Квант
Задачник «Кванта»

Решения задач М179, М196—М199; Ф208, Ф209

31

Решения задач

M179; M196–M199; Ф208, Ф209

М179. В «Кванте» № 8 за 1973 год было опубликовано решение задачи M179. При этом мы предложили читательам самостояльно закончить решение задачи. Мы надемся, что вы это сделали и можете сравнить свое решение с нашим.

Напомним формулировку задачи.

Для каждого треугольника TT строится последовательность треугольников
T0=T,T1,T2,T3,…,T_0 = T, T_1, T_2, T_3, \dots,
еде TnT_n — треугольник, вершинами которого служат основания высот треугольника Tn−1T_{n-1}. Требуется выяснить, сколько существует попарно неподобных друзей друзей треугольников TT таких, для которых TnT_n подобен TT (при каждом фиксированном nn).

Обозначим через (α,β,γ),(α1,β1,γ1),…,(αn,βn,γn)(\alpha, \beta, \gamma), (\alpha_1, \beta_1, \gamma_1), \dots, (\alpha_n, \beta_n, \gamma_n) углы треугольника TT и соответствующих ему треугольников T1,…,TnT_1, \dots, T_n. Требуется узнать, сколько существует треок (α,β,γ)(\alpha, \beta, \gamma) таких, для которых трейка (αn;βn,γn)(\alpha_n; \beta_n, \gamma_n) совпадает с (α,β,γ)(\alpha, \beta, \gamma) или получается из нее перестановкой, причем α⩾β⩾γ\alpha \geqslant \beta \geqslant \gamma.

Тройки (α,β,γ)(\alpha, \beta, \gamma) и их преобразования
(α,β,γ)→(α1,β1,γ1),(α,β,γ)→hn→(αn,βn,γn)\begin{align*} (\alpha, \beta, \gamma) &\rightarrow (\alpha_1, \beta_1, \gamma_1), (\alpha, \beta, \gamma) \rightarrow \\ h^n &\rightarrow (\alpha_n, \beta_n, \gamma_n) \end{align*}

удобно представлять себе геометрические следующие:

Нарисуем треугольник YY, у которой дляна каждой высоты равна π\pi, и будем изобразать трейку неотрицательных чисел (α,β,γ)(\alpha, \beta, \gamma), для которого α+β+γ=π\alpha + \beta + \gamma = \pi, точкой yy внутри этого треугольника, расстояния от которой до сторона равны соответствующим α\alpha, β\beta и γ\gamma (рис. 1). Такое соответствие
(α,β,γ)→y(\alpha, \beta, \gamma) \rightarrow y

между трейками (α,β,γ)(\alpha, \beta, \gamma) и точками y∈Yy \in Y будет взаимно однозначным. Перестановкам чисел в трейке (α,β,γ)(\alpha, \beta, \gamma) соответствуют перемещения треугольника, совмещаются его с самим собой (повороты и симметрины относительно высот). Напомним, что преобразование hh геометрическим описывается так. На средних линиях треугольника YY (точкам yy средних линий соответствуют прямогольные треугольники TT) hh не определяено, а каждый из четырех треугольников, на которые средние линия разбиают треугольник YY, hh отображает на весь YY, причем это отображение — преобразование подобия с коэффициентом 2, переводящей каждый отрезок в параллельный ему отрезок. Стсюда индикцией по nn получаем, что преобразование hnh^n устроено аналогично: на прямых, параллельных сторонам и разбиающих высоты на 2n2^n равных частей, hnh^n не определяено; в каждом из 22n2^{2n} треугольников, на которые эти прямые разбиают YY, hnh^n — преобразование подобия с коэффициентом 2n2^n, отображающей этот треугольник на весь YY. (На рисунке 2 изображено h2h^2.) Условия α⩾β⩾γ\alpha \geqslant \beta \geqslant \gamma выделяют один из шести треугольников, на которых разбиают треугольник YY его высоты. Этот прямой

32

угольный треугольник обозначим Y1Y_1, остальные — как показано на рисунке 3 — обозначим соответствующее Y2Y_2, …, Y6Y_6. Пусть fjf_j: Y−YY - Y — перемещение YY такое, что fj(Yj)=Y1f_j(Y_j) = Y_1. Если каждый из 22n2^{2n} маленьких треугольников, которые отображаются преобразованием hnh^n на весь треугольник YY, разбить высотами на шесть треугольников, то Y1Y_1 будет разбит на 22n2^{2n} подобных ему (с коэффициентом 2n2^n) треугольников, которые мы обозначим через XjX_j, 1≤j≤22n1 \leq j \leq 2^{2n} (рис. 4). После отображения hnh^n каждый XiX_i перейдет в некоторый YjY_j, и если затем переставить числа в той же (αn,βn,γn\alpha_n, \beta_n, \gamma_n) в порядке убывания — применить fjf_j, то произведение двух преобразования fj⋅hnf_j \cdot h^n отображает XiX_i на Y1Y_1 (преобразование подобия с коэффициентом 2n2^n).

Мы утверждаем, что в каждом из 22n2^{2n} треугольников Xi⊂Y1X_i \subset Y_1 существуетровно одна «неподвижная точка» yiy_i также, что yi∈Xiy_i \in X_i и fj(hn(yi))=yif_j(h^n(y_i)) = y_i. Из ответа нужно еще исключить неподвижные точки тех треугольников XiX_i, у которых больше категории Y1Y_1 (их существует именно столбко, каков коэффициент подобия), поскольку для этих (и как нетрудно видеть, только для этих) треугольников «неподвижная точка» попадает на границу, где отображение hnh^n не определяено. Отсюда сразу следует, что ответ в нашей задаче: 22n−2n2^{2n} - 2^n. (На рисунке 4 в каждом из 12 головных треугольников лежит по одному точке (α,β,γ\alpha, \beta, \gamma), для которого (αn,βn,γn\alpha_n, \beta_n, \gamma_n) после перестановки в порядке убывания совпадает с (α,β,γ\alpha, \beta, \gamma).)

Осталось только доказать наше утверждение. Для этого мы применим к треугольнику Y1Y_1 и отображению pp этого треугольника на Xi⊂Y1X_i \subset Y_1, обратному к fjhnf_j h^n, следующее теорему.

Теорема. Пусть ZZ — некоморяя фигура на плоскости (причем все границы точки ZZ считаются принадлежащими ZZ), p:Z→Zp: Z \rightarrow Z — преобразование подобия с коэффициентом k<1k < 1. Тогда существуетровно одна «неподвижная точка» преобразования pp, принадлежащая ZZ, то есть молко одна z0∈Zz_0 \in Z, для которой p(z0)=z0p(z_0) = z_0.

Доказательство теоремы для ограниченной фигуры ZZ (а именно этот случай нам нужен) проще всего проверить так. Пусть Zn=pn(Z)Z_n = p^n(Z) (результат nn-кратного применения pp к ZZ). Тогда Z⊃Z1⊃Z2⊃Z3⊃…Z \supset Z_1 \supset Z_2 \supset Z_3 \supset \dots и пересечение всех ZnZ_n состоит из одной точки z0z_0 (рис. 5). Эта точка и будет неподвижной точкой преобразования pp.

Другое доказательство, позволяющее явно указать неподвижную точку и пригодное для неограниченных фигуры ZZ, можно получить с помощью компликционных чисел. Любое преобразование подобия плоскости можно записать как результат последовательного выполнения поворота, растяжения в kk раз, параллельного перенаса: z∣→az+bz| \rightarrow az + b и быть может, еще предварительно симметрично относительно прямой: z∣→az+bz| \rightarrow az + b (здесь aa и bb — компликственные числа, ∣a∣=k|a| = k, z=x−iyz = x - iy — сопряжение k=z+iyk = z + iy; см. статью «Мнимые числа и геометрические задачи», «Квант» №3, 1973, с. 22). В первом случае неподвижная точка находится как решение уравнения уравнения.

z0=az0+b>z0=b1−a=b+aˉb1−k2,z_0 = az_0 + b > z_0 = \frac{b}{1 - a} = \frac{b + \bar{a}b}{1 - k^2},

во втором — как решение системы уравнений

{z0=aˉz0+bzˉ0=aˉz0+bˉ>z0=b+aˉb1−aˉ,\begin{cases} z_0 = \bar{a}z_0 + b \\ \bar{z}_0 = \bar{a}z_0 + \bar{b} \end{cases} > z_0 = \frac{b + \bar{a}b}{1 - \bar{a}},

=b+aˉb1−k2.= \frac{b + \bar{a}b}{1 - k^2}.

34

Примечання 1. Заметим, что при перемене мест чисел, который мы произведем, сумма произведений строго увеличивается. Отсюда следует, что сумма произведений равна максимальной в том и только в том случае, когда таблица получается из таблицы с упорядоченным строками путем перестановки столбцов.

  1. Если не предполагается, что в таблице стоит положительные числа, то утверждение неверно. Простейшим примером может служить таблица 2×32 \times 3 (рис. 7).

В. М. Макаревич

M198. Дан параллелограмм ABCD. На прямых AB и BC выбраны точки соответствующего H и K так, что треугольники KAB и HCB равноведренные (KA = AB и HC = CB (рис. 8)). Докажите, что треугольник KDH — может равноведренный.

Это совсем простая задача. Расмотрим треугольники AKD и CDH. Они равны, поскольку AD = CH, AK = DC и DAK = DCH (см. рис. 9, а, б, с). Поэтому длины отрезков KD и DH одинаковы. Легко убедиться и в том, что треугольники KDH, AKB и BHC подобны (сделайте это).

В. Л. Гутенмахер

M199. a) Докажите, что сумма
Cn0−Cn−1114+Cn−22142−⋯+C_n^0 - C_{n-1}^1 \frac{1}{4} + C_{n-2}^2 \frac{1}{4^2} - \dots +
+(−1)iCn−i114i+…,+ (-1)^i C_{n-i}^1 \frac{1}{4^i} + \dots,
(sумма берется по всем целем i, 0 ≤ i ≤ n2\frac{n}{2}) равна n+12n\frac{n+1}{2^n}.

б)* Докажите, что если p и q — различные числа u p + q = 1, то сумма
Cn0−Cn−11pq+Cn−22p2q2−⋯+C_n^0 - C_{n-1}^1 pq + C_{n-2}^2 p^2 q^2 - \dots +
+(−1)iCn−i1piqi+…,+ (-1)^i C_{n-i}^1 p^i q^i + \dots,

рис. 9

35

pk+1(1−q)−qk+1(1−p)p−q=pk+2−qk+2p−q\frac{p^{k+1}(1-q) - q^{k+1}(1-p)}{p-q} = \frac{p^{k+2} - q^{k+2}}{p-q}

(напомним, что p+q=1p+q=1).

Остается проверить базу индукции. При n=0n=0 Sn=1S_n=1 и p−qp−q=1\frac{p-q}{p-q}=1 – формула верна.

При n=1n=1 Sn=1S_n=1, а p2−q2p−q=p+q=1\frac{p^2-q^2}{p-q}=p+q=1 – формула снова верна.

Таким образом, и индукционный шаг и база индукции проверены. Следовательно, формула справедлива при всех nn.

Замечание. В нашем решении мы пользовались тем, что Cnk+Cnk+1=Cn+1kC_n^k + C_n^{k+1} = C_{n+1}^k Выведите это соответствие самостояльно из формулы для CnkC_n^k, приведенной в условии задачи.

Л. Г. Лиманов

Почти все читатели, приславшие решения задач M190—M199, успешно справились с задачими M191, M198. Мы получили более 150 правильных решений задачи M196. Правильные решения остальных задач пришли (жирная цифра после фамилии — последняя цифра номера решенной задачи): С. Абрамов (Москва) 7; С. Адеев (Воронеж) 2; Д. Азов (Челябинск) 2; Ю. Акумин (Москва) 5; П. Баньковский (Уральск) 7; А. Бараов (Старый Урух КБАССР) 7; Е. Башкиров (Минск) 2, 7; А. Берлин (Бобрый) 2, 7; А. Блох (Харьков) 2, 4, 7, 9; А. Бузанов (Днепропетровск) 2; А. Вайновский (Баку) 2; А. Вальков (Ташкент) 2, 7, 9; А. Васицеев (Ставрополь) 7; Р. Вассерман (Одеска) 9; С. Вилкомир (Москва) 2; А. Волков (Челябинск) 3; В. Гавриин (Ковылин Морд. АССР) 2, 7; А. Гончаров (Никопол) 2; А. Грицорян (Баку) 0, 2, 4, 7, 9; С. Гриценко (ст. Ленинградская Краснодарского края) 7; С. Гродский (Корсунь—Шевченковский) 7; Е. Гусев (Павлоград) 2, 7, 9; Г. Гутин (Клинцы Брянской области) 2, 4, 7, 9; А. Дадомов (Ленинград) 2, 4; К. Данильченко (Волгоград) 2, 9; П. Дедик (Москва) 7; В. Дупцов (Душанбе) 7; А. Ермененко (Харьков) 2, 9; К. Ермененко (Челябинск) 2; А. Жданов (Славянск—на—Кубани) 2; А. Журавлев (Москва) 2, 7; М. Закс (Пермь) 2; А. Заславский (Калинин) 7, 9; В. Карапетян (Севан) 2, 9; Д. Карпов (Павлоград) 7, 9; М. Кац (Кишинев) 7; И. Кирова (Болгария) 2; Л. Клименок (Москва) 7; Ю. Князикин (Таллин) 7; М. Кобозев (Киев) 9; К. Козел (Польша) 0; С. Коняesen (Саратов) 0; В. Кошарный (Волоногорск Днепропетровской области) 4, 7; А. Кукуш (Киев) 4; Р. Купец (Польша) 0; А. Курляндик (Ленинград) 2, 4; Г. Левант (Фрунзе) 2; Д. Лифшиц (Кутанси) 7; М. Любиц (Харьков) 0, 7; А. Макарцев (Львов) 2—4, 7, 9; Г. Малашонок (Львов) 2, 7; Д. Мамедов (Дивич Азерб. СССР) 9; С. Мельник (Харьков) 2; Д. Мостовой (Грозный) 3; Г. Мустафаев (Сназаны) 9; В. Нападов (Харьков) 2, 4; А. Николаев (Москва) 0; С. Нужный (Куйбышев) 2, 4; М. Осипов (Москва) 7; И. Панин (Апатиты) 2; В. Паньков (Минск) 0, 3, 5, 7; П. Парамонов (Москва) 5, 7; Е. Парилис (Ташкент) 7, 9; Е. Пасик (Харьков) 2, 3, 4, 7, 9; В. Перевалов (Комсомольск—на—Амуре) 2; В. Прунс (Москва) 2; А. Разуляев (Клин) 7; А. Райин (Москва) 0; А. Резников (Киев) 2, 4; С. Родонов (Саратов) 9; Р. Рожков (Рязан) 2, 7; Ф. Рожков (Рязан) 2, 7; В. Розенштейн (Каменец—Подольский) 7; А. Рязанов (Н. Кузнецк Кемеровской области) 7; Г. Самородницкий (Нежин) 2; В. Сац (Киев) 2; А. Сахаров (Ярославль) 7; Г. Скляр (Харьков) 7, 9; В. Слепой (Фрунзе) 3; В. Слепенко (Челябинск) 7; А. Слесаренко (Рубцовск Алтайского края) 2, 4; А. Сликин (Москва) 0, 2, 4, 7, 9; И. Слуцкий (Минск) 2; Я. Сойбельман (Киев) 2; К. Стемиак (Польша) 2, 3; С. Табачников (Москва) 0, 2—5, 7, 9; В. Ткаченко (Киев) 7; Э. Туркевич (Черновцы) 0, 2—4, 7, 9; С. Фомин (Ленинград); 2, 3; С. Церковный (Ленинград) 7; Н. Чекрыков (Набережные Челны) 3; А. Черебамов (Омск) 2, 3, 7; Н. Чернов (Кривой Рог) 2, 3, 7, 9; А. Шерстюк (Николаев) 0, 7, 9; В. Шляков (Харьков) 2, 3, 4, 7; И. Шербина (Днепропетровск) 0,2—4, 7, 9; А. Шехорский (с. Старики Житомирской области) 9; Р. Юлухаметов (д. Иткулово Башк. АССР) 7; И. Юнус (Харьков) 2, 7, 9.

Ю. П. Лысов

Ф208. У автоматизация, участвуцоцезо в конце, лопаемся шина. Оценить, с какой скорость должен examб автоматизив, чтобы шина не сминалась.

Будем считать, что автоматизив движется равномерно и без просkalзывания, и рассмотрим, какие силы действуют на участок шины одного колеса, который сорпкасается с дорогой: В инерциальной системе координат, связанной с центром колеса, этот участок шины движется по окружности радиуса RR (радус колеса) с линейной скоростью, равной по величине скорости автоматизив v. Центростремильное ускорение этого участка равно au=v2Ra_u = \frac{v^2}{R}.

Какие силы действуют на такой участок шины (назовем его «ведущим»)? Если пребегчь деформацией шины и связанным с ней силами, то на ведущий участок действия только одна сила — сила реакции дороги NN.

(Сила также mg, действующая на этот участок, много меньше NN, и его можно пребегчь).

Так как у обычных автоматизив 4 колеса,

36

то эта сила (в среднем) равна N=14MgN = \frac{1}{4} Mg,

где MM — масса автоматическая. Ускорение, сообщаемое ведущему учаску шины массы mm силой NN, и есть центристриментальное ускорение, то есть

14Mg=mv2R.\frac{1}{4} Mg = m \frac{v^2}{R}.

(1)

Так как левая часть равенства (1) построена (для данного автоматчика), то условия R=R = const (условие несминаемости шины) и, как следствие, m=m = const однозначно определяют необходимую скорость:

v=12MmgR.v = \frac{1}{2} \sqrt{\frac{M}{m} g R}.

(2)

Для получения количественной оценки подставим в эту формулу следующие значения: g=10 m/c2g = 10 \, m/c^2, R=0,5 mR = 0,5 \, m, M=2⋅103 кгM = 2 \cdot 10^3 \, \text{кг}. Величину mm нужно оценить. Масса шины порядка 30 кг, а с дорогой соррикается ее небольшой участок. Будем считать, что его длина l=10 смl = 10 \, \text{см}. Тогда

m=mш⋅l2πR≈30⋅102⋅3,14⋅0,5≈1 (кг)m = m_{\text{ш}} \cdot \frac{l}{2\pi R} \approx 30 \cdot \frac{10}{2 \cdot 3,14 \cdot 0,5} \approx 1 \ (\text{кг})

(мы считаем, что радиусечение шины мал по сравнению с радиусом колеса).

Подставив теперь все эти величины в формулу (2), получим

v=1220001⋅10⋅0,5=50 m/c=180 км/ч.v = \frac{1}{2} \sqrt{\frac{2000}{1} \cdot 10 \cdot 0,5} = 50 \, m/c = 180 \, \text{км/ч}.

Для геоного автоматия эта скорость совсем невелика.

Ф209. Смоделировать траекторию заряженной частицы в магнитном поле можно, помещив в однородное магнитное поле закрепленный на концах циклипровник, по которым пропускается ток. Каким будет намяшение макое провода при може 1 а, если он имитирует траекторию движения протона с энергейой 1 Мэв, вламацезо в магнитное поле перpendикулярно магнитным силовым линям?

F=IBΔl,F = IB\Delta l,

перpendикулярная элементу Δl\Delta l (рис. 11). Со стороны приложающих участков действуют силы T1T_1 и T2T_2 натяжения проводок (∣T1∣=∣T2∣=T|T_1| = |T_2| = T). Так как рассматриваемый элемент проводки находится в равновесии, то равновесийшая сила T1T_1 и T2T_2 должны быть по абсолотной величины равна силе FF, то есть

2Tsin⁡α2=IBΔl;2T \sin \frac{\alpha}{2} = IB\Delta l;

отсюда

T=12IBΔlsin⁡α2.T = \frac{1}{2} \frac{IB\Delta l}{\sin \frac{\alpha}{2}}.

Но Δl=αR\Delta l = \alpha R, где RR — радиус окружности, которое представляет проводок. Кроме того, так как элемент проводки мы взяли малим (по сравнению с RR), то угол α\alpha мал и

sin⁡α2≈α2.\sin \frac{\alpha}{2} \approx \frac{\alpha}{2}.

Позуму

T=12IBRαα/2=IBR.T = \frac{1}{2} \frac{IBR\alpha}{\alpha/2} = IBR.

Итак, для того чтобы найти TT, нужно определить RR.

Протон в магнитном поле движется по окружности под действием силы Лоренца

F=evBF = evB

(v — скорость протона, e — его заряд). Эта сила сообщает протону центристриментное

37

Ф210. Два одинаковых открытых соединины двумя одинаковыми прубками и доверху заполнены водой. Трубки закрыты кранами K1K_1 и K2K_2 (рис. 12). Температура воды в сосудах поддерживается постояной, причем t1∘>t2∘>4∘t_1^\circ > t_2^\circ > 4^\circ С. Что будет проискодить с водой в сосудах, если сначала открытый кран K2K_2, а затем (при открытом кране K2K_2) открытый кран K1K_1?

После открывания крана K2K_2 сосуды станут сообщающимся. Поэтому в них установятся такие уровни воды, при которых давления в нижних точках сосудов будут одинаковыми (инначечность перетекала бы из одного сосуда в другой):

ρ1gh1=ρ2gh2\rho_1 g h_1 = \rho_2 g h_2

(ρ1,ρ2\rho_1, \rho_2 — плотности воды в сосудах с температурами соответствующего t1∘t_1^\circ и t2∘t_2^\circ, h1h_1 и h2h_2 — соответствующее уровни воды).

Так как t1∘>t2∘>4∘t_1^\circ > t_2^\circ > 4^\circ С, то ρ1<ρ2\rho_1 < \rho_2. Это означает, что h1>h2h_1 > h_2, то есть вода перетечет из правого сосуда в левый и часть ее выпLETся.

Что будет проискодить с водой при открывании крана K1K_1, зависит от соответствия между давлениями воды в сосудах на уровне трубки. А так как давление линейно связано с высотой уровня и h1>h2h_1 > h_2, то на любом уровне 0<h<h10 < h < h_1 давление в левом сосуде больше, чем в правом (рис. 13). Следовательно, p1(h0)>p2(h0)p_1(h_0) > p_2(h_0). Поэтому, когда мы открыем кран K1K_1, вода начинает перетекать по верхней трубке из левого сосуда в правый. При этом давление в правом сосуде будет увеличивать, а в левом — уменьшаться. Благодаря этому в нижней трубке появится поток воды из правого сосуда в левый.

Эта задача имеет прямое отношение к техническе. Батареи водяного отопления подсоединяют к одной трубке, и тем не менее вода циркулирует по такой батарее, а не просто теет по труббе, не захода в батарею.

И. Ш. Слободецкий

Рис. 12.

ускорение

a=v2R,a = \frac{v^2}{R},

то есть

evB=mv2R,evB = m \frac{v^2}{R},

или

BR=mve=1e2m2v22=1e2mmv22.BR = \frac{mv}{e} = \frac{1}{e} \sqrt{2 \frac{m^2 v^2}{2}} = \frac{1}{e} \sqrt{2 m \frac{mv^2}{2}}.

Так как mv22=W\frac{mv^2}{2} = W — кинетическая энергия протона, то BR=1e2mWBR = \frac{1}{e} \sqrt{2 m W}.

Таким образом, T=1e2mWT = \frac{1}{e} \sqrt{2 m W}.

Подставляя в эту формулу I=1aI = 1a, e=1,6⋅10−19κe = 1,6 \cdot 10^{-19} \kappa, m=1,67⋅10−27κm = 1,67 \cdot 10^{-27} \kappa, W=1Mэв=1,6⋅10−13∂xW = 1 Mэв = 1,6 \cdot 10^{-13} \partial x, найдем

T=11,6⋅10−192⋅1,67⋅10−27⋅1,6⋅10−18≈14(н).T = \frac{1}{1,6 \cdot 10^{-19}} \sqrt{2 \cdot 1,67 \cdot 10^{-27} \cdot 1,6 \cdot 10^{-18}} \approx 14 (\text{н}).