все время будет находиться в этой точке.

Как будет движаться собака относительно системы x,yx, y?

Возьем на плоскости (x,y)(x, y) какую-нибудь точку CC (рис. 5, а).

*) Относительно неподвижного наблюдая.

Лист 43

с. 41Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

41

Если бы эта точка находилась в положение относительно системы координат x,yx, y, то это означает, что она движется вместе с лисой) — в том же направлении и с той же скоростью.

Чтобы точка CC находилась в положение с точки зрения неподвижного наблюдаемого наблюдателя, нужно скоппенсировать движения системы x,yx, y, то есть нужно заставить точку CC движаться относительно системы x,yx, y в направлении, противоположном направлению оси yy, причем абсциссная вершина скорости этого движения должна быть та же, что и у лицы (рис. 5, б).

По условияю задачи собака безит прямо на лису (с точки зрения неподвижного наблюдаемого наблюдателя). Значит, относительно системы x,yx, y собака участвует в двух движениях: во-первых, равномерно движется со скоростью vv в направлении, противоположном оси yy, во-вторых, приближается с той же скоростью к началу координат. Стрелки на рисунке 5, θ\theta — это вектор скорости в каждой из указанных движений. Результирующий скорость движения собаки относительно системы координат x,yx, y найдем по правилам параллелограмма (рис. 5, е).

До схх пор мы рисовали точку CC в одном и том же месте на плоскости (x,y)(x, y). На рисунке 6 показано, как результирующая скорость зависит от расположения точки CC. Чем больше

Рис. 6.

угол между векторами, которые складаваются, тем короче вектор результирующей скорости. Если расположить точку CC на отрицательной полуоси оси yy, то векторы, которые складаваются, будут иметь противоположные направления и результирующая скорость оказывают нулю. Так, разумеется, и должно быть: если собака находится строго задали лисы, то она безит за ней, не приближаться и не отставая, то есть находится в положению системы x,yx, y.

§ 4. Собака безит по параболе

  1. В школе много занimaются квадратными уравнениями. Каждый старшеклассик знает, как выглядит парабола (график квадратного трехчлена).

Снова посмотрим на рисунок 6. Очень похожие, что точки C1,C2,C3C_1, C_2, C_3 лежат на параболе. Мы сейчас покажем, что это так и есть, если эти точки указывают несколько последовательных положений бегущей собаки.

  1. Некоторые из вас знают, другие — без труда проверят следующее свойство параболе:

Парабола есть геометрическое место моек, равнодаленных от некоторой точки OO и от некоторой прямой d∗d^*).

Мы сейчас проверим это свойство в случае, когда точка OO является нахалом координат, а прямая dd параллельна оси xx и расположена «под ней», то есть при неоктором a>0a > 0 задается уравнение y=−ay = -a. В этом случае (рис. 7) квадрат расстояния от точки (x,y)(x, y) до точки OO равен (по теореме Пифагора)

x2+y2,x^2 + y^2,

расстояние от точки (x,y)(x, y) до прямой dd равен

∣y+a∣,|y + a|,

а квадрат этого расстояния равен

*) Точка OO называется фокусом, а прямая dd — директрисой параболе.

Лист 44

с. 42Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

42

Рис. 7.

(y+a)2(y + a)^2. Для точек, равноудаленных от OO и dd, выполняется, таким образом, соответствие

x2+y2=(y+a)2,x^2 + y^2 = (y + a)^2,

или, что то же самое,

x2=2ay+a2.x^2 = 2ay + a^2.

Посленее уравнение перепишем окончательно в виде

y=x2−a22a.y = \frac{x^2 - a^2}{2a}.

(A)

Все точки, равноудаленные от OO и dd, лежат, таким образом, на параболе, которая задается уравнением (A). Так как при вывода уравнения (A) мы делали то жественные преобразования, то, и обратно, все точки указывающие равноудалены от точки OO и прямой dd.

  1. Прежде чем идти данные, отметим что при b≠ab \neq a (b>0b > 0) парабола

y=x2−b22by = \frac{x^2 - b^2}{2b}

(B)

не имеет с параболой (A) ни одной общей точки. Действительно, если бы неоторая точка (x,y)(x, y) принадлежала

y=x2−b22b\begin{align*} y &= \frac{x^2 - b^2}{2b} \\ \end{align*}

Рис. 8.

Жала обем параболам, то выполнялось бы соответствие

x2−a22a=x2−b22b.\frac{x^2 - a^2}{2a} = \frac{x^2 - b^2}{2b}.

No ekвивалентное ему равенство x2=−abx^2 = -ab невозможно, так как x2≥0x^2 \geq 0, а −ab<0-ab < 0.

  1. Возьмем на плоскости (x,y)(x, y) точку C0C_0, не лежащую на оси yy, а в остальном произвольную. Отложим от нее в направлении, противоположном оси yy, отрезок C0D0=OC0C_0D_0 = OC_0 (рис. 8) и проведем через точку D0D_0 прямую dd, параллельную оси xx. Расстояние между осью xx и прямой dd обозначаем через aa. Согласно п. 2 парабола (A) равноудалена от OO и dd и проходит через точку C0C_0.

Докажем, что именно по этой параболе и побежит собака (относительно системы x,yx, y), если в начальной момент она находится в точке C0C_0.

Для доказательства представим себе, что OC0OC_0 и C0D0C_0D_0 — это туго натягные вервки; в точке D0D_0 вервка C0D0C_0D_0 привязана к колыцу, которое на него на прямую dd и может свободно скольнить по ней; вервка OC0OC_0 крепко привязана в точке OO. Еще, пожалуй, представим себе, что в точке C0C_0 находится не собака, а, скажем, обезьяна (у собаки на хватит прити проделать то, что мы ей сейчас поучим). Дадим обезьяне вервки и попросим подтягиваться по ним обем сразу — одновременно к точке OO и к прямой dd.

Каждай, кто когда-нибудь лазил по канату (далее по одному, а не по двум стразу), легко представить себе, что получится. Перебирая лапами, наша собака (то есть обезьяна) будет приближаться с одинаковой скоростью к точке OO и к прямой dd. Через некоторое время она очитится в точке C1C_1 (рис. 9); колыцо, скользыващее без трения по прямой dd, перединется в такое положение D1D_1, что C1D1⊥dC_1D_1 \perp d; так как обе вервки укоротятся на один и тот же кусок, то отрезки OC1OC_1 и C1D1C_1D_1 будут равны.

Лист 45

без номераНабрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

Рис. 9.

Потом она окажется в точке C2(C2D2⊥d,OC2=C2D2)C_2(C_2D_2 \perp d, OC_2 = C_2D_2) и т. д.

Так как C0,C1,C2C_0, C_1, C_2 и т. д. равноудалены от OO и dd, то движение, как мы и обещали показать, происходит по параболе (A).

§ 5. Решение задачи

Тепер уже легко ответить на вопрос задачи: при каких C0C_0 собака доходит лису? — Только при C0C_0 лежащих на полупрямой ll перед точкой J0J_0. Вся плоскость, кроме этого лука, — зона, безопасная для лисы. Действительно, если точка C0C_0 лежит в указанной зоне, то относительно системы координат x,yx, y, движущейся вместе с лисой, собака побежит по параболе. Через некоторое время она пересечет ось xx и оказывается позади лисы. А в этом случае появить лису она не сможет.

Благодаря введению движения системы координат, мы сможем легко разобраться и в более тонких деталях.

Двигаясь из точки C0C_0 по параболе (A), собака все время приближается к ее директrice dd, а тем самым — и к ее фокусу OO. Другими словами, расстояние CJCJ между собакой и лисой все время сокращается. При этом (см. рис. 7) оно стремится к пределу, равному a/2a/2. Пусть координаты C0C_0 были x0,y0x_0, y_0; расстояние C0J0=x02+y02C_0J_0 = \sqrt{x_0^2 + y_0^2} обозначим через r0r_0; совсем легко проверить, что тогда a/2=(r0−y0)/2a/2 = (r_0 - y_0)/2. Таким образом, расстояние CJCJ, первоначально равное r0r_0, никака не может стать меньше, чем s=(r0−y0)/2s = (r_0 - y_0)/2.

А может ли оно стать равным ss? Этот вопрос нам помогет решить рисунок 6. Скорость движения собаки по параболе все время уменьшается. И хотя (в системе координат x,yx, y) собака нужно пробежать путь конечной длины, чтобы CJCJ стало равным (r0−y0)/2(r_0 - y_0)/2, сделать это за конечное время она не сможет. Точное доказательство этого факта потребует некоторых вычислений.

Пусть CC — точка на параболе (A) с координатами (x,y)(x, y), EE — проекция точки CC на ось xx; u(x)u(x) — скорость, с которой EE приближается к OO. Из рисунка 10 видно, что u(x)/v=x/x2+y2u(x)/v = x/\sqrt{x^2 + y^2}. Используя уравнение (A), находим, что x2+y2=y+a=(x2+a2)/2a\sqrt{x^2 + y^2} = y + a = (x^2 + a^2)/2a, откуда u(x)=2avx/(x2+a2)<2vx/au(x) = 2avx/(x^2 + a^2) < 2vx/a.

Таким образом, при a/2≤x≤aa/2 \leq x \leq a скорость u(x)<2vu(x) < 2v; от a/2a/2 до a/4a/4 проекция EE движется со скоростью u(x)u(x), меньше vv; от a/4a/4 до a/8a/8 — со скоростью u(x)<v/2u(x) < v/2 и т. д. To есть на прохождение каждой из этих отрезков траится время, больше T=a2:2v=a4:v=a8:v2T = \frac{a}{2}:2v = \frac{a}{4}:v = \frac{a}{8}:\frac{v}{2} и т. д.). Значит EE не сможет доойти до точки x=Ox = O ни за какое конечное время. Иначе говоря, CJCJ всегда больше, чем (r0−y0)/2(r_0 - y_0)/2.

Задание

  1. Пусть за лисой гонится из точки C0C_0 не собака, а охотник, стрелляющий без присмаха с расстояния rr. Пренебрежем временем полета пули, то есть будем считать, что охотник догнал лису, если приближался к ней на расстояние rr. При каких C0C_0 лисе не убежать?

Лист 47

с. 45Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

45

Задания

M186 — M190; Ф198 — Ф202

M186. Найдите все решения уравнения
1x+1y+1z=1\frac{1}{x} + \frac{1}{y} + \frac{1}{z} = 1
в целях числа, отличных от 1.
В. Слепенko, ученик 10 класса

M187. На плоскости заданы две точки A и B. Найдите геометрическое место третий вершин C треугольника ABC, у которого:
a) высота AA’ равна стороне BC;
b) медиана AA₁ равна стороне AC;
b) медиана AA₁ равна стороне BC;
г) высота CC’ равна медиане BB₁;
д) высота BB’ равна медиане CC₁.
M. A. Квантов

M188. Между неокоторыми из 2n городов установлено воздушное сообщение, причем каждой город связыван не менее чем с n других (беспо-

Рис. 1.

Решения задачи из эмного номера можно посылать не позднее 30 марта 1973 года по адресу: 117071, Москва, B-71, Ленинский проспект, 15, издательство «Наука», журнал «Квант». После.adреса на конверте напишите, решения каких задачи вы посылаете, например: «Задачик «Кванта», M186, M187 или «… Ф200».
Решения задачи по каждому из предметов (математике и физике), а также новые задачи просылать в отделных конвертах. Органиальные задачи, предложаемые для публикации, просылайте вместе с вашими решениями этих задачи (на конверте помещьте: «Задачик «Кванта», новая задача по физике» или «… новая задача по математике»).

Рис. 2.

садочных решами). Докажите, что даже если отменить любые n—1 решения, то все равно из любого города можно добавться в любой другой на самолетах (с пересадками). Укажите все случаи, когда такая «связность» нарушается при отмене n решения.
A. K. Кельманс

M189. При отрезке AB, EF и CD проходят через одну точку O, причем точка E лежит на отрезке AC, а точка F — на отрезке BD. Докажите, что EF меньше хотя бы одного из двух отрезков — AB или CD (рис. 1).
Д. Ю. Гризовев

M190 *. На плоскости даны две прямые a и b. В точке A₁, находящая на прямой a на расстоянии меньше 1 от прямой b, сидит блюxa. Затем блюxa последовательно прыгает в точки B₁, A₂, B₂, A₃, B₃, …, руководствуясь следующими правилами (рис. 2):

Лист 48

с. 46Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

46

(1) точки A1,A2,A3,…A_1, A_2, A_3, \dots лежат на прямой aa, точки B1,B2,B3,…B_1, B_2, B_3, \dots — на прямой bb;

(2) A1B1=B1A2=A2B2=B2A3=A3B3=⋯=1A_1B_1 = B_1A_2 = A_2B_2 = B_2A_3 = A_3B_3 = \dots = 1;

(3) точка AnA_n не совпадает с An+1A_{n+1}, кроме случая, когда AnBn⊥aA_nB_n \perp a (и, аналогично, BnB_n совпадает с Bn+1B_{n+1}, только если BnAn+1⊥bB_nA_{n+1} \perp b). (Нетрудно видеть, что условиями (1) — (3) последовательность прыжков, начняя с B1A2B_1A_2, определяется однозначно.)

Докажите, что если угол между прямыми aa и bb изменяется рациональным числом градусов, то путь блюхи будет перiodичным, то есть в некоторый момент она попадет в начальное точку A1A_1 и затем будет последовательно проходит те же самые точки B2,A2,B3,…B_2, A_2, B_3, \dots, как в начале пути, а если — irrationalным числом, то блюха не попадет ни в какую точку более двух раз.

Ф198. Конькобежец решил затормозить и свел вместе пятки. Хотя это и трудно (почему?), но конькобежцу удается удерживать пятки вместе. Как он будет двигаться дальше?

Г. Л. Комкин

Ф199. Неётрон легко проходит через слой свинца, но задерживает в таком же слое парафина, воды или другого соединения, содержащого водород. Объясните, почему.

П. Л. Kanuца.

Ф200. В результате импульсного разряда конденсатора через разреженный гелий проискudit нагревание газа до температуры TT. Оценить величины TT, если направление на конденсатор U=30U = 30 кв., емкость конденсатора C=18C = 18 мкф и газ занимает объем 10 л при давлении 10−210^{-2} мм рм. см.

Ф201. Если к некоторому сопротивлению подключит аkkумулятор, то зависимости тока в цепи от времени будет такой, как показано на рисунке 3 красной линии. Если к этому же сопротивлению подключит другой такой же аkkумулятор, но частично разряженный, то зависимости тока от времени будет такой, как показано на рисунке 3 синей линии. Если аkkумулятора подключит к тому же сопротивлению вместе, соединив их параллельно, то вначале по цепи будет идти ток 1,5 а. Нарисуйте график дальнейшего изменения тока в цепи со временем.

Внутреннее сопротивление аkkумулятора в процессе разряда не меняется.

Ф202. Труба радиуса rr заполнена пористым веществом плотности ρ0\rho_0. Невесомый поршень, на которой действует постоянная сила FF, вдвигаясь в трубу, уплотняет вещество до плотности ρ\rho (рис. 4). С какой скоростью движется поршень, если уплотнение произходит скачком, то есть в трубе как бы перемещается с некоторой скоростью поверхность, справа от которой плотность вещества ρ0\rho_0, а следа ρ\rho? В начальной момент поверхность совпадает с плоскостью поршня.

Лист 49

с. 47Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

47

Решения задач

M146—M150; Ф164—Ф169

M146. a) В вершинах правильного 7-угольника рассматривается через сечение вершины с фишками одного цвета (если бы цвет череновались, то многоугольник имел бы четное число сторон).

a) Ясно, что среди семи вершин сбязательно найдет две соседние вершины с фишками одного цвета (если бы цвет череновались, то многоугольник имел бы четное число сторон).

Обозначим эти вершины через A1A_1 и A2A_2. Можно считать, что стороны в них фишки — белые (рис. 1). Заметим, что существует три вершины, каждой из которых сразу вместе с вершинами A1A_1 и A2A_2 равноведенный треугольник; обозначим их через A0A_0, A3A_3 и BB. Если в одной из них стоит белая фишка, то соответствующий треугольник — A0A1A2A_0A_1A_2, — A3A1A2A_3A_1A_2 или BA1A2BA_1A_2 — искомый. Если же во всех трех вершинах черные фишки, то треугольник A0A3BA_0A_3B — искомый.

To же самое рассужждение годится для любого правильного nn-угольника с нечетными n≥5n \geq 5 (в роли A0A_0, A3A_3 выступают соседние с A1A_1 и A2A_2 вершины, в роли BB — середина большей из дуг A1A2A_1A_2).

  1. Для n=8n = 8 утверждение неверно. Пример рассстановки черных и белых фишек, при которой никакие три фишки одного цвета не располагаются в вершинах равноведенного треугольника, изображены на рис. 2, б, с, д); возможны и другие примеры.

b) Ответ: утверждение верно для n=5n = 5, n=7n = 7 и n≥9n \geq 9.

Пример, изображенные на рисунке 2, показывают, что утверждение верно для n=3,4,6,8n = 3, 4, 6, 8. Выше мы доказали, что оно верно для n=5n = 5, n=7n = 7 и для больших нечетных nn. Докажем, что оно верно для всех n≥9n \geq 9.

Предположим, что для некоторой расстояний фишек в вершинах правильного nn-угольника утверждение неверно. Прежде всего, ясно, что где-то найдет две соседние вершины с фишками одного цвета, — если цвет фишек черенотся, то уже среди пяты последовательных вершин встретятся требуемый равноведенный треугольник. Можно считать, что это — вершины A4A_4 и A5A_5 с фишками большого цвета (рис. 3). Тогда последовательное

| Расматриваем | Делаем вывод |
| :— | :— |
| A3A4A5A_3A_4A_5 и A4A5A6A_4A_5A_6 | A3A_3 и A6A_6 — черные |
| A3A6A9A_3A_6A_9 | A9A_9 — белая |
| A1A5A9A_1A_5A_9 и A5A7A9A_5A_7A_9 | A1A_1 и A7A_7 — черные |
| A1A2A3A_1A_2A_3 и A6A7A8A_6A_7A_8 | A2A_2 и A8A_8 — белые |
| A2A5A8A_2A_5A_8 | противоречие |

Можно показать, что верно и более сильное утверждение: при любом разбиении множества {1, 2, …, 9} на два подмножества хотя бы в одном из подмножества встретится при числа, из которых одно равно получим двух других. Мы доказали это ути-

Лист 50

с. 48Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

48

Рис. 3.

верждение при дополнительном предположении, что 4 и 5 принадлежат одному подмилюжству. Другие случаи аналогично.

M147. Доказим, что если четмырехуольник ABCD, описанный в окружности, маков, что касательные к окружности в точках A и C пересекаются на продолжении диаzoнали BD, то
a) касательные в точках B и D пересекаются на продолжении диаzoнали AC;
b) биссертрисы внутриних углов A и C четмырехуольника пересекаются на диаzoнали BD (а уzelов B и D — на AC).

a) Пусть A, B и C — три точки на окружности, K — точка пересечения касательных, проведенных в точках A и C. Найдем условия, определяющие положение точки D пересечения прямой BK с окружностью (рис. 4).

△ABK∼△DAK:угол K у этих треугольников общий, а △BAK=△ADK, поскольку каждый из них изменяется положенной дуги AB. Поэтому\triangle ABK \sim \triangle DAK: \text{угол } K \text{ у этих треугольников общий, а } \triangle BAK = \triangle ADK, \text{ поскольку каждый из них изменяется положенной дуги } AB. \text{ Поэтому}

ABAD=BKAK=AKDK\frac{AB}{AD} = \frac{BK}{AK} = \frac{AK}{DK}

(попутно мы доказали известную теорему: AK2=BK⋅KDAK^2 = BK \cdot KD).

Точно так же △CBK∼△DCK\triangle CBK \sim \triangle DCK, и поэтому

BCCD=BKCK=CKDK\frac{BC}{CD} = \frac{BK}{CK} = \frac{CK}{DK}

(попутно мы доказали известную теорему: AK2=BK⋅KDAK^2 = BK \cdot KD).

Правые части в (1) и (2) равны, потому что AK=CKAK = CK, отсюда

ABBC=ADCD\frac{AB}{BC} = \frac{AD}{CD}

(заметим, что отношение AD/CDAD/CD монстонно увеличивается при движении точки D по дуге окружности от A к C. Действительно, по теореме синусов, примененной к △ACD\triangle ACD (рис. 5))

ADCD=sin⁡Csin⁡A=sin⁡(180∘−D−A)sin⁡A=sin⁡(180∘−D)⋅ctg A−cos⁡(180∘−D);\frac{AD}{CD} = \frac{\sin C}{\sin A} = \frac{\sin (180^\circ - D - A)}{\sin A} = \sin (180^\circ - D) \cdot \text{ctg } A - \cos (180^\circ - D);

здесь 180∘−D180^\circ - D величина постоянная, sin⁡(180∘−D)>0\sin (180^\circ - D) > 0, а ctg A\text{ctg } A монотно убывает при увеличении AA от 0 до 180∘−D180^\circ - D, то есть при движении точки D от C к A. Отсюда следует, что условию (3) соответствует одно определение положение точки D (при заданных A, B и C).

Таким образом, условия (3) не только необходимimo, но и достаточно для того, чтобы точки B, D и точка пересечения касательных, построенных в точках A и C, лежали на одной прямой.

Точно так же можно доказать, что условия, необходимimo и достаточно для того, чтобы касательные, проведенные в точках B и D, пересекались на прямой AC, можно записать так:

BADA=BCDC.\frac{BA}{DA} = \frac{BC}{DC}.

Но условия (3) и (3′)(3'), очевидно, совпадает:

AB⋅CD=BC⋅AD.AB \cdot CD = BC \cdot AD.

Это делает утверждение задачи a) очевидным.

  1. Пусть L1L_1 — точка пересечения биссертрисы угла A треугольника BAD с прямой BD (рис. 6). Тогда, как известно,

BL1L1D=ABAD.\frac{BL_1}{L_1D} = \frac{AB}{AD}.

Аналогично, если L2L_2 — точка пересечения биссертрисы угла C с BD, то

BL2L2D=BCCD.\frac{BL_2}{L_2D} = \frac{BC}{CD}.

Позному из условия (3) следует, что

BL1L1D=BL2L2D.\frac{BL_1}{L_1D} = \frac{BL_2}{L_2D}.

Но каждому значению BLDL\frac{BL}{DL} соответствует одна точка L на отрезке BD,

Лист 51

с. 49Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

49

поскольку при движении точки LL от BB к DD эта величины монотно возрастает. Поэтому точки L1L_1 и L2L_2 совпадают.

M148. Последовательность x0,x1,x2,…x_0, x_1, x_2, \dots определяется следующими условиями: x0=1x_0 = 1, x1=λx_1 = \lambda, для любого n>1n > 1

(α+β)nxn=αnxnx0+αn−1βxn−1x1+αn−2β2xn−2x2+⋯+βnx0xn.(\alpha + \beta)^n x_n = \alpha^n x_n x_0 + \alpha^{n-1} \beta x_{n-1} x_1 + \alpha^{n-2} \beta^2 x_{n-2} x_2 + \dots + \beta^n x_0 x_n.

Здесть λ,α,β\lambda, \alpha, \beta – заданные положительные числа. Надание xnx_n и выяснение, при каком nn величины xnx_n будет наиболее.

Выпишем равенства, определяющие xnx_n, для нескольких первых значений n>1n > 1 (пользуясь условиям x0=1x_0 = 1):

[(α+β)2−α2−β2]x2=αβx12,[(\alpha + \beta)^2 - \alpha^2 - \beta^2] x_2 = \alpha \beta x_1^2,

[((α+β)3−α3−β3]x3=α2βx2x1+αβ2x1x2,[((\alpha + \beta)^3 - \alpha^3 - \beta^3] x_3 = \alpha^2 \beta x_2 x_1 + \alpha \beta^2 x_1 x_2,

[((α+β)4−α4−β4]x4=α3βx3x1+α2β2x22+αβ3x1x3.[((\alpha + \beta)^4 - \alpha^4 - \beta^4] x_4 = \alpha^3 \beta x_3 x_1 + \alpha^2 \beta^2 x_2^2 + \alpha \beta^3 x_1 x_3.

Отсюда находится (пользуясь условиям x1=λx_1 = \lambda):

x2=λ22,x3=λ32⋅3,x4=λ42⋅3⋅4.x_2 = \frac{\lambda^2}{2}, \quad x_3 = \frac{\lambda^3}{2 \cdot 3}, \quad x_4 = \frac{\lambda^4}{2 \cdot 3 \cdot 4}.

Естественно предположить, что

xn=λnn!,x_n = \frac{\lambda^n}{n!},

где n!=1⋅2⋅⋯⋅nn! = 1 \cdot 2 \cdot \dots \cdot n. Докажем по индукции, что это действительное так для всех nn (если считать, как это принято, что 0!=1!=10! = 1! = 1, то формула xn=λnn!x_n = \frac{\lambda^n}{n!} верна для n=0n = 0 и n=1n = 1).

Мы можем считать известным, что xk=λkk!x_k = \frac{\lambda^k}{k!} для всех k≤n−1k \leq n - 1. Тогда из равенств

[((α+β)n−αn−βn]xn=∑k=1n−1αn−kβkxn−kxk=∑k=1n−1αn−kβkλn−kλk(n−k)!k!=λnn!∑k=1n−1Cnkαn−kβk=(α+β)n−αn−βnn!λnn![((\alpha + \beta)^n - \alpha^n - \beta^n] x_n = \sum_{k=1}^{n-1} \alpha^n - k \beta^k x_{n-k} x_k = \sum_{k=1}^{n-1} \frac{\alpha^n - k \beta^k \lambda^n - k \lambda^k}{(n-k)! k!} = \frac{\lambda^n}{n!} \sum_{k=1}^{n-1} C_n^k \alpha^n - k \beta^k = \frac{(\alpha + \beta)^n - \alpha^n - \beta^n}{n!} \frac{\lambda^n}{n!}

следует, что xn=λnn!x_n = \frac{\lambda^n}{n!}, поскольку α>0\alpha > 0 и β>0\beta > 0 и общий множитель левой и правой части положительного при n>1n > 1.

Мы используем выше формулу

Cnk=n!k!(n−k)!C_n^k = \frac{n!}{k!(n-k)!}

для коэффициентов разложения бинома

(a+b)n=∑k=0k=nCnkan−kbk,(a + b)^n = \sum_{k=0}^{k=n} C_n^k a^{n-k} b^k,

о которой рассказано в статье В. Н. Вагутена (см. стр. 27-34).

Выясним, при каком nn величины xnx_n наиболее, не превышает λ\lambda, отсюда мы получаем ответ на вопрос задачи: наиболее значение xnx_n принимает при n=[λ]n = [\lambda] ([λ][\lambda] – наиболее целое число, не превышает λ\lambda); если λ\lambda – целое число, то x[λ]−1=x[λ]x_{[\lambda]-1} = x_{[\lambda]} – два наиболее числа последовательности xnx_n.

На рисунке 7 в качестве иллюстрации приведен график последовательности n→xnn \rightarrow x_n для λ=2,5\lambda = 2,5.

M149. Пусть OO – мощка пересечения диагоналейчными четырехугольника ABCD. Докажите, что

a) если равны периметры треугольников ABC, BCD, CDA и DAB, то ABCD – прямоугольник;

b) если равны периметры треугольников ABO, BCO, CDO и DAO, то ACBD – ромб.

a) Обозначим стороны и диагонали четырехугольника, как показано на рис. 8. Из равенств

x1+x2+y1=x3+x4+y1,x_1 + x_2 + y_1 = x_3 + x_4 + y_1,

x2+x3+y2=x1+x4+y2,x_2 + x_3 + y_2 = x_1 + x_4 + y_2,

складывая их друг с другом (и вычитая одно из другого), находим: x2=x4,x1=x3x_2 = x_4, x_1 = x_3. Следовательно, ABCD – паралелограмм.

Лист 52

с. 50Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

50

Рис. 8.

Из равенства
x1+x2+y1=x2+x3+y2=x2+x1+y2x_1 + x_2 + y_1 = x_2 + x_3 + y_2 = x_2 + x_1 + y_2
терерь следует, что y1=y2y_1 = y_2, то есть ABCDABCD — прямогольник.

  1. Выберем на каждой диагонали ACAC, BDBD больший из отрезков, на котором она делится точкой OO. Можно считать, изменив, если нужно, обозначения, что AO≥OCAO \geq OC, BO≥ODBO \geq OD (рис. 9). Тогда перimetр треугольника AOBAOB не меньше перimetра треугольника CODCOD, причем равенство возможно, только если AO=OCAO = OC и BO=ODBO = OD. (Для того чтобы убедиться в этом, достаточно построить треугольник A′OB′A'OB', симметричный треугольнику AOBAOB относительно точки OO; A′OB′A'OB' объемлет CODCOD.) Но если AO=OCAO = OC и BO=ODBO = OD, то из равенства перimetров сразу следует, что AB=BC=CD=DAAB = BC = CD = DA, то есть ABCDABCD — ромб.

Н. Б. Васильев

M150. Из чисел 1, 2, …, kk составляются всевозможные наборы (a1,a2,...,an)(a_1, a_2, ..., a_n) длины nn (леекко видеть, что их knk^n). Выбрань два поджелательства PP и QQ максимальным (один и том же набором входить в PP, и в QQ). Известно, что если взять произвольный набор (p1,p2,...,pn)(p_1, p_2, ..., p_n) из PP и произвольный набор (q1,q2,...,qn)(q_1, q_2, ..., q_n) из QQ, то они будут совпадать хотя бы в одном месте (мо есть pi=qip_i = q_i для некоторого ii). Тогда либо в PP, либо в QQ не более, чем kn−1k^{n-1} наборов.

Рис. 10.

Доказите это утверждение
a) для k=2k = 2 и любое nn;
b) для n=1,2,3n = 1, 2, 3 и любое kk;
c) для произвольных k≥2k \geq 2 и n≥1n \geq 1.

Попробуйте найти другие ограничения на количество элементов в подмножествах PP и QQ, связанных максимальным условиям.

a) k=2k = 2. Набор dˉ\bar{d} называем противоположным набору dd, если dˉ\bar{d} получен из dd заменой всех 1 на 2, а 2 на 1. Обозначим через Mˉ\bar{M} множество всех наборов, противоположных набором из MM. Наборы dd и dˉ\bar{d} ни на одном месте не совпадают. Поэтому, если dd входит в PP, то dˉ\bar{d} не может входить в QQ. Значит, Pˉ\bar{P} и QQ не содержат одинаковых наборов. Поэтому либо в Pˉ\bar{P}, либо в QQ не более половины всех наборов. Но в PP и Pˉ\bar{P} одинаковое количество наборов. Значит, либо в PP, либо в QQ не более половины всех наборов, то есть не более чем 2n−12^{n-1} наборов.

Рис. 9.

  1. Для n=1n = 1 утверждение очевидно.
    Для n=2n = 2 задачу можно сформулировать так: k2k^2 точек расставлены на плоскости в узлах квадратной решетки (k−1)×(k−1)(k-1) \times (k-1) (рис. 10). Некоторые из этих точек нужно закрасить красным, неокоторые — синим цветом так, чтобы любая из красных и синих точек лежали либо в одном стольце, либо в одной строке (то есть ситуация в) невозможна). Однако точку можно закрашивать в оба цвета (случай г). Нужно

Лист 56

с. 54Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

54

Рис. 13.

мированием состояний. Цилиндр меллоизоллерова от окружающей среды.

Порщень освобождаются, и после установления равновесия объем, занимаемый газом, увеличится вдвое. Как изменится температура газа и его давление? Теплоемкость цилиндра, порщня и пружины претензioso малы.

Согласно первому закону термодинамики количество теплла Q, сообщенного газу, равно сумме изменения внутренней энергии газа ΔU и совершенной им работы A:

Q=ΔU+A.Q = \Delta U + A. (1)

Но в данном случае сосуд теплолюзлерован и Q = 0. Следовательно,

ΔU+A=0.\Delta U + A = 0. (2)

To есть работа газа совершается за счет уменьшения его внутренней энергии, поэтому сразу можно сказать, что температура газа уменьшается.

Пусть вначале температура газа была T1T_1, давление P1P_1 и объем V1V_1, а после того, как порщень освобождаются и установилось равновесие, параметры газа стали соответствующим T2T_2, P2P_2 и V2V_2, причем V2=2V1V_2 = 2V_1 (по условию).

Изменение внутренней энергии идеального газа пропорционально изменению температуры газа и равно

ΔU=cv(T2−T1),\Delta U = c_v (T_2 - T_1), (3)

где cvc_v — темперакость 1 моля газа при постоянном объеме.

Далее, работа, совершенная газом, равна изменению потенциальной энергии деформационной пружины:

A=kx22A = \frac{kx^2}{2} (4)

(x — смешение поршня).

Выразим величины kx22\frac{kx^2}{2} через параметры газа.

Так как порщень после установления равновесия находится в покое, то сила пружины F=kxF = kx равна силе давления газа P2SP_2S (S — площадь поверхности поршня):

kx=P2S.kx = P_2S. (5)

Давление же газа связано с его температурой внутреннем газового состояния. Для одного моля газа

P2V2=RT2.P_2V_2 = RT_2. (6)

Так как объем газа при его распределении увеличился, а изменение объема газа равно SxSx, то V2=2SxV_2 = 2Sx, и следовательно,

2P2Sx=RT2.2P_2Sx = RT_2. (7)

Принимая во внимание соответствия (5) и (7), можно записать

kx=RT22xkx = \frac{RT_2}{2x} (8)

kx2=RT22.kx^2 = \frac{RT_2}{2}. (9)

Таким образом, работа, совершенная газом, равна

A=kx22=RT24.A = \frac{kx^2}{2} = \frac{RT_2}{4}. (10)

Подставим выражения (3) и (10) в равенство (2):

cv(T2−T1)+14RT2=0.c_v (T_2 - T_1) + \frac{1}{4}RT_2 = 0.

Отсюда

T2=T111+14Rcv.T_2 = T_1 \frac{1}{1 + \frac{1}{4} \frac{R}{c_v}}. (11)

Действительно, T2T_2 меньше T1T_1.

Теперь посмотрим как изменяется давление газа. Согласно уравнению газового состояния первоначальное давление газа P1P_1, его объем V1=V22V_1 = \frac{V_2}{2} и температура T1T_1 были связаны формулой

P1V22=RT1.P_1 \frac{V_2}{2} = RT_1.

Разделив это равенство на равенство (6), получим

P1P2=2T1T2=2(1+14Rcv),\frac{P_1}{P_2} = 2 \frac{T_1}{T_2} = 2 \left(1 + \frac{1}{4} \frac{R}{c_v}\right),

P2=P12(1+14Rcv)P_2 = \frac{P_1}{2 \left(1 + \frac{1}{4} \frac{R}{c_v}\right)}

Давление тоже уменьшилось.

Ф167. К выходу «черного ящика» подключаем идеальный амерметр. Если ко входу «ящика» подключаем батарас с э. д. с. Е и внутренним сопротивлением r, то может氨ертровно в 2 раза меньше, чем в том случае, когда ко входу ящика подключаемые две также батарас, соединенные последовательно. Нарисовать простейшую возможность схему внутреннего устройства «черного ящика».

Лист 57

с. 55Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

55

Рис. 14.

Схема внутренняя не может состоять только из сопротивления. Действительно, рассмотрим схему, показанную на рисунке 14, где RR — сопротивление «ящика».
При подключении одного источника через амператор должен идти ток

I=ER+r,I = \frac{E}{R + r},

(1)

а при подключении двух источников — ток 2I, причем

2I=2ER+2r.2I = \frac{2E}{R + 2r}.

(2)

Уравнение (1) и (2) несовместимы. Они не имеют решения ни при каком RR. Действительно, разделив уравнение (1) на (2), получим

12=R+2r2(R+r)\frac{1}{2} = \frac{R + 2r}{2(R + r)}

или

R+r=R+2r,R + r = R + 2r,

а это невозможно.

Не спадает дела и подключение сопротивления параллельно входу или выходу ящика. (Покажите это!). Поэтому схема внутренняя должна включать «активный» элемент — источник ток.

Рис. 15.

Рассмотрим одну из возможных схем, показанную на рисунке 15, и показем, что она удовлетворяет условию задачи.

При подключении ко входу ящика одной батареи через амператорнойой поддет ток

I1=E+E1r+r1,I_1 = \frac{E + E_1}{r + r_1},

а при подключении двух — ток

I2=2E+E12r+r1.I_2 = \frac{2E + E_1}{2r + r_1}.

Так как I2=2I1I_2 = 2I_1, то

2(E+E1)r+r1=2E+E12r+r1.\frac{2(E + E_1)}{r + r_1} = \frac{2E + E_1}{2r + r_1}.

Отсюда найдем

E1=−E2r3r+r1.E_1 = -E \frac{2r}{3r + r_1}.

Это равенство связаывает между собой э. д. с. источника E1E_1 и его внутреннее сопротивление r1r_1. Знак «—» означает, что источник внутренней источнику.

Ф168. Шестминговый карандаш молкнул вдоль горизонтомной плоскости, как показано на рисунке 16. При каких значениях коэффициента времени α\alpha между карандашом и плоскостью карандаш будет скользить по плоскости, не врачаясь?

На движущийся карандаш действуют стороны плоскости две силы: сила нормальной реакции плоскости NN и сила треня FTPF_{TP}. Так как карандаш не должен перемещаться в вертикальном направлении, то сила NN равна по абсцилтной величины силя также:

N=mg.N = mg.

Сила же треня равна FTP=αN=αmgF_{TP} = \alpha N = \alpha mg.

Рассмотрим тот момент, когда карандаш начал катиться, поворачиваясь вокруг ребра AA. В этом случае обе силы — и сила NN и сила FTPF_{TP} — приложены к ребру AA. Если равноведействующая RR этих сил проходит ниже центра тяжестки карандаша, то есть ниже оси карандаша, то момент этой силы относительно оси карандаша вызывает врашение карандаша. Если же сила RR проходит выше оси, то карандаш не будет врашаться.

Таким образом, условия того, что карандаш не будет врашаться:

tgβ=NFTP>tg60∘,tg \beta = \frac{N}{F_{TP}} > tg 60^\circ,

или

mgαmg>3.\frac{mg}{\alpha mg} > \sqrt{3}.

Лист 58

с. 56Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

56

Рис. 17.

Отсюда находим, каким должен быть коэффициент треня:

α<13.\alpha < \frac{1}{\sqrt{3}}.

Многие из читателей, приславших нам письма, решали эту задачу, попытясь системой координат, связанной не с плоскостью, а с карандашом. Это неинерционная система координат, и в ней на карандаш действует еще сильная инерция.

Fπ=ma,F_{\pi} = ma,

где aa — ускорение карандаша относительно плоскости.

Так как это ускорение сообщает карандашу сила треня о плоскость Fπ=αmgF_{\pi} = \alpha mg, то a=αga = \alpha g, и поэтому Fπ=mαgF_{\pi} = m\alpha g. Карандаш врашается вокруг ребра AA (мгновенная ось врашения), если момент силы FπF_{\pi} относительно этой точки больше момента силия тяжестеги (рис. 17), то есть если

Fπ⋅a32>12mg,F_{\pi} \cdot \frac{a \sqrt{3}}{2} > \frac{1}{2} mg, или

αmg3>mg.\alpha mg \sqrt{3} > mg.

Отсюда получаем, что карандаш катится, не вращаясь, если

α<13.\alpha < \frac{1}{\sqrt{3}}.

Ф169. Для дальнейки космической связи используется спутник обтемом V=100V=100 м³, наполненный воздуха при нормальной условиях. Метерорим пробиваем в его корпусе отвергшие площадь S=1S=1 см². Оценить время, через которой давление внутри спутника изменится на 1%. Температур газа ситам неизменной. Универсальная газовая постоянная равна 8,3·10³ дж/град·кмоль.

Для оценки можно принять, что каждая из молекул воздуха в спутнике может двигаться только вдоль одной из трех взаимно-перендикулярных осей, одна из которых перендикулярна плоскости отвергтия (такая прощенная модель часто используется в кинетической теории газов). Тогда вдоль этой оси движется в любой момент 1/3 часть всех молекул воздуха в спутнике, причем скорость половины этих молекул, то есть 1/6 часть всех молекул, направлена к отвергнию. Из них за время tt отвергится до стигнут и вылетят из спутника те молекулы, которые находятся от отвергния на расстоянии l=vˉtl = \bar{v}t, то есть молекулы, находящие в начальной момент в объеме V0=SvˉtV_0 = S\bar{v}t, где vˉ\bar{v} — средняя квадратная скорость молекул (рис. 18). (Мы принимаем для оценки, что все молекулы движутся с одинаковыми по абсцилотной величины скоростями, равными средней квадратной скорости vˉ\bar{v}). Если число молекул в единице объема равно nn, то всего за время tt из спутника вылетит

N=16Svˉtn молекул.N = \frac{1}{6} S\bar{v}t n \text{ молекул.}

Поскольку молекул вылетела из спутника, изменится число молекул в единице объема. Это изменение есть

Δn=NV=16SvˉtnV.\Delta n = \frac{N}{V} = \frac{1}{6} \frac{S\bar{v}t n}{V}.

Это соответствие можно переписать в виде

Δnn=16SvˉtV\frac{\Delta n}{n} = \frac{1}{6} \frac{S\bar{v}t}{V}

или

τ=6ΔnnVSvˉ.\tau = 6 \frac{\Delta n}{n} \frac{V}{S\bar{v}}.

По условию задачи температура воздуха в спутнике остается неизменной. Как следует из уравнения состояния идеального газа Клапейрона — Мендлеева, в этом случае давление пропорционально плотности газа (а следовательно, и числу молекул в единице объема): P∼nP \sim n. Поэтому

ΔPP=Δnn=0,01.\frac{\Delta P}{P} = \frac{\Delta n}{n} = 0,01.

Принимая во внимание выражение для средней квадратной скорости молекул

vˉ=3RTμ,\bar{v} = \sqrt{\frac{3RT}{\mu}},

Лист 61

с. 59Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

59

Решение. В данном случае пусть решения подсказывается симметрией данного уравнения относительно sin x, cos x. Выделяя в явном виде простейшие симметрические многочлены относительно sin x и cos x (выражения sin x + cos x, sin x · cos x), запишем уравнение в виде

(sin⁡x+cos⁡x)−4sin⁡x⋅cos⁡x+sin⁡x⋅cos⁡x(sin⁡x+cos⁡x)=2.(\sin x + \cos x) - 4 \sin x \cdot \cos x + \sin x \cdot \cos x (\sin x + \cos x) = 2.

Пусть sin x + cos x = u; тогда u2−1=2sin⁡x⋅cos⁡xu^2 - 1 = 2 \sin x \cdot \cos x и уравнение при метве вид

u(u2−4u+1)=0,u (u^2 - 4 u + 1) = 0,

откуда u1=0,u2=2+3,u3=2−3u_1 = 0, u_2 = 2 + \sqrt{3}, u_3 = 2 - \sqrt{3}.

Уравнение sin x + cos x = u легко решается, причем, так как |u| = |sin x + cos x| = |\sqrt{2} \cos \left( x - \frac{\pi}{4} \right)| \leqslant \sqrt{2}, то корень u2=2+3u_2 = 2 + \sqrt{3} не подходит.

Ответ: x=−π4+kπ;x=π4±arccos⁡2−32+2lπx = -\frac{\pi}{4} + k\pi; x = \frac{\pi}{4} \pm \arccos \frac{2 - \sqrt{3}}{\sqrt{2}} + 2l\pi.

Следующая группа примеров показывает, что для успешного решения предлагаемых на применных экзаменах задач недостаточно уметь свести уравнение к одному из известных типов (уравнения, приводимые к одной тригонометрической функции, однородные, симметрические и др.).

Пример 4 (МФТИ, 1970). Решить уравнение

sin⁡x+2cos⁡x=cos⁡2x−sin⁡2x.\sin x + 2 \cos x = \cos 2x - \sin 2x.

Решение. Переходя в уравнение (1) к аргументу x с помощью формул sin 2x = 2 sin x cos x и cos 2x = cos⁡2x−sin⁡2x=1−2sin⁡2x\cos^2 x - \sin^2 x = 1 - 2 \sin^2 x, получаем

sin⁡x+2sin⁡2x+2cos⁡x+2sin⁡xcos⁡x−1=0.\sin x + 2 \sin^2 x + 2 \cos x + 2 \sin x \cos x - 1 = 0.

Уравнение (2) можно было бы свести к алгебраической уравнению относительно u с помощью так называемой универсальной подставки u=tgx2u = \mathrm{tg} \frac{x}{2}, выразив sin x и cos x через u. Нетрудно убедиться, что в этом случае получается уравнение

3u4+2u3−6u2−6u−1=0.3 u^4 + 2 u^3 - 6 u^2 - 6 u - 1 = 0.

Мы не будем находить корни этого уравнения, хотя это можно было бы сделать, а попытаемся найти более коротный пусть решения, в основе которого лежит разложение левой части уравнения на множители.

Уравнение (2) имеет корень sin x = -1 (при этом cos x = 0), поэтому левую часть уравнения можно разложить на множители:

(1+sin⁡x)(2sin⁡x+2cos⁡x−1)=0.(1 + \sin x)(2 \sin x + 2 \cos x - 1) = 0.

Ответ: x=−π2+2kπ;x=−π4+(−1)narcsin⁡122+πnx = -\frac{\pi}{2} + 2k\pi; x = -\frac{\pi}{4} + (-1)^n \arcsin \frac{1}{2 \sqrt{2}} + \pi n.

Замечание. Следует подчеркить, что метод разложения на множители в сочетании с другими методами является одним из наиболее эффективных примеров решения тригонометрических уравнений.

Лист 63

с. 61Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

61

Прежде чем продвинутся в этом направлении дальше, сделаем по питьку упростить уравнение (7).

Замечая, что tg2x+ctg2x=−2+4sin⁡22xtg^2 x + ctg^2 x = -2 + \frac{4}{\sin^2 2x}, находим

1sin⁡22x=1−13cos⁡2xsin⁡2x\frac{1}{\sin^2 2x} = 1 - \frac{1}{\sqrt{3}} \frac{\cos 2x}{\sin 2x}

и далее, преобразовывая, получим 3cos⁡22x+sin⁡2x⋅cos⁡2x=0\sqrt{3} \cos^2 2x + \sin 2x \cdot \cos 2x = 0. Последнее уравнение легко решается.

Ответ: x=π4+kπ2x = \frac{\pi}{4} + \frac{k\pi}{2}; x=−π6+lπ2x = -\frac{\pi}{6} + \frac{l\pi}{2} (легко проверяется, что при этих значениях xx имеем sin⁡2x≠0\sin 2x \neq 0).

Решение получено, однако для сравнения доведем до конца решения уравнения (7) первый пока привед нас к уравнению (8). Группировка членов, имеющих множитель 3\sqrt{3}, дает уравнение

(u2−1)[3(u2−1)−2u]=0,(u^2 - 1) \left[ \sqrt{3} (u^2 - 1) - 2u \right] = 0,

которое имеет корни: u1=1;u2=−1;u3=3;u4=−13u_1 = 1; u_2 = -1; u_3 = \sqrt{3}; u_4 = -\frac{1}{\sqrt{3}}.

Нетрудно проверить, что эти корни приводят к тому же ответу.

Замечание. Не вызывает сомнений, что в данном случае преобразование уравнения с помощью перехода к аргументу 2x2x является предпочтительным по сравнению с подстановкой u=tgxu = tg x. Мы еще раз убедились в том, что передко увеличение аргумента тригонометрических функций, входящих в уравнение, ведет к его упрощению.

Рассмотрим пример другого типа.

Пример 8. Решить уравнение

tg(120∘+3x)−tg(140∘−x)=2sin⁡(80∘+2x).tg (120^\circ + 3x) - tg (140^\circ - x) = 2 \sin (80^\circ + 2x).

Решение. При отыскании разумного пути решения уравнения (9), очевидно, следует обратить особое внимание на аргументы тригонометрических функций, входящих в уравнение. Связь между аргументами становится ясно, если заметить, что tg(140∘−x)=−tg(x+40∘)tg (140^\circ - x) = -tg (x + 40^\circ). Тепер целесообразность использования замены x+40∘=tx + 40^\circ = t не вызывает сомнения. С помощью этой замены исходное уравнение преобразуется к виду tg3t+tgt=2sin⁡2ttg 3t + tg t = 2 \sin 2t, или

sin⁡4tcos⁡t⋅cos⁡3t=2sin⁡2t.\frac{\sin 4t}{\cos t \cdot \cos 3t} = 2 \sin 2t.

Так как sin⁡4t=2sin⁡2tcos⁡2t\sin 4t = 2 \sin 2t \cos 2t, то уравнение (10) можно представить в виде

2sin⁡2t(cos⁡2t−cos⁡3t⋅cos⁡t)cos⁡t⋅cos⁡3t=0.\frac{2 \sin 2t (\cos 2t - \cos 3t \cdot \cos t)}{\cos t \cdot \cos 3t} = 0.

Преобразуем выражение, стоящее в скобках, используя формулу

cos⁡2t=cos⁡(3t−t)=cos⁡3t⋅cos⁡t+sin⁡3t⋅sin⁡t.\cos 2t = \cos (3t - t) = \cos 3t \cdot \cos t + \sin 3t \cdot \sin t.

Тогда задача сведется к нахождению тех решений уравнения

sin⁡t⋅sin⁡2t⋅sin⁡3t=0,\sin t \cdot \sin 2t \cdot \sin 3t = 0,

Лист 64

с. 62Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

62

которые удовлетворяют условиям cos⁡t⋅cos⁡3t≠0\cos t \cdot \cos 3t \neq 0, то есть к решению уравнения sin⁡3t=0\sin 3t = 0.

Ответ: x=−40∘+nπ3x = -40^\circ + \frac{n\pi}{3}.

Пример 9. Решить уравнение

cos⁡3x+cos⁡5x2=2.\cos 3x + \cos \frac{5x}{2} = 2.

Решение. Если преобразовать левую часть данного уравнения по формуле суммы косинусов, то мы получим уравнение cos⁡x4⋅cos⁡11x4=1\cos \frac{x}{4} \cdot \cos \frac{11x}{4} = 1. Так как при любом α\alpha справедливо неравенство ∣cos⁡α∣≤1|\cos \alpha| \leq 1, то полученное уравнение может иметь решение лишь при выполнении условия

{cos⁡x4=1,cos⁡11x4=1\begin{cases} \cos \frac{x}{4} = 1, \\ \cos \frac{11x}{4} = 1 \end{cases} или {cos⁡x4=−1,cos⁡11x4=−1.\begin{cases} \cos \frac{x}{4} = -1, \\ \cos \frac{11x}{4} = -1. \end{cases}

Этим способом можно было бы найти решение исходного уравнения. Однако к целли приводит и другой, более простой путь.

Левая часть уравнения может равнять двум лишь в том случае, когда одновременно имеются место равенства cos⁡3x=1\cos 3x = 1 и cos⁡5x2=1\cos \frac{5x}{2} = 1.

Находя решение первого уравнения (x=2kπ3x = \frac{2k\pi}{3}) и подставляя во второе, получаем cos⁡5kπ3=1\cos \frac{5k\pi}{3} = 1, откуда k=6mk = 6m.

Ответ: x=4mπx = 4m\pi.

В следующих примерах требуется уменение использовать понятие абсолотной величины.

Пример 10 (МФТИ, 1971). Решить уравнение

tgx+19ctgx=1cos⁡2x−1−1.\text{tg}x + \frac{1}{9}\text{ctg}x = \sqrt{\frac{1}{\cos^2x} - 1} - 1.

Решение. Правую часть уравнения (11) можно записать так: tg2x−1=∣tgx∣−1\sqrt{\text{tg}^2x} - 1 = |\text{tg}x| - 1. Грубой ошибкой было бы отбрасывание знака модуля (к сожалению, немало абитурентов, решащих этот пример, допустило эту ошибку). Уравнение (11) принимает вид

tgx+19ctgx=∣tgx∣−1.\text{tg}x + \frac{1}{9}\text{ctg}x = |\text{tg}x| - 1.

Рассмотрим два случая: tgx>0\text{tg}x > 0, tgx<0\text{tg}x < 0 (при tgx=0\text{tg}x = 0 левая часть уравнения теряет смысл).

a) Если tgx>0\text{tg}x > 0, то уравнение (12) приводится к виду ctgx=−9\text{ctg}x = -9, откуда следует, что ctgx<0\text{ctg}x < 0, что противоречит условия tgx>0\text{tg}x > 0. В данном случае решение нет.

b) Если tgx<0\text{tg}x < 0, то, полагая u=tgxu = \text{tg}x, из (12) находим 18u2+9u+1=018u^2 + 9u + 1 = 0, откуда

u1=−16;u2=−13.u_1 = -\frac{1}{6}; \quad u_2 = -\frac{1}{3}.

Лист 65

с. 63Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

63

Оба найденных значения отрицательны, так что условие tgx<0tg x < 0 выполняется.

Ответ: x=−arctg16+nπ;x=−arctg13+mπx = -\arctg \frac{1}{6} + n\pi; \quad x = -\arctg \frac{1}{3} + m\pi.

Пример 11. Решить уравнение

sin⁡x+3cos⁡x=2+cos⁡2x+3sin⁡2x.\sin x + \sqrt{3} \cos x = \sqrt{2 + \cos 2x + \sqrt{3} \sin 2x}.

(13)

Решение. Так как права часть уравнения неотрицательна, то должно выполняться условие

sin⁡x+3cos⁡x≥0.\sin x + \sqrt{3} \cos x \geq 0.

(14)

Если освободиться от радикала путем возведения обеих частей уравнения (13) в квадрат, то получим уравнение

sin⁡2x+3cos⁡2x+23sin⁡xcos⁡x=2+cos⁡2x+3sin⁡2x,\sin^2 x + 3 \cos^2 x + 2 \sqrt{3} \sin x \cos x = 2 + \cos 2x + \sqrt{3} \sin 2x,

которое после уравнения примет вид

cos⁡2x=cos⁡2x.\cos 2x = \cos 2x.

(15)

Мы получили то жество. Это не означает, однако, что исходному уравнению удовлетворяют все значения xx, так как уравнение (15) является лишь следствием уравнения (13). Уравнение (13) и (15) становятся равносильными, если выполняется условие (14). Таким образом, решения уравнения (13) являются все значения xx, удовлетворяющие неравенству (14), и только эти значения. Решение неравенства (14) не представляется труда.

Ответ: −π3+2πn≤x≤2π3+2πn-\frac{\pi}{3} + 2\pi n \leq x \leq \frac{2\pi}{3} + 2\pi n.

Замечание. К этому же ответу можно принять несколько путьем. Имеем 2+cos⁡2x+3sin⁡2x=[1+cos⁡(2x−π3)]=4cos⁡2(x−π6)2 + \cos 2x + \sqrt{3} \sin 2x = \left[ 1 + \cos \left( 2x - \frac{\pi}{3} \right) \right] = 4 \cos^2 \left( x - \frac{\pi}{6} \right), и поэтому исходное уравнение примет вид cos⁡(x−π6)=∣cos⁡(x−π6)∣\cos \left( x - \frac{\pi}{6} \right) = \left| \cos \left( x - \frac{\pi}{6} \right) \right|. Мы снова приходим к условиям (14).

Упражнения

Решить уравнения:

  1. (МФТИ, 1969). sin⁡4x+sin⁡3x⋅cos⁡x+sin⁡2xcos⁡2x+sin⁡x⋅cos⁡3x+cos⁡4x=1\sin^4 x + \sin^3 x \cdot \cos x + \sin^2 x \cos^2 x + \sin x \cdot \cos^3 x + \cos^4 x = 1.
  2. sin⁡3x(1+ctgx)+cos⁡3x(1+tgx)=2sin⁡xcos⁡x\sin^3 x (1 + \text{ctg} x) + \cos^3 x (1 + \text{tg} x) = 2 \sqrt{\sin x \cos x}.
  3. (МФТИ, 1971). cos⁡2x+cos⁡22x=cos⁡23x\cos^2 x + \cos^2 2x = \cos^2 3x.
  4. cos⁡4x3=cos⁡2x\cos \frac{4x}{3} = \cos^2 x.
  5. (МФТИ, 1970). 1−2tgx−1+2ctgx=2\sqrt{1 - 2 \text{tg} x} - \sqrt{1 + 2 \text{ctg} x} = 2.

Лист 66

с. 64Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

64

Московский институт народного хозяйства имени Г. В. Пlexанова

МИНХ им. Г. В. Пlexанова — один из крупнейшихузов страны. На его 10 стадионарных и одном заочном факультетах обучается более 14 тысяч студентов, а на кафедрах трудятся 500 аспирантов.

В институте имеются следующие факультеты (с дневным и вечерним обучением): общеекономический, экономический кибернетики, экономики промышленности, экономики и организации материально-технического снабжения, финансовый, торгово-экономический, товарведения промышленных товаров, технический и механический. Имеется также заочный технический факультет. Срок обучения на дневных отделениях 4 года, а на вечерних — 5 лет (кроме факультетов экономической кибернетики и механического, где срок обучения соответствен 5 и 6 лет).

Нанобольшая математическая подготовка обеспечивает на факультете экономической кибернетики. Студенты наряду с общими экономическими дисциплинами изучают высшую математике и программирование на электронных вычислительных машинах, а также цикл новых экономикоматических дисциплин. Применение ЭВМ в экономических исследованиях и планировании студенты ссваивают в специальных laboratorиях, основанных соответствующими машинами по подготовке и обработке информации и универсальной электронной вычислительной машиной «Урал 11-Б». Сотрудники кафедры и студенты принято учатие в научных исследованиях в содержстве с

ГВЦ Госплана СССР и другими организациями.

Выпускники ФЭК обеспечиваются работой в Госплане и ЦСУ СССР и РСФСР, в научно-исследовательских институтах, вычислительных центрах, экономиком-mатематических laboratorиях и в плановых организациях министерств.

Большую математическую подготовку получают также студенты экономических специальностей. Они изучают высшую математку, программирование, курсы статистики и специальные экономические дисциплины. На этих факультетов готовят экономистов широкого профиля, главным образом для работы в системе планирования экономических организаций, вНИИ, на крупных предприятиях.

В своей многогранной деятельности кафедры МИНХ совместно с Госпланом СССР и РСФСР и другими государственными организациями помогают братским социалистским странам в подготовке и повышении квалификации национальных кадров, делятся опытом и оказывают помощь родственным кафедрам многохимических видов страны. Изданы оригинальные учебники и учебные пособия.

К проведению научных исследований широкого привлечения студенты, которые участвуют в разработке хозяйственных тем и других исследований, успешно выступают на республиканских конкурсах студенческих научных работ.

На экономических факультах вступительных экзамен по математике только письменный. На различ-

Лист 67

с. 65Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

65

ных факультетов требования по математике разные, поэтому варианты для письменного экзамена предлагались неодинаковой трудности. С этой целью все задачи и варианты в целом получили оценку в «баллах» по трудности. Задание были разными на три группы: легкие (1, 2, 3 балла), средние (4, 5, 6 баллов) и трудные (7, 8, 9 баллов).

Вариants с суммой баллов выше 25 предлагались на факультет экономического киберnetики, товародействия промышленных товаров, экономики промышленности и торгово-экономическом.

Общеэкономический факультет (24)

  1. Из пункта A по одному шоссе выезджают одновременно два автоматомиля, а через час всед за ним третий. Еще через час расстояние между третьим и первым автоматомилими уменшилось в 1,5 раза, а между третьим и вторым — в два раза.
    Во сколько раз скорость первого автоматомила больше скорости второго, если известно, что третий не обгоял первый и второй?
  2. В правильную четьрехугольную примиду вписан шар. Расстояние от центра шара до вершины примиды равно a, а угол наклона боковой грани примиды к плоскости основания равен α.
    Определить, полную поверхность примиды.
  3. Решить уравнение
    cos⁡7x+sin⁡22x=cos⁡22x−cos⁡x.\cos 7x + \sin^2 2x = \cos^2 2x - \cos x.
  4. Решить уравнение lg⁡2100x−lg⁡210x+lg⁡2x=6.\lg^2 1 00x - \lg^2 10x + \lg^2 x = 6.

Факультет экономический киберnetики (27)

  1. Из пункта A выехал первый вложенный, а ему насстечу из пункта B одновременно выехал второй. После встречи оба вложенных в пункт B, и второй приблел в B на 2 часа равше первого.
    Найти скорости вложенных, если известно, что расстояние AB равно 100 км и что второй вложенный все расстояние AB проходит на 3 часа 20 минут быстрее первого.

  2. Диагонали прямой четьрехугольной примыслой составляют с основанием углы α и β. Высота примыса равна H. Определить объем примыса, если диагонали основания пересекаются под углом γ.

  3. Решить уравнение
    (x+1)(12)2x−2+11(x+1)(12)x−3x−3=0.\left( x + 1 \right) \left( \frac{1}{2} \right)^{2x-2} + 11 \left( x + 1 \right) \left( \frac{1}{2} \right)^x - 3x - 3 = 0.

  4. Решить уравнение
    8cos⁡2x+21−sin⁡2x=3,8 \cos^2 x + 2 \sqrt{1 - \sin^2 x} = 3,
    если x заключен между π2\frac{\pi}{2} и 32\frac{3}{2} π.

Финансовый факультет (25)

  1. Определить стороны треугольника, если медиана и высота, проведенные из одного угла, делят этот угол на три равные части, а сма медиана равна 10 см.
  2. Решить уравнение
    lg⁡22x+lg⁡23x=lg⁡22+lg⁡23.\lg^2 2x + \lg^2 3x = \lg^2 2 + \lg^2 3.
  3. Два авторы вышили одновременно навстречу друг другу, первый из города A, а второй из города B, расстояние между которых 280 км, и через 4 часа встретились в пункт D. После встречи первый авторомиль пришел в город B на 21/32^{1/3} часа позже, чем второй пришел в город A. Определить среднюю скорость каждой авторомиль.
  4. Решить уравнение
    sin⁡x⋅sin⁡2x⋅sin⁡3x=14sin⁡4x.\sin x \cdot \sin 2x \cdot \sin 3x = \frac{1}{4} \sin 4x.

Факультет товародействия промышленных товаров (26)

  1. От пристига A одновременно отправились вниз кATER и плот. Кater спустился вниз по текению на 96 км, затем повернул обратно и вернулся в A через 14 часов. Найти скорость катара в стоячей воде и скорость течения, если известно, что кater встретил плот на обратном пути на расстоянии 24 км от A.
  2. Около круга описана трапеция с углами при основании α и β. Найти отношение площади трапеции к площади круга.
  3. Решить уравнение
    22x+2x+1⋅3x−2−8⋅32x−3=0.2^{2x} + 2^{x+1} \cdot 3^{x-2} - 8 \cdot 3^{2x-3} = 0.
  4. Решить уравнение
    lg⁡xlg⁡2x−ctgxctg2x=−12tg2x.\frac{\lg x}{\lg 2x} - \frac{\text{ctg} x}{\text{ctg} 2x} = -\frac{1}{2} \text{tg}^2 x.

Факультет экономики и организации материально-технического снабжения (24)

  1. Решить неравенство
    12log⁡13(x2−9x+16)2>log⁡13.\frac{1}{2} \log \frac{1}{3} \left( x^2 - 9x + 16 \right)^2 > \log \frac{1}{3}.
  2. Найти объем примиды, основанием которой служит треугольник с углами α и β, если высота примиды равна h и образует с каждой боковым ребром угол φ.
  3. Два туристы вышили одновременно из пунктов A и B насстечу друг друга и встретились в 4 км от пунктов B. Продолжая движение и достигнув соответствию пунктов B и A, туристы сразу повернул обратно. На обратном пути они снова встретились, но уже в 2 км от пунктов A. Эта встреча произойдет 2 часа после первого. Найти скорость движения туристов и расстояние между пунктами A и B.

Лист 68

с. 66Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

66

  1. Решить уравнение
    12+3sin⁡2x−3sin⁡x=12cos⁡2x.\frac{1}{2} + 3 \sin^2 x - 3 \sin x = \frac{1}{2} \cos 2x.

Факультет экономики промышленности (26)

  1. Два поезда выходят одновременно из пунктов AA и BB настречу друг другу и встречаются на расстоянии 60 км от середины ABAB. Если бы первый вышел на 2 часа позже второго, то они встречались бы на четверти пути от BB. Найти расстояние ABAB и скорость поезда.
  2. Дана правильная шестиугольная прямоугольная высоты HH, все семь граней которого равновелики.
    Найти объем и полную поверхность.
  3. Решить уравнение
    log⁡3x3+log⁡2x2=2lg⁡6lg⁡2+1.\log_3 x^3 + \log_2 x^2 = \frac{2 \lg 6}{\lg 2} + 1.
  4. Решить уравнение
    cos⁡2x+4sin⁡2x=3sin⁡2x.\cos 2x + 4 \sin^2 x = \sqrt{3} \sin 2x.

Торгово-экономический факультет (26)

  1. Решить уравнение
    9⋅3log⁡2x4=(19)log⁡2x0,1259 \cdot 3^{\log_2 x^4} = \left(\frac{1}{9}\right)^{\log_2 x^0,125}
  2. Основанием параметры служит равновесная трапеция, у которой боковые стороны верхнему основанию и равны aa, а стрый угол равен α\alpha. Боковые ребра параметры образуют с плоскостью основания угол φ\varphi. Определить объем параметры.
  3. Из пункта AA в пункта BB выехали одновременно два автоматчика. Скорость второго автоматчика больше скорости первого на 10 км/час. Через полчаса из AA в BB выехал третий автоматильно с скоростью 60 км/час, который догнал первый и через полтора часа после этого догнал второй. Найти скорости автоматчика.
  4. Решить уравнение
    2sin⁡23x+sin⁡26x=2.2 \sin^2 3x + \sin^2 6x = 2.

При этом объектив надо помещать как можно близке к вершине этого угла. Но если объектив диафрагмровать, то перекрытия исчезнут. На摄影ях в статье разлиние между сигмками было незначительным. Здесь мы помещаем более убедительные системы.

A. Виленкин

Лист 69

с. 67Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

67

Телевизионные физико-mатематические курсы для поступающих вузы

В этом номере мы продолжаем публикацию материалов телевизионных курсов.
На физическом отделении курсов в течение января — февраля изучались следующие темы:

  1. Электрические заряды. Электрическое поле.
  2. Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Электроемкость.
  3. Электростатика. Решение задач.
  4. Электрический ток. Механизмы проводимости. Закон Ома для участка цепи.
  5. Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи. Закон Джоуля — Ленца.
  6. Электрический ток. Решение задач.
    Предлагаем вам использовать свои силы в решении некоторых типовых задач.
  1. Два металлических шара имеют одинаковые заряды. Величина каждого заряда q=+10−9q = +10^{-9} к. После соединения шаров тонким проводником потенциаль их стал равным ϕ=120\phi = 120 в. Определить радиус первого шара, если емкость второго C2=10C_2 = 10 ккф.
  2. Горизонтальное расположение тонксе колючного радиуса R=20R = 20 cm равномерно заряжено, плотность заряда q=+10−7q = +10^{-7} к/cm. Из центра колюца начинает падать тело массой m=5m = 5 e и зарядом q1=−10−8q_1 = -10^{-8} к. Определить ускорение тела в тот момент, когда оно будет на расстоянии h=30h = 30 cm от плоскости колюца.
  3. До февраля на телекурсах на заятяях по математике, кроме тем, перечисленных в предыдущем номере курнала, были изучены еще также темы:
    по планиметрии — треугольники и многоугольники, подобные плоских фигур, метрические соотношения между элементами плоских фигур, окружности, площади, применение тригонометрии при решении планиметрических задач;
    поряделу «функции и графики» — свойства функции и применение их к построению графиков функций, применение графиков функций, взаимно-обратные функции, показательная и логарифмическая функция, логарифмы и их свойства.

Предлагаем читателем журнала по указанным темам контрольную работу.
КонтROLНАЯ РАБОТА № 2

  1. Основания трапеции равны aa и bb. Найти длину отрезка, соединяющего середины диагоналей.
  2. На сторонах ABAB и BCBC треугольника ABCABC построены квадраты ADKBADKB и BEPCBEPC. Доказать, что отрезок KEKE в 2 раза больше медианы BMBM треугольника ABCABC.
  3. Биссертриса угла треугольника делит противолежащую сторону на отрезки 4 см и 2 см, а высота, опущенная на ту же сторону, равна 15\sqrt{15} см. Найти длины сторона треугольника, если известно, что они выражаются целыми числами.
  4. В окружность вписан правильный треугольник ABCABC. На дуг BCBC взята проекционная точка MM и соединена хордами с вершинами треугольника. Доказать, что AM=BM+CMAM = BM + CM.
  5. На гипотенузе ACAC прямогольного треугольника ABCABC построен квадрат. Центр квадрата соединен с вершиной BB. На какие отрезки разбилась гипотенуза, если известно, что катеты треугольника равны 21 см и 28 см.
  6. В трапеции ABCDABCD диагоналии пересекаются в точке OO. Площадь треугольника BOCBOC равна b2b^2, площадь треугольника AODAOD равна a2a^2. Найти площадь трапеции (ADAD и BCBC — основания).
  7. В треугольнике один из углов равен 60∘60^\circ, а противолежащая этому углу сторона делится точкой касания вписанной окружности на отрезки aa и bb. Найти площадь треугольника.
  8. Вычислить 491−0,25log⁡25491-0,25\log 25
  9. Вычислить log⁡4916\log_{49}16, если известно, что log⁡1428=a\log_{14}28 = a.
  10. Построить график функции y=xx2+1y = \sqrt{\frac{x}{x^2+1}}.

И. А. Дьяковов,
А. Г. Мордкович,
И. Н. Наслузов

Лист 70

с. 68Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

68

«Квант» для младших школьников

ЗАДАЧИ

  1. Мышке до норки 20 шагов. Кошке до мышки 5 прыжков. Пока кошка совершит один прыжок, мышка сделает 3 шага, а один кошачий прыжок равен по длине 10 мышным шагам.

Догонит ли кошка мышку?

  1. Как можно изменить высоту телефонного столба, имея в своей расстоянии только небольшую линейку? (На столб залезать нельзя).

  2. Найдите наименьшие натуральные числа aa, bb (b>1b > 1), удовлетворяющие равенству

aaa=b.\sqrt{a \sqrt{a \sqrt{a}}} = b.

  1. Канал представляет собой железо, установленный на свях. Меняется ли сила давления на свях, когда по каналу тянут баржу?

  2. На прямой через равные промежутки поставили 10 точек, они заняли отрезок длины ll. На другой прямой через также же промежутки поставили 100 точек, они заняли отрезок длины LL. Во сколько раз LL больше ll?

  3. По шоссе со скоростью 100 км/ч движется машину. При этом расстояние между машинами, идущими друг за другом, около 15 м. Можно ли потребовать, чтобы на более узком участке «для обеспечения безопасности» скорость машин понижалась до 15 км/ч?

Лист 71

с. 69Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

69

КАРТЕЗИАНСКИЙ ВОДОЛАЗ

Бумажный кораблик легко держится на воде, но, когда бумага намокает, кораблик тонет. Сухой кораблик держит на поверхности воды воздуха, нахождения год куполом. Если купол намокнет и расползется, то воздуха из-под него выйдет, и кораблик утонет. А нельзя ли сделать так, чтобы воздуха то выходил из-под купола, то входил, а кораблик то тонул, то испывал — по нашему желанию?

Оказывается, можно. Впервые такую игрушку сделал великий французский ученый и филссф Рене Декарт, и теперь ее называют «карте».

Нажмите на пленку — и «водолаз» поддет ко дну. Отпустите — и «водолаз» всплывет. Tonет он вот почему. Когда вы нажмите на пленку, воздуха под ней сжимается, давление в бутылке увеличивается и загоняет в пузырек еще немного воды. Пузырек становится тяжелее и опускается. Как только вы отпускаете пленку, давление в бутылке уменьшается, скатый воздуха в пузырек выгоняет лишню воду, и «водолаз» всплывает.

А теперь попробуйте решить следующую задачу (если вы сделаете «водолаз», то можете проверить и эксперимент).

Задача. При увеличении давления воздуха над поверхностью воды «картезнаский водолаз» тонет. Опускается ли «водолаз» до дня при небольшим увеличении давления или может остановиться «по дороге», не дойти до дня (то есть можно ли убрать резиновую пленку и использовать эту игрушку как барометр, отметив на бутылке глубины погружения «водолаз», соответствующие разным давлениям над водой)?

А. Н. Виленкин

Лист 72

с. 70Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

70

Экономiko-mатематическая школа при экономическом факультете МГУ

Знания, которые не обладают школьники, весма обширны. Эта переделака афоризма Бернарда Шоу как нельзя более относится к экономике: школьники плохо знакомы с экономикой и имеют о ней самые противоречные сведения. Да и трудно понасыщке составить себе верное представление о столб слежном предмете. Дажте титанны человекской мысли не были едины в ее оценке. Так, один из творцов квантовой механики Макс Планк начинал с экономики, но она показалась ему слишком трудной, и он обратил свой разум к более легкой, по его мнению, физике.

Дать школьникам представление о современной экономической науке, познакомить с основными экономическими понятиями, даошими ключи к пониманию социальной деятельности, привить вкус. к экономике — вот цель создания в 1968 году при МГУ экономiko-mатематической школе (ЭМШ).

В ЭМШ принимаются девятиклассики и десятиклассики. Все поступающие сдают письменный экзамен по математике — отдельно 9-е и отдельно 10-е классы (предлагаемый вариант содержит по 4 задачи, неоторные из них приведены в конце статьи). В сентябре 1972 года на вступительный экзамен пришло около 700 ребят. Пришлось с Великим сожалением отобрать из них 120 девятиклассников и 80 десятиклассников. Счастливчики вместе с 70 «старыми» служатями (ребятами, которые занимались в ЭМШ в девятом классе) в октября приступили к занятиям.

Занятия в ЭМШ проводятся два раза в неделю во второй половине дня. Девятиклассики (наш первый курс) изучают в современную математике и основы політичской экономии. В математической курсе включаны в первую очередь те разделы, которые используются в современной экономической науке и способствует формированию логического мышления, стол характерного для современного экономиса. Это основы теории множества, высшей алгебры, элементы математической логики и математической анализа, введение в теории вероятностей. С политической экономией ребята знакомятся примерно в объему первого тома «Капитала» К. Маркаса. Для них становятся близкими также понятия, как «товар», «деньги», «капитал», «прибавочная стоимость» и т. д. Многие ребята открывают для себя новую, совершенню неизвестную и увлекательную науку.

Дэсятиклассики служают сдин из спецкурсов на выбор: «Диалектика и полит-экономия», «Макроэкономическая модель», «Современные методы планирования и управления», «Математические методы анализа экономики», «Экономические приложения теории и гр», «Кибернетическая система». Спецкурсы — это серверные «кусочки» современной науки, но читаются они так, чтобы школьникам было и интересно, и понятно. Помимо спецкурсов у деятически классов ведутся занятия по элементарной математике, на которых они более глубоко знают с некоторыми разделами школе.

По окончании ЭМШ служатям выдается Выпускное свидетельство. Основная часть выпускников поступает, конечно, на одно из двух отделений экономического факультета МГУ (отделение політической экономии или отделение планирования и экономического кибернетики). Часть ребят избирает другие экономические вызывы, например, Московский институт народного хозяйства, Московский экономico-статстический институт.

Научно-mетодические руководство работы ЭМШ осуществляет Предметная комиссия, состоящая из преподавателей кафедр політичской экономии и математических методов анализа экономики.

Организацияноную работу ведет Совет ЭМШ, куда входят аспиранты и студенты экономического факультета.

В работе ЭМШ принимают участие преподаватели, аспиранты и студенты экономического факультета МГУ, механика МГУ, научные сотрудники Института мировой экономики и международных отношений и Центрального экономiko-mатематического института Академии наук СССР.

Очередные вступительные экзамены в ЭМШ состояются в сентябре 1973 г.

Ждем вас, будущее экономисты!

Лист 73

с. 71Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

71

Задание из вариантов вступительного экзамена по математике в ЭМШ

9-й класс

  1. На заводском складе хранилиось более ста одинаковых коробок с заготовками. Вследствие потребления копищегочек некоторые время уменшилось. Когда в каждой коробке осталось лишь по семЬ заготовок, на склад приведли еще 14 полных коробок, после чего общее количество заготовок оказалось на три меньше, чем до потребления. Сколько коробок с заготовками хранилиось на складе первогоачального?

  2. В квадрате со стороны aa середины двух смежных сторон соединитель между собой и с противоположной вершиной квадрата. Вычислить площадь полученного треугольника.

  3. Найти kk и ll, если они являются корнями уравнения x2+kx+l=0x^2 + kx + l = 0.

  4. Тридцать студентов с пятим курсов придумали сорок задач для олимпиды, причем однокурсники — одинаковое число задач, а студенты с разных курсов — разное. Сколько студентов придумалировно по одной задаче?

  5. Утром в магазина приведли шесть бидонов молока, в которых было 15, 16, 18, 19, 20, 31 литров. До обеденного перерыва было продано полностью молоко из трех бидонов, а к закрытию магазина продали целиком молоко еще из двух бидонов. Оказылись, что утром было продано молока вдвое больше, чем после обеда. Установить, из каких бидонов было продано молоко до обеденного перерыва.

  6. Высота остругольного треугольника равна 25 см. На каком расстоянии от вершины нужно проверить прямую, перпендикулярную этой высоте, чтобы площадь треугольника разделить пополам?

  7. Определить aa так, чтобы сдин из корней уравнения

x2−154x+a=0x^2 - \frac{15}{4}x + a = 0

был квадратом другого.

  1. Семь грибников собрали вместе 100 грибов, причем все семь собрали разное число грибов. Доказать, что есть три грибников, которые собрали вместе не меньше 50 грибов.

  2. На доске написано пять целых чисел. Сложив их попарно, получили следующие десять чисел: 0, 2, 4, 4, 6, 8, 9, 11, 13, 15. Какие пять чисел были написаны на доске?

  3. На основании равноведенного треугольника как на хорде построена окружность, касающая равных сторон треугольника. Найти радиус окружности, если снование треугольника равно aa и высота bb.

  4. Определить aa так, чтобы уравнение

x2+x+a=0x^2 + x + a = 0

имели общий корень.

10-й класс

  1. Имеется nn городов. Каждый город соединен с каждым другим авалиней, причем не по всем линиям движениевозможно в обе стороны. Доказать, что можно выбрать такой маршрут, чтобы проехать по всем городам.

  2. Маггли попросил себеян привести ему орехи. По дороге обратно обезьяны передали и каждая кинула в каждую по одному ореху. Принесли они 26 орехов. Сколько было обезьян и сколько кинула из них сорвал орехов (все обезьяны сорвал орехов поровну)?

  3. Мальчик купил черные карандаши по 3 коп., красные по 5 коп., сине по 7 коп. — всего 8 карандашей на 42 коп. Известно, что количество красных карандашей минус количество черных — полный квадрат. Сколько куплено карандашей каждого вида?

  4. Решить в целях числа 3x+4x=5x3^x + 4^x = 5^x.

  5. Три рыбака наловили рыбы и легли спать. Первый проснулся, увидел, что число рыбы не делится на три, выбросил одну, забрал треть оставшихся и ушел. Проснулся второй, увидел, что число рыбы не делится на три, выбросил одну, забрал треть оставшихся и ушел. Аналогично, не зная, что товарищу ушли, поступил и третья рыбак. Определить минимальное число рыбы, которое они могли понимать.

  6. Дано число, взамимо простое с 30. Доказать, что остаток от деления его на 30 — число простое.

  7. В зоопарке живут слоны, львы и носорги, всего 30 животных. Для них есть три вида клеток, всего 7 штук. В каждой клетке сидит 2 носорги, или 4 льва, или 7 слонов. Сколько клеток каждой вида?

  8. Дан выпуклый четырехугольник с периметром PP. Его стороны разделяются на единицу вовне, затем продолжается до пересечения. Доказать, что площадь нового четырехугольника больше P+3P + 3.

  9. Сколько имеет чисел от 1 до 1000, которые делятся либо на 5, либо на 7, либо на то и другое?

  10. В прямойугольник треугольнике с целочисленными сторонами длина гипotenузы делится на 3. Доказать, что длина каждой из категории делится на 3.

  11. Дано пятизначное число. Если приписать единицу впереди него, то мы получим шестизначное число, которое второе меньше шестизначного числа, полученного приписыванием единицы в конце. Найти это число.

  12. Дана окружность и точка AA вне ее. Из точки AA проведены секущие ABAB и ACAC, пересекающие окружность в точках MM и KK соответствующего. Доказать, что треугольники AMKAMK и ABCABC подобны.

В. В. Иванов
А. Г. Фонтов

Лист 74

с. 72Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

72

Отпутивающая реклама

Всю весну Волода был предельно ссреддоточен. Окружающие знаки: он будет сдавать экзамены в Московский университет, и относиться к нему с подчерктным винманем. Волода работал изо всех сил, каждая минута была на счету. Человек, как гоорят, выкладывает.

Защел он однжды ко мне. Попросил:
— Решите, пожалуйста, задачу, — и положил на стол листок с уравнением
x2⋅3x−2+3x+2=3x+x2⋅33.x^2 \cdot 3^{x-2} + 3^{\sqrt{x+2}} = 3^x + x^2 \cdot 3^{\sqrt{3}}.

Взглянув на пример, я сразу же пригляся решать его на том же листке. Потом взял другой, чистый, усеся подобнее и стал писать снова. Когда я достал четвертый листок, то сбнаружил, что Волода не заменно исчез. Задча не получалась, и я подумал, что Волода просто решил пошутить.

Спустя несколько дней я встретил Володю на улице.

— Ну как, вышло у вас to уравнение? — спросил он. Хотя в его глазах не было и тени усмешки, я все-tаки сказал:

— Ты знаешь, Волода, у меня не нашлось времени, чтобы разгадать твое шутку. Рассказки-ка лучше сам, в чем там дело.

— Да это совсем не шутка, — всполощила Волода. — Это пример с прошлогодних экзаменов. Я его, правда, не умею решать.

— Вот что, Волода, пойдем-ка сейчас ко мне и добавем этот пример.

Мы просидели почти час, а пример так и не подавался.

— Может быть, сшибка в условия? — предположил я, когда были испробаны все известные мне подходы.

— Нет, все верно, — твердо сказал Волода. — Мы с Толиком из книжки решили, там все так. Да я ее присуру, у меня и другие вопросы были.

И он принес книжку, на титуль которого стояло: «Справочник для поступающих в Московский университет»). На стр. 183 был

*) «Справочник для поступающих в Московский университет». Под редакцией В. И. Тропина. Изд-во Московского университета, 1972, 254 стр. Тираж 70 000 экз. Цена 50 коп.

наш злополучный пример. Мы полезли в ответы, там значилось: x=3;x=4x = 3; x = 4. Подставили — ни одно из этих значений не подошло.

— Досадно, Волода, что мы потратилиэр столко времени. Но ведь научиться решать подобные уравнения тебе все равно надо. Смотри, на предыдущее странице аналогичное уравнение:
x2⋅22x+1−1+2x=22x+1−1+x2⋅2x−2.x^2 \cdot 2^{\sqrt{2x+1}-1} + 2^x = 2^{\sqrt{2x+1}-1} + x^2 \cdot 2^{x-2}.

Давай решим его. Видшь, здесь нужно только правильно струпировать члены, чтобы разложить на множители.

Увы! Через несколько минут стало ясно, что и этот пример нам не под силу. Заглянули в ответ: x=2;x=4x = 2; x = 4. Псдставили — оба корня не подошли. Когда я заявил Волода, что и этот пример не верен, он взглянул на меня с некоторым недоверием, но все-tаки вышли листок с вопросами.

— Вы знаете, мы в школе не проходили, что такое тангенс по соснованию xx, а это нужно знать. — И он показал мне пример на стр. 196: требовалось решить уравнение
tgx1+cos⁡2x=sin⁡2x.tg_x \sqrt{1+\cos 2x} = \sin 2x.

— Не было никаких оснований у тангенс! Здесь, наверное, был логарифм, а при наборе получился тангенс.

Я заглянул через Володино плею в листок с вопросами и понял, что не рассталемся мы до поздней ночи. Оказалось, что невозможно решить уравнение 2 на стр. 192, где вместе 2log⁡2(x−0,5)2^{\log \sqrt{2}}(x-0,5) напечатано 2log⁡2(x−0,5)2^{\log \sqrt{2}}(x-0,5); неравенство 4 на стр. 195, где вместе log⁡csx1,5\log_{\text{csx}} 1,5 стоит log⁡cos⁡x\log \cos x 1,5; уравнение 3 на стр. 197, где вместе 1+cos⁡2x\sqrt{1+\cos 2x} набрано 1+cos⁡2x\sqrt{1+\cos 2x}; уравнение 2 из второго варианта (стр. 193), где выражение 5x+3−85 \sqrt{x+3}-8 следует читать как 5x+3−85 \sqrt{x+3}-8.

Велико число сшибок и в стветах. Например, неверные ответы даны к задам № 1 из первого и третього вариантов факультета вычислительной математики и библиотекки, к задам № 5 из второго варианта отделения экономической библиотекки и т. д. и т. п. Причем многое сшибки можно сбнаружить, не решая соответствующих задач. Например, на стр. 224 помещен такой ответ: log⁡43<x<0\log_4 3 < x < 0, сткуда следует, что log⁡43\log_4 3 — число страницальное, а каждому выпискику средней школьны известно, что это не так.

Список сшибок и разнообразной можно было продлать и продолжать. Волода, воспитанный вдух уважения к печатному слову, был искуснен удивлен. Он получил первый в своей жизни, но очень

Лист 75

с. 73Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

73

наглядный урок, подтверждающий старую русскую поговорку про бумагу, которое всегда стерпит. Но разве Володя один? Кто может оценить тот ущерб, который нанесен издательми этого справочника? Кто вернет читателем этой книжки драгоценные часы, потраченные попусу? Как знать, быть может, не пошел сдавать экзамены в МГУ будущий Ньюотон и не пошел только потому, что не смог решить кем-то неверно переписанные и опубликованные в официальном издании примеры.

Небрежность, с которой составили справочника относясь к абитриентам 1972 года, видна также в списке рекомендаций литературы (стр. 179), где перечислены относятельно давно выSEDние книги по математике, расчитанные главным образом на поступающих во вуззы (заметьте, что МГУ совсем не втуз!. При этом не указывается ни одна из книг, написанных специально по материалам вступительных экзаменов в МГУ. В частности, нет основной книги, ставшей в последние годы наиболее популярной среди выпускников и обобщшей богатейший опыт приемных экзаменов в МГУ за последние 10—15 лет, —《Пособия по математике для поступающих в вуззы》 Г. В. Дорофеева, М. К. Потапова и Н. Х. Розова. Костати, именно эта книга допущена Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебного пособия для служателей подготовительных отделений высших учебных заведений.

У меня на полке стоит несколько просылись изданий «Справочника для поступающих в Московский университет». Я покупаю его с 1969 года — с тех пор, как в нем начили полностью помещать варанты письменных работ по математике, предлагавшиеся в МГУ. После этого справочник стал популярным не только среди абитриентов МГУ, но и среди многих преподавателей вузов и учтелей математики. И если работники издательства Московского университета будут так же небрежно относиться к опубликованию этих варантов, как в 1972 году, то они тем самым сердезно деревентируют поступающих, и в первую очередь тех из них, кто живет вдали от больших городов.

— А как же Володя? — спросите вы. Он поступил в Московский университет, хорошо учится. Хочеется пожелать, чтобы в будущем такие события произходили не вопросы тем изданиям, которые пришены по моче абитриентам, а благодар им.

П. А. Серпов

Влажность и климат

Известно, что вода сбладает большей теплоемкостью, чем воздуха. При нагревании воды на 1° С надо затратить в 3000 раз больше теплла, чем при нагревании такой же массы воздуха.

Средняя температура поверхности мираого океана 17,4° С, тогда как средняя температура воздуха на всем земном шаре 14° С. Таким образом, зимой мировой океан служит как бы гигантской «печкой», которая сбогревает сушу.

Правда, теплосбмен между водой и водухом происходит несколько своевременно. Существуют несколько способов содействия в воздухе: существенную роль при этом играет влажность воздуха. Приведем очень любить эту детку из девнника одного из участников эксперимента на Эльбрус в августе 1927 г.

«23 августа, после 5 часов, один из нас принес ведро воды для хозяйственных нужд эксредниц из ручья, стекавшего с ледника Малый Азay. К 6 часа воды покрылась ледной лленкой при температуре воздуха +8, 8°, что показывает большое земное излучение, вызванное малым содержанием воды atmosфере».

На самом деле следует сказать славные слова «большое земное излучение» на более правильные — «интегисовное испарение». В таких характеристиках условия, как, скажем, в Мурманске, «потепление» климата неизбежно сопровождается повышением влажности. Это происходит потому, что климат Мурманска определяется теплым течение Гольфстрим, которое нагревает прибрежные воды Баренцева моря. Мало кому известно, что если воды в процессе теплосбмена с воздухом теряли бы теплла еще на 1 градус больше, то средняя температура воздуха для Мурманска повышается бы на 10 градусов!

Лист 76

с. 74Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

74

Новые книги

Начиная с этого номера, мы будем помещать краткие аннотации на книги, выходящие в 1973 году и представляющие интерес для наших читателей.

В I квартале 1973 года выйдет в свет следующие книги (заказы можно направлять через магазины «Книга — почтой»).

Математika
Издательство «Наука»

  1. Гель фанд И. М., Глаголева Е. Г., Кириллов А. А., Метсд координат. (Объем 5 л., тираж 200 000 экз., цена 13 коп.)
    Книга посвязывана изложению одного из основных понятий математики — метод координат. На различных, чрезвычайно удано подобранных примерах авторы показывают, как «работает» это понятие в математике.

Книга рассчитана на школьников 8—10 классов, интересующихся математикой.
2. Градштейн И. С., Прямая и обратная теорема. (Объем 7 л., тираж 50 000 экз., цена 23 коп.)
В книге изучаются отдельные вопросы математической логики, связанные со школьным курсом математики (необходимые и достаточно условия, примые и обратные теоремы, доказательство от противного и т. д.).
На разборе ряда конкретных примеров автор показывает, как довольно тонкие понятия математической логики, теории множества могут быть использованы при изучении школьного курса математики.

  1. Вахман Ф., Шмидт Э., п-уольники. (Объем 10 л., тираж 30 000 экз., цена 74 коп.)
    В книге популярино, на материалах элементарной математики излагается теория, установливающая зачастую совершенное неожиданное связь между геометрией и современной алгеброй.
    Большое количество задач, помещенных в книге, очень помогает в усвоении излагаемого материала.
    Книга доступна и представляется большой интерес для самого широкого круга читателей, в том числе и для школьников 8—10 классов.

Физика
Издательство «Наука»
4. Над чем думал физика. Выпуск 9. (Объем 14 л., тираж 50 000 экз., цена 70 коп.)
Этот сборник переводных статей посвящен вопросам физики элементарных частиц. Сборник составлен из научно-популяриных статей, авторы которых являются крупными учеными, творческими работающими в области теоретической и экспериментальной физики.
Сборник рассчитан на самых широких круга читателей, в том числе и школьников старших классов.
5. Гребенни ков Е. А., Николай Конерник. (Объем 6 л., тираж 25 000 экз., цена 22 коп.)
В книге в популяриной форме изложены события, факты и основные идеи, связанные с появлением теории Конерника.
Книга рассчитана на самых широких круга читателей.
6. Шкловский И. С., Вселенная, экз.

разум. (Объем 22 л., тираж 50 000 экз., цена 1 р. 20 коп.)
Книга посвязывана увлекательной проблемы — существования внесенных цивилизаций. В ней также достагоно полно и популярино изложены основные вопросы современной астрономики.
Книга рассчитана на школьников старших классов.
7. Гуревич В. З., Энергия невидимого света. (Объем 8 л., тираж 25 000 экз., цена 50 коп.)
Эта книга — сиб инфракрасных лучах. О том, как они помогают управлять ракетами и спутниками, снять карту планеты, о том, как с их помощью расшифровывают состав неизвестного вещества и о многох других примерах использовать эти лучей.
Книга рассчитана на школьников круга читателей.
8. Островский Ю. И., Голодрафия и ее применение. (Объем 8 л., тираж 30 000 экз., цена 60 коп.)
Голодрафия— это новый бурно развивающийся в последнее время метод регистрации и восстановления световых, акустических радоволл. В книге изложены основы теории и экспериментальной техники применения голоса.
Книга рассчитана на школьников круга читателей.

Издательство «Атомизат»
9. Кедров В., Ирен и Фредерик Жоллю-Кюри. (Объем 9 л., тираж 90 000 экз., цена 29 коп.)
Книга в живой и популяриной форме знакомит с жизнью и научным творчеством замечательных французских ученых Ирен и Фредерик Жоллю-Кюри.
Книга рассчитана на самых школьников круга читателей.
М. Л. Смолянский

Лист 77

с. 75Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

75

К «Задачам»
(cм. cmp. 38)

  1. Сумма очков на верхних гранах двух кубков не меньше 2 и не больше 12. Найболее вероята та сумма, которая может быть получена наибольшим числом сложений двух слгаемых (учтывая и их порядок), каждое из которых есть одно из чисел 1, 2, 3, 4, 5, 6. Найболешим числом сложений—щество—можно образовать сумму 7:
    1 + 6, 2 + 5, 3 + 4, 4 + 3, 5 + 2, 6 + 1.

  2. 4∗∗∗∗6=4∗∗∗∗3=2∗∗3\sqrt[6]{4****} = \sqrt[3]{4****} = \sqrt[3]{2**} — целое число, то есть 2** — точный куб. Но между числами 200 и 299 единственный точный куб — это число 216 = 6³. Следовательно,
    4∗∗∗∗6=6.\sqrt[6]{4****} = 6.

  3. Пусть ∗∗∗∗45=x\sqrt[5]{****4} = x, x5=∗∗∗∗4x^5 =****4. Легко показать, что xx оканчивается цифрой 4. Но x>10x > 10, так как 105=100000<∗∗∗∗410^5 = 100000 <****4 и x<20x < 20, так как 205=25⋅105=32⋅10520^5 = 2^5 \cdot 10^5 = 32 \cdot 10^5 — число семизначное. Итак, 10<x<2010 < x < 20, поэтому x=14x = 14.

  4. 10=1013=1010210 = 101_3 = 1010_2.

  5. 63=778=3334=11111263 = 77_8 = 333_4 = 11111_2.

  6. 1960+1475=34351960 + 1475 = 3435.

  7. В турнире участвовал только один девятиклассик, который набрал 10 очков.
    (cм. cmp. 44)

Три деревни Косоглаз, Борода и Алошек лугновцы, Курнос чередовец, Длинноух — правдовец.

Юными мыслителям «Иди не медленно в комнату номер двести три». При решении восползуйте прициппом телевидения и сложите из этих 35 букв прямого лыжером 5×75 \times 7.

К статье «Тригонометрическе уравнения»

  1. x=kπ2x = \frac{k\pi}{2}. Указание. 1=(sin⁡2x+cos⁡2x)21 = (\sin^2 x + \cos^2 x)^2.

  2. x=π4+2kπx = \frac{\pi}{4} + 2k\pi. Указание. Привести левую часть уравнения к виду cos⁡x+sin⁡x\cos x + \sin x и возвести в квадрат.

  3. x=π4+nπ2x = \frac{\pi}{4} + \frac{n\pi}{2};
    x=±12 arccos 1−174+πk.x = \pm \frac{1}{2} \text{ arccos } \frac{1 - \sqrt{17}}{4} + \pi k.

  4. x=3nπx = 3n\pi; x=±π4+3kπ2x = \pm \frac{\pi}{4} + \frac{3k\pi}{2}.

  5. x=−arctg(1+2)+πn=−38π+πnx = -\text{arctg} (1 + \sqrt{2}) + \pi n = -\frac{3}{8}\pi + \pi n.

К статье «Московский институт народного хозяйства имен Г. В. Пlexанова»

Общеэкономический факультет

  1. Трудность задачи состоит в том, что нужно найти не сами неизвестные величины, а их отношение.

Пусть скорости автоматической будут соответственно v1v_1, v2v_2 и v3v_3. Тогда
23v1=2v1−v3,\frac{2}{3} v_1 = 2v_1 - v_3,
12v2=2v2−v3.\frac{1}{2} v_2 = 2v_2 - v_3.

Имеем систему двух уравнений с треями неизвестными.
Вычитем из первого уравнения второе:
23v1−12v2=2v1−2v2,\frac{2}{3} v_1 - \frac{1}{2} v_2 = 2v_1 - 2v_2,
и поделим его на v2v_2:
23(v1v2)−12=2(v1v2)−2,\frac{2}{3} \left( \frac{v_1}{v_2} \right) - \frac{1}{2} = 2 \left( \frac{v_1}{v_2} \right) - 2,
43(v1v2)=32,v1v2=98.\frac{4}{3} \left( \frac{v_1}{v_2} \right) = \frac{3}{2}, \quad \frac{v_1}{v_2} = \frac{9}{8}.

    1. Sπ=S6+SоснS_\pi = S_6 + S_{\text{осн}}; (рис. 1)
  1. Sπ=12⋅4⋅AD⋅ES+AD2=2AD⋅ES+AD2=AD(2ES+AD)S_\pi = \frac{1}{2} \cdot 4 \cdot AD \cdot ES + AD^2 = 2AD \cdot ES + AD^2 = AD (2ES + AD);

  2. OO1=OM=acos⁡αOO_1 = OM = a \cos \alpha (ΔOSM);

  3. O1E=OO1 ctg α2=acos⁡α ctg α2O_1E = OO_1 \text{ ctg } \frac{\alpha}{2} = a \cos \alpha \text{ ctg } \frac{\alpha}{2};

  4. AD=2O1E=2acos⁡α ctg α2AD = 2O_1E = 2a \cos \alpha \text{ ctg } \frac{\alpha}{2};

Лист 78

с. 76Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

76

  1. SE=O1Ecos⁡α=acos⁡αctgα2cos⁡α=actgα2SE = \frac{O_1E}{\cos \alpha} = \frac{a \cos \alpha \text{ctg} \frac{\alpha}{2}}{\cos \alpha} = a \text{ctg} \frac{\alpha}{2};

  2. Sπ=2acos⁡αctgα2(2actgα2+2acos⁡αctgα2)=4a2ctg2α2cos⁡α×(1+cos⁡α)=8a2ctg2α2cos⁡αcos⁡2α2S_\pi = 2a \cos \alpha \text{ctg} \frac{\alpha}{2} \left( 2a \text{ctg} \frac{\alpha}{2} + 2a \cos \alpha \text{ctg} \frac{\alpha}{2} \right) = 4a^2 \text{ctg}^2 \frac{\alpha}{2} \cos \alpha \times (1 + \cos \alpha) = 8a^2 \text{ctg}^2 \frac{\alpha}{2} \cos \alpha \cos^2 \frac{\alpha}{2};
    Sπ=8a2ctg2α2cos⁡αcos⁡2α2κ.e∂S_\pi = 8a^2 \text{ctg}^2 \frac{\alpha}{2} \cos \alpha \cos^2 \frac{\alpha}{2} \kappa. e\partial.

Здесь наиболее частая ошибка — непра-
вильное проведение радиуса шара в точку
касания. Многие абитуренты изобразили
его параллельным основанию примыdlы.

  1. cos⁡7x+sin⁡22x=cos⁡22x−cos⁡x\cos 7x + \sin^2 2x = \cos^2 2x - \cos x;
    cos⁡7x+1−cos⁡4x2=1+cos⁡4x2−cos⁡x\cos 7x + \frac{1 - \cos 4x}{2} = \frac{1 + \cos 4x}{2} - \cos x;
    2cos⁡4x⋅cos⁡3x=cos⁡4x2 \cos 4x \cdot \cos 3x = \cos 4x;
    cos⁡4x⋅(2cos⁡3x−1)=0\cos 4x \cdot (2 \cos 3x - 1) = 0.
  1. cos⁡4x=0;x=π8+π4k\cos 4x = 0; x = \frac{\pi}{8} + \frac{\pi}{4} k;

  2. 2cos⁡3x−1=02 \cos 3x - 1 = 0;
    cos⁡3x=12\cos 3x = \frac{1}{2};
    x=±π9+23πkx = \pm \frac{\pi}{9} + \frac{2}{3} \pi k.

  1. lg⁡2100x−lg⁡210x+lg⁡2x=6\lg^2 100x - \lg^2 10x + \lg^2 x = 6;
    (2+lg⁡x)2−(1+lg⁡x)2+lg⁡2x=6(2 + \lg x)^2 - (1 + \lg x)^2 + \lg^2 x = 6;
    lg⁡x=y\lg x = y;
    y2+4y+4−1−2y−y2+y2=6y^2 + 4y + 4 - 1 - 2y - y^2 + y^2 = 6;
    y2+2y−3=0y^2 + 2y - 3 = 0;
    y1,y2=−1±1+3y_1, y_2 = -1 \pm \sqrt{1+3};
    y1=1;y2=−3y_1 = 1; y_2 = -3;

Рис. 1.

Рис. 2.

Рис. 3.

Факультет экономического кибернетики

  1. {100v1−2⋅100v1+v2=2,100v1−100v2=103,\left\{ \begin{array}{l} \frac{100}{v_1} - 2 \cdot \frac{100}{v_1 + v_2} = 2, \\ \frac{100}{v_1} - \frac{100}{v_2} = \frac{10}{3}, \end{array} \right.
    100(v2−v1)=2v1(v1+v2)100 (v_2 - v_1) = 2v_1 (v_1 + v_2),
    100(v2−v1)=103v1v2100 (v_2 - v_1) = \frac{10}{3} v_1 v_2.
    3⋅2v1(v1+v2)10v1v2=1\frac{3 \cdot 2v_1 (v_1 + v_2)}{10v_1v_2} = 1;
    3v12+3v1v2=5v1v23v_1^2 + 3v_1v_2 = 5v_1v_2;
    3v12=2v1v2;v2=32v13v_1^2 = 2v_1v_2; v_2 = \frac{3}{2} v_1;
    100⋅12v1=2v1⋅52v1100 \cdot \frac{1}{2} v_1 = 2v_1 \cdot \frac{5}{2} v_1;
    v1=10 km/час;v2=15 km/часv_1 = 10 \text{ km/час}; v_2 = 15 \text{ km/час}.

  2. AC=Hctg βAC = H \text{ctg } \beta; (рис. 2)
    BD=Hctg αBD = H \text{ctg } \alpha;
    Sосн=12AC⋅BD⋅sin⁡γ=12H2ctg αctg βsin⁡γS_{\text{осн}} = \frac{1}{2} AC \cdot BD \cdot \sin \gamma = \frac{1}{2} H^2 \text{ctg } \alpha \text{ctg } \beta \sin \gamma;

Многие абитуренты, использяя при определении площади основания формулу S=d1d22sin⁡γS = \frac{d_1 d_2}{2} \sin \gamma, полагали, что в основании прямой признаны лежит квадрат, прямоугодник или параллель грамм. Здесь нужно было поясить, какая фигура лежит в основании, и доказать правомерность этой формулы.

Лист 79

с. 77Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

77

  1. (x+1)[(12)2(x−1)+11(12)x−3]=0;x1=−1;(12)x=y;4y2+11y−3=0;y1=14;y2=−3<0;(12)x=(12)2;x2=2.(x+1)\left[\left(\frac{1}{2}\right)^2(x-1) + 11\left(\frac{1}{2}\right)^x - 3\right] = 0; x_1 = -1; \left(\frac{1}{2}\right)^x = y; 4y^2 + 11y - 3 = 0; y_1 = \frac{1}{4}; y_2 = -3 < 0; \left(\frac{1}{2}\right)^x = \left(\frac{1}{2}\right)^2; x_2 = 2. Okоло 70% абитурентов не указали корень x=−1x = -1.

  2. Так как при π2≤x≤3π2\frac{\pi}{2} \leq x \leq \frac{3\pi}{2} имеем cos⁡x≤0\cos x \leq 0, то
    1−sin⁡2x=−cos⁡x,\sqrt{1 - \sin^2 x} = -\cos x,
    8cos⁡2x−2cos⁡x−3=0,8\cos^2 x - 2\cos x - 3 = 0,
    cos⁡x=−12,\cos x = -\frac{1}{2},
    x1=23π,x2=43π.x_1 = \frac{2}{3}\pi, \quad x_2 = \frac{4}{3}\pi.

Некоторые абитуренты уединили радикал и возводили обе части уравнения в квадрат. Другие не учтывают области определения аргумента и писали
x=±23π+2kπ.x = \pm \frac{2}{3}\pi + 2k\pi.

Финансовый факультет

  1. Задчаа допускает несколько интересных решений с использованием теоремы синусов, теоремы тангенсов, с применением дополнительных построений и др. Приведем одно из них (рис. 3):
    tg2α=3ah,3tgα=3ah,tg2α=3tgα,\text{tg} 2\alpha = \frac{3a}{h}, \quad 3\text{tg} \alpha = \frac{3a}{h}, \quad \text{tg} 2\alpha = 3\text{tg} \alpha,
    2tgα1−tg2α=3tgα,tgα=33,α=30∘.\frac{2\text{tg} \alpha}{1 - \text{tg}^2 \alpha} = 3\text{tg} \alpha, \quad \text{tg} \alpha = \frac{\sqrt{3}}{3}, \quad \alpha = 30^\circ.
    Ответ: AB=10 cm,AC=20 cm,BC=103AB = 10\text{ cm}, \quad AC = 20\text{ cm}, \quad BC = 10\sqrt{3}.
  2. lg⁡22x+lg⁡23x=lg⁡22+lg⁡23,lg⁡22x−lg⁡22=lg⁡23−lg⁡23x,lg⁡x⋅lg⁡4x=lg⁡1x⋅lg⁡9x=−lg⁡x⋅lg⁡9x.\lg^2 2x + \lg^2 3x = \lg^2 2 + \lg^2 3, \quad \lg^2 2x - \lg^2 2 = \lg^2 3 - \lg^2 3x, \quad \lg x \cdot \lg 4x = \lg \frac{1}{x} \cdot \lg 9x = -\lg x \cdot \lg 9x.
  1. lg⁡x=0,x1=1\lg x = 0, \quad x_1 = 1;
  2. lg⁡4x=−lg⁡9x,lg⁡4+lg⁡x+lg⁡9+lg⁡x=0,\lg 4x = -\lg 9x, \quad \lg 4 + \lg x + \lg 9 + \lg x = 0,
    2lg⁡x=−lg⁡36,x2=136,x2=16.2\lg x = -\lg 36, \quad x^2 = \frac{1}{36}, \quad x_2 = \frac{1}{6}.
  1. Составим таблицу:

| Автомобиль | Скорость | Время движения до встречи | Продление расстояние до встречи | Продление расстояние после встречи | Время движения после встречи |
| :— | :— | :— | :— | :— | :— |
| I | xx | 44 | 4x4x | 4y4y | 4yx4\frac{y}{x} |
| II | yy | 44 | 4y4y | 4x4x | 4xy4\frac{x}{y} |

  1. 4x+4y=280,4x + 4y = 280,
    4yx−4xy=73,4\frac{y}{x} - 4\frac{x}{y} = \frac{7}{3},
    12t2−7t−12=0;12t^2 - 7t - 12 = 0;
    t=43;y=43x;x=30 km/час,y=40 km/час.t = \frac{4}{3}; \quad y = \frac{4}{3}x; \quad x = 30\text{ km/час}, \quad y = 40\text{ km/час}.
  2. sin⁡x⋅sin⁡2x⋅sin⁡3x=14sin⁡4x,\sin x \cdot \sin 2x \cdot \sin 3x = \frac{1}{4}\sin 4x,
    4sin⁡x⋅sin⁡2x⋅sin⁡3x=2sin⁡2x⋅cos⁡2x,sin⁡2x(2sin⁡x⋅sin⁡3x−cos⁡2x)=0,sin⁡2x(cos⁡2x−cos⁡4x−cos⁡2x)=0,sin⁡2x⋅cos⁡4x=0,4\sin x \cdot \sin 2x \cdot \sin 3x = 2\sin 2x \cdot \cos 2x, \quad \sin 2x (2\sin x \cdot \sin 3x - \cos 2x) = 0, \quad \sin 2x (\cos 2x - \cos 4x - \cos 2x) = 0, \quad \sin 2x \cdot \cos 4x = 0,
    x=kπ2,x=π8(2k+1)(k=0,±1,±2,… ).x = \frac{k\pi}{2}, \quad x = \frac{\pi}{8} (2k + 1) \quad (k = 0, \pm 1, \pm 2, \dots).

Факультет товароведения промышленных товаров

  1. 14 км/час, 2 км/час.
  2. 2π⋅sin⁡α+sin⁡βsin⁡α⋅sin⁡β.\frac{2}{\pi} \cdot \frac{\sin \alpha + \sin \beta}{\sin \alpha \cdot \sin \beta}.
  3. x=2.x = 2.
  4. Решений нет.

Факультет экономики и организации материально-технического снабжения

  1. 2<x<3;6<x<7.2 < x < 3; \quad 6 < x < 7.
  2. V=23h3sin⁡αtg2φsin⁡(α+β)sin⁡βкуб. ед.V = \frac{2}{3}h^3 \sin \alpha \text{tg}^2 \varphi \sin (\alpha + \beta) \sin \beta \text{куб. ед.}

Лист 80

с. 78Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

78

  1. 6 км/час, 4 км/час, 10 км.
  2. x=πk;x=(−1)karcsin⁡34+πkx = \pi k; x = (-1)^k \arcsin \frac{3}{4} + \pi k.

Факультет экономики промышленности

  1. 80 км/час, 48 км/час, 480 км.
  2. V=233⋅35H3;S=235H2V = \frac{2\sqrt{3}}{3 \cdot 35} H^3; S = \frac{2\sqrt{3}}{5} H^2.
  3. x=3x = 3.
  4. x=π6+πkx = \frac{\pi}{6} + \pi k.

Торгово-экономический факультет

  1. x=2x = 2.
  2. V=23a3cos⁡α2tgφV = \frac{2}{3} a^3 \cos \frac{\alpha}{2} \text{tg} \varphi.
  3. 40 км/час, 50 км/час.
  4. x=±π12+πk3,x=π6+πk3x = \pm \frac{\pi}{12} + \frac{\pi k}{3}, x = \frac{\pi}{6} + \frac{\pi k}{3}.

К заметке «Наш зоопарк»
(см. «Квант» № 1, 1973)

К заметке «Картезанский водолаз»
Барометр сделать не удостся. С увеличением глубины погружения «водолаза» давление воды возрастает, возник в «водолазе» еще больше скимается, и «водолаз» всестремительнее опускается на дно. Однако можно отрегулировать «водолаза» так, что он будет опускаться на дно, если атмосферное давление станет выше неокоторий величины.

К заметке «Квант» для младших школьников»
(см. «Квант» № 1, 1973, 3-я стр. обл.)

  1. Есть лишь один слуай, когда, зная номер трамвая, нельзя определить возраст детей; отсюда находится номер трамвая. Указание, что один из детей — старший, исключает слуай со старшим близнецами.
  2. Сумма чисел всех карточек нечетна. Однако можно перевернуть карточки с числом 16 (получив 91) и неокоторий другие.
  3. a=1,b=9,c=8a = 1, b = 9, c = 8.
  4. Под действием атмосферного давления крышечка «втяжется» в бутылку (давление на нее сверху уменыштся).
  5. Второму человеку, несущему бревно, станет от этой «помощи» тяжелее. Убедиться в этом вы можете на собственном опиле или воспользоваться правилом рычага.

К заметке «За сколько ходов»
(см. «Квант» № 1, 1973)

  1. Для решения воспользоваться рисуком 4. Здесь десять квадратов соответствуют полям нашей необычной доски, а отрезками соединины квадраты, между которых возможно ход коня. Поле с 3 является как «транзитным»: связь между двумя ветками полей, которые мы видим на рисунке, а также полем a2, возможно только через него.
  2. Сделайте рисуок, аналогичный рисуку 4. Из него будет сразу следовать решение, всего понадобится 22 хода.
  3. Цель достигается за 26 ходов.
  4. Коня можно съять за 27 ходов.
  5. Перестановку слонов можно осуществить за 36 ходов.

Рис. 4.

Лист 81

с. 79Набрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

79

К статье «Телевизонные физико-математические курсы для поступающих вузы»
(cm. «Квант» № 1, 1973 e.)

Физика

Вариант 1

  1. Пуля пролетит выше центра мишени на величины

S=h−gl2v2(2L+l)≈0,14 м.S = h - \frac{gl}{2v^2} (2L + l) \approx 0,14 \text{ м.}

  1. После освобождения груза CC (см. рисунок в условия задачи) система начинает движение сускорением a=g/3a = g/3. Это происходит до тех пор, пока груз AA не коснется подставки. Взанмодействие груzos с подставкой и между собой (при соударении груzos AA и BB) считаем абсолотно неупругим. Время движения на этом этапе равно t1=23hgt_1 = 2 \sqrt{\frac{3h}{g}}; конечная скорость v1=2gh3v_1 = 2 \sqrt{\frac{gh}{3}} (на графике в координатах v,tv, t—наклонная прямая, идушая вверх).

Далее груз CC движется равномерно с скоростью v1v_1 до тех пор, пока груз BB не коснется груза AA. Время движения t2=t1=hv1=123hg=14t1t_2 = t_1 = \frac{h}{v_1} = \frac{1}{2} \sqrt{\frac{3h}{g}} = \frac{1}{4} t_1 (на графике—прямая, параллельная оси абсцисс).

Затем груз CC движется сускорением gg, направленным вниз (как в случае движения тела, брошеного вертикально вверх). Пройдя наивысшую точку, груз CC опускается и в момент t3t_3 начиная поднимать груз BB.

t3−t2=2v1g=4h3g=23t1.t_3 - t_2 = 2 \frac{v_1}{g} = 4 \sqrt{\frac{h}{3g}} = \frac{2}{3} t_1.

Тангенс угла наклона графика скорости к горизонтальной оси по абсолотной величины второе больше, чем на первом этапе (на графике—наклона прямая, идушая вниз и пересекающая ось абсцисс).

В момент t3t_3 проходит скучообразная потеря скорости груза CC (нить считаем нерастяжимой) в соответствии с законом сохранения количества движения: mv1=2mv2mv_1 = 2mv_2; v2=12v1=gh3v_2 = \frac{1}{2} v_1 = \sqrt{\frac{gh}{3}} (на графике—прямая, параллельная оси абсцисс).

В момент t4t_4 начиная подниматься груз AA, и снова проходит скучообразное изменение скорости груза CC. Закон сохранения количества движения имеет вид: 2mv2=3mv32mv_2 = 3mv_3; v3=23v2=13v1=23gh3v_3 = \frac{2}{3} v_2 = \frac{1}{3} v_1 = \frac{2}{3} \sqrt{\frac{gh}{3}} (прямая, параллельная оси ordinат).

Затем груз CC движется равнозамедленно (наклонная прямая, идушая вверх и пересекающая ось абсцисс).

t5−t4=v3a=2h3g=13t1t_5 - t_4 = \frac{v_3}{a} = 2 \sqrt{\frac{h}{3g}} = \frac{1}{3} t_1

Начиная с моментта t5t_5 картина будет повторяться. При этом периодические движения все системы затухают, так как начальная скорость груза CC стремится к нулю при t→∞t \rightarrow \infty.

  1. m1=mgklλ(1−kctgα)≈1,95⋅10−3кгm_1 = \frac{mgkl}{\lambda(1 - k \text{ctg} \alpha)} \approx 1,95 \cdot 10^{-3} \text{кг}.

Вариант 2

  1. v0=2h−gt22tsin⁡α=67м/cv_0 = \frac{2h - gt^2}{2t \sin \alpha} = 67 \text{м/c}

s=v0cos⁡α(2v0sin⁡αg+t)=435мs = v_0 \cos \alpha \left(2 \frac{v_0 \sin \alpha}{g} + t\right) = 435 \text{м}

  1. Будем решать задачу на основе закона сохранения энергии. Некоторые условия связано с неопределенным характериститом взаимодействия тел при ударе. Так как шарик стекаивает после удара, ясно, что удар упругий. Но он может быть не абсолотно упругим, то есть часть механической энергии может перейти в немеханическое виды, например, в тепловую энергию.

Закон сохранения энергии при ударе:

mv022=MV22+mv22+Q,\frac{mv_0^2}{2} = \frac{MV^2}{2} + \frac{mv^2}{2} + Q,

где QQ—немеханическое виды энергии,

v0v_0—скорость шарика перед ударом,

vv—скорость шарика после удара,

VV—скорость тела после удара.

При движении шарика из начального положения 11 к точке удара AA (см. рисунок к условиям задачи) сохранется механическая энергия шарика:

mgh=mgl(1−cos⁡α)=mv22.mgh = mgl (1 - \cos \alpha) = \frac{mv^2}{2}.

Тело MM при ударе получает кинетическое энергию MV22\frac{MV^2}{2}, которая переходит в тепловую

Лист 82

без номераНабрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

Энергия в процессе совершения работы против силь трения:

MV22=Fтр⋅S=kMgS.\frac{MV^2}{2} = F_{\text{тр}} \cdot S = kMgS.

(4)

Решая совместно уравнение (1-4), получим:

mgl=kMgS+mgl(1−cos⁡α)+Qmgl = kMgS + mgl(1 - \cos \alpha) + Q

(5)

или

kMgS=mglcos⁡α−Q.kMgS = mgl \cos \alpha - Q.

(6)

От уравнения (6) легко переходим к неравенству:

kMgS≤mglcos⁡αkMgS \leq mgl \cos \alpha

(7)

или

k≤mlcos⁡αMS,k≤1.8⋅10−3.k \leq \frac{ml \cos \alpha}{MS}, \quad k \leq 1.8 \cdot 10^{-3}.

Равенство имеет место при Q=0Q = 0, то есть при абсцилтоуну пругом ударе.

  1. m=πd2hρ1ρ24(ρ1−ρ2)=0,41κ2m = \frac{\pi d^2 h\rho_1 \rho_2}{4(\rho_1 - \rho_2)} = 0,41 \kappa_2.

Математика

Контрольная работа № 1

    1. Указание. В этом примере приходится обращать смешанно-перiodические и чисто-перiodические бесконечные десятчные дроби в обычновенные дроби. Вот один из практических примеров такого обращения.

Пусть дана чисто-перiodическая дробь x=0x = 0, (a)(a), где число aa содержит kk цифр. Перепишем заданное число так: x=0x = 0, a(a)a(a) и умножим на 10k10^k. Получим 10k⋅x=a10^k \cdot x = a, (a)(a).

Если теперь из 10kx10^k x вычесть xx, то получим x⋅(10k−1)=ax \cdot (10^k - 1) = a, открывающая x=a10k−1x = \frac{a}{10^k - 1}.

Если дана смешанно-перiodическая дробь x=0x = 0, b(a)b(a), где число bb содержит nn цифр, а число aa содержит kk цифр, то умножим xx на 10n10^n, получим 10n⋅x=b10^n \cdot x = b, (a)(a) или 10n⋅x=b10^n \cdot x = b, a(a)a(a). А теперь умножим обе части последнего равенства на 10k10^k: 10n+k⋅x={b}{a}10^{n+k} \cdot x = \{b\} \{a\}, (a)(a) (здесь {b}{a}\{b\} \{a\} означает последовательную запись цифр, образующих число bb и число aa). Если теперь из 10n+kx10^{n+k} x вычесть 10n⋅x10^n \cdot x, то получим {b}{a}−b\{b\} \{a\} - b, открывающая xx.

Например, x=2,708x = 2,708 (3). Тогда 1000x=27081000x = 2708, (3) или 1000x=2708,31000x = 2708,3 (3). Далее, 1000x⋅10=270831000x \cdot 10 = 27083, (3), 10000x−10000x=2708310000x - 10000x = 27083, (3) – 2708, (3), то есть 9000x=243759000x = 24375, сткуда x=6524x = \frac{65}{24}.

  1. Указание. Применить неравенство Коши: 1+ai2≥1⋅ai\frac{1 + a_i}{2} \geq \sqrt{1 \cdot a_i} (i=1,2,...,ni=1,2,...,n).

  2. 72a2−3a+9\frac{72}{a^2 - 3a + 9}.

  3. 2, если a>1a > 1; 0, если 0≤a<10 \leq a < 1. Указание. Учесть, что a−2a+1=∣a−1∣\sqrt{a - 2 \sqrt{a}} + 1 = |\sqrt{a} - 1|.

  4. –b. Указание. Так как числа aa и bb возводятся в дробные степени, то они неотрицательны (причем b≠0b \neq 0).

  5. sin⁡2α\sin 2\alpha.

  6. 0,6. Указание. Из уравнения 3tg2α−10tgα+3=03tg^2 \alpha - 10tg \alpha + 3 = 0 находим tgα=13tg \alpha = \frac{1}{3} или tgα=3tg \alpha = 3. Но из условия 54π<α<32π\frac{5}{4} \pi < \alpha < \frac{3}{2} \pi заключаем, что tgα=3tg \alpha = 3.

Лист 83

без номераНабрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

19 февраля 1973 г. исполняется 500 лет со дня рождения Великого полского ученого-астропома Николая Коперника (1473—1543 г.). Эта дата широко отмечается во всем мире.

Большинство людей обычно доверят своему практическому опыту. Обыт говорит, например, что утром Солнце поднимается на востоке, движется по небу и вечером заходит на западе. Этот практический опыт был отражен в учении остроении Вселенной древнегреческого ученого Клавдия Птолемея, утверждавшего, что Земля находится в центре Вселенной, а вокруг не движутся Солнце, планеты и звезды. Учение Птолемея хорошо согласовывается с Библией, где говорилось, что, создавая мир, Бог перым делом сотрудил Землю. В течение многих веков учены вносили поправки в таблицы Птолемея, предсказывающие различные небесные явления, но саму геоцентрическую систему мира никогда не подвергал сомнению.

Коперник ответят этиложные представления остроении Вселенной. Он пришел к выводу, что все планеты движутся по круговым орбитам вокруг Солнца и установил, что Земля обхоДит Солнце за год, врачаясь при этом вокруг своей оси. Теория Коперника произвела переворот встроении и подорвала основы учения церкови.

Копернику посвязывано около 50 марок и блоков. Вполне понятно, что наиболее чисто таких марок выпущено на его родине в Польше. Первые две марки с портретом Коперника вышли в Польше в 1923 г. (на фото приведена одна из них). В нашем журнале (№ 1, 1971 г.) были воспроизведены 17 марок, посвязываемых Николай Коперни-

УГОЛОК КОЛЛЕКЦИОНERA

КОПЕРНИК DOM KOPERNIK

РОLSKA 40

ASTROLABIUM

КОРАКОВ POLSKA 60

GEOMETRIA EUKLIDESA PRZEZRSANA W KRAKOWIE W PODRECZNIK M KOPERNIK

НИКОЛАЙ КОПЕРНИК

купоне приведена схема его геоцентрической системы.

На фото вы видите также марку Иеменской арабской республики с портретом Николая Коперника и другого Великого astrophона Иоганна Кеплера, который был сторонником теории Коперника и страсти зашиал ее.

А. В. Алтыкис

Лист 84

без номераНабрано по скану (zai-org/GLM-OCR)

к…я, наконец, после многочисленных и продолжительных наблюдений обнаружил, что если с круговым движением Земли сравнить движения и остальных блуждающих светил и вычислить эти движения для перiodа обращения каждого светила, то получается наблюдаемые у этих светил явления. Кроме того, последовательность и величины светил, все сферы и даже само небо оказывается так связанным, что ничего нельзя будет представить ни в какой части, не произведя путанцы в остальных частих и во всей Вселенной.