Квант 1972, №7 · Страницы
Квашт
7
ИЮЛЬ
1972
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНЫЙ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ
АКАДЕМИИ НАУК СССР И АКАДЕМИИ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ НАУК СССР
Главный редактор — академик И. К. Кикоин,
Первый заместитель главного редактора — академик А. Н. Колмогоров,
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 (главный художник), С. М. Козел, В. А. Лешковцев (зам. главного редактора), Л. Г. Макар-Лиманов, А. И. Маркушевич, М. Д. Миллионщиков, Н. А. Патрикеева, 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
На первой странице обложки изображен двумерный орnament, получающийся переносами квадрата по горизонтали и по вертикали.
На соседнем рисунке изображен линейный орnament («бордюр»), получающийся переносами исходной фигуры (определенное самостояльное) лишь по горизонтали.
Об уравнениях, которые можно описывать подобные орnamentы, рассказано в статье М. И. Брюховского «Симметрия и уравнения орnamentов», помещенной на стр. 14. Прочитав ее, попробyte описать уравнениями нарисованные здесь орnamentы.
Заведующая редакция Л. В. Чернова. Главный художник А. И. Климанов.
Художественный редактор О. Н. Яковлева. Корректор А. Л. Ипатова.
Издательство «Наука». Главная редакция физико-математической литературы 117071, Москва, В-71, Ленинский проспект, 15. «Квант». Тел. 234-08-11, 234-07-93
Сдано в набор 14/IV-72 г.
Подписано в печать 30/V-72 г.
Бумага 70×100¹/16
Физ. печ. л. 4 Усл. печ. л. 5,2 Уч.-изд. л. 5,64 Тираж 310 440 экз. T-10502 Цена 30 коп. Заказ 620 Чеховский полиграфический комбинат Главполиграфпрома Комнета по печати при Совете Министров СССР, г. Чехов Московской обл.
РУКОПИСИ НЕ ВОЗВРАЩАЮТСЯ
1
ОСНОВАН
В
1970 ГОДУ
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНЫЙ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ
АКАДЕМИИ НАУК СССР И АКАДЕМИИ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ НАУК СССР
ИЗДАТЕЛЬСТВО • НАУКА•
ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
В НОМЕРЕ
2 Ветви и границы Р. П. Шейнцит
6 Атом излучает кванты Б. С. Ратнер
11 Так или не так действовал Ферма? Б. А. Кордемский
14 Уравнения орnamентов М. И. Брякововский
20 Спор, длившийся полвека А. К. Киконн
ЛАБОРАТОРИЯ «КВАНТА»
23 Фигуры Лиссажу Н. А. Силаева
МАТЕМАТИЧЕСКИЙ КРУЖОК
29 Теорема косинусов и ее следствия Э. Г. Готман
ЗАДАЧНИК «КВАНТА»
33 Задачи M151-M155; Ф163-Ф167
35 Решения задач M108-M109, Ф129-Ф130
ПРАКТИКУМ АБИТУРИЕНТА
40 Применение тригонометрии при решении геометрических задач. А. Г. Мордкович
Вариantsы вступительных экзаменов по математике 1971 года
45 Решение задач по электростатике Г. Я. Мякицев
51 Электромагнитная индукция Л. Г. Асламазов
РЕЦЕНЗИИ, БИБЛИОГРАФИЯ
56 Сколько стоит грамм света? А. Б. Геллер
УГОЛОК КОЛЛЕКЦИОНЕРА
58 Атомная энергия на службе мира А. В. Алтыкис
ОТВЕТЫ, УКАЗАНИЯ, РЕШЕНИЯ
«КВАНТ» ДЛЯ МЛАДШИХ ШКОЛЬНИКОВ
(3-я стр. обложки).
СМЕСЬ
(стр. 28, 50.)
2
Рассмотрим задачу:
На складе имеются предметы (как-
дый — по одному), вес и стоимость
коморых указанных в таблице.
| Порядковый номер | вес в цент-
нерах | Стоимость
(в рублях) |
| :— | :— | :— |
| 1 | 11 | 120 |
| 2 | 7 | 140 |
| 3 | 6 | 60 |
| 4 | 5 | 80 |
| 5 | 12 | 160 |
| 6 | 9 | 110 |
| Всего | 50 | 670 |
Грузоподъемность автоматии — 3200 кк. Требуется максимальное畜力, чтобы обцяя стоимость взятых предметов была как можно большей.
Очевидно, выгоднее брать предметы, имеющие при малом весе большую стоимость.
Введем понятие уделной стоимости предмета , то есть стоимость одного центра -го предмета в рублях: ; ; ; ; ; .
Если загрузить автоматную предмети с наиболее уделной стоимость — вторым, четвертым, пятым и шестым, — то сумма их весов оказется больше грузоподъемности автоматии ().
Если же взять только 2-й, 4-й и 5-й предметы, то машина оказывается недогруженной на 8 кк. Можно тогда погрузить еще только один 3-й предмет, причем суммарная стоимость получится равной 440 руб., а машина будет недогружена на 2 кк. Можно ли быить уверенны, что не существует лучшего способа загрузки машины?
Может быть, выгоднее оставить какой-либо из предметов с большей уделной стоимостью, но это увеличить общую стоимость путем полного использования грузоподъемности машины?
Как видим, «в люб» задачу решить трудно. А в реальных условиях, когда ребь зачастую идет не о шести, а о шестидесятей предметах, и браться за нее нельзя, не вооружившись математическими методами. Переведем задачу на языке математики (как говорят, математизируем ситуацию). Пусть , если -й предмет погружается на автоматину, и в противном случае (). Тогда общая стоимость погруженных предметов в рублях равна 120 , а их общий вес в центнерах равен 11 .
Итак, отвлекаясь от «жизненной» ситуации, мы получаем число математического задачу: найти значения
3
переменных (какое из которых может быть равно 0 или 1), при которых функция
достигает максимума, если выполняно условие (ограничение)
(1)
Функцию называют целевой функцией задачи; она определяна на множество всех упорядоченных шестерок из нуля и единиц (исстимерных векторов, каждой компонента которых равна 0 или 1).
Всего, оченьindo, имеется таких векторов, причем каждый из них дает некоторый способ загрузки автоматизины. Но не каждый из этих 64 способов загрузки допустим: вектор соответствует погрузке на машину 1-го, 3-го, 5-го и 6-го предметов, однокто их общий вес превышает допустимый.
Естественно называть вектор допустимым, если для него выполняется условие (1). Итак, решением задачи является допустимый вектор, максимизирующий целевую функцию .
Теперь допустим, что 1-й предмет, погружен на автоматизину. Тогда , и мы получаем новую задачу:
Наименование переменных , при котором достаточно максимума функция при условии .
Если же 1-й предмет не погружен, то , и мы получаем такую задачу:
Наименование переменных , максимизирующих функцию при условии .
*) Условия или 1, предполагаемые на протяжении всей статы, мы в дальнейшем специально не ограничены.
Таким образом, одну задачу с 6 переменными можно свести к двум задачам с 5 переменными; те в свою очередь сводятся к четырем задачам с 4 переменными и т. д., так что в конце концов мы получаем 64 задачи с одной переменной каждой. Но уже если надо решать такую систему, то процесс непредставленного проверить условия (1) для каждой из 64 возможных векторов, для допустимых из них вычислить значение целевой функции и выбрать тот вектор, для которого значение максимального, то есть, как говоря, решить задачу «полным перебором».
А как же быть в тех случаях, когда число предметов (компонент векторов) велико? Ведь уже при 20 предметах число возможных вариантов превышает миллион! Ясно, что метод полного перебора в задачах такого рода в большинстве служев непригrodен.
Мы расскажем сейчас об одном методе, позволяющим как правило, значитьлено уменшить число сравняемых вариантов, необходимое для получения решения. Метод этот, известный под названием «метод ветвей и границ», мы опишем в процессе его применения к нашей задаче.
Процесс отбора предметов для погрузки на автоматизину можно изобразить в виде графа ). Начальный узел 0 соответствует множество всех 64 максимальных векторов. От узла
*) См. статью М. И. Башмакова. «Паросочетания и трансортиные сети» в № 4 «Кванта» за 1970 год. Впрочем, дальнейшее будет понятно и тем, кто не читал этой страницы.
4
0 начинается вемвленное к узлом 1 и 2 (рис. 1). Узел 1 находится правее и ниже узла 0. Он соответствует таким способам погрузки, при которых 1-й предмет обязательно погружается на автоматину. Очевидно, узел 1 соответствует подмножеству таких 32 векторов из , у которых . Узел 2 находится левее и ниже узла 0 и соответствует подмножеству таких 32 векторов из , у которых . Дальнейшее построение графа ясно. На рисунке 1 показан граф после двух шагов ветвления.
Каждай узел графа соответствует подмножеству векторов из , у которых неоторные из компонент уже зафиксированы. Если построение множества и рассматривать как первый шаг ветвления (первый уровень графа), то на -м шаг (-й уровень графа) мы получим узлов, каждый из которых соответствует множество векторов (варинартов загрузки автоматизины). Узлы, полученные на шестом шаг ветвления, представляют по одному вектору каждой, так что средние этих узлов находится задан. Итак, если проведится ветвление полностью, то придется построить граф с числом узлов .
Но мы постараемся действовать таким образом, чтобы попутно обнаруживать «бесперспективные» узлы, из которых не могут выходить ветви, ведущие к решению. Чем раньше (выше) «отсечь» эти ветви, тем меньше перебор придется нам делать потом. С этой целью сопоставим каждому узлу 2 числа (которые будем записывать под узлом). Верхнее из них показывает наиболее возможную суммарную стойимость (эранцу стойимости) взятых предметов при любом способе погрузки, описываем векторами данного узла. Ниже число показывает, какой общий все общаяемых предметов допустим на данном шаг (это число равно разности между грузоподъемностью автоматизины и весом всех уже погруженных предметов). Для примера найдем верхнее и нижнее
Числа для 1-го узла. Поскольку во всех соответствующих ему вариантах погрузки 1-й предмет обязательно береется, нижнее число на этом шаг равно . Граница строится (верхнее число) равна сумме строимости всех предметов, так как мы еще не исключали возможность выбор ни одного из них. Поэтому верхнее число 1-го узла равно 670. Для второго узла верхнее число равно 550 (670-120), так как первый предмет не береется: нижнее же число равно здесь 32.
Пусть — вес -го предмета, — его стоимость. Очевидно, что при переходе от любого узла, находящемся на -м уровне графа, направившись верхнее число не меняется, а нижнее уменьшается на , при переходе же от этого узла налево внизим число не меняется, а верхнее уменьшается на . Будем на каждом этапе вемволь том узел, у которого верхнее число наиболее целым. Если же у двух узлов верхние числа совпадают, то будем вемволь том из них, у которой нижнее число меньше. Если в процессе ветвления встретиется узел с отрицательным нижним числом, это значит, что при соответствующих данному узлу способах погрузки автоматизина будет перегружена, и ветвление такого узла не имеет смысла. Производя ветвление по указанному способу, мы приедем к узлу, находящемуся на последнем, шестом уровне графа, с неотрицательным нижним числом.
Этот узел соответствует некоторому допустимому способу погрузки, при котором значение целевой функции равно верхнему числу. Все неветвленные узлы, у которых меньше, чем у этого узла, незначим ветвить, так как при ветвлении верхнее число не может увеличиться. может оказаться, что верхнее число найdenного узла больше, чем у любого другого узла. Тогда этот узел и дает решение задачи. На рисунке 2 показан окончательный граф.
Построение графа продолжит по следующим этапам (числа ознакомят
5
номера узлов):
- 0→1→3→5→7→9; 2) 6→11→13; 3) 8→15; 4) 2→17→19→21→23→25; 5) 12→27→29; 6) 4→31→33→35; 7) 10→37; 8) 20→39→41→43; 9) 22→45→47; 10) 32→49→51→53; 11) 14→55; 12) 34→57→59.
Дальнейшее ветвление бесполезно, так как узел 55 находится на последнем уровня графа и имеет наиболее верхнее число. Этот узел и дает решение задачи. Он соответствует вектору (1,1,0,1,0,1): нужно погрузить на автоматину 1-й, 2-й, 4-й и 6-й предметы. При этом суммарная стоимость (максимум целевой функции) равна 450 руб.
В процессе построения графа было «отсечено» свыше 50% беспереспективных вариантов. При увеличении числа переменных процент таких вариантов обычно растет.
Кроме того, процесс можно использовать описанного подхода к решению подобных задач. Конечно, наша задача достаточно проста: из каждого узла выходит лишь 2 ветви, и не составляет труда найти границы (верхнее и нижнее числа). В других задачах процессы ветвления и ограничения могут быть сложнее и зависит от опитности и острумия тех, кто ее решает. Что же касается трудоемкости самой реализации процесса, то здесь на помощь приходит электронно-вышистельные машины. Задания, подобные рассматриваемой, часто называют «задачами о рюкзаке» (замените автоматину туристским рюкзаком, а ее грузоподъемность — предельными возможностями туриста, собирающего в подход и совершающего трудный выбор среди «совершенного необходимых» предметов).
Конечно, задачи эти приходятся решать далеко не только перед отпуском или каннику. Ведь формирование годового плана предприятия во многих случаях — та же задача о рюкзаке. Недвижительно, что метод ветвей и границ «работает» во многих планахово-экономических задачах, имеющих больше значения для народного хозяйства.
6
В «Рассказе о кванте»*) были рассмотрены основные свойства электромагнитного излучения. Наименьшая порция энергии, которая может быть испущена или поглощена в виде излучения с частотой , называется квантом. Энергия кванта , где — значением постоянная Планка. (В старой литературе под постоянной Планка подразумевали величины )
Диапазон энергии квантов, встречающийся в природе, необычайно широк (см. рис. 1). Если энергия кванта, соответствующего длиным радиоволнам (например, волна длиной 1000 м), составляет всего (то есть в миллиард раз меньше энергии светового кванта), то энергия жестких γ-квантов, возникающих при распаде падающих на Землю частц космии
*) См. «Квант» № 1, 1970 г., стр. 6.
ческих лучей, достигает значений ().
В этой статье мы рассекем о том, как образуют связи иRENTНОВСКИЕ КВАНТЫ, а также ГАММАКВАНТЫ.
Возникновение света
Солнечный свет и пламя спички, свет неоновой рекламы и свечение раскаленного металла, несмотря на каждушее разлиние, имеют одну природу. Возникновение света во всех источниках обусловлено изменениями, происходящими в атомах.
Согласно теории Бора atom любого элемента может находиться лишь в строю определенных дискретных состояний. Каждому состоянию соответствует определенная внутренняя энергия atoms . Возможные значения энергии atoms получили название энергетических уровней и обозначются на схеме уровней горизонтальными прямыми (см. рис. 2, a).
Расстояние между прямыми
Рис. 1. Диапазон энергии квантов электромагнитного поля, встречающийся в природе.
Рис. 2. а) Схема уровней атомов водорода. Показаны переходы на уровни с и . Спект излучения атомарного водорода в видимой области — переходы на уровень с . Такая картина наблюдается в спектрометре.
равно разности энергий соответствуют уровней атома. Изший энергетический уровень характеризует основное состояние атома. В этомустойчивом состоянии находится нормальный условия все атомы. При поглощении энергии atom переходит в одно из возникенных состояний , , , … Способ возникения атом может быть самым различным: облучение быстрыми электронами, тепловое воздействие, воздействие световых квантов или электрической разряд. Во всех случаях возникения энергия передается электронам атома, поэтому часто говорят не о переходах атома с одной уровня на другой, а о переходах электрона. Возбуженные состояния атома неустойчивы. За время с atom переходит в основное состояние, излучая энергию в виде квантов электронагнитного поля. Энергия кванта .
Рассмотрим atom водорода, просчетший из атомов, состоящий из протона и связанного с ним электрона. Энергия любого уровня может быть найдена из следующей формулы:
где — так называемое главное квантовое число, характеризующее энергию уровня. В невозбужdenном состоянии атома электрон находится на уровне с . При возбужdenнии электрон может оказаться на уровне с . Из формулы видно, что с увеличением энергии возбужdenия расстояние между соседними уровнями (то есть разность энергии) уменьшается. Отрицательным значением энергии соответствует связанные состояния электрона. Следовательно, до тех пор, пока электрон удерживает в поле атома, спектр имеет прерывный (дискретный) характер. Сообщив atomу водорода энергию, превышающего значение , мы понизем его.
При переходе электрона с более высокого уровня на более низкий испускается квант света. Его энергия равна разности энергий уровней:
Зная энергия кванта, мы можем найти длину волны испущенного света, наблюдаемого в спектроске:
Схема энергетических уровней атомов водорода показана на рисунке 2, а. Серия спектральных линей, соответствующих переходам на уровень с со всех вышележащих уровней (серия
8
Бальмера), нахождение в видимой области (рис. 2, 6). Переходы в основное состояние дают излучение в ультрафилотовой части спектра (серия Лаймана).
В atomах более сложных, чем водород, электроны группируются в оболочки, то есть группы уровней с близкой энергейой, имеющих одно и то же главное квантовое число . Различные оболочки обозначают буквы и т. д. На близкой к ядру -оболочке располагается не более 2-х электронов, на -оболочке — 8, на -оболочке — 8, на -оболочке — 18 и т. д. Наружные электроны связи с atomом слабее внутренних; объясняется это увеличением расстояния до ядра и частным экранированием притяжения ядра со стороны внутренних электронов.
С увеличением заряда ядра энергия связи -электронов быстро расчет (пропорционально ) и составляет в atomе натрия 1,1 кэв, а в atomе волфрама — 70 кэв. Поэтому кванты видимого света, энергия которых составляет от 1,6 до 4,1 кэв, испускаются сложными atomами при переходах электронов между уровнями внешней оболочки.
Широко известен опыт, в котором пламя газовой горелки всыхивает желтым светом, когда в него бросают щепотку поваренной соли. Два очень близкие по энергии кванта, излученные atomами натрия в желтой части спектра, ответственных за этот эффект (см. рис. 3).
Испускание света в газоветных трубках, использемых для рекламы, также обусловлено переходами между определенными уровнями atomов газа, возбуждаемых с помощью электронического разряда. Однако чаще нам приходится стalkивать с источниками света, обладающих сплошным (непрерывным) спектром. Именно к таким источникам света относится солнеце, лампы накаливания и лампы дневного света (лиминесцентное освещение). В чем причина перехода от отдельных линей к сплошному
спектру? Оказывается, только разреженные газы, в которых взаимодействие между atomами неVELКО, дают линейные спектры. Если же всплесние высокой температуры или большого давления atoms газа часто испытывают соударения, то линии излучения ушируются настолько, что образуют непрерывный спектр. (Любоопытно, что хотя спектр солнечного света сплошной, спектр атмосферы Солнца, который удается изменить во время полного солнечного затмения, состоит из отдельных ярких линей).
В твердом теле высокорасположенные уровни отделных atomов, участвующие в образовании оптических спектров, из-за взаимодействия atomов превращаются в широкие энергетические зоны. Переходы между ними дают сплошной спектр, почти одинаковый для всех раскаленных твердых тел и зависшей, в основном,
L; далее идут серии M и N, которые наблюдаются только у тяжелых элементов. Длина волныRENTеновских лучей в тысячи раз меньше длины волн, испускаемых в видимой части спектра при переходах электронов внешней оболочки атомов.
Возникновение γ-квантов
Вскоре после открытия радиоактивного распада элементов Э. Резерфорд осуществил свой известный опыт по определению природы нового излучения. На одну из составляющих лучей, испускаемых препаратом радия, магнитное поле не оказывало никакого воздействия — это были γ-кванты.
С тех пор вот уже более полезна испускание γ-квантов ядрами является предметомtlsательного изучения физики.
Ядра, как и atoms, помимо основного состояния с минимальной энергейой могут находиться в дискретных возбужdenных энергетических состояниях. Расстояние между энергетически уровнями колблется в зависимости от массы ядра и энергии возбуждания от десятка кээ до нескольких Мээ. Время жизни ядра в возбужdenных состояниях не превышает с. Переход ядра из возбужdenного состояния в основное чаще всего сопровождается испусканием γ-квантов.
Энергия γ-кванта равна разности энергии начального и конечного состояния. Иногда энергия возбужdenия ядра может превращаться в кинетическая энергия электрона, который вследствие этого покидает atom. Этот процесс, называемый внутренней конверсией, чаще всего происходит на ближайшей к ядру электронной оболочке.
У некоторых ядер встречаются состояния, распад которых в основное состояние запрещен определенными правилами квантовой механики. Время жизни таких состояния, называемое
11
Так или не так действовал Ферма?
(о факторизация чисел)
Б. А. Кордемский
С именем знаменного Пьера Ферма связано много тайн. Однако он получил письмо с вопросом: «Является ли простым числом 100895598169?» Ферма незамедлительное ответил, что это двенадцатизначное число является произведением двух простых чисел: 898423 и 112303.
Способ исследования числа он не раскрыл.
Отъискание простых множителей натурального числа называют для краткости «факторизация» («фактор», значит — множество ссылок слового объчно и употребляется). Далее с таким помощьюками, как электронные вычислительные машины, факторизация больших чисел — чрезвычайно трудоемкая задача, тем более трудно сделать это «ручным способом». Несолько первых простых чисел (2, 3, 5, 7, 11, …) легко проверяют на их природность в качестве возможных множителей испытуемого числа — по известным признакам делимости на эти числа. Упрощает вычисления и значение признаков делимости на какие-либо из последующих простых чисел *).
Ясно также, что для всякого заданного числа достаточно испытывать в качестве возможных множителей простые числа, меньше, чем . Действительно, если у числа есть множитель , то ему соответствует, как результат деления на , и некоторый множитель, меньше, чем .
Как прием факторизацию можно использовать известный алгоритм Евклида.
*) См. например, заметку о признаках делимости на 19 и 7 в «Кванте» № 6, 1970, стр. 10.
клида для отыскания наиболее общего делителя (НОД) двух чисел. Состоит он, как вы, быть может, помните, в следующем *): находим остаток от деления большого числа на меньше, затем находим остаток от деления предшествующего делителя на , затем остаток от деления на и т. д. Послений не равный нулю остаток (он непременно существует, поскольку числа убывают) и есть НОД заданных чисел (если он равен 1, то они взaimно просты).
Для примера применим этот алгоритм к числам 104 и 39:
104 : 39 = 2 (остаток 26);
39 : 26 (остаток 13);
26 : 13 = 2 (остаток 0).
Ответ: НОД (104,39) = 13.
Как же применить алгоритм Евклида к факторизации чисел?
Для выявления простых множителей числа образуется другое число — произведение всех простых чисел от наименьшего из «подозреваемых» множителей числа до наименьшего среди всех простых, меньше, чем . К этим числам и мы и применим алгоритм Евклида.
Пусть, например, . Замечаем, что . Установливаем по признакам делимости, что не делится на 3, 7, 11, 13. Кроме того, сразу видно, что 851 при делении на 17 дает в остатке 1. Остается испытыть делимость на 19, 23 и 29. Для такого необольшего числа, как 851, это легко сделать примым делением
*) Обоснование и примеры применения алгоритма Евклида приведены в статье А. Н. Виленкина «Сокращение алгебраических дробей» («Квант» № 11, 1970) и Вагутена «Алгоритм Евклида и основная теорема алфметики» («Квант» № 6, 1972).
14
УРАВНЕНИЯ ОРНАМЕНТОВ
М.И.Бржозовский
Подбирая должны образом уравнения, можно получить самые разнообразные, подчас весма приудливые картины. Например, можно получить «розициу», изображенную на рисунке А. Как это сделать? Предварительно нам придется вспомнить, что числовой плоскость называется множество всех пар действительных чисел (см. статью А. Н. Колмогорова «Что такое график функции», «Квант» № 2, 1970 г.) Любое множество точки числовой плоскости условия называется геометрической фигура описывается уравнением .
Можно, в частности, рассмотреть множество всех таких пар действительных чисел , для которых , где — заданное выражение. В этом случае говорят, что получающаяся геометрическая фигура описывается уравнением .
Так, уравнение описывает парабoly; уравнение — две прямые ( и ), пересекающие в точке ; уравнение — окружность с центром в точке и радиусом ; уравнение — квадрат с центром в точке и вершинами, лежащих на координатных осях.
Тепер рассмотрим следующие уравнения:
(1)
Рис. А.
Рис. Б.
Рис. В.
16
рис. 1). Уравнение окружности в той же системе координат записьется уже в виде
Аналогично можно получить целочку окружности . Они образуют линейный орnament.
Всю эту целочку окружности можно описать одним уравнением, если в расстояние функции — целая часть ).
Вот это уравнение:
Если находится в промежутке , то это уравнение, как нетрудно проверить, задает одну из окружностей:
Вообще, если (при ) — уравнение неокоторой геометрической функции, которое мы назовем основной функцией , то линейный орnament, полученный из переносами на единиц по оси (где , ), описывается уравнением
Пусть теперь основная функция , заданная в полосе переносится (по диагонали) на единиц по оси и на единиц по оси . тогда получается линейный орnament со звеньями из функции , расположенный вдоль отрезка, соединяющего начало координат с точкой , а уравнение
Рис. 2.
этоого орnamentа будет
(при ). При получается линейный орnament, расположенный вдоль оси . Комбинацией переходов (6) и (7) получаются уравнения двумерных орnamentов.
Интересно отмечить, что если функция определяена в интервале , то функция
определена на всей вещественной оси , периодична с периодом и совпадает с в интервале .
Функция называют периодическим продолжением функции . Например, если в промежутке , то
— периодическая функция с периодом , ее график приведен на рисунке 2.
На рисунке 3 изображен линейный орnament, составленный из дуг окружностей радиуса . Основу этого орnamentа составляет функция (красная часть рисунка 3), заданная уравнением
18
Рис. 7. Рис. 8. Рис. 9.
— множество всех внутренних точек шестиугольника с центром в начале координат, вписанного в окружность радиуса (рис. 7).
Уравнение этого шестиугольника можно записать в виде
так как для этих и только этих точек выполняются неравенства
Чтобы получить синюю часть паркета, можно сначала произвести над серию переносов по оси (при ), а затем полосу из фигур (на оси ) переести по диагонали (при ). Уравнение красной части паркета получается из построенного уравнения заменой на , а желтой части — заменой на .
Интересные круговые орнаменты получаются, если воспользоваться полярными координатами.
В полярной системе координат каждой точка имеет две координаты (рис. 8): расстояние от этой точки до начала координат и угол , который образует луч с фиксированной осью (на рисунке 8 — с
осью ); отсчитывается этот угол в положительном направлении (против часовой стрелки) от оси . «Начало координат» (точка ) имеет координаты и любой угол ; любая другая точка имеет однозначно определенную положительную координату и определенную с точкию до кратных координату .
В полярной системе координат, как и в декартовой, можно описывать фигуры уравнениями. Например, уравнение окружности на рисунке 1 будет (как видим, оно городадо проще уравнения в декартовой системе координат).
Если — уравнение основной фигуры, содержащейся в секторе , то по аналогии с формулой (6) уравнение
задает круговой орнамент, составленный из фигур .
Например, можно написать уравнение правильного -угольника, вписанного в окружность радиуса . Уравнение внутри сектора задает сторону (рис. 9), а после серии поворотов отрезка на углы, кратные , получается и вес -угольник.
Его уравнение по формуле (8) может быть написано в виде
20
В 1686 году немецкий философ и естественныйатель Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646—1716) опубликовал маленькую в две страницы статью с очень длинным заглавием, таким длинным, что мы не станем приводить его здесь полностью. Но начинаясь заглавие так: «Краткое доказательство примечательной ошибки Декарта и других относительно…».
Статья этаположила начало значитому научному спору между Лейбницем и его стороными, с одной стороны, и последовательными Декарта (картезнацами, как их объявно называют) — с другой. Сам Ренедекарт (1596—1650) умер еще за 36 лет до появления статьи Лейбницца. Этот спор длился более 50 лет.
Какую же ошибку значитый философ Лейбницц заметил у не менее значитого философа Декарта? О чем шел столбдолгий спор?
У всех движущихся тел общим является, конечно, то, что они … движутся. Но можно ли сказать, что у одинх тел «больше движения», а у других меньше, что один тела движутся «сильнее» других? К тому времени, когда возник спор Лейбницц — Декарт, ученые уже были убежены в том, что можно и нужно говорить о «силе» движения, о «количестве движения». Не было только ясно, какая величина выражает «силу» или количество движения. Казалось бы, достаточно характеристкой движения является скорость: более «сильно», то есть с большим количеством движения, движется то тело, у которого скорость больше! Но будет ли правильно утверждать, что маленькая пуля, скорость которой равна, например, 700 м/с, движется «сильнее», чем крупный снаряд, движущийся со скоростью всего в 300 м/с? Очевидно, что важна не только скорость тела. Важно еще, велико или мало движущесся тело.
О величине, выражающей «силу» движения, количество движения, и шел упомянутый спор.
Философские взгляды Лейбницца и Декарта были во многом противоположными, но как физики они сходились в том, что «силу» движения нужно характеризовать тем действием, которое движущееся тело оказывает на другое тело, когда оно с ним вззамодействует (например, при удраpe). Сходились они и в том, что когда при вззамодействии тел движение передается от одного тела к другому, оно (движение) сохраняется. Это значит, что количество движения (или «сила» движения), потеряное одним из тел, прибретается другим. Значит, и выражается «сила» движения такой величины, которая при движении тел и их вззамодействиях сохраняется.
В 1644 году Декарт в своей книге «Начала философия» доказывает, что свойством сохранения обладает произведение «величины тела» (то есть его массы) на абсолютиное значение его скорости. Это произведение и выражает «силу» движения тела. Здесь Декарт допустил очень важную ошибку: свойством сохранения на самом деле обладает произведение массы тела на вектор скорости, а не на ее абсолютиное значение. Но Декарт не считал нуждным учитывать направление движения, считая, что «движение движения не противоположно».
Против предложенной Декартом величины «силы» движения («количества движения») и выступил в своей статье 1686 года Лейбницца, доказывающий, что «силу» движение должно призвонить произведение «величины
21
тела» (массы) на квадрат скорости, так как именно величины этого произведение не меняется в процессе движения. После этого и начался великий спор:
Если выразить существ стора на современном языке механики, то она свойства к следующему.
Декарт считал, что большей «силой» движения или большим количеством движения обладает тело, у которого больше значения величины . И вот почему: если взять два положихся тела с массами и и подвергнуть их действию сил и в течение одного и того же промежутка времени , то относение сил и будет равно
Умножим и разделим правую часть этого уравнения на . Тогда получим
Но , а . Поэтому
Так как относение сил равно относению величины , то и есть количество движения («силла» движения).
Лейбниц же рассуждает так: если взять два тела с массами и и подвергнуть их действию сил и так, чтобы под действием этих сил оба тела прошли одно и то же расстояние , то относение сил будет равно
Умножив и разделив правую часть этого равенства на , получим
Но, как известно, , а
Позному
Так как относение силы равно относению величины , то и выражает «силу» движения, или количество движения.
Для картезанцев, таким образом, «силой» движения является величины , а для Лейбниц и его стороны — величины . В 1695 году в ходе спора Лейбниц предложил для величины (точнее, для ) название «живая сила», и оно до сих пор не вышло из употребления. На языке современной механики — это кинетическая энергия тела. Сила, приложенная к телу, изменяет kinetic energy of the system, и это изменение равно работе силы, то есть равно FS. Величина же — это импульс тела. Он тоже изменяется под действием приложенной к телу силы, и его изменение равно импульсу силы, то есть равно .
Кто же был прав в этом споре?
Как это ни странно, но в этом должно срочно.net ни победнено. Обе стороны были и правы, и не правы. Правы потому, что обе величины — и являются важными характеристиками движения. Значение величины определяет время, в течение которого первоначально поконвшеся тело под действием данной силы изменяет скорость от нуля до . Значение же (точнее, значение ) определяет расстояние, которое тело должно пройти под действием данной силы, пока его скорость изменяется от нуля до .
На это именно и указал в 1743 году французский ученый Даламбер. Так как каждая из предложенных участниками спора величины может считаться мерой «силы» движения, то спор,
длившийся так долго, есть, по словам Даламбера «…бесплодный…спор о словах, недостойный философов». Спор, таким образом, приSEL к естественному концу.
Но обе стороны были неправы потому, что ни величина , где — модуль скорости, ни величина не обладают свойством сохранения при взаимодействиях. Свойством сохранения в действительности обладает величина . Что касается , то во всех случаях, когда кинетическая энергия переходит в какой-либо другой вид энергии, например, в потенциальную энергию взаимодействия, в тепло, в энергию электрического тока и т. д., она вообще не сохраняется. Она, в существии, не сохраняется и в том процессе, изучение которого и приведено к идее о сохранении величины , — в процессе управления. Если, например, стандартная два шара одинаковой массы, движущие настречу друг друга с одинаковыми скоростями , то значения до и после стокновения одинаковы. Но в самый момент удара величина (точнее, кинетическая энергия ) равна нулю! Сохраняется не , а то, что мы называем теперь полной энергей.
Может показаться страным, что спор, начавшийся в 1686 году, мог продолжаться так долго. Ведь в том же 1686 году Ньюотон представил свой знаменитый труд «Математические начала натуральной философии», в котором была изложена механика Ньюотона. А из нее как будто бы宙но, что спорить, собственно, и не о чем было. Но дело в том, что механика Ньюотона далко не сразула всеобщее признание, особенно за пределами Англлии. Поэтому споршие стороны не пользовались ни понятием массы, ни понятием силы в «ныютоновском» смысле. Слово «сила» означает у спорших именно «силу» движения, а не причину ускорения тел. К тому же Ньюотон не знал, конечно, о существовании закона сохранения энергии (ведь само понятие работы и энергии появилось лишь спустя сто с лишним лет) и, вообще, не придавал значения законам сохранения. И еще долго слова «сила» применялось одновременно и в ньюотновском смысле (сила — причина ускорения), и в смысле Лейбница, хотя то, что у Лейбница называется «силой», в действительности есть энергия. Отложком тех далеких времени в какой-то мере являются такие современные выражения, как электродвижущая сила (энергия, приходящая на единицу электрического заряд), лошадная сила (до недавнего времени — единица мощности) и т. д.
Любопытно, что когда в 1847 году появился стать известного немецкого ученого Германа Гельмгольца, в которой был формулирован один из самых важных законов природы — закон сохранения энергии, то в заголовке этой статьи слова: «О сохранении силы»!
23
В «Кванте» № 1 за 1972 год мы уже расссказывали об опытах с одним из самых простых физических приборам — магнитком *). В этой статье мы рассекем еще о несколько опытах, которые мы можете провести у себя дома.
Смыные простые колебания тела — это колебания, при которых отклонение тела от положения равновесия изменяется по закону
где — амплитуд, — частота, — начальная фаза колебаний.
Такие колебания называются гармоничическими. Гармоничские колебания совершают математический мятник, грузик на пружине, направление в электрическом контуре.
В этой статье мы рассмотрим случай, когда тело участует одновременно в двух гармоничских колебаниях. Если оба колебания происходит вдоль одной прямой, то уравнение движения тела будет представлено суммой уравнения двух движений:
Нетрудно построить график смешения тела от положения равновесия в зависимости от времени. Для этого нужно сложить ordinаты кривых, соответствующих первому и второму движениям. На рисунке 1 показан пример сложения двух гармоничских колебаний (черные синусиды). Красная линия соответствует результатурушему колебанию. Оно уже не является гармоничским.
Более сложные траектории получаются при сложении колебаний в двух взаимно перепределительных направлениях. Примером такого колебания может служить движение тела, изображенное на рисунке 2. В этом случае вид траектория зависит от соответствия частот, амплитуд и фаз взаимно перепределительных колебаний. Эти траектории называют фигурами Лиссажу, по имени французского физика Лиссажу, который в 1863 году впервые описал их. Установка, использованная Лиссажу,
*) Г. Л. Коткин, Олыты с магнитами, «Квант» № 1, 1972 г.
24
Рис. 2.
показана на рисунке 3. Камертоон колблется в горизонтальной плоскости, камертоон — в вертикальной. Луч света проходит через линзу и попадает на зеркальце, прикрепленное к камертону , отражается им, попадает на зеркальце, прикрепленное к камертону , и после вторичного отражения попадает на экран. При колбании только одного камертона светлое пятно на экран колблется вдоль прямой линии. Если колблотся оба камертона, пятно может описывать замысловые траектории.
Рис. 3. Установка Лиссажу.
Траектория движения тела в том случае, когда оно одновременно участвует в двух взаимно перpendикулярных колбанях, описывается системой управления
где и — проекции смешения тела на оси и .
Допустим для простоты, что и . Тогда
Это означает, что ; следовательно, соответствия (2) описывается отрезок прямой. Угол наклона к оси определяется уравнением
Пусть теперь . Тогда
Разберем сначала самый простой случай, когда , и , то есть
Точка с координатами и , определяемыми этим уравнением, описывает окружность радиуса . Действительно, . А это и означает, что траектория движения — окружность.
Пусть теперь . Построим траекторию движения для случая , . В момент максимального отклонения , то есть , и следовательно, . Аналгично, при , при и так далее:
Построив по этим координатам график, мы получим эллипс, больше получь которого равна ,
25
a малая , то есть эллипс вытянут по оси (рис. 4, а) *). Нетрудно показать, что при и мы получим эллипс, вытянутый по оси (рис. 4,б).
Таким образом, ясно, что, меняя соответствие амплитуд, можно получить различные эллипсы.
Пусть теперь , , и . тогда система уравнения (3) прибретает вид
Преобразуем уравнение для следующим образом:
Эта кривая — часть параболы с осью вдоль оси и вершиной в точке (рис. 5). Таким образом, мы получили незамкнутую кривую.
Рассмотрим теперь влияние частот на форму траектории, а амплитуды поперечного и продольного коллебаний, описываемых системой уравнения (3), возьмем одинаковыми.
Построим, например, кривые, соответствующие уравнениям
Сделать это проще всего так. Возьмем окружность радиуса (рис. 6), отметим на ней точки, соответствующие углам , равным 0,
*) To, что система уравнения
описывает эллипс, можно показать и анализе:
то есть точка с координатами и лежит на эллипсе. (См. статью И. Н. Бронштейна «Эллипс», опубликованную в «Кванте» № 9, 1970 г.)
26
взяли окружность радиуса , то координаты и каждой окружности — это проекции радиусов векторов этих точек на оси и .
Для обонх случаев получаются замкнутые кривые, число петель которых соответствует отношению
Фигура, приведенная на рисунке 8, незамкнута. Она соответствует системе уравнения
В каком же случае получается незамкнутые фигуры? Можно ли найти общие закономерности? Расмотрим уравнения в виде
Прежде всего заметим, что в той точке, где кривая поворачивает обратно по той же траектории, скорости тела вдоль осей и одновременно обращаются в нуль. Ведь именно в этом случае тело, дивяясь вдоль кривой, останавливается, а затем начинает дивягаться обратно. Если , то
Когда (разность мала), .
В результате
Аналогично для получаем
Посмотрим, когда скорости и обращаются в нуль.
Из этих условий ясно, что фигура Лиссажу получается незамкнутой в
27
техслучаях, когда
В частности, кривая на рисунке 8 удовлетворяет этому условию.
Фигуры Лиссажу можно наблюдать на экране осцилографа. На вертикальном развертуку подается одно гармоничное колебание, на горизонтальном — другое. Их сумма может принимать разнообразные формы. Для этого достаточно менять частоту переменного напряжения на обкладках осцилографа.
Каждай из вас может сам сделать очень простое устройство для наблюдения и фотографирования фигур Лиссажу. Возьмите обыкновенную металлическую линейку и изогните ее так, чтобы плоскость одной половины линейки была переменную плоскости второй ее половины (см. рис. 9).
Один из концов линейки zajмите в тиски. Если теперь качнуть свободный конец линейки, он будет описывать в воздухе замыслованные фигуры. Это и будет фигуры Лиссажу.
Движение свободного конца линейки складывается из независимых колебаний двух частей линейки. Однако — от тисков до перегиба и вторая — от перегиба до конца. Колебания каждой частей переменную плоскости линейки на этом отрезке. Поскольку угол перегиба линейки равен , колебания взаимно переменикularны. Вид траектории конца линейки зависит от длины и ширины линейки и от того, в каком месте ее перегнуть.
Для получения разных фигур можно использовать одну и ту же линейку. Чтобы изменять соответствие вертикального и горизонтального колебаний, достаточно зажимать линейку в тиски в разных местах.
Так как частота колебаний зависит от длины линейки, то, меняя соответствие между длинами частей линейки, вы будете изменять соответствие между частотами взаимно переменикularных колебаний конца линейки. При этом вы будете получать различные траектории конца линейки.
Чтобы сформировать получающие фигуры, к свободному концу надо прикрепить маленькую лампочку от карманного фонарика. Лампочка проводами, протянутыми вдоль линейки, соединяется с батарейкой (рис. 9). Поместив наш сложный магнит в темной комнате, можно сформировать колебания линейки. Время экспозиции должно быть достаточно велико. Его вы можете определить, проверяя несколько опыт с разной экспозицией.
29
В этой статье рассказывается о том, как с помощью теоремы косинусов решать разнообразные геометрические задачи. СAMA теорема косинусов не доказывается.
Для вычисления элементов треугольника по двум сторонам и углу между ними или по трем сторонам применяется соответствие
называемое «теоремой косинусов».
Teорему косинусов можно использовать и при решении более трудных задач.
Пример 1. Найти площадь параллелограмма, если известны его стороны a и b и острый угол α между диагонали.
Решение. Пусть — параллелограмм, причем и (рис. 1). Будем считать, что . Тогда угол между диагонали — острый, и согласно условию задачи .
Если обозначить длину диагонали через 2x, а длину диагонали ) Если , то параллелограмм является ромбом, а угол между диагонали — прямой.
BD через 2y, то площадь параллелограмма равна 2xysinα. Из треугольников и , используя теорему косинусов, найдем стороны a и b:
Позтому
откуда
Следовательно,
или
Примечние. Если — угол параллелограмма, то , откуда следует, что . Позтому
и
Таким образом, чтобы задача имела решение, необходимо параметры a, b и α выбрать так, чтобы выполнялись неравенства
30
С помощью известных формул геометрии и тригонометрии из теоремы косинусов можно вывести некоторые соотношения, связывающие элементы любого треугольника.
Пример 2. Доказать, что стороны, улы и площадь S треугольника ABC удовлетворят соотношениями
Решение. Из формулы находим, что . Подставив в формулу вместе выражение , получим соотношение
(1)
Следовательно,
Если в соответствии с этой формулой выразить через стороны треугольника и и полученные выражения сложить, то мы получим тожество
Пример 3. Доказать, что для любого треугольника справедлицы неравенства
a) ,
b) ,
еде — стороны треугольника ABC и — высота, проведенная из вершины A.
Решение. a) Формулу (*) можно записать так:
Если заменить теперь , то мы придем к такой формуле
(2)
Позатем
или
причем равенство достигается только при .
- Формулу (2) легко привести к такому виду:
(3)
Для этого достаточно выполнить следующие преобразования:
Из формулы (3) вытекает неравенство , откуда .
Учитывая, что , получим неравенство .
Из приведенных примеров видно, что формулу
с помощью несложных преобразований к одному из видов 1—3. Аналогично выводятся следующие соотношения:
(4)
(5)
Рассмотрим теперь несколько задач, решающихся с помощью формул (1)—(5).
Пример 4. Вычислить площадь треугольника, если данные его стороны.
31
Решение. Перепишем соответствия (3) и (5) следующим образом:
Если перimetр треугольника обозначить через 2p, то
Следовательно,
Переменная эти равенства по-членно, получим известную формулу Герона для вычисления площади треугольника
Пример 5. Дан равносторонний треугольник ABC со стороны a. Через точку M, лежащую на стороне AB, параллельно сторонам AC и BC треугольника проведены прямы, пересекающие эти стороны соответственно в точках K и L. Вычислить площадь треугольника KLM, если KL = d (рис. 2).
Решение. Обозначим отрезки KM и LM соответственно через x и y. Треугольники AKM и BLM равносторонние, следовательно,
Рис. 2.
Пример 6. Данный треугольник разделить на две равновеликие части отрезком наименьшей длины.
Решение. Пусть отрезок MN делит площадь треугольника ABC пополам (рис. 3). Если точки M и N лежат на сторонах угла BAC и S — площадь треугольника ABC, то площадь треугольника AMN равна , и по формуле (3)
Отсюда сразу находим, что при AM = AN отрезок MN имеет наименьшую длину, равную .
32
Рис. 3.
Длину отрезка AM легко вычислить, поскольку
откуда
Ясно, что если концы отрезка MN лежат на сторонах угла B треугольника, то наименьшая длина этого отрезка равна
Пусть тогда
Позному длина минимального отрезка MN равна При этом
Построение отрезка MN всегда возможно; так как то и подавно
В заключение приведем несколько задач, которые представим читателю решить самостояльно.
-
На сторонах треугольника с углом вне его построения равносторонние треугольники. Докажите, что сумма площадей данного треугольника и треугольника, построенного на стороне, противолежащей углу в равна сумме площадей двух треугольников.
-
На сторонах треугольника угол которого равен вне его построены квадраты и Докажите, что площадь шестиугольника равна удвоенной площади квадрата
-
Вычислите площадь параллелограмма если и угол между его диагоналями составляет
-
Выразите тригонометрические функции поливинных углов треугольника через его стороны.
-
Докажите, что стороны треугольника удовлетворяют равенству тогда и только тогда, когда углы треугольника связаны соотношениям
-
Стороны треугольника связаны зависимости где Докажите, что
-
Докажите, что углы любого треугольника удовлетворяют неравенству.
-
В окружность вписан равносторонний треугольник со сторону Докажите, что где — расстояния от произвольной точки окружности до вершин треугольника.
-
В треугольник вписана окружность, которая касается сторона и в точках и Определите угол треугольника, если и
-
Найдите площадь треугольника зная угол и отрезки и на которые точка касания вписанной окружности делит сторону
-
Данны прямая и две точки и не лежащие на ней. Найдите на прямой точку для которого отношение принимает наиболее значение; наиболее значение.
-
Докажите, что углы любого треугольника удовлетворяют неравенству
- Около окружности радиуса описана трапеция с основаниями и (). Вычислить угол между ее боковыми сторонами.
14*) Докажите, что для всякого треугольника справедливо такое соотношение:
*) Эту задачу прислал наш читатель В. П. Гаспарин.
33
ЗАДАЧИ
В этом номере мы помещаем задачи, предлагавшиеся на заключительных турах Всегоозной математической и физической оптимизации в апреле этого года.
Решения задач этого номера можно присылать не позднее 15 сентября по адресу: 117071, Москва В-71, Ленинский проспект, 15, издательство «Наука», редакция журнала «Квант».
После адреса на конверте укажите, решения каких задач вы посылаете (например: «Задачик «Кванта», М151, Ф153.)
Решения задач по математике и физике, а также новые задачи по каждому предмету посылайте в отдельных конвертах. В начале писем укажите свое фамилию, имя, отчество, домашний адрес (а также класс и школа, в котором вы учитесь).
M151. Каждая из девяты примых разбиает квадрат на два четырехугольника, площади которых относится как 2:3. Доказать, что по крайней мере три из этих девяты примых проходят через одну точку. (8, 10 кл.).
Б. М. Ивлев
M152. Пусть — натуральные числа, причем взаимно просто с и . Доказать, что если делится на , то делится на (), 10 кл.).
Д. Ю. Григорьев.
M153. Двое играют в следующую игру. Один называет цифру, а другойставляет ее по своему усмотренному вместе одной из звездочек в следующей разности:
Затем первый называет еще одну цифру и так далее 8 раз, пока все звездочки не заменятся на цифры.
*) В 9 классе эта задача предлагалась для частного случая
Тот кто называет цифры, стремится к тому, чтобы разность получилась как можно больше, а второй — чтобы она стала как можно меньше. Доказать, что
a) второй может расставлять цифры так, чтобы получшаяся при этом разность стала не больше 4000, независямо от того, какие цифры называют;
b) первый может называть цифры так, чтобы разность стала не меньше 4000, независямо от того, куда расставляет цифры второй (8 кл.).
Ю. И. Ионин.
M154. На прямой дано 50 отрезков. Доказать, что верно хотя бы одно из следующих утверждений:
a) некоторые возможности обшую точку;
b) найдется возможность, никакие два из которых не имеют обшей точки (8, 9 кл.).
А. Г. Харазишвили.
M155. Дано несколько квадратов, сумма площадей которых равна 1.
Доказать, что их можно помещить без наложений в квадрат площади 2 (9, 10 кл.).
Г. А. Гальперин.
Ф163. Согласно одной из первых моделей атома водорода (модель Томсона), он представляет собой равномерно заряженный полоЖительным электрическом шар, в центре которого находится электрон. В целом atom нейтрален. Найти радиус такого атома, если известно, что минимальная энергия, которую нужно сообщить электрону для удаления его из атома на большое расстояние, равна W. Заряд электрона e. (10 кл.)
Рис. 1. Рис. 2.
Ф164. Кубик из пенопласта массой е лежит на горизонтальной подставке. Высота кубика равна см. Снизу кубик пробивает вертикальное летящая пуля, массой е (см. рис. 1). Скорость пули при входе в кубик м/c, при вылете м/c. Подпрыгнет ли кубик? (8, 9 кл.)
А. Р. Зильберман
Ф165. Определить, во сколько раз изменится освещенность изображения Солнца, полученного плосковым линзой, если линзу разрезать по диаметру и сложить плоскими сторонами. (10 кл.)
В. Н. Листвин
Ф166. В расположенном горизонтальном цилиндре с одной стороны от закрепленного поршня нахождения 1 molл идеального газа. В другой части цилиндра вакуум. Пружина, расположенная между поршнем и стенкой цилиндра, нахождения в недеформированном состоянии (рис. 2). Цилиндр теплопроводан от окружаюшей среды. Поршень освообходимот и после установления равновесия объем, занимаемый газом, увеличивается вдвое. Как изменится температура газа и его давление? Теплоемкость цилиндра, поршня и пружины пренебрежимо малы. (9 кл.)
Е. И. Бутиков, А. А. Быков, А. С. Кондратев
Ф167. К выходу «черного ящика» подключен идеальный аммертр. Если ко входу подключенбаатерия с эд.с. и внутренним сопротивлением , то ток через аммертрровно в 2 раза меньше, чем в том случае, когда ко входу ящика подключены две такие батарей, соединенные последовательно. Нарисовать простейшую возможность схему внутреннего устройства «черного ящика». (8, 9 кл.)
А. Р. Зильберман
35
РЕШЕНИЯ
В этом номере мы публикуем решения задач M108—M109.
M108
a) Докажите, что прямая, разбиющая данные треугольник на два многоугольника равной площади и равного перimetра, проходит через центр окружности, вписанной в треугольник.
b) Докажите аналогичное утверждение для произвольного многоугольника, в котором вписать окружность.
Решим сразу задачу. 6). Пусть неокторая прямая пересекает контур многоугольника, описанного около окружности с центром O, в точках P и Q, которые делят перimetр многоугольника пополам. Тогда отрезки OP и OQ разбиают этот многоугольник на два равновеликих многоугольника (чтоы убедиться в этом, достаточно соединить точку O со всеми вершинами многоугольника и заметить, что высоты у всех получившихся треугольников с вершиной O равны радиусу окружности). Но если и прямая PQ делит площадь многоугольника на две равные части, то точка O должна лежать на отрезке PQ (инчете образуется «лишний» треугольник OPQ (см. рис. 1)).
To же рассуждение позволяет доказать что более общий факт (для треугольника он приведен в книге «Задания и теоремы по геометрии» 3. А. Скопец и В. А. Жарова, Учредгиз, 1962, задача 565): прямая, пересекающая описанный многоугольник, делит его площадь и перimetр в одинаковых отношениях моеda и молько моеda, когда она проходит через центр окружности.
Любитляем геометрических неравенств представляется исследовать вопрос: сколько существует прямых, делящих площадь и perimetр треугольника со стороны a, b и c? Ответ и указание данных на стр. 60. Максимальное количество таких прямых — три, и они, по доказанному, всегда пересекаются в одной точке.
Что же касается n-угольника при n>3, то здесь таких прямых может быть даже бесконечно много, причем если многоугольник не описанный, то они могут и не проходить через одну точку (например, в равновесной трапеции с основаниями a и b можно подобрать длину боковой стороны так, что будет существовать прямая, параллельная основаниям, которая делит пополам и площадь, и perimetр; кроме нее этим свойством обладает и все прямые, проходящие через средней линии и пересекающие основания трапеции).
36
Можно доказать, основываясь на сообщениях «неперрывности», что по крайней мере одна прямая, делящая пополам и площадь, и перimetр, существует для любого выпуклого многоугольника (и вообще для любой ограниченной выпуклой фигуры). Прежде всего, ясно, что если двигать прямую, перpendикулярную фиксированному направлению , то наступит такой момент (единистенный), когда она разделит пополам площадь, и такой момент, когда она разделит пополам перimetр. Пусть и — координаты соответствующих точек на оси . Теперь зафиксируем точку и повернем ось вокруг нее на угол () (рис. 2). Для каждого угла , то есть для каждого пополения оси , мы сможем аналогично определить числа () и (). Ясно, что каждая из функций и зависит от «неперрывно», причем при и каждая из них принимает значения, равные по абсцилтной величины, но противоположные по значку (ведь ось смотрит при этом в противоположные стороны). Следовательно, при каком-то промежутном значении значения и должны равнять другую другу (рис. 3). Это и есть основное свойство «неперрывности», который мы получаемся.
Как оформлять подобные доказательства строго, подробно расссказывается в книге Н. Стиниода и У. Чинна «Первые понятия топологии», одной из лучших книг популярной серии «Современная математика» («Мир», 1967).
Рис. 2. Красные прямые делят пополам площадь, сине — перimetр.
Рис. 3. Две неперрывные кривы — красная и сине — должны пересекаться.
М109
a) В вершине правильно 12-угольника стоит знак минус, а в остальных — плоцы. Разрешается одновременное менять знак на противоположный в любых шести последовательных вершинах многоугольника. Докажите, что за несколько таких операций нельзя добиться того, чтобы в вершине оказался знак минус, а в остальных вершинах — плоцы.
b) Докажите то же утверждение, если разрешается одновременное менять знаки не в шести, а в четырех последовательных вершинах многоугольника.
b) Докажите то же утверждение, если разрешается одновременное менять знаки в трех последовательных вершинах многоугольника.
Начнем с задачи b). Разобъем все 12 вершин на три группы по четыре вершины в каждой: первая группа — вершины с номерами 1, 4, 7, 10, вторая — 2, 5, 8, 11, третья — 3, 6, 9, 12 (рис. 4, вершины каждой группы составляют квадрат). Ясно, что какие бы три последовательные вершины 12-угольника мы ни выбрали, в каждую из трех наших групп попадетровно одна из выбранных вершин. Таким образом, смена знака у трех последовательных вершин вызовет изменение количества минусов (и плосов) в каждой групперовно на единицу.
Теперь доказет, что от расположения знаков на рисунке 4 нельзя перейти к расположению . У расположения и во второй, и в третьей группе количество минусов равно нулю. После первой знаков, где бы она не произошла, во второй и в третьей группе будет по одному минусу; потом, после второй знаков в каждой из этих двух групп станет 0 или 2 минуса, затем — 1 или 3 минуса, потом — 0,2 или 4 минуса, затем снова 1 или 3 минуса в каждой и т. д. Таким образом, в этих двух группах будет одновременное либо четное число минусов, либо нечетное. Но у расположения во второй группе 1 минус, в третьей — 0. Поэтому мы его заведomo не сможем получить из .
37
Аналогично можно решить задачи a) и 6). Подумайте, какие группы вершин удобно рассмотреть в этих случаях. Мы не будем отдельно записьвать решения этих задач, а сразу попытаемся выяснить более общий вопрос.
Пусть в вершинах правильного -угольника расставлены плюсами и минусы, и разрезается изменять знак одновременного в любых вершинах, стоящих подряд ( и — данные натуральные числа, ); какие расположения знаков можно получить из данного, а какие — нет?
Рис. 4.
Рассмотрим сначала частный случай, неосредственно обобщший задачи a)—в) — делится на .
Пусть . Разобъем все вершин на групп так, что в каждую группу включются вершин правильного -угольника. Каждый расположение плюсов и минусов поставим в соответствии набор , где
Ясно, что смена знаков в любых последовательных вершинах вызывает изменение количества минусов в каждой группе на единицу, то есть из расположения, которое соответствовал набор , получается расположение, которое соответствовал *промышленной набору , получающихся из заменой всех нулей на единицу и единицу — на нулы: Изовем два расположения плосков и минусов эквивалентными (), если их наборы либо равны, либо противоположны *). (Например, на рисунке 4, где , расположение эквивалентно , а .
Докажем, что одно из расположений можно перевести в другое тогда и только тогда, когда они эквивалентны. В одну сторону это уже, по существу, доказано: из расположения с набором при сменах знаков будут последовательно получаться расположения с наборами и т. д., то есть, если из можно получить , то . Докажем обратное: если , то из начального расположения знаков можно получить расположение . Ясно, что можно получить в вершинах с номерами 1, 2,…, те знаки, которые нам хотятся, последовательно меняя (если нужно) знаки у вершин с 1-й по -ю, затем со 2-й по -ю,… с -й по -ю. Таким образом, мы можем получить расположение , которое, во-первых, совпадает с во всех вершинах, кроме, быть может, вершин с -й по , и во-вторых, эквивалентно ( потому, что оба они эквивалентны ). Но тогда расположения и должны совпадать полностью. Действительно, поскольку (знаки у всех вершин 1-й группы расположения и совпадают) и , то для всех , следовательно, в вершинах с номерами от до у должны стать те же знаки, что у .
Наште утверждение доказано (для ). Из доказательства видно, что все множества всех наборов. (Об этом понятии см. статью М. М. Глухова «Отношение эквивалентности и разбення множества» в «Кванте» № 2, 1972).
38
Если вы разобрались в этом доказательстве, то построить переход от к и от к на рисунке не составит для вас никакого труда.
Прежде чем исследовать общий случай, полезно прочитать статью В. Н. Вагутена *), особенно лемму на стр. 33 и рассмотреть некоторые примеры, скажем , ; , или даже более простые , ; , . Окончание решения вы найдете на стр. 60, но прежде попробyte найти его самостоятельно.
Нанболее полные и оригинальные решения задач М106—М109 присладами Г. Гриченко, В. Кореняко и М. Илларционов из Воронежка, Э. Туркевич из Черновцов, А. Черняк из Минска, Н. Чернов из Кривого Рога, А. Шерстюк из Николаева, М. Преезер из Томска, Л. Хакин из Ленинграда.
Н. Б. Васильев.
В этом номере мы публикуем решения задач Ф129—Ф130.
Ф129
Тело находится в точке внутри неподвижной полой сферы (рис. 5). В каком случае только скорее достигнет нижней точки сферы: если оно будет скользить по поверхности сферы? если оно будет скользить вдоль прямой ? Трене в обих случаях пренебрежимо мало, начальная скорость тела равна нулю и расстояние много меньше радиуса сферы.
Движение тела по поверхности сферы совершено аналогично движению математического матрика с длиной подвеса, равной радиусу сферы . Так как , то отклонение тела от положения равновесия (точки ) мало. Поэтому для пернода колебаний матрика можно воспользоваться формулой . Время движения тела от точки до точки равно четверти пернода колебаний, то есть
Движение тела по наклонной плоскости — равноскорее. Ускорение ему сообщает составляющая силы тяжести, параллельная наклонной плоскости. Если угол наклонной плоскости к горизонту равен , эта составляющая равна . Так как
( — время движения тела по наклонной плоскости) и , то
Мы получили , то есть тело достигнет точки быстрее в том случае, если оно будет движаться по поверхности сферы.
Ф130
Внутри гладкой сферы находится маленький заряженный шарик. Какой величины заряжено поместить в нижней точке сферы для того, чтобы шарик удерживался в ее верхней точке? Диаметр сферы равен , заряд шарика , его масса .
Заряд , который нужно поместить в нижней точке сферы, должен быть таким, чтобы электрическая сила, действующая на верхней шарид, была не меньше силы тяжести шарика .
*) Смотри «Квант» № 6, 1972.
To есть . Отсюда .
Однако нам нужно еще проверить, будет ли равновесие шарика устойчивым. Расстоянием малое отклонение шарика от положения равновесия (рис. 6).
Равновесие шарика устойчиво, если проекция силы электронского взаимодействия шариков на касательную к сфере больше или равна проекции силы тяжесте на ту же касательную.
(Cила реакции перпендикулярна поверхности сферы.)
Так как угол отклонения шарика от положения равновесия мал, то , и . Поэтому
Следовательно, для устойчивого равновесия шарика в верхней точке сферы в нижнюю точку сферы должен быть помещен шарид .
Редакция получила 150 писем с решениями задач Ф123—Ф130. Наиболее трудной оказалась задача Ф123, самой легкой — задача Ф124.
Правильные решения задач прислали: А. Айзиковский (Кременчуг) Ф124, Ф125, Ф126; А. Александров (Глазов УАССР) Ф129; Т. Аманбаев (ст. Ново-Казалинск Кзыл-Ординской обл. Каз. ССР) Ф125; П. Аиненков (с. Тоцкое Оренбургской обл.) Ф124, Ф125; С. Арасланова (с. Н.-Ивкино Кировской обл.) Ф125, Ф129; Д. Архипов (Рязань) Ф127; Э. Ахмедов (Баку) Ф128; А. Баевский (Гомель) Ф123, Ф124, Ф125, Ф126, Ф129, Ф130; В. Белов (Вологда) Ф124, Ф125, Ф126, Ф128, Ф129; Л. Брадиский (Фрунзе) Ф125, Ф126, Ф128, Ф129; И. Вакер (Минск) Ф128, Ф129; В. Воронцов (п. Ивня Белгородской обл.) Ф129; С. Галахвардзе (Тбилис) Ф124, Ф125, Ф126, Ф127; А. Григорян (Баку) Ф129; В. Дарингов (с. Киншга Бур. АССР) Ф125; А. Довжиков (Ленинград) Ф129; Е. Долев (Москва) Ф124, Ф125, Ф126, Ф129, Ф130; В. Долматов (ТАшкент) Ф125, Ф126; А. Едренкин (Горький) Ф129; А. Ельков (Москва), Ф128; В. Зайцев (Острогожск Воронежской обл.) Ф129; К. Зарембо (Харьков) Ф128, Ф129; Н. Зыков (Саратов) Ф128, Ф129; А. Истомин (Подольск Московской обл.) Ф125, Ф126; Я. Итин (Речница Гомельской обл.) Ф125, Ф127; А. Каримов (Уфа) Ф128, Ф129; М. Кауль (Фрунзе) Ф125; М. Каунельсон (Магнитогорск) Ф124; Л. Книжерман (Москва) Ф128, Ф129, Ф130; В. Кокосуй (Гомель) Ф129; А. Кохман (Москва) Ф129; В. Коротхих (Новокузнецк) Ф125; С. Комко (Воронеже) Ф129; Г. Левин (Куйбышев) Ф128; О. Лимонов (Тимошевск Краснодарского края) Ф123; В. Лоевизисский (Ртишево Саратовской обл.) Ф128, Ф129; А. Лучевой (Грозный) Ф127; Ю. Лурье (Грозный) Ф128, Ф129; С. Лягушкин (Днепропетровск) Ф128, Ф129, Ф130; А. Мамула (с. Дыбинцы Богуславского р-на Кивевской обл.) Ф128; В. Михнев (Пятгирск) Ф129; Р. Мухамедов (п. Старая Кулятка) Ф127; А. Набамов (Евпатория) Ф128; С. Помашев (Ульяновск) Ф129; М. Премер (Томск) Ф130; Л. Рудцер (Харьков) Ф125, Ф129; О. Саакян (Ереван) Ф125, Ф126, Ф127; Л. Сафцулин (с. Б. Сабы Сабинского р-на Татарской АССР) Ф124; А. Сбоев (п. Медведок Нолинского р-на Кивевской обл.) Ф124, Ф126; П. Сергееев Грозный) Ф123, Ф124, Ф126, Ф128, Ф129, Ф130; И. Сидоров (Москва) Ф125, Ф126; Г. Симоненков (Кунас) Ф126, Ф127; Л. Смушкеевич (Магнитогорск) Ф123, Ф124, Ф125; М. Темкин (Минск) Ф129; В. Терентьев (Павлово Горьковской обл.) Ф126; О. Трунов (Джалал-Абад Кирг. ССР) Ф125, Ф127; Ф. Тахватулин (ТАшкент) Ф129, Ф130; Н. Федин (Омск) Ф124, Ф125, Ф128, Ф129; М. Флеров (Москва) Ф125, Ф130; Д. Фушман (Черновцы) Ф125, Ф126, Ф127; Л. Циферблам (Ливов) Ф123; С. Черников (Семипалатинск) Ф125, Ф127; Ю. Шашков (Шигры Курской обл.) Ф129; И. Юрченko (Киев) Ф129.
И. Ш. Словодечкий
40
Применение тригонометрики при решении геометрических задач
А. Г. Мордкович
При решении геометрических задач довольно часто приходится обращаться за помощью к тригонометрики. Иногда это обращение обязательно — когда задаан какой-либо угол и для вычисления линейных элементов используются тригонометрические функции угла, иногда это обращение желательно — когда мы сами видим в рассмотрение вспомогательные углы, чтобы, используя затем тригонометрические функции, вычислить нужные нам линейные элементы или установить некоторое соответствие между линейными элементами. Если же говорить о формах применения тригонометрики при решении геометрических задач, то к числу основных следует отнести общие тригонометрические преобразования, теорему косинусов и, в большей степени, теорему синусов, тригонометрические тожества и тригонометрические уравнения, используемые при этом тригонометрических функций.
А теперь перейдем к рассмотрению задач.
Задание 1. Сторона основания правильной четырехугольной парамиды равна a, двумерный угол при основании a. В парамиду высан шар, к шару проведена касательная плоскость, парамельная основанию парамиды. Определить боковую поверхность полученной усеченной парамиды.
Решен и е. Нет необходимости изображать на рисунке вписанный шар. Вполне достаточно показать центр шара (рис. 1) — это точка O пересечения высоты парамиды с биссектриской линейного угла SDH — и учесть, что высота HH₁ усеченной парамиды равна диаметру шара.
Имеем: OH = r = HD · tg ⇐ ODH = a/2 tg α/2,
HH₁ = 2r = a tg α/2,
S_{60к} = 4 · (AB + A₁B₁)/2 · DD₁ = 2(a + A₁B₁) · DD₁.
41
Для дальнейших вычислений нам понадобится вспомогательный рисунок 2:
Задача 2. Определить радиус окружности, если вписанный в нее угол со сторонами и опирается на дугу .
Решение. Вписанный угол равен . Обозначим хорду, соединяющего концы вписанного угла, через (рис. 3); тогда по теореме косинусов . Далее, по теореме синусов , открываем
Задача 3. Плоские углы трехгранного угла (рис. 4), — общая сторона плоских углов и . Найдем величины двугранного угла при ребре . Отложим отрезок , через точку проведем плоскость, перпендикулярную прямой , и обозначим через и точки пересечения этой плоскости с лучами и . Тогда — линейный угол интересушего нас двугранного угла.
Пусть , тогда , , , . Из треугольника по теореме косинусов имеем
то есть
С другой стороны, из треугольника по теореме косинусов имеем
42
то есть
Таким образом,
откуда
Значит, двугранный угол, противоложий плоскому углу , равен arccos\left(\frac{\cos\gamma - \cos\alpha \cos\beta}{\sin\alpha \sin\beta}\right). Аналогично находится двугранные углы.
Если три плоских и три двугранных угла считать основными элементами трехгранного угла, то рассмотренная задача позволяет сделать вывод о том, что по любым трех основным элементам трехгранного угла можно найти остальные три.
Задача 4. Через вершину угла при основании равноведренного треугольника проведена прямая, пересекающая прямую боковую сторону и составляющая с основанием угол (). В каком отношении эта прямая делит треугольника?
Решен и е. Пусть (рис. 5). Треугольники и имеют общую высоту, поэтому их площади относятся к основаниям, то есть как стороны и :
Таким образом, для решения задачи нам достаточно найти отношение .
Приименим к треугольнику теорему синусов
Отсюда
В итоге
Задача 5. Все боковые грани правильной четырехугольной парамиды наклонены к основанию под углом , а апофема боковой грани равна . Через одну из сторон основания проведена с плоскостью основания угол (). Вычислить площадь сечения.
Решен и е. Выясним прежде всего, что представляет собой сечение (рис. 6). Оно паралельно строоне , а боковая грань, проходящая через , пересекает сечение. По прямой . Но если через прямую, паралельную неокторой плоскости, проведена плоскость, пересекающая первую плоскость, то линия пересечения паралельна данной прямой, а значит, и прямой . Итак, сечение — трапеция.
43
А теперь проведем вычисления.
Имеем
Приименим к треугольнику теорему синусов:
откуда
Приименим к треугольнику теорему синусов:
Из подобия треугольников и получаем:
Отсюда получаем
Теперь у нас есть необходимое для вычисления площади секения. Имеем
Задча 6. На одной из дуг окружности даны произвольная точка и точка — середина дуги. Эти точки соединены хордами с точки и . Доказать, что .
Решен и е. Обозначим угол через , а угол — через (рис. 7). Приименим к треугольнику теорему синусов:
Аналогично из треугольника находится , а из треугольника .
Рассмотрим теперь треугольник . Имеем . Нам нужно доказать, что , то есть что
или
Задча свелась к доказательству трионометрического точекства. Доказывается оно несложно, и мы предоставляем это сделать читателю.
Задча 7. В треугольнике один угол вдвое большие дуги, а стороны, противовлежащие этим углом, отличаются дуги от дуги на 2 см. Найти эти стороны, если известно, что треугольник треугольника равна 5 см.
Решение. Эту задачу можно решить средствами планиметрики, но мы, будучи верны взятой теме, разберем решение этой задачи с помощью тригонометрики (рекомендуем читатель попробовать найти планиметрическое решение). Обозначим через один из углов треугольника, — другой угол, а противожащие стороны соответственно и (рис. 8).
По теореме синусов
отсюда
.
Телерь задача сводится к решению тригонометрического уравнения . Применив формулу , получим и далее
. Но по смыслу задачи , следовательно, . Поэтому из найденных значений подходит .
Имеем далее .
Упражнения
-
В треугольнике угол равен , сторона равна . Найти длину биссектрисы , если угол между и высотой равен .
-
Основанием прямиды служит равновобочная трапеция, у которой острый угол равен , а площадь равна . Все боковые грани наклонены к плоскости основания под углом . Найти объем прямиды.
-
Образующая конуса равна и составляет с высотой угол . Через две образующие конуса, угол между которых равен , проведена плоскость. Найти расстояние от этой плоскости до центра вписанного в конус шара.
-
Высота треугольника, равная , делит угол треугольника в отношении , а сторону на отрезки, меньше из которых равен . Определить стороны треугольника.
-
В окружность вписан правильный треугольник . На дуг взята произвольная точка и соединена хордами с вершинами треугольника. Доказать, что .
-
Доказать, что сумма квадратов диагоналей трапеции равна удвоенному произведению ее основания, сложенной с суммой квадратов боковых сторон.
-
Плоские углы треугольного угла равны соответствующим треугrahного угла.
-
Дан треугольник , на стороне взята точка так, что , на стороне взята точка так, что . Проведены отрезки и . Найти отношение площади получившего четыреугольника к площади данного треугольника (МИЭТ, 1970).
-
В окружности проведены два взаимно перпендикулярных диаметра и . Хорд пересекает в точке так, что . Хорд пересекает в точке . Доказать, что (рис. 9).
45
Вариант 1
-
Дана правильная четырехугольная парамида , у которой все ребра равны . Через вершину основания проведена плоскость, параллельная диагонали и образующая с плоскостью основания угол . Найти площадь сечения.
-
Две точки движутся равномерно по двум окружностям, радиусы которых относятся как 1:6. Определить скорость движения каждой точки, если известно, что за 10 сектора движутся по большей окружности, прошла на 2 м больше и совершила при этом в 5 раз меньше оборотов.
-
Решить неравенство
- Решить уравнение
Вариант 2
-
Основанием парамиды служит равноведенный треугольник , у которого , . Определить площадь сечения, проходящero через ребро и перpendикулярного к плоскости основания, если боковые грани образуют с плоскостью основания равные двумгранные углы .
-
Из пункта в пункт выехали одновременно два автоматы. Скорость второго автомата больше скорости первого на 10 км/час. Через полчаса из в выехал третий автомат с скоростью 60 км/час, который догнал первый автомат и через полтора часа после этого догнал вторый автомат. Найти скорости автоматей.
- Решить уравнение:
Ленинградский государственный педагогический институт имени А. И. Герцена
Mathematical Fakultet
- Упростить выражение:
- Найти все значения , при которых выражение
имеет смысл при любом .
- Решить уравнение:
- Полная поверхность правильной четырехугольной парамиды равна , а двумя нулевой угол при основании равен . Определить объем парамиды.
Физический Fakultet
- Упростить выражение:
- Решить уравнение:
- Упростить выражение:
- Высота конуса равна . Плоские углы при вершине правильной четырехугольной парамиды, вписянной в этот конус, равны . Определить объем конуса.
46
Ленинградский горный институт
-
Решить систему уравнений:
-
Доказать тождество:
-
Решить уравнение:
-
При каких значениях имеет смысл выражение:
-
Непараллельные боковые стороны трапеции перpendикулярны друг к другу. Однако их составляют с основанием угол другая составляют такой же угол с диагональю. Вычислить площадь трапеции, если ее высота равна .
Ленинградский технический институт имени Ленсовета
-
Доказать тождество:
-
Все боковые грани четырехугольной пирамиды — правильные треугольники. Найти ее двумя углы.
-
Найти все значения параметра , при которых графики функции и пересекаются только в одной точке. Построить для найденных значений чертежи.
-
Найти область определения функции
-
Найти все значения параметра , при которых неравенство имеет хотя бы одно решение.
Ленинградский инженерно-строительный институт
-
Вычислить:
-
Привести к виду, удобному для логарифмирования:
-
Основанием пирамиды служит ромб, меняшая диагональ которого равна , а острый угол равен . Каждая боковая грань наклонена к основанию под углом . Найти объем пирамиды.
-
Решить уравнение:
-
Упростить:
Ленинградский институт точной механики и оптики
-
Упростить при
-
Решить уравнение:
-
Решить уравнение:
Ленинградский гидрометеорологический институт
-
Упростить
-
Решить уравнение:
-
Решить систему уравнений:
-
Решить уравнение:
Ленинградский технический институт
холодильной промышленности
-
Ромб, у которой меньше диагональ равна его стороне , выражается около прямой, проходящей через конец большой диагонали перpendикулярно к последней. Вычислить объем и поверхность полученного тела врашения.
-
Решить уравнение:
-
Решить систему:
-
Привести к виду, удобному для логификации:
-
Решить уравнение:
Ленинградская лесотехническая академия имени С. М. Кирова
-
Найти первый член и знаменатель возратающей геометрической прогрессии, в которой .
-
Решить уравнение:
-
Решить уравнение:
-
Радиус основания конуса равен , а образующая наклонена к плоскости основания под углом . В этом конусе через его вершину проведена плоскость под углом к высоте конуса. Определить площадь поверхности.
Ленинградский технический институт
целлюлозно-бумажной промышленности
-
Решить уравнение:
-
Решить уравнение:
-
Доказать точность:
-
Упростить:
48
Решение задач по электростатике
(электроемкость)
Г. Я. Мякишев
Электроемкость — последняя тема раздела «Электростатика». При решении задач на эту тему могут потребовать все сведения, полученные при изучении электростатики: сохранение электрического заряда, понятия напряженности поля и потенциала, поведение проводников в электростатическом поле, изменение напряженности поля в диэлектриках, закон сохранения энергии. Поэтому и задачи очевидно образны. Однако если предыдущие понятия хорошо усвоены, то особых трудностей при решении задач на электроемкость не должны встретиться.
Введение понятия электроемкости основано на том, что все точки проводника при сообщении ему заряда Q прибретают один и тот же потенциал φ. Отношение заряда к потенциалу при этом не зависит от величины заряда и называется электроемкостью единенного проводника:
Емкость единенного проводящего шара (в вакууме) в системе СГСЭ равна его радиусу:
Емкость шара в диэлектрике в системе СИ равна:
Наболее интересна емкость системы двух проводников, заряды которых одинаковы по величины и имеют противоположные знаки. Такая система называется конден-
сатором, и ее емкость равна:
где Q — заряд одной из обкладок конденсатора, а Δφ — разность потенциалов между обкладками. Емкость конденсатора практически не зависит от окружающих тел.
Для плоского конденсатора
Здесь S — площадь пластин, а d — расстояние между ними.
Энергия конденсатора может быть вычислена по одной из трех формул:
то есть для любой пары значений из трех величины Q, C, Δφ. При паральном соедининии конденсаторов их емкости складывают:
При последовательном соедининии величины, обратная емкости батареи, равна сумме величины, обратных емкости отдельных конденсаторов:
Напомним основные понятия и формулы, перейдем теперь к решению конкретных задач.
Задача 1. Пластины заряженного плоского конденсатора попеременно заземляются. Будет ли при этом конденсатор разряжаться?
Решение и解答 определяем,
50
не заряжен и его емкость можно не учитывать. Упрощенная эквивалентная схема приведена на рисунке 5. В результате получаем схему из трех параллельных ветвей, две из которых содержат по два последовательно включенных конденсатора. Общая емкость системы
Задача 4. Два конденсатора емкостью и заряжены до разностей потенциальов и (). Доказать, что при параллельном соединении этих конденсаторов их общая электростатическая энергия уменьшается. Объяснить, почему проискодит уменьшение энергии.
Решение. Энергия конденсаторов до соединения была равна . После соединения заряд батареи конденсаторов будет , а энергия, запасенная в батарее, . Разность энергии .
Электростатическая энергия уменьшалась вследствие того, что при соединении конденсаторов проводниками заряды переtekали с одного конденсатора на другой. В проводниках, соединяющих конденсаторы, выделялось при этом тепло.
К логическим задачам
(см. стр. 28)
-
Налример, можно спроить: «Лежец ли ты?», и они ответят одинаково. Можно также спроить: «Говоришь ли ты правду?», и они тоже ответят одинаково.
-
На вопрос «Спрашивал ли я Вас сегодня о чем-нибудь?» в первый раз правильный ответ — «нет», а во второй раз — «да». Есть и другие вопросы.
-
Если туристы подошли к одному берегу, то перерабатся на противоположный берег за четное число рейсов, очень низко. Значит, туристы подошли к противоположным рейкам: две к одному берегу, а третий — к другому. В этом случае переправу можно осуществить за два рейса.
-
Так как сумма цифр пятизначного числа не превышает 45, то моему соседу не больше 45 лет. Но ему не может быть и меньше 45 лет, либо тогда больше бы называть несколько пятизначных чисел, у которых сумма цифр равна возрасту соседа. Значит, ему 45 лет, а мой lotерейный билет имеет номер 99 999.
51
Электромагнитная индукция
Л. Г. Аспамазов
Решение задач на электромагнитную индукцию основывается на использовании закона Фарадя: если магнитный поток, произвольный некоторый контур, за время изменяется на величины , то в контуре наводится электродвижущая сила (к — число лентийной коэффициент, зависимости от выбора системы единиц). В этой форме через мы обозначили абсцилтуную величины изменения магнитного потока, считая всегда положительный.
Направление индуцируемого в контуре тока наводится по правилам Ленца: ток направлен так, чтобы его магнитное поле противодействовал изменению магнитного потока.
Magнитный поток равен произведению составляющей индукции магнитного поля , перpendикулярной плоскости контур, на площадь контур (рис. 1): . Следовательно, изменение магнитного потока может произходить из-за изменения индукции магнитного поля, площади контур или его ориентации.
Перейдем теперь к решению задач.
Задание 1. Проволочная рамка произвольная магнитным полем,
перpendикулярным плоскости рамки и равномерно растущим со временем по закону: . Каков характер тока, текущего по рамке?
Скорость изменения магнитного потока в этом случае постоянна: где — площадь рамки. Поэтому э.д. с., наводимая в рамке, а, следовательно, и ток будет постоянным.
Задание 2. Проволочная рамка наводится в постоянном магнитном поле, направление индукции которого составляет угол с perpendикуляром к плоскости рамки. Чему равно среднее значение э.д. с. индукции, возникающее в рамке при выключении поля в течение времени сек? Площадь рамки , индукция поля .
Изменение магнитного потока в данном случае равно начальной его значению, так как конечное значение равно нулю (магнитное поле выключается): . Величина э.д. с. индукции . Вычисление будем производить в системе СИ, в которой , магнитный поток изменяется в веберх (1 ), время —
52
в секундах, а э. д. с. — в волтах.
Подставляя данные задачи, находим .
Задание 3. Исходные данные те же, что и в задаче 2. Чему будет равна э. д. с. индукции, если поле оставить неизменным, а рамку повернуть на угол вокруг оси, перпендикулярной полю, за время сек.
При повороте рамки на угол возникны два варианта: либо поле окажется лежащим в плоскости рамки (рис. 2, а), либо будет составлять с перпендикуляром к плоскости рамки угол (рис. 2, б). В первом случае конечное значение магнитного потока равно нулю () и . Во втором случае (, а .
В рассмотренных задачах изменялся магнитный поток через контур (на рисунках мы изображали контур в виде прямого левой рамки, хотя форма его несущетвена). В результате в контуре наводилась э. д. с. индукции, пропорциональная скоростью изменения магнитного потока. Интересно, что количество электричества, переносимое по контуру под действием э. д. с., уже не зависит от скорости изменения магнитного потока и определяется только разность его начального и конечного значений.
В самом деле, под действием в контуре появляется ток, величина которого определяется по закону Ома , где — сопротивление контура. Следовательно, по контуру переносится заряд .
Посмотрим, какой заряд протекал по рамке в задачах 2 и 3, если сопротивление рамки ом.
Изменение магнитного потока при выключении поля (задача 2) . Поэтому заряд, протекший по рамке, равен .
В задаче 3 в первом случае, оченьindo, протечет такой же заряд. Во втором случае .
Задача 4. Квадратная рамка со стороны помещается в однородное магнитное поле, перпендикулярное ее плоскости (рис. 3, а). При этом по рамке протекает заряд . Какой заряд протечет по рамке, если при неизменном поле при неизменном поле при неизменном поле равно , и следовательно, , откуда .
Изменение магнитного потока при изменении рамки в магнитное поле равно , и следовательно, , откуда .
Рис. 3.
52
53
пересечения (рис. 3, 6):
Позному заряд, протекающий в этом случае по рамке,
При повороте одного из квадратов на 180° вокруг диагонали (рис. 3, 6) общая площадь контура не меняется. Однако в конечном положении магнитные потоки, произвольные отдельные квадраты, вычитаются друг из друга так, что общий поток через контур равен нулю. Поэтому при повороте квадрата изменение магнитного потока .
При этом, по рамке протекает заряд . Полный заряд, протекающий по рамке при ее изгибе и повороте, равен .
Перенос электричства по контуру сопроводяется выделением джоулева тела. Расмотрим, например, такую задачу.
Задание 5. По горизонтальном рельсам, расположенным в вертикальном магнитном поле с индикцией , скольzt проводник длины (рис. 4). Концы рельсов замкнуты на сопротивление . Определить мощность тепловых потерь на сопротивления, если проводник движется с постоянной скоростью . Сопротивлением рельсов и проводника пренебречь.
Найдем изменение магнитного потока через контур, образованный движущимся проводником, рельсами и сопротивлением за время . При движении проводника площад контуру увеличивается на величины . Изменение потока . Поэтому
Под действием этой э.д. с. в кон-
Рис. 4.
тype течет ток
Выделяющееся при этом на сопротивлении теплло определяется по закону Джоуля — Ленца: . Мощность тепловых потерь
Полезно разобраться, за счет какой энергии выделяется теплло на сопротивлении.
Как известно, на проводник с током в магнитном поле действует сила (закон Ампера). В нашем случае (магнитное поле перpendикулярно проводнику) эта сила равна и направлена противоположно скрости. По условиям разобрания с постоянной скоростью это означает, что к нему приложена сила , уравновешивающая тормозную силу со стороны магнитного поля. Работа силы и переходит в теплло, которое выделяется на сопротивлении. Мощность этой силы равна мощности тепловых потерь:
Из полученных формул следует, что при увеличении сопротивления ток в контрете будет уменьшаться (). Однако падение напряжения на сопротивлении, равное разности потенциаль на концах проводника, остается неизменным ().
Теперь легко найти величины разности потенциальов, возникших
54
на концах проводника, движущогося в магнитном поле, перпендикулярном направлению его движения. Можно считать, что проводник скользит по воображаемым рельсам, замкнутым на бесконечно большое сопротивление. Тогда разность потенциаль на концах проводника равна .
В том случае, когда индукция магнитного поля имеет составляющую в плоскости движения проводника, при вычислении разности потенциаль ее можно не учитывать (она не дает вклад в магнитный поток), то есть существена только перпендикулярная плоскости составляющая магнитной индукции.
Задание 6. Определить разность потенциальов, возникающего между концами крыльев самолета, летящшего горизонтально со скоростью . Расстояние между концами крыльев . Вертикальная составляющая индукции магнитного поля Земли .
Воспользовавшись формулой и перейда в систему СИ: , , найдем . Горизонтальное составляющее магнитного поля Земли можно не учитывать, так как она лежит в плоскости движения самолета.
Заметим, что возникающего разность потенциаль неелья изменить волтметром, находящимся в самом лете, подсоединив его к концам крыльев. Магнитный поток через контур, образующий крыльями самолета и волтметром с проводами, при движении самолета не изменяется, и ток через волтметр равен нулю.
Задание 7. Горизонтальный проводник длины движется в вертикальном магнитном поле с индикцией . Скорость проводника образует угол с самим проводником (рис. 5).
Определить разность потенциаль на концах проводника.
Такой проводник мы опять можем представлять себе скользащим по горизонтальным рельсам, замкнутым на бесконечно большое сопротивление. Определим изменение магнитного потока за время через контур, образованный проводником, сопротивлением и рельсами. Площадь контура изменяется на величины , следовательно, .
Изменение магнитного потока вызывает появление в контуре э. д. с. индикции , которая и равна разности потенциальов на концах проводника. Подставляя численные данные, находим .
При изменении магнитного потока через контур, содержащий конденсатор, на конденсаторе появляется заряд.
55
Задача 8. Проводник длины м скользит по горизонтальном рельсам в вертикальном магнитном поле с индукцией sec. Концы рельсов замкнуты на конденсатор емкостью мкф (рис. 6). Определить заряд на конденсатор, если скорость проводника м/сек.
Напряжение на конденсатор равно разности потенциалов на концах движущегося проводника: . Значит, заряд на конденсатор к.
Заметим, что при движении проводника с постоянной скоростью заряд на конденсатор остается неизменным и ток по проводнику не течение.
Рассмотрим более сложную задачу, в котором эл. d. c. индукции наводится в двух связанных между собой контурах.
Задача 9. Проводник длины м скользит по горизонтальном рельсам в вертикальном магнитном поле с индукцией мл. Концы рельсов замкнуты на сопротивления om и om (рис. 7). Определить ток, текущий через проводник, если скорость проводника м/с. Сопротивлением рельсов и проводника пренебречь.
Проводник, рельсы и сопротивления образуют два контура. Э. д. c. индукции, наводимые в этих контурах, одинаковы по величины и равны (см. задачу 5). Однако направлены они в разные стороны. Площадь контура с сопротивлением при движении проводника увеличивается. В контуре возникает ток, магнитное поле которого ослабляет внешнее поле. Площадь контура с сопротивлением уменьшается; магнитное поле возникающего в нем ток должно складывать с внешним полем.
Так через движущийся проводник равен сумме токов, текущих в отдельных контурах: ; ; . Поэтому a. Направление тока показано на рисунке 7. Если изменить направление движения проводника, то направления всех токов также изменятся.
Упражнения
-
Возникает ли индукционный ток, если контур
a) движется поступательно в однородном магнитном поле;
b) врашает векруг оси, лежащей в плоскости контура и перpendикулярной индукции однородного поля;
b) врашает векруг оси, лежащей в плоскости контура и перpendикулярной индукции однородного поля;
г) движется поступательно mismo полоса прямого магнита (плоскость контура перpendикулярна прямой, соединяющей полоса магнита)? -
В замкнутую накоротку катушки из медной проводки вводят магнит, созданный внутри нее поле sec. Какой заряд протекает при этом по катушке? Радиус витка катушки cm, площадь сечения проводки mm², удельное сопротивление меди om·m.
-
Катушка, содержащая витков изолированного провода, находится в магнитном поле, индукция которого равномерно меняется со скоростью .
Концы катушки подсоединяются: a) к сопротивлению om, значительное превосходящему сопротивление катушки; b) к конденсатору емкостью мкф. Определить: a) мощность тепловых потерь на сопротивлении; b) заряд на конденсаторе. Радиус витка катушки cm.
- Оно время считалось, что головь опередляет свое местонахождение по величене магнитного поля Земли, которое осуществляет на направлении, индуцируемому в нем поле. Оцените величины направления между концами крыльев головь при полете со скоростью km/час, считая, что расстояние между концами крыльев cm, а индукция магнитного поля Земли sec.
Может ли головь использовать это направление для определения своего местонахождения, если в атмосфере существуют случаи электрическое поля направлено до б/см?
- По вертикальном рельсам, расположенным в горизонтальном магнитном поле с индукцией на расстоянии друг от друга, скользит проводник. Какой максимальный скорости он может достигнуть, если накоротко замкнута: a) только верхние концы рельсов; b) и верхние, и нижние концы. Масса проводника , сопротивление его . Сопротивлением рельсов пренебречь.
56
Сколько стоит грамм света?
Ещесовсем недавно специализная теория относительнойности была уделом узкого круга специализтов. Все лет пятнадцать тому назад ее специализно изучали только физики. Постепенно она начала проникать в программы техническихузов. А теперь с основами теории Эйштейна знакомятся на факультативных занятиях старшеклассников. Еще больше ребят читает популярую литературу по этому вопросу, в изобилии появившуюся за последние несколько лет.
Но если вы хотите по-настоящему изучить теория относительнойности, просто читать даже очень хорошие книжки мало. Критерим того, все ли вы осознаны, действительно ли поняли, может служить только маленькое самостоятельное исследование — решение задач.
Мы коротко рассакjem здесь о двух книгах, которые помогают научиться решать задачи по теории относительнойности. В одной из них излагается и сама теория относительнойности, очень ярко и серверно, но в то же время доступно сільному школьнику старших классов. Речь идет об изданной вторым изданием в 1971 году книге Э. Тейлора и Дж. Уилера «Физика пространства — времени»*). Авторы этой книги — известные американские физики и выдающиеся педагоги. Вторая книга—«Элементарный задач-
*) Э. Тейлор, Дж. Уилер, Физика пространства — времени, «Мир», 1971 г.
ник по теории относительнойности» Ю. И. Соколовского *). Эта книга издана в серии «Библиотека физика-mатематической школи», выпускаемой издательством «Наука». Фамилия автора задачика известна многим читателям в связи с его много раз издававшимся популяриными книгами по теории относительнойности. Книги Э. Тейлора и Дж. Уилера и Ю. И. Соколовского совершенно разные, и такая несовсем обобщная решения — сразу про две книги — пишется для того, чтобы подчернуть что их обведияет. Объединяют же эти книги помещенные в них задачи.
Для старшеклассников, решивших изучать теория относительнойности, нужны школьные задачи: по крайней мере необходимо, чтобы математический аппарат не выходит за рамки школьной программы. Вообще говоря, таких задач существует не так уж мало, но они разбросаны по разным недоступным для школьников книгам. Теория старшеклассики и учитель получили хороший подарок — школьные сборники задач по теории относительнойности. Каждый из указанных нами книг содержит около сотни задач. Есть среди них легкие, доступные начинающиму, есть трудные, которые потребуют довольно глубоких знаний. Задчище заставляют
задумываться над многими казавшимся очередными вешами. Иногда читатель должен будет перечитать уже прочитанное в других книгах и, быть может, прочитать новые.
Книгу Э. Тейлора и Дж. Уилера можно, конечно, использовать одновременно и как учебник. Научить теории относительнойности — основная цель ее авторов, и с ней они справились быстро. Задачник Соколовского требует, чтобы читатель держал вместе с ним на своем столе какую-нибудь из учебных или научно-популярных книг по теории относительнойности. Уровень книг тоже разный; вполе невозможно, что начинающему читателю «Физика пространства—времени» покажется сложной, и тогда следует прежде прочитать какую-нибудь другую книгу, попрошше.
Формулировки задач в книге Э. Тейлора и Дж. Уилера иногда неожиданны, но всегда интересны. Задаки и парадоксы теории относительнойности часто смешют и совсем не просты. «Когда Эйштейн был ребенком, — пишут Тейлор и Уилер,—онломал голову над такой загадкой: путь бегун смотрит на себя в зerkалю, которое он держит перед собой в вытянутой руке; если он бежит почти со скоростью света, сможет ли он увидеть себя в зerkале?» Необучные правила сложения скоростей, зависимости времени от системы отчета, постоянство скорости света во всех инерциальных (то есть движущихся равномерно и прямолинейно друг от друга) системах отчета — разве все это не удивительно? Вопрос, который стоит в заголовке этой решении, тоже оказывается не бессмысленным.
В задачнике Ю. И. Соколовского эта задча сформулирована так: «Сколько стоит один грамм света при тарифе на электрозергию 4 копейки за киловатт-час и коэффициент полезного действия электросеккого источника света 10%?» Как вы думаете — сколько? Цифра в ответе порожает — оказывается, 10 миллионов рублей. Проверьте, если не верите *).
Вот еще простая задача из этого же заданияка: «Писатель-фантасты (С. Лем в «Астропавтах», Г. Мартинов в «Калистянах» и др.) рассказывают о необходимости правомерном и прямолинейном полете механизведенияного корабля с околосветовой скоростью. Авторы видят причину болезненного состояния космонавтов в увеличении их масс «в соответствии с теории относительнойности Эйнштейна». Высказите суждение о праводопобности такого влияния околосветовой скорости полета на самочувствие космонавтов».
Основное правило Уилера, которое приводится перед задачи к первой главе книги «Физика пространства—времени», заслуживает того, чтобы его прочитировать. Звучит оно так: «Никогда не начинающий вычислений, пока не знаешь ответа. Каждый вычислению предослая оценочный расчет; привлекшие процесшие физические сообщения (симметрию! инвариантность! сохранение!) до того, как начинаать подробный выбор; продолжая возможные ответы на каждую загадку. Будь смелее, ведь никаку *)
*) Эта же задача рассматривается в книге Л. Д. Ландду и Ю. В. Румера «Что такое теория относительнойности?».
нет дела до того, что именно ты предположил. Поэтому делай предположения быстро, интуитивно. Удачные предположения укрепляют эту интуитивную Ошибочные предположения дают полезную вструсу». Постаайте следов этом полезному правилу при решении всяких задач.
Во втором издании «Физики пространства—времени» приводятся решения задач, но не спешите загладывать в них! Все задачи, конечно, вред ли можно решить. Быть может, это и не нужно, хотя решения задача — это ответ на еще один каверзный вопрос, знакомство с новым физическим явлением или разрешение старого парадокса.
В целом довольно удален подход задачи в книге Ю. И. Соколовского. Иногда, впрочем, хорошо задаются от употребленной терминологии. Довольно тяжелевое и малопонятное звучат, например, слова «альфацентрические одновременных событий» (задачка №14) или «собиться М и N, альфацентрические и бетацентрические одноместные события A» (задачка №15).
Может быть, в задачнике следовало бы удалить больше внимания вопросу об инвариантных величины. Решения многох трудных задач Ю. И. Соколовский излагает через курсо. Хочется пожелать, чтобы при переиздании задачи они были написаны подробнее.
Обе книжки, о которых здесь расссказано, написаны людими, имеющими большой педагогической опыт и не один год преодолошими теории относительнойности. Они, без сомнения, привести пользование тем, кто решится их серверно изучать.
А. Б. Геллер
УГОЛОК КОЛЛЕКЦИОНЕРА
АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ
НА СЛУЖБЕ МИРА
Использование atomной энергии в мирных целях налапось в июле 1954 г., когда в Советском Союзе вошла в строй atomная электростанция Академии Наук СССР в Обчинске. Этому собственно посвязывается из трех марок, выпущенных в января 1956 г. Одну из этих марок, на которой показан внешний вид этой электростанции, вы видите на фоне.
Особую выгоду дает установка atomных реакторов на судах. Так, немного более 80 кг atomного горючего достаточно ледоколу «Ленин», чтобы плавать круглый год, не заходя в порт для заправки. На фоне приведена марка с изображением atomного ледокола «Ленин».
В 1962 г. в Советском Союзе была выпущена серия из двух марок «Атомная энергия на служебе мира». Эти марки вы видите на фоне. На одной из них в центре — силигент высотного здания университета, а по краям — условия изображения, символьизирующие применение atoms в металлургии, медицинке, сельском хозяйстве и других областях. На второй марке — контурная карта СССР с условиями изображением atoms.
В 1963 г. у нас в стране вышла марка, посвязывающая теме «Атом — миру», с условиями изображением atoms на фоне линей электропередачи. Эта марка приведена на фоне. Марки, символьизирующие использовать atomной энергии в мирных целях, выпускались во многих странах мира. Так, например, интереса марка Чехословакии (см. фото в правом верхнем углу), выпущенная в 1954 г. в серии «Чехословакое машиностроение». На ней изображены заводские корпуса, а на переднем плане — паровая машина и схема строения atoms. Текст на марке гласит: «От паровой машины до atomной электростанции».
На фото также приведены марки Индонезии, Польши, Югославии и марка Организации объединенных наций с символьским изображением atoms.
А. В. Алитыс
59
К статье «Фигуры Лиссажу»
-
Кривая незамкнута, когда и обращаются в нуль.
, если
, если
Следовательно, выражается относением целых чисел. -
Это — часть параболы с вершиной в точке и осью вдоль оси (см. рис. 1).
Рис. 1.
К статье «Теорема косинусов и ее следствия»
-
Задчаа решения не имеет, так как неравенство при и не выполняется (см. пример 1).
-
-
Показать, что для вскройного треугольника имеет место соответствие
-
Установить, что
и применить неравенство -
Воспользоваться неравенством , и соответствием .
-
-
Пусть и Тогда и Поэтому по формуле имеем Отсюда В частности, если , то
-
Пусть перpendикуляр к отрезку , проведенный через его середину, пересекает прямую в точке Тогда и
Затем воспользоваться известным неравенством (при и ).
-
Воспользоваться результатом a) примера 3.
-
Пересечем боковой стороны на вектор в положение
Рис. 2.
(рис. 2). Получим треугольник . Требуется определить угол
На основании свойства сторона описанного четырехугольника имеем:
60
так что . Кроме того, .
Приименим к треугольнику формулу (5) (из статы):
где , а . Подставив данные, получим
откуда
Примечние. Можно доказать, что задача имеет решение тогда и только тогда, когда параметры и удовлетворяют условию .
- Воспользовитесь формулой (1) и тем, что если , то .
К задаче M108
Ответ. Пусть , . Тогда при существует одна прямая, делящая перimetр и площадь треугольника пополам, при – две и при – три.
Указание. Проведем через центр вписанной окружности прямую, будем поворачивать ее вокруг точки и следить за тем, по какую сторону от нее лежит больше половины площади (или, что то же самое,
Рис. 1.
перimetра); на рисунке 1 для шести положений прямой – по биссектрисам и перпенда*
*) Прежде чем проверить это, доказите, что биссектрисы всегда делят полный угол при точке на шесть острых углов.
Дикулярно к ним — стрелка указывает, где лежит большая часть треугольника *). Для нас важны именно эти положения, поскольку в промежутках между ними величины площади (перimetра), лежащей в одной стороне (полуплоскости) – а значит, и в другой — меняется монотно. После этого уже легко понять, что в розовом секторе лежитровно одна нужная нам прямая (при любых ), в каждом из головных – еще по одной, если только .
К задаче M109
Пусть НОД . Тогда (см. пункт 5 «Линейное уравнение» в статы В. Н. Вагутена, стр. 33) существует такие целые и , что . Изменив знак , , можно считать, что , а равно или .
Пусть нечетно. Тогда можно считать четным (инчете можно заменить на , а на ). Тогда, если заменить знаки в первых вершинах, затем в следующих за ними вершинах и т. д. раз, то в результате изменится знак только вершин, стоящих подряд. После этого задача становится, оченьвалентной той, где разрешается изменять знак вершин, стоящих подряд.
Пусть четно. Тогда нечетно (ведь ). Используя то, что , мы можем поменять знак всех вершин, кроме , стоящих подряд. Следовательно, мы можем оставить неизменным знак всех вершин, кроме , стоящих подряд. Таким образом, мы можем получить любую комбинацию знаков, у которой в вершинах каждой правильно -угольника та же четность количество минусов, что у первогоального расположения. Легко видеть, что другие получить нельзя.
Ответ. Пусть каждому расположению знаков соответствует набор , где равно 0 или 1 в зависимости от того, четное или нечетное количество минусов стоит в вершинах с номерами (). Тогда при четном два расположения знаков можно перевести одно в другое в том и только в том случае, если соответствующие им набора одинаковы, при нечетном – если они одинаковы или противоположны.
К статье «Приименение тригонометрики при решении геометрических задач»
61
-
-
.
-
.
-
К статье «Варианты вступительных экзаменов по математике 1971 года»
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ В. И. ЛЕНИНА
Вариант 1
- . Указание.
Заметив (и доказав), что и что диагонали сечения взаимно перпендикулярны, находим диагонали и площадь четырехугольника. - .
- .
- . Указание. ОДЗ исходного уравнения определяется условиями: 1) ; 2) ; 3) . Перейд к уравнению
и выразив через , получим совокупность уравнений: 1) , 2) . Из решения выбираем только те, которые входят в ОДЗ исходного уравнения, то есть .
Заметание. Если заменить на , то получим уравнение , откуда , ; и потому не входит в ОДЗ, а из решения серии надо отобразить те, которые входят в ОДЗ. Для этого разбиаем серию на 3, как говоря, элементарные серии:
из которых только входит в ОДЗ.
Вариант 2
- . Заметание.
Напомним, что центр вписанной в треугольник окружности лежит в точке пересечения биссектрис. - .
- . Указание. Заметив на и разложив уравнение на множители, получим совокупность уравнений: 1) и 2) . Второе уравнение решей не имеет.
ЛЕНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ А. И. ГЕРЦЕНА
Matематический факультет
- . 2. .
- , где …
Физический факультет
- . 2. .
- . 4.
ЛЕНИНГРАДСКИЙ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ
- . Указание. Введите новые неизвестные
. - Указание. Заметьте, что .
- . Указание. Внесите под знак логарифма и придите к уравнению . Заметьте, что , а следовательно, это уравнение можно сократить на , получив квадратное уравнение относительно неизвестного .
- или . Указание и е. Выражение имеет смысл тогда, когда .
Решите это неравенство, приведя правую часть к общему значенателю, например, метод интегралов.
Рис. 1.
- . Указание и е. Достройте трапецию AMNB до прямого углового треугольника ABC (см. рис. 1). Тогда AB можно выразить через MP = h и углы CAB и MBA:
MN найдите из , представлено вычислив MC как разность AC и AM.
ЛЕНИНГРАДСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ ЛЕНСОВЕТА
- Указание и е. Разложите по формуле разности квадратов.
- Углы между боковыми гранями и плоскостью основания равны , а углы между соседними боковыми гранями равны . Указание и е. Доказите, что параметр — правильная. Обозначьте боковое ребро прямых через x и выразите через него стороны треугольников, содержащих расматриваемые углы.
- или . См. также рисунок 2. Указание и е. Данные графики всегда проходят через точку (0, -1). Поэтому достаточно потребовать, чтобы уравнение
не имело решений, отличных от x = 0.
4. или . Указание и е. Функция определена, если выполняются
62
63
ЛЕНИНГРАДСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ
- .
- . Указано. Воспользовательство формулики приведения и соответствием
. - . Указано ие. Расмотрите какой-либо прямогольный треугольник, образованный стороном ромба и его диагоналими. Выразите через и его площадь и высоту, опущенную на гипотенуzy.
- . Указано. Представьте каждое слагаемое в виде степеней двойки.
- . Указано. Заметьте, что .
ЛЕНИНГРАДСКИЙ ИНСТИТУТ
ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ
- .
- . Указано. Один из самых красивых методов решения этого уравнения заключится в «угадывании» корня . После этого доказите, что уравнение не имеет других корней, так как влево части уравнения стоит строго возрастишая функция.
- или ( — любые целые числа). Указано. Заметите и , используя известные соответствия.
ЛЕНИНГРАДСКИЙ
ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
- . Указано. Представьте последовательно все подкоренные выражения в виде квадратов.
- или . Указано. Перейдите к новому неизвестному .
- или или
Указано. Осовобидитесь от членов, не содержащих неизвестные, и придите к уравнению относительно . - ( — любое целое число). Указано. Перейдите выражение влево части уравнения к общему знаменателю и разложите по формуле разности квадратов.
ЛЕНИНГРАДСКАЯ ЛЕСОТEXНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ С. М. КИРОВА
- ; . Указано. Перейдите к неизвестным и , где через обозначает знаменатель прогрессии. Разделите первое уравнение на второе и полученное уравнение относительно решите, используя разложение многочлена на множители.
- . Указано. Представьте уравнение к общему знаменателю, после чего воспользовательство формулики логарифма степени и произведения.
- или ( — любое целое число). Указано. Воспользовательство формулиной .
- . Указано. Проведите плоскость через конуса и радиус, перпендикулярный хорд. Расмотрите получившиеся прямогольные треугольники.
ЛЕНИНГРАДСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
- или
( — любые целые числа). Указан и е. Воспользовитесь формулами приведения, после чего разложите обе части уравнения на множители, предварительно сгруппировав их подходящим образом. - . Указан и е. Упростите выражение в правой части уравнения.
- Указан и е. Воспользовитесь формулами приведения и формулами, выражаютсями тангенс половинного аргумента через косинус основного аргумента.
К статье «Решение задач по электростатике»
- Разность потенциальных нуждны на 980 .
- Электрометр будет показывать э. д. с. гальванического элемента независяimo от величины emкости конденсатора.
- Разность потенциальов , где и разности потенциальов между пластинами конденсаторов. Исключая из этих уравнений заряд , получим:
- Заряды конденсаторов до соединения: и . Общий заряд на обкладках после соединения . Общая emкость конденсаторов после соединения . Искомая разность потенциальов
К статье «Электромагнитная индукция»
- a) Не возникает, так как при движении не меняются ни величины магнитной индукции, ни угол, который она составляет с плоскостью контур, ни площадь контур.
- Возникает, так как при движении меняется угол между вектором магнитной индукции и плоскостью контур.
b) Не возникает, так как линни магнитной индукции лежат в плоскости контур и магнитный поток через контур всегда равен нулю.
г) Возникает, так как следствие неоднородности магнитного поля прямого магнита меняется величина вектора магнитной индукции.
2. Заряд, протекающий по катушке при введении магнита, равен
3. a) В контуре, образуемом катушки и сопротивлением, действует э. д. с. индукции
Под действием этой э. д. с. в контуре течение ток а и на сопротивлении выделяется Заряд на конденсаторе
4. Разность потенциальов, возникших на концах проводника длины , движущегося в перпендикулярном магнитном поле индукции со скоростью : . Соответствующая этой разности потенциальов направленность электрического поля , что значительное меньше направленности слуяйных электрических полей в атмосфере. Орентироваться таким образом голубь не может.
5. В первом случае ток через проводника равен . Тормозящая сила пропорциональна , а следовательно, и скорости проводника . Скорость проводника будет растяно до тех пор, пока сила не уравновесит силу тяжесте : . Отсюда максимальная скорость проводника
Во втором случае имеет два контур, образованных движущимся проводником, рельсами и каждой перемычкой. Э. д. с. индукции в них одинаковы по величины и равны , где — ток через движущийся проводник. Отсюда ток через движущийся проводник . В этом случае максимальная скорость проводника та же.
К заметке «Квант»
для младших школьников»
(cm. «Квант» № 6, 3-я стр. обложки)
- 26, 14.
- Каждая сумма равна сумме чисел, стоящих у вершин треугольника.
-
- -3, -5, -7, -9.
- 33, 43.
- А сколько вам лет?
-
Доказать, что разность
9999931999—5555571997
кратна пяты. -
Для того, чтобы проверить горизонтальное поверхности, строители пользовются прибором, который называют плотным уровнем. В изогнутой трубке, заполненной водой, находится пузірек воздуха. Если уровень лежит не горизонтально, пузірек смещается к краю трубки. Когда пузірек больше: в теплую или в холодную погоду?
-
Выпишем подряд, начиная с 1, числа натурального ряда:
123456789101112131415161718192021…
Какая цифра оказывается на 1972-м месте?
-
Останкинская телебашня высотой 530 метров весит 30000 тонн. Сколько будет весить точная модель этой башни высотой 53 см?
-
В погребе стоит 20 одинаковых банок с варенем. В 8 банках клубничное варенье, в 7 — малиновое, в 5 — вишневое. Каково наибольшее число банок, которые можно в темноте вынести из погреба с уверенностью, что там осталось еще хотя бы 4 банки одного сорта вареня и 3 банки другого?
-
Доказать, что из всех прямотольников одного и того же периметра наибольшую площадь имеет квадрат.
НЕ ПРОПАДАЕТ ЛИ В ВАС ШЕРЛОК ХОЛМС!
Федя договорился с бывшим одноклассником, живущим в деревне, что проведет у него отпуск. Его товарищ собирался ехать в тренировочный лагерь, и весь его дом должен быть остаться в распоряжении Феди. Федя на целье сутки задержался в городе, и когда он с весами наконец выбрался в деревню, товарища уже не было, а дверь была на замке. Оdnako в щели Федя нашел адресованное ему письмо, содержание которого передано на рисунке.
Федя сразу узнал тайнопись, который они пользовались в школьные годы, но к несчастью он успел за прошедшие годы забиты шифр. Он помил лишь то, что каждой рожице соответствовала определенная буква, причем буквы E и E не различались.
Оdnako после некоторых раздумья Феде все же удалось расшифровать тайнопись, найти ключ от двери и попасть в дом.
Как звали школьного товарища Феди, и что он писал в этом письме?