Решения задач М956—М960; Ф968—Ф972
36
Решения задач
M956. На плоскости проведены четыре окружности одинакового радиуса так, что три из них проходят через одну точку A, и три — через точку B. Докажите, что четыре точки их попарного пересечения, отличные от A и B, вершины параллелограмма.
M957. Докажите, что из 1985 различных натуральных чисел, все простые делители которых содержатся среди 9 простых чисел 2,3,…,23, можно выбрать четыре числа, произведение которых — четвертая степень целого числа.
М956—M960; Ф968—Ф972
Приведем одно из многоих решений задачи.
Обозначим центры окружностей через , точки их попарного пересечения — через (см. рисунок). Посокльку окружности равны, точка пересечения общей хорды окружностей и с их линейным центров делит оба отрезка и пополам. Аналогично, отрезки и имеют общую середину . Следовательно, отрезок является средней линий двух треугольников — и , то есть . Точно также доказывается, что , а из равенства следует, что — параллелограмм.
Докажите самостояльно, что и — точки пересечения высот треугольников и ; этот факт можно использовать для другого решения задачи (ср. с заключительным замечанием в решении задачи M951 в прошлом номере «Кванта»).
В. Н. Дубровский
Докажем, что из данных чисел можно выбрать достаточно много таких пар , что произведение — квадрат целого числа; точнее: из чисел (с 9 простыми множителими) можно выбрать не менее таких пар. В нашей задаче , так что можно выделить не менее , то есть по крайней мере 737 пар . Затем к целым числом можно применить еще раз то же рассудение и получить такую пару — даже таких пар,— что произведение квадрат целого числа, то есть — четвертая степень целого числа.
Осталось доказать формулированный факт. По основной теореме арифметики каждое натуральное число однозначно представляется в виде произведения простых множителей. Произведение двух целых чисел
будет точным квадратом в том и только том случае, если показатели и имеют одинаковую четность (для каждой от 1 до 9); в этом случае наборы и показателей мы будем называть сравнимыми. Будем из наборов показателей, соответствующих данным числом (с множеством 2,3,…,23), выделять одну за другой пары сравнимых наборов, до тех пор, пока это возможно. набор без пары остается не более , поскольку существует всего попарно несравнимых наборов показателей (на каждом из 9 мест может стоять либо четное, либо нечетное число — всего вариантов).
Эта задача, предложенная Монголей на последней международной оптимизации, — частный случай следующего, видимо, очень трудной проблемы. Пусть заданы натуральные
38
четным коэффициентом при той же степени , возникает новый в члене степени на большей многочлена , поэтому .
Приведем еще одно рассудение — индукцией по . Для наше утверждение очевидно .
Докажем, что если оно верно для некоторого , то оно также верно для и . Для этого, пользоваться предположением индикции и формулами (2), (3) и (4) на полях, учитем отдельно коэффициенты при четных и нечетных степенях в многочленах и . Положив, в зависимости от четности , или и применяя формулы на полях, запишем многочлен в виде .
Если , то, согласно (2), . При этом, если , то запись начинается с и включает коэффициентов при четных степенях в вес (то есть вес ) уже не меньше . Если же , то, используя (4), мы начнем запись с и по предположению индикции вклад коэффициентов при нечетных степенях в вес не меньше .
Если , то, согласно (3), и включает в вес и нечетных, и нечетных степеней не меньше , так что .
Наконец, наметим наиболее почительное решение, использующее общее правило описания всех нечетных коэффициентов многочлена . Представим в виде
такое представление всегда существует и единственно — это номера разрядов двойной записи числа , в которых стоит 1). Тогда по формуле (1) на полях , где . Поэтому коэффициент многочлена при нечетен тогда и только тогда, когда к равно нечетной подсумме суммы (*). Обозначая через множество показателей в двойном разложении , это условие можно записать в виде . Следовательно, коэффициент при многочлена нечетен тогда и только тогда, когда множество содержится в нечетном числе многочлены , ; также многочстве будем называть нечетными. Итак, нужно доказать такой число комбinatorный факт: число всех подмножества многочства не меньше числа всех нечетных многочств. Для этого достаточно сопоставить всем различных нечетные подмножества .
Если само нечетно, положим . В противном случае добавим к множество, выбранное следующим образом. Расмотрим все . содержащие — их число нечетно, — и множество , состоящие из всех элементов , не входящих в . Среди этих множеств могут встретиться одинаковые; оставим лишь те, которые представлены нечетным числом копий, из них выберем нечетное наиболее наибольшее (не содержащие в других) и положим . Легко видеть, что все множество нечетны и различны .
Если выписать коэффициенты , заменяющие на 0, а нечетные — на 1, и составить из таких строкек таблицы, получится «двоичный треугольник Паскала», показанный на полях. Попробуйте разобраться в его структуре и проследить с его помощью за последним решением.
Н. В. Васильев, Д. В. Фукс
M959. В стране между неокторыми параметрами городов установлено авационное сообщение. Докажите, что можно закрыть не более, чем 1/(k—1)—ю часть авационной таким образом, что среди любых k городов найдутся два, не содержанные между собой авационные, если
39
Для этого заметим, что число внутренних авиалиний (для выбранного «минимального» разбиения), выходящих из любого города , не больше числа авиалиний, ведущих из этого города в любую группу городов (): если бы оказалось, что , мы переведели бы город в группу и тем самым уменьшили бы число внутренних авиалиний на . Следовательно, общее число авиалиний, выходящих из города , не меньше . Суммируя такие неравенства по всем городам и учтывая, что каждая авиалиния соединяет два города, получим, что . Закроем теперь все внутренние авиалинии нашего «минимального» разбиения. Тогда из любых городов хотя бы два попадут в одну группу и не будут соединены между собой, причем закрыты будут не более авиалиний.
A. A. Разборов
M960. Если разность между кубами двух последовательных натуральных чисел — квадрат неокоторого натурального числа , то число представляется в виде суммы квадратов двух последовательных натуральных чисел.
a) Доказите это утверждение.
b) Вот один пример таких чисел: ; приведите еще хотя бы один пример.
b) Доказите, что их существует бесконечно много.
a) Пусть . Раскрывая скобки и умножая обе части равенства на 4, получим, что или . (1)
Поскольку числа и взаимно простые, равенство (1) возможно, только когда одно из этих чисел — квадрат натурального, а другой — утроенный квадрат. Но число нечетно ( это разность чисел разной четности), поэтому дает при делении на 4 остаток 3, а квадрат целого числа либо делится на 4, либо дает при делении на 4 остаток 1; следовательно, точным квадратом является ; то есть или .
6), в) Полягая в равенстве (1) , , перепшем его в виде .
Очевидно, каждому решению этого уравнения с нечетным (и, следовательно, четным ) ответает пара , удовлетворяющая условию задачи. Покажем, как по одному решению можно построить бесконечную последовательность решений. Мы воспользуемся общим методом построения решений так называемого уравнения , о котором подробно рассывалось в статье Н. Б. Васильева и В. Л. Гутенмахера «Пары чисел и действия с ними» (Квант, 1985, № 1, с. 20).
Пусть — какое-то решение (2). Определим числа и равенством . Ясно, что тогда , поэтому .
Следовательно, пары при всех также удовлетворяют уравнению (2). При этом, если нечетно четно), то при нечетном число представляется в виде и тоже нечетно.
Таким образом, начав, скажем, с и последовательно вычисляется нечетные степени
40
(2+\sqrt{3})^3=26+15\sqrt{3}, (2+\sqrt{3})^5=362+209\sqrt{3},…, мы получим бесконечный набор решений (2): (m, n)=(7, 13), (104, 181),…, которые отвечают соответствия (пример из условия задачи 6)), (ответ к задаче 6)) и т. д.
А. П. Савин, В. Н. Дубровский
Ф968. На три паралельных оси, соединенных жесткими стержнями, насажены три зацепленных шестеренки с радиусами и (рис. 1). Оси В и С врачаются вокруг неподвижной оси A с угловой скоростью ; при этом размеры треугольника ABC остаются неизменными, а шестерена радиуса движется поступательно. С какой угловой скоростью врачается шестерена радиуса ?
Рис. 1.
На рисунке 2 показано положение системы через время . За это время точки и повернуть на угол . Шестерена радиуса , согласно условиям движения, движется поступательно. Это значит, что за время эта шестерена повернулась как целое вокруг оси на угол . И вокруг собственной оси — тоже на угол . Значит, все другие отношения на рисунке 2, равны , и угловая скорость врачается шестерена радиуса определяется условиям движения.
Рис. 2.
Отсюда
.
В. Ванцелов (Болгария)
Ф969. Две банки, сделанные из одного и того же материалов, имеют одну и ту же геометрическую форму, причем все линейные размеры одной банки в к раз меньше, чем другой (см. рисунок). В две каждой банки сделано отверстие. Банки одновременно опускают на воду. Какая банка угодет скорее? Во сколько раз?
Из-за того что банки, которые погружаются в воду, сделаны из одного и того же материалов, в первый момент глубина погружения каждой из них линейно связана с размером. То есть, если размеры банок различаются в раз , то в раз различаются расстояния от поверхности воды до поверхности .
Так как перепад давления по обе стороны ответствия зависит от глубины погружения , а скорость воды, заполняющей банку через ответствие, связана с перепадом давления — , то
.
В свою очередь, скорость определяет время , за которым банка наполнится водой и поддет ко дну.
41
Таким образом, зависимости (*) являются ключевым соотношением, связывающим время с линейными размерами через ускорение свободного давления , которое в этой задаче играет роль единственной размерной constantsы, определяющей диапазму процесса. Το есть величины, имеющие размерность , например , выражаются только через и поэтому не зависит от :
Следовательно,
И. К. Соболев
Ф970. В тонкостенной непрозрачной сферической области находится шар, радиус которого в несколько раз меньше радиуса оболочки. Предложите способ определения плотности вещества, из которого сделан шар. Масса оболочки неизвестна.
Измерем вес сферы с шаром , где и — массы сферы и шара соответствующего. Прикладываем к сфере силу (силу измеряем), направленную вертикально вниз, и в момент убираем опору из-под сферы. Сфера начинает двигаться вниз с ускорением
Масса в формулу не входит, поскольку шар в момент отрывается от сферы и с ускорением (относительно сферы) движется вверх. Измерив ускорение , находим массу сферы . Измерение ускорения надо закончит до момента удара шара о сферу в ее верхней точке. Отметив этот момент времени (по звуку удара или по скачку показанной диамометра, измеряющего силу ), расчитываем радиус шара. Из , где — время движения шара, находим:
Здесь — радиус сферы, который можно измерить непосредственно, а пусть . Теперь мы знаем и радиус шара, и его массу , что позволяет решить задачу.
С. А. Хорозов
Ф971. В магнитном поле, индукция которой вертикальная, врачается около вертикальной оси так, как показано на рисунке, металлический стержень. Условая скорость врачия равна , и заданы. Найти разность потенциаль на концах стержня.
Для решения воспользовемся выражением для ЭДС в виде
Прежде всего отметим, что ЭДС будет постоянной в любой момент времени, так как стержень всегда находится в одинаковых условиях. Поэтому мы имеем право рассмотреть его полный оборот:
то есть зависит только от , а не от .
Л. Г. Маркович
42
Ф972. В высокоскоростном киностемом аппарате, приемаемом для съемки быстропroteкαιощих процессов, ленка движется непрерывно со скоростью v. Для предотвращения смызывания изображения между ленкой и объективом установлена четьрегранная стеклянная прізма с показателем преломления n, врачающая с постоянной угловой скоростью (рис. 1). Пренебрегая расфокусировкой изображения, определяте, при какой угловой скорости изображение на ленке не смызывается. Определите толщину прізмы при условии, что экспонирование изображения одного кара проводится в пределах ее угла поворота, а минимальный размер различных деталей изображения равен .
Рассмотрим точку на оптической оси. Ее изображение также расположено на оптической оси при положении прізмы, изображением на рисунке 1. При повороте прізмы на угол изображение смешается по горизонтали на от плоскости, в которой со скоростью движется кипопленка, и на величину в направлении движения пленки (рис. 2). Смешение по горизонтали приводит к расфокусировке изображения. По условияю этим эфектом можно пренебреть.
Рассмотрим, к чем приводит смение . Относительно пленки изображение движется со скоростью . Скорость вращения прізмы подбирают такой, что при малых углах скорость близка к нулю, и изображение не подвижно относительно пленки. Это объясняет назначение вращающей прізмы — она компенсирует смение пленки. Зависимость от имеет вид ( — толщина прізмы)
(выведите эту формулу самостояльно, пользоваться законом преломления).
Мгновенная скорость изображения в тот момент, когда оно находится на оптической оси, равна
и по условияю
(*)
С ростом мгновенная скорость уменьшается, и точка за время поворота прізмы на угол () экспонирует на пленке отрезок длиной . Изображение на пленке не смазано, если за время экспониции кара длина этого отрезка не больше , то есть при , или .
Отсюда находится :
С учетом этого (*) находится прізмы изображение на пленке не смазано:
А. А. ЛанUDEC