Квант
Задачник «Кванта»

Решения задач М816, М817, М819, М820; Ф828—Ф832

39

Решения задач
M816, M817, M819, M820*); Ф828—Ф832

М816. Натуральные числа a и b получаются друг из других перестановкой цифр. Доказите, что
a) суммы цифр чисел 2a и 2b равны;
b) суммы цифр чисел a/2 и b/2 равны (если a и b четные);
c) суммы цифр чисел 5a и 5b равны.

Сначала доказаем одно вспомогательное утверждение.
Пусть S(x)S(x) — сумма цифр натурального числа xx, N(x)N(x) — количество его цифр, больших 4. Тогда
S(2x)=2S(x)−9N(x).S(2x) = 2S(x) - 9N(x).

Представим, что мы складываем число xx само с собой столбиком, начиная с младших разрядов. Перенос единицы в очередной, (k+1)(k+1)-й разряд суммы произходит в том и только в том случае, когда в kk-м разряде числа xx стоит одна из цифр 5, 6, 7, 8 или 9 (в примере на полях это произходит во 2-м, 3-м и 5-м от конца разряда), то есть количество переносов равно N(x)N(x). При каждом переносе вместе десятики, которая входит в сумму S(x)+S(x)S(x) + S(x), возникнет единица, которая входит в сумму S(2x)S(2x), то есть S(2x)S(2x) по сравнению с 2S(x)2S(x) уменшается на 9. Отсюда получаем (*).

Теперь легко доказать утверждение задачи.
a) Подставляя в () вместе xx поочередно aa и bb и учитывая очередные равенства S(a)=S(b)S(a) = S(b) и N(a)=N(b)N(a) = N(b), получим, что S(2a)=S(2b)S(2a) = S(2b).
b) Заметим, что цифра ii-го разряда числа xx больше 4 в том и только том случае, когда цифра (i+1)(i+1)-го разряда числа 2x2x нечетна. Поэтому N(x)N(x) равно количеству нечетных цифр в числе 2x2x. Следовательно, для чисел aa и bb, составленных из одних и тех же цифр, N(a/2)=N(b/2)N(a/2) = N(b/2) и в силу (
)
S(a2)=12(S(a)+9N(a2))=12(S(b)+9N(b2))=S(b2).S\left(\frac{a}{2}\right) = \frac{1}{2}\left(S(a) + 9N\left(\frac{a}{2}\right)\right) = \frac{1}{2}\left(S(b) + 9N\left(\frac{b}{2}\right)\right) = S\left(\frac{b}{2}\right).
в) Очевидно, числа 10a и 10b удовлетворяют условям пункт 6), поэтому
S(5a)=S(10a2)=S(10b2)=S(5b).S(5a) = S\left(\frac{10a}{2}\right) = S\left(\frac{10b}{2}\right) = S(5b).
А. Д. Лисицкий

М817. Точка KK лежит на стороне BCBC треугольника ABCABC. Доказите, что соответствие ∣AK∣2=∣AB∣⋅∣AC∣|AK|^2 = |AB| \cdot |AC| — ∣KB∣⋅∣KC∣|KB| \cdot |KC| выполняется тогда и только тогда, когда ∣AB∣=∣AC∣|AB| = |AC| или BAK=CAKBAK = CAK.

Рис. 1.
∣AK∣2=q∣AB∣2+p∣AC∣2−∣BK∣⋅∣KC∣|AK|^2 = q|AB|^2 + p|AC|^2 - |BK| \cdot |KC|
где p=∣BK∣:∣BC∣p = |BK| : |BC|, q=∣CK∣:∣BC∣q = |CK| : |BC|.

Первое решение (рис. 1). Пусть p=∣BK∣:∣BC∣p = |BK| : |BC|, q=1−p=∣CK∣:∣BC∣q = 1 - p = |CK| : |BC|, тогда
AK→=AB→+BK→=AB→+pBC→=AB→+p(AC→−AB→)=qAB→+pAC→.\overrightarrow{AK} = \overrightarrow{AB} + \overrightarrow{BK} = \overrightarrow{AB} + p\overrightarrow{BC} = \overrightarrow{AB} + p(\overrightarrow{AC} - \overrightarrow{AB}) = q\overrightarrow{AB} + p\overrightarrow{AC}.
(*)

По условиям ∣AK∣2=(qAB→+pAC→)2=∣AB∣⋅∣AC∣|AK|^2 = (q\overrightarrow{AB} + p\overrightarrow{AC})^2 = |AB| \cdot |AC| — ∣KB∣⋅∣KC∣=∣AB∣⋅∣AC∣−pq(AC→−AB→)2|KB| \cdot |KC| = |AB| \cdot |AC| - pq(\overrightarrow{AC} - \overrightarrow{AB})^2.

Раскрывая скобки и учитывая, что p+q=1p + q = 1, получаем:
q∣AB∣2+p∣AC∣2−∣AB∣⋅∣AC∣=0.q|AB|^2 + p|AC|^2 - |AB| \cdot |AC| = 0.

Следовательно, отношение длин стороны треугольника λ=∣AB∣:∣AC∣\lambda = |AB| : |AC| удовлетворяет квадратному уравнению qλ2−λ+p=0q\lambda^2 - \lambda + p = 0, то есть λ=1\lambda = 1 или λ=p/q\lambda = p/q. В первом случае ∣AB∣=∣AC∣|AB| = |AC|, во втором — ∣AB∣:∣AC∣=p/q=∣BK∣:∣KC∣|AB| : |AC| = p/q = |BK| : |KC|, откуда по известной теореме***) вытекает, что AKAK — биссерриса или BAK=CAKBAK = CAK.

С помощью равенства (*) легко вывести общую формулу для длин отрезка AKAK, известную как формула Стюарта. Она приводится на полях.

*) Задачка М818 будет решена в одном из следующих номеров «Кванта».
***) См., например, С. Р. Сефи беков «Четыре доказательства теоремы о биссеррисе» («Квант», 1983, № 8).

40

Второе решение. Возьмем на отрезке BC такую точку L, что CAL^=KAB^\widehat{CAL} = \widehat{KAB} (рис. 2). Покажем, что ∣AL∣=∣AK∣|AL| = |AK|. Отсюда будет вытекать, что либо точки L и K совпадают, то есть AK — биссертиса угла A, либо ΔALK\Delta ALK равноведренный и тогда по теореме о внешнем угле треугольника

ABC^=AKC^−BAK^=ALB^−LAC^=ACB^,\widehat{ABC} = \widehat{AKC} - \widehat{BAK} = \widehat{ALB} - \widehat{LAC} = \widehat{ACB},

то есть треугольник ABC — равноведренный.

Обозначим через D точку пересечения прямой AK и описанной около треугольника ABC окружности. Поскольку ACB=ADBACB = ADB, треугольник ACL подобен треугольнику ADB, следовательно, ∣AL∣⋅∣AD∣=∣AB∣⋅∣AC∣|AL| \cdot |AD| = |AB| \cdot |AC|. Треугольники ACK и BDK также подобны (ACB^=ADB^,AKC^=BKD^\widehat{ACB} = \widehat{ADB}, \widehat{AKC} = \widehat{BKD}), поэтому ∣BK∣⋅∣KC∣=∣AK∣⋅∣KD∣|BK| \cdot |KC| = |AK| \cdot |KD|. Таким образом, равенство, данные в условия, эквивалентно следующему

∣AK∣2=∣AL∣⋅∣AD∣−∣AK∣⋅∣KD∣|AK|^2 = |AL| \cdot |AD| - |AK| \cdot |KD|

или

∣AK∣(∣AK∣+∣KD∣)=∣AL∣⋅∣AD∣.|AK|(|AK| + |KD|) = |AL| \cdot |AD|.

Отсюда и вытекает, что ∣AK∣=∣AL∣|AK| = |AL|.

А. Л. Тоом, Н. Б. Васильев

M819. В Швамбрании n городов, каждые два из которых соединены дорогой. (Дороги сходятся лишь в городах, все пересечения ограничены в разных угловях.) Злой волшебник намерена установить на каждой дороге одностороннее движение так, что, выхав из любого города, в него уже нельзя будет вернуть. Докажите, что a) волшебник может это сделать;
б) при этом найдется город, из которого можно добрать до всех других, и найдется город, из которого нельзя выехать;
в) существует n!=1×2×⋯×nn! = 1 \times 2 \times \dots \times n способов осуществить намерение этого волшебника.

a) Волшебник может занутеровать все города Швамбрании числами от 1 до n и установлен на каждой дороге движение от города с меньшим номером к городу с большим номером. Этим он достигнет своей цели, потому что номера городов, которые встретиются при движении по любому маршруту с таким ограничением будут всегда возвращать.

b) Начав с любого города, подем по дорогам Швамбрании, соблюдая правила этого волшебника. Будем дивится, пока это возможно. Никакой город не встретиется на нашем пути движения, и поскольку число городов конечно, рано или поздно нам придется остановиться. Но это и значит, что мы попали в город Z, из которого нельзя выехать.

Теперь обратим направления движения на всех дорогах. Ясно, что дивитсь по новым правилам, мы опять не сможем посетить движения один и тот же город. Поэтому, как и выше, найдется город A, из которого нельзя выехать по новым (!) правилам. Следовательно, первоначально на дороге, соединяющей A с любым другом городом B, было установлено движение от A к B, то есть из A можно попасть в любой город (пройяд всего одну дорогу).

Заметим, что из любого города кроме Z можно выехать (например, в Z), а в любой городу кроме A можно выехать.

в) Проведем индукцию по числу городов n. При n = 1 утверждение в) очевидно. Докажем его для n городов, считая, что оно справедливо для n — 1 городов. Согласно пункту 6), при любых правилах движения, удовлетворiousых условиям этого волшебника, найдется один и только один город Z, из которого нельзя выехать. Им может быть любой из n городов.

На всех дорогах, соединяющих по направлению к городу Z. Поэтому никакой маршрут, соединяющий два других города, уже не может пройти через Z и надо только установить направления на дорогах между остальными n — 1 городами так, чтобы ни в один из них нельзя выехать, дивитсь по этим направлениям. По предположению индукции это можно сделать (n — 1)! способами. Следовательно, общее число способов равно n · (n — 1)! = n!.

Другое решение основано на том, что существует единственный самый длинный (по числу дорог) маршрут

43

Пар над поверхностью расторова содержит только молекулы воды. Универсальная зазовая постоянная R=8,3R = 8,3 Дж/(моль·К).

Плотность ρπ\rho_{\pi} пара при температуре T=293T = 293 К найдем из уравнения газового состояния:

ρπ=pmacμRT.\rho_{\pi} = p_{\text{mac}} \frac{\mu}{RT}.

Таким образом,

h=0,05c2RTμg(2h0h−1).h = \frac{0,05c_2RT}{\mu g} (2 \frac{h_0}{h} - 1).

Подставляя приведенные в условия числовые данные, находим

h≈16,4 см.h \approx 16,4 \text{ см.}

Интересно отмечить, что, как следует из рассмотренной задачи, если под колпаком будет нахождение два одинаковых сосуда с расторами разных концентраций, то испарение будет произходить из растора с меньшей концентрацией. И наоборот, водяной пар будет конденсироваться в растор с большей концентрацией. Таким образом, концентрации будут стремиться выравнять. Именно с этим физическим явлением связано намокание сахара, соли и т. п. в атмосфере влажного воздуха.

А. И. Буздин

Ф831. Незарженная проводящая тонкостенная сферическая оболочка помещена в однородное электрическое поле. При направлении поля E0E_0 оболочка разрывается. При какой минимальной направлении поля разорвется оболочка вдвое большего радиуса, имеющая ту же толщину стенок?

◆ На проводящей оболочке, помещенной в электрическое поле, будет индуцированная заряды. Поверхностная плотность этих зарядов пропорциональна направлению поля EE. При изменении размера оболочки в nn раз и направлении поля в kk раз сили, действующие на половинки сферы (на которых индуцированны заряды противоположных знаков), изменяется в k2n2k^2n^2 раз.

Поскольку толщина стенок остается постоянной, сила, прихождения на единицу длины оболочки, должна быть прежней. Если в первом случае разрыв пропорциональна направлению поля в kk раз и направлении поля в nn раз и направлении поля в kk раз разрыв пропорционален, Из условия f=(k2n2/n)f0f = (k^2n^2/n)f_0. Из условия f=f0f = f_0 следует:

k2n2n=1⇒k=1n.\frac{k^2n^2}{n} = 1 \Rightarrow k = \frac{1}{\sqrt{n}}.

При увеличении радиуса оболочки в два раза разрыв пропорционален поля

E=E0/2.E = E_0 / \sqrt{2}.

С. К. Строков

Ф832*. Квадратная недеформируемая сверхпроводящая рамка со стороны а расположена горизонтально и находится в недородном магнитном поле, индукция которого меняется в пространстве по закону

Bx=−kx,B_x = -kx,

By=0,B_y = 0,

Bz=kz+B0.B_z = kz + B_0.

Масса рамки mm, индуктивность LL. В начальной момент центр рамки совпадает с началом координат, а стороны паралелны осем XX и YY. Рамку оттускают. Как она будет движаться и где оказется через время tt?

Магнитный поток, произвывающий площадку, ограниченную сверхпроводящим контуром, постоянен. Действительно, ΔΦ/Δt=δi\Delta \Phi / \Delta t = \delta_i, но δi=iR=0\delta_i = iR = 0 (поскольку R=0R = 0), следовательно, Φ=B0a2+kz2+Li\Phi = B_0 a^2 + kz^2 + Li.

Так как в начальной момент (z=0,i=0)(z = 0, i = 0) Φ=B0a2\Phi = B_0 a^2, в любой другой момент времени значение точки ii будет определяться соотношением

Li=−kz2⇒i=−kz2L.Li = -kz^2 \Rightarrow i = -\frac{kz^2}{L}.

Результирующая сила, действующая со стороны магнитного поля на рамку с током ii, равна сумме сил, действующих на те стороны рамки, которые паралелны оси YY,