68
Л. Финк
Еще раз о счастливых билетах
Вчера мой племянник Миша вбежал ко мне с возгласом: «Дядя, я, кажется, решил!»
— Что ты решил?
— Задачу о счастливом билете. Помнишь, как-то в трамвае мы с тобой пытались посчитать, сколько существует «счастливых» трамвайных билетов, у которых сумма первых трех цифр номера равна сумме последних трех цифр?
— Как же, помню. Об этом нашем разговоре даже напечатали в «Кванте» (см. № 7 за 1975 г., с. 67—70). Значит, ты нашел точное число счастливых билетов, не пользовы при этом методом перебора?
— Почти.
— Что значит «почти»? Почти точное число?
— Нет, число-то точное. Но я все-таки пользовусь методом перебора. Правда, просматрию не миллион шестизначных чисел, а в тысячу раз меньше.
— Рассказки-ка, как ты это делешь.
— Я вычислил, сколько счастливых билетов имеют заданную сумму первых и последних трех цифр, равную определенному числу, например . Обозначим количество трех значений номеров с суммой цифр, равной , через . Что бы получить счастливый билет с суммой трех первых и трех последних цифр, равной , можно выбрать любой из этих трехзначных номеров для левой половины номера билета и любой другой (или тот же самый) — для правой. Например, с суммой цифр есть три трехзначных номера: 001, 010 и 100. Комбинируя их, получим 9 шестизначных номеров счастливых билетов:
В обшем же случае счастливых билетов с суммой цифр, равной в каждой «половинке», будет . Наименьшее возможное значение равно 0 (для номера 000), а наиболее — 27 (для номера 999). Просуммировав значение по от 0 до 27, мы получим число всех возможных счастливых билетов. Сделав это, я нашел ответ — число счастливых билетов . То есть в среднем один из 18 билетов является счастливым.
Миша радовался так, будто оторвал сразу несколько счастливых билетов.
Поздравляю тебя с решением, — сказал я. — Вот только мне не ясно, каким образом ты определял значения .
— Очень просто. Выписал тысячу трехзначных чисел от 000 до 999 и подсчитал сумму цифр у каждой. Я справился с этим без всяких вычислительных машин — всего за одно воскресе, — гордо ответил Миша.
— Что же, пожалуйста, полезнее было бы понять формулу или правило, позволяющее нахождение без перебора.
— Я пробовал, дядя, чистное слово! Но ничего не получилось.
— Давай попытаемся вместе. Для начала следует изменить обозначение: вместо будет писать .
— А что означает эта тройка визу?
69
То, что мы рассматрием трехзначные номера.
Но это и так ясно!
Дело не в этом. Мы обобщим задачу и будем искать — количество -значных номеров с суммой цифр, равной .
Дяя, я не могу решить задачу для трехзначных номеров, а ты хочешь решать ее и для четырехзначных, и для пятизначных … Ведь это значительно труднее!
Конецно, труднее, если пользоваться перебором. Но легче, если рассуждать логически. Между прочим, в истории математики известно немало задач, решить которые удалось лишь после того, как они были формированы в общем виде. Попробуй для начала найти .
Сейчас подумаю. Нужно определить, сколько однозначных чисел имеет сумму цифр . Но для однозначного числа сумма цифр совпадает с самим числом. Тут и решать нечего. Есть одно однозначное число с суммой цифр, равной нулю, — это 0; одно однозначное число с суммой цифр, равной единице, — это 1, одно число с суммой цифр, равной двум, — 2, и т. д. Значит , если принимает значения от 0 до 9, а при других значениях .
Отлично! Пойдем дальше. Предположим теперь, что мы уже знаем значения для всех . Попробуем выразить через них . Другими словами, попробуем найти количество -значных номеров с суммой цифр, равной , предполагая, что для -значных номеров задача уже решена.
Ясно, — ответил Миша. Значения мы уже знаем; поэтому нужно найти только способ перехода от к . Тогда мы сможем последовательно определить значения , , и т. д. Ну что же, попробуем. Пусть первый цифрой -значного номера является число . Чтобы сумма цифр этого номера была равна , остальные его цифры должны в сумме дать . Таких -значных номеров существует . Цифра может быть любым целым однозначным числом, не превысodiaщим (то есть , ), и каждой из этих цифр соответствует -значных номеров с суммой цифр, равной , причем все эти номера различны. Значит, всего таких номеров будет
; () причем, если , то для соответствующего значения мы будем считать равными нулю.
По формуле () можно вычислить значения для всех , если известны значения . А так как значения мы уже знаем, то задача решена!
Совершенно верно, — сказал я. Формулы, аналогичные формуле (), называются рекуррентными. Конечно, чтобы по формуле () вычислить все значения , нужно потребиться, но не целый день, а минут 10—15. Но дело не во времени, а в получении регулярного, непереборного решения. Пользоваться полученной формулой, можно вычислить количество счастливых билетов не только для наших трамваев, но и для трамваев с восемизначными, десятизначными и вообще 2-значными номерами. Помнится, я читал в одном фантастическом романе, что в автобухах главной планеты системы Центавра для билетов используется именно восемизначные номера. Давай-ка найдем, чаше ли жителям этой планеты попадаются счастливые билеты, чем нам?
Миша взял листок бумаги и начал рисовать таблицу. Прежде всего он заполнил столбец для единицами при в пределах от 0 до 9. Остальные клетки этого столбца можно было заполнить нулями, но он решил их не писать. Столбец для Миша получил по рекуррентной формуле (*), сложив соответствующие значения , , …,
70
Так, . Затем по той же формуле были построены столбцы для и .
Таблица значений
| | 1 | 2 | 3 | 4 |
| :— | :— | :— | :— | :— |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| 2 | 1 | 3 | 6 | 10 |
| 3 | 1 | 4 | 10 | 20 |
| 4 | 1 | 5. | 15 | 35 |
| 5 | 1 | 6 | 21 | 56 |
| 6 | 1 | 7 | 28 | 84 |
| 7 | 1 | 8 | 36 | 120 |
| 8 | 1 | 9 | 45 | 165 |
| 9 | 1 | 10 | 55 | 220 |
| 10 | | 9 | 63 | 282 |
| 11 | | 8 | 69 | 348 |
| 12 | | 7 | 73 | 415 |
| 13 | | 6 | 75 | 480 |
| 14 | | 5 | 75 | 540 |
| 15 | | 4 | 73 | 592 |
| 16 | | 3 | 69 | 633 |
| 17 | | 2 | 63 | 660 |
| 18 | | 1 | 55 | 670 |
| 19 | | | 45 | 660 |
| 20 | | | 36 | 633 |
| 21 | | | 28 | 592 |
| 22 | | | 21 | 540 |
| 23 | | | 15 | 480 |
| 24 | | | 10 | 415 |
| 25 | | | 6 | 348 |
| 26 | | | 3 | 282 |
| 27 | | | 1 | 220 |
| 28 | | | | 165 |
| 29 | | | | 120 |
| 30 | | | | 84 |
| 31 | | | | 56 |
| 32 | | | | 35 |
| 33 | | | | 20 |
| 34 | | | | 10 |
| 35 | | | | 4 |
| 36 | | | | 1 |
Проделав это, Миша получил:
для двузначных номеров ,
для четырехначных ,
для шестиначных ,
для восмыначных .
— Таким образом, — подытожил Миша, — на планете системы α Центавра на 100 миллионов билетов приходится чуть больше чем 4,8 миллиона счастливых. В среднем — примерно один счастливый билет из 21, а не из 18, как у нас. Им потруднее, чем нам, добавить свое «счастье».
— Вот теперь, — сказал я, — можно считать поставленную задачу решенной.
— А нет ли других способов ее решения? — спросил Миша.
— Вероятно, есть. Может быть, их придумают читатели «Кванта» и поделятся с нами? Не обязательно статья найти точное число счастливых билетов, можно ограничиться оценкой или приближенной формулировкой эти оценки обеспечивают небольшую относительную погрешность. Вот, например, одна простая формула, выражающая количество -значных счастливых билетов при любом с относительной погрешностью не более 4%:
С увеличением относительной погрешности быстро уменьшается.
— Как ты получил эту формулу, дядя?
— Сейчас это объяснить трудно. Я воспользовался методами теории вероятности; найдюсь, что через несколько лет ты с этой теорией познакомилась.
— Теперь, — сказал Миша закончив таблицу, — можно подчитать число счастливых билетов с двумя значениями, четырехзначными, шестизначными и восмынающими номерами. Для этого числа в -м столбце моей таблицы нужно возвести в квадрат и сложить.