Kvant

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解决方案

M26

假设我们的杂志每期都会有五个“Kvata”任务中的数学问题。让我们用f(x,y)f(x, y)表示yy年第xx期期刊的第一个任务的编号(例如,f(6,1970)=26f(6, 1970) = 26)。写出所有 x,yx, y (1≤x≤12,y≥19701 \leq x \leq 12, y \geq 1970) 的 f(x,y)f(x, y) 的通式。求解方程f(x,y)=yf(x, y) = y。

函数ff满足以下条件:

  1. f(1,1970)=1f(1, 1970) = 1;
  2. f(x+1,y)=f(x,y)+5f(x + 1, y) = f(x, y) + 5 (1≤x<121 \leq x < 12) - 每个月 f(x,y)f(x, y) 增加 5;
  3. f(1,y+1)=f(1,y)+60f(1, y + 1) = f(1, y) + 60 - f(x,y)f(x, y)每年增加 60。

显然,该函数是由这些条件唯一确定的;例如,可以使用以下公式来指定:

f(x,y)=5x+60(y−1970)−4.f(x, y) = 5x + 60(y - 1970) - 4.

很容易验证f(5,2003)=2001f(5, 2003) = 2001; f(6,2003)=2006f(6, 2003) = 2006。因此,方程f(x,y)=yf(x, y) = y无解。

正确答案由来自日托米尔的E. Orlok、来自伊尔库茨克地区扎哈尔村的N. Ilyin、来自基辅的M. Perelmuter 和其他读者发送。

从上面可以清楚地看出,如果我们还引入以下函数:f(k,x,y)f(k, x, y)是第yy年(1≤k≤5,1≤x≤12,y≥19701 \leq k \leq 5, 1 \leq x \leq 12, y \geq 1970)第xx期期刊第kk问题的编号,那么等式f(k,x,y)=yf(k, x, y) = y将是唯一的解决方案k=3,x=5,y=2003k = 3, x = 5, y = 2003 - 换句话说,如果我们的系统在此之前保持不变(仍然在每期中)数学上会有 5 个问题),那么 2003 年“Kvata”第 5 号任务中的第三个问题的编号为 M2003。 f(k,x,y)f(k, x, y)的一般公式也是:

f(k,x,y)=k+5x+60(y−1970)−5.f(k, x, y) = k + 5x + 60(y - 1970) - 5.

对于读者来说,更有用的是反函数给出的公式,通过给定的数字nn,您可以找到提出该问题的年份yy和期刊编号xx。

为此,可以方便地使用以下符号:[a][a]是数字aa的整数部分(不超过aa的最大整数),{a}=a−[a]\{a\} = a - [a]是数字aa的小数部分。

检查一下

x=[12{n−160}]+1,y=[n−160]+1970.x = \left[ 12 \left\{ \frac{n - 1}{60} \right\} \right] + 1, y = \left[ \frac{n - 1}{60} \right] + 1970.

M27

证明如果ab−c+bc−a+ca−b=0\frac{a}{b - c} + \frac{b}{c - a} + \frac{c}{a - b} = 0则a(b−c)2+b(c−a)2+c(a−b)2=0\frac{a}{(b - c)^2} + \frac{b}{(c - a)^2} + \frac{c}{(a - b)^2} = 0。

此声明源于此谎言:

(ab−c+bc−a+ca−b)(1b−c+1c−a+1a−b)=a(b−c)2+b(c−a)2+c(a−b)2.\left( \frac{a}{b - c} + \frac{b}{c - a} + \frac{c}{a - b} \right)\left( \frac{1}{b - c} + \frac{1}{c - a} + \frac{1}{a - b} \right) = \frac{a}{(b - c)^2} + \frac{b}{(c - a)^2} + \frac{c}{(a - b)^2}.

为了证明这一点,只需将谎言左侧的两个和逐项相乘,并考虑到三个分数的总和就足够了

ab−c(1c−a+1a−b)=ca−ab(a−b)(b−c)(c−a),\frac{a}{b - c}\left( \frac{1}{c - a} + \frac{1}{a - b} \right) = \frac{ca - ab}{(a - b)(b - c)(c - a)},

bc−a(1b−c+1a−b)=ab−bc(a−b)(b−c)(c−a),\frac{b}{c - a}\left( \frac{1}{b - c} + \frac{1}{a - b} \right) = \frac{ab - bc}{(a - b)(b - c)(c - a)},

ca−b(1b−c+1c−a)=bc−ca(a−b)(b−c)(c−a)\frac{c}{a - b}\left( \frac{1}{b - c} + \frac{1}{c - a} \right) = \frac{bc - ca}{(a - b)(b - c)(c - a)}

等于零。

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该决定由塔什干的 A. Shilitum 发出。来自图拉地区新莫斯科斯克的 B. Paiss 和来自布列斯特地区 Malorita 的 A. Izbitsky 发送了不太明确但也是正确的解决方案。

读完这样的人为解决方案后,当然可能会出现一个合理的问题:给定表达式必须乘以1b−c+1c−a+1a−b\frac{1}{b-c} + \frac{1}{c-a} + \frac{1}{a-b}的约定是什么?是否有可能提出一种通用的计算方法来解决此类问题?

这样解决这个问题会更自然。让我们将这些表达式写为两个多项式的比率:

ab−c+bc−a+ca−b=p(a,b,c)(a−b)(b−c)(c−a),\frac{a}{b-c} + \frac{b}{c-a} + \frac{c}{a-b} = \frac{p(a,b,c)}{(a-b)(b-c)(c-a)},

a(b−c)2+b(c−a)2+c(a−b)2=q(a,b,c)(a−b)2(b−c)2(c−a)2\frac{a}{(b-c)^2} + \frac{b}{(c-a)^2} + \frac{c}{(a-b)^2} = \frac{q(a,b,c)}{(a-b)^2(b-c)^2(c-a)^2}

(pp 将是三次多项式,qq 将是五次多项式)。我们必须证明,如果p(a,b,c)=0p(a,b,c) = 0,那么也有q(a,b,c)=0q(a,b,c) = 0。尝试证明多项式 qq 可以被多项式 pp整除是很自然的,也就是说,找到一个多项式 r=r(a,b,c)r=r(a,b,c) 使得 q=prq=pr (您可以证明任意数量变量中的多项式的一般定理:如果对于 pp 相等的所有变量值,qq 等于 0为零,同时多项式 pp 是连续的,也就是说,它不能被因式分解——在这种情况下它是——那么 qq 必须能被 pp整除)。您可以用通常的方式除多项式 - 用“角”,将它们视为一个变量 aa 中的多项式(其系数包括字母 bb 和 cc);例如,pp可以这样写:

p(a,b,c)=−a3+p1(b,c)a2+p2(b,c)a+p3(b,c).p(a,b,c) = -a^3 + p_1(b,c)a^2 + p_2(b,c)a + p_3(b,c).

结果,我们当然会得到 q=prq=pr,其中

r(a,b,c)=(a−b)(b−c)(c−a)(1a−b+1b−c+1c−a)=−a2+ab+ac+bc−b2−c2.r(a,b,c) = (a-b)(b-c)(c-a)\left(\frac{1}{a-b} + \frac{1}{b-c} + \frac{1}{c-a}\right) = -a^2 + ab + ac + bc - b^2 - c^2.

在这个例子中,这个解决方案的实施涉及非常困难的计算(在多项式q(a,b,c)q(a,b,c)中,即使在将类似项减少到剩余的21项之后!),但我们强烈建议读者考虑这个解决方案的所有细节,这适用于许多其他解决方案。

N·B·瓦西里耶夫

M28

a) 19 个球中,有 2 个具有放射性。对于任何一堆球,只需一次检查,您就可以查出其中是否至少包含一个放射性球(但您无法查出该堆中有多少个这样的球)。通过 8 次测试证明可以隔离两个放射性球。

b) 11 个球中,2 个具有放射性。证明在少于 7 次的检查中不可能保证释放两个放射性球。

让我们从一个类似但更简单的任务开始。给定nn个球,其中一个是放射性的;需要经过多少次检查才能识别出来?很容易指出一种方法,允许您在kk检查中选择n=2kn=2^k球中的一个:首先,我们将所有球分成两堆相等的2k−12^{k-1}球,我们检查其中一个,从而确定其中哪个包含放射性球,然后我们再次将这堆2k−12^{k-1}球分成两半,依此类推。 - 每次检查球被减半的数量,经过kk检查后我们会找到放射性球。显然,如果n<2kn<2^k,则kk 检查也足够了。因此,为了将一个放射性球与nn隔离,执行f1(n)f_1(n)测试就足够了,其中f1(n)f_1(n)是kk对应n≤2kn\leq 2^k的最小整数(换句话说,f1(n)f_1(n)是大于或等于log⁡2n\log_2 n的最小整数)。下面我们将看到,少于完成的检查数量是不够的。

现在让我们直接解决我们的问题。在这里,不再可能立即获得剩余 21 名成员中任何成员的准确结果!但我们强烈建议读者考虑该解决方案的所有细节,该解决方案适用于许多其他成员。

N·B·瓦西里耶夫

34

图 1. 这个图提出了一种方法,允许您从 5 个检查中的 7 个中选择 2 个放射性球。我们认为球的编号为 1, 2, …, 7,并且在每个单元格中我们编写一堆需要验证的球(有时这堆球由一个球组成)。例如,第一个要检查的是一堆三个球{1,2,3}。
每次检查都有两种可能的结果:“有放射性” - 那么你需要按照红色箭头走,“没有放射性” - 那么你需要按照黑色箭头走。如果单元格有阴影,则无需进一步检查。对于沿着从上到下的箭头下降的每条路径,作为沿着该路径执行的所有检查的结果,可以确定哪对球具有放射性(在最下面的箭头下指示)。确保它!

但我们感兴趣的是有多少检查可以确定地识别放射性球,无论其位置如何选择,即使是对我们最不利的选择。同样的方式,依次检查球,您可以从4合3检查、5合4检查、6合5检查、7合6检查等中选择两个球。但是,对于n=7n=7,您可以通过检查绕过第五个球。在进一步阅读解决方案之前,请尝试证明这一点,即找到降低放射性球的适当方法。然而,这种方法(有多种)在图1中表示。

这个图帮助我们理解“落球方法”的含义:要指定一种方法,您需要指出首先检查的那堆球,并指出在下一次放射性测试的每个可能结果之后检查哪堆球;换句话说,您需要直接测量图表

mogol 单元格和箭头 - 与 图 1 相同,仅在必要时使用不同数量的 kk 检查 - 并在每个单元格中写入一些球的数量。

现在我们将尝试回答两个相关问题:如何找到一种方法在nn中找到两个球,由kk检查组成,如果存在这样的方法;如果不存在,那么如何证明呢?

原则上,对于任何特定的nn和kk,这些问题都可以通过“穷举搜索”来解决:尝试一种又一种可能的方法来填充与kk对应的图表单元格,检查nn球的子集(毕竟,这样的方法的数量是有限的!),并且对于这些方法中的每一种,检查它是否允许你隔离放射性球(也就是说,是否会有一个不同的假设:哪对球具有放射性 - 使用从上到下的箭头匹配不同的路径)。但是,即使使用较小的nn和kk,此类方法的数量也非常大,以至于即使在计算机的帮助下也几乎不可能进行“完整搜索”(例如,使用n=11n=11和k=7k=7,您可以用堆填充图表的单元格)

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超过1040010^{400}不同的方式!)。现在我们将展示如何大大减少这种搜索。

让我们再次返回到 图 1。从单元格的最低行(对应于最后一个第五个检查)开始,25=322^5=32 箭头延伸。一般来说,对于kk检查,会有2k2^k。如果写在图表上的庞斯卡方法保证放射性球的隔离,那么这些箭头中的每一个仅对应于可能的答案选项之一:哪两个球是放射性的(但是,也许不同的箭头对应于相同的选项)。因此,不同可能答案选项的数量取决于不超过箭头的数量,即不超过2k2^k。

让我们这样表述这个主要信息:

如果可能的选项数量大于 2k2^k,则无法在 kk 检查中选择这些选项之一。

同样可以这样说:

如果有一种方法允许您在 kk 检查中从 NN 中选择一个选项,那么N≤2kN \leq 2^k。

(最后一个不等式也可以写成:k≥f1(N)k \geq f_1(N)。)

当然,这条规则适用于任何需要根据多次检查的结果从NN中选择一个选项的问题;唯一重要的是,每次检查都有两个可能的初始值:“有放射性”和“没有放射性”)。

特别是,从这个规则可以看出,在少于f1(n)f_1(n)的检查中不可能从nn中选择一个相同的放射性球:如果f1(n)=kf_1(n) = k,则2k−1<n2^{k-1} < n,并且此问题中有nn不同的选项(第一个球是放射性的,第二个球是放射性的,……,第nn是放射性球)。

让我们再次回到有两个放射性球的问题。有多少种不同的选择?在 图 1 处,我们从 7 个球中选择 2 个球,选项数量为 21 个。一般来说,有 Cn2=n(n−1)2C_n^2 = \frac{n(n-1)}{2} 个选项可以从 nn 中选择 2 个球。根据上面印在粉红色背景上的基本规则,如果在 kk 中检查可以从 nn 中选择 2 个球,则可以从 n(n−1)2≤2k\frac{n(n-1)}{2} \leq 2^k 中选择。

条件表示从nn到f2(n)f_2(n)选择2个球所需的最少检查次数。那么最后的不等式可以写成如下:

f2(n)≥f1(n(n−1)2).f_2(n) \geq f_1\left(\frac{n(n-1)}{2}\right).

从表中可以清楚地看出,对于某些 nn(例如,n=6n=6、n=8n=8),这里可能存在严格的不等式。事实上,为了让kk检查能够在nn中找到2个放射性球,仅仅满足不等式n(n−1)2≤2k\frac{n(n-1)}{2} \leq 2^k是不够的。还有必要的是,第一次检查结果应为“+”(自然放射性)的选项不应超过2k−12^{k-1},而结果应为“-”(无放射性)的选项也应不超过2k−12^{k-1} - 因为否则,根据基本规则,我们将无法在k−1k-1检查时选择这些选项之一!同样,每个结果“++”(第一个检查“+”,第二个检查“+”)、“+—”、“+—”、“—”应对应不超过2k−22^{k-2}选项等。

我们将在下一期杂志中再次解决这个问题。

A·N·维伦金

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图 3.

其中nжсn_{жс}是光线从液体传播到玻璃时的折射率。

光在玻璃-液体界面处发生全内反射α=90∘\alpha = 90^\circ,因此sin⁡β0=nжс\sin \beta_0 = n_{жс},其中β0\beta_0是观察到全内反射的光束的入射角。同样,对于光在玻璃-空气界面处的全内反射,我们可以写成sin⁡δ0=1nc\sin \delta_0 = \frac{1}{n_c},其中ncn_c是玻璃的折射率。从这两个公式,考虑到nжс=nжсncn_{жс} = \frac{n_{жс}}{n_c},我们发现

nжc=sin⁡β0sin⁡δ0.n_{жc} = \frac{\sin \beta_0}{\sin \delta_0}.

图 4.

现在我们需要确定光束的折射率,以便只能通过校正玻璃-液体界面的全内反射来观察它。我们将定义角度β0\beta_0。然后我们以完全相同的方式定义角度δ0\delta_0。此后,计算光束的折射率就不难了。光束在玻璃和空气的球形边界处不会发生折射,这一事实将有助于进行实验,因为它垂直于玻璃表面。这使得很容易确定入射到板的平坦边界上的光束的方向。

F37

在横截面积为 S1S_1 和 S2S_2 的两个垂直气缸中,有两个不可逆活塞,通过长度为 ll (图 4) 的细不可逆螺纹连接。活塞之间的空间充满了水。如果容器的末端与大气相通,则求出线的张力。水的密度ρρ。

如果大活塞(面积S1S_1)上的流体压力为pp,大气压力为p0p_0,则压力F1=S1pF_1 = S_1p向上作用于活塞,螺纹的张力TT和大气压力F1′=p0⋅S1F'_1 = p_0 \cdot S_1向下作用于活塞。由于活塞处于平衡状态,则

S1p=S1p0+T.S_1p = S_1p_0 + T.

对于下活塞也可以得出类似的方程:线张力TT和大气压F2′=p0S2F'_2 = p_0S_2向上作用于其上,水压力F1=p′S2F_1 = p'S_2向下作用于其上。此外,下活塞上的水压p′p'比上活塞上的水压ρgl\rho gl大。由于活塞处于平衡状态,则

T+p0S2=(p+ρgl)S2.T + p_0S_2 = (p + \rho gl)S_2.

同时求解两个方程,我们发现

T=ρglS1S2S1−S2.T = \rho gl \frac{S_1S_2}{S_1 - S_2}.

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我们通常通过在参数的极值处使用它来检查答案。我们假设S2→S1S_2 \rightarrow S_1。在这种情况下T→∞T \rightarrow \infty。这是可以理解的。整个系统通过上活塞面积为S1−S2S_1 - S_2的桩上的水压保持平衡。如果S1→S2S_1 \rightarrow S_2,那么该权益上的压力应该趋于无穷大。在这种情况下,线的张力也应趋于无穷大。

对于S1=S2S_1 = S_2,我们得到TT是无限的。然而,现在情况已不再如此。这种限制性的转变是不可能的。在解决问题时,我们假设系统处于平衡状态。然而,在 S1=S2S_1 = S_2 处,平衡是不可能的,活塞系统将下降等于自由落体gg 的加速度。在这种情况下,线张力应为零。这个例子表明,一个人必须多么小心地接近物理学的极限。有必要确保这种现象不会变得完全不同。

该解决方案由来自鄂木斯克的 N. Fedin、来自莫斯科的十年级学生 M. Fedorov、来自伊热夫斯克的 A. Ratzozin 发送。

来自顿涅茨克地区基洛夫斯克的 A. Zhukov 提出了一个有趣的解决方案。他用的是虚变的方法。虽然这样讨论这个方法需要专门写一篇长文,但无论如何解决方案都会很清楚。

让螺纹减少Δl\Delta l,上活塞移动到Δl1\Delta l_1,下活塞移动到Δl2\Delta l_2。由于活塞之间的水体积没有变化,因此两个活塞应沿相同方向(向下)移动,这样

Δl1S1=Δl2S2 и Δl2−Δl1=Δl\Delta l_1 S_1 = \Delta l_2 S_2 \text{ и } \Delta l_2 - \Delta l_1 = \Delta l
(Δl2>Δl1\Delta l_2 > \Delta l_1).

一起求解这些方程,我们发现

Δl1=ΔlS2S1−S2 и Δl2=ΔlS1S1−S2.\Delta l_1 = \Delta l \frac{S_2}{S_1 - S_2} \text{ и } \Delta l_2 = \Delta l \frac{S_1}{S_1 - S_2}.

当水体积ρS1Δl1\rho S_1 \Delta l_1(或ρS2Δl2\rho S_2 \Delta l_2)移动ll时,系统势能的变化必须等于线张力所做的功。因此我们可以写,

p+Δp=p+ρgh,p + \Delta p = p + \rho gh,

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其中 hh 是弯头中的液位差 (图 5)。从这个方程我们发现h=Δpρgh = \frac{\Delta p}{\rho g}。我们看到hh不取决于压力表弯头的面积。这意味着将容器连接到宽弯头和窄弯头时的测量精度是相同的。

正确的答案是由 A. Zhukov 和来自斯维尔德洛夫斯克的 S. Pastmukhov 的回忆录发送的。

F39

半径为rr、质量为MM的行星被由分子量为μ\mu的气体组成的同样稠密的大气层包围。如果大气层高度为hh,那么行星表面大气层的温度是多少?

让我们写出体积为 VV、质量为 mm 的气体状态方程(门捷列夫-克拉佩龙方程):

PV=mμRT;PV = \frac{m}{\mu} RT;

PP 是压力,VV 是气体体积,RR 是气体常数,TT 是温度。由于mV=ρ\frac{m}{V} = \rho,其中ρ\rho是气体密度,我们可以将这个方程重写为P=ρμRTP = \frac{\rho}{\mu} RT的形式。

因此T=PμρRT = \frac{P\mu}{\rho R}。

显然,为了找到行星表面的温度,我们需要找到其表面的压力。如果ρ=const\rho = \text{const},则P=ρghP = \rho gh,其中gg是给定行星上自由压力的加速度。我们去找他吧。

对于位于行星表面的质量为 mm 的物体,吸引力等于 mgmg。另一方面,根据万有引力定律,它等于γmMr2\gamma \frac{mM}{r^2}。因此我们可以写成mg=γmMr2mg = \gamma \frac{mM}{r^2}。

因此g=γMr2g = \gamma \frac{M}{r^2}和P=ργMr2hP = \rho \gamma \frac{M}{r^2} h。

将PP的表达式代入温度方程,我们得到

T=γMμhr2R.T = \frac{\gamma M\mu h}{r^2 R}.

该问题的正确解决方案是由来自奥尔沙的 V. Malkov 和来自莫斯科的 A. Proskuryakov 发送的。

F40

如果氖气的能量为 I=21,5I = 21,5 eV,并且电极与气体原子连续两次碰撞之间的平均距离为 l=0,4l = 0,4 mm,则氖灯在电极之间的电势差为多少时会发光?电极呈大平板状,彼此之间的距离为 d=3d = 3 mm。

如果电极之间的电位差为UU,则它们之间的电场方向为E=UdE = \frac{U}{d}。在该场中,电子受到力 F=E⋅eF = E \cdot e(e 是电子的电荷)的作用,产生加速度 a=Fm=Eem=Uedma = \frac{F}{m} = \frac{Ee}{m} = \frac{Ue}{dm},其中 mm 是电极的质量。

当电子与气体原子碰撞时,它会将能量转移给它并被放弃(我们假设碰撞是非弹性的)。原子的质量大于电极的质量。因此,在碰撞过程中,气体原子会转移能量mv22\frac{mv^2}{2},这是由其连续的斯托尔诺夫之间的电子获得的。该能量必须等于气体名义能量 II:

mv22=I.\frac{mv^2}{2} = I.

现在让我们求出电子获得的速度。如果耀斑时间为tt,那么我们可以写成v=aτ=Uemdtv = a\tau = \frac{Ue}{md} t和l=aτ22=Ueτ22mdl = \frac{a\tau^2}{2} = \frac{Ue\tau^2}{2md}。从这些方程我们发现

v=2Uelmd.v = \sqrt{\frac{2Uel}{md}}.

将这个表达式代入 vv 方程 (*),我们得到

Ueld=I.\frac{Uel}{d} = I.

因此U=Idel≈160θU = \frac{Id}{el} \approx 160\theta。