VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Математический бильярд
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Цель: исследовать возможности применения теории математического бильярда для решения задач на переливание жидкости.
Задачи: познакомиться с историей математического бильярда
изучить применение метода для решения задач с двумя и тремя сосудами
исследовать вопрос о разрешимости задач на переливание
найти в литературе и решить задачи на переливание, имеющие практическую направленность.
Актуальность: задачи на переливание часто встречаются в олимпиадах; их решение способствует развитию логического мышления, любознательности и творческих способностей.
Гипотеза: используя метод математического бильярда, можно решить любую задачу на переливание с двумя или тремя сосудами, или доказать, что такое переливание невозможно
Мой любимый школьный предмет – математика. Я с большим удовольствием участвую в различных олимпиадах по этому предмету, люблю решать логические задачи. Я обратил внимание, что среди занимательных задач по математике большое место занимают так называемые задачи на переливание, суть которых сводится к следующему: имеется несколько сосудов известного объема. Нужно указать последовательность действий, при которой отмеряется требуемое количество жидкости, и выполнены все условия задачи. Если не сказано ничего другого, считается, что: все сосуды без делений; нельзя переливать жидкости "на глаз"; переливать можно только полностью всю жидкость, или столько, сколько вмещается в другой сосуд;
Рассмотрим решение одной из таких задач: Можно ли, имея лишь два сосуда емкостью 3 и 5 л, набрать из водопроводного крана 4 л воды?
1 шаг: наполним водой первый сосуд;
2 шаг: перельём из первого сосуда во второй 3 л. В первом остается 2 л.
3 шаг: из второго сосуда выльем эти 3 л обратно в раковину;
4 шаг: 2 л воды из первого сосуда перельём во второй;
5 шаг: вновь наполним первый сосуд водой. Теперь в первом сосуде 5 л, а во втором - 2л;
6 шаг: перельем из первого сосуда 1 л воды во второй, наполнив его до краёв. В первом сосуде осталось 4 л воды — задача решена. Все шаги по переливаию удобно записывать в виде таблицы (табл.1).
Табл. 1
Эту задачу я решил подбором. Но понятно, что если увеличить объем сосудов, ее решение становится затруднительным. Поэтому логично найти общий метод решения задач данного типа. Оказывается, такой метод существует. Он заключается в использовании математического бильярда.
1.ИСТОРИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО БИЛЬЯРДА
Билья́рд, реже биллиард (от фр.bille — шар или billette, billart — палка) — собирательное название нескольких настольных игр с разными правилами, а также специальный стол, на котором происходит игра.
Всем знакома игра бильярд за прямоугольным столом с лузами. Точное время ее появления установить невозможно. Известно лишь, что она, так же, как и шахматы, очень древнего происхождения, а родиной бильярда является Азия, по утверждению одних исследователей - Индия, по мнению других - Китай. В Европе первые упоминание о нем имеется в английских летописях VI века. В Россию бильярд был завезен из Голландии Петром I. и быстро завоевал популярность. Подобно тому, как азартная игра в кости вызвала к жизни "исчисление" вероятностей, игра в бильярд послужила предметом серьезных научных исследований по механике и математике. Представьте себе горизонтальный бильярдный стол произвольной формы, но без луз. По этому столу без трения движется точечный шар, абсолютно упруго отражаясь от бортов стола. Спрашивается, какой может быть траектория этого шарика? Поиски ответа на этот вопрос и послужили появлению теории математического бильярда или теории траекторий. Идея применения этой теории к задачам на переливание очень красиво и даже эффектно описана Перельманом книге «Занимательная геометрия».
1.ЗАДАЧИ С ДВУМЯ СОСУДАМИ
И так, что же это такое — математический бильярд? Начнем с того, что стол для него, как уже было сказано выше, отличается от обычного. Математический бильярдный стол — не прямоугольник, а параллелограмм с углами 60 и 120 градусов (рис 1). Стороны параллелограмма должны выражаться числами, равными числу единиц объема наших сосудов. Весь стол расчерчен параллельными прямыми на равносторонние треугольники. Бильярдный шар может Рис.1 перемещаться только вдоль прямых, образующих сетку на параллелограмме. После удара о стороны параллелограмма шар отражается и продолжает движение вдоль линии сетки, выходящей из точки борта, где произошло соударение. При этом каждая точка параллелограмма, в которой происходит соударение, полностью характеризует, сколько воды находится в каждом из сосудов. Рассмотрим на примере уже знакомой нам задачи, какие прекрасные возможности представляет этот метод. З адача 1. Имеются два сосуда – трехлитровый и пятилитровый. Нужно, пользуясь этими сосудами, получить 4 литра воды. В нашем распоряжении по-прежнему, водопроводный кран и раковина, куда можно выливать воду. Решение. В рассматриваемой задаче стороны параллелограмма должны иметь длины 3 и 5 единиц. По горизонтали будем откладывать количество воды в литрах в 5-литровом сосуде, а по вертикали – в 3-литровом. (рис.1). Будем следить за движением шарика и расщифровывать каждую точку его удара о борт стола. Первая точка удара (5; 0) (рис.2), это значит, что мы должны наполнить водой больший сосуд. Вторая точка удара (2; 3)- она говорит о том, что шарик рекомендует нам из 5-литрового сосуда 3 литра перелить в меньший. Следующая точка удара имеет координаты (2;0). Это означает, шарик советует из меньшего сосуда вылить всю воду. Будем дальше следить за шариком и заполнять таблицу (табл. 2). Мы увидим, что после 7 переливаний наша цель достигнута: в 5-литровом сосуде получено 4 литра воды (рис. 5)
Рис.2 Рис. 3 Рис. 4 Таким образом, получен ответ и указана последовательность переливаний, позволяющих отмерить 4 литра воды за 7 шагов. Шарик решил задачу!
Табл. 2
Рис. 5
З
адача 2.Можно ли, имея в распоряжении сосуды 3 и 5 л, получить 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8 литров воды? Чтобы ответить на этот вопрос продолжим следить за движением нашего «умного шарика» и записывать все шаги, пока не придем в одну из угловых точек, или в точку на стороне параллелограмма, в которой шарик уже побывал. И на столе (рис.6), и в таблице (табл.3) видно, что можно получить любое количество жидкости от 1 до 8 л за 15 ходов .
Рис. 6. Табл. 3
Задача 3. Выясним теперь, можно ли было решить эту задачу, наполнив сначала трехлитровый сосуд? Выполним переливание (рис. 7), заполним и проанализируем таблицу (табл. 4).
Рис.7 Табл. 4
Как видим, задачи на переливание можно решать двумя способами: I.начать переливания с большего сосуда; II.начать переливания с меньшего сосуда. Какой из способов более рационален (т.е. каким способом мы быстрее получим нужное количество жидкости) зависит от условий задачи. Изначально это определить нельзя. Например, 4 литра можно получить в первом случае за 6 ходов, а во втором — за 8, а вот 6 литров мы получим уже на 4 шаге, если начнем переливание с 3-х литрового сосуда .
Задача 4 Возникает вопрос — а всякая ли задача такого типа имеет решение? Оказывается, нет. Например, имея сосуды объемом 6 и 3 литра, невозможно набрать 4 л воды, и наш умный шари к это легко обнаружит (это видно из рисунка 8). Уже на 5 шаге он оказался в углу бильярдного стола, из которого начал движение, а это значит, что никаких других вариантов по переливанию мы получить не сможем. Рис. 8 Так произошло потому, что объемы наших сосудов выражены числами, общий делитель которых отличен от 1. Значит, задача имеет решение, если объемы сосудов выражаются взаимно-простыми числами.
ЗАДАЧИ С ТРЕМЯ СОСУДАМИ
А теперь рассмотрим задачи на переливания, по условиям которых используются три сосуда, один из них заполнен жидкостью, а два других пустые. В задачах такого типа появляются дополнительные условия: выливать жидкость вне сосуда нельзя; наливать жидкость извне нельзя. В качестве примера рассмотрим самую старинную головоломку с тремя сосудами, известную еще математикам XVII века:
Задача 1. Восьмилитровый сосуд до краев наполнен водой. С помощью двух пустых сосудов емкостью 3 и 5 литров надо поровну разделить воду в два больших сосуда. Решение.Для решения этой задачи точно так же используем параллелограмм со сторонами 5 и 3 единицы. Чтобы фиксировать количество воды в третьем, восьмилитровом сосуде, дополнительно проведем главную диагональ параллелограмма (рис.9). Она делится наклонными прямыми на 8 частей. Пронумеруем эти точки числами от 8 до 0, начиная с нижней левой вершины. Первые две координаты любой точки параллелограмма, куда может попасть бильярдный шар, определяются, как и раньше, а третья координата равна величине отрезка, отсекаемого на главной диагонали соответствующей наклонной. Как и раньше, шар начинает движение от точки с координатами (0;0). Нарисовав траекторию шара, получим решение задачи за 8 шагов (табл. 5).
|
шаг |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
5 л |
0 |
5 |
2 |
2 |
0 |
5 |
4 |
4 |
|
3 л |
0 |
0 |
3 |
0 |
2 |
2 |
3 |
0 |
|
8 л |
8 |
3 |
3 |
6 |
6 |
1 |
1 |
4 |
Табл. 5 Рис. 9
В этой задаче объем большего сосуда равен сумме объемов двух меньших. Но, разумеется, могут быть и другие случаи, когда объем большего сосуда меньше или больше этой суммы. Метод математического бильярда применим и для них, но с дополнительными условиями. Задача 2. Имеется 11-литровый сосуд, наполненный водой и два пустых сосуда емкостью 3 и 5 литров. Как с помощью этих сосудов отлить 4 л воды?
Решение. Так как. 11 > 3 + 5, главную диагональ необходимо продлить за вершину параллелограмма Но шарик за границы нашего стола все равно не выходит, потому что при любом переливании в 11-литровом сосуде остается, как минимум, 3 литр воды Рис. 10 (11 — (5 + 3) = 3). И тогда решение выглядит следующим образом (рис.10):
. Задача 3. Имеется 6-литровый сосуд, наполненный водой и два пустых сосуда емкостью 3 и 5 литров. Как с помощью этих сосудов отлить 4 л воды? Решение. На диагонали, выражающей количество воды в третьем сосуде, должно быть отложено 6 единиц. Поэтому у параллелограмма надо отсечь верхний правый угол и продолжать следить за движением шарика (рис.11).
Рис. 11
Осталось рассмотреть вопрос о разрешимости задач с тремя сосудами. Как и в случае с двумя сосудами, если объемы двух меньших сосудов выражаются взаимно простыми числами, а объем третьего сосуда больше или равен сумме объемов двух меньших, то с помощью этих трех сосудов можно отмерить любое целое число литров, начиная с 1 литра и кончая объемом среднего сосуда. Имея, например, сосуды вместимостью 7, 8 и 15 литров, можно отмерить любое количество воды от 1 до 8 литров. Когда объем большего сосуда меньше суммы объемов двух других, задача может оказаться неразрешимой, даже если объемы двух меньших сосудов не имеют общего делителя. Например, если объемы сосудов равны 7, 9 и 12 литров, то отмерить можно любое количество воды, кроме 6 литров. Но любой вопрос о разрешимости задач такого типа легко решается, если следить за движением «умного» шарика на математическом бильярдном столе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Изучая литературу по истории математического бильярда, мы выяснили, что с момента появления в Европе эта азартная игра послужила предметом серьезных научных исследований, в результате которых появилась теория математического бильярда или теории траекторий
2. Теория математического бильярда нашла прекрасное применение для решения задач на переливание.
3. Используя метод математического бильярда, можно легко выяснить, имеет ли задача решение.
4. В большинстве книг по занимательной математике и среди олимпиадных задач большое место занимают задачи на переливание, многие из которых я решил, используя метод математического бильярда. В своем предположении я убедился. Используя метод математического бильярда, можно решить любую задачу на переливание или убедиться, что это не возможно. Задачи на переливание действительно часто встречаются на олимпиадах, их решение способствует культурному и интеллектуальному развитию, помогает развитию памяти, внимания, логического мышления, любознательности и творческих способностей. Именно с решением одной из сложных задач о переливаниях связывают раскрытие математических способностей выдающегося французского математика Симеона Дени Пуассона. Говорят, что эта задача сыграла решающую роль в выборе профессии. Однажды, знакомый принес юному Пуассону несколько задач на переливание, разного уровня сложности. Пуассон решил их менее чем за час, определив тем самым выбор своей будущей профессии – он стал математиком. А одна из самых известных задач подобного рода носит его имя (я ее также решил)
Список литературы
1. Мартин Гарднер. Математические досуги. Под редакцией Я. А. Смородинского. Перевод с английского Ю А. Данилова. Издательство «Мир», Масква, 1972
2. Я.И. Перельман. Занимательная Геометрия, издание одиннадцатое, стереотипное, под ред. И с дополнениями Б.А. Кордемского, государственное издательство физико-математической литературы. Москва, 1959(Я.И.Перельман.,Занимательная геометрия М.: ГИФМЛ, 1959, с.238) 3.https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B8%D0%BB%D1%8C%D1%8%D1%80%D0%B44. Ф.Ф. Нагибин, Е.С. Канин, Математическая шкатулка Москва, «Просвещение», 1984, с.160
54. Е.И. Игнатьев В царстве смекалки Москва, «Наука» ГРФМЛ, 1987, с17611