Решения задач М1166—М1169; Ф1178—Ф1182
25
Решения задач
M1166 — M1169, Ф1178 — Ф1182
Заменяя при необходимости на противоположные, мы можем свести дело к случайю, когда два из чисел , например и , неположительные, а треtte (число ) неоричительно. По неравенству треугольника , следовательно,
Я. Ш. Мустафаев
M1167. Сколько существует перестановок чисел , в которых для любого числа , стоящего не на первом месте, хотя бы одно из чисел и находится левее ?
Ответ: . Пусть на первом месте стоит число . Заметим, что если , то числа стоит в нашей перестановке в порядке убывания (если двигать слева направо). Действительно, по условию левее числа 1 должно стоять 2, левее 2—1 или 3, т. е. 3, левее 3—2 или 4, т. е. 4 и т. д. Аналогично, при числа стоит в порядке возрастания, так как левее должно быть , левее числа — число и т. д. Следовательно, любая из расстатриваемых перестановок однозначно задается набором мест, занимаемых числами (таких мест может вообще не быть, если , т. е. для перестановки ). Количество этих наборов равно количество подмножества множества из элементов — всех мест, кроме первого, т. е. .
А. В. Анджанс
M1168*. В стране 1989 годов и 4000 годов (каждая дорога соединяет два города). Доказите, что можно выбрать кольцевой маршрут, проходящий не более чем через 20 городов.
Назовем город «захолустным», если из него идет не более 2 дорог. Сотрем с карты страны кольцевой захолустный город, если такой имеется, вместе с выходящими из него дорогами. Подчисим таким же образом новую карту и будем продолжать стирание захолустных городов, пока они не исчезнут. Число дорог, которые мы при этом можем стереть, не превосходит 2·1989, что меньше чем 4000; поэтому хотя один город останется.
Выберем левой из оставшихся городов. Из него, как и из других оставшихся городов, выходит по меньшей мере 3 дороги. Пойдем по одной из них и каждый раз, приходя в новый город, будем дивится дальше по одной из дорог, отличных от дороги, по которой мы пришли. Если какие-нибудь 2 маршрута, состоящие не более чем из 10 дорог, закончится в одном городе, то мы получим искомый кольцевой маршрут не более чем из 20 дорог (см. рисунок). Но иначе и быть не может, потому что число всех таких маршрутов не меньше чем
26
…+3 · 2^9=3069, а число городов, т. е. возможных концов этих маршрутов, — не больше 1989.
Это решение можно обобщить на случай городов и дорог. В результате «подистки» карты остатуса города, из которых выходит не менее чем по дорог, где — наименьшее число такое, что . А расчудение с непересекающимся маршрутами позволяет доказать существование цикла (кольцевого маршрута) из дорог, где
(квадратные скобки означают целую часть числа). В частности, при и мы получаем и .
Интересен и другой вопрос: при каком числе дорог между городами удалется найти систему дорог, не содержащую циклов длины ? С помощью довольного сложной оценки среднего числа дорог в такой системе можно показать, что это возможно при
где .
А. А. Разборов
M1169. Пусть — точка, лежащая внутри прямой ABCD, — его площадь. Доказите неравенство .
Ясно, что площадь прямогоЛЬника вдвое больше суммы площадей треугольников AMD и BMC. (Для доказательства достаточно проверить через прямую, параллельную , и затем, что площадь каждого из двух образованных прямого/Lльника.) Пристрюм к стороне треугольник AND, равный CMB так, что , (см. рис.ок). Тогда
что и требовалось доказать.
И. Я. Гольдшейд
Ф1178. В пространстве падает лист фанеры. Оказалось, что в некоторых момент времени скорости двух точек листа и одинаковы — — и лежат в плоскости листа. Оказалось также, что ско-
Представим сложное движение всех точек листа фанеры в указанный момент времени как сумму двух простых движений — поступательного вместе с точками и (а значит, и вместе с прямой ) и врашательного относительно оси .
Рассмотрим точку . Вектор ее скорсти складывается из вектора , отвечающего поступательному движению, и вектора , отвечающего врашательному
27
рост точки листа с, находящаяся от точке a и b на расстоянии, равных расстоянию между точками a и b, в два раза больше скорости v. Где в данной момент на листе находится точки, скорости которых равны 3v?
Рис. 1.
Рис. 2.
Движению, причем векторы и — взаимно перпендикулярины (рис. 1):
или
Поскольку , получаем
Найдем теперь расстояние от точки c до прямой ab. Точки a, b и c являются вершинами равностороннего треугольника (рис. 2). Обозначим его сторону, например ab, через l. Тогда интересующое нас расстояние
Очевидно, что искомые точки листа фанеры, скорость которых по модулю в 3 раза больше v, лежат на двух прямых, параллельных оси ab и нахождения от нее на некотором расстоянии L. Чтобы найти это расстояние, поступим следующим образом. По аналогии с точкой c, выразим скорость искомых точек как сумму перпендикулярных друг друга скоростей и :
откуда получаем
Теперь сравним между собой скорости и . С одной стороны,
с другой —
Таким образом,
и .
К. С. Сергеев
Ф1179. Если молния во время грозы попала в воду, то после грозы на озере иногда видят всплышую мертвую рыбу. Как это обязанить? Ведь вероятность попадания молнии в отдельно взятую рыбу низкого мала.
Рыбу убивает, конечно же, не прямое попадание молнии, а электрический ток, который при этом проходит через воду. По мере удаления от места попадания молнии плотность тока спадает. Разность потенциальов, возникшая на тульвище рыбы, пропорциональная величины тока и определенная плотность тока через воду. Погибает та рыба, которая находится в области, где плотность тока превышает критическую величины. Характерный размер этой области составляет от нескольких метров до нескольких метров,
28
И в этой опасной зоне вполне может оказаться несколько рыбин.
В некоторых случаях сходная ситуация может возникнуть при обращение высокого напряжения и падании его на землю. В этом случае плотность тока, текущего по земле, растет по мере приближения к месту падания провода. Степень опасности для человека характеризуется здесь так называемым «шаговым напряжением» — напряжением, возникающем между ступнями человека при контакте с землей. Ясно, что маленькие шаги приводят к меньшему шаговому напряжению — именно поэтому выходит из опасной зоны, где уплотровод, надо небольшим шагами.
А. И. Буздин
Ф1180. Лампочка, подсоединная к батареике, горит три часа, после чего батареика полностью разряжается. Сделали копию этой батареики вдвое больших линейных размеров из тех же материалов. Сколько времени будет гореть та же лампочка, подключенная к такой копии? Внутреннее сопротивление батареики много меньше сопротивления лампочи.
Поскольку электродвижущая сила химического источника тока определяется только его химическим составом, ЭДС копии будет равна ЭДС батарейки. Пусть эта ЭДС равна , сопротивление лампочи равно и внутреннее сопротивление источника — . Тогда полная мощность, выделяющая в цепи батарейки, равна , а в цепи копии — . Так как и, следовательно, ,
Химический источник тока совершает работу, расходя запасенную в нем энергию химических веществ. По сравнению с батарейкой в копии заключено в раз больше реагентов, поэтому при такой же мощности она может совершить во столько же раз большую работу. Это означает, что лампочка, подключенная к копии, будет гореть 24 часа.
К. С. Бедов
Ф1181. Жесткое тонкое проводящое колючит на непроводящей горизонтальной поверхности и находится в однородном магнитном поле, линии индекции которого горизонтальные. Масса колюца , радиус , величины индекции . Какой силы ток нужно пропустить по колючу, чтобы оно начало приодниматься?
Рассмотрим колюцо, когда оно еще занимает горизонтальное положение (см. рисунок; на нем изображен вид сверху). Выделим на нем величину точек и два небольших участка длиной каждой, расположенных симметрично относительно диаметра колюца . На первый участок действует направленная вертикальная вниз сила
где — проекция отрезка на направление диаметра . На второй участок действует направленная вертикальная вверх сила
29
Эти силы, одинаковые по модулю и направленные в противоположные стороны, представляют собой пару сил, которая создает относительно оси врашательный момент
где — площадь затрихованной на рисунке части контура.
Разобъем все колюцо на аналогичные пары небольших участков, расположенных симметрично по отношению к диаметру . Тогда мы получим, что на тонкое проводаще колюцо с током , находящемся в горизонтальном магнитном поле с индукцией , будет действовать момент магнитных сил, равный
Он врашает колюцо вокруг горизонтальной оси .
Когда колюцо будет находиться на грани подъема, преястовать его врашению будет две механические силы — сила тяжесте , приложенная в центре колюца и направления вертикального вниз, и сила нормальной реакции , приложенная в точке касания колюца и плоскости и направления вертикального вверх. Поскольку колюцо все еще находится в равновесии,
так что механические силы образуют свою пару сил, которая создает свой врашательный момент
Из равновесия колюца следует, что суммарный момент всех сил — в нашем случае это сумма моментов магнитных и механических сил — равен нулю:
Отсюда находится значение силы тока:
С. С. Кротов
Ф1182. При проведении радиолокации Луны, взошедшей над горизонтом, чтобы обеспечить вернуто направленность, излучатель высокочастотных радиосценалов был сопряжен с оптическим телескопом. Однако при наличии оптического изображения Луны отсутствовал отраженный радиосценал. В то же время, когда удавалось получить отраженный ра-
Описанное явление действительное имею место — автор столкнулся с ним при исследовании канала связываи, в котором Луна использовалась в качестве пассивного отражателя радиосистелов. При этом антенна, сопряженная с оптическим телескопом, предназначалась не для работы с Луной, а для приема спутникового телевидения.
Когда Луна всходит над горизонтом, очень существенно рефраクция света, т. е. искривление световых лучей за счет преломления в атмосфере. (Вспомните, например, как сильно искажают форма и размеры Луны и Солнца, когда они находится невысоком над горизонтом.) Для радиоволн (использовая сант-