Иэн Стюарт

Математические головоломки профессора Стюарта

Знакомьтесь: Сомс и Ватсап

Книга «Кабинет математических диковинок профессора Стюарта» вышла в 2008 г., перед самым Рождеством. Похоже, читателям понравился содержавшийся в ней случайный набор забавных математических фокусов, игр, необычных биографий, разрозненных обрывков информации, решенных и нерешенных задач, странных фактов и попадавшихся иногда среди всего этого более длинных и серьезных глав, посвященных таким темам, как фракталы, топология и Великая теорема Ферма. Поэтому в 2009 г. появилась следующая книга – «Копилка математических сокровищ профессора Стюарта», в которой примерно такая же смесь перемежалась с пиратской темой.

Говорят, что 3 – отличное число для трилогии. Правда, покойный Дуглас Адамс, прославившийся «Путеводителем по Галактике», в конце концов пришел к выводу, что 4 лучше 3, а 5 – еще лучше, но 3 тем не менее представляется неплохим вариантом для начала. Так что теперь, с промежутком в пять лет, перед вами третья книга – «Математические головоломки профессора Стюарта». На этот раз, однако, я попробовал иной подход. В книге по-прежнему присутствуют короткие загадочные истории о таких вещах, как гексакосиойгексеконтагексафобия, гипотеза о трекле, форма апельсиновой кожуры, RATS-последовательность, евклидовы каракули. Есть и более существенные разделы о решенных и нерешенных задачах: блинные числа, проблема Гольдбаха, гипотеза Эрдёша о расходимости, гипотеза о квадратном колышке и гипотеза ABC. Также имеются шутки, стихи и анекдоты, не говоря уже о необычных приложениях математики к летящим гусям, движению мидий, пятнистым леопардам и пузырькам в кружке с пивом. Но при этом всякая всячина здесь перемежается с серией небольших рассказов о приключениях детектива Викторианской эпохи и его друга-врача…

Я знаю, о чем вы подумали. Однако я придумал этот сюжетный ход примерно за год до появления любимых героев Конан Дойля в исполнении Бенедикта Камбербэтча и Мартина Фримена на телеэкранах в новой современной постановке, сразу же завоевавшей огромную популярность. (Поверьте мне.) Кроме того – и это самое главное, – это не та пара. И даже не та, что фигурирует в оригинальных рассказах сэра Артура. Да, мои герои живут в тот же период времени, но через дорогу, в доме номер 222b. Оттуда они бросают завистливые взгляды на вереницу богатых клиентов, посещающих обиталище более знаменитого дуэта. А время от времени попадается случай, который их знаменитые соседи не взялись или не сумели решить: речь о таких загадочных историях, как дело о знаке одного, дело о собаках, которые дрались в парке, дело о дверце страха и дело о греке-интеграторе. Вот тогда-то Хемлок Сомс и доктор Джон Ватсап включают свои мозги, демонстрируют свои подлинные возможности и силу характера – и добиваются успеха, несмотря на превратности судьбы и недостаток рекламы.

Заметьте, что речь идет о математических загадках. Их решение требует интереса к математике и способности ясно мыслить – качеств, которыми не обижены Сомс и Ватсап. Эти истории отмечены в тексте значком . По пути мы узнаем об армейской карьере Ватсапа в Ал-Гебраистане и о борьбе Сомса с его заклятым врагом профессором Могиарти, которая с неизбежностью привела к последнему фатальному противостоянию у Штикельбахского водопада. А потом…

К счастью, доктор Ватсап описал многие их совместные расследования в своих мемуарах и неопубликованных записках. Я благодарен его потомкам Ундервуду и Верити Ватсапам за предоставление мне свободного доступа к семейным документам и великодушное разрешение включить в свою книгу выдержки из них.

Ковентри, март 2014 г.

О единицах измерения

Во времена Сомса и Ватсапа в Британии пользовались имперскими единицами измерения, а не метрическими, которыми по большей части пользуются сегодня, и денежные единицы тоже строились не по десятичной системе. У американских читателей проблем с имперскими единицами не возникнет; правда, галлоны по разные стороны Атлантики всегда были разные, но эти единицы измерения в книге все равно не используются. Чтобы избежать разночтений, я пользовался единицами Викторианской эпохи даже в тех вопросах, которые не входят в канон Сомса/Ватсапа, – за исключением тех случаев, когда логика рассказа требует именно метрической системы.

Здесь же я приведу краткий справочник по интересующим нас единицам измерения с их метрическими/десятичными эквивалентами.

Бо́льшую часть времени конкретные единицы измерения вообще не имеют значения: можно было бы просто, не меняя чисел, перечеркнуть слова «дюймов» или «ярдов» и заменить их неопределенным обозначением «единиц». Или выбрать любой другой вариант, который покажется вам удобным (к примеру, можно свободно заменить ярды на метры).

Единицы длины

1 фут = 12 дюймов = 304,8 мм

1 ярд = 3 фута = 0,9144 м

1 миля = 1760 ярдов = 5280 футов = 1,609 км

1 лига = 3 мили = 4,827 км

Единицы веса

1 фунт = 16 унций = 453,6 г

1 стоун = 14 фунтов = 6,35 кг

1 хандридвейт = 8 стоунов = 112 фунтов = 0,8 кг

1 тонна = 20 хандридвейтов = 2240 фунтов = 1,016 т

Денежные единицы

1 шиллинг = 12 пенсов (в ед. ч.: пенни) = 5 новых пенсов

1 фунт = 20 шиллингов = 240 пенсов

1 соверен = 1 фунт (монета)

1 гинея = 21 шиллинг = 1,05 фунта

1 крона = 5 шиллингов = 25 новых пенсов

Скандал с украденным совереном

Частный детектив достал из кармана кошелек, убедился, что тот по-прежнему пуст, и вздохнул. Стоя у окна своей квартиры в доме 222b, он застывшим взглядом смотрел через улицу. Оттуда, едва различимые на фоне цоканья копыт и клацанья проезжающих экипажей, доносились звуки какой-то ирландской мелодии, мастерски исполняемой на скрипке Страдивари. В самом деле, этот человек невыносим! Сомс взирал на ручеек людей, один за другим входящих в дверь его знаменитого конкурента. Большинство из них с очевидностью были богаты и принадлежали к высшим классам общества. Те, кто не выглядели богатыми членами высших классов, за редким исключением были представителями богатых членов высших классов.

Преступники просто не совершали преступлений, которые затрагивали бы людей того сорта, что прибегли бы при необходимости к услугам Хемлока Сомса.

Последние две недели Сомс с завистью наблюдал, как клиентов одного за другим проводили к человеку, которого они считали величайшим детективом на свете. Или, по крайней мере, в Лондоне, который для викторианской Англии означал, по существу, то же самое. Тем временем его собственный дверной звонок упрямо молчал, счета накапливались, и миссис Сопсудс уже угрожала выселением.

В производстве у Сомса числилось всего одно дело. Лорд Хампшоу-Смэттеринг, владелец гостиницы «Глиц», считал, что один из его официантов стащил золотой соверен – ценность стоимостью в один фунт стерлингов. Откровенно говоря, соверен в настоящий момент пригодился бы и самому Сомсу. Однако вряд ли подобное происшествие способно было привлечь жадную до сенсаций желтую прессу, от которой, как ни прискорбно, зависело его будущее.

Сомс еще раз просмотрел свои записи по делу. Три приятеля – Армстронг, Беннет и Каннингем – обедали в ресторане отеля, после чего им был вручен счет на 30 фунтов. Каждый из троих дал официанту Мануэлю 10 золотых соверенов. Но затем метрдотель заметил, что в счет вкралась ошибка и на самом деле с приятелей следовало получить не 30, а 25 фунтов. Он дал официанту пять соверенов, которые следовало вернуть гостям. Поскольку пять монет невозможно было разделить на троих, Мануэль решил, что лучше всего будет, если он оставит два соверена себе в качестве чаевых и раздаст посетителям по соверену; при этом он намекнул, что им вообще повезло, что удалось вернуть хоть какую-то часть переплаты.

Посетители согласились на такой вариант, и все было хорошо, пока метрдотель не обратил внимания на арифметическую неточность. Получалось, что посетители заплатили за обед по 9 фунтов, в сумме 27 фунтов. Два фунта получил Мануэль, то есть в сумме получилось 29 фунтов.

Одного фунта не хватало.

Хампшоу-Смэттеринг был убежден, что Мануэль просто украл недостающий соверен. Доказательства, конечно, были косвенные, но Сомс понимал, что от разрешения этой загадки зависит благополучие официанта. Если бы Мануэля уволили с плохой характеристикой, он не смог бы найти подобную работу.

Куда же делся недостающий соверен?

Ответ см. в главе «Загадки разгаданные».

Числовая диковинка

[1]

В работе детектива жизненно важно уметь замечать закономерности. В неопубликованной и никак не озаглавленной монографии Сомса среди 2041 поучительного примера всевозможных закономерностей присутствует и такой. Решите примеры:

11 × 91

11 × 9091

11 × 909091

11 × 90909091

11 × 9090909091.

Сомс воспользовался бы для решения ручкой и бумагой, и современные читатели могут поступить так же, если они еще не забыли, как это делается. Калькуляторы, конечно, всегда под рукой, но в них частенько не хватает разрядов. Такую закономерность можно продолжать бесконечно: доказать это при помощи калькулятора невозможно, но можно прийти к этому выводу путем умозаключений и старого доброго способа. Итак, не проводя больше никаких вычислений, ответьте, чему равно

11 × 9090909090909091.

И более сложный вопрос: почему так получается?

Ответы см. в главе «Загадки разгаданные».

Железнодорожные маршруты

Лайонел Пенроуз[2] изобрел новый вариант традиционных лабиринтов: железнодорожные лабиринты. Соединения в них похожи на железнодорожные стрелки, и маршрут следует прокладывать так, чтобы по нему мог пройти поезд, то есть без острых углов и резких поворотов. Оказалось, что это удобный способ втиснуть сложный лабиринт в небольшое пространство.

Сын Лайонела математик Роджер Пенроуз развил эту идею. Один из придуманных им лабиринтов высечен в камне на Скамье тысячелетия в деревеньке Лаппит в Девоне (Англия). Он довольно сложен, поэтому приведу для вас более простой пример.

Карта на следующем рисунке показывает сеть железных дорог, по которым ходят опаздывающие поезда. Поезд отправлением в 10:33 уходит со станции S и должен прибыть на станцию F. Поезд не может поменять направление движения, просто остановившись и поехав назад, но может двигаться в любом направлении, если путь делает петлю и замыкается сам на себя. В точках, где сходятся два пути, поезд может проехать в любом направлении с плавным изгибом. По какому маршруту ходит этот поезд?

Ответ и дополнительную информацию, в том числе и о лаппитской Скамье тысячелетия, см. в главе «Загадки разгаданные».

Сомс знакомится с Ватсапом

Мелкий моросящий дождичек из тех, что кажутся нестрашными, но умудряются очень быстро промочить вас до костей, сыпал на добрых обитателей Лондона – и на дурных тоже, – когда те и другие проносились вдоль Бейкер-стрит по своим делам, достойным и не слишком, и пытались не наступать в лужи. Наш не самый знаменитый детектив привычно стоял у окна, безнадежно вглядываясь в сумрак; он тихо жаловался самому себе на плачевное состояние своих финансов и чувствовал себя подавленным. Проницательность, проявленная при разрешении скандала с украденным совереном, принесла ему достаточный доход, чтобы избавиться на некоторое время от шумных претензий миссис Сопсудс, но теперь, когда эмоциональный подъем от успеха немного спал, он чувствовал себя одиноким и недооцененным.

Может быть, ему нужен компаньон-единомышленник? Тот, кто мог бы разделить с ним вендетту в отношении преступности, а также интеллектуальный вызов по распутыванию улик, которые злоумышленники так неосмотрительно оставляли всюду после себя? Но где найти такого человека? Сомс совершенно не представлял, с чего следует начать.

Приступ меланхолии Сомса был прерван появлением перед домом напротив крепкой фигуры, целеустремленно направляющейся к двери. Сомс инстинктивно оценил незнакомца и решил, что это медик, недавно уволившийся из армии. Хорошо одет, явно не беден: еще один богатый клиент для этого перехваленного болвана Хол…

Но нет! Крепыш взглянул на номер дома, покачал головой и развернулся на каблуках. Когда он пересек дорогу, едва увернувшись от двухколесного кэба, его лицо скрылось под шляпой, но движения по-прежнему говорили о решимости, может быть, даже решимости на грани отчаяния. Взглянув на мужчину теперь, когда интерес к крепышу оказался подогрет, Сомс понял, что пиджак незнакомца вовсе не нов, как он было подумал, просто мастерски починен… на Олд-Комптон-стрит, судя по виду стежков. В четверг, когда у старшей швеи выходной. Нет, одет довольно бедно, а вовсе не хорошо, поправил Сомс свое первоначальное впечатление, когда незнакомец исчез из виду, очевидно, направляясь к его двери.

Пауза… затем звонок в дверь.

Сомс ждал. Стук в дверь оповестил о появлении его долготерпеливой квартирной хозяйки миссис Сопсудс в одном из обычных ее цветастых платьев и большом переднике.

– Вас хочет видеть какой-то джентльмен, мистер Сомс, – сварливо проговорила она. – Проводить наверх?

Сомс кивнул, и миссис Сопсудс неуклюже затопала вниз по лестнице. Минутой позже она вновь постучала в дверь, и неизвестный медик вошел. Сомс сделал ей знак рукой, предлагая закрыть дверь и вернуться на привычное место за кружевными занавесками в гостиной на первом этаже, что она и проделала с очевидной неохотой.

Джентльмен на мгновение прислушался и внезапно распахнул дверь, одновременно отступив в сторону и позволив миссис Сопсудс боком повалиться на пол.

– Этот… э-э… ковер. Нужно почистить, – объяснила она, поднимаясь. Сомс мысленно отметил, что его квартирная хозяйка тоже нуждается в чистке, улыбнулся ей тонкой улыбкой и нетерпеливым жестом отослал прочь. Дверь снова закрылась.

– Моя карточка, – сказал посетитель.

Сомс не читая положил визитку на стол лицевой стороной вниз и внимательно оглядел вошедшего с головы до ног. Через несколько секунд он произнес:

– Не слишком много приметных особенностей.

– Простите?

– Кроме очевидных, конечно. Последние четыре года вы провели в Ал-Гебраистане, служили хирургом в 6-м полку королевских драгун. Вы едва избежали серьезного ранения в битве при Кв'драте. Вскоре после этого срок вашей службы истек, и вы решили – после серьезных сомнений и колебаний – вернуться в Англию, что и сделали в начале этого года. – Сомс вгляделся пристальнее и добавил: – Вы держите четырех кошек.

У незнакомца отвалилась челюсть, а Сомс невозмутимо перевернул визитную карточку:

– Доктор Джон Ватсап, – вслух прочел он. – Хирург, 6-й королевский драгунский полк, в отставке.

Лицо сыщика не отразило никаких чувств при таком подтверждении его выводов, поскольку по-другому и быть не могло.

– Пожалуйста, присядьте, сэр, и расскажите мне о преступлении, жертвой которого вы стали. Могу вас заверить, что…

Ватсап дружелюбно рассмеялся.

– Мистер Сомс, я рад наконец встретиться с вами, ибо ваша слава разошлась далеко по свету. Ваши выводы в отношении моей персоны доказывают, что вы полностью заслуживаете всех тех хвалебных отзывов, которые мне приходилось слышать. А скромность дополнительно украшает вас. Но, откровенно говоря, я пришел в первую очередь не как возможный клиент. Скорее я ищу место и хотел бы наняться к вам на службу. Медицина меня больше не привлекает – как не привлекала бы вас, если бы вам довелось видеть те зрелища, что я принужден был выносить на фронте. Но я человек действия, по-прежнему жажду впечатлений, у меня есть армейский револьвер, и… Кстати, как вы это сделали?

Сомс, не обращая внимания на растущее ощущение того, что его путают с обитателем дома 221b, сел лицом к Ватсапу.

– По тому, как вы держитесь, сэр, я узнал в вас военного еще до того, как вы перешли улицу. Зрение у меня необычайно острое, а ваши руки – руки хирурга, сильные, но без следов тяжелого ручного труда. В прошлом декабре в Times писали о том, что четырехлетняя кампания в Ал-Гебраистане подходит к концу и королевский 6-й драгунский возвращается в Англию после решающей битвы при Кв'драте, которая дорого нам обошлась. На ногах у вас вполне подходящие армейские ботинки, по характеру износа которых видно, что после возвращения вы уже провели некоторое время в Англии. У вас легкий шрам на скуле, почти заживший, вызванный, очевидно, мушкетной пулей неевропейской конструкции (я написал короткую монографию об огнестрельных ранениях на Дальнем Востоке и должен как-нибудь обязательно почитать ее вам). Вы человек действия, что проявилось в том, как вы отреагировали на привычку миссис Сопсудс подслушивать, так что вы ни за что не расстались бы с военной службой добровольно. Если бы вас отправили в отставку со скандалом, я прочел бы об этом в новостях, но ничего подобного в последнее время не сообщалось. На вашем пиджаке можно заметить четыре типа кошачьей шерсти – не просто шерстинки четырех разных цветов, что могло бы свидетельствовать об одной пестрой кошке, но разной длины и текстуры… Я не буду докучать вам их родословными.

– Поразительно!

– Откровенно говоря, я должен также признаться, что ваше лицо кажется мне знакомым. Я уверен, что где-то вас… Ну конечно! Вспомнил! Небольшая заметка в Chronicle на прошлой неделе, с фотографией… Доктор Джон Ватсап, который всегда представляется так: «Ватсап, док». Ваша слава обогнала мою, доктор.

– Вы слишком добры, мистер Сомс.

– Нет, просто реально смотрю на вещи. Но если нам предстоит работать вместе, вы должны убедить меня, что умеете не только действовать, но и думать. Так, посмотрим, – и Сомс написал следующие цифры:

4 9

на обороте какого-то конверта.

– Я хочу, чтобы вы добавили к этим знакам один стандартный арифметический символ так, чтобы получилось целое число от 1 до 9.

Ватсап сосредоточенно поджал губы.

– Так, плюс… нет, 13 – слишком много. Минус… нет, результат отрицательный. Умножение и деление тоже не подходят… Конечно! Квадратный корень! Ах, нет: 4√9 = 12, опять слишком много.

Он почесал в затылке.

– Я в тупике. Это невозможно.

– Уверяю вас, решение существует.

Некоторое время молчание нарушалось только тиканьем часов на каминной полке. Внезапно лицо Ватсапа осветилось.

– Я понял!

Он взял конверт, добавил единственный символ и вручил Сомсу.

– Первое испытание вы прошли, доктор.

Что написал Ватсап? Ответ см. в главе «Загадки разгаданные».

Геомагические квадраты

Магический квадрат состоит из чисел, сумма которых по любой строке, любому столбцу и любой диагонали равна одному и тому же числу. Ли Сэллоуз придумал геометрический аналог магического квадрата – геомагический квадрат. Это организованные в квадрат геометрические фигуры; они расставлены таким образом, что фигуры в любом ряду, в любом столбце или диагонали складываются вместе, как детали головоломки, и образуют одну и ту же фигуру. Эти кусочки при необходимости можно поворачивать или отражать зеркально. На левом рисунке видно, как это делается; на правом представлена загадка, которую вам предлагается решить. Ответ см. «Гипотеза о трекле».

Сэллоуз придумал много других геомагических квадратов, а также обобщений вроде геомагического треугольника. Их можно найти в журнале The Mathematical Intelligencer 33 No. 4 (2011) 25–31 и на вебсайте Сэллоуза: http://www.GeomagicSquares.com/

О форме апельсиновой кожуры

Существует множество способов очистить апельсин. Некоторые просто последовательно отламывают кусочки кожуры. Некоторые стараются снять кожуру целиком в виде большой неправильной кляксы. В результате обычно получается несколько кусков кожуры и много сока. Другие подходят к делу системно и аккуратно чистят апельсин ножом, делая спиральный надрез от верхушки плода вниз к основанию. Я лично предпочитаю беспорядок и быстрый результат, но о вкусах не спорят.

В 2012 г. Лоран Бартольди и Андре Энрикес заинтересовались тем, какую фигуру образует апельсиновая кожура, если ее аккуратно выложить на плоскости. Воспользовавшись тонким ножом и тщательно следя за тем, чтобы полоска кожуры везде имела одинаковую ширину, они выложили на столе красивую двойную спираль. Получившаяся фигура напомнила им одну известную математическую кривую – двойную спираль, известную под несколькими разными названиями: спираль Корню, спираль Эйлера, клотоида, или кривая Спиро.

Эта кривая известна с 1744 г., когда Эйлер открыл одно из ее основных свойств. Кривизна этой кривой (1/r, где r – радиус оптимально подогнанной окружности) в любой заданной точке пропорциональна расстоянию вдоль кривой от середины кривой до этой точки. Чем дальше уходишь вдоль кривой, тем плотнее она сворачивается; именно поэтому ее спиральные участки закручиваются все плотнее. Физик Мари Альфред Корню наткнулся на эту же кривую в физике света, при преломлении света на прямой кромке. Инженеры-путейцы используют эту кривую при проектировании плавного перехода от прямого участка пути к повороту.

Бартольди и Энрикес доказали, что сходство между апельсиновой кожурой и спиралью Корню не случайно. Они записали уравнение, описывающее форму полоски апельсиновой кожуры для любой фиксированной ширины, и доказали, что чем меньше ширина полоски, тем сильнее ее форма приближается к форме спирали. При очень маленькой ширине форма фигуры становится похожей на спираль Корню со сколь угодно высокой точностью. Они отметили также, что эту спираль «открывали много раз в истории; наша, например, появилась за завтраком».

Дополнительную информацию см. в главе «Загадки разгаданные».

Как выиграть в лотерею?

Пожалуйста, обратите внимание на вопросительный знак в заголовке.

Чтобы выиграть джекпот в Национальной лотерее Великобритании (бездарно переименованной в Lotto), необходимо, чтобы шесть чисел от 1 до 49, выбранные вами заранее, совпали с числами, которые выберет лотерейный автомат в день розыгрыша. Существуют способы выиграть призы поменьше, но давайте сосредоточимся на максимальном результате. Шары вынимаются машиной в случайном порядке, но затем выстраиваются по возрастанию, чтобы участникам лотереи проще было определить, выиграли ли они что-нибудь. Поэтому если машина выберет следующие шары:

13 15 8 48 47 36,

то результат будет выдан в виде

8 13 15 36 47 48;

наименьшее число здесь, очевидно, равно 8, следующее – 13 и т. д.

Теория вероятностей говорит нам, что если любое число может выпасть с равной вероятностью (как и должно быть), то в пределах выбранного комплекта из шести чисел:

• наиболее вероятное наименьшее число равно 1;

• наиболее вероятное следующее по величине число равно 10;

• наиболее вероятное третье по величине число равно 20;

• наиболее вероятное четвертое по величине число равно 30;

• наиболее вероятное пятое по величине число равно 40;

• наиболее вероятное наибольшее число равно 49.

Все эти утверждения верны. Первое верно, потому что если в ряду чисел появляется 1, то она, естественно, становится наименьшей, что бы ни произошло далее. Однако в отношении числа 2 так уже нельзя сказать, потому что остается небольшая вероятность, что далее появится 1, которая и займет это место. Следовательно, вероятность того, что число 2 будет наименьшим после извлечения шести шаров, чуть меньше, чем для единицы.

Ну, хорошо, таковы математические факты. Поэтому на первый взгляд вы можете чуть-чуть увеличить свои шансы на выигрыш, если выберете числа

1 10 20 30 40 49,

поскольку каждое из них – наиболее вероятный вариант в данном интервале.

Верно ли сказанное? Ответ см. в главе «Загадки разгаданные».

КражаСлучай с зелеными носками

– Вы прошли первое испытание, доктор. Но для настоящей проверки я должен посмотреть, как вы проведете криминальное расследование.

– Я готов, мистер Сомс. Когда мы начнем?

– Никогда не откладывай на завтра то, что можно сделать сегодня.

– Согласен, мы оба – люди действия. Что это будет за дело?

– Ваше собственное.

– Но…

– Мне кажется, что, хотя причиной вашего появления здесь был поиск работы, вы, помимо этого, стали жертвой преступления. Я ошибаюсь?

– Нет, но как…

– Когда вы только вошли в комнату, я инстинктивно понял, что вы нуждаетесь в моей помощи. Вы пытались это скрыть, но я видел это по вашему лицу и по манере держаться. Когда я решил проверить этот вывод и упомянул «преступление, жертвой которого вы стали», ваш ответ был уклончивым. Вы сказали, что пришли в первую очередь не как возможный клиент.

Ватсап вздохнул и тяжело опустился в кресло.

– Я боялся, что упоминание о моем собственном деле может отрицательно повлиять на ваше решение воспользоваться моими услугами, ведь вы могли подумать, что я просто пытаюсь получить бесплатный совет. Но я опять убедился, что вы видите меня насквозь, мистер Сомс.

– Это было неизбежно. Я думаю, мы вполне можем обойтись без формальностей. Вы можете называть меня Сомсом. А я буду называть вас Ватсапом.

– Это честь для меня, ми… э-э, Сомс, – Ватсап, откровенно взволнованный, сделал паузу, чтобы немного успокоиться: – Вообще-то случай несложный, вы с такими наверняка не раз сталкивались.

– Кража со взломом.

– Да. Как вы… не важно. Произошло это в начале года, и я немедленно обратился за профессиональной помощью к вашему соседу через дорогу. Через месяц, в течение которого не было получено совершенно никаких результатов, он заявил, что вопрос слишком тривиален, чтобы заинтересовать его могучий талант, и указал мне на дверь. Услышав, по счастливой случайности, о ваших расследованиях, я решил, что вы могли бы добиться успеха там, где это великое светило потерпело неудачу.

Ватсапу было ясно, что теперь он полностью овладел вниманием Сомса.

– Я клянусь, что помогу вам раскрыть это преступление, хотя бы для того, чтобы доказать свою полезность, – произнес Ватсап с чувством. – Если мы добьемся успеха… нет, когда мы добьемся успеха… я смогу с бо́льшим основанием надеяться на постоянное место. Я не могу заплатить вам гонорар, но могу предложить свои услуги бесплатно на два месяца. За это время я обеспечу постоянный поток клиентов, расхваливая вас направо и налево в обществе аристократов; этого хватит, чтобы кормить нас обоих и оплачивать скромное, но приличное жилье.

– Признаюсь, такое предложение кажется мне достаточно привлекательным, – отозвался Сомс. – Я уже давно ищу себе помощника, которого наши заокеанские друзья назвали бы «вторым номером». То, как вы разоблачили неуместное любопытство моей квартирной хозяйки, внушает мне дополнительную уверенность в том, что вы соответствуете моим потребностям, но посмотрим. Э-э… кстати, о потребностях: нет ли у вас с собой случайно пятифунтовой банкноты? Миссис Сопсудс всегда так жалуется на неоплаченные счета… Нет-нет, вижу, что наличных у вас не больше, чем у меня. Но вместе мы преодолеем безденежье. А теперь расскажите мне о преступлении.

– Как я уже сказал, дело очень простое, – сказал Ватсап. – Мой дом взломали, и моя бесценная коллекция ал-гебранских церемониальных кинжалов, представлявшая собой бо́льшую часть моего состояния, была украдена.

– Отсюда ваше нынешнее прискорбное финансовое состояние.

– Да, это так. Я планировал продать их на аукционе «Сотбис».

– Были ли какие-то улики?

– Всего одна. Зеленый носок, оставленный вором на месте преступления.

– Какого он был оттенка зеленого цвета? Из какого материала? Хлопок? Шерсть?

– Я не знаю, Сомс.

– Подобные вещи имеют значение, Ватсап. Не одного человека вздернули на виселице из-за конкретного оттенка цвета единственной штопальной нитки. И не один преступник избежал петли только потому, что такого доказательства не нашлось.

Ватсап кивнул, усваивая урок.

– Вся информация, которая у меня есть, исходит от полиции.

– Разумеется, это объясняет ее скудность. Продолжайте, пожалуйста.

– Полиция сузила круг подозреваемых до трех человек и пришла к выводу, что ответственность за это преступление лежит на ком-то из них. Это Генри Грин, Билл Браун и Уолли Уайт[3].

Сомс задумчиво кивнул.

– Как я и думал, это те, кто в подобных ситуациях первыми приходят на ум. Они работают в районе Босуэлл-стрит.

– Откуда вы узнали, что я живу на Босуэлл-стрит? – Ватсап был поражен.

– Ваш адрес есть на визитке.

– А-а. Во всяком случае, один из этих троих точно преступник, который меня обокрал. Полиция навела справки и выяснила, что каждый из этих мужчин обычно носит пиджак и брюки.

– Большинство мужчин носит такую одежду, Ватсап. Даже низшие классы.

– Да. Но эти люди, помимо всего прочего, носят носки.

Сомс навострил уши.

– Этот момент, пожалуй, представляет некоторый интерес. Он показывает, что доходы этих людей превышают их законный заработок.

– Простите, Сомс, но я, откровенно говоря, не вижу…

– Вы никогда не встречались с господами Брауном, Грином и Уайтом.

– Ах!..

– Пожалуйста, воздержитесь от незначащих замечаний, Ватсап, они только отвлекают, и переходите к делу.

– Судя по всему, каждый из этих людей имел неизменную привычку одеваться в любых ситуациях в одежду одних и тех же цветов. Незаметные следы на месте преступления…

– Да-да, – пробормотал нетерпеливо Сомс. – Обрывки нити, оставшиеся на разбитом стекле. Очевидно, как божий день.

– …Э-э, ну да, как я и говорил, обрывки нити. Эти следы указывали на то, что вор воспользовался одним из своих носков, чтобы приглушить звук бьющегося оконного стекла, и что носок этот был зеленым. Свидетели подтвердили, что на троих подозреваемых всегда приходится один пиджак каждого цвета, одна пара брюк каждого цвета и одна пара носков каждого цвета. Никто из них не носит двух или более предметов одежды одного цвета – считая пару носков за один предмет, вы понимаете, поскольку даже такие негодяи, как эта троица, не станут надевать разноцветные носки. Это было бы совершенно неприлично.

– Сделали ли вы какие-нибудь существенные выводы из этой информации?

– Каждый из подозреваемых должен был иметь на себе ровно один предмет одежды цвета, соответствующего его имени, – сразу же ответил Ватсап. – Вычислив цвет, мы найдем преступника.

Сомс откинулся в кресле.

– Очень хорошо. Не исключено, что мы сможем работать вместе. Что-нибудь еще?

– Я пришел к выводу, что имеющейся информации недостаточно и определить, кто преступник, невозможно. Полиция со временем тоже признала это, поэтому я предложил им поискать дополнительные факты.

– Нашли они что-нибудь?

– Нашли, после того как я дал им несколько конкретных советов, – и Ватсап вручил Сомсу клочок бумаги. – Это часть полицейского отчета, – пояснил он.

Документ гласил:

«Выдержка из отчета по результатам расследования, проведенного констеблем Дж. К. Уаггинсом из Холборнского отдела Лондонской полиции

1. Носки Брауна были того же цвета, что и пиджак Уайта.

2. На человеке, чья фамилия соответствовала цвету брюк Уайта, были носки, цвет которых не соответствовал фамилии человека в белом пиджаке.

3. Цвет пиджака на том, чья фамилия соответствовала цвету носков Грина, отличался от цвета брюк Брауна».

– На этом все и застряло, – сказал Ватсап. – Если мы сумеем по этим данным определить вора, то полиция сможет получить ордер на обыск. Если повезет, они найдут пропавшие у меня кинжалы, и это станет неопровержимым доказательство вины. Но они в тупике, а ваш хваленый сосед так же сбит с толку, как и я, и потому делает вид, что мое дело не представляет для него интереса.

Сомс хмыкнул.

– Напротив, мой дорогой Ватсап. Благодаря вашей настойчивости и упорным попыткам добиться от полиции достаточно глубокого расследования всех обстоятельств дела информации у нас теперь достаточно, чтобы безошибочно определить виновного. Умозаключения здесь, разумеется, элементарны.

– Как вы можете быть настолько уверены?

– Вы еще познакомитесь с моими методами, – загадочно сказал Сомс.

– Кто же преступник?

– Это мы выясним, когда проведем необходимые рассуждения.

Ватсап вытащил новый, толстый, пока еще совершенно чистый блокнот и написал:

Мемуары

доктора Джона Ватсапа (M. Chir., R. M. C. S., в отставке)

Дело 1: Кража с зелеными носками

Сомс, читая написанное вверх ногами, негромко заметил:

– Это не бульварный роман, Ватсап.

Ватсап перечеркнул слово «кража» и подписал вместо этого «случай». Затем, поджав губы, начал записывать ход их совместного анализа. После нескольких небольших заминок личность преступника вскоре прояснилась.

Ответ см. в главе «Загадки разгаданные».

– Я немедленно отправлю телеграмму инспектору Роулейду, – объявил Сомс. – Он пошлет констеблей обыскать жилище этого человека. Несомненно, они найдут там ваши кинжалы, поскольку грабитель, которого мы идентифицировали, известен тем, что всегда очень долго сбывает краденое. Он любит позлорадствовать, любуясь краденым, Ватсап, и такая опрометчивость уже не раз приводила его за решетку.

– И это поможет нам успешно завершить наше первое совместное дело! – с энтузиазмом добавил он, но его возбуждения надолго не хватило. – Ваша помощь в нем была бесценной, но, к несчастью, состояние финансов в результате всех наших размышлений не улучшится, поскольку это ваше дело.

– Некоторое улучшение все же будет. Я верну себе кинжалы.

– Боюсь, что полиция будет держать их у себя до суда как вещественные доказательства. Но все равно мы можем считать этот успех предвестником наступления других, более прибыльных времен, да, Ватсап?

Последовательные кубы

Кубы трех последовательных чисел 1, 2, 3 равны 1, 8, 27, что в сумме составляет 36, то есть полный квадрат. Какие следующие последовательные кубы дают в сумме полный квадрат?

Ответ см. в главе «Загадки разгаданные».

Adonis Asteroid Mousterian

Джереми Фаррелл опубликовал[4] несколько поразительных магических квадратов. Вот три примера из этой публикации. В каждой клеточке такого квадрата содержится двухбуквенное английское слово, которое можно найти в любом стандартном словаре. В клетках каждой строки, каждого столбца и каждой из двух главных диагоналей квадратов четвертого и пятого порядков содержатся одни и те же буквы. Каждая строка и столбец представляют собой анаграмму (хотя и не осмысленную) одного и того же словарного слова, написанного под соответствующим квадратом. Кстати говоря, Mousterian (мустьерский) – это разновидность кремневых орудий, которыми пользовались некоторые неандертальцы.

Вам может показаться, что правильным образом организованные слова не имеют отношения к математике. Однако любители головоломок, как правило, уважают и то и другое, а сам я склонен рассматривать игры со словами скорее как задачи по комбинаторике с нерегулярными ограничениями; говоря конкретнее, в качестве ограничения здесь выступает словарь. Но у этих квадратов есть и математические свойства. Если каждую букву заменить подходящим числом, а числа, соответствующие двум буквам в заданной клетке, сложить, то получившийся числовой квадрат тоже окажется магическим. То есть числа в каждой строке, в каждом столбце и (за исключением квадрата 3 × 3) по каждой диагонали в сумме дадут одно и то же число.

Конечно, это свойство выполняется для любого набора чисел, за исключением диагоналей квадрата 3 × 3, потому что каждая буква встречается в каждой строке, каждом столбце и (за исключением квадрата 3 × 3) на каждой диагонали ровно один раз. Однако при правильном выборе в квадратах будут стоять числа от 0 до 8, от 0 до 15 и от 0 до 24 соответственно. В каждом магическом словарном квадрате соответствия между буквами и цифрами будут разными.

Какие числа соответствуют каким буквам? Ответ см. в главе «Загадки разгаданные».

Два коротких вопроса на квадраты

1. Назовите наибольший полный квадрат, в котором каждая цифра 1 2 3 4 5 6 7 8 9 встречается ровно один раз.

2. Назовите наименьший полный квадрат, в котором каждая цифра 1 2 3 4 5 6 7 8 9 встречается ровно один раз.

Ответы см. в главе «Загадки разгаданные».

О вреде чистых рук

Джон Непер, восьмой лорд Мерчистона (ныне район Эдинбурга), знаменит тем, что в 1614 г. изобрел логарифмы. Но в его натуре была и темная сторона: он баловался алхимией и некромантией. Многие считали его колдуном, а его «фамильяром», или волшебным спутником, был черный петух.

При помощи этого петуха Непер ловил вороватых слуг. Он запирал слугу, заподозренного в краже, в комнате с петухом и велел ему погладить петуха, говоря, что волшебная птица сможет безошибочно определить виновного. Все обставлялось очень таинственно – но Непер точно знал, что делает. Он заранее покрывал черного петуха тонким слоем сажи. Невиновный слуга готов был, как велено, погладить птицу, и на его руках обязательно оставались следы сажи. Виновный, страшась разоблачения, игнорировал распоряжение хозяина, и его руки оставались чистыми.

Чистые руки служили доказательством вины.

Дело о картонных коробках[5]

Из мемуаров доктора Ватсапа

После возвращения ценных церемониальных кинжалов и по мере того, как росла репутация нашего партнерства в решении неразрешимого, постижении непостижимого и распутывании нераспутываемого, ситуация с нашими личными финансами улучшалась с каждым днем. Элита Англии становилась фактически в очередь, стремясь заручиться нашими услугами, и в моих записных книжках можно найти описание многих успехов моего друга: это и загадка пропавшей горы, и история с испарившимся виконтом, и союз лысых. Однако ни один из этих случаев не отражает талантов моего друга в их самой чистой форме и не раскрывает его способности распознавать значимые черты обычных на первый взгляд объектов и событий, на которые большинство людей просто не обратили бы внимания. В этой связи на ум сразу приходит случай с гигантской летучей мышью из Сент-Олбанс, но подробности этого дела слишком сложны и загадочны, чтобы разбирать его здесь.

Любопытные события Рождества 18.. года, однако, прекрасно подходят для моей цели и заслуживают большего интереса. (Я вынужден сохранить точную дату и бо́льшую часть обстоятельств происшедшего в тайне, чтобы не причинять неудобств знаменитой оперной диве-контральто и нескольким министрам Кабинета.)

Я сидел за своим письменным столом, припоминая и записывая подробности последних дел Сомса, а он проводил бесконечную, как мне казалось, серию экспериментов с моим старым армейским револьвером и вазой с хризантемами. И его, и мою деятельность прервала миссис Сопсудс, которая внесла и поставила на стол две картонные коробки разных размеров, перевязанные ленточками.

– Рождественские подарки для вас, мистер Сомс, – объявила она.

Сомс посмотрел на посылки. На упаковке каждой красовались его адрес и какие-то почтовые марки с нечитаемыми штемпелями. По форме коробки были прямоугольными… конечно, технически прямоугольник – двумерная фигура, так что на самом деле они были прямоугольными параллелепипедами. Кубоидами.

В общем, коробки имели форму коробок.

Сомс взял линейку и измерил все стороны.

– Замечательно, – пробормотал он. – И очень, очень неприятно.

К тому времени я уже научился уважать подобные оценки, какими бы странными на первый взгляд они ни выглядели. Я перестал смотреть на посылки как на подарки к Рождеству и попытался отбросить растущее подозрение о том, что там внутри бомбы; я постарался внимательно их осмотреть. В конце концов я заметил, что при обвязывании коробок было использовано больше ленты, чем это необходимо.

– Ленты образуют крест на каждой грани коробки, – сказал я. – Когда я упаковываю пакет, я обычно завязываю ленту так, чтобы она образовывала крест на верхней и нижней гранях коробки и проходила вертикально по каждой из четырех оставшихся граней.

– В самом деле.

Очевидно, мой анализ был неполон. Я напряг мозги.

– Ну… Там нет банта.

– Правильно, Ватсап.

По-прежнему ответ неполон. Я почесал голову.

– Это все, что мне удалось заметить.

– Это все, что вы видите, Ватсап. Вы заметили все, кроме главной закономерности. Боюсь, что на пороге ужасные дела.

Я признался, что не вижу ничего ужасного в двух рождественских подарках. Внезапно меня поразила одна мысль.

– Неужели вы имеете в виду, что в коробках содержатся отрезанные части тела, Сомс?

Он рассмеялся.

– Нет, они почти пусты, – сказал он, поднимая и встряхивая каждую по очереди. – Но вы, конечно же, понимаете, что ленты этого конкретного сорта можно купить только у Уилберфорса, в магазине для дам?

– К сожалению, нет, но я склоняюсь перед вашими несравненными познаниями. Хотя само заведение мне знакомо. Это галантерейный магазинчик на Исткасл-стрит. – И тут меня осенило: – Сомс! Это там, где произошло то ужасное убийство! Это было…

– …во всех газетах. Да, Ватсап.

– Улик было достаточно, но тело пока не найдено.

Сомс мрачно кивнул.

– Оно будет найдено.

– Когда?

– Вскоре после того, как я открою эти коробки.

Он натянул перчатки и начал осторожно разворачивать посылки.

– Несомненно, это работа картонариев, Ватсап.

Я непонимающе уставился на него, и Сомс добавил:

– Членов итальянского тайного общества. Но лучше бы вам об этом не знать, – и, несмотря на все мои мольбы, отказался что-либо рассказывать.

Он открыл обе коробки.

– Как я и подозревал. Одна коробка пуста, но во второй лежит вот это, – он поднял и показал мне небольшой прямоугольный лист бумаги.

– Что это?

Он передал лист мне.

– Квитанция из камеры хранения багажа, – сказал я. – Должно быть, это послание от убийцы. Но номер оторван, как и название станции.

– Как и следовало ожидать, Ватсап, как и следовало ожидать. Он – а по кровавым отпечаткам обуви ясно, что преступник определенно мужчина, к тому же крупный, – дразнит нас. Но мы разгадаем его загадки и возьмем над ним верх. Разумеется, название станции очевидно по тому, как коробки перевязаны лентой.

– Э-э… Простите?

– Конечно, вместе со стоимостью марок, что исключает вариант вокзала Чаринг-Кросс.

Мне все это показалось полной бессмыслицей, так что я взял со стола упаковку и насчитал на ней пять марок по одному шиллингу каждая. Откровенно говоря, я был озадачен.

– Нелепо платить столько за пересылку пустой коробки.

– Вовсе нет, если вы хотите тем самым что-то сообщить. Как иначе называется монета в пять шиллингов?

– Крона.

– А что символизирует крона и что на ней изображено?

– На ней отчеканена корона – символ нашей дорогой королевы.

– Близко, Ватсап, но вы не учли форму ленты.

– Коробка завязана крестом.

– Поэтому марки указывают на короля, а не на королеву. Станция – Кингс-Кросс, это очевидно! Но это не все. Ответьте мне вот на какой вопрос, Ватсап. Почему преступник прислал мне две большие коробки, если одна из них абсолютно пуста? Чтобы послать квитанцию, хватило бы одного небольшого конверта.

После долгой паузы я покачал головой.

– Понятия не имею.

– Коробки должны быть как-то связаны между собой, и характер этой связи должен что-то означать. Связь между ними, конечно, есть, я это понял сразу, как только измерил их стороны. – Сомс вручил мне линейку: – Попробуйте сами.

Я повторил его измерения.

– Длина, ширина и высота каждой коробки равняется целому числу дюймов, – сказал я. – Никакой другой закономерности в голову не приходит.

Он вздохнул.

– Вы не заметили странного совпадения?

– Какого странного совпадения?

– Объем обеих коробок одинаков, а перевязаны они одинаковыми по длине кусками ленты. Более того, размеры коробок – это наименьшие целые числа с такими свойствами.

– Из чего вы делаете вывод… ну конечно! Объем коробок и длина ленты дают нам номер багажной квитанции. Правда, число из них можно составить двумя разными способами, но мы можем с легкостью проверить оба варианта.

Сомс покачал головой.

– Нет-нет. Убийце потребовался бы помощник в багажном отделении, даже если бы такой номер квитанции вообще существовал. Все гораздо проще: преступник пометил какую-то вещь из оставленных в камере хранения этими числами. А внутри мы найдем нечто, что подскажет нам, где его искать.

– Кого искать?

– Разве не очевидно? Труп.

– Снимаю перед вами шляпу, Сомс, – с чувством сказал я. – Или снял бы, если бы она на мне была. Но разве труп, даже если мы его найдем, приведет нас к убийце?

– Это будет полезная улика, но вряд ли достаточная. Однако из этой посылки можно извлечь еще кое-что. Иногда преступник считает себя настолько умным, что намеренно оставляет за собой улики в уверенности, что представители власти глупы и при расследовании дела их просто не заметят. Картонарии – самоуверенные типы, и для них такое поведение типично. Но посмотрим. Так, возникает естественный вопрос, который ведет нас дальше от замечательной арифметики этих коробок. Каким будет наименьший набор из трех коробок с таким же свойством?

Я мгновенно понял ход его мыслей.

– Вы ожидаете такую посылку в ближайшем будущем! С еще одной разорванной квитанцией внутри! Значит, вы думаете, что будет еще одно убийство, да? – Я начал искать свой револьвер. – Мы должны остановить убийцу!

– Боюсь, что убийство уже совершено, но мы, если повезет, сможем предотвратить третью смерть. Сегодня убийца положит какую-то вещь – это может быть что угодно – в камеру хранения одного из главных лондонских вокзалов. Затем он отправит нам почтой коробки. Если мы сумеем заранее определить зашифрованные в них числа, то можно будет предупредить инспектора Роулейда. Он разошлет полицейских по всем основным вокзалам. Они не смогут, конечно, проверить всех пассажиров, которые будут оставлять багаж в камере хранения, поскольку это встревожило бы преступника, но могут посмотреть, не появится ли там кто-нибудь, у кого на багаже будут нанесены каким-то образом эти три числа, и арестовать тех, кто принесет этот багаж. В багаже будут указания на то, где следует искать второй труп. А когда он будет найден, доказательств вины окажется более чем достаточно.

В реальности все прошло не так гладко, и нам с Сомсом пришлось вмешаться после того, как полиция упустила нужного человека. К счастью, три посылки, которые надлежащим порядком прибыли к нам на следующий день вечерней почтой, принесли новые улики, и мы обнаружили, что это убийство было частью более обширного заговора. Извилистые пути, которыми двигалось наше расследование, и леденящие кровь тайны, которые мы откопали – в буквальном смысле, – как я уже объяснил, никогда не будут преданы гласности. Но в конце концов мы поймали преступника. И Сомс позволил мне открыть ответы на два вопроса, которые сыграли главную роль во всем этом расследовании.

Каких размеров были две коробки, с которых все началось? Каких размеров должны быть три коробки, чтобы они обладали такими же свойствами?

Ответы см. в главе «Загадки разгаданные».

RATS-последовательность

1, 2, 4, 8, 16, … Что дальше? Очень соблазнительно, особо не задумываясь, назвать в качестве следующего числа 32. Но что, если я скажу, что последовательность, которую я имел в виду, на самом деле выглядит так:

1 2 4 8 16 77 145 668.

Что теперь скажете про следующий член последовательности? Разумеется, единственного правильного ответа на этот вопрос не существует: придумав достаточно хитрые правила, можно подобрать формулу для любой конечной последовательности. Карл Линдерхольм в книге «Непростая математика» (Mathematics Made Difficult) посвятил целую главу объяснению того, почему на вопрос «Каков следующий член данной последовательности?» всегда можно отвечать: «19». Но вернемся к нашей последовательности: для нее существует простое правило. На него указывает название этой главки, но должен признать, что указание это слишком невнятно, чтобы из него можно было что-то извлечь.

Ответ см. в главе «Загадки разгаданные».

Дни рождения полезны

Статистика показывает, что люди, у которых больше всего дней рождения, живут дольше всех.

Ларри Лоренцони

Математические даты

В последние годы многие календарные даты оказались связаны с различными аспектами математики, в результате чего были объявлены особыми днями. Никто не придает таким дням никакого особого значения; все ограничивается исключительно численным сходством. Эти даты не предсказывают конца света или чего-то подобного – по крайней мере, насколько нам известно. В эти дни не происходит ничего особенного, их отмечают исключительно математики и иногда упоминают в СМИ. Но они забавны и дают средствам массовой информации лишний повод заинтересоваться серьезной математикой. Или хотя бы упомянуть математику в своих публикациях.

Можно назвать несколько таких дат. Многие из них связаны с американской системой датировки, где первым указывается не число, а месяц. Опять же, допускаются кое-какие календарные вольности: так, нули иногда можно опускать.

День числа π

14 марта, или, в американской системе датировки, 3/14 (π ~ 3,14). В Сан-Франциско это квазиофициальный день с 1988 г. Палата представителей США приняла необязывающую резолюцию, в которой признала этот день.

Минута π

14 марта, время 1:59. В американской системе это записывается как 3/14 1.59 (π ~ 3,14159). Можно и еще точнее: момент времени 1.59 и 26 секунд. 3/14 1:59:26 (π ~ 3,1415926).

День приближенного значения π

22 июля, в британской системе датировки записывается как 22/7 (π ~ 22/7).

День 123456789

Жаль, но вы его пропустили. Этот единственный момент наступил 7 августа 2009 г. (по британской системе), или 8 июля 2009 г. (по американской системе), вскоре после 12:34. Дату и время этого момента можно записать как 12:34:56 7/8/(0) 9. Но некоторые из вас, возможно, еще увидят «День 1234567890» в 2090 г.

День из единиц

Его вы тоже пропустили. Этот момент имел место 11 ноября 2011 г. (в любой системе) в 11 часов 11 минут 11 секунд. Дата и время в тот момент были 11:11:11 11/11/11.

День из двоек

Сегодня, когда я это пишу, до него еще несколько лет. У вас есть шанс! 2 февраля 2022 г.: 22:22:22 2/2/22.

День-палиндром

Палиндром, как известно, читается одинаково и слева направо, и справа налево – как фраза «А роза упала на лапу Азора». 22 февраля 2002 г. в 20:02 (британская система, 24-часовое обозначение времени): 20:02 20/02/2002.

Здесь один и тот же палиндром повторяется трижды. Когда можно ожидать следующий такой день в британской системе? Какая дата после названной, опять же в британской системе, представляла собой один цельный палиндром?

Ответ см. в главе «Загадки разгаданные».

День Фибоначчи (короткий вариант)

2 мая 2008 г. (британская система), 5 марта 2008 г. (американская система): 3/5/(0) 8.

День Фибоначчи (длинный вариант)

5 августа 2013 г. (британская система), 2 минуты 3 секунды второго (8 мая 2013 г. в американской системе): 1:2:3 5/8/13.

День простых чисел

2 марта 2011 г. (британская система), 3 февраля 2011 г. (американская система): 2:3 5/7/11.

Собака Баскетболлов

Из мемуаров доктора Ватсапа

– К вам леди, мистер Сомс, – сказала миссис Сопсудс.

Мы с Сомсом вскочили на ноги. В комнату вошла женщина неопределенного возраста – неопределенного потому, что ее лицо было скрыто под темной вуалью.

– Вам нет нужды скрывать свое лицо, леди Иакинф, – сказал Сомс.

Женщина изумленно ахнула и стянула вуаль.

– Но как…

– Необычайные события в Баскет-холле всю неделю служили темой для газетных заголовков, – сказал Сомс. – Я внимательно следил за ходом дела и знаю, что мой соперник из дома напротив не добился никаких результатов в расследовании. Ясно было, что рано или поздно вы обратитесь ко мне за помощью. Это был всего лишь вопрос времени. Кроме того, я узнал шляпу вашего кучера, таких больше не найдешь у слуг нашей аристократии.

– Баске́, а не Бáскет, – поправила его леди Иакинф, презрительно фыркнув. Получившийся носовой звук придал слову явственно французское звучание.

– Вряд ли это существенно, мадам, – возразил Сомс. – Этот дом принадлежит семье Баскет уже семь поколений, с тех самых пор, как Гонория Тампингем-Мэддли вышла замуж за третьего эрла.

– Ну да, но это же было тогда. Написание и произношение за это время… э-э…

– Осовременились, – вмешался я, надеясь немного успокоить бушующие волны взаимной неприязни. Одновременно я бросил на Сомса острый взгляд, оставшийся незамеченным ее светлостью. К чести Сомса, он воспользовался моей подсказкой.

– Это был гигантский черный пес! – внезапно воскликнула ее светлость, и слова прозвучали так, будто их силой вырвали из ее горла. – С громадной слюнявой пастью, с которой капала кровь!

– Вы его видели?

– Вообще-то нет, но мальчишка, который присматривает за поросятами… Ники, вот как его зовут. Или, может быть, Рики? Во всяком случае, он сказал, что мельком видел это жуткое чудовище, когда оно убегало.

– В темноте, – заметил Сомс. – С расстояния в 150 метров. Майкл Дженкинс близорук. Но неважно, рано или поздно улики приведут нас к истине. Правильно ли я понял, что это животное не причинило вреда ни одному человеческому существу?

– Ну… нет, – неохотно согласилась она. – Непосредственно нет, хотя мой бедный муж… Понимаете, этот пес погубил традицию, которая восходит к глубокой древности и возникла еще до третьего эрла Бáск… Баске́.

Я запоздало вспомнил о приличиях.

– Доктор Джон Ватсап, к вашим услугам, мадам. Сожалею, но я, в отличие от моего компаньона, не следил за новостями. Не будете ли вы столь любезны, чтобы просветить меня?

– Ах. Да. Хм-м, – она подобрала юбки и собралась с мыслями. – Это было за несколько дней до праздника Середины зимы, и мой муж Эдмунд… то есть лорд Баске́, разумеется… расставил 12 старинных каменных шаров…

– Известных уже несколько столетий как шары Баскетов, – прервал ее Сомс.

– Ну да, но мы же не можем осовременить абсолютно все, мистер Сомс. Существуют традиции. Во всяком случае, мой муж расставил шары на лужайке возле нашего величественного особняка в виде древнего фамильного символа. Только наследник по мужской линии знает точно, что это за символ, и никому другому не разрешается наблюдать за этой церемонией, но информация потихоньку просачивалась, и сегодня все знают, что в этом символе шары расставлены в виде семи прямых рядов с четырьмя шарами в каждом ряду.

Мы с Сомсом внимательно слушали.

– Эдмунд репетировал церемонию, которую необходимо обязательно проводить накануне каждого праздника Середины зимы, то есть в канун дня зимнего солнцестояния. Но, проснувшись на следующее утро, мы с ужасом увидели, что некоторые шары сдвинуты со своих мест!

– Но ведь вы сказали, что никто, кроме лорда Баске́, не должен видеть расстановки шаров, – возразил Сомс.

– На этот раз сложились исключительные обстоятельства. Его светлость отправился собирать шары, но не вернулся. Через некоторое время за ним послали одну из горничных… Понимаете, Лавиния слепа, но очень надежна и старательна. Она вернулась в слезах с криками о том, что его светлость лежит на земле и не двигается. Опасаясь, что он мертв, мы, то есть остальные присутствующие, решились нарушить освященный временем запрет и бросились к месту происшествия. Я подбежала как раз вовремя, чтобы услышать, как Эдмунд воскликнул: «Сдвинуты!» – и замер. С тех пор он находится в ступоре и ни на что не реагирует, мистер Сомс. Это ужасно.

– Сдвинуты, – повторил я. – Каким образом, мадам?

– Не находятся больше на тех местах, где находились, доктор Ватсап.

– Я имею в виду, сдвинуты куда?

– Теперь они образуют звезду, доктор Ватсап.

– Да! Звезду, в которой всего лишь шесть прямых рядов с четырьмя шарами в каждом, – сказал Сомс, быстро рисуя что-то на листе бумаги. – Об этом много говорили, и, похоже, говорили правду, потому что такое представители желтой прессы вряд ли придумали бы – слишком сложно для их мозгов. Это доказывает также, что мы и сами могли бы догадаться, что шары сдвинуты, не полагаясь при этом на последнее восклицание его светлости… для этого достаточно и дедукции.

– Последнее восклицание на настоящий момент, – торопливо добавил я, пока неосторожное замечание Сомса не послужило спусковым крючком для новой серии причитаний.

– А разве вы не могли вернуть шары на место? – поинтересовался я, когда ее светлость немного успокоилась.

– Нет! – почти крикнула она. Я давно заметил, что своим поведением английская аристократия во многих ситуациях заметно напоминает лошадей.

– Почему нет?

– Я уже говорила вам, что только его светлость точно знает правильное расположение шаров, предписанное традицией, а теперь врачи говорят, что он, возможно, никогда уже не оправится!

– Разве на земле не было отметок в тех местах, где первоначально лежали шары?

– Возможно, но их затоптала эта ужасная собака! Там всюду ее следы!

– Тогда я возьму с собой самое мощное увеличительное стекло, – сказал Сомс, с трудом сохраняя невозмутимое выражение лица. В этот момент его, должно быть, осенила какая-то мысль, потому что он внезапно застыл:

– Вы сказали «необходимо».

– Я так сказала? Когда именно?

– Несколько минут назад вы сказали, что церемонию необходимо проводить в определенное время каждый год. Мне только что пришло в голову, что слова в этой фразе выбраны вами не случайно. Поясните, пожалуйста.

– Согласно древнему трансильванскому пророчеству, если 12 шаров Баскетов не будут правильным образом разложены на лужайке в канун праздника Середины зимы, то дом Бáс… э-э, Баске́… падет и будет полностью разрушен! У нас осталось всего три дня, чтобы сделать это! О горе! – она зарыдала в голос.

– Успокойтесь, мадам, – произнес я, проводя открытой склянкой с нюхательной солью у нее под носом. – Пожалуйста, примите мои соболезнования в связи с прискорбным состоянием его светлости и мои заверения как медика, что, как бы он ни был слаб, некоторый шанс существует и в его состоянии со временем могут произойти буквально волшебные перемены…

Следует заметить, что я всегда гордился своим безупречным умением разговаривать с больными и их родственниками, и навыки моего друга Сомса в этом важном деле не идут ни в какое сравнение с моими, но в данном случае, что совершенно необъяснимо, ее светлость в ответ на мои слова зарыдала вдвое сильнее.

Сомс с вытянутым лицом вышагивал по комнате.

– Правильно ли я понял, ваша светлость, что значение имеет только форма, фигура, которую образуют выложенные шары? Или ориентация тоже имеет существенное значение?

– Простите? – переспросила она и потрясла головой, как будто пытаясь восстановить ясность рассудка.

– Если бы расположение шаров было верным с точностью до поворота, не меняющего их относительное расположение, то как, по-вашему, это запустило бы страшные события, предсказанные пророчеством? – попросил пояснить Сомс.

Леди Баскет немного помолчала, что-то обдумывая.

– Нет. Определенно нет. Я помню, что Вилли Вилликинс – наш старший садовник – предлагал мужу время от времени менять ориентацию фигуры и направлять ее в разные стороны, чтобы не повредить дерн на лужайке. И Эдмунд не возражал.

– Прекрасная новость! – воскликнул Сомс.

– Да, прекрасная, – подхватил и я, хотя не имел ни малейшего понятия, чему так радовался мой друг-детектив. Или хотя бы что означал его вопрос.

– Были ли там какие-либо следы человеческого вмешательства? – спросил Сомс.

– Нет. Старший садовник клялся и божился, что никакое человеческое существо, кроме Эдмунда, не ступало на эту лужайку. Юный Дики…

– Мики.

– Вики видел ужасного пса, но даже он видел его только мельком, когда тот перепрыгивал через садовую ограду. В нашем саду есть чудесные пионы, мистер Сомс, хотя они и не цветут в это вре…

– Я возьмусь за это дело, – сказал Сомс. – Если ваша светлость не против, вам лучше сейчас вернуться в Баскет-холл, а мы с коллегой приедем в четверг первым же медленным поездом.

– Только в четверг, не раньше, мистер Сомс? Но ведь четверг и есть канун дня зимнего солнцестояния! Шары должны быть расставлены правильно в этот день до заката солнца!

– Я очень сожалею, но до той поры меня задержит в Лондоне небольшое дело, касающееся трех восточных владык; речь идет о 600 000 вооруженных воинов, двух спорных границах и украденной шкатулке с изумрудами и сапфирами, принадлежавшей тайному древнему религиозному ордену. И о расплющенном медном наперстке, в котором, я уверен, и кроется ключ ко всему делу. Однако заверяю вас: я убежден, что ваше дело может быть разрешено, ко всеобщему удовлетворению, еще до заката солнца в четверг.

Никакие протесты не помогли. Сомс был непоколебим, и в конце концов леди Иакинф Баске́ отбыла из нашего дома, сморкаясь потихоньку в уголок кружевного платочка.

После ее ухода я поинтересовался, на какое именно дело ссылался Сомс в разговоре, поскольку сам я ничего подобного не слышал.

– Небольшая выдумка с моей стороны, Ватсап, – признался он. – У меня билеты в оперу на сегодняшний вечер.

Мы прибыли на место в середине дня в четверг. На станции нас встретил грум с легкой двуколкой, которую часто называют «кабриолетом для гувернантки» (а может быть, там была гувернантка с повозкой для грума, мои записи в этом месте несколько неразборчивы). Встречающий сообщил нам, что лорд Баск по-прежнему находится в коме. Через каких-то полчаса мы были уже в Баскет-холле, и Сомс вовсю ползал по обширным лужайкам вокруг господского дома с необычайно большим увеличительным стеклом, щеткой для волос и угломером.

– Прекрасная возможность для вас потренироваться в дедукции, Ватсап, – сказал он мне.

– Я вижу, что трава в этом месте потревожена, Сомс.

– Правильно, Ватсап. Следы весьма сложные, но в основном это многочисленные перекрывающиеся отпечатки лап… – он понизил голос, так что слышать его мог только я один, – карликового пуделя.

Дальше он вновь заговорил своим обычным голосом:

– Я не в состоянии разглядеть здесь места, где первоначально были положены шары, но, если я не ошибаюсь – а я этого никогда не делаю, – по следам ясно, что животное сдвинуло ровно четыре шара.

– Это существенно, мистер Сомс? – нервно спросила леди Баске́, держа на руках карликового пуделя.

Сомс посмотрел в мою сторону.

– Да… возможно… – начал я и увидел, что Сомс незаметно кивнул. Ну конечно, кивнул он не совершенно незаметно, вы понимаете, поскольку если бы кивок действительно был незаметен, я бы его не увидел. Поняв кивок Сомса как завуалированное одобрение, я рискнул сказать наугад: – Благодаря этому обстоятельству можно вычислить первоначальное расположение шаров.

– И что, правда можно? – спросила она с полным надежды взглядом.

Каким же было первоначальное расположение шаров? Ответ см. в главе «Загадки разгаданные».

Цифровые кубы

Это старая история, но она может послужить нам прелюдией к менее известному вопросу. Число 153 равно сумме кубов составляющих его цифр:

1³ + 5³ + 3³ = 1 + 125 + 27 = 153.

Существуют еще три трехзначных числа, обладающих таким же свойством, если не принимать во внимание такие числа, как 001, с начальными нулями. Сможете найти их?

Ответ см. в главе «Загадки разгаданные».

Самовлюбленные числа

Загадка с кубами приобрела некоторую известность потому, что в 1940 г. знаменитый математик Годфри Харолд Харди написал в книге «Апология математика»[6], что подобные головоломки не имеют никакой математической ценности, поскольку зависят от используемой нотации (в данном случае десятичной) и представляют собой всего лишь случайные совпадения. Однако, разгадывая такие загадки, можно почерпнуть немало полезных знаний в области математики, а обобщения (к примеру, расширение задачи на другие системы счисления, помимо десятичной) позволяют обойти вопрос нотации.

Один из вариантов этой головоломки – концепция самовлюбленного числа, которое определяется как число, равное сумме n-х степеней составляющих его десятичных цифр для некоторого n. Если речь идет о явно заданном n, используется термин n-совершенное число.

Четвертые степени цифр (4-самовлюбленные числа)

Будем записывать число, составленное из цифр a, b, c, d, как [abcd], чтобы отличать его от соответствующего произведения abcd. То есть [abcd] = 1000a + 100b + 10c + d. Мы должны решить уравнение:

[abcd] = a^4 +b^4 +c^4 + d^4,

где все неизвестные являются целыми числами и лежат в диапазоне от 0 до 9. Эту задачу никак нельзя называть тривиальной. Попробуйте!

Ответ см. в главе «Загадки разгаданные».

Пятые степени цифр (5-самовлюбленные числа)

На этот раз задача состоит в том, чтобы решить уравнение:

[abcde] = a^5 + b^5 + c^5 + d^5+ e^5,

что, как несложно догадаться, еще труднее.

Ответ в главе «Загадки разгаданные».

Более высокие степени цифр (n-самовлюбленные числа для n ≥ 6)

Несложно доказать, что n-самовлюбленные числа существуют только для n ≤ 60, поскольку при любом n > 60 мы имеем n·9n < 10n–1. В 1985 г. Дик Уинтер доказал, что существует ровно 88 самовлюбленных чисел с ненулевой первой цифрой. Для n = 1 в этой роли выступают все десять цифр (мы включаем сюда 0, потому что в данном случае это единственная цифра числа). Для n = 2 самовлюбленных чисел не существует. Для n = 3, 4, 5 см. ответы к разделу о цифровых кубах и две предыдущие задачи. Для n ≥ 6 получаем следующие числа:

Пифилология, пиэмы и пиллиш

Now, I wish I could recollect pi.

«Eureka», cried the great inventor.

Christmas pudding; Christmas pie

is the problem's very centre.

See, I have a rhyme assisting

my feeble brain,

its tasks sometimes resisting.

How I wish I could enumerate pi easily, since all these horrible mnemonics prevent recalling any of pi's sequence more simply.

Последняя фраза выдает нас с головой: все приведенные фразы – это мнемонические правила – тексты, помогающие запомнить часть числа π. Придумано даже слово для подобных вещей: пифилология. Чтобы воспользоваться таким мнемоническим правилом, нужно сосчитать буквы в последовательных словах: 3, 1, 4, 1, 5, …

Некоторые из многочисленных запоминалок для π обсуждались в книге «Кабинет…»; здесь мы вспомним одну из них (приведенную ниже запоминалку на французском языке) и посмотрим еще несколько. Вообще, таких запоминалок существует множество, см., к примеру, сайты:

http://en.wikipedia.org/wiki/Piphilology

http://uzweb.uz.ac.zw/science/maths/zimaths/pimnem.htm

Одно из самых известных мнемонических правил для π – александрийский стих (поэтический размер), который начинается так:

Que j'aime à faire apprendre

Un nombre utile aux sages!

Glorieux Archimède, artiste ingenieux,

Toi, de qui Syracuse loue encore le mérite! –

и продолжается до 126 знаков. Я особенно рекомендую следующую португальскую запоминалку:

Sou o medo e temor constante do menino vadio. (Я – постоянный страх и ужас для ленивых мальчиков.)

А вот румынский вариант:

Asa e bine a scrie renumitul si utilul numar. (Это правильный способ писать знаменитое и полезное число.)

Он обладает несомненным достоинством понятности и простоты[7].

Стихи, посвященные числу π, называют пиэмами. 32-й знак π равен 0, а слово нулевой длины вставить невозможно. Однако существуют способы обойти это препятствие. В пилише – кодовой системе, обычно используемой для π-мнемоники, за 0 считается десятибуквенное слово. Майк Кейт в «Автореферентной истории»[8] использовал другой набор правил. Это, насколько мне известно, самый длинный образец на сегодняшний день («Книга рекордов Гиннесса» мне свидетель) – это «Cadaeiccadenza» (3834 знака) и книга «NotAWake» (10 000 знаков) того же Кейта. Книга начинается так:

Now I fall, a tired suburbian in liquid under the trees

Drifting alongside forests simmering red in the twilight over Europe.

So scream with the old mischief, ask me another conundrum

About bitterness of possible fortunes near a landscape Italian.

A little happiness may sometimes intervene but usually fades.

A missionary cries, striving to understand worthless, tedious life.

Monotony's lost amid ocean movements

As the bewildered sailors hesitate. I become salt,

Submerging people in dazzling oceans of enshrouded unbelief.

Christmas ornaments conspire.

Beauty is, somewhat inevitably now, both

Feelings of faith and eyes of rationalism.

Здесь десятибуквенные слова считаются за 0, а более длинные – за два знака; к примеру, 13-буквенное слово обозначает 13.

На сайте Кейта вы сможете найти огромное количество дополнительной информации и примеров.

http://cadaeic.net

Без улик

Из мемуаров доктора Ватсапа

Листая потрепанные страницы своих записных книжек, я вспоминаю бесчисленные загадки, которые Сомс решал, обращая внимание на улики столь тонкие, что они успешно ускользали от внимания менее острых умов. В памяти всплывают такие дела, как приключение суссекского эмпайра (замечательная таинственная история спортивной раздевалки, решающую роль в разгадке которой сыграл слишком быстро истершийся мяч для крикета), история коровы со сломанным рогом, покушение на тройное убийство подсвинка и дело о пропавшем пироге. Однако среди этих дел одно стоит особняком: это загадка, единственным ключом к которой служило полное отсутствие каких бы то ни было зацепок и улик.

Дело происходило в мокрый пасмурный вторник, когда улицы Центрального Лондона были заполнены густой смесью дыма и тумана. Мы отказались на некоторое время от активного преследования преступников ради раздумий у теплого огня в компании объемистых бокалов вездесущего и даже немного надоевшего кларета.

– Послушайте, Сомс, – заметил я.

Мой коллега перебирал толстую стопку фотографических пластинок, запечатлевших отпечатки копыт в грязи и полученных с использованием нового, улучшенного Истманом желатинового процесса Мэддокса. Его единственной реакцией на мое восклицание стало раздраженное:

– Вы нигде не видели моей коллекции фотографий упряжных лошадей, Ватсап?

Однако я человек упрямый.

– В этом деле нет ни одной зацепки, Сомс.

– Оно такое не одно, – мрачно пробормотал он.

– Нет, я имею в виду… вообще никаких указаний, ни одной улики.

Вот теперь мои слова его наконец заинтересовали, я ясно это видел. Он взял газету из моей протянутой руки и взглянул на диаграмму.

– В данном случае правила очевидны, Ватсап, хотя их здесь и нет.

– Почему?

– Они должны быть достаточно простыми, чтобы мотивировать читателя к разгадыванию загадки, но создавать при этом достаточно сложную задачу, способную удержать интерес.

– Несомненно. Так какие же здесь правила, Сомс?

– Ясно, что в каждой строке и в каждом столбце должны содержаться числа 1, 2, 3 и 4 ровно по одному разу каждое.

– Ах! Так это комбинаторная задачка, разновидность латинского квадрата.

– Да, но этого мало. Очевидно, что важны также две области, разграниченные жирной черной линией. Я предполагаю, что числа в той и другой области при сложении должны давать одинаковую сумму… Да, тогда решение будет единственным.

– Ага! Интересно, какое это решение.

– Вы же знаете мои методы, Ватсап. Воспользуйтесь ими, – и он вернулся к рассматриванию фотографических пластинок.

Ответ см. в главе «Загадки разгаданные». Если вас заинтересовали задачи без указаний, то их дополнительные примеры вы найдете в главе «Дверца страха».

Краткая история судоку

Современные читатели узнают в головоломке Ватсапа один из вариантов судоку. (На случай, если вы только что вернулись из сорокалетней экспедиции на Проксиму Центавра, поясню: это квадрат 9 × 9, разделенный на 9 блоков 3 × 3, причем в некоторых клетках заранее проставлены цифры. Нужно заполнить остальные клетки таким образом, чтобы в каждой строке, каждом столбце и каждом блоке содержались все цифры от 1 до 9.)

Похожие, но существенно различающиеся головоломки известны давно и имеют долгую историю, восходящую к китайцу Ло Шу и его магическому квадрату, который он будто бы увидел на спине черепахи примерно в 2100 г. до н. э. Книга «Математические и физические развлечения» Жака Озанама, написанная в 1725 г., включала в себя головоломку на тему карточной игры, чуть более близкую к судоку. Возьмите 16 фигурных карт (это туз, король, дама и валет) и выложите их квадратом так, чтобы в каждом ряду и каждом столбце содержались карты всех мастей и достоинств. Кэтлин Оллереншоу показала, что существует 1152 решения этой задачи, которые сводятся всего лишь к двум принципиально разным вариантам, если считать, что два решения совпадают, если одно может быть получено из другого перестановкой мастей или достоинств. Существует 24 × 24 = 576 способов сделать это с любым заданным решением, а 1152/576 = 2.

Сможете ли вы найти эти два принципиально разных решения? Ответ см. «Загадки разгаданные».

В 1782 г. Эйлер опубликовал задачу о 36 офицерах: можно ли построить офицеров шести полков, в каждом из которых по шесть офицеров разных рангов, в каре (то есть квадратом) 6 × 6 таким образом, чтобы в каждой шеренге и в каждой колонне присутствовали офицеры всех рангов из всех полков? Подобные расстановки получили название греко-латинских квадратов, потому что латинские (A, B, C, …) и греческие (α, β, γ, …) буквы можно использовать для обозначения рангов и полковой принадлежности. Эйлер нашел методы построения греко-латинских квадратов, порядок которых (то есть размер квадрата) является нечетным числом или имеет двойную четность, то есть кратен четырем.

Эйлер предположил, что для порядка, выражаемого удвоенным нечетным числом, таких квадратов не существует. Для порядка 2 это очевидно, а в 1901 г. Гастон Тарри доказал это для порядка 6. Однако в 1959 г. Радж Чандра Бозе и Шарадчандра Шанкар Шриханде сумели при помощи компьютера отыскать греко-латинский квадрат порядка 22, а Эрнест Паркер нашел такой квадрат порядка 10. После этого все трое доказали, что гипотеза Эйлера неверна для всех удвоенных нечетных чисел, больших или равных 10.

Квадратные таблицы размером n × n, такие, что каждая строка и каждый столбец содержит все числа от 1 до n (каждое, понятно, по одному разу), получили известность как латинские квадраты, а греко-латинские квадраты были переименованы в ортогональные латинские квадраты. Эти темы входят в область математики, которую называют комбинаторикой, и применяются в области коммуникаций, в экспериментальном дизайне и при составлении расписаний всевозможных соревнований.

Полный шаблон судоку – это латинский квадрат, но в головоломке присутствуют и дополнительные условия по отношению к внутренним блокам 3 × 3. В 1892 г. французская газета Le Siècle напечатала на своих страницах головоломку, в которой из магического квадрата были удалены некоторые числа, и читатели должны были их восстановить. La France вплотную подошла к изобретению судоку, так как в ее магических квадратах использовались только цифры от 1 до 9. В решениях, кстати говоря, каждый из блоков 3 × 3 тоже содержал все девять цифр, но явно об этом нигде не говорилось.

Судоку в его современной форме предложил, вероятно, Говард Гарнс, а опубликована первая головоломка была анонимно в Dell Magazines в 1979 г. под названием «числовая площадь». В 1986 г. японская компания Nikoli публиковала такие головоломки в Японии под не слишком удобоваримым и заметным названием suji wa dokushin ni kagiru («все цифры по одному разу»). Позже название сократили до su doku. Газета The Times начала публиковать головоломки судоку в Великобритании в 2004 г., после того как Уэйн Гулд, написавший компьютерную программу, способную отыскивать решения практически мгновенно, обратился в редакцию с предложением о сотрудничестве. В 2005 г. судоку во всем мире стали модным увлечением.

Гексакосиойгексеконтагексафобия

Этим страшным словом обозначается боязнь числа 666.

В 1989 г. президент США Рональд Рейган и его жена Нэнси при переезде поменяли прежний адрес своего нового дома, 666 по Сен-Клу-роуд, на 668 по той же улице. Однако вряд ли этот случай можно приводить в качестве примера гексакосиойгексеконтагексафобии, поскольку вполне возможно, что Рейганы не боялись этого числа как такового, а просто хотели подстраховаться и избежать в будущем очевидных обвинений и возможных неловкостей.

С другой стороны… Когда Дональд Риган, шеф президентской администрации при Рейгане, опубликовал в 1988 г. свои мемуары «Под запись. От Уолл-стрит до Вашингтона», он написал, что Нэнси Рейган регулярно советовалась с астрологами, сначала с Джейн Диксон, а позже с Джоан Куигли. «Практически любое серьезное действие или решение Рейганов во время моего пребывания на посту главы администрации Белого дома заранее согласовывалось с какой-то женщиной в Сан-Франциско, которая рисовала гороскопы, чтобы убедиться в благоприятном расположении планет».

Число 666 обладает оккультным смыслом, потому что именно оно объявлено числом зверя в Откровении Иоанна Богослова (13:17–18): «И что никому нельзя будет ни покупать, ни продавать, кроме того, кто имеет это начертание, или имя зверя, или число имени его. Здесь мудрость. Кто имеет ум, тот сочти число зверя, ибо это число человеческое; число его шестьсот шестьдесят шесть».

Считается, что это число отсылает нас к нумерологической системе, которая на иврите называется «гематрия», а по-гречески – «изопсефия» и в которой числа обозначаются буквами алфавита. При этом возможно несколько вариантов обозначения: буквы алфавита можно пронумеровать последовательно, а можно сначала обозначить цифры 1–9, затем десятки 10–90, затем сотни 100–900 и т. д., сколько нужно (именно так записывали числа древние греки). Тогда сумма чисел, обозначаемых буквами имени человека, и будет численным значением этого имени.

За прошедшие века предпринимались бесчисленные попытки вычислить, кто такой зверь, упоминаемый в Откровении. Среди предположений фигурируют и Антихрист (написанный в подобных обвинениях на латыни как Antichristum), и Римско-католическая церковь (обозначенная одним из вариантов титулования римского папы: Vicarius Filii Dei), и Эллен Гулд Уайт (Ellen Gould White), одна из организаторов Церкви адвентистов седьмого дня. С чего бы вдруг? Ну, если считать только латинские числительные в ее имени, то получится:

что в сумме дает 666. Если вы считаете, что зверем был Адольф Гитлер, вы можете «доказать» это, начав нумерацию с A = 100:

В сущности, процесс «доказывания» сводится к следующему: выбираете ненавистную фигуру на основании собственных политических или религиозных взглядов, а затем подгоняете нумерацию и, если необходимо, имя, чтобы получить нужный результат.

Однако не исключено, что все эти глубокомысленные рассуждения и далеко идущие выводы основаны на простом недопонимании – не говоря уже о сомнительности веры в то, что подобные вещи в принципе могут что-то значить; сегодня уже очевидно, что число 666, возможно, возникло в результате ошибки. Около 200 г. н. э. священник Ириней знал, что в нескольких ранних рукописях называется другое число, но приписывал это ошибкам писцов и утверждал, что именно 666 можно найти «во всех самых достоверных и древних списках». Но в 2005 г. ученые Оксфордского университета применили компьютерные технологии обработки изображений и попытались прочесть с их помощью нечитаемые прежде части самого раннего известного списка «Откровения» – экспоната № 115 из числа папирусов, обнаруженных при раскопках древнего Оксиринха. Этот документ, датируемый примерно 300 г. н. э., считается самой достоверной и определяющей версией канонического текста. Числом зверя в нем названо 616.

Раз, два, три

В квадратной табличке

присутствует каждая из девяти цифр от 1 до 9. Второй ряд (384) вдвое больше первого (192), а третий (576) – втрое больше.

Существует еще три способа добиться того же результата. Сможете их найти?

Ответ в главе «Загадки разгаданные».

Как сберечь удачу

– Один мой приятель выиграл в лотерею Lotto 7 млн, – сказал мой сосед по спортивной раздевалке. – Конец всем моим шансам. Невозможно выиграть самому, если ты знаком с кем-то, кто выиграл.

Городских легенд и мифов о Национальной лотерее Великобритании насчитывается, наверное, не меньше, чем число ног у многоножки, но с таким вариантом я прежде не сталкивался. Мне стало интересно: почему люди с такой готовностью верят в подобные вещи?

Подумайте сами. Чтобы сказанное моим приятелем соответствовало действительности, необходимо, чтобы на работу лотерейного автомата влиял каким-то образом круг его общения, его друзья и знакомые. Автомат должен сначала узнать, не случалось ли прежде кому-то из них выиграть, а потом принять меры к тому, чтобы выбранные лично им числа не попадали в тираж; это значит, что он должен также знать, какие именно числа он выбрал. Более того, об этом должны знать все 11 лотерейных автоматов, которые используются в тиражах Национальной лотереи, потому что тот из них, который будет использован на текущей неделе, также выбирается случайно.

Принимая во внимание, что лотерейный автомат – это неодушевленное механическое устройство, приведенные выше построения не выглядят сколько-нибудь разумными.

Каждую неделю шанс того, что любой отдельно взятый набор из шести чисел выиграет джекпот, равен 1 из 13 983 816. Именно столько существует различных комбинаций разрешенных чисел, и любая из них может выпасть с равной вероятностью. Если нет, это значит, что машина отдает предпочтение каким-то определенным числам, а она специально сконструирована так, чтобы избежать этого. Ваши шансы на выигрыш определяются только тем, какие числа вы выбрали на этой неделе, а не тем, что когда-то сделал человек, с которым вы знакомы. А вот сумма, которую вы можете выиграть, действительно зависит от действий других людей: если вы угадали, но угадали не один, вам придется разделить сумму выигрыша на всех. Но моего приятеля беспокоило не это.

Причина, по которой некоторые из нас верят в подобные мифы, относится скорее к области человеческой психологии, нежели к теории вероятностей. Возможно, из-за подсознательной веры в волшебство, которая в данном случае проявляет себя как удача. Если вы уверены, что удача – это реальное качество, которым может обладать человек, и что это качество увеличивает шансы на выигрыш, а также если вы считаете, что запасы удачи в ближайшей окрестности ограниченны, то очень может быть, что ваш знакомый уже использовал всю имеющуюся поблизости удачу. «Поблизости» в данном случае означает ваш круг общения. О господи! Скажите, можно ли разместить свою удачу в «Твиттере»? Или в «Фейсбуке», где ее могут стащить так называемые друзья? Это же бред какой-то!

А может быть, в основе всего этого лежит примерно та же идея, согласно которой человек всякий раз, куда бы ни отправлялся, берет с собой на борт самолета бомбу, рассчитывая на то, что вероятность нахождения двух бомб на одном самолете пренебрежимо мала. (Ошибка здесь в том, что вы сознательно проносите бомбу на борт самолета и это никак не влияет на вероятность того, что то же самое втайне от вас сделает кто-то другой.)

Действительно, у большинства людей, выигравших в лотерею, нет друзей, которые тоже выиграли бы значительную сумму. Из этого легко сделать вывод, что всякому, кто хочет выиграть, следует избегать дружбы с такими людьми. На самом же деле у победителей Lotto нет друзей-победителей ровно по той же причине, по которой их нет у большинства проигравших: победителей вообще очень мало, а проигравших – огромное количество.

Согласен, чтобы выиграть, необходимо участвовать. Одна моя знакомая выиграла полмиллиона фунтов; вероятно, она очень обиделась бы на меня, если бы я отсоветовал ей играть, а в следующем тираже выпали бы те числа, которые она обычно выбирала.

Я лично никогда не играю в Lotto. С одной стороны, я твердо знаю, что шансы на выигрыш очень малы, а с другой – мне не кажется, что возбуждение азарта, которое вроде бы должен испытывать игрок, стоит того, чтобы практически наверняка выбрасывать на ветер заработанные честным трудом деньги. Но я также уже много лет участвую в своеобразной лотерее: пытаюсь написать бестселлер. Джекпот мне пока не выпал, но я определенно продвинулся в этом деле. Несколько лет назад Дж. К. Роулинг (вы знаете, что она написала) стала первой в Британии женщиной-миллиардером, самостоятельно заработавшей свое состояние. Кстати говоря, оно в 500 раз больше типичного лотерейного джекпота. А писателей в Британии куда меньше, чем 14 млн.

Забудьте о лотерее. Напишите лучше книгу.

Дело о четырех тузах

Из мемуаров доктора Ватсапа

Мой друг-детектив внезапно прекратил расстреливать из револьвера короб каминного дымохода; теперь на штукатурке, выбитые следами от пуль, красовались буквы VIGTO.

– В чем дело, Ватсап? – вопросил он раздраженным тоном.

Я очнулся от раздумий.

– Простите, Сомс. Я вас потревожил?

– Я вижу, как вы думаете, Ватсап. Вы очень характерно поджимаете губы и дергаете себя за мочку уха, когда вам кажется, что никто вас не видит. Это очень отвлекает. Одна пуля ушла в сторону, и буква C больше похожа на G.

– Я думал об этом новом фокуснике, он только что начал выступать, – сказал я. – Э-э, как же его…

– Великий Гудунни.

– Да, это его псевдоним. Умный парень. Я был на его выступлении на той неделе. Он проделывал самый поразительный карточный фокус из всех, какие мне приходилось видеть, и я не могу теперь избавиться от мыслей о нем. Сначала он взял колоду карт и выложил 16 верхних в четыре ряда по четыре карты, рубашками кверху. Затем перевернул четыре из них лицом кверху. Он пригласил добровольца из числа зрителей, так что я, конечно, поднял руку, но он почему-то выбрал не меня, а симпатичную юную леди. Зовут Еленой… Ну ладно, в любом случае он велел ей раз за разом «складывать» карточный квадрат, как складывают лист почтовых марок по линиям перфорации, до тех пор пока все 16 карт не собрались в одну стопку.

– Это была его сообщница, – пробормотал Сомс. – Элементарно.

– Я так не думаю, Сомс. Да это и не помогло бы. По каким линиям складывать, решали зрители. К примеру, в первый раз можно было сложить по любой из трех горизонтальных линий между картами или по любой из трех вертикальных – а по какой именно, называли зрители.

– Значит, зрители ему подыгрывали.

Я видел, что у него начинается очередной приступ дурного настроения.

– Я сам выбрал одну из линий, Сомс.

Великий человек отрешенно кивнул.

– Тогда, может быть, фокус настоящий. В таком случае… Ах да, сразу вспоминается дело о припрятанных кексах… Скажите, Ватсап: когда все карты были сложены в одну стопку, не попросил ли он Елену разложить снова их по столу? Не переворачивая?

– Да.

– И не оказалось ли чудесным образом, что либо 12 карт лежали лицом книзу, а четыре – лицом кверху, либо наоборот, четыре – лицом книзу, а 12 – лицом кверху?

– Да. Первый вариант. И лицом кверху лежали…

– Четыре туза. Что же еще? Весь фокус абсолютно прозрачен.

– Но ведь могло оказаться и наоборот, Сомс, – запротестовал я.

– В этом случае фокусник велел бы Елене перевернуть те четыре карты, которые оказались лицом книзу, и открыть…

– А! Четыре туза. Понятно. Но даже так, это поразительно, настоящее волшебство. Представьте себе, на скольких разных местах могли оказаться тузы и сколькими разными способами зрители могли сложить карточный квадрат…

– Поразительный пример надувательства, Ватсап.

Я не стал скрывать свое изумление.

– Вы хотите сказать, что он заранее знал, какие ходы выберут зрители? Какой-нибудь хитроумный психологический трюк?

– Нет, Ватсап, он просто подтасовал карты. Подайте мне ту колоду, которую миссис Сопсудс держит под стойкой для шляп в прихожей для вечеров с бриджем, и я вам покажу.

Я поспешил выполнить его указания.

Когда я вновь появился в гостиной, слегка задыхаясь после подъема по лестнице (я тогда был не в форме), Сомс взял у меня карты. Он выбрал из колоды все четыре туза и вставил их обратно, на первый взгляд случайным образом. После этого он выложил четыре ряда по четыре карты и перевернул четыре из них, вот так:

После этого он велел мне сложить все карты в стопку согласно тем инструкциям, которые Гудунни на представлении давал Елене. По окончании процедуры я вновь разложил карты – и кто бы мог подумать! Четыре из них оказались лежащими не так, как остальные 12. И все четыре были… тузами!

– Сомс! – воскликнул я. – Воистину, это самый поразительный карточный фокус, какой мне только доводилось видеть! Я не заметил, что вы умудрились заранее разложить тузы нужным образом, хотя вы наверняка это сделали, но даже если это так, число разных способов, которыми я мог сложить карты, громадно!

Сомс вновь зарядил револьвер.

– Мой дорогой Ватсап, сколько раз я просил вас не спешить с необоснованными выводами.

– Но ведь способов на самом деле тысячи, Сомс!

Детектив коротко кивнул.

– Я имел в виду не эти выводы, Ватсап. Неужели вы правда думаете, что выбор порядка складывания имеет хоть малейшее значение?

Я хлопнул ладонью по лбу.

– Вы хотите сказать… что порядок безразличен? – но Сомс в ответ лишь возобновил прерванную атаку на дымоход.

Как работает фокус Гудунни? Ответ см. в главе «Загадки разгаданные».

Растерянные родители

Математика с одним из самых странных, на мой взгляд, имен звали Герман Цезарь Ганнибал Шуберт (1848–1911). Он был зачинателем исчислительной геометрии – области геометрии, которая занимается подсчетом того, сколько прямых или кривых, определяемых алгебраическими уравнениями, удовлетворяют тем или иным условиям. Вероятно, его родители желали сыну великого будущего, но никак не могли разобраться, на чьей они стороне.

Парадокс зигзага

Казалось бы, эти два треугольника имеют одинаковую площадь, а именно (13 × 5)/2 = 32,5. Но один из них имеет вырез с одной из сторон, так что чертеж доказывает, что 31,5 = 32,5. Что здесь не так (если, конечно, здесь и правда что-то не так)?

Ответ см. «Загадки разгаданные».

Дверца страха

Из мемуаров доктора Ватсапа

Копыта скользили по мокрой глинистой дороге. Кэб со скрипом обогнул угол, едва не задев тачку, нагруженную картофелем. Кэбмен не спеша промокнул лоб грязной тряпицей.

– Господи, начальник! Мне уж показалось, что еще немного, и вместо картошки у нас будут чипсы![9]

– Поезжайте, не стойте! Получите гинею, если домчите во весь опор, невзирая на препятствия!

Наконец мы на месте. Я выпрыгнул из кэба, бросил человеку на козлах несколько монет и метнулся мимо ошарашенной миссис Сопсудс в дверь, вверх по лестнице и дальше, в квартиру Сомса. Ворвался без стука.

– Сомс! Это ужасно! – выдохнул я. – Мои…

– Ваших кошек украли.

– Умятнули, Сомс!

– Вы, конечно, хотите сказать «умыкнули»?

– Да нет, их выманили при помощи пучка кошачьей мяты на веревочке.

– Откуда вам это известно?

– Котнеппер его бросил.

Сомс остро взглянул на меня.

– Необычно. Не похоже на него. Совсем на него не похоже.

– На него?

– Да. Он вернулся.

Я подошел к окну.

– Да, вернулся. Но сейчас вряд ли подходящее время для жареных каштанов, Сомс.

– Ватсап, вы в своем уме?

– Вернулся старик, который обычно продает жареные каштаны с тележки напротив вашего дома, – объяснил я. – Вчера его не было, но сегодня он здесь. Я решил, что вы говорите о нем.

– Вы решили, – язвительно передразнил Сомс. – Не нужно решать, Ватсап. Нужно анализировать факты и делать выводы. С помощью дедукции.

Я понял, что это были не просто общие слова. Сомс явно хотел, чтобы я сделал какие-то вполне конкретные выводы.

Я втайне горжусь, откровенно говоря, своей необычайной чувствительностью к настроениям Сомса, поэтому после некоторых раздумий я припомнил, что несколько дней назад застал его за сбором небольшого арсенала из пистолетов, винтовок и ручных гранат. Теперь же меня осенило, что у Сомса, возможно, возникли проблемы. Я изложил свою гипотезу, и он кивнул.

– Как будто призрак прошлого поднялся из могилы и высасывает жизнь из множества людей, – сказал он.

– Да? – сказал я. – О чем вы говорите, Сомс?

– Подлый и опасный злодей, Веллингтон преступного мира.

– Может быть, вы хотели сказать «Наполеон»? Это, наверное, было бы более подходящее сравнение. Герцог был совершенно…

– Он носит резиновые сапоги-веллингтоны, – объяснил Сомс. – С чрезвычайно распространенным рисунком на подошве, чтобы замаскировать свои отпечатки. Вообще, он мастер маскировки. Он беспрепятственно приходит и уходит через запертые двери. Он легко получает доступ к любому политику, очаровывает его жену, и задолго до того, как наши пути впервые пересеклись, его уши торчали в Англии из каждого преступного замысла. Но мне сверхчеловеческим усилием удалось выследить его, собрать убедительные доказательства и разрушить созданную им сеть преступных банд. Он бежал из страны, и я наивно считал, что ему конец. Но теперь я убедился, что он просто притаился на время. Он вернулся и возобновил свою гнусную деятельность. И теперь он перешел на личности.

– О ком вы говорите?

– Ну конечно о Могиарти! Профессор Джим Могиарти, блестящий, но безнравственный математик, переметнувшийся на Темную сторону. Начинал он как простой вор-кошатник, но потом занялся более выгодными объектами. Он способен не просто спереть все, что не приколочено гвоздями: он готов украсть также гвозди, молоток и доски пола. Он преследует меня по пятам с тех самых пор, когда…

– Сомс, как вор-кошатник может кого-то преследовать? Он же не собачник…

– Как я уже сказал, он мастер перевоплощений, Ватсап. Слушайте внимательнее.

– И как он проявляет себя?

– Вымогательство, воровство, убийство, похищение людей. И вот теперь котнеппинг. Могиарти возвращается к истокам и вспоминает молодость, – лицо Сомса обрело мрачное и решительное выражение. – Не бойтесь, Ватсап. Мы спасем ваших любимиц… – Поймав мой яростный взгляд, он поправился: – Ваших пушистых компаньонок из семейства кошачьих. Даю слово.

Я наконец додумался задать главный вопрос:

– Сомс! Откуда вы узнали, что мои кошки пропали?

Он молча протянул мне вскрытый конверт. Внутри лежал клочок бумаги и изжеванная мышка из кошачьей мяты.

– Да, это игрушка Геморроя! – я мужественно подавил рыдание. – А что в записке?

Он показал мне клочок бумаги. На нем было написано:

– Написано немного путано, Сомс, но я вижу здесь слова ККК, АТЛ и СИЛО. Э-э… Здесь что, говорится, что спортсменов заманивают в ку-клукс-клан?

– Нет, Ватсап! Это шифр. Я уже расшифровал записку.

– Как?

– Я заметил, что здесь 33 буквы. На какую мысль это вас наталкивает, Ватсап?

– Э-э… Клочок маленький, на большее не хватило места.

– Ватсап! 33 – это 3 × 11, произведение двух простых чисел. Я сразу же вспомнил о математическом прошлом Могиарти. И мне пришло в голову записать эти буквы в виде прямоугольника 3 × 11. Вот так.

Он буквально сиял от гордости; я не мог понять почему. Мне все это по-прежнему казалось бессмысленной чепухой.

– Читайте по столбцам сверху вниз, Ватсап!

– ПРЕКРАТИТЕСЛЕДСТВИЕИЛИКОШКАМКОНЕЦ. О господи! – теперь я дрожал с ног до головы. – Но почему? Почему Могиарти поступает так жестоко с невинными существами?

– Он посылает нам сообщение.

– Это-то ясно…

– Нет, я говорил метафорически.

– А! Он что, потребовал выкуп?

– Нет. Мне кажется, это проверка. Я подозреваю, что это преступление – всего лишь прелюдия к куда более страшным деяниям. Он играет с нами, как кошка с мышкой.

Я подавил очередное рыдание.

– Что мы можем сделать?

– Игра началась, и мы должны всегда быть на шаг впереди, чтобы нас не захватили врасплох. Мои доверенные информаторы уже отыскали ваших кошек в совершенно обыкновенном на первый взгляд доме – как ни смешно, в Гавкинге. На самом деле дом оборудован ловушками, стальными дверями, пуленепробиваемыми стеклами и охранными системами нескольких типов. Нет никакой возможности незаметно проникнуть внутрь.

Я вернул свой армейский револьвер обратно в карман.

– Жаль.

– Однако Могиарти допустил ошибку. В доме есть заколоченная дверца для кошки. Может быть, нам удастся восстановить ее функции и выманить ваших кошек наружу.

– Да! – воскликнул я. – Я понял! Мы сможем выманить их любимыми лакомствами. Аневризма любит артишоки, Ботулизм без ума от бананового хлеба, Ветрянка ни за что не устоит перед ватрушкой, а погибель Геморроя – гренки!

– Гренки… – отозвался Сомс. – Ну, неважно. Немного поработать головой, немного принципиально важной информации – и вы видите? Мы продвигаемся вперед. Мы можем воспользоваться этими предметами, чтобы выманить ваших кошек наружу через кошачью дверцу.

– У меня дома имеются значительные запасы необходимых продуктов, – поспешил я заверить Сомса. – Я привезу.

– Это будет просто замечательно, Ватсап, но всему свое время. Пока же у нас есть проблема. Мы должны подносить эти деликатесы к дверце в правильном порядке; ни в коем случае нельзя допустить, чтобы ваши кошки подрались.

– Конечно. Они могут поранить друг друга.

– Нет, дело не в этом. Подвал дома Могиарти заполнен мощной взрывчаткой, и злодей устроил так, что все взорвется, если животные подерутся.

– Что?! Почему?

– Потому что он уверен, и не без оснований, что любая попытка спасти их вызовет кошачью драку. Он хочет использовать самих животных в качестве сигнализации. Как обычно, ему наплевать на страшные последствия его кровавых махинаций. Как я уже сказал, он подает нам сигнал: он ни перед чем не остановится.

– Вижу, это и правда так.

– Вы видите, Ватсап, но вы не замечаете. Наблюдение начинается с расспросов, которые дают материал для дедукции. Я сейчас занимаюсь расспросами. При каких обстоятельствах ваши кошки дерутся? Будьте точны, от этого зависит успех или неудача нашего замысла.

– Они дерутся только в помещении, – ответил я, немного поразмыслив.

– Но тогда дом может в любой момент взлететь на воздух!

– Нет, мои кошки могут быть совершенно мирными, если удастся избежать некоторых их сочетаний.

Я записал на листе бумаги несколько условий.

• Если Ветрянка и Аневризма находятся в помещении вместе, они дерутся, если рядом нет Геморроя. Если Геморрой и Ботулизм находятся в помещении вместе, они дерутся, если рядом нет Аневризмы.

• Если Аневризма и Геморрой находятся в помещении вместе, они дерутся, если рядом нет Ботулизма или Ветрянки (или их обоих).

• Если Ветрянка и Геморрой находятся в помещении вместе, они дерутся, если рядом нет Ботулизма или Аневризмы (или их обоих).

• Если Аневризма или Ботулизм остаются в помещении поодиночке, они вообще отказываются выходить наружу.

Как Сомсу и Ватсапу выманить кошек наружу, не вызвав при этом взрыв? Одновременно в кошачью дверцу может протиснуться лишь одно животное. Забудьте о тривиальных ходах, когда какая-то из кошек выходит наружу и ее тут же возвращают обратно. Однако при необходимости любую из кошек в процессе выманивания можно в нужный момент втолкнуть обратно через ту же дверцу.

Ответ см. в главе «Загадки разгаданные».

Блинные числа

Вот настоящая математическая загадка – простая задача, решение которой пока ускользает от ученых не хуже, чем преступный гений Могиарти.

Дается стопка круглых блинов разных неповторяющихся размеров. Ваша задача – поменять порядок блинов таким образом, чтобы они располагались снизу вверх в порядке убывания диаметра. Единственное действие, которое вам разрешается производить, – это вставить условную лопаточку под один из блинов стопки, поднять стопку, которая оказалась сверху, и перевернуть ее целиком. Вы можете повторять эту операцию столько раз, сколько потребуется, и произвольно выбирать место, куда вставлять лопаточку.

Приведем пример с четырьмя блинами. Для их упорядочивания требуется три переворота.

Вот несколько вопросов для вас.

1. Любую ли стопку из четырех блинов можно упорядочить не более чем за три переворачивания?

2. Если нет, то каково наименьшее число переворачиваний, при помощи которых можно упорядочить любую стопку из четырех блинов?

3. Определите для n-го блина число Pn – наименьшее число переворачиваний, при помощи которых можно упорядочить любую стопку из n блинов. Докажите, что Pn всегда конечно. То есть что любую стопку блинов можно упорядочить при помощи конечного числа переворачиваний.

4. Найдите Pn для n = 1, 2, 3, 4, 5. Я остановился на n = 5, потому что здесь мы уже имеем 120 различных вариантов стопки, все из которых нужно рассмотреть, а это, говоря откровенно, уйма работы.

Ответы на вопросы, а также то, что еще известно об этой задаче, см. в главе «Загадки разгаданные».

Фокус с суповой тарелкой

В продолжение кулинарной темы существует забавный фокус, который вы можете проделать с суповой тарелкой или другим похожим предметом. Начните с того, что поставьте тарелку на пальцы примерно так, как это делает официант, подавая кушанья. Затем объявите зрителям, что вы сейчас проделаете поразительный трюк: сделаете полный круг рукой, все время удерживая тарелку в горизонтальном положении.

Для этого сначала заверните руку внутрь – так чтобы тарелка оказалась примерно под мышкой. Затем продолжайте двигать тарелку по кругу, но руку поднимите над головой. Все естественным образом повернется в исходную позицию, и тарелка не упадет, несмотря на то что вы ее не придерживаете.

Видео трюка с тарелкой (суповой) можно найти в Интернете, к примеру на сайте

http://www.youtube.com/watch?v=Rzt_byhgujg,

где его называют балийским трюком с чашей и связывают с балийским танцем, где вместо тарелки используется чаша с жидкостью. Аналогичный филиппинский танец, где задействованы винные бокалы (по два на человека, по одному в каждой руке), можно увидеть на YouTube по адресу

http://www.youtube.com/watch?v=mOO_IOznZCQ

Движение руки при исполнении трюка может показаться достаточно простым, но имеет глубокий математический смысл. В частности, оно помогает специалистам по физике элементарных частиц разобраться в одном из любопытных квантовых свойств, который называют спином. В действительности квантовые частицы не вращаются на самом деле, как шарик на пальце жонглера, но существует число, которое называется «спин» и в определенном смысле обозначает что-то похожее. Спин может быть положительным и отрицательным, что аналогично вращению по часовой стрелке или против нее. У некоторых частиц спин выражается целым числом; эти частицы называются бозонами (помните охоту на бозон Хиггса?). Другие, что куда более необычно, имеют полуцелые спины, такие как 1/2 или 3/2. Такие частицы называются фермионами.

Половинки спина возникают благодаря одному очень странному явлению. Если взять частицу со спином 1 (или любым другим целым спином) и повернуть ее в пространстве на 360°, она окажется в прежнем состоянии. Но если взять частицу со спином ½ и повернуть ее в пространстве на 360°, то спин ее превратится в −½. Нужно повернуть частицу на 720°, на два полных оборота, чтобы получить прежний спин.

Математический смысл всего этого заключается в том, что существует «группа преобразований» под названием SU (2), которая описывает спин и действует путем преобразования квантовых состояний, и другая группа SO (3), которая описывает вращения в пространстве. Они родственны между собой, но не идентичны: каждое вращение в SO (3) соответствует двум различным преобразованиям в SU (2), противоположным одно другому. Такое отношение называется двойным накрытием. SU (2) как бы накручивается вокруг SO (3), но при этом совершает два оборота. Это немного напоминает резиновую ленту, дважды обернутую вокруг гимнастической палки.

Физики иллюстрируют эту идею посредством фокуса со струной Дирака, названной в честь великого квантового физика Поля Дирака. Идея реализуется во множестве разных форм; в одной из простейших реализаций используется лента, один конец которой закреплен неподвижно, а другой прикреплен к свободно плавающему в пространстве вращающемуся объекту – ротору. Лента имеет форму вопросительного знака. После поворота на 360° она не возвращается в первоначальное положение, а занимает положение, повернутое относительно первоначального на 180°. А вот второй полный оборот ротора (720°) не перекручивает ленту, а возвращает ее в начальное положение. Лента движется приблизительно так же, как рука с суповой тарелкой, разве что тарелка при этом слегка перемещается. Астронавт в невесомости мог бы проделать те же движения вокруг зафиксированной тарелки, сохраняя при этом ориентацию тела.

Компьютерная анимация Air On Dirac String, подготовленная Джорджем Фрэнсисом, Лу Кауфманом и Дэниелом Сандином (графика Криса Хартмана и Джона Харта) и располагающаяся по адресу http://www.evl.uic.edu/hypercomplex/html/dirac.html, наглядно демонстрирует связь между фокусом со струной Дирака и филиппинским танцем с чашей вина.

Ту же идею можно использовать для связи электрического тока с неким вращающимся устройством, к примеру с колесом. На первый взгляд здесь возникает техническая проблема: чтобы лента могла распутываться, колесо должно висеть в воздухе без всякой поддержки. Однако в 1975 г. Д. А. Адамс разработал и запатентовал устройство, при помощи специального передаточного механизма позволяющее ленте беспрепятственно огибать колесо со всех сторон. Это устройство слишком сложно, чтобы описывать его здесь, но тот, кого это заинтересовало, может заглянуть в статью: C. L. Strong, The Amateur Scientist, Scientific American (December 1975) 120–150.

Математические хайку

Хайку – это малая японская стихотворная форма, состоящая традиционно из трех отдельных фраз (строк) и 17 слогов. Реальное японское слово не соответствует в точности английской[10] концепции слога, но для англоязычного хайку такая параллель вполне годится. Строгая традиционная форма предполагает наличие пяти слогов в первой и третьей фразах и семи – в центральной. В качестве примера приведем хайку Мацуо Басё (1644–1694), где как оригинал (не приводится), так и приведенный ниже английский перевод имеют верный формат:

At the age old pond

a frog leaps into water

a deep resonance.

Старый пруд заглох.

Прыгнула лягушка.

Слышен тихий всплеск.

(пер. Н. И. Конрада)

В нынешние декадентские времена формула 5-7-5 зачастую не соблюдается, допускаются и другие варианты, такие как 6-5-6. Полное число слогов также может не равняться 17. Самое важное в хайку – не точность формы, а эмоциональное содержание, которое требует наличия двух различных, но связанных образов.

Простой формат хайку несет в себе определенный математический «аромат», и любителями во всем мире написано бесчисленное количество хайку на математические сюжеты. К примеру:

Дэниел Мэтьюз

Ruler and compass

Degree of field extention

Must be power of two.

Джонатан Алперин

Beautiful Theorem

The basic lemma is false

Reject the paper.

Джонатан Розенберг

Colloquium time.

Lights out, somebody's snoring.

Mathis hard work[11].

Иногда случайные хайку возникают в прозе, когда автор, не задумываясь о том, строит предложение в соответствующем формате. К примеру, в «Машине времени» Г. Уэллса:

And in the westward

sky, I saw a curved pale line

like a vast new moon.

В 1977 г. мы с Тимом Постоном в качестве посвящения поместили в своей книге «Теория катастроф и ее приложения» такое хайку:

To Christopher Zeeman

At whose feet we sit

On whose shoulders we stand.

Дело о таинственном колесе

Из мемуаров доктора Ватсапа

Сомс пересматривал сложенные стопкой газеты в поисках преступления, которое послужило бы достаточным вызовом для его талантов, чтобы за его расследование стоило браться. В этот момент я случайно выглянул в окно и увидел, как из двухколесного кэба появляется знакомая фигура.

– О, Сомс! – воскликнул я. – Это же…

– Инспектор Роулейд. Он сейчас будет здесь, чтобы попросить нас о помощи.

В дверь постучали. Я открыл и увидел за дверью миссис Сопсудс и инспектора.

– Сомс! Я пришел насчет…

– Дела о похищении Даунингема. Да, в этом деле есть интересные особенности, – он передал Роулейду газету.

– Статья написана охотником за сенсациями, мистер Сомс. Невежественные разглагольствования о вероятной судьбе эрла Даунингема и размерах выкупа, который требуют с его родственников.

– Пресса весьма предсказуема, – заметил Сомс.

– Да. Хотя в данном случае она играет нам на руку; в статье не упомянуты некоторые ключевые факты, которые, возможно, помогут нам распознать…

– Преступника. Такие, к примеру, как полное отсутствие каких бы то ни было требований о выкупе.

– Но откуда…

– Если бы такое требование было, к настоящему моменту оно уже стало бы достоянием публики. Ничего такого нет. Очевидно, это не обычное похищение. Нам следует как можно быстрее ехать в Даунингем-холл. Который, если мне не изменяет память – а она никогда мне не изменяет, – находится в Верхнехэмских низинах.

– Поезд на Аппингем уходит через 11 минут с вокзала Кингс-Кросс, – сказал я. Поняв, к чему движется дело, я сразу взял с полки справочник Брэдшоу.

– У нас есть шанс успеть на него, если мы пообещаем кэбмену гинею! – воскликнул Сомс. – А дело можно будет обсудить в пути.

По прибытии в Даунингем-холл герцог Саутморленд – он приходился отцом эрлу Даунингему, который по освященной временем аристократической традиции пока носил один из не самых значимых титулов отца, – встретил нас лично и быстро провел на место похищения – к грязному истоптанному загону возле сарая.

– Мой сын пропал в какой-то момент ночью, – объявил он. По его внешности было ясно, как он потрясен происшедшим.

Сомс вытащил увеличительное стекло и несколько минут ползал вокруг, рассматривая истоптанную грязь. Время от времени он бормотал что-то себе под нос. Затем он вытащил из кармана рулетку и произвел несколько измерений в одном из углов сарая.

Проделав все это, Сомс поднялся на ноги.

– У меня есть почти все необходимые данные, – сказал он. – Мы должны вернуться в Лондон и найти последний недостающий фрагмент.

Оставив ошарашенного герцога стоять на собственном пороге рядом с равно ошарашенным инспектором, мы так и сделали.

– Но Сомс… – начал я, когда мы сели в поезд.

– Разве вы не заметили отпечатка колес? – раздраженно бросил он.

– Колес?

– Полиция затоптала все следы, как обычно, но кое-что все же осталось. Достаточно, чтобы я мог определить, что эрл отбыл на телеге, одно из колес которой плотно прижалось к углу сарая в том месте, где он примыкает к высокой стене. След глины на стене говорит о том, что некая точка на ободе колеса находилась одновременно в 8 дюймах от земли и в 9 дюймах от стены сарая. Если мы сможем вычислить диаметр колеса, то, может статься, окажемся близки к разрешению этого дела.

– Может статься?

– Это зависит от ответа. Мы должны также помнить, что у телег не бывает колес меньше 20 дюймов в диаметре. Так, дайте посмотреть… Ну да, все так, как я и подозревал.

По прибытии на вокзал Кингс-Кросс он вызвал одного из Нерушимых сил Бейкер-стрит – рядом с нами всегда крутился кто-нибудь из этих маленьких сорванцов – и отправил его на телеграф с посланием, которое нужно было отправить Роулейду.

– Что в телеграмме?

– Там сказано, где можно найти пропавшего эрла.

– Но…

– Я знаю только одну ферму в окрестностях Даунингем-холла, где есть телега с колесами, диаметр которых точно соответствует тому, что я вычислил, – это довольно большой диаметр для тележного колеса. Я убежден, что эрл покинул Даунингем-холл добровольно под покровом тьмы, а примитивной телегой воспользовался, чтобы не привлекать внимания. Он найдется в том месте, где обычно держат эту телегу.

На следующее утро миссис Сопсудс принесла телеграмму от инспектора: ЭРЛ Д ЦЕЛ И НЕВРЕДИМ МОИ ПОЗДРАВЛЕНИЯ РОУЛЕЙД.

– Так куда же уехал из дома эрл? – спросил я с любопытством.

– Эта тайна, Ватсап, могла бы разрушить репутацию нескольких в высшей степени уважаемых семейств Европы. Зато я могу сказать вам размер тележного колеса.

Какого диаметра было колесо? Ответ см. в главе «Загадки разгаданные».

Дважды два

Существует бесчисленное множество карикатур на тему Ноева ковчега. Мой любимый рисунок посвящен его биологическому аспекту. На ковчег по трапу заводят последние несколько пар животных – слонов, жирафов, обезьян. Ной что-то ищет вокруг, ползая на четвереньках. Его жена кричит, перегнувшись через борт: «Ной! Не ищи вторую амебу, обойдемся!»

Существуют и математические шутки на тему ковчега.

После того, как вода спала, Ной отпустил всех животных и велел им плодиться и размножаться. Примерно через год он решил проверить, как идут дела. Он отправился в путь и всюду встречал слонят, крольчат, козлят, детенышей крокодилов, жирафов, гиппопотамов и казуаров. Но затем он наткнулся на одинокую пару змей, которые выглядели потерянными.

– В чем проблема? – спросил Ной.

– Не можем размножаться, – ответила одна из змей. (Не забывайте, что наш Ной чем-то напоминает доктора Айболита и умеет разговаривать по-звериному.)

Разговор услышала пробегавшая по соседнему дереву обезьяна.

– Сруби несколько деревьев, Ной.

Ной ничего не понял, но сделал так, как посоветовала обезьяна. Еще через несколько месяцев он вновь посетил змей, и на этот раз его встретили многочисленные змееныши. В общем, все были счастливы.

– Ну хорошо, как же вам это удалось? – спросил Ной у змей.

– Мы – гадюки. Мы можем размножаться, только используя бревна.

Загадка гусиного клина

Не секрет, что стаи перелетных птиц в полете часто приобретают форму клина. Особенно привычны глазу клинья диких гусей, нередко состоящие из десятков и даже сотен птиц. Что заставляет их летать подобным строем?

Исследователи давно предположили, что такой строй в полете помогает сберечь энергию, позволяя птицам избегать турбулентного следа от крыльев тех, кто летит впереди, и недавние экспериментальные и теоретические исследования подтвердили, в общем и целом, эту точку зрения. Однако эта теория опирается на предположение о том, что птицы способны чувствовать воздушные течения и подстраивать свой полет соответственно, но до сих пор не ясно, могут ли они на самом деле это делать.

Есть и альтернативное объяснение. Оно состоит в том, что у стаи есть вожак – тот, что летит впереди, – и все остальные гуси просто следуют за лидером. Может быть, лидер лучше всех ориентируется – или просто знает, куда лететь. А может быть, первой в строю может оказаться любая птица.

Прежде чем перейти к ответу, необходимо разобраться в некоторых основных качествах птичьего полета. При устойчивом полете птица машет крыльями циклически, вверх-вниз. Вверх она поднимается за счет движения крыла вниз, когда воздушные завихрения уходят, вращаясь, от кромки крыла; движение вверх возвращает крыло на исходную позицию, чтобы цикл мог повториться. Длина цикла называется его периодом.

Предположим, две птицы машут крыльями с одинаковой периодичностью, как обычно и происходит в стае во время перелета. Однако, хотя крылья птиц движутся одинаково, это не означает, что одни и те же движения делаются одновременно. К примеру, в тот момент, когда одна из птиц ведет крыло вниз, другая, возможно, возвращает его вверх. Соотношение между движениями крыльев разных птиц называют относительной фазой – это доля цикла между тем моментом, когда одна из птиц начинает движение крылом вниз, и тем, когда то же движение начинает другая птица.

Благодаря замечательной, почти детективной, работе Стивена Португала и его группы мы теперь знаем, что теория энергосбережения верна и что птицы действительно чувствуют невидимые воздушные течения достаточно хорошо, чтобы подстраиваться под них. Серьезная проблема экспериментальных исследований состоит в том, что птицы, за которыми вы пытаетесь наблюдать, стремительно исчезают из виду вместе со всем закрепленным на них оборудованием.

И здесь на сцену выходит лысый ибис.

Когда-то лысых ибисов было так много, что древние египтяне даже использовали стилизованное изображение этой птицы в качестве иероглифа «ах», означающего «сиять». На сегодняшний день их уцелело всего несколько сотен, в основном в Марокко. В связи с этим в зоопарке Вены была начата программа по размножению этих птиц в неволе. Много усилий тратится на то, чтобы научить птиц правильным маршрутам миграции. Для этого их учат следовать за сверхлегким летательным аппаратом, который летает вдоль отдельных участков пути а также возвращается вместе с птицами на базу.

Португал понял, что, используя этот летательный аппарат, можно наилучшим образом измерить все параметры полета птиц, их положение в пространстве и характеристики движения крыла, ведь птицы при этом не исчезают за горизонтом с пугающей скоростью, а остаются все время рядом. То, что удалось обнаружить его группе, оказалось поразительно и элегантно. Каждая птица располагается позади и чуть в стороне от передней и так настраивает относительную фазу ударов крыльями, что может воспользоваться восходящим потоком, который создает вихрь из-под крыла впереди летящей птицы. При этом для того, чтобы эффективно воспользоваться восходящим движением воздуха, вторая птица должна не только попасть концом крыла в нужное место (а оно относительно невелико), но и точно настроить фазу движений крыльями.

На первый взгляд эта методика позволяет не только клиновидное построение в полете, но и зигзагообразное, при котором каждая птица летит сзади сбоку от предыдущей, но все вместе не образуют единого клина. (Каждая птица может выбирать, слева ей лететь от лидера или справа.) Однако в этом случае первая птица, нарушившая клиновидное построение, окажется прямо позади птицы, летящей на две позиции впереди нее. В этом месте воздух будет турбулентным из-за возмущения, производимого передней птицей, и попасть кончиком крыла в нужную точку – а значит, и воспользоваться подъемной силой – будет намного сложнее. Этой проблемы можно избежать, если каждая птица будет устраиваться обязательно с внешней стороны клина, где воздух ничем не возмущен.

В принципе, птицы могли бы образовать единую диагональную линию, примерно соответствующую одному из плечей V. Однако при этом место с другой стороны – ближе к лидеру – оставалось бы свободным. Но следует заметить, что один из концов птичьего клина, как правило, длиннее другого.

В экспериментах с ибисами молодым птицам требовалось немало времени, чтобы научиться занимать в полете правильную позицию. На практике обычно находятся птицы, у которых это не получается, а клин редко бывает правильным. Тем не менее детальные эксперименты убедительно показывают, что ибисы достаточно хорошо ощущают потоки воздуха, чтобы занимать самую энергоэффективную или близкую к ней позицию по отношению к передней птице.

Дополнительную информацию см. в главе «Загадки разгаданные».

Мнемоника для e

Для запоминания числа π существует бесчисленное количество мнемонических правил. Для другой знаменитой математической постоянной – числа e, основания натурального логарифма

e = 2,7182818284 5904523536 0287471352662497757…,

таких правил гораздо меньше. Два из них позволяют запомнить по десять цифр этой константы:

To disrupt a playroom is commonly a practice of children.

It enables a numskull to memorise a quantity of numerals[12].

Существует также мнемонический текст на 40 знаков, в котором рассказывается о числе e и который придумал Зив Бэрел (Zeev Barel, A mnemonic for e, Mathematics Magazine 68 (1995) 253), его вы можете проверить по числовому варианту, приведенному выше. Для обозначения нуля в этом тексте используется восклицательный знак в кавычках «!», и выглядит это так:

We present a mnemonic to memorise a constant so exciting that Euler exclaimed: '!' when first it was found, yes, loudly '!'. My students perhaps will compute e, use power or Taylor series, an easy summation formula, obvious, clear, elegant[13].

«Простая формула суммирования», упомянутая в тексте, такова:

и так до бесконечности. Теперь знак! обозначает факториал

n! = n× (n – 1) × … × 3 × 2 × 1.

Поразительные квадраты

Существует бесконечно много натуральных чисел, которые можно выразить в виде суммы трех квадратов двумя разными способами: a² + b² +c² = d² + e² + f². Но возможны и дальнейшие выводы. Вот поразительный пример:

123789² + 561945² + 642864² = 242868² + 761943² + 323787².

Это соотношение сохраняется, если мы будем последовательно убирать из каждого числа крайнюю левую цифру:

23789² + 61945² + 42864² = 42868² + 61943² + 23787²;

3789² + 1945² + 2864² = 2868² + 1943² + 3787²;

789² + 945² + 864² = 868² + 943² + 787²;

89² + 45² + 64² = 68² + 43² + 87²;

9² + 5² + 4² = 8² + 3² + 7².

Оно сохраняется также, если последовательно убирать из каждого числа крайнюю правую цифру:

12378² + 56194² + 64286² = 24286² + 76194² + 32378²;

1237² + 5619² + 6428² = 2428² + 7619² + 3237²;

123² + 561² + 642² = 242² + 761² + 323²;

12² + 56² + 64² = 24² + 76² + 32²;

1² + 5² + 6² = 2² + 7² + 3².

А также если мы будем убирать цифры одновременно с двух сторон:

2378² + 6194² + 4286² = 4286² + 6194² + 2378²;

37² + 19² + 28² = 28² + 19² + 37².

Эту математическую загадку прислали мне Молой Де и Нирмалья Чаттопадхьяй, объяснившие простую, но умную идею, на которой все это основано. Сможете ли вы уподобиться Хемлоку Сомсу и раскопать этот секрет?

Ответ см. в главе «Загадки разгаданные».

Загадка тридцати семи

Из мемуаров доктора Ватсапа

– Как любопытно! – заметил я, размышляя вслух.

– В мире много любопытного, Ватсап, – отозвался Сомс, дремавший, как мне казалось, в своем кресле. – Что именно вы имеете в виду?

– Я взял число 123 и повторил его шесть раз, – объяснил я.

– И получили 123123123123123123, – пренебрежительно сказал Сомс.

– Ну да, но я еще не закончил.

– Вы, несомненно, умножили это число на 37, – сказал великий детектив, вновь подрывая мою убежденность в том, что я могу сказать что-нибудь новое для него.

– Да! Умножил! И вот я получил… нет, Сомс, не прерывайте меня, пожалуйста… вот ответ… 4555555555555555551, и цифра 5 в нем повторяется много-много раз.

– И это любопытно?

– Без сомнения. Причем если один такой пример может быть случайным совпадением, то в данном случае все это не случайно. Нечто подобное происходит и в тех случаях, когда я беру не 123, а 234, или 345, или 456. Взгляните! – и я показал ему свои расчеты:

234234234234234234 × 37 = 8666666666666666658;

345345345345345345 × 37 = 12777777777777777765;

456456456456456456 × 37 = 16888888888888888872.

– И не только это: если я повторю 123, или 234, или 345, или 456 какое-то другое число раз и умножу это на 37, то в ответе опять же будет много-много повторений одной и той же цифры, а нарушения будут только по бокам.

– Я склонен думать, – пробормотал Сомс, – что структура числа 123, 234, 345 и т. д. не имеет значения. Другие числа вы пробовали?

– Я пробовал 124, и ничего не получилось. Взгляните:

124124124124124124 × 37 = 4592592592592592588.

– Цифры здесь повторяются блоками по три, но мне это не кажется удивительным – ведь и первое число имеет такую же структуру.

– 486 вы пробовали?

– Нет… ну вообще-то, поскольку с 124 не получается, мне не кажется… Ну хорошо, хорошо, – я вернулся к своему блокноту и записал новый расчет. – Как любопытно! – воскликнул я вновь, увидев ответ:

486486486486486486 × 37 = 1799999999999999982.

Вдохновленный новым успехом, я попробовал еще несколько случайных трехзначных чисел, выписывая их по несколько раз подряд и умножая на 37. Иногда результат содержал множество повторений одной и той же цифры, чаще нет. Я показал Сомсу результаты своей работы и признался:

– Я в недоумении.

– Загадка, несомненно, разрешится, – ответил Сомс, – если вы рассмотрите число 111.

Я записал

111111111111111111 × 37 = 4111111111111111107

и уставился на получившееся число. Минут через 20 Сомс поднялся, заглянул мне через плечо и иронично покачал головой.

– Нет-нет, Ватсап! Я не предлагал вам попробовать свой метод на числе 111.

– Ох. А я полагал…

– Сколько раз я говорил вам, Ватсап: «Никогда ничего не полагайте!» Да, на первый взгляд эта загадка связана с числом 37, но на самом деле это, как бы это сказать, побочный эффект. Я предлагал вам посмотреть, как число 111 соотносится с числом 37.

Ответ см. в главе «Загадки разгаданные».

Средняя скорость

Из-за большого потока машин автобус, следующий из Эдинбурга в Лондон, проходит расстояние в 400 миль за 10 часов со скоростью 40 миль в час. На обратный путь у него уходит 8 часов со скоростью 50 миль в час. Какова средняя скорость автобуса за все время пути?

Очевидный ответ – 45 миль в час, среднее арифметическое между 40 и 50, для получения которого числа складывают, а сумму делят пополам. Однако в целом автобус проезжает 800 миль за 18 часов, и средняя скорость при этом равна 800/18 = 44 4/9 миль в час.

Как это может быть?

Ответ см. в главе «Загадки разгаданные».

Четыре псевдоку без указаний

Головоломку без дополнительных указаний придумали Джерард Баттерс, Фредерик Хенле, Джеймс Хенле и Колин МакГоги. Это вариант судоку, который мне нравится называть псевдоку без дополнительных указаний. Вам предлагается решить еще четыре такие головоломки. Правила:

• Каждая строка и каждый столбец должны содержать каждое из чисел 1, 2, 3, …, n ровно по одному разу, где n – размер квадрата.

• Числа в каждой из областей, обведенных жирной линией, должны при сложении давать одну и ту же сумму. Я выписал значение этой суммы над каждым квадратом, чтобы избавить вас от необходимости искать ее самостоятельно. Все головоломки, кроме последней, имеют единственное решение, а последняя – два симметричных варианта.

Ответы и ссылку на дополнительные материалы см. в главе «Загадки разгаданные».

Суммы кубов

Треугольные числа 1, 3, 6, 10, 15 и т. д. определяются сложением последовательных чисел, начиная с 1:

1 = 1;

1 + 2 = 3;

1 + 2 + 3 = 6;

1 + 2 + 3 + 4 = 10;

1 + 2 + 3 + 4 + 5 = 15

и т. д. Для таких чисел существует формула:

1 + 2 + 3 + … + n = n (n + 1)/2.

Чтобы доказать ее, можно, в частности, записать сумму дважды, примерно так:

1 + 2 + 3 + 4 + 5;

5 + 4 + 3 + 2 + 1.

Из этой записи видно, что числа в вертикальных столбцах при сложении дают одно и то же, в данном случае 6. Поэтому удвоенная сумма равна 6 × 5 = 30, а сумма равна 15. Если проделать то же самое с числами от 1 до 100, все получится примерно так же: будет 100 колонок, дающих при сложении сумму 101, так что сумма первых 100 чисел должна составлять половину от 100 × 101, то есть 5050. В более общем случае при сложении первых n чисел мы получаем половину от n (n + 1). Формула готова.

Существует формула и для суммы квадратов, но более сложная:

1 + 4 + 9 + … + n² = n (n + 1) (2n + 1)/6.

А вот с кубами происходит нечто поразительное:

1³ = 1;

1³ + 2³ = 9;

1³ + 2³ + 3³ =36;

1³ + 2³ + 3³ + 4³ = 100;

1³ + 2³ + 3³ + 4³ + 5³ = 225.

Результаты здесь – квадраты соответствующих треугольных чисел.

Почему в результате суммирования кубов получаются квадраты? Можно найти формулу и доказать таким способом все, что нам нужно, но существует очень аккуратное наглядное доказательство того, что 1³ + 2³ + 3³ + … + n³ = (1 + 2 + 3 + … + n)², для которого не нужны никакие формулы.

На рисунке показан один квадрат со стороной 1, два квадрата со стороной 2 (образующие куб 2 × 2 × 2), 3 квадрата со стороной 3 (куб 3 × 3 × 3) и т. д. Так что суммарная площадь этой фигуры представляет собой сумму последовательных кубов. Следуя вдоль одной из сторон (к примеру, верхней), видим 1 + 2 + 3 + 4 + 5, то есть сумму последовательных чисел. Но площадь квадрата равна квадрату его стороны. Готово!

Если вам непременно нужна формула, то мы знаем, что (1 + 2 + 3 + … + n) = n (n + 1)/2, а возведение в квадрат дает 1³ + 2³ + 3³ + … + n³ = n² (n + 1)²/4.

Загадка похищенных бумаг

Из мемуаров доктора Ватсапа

Сомс передал мне конверт и поднял в руке извлеченное из него письмо.

– Проверка на наблюдательность, Ватсап. Кто, по-вашему, мог прислать мне это?

Я поднес конверт к свету, оглядел марку и штемпель, понюхал, исследовал клей в том месте, где письмо было запечатано.

– Отправитель – женщина, – сказал я. – Незамужняя, но еще не старая дева, находится в активном поиске мужа. Она напугана, но храбрится, – я немного помолчал, и меня осенила еще одна мысль: – У нее плохо с финансами, но положение пока не катастрофическое.

– Очень хорошо, – сказал он. – Я вижу, вы усвоили некоторые из моих методов.

– Я стараюсь, – скромно заметил я.

– Объясните, что привело вас к этим выводам.

Я собрался с мыслями.

– Конверт розовый и несет на себе отчетливые следы какого-то аромата. Nuits de Plaisir, если я не ошибаюсь: моя приятельница Беатрис часто использует такой же. Для замужней женщины он слишком откровенен, а для молодой, напротив, недостаточно откровенен. Тот факт, что она вообще пользуется духами, указывает на активный поиск мужского внимания. Следы косметики на клапане это подтверждают. Но клеевой след был смочен лишь частично, а смачивают его языком, так что во рту у нее, вероятно, было сухо, когда она запечатывала конверт. Сухость во рту – признак страха. Но раз она все же заклеила конверт и отправила письмо, значит, она пока в состоянии действовать рационально, хотя и испытывает сильное напряжение, а это признак храбрости. Наконец, по марке заметно, что ее отклеили над паром от другого конверта и использовали вторично – загнутый уголок, следы предыдущего почтового штемпеля. Это указывает на бережливость. Однако на духи деньги нашлись, так что нельзя сказать, что отправительница письма стоит на пороге бедности.

Он задумчиво кивнул, а я мысленно похвалил себя.

– Кое-какие признаки вы упустили, – негромко заметил Сомс, – что показывает всю эту историю в новом свете. Форма и размер конверта говорят о правительственной рассылке, такой конверт не купишь в первом попавшемся писчебумажном магазинчике. Вы можете прочесть об этом в моей монографии о канцелярских принадлежностях и характерных для них размерах. Чернила, которыми написан адрес, имеют необычный темно-коричневый оттенок; опять же, такие чернила не купишь в магазине, а вот в некоторые департаменты Уайтхолла их поставляют в больших количествах.

– Ах! Значит, ее нынешний сердечный друг – чиновник, конверт и чернила она позаимствовала у него.

– Разумная теория, – сказал он. – Совершенно неверная, разумеется, но в высшей степени разумная, к тому же в основном соответствует нашим данным. Однако на самом деле это письмо от моего брата Спайкрафта.

Я был поражен до глубины души.

– У вас есть брат? – Сомс никогда не говорил о своей семье.

– Да, неужели я не упоминал его? Большое упущение с моей стороны.

– Откуда вы знаете, что письмо от него?

– Оно подписано.

– Ах. Но что вы скажете про остальные признаки?

– Это небольшая шутка со стороны Спайкрафта. Но надо спешить, нам назначена встреча в клубе «Диофант», едем немедленно. Дайте шестипенсовик какому-нибудь мальчишке, пусть приведет нам кэб, по пути я введу вас в курс дела.

Пока мы тряслись в кэбе вдоль Портленд-плейс, Сомс рассказал, что его брат – отставной специалист по простым числам и иногда частным образом выполняет заказы правительства Ее Величества. Он отказался говорить о сути предстоящего нам дела, сказав лишь, что оно в высшей степени конфиденциальное и связано с политикой.

По прибытии в клуб «Диофант» нас провели в гостевой зал, где в удобном кресле нас дожидался какой-то джентльмен. С первого взгляда он произвел на меня впечатление вялой тучности, но быстро выяснилось, что за этой внешностью скрываются острый ум и активное тело, полностью опровергающие ту, первую оценку.

Сомс представил нас.

– Вы часто находите мои дедуктивные способности поразительными, Ватсап, – сказал он, – но Спайкрафту я в подметки не гожусь.

– Есть все же одна область, в которой твои способности превосходят мои, – возразил его брат. – Речь идет о логических головоломках, в которых точные условия текучи, как вода. В них я всегда чувствую, что лишен опоры, с которой мог бы атаковать задачу. Отсюда моя записка.

– Насколько я понял, ты не возражаешь против того, чтобы рассказать все доктору Ватсапу?

– Его послужной список в Ал-Гебраистане безупречен. Он должен поклясться в сохранении тайны, но его слова будет достаточно.

Сомс бросил на брата острый взгляд.

– С каких это пор ты готов принять чье-то слово, это на тебя не похоже.

– Этого будет достаточно, когда я проинформирую его о последствиях его нарушения.

Я должным образом поклялся, и мы перешли к делу.

– Некий важный документ был случайно положен в ненадлежащее место, а затем украден, – сказал Спайкрафт. – Безопасность Британской империи требует безотлагательно найти его и вернуть на место. Если этот документ попадет в руки наших врагов, полетят головы и части империи могут пасть. К счастью, местный констебль мельком видел вора, и этого оказалось достаточно, чтобы сузить круг подозреваемых до четырех человек.

– Кто они? Мелкие воришки?

– Нет, все четверо весьма уважаемые джентльмены. Адмирал Арбатнот, банкир Берлингтон, врач Волверстон и генерал Гамильтон.

Сомс резко выпрямился.

– Значит, здесь отметился Могиарти.

Не успев проследить за его рассуждениями, я попросил объяснить.

– Все четверо – шпионы, Ватсап. И работают на Могиарти.

– Значит… Значит, Спайкрафт, должно быть, связан с контрразведкой! – воскликнул я.

– Да, – он коротко взглянул на брата. – Но вы не слышали этого от меня.

– А этих предателей допросили? – спросил я.

Спакрафт вручил мне досье, и я прочел вслух, чтобы Сомс тоже мог слышать.

– На допросе Арбатнот сказал: «Это сделал Берлингтон». Берлингтон сказал: «Арбатнот лжет». Волверстон сказал: «Это не я». Гамильтон сказал: «Это сделал Арбатнот». Это все.

– Не совсем все. Из другого источника нам известно, что ровно один из них сказал правду.

– У вас есть информатор в близком окружении Могиарти, Спайкрафт?

– У нас был информатор, Хемлок. Его удавили его собственным галстуком, прежде чем он успел назвать нам реальное имя. Очень печальная история: это был галстук выпускника Итонского колледжа, и он совершенно испорчен. Однако не все еще потеряно. Если мы сможем вычислить вора, мы получим ордер на обыск и вернем документ. За всеми четверыми наблюдают, у них не будет возможности передать бумагу Могиарти. Но руки у нас связаны – мы должны придерживаться буквы закона. Более того, если мы придем с обыском не в тот дом, юристы Могиарти предадут нашу ошибку огласке и нанесут нам тем самым непоправимый ущерб.

Кто из подозреваемых вор? Ответ см. в главе «Загадки разгаданные».

Хозяин всего, что за оградой

Один фермер хотел огородить как можно больший участок поля как можно более короткой оградой. Не слишком, может быть, хорошо подумав, он обратился с этим в местный университет, который прислал ему для консультации инженера, физика и математика.

Инженер построил круглую ограду и сказал, что в данном случае окружность – самая эффективная фигура.

Физик построил прямую ограду такой длины, что ее концы невозможно было разглядеть, и сказал фермеру, что фактически эта ограда идет вокруг Земли, так что он огородил ровно половину планеты.

Математик построил тесную круглую ограду вокруг себя и сказал, что он, математик, находится снаружи.

Еще одна любопытная числовая закономерность

1 × 8 + 1 = 9;

12 × 8 + 2 = 98;

123 × 8 + 3 = 987;

1234 × 8 + 4 = 9876;

12345 × 8 + 5 = 98765.

Итак, вопросы для начинающих Хемлоков Сомсов: что дальше и когда эта закономерность прекратится?

Ответы см. в главе «Загадки разгаданные».

Задача о непрозрачном квадрате

Кстати, об оградах… Что представляет собой ограда наименьшей длины, перекрывающая все линии зрения, проходящие через квадратное поле? Имеется в виду такая ограда, которая пересекалась бы с любой прямой, проходящей через поле. Это и есть «Задача о непрозрачном квадрате»; название указывает, что нужно сделать квадрат полностью непрозрачным для взгляда. Вопрос этот первым задал Стефан Мазуркевич в 1916 г., причем для произвольной фигуры, не только для квадрата. Ответа на него до сих пор нет, хотя некоторый прогресс достигнут.

Предположим, что сторона квадратного поля равна единице. Тогда ограды вдоль всех четырех сторон квадрата наверняка будет достаточно, и ее длина будет равна 4. Однако можно убрать одну из сторон, и квадрат при этом останется непрозрачным, а ответ уменьшится до 3. Это и есть ограда наименьшей длины, образованная одной ломаной линией. Но если мы разрешим строить ограды из нескольких отдельных отрезков прямых, то на ум быстро придет более короткий вариант: две диагонали поля суммарной длиной 2√2 = 2,828 (приближенно).

Можно ли добиться лучшего результата? Один общий факт очевиден: непрозрачная ограда, полностью умещающаяся в пределах поля, обязательно должна содержать все четыре угла квадрата. Если хотя бы один из углов не будет включен в нее, найдется прямая, которая пересечет квадрат в этой единственной точке (она пройдет снаружи по диагонали через угол) и минует нашу ограду. Но даже одна такая прямая станет нарушением условия задачи.

Любая ограда, включающая в себя все четыре угла и соединяющая их, должна быть непрозрачной, потому что любая прямая, рассекающая квадрат, должна либо проходить через угол, либо разделять два угла, а значит, любая линия, соединяющая углы, непременно с ней пересечется. Но является ли пара диагоналей наименее протяженной из подобных оград? Нет, не является. Самая короткая ограда, соединяющая все четыре угла квадрата, называется деревом Штейнера и имеет длину 1 + √3 = 2,732 (приближенно). Линии, составляющие это дерево, встречаются под углами 120°.

Однако оказывается, что даже эта ограда – не самая короткая. Существует разомкнутая ограда, в которой одна из частей блокирует линии прямой геометрической видимости через прореху в другой. Длина ее равна √2 + √(3/2) = 2,639. Считается, хотя пока и не доказано, что это и есть непрозрачная ограда наименьшей длины. Бернд Каволь доказал, что это самая короткая ограда, состоящая ровно из двух несвязанных кусков. Один из этих кусков – дерево Штейнера, связывающее три угла, то есть три отрезка, которые исходят из углов и встречаются под углами 120°. Второй – кратчайший отрезок прямой, соединяющий центр квадрата и четвертый угол.

Мы не можем даже сказать наверняка, что именно этот вариант представляет кратчайшую непрозрачную ограду. Или, скажем, что если существует ограда еще короче, то она непременно целиком укладывается внутрь квадрата. Вэнс Фэйбер и Ян Мысельски доказали, что для любого заданного конечного числа кусков существует по крайней мере одна кратчайшая непрозрачная ограда. (В принципе их вполне может быть и несколько.) Технически возможен следующий вариант: чем больше составных частей ограды вы допускаете, тем короче получается ограда. Эта проблема до сих пор не решена, и мы не можем с полной уверенностью сказать, что это не так. Если же это так, то существует последовательность все более коротких оград, но не существует ограды, которая была бы короче всех. Иначе говоря, самой короткой оградой является та, что состоит из бесконечного множества не связанных между собой частей.

Непрозрачные многоугольники и круги

Существует стандартный математический трюк: если не можешь решить задачу, обобщи ее, то есть рассмотри некоторое множество аналогичных, но более сложных задач. Эта мысль может показаться глупой: как рассмотрение более сложной задачи поможет справиться с менее сложной? Но чем больше у вас примеров для обдумывания, тем выше шансы заметить какую-нибудь интересную общую черту, которая и послужит ключом к задаче. Этот прием не всегда срабатывает, и здесь мы пока не видели подобных примеров, но иногда помогает.

Один из способов генерализации, или обобщения, задачи о непрозрачном квадрате состоит в том, чтобы изменить форму поля. Замените квадрат на прямоугольник или многоугольник с бо́льшим числом сторон, круг или эллипс – здесь открывается широчайшее поле для фантазии.

Математики сосредоточились в основном на двух генерализациях: на правильных многоугольниках и кругах. Самая короткая известная непрозрачная ограда для правильного треугольника – это дерево Штейнера, соединяющее каждый из углов с центром треугольника. Существует общая конструкция, которая позволяет получить ограды наименьшей длины для правильных многоугольников с нечетным числом сторон, и похожая на нее конструкция для четного числа сторон.

А как насчет непрозрачного круга? Если вся ограда должна располагаться в пределах фигуры, то очевидный ответ – это длина окружности. Для единичного круга это 2π = 6,282. Если часть окружности отсутствует, вам потребуются дополнительные участки ограды внутри круга, которые блокировали бы прямые, проходящие через отсутствующий сегмент, и все сильно усложняется. Интуитивно круг можно представить как правильный многоугольник с бесконечным числом бесконечно коротких сторон. На основании этой идеи Каволь доказал, что построение, аналогичное построению для правильных многоугольников, но с бесконечным числом сторон, дает непрозрачную ограду полной длины π + 2 = 5,141, что меньше 2π. Но если мы разрешим вынос части ограды за пределы круга, то выяснится, что существует более короткая непрозрачная ограда в форме буквы U. Ее длина также равна π + 2. Предполагается, что это самая короткая из возможных оград; пока это доказано для оград, представляющих собой единую кривую без ветвления.

Кроме того, задача была расширена на трехмерное пространство: здесь ограда превращается в сложную поверхность. Самая известная непрозрачная ограда для куба образована из нескольких искривленных кусков.

πr²?

No, pie are round. Chocolate are squared[14].

Знак одного

Из мемуаров доктора Ватсапа

– Сомс! Вот симпатичная головоломка. Она могла бы заинтересовать вас.

Хемлок Сомс положил кларнет, на котором только что исполнял боливийскую погребальную мелодию.

– Я в этом сомневаюсь, Ватсап.

Меланхоличное настроение преследовало моего друга уже несколько недель, и я намеревался во что бы то ни стало встряхнуть его.

– Задача в том, чтобы выразить целые числа 1, 2, 3 и т. д. с использованием не более чем…

– Четырех четверок, – сказал Сомс. – Я хорошо знаю эту задачу, Ватсап[15].

Я решил, что не позволю отсутствию интереса с его стороны смутить меня.

– Основные арифметические символы позволяют таким образом добраться до 22. Знак квадратного корня повышает этот предел до 30. Знак факториала – до 112; знак возведения в степень – до 156…

– А субфакториала – до 877, – закончил за меня Сомс. – Это старая задачка, и ее уже давно выжали досуха.

– Что такое субфакториал, Сомс? – спросил я, но он уже уткнулся носом во вчерашний выпуск Daily Wail[16].

Однако не прошло и минуты, как он вновь показался из-за газетного листа.

– Имейте в виду, Ватсап, существует множество возможных вариантов. Использование именно четверки дает нам значительную свободу, к тому же всего из одной четверки можно получить несколько весьма полезных чисел. К примеру, √4 = 2 и 4! = 24.

– А что означает здесь восклицательный знак? – поинтересовался я.

– Факториал. К примеру, 4! = 4 × 3 × 2 × 1. Что, как я уже сказал, равно 24.

– О-о.

– Эти дополнительные числа достаются нам бесплатно и существенно облегчают задачу. Но вот интересно… – его голос почти затих.

– Что интересно, Сомс?

– Интересно, как далеко можно продвинуться, если использовать четыре единицы.

Внутренне я ликовал, поскольку в нем явно пробудился интерес. А вслух сказал:

– Да, я понимаю. Теперь √1 = 1 и 1! = 1, так что «бесплатно» ничего не возникает. Это усложняет задачу, но делает ее, возможно, более достойной нашего внимания.

Он хмыкнул, и я поспешил реализовать свое крохотное преимущество. Лучший способ заинтересовать Сомса состоит в том, чтобы попробовать решить задачу самостоятельно и потерпеть неудачу.

– Понятно, что 1 = 1 × 1 × 1 × 1,

а также

2 = (1 + 1) × 1 × 1,

3 = (1 + 1 + 1) × 1,

4 = 1 + 1 + 1 + 1,

но выражение для 5 мне уже не дается.

Сомс поднял одну бровь.

– Вы могли бы рассмотреть выражение

5 = (1/0,1)/(1 + 1).

– Хм, хитро! – воскликнул я, но Сомс только фыркнул. – Но как насчет 6? – продолжал я. – Я вижу, как получить шестерку с использованием факториала:

6 = (1 + 1 + 1)! × 1.

На самом деле мне нужны только три единицы, но от всех лишних легко избавиться посредством умножения на них.

– Элементарно, – пробормотал он. – А рассматривали ли вы такой вариант, Ватсап?

если вы настаиваете на использовании факториалов. Разумеется, чтобы использовать все четыре единицы, вы можете умножить на 1 × 1, или на 1/1, или прибавить 1–1.

Я непонимающе воззрился на формулу.

– Я узнаю десятичную точку, Сомс, но что означают скобки вокруг 1?

– Период, – ответил Сомс устало. – Нуль запятая 1 в периоде соответствует 0,11111… до бесконечности. Единица в периоде дает число, равное в точности 1/9. Разделив на это единицу, получим 9, корень из 9 равен 3…

– А дальше 3 + 3 = 6, – возбужденно вскричал я. – И еще, конечно,

7 = (1 + 1 + 1)! + 1

обходится без всяких корней. Но 8 – совсем другое дело…

– Обратите внимание, пожалуйста, – сказал Сомс.

8 = 1/0,(1) – 1 × 1

9 = 1/0,(1) + 1 – 1

– Ага! Вот это да! И дальше

10 = 1/0,(1) + 1 – 1

11 = 1/0,(1) + 1 + 1

и…

– Вы щедро тратите свои единицы, – заметил Сомс. – Лучше приберечь их для дальнейшего.

Он написал:

10 = 1/0,1

11 = 11

и добавил:

– Обратите внимание на отсутствие символа периода, Ватсап. На этот раз это обычная десятичная дробь 0,1. А-а, и вам следует домножить то и другое на 1 × 1, чтобы не оставлять лишних единиц или потратить их еще каким-то способом из тех, о которых я упоминал. Но вообще-то можно опускать эти лишние единицы, ведь позже мы найдем, куда их можно употребить.

– Да! Вы имеете в виду что-то вроде

и т. д.?

По губам Сомса промелькнула тень улыбки.

– Вы точно все схватили, Ватсап!

– Но как насчет 15? – спросил я.

– Тривиально, – вздохнул он и написал:

К этому я триумфально добавил:

и Сомс одобрительно кивнул.

– Вот теперь задача начинает становиться интересной, – заметил он. – Как насчет 23? Справитесь?

– Есть, Сомс! – воскликнул я.

– Мы помним, – пояснил я, – что 4! = 24, как вы столь мудро заметили. Здорово, Сомс! Хотя 26 я не смог бы выразить, даже если бы на кону была моя жизнь.

– Ну… – начал он и остановился.

– Ага, застряли, не так ли?

– Ни в малейшей степени. Я просто думал о том, есть ли необходимость вводить новый символ. Конечно, он немало облегчит нам жизнь. Ватсап, слышали ли вы когда-нибудь о функциях округления, которые еще называют «пол» и «потолок»?

Мой взгляд против моей воли метнулся за подсказкой вниз, к ногам, а затем вверх, поверх головы Сомса, но вдохновение меня не осенило.

– Вижу, что не слышали, – сказал Сомс. «Откуда он знает, что я думаю? – подумал я. – Это даже…»

– Жутковато… да, разве не так? Я читаю вас, как открытую книгу, Ватсап. И эта книга, вероятно, «Сказки матушки Гусыни». Так вот эти функции выглядят так:

= наибольшему целому числу, меньшему или равному x (пол, или округление вниз);

= наименьшему целому числу, большему или равному x (потолок, или округление вверх), и вы скоро поймете, что они незаменимы в задачах вроде этой.

– Прекрасно, Сомс. Хотя я, признаюсь, не понимаю…

– Идея, Ватсап, в том, что посредством этих функций мы можем выразить полезные небольшие числа при помощи только двух единиц. К примеру,

– еще один способ выразить 3, использовав всего две единицы, а

– новый способ. – Видя мое недоумение, он добавил: – Обратите внимание,√1/ 0.1 = √10 = 3.162. Пол от этого числа равен 3, а потолок – 4.

– Ну да… – с сомнением проговорил я.

– Тогда мы идем дальше, потому что

Не говоря уже о других возможных вариантах.

Тысячи разрозненных мыслей метались в моей голове. Одна в конце концов выступила перед.

– Но, Сомс, я только сейчас понял, что

потому что √24 = 4,89, а потолок этого числа равен 5. Поэтому я смогу теперь представить 29 и 30!

Говоря это, я имел в виду просто 30, а не факториал 30, вы понимаете. Пунктуация в математике – такая морока.

Ватсап и Сомс прошли в этой задаче гораздо дальше, и позже мы увидим, чего они в конце концов достигли. Но, прежде чем продолжить эту историю, вы, может быть, захотите проверить, как далеко удастся пройти вам самостоятельно.

«Знак одного» продолжается в главе «Знак одного: часть вторая».

Промежутки между простыми числами

Вспомним, что натуральное число считается составным, если оно может быть получено перемножением двух меньших натуральных чисел, и простым, если оно не может быть получено перемножением двух меньших натуральных чисел и при этом больше 1. Число 1 является исключением: несколько веков назад оно считалось простым, но при таком соглашении разложение числа на простые множители перестает быть единственным. Так, 6 =2 × 3 = 1 × 2 × 3 = 1 × 1 × 2 × 3 и т. д. В наши дни, по этой и другим причинам, 1 считается особым числом. Это число не простое и не составное, это просто единица: натуральное число x, такое, что 1/x также является натуральным числом. Собственно, 1 – это единственная положительная единица счета.

Вот первые несколько простых чисел:

2 3 5 7 11 13 17 19 23 29 31 37.

Вообще, простых чисел бесконечно много, и они неравномерно распределены по всему множеству натуральных чисел. На протяжении долгого времени простые числа были гигантским источником вдохновения для математиков, и многие их загадки этих чисел с течением времени были решены. А многие другие по-прежнему сохраняют тайну.

В 2013 г. специалисты по теории чисел добились неожиданного прогресса в отношении двух великих загадок, связанных с простыми числами. Первая из них относится к промежуткам между последовательными простыми числами, и я расскажу о ней сейчас. Вторая последует чуть позже.

Все простые числа, за исключением числа 2, нечетные (поскольку все четные числа по определению кратны двум), поэтому два последовательных числа (за исключением пары 2, 3) не могут оба быть простыми. Однако два числа, различающиеся на 2, могут: например, пары (3, 5), (5, 7), (11, 13), (17, 19); несложно найти и еще варианты. Такие пары простых чисел называются простыми числами-близнецами.

Предположение о том, что существует бесконечное число пар простых чисел-близнецов, высказано давно, но до сих пор не доказано. До недавнего времени прогресс в этом вопросе был минимальным, но в 2013 г. Чжан Итан поразил математический мир заявлением о том, что он мог бы доказать, что существует бесконечное число пар простых чисел, которые различаются между собой не более чем на 70 млн. После этого его статья была принята к публикации ведущим журналом теоретической математики Annals of Mathematics. Возможно, это утверждение звучит слабовато по сравнению с гипотезой о простых числах-близнецах, но впервые кому-то удалось показать, что бесконечное число простых чисел различается между собой не более чем на некоторую фиксированную величину. Если бы 70 млн можно было как-нибудь ужать до 2, это решило бы проблему гипотезы о простых числах-близнецах.

Сегодня математики все чаще пользуются Интернетом, чтобы объединить силы в работе над какой-нибудь задачей, и Теренс Тао организовал коллаборацию, целью которой стало снижение числа 70 млн до чего-нибудь поменьше. Он сделал это в рамках проекта Polymath – системы, созданной для содействия работам такого рода. По мере того как математики лучше понимали методы Чжана, число сдавалось. Джеймс Мэйнард снизил число 70 млн до 600 (и даже до 12, если принять еще одно предположение, известное как гипотеза Эллиота – Халберстама). К концу 2013 г. новые идеи Мэйнарда снизили это число до 270.

Это пока не 2, но намного ближе к делу, чем 70 млн.

Проблема Гольдбаха для нечетных

Вторая загадка, связанная с простыми числами и нашедшая, наконец, решение (вероятно!), восходит к 1742 г., когда немецкий математик-любитель Христиан Гольдбах написал Леонарду Эйлеру письмо, содержавшее несколько наблюдений над простыми числами. Одно из них выглядело так: «Любое целое число, большее 2, можно записать как сумму трех простых чисел». Эйлер тогда вспомнил предыдущую беседу, в которой Гольдбах сделал родственное предположение: «Любое четное целое число есть сумма двух простых чисел».

При господствовавшем на тот момент представлении, что 1 – целое число, из второго заявления следует первое, поскольку любое число может быть записано либо как n + 1, либо как n + 2, где n – четное. Если n есть сумма двух простых чисел, то число, о котором идет речь, есть сумма трех простых чисел. Эйлер сказал: «Я рассматриваю это [второе утверждение] как полностью верную теорему, хотя и не могу доказать ее». Надо сказать, что эти слова довольно точно характеризуют состояние проблемы на сегодняшний день.

Однако мы уже не считаем 1 простым числом, о чем говорилось выше. Потому мы сегодня разбиваем задачу Гольдбаха на две отдельные гипотезы.

Бинарная проблема Гольдбаха утверждает:

«Всякое четное число, большее 2, есть сумма двух простых чисел».

Тернарная проблема Гольдбаха (или проблема Гольдбаха для нечетных) гласит:

«Всякое нечетное число, большее 5, есть сумма трех простых чисел».

Из бинарной гипотезы следует тернарная, но не наоборот.

С годами нескольким математикам удалось добиться прогресса в этих вопросах. Самым сильным результатом по бинарной гипотезе, возможно, является результат Чэнь Цзинжуня, который доказал в 1973 г., что всякое достаточно большое четное целое число есть сумма простого и полупростого чисел (полупростое число – это либо простое число, либо произведение двух простых чисел).

В 1995 г. французский математик Оливье Рамаре доказал, что всякое четное число есть сумма не более шести простых чисел, а всякое нечетное число – сумма не более семи простых чисел. Среди специалистов стало крепнуть мнение, что проблема Гольдбаха для нечетных близка к решению, и они оказались правы: в 2013 г. Харальд Хельфготт объявил о доказательстве с применением связанных методов. Математики до сих пор проверяют его результат, но он, кажется, до сих пор держится. Из доказанной (будем надеяться) тернарной проблемы следует, что любое четное число есть сумма не более чем четырех простых чисел (если n – четное, то n – 3 – нечетное, а значит, сумма трех простых – q + r + s, поэтому n = 3 + q + r + s, то есть сумма четырех простых чисел). Это близко к бинарной проблеме Гольдбаха, но маловероятно, что ее удастся доказать полностью при помощи нынешних методов. Так что развиваться еще есть куда.

Загадки простого числа

В математике есть свои тайны и загадки, и ученые, которые пытаются их разгадать, зачастую похожи на детективов. Они ищут зацепки, занимаются логической дедукцией, делают выводы и ищут доказательства собственной правоты. Как в делах Сомса, важнейший шаг в исследовании – это понять, как и с какого конца начать и какая линия рассуждений может привести к успеху. Во многих случаях мы до сих пор этого не знаем. Возможно, такое заявление звучит как признание собственного невежества, и в какой-то степени это действительно так. Но это заявление означает также, что новая математика до сих пор ждет своего открытия, а значит, эта область науки не вычерпана досуха. Простые числа – богатый источник правдоподобных предположений, о верности или ошибочности которых мы ничего не знаем. Вот некоторые из них. Во всех случаях pn обозначает n-е простое число.

Гипотеза Аго-Джуги

Число p является простым в том, и только том случае, если pBp − 1 + 1 делится на p, где Bk – это k-е число Бернулли (Takashi Agoh, 1990 г.). Если вам по-настоящему интересно, информацию об этих числах можно посмотреть в Интернете. Приведем первые несколько вариантов:

А вот другое, эквивалентное утверждение: число p является простым в том, и только том случае, если

[1p − 1 + 2p − 1 + 3p − 1 + … + (p − 1)p − 1] + 1

делится на p (Guiseppe Giuca, 1950).

Контрпример, если таковой существует, должен иметь по крайней мере 13 800 знаков (David Borwein, Jonathan Borwein, Peter Borwein and Roland Girgensohn, 1996).

Гипотеза Андрики

Если pn – это n-е простое число, то

(Dorin Andrica, 1986).

Имран Гори использовал данные о наибольших промежутках между простыми числами, чтобы подтвердить эту гипотезу для n вплоть до 1,3002 × 10^16. На рисунке вы можете видеть зависимость √(pn+1) – √pn от n для первых 200 простых чисел. Число 1 располагается в самом верху вертикальной оси, а все остальные пики, показанные на графике, – ниже. Они явно уменьшаются с увеличением n, но мы не можем быть уверены, что на каком-то очень большом n не наблюдается гигантский пик, превосходящий 1. Чтобы данная гипотеза оказалась ошибочной, где-то должен существовать особенно большой промежуток между двумя очень большими последовательными простыми числами. Это представляется весьма маловероятным, но и полностью исключить такой вариант пока невозможно.

Гипотеза Артина о первообразных корнях

Любое целое число a, не равное −1 и не являющееся полным квадратом, есть первообразный корень по модулю бесконечного числа простых чисел. То есть всякое число от 1 до p − 1 есть некая степень a минус некое число, кратное p. Существуют конкретные формулы для количественного соотношения таких простых чисел по мере их увеличения (Emil Artin, 1927).

Гипотеза Брокара

При n > 1 существует по крайней мере четыре простых числа между p² и p²n+1 (Henri Brocard, 1904). Ожидается, что это верно; более того, по идее должны быть верны куда более сильные утверждения.

Гипотеза Крамера

Промежуток pn+1 − pn между последовательными простыми числами для больших n не превосходит (ln pn)² с постоянным коэффициентом (Harald Cramér, 1936).

Крамер доказал аналогичное утверждение, в котором вместо (ln pn)² фигурирует при условии что верна гипотеза Римана – возможно, самая важная нерешенная проблема математики (см. «Кабинет…»).

Гипотеза Фирузбахта

Величина строго уменьшается (Farideh Firoozbakht, 1982 г.). Это означает, что для любого n. Это утверждение верно для всех целых чисел вплоть до 4 × 1018.

Первая гипотеза Харди – Литтлвуда

Пусть π2 (x) обозначает число простых чисел p ≤ x, таких, что p + 2 также простое число. Определим постоянную простых чисел-близнецов

(где символ П указывает на произведение по всем простым числам p ≥ 3). Тогда гипотеза заключается в том, что

где знак ~ означает, что данное отношение стремится к 1 по мере того, как n становится сколь угодно большим (Godfrey Harold Hardy and John Edensor Littlewood, 1923).

Существует также вторая гипотеза Харди – Литтлвуда (см. ниже).

Гипотеза Гилбрейта

Начнем с простых чисел

2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, …

и вычислим разницу между соседними членами последовательности:

1, 2, 2, 4, 2, 4, 2, 4, 6, 2, …

Повторим те же вычисления для новой последовательности, не обращая внимания на знак, и продолжим в том же духе. Пять первых последовательностей будут выглядеть следующим образом:

1, 0, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 4, …

1, 2, 0, 0, 0, 0, 0, 2, …

1, 2, 0, 0, 0, 0, 2, …

1, 2, 0, 0, 0, 2, …

1, 2, 0, 0, 2, …

Гилбрейт и Прот предположили, что первым членом каждой из этих последовательностей всегда будет 1, сколько бы раз мы ни повторяли процедуру (Norman Gilbreath, 1958, François Proth, 1978).

В 1993 г. Эндрю Одлизко проверил эту гипотезу для первых 3,4 × 1011 последовательностей.

Гипотеза Гольдбаха для четных чисел

Всякое четное целое число, большее 2, можно выразить как сумму двух простых чисел (Christian Goldbach, 1742).

Т. Оливейра-и-Силва проверил эту гипотезу на компьютере для n ≤ 1,609 × 10^18.

Гипотеза Гримма

Каждому элементу множества последовательных составных чисел можно поставить в соответствие отдельное простое число, которое является его делителем (C. A. Grimm, 1969).

К примеру, если взять составные числа 32, 33, 34, 35, 36, то им можно поставить в соответствие простые числа 2, 11, 17, 5, 3.

Четвертая проблема Ландау

В 1912 г. Эдмунд Ландау перечислил четыре фундаментальные проблемы, связанные с простыми числами и известные в настоящее время как проблемы Ландау. Первые три – это гипотеза Гольдбаха (см. выше), гипотеза о простых числах-близнецах (см. ниже) и гипотеза Лежандра (см. ниже). Четвертая проблема выглядит так: существует ли бесконечно много простых чисел p, таких что p − 1 является полным квадратом? То есть p = x² + 1 для целого x.

Вот первые несколько таких чисел: 2, 5, 17, 37, 101, 197, 257, 401, 577, 677, 1297, 3137, 4357, 5477, 7057, 8101, 8837, 12 101, 13 457, 14 401 и 15 377. А вот пример побольше (но ни в коем случае не самый большой):

p = 1, 524, 157, 875, 323, 883, 675, 049, 535, 156, 256, 668, 194, 500, 533, 455, 762, 536, 198, 787, 501, 905, 199, 875, 019, 052, 101

x = 1, 234, 567, 890, 123, 456, 789, 012, 345, 678, 901, 234, 567, 890.

В 1997 г. Джон Фридлендер и Хенрик Иванец доказали, что существует бесконечно много простых чисел вида x^2 + y^4 для целых x, y. Первые из этого ряда: 2, 5, 17, 37, 41, 97, 101, 137, 181, 197, 241, 257, 277, 281, 337, 401 и 457. Иванец доказал, что существует бесконечно много чисел вида x² + 1, имеющих не более двух простых множителей.

Близко, но не то.

Гипотеза Лежандра

Адриан-Мари Лежандр предположил, что для любого положительного n существует простое число, лежащее между n² и (n + 1)². Это утверждение могло бы быть следствием из гипотезы Андрики (см. выше) и гипотезы Опперманна (см. ниже). Из гипотезы Крамера (см. выше) следует, что гипотеза Лежандра верна для всех достаточно больших чисел. Известно, что она верна вплоть до 1018.

Гипотеза Лемуана, или гипотеза Леви

Все нечетные целые числа, большие 5, могут быть представлены как сумма нечетного простого числа и удвоенного простого числа (Émile Lemoine, 1894, Hyman Levy, 1963).

Д. Корбитт подтвердил эту гипотезу вплоть до 10^9.

Гипотезы Мерсенна

В 1644 г. Марен Мерсенн объявил, что числа 2n – 1 являются простыми для n = 2, 3, 5, 7, 13, 17, 19, 31, 67, 127 и 257 и составными для всех остальных положительных целых n<257. Позже было показано, что Мерсенн допустил пять ошибок: n = 67 и 257 дают составные числа, а n = 61, 89, 107 дают простые. Гипотеза Мерсенна привела к созданию новой гипотезы Мерсенна и гипотезы Ленстры – Померанца – Вагстаффа, которые значатся в нашем перечне следующими.

Новая гипотеза Мерсенна, или гипотеза Бейтмана– Селфриджа – Вагстаффа

Для любого нечетного p если выполняются любые два из следующих условий, то выполняется и третье:

1. p = 2k ± 1 или p = 4k ± 3 для некоторого натурального числа k;

2. число 2p − 1 – простое (простое Мерсенна);

3. число (2p + 1)/3 – простое (простое Вагстаффа).

(Paul Bateman, John Selfridge and Samuel Wagstaff Jr., 1989)

Гипотеза Ленстры – Померанца – Вагстаффа

Существует бесконечное число простых Мерсенна, причем число простых Мерсенна, меньших x, приблизительно равно eγ ln ln x/ln 2, где γ – постоянная Эйлера, приблизительно равная 0,577 (Hendrik Lenstra, Carl Pomerance and Samuel Wagstaff Jr., не опубликовано).

Гипотеза Опперманна

Для любого целого числа n>1 существует по крайней мере одно простое число между n (n – 1) и n² и по крайней мере еще одно простое число между n² и n (n + 1) (Ludvig Henrik Ferdinand Oppermann, 1882).

Гипотеза Полиньяка

Для любого положительного четного n существует бесконечное число пар последовательных простых чисел с разницей в n (Alphonsede Polignac, 1849).

Для n = 2 это утверждение соответствует гипотезе о простых числах-близнецах (см. ниже). Для n = 4 она означает, что существует бесконечно много пар «двоюродных простых чисел» (p, p + 4). Для n = 6 она означает, что существует бесконечно много пар простых чисел (p, p + 6), известных как sexy (от латинского названия числа 6); при этом между числами p и p + 6 простых чисел нет.

Гипотеза Редмонда – Суня

Всякий интервал [xm, yn] (то есть любое множество чисел от xm до yn) содержит по крайней мере одно простое число, за исключением [2³, 3²], [5², 3³], [2^5, 6²], [11², 5³], [3^7, 13³], [5^5, 56²], [181², 21^5], [43³, 282²], [46³, 312²], [22434², 55^5] (Stephen Redmond and Zhi-Wei Sun, 2006).

Эта гипотеза подтверждена для всех интервалов [xm, yn] до 10¹².

Вторая гипотеза Харди – Литтлвуда

Если π (x) есть число простых чисел вплоть до x, включая x, то π (x + y) ≤ π (x) + π (y) для x, y ≥ 2 (Godfry Harold Hardy and John Littlewood, 1923).

Существуют технические соображения, согласно которым можно ожидать, что это предположение окажется ложным, но первое нарушение возникнет, скорее всего, при очень больших величинах x, вероятно, больших, чем 1,5 × 10^174, но меньших, чем 2,2 × 10^1198.

Гипотеза о простых числах-близнецах

Существует бесконечно много простых чисел p, таких, что число p + 2 тоже простое.

25 декабря 2011 г. PrimeGrid – «проект распределенных вычислений», в котором используются свободные ресурсы на компьютерах добровольцев, пожелавших принять в нем участие, объявил наибольшую известную на сегодняшний день пару простых чисел-близнецов:

3 756 801 695 685 × 2666 669 ± 1.

Каждое из этих чисел содержит 200 700 знаков.

В интервале до 10^18 содержится 808 675 888 577 436 пар простых чисел-близнецов.

Оптимальная пирамида

Стоит подумать о Древнем Египте, и в голову сразу же приходят пирамиды, в первую очередь Великая пирамида Хеопса в Гизе, самая большая из всех, и стоящая рядом с ней пирамида Хефрена, чуть поменьше, и относительно небольшая пирамида Микерина. Известны остатки более чем 36 крупных и сотен более мелких египетских пирамид – от громадных и почти полностью сохранившихся до простых отверстий в земле, содержащих лишь несколько обломков камня от погребальной камеры, а иногда и того меньше.

О форме, размерах и ориентации пирамид написаны огромные тома. Большая часть их содержимого умозрительна; на основе различных численных соотношений выстраиваются весьма амбициозные цепочки рассуждений. Особенно любят исследователи Великую пирамиду: с чем только ее ни связывали – и с золотым сечением, и с числом π, и даже со скоростью света. К подобным рассуждениям возникает столько вопросов, что трудно воспринимать их серьезно: в любом случае данные, на которых они основаны, часто неточны; к тому же с таким количеством измерений и параметров всегда можно подобрать нужную комбинацию.

Один из лучших источников по пирамидам – книга The Complete Pyramids Марка Ленера. Помимо прочего в ней можно найти данные о наклоне граней пирамид: углы между плоскостями, проходящими через треугольные грани, и квадратным основанием пирамиды. Вот несколько примеров:

Более обширные данные вы можете найти на сайте http://ru.wikipedia.org/wiki/Список_египетских_пирамид

На ум приходят два наблюдения. Первое состоит в том, что приводить некоторые из этих углов с точностью до угловой секунды (а остальные до минуты) неразумно. Сторона основания Черной пирамиды Аменемхета III в Дашуре составляет 105 м, а высота – 75 м. Изменение угла наклона грани пирамиды на одну угловую секунду соответствует изменению высоты пирамиды на один миллиметр. Правда, следы ребер основания сохранились, как и некоторые фрагменты камней облицовки, но, учитывая общую степень сохранности пирамиды, вам трудно было бы оценить первоначальный наклон ее граней в пределах хотя бы 5° от истинной величины.

Второе, на что невольно обращаешь внимание, – это тот факт, что, хотя наклон граней пирамид немного варьируется (иногда даже в пределах одной пирамиды, как, к примеру, у Ломаной), у всех этих древних сооружений он близок к 54°. Почему?

В 1979 г. Р. Макмиллан[17] начал с того надежно установленного факта, что строители пирамид использовали для отделки своих сооружений с внешней стороны дорогостоящий облицовочный камень, к примеру белый турский известняк или гранит. Внутри они использовали более дешевые материалы: низкокачественный мокаттамский известняк, саманный кирпич и щебенку. Поэтому для них имело смысл всячески снижать количество каменной облицовки. Какой формы должна быть пирамида, если фараон желает, чтобы при заданной стоимости облицовочного камня монумент получился как можно больше? То есть какой угол наклона граней пирамиды к основанию позволяет получить максимальный объем при фиксированной суммарной площади четырех треугольных граней?

Вообще-то это прекрасное упражнение из области дифференциального исчисления, но эту задачу можно решить и проще, геометрически, если применить хитрый прием. Разрежем пирамиду пополам вертикальной плоскостью, проходящей через диагональ основания (серый треугольник). Получаем равнобедренный треугольник. Объем получившейся полупирамиды пропорционален площади этого треугольника, а площади наклонных граней полупирамиды пропорциональны длинам его соответствующих сторон. Поэтому задача эквивалентна поиску равнобедренного треугольника максимальной площади при фиксированной длине двух равных его сторон.

Зеркально отобразив треугольник относительно основания, получим, что наша задача эквивалентна поиску ромба максимальной площади при заданной длине стороны. Решением является квадрат (ориентированный диагональю по вертикали). Следовательно, углы при вершине каждой треугольной секции такого рода составляют 90°, а углы при основании – по 45°. Базовая тригонометрия подсказывает, что угол наклона грани пирамиды при этом равен

arctg √2 = 54°44′,

что близко к средней величине наклона грани у настоящих пирамид.

Макмиллан ничего не утверждает в отношении того, что говорят приведенные им расчеты о строительстве пирамид; его основная мысль заключается в том, что эта задача – показательный пример практического владения геометрией. Однако в Московском математическом папирусе приводится правило нахождения объема усеченной пирамиды (то есть пирамиды со срезанной верхушкой) и задача, из которой явствует, что египтяне понимали подобие. В нем объясняется также, как найти высоту пирамиды по ее основанию и наклону. Более того, и в этом папирусе, и в математическом папирусе Ринда объясняется, как найти площадь треугольника. Так что древнеегипетские математики вполне могли решить задачу Макмиллана.

Поскольку папируса, в котором содержался бы именно этот расчет, в нашем распоряжении нет, то нет и убедительных причин полагать, что эта задача действительно была решена в Древнем Египте. У нас нет никаких свидетельств того, что египтяне были заинтересованы в оптимизации формы своих пирамид. И даже если были, они вполне могли определить оптимальную форму экспериментально, при помощи глиняных моделей. Или просто произвести эмпирическую оценку. А может быть, форма постепенно эволюционировала в направлении наименьшей стоимости: строители и фараоны, они такие. В альтернативном варианте угол наклона грани мог определяться инженерными соображениями: считается, скажем, что необычная форма Ломаной пирамиды объясняется тем, что на середине строительства она начала разваливаться и строителям пришлось уменьшить крутизну граней. Тем не менее можно с уверенностью заявить, что этот небольшой математический пример имеет более непосредственное отношение к пирамидам, чем, скажем, скорость света.

Знак одного: часть вторая

Из мемуаров доктора Ватсапа

Сомс начал, как одержимый, расхаживать по комнате из угла в угол. Внутренне я громко кричал «Ура!», поскольку ясно видел, что он попался на крючок. Теперь я мог спокойно «вываживать» его, чтобы вывести из черной депрессии, в которую он умудрился впасть, и заодно избавить себя от боливийских погребальных напевов.

– Мы должны действовать систематически, Ватсап! – объявил он.

– Каким образом, Сомс?

– Более систематическим образом, Ватсап, – воцарившееся молчание заставило его поубавить загадочности. – Мы должны составить список небольших чисел, которые можно получить с использованием всего лишь двух единиц. Соединяя их, мы сможем… ну, я уверен, через минуту вы все поймете.

После этого Сомс записал:

На этом этапе Сомса заклинило.

– Признаюсь, 7 и 8 пока не даются мне, на их местах останутся лакуны, – сказал он. – Но это не важно, позвольте мне продолжить:

9 = 1/0,(1)

10 = 1/0,1

11 = 11.

– Признаюсь, я пока не…

– Будьте уверены, Ватсап, вы все поймете. Предположим, для обобщения, что мы придумали, как выразить 7 и 8 при помощи двух единиц. Тогда в нашем распоряжении окажутся все числа от 0 до 11. Теперь в случае, если некое число n можно выразить при помощи двух единиц, мы получим возможность выразить все числа между n – 11 и n + 11 при помощи всех четырех единиц – просто вычитая или складывая выражения из моего систематического списка.

– Ах, теперь я понял, – сказал я.

– Обычно вам это удается, после того как я вам расскажу, – саркастически отозвался он.

– Тогда позвольте мне кое-что добавить, чтобы показать, что я и правда понял! Поскольку мы знаем, как выразить 24 при помощи двух единиц, к примеру, как мы мгновенно получаем возможность выразить все числа от 24–11 до 24 + 11 при помощи четырех единиц. Это значит, что мы получаем все числа в диапазоне от 13 до 35 включительно.

– Вот именно! Думаю, записывать это не обязательно.

– Да, наверное. Ага! Мы можем пойти еще дальше! Взгляните:

– Да, – ответил он. – Однако, пока энтузиазм не унес вас в несказанные дали, я напомню, что у нас пока нет выражений для 7 и 8 с использованием только двух единиц.

Я принял подобающе удрученный вид. Но затем меня осенила дикая мысль.

– Сомс? – спросил я нерешительно.

– Да?

– Факториалы делают числа больше?

Он раздраженно кивнул.

– А извлечение квадратного корня делает их меньше, так?

– Согласен. Переходите же к делу!

– А операции округления в пол и в потолок вновь делают числа целыми?

Я видел, как на его лице медленно проступает понимание.

– Браво, Ватсап! Да, теперь понятно. Мы знаем, к примеру, как выразить 24 при помощи двух единиц. Следовательно, мы можем также выразить 24! При помощи все тех же двух единиц, а это будет… – его брови сошлись к переносице – 620 448 401 733 239 439 360 000. А корень квадратный из этого числа, – его лицо покраснело от напряжения, пока он производил в уме соответствующие расчеты, – равен 887 516,46; еще раз извлечем квадратный корень, получим 942,08; а еще раз – 30,69.

– Так что мы можем выразить 30 и 31 с использованием всего лишь двух единиц, – сказал я. – А именно:

– Ни то ни другое, разумеется, не помогает нам выразить 7 и 8 через две единицы, но если бы мы могли это сделать, то расширили бы диапазон наших чисел до 31 + 1, то есть до 42. И все это говорит о том, что нам, как вы столь убедительно сказали, Сомс, следует действовать систематически. Я предлагаю теперь исследовать многократное извлечение квадратного корня из факториала чисел, которые мы можем выразить через две единицы.

– Согласен! И совершенно очевидно, – заявил тут же Сомс, – что такое выражение для 7 сразу же даст нам выражение для 8.

– Э-э… правда?

– Естественно. Поскольку 7! = 5040, квадратный корень из этого числа равен 70,99, а следующий квадратный корень равен 8,42, мы делаем вывод, что

– Так что не впервые в истории человечества ключом к загадке является число 7! (В этих словах, дорогой читатель, он подчеркивал число 7 восклицательным знаком, а не имел в виду факториал. Пожалуйста, обратите на это внимание, я об этом уже упоминал.)

Сомс нахмурился.

– Я могу сделать это, если использую двойной факториал.

– Вы имеете в виду факториал факториала?

– Нет.

– Субфакториал? Вы пока не объяснили…

– Нет. Двойной факториал – это немного запутанная штука; он равен

n!! = n× (n – 2) × (n – 4) × … × 4 × 2

для четных n и n!! = n× (n – 2) × (n – 4) × … × 3 × 1

для нечетных. Так, к примеру,

6!! = 6 × 4 × 2 = 48.

Корень квадратный из этого числа равен 6,82, а его потолок равен 7.

Я послушно записал:

Но Сомс по-прежнему выглядел недовольным.

– Проблема в том, Ватсап, что при помощи введения все более загадочных и вычурных арифметических функций можно с легкостью выразить вообще любое число. К примеру, мы могли бы воспользоваться арифметикой Пеано.

Я шумно запротестовал:

– Сомс, вы же знаете, что наша хозяйка не устает жаловаться на ваш кларнет. Она никогда не позволит поставить к нам пианино!

– Я говорил о Джузеппе Пеано, так звали итальянского математика и специалиста по логике, Ватсап.

– Откровенно говоря, не такая уж большая разница. Я не уверен, что миссис Сопсудс…

– Тихо! Согласно арифметической аксиоматике Пеано, наследником любого целого числа является число

s (n) = n + 1.

– Так что Пеано вполне мог бы записать:

1 = 1,

2 = s (1),

3 = s (s (1)),

4 = s (s (s (1))),

5 = s (s (s (s (1)))),

и эта последовательность будет продолжаться до бесконечности. В этой системе любое целое число можно выразить при помощи всего одной единицы. Или даже одного нуля, поскольку 1 = s (0). Это слишком тривиально, Ватсап.

Сможете ли вы найти способ записать 7 с использованием только двух единиц, не прибегая ни к чему более экзотическому, чем функции, которые Сомс и Ватсап использовали прежде, чем начали спорить о двойных факториалах и наследниках? Ответ см. «Загадки разгаданные».

Сомс и Ватсап еще не закончили. «Знак одного» продолжается в главе «Знак одного. Часть третья».

Путаница с инициалами

Р. Х. Бинг – американский математик, родился в Техасе, специализировался на геометрической топологии. Что означает Р. Х.? Ну, как сказать… Его отца звали Руперт Генри, но его мать считала, что для Техаса такое имя звучит слишком по-британски, поэтому при крещении ребенка она укоротила его до предела, оставив одни инициалы. Поэтому Р. Х. означает Р. Х., и ничего больше. Это вызывало, конечно, некоторое удивление, но не доставляло ему серьезных неудобств – до тех пор, пока Бинг не обратился за визой для поездки куда-то. Когда его попросили назвать имя, он, предвидя обычную реакцию, сказал: «R-only H-only Bing»[18].

В результате он получил визу, выданную на имя Ронли Хонли Бинга.

Евклидовы каракули

Это математическая загадка, которая была решена более двух тысяч лет назад и долгое время преподавалась в школах, но теперь уже не преподается – по разумным, вероятно, соображениям. Однако с ней стоит познакомиться, поскольку она намного эффективнее того метода, который используется вместо нее. Кроме того, она позволяет установить связь со многими важными математическими понятиями более высоких уровней.

Люди, как правило, любят выводить каракули. Нередко можно увидеть, как кто-то, разговаривая по телефону, бездумно заштриховывает шариковой ручкой, к примеру, все буквы «о» на газетной странице. Или выводит извилистые линии, которые длятся и длятся без конца, свиваясь в какие-то неправильные спирали. Слово doodle, обозначавшее первоначально глупца, впервые ввел, судя по всему, сценарист Роберт Рискин в комедии 1936 г. «Мистер Дидс переезжает в город»; в фильме мистер Дидс говорит о каракулях (doodle) как о средстве, помогающем человеку думать.

Если математик рисует каракули (а большинство из них грешат этим), он вполне может нарисовать, к примеру, прямоугольник. Что можно сделать с прямоугольником? Можно заштриховать его, можно закрутить вдоль сторон спиралеобразные линии… а можно отрезать от него кусок с одной стороны и получить прямоугольник поменьше. После этого естественно – и, кстати говоря, типично для ментальности рисовальщика каракулей – повторить проделанную процедуру.

Что при этом происходит? Может быть, вам, прежде чем читать дальше, захочется самому нарисовать пару прямоугольников.

Ну, хорошо, продолжаем. Я начал с длинного узкого прямоугольника, и вот что получилось.

В конце концов я получил маленький квадратик, на котором мой прямоугольник закончился.

Всегда ли так получается? Всякий ли прямоугольник в конце концов заканчивается? Это хороший вопрос, способный дать математику пищу для размышлений.

Какого размера был мой прямоугольник? Ну, последний рисунок показывает, что:

• сумма сторон двух маленьких квадратиков равна стороне среднего квадрата;

• сумма сторон двух средних квадратов и одного маленького квадратика образует сторону большого квадрата и равна при этом одной из сторон прямоугольника;

• сумма сторон трех больших квадратов и одного среднего равна второй стороне прямоугольника.

Если сторона маленького квадратика равна единице, то сторона среднего квадрата равна 2, а сторона большого равна 2 × 2 + 1 = 5. Следовательно, короткая сторона прямоугольника равна 5, а длинная равна 3 × 5 + 2 = 17. Таким образом, я начал с прямоугольника размером 17 × 5.

Это интересно: глядя на то, как складываются квадраты, я могу определить размеры своего прямоугольника. Более тонкий момент: если процесс завершается, это означает, что обе стороны первоначального прямоугольника нацело делятся на одно и то же число – сторону последнего изъятого квадрата. Иными словами, отношение его сторон имеет форму p/q, где p и q – целые. Что делает его рациональным числом.

Это общая идея: если процесс деления на квадраты рано или поздно прекращается, значит, отношение сторон прямоугольника выражается рациональным числом. Более того, обратное тоже верно: если отношение сторон прямоугольника рационально, каракули рано или поздно закончатся. Так что «конечные» каракули в точности соответствуют «рациональным прямоугольникам».

Чтобы понять почему, взглянем на числа повнимательнее. По существу, рисунок сообщает нам следующее:

17 – 5 = 12;

12 – 5 = 7;

7 – 5 = 2.

После этого у нас остается прямоугольник 5 × 2 и пора переходить к среднему квадрату:

5 – 2 = 3;

3 – 2 = 1.

Остался прямоугольник 2 × 1, пора переходить к маленькому квадратику:

2 – 1 = 1;

1 – 1 = 0.

Стоп! И дело рано или поздно должно дойти до остановки, потому что все задействованные целые числа положительны и с каждым шагом они делаются все меньше и меньше. Так и должно быть, ведь мы каждый раз либо вычитаем из них что-то, либо оставляем, как есть. А последовательность положительных целых чисел не может уменьшаться до бесконечности. Если вы, к примеру, начнете с миллиона и будете все время уменьшать, то вам придется остановиться не более чем через миллион шагов.

Короче говоря, каракули сообщают нам вот что:

при делении 17 на 5 получается 3 с остатком 2;

при делении 5 на 2 получается 2 с остатком 1;

2 делится на 1 нацело с нулевым остатком,

а процесс останавливается, как только остаток становится равным нулю.

Евклид использовал подобные каракули для решения одной арифметической задачи: поиска наибольшего общего делителя для двух заданных целых чисел. Наибольший общий делитель – это наибольшее целое число, на которое оба заданных числа делятся нацело; его часто обозначают аббревиатурой НОД. К примеру, для чисел 4500 и 840 НОД равен 120.

Меня в школе учили искать НОД таким способом: разложить заданные числа на простые множители и посмотреть, какие множители у них окажутся общими. К примеру, пусть нам надо найти НОД чисел 68 и 20.

Раскладываем то и другое на простые множители:

68 = 2²× 17; 20 = 2²× 5.

НОД равен 2² = 4.

Применимость этого метода ограничена тем, что числа должны быть достаточно небольшими, чтобы их можно было быстро разложить на простые множители. Для более крупных чисел он совершенно неэффективен. Древние греки знали более эффективный способ – процедуру, которой они дали забавное название антифарезис. В данном случае ее применение выглядит так:

68 делим на 20, получаем 3 с остатком 8;

20 делим на 8, получаем 2 с остатком 4;

8 делим на 4, получаем 2 ровно.

Стоп!

Это тот же расчет, что мы проделали для 17 и 5, но теперь все числа вчетверо больше (но делятся они друг на друга столько же раз). Если вы расчертите прямоугольник 68 × 20 каракулями, то картинка получится та же, что и в прошлый раз, только последний маленький квадратик будет иметь размер 4 × 4, а не 1 × 1.

Техническое название этого метода – алгоритм Евклида. Вообще, алгоритм – это рецепт для расчета. Евклид поместил такой рецепт в свои «Начала» и использовал его в качестве основы для теории простых чисел. В символьном виде алгоритм каракулей выглядит так. Возьмем два положительных целых числа m£n. Начнем с пары (m, n) и заменим ее парой (m, n – m) в порядке величин, начиная с меньшего: то есть преобразуем

(m, n) → (min (m, n – m), max (m, n – m)),

где min и max обозначают, соответственно, минимум и максимум. Повторим процедуру. На каждом шаге большее число пары уменьшается, так что в конечном итоге процесс завершается, к примеру, парой (0, h). Тогда h и есть искомое НОД. Доказательство несложно: любой делитель m и n является также делителем (n – m) и наоборот. Поэтому на каждом шаге НОД обоих чисел пары не меняется.

Этот метод по-настоящему эффективен: с его помощью можно вычислять НОД вручную для действительно больших чисел. Чтобы доказать это, вот вам задание. Найдите НОД чисел 44 758 272 401 и 13 164 197 765.

Ответ в главе «Загадки разгаданные».

Евклидова эффективность

Насколько эффективен алгоритм Евклида?

Отсекание по одному квадрату за раз проще для теоретических целей, но более компактная форма в терминах деления с остатком лучше подходит для практического использования. При этом вся работа с квадратами одного размера сокращается до одной операции.

Бóльшая часть вычислительных усилий при этом приходится на операцию деления, так что мы можем оценить эффективность алгоритма, подсчитав, сколько раз производится эта операция. Первым этот вопрос исследовал Антуан Рейно, в 1911 г. он доказал, что число операций деления в процедуре поиска НОД составляет максимум m, то есть не превышает меньшего из двух чисел. Это очень грубая оценка, и позже Рейно снизил ее до m/2 + 2, что ненамного лучше. В 1841 г. П. Финк снизил эту оценку до 2 log_2 m + 1, что пропорционально числу десятичных знаков в m. В 1844 г. Габриель Ламе доказал, что число операций деления не более чем в пять раз превосходит число десятичных знаков в m. Так что даже для двух чисел по 100 знаков каждое алгоритм позволяет получить ответ не более чем за 500 шагов. В целом можно сказать, что сделать это так же быстро с использованием простых множителей невозможно.

Что представляет собой наихудший сценарий? Ламе доказал, что алгоритм выполняется медленнее всего в том случае, когда m и n являются последовательными членами ряда Фибоначчи

1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89…,

в котором каждое следующее число представляет собой сумму двух предыдущих. Для этих чисел на каждом шаге от прямоугольника отсекается ровно один квадрат. К примеру, при m = 34, n = 55 получаем

деление 55 на 34 дает 1, остаток 21;

деление 34 на 21 дает 1, остаток 13;

деление 21 на 13 дает 1, остаток 8;

деление 13 на 8 дает 1, остаток 5;

деление 8 на 5 дает 1, остаток 3;

деление 5 на 3 дает 1, остаток 2;

деление 3 на 2 дает 1, остаток 1;

деление 2 на 1 дает 1 ровно.

Необычайно длинный расчет для таких небольших чисел.

Математики проанализировали также среднее число операций деления. При фиксированном n число таких операций, усредненное по всем меньшим m, составляет примерно

где C – так называемая постоянная Портера, равная

Здесь ζ'(2) – оценка производной от римановой дзета-функции в точке 2, а γ – постоянная Эйлера, равная 0,577. Было бы трудно найти разумную задачу, при решении которой в одной формуле собирается более представительная выборка математических констант. Отношение вычисленного по этой формуле значения к точному ответу стремится к 1 по мере возрастания n.

123456789 раз по X

Иногда самые простые идеи приводят к загадочным результатам. Попробуйте умножить 123456789 на 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и 9. Что вы заметили? Когда закономерность перестает работать?

Ответы см. в главе «Загадки разгаданные». Расширение темы в главе «123456789 раз по X. Продолжение».

Знак одного. Часть третья

Из мемуаров доктора Ватсапа

Горы бумаг, испещренных загадочными письменами, росли как грибы на всех горизонтальных поверхностях обиталища Сомса. В этом, как вы понимаете, ничего необычного не было; миссис Сопсудс часто и притом совершенно безрезультатно ругала его за способ хранения бумаг, больше напоминающий глубокие залежи мусора. Но на этот раз каракули на листах представляли собой результаты суммирования.

– Я могу получить 8 из двух единиц, не прибегая к помощи гипотетического выражения для 7, – объявил я. – Вот так:

Но даже под угрозой смерти я не в состоянии получить 7.

– Действительно, это число, судя по всему, является камнем преткновения, – согласился со мной Сомс. – Но ваш результат позволяет нам продвинуться и другими способами:

где, разумеется, вместо восьмерки мы при необходимости подставляем ваше выражение. Я мог бы расписать это выражение полностью…

– Нет-нет, Сомс, вы меня убедили!

– Но теперь у нас образовалось еще две лакуны на 12 и 13. Однако, Ватсап, я подозреваю, что эти проблемы взаимосвязаны. Так, посмотрим… Ну да,

а 15 на основе двух единиц у нас уже есть. Тогда

и далее

и, наконец,

что вполне удовлетворительно решает нашу проблему. Таким образом, подставляя по очереди выражения для всех использованных чисел, получаем, что

– Мне невыносимо стыдно, что я не увидел этого сразу.

– Неужели это простейшее решение, Сомс? – вопросил я, проглотив комок в горле. – Надеюсь, что нет!

– Понятия не имею. Возможно, кто-то изобретательный смог бы придумать что-нибудь получше. В подобных вещах трудно сказать наверняка. Я уверен, что тот, кто сумеет превзойти наши слабые усилия, немедленно известит нас телеграммой.

– Во всяком случае, – сказал я, – если нам удастся выразить какое-то целое число при помощи двух единиц, то теперь мы сможем выразить при помощи четырех единиц все числа в диапазоне от n – 17 до n + 17.

– Вот именно, Ватсап. Наша задача упрощается с каждой минутой. Все, что нам нужно, – это последовательность чисел, каждое из которых превосходит предыдущее не более чем на 35, так, чтобы эти интервалы с двух сторон перекрывали пробел. Это позволит нам добраться до наибольшего из таких чисел плюс 17.

– Что означает… – начал я…

– Что мы должны действовать систематически!

– Именно.

– Мы уже добрались… напомните мне, Ватсап. Загляните в свои обширные записи.

Я с головой зарылся в несколько высоких бумажных башен и в конце концов отыскал свой блокнот под чучелом какого-то скунса.

– Мы дошли до 32, Сомс, если учесть замечание, которое вы мимоходом сделали во время поиска выражения для 7.

– И разумеется,

– сказал он. – Очень хорошо. Таким образом, в идеале нам нужно выразить числа 68, 103, 138 и т. д. через две единицы. Но мы можем пользоваться при этом готовыми выражениями для маленьких чисел, если так будет удобнее. Лишь бы разница между двумя соседними числами не была больше 35.

Несколько часов усиленных расчетов – и новые кипы бумаги – дали нам короткий, но важный список:

Но на этом все и застопорилось.

– Возможно, я слишком поспешно отказался от использования двойных факториалов, Ватсап.

– Очень может быть, Сомс.

Сомс кивнул и записал:

105 = 7!!

Затем, в порыве внезапного озарения, добавил:

И воскликнул:

– Если нам удастся найти способ записать 18 при помощи двух единиц, то доступный нам диапазон вокруг целого числа, выражаемого через две единицы, увеличится: мы тогда сможем гарантировать число от n – 20 до n + 20, – он прервался, чтобы перевести дух, и добавил: – Если же нет, то пропущенными в этом диапазоне окажутся только числа n – 18 и n + 18, которые нам, может быть, удастся выразить как-то иначе.

– Мне кажется, пора подвести промежуточный итог, – сказал я и еще раз внимательно просмотрел наши накопившиеся каракули. – По-моему, мы уже выразили через четыре единицы все числа от 1 до 33. Далее

требуют только двух единиц, так что мы немедленно заполняем все пропуски между 26 и 61. Возникает пробел на 62 (потому что это 44 + 18, а на выражении 18 через две единицы мы застряли), но 63 и 64 у нас есть. Далее, опираясь на 80, мы можем добраться до 97. На 98 опять возникает пробел, но 99 и 100 можно получить.

– И намного проще, кстати говоря, – заметил Сомс:

99 = 11/0,1 × 0,1;

100 = 1/(0,1 × 0,1);

101 = 1/(0,1 × 0,1) + 1.

– Таким образом, у нас есть все вплоть до 100, – сказал я, – за исключением 62 и 98.

– Но о 98 позаботится 105, вместе со всеми остальными числами вплоть до 122, – сказал Сомс.

– О, я и забыл, что у нас есть 105 из двух единиц.

– А поскольку 120 = 5! то есть тоже выражается через две единицы, мы можем добраться до 137. Более того, у нас есть еще 139 и 140.

– Так что единственные пробелы до 140 – это 62 и 138, – сказал я.

– Похоже на то, – сказал Сомс. – Интересно, можно ли заполнить эти пробелы каким-то другим способом?

Сможете ли вы найти способ записать 62 и 138 при помощи четырех единиц, не используя ничего более эзотерического, чем те функции, которые Сомс и Ватсап уже использовали? Ответ см. в главе «Загадки разгаданные».

Сомс и Ватсап все еще не закончили. Но финал уже близок: «Знак одного» завершается в главе «Знак одного. Часть четвертая – завершение».

Номера такси

Сриниваса Рамануджан – индийский математик-самоучка с поразительным талантом к формулам, как правило очень странным формулам, обладавшим, однако, своеобразной необычной красотой. В 1914 г. математики Годфри Харолд Харди и Джон Эденсор Литтлвуд из Кембриджа привезли его в Англию. К 1919 г. у него уже были неизлечимо больные легкие, и в 1920 г. он умер в Индии. Харди писал:

«Помню, как я однажды поехал навестить его, когда он лежал больной в Путни. Я приехал в такси номер 1729 и заметил вскользь, что номер этот показался мне довольно скучным и что я надеюсь, что это не дурное предзнаменование. „Нет, – ответил он, – это очень интересный номер; это наименьшее число, которое можно выразить в виде суммы двух [положительных] кубов двумя разными способами“».

Наблюдение о том, что

1729 = 1³ + 12³ = 9³ + 10³,

впервые опубликовал Бернар Френикль де Бесси в 1657 г. Если разрешить отрицательные кубы, то наименьшим таким числом будет

91 = 6³ + (–5)³ = 4³ + 3³.

Специалисты по теории чисел обобщили эту концепцию, заявив, что n-й номер такси Ta (n) есть наименьшее число, которое можно выразить в виде суммы двух положительных кубов n и другими способами.

В 1979 г. Харди и Э. М. Райт доказали, что некоторые числа могут быть выражены в виде суммы произвольно большого числа положительных кубов, так что Ta (n) существует для любых n. Однако вплоть до настоящего времени известны лишь первые шесть таких чисел:

Ta (1) = 2 = 1³ + 13;

Ta (2) = 1729 = 1³ + 12³ = 9³ + 10³;

Ta (3) = 87539319 = 167³ + 436³ = 228³ + 423³ = 255³ + 414³;

Ta (4) = 6963472309248 = 2421³ + 19083³ = 54363 + 18948³ = 10200³ + 18072³ = 13322³ + 166308³;

Ta (5) = 48988659276962496 = 38787³ + 3657573 = 107839³ + 362753³ = 205292³ + 342952³ = 221424³ + 336588³ = 231518³ + 331954³;

Ta (6) = 24153319581254312065344 = 582162³ + 28906206³ = 3064173³ + 28894803³ = 8519281³ + 28657487³ = 16218068³ + 27093208³ = 17492496³ + 26590452³ = 18289922³ + 26224366³.

Ta (3) открыл Джон Лич в 1957 г. Ta (4) нашли Э. Розенстил, Дж. А. Дардис и К. Р. Розенстил в 1991 г. Ta (5) обнаружил Дж. А. Дардис в 1994 г. и подтвердил Дэвид Уилсон в 1999 г. В 2003 г. К. С. Калуд, Э. Калуд и М. Дж. Диннин установили, что приведенное выше число, вероятно, является Ta (6), а в 2008 г. Уве Холлербах опубликовал доказательство.

Волна перемещения

Математические исследования верхом?

Почему бы нет? Вдохновение может осенить где угодно. Выбирать не приходится.

В 1834 г. шотландский инженер-кораблестроитель Джон Скотт Рассел, ехавший на лошади вдоль канала, обратил внимание на поразительное явление:

«Я наблюдал за движением лодки, которую стремительно тянула по узкому каналу пара лошадей, как вдруг лодка остановилась – лодка, но не та масса воды в канале, которую она увлекла и приводила в движение; эта вода собралась вокруг носа судна в состоянии неистового возбуждения, затем внезапно оторвалась от него и покатилась вперед с огромной скоростью, принимая форму большого одиночного возвышения, округлой, гладкой и четко очерченной водяной массы, которая продолжила движение вдоль канала без всякого видимого изменения формы или снижения скорости. Я последовал за ней верхом и догнал; она катилась дальше со скоростью примерно 13 или 15 км/ч, сохраняя первоначальную форму, размером около 9 м в длину и 30–45 см в высоту. Ее высота постепенно снижалась, и после преследования на протяжении 1,5–3 км я потерял ее среди извивов канала. Вот такой в августе 1834 г. была моя первая случайная встреча с этим исключительным и красивым явлением, которое я назвал волной перемещения».

Рассела заинтриговало это явление, поскольку обычно одиночные волны расходятся в стороны по мере движения или рассыпаются, как прибой на пляже. Он соорудил дома волновой бассейн и провел серию экспериментов. В ходе испытаний выяснилось, что такая волна очень устойчива и может пройти большое расстояние, не меняя формы. Волны разных размеров движутся с разными скоростями. Если одна такая волна догоняет другую, она выходит вперед после сложного взаимодействия. А большая волна на мелководье разделяется на две – среднюю и маленькую.

Эти открытия поставили физиков того времени в тупик, потому что совершенно не поддавались объяснению с позиции тогдашних взглядов на поведение жидкостей. Более того, видный астроном Джордж Эйри и ведущий специалист по динамике жидкостей Джордж Стокс долго не верили, что такая волна существует. Сегодня мы знаем, что Рассел был прав. В некоторых обстоятельствах нелинейные эффекты, неизвестные математикам того времени, компенсируют тенденцию всякой волны к расхождению, потому что скорость движения волны зависит от частоты колебаний. В этих эффектах первыми разобрались лорд Рэлей и Жозеф Буссинеск примерно в 1870 г.

В 1895 г. Дидерик Кортевег и Густав де Врис предложили уравнение Кортевега – де Вриса, в которое вошли подобные эффекты, и показали, что у него есть обособленные (солитарные) волновые решения. Аналогичные результаты были получены для других уравнений математической физики, и феномен получил новое название: солитон. Серия крупных открытий позволила Питеру Лаксу сформулировать очень общие условия, при которых уравнения имеют обособленные решения, и объяснить эффект туннелирования. Математически этот процесс сильно отличается от того, как взаимодействуют мелководные волны, к примеру, на пруду, когда их формы складываются; все это – прямое следствие математической формы волнового уравнения. Солитоноподобные явления наблюдают во многих областях науки – от ДНК до волоконной оптики. Именно этим объясняется существование широкого спектра явлений со странными названиями вроде «бризер», «кинк» и «осциллон».

Есть также весьма соблазнительная идея, которую пока никому не удалось заставить работать. Элементарные частицы в квантовой механике соединяют в себе каким-то образом две разные несовместимые на первый взгляд характеристики. Как и большинство объектов квантового уровня, они представляют собой волны, но при этом умеют соединяться в частицеподобные блоки. Физики давно пытаются отыскать уравнения, которые согласовывались бы со структурой квантовой механики, но допускали существование солитонов. Лучшее, чего им на сегодняшний день удалось достичь, – это уравнение, описывающее инстантон, который можно интерпретировать как частицу с очень коротким временем жизни, которая возникает из ниоткуда и немедленно после этого исчезает.

Загадка песков

Песчаные дюны образуют самые разные узоры: линейные, поперечные, параболические и т. п. Одна из наиболее интересных их разновидностей – бархан, или серповидная дюна. Название происходит из Туркестана; говорят, что в геологию его ввел русский натуралист Александр фон Миддендорф. Барханы можно найти в Египте, Намибии, Перу… и даже на Марсе. Они имеют серповидную форму, бывают разных размеров и, самое главное, движутся. Они собираются группами, взаимодействуют друг с другом, делятся и соединяются. В последние годы математическое моделирование помогло многое понять в их форме и поведении, но многие стороны их жизни до сих пор остаются загадкой.

Дюны формируются в процессе воздействия ветра на песчинки. Округлая сторона бархана обращена навстречу преобладающим ветрам, которые загоняют песчинки вверх по фронтальному склону дюны и гонят вдоль боковых ее склонов, где песок образует два «хвоста», которые и придают бархану характерную серповидную форму. На верхушке дюны песок перекатывается через гребень и засасывается вниз вдоль крутого подветренного склона между концами полумесяца. Большой воздушный вихрь – область так называемого «срыва потока» – выметает все лишнее из промежутка между ними.

Барханы ведут себя как солитоны (см. предыдущую тему), хотя технически отличаются в некоторых деталях. Ветер, перенося песок, постепенно сдвигает дюны, причем маленькие дюны перемещаются быстрее больших. Если маленькая дюна догоняет большую, то сначала она как будто поглощается ею, но через некоторое время большой бархан «выплевывает» из себя другой, маленький, как будто первый маленький бархан проделал в большом туннель и прошел его насквозь. После этого маленький бархан продолжает свой бег, оставляя ковыляющего монстра позади.

Вейт Шваммле и Ханс Херман опубликовали на эту тему статью, где говорят о сходствах и различиях между столкновениями барханов и солитонами. На рисунке показано, что происходит, когда встречаются две дюны примерно одинаковых размеров. Первоначально (a) меньшая дюна находится позади более крупной, но движется быстрее. Она догоняет большую дюну (b) и взбирается по ее наветренному склону, но застревает на полпути (c). Затем фронтальная часть дюны разделяется, чтобы сформировать другую небольшую дюну (d).

При одних сочетаниях высот новая дюна окажется больше той маленькой дюны, с которой все начиналось, при других – меньше. Солитоны ведут себя не так, там обе волны сохраняют свои первоначальные размеры. Однако существует и некий промежуточный диапазон сочетаний высот, при котором дюны в точности сохраняют свои размеры. В этом случае они ведут себя подобно солитонам.

Если маленькая дюна намного меньше крупной, то она просто поглощается с образованием нового, еще более крупного бархана. При умеренной разнице в размерах столкновение может привести к «размножению»: два маленьких бархана сформируются на концах рогов крупного «родителя» и пойдут дальше впереди него. Все это проделывают не только компьютерные модели, но и настоящие барханы. Вообще, песчаные дюны обладают более богатой динамикой, чем традиционные солитоны.

π для эскимосов

Почему π в Арктике равно всего лишь 3?

На холоде все съеживается.

Знак одного. Часть четвертая – завершение

Из мемуаров доктора Ватсапа

– Да, это острая штучка, – пробормотал я.

– Корнишон, кажется, – заметил Сомс, выдергивая из банки маринованный огурчик и с наслаждением его пережевывая.

Я убрал острое лакомство обратно в буфет вместе с банкой.

– У нас и правда есть возможность, – заметил Сомс, – умножать числа на 3, 9 или 10 с использованием всего одной дополнительной единицы. Для этого достаточно разделить число на √(0,(1)), 0, (1) или 0,1.

– Тогда у меня есть вариант! – воскликнул я.

62 = 63 – 1 = 7 × 9–1 = 7/0,(1) – 1,

помня, что у нас уже есть выражение для 7 из двух единиц – и даже в двух различных вариантах.

– И у нас остается одна проблема – 138.

– Так, это 3 × 46, – размышлял я вслух. – Можем мы получить 46, используя всего три единицы? Тогда мы могли бы разделить его на√(0,(1)), как вы предлагали.

Систематическое исследование разных вариантов округления последовательных квадратных корней из факториалов привело нас к неожиданному открытию: 46 можно получить всего из двух единиц. Я покажу здесь только решение: на пути к нему нам пришлось обследовать множество тупиков и потерпеть немало неудач. Начать можно, к примеру, с представления 7 через две единицы:

Затем заметим, что

Двигаясь обратно и подставляя формулы для соответствующих чисел, получим выражение для 138 через три единицы.

– Записать все это явно, Сомс?

– Бога ради, не нужно! Всякий, кто захочет увидеть полную формулу, сможет сделать это самостоятельно.

Вдохновленный неожиданным успехом, я хотел продолжить наш список еще дальше, но Сомс только пожал плечами:

– Может, эта проблема заслуживает дальнейшего рассмотрения. А может, и нет.

Внезапно меня осенило:

– А не можем ли мы доказать, что любое число можно получить из четырех – или меньше – единиц путем подбора полов и потолков повторяющихся квадратных корней из факториалов?

– Вполне возможно, Ватсап, вполне возможно, но я, откровенно говоря, не вижу пути к такому доказательству, к тому же напряжение от такого количества ментальной арифметики начинается сказываться.

Прямо на глазах он вновь начал погружаться в депрессию. В отчаянии я предложил:

– Вы могли бы попробовать логарифмы, Сомс.

– Я думал о них в самом начале, Ватсап. Вы, вероятно, будете удивлены, но использование логарифмов экспоненциальной функции и функции потолка – ничего больше – позволяет выразить любое положительное целое число через одну-единственную единицу.

– Нет-нет, я говорил об использовании логарифмов для облегчения вычислений, а не в формулах… – но Сомс не обратил внимания на мои протесты.

– Вспомните, что представляет собой экспоненциальная функция:

exp (x) = ex, где e = 2,71828…

– Обратным по отношению к этой функции является натуральный логарифм

ln (x) = значение y, удовлетворяющее exp (y) = x.

– Не правда ли, Ватсап?

Я подтвердил, что, насколько мне известно, дело обстоит именно так.

– Тогда мы просто заметим, что

что несложно доказать.

Я посмотрел на него с открытым ртом, но сумел-таки выдавить из себя полузадушенное:

– Конечно, Сомс.

– В результате мы можем последовательно записать:

и…

Я поспешно схватил его за правую руку.

– Да, Сомс, я понимаю. Это слегка замаскированная версия метода Пеано, который мы ранее отвергли именно из-за его тривиальности.

– Так что, Ватсап, если разрешить экспоненциальные выражения и логарифмы, игра сразу же закончится.

Я согласился – не без грусти, поскольку он сразу же взял свой кларнет и вновь завел бесконечную пьесу какого-то малоизвестного восточноевропейского композитора, в которой не было ни ритма, ни мелодии. Звук походил на вопль кота, попавшего между валками для отжимания белья. Кота, которому медведь наступил на ухо. Притом охрипшего.

Черное настроение поглотило Сомса окончательно и бесповоротно.

На этом заканчивается «Знак одного».

Правда, я так и не рассказал вам, что такое субфакториал. Ну, ничего, в следующий раз.

Серьезный беспорядок

Пора объяснить, что такое субфакториалы.

Предположим, что у каждой из n дам имеется шляпка. Все они складывают свои шляпки в одно место, затем каждая из них берет какую-нибудь случайную шляпку и надевает на себя. Сколькими способами можно это сделать, чтобы ни на одной из дам не оказалось ее собственной шляпки? Такое размещение называется беспорядком.

К примеру, если дам три – скажем, Александра, Бетани и Валерия, – то шляпки между ними можно распределить шестью способами:

АБВ АВБ БАВ БВА ВАБ ВБА.

Для АБВ и АВБ Александра получает свою собственную шляпку, так что беспорядка не возникает. Для БАВ собственную шляпку получает Валерия, а для ВБА – Бетани. Это оставляет нам два варианта беспорядка: БАВ и ВАБ.

Если дам четыре – предположим, к группе присоединилась еще Грейс – существует 24 варианта расстановки:

однако в 15 из них (вычеркнутые) кто-нибудь из дам получает свою собственную шляпку. (Убираем все с А в первой позиции, с Б во второй, с В в третьей и с Г в четвертой.) В результате получаем 9 вариантов беспорядка.

Число вариантов беспорядка из n объектов и есть субфакториал (обозначается! n или n ¡). У этого понятия множество определений. Простейшее из них, вероятно,

Первые значения этой величины

Бросание монетки – несправедливый жребий

Бросание монетки – фундамент теории вероятностей, поскольку орел или решка выпадают на ней с равной вероятностью. Бросание монетки считается живым воплощением случайности. С другой стороны, моделью монетки может служить простая механическая система, и ее поведение полностью определяется начальными условиями броска – в первую очередь вертикальной скоростью, начальной скоростью вращения и ориентацией оси вращения. Это, собственно говоря, делает движение монетки неслучайным. Так откуда же берется случайность в бросание монетки? Я вернусь к этому вопросу после описания открытия, имеющего ко всему этому непосредственное отношение.

Перси Диаконис, Сьюзен Холмс и Ричард Монтгомери показали, что на самом деле бросание монетки – не совсем «честная» жеребьевка. Существует небольшой, но заметный сдвиг вероятности: при бросании монетка с несколько большей вероятностью падает на ту же сторону, на которой она лежала на большом пальце. В реальности вероятность ее падения именно в таком положении составляет приблизительно 51 %. В своем исследовании ученые предполагали, что монетка при падении не подскакивает, что разумно при падении на землю, особенно в траву, или для того случая, когда ее ловят на лету, но не тогда, когда она падает на деревянный стол.

Вероятность 51 % становится статистически значимой только после примерно 250 000 бросков. Возникает этот сдвиг потому, что ось, вокруг которой вращается монетка, может и не быть горизонтальной. В предельном случае представьте, что ось располагается под прямым углом к монетке, так что монетка, вращаясь, всегда остается горизонтальной, как гончарный круг. В таком случае она всегда будет приземляться той же стороной, которой лежала, то есть вероятность ее непереворачивания составит 100 %. Другой предельный случай – ось горизонтальна, и монетка кувыркается в воздухе. Хотя в принципе конечное состояние монетки в этом случае определяется начальной вертикальной скоростью и скоростью вращения в воздухе, даже небольшие ошибки в этих параметрах приводят к тому, что монетка падает той же стороной кверху лишь в 50 % случаев. При таких бросках небольшие ошибки приводят к случайному взаимодействию механической системы и монетки.

Как правило, ось вращения монетки не находится ни в одном из крайних положений, а расположена в каком-то промежуточном, близком к горизонтали. Поэтому возникает легкий сдвиг вероятности в сторону падения той же стороной вверх. Подробные расчеты дали 51 % вероятности. Эксперименты с монеткобросательным автоматом подтвердили этот результат с разумной достоверностью.

На практике бросание настоящей монетки все-таки дает случайный результат с 50 % вероятностью, причем вовсе не по приведенным причинам. Дело в том, что начальная ориентация монетки на пальце тоже случайна. Если говорить о длинных сериях, то монетка в половине случаев взлетает орлом кверху, а в половине – решкой кверху. Это снимает сдвиг на 1 %, потому что при броске неизвестно, из какого именно положения стартует монетка.

Дополнительную информацию см. в главе «Загадки разгаданные».

Покер по почте

Предположим, что Алиса и Боб – традиционные участники криптографической переписки – хотят сыграть в покер, точнее, в пятикарточный стад. Но Алиса живет в Австралии, в Алис-Спрингс, а Боб – в Англии, в Боббингтоне. Но возможно, они могли бы пересылать друг другу карты по почте? Главная проблема – как раздать карты, то есть дать каждому игроку «в руки» по пять карт. Как могут при этом оба игрока быть уверены, что каждому из них достались карты из одной колоды и что второй игрок их не знает?

Если Боб просто отправит Алисе в конверте пять карт, она не сможет быть уверена, что он их не видел; более того, когда Боб выкладывает карты, которые будто бы находятся у него на руках, она не может быть уверена, действительно ли у него только пять карт, или в его распоряжении находится вся остальная колода и он только делает вид, что использует только законные пять карт, сданные ему в начале игры.

Как ни удивительно, способ играть в такие карточные игры, как покер, по переписке, по телефону или через Интернет существует, причем без всякой опасности, что кто-то из игроков при этом обманывает. Алиса и Боб могут создать шифр, воспользовавшись теорией чисел, и прибегнуть к сложному обмену посланиями. Такой метод известен как «протокол с нулевым разглашением» – способ убедить собеседника в том, что ты обладаешь каким-то конкретным знанием, не раскрывая, в чем это знание состоит. Так, вы могли бы убедить онлайновую банковскую систему в том, что знаете секретный код, записанный на обороте кредитной карты, не передавая при этом никакой полезной информации о самом коде.

Гостиницы часто хранят ценности гостей в небольших сейфовых ячейках в холле. Для обеспечения безопасности каждая такая ячейка снабжается двумя ключами: один хранится у администратора, другой выдается постояльцу. Чтобы открыть сейф, необходимы оба ключа. Алиса и Боб могут воспользоваться аналогичной схемой:

1. Алиса раскладывает карты по одной в 52 ящичка и запирает их на кодовые замки, ключи к которым известны только ей. Затем она почтой пересылает все ящички Бобу.

2. Боб (который не может отпереть ящички и посмотреть, что за карты в них лежат) выбирает пять ящичков и высылает обратно Алисе. Она отпирает их и получает свои пять карт.

3. Боб выбирает другие пять ящичков и накладывает на каждый из них дополнительный замок. Он знает коды этих замков, Алисе же они неизвестны. Боб высылает эти ящички Алисе.

4. Алиса отпирает свои замки и возвращает ящички Бобу. Теперь он может отпереть их и получить свои пять карт.

После этих предварительных действий может начаться собственно игра. Чтобы раскрыть карты, их пересылают второму игроку. Чтобы доказать, что никто не мошенничал, можно вскрыть все оставшиеся ящички после окончания игры.

Алиса и Боб перевели свою методику игры на язык математики, выделив ее существенные черты. Они представили карточную колоду согласованным набором из 52 чисел. Кодовые замки Алисы обозначаются шифром A, известным только ей. Это функция, математическое правило, превращающее число карты c в другое число Ac. (Я беру на себя вольность не писать всякий раз A (c), чтобы не пришлось говорить о «композиции» функций.) Алисе известен также обратный шифр A–1, который переводит Ac обратно в c. То есть

A−1Ac = c.

Боб не знает ни A, ни A–1.

Аналогично замки Боба соответствуют шифрам B и B–1, известным только ему, таким, что B–1Bc = c.

С учетом этих предварительных замечаний метод соответствует следующей процедуре:

1. Алиса пересылает все 52 числа Ac_1, …, Ac_52 Бобу. Он понятия не имеет, каким картам эти числа соответствуют; по существу, Алиса перетасовала колоду.

2. Боб «сдает» пять карт Алисе и пять самому себе. Он высылает Алисе ее карты. Чтобы упростить запись, рассмотрим лишь одну из этих карт, обозначив ее Ac. Алиса может выяснить значение c, применив к полученному числу A–1, так что она знает, какие карты ей сданы.

3. Бобу необходимо выяснить, какие карты он выбрал для себя, но только Алиса знает, как извлечь истинные значения из зашифрованных. Но Боб не может послать свои карты Алисе, потому что тогда она будет знать, что у него в руке. Поэтому к каждой своей карте Ad он применяет свое шифровальное правило, чтобы получить BAd, и высылает результат такой обработки Алисе.

4. Алиса может вновь применить свое правило A–1, чтобы «снять замок», но на этот раз ее ждет засада: результат будет равен A–1BAd.

В обычной алгебре мы могли бы поменять A–1 и B местами, чтобы получить

BA–1Ad,

что равняется Bd.

После этого Алиса могла бы выслать результат обратно Бобу, а тот, в свою очередь, применил бы B–1, чтобы получить d.

Однако функции нельзя переставлять таким образом. К примеру, если Ac = c + 1 (и, соответственно, A–1c = c – 1) и Bc = c², то A–1Bc = Bc – 1 = c²– 1, тогда как

BA–1c = (A –1c)² = (c – 1)² = c²– 2c + 1,

то есть совсем не то же самое.

Чтобы обойти это препятствие, следует избегать подобных функций и выбирать такие методы шифрования, для которых A–1B = BA–1. В этом случае говорят, что для функций A и B действует коммутативный закон, поскольку все это несложно привести к эквивалентному условию AB = BA. Обратите внимание: в описанном нами физическом методе замки Алисы и Боба и правда позволяют перестановку. Их можно навешивать и снимать в любом порядке, результат будет тот же: ящичек с двумя замками.

Таким образом, Алиса и Боб могут играть в покер по переписке, если сумеют придумать два допускающих перестановку шифра A и B, таких, чтобы алгоритм расшифровки A –1 был известен только Алисе, а алгоритм B–1 – только Бобу.

Боб и Алиса выбирают большое простое число p, которое может быть опубликовано и известно всем. Они согласуют также 52 числа c_1, …, c_52 (mod p), которые будут представлять карты.

Алиса выбирает некоторое число a от 1 до p – 2 и определяет свою кодирующую функцию A как Ac = ca (mod p).

Пользуясь базовой теорией чисел, можно сказать, что обратная (декодирующая) функция имеет вид

A–1c = ca' (mod p)

для некоего числа a', которое она может вычислить. Алиса держит и a, и a' в секрете.

Аналогично Боб выбирает себе число b и определяет свою кодирующую функцию B как Bc = cb (mod p) и обратную к ней

B–1c = cb' (mod p)

для числа b', которое он может вычислить. Он держит b и b' в секрете.

Кодирующие функции A и B подчиняются коммуникативному закону, поскольку

ABc = A (cb) = (cb)a = cba = cab = (ca)b = B (ca) = BAc,

где все равенства выполняются (mod p). Поэтому Алиса и Боб могут использовать A и B описанным образом.

Исключение невозможного

Из мемуаров доктора Ватсапа

– Ватсап!

– А? Что? Вы это мне, Сомс?

– Сколько раз можно повторять, Ватсап, чтобы вы не приносили журнал The Strand в этот дом!

– Но… как…

– Вы знаете мои методы. Вы нетерпеливо постукивали пальцами, как делаете обычно, пока меня дожидаетесь. При этом вы то и дело поглядывали на свернутую газету, которая торчит у вас из кармана пальто. Газета эта слишком толста для Daily Reporter, хотя именно это название красуется у нее на первой полосе, так что в нее, наверное, завернут какой-то журнал. А поскольку вы по привычке прячете от меня лишь один журнал, сомневаться в его природе не приходится.

– Простите, Сомс, я просто надеялся получить кое-какие сравнительные данные о методах исследования из произведений коллеги… э-э… шарлатана из дома напротив.

– Тьфу! Этот человек – мошенник! Жулик, называющий себя детективом!

Откровенно говоря, временами Сомс бывает невыносим. Если подумать, он почти всегда такой.

– Бывали случаи, когда мне удавалось случайно выудить что-нибудь полезное из скучных творений моего нещадно эксплуатируемого коллеги, Сомс, – возразил я.

– Что, например? – агрессивно вопросил он.

– На меня сильное впечатление произвел такой его аргумент: «Если вы исключите невозможное, то, что останется, каким бы невероятным ни казалось, и будет…

– Ошибкой, – бесцеремонно закончил за меня Сомс. – Если то, что остается, по-настоящему невероятно, значит, вы почти наверняка приняли «по умолчанию» какое-то условие, когда объявляли все другие объяснения невозможными.

Последовательность никогда не значилась в числе добродетелей Сомса.

– Ну, может быть, но…

– Без всяких «но», Ватсап!

– Но ведь в других ситуациях вы соглашались…

– Тьфу! Реальность не бывает невероятной, Ватсап! Она может казаться таковой, но на самом деле ее вероятность составляет 100 %, потому что она уже случилась.

– Ну да, формально это так, но…

– Вот пример. Сегодня утром, когда вы, Ватсап, выходили купить эту лживую газетенку, я принял весьма неожиданного посетителя. Небезызвестного герцога Бамблфортского.

– Главный лондонский щеголь, – сказал я. – Благородный человек безукоризненной честности, образец для всех нас.

– Ну да, ну да. Тем не менее он проинформировал меня… Ну, он рассказал, что в Бамблфорт-холле был обед, на котором эрл Мондеринг, желая развлечь гостей, поставил в ряд десять винных стаканов и наполнил первые пять из них – вот так, – и Сомс продемонстрировал мне этот процесс наглядно, на наших собственных стаканах, наполнив их довольно кислой мадерой, от которой мы как раз решили избавиться. – Затем он предложил гостям переставить стаканы таким образом, чтобы полные чередовались с пустыми.

– Но это очень просто… – начал я.

– Если переставить четыре стакана, то да. Достаточно поменять второй с седьмым и четвертый с девятым. Вот так – (см. рисунок). – Однако эрл просил получить тот же результат, переставив всего два стакана.

Я сложил пальцы перед собой в жесте глубокого размышления и через мгновение нарисовал грубый набросок первоначального и конечного расположения стаканов.

– Но, Сомс! Четыре названных вами стакана должны оказаться в разных местах! Так что без четырех перестановок не обойтись!

Он кивнул.

– Итак, Ватсап, вы только что исключили невозможное.

– Ну да, ей-богу, так я и сделал, Сомс! Неопровержимо.

Он начал набивать табак в свою трубку.

– И к какому же выводу вы придете, если я скажу, что, по словам герцога Бамблфортского, после того как все гости высказались примерно в таком же духе, эрл Мондеринг продемонстрировал верное решение.

– Я… ну…

– Вы вынуждены признать, что благородный герцог, наследник Британской империи и образец высокого благородства… на самом деле низкий лжец. Поскольку никакого решения не существует, как вы только что доказали.

Мое лицо вытянулось.

– Да, правда, все выглядит именно так… Нет, подождите, возможно, это вы не говорите мне…

– Мой дорогой доктор, я, честно признаюсь, иногда действительно умалчиваю кое-что, исключительно в ваших интересах, но не в данном случае. Даю слово.

– Но тогда… Я шокирован поведением герцога.

– Оставьте, Ватсап. Имейте веру в британский характер.

– Эрл обманывал?

– Нет-нет-нет. Ничего подобного. Вы способны на большее. В этой ситуации может быть и другое вполне прозаическое объяснение, которое вы проглядели. Более того, могу с уверенностью предсказать, что через несколько минут вы сами будете говорить мне, что решение очень простое и что догадаться может даже ребенок.

После этого Сомс рассказал мне, что сделал Мондеринг.

– Ну, здесь даже ребенок дога… – начал я, но вдруг резко остановился. Должен со всей откровенностью признать, что в этот момент я покраснел как рак.

Какое решение предложил Мондеринг? Ответ см. в главе «Загадки разгаданные».

Сила мидий

Идиллическая сцена на морском берегу: тихая бухта, волны разбиваются о скалы, покрытые водорослями и увешанные гроздьями моллюсков. Кажется, всюду царит сонное спокойствие. На самом деле эти неподвижные скопления мидий – царство непрекращающейся активности; чтобы ее увидеть, нам просто придется ускорить течение времени. При покадровой съемке видно, что моллюски в группах постоянно находятся в движении. Они прикрепляются к камням при помощи особых нитей, которые выделяет нога. Открепляя одни нити и добавляя другие в новых местах, мидия может управлять своим положением на камнях. С одной стороны, мидии любят находиться рядом с себе подобными, потому что вероятность того, что их оторвет от камня волнами, в этом случае заметно меньше. С другой стороны, если рядом нет других мидий, которые составили бы конкуренцию, можно добыть больше пищи. Оказываясь перед такой дилеммой, мидии делают то, что сделало бы на их месте большинство здравомыслящих организмов: идут на компромисс. Они размещаются таким образом, что у каждой мидии оказывается много близких соседей, но мало дальних. То есть они собираются группами. Эти группы – заплатки на дне – видны невооруженным глазом, но вот как они формируются, заметить невозможно.

В 2011 г. Моник де Джагер и ее коллеги применили математику случайного блуждания к моделированию того, как могла сформироваться у мидий групповая стратегия. Случайное блуждание часто сравнивают с движением пьяного по дорожке: то вперед, то назад, без всякой очевидной системы. Если добавить еще одно измерение, получится, что случайное блуждание на плоскости – это серия шагов, длины и направления которых выбираются случайным образом. Разные правила выбора – разные распределения вероятностей для длин и направлений – дают случайные блуждания с разными свойствами. В броуновском движении длины шагов распределяются по колоколовидной кривой вблизи одного конкретного среднего значения шага. В блужданиях Леви[19] вероятность того или иного шага пропорциональна некоторой фиксированной степени его длины, в результате чего многочисленные короткие шаги время от времени прерываются гораздо более длинным шагом.

Статистический анализ наблюдаемых длин шагов ясно показывает, что блуждания Леви вполне соответствуют тому, чем на самом деле занимаются мидии на приливных отмелях, а броуновское движение – нет. Это согласуется и с экологическими моделями, которые математически демонстрируют, что блуждания Леви позволяют мидиям быстрее распространяться, осваивать больше новых площадей и избегать конкуренции с другими видами моллюсков. Это, в свою очередь, позволяет предположить, почему в процессе эволюции появилась именно такая стратегия. Естественный отбор обеспечивает обратную связь между стратегиями передвижения и генетическими инструкциями, предписывающими их применение. У каждой отдельной мидии появляется больше шансов выжить, если она пользуется стратегиями, которые повышают ее шансы на получение пищи и снижают вероятность того, что она будет смыта волнами.

Команда де Джагер использовала данные полевых наблюдений за поведением мидий и математические модели эволюционного процесса. Моделирование показало, что вероятность появления в ходе эволюции блужданий Леви при наличии такой обратной связи достаточно высока, но эволюционно стабильной – то есть не приводящей к катастрофе в случае вторжения какого-либо мутанта с другой стратегией – она становится тогда, когда показатель экспоненты достигает 2. Полевые наблюдения дают величину 2,06.

Устричные поля в этом контексте демонстрируют, что эффективность стратегии движения каждой отдельной мидии зависит от того, что делают все остальные мидии. Стратегия каждой отдельной мидии определяется ее генетикой, но ценность этой стратегии для выживания зависит от коллективного поведения всей местной популяции. Так что здесь мы видим, как окружающая среда – в форме остальных мидий – оказывает влияние на генетический «выбор» индивида и формирует паттерны поведения на уровне популяции.

Дополнительную информацию см. в главе «Загадки разгаданные».

Доказательство шарообразности Земли

Большинство из нас знает, что наша планета по форме круглая – но не точная сфера, а эллипсоид, слегка сплюснутый у полюсов. На ней достаточно неровностей, чтобы при увеличении отклонения от сферической формы примерно в 10 000 раз превратиться в картофелину. Некоторые – их очень немного – упрямцы продолжают настаивать, что Земля плоская, хотя еще древние греки 2500 лет назад собрали достаточно доказательств ее шарообразности, чтобы убедить даже средневековую церковь, а с тех пор доказательств стало намного больше. Вера в то, что Земля плоская, почти полностью ушла, но возродилась примерно в 1883 г. с основанием Зететического общества. Это общество, с 1956 г. известное как Общество плоской Земли, действует и поныне. Вы можете найти его в Интернете, можете следить за событиями в нем в «Фейсбуке» и «Твиттере».

Существует простой и совершенно неопровержимый способ самостоятельно убедиться в том, что наша планета не может быть плоской, если на ней действует обычная геометрия Евклида. Для этого вам потребуется Интернет или общение с терпеливым турагентом – и больше ничего, и речь не идет о том, чтобы посмотреть информацию о форме Земли в Википедии. Описываемая методика не показывает сама по себе, что Земля круглая, но в этом можно убедиться, если ей следовать систематически и аккуратно. Чуть позже мы поговорим о возможных способах отвергнуть полученное доказательство. Я не утверждаю, что таких способов нет: если вы адепт плоской Земли, то способ всегда найдется. Но в данном случае стандартные уловки выглядят еще менее убедительными, чем обычно. Во всяком случае, этот аргумент представляется свежим и необычным на фоне традиционных научных доказательств шарообразности Земли.

Я не имею в виду спутниковые фотографии круглой планеты – они, конечно, подделаны. Все мы знаем, что NASA никогда не летало на Луну, все это снималось в Голливуде, а это доказывает, что и фотографии – фальшивка, так что вот. Не годятся также никакие данные, основанные на научных измерениях: ученые типы – известные шутники, они даже делают вид, что верят в эволюцию и глобальное потепление, а ведь то и другое – это всего лишь левацкие заговоры с целью не дать добропорядочным и во всех отношениях правильным людям зарабатывать неприличные суммы денег, как заповедано Богом.

Нет, я имею в виду исключительно коммерческое доказательство: расписание авиалиний. Их можно легко найти в Интернете: убедитесь только, что вы видите перед собой расписание реальных полетов, а не программы для расчета полетного времени, работающие на основе предположения о шарообразности Земли.

По экономическим причинам все крупные пассажирские самолеты летают примерно на одной скорости. Если бы это было не так, то весь бизнес у медленных компаний перехватили бы их более быстрые конкуренты. По тем же причинам все летают по кратчайшим маршрутам – в той мере, конечно, в какой это допускается местными законами. Поэтому мы можем использовать полетное время как достаточно точную оценку расстояний. (Чтобы снизить влияние ветров, возьмите подходящее среднее значение полетного времени в обоих направлениях – на практике обычного среднего арифметического вполне достаточно.) Затем можно, использовав геодезические методики триангуляции, которые заключаются в построении сети треугольников, нанести на карту расположение нужных аэропортов. Чтобы показать, что плоская модель Земли не годится, мы можем предположить, что планета на самом деле плоская, и посмотреть, что из этого получится. Геодезисты обычно работают с одним-единственным начальным расстоянием – базовой линией, а все остальное рассчитывают через углы треугольников, но у нас есть большое преимущество: мы можем использовать реальные расстояния (в часах полета).

На рисунке показана триангуляция на базе шести крупных аэропортов. Сколько ни жонглируй числами, это единственная плоская фигура, сколько-нибудь разумно объединяющая все шесть аэропортов с учетом времени полета. Начнем, к примеру, с Лондона и добавим Кейптаун на расстоянии 12 часов. После этого поместим Рио-де-Жанейро и Сидней. Расположить их можно единственным образом, за исключением того, что всю карту можно зеркально отразить, поменяв местами право и лево, но не меняя никаких расстояний. Такая неоднозначность не имеет значения, а вот о том, чтобы Рио-де-Жанейро и Сидней находились по разные стороны от линии Лондон – Кейптаун, следует позаботиться. Если бы они находились по одну сторону от этой линии, то время полета между ними составляло бы примерно 11 часов, а на самом деле составляет 18. Далее можно добавить Лос-Анджелес и, наконец, Таити, опять же используя дополнительное время для устранения неоднозначности.

Теперь мы можем воспользоваться гипотезой плоской Земли и сделать предсказание. Расстояние от Таити до Сиднея, измеренное по этой карте, составляет примерно 35 часов. (Судя по ней, путь через Рио и Кейптаун проходит почти по прямой и сумма расстояний равна 35.) Таким образом, это минимальное время, которое, по идее, должен занимать перелет, не считая остановок.

Реальное же время перелета между этими пунктами – 8 часов. Даже допустив небольшие ошибки в расчетах, следует признать, что разница предсказанной и реальной продолжительности полета слишком велика и гипотеза плоской Земли должна быть отвергнута. Если включить в сеть намного больше аэропортов и взять более точные данные полетного времени, то можно выстроить базовую форму значительной части планеты очень точно – и по-прежнему в единицах часов полета. Чтобы установить масштаб, необходимо выяснить, с какой скоростью летают самолеты, или измерить по крайней мере одно расстояние каким-то другим способом.

Надо отметить, что каждый хорошо информированный адепт плоской Земли знаком с подобными аргументами и нестандартной физикой, которая их «объясняет». Может быть, какое-то искажающее поле изменяет геометрию пространства, так что буквальное измерение плоскости обычными мерами расстояния оказывается неверным. Это реально работает: азимутальная изогональная проекция Земли с Северного полюса дает именно такой эффект, и можно спокойно перенести все, включая и законы природы, с круглой Земли на плоскую, воспользовавшись проекцией на плоский диск. Конечно, если вам не нужна область вокруг Южного полюса. На логотипе ООН сделано именно так, и Общество плоской Земли постоянно использует его в качестве «доказательства» верности своих взглядов. Однако подобные выкладки тривиальны и бессмысленны, а изображение на логотипе логически эквивалентно круглой Земле с ее традиционной геометрией. Математически это всего лишь не слишком явный способ признать «она не плоская», в пределах ортодоксального смысла этой фразы. Так что измененная метрика и другие подобные отговорки на самом деле ничего не решают.

Действие ветра? Может быть, на самом деле от Таити к Сиднею постоянно дует сильный ветер? Такой ветер должен был бы достигать скорости 1200 км/ч, но дело обстоит еще хуже: прямой маршрут из Таити в Сидней очень близок маршрутам Таити – Рио – Кейптаун – Сидней, которые мы уже учли. Если можно попасть из Таити в Сидней по-настоящему быстро, воспользовавшись силой ветра, то путешествие, по крайней мере по одному из участков приведенного сложного маршрута, явно занимает слишком много времени.

Следующей линией обороны может быть стандартный прием всех отрицателей: это всеобщий заговор. Да, но чей? Времена, обозначенные на сайтах, где можно заказать авиабилеты, не могут быть слишком далеки от истины, поскольку миллионы людей ежедневно летают по воздуху, и большинство из них обратило бы внимание, если бы время полета по расписанию часто отличалось от реального в разы. Но все авиакомпании мира могли договориться летать по некоторым маршрутам медленнее, чем необходимо, так что бо́льшую часть моей схемы следовало бы ужать, сделав возможным перелет из Таити до Сиднея всего за 14 часов. Для этого пришлось бы поделить все времена по крайней мере на четыре, и получится, что обычный пассажирский самолет на самом деле мог бы добраться от Лондона до Сиднея всего за пять часов, если бы авиалиния не задерживала бы его специально для того, чтобы убедить нас в шарообразности Земли.

В отличие от обвинений в заговорах ученых, которые способны произвести впечатление только на тех, у кого нет ни одного знакомого ученого[20], у этого утверждения есть один фатальный недостаток. Теория заговора требует, чтобы большинство авиалиний добровольно теряли каждый день громадные суммы в виде напрасно потраченного топлива и не стремились бы выиграть в конкурентной борьбе, сократив время перелетов по многим маршрутам больше чем в два раза. Заговор с целью представить Землю круглой при помощи метрик авиаперелетов потребовал бы, чтобы сотни частных авиакомпаний выбрасывали на ветер огромные суммы денег. Не сошли ли вы с ума?

Разумеется, вы всегда можете прибегнуть к старому доброму методу: когда ничто уже не помогает, просто не обращай внимания на доказательства.

123456789 раз по X. Продолжение

Нет нужды останавливаться на 9. Попробуйте умножить 123456789 на 10, 11, 12 и т. д. Что вы заметили?

Ответ см. в главе «Загадки разгаданные».

Цена славы

Владислав Роман Орлич – польский тополог, который предложил то, что ныне известно в математике как пространства Орлича – весьма специфические понятия из области функционального анализа. Однажды известность сыграла с ним злую шутку. Подобно большинству своих соотечественников, Орлич жил в очень небольшой квартирке, а потому обратился к городским властям с просьбой предоставить ему квартиру побольше. В ответ он услышал следующее: «Мы согласны, у вас действительно очень маленькая квартира, но мы вынуждены отказать вам в просьбе, поскольку у вас уже есть собственные пространства».

Загадка золотого ромба

Из мемуаров доктора Ватсапа

Впечатляющий успех наших совместных предприятий побудил меня вновь взяться за медицинскую практику, и я распорядился соорудить в своем доме небольшой кабинет с приемной. Но я всегда заботился о том, чтобы мое расписание сохраняло достаточную гибкость на тот случай, если Сомсу потребуется моя помощь, – как с предварительным уведомлением, так и без такового. Поэтому, получив телеграмму, я передал пациента своему заместителю доктору Джекиллу и вызвал кэб, чтобы отправиться на Бейкер-стрит, 222b.

Прибыв на квартиру Сомса, я обнаружил его в окружении обрезков бумаги с ножницами в руках.

– Симпатичная головоломка, – заметил он. – Обычная треугольная полоска бумаги, завязанная в простой узел (так называемый клеверный лист). Трудно вообразить, что от такого пустяка может зависеть жизнь человека.

– Господи боже, Сомс! Как такое может быть?

– Вымогательство, Ватсап. Доказательство вины зависит от формы, которую принимает полоска бумаги, если узел затянуть как можно сильнее, сплющить и хорошенько разгладить. Подозреваю, что этот узелок окажется символом какого-то тайного общества, и, если я смогу это доказать, дело будет сделано, – он поднял бумажный узелок и показал мне. – Что скажете, Ватсап? Какая получится форма, а?

Я быстро набросал простой узел в блокноте.

– Хорошо известно, что простой узел, завязанный на замкнутой в кольцо веревке, обладает трехсторонней симметрией, – сказал я, чувствуя себя необыкновенно умным. – Так что я сказал бы, что получится либо треугольник, либо шестиугольник.

– Тогда давайте попробуем. Проведем эксперимент, – сказал Сомс. – А затем возьмемся за более сложную задачу – попытаемся доказать, что глаза нас не обманывают.

Какую форму приобретает расплющенный узел? Проверьте. Ответ и доказательство см. в главе «Загадки разгаданные».

Арифметическая последовательность степеней

Арифметическая последовательность (последовательность чисел с постоянной разницей между соседними членами) называется последовательностью степеней, если второй ее член является полным квадратом, третий – кубом и т. д. То есть k-й член такой арифметической последовательности представляет собой k-ю степень. (Это не накладывает никаких ограничений на первый член последовательности, поскольку любое число есть первая степень самого себя.) К примеру, последовательность 5, 16, 27 имеет длину 3 и шаг 11; кроме того,

Тривиальный способ получить последовательность степеней длины n состоит в том, чтобы повторить n раз число 2n!. Это число является одновременно первой степенью, квадратом, кубом и т. д., вплоть до n-й степени. Шаг в этом случае будет равняться 0.

В 2000 г. Джон Робертсон доказал, что, за исключением таких последовательностей, в которых многократно повторяется одно и то же число, – то есть последовательностей с нулевым шагом, – самая длинная возможная последовательность степеней состоит из пяти членов (имеет длину 5)[21]. Чтобы получить такую последовательность, возьмите числа 1, 9, 17, 25, 33, образующие арифметическую последовательность с шагом 8, и умножьте каждое из них на 3^245^3011^2417^20. Получившиеся в результате числа тоже образуют арифметическую последовательность с шагом, в восемь раз превосходящим это число. Вот эти числа:

1. 10529630094750052867957659797284314695762718513641400204044879414141178131103515625

2. 94766670852750475811618938175558832261864466622772601836403914727270603179931640625

3. 179003711610750898755280216553833349827966214731903803468762950040400028228759765625

4. 263240752368751321698941494932107867394067962841035005101121985353529453277587890625

5. 347477793126751744642602773310382384960169710950166206733481020666658878326416015625.

Ее шаг равен:

84237040758000422943661278378274517566101748109131201632359035313129425048828125000.

Если обозначить пять членов прогрессии как a_1, a_2, a_3, a_4, a_5, то a_1 есть первая степень самого себя (очевидно);

a_2 = 307841957589849138828884412917083740234375² – квадрат;

a_3 = 5635779747116948576103515625³ – куб;

a_4 = 716288998461106640625^4 – четвертая степень;

a_5 = 51072299355515625^5 – пятая степень.

Вот это да!

(Проще всего проверить, что члены последовательности действительно являются заявленными полными степенями, если работать с простыми сомножителями.)

Почему пузырьки в пиве идут сверху вниз?

Всякий, кто пьет темное крепкое пиво, такое как «Гиннес», наверняка видел в нем кое-что, на первый взгляд бросающее вызов традиционной физике. Пузырьки в таком пиве движутся сверху вниз. Во всяком случае, создается такое впечатление. Но ведь пузырьки легче окружающей жидкости, так что они должны испытывать на себе действие подъемной силы, толкающей их вверх.

Этот вопрос – настоящая загадка, или, по крайней мере, был таковой до 2012 г., когда его решила команда математиков. Кстати говоря, ирландцев (или по меньшей мере жителей Ирландии): это Уильям Ли, Юджин Бенилов и Каталь Каммингс из Университета Лимерика.

Тот же эффект наблюдается и в других жидкостях, но в крепком пиве его легче увидеть, потому что пузырьки в нем содержат не только углекислый газ, который можно наблюдать в любом пиве, но и азот, а азотные пузырьки меньше и держатся дольше. Отчасти ответ на этот вопрос прост: мы видим только те пузырьки, которые находятся близко к стеклу. Пузырьки в глубине стакана скрыты от нас темным пивом. Так что не исключено, что только некоторые пузырьки опускаются вниз, а остальные поднимаются вверх. Однако таким образом невозможно объяснить, почему вообще хоть какие-то пузырьки опускаются вниз. Они не должны этого делать.

До некоторого момента мы не могли сказать даже, не является ли вся эта история просто оптической иллюзией. Одно из альтернативных объяснений состоит в том, что эффект вызывается волнами плотности – областями, где пузырьки поднимаются вверх. Пузырьки поднимаются, но волны плотности движутся в противоположном направлении. Подобное поведение часто встречается в волновых процессах. К примеру, вода в океанских волнах не движется с ними вместе; по большей части она ходит кругами примерно на одном месте. Движется же то место, где вода поднимается выше всего. Правда, волны, набегающие на пляж, действительно на него набегают; однако отчасти это происходит из-за мелководья, да и вода тут же стекает обратно в море. Если бы вода двигалась вместе с волнами, ей пришлось бы забираться на берег все выше и выше, а это явно противоречит здравому смыслу. Хотя вода не возвращается назад в сколько-нибудь значительном объеме, этот знакомый пример помогает почувствовать разницу между тем, куда движется вода, и тем, куда идут волны. А теперь проделаем то же самое с пузырьками.

Это довольно правдоподобная теория, но в 2004 г. группа шотландских ученых под руководством Эндрю Александера вместе с коллегами из Калифорнии получила видеозаписи, доказывающие, что пузырьки действительно движутся сверху вниз. Свои данные группа опубликовала в День святого Патрика. Чтобы замедлить движение и проследить за отдельными пузырьками, ученые использовали высокоскоростную видеокамеру. Выяснилось, что пузырьки, касающиеся стеклянных стенок, склонны прилипать к ним, так что они не могут двигаться вверх. Однако ближе к середине стакана пузырькам ничто не мешает; пиво поднимается в середине стакана и опускается вниз вдоль стенок, увлекая за собой пузырьки.

Ирландская команда нашла более точное объяснение, показав, что движение пива вызвано не прилипанием пузырьков к стенкам. Все дело в форме стакана. Темное пиво обычно пьют из стакана с изогнутыми стенками, который вверху шире, чем у донышка. Проделав гидродинамические расчеты и эксперименты, ученые выяснили, что, когда пузырьки вблизи стенки поднимаются, они идут прямо вверх, как и следовало ожидать. Но стенка уходит от вертикали, поэтому пузырьки, по существу, уходят от стенки прочь. Поэтому пиво у стенки плотнее, чем в середине стакана, и стремится опуститься вниз, увлекая за собой часть жидкости. Так что пиво в стакане циркулирует: вверх – в середине, вниз – вдоль стенок.

Пузырьки всегда поднимаются вверх относительно пива, но по краям пиво опускается быстрее, чем поднимаются пузырьки, и пузырьки опускаются вместе с ним. Пузырьки хорошо видны, в то время как движение пива заметить гораздо сложнее.

Дополнительную информацию см. в главе «Загадки разгаданные».

Гармонический ряд со случайными знаками

Бесконечный ряд

математики называют гармоническим рядом. Название отдаленно связано с музыкой, где обертоны колеблющейся струны имеют длины 1/2, 1/3, 1/4 и т. д. относительно основной для данной струны длины волны. Однако сама эта последовательность музыкального смысла не имеет. Известно, что это расходящаяся последовательность, то есть сумма первых n ее членов становится сколь угодно большой при достаточно большом n. Она расходится очень медленно, но все же расходится. Так, сумма первых 2n членов последовательности больше, чем 1 + n/2. С другой стороны, если мы изменим знак каждого второго члена последовательности, получится знакопеременный гармонический ряд

который является сходящимся. Его сумма равна ln 2, что составляет примерно 0,693.

Байрон Шмуланд заинтересовался тем, что происходит, если знак очередного члена последовательности выбирается случайным образом, бросанием монетки и присвоением знака плюс, к примеру, орлу, а знака минус – решке. Он доказал, что такая последовательность сходится с вероятностью 1 (гармонический ряд соответствовал бы выпадению ООООООО… до бесконечности, что происходит с нулевой вероятностью). Однако сумма такой последовательности зависит от последовательности бросков.

Возникает вопрос: какова вероятность получения какой-то определенной суммы? В принципе, суммой может быть любое действительное число, положительное или отрицательное, так что вероятность получения любого конкретного значения равна нулю (как обычно и бывает в случае «непрерывных случайных переменных»). В этом случае следует ввести распределение (или плотность) вероятности. Эта функция определяет вероятность попадания суммы в любой заданный диапазон величин, скажем, в промежуток между числами a и b. Эта вероятность равна площади под графиком функции распределения между x = a и x = b.

Для гармонического ряда, модифицированного при помощи монетки, распределение вероятности выглядит так, как показано на рисунке. Эта функция немного напоминает знакомую колоколовидную кривую, или нормальное распределение, но ее верхняя часть приплюснута. Это симметричная кривая, где замена левой стороны на правую соответствует замене орла на решку при бросании симметричной монетки.

Эта задача – предметный урок «экспериментальной математики», в которой компьютерные расчеты используются для выдвижения интересных гипотез. Похоже, что центральный пик достигает высоты 0,25, то есть 1/4. Кроме того, значения функции при –2 и +2 равны 0,125, то есть 1/8. В 1995 г. Кент Моррисон предположил, что обе эти гипотезы верны, но в 1998 г. он изменил свое мнение и исследовал их подробнее. С точностью до десяти знаков после запятой плотность вероятности при x = 0 составляет 0,2499150393, то есть чуть меньше 1/4. Однако с той же точностью при x = 2 значение функции равно 0,1250000000, что по-прежнему очень похоже на 1/8. Но если провести расчет до 45 знаков после запятой, значение получится следующее:

0,124999999999999999999999999999999999999999764,

что отличается от 1/8 менее чем на 10−42.

В статье Шмуланда[22] объясняется, почему эта вероятность так близка, но не равна в точности 1/8. Таким образом, очень правдоподобная гипотеза, выдвинутая на основе экспериментальных данных, оказывается ошибочной. Вот почему математики всегда настаивают на доказательствах, в точности так, как на них всегда настаивает Хемлок Сомс.

Собаки, дерущиеся в парке

Из мемуаров доктора Ватсапа

Во время обычной утренней прогулки в Равностороннем парке, что возле Мэрилбоун-роуд рядом с пабом «Пес и треугольник», я стал свидетелем любопытного инцидента и по прибытии на Бейкер-стрит, 222b не удержался от того, чтобы поделиться своими впечатлениями с коллегой.

– Сомс, я только что наблюдал любопытный…

– Инцидент. Вы видели в парке трех собак, – отозвался он, не моргнув глазом.

– Но как… конечно! На моих брюках грязь, и форма пятен и брызг указывает…

Сомс хмыкнул.

– Нет, Ватсап, мои дедуктивные выводы имеют другую основу. Они говорят мне не только, что вы видели трех собак в парке, но что эти собаки дрались.

– Так и есть! Но любопытный инцидент состоял не в этом. Наоборот, было бы любопытно, если бы собаки не стали драться.

– И правда. Нужно запомнить это замечание, Ватсап. Очень удачно сказано.

– Любопытно то, что предшествовало драке. Собаки появились одновременно в трех углах парка…

– Который представляет собой равносторонний треугольник со сторонами по 60 ярдов, – вставил Сомс.

– Ну да. И стоило собакам появиться, как каждая из них увидела противника – того, что находился от нее по часовой стрелке, – и без малейшего промедления рванула к нему.

– Все бежали с одинаковой скоростью 4 ярда в секунду.

– Склоняюсь перед вашей проницательностью. В результате все три собаки пробежали по одинаковым кривым дорожкам и одновременно столкнулись в центре парка. Никто и глазом моргнуть не успел, а они уже дрались, и мне пришлось их разнимать.

– Отсюда прорехи в вашем пальто и на брюках, а также следы зубов у вас на ноге. Я вижу, что они нанесены ирландским сеттером, ретривером и метисом бульдога с ирландским волкодавом. Хромым на переднюю левую лапу.

– Ах!

– В красном кожаном ошейнике. С колокольчиком. Который заржавел и больше не звонит. Хватило ли у вас наблюдательности, чтобы заметить, сколько времени ушло у собак на бег к точке встречи?

– Я забыл вынуть свои карманные часы, Сомс.

– Да ладно, Ватсап! Вы смотрите, но не видите. Однако в данном случае это время можно вычислить по уже установленным данным.

Считайте собак точечными объектами. Ответ см. в главе «Загадки разгаданные».

Какой высоты это дерево?

У лесничих есть один старый прием, позволяющий оценить высоту дерева, не влезая на него и не пользуясь геодезическими инструментами. Этот прием может послужить прекрасным средством взломать лед и оживить атмосферу на пикнике, если где-нибудь поблизости найдется подходящее дерево. Я познакомился с этим трюком в статье Тоби Бакленда[23]. Проделывать этот фокус рекомендуется в брюках.

Встаньте на некотором расстоянии от дерева спиной к нему. Наклонитесь и взгляните на дерево между своими ногами. Если вы не видите его вершины, отойдите подальше и повторяйте процедуру до тех пор, пока не увидите. Если вы легко видите ее, подойдите поближе на такое расстояние, чтобы вершина была едва видима. В этой точке расстояние от вас до основания дерева будет приблизительно равно его высоте.

Эта методика, если ее можно так назвать, представляет собой простое приложение евклидовой геометрии. Она основана на том, что большинство людей может посмотреть между ногами назад и вверх под углом примерно 45°. Поэтому линия взгляда на вершину дерева оказывается гипотенузой равнобедренного прямоугольного треугольника, две другие стороны которого равны.

Очевидно, точность этого метода напрямую зависит от гибкости вашего тела, но для многих из нас он дает не слишком большую ошибку. Бакленд замечает: «Попробуйте, это дешевле, чем занятия йогой, и открывает нам взгляд на мир с такого ракурса, с какого большинство из нас не видело его с детства!»

Почему у моих друзей больше друзей, чем у меня?

Бог ты мой! Кажется, у всех вокруг больше друзей, чем у меня!

Такое можно встретить и в «Фейсбуке», и в «Твиттере». Такое можно встретить на сайте любой социальной сети, но такое происходит и в реальной жизни. Это случается, если вы вдруг решаете произвести подсчет деловых или сексуальных партнеров. Начиная перебирать своих друзей, чтобы посмотреть, сколько друзей у них, получаешь весьма поучительный опыт. Мало того, что у большинства из них друзей оказывается больше, чем у вас; в среднем у всех без исключения оказывается больше друзей.

Почему же вы так непопулярны в сравнении со всеми остальными? Это внушает серьезную тревогу. Но расстраиваться нет никаких причин. Друзья большинства людей имеют больше друзей, чем сами эти люди.

Вероятно, это звучит по меньшей мере странно. Каждый в данной социальной сети имеет в среднем одно и то же число друзей; говоря конкретно, среднее существует только одно. У кого-то друзей больше, у кого-то меньше, но в среднем их… среднее количество. В этом случае кажется интуитивно правдоподобным, что и друзья этих людей в среднем тоже имеют это же число друзей. Но так ли это?

Рассмотрим пример. Он не придуман специально так, чтобы создать нестандартную ситуацию; это первое, что пришло мне в голову. Большинство сетей ведет себя точно так же. В сети (см. выше) представлено 12 человек, линии соединяют друзей. (Считаем, что все дружбы взаимны. В социальных сетях это не всегда так, но эффект, о котором идет речь, все равно возникает.) Представим несколько ключевых показателей в табличной форме.

Жирным шрифтом я выделил в последнем столбце числа, которые оказались больше, чем число во втором столбце. Это те случаи, в которых друзья X имеют в среднем больше друзей, чем сам X. Выделены 8 из 12 чисел в этом столбце, и еще в одном случае числа там и там одинаковы.

Если усреднить числа во втором столбце, получится 3. Это означает, что среднее число друзей у человека по всей социальной сети равно 3. Но большинство записей в четвертом столбце больше этого среднего значения. Что в данном случае не так с интуицией?

Ответ дают такие люди, как Джордж и Жанна, у которых особенно (и необычно) много друзей – в данном случае 5 и 6 соответственно. По этой причине при подсчете друзей у друзей их считают намного чаще, чем остальных. И поэтому они вносят больший вклад в сумму в столбце 3 и, следовательно, в среднее значение. С другой стороны, люди с небольшим числом друзей фигурируют в подсчете гораздо реже и вносят значительно меньший вклад.

Ваши друзья – не типичный пример. Среди них гораздо лучше представлены люди с большим числом друзей, поскольку шанс на то, что вы входите в число их друзей, намного выше. А люди с небольшим числом друзей представлены куда хуже. Именно этот эффект сдвигает среднее число друзей у друзей в сторону увеличения.

В третьем столбце таблицы можно увидеть, как это происходит. Число 5 фигурирует в столбце 3 пять раз – по одному у каждого из друзей Джорджа; точно так же 6 в столбце 3 встречается шесть раз, по одному у каждого из друзей Жанны. С другой стороны, вклад Алисы в столбец 3 (не в ее собственной строке, а в тех случаях, когда она сама фигурирует в других строках как друг) составляет всего лишь две двойки: одна от Боба и одна от Вероники. Таким образом, вклад Джорджа составляет 25, а вклад Жанны – даже 36, тогда как бедняжка Алиса вносит всего лишь 4.

Кому дано, приумножится.

Во втором столбце ничего подобного не происходит: каждый вносит в среднее значение, равное 3, свою справедливую долю.

На самом деле среднее значение всех чисел в столбце 4 равно 3,78, заметно больше трех. Вероятно, мне следовало бы использовать взвешенное среднее значение: сложить все числа в столбце 3 и разделить на их количество. Тогда получится 3,55, все равно больше трех.

Надеюсь, после моего объяснения вы почувствовали себя лучше.

Доказательство см. в главе «Загадки разгаданные».

Статистика. Разве это не чудесно?

По статистике, каждый год в мире откладывается 42 млн крокодильих яиц. Из них проклевывается только половина. Три четверти проклюнувшихся крокодильчиков съедается хищниками за первый месяц жизни. Из оставшихся только 5 % доживают до возраста одного года – по разным причинам.

Если бы не статистика, нас всех съели бы крокодилы!

Приключение шестерых гостей

Из мемуаров доктора Ватсапа

Меня давно расстраивала откровенная нелюбовь Сомса к обедам с гостями. Он презирает светскую болтовню и чувствует себя неловко в компании женщин, особенно привлекательных женщин, таких как моя приятельница Беатрис. Но время от времени ему приходится стискивать зубы, брать быка за рога, запасаться банальностями и посещать светские мероприятия с присутствием прекрасного пола. На них он может показать себя в разные моменты времени замкнутым, несносным, обаятельным, словоохотливым или всем одновременно в разных сочетаниях.

Событие, о котором пойдет речь, представляло собой скромный tête-à-tête, на котором присутствовали Артур и Беатрис Шипшер (брат и сестра) и Гренвилл и Доринда Лэмбшенк (муж и жена). Разумеется, я был знаком со всей четверкой; Беатрис – милая леди, не замужем, и, я убежден, поклонника у нее в настоящее время тоже нет. Сомс знал только меня, и я опасался, что из-за этого в нем могут возобладать худшие черты характера, но я надеялся расширить круг его общения. Шипшеры и Лэмбшенки прежде не встречались – то есть встречались только мужчины, которые состояли в одном клубе.

Когда гости прибыли, Сомс быстро сориентировался в ситуации, и вскоре мы уже сидели все вместе. В присутствии Сомса разговор шел неровно, он то вспыхивал, то затухал, поэтому я взял на себя смелость налить всем скромного, но вполне приемлемого шерри, а ему подал двойную порцию.

– Как необычно! Я вижу среди нас трех человек, знакомых между собой, и троих незнакомцев.

– Три – это уже обычно, – пробормотал Сомс, но, заметив мой недовольный жест, не стал развивать тему. Я долил ему вина.

Беатрис попросила меня объяснить свои слова, и я поспешил выполнить ее просьбу.

– Вы, Артур и я – каждый из нас – знаем остальных двоих: вот вам тройка взаимных знакомств.

– Мне кажется, мы с вами больше, чем просто знакомые, Джон, – ответила она.

– Счастлив это слышать, дорогая леди, – сказал я, – но я подбирал слово, которое можно было бы применить к любой паре здесь присутствующих. Напротив, Сомс, вы и Доринда совершенно не знакомы между собой, в том смысле, что до сего дня вы не встречались в обществе. Конечно, слава Сомса намного его обгоняет.

– В самом деле, – сказал Гренвилл, одарив меня кислым взглядом.

– Ну так вот, этот факт кажется мне весьма примечательным…

– А не должен бы, Ватсап, – прервал меня Сомс. – По крайней мере, присутствие одной такой тройки, знакомцев или незнакомцев, не должно казаться чем-то особенным.

– Почему нет? – спросил Артур.

– Потому что по крайней мере одна такая тройка должна возникнуть в любом месте, где соберется вместе шесть человек, – ответил Сомс. – При этом не имеет значения, кто с кем знаком.

– Черт возьми! – воскликнул Артур. – Но это же замечательно, ведь так?

– Как вы можете быть в этом уверены, мистер Сомс? – поинтересовалась Беатрис. Ее глаза сияли – и я подозревал, не только из-за шерри.

– Потому что, моя дорогая мадам, это можно доказать.

– О-о. Продолжайте, пожалуйста, мистер Сомс. Меня чрезвычайно интересуют подобные вещи.

Сомс наклонил голову, но я заметил, что на его губах мелькнула слабая улыбка. Он делает вид, что женские чары не оказывают на него никакого действия, но я-то знаю, что это лишь притворство. Ему просто не хватает уверенности в себе. Я надеюсь, что не будет хватать и дальше, потому что Беатрис очень симпатичная и скромная, настоящая находка для любого достойного мужчины. Для меня, к примеру.

– Доказательство будет понятнее всего, если представить его в виде диаграммы, – сказал Сомс. Он поднялся, подошел к обеденному столу и взял из стопки несколько тарелок и столовых приборов; попутно он отмел все мои возражения вместе с несколькими салфетками, горчицей и горшком с геранью.

– Тарелки представляют нас шестерых, – объявил Сомс, подписывая на тарелках наши инициалы палочкой театрального грима, которая, видимо, сохранилась у него сувениром того времени, когда он обдумывал карьеру на сцене. – Вилка, соединяющая двух людей, означает, что они знакомы; нож между ними означает, что нет.

– Взгляды как кинжалы, значит, – заметила Беатрис. Я поспешил поаплодировать ее остроумию и наполнить ее бокал.

– К примеру, меня и Ватсапа соединяет вилка в центре стола, но со всеми остальными меня соединяет нож. Таким образом, как проницательно заметил Ватсап, треугольник ВАБ состоит из вилок, а треугольник СБД – из ножей. Однако я утверждаю, что, как бы мы ни разложили ножи и вилки, на столе всегда будет присутствовать по крайней мере один треугольник, образованный одинаковыми приборами.

– Но, может быть, оба, мистер Сомс? – спросила Беатрис. Ее глаза не отрываясь следили за каждым его движением.

– Иногда да, мадам, но не всегда. Если взять крайний случай, то есть если на столе окажутся одни только вилки, то никакого треугольника из ножей не образуется; или, если там будут только ножи, не образуется треугольника из вилок.

Беатрис кивнула с серьезным видом.

– В таком случае представляется, – протянула она, – что по мере того, как вилки заменяются ножами и возможность образования треугольника из вилок уменьшается, возможность образования треугольника из ножей, наоборот, увеличивается.

Сомс кивнул.

– Очень хорошо сформулировано, мадам. Для доказательства достаточно всего лишь показать, что второе появляется раньше, чем исчезает первое. Для определенности выберем одну конкретную тарелку. Любую. На нее указывают пять приборов. По крайней мере три из них должны быть одного типа. Почему?

– Потому что если там окажется два одних и два других, то всего приборов будет максимум четыре, – сразу же сказала Беатрис.

– Очень хорошо! – объявил я прежде, чем Сомс успел озвучить аналогичный комплимент.

– Так, – сказал он, – рассмотрим набор из трех одинаковых приборов – будем считать, что это вилки, в случае с ножами будет то же самое, – и посмотрим на тарелки, на которые они указывают. Конечно, на остальные, не на ту, которую выбрали в самом начале. Видим, что либо одна из этих тарелок связана с другой вилкой, либо…

– Все три связаны ножами! – воскликнула она. – В первом случае мы нашли треугольник из вилок, во втором – из ножей. Да, мистер Сомс, теперь, когда вы все это так ясно объяснили, это кажется…

– Совершенно очевидным, – вздохнул Сомс, делая большой глоток шерри.

Это замечание немного остудило ее энтузиазм, и я помахал ей рукой, извиняясь за грубость моего товарища. От ее ответной улыбки у меня потеплело на сердце.

Эта область математики носит название теории Рамсея. Дополнительную информацию см. в главе «Загадки разгаданные».

Как записывать очень большие числа

Сколько песчинок во Вселенной? Архимед, величайший из древнегреческих математиков, решил в порядке борьбы с господствовавшим тогда представлением о том, что ответом на этот вопрос является бесконечность, найти способ выражения очень больших чисел. В его книге «Исчисление песчинок» предполагалось, что Вселенная имеет размеры, которые приписывали ей греческие философы, и что она целиком заполнена песком. Архимед рассчитал, что в этом случае в ней содержалось бы (в нашем десятичном представлении) не более 1 000… 000 песчинок (число с 63 нулями).

Это много, но не бесконечное количество. Существуют ли числа еще больше?

Математикам известно, что наибольшего (целого) числа не существует. Числа могут быть сколь угодно большими. Причина проста: если бы наибольшее число существовало, его можно было бы сделать еще больше, прибавив 1. Большинство детей, освоивших десятичную запись, быстро понимают, что любое число можно сделать больше (мало того, вдесятеро больше), просто приписав к его концу еще один нолик.

Однако, несмотря на то что в принципе предела для величины числа не существует, у нас часто имеются практические ограничения, присущие выбранному нами способу записи чисел. К примеру, римляне записывали числа при помощи букв I (1), V (5), X (10), L (50), C (100), D (500) и M (1000), объединяя их в группы для получения промежуточных чисел. Так что числа 1–4 записывались I, II, III, IIII, за исключением того, что IIII часто заменяли на IV (5 минус 1). В этой системе наибольшее число, которое вы можете записать, равно:

MMMMCMXCIX = 4999,

или еще на тысячу меньше, если ограничиться только тремя M.

Однако иногда римлянам требовались числа и побольше. Чтобы обозначить миллион, они ставили черточку (римское название vinculum) над M, получая M. Вообще, черточка над буквой увеличила ее значение в тысячу раз, но такая запись использовалась редко, и даже когда использовалась, то ставилась лишь один раз, так что максимум, до чего можно было добраться таким образом, – это несколько миллионов. Ограничения этой символьной системы ясно показывают, что размер чисел, которые можно записать, всегда зависит от используемой системы представления чисел.

В настоящее время мы можем пойти значительно дальше. Миллион – это 1 000 000, так, мелочь. Мы можем получить намного более крупные числа, просто подставив в конце еще нуликов и наблюдая, как возрастает число стандартных групп по три цифры (математики нередко разделяют их тонким пробелом для наглядности). В западном мире существуют стандартные наименования для больших чисел, отражающие эту традицию: миллион, биллион, триллион, … и далее до сентиллиона. Но человек так устроен, что у него не может быть все просто, особенно в математике, поэтому эти слова имеют (или, по крайней мере, имели раньше) разные значения по разные стороны Атлантики. В США биллион равен 1 000 000 000, но в Великобритании этим словом называют 1 000 000 000 000 – то есть то, что американцы назвали бы триллионом. Однако в нынешнем взаимосвязанном мире победил американский вариант – возможно, потому, что «миллиард» (британское название для тысячи миллионов), во-первых, устаревает и, во вторых, его слишком легко спутать с «миллионом». А биллион[24] – чудесное круглое число для международных финансов, по крайней мере до тех пор, пока мировые банки не выбросят на ветер финансового кризиса так много, что нам придется привыкать думать в триллионах.

Эти же числа можно записать и проще, если использовать степени 10. В этом случае 10^6 обозначает 1 с шестью нулями, то есть миллион. Число 6 здесь называют показателем экспоненты. Биллион – это 10^9 (миллиард), или 10^12 (триллион) в старомодном британском варианте. Сентиллион превращается в 10^303 (10^600 в британском варианте). Признанные расширения к стандартным названиям существуют вплоть до миллиниллиона, 10^3003. Существует несколько систем таких расширений, но жизнь слишком коротка, чтобы описывать их все или хотя бы подробно описывать разницу между ними.

Еще два названия для больших чисел, которые также можно найти в большинстве словарей, – это гуголь и гугольплекс. Гуголь – это 10100 (1 со ста нулями); название придумал в свое время девятилетний племянник Джеймса Ньюмена Милтон Сиротта. Сиротта предложил и еще большее число – гуголплекс, которое определил так: «Я писал нули, пока ты не устал». Некоторая неопределенность количества нулей потребовала уточнения: «Я поставил еще гугол нулей».

Это более интересно, поскольку здесь мы сталкиваемся с той же проблемой, с какой столкнулись когда-то римляне, с той разницей, что они занялись ею намного раньше. Если вы попытаетесь записать гуголплекс в десятичном виде, как 1 000 000 000 …, то вам не хватит жизни, чтобы добраться до его конца. Строго говоря, вам не хватит для этого времени жизни всей Вселенной. Считая, что современные космологические представления верны, Вселенная, вероятно, закончит свое существование раньше, чем вы закончите писать это число. Во всяком случае, места для всех этих нулей вам не хватит даже в том случае, если каждый из них размером будет не больше кварка.

Однако существует и компактный способ записи гуголплекса: итерационная экспонента, или экспонента экспоненты. А именно:

1010¹⁰⁰.

И раз уж вы начали думать о подобных вещах, то добавим, что этот метод позволяет добраться до по-настоящему очень больших чисел. В 1976 г. ученый-компьютерщик Дональд Кнут придумал способ записи очень больших чисел, которые, помимо всего прочего, фигурируют в некоторых областях теоретической информатики. Когда я говорю «очень больших», я подразумеваю очень большие числа – настолько большие, что способа даже начать их записывать в традиционной нотации просто не существует. Гуголплекс, то есть единица с 10^100 нулей, меркнет по сравнению с большинством чисел, которые можно записать при помощи нотации со стрелочкой Кнута.

Кнут начинает с записи

a↑b = ab.

К примеру, 110↑2 = 100, 10↑3 = 1000, 10↑100 – гугол, а 10↑(10↑100) – гуголплекс. Традиционная договоренность о том, в каком порядке вычисляются экспоненты (справа налево), позволяет нам записать это проще – как 10↑10↑100. Не нужно обладать особенно развитым воображением, чтобы записать, скажем, 10↑10↑10↑10↑10↑10↑10.

Но это только начало. Пусть

a↑↑4 = a↑(a↑(a↑a)).

К примеру,

2↑↑4 = 2↑(2↑(2↑2)) = 2↑(2↑4) = 2↑16 = 65 536

и

3↑3 = 3↑3↑3 = 3↑27 = 7 625 597 484 987.

Числа растут настолько стремительно, что записать их цифра за цифрой очень скоро становится попросту невозможно. К примеру, в числе 4↑↑4 насчитывается 155 десятичных знаков. Но в этом-то и смысл: стрелочная нотация обеспечивает компактный способ обозначения гигантских чисел. Однако мы едва начали. Пусть

a↑↑↑b = a↑↑a↑↑…↑↑a,

где a в правой части равенства фигурирует b раз. Здесь опять же вычисляются справа налево. Ну, вы понимаете: далее мы можем ввести

a↑↑↑↑b = a↑↑↑a↑↑↑…↑↑↑a,

a↑↑↑↑↑b = a↑↑↑↑a↑↑↑↑…↑↑↑↑a,

и т. д., где, как обычно, a присутствует b раз, а оценка производится справа налево.

Р. Гудштейн развил нотацию Кнута и упростил ее, введя выражения, названные им гипероператорами. Джон Конвей разработал собственную стрелочную нотацию с горизонтальными стрелочками и скобками.

В теории струн – области теоретической физики, целью которой является объединении теории гравитации с квантовой механикой, число 10↑10↑500 имеет вполне определенный смысл: это число потенциально различных структур пространства – времени. Согласно Дону Пейджу, самое длинное конечное время, в явном виде рассчитанное физиками, составляет всего лишь

10↑10↑10↑10↑10↑1,1 лет.

Это время возвращения Пуанкаре для квантового состояния черной дыры с массой, равной массе всей Вселенной, то есть время, через которое эта система вернется в свое первоначальное состояние и, по существу, история повторится.

Число Грэма

Иногда математикам требуются более крупные числа, чем физикам. Не только, надо заметить, для развлечения: дело в том, что такие числа на самом деле иногда всплывают в разумных актуальных задачах. Число Грэма, названное в честь американца Рона Грэма, возникает в комбинаторике – математике подсчета различных способов перестановки объектов или выполнения каких-то условий.

В 1978 г. Грэм и Брюс Ротшильд работали над задачей о гиперкубах – многомерных аналогах куба. У квадрата 4 угла, у куба – 8, у четырехмерного гиперкуба – 16, а у n-мерного гиперкуба – 2n углов. Они соответствуют всем возможным последовательностям из n нулей и единиц в системе n координат.

Возьмем n-мерный гиперкуб и проведем линии, соединяющие все пары углов. Покрасим каждую линию либо в красный цвет, либо в синий. Для какого наименьшего n в любой схеме такой раскраски найдется по крайней мере один набор из четырех углов, лежащих на одной плоскости, таких, что все соединяющие их отрезки окрашены в один и тот же цвет?

Два упомянутых математика доказали, что такое число n существует, что далеко не очевидно. Ранее Грэм нашел более простое доказательство, но с использованием большего числа: в стрелочной нотации Кнута n, о котором идет речь, не превосходит

Здесь числа под горизонтальными фигурными скобками указывают, сколько стрелок стоит над соответствующей скобкой. Смотреть нужно снизу вверх, начиная с самой нижней строки: в предпоследнем (63-м) слое стоит 3↑↑↑↑3 стрелки. Далее, число с таким количеством стрелочек дает нам число стрелочек в следующем, 62-м слое. А число с таким количеством стрелочек – число стрелочек в 61-м слое!.. Извините, ни одно из этих чисел нельзя записать в стандартной десятичной нотации. В этом отношении они намного хуже гуголплекса. Но в этом и заключается их прелесть…

Это и есть число Грэма, и оно поистине громадно. Более чем. Величина, найденная Грэмом и Ротшильдом, меньше, но по-прежнему до безобразия велика, и объяснять ее сложнее, так что я не буду этим заниматься.

Как ни смешно, специалисты, работающие в этой области, считают, что это число можно сделать намного меньше. А именно, что годится даже n = 13. Но это пока не доказано. Грэм и Ротшильд доказали, что n не может быть меньше 6; Джефф Эксоо поднял эту величину до 11 в 2003 г.; наилучший результат на сегодняшний день гласит, что n не должно быть меньше 13, что доказал Джером Баркли в 2008 г.

Дополнительную информацию см. в главе «Загадки разгаданные».

В моей голове это не укладывается

Когда ученые говорят о больших числах, таких как возраст Вселенной (13,798 млрд лет, или около 4,35 секстиллиона секунд) или расстояние до ближайшей звезды (0,237 светового года, или около 2,24 трлн км), мы, как правило, произносим что-нибудь вроде «в голове не укладывается». То же можно сказать об издержках глобального финансового кризиса, составивших, по одной из верхних оценок, для экономики Великобритании 1,162 трлн[25] фунтов стерлингов. Или, скажем, круглым счетом триллион, 10¹² фунтов стерлингов.

Миллионы, миллиарды, триллионы – для многих несведущих людей эти слова очень похожи, да и означают примерно одно и то же: они слишком велики и просто в голове не укладываются.

Неспособность человека осознать и «прочувствовать» большие числа сказывается на наших взглядах во многих областях, в первую очередь в политике. Когда Эйяфьятлайокудль в Исландии начал плеваться вулканическим пеплом и вынудил отстаиваться на земле большую часть британских самолетов, было много протестов, особенно со стороны авиалиний. (Мне и самому не повезло: вместо того чтобы полететь в Эдинбург, мне пришлось срочно менять планы и ехать на автомобиле.) Было подсчитано, что простои обходились индустрии авиаперевозок в 100 млн фунтов в день: 10^8 фунтов.

Говоря по справедливости, эти потери выпали на долю относительно небольшого числа компаний. Но общее возмущение превосходило, пожалуй, по масштабу реакцию на финансовый кризис.

Секрет сравнения больших чисел заключается в том, что вам не обязательно добиваться, чтобы они помещались у вас в голове. Мало того, лучше, наверное, их туда и не пускать. Все, что нужно, сделает за вас математика – достаточно будет даже базовой арифметики. К примеру, можно спросить себя, как долго должен продлиться запрет на полеты, чтобы экономические потери от него сравнялись с потерями от банковского кризиса. Расчет показывает:

цена банковского кризиса: 10¹² фунтов;

цена одного вулканического дня: 10^8 фунтов;

10^12/10^8 = 10^4 дней = 27 лет.

Этот период представляется мне в высшей степени наглядной величиной: очевидно, что 27 лет – это намного дольше, чем один день. Поэтому я вполне могу осознать, что запрет на полеты должен был бы продолжаться 27 лет, чтобы потери от него сравнялись с экономическим ущербом от банковского кризиса, не обращая внимания на то, что большие числа, участвующие в расчете, не укладываются у меня в голове.

Именно для этого и нужна математика. Не нужно, чтобы вещи укладывалисьу вас в голове: лучше их посчитать.

Дело водителя с уровнем выше среднего

Из мемуаров доктора Ватсапа

Я с отвращением бросил газету на стол.

– Послушайте, Сомс… Вы только взгляните на эту нелепую статистику!

Хемлок Сомс хмыкнул и сосредоточился на раскуривании трубки.

– Семьдесят пять процентов кэбменов уверены, что их способности к управлению кэбом выше средних!

Сомс поднял голову.

– Что же в этом нелепого, Ватсап?

– Ну, я… Сомс, но это же просто невозможно! Все они, должно быть, имеют о себе завышенное мнение!

– Почему?

– Потому что среднее должно быть в середине.

Детектив вздохнул.

– Обычное заблуждение, Ватсап.

– Заблуж… что здесь не так?

– Да почти все, Ватсап. Представьте, что 100 человек оценили по шкале от 0 до 10. Если 99 из них получили оценку 10, а один – оценку 0, какое будет среднее?

– Э-э… 990/100… это будет 9,9, Сомс.

– И сколько из них окажется выше среднего?

– Э-э… 99.

– Я же говорю, заблуждение.

Но меня непросто было отвлечь.

– Но все они лишь чуть-чуть превосходят среднее, Сомс, да и данные не слишком типичны.

– Я намеренно выпятил этот эффект, чтобы сделать его более заметным, Ватсап. Любые сдвинутые – асимметричные – данные, как правило, ведут себя сходным образом. Предположим, к примеру, что большинство кэбменов достаточно компетентны, значительное меньшинство ужасны, а несколько человек – очень немного – превосходны в своем деле. Кто из кэбменов в таком случае окажется выше среднего?

– Ну… дурные утянут среднее значение вниз, и превосходных не хватит, чтобы их уравновесить… Господи! Все компетентные и превосходные кэбмены окажутся выше среднего!

– В самом деле, – отозвался Сомс. Он быстро набросал на каком-то случайном листе диаграмму. – С этими данными, которые более реалистичны, среднее значение равно 6,25, и 60 % кэбменов оказываются выше него.

– Так что статья в Manchester Mirrograph ошибочна? – поинтересовался я.

– Вас это удивляет, Ватсап? Откровенно говоря, у них редко попадаются полностью правдивые статьи. Но здесь журналист угодил в обычную ловушку. Он спутал среднее значение с медианным, которое определяется как значение, для которого половина оценок находится выше, а половина – ниже. Эти две величины часто не совпадают.

– Получается, что 75 % кэбменов ни при каких обстоятельствах не могут иметь уровень выше медианного?

– Только если число кэбменов равно нулю.

– Но при этом 75 % кэбменов в принципе может иметь уровень выше среднего?

– Да.

– И это не означало бы, что у них всех завышенное самомнение?

Сомс снова вздохнул.

– А вот это, мой дорогой Ватсап, совсем другой коленкор, и даже другого цвета. Существует распространенная форма когнитивной ошибки, которую называют иллюзорным превосходством. Многие воображают себя выше других, даже если это на самом деле не так. Почти все мы страдаем этим заблуждением, за исключением, естественно, меня. В прошлом месяце журнал Quantitative Phrenology and Cognition[26] написал, что 69 % шведских кэбменов считают свои способности выше медианных. Это точно иллюзия, даже не сомневайтесь.

Реальные современные данные см. в главе «Загадки разгаданные».

Куб «Мышеловка»

Джереми Фаррелл придумал магический словарный куб, который подчиняется тем же правилам, что и его магические квадраты. В кубе задействовано слово MOUSETRAP (мышеловка), а буквам присвоены следующие магические значения: M = 0, O = 0, U = 2, S = 6, E = 9, T = 18, R = 3, A = 1, P = 0. Некоторые из слов куба представляют собой личные имена, а некоторые используются очень редко. К примеру, OSE – это имя какого-то демона, а также название мест в Японии, Нигерии, Польше, Норвегии и на острове Скай. Тем не менее поразительно уже то, что такую вещь в принципе можно сделать.

Числа Серпинского

Специалисты по теории чисел, занятые поисками больших простых чисел, часто рассматривают числа вида k2n + 1 для какого-то выбранного k при разных n. Пробные расчеты позволяют предположить, что для большинства значений k среди этих чисел встречается по крайней мере одно простое число, часто больше. К примеру, если k = 1, то 1 × 2n + 1 является простым для n = 2, 4, 8. Если k = 3, то 3 × 2n + 1 простое при n = 1, 2, 5, 6, 8, 12. Если k = 5, то 5 × 2n + 1 простое при n = 1, 3, 7. (В общем случае мы можем разделить k на 2 столько раз, сколько нужно, чтобы получить нечетное число, а все двойки включить в 2n. Поэтому можно смело считать k нечетным, не теряя общности. К примеру, 24 × 2n = 3 × 23× 2n = 3 × 2n+3.)

Соблазнительно предположить, что для любого k³≥2 существует по крайней мере одно простое число вида k2n + 1. Однако в 1960 г. Вацлав Серпинский доказал, что существует бесконечно много нечетных k, для которых все числа вида k2n + 1 являются составными. Эти числа получили название чисел Серпинского.

В 1992 г. Джон Селфридж доказал, что 78 557 – число Серпинского; он показал, что все числа вида 78 557 × 2n + 1 делятся по крайней мере на одно из чисел 3, 5, 7, 13, 19, 37, 73. Говорят, что эти числа образуют покрывающее множество. Приведем первые десять известных чисел Серпинского:

78 557 271 129 271 577 322 523 327 739

482 719 575 041 603 713 903 983 934 909

Считается, что 78 557 – наименьшее число Серпинского, но пока этот факт никем не доказан и не опровергнут. В 2002 г. на сайте www.seventeenorbust.com был организован поиск простых чисел вида k2n + 1, существование которых доказывало бы, что k не является числом Серпинского. Когда поиск только начинался, у математиков было 17 кандидатов на роль чисел Серпинского, не превышающих 78 557, но постепенно они были ликвидированы, так что осталось только шесть: 10 223, 21 181, 22 699, 24 737, 55 459 и 67 607. Попутно в рамках проекта было найдено несколько очень больших простых чисел.

Джеймс Джозеф кто?

Джеймс Джозеф Силвестер – английский математик, работавший с Артуром Кейли, в частности в области теории матриц и теории инвариант. Всю жизнь он очень интересовался поэзией и часто вставлял стихотворные цитаты в свои математические научные статьи. В 1841 г. он переехал в США, но вскоре вернулся обратно. В 1877 г. он вновь пересек Атлантику, занял место первого профессора математики в Университете Джона Хопкинса и основал American Journal of Mathematics, издающийся с немалым успехом и сегодня. Он вернулся в Англию в 1883 г.

Изначально его звали просто Джеймс Джозеф. Когда его старший брат эмигрировал в США, в офисе иммиграционной службы ему сказали, что у каждого должно быть по три имени: два имени и фамилия. По какой-то причине брат взял себе новую фамилию – Силвестер, сделав прежнюю вторым именем. Джеймс Джозеф последовал примеру брата.

Ограбление в Баффлхэме

Из мемуаров доктора Ватсапа

При ограблении величественного особняка лорда Баффлхэма из сейфа похитили несколько изумрудов и рубинов. Сомс, которого пригласили расследовать дело, быстро заподозрил двух гостей – леди Изабеллу Никетт и баронессу Руби Робхэм. Та и другая испытывали серьезные материальные трудности и, без сомнения, не устояли перед искушением. Но где доказательства?

Обе дамы признались, что у них есть кое-какие драгоценности, но утверждали, что это их собственность. Сомсу пока не удалось убедить инспектора Роулейда получить ордер на обыск в аристократических домах, хотя это могло бы разрешить все проблемы; пока же он не мог заглянуть в шкатулки с драгоценностями означенных дам.

– Дело, – сказал Сомс, – определяется тем, сколько драгоценностей имеют наши две дамы. Если их число совпадает с числом похищенных вещей, мы получаем последнее необходимое доказательство. Роулейд готов запросить ордер на обыск, но только если мы сможем снабдить его этими двумя числами.

– Изабелла заявила, что у нее имеются только изумруды, – пробормотал я вполголоса. – А Руби говорит, что у нее только рубины.

– В самом деле. Я уверен, что оба эти заявления правдивы. Далее, из показаний лакея следует, что число тех и других драгоценностей лежит в интервале от 2 до 101 включительно.

– Кухарка не настроена болтать о хозяйках, – заметил я. – Но мне удалось убедить ее открыть произведение этих двух чисел.

– А дворецкий, тоже неболтливый, но убежденный аргументом в виде десяти золотых соверенов, назвал мне их сумму, – отозвался Сомс.

– Значит, мы можем, решив квадратное уравнение, найти оба числа! – возбужденно воскликнул я.

– Разумеется, хотя мы не будем знать, какое из чисел относится к изумрудам, а какое – к рубинам, – протянул Сомс. – Данные симметричны. Но любого совпадения будет достаточно, чтобы инспектор Роулейд получил ордер на обыск, а там все, я не сомневаюсь, найдется.

– Если вы назовете мне произведение, – сказал я, – то я смогу решить уравнение.

– Ах, мой дорогой Ватсап, вам не достает утонченности, – критически заметил Сомс. – Дайте посмотреть, нельзя ли вывести числа без этого… Так, знаете, чему они равны?

– Нет.

– Я так и знал, – заявил Сомс, к моему раздражению. Если знал, зачем спрашивать? Неожиданно меня осенило.

– Теперь я тоже знаю эти числа, – объявил я.

– В таком случае я тоже их знаю, Ватсап.

Какие это два числа? Ответ см. в главе «Загадки разгаданные».

Квадриллион знаков числа π

В настоящее время нам известно десятичное значение π с точностью до 12 100 000 000 050 знаков; соответствующий расчет провел в 2013 г. Сигеру Кондо, и потребовалось ему на это 94 дня. На самом деле никому нет дела до того, какой получен ответ, но известно, что замечательные рекордные усилия такого рода нередко приводят к новым озарениям, а также являются хорошим способом проверки новых суперкомпьютеров. Одно из самых забавных открытий состоит в том, что можно вычислять отдельные цифры десятичной записи π без нахождения всех предыдущих цифр. Однако в настоящее время мы можем это делать только в шестнадцатеричной нотации, то есть в системе счисления с основанием 16, из которой можно без труда получить цифры в системах счисления с основаниями 8, 4 и 2 (двоичной). Эта идея работает и для других констант, не только для π, а также для троичной системы счисления, но систематической теории на этот счет пока нет. Для десятичной нотации, то есть для системы счисления с основанием 10, ничего подобного не известно.

Первоначальное открытие, формула ББП (Бейли – Боруэйна – Плаффа), изложена ниже; вы найдете ее также в «Кабинете…» на с. 264. Это бесконечный ряд, при помощи которого можно вычислить конкретный шестнадцатеричный знак числа π, не вычисляя при этом предыдущих его знаков. Так что мы можем быть уверены, что квадриллионный двоичный знак числа π – нуль, благодаря проекту PiHex; пройдя еще дальше, скажем, что двухквадриллионный двоичный знак π также равен 0, благодаря расчету, проведенному одним из сотрудников компании Yahoo! и занявшему 23 дня. Несмотря на все наши познания, для того чтобы найти предыдущий знак, потребовался бы еще один столь же длительный расчет.

В 2011 г. Дэвид Бейли, Джонатан Боруэйн, Эндрю Маттинли и Гленн Уайтвик составили обзорное исследование этого вопроса[27]. Авторы описали способ нахождения знаков числа π² в системе счисления с основанием 64, знаков числа π² в системе счисления с основанием 729 и знаков числа, известного как постоянная Каталана, в системе счисления с основанием 4096, начиная с 10-триллионной позиции.

История начинается с последовательности, известной еще Эйлеру:

Благодаря степеням двойки, которые здесь фигурируют, этот ряд можно преобразовать в метод вычисления конкретных двоичных знаков ln 2. По мере роста номера знака вычисления остаются реализуемыми, хотя и занимают гораздо больше времени.

Формула ББП выглядит так:

и степени 16 делают возможным вычисление конкретных шестнадцатеричных знаков числа π. Поскольку 16 = 2^4, ряд можно использовать также для вычисления двоичных знаков.

Ограничивается ли такой подход только этими двумя константами? С 1997 г. математики ведут непрекращающийся поиск аналогичных бесконечных рядов для других постоянных величин, и им уже удалось найти их немалое количество. В том числе для π², ln² 2, π ln 2, ζ (3), π³, ln³ 2, π²ln 2, π^4, ζ (5),

где

есть Риманова дзета-функция. Удалось сделать то же для постоянной Каталана

Некоторые из этих рядов дают знаки в троичной системе счисления или системе с основанием, равным какой-нибудь степени 3. К примеру, при помощи поразительной формулы Дэвида Броудхерста

можно вычислять знаки π² в системе счисления с основанием 729 = 3^6.

Нормально ли число π?

Десятичные знаки числа π кажутся случайными, но они не могут быть по-настоящему случайными, потому что всякий раз при вычислении числа π вы получаете ровно одно и то же (если, конечно, не ошибаетесь в процессе вычисления). Считается, что, как почти в любой случайной последовательности цифр, где-то в десятичном выражении числа π встречается любая конечная последовательность цифр. Более того, данная последовательность встречается бесконечно часто, хотя и с кучей мусора между двумя последовательными включениями, и в той же пропорции, которую следовало бы ожидать для случайной последовательности.

Можно доказать, что это свойство, известное как нормальность, выполняется для «почти всех» чисел: в любом достаточно большом наборе чисел доля нормальных подходит сколь угодно близко к 100 %. Но это правило оставляет и лазейку, поскольку любое конкретное число, скажем π, может оказаться исключением. Но является ли оно исключением? Мы не знаем. До недавнего времени этот вопрос казался безнадежным, но формулы, подобные приведенным выше, открыли новую линию атаки, которая в принципе может решить вопрос в отношении двоичных (или шестнадцатеричных) чисел.

Связь между этими задачами возникает через другую математическую процедуру, итерационную. Здесь мы начинаем с какого-то числа, применяем к нему некое правило, чтобы получить другое число, и последовательно применяем то же правило к полученным числам, чтобы получить некую последовательность чисел. К примеру, если мы начнем с 2 и применим правило «возвести в квадрат», получим последовательность

2 4 16 256 65 636 4 294 967 296 …

Двоичные знаки числа, к примеру ln 2, можно получить при помощи итерационной формулы

начиная с x0 = 0. Пояснение (mod 1) означает «вычесть целую часть», так что π (mod 1) = 0,14159… Эта формула привела бы к доказательству того, что ln 2 нормален по основанию 2, если бы удалось показать, что полученные в результате числа равномерно распределены по интервалу от 0 до 1. Подобная «равнораспределенность» встречается довольно часто. К несчастью, никто не знает, как доказать, что она распространяется на приведенную итеративную формулу, но сама по себе эта идея перспективна и, вполне возможно, со временем даст результат.

Для π тоже существует похожая, но более сложная итеративная формула:

Если эта формула дает равномерное распределение, то π нормально в двоичной системе.

Все вышеизложенное приводит нас наконец к очень странному открытию. Растянем интервал от 0 до 1 в 16 раз, так что yn = 16xn будут распределены на интервале от 0 до 16. Тогда целая часть последовательных yn будет лежать в интервале от 0 до 15. Эксперимент показывает, что эти числа в точности соответствуют последовательным шестнадцатеричным знакам числа π – 3. Этот факт проверен на компьютере для первых 10 млн знаков. Получается, по существу, что это дает нам формулу для n-го шестнадцатеричного знака π. Чем дальше вы заходите, тем сложнее становятся вычисления, и на упомянутую проверку ушло 120 часов.

Есть веские причины ожидать, что это утверждение подтвердится, но пока оно недотягивает до строгого доказательства. Известно, что ошибок, если они есть, очень мало. Поскольку на первых 10 млн шагов их не обнаружено, вероятность того, что они встретятся позже, составляет около одной миллиардной. Однако это не доказательство – всего лишь отличная причина надеяться, что доказательство существует и его можно найти.

Последняя гипотеза, также основанная на убедительных данных, показывает, насколько необычна эта область математики. А именно: ничего подобного нельзя сделать с другой известной константой – числом e, основанием натуральных логарифмов, приблизительно равным 2,71828. Похоже, в числе π есть что-то особенное в сравнении с числом e.

Математик, статистик и инженер…

…отправились на скачки. После забегов они встретились в баре. Инженер топил в пиве свои печали.

– Не могу понять, как я умудрился потерять все свои деньги. Я измерил коней, рассчитал, какой из них механически самый эффективный и выносливый, и вывел, как быстро каждый из них способен бежать…

– Это все очень хорошо, – сказал статистик, – но вы забыли, что индивидуальное состояние изменчиво. Я провел статистический анализ их предыдущих забегов и нашел при помощи байесовских методов и оценки максимального правдоподобия, какой конь выиграет с наибольшей вероятностью.

– И он выиграл?

– Нет.

– Позвольте мне угостить вас всех, парни, – сказал математик, вытаскивая из кармана распухший бумажник. – У меня сегодня дела шли неплохо.

Остальные посмотрели на него с интересом. Вот человек, который понимает кое-что в лошадях. Математика с трудом уговорили поделиться секретом, и он неохотно начал:

– Рассмотрим бесконечное число одинаковых сферических коней…

Озера Вады

Топология часто контринтуитивна. Это делает ее трудной для освоения, но и интересной. Вот странный топологический факт, имеющий прикладное значение в численном анализе.

Две области на плоскости могут иметь общую границу; представьте себе, к примеру, англо-шотландскую или американо-канадскую границу. Три и больше областей могут иметь общую граничную точку: в американских «Четырех углах» сходятся штаты Аризона, Колорадо, Нью-Мексико и Юта.

При некоторой изобретательности любое число областей можно организовать так, чтобы они имели две общие граничные точки. Однако представляется невозможным, чтобы три или более областей имели более двух общих граничных точек. Не говоря уже о том, чтобы они имели целиком общую границу.

Однако это возможно.

Во-первых, мы должны точно определить, что такое граничная точка. Предположим, у нас имеется некоторая область на плоскости. Необязательно многоугольник, это может быть любая фигура, в том числе очень сложная – вообще любой набор точек. Говорят, что точка лежит в замыкании области, если любой круг ненулевого (пусть сколь угодно малого) радиуса с центром в этой точке содержит некую точку, лежащую в этой области. Говорят, что точка лежит внутри области, если область включает в себя некоторый круг ненулевого радиуса с центром в этой точке. Тогда граница области состоит из всех точек ее замыкания, не лежащих внутри нее.

Поняли? По существу это то, что лежит на краю, но не внутри.

Для области в виде многоугольника, ограниченной набором отрезков прямых, граница состоит из этих отрезков, так что данное нами определение в этом случае вполне соответствует обычным представлениям. Можно доказать, что три и более многоугольных областей не могут иметь одну и ту же границу. Но для более сложных областей это неверно. В 1917 г. японский математик Кунидзё Ёнеяма опубликовал пример трех областей, имеющих одну и ту же границу. Он сказал, что идею таких областей предложил его учитель Такео Вада. Соответственно, сами области (или аналогичные им) были названы «озерами Вады».

Эти три области строятся шаг за шагом в ходе бесконечного процесса. Начинаем с трех квадратных областей.

Затем расширяем первую область, добавив дорожку, которая обойдет вокруг всех трех областей. Делаем это так, чтобы каждая точка на границе любого из квадратов лежала близко к дорожке. Проследим также, чтобы дорожка не замыкалась сама на себя, оставив дыру в получившейся области.

Затем расширяем вторую область, добавляя к ней более узкую тропку, которая обходит вокруг всех трех областей, построенных до сих пор.

Продолжаем в том же духе, прокладывая еще более узкую тропинку от третьей области. Затем возвращаемся к первой, добавляем к ней еще более узкую тропинку и т. д.

Повторяем это построение бесконечное число раз. Получившиеся области многократно окружены бесконечно сложной сетью бесконечно узких тропинок. Но поскольку с каждым шагом области подходят все ближе ко всему, построенному до того, в конечном итоге все три области имеют одну и ту же (бесконечно сложную) границу.

Первоначально озера Вады были придуманы с целью показать, что топология плоскости не так проста, как можно вообразить. Много лет спустя выяснилось, что такие области возникают сами собой в численных методах решения алгебраических уравнений. К примеру, кубическое уравнение x³ = 1 имеет лишь одно действительное решение x = 1; кроме того, у него есть два комплексных решения  где =√−. Комплексные числа можно представить как точки на плоскости, где число x + iy соответствует точке с координатами (x, y).

Стандартный метод нахождения численных аппроксимаций начинается со случайно выбранного комплексного числа; затем особым образом вычисляется второе число, а затем процесс повторяется, пока числа не сблизятся. Результат, полученный таким образом, близок к решению. К какому именно из трех решений он близок, зависит от того, где вы начинаете, и происходит это весьма хитроумным образом. Предположим, мы окрасим точки на комплексной плоскости в соответствии с тем, к какому решению они ведут: пусть, к примеру, это будет серый цвет, если решение x = 1, светло-серый, если решение и темно-серый, если решение Тогда точки, окрашенные в заданный оттенок серого, обозначат область, и можно доказать, что все три области имеют одну и ту же границу.

В отличие от построения Вады, области здесь не являются связными: они разбиваются на бесконечное множество отдельных кусочков. Однако поразительно, что области такой сложности возникают естественно в такой фундаментальной задаче численного анализа.

Последний лимерик Ферма[28]

И стар и млад в науке шаткой

Лет триста бились над загадкой.

Наконец-то решенье:

Прав Ферма, прочь сомненья…

Толстый том плюс к той записи краткой.

Ошибка Малфатти

Из мемуаров доктора Ватсапа

– Необычайно! – воскликнул я.

Сомс бросил в мою сторону недовольный взгляд, очевидно раздраженный тем, что его прервали, – в тот момент он с упоением копался в своей обширной коллекции гипсовых отпечатков беличьих следов.

– Ответ кажется очевидным, но тем не менее, судя по всему, неверен! – воскликнул я.

– С очевидным это бывает, – заметил Сомс. – В смысле, оказывается неверным, – добавил он тоном пояснения.

– Слышали когда-нибудь о Джан-Франческо Малфатти? – спросил я.

– Убийца с топором?

– Нет, Сомс, это был Фрэнк Макавити по прозвищу Хакер.

– Ах. Мои извинения, Ватсап, вы, разумеется, правы. Я отвлекся. Мой образец следов Ratufa macroura разрушается. Большехвостая гигантская белка.

– Малфатти был итальянским геометром, Сомс. В 1803 г. он заинтересовался вопросом о том, как высечь из клиновидного куска мрамора три цилиндрические колонны так, чтобы максимизировать их суммарный объем. Он предположил, что эта задача эквивалентна тому, чтобы вычертить на треугольном сечении куска мрамора три окружности так, чтобы максимизировать их суммарную площадь.

– Наивное, но, вероятно, верное предположение, – отозвался Сомс. – Хотя колонну, конечно, можно высечь и наискось.

– О-о, я не имел в виду… Но допустим, что его предположение было верным, поскольку вопрос всегда можно нужным образом переформулировать. Малфатти считал очевидным, что решение должно состоять из трех кругов, касающихся друг друга и двух внешних сторон треугольника.

– Понятно, в чем тут промах, – сказал Сомс тем раздражающе небрежным тоном, которым он часто пользуется, когда ему удается мгновенно схватить суть дела, не доступную большинству прочих смертных.

– А я, откровенно говоря, не понимаю, – сказал я. – Ведь если круг лежит внутри треугольника, не перекрывается другими кругами и не касается сторон и соседей так, как описано, то его можно увеличить.

– Верно, – отозвался Сомс. – Но это лишь доказывает достаточность, но не необходимость условий касания.

– Это я понимаю, Сомс. Но… как еще могли бы располагаться круги?

– Ну, касание может быть организовано и другими способами, конечно. К примеру, Ватсап: вы рассматривали простейший случай, с равносторонним внешним треугольником?

– Во-первых, – сказал Сомс, – есть вариант Малфатти, на рисунке слева. Но как насчет варианта справа? Здесь опять же ни один круг не может быть увеличен, но схема касаний иная. Маленькие круги касаются большого, но не касаются друг друга. Вместо этого есть большой круг, который касается всех трех сторон треугольника.

Я вгляделся в рисунки.

– На глаз, Сомс, в первом варианте площадь больше.

Он рассмеялся.

– Что показывает лишь, насколько легко наш глаз обмануть, Ватсап. Предположим, что стороны треугольника имеют единичную длину. Тогда вариант Малфатти имеет площадь 0,31567, но площадь второго варианта составляет 0,31997, то есть немного больше.

Бывают моменты, когда от эрудиции Сомса буквально перехватывает дыхание.

– Может быть, разница и невелика, Сомс, но вывод ясен. Малфатти ошибся.

– В самом деле. Мало того, Ватсап, разница между вариантом Малфатти и правильным решением в некоторых случаях может оказаться намного больше. К примеру, если треугольник будет длинным, тонким и равнобедренным, то верным решением будет расположить круги один на другом, и площадь такого варианта будет почти вдвое превосходить вариант Малфатти.

Он сделал паузу, чтобы швырнуть раскрошившийся гипсовый отпечаток следов Ratufa macroura через всю комнату в камин.

– Ирония в том, – добавил он наконец, – что вариант Малфатти никогда не бывает лучшим. «Жадный» алгоритм – вписать в треугольник наибольший возможный круг, затем найти наибольший круг, который вписывается в оставшиеся промежутки, и напоследок проделать то же самое в третий раз – всегда лучше и всегда приводит к верному ответу.

Дополнительную информацию см. в главе «Загадки разгаданные».

Квадратные остатки

Полные квадраты заканчиваются на одну из цифр 0, 1, 4, 5, 6 или 9. Они не могут заканчиваться на 2, 3, 7 или 8. Более того, последняя цифра квадрата числа зависит только от последней цифры этого числа.

Если число заканчивается на 0, то его квадрат тоже заканчивается на 0.

Если число заканчивается на 1 или 9, то его квадрат заканчивается на 1.

Если число заканчивается на 2 или 8, то его квадрат заканчивается на 4.

Если число заканчивается на 5, то его квадрат тоже заканчивается на 5.

Если число заканчивается на 4 или 6, то его квадрат заканчивается на 6.

Если число заканчивается на 3 или 7, то его квадрат заканчивается на 9.

Специалисты по теории чисел предпочитают описывать подобные эффекты с помощью целых чисел по некоторому модулю. Если взять модуль 10, то достаточно рассмотреть только числа 0–9: возможные остатки от деления любого числа на 10. Их квадраты (по модулю 10) равны

0 1 4 9 6 5 6 9 4 1

и приведенный выше список правил для определения последней цифры квадрата по последней цифре числа – это всего лишь другой способ сказать то же самое.

За исключением начального 0, список квадратов (по модулю 10) симметричен: числа 1, 4, 9, 6 после 5 повторяются в обратном порядке: 6, 9, 4, 1. Симметрия возникает благодаря тому, что квадраты n и 10 – n по модулю 10 равны. В самом деле, 10 – n – то же, что – n (mod 10), а n² = (−n)². Поэтому данные четыре числа в списке фигурируют дважды; 0 и 5 встречаются там только по одному разу, а 2, 3, 7, 8 не встречаются вовсе. Это не слишком демократично, но это так.

Что происходит, если мы берем другой модуль? Величины квадратов по этому модулю называются квадратичными вычетами. (Здесь под «вычетом» подразумевается остаток от деления на модуль.) Остальные цифры при этом становятся квадратичными невычетами.

Предположим, к примеру, что модуль равен 11. Тогда возможные полные квадраты (чисел, меньших 11) равны

0 1 4 9 16 25 36 49 64 81 100.

По модулю 11 это дает

0 1 4 9 5 3 3 5 9 4 1.

Таким образом, квадратичные вычеты (по модулю 11) – это

0 1 3 4 5 9.

А невычеты – это

2 6 7 8.

Приведем небольшую таблицу.

На первый взгляд, никаких особенных закономерностей, кроме уже упомянутых, не заметно. На самом деле этим отчасти и интересна данная область математики: хотя шаблоны существуют, отыскать их непросто. Многие величайшие математики, в том числе Эйлер и Карл Фридрих Гаусс, уделяли внимание этой области.

Возводя число в квадрат, мы умножаем его на самого себя, а там, где речь заходит об умножении, в теории чисел главную роль всегда играют простые числа. Поэтому стоит начать с простых модулей – 2, 3, 5, 7, 11 – в приведенном списке. Модуль 2 уникален: единственные возможные вычеты по модулю 2 – это 0 и 1, и оба они являются полными квадратами. Для всех остальных простых чисел примерно половина вычетов являются квадратами, а остальные – не являются. Точнее, если p – простое число, то существует (p + 1)/2 различных квадратичных вычетов и (p − 1)/2 невычетов. Квадратичные вычеты обычно являются квадратами двух различных чисел, n² и (– n)² для подходящего n. Однако 0 встречается в списке лишь однажды, потому что –0 = 0.

Составные модули усложняют ситуацию. Теперь одни и те же вычеты иногда могут быть квадратами больше чем двух чисел. К примеру, 1 по модулю 8 встречается четыре раза, как квадрат 1, 3, 5 и 7. Лучший способ разобраться во всем этом – воспользоваться современной абстрактной алгеброй, но имеет смысл взглянуть и на модуль 15. У него два простых множителя: 3 × 5. А вот список квадратов:

Таким образом, квадратичные вычеты по модулю 15 равны

0 = 0²

1 = 1², 4², 11², 14²

4 = 2², 7², 8², 13²

6 = 6², 9²

9 = 3², 12²

10 = 5², 10²

Некоторые вычеты возникают один раз, некоторые дважды, некоторые четырежды. Те, которые встречаются в списке меньше четырех раз, являются квадратами чисел, кратных либо 3, либо 5, то есть простым множителям 15. Все остальные числа возникают группами по четыре, где квадраты всех четырех равны.

Это общая закономерность для любого модуля вида pq, где p и q – различные нечетные простые числа. Числа от 0 до pq – 1, не кратные ни p, ни q, разделяются на четверки с равными квадратами. (Это не работает, если одно из простых чисел равно 2: к примеру, 10 = 2 × 5, но мы уже видели, что в этом случае квадраты либо одиноки, либо стоят парами.)

В алгебре мы привыкаем к мысли, что у каждого положительного числа имеется два квадратных корня: один положительный, другой отрицательный. Но в арифметике по модулю pq большая часть чисел (те, что не делятся ни на p, ни на q) имеет по четыре различных квадратных корня.

Этот любопытный факт имеет замечательное приложение, к которому мы и перейдем.

Бросание монетки по телефону

Предположим, что Алиса и Боб хотят сыграть в бросание монетки с вероятностью того или иного результата 50:50. Как мы уже знаем, Алиса находится в Алис-Спрингс, а Боб – в Боббингтоне. Могут ли они бросать монетку по телефону? Главная загвоздка – та же, что при игре в покер. Если бросает монетку (или проделывает любую другую операцию с равновероятным исходом) Алиса и она же сообщает результат Бобу, то тот никак не может быть уверен, что она говорит правду. Конечно, в наше время они могли бы делать это во время общения по скайпу и наблюдать за бросанием монетки, но даже в этом случае результат можно подделать, сняв заранее несколько бросков и показав собеседнику запись вместо онлайн-трансляции.

Бросание монетки – то же, что игра в покер колодой из двух карт, так что игроки вполне могут воспользоваться методикой, описанной выше. Однако существует и другой элегантный способ достичь того же результата с использованием квадратичных вычетов. Вот как это можно сделать.

Алиса выбирает два больших простых числа p и q. Она держит их в секрете, но отправляет Бобу их произведение n = pq. Вы скажете, что Боб мог бы найти p и q путем разложения n на простые множители, но на сегодняшний день, насколько известно, не существует практичного способа сделать это, если числа p и q достаточно велики – скажем, по 100 знаков в каждом. Даже самым быстрым компьютерам, использующим самые быстрые алгоритмы, понадобилось бы на это время, превышающее время жизни Вселенной. Так что Боб останется в неведении.

Однако существуют очень быстрые способы проверить 100-значное число и узнать, является ли оно простым. Так что Алиса сможет подобрать себе p и q методом проб и ошибок.

Боб выбирает произвольное целое x (mod n), которое держит в секрете.

Если он необычайно педантичен, то может быстро проверить, не является ли x произведением p и q: он не будет делить его на эти числа, поскольку их не знает, но найдет наибольший общий делитель (НОД) чисел x и n через алгоритм Евклида. Если результат окажется не равным 1, то получится, что он знает либо p, либо q, и процесс нужно будет начинать заново с новым x. Но на практике можно особо не беспокоиться, поскольку при p и q, содержащих по 100 знаков каждое, вероятность того, что одно из этих чисел окажется делителем произвольно выбранного x, составит 2 × 10–100.

Далее Боб вычисляет x² (mod n), что тоже можно сделать быстро, и отправляет результат Алисе. Они договорились, что если Алиса сможет правильно назвать x или – x, то она выиграет (это будет «орел»). В противном случае – проиграет («решка»).

Из предыдущей главы Алиса знает, что целые числа по модулю pq, не кратные ни p, ни q, имеют ровно по четыре квадратных корня. Поскольку x и – x при возведении в квадрат дают одно и то же, квадратные корни имеют вид a, – a, b, – b для подходящих a и b. Алиса знает p, q и x², из чего следует, что она может быстро вычислить четыре нужных корня. Два из них должны быть равны x и – x; два других – не равны. Так что вероятность угадать ± x верно у Алисы на 50 % – что эквивалентно честному бросанию монетки. Она выбирает одно из четырех чисел, скажем b, и отправляет его Бобу.

Боб сообщает Алисе, действительно b = ± x или нет; то есть права она или нет.

Ах, но как сделать так, чтобы Боб тоже не мог смошенничать? И откуда Бобу знать, что Алиса сделала все так, как должна была сделать?

В любом случае (верно b = ± x или нет) Боб может легко убедиться, что Алиса играла честно, если вычислит b² (mod n). Результат должен совпасть с x².

Если Алиса проигрывает, то она может убедиться в честности Боба, попросив его прислать ей простые множители n, то есть p и q. В обычных условиях это невозможно, но если Алиса проиграла, то Боб знает все четыре квадратных корня из x², а в теории чисел имеется хитрый прием, позволяющий быстро вычислить p и q по этим данным. Наибольшим общим делителем a + b и n является одно из наших двух простых чисел, а НОД опять же можно найти при помощи алгоритма Евклида. После этого второе число можно найти путем деления.

Как устранить нежелательное эхо

Квадратичные вычеты могут показаться типичным примером мудреных умствований, которые так любят математики-теоретики: интеллектуальной игрой, не имеющей никакого практического применения. Но было бы ошибкой думать, что математическая идея бесполезна, только потому, что она не проистекает очевидным образом из практических задач повседневной жизни. Ошибка также считать, что повседневная жизнь настолько прямолинейна, как кажется на поверхностный взгляд. Для изготовления даже такой простой вещи, как банка джема из супермаркета, нужно сварить стекло, вырастить сахарный тростник или сахарную свеклу, очистить сахар… и очень скоро вы обнаружите, что с головой погрузились в статистический анализ испытаний сортов растений на сопротивляемость болезням и в конструирование судов, используемых для перевозки различных компонентов готового продукта по всему земному шару. В мире, где живет 7 млрд человек, массовое производство продуктов питания не сводится к тому, чтобы просто собрать ягоды и сварить их.

Действительно, математики, которые первыми выдвинули эти идеи, не думали ни о каких конкретных практических приложениях для них; просто квадратичные вычеты показались им интересными. Но они также были убеждены, что их понимание станет новым мощным дополнением к математическому инструментарию. Практики не в состоянии пользоваться инструментом, пока его не существует. И хотя на первый взгляд может показаться, что разумнее подождать появления конкретной задачи, прежде чем придумывать инструменты, подходящие для ее решения, при таком подходе мы до сих пор жили бы в пещерах. «Зачем ты теряешь время, стуча камнем по камню, а, Уг? Тебе следовало бы стучать палкой по голове мамонта, как делают остальные мальчики».

У квадратичных вычетов множество самых разных применений. Один из моих любимых примеров – проектирование концертных залов. Музыка, отражаясь от плоского потолка, дает явственное эхо, которое искажает звук и вообще мешает слушать. С другой стороны, звукопоглощающий потолок делает звучание мертвым и смазанным. Для хорошей акустики звук должен отражаться, но в виде рассеянного отзвука, а не резкого эха. Поэтому архитекторы встраивают в потолок специальные рассеиватели. Вопрос в том, какой они должны быть формы.

В 1975 г. Манфред Шрёдер изобрел рассеиватель, состоящий из серии параллельных борозд, глубина которых выводится из последовательности квадратичных вычетов для некоего простого модуля. Возьмем, к примеру, простое число 11. Мы только что видели, что квадраты чисел от 0 до 10 по модулю 11 равны:

0 1 4 9 5 3 3 5 9 4 1,

и далее, для более крупных чисел, эта последовательность повторяется периодически. Она симметрична относительно середины, промежутка между двумя тройками, потому что x² = (–x)² по любому простому модулю. Сравним рисунок ниже – на нем эти числа показаны в виде прямоугольников – с формой рассеивателя на предыдущем рисунке. Обратите внимание: в данном случае глубина выемок получается путем вычитания вычетов из какой-то постоянной величины. Это не оказывает серьезного влияния на основной математический смысл.

Что такого особого в квадратичных вычетах? Одна из характеристик звуковой волны – ее частота: сколько волн приходит в ухо каждую секунду. Высокие частоты дают высокие звуки, низкие частоты – низкие звуки. Еще одна характеристика, связанная с частотой, – длина волны: расстояние между последовательными пиками. Высокочастотные волны короче, низкочастотные – длиннее. Колебания с заданной длиной волны резонируют с пустотами в поверхности, размеры которых близки к длине их волны. Так что волны разных частот по-разному реагируют на столкновение с поверхностью.

Рассеиватель на основе квадратичных вычетов обладает восхитительным математическим свойством: волны различных частот взаимодействуют с ним одинаково. Технически это означает, что преобразование Фурье постоянно на некотором диапазоне частот. Шрёдер указал на одно важное следствие: такая форма рассеивает звуковые волны многих разных частот одинаково. На практике ширина бороздок выбирается так, чтобы избежать диапазона волн, доступных для человеческого уха, а их длина кратна с определенным коэффициентом последовательности квадратичных вычетов, связанных с шириной.

Когда бороздки параллельны, как на рисунке, звук рассеивается в стороны, под прямым углом к бороздкам. Существует двумерный аналог этой системы – квадратное поле со стержнями, тоже рассчитанными на основе квадратичных вычетов, – который рассеивает звук равномерно во всех направлениях. Такие рассеиватели часто можно найти в звукозаписывающих студиях, где они помогают улучшить звуковой баланс и избавиться от лишних шумов.

Так что хотя Эйлер и Гаусс понятия не имели, для чего когда-нибудь будет использовано их изобретение и будет ли оно использовано хоть для чего-то, оно нередко играет принципиально важную роль (неявно, где-то за сценой), когда вы слушаете записанную музыку, будь то классика, джаз, кантри, рок, хип-хоп, кроссовер-трэш металлика – все что угодно.

Дополнительную информацию см. в главе «Загадки разгаданные».

Тайна универсальной плитки

Из мемуаров доктора Ватсапа

– Расследование преступления часто сравнивают со складыванием пазла, – заметил Сомс неожиданно, без всякого повода. Если, конечно, не считать поводом голубоватую струйку дыма из его трубки, за которую так и хотелось потянуть. Дым окутывал его голову настоящим облаком.

– Уместное сравнение! – отозвался я, поднимая голову от газеты.

Он хитро улыбнулся.

– Вовсе нет, Ватсап. Напротив, очень неудачное. Расследуя преступление, мы не знаем, какими могут быть эти кусочки, и не можем даже сказать, все ли они находятся в нашем распоряжении. Не зная, что за головоломка у нас в руках, как можем мы быть уверены в ответе?

– Право, Сомс, ведь это становится очевидным, когда достаточное число известных элементов складывается в единый элегантный узор.

Он вздохнул.

– Ах, но кусочков может быть так много, Ватсап! И разных узоров, которые они могут образовать, тоже. Чтобы решить, который из них правильный, нужно обладать определенным… je ne sais quoi[29]. Но я не знаю, чем именно.

В этот момент раздался стук в дверь, и в гостиную буквально ворвалась какая-то женщина.

– Беатрис! – воскликнул я.

– О, Джон! Ее украли! – и она, рыдая, бросилась в мои объятия. Я постарался утешить ее как мог, хотя мое сердце, признаюсь, пустилось вскачь.

Через некоторое время она успокоилась.

– Пожалуйста, помогите мне, мистер Сомс! Это рубиновая подвеска, она досталась мне от матери. Я везде искала ее сегодня утром, но она исчезла!

– Не расстраивайтесь, дорогая, – сказал я, похлопывая Беатрис по плечу. – Мы с Сомсом поймаем вора и вернем вашу драгоценность.

– Вы приехали в кэбе? – поинтересовался Сомс.

– Да. Он ждет снаружи.

– Тогда не будем терять времени и обследуем место преступления.

Через полчаса ползания по полу, взятия образцов пыли из углов в нескольких комнатах и внимательного осмотра порога и клумб под окнами Сомс покачал головой.

– Никаких следов взлома и проникновения, мисс Шипшер. А вот на вашей шкатулке с украшениями есть маленькие царапины. Свежие и не ваши, поскольку сделаны левшой, – он поставил шкатулку на место. – Бывали ли в доме в последнее время посторонние? Может быть, торговцы?

– Нет… Ох! Плиточники!

Два человека, назвавшиеся плиточниками, стучались с черного хода и предлагали обновить ванную комнату в доме.

– Это новая мода, мистер Сомс. Белые квадратные плитки, среди которых из плиток более сложной формы выложен синий узор. У Димвортов ванную отделали таким образом в прошлом месяце, и отец… – ее голос сорвался, Беатрис расстроенно замолчала, чуть не плача. Я взял ее за руку.

– Часто вы нанимаете незнакомых рабочих, которые стучатся к вам с черного хода? – поинтересовался Сомс.

– Что вы, нет, мистер Сомс. Обычно мы стали бы разговаривать только с солидной фирмой. Но у них у всех полно заказов и все расписано на несколько месяцев вперед. А эти рабочие казались честными, достойными людьми.

– Так всегда бывает. Оставляли ли вы кого-нибудь из них без присмотра?

Она мгновение подумала.

– Да. Помощник остался измерять ванную комнату, пока мастер показывал мне образцы плитки и орнамента.

– У него было вполне достаточно времени, чтобы украсть небольшую, но ценную вещицу. Они умны: не стали жадничать и тем самым обеспечили себе запас времени. Кражу заметили не сразу. Оставили они какие-нибудь документы?

– Нет.

– Приходили ли они еще раз?

– Нет, я жду от них письменной оценки стоимости работы.

– Рискну предположить, что вы ее не получите, мадам. Такой modus operandi[30] мы, детективы, называем «кражей с отвлечением».

Всю следующую неделю к Сомсу шел постоянный поток дам с аналогичными рассказами. Описание внешности «рабочих» менялось, но Сомса это нисколько не удивляло.

– Маскировка, – говорил он.

Перелом произошел на тринадцатом деле, краже из дома миссис Амелии Фотервелл. Сомс заметил катышек грязи, прилипший к двери в ванную, и маленький осколок кости в нем. Состав грязи и природа кости привели нас на грязный задний двор рядом с фабрикой по консервированию сардин в лабиринте узеньких улочек позади портовых доков.

– Итак, сейчас мы вломимся сюда и поищем доказательства? – сказал я, потянувшись за револьвером.

– Нет, это может спугнуть вора. Мы вернемся на Бейкер-стрит и соберем дело.

– Скажите мне, Ватсап, – начал он, когда мы распили бутылочку портвейна. – Какие общие черты объединяют все эти кражи?

Я назвал все черты, какие пришли мне в голову.

– Очень хорошо. Но вы упустили самую важную черту. Узоры. У вас, несомненно, есть их список?

Я вытащил блокнот и прочел:

• Миссис Уоттон: три плитки, образующие равносторонний треугольник.

• Беатрис: четыре плитки, образующие квадрат.

• Мисс Мейкпис: четыре плитки, образующие квадрат с квадратным отверстием.

• Близнецы из Кранфорда: четыре плитки, образующие прямоугольник с прямоугольным отверстием.

• Миссис Броудсайд: четыре плитки, образующие выпуклый шестиугольник.

• Миссис Проберт: четыре плитки, образующие выпуклый пятиугольник.

• Леди Каннигем: четыре плитки, образующие равнобедренную трапецию.

• Мисс Уилберфорс: четыре плитки, образующие параллелограмм.

• Миссис МакЭндрю: четыре плитки, образующие крылья ветряной мельницы.

• Миссис Тушингем: шесть плиток, образующие шестиугольник с шестиугольным отверстием.

• Мисс Браун: шесть плиток, образующие равносторонний треугольник со срезанными углами.

• Дама Дженки-Глейзуорси: 12 плиток, образующие правильный двенадцатиугольник с отверстием в виде правильной двенадцатиконечной звезды.

• Миссис Фозервелл: 12 плиток, образующие правильный двенадцатиугольник с отверстием в виде двенадцатиконечной звезды, формой напоминающей циркулярную пилу.

– Замечательная коллекция, – сказал Сомс. – Мне кажется, пора послать кого-нибудь из Нерушимых сил Бейкер-стрит к инспектору Роулейду с просьбой проверить владение у доков.

– И что, вы думаете, полиция там найдет?

– Вспомните, Ватсап: все дамы говорили нам, что их узор состоял из некоторого количества одинаковых плиток.

– Да.

– Но узоры очень разные, и это наталкивает на мысль, что, хотя каждый из узоров складывался из одинаковых плиток, для разных узоров нужны были плитки разной формы. Дамы не могут описать форму плиток кроме как словом «неправильная», так что у нас нет никаких данных в пользу того, что во всех узорах использовались плитки одинаковой формы. Поэтому я ожидаю, что полиция найдет 13 ящиков с плитками необычной формы: по одному на каждый узор.

Через пару часов в гостиную заглянула миссис Сопсудс.

– Инспектор Роулейд, мистер Сомс.

Инспектор вошел в сопровождении констебля с каким-то ящиком в руках.

– Я поместил под арест двух подозреваемых, – объявил он.

– Роланд «Крыса» Ратценберг и «Мордоворот» МакГинти.

– Да, но как, бога ради… о, неважно. Я могу держать их 24 часа. Но доказательства слабые.

Сомс взглянул на него пораженно.

– Но вы, конечно, нашли у них ящики с плиткой? Разве этот ящик – не образец того, что там было?

Инспектор покачал головой.

– Нет, это все, что там было.

Сомс подошел к ящику и открыл его. В нем лежало 12 одинаковых плиток.

– Вот это да, – сказал он.

– Кажется, дело развалилось, – рискнул вставить я. – Не могу поверить, что все узоры из такого разнообразного списка можно выложить одними и теми же плитками.

Но Сомс внезапно оживился.

– Может быть, вы и правы, – сказал он. – Если только… – он вытащил линейку и угломер и начал измерять одну из плиток.

Через несколько мгновений его лицо расплылось в улыбке.

– Умно! – сказал он. – Очень умно, – он обернулся ко мне. – Я поступил чрезвычайно глупо и сделал скоропалительные выводы, тогда как нужно было сохранять трезвый ум. Помните, о чем мы говорили непосредственно перед тем, как появилась расстроенная Беатрис?

– Э-э… о пазлах, которые складывают из кусочков.

– Точно. А это дело основано на одной из самых замечательных головоломок, какие мне только приходилось встречать. Взгляните на эту плитку.

– Мне она кажется весьма обычным четырехугольником, – сказал я.

– Нет, Ватсап. Это очень необычный четырехугольник. Позвольте мне продемонстрировать вам, – и он нарисовал схему.

– Стороны AB и BC равны, а угол ABC прямой, так что углы BAC и BCD составляют по 45°, – объяснил Сомс. – Угол ACD равен 15°, так что BCD равен 60°. Угол ADC опять же прямой, что делает угол CAD равным 75°.

Инспектор и я ничего не поняли. Сомс вручил мне четыре плитки.

– Ватсап, попробуйте сложить из этих плиток какую-нибудь элегантную фигуру. Примерно как детектив складывает вместе улики и делает элегантные выводы, если вспомнить вашу аналогию.

– Могу я их переворачивать?

– Прекрасный вопрос! Да, любую плитку можно перевернуть.

Я немного поэкспериментировал. Внезапно ответ встал перед глазами.

– Сомс! Из них получается квадрат – узор Беатрис! Как красиво!

Сомс взглянул на мою небольшую головоломку.

– В самом деле. Вы по-прежнему утверждаете, что элегантное объяснение нескольких улик может служить определяющим доказательством того, что виновный найден?

– Как иначе все улики могут так сойтись, Сомс?

– В самом деле, как? – я понял, что вопрос был риторическим. – В ваших рассуждениях есть прореха, Ватсап, – продолжал он, когда я отказался отвечать. – Нужно ее устранить, – он наклонился и переложил плитки так, что получился заполненный квадрат.

– Ох, – пристыженно произнес я. – Значит, это – узор Беатрис.

– Предполагаю, что да. Но не расстраивайтесь: ваш узор принадлежит мисс Мейкпис.

Меня осенило.

– Вы думаете, что из копий одной этой плитки можно сложить все 13 узоров?

– Я в этом уверен. Смотрите: вот так из трех плиток складывается узор миссис Уоттон, равносторонний треугольник с треугольным отверстием.

– Господи, Сомс!

– Это замечательно универсальная… э-э… плитка, – ответил он. – Благодарить за это нужно ее хитрую геометрию.

– Итак, все, что нам нужно сделать… – начал я.

– …это найти варианты раскладки, соответствующие остальным десяти узорам! – закончил за меня Роулейд.

Сомс начал прочищать трубку.

– Я уверен, что смело могу оставить эту задачу вам, джентльмены.

В тот вечер я взял кэб и поехал в дом отца Беатрис, остановившись только у ювелира, чтобы кое-что забрать. Беатрис приняла меня в гостиной.

Я поставил на стол длинную коробочку.

– Дорогая, откройте.

Она несмело протянула руку, и на милом лице ее отразилась надежда.

– О! Джон, вы нашли мою подвеску! – она взяла меня за руку. – Как я могу отблагодарить вас? – внезапно она замолчала. – Но… Это не мое, – она вынула из коробки сверкающую драгоценность. – Это обручальное кольцо.

– Да, это так. И оно может стать вашим, – произнес я, опускаясь на одно колено.

Можете ли вы найти оставшиеся десять вариантов узора? Ответы см. в главе «Загадки разгаданные».

Гипотеза о трекле

Граф – это набор точек (узлов), соединенных линиями (ребрами). Если граф рисуют на плоскости, ребра часто пересекаются между собой. В 1972 г. Джон Конвей определил трекл как граф, нарисованный на плоскости, у которого любые два ребра либо встречаются в узле и больше не пересекаются, либо не встречаются в узле, но при этом пересекаются ровно один раз. Говорят, что идею названия подал автору один шотландский рыболов, постоянно жаловавшийся на то, что у него запуталась (thrackled) леска.

На рисунке показаны два трекла. Левый имеет в своем составе 5 узлов и 5 ребер, тогда как правый – 6 узлов и 6 ребер. Конвей предположил, что у любого трекла число ребер меньше или равно числу узлов. Он предложил бутылку пива в награду тому, кто сможет это доказать или опровергнуть, но с годами, поскольку решение не появлялось, приз вырос до тысячи долларов.

Оба приведенных трекла представляют собой замкнутые петли (их узлы располагаются на кольцевом маршруте), нарисованные с наложением. Известно, что любая замкнутая петля с n³ 5 узлов может быть нарисована так, что образует трекл. Если это правда, то число E ребер может быть равно числу n узлов при любом n³ 5. Пал Эрдёш доказал, что гипотеза о трекле верна для любого графа с прямыми ребрами. Наилучшее на данный момент ограничение на размер E доказали Радослав Фулек и Янош Пач в 2011 г.:

Ссылку на дополнительную информацию см. в главе «Загадки разгаданные».

Сделка с дьяволом

Один математик, потративший десять бесплодных лет на попытки доказать гипотезу Римана, решил продать душу дьяволу в обмен на вожделенное доказательство. Дьявол обещал представить ему доказательство не позже чем через неделю, но неделя прошла, и ничего не произошло.

Через год дьявол вновь явился математику с мрачным видом.

– Извини, я тоже не смог это доказать, – сказал он, возвращая математику его душу. Он немного помолчал и вдруг просиял: – Но мне кажется, что я нашел по-настоящему интересную лемму!

Рискуя испортить шутку, я поясню, что в математике лемма – это не слишком важное утверждение, основной интерес которого заключается в том, что оно может стать шагом на пути к доказательству другого, более важного утверждения, достойного звания теоремы. Между теоремой и леммой нет никакой логической разницы, но психологически слово «лемма» означает, что кому-то удалось пройти только часть пути к желанной цели…

Ну, я пошел…

Непериодическая мостовая

Замостить плоскость без промежутков и перекрытий можно множеством различных фигур. Единственными правильными многоугольниками, с помощью которых можно это проделать, являются равносторонний треугольник, квадрат и шестиугольник.

Кроме них плоскость можно замостить громадным количеством менее правильных фигур, таких как семисторонний многоугольник на следующем рисунке. Он получен из правильного семиугольника путем зеркального отображения трех его сторон относительно линии, соединяющей их концы.

Мощение правильными многоугольниками периодично, то есть его элементы повторяются бесконечно в двух различных направлениях, как узор на обоях. Спиральное мощение не периодично. Однако описанным здесь семиугольником можно замостить плоскость и периодически.

Как именно? Ответ см. в главе «Загадки разгаданные».

Существуют ли фигуры, которыми можно замостить плоскость, но нельзя сделать это периодически? Вопрос этот глубоко связан с математической логикой. В 1931 г. Курт Гёдель доказал, что в арифметике существуют неразрешимые задачи, то есть утверждения, для которых никакой алгоритм не в состоянии определить, истинны они или ложны. (Алгоритм – это систематический процесс, который гарантированно прекращается при получении верного ответа.) Из этой теоремы следует другая, более драматичная: в арифметике существуют утверждения, которые невозможно ни доказать, ни опровергнуть.

Приведенный Гёделем пример такого утверждения был несколько надуманным, и специалисты по математической логике долго гадали, существуют ли более естественные нерешаемые проблемы. В 1961 г. Хао Ван работал над проблемой домино: если имеется конечное число фигур для мощения, то существует ли алгоритм, который был бы способен определить, можно ли этими фигурами замостить плоскость? Ван показал, что если существует подходящий набор, которыми можно замостить плоскость, но нельзя замостить ее периодически, то такого алгоритма не существует. Его идея состояла в том, чтобы перевести правила логики в формы плиток и использовать результаты вроде гёделевых. И она сработала: в 1966 г. Роберт Бергер нашел набор из 20 426 таких плиток, доказав тем самым, что проблема домино действительно неразрешима.

20 000 различных фигур – это много. Бергеру удалось снизить их число до 104; затем Ганс Лейхли снизил его до 40. Рафаэль Робинсон довел число форм до шести. Роджер Пенроуз, открыв в 1973 г. так называемые плитки Пенроуза (см. «Кабинет…» с. 149), еще уменьшил их число, всего до двух. Получилась интригующая математическая загадка: существует ли единственная фигура, с помощью которой можно замостить плоскость, но нельзя замостить ее периодически? (При этом можно использовать также зеркальное отражение той же фигуры.) Ответ был найден в 2010 г. Джошуа Соколаром и Джоан Тейлор[31], и ответ этот – «да».

Предложенная ими фигура показана на рисунке. Это «разрисованный шестиугольник» с дополнительными «правилами стыковки», и он отличается от собственного зеркального отражения. Рисунки на плитке должны стыковаться вполне определенным образом – так, как показано на рисунке.

На следующем рисунке показана центральная область замощенной такими фигурами плоскости. Можно заметить, что узор на ней не выглядит периодическим. В статье объясняется, почему такое мощение можно распространить на всю площадь и почему результат не может быть периодическим. Подробности можно узнать непосредственно из статьи.

Теорема о двух красках

Из мемуаров доктора Ватсапа

– Ну, Сомс, эта забавная небольшая головоломка сможет поднять вам настроение, – я перебросил Daily Reporter другу и компаньону, почти знаменитому детективу, страдавшему в настоящее время от приступа депрессии потому только, что его конкурент из дома напротив явно достиг большей известности и имел все шансы это преимущество сохранить.

Он, издевательски рассмеявшись, отбросил газету в сторону.

– Ватсап, у меня не хватит энергии на чтение.

– Тогда я сам вам прочту, – ответил я. – Кажется, знаменитый математик Артур Кейли опубликовал статью в «Записках Королевского географического общества», в которой задал вопрос…

– Вопрос о том, можно ли раскрасить произвольную карту не более чем четырьмя красками так, чтобы соседние области оказались окрашенными в разные цвета, – прервал меня Сомс. – Это давняя проблема, Ватсап, и я боюсь, что ответ на этот вопрос не будет получен при нашей жизни. – Я ничего не сказал, надеясь вытащить его на дальнейший разговор, поскольку это была самая длинная фраза, которую он произнес почти за неделю. Мой план сработал, и после минуты неловкого молчания он продолжил: – Молодой человек по имени Фрэнсис Гутри сформулировал эту задачу за два года до моего рождения. Будучи не в состоянии решить ее самостоятельно, он обратился к своему брату Фредерику, ученику профессора Огастеса де Моргана.

– Ах да, Гусси, – вставил я, поскольку был знаком с семьей этого достойного восхищения чудака, автора книги «Бюджет парадоксов» и бича всех свихнувшихся на математике.

– Де Морган, – продолжал Сомс, – ничего не добился, поэтому попросил заняться ею великого ирландского математика сэра Уильяма Роуэна Гамильтона, который, однако, ответил ему отказом. На том все и застопорилось до тех пор, пока Кейли вновь не взялся за эту задачу. Хотя я не представляю, почему он решил опубликоваться именно в этом журнале.

– Возможно, потому, – предположил я, – что географы интересуются картами? – но Сомс только презрительно хмыкнул.

– Не в таком аспекте, – раздраженно отмахнулся он. – Географ раскрасит области на карте в соответствии с политической обстановкой, не обращая внимания на соседство. Смотрите, Кения, Уганда и Танганьика расположены рядом, но на всех картах Британской империи все они окрашены в одинаковый розовый цвет.

Я признал справедливость этого утверждения. Нашей дорогой королеве не понравилось бы, если бы их раскрасили иначе.

– Но, Сомс, – я продолжал настаивать, – вопрос от этого не становится менее интересным. Даже более, поскольку никто, похоже, не в состоянии на него ответить.

Сомс что-то проворчал.

– Давайте все же попробуем, – сказал я и быстро нарисовал условную карту.

– Забавно, – заметил Сомс. – А почему вы сделали все области круглыми?

– Потому что любая область без дырок топологически эквивалентна кругу.

Сомс поджал губы.

– Тем не менее это плохой выбор, Ватсап.

– Почему? Мне кажется…

– Ватсап, вам много что кажется, но мало что на самом деле имеет место быть. Хотя любая отдельная область топологически равноценна кругу, две или большее число областей могут перекрываться способом, невозможным для двух или нескольких кругов. Об этом свидетельствует тот факт, что для вашей карты достаточно всего двух красок, – и он заштриховал примерно половину областей.

– Ну да, но я уверен, что более сложная карта того же рода…

Сомс покачал головой.

– Нет-нет, Ватсап. Любая карта, состоящая исключительно из круглых областей, даже если эти области разных размеров и перекрываются разными, сколь угодно сложными способами, может быть раскрашена в две краски. Считая, как обычно и делается в подобных вопросах, что «соседние» области должны иметь общие участки границы, а не отдельные изолированные общие точки.

У меня отвалилась челюсть.

– Теорема о двух красках! Поразительно! – Сомс соизволил пожать плечами. – Но как такую теорему можно доказать?

Сомс откинулся в кресле.

– Вы знаете мои методы.

Ответ см. в главе «Загадки разгаданные».

Теорема о четырех красках в пространстве

Сомс говорил о знаменитой теореме о четырех красках, которая гласит, что для любой заданной карты на плоскости ее области можно раскрасить не более чем четырьмя разными красками так, чтобы области, имеющие общую границу, были окрашены в разные цвета. (Здесь «иметь общую границу» означает, что общая граница должна быть ненулевой длины; то есть если области сходятся в одной общей точке, это не считается.) Такое предположение высказал в 1852 г. Фрэнсис Гутри и доказали в 1976 г. Кеннет Аппель и Вольфганг Хакен при активном использовании компьютера[32]. За прошедшее с того момента время их доказательство удалось серьезно упростить, но компьютер по-прежнему является существенной его частью; он необходим, чтобы проводить большое количество рутинных, сложных вычислений.

Могут ли существовать аналогичные теоремы для «карт» в пространстве, а не на плоскости? Области в пространстве будут представлять собой что-то вроде заполненных пузырей. Немного подумав, несложно догадаться, что для раскрашивания такой карты может потребоваться сколько угодно красок. Представьте, к примеру, что вы хотите нарисовать карту, для которой нужно шесть красок. Для начала возьмите шесть отдельных шаров. Пусть шар 1 выпустит пять тонких щупалец и коснется ими шаров 2, 3, 4, 5 и 6. Затем пусть шар 2 выпустит пять щупалец и коснется шаров 3, 4, 5 и 6. Затем перейдите к шару 3 и т. д. Получится, что каждая обросшая щупальцами область касается всех остальных областей и, следовательно, все шесть должны быть окрашены в разные цвета. Если проделать такую процедуру со 100 шарами, то потребуется 100 красок; если шаров будет миллион, красок тоже потребуется миллион. Короче говоря, числу необходимых красок нет предела.

В 2013 г. Баскар Багчи и Басудеб Дата[33] поняли, что это не конец истории. Представьте себе «карты», сформированные из конечного числа кругов на плоскости, которые либо вообще не перекрывают друг друга, либо пересекаются в одной общей точке. Предположим, вы хотите раскрасить эти круги так, чтобы даже соприкасающиеся круги были окрашены в разные цвета. Сколько красок вам потребуется? Оказывается, ответ здесь такой же: не больше четырех.

На самом деле эта проблема по существу эквивалентна теореме о четырех красках. Эту теорему можно переформулировать в задачу раскрашивания узлов сети на плоскости с непересекающимися ребрами, так что если два узла этой сети соединены ребром, то эти узлы должны быть окрашены в разные цвета. Для этого достаточно просто создать по узлу для каждой области карты и соединить ребрами попарно те из них, области которых имеют общую границу. Можно доказать, что любая сеть на плоскости может быть собрана из подходящего набора кругов путем соединения центров тех кругов, которые касаются друг друга. К примеру, вот набор кругов, для окрашивания которых необходимы четыре цвета, связанная с ними сеть и карта с топологически эквивалентным искажением этой сети, для раскрашивания которой также требуется четыре краски.

Формулировку с кругами мы можем естественным образом распространить на три измерения, если используем шары вместо кругов. Опять же, эти шары либо вообще не перекрываются, либо касаются друг друга в общей точке. Предположим, вы хотите раскрасить шары так, чтобы те, которые касаются друг друга, были окрашены в разные цвета. Сколько красок вам понадобится? Багчи и Дата объяснили, почему это число не может быть меньше 5 и больше 13. Его точное значение до сих пор остается математической загадкой. Но вы, возможно, сумеете доказать, что нужно по крайней мере пять красок. Из их результата следует, что некоторые трехмерные карты не эквивалентны картам, построенным на базе шаров.

Ответ см. в главе «Загадки разгаданные».

Комическое исчисление

Чтобы понять эту историю, вы должны быть немного знакомы с интегральным исчислением. Если ∫ – знак интеграла, то экспоненциальная функция ex – сама себе интеграл:

Эта формула кажется какой-то чепухой; даже первая строка должна была бы выглядеть как ex = ∫ exdx, а 1 + y + y² + y³ + y^4 +… = (1 – y)–1.

На следующем шаге в формуле для суммы бесконечной геометрической прогрессии переменная y заменяется на знак интеграла. Эта формула справедлива, если y – число, меньшее 1. Но ∫ – это даже не число, просто символ. Какой абсурд!

Несмотря на это, конечный результат – корректный степенной ряд для ex.

Это не совпадение. При правильных определениях (к примеру, ∫ – это оператор, превращающий функцию в ее интеграл, а формула для «суммы геометрической прогрессии» работает для операторов при подходящих технических условиях) все может выглядеть совершенно логичным. Но смотрится все равно странно.

Задача Эрдёша о расходимости

Пал Эрдёш был весьма эксцентричным, блестящим венгерским математиком. Он никогда не имел дома, он никогда не занимал никакого ученого поста, предпочитая путешествовать по миру с небольшим чемоданом и ночевать в домах понимающих коллег. Он опубликовал 1525 математических статей и сотрудничал с 511 математиками – число, к которому никто другой в мире не смог даже приблизиться. Он предпочитал изобретательность глубоким систематическим занятиям теорией и с особенным удовольствием разгадывал загадки, которые выглядели очень просто, но на самом деле оказывались совсем не простыми. Его основные достижения относятся к области комбинаторики, но он мог бы приложить свою руку и ко многим другим областям математики. Он нашел новое доказательство постулата Бертрана (между n и 2n всегда найдется хотя бы одно простое число), гораздо более простое, чем оригинальное аналитическое доказательство Пафнутия Чебышёва. Вершиной карьеры Эрдёша стало доказательство теоремы о числе простых (число простых чисел, меньших x, приблизительно равно x/lnx), которая не поддавалась комплексному анализу, считавшемуся до того момента единственным способом доказательства.

Эрдёш любил предлагать денежные призы за решение задач, которые придумал, но не смог сам решить. Он мог предложить $25 за решение чего-то, что, как он подозревал, решается относительно просто, и несколько тысяч долларов за что-то, что он считал по-настоящему сложным. Типичный пример его математики – задача Эрдёша о расходимости, оцененная им в $500. Она была поставлена в 1932 г. и решена в начале 2014 г. Замечательный пример того, как сегодняшняя математика подходит к разрешению давних загадок.

Задача начинается с бесконечной последовательности чисел, равных или +1, или –1. Это может быть регулярная последовательность, к примеру

+1–1 +1–1 +1–1 +1–1 +1–1…,

или нерегулярная («случайная)

+1–1 –1–1 +1–1 +1 +1–1 +1…,

которую я получил путем бросания монетки. Она не обязана содержать равную долю плюсов и минусов. Подойдет любая последовательность.

Один из способов убедиться в том, что первая из этих последовательностей регулярна, – это взглянуть на каждый второй ее член:

– 1–1 – 1–1 – 1…

Сумма первых n членов такой последовательности выглядит так:

– 1–2 – 3–4 – 5…

и убывает до бесконечности. Если посмотреть те же параметры для второй последовательности, получим:

+1–1 – 1 + 1–1…

с суммами

+1 0–1 0 +1…,

которые скачут вверх и вниз.

Предположим, что мы возьмем конкретную, но произвольную последовательность из ±1 и выберем произвольное положительное число С, которое мы хотим получить. Это число может быть сколь угодно большим, например миллиардом. Эрдёш задал вопрос, всегда ли существует такое число d, что суммы членов последовательности, разделенных d шагами, то есть стоящих на позициях d, 2d, 3d и т. д., на каком-то этапе станут либо больше C, либо меньше – C. После того как эта цель достигнута, та же последовательность может давать дальнейшие суммы, лежащие между C и – C: достаточно хотя бы раз дойти до цели. Однако подходящий шаг d должен существовать для любого целевого C. Разумеется, d зависит от C. То есть, если последовательность имеет вид x_1, x_2, x_3,…, вопрос состоит в том, можем ли мы найти d и k такие, что |xd + x2d + x3d + … + xkd| >C.

Абсолютная величина суммы слева – это «разброс» подпоследовательности, определяемой величиной шага d; это мера избытка знаков «+» по сравнению со знаками «–» (или наоборот).

В начале февраля 2014 г. Алексей Лисица и Борис Конев объявили, что ответ на вопрос Эрдёша – «да», если C = 2. В самом деле, если выбрать подпоследовательность с шагом d из первых 1161 члена произвольной ±1-последовательности и взять подходящую длину k, то абсолютная величина суммы превысит C = 2. Их доказательство получено с активным использованием компьютера, а файл данных занимает 13 Гб. Это больше, чем все содержание Википедии, объем которой около 10 Гб. Несомненно, это одно из самых длинных доказательств в истории математики, слишком длинное, чтобы человеческий разум мог самостоятельно его проверить.

В настоящее время Лисица занимается поиском доказательства для C = 3, но компьютер еще не завершил своих расчетов. Мысль о том, что полное решение требует понимания того, что происходит при любом выборе C, отрезвляет. Надежда только на то, что компьютерные решения для маленьких C натолкнут ученых на какую-нибудь новую идею, которую математик сможет обратить в общее доказательство. С другой стороны, может оказаться, что ответ на вопрос Эрдёша – «нет». Если это так, то где-то существует по-настоящему интересная последовательность из +1 и –1, которая ждет своего определения.

Грек-интегратор

Из мемуаров доктора Ватсапа

Хотя дедуктивные способности моего друга направлены в основном на искоренение преступности, время от времени они находят приложение и на службе науки. Одним таким примером был уникальный поиск, который мы провели осенью 1881 г. по просьбе богатого, но нелюдимого коллекционера древних рукописей. При помощи странички, вырванной из старой записной книжки, фонаря, связки отмычек и большого лома мы с Сомсом отыскали громадный камень и сдвинули его рычагом, открыв тем самым спиральную лестницу, ведущую вниз, в тайную комнату, расположенную глубоко под библиотекой знаменитого европейского университета.

Сомс сверился с потрепанным клочком бумаги, сильно поврежденным огнем и водой.

– Потерянная книга картонариев, – объяснил он.

– Опять! – он, помнится, упоминал мельком это название в ходе расследования, связанного с приключениями картонных коробок, но не сказал тогда ничего конкретного. Теперь же я настоял на подробностях.

– Это название означает «производители картона». Это итальянское тайное общество, организованное по типу франкмасонов и преданное делу национализма; его участники были замешаны в неудавшейся революции 1820 г.

– Я помню саму революцию очень ясно, Сомс. А вот организацию эту не помню.

– Мало кто вообще знает о ее тайной деятельности, – он вновь сверился с клочком бумаги. – Эта страница почти не читается, но не нужно быть особым знатоком высшей математики, чтобы распознать на ней какую-то разновидность шифра Фибоначчи, переписанного зеркальным письмом да Винчи и превращенного в последовательность рациональных точек на эллиптической кривой.

– Это поймет даже ребенок, – солгал я, цедя слова сквозь зубы.

– Вот именно. Теперь, если я правильно читаю эти руны, мы найдем то, что ищем, где-то на этих полках.

Мгновение спустя я спросил:

– Сомс, но что же мы ищем? Вы на этот раз совсем не хотите раскрывать карты, это для вас необычно.

– В этом знании скрываются великие опасности, Ватсап. Я не видел нужды подставлять вас раньше времени. Но теперь, когда мы проникли в святая святых… А! Вот он! – и он вытащил откуда-то свиток, в котором я сразу же узнал написанный на пергаменте кодекс, и сдул накопившуюся за столетия пыль.

– Что это такое, черт побери, Сомс?

– Армейский револьвер у вас при себе?

– Никогда не хожу без него.

– Тогда можно без опаски сказать вам, что в моих руках сейчас… палимпсест Архимеда!

– Ах!

Я вообще-то знал, что палимпсест – это документ, который записали на пергаменте, а затем тщательно соскребли, чтобы освободить место для другой записи, и что ученым удается, хотя и не без труда, реконструировать и прочесть то, что было стерто, восстанавливая таким образом, к примеру, неизвестное прежде Евангелие, скрытое под списком белья, отданного в стирку в каком-то заштатном монастыре XIV в. Архимеда я тоже знал как талантливейшего древнегреческого геометра. Таким образом, было очевидно, что Сомсу удалось откопать прежде неизвестный математический текст. Но он настаивал, что нам следует немедленно убраться из хранилища, пока на нас не обрушилось отмщение инквизиции.

Оказавшись вновь в относительной безопасности нашего дома на Бейкер-стрит, мы как следует рассмотрели добытый документ.

– Это византийский список X в. неизвестного до сих пор труда Архимеда, – сказал Сомс. – Его заголовок можно достаточно вольно перевести как «Метод»: речь в нем идет о знаменитом труде этого геометра, посвященном объему и площади поверхности шара. В нем показано, как автор пришел к таким результатам, и можно практически заглянуть в его мысли – беспрецедентный случай.

От изумления я лишился речи и напоминал, наверное, вытащенную из воды золотую рыбку.

– Архимед открыл, что если шар вписан в подходящий цилиндр, то объем шара составляет в точности две трети от объема цилиндра, а площадь его поверхности в точности равна площади криволинейной поверхности этого цилиндра. На современном языке это означает, что если радиус шара равен r, то его объем равен а площадь поверхности – 4πr².

– Архимед был настолько великим математиком, что сумел найти логически строгое геометрическое доказательство этих фактов, которое включил в книгу «О шаре и цилиндре». Там он использовал сложный метод доказательства, известный в настоящее время как метод исчерпывания. С этим методом, однако, связаны некоторые сложности, одна из которых состоит в том, что нужно заранее знать точный ответ, верность которого вы и будете доказывать. Поэтому для ученых долгое время было загадкой: откуда Архимед узнал, каким должен быть ответ?

– Понятно, – сказал я. – А в этом давным-давно утерянном документе объясняется, как он это сделал.

– Именно. Замечательно, что метод Архимеда – это почти предвидение – в данном конкретном случае – интегрального исчисления Исаака Ньютона и Готфрида Лейбница, разработанного на 2000 лет позже. Но, как хорошо знал Архимед, идеям, использованным им в «Методе», недостает строгости. Отсюда и метод исчерпывания, к которому ему пришлось прибегнуть… Совершенно иной подход.

– Так как же он это сделал? – спросил я.

Сомс тщательно изучил палимпсест через увеличительное стекло.

– Греческий язык здесь не совсем классический и местами плохо читается, но для такого опытного лингвиста, как я, это не представляет серьезной трудности. Показывал я вам свой памфлет о расшифровке неизвестных древних текстов Средиземноморья? Напомните, чтобы показал.

Судя по всему, Архимед начал с шара, конуса и цилиндра подходящих размеров. Затем он представил тончайший срез каждой из этих фигур и представил, что эти срезы можно взвешивать: срез шара и срез конуса на весах с одной стороны, срез цилиндра – с другой. Если расстояния подобраны правильно, то массы совпадут в точности. А поскольку масса пропорциональна объему, то и объемы фигур связаны по закону рычага.

– Э-э… Напомните мне, пожалуйста, этот закон, – сказал я. – Не могу сказать, почему, но его не было в учебной программе медицинской школы.

– А должен был бы быть, – отозвался Сомс. – Он очень пригодился бы при работе с вывихнутыми суставами. Ну, не важно. Закон этот, открытый и доказанный Архимедом, утверждает, что крутящее действие, или момент, заданной массы на заданном расстоянии равен произведению массы на расстояние. Чтобы массы уравновесились, суммарный момент по часовой стрелке должен равняться суммарному моменту против часовой стрелки. Или, при соответствующей расстановке знаков плюс и минус, полный суммарный момент системы должен быть равен нулю.

– Э-э…

– Масса на заданном расстоянии уравновесит половинную массу на вдвое большем расстоянии, если, конечно, она находится на другом плече весов.

– Понятно.

– Подозреваю, что нет, но позвольте мне продолжить. Разбив объемные тела на бесконечное количество бесконечно тонких ломтиков и развесив их нужным образом на своих весах, Архимед сумел сосредоточить всю массу шара и конуса в одной точке. Ломтики цилиндра, которые представляют собой одинаковые круги, размещаются на разных расстояниях; все вместе они составляют первоначальный цилиндр. Зная, что объем конуса (а значит, и его масса) составляет одну треть от соответствующего параметра цилиндра, Архимед смог решить получившееся «уравнение» для объема шара.

– Поразительно, – сказал я. – Мне это все представляется достаточно убедительным.

– Но не математику калибра Архимеда, – возразил Сомс. – Если ломтики имеют конечную толщину, в ходе процедуры возникнут небольшие, но неизбежные ошибки. Но если сделать ломтики нулевой толщины, то и масса у них окажется нулевой. Бессмысленно говорить о единственной точке равновесия, когда все задействованные массы равны нулю.

Я начал понимать сложности, связанные с описанной процедурой.

– Но ведь чем тоньше становятся ломтики, тем меньше, наверное, становятся ошибки? – рискнул я предположить.

– Это так, Ватсап, вы правы. И современный подход к интегральному исчислению превращает это утверждение в доказательство того, что процесс такого рода приводит к разумным ответам. Однако Архимеду эти идеи были неизвестны. Так что он воспользовался нестрогим методом, чтобы найти верный ответ, и это позволило ему прибегнуть к методу исчерпывания, чтобы доказать правильность ответа.

– Поразительно, – вновь сказал я. – Мы должны опубликовать палимпсест.

Сомс покачал головой.

– И рисковать навлечь на себя гнев картонариев? Я слишком высоко ценю наши с вами жизни, чтобы привлекать к себе их внимание.

– Что же нам делать?

– Мы должны поместить рукопись в безопасное место. Не вернуть обратно в библиотеку, ибо там, должно быть, уже заметили ее исчезновение и успели расставить множество хитрых ловушек. Я спрячу его в какой-нибудь другой научной библиотеке. Нет, не спрашивайте, в какой именно! Может быть, когда-нибудь позже, когда времена будут менее тревожные и влияние тайных обществ ослабнет, его найдут заново. А до той поры мы должны удовлетвориться тем, что познакомились с методом великого геометра, хотя и не смогли открыть его миру.

Он ненадолго остановился.

– Я уже рассказал вам о формулах для площади поверхности и объема шара. А вот небольшая и несложная задачка, которая может вас позабавить. Каким должен быть радиус шара в метрах, чтобы площадь его поверхности в квадратных метрах в точности равнялась его же объему в кубических метрах?

– Понятия не имею, – признался я.

– Так выясните, чего ж вы ждете! – воскликнул он.

Подлинную историю архимедова палимпсеста и ответ на загадку Сомса см. в главе «Загадки разгаданные».

Сумма четырех кубов

Сумма четырех квадратов, как и многие другие математические загадки, имеет давнюю историю. Греческий математик Диофант, чья «Арифметика» примерно 20 г. н. э. была первым учебником, в котором использовалась некая система алгебраических обозначений, задал вопрос, является ли каждое положительное целое число суммой четырех полных квадратов (0 разрешен). Несложно проверить это утверждение экспериментально для небольших чисел, к примеру:

5 = 2² + 1² + 0² + 0²;

6 = 2² + 1² + 1² + 0²;

7 = 2² + 1² + 1² + 1².

Теперь, стоило вам подумать о том, что для 8 потребуется еще одна 12, то есть пять квадратов, на помощь приходит 4:

8 = 2² + 2² + 0² + 0².

Эксперименты с более крупными числами позволяют с серьезным основанием предположить, что ответ должен быть «да», однако эта задача оставалась нерешенной более 1500 лет. Она получила известность как задача Баше по имени Клода Баше де Мезириака, опубликовавшего французский перевод «Арифметики» в 1621 г. Доказательство нашел Жозеф-Луи Лагранж в 1770 г. Не так давно были найдены более простые доказательства, основанные на абстрактной алгебре.

А как насчет суммы четырех кубов?

В том же 1770 г. Эдвард Уоринг заявил без доказательства, что любое положительное целое число есть сумма не более чем 9 кубов и 19 четвертых степеней, и задал вопрос, можно ли утверждать что-то подобное о более высоких степенях. То есть для заданного числа k существует ли некий конечный предел количества k степеней, необходимых для выражения любого положительного целого числа в виде их суммы? В 1909 г. Давид Гильберт доказал, что ответ на этот вопрос – «да». (Нечетные степени отрицательных чисел отрицательны, и это сильно меняет правила игры, так что пока мы ограничиваемся только степенями положительных чисел.)

Число 23 определенно требует 9 кубов. Единственные возможные слагаемые здесь – 8, 1 и 0, и лучшее, что можно сделать, – это сложить две восьмерки и семь единиц:

23 = 2³ + 2³ + 1³ + 1³ + 1³ + 1³ + 1³ + 1³ + 1³.

Таким образом, в общем правиле кубов не может быть меньше 9. Однако это число можно и уменьшить, если согласиться на конечное число исключений. К примеру, в реальности 9 кубов требуется только для чисел 23 и 239; все остальные можно получить с использованием не более чем 8 кубов. Юрий Линник снизил это число до 7, допустив еще несколько исключений, и сегодня считается, что правильный ответ, допускающий конечное число исключений, – это 4. Наибольшее известное число, для записи которого необходимо больше 4 кубов, – это 7 373 170 279 850, и предполагается, что более крупных чисел с таким свойством не существует. Так что очень возможно – но пока вопрос остается открытым, – что любое достаточно большое положительное целое число есть сумма четырех положительных кубов.

Но, как я уже сказал, куб отрицательного числа отрицателен. Это порождает новые возможности, отсутствующие у четных степеней. Так,

23 = 27 – 1–1 – 1–1 = 3³ + (–1)³ + (–1)³ + (–1)³ + (–1)³,

то есть достаточно 5 кубов, тогда как в случае только положительных или нулевых кубов требуется 9, как мы только что видели. Но можно и еще улучшить результат: 23 можно выразить с использованием всего 4 кубов:

23 = 512 + 512 – 1 – 1000 = 8³ + 8³ + (–1)³ + (–10)³.

Разрешение на использование отрицательных чисел означает, что используемые кубы могут быть намного больше (если не обращать внимания на знак «–») самого числа. В качестве примера покажем, что число 30 можно записать в виде суммы 3 кубов, но придется постараться:

30 = 2 220 422 932³ + (–283 059 965)³ + (–2 218 888 517)³.

То есть мы не можем систематически просмотреть ограниченное число вариантов, как в случае, когда рассматриваем только положительные кубы.

Эксперименты привели нескольких математиков к гипотезе о том, что всякое целое число есть сумма 4 (положительных или отрицательных) целых кубов. Пока истинность этого утверждения окончательно не установлена, хотя свидетельств в его пользу хватает. Компьютерные расчеты подтверждают, что любое положительное целое число вплоть до 10 млн есть сумма 4 кубов. В. Демьяненко доказал, что любое число, которое нельзя представить в виде 9k ± 4, всегда представимо как сумма 4 кубов.

Откуда у леопарда пятна

У леопардов есть пятна, у тигров – полосы, а львы щеголяют ровным цветом. Почему? Все эти варианты кажутся какими-то случайными, как будто на распродаже из списка в «Каталоге больших кошек» эволюция выбирает для каждой самый красивый вариант окраски шкуры. Но накопилось уже немало свидетельств в пользу того, что дело обстоит совершенно иначе. Уильям Аллен с коллегами исследовал, как математические правила, определяющие узоры и орнаменты, соотносятся с кошачьими привычками и средой обитания и как это влияет на эволюцию расцветок.

Самая очевидная причина обзавестись разноцветной шкурой – маскировка. Если кошка живет в лесу, пятна или полосы сделают ее малозаметной среди теней и световых пятен. Напротив, кошек, которые обитают на открытом месте, было бы видно лучше, если бы у них на шкуре был яркий рисунок. Однако теории такого рода не намного лучше простых сказок, если их невозможно подтвердить реальными данными. Экспериментальная проверка затруднительна: представьте, что вы хотите закрашивать полоски на тиграх на протяжении нескольких поколений или снабдить тигров и их потомство гладкой шкурой, чтобы посмотреть, что из этого получится. Альтернативных теорий сколько угодно: может быть, рисунок на шкуре привлекает партнера – или просто связан естественным образом с размерами животного.

Математическая модель кошачьей раскраски дает возможность проверить теорию маскировки. Некоторые расцветки, такие как леопардовые пятна, очень сложны, причем сложны по такому типу, который тесно связан с маскировочной ценностью окраски. Поэтому исследователи классифицировали варианты окраски с использованием математической схемы, придуманной Аланом Тьюрингом; согласно этой схеме рисунок определяется химическими веществами, которые реагируют между собой и расплываются по поверхности развивающегося зародыша.

Эти процессы можно характеризовать конкретными числами, определяющими скорость диффузии и тип реакции. Эти числа действуют как координаты в «пространстве маскировки» – множестве всех возможных узоров, подобно тому как широта и долгота дают координаты на поверхности Земли.

Исследователи соотносят эти числа с наблюдаемыми данными у 35 различных видов кошачьих: какой ландшафт эти кошки предпочитают, что едят, охотятся днем или ночью. Статистические методы выявили значимую связь между этими переменными и узорами на кошачьих шкурах. Результаты показывают, что узоры тесно связаны с закрытыми ландшафтами, такими как лес. Животные открытых пространств, таких как саванны, с большей вероятностью имеют гладкую шкуру, как львы. Если нет, то узор на шкуре обычно несложен. А вот животные, которые много времени проводят на деревьях, как леопарды, с большей вероятностью имеют узорчатые шкуры. Более того, их узоры, как правило, сложны – это не просто пятна или полосы. Этот метод объясняет также, почему черные леопарды (так называемые пантеры) встречаются достаточно часто, а вот черных гепардов не бывает.

Данные откровенно противоречат некоторым теориям, альтернативным маскировочной. Размеры кошек и размеры их добычи мало влияют на расцветку. Кошки, ведущие общественный образ жизни, с той же вероятностью оказываются узорчатыми или гладко окрашенными, как и кошки-одиночки, так что отметки на шкуре, вероятно, не имеют ценности в качестве социальных сигналов. Исследование не доказывает, что отметки на шкурах появились в процессе эволюции только ради маскировки, но позволяет предположить, что маскировка сыграла здесь ключевую эволюционную роль.

Львы окрашены ровно, потому что гуляют по открытым равнинам. Леопарды пятнисты, потому что такой рисунок труднее заметить в лесу.

Дополнительную информацию см. в главе «Загадки разгаданные».

Многоугольники навсегда

Вот вам тест на геометрическую и аналитическую интуицию. Начните с окружности единичного радиуса. Нарисуйте вокруг нее равносторонний треугольник, который будет как можно плотнее ее охватывать (то есть описанный равносторонний треугольник); затем нарисуйте вокруг него плотно охватывающую (описанную) окружность. Повторите процесс, только вместо треугольника используйте на очередном шаге квадрат, правильный пятиугольник, правильный шестиугольник и т. д.

Если этот процесс будет продолжаться до бесконечности, то станет ли ваш рисунок сколь угодно большим или навсегда останется в пределах какой-то ограниченной области на плоскости?

Ответ см. в главе «Загадки разгаданные».

Совершенно секретно

Где-то в 1930-е гг. один русский профессор математики вел семинар по гидродинамике. Среди постоянных участников семинара были двое, приходившие всегда в форме; очевидно, это были военные инженеры. Они никогда не рассказывали о проекте, над которым работали, поскольку он, судя по всему, был секретным. Но однажды они попросили профессора помочь им с решением одной математической задачи. Решение некоего уравнения приводило к колебательному процессу, и они хотели узнать, как нужно изменить коэффициенты, чтобы сделать решение стабильным.

Профессор посмотрел на уравнение и сказал: «Сделайте крылья длиннее».

Приключения гребцов

Из мемуаров доктора Ватсапа

Я нередко поражаюсь способности Сомса находить закономерности в самых неподходящих для этого обстоятельствах. Невозможно подобрать лучшего примера, чем история, имевшая место ранней весной 1877 г.

Когда, направляясь к дому Сомса, я проходил через Равносторонний парк, на дорожках плясали пестрые пятна света и теней, которые свежеотчеканенное солнышко бросало сквозь кружевные пухлые облака, а живые изгороди звенели птичьими песнями. В такой великолепный день казалось просто неприличным оставаться дома, но все мои усилия оторвать моего друга от каталогизации полной коллекции использованных спичек встретили с его стороны лишь равнодушие.

– Нередко исход дела зависит от того, сколько времени горела спичка, Ватсап, – недовольно проворчал он, занося в блокнот какой-то очередной размер, снятый с циркуля.

Разочарованный, я раскрыл газету на спортивной странице, и мой глаз сразу же выхватил своевременное напоминание о событии, которое даже Сомс вряд ли хотел бы пропустить. У меня же оно совершенно выскочило из головы, вытесненное жужжанием пчел и цветением деревьев. Меньше чем через час мы уже сидели на берегу реки с корзинкой ленча и несколькими бутылками вполне приличного бургундского и ждали начала ежегодной гонки.

– За кого вы болеете, Сомс?

Он прекратил измерение длины сгоревшей части раннешотландской безопасной спички – Сомс настоял на том, чтобы взять некоторое количество спичек с собой, чтобы было чем заняться.

– За голубых.

– Темных или светлых?

– Да, конечно, – загадочно ответил он.

– Я имею в виду, за Оксфорд или за Кембридж?

– Да, – он покачал головой. – За кого-то из них. Переменных слишком много, и они слишком сложные, чтобы предсказать успех, Ватсап.

– Сомс, я спрашивал, за кого вы болеете, а не просил предсказать победителя.

Он бросил на меня уничтожающий взгляд.

– Ватсап, с какой стати я должен болеть за людей, с которыми даже не знаком?

Когда на Сомса нападает хандра, тому всегда есть причина. Я заметил, что он выкладывает из спичек нечто, напоминающее рыбий скелет, и спросил, в чем дело.

– Я вот смотрю, как распределяются весла на лодках, и мне интересно, почему стало традиционным такое неэффективное их расположение.

Я перевел взгляд на Темзу, где две лодки как раз занимали места на стартовой линии перед ежегодной Университетской гонкой.

– Традиция часто неэффективна, – поучающе заметил я, – поскольку суть ее заключается в том, чтобы делать все точно так, как делалось всегда, а не задаваться вопросом, как сделать лучше всего. Но я не вижу здесь никакой неэффективности. Восемь гребцов, и весла обращены по очереди то на правую сторону, то на левую. Такая лодка называется распашной, и ее устройство представляется мне симметричным и разумным.

Сомс недовольно хмыкнул.

– Симметричной? Тьфу! Вовсе нет. Все весла одного борта расположены впереди по отношению к веслам другого борта. Разумной? Когда гребцы налегают на весла, асимметрия создает крутящую силу, которая заставляет лодку отклоняться в одну сторону.

– Но именно поэтому, Сомс, на лодке есть рулевой. Который направляет лодку при помощи руля.

– Который порождает сопротивление поступательному движению лодки.

– Ах! Но как еще можно расположить весла? Невозможно ведь посадить двух гребцов рядом, бок о бок.

– Существует 68 вариантов, Ватсап; 34, если считать зеркально симметричные варианты одинаковыми. Кстати говоря, наши немецкие и итальянские друзья пользуются другими схемами расположения весел, – он выложил перед собой из спичек две скелетообразные схемы.

Я в недоумении уставился на них.

– Но ведь такие странные варианты расположения весел наверняка страдают от еще бо́льших проблем!

– Возможно. Давайте посмотрим, – он поджал губы и погрузился в размышления. – В этом деле бесчисленное количество практических вопросов, Ватсап, которые требуют более сложного анализа. Не говоря уже о том, что у меня не хватит спичек. Поэтому я ограничусь простейшей моделью, какую смогу придумать, и буду надеяться, что она подскажет мне что-нибудь полезное. Предупреждаю заранее, что результаты будут не слишком определенными.

– Достаточно справедливо, – сказал я.

– Теперь рассмотрим одно отдельно взятое весло и рассчитаем силы, действующие на уключину, в которой оно вращается, в ходе той фазы гребка, когда весло находится в воде. Для простоты я буду считать, что все гребцы обладают одинаковой силой и гребут с идеальной синхронностью, так что прикладывают одинаковую силу F в любой заданный момент. Затем я раскладываю эту силу на компоненты P (параллельный оси лодки) и R (направленный к ней под прямым углом).

– Все эти силы изменяются во времени, – заметил я.

Он кивнул.

– Важно здесь то, что специалисты по механике называют моментом каждой силы, – степень, в которой она поворачивает лодку вокруг какой-то выбранной точки. Находят его, как вы помните из истории с палимпсестом Архимеда, перемножением силы на расстояние от точки ее приложения по перпендикуляру до этой точки.

Настала моя очередь кивнуть. Я был уверен, что припоминаю что-то в этом роде.

– Я отмечаю положение ближайшего к корме весла точкой. Это и будет наша выбранная точка. Далее, сила P имеет момент Pd относительно точки, в которой крепление уключины весла пересекается с центральной продольной осью лодки, если это весло расположено на левой стороне. Но если оно располагается справа, момент будет равен – Pd, поскольку сила при этом закручивает лодку в противоположном направлении. Обратите внимание: эти моменты для всех четырех весел на одном борту лодки одинаковы. Следовательно, суммарный момент всех восьми весел равен 4Pd – 4Pd, то есть 0.

– Вращающие силы уравновешивают друг друга!

– Для продольных составляющих P – да, уравновешивают. Однако момент силы R у каждого весла свой, поскольку зависит от расстояния x между этим веслом и крайним кормовым. Если говорить конкретно, этот момент равен Rx. Если расстояние между соседними веслами везде одинаково и равно c, то x принимает значения

0 cR 2cR 3cR 4cR 5cR 6cR 7cR

по мере продвижения от кормы к носу. Поэтому суммарный момент равен

± 0 ± cR ± 2cR ± 3cR ± 4cR ± 5cR ± 6cR ± 7cR,

где ставится знак плюс для весел левого борта и знак минус – для весел правого борта.

– Почему?

– Силы на левой стороне поворачивают лодку по часовой стрелке, Ватсап, а силы по правой стороне – против. Можно упростить это выражение до (± 0 ± 1 ± 2 ± 3 ± 4 ± 5 ± 6 ± 7) cR, где последовательность плюсов и минусов соответствует последовательности сторон, на которые смотрят весла.

– А теперь рассмотрим стандартное расположение весел на спортивной распашной восьмерке. Последовательность знаков здесь такова:

+ – + – + – + –,

так что суммарный крутящий момент равен

(0–1 + 2–3 + 4–5 + 6–7) cR = –4cR.

В первой фазе гребка R направлена внутрь, но, когда весло начинает уходить назад, направление R меняется, она начинает действовать наружу. Поэтому лодка в ходе гребка сначала поворачивается в одном направлении, затем в другом, то есть вихляет на ходу. Рулевой должен при помощи руля корректировать ход лодки, а это, как я уже сказал, порождает сопротивление.

– А что в немецком варианте? Здесь суммарный крутящий момент равен

(0–1 + 2–3 – 4 + 5–6 + 7) cR = 0,

какими бы ни были c и R. Так что лодка в этом варианте не склонна вилять.

– А у итальянцев? – воскликнул я. – О, дайте мне попробовать! Суммарный крутящий момент равен

(0–1–2 + 3 + 4–5–6 + 7) cR = 0.

Тоже! Как замечательно!

– Вот именно, – отозвался Сомс. – А теперь, Ватсап, вопрос для вашего живого ума. Являются ли немецкий и итальянский варианты – или их зеркальные отражения, которые ничем, в сущности, от них не отличаются, – единственными способами обнулить вращающие силы? – должно быть, он заметил выражение моего лица, поскольку добавил: – Вопрос сводится к разделению чисел от 0 до 7 на две группы по четыре, каждая из которых при сложении даст одну и ту же сумму. А именно 14, поскольку все эти числа в сумме дают 28.

Ответ, а также результат гонки Оксфорд – Кембридж 1877 г. см. в главе «Загадки разгаданные».

«Пятнашки»

Эта старая головоломка – моя любимая, она никогда не надоедает. Это увлекательное занятие, где маленькая математическая догадка могла бы избавить нас от невероятного количества напрасных усилий. Плюс к тому она нужна мне в качестве подготовки к следующей теме.

В 1880 г. нью-йоркский почтмейстер по имени Ной Палмер Чепмэн предложил головоломку, которую он назвал «драгоценной», а дантист Чарльз Певи предложил денежный приз за ее решение. Головоломка ненадолго вошла в моду, но никто не сумел выиграть приз, так что ажиотаж быстро спал. Американский составитель головоломок Сэм Лойд[34] утверждал, что именно он ввел моду на эту головоломку в 1870-е гг., но на самом деле все, что он сделал, – это написал о ней в 1896 г. и предложил приз в $1000 за решение, что на время воскресило интерес к полузабытой игре.

Головоломка «пятнашки» (ее также называют игрой в «15» и «загадочным квадратом») начинается с 15 подвижных квадратиков, пронумерованных числами от 1 до 15 и расставленных в форме квадрата с одним пустым квадратиком в правом нижнем углу. Квадратики расставлены в порядке возрастания, за исключением номеров 14 и 15. Задача играющего – поменять местами квадратики 14 и 15, сохранив положение остальных квадратиков неизменным. Делать это нужно сдвиганием любого из соседних квадратиков на пустое место, причем повторять эту операцию можно сколько угодно.

По мере того как вы сдвигаете все больше и больше квадратиков, номера перепутываются. Но если вы будете действовать аккуратно, вы сможете вновь их распутать. Легко предположить, что при достаточной сообразительности можно получить любое, абсолютно произвольное расположение квадратиков.

Лойд с радостью предложил такой щедрый по тем временам приз, поскольку был уверен, что платить не придется. В игре существует 16! потенциально возможных перестановок (15 нумерованных квадратиков плюс один пустой). Вопрос в следующем: какие из этих вариантов можно получить при помощи серии разрешенных ходов? В 1879 г. Уильям Джонсон и Уильям Стори доказали, что ответ состоит в том, что получить можно ровно половину вариантов; причем (так мы и знали, не правда ли?) вариант, который нужен для получения приза, относится к другой половине. «Пятнашка» нерешаема. Но люди в большинстве своем этого не знали.

Для доказательства невозможности решения нужно раскрасить квадратики под шахматную доску, как на правом рисунке. Сдвиг любого квадратика, по существу, меняет его местами с пустым квадратиком, и всякий раз при этом меняется цвет, связанный с пустым квадратиком. Поскольку в результате пустой квадратик должен вернуться на свое первоначальное место, число шагов должно быть четным. Вообще, любая расстановка может быть получена путем серии обменов, но некоторые комбинации требуют четного числа обменов, а некоторые – нечетного.

Существует множество способов получить любую заданную расстановку, но они либо все четные, либо все нечетные. Желаемый результат может быть получен при помощи всего лишь одной замены (нужно поменять местами 14 и 15), но единица – число нечетное, так что получить такую расстановку четным числом замен невозможно.

Это условие оказывается единственным препятствием: разрешенные ходы позволяют получить ровным счетом половину из 16! возможных расстановок. 16!/2 = 10 461 394 944 000; это число настолько велико, что, сколько бы раз вы ни пробовали, бо́льшая часть вариантов останется неисследованной. Это может заронить в ваше сознание мысль, что возможен, безусловно, любой вариант расстановки.

Хитрая шестиугольная головоломка

В 1974 г. Ричард Уилсон обобщил «пятнашки» и доказал замечательную теорему. Он заменил сдвижные квадратики сетью. Квадратики здесь представлены числами, которые могут скользить по ребру, если оно соединено с узлом, на котором в данный момент располагается пустой квадратик. При этом пустой квадратик перемещается на новую позицию. Приведенная на рисунке фигура показывает начальное расположение блоков головоломки. Узлы связаны, если соответствующие им квадратики располагаются по соседству.

Идея Уилсона состоит в том, чтобы заменить эту сеть вообще любой связанной сетью. Предположим, в ней n + 1 узлов. Первоначально один из узлов, отмеченный квадратиком, считается пустым (назовем его узлом 0), а остальные пронумерованы номерами от 1 до n. Смысл головоломки в том, чтобы двигать эти числа (номера) по сети, меняя местами 0 с номером одного из прилегающих узлов. Правилами оговаривается, что в конце концов 0 вновь должен оказаться в начальной точке. Остальные n чисел могут быть расставлены по сети n! способами. Уилсон задал вопрос: какая доля этих способов может быть получена посредством разрешенных ходов? Ответ, очевидно, зависит от сети, но в меньшей степени, чем можно было бы предположить.

Существует один очевидный класс сетей, для которых ответ оказывается необычно маленьким. Если узлы образуют замкнутое кольцо, то единственное положение, которое можно получить разрешенными ходами, – это начальное положение, поскольку 0 по условию должен вернуться в начальную точку. Все остальные числа будут расставлены в прежнем циклическом порядке; не существует способа, посредством которого один номер может обогнуть другой и оказаться с другой его стороны. Теорема Рика Уилсона (названная так, чтобы избежать путаницы с другим математическим Уилсоном) утверждает, что если оставить в стороне кольцевые сети, то в любой другой сети могут быть получены либо все перестановки без исключения, либо ровно половина (только четные).

Ровно за одним замечательным исключением.

В теореме содержится сюрприз. Уникальный сюрприз: сеть с семью узлами. Шесть из них образуют шестиугольник, а один располагается посередине, на одном из диаметров. В этой сети возможно 6! = 720 перестановок; соответственно, половина равна 360. Но в реальности получить можно только 120.

В рассуждениях используется абстрактная алгебра, а именно некоторые элегантные свойства групп перестановок. Подробности см.: Alex Fink and Richard Guy, Rick's tricky six puzzle: S5 sits specially in S6, Mathematics Magazine 82 (2009) 83–102.

Сложно, как азбука

Время от времени математикам на ум приходят безумные, на первый взгляд, идеи, влекущие за собой, как оказывается позже, громадные последствия. ABC-гипотеза – из их числа.

Помните Великую теорему Ферма? В 1637 г. Пьер де Ферма высказал гипотезу о том, что если n³ 3, то уравнение Ферма

an + bn = cn

не имеет ненулевых целых решений. С другой стороны, при n = 2 таких решений бесконечно много, вспомнить хотя бы пифагорову тройку 3² + 4² = 5². Прошло 358 лет, прежде чем правоту Ферма доказали Эндрю Уайлс и Ричард Тейлор (см. «Кабинет…» с. 50).

Дело сделано, можно было бы подумать. Но в 1983 г. Ричард Мейсон вдруг понял, что никто и никогда не рассматривал внимательно Великую теорему Ферма для первых степеней:

a + b = c.

Не нужно быть алгебраическим гением, чтобы найти решения этого уравнения: 1 + 2 = 3, 2 + 2 = 4. Но Мейсон задумался, не станет ли этот вопрос интереснее, если наложить на a, b и c более серьезные ограничения. В результате возникла новая блестящая догадка и родилась новая гипотеза – так называемая гипотеза ABC (или гипотеза Эстерле – Массера), которая произведет настоящую революцию в теории чисел, если кому-нибудь удастся ее доказать. В ее пользу имеется огромное количество численных свидетельств, но доказательство пока, похоже, ускользает, за возможным исключением работы Синити Мотидзуки. Я еще вернусь к ней, когда мы разберемся, о чем, собственно, идет речь.

Более 2000 лет назад Евклид знал, как можно найти все пифагоровы тройки при помощи того, что мы сегодня называем алгебраическими формулами. В 1851 г. Жозеф Лиувилль доказал, что для уравнения Ферма при n ≥ 3 подобной формулы не существует. Мейсон заинтересовался более простым уравнением:

a (x) + b (x) = c (x),

где a (x), b (x) и c (x) – многочлены. Многочлен – это алгебраическая комбинация степеней x, такая, к примеру, как 5x^4 – 17x^3 + 33x – 4.

Решения, опять же, найти несложно, но они не могут все быть «интересными». Степенью многочлена называется наибольшая степень x, которая в нем присутствует. Мейсон доказал, что если это уравнение верно, то степени a, b и c меньше числа различных комплексных решений x уравнения a (x) b (x) c (x) = 0. Оказалось, что У. Уилсон Стозерс доказал то же самое в 1981 г., но Мейсон развил эту идею дальше.

Специалисты по теории чисел часто ищут аналогии между многочленами и целыми числами. Естественным аналогом теоремы Мейсона – Стозерса могла бы быть такая: пусть a + b = c, где a, b и c – целые числа, не имеющие общих делителей. Тогда число простых делителей у каждого из чисел a, b и c меньше числа различных простых делителей abc.

К несчастью, очевидно, что это утверждение неверно. Так, если взять сумму 9 + 16 = 25, то имеем 9 = 3 × 3 (2 делителя), 16 = 2 × 2 × 2 × 2 (4 делителя) и 25 = 5 × 5 (2 делителя). А их произведение abc = 9 × 16 × 25 имеет лишь три различных простых делителя (2, 3 и 5). Упс. Однако математики не сдаются. В данном случае они попытались модифицировать это утверждение так, чтобы оно выглядело правдоподобным. В 1985 г. Дэвид Массер и Жозеф Эстерле сделали именно это. Их вариант утверждения выглядит так:

«Для любого ε > 0 существует лишь конечное число троек положительных целых чисел, не имеющих общих делителей и удовлетворяющих уравнению a + b = c, таких, что с > d1 + ε, где d обозначает произведение различных простых делителей abc».

Это и есть гипотеза ABC. Если бы ее удалось доказать, многие глубокие и сложные теоремы, доказанные в последние десятилетия с огромными усилиями и самыми хитроумными методами, оказались бы ее прямыми следствиями и получили более простые доказательства. Более того, все эти доказательства были бы очень похожи между собой: провести несложную рутинную подготовку, а затем применить «теорему ABC», как она бы тогда называлась. Эндрю Грэнвилл и Томас Такер[35] пишут, что разрешение этой гипотезы произвело бы «…необычайный эффект на наши представления о теории чисел. Доказательство или опровержение ее было бы ошеломительным».

Но вернемся к Мотидзуки, уважаемому специалисту по теории чисел с солидным багажом исследований. В 2012 г. он изложил предполагаемое доказательство гипотезы ABC в серии из четырех препринтов – статей, не представленных пока для официальной публикации. Вопреки его намерениям эта публикация привлекла внимание средств массовой информации, хотя с его стороны, конечно, было наивно полагать, что подобного исхода удастся избежать. В настоящее время специалисты проверяют 500 или около того страниц принципиально новой математики, из которых состоит доказательство. Это занимает много времени и усилий, потому что идеи в нем формализованны, сложны и необычны; однако никто не отвергает доказательство только по этой причине. Одна ошибка уже найдена, но Мотидзуки заявил, что она не портит доказательство. Он продолжает публиковать отчеты по ходу проверки, а эксперты продолжают свою работу.

Кольца из правильных многогранников

Восемь одинаковых кубов, плотно составленных гранями, образуют куб вдвое большего размера. Восемь кубов можно составить и так, чтобы они образовали «кольцо» – объемную фигуру с отверстием, топологически – тор.

Приложив некоторые усилия, можно проделать то же самое с тремя другими правильными многогранниками: октаэдром, додекаэдром и икосаэдром. Во всех четырех случаях многогранники совершенно правильные и стыкуются друг с другом в точности: это очевидно для кубов и прямо следует из симметрии для трех остальных многогранников.

Однако всего существует пять правильных многогранников, и для одного из них – тетраэдра – этот метод не работает. Поэтому в 1957 г. Гуго Штейнгауз задал вопрос о том, можно ли склеить некоторое количество одинаковых правильных тетраэдров гранью к грани так, чтобы они образовали замкнутое кольцо. Ответ на его вопрос был дан годом позже, когда С. Сверчковский доказал, что подобная комбинация невозможна. Тетраэдр – особый многогранник.

Однако в 2013 г. Майкл Элгерсма и Стэн Вэгон открыли красивое восьмисторонне-симметричное кольцо из 48 тетраэдров. Неужели Сверчковский ошибся?

Вовсе нет, как объяснили Элгерсма и Вэгон в своей статье, посвященной этому открытию. Если изготовить эту комбинацию из правильных тетраэдров, останется небольшой разрыв. Этот разрыв можно закрыть, если удлинить ребра, показанные на рисунке жирными линиями, с 1 до 1,00274, примерно на одну пятисотую, чего человеческий глаз заметить не в состоянии.

Сверчковский спрашивал: если взять много тетраэдров и составить их в кольцо с разрывом, то насколько маленьким может оказаться этот разрыв? Можно ли сделать его сколь угодно маленьким по отношению к размеру одного тетраэдра за счет использования достаточно большого их числа? Ответ на этот вопрос неизвестен до сих пор, при условии что тетраэдры не могут пересекаться друг с другом, однако Элгерсма и Вэгон доказали, что, если разрешить взаимопроникновение, ответ должен быть положительным. К примеру, 438 тетраэдров оставляют разрыв, составляющий примерно одну десятитысячную длины ребра.

Авторы предположили, что ответ должен быть положительным, даже если тетраэдрам не разрешено пересекаться, но конструкции при этом должны возникать значительно более сложные. В доказательство они нашли серию колец со все уменьшающимися разрывами. Нынешний рекорд, открытый в 2014 г., представляет собой почти замкнутое кольцо из 540 непересекающихся тетраэдров с разрывом 5 × 10–18.

Дополнительную информацию см. в главе «Загадки разгаданные».

Задача о квадратном колышке

Эта математическая загадка оставалась нерешенной больше 100 лет. Правда ли, что любая простая (без самопересечений) замкнутая кривая на плоскости содержит четыре точки, представляющие собой углы квадрата с ненулевой стороной?

Под «кривой» здесь подразумевается непрерывная линия без разрывов, не обязательно гладкая. Она может иметь острые углы и вообще может быть бесконечно извилистой. Мы настаиваем на ненулевой стороне квадрата, чтобы избежать тривиального ответа, когда одна и та же точка представляет все четыре угла.

Первое печатное упоминание о задаче с квадратным колышком появилось в 1911 г. в ходе конференции на семинаре, который проводил Отто Тёплиц; судя по всему, было обещано доказательство. Однако никакого доказательства опубликовано не было. В 1913 г. Арнольд Эмч доказал, что это утверждение верно для гладких выпуклых кривых, но добавил, что услышал о задаче не от Тёплица, а от Обри Кемпнера. Это утверждение было доказано для выпуклых кривых, аналитических кривых (определяемых сходящимися степенными рядами), достаточно гладких кривых, кривых с симметрией, звездчатых дважды дифференцируемых кривых, пересекающих любую окружность в четырех точках…

В общем, вы поняли. Множество технических гипотез, но никакого общего доказательства и никаких контрпримеров. Может быть, да, может быть, нет. Кто знает?

Существуют обобщения. В Задаче о прямоугольном колышке спрашивается, действительно ли для любого действительного числа r³ 1 любая гладкая простая замкнутая кривая на плоскости содержит четыре вершины прямоугольника с отношением сторон r: 1. Доказан только случай квадратного колышка (r = 1). Существуют также несколько расширений на более высокие размерности при очень сильных ограничениях.

Невозможный маршрут

Из мемуаров доктора Ватсапа

С тяжелым сердцем…

Я бросил перо, вновь охваченный горем. Дьявольское отродье! Махинации профессора Могиарти вызвали безвременную кончину одного из величайших детективов, когда-либо хромавших по улицам Лондона под видом пожилого русского торговца рыбой. Великолепнейший ум, с каким мне приходилось сталкиваться, выслежен преступником, который – пока Сомс не избавился от него такой страшной ценой! – имел касательство ко всем злодействам в нашем королевстве. За исключением того идиота, который постоянно ставит свой экипаж прямо под нашим окном, где его лошадь…

Позвольте вашему скромному летописцу утереть скупую мужскую слезу и поведать вам об этих трагических событиях.

Целую неделю Сомс пребывал в дурном настроении. Я заподозрил, что он чем-то расстроен, когда он начал навешивать на окно шестой замок и устанавливать третий пулемет Гатлинга.

– Можно и так сказать, – ответил он, когда я озвучил свои подозрения. – Вы бы тоже расстроились, если бы вам едва удалось увернуться от падающего рояля по дороге в парикмахерскую – фирмы Chickering, между прочим, я сразу понял по чугунной раме. Не успел я собраться с мыслями, как мне уже пришлось отпрыгивать с пути ломовой телеги с пивной бочкой, которую понесла четверка лошадей – и которая взорвалась через мгновение после того, как я предусмотрительно укрылся за удачно подвернувшейся стенкой. Эта стенка тут же обрушилась в глубокую яму, что чуть не выбило меня из того скромного равновесия, которое мне удавалось еще сохранять, но я умудрился удержаться наверху, воспользовавшись крюком-кошкой, который всегда ношу в кармане на случай подобных происшествий. Для удобства он складывается, и веревка на нем легкая, но прочная. После этого ситуация несколько осложнилась.

Если бы я хуже знал своего друга, то подумал бы, что он потрясен.

– А вам не пришло в голову, Сомс, что кто-то, может быть, хочет навредить вам?

Он уважительно фыркнул на мою проницательность (по крайней мере, мне так показалось) и уверенно заявил:

– Это Могиарти. Но на этот раз я правильно его оценил. Прямо сейчас, пока мы с вами беседуем, реализуется мой хитрый план и все полицейские Лондона набрасываются на этого… Веллингтона преступного мира… и его миньонов. Скоро все они окажутся за решеткой, и тогда… веревка!

В дверь постучали, и появился какой-то уличный мальчишка.

– Телеграмма для его милости! – Сомс взял клочок бумаги и вручил мальчишке двухпенсовую монету.

– Нынче это стоит шесть пенсов, – заявил мальчишка.

– Кто это сказал?

– Тот, через дорогу, дяденька. Этот мистер Шер…

– Если ты не исчезнешь сейчас же, добавлю подзатыльник, – сказал Сомс. Мальчишка ушел, недовольно бормоча что-то себе под нос. Сомс развернул сложенную бумагу. – Несомненно, известие об успехе опера… – не договорив, он умолк.

– Что такое? – с тревогой спросил я. Лицо Сомса смертельно побледнело.

– Могиарти ушел!

– Как?

– Под видом полицейского.

– Хитрый дьявол!

– Но я знаю, куда он направился, Ватсап. У вас десять минут, чтобы сбегать домой и собрать вещи. После этого мы отправимся в путь: сначала на пароме на материк, потом на нескольких поездах, в карете, в бричке, в омнибусе и на двух осликах. По одному на каждом.

– Но… Сомс! Мы с Беатрис женаты меньше месяца! Я не могу уехать…

– Вашей молодой жене придется со временем привыкнуть к подобным вещам, Ватсап, если мы собираемся продолжать нашу совместную деятельность

– Это правда, но…

– Поверьте мне, самое время начать. Разлука укрепляет сердечную привязанность. Собака – лучший друг… в общем, достаточно клише. Ее брат позаботится о ней, пока вы будете в отъезде. Шести недель должно хватить.

Я понял, что он не стал бы просить меня поехать с ним без самой что ни на есть убедительной причины. Я ему нужен, и я должен оказаться на высоте, чего бы это ни стоило мне лично.

– Очень хорошо, – сказал я, стараясь не обращать внимания на самые дурные предчувствия. – Беатрис поймет. Куда мы едем?

– К Штикельбахскому водопаду, – еле слышно ответил он.

Я невольно вздрогнул. Это название вселяло ужас в сердце даже самого опытного альпиниста.

– Сомс! Это же самоубийство!

Он пожал плечами.

– Именно там мы найдем Могиарти. Но сначала нужно туда попасть, – и он вытащил карту.

– На карте показан интересующий нас район Швейцарии. Обратите внимание на речную сеть. Истоки рек находятся на севере, а вниз по течению они уходят за границы страны. Штикельбахский водопад располагается на конце небольшой речушки, которая ответвляется от более крупной реки.

– А куда эта река девается после водопада?

– Уходит под землю и дальше течет по какому-то подземному руслу. Никто не знает, где она вновь выходит на поверхность.

– Странная какая-то геология, Сомс.

– В Швейцарии очень сложный рельеф, Ватсап. Так, идем дальше. Имеется шесть мостов, которые я означил A, B, C, D, E, F. Это единственные мосты в пределах швейцарских границ, соединяющие показанные области. Омнибус останавливается в маленьком городке Фрошмёйзекриг. Там мы наймем осликов и направимся к водопаду. Мы должны все время оставаться в Швейцарии: довольно трудно незаметно пересечь границу государства даже один раз, и было бы в высшей степени неразумно с нашей стороны повторить такую попытку. Я уже выработал маршрут, но, может быть, у вас будут идеи получше.

Я внимательно изучил карту.

– Ну это же просто! Мы проедем по мосту A.

– Нет, Ватсап. Это слишком очевидно. Могиарти будет ждать нас там, это не годится. Мы должны оставить мост A напоследок в надежде сбить злодея со следа. Кроме того, нам следует пересекать каждый мост не более одного раза, чтобы по возможности не привлекать нежелательное внимание и не быть узнанными.

– Тогда мы должны начать с моста B, – сказал я. – Единственное продолжение пути оттуда идет через C, затем D. После этого у нас будет выбор между E и F. Тот и другой ведут к водопаду, так что можно выбрать, к примеру, E. Готово!

– Как я сказал, последним должен идти мост A. Не E.

– Ах да. Тогда мы проходим по A… Нет, это тупик, оттуда к водопаду не попадешь. Поэтому оставим A на потом и пройдем по F… Но нет: это тоже тупик.

Сомс непонятно хмыкнул. Я проверил свой анализ еще раз.

– Может быть, мост F… нет. Если после D мы воспользуемся F, а не E, возникнут те же проблемы. Такого пути не существует, Сомс! – неожиданно меня осенило. – Может, там есть туннель или еще какая-то возможность пересечь одну из рек. Какой-нибудь паром? Или каноэ?

– Нет там никаких туннелей, паромов и каноэ, и нам не надо пересекать реки иначе, чем по мостам. Мостов и твердой земли вполне достаточно.

– Но тогда это невозможно, Сомс!

Он улыбнулся.

– Но, Ватсап, я уже сказал вам, что маршрут, удовлетворяющий всем условиям, существует. На самом деле таких маршрутов существует аж восемь штук, причем разных – то есть в каждом из них мосты пересекаются в разном порядке.

– Восемь? Признаюсь, я не вижу ни одного, – раздраженно сказал я.

Прав ли Сомс? Ответ см. в главе «Загадки разгаданные».

Последняя задача

Из мемуаров доктора Ватсапа

Я спал плохо и проснулся на рассвете, чтобы застать Сомса уже одетым, бодрым и решительным.

– Пора завтракать, Ватсап! – тепло объявил он. Если его мучили дурные предчувствия по поводу предстоящей встречи, ему удалось их скрыть.

Расправившись с хлебом, мясом и швейцарским сыром, мы оседлали осликов и пустились вверх по узкой тропе. Через несколько километров мы привязали своих верных животных у подножия Штикельбахского водопада. Вспененный поток воды обрушивался вниз между голых стен высокого ущелья, чтобы бесследно исчезнуть в глубокой дыре, оставив после себя радугу, сверкающую в лучах послеполуденного солнца.

К вершине водопада нужно было подниматься по крутой тропинке в скалах. При нашем приближении выше нас на тропе, на фоне светлого неба, появился темный силуэт.

– Могиарти, – сказал Сомс. – Этот зловещий профиль невозможно ни с чем спутать, – он вынул один из своих пистолетов и спустил предохранитель. – Злодей в ловушке, поскольку вниз нет другого пути, кроме этой тропинки. И вообще никакой возможности спуститься – и остаться при этом в живых, во всяком случае. Подождите здесь, Ватсап.

– Нет, Сомс! Я пойду с ва…

– Не пойдете. Избавить мир от этого гнусного существа – мой, и только мой долг. Я подам сигнал, когда можно будет безопасно ко мне присоединиться. Обещайте, что останетесь здесь до его получения.

– Что за сигнал?

– Вы поймете, когда придет время.

Я согласился, несмотря на глубочайшие сомнения, и он ушел вверх по тропе, быстро скрывшись за скальным выступом. Последнее, что я видел, – это пару крепких горных башмаков.

Я ждал. Вокруг царила полная тишина.

Внезапно я услышал крики. Ветер относил слова, и я не мог разобрать смысл. Затем до меня донеслись несомненные звуки борьбы и несколько выстрелов. Потом прозвучал крик, и что-то пролетело мимо меня с потоком воды. Этот предмет был окутан брызгами и двигался так быстро, что я не смог его рассмотреть, но размером он был примерно с человека.

Или с двух человек.

Потрясенный до глубины души, я тем не менее сделал все так, как приказал Сомс. Я ждал.

Сигнала не было.

В конце концов я решил, что что-то пошло не так и это освобождает меня от моего обещания. Я взобрался по тропинке наверх. В верхней точке путь мне преградили скалы, поднимавшиеся здесь еще выше, к небу, и образовавшие гигантский выступ. Заросший мхом уступ вел дальше, к пропасти, куда извергалась река. Ни Сомса, ни Могиарти нигде не было. Но мох, влажный от постоянных брызг, сохранял слабые следы чьих-то ног.

Следы способны многое рассказать человеку, изучавшему детективное дело у настоящего мастера. В нечетких отпечатках с резким глубоким рельефом я узнал башмаки Сомса; другие отпечатки с зигзагообразным рисунком, очевидно, принадлежали Могиарти. Следы вели к краю пропасти, где земля была истоптана в густую грязь – вероятно, в результате той самой борьбы, звуки которой я слышал.

Я в ужасе вдохнул, ибо ни один след не возвращался от этой ужасной кромки.

Я восстановил присутствие духа в достаточной степени, чтобы попытаться сделать то, что сделал бы Сомс, оказавшись в подобных обстоятельствах. Стараясь не наступать на следы, – ибо местная полиция, какой бы некомпетентной она ни была, несомненно захочет осмотреть место происшествия, – я тщательно все изучил.

Сомс, очевидно, шел позади Могиарти, так как его следы иногда накладывались на следы преступника, но не наоборот. Отпечатки Могиарти казались глубже сомсовых, но, с другой стороны, мой друг всегда был легок на ногу. Мрачный вывод был ясен. Сомс преследовал Могиарти до края пропасти; там они боролись; оба они, скорее всего, сцепившись, рухнули вниз навстречу гибели. Их тела теперь находились глубоко внизу в какой-то темной пещере и никогда не будут найдены.

Я поплелся уныло обратно к тропе, где на голых скалах никаких отпечатков, естественно, видно не было. Скала нависала надо мной, и было ясно, что взобраться наверх по ней невозможно. Я рассудил, что, если бы Сомс одержал верх, он подал бы сигнал и ждал моего появления на месте. Если бы победил Могиарти, то вместо Сомса меня встретил бы он, вооруженный до зубов.

Не было никаких сомнений в том, что оба они встретили один и тот же ужасный конец.

И все же, когда я начал спуск обратно в долину, в голове у меня эхом отзывался голос моего друга, и тон его звучал насмешливо. Может быть, подсознание пыталось мне что-то сказать? Скорбь притупила мои аналитические способности, и я едва тащился вниз, к ослам. Под ослами я подразумеваю наших верховых животных; следующими кандидатами, однако, могли бы стать швейцарские полицейские.

Возвращение

Из мемуаров доктора Ватсапа

Прошло три года с того дня, когда благородное самопожертвование Сомса избавило мир от Могиарти. Жилище детектива по адресу Бейкер-стрит, 222b перешло к его брату Спайкрафту, а я всерьез занялся медицинской практикой.

Сутулая фигура в лохмотьях, хромая, проковыляла в мой кабинет.

– Это вы этот самый… который доктор? Который пишет эти самые… дии-тективы в этих… в журналах?

Я признал свой медицинский статус.

– Я действительно пишу, но, к сожалению, Strand пока отказывается печатать мои рассказы.

– О-о. Должно быть, это тот, другой… Но вы тоже годитесь. У меня ужасно болит нога, док.

– Должно быть, это радикулит, – сказал я ему. – Он возникает из-за проблем в спине.

– В моей ноге?

– Нервы из вашей ноги защемились где-то в позвоночнике.

– О господи! У меня в ноге нервы?

– Лягте на кушетку и… – я внимательнее посмотрел на его не слишком чистую одежду. – Нет, сначала дайте мне постелить что-нибудь, – я повернулся к нему спиной и открыл шкафчик.

– Не стоит, Ватсап, – произнес знакомый голос.

Я повернулся, взглянул… и упал в обморок.

Когда я пришел в себя, Сомс водил перед моим носом склянкой с ароматической солью.

– Прошу прощения, дружище! Я был уверен, что вы давно разгадали мой хитрый обман и то, почему он был необходим.

– Вовсе нет. Все это время я считал вас мертвым.

– Ах. Ну, понимаете, когда я столкнул Могиарти в пропасть и увидел, как будут выглядеть следы для любого менее проницательного взгляда, чем мой, я мгновенно понял, что судьба подарила мне великолепную возможность.

– Да! Я понимаю! – воскликнул я. – Хотя подручные Могиарти на Британских островах были арестованы, несколько человек на континенте остались на свободе. Если бы они считали вас мертвым, вы могли бы спокойно сплести новую паутину и заманить их в ловушку. Поэтому вы снабдили нас некоторыми недостоверными данными, достаточными, чтобы убедить неумелую швейцарскую полицию. С того самого момента вы посвящали все свое время и энергию преследованию оставшихся криминальных подонков. Одного за другим вы ликвидировали их. Вы выследили последнего из них в… ну, в Касабланке или еще каком-нибудь столь же экзотическом месте – он никогда больше не потревожит своими делами мир. Так что теперь вы можете открыто объявить, что по-прежнему живы.

– Блестящая цепь рассуждений, Ватсап, – я молча поздравил себя. – Хотя и неверная почти во всем.

Сомс объяснил:

– Единственное, что вы сказали правильно, – это то, что для меня это была посланная свыше возможность исчезнуть. Но мои резоны были совсем не такими, как вы подумали. Я тогда сильно проигрался на скачках и много задолжал, а денег рассчитаться с букмекером не было, и это грозило мне серьезными увечьями. Собрав, наконец, необходимую сумму, я заплатил долг и вновь вернулся в общество.

Мне трудно было в это поверить.

– Я понимаю ваше положение, Сомс. Такое может произойти даже с лучшими из нас. Но как?..

Как Сомс сумел избежать гибели и исчезнуть? Сделайте свои выводы, прежде чем читать дальше, поскольку повелительное наклонение требует немедленного ответа.

Окончательное решение

Сомс устроился перед камином.

– Вот как все было, Ватсап. Когда я поднялся до конца тропинки, Могиарти поджидал меня, притаившись за камнем. Он сшиб меня с ног и потащил к пропасти, чтобы швырнуть в бездну. К счастью, я пришел в сознание и сумел дотянуться до пистолета. В ходе дальнейшей борьбы было сделано несколько выстрелов, но никто не пострадал. Могиарти так старался меня убить, что сам поскользнулся и улетел в пропасть, навстречу гибели. Мне повезло, я не упал вместе с ним, – он произнес это небрежным, совершенно нейтральным тоном, как будто рассказывал мне о чем-то малозначительном.

– Я собирался уже позвать вас, Ватсап, но оглянулся и увидел единственную цепочку следов, оставленную ботинками Могиарти. Следы вели от тропинки к краю пропасти, в обратную же сторону никаких следов не было вообще. Я сразу заметил, что следы эти немного глубже, чем должны были бы быть у человека такого веса, как Могиарти, – я надеялся, Ватсап, что вы этот факт заметите, и точно знал, что полиция его не заметит. Тогда я прошел задом наперед к безопасной тропинке, оставив свои следы поверх следов злодея. Я очень старался, чтобы следы выглядели так, будто я шел в другую сторону.

– Эта мысль действительно приходила мне в голову, Сомс. Но я отказался от нее, поскольку ничего не знал о ваших долгах и, соответственно, не мог придумать никакого мотива. Но уступ был пуст, а на скалу невозможно забраться! Как же вы умудрились спрятаться?

Он проигнорировал мой вопрос.

– Я понял, что если не подам сигнал, то вы в конце концов решите, что ваше обещание потеряло силу, и подниметесь по тропинке. Хватило мгновения, чтобы взобраться вверх, на уступ, где нависающая часть скалы скрыла меня из виду. Об остальном вы можете догадаться сами.

– Но… ведь на скалу взобраться невозможно! – воскликнул я.

Он печально покачал головой.

– Мой дорогой Ватсап, я отчетливо помню, как рассказывал вам о складном крюке-кошке, который всегда ношу с собой именно на такой случай. Согласитесь, нельзя забывать такую важную информацию. Часто для того, чтобы раскрыть величайшую загадку, достаточно одного крохотного факта.

Я повесил голову, поскольку рассказ об этом полезном приспособлении совершенно вылетел у меня из головы, и я ни разу не вспомнил о нем до этого самого момента. Я попытался усмехнуться, получилось довольно криво.

– Да уж, Сомс! Это ужа… сно, э-э, изобретательно!

Он тонко улыбнулся и поменял тему.

– Чаю, Ватсап?

– Было бы замечательно, Сомс.

– Тогда я попрошу миссис Сопсудс…

Дверь распахнулась, и в комнату просунулась голова нашей квартирной хозяйки.

– Могу я чем-нибудь помочь, мистер Сомс?

– …Приготовить нам чай, – вздохнул великий детектив.

Загадки разгаданные

или, если не разгаданные, то рассмотренные в свете разнообразных выдержек из обширного архива доктора Джона Ватсапа, содержащего заметки по делам, газетные вырезки и всевозможные памятные вещицы, связанные с Сомсом; с отдельными вставками из других источников.

Скандал с украденным совереном

С лупой в руке Сомс тщательно осмотрел каждый сантиметр на кухнях и в бухгалтерских книгах «Глитца». Он велел поднять все ковры, чтобы посмотреть, нет ли чего под ними, – в результате набралась замечательная коллекция, не имеющая, однако, отношения к нашей истории, – и обыскал тесную комнатушку Мануэля в мансарде. Он взял пробу с содержимого нескольких бутылок в баре. На самом деле он сделал выводы даже раньше, чем его светлость успел закончить описание фактической стороны дела, но не годится, чтобы процесс расследования выглядел слишком простым в глазах непосвященных, а от возможности бесплатно получить некоторое количество первоклассного виски не следует отказываться без веских причин.

Владелец отеля «Глитц», ожидавший Сомса в великолепно обставленной личной гостиной, вышагивал из угла в угол и сверкал глазами.

– Нашли вы мой украденный соверен, Сомс?

– Нет, милорд.

– Тьфу! Я так и знал! Лучше мне было обратиться к мистеру Шер…

– Я ничего не нашел, потому что не было никакого украденного соверена. Он вообще никуда не пропадал.

– Но 27 фунтов и 2 фунта в сумме не дают 30 фунтов!

– Согласен. Но они и не должны их давать. Суммы сходятся, если их правильно считать.

И Сомс написал:

– Сумма в 30 фунтов, по существу, больше не должна рассматриваться, – сказал Сомс. – В конце концов, это был неправильный счет. В результате мужчины заплатили 27 фунтов, милорд, и нам следует вычесть из этой суммы 2 фунта, чтобы получить те 25, которые они были должны отелю. Вычесть, а не прибавить.

– Но…

– Ваш первоначальный расчет на первый взгляд казался вполне разумным, поскольку числа 29 и 30 так близки между собой. Но представьте, к примеру, что счет на самом деле составлял бы 5 фунтов, и официант получил бы 25 фунтов, которые следовало вернуть клиентам; он оставил бы себе 1 соверен, а гостям раздал по 8 монет. В этом случае приятели заплатили бы по 2 фунта каждый, то есть всего 6 фунтов. Мануэль, как мы уже сказали, оставил себе всего 1 фунт. В сумме эти два числа дают 7 фунтов. После этого вы бы спросили, куда делись остальные 23 фунта. Но ведь сумма настоящего счета была 5 фунтов, и отель получил ее в точности. Как же могут 23 фунта пропасть из кассы отеля? Их получили трое клиентов, уступившие при этом небольшую часть суммы Мануэлю.

Хампшоу-Смэттеринг порозовел:

– Хм, – произнес он. – Вот ведь…

Он взял себя в руки.

– Ваш гонорар, сэр?

– Двадцать девять соверенов, – ответил Сомс не моргнув глазом.

Числовая диковинка

1001

100001

10000001

1000000001

100000000001

100000000000000001

Я спрашивал также, почему так получается. Это более сложный вопрос, потому что здесь нужно думать, а не просто вычислять. Вместо формального доказательства рассмотрим типичный случай: 11 × 909091. Для начала перепишем этот пример в обратном порядке: 909091 × 11. Это равно 909091 × 10 + 909091 × 1; то есть 9090910 + 909091. Сложим числа следующим образом:

Что дальше? Начинаем справа. 0 + 1 = 1, поэтому получаем:

Затем 1 + 9 = 0, один в уме:

Теперь мы должны добавить переносимую единицу к 9 и 0, что опять же даст 0 и 1 в уме. Это ведет нас к каскаду переносов, каждый из которых превращает 9 в 0 и дает 1 в уме, до тех пор пока мы не доходим до:

Наконец, у нас остается только переносимая цифра, и получается ответ:

Железнодорожный маршрут

Дополнительную информацию можно найти в книге: R. Penrose, Railway mazes, in A Life time of Puzzles (eds. E. D. Demaine, M. L. Demaine, T. Rogers), A. K. Peters, Wellesley MA 2008, 133–148.

Фотографии Лаппитской скамьи тысячелетия можно найти на сайте: http://puzzlemuseum.com/luppitt/lmb02.htm

Сомс встречается с Ватсапом

– Десятичная запятая? – пытался найти решение Ватсап. – Нет, вы сказали, что должно получиться целое число.

Он немного помолчал, и вдруг его осенило.

– Вы сказали, что символ необходимо поставить между этими двумя цифрами, мистер Сомс?

– Нет.

– Настаивали ли вы, что эти цифры должны непременно разделяться пробелом?

– Может быть, мой рисунок и выглядит неоднозначно, но я ничего не говорил о пробеле.

– Я так и думал. Удовлетворит ли это вашим условиям? – и Ватсап написал:

√49.

– Что равняется 7.

Геомагические квадраты

Какую форму имеет апельсиновая кожура?

См. Laurent Bartoldi and André Henriques. Orange peels and Fresnel integrals, Mathematical Intelligencer 34 No. 4 (2012) 1–3.

Статья доступна на сайте: www.arxiv.org/abs/1202.3033

Как выиграть в лотерею?

Нет, это неверно. Все утверждения, сделанные по ходу дела, верны, но вывод ошибочен.

Чтобы понять почему, рассмотрим лотерею, которая проводится еженедельно в небольшой известной провинции Лиллипутии. Шаров здесь всего три – 1, 2, 3 – и вынимаются два из них. Вы выигрываете, если заранее правильно называете эти два шара.

Существует три возможных результата розыгрыша:

12 13 23,

и все они равновероятны.

Первым числом является 1 с вероятностью 2/3 (это максимальная вероятность), 2 с вероятностью 1/3 или 3 с вероятностью 0.

Второе число – это 3 с вероятностью 2/3 (максимальная вероятность), 2 с вероятностью 1/3 или 1 с вероятностью 0.

Таким образом, по той же логике игрокам, чтобы максимально увеличить свои шансы, следует выбирать 13. Однако на самом деле все три варианта равновероятны, так что это попросту чепуха.

В общем и целом 1 с большей вероятностью окажется наименьшим числом в розыгрыше, поскольку в этом случае чисел, превышающих заданное число (то есть единицу), больше, чем в любом другом случае. А вовсе не потому, что единица может быть вытащена с большей вероятностью, чем какое бы то ни было другое число. Тот же эффект действует и в отношении других позиций, но не настолько очевидно.

КражаСлучай с зелеными носками

– Глубокое знание лондонского преступного мира позволяет мне сразу же определить, кто злодей, – объявил Сомс.

– Кто?

– Это не имеет значения, пока у нас нет формальных доказательств его вины, Ватсап. Только доказательства способны убедить инспектора Роулейда из лондонской полиции, когда мы представим ему свои выводы. Во-первых, мы должны составить список возможных способов распределения цветов одежды между подозреваемыми.

– Это я могу, – сказал Ватсап. – Я немного владею элементарной комбинаторикой. Она весьма полезна, когда нужно определить, какую конечность ампутировать первой.

И он написал:

КЗБ КБЗ ЗКБ ЗБК БКЗ БЗК

– Буквы обозначают цвета предметов одежды в следующем порядке: пиджак, брюки, носки, – объяснил Ватсап. – Цвета нигде не повторяются, потому что об этом говорят свидетели, так что возможные варианты сводятся к данным перестановкам этих трех букв.

– Очень хорошо, – сказал Сомс. – И каким же должен быть наш следующий шаг?

– Э-э… составить таблицу всех способов распределения предметов одежды между тремя мужчинами. На это потребуется некоторое время, Сомс, поскольку сочетаний существует… э-э, 6 × 5 × 4… 120 штук.

– Не так, Ватсап. Подумав немного, мы сможем с самого начала исключить большинство сочетаний. Сосредоточимся для начала только на одном подозреваемом – скажем, на Джордже Грине. Предположим, к примеру, что Грин носит зеленый пиджак, коричневые брюки и белые носки: случай ЗКБ.

– Уф, но так ли это на самом деле?

– Это мое предположение, которое позволяет рассуждать дальше. Если мое предположение верно, из этого следует, что никто из остальных двух подозреваемых не может носить зеленый пиджак, или коричневые брюки, или белые носки, ведь только один из трех предметов каждого рода может быть заданного цвета. Так что для этих двоих мы можем исключить варианты ЗБК, КЗБ и БКЗ из оставшихся пяти возможных вариантов. Это оставляет нам только варианты КБЗ и БЗК. Которые, обратите внимание, представляют собой циклические перестановки варианта ЗКБ. Мы можем распределить эти варианты между Биллом Брауном и Уолли Уайтом только двумя способами, – Сомс начал заполнять таблицу.

– Но, Сомс, – воскликнул Ватсап, – может быть, Джордж Грин не носит одежду цветов ЗКБ!

– Вполне возможно, – невозмутимо ответил Сомс. – Это всего лишь две верхние строки моей таблицы. Я могу провести аналогичные рассуждения для пяти остальных вариантов одежды Джорджа Грина. Разумеется, при этом перестановки тоже получатся циклическими. Внесем в таблицу все 12 возможных вариантов.

Ватсап скопировал себе в блокнот итоговую таблицу (см. ниже).

Когда он закончил, Сомс кивнул.

– А теперь, мой дорогой Ватсап, нам остается только исключить невозможные комбинации при помощи имеющихся у нас данных…

– Потому что в результате то, что останется, каким бы невероятным оно ни казалось, должно быть истиной! – воскликнул Ватсап.

– Я и сам не сумел бы сказать лучше. Хотя в данном случае самое невероятное – это то, что только один из этих негодяев оказался замешан в вашем деле. Я скорее ожидал бы сговора. В любом случае, констебль Уаггинс – достойный человек, Ватсап, и хватка у него железная. Недостаток воображения он компенсирует настойчивостью. Так вот, он заявил, что носки у Брауна были того же цвета, что пиджак у Уайта. Это означает, что тройка букв Брауна должна оканчиваться той же буквой, какой начинается тройка Уайта. Это позволяет исключить строки 1, 3, 5, 7, 9 и 11 и уменьшает нашу таблицу до следующего состояния:

– Далее я определяю, какие комбинации в ней соответствуют второму условию достойного констебля: тому, что человек, фамилия которого соответствует цвету брюк Уайта, был в носках, цвет которых не соответствовал фамилии человека в белом пиджаке. Чтобы понять это, нужно просто посмотреть внимательно. К примеру, в четвертой строке на Уайте коричневые брюки, что соответствует фамилии Браун. Носки у Брауна белые. Отличается ли при этом цвет пиджака Уайта от белого? Нет, пиджак на нем как раз белый. Убираем строку 4.

– Не уверен, что я до конца…

– Ну, хорошо, позвольте мне составить другую таблицу! – и Сомс написал:

– Остаются только строки 2 и 8. Что снова уменьшает нашу таблицу до вида:

– Наконец, констебль Ваггинс говорит нам, что цвет пиджака человека, чья фамилия соответствует цвету носков Грина, отличается от цвета брюк Брауна.

– Это позволяет исключить строку 8. Остается строка 2.

– Таким образом, нам остается только посмотреть, кто носил зеленые носки в строке 2. Как я и подозревал с самого начала, это был Уолли Уайт, одетый по схеме КБЗ.

Последовательные кубы

23³ + 24³ + 25³ = 12 167 + 13 824 + 15 625 = 41 616 = 204².

Эти числа можно найти простым перебором. Систематический метод состоит в том, чтобы обозначить среднее число n и записать, что (n – 1)³ + n³ + (n + 1)³ = 3n³ + 6n = m² для некоторого числа m. Таким образом, m² = 3n (n² + 2). Множители 3, n, n² + 2 не имеют общих делителей, кроме, может быть, чисел 2 и 3. Поэтому любой простой делитель больше 3 должен присутствовать как в n, так и в n² + 2 в четной степени (возможно, нулевой). Первые два числа, удовлетворяющие этому условию, – это 4 и 24, причем 24 является решением, а 4 не является.

Adonis Asteroid Mousterian

Буквы соответствуют следующим числам:

квадрат 3 × 3: A = 0, D = 3, I = 2, N = 0, O = 1, S = 6;

квадрат 4 × 4: A = 0, D = 12, E = 1, I = 2, N = 0, O = 3, S = 0, T = 4;

квадрат 5 × 5: A = 0, E = 1, I = 2, M = 0, N = 5, O = 3, R = 10, S = 15, T = 20, U = 4.

Теперь квадраты выглядят так:

Про магические квадраты и подобные конструкции см.: Jeremiah Farrell, Magic square magic, Word Ways 33 (2012) 83–92.

Статья доступна на сайте: http://digitalcommons.butler.edu/wordways/vol33/iss2/2

Два коротких вопроса на квадраты

1. 923 187 456, квадрат числа 30 384.

Поскольку нам нужно наибольшее число такого типа, можно смело предположить, что ответ начинается с 9, так что на самом деле этот вариант следует опробовать первым, даже если наше предположение окажется неверным. Таким образом, искомое число должно лежать между 912 345 678 и 987 654 321; следует также помнить, что все цифры различны и что нуля среди них нет. Квадратные корни из граничных чисел равны 30 205,06 и 31 426,96. Все, что нам остается сделать, – это проверить числа от 30 206 до 31 426 и посмотреть, какое из них даст нам ответ из девяти разных цифр. В этом интервале лежит 1221 число. Начав с числа 31 426 и продвигаясь в обратном направлении, мы рано или поздно доберемся до числа 30 384. Теперь, когда мы нашли решение задачи, начинающееся с цифры 9, нам не стоит волноваться о числах, начинающихся с 8 и остальных цифр.

2. 139 854 276, квадрат числа 11 826.

Ищется это число аналогичным способом.

Дело о картонных коробках

1. Размеры коробок составляли 6 × 6 × 1 и 9 × 2 × 2.

Пусть размеры коробок равны x, y, z и X, Y, Z. Тогда их объемы равны xyz и XYZ. Длина ленты равна 4 (x + y + z) и 4 (X + Y + Z). Исключив общий множитель 4, получим уравнения, которые необходимо решить:

xyz= XYZ

x + y + z = X + Y + Z

в ненулевых целых числах. То есть нужно найти две тройки чисел, произведение и сумма которых взаимно одинаковы. Наименьшее решение равно (x, y, z) = (6, 6, 1) и (X, Y, Z) = (9, 2, 2). Произведение равно 36, сумма равна 13.

2. Наименьшее решение для трех коробок равно (20, 15, 4), (24, 10, 5) и (25, 8, 6). Теперь произведение равно 1200, а сумма – 39.

По ходу дела мы можем ответить и на третий вопрос, который не фигурировал в расследовании Сомса.

3. Что, если коробки перевязаны лентами, как обычно (как на левом рисунке), где x – ширина, y – глубина, а z – высота? Тогда уравнения примут вид:

xyz = XYZ

x + y+ 2z = X + Y + 2Z.

Если мы заменим x, y, z на x, y, 2z и аналогично для X, Y, Z, то получится, что мы снова ищем тройки чисел с одинаковыми произведением (теперь это 2xyz = 2XYZ) и суммой. Однако при этом числа z и Z должны быть четными.

Это условие выполняется в решении (1), если мы расставим длины сторон в нужном порядке, что позволит нам получить наименьшее решение (6, 1, 3) и (9, 2, 1).

Мое внимание к этой задаче привлек Молой Де из Калькутты (Индия), нашедший также наименьшие наборы из четырех, пяти и шести чисел с одинаковыми произведениями и суммами.

Четыре набора:

(54, 50, 14) (63, 40 15) (70, 30, 18) (72, 25, 21)

Сумма = 118, произведение = 37 800.

Пять наборов:

(90, 84, 11) (110, 63, 12) (126, 44, 15) (132, 35, 18) (135, 28, 22)

Сумма = 185, произведение = 83 160.

Шесть наборов:

(196, 180, 24) (245, 128, 27) (252, 120, 28) (270, 98, 32) (280, 84, 36) (288, 70, 42)

Сумма = 400, произведение = 846 720.

RATS-последовательность

Следующий член последовательности – 1345.

Правило зашифровано аббревиатурой RATS и выглядит так: Reverse, Add, Then Sort («Перевернуть, сложить, затем сортировать»). Под «сортировать» подразумевается «расставить цифры в порядке возрастания». Любые нули при этом отбрасываются. К примеру:

16 + 61 = 77, порядок получается правильный;

77 + 77 = 154, переставляем цифры – получаем 145;

145 + 541 = 686, переставляем цифры – получаем 668;

668 + 866 = 1534, переставляем цифры – получаем 1345.

Джон Хортон Конвей предположил, что, с какого бы числа вы ни начали, со временем эта последовательность либо войдет в повторяющийся цикл, либо превратится в бесконечно возрастающую последовательность

123n4444 → 556n7777 → 123n+14444 → 556n+17777 → …,

где n обозначает не n-ю степень, а n одинаковых цифр подряд.

Математические даты

Следующий тройной палиндром будет 21:12 21/12 2112.

Следующий простой палиндром был 20:02 30/03 2002.

Собака Баскетболлов

– В самом деле, мадам, доктор Ватсап прав, – подтвердил Сомс. – Достаточно сообразить, что сдвинуто было всего четыре шара, и требуемая расстановка шаров становится очевидной.

– Но какая же это расстановка?

– Эту информацию, мадам, согласно вашему же собственному заявлению, мы можем раскрыть только старшему ныне живущему мужчине в роду.

– А именно лорду Эдмунду Баске́, – уточнил я, – который в настоящий момент находится в коме. Что делает нашу задачу весьма слож…

– Чепуха! – заявила леди Иакинф. – Вы можете сказать мне все.

По ее лицу было очевидно, что ничто на свете не заставит ее свернуть с избранного пути.

– Очень хорошо, – сказал Сомс, делая быстрый набросок. – Должно быть, пуд… э-э, гигантская слюнявая псина… сдвинула четыре каменных шара, изображенных здесь белым цветом, на позиции, обозначенные черным. Или, может быть, все произошло в соответствии с одной из двух других схем, которые возникают при повороте данного решения. Но вы сказали, что ориентация этой структуры не имеет значения.

Теперь я понял смысл загадочного вопроса, заданного им немного раньше.

– Чудесно! – обрадовалась леди Иакинф. – Я велю Вилликинсу поставить их обратно.

– Но разве это не нарушит условий церемонии? – поинтересовался я.

– Разумеется, доктор Ватсап. Но у нас нет никаких рациональных причин бояться каких бы то ни было неблагоприятных последствий. Этот древний запрет – лишь проявление старого… э-э… суеверия.

Месяцем позже Сомс вручил мне номер газеты Manchester Garble[36].

– Господи Боже! – воскликнул я. – Лорд Баске́ умер, а Баскет-холл выгорел дотла! Страховая компания, в которой было застраховано семейство, отказало в выплате, потому что действия Вредоносных сил абсолютного зла не подпадают под страховой случай. Род Баске́ разорен! Леди Иакинф помещена в лечебницу для неизлечимых душевнобольных!

Сомс кивнул.

– Чистое совпадение, я уверен, – сказал он. – Сейчас, задним числом, ясно, что мне, может быть, следовало сказать леди Иакинф насчет пуделя.

Цифровые кубы

370, 371 и 407.

Несмотря на то что эта задача вроде бы не имеет никакого математического значения, нужно обладать хорошими знаниями математики, чтобы найти все четыре ее решения, и очень хорошими, чтобы доказать, что других решений не существует.

Я попробую кратко описать один из возможных подходов.

Поскольку числа с начальными нулями исключаются, нам остается проверить всего 900 возможных комбинаций. Но их количество можно сократить. Кубы всех десяти цифр равны 0, 1, 8, 27, 64, 125, 216, 343, 512 и 729. Сумма трех кубов составляет не более 999, поэтому можно заранее исключить числа, содержащие две девятки, две восьмерки, восьмерку и девятку и т. д.

Предположим, одна из цифр – это нуль. Тогда искомое число представляет собой сумму двух кубов из нашего списка. Из 55 подобных пар лишь две, 343 + 27 = 370 и 64 + 343 = 407, обладают нужным свойством.

Далее мы можем считать, что ни одна из цифр числа не равна 0. Предположим, одна из них равна 1. Аналогичные вычисления дают нам 125 + 27 + 1 = 153 и 343 + 27 + 1 = 371.

Теперь мы можем считать, что ни одна из цифр не равна ни 0, ни 1. Список кубов, с которыми можно дальше работать, при этом немного сокращается. И т. д.

Кое-какие уловки, к примеру учет четности или нечетности чисел, также помогают сократить объем вычислений. Этот довольно медленный, но систематический подход – а Сомс рекомендует ко всему подходить систематически – приводит нас к результату без каких бы то ни было серьезных препятствий на пути.

Самовлюбленные числа

Здесь мы разрешим начальные нули:

четвертые степени: 0000 0001 1634 8208 9474;

пятые степени: 00000 00001 04150 04151 54748 92727 93084.

Без улик!

– Сомс! – воскликнул я. – Я ее решил!

– Да, убийца – графиня Лизелотта фон Финкельштейн, она ехала верхом на своем чистокровном жеребце по кличке Князь Игорь и вела в поводу трех упряжных лошадей, чтобы замаскировать следы на…

– Нет-нет, Сомс, речь не о вашем деле! Я о задаче!

Он бросил короткий взгляд на решение, которое я нацарапал на полях газеты.

– Верно. Случайное попадание, без сомнения.

– Нет, Сомс, я вывел его путем логических рассуждений на основе принципов, которые вы вложили в мою голову. Во-первых, я понял, что сумма чисел в каждой области должна равняться 20.

– Потому что полная сумма чисел во всех ячейках составляет (1 + 2 + 3 + 4) × 4 = 40 и ее следует поделить поровну между двумя областями, – не задумываясь отозвался Сомс.

– Именно. Далее, как только я решил сосредоточиться на большей области, решение начало складываться. В этой области четыре клетки в нижней строке – там должны быть числа 1, 2, 3, 4, расположенные в каком-то порядке; каким бы ни был порядок, сумма этих чисел равна 10. Так что оставшиеся три строки все вместе в сумме тоже должны дать 10. Единственный способ этого добиться – поставить в верхнюю строку числа 1, 2, 3 в каком-то порядке, а во вторую строку – 1 и 2 в каком-то порядке; третья строка в любом случае должна содержать 1.

– Почему?

– Любое другое число на этом месте сделает сумму слишком большой.

– Вы в самом деле учитесь, Ватсап. Очень хорошо: продолжайте.

Я улыбнулся в ответ на эту слабую похвалу, ведь услышать хоть какую-нибудь похвалу из уст Сомса не легче, чем выжать воду из камня.

– Ну, хорошо… теперь несложно проверить, что способ правильного заполнения ячеек только один. Числа во второй области расставляются вынужденно: так, в крайней правой клетке верхней строки должна стоять четверка, а затем четверки должны идти вниз по диагонали; затем две тройки также вынужденно встают на свои места, и, наконец, две двойки занимают оставшиеся пустыми клетки.

Эту задачу придумали Джерард Баттерс, Фредерик Хенле, Джеймс Хенле и Колин МакГоги, а опубликована она в журнале The Mathematical Intelligencer 33 No. 3 (Fall 2011) 102–105. См. также на сайте: http://www.math.smith.edu/~jhenle/clueless/

Краткая история судоку

Приведем два принципиально разных решения головоломки Озанама:

Не забывайте: каждое из этих решений путем перестановок достоинств и мастей порождает 576 родственных решений, поэтому не удивляйтесь, если ваши решения выглядят не так, как приведенные. Если вы начинаете с ряда A♠ K♥ Q♦ J♣ (или можете привести свое решение в такую форму), вам достаточно подумать только о том, как преобразовать остальные три ряда.

Раз, два, три

Дело о четырех тузах

– Все это просто трюк, Ватсап. При надлежащей подготовке он работает автоматически, какую бы последовательность складывания ни выбрали зрители.

– Чертовски умно, да? – заметил я.

Сомс хмыкнул.

– Когда Гудунни готовил колоду, он поместил тузы на 1 = e, 6, 11 и 16-е места, если считать сверху вниз. Поэтому, когда из колоды выложили квадрат, тузы легли вдоль диагонали из верхнего левого угла в правый нижний. Но лежали они рубашкой кверху, поэтому вы, разумеется, и не подозревали о подвохе.

– Представьте себе, что получится, если перевернуть диагональные карты лицом кверху. Тогда весь квадрат будет выглядеть как шахматная доска с тузами вдоль большой диагонали:

– Так вот, такой расклад обладает замечательным математическим свойством. Как бы вы ни складывали квадратное поле, на любом этапе карты, которые оказываются в результате на определенной позиции, будут смотреть лицом в одну и ту же сторону: либо вверх, либо вниз.

– Правда?

– Давайте попробуем. К примеру, мы могли бы начать со складывания вдоль центральной вертикальной линии. Представьте, как лягут при этом карты верхнего ряда. Третья (смотрит вверх) переворачивается (и смотрит вниз) и ложится сверху на вторую карту – она заранее лежит лицом вниз. Четвертая карта (вниз) тоже переворачивается (вверх) и ложится сверху на первую (тоже вверх).

Я начал смутно понимать, как все это работает.

– То же самое происходит и с остальными рядами?

– Точно. После первого складывания образуется прямоугольник из карт или маленьких стопочек карт. Карты в каждой стопочке смотрят в одну сторону (вверх или вниз), а весь набор стопочек имеет тот же вид шахматной доски, где чередуются карты лицом вверх и карты лицом вниз, как в первоначальном раскладе. Поэтому ровно то же самое происходит и при следующем складывании, и при следующем. К тому моменту, когда у нас образуется единая стопка, все карты в ней окажутся повернутыми лицом в одну сторону.

– Да, но ведь когда мы начинали, карты на диагонали лежали не той стороной, которая нужна для шахматного порядка, – заметил я.

Этой фразой я, откровенно говоря, хотел возразить Сомсу, но он буквально просиял от моей догадливости.

– Вот именно! Поэтому после складывания они снова лягут не той стороной. Поэтому вместо стопки из 16 карт, сложенных лицом в одну сторону, получится стопка из 12 карт, повернутых в одну сторону, и 4 – в другую.

Чертовски изобретательно!

Шахматный расклад обладает свойством, которое математики называют «цветовой симметрией». Линии складывания работают как зеркала, и зеркальное отражение каждой карты ложится на карту, которая смотрит в противоположную сторону. Эта идея используется при изучении расположения атомов в кристаллах. Изобретательность здесь проявилась в том, что математику превратили в эффектный карточный фокус. И сделал это не Гудунни. Он, по обыкновению, просто стащил этот фокус у его изобретателя Артура Бенджамина – математика и иллюзиониста из колледжа Харви Мадда в Калифорнии.

Парадокс с зигзагом

Ни одна из представленных фигур не является треугольником. У первой «гипотенуза» слегка выпирает вверх, у второй – слегка уходит вниз. Именно в этом месте скрывается недостающий квадратик.

Дверца страха

Сомс удовлетворенно кивнул.

– Я понял, Ватсап, как надо! Ветрянка выходит, Геморрой выходит, Аневризма выходит, Ветрянка возвращается внутрь, Ботулизм выходит, Ветрянка выходит.

Мы начали деликатный процесс выманивания кошек через кошачью дверцу и запихивания их обратно внутрь.

– Осторожно, Сомс! – прошептал я. – Одна ошибка, и весь этот район превратится в дымящуюся воронку. Я пока не хочу предстать перед райскими вратами, да и кошек своих туда отправлять тоже не хочу. На мне брюки неглаженные, да и кошек неплохо бы причесать.

– Не беспокойтесь, Ватсап, – отозвался Сомс, хватая Ветрянку, пока несчастное животное не успело сигануть через изгородь. – Мое решение верно, не сомневайтесь.

– Я и не сомневаюсь в вашем решении, Сомс, – ответил я, лихорадочно пытаясь отыскать рядом что-нибудь прочное, за чем можно было бы спрятаться. – Э-э… а как вы пришли к этим выводам?

Он позаимствовал у меня блокнот и карандаш.

– Существует 16 возможных вариантов того, какие из кошек находятся в доме: АБВГ, АБВ, АБГ и т. д. вплоть до полного их отсутствия (обозначим это состояние *). Стрелкой → обозначим возможный переход от состояния к состоянию: он соответствует проходу одной кошки сквозь дверцу в ту или другую сторону.

– Первое условие исключает из числа возможных состояния АВ и АБВ. Второе исключает БГ и БВГ. Третье исключает АГ. Четвертое условие исключает ВГ. Пятое исключает переход А → *. Шестое исключает переход Б → *.

Я понял, что рассказ будет длинным.

– Далее, АБВГ → АВГ или АБГ. Однако АВГ → АВ, АГ или ВГ, а все эти комбинации исключены. Поэтому АБВГ → АБГ. Поскольку АБГ → АГ и АБГ → БГ исключены, мы должны принять АБГ → АБ. Но АБ → А бессмысленно, потому что А не в состоянии выйти наружу, если никого рядом нет. Так что АБ → Б. Однако Б после этого не может выйти, поэтому какая-то другая кошка должна будет войти. Но в варианте Б → АБ возвращаться придется А, которая только что вышла, а вариант Б → Г исключен, так что Б → БВ. Далее БВ → В → *.

– То же самое можно показать визуально, что в некоторых отношениях даже проще, – добавил он и набросал небольшую схему. – На этом рисунке показаны все 16 возможных комбинаций с кошками, а тонкие линии представляют возможные переходы между ними, когда кто-то из кошек выходит или входит. Черные точки исключены, два крестика исключают две линии перехода. Жирная линия – это единственный путь от АБВГ к * с использованием только разрешенных точек и линий и без возвратов.

Вскоре после этого я воссоединился со своими пушистыми друзьями.

– Сомс, как я смогу вас отблагодарить? – воскликнул я, радостно прижимая животных к своей груди.

Он взглянул на свой пиджак.

– Сможете, Ватсап, если станете почаще вычесывать своих кошек.

Блинные числа

1. Нет, не любую.

2. Некоторые стопки из четырех блинов требуют четырех переворачиваний; пример вы видите на рисунке. На рисунке вы можете найти еще две такие комбинации. Никакая стопка из четырех блинов не требует больше четырех переворачиваний.

А вот систематический способ доказать эти утверждения. На схеме показана требуемая конечная конфигурация 1234, где размеры блинов указаны сверху вниз. Мы будем двигаться от нее в обратном порядке. Во второй строке показаны конфигурации, которые можно получить из 1234 одним переворотом. Одновременно это те конфигурации, которые можно упорядочить (то есть из которых можно получить 1234) одним переворотом. (Один и тот же переворот, повторенный дважды, возвращает стопку к первоначальной конфигурации.) В третьей строке показаны все конфигурации, которые можно получить из конфигураций первой строки одним переворотом. Они же – конфигурации, которые можно упорядочить до 1234 двумя переворотами. Обратите внимание: ровно одну конфигурацию третьей строки можно получить из двух конфигураций второй строки; это 1324. Поэтому схема в этом месте выглядит слегка асимметрично.

Строки 1, 2, 3 содержат 21 из 24 возможных конфигураций стопки. Не хватает трех: 2413, 3142 и 4231. В строке 4 показано, как их можно получить из строки 3 при помощи еще одного переворота – или, рассматривая переворот в обратном порядке, как из них можно получить 1234 за четыре переворота. (Остальные связи, ведущие к строке 4, опущены, поскольку они сильно усложняют схему и не нужны нам.) На рисунке выше наглядно показаны перевороты конфигурации 2413, необходимые для ее упорядочивания.

3. Наибольший блин либо находится на самом верху, либо нет. Если нет, вставляем лопаточку под него и переворачиваем все, что выше. Теперь самый большой блин находится на самом верху. Вставляем лопаточку под самый низ стопки и всю ее переворачиваем. Теперь самый большой блин находится в самом низу. Таким образом, нам потребовалось не более двух переворотов, чтобы самый большой блин оказался внизу. Оставляем его там и повторяем всю процедуру для следующего по величине блина: не более чем за два переворота он оказывается сверху, на самом большом, вторым снизу. Повторяем процедуру для третьего по размеру блина и т. д. Каждый раз требуется не более двух переворотов, чтобы поместить очередной блин на нужное место, так что не более чем за 2n переворотов мы сможем упорядочить всю стопку из n блинов.

4. P_1 = 0, P_2 = 1, P_3 = 3, P_4 = 4, P_5 = 5.

Задачу о сортировке блинов предложил Джейкоб Гудман в 1975 г.; он опубликовал ее под псевдонимом Харри Дуэйтер, что по-английски звучит как «издерганный официант». Решение задачи известно для всех n вплоть до 19, а вот для 20 неизвестно. Результаты выглядят так:

Блинные числа, как правило, идут группами, увеличиваясь на единицу с увеличением n. К примеру, Pn = 3, 4, 5, 6 для n = 3, 4, 5, 6. Но эта закономерность нарушается при n = 7, так как P_7 = 8, а не 7. После этого наблюдается скачок на 2 при n = 11 и еще один при n = 19.

Верхнюю оценку в 2n переворотов – мой ответ на вопрос 3 – можно улучшить. В 1975 г. Уильям Гейтс (да-да, тот самый Билл Гейтс) и Христос Пападимитриу заменили эту оценку на (5n + 5)/3.

Кроме того, Гейтс и Пападимитриу рассмотрели задачу о горелом блине. В ней все блины подгорели с одной стороны, которая может оказаться снизу или сверху, а вы должны сделать так, чтобы блины не просто встали в правильном порядке по размеру, но и все легли горелой стороной книзу. В 1995 г. Дэвид Коэн доказал, что задача о сортировке горелых блинов требует по крайней мере 3n/2 переворотов и может быть решена не более чем за 2n – 2 переворотов.

Если вы подумываете о том, чтобы решить задачу сортировки блинов для n = 20, имейте в виду, что для этого числа блинов существует 2 432 902 008 176 640 000 начальных конфигураций.

Дело о таинственном колесе

– Диаметр колеса, разумеется, равен 58 дюймам, – сказал Сомс. – Это элементарное следствие из теоремы Пифагора.

Я обдумал это заявление. Следует отметить, что у меня есть некоторый опыт в области геометрии и алгебры.

– Позвольте мне попробовать, Сомс. Я считаю, что радиус колеса равен r. Заштрихованный треугольник на вашем чертеже – прямоугольный, его гипотенуза равна r, а две другие стороны равны r – 8 и r – 9. Таким образом, мы, как вы и намекали, можем применить теорему Пифагора и получить

(r – 8)² + (r – 9)² = r².

То есть

r² – 34r + 145 = 0.

Я уставился на записанные символы, временно остановившись.

– Квадратный двучлен раскладывается на множители, Ватсап:

(r – 29) (r – 5) = 0.

– Да, точно! И это означает, что его решения равны r = 29 и r = 5.

– Да. Но вы должны помнить, что диаметр колеса равен 2r, то есть 58 или 10. Однако решение 10 дюймов нам не подходит, поскольку диаметр тележного колеса не может быть меньше 20 дюймов. Значит, остается только…

– …58 дюймов, – закончил я за него.

Загадка гусиного клина

Florian Muijres and Michael Dickinson, Bird flight: Fly with a little flap from your friends, Nature 505 (16 January 2014) 295–296.

Steven J. Portugal and others, Upwash exploitation and downwash avoidance by flap phasing in ibis formation flight, Nature 505 (16 January 2014) 399–402.

Поразительные квадраты

Основная идея здесь может быть выражена в совершенно общем виде с использованием алгебры, но я обойдусь без формальностей и проиллюстрирую ее примером. Взгляните на процесс в обратном порядке: начинаем

с 9² + 5² + 4² = 8² + 3² + 7²

и расширяем до

89² + 45² + 64² = 68² + 43² + 87².

Первое равенство несложно проверить, с этого все и начинается, но почему второе уравнение тоже верно?

Реальная величина двузначного числа [ab] составляет 10a + b. Поэтому левую часть уравнения можно записать как

(10 × 8 + 9)² + (10 × 4 + 5)² + (10 × 6 + 4)²,

что равняется

100 (8² + 4² + 6²) + 20 (8 × 9 + 4 × 5 + 6 × 4) + 9² + 5² + 4².

Аналогично правая часть уравнения превращается в

100 (6² + 4² + 8²) + 20 (6 × 8 + 4 × 3 + 8 × 7) + 8² + 3² + 7².

Сравнивая эти выражения, обнаруживаем, что первые слагаемые в них равны, потому что 6² + 4² + 8² (это то же, что 8² + 4² + 6², только в другом порядке); третьи слагаемые равны, потому что мы, собственно, с этого начали. Поэтому нам достаточно посмотреть, равны ли в этих выражениях вторые слагаемые, то есть действительно ли

8 × 9 + 4 × 5 + 6 × 4 = 6 × 8 + 4 × 3 + 8 × 7.

Если посчитать, то и другое равно 116.

Все вышесказанное сработало бы нисколько не хуже, если бы мы вместо 8, 4 и 6 использовали любые другие три однозначных числа. Так что нам, чтобы сделать конечные выражения верными, нужно просто выбрать эти числа.

Дальнейшие этапы можно объяснить аналогично.

Загадка тридцати семи

С некоторыми подсказками и наводящими вопросами Сомса я через некоторое время понял, что ключом к этой загадке является уравнение 111 = 3 × 37. Оказалось, что трехзначные числа, которые после моей процедуры дают длинный ряд одинаковых цифр, кратны 3. К примеру, именно так обстоит дело для чисел 123, 234, 345, 456 и 126. Для таких чисел моя процедура эквивалентна умножению меньшего числа, равного трети от исходного, на 3 × 37, то есть на 111.

В качестве примера рассмотрим предложенное Сомсом число 486. Это 3 × 162. Поэтому умножить 486486486486486486 на 37 – это то же самое, что умножить 162162162162162162 на 111. Поскольку 111 = 100 + 10 + 1, это можно сделать путем сложения чисел

16216216216216216200

1621621621621621620

162162162162162162

Начиная справа налево, получаем 0 + 0 + 2 = 2, затем 0 + 2 + 6 = 8. После этого получаем 2 + 6 + 1, 6 + 1 + 2, 1 + 2 + 6 снова и снова, пока не доберемся до левого конца. Складывая одни и те же три числа в разном порядке, получаем в каждом случае, естественно, один и тот же результат – а именно 9.

Когда Сомс в первый раз объяснил мне все это, у меня нашлось возражение.

– Да, но что если при сложении этих трех чисел получается больше 9? Возникнет перенос в следующий разряд!

Он ответил кратко и по существу.

– Ну да, Ватсап, каждый раз один и тот же перенос.

В конце концов я понял, что это означало все то же самое – многократное повторение одной и той же цифры.

– Существуют, конечно, и более формальные доказательства, – заметил Сомс, – но мне кажется, этот пример вполне проясняет общую идею.

После этого он вернулся в кресло с кипой газет и весь остальной вечер молчал, а я спустился вниз, чтобы выпросить у миссис Сопсвудс тарелку сэндвичей с горгонзолой.

[На написание этой главы меня вдохновили кое-какие наблюдения Стивена Гледхилла.]

Средняя скорость

Мы используем не то среднее. Нам нужно среднее гармоническое (что это такое, объясняется ниже), а не среднее арифметическое.

Обычно мы определяем «среднюю скорость» какого-то путешествия как полное проделанное расстояние, деленное на полное затраченное время. Если путешествие разбито на несколько этапов, то средняя скорость, как правило, не является средним арифметическим скоростей на этих отрезках. Если отрезки преодолеваются за равное время, среднее арифметическое годится, но если они имеют равную длину (как и обстоит дело в нашем случае), то это не так.

Сначала рассмотрим случай с равными временны́ми отрезками. Предположим, что машина едет со скоростью a время t, а затем со скоростью b то же время t. Полное расстояние, равное at + bt, занимает время 2t. Поэтому средняя скорость равна (at + bt)/2t, что равно (a + b)/2, то есть среднему арифметическому скоростей.

Теперь возьмем случай с равными расстояниями. Машина проезжает расстояние d на скорости a за время r. Затем она снова проезжает расстояние d, на этот раз со скоростью b за время s. Полное расстояние равно 2d, полное время равно r + s. Чтобы выразить это через скорости a и b, заметим, что d = ar = bs. Таким образом, r = d/a, а s = d/b. Тогда средняя скорость равна

Это выражение упрощается до 2ab / (a + b), что соответствует гармоническому среднему a и b. Эта величина обратна среднему арифметическому величин, обратных a и b, где под величиной, обратной x, подразумевается 1/x. Причина в том, что время, затраченное на дорогу, пропорционально величине, обратной скорости.

Четыре псевдоку без указаний

Эти головоломки также исходят от Джерарда Баттерса, Фредерика Хенле, Джеймса Хенле и Колина МакГоги. См.: Gerard Butters, Frederick Henle, James Henle, and Colleen McGaughey. Creating clueless puzzles, The Mathematical Intelligencer 33 No. 3 (Fall 2011) 102–105.

Загадка похищенных бумаг

– Вор – Волверстон, – объявил Сомс.

– Ты уверен, Хемлок? От твоей правоты многое зависит.

– Никаких сомнений быть не может, Спайкрафт. Вот их заявления:

Арбатнот: Это сделал Берлингтон.

Берлингтон: Арбатнот лжет.

Волверстон: Это не я.

Гамильтон: Это сделал Арбатнот.

Мы знаем, что кто-то один из этих людей говорит правду, а остальные трое лгут. Существует четыре возможных варианта. Рассмотрим их по очереди.

Если только Арбатнот говорит правду, то из его слов нам становится известно, что виновен Берлингтон. Однако в этом случае Волверстон лжет, следовательно, виновен именно Волверстон. Это логическое противоречие, делаем вывод о том, что Арбатнот не говорит правду.

– Если только Берлингтон говорит правду, то…

– Волверстон лжет! – воскликнул я. – Так что виновен Волверстон!

Сомс сердито взглянул на меня – ведь я сорвал его эффектное выступление.

– Это так, Ватсап, и остальные заявления этому не противоречат. Так что мы уже знаем, что вор – Волверстон. Однако имеет смысл проверить и остальные два варианта, чтобы избежать даже малейшей возможности ошибки.

– Все абсолютно ясно, дружище, – сказал я.

Сомс достал трубку, но не стал ее зажигать.

– Если только Волверстон говорит правду, то заявление Берлингтона ложно, следовательно, Арбатнот говорит правду. Снова противоречие, поскольку известно, что он лжет. Если только Гамильтон говорит правду, возникает это же противоречие. Поэтому единственный возможный вариант – тот, где правду говорит только Берлингтон, и тогда вор – Волверстон. Как Ватсап проницательно заметил.

– Благодарю вас, джентльмены, – сказал Спайкрафт. – Я знал, что могу на вас положиться.

По его жесту в комнату тенью проскользнула какая-то фигура. Короткий разговор шепотом, и человек вновь исчез.

– В жилище доктора будет немедленно проведен обыск, – сказал Спайкрафт. – Я уверен, что документ будет найден.

– Значит, мы спасли империю! – воскликнул я.

– До следующего раза, когда кто-нибудь оставит секретные документы на сиденье какого-нибудь кэба, – сухо заметил Сомс.

По пути домой я прошептал на ухо своему спутнику:

– Сомс, если Спайкрафт – специалист по простым числам, то что он делает в контрразведке? Ведь здесь не может быть никакой связи, правда?

Он внимательно посмотрел на меня и покачал головой. Что имелось в виду – отсутствие связи, о которой я говорил, или предупреждение и совет не развивать эту тему, – мне неизвестно.

Еще одна любопытная числовая закономерность

123456 × 8 + 6 = 987654;

1234567 × 8 + 7 = 9876543;

12345678 × 8 + 8 = 98765432;

123456789 × 8 + 9 = 987654321.

Здесь не до конца ясно, что «должно» идти следующим: может быть,

234567890 × 8 + 10,

что равно 9876543130, так что закономерность на этом прекращается. Но, может быть, мне следовало взять (123456789) × 10 + 10 = 12345678900. Тогда

12345678900 × 8 + 10 = 9876543210.

Далее

(12345678900) × 10 + 11 = 123456789011,

что приводит нас к

12345689011 × 8 + 11 = 98765432099

и т. д. Если поэкспериментировать, можно поймать другую закономерность, которая продолжается до бесконечности.

Промежутки между простыми числами

Гипотеза Эллиота – Халберстама[37] носит очень специальный характер. Пусть π (x) – число простых чисел, меньших или равных x. Для любого положительного целого q и a, не имеющего с q общих делителей, за исключением 1, пусть π (x; q, a) – число простых чисел, меньших или равных x и равных a (mod q). Это приблизительно равно π(x) / φ(q), где φ – это пси-функция Эйлера, число целых чисел от 1 до q – 1, не имеющих с q общих делителей. Рассмотрим максимальную возможную ошибку:

Гипотеза Эллиота – Халберстама говорит о том, насколько велика эта ошибка: гипотеза утверждает, что для любых θ < 1 и A> 0 существует постоянная C> 0 такая, что

Знак одного. Часть вторая

Вот одно такое решение:

Объяснение см. в главе «Знак одного. Часть третья».

Евклидовы каракули

Вы могли бы сделать это вручную с использованием разложения на простые множители, если бы потратили на это день-другой. Вам пришлось бы выяснить, что

44 758 272 401 = 17 × 17 683 × 148 891;

13 164 197 765 = 5 × 17 683 × 148 891.

Затем вы могли бы сделать вывод, что НОД равен 17 683 × 148 891 = 2 632 839 553.

При использовании алгоритма Евклида весь расчет выглядит так:

(13 164 197 765; 44 758 272 401) → (13 164 197 765; 31 594 074 636) → (13 164 197 765; 18 429 876 871) → (5 265 679 106; 13 164 197 765) → (5 265 679 106; 7 898 518 659) → (2 632 839 553; 5 265 679 106) → (2 632 839 553; 2 632 839 553) → (0; 2 632 839 553).

Следовательно, НОД равен → 2 632 839 553.

123456789 раз по X

123456789 × 1 = 123456789;

123456789 × 2 = 246913578;

123456789 × 3 = 370370367;

123456789 × 4 = 493827156;

123456789 × 5 = 617283945;

123456789 × 6 = 740740734;

123456789 × 7 = 846197523;

123456789 × 8 = 987654321;

123456789 × 9 = 1111111101.

В этих числах присутствуют все девять ненулевых цифр в разном порядке, за исключением тех случаев, когда мы умножаем на число, кратное 3 (то есть на 3, 6 и 9).

Знак одного. Часть третья

Поскольку

62 = 7 × 9–1 = 7/0,(1) – 1,

мы можем воспользоваться представлением 7 через две единицы, чтобы получить 62 из четырех единиц.

Долгое время Сомс и Ватсап никак не могли выразить 138 через четыре единицы, но потом, воспользовавшись озарением Ватсапа про квадратные корни и факториалы и применив системный подход, они в конце концов выяснили, что 138 можно получить с использованием всего лишь трех единиц. Стартовой позицией, опять же, является семерка, выраженная через две единицы, и тогда

И наконец,

138 = 46/√0,(1),

что, кстати говоря, представляет собой хитрый способ умножения на 3 с использованием всего одной дополнительной единицы.

Бросание монетки – несправедливый жребий

Persi Diaconis, Susan Holmes, and Richard Montgomery, Dynamical bias in the coin toss, SIAM Review 49 (2007) 211–223.

То же в популярном изложении: Persi Diaconis, Susan Holmes, and Richard Montgomery, The fifty-one percent solution, What's Happening in the Mathematical Sciences 7 (2009) 33–45.

Аналогичные эффекты возникают при бросании костей – не только обычных кубиков, но и любых правильных многогранников. См.: J. Strzalko, J. Grabski, A. Stefanski, and T. Kapitaniak, Can the dice be fair by dynamics? International Journal of Bifurcation and Chaos 20 No. 4 (April 2010) 1175–1184.

Исключение невозможного

– Ваше упущение, – сказал Сомс, – состояло в том, что вы не заметили, что двигаться могут не только стаканы, но и налитое в них вино. Я просто возьму второй и четвертый стаканы и перелью их содержимое в седьмой и девятый.

Сила мидий

Monique de Jager, Franz J. Weissing, Peter M. J. Herman, Bart A. Nolet, and Johan van de Koppel. Le×vy walks evolve through interaction between movement and environmental complexity, Science 332 (4 June 2011) 1551–1553.

Доказательство шарообразности Земли

Мы видели, что при вычислении средних скоростей на фиксированном расстоянии нам следует использовать среднее гармоническое, а не среднее арифметическое значение. Гармоническое среднее возникает также при оценке расстояния между двумя аэропортами, если учитывать силу ветра, – по аналогичной, с небольшими отличиями, причине. Посмотрим на простую модель. Будем считать, что скорость самолета относительно воздуха равна c, летит он по прямой, а ветер дует строго вдоль этой прямой со скоростью w. Считаем, что c и w постоянны. Тогда a = c – w, b = c + w. Мы хотим оценить d на основании времен r и s. Чтобы избавиться от w, мы выразим a и b и получим a = d/r и b = d/s. Таким образом,

c – w = d/r, c+w = d/s.

Сложив, получим 2c = d (1/r + 1/s). Тогда c = d (1/r + + 1/s)/2. Если бы ветра не было, полет в одну сторону занял бы время t, где d = ct. Следовательно,

t = d/c = d/[d (1/r + 1/s)/2] = 1/[(1/r + 1/s)/2],

это и есть гармоническое среднее между r и s.

Короче говоря: если мы говорим о самолеточасах, то из этой простой модели воздействия ветра видно, что пользоваться следует гармоническим средним времени перелета в двух направлениях.

123456789 раз по X. Продолжение

123456789 × 10 = 1234567890;

123456789 × 11 = 1358024679;

123456789 × 12 = 1481481468;

123456789 × 13 = 1604938257;

123456789 × 14 = 1728395046;

123456789 × 15 = 1851851835;

123456789 × 16 = 1975308624;

123456789 × 17 = 2098765413;

123456789 × 18 = 2222222202;

123456789 × 19 = 2345678991.

В этих произведениях присутствуют все десять цифр 0–9 в некотором порядке, за исключением тех случаев, когда мы умножаем на число, кратное 3… Вплоть до 19, когда красивая закономерность останавливается (19 не кратно 3, но в ответе дважды встречается 9 и нет 0).

Но затем закономерность возобновляется:

Следующие исключения возникают на 28 и 29. На числах 30–36 все работает, на 37 вновь происходит сбой. На этом месте я прекратил вычисления. Что происходит дальше? Понятия не имею.

Загадка золотого ромба

Сомс затянул узел до конца, сплющил его и поднес к свету.

– Вот это да, пятиугольник! – изумленно воскликнул я.

– Точнее сказать, Ватсап, это похоже на правильный пятиугольник, у которого одна диагональ видима, а остальные три скрыты. Обратите внимание на отсутствие горизонтальной диагонали. Если ее добавить, к примеру, сложив полоску еще раз, то получится…

– Пятиконечная звезда! Пентаграмма! Ее используют в черной магии для вызова демонов!

Сомс кивнул.

– Но без этой последней складки и, соответственно, без одного ребра пентаграмма окажется неполной, и демон вырвется. Так что этот символ выражает угрозу выпустить в мир демонические силы, – он невесело улыбнулся. – Конечно, демонов в сверхъестественном смысле не существует, их невозможно ни вызвать, ни выпустить. Но вот люди демонического нрава, безусловно, существуют…

– Такие, к примеру, как в террористической организации Ал-Гебра! – воскликнул я. – Меня изгнали из Ал-Гебраистана оружием математического образования!

– Успокойтесь, Ватсап. Нет, я имел в виду скорее Матемагическую ассоциацию Нумерики. Это малоизвестная группа, и я сильно подозреваю, что она служит лишь официальным прикрытием для одной из дьявольских преступных схем Могиарти. Я сталкивался с ней и раньше, и теперь у меня в руках последнее, решающее звено, которое позволит нанести удар по зловещему профессору и навсегда разрушить эту часть его всемирной паутины преступлений. Если, конечно…

– Если что, Сомс?

– Если, конечно, мы сможем представить неопровержимые доказательства, когда дело дойдет до суда. Откуда мы знаем, что этот пятиугольник правильный?

– Но разве это не предельно просто?

– Напротив, вы скоро будете уверять меня, что это невероятно хитроумно и, может быть, вовсе не так, – хотя, говоря по существу, правильный ответ здесь совпадает с первой наивной догадкой. Осмелюсь предположить, что, как только мы установим этот факт, все остальное последует автоматически, но одного внешнего вида узла недостаточно. Однако я буду считать, что взаимное расположение линий на рисунке верно, так что у нас определенно есть пятиугольник с четырьмя диагоналями. Но действительно ли он правильный? В этом необходимо убедиться. Если это так, то этот факт должен следовать из постоянной ширины бумажной полоски. Обозначим углы так, как это делал великий Евклид из Александрии, и займемся геометрическими рассуждениями.

Я должен предупредить читателя, что остальная часть дискуссии будет интересна только тем, кто обладает некоторыми знаниями в евклидовой геометрии.

– Я начну, – объявил Сомс, – с нескольких простых наблюдений. Их можно доказать без большого труда с использованием базовой геометрии, так что подробности я опущу.

Во-первых, обратите внимание, что если две полоски, имеющие параллельные края, накладываются друг на друга, то в месте их перекрытия возникает ромб – параллелограмм, у которого все четыре стороны равны. Более того, если два таких ромба имеют одинаковую высоту и одинаковую сторону, то они конгруэнтны, то есть обладают одинаковыми размерами и формой. Следовательно, на диаграмме расплющенного узла присутствуют три конгруэнтных ромба.

– Почему только три? – спросил я в недоумении.

– Потому что CD и BE не совпадают с краями бумажной полоски, так что мы не можем пока сказать то же о ромбах CDRB или DESC. Вот почему я не провел линии CD.

Я, надо признаться, этого не заметил.

– В таком случае это невероятно тонкий момент, Сомс. Мало того, наше утверждение может оказаться попросту неверным!

Он почему-то вздохнул.

– Теперь мы переходим к центральному пункту моих рассуждений. Диагонали ромба рассекают его углы пополам, а противоположные углы равны, – Сомс отметил четыре угла греческой буквой θ (тета), см. рисунок слева.

По сходным причинам угол CAB также равен θ. Поскольку ромбы DEAT и PEAB конгруэнтны, я могу отметить буквой θ еще четыре угла. Получается рисунок справа.

– А теперь, Ватсап, скажите: что при взгляде на этот рисунок сразу же приходит в голову?

– На нем чертовски много букв θ, – без промедления отозвался я.

Он недовольно поморщился, и я услышал, как в горле у него что-то негромко зарокотало, не знаю уж почему.

– Это же очевидно, как шея высоченного жирафа, Ватсап! Посмотрите на треугольник EAB.

Я нашел треугольник и внимательно рассмотрел его, поначалу ничего не понимая. Ну… В этом треугольнике тоже много отметок θ. Так, так… все его углы составлены из θ! Теперь я понял.

– Сумма углов треугольника равна 180°, Сомс. В этом треугольнике углы равны θ, θ и 3θ. Их сумма 5θ равна 180°, а значит, θ = 36°.

– Когда-нибудь из вас еще получится геометр, – сказал Сомс. – Остальное доказывается легко. Отрезки DE, EA, AB и BC равны по длине, поскольку являются сторонами конгруэнтных ромбов. Углы ÐDEA, ÐEAB и ÐABC равны между собой, поскольку располагаются в конгруэнтных ромбах, и один из них, ÐEAB, равен 3 × θ, то есть 108°. Так что все три угла равны 108°. Но этому же равен внутренний угол правильного пятиугольника.

– Так что точки D, E, A, B, C являются углами правильного пятиугольника, и я могу завершить рисунок, проведя отрезок CD! – воскликнул я. – Как неле… – я поймал краем глаза его взгляд. – Э-э, как элегантно, Сомс!

Он пожал плечами.

– Пустяк, Ватсап. Этого достаточно, чтобы покончить с Матемагической ассоциацией Нумерики и причинить Могиарти некоторые неудобства. Сам же он… Боюсь, он окажется куда более крепким орешком.

Почему пузырьки в пиве идут сверху вниз?

E. S. Benilov, C. P. Cummins, and W. T. Lee. Why do bubbles in Guinness sink? arXiv: 1205.5233 [physics. flu-dyn].

Собаки, дерущиеся в парке

– Собаки столкнулись через 10 секунд, – объявил Сомс.

– Поверю вам на слово, – сказал я. – Но удовлетворите мое любопытство: как вы получили эту цифру?

– Задача симметрична, Ватсап, а симметрия зачастую упрощает рассуждения. В описанных вами условиях три собаки всегда находятся в вершинах равностороннего треугольника. Он вращается и одновременно сжимается, но сохраняет форму. Таким образом, с точки зрения одной из собак – скажем, A, – она все время бежит по прямой к соседней собаке B.

– Но разве треугольник не вращается, Сомс?

– Вращается, но это несущественно, поскольку мы можем проводить вычисления во вращающейся системе координат. Важно, насколько быстро треугольник сжимается. Собака B всегда бежит под углом 60° к прямой AB, поскольку собаки всегда образуют равносторонний треугольник. Так что компонента ее скорости в направлении собаки A равна 1/2 × 4 = 2 ярда в секунду. Следовательно, A и B приближаются друг к другу с суммарной скоростью 4 + 2 = 6 ярдов в секунду и покрывают разделявшее их в начальный момент расстояние в 60 ярдов за 60/6 = 10 секунд.

Почему у моих друзей больше друзей, чем у меня?

Предположим, в социальной сети n человек, причем человек i имеет xi друзей. Тогда среднее число друзей по все членам сети составляет

При рассмотрении столбца 3 в таблице – взвешенного среднего от числа друзей у каждого из друзей j человека i – мы используем стандартный математический прием и работаем вместо этого с человеком j. Этот человек фигурирует как друг у xj человек – а именно у собственных друзей – и вносит xj в подсчет полного количества у каждого из этих друзей. Так что случаи, когда человек j выступает в качестве друга, вносят вклад xj² в общую сумму. Число элементов в столбце 3 составляет x_1 + … + xn. Так что взвешенное среднее числа друзей у каждого из друзей равно

Я утверждаю, что для любых xj мы всегда имеем b>a, если только все xj не равны, в каковом случае b = a. Это следует из стандартного неравенства, связывающего среднее с тем, что инженеры называют «среднеквадратичным значением» (это корень квадратный из среднего значения квадратов):

причем равенство достигается только при равенстве всех xj. Возведя в квадрат и сгруппировав, получим a<b, за исключением случая равенства всех xj, что и требовалось. Дополнительную информацию можно найти на сайте

http://www.artofproblemsolving.com/wiki/index.php?title=Root-Mean_Square-Arithmetic_Mean-Geometric_Mean-Harmonic_mean_Inequality

Приключение шестерых гостей

Замечание Сомса – пример применения теории Рамсея – области комбинаторики, названной в честь Фрэнка Рамсея, доказавшего аналогичную, но более общую теорему в 1930 г. Его брат Майкл стал архиепископом Кентерберийским. Подойдем к нашему вопросу с осторожностью. Предположим, что некоторое число людей сидит за столом, причем каждый человек связан с другими либо ножом, либо вилкой. Выберем два произвольных числа f и k. Тогда существует некоторое число R, зависящее от f и k, такое, что если за столом присутствует по крайней мере R человек, то либо f из них соединены вилками, либо k – ножами.

Наименьшее такое R обозначается как R (f, k) и называется числом Рамсея. Из доказательства Сомса видно, что R (3,3) = 6. Числа Рамсея вычисляются с необычайным трудом, за исключением нескольких простых случаев. Известно, к примеру, что R (5,5) лежит в промежутке от 43 до 49, но его точное значение остается загадкой.

Рамсей доказал более общую теорему, в которой количество типов соединения (ножи, вилка, что угодно – чаще всего используются цвета, но Сомс использует то, что оказывается под рукой) может определяться любым конечным числом. Единственное известное нетривиальное число Рамсея для больше чем двух типов соединения – это R (3,3,3), равное 17.

Существуют бесчисленные обобщения этой идеи. Конкретное число, о котором идет речь, известно лишь в нескольких, очень немногочисленных, случаях. Вот статья, с которой все началось: F. P. Ramsey, On a problem of formal logic, Proceedings of the London Mathematical Society 30 (1930) 264–286. Как можно предположить по названию, автор думал о логике, а не о комбинаторике.

Число Грэма

R. L. Graham and B. L. Rothschild, Ramsey theory, Studies in Combinatorics (ed. G.-C. Rota) Mathematical Association of America 17 (1978) 80–99.

Дело водителя с уровнем выше среднего

В 1981 г. О. Свенсон опросил 161 шведского и американского студента, попросив каждого из них оценить свое мастерство и безопасность вождения по отношению к остальным участникам опроса. В отношении мастерства 69 % шведов оценили себя как выше среднего уровня; в отношении безопасности то же сделали 77 %. Для американских студентов цифры составили 93 % по мастерству и 88 % по безопасности. Мне довелось сдать два американских экзамена по вождению, один из которых проводился вообще без автомобиля, и я понимаю, почему американцы до такой степени преувеличивают свои способности. См.: O. Svenson, Are we all less risky and more skillful than our fellow drivers? Acta Psychologica 47 (1981) 143–148.

Тот же эффект наблюдается при оценке многих других качеств – популярности, здоровья, памяти, профессиональной квалификации, даже счастья в личной жизни. Не особенно удивительно: это один из способов поддержания самоуважения и уверенности в себе. А низкое самоуважение может быть признаком психологической неадекватности, поэтому, чтобы быть счастливыми и здоровыми, мы развили у себя в процессе эволюции способность к завышенной оценке собственного счастья и здоровья.

Не знаю, как вы, а я великолепно себя чувствую.

Ограбление в Баффлхэме

– Нужные нам числа – это 4 и 13, – сказал Сомс.

– Поразительно, просто поразительно. Я…

– Вы знакомы с моими методами, Ватсап.

– Тем не менее мне кажется замечательным, что вы можете вывести ответ из таких неопределенных разговоров.

– Хм. Посмотрим. Суть дела, Ватсап, состоит в том, что каждое утверждение, которое мы делаем, добавляет дополнительную информацию к тому, что знаем мы оба. И знаем, что оба знаем, и т. д. Предположим, что произведение двух нужных нам чисел равно p, а сумма равна s. Первоначально вы знаете p, а я знаю s. Мы оба знаем, что второй из нас знает то, что знает, но не знаем конкретного значения.

– Поскольку вы не знаете самих чисел, p не может быть произведением двух простых, таким как 35. Ведь 35 – это 5 × 7, и никак иначе выразить это число как произведение двух чисел, больших 1, невозможно, так что вы сразу поняли бы, какие два числа имеются в виду. По аналогичной причине p не может равняться кубу простого числа, такому как 5³ = 125, поскольку такое число раскладывается только как 5 × 25.

– Да, это понятно, – вставил я.

– Кроме того, p не может быть равно qm, где q – простое число, а m – составное, поскольку для любого d больше 1, которое является делителем m, qd будет больше 100.

– Ну, даааа…

– К примеру, p не может быть равным 67 × 3 × 5, что раскладывается на множители тремя способами: 67 × 15, 201 × 5 и 335 × 3. Поскольку в двух последних случаях используются числа больше 100, на эти способы разложения можно не обращать внимания, и остается только один способ, с числами 67 и 15.

– Верно.

– Итак, ваше замечание помогает мне понять все это, но к тому моменту я и сам сделал те же выводы на основании известной мне суммы чисел. Я видел, что s не является суммой двух таких чисел. Но затем вы тоже об этом узнали, потому что я вам сказал, то есть вы узнали кое-что новое о числе s. Конечно, оба мы должны помнить, что если s = 200, то оба числа должны равняться 100, а если s = 199, то они равняются 100 и 99.

– Разумеется.

– Если исключить невозможное… – сказал Сомс, – получится, что сумма s может равняться одному из следующих чисел: 11, 17, 23, 27, 29, 35, 37, 41, 47, 51 и 53.

– Но раньше вы с большим пренебрежением отзывались о…

– О, в математике это правило достаточно хорошо работает, – небрежно ответил он. – Потому что здесь мы можем быть уверены, что невозможное на самом деле невозможно.

– Итак, на главной стадии рассуждений мы оба знаем то, что я только что вам рассказал. И в этот момент вы быстро объявляете, что можете определить нужные нам числа! Так что я быстро перебираю все возможные пары чисел с этими суммами и обнаруживаю, что 10 из 11 вариантов s имеет одно из возможных произведений, совпадающее с произведением для другого значения s. Поскольку вы сказали мне, что уже знаете нужные нам числа, все 10 таких s можно смело исключить из расследования. Остается единственный возможный вариант суммы, 17, и единственное произведение, не допускающее двух разных значений s. А именно 52, которое получится, если представить 17 как 4 + 13, и только в этом случае. Следовательно, два наших числа – это 4 и 13.

Я поздравил Сомса с такой проницательностью.

– Пошлите кого-нибудь из Нерушимых сил Бейкер-стрит к Роулейду с этим сообщением, – скомандовал он, быстро записывая числа на клочке бумаги. – Не пройдет и часа, как двое злоумышленников будут арестованы.

Ошибка Малфатти

В 1930 г. Хайман Лоб и Херберт Ричмонд доказали, что в некоторых случаях жадный алгоритм дает лучшее решение, чем построение Малфатти. Ховард Ивз в 1946 г. заметил, что для равнобедренного треугольника с очень острой вершиной пирамидальное построение почти вдвое больше по площади, чем построение Малфатти. В 1967 г. М. Голдберг доказал, что жадный алгоритм всегда лучше варианта Малфатти, а в 1994 г. Виктор Залгаллер и Г. А. Лось доказали, что он всегда дает наибольшую возможную площадь.

Как устранить нежелательное эхо

M. R. Schroeder, Diffuse sound reflection by maximum-length sequence. Journal of the Acoustical Society of America 57 (1975) 149–150.

Тайна универсальной плитки

Гипотеза о трекле

János Pach and Ethan Sterling, Conway's conjecture for monotone thrackles, American Mathematical Monthly 118 (June/July 2011) 544–548.

Непериодическая мостовая

Теорема о двух красках

Я ломал голову три часа кряду, но в конце концов сдался и попросил Сомса раскрыть секрет.

– Но потом вы скажете мне, как все абсурдно просто.

– Нет! Никогда!

– Позволю себе не согласиться, Ватсап. Потому что на этот раз все действительно просто до абсурдности, – молчание тянулось и тянулось, и он смилостивился: – Очень хорошо. Будем считать, что в нашем распоряжении имеется только черная и серая краска, а белым цветом отмечены еще не рассмотренные области. Начнем с того, что покрасим одну из областей в черный цвет (см. верхнюю левую фигуру на рисунке). После этого я выбираю одну из примыкающих областей и окрашиваю ее в серый цвет (верхняя средняя фигура). Затем окрашиваю примыкающую область черным, затем следующую – серым и т. д.

– Мне кажется, что после первого сделанного выбора во всех последующих случаях выбор делается вынужденно, – неуверенно сказал я.

– Да! Решение, если оно существует, должно быть единственным – с точностью до взаимной замены двух красок. И вы видите, что постепенно вся карта будет раскрашена с использованием только двух красок – черной и серой. Так что в данном случае, по крайней мере, решение существует.

– Согласен. Но я не до конца понимаю…

– Почему. Прекрасное замечание. На этот раз, мой дорогой Ватсап, вы попали в самую точку, а не по пальцу молотком. Проблема в том, чтобы доказать, что любая такая цепочка раскрашивания в черный и серый цвета приведет к одному и тому же результату, так? Потому что таким образом процесс не может привести к ситуации, для которой следующую оставшуюся область окрасить невозможно.

– Кажется, это я понимаю.

– Это можно сделать, – сказал Сомс. – Но есть более простой способ. Обратите внимание на то, что каждый раз, когда мы пресекаем общую границу, цвет меняется. Таким образом, если мы пересекаем нечетное число границ, то мы должны выбирать серый цвет, а если четное – то черный.

Я кивнул и тут же ляпнул:

– Но… как можем мы быть уверены, что не возникнет никаких противоречий?

Сомс блеснул улыбкой.

– Это потому, что мы можем, опираясь на только что мною сказанное, предписать каждой области вполне определенный цвет. Просто сосчитайте, в состав скольких кругов входит данная точка – конечно, точка не на окружности, потому что окружности мы не красим. Если это число четное, окрашиваем точку в черный цвет; если нечетное, окрашиваем в серый.

– Далее, пересечение любой границы либо добавляет к этому числу один дополнительный круг, либо вычитает из числа кругов единицу. В любом случае нечетное меняется на четное, а четное – на нечетное, так что цвет по разные стороны от этой границы должен быть разным.

Доказательство оказалось ясным как божий день.

– Ну, Сомс…

– Конечно, – прервал он меня с легчайшим намеком на улыбку, – некоторые из окружностей могут касаться друг друга. Но и здесь действует тот же метод, нужно лишь правильно интерпретировать. Следует избегать пересечения границ в точке касания, и если немного подумать, то станет ясно, что это всегда можно сделать.

Ну, может, не совсем как божий день, но… да, я понял.

– Это… – начал я, но остановился, увидев выражение его лица, и закончил иначе:

– Очень умно.

Теорема о четырех красках в пространстве

Четыре одинаковых шара можно разместить так, чтобы каждый из них касался остальных трех. Поставьте три шара равносторонним треугольником, чтобы они касались друг друга, а затем поместите четвертый сверху, чтобы он лег в центральное углубление и образовал вместе с ними тетраэдр. Теперь в центр пирамиды можно поместить пятый, меньший шарик такого размера, чтобы он касался всех четырех. Таким образом получаем пять шаров, каждый из которых касается остальных четырех; следовательно, все они должны быть окрашены в разные цвета.

Грек-интегратор

Сначала ответ. Нам нужно решить уравнение Разделив обе части на 4πr², получим Следовательно, r = 3.

А теперь о палимпсесте.

Оригинальная рукопись Архимеда не сохранилась, но эта копия (несомненно, результат целой серии копирований) была сделана византийским монахом около 950 г. н. э. В 1229 г. рукопись была расшита, а листы чисто (относительно) выскоблены вместе с листами по крайней мере шести других рукописей. Затем они были сложены пополам и использованы для записи 177-страничного христианского богослужебного текста – описания порядка религиозных служб.

В 1840-е гг. германский библеист Константин фон Тишендорф, наткнувшись на этот текст в Константинополе (ныне Стамбул), обратил внимание на какие-то слабо различимые математические записи и привез страницу из рукописи с собой. В 1906 г. датский ученый Йохан Гейберг установил, что часть палимпсеста составляет какое-то произведение Архимеда. Он сфотографировал его и в 1910 и 1915 гг. опубликовал кое-какие выдержки из документа. Вскоре после этого Томас Хит перевел опубликованный материал, но в то время он привлек мало внимания. В 1920-е гг. документом владел один французский коллекционер; к 1998 г. документ каким-то образом оказался в США и стал предметом судебного разбирательства между аукционным домом «Кристис» и Греческой православной церковью, которая утверждала, что в 1920 г. этот документ был похищен из монастыря. Судья принял решение в пользу «Кристис» на основании того, что промежуток времени между предполагаемым похищением и судебным иском по его поводу был слишком велик. Документ был приобретен анонимным покупателем (по сообщению журнала Der Spiegel, это был основатель компании Amazon Джефф Безос) за $2 млн. С 1999 по 2008 г. документ был подвергнут консервации в Художественном музее Уолтерса в Балтиморе и проанализирован группой специалистов по визуальной информации, целью которых было «проявить» скрытые записи.

Метод Архимеда можно объяснить (используя современный язык и обозначения) следующим образом. Начнем с шара радиусом 1, описанного вокруг него цилиндра и некоего конуса. Если поместить центр шара в точку x = 1 на действительной прямой, то радиус сечения в любой точке x от 0 до 2 равен √(x(2 − x)), а его масса пропорциональна π квадратам этой величины, а именно πx (2 – x) = 2πx – πx².

Далее рассмотрим конус, полученный вращением прямой y = x вокруг оси x, опять же для 0≤x≤2. Сечение этого конуса в точке x представляет собой круг радиусом x и площадью πx². Его масса пропорциональна этой величине с тем же коэффициентом пропорциональности, так что общая масса ломтика шара и ломтика конуса равна (2πx – πx²) + πx² = 2πx.

Поместим два эти ломтика в точку x = –1, на расстоянии 1 слева от начала координат. По закону рычага их в точности уравновешивает круг радиусом 1, помещенный на расстоянии x справа от той же точки.

А теперь сдвинем все ломтики шара и конуса в одну и ту же точку x = –1, так что вся их масса сосредоточится в этой единственной точке. Соответствующие (и уравновешивающие) круги имеют радиус 1 и располагаются на расстояниях от 0 до 2. Таким образом, они образуют цилиндр. Центр массы цилиндра находится в его середине, то есть в точке x = 1. Следовательно, по закону рычага,

масса шара + масса конуса = масса цилиндра,

а поскольку масса пропорциональна объему, то объем шара + объем конуса = объем цилиндра.

Однако Архимед уже знал, что объем конуса составляет одну треть объема цилиндра (одна треть площади основания на высоту, помните?), так что объем шара равен двум третям объема цилиндра. Объем цилиндра равен площади основания (πr²), умноженной на высоту (2r), то есть 2πr³ Следовательно, объем шара равен ⅔ от этой величины, то есть (4/3)πr³.

Площадь поверхности сферы Архимед вывел при помощи аналогичной процедуры.

Он описал этот процесс геометрически, но нам проще следить за его аргументами, пользуясь современными обозначениями. Учитывая, что происходило это все около 250 г. до н. э. и что закон рычага открыл тоже Архимед, его достижения можно по праву назвать поразительными.

Откуда у леопарда пятна

W. L. Allen, I. C. Cuthill, N. E. Scott-Samuel, and R. J. Baddeley. Why the leopard got its spots: relating pattern development to ecology in felids, Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 278 (2011) 1373–1380.

Многоугольники навсегда

Хотя может показаться, что эта фигура будет увеличиваться до бесконечности, на самом деле она всегда остается в пределах ограниченной области на плоскости: круга радиусом приблизительно 8,7.

Отношение радиусов окружности, описанной вокруг правильного n-угольника, и окружности, вписанной в него, равно sec π/n, где sec – это тригонометрическая функция секанс, а угол измеряется в радианах. (Если хотите измерять угол в градусах, замените π на 180°.) Таким образом, для любого n радиус окружности, описанной вокруг правильного n-угольника на рисунке, равен

S = sec π/3 × sec π/4 × sec π/5 × … × sec π/n[38].

Мы хотим узнать предел этого произведения при n, стремящемся к бесконечности. Возьмем логарифм:

lnS = lnsec π/3 + lnsec π/4 + lnsec π/5 + … + lnsec π/n.

Пока x мал, lnsec x ~ x²/2, так что этот ряд можно сравнить с рядом

1/3² + 1/4² + 1/5² + … + 1/n²,

который при n, стремящемся к бесконечности, сходится. Следовательно, lnS конечен, так что и S конечно. Сумма членов ряда до n = 1 000 000 дает 8,7 в качестве разумной оценки предела.

Я узнал об этой задаче, а также о приведенном ответе из книжного обзора Харольда Боаса[39]. Этот автор нашел эту задачу в книге «Математика и воображение» Эдварда Каснера и Джеймса Ньюмена, изданной в 1940 г. Он пишет: «Может быть, если этот рисунок воспроизвести в достаточном числе книг, этот забавный пример станет частью стандартного набора задач занимательной математики».

Я стараюсь, Харольд.

Приключения гребцов

Мы с Сомсом нашли еще два варианта распределения весел, не считая зеркально симметричных:

– Несмотря на всю механическую сложность задачи, – сказал Сомс, – в конечном итоге она сводится к простой арифметике. Нам нужно разделить числа от 0 до 7 на две группы – так, чтобы сумма чисел в каждой из них равнялась 14.

– Если мы знаем один такой набор, то второй определяется автоматически и тоже дает сумму 14.

– Да, Ватсап, это очевидно: просто берем числа, которые не вошли в первый набор.

– Я согласен, что это тривиально, Сомс, но это подразумевает, что мы можем использовать набор, содержащий 0; это означает, что заднее весло мы размещаем слева (при необходимости мы всегда можем взять зеркально симметричный вариант). Таким образом мы снижаем число вариантов, которые необходимо рассмотреть.

– Это правда.

Теперь рассуждения шли практически сами собой.

– Если в набор входит также 1, – заметил я, – то остальные два числа в сумме дают 13, так что это должны быть 6 и 7, что дает 0167. Если там нет 1, но есть 2, то единственный возможный вариант – 0257. Если вариант начинается с 03, возникает два следствия: 0347 и 0356. Вариант, начинающийся с 04, можно не рассматривать, поскольку получить 10 сложением двух чисел из 5, 6, 7 невозможно. Аналогично отвергаем 05, 06 и 07.

– Итак, вы пришли к выводу, – подвел итог Сомс, – что единственные возможные варианты, исключая симметрию право-лево, – это

0167 0257 0356 0347

Но 0257 – это немецкий вариант, а 0347 – итальянский. Остаются два, те самые, что выложил из спи…

Он внезапно вскочил и напрягся.

– Святые угодники!

– Что, Сомс?

– Мне только что пришло в голову, Ватсап, извините за каламбур, что эта спичка… – он помахал передо мной какой-то горелой спичкой… – это не редкая ранняя спичка Конгрива, как я воображал, но одна из бесшумных спичек Ирини. Когда подорвался его профессор химии, Ирини пришло в голову заменить бертолетову соль в головке спички двуокисью свинца.

– Ах. Это имеет значение, Сомс?

– Еще какое, Ватсап. Это позволяет пролить совершенно новый свет… опять же, извините за каламбур… на одно из самых невероятных наших нераскрытых дел.

– Замечательное дело перевернутого чайника! – воскликнул я.

– Вот именно, Ватсап! Итак, если в ваших записях сохранилась информация о том, справа или слева от мумифицированного попугая лежала та спичка…

Анализ Сомса основан на:

Maurice Brearley, 'Oar arrangements in rowing eights', in Optimal Strategies in Sports (ed. S. P. Ladany and R. E. Machol), North-Holland 1977.

John Barrow, One Hundred Essential Things You Didn't Know You Didn't Know, W. W. Norton, New York 2009.

Как и предупреждал Сомс, это лишь первоначальный упрощенный подход к весьма сложной проблеме.

Кстати говоря, Университетская гонка 1877 г. закончилась ничьей – единственный случай в истории этих состязаний.

Кольца из правильных многогранников

Джон Мейсон и Теодорус Деккер нашли более простые методы доказательства невозможности, чем те, которыми пользовался Сверчковский. При склеивании двух одинаковых тетраэдров гранями каждый из них становится как бы отражением другого в их общей грани.

Начнем с одного тетраэдра. У него четыре грани и, соответственно, четыре таких отражения; назовем их r_1, r_2, r_3 и r_4. Каждое отражение ставит все на прежнее место, если проделать операцию дважды, так что r_1r_1 = e, где e – это нулевая трансформация («ничего не делать»). То же можно сказать и об остальных отражениях. Таким образом, все комбинации нескольких отражений представляют собой произведения вроде такого:

r_1r_4r_3r_4r_2r_1r_3r_1,

где последовательность индексов 14342131 может быть любой последовательностью чисел 1, 2, 3, 4, где ни одно число не встречается два раза подряд. К примеру, последовательности 14332131 быть не может. Причина в том, что здесь r_3r_3 – это одно и то же отражение, проделанное дважды, то есть e, которое не производит никакого действия и потому может быть исключено.

Если такая цепочка замыкается, то очередное отражение, примененное к крайнему тетраэдру в цепочке, дает тетраэдр, который совпадает с первоначальным. Таким образом, мы получаем уравнение вида

r_1r_4r_3r_4r_2r_1r_3r_1 = e

(только более длинное и сложное), где e означает «ничего не делать». Записав формулы для четырех отражений и воспользовавшись подходящими алгебраическими методами, можно доказать, что такое уравнение не выполняется никогда. Подробности см.:

T. J. Dekker, On reflections in Euclidean spaces generating free products, Nieuw Archief voor Wiskunde 7 (1959) 57–60.

M. Elgersma and S. Wagon, Closing a Platonic gap, Mathematical Intelligencer in the press.

J. H. Mason, Can regular tetrahedrons be glued together face to face to form a ring? Mathematical Gazette 56 (1972) 194–197.

H. Steinhaus, Problem 175, Colloquium Mathematicum 4 (1957) 243.

S. Swierczkowski, On a free group of rotations of the Euclidean space, Indagationes Mathematicae 20 (1958) 376–378.

S. Swierczkowski, On chains of regular tetrahedra, Colloquium Mathematicum 7 (1959) 9–10.

Невозможный маршрут

– Как вы правильно сказали, вы их не видите, – сказал Сомс. – Вы же знаете мои методы: воспользуйтесь ими.

– Очень хорошо, Сомс, – ответил я. – Вы всегда говорили, что нужно отбросить все несущественное. Поэтому я повторю свои рассуждения, а чтобы устранить всякую мыслимую возможность ошибки, представлю задачу в простейшем виде. Я пронумерую области на карте – вот так. Их пять. Затем я нарисую диаграмму – кажется, она называется графом, – на которой схематически покажу эти области и связи между ними.

Он молчал с непроницаемым выражением лица.

– Мы должны попасть из области 1 в область 5, причем мост A должен быть последним. Если начинать из 1, единственным оставшимся вариантом будет пересечь мост B, затем неизбежно последуют C и D. Далее мы должны воспользоваться мостом E или F. Скажем, мы выбрали мост E. Далее мы не можем воспользоваться F, потому что это приведет нас в область 4, из которой далее пути для нас нет. Однако мы не можем воспользоваться и мостом A, потому что это приведет нас в область 1, из которой пути нет. То же произойдет, если мы выберем F вместо E. Я закончил.

– Почему, Ватсап?

– Потому, Сомс, что я исключил невозможное, – он поднял бровь. – Поэтому то, что останется, каким бы невероятным оно ни казалось, – продолжал я, – должно быть…

– Продолжайте.

– Но, Сомс, ничего не остается! Следовательно, задача не имеет решения!

– Неверно. Я уже сказал вам, что решений здесь восемь.

– Тогда вы, вероятно, солгали мне об условиях задачи.

– Нет.

– Тогда я в тупике. Что я упустил?

– Ничего.

– Но…

– Вы кое-что впустили, Ватсап. Вы слишком многое приняли за данность. Вы ошибочно решили, что маршрут не должен выходить за пределы нарисованной мной карты.

– Но вы же сказали, что дальше реки текут до границ Швейцарии и дальше, а нам нельзя пересекать границу.

– Да. Но на карте изображена не вся Швейцария. Откуда течет эта река?

– О-ох! – я хлопнул себя ладонью по лбу.

– Кто? Бог?

– Просто непроизвольное выражение. Я браню себя за собственную глупость, Сомс. Не «Бог», скорее просто «О-ох!».

– Я посоветовал бы вам избегать этого выражения, Ватсап. Оно вам не идет, да и модным никогда не станет.

– Как скажете, Сомс. Моя вспышка была вызвана тем, что я понял: мою вторую попытку можно завершить, если обогнуть исток реки и пройти по мосту A.

– Верно.

– Так что области 1 и 4 на моем рисунке – на самом деле одна и та же область.

– В самом деле. Это, – сказал я через мгновение, – было нечестно. Откуда мне знать, что исток реки находится в границах Швейцарии? Он не показан на вашей карте.

– Но ведь я сказал вам, Ватсап, что существует по крайней мере один маршрут, удовлетворяющий всем условиям. Из этого однозначно следует, что исток реки должен находиться в Швейцарии.

Туше. Я вспомнил также, что он говорил про восемь маршрутов.

– Я вижу второй маршрут, Сомс: достаточно поменять местами мосты E и F. Но остальные шесть, признаюсь, от меня ускользают.

– Ах. Ваше утверждение, что начинать мы должны непременно с моста B, теряет смысл, если области 1 и 4 сливаются. Позвольте мне перерисовать вашу упрощенную схему правильно.

– Я изобразил мост A пунктирной линией в качестве напоминания о том, что его мы должны оставить напоследок. Обратите внимание: начиная с области 1 мосты, кроме A, образуют два различных замкнутых контура: BCD или DCB, а также EF или FE. Более того, мы можем начать с любого из этих контуров, а затем перейти к другому. Наконец, в конце мы должны поставить мост A. Получаем следующие маршруты:

– Всего восемь.

– Теперь я ясно вижу свою ошибку, Сомс, – признал я.

– Вы видите конкретную свою ошибку, Ватсап, но не общую закономерность, которая за ней стоит и которая затрагивает все аргументы об исключении невозможного.

Я в недоумении покачал головой.

– Что вы имеете в виду?

– Я имею в виду, Ватсап, что вы не рассмотрели все возможные варианты. А причиной тому было…

Я снова хлопнул себя ладонью по лбу, но на этот раз воздержался от каких бы то ни было звуков, не желая служить мишенью для насмешек Сомса.

– Я забыл, что, размышляя над задачей, необходимо выйти за рамки.

Ссылки на источники

«О форме апельсиновой кожуры». Слева и в центре рисунки: Laurent Bartholdi and André Henriques. Orange peels and Fresnel integrals, Mathematical Intelligencer 34 No. 4 (2012) 1–3.

"О форме апельсиновой кожуры". Справа рисунок: Luc Devroye.

"Дело о картонных коробках". Концепция загадки с коробками: Moloy De.

"Пифилология, пиэмы и пиллиш". Отрывок из Not A Wake: Mike Keith.

"Математические хайку". Хайку: Daniel Mathews, Jonathan Alperin, Jonathan Rosenberg.

"Загадка гусиного клина". Фото: http://getyournotes.blogspot.co.uk/2011/08/why-do-some-birds-fly-in-v-formations.html

"Поразительные квадраты". Поразительные квадраты: Moloy De и Nirmalya Chattopadhyay.

"Загадка тридцати семи". Загадка тридцати семи: основана на наблюдениях Stephen Gledhill.

"Четыре псевдоку без указаний". Псевдоку без указаний: Gerard Butters, Frederick Henle, James Henle and Colleen McGaughey. Creating clueless puzzles, Mathematical Intelligencer 33 No. 3 (Fall 2011) 102–105.

"Загадки простого числа". Рисунок: Eric W. Weisstein, «Гипотеза Брокара» с сайта MathWorld: http://mathworld.wolfram.com/BrocardsConjecture.html

"Оптимальная пирамида". Справа фото: Steven Snape.

"Путаница с инициалами". Фото: с разрешения архива Университета Висконсина в Мэдисоне.

"Загадка песков". Сверху слева фото: [George Steinmetz, с разрешения Anastasia Photo].

"Загадка песков". Сверху справа фото: снимок камеры HiRISE на спутнике Марса Mars Reconnaissance Orbiter, NASA.

"Загадка песков". Снизу справа рисунок: Rudi Podgornik.

"Загадка песков". Снизу слева рисунок: Veit Schwämmle and Hans J. Herrmann. Solitary wave behaviour of sand dunes, Nature 426 (2003) 619–620.

"Бросание монетки – несправедливый жребий". Рисунок: Persi Diaconis, Susan Holms and Richard Montgomery, Dynamical basis in the coin toss, SIAM Review 49 (2007) 211–223.

"Непериодическая мостовая". 3-тий и 4-ый рисунки: Joshua Socolar and Joan Taylor. An aperiodic hexagonal tile, Journal of Combinatorial Theory Series A 118 (2011) 2207–2231; http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs00283-011-9255-y

«Кольца из правильных многогранников». Рисунки: Michael Elgersma and Stan Wagon, Closing a Platonic gap, The Mathematical Intelligencer (2014) готовится к выходу.

Следующие рисунки перепечатываются в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution 3.0 Unported с указанием источника, как требуется в оригинальной публикации:

«Загадки простого числа», «График зависимости». Krishnavedala.

"Оптимальная пирамида". Рисунок слева Ricardo Liberato.

"Оптимальная пирамида", "Все, что осталось от Черной пирамиды Аменемхета III". Tekisch.

"Сила мидий". Andreas Trepte, www.photo-natur.de

"Озера Вады". Braindrain0000.

"Озера Вады", "Три области, соответствующие решениям кубического уравнения". LutzL

"Грек-интегратор". Балтимор, музей Walters Art Museum.

Сноски

1

Многие куски данного собрания, не имеющие прямого отношения к криминальным случаям, взяты из рукописных заметок. Некоторые из них, такие как «Копилка аналитических аномалий доктора Ватсапа», уже были собраны и изданы с разрешения Сомса и будут воспроизведены здесь без дополнительных ссылок. Некоторые относятся к более поздним датам и добавлены сюда литературными душеприказчиками Ватсапа; внимательный читатель легко заметит подобные анахронизмы. – Прим. авт.

2

Лайонел Шарплз Пенроуз (1898–1972) – известный британский психиатр, генетик, математик и шахматный теоретик. – Прим. ред.

3

Фамилии подозреваемых – Green, Brown и White – означают названия цветов: зеленый, коричневый и белый соответственно. – Прим. пер.

4

Jeremiah Farrell. The Journal of Recreational Linguistics 33 (May 2000) 83–92.

5

Описание этого и всех последующих случаев, расследованных Сомсом и Ватсапом, воспроизводится (с небольшим редактированием) по книге «Мемуары доктора Ватсапа: рассказ очевидца о невоспетом гении одного недооцененного частного детектива» (Бромли, Трекл и сыновья, Манчестер, 1897). – Прим. авт.

6

Харди Г. Апология математика. – Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2000.

7

На русском языке также есть аналогичные мнемонические формулы, например такие:

Это я знаю и помню прекрасно:

Пи многие знаки мне лишни, напрасны.

Доверимся знаньям громадным

Тех, пи кто сосчитал, цифр армаду.

«Как я хочу и желаю надраться до чертей после сих тупых докладов, наводящих тяжелую депрессию».

«Учи и знай в числе известном за цифрой цифру, как удачу примечать».

Приведенные автором примеры на английском и других языках оставлены нами без перевода. – Прим. пер.

8

Mike Keith, The Mathematical Intelligencer 8 (No.4) (1986) 56–57.

9

Это не анахронизм: Джозеф Малин открыл в Лондоне первую лавку, где торговали жареной рыбой и чипсами, в 1860 г. Вообще-то с этим деликатесом Британию познакомили в XVI в. еврейские беженцы из Испании и Португалии, называвшие блюдо pescatofrito, то есть зажаренная до хрустящей корочки рыба. Чипсы были добавлены позже. – Прим. авт.

10

Или русской. – Прим. пер.

11

Можно привести примеры и русскоязычных математических хайку:

Не пересечься

двум параллельным прямым.

Врет Лобачевский.

Долго смотрел на свои штаны Пифагор.

Есть теорема! – Прим. пер.

12

Приведем перевод этого текста (разумеется, нам не удалось сохранить его мнемонические свойства): «Разрушение игровой комнаты – обычное дело детей. Это позволяет тупицам запоминать множество цифр». – Прим. ред.

13

Замечание в предыдущем примечании касается и этого перевода: «Мы представляем мнемоническое правило для запоминания постоянной столь замечательной, что Эйлер воскликнул: "!", когда она была найдена, да, громко воскликнул"!". Мои студенты, возможно, вычислят e при помощи степени или ряда Тейлора по простой формуле суммирования, очевидной, ясной, элегантной». – Прим. пер.

14

Математическая шутка. По-английски формула πr2 звучит очень похоже на фразу «Пирог квадратный». На что собеседник возражает: «Нет, пирог круглый. А вот шоколадка квадратная». – Прим. пер.

15

W.W. Rouse Ball, Mathematical Recreations and Essays (11th edition), Macmillan, London 1939.

16

Здесь обыгрывается название британской газеты Daily Mail. Daily Wail можно перевести как «Ежедневные вопли». – Прим. ред.

17

R.H. Macmillan, Pyramids and pavements: some thoughts from Cairo, Mathematical Gazette 63 (December 1979) 251–255.

18

«Просто Р. просто Х. Бинг». – Прим. пер.

19

Случайные блуждания Леви – марковский случайный процесс с дискретным временем, плотность распределения индивидуальных приращений в котором имеет протяженный степенной «хвост». У такого распределения отсутствует дисперсия, поэтому к данному процессу не применима центральная предельная теорема, и положение точки, совершающей случайные блуждания Леви, даже после большого числа шагов, не описывается нормальным, или гауссовым, распределением. – Прим. ред.

20

Я не имею в виду, что ученые по большей части честные люди. Я говорю о том удовольствии, которое все они получают, доказывая ошибочность взглядов друг друга; к тому же именно таким способом в науке делается карьера. Глобальные заговоры не имели бы смысла даже в том случае, если бы все ученые поголовно были мошенниками. – Прим. авт.

21

См.: John P. Robertson. The maximum length of a powerful arithmetic progression, American Mathematical Monthly 107 (2000) 951.

22

Byron Schmuland, Random harmonic series, American Mathematical Monthly 110 (2003) 407–416.

23

Toby Buckland, Digging deeper, Amateur Gardening (20 October 2012), p. 59.

24

Мы приводим здесь рассуждения автора, но далее будем по-прежнему пользоваться русскими вариантами названий: миллион, миллиард, триллион. – Прим. пер.

25

Это число больше, чем конечная стоимость, потому что в конце концов банки выплатили деньги и часть из них послужила временной поддержкой. К марту 2011 г. эта стоимость составляла 450 млрд фунтов, или примерно вполовину меньше. – Прим. авт.

26

Вымышленное название, которое можно перевести как «Количественная френология и познание». Френология – псевдонаука о связи психики человека с поверхностью его черепа. – Прим. ред.

27

David Bailey, Jonathan Borwein, Andrew Mattingly, and Glenn Wightwick. The computation of previously inaccessible digits of π2 and Catalan's constant, Notices of the American Mathematical Society 60 (2013) 844–854.

28

Приведем оригинал лимерика.

A challenge for many long ages

Had baffled the savants and sages.

Yet at last came the light:

Seems that Fermat was right –

To the margin add two hundred pages.

– Прим. пер.

29

Буквально «сам не знаю что» (фр.); применительно к искусству означает неуловимую, невыразимую красоту. – Прим. ред.

30

«Образ действия» (лат.). – Прим. ред.

31

Joshua Socolar and Joan Taylor. An aperiodic hexagonal tile, Journal of Combinatorial Theory Series A 118 (2011) 2207–2231.

32

Обсуждение этой проблемы и ее решения см. в «Кабинете…» (с. 10–16).

33

Bhaskar Bagchi and Basudeb Datta. Higher dimensional analogues of the map coloring problem, American Mathematical Monthly 120 (October 2013) 733–736.

34

Это не опечатка: Лойд действительно писал свою фамилию с одной «Л». – Прим. авт.

35

Andrew Granville and Thomas Tucker. It's as easy as abc, Notices of the American Mathematical Society 49 (2002) 1224–1231.

36

Здесь обыгрывается название британской газеты The Manchester Guardian (в настоящее время The Guardian). Manchester Garble можно перевести как «Манчестерские фальсификации». – Прим. ред.

37

Peter Elliott and Heini Halberstam, A conjecture in prime number theory, Symposia Mathematica 4 (1968) 59–72.

38

Секанс данной угловой величины – это величина, обратная косинусу вот этой: sec x = 1/cos x. – Прим. ред.

39

Harold Boas. American Mathematical Monthly 121 (2014) 178–182.

Content

Иэн Стюарт
Математические головоломки профессора Стюарта

Знакомьтесь: Сомс и Ватсап

О единицах измерения

Скандал с украденным совереном

Числовая диковинка

Железнодорожные маршруты

Сомс знакомится с Ватсапом

Геомагические квадраты

О форме апельсиновой кожуры

Как выиграть в лотерею?

КражаСлучай с зелеными носками

Последовательные кубы

Adonis Asteroid Mousterian

Два коротких вопроса на квадраты

О вреде чистых рук

Дело о картонных коробках Из мемуаров доктора Ватсапа

RATS-последовательность

Дни рождения полезны

Математические даты

Собака Баскетболлов Из мемуаров доктора Ватсапа

Цифровые кубы

Самовлюбленные числа

Пифилология, пиэмы и пиллиш

Без улик Из мемуаров доктора Ватсапа

Краткая история судоку

Гексакосиойгексеконтагексафобия

Раз, два, три

Как сберечь удачу

Дело о четырех тузах Из мемуаров доктора Ватсапа

Растерянные родители

Парадокс зигзага

Дверца страха Из мемуаров доктора Ватсапа

Блинные числа

Фокус с суповой тарелкой

Математические хайку

Дело о таинственном колесе Из мемуаров доктора Ватсапа

Дважды два

Загадка гусиного клина

Мнемоника для e

Поразительные квадраты

Загадка тридцати семи Из мемуаров доктора Ватсапа

Средняя скорость

Четыре псевдоку без указаний

Суммы кубов

Загадка похищенных бумаг Из мемуаров доктора Ватсапа

Хозяин всего, что за оградой

Еще одна любопытная числовая закономерность

Задача о непрозрачном квадрате

Непрозрачные многоугольники и круги

πr²?

Знак одного Из мемуаров доктора Ватсапа

Промежутки между простыми числами

Проблема Гольдбаха для нечетных

Загадки простого числа

Оптимальная пирамида

Знак одного: часть вторая Из мемуаров доктора Ватсапа

Путаница с инициалами

Евклидовы каракули

Евклидова эффективность

123456789 раз по X

Знак одного. Часть третья Из мемуаров доктора Ватсапа

Номера такси

Волна перемещения

Загадка песков

π для эскимосов

Знак одного. Часть четвертая – завершение Из мемуаров доктора Ватсапа

Серьезный беспорядок

Бросание монетки – несправедливый жребий

Покер по почте

Исключение невозможного Из мемуаров доктора Ватсапа

Сила мидий

Доказательство шарообразности Земли

123456789 раз по X. Продолжение

Цена славы

Загадка золотого ромба Из мемуаров доктора Ватсапа

Арифметическая последовательность степеней

Почему пузырьки в пиве идут сверху вниз?

Гармонический ряд со случайными знаками

Собаки, дерущиеся в парке Из мемуаров доктора Ватсапа

Какой высоты это дерево?

Почему у моих друзей больше друзей, чем у меня?

Статистика. Разве это не чудесно?

Приключение шестерых гостей Из мемуаров доктора Ватсапа

Как записывать очень большие числа

Число Грэма

В моей голове это не укладывается

Дело водителя с уровнем выше среднего Из мемуаров доктора Ватсапа

Куб «Мышеловка»

Числа Серпинского

Джеймс Джозеф кто?

Ограбление в Баффлхэме Из мемуаров доктора Ватсапа

Квадриллион знаков числа π

Нормально ли число π?

Математик, статистик и инженер…

Озера Вады

Последний лимерик Ферма

Ошибка Малфатти Из мемуаров доктора Ватсапа

Квадратные остатки

Бросание монетки по телефону

Как устранить нежелательное эхо

Тайна универсальной плитки Из мемуаров доктора Ватсапа

Гипотеза о трекле

Сделка с дьяволом

Непериодическая мостовая

Теорема о двух красках Из мемуаров доктора Ватсапа

Теорема о четырех красках в пространстве

Комическое исчисление

Задача Эрдёша о расходимости

Грек-интегратор Из мемуаров доктора Ватсапа

Сумма четырех кубов

Откуда у леопарда пятна

Многоугольники навсегда

Совершенно секретно

Приключения гребцов Из мемуаров доктора Ватсапа

«Пятнашки»

Хитрая шестиугольная головоломка

Сложно, как азбука

Кольца из правильных многогранников

Задача о квадратном колышке

Невозможный маршрут Из мемуаров доктора Ватсапа

Последняя задача Из мемуаров доктора Ватсапа

Возвращение Из мемуаров доктора Ватсапа

Окончательное решение

Загадки разгаданные

Скандал с украденным совереном

Числовая диковинка

Железнодорожный маршрут

Сомс встречается с Ватсапом

Геомагические квадраты

Какую форму имеет апельсиновая кожура?

Как выиграть в лотерею?

КражаСлучай с зелеными носками

Последовательные кубы

Adonis Asteroid Mousterian

Два коротких вопроса на квадраты

Дело о картонных коробках

RATS-последовательность

Математические даты

Собака Баскетболлов

Цифровые кубы

Самовлюбленные числа

Без улик!

Краткая история судоку

Раз, два, три

Дело о четырех тузах

Парадокс с зигзагом

Дверца страха

Блинные числа

Дело о таинственном колесе

Загадка гусиного клина

Поразительные квадраты

Загадка тридцати семи

Средняя скорость

Четыре псевдоку без указаний

Загадка похищенных бумаг

Еще одна любопытная числовая закономерность

Промежутки между простыми числами

Знак одного. Часть вторая

Евклидовы каракули

123456789 раз по X

Знак одного. Часть третья

Бросание монетки – несправедливый жребий

Исключение невозможного

Сила мидий

Доказательство шарообразности Земли

123456789 раз по X. Продолжение

Загадка золотого ромба

Почему пузырьки в пиве идут сверху вниз?

Собаки, дерущиеся в парке

Почему у моих друзей больше друзей, чем у меня?

Приключение шестерых гостей

Число Грэма

Дело водителя с уровнем выше среднего

Ограбление в Баффлхэме

Ошибка Малфатти

Как устранить нежелательное эхо

Тайна универсальной плитки

Гипотеза о трекле

Непериодическая мостовая

Теорема о двух красках

Теорема о четырех красках в пространстве

Грек-интегратор

Откуда у леопарда пятна

Многоугольники навсегда

Приключения гребцов

Кольца из правильных многогранников

Невозможный маршрут

Ссылки на источники

Сноски