2) При броске 12 кубиков выпадут хотя бы две шестерки.
3) При броске 18 кубиков выпадут хотя бы три шестерки.
Читатель с легкостью сможет решить эту задачу после того, как ознакомится с аналогичными задачами, о которых рассказывается в главе 3.
Эйлер, перу которого, возможно, принадлежит наибольшее число работ среди всех математиков, также написал множество занимательных книг, например по комбинаторике, посвященных греко-латинским квадратам. Речь идет о разновидности магических квадратов, в которых необходимо расположить n символов в квадрате n × n клеток так, чтобы в каждой строке и в каждом столбце находились все возможные символы. Можно сказать, что эти квадраты стали прообразом современных судоку. Но, вне всяких сомнений, самая известная из его задач — задача о кёнигсбергских мостах, которую Эйлер опубликовал на латыни в 1759 году в бюллетене Прусской академии наук. Эта задача дала начало теории графов. Граф — это графическое представление отношений между элементами множества, состоящее из вершин (элементов множества) и ребер, соединяющих вершины (связанные между собой элементы). Теория графов используется преимущественно для формулировки и решения задач оптимизации.
Задача о кёнигсбергских мостах звучит так: можно ли обойти все четыре части города, пройдя при этом по каждому из мостов ровно один раз? Эйлер показал, что такого пути не существует, и определил, при каких условиях подобные задачи имеют решение.
Наконец, Гаусс, внесший огромный вклад в математику, также уделял время занимательным задачам, среди которых задача о восьми ферзях: нужно расположить на шахматной доске восемь ферзей так, чтобы ни один из них не находился под боем другого. Также нужно найти количество разных решений и обобщить задачу для n ферзей и доски n × n. Используя интуитивный метод, а затем систематизировав его и переформулировав задачу в терминах перестановок, Гаусс показал, что задача имеет 92 различных решения.
На этой доске размером 8x8 показано одно из решений задачи о восьми ферзях.
ПАРАДОКС ХУПЕРА
В этой головоломке дан квадрат со стороной 8 клеток, разделенный на два треугольника и две трапеции. Из этих же фигур составляется прямоугольник размерами 5x13 клеток. Получается, что площадь квадрата (64 клетки) равна площади прямоугольника (65 клеток), и это «доказывает», что 64 равно 65. Читатель обнаружит, что составить подобный прямоугольник невозможно, и увидит, где же скрывается «дырка» площадью в 1 клетку.
Даже если считать парадокс решенным, он не перестает представлять интерес с точки зрения математики. Если проанализировать задачу подробнее, становится ясно, что она далеко не так проста. Если расположить длины сторон фигур в порядке возрастания, получим 3,5,8,13 — числа Фибоначчи. Эта последовательность имеет такое свойство: квадрат произвольного члена последовательности равен произведению предыдущего члена на последующий плюс (или минус) 1. Иными словами, an2 =аn-1 · аn+1+(-1)n+1. Таким образом, взяв квадрат со стороной, равной одному из чисел Фибоначчи, и прямоугольник, стороны которого равны предыдущему и последующему числам Фибоначчи, мы снова получим такой же парадокс. Этот парадокс разрешим, и подобное построение можно выполнить корректно для числа Ф, описывающего золотое сечение, которое тесно связано с числами Фибоначчи: взяв квадрат со стороной Ф и разделив его на четыре части, получим прямоугольник со сторонами 1 и Ф + 1. Площадь квадрата (Ф2) будет точно равна площади прямоугольника 1 · (Ф + 1).
Парадокс Хупера гласит, что из двух треугольников и двух трапеций, образующих квадрат, можно составить прямоугольник большей площади.
Игры и занимательная математика в XIX и XX веках
Игры и занимательная математика непрерывно развивались в течение XIX и начала XX веков, и спектр задач неуклонно расширялся. Среди авторов XIX века следует упомянуть Джеймса Джозефа Сильвестра (1814—1897), Льюиса Кэрролла (1832—1898), Эдуарда Люка (1842—1891) и Уильяма Роуза Болла (1850—1925). Рассказать обо всех подробно просто невозможно, и далее мы остановимся на книгах Кэрролла и Люка.
Преподобный Чарльз Латуидж Доджсон, известный как Льюис Кэрролл, автор сказок об Алисе, был математиком и профессором Оксфорда. Он обожал занимательную математику и планировал издать серию книг под названием Curiosa Mathematica («Математические курьезы»). Завершить этот труд ему не удалось. Во второй книге этой серии под названием «Полуночные задачи, придуманные в часы бессонницы» он демонстрирует выдающиеся способности, приводя решения как простейших и шутливых («Есть двое часов. Одни стоят, другие опаздывают на одну минуту. Какие часы показывают время точнее?»), так и довольно сложных задач («Даны три произвольные точки на бесконечной плоскости. Какова вероятность того, что они образуют тупоугольный треугольник?»).
Знаменитый автор «Алисы в стране чудес»Льюис Кэрролл также придумал бесчисленное множество математических игр.
Кэрролл был не только гениальным автором математических и логических игр, но и великим знатоком английского языка, что можно увидеть в его книгах об Алисе и в многочисленных придуманных им играх со словами. Одна из них, «Лестница слов», заключается в том, что нужно построить цепочку из слов с одинаковым количеством букв, каждый раз меняя по одной букве в слове. Например, можно превратить козу в волка: КОЗА — ПОЗА — ПОЛА — ПОЛК — ВОЛК.
Наиболее значимая роль в развитии математических игр принадлежит французскому математику Эдуарду Люка, специалисту по теории чисел и в особенности по числам Фибоначчи. Он является автором великолепного сборника Recreations mathematiques («Математические развлечения»). Эта книга содержит 35 разделов, посвященных математическому анализу игр и занимательным задачам. Среди игр, придуманных Люка, выделяются «Ханойские башни». Сам Люка, чтобы создать завесу тайны, на презентации игры в 1883 году приписал ее авторство китайскому профессору Клаусу (Claus) из колледжа Ли-Су-Стьян (Li Sou Stain). Обратите внимание, что имя несуществующего профессора — анаграмма фамилии самого Люка (Lucas), а название колледжа — анаграмма колледжа Сен-Луи (Saint Louis), где Люка преподавал математику.
Одна из последних книг XIX века по занимательной математике — Mathematical Recreations and Essays («Математические эссе и развлечения», 1892) Уолтера Роуза Болла, которая в XX веке стала одной из популярнейших книг по этой теме, выдержав более 12 изданий. Редактором одного из изданий в 1938 году выступил геометр Гарольд Коксетер.
Начальное положение колец в игре «Ханойские башни».
«ВОЕННЫЕ ИГРЫ»
Одна из игр, о которых пишет Эдуард Люка в третьем томе своей книги о занимательной математике, принадлежит к типу игр, в которых нужно окружить своими фишками фишки другого игрока. К таким играм относятся «Охота на зайца» из книги Альфонсо X Мудрого и «Лиса и гуси» — очень популярная в викторианской Англии игра, известная еще с XV века.
В «военных играх» отсутствует элемент случайности. Эта игра рассчитана на двух игроков и была очень популярной среди французских военных в XIX веке. У одного игрока три белых фишки, у другого (ему принадлежит первый ход) — одна черная фишка. Фишки располагаются