Kvant 1971, số 5 · Trang
⟦không số trang⟧
Tạp chí khoa học phổ thông vật lý-toán học
Kvant
5
1971
tạp chí
của Viện Hàn lâm
Khoa học Liên Xô
và Viện Hàn lâm Khoa học
Giáo dục Liên Xô
3
Trong số này:
P. L. Chebyshev (1821—1894)
1
Về tiên đề Bertrand
4
Đồ thị thế năng
8
Các lunule của Hippocrates
17
Câu lạc bộ toán học
Vật lí giúp hình học
22
Phòng thí nghiệm “Kvaenta”
Các vật thể không thể có
26
Chụp ảnh các vật thể không thể có
27
Bài toán của “Kvaenta”
Các bài toán
30
Lời giải các bài toán M31-M33;
Ф43, Ф48-Ф52
32
Thực hành cho thí sinh
Ở đây — mất hay được tìm thấy!
40
Kì thi viết tuyển sinh
môn toán vào khoa
toán tính toán
và điều khiển học của Đại học Tổng hợp Moskva năm 1970
42
Kì thi viết tuyển sinh
môn toán tại MIPT năm 1970
46
Các bài toán về các định luật Newton
50
Thông tin
Toán học Moskva…
58
Đáp số, chỉ dẫn, lời giải
60
Góc của nhà sưu tập
trang bìa 3
N. N. Kolesnikov
M. I. Bashmakov
R. G. Mints
V. N. Berezin
B. Yu. Kodan
L. Penrose,
R. Penrose
V. I. Bakhmin
I. N. Bernitsey,
A. B. Zelevinsky,
A. G. Kushnirenko,
I. Sh. Slobodetsky
V. A. Petrov
Sh. A. Alimov,
F. P. Vasilyev,
V. P. Modenov
A. P. Savin,
B. V. Fedosov
Yu. V. Zaychikov
A. G. Terushkin
2
Các mối quan tâm khoa học của P. L. Chebyshev rất đa dạng và rộng lớn. Ông để lại những công trình xuất sắc trong lĩnh vực giải tích toán học, đặc biệt trong lý thuyết xấp xỉ hàm bằng đa thức, trong phép tính tích phân, lý thuyết số, lý thuyết xác suất, hình học, đạn đạo học, lý thuyết cơ cấu và các lĩnh vực tri thức khác.
Trong mỗi lĩnh vực khoa học này, Pafnuty Lvovich đã đạt được những kết quả cơ bản, đề xuất những ý tưởng và phương pháp mới, định hướng sự phát triển của các ngành toán học và cơ học này trong nhiều năm và vẫn giữ nguyên ý nghĩa cho đến nay.
Đồng thời, đáng chú ý là khả năng của Chebyshev dùng những phương tiện giản dị, sơ cấp để đạt được những kết quả khoa học xuất sắc.
Một đặc điểm quan trọng khác trong hoạt động khoa học của P. L. Chebyshev là sự quan tâm không thay đổi đến các vấn đề thực tiễn, là mong muốn gắn các vấn đề lý thuyết của toán học với những yêu cầu của khoa học tự nhiên và kỹ thuật, với hoạt động thực tiễn của con người. Xét theo những xu hướng phát triển hiện đại của khoa học, quan điểm có tính chương trình trong hoạt động khoa học của P. L. Chebyshev tỏ ra đặc biệt sâu sắc: “Hoạt động thực tiễn của con người vô cùng đa dạng, và để thỏa mãn mọi yêu cầu của nó, dĩ nhiên, không đủ các khoa học với nhiều phương pháp khác nhau. Nhưng trong số đó, đặc biệt quan trọng là những khoa học cần thiết để giải các biến thể khác nhau của một và cùng một bài toán, chung cho toàn bộ hoạt động thực tiễn của con người: làm thế nào sử dụng những phương tiện của mình để đạt được lợi ích lớn nhất có thể” (P. L. Chebyshev, Tác phẩm, t. II, St. Petersburg, 1907, tr. 239).
Cần lưu ý rằng đối với bản thân Pafnuty Lvovich, sự quan tâm đến thực tiễn tỏ ra vô cùng có kết quả, vì nhiều phát hiện toán học của ông được thực hiện khi giải các bài toán ứng dụng. Chẳng hạn, việc nghiên cứu cơ cấu khớp nối, được biết dưới tên gọi “hình bình hành Watt”, đã dẫn ông đến việc xây dựng những cơ sở của lý thuyết xấp xỉ tốt nhất các hàm bằng đa thức, lý thuyết hiện nay đã trở thành một lĩnh vực toán học phát triển rộng rãi, có ý nghĩa ứng dụng lớn. Xét về sự phong phú của các ý tưởng toán học, ý nghĩa của các kết quả thu được và sự tinh tế trong cách đạt được chúng, công trình của P. L. Chebyshev “Lý thuyết các cơ cấu được biết dưới tên gọi hình bình hành” (năm 1854) là xuất sắc. Trong công trình này, Chebyshev nêu và giải bài toán nổi tiếng: “Cho một hàm liên tục f(x); trong tất cả các đa thức P(x) bậc n, hãy tìm một đa thức sao cho trên khoảng đã cho giá trị lớn nhất của hiệu |f(x) — P(x)| là nhỏ nhất có thể”. Nếu bản thân hàm là một đa thức bậc n+1, thì bài toán đã đặt tương đương với việc tìm một đa thức cùng bậc, có cùng hệ số ở hạng tử cao nhất, sao cho nó lệch khỏi không ít nhất có thể trên khoảng đang xét. Từ đó xuất hiện những “đa thức Chebyshev” nổi tiếng — các đa thức “lệch khỏi không ít nhất” trên khoảng [−1, +1]: T_n(x) = \frac{1}{2^{n-1}} \cos(n \arccos x). (Các biểu thức này là những đa thức theo x bậc n. Các hệ số ở lũy thừa bậc cao nhất của các đa thức này bằng một.) Chebyshev cũng nghiên cứu việc xấp xỉ các hàm bằng các hàm hữu tỉ và các đa thức lượng giác. (Hàm hữu tỉ là tỉ số của hai đa thức, còn đa thức lượng giác là đa thức theo sin x và cos’x.)
Trong lý thuyết xác suất, Chebyshev đã bằng những phương tiện hết sức đơn giản thu được một loạt kết quả rất quan trọng. Nhiều kết quả và kết luận chỉ mới được phác ra, chưa được đưa đến cùng, nhưng toàn bộ các công trình của Chebyshev trong lĩnh vực này đã là cơ sở mà trên đó trường phái lý thuyết xác suất Nga phát triển. Các chứng minh chặt chẽ của các đa thức, được phác-
do Chebyshev nêu ra, và sự phát triển tiếp theo của chúng được thực hiện bởi các học trò của ông, các viện sĩ A. M. Lyapunov và A. A. Markov.
Các nghiên cứu của P. L. Chebyshev trong lý thuyết số có ý nghĩa nổi bật đối với khoa học. Lần đầu tiên sau Euclid, bằng những lập luận hết sức sắc sảo và hết sức sơ cấp, ông đã thu được các kết quả quan trọng nhất trong bài toán về sự phân bố các số nguyên tố trong các công trình «Về việc xác định số các số nguyên tố không vượt quá một đại lượng cho trước» và «Về các số nguyên tố». P. L. Chebyshev đã chứng minh rằng hàm số các số nguyên tố không vượt quá của chúng — thỏa mãn bất đẳng thức
khi đủ lớn. Bất đẳng thức này sau đó được nhà toán học Anh Sylvester cải tiến phần nào, còn nhà toán học Pháp Hadamard đã chứng minh chặt chẽ rằng
hay tiệm cận .
Tại đây Chebyshev cũng chứng minh mệnh đề (cái gọi là tiên đề Bertrand), bao gồm ở chỗ rằng giữa và luôn có ít nhất một số nguyên tố **).
Chebyshev cũng thu được các kết quả cổ điển trong lĩnh vực giải tích toán học.
Một trong những khoa học mà Pafnuty Lvovich quan tâm suốt đời là lý thuyết cơ cấu và máy móc, hơn nữa Chebyshev không chỉ nghiên cứu lý thuyết trong lĩnh vực này, mà còn dành nhiều sự chú ý trực tiếp đến việc chế tạo các cơ cấu.
Từ lâu trước khi «Lunokhod-1» của Liên Xô thực hiện tuyến đường đầu tiên
trong đó .
**) Về phương pháp mà nhờ đó Chebyshev đã thu được những kết quả tuyệt vời của mình, xem ở tr. 4—7.
trên bề mặt Mặt Trăng, các nhà văn khoa học viễn tưởng và các nhà khoa học đã xem xét nhiều phương án máy móc khác nhau, sẽ tồn tại theo một cơ cấu bước đi nào đó. P. L. Chebyshev đã xây dựng một phương án máy đi bằng chân, bắt chước chuyển động của động vật khi đi.
Ảnh hưởng to lớn của P. L. Chebyshev đối với sự phát triển toán học ở nước ta không chỉ giới hạn ở những thành tựu cá nhân của ông. Các công trình của ông, đặc biệt phong phú về những ý tưởng và phương pháp mới, đã tạo ra một động lực mạnh mẽ cho sự phát triển của nhiều ngành toán học và cơ học; ngoài ra, ông đích thân đặt ra những nhiệm vụ và vấn đề quan trọng trước các nhà khoa học trẻ. Theo lời khuyên trực tiếp của ông, A. M. Lyapunov bắt đầu nghiên cứu lý thuyết về hình dạng của chất lỏng quay, nơi ông đã thu được những kết quả cổ điển có ý nghĩa hàng đầu đối với cơ học và vũ trụ học.
Nhà toán học và cơ học vĩ đại P. L. Chebyshev là một con người tiên tiến của thời đại mình. Chẳng hạn, cùng với hai viện sĩ toán học khác — V. G. Imshenetsky và V. Ya. Bunyakovsky — ông đã đề nghị ban vật lý-toán học của Viện Hàn lâm Petersburg bầu nhà khoa học Nga xuất sắc Sofya Vasilyevna Kovalevskaya làm viện sĩ thông tấn của Viện Hàn lâm **).
Chebyshev dành nhiều chú ý cho các vấn đề giáo dục nhân dân, tham gia tích cực vào Ủy ban Học thuật của Bộ Giáo dục.
Các công trình của nhà khoa học, hoạt động khoa học, sư phạm và khai sáng của ông, trường phái toán học Petersburg nổi tiếng do ông sáng lập đã đóng một vai trò đặc biệt to lớn trong sự phát triển của toán học và cơ học nước nhà. Năm 1944, Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô đã lập giải thưởng mang tên P. L. Chebyshev dành cho những nghiên cứu xuất sắc nhất trong lĩnh vực toán học và lý thuyết cơ cấu và máy móc.
**) S. V. Kovalevskaya được bầu ngày 7 tháng 11 năm 1889.
4
VỀ TIÊN ĐỀ BERTRAND
M. I. Bashmakov
Trong số 69 công trình của Pafnuty Lvovich Chebyshev, có hai công trình đóng vai trò đặc biệt quan trọng đối với sự phát triển của lý thuyết số. Những công trình này là: “Về việc xác định số lượng các số nguyên tố không vượt quá một đại lượng cho trước” và “Về các số nguyên tố”, được ông viết khi còn trẻ, dành cho vấn đề khó nhất của lý thuyết số về sự phân bố các số nguyên tố.
Trong công trình thứ hai vừa nêu, có chỉ ra các bất đẳng thức cho phép đánh giá khá chính xác số lượng các số nguyên tố trong một đoạn cho trước của dãy số tự nhiên và, đặc biệt, đã chứng minh một sự kiện như sau: giữa và (trong đó ) luôn có ít nhất một số nguyên tố. Khẳng định này đã được nhà toán học Pháp nổi tiếng Bertrand nêu ra; ông đã kiểm tra nó trong phạm vi các bảng số nguyên tố hiện có, nhưng không thể chứng minh và đã chấp nhận nó như một tiên đề.
Chúng ta sẽ theo dõi những ý tưởng cơ bản của Chebyshev đã dẫn ông tới các ước lượng này, rồi đề nghị một loạt bài toán mà lời giải của chúng cho phép độc giả (đã khá quen thuộc với các tính chất của lôgarit) khôi phục chứng minh đã nêu của tiên đề Bertrand và thu được các bất đẳng thức về số lượng các số nguyên tố không vượt quá một đại lượng cho trước.
Độc giả có thể ngạc nhiên: lôgarit có quan hệ gì với các số nguyên tố? Công lao của Chebyshev chính là ở chỗ ông đã chỉ ra cách có thể sử dụng các hàm thông thường của giải tích — căn thức, lôgarit — khi nghiên cứu các bài toán về số nguyên. Nếu chúng ta muốn phát hiện xem có ít nhất một số nguyên tố trên đoạn từ đến hay không, thì có thể làm như sau:
-
nghĩ ra một hàm nào đó của đối số thực , sao cho nó không thay đổi giá trị khi chạy trên đoạn giữa các số nguyên tố kề nhau, và nhận giá trị lớn hơn khi đi qua một số nguyên tố;
-
chứng minh các bất đẳng thức đối với hàm , những bất đẳng thức giúp đánh giá khá chính xác tốc độ tăng trưởng.
Đối với hàm được chọn như vậy, hiệu sẽ là một số dương khi và chỉ khi hàm tăng lên khi chuyển từ sang , tức là nếu giữa và có ít nhất một số nguyên tố.
Điều kiện thứ nhất dễ thỏa mãn. Có thể xét hàm sau: ký hiệu là số các số nguyên tố không vượt quá .
Chẳng hạn, (một không được coi là số nguyên tố), , , , , v.v.
Dĩ nhiên, nếu ta có thể chứng minh rằng
thì ta cũng chứng minh được định đề Bertrand, vì
chính là số các số nguyên tố nằm giữa và .
8
ĐỒ THỊ
THẾ NĂNG
R. G. MINTS
Làm thế nào để biết chuyển động của một vật có bị giới hạn hay không và trong những giới hạn nào? Có những vị trí cân bằng không, và nếu có thì chúng là những vị trí nào — bền hay không bền?
Trong bài này, chúng tôi sẽ chỉ ra rằng những câu hỏi như vậy dễ trả lời nếu biết thế năng của vật. Chúng tôi sẽ bàn về khi nào có ý nghĩa nói đến thế năng và cách tính giá trị của nó tại mỗi điểm.
Một khi đã nói về thế năng, tức là chúng ta muốn nghiên cứu chuyển động của vật, nói chính xác hơn là của các chất điểm *), dựa trên định luật bảo toàn cơ năng.
Định luật này khẳng định rằng đối với một hệ kín các chất điểm (vật), đại lượng
(1)
được bảo toàn.
được gọi là động năng của hệ, còn — thế năng tương tác của các vật. Động năng trong công thức (1) phản ánh chuyển động riêng của các vật, còn thế năng, phụ thuộc vào khoảng cách giữa các vật, phản ánh ảnh hưởng lẫn nhau của chúng.
Sau đây, để đơn giản, chúng tôi sẽ chỉ xét chuyển động
*) Như thường lệ, chất điểm được hiểu là một vật có kích thước riêng trong bài toán đang xét là nhỏ không đáng kể.
của một trong các chất điểm *), giả sử rằng mọi chất điểm khác đứng yên. Trong những trường hợp như vậy, người ta thường nói về chuyển động của hạt trong trường lực ngoài, và công thức (1) có dạng
(2)
Khi nói về chuyển động của hạt trong trường ngoài, chúng ta xét ảnh hưởng của các hạt đứng yên lên hạt chuyển động, còn toàn bộ hệ các hạt xét như một thể thống nhất là kín. Tuy nhiên, ở đây có một điểm tinh tế. Hãy xem xét kỹ nó qua ví dụ về hai chất điểm có khối lượng và . Giả sử tại một thời điểm nào đó hạt có khối lượng dừng lại. Hãy tìm xem trong những điều kiện nào nó vẫn tiếp tục đứng yên, nghĩa là khi nào có thể nói về chuyển động của hạt có khối lượng trong trường ngoài. Ta sẽ dùng định luật bảo toàn động lượng
*) Bài toán về chuyển động của một số lớn các vật tương tác với nhau là cực kỳ phức tạp. Cho đến nay, dưới dạng tổng quát chỉ giải được bài toán hai vật.
9
lượng (vì hệ các vật của chúng ta là kín): . (Ở đây — vận tốc ban đầu của hạt có khối lượng , — vận tốc của nó sau một thời gian nào đó, còn — vận tốc mà hạt có khối lượng thu được.)
Từ đây . Nếu , thì chỉ khi Về mặt vật lí, điều này có nghĩa là . Như vậy, trường ngoài là kết quả tác dụng của hạt nặng đứng yên lên hạt nhẹ. Nhắc lại hai ví dụ điển hình về trường ngoài: vệ tinh trong trường hấp dẫn của Trái Đất, electron trong trường của hạt nhân. Trong mỗi ví dụ này, dĩ nhiên điều kiện được thỏa mãn.
Nếu toàn năng lượng của hạt đã cho, thì tương ứng (2) đặt ra những hạn chế đối với vùng không gian mà hạt có thể ở trong đó. Thật vậy, vì động năng cho phép dựa trên phải là nhỏ nhất!), còn từ định luật bảo toàn năng lượng suy ra rằng
Do đó, ; ta đã có tiêu chuẩn để xác định miền trong đó chuyển động với toàn năng lượng là có thể. Tại các điểm mà , động năng, và do đó cả vận tốc, bằng không.
Xét làm ví dụ chuyển động của một vật dọc theo đường thẳng (trục ). Khi đó thế năng chỉ phụ thuộc vào vị trí trên đường thẳng này: . Trong trường hợp này, tiêu chuẩn của chúng ta rất tiện áp dụng bằng đồ thị. Trên đồ thị thế năng, hãy vẽ đường thẳng nằm ngang . Ở mọi nơi mà đồ thị thế năng nằm dưới đường thẳng, và chuyển động là có thể. Tại các điểm giao nhau, vận tốc
10
Hình 2. Vật chuyển động sang trái, tiến đến điểm , nơi vận tốc của nó bằng không. Tuy nhiên, nó không thể nằm yên tại điểm này, vì có lực tác dụng lên nó (xem quy tắc xe trượt ở tr. 12). Vì vậy sau đó nó sẽ chuyển động sang phải, tăng vận tốc.
Biết thế năng, dễ dàng xác định vận tốc của hạt tại mỗi điểm. Vì , nên .
Hai dấu của vận tốc tương ứng với hai hướng chuyển động có thể dọc theo trục . Trên hình 2 biểu diễn bằng đồ thị sự phụ thuộc của vận tốc hạt vào vị trí của nó trong trường hợp năng lượng và thế năng tương ứng với hình 1a. Hướng chuyển động được ký hiệu trên đồ thị bằng mũi tên.
Như vậy, ta thấy rằng bằng các đồ thị thế năng có thể đơn giản và trực quan xác định được nơi nào có khả năng chuyển động, quỹ đạo có dạng gì và vận tốc của vật phụ thuộc thế nào vào vị trí của nó. Khi làm rõ các vấn đề này, ta cần biết sự biến thiên của thế năng như một hàm của tọa độ “nói chung”, tức là nó biến thiên thế nào trên toàn bộ quỹ đạo.
Bây giờ hãy xem tốc độ biến thiên của thế năng, tức là đại lượng sau, liên hệ với điều gì
trong đó rất nhỏ
Theo định luật bảo toàn cơ năng
trong đó là vận tốc của vật tại điểm , còn là vận tốc của nó tại điểm . Trên đoạn nhỏ có thể coi lực tác dụng lên vật là không đổi. Chuyển động dưới tác dụng của lực không đổi, ký hiệu là , bằng gia tốc, còn gia tốc . Trong trường hợp đó ( là thời gian chuyển động), còn bằng vận tốc trung bình . Thay các biểu thức này vào công thức (4):
Suy ra
Công thức (5) cũng có thể nhận được theo cách khác, xét rằng khi chuyển động đều chỉ có thế năng của vật thay đổi và độ biến thiên của nó bằng công của lực tác dụng lên vật.
Hãy làm rõ ý nghĩa hình học của công thức (5). Giả sử ta có đồ thị thế năng. Rõ ràng, đại lượng càng nhỏ thì tốc độ biến thiên của thế năng càng chính xác trùng với tang của góc nghiêng của tiếp tuyến với đường cong thế năng (hình 3). Tác dụng
⟦trang 11⟧
do đó, , và càng nhỏ thì góc càng bằng góc với độ chính xác cao hơn. Như vậy, ta đi đến kết luận rằng tang của góc nghiêng của tiếp tuyến với đồ thị thế năng, lấy dấu ngược lại, bằng lực tác dụng lên vật. Điều đó có nghĩa là thế năng tăng càng dốc thì độ lớn của lực càng lớn và ngược lại.
Sau khi công thức (5) có được ý nghĩa hình học trực quan, chẳng hạn, dễ dàng xác định xem có những vị trí cân bằng hay không và chúng là những vị trí nào. Ta gọi vị trí cân bằng là điểm tại đó vật có thể ở lại bao lâu tùy ý, nếu, tất nhiên, ban đầu nó có vận tốc bằng không. Khi nào điều này có thể xảy ra? Sự thay đổi vận tốc được đặc trưng bởi gia tốc: nếu nó bằng không thì vận tốc của vật không đổi. Gia tốc lại tỉ lệ với lực tác dụng lên vật. Vậy, các vị trí cân bằng là những điểm tại đó lực bằng không.
Hãy trở lại đồ thị thế năng. Như ta đã thấy, lực tác dụng lên vật bằng tang của góc nghiêng của tiếp tuyến với đường cong thế năng, lấy dấu ngược lại. Nếu góc này bằng không thì lực cũng bằng không. Như vậy, trên đồ thị thế năng, các vị trí cân bằng tương ứng với những điểm mà tại đó
Hình 4
Hình 5a,6
tiếp tuyến song song với trục hoành. Chẳng hạn, hiển nhiên các vị trí cân bằng là các cực đại và cực tiểu của thế năng (hình 4).
Các vị trí cân bằng có thể bền và không bền. Điều đó nghĩa là gì? Giả sử ta làm lệch vật một chút khỏi vị trí cân bằng. Nếu khi đó lực tác dụng lên vật đưa nó trở lại thì cân bằng được gọi là bền, nếu không thì không bền.
Hãy xét tính bền của vị trí cân bằng tương ứng với cực tiểu trên đường cong thế năng (điểm trên hình 4). Giả sử vật dịch chuyển từ điểm sang phải. Ở vị trí mới (hình 5 a), tang của góc nghiêng của tiếp tuyến là dương, còn lực là âm, nghĩa là hướng ngược với chiều dịch chuyển và đưa vật trở về
12
điểm . Nếu dịch chuyển sang trái khỏi điểm , thì ở vị trí đó ( trên hình 5 a) tang của góc nghiêng của tiếp tuyến là âm, lực là dương, tức là hướng về điểm và buộc vật trở về vị trí ban đầu. Như vậy, vị trí cân bằng tại cực tiểu của thế năng là bền. Tương tự có thể xét tính bền của vị trí cân bằng nếu thế năng là cực đại (hình 5 b).
Vậy là, chúng ta thấy rằng từ đường cong thế năng có thể tìm được độ lớn của lực tác dụng lên vật, dễ dàng xác định các vị trí cân bằng nằm ở đâu và chúng là loại nào. Theo nghĩa này, đồ thị thế năng có thể so sánh với một dốc băng, từ đó trượt xuống bằng xe trượt tuyết. Ở những chỗ dốc đứng, xe trượt tuyết tăng tốc nhanh, trên dốc thoải — chậm hơn. Đỉnh dốc và các chỗ trũng trên đó là những vị trí cân bằng. Bởi vì nếu đặt xe trượt tuyết vào đó, chúng sẽ ở lại đó. Trong đó, đỉnh là vị trí cân bằng không bền, còn các chỗ trũng — cân bằng bền.
Bây giờ, có lẽ nên nói về cách tính độ lớn của thế năng. Để làm điều đó, hãy trở lại công thức (5) và viết lại nó dưới dạng
Nhắc lại rằng độ dài
Hình 6
13
Năng lượng của vật bằng diện tích dưới đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lực tác dụng lên vật vào tọa độ, lấy với dấu ngược lại *) . Khi đó đồ thị của nó là một đường thẳng song song với trục hoành. Diện tích dưới nó bằng , từ đó đối với hiệu các thế năng ta được
(hình 7a,b).
Dùng sự tương ứng (8), ta được
nghĩa là thế năng . Tuy nhiên, đây không phải là khả năng duy nhất, với cùng cơ sở đó ta cũng có thể viết đẳng thức sau
trong đó là một hằng số. Nhưng khi đó thế năng . Như vậy, ta thấy rằng thế năng chỉ được xác định chính xác đến một hằng số tùy ý. Điều này đã trực tiếp suy ra từ chính định luật bảo toàn cơ năng. Thật vậy, nếu ta nói rằng đại lượng được bảo toàn, thì cũng được bảo toàn, trong đó là một hằng số nào đó. Nhưng trong trường hợp này . Điều đó có nghĩa là thế năng chỉ có thể được xác định với độ chính xác đến một hằng số tùy ý, hằng số này luôn được chọn vì lý do thuận tiện *). Dĩ nhiên, sự không xác định như vậy của thế năng hoàn toàn không ảnh hưởng đến những kết luận mà ta đã rút ra về đặc trưng chuyển động trong trường đã cho, về sự có mặt trong đó của các vị trí cân bằng và về sự phụ thuộc của vận tốc vật vào tọa độ. Bạn có thể dễ dàng tự mình kiểm tra điều này, chỉ cần đồng thời với việc thay đổi thế năng một lượng cũng thay đổi toàn năng lượng của vật một lượng như vậy. Vấn đề là để mô tả đầy đủ chuyển động của vật, cần cho biết vị trí và vận tốc của nó tại một thời điểm nào đó
*) Cần lưu ý rằng nếu lực âm, thì đoạn tương ứng phải được gán dấu trừ.
*) Trường trong đó lực tác dụng lên vật ở mọi nơi đều không đổi được gọi là trường đồng nhất. Ví dụ, đồng nhất là trường trọng lực gần bề mặt Trái Đất và điện trường bên trong một tụ điện phẳng.
14
Hình 8
thời gian, nhờ đó ta sẽ biết
và Còn năng lượng toàn phần
Vì thế khi thêm vào một hằng số nào đó, năng lượng cũng sẽ tăng đúng bằng từng ấy.
Bây giờ hãy xét chuyển động của khối lập phương trên lò xo khi không có ma sát (hình 8) và tính xem năng lượng thế bằng bao nhiêu trong trường hợp này Theo định luật Hooke, lực tác dụng lên khối lập phương bằng , trong đó — độ cứng của lò xo, — độ biến dạng của nó Trong trường hợp này đồ thị của lực là một đường thẳng, tang của góc nghiêng của nó đối với trục bằng (hình 9a)
Hiệu các năng lượng thế bằng diện tích hình thang được tô bóng trên hình 9a, có chiều cao . còn đáy trung bình . Dùng công thức diện tích hình thang, ta được .
Kết quả, đối với ta nhận được biểu thức sau:
*) Tương tự trường hợp điện trường đều, ở đây ta đã chọn hằng số sao cho .
15
trường hợp () thì không thể tính được diện tích này nếu không biết phép tính tích phân. Nếu tìm được nó, thì hóa ra rằng đối với lực biến thiên theo quy luật , thế năng
Hãy chú ý rằng trong công thức (10) ta đã chọn hằng số sao cho thế năng bằng không ở vô cực. Vì sao điều này thuận tiện và khi nào? Hãy nhớ rằng thế năng đặc trưng cho tác dụng của các vật lên nhau—sự tương tác; nếu ở vô cực lực bằng không, thì các vật càng ở xa nhau, ảnh hưởng tương hỗ của chúng càng yếu. Chính điều này tương ứng với việc chọn hằng số trong các trường hợp của chúng ta và các trường hợp tương tự ().
Từ công thức (10) suy ra rằng dạng của thế năng phụ thuộc một cách cơ bản vào dấu của (xem hình 106). Nếu , thì lực , và ta có lực đẩy (các điện tích cùng dấu, ). Nếu , thì lực , tương ứng với lực hút (các điện tích trái dấu, ). Ở đây, xin hãy một lần nữa trở lại với sự tương tự về chiếc xe trượt tuyết trượt xuống từ ngọn đồi băng giá. Hãy chú ý rằng nếu đặt chiếc xe trượt tuyết lên ngọn đồi có biên dạng của thế năng mà ta quan tâm, thì nó chỉ theo hướng tác dụng của lực. Quy tắc đơn giản này cho phép lập tức xác định điều gì xảy ra — lực hút hay lực đẩy. Thật vậy, nếu chiếc xe trượt tuyết chỉ về phía điểm (chẳng hạn, đường cong dưới trong hình 106), thì có lực hút; nếu ngược lại (chẳng hạn, đường cong trên), thì có lực đẩy.
Quy tắc ấy cũng cho phép dựng định tính dạng của thế năng
16
Lực đẩy. Ở những khoảng cách lớn, lực hút nhanh chóng triệt tiêu, còn lực đẩy khi các nguyên tử lại gần nhau, bắt đầu từ một khoảng cách nào đó, tăng trở lại rất nhanh. Bức tranh tương tác giữa các nguyên tử đã mô tả tương ứng với đồ thị thế năng. Được chỉ ra-
16
trên hình 11. Hãy tự kiểm chứng điều đó bằng cách dùng phép tương tự với máng trượt băng. Điểm tương ứng với vị trí cân bằng bền, vì vậy bằng khoảng cách giữa các nguyên tử trong phân tử.
Cuối cùng, hãy tổng kết một số điều. Chúng ta đã thấy rằng từ đồ thị thế năng có thể xác định một loạt đặc trưng quan trọng của chuyển động (số các quỹ đạo khác nhau tùy theo năng lượng, chuyển động có bị giới hạn hay không, có các vị trí cân bằng hay không và chúng là loại nào: bền hay không bền). Hóa ra mỗi đặc trưng đều có một ý nghĩa hình học đơn giản. Cũng dễ xác định độ lớn và chiều tác dụng của lực lên vật (“quy tắc xe trượt”). Chúng ta đã chỉ ra rằng diện tích dưới đồ thị lực, lấy với dấu ngược lại, bằng thế năng của vật. Điều này cho phép trong một số trường hợp tính trực tiếp thế năng. Điều đó làm đơn giản đáng kể việc giải các bài toán khác nhau.
Và cuối cùng, chúng ta đã thấy dạng định tính của thế năng cho phép làm sáng tỏ điều đang tồn tại và đưa ra lời giải đáp cho nó.
Bây giờ hãy thử tự giải các bài toán sau.
Bài tập
-
Xác định miền chuyển động có thể khi
và .
nếu thế năng có dạng được biểu diễn trên hình 12. -
Tìm các vị trí cân bằng theo đường cong thế năng (hình 13) và xác định độ bền của chúng.
Vẽ đồ thị sự phụ thuộc của lực vào tọa độ.
-
Chứng minh bằng hình học rằng khi thế năng thay đổi một lượng không đổi thì lực tác dụng lên vật tại mỗi điểm sẽ không thay đổi.
-
Một khối lập phương cạnh , có khối lượng riêng , nổi trên mặt chất lỏng có khối lượng riêng . Vẽ đồ thị lực tác dụng lên khối lập phương và thế năng theo độ sâu ngập.
17
CÁC HÌNH LƯỠI LIỀM
CỦA HIPPOCRATES
Vào thế kỷ thứ năm trước Công nguyên, tức gần hai nghìn rưỡi năm trước, ở Hy Lạp có một nhà khoa học tên là Hippocrates xứ Chios. Chính Hippocrates là người thực hiện nỗ lực đầu tiên được biết đến nhằm tạo ra cuốn «Cơ sở» hình học. Đáng tiếc, cuốn sách ấy không còn đến được với chúng ta.
Theo một truyền thuyết, thương nhân kém may mắn Hippocrates bị bọn cướp biển cướp và đến Athens để khiếu nại về chúng. Tại đây ông gặp các nhà thông thái, những người chủ yếu dành thời gian để giải các bài toán hình học. Không tìm được cách trị bọn cướp, Hippocrates tự an ủi bằng việc vượt qua những nhà thông thái khéo léo nhất trong hình học . . .
Hippocrates đã cố thực hiện phép vuông hóa hình tròn, nói cách khác, dựng bằng compa và thước thẳng một hình tròn có diện tích bằng diện tích của hình vuông đã cho. Tuy điều đó dĩ nhiên không thành công, ông đã dựng được một số hình là những phần của mặt phẳng bị giới hạn bởi hai đường tròn, nhưng nonetheless lại có diện tích bằng diện tích hình vuông.
Trong lịch sử hình học, tên Hippocrates gắn với những hình có dạng đặc biệt, gọi là các hình lưỡi liềm. Hình lưỡi liềm (nói cách khác, hình trăng khuyết) có thể được xác định như sau: trên một dây của một đường tròn bất kỳ, dựng ra phía ngoài một nửa đường tròn mà hai đầu mút trùng với hai đầu mút của dây. Hình bị giới hạn bởi cung nhỏ hơn
của đường tròn đã cho và nửa đường tròn được dựng chính là hình lưỡi liềm.
Trên hình 1, bốn hình lưỡi liềm cũng được tô màu vàng. Hippocrates nhận thấy tổng diện tích của chúng bằng diện tích hình vuông được tô ở đây màu xanh lam. Thật vậy, tổng diện tích các nửa hình tròn dựng trên các cạnh của hình vuông này bằng diện tích hình tròn ngoại tiếp hình vuông. Nếu bỏ khỏi các nửa hình tròn những mảnh được tô màu tím, thì còn lại bốn hình lưỡi liềm; còn nếu bỏ chúng khỏi đường tròn lớn, thì còn lại hình vuông.
Hình 1.
17
18
Hình 2.
Hình 2 minh họa thêm một định lý của Hippocrates. Hóa ra, diện tích hình thang nội tiếp trong đường tròn có tâm tại điểm O bằng tổng diện tích các hình lưỡi liềm màu cam và nửa hình tròn màu cam (cả ba hình lưỡi liềm đều bằng nhau theo cách dựng, nửa hình tròn bằng những nửa hình tròn tạo thành các hình lưỡi liềm). Định lý này được chứng minh giống như mệnh đề trước.
Hình 3 cho một hình cũng do Hippocrates dựng nên. Hai cạnh bên và đáy nhỏ của hình thang bằng 1, đáy lớn bằng . Cung dưới của hình, được vạch trên hình bằng các đường đen và có thể tự nhiên gọi là hình lưỡi liềm tổng quát, tiếp xúc với đường chéo của hình thang. Hóa ra rằng diện tích hình thang nội tiếp và hình lưỡi liềm bằng nhau (chứng minh điều này các diện tích hình lưỡi liềm. Chứng minh sự kiện này dễ dàng có được nếu dùng định lý Pythagoras. Nhân tiện, hình này còn có một tính chất đáng ngạc nhiên nữa. Các hình lưỡi liềm có cùng độ rộng. Nói chính xác hơn, đường kính của các đường tròn lớn nhất nội tiếp trong chúng đều bằng một nửa hiệu giữa tổng hai cạnh góc vuông và cạnh huyền của tam giác được chỉ ra trong cùng hình đó.
20
hình học vẫn là các cạnh của tam giác ).
Vì các phần đối xứng có diện tích bằng nhau, giờ chỉ cần chứng minh (xem hình 6 e) rằng tổng diện tích các tứ giác và , trừ diện tích tam giác , bằng hai lần diện tích tam giác .
Các tam giác và đối xứng qua cạnh . Bây giờ phản xạ các tam giác và trước hết qua cạnh . Ta được các tam giác và . Sau đó phản xạ tam giác qua cạnh , còn tam giác qua cạnh . Hình gồm hai tam giác và được tạo thành.
Cả hai tam giác này đối xứng
Hình 62.
Hình 7
Hình 8a, b, c.
22
Vật lí
giúp ích
cho hình học
B. Yu. Kogan
Khi học vật lí, tất nhiên người ta sử dụng toán học. Nhưng hóa ra cũng có trường hợp ngược lại — vật lí mang lại ích lợi cho toán học. Dưới đây là vài ví dụ về cách có thể sử dụng khái niệm trọng tâm trong hình học.
- Định lí về các đường trung tuyến của tam giác. Đặt tại các đỉnh của tam giác (hình 1) các điểm vậtIAL có cùng khối lượng. Trọng tâm của hệ các điểm A và B nằm tại điểm K — trung điểm của đoạn AB. Vậy trọng tâm của hệ các điểm A, B và C nằm trên đường trung tuyến CK. Lập luận tương tự, ta điđến kết luận rằng trọng tâm này nằm trên đường trung tuyến AL và trên đường trung tuyến BM. Nhưng hệ các điểm A, B và C chỉ có một trọng tâm. Do đó, các đường trung tuyến của tam giác cắt nhau tại một điểm.
Hơn nữa, vì điểm C có khối lượng m, còn điểm K “đại diện” cho hệ các điểm A và B, có khối lượng 2m, nên KS nhỏ hơn SC hai lần. Do đó, điểm giao của các đường trung tuyến chia mỗi đường trong số chúng theo tỉ số 2:1.
- Định lí về các đường trung bình của tứ giác. Đặt tại các đỉnh của tứ giác ABCD các điểm vậtIAL có cùng khối lượng (hình 2). Vì trọng tâm của hệ các điểm A
23
hoặc về các điểm A và D, ta đi đến kết luận rằng trọng tâm của hệ các điểm A, B, C và D nằm tại giao điểm của các đường trung bình KM và LN. Hơn nữa, vì hệ các điểm A và B có khối lượng bằng hệ các điểm C và D, nên KS=SM. Lập luận tương tự, ta thấy LS=SN. Vậy các đường trung bình của tứ giác, khi cắt nhau, chia đôi nhau.
Lưu ý rằng trong lập luận của chúng ta không dùng đến sự kiện các điểm A, B, C và D nằm trong cùng một mặt phẳng. Do đó, định lí đã chứng minh cũng đúng cho tứ giác không gian. (Từ đó suy ra rằng các đường trung bình của một tứ giác như vậy nhất thiết cắt nhau.)
- Khái quát hóa định lí trước. Xét một tứ giác tùy ý ABCD (hình 3). Đặt tại các đỉnh của nó những chất điểm: tại đỉnh A — khối lượng m, tại đỉnh B — khối lượng αm, tại đỉnh D — khối lượng βm và tại đỉnh C — khối lượng αβm, trong đó α và β là các số dương tùy ý. Khi đó trọng tâm của hệ các điểm A, B, C và D sẽ nằm tại giao điểm của các đường thẳng KM và LN, trong đó K là trọng tâm của hệ các điểm A và B, M là trọng tâm của hệ các điểm C và D, L là trọng tâm của hệ các điểm B và C, còn N là trọng tâm của hệ các điểm A và D. Hơn nữa, vì độ dài các đoạn thẳng tạo thành tương ứng với các trọng lượng, nên
Vậy nếu chia các cạnh của tứ giác này sao cho
thì các đoạn NL và KM sẽ được chia tại điểm đó
24
Chẳng hạn, trên hình 4 mỗi đoạn thẳng “đứng” được chia thành ba phần bằng nhau, còn mỗi đoạn thẳng “nằm ngang” — thành bốn phần bằng nhau *).
- Tìm các tương ứng. Với sự trợ giúp của khái niệm về trọng tâm, các bài toán thuộc kiểu sau được giải dễ dàng. Trên các cạnh của tam giác lấy các điểm và (hình 5). Biết rằng và , hãy tìm các tỉ số và .
Lời giải. Đặt tại các đỉnh các chất điểm sao cho có các hệ thức
chẳng hạn, đặt
Khi đó trọng tâm của hệ các điểm và nằm tại điểm , còn trọng tâm của hệ các điểm và — tại điểm . Do đó, trọng tâm của hệ các điểm và nằm trên đường thẳng và đồng thời trên đường thẳng , tức là nằm tại giao điểm . Từ đây dễ tìm được rằng
Bài tập
- Mỗi đỉnh của tứ diện được nối với giao điểm các đường trung tuyến của mặt đối diện. Chứng minh rằng bốn đoạn thẳng nhận được cắt nhau tại một điểm.
- Trong tam giác kẻ trung tuyến . Đường thẳng nối đỉnh với trung điểm của trung tuyến cắt cạnh tại điểm . Tìm tỉ số .
- Trong tam giác biểu diễn ở hình 6,
Tổng diện tích các tam giác được gạch bóng chiếm phần nào diện tích tam giác ?
*) Định lý này cũng đúng đối với tứ giác không phẳng.
26
Các vật thể bất khả
L. Penrose, R. Penrose
Ấn tượng về các vật thể ba chiều có thể được truyền đạt bằng các hình ảnh phẳng. Có thể dùng điều này để tạo ra một ấn tượng mâu thuẫn.
Ở đây mô tả các hình vẽ của những cấu trúc không tồn tại. Mỗi phần được cảm nhận như hình ảnh của một vật thể khối ba chiều, nhưng toàn bộ hình vẽ, do sự nối ghép sai các phần này, lại có vẻ là một vật thể ma.
Một ví dụ về cấu trúc như vậy được chỉ ra ở hình 1. Mỗi phần là một thanh có tiết diện chữ nhật, nhưng các đường trong hình được nối với nhau sao cho vật thể được vẽ không tồn tại trong thực tế. Khi mắt đi dọc theo cạnh của thanh, khoảng cách có vẻ như từ vật thể đến người quan sát thay đổi.
Ở hình 2 chỉ ra một cấu trúc mà mỗi phần là một dãy bậc thang. Tuy nhiên, các phần này được nối với nhau sao cho bức hình nói chung là không tương thích: các bậc thang luôn đi lên.
Ảo giác về các cấu trúc không tồn tại cũng có thể do ảnh chụp các vật thể không tồn tại gây ra. Muốn vậy, chúng phải được dựng theo một cách đặc biệt và chụp dưới một góc nhất định. Một ví dụ về ảnh chụp như vậy được chỉ ra ở hình 3. Ở đây ảnh chụp một mô hình thực sự tồn tại gây ra cùng ấn tượng như hình ảnh của một cầu thang không tồn tại (hình 2). Điều này là do bậc thang ngoài cùng bên phải khi chụp ảnh nằm gần máy ảnh hơn và cao hơn bậc thang có vẻ nằm ngay phía trên nó.
28
Hình 3. Mô hình khối lập phương bất khả.
một mô hình ba chiều hở (hình 2). Nếu nhìn một mô hình như vậy bằng một mắt và tìm đúng điểm, có thể thấy hai cạnh tách rời của mô hình sẽ khớp lại với nhau như thế nào. Chụp ảnh mô hình từ vị trí này, bạn sẽ có được bức ảnh tam giác bất khả Penrose.
Ví dụ này cũng được dùng để tạo hình ảnh khối lập phương bất khả. Nếu bạn làm một cái khung như hình 3, rồi đặt nó sao cho các cạnh sau của khung che các khe ở phía trước, bạn sẽ thấy một khối lập phương bất khả: các cạnh sau của khung sẽ có vẻ nhô ra phía trước. (Từ vị trí này cũng có thể chụp ảnh.) Nhà sinh lý học Gibson, sử dụng ý tưởng này, đã nghĩ ra một loạt ảo giác thú vị, trong đó ông dùng các tấm bìa hình chữ nhật có khe ở một số tấm, để hình chữ nhật ở xa hơn có vẻ nằm ở tiền cảnh. Trong hình 4 có hai bộ hình vuông, tuy có vẻ giống nhau, lại được bố trí khác nhau trong không gian, còn ở hàng thứ ba, quân bồi thực ra nằm gần quân sáu, và vì thế các lá bài có cùng kích thước. Có thể có được bức ảnh như vậy bằng cách làm các khe tương ứng ở lá bài đặt gần và ở hình chữ nhật giữa, qua đó có thể nhìn thấy quân sáu ở xa hơn (hình 5).
Một loạt ảo giác quang học khác cùng loại có thể thu được nhờ cái gọi là căn phòng méo Ames, hình học của nó được thể hiện ở hình 6. Căn phòng này được làm hơi khác thường. Sàn trong phòng nghiêng và cao dần về bên phải người quan sát, bức tường sau lùi xa dần khi đi sang trái, các cửa sổ trên bức tường này có kích thước khác nhau và có dạng hình thang. Tuy nhiên, nếu nhìn vào một căn phòng như vậy từ một điểm xác định, nó trông hoàn toàn bình thường: sàn của mỗi
29
Hình 5. Thiết bị cho phép quan sát ảo giác mà bạn thấy ở hình 4.
bằng phẳng, bức tường sau — vuông góc với hướng nhìn, còn các cửa sổ — hình chữ nhật và giống nhau. Ames đã làm một trong những căn phòng như vậy đủ lớn để có thể có người ở trong đó. Một hiệu ứng đáng ngạc nhiên đã xuất hiện: khi người xem quan sát những người đi dạo dọc theo căn phòng này, anh ta thấy những thay đổi bất thường về kích thước của họ. Tùy theo người đó đi về phía nào, họ có vẻ lúc thì lớn lên, lúc thì nhỏ đi.
Một mô hình nhỏ của căn phòng như vậy cho phép nhìn thấy trong các cửa sổ của bức tường sau bàn tay hoặc khuôn mặt của một người. Cũng như trong căn phòng lớn, bàn tay hoặc khuôn mặt có vẻ lớn hoặc nhỏ một cách quá mức tùy theo chúng xuất hiện ở các cửa sổ bên phải hay bên trái người quan sát. Chúng ta đã quá quen với những căn phòng có hình dạng thông thường, đến mức trong căn phòng Ames chúng ta vẫn cảm nhận là có thật ngay cả những vật thể bị biến dạng mạnh. Sự cảm nhận hình ảnh là một quá trình tâm lý. Trong đó, thái độ của người quan sát đối với đối tượng quan sát và ngay cả trạng thái của họ vào lúc đó đều quan trọng. Điều thú vị là những khuôn mặt quen thuộc được cảm nhận trong căn phòng Ames là hoàn toàn bình thường, đồng thời hình học của căn phòng luôn trở nên dễ nhận thấy đối với người quan sát.
Tất nhiên, tự mình xây một căn phòng Ames lớn khá khó. Nhưng có lẽ có thể làm một mô hình nhỏ. Bằng cách đặt các vật thể bên trong, nếu muốn bạn sẽ có thể chụp được những bức ảnh khá hiệu quả. Tại sao không thử?
Hình 6. Hình học của căn phòng Ames bị biến dạng.
⟦trang 30⟧
Bài toán
M81. Bên trong hình vuông lấy một điểm tùy ý . Từ đỉnh hạ đường vuông góc xuống đường thẳng , từ đỉnh — xuống , từ — xuống , từ — xuống . Chứng minh rằng cả bốn đường vuông góc đó (hoặc các phần kéo dài của chúng) cắt nhau tại một điểm.
A. N. Vilenkin
M82. Trên một đường ô tô vòng tròn có đặt vài chiếc ô tô giống nhau. Biết rằng nếu toàn bộ xăng có trong các xe này được đổ vào một xe, thì xe đó có thể đi hết đường vòng tròn và trở về chỗ cũ. Chứng minh rằng có ít nhất một trong các xe đứng trên đường có thể đi hết vòng đường, lấy xăng của các xe ô tô khác trên đường đi.
M83. Chứng minh rằng các số 1, 2, …, không thể, với bất kỳ nào, được chia thành hai nhóm sao cho tích các số trong một nhóm bằng tích các số trong nhóm kia.
M84. Gọi là chân đường vuông góc hạ từ tâm của đường tròn đã cho xuống đường thẳng đã cho .
Trên đường thẳng này lấy thêm hai điểm và sao cho
Qua các điểm và kẻ hai cát tuyến tùy ý, trong đó một cát tuyến cắt đường tròn tại các điểm và , cát tuyến kia — tại các điểm và . Giả sử các đường thẳng và cắt đường thẳng tại các điểm và . Chứng minh rằng
Bài toán này (hoặc một số biến thể của nó) đôi khi được gọi là «bài toán con bướm»; nguồn gốc của tên gọi ấy rõ ràng từ hình 1.
M85. Chứng minh rằng nếu — các số tự nhiên đôi một khác nhau, không số nào trong đó chia hết cho bình phương của một số nguyên lớn hơn một, còn — các số nguyên khác không, thì
L. N. Vaserstein
31
F93. Trên thành bên của một bình chứa đầy chất lỏng có chiết suất , người ta khoét một lỗ bán kính nhỏ . Theo trục của lỗ, từ trong bình chiếu ra một chùm tia sáng mảnh nằm ngang. Chất lỏng phải chảy ra đến mức nào phía trên lỗ để chùm sáng thoát khỏi dòng chảy mà không một lần nào bị phản xạ toàn phần?
Bỏ qua sự thay đổi tiết diện ngang của dòng chảy, coi chiết suất của chất lỏng đủ lớn.
I. F. Ginzburg
F94. Một mol khí lí tưởng thực hiện một chu trình (một quá trình kín gồm hai đẳng tích và hai đẳng áp (hình 2)). Nhiệt độ tại các điểm 1 và 3 lần lượt bằng và . Xác định công do khí thực hiện trong chu trình, biết rằng các điểm 2 và 4 nằm trên cùng một đường đẳng nhiệt.
F95. Một vật có thể tự do trôi theo sông với vận tốc lớn hơn vận tốc dòng chảy hoặc vận tốc cực đại của dòng chảy không?
F96. Hai quả cầu giống nhau được nối bằng một sợi chỉ. Tìm độ cao nâng lên của hệ này, nếu một trong các quả cầu được ném lên với vận tốc .
A. Drozdov
F97. Một vòng dây dẫn có bọc cách điện được uốn thành hình số tám, các vòng của nó có bán kính cm và cm. Vòng dây đặt trong từ trường có cảm ứng ec, vuông góc với mặt phẳng của vòng dây.
Lớp cách điện của dây được tính cho điện áp 10 V. Có xảy ra đánh thủng lớp cách điện không nếu từ trường bị tắt đột ngột? Thời gian tắt từ trường giây.
L. G. Aslamaov
Hình 2.
32
Lời giải
Trong số này chúng tôi công bố lời giải các bài toán M31—M33
M31
Một tờ giấy hình vuông được cắt theo một đường thẳng thành hai phần. Một trong các phần nhận được lại được cắt thành hai phần, và cứ làm như vậy nhiều lần. Cần thực hiện ít nhất bao nhiêu lần cắt để trong các phần nhận được có đúng 100 đa giác 20 cạnh?
Sau mỗi lần cắt, tổng số mảnh giấy tăng thêm 1 (vì một mảnh biến mất và xuất hiện hai mảnh mới), do đó sau lần cắt sẽ có mảnh giấy.
Bây giờ hãy tính tổng số đỉnh trong tất cả các mảnh sau lần cắt có thể là bao nhiêu. Sau mỗi lần cắt, tổng số đỉnh tăng thêm либо 2 (nếu cắt qua các đỉnh), hoặc 3 (nếu cắt qua một đỉnh và một cạnh), hoặc 4 (nếu cắt qua 2 cạnh). Vì lúc đầu có 4 đỉnh, nên sau lần cắt, tổng số đỉnh trong tất cả các mảnh sẽ không lớn hơn .
Giả sử rằng sau lần cắt nhận được 100 đa giác 20 cạnh. Vì tổng số mảnh nhận được khi đó là , nên ngoài các đa giác 20 cạnh này, còn có mảnh. Mỗi mảnh trong số đó có ít nhất ba đỉnh, do đó tổng số đỉnh trong tất cả các mảnh không nhỏ hơn . Như đã chứng minh trước đó, số này không lớn hơn . Vậy,
suy ra .
Vậy, chúng ta đã chứng minh rằng không thể nhận được 100 đa giác 20 cạnh nếu thực hiện ít hơn 1699 lần cắt. Đây là phần chính và khó nhất của chứng minh.
Bây giờ hãy chỉ ra cách có thể nhận được 100 đa giác 20 cạnh bằng 1699 lần cắt. Đây là một cách: cắt hình vuông thành 100 hình chữ nhật (99 lần cắt), rồi biến mỗi hình chữ nhật thành một đa giác 20 cạnh bằng 16 lần cắt, cắt các tam giác ở các góc (1600 lần cắt). Tổng cộng sẽ có 1699 lần cắt.
Đáp số. Có thể nhận được 100 đa giác 20 cạnh bằng 1699 lần cắt, còn với số lần cắt ít hơn thì không thể nhận được 100 đa giác 20 cạnh.
Tương tự, có thể biết được cần thực hiện ít nhất bao nhiêu lần cắt để nhận được đúng đa giác l cạnh.
Lời giải chính xác của bài toán này được D. Grigoriev ở Leningrad và V. Livits ở Zaporozhye gửi đến.
I. N. Bernistei
M32
Trong mọi ô của bảng đều có dấu cộng hoặc dấu trừ. Được phép đồng thời đổi dấu trong mọi ô của một hàng hoặc một cột. Có thể, tiếp tục thực hiện các phép biến đổi như vậy nhiều lần, nhận được một bảng có đúng 1970 dấu trừ không?
Giả sử ở hàng thứ ta đã đổi dấu lần, ở cột thứ — lần. Khi đó, trong ô nằm ở giao của hàng thứ và cột thứ , dấu sẽ đổi lần. Do đó, trong ô này sẽ có dấu trừ khi và chỉ khi là số lẻ. Như vậy, ký-
33
số lượng dấu trừ trong bảng thu được chỉ phụ thuộc vào tính chẵn lẻ của các số và ; trên hình 1, thay cho các số chẵn đặt các số không, thay cho các số lẻ — các số một. Gọi là số các số lẻ trong các ; là số các số lẻ trong các (trên hình ). Khi đó, như không khó để tính, tổng số dấu trừ trong bảng sẽ bằng
trong đó là các số nguyên.
Bây giờ hãy trở lại bài toán của chúng ta và chứng minh rằng đáp án của nó là âm, tức là không thể có được 1970 dấu trừ. Giả sử rằng chúng ta đã có được 1970 dấu trừ. Khi đó , từ đó
Phân tích vế trái thành nhân tử, ta được
Ta có
Vì số 101 là số nguyên tố, nên либо , либо chia hết cho 101 (vì tích của chúng chia hết cho 101). Nhưng từ các bất đẳng thức trước đó suy ra rằng либо , либо bằng 0. Vậy ta đã thu được mâu thuẫn, chứng tỏ rằng không thể thu được điều không thể đúng sau đúng 1970 phút.
Lời giải đúng được D. Grigoriev gửi đến.
A. V. Zelevinsky
M33
Cho số tự nhiên . Lấy các số dư của phép chia số cho các số 1, 2, 3,…, và tìm tổng các số dư đó. Chứng minh rằng tổng này lớn hơn .
Ký hiệu tổng các số dư của phép chia cho các số 1, 2,…, là . Ta sẽ chứng minh mệnh đề của bài toán và chứng minh rằng khi thì . Đồng thời, bằng cùng phương pháp, ta sẽ chứng minh rằng
với mọi .
Chúng tôi chủ yếu theo lời giải của D. Grigoriev ở Leningrad. Lời giải dựa trên một nhận xét rất đơn giản: không chia hết cho một số nguyên lẻ khác 1, do đó số dư khi chia cho số như vậy không nhỏ hơn 1. Từ đây dễ suy ra rằng với mọi lẻ, số dư khi chia cho không nhỏ hơn . Thật vậy, giả sử số dư khi chia cho bằng , tức là , trong đó , khi đó , trong đó , tức là số dư khi chia cho bằng , và vì , nên số dư này không nhỏ hơn .
Từ đây suy ra rằng, trong mọi trường hợp
34
trong đó được xác định bởi điều kiện , (không có ý nghĩa gì khi lấy lớn hơn, vì khi đó biểu thức trong ngoặc sẽ bằng không).
Có thể nói gì về vế phải của bất đẳng thức này?
Xét số hạng thứ : . Số đứng trong ngoặc, hiển nhiên, bằng số các số hạng không vượt quá của cấp số cộng , , , …, tức là cấp số cộng có số hạng đầu và công sai . Số các số hạng như vậy không nhỏ hơn và do đó, số hạng thứ ở vế phải của bất đẳng thức không nhỏ hơn . Về cơ bản, lời giải bài toán đến đây là xong. Tất cả phần còn lại chỉ là các phép biến đổi khác nhau của vế phải () bằng các bất đẳng thức đã thu được. Chẳng hạn, thay tổng ở vế phải () bằng tám số hạng. Khi đó ta sẽ nhận được
Khi , biểu thức trong ngoặc là dương và do đó, chúng ta đã chứng minh rằng khi . Như vậy bài toán M33 đã được giải hoàn toàn.
Tuy nhiên, có thể thu được một bất đẳng thức chính xác hơn. Cộng tất cả các số hạng ở vế phải của (*); ta được:
Dùng các bất đẳng thức , , ta thấy rằng
Công thức này chẳng hạn cho thấy rằng nếu , thì .
Bài toán a. Tổng các số dư khi chia các số , cho số lẻ lớn hơn .
Dùng bài toán này, lời giải của nó sẽ được đưa ra dưới đây, có thể chứng minh rằng với vô hạn giá trị tổng thực ra lớn hơn nhiều so với , tức là có thể chứng minh rằng đánh giá là rất thô đối với vô hạn giá trị . Điều này không có gì lạ, vì phương pháp chứng minh của chúng ta không tính đến độ lớn của nhiều số dư khác không, trong khi các số dư này thường lớn. Đồng thời, các đại lượng khi tăng không thể tăng quá nhanh, vì hiển nhiên rằng .
Chúng tôi cho rằng giả thuyết sau đây là có khả năng đúng:
Giả thuyết 1. Với đủ lớn, bất đẳng thức đúng;
- tồn tại một số dương sao cho .
Chúng tôi không biết cách chứng minh cũng như kiểm tra các khẳng định này. Hơn nữa, chúng tôi không biết liệu khẳng định yếu hơn có đúng hay không.
Giả thuyết 2. Tồn tại một số dương sao cho bất đẳng thức đúng với vô số giá trị .
Nếu bạn đã chứng minh hoặc kiểm tra được một trong các giả thuyết này, hãy gửi cho chúng tôi lập luận của bạn. Nếu chúng tỏ ra thú vị, chúng tôi sẽ công bố chúng trong một số của tạp chí. Như một sự xác nhận yếu của giả thuyết 2, có thể chứng minh điều sau.
Định lý. Với vô số giá trị , bất đẳng thức sau đúng
Định lý được suy ra từ bài toán theo cách sau. Xét tổng các số dư khi chia các số , …, cho số . Theo bài toán, khi lẻ, tổng khá lớn, do đó số cũng lớn. Nhưng, như dễ thấy*
*) Số khi lớn lớn hơn rất nhiều so với số . Chẳng hạn, không khó chứng minh rằng khi đủ lớn, tỉ số của các số này lớn hơn .
35
lưu ý rằng ,
do đó tổng ở vế trái cũng
lớn và, vì thế, một trong các số hạng, chẳng hạn , cũng lớn. Việc trình bày cẩn thận chứng minh xin dành cho bạn đọc. Bây giờ chuyển sang giải bài toán.
Lời giải bài toán. Hãy viết ra các số dư khi chia các số cho và đặt giữa hai số dư liên tiếp một “dấu kiểm” nếu số thứ nhất lớn hơn số thứ hai. Khi đó, thứ nhất, số dư đứng trước dấu kiểm lớn hơn , thứ hai, số lượng các số giữa hai dấu kiểm liên tiếp nhỏ hơn , vì các số dư giữa hai dấu kiểm tạo thành một cấp số nhân có công bội 2 (thật vậy, , còn mọi số dư không lớn hơn ). Như vậy, số khoảng giữa các dấu kiểm lớn hơn và vì ở cuối mỗi khoảng có một số lớn hơn , nên mọi điều đã được chứng minh.
A. G. Kushirenko
Trong số này chúng tôi công bố lời giải các bài toán Ф43, Ф48—Ф51
Ф43
Tìm áp suất tại tâm của một hành tinh lỏng bán kính , nếu chất lỏng không nén được và có mật độ .
Chia thể tích hành tinh thành các lớp cầu mỏng có bề dày . Dễ thấy rằng hợp lực hấp dẫn tác dụng từ phía lớp lên một hạt nằm bên trong lớp đó bằng không. Thật vậy, xét một nón có góc ở đỉnh nhỏ, trong đó chứa một phần khối lượng . Nón cắt từ lớp các phần có diện tích và (hình 1). Nếu khối lượng vật chất trên một đơn vị diện tích của lớp bằng , thì các lực hấp dẫn tác dụng lên khối lượng từ phía các phần và bằng
nhưng
(Ω — góc khối tại đỉnh nón), còn ; các tam giác được tô bóng đồng dạng, tức là (chúng chắn cùng một cung) và .
Do đó . Nhờ vậy
tức là các lực này cân bằng lẫn nhau. Tiến hành xét tương tự đối với các phần khác của lớp, ta sẽ chứng minh được khẳng định đã nêu.
Lực mà phần tử lớp bị hút về tâm hành tinh bằng
,
trong đó là khoảng cách từ phần tử này đến tâm hành tinh. Từ đây suy ra độ tăng áp suất trên đoạn có bề dày bằng
Do đó áp suất ở khoảng cách từ tâm hành tinh sẽ bằng
Vì tổng bằng diện tích
36
Hình được giới hạn bởi đồ thị và trục (hình 2), thì
Do đó
— áp suất trên bề mặt hành tinh, có thể coi bằng không. Khi đó
Ở tâm hành tinh (), áp suất sẽ bằng
Ф48
Một sợi dây được quấn quanh trục phần ứng của MÁY PHÁT ĐIỆN, và một vật nặng được gắn vào dây. Khi hạ xuống, vật nặng làm quay phần ứng. Khi phần ứng đã quay đủ nhanh, một điện trở tải được nối vào các đầu cực của MÁY PHÁT ĐIỆN. Hãy biểu diễn trên đồ thị sự phụ thuộc của tốc độ quay của phần ứng vào thời gian kể từ lúc vật nặng bắt đầu chuyển động.
Vì trước khi nối tải, mômen của các lực ngoài tác dụng lên phần ứng không đổi, nên phần ứng quay với gia tốc góc không đổi và tốc độ của nó tăng tỉ lệ với thời gian.
Sau khi nối tải, dòng điện sẽ chạy qua dây quấn phần ứng. Nhờ đó, trong từ trường của stato, một mômen lực sẽ tác dụng lên phần ứng, tỉ lệ với độ lớn của dòng điện (cũng như lực tác dụng trong từ trường lên dây dẫn có dòng điện). Mômen lực này hãm sự quay của phần ứng. Vì dòng điện chạy qua dây quấn phần ứng tỉ lệ với suất điện động cảm ứng xuất hiện trong dây quấn, còn suất điện động cảm ứng lại tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông xuyên qua dây quấn, tức là với tốc độ góc quay của phần ứng, nên tại một tốc độ góc nào đó , mômen lực tác dụng lên phần ứng từ phía vật nặng sẽ bằng mômen của lực hãm tác dụng lên phần ứng trong từ trường. chính là tốc độ quay ổn định của phần ứng.
Đồ thị sự phụ thuộc của tốc độ quay của phần ứng vào thời gian được chỉ ra ở hình 4. Đường màu đỏ — cho trường hợp tốc độ quay của phần ứng tại thời điểm nối tải nhỏ hơn , và màu xanh — khi nó lớn hơn .
Ф49
Một ống chữ U chứa đầy nước (hình 4). Không khí đã được hút ra khỏi một nhánh; áp suất không khí trong nhánh kia ở nhiệt độ bằng áp suất khí quyển. Cả hai đầu ống đều được bịt kín. Hiệu độ cao của mực nước trong các nhánh sẽ bằng bao nhiêu nếu nung ống đến ?
37
Hình 4.
Áp suất ở nhánh trái bằng áp suất hơi bão hòa. Còn ở nhánh phải có cả không khí lẫn hơi nước, và áp suất bằng tổng các áp suất riêng phần của không khí và hơi. Hơn nữa, hơi trong bình bên phải cũng bão hòa, và áp suất riêng phần của nó bằng áp suất hơi ở nhánh trái. Vì vậy, khi xét cân bằng của nước, ta có thể không tính đến áp suất hơi ở các nhánh trái và phải.
Viết điều kiện cân bằng của nước trong ống khi :
Suy ra
Khi áp suất không khí ở nhánh phải trở thành , còn hiệu độ cao mực nước trong các nhánh là . Khi đó
liên hệ với bởi định luật khí kết hợp:
và . Vì , (s — diện tích tiết diện của ống), nên từ đây tìm được
Thay biểu thức này vào phương trình (*), ta được
hoặc
Giả sử , ta được
. Điều này có nghĩa là, khi thay so với , ta đã nhận được kết quả ít khác với kết quả chính xác.
Ф50
Trên một bàn nằm ngang nhẵn có hai khối lập phương giống hệt nhau, mỗi khối có khối lượng , được nối với nhau bằng một lò xo có độ cứng và chiều dài trong trạng thái không biến dạng. Lên khối lập phương bên trái (hình 5) đột ngột bắt đầu tác dụng một lực không đổi về độ lớn và hướng. Hãy tìm khoảng cách nhỏ nhất và lớn nhất giữa các khối lập phương trong chuyển động tiếp theo của hệ.
Giả sử khoảng cách giữa các khối lập phương là nhỏ nhất hoặc lớn nhất (ta sẽ gọi là «cực trị»). Khi đó cả hai khối lập phương chuyển động với cùng vận tốc , và động năng của hệ bằng . Đồng thời
38
Khi đó thế năng của hệ bằng thế năng của lò xo bị nén, tức là , trong đó — độ thay đổi chiều dài của lò xo ( có thể dương — khi đó chiều dài lò xo nhỏ hơn , cũng có thể âm — khi đó chiều dài lò xo lớn hơn ). Cơ năng toàn phần của hệ bằng tổng động năng và thế năng, tức là . Vì hệ nhận được năng lượng này nhờ công của lực , nên ta có thể viết
(*)
— quãng đường mà khối lập phương bên trái đi được vào thời điểm chiều dài lò xo trở nên cực trị (hình 6): ( — quãng đường mà khối tâm của hệ đi được).
Vận tốc của các khối lập phương bằng vận tốc của khối tâm hệ. Hệ chịu tác dụng của một ngoại lực không đổi và chuyển động nhanh dần đều với gia tốc . Vì vậy, nếu ký hiệu là thời gian kể từ lúc bắt-
Hình 7.
từ đầu chuyển động đến thời điểm chiều dài lò xo bằng , thì và . Thay các biểu thức này của và vào phương trình (*), ta được
Suy ra hoặc . Do đó, , .
Như vậy, khoảng cách nhỏ nhất giữa các vật bằng , còn khoảng cách lớn nhất bằng .
Ф51
Chụp ảnh một con hổ từ khoảng cách 20 mét là nguy hiểm. Máy ảnh lỗ kim với lỗ có đường kính 1 mm phải có kích thước thế nào để con hổ trong ảnh hiện ra có sọc? Khoảng cách giữa các sọc trên da hổ bằng 20 cm.
Máy ảnh lỗ kim là một hộp có lỗ. Trên phim ảnh đặt trong máy ảnh có một chùm tia rộng, đi từ mỗi điểm của vật được chụp, rơi vào (hình 7). Để con hổ trong ảnh hiện ra có sọc, cần để các vùng mà các tia đi từ những điểm gần nhất của các sọc kề nhau trên da hổ rơi vào không giao nhau. Muốn vậy, cần để phim cách lỗ một khoảng , lớn hơn .
Vì vậy
thì .
Suy ra . , vì vậy, bỏ qua so với 1 ở mẫu số của công thức, ta được cm. Kích thước của buồng phải lớn hơn 20 cm.
I. Sh. Slovodetsky
⟦trang 39⟧
Trong một vườn hoa nhỏ ở Krasnodar có một bồn hoa tròn nằm ở trung tâm của công viên vuông ABCD (hình 1). Hai người bạn — Vasya và Petya — đi học đúng qua công viên này. Có khi họ chọn đường AMC (đường đỏ), những ngày khác — đường ADC (đường xanh). Tuy vậy Vasya cho rằng đường thứ nhất ngắn hơn. Petya cho rằng đường thứ hai ngắn hơn, và đây là lý do: hình tròn mà họ phải đi vòng quanh có bán kính khá lớn. «Dĩ nhiên, — Petya nói, — nếu bán kính hình tròn không lớn hoặc nếu hoàn toàn không có bồn hoa, thì đường theo đường chéo AC rõ ràng sẽ ngắn hơn đường gấp khúc ADC (hình 2). Nhưng kích thước của hình tròn không nhỏ, và nếu giả sử rằng hình tròn được nội tiếp trong hình vuông, thì — Petya lập luận — ta sẽ có hình như ở hình 3». Bây giờ Vasya cũng tin rằng đường xanh ngắn hơn đường đỏ: theo con đường «xanh» cần đi luôn «thẳng», chỉ thực hiện một lần rẽ, còn theo con đường «đỏ» phải rẽ nhiều lần, đôi khi thậm chí như thể quay trở lại.
Hai người bạn quyết định giải tỏa nghi ngờ của mình như sau: từ điểm A họ đi theo những đường khác nhau: Vasya qua công viên theo đường đỏ, Petya — đi vòng — theo đường xanh. Họ đến gần điểm C gần như đồng thời. Cuộc tranh luận vẫn chưa được giải quyết. Khi đó họ đi trở lại (mỗi người theo đường của mình) đến điểm A. Lần này Petya đến sớm hơn Vasya. Và cuộc tranh luận được giải quyết dứt khoát có lợi cho Petya. Đúng là Vasya thấy rằng Petya đi nhanh hơn Vasya.
Về nhà, Vasya quyết định thực hiện các tính toán toán học, ký hiệu bán kính hình tròn là R, còn cạnh hình vuông là a.
— Lạ thật, — Vasya nghĩ, — đáp án của bài toán không phụ thuộc vào độ lớn bán kính hình tròn. Tuy nhiên, — cậu tiếp tục suy nghĩ, — cũng có thể không cần tính toán: bởi vì mọi đường bao quanh, như đã biết, dài hơn mọi đường được bao quanh có cùng hai đầu mút.
Vasya đã thực hiện những tính toán nào và cậu đã đi đến kết quả gì?
40
Ở ĐÂY — MẤT HAY TÌM THẤY?
V. A. Petrov
Hầu như mỗi bài thi viết môn toán đều có một phương trình nào đó. Khi giải nó, thí sinh không những phải thực hiện không sai các phép tính cần thiết để tìm đáp số, mà còn phải bảo đảm tính đúng đắn của các phép tính ấy. Cần biết phân tích từng phép biến đổi được đề nghị: liệu nó có dẫn đến một phương trình tương đương hay không, liệu nó có đe dọa làm mất hoặc xuất hiện nghiệm hay không.
Các vấn đề về chiến thuật “đấu tranh” với những nghiệm được tạo ra và với việc mất nghiệm đã được xem xét trong bài của A. G. Mordkovich “Người mất, người tìm thấy” (“Kvant” số 5, 1970)*). Bây giờ chúng tôi đề nghị bạn kiểm tra xem bạn đã nắm vững chiến thuật ấy đủ chắc chưa. Trước hết đưa ra các lời giải phương trình. Bạn cần phân tích các lời giải này và trả lời câu hỏi sau. Đáp số nhận được có đúng không? Nếu không, thì ở đây — mất nghiệm hay tạo ra nghiệm? Vì sao? Đáp số đúng là gì? Hãy so sánh những suy nghĩ của bạn với những điều của chúng tôi, được đăng ở trang 62.
- .
Lời giải. Dùng công thức
ta được
hay
phương trình này đã rất dễ giải.
Đáp số: và , trong đó
*) Chi tiết hơn, “chiến thuật” này được trình bày trong cuốn sách rất hữu ích cho thí sinh của G. V. Dorofeev, M. K. Potanov, N. Kh. Rozov “Sách trợ giúp toán học cho người dự thi vào đại học”, M., “Nauka”, 1970.
- .
Lời giải. Nhân cả hai vế của phương trình với sin và ba lần dùng công thức sin của góc gấp đôi, ta được phương trình đơn giản
Đáp số: và , trong đó — một số nguyên bất kỳ.
- .
Lời giải. Từ phương trình đã cho, ta được
().
41
Từ đây, theo định nghĩa của arccos , ta được .
Đáp số: .
- .
Lời giải. Tìm TXĐ:
suy ra . Theo định nghĩa của hàm logarit, ta có .
Vì cả hai giá trị đều thuộc TXĐ nên chúng là nghiệm của phương trình ban đầu.
- .
Lời giải. Lập phương hai vế của phương trình:
Biểu thức trong ngoặc là vế trái của phương trình ban đầu — có thể thay nó bằng vế phải. Sau đó phương trình được đưa về dạng
Đáp số: .
- Phương trình
có thể có vô số nghiệm không?
Lời giải. Chuyển sang vế phải và bình phương hai vế:
Sau khi thu gọn các hạng tử đồng dạng, ta được: . Khi và (và chỉ khi đó), phương trình trở thành một đồng nhất thức, đúng với mọi không âm.
Đáp số: phương trình có vô số nghiệm khi và . Các nghiệm trong trường hợp này là .
Lời giải. Nếu khi nâng lũy thừa một số dương-
42
Kỳ thi viết đầu vào môn toán tại khoa toán tính toán và điều khiển học của Đại học Tổng hợp Quốc gia Moskva năm 1970
Sh. A. Alimov, F. P. Vasiliev, V. P. Modenov
Trong hai thập kỷ gần đây, ý nghĩa của các ngành khoa học toán học trong hệ thống tri thức chung của nhân loại đã tăng lên vô cùng. Nguyên nhân chủ yếu của điều đó là sự phát triển của toán tính toán. Việc tạo ra các máy tính điện tử đã tạo nên một cuộc cách mạng thực sự không chỉ trong khả năng và phương pháp tính toán, mà cả trong chính tính chất của việc ứng dụng toán học. Đã trở nên rõ ràng rằng chất lượng và số lượng các máy toán học, việc ứng dụng chúng và các hệ thống điều khiển chúng là một bộ phận cấu thành không thể tách rời, quyết định trình độ khoa học-kỹ thuật của đất nước.
Liên quan đến điều đó đã nảy sinh nhu cầu đào tạo các nhà toán học thuộc chuyên ngành mới. Năm 1970, tại Đại học Tổng hợp Quốc gia Moskva mang tên M. V. Lomonosov đã mở một khoa mới — khoa toán tính toán và điều khiển học. Cũng trong năm đó đã tiến hành tuyển sinh lần đầu vào khoa này.
Trong kỳ thi viết môn toán, mỗi thí sinh được đề nghị một phương án gồm năm bài toán, để giải trong 4 giờ. Để đạt điểm đạt yêu cầu, cần giải được hơn hai bài toán. Điểm xuất sắc được cho khi giải đúng cả năm bài toán.
Hãy xét làm ví dụ một phương án điển hình, được կազմ thành từ các bài toán đã được đề nghị trong kỳ thi viết.
Phương án 0
-
Xác định mọi giá trị thực của , mà với mỗi giá trị đó phương trình
có nghiệm, và tìm tất cả các nghiệm đó. -
Giải phương trình
-
Từ thành phố đến thành phố , cách 240 km, một xe buýt xuất phát với vận tốc 40 km/h. Đồng thời với nó, từ đến , một ô tô xuất phát với vận tốc không đổi km/h. Nửa giờ sau khi gặp nhau, ô tô, chưa đến thành phố , quay lại và với vận tốc cũ đi về phía . Xác định mọi giá trị của sao cho ô tô đến sớm hơn xe buýt.
-
Trong tam giác , độ dài cạnh bằng trung bình cộng của độ dài các cạnh và . Góc bằng . Tìm các góc và , biết rằng . Khảo sát xem bài toán có nghiệm với những giá trị nào của góc .
-
Trong một hình nón tròn xoay đứng có đỉnh , góc giữa chiều cao và đường sinh bằng φ. Trên mặt phẳng đáy, ở ngoài hình nón, chọn hai điểm và sao cho các đường thẳng và vuông góc với nhau và tạo với chiều cao các góc tương ứng bằng và . Tính góc giữa các đường sinh theo đó mặt bên của hình nón cắt các tam giác và .
43
Giải bài tập
- Nhận thấy rằng với mọi . Khi đó, bằng phép đặt , phương trình được đưa về hệ:
hệ này có nghiệm khi . Do đó,
trong đó . Suy ra
().
Đa số những người nộp bài giải bài này đã làm được. Một số thí sinh giải sai phương trình (1), do nhầm rằng , và đã bỏ mất nghiệm tương ứng với phương trình . Một số thí sinh không chỉ ra tất cả các giá trị mà bài toán có nghiệm.
- Miền giá trị cho phép của ẩn số: . Viết lại phương trình dưới dạng
trong đó . Lần lượt xét các khoảng . Khi ta có
tức là phương trình (1) được thỏa mãn đồng nhất với mọi . Tiếp theo, ta thấy rằng phương trình (1) không có nghiệm khi và . Như vậy, phương trình (1) đúng với mọi . Suy ra , và xét đến miền xác định, ta được
Một số thí sinh, nhận thấy đồng nhất thức (2), đã viết rằng phương trình được thỏa mãn đồng nhất với mọi , không xét đến điều kiện .
- Gọi là thời gian chuyển động của người lái xe cho đến lần gặp đầu tiên với ô tô. Vì người lái xe và ô tô xuất phát đồng thời, nên có đẳng thức
(1)
Ô tô quay đầu sau kể từ khi rời thành phố và do đó trở lại sau . Sau lần gặp thứ nhất, xe buýt đã đi , mất cho quãng đường này. Như vậy, xe buýt cần cho toàn bộ quãng đường từ đến . Để ô tô đến sớm hơn xe buýt, phải có bất đẳng thức
(2)
Theo điều kiện, ô tô quay đầu khi chưa đến thành phố . Vì vào thời điểm gặp nhau lần thứ nhất nó cách một khoảng và trong nửa giờ đi được quãng đường , nên điều kiện này dẫn đến bất đẳng thức
(3)
Gộp (1), (2) và (3), ta được hệ:
Từ phương trình (1), ta tìm được và thế vào các bất đẳng thức (2) và (3). Giải đồng thời các bất đẳng thức thu được theo , ta tìm được .
Việc lập phương trình (1) và bất đẳng thức (2) được đa số thí sinh làm đúng, mặc dù một số em đã thay dấu < trong (2)
44
thành dấu ≤. Phần lớn sai sót là do điều kiện (3), vì nhiều thí sinh không hiểu sự cần thiết của yêu cầu này và chỉ giải hệ thu được từ (1) và (2).
- Theo điều kiện
(1)
Dùng định lý sin, ta tìm được
và thay vào (1). Ta được
Vì
(2)
nên và
(3)
Vì theo điều kiện và, ngoài ra, , nên
(4)
Nhận thấy rằng , từ các điều kiện (2), (3), (4), để xác định và ta có hệ:
(5)
Từ (5) suy ra
Do đó, với mọi giá trị mà tồn tại tam giác thỏa mãn mọi điều kiện của bài toán, các góc và được tính theo các công thức (6).
Khảo sát xem bài toán có nghiệm với những giá trị nào của . Từ (6) tất yếu suy ra
Vì , nên từ đó có và do đó .
Với các giá trị đã tìm được, các đại lượng và , được xác định theo các công thức (6), đều dương và có tổng bằng . Để chứng minh điều này, chỉ cần kiểm tra các điều kiện , hoặc và, như suy ra từ (6), .
Ta sẽ chỉ ra rằng hoặc, theo (5),
(7)
Vì cos trên đoạn giảm đơn điệu, còn các đại lượng và arccos thuộc đoạn này, nên khi tính cos của cả hai vế bất đẳng thức (7), ta có
Với bất đẳng thức này đúng.
Lặp lại lập luận của chúng ta theo thứ tự ngược lại, ta khẳng định được tính đúng đắn của bất đẳng thức .
Như vậy, đối với tam giác có các góc và thỏa mãn các điều kiện của bài toán, các giá trị của các góc và được tính theo các công thức (6), .
Nhiều thí sinh, sau khi nhận được hệ để xác định và , đã không giải được hệ đó, còn một số người viết đáp án dưới dạng (6), nhưng không khảo sát xem bài toán có nghiệm với những giá trị nào của . Một bộ phận thí sinh chỉ nêu trường hợp tam giác đều
- Gọi là góc cần tìm giữa các đường sinh và , theo đó mặt bên của hình nón cắt các tam giác và (xem hình):
45
Chỉ có ít thí sinh giải được bài này.
Nhận xét rằng các công thức (1) và (2) biểu thị mối quan hệ giữa góc nhị diện trong và các góc phẳng tại đỉnh của một góc tam diện. Trong trường hợp tổng quát, nếu và là các góc nhị diện trong đối diện với các góc phẳng tương ứng , và của góc tam diện, thì có các công thức:
được suy ra giống như công thức (1). Các công thức này có thể hữu ích khi giải nhiều bài toán hình học không gian.
Cuối cùng, chúng tôi đề nghị tự giải phương án sau đây, đã được đưa ra trong kỳ thi viết.
Phương án 1
-
Xác định tất cả các giá trị thực của , với mỗi giá trị đó phương trình có nghiệm, và tìm tất cả các nghiệm ấy.
-
Giải phương trình
-
Từ thành phố đến thành phố , cách 105 km, một xe buýt khởi hành với vận tốc không đổi km/h. Sau 30 phút, theo sau nó từ một ô tô khởi hành với vận tốc 40 km/h; đuổi kịp xe buýt trên đường, ô tô quay lại và chuyển động với vận tốc cũ. Hãy xác định tất cả các giá trị mà tại đó ô tô trở về muộn hơn xe buýt đến .
-
Trong tam giác , cạnh là đường kính của một nửa đường tròn có diện tích bằng diện tích tam giác . Góc bằng . Tìm các góc và , biết rằng . Khảo sát những giá trị nào của góc thì bài toán có nghiệm.
-
Trong một hình nón tròn xoay đứng có đỉnh , góc giữa các đường sinh và bằng , còn góc giữa các hình chiếu của chúng lên mặt phẳng đáy bằng . Tính góc giữa các đường phân giác của các góc và , trong đó điểm là tâm của đường tròn làm đáy của hình nón.
⟦trang 46⟧
KỲ THI VIẾT TUYỂN SINH MÔN TOÁN VÀO MFTI NĂM 1970
A. P. Savin, B. V. Fedosov
Các bài toán được đưa ra trong kỳ thi tuyển sinh môn toán tại Viện Vật lý-Kỹ thuật Moskva luôn thu hút sự chú ý của giáo viên và học sinh tốt nghiệp phổ thông, vì mức độ của các bài toán này cao hơn đôi chút so với ở nhiều trường đại học kỹ thuật.
Năm 1970, thành phần các bài toán trong kỳ thi viết tại MFTI có phần thay đổi. Thay vì bốn bài toán thường được đưa ra, năm 1970 đề thi gồm năm bài toán (thêm một bài toán dễ). Có lẽ bộ bài toán như vậy vẫn được giữ lại về sau.
Có thể làm quen với các bài toán của các kỳ thi tuyển sinh MFTI những năm trước qua tuyển tập «Các bài toán sơ cấp»*), đã được tái bản nhiều lần.
Cần lưu ý rằng độ khó của kỳ thi tuyển sinh môn toán tại MFTI thường bị đánh giá quá cao. Việc sau khi tổ chức tất cả các kỳ thi môn toán và vật lý (vấn đáp và viết) vẫn còn cạnh tranh vài người cho một chỗ nói lên điều đó.
Để có được hình dung thực tế về kỳ thi viết môn toán năm 1970, chúng ta sẽ phân tích chi tiết một trong các đề.
Đề 0
-
Một hành khách tàu điện ngầm đi xuống trên thang cuốn đang chuyển động trong 24 giây. Nếu hành khách đi với cùng vận tốc, nhưng trên thang cuốn đứng yên, thì người đó đi xuống trong 42 giây. Người đó sẽ đi xuống trong bao nhiêu giây nếu đứng yên trên một bậc của thang cuốn đang chuyển động?
-
Giải phương trình
tg 5x—2 tg 3x=tg 5x·tg² 3x. -
Trong tam giác ABC kẻ các đường cao AD và CE. Tìm AC, nếu BC=a, AB=b và DE/AC=k.
-
Trong tứ diện đều ABCD kẻ hai thiết diện, mỗi thiết diện song song với các cạnh AB và CD. Diện tích phần của mặt ABC nằm giữa các
mặt phẳng cắt lớn hơn diện tích phần của mặt ACD nằm giữa chính các mặt phẳng ấy là s cm². Diện tích một thiết diện lớn hơn diện tích thiết diện kia bao nhiêu?
- Tìm các nghiệm thực của hệ phương trình:
Phân tích các bài toán
- Ký hiệu là vận tốc của thang cuốn, là chiều dài của nó, và là vận tốc của hành khách. Khi đó điều kiện bài toán được viết dưới dạng các phương trình:
Biến đổi các phương trình này:
47
Từ hai phương trình cuối cùng, ta lập tức tìm được rằng
còn thời gian cần tìm bằng , tức là 56 giây.
“Điểm mấu chốt” của bài toán là từ hệ D trong các phương trình (1) và (2) với ba ẩn chỉ cần tìm tỉ số của hai ẩn và . Những thí sinh đã cố tìm cả , và dĩ nhiên không thể làm được điều đó.
- Biến đổi phương trình đã cho:
(1)
Trong phép biến đổi cuối cùng, ta đã chia cả hai vế của phương trình (1) cho . Khi đó ta có thể làm mất các nghiệm của phương trình (1) vốn là nghiệm của phương trình . Tiếp tục biến đổi phương trình ban đầu, ta được
suy ra
hoặc
Hãy kiểm tra xem chúng ta có làm mất nghiệm nào khi chia phương trình (1) cho hay không. Giả sử là nghiệm của phương trình
Khi đó, thay vào phương trình ban đầu , ta được
hay
, điều này là không thể. Vậy không có nghiệm nào bị mất.
Đáp số:
Hình 1. .
Những thí sinh đã cố biểu diễn và qua rồi giải phương trình thu được theo hiếm khi thành công do các phép biến đổi cồng kềnh và sự phức tạp của phương trình thu được.
- Ký hiệu là , khi đó từ tam giác vuông (hình 1)
và từ tam giác vuông
Từ tam giác , theo định lý cosin, ta tìm được độ dài đoạn thẳng :
(1)
Từ tam giác , cũng theo định lý cosin, ta tìm được độ dài đoạn thẳng :
(2)
Bây giờ, sử dụng quan hệ đã cho trong đề bài, từ các phương trình (1) và (2) ta được
Từ đó . Nghiệm tương ứng với trường hợp góc nhọn , còn — trường hợp góc . Còn phải thay các giá trị đã tìm được vào phương trình (2),
48
Hình 2. .
Để nhận được cả hai đáp số của bài toán này:
hoặc
.
Trong bài toán này, khó khăn chính là sự lựa chọn thích hợp ẩn số. Việc đưa góc làm ẩn số bổ sung cho một lời giải ngắn gọn và thanh nhã. Nếu dùng một yếu tố khác trong vai trò đó, chẳng hạn độ dài đoạn , thì thu được một hệ phương trình phức tạp hơn nhiều, mà lời giải của nó thường vượt quá sức học sinh.
Hình 3.
- Xét các đa giác thu được trong thiết diện (hình 2) của tứ diện bởi các mặt phẳng đã nêu. Không khó để chỉ ra rằng cả tứ giác EFGH lẫn tứ giác KLMN đều là hình chữ nhật. Trải hai mặt phẳng ABC và ACD theo góc nhị diện ra mặt phẳng (hình 3) và kí hiệu độ dài đoạn EF là , còn độ dài đoạn LM là . Vì cả hai tam giác ABC và ACD đều là tam giác đều, còn các cạnh của các hình chữ nhật EFGH và KLMN tương ứng song song với các cạnh AB và CD, nên đoạn KL trở thành phần kéo dài của đoạn LM, còn đoạn FG là phần kéo dài của đoạn EF. Nếu kí hiệu cạnh của tứ diện là , thì hiển nhiên , còn . Như dễ thấy, các hình thang EFLK và FGML có các đường cao bằng nhau. Hãy tìm chúng. Đường cao của hình thang EFLK bằng hiệu các đường cao của các tam giác đều EFC và KLC, do đó
Hãy tìm diện tích các hình thang đã nêu. Diện tích hình thang EFLK bằng
còn diện tích hình thang FGML bằng
Sử dụng điều kiện rằng hiệu các diện tích đã nêu bằng , ta được
hoặc
thay vào biểu thức tìm được cho nó, ta được
49
Trở lại các hình chữ nhật EFGH và KLMN. Diện tích của chúng lần lượt bằng và , còn hiệu các diện tích là
So sánh các biểu thức của và , ta có
Trong bài toán này, việc chọn các ẩn số khá tự nhiên. Phần khó nhất của lời giải là chuyển từ hình vẽ không gian 2 sang hình khai triển của hai mặt kề nhau trên mặt phẳng (hình 3); sau đó bài toán được giải không mấy khó khăn.
- Cộng phương trình thứ nhất và thứ ba với phương trình thứ hai nhân đôi. Ta được
Chia cho 2, ta thấy vế trái của phương trình là bình phương hoàn chỉnh của biểu thức , suy ra . (1)
Lấy phương trình thứ hai của hệ đã cho trừ phương trình thứ ba, ta được . Thay vào đó giá trị đã tìm được của (1) .
Sau khi khai triển ngoặc và thu gọn các hạng tử đồng dạng, phương trình có dạng . Biểu diễn qua :
Vậy hoặc , hoặc .
Xét trường hợp thứ nhất: . Từ phương trình (1) ta được . Khi đó từ phương trình thứ ba của hệ ban đầu suy ra .
Từ đây tìm được hai giá trị của : hoặc .
Như vậy, trong trường hợp thứ nhất ta được hai nghiệm:
Xét trường hợp thứ hai: . Từ chính phương trình (1) suy ra . Thay giá trị này của vào phương trình thứ ba của hệ ban đầu, ta được . Vậy trong trường hợp thứ hai không có nghiệm thực.
Còn phải kiểm tra rằng các nghiệm tìm được trong trường hợp thứ nhất thỏa mãn các phương trình của hệ ban đầu. Điều này là đúng. Như vậy, đã tìm được hai nghiệm thực của hệ đã cho.
Khó khăn chính của bài toán này là biến đổi các phương trình của hệ đã cho thành một hệ đơn giản hơn. Những thí sinh cố giải bài toán này một cách trực tiếp bằng phương pháp khử ẩn đã gặp những khó khăn không thể vượt qua. Lưu ý rằng hệ đã cho có thể được đưa về những hệ khác, khác với các hệ chúng tôi đã xét, nhưng cũng cho phép một lời giải không phức tạp.
Theo những số liệu chúng tôi có, hầu như tất cả thí sinh đã giải được ít nhất một bài. Đại đa số (khoảng 95%) — không ít hơn hai bài, hơn một nửa số thí sinh — không ít hơn ba bài, một phần ba — không ít hơn bốn bài.
Chúng tôi đưa ra một đề để tự giải.
-
Giải phương trình
-
Tìm chiều cao của hình thang cân, nếu các đường chéo của nó vuông góc với nhau, còn diện tích hình thang bằng .
-
Trong Δ ABC, góc ngoài tại đỉnh gấp ba lần , còn các cạnh (theo thứ tự đã nêu) lập thành một cấp số cộng. Tìm các góc của tam giác.
-
Giải hệ phương trình.
- Đáy của hình chóp tam giác là tam giác đều . Mỗi góc phẳng và bằng , còn . Qua đỉnh dựng một thiết diện vuông góc với cạnh . Tìm góc nhị diện giữa mặt phẳng đáy và mặt phẳng thiết diện. (Tìm tất cả các nghiệm.)
50
Những bài toán thuộc loại này thường được ra trong các kỳ thi tuyển sinh vào các trường đại học, và người dự thi nên làm quen với một số phương pháp giải chúng.
Vài lời về các định luật ấy Có thể phát biểu chúng theo nhiều cách khác nhau, và không phải đó là điều cốt yếu trong trường hợp này. Điều chính là hiểu nội dung vật lí của chúng. Hãy nhắc lại những điều cơ bản nhất.
Định luật thứ nhất của Newton khẳng định rằng một vật không có gia tốc (đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều), nếu không có lực nào tác dụng lên nó hoặc tổng tác dụng của các lực bằng không. Nói cách khác, gia tốc và vận tốc không đổi, nếu .
Ý nghĩa vectơ của định luật là quan trọng. Chính tổng vectơ của các lực phải bằng không (hình 1), chính vectơ vận tốc trong trường hợp này vẫn không đổi: vận tốc không đổi về độ lớn và hướng.
Nếu hợp lực của tất cả các lực tác dụng lên vật khác không, thì tất yếu xuất hiện gia tốc tỉ lệ thuận với hợp lực ấy và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật .
Đó đã là định luật thứ hai của Newton. Và ở đây nữa, tính chất vectơ của nó rất quan trọng: đẳng thức vectơ có nghĩa là gia tốc tổng cộng không những tỉ lệ thuận với hợp lực của các lực tác dụng lên vật, mà còn cùng hướng với nó. Dĩ nhiên, cũng có thể coi như sau: mỗi lực gây ra gia tốc riêng của nó, cùng hướng với lực đó, còn gia tốc chung bằng tổng vectơ của các gia tốc ấy (hình 2).
Cần nhớ rằng gia tốc cùng hướng với lực, chứ không phải vận tốc; vận tốc nói chung có thể hướng theo một góc bất kì, tùy thuộc vào vật đã chuyển động như thế nào trước đó. Chẳng hạn, khi một hòn đá được ném hợp với phương ngang một góc, vận tốc của nó liên tục thay đổi độ lớn và hướng, trong khi lực gây ra những thay đổi này
51
coi lực trọng trường và gia tốc rơi tự do thực tế không đổi (hình 3).
Định luật thứ ba khẳng định rằng mọi lực trong cơ học đều là lực tương tác giữa các vật, bằng nhau về độ lớn, ngược chiều nhau và tác dụng lên các vật khác nhau (hình 4). Điều cuối cùng này đôi khi bị quên khi chẳng hạn khẳng định rằng một vật đứng trên mặt đất được cân bằng, theo định luật thứ ba Newton, bởi các lực tác dụng lên nó: lực trọng trường và lực phản lực của giá đỡ (hình 5). Thực ra sự bằng nhau của các lực này không liên quan gì đến định luật thứ ba Newton và, như chúng ta sẽ sớm thấy, thậm chí có thể hoàn toàn không được thỏa mãn.
Tuy nhiên, mỗi lực trong số này, theo định luật thứ ba Newton, đều có «cặp» của mình, bằng nhau về độ lớn, ngược chiều và tác dụng lên một vật khác, trong trường hợp của chúng ta — lên mặt đất: lực phản lực của giá đỡ — lực ép của vật lên mặt đất lực hút của vật đối với mặt đất — lực , hút mặt đất về phía vật (hình 6).
Bây giờ hãy xét cách giải bài toán. Các định luật Newton thường được dùng để tính lực và gia tốc. Để giải các bài toán này (cũng như bất kỳ bài toán nào khác), không có phương pháp giải vạn năng, chỉ cần hiểu rõ các định luật được áp dụng, phân tích đúng hệ vật lý của các quá trình được nói đến trong bài toán, và biết những hướng tiếp cận chung nhất để giải nó. Chẳng hạn, có thể đề nghị trình tự hành động sau đây, dĩ nhiên hoàn toàn không bắt buộc:
thứ nhất — biểu diễn trên sơ đồ các vật chuyển động và các lực tác dụng lên chúng;
thứ hai — xác định hướng và tính chất của chuyển động (đôi khi, quả thật, chỉ có thể làm được điều này ở cuối);
thứ ba — chọn cho chuyển động của mỗi vật hai trục (thường theo hướng chuyển động dự kiến và vuông góc với nó) và phân tích theo các trục này (chiếu lên chúng) các lực tác dụng lên vật;
thứ tư — viết định luật thứ hai Newton cho mỗi vật, riêng cho từng trục. Khi đó các hình chiếu của lực và gia tốc
52
trên trục được coi là dương nếu hướng của chúng trùng với chiều dương của trục, và là âm nếu chúng hướng ngược lại (hình 7);
thứ năm — giải các phương trình đã lập, tìm các ẩn số.
Xét vài ví dụ.
- Tìm lực căng của các dây và gia tốc của các vật trong hệ được chỉ ra ở hình 8. Coi dây không dãn, không tính lực cản, khối lượng của ròng rọc và dây.
Trước hết, hãy xét những lực nào tác dụng lên mỗi vật. Thứ nhất, đó là trọng lực . Nếu lấy , thì .
Thứ hai, lên mỗi vật tác dụng lực căng của các dây: — lên vật thứ nhất và thứ hai, còn — lên vật thứ hai và thứ ba.
Nhân đây, lưu ý rằng lực là như nhau đối với vật thứ nhất và thứ hai chỉ khi có thể bỏ qua khối lượng của ròng rọc và dây. Nếu khối lượng của dây không nhỏ, thì gia tốc của mỗi đoạn dây sẽ do hiệu các lực căng dây tạo ra. Vì vậy các lực căng dây tác dụng lên các vật khác nhau không thể bằng nhau.
Tương tự đối với ròng rọc: nói chính xác, chỉ có thể làm nó chuyển động nếu một phía của dây bị kéo mạnh hơn phía kia.
Biểu diễn trên sơ đồ các lực tác dụng lên các vật (hình 9), ta thử xác định chiều và tính chất chuyển động.
Phần bên phải của hệ nặng hơn, vì vậy các vật và sẽ đi xuống, còn vật — đi lên. Chuyển động sẽ nhanh dần đều với gia tốc như nhau đối với mọi vật, bởi vì sự trội hơn về trọng lượng của phần bên phải, khi không có lực cản và dây không dãn, tương đương với tác dụng lên toàn hệ của một hợp lực không đổi, mà theo định luật II Newton phải gây ra gia tốc không đổi.
Ta cũng có thể đánh giá tương quan độ lớn của các lực căng. Chẳng hạn, rõ ràng , bởi vì đối với vật thứ nhất gia tốc, do đó cả hợp lực, phải hướng lên trên. Tương tự , còn (hình 9).
Việc chọn trục là rõ ràng: đối với vật thứ nhất tiện hướng một trục lên trên, đối với vật thứ hai và thứ ba — xuống dưới (theo chiều chuyển động). Còn trục thứ hai (vuông góc), thì trong trường hợp này
53
trong bài toán, nó đơn giản không cần thiết: không một lực nào được chiếu lên nó — tất cả chúng đều hướng либо lên trên, либо xuống dưới và vì thế chỉ được chiếu hoàn toàn lên trục thứ nhất.
Bây giờ có thể dễ dàng viết phương trình chuyển động (phương trình của định luật II Newton) cho từng nhóm trong ba nhóm:
Ta đã nhận được ba phương trình, từ đó không khó tìm ba ẩn số ( và ).
Thay, chẳng hạn, và từ (1) và (3) vào (2), ta được
Thay kết quả này vào các phương trình (1) và (3), ta tìm được
Dĩ nhiên, các trục cũng có thể được chọn theo cách khác, chẳng hạn đối với vật thứ nhất không hướng lên trên mà hướng xuống dưới. Khi đó thay vì ta sẽ viết , điều đó hoàn toàn không ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng.
- Tìm gia tốc, áp lực của vật lên mặt phẳng nghiêng và lực ma sát (hình 10). Hệ số ma sát . Lực hướng thẳng đứng lên trên.
Có bốn lực tác dụng lên vật: lực — hướng lên, trọng lực — hướng xuống, phản lực của mặt đỡ — vuông góc với mặt phẳng nghiêng và lực ma sát , mà chỉ có thể biết hướng của nó sau khi xác định hướng chuyển động của vật. Trong những trường hợp như vậy, thường ước lượng xem vật sẽ chuyển động về đâu nếu không có ma sát dưới tác dụng của tất cả các lực còn lại, trong trường hợp của chúng ta — dưới tác dụng của các lực và (hình 11a). Rõ ràng lực ma sát không thể thay đổi hướng chuyển động, mà chỉ có thể làm giảm tốc độ của nó hoặc thậm chí hãm vật hoàn toàn.
Có thể cho rằng vật sẽ trượt dọc theo mặt phẳng nghiêng lên trên hoặc xuống dưới. Để chọn hướng chuyển động, ta chọn hai trục: trục hướng dọc theo mặt phẳng nghiêng, trục — vuông góc với nó (hình 11b). Phân tích theo các trục này các lực và ), ta thấy—
*) Nhân tiện lưu ý rằng, khi phân tích một lực theo các trục, cần nhớ rằng nó đã được thay bằng các lực khác, vì vậy có thể gạch nó đi trên hình để không lại xét nó như một lực đang tác dụng. Hoặc vẽ một hình mới chỉ với các lực «đã phân tích»
54
thấy rằng trên mặt phẳng vật chỉ có thể chuyển động xuống dưới, vì trong hai lực tác dụng dọc theo nó, lớn hơn . Do đó lực ma sát chỉ có thể hướng lên trên mặt phẳng nghiêng.
Tuy nhiên, trong ví dụ của chúng ta phải thừa nhận thêm một khả năng nữa: lực có thể lớn đến mức vật hoàn toàn không trượt trên mặt phẳng mà tách khỏi nó. Nhưng khi so sánh lực «ép» và lực ta thấy lực thứ nhất lớn hơn lực thứ hai, vì vậy vật không thể tách khỏi mặt phẳng.
Cần nói rằng hiệu của các lực này cho lực cần tìm là lực ép của vật lên mặt phẳng và phản lực tựa bằng nó về độ lớn.
Bây giờ viết định luật II Newton, nhớ rằng các lực hướng ngược với chiều dương của trục được coi là âm. Đối với trục ta được.
(1)
(trong phương này không có gia tốc, nên tổng các lực bằng không). Còn đối với trục ta được:
(2)
Trong các bài toán kiểu này đôi khi người ta mắc sai lầm khi xác định độ lớn của lực ma sát. Quen với các bài toán về các vật chuyển động theo phương ngang, người ta thường không suy nghĩ lâu mà tính lực ma sát bằng tích của hệ số ma sát với trọng lượng của vật.
Thực ra , trong đó là lực ép pháp tuyến (phản lực tựa), tức là lực tác dụng lên vật vuông góc với mặt phẳng trượt (hoặc lực ép của vật lên mặt phẳng bằng nó về độ lớn và ngược chiều).
Trong bài toán của chúng ta cần tính đến cả góc nghiêng của mặt phẳng lẫn lực , lực này làm giảm đôi chút lực ép pháp tuyến:
Bây giờ từ phương trình (2) dễ dàng tìm được gia tốc của vật:
- Trong tên lửa có lắp một cái cân lò xo, trên đó đặt một khối gỗ. Trước khi cất cánh, cân chỉ 10 . Trong khi bay, lúc đầu cân chỉ 30 , sau đó 10 , 5 , 0 . Có thể nói gì về gia tốc và hướng chuyển động của tên lửa ở những thời điểm này?
Trước hết hãy xét các lực.
Có hai lực tác dụng lên khối gỗ: trọng lực và phản lực của giá đỡ (hình 12). Khi tên lửa không có gia tốc theo phương thẳng đứng (chẳng hạn, trước khi cất cánh), hai lực này bằng nhau. Trong trường hợp của chúng ta, .
Nếu tên lửa (và do đó cả khối gỗ) chuyển động có gia tốc, chẳng hạn, hướng lên trên, thì hợp lực của các lực này phải hướng lên trên (). Nếu gia tốc hướng xuống dưới thì .
Vậy cân chỉ gì? Dĩ nhiên không phải trọng lực, như đôi khi người ta nghĩ. Cân ghi nhận lực mà khối gỗ ép lên chúng. Lực này tác dụng lên cân và, theo định luật III Newton, có độ lớn bằng và ngược hướng với phản lực của giá đỡ tác dụng lên khối gỗ
55
Từ điều kiện của bài toán thấy rằng lực phản ứng của giá đỡ và lực ép lên giá đỡ bằng nó về độ lớn, hay trọng lượng, thay đổi trong quá trình bay và, nói chung, không bằng lực hấp dẫn , mà về thực tế có thể coi là không đổi (nếu bỏ qua sự thay đổi của nó theo độ cao). Viết định luật II Newton cho chuyển động dọc theo trục hướng, hướng lên trên:
Thay vào đây , , , ta được: . Gia tốc dương và do đó hướng lên trên.
Với ta có , với , với . Trong hai trường hợp cuối, gia tốc âm, nghĩa là nó hướng xuống, hoặc trong phương trình của chúng ta ta đã coi và cùng hướng (cả hai đều dương).
Về hướng chuyển động, ở đây cần tránh những kết luận vội vàng. Chẳng hạn, sai khi khẳng định rằng tên lửa lúc đầu chuyển động lên trên (), sau đó dừng lại (), bắt đầu chuyển động nhanh dần xuống dưới () và cuối cùng chuyển sang rơi tự do (). Thực ra tên lửa cũng có thể chuyển động khác đi, chẳng hạn luôn luôn đi lên: nhanh dần (), với vận tốc không đổi (), chậm dần (). Gia tốc bằng gia tốc rơi tự do chỉ có nghĩa là hợp lực của tất cả các lực tác dụng lên tên lửa bằng trọng lực; còn tên lửa khi đó vẫn có thể chuyển động lên trên — với động cơ tắt, nếu không kể đến lực cản, hoặc khi động cơ hoạt động sao cho các lực này hoàn toàn cân bằng trọng lực. Mọi vật ở trong tên lửa trong trường hợp này sẽ ở trạng thái không trọng lượng, tức là áp lực của chúng lên giá đỡ và phản lực của giá đỡ đều bằng không.
Toàn bộ vấn đề là ở chỗ chúng ta chỉ tìm được gia tốc, chứ không tìm được vận tốc và hướng chuyển động, mà về chúng, đáng tiếc, theo điều kiện bài toán của chúng ta không thể nói gì.
- Một quả cầu khối lượng , treo trên sợi dây dài , được kéo sang bên đến vị trí nằm ngang rồi thả ra (hình 13). Xác định lực căng của dây và gia tốc của quả cầu khi dây hợp với phương ngang một góc . Tìm quy luật biến thiên của lực căng dây, vận tốc và gia tốc của quả cầu theo góc . Bỏ qua các lực cản.
Để giải, ta dùng cùng phương pháp như trước: đặt các lực lên hình vẽ, ước lượng hướng và tính chất có thể có của chuyển động, chọn các trục và phân tích lực theo chúng, rồi viết phương trình chuyển động.
Có hai lực tác dụng lên quả cầu: trọng lực và lực căng dây (hình 14). Quả cầu sẽ chuyển động, hiển nhiên, theo một cung tròn bán kính .
Một trong các trục hướng theo tiếp tuyến với quỹ đạo, trục thứ hai vuông góc với nó — theo bán kính. Phân tích các lực theo chúng, ta thấy rằng dọc theo trục tác dụng lực , dọc theo trục — các lực và .
Lực gây ra gia tốc gọi là gia tốc tiếp tuyến, hay gia tốc theo tiếp tuyến, , làm thay đổi độ lớn của vận tốc.
56
là vectơ, có hướng giống như theo tiếp tuyến với quỹ đạo chuyển động của viên bi (hình 15).
Hợp lực của các lực , truyền cho viên bi gia tốc hướng tâm (pháp tuyến), làm thay đổi hướng của vận tốc (hình 16.).
Viết định luật thứ hai Newton, đối với chuyển động dọc theo các trục và ta được:
Từ phương trình (1) lập tức tìm được gia tốc tiếp tuyến và quy luật biến thiên của nó:
Gia tốc hướng tâm, xuất hiện trong mọi chuyển động cong, cũng là một vectơ. Nó luôn hướng vào phía trong quỹ đạo theo bán kính và được gây ra bởi tổng đại số các hình chiếu xuyên tâm của tất cả các lực tác dụng lên vật. Độ lớn của gia tốc hướng tâm, như đã biết, được tính theo công thức . đã biết, còn vận tốc tìm được bằng cách viết định luật bảo toàn năng lượng:
trong đó (hình 17). Từ đó và . Vận tốc và gia tốc hướng tâm bằng không ở vị trí trên cùng () và đạt cực đại ở vị trí dưới cùng (, ).
Ngược lại, gia tốc tiếp tuyến có giá trị lớn nhất khi bắt đầu chuyển động ở phía trên () và bằng không khi sợi dây thẳng đứng
⟦trang 57⟧
(với ). Sau khi viên bi đi qua điểm thấp nhất của quỹ đạo, trở thành âm (với ). Nó hướng ngược với vận tốc (hình 18) và làm giảm vận tốc đó (điều này, nhân tiện, cũng rõ từ định luật bảo toàn năng lượng — trong công thức (3) triệt tiêu).
Ta đã tìm được độ lớn của vận tốc, gia tốc tiếp tuyến và gia tốc hướng tâm đối với một góc tùy ý , cũng như quy luật biến thiên của chúng khi góc này thay đổi. Hướng của chúng tại mọi thời điểm cũng đã biết ( và — theo tiếp tuyến, — theo bán kính). Bây giờ còn có thể xác định gia tốc toàn phần, bằng tổng vectơ của gia tốc tiếp tuyến và gia tốc hướng tâm () (hình 19).
Lực căng của sợi dây và quy luật biến thiên của nó theo góc không khó tìm từ phương trình (2): .
Thay vào đây giá trị đã tìm được của , ta được , hay .
Lực căng của sợi dây là lớn nhất khi viên bi đi qua vị trí thấp nhất (sin có giá trị lớn nhất, bằng 1).
Hãy tự giải các bài toán sau.
-
Xét ví dụ 2 trong trường hợp lực hướng không lên trên mà tạo với mặt phẳng nghiêng một góc (hình 20) và có độ lớn: , , (tính toán được tiến hành cho cả ba trường hợp).
-
Tiếp tục giải ví dụ 4, xác định khi quả cầu chuyển động thì hướng của hợp lực các lực tác dụng lên quả cầu và của gia tốc toàn phần thay đổi như thế nào.
-
Tìm lực căng dây, gia tốc và lực ma sát của vật với mặt phẳng nghiêng (hình 21) khi hệ số ma sát và khi . Coi dây không dãn, bỏ qua khối lượng của ròng rọc và dây.
-
Giải bài toán tương tự bài thứ ba, nhưng với những thay đổi sau: thay cho vật là hai vật và , nối với nhau bằng dây (hình 22); hệ số ma sát của vật thứ hai , của vật thứ ba . Cần xác định thêm lực căng của dây giữa vật thứ hai và vật thứ ba.
Hình 20
Hình 21
Hình 22
58
Trường kỹ thuật toán học Moskva…
Toán học cần thiết ở mọi nơi. Nó cần thiết trong các nghiên cứu khoa học tự nhiên, các tính toán kỹ thuật, các loại hệ thống quản lý nền kinh tế quốc dân khác nhau.
Cần có các nhà toán học, có khả năng giải những bài toán liên quan đến việc áp dụng các phương pháp toán học và kỹ thuật tính toán trong các lĩnh vực khác nhau của khoa học và hoạt động của con người. Những nhà toán học như vậy được gọi là chuyên gia về toán học ứng dụng.
Là chuyên gia về toán học ứng dụng khó, nhưng thú vị và cuốn hút. Trước hết, họ phải biết áp dụng cái gì (các khoa học toán học đại cương), thứ hai, áp dụng như thế nào (các khoa học toán học chuyên ngành), và thứ ba, áp dụng vào đâu (những vấn đề cụ thể của khoa học và hoạt động của con người).
Những chuyên gia như vậy được đào tạo tại Trường kỹ thuật toán học Moskva thuộc Bộ Công nghiệp, Phương tiện Tự động hóa và Hệ thống Điều khiển Liên Xô *).
Trường kỹ thuật toán học Moskva (MMT) tồn tại từ năm 1967 và đã có hai khóa tốt nghiệp trên cơ sở trường 10 năm và một khóa tốt nghiệp trên cơ sở trường 8 năm.
Thời hạn học tại MMT đối với những người đã tốt nghiệp 8 lớp trường phổ thông là 2 năm 10 tháng, còn đối với những người đã tốt nghiệp 10 lớp là 1 năm 10 tháng. Người tốt nghiệp nhận được trình độ chuyên môn “kỹ thuật viên tính toán-toán học” theo chuyên ngành “Toán học ứng dụng”.
Họ được chuẩn bị để làm việc tại các trung tâm tính toán và nghiên cứu khoa học, các phòng ban và phòng thí nghiệm, các viện thiết kế và phòng thiết kế, tại các xí nghiệp.
Trong công việc của mình, kỹ thuật viên tính toán-toán học xây dựng các thuật toán giải bài toán trên các máy tính điện tử, tạo ra và sử dụng các chương trình giải bài toán, thực hiện lời giải trên máy và phân tích kết quả thu được. Vì vậy họ phải có trình độ văn hóa toán học cao. Để đạt được điều đó, tại MMT người ta học cả các môn toán học đại cương (đại số, hình học, giải tích toán học, đại số tuyến tính và hình học giải tích, lôgic toán học, lý thuyết xác suất), lẫn các môn toán học chuyên ngành (quy hoạch tuyến tính và phi tuyến, toán học tính toán, lập trình và các ngôn ngữ thuật toán, nghiên cứu tác nghiệp, áp dụng các phương pháp toán học trong nghiên cứu khoa học tự nhiên, trong hệ thống tự động hóa và điều khiển, trong việc giải các bài toán kinh tế). Những người vào học sau lớp 8 cũng nhận được giáo dục phổ thông trung học.
Để vào MMT sau khi tốt nghiệp lớp 8 hoặc lớp 10, chỉ cần thi vấn đáp môn toán và thi viết môn văn học.
Mỗi đề thi môn toán bao gồm cả những câu hỏi lý thuyết lẫn một số bài tập. Khi trả lời câu hỏi, người dự thi phải trình bày rõ ràng và đúng đắn về mặt toán học. Khi giải bài toán, cần biết chứng minh cẩn thận từng bước của lời giải, đưa ra mọi dẫn chiếu cần thiết đến các định nghĩa, tiên đề và định lý tương ứng.
59
Trong kỳ thi cũng có các câu hỏi bổ sung về lý thuyết và việc áp dụng lý thuyết để giải bài tập, nội dung của các vé thi và câu hỏi bổ sung không vượt ra ngoài phạm vi chương trình phổ thông.
Chúng tôi đưa ra các mẫu đề thi năm 1970
Đề dành cho học sinh đã học xong 8 lớp
- Khai căn bậc hai của một tích.
- Sin, cos và tangent của một góc và các giá trị của chúng đối với góc 60°.
3 a) Thực hiện các phép tính:
0,01
- Giải hệ phương trình:
в) Trong một hình thang cân, các đáy bằng cm và cm. Các đường chéo vuông góc với nhau. Tìm diện tích hình thang.
Đề dành cho học sinh đã học xong 10 lớp
- Hàm số mũ, các tính chất và đồ thị của nó.
- Dấu hiệu song song của đường thẳng và mặt phẳng.
3 a) Rút gọn:
- Giải bất phương trình:
в) Tìm giá trị , nếu , và .
Chỉ còn báo cho các bạn địa chỉ của MMT: Moskva, E-43, phố Nizhnyaya Pervomayskaya, số 14 (hiện chưa có cơ sở công cộng tại trường kỹ thuật).
A. G. Terushkin
Về ghi chú “Kvant”
dành cho học sinh nhỏ tuổi
(xem “Kvant” số 4, năm 1971, trang bìa thứ 3)
-
Nhận xét rằng sau mỗi lần bẻ, chúng ta tăng số miếng lên một. Tổng số miếng là . Trước khi bẻ ta có một miếng, sau lần bẻ thứ nhất có hai miếng, sau lần bẻ thứ hai có ba miếng, …, sau lần bẻ thứ 31 có 32 miếng. Như vậy, dù bẻ thanh sôcôla theo thứ tự nào, ta vẫn luôn phải bẻ nó đúng 31 lần.
-
Mật mã gồm điều sau: các nguyên âm cứng được thay bằng các nguyên âm mềm tương ứng, còn các nguyên âm mềm bằng các nguyên âm cứng ( thành , thành và . v. v.); tương tự, các phụ âm hữu thanh được thay bằng các phụ âm vô thanh, còn các phụ âm vô thanh bằng các phụ âm hữu thanh tương ứng ( thành , thành , thành và . v. v.); ngoài ra, đã hoán đổi các phụ âm rít và xát (, ) và các dấu .
Đáp án:
Tanya của chúng ta khóc to,
Đánh rơi quả bóng vào bếp lò.
Yên nào, Tanya, đừng khóc,
Quả bóng sẽ không chìm trong bếp lò.
- Cách làm cần tìm được thể hiện ở hình 1.
- 7 375 428 413:125 473=58 781.
- Cách sắp xếp mới của các que diêm được thể hiện ở hình 2.
60
Về bài «Đồ thị thế năng»
Bài tập 1
Như chỉ ra trên hình 1, khi chuyển động có thể xảy ra trong hai miền và ; nếu , thì miền chuyển động chỉ có một — .
Bài tập 2
Khi dịch chuyển vật sang phải khỏi vị trí cân bằng (điểm trên hình 13), tang của góc nghiêng của tiếp tuyến với đồ thị thế năng trở thành âm, tức là lực dương và đưa vật ra khỏi vị trí cân bằng. Điểm được gọi là điểm uốn; như vậy ta đã chứng minh rằng cân bằng tại điểm uốn là không bền. Các vị trí cân bằng cũng là các điểm , và các đoạn và . Điểm và toàn bộ đoạn tương ứng với cân bằng phiếm định. Nếu dịch chuyển vật từ bất kỳ điểm nào trên đường thế năng , thì nó vẫn ở trạng thái cân bằng tại vị trí mới. Tình huống tương tự xảy ra trên đoạn , trừ chính điểm . Cân bằng tại điểm là không bền; để thấy điều đó, chỉ cần dịch vật hơi sang phải; tang của góc nghiêng trở thành âm, tức là lực dương, nghĩa là hướng ra xa vị trí cân bằng (chiếc xe trượt lăn từ xuống dưới). Đồ thị sự phụ thuộc của lực vào tọa độ được cho trên hình 2.
Bài tập 3
Việc thay đổi thế năng một lượng không đổi trên đồ thị tương ứng với sự dịch chuyển trục hoành lên trên hoặc xuống dưới (tùy theo dấu của ) so với trục tung. Khi đó, rất/no, góc nghiêng của tiếp tuyến đối với trục «mới» trùng với góc nghiêng đối với trục «cũ». Vì lực có độ lớn bằng tang của góc này, nên nó cũng không thay đổi khi thực hiện phép biến đổi thế năng như vậy.
Bài tập 4
Có hai lực tác dụng lên một khối lập phương nổi trong chất lỏng: trọng lực và lực đẩy. Chừng nào độ sâu chìm của khối lập phương thỏa mãn điều kiện , hợp lực bằng .
Đặt , trong đó .
Khi đó , nếu . Sau khi khối lập phương chìm hoàn toàn trong chất lỏng (), bất kể độ sâu, một lực không đổi tác dụng lên nó; tương tự, một lực đẩy không đổi tác dụng lên khối lập phương không chìm trong chất lỏng. Do đó, sự phụ thuộc của lực vào tọa độ có dạng như trên hình 3. Đúng như dự đoán, là vị trí cân bằng. Không khó kiểm tra bằng cách tính trực tiếp diện tích rằng
khi , và
khi .
Đồ thị thế năng được biểu diễn trên hình 4. Hằng số được chọn sao cho . Rõ ràng là vị trí cân bằng không tồn tại.
61
Về bài viết
«Các lưỡi liềm Hippocrates»
Bài tập 2c. Xét tam giác BFC. Thực hiện các dựng hình phụ — các đoạn thẳng BD, DC và FD (xem hình 8e, trong bài viết).
Dễ thấy rằng các đường thẳng BF và DC song song. Do đó diện tích các tam giác BFC và BFD bằng nhau. Còn lại là tính tỉ số diện tích hình tròn có đường tròn đi qua các điểm B, F và D với diện tích tam giác BFD.
Về bài viết «Vật lí giúp hình học»
-
Đặt tại các đỉnh của tứ diện những điểm vật chất có khối lượng bằng nhau và tìm trọng tâm của hệ thu được.
-
AL:LB=1:2. (Đặt tại đỉnh A một điểm có khối lượng 2m, tại đỉnh B và tại đỉnh C — các điểm có khối lượng m.)
-
Đặt tại đỉnh A một điểm có khối lượng m, tại đỉnh B — một điểm có khối lượng 4m và tại đỉnh C — một điểm có khối lượng 2m, ta chứng minh được rằng B’L = 1/7 AL và, do đó, diện tích BB’L bằng 1/7 diện tích ABL, tức là 1/21 diện tích ABC. Lặp lại lập luận này đối với hai tam giác gạch bóng còn lại, ta thấy rằng diện tích ba tam giác gạch bóng bằng 1/7 diện tích tam giác ABC.
Về ghi chú «Làm quen đầu tiên với các nomogram»
- Parabol y=ax² thu được từ parabol y=x² bằng phép kéo giãn theo trục Ox với hệ số . Khi đó các đường thẳng chuyển thành các đường thẳng cắt trục tung tại cùng một điểm (xem hình 1). Vì vậy các vạch p có thể đặt ở cùng độ cao như trước, tức là tại các điểm có tung độ p² và hoành độ tương ứng
- Chứng minh nomogram cho parabol y=x².
Giả sử rằng ta muốn biết m×n bằng bao nhiêu. Để làm điều đó, ta nối điểm A, có tọa độ (-m, m²) (hình 2),
62
với điểm , có tọa độ . Để xác định, giả sử . Hạ từ các điểm và các đường vuông góc xuống trục hoành và kẻ qua điểm một đường thẳng song song với trục này. Rõ ràng , do đó . Các tam giác và đồng dạng, và hệ số đồng dạng bằng
Do đó,
Suy ra
Trường hợp được xét tương tự. Trường hợp là hiển nhiên.
Cơ sở giải tích của đồ thị tính cho parabol . Đường thẳng đi qua các điểm và được xác định bởi phương trình (khi )
Nó cắt trục tung tại điểm
Về bài “Ở đây — mất hay tìm được gì?”
- Đáp án chứa các nghiệm ngoại lai, chẳng hạn ; một số nghiệm bị mất, chẳng hạn . Tất cả đều là kết quả của phép biến đổi sai biểu thức . Theo định nghĩa của căn số học,
Đáp án đúng: và .
- Đáp án chứa các nghiệm ngoại lai. Chúng xuất hiện do nhân tất cả các vế của phương trình với hàm . Nghiệm của phương trình hiển nhiên còn là những mà tại đó , trong khi đối với phương trình ban đầu những như vậy không phải là nghiệm (hãy kiểm tra). Nhân với một hàm cũng có thể dẫn đến mất nghiệm, vì điều đó có thể dẫn đến thu hẹp ĐKXĐ (hãy nêu ví dụ!). Trong ví dụ này điều đó không xảy ra, vì hàm được xác định ở mọi nơi.
Đáp án đúng: , trong đó — bất kỳ số lẻ nào không chia hết cho 9, và , trong đó — bất kỳ số lẻ nào không chia hết cho 7.
-
Nghiệm tìm được là nghiệm ngoại lai. Không đúng khi sử dụng arccos của số , nếu và số thỏa mãn bất đẳng thức: . Trong ví dụ này và với mọi không thỏa mãn bất đẳng thức này, còn phương trình arccos thì, đúng theo định nghĩa của arccos , không có nghiệm.
-
ĐKXĐ được tìm không đúng. Cần còn yêu cầu rằng cơ số của logarit phải khác 1, và khi đó không thuộc ĐKXĐ *).
-
Nghiệm là nghiệm ngoại lai. Nó nhận được do thay trong phương trình đã biến đổi biểu thức là vế trái của phương trình ban đầu bằng vế phải của nó. Phép biến đổi như vậy không thể dẫn đến mất nghiệm. Thật vậy, phương trình cuối cùng trong «lời giải» của ví dụ 5 là hệ quả của phương trình ban đầu: nếu phương trình ban đầu được thỏa mãn, thì phương trình cuối cùng cũng được thỏa mãn. Điều ngược lại, như ví dụ này cho thấy, là không đúng.
-
Đáp số lạ. Thật vậy, đặt , , , . Khi đó phương trình có dạng
và trái với đáp số, hoàn toàn không có nghiệm nào (vế trái của nó dương với mọi chấp nhận được). Tiếp theo, giả sử , , . Khi đó phương trình có dạng
và chẳng hạn, số , lại trái với đáp số, không phải là nghiệm. Vấn đề là khi giải bằng «phương pháp bình phương» thu được một phương trình không tương đương với phương trình đã cho, mà là hệ quả của nó. Cần kiểm tra đáp số thu được.
Kiểm tra. Thay các giá trị của tham số vào phương trình, ta được
hoặc
Suy ra
*) Lưu ý rằng nghiệm này cũng bị các tác giả sách giáo khoa phổ thông quên loại khỏi đáp số (E. S. Kochetkov, E. S. Kochetkov, Đại số và các hàm sơ cấp, M., «Giáo dục», 1969, phần 2, bài 1460, ).
63
Rõ ràng, khi phương trình này hoàn toàn không có nghiệm, còn khi thì có một nghiệm duy nhất. Giả sử . Xét các giá trị của ẩn thỏa mãn bất đẳng thức . Khi đó , , và phương trình, rõ ràng, trở thành đồng nhất thức. Vì vậy trong trường hợp này phương trình thực sự có vô số nghiệm: . Dễ thấy rằng không có giá trị nào của ẩn thỏa mãn nó.
Đáp án đúng: phương trình có vô số nghiệm khi và chỉ khi , và (các nghiệm là những số ) *).
- Đáp án chứa các nghiệm ngoại lai. Vấn đề là mặc dù mọi nghiệm của phương trình đều nằm trong số các nghiệm của các phương trình và , nhưng trong số các nghiệm sau có thể có những nghiệm ngoại lai đối với phương trình ban đầu. Quả thật, hoàn toàn có thể xảy ra rằng khi thì , còn không tồn tại, hoặc , còn không tồn tại. Vì vậy cần kiểm tra xem các nghiệm tìm được ở trên có thuộc ĐKXĐ hay không.
Kiểm tra. Vì số mũ trong phương trình chỉ nhận giá trị thực khi và , nên khi và các số không thuộc ĐKXĐ. cũng không thuộc ĐKXĐ, vì trong trường hợp này cả cơ số lẫn số mũ đều bằng không. Tất cả các nghiệm còn lại trong số các nghiệm đã tìm được đều thuộc ĐKXĐ.
- Đáp án chứa cách xây dựng lời giải. Chúng thu được do sử dụng sai phương pháp thế. Tìm từ phương trình thứ hai rằng , rồi thế vào phương trình thứ nhất thay cho biểu thức , chúng ta đã chuyển từ hệ
sang hệ
thay vì chuyển sang hệ
(ở đây là phương trình tương đương với phương trình ). Nói cách khác, sau khi tìm từ phương trình đã biến đổi thứ nhất, chúng ta lại tìm từ chính phương trình ban đầu thứ nhất, trong khi cần phải làm điều đó từ phương trình thứ hai. Khi ấy ta sẽ nhận được đáp án đúng: nếu , thì , nếu , thì .
*) Điều kiện của bài toán không đòi hỏi một đáp án đầy đủ như vậy. Chỉ cần tìm một vài giá trị cụ thể của các tham số để nhận được đáp án dương, và làm điều đó hoàn toàn không khó. Tuy nhiên, một lời giải đầy đủ như vậy là điển hình (và tốt!), nên chúng tôi đưa ra nó.
- Đáp án sai trong trường hợp . Thật vậy, khi hệ có dạng
và mặc dù có vô số nghiệm, không phải mọi cặp số đều thỏa mãn nó. Chẳng hạn, cặp , không phải là nghiệm của hệ. Nghiệm của hệ này là các cặp số , , trong đó là một số thực bất kỳ.
Lời giải thu được là kết quả của việc sử dụng không cẩn thận phương pháp cộng đại số. Hệ
tương đương với hệ
nếu (hãy chứng minh điều này). Trong trường hợp ngược lại, như ví dụ của chúng ta cho thấy, có thể xuất hiện các nghiệm ngoại lai. Sẽ không có sự mất nghiệm (vì sao?).
- Đáp án đúng với . Khi phương trình có vô số nghiệm: chúng lấp đầy cả đường thẳng . Sự mất nghiệm xảy ra do chia các phương trình cho nhau.
Về bài viết «Kỳ thi viết đầu vào môn toán tại khoa Toán tính toán và Điều khiển học của Đại học Tổng hợp Moskva năm 1970»
1 - ,
,
.
2 .
3 .
4 ,
,
.
5 .
64
Cho bài «Kỳ thi viết đầu vào môn toán tại MIPT năm 1970»
- .
- arccos .
- Bốn nghiệm:
;
.
. - Hai nghiệm: arctg và arcsin .
Cho bài «Bài toán về các định luật Newton»
-
Trong cả ba trường hợp, hình chiếu của lực lên phương chuyển động có thể có lớn hơn , và do đó vật chỉ có thể chuyển động lên trên mặt phẳng.
Trong trường hợp thứ nhất, lực ép lên mặt phẳng là và lực ma sát trượt lớn hơn hợp lực của hai lực còn lại tác dụng dọc theo mặt phẳng, , vì vậy vật đứng yên, còn lực ma sát nghỉ () bằng về độ lớn và ngược chiều với lực .
Trong trường hợp thứ hai, lực ép lên mặt phẳng là và và vật chuyển động với gia tốc
Trong trường hợp thứ ba, lớn hơn , vật rời khỏi mặt phẳng và bắt đầu chuyển động dưới góc so với nó với gia tốc (trong mọi bài toán, ta lấy ). -
Gia tốc toàn phần () và hợp lực của các lực và hướng dưới một góc so với tiếp tuyến của quỹ đạo sao cho
(đặc biệt, ở vị trí trên — theo tiếp tuyến, ở vị trí dưới — theo bán kính). -
Trong trường hợp thứ nhất:
Trong trường hợp thứ hai chỉ có thể đứng yên. và lực ma sát nghỉ .
– và (lực ma sát trượt và.).
4. và và
Lực căng của sợi dây (giữa vật thứ nhất và vật thứ hai) bằng và (giữa vật thứ nhất và vật thứ ba) bằng và.
Về bài toán “Toán học Moskva…”
Phương án dành cho học sinh đã học xong lớp 8
3. a) 10000.
6) , ; , .
b)
Phương án dành cho học sinh đã học xong lớp 10
3. a) .
6) .
b) .
Về bài toán “Sự do dự dẫn đến đâu?”
(xem “Kvant” số 4, tr. 7)
Ta chỉ cần một sự kiện từ hình học giải tích: nếu hai đầu mút của đoạn thẳng có tọa độ và , thì trung điểm của đoạn thẳng này có tọa độ
Giả sử Petya tại điểm rẽ về phía sân vận động, sau đó tại điểm — về phía nhà của Lyusya, tại điểm — về phía cửa hàng và tại điểm — lại về phía sân vận động. Ta tìm tọa độ của tất cả các điểm này, là trung điểm của các đoạn thẳng nối điểm rẽ cuối cùng với đỉnh tương ứng của hình vuông
Hãy kiểm tra rằng khi đó
Như vậy, các khoảng cách từ các điểm rẽ về phía sân vận động đến điểm (4/7, 5/7) tạo thành một cấp số nhân và giảm đi 8 lần sau mỗi «vòng đi» theo hướng sân vận động — nhà của Lyusya — cửa hàng. Do đó, Petya tiến gần đến tam giác có tọa độ các đỉnh
⟦không có số trang⟧
Tem thư và nhãn bao diêm dành cho các nhà toán học Nga
Năm 1946, nhân kỷ niệm 125 năm ngày sinh của nhà toán học và cơ học Nga vĩ đại Pafnuty Lvovich Chebyshev, theo bản vẽ của họa sĩ E. Bulanova, một bộ tem bưu chính gồm hai mẫu đã được phát hành. Một mẫu trong số đó được đưa ra trong hình.
Phía trên chân dung nhà khoa học có dòng chữ “Nhà toán học Nga vĩ đại”, nhưng dòng chữ này không phản ánh đầy đủ vai trò của P. L. Chebyshev trong sự phát triển của khoa học trong nước. Ngoài những thành tựu toán học thiên tài, P. L. Chebyshev còn để lại một loạt công trình nghiên cứu và phát minh xuất sắc về cơ học, chủ yếu thuộc lý thuyết và thực hành các cơ cấu khớp-đòn bẩy, biến chuyển động tròn thành chuyển động thẳng.
P. L. Chebyshev là người sáng lập và truyền cảm hứng cho trường phái toán học Petersburg. Những đại diện xuất sắc của trường phái này là các viện sĩ A. M. Lyapunov, A. A. Markov, V. A. Steklov. Năm 1967, xuất hiện một loạt nhãn bao diêm có chân dung những nhà vật lý và toán học Nga lỗi lạc, trong đó chúng ta thấy các đại diện của trường phái toán học Petersburg và những học trò kiệt xuất nhất của ông. A. M. Lyapunov không chỉ là một nhà toán học thiên tài, mà còn là một nhà cơ học vĩ đại. Năm 1967, nhân kỷ niệm 100 năm ngày sinh của ông, cũng theo bản vẽ của E. Bulanova, một con tem có chân dung nhà khoa học đã được phát hành. Bên dưới chân dung là công thức cho phương trình bề mặt của hình cân bằng của chất lỏng quay. Nhân tiện, những nghiên cứu của A. M. Lyapunov về các hình cân bằng của chất lỏng quay, mà các hạt của nó hút nhau theo định luật hấp dẫn vạn vật, đã được tiến hành theo sáng kiến của người thầy P. L. Chebyshev.
Tổng biên tập — viện sĩ I. K. Kionn.
Phó tổng biên tập thứ nhất — viện sĩ A. N. Kolmogorov.
Ban biên tập: L. A. Artsimovich, M. I. Bashmakov, V. G. Botyansky, I. N. Bronshtein, N. V. Vasilyev, I. F. Ginzburg, V. G. Zubov, P. L. Kapitsa, V. A. Kirillin, V. A. Leshkovtsev (phó “tổng biên tập”), V. P. Lishevsky, A. I. Markushevich, M. D. Millonshikov, N. A. Patrieeva, N. Kh. Rozov, A. P. Savin, I. Sh. Slobodetsky, M. L. Smolyansky (phó “tổng biên tập”), Ya. A. Smorodinsky, V. A. Fabrikant.
Trưởng ban biên tập L. V. Chernova
Họa sĩ chính A. I. Klimanov
Biên tập kỹ thuật T. M. Makarova
Người hiệu đính T. S. Weisberg,
V. P. Sorokina
Nhà xuất bản “Nauka”
Ban biên tập chính văn học vật lý-toán học Moskva, V-71, đại lộ Lenin, 15 Điện thoại 234-08-11
Đưa vào sắp chữ 27/1 năm 1971.
Ký duyệt in 25/111 năm 1971.
Giấy 70×100/16. Tờ in thực 4.
Tờ in quy ước 5,2. Yu.-xuất bản tờ 5,55.
In 287 380 bản. T-03991.
Giá 30 kopek. Đơn đặt hàng 167
Tổ hợp in Chekhov của Glavpoligrafprom
Ủy ban Báo chí trực thuộc Hội đồng Bộ trưởng Liên Xô, thành phố Chekhov, tỉnh Moskva
GỬI BẠN ĐỌC
Tiếp tục nhận đặt báo cho nửa cuối năm 1971 đối với tạp chí khoa học phổ thông vật lý-toán học «Kvant».
Tạp chí trước hết dành cho học sinh lớp 7—10. Nó cũng hữu ích cho giáo viên, đặc biệt là những người phụ trách các câu lạc bộ hoặc các buổi học ngoại khóa về vật lý hay toán học, cũng như cho tất cả những người yêu thích toán học và vật lý.
Nội dung chính của tạp chí là «trường học vật lý-toán học», tức là những tài liệu giúp hiểu rõ hơn vật lý và toán học, học cách vận dụng các khoa học này để nghiên cứu các hiện tượng và quá trình khác nhau mà chúng ta gặp trong thực tế, học cách giải bài tập.
Trong tạp chí, bạn đọc sẽ tìm thấy nhiều bài tập. Trong số đó có những bài tập được đề ra trong các kỳ thi tuyển vào các loại trường khác nhau, những bài tập được đề ra trong các kỳ thi olympiad, và đơn giản là những bài tập thú vị.
Các bài viết mô tả dụng cụ và thí nghiệm vật lý sẽ giúp bạn đọc tiến hành và kiểm tra thí nghiệm vật lý.
Tạp chí đăng trên các trang của mình những bài viết có tính chất tổng quan, kể về những thành tựu của khoa học và những vấn đề còn đang chờ được giải quyết, những câu chuyện về các nhà khoa học và những lời kể của chính các nhà khoa học về cách «khoa học được làm ra», về cách xuất hiện các phát hiện khoa học.
Tạp chí thường xuyên đăng các bài điểm sách — những sách đã xuất bản và những sách mới chỉ đang được chuẩn bị xuất bản.
Giá một số là 30 cô-pếch. Khi đặt báo, hãy ghi chỉ số của chúng tôi 70465.