Kvant
Kvant 1970, số 11

Kvant 1970, số 11 · Trang

Tờ 1

không đánh sốChép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5-6-mini)

Vật lý toán học phổ thông
đại chúng
quang tử
11
1970
tạp chí
của Viện Hàn lâm
Khoa học Liên Xô
và
Viện Hàn lâm Khoa học
Sư phạm Liên Xô

Tờ 2

không đánh sốChép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

7

Tổng biên tập — viện sĩ I. K. KIKOIN
Phó tổng biên tập thứ nhất — viện sĩ A. N. KOLMOGOROV

Ban biên tập:

L. A. Artsimovich,
M. I. Bashmakov
V. G. Boltyansky,
I. N. Bronshtein
N. B. Vasilyev
I. F. Ginzburg
V. G. Zubov,
P. L. Kapitsa,
V. A. Kirillin,
G. I. Kosourov
V. A. Letskovtsev
V. P. Litsevsky
A. I. Markutsevich,
M. D. Millyuonitskov,
N. A. Patrikeeva
N. Kh. Rozov
A. P. Savin
I. Sh. SLOBODECHKY
M. L. Smolyansky
Ya. A. Smorodinsky,
V. A. Fabrikant,
Ya. E. Shnaider

viện sĩ
ủy viên thông tấn Viện Hàn lâm Sư phạm Liên Xô
viện sĩ
viện sĩ
(phó tổng biên tập)
viện sĩ Viện Hàn lâm Sư phạm Liên Xô
viện sĩ
(phó tổng biên tập)
tiến sĩ khoa học vật lý-toán học
viện sĩ Viện Hàn lâm Sư phạm Liên Xô
(thư ký phụ trách)

Trưởng ban biên tập L. V. Chernova.
Họa sĩ chính E. P. Leonov.
Biên tập kỹ thuật T. M. Makarov.
Đọc sửa bản in L. S. Somova.
Nhà xuất bản “Nauka”. Ban biên tập chính văn học vật lý-toán học
Địa chỉ tòa soạn:
Moskva, V-71, đại lộ Lenin, 15.
Điện thoại: 2340811.

Gửi sắp chữ ngày 24. 7. 70. Ký in ngày 13.10.70.
Giấy 70×100 1/16 . Tờ in thực 4. Tờ in quy đổi 5,6.
Tờ xuất bản 5,39. Số in 176000 bản. T-15428.
Giá 30 kopek. Đơn đặt hàng 1250
Nhà máy in Chekhov của Tổng cục Công nghiệp In
Ủy ban Báo chí trực thuộc Hội đồng Bộ trưởng Liên Xô
thành phố Chekhov, tỉnh Moskva.

Tờ 4

tr. 2Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5-6)

Điện tĩnh học bằng ngôn ngữ
của các đường sức

Thông thường điện tĩnh học được nghiên cứu như sau: viết định luật Coulomb cho lực tương tác của hai điện tích điểm q1q_1 và q2q_2: F=q1q2r2F = \frac{q_1 q_2}{r^2} (r — khoảng cách giữa các điện tích) — rồi sau đó bằng những phép tính toán học khi thì đơn giản, khi thì phức tạp thu được mọi hệ quả có thể có của định luật này, coi rằng điện tích của bất kỳ vật nào cũng có thể biểu diễn như một tập hợp các điện tích điểm được phân bố theo cách thích hợp.

Nhưng thường thì việc phân tích toán học chính xác của điện trường và sự phân bố điện tích trở nên phức tạp. Khi đó những phương tiện đơn giản — tính đối xứng và các hình ảnh của các đường sức của trường — sẽ giúp ích. Tất nhiên, chúng không thể cho một hình dung đầy đủ như các phép tính toán học, nhưng trực quan và giúp «nhìn thấy» và dự đoán những đặc điểm nào sẽ có của điện trường và các điện tích sẽ tương tác như thế nào.

Các đường sức của trường là gì

Hãy lấy một điện tích điểm qq. Điện tích này tạo ra trong không gian xung quanh một điện trường, trường này được xác định hoàn toàn nếu tại mỗi điểm của không gian đã cho hướng của trường — lực tác dụng lên điện tích dương đơn vị điểm nếu đặt nó vào điểm đó. Để biểu diễn một cách trực quan điện trường trong toàn bộ không gian, có thể thử biểu diễn nó bằng nhiều vectơ, chẳng hạn tại những điểm khác nhau trong không gian sao cho mỗi vectơ chỉ ra hướng của trường (độ lớn và hướng của nó) tại điểm mà nó xuất phát. Tuy nhiên, ngay lập tức thấy rõ rằng cách biểu diễn trường như vậy không thành công: các mũi tên riêng lẻ, chồng lên nhau, tạo ra một bức tranh rối rắm, cần phải tháo gỡ.

Faraday đề xuất biểu diễn trường bằng các đường sức. Đó là những đường mà hướng của chúng tại mỗi điểm trùng với hướng của vectơ cường độ trường tại điểm đó. Đối với điện tích điểm, việc vẽ các đường sức hoàn toàn đơn giản. Đó là những đường thẳng (tia) đi qua điểm nơi đặt điện tích. Nếu điện tích dương, thì các đường sức sẽ-

Hình 1.

Tờ 5

không đánh sốChép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

hướng ra xa điện tích (hình 1); các đường sức của trường do điện tích âm tạo ra (sau này để ngắn gọn chúng ta sẽ nói «trường của điện tích») hướng về phía điện tích.

Thử vẽ hình ảnh các đường sức của trường trong trường hợp phức tạp hơn — đối với hai điện tích điểm có độ lớn bằng nhau — một dương và một âm (cặp điện tích này được gọi là «lưỡng cực»). Hãy nhớ lại nguyên lí chồng chất: hướng của trường của hệ điện tích bằng tổng các hướng của các trường do từng điện tích riêng lẻ tạo ra (hình 2). Có thể nào thu được hình ảnh các đường sức của trường lưỡng cực bằng cách cộng các hình ảnh đường sức của trường của từng điện tích, hay chính xác hơn, chồng chúng lên nhau? Đáng tiếc là không. Trong trường hợp này, các đường sức của trường sẽ phải cắt nhau. Điều đó hiển nhiên là không thể, vì tại điểm giao nhau của các đường sức, hướng của trường sẽ có hai giá trị! Vậy không thể vẽ hình ảnh các đường sức của trường của hệ điện tích chỉ bằng cách chồng các hình ảnh đường sức của trường của các điện tích điểm.

Có thể thu được hình ảnh định tính của các đường sức bằng cách đặt vào điện trường một huyền phù các hạt rắn trong chất cách điện lỏng. Trong điện trường, ở hai đầu các hạt xuất hiện các điện tích cảm ứng bằng nhau và trái dấu. Nhờ đó chúng định hướng dọc theo các đường sức của trường. Đối với trường của lưỡng cực, thu được hình ảnh như trên hình 3, a. Các đường sức đi từ điện tích dương đến điện tích âm (hình 3, b). Nếu lấy hai điện tích cùng dấu bằng nhau, thì hình ảnh các đường sức sẽ như trên hình 4, a và 4, b.

Cũng thu được những hình ảnh như vậy nếu cẩn thận xác định các vectơ hướng của điện trường tại các điểm khác nhau rồi dựa vào chúng dựng các đường sức của trường (hình 2).

Tờ 6

tr. 4Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5-6-mini)

4

Рассматривая рисунки 3 и 4, можно заметить, что при разноменных зарядах сливые линии как бы связывают заряды между собой, а в случае одноменных зарядов сливые линии как бы расталкивают. Если приписать сливым линии свойства сокращаться вдоль своей длины и расталкиваться в поперечном направлении, то мы могли бы сказать, что сливые линии, связывающие разноменные заряды, пригигают их друг к другу, а сливые линии разноменных зарядов, расталкиваясь, отталкиваются и сами заряды друг от друга. Конечно, нельзя считать, что сливые линии поля существуют реально, но при таком толковании часто один лишь взгляд на картину поля позволяет предсказать результат взаимодействия зарядов. Эти же «свойства» сливых линии, как не трудно сообщать, могут говорить и о большем — о величины направности поля.

Định lý Gauss

Như vậy, hình ảnh các đường sức cho thấy hướng của vectơ cường độ trường tại mỗi điểm. Nhưng đó vẫn chưa phải là tất cả. Hóa ra, những hình ảnh này còn có thể cho biết nhiều hơn — về độ lớn của cường độ trường.

Xét một điện tích điểm dương qq. Chọn một hình nón có đỉnh tại điểm đặt điện tích và theo dõi các đường sức đi qua một mặt có diện tích S1S_1, nằm cách điện tích một khoảng r1r_1 (hình 5). Ở khoảng cách r2r_2, các đường sức này sẽ đi qua một mặt có diện tích lớn hơn S2S_2. Tỉ số các đường kính của các mặt bằng tỉ số r2r1\frac{r_2}{r_1}, do đó S2S1=(r2r1)2\frac{S_2}{S_1} = \left( \frac{r_2}{r_1} \right)^2.

Nhưng điều này có nghĩa là mật độ các đường sức n=NSn = \frac{N}{S} (số đường sức đi qua một đơn vị diện tích của mặt) tỉ lệ nghịch với

Tờ 7

tr. 5Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5-6)

5

tỉ lệ với bình phương khoảng cách đến điện tích. Vì n1n2=r22r12\frac{n_1}{n_2} = \frac{r_2^2}{r_1^2}, nên n∼1r2n \sim \frac{1}{r^2}.

Định hướng của trường của điện tích điểm cũng thay đổi như vậy: E=qr2E = \frac{q}{r^2}.

Như vậy, mật độ các đường sức tỉ lệ với cường độ trường: n∼En \sim E. Chỉ cần các đường sức không bị ngắt ở bất cứ đâu. Đối với điện tích điểm dương, các đường sức phải bắt đầu từ điện tích và đi ra vô cực. Trong trường hợp điện tích âm, các đường sức phải đi từ vô cực và kết thúc ở điện tích.

Hóa ra luôn có thể vẽ bức tranh các đường sức sao cho mật độ của chúng tỉ lệ với cường độ trường. Muốn vậy, các đường sức phải xuất phát từ các điện tích dương và kết thúc ở các điện tích âm (hoặc đi ra vô cực), đồng thời số đường sức đi ra từ điện tích hoặc đi đến điện tích phải tỉ lệ với độ lớn của điện tích đó.

Hãy tưởng tượng vẽ một mặt cầu có tâm tại điểm đặt điện tích. Nếu quy ước rằng từ mỗi điện tích dương đi ra (còn trên mỗi điện tích âm kết thúc) 4πq4\pi q đường sức, thì mật độ của chúng trên mặt cầu sẽ bằng 4πq4πr2=qr2\frac{4\pi q}{4\pi r^2} = \frac{q}{r^2}, tức là bằng cường độ trường. Còn tổng số đường sức cắt các mặt của mặt cầu không phụ thuộc vào bán kính của nó và bằng 4πq4\pi q. Rõ ràng, số đường sức đi ra từ bất kỳ mặt kín nào, bên trong đó có điện tích (hoặc đi vào mặt đó), cũng sẽ như vậy, bất kể mặt đó có hình dạng nào.

Khẳng định này được gọi là định lý Gauss. Tất nhiên, nó cũng đúng đối với mọi sự phân bố điện tích. Có thể chứng minh rằng đối với mọi hệ điện tích, số đường sức

đi ra khỏi một mặt kín có hình dạng bất kỳ trừ số đường sức đi vào nó bằng 4πQ4\pi Q, trong đó QQ — là tổng điện tích nằm trong thể tích được giới hạn bởi mặt này. Nếu điện tích QQ âm, thì số đường sức đi ra khỏi thể tích được giới hạn bởi mặt này nhỏ hơn số đường sức đi vào nó. Nếu trong thể tích được giới hạn bởi mặt này không có điện tích, thì từ đó đi ra bao nhiêu đường sức thì cũng có bấy nhiêu đường sức đi vào.

Các mặt thế và mặt đẳng thế

Trước khi chuyển sang việc áp dụng những kiến thức của chúng ta — giải các bài toán cụ thể, hãy nhớ lại thêm một đặc trưng nữa của trường — thế. Vấn đề là đối với nó có thể tìm được một hình ảnh hình học liên hệ chặt chẽ với hình ảnh các đường sức. Mối liên hệ này thường giúp vẽ và phân tích hình ảnh các đường sức của trường.

Trước hết hãy nhắc lại thế của trường điện là gì.

Nếu khi di chuyển điện tích trong trường, chúng ta quay trở lại điểm ban đầu, thì toàn bộ công được thực hiện khi chuyển điện tích điểm từ một điểm này của trường sang điểm khác không phụ thuộc vào hình dạng đường đi. Nếu không, ta có thể lúc đầu đi theo con đường mà công nhỏ hơn, rồi quay trở lại theo con đường mà công lớn hơn. Khi đó toàn bộ công sẽ không bằng không. Nhờ việc công không phụ thuộc vào hình dạng đường đi, ta có thể đưa vào khái niệm thế. Thế của trường tại một điểm đã cho bằng công mà trường thực hiện khi chuyển một điện tích điểm dương đơn vị từ điểm đã cho của trường ra vô cực.

Điện thế có thể vừa dương vừa âm. Điện thế của trường của điện tích dương là dương, còn điện thế của trường của điện tích âm là âm. Trong trường hợp thứ nhất, lực tác dụng

Tờ 8

tr. 6Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5-6-mini)

6

lực tác dụng lên điện tích chuyển dời từ phía điện trường được hướng cùng chiều với chiều chuyển động của điện tích, còn trong trường hợp thứ hai — ngược chiều chuyển động (trường thực hiện công âm). Thế là một đại lượng vô hướng, không có hướng trong không gian. Đối với điện tích điểm qq ở khoảng cách rr từ nó, thế bằng qr\frac{q}{r}. Nếu cần tìm thế của trường do nhiều điện tích tạo ra, ta phải cộng các thế của các trường do từng điện tích tạo ra, có tính đến dấu của chúng. Thế liên hệ như thế nào với bức tranh các đường sức? Ta vẽ một mặt đẳng thế, trên đó thế ở mọi nơi là không đổi. Những mặt như vậy gọi là các mặt đẳng thế. Đối với điện tích điểm, các mặt đẳng thế là những mặt cầu có tâm tại điểm đặt điện tích. Dễ thấy rằng các đường sức của trường luôn phải vuông góc với các mặt đẳng thế. Nếu không như vậy, sẽ tồn tại một thành phần của trường hướng dọc theo mặt, và do đó khi dịch chuyển điện tích theo hướng đó sẽ có công được thực hiện. Thế sẽ thay đổi dọc theo mặt, và mặt đó không thể là mặt đẳng thế. Ta còn có thể thấy một mối liên hệ quan trọng khác giữa các mặt đẳng thế và các đường sức của trường. Nếu lấy hai mặt đẳng thế gần nhau, thì hiệu thế của chúng bằng công để chuyển một điện tích điểm đơn vị dương từ mặt này sang mặt kia. Vì lực tác dụng lên điện tích đó bằng cường độ trường, nên Δφ=EΔr\Delta \varphi = E \Delta r, hoặc E=ΔφΔrE = \frac{\Delta \varphi}{\Delta r}. Điều này có nghĩa là các mặt đẳng thế dày hơn ở nơi trường mạnh hơn, và thưa hơn ở nơi trường yếu hơn: với cùng một hiệu thế, khoảng cách Δr\Delta r giữa các mặt lớn hơn ở nơi trường nhỏ hơn, và ngược lại.

Bây giờ ta có thể chuyển sang giải các bài toán cụ thể.

Trường của một quả cầu rỗng tích điện đều

Ta có thể khẳng định ngay rằng do tính đối xứng của trường, các đường sức luôn hướng theo bán kính và mật độ các đường sức theo mọi hướng là như nhau. Bên trong quả cầu trường bằng không. Nếu không, các đường sức bên trong quả cầu sẽ hướng về tâm hoặc ra xa tâm quả cầu. Điều này có nghĩa là tại tâm quả cầu có một điện tích điểm.

Để tìm cường độ điện trường bên ngoài quả cầu, hãy nhớ rằng cường độ trường bằng mật độ các đường sức, nếu tổng số đường sức đi ra từ điện tích QQ bằng 4πQ4\pi Q. Ta vẽ một mặt cầu bán kính RR có tâm tại tâm của quả cầu tích điện. Số đường sức cắt mặt cầu mà ta đã xét bằng cường độ trường nhân với diện tích mặt cầu: N=E⋅S=E⋅4πR2N = E \cdot S = E \cdot 4\pi R^2. Theo định lý Gauss

N=4πQ,N = 4\pi Q, từ đó E=QR2E = \frac{Q}{R^2}.

Cường độ trường bên ngoài quả cầu cũng giống như của một điện tích điểm đặt tại tâm quả cầu. Rõ ràng rằng thế tại mọi điểm của trường bên ngoài quả cầu cũng sẽ giống như thế của trường của điện tích điểm. Thế của tất cả các điểm nằm trên mặt quả cầu là như nhau và bằng Qr\frac{Q}{r}, trong đó rr — bán kính của quả cầu. Thế của mọi điểm bên trong quả cầu cũng sẽ như vậy: khi chuyển điện tích đến điểm này từ mặt quả cầu, ta không thực hiện công (bên trong quả cầu trường hướng, và do đó cả lực tác dụng lên điện tích, bằng không). Sự phụ thuộc của cường độ điện trường của quả cầu tích điện đều vào khoảng cách đến tâm quả cầu được chỉ ra trên hình 6, 6.

Việc không có trường bên trong quả cầu tích điện, tất nhiên, có thể được chứng minh

Tờ 9

tr. 7Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

7

và trực tiếp từ định luật Coulomb.
Lấy một điểm tùy ý AA bên trong mặt cầu (hình 7). Hãy tưởng tượng một hình nón hẹp đi từ điểm AA, cắt trên bề mặt mặt cầu hai mảnh cầu nhỏ ΔS1\Delta S_1 và ΔS2\Delta S_2. Nếu r1r_1 và r2r_2 là khoảng cách từ điểm AA đến các mảnh này, thì ΔS1ΔS2=r12r22\frac{\Delta S_1}{\Delta S_2} = \frac{r_1^2}{r_2^2}.

Vì mặt cầu được tích điện đều, nên điện tích của các mảnh tỉ lệ với diện tích của chúng. Do đó q1q2=r12r22\frac{q_1}{q_2} = \frac{r_1^2}{r_2^2}, còn các trường do các mảnh này tạo ra tại điểm AA triệt tiêu lẫn nhau:

E1E2=q1r12q2r22=1.\frac{E_1}{E_2} = \frac{\frac{q_1}{r_1^2}}{\frac{q_2}{r_2^2}} = 1.

Như vậy có thể chia toàn bộ mặt cầu thành các cặp mảnh. Do đó, trường tại điểm AA bằng không.

Khái niệm về các đường sức cho phép thu được kết quả này đơn giản và nhanh hơn.

Mặt phẳng tích điện đều và tụ điện phẳng

Bây giờ hãy xét trường của một mặt phẳng tích điện đều vô hạn (nói chính xác hơn, rất lớn), trên một đơn vị diện tích của nó có điện tích σσ.

Rõ ràng các đường sức của trường do mặt phẳng tạo ra vuông góc với mặt phẳng và mật độ của chúng ở mọi nơi đều như nhau (hình 8): nếu các đường sức nghiêng về một phía, thì điều đó có nghĩa là một hướng dọc theo mặt phẳng khác với các hướng khác; nếu mật độ các đường sức tại những điểm khác nhau gần mặt phẳng là khác nhau, thì điều đó có nghĩa là một số điểm, điều mà dĩ nhiên không thể có, khác với những điểm khác.

Hãy dựng một mặt trụ có các đáy song song với mặt phẳng và có diện tích bằng một đơn vị. Các đường sức của trường không cắt bề mặt bên-

Tờ 10

tr. 8Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

⟦trang 8⟧

mặt bên của hình trụ, còn số đường sức đi qua các đáy của hình trụ, theo định lý Gauss, bằng 4лσ. Điều đó có nghĩa là theo mỗi hướng (về bên trái mặt phẳng và về bên phải nó) có 2лσ đường sức đi qua một đơn vị diện tích (hình 8). Như vậy, cường độ điện trường của một tấm phẳng vô hạn tích điện đều ở mọi nơi là như nhau, không phụ thuộc vào khoảng cách đến tấm phẳng và bằng

E=2πσ.E = 2\pi\sigma.

Nếu bây giờ lấy hai mặt phẳng tích điện trái dấu (hình 9), thì ở cả hai phía của tụ điện do các mặt phẳng này tạo thành, các điện trường triệt tiêu lẫn nhau. Còn ở bên trong, giữa các bản, các điện trường cùng hướng và, cộng lại, cho cường độ điện trường

E=4πσ.E = 4\pi\sigma.

Mặc dù điện trường ở các mép của tụ điện sẽ bị biến dạng, ở phần giữa ta có thể coi nó như nhau cả về độ lớn lẫn hướng. Điện trường như vậy được gọi là điện trường đều.

Vật dẫn trong điện trường

Cho đến nay ta coi vị trí của các điện tích là đã cho, và chỉ còn phải tìm điện trường do các điện tích ấy tạo ra. Bài toán trở nên phức tạp hơn khi ta có các vật dẫn, trong đó điện tích có thể tự do di chuyển. Chẳng hạn, nếu đưa một điện tích lại gần vật dẫn (hình 10), thì các electron trong vật dẫn bắt đầu chuyển động dưới tác dụng của điện trường của điện tích ấy. Trên bề mặt vật dẫn khi đó sẽ xuất hiện các điện tích mà điện trường của chúng bên trong vật dẫn hướng ngược với điện trường ngoài. Điều này sẽ tiếp diễn cho đến khi điện trường bên trong vật dẫn bằng không. Khi đó các điện tích xuất hiện trên bề mặt vật dẫn dĩ nhiên cũng sẽ làm thay đổi điện trường bên ngoài vật dẫn.

Điện trường bên trong vật dẫn luôn luôn

Tờ 12

tr. 10Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

10

Để tại điểm này không có lực tác dụng lên nó (cường độ bằng không) và để khi điện tích lệch theo bất kỳ hướng nào thì có lực tác dụng lên nó, đưa nó trở về điểm mà điện tích đang ở (các vectơ cường độ điện trường tại mọi điểm lân cận phải hướng về điểm mà điện tích đang ở, ở đó còn phải có một điện tích trái dấu! Như vậy, khi điện tích bị dịch chuyển, cân bằng nhất định bị phá vỡ, và các điện tích либо dính vào nhau, либо bay tản ra.

Quan niệm về các electron quay quanh hạt nhân lần đầu tiên được Rutherford đưa ra. Và mặc dù mô hình hành tinh của nguyên tử với các electron quay quanh hạt nhân đã gặp nhiều khó khăn thoạt nhìn không thể giải quyết được, sự phát triển tiếp theo của vật lý đã chứng tỏ tính đúng đắn của nó. Nhưng đó đã là chủ đề của một câu chuyện khác.

Bài tập

  1. Hãy vẽ gần đúng hình ảnh các đường sức điện trường của hai điện tích trái dấu và khác nhau về độ lớn.
  2. Các đường sức của điện trường tĩnh điện có thể khép kín không?
  3. Đôi khi người ta nói rằng đường sức là những quỹ đạo mà một điện tích dương sẽ chuyển động trong điện trường nếu đưa nó vào điện trường đó và để mặc nó tự do. Khẳng định này có đúng không?
  4. Có hai mặt cầu đồng tâm có bán kính R1R_1 và R2R_2 và điện tích q1q_1 và q2q_2 (R1<R2R_1 < R_2). Cường độ điện trường của các điện tích trên mặt cầu phụ thuộc thế nào vào khoảng cách đến tâm chung của chúng?
  5. Cường độ điện trường của một quả cầu tích điện đều phụ thuộc thế nào vào khoảng cách đến tâm quả cầu?
  6. Hãy tìm sự phụ thuộc của cường độ điện trường của một sợi dây mang điện đều vô hạn vào khoảng cách.
  7. Hãy tìm cường độ điện trường của một hình trụ tích điện đều rất dài.
  8. Hãy chứng minh rằng bên trong vật dẫn rỗng điện trường bằng không, không phụ thuộc vào hình dạng của vật dẫn và khoang rỗng (che chắn).

Không tồn tại số nguyên tố đơn giản nhất gồm chín chữ số (và dài hơn).

Mặc dù trên thước này chỉ có 4 vạch chia, với nó có thể đo mọi khoảng cách (nguyên) từ 1 đến 13 cm.

Cần đánh dấu ít nhất bao nhiêu vạch chia trên một chiếc thước dài 9 cm để nó đo được mọi khoảng cách từ 1 đến 9 cm?

Còn với một chiếc thước 12 cm?

Tờ 14

tr. 12Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

12

Định nghĩa. Ước chung lớn nhất của các số hoặc các đa thức là ước chung của chúng chia hết không dư cho mọi ước chung của chúng.

Chúng ta sẽ kí hiệu ƯCLN của các số hoặc các đa thức a,ba, b như sau: ƯCLN (a,b)(a, b). Ví dụ, ƯCLN (5,10)=5(5, 10) = 5; ƯCLN (x2,3x−x2)=x(x^2, 3x-x^2) = x; ƯCLN (x3−x2,x−1)=x−1(x^3-x^2,x-1) = x-1.

Tìm kiếm ước chung lớn nhất

Đối với các số, có hai cách tìm ƯCLN.

Cách 1. Phân tích cả hai số ra thừa số nguyên tố và lấy tích của những thừa số xuất hiện trong cả hai số. Ví dụ, khi rút gọn phân số 37709425\frac{3770}{9425}, có thể viết: 37709425=2⋅5⋅13⋅295⋅5⋅13⋅29\frac{3770}{9425} = \frac{2\cdot 5\cdot 13\cdot 29}{5\cdot 5\cdot 13\cdot 29};

ƯCLN (3770,9425)=5⋅13⋅29=1885(3770, 9425) = 5\cdot 13\cdot 29 = 1885, 37709425=25\frac{3770}{9425} = \frac{2}{5}

Cách này có gì không tốt? Thứ nhất, trước hết cần chứng minh rằng mọi số tự nhiên đều có thể phân tích ra thừa số nguyên tố, hơn nữa chỉ theo một cách duy nhất. Thứ hai, để tìm được sự phân tích này, sẽ phải làm một công việc lớn, mà chủ yếu theo hướng không cần thiết. Bởi vì ta sẽ tìm mọi ước của mỗi số, trong khi ta chỉ cần ước chung lớn nhất của chúng.

Như ta sẽ thấy sau đây, với các đa thức tình hình còn tệ hơn: sự phân tích luôn tồn tại, nhưng nói chung không thể tìm được nó,—trừ khi ai đó cố ý sắp đặt sao cho sự phân tích dễ tìm (như trong các ví dụ cụ thể).

Nhưng cũng có thể không phân tích các số và đa thức.

Cách 2. Thuật toán Euclid. Nó dựa trên các bổ đề sau.

Bổ đề 1. Mọi số tự nhiên qq có thể chia có dư cho một số tự nhiên khác pp, tức là biểu diễn qq dưới dạng q=kp+p1q = kp+p_1, trong đó 0≤p1<p0 \leq p_1 < p.

Bổ đề 2. Nếu số dd là ƯCLN của các số pp và qq.

Nhận xét rằng bổ đề này cho phép chúng ta không chỉ tìm mà còn chứng minh sự tồn tại của ƯCLN của hai số, vì nó quy các vấn đề về sự tồn tại và việc tìm ƯCLN về các số nhỏ hơn.

Hãy tự chứng minh các bổ đề này. Trong bổ đề 1 cần chia trục số thành các đoạn bằng các điểm 0,p,2p,3p,…0, p, 2p, 3p, \dots và tìm xem điểm qq nằm trong đoạn nào. Trong bổ đề 2 cần giả sử rằng số dd chia hết cho mọi ước chung của các số pp và p1p_1, đồng thời cả hai số p,p1p, p_1 đều chia hết cho dd, rồi chứng minh rằng số dd cũng có hai tính chất ấy đối với các số pp và qq.

Bây giờ, trên ví dụ đã xét trong cách 1, ta trình bày chính thuật toán Euclid — một dãy thao tác cho phép tìm ƯCLN của các số qq và pp. Bên trái ta viết dãy công thức ở dạng tổng quát, còn bên phải — cho ví dụ.

Bước 1. Dùng bổ đề 1, chia qq cho pp. Ta được:
q=k0p+p1,0≤p1<pq = k_0p+p_1, 0 \leq p_1 < p; 9425=2⋅3770+1885,0≤1885<37709425 = 2\cdot 3770+1885, 0 \leq 1885 < 3770.
Dựa trên bổ đề 2, suy ra rằng
НОД (q,p)=НОД(p,p1)(q, p) = \text{НОД}(p, p_1); НОД(9425,3770)=НОД(3770,1885)\text{НОД}(9425, 3770) = \text{НОД}(3770, 1885).

Bước 2. Xem p1p_1 có bằng không hay không.
Nếu p1p_1 bằng không, thì kết thúc quá trình và chuyển sang bước 3.

Tờ 16

tr. 14Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

14

Trong bổ đề 1, số p1p_1 nhỏ hơn pp về độ lớn, còn đối với đa thức thì bậc của đa thức được lấy làm «kích thước». Ví dụ về phép chia đa thức có dư được đưa ra dưới đây, với nó các bạn sẽ tự chứng minh bổ đề này.

Ví dụ. Chia đa thức 2x5+4x4−2x3−x+12x^5 + 4x^4 - 2x^3 - x + 1 cho đa thức x2+2x+5x^2 + 2x + 5 theo phép chia đặt tính. Ta được:

−2x5+4x4−2x3−x+12x5+4x4+10x3=x2+2x+52x3−12x+24\frac{-2x^5 + 4x^4 - 2x^3 - x + 1}{2x^5 + 4x^4 + 10x^3} = \frac{x^2 + 2x + 5}{2x^3 - 12x + 24}

2x5+4x1−2x3−x+1=(2x3−12x+24)(x2+2x+5)+(11x−119)2x^5 + 4x^1 - 2x^3 - x + 1 = (2x^3 - 12x + 24)(x^2 + 2x + 5) + (11x - 119). Bây giờ ta đã có các bổ đề cần thiết và có thể làm theo thuật toán Euclid, tức là lập một dãy các phép chia có dư (đối với đa thức!), trong đó các đa thức lần lượt giảm đi:

Q(x)=K0(x)P(x)+P1(x),Q(x) = K_0(x) P(x) + P_1(x),
P(x)=K1(x)P1(x)+P2(x),P(x) = K_1(x) P_1(x) + P_2(x),
P1(x)=K2(x)P2(x)+P3(x),P_1(x) = K_2(x) P_2(x) + P_3(x),

Pm−2(x)=Km−1(x)Pm−1(x)+Pm(x),P_{m-2}(x) = K_{m-1}(x) P_{m-1}(x) + P_m(x),
Pm−1(x)=Km(x)Pm(x).P_{m-1}(x) = K_m(x) P_m(x).

Khi đó ƯCLN (Q(x),P(x))=ƯCLN(P(x),P1(x))=⋯=ƯCLN(Pm−1(x),Pm(x))=ƯCLN(Pm(x),0)=Pm(x)(Q(x), P(x)) = \text{ƯCLN}(P(x), P_1(x)) = \dots = \text{ƯCLN}(P_{m-1}(x), P_m(x)) = \text{ƯCLN}(P_m(x), 0) = P_m(x). Thương cuối cùng Pm(x)P_m(x) chính là ƯCLN của các đa thức ban đầu (hãy kiểm tra tất cả điều này).

Trên thực tế, các công thức này thu được bằng phép chia đặt tính, trong ví dụ đầu tiên nhất nó có dạng như sau:

x9−x8−x7−3x6+x5+4x4+4x3+x2−2x−1x9−x8−3x6+x5+x4+2x3−x=x8−x7−3x5+x4+x3+2x2−1x8−x7−3x5+x4+x3+2x2−x−1\frac{x^9 - x^8 - x^7 - 3x^6 + x^5 + 4x^4 + 4x^3 + x^2 - 2x - 1}{x^9 - x^8 - 3x^6 + x^5 + x^4 + 2x^3 - x} = \frac{x^8 - x^7 - 3x^5 + x^4 + x^3 + 2x^2 - 1}{x^8 - x^7 - 3x^5 + x^4 + x^3 + 2x^2 - x - 1}

Bây giờ chỉ còn rút gọn phân thức đại số (2) cho ước cuối cùng −x7+3x4+2x3+x2−x−1-x^7 + 3x^4 + 2x^3 + x^2 - x - 1, tức là chia tử số và mẫu số trong (2) cho ƯCLN đã tìm được. Thực hiện tất cả điều đó, ta được x−1x2−x−1\frac{x - 1}{x^2 - x - 1}.

Đó là đáp số.

Nếu các bạn đã đọc bài viết của N. M. Beskin “Phân số liên tục” (“Kvant” số 8), thì có thể nhận thấy rằng phương pháp được mô tả ở đây chính là việc rút gọn các đa thức bằng cách khai triển thành phân số liên tục, được tiến hành giống như đối với các số hữu tỉ. Ta đã viết lại phân thức P(x)Q(x)\frac{P(x)}{Q(x)} như sau:

P(x)Q(x)=P(x)K0(x)P(x)+P1(x)=1K0(x)+P1(x)P(x)\frac{P(x)}{Q(x)} = \frac{P(x)}{K_0(x) P(x) + P_1(x)} = \frac{1}{K_0(x) + \frac{P_1(x)}{P(x)}},

Tờ 17

tr. 15Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

⟦trang 15⟧

P(x)Q(x)=1K0(x)+P1(x)K1(x)P1(x)+P2(x)=1K0(x)+1K1(x)+P2(x)P1(x)\frac{P(x)}{Q(x)} = \frac{1}{K_0(x) + \frac{P_1(x)}{K_1(x) P_1(x) + P_2(x)}} = \frac{1}{K_0(x) + \frac{1}{K_1(x) + \frac{P_2(x)}{P_1(x)}}}

và cứ thế tiếp tục. Cuối cùng Pm(x)Pm−1(x)=1Km(x)\frac{P_m(x)}{P_{m-1}(x)} = \frac{1}{K_m(x)}, chỉ còn việc gộp phân thức từ các đa thức lại. Trong ví dụ đang xét, điều này được làm như sau: 1x+1−x+1=x−1x2−x−1\frac{1}{x + \frac{1}{-x+1}} = \frac{x-1}{x^2-x-1}.

Rút gọn các biểu thức:

  1. x4−3x2+1(3x2+3x−3)2\frac{x^4 - 3x^2 + 1}{(3x^2 + 3x - 3)^2}.
  2. x3+a3x4+a2x2+a4\frac{x^3 + a^3}{x^4 + a^2x^2 + a^4}.
  3. a(x2+2)−2ax−(x−1)2−1x4+4\frac{a(x^2 + 2) - 2ax - (x-1)^2 - 1}{x^4 + 4}.
  4. x2+62(x4+4x2−12)+17(x4+11x2+30)\frac{x^2 + 6}{2(x^4 + 4x^2 - 12) + \frac{1}{7}(x^4 + 11x^2 + 30)}.

NHỮNG LỖI IN ĐÃ PHÁT HIỆN

Ở những chỗ nêu dưới đây phải là:

“Квант” số 6

Tr. 6, cột phải. Trong hình vẽ của bài 3, nét ngang dưới là thừa; toàn bộ hình vẽ bị lộn ngược.

Tr. 21, cột phải, dòng 1 từ trên xuống: …=(1+x^t)[(1+x)^p-(1+x^p)]×…;
dòng 7 từ trên xuống: x^{kp+s}…
dòng 2 từ dưới lên: …C_{119}^3 ≡ C_{23}^6 C_{4}^3…;

Tr. 22, cột trái, dòng 2 từ trên xuống: …C_{23}^6 ≡ C_4^1 C_3^1…;

Tr. 30, cột phải. Trong lời giải bài 3, điều kiện b≥0b \geq 0 là thừa, trường hợp b<0b < 0 phải xét riêng.

Tr. 31, cột trái, dòng 6 từ dưới lên:
x=a(2+tgα)tgα;x = \frac{a(2+tg\alpha)}{tg\alpha};
dòng 3 từ dưới lên:
V=a3(2+tgα)36tg2α;V = \frac{a^3(2+tg\alpha)^3}{6tg^2\alpha};

Tr. 4, ở bài 15 hệ có dạng:
{x+3y=3,ax+4y=6.\begin{cases} x+3y=3, \\ ax+4y=6. \end{cases}

ở bài 35 hệ có dạng:
{3∣x∣−5y=−3,2x+∣y∣=11.\begin{cases} 3|x|-5y=-3, \\ 2x+|y|=11. \end{cases}

Tr. 35, ở bài 3 (phương án 2) phương trình là:
log⁡3(log⁡2x−1)2=5−log⁡54.\log_3(\log_2x-1)^2=\sqrt{5}^{-\log_54}.

Tr. 52, cột phải, dòng 3 từ dưới lên: … p2+13=17p^2+13=17…

Tr. 59, cột phải. Trong bài 4, 6) đáp số: 5(11) 540; đã có lỗi khi chia.

Tr. 60, cột phải,
8. 56<x<2.\frac{5}{6} < x < 2. 23. Sσ=12πb2S_\sigma = \frac{1}{2}\pi b^2.
24. V=−23l2V = -\frac{2}{3}l^2.
Tr. 61, cột trái, 37. 0<t≤0,10 < t \leq 0,1.
Tr. 63, cột phải, dòng thứ 11 từ dưới lên:
{500−80=420=100a+b,2500−496=2004=100b+a.\begin{cases} 500-80=420=100a+b, \\ 2500-496=2004=100b+a. \end{cases}
Trang bìa 3, ô chữ được xoay 90∘90^\circ.

“Квант” số 7

Tr. 43. Tại giao điểm của dòng thứ 5 từ dưới lên và cột thứ 8 phải là 256;
dòng thứ 12 » » » » 46656;
dòng thứ 14 » » » » 823 543.
Tr. 49, cột phải, dòng thứ 14 từ trên xuống:
49\frac{4}{9}.
Tr. 52, cột phải, dòng thứ 15 từ trên xuống:
4r2−h2=rsin⁡πn\sqrt{4r^2-h^2} = \frac{r}{\sin \frac{\pi}{n}}
cột trái, dòng thứ 14 từ dưới lên: … AnA1=2rA_nA_1 = 2r.
Tr. 59, bài 1234: … bằng bốn lần cân…

Tờ 18

tr. 16Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5-6-mini)

16

NGUYÊN LÝ FERMAT
VÀ CÁC ĐỊNH LUẬT CỦA QUANG HỌC HÌNH HỌC

G. Ya. Myakishev

CÁC ĐỊNH LUẬT CỦA QUANG HỌC HÌNH HỌC

Sự truyền của sóng ánh sáng là một quá trình khá phức tạp. Tuy nhiên, nếu các tính chất của môi trường trong đó ánh sáng truyền đi thay đổi ít trên những khoảng cách xấp xỉ bằng bước sóng ánh sáng, thì các định luật tương đối đơn giản của quang học hình học trở nên đúng. Tổng cộng có bốn định luật.

  1. Trong môi trường đồng nhất, ánh sáng truyền theo đường thẳng.

  2. Định luật phản xạ. Tia tới, tia phản xạ và đường vuông góc với bề mặt phản xạ nằm trong cùng một mặt phẳng, đồng thời góc phản xạ β bằng góc tới α (hình 1).

  3. Định luật khúc xạ. Tia tới, tia khúc xạ và đường vuông góc với mặt phân cách nằm trong cùng một mặt phẳng, đồng thời tỉ số giữa sin của góc tới i và sin của góc khúc xạ r (hình 2) — là một đại lượng không đổi, không phụ thuộc vào góc tới:

sin⁡isin⁡r=n.\frac{\sin i}{\sin r} = n.

Đại lượng n được gọi là chiết suất của môi trường thứ hai đối với môi trường thứ nhất.

  1. Tính độc lập của các tia sáng. Khi giao nhau trong không gian, các tia sáng không gây ra bất kỳ tác động nào lên nhau. Ví dụ, khi

Tờ 19

tr. 17Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5-6-mini)

17

Рис. 3.

khi đọc sách, luồng ánh sáng đi từ cửa sổ và xuyên qua khoảng không giữa cuốn sách và mắt bạn hoàn toàn không cản trở bạn nhìn thấy các chữ cái.

NGUYÊN LÝ FERMAT

Vào giữa thế kỷ XVII, nhà khoa học người Ý Fermat đã đưa ra một nguyên lý, từ đó suy ra tất cả các định luật của quang học hình học. Nội dung của nó như sau: ánh sáng đi từ điểm này đến điểm khác luôn truyền theo đường đòi hỏi thời gian nhỏ nhất*).

Hãy thu được các định luật của quang học hình học theo cách mà Fermat đã làm cách đây khoảng 300 năm.

  1. Định luật truyền thẳng của ánh sáng. Khoảng cách dọc theo đường thẳng — là khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm. Tốc độ ánh sáng trong môi trường đồng nhất ở mọi điểm là như nhau. Do đó, ánh sáng cần ít thời gian nhất chính là khi truyền thẳng.

  2. Định luật phản xạ. Làm thế nào đi từ điểm А đến điểm B trong thời gian ngắn nhất (hình 3)? Tất nhiên là theo đường thẳng AB. Ánh sáng cũng đi như vậy trong môi trường đồng nhất. Nhưng nếu trước đó

Hình 4.

nó phải phản xạ từ gương rồi mới đến điểm B, thì ngay lập tức không rõ đường đi nào tương ứng với thời gian nhỏ nhất. Trên hình vẽ có một số đường đi có thể có AC1BAC_1B, AC2BAC_2B và AC3BAC_3B. Nhờ việc ánh sáng trước cũng như sau khi phản xạ truyền trong môi trường đồng nhất, thời gian nhỏ nhất tương ứng với những đường đi có độ dài nhỏ nhất.

Đâu là con đường ngắn nhất? Một thủ thuật không phức tạp giúp tìm ra nó. Ta dựng điểm A1A_1 — ảnh của điểm A. Nó nằm trên phần kéo dài của đường vuông góc AC0AC_0, hạ từ điểm A xuống gương, ở khoảng cách A1C0=AC0A_1C_0 = AC_0 từ gương. Nối các điểm C1_1, C2_2 và C3_3 với điểm A1_1, dễ dàng nhận thấy rằng AC1=A1C1AC_1 = A_1C_1, AC2=A1C2AC_2 = A_1C_2 và AC3=A1C3AC_3 = A_1C_3. Vì vậy, khi tính đường đi từ điểm A đến điểm B, ta có thể thay đoạn AC1AC_1 bằng đoạn A1C1A_1C_1, đoạn AC2AC_2 — bằng đoạn A1C2A_1C_2 và đoạn AC3AC_3 — bằng đoạn A1C3A_1C_3. Rõ ràng, đường đi ngắn nhất là đường mà trong đó tia sáng rơi xuống gương tại điểm C2_2, nằm trên đường thẳng A1BA_1B: đường thẳng A1BA_1B ngắn hơn mọi đường gấp khúc đi qua các điểm A và B.

Bây giờ còn phải chỉ ra rằng khi tia sáng phản xạ từ gương tại điểm C2_2, định luật phản xạ được thực hiện, tức là góc tới α bằng góc phản xạ β (hình 4). Vì các tam giác AC2C0AC_2C_0 và A1C2C0A_1C_2C_0 bằng nhau,

Tờ 20

tr. 18Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5-6-mini)

18

Hình 5.

do đó ∠AC2C0=∠A1C2C0\angle AC_2C_0 = \angle A_1C_2C_0. Mặt khác, ∠C0C2A1=∠BC2N\angle C_0C_2A_1 = \angle BC_2N. Suy ra, ∠AC2C0=∠BC2N\angle AC_2C_0 = \angle BC_2N, và do đó α=β\alpha = \beta.

Không khó để nhận thấy rằng nếu các tia AC2,BC2AC_2, BC_2 và đường vuông góc DC2DC_2 không nằm trong cùng một mặt phẳng, thì đường đi từ điểm AA đến gương rồi từ gương đến điểm BB sẽ dài hơn.

Như vậy, định luật phản xạ hoàn toàn suy ra từ nguyên lý Fermat.

Điều thú vị là lần đầu tiên định luật phản xạ được Heron thành Alexandria, sống vào thế kỷ I, thu được. Heron cho rằng ánh sáng truyền theo con đường ngắn nhất. Đối với môi trường đồng nhất, điều này trùng với nguyên lý thời gian nhỏ nhất của Fermat. Nhưng giải thích định luật khúc xạ theo cách này thì không thể thực hiện được.

  1. Định luật khúc xạ. Ánh sáng từ điểm AA rơi tới mặt phẳng phân cách hai môi trường (hình 5) và bị khúc xạ, sau đó đi tới điểm BB. Nếu vận tốc ánh sáng trong môi trường thứ nhất (phía trên) và thứ hai (phía dưới) khác nhau (để xác định, ta coi rằng v1>v2v_1 > v_2), thì rõ ràng đường đi theo đường thẳng ABAB hoàn toàn không đòi hỏi thời gian nhỏ nhất. Thời gian sẽ nhỏ hơn nếu ánh sáng đi một quãng đường lớn hơn một chút trong môi trường thứ nhất,

Hình 6.

nơi nó truyền với vận tốc lớn hơn, nhưng do đó lại đi một quãng đường nhỏ hơn một chút trong môi trường thứ hai.

Giả sử rằng ánh sáng tốn thời gian nhỏ nhất nếu đường đi của nó đi qua điểm CC. Khi đó mọi đường đi khác ở bên trái và bên phải điểm CC sẽ mất nhiều thời gian hơn. Quỹ đạo bất kỳ của tia sáng AFBAFB có thể được xác định bằng biến xx — khoảng cách giữa điểm CC và điểm FF trên mặt phân cách giữa các môi trường. Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của thời gian truyền ánh sáng vào xx phải có cực tiểu tại điểm CC, nghĩa là khi x=0x=0 (hình 6). Ở gần cực tiểu, thời gian thay đổi rất ít khi xx thay đổi. Khi xét gần đúng với xx rất nhỏ, có thể coi thời gian này là không đổi: trên một đoạn rất nhỏ gần x=0x=0, đường cong có thể được xem như một đoạn thẳng nhỏ song song với trục xx.

So sánh thời gian truyền ánh sáng trên các đường đi ACBACB và AFBAFB, coi rằng x=FCx=FC rất nhỏ. Trên đường đi ACBACB, trong môi trường thứ nhất ánh sáng đi thêm đoạn đường MCMC (FM là đường vuông góc với ACAC; vì FCFC rất nhỏ, nên AF=AMAF=AM). Trong môi trường thứ hai, đoạn đường thêm đó lại do tia sáng truyền theo đường AFBAFB đi qua (CN⊥FBCN \perp FB). Vì thời gian truyền ánh sáng từ điểm AA đến điểm BB không được thay đổi khi

Tờ 22

tr. 20Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5-6-mini)

20

Bề mặt biển. Trong trường hợp này, các tia sáng bị uốn cong khi đi lên những tầng khí quyển phía trên ấm hơn.

Một hệ quả thú vị khác của nguyên lý Fermat là nguyên lý tính thuận nghịch của quỹ đạo truyền ánh sáng. Nếu ánh sáng đi từ điểm A đến điểm B theo quỹ đạo bảo đảm thời gian đi qua nhỏ nhất, thì rõ ràng trên đường từ điểm B đến điểm A (nghĩa là nếu nguồn sáng nằm ở điểm B), chuyển động theo cùng quỹ đạo đó cũng cần thời gian nhỏ nhất.

Một ví dụ khác. Mọi người đều biết tính chất hội tụ của thấu kính. Ánh sáng từ điểm A (hình 8) đi theo mọi con đường có thể, bị khúc xạ trong thủy tinh và hội tụ tại điểm E. Mâu thuẫn? Bởi vì ánh sáng luôn đi theo con đường cần thời gian nhỏ nhất! Vì sao, không phụ thuộc vào hướng mà tia sáng đi ra, nó lại đến cùng một điểm E?

Thực ra không có mâu thuẫn nào cả. Đường ADE ngắn hơn đường ACE, nhưng quãng đường đi trong môi trường quang học đặc hơn — thủy tinh — trong trường hợp đầu lại lớn hơn. Vì vậy, trong trường hợp tổng quát, thời gian truyền là như nhau và cả hai tia đồng thời đến điểm E. Các đường ADE và ACE đối với ánh sáng là bằng nhau!

Nếu không phải như vậy, chúng ta đã không thể xây dựng được hệ hội tụ.

Chính nhờ việc đối với các tia sáng xuất phát từ điểm A theo những hướng khác nhau rồi đi qua thấu kính, các quỹ đạo dẫn đến điểm E tương ứng với cùng một thời gian truyền nhỏ nhất, mà thấu kính có thể hội tụ ánh sáng chiếu vào nó.

Nguyên lý Fermat không chỉ cho phép giải thích hoạt động của một hệ quang học phức tạp tùy ý, mà còn cho phép tính toán nó. Tuy nhiên, chúng ta cũng có thể tính toán hệ quang học bằng cách sử dụng các định luật phản xạ và khúc xạ đã được biết từ lâu trước công trình của Fermat. Vậy nguyên lý Fermat đem lại điều gì mới? Thứ nhất, định luật này có tính tổng quát cao hơn, và một định luật càng có tính tổng quát thì ý nghĩa của nó càng lớn. Vì vậy, việc phát hiện nguyên lý Fermat là một bước tiến lớn trong sự phát triển của quang học hình học. Thứ hai, từ nguyên lý Fermat có thể suy ra một số hệ quả quan trọng mới. Một trong những hệ quả quan trọng nhất là chiết suất bằng tỉ số giữa tốc độ truyền ánh sáng trong môi trường thứ nhất và môi trường thứ hai.

Khúc xạ trên mặt cầu hội tụ

Hãy xét làm ví dụ việc tính toán một hệ quang học — sự suy ra công thức thấu kính mà các bạn đã biết. Để làm điều này, chỉ cần xét sự khúc xạ ánh sáng trên mặt cầu hội tụ. Tất cả các tia xuất phát từ nguồn điểm S, sau khi khúc xạ trên mặt cầu hội tụ, sẽ không hội tụ tại một điểm S₁. Điều này liên quan đến việc chỉ những bề mặt có hình dạng rất phức tạp mới có thể bảo đảm thời gian truyền ánh sáng hoàn toàn giống nhau từ S đến S₁ theo mọi quỹ đạo. Việc tạo ra một bề mặt như vậy rất khó, và người ta thậm chí không cố gắng chế tạo nó. Chế tạo một mặt cầu hội tụ thì đơn giản hơn nhiều. Mặc dù mặt cầu hội tụ không tập trung tất cả các tia sáng, nhưng một chùm tia hẹp, có các tia gần với đường vuông góc với bề mặt (được gọi là tia cận trục), sẽ hội tụ gần như tại một điểm.

Giả sử nguồn sáng điểm S nằm cách mặt cầu hội tụ bán kính R một khoảng a (hình 9). Coi chiết suất của không khí bằng một, còn chiết suất của quả cầu thủy tinh bằng n, nghĩa là tốc độ truyền ánh sáng trong không khí lớn hơn n lần.

Tờ 23

tr. 21Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5-6-mini)

21

Hình 9.

tốc độ truyền ánh sáng trong thủy tinh. Hãy tìm xem ở khoảng cách bb nào từ bề mặt của quả cầu sẽ tập trung một chùm hẹp các tia đi từ nguồn SS. Theo nguyên lý Fermat, khoảng cách này được xác định bởi điều kiện rằng thời gian truyền ánh sáng theo đường thẳng SDS1SDS_1 bằng thời gian truyền ánh sáng theo đường tùy ý được chọn SAS1SAS_1, nếu chỉ có điều kiện là điểm AA gần với đường thẳng SDS1SDS_1, vuông góc với bề mặt quả cầu.

Từ điểm AA hạ xuống đường thẳng SS1SS_1 đường vuông góc ABAB. Kí hiệu độ dài của nó là hh. Vì ta xét chùm tia gần trục, nên h≪ah \ll a, h≪bh \ll b và h≪Rh \ll R. Kí hiệu khoảng cách DBDB là xx. Trên tia SASA lấy đoạn SD1=a+xSD_1 = a + x, còn trên tia AS1AS_1 lấy đoạn S1B1=b−xS_1B_1 = b - x. Khi đó, đi theo quỹ đạo SAS1SAS_1, ánh sáng sẽ đi thêm các đoạn đường Δ1=D1A\Delta_1 = D_1A trong không khí và Δ2=AB1\Delta_2 = AB_1 trong thủy tinh so với quỹ đạo dọc theo đường thẳng SS1SS_1. Nhưng trên quỹ đạo thẳng, ánh sáng sẽ đi trong thủy tinh một đoạn đường lớn hơn x−Δ2x - \Delta_2 so với trường hợp nó đi theo quỹ đạo SAS1SAS_1. Sự chậm trễ của ánh sáng trong thủy tinh trên đoạn đường x−Δ2x - \Delta_2 phải bằng sự chậm trễ trong không khí trên đoạn đường Δ1\Delta_1 cộng với sự chậm trễ trong thủy tinh trên đoạn đường Δ2\Delta_2. (Khi x≤Δ2x \leq \Delta_2 thì sự bù trừ như vậy là không thể.)

Bây giờ hãy tìm các đoạn đường Δ1\Delta_1, Δ2\Delta_2 và xx.

Bình phương cạnh góc vuông hh của tam giác vuông SABSAB, theo định lý Pythagore, bằng

h2=(a+x+Δ1)2−(a+x)2,h^2 = (a + x + \Delta_1)^2 - (a + x)^2,

hay

h2=(a+x+Δ1+a+x)(a+x+Δ1−a−x),h^2 = (a + x + \Delta_1 + a + x)(a + x + \Delta_1 - a - x),

nhưng a+x+Δ1−a−x=Δ1a + x + \Delta_1 - a - x = \Delta_1, còn a+x+Δ1+a+x=2a+Δ1+2x≈2aa + x + \Delta_1 + a + x = 2a + \Delta_1 + 2x \approx 2a (vì Δ1≪a\Delta_1 \ll a và x≪ax \ll a). Vì vậy

h2=2aΔ1h^2 = 2a\Delta_1

và

Δ1≈h22a.\Delta_1 \approx \frac{h^2}{2a}.

Tương tự, từ tam giác vuông ABS1ABS_1 ta tìm được rằng

Δ2≈h22b.\Delta_2 \approx \frac{h^2}{2b}.

Cuối cùng, từ tam giác vuông ABCABC có thể thu được phương trình để xác định xx:

h2=R2−(R−x)2.h^2 = R^2 - (R - x)^2.

Từ đó

x≈h22R.x \approx \frac{h^2}{2R}.

Nếu vận tốc ánh sáng trong không khí bằng v1v_1, còn vận tốc ánh sáng trong thủy tinh bằng v2v_2, thì quãng đường Δ1\Delta_1 ánh sáng đi được trong thời gian τ1=Δ1v1=h22av1\tau_1 = \frac{\Delta_1}{v_1} = \frac{h^2}{2av_1}, còn quãng đường trong thủy tinh Δ2\Delta_2 ánh sáng đi được trong thời gian τ2=Δ2v2=h22bv2\tau_2 = \frac{\Delta_2}{v_2} = \frac{h^2}{2bv_2}.

Trên đoạn xx, độ trễ của ánh sáng do nó đi trong thủy tinh chứ không phải trong không khí bằng hiệu thời gian ánh sáng đi qua đoạn xx trong thủy tinh và trong không khí:

τ=xv2−xv1=xv1(v1v2−1)=xv1(n−1)=h2(n−1)2Rv1.\tau = \frac{x}{v_2} - \frac{x}{v_1} = \frac{x}{v_1}\left(\frac{v_1}{v_2} - 1\right) = \frac{x}{v_1}(n - 1) = \frac{h^2(n - 1)}{2Rv_1}.

Để hội tụ các tia sáng, thời gian ánh sáng truyền từ điểm SS đến điểm S1S_1 theo tất cả các quỹ đạo phải bằng nhau. Do đó,

τ1+τ2=τ.\tau_1 + \tau_2 = \tau.

Подставляя сюда выражения для τ1\tau_1, τ2\tau_2 и τ\tau и сокращая затем на общий множитель h22\frac{h^2}{2}, получим уравнение

1a+nb=(n−1)R.\frac{1}{a} + \frac{n}{b} = \frac{(n - 1)}{R}.

Это уравнение позволяет по известному показателю предположения nn и радиусу сферического поверхности RR найти положение изображения (расстояние bb) при заданной расстоянии от источника до сферического поверхности. То, что расстояние bb не зависит от hh, показывает, что все лучи в узком лучке, отличующей друг от друга величины hh, совпадают в одной точке.

В частном случае, когда a→∞a \to \infty (пучок состоит из параллельных лучей), положение точки, в которой сходятся лучи (фокус), определяется по формуле

f=Rnn−1.f = \frac{Rn}{n - 1}.

Tờ 24

tr. 22Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5-mini)

22

Hình 10.

Bây giờ hãy xét xem điều gì sẽ xảy ra khi a<Rn−1a < \frac{R}{n-1}. Từ công thức (1) suy ra rằng khi đó b<0b < 0. Điều này có nghĩa là điểm S1S_1 không nằm ở bên phải của mặt cầu, mà ở bên trái của nó. Nhưng các tia tới mặt cầu không thể giao nhau trước mặt cầu này. Chỉ có phần kéo dài của chúng mới có thể giao nhau trước mặt cầu (hình 10). Trong những trường hợp như vậy người ta nói rằng ảnh của điểm là ảnh ảo. Ảnh ảo của nguồn tương ứng với dấu của khoảng cách bb.

Tiêu cự của thấu kính và công thức thấu kính.

Sử dụng công thức (1), thu được nhờ nguyên lý Fermat, có thể tính toán thấu kính, tức là tìm công thức liên hệ khoảng cách aa từ vật đến thấu kính, khoảng cách bb từ thấu kính đến ảnh và tiêu cự của thấu kính (nói cách khác, thu được công thức thấu kính). Dĩ nhiên, cũng có thể làm điều tương tự bằng cách áp dụng trực tiếp nguyên lý Fermat cho mọi thấu kính, nhưng con đường này phức tạp hơn.

Thấu kính là một vật thể trong suốt được giới hạn bởi các mặt cầu. Hình 11 biểu diễn một thấu kính hội tụ hai mặt lồi với các bán kính cong của các mặt của nó bằng R1R_1 và R2R_2. Đường thẳng nối các tâm O1O_1 và O2O_2 của các mặt cầu được gọi là trục quang học chính của thấu kính.

Hình 11.

Ta sẽ coi thấu kính là mỏng, tức là coi rằng các khoảng cách aa và bb, cũng như các bán kính cong R1R_1 và R2R_2, lớn hơn rất nhiều so với độ dày của thấu kính. Khi đó trong các tính toán có thể hoàn toàn bỏ qua độ dày của thấu kính.

Sau khi khúc xạ, tia sáng đi ra từ điểm SS xuất hiện tại AS1A S_1. Nếu không có mặt thứ hai, thì ảnh của điểm SS sẽ nằm tại điểm S1S_1 cách thấu kính một khoảng b1b_1, được xác định bởi phương trình

1a+nb1=n−1R1,\frac{1}{a} + \frac{n}{b_1} = \frac{n-1}{R_1},

trong đó nn — chiết suất của vật liệu làm thấu kính.

Nhưng trên thực tế, ánh sáng còn bị khúc xạ một lần nữa trên mặt cầu thứ hai và ảnh do thấu kính tạo ra nằm tại điểm S2S_2 trên trục quang học, cách thấu kính một khoảng b2b_2. Ta sử dụng tính thuận nghịch của các tia sáng. Nếu đặt nguồn sáng tại điểm S2S_2, thì sau khi khúc xạ trên mặt cầu bán kính R2R_2, các tia sẽ xuất hiện sao cho phần kéo dài của chúng cắt nhau tại điểm S1S_1, tạo thành ảnh cực tiểu của nguồn sáng. Sử dụng công thức (1) và xét rằng b1<0b_1 < 0, ta có thể viết phương trình

1b−1b1=n−1R2.\frac{1}{b} - \frac{1}{b_1} = \frac{n-1}{R_2}.

Tờ 25

tr. 23Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5-6-mini)

23

Bây giờ cộng các phương trình (2) và (3), ta nhận được

1a+1b=(n−1)(1R1+1R2).\frac{1}{a} + \frac{1}{b} = (n - 1) \left( \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} \right).

Công thức này, cũng như công thức (1), dĩ nhiên chỉ đúng đối với chùm tia hẹp truyền đi dưới một góc nhỏ so với trục quang học.

Khi a→∞a \to \infty khoảng cách bb bằng tiêu cự của thấu kính

b=f=1(n−1)(1R1+1R2).b = f = \frac{1}{(n - 1) \left( \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} \right)}.

Ngược lại, nếu b→∞b \to \infty, thì, như suy ra từ nguyên lí thuận nghịch, a=fa = f, và do đó

a=f=1(n−1)(1R1+1R2).a = f = \frac{1}{(n - 1) \left( \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} \right)}.

Như vậy, tiêu cự của thấu kính được xác định bởi phương trình

1f=(n−1)(1R1+1R2).\frac{1}{f} = (n - 1) \left( \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} \right).

Điều này có nghĩa là công thức thấu kính (4) có thể viết lại như sau:

1a+1b=1f.\frac{1}{a} + \frac{1}{b} = \frac{1}{f}.

Nếu một hoặc hai bề mặt lồi của thấu kính được thay bằng bề mặt lõm, thì trong công thức (5) cần đổi dấu bán kính cong của bề mặt tương ứng. Như vậy, công thức (5) cho phép tìm tiêu cự không chỉ của thấu kính hội tụ mà cả của thấu kính phân kì.

Có thể tìm hiểu chi tiết hơn về nguyên lí Fermat và các ứng dụng của nó trong cuốn sách «Các bài giảng Feynman về vật lí», tập 3.

Bài tập

  1. Chứng minh rằng nếu n12n_{12} là chiết suất đối với sự chuyển từ môi trường 1 sang môi trường 2, còn n13n_{13} — là chiết suất đối với sự chuyển từ môi trường 1 sang môi trường 3, thì chiết suất từ môi trường 2 sang môi trường 3 bằng

n23=n13n12.n_{23} = \frac{n_{13}}{n_{12}}.

  1. Khi chúng ta nhìn Mặt Trời lặn, thì thực ra nó đã ở dưới đường chân trời. Hãy giải thích hiện tượng này bằng cách sử dụng nguyên lí Fermat.

  2. Gương phải có dạng như thế nào để ánh sáng từ điểm AA luôn luôn đến điểm BB bất kể nó rời khỏi điểm AA theo hướng nào?

  3. Sử dụng nguyên lí Fermat, hãy suy ra công thức của gương cầu.

Từ công trình của P. Fermat

Nhà bác học Descartes đã đưa ra định luật khúc xạ, định luật này, như người ta cho rằng, phù hợp với thí nghiệm, nhưng để chứng minh nó, ông đã đưa ra một tiên đề, theo đó nói chung cần phải chấp nhận rằng chuyển động của ánh sáng trong môi trường đặc hơn xảy ra dễ dàng và liên tục hơn so với trong môi trường loãng hơn, điều này dường như trái với các sự kiện tự nhiên.

Vì vậy, khi chúng ta cố gắng suy ra định luật khúc xạ đúng từ tiên đề ngược lại, cụ thể là chuyển động của ánh sáng xảy ra dễ dàng và liên tục hơn trong môi trường loãng hơn so với môi trường đặc, chúng ta sớm gặp sự phù hợp với Descartes. Liệu có thể nói chung, không dùng những suy luận sai lầm, tìm ra con đường đến chân lí thông qua sự khúc xạ hay không — hãy để những nhà toán học tinh tế và có năng lực hơn nghiên cứu điều đó. Còn chúng ta, gạt sang một bên những suy luận trống rỗng, cho rằng tốt hơn là nắm chắc chính chân lí còn hơn là tham gia vào những cuộc tranh luận quá mức và vô ích.

Chứng minh của chúng ta dựa trên một tiên đề duy nhất: tự nhiên tác động theo những con đường tinh tế hơn và dễ tiếp cận hơn. Chúng ta cho rằng cần phải diễn đạt ý tưởng này đúng như vậy, chứ không phải theo cách dễ dàng tránh khỏi khó khăn bằng cách cho rằng tự nhiên luôn hành động theo những đường ngắn nhất.

Cũng như Galileo, khi xem xét chuyển động của các vật nặng trong tự nhiên, đã thay đổi cách xem xét tỉ lệ của chuyển động này không phải bằng khoảng cách mà bằng thời gian, chúng ta cũng xem xét không phải những khoảng cách hay đường đi ngắn nhất, mà là những đường có thể đi qua dễ dàng hơn, thuận tiện hơn và trong thời gian ngắn hơn…

Tờ 26

tr. 24Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5-6-mini)

24

Cực đại, cực tiểu và định lý về các giá trị trung bình

A. P. Savin

Trong toán học, người ta thường gọi là định lý những khẳng định có thể được sử dụng nhiều lần khi suy ra các khẳng định khác, đặc biệt là khi giải các bài toán. Tôi muốn kể về việc áp dụng định lý sau:

Trung bình cộng của một số số dương không nhỏ hơn trung bình nhân của chúng, và đẳng thức giữa các giá trị trung bình này chỉ xảy ra khi tất cả các số đã cho bằng nhau:

a1+a2+⋯+ann≥a1a2…ann\frac{a_1 + a_2 + \dots + a_n}{n} \geq \sqrt[n]{a_1 a_2 \dots a_n}

hoặc

(a1+a2+⋯+ann)n≥a1a2…an.\left(\frac{a_1 + a_2 + \dots + a_n}{n}\right)^n \geq a_1 a_2 \dots a_n.

Có nhiều cách chứng minh khác nhau cho khẳng định này, một trong số đó các bạn có thể đọc trong bài viết của S. T. Berkolayko và S. B. Katok*). Định lý này được áp dụng ở đâu?

Tất nhiên, biết định lý này, các bạn có thể dùng trung bình cộng làm giá trị trung bình nếu muốn giá trị trung bình lớn hơn, và dùng trung bình nhân nếu muốn nó nhỏ hơn. Ví dụ, khi tính điểm trung bình của lớp. Dĩ nhiên, đó là một trò đùa. Còn nếu nghiêm túc?

Hóa ra, nhờ định lý này có thể tìm được các giá trị lớn nhất hoặc nhỏ nhất của các biểu thức đại số. Bắt đầu từ những biểu thức đơn giản nhất.

*) S. T. Berkolayko, S. B. Katok, Về một phương pháp quy nạp để chứng minh các bất đẳng thức, «Квант», № 8, tr. 33.

Ví dụ 1. Đa thức 2x−x22x - x^2 có thể có giá trị lớn nhất là bao nhiêu?

Lời giải. Biến đổi đa thức như sau: 2x−x2=x(2−x)2x - x^2 = x (2 - x) và ký hiệu 2−x2 - x là yy.

Theo định lý

2x−x2=xy≤(x+y2)2=(x+2−x2)2=1.2x - x^2 = xy \leq \left(\frac{x + y}{2}\right)^2 = \left(\frac{x + 2 - x}{2}\right)^2 = 1.

Từ đó suy ra rằng giá trị lớn nhất của đa thức bằng 1, và nó đạt được khi x=2−xx = 2 - x, tức là khi x=1x = 1 (không khó kiểm tra rằng xx và 2−x2 - x không thể đồng thời âm; vì ta đang tìm giá trị lớn nhất, chỉ cần xét trường hợp chúng đều dương).

Ví dụ 2. Biểu thức x+1xx + \frac{1}{x} với các giá trị dương của xx có thể có giá trị lớn nhất là bao nhiêu?

Lời giải. Ký hiệu 1x\frac{1}{x} là yy. Theo định lý

x+1x=2(x+y2)≥2xy=2xx=2.x + \frac{1}{x} = 2 \left(\frac{x + y}{2}\right) \geq 2 \sqrt{xy} = 2 \sqrt{\frac{x}{x}} = 2.

Vậy giá trị lớn nhất bằng 2, nó đạt được khi x=1x=1∗x = \frac{1}{x} = 1^*.

*) Ở trường học người ta học phương pháp tách bình phương hoàn chỉnh, phương pháp này giải được cả hai ví dụ này:

  1. 2x−x2=1−(1−x)2≤12x - x^2 = 1 - (1 - x)^2 \leq 1;
  2. x+1x=(x−1x)2+2≥2x + \frac{1}{x} = \left(\sqrt{x} - \frac{1}{\sqrt{x}}\right)^2 + 2 \geq 2.

Nhưng ngay cả ví dụ 3 cũng không thể giải được bằng cách tách bình phương hoàn chỉnh.

Tờ 28

tr. 26Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5-mini)

⟦trang 26⟧

giá trị. Như vậy, ta có một chuỗi bất đẳng thức

a1+a2+…+ann≥a1a2…ann≥na1+1a2+…+1an.\frac{a_1 + a_2 + \ldots + a_n}{n} \geq \sqrt[n]{a_1 a_2 \ldots a_n} \geq \frac{n}{a_1 + \frac{1}{a_2} + \ldots + \frac{1}{a_n}}.

Hãy thử tự mình chứng minh bất đẳng thức cuối cùng.

Cuối cùng, cần lưu ý rằng trong toán học cao cấp có phương pháp tìm cực đại và cực tiểu của hàm bằng cách vi phân. Tuy nhiên, các bất đẳng thức đã xét lại thuận tiện hơn cho việc tính toán trên các máy tính điện tử các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của một số loại biểu thức. Các phương pháp này được gọi là quy hoạch hình học.

Bài tập

  1. Trong các hình quạt tròn có chu vi đã cho PP, hãy tìm hình quạt có diện tích lớn nhất.

  2. Trong đường tròn đã cho, hãy tìm dây cung nhỏ nhất đi qua điểm AA nằm bên trong đường tròn.

  3. Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức

2x3+3x.2x^3 + \frac{3}{\sqrt{x}}.

  1. Chứng minh rằng nếu tổng của các biến dương x1,x2,…,xnx_1, x_2, \ldots, x_n được lập, thì tích x1k1x2k2x3k3…xnknx_1^{k_1} x_2^{k_2} x_3^{k_3} \ldots x_n^{k_n}, trong đó k1,k2,…,knk_1, k_2, \ldots, k_n — là các số nguyên dương cho trước, có giá trị lớn nhất khi các biến tỉ lệ với số mũ tương ứng của chúng: x1k1=x2k2=x3k3=…=xnkn\frac{x_1}{k_1} = \frac{x_2}{k_2} = \frac{x_3}{k_3} = \ldots = \frac{x_n}{k_n}.

Chứng minh rằng điều tương tự cũng đúng với các số hữu tỉ dương k1,k2,…,knk_1, k_2, \ldots, k_n.

CÁCH TÌM RA SAI SÓT

Bạn đã nhân hai đa thức dài với nhau. Làm thế nào để kiểm tra xem bạn có mắc sai sót trong tính toán hay không?

Chúng tôi đưa ra hai cách cho phép tìm ra một số khả năng sai sót (nhưng tất nhiên không đảm bảo hoàn toàn tính đúng đắn của các phép tính đã kiểm tra).

Cách 1. Lấy tổng các hệ số của đa thức thứ nhất, nhân với tổng các hệ số của đa thức thứ hai. Phải thu được tổng các hệ số của tích. Đây sẽ là giá trị của đa thức khi x=1x=1.

Cách trên cho phép tìm ra các sai sót trong số học (ví dụ, nếu đã sử dụng «đẳng thức» 2⋅3=52 \cdot 3=5), nhưng không tìm ra sai sót trong đại số. Chẳng hạn, nếu ở một giai đoạn nào đó bạn đã viết 2x2⋅3x3=6x42x^2 \cdot 3x^3=6x^4, thì bằng cách này sai sót sẽ không được phát hiện.

Cách 2. Khác với cách thứ nhất ở chỗ các hệ số của các lũy thừa chẵn của xx được lấy với dấu cộng, còn các lũy thừa lẻ với dấu trừ. Về các mặt khác, cách này trùng với cách thứ nhất. Ở đây ta nhận được giá trị của đa thức khi x=−1x=-1.

Cách thứ hai phức tạp hơn cách thứ nhất, điều này cho phép phát hiện cả một số sai sót đại số. Khi kiểm tra «đẳng thức» 2x2⋅3x3=6x42x^2 \cdot 3x^3=6x^4 thu được 2⋅(−3)=62 \cdot (-3)=6. Đẳng thức này là vô lý, vậy trong các phép tính đã mắc phải sai sót.

Tờ 30

tr. 28Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5-6-mini)

масса единицы длины которой равна ρ1\rho_1, обруч катится со скоростью v1v_1. С какой скоростью будет катиться обруч по второму участку веревки?

В. Д. Егоров

Ф63. Человек, чтобы не поскользнуться на обледеневшей горке, сбегает с нее. Почему это целесообразно?

Ф64. С деревянным шариком и высоким сосудом с водой проводятся четыре опыта: в первом опыте шарик взвешивается плавающим в сосуде (рис. 2, а), во втором опыте шарик взвешивается, будучи привязанным ко дну сосуда (рис. 2, б), в третьем опыте шарик удерживается под водой с помощью тонкого стержня (рис. 2, с), и, наконец, в четвертом опыте шарик всплывает во время взвешивания (рис. 2, д). В каком случае масса гири, уравновешивающей сосуд с шариком, будет больше?

Ф65. Пластины плоского конденсатора заряжены до потенциалов +φ и —φ относительно земли. Емкость конденсатора, образованного пластинами, равна CC, а емкость конденсаторов, которые образуют каждая из пластин с землей — C1C_1. Во сколько раз изменится напряжение электрического поля между пластинами, если одну из них заземлить?

Л. Г. Асламазов

Tờ 31

tr. 29Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5-6-mini)

29

М11. Trên 44 cây nằm trên một đường tròn, có 44 chú chim sẻ vui vẻ đậu (mỗi cây một chú). Thỉnh thoảng hai chú chim sẻ cùng lúc bay sang những cây bên cạnh theo hai hướng ngược nhau (một chú — theo chiều kim đồng hồ, chú kia — ngược chiều). Hãy chứng minh rằng các chú chim sẻ không thể tập hợp trên cùng một cây. Còn nếu số chim sẻ và số cây là nn?

Lời giải. Giải bài toán ngay cho nn chú chim sẻ và nn cây. Đánh số các cây theo thứ tự (chẳng hạn, theo chiều kim đồng hồ) bằng các số từ 1 đến nn (hình 1). Gọi số lượng chim sẻ trên cây thứ kk tại một thời điểm bất kỳ là aka_k (trên cây thứ nhất — a1a_1, trên cây thứ hai — a2a_2 v.v.). Xét biểu thức

S=1⋅a1+2⋅a2+⋯+kak+⋯+nan.S = 1 \cdot a_1 + 2 \cdot a_2 + \dots + ka_k + \dots + na_n.

Ta chỉ ra rằng khi hai chú chim sẻ bay sang những cây bên cạnh theo hai hướng ngược nhau, thì SS hoặc không thay đổi, hoặc thay đổi một lượng bằng nn.

Действительно, пусть какой-то один чиж перелетает с kk-го дерева на следующее по часовой стрелке. Тогда в сумме SS меняются два слагаемых. Если k<nk < n, то меняются kk-е и (k+1)(k+1)-е слагаемые, и их сумма становится равной

k(ak−1)+(k+1)(ak+1+1)=kak+(k+1)ak+1+1,k (a_k - 1) + (k+1) (a_{k+1} + 1) = ka_k + (k+1) a_{k+1} + 1,

то есть увеличивается на 1. Если k=nk=n, то меняются nn-е и первое слагаемые, а их сумма

n(an−1)+1(a1+1)=nan+1⋅a1−(n−1)n (a_n - 1) + 1 (a_1 + 1) = na_n + 1 \cdot a_1 - (n-1)

уменьшается на n−1n-1. Наоборот, если чиж перелетит на соседнее дерево против часовой стрелки, то сумма или уменьшается на 1, или увеличивается на n−1n-1. Поэтому, когда два чижика одновременно перелетают на соседние деревья (один по часовой стрелке, другой — против), то сумма SS или совсем не меняется, или меняется на nn.

В начальный момент времени на каждом дереве сидело по одному чижку,

S=1⋅1+2⋅1+⋯+n⋅1=1+2+⋯+n=n(n+1)2.S = 1 \cdot 1 + 2 \cdot 1 + \dots + n \cdot 1 = 1 + 2 + \dots + n = \frac{n (n+1)}{2}.

Tờ 32

tr. 30Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5-6-mini)

30

Như vậy, sau bất kỳ số lần bay nào, tổng sẽ bằng n(n+1)2+np\frac{n(n+1)}{2} + np, trong đó pp là một số nguyên nào đó. Nếu tất cả các con chim sẻ ngô tập hợp trên một cây qq nào đó, thì SS sẽ bằng nqnq, tức là sẽ có đẳng thức n(n+1)2+np=nq\frac{n(n+1)}{2} + np = nq, từ đó suy ra n+1+2p=2qn+1+2p = 2q; n=2(q−p)−1n = 2(q-p)-1.

Như vậy, nếu nn là số chẵn, chẳng hạn n=44n = 44, thì các con chim sẻ ngô không thể tập hợp trên một cây. Ta chứng minh rằng với nn lẻ thì điều này có thể thực hiện được*).

Xét tình huống ban đầu, khi trên mỗi cây có một con chim sẻ ngô. «Ra lệnh» cho một con chim sẻ ngô đứng yên tại chỗ và gọi nó là «bất động». Chia các con chim sẻ ngô còn lại thành các cặp ngồi cách con chim bất động một khoảng bằng nhau gồm rr lần bay về hai phía (r=1,2,…,n−12r=1, 2, \ldots, \frac{n-1}{2}). Rõ ràng, mỗi cặp như vậy có thể sau rr lần bay đến được cây nơi con chim sẻ ngô bất động đang ngồi.

Lời giải tương tự được gửi đến bởi Đ. Grigoriev từ thành phố Leningrad, V. Luzgin từ thành phố Georgievsk thuộc vùng Stavropol và các độc giả khác.

Giải pháp đã đưa ra là điển hình cho những bài toán trong đó cần xác định xem sau một loạt những phép biến đổi nào đó có thể thu được một kết quả nhất định hay không. Trong trường hợp này, phép biến đổi là sự bay của hai con chim sẻ theo hai hướng ngược nhau, và ta muốn xác định xem kết quả là có thể để tất cả các con chim sẻ tập hợp trên cùng một cây hay không. Để chứng minh rằng có thể, chỉ cần đưa ra một ví dụ về cách thực hiện. Để chứng minh rằng không thể thu được kết quả cần thiết với bất kỳ phép biến đổi nào, thường thuận tiện làm như sau: tìm một đại lượng nào đó được bảo toàn qua tất cả các phép biến đổi đang xét và có giá trị ban đầu khác với giá trị cần có ở trạng thái cuối cùng (đại lượng như vậy gọi là bất biến của các phép biến đổi đó). Trong bài toán của chúng ta, đại lượng như vậy là số dư của phép chia tổng SS cho nn.

Những người đã giải bài toán này sẽ thấy thú vị khi tìm hiểu câu hỏi tổng quát hơn sau đây. Cho hai cách sắp xếp khác nhau của aa con chim sẻ trên nn cây. Gọi chúng là tương đương nếu từ một cách sắp xếp có thể nhận được cách kia (bằng những lần bay của chim sẻ như đã chỉ ra trong điều kiện của bài toán). Làm thế nào để biết liệu các cách sắp xếp này có tương đương hay không? Một câu hỏi khác. Rõ ràng, tập hợp tất cả các cách sắp xếp có thể có của aa con chim sẻ trên nn cây phân rã thành một số lớp tương đương. Có bao nhiêu lớp như vậy?

M12. Những tứ giác nào có thể cắt bằng một đường thẳng thành hai tứ giác đồng dạng với nhau?

Lời giải. Ta chứng minh rằng chỉ có hình thang và hình bình hành có tính chất này.

Giả sử tứ giác ABCDABCD được cắt bởi một đường thẳng thành hai tứ giác đồng dạng. Rõ ràng, đường này cắt hai cạnh đối diện.

*) Sự cần thiết của giai đoạn này trong chứng minh, như thấy từ bức thư, không hề rõ ràng với tất cả các độc giả của chúng tôi. Chúng ta sẽ dừng lại ở điểm này chi tiết hơn. Ta đã chứng minh được điều gì? Chỉ là nếu các con chim sẻ đã tập hợp được trên một cây, thì số chim sẻ phải là số lẻ (đây là điều kiện cần). Bây giờ cần chứng minh rằng điều kiện này cũng đủ, tức là nếu số chim sẻ là số lẻ, thì chúng có thể tập hợp trên một cây (từ những gì ta đã chứng minh cho đến nay, đây là điều kiện đủ).

Tờ 33

tr. 31Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

31

các cạnh sai của tứ giác. Giả sử nó cắt cạnh AD tại điểm K và cạnh BC tại điểm L (hình 2). Sau đây chúng ta sẽ vài lần sử dụng mệnh đề hiển nhiên sau: nếu biết về hai tứ giác EFGH và PQRS rằng chúng đồng dạng và đỉnh E tương ứng với đỉnh P, thì <E = <P, <G = <R và, ngoài ra, hoặc <F = <Q và <H = <S, hoặc <F = <S và <Q = <H.

Vậy, giả sử rằng các tứ giác ABLK và CDKL đồng dạng (chúng ta chỉ gặp trường hợp các góc tương ứng của chúng bằng nhau), và chứng minh rằng trong tứ giác ABCD có hai cạnh nào đó song song. Góc α của tứ giác ABLK (<α = <AKL) có thể tương ứng với một trong các góc của tứ giác KLCD.

  1. <α tương ứng với <D. Khi đó <α = <D, <γ = <B, AB || KL || CD.
  2. <α tương ứng với <C. Khi đó <α = <C, <δ = <B; <B + <C = <α + <δ = 180°, AB || CD; đồng thời <A = <γ, <D = <β (trường hợp <β = = <γ, <A = <D không cần xét riêng, vì khi đó <β + <γ = 180° và <A = <D = <β = <γ = 90°).
  3. <α tương ứng với <γ. Khi đó <B = <D, AD || BC và AB || DC, tức là ABCD — hình bình hành.
  4. <α tương ứng với <δ. Khi đó <α = <δ = 90°, <B = <C và hoặc <β = <γ = 90°, AD || BC (hình thang cân hoặc hình chữ nhật), hoặc <β = <D, <γ = <A, <A + <D = 180°, AB || CD, và xét đến ký hiệu thì trường hợp này tương tự trường hợp 2).

Chúng ta đã chứng minh rằng ABCD — hình bình hành hoặc hình thang. Dễ thấy rằng, ngược lại, bất kỳ hình bình hành hoặc hình thang nào cũng có thể chia thành hai tứ giác đồng dạng. Bất kỳ đường thẳng nào đi qua tâm đều chia hình bình hành thành hai tứ giác bằng nhau (dĩ nhiên, miễn là đường thẳng không đi theo đường chéo). Hình thang có các đáy a < b được chia thành hai hình đồng dạng bởi một đường thẳng song song với các đáy và chia chiều cao theo tỉ số b/a\sqrt{b}/\sqrt{a}; dĩ nhiên cần kiểm tra rằng các cạnh tương ứng khi đó tỉ lệ (hình 3): AK/KD = BL/LC = AB/KL=

Tờ 34

tr. 32Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

32

КЛ/DC = b/a\sqrt{b}/\sqrt{a}. Hãy thử tìm xem khi nào có thể chia hình thang thành hai tứ giác đồng dạng bằng một cách tinh vi hơn, tương ứng với trường hợp 2) sau đây, — như chỉ ra trên hình 4 (đáp án: khi và chỉ khi a/b<sin⁡α/sin⁡β\sqrt{a}/\sqrt{b} < \sin \alpha/\sin \beta, trong đó α<β\alpha < \beta – các góc kề đáy lớn hơn bb của hình thang).

**M13. Chứng minh rằng nếu hiệu giữa số lớn nhất và số nhỏ nhất trong nn số thực a1,a2,…,ana_1, a_2, \ldots, a_n bằng dd, còn tổng các môđun của tất cả n(n−1)2\frac{n(n-1)}{2} hiệu từng đôi của các số này

∑i<j∣ai−aj∣ ba˘ˋng s, thıˋ (n−1)d⩽s⩽n24d.\sum_{i<j} |a_i - a_j| \text{ bằng } s, \text{ thì } (n-1) d \leqslant s \leqslant \frac{n^2}{4} d.

Lời giải: Đánh dấu các điểm a1,a2,…,ana_1, a_2, \ldots, a_n trên trục số. Khi đó dd — khoảng cách giữa hai điểm ngoài cùng trong các điểm này, điểm ngoài cùng bên trái và điểm ngoài cùng bên phải, còn s=∑i<j∣ai−aj∣s = \sum_{i<j} |a_i - a_j| — tổng всех các khoảng cách từng đôi giữa các số này.

Rõ ràng, có thể coi rằng các điểm được ký hiệu là a1,a2,…,ana_1, a_2, \ldots, a_n theo thứ tự tăng dần: a1⩽a2⩽…⩽ana_1 \leqslant a_2 \leqslant \ldots \leqslant a_n (hình 5). Ký hiệu khoảng cách giữa các điểm kề nhau aka_k và ak+1a_{k+1} là dk(k=1,2,…,n−1)d_k(k=1, 2, \ldots, n-1). Rõ ràng, d=d1+d2+…+dn−1d = d_1 + d_2 + \ldots + d_{n-1}.

Bây giờ ta biểu diễn ss qua các đại lượng dkd_k. Để làm điều đó, trong tổng ss ta thay độ dài mỗi đoạn [ai−aj][a_i - a_j] bằng tổng các dkd_k tạo nên nó: ∣ai−aj∣=di+di+1+…+dj−1|a_i - a_j| = d_i + d_{i+1} + \ldots + d_{j-1}. Rõ ràng, dkd_k thuộc vào những đoạn mà đầu mút trái nằm tại một trong các điểm a1,…,aka_1, \ldots, a_k, còn đầu mút phải nằm tại một trong các điểm ak+1,…,ana_{k+1}, \ldots, a_n, tức là tổng cộng dkd_k đi vào tổng k(n−k)k(n-k) lần. Vì vậy

s=∑k=1n−1k(n−k)dk.s = \sum_{k=1}^{n-1} k(n-k)d_k.

Bây giờ các khẳng định cần chứng minh suy ra từ hai bất đẳng thức hoàn toàn đơn giản: với mọi k=1,…,n−1k=1, \ldots, n-1

  1. k(n−k)⩾n−1  ⟺  kn−k2−n+1⩾0  ⟺  (k−1)(n−k−1)⩾0k(n-k) \geqslant n-1 \iff kn-k^2-n+1 \geqslant 0 \iff (k-1)(n-k-1) \geqslant 0;
  2. k(n−k)⩽n24  ⟺  n2−4nk+4k2⩾0  ⟺  (n−2k)2⩾0k(n-k) \leqslant \frac{n^2}{4} \iff n^2-4nk+4k^2 \geqslant 0 \iff (n-2k)^2 \geqslant 0.

Để sử dụng các ví dụ này, chúng ta sẽ dùng những điều thu được, những điều thu được

∑k=1n−1k(n−k)dk⩾∑k=1n−1(n−1)dk=(n−1)d,\sum_{k=1}^{n-1} k(n-k)d_k \geqslant \sum_{k=1}^{n-1}(n-1)d_k = (n-1)d,

∑k=1n−1k(n−k)dk⩽∑k=1n−1n24dk=n24d.\sum_{k=1}^{n-1} k(n-k)d_k \leqslant \sum_{k=1}^{n-1}\frac{n^2}{4}d_k = \frac{n^2}{4}d.

Lời giải đúng của bài toán này đã được gửi bởi M. Preger từ thành phố Tomsk, học sinh lớp mười I. Protasov từ thành phố Kiev, S. Pozdnyakov từ thành phố Vilnius và các độc giả khác.

Cũng thú vị là tìm hiểu xem các đánh giá nêu trong đề bài có chính xác không, chẳng hạn có thể thay n−1n-1 trong bất đẳng thức bên trái bằng những số lớn hơn không? Để thấy rằng không thể, chỉ cần nêu một ví dụ trong đó bất đẳng thức trở thành đẳng thức (hơn nữa, ở cả hai vế đều là các số dương). Dễ nghĩ ra một ví dụ như vậy, nếu đã hiểu chứng minh của chúng ta: cần bố trí

Tờ 35

tr. 33Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

33

các điểm a1,a2,…,ana_1, a_2, \dots, a_n sao cho mọi dkd_k, trừ số thứ nhất — d1d_1, đều bằng không, tức là a1<a2=a3=⋯=ana_1 < a_2 = a_3 = \dots = a_n. Khi đó s=(n−1)d1=(n−1)ds = (n-1)d_1 = (n-1)d.

Về bất đẳng thức thứ hai s⩽n24ds \leqslant \frac{n^2}{4}d, với n=2mn = 2m chẵn thì trong đó cũng có thể đạt dấu bằng (chỉ cần lấy a1=a2=⋯=am<am+1=⋯=a2ma_1 = a_2 = \dots = a_m < a_{m+1} = \dots = a_{2m}), còn với n=2m+1n = 2m+1 lẻ thì có thể làm nó chính xác hơn đôi chút: không khó để nhận thấy rằng khi nn lẻ, số lớn nhất trong các số k(n−k)k(n-k) bằng n−12⋅n+12=n2−14\frac{n-1}{2} \cdot \frac{n+1}{2} = \frac{n^2-1}{4} (hãy chứng minh điều này một cách chặt chẽ!); dùng điều này thay cho bất đẳng thức 2), cũng như ở trên, có thể chứng minh bất đẳng thức mạnh hơn s<n2−14ds < \frac{n^2-1}{4}d. Dấu bằng trong đó đạt được khi a1=⋯=am<am+1=⋯=a2m+1a_1 = \dots = a_m < a_{m+1} = \dots = a_{2m+1}.

M14. Một số mặt của một đa diện lồi màu trắng được sơn đen sao cho không có hai mặt đen nào có cạnh chung. Chứng minh rằng nếu thỏa mãn ít nhất một trong các điều kiện sau:
a) số mặt đen lớn hơn một nửa;
b) tổng diện tích các mặt đen lớn hơn một nửa diện tích mặt ngoài của đa diện, thì không thể nội tiếp một quả cầu vào đa diện này.

Lời giải. Hãy bắt đầu từ bài 6). Giả sử có thể nội tiếp một quả cầu vào đa diện. Đánh dấu trên mỗi mặt điểm tiếp xúc với quả cầu và nối điểm đó với các đỉnh của mặt ấy. Khi đó mặt được chia thành các tam giác. Với mỗi cạnh của đa diện, có hai tam giác như vậy kề vào, nằm trên hai mặt kề nhau. Chúng bằng nhau theo ba cạnh (vì hai tiếp tuyến kẻ từ một điểm đến quả cầu thì bằng nhau). Theo giả thiết, với mỗi cạnh có không quá một mặt đen kề vào. Như vậy, với mỗi tam giác đen có một tam giác trắng bằng nó kề vào*). Do đó, tổng diện tích các mặt đen không lớn hơn tổng diện tích các mặt trắng. Bài 6) được giải.

Bài a) cũng được giải hoàn toàn tương tự; bài này đã được nói đến trong bài “Các đa diện không thể nội tiếp” của E. M. Andreev (xem “Kvant” số 8, bài 9 ở cuối bài báo). Trong bài này đã xét cả một loạt vấn đề nảy sinh liên quan đến bài toán của chúng ta: có những đa diện thỏa mãn các điều kiện tương tự hay không, còn có những “dấu hiệu không thể ngoại tiếp” nào khác, v.v. Tuy nhiên, như có thể đoán từ mục đích của bài báo, ở đó nói về việc liệu có thể nội tiếp đa diện này hay đa diện kia vào một mặt cầu hay không, còn trong bài toán của chúng ta — liệu có thể ngoại tiếp nó quanh một mặt cầu hay không. Nhưng hóa ra hai lý thuyết hoàn toàn tương tự nhau.

Chính xác hơn, với mỗi đa diện lồi nội tiếp có thể đặt tương ứng một đa diện ngoại tiếp sao cho các mặt phẳng tương ứng với mỗi đỉnh sẽ cắt nhau tại một điểm — đỉnh của đa diện mới, tương ứng với mặt của đa diện nội tiếp ban đầu. Nếu hai đỉnh của đa diện nội tiếp được nối bởi một cạnh, thì các mặt phẳng tiếp xúc tương ứng sẽ cắt nhau theo một cạnh của đa diện ngoại tiếp. Như vậy ta đã xây dựng một ánh xạ từ các đa diện nội tiếp vào tập các đa diện ngoại tiếp; dễ thấy rằng ánh xạ này phủ lên toàn bộ tập các đa diện ngoại tiếp và có ánh xạ ngược

*) Nhưng dĩ nhiên, với một tam giác trắng cũng có thể kề một tam giác trắng — điều quan trọng chỉ là những tam giác đen khác nhau tương ứng với những tam giác trắng khác nhau.

Tờ 36

tr. 34Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

34

(chúng tôi dùng thuật ngữ đã được nói đến trong bài của A. N. Kolmogorov «Hàm số là gì» trên «Kvant» số 1),— nói cách khác, rằng với mỗi đa diện ngoại tiếp đã cho có thể đặt tương ứng một đa diện nội tiếp, từ đó đa diện ngoại tiếp này được tạo ra bằng cách đã chỉ ra ở trên. Chỉ cần đánh dấu trên mỗi mặt điểm tiếp xúc — đỉnh của đa diện nội tiếp tương lai — và chứng minh rằng mọi điểm tiếp xúc của các mặt có chung một đỉnh nằm trong cùng một mặt phẳng (hình 6). Cả hai ánh xạ này, liên hệ tập các đa diện nội tiếp lồi và ngoại tiếp lồi, tạo thành một ví dụ tuyệt đẹp về tình huống mà các nhà toán học thường gọi bằng từ «đối ngẫu» (từ này đã được nhắc thoáng qua trong bài của E. M. Andreev). Hãy suy nghĩ xem những đa diện ngoại tiếp nào sẽ đối ngẫu với các đa diện nội tiếp sau đây: hình lập phương, lăng trụ đều n-giác, chóp đều n-giác, chóp cụt đều, khối mười hai mặt.

Chúng tôi rất khuyên độc giả trở lại bài «Các đa diện không nội tiếp được» và, dùng tính đối ngẫu mà chúng tôi vừa nói đến, chuyển nội dung của nó sang các đa diện «không ngoại tiếp được».

M15. Bảng vuông n×nn \times n được điền các số không âm sao cho tổng các số trong mỗi hàng và tổng các số trong mỗi cột bằng 1. Chứng minh rằng từ bảng có thể chọn nn số xx dương, sao cho không có hai số nào trong đó nằm cùng một cột hoặc cùng một hàng.

Lời giải. Trước hết, nhận xét rằng nếu ta hoán đổi các hàng (hoặc các cột) của bảng với nhau, thì điều đó không ảnh hưởng đến điều kiện của bài toán, cũng như đến điều cần chứng minh. Giả sử rằng bằng các phép hoán đổi hàng và cột, ta đã gom vào một góc hình chữ nhật kích thước m×km \times k toàn các số không (hình 7). Chứng minh rằng m+km + k luôn không lớn hơn nn. Hãy tính tổng các số nằm trong phần được ký hiệu bằng chữ CC trên hình. Rõ ràng, tổng các số nằm trong phần BB bằng mm (mm cột, trong mỗi cột tổng bằng 1). Tương tự, tổng các số trong phần AA bằng kk (kk hàng). Vì tổng tất cả các số trong bảng bằng nn, nên phần CC còn lại n−m−kn - m - k. Số này không âm, vì theo điều kiện, mọi số trong bảng đều không âm. Vậy, n−m−k≥0n - m - k \ge 0, tức là m+k≤nm + k \le n, đúng như ta đã khẳng định.

Bây giờ ta có thể phát biểu lại bài toán như sau: trong bảng n×nn \times n có các số, và biết rằng bằng không một phép hoán đổi hàng và cột nào không thể-

Tờ 37

tr. 35Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

35

Chọn trong đó một góc gồm các số không kích thước m×km \times k sao cho m+k>nm + k > n; chứng minh rằng có thể chọn nn số khác không, sao cho không có hai số nào cùng nằm trong một cột hay một hàng. (Đối với chúng ta bây giờ không còn quan trọng rằng các số là dương và tổng theo các hàng và các cột bằng 1. Những điều kiện này ta đã sử dụng rồi. Về sau ta chỉ phân biệt “số không” và “số khác không”.)

Nếu bạn đã đọc bài của M. I. Bashmakov “Ghép đôi và mạng vận tải” trong số 4 tạp chí của chúng ta, thì bạn dễ dàng nhận ra rằng cách phát biểu mới của bài toán chỉ là sự ghi lại bằng ngôn ngữ “bảng” của định lý hôn phối. Thật vậy, hãy ghi vào các hàng của bảng n×nn \times n các chàng trai, còn vào các cột — các cô gái (cả hai đều có nn người). Tại giao điểm của hàng thứ ss và cột thứ tt, ta đặt một “số khác không” (dấu sao), nếu chàng trai thứ ss quen cô gái thứ tt, và một “số không”, nếu không quen. Ta thu được một bảng (như các nhà toán học nói, một “ma trận”) quen biết.

Lấy một nhóm tùy ý gồm kk chàng trai. Đặt các hàng tương ứng với họ lên đầu. Nếu không một chàng trai nào trong số này quen với một cô gái nào đó, thì trong cột tương ứng, ở kk hàng đầu có các số không. Nếu ta chuyển tất cả các cột tương ứng với mọi cô gái như vậy xuống cuối (giả sử số họ là mm), thì ta sẽ được một góc các số không kích thước m×km \times k (hình 8). Trong mỗi cột đầu tiên trong số m−nm - n cột có ít nhất một “không-phải-số-không” ở các hàng đầu, vì cô gái tương ứng có bạn quen trong số kk chàng trai mà ta đã chọn. Vì m+k≤nm + k \leq n, nên m−n≥km - n \geq k, tức là số cô gái như vậy không ít hơn kk. Ta thấy rằng dữ kiện của bài toán hoàn toàn trùng với dữ kiện của “định lý về mai mối”. Việc chọn nn cô dâu cho tất cả các chàng trai chính là việc chọn nn “không-phải-số-không”, nằm ở các hàng và cột khác nhau.

Bây giờ bạn có thể đọc chứng minh đơn giản (bằng quy nạp) của “định lý về mai mối”, chứng minh này cũng cho lời giải đầy đủ của bài toán. Tất nhiên, hoàn toàn không nhất thiết phải quy bài toán về định lý này. Lập luận quy nạp cũng có thể tiến hành trực tiếp — bằng cách hoán vị các hàng và cột (chẳng hạn, bạn đọc Đ. Grigoriev từ thành phố Leningrad đã làm như vậy). Khi đó thu được một chứng minh mới của “định lý về mai mối”*).

*) Nhưng, dĩ nhiên, nếu chỉ đơn giản gạch bỏ cột cuối và hàng cuối trong bảng thỏa mãn các điều kiện của bài toán, ta có thể nhận được một bảng không còn thỏa mãn điều kiện này nữa,— không thể tiến hành quy nạp một cách “thô bạo” như vậy.

Tờ 38

tr. 36Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

36

F18. Nếu nhìn ánh sáng qua hai chiếc lược có tần số răng khác nhau, chồng lên nhau, thì các vùng sáng sẽ xen kẽ với các vùng tối. Các vùng này sẽ chuyển động với tốc độ nào nếu một chiếc lược được dịch chuyển tương đối so với chiếc kia với tốc độ 1 cm/giây? Chiếc lược đứng yên có 5 răng trên 1 xentimét, chiếc đang chuyển động có —6.

Lời giải. Hãy cho một số răng nào đó của hai chiếc lược trùng nhau (hình 9). Khi đó các răng kế tiếp sẽ cách nhau 1/51/5 cm—1/61/6 cm = 1/301/30 cm. Bây giờ dịch chiếc lược đi một khoảng ấy. Khi đó hình các dải sáng và tối sẽ dịch đi 1/51/5 cm—khoảng cách giữa các răng của chiếc lược đứng yên. Nếu dịch chiếc lược đi 1 cm, thì hình các dải sáng và tối sẽ dịch đi 1/51/5 cm·30 = 6 cm.

Điều đó có nghĩa là khi chiếc lược có tần số răng lớn hơn chuyển động với tốc độ 1 cm/giây, các dải sáng và tối chuyển động với tốc độ v=6v = 6 cm/giây theo cùng chiều mà chiếc lược di động dịch chuyển.

Hình các dải sáng và tối xen kẽ, chuyển động với tốc độ không đổi, là một mô hình rất tiện lợi cho sự truyền đi của sóng có bất kỳ bản chất vật lí nào. Nếu nhìn các dải đang chuyển động qua một khe (hình 10), thì khe sẽ tuần hoàn bị che bởi các dải sáng, rồi các dải đen:

Tờ 39

tr. 37Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

37

ta sẽ thấy các dao động. Màu đen và màu vàng của các dải tương ứng với hai pha đối ngược của dao động (hình 11). Bước sóng bằng tổng chiều rộng của dải sáng và dải tối. Đếm số dải đen hoặc vàng đi qua khe trong một giây, có thể xác định tần số dao động và chu kì của chúng.

Mô hình đơn giản này cho phép hiểu được nhiều hiện tượng vật lí và các quá trình của những thí nghiệm thú vị.

Bằng các dải đen-vàng có thể mô hình hóa không chỉ các sóng tuyến tính mà cả bất kì sóng nào khác, chẳng hạn sóng tròn (hình 12). Chuyển động của các sóng tròn như vậy có thể biểu diễn bằng, chẳng hạn, một đường xoắn ốc Archimedes đen-vàng (hình 13). Khi xoay đường xoắn ốc, qua khe sẽ thấy các sóng chạy về tâm hoặc từ tâm ra, tùy theo chiều quay của đường xoắn ốc.

Nếu các dải không dịch chuyển, ta sẽ nhận được hình ảnh các sóng đứng yên. Những hình ảnh như vậy gọi là raster. Không được nhầm các sóng-raster đứng yên với sóng dừng. Mô hình sóng dừng là các dải đen-vàng xen kẽ, định kì đổi màu của chúng sang màu đối ngược.

Khi vài sóng hình sin chồng lên nhau, xuất hiện những sóng mới, không còn là sóng hình sin. Chúng được gọi là sóng nhóm. Sóng nhóm khác với các sóng hình sin được cộng cả về độ dài, tốc độ truyền và các tham số khác. Các sóng nhóm đơn giản nhất là sóng nhịp. Chúng xuất hiện khi hai sóng có bước sóng không bằng nhau nhưng gần nhau được cộng lại.

Để dựng mô hình các sóng nhóm, cần chồng hai hệ dải lên nhau. Nếu các hệ này giống nhau, có thể chồng chúng sao cho các dải của hệ này trùng với các dải của hệ kia. Những sóng như vậy được gọi là kết hợp. Nếu các hệ dải hơi khác nhau về khoảng cách giữa các dải, ta sẽ nhận được hình ảnh nhịp (hình 14). Hình ảnh tương tự đã xuất hiện trong các thí nghiệm của bạn với lược.

Không khó tìm bước sóng của nhịp do các sóng có bước sóng λ1\lambda_1 và λ2\lambda_2 (λ1>λ2\lambda_1 > \lambda_2) tạo ra. Nếu hai dải đen trùng nhau, thì dải gần hệ dải có bước sóng λ1\lambda_1 và vạch thứ (n+1)(n+1) của hệ dải có bước sóng λ2\lambda_2. Điều này có nghĩa là bước sóng của nhịp bằng

L=nλ1=(n+1)λ2.L = n\lambda_1 = (n+1)\lambda_2.

Tờ 40

tr. 38Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

38

Từ đẳng thức nλ1=(n+1)λ2n\lambda_1 = (n+1)\lambda_2 ta tìm được n=λ2λ1−λ2n = \frac{\lambda_2}{\lambda_1 - \lambda_2}.

Vì thế L=λ1λ2λ1−λ2L = \frac{\lambda_1\lambda_2}{\lambda_1 - \lambda_2}.

Các sóng chồng lên nhau càng ít khác biệt thì độ dài của các sóng nhóm càng lớn. Điều này được dùng khi thay đổi bước sóng của các dao động cao tần. Để thay đổi, người ta chọn bước sóng của sóng thứ hai sao cho khi cộng các sóng lại sẽ thu được các phách có bước sóng lớn. Những phách như vậy dễ quan sát và thay đổi bằng máy hiện sóng. Biết độ dài phách và bước sóng của một trong các dao động, không khó xác định bước sóng của dao động đang nghiên cứu.

Các sóng phách, được chỉ ra ở hình 14,— là các sóng đứng. Nếu làm cho một hoặc cả hai hệ sóng chuyển động, thì các sóng nhóm cũng sẽ chuyển động. Vận tốc vv của các sóng nhóm có thể tìm được giống như cách ta tìm vận tốc chuyển động của các sóng nhóm thu được khi chồng các chiếc lược lên nhau. Nó bằng

v=λ1v2−λ2v1λ1−λ2,v = \frac{\lambda_1 v_2 - \lambda_2 v_1}{\lambda_1 - \lambda_2},

trong đó v1v_1 — vận tốc của các sóng có bước sóng λ1\lambda_1, còn v2v_2 — vận tốc của các sóng có bước sóng λ2\lambda_2.

Công thức này là sự khái quát hóa công thức mà chúng ta đã suy ra cho các chiếc lược.

Bằng cách này, bài toán đã được giải bởi Vyacheslav Mileshin (Beltsy, Moldova) và Aleksadr Karpenko (Lisichansk, tỉnh Voroshilovgrad). Bằng cách tương tự, nó được giải bởi Lyutsman Petraskik (Lida, tỉnh Grodno) và Sergey Yushman (Vilyany, Latvia). Một số độc giả, tuy giải đúng bài toán, đã tính sai khoảng cách giữa các răng lược. Nếu chiếc lược có nn răng trên 1 cm, thì trên 1 cm còn có nn khoảng trống giữa các răng (chứ không phải n−1n-1). Trong hai răng ở hai đầu trên một xentimét, răng thứ nhất thuộc xentimét này, còn răng cuối cùng — xentimét tiếp theo.

F19. Hình dạng của các bình thông nhau được chỉ ra ở hình 15. Nước sẽ chảy về đâu theo ống nối các bình, nếu đun nóng nước trong một trong các bình?

Lời giải. Bất kể bình nào được đun nóng, nước sẽ chảy-

Tờ 41

tr. 39Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

39

Xét sang phải. Giả sử chất lỏng trong bình bên phải được đun nóng. Khi đó nó sẽ nở ra và chiếm thể tích lớn hơn. Nếu bình là hình trụ (hình 16), thì áp suất của chất lỏng lên đáy sẽ không thay đổi: sự giảm mật độ của nước sẽ được bù chính xác bởi sự tăng chiều cao cột chất lỏng. Điều này suy ra từ việc lực ép lên đáy bình hình trụ, một mặt, bằng trọng lực tác dụng lên lượng nước chứa trong bình, mặt khác, bằng áp suất của chất lỏng lên đáy nhân với diện tích đáy: P=pSP = pS. Vì cả trọng lực lẫn diện tích đáy đều không thay đổi khi đun nóng chất lỏng, nên áp suất lên đáy bình hình trụ cũng không thay đổi.

Trong bình hình nón loe ra, với cùng sự giảm mật độ của chất lỏng, độ tăng chiều cao cột chất lỏng nhỏ hơn so với trong bình hình trụ. Điều này xảy ra vì hai nguyên nhân: thứ nhất, lượng chất lỏng nở ra ít hơn, do đó độ thay đổi thể tích của nó nhỏ hơn; thứ hai, khi nở ra nước phải lấp đầy thể tích được tô đậm trên hình. Vì vậy áp suất lên đáy bình giảm khi đun nóng chất lỏng. Vì khi chất lỏng cân bằng trong ống nối các bình, áp suất tại đầu ống trong bình bên trái phải bằng áp suất tại đầu ống trong bình bên phải, nên chất lỏng sẽ chảy từ bình bên trái sang bình bên phải.

Xét tương tự sự đun nóng và sự nở ra của chất lỏng trong bình bên trái, ta thấy rằng khi đun nóng bình bên trái, áp suất lên đáy của nó tăng lên. Điều đó có nghĩa là trong trường hợp này chất lỏng cũng sẽ chảy từ bình bên trái sang bình bên phải.

Giải đúng bài này là Vladimir Metlitsky (Angarsk, tỉnh Irkutsk) và Aleksandr Karpenko. Học sinh lớp 8 Efim Kaplun (Vinnitsa, Ukraina) chú ý rằng trong bình được đun nóng, nước bay hơi mạnh hơn so với bình có nhiệt độ không thay đổi. Điều này phải ảnh hưởng đến sự chảy của nước. Tuy nhiên, nếu nhiệt độ các bình không cao, có thể bỏ qua hiệu ứng này.

F20. Song song với trục của một hình trụ bán kính RR, cách tâm của nó một khoảng R2\frac{R}{2}, người ta khoan một lỗ tròn. Bán kính lỗ bằng R2\frac{R}{2}. Hình trụ đặt trên một tấm ván, được từ từ nâng lên ở một đầu (hình 17). Tìm góc nghiêng giới hạn của tấm ván mà tại đó hình trụ vẫn còn cân bằng. Hệ số ma sát giữa hình trụ và tấm ván bằng 0,2.

Tờ 43

tr. 41Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

41

hình trụ sẽ mất ổn định khi góc nghiêng của tấm ván bằng

α=α1=arcsin⁡16.\alpha = \alpha_1 = \arcsin \frac{1}{6}.

Giải đúng bài này là Lyutsman Petrasik, Vladimir Metlitsky, Mikhail Kuznetsov (làng Golchevskaya, tỉnh Volgoda), Vladimir Korneev (Moskva), Aleksandr Karpenko, Aleksei Efimov (Moskva) và những người khác.

F21. Trục rôto của hai động cơ điện một chiều giống nhau được nối cứng với nhau. Nếu nối các cuộn dây rôto với những nguồn giống nhau có suất điện động E, thì vận tốc góc quay không tải của các rôto bằng ω0\omega_0; nếu hãm các động cơ sao cho chúng không quay, thì dòng điện I0I_0 chạy qua các cuộn dây rôto. Một trong các nguồn điện được chuyển mạch sao cho mômen quay của các rôto ngược chiều nhau. Cần tác dụng mômen ngoài nào lên trục rôto để chúng quay với vận tốc góc cho trước ω\omega? Ma sát trong các động cơ không đáng kể; từ trường stato được tạo bởi nam châm vĩnh cửu.

Lời giải. Khi rôto bị hãm hoàn toàn, dòng điện I0=ERI_0 = \frac{E}{R} chạy qua cuộn dây của nó. Điều này có nghĩa là điện trở cuộn dây rôto R=EI0R = \frac{E}{I_0}.

Khi phần ứng của động cơ điện quay, trong cuộn dây của nó xuất hiện sức điện động cảm ứng EnE_n, tỉ lệ với vận tốc góc quay của phần ứng:
En=kω(k−hệ soˆˊ tỉ lệ).E_n = k\omega (k - \text{hệ số tỉ lệ}).
Viết định luật bảo toàn năng lượng cho động cơ điện:
EIt=I2Rt+Nt.EIt = I^2Rt + Nt.
Hoặc, rút gọn theo thời gian làm việc tt của động cơ, ta được
EI=I2R+N;EI = I^2R + N;
ở đây NN — công suất mà động cơ điện tiêu thụ từ mạng điện, I2RI^2R — tổn hao nhiệt trong cuộn dây phần ứng, NN — công suất truyền cho tải, RR — điện trở của cuộn dây phần ứng và II — dòng điện trong cuộn dây.

Từ phương trình này suy ra rằng khi không có tải (N=0N = 0), dòng điện qua cuộn dây phần ứng bằng không. Nhưng theo định luật Ôm, dòng điện đi qua cuộn dây phải bằng I=E−EnRI = \frac{E - E_n}{R}. Điều đó có nghĩa là khi không có tải, sức điện động cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây phần ứng bằng sức điện động của nguồn: E=EnE = E_n.

Sau khi chuyển mạch một trong các nguồn, trong các cuộn dây phần ứng sẽ cảm ứng suất điện động En′=kω=Enωω0=Eωω0E'_n = k\omega = E_n \frac{\omega}{\omega_0} = E \frac{\omega}{\omega_0}. Khi đó trong các cuộn dây sẽ có các dòng điện
I1=E−En′R=(E−Eωω0)E/I0=I0(1−ωω0),I_1 = \frac{E - E'_n}{R} = \frac{\left(E - E \frac{\omega}{\omega_0}\right)}{E/I_0} = I_0 \left(1 - \frac{\omega}{\omega_0}\right),
I2=E+En′R=I0(1+ωω0).I_2 = \frac{E + E'_n}{R} = I_0 \left(1 + \frac{\omega}{\omega_0}\right).

Hơn nữa, cả công của các nguồn lẫn công của ngoại lực đều sẽ dùng để nung nóng các cuộn dây. Do đó EI1+EI2+N′=I12R+I22REI_1 + EI_2 + N' = I_1^2R + I_2^2R.

Vì N′=F⋅v=F⋅rω=MωN' = F \cdot v = F \cdot r\omega = M\omega (F — ngoại lực tác dụng lên phần ứng, M — mômen của nó đối với trục và v = ωr\omega r — vận tốc góc của các điểm trên bề mặt trục phần ứng), nên khi thay N′N', I1I_1, I2I_2 và R bằng các biểu thức của chúng theo M, ω\omega, ω0\omega_0 và E, ta được
Mω+EI0[(1+ωω0)+(1−ωω0)]=I02EI0[(1+ωω0)2+(1−ωω0)2],M\omega + EI_0 \left[ \left(1 + \frac{\omega}{\omega_0}\right) + \left(1 - \frac{\omega}{\omega_0}\right) \right] = I_0^2 \frac{E}{I_0} \left[ \left(1 + \frac{\omega}{\omega_0}\right)^2 + \left(1 - \frac{\omega}{\omega_0}\right)^2 \right],

Tờ 44

tr. 42Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

42

suy ra Mω+2EI0=M\omega + 2EI_0 =
=EI0[2+2(ωω0)2]= EI_0 \left[ 2 + 2 \left( \frac{\omega}{\omega_0} \right)^2 \right]
và M=2EI0ωω02M = \frac{2EI_0\omega}{\omega_0^2}.

F22. Hai người thợ rèn rèn một miếng sắt. Lúc đầu họ đặt nó lên đe và lần lượt dùng búa đập, sau đó treo nó lên trần và đồng thời đập từ hai phía. Lực đập của mỗi người thợ rèn như nhau trong cả hai trường hợp. Trong trường hợp nào miếng sắt nóng lên nhiều hơn sau một nhát đập?

Lời giải. Trong trường hợp thứ hai. Rõ ràng rằng cả khi một người thợ rèn đập vào miếng sắt nằm trên đe, lẫn khi các người thợ rèn đập vào miếng sắt treo, đều thực hiện cùng một công: trong trường hợp thứ nhất, vai trò của người thợ rèn thứ hai đập vào miếng sắt được cái đe đảm nhận. Công này dùng để làm nóng miếng sắt và, ngoài ra, để thực hiện công cơ học khi sắt nở ra. Khi sắt nằm trên đe, trọng tâm của nó nâng lên khi nở ra — công được thực hiện chống lại trọng lực. Trái lại, khi miếng sắt được treo, trọng tâm của nó hạ xuống khi nở ra. Điều này có nghĩa là trong trường hợp thứ hai, khi không chỉ công do các người thợ rèn thực hiện mà cả một phần thế năng của miếng sắt cũng chuyển thành nhiệt (công do sắt thực hiện khi nở ra là âm), nó sẽ nóng lên nhiều hơn sau một nhát đập so với trường hợp thứ nhất.

F23. Trên một mặt phẳng nằm ngang có hai ống thành mỏng giống hệt nhau, mỗi ống có khối lượng mm. Trục của chúng song song, còn bán kính bằng RR. Ban đầu một ống đứng yên, còn ống thứ hai lăn không trượt theo hướng về phía ống thứ nhất cho đến khi va chạm. Vận tốc chuyển động tịnh tiến của ống bằng vv. Vận tốc chuyển động tịnh tiến và vận tốc góc quay của các ống phụ thuộc vào thời gian như thế nào (hãy vẽ đồ thị)?

Hệ số ma sát trượt của các ống với mặt phẳng ngang bằng kk, ma sát giữa các ống khi va chạm là không đáng kể, va chạm hoàn toàn đàn hồi.

Lời giải. Vì ma sát giữa các ống là không đáng kể, có thể coi rằng khi các ống va chạm, sự quay của một ống không truyền sang ống kia. Do đó, khi xét va chạm của các ống, ta có thể không tính đến sự quay của ống thứ nhất (ban đầu chuyển động).

Viết các định luật bảo toàn năng lượng và động lượng cho va chạm của các ống:

mv0=mv1+mv2,mv022=mv122+mv222mv_0 = mv_1 + mv_2, \frac{mv_0^2}{2} = \frac{mv_1^2}{2} + \frac{mv_2^2}{2}

(v1v_1 và v2v_2 là các vận tốc chuyển động tịnh tiến của các ống thứ nhất và thứ hai tương ứng sau va chạm).

Giải đồng thời các phương trình này, ta được v1=0v_1 = 0 và v2=v0v_2 = v_0, tức là khi va chạm, các ống trao đổi vận tốc chuyển động tịnh tiến — hoàn toàn giống như khi hai viên bi giống hệt nhau va chạm.

Bây giờ hãy xét điều gì sẽ xảy ra với ống thứ nhất, ban đầu chuyển động, sau va chạm. Trong hệ tọa độ gắn với tâm của ống lăn không trượt trên mặt phẳng với vận tốc v0v_0, vận tốc của điểm tiếp xúc với mặt phẳng bằng — v0v_0. Điều này có nghĩa là ống như vậy quay quanh trục của nó sao cho vận tốc dài của chuyển động quay

Tờ 45

tr. 43Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

⟦trang 43⟧

của các điểm trên bề mặt của nó bằng về độ lớn với vận tốc chuyển động tịnh tiến của trục ống. Vì vậy, ống thứ nhất sau va chạm quay quanh trục của nó với vận tốc góc ω=v0R\omega = \frac{v_0}{R}.

Lực ma sát Fтр=kmgF_{\text{тр}} = kmg (hình 20), tác dụng lên ống này, làm chậm sự quay của nó và đồng thời truyền cho nó gia tốc a=Fтрm=kga = \frac{F_{\text{тр}}}{m} = kg theo hướng chuyển động ban đầu của ống. Đến thời điểm tt, ống này sẽ có vận tốc chuyển động tịnh tiến u1′=at=kgtu'_1 = at = kgt và sẽ quay quanh trục với vận tốc góc ω1=v0−kgtR\omega_1 = \frac{v_0 - kgt}{R}. Vận tốc chuyển động tịnh tiến của ống tăng lên, còn vận tốc quay của ống giảm đi tỉ lệ với thời gian. Đến thời điểm t0t_0, khi vận tốc chuyển động tịnh tiến của trục ống bằng vận tốc dài của sự quay của ống quanh trục, sự trượt của ống đối với mặt phẳng sẽ chấm dứt, và sau đó cả vận tốc quay của ống ω1′\omega'_1, lẫn vận tốc chuyển động tịnh tiến của trục ống u1′u'_1 đều không còn thay đổi. Từ điều kiện kgt0=v0−kgt0kgt_0 = v_0 - kgt_0 ta tìm được t0=v02kgt_0 = \frac{v_0}{2kg}. Vào thời điểm này

u1=v02 vaˋ ω1=v02.u_1 = \frac{v_0}{2} \text{ và } \omega_1 = \frac{v_0}{2}.

Xét tương tự chuyển động của ống thứ hai, ta tìm được rằng lực ma sát tác dụng lên nó làm giảm vận tốc chuyển động tịnh tiến của nó, u2=v0−kgtu_2 = v_0 - kgt, và làm tăng vận tốc góc quay ω2=kgtR\omega_2 = \frac{kgt}{R}.

Đến thời điểm =v02kg= \frac{v_0}{2kg}, sự trượt của ống so với mặt phẳng sẽ chấm dứt. Tại thời điểm này, ống sẽ có vận tốc chuyển động tịnh tiến không đổi về sau u2=v02u_2 = \frac{v_0}{2} và vận tốc góc quay quanh trục ω2=v02R\omega_2 = \frac{v_0}{2R}.

Các đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của vận tốc chuyển động tịnh tiến của các ống và vận tốc góc quay của chúng vào thời gian được trình bày trên hình 21.

Lời giải đúng của bài toán này do Mikhail Kuznetsov và Sergey Yushmanov gửi đến.

Tờ 46

tr. 44Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

44

PHÒNG THÍ NGHIỆM KVANT

G. I. Kosourov

BẦU TRỜI MÀU CAM

Trong bài này chúng tôi trình bày một số thí nghiệm về thị giác màu. Tất cả chúng đều liên quan đến các ảo giác màu khác nhau, do những điều kiện làm việc bất thường của mắt hoặc sự mệt mỏi màu của mắt gây ra.

Cơ chế mắt cảm nhận màu sắc rất phức tạp và đến nay vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ. Người ta biết rằng võng mạc mắt chứa hai loại tế bào nhạy sáng, gọi là tế bào que và tế bào nón. Trong tế bào que có chứa sắc tố nhạy sáng phototimpeski — thị tử, hay rodopsin. Dưới tác dụng của ánh sáng, rodopsin bảo đảm và tác động lên các sợi thần kinh truyền sự kích thích tới não. Trong ánh sáng mạnh, nó bảo đảm hoàn toàn và các tế bào que bị mù. Trong bóng tối diễn ra

Tờ 47

tr. 45Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

45

quá trình ngược lại — sự phục hồi sắc tía thị giác. Thị giác que, thị giác hoàng hôn có độ nhạy rất lớn, nhưng nó không phân biệt màu. Các tế bào que không cảm nhận màu sắc. Khi độ sáng đủ lớn, cơ chế thị giác nón bắt đầu có hiệu lực. Thị giác nón nhạy màu. Có nhiều thí nghiệm thuyết phục dẫn đến kết luận rằng các tế bào nón chứa các sắc tố nhạy quang hoá thuộc ba loại, với cực đại độ nhạy ở vùng đỏ, lục và lam của quang phổ. Mức độ tẩy màu khác nhau của cả ba sắc tố tạo cho ý thức của chúng ta cảm giác màu sắc và cho phép nhìn thế giới trong toàn bộ sự đa dạng của màu sắc, sắc thái, nửa sắc và chuyển tiếp.

Tờ 48

tr. 46Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

46

Việc tái tạo màu sắc trong điện ảnh, truyền hình, nhiếp ảnh màu và in ấn dựa trên bản chất ba màu của thị giác màu. Các phương pháp đo định lượng màu sắc cũng dựa trên nguyên lý ba màu.

Tuy nhiên, cảm giác màu có thể được tạo ra không chỉ bằng màu vẽ mà, chẳng hạn, bằng ánh sáng chớp tắt. Hãy đồ mực lên giấy vẽ các đĩa đen trắng được trình bày ở hình 1 (a, 6, в, г). Chỉ cần các đĩa có đường kính 8—12 cm. Cắt các đĩa ra và làm cho chúng quay không quá nhanh, khoảng 1—3 vòng một giây. Muốn vậy, có thể lắp chúng lên trục cuốn của máy chiếu phim, máy quay đĩa, máy ghi âm, hoặc đơn giản là làm con quay từ các đĩa. Thay cho các cung đen, bạn sẽ thấy các vòng tròn màu. Màu sắc phụ thuộc vào tốc độ quay, độ chiếu sáng và đặc điểm của hình vẽ. Chẳng hạn, ở đĩa trong hình 1,a, các cung theo sau cung đen (theo chiều quay), dưới ánh sáng yếu có vẻ đỏ, còn dưới ánh sáng mạnh — vàng. Ở một số tốc độ quay và dưới ánh sáng mạnh, các cung đen có vẻ xanh lam. Hiện vẫn chưa có lời giải thích đầy đủ cho hiện tượng này.

Màu vẽ khác nhau không chỉ ở màu sắc mà còn ở độ bão hòa. Nếu dần dần thêm màu trắng vào sơn đỏ, màu sẽ ngày càng trở nên hồng hơn. Trên tranh, và càng hơn nữa trên các bản in từ tranh, khó đạt được những tông màu bão hòa và các mức chuyển độ sáng lớn. Tỉ số độ sáng của màu trắng nhất với độ sáng của màu đen nhất hầu như chỉ đạt một trăm, trong khi trong tự nhiên ta gặp những chênh lệch độ sáng gấp nhiều nghìn lần. Vì vậy, các bản sao từ tranh có vẻ quá nhạt hoặc, ngược lại, quá tối. Điều này làm hỏng một trong những yếu tố tái hiện độ chiếu sáng — phối cảnh không khí. Hình ảnh phong cảnh hoặc cảnh sinh hoạt trông phẳng. Khi chiếu diapositiv lên màn, dải độ sáng truyền được rộng hơn đáng kể. Chính vì vậy, các ảnh trên phim màu đảo — slide — lại biểu cảm và có chiều sâu đến thế.

Có thể cải thiện đáng kể sự cảm nhận bức tranh bằng cách chiếu sáng nó theo một cách đặc biệt. Hãy lấy một trang ảnh màu từ “Ogonyok”, chụp lại nó và in tiếp xúc từ phim sang phim một diapositiv đen trắng tương phản. Đặt diapositiv vào máy chiếu có quang thông lớn (máy chiếu kiểu “Svet” là phù hợp) và chiếu diapositiv lên bản gốc sao cho các đường viền của hình chiếu và bản gốc trùng khít. Kết quả sẽ không khiến bạn phải hối tiếc về công sức đã bỏ ra. Bức tranh sẽ sống lại, có được chiều sâu và sức biểu cảm đặc biệt. Tắt máy chiếu đi, và bạn sẽ thấy bức tranh dưới ánh sáng đều nhạt nhẽo và kém biểu cảm biết bao.

Các thí nghiệm sau đây liên quan đến cái gọi là ảnh màu liên tiếp. Hiện tượng này gắn liền với việc sự phục hồi hoàn toàn của sắc tố cảm nhận màu — một quá trình tương đối chậm. Nếu nhìn lâu vào một hình vẽ đơn sắc, rồi chuyển mắt sang giấy trắng, tường hoặc trần nhà, thì màu trắng sẽ được cảm nhận như thể trong đó thiếu màu đã làm mắt mệt mỏi. Trên bề mặt trắng sẽ thấy cùng hình vẽ ấy, nhưng được thể hiện bằng màu gọi là màu bổ sung. Hãy cắt từ giấy màu các hình vuông đỏ, cam, vàng, lục, lam và tím, kích thước 2×2 cm. Đặt một trong các hình vuông màu trước mặt trên một tờ giấy trắng và nhìn vào nó, không căng mắt, trong khoảng ba mươi giây. Cần nhìn, như người ta nói, vào một điểm, để hình ảnh của hình vuông không di chuyển trên võng mạc. Chuyển mắt sang vùng trắng, và sau một hai giây bạn sẽ thấy trên giấy hình ảnh rõ nét của hình vuông với màu bổ sung. Như vậy bạn

Tờ 49

tr. 47Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

47

Hình 2. Màu của các ô vuông trong cùng một hàng là các màu bổ sung: màu bổ sung của đỏ là xanh lục, của xanh lam là da cam, còn của vàng là tím (hình 2). Mỗi cặp màu bổ sung khi pha trộn phải cho màu trắng hoặc màu xám không sắc.

Để pha trộn các màu bổ sung, hãy đặt cạnh nhau hai ô vuông bổ sung và đặt giữa chúng một tấm kính (hình 3). Đặt mắt sao cho nhìn một ô vuông qua kính, còn ô kia qua ảnh phản xạ trong kính. Thay đổi độ nghiêng của kính, và do đó thay đổi tương quan giữa các luồng sáng đi từ các ô vuông, có thể đạt được sao cho màu sắc tại chỗ chồng lên nhau của ảnh gần như biến mất. Để khử hoàn toàn màu sắc của ảnh, cần chọn màu chính xác. Thường thu được màu nâu. Nhưng nếu lấy hai màu rõ ràng không bổ sung, chẳng hạn xanh lục và vàng hoặc đỏ và tím, thì màu sắc rực rỡ sẽ thu được trong bất kỳ sự pha trộn nào của chúng. Những hình ảnh màu còn rực rỡ hơn xuất hiện nếu dán các ô vuông không lên giấy trắng mà lên nền bổ sung.

Sau khi đã có kỹ năng quan sát trên những hình đơn giản, hãy thử làm từ giấy màu một bức cắt dán tương tự như hình vẽ đặt trước bài báo, tức là thay các màu trong đó bằng các màu bổ sung.

Hình 3.

bổ sung. Quan sát bức tranh như đã quan sát các ô vuông, bạn sẽ rất nhanh học được cách nhìn thấy trên nền trắng các phong cảnh với màu sắc tự nhiên. Để thành công chỉ cần ánh sáng đủ mạnh.

Ảo giác màu đáng kinh ngạc nhất và khó hiểu nhất được cho bởi thí nghiệm cuối cùng của chúng ta. Chúng ta đã nói rằng cơ sở của sự tái tạo màu sắc là hệ ba màu. Nếu chụp cùng một cảnh ba lần qua ba kính lọc màu: đỏ, xanh lục và xanh lam — rồi, sau khi in các bản dương, chiếu chúng bằng ba máy chiếu lên cùng một chỗ trên màn ảnh qua chính những kính lọc màu ấy, thì trên màn ảnh sẽ xuất hiện ảnh màu với sự truyền đạt màu sắc đúng. Trong trường hợp này, các kính lọc màu phải được chọn sao cho tổng cộng chúng cho màu trắng. Có thể chỉ dùng hai ảnh chụp qua hai kính lọc màu bổ sung, chẳng hạn đỏ và xanh lục. Khi đó cũng thu được sự truyền đạt màu sắc tốt, tuy không hoàn hảo bằng phương pháp ba màu. Nhưng hóa ra khi chiếu cũng có thể chỉ dùng một kính lọc màu.

Hãy chụp cùng một cảnh màu, không di chuyển máy ảnh, hai lần trên phim toàn sắc qua các kính lọc màu đỏ và xanh lục.

Tờ 50

tr. 48Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

48

Hình 4.

Không cần chọn chính xác các kính lọc màu. Các kính lọc màu trong bộ dụng cụ học đường hoàn toàn dùng được. Hãy in tiếp xúc các bản dương lên phim. Đặt các bản dương nhận được vào hai máy chiếu và chiếu các bản dương lên màn sao cho các đường viền của hình ảnh trùng khít chính xác. Trước vật kính của máy chiếu có đặt bản dương được chụp qua kính lọc đỏ, hãy đặt một kính lọc màu đỏ, còn hình ảnh thứ hai để đen trắng (hình 4). Bạn sẽ thấy một hình ảnh màu với tất cả sự phong phú của màu sắc, mặc dù bạn chỉ chiếu hình ảnh đỏ và đen trắng với sự phân bố sáng tối khác nhau. Mọi nghiên cứu khách quan về ánh sáng phản xạ từ các nơi khác nhau trên màn chỉ cho màu đỏ với các mức độ tinh khiết hoặc bão hòa khác nhau. Cảm giác về màu sắc trong trường hợp này hoàn toàn chủ quan. Tốt hơn nên bật các máy chiếu qua các biến áp tự ngẫu (hình 4), để có thể điều chỉnh độc lập độ chiếu sáng lên màn do mỗi máy tạo ra. Thông thường, cảm giác tái tạo màu đúng nhất xuất hiện khi màn có độ chiếu sáng không lớn.

Như vậy, điều đơn giản ấy lại rất đầy bí ẩn và câu đố.

Độ trơn của băng

Một nhà vật lý Anh đã công khai thừa nhận rằng chúng ta quá quen với độ trơn của băng đến nỗi, nếu trước khi tự mình suy nghĩ về vấn đề này, ông tình cờ bị hỏi vì sao băng trơn, ông sẽ đáp: “vì nó trơn”, và chỉ sau khi suy nghĩ mới đi đến lời giải thích đúng.

Ở những chỗ bàn chân đè lên băng hoặc tuyết, dưới tác dụng của áp suất do trọng lượng cơ thể gây ra, chúng nóng chảy, — và giữa bàn chân với mặt đất hình thành một lớp bôi trơn lỏng, làm giảm đáng kể lực ma sát và khiến tuyết cùng băng trơn, như tấm lát vỉa hè phủ một lớp bùn lỏng. Khi bàn chân rời chỗ, lớp bôi trơn ấy lại đông lại, tạo thành vết băng trên tuyết.

Rằng vấn đề không nằm ở mức độ nhẵn, có thể thấy từ chỗ băng thô ráp và gồ ghề nhất hầu như còn trơn hơn băng nhẵn như gương, — vì ở loại sau diện tích tiếp xúc với bàn chân lớn hơn, và do đó áp suất của bàn chân lên băng nhỏ hơn.

Nói chung, áp suất của cơ thể lên băng tập trung trên diện tích càng nhỏ và nhiệt độ của băng càng ít thấp, thì băng càng phải trơn. Vì vậy, đi giày trượt có thể trượt xuống dốc xa hơn là không đi giày trượt, và việc trượt giày càng dễ khi nhiệt độ càng gần 0°. Khi nhiệt độ không khí cao hơn 0°, băng trở nên xốp, ít nhất ở các lớp trên, và giày trượt lún vào băng. Còn trong những đợt rét lớn, giày trượt như dính vào băng: lớp bôi trơn lỏng hình thành rất ít, và nó đông lại trước khi bàn chân kịp rời chỗ.

GS. B. Veinberg.
“Tuyết, băng, mưa đá, băng và sông băng”, năm 1919.

Tờ 51

tr. 49Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

49

Có bao nhiêu
cực
ở nam châm

N. A. Mints

Tất nhiên, mọi người đều biết rằng nam châm có hai cực — cực bắc và cực nam. Kiểm chứng điều này rất dễ. Nếu lấy một chiếc kim hoặc thước sắt bằng kim loại và chà nó bằng nam châm vĩnh cửu luôn theo cùng một hướng, thì chiếc kim sẽ bị từ hóa. Dùng la bàn có thể dễ dàng biết được đầu nào của chiếc kim đã trở thành cực bắc, đầu nào trở thành cực nam. Nếu bẻ gãy chiếc kim, thì mỗi mảnh của nó sẽ là một nam châm riêng, và mỗi mảnh, tất nhiên, sẽ có hai cực — cực bắc và cực nam. Dù chúng ta có bẻ chiếc kim thành bao nhiêu phần, mỗi mảnh luôn có hai cực — cực bắc và cực nam.

Thí nghiệm từ hóa một thanh sắt đã được học sinh lớp 8 (bây giờ đã là lớp 9) ở thành phố Artemovsk, tỉnh Donetsk, Igor Gofman thực hiện, nhưng cậu đã nhận được một nam châm có những tính chất đáng ngạc nhiên. Đây là những gì cậu viết: “Làm nam châm thanh, tôi dùng một chiếc thước thép đã được từ hóa, còn để xác định các đường sức — mạt kim loại. Thu được một hình ảnh, trong đó thấy 5 cực (hình 1). Di chuyển la bàn dọc theo chiếc thước, tôi nhận thấy rằng kim quay khi thì bằng đầu này, khi thì bằng đầu kia, điều đó chứng tỏ có các cực khác tên.”

Vậy là thế nào? Vừa rồi chúng ta đã quả quyết nói rằng nam châm luôn có hai cực, còn nam châm do Igor làm ra — có vài cực. Hình ảnh các đường sức từ trông như thể có vài

Tờ 52

tr. 50Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

⟦trang 50⟧

ra rằng nó có ba cực — hai cực bắc ở hai đầu và một cực nam ở giữa.

Igor không viết ông đã làm thế nào để có được một nam châm với nhiều cực. Có thể làm như sau. Lấy một chiếc kim đan và đồng thời vuốt nó bằng các cực cùng tên của hai nam châm từ giữa sang phải và sang trái. Sẽ thu được một nam châm có ba cực. Có thể thu được nhiều cực bằng cách chỉ từ hóa các đầu của chiếc kim đan, hoặc bằng các cuộn dây. Cần mắc vài cuộn dây sao cho từ trường do các cuộn dây kề nhau tạo ra là ngược chiều. Nếu bây giờ đặt vào trong các cuộn dây một thanh làm bằng thép từ chất lượng cao, rồi ngắt dòng điện, thì thanh sẽ có nhiều cực. Các cuộn dây phải đủ dài, vì nam châm ngắn rất dễ bị khử từ. Điều này liên quan đến điều sau. Bất kỳ nam châm nào cũng có thể bị khử từ nếu đặt nó vào một từ trường ngoài hướng ngược với trường bên trong chính nam châm. Nhưng các từ trường do bản thân nam châm tạo ra ở bên trong và bên ngoài lại hướng ngược nhau (hình 3). Trường ngoài do chính nam châm tạo ra khử từ nó. Nam châm càng ngắn thì từ trường khử từ bên ngoài

Hình 3.

Hình 4.

mà nó tạo ra với cùng độ từ hóa của mẫu càng mạnh. Vì vậy nam châm dài giữ được tốt hơn nam châm ngắn, và không thể có nam châm quá ngắn.

Khả năng giữ độ từ hóa không chỉ phụ thuộc vào khoảng cách giữa các cực, mà còn vào tính chất của vật liệu làm nam châm. Chẳng hạn, băng ghi âm có ghi nhạc gồm một số lớn các nam châm ngang ngắn. Các nam châm này khác nhau về độ lớn của trường mà chúng tạo ra. Có thể ước tính số lượng các nam châm như vậy trên 1 mm băng. Giả sử tần số âm thanh là 1000 Hz và băng chuyển động với vận tốc 10 cm/giây. Khi đó số nam châm trong một xentimét sẽ là 100010=100\frac{1000}{10} = 100. Tức là 10 nam châm trong mỗi milimét!

Hình 4 cho thấy sự xen kẽ của các vùng có định hướng từ khác nhau trong tinh thể. Các dải sáng — cực bắc hướng về phía người quan sát, các dải tối — ngược lại. Ảnh được chụp trong những điều kiện đặc biệt dưới kính hiển vi. Phóng đại 500 lần.

Tờ 53

tr. 51Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

51

Ô-LIM-PÍCH TOÀN LIÊN BANG QUA THƯ

Điều kiện ô-lim-pích

Chúng tôi công bố đề bài của Ô-lim-pích Toàn Liên bang qua thư về toán học, vật lý và hóa học dành cho học sinh các trường phổ thông và các cơ sở giáo dục trung học khác. Ô-lim-pích này, đã trở thành truyền thống, là một bộ phận của các ô-lim-pích Toàn Liên bang về vật lý-toán học và hóa học.

Những người giải tốt các bài của ô-lim-pích qua thư sẽ được mời dự các ô-lim-pích cấp tỉnh (khu, cộng hòa) với quyền ngang bằng những người thắng cuộc ở ô-lim-pích cấp huyện. Giấy mời sẽ được các cơ quan giáo dục quốc dân gửi đến địa chỉ nhà. Những người xuất sắc nhất trong số các người thắng cuộc ở ô-lim-pích cấp tỉnh và cộng hòa sẽ tham gia vòng chung kết của Ô-lim-pích Toàn Liên bang, đồng thời sẽ được mời đến trường hè của Chi nhánh Siberia thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô.

Trước mỗi bài, trong ngoặc, ghi các lớp mà bài đó dành cho học sinh, nhưng cũng có thể thử sức với các bài dành cho lớp lớn hơn. Để trở thành người thắng cuộc ô-lim-pích, không nhất thiết phải giải nhiều bài. Đôi khi chỉ cần một lời giải sắc sảo cho một bài. Nhưng giải bài không có nghĩa chỉ đưa ra đáp số; cần nhất thiết chứng minh nó, đưa ra chứng minh chính xác. Đề bài không đòi hỏi kiến thức nào vượt quá chương trình trung học. Lời giải các bài theo từng môn phải được gửi trong phong bì riêng theo khuôn khổ tiêu chuẩn. Trên phong bì ghi tên môn học. Trong thư cần kèm một phong bì ghi sẵn địa chỉ nhà và dán tem (trong phong bì này các em sẽ nhận được thông báo về kết quả bài làm). Lời giải phải viết thật rõ ràng. Không chép lại đề bài, nhưng phải ghi số bài.

Ở đầu thư, đừng quên ghi (rõ ràng):

  1. Họ, tên và tên cha của mình.
  2. Địa chỉ nhà để nhận thư (đầy đủ).
  3. Lớp, trường (trường nghề, trường kỹ thuật, v.v.), địa chỉ.
  4. Họ, tên và tên cha của giáo viên môn đó.

Những người ở Siberia, Kazakhstan, Viễn Đông và Trung Á: Novosibirsk, 90, Ô-lim-pích;
— những người sống tại CHXHCNXV Karelia và Komi, các tỉnh Arkhangelsk, Vologda, Kaliningrad, Kirov, Leningrad, Murmansk, Novgorod và Pskov của CHXHCNXV Nga: Leningrad, V-164, Đại học Quốc gia Leningrad, Ô-lim-pích;
— cư dân phần còn lại của khu vực châu Âu thuộc CHXHCNXV Nga, kể cả Ural: Moskva, V-234, Đại học Quốc gia Moskva, Ô-lim-pích;
— cư dân CHXHCNXV Estonia: Đại học Quốc gia Tartu, Ô-lim-pích;
— những người sống ở các nước cộng hòa còn lại — gửi đến địa chỉ trường đại học ở thủ đô nước cộng hòa của mình, với ghi chú “Ô-lim-pích”.
Ban tổ chức trung ương đề nghị tất cả phụ huynh, giáo viên toán học, vật lý, hóa học và hiệu trưởng các trường làm quen với điều kiện các bài dành cho học sinh lớp trên.

Chúc tất cả những người tham gia ô-lim-pích thành công lớn nhất.

Ban tổ chức trung ương Ô-lim-pích Toàn Liên bang dành cho học sinh

Tờ 54

tr. 52Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

⟦trang 52⟧

Toán học

  1. (7—10) Có 19 đội tham gia một giải bóng đá. Chứng minh rằng ở mỗi thời điểm của giải sẽ có một đội đã chơi một số chẵn trận (có thể là không trận nào).

  2. (7—10) Trên giấy kẻ ô vuông có cạnh ô bằng một, vẽ một đường tròn tùy ý bán kính R>1R > 1. Chứng minh rằng bên trong đường tròn này có không ít hơn l(R−1)2l(R-1)^2 nút lưới.

  3. (7—10) Trong một hình vuông 5 trên 5 có 16 ô được tô màu. Chứng minh rằng có thể chọn trong đó một hình vuông 2 trên 2 mà trong đó có không ít hơn ba ô được tô màu.

  4. (7—8) Chứng minh rằng số 1970 không thể biểu diễn dưới dạng hiệu các bình phương của hai số nguyên.

  5. (7—8) Có thể ghép từ 99 viên gạch vuông giống nhau thành một chuỗi khép kín hay không (sao cho mỗi hai hình vuông kề nhau có một cạnh chung và không chồng lên nhau)?

  6. (7—10) Trong tam giác cân ABCABC có đáy ACAC, kẻ đường phân giác CDCD (D — điểm trên cạnh bên ABAB) và đường thẳng DEDE, vuông góc với CDCD (E — điểm trên đường thẳng ACAC). Chứng minh rằng CE=2ADCE=2AD.

  7. (9—10) Chứng minh rằng ít nhất một trong hai số m;n\sqrt{m}; \sqrt{n} không vượt quá 3\sqrt{3}; mm và nn — hai số tự nhiên bất kỳ lớn hơn 1.

  8. (8—10) Một điểm bên trong tứ giác ABCDABCD được gọi là đẹp nếu tổng diện tích các tam giác APBAPB và CPDCPD bằng tổng diện tích các tam giác BPCBPC và DPADPA. Những tứ giác nào có ba điểm đẹp không nằm trên cùng một đường thẳng?

  9. (8—10) Giải theo xx phương trình

1x=1a−x+1b−x+1a+b−x.\frac{1}{x} = \frac{1}{a-x} + \frac{1}{b-x} + \frac{1}{a+b-x}.

  1. (7—10) Có thể biểu diễn một đơn vị dưới dạng tổng

1n1+1n2+1n3+⋯+1n1971\frac{1}{n_1} + \frac{1}{n_2} + \frac{1}{n_3} + \dots + \frac{1}{n_{1971}}

trong đó n1,n2,n3,…,n1971n_1, n_2, n_3, \dots, n_{1971} là các số tự nhiên lẻ đôi một khác nhau hay không?

Vật lí

  1. (8) Một thanh nặng được uốn ở giữa dưới góc 90∘90^\circ và treo tự do bằng một đầu. Cạnh được gắn tạo với phương thẳng đứng một góc bao nhiêu?

  2. (8) Khi một chùm nơtron đi qua một tấm cadimi dày 1 mm, số hạt giảm 15%, còn vận tốc của chúng không thay đổi. Phần nào của chùm nơtron sẽ đi qua một tấm dày 8 mm làm từ cùng vật liệu?

  3. (8—9) Một con lắc toán học có chiều dài ll và khối lượng mm được làm cho dao động như sau: mỗi khi con lắc đi qua vị trí cân bằng, trong một khoảng thời gian ngắn nó chịu tác dụng của lực FF hướng song song với vận tốc. Sau bao nhiêu dao động con lắc sẽ lệch đi 90∘90^\circ?

  4. (8—10) Một viên đạn khối lượng mm, bay với vận tốc ban đầu vv, xuyên qua một vật nhỏ treo có khối lượng mm và mắc lại trong vật thứ hai giống như vậy. Bỏ qua thời gian tương tác của viên đạn với vật nhỏ, tìm nhiệt lượng tỏa ra trong vật nhỏ thứ nhất, nếu trong vật thứ hai tỏa ra nhiệt lượng bằng QQ.

  5. (8—10) Một sợi dây đồng chất treo tự do sao cho hai đầu của nó ở cùng một độ cao. Lực căng của dây tại điểm thấp nhất là TT. Khối lượng của dây là mm. Tìm lực căng gần các điểm treo.

  6. (9—10) Đồ thị P−VP-V của một quá trình với khí lí tưởng là một hình bình hành (hình 1). Hãy biểu diễn đồ thị T−VT-V của quá trình này.

  7. (10) Tìm điện tích trên bản nối đất của tụ điện (hình 2).

  8. (10) Ba tụ điện cô lập giống nhau có điện dung CC mỗi tụ được tích các điện tích q1,q2q_1, q_2 và q3q_3 tương ứng. Sau đó các tụ điện được nối như chỉ ra trên hình 3. Những điện tích nào còn lại trên các tụ điện?

  9. (10) Mạch điện biểu diễn trên hình 4 được nối với một nguồn điện áp xoay chiều có biên độ 220 V và chu kì 1/50 giây. Tìm giá trị cực đại của điện áp trên điện trở RR và khoảng thời gian trong đó dòng điện trong mạch khác không. Vẽ đồ thị sự phụ thuộc của điện áp trên điện trở RR vào thời gian. Coi rằng sự phụ thuộc của dòng điện đi qua điôt vào điện áp đặt lên nó (được biểu diễn trên đồ thị bằng nét đứt) với độ chính xác đủ cao được cho bởi đường gấp khúc ABCABC. Có thể bỏ qua điện trở trong của nguồn.

  10. (9—10) Trong hệ thống thông tin quang học, chùm laser phát đi có dạng hình nón với góc ở đỉnh α=10−4\alpha=10^{-4} rad (góc phân kỳ của chùm). Trong thiết bị thu, năng lượng ánh sáng được hội tụ bằng các thấu kính đường kính D=1D=1 m lên tế bào quang điện. Hóa ra rằng khi khoảng cách LL giữa máy phát và máy thu thay đổi từ 5 đến 10 km, tín hiệu ở đầu ra của bộ hội tụ giảm 2 lần do sự hấp thụ ánh sáng trong khí quyển. Tín hiệu thay đổi bao nhiêu lần khi khoảng cách LL thay đổi từ 10 đến 20 km?

Hóa học

  1. (8) Nếu giả sử rằng thiên thạch Tunguska, phát nổ vào năm 1908, là thiên thạch sắt-đá và các mảnh của nó rơi xuống đất, thì bạn có thể nói những nào

Tờ 55

không đánh sốChép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

những quá trình hóa học nào đã xảy ra với các mảnh này trong thời gian chúng nằm trong đất?
(Thành phần của thiên thạch gồm: sắt, magiê, nickel, silic; đất ở khu vực vụ nổ có tính axit, độ sâu của các mảnh không quá 0,3 m.)
2. (8) Có ba hợp kim: thiếc hàn, đồng thau và đồng thanh. Cần tiến hành những phản ứng nào để xác định từng hợp kim?
3. (8) Khi nung 12,8 g một chất kết tinh màu trắng, nó phân hủy hoàn toàn thành nitơ và nước. Ở 0° C thể tích nitơ thoát ra là 4,48 l. Hãy xác định chất đã được nung.
4. (8) Khi để yên nước khoáng chứa sắt, từ đó tách ra kết tủa. Làm thế nào để tránh hiện tượng này? Hãy giải thích các quá trình xảy ra khi đó.
5. (9) Khi thêm vài giọt dung dịch axit clohydric vào dung dịch bão hòa clorua bạc, dung dịch trở nên đục, nhưng nếu thêm một lượng đáng kể dung dịch HCl, dung dịch lại trở nên trong. Hãy giải thích các hiện tượng này.
6. (9) Cho 31,6 g pemanganat kali tác dụng với axit clohydric đặc. Sản phẩm khí của phản ứng được dùng hết để tương tác với 625 ml dung dịch axit sunfurơ có nồng độ 0,8 M. Hãy xác định nồng độ ion hiđrô trong dung dịch thu được khi

Hình 1.
Hình 2.
Hình 3.
Hình 4.

Tờ 56

tr. 54Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

⟦trang 54⟧

PHÁT TRIỂN
TRÍ TƯỞNG TƯỢNG
KHÔNG GIAN

N. G. Fedin

Trong các kỳ thi thường có những bài toán hình học không gian mà điều quan trọng nhất để giải là hình dung được các hình được bố trí trong không gian như thế nào. Đôi khi những nhận xét không gian gợi ra ý tưởng giải các bài toán hình học phẳng. Trong bài này, chúng tôi sẽ nói về một số vấn đề và bài toán mà ở một mức độ nào đó sẽ làm học sinh cuối cấp quan tâm và giúp các em mở rộng chân trời của trí tưởng tượng không gian.

Các đường thẳng chéo nhau

  1. Hãy vẽ hai đường thẳng chéo nhau aa và bb. Hình 1 cho hình biểu diễn của chúng.
    Bạn ngạc nhiên vì các đường thẳng được biểu diễn song song? Không cần. Đây là một hình vẽ đúng, tuy không trực quan. Được biết rằng có thể đặt hai đường thẳng chéo nhau aa và bb trong các mặt phẳng song song aa và bb sao cho đường thẳng aa nằm trong mặt phẳng α\alpha, còn đường thẳng bb — trong β\beta, rồi chiếu chúng lên mặt phẳng γ\gamma, mặt phẳng này cắt các mặt phẳng α\alpha và β\beta (hình 2). Trong mặt phẳng đó, ta sẽ nhận được các hình biểu diễn a1a_1 và b1b_1 của các đường thẳng aa và bb.

  2. Cho các đường thẳng chéo nhau aa và bb và các điểm A1,A2A_1, A_2 trên đường thẳng aa và B1,B2B_1, B_2 trên đường thẳng bb (hình 3). Kẻ các đường thẳng A1B1A_1B_1 và A2B2A_2B_2.

Hình 1
Hình 2

Tờ 57

tr. 55Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

55

Những đường thẳng này có thể cắt nhau không?

Dĩ nhiên, hình vẽ có thể đánh lừa ta. Nhưng nếu giả sử rằng các đường thẳng A1B1A_1B_1 và A2B2A_2B_2 cắt nhau, thì bốn điểm A1A_1, A2A_2, B1B_1, B2B_2 sẽ nằm trong cùng một mặt phẳng, và do đó các đường thẳng ban đầu cũng sẽ nằm trong cùng một mặt phẳng, điều này không thể xảy ra. Ta đi đến kết luận rằng các đường thẳng A1B1A_1B_1 và A2B2A_2B_2 không thể cắt nhau.

  1. Hình gồm hai đường thẳng chéo nhau có tâm đối xứng không?

Có thể tưởng rằng hai đường thẳng chéo nhau có tâm đối xứng và tâm ấy trùng với trung điểm MM của đường vuông góc chung của chúng (hình 4). Tuy nhiên không phải vậy. Thật vậy, nếu hai đường thẳng này có tâm đối xứng, thì đường thẳng aa qua phép đối xứng tâm sẽ chuyển thành đường thẳng song song bb, nhưng bb không song song với aa. Vậy các đường thẳng chéo nhau không thể có tâm đối xứng.

  1. Hai đường thẳng chéo nhau có trục đối xứng không?

Câu hỏi này khó hơn đáng kể so với câu hỏi về tâm đối xứng của các đường thẳng chéo nhau. Hóa ra hai đường thẳng chéo nhau có ba trục đối xứng: l1l_1, l2l_2 và l3l_3. Tuy nhiên, một trong số chúng là đường vuông góc chung với hai đường thẳng ban đầu aa và bb. Hai trục còn lại vuông góc với nhau, cắt nhau tại trung điểm MM của đoạn KPKP và là các đường phân giác của các góc kề bù tạo bởi các đường thẳng a1a_1 và b1b_1, lần lượt song song với aa và bb (hình 4). Hãy thử tự chứng minh sự thật này.

Giải các bài toán hình phẳng bằng phương pháp hình không gian

Hiển nhiên, các bài toán hình phẳng được giải trên mặt phẳng, còn các bài toán hình không gian gắn với việc biểu diễn một hình không gian trên bản vẽ phẳng. Những cách giải bài toán hoặc chứng minh định lý trực tiếp như vậy không gây ngạc nhiên, chúng được thừa nhận rộng rãi. Còn việc giải các bài toán hình phẳng bằng phương pháp hình không gian, không gian, ba chiều — điều đó đã là khác thường và thú vị. Dĩ nhiên, không phải mọi bài toán đều được giải bằng phương pháp này, mà chỉ những bài toán thuộc một kiểu nhất định.

  1. Trên mặt phẳng cho ba tia xuất phát từ một điểm (hình 5, aa) và chia mặt phẳng thành ba góc, mỗi góc đều nhỏ hơn 180∘180^\circ. Trong mỗi trong ba góc cho một điểm: A1A_1, B1B_1 và C1C_1 — sao cho các điểm này không nằm trên cùng một đường thẳng. Cần dựng một tam giác

Tờ 58

tr. 56Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

56

Hình 5, a.

АВС, có các đỉnh nằm trên các tia đã cho, còn các cạnh đi qua các điểm đã cho.

Giải bài toán này bằng phương pháp phẳng thì khó, nhưng bằng phương pháp không gian thì khá dễ. Hãy hình dung (hình 5, b) rằng các tia tạo thành trong không gian các cạnh của một góc tam diện có đỉnh tại điểm O. Hãy hình dung các điểm A₁, B₁, C₁ nằm trong các mặt của góc tam diện. Các điểm này xác định một mặt phẳng nào đó. Ký hiệu mặt phẳng này là β; nó sẽ cắt các mặt của góc tam diện theo các cạnh cần tìm BC, CA và AB. Còn lại là dựng các giao tuyến của các mặt phẳng chứa các mặt của góc tam diện với mặt phẳng β.

Để làm điều đó, ta chiếu các điểm đã cho lên mặt phẳng xOy song song với Oz. Các điểm A₁, B₁, C₁ lần lượt chuyển thành các điểm A₀, B₀, C₁ (điểm C₁ vẫn giữ nguyên vị trí).

Như vậy, ta đã đưa bài toán về bài toán chiếu, mà ở trường học thường gọi là bài toán về thiết diện của một góc đa diện bởi một mặt phẳng. Tìm điểm x₀ là giao điểm của đường thẳng A₁B₁ với mặt phẳng xOy, đó sẽ là giao điểm của các đường thẳng A₁B₁ và A₀B₀. Các điểm x₀ và C₁ nằm cả trong mặt phẳng β lẫn trong mặt phẳng xOy, do đó mặt phẳng cắt β sẽ cắt mặt phẳng xOy theo đường thẳng x₀C₁.

Sau đó tìm các giao điểm

Hình 5, b.

của đường thẳng x₀C₁ với các tia (cạnh) Ox, Oy, ta được các điểm A và B. Kẻ BA₁ và AB₁, tại giao điểm với trục (tia Oz) ta được điểm thứ ba — đỉnh C của tam giác cần tìm ABC. Hình dung không gian đã giúp ta tìm được ý tưởng giải bài toán phẳng.

  1. Trên mặt phẳng cho hai tam giác ABC và A₁B₁C₁ sao cho các đường thẳng AA₁, BB₁ và CC₁ cắt nhau tại một điểm S, còn các đường thẳng AB và A₁B₁, BC và B₁C₁, AC và A₁C₁ cắt nhau tại các điểm x, y và z. Chứng minh rằng các điểm x, y và z nằm trên cùng một đường thẳng l.

Bài toán này được biết trong hình học dưới tên gọi định lý Đê-dác *).

Đây là ý tưởng chứng minh nó. Hãy hình dung rằng điểm S là đỉnh của một hình chóp có đáy ABC và mặt phẳng cắt A₁B₁C₁ (hình 6). Khi đó các đường thẳng AB, BC và AC nằm trong mặt phẳng ABC, còn các đường thẳng A₁B₁, B₁C₁ và A₁C₁ nằm trong mặt phẳng A₁B₁C₁. Vì vậy các điểm x, y, z nằm cả trong mặt phẳng của tam giác ABC lẫn trong mặt phẳng của tam giác A₁B₁C₁, tức là chúng nằm trên giao tuyến của các mặt phẳng này, trên đường thẳng l.

Hãy tự trình bày chứng minh chặt chẽ của định lý Đê-dác.

*) Gérard Desargues — nhà toán học và kỹ sư Pháp (1593—1662).

Tờ 59

tr. 57Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

57

Hình 6.

Điều kiện rằng các đường thẳng AA1AA_1, BB1BB_1 và CC1CC_1 cắt nhau tại một điểm SS được dùng ở đâu: các đường thẳng ABAB và A1B1A_1B_1 (và các đường khác) không chéo nhau trong không gian mà cắt nhau tại điểm xx. Trong các lập luận tiếp theo chỉ có các mặt phẳng của các tam giác tham gia, có thể quên đi bản chất của chúng.

Liệu định lý này có đúng đối với các tứ giác ABCDABCD và A1B1C1D1A_1B_1C_1D_1, trong đó các đường thẳng AA1AA_1, BB1BB_1, CC1CC_1 và DD1DD_1 cắt nhau tại một điểm SS? Khi đó, các giao điểm của các đường thẳng chứa các cạnh ABAB và A1B1A_1B_1, BCBC và B1C1B_1C_1, CDCD và C1D1C_1D_1, DADA và D1A1D_1A_1 có nằm trên cùng một đường thẳng không? Nói chung, không phải vậy. Định lý tương tự đối với hai tứ giác sẽ đúng với một số điều kiện bổ sung.

Hãy tự tìm các điều kiện này.

Hướng dẫn. Xét đường thẳng nối các giao điểm của các đường chéo của các tứ giác.

Điều thú vị là trong điều kiện của các bài toán không xuất hiện độ dài các đoạn thẳng hay số đo các góc. Trong các bài toán này chỉ nói đến các giao điểm của đường thẳng và mặt phẳng, đến việc các điểm thuộc các đường thẳng. Ta đã xem một hình phẳng như hình chiếu của một hình không gian nào đó lên mặt phẳng. Phương pháp chiếu hay xạ ảnh như vậy

Hình 7.

là đặc trưng của một ngành hình học riêng, được gọi là hình học xạ ảnh.

Giao và ảnh của các hình

Xét vài bài toán.

  1. Cho hình chóp tam giác ABCDABCD có đỉnh DD. Trên phần kéo dài của các cạnh CACA và CBCB lấy các điểm KK và PP sao cho AC=2AKAC = 2AK và BC=2BPBC = 2BP; MM là trung điểm của cạnh CDCD. Qua các điểm KK, PP, MM kẻ một mặt phẳng cắt. Mặt phẳng này chia thể tích hình chóp theo tỉ lệ nào?

Để giải bài toán, hãy xem thiết diện của hình chóp bởi mặt phẳng KPMKPM là gì, tức là bởi mặt phẳng xác định bởi ba điểm KK, MM và PP (hình 7).

Các tam giác ABCABC và KCPKCP đồng dạng, do đó KP∥ABKP \parallel AB. Khi đó KPKP song song với mặt phẳng ABDABD, KP=32ABKP = \frac{3}{2} AB. Mặt phẳng cắt sẽ cắt mặt ABDABD theo đoạn A1B1A_1B_1, song song với KPKP, và do đó cũng song song với ABAB. Kẻ đường trung bình MEME của tam giác BCDBCD, CE=EB=BPCE = EB = BP, ME∥BDME \parallel BD. Nhận thấy rằng BB1BB_1 là đường trung bình của tam giác MPEMPE, từ đó BD=2ME=4BB1BD = 2ME = 4BB_1, do đó A1B1=34ABA_1B_1 = \frac{3}{4} AB (các tam giác ABDABD và A1B1DA_1B_1D đồng dạng). Diện tích các hình đồng dạng

Tờ 60

tr. 58Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

58

Hình 8.

các hình tỉ lệ như bình phương các cạnh tương ứng, do đó

S△A1B1D1=916S△ABD.S_{\triangle A_1B_1D_1} = \frac{9}{16} S_{\triangle ABD}.

Gọi VV là thể tích của hình chóp ABCDABCD. Khi tính thể tích V1V_1 của hình chóp A1B1MDA_1B_1MD, nên chọn mặt A1B1DA_1B_1D làm đáy. Khi đó chiều cao HMH_M sẽ bằng một nửa chiều cao HCH_C, vì MM là trung điểm của đoạn CDCD. Ta có:

V1=13S△A1B1DHM=13⋅916S△ABD×HC2=932(13S△ABDHC)=932V.V_1 = \frac{1}{3} S_{\triangle A_1B_1D} H_M = \frac{1}{3} \cdot \frac{9}{16} S_{\triangle ABD} \times \frac{H_C}{2} = \frac{9}{32} \left( \frac{1}{3} S_{\triangle ABD} H_C \right) = \frac{9}{32} V.

Thể tích phần dưới của hình chóp V′′V'' sẽ bằng 2332\frac{23}{32} thể tích của hình chóp ABCDABCD. Bây giờ ta tìm được thể tích các phần trên và dưới của hình chóp: V′:V′′=9:23V' : V'' = 9:23.

  1. Trên mặt phẳng của bàn có bốn quả cầu bán kính RR, tiếp xúc nhau (tâm các quả cầu tạo thành một hình vuông). Sau đó vào “hõm” do các quả cầu này tạo thành, đặt-

Bài tập

  1. Trên mặt phẳng của bàn có ba quả cầu tiếp xúc nhau và có bán kính RR. Sau đó vào “hõm” do các quả cầu này tạo thành, đặt quả cầu thứ tư có cùng bán kính. Tìm khoảng cách từ điểm cao nhất của quả cầu thứ tư đến mặt phẳng của bàn **).

  2. Cho một hình nón cụt có trục OO1=hOO_1 = h và các bán kính đáy rr và RR. Trên các đường tròn đáy lấy mọi điểm AA và BB sao cho AA và BB nằm trên các đường tròn khác nhau và OO1OO_1 và ABAB là các đoạn thẳng chéo nhau. Tìm các giới hạn biến thiên của khoảng cách giữa OO1OO_1 và ABAB.

  3. Đỉnh SS của hình chóp tam giác đều ABCSABCS di chuyển theo đường cao OSOS ra vô cực, rồi sau đó theo đường cao tiến gần đến mặt phẳng đáy. Góc phẳng của góc nhị diện tại cạnh ASAS sẽ thay đổi trong những giới hạn nào?

*) Một câu hỏi thú vị về vật lí: lực ma sát giữa các viên bi và giữa các viên bi với mặt bàn phải bằng bao nhiêu để toàn bộ công trình này không bị đổ vỡ?
**) Cũng câu hỏi vật lí ấy.

Tờ 61

tr. 59Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

59

Từ ban biên tập

SỰ
GIÚP ĐỠ
NHƯ VẬY
CÓ CẦN
CHO NGƯỜI
DỰ THI
KHÔNG?

Đăng bài nhận xét của giáo sư A. F. Khrustalev về một trong những sách hướng dẫn toán học dành cho người dự thi vào đại học và hoàn toàn đồng ý với đánh giá tiêu cực của ông, ban biên tập muốn lưu ý rằng trong những năm gần đây số lượng các sách hướng dẫn như vậy đã tăng mạnh; chúng biến các bài toán của những kỳ thi cụ thể thành một thứ «khoa học» riêng biệt, việc nắm vững nó trở nên không thể nếu không có sự chỉ dẫn đặc biệt; điều đó thường ảnh hưởng xấu đến thực tiễn giảng dạy toán học ở trường, buộc giáo viên phải thích ứng với những phát minh thi tuyển như thế, vốn không có gì chung với những yêu cầu thực sự đối với trình độ toán học của các sinh viên tương lai, trái với tinh thần của chương trình toán học mới ở trường, và thường thấp hơn về mặt khoa học.

A. F. Khrustalev

Việc nâng cao yêu cầu đối với kiến thức của người vào các cơ sở giáo dục đại học đã dẫn đến nhu cầu lớn về các sách hướng dẫn phương pháp để học sâu hơn các môn ở trường phổ thông, đặc biệt là toán học. Nhiều ấn phẩm trong số đó có những ưu điểm sư phạm cao và nổi bật bởi sự lựa chọn tài liệu thành công. Tuy nhiên, đáng tiếc là cũng xuất bản những cuốn sách được viết cẩu thả, có những thiếu sót lôgic đáng kể, đôi khi có cả những sai lầm thô thiển. Có lẽ các tác giả của chúng không cảm nhận được trách nhiệm lớn mà họ nhận lấy khi đưa ra trước thanh niên đang chuẩn bị cho các kỳ thi tuyển sinh những khuyến nghị thiếu suy nghĩ.

Tổ chức Leningrad của hội «Tri thức» đã xuất bản một sách hướng dẫn toán học*), dành cho những người dự thi vào các trường đại học kỹ thuật. Như đã nêu trong lời nói đầu, các tác giả cuốn sách chú ý nhiều đến những điểm then chốt của lý thuyết, chỉ ra các phương pháp và cách giải nhiều ví dụ và bài toán có độ khó cao.

Hiện giờ chúng ta không bàn đến một số quan điểm phương pháp chung của các tác giả hoặc tính hợp lý của việc đưa vào sách hướng dẫn những phần này hay phần khác (đặc biệt là do chúng không phù hợp với chương trình thi tuyển sinh và mức yêu cầu đối với người vào đại học). Những yêu cầu rất nghiêm trọng đối với cuốn sách được gây ra bởi khá nhiều điều không chính xác và cả sai lầm có trong đó, do các tác giả mắc phải khi giải nhiều ví dụ.

Chẳng hạn, trong ví dụ 89 (trang 100) có đưa ra «chứng minh» sau đây của đẳng thức x + arcctg x = π/2: “Giả sử arctg x = α, khi đó tg α = x. Giả sử arctg x = β, khi đó ctg β = x. Từ các phương trình này suy ra rằng tg α = ctg β, tức là α và β — phụ nhau

*) P. V. Grigoriev, P. A. Sobolev, I. S. Serebryansky, N. V. Travin và, Tri thức — cho thanh niên. (Giúp người vào các cơ sở giáo dục đại học.) Toán học, «Tri thức», L., 1970, 230 trang, in 215 500 bản, giá 44 côpếch.

Tờ 63

tr. 61Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

61

(ví dụ 121 ở tr. 159, nơi sử dụng công thức đổi sang lôgarit cơ số xx).

Vì lý do không rõ, các tác giả ngay lập tức thu hẹp hoặc, nói đúng hơn, chỉ ra sai điều kiện xác định cho hệ 76 (tr. 146): ở đây chấp nhận được cả x>0x>0, y>0y>0, lẫn x<0x<0, y<0y<0 (một chuyện khác là từ phương trình thứ hai của hệ suy ra ngay rằng trong miền x<0x<0, y<0y<0 không có nghiệm, nhưng sự kiện này không liên quan đến việc tìm điều kiện xác định).

Khi khảo sát hệ hai phương trình tuyến tính hai ẩn dạng tổng quát, các tác giả khẳng định rằng nếu Δ=0\Delta=0, còn ít nhất một trong các số Δx\Delta_x hoặc Δy\Delta_y khác không, thì trong trường hợp đó Δx≠0\Delta_x\neq0 và Δy≠0\Delta_y\neq0 (tr. 126). Khẳng định này đơn giản là sai, điều đó dễ thấy qua ví dụ hệ

0⋅x−1⋅y=0,0⋅x+1⋅y=1,0 \cdot x - 1 \cdot y = 0, \quad 0 \cdot x + 1 \cdot y = 1,

mà tại đó Δ=0\Delta=0, Δx=1\Delta_x=1, Δy=0\Delta_y=0. Vì vậy, không thể coi việc tác giả đề nghị khảo sát trường hợp hệ không tương thích là thỏa đáng.

Trong sách có đưa ra (tr. 33) một định nghĩa không thành công về hàm tuần hoàn (từ định nghĩa này và định lý tiếp theo suy ra rằng hàm y=sin⁡(x)2y=\sin(\sqrt{x})^2 phải có chu kỳ 2π2\pi, điều này không đúng), có nói (tr. 18) rằng tích của hai số phức liên hợp là một số thực dương (thực ra là không âm), có khẳng định (tr. 212) rằng việc cho hai số hạng đầu của một cấp số nhân xác định công bội của nó (điều này chỉ đúng nếu định nghĩa cấp số nhân là một dãy có số hạng đầu khác không), v.v.

Có thể tiếp tục liệt kê các lời giải sai hoặc không đầy đủ của các bài toán, các thiếu sót hoặc không chính xác trong việc trình bày các vấn đề lý thuyết. Nhưng ngay cả các ví dụ đã nêu cũng cho thấy rằng cuốn sách đang xét sẽ đem lại ít ích lợi cho sinh viên đại học và đúng hơn là làm họ rối thêm.

LỊCH SỬ
LỊCH
VÀ
NIÊN ĐẠI HỌC

Đó là tên cuốn sách *), trong đó tác giả đã kể rất thú vị và rõ ràng về lịch sử phức tạp của lịch.

Từ xa xưa, con người đã cảm nhận dòng chảy của thời gian, quan sát sự luân phiên không ngừng của ngày và đêm, sự lặp lại có quy luật của các hiện tượng tự nhiên. Nhưng con người chỉ học cách đo thời gian muộn hơn nhiều. Từ thế kỷ XIX đến nay, và đặc biệt trong năm mươi năm gần đây, “vấn đề lịch” thu hút sự chú ý lớn ở nhiều nước trên thế giới. Do sự không hoàn thiện của lịch Gregory được đưa vào từ năm 1582 và hiện đang có hiệu lực ở đa số các nước, từ năm 1923 tại Genève, dưới Liên Quốc Liên, đã thành lập Ủy ban Quốc tế về cải cách lịch. Mục đích của nó là tạo ra một lịch thế giới bất biến, đáp ứng các yêu cầu của đời sống kinh tế và văn hóa của xã hội.

Hệ thống đếm các khoảng thời gian dài — lịch — đã được tạo ra và hoàn thiện như thế nào? Lịch âm, âm-dương và dương là gì? Cơ sở toán học của các lịch là gì? Những loại lịch nào đã tồn tại ở các nước thời cổ — Ai Cập, Hy Lạp, La Mã, Babylon? Có đúng là lịch của người Maya ở Trung

*) S. I. Selesnikov. Lịch sử lịch và niên đại học, NXB “Nauka”, M., 1970.

Tờ 64

tr. 62Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

62

ở châu Mỹ cổ đại, đã tồn tại từ nhiều thế kỷ trước, chính xác hơn lịch hiện đại của chúng ta? Cuốn «Lịch sử lịch và niên đại học» trả lời những câu hỏi này.

Chương đầu của sách mô tả những hình thức nguyên thủy để xác định thời gian, bắt đầu từ các vết khắc trên que hoặc những nút thắt trên các sợi dây đặc biệt. Ở đây cũng đưa ra những tư liệu đáng chú ý về cách tính đầu năm ở các dân tộc khác nhau trên hành tinh chúng ta.

Cơ sở thiên văn của lịch là nội dung của chương thứ hai. Chương này xem xét chi tiết ba đơn vị đo thời gian cơ bản: ngày Mặt Trời, tháng âm lịch và năm Mặt Trời, tạo thành nền tảng của mọi hệ thống lịch.

Chương thứ ba, посвященная lịch Mặt Trời, bắt đầu bằng lý thuyết toán học của chúng. Nó chứa đựng mô tả chi tiết về các loại lịch khác nhau, từ lịch Ai Cập cổ đại đến lịch của Cách mạng Pháp cuối thế kỷ XVIII, do một ủy ban đặc biệt dưới sự lãnh đạo của Gilbert Romme (1750—1785) xây dựng.

Trong sách (chương IV và V) trình bày chi tiết về lịch âm, lịch âm-dương và lịch của các dân tộc châu Á.

Cho đến gần đây, người ta cho rằng cái nôi của thiên văn học là các nước Cận Đông, Trung Quốc cổ đại và Ấn Độ. Tuy nhiên, trong những thập niên gần đây, các nhà khảo cổ học đã phát hiện một trung tâm văn hóa mới nằm trên lãnh thổ Tân Thế giới. Họ xác lập rằng trên bán đảo Yucatán, nơi xưa kia người da đỏ thuộc bộ lạc Maya sinh sống, đã tồn tại một nền văn hóa độc đáo; thiên văn học gắn với những nhu cầu thực tiễn đặc biệt phát triển ở dân tộc này. Có lẽ lần đầu tiên trong văn học, tác giả dành một vị trí đáng kể như vậy cho lịch và niên đại học Maya (chương VI), giới thiệu chi tiết với độc giả những hệ thống lịch được họ sử dụng.

Tác giả trình bày lịch sử lịch ở Nga và ở Liên Xô, bắt đầu từ người Slav cổ đại, cho đến thời đại chúng ta. Ở đây cũng không bỏ sót nguồn gốc của tuần bảy ngày.

Cuốn sách kết thúc bằng câu chuyện chi tiết về Lịch Thế giới. Khi phân tích những thiếu sót của lịch hiện hành, tác giả đưa ra các dự án cải cách khác nhau, trong đó có dự án Lịch Thế giới, đã được Hội đồng Kinh tế và Xã hội Liên Hợp Quốc xem xét.

Niên đại học và một số kỷ nguyên lịch được mô tả trong chương cuối. Phần phụ lục đưa ra các loại lịch khác nhau và nhiều tư liệu rất đáng chú ý, trong đó có bảng lịch «vĩnh cửu» để xác định thứ trong tuần của bất kỳ ngày lịch nào.

Mặc dù dung lượng sách nhỏ, tác giả đã làm sáng tỏ và hệ thống hóa được một phạm vi rộng các vấn đề liên quan đến «vấn đề lịch».

Nhiệm vụ mà tác giả đặt ra — tạo ra «… một cẩm nang bách khoa ngắn gọn về các vấn đề niên đại học và lịch» — đã được hoàn thành, và cuốn sách này chắc chắn có ý nghĩa đối với đông đảo bạn đọc nhất.

L. S. Khrenov

Tờ 65

tr. 63Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

63

Về bài viết “Tĩnh điện học bằng ngôn ngữ đường sức”

  1. Hình dạng các đường sức như trên hình vẽ. Điện tích bên trái lớn gấp đôi điện tích bên phải.
  2. Không thể. Nếu tồn tại một đường sức khép kín, thì khi di chuyển điện tích dọc theo nó, ta sẽ thực hiện một công khác không.
  3. Không. Hướng của tiếp tuyến với đường sức trùng với hướng của lực tác dụng lên điện tích, tức là với hướng gia tốc của điện tích. Còn quỹ đạo chuyển động của điện tích là đường mà hướng của tiếp tuyến trùng với hướng vận tốc của điện tích.
  4. Ta dựng một mặt cầu bán kính rr có tâm trùng với tâm của các mặt cầu tích điện. Từ tính đối xứng suy ra rằng mật độ các đường sức cắt mặt cầu này là như nhau tại mọi điểm. Điều đó có nghĩa là cường độ điện trường, bằng mật độ các đường sức, phụ thuộc vào khoảng cách đến tâm mặt cầu. Tổng số đường sức cắt mặt cầu mà ta đã dựng bằng 4πr2E4\pi r^2 E, trong đó EE — cường độ điện trường trên mặt cầu. Theo định lý Gauss
    4πr2E=4πQ,4\pi r^2 E = 4\pi Q,
    hay
    E=Qr2,E = \frac{Q}{r^2},
    trong đó QQ — điện tích nằm bên trong mặt cầu.
    Nếu r<R1r < R_1, thì Q=0Q = 0 và E=0E = 0; nếu R1≤r<RR_1 \leq r < R, thì Q=q1Q = q_1 và E=q1r2E = \frac{q_1}{r^2}; nếu r≥R2r \geq R_2, thì
    Q=q1+q2 vaˋ E=q1+q2r2.Q = q_1 + q_2 \text{ và } E = \frac{q_1 + q_2}{r^2}.
  5. Dựng, như khi giải bài toán trước, một mặt cầu bán kính rr có tâm tại tâm quả cầu tích điện, ta tìm được E=Qr2E = \frac{Q}{r^2}, trong đó QQ — điện tích nằm bên trong mặt cầu. Nếu mật độ điện tích (điện tích trên một đơn vị thể tích) là ρρ, còn bán kính quả cầu tích điện là RR, thì khi r<Rr < R Q=43πr3ρQ = \frac{4}{3} \pi r^3 ρ và
    E=43πrρ,E = \frac{4}{3} \pi r ρ,
    nghĩa là cường độ điện trường tăng tỉ lệ với bán kính mặt cầu mà ta đã dựng.
    Khi r<Rr < R Q=43πR3ρQ = \frac{4}{3} \pi R^3 ρ và E=4πR3ρ3r2E = \frac{4\pi R^3 ρ}{3r^2} — bên ngoài quả cầu, cường độ điện trường biến thiên như trong trường hợp điện tích QQ tập trung tại tâm quả cầu.
  6. Bài toán này được giải bằng phương pháp như các bài trước, chỉ cần dựng không phải một mặt cầu mà một mặt trụ có trục trùng với trục của sợi dây để áp dụng định lý Gauss. Vì sợi dây vô hạn và tích điện đều, các đường sức cắt mặt trụ theo các bán kính, và mật độ của chúng như nhau tại mọi điểm trên mặt trụ. Điều đó có nghĩa là cường độ điện trường chỉ phụ thuộc vào khoảng cách đến sợi dây. Nếu chiều cao của hình trụ dựng lên bằng 1, còn bán kính đáy là rr, thì mặt trụ bị n=2πr⋅1⋅En = 2\pi r \cdot 1 \cdot E đường sức cắt qua. Theo định lý Gauss
    2πr⋅1⋅E=ρ⋅12\pi r \cdot 1 \cdot E = ρ \cdot 1

Tờ 66

tr. 64Chép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

64

(ρ — điện tích trên một đơn vị chiều dài của sợi dây, ρ·1 — điện tích nằm bên trong hình trụ). Do đó E=ρ2πrE = \frac{\rho}{2\pi r}.

  1. Bài toán được giải tương tự bài trước. Nếu RR — bán kính của hình trụ tích điện, ρ — mật độ điện tích và rr — khoảng cách đến trục hình trụ, thì

E={πr2⋅1⋅ρ2πr⋅1=12rρkhi r<R,πR2ρ⋅12πr⋅1=R2ρ2rkhi r≥R.E = \begin{cases} \frac{\pi r^2 \cdot 1 \cdot \rho}{2\pi r \cdot 1} = \frac{1}{2} r\rho & \text{khi } r < R, \\ \frac{\pi R^2 \rho \cdot 1}{2\pi r \cdot 1} = \frac{R^2\rho}{2r} & \text{khi } r \geq R. \end{cases}

  1. Giả sử rằng điện trường trong khoang không bằng không. Vì trong khoang không có điện tích nào mà các đường sức có thể bắt đầu hoặc kết thúc trên đó, nên các đường sức nhất thiết phải đi qua toàn bộ khoang, không bị ngắt quãng. Nếu dịch chuyển điện tích dọc theo một trong những đường sức ấy, thì ta sẽ thực hiện một công khác không. Điều này có nghĩa là các điểm trên biên của khoang nằm trên đường sức ấy có các thế khác nhau. Nhưng điều đó không thể có, vì khoang nằm bên trong kim loại. Vậy điện trường trong khoang nhất thiết phải bằng không.

Về bài «Rút gọn phân thức đại số»

  1. x2−x−19(x2+x−1)\frac{x^2 - x - 1}{9(x^2 + x - 1)}.
  2. x+ax2+ax+a2\frac{x + a}{x^2 + ax + a^2}.
  3. a−1x2+2x+2\frac{a - 1}{x^2 + 2x + 2}.
  4. 715x2−23\frac{7}{15x^2 - 23}.

Về bài «Cực đại, cực tiểu và định lý về trung bình»

  1. Gọi bán kính của hình quạt cần tìm là RR, độ dài cung là LL và diện tích hình quạt là SS. Khi đó P=2R+LP = 2R + L, S=RL2S = \frac{RL}{2}. Theo định lý

4S=2RL≤(2R+L2)2=(P2)2=P24,4S = 2RL \leq \left(\frac{2R + L}{2}\right)^2 = \left(\frac{P}{2}\right)^2 = \frac{P^2}{4},

suy ra S≤P216S \leq \frac{P^2}{16}. Dấu bằng đạt được khi 2R=L=P22R = L = \frac{P}{2}.

  1. Ký hiệu RR là bán kính đường tròn và aa là khoảng cách từ điểm AA đến tâm đường tròn. Khi đó đối với dây MNMN đi qua điểm AA, có hệ thức xy=(R+a)(R−a)xy = (R + a)(R - a), trong đó x=MA,y=ANx = MA, y = AN. Độ dài dây MNMN bằng x+yx + y. Theo định lý, ta được

x+y≥2xy=2(R+a)(R−a),x + y \geq 2\sqrt{xy} = 2\sqrt{(R + a)(R - a)},

dấu bằng đạt được khi x=yx = y.

Do đó, độ dài dây là nhỏ nhất khi tại điểm AA nó bị chia đôi, tức là vuông góc với đường kính đi qua điểm AA.

  1. Đặt x\sqrt{x} là zz. Biểu thức được viết lại như sau: 2z6+3z2z^6 + \frac{3}{z}. Bây giờ từ ví dụ 3 suy ra đánh giá sau cho các giá trị của biểu thức này:

2z6+3z≥772⋅361⋅66=7125=732.2z^6 + \frac{3}{z} \geq 7\sqrt{7\frac{2 \cdot 3^6}{1 \cdot 6^6}} = 7\sqrt{\frac{1}{2^5}} = \frac{7}{\sqrt{32}}.

Giá trị nhỏ nhất đạt được khi

x=73⋅12⋅6=227,\sqrt{x} = \sqrt{7\frac{3 \cdot 1}{2 \cdot 6}} = 2^{\frac{2}{7}}, từ đó x=247x = 2^{\frac{4}{7}}.

  1. Đưa thừa số không đổi c=k11k22…knnc = k_1^1 k_2^2 \dots k_n^n ra ngoài ngoặc (có thể không viết nó) và viết lại tích như sau:

x1k1⋅x1k1…x1k1×x2k2⋅x2k2…x2k2×xnkn⋅xnkn…xnkn\frac{x_1}{k_1} \cdot \frac{x_1}{k_1} \dots \frac{x_1}{k_1} \times \frac{x_2}{k_2} \cdot \frac{x_2}{k_2} \dots \frac{x_2}{k_2} \times \frac{x_n}{k_n} \cdot \frac{x_n}{k_n} \dots \frac{x_n}{k_n}

Nhận thấy rằng

xiki+xiki+⋯+xiki=xikiki=xi\frac{x_i}{k_i} + \frac{x_i}{k_i} + \dots + \frac{x_i}{k_i} = \frac{x_i}{k_i} k_i = x_i

(i=1,2,…,ni = 1, 2, \dots, n).

Do đó, tổng của tất cả các thành phần trong cách viết mới bằng x1+x2+⋯+xnx_1 + x_2 + \dots + x_n, tức là đã được dựng lên, còn tích sẽ nhỏ nhất khi các thành phần bằng nhau, tức là khi

x1k1=x2k2=⋯=xnkn.\frac{x_1}{k_1} = \frac{x_2}{k_2} = \dots = \frac{x_n}{k_n}.

Tờ 67

không đánh sốChép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

⟦không số trang⟧

THEO CÁC BÁN KÍNH*

  1. [p] Một trong các đặc trưng của ma trận.
  2. Đơn vị liều bức xạ gamma.
  3. Đơn vị độ dài.
  4. Điểm của quỹ đạo Mặt Trăng xa Trái Đất nhất.
  5. [p] Người sáng lập một trong các hình học phi Euclid.
  6. Khí ion hóa.
  7. Nhà triết học Pháp xuất sắc.
  8. Hệ đơn vị quốc tế.
  9. [p] Hình hình học.
  10. Thiết bị điện điều chỉnh điện áp hoặc cường độ dòng điện trong mạch điện.
  11. Đơn vị đo đất.
  12. Đa giác.
  13. Đơn vị đo điện dung.
  14. [p] Ký hiệu được dùng khi viết phương trình.
  15. Vị trí do một chữ số chiếm trong cách viết một số.
  16. Nhà toán học Hy Lạp cổ đại.
  17. Đơn vị đo điện trở.
  18. [p] Sản phẩm ngưng tụ của hơi nước.
  19. Ngôi sao cấp một [trong chòm sao Orla].
  20. Tỉ số giữa độ dài đường tròn và đường kính.
  21. Bộ phận của đài vô tuyến phát hoặc thu.
  22. Nhà thiên văn học, toán học và vật lý học Pháp xuất sắc.
  23. [p] Nguyên tố phóng xạ.
  24. Người sáng lập lý thuyết tập hợp.
  25. Nhà triết học duy vật, nguyên tử luận Hy Lạp cổ đại vĩ đại.

THEO ĐƯỜNG TRÒN

  1. Chất rắn.
  2. Một trong các electride.
  • Ký hiệu (p) có nghĩa là từ được viết bắt đầu từ tâm.

Ô CHỮ

Đáp án ô chữ đăng trong số 10 Theo hàng ngang:
2. Hoặc. 5. Krypton. 8. Mặt Trời. 9. Chỉ số. 13. Thí nghiệm. 15. Nồi hơi. 16. Ra-đa.
18. Lượng từ. 21. Con lắc.
22. Sinh viên. 25. Mô hình.
26. Trình duyệt. 27. Phim.
28. Ví dụ. 32. Hyperon.
33. Hình vẽ. 34. Ăng-ten.
35. Vòng dây. 36. Tiếng huýt. 37. Tiên đề học. 42. Cantor.
43. Aporia. 45. Độ sáng.
46. Bit.
Theo hàng dọc:

  1. Van. 3. Nguyên lý. 4. Đa thức. 6. Chim choắt. 7. Klein.
  2. Bát phân. 11. Ma sát.
  3. Bán kính. 13. Điện tử học.
  4. Đường tam phân. 17. Sự rơi.
  5. Cuộn dây. 19. Lưới.
  6. Đối cực. 23. Mã. 24. Trọng lượng.
  7. Proton. 30. Đầu nối.
  8. Chân lý. 38. Quy tắc.
  9. Đường đẳng áp. 40. Nhiệt lượng.
  10. Carnot. 44. Lý thuyết.

Tờ 68

không đánh sốChép lại từ bản quét (zai-org/GLM-OCR) · Bản dịch máy từ tiếng Nga (gpt-5.6-terra)

⟦không có số trang⟧

11