Решения задач М557—М561; Ф568—Ф572
28
Решения задач
M557—M561; Ф568—Ф572
М557. Дано n попарно взамимо простых чисел, больших 1 и меньших (2n—1)². Доказите, что среди их обязательно встретиется простое число.
Утверждение задачи доказем метод «от противного». Допустим, что все данные числа — составные. Сопоставим каждому из них его минимальный простой делитель: . Пусть . тогда , где — n-e простое число (поскольку числа попарно взамимо просты).
Индикцией по легко доказывается неравенство . (Действительно, оно верно для . Далее при .) Тем самым . Следовательно, для того , для которого ,
— противоречие. Значит, среди данных чисел обязательно встретиется простое.
А. Колотов
M558. В круге расположено черных секторов, угод какдого из которых меньше . Доказите, что круг можно повернуть вокруг центра O так, что все черные секторы перейдет в белую часть круга.
Рис. 1.
Пусть вместе сложены два круга, на одном из которых отмечено r черных секторов с центральными углами , на другом — s синих с углами (рис. 1). Попробуем найти достоинные условия, при которых круг с синими секторами можно повернуть на такой угол (), чтобы ни один из синих секторов не пересекался с черным.
Углы поворота удобно отмечать на специальной окружности длины с данной на ней точкой 0 (нулем). «Повернем» задачу иначе. Отметим на все запретные углы — такие, при повороте на которые какой-то синий радиус совпадает с каким-то черным. Каждая пара (черный сектор с углом , синий сектор с углом ) дает интервал запретных длиной . Поэтому, если какдое , в частности, если какдое . Доказать утверждение и для секторов с углами можно, следка уточнить в этом случае оценку
*) Суммирование .
Рис. 2.
29
длины «запретного» множества. Все «запретные» интервалы, соответствующие параметров совпадающих секторов (), содержатся в одном интервале длины с центром . А сумма всех остальных величины запретных углов
менные , так что и в этом случае найдется «незапретное» значение .
Задача решения, но возникает вопрос, нельзя ли еще поднять границы для ? Утверждение задачи, вообще говоря, не сохраняется, если углы всех секторов взяты по величины равны . Опровергающие примеры для весма любопытны (рис. 2): красные точки — концы биссеектрис секторов — должны быть расположены в вершинах правильного ()-угольника, выбранных так, что для любого найдется пара красных точек, между которых расположено (в ту или иную сторону по окружности) сторон ()-угольника. Проверьте, что тогда «запретное множество» — все .
Сама по себе комбинаторная задача: при каких можно расположить красных точек на окружности длины так, чтобы для любого найдется пара красных точек, между которых расположено (в ту или иную сторону по окружности) сторон ()-угольника. Проверьте, что тогда «запретное множество» — все .
Сама по себе комбинаторная задача: при каких можно расположить красных точек на окружности длины так, чтобы для любого найдется пара красных точек, между которых расположено (в ту или иную сторону по окружности) сторон ()-угольника. Проверьте, что тогда «запретное множество» — все .
Пусть для неокоторого такое красное множество существует. Тогда и его образы () при поворотах на углы , обладают такимми свойствами:
1°. Для любых пересечение состоит из одной точки.
2°. Любые две из точки множества (вершин правильного ()-угольника) принадлежатровно одному из .
3°. Существуют четыре точки множества , не содержащиеся в одном .
Множество с такой системой подмножества называется конечной проективной плоскостью*). Известно, что конечные проективные плоскости существуют для , где — простое, — натуральное числа (например, ) и не существует, если ; понятно; теперь, что в последнем случае не может существовать и опровергающего примера в задаче М558 (так что, например, для семи секторов с углами ее утверждение верно). Но уже для вопрос пока не удается решить даже с помощью ЭВМ.
Отметим, что конечная проективная плоскость не обязательна и такую «циклическую» номерацию точек, при которой прямые получаются друг из друга с двумя номерами — это дополнительное требование, возможно, облегчит доказательство отсутствия таких «циклических плоскостей» для неокоторых . (Заметим, что все проективные плоскости над конечным полем из элементов имеют такие циклическую номерацию; см. об этом в главе «Разностные множества» книги М. Холла.)
Н. Васильев, Г. Гальперин, В. Произвольов
*) Мы уже встречались в «Кванте» с тем, что разные по содержанию задачи затрагивают это понятие — см., например, задачи М5, («Кванте», 1970, № 1) и М335 («Кванте», 1975, № 7). Число называется «порядком» проективной плоскости; здесь — число точки на «прямой» (и число «прямых», проходящих через данную точку; эти числа всегда одинаковы для всех точек и «прямых»). Про конечные проективные плоскости см. в книге Э. Артина «Геометрическая алгебра» (М., «Наука», 1969) и книге М. Холла «Комбинаторика» (М., «Мир», 1970).
30
М559. Докажите, что если — длины сторона треугольника, то
Левую часть удобно разложить на множители:
, поскольку , и .
Уменьшить оценку 1 нельзя: например, при , , ( — малое положительное число) будет больше .
В. Сендеров
М560. В дне ящика имеет дырка. Нужно сделать выпуклу заслонку наименьшей площади, при любом положении которого на дне ящика дырка будет закрыта. Решите эту задачу, если:
a) дно ящика — квадрат , а дырка расположена так, как показано на рисунке 1.
b) дно ящика — квадрат ( — нечетно), а дырка расположена в центре (рис. 2).
Рис. 1.
Рис. 2.
Рис. 3.
14 в форме выпуклого восьмигольника, составленного из перечисленных выше квадратов и треугольников (он выделен на рисунке 3), всегда покрывает квадрат . Следовательно, она является исключой.
- Допустим, что у нас есть выпуклая заслонка, при любом положении которого на дне ящика дырка полностью закрыта.
Рассмотрим наименьший прямоугольник со стороными, параллельными сторонам квадрата, содержащий нашу заслонку. Пусть его размеры . Параллельно сдигга вместе с заслонкой, легко убедиться, что все прямоугольники, получаемый переносом клетки на расстояние не более влево-право и вверх-вниз, должны закрыть заслонке; длины сторона этого прямоугольника , . Кроме того, на каждой стороне должны быть точка заслонки; поэтому заслонка должна включать еще по крайней мере четыре треугольника (рис. 4) общей площадью . Итак, площадь заслонки не меньше
(ведь, очевидно, и не превысают даже ).
На рисунке 5 изображена фигура , которая всегда покрывает центральный квадрат . Площадь ее, очевидно,
31
Рис. 5.
М561. Два треугольника и , площади которых равны и , расположены так, что лучи и , и , и параллельны, но противоположно направлены. Найдите площадь треугольника с вершинами в серединах отрезков , , .
Рис. 1.
Рис. 2.
Рис. 3.
равна , то есть минимально возможная. Таким образом, это — искомая заслона.
Заметим, что в решении не использовалось, что сторона квадрата — целое число, важно лишь, что .
Было бы интересно решить эту задачу для других пар фигур; например, вполне праводополобно, что если «дыра» и «дно ящика» — концентрические круги радиусов и , то выпуклая заслона наименьшей площади — наименьшая выпуклая фигура, содержащая меньший круг и диаметр большого круга (се площадь равна ).
В. Батырев
◆ Ответ. Искомая площадь
(1)
Из условия задачи следует, что треугольники и готовятся (рис. 1), причем коэффициент готовится отрицательен и по модулю равен
Пусть — центр этой готовности, то есть
Тогда, если — середины отрезков , , соответственно, то
и аналогично
Следовательно, треугольник готовится треугольнику , и коэффициент готовится по модулю равен ; поэтому
Отсюда следует формула (1).
Заметим, . Треугольники и могут лежать в параллельных плоскостях; им будет параллельна и плоскость треугольника . Все приведенные выше расчудения и ответ (1) остаются в силу.
. Наше решение тесно связано с таким полезным фактом: отрезок , соединяющий середины диагоналей и трапеции с основаниями и , параллельен основаниям и равен по длине полуразности их длин (рис. 2).
. Пусть точки делят отрезки , , в одном и том же заданном отношении; пусть, например,
Тогда площадь треугольника будет выражаться формулу (1) (соответствующую с лучю ). Подумайте, что получается при .
. То обстоятельство, что в задаче данных треугольники, не является существенным; треугольники могут быть заменены
32
Рис. 4.
Ф568. Приombардировке лицевой мишени протонами с энергейой не меньше 1,88 МэВ может происходить ядерная реакция
При какой энергии протонов образуются в реакции нейтроны могут лететь назад от лицевой мишени?
ны других фигурами, готовотничьи относительно некоторого центра . Более точно: пусть дана точка и точка описывает некоторую замкнутую несамопересекающую кривую, охватывающую фигуру площади (см. рис. 3).
Одновременно точка , определяемая вектором , , описывает другую кривую (охватывающую фигуру площади ). Тогда середина отрезка описет кривую, охватывающую фигуру площади (1). Аналогично точка такая, что (то есть ; — фиксированное число), описет кривую, охватывающую фигуру площади, определяемой по формуле (2).
(ср. с формулой (1))*).
Л. Купцов
Согласно законам сохранения энергии и импульса
(1)
(2)
где , , — соответственно энергии протона, ядра бериллия и нейтрона, , , — импульсы этих частиц. При энергии протона МэВ суммарная энергия ядра бериллия и нейтрона минимальная. Найдем ее.
Для этого рассмотрим процесс в системе отчета, движущейся со скоростью центра масс системы протона — ядро лития. В этой системе протон и ядро лития движутся навстречу друг другу. При минимальной возможной энергии взаимодействующих частиц (протона и ядра лития) энергия образовавшихся в процессе реакции ядра бериллия и нейтрона равна нулю — эти частицы покоятся.
Тепер перейдем к системе отчета, в которой литиевая мишень неодвижна. В этой системе ядро бериллия и нейтрон, образовавшиеся в результатеombардировки мишени протоном с энергейой , движется как одно целое со скоростью, равной скорости центра масс системы протон — ядро лития. Их суммарная энергия , согласно закону сохранения энергии, определяется равенством
(1')
а их суммарный импульс , согласно закону сохранения импульса, равен
(2')
( — импульс протона с энергейой ). Учитывая, что импульс частицы и ее энергия связаны соотношением (), равенство (2’) мы можем переписать так:
(здеся , обозначены масса протона и масса нейтрона, — масса лития и масса ядра бериллия). Отсюда находится . Подставив это значение в (1’), на
*) Прим. ред. О далеко идущих обобщенных формул рассказываюсь в статье «Семейство параллельных -угольников» («Квант», 1974, № 11).
33
ходим значение :
Таким образом, при энергии протона закон сохранения энергии (1) мы можем записать так:
(3)
Если образовательия в результате реакции нейтрон летит назад от литевой мишени, то закон сохранения импульса (2) можно записать так:
или
(4)
Из равенства (4) найдем
и подставим это значение в (3). В результате получим
Из последнего равенства видно, что минимально при . При этом
Таким образом, при образующейся в реакции нейтрон поконтся. При нейтрон может лететь назад от литевой мишени.
И. Слободецкий
◆ Обозначим время нагрева воды ( мин). Из закона сохранения энергии следует, что
(*)
где — масса воды, — потери энергии, связанные с теплотодачей в окружающей пространство. пропорционально времени и разности температур воды и окружающей среды.
При оставании воды (когда нагревальный выключен) выделяемая в окружающей пространство энергия равна
где — изменение температуры воды за время мин. Так как разность температур воды и окружающей среды меняется незначительно, а , , так что
Подставив это выражение для в равенство (*), получим
Отсюда
E. Сурков
◆ Нарисуем график зависимости . Из графика видно, что вначале потенциальmente и отрицательен, затем начинает возрастать. Он минимален при мм, В. Это означает, что вначале (при малых ), пока потенциальу убывает, электрическое поле при перемещении электрона совершает отрицательную работу, превращается перемещению электрона. При мм, когда потенциальна начинает возрастать, поле
34
Рах, ф — в волтах). Расстояние между катодом и аномом d = 10 мм. Координата x совпадает с расстоянием до катода. Определить, при какой минимальной кинетической энергии электрон с поверхности Katoda сможет достичь анода. Каким будет максимальное ускорение электронов, которые достинут анода?
Ускорение электрона определяется действующей на электрон силой, то есть напряженнотою поля. Поэтому ускорение электрона максимально в той точке, в которой максимальное напряжение есть электрон, направленное противоположно полю.
Так как ,
При малых можно пренебречь , так что
Направлено поле от катода к аному при мм и от анома к катоду при мм. Так как заряд электрона отрицательен, сила, действующая на электрон, направлена противоположно полю.
Итак, напряжение есть электростатическая поля пропорциональна координате. Она максимальная при и равна при этом . Следовательно, при ускорение электрона максимально и равно
♦
- Примем направления токов через резисторы такими, как показано на рисунке 1, и обозначим направление между точками и . Тогда
Так как сумма токов, приходящих в точку , равна нулю (заряд не накапливается в точке ), то
Из системы уравнения (1)—(5) нетрудно найти точки и направление . Для этого подставим в уравнение (1)—(4) известные значения ЭДС (в волтах) и сопротивлений (в омах):
Решая эту систему, найдем
Позному
(Токи и направлены противоположно стрелкам.) Если провода разрезаны в точках и , то
так что
35
аналогично
Так как кубу радиуса пропорциональна масса частицы,
( — массы частицы гуммигута с радиусами и соответственно).
Изменение с высотой плотности кислорода в атмосфере аналогично изменению с высотой числа частицы гуммигута. Из рис. 2 видно, что плотность кислорода уменьшается вводе при изменении высоты на км. Поэтому
где — масса молекулы кислорода. Отсюда
И. Слободецкий