Мартин Гарднер - Математические головоломки и развлечения
* * *
Наездников можно посадить на ослов (которые при этом словно по волшебству сразу поскачут галопом) таким образом, как это пoказано на рис. 45.
Рис. 45 Решение головоломки с ослами и седоками.
На рис. 46 воспроизведен предполагаемый источник головоломки Лойда: персидский рисунок начала семнадцатого века.
Рис. 46 Персидский рисунок XVII века, послуживший, как предполагают, источником головоломки Лойда.
* * *
Что касается загадочной картинки «Тедди и львы», то бессмысленно спрашивать, который из львов исчез или который из охотников вдруг появился. Когда части смещаются, исчезают все львы и охотники, а вместо них появляются восемь новых львов, каждый на 1/8 меньше первоначального, и шесть новых охотников, каждый на 1/6 больше прежнего.
* * *
Известно много решений задачи о дерущихся рыбах. Вот решение, которое дал сам Лойд.
Четыре маленькие рыбки расправляются за 3 мин с одной большой рыбой, в то время как остальные дьявольские рыбки, разбившись на тройки, нападают на каждую из трех остальных больших рыб. После этого пять рыбок, объединившись, разделываются с еще одной большой рыбой за 2 мин 24 сек. Остальные маленькие рыбки в это время продолжают драться с большими.
Если бы этим рыбкам (они разделились на две группы, так как дерутся с двумя королевскими рыбами) помогала еще одна дьявольская рыбка, то все три группы рыбок кончили бы бой одновременно. Поэтому сил у каждой из оставшихся в живых королевских рыб осталось ровно столько, сколько необходимо, чтобы сражаться с одной дьявольской рыбкой в течение 2 мин 24 сек. Если же на любую из королевских рыб нападает сразу не одна, а семь рыбок, то они приканчивают ее за у этого времени, то есть 20 4/7 сек.
У единственной оставшейся в живых королевской рыбы сил к концу этих 20 4/7 сек хватит только на то, чтобы продержаться еще 20 4/7 сек против одной дьявольской рыбки (напомним, что на нее нападало шесть маленьких рыбок). Все же 13 дьявольских рыбок, объединив свои силы, расправляются с ней за 1/13 этого времени, то есть за 1 53/91 сек.
Сложив продолжительность всех схваток — 3 мин, 2 мин 24 сек, 20 4/7 сек и 1 53/91 сек, мы найдем, что весь бой длился 5 мин 46 2/13 сек.
Глава 10. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ФОКУСЫ С КАРТАМИ
В одном из рассказов Сомерсета Моэма есть такой диалог:
— Вы любите карточные фокусы?
— Терпеть не могу.
— Тогда я покажу вам один фокус.
После третьего фокуса жертва под каким-то предлогом сбегает.
Такую реакцию легко понять. Большинство карточных фокусов, если их показывает не искусный профессионал, а любитель, невыносимо скучны. Но существуют и другие карточные фокусы, для показа которых не требуется никакой ловкости рук. Именно они и представляют интерес с точки зрения математики.
Рассмотрим, например, следующий фокус. Зритель и фокусник садятся за стол друг против друга. Фокусник берет колоду карт, обращенных рубашкой вверх, и, перевернув двадцать из них рубашкой вниз, передает колоду зрителю. Зритель тщательно перетасовывает колоду, и перевернутые карты распределяются случайным образом. Держа колоду под столом так, чтобы ни он сам, ни фокусник не могли видеть карты, зритель отсчитывает двадцать верхних карт и, не вынимая из-под стола, передает фокуснику.
Фокусник берет стопку, но продолжает держать ее под столом так, чтобы не видеть карты. «Ни вы, ни я не знаем, — говорит он, — сколько перевернутых карт имеется среди тех 20, которые вы мне дали. Однако мне кажется, что их меньше, чем среди тех 32, которые остались у вас. Не глядя на карты, я сейчас переверну у себя еще несколько карт и попытаюсь уравнять число перевернутых карт в моей части колоды и в вашей».
Фокусник некоторое время возится с картами, делая вид, будто он пытается на ощупь определить у карт верхнюю и нижнюю стороны. Затем он вытаскивает свои карты наверх, раскладывает их на столе и пересчитывает перевернутые. Их оказывается ровно столько же, сколько среди тех 32 карт, которые находятся на руках зрителя.
Этот замечательный трюк лучше всего объяснять на примере одной из самых старых математических головоломок. Представьте себе, что перед вами два сосуда: в один из них налит литр воды, а в другой — литр вина. Один кубический сантиметр воды, взятый из первого сосуда, переливают в сосуд с вином и тщательно перемешивают. Затем берут один кубический сантиметр смеси и переливают его обратно в сосуд с водой. Чего теперь больше: воды в вине или вина в воде? (Мы пренебрегаем тем, что обычно смесь воды и спирта занимает меньший объем, чем сумма объемов спирта и воды до смешивания.)
Ответ таков: вина в воде ровно столько жее, сколько воды в вине. Забавно, что в этой задаче содержится слишком много информации, не относящейся к делу. Совершенно излишне знать, сколько жидкости в каждом сосуде, какое количество ее переливается и сколько раз повторяется переливание. Безразлично, тщательно ли перемешиваются жидкости. Несущественно даже то, одинаково ли количество жидкости в сосудах до переливания. Единственное действительно важное условие заключается в том, что каждый сосуд по окончании всех переливаний содержит точно такое же количество жидкости, какое было в нем сначала. Это условие означает, что какое бы количество вина мы ни взяли из сосуда с вином, нам непременно придется пополнить образовавшийся дефицит таким же количеством воды.[20]
Если читателю приведенные рассуждения кажутся непонятными, он сможет разобраться в них с помощью колоды карт. Пусть 26 карт, разложенных в ряд на столе рубашками вверх, изображают собой вино, а 26 карт, разложенных в ряд вверх картинками, — воду. Сколько бы вы ни перекладывали карты из одного ряда в другой, если в конце концов в каждом ряду окажется снова по 26 карт, то число карт, лежащих рубашкой вверх в одном ряду, будет в точности совпадать с числом карт другого ряда, лежащих вверх картинкой.
Возьмем теперь стопку из 32 карт, обращенных вверх рубашкой, и стопку из 20 перевернутых карт и будем перекладывать карты из одной стопки в другую любое число раз, следя лишь за тем, чтобы в меньшей стопке все время оставалось 20 карт. Переворачивая меньшую стопку, вы закрываете открытые карты и, наоборот, открываете карты, которые раньше были закрыты. Поэтому после переворачивания в обеих стопках открытых карт станет поровну.
Теперь уже всем, наверное, ясно, как получается фокус с картами. Сначала фокусник переворачивает ровно 20 карт. Когда же он получает стопку из 20 карт от зрителя, число перевернутых карт в ней равно числу перевернутых карт в оставшейся части колоды.
Затем, делая вид, что он переворачивает какие-то новые карты, фокусник на самом деле переворачивает всю стопку из 20 полученных им карт. В результате в этой стопке оказывается столько же перевернутых карт, сколько их содержится среди 32 карт, оставшихся у зрителя. Математиков этот фокус особенно удивляет, потому им и приходят в голову очень сложные объяснения.
На элементарных математических принципах основаны и многие фокусы с отгадыванием числа карт. Вот один из лучших фокусов этого типа. Повернувшись спиной к зрителям, попросите кого-нибудь из присутствующих взять из колоды любое число карт от 1 до 12 и, не называя числа отобранных карт, спрятать их в карман. Затем ваш помощник должен отсчитать сверху колоды ровно столько карт, сколько он уже спрятал у себя в кармане, и запомнить следующую за последней отсчитанной картой.
Когда все это будет сделано, вы поворачиваетесь к публике лицом и просите назвать чью-нибудь фамилию и имя, в которых было бы не менее 13 букв. Допустим, к примеру, кто-то назвал Бенвенуто Челлини. Держа в руках колоду карт, вы обращаетесь к зрителю, в кармане которого спрятаны отобранные им карты, и говорите, что он должен, называя каждую букву в имени и фамилии Бенвенуто Челлини, выкладывать при этом на стол по одной карте. Показывая, как это надо делать, вы снимаете по одной карте с вашей колоды и, произнося вслух каждую букву, выкладываете карты на стол рубашкой вверх. Затем вы собираете эти карты и кладете поверх оставшихся в колоде карт.
Всю колоду вы передаете зрителю и просите его положить те карты, которые лежат у него в кармане, сверху. Не забудьте подчеркнуть, что вы не знаете, сколько карт хранится у него в кармане.
И все же, несмотря на добавление к колоде неизвестного числа карт, после того как зритель произнесет по буквам «Б-Е-Н-В-Е-Н-У-Т-О Ч-Е-Л-Л-И-Н-И» и проделает все, о чем вы говорили, верхней картой в колоде окажется задуманная им карта!
Нетрудно понять, в чем здесь дело. Пусть х — число карт в кармане у зрителя и, следовательно, число карт, лежащих в колоде поверх задуманной им карты, а у — число букв в имени и фамилии названного зрителями лица. Показывая, как надо называть по буквам имя и фамилию, вы изменяете порядок у карт на обратный, вследствие чего «глубина залегания» замеченной карты становится равной у — х. Добавление к колоде х карт приводит к тому, что задуманная карта оказывается на (у — х + х) — м месте, считая сверху. Величины х и — х взаимно уничтожаются, и задуманная карта после того, как будет названо у букв, окажется сверху.
