Мартин Гарднер - Математические головоломки и развлечения

• Название: Математические головоломки и развлечения
• Автор: Мартин Гарднер
• Издательство: "Мир"
• Жанр: Развлечения
• Год: 1999
• ISBN: 5-03-003340-8

Книга известного американского популяризатора науки М. Гарднера содержит множество занимательных задач и головоломок из самых различных областей математики. Благодаря удачному подбору материла, необычной форме его подачи и тонкому юмору автора она не только доставит удовольствие любителям математики, желающим с пользой провести свой досуг, но и может быть полезной преподавателям математики школ и колледжей в их работе.

---

Логарифмическая спираль — единственный тип спирали, не меняющей своей формы при увеличении размеров. Это свойство объясняет, почему логарифмическая спираль так часто встречается в природе. Например, по мере роста моллюска Nautilus раковина его, разделенная внутренними перегородками, увеличивается в своих размерах, закручиваясь по логарифмической спирали. При этом домик его не меняет формы: если центральную часть раковины посмотреть под микроскопом, мы увидим в точности такую же спираль, какая получилась бы, если бы раковина выросла до размеров галактики и мы разглядывали бы ее с большого расстояния.

Логарифмическая спираль тесно связана с числами Фибоначчи (1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34…; каждое последующее число, начиная с третьего, равно сумме двух предыдущих). Числа Фибоначчи часто встречаются в живой природе. Обычно в качестве примера приводят расположение листьев на черенке, лепестков некоторых цветков и семян в плодах. И здесь дело не обходится без числа φ, поскольку отношение двух последовательных членов ряда Фибоначчи тем ближе к числу φ, чем дальше мы продвинемся от начала ряда.

Так, 5/3 уже дает хорошее приближение к φ (прямоугольник с отношением сторон 5:3 трудно отличить от золотого прямоугольника), еще лучшее приближение дает 8/5, но его превосходит отношение 21/13, равное 1,615. Это свойство присуще не только числам Фибоначчи.

Начав с любых двух чисел и построив аддитивный ряд, в котором каждый член равен сумме двух предыдущих (например, ряд 7, 2, 9, 11, 20…), мы обнаружили, что отношение двух последовательных членов такого ряда также стремится к числу φ: чем дальше мы будем продвигаться от начала ряда, тем лучше будет приближение.

Это нетрудно понять, если воспользоваться вращающимися квадратами. Начнем с двух небольших квадратов любых размеров, например с квадратов А и В на рис. 130.

Рис. 130 Квадраты, показывающие, что отношение последующего члена любого аддитивного ряда к предыдущему стремится к числу φ.

Сторона квадрата С равна сумме сторон квадратов А и В; сторона квадрата D равна сумме сторон квадратов В и С; сторона квадрата Е — сумме сторон квадратов С и D и т. д. Независимо от длин сторон двух первых квадратов вращающиеся квадраты образуют прямоугольник, который все меньше и меньше отличается от золотого.

Тесную связь между числом φ и числами Фибоначчи наглядно демонстрирует классический геометрический парадокс. Если на бумаге в клеточку начертить квадрат 8 х 8 и разрезать его на 4 части так, как показано на рис. 131, то из этих частей можно составить прямоугольник, площадь которого равна 65 единичным клеткам, а не 64, как у исходного квадрата.

Рис. 131 Парадокс, основанный на свойствах произвольного аддитивного ряда.

Парадокс объясняется просто: части квадрата неплотно примыкают друг к другу вдоль диагонали и между ними остается узкий зазор. Его площадь равна «лишней» клетке. Заметим, что длины сторон трапеций и треугольников, на которые разрезали квадрат, выражаются числами Фибоначчи. На самом деле парадокс будет возникать и в том случае, если квадрат разрезан на трапеции и треугольники, длины которых выражаются членами любого аддитивного ряда, хотя при этом в одних случаях построенный из частей квадрата прямоугольник будет иметь бблыную, а в других — меньшую площадь по сравнению с квадратом в зависимости от того, как примыкают части вдоль диагонали: есть ли между ними зазор или они перекрываются. Это обстоятельство связано с тем, что отношение последующего члена аддитивного ряда к предыдущему то превосходит φ, то становится меньше этого числа.

Площадь прямоугольника, составленного из частей разрезанного квадрата, в точности совпадает с площадью квадрата лишь в одном случае: если длины сторон трапеций и треугольников взяты из членов аддитивного ряда 1, φ, φ+1, 2φ+1, 3φ + 2… (другой — «мультипликативный» — способ записи того же ряда выглядит так: 1, φ, φ2, φ3, φ4….). Это единственный аддитивный ряд, в котором отношение любых двух последовательных членов постоянно (и, конечно, равно φ). Это тот самый «золотой» ряд, которым тщетно стремятся стать все аддитивные ряды.

Обширная литература, посвященная числу φ и связанным с ним вопросам, не менее эксцентрична, чем литература о квадратуре круга, так или иначе затрагивающая свойства другого иррационального числа — π. [Добавим несколько замечаний, взятых из книги Н. von Baravalle «Geometrie als Sprache der Formen».

Связь φ с числом Фибоначчи иллюстрируется лучше всего таким образом. Если взять разложение 1/φ в цепную дробь

и построить «подходящие дроби», откидывая «хвосты», то можно получить ряд чисел:

Продолжая в том же духе, получим ряд подходящих дробей:

В этом ряду каждый знаменатель становится числителем у следующей дроби. Числители и знаменатели образуют ряд Фибоначчи:

Так как приближение к 1/φ можно начинать с любых двух чисел, то читатель сразу увидит разгадку следующего фокуса.

Попросите двух человек написать на длинной бумажке два любых числа одно под другим, а третьего — подсчитать и записать их сумму. Перегните бумажку, оставив видными только два последних числа, и опять попросите написать их сумму; опять перегните бумажку и повторите просьбу сложить два числа. Повторив эту операцию раз 10–15, попросите разделить предпоследнее число на последнее (с точностью, скажем, до трех знаков). Результат вы можете предсказать заранее: он будет 0,618!

Наконец, составим последовательность равенств:

И здесь коэффициенты — члены ряда Фибоначчи!]

Классическим примером может служить объемистый (457 страниц) труд Адольфа Цейзинга «Der goldene Schnitt» («Золотое сечение»), опубликованный в 1881 году. Цейзинг доказывает, что из всех пропорций именно золотое сечение дает наибольший художественный эффект и доставляет наибольшее удовольствие при восприятии. Именно в золотом сечении, по Цейзингу, кроется ключ к пониманию всей морфологии (в том числе строения человеческого тела), искусства, архитектуры и даже музыки. В том же духе выдержаны и книги «Nature's Harmonic Unity» («Гармоническое единство природы») С. Колмена A913) и «The Curves of Life» («Кривые жизни») Т. Кука A914).

Вряд ли будет преувеличением сказать, что экспериментальная эстетика берет свое начало с попыток Густава Фехнера эмпирически обосновать взгляды Цейзинга. Немецкий физиолог измерил отношения сторон у тысяч окон, картинных рам, игральных карт, книг и других прямоугольных предметов, проверил, в каком отношении поперечные перекладины могильных крестов на кладбищах делят вертикальные планки, и обнаружил, что в большинстве случаев полученные им числа мало отличаются от φ. Фехнер разработал целый ряд остроумных тестов, в которых испытуемому предлагалось выбрать «милый его сердцу» прямоугольник из большого набора прямоугольников с различным соотношением сторон, нарисовать самый «приятный» многоугольник, провести поперечную линию и превратить вертикальную палочку в крест, выбрав место пересечения перекладин по своему усмотрению, и т. д. И здесь многократно проведенные опыты показали, что испытуемые отдают предпочтение отношениям, близким к числу φ. Разумеется, основополагающие работы Фехнера были грубы, и более поздние исследования, проводимые в аналогичном направлении, позволяли прийти лишь к более расплывчатому утверждению о том, что большинство людей отдают предпочтение прямоугольнику, занимающему промежуточное положение где-то между квадратом и прямоугольником, у которого основание вдвое больше высоты.

Американец Джей Хэмбридж, скончавшийся в 1924 году, написал много книг, в которых отстаивал понятие «динамической симметрии», понимая под этим применение геометрии (ведущей роли числа φ в искусстве, архитектуре, проектировании мебели и даже типографских шрифтах. В наши дни мало кто принимает его работы всерьез, хотя время от времени какой-нибудь знаменитый художник или архитектор так или иначе использует золотое сечение.

Например, Джордж Беллоуз иногда брал золотое сечение за основу композиции своих картин. Холст, на котором написана «Тайная вечеря» Сальвадора Дали, имеет форму золотого прямоугольника.

Золотые прямоугольники меньших размеров использованы художником при размещении фигур двенадцати апостолов. Над столом как бы плавают в воздухе части огромного додекаэдра.

Много размышлял на тему о числе φ Фрэнк А. Лонк. Его брошюры обычно издавало фортеановское общество Т. Тэйера. Кстати сказать, это же общество выпустило и логарифмическую линейку, на которой среди прочих замечательных констант было нанесено число φ (общество прекратило свое существование в 1959 году, после смерти Тэйера). Лонк подтвердил одну из любимых теорий Цейзинга, измерив рост 65 женщин и сравнив полученные данные с расстоянием от пупка соответствующей особы до пола. Среднее значение этого отношения оказалось равным 1,618… и было названо автором «относительной постоянной Лонка». «Субъекты, у которых отношение данных измерения не совпадало с указанной постоянной, — писал Лонк, — при опросе неизменно сообщали о том, что перенесли в детстве вывих бедра или стали жертвой несчастного случая, повлекшего за собой деформацию тела». Лонк оспаривал широко распространенное мнение о том, что десятичное разложение числа π имеет вид 3,14159…. Он произвел более точные вычисления, возведя в квадрат число φ, умножив результат на 6 и поделив затем полученное число на 5. По его подсчетам, значение π выражается десятичным числом 3,14164078644620550.