Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
ЧАСТЬ ПЕРВАЯЧАСТНЫЕ МЕТОДЫ
Глава 1. Метод двух геометрических мест25
Геометрические построения25
От примера к методу26
Примеры27
Предположим, что задача решена29
Метод подобия32
Примеры33
Метод вспомогательных фигур37
Упражнения и дополнительные замечания к главе 1 (1 —— 54)38
[7. Обозначения. 15. Три маяка. 45. Изъян. 47. Взгляд назад. 48. Три наблюдательных пункта. 49. Замечания по поводу метода двух геометрических мест. 50. Метод трех геометрических мест. 52. О геометрических построениях. 53. Дополнительные задачи. 54. Множества.]
Глава 2. Метод Декарта45
Декарт и его идея об универсальном методе45
§ 2.Задачка46
Составление уравнений50
Школьные задачи52
Геометрические примеры56
Пример из физики61
Пример из области головоломок64
Озадачивающие примеры65
Упражнения и дополнительные замечания к главе 2 (1——87: Раздел 1, 1 ——69
16; Раздел 2, 17—87) [10. Аналог формулы Герона. 11. Другой аналог теоремы Пифагора. 12. Еще один аналог теоремы Пифагора. 13. Другой аналог формулы Герона. 17. Разное. 28. Как долог был век Диофанта? 29. Египетская задача. 33. Планиметрия. 34. Ньютон о составлении уравнений при решении геометрических задач. 50. Стереометрия. 60. Неравенство. 61. Сферометр. 63. Атом углерода. 64. Фотометр. 65. График движения. 73. Число уравнений равно числу неизвестных. 74. Число уравнений больше числа неизвестных. 76. Число уравнений меньше числа неизвестных. 77. Диофантовы уравнения. 81. Правила Декарта.
Обнажите задачу и расчлените ее. 83. Дополнительные сведения, необходимые для решения задачи. Мобилизация и организация. 84. Независимость и совместность. 85. Единственность решения. Взгляд
вперед. 86. Зачем нужны словесные задачи? 87 Дополнительные задачи.]
Глава 3. Рекурсия85
История одного маленького открытия85
Дар небес88
. И все же оно заслуживает внимания90
Рекурсия92
Абракадабра94
Треугольник Паскаля97
Математическая индукция100
В поисках новых подходов102
Наблюдайте, обобщайте, доказывайте и передоказывайте по-новому 103 Упражнения и дополнительные замечания к главе 3 (1 —— 100: Раздел 1,105
1—22; Раздел 2, 23—31; Раздел 3, 3 2—5 9; Раздел 4, 60—100) [2. Частный случай эквивалентен общему случаю. 11. Спасение затонувшего судна. 22. Два вида математической индукции. 24. Сочетания. 39. Треугольные числа. 40. Пирамидальные числа. 43. Числа Фибоначчи. 48. Триномиальные коэффициенты. 55.
Гармонический треугольник Лейбница. 56. Паскаль и Лейбниц. 60. Степенные ряды. 66. Биномиальная формула для дробных и отрицательных показателей. 70. Расширение области определениясимвола С/. 76. Метод неопределенных коэффициентов. 81. Обращениестепенного ряда. 87.
Дифференциальные уравнения. 99. О числе 兀.100. Другие задачи.]
Глава 4. Суперпозиция
127
§ 1. Интерполяция
127
§ 2. Частный случай
130
§ 3. Решение общей задачи комбинированием частных решений
131
§ 4. Метод суперпозиции
132
Упражнения и дополнительные замечания к главе 4 (1 —— 37: Раздел 1, 1——
134
17; Раздел 2, 18—37)
[11. Линейная комбинация или суперпозиция. 12. Однородные линейные дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами. 14. Однородные линейные разностные уравнения с постоянными коэффициентами. 15. Числа Фибоначчи. 17.
Суперпозиция движений. 18. Разнообразие подходов при решении одной задачи. 19. Что представляет собой неизвестное? 21. Вот уже решенная задача, родственная вашей. 23. Дополнительные сведения. 25. Формула объема призматоида. 31. Никакая цепь не прочнее своего слабейшего звена. 33. Формула Симпсона. 37. Расширение
области исследования.]
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
НА ПУТИ К ОБЩЕМУ МЕТОДУ
Глава 5. О задачах143
Что такое задача?143
§ 2. Классификация задач144
§ 3. Задачи на нахождение145
§ 4. Задачи на доказательство147
§ 5. Компоненты неизвестного, пункты условия149
§ 6. Ищем соответствующую процедуру150
Упражнения и дополнительные замечания к главе 5 (1 ——20)151
[8. Задача на нахождение или задача на доказательство ? 9. Другие задачи. 10. Процедура решения задачи может состоять из неограниченной последовательности операций. 11. Квадратура круга. 12. Следование и следствие. 13. Неудачная терминология, двусмысленность. 14. Данные и неизвестное, условие (предпосылка) и заключение. 15. Число необходимых данных. 20. Изучая решение.]
Глава 6. Расширение области применения метода156
§ 1. Расширение области применения метода Декарта156
§ 2. Расширение области применения метода двух геометрических мест 160 § 3. С какого пункта условия следует начинать167
§ 4. Расширение области применения рекурсии171
§ 5. Последовательный охват неизвестных175
Упражнения и дополнительные замечания к главе 6 (1——27)176
[1. Условие, состоящее из многих пунктов. 9. Сохраните только часть условия. 10. Нить Ариадны. 20. Другие задачи. 21.
Промежуточная цель. 22. Графическое представление. 23. Некоторые типы задач нематематического характера. 27. Более тонкая
классиф икация.]
Глава 7. Геометрическое представление процесса решения184
Метафоры184
Что такое задача?185
Есть идея!186
Развитие идеи188
Оформление решения190
Замедленные кинокадры191
Коротко о дальнейшем193
План и программа194
Задачи внутри задач194
Зарождение идеи195
Умственная работа195
Дисциплина ума196
Упражнения и дополнительные замечания к главе 7 (1——6)196
[1. Другой подход. 4. Поиски доказательства. 5. Простейшие
диаграммы. 6. Другие задачи.]
Глава 8. План и программа
Составление плана как метод решения задачи
Более общий метод
Программа
Выбор между несколькими планами
План и программа
Метод и план
Упражнения и дополнительные замечания к главе 8 (1 —— 8)
[1. От конца к началу или от начала к концу? В обратном направлении или в прямом направлении? Анализ или синтез? 2. Умный начинает с конца. 4. Выбор между тремя планами. 5. Выбор между двумя планами. 6. Реальный план. 8. Не связывайте себя.] Глава 9. Задачи внутри задач
Вспомогательные задачи
Эквивалентные задачи: двусторонняя редукция
Цепочки эквивалентных задач
Более результативные или менее результативные вспомогательные задачи; односторонняя редукция
Косвенные вспомогательные задачи
Частичная помощь, методологическая помощь, стимулирование, руководство, практика.
Упражнения и дополнительные замечания к главе 9 (1 —— 16)
[1. Надежные источники вспомогательных задач ? 2. Re spice finem. 3. Отбрасывание или добавление пункта в условии. 4. Расширение или сужение условия. 5. Изучение более сильной или более слабой теоремы. 11. Поиски противоречащего примера. 12. Годится любое найденное решение. 13. Специализация и обобщение. 14. Аналогия.
15. А что если неудача? 16. Другие задачи.]
Глава 10. Зарождение идеи
Проблеск света
Пример
Характерные черты полезной идеи
Зависимость идеи от случая
Упражнения и дополнительные замечания к главе 10 (1 ——2)
[1. Внезапность появления идеи. Одна цитата и комментарий к ней.
Два эксперимента.]
Глава 11. Умственная работа
Как мы думаем
Стремление решить задачу
Направленность мышления
Близость решения
Предвидение
205205207208209211212213205205207208209211212213219219220222222224225227219219220222222224225227237237237241243244237237237241243244245245245246246247248245245245246246247248Область поисков
205
205
207
208
209
211
212
213
205
205
207
208
209
211
212
213
219
219
220
222
222
224
225
227
219
219
220
222
222
224
225
227
237
237
237
241
243
244
237
237
237
241
243
244
245
245
245
246
246
247
248
245
245
245
246
246
247
248
§ 7. Промежуточные решения
249
§ 8. Мобилизация и организация
249
§ 9. Распознавание и вспоминание
2Ы
§ 10. Пополнение и перегруппировка
251
§11. Изоляция и комбинация
252
§ 12. Диаграмма
253
§ 13. Часть подсказывает целое
256
Упражнения и дополнительные замечания к главе 11 (1 —— 11)
257
[1. Ваш опыт, ваше суждение. 2. Мобилизация. 3. Прозрение. 4. Часть подсказывает целое. 5. Распознавание. 6. Перегруппировка. 7. Работа изнутри и работа извне. 8. Эвристический лабиринт. 9.
Продвижение вперед. 10. Вы такой же, как я. 11 Мыши и люди.]
Глава 12. Дисциплина ума
261
§ 1. Как надо думать
261
§ 2. Концентрация внимания на цели
261
§ 3. Оценка перспектив
263
§ 4. Блуждания: поиски подхода
264
§ 5. Блуждания: может быть, есть более обнадеживающий аспект задачи?
265
§ 6. Блуждания: поиски полезных сведений
266
§ 7. Блуждания: может быть, ситуацию следует переоценить?,
267
$ 8. Искусство ставить вопросы
268
Упражнения и дополнительные замечания к главе 12 (1 —— 16)
269
[1. Измените формулировку задачи. 2. Выразите задачу на языке математики. 4. Хорошо составленный и хорошо упорядоченный запас знаний. 5. При помощи каких данных можно определить подобное неизвестное ? 6. Из какого условия (предпосылки) можно вывести такое заключение? 1. Сведения, относящиеся к рассматриваемому вопросу. 8. Аналогия между треугольником и тетраэдром. 12. Известна ли вам какая-нибудь родственная задача? 13. Вернитесь к определениям. 14. Исследование ближайшей окрестности. 15. Внимание и действие. 16. Продуктивное мышление, творческое мышление.]
Глава 13. Законы открытия?
275
§ 1. Правила бывают разными
275
§ 2. Рациональность
276
§ 3. Экономия, но без предвзятости
277
§ 4. Настойчивость, но и гибкость
278
§ 5. Правила предпочтения
279
§ 6. Части задачи
280
§ 7. Полезные сведения
281
§ 8. Вспомогательные задачи
283
§ 9. Резюме
283
Упражнения и дополнительные замечания к главе 13 (1 —— 3)
284
[1. Одаренный человек, специалист и начинающий. 2. О плодах и
планах. 3. Стиль работы.]
Глава 14. Об учении, преподавании и обучении преподаванию
286
§ 1. Преподавание — не наука
286
§ 2. Цель обучения
287
§ 3. Преподавание — это искусство
288
§ 4. Три принципа изучения
290
§ 5. Три принципа обучения
292
§ 6. Примеры
295
§ 7. Как учить преподаванию
301
§ 8. Позиция учителя
305
Упражнения и дополнительные замечания к главе 14 (1 ——29: Раздел 1,
311
1—5; Раздел 2, 6—29)
[2. Високосные годы. 6. Почему именно решение задач? 7. Решение задач и построение теории. 8. Решение задач и общая культура. 9. Язык фигур. 10. Рациональные и иррациональные числа. 11. Строгость рассуждений. 12. Может ли географическая карта быть совершенной? 13. Чему мы должны учить? 14. Генетический принцип. 15. Бесплодные словоизлияния. 16. Путаница в уровнях.
17. Айседора Дункан. 18. Уровни знания. 19. Повторение и контраст. 20. Изнутри и извне. 22. Насколько это трудно? 23. Трудность задачи и ее образовательная ценность. 24. Несколько типов задач. 27.
Семестровая работа. 28. О выступлениях на математических конференциях: правила Цермело. 29. Эпилог.]
Глава 15. Догадка и научный метод
336
§ 1. Научно-исследовательская работа на уровне средней школы
336
§ 2. Пример
336
§ 3. Обсуждение
338
§ 4. Еще один пример
339
§ 5. Графическое представление индуктивного рассуждения
340
§ 6. Один пример из истории
343
§ 7 Научный метод: догадывайтесь и испытывайте
350
§ 8. О некоторых чертах задач «научно-исследовательского характера»
351
§ 9. Выводы
Упражнения и дополнительные замечания к главе 15 (1——58: Раздел 1, 1—21; Раздел 2, 22—41; Раздел 3, 42—58)
352
[24. Принцип Отсутствия Достаточных Оснований. 25. Буриданов осел. Принцип Отсутствия Достаточных Оснований в физике или «Природа не смеет быть непредсказуемой». 41. п точек сферы. 42. Другие задачи. 45. Периодические дроби. 49. Трапецеидальные числа. 54. Еще одно задание исследовательского характера. 58. Предположение и факт.]
Решения упражнении
364
Приложение: Из предисловия к книге Г. Полна и Г. Сеге «Задачи и
441
теоремы из анализа»
445448445448
445
448
445
448
Библиография
Указатель
УКАЗАТЕЛЬНастоящий указатель включает, помимо ссылок на данную книгу, ссылки на избранные параллельные места из других родственных по содержанию работ автора, а именно на книги:«Как решать задачу» (обозначается К),«How to Solve it» (обозначается H),«Математика и правдоподобные рассуждения» (обозначается М).Числа указывают страницы.Несколько фраз напечатаны курсивом с целью подчеркнуть их значение, которое отмечается в главе 12.Ссылка на такие понятия, как: «Аналогия», «Догадка», «Индукция», «Неизвестное», «Обобщение» и т. п.,——понятия, которые встречаются во всех трех книгах фактически повсеместно,— не являются (и, естественно, не могут быть) исчерпывающими.УКАЗАТЕЛЬНастоящий указатель включает, помимо ссылок на данную книгу, ссылки на избранные параллельные места из других родственных по содержанию работ автора, а именно на книги:«Как решать задачу» (обозначается К),«How to Solve it» (обозначается H),«Математика и правдоподобные рассуждения» (обозначается М).Числа указывают страницы.Несколько фраз напечатаны курсивом с целью подчеркнуть их значение, которое отмечается в главе 12.Ссылка на такие понятия, как: «Аналогия», «Догадка», «Индукция», «Неизвестное», «Обобщение» и т. п.,——понятия, которые встречаются во всех трех книгах фактически повсеместно,— не являются (и, естественно, не могут быть) исчерпывающими.
УКАЗАТЕЛЬ
Настоящий указатель включает, помимо ссылок на данную книгу, ссылки на избранные параллельные места из других родственных по содержанию работ автора, а именно на книги:
«Как решать задачу» (обозначается К),
«How to Solve it» (обозначается H),
«Математика и правдоподобные рассуждения» (обозначается М).
Числа указывают страницы.
Несколько фраз напечатаны курсивом с целью подчеркнуть их значение, которое отмечается в главе 12.
Ссылка на такие понятия, как: «Аналогия», «Догадка», «Индукция», «Неизвестное», «Обобщение» и т. п.,——понятия, которые встречаются во всех трех книгах фактически повсеместно,— не являются (и, естественно, не могут быть) исчерпывающими.
УКАЗАТЕЛЬ
Настоящий указатель включает, помимо ссылок на данную книгу, ссылки на избранные параллельные места из других родственных по содержанию работ автора, а именно на книги:
«Как решать задачу» (обозначается К),
«How to Solve it» (обозначается H),
«Математика и правдоподобные рассуждения» (обозначается М).
Числа указывают страницы.
Несколько фраз напечатаны курсивом с целью подчеркнуть их значение, которое отмечается в главе 12.
Ссылка на такие понятия, как: «Аналогия», «Догадка», «Индукция», «Неизвестное», «Обобщение» и т. п.,——понятия, которые встречаются во всех трех книгах фактически повсеместно,— не являются (и, естественно, не могут быть) исчерпывающими.
Абель (Abel N. Н.) 399
Абстракция 81
Адамар (Hadamard J.) 10, 126, 140, 319, 446
Алгебраический язык см. Язык алгебры
Анализ см. Метод продвижения от начала к концу
Аналогия 224, 23 6, 272, 315, 343; К 44—51; М32—41, 44—49, 254—25 8, 274—275; см. также Обобщение, специализация и аналогия
—,биномиальные коэффициенты и коэффициенты многочлена 115—116
——,планиметрия и стереометрия 35—— 3 7, 75—76, 110-111, 272, 297; К 45— 50; Н 235; М 33—34, 45— 46
—,теорема Герона 69, 70
—,—Пифагора 58—59, 69—70; К 17—29
——,треугольники Паскаля и Лейбница 116—118
Архимед (Archimedes) 63, 68, 81, 126, 215, 3 57; К 45; М 183—187, 196—197
Бернулли Яков (Bernoulli Jacob), 102 Блестящая мысль 37——3 8, 46——47, 85—90, 23 7—244; К 51—5 8
«Бог из машины» (Deus ex machina) 89, 311;М409—412
Больцано (Bolzano В.) 446; К 53.
Буриданов осел 356
Вагенштейн (Wagenschein М.) 314, 448
Валлис (Wallis J.) 120
Вейль (Weyl Н.)319
Взгляд вперед 83
Виттенберг (Wittenberg А.) 315, 448
Внутренняя помощь, внешняя помощь 328—330; К 30—31
Все ли -данные вами использованы (все условие, вся предпосылка)? 3 9, 13 0, 267—269; К 63—65; М 419—421, 427—429
Вспомогательная задача40—41,
219—23 6, 283; К 65—71
более результативная, менее результативная 222—224; К 70—71
косвенная 224—225
эквивалентная 220—222; К 67— 70
Вспомогательные сведения см. Дополнительные сведения
Галилей (Galilei Galileo) 137, 314; М 26, 225—226
Гаусс (Gauss К- F.) 85; М 81 Генетический принцип 325—326
Геометрическое место 26—27, 160;
см. также Метод двух геометрических мест, Метод трех геометрических мест
Герона теорема 339—342
Гибкость 218
Гоббс (Hobbes Т.) 209, 227
Головоломки 64—65, 70, 166—170,
173—175, 179; К 79-81
—,кроссворд 15 8—160, 166—167, 177—178, 216—217, 244, 422; К 164
Гольдбах (Goldbach Ch.) 147; М 24
Гюльдена правило 438
Данкер (Duncker К.) 249, 252, 25 7; К 185
Данные 25, 145—147,15 5, 262; К 83; см. также: Как можно использовать подобные данные или предпосылку? Неизвестное, данные, условие. Что даноп?
—,изменение 33, 55, 130; К. 56—59
——,нельзя ли извлечь что-нибудь
полезное из данных! 31, 213—
214; К 152
——,при помощи каких данных можно определитьподобное
неизвестное ? 271—272
Данте (Dante А.) 237; М 198
«Дар небес» 89, 311; К 74; М 411— 412
Декарт (Descartes R.) 23, 45—46, 80, 82, 83, 141, 156, 184, 261—262, 318, 446; К 81; М 264, 405
—о многогранниках 347; М 78—80
—,«Правила для руководства ума»
50—52, 80—83, 318
Джеймс (James W.) 143; К 185
Догадка 5 8—5 9, 70, 106, 121, 123, 263, 294, 315, 3 3 6—3 52; Мел/, в разных местах; см. также Обобщение, Индукция
—,проверьте вашу догадку 350, 363;
К 93—97
Доказательства(процедура
чередования) 234 Дополнительные сведения 53, 63, 81, 266—267, 3 68; К 149—151 Евклид (Euclid) 25, 145, 150, 155, 196,
271/446; М 34
Если вы не в состоянии решить предложенную задачу см. Задача
Задача 143—144
—— вспомогательная см.
В спомогательная задача
—,главные части 147—148, 281; К 83—84
——,если вы не в состоянии решить предложенную задачу 33, 95, 186; К 82
——,известна ли вамп какая-нибудь
родственная задача? 264; К 91
—на доказательство 145, 147—148;
К 84—85
нахождение 145—147; 160; К 83
Задача, предположим, что задача почти решена М 155
—,—,решена 29—32, 34, 38,
70; К 75—76, 153—155
—,разделенная на части 81
—,разнообразие подходов 102, 111
138
—,решенная частично 28, 31, 34 64
70; К 161
—родственная 187, 265; К 82
и более простая 95
решенная ранее 138, 228; К
61—63
——с тем же или родственным неизвестным 228—229, 267, 271, 282; К 166—171
—,формулировка 127—129, 294, 297
—эквивалентная 26, 152, 220—222 К 67—70
Заключение 148, 262; К 84
——,каким образом можно доказать требуемое утверждение? 210,
217
Знания, относящиеся к рассматриваемому вопросу см. Дополнительные сведения
Известна ли вам какая-нибудь родственная задача? см. Задача Индукция 119—120, 3 3 6—3 52, 3 93; К 92—98; М см. в разных местах
——，исследуйте и объясняйте закономерности 122, 338, 399— 400, 43 6;Н271;М 111—114
—,проверка (на частных случаях, следствиях) 120, 121, 339—342, 346—347; К 111—113
—,фундаментальный метод индукции (эвристический силлогизм) К 157, 185—189; М 247—249 и в других местах, см. также Обобщение, наблюдайте и обобщайте
Инерция мысли 88
Интерпретация задачи 54, 59 механическая М 175—177 оптическая М 171—175 повторная М 177—183 «Исторический» разбор примера см.
Методический разбор примера Кавальери (Cavalieri В.) 172, 425, 43 8 Как можно использовать подобные данные или предпосылку? 213, 271; К 152, 199—200; сл/. также Данные, нельзя ли извлечь что-нибудь полезное из данных?
Как можно получить подобный объект (неизвестное, заключение)? 59, 60, 138, 188, 189,213—214, 264, 271; сл/. также Задача с тем же или родственным неизвестным, Теорема с тем же или родственным заключением
Кант (Kant 1.)286, 291 Кейнес (Keynes J. М.) 355
Кеплер (Kepler J.) 314, 436; М 31, 227—230
Кёлер (Kohler W.) 219; К 185
Ключ к решению 30—32, 34, 36, 37—
3 8, 266, 271; К 194
Ключевая фигура 377
Контрпример 232—234; К 189—191
Краусс (Krauss F.) 446; К 185
Кроссворд см. Головоломки
Кэррол (Carroll Lewis) 65
Лагранж (Lagrange J. L.) 132, 405
Лекатош (Lacatos I.) 235, 319, 446
Лейбниц (Leibnitz G. W.) 13, 70, 111, 116—117, 119, 133, 153, 156, 178, 23 3, 245, 246, 286, 3 61, 446; К 98—99; M 50
Лёвнер (Loevner Ch.) 336
Линдеман (Lindemann F.) 154
Лихтенберг (Lichtenberg G.) 244, 286, 290
Льюис Кэррол см. Кэррол
Мариотт (Mariotte) 245
Математическая индукция см. Метод математической индукции
Математический язык см. Язык алгебры
Max (Mach Е.) 446
Метафоры 184
Метод вспомогательных фигур 37— 38; К 71—75
——двух геометрических мест 26——29, 38, 40, 160—167
—Декарта 45—46, 50—52, 156—160;
К 157, 185—187
——или результат см. результат или метод
——математической индукции 100—— 102, ПО
—неопределенных коэффициентов 121—122
—подобия 32—33; К 31—33
—последовательных приближений 49
—— продвижения от конца к началу
197—199, 205—208, 213—215, 228; К 152-157; Н 225—232
Метод продвижения от начала к концу 191,200,213—215
—рекурсии 92—93, 171—175
—суперпозиции 132—134, 135, 140
——трех геометрических мест 41
Методический разбор примера 14, 32 Мечтания, см. Сладкое мечтанье Мобилизация и организация 81—82, 249—250, 258; К 149 ,диаграмма (как мы думаем) 253
Мышление продуктивное, творческое мышление 274
Неизвестное 25,145, 262; К 83—84; см. также Что неизвестно ? Смотрите на неизвестное!
—вспомогательное 55, 191; К 71 —,данные, условие 27, 30, 33—44, 50, 145—146, 153, 261—262, 280—281; К 84—85, 153
—— как можно найти такое неизвестное ? 59, 60, 138, 188— 190,213—214, 264, 271; К 166—171
——многокомпонентное
(многоэлементное) 149
—процедурное 126
Нельзя ли сформулировать задачу иначе? 200—201, 269—270, К 114—115, 124
—Ньютон (Newton I.) 70—74, 78, 120— 121, 246, 275, 3 98, 43 6; М 45, 111
Обобщение 72, 77, 87, 90, 105, 109, 111, 112, 116, 139, 140,315— 316, 345—346, 3 86; К 114—115; М 31—36, 41—43 и в других местах
—,буквы вместо чисел 48, 69, 371; К 115
—и специализация 235—236
——,наблюдайте и обобщайте 103,
338—339, 344—346; Н 237; М 143— 145
—,преимущества общей формулировки 95
——,специализация и аналогия 236, 265, 315; М 31—36
Определение 266, 268; К 122—128
Организация см. Мобилизация и организация
Осуществление плана (оформление решения) 190—191, 214—215, К 128— 132
Папп (Pappus) 32, 446; К 132—13 8 Паскаль (Pascal В.) 93, 97—108, 117, 387
Пифагора теорема см. Аналогия План решения задачи см. Метод продвижения от конца к началу и Метод продвижения от начала к концу
Подход к задаче см. Задача, разнообразие подходов
Последовательные приближения 49
Правила 275—276, 284
—,как делать открытия 275—285; К 141
—правдоподобных рассуждений М 367—370
—предпочтения 272—280, 284
— преподавания 292—295
Правило Симпсона см. Симпсона правило
Предположение см. Догадка
—и факт 363
Предпосылка (условие) 148
——для вывода такого заключения 271
——и заключение см. Условие и заключение
Призматоид, формула объема 138— 140
Принцип Отсутствия Достаточных Оснований 354—357; М 217— 219
Программа 208—209, 211—212
Продвижение от конца к началу см. Метод продвижения от конца к началу
начала к концу см. Метод продвижения от начала к концу
Промежуточная задача см.
Вспомогательная задача
Пэн (Paine Т.) 244
Работа изнутри, работа извне 258
Рассуждение см. Строгость рассуждений
Редукция 27—29
——двусторонняя (обращаемая, эквивалентная) 220—221; К 68
—— односторонняя 222——224; К 70—— 71
Результат или метод 109, 125, 135, 402; К 66—67
Рекуррентная формула 100, 116, 401;
М 118—119, 128, 129—131
Ретроспективное обсуждение 294; К 106—114, 128—132
Решение 146, 154—155; К 197; см. также Существует ли решение?
Ретроспективное обсуждение
—,взгляд назад 41; К 24—25
——,существование и единственность 146
Cere (Szego G.) 439, 446
Симметрия 183, 211, 354—357 370
418; К 180—181; М 219—220
Симпсона правило 140
Синтез см. Метод продвижения от конца к началу
Сладкое мечтанье 29
Смотрите на неизвестное! 273, 282;
К 166—167; см. также Задача с тем же или родственным неизвестным
Сократовский метод (диалог) 290 292,295
Составление уравнений см. Метод Декарта
Специализация 315; К 189—194; М 32; см. также Обобщение, специализация и аналогия
——,ведущий частный случай 134, 140-М 43—44
——,конкретная интерпретация К 194— 195
——,крайний частный случай К 191—— 194; М 42—43
——，особенно благоприятный частный случай 131—132
——,следующий частный случай 91
——,частный случай ——представитель 105, 389; М 44
—, — —,эквивалентный общему случаю 106; М 44—45
Спиноза (Spinoza В.) 327
Строгость рассуждений 317—321
Существует ли решение? 141; К 60— 61; см. также Условие, достаточное (или недостаточное) условие для нахождения неизвестного
Теорема (предложение) 147—148
——более сильная (возможная основа) 23 0; М 265—266
слабая (следствие) 230—231; М 247—253
——,доказательство и опровержение 148, 321; К 84—85
——с тем же самым или родственным заключением 229, 267, 271, 282—283; К 167
Условие 26, 146—147, 156—160, 229— 23 0, 262; К 195—196, 198——199; см. также Неизвестное, данные, условие ——,выраженное при помощи уравнений, см. Метод Декарта —достаточное (или недостаточное) для нахождения неизвестного 40, 65—66, 78—79, 81—82, 178—179; К 60— 61; М 232— 234
Условие, лишние данные 67—68; М 221—223, 232—234
——,полное использование условия см. Все ли данные вами использованы ?
(предпосылка) и заключение 148, 153, 155, 229, 262, 280— 281; К 84—85
——, пункт, с которого следует начинать, 167 —171, 181—183
—,пункты 26, 149—150
—,разбейте условие на части 27, 28, 41, 51, 156—160, 180
——,сохраните только часть условия 26, 39, 57, 177, 230; К 164—165
——，узловой пункт 170
Факт и предположение 363
①ейет Тот (Fejes Tot L.) 75, 358
Фибоначчи (Fibonacci L.) 74
—числа 113, 137
Франс (France А.) 335
Харткопф (Hartkopf W.) 18, 331
Хильгард (Hilgard Е.) 287
Цермело (Zermelo Е.) 334, 335
Часть подсказывает целое 256—257,
342
Что дано? 186, 261—262; К 199— 200;
см. также Неизвестное, данные, условие, Условие (предпосылка) и заключение
—неизвестно (что требуется)? 185, 186, 227, 261—262; К 153—154, 199— 200
Шоу (Shaw В.) 326
Шур (Schur I.) 336
Эйлер (Euler, L.) 70—71, 73, 347— 348; М 21, 28, 37—41, 50—55, 116—128, 132—133, 148, 246— 249, 352
—о многогранниках 347; М 56—65, 74-80
Эйнштейн (Einstein А.) 289
Эрмит (Hermite Ch.) 336
Язык алгебраический 47, 270, 315; К 115—122
—геометрических фигур 270, 315— 316
Deus ex machina, см. Бог из машины.
Reduction ad absurdum К 169——172
ИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ АВТОРА
Метод решения хорош, если с самого начала мы можем предвидеть ——w далее подтвердить это,— что, следуя этому методу, мы достигнем цели.
Лейбниц, Opuscules, стр. 161 (см. [4]).
1°. Процесс решения задачи представляет собой поиск выхода из затруднения или пути обхода препятствия,——это процесс достижения цели, которая первоначально не кажется сразу доступной. Решение задач является специфической особенностью интеллекта, а интеллект — это особый дар человека; поэтому решение задач может рассматриваться как одно из самых характерных проявлений человеческой деятельности. Цель настоящей книги состоит в том, чтобы разобраться в характере этой деятельности, найти средства для развития соответствующих способностей читателя и, в конечном счете, научить его лучше решать задачи.
2°. Эта книга состоит из двух частей; охарактеризуем кратко роль каждой из них.
Решение задач — практическое искусство, подобное плаванию, катанию на лыжах или игре на фортепиано; научиться ему можно, только подражая хорошим образцам и постоянно практикуясь. .И в этой книге вы не найдете волшебного ключа, открывающего все двери,— она не научит вас решать все задачи, но даст много хороших образцов для подражания и возможностей поупражняться. Но помните: если вы хотите научиться плавать, то смело входите в воду, а если хотите научиться решать задачи, то решайте их!
Стремясь извлечь из своих усилий максимальную пользу, старайтесь подмечать в задаче, которую вы решаете, то, что сможет пригодиться и в будущем, при решении других задач. Решение, найденное в результате собственных усилий, или то, с которым вы познакомились по книге, или то, которое вы выслушали (но обязательно с живым интересом и стремлением проникнуть в суть дела), может превратиться в метод, в образец, которому с успехом можно следовать при решении других задач. Первая часть этой книги как раз и ставит своей целью ознакомление читателя с некоторыми полезными методами.
Конечно, подражать уже известному решению легко, если новая задача очень похожа на известную вам; однако если сходство задач невелико, то такое подражание может оказаться гораздо более трудным и даже едва ли осуществимым. В глубине души человек стоемится к большему: ему хотелось бы обладать универсальным
методом, позволяю цид! решить любую задачу. У большинства из нас это желание остается скрытым, но оно иногда проступает наружу в сказках и в произведениях некоторых философов. (Возможно, вы припомните сказку о волшебном слове, открывающем все двери.) Над универсальным методом, пригодным для решения любых задач, размышлял Декарт; наиболее же четко сформулировал идею о совершенном методе Лейбниц. Однако поиски универсального, совершенного метода дали не больший эффект, чем поиски философского камня, превращающего неблагородные металлы в золото: существуют великие мечты, которым суждено оставаться мечтами. Тем не менее такие недостижимые идеалы не остаются бесполезными ——пока никто не достиг полярной звезды, но многие, глядя на нее, находили правильный путь. Эта книга не в состоянии предложить вам универсальный метод решения задач (и никакая другая книга никогда не сможет это сделать!), но и несколько маленьких шагов в направлении недостижимого идеала могут развить ваши способности и умение решать задачи. Часть вторая описывает в общих чертах некоторые из этих шагов.
3°. Мне хотелось бы назвать исследование, которое предпринимается в настоящей работе, эвристическим, так как оно посвящается средствам и методам решения задач ). Термин «эвристика», который употреблялся некоторыми философами прошлого, в наше время наполовину забыт, а наполовину дискредитирован, но я не боюсь им пользоваться.
По существу, большая часть настоящей работы представляет собой реальный, практический аспект эвристики: я пытаюсь всеми доступными мне средствами соблазнить читателя заняться решением задач и побудить его задуматься над методами и средствами, которые он при этом применяет.
В большинстве глав основная часть текста посвящена всестороннему раскрытию процесса рэшэния немногих задач. Математику, не интересующемуся методическими вопросами, такое изложение может показаться слишком подробным. И действительно, содержание этих глав представляет собой не простое описание процесса решения, а методический разбор решения задачи. Такой разбор, относящийся к определенной задаче, демонстрирует перед читателем последовательность важнейших шагов, в результате которых, в конце концов, было найдено решение, и вскрывает мотивы и позиции, подсказывающие эти шаги. Кроме того, подробное описание решения отдельной частной задачи имеет своей целью найти общую рекомендацию или метод, которым читатель мог бы
руководствоваться в аналогичных ситуациях. Окончательная формулировка такой рекомендации или метода обычно откладывается до отдельного параграфа, однако предварительные, пробные формулировки зачастую перемежают отдельные моменты методического разбора решения.
Каждая глава заканчивается упражнениями и дополнительными замечаниями. Читатель, выполнивший эти упражнения, получит возможность не только применить и лучше уяснить себе методические замечания, собранные в этой главе, но и расширить их. Дополнительные замечания, разбросанные между упражнениями, либо дают более широкое толкование вопроса, либо являются побочными комментариями.
Разумеется, я упорно стремился возбудить активность читателя — не знаю, насколько мне это удалось. Я пытался перенести на страницы книги наиболее эффективные приемы моих аудиторных занятий. Методическим разбором хода решений я старался ввести читателя в атмосферу научного исследования. Выбором, формулировками и расположением задач (эти формулировки и размещение задач гораздо более важны и стоили мне гораздо большего труда, чем это может вообразить себе непосвященный читатель) я пытался растормошить читателя, возбудить его любопытство, пробудить его инициативу, открыть перед ним широкие возможности для ознакомления со всем многообразием ситуаций, встречающихся в научно-исследовательской работе.
4°. Большая часть этой книги посвящена математическим вопросам. Нематематические задачи встречаются редко, но они всегда скрыто присутствуют на заднем плане. Я постоянно держал их в поле зрения и старался, там где это было возможно, обсуждать математические задачи такими методами, которые проливали бы свет и на задачи иной природы.
Большая часть рассматриваемых в настоящей книге задач относится к элементарной математике. Однако выбор включенного в книгу материала в большой мере определялся более сложными проблемами, хотя ссылки на них встречаются довольно редко. В действительности здесь дело обстояло так: основным источником для меня служили собственные исследования ——и обработка большинства элементарных задач отражает опыт, накопленный мною при решении не вошедших в книгу более сложных задач.
Эта книга объединяет теоретическую цель — изучение эвристики ——с конкретной практической и притом безотлагательной целью — улучшением подготовки учителей средней школы.
Я имел превосходные возможности для наблюдений и мог составить себе достаточно аргументированное мнение об уровне подготовки учителей математики для средней школы, так как все прочитанные мною за последние пять лет курсы предназначались именно
для этих учителей. Как мне кажется, я могу считаться относительно непредубежденным наблюдателем и с этой позиции должен высказать совершенно определенное мнение: подготовка учителей математики для средней школы неудовлетворительна. Виноваты в этом, как мне кажется, все ответственные за подготовку учителей учреждения и организации; в первую очередь здесь надо указать педагогические учебные заведения и математические отделения в колледжах, которые, если они хотят существенно улучшить положение, должны очень тщательно пересмотреть свои требования к подготовке учителей.
Какие курсы должны читаться в колледжах будущим учителям средней школы? Для того чтобы иметь возможность ответить на этот вопрос, необходимо прежде всего спросить себя: какие требования должна предъявлять к ученикам средняя школам
Вы, возможно, полагаете, что этот вопрос мало чем может помочь делу из-за своей дискуссионности,—— и действительно, на него нельзя, видимо, дать ответ, с которым согласились бы все. Однако существует один аспект этого вопроса, относительно которого по крайней мере специалисты в данной области вполне могут договориться.
Процесс изучения того или иного предмета преследует своей целью как сообщение учащимся той или иной информации, касающейся этого предмета, той или иной суммы знаний, так и создание определенных умений. Если у вас накопился подлинный, bona fide ) опыт математической работы (на любом уровне, элементарном или более высоком), то вы не усомнитесь в том, что в математике владение предметом гораздо важнее, чем одно чистое знание, которое всегда можно пополнить с помощью подходящих справочников. Поэтому как в средней школе, так и в учебных заведениях других рангов мы обязаны не только сообщать учащимся известные знания, но и ——и это гораздо важнее ——научить их в какой-то степени владеть предметом.
Что означает владение математикой? Это есть умение решать задачи, причем не только стандартные, но и требующие известной независимости мышления, здравого смысла, оригинальности, изобретательности. Поэтому первая и самая главная обязанность курса математики средней школы состоит в подчеркивании методической стороны процесса решения задач. Таково мое убеждение; вы, может быть, разделяете его не полностью, но я полагаю, что вы согласны с тем, что процесс решения задачи не должен проходить безлично, что какие-то его моменты должны акцентироваться преподавателем, а этого мне пока достаточно.
Учитель обязан хорошо знать то, чему он собирается учить. Он должен показывать учащимся, как решать задачи. Но как он может показать то, чем он сам хорошо не владеет? Учитель должен стараться, чтобы учащиеся лучше овладели предметом, научились лучше рассуждать, его задача ——стимулировать и поощрять творческое мышление; однако в программе, по которой он занимался когда-то, не уделялось достаточного внимания овладению основным содержанием предмета, а на выработку у будущего учителя умения рассуждать, решать задачи и творчески мыслить и вовсе не обращалось внимания. В этом, как мне кажется, заключается самый большой недостаток современной системы подготовки учителя математики для средней школы.
Чтобы ликвидировать этот недостаток, программа подготовки учителя должна открывать простор для творческой работы на соответствующем уровне. Я пытался предоставить возможность такой работы, руководя семинарами по решению задач. Настоящая книга содержит материал, который мне удалось собрать для своих семинаров, и указания по его использованию (см. «Советы учителям и учителям учителей», стр. 20). Это, как я надеюсь, поможет улучшить подготовку учителя математики; как бы то ни было, в этом заключается конкретная цель настоящей книги.
Я убежден, что постоянное внимание к двум упомянутым целям, теоретической и практической, позволило мне улучшить изложение. Я надеюсь также, что интересы различных читателей этой книги не будут противоречить друг другу (для одних это могут быть общие вопросы, связанные с решением задач, для других — развитие своих способностей решения задач, для третьих — развитие этих способностей у учащихся, с которыми они занимаются). То, что покажется самым важным одному читателю, может, с большой долей вероятности, иметь значение и для остальных.
6°. Настоящая книга продолжает линию, начатую двумя более ранними книгами автора《Как решать задачу》и《Математика 〃 правдоподобные рассуждениям [последняя подразделялась на две части: Индукция и аналогия 8 математике (ч. I) и Схемы правдоподобных умозаключений (ч. II) )]. Эти книги, существенно не пере- крываясь, дополняют друг друга. Предмет, о котором идет речь в одной из них, может рассматриваться также и в другой, но характер обсуждения в ней будет уже несколько иным (другие примеры, другие детали, другие аспекты). Все эти книги независимы одна от другой; читать их можно в любом порядке.
Для удобства читателя в сводном указателе, помещенном в конце этой книги, мы сопоставляем эти три книги и указываем параллельные места.
7、Первые четыре главы настоящей книги содержат более широкий набор задач, чем последующие. По существу, часть первая во многих отношениях похожа на собрание задач из анализа [12], составленное Г. Сегё и автором. Однако здесь имеются и очевидные различия: задачи, предлагаемые в данной книге, гораздо более элементарны, а методические указания делаются не мимоходом, а излагаются подробно и затем обсуждаются.
Дж. ПойаДж. ПойаШестая глава написана под впечатлением недавно появившейся работы Вернера Харткопфа [9]. Я останавливаюсь здесь лишь на некоторых аспектах этой работы Харткопфа, которые показались мне наиболее привлекательными, и излагаю их в такой форме, которая, как мне кажется, наилучшим образом согласуется с моей собственной концепцией эвристики; изложение идей Харткопфа я сопровождаю подходящими упражнениями и дополнительными замечаниями.
Дж. Пойа
Дж. Пойа
Цюрих, Швейцария, декабрь 1961 ~ октябрь 1964
СОВЕТЫ И УКАЗАНИЯ
Параграф 5 главы 2 цитируется в любой другой главе как § 5 гл. 2, но в самой главе 2 — просто как § 5; пункт 3° параграфа 5 главы 2 цитируется в любой npyroii главе как и. 3° § 5 гл. 2, но в самой главе 2 ——просто как и. 3° § 5, а в § 5 гл. 2 ——еще короче ——как п. 3°. Этот же принцип применяется к упражнениям (и дополнительным замечаниям), а также к их решениям.
Книги КРЗ и МПР, на которые я иногда ссылаюсь,— это мои книги «Как решать задачу» и «Математика и правдоподобные рассуждения» (см. [13], [14]).
Звездочка *, предваряющая некоторые упражнения, дополнительные замечания, примеры и параграфы или пункты, указывает, что здесь требуются знания, выходящие за пределы элементарных (см. следующий абзац). Однако в некоторых случаях, когда требующий больших знаний отрывок совсем мал, этот знак опускается.
Основная часть материала книги требует знания только элементарной математики, т, е. такого знакомства с геометрией, алгеброй, построением графиков (использованием системы координат) и тригонометрией, которое предусматривается программой средней школы.
Рассматриваемые в этой книге задачи редко требуют знаний, выходящих за пределы программы средней школы, но по своей трудности они зачастую слегка превышают школьный уровень. Для некоторых задач дается их полное решение (хотя и в сжатом виде), для других намечается только несколько первых шагов решения, а иногда указывается только конечный результат.
Часть задач снабжена указаниями, которые могут облегчить решение. Такие указания могут содержаться также в,задачах, находящихся по соседству с рассматриваемой. Особое внимание следует уделять вводным замечаниям, предпосланным в ряде глав отдельным упражнениям или целым группам упражнений.
Читатель, приложивший серьезные усилия к решению некоторой задачи, может извлечь из них пользу даже в том случае, если решить задачу ему не удалось. Он может, например, попытаться использовать информацию, которую доставит ему изложение (в конце книги) начала решения, сопоставив ее с самостоятельными размышлениями; отложив книгу с ее рекомендациями, он может попробовать найти оставшуюся часть решения самостоятельно.
Самое лучшее время для размышления над методикой решения задач наступает, по-видимому, тогда, когда читатель только что самостоятельно решил задачу, или прочел ее решение в книге, или прочел в книге описание методики решения. Когда задание выполнено и впечатления еще свежи, читатель, бросая
ретроспективный взгляд на свои усилия, может хорошо разобраться в характере преодоленных им трудностей. Он может задать себе при этом много полезных вопросов: «Какой момент в процессе решения был самым важным? В чем состояла главная трудность? Что я мог бы сделать лучше? Эту деталь я проглядел,——каким складом ума нужно обладать, чтобы ее увидеть? Нет ли здесь какого-нибудь приема, заслуживающего внимания, который я мог бы применить в следующий раз в аналогичной ситуации?» Все эти вопросы хороши, есть много и других хороших вопросов ——но самый лучший из них тот, который естественно приходит в голову сам по себе, без чьей бы то ни было подсказки.
Советы учителям и учителям учителей
Учителя, которые захотят использовать эту книгу в своих профессиональных целях, не должны пренебрегать советами, адресованными всем читателям, но, кроме того, им следует обратить внимание и на следующее:
1°. Основное назначение этой книги состоит в том, чтобы дать будущим учителям средней школы (а также уже работающим в школе учителям) благоприятную возможность для ведения творческой работы на соответствующем уровне. Вряд ли можно предполагать, что рядовому учителю математики в средней школе посильна серьезная научно-исследовательская работа в области современной математики. Однако решение нестандартных математических задач также, бесспорно, относится к творческой деятельности. Задачи, предлагаемые в этой книге [не помеченные знаком 端 который, иногда ——употребляемый в том же смысле —— предваряет и отдельные абзацы текста], не требуют знаний, выходящих за пределы средней школы, но они требуют известной (а иногда и высокой) сосредоточенности и умения рассуждать. Решение задач подобного рода является, как мне кажется, тем видом математического творчества, который необходимо должен быть включен в программу обучения учителей математики средней школы. Решая такие задачи, будущий учитель имеет возможность приобрести подлинную математическую культуру и подготовиться для передачи ее своим ученикам, причем достигается это не путем механического заучивания, а путем применения своих знаний к решению интересных задач. Вместе с тем он приобретает определенные навыки в области элементарной математики и понимание сущности процесса решения задачи. Все это открывает перед учителем возможности для более эффективного руководства работой учащихся и ее оценки.
2°. Содержащиеся в первой части книги задачи, упражнения и замечания можно использовать для занятий в средней школе (в особенности, если они ведутся по расширенной программе). Я рекомендую учителям продумать пути использования в классе той или иной задачи, с которой они познакомились в этой книге. Эти размышления особенно уместны тогда, когда решение задачи уже найдено и хорошо усвоено. Вы бросаете ретроспективный взгляд на задачу и спрашиваете себя: «Нельзя ли еще где-нибудь использова'гь эту задачу?», «Какими знаниями должны при этом обладать учащиеся?», «Какие задачи надо рассмотреть предварительно?»,《Как преподнести эту задачу моему восьмому классу?», «Как преподнести ее Джимми Джонсу?», и т. д.
3й. Основной материал этой книги был апробирован мною в процессе ведения семинаров для учителей по решению задач. Такие семинары я проводил неоднократно и в разных городах; некоторые из моих коллег также руководили подобными семинарами, используя переданные мною им материалы.
После целого ряда попыток я выработал для своего семинара специальный распорядок, описание которого может оказаться полезным 】).
Типичные задачи, дающие возможность прийти к полезному общему методу, обсуждаются и решаются под руководством преподавателя на аудиторных занятиях; текст первых четырех глав воспроизводит эти обсуждения настолько точно, насколько это возможно при изложении устных занятий на страницах книги. Эти задачи приводят, в конце концов, к формулировке некоторых общих положений методического характера,——как это делается, читатель сможет усмотреть из текста соответствующих глав.
Домашнее задание участникам семинара составляется из задач (подобных задачам, помещенным в конце каждой из глав книги), дающим им возможность уяснить, применить и расширить изученный на аудиторных занятиях метод решения (равно как и сопровождающие его методические указания).
4°. Я использовал свой семинар (и это было одной из его существенных черт) для того, чтобы дать его участникам возможность приобрести практические навыки в разъяснении смысла задач и руководства их решением, т. е., по сути дела, предоставить им возможность педагогической практики такого рода, которой обычно уделяется недостаточно внимания.
После того как домашняя работа сдана, тот или иной вопрос (наиболее оригинальное решение, сообщение о какой-нибудь более доступной родственной задаче) излагается (у доски) всей аудитории тем участником семинара, который разобрал этот вопрос особенно хорошо (или, наоборот, особенно плохо). По истечении некоторого времени, когда участники лучше ознакомятся со стилем работы в аудитории, кто-нибудь из участников при проведении дискуссии временно занимает место руководителя семинара. Однако самым хорошим видом педагогической практики являются групповые занятия. Они проводятся в три этапа.
Прежде всего, в самом начале какого-нибудь практического занятия, объединяющего всех участников семинара, каждый участник получает определенную задачу (только одну), которую он должен решить на этом занятии; предполагается, что при этом он не советуется со своими товарищами, но может получать некоторую помощь от преподавателя.
Далее, в промежуток времени между этим занятием и следующим каждый участник должен проверить, дополнить, еще раз обдумать и, если можно, упростить найденное им решение, попытаться найти какой-нибудь другой подход, приводящий к тому же самому результату, и изучить задачу всеми доступными средствами со всей полнотой, на которую он способен. Кроме того, ему необходимо составить план занятия по разбору решения этой задачи. Разумеется, по любому
Кое-что из того, о чем говорилось выше и о чем будет еще идти речь в дальнейшем, заимствовано мною из ранее опубликованной статьи [23].
из упомянутых выше вопросов он может получить консультацию у руководителя семинара.
На следующем занятии участники разбиваются на дискуссионные группы. Каждая такая группа состоит, в среднем, из четырех участников. Составы групп определяются самими участниками по взаимному согласию, без вмешательства руководителя семинара. Один из членов группы берет на себя роль преподавателя, остальные играют роль учеников. «Учитель» рассказывает о своей задаче «ученикам», пытается пробудить их инициативу н подвести нх к решению в таком же стиле, в каком делает это на своих аудиторных занятиях руководитель семинара. После того как решение найдено, все участники группы обсуждают прошедшее занятие. Затем роль «з?чнтеля» берет на себя другой член группы и излагает свою задачу; эта процедура повторяется до тех пор, пока все члены группы не примут в ней участия. Далее составы групп частично меняются (например, каждая из двух соседних групп может послать одного из своих членов в качестве «учителя» в другую группу), так что каждый из участников имеет возможность отшлифовать свое мастерство, излагая задачу несколько раз. Некоторые особенно интересные задачи или особенно удачные занятия показываются всем участникам семинара и обсуждаются на аудиторных занятиях. Отдельные группы могут по собственной инициативе предпринимать обсуждение задач, неизвестных всем другим участникам; разумеется, это должно поощряться.
Решение задач в дискуссионных группах вскоре приобрело большую популярность, и у меня создалось впечатление, что проводимые мною семинары в целом имели успех. Многие из их участников были опытными учителями, и работа в семинаре подсказала некоторым из них полезные идеи, касающиеся проведения занятий в собственных классах.
5°. Эта книга может оказать помощь коллеге-преподавателю, руководящему семинаром по решению задач (особенно, если ему приходится заниматься этим впервые). При этом он может придерживаться в своей работе процедуры, описанной в пп. 3° и 4°, а для обсужден г я в аудиторных занятиях может использовать материал любой из первых глав. Задачи, помещенные в конце каждой главы, хорошо подходят для домашних заданий; заметим, что доведение кратких указаний, собранных в конце книги в разделе «Решения упражнений», до полного решения задачи может иногда потребовать серьезной работы. Преподавателю не рекомендуется выбирать задачи наугад; прежде чем задать какую-нибудь из них, он должен хорошо разобраться как в самой задаче, так и в ее решении, а кроме этого, также в примыкающих к ней задачах. Для работы в дискуссионных группах (см. п. 4°) выбираются более трудные задачи. Они не обязательно должны быть тесно связаны с материалом первых четырех глав, их можно подобрать и из других глав этой книги.
Преподаватель, имеющий некоторый опыт работы, может, конечно, следовать тенденциям этой книги, не слишком придерживаясь ее деталей.
Часть первая
ЧАСТНЫЕ МЕТОДЫ
Каждая решенная мною задача становилась образцом, который служил впоследствии для решения других задач.
Декарт, Рассуждение о методе. Избранные произведения, стр. 274 (см. [3]).
Если я и открыл некоторые новые истины s науках, то я могу утверждать, что все они либо являются прямыми следствиями пяти или шести главных задач, которые мне удалось решить, либо зависят от них; я рассматриваю их как такое же число сражений, 6 которых военное счастье было на моей стороне.
Декарт, Там же, стр. 309.
Геометрические построения
Вычерчивание или построение геометрических фигур с помощью циркуля и линейки традиционно занимает большое место в преподавании планиметрии. Простейшие из этих построений используются чертежниками, но в остальном практическая ценность геометрических построений незначительна, а теоретическое значение их невелико. И все же место, занимаемое такими построениями в программе обучения, полностью оправдано, так как они представляют собой наиболее пригодное средство для ознакомления начинающего с геометрическими фигурами и лучше всего подходят для освоения путей решения задач. Именно б силу этого последнего соображения мы собираемся обсудить здесь вопрос о геометрических построениях.
Подобно многим другим традициям, присущим преподаванию математики, геометрические построения восходят к Евклиду, в системе которого они играют важную роль. Уже в самой первой задаче евклидовых «Начал» ——в Предложении 1 из Книги I ——предлагается 《на данной ограниченной прямой [отрезке! построить равносторонний треугольник». Система, принятая Евклидом, дает достаточно оснований для того, чтобы сузить задачу, ограничившись рассмотрением равностороннего треугольника; по существу же, решение остается столь же легким и для следующей более общей задачи: построить треугольник по трем данным сторонам.
Уделим немного времени анализу этой задачи.
В любой задаче должно содержаться неизвестное ——если все известно, то нечего искать, нечего делать. В нашей задаче неизвестное (объект, который желательно или требуется найти, quaesi- tum ), есть геометрическая фигура, треугольник.
Далее, в каждой задаче что-то должно быть известно или дано (известные объекты мы называем данными) — если ничего не дано,
то нет никакой возможности узнать требуемый объект: мы не смогли бы его указать даже и в том случае, если бы он оказался перед нашими глазами. В нашей задаче данными являются три «ограниченные прямые» —— три прямолинейных отрезка.
Наконец, в любой задаче должно содержаться условие, которое конкретизирует связь между неизвестным и данными. В нашей задаче условие определяет, что три данных отрезка должны быть сторонами искомого треугольника.
Условие является существенным элементом задачи. Сравните нашу задачу, например, со следующей: «Построить треугольник, если даны три его высоты». В обеих задачах данные одни и те же (три прямолинейных отрезка), неизвестное —— геометрическая фигура одного и того же типа (треугольник). Однако связь между неизвестным и данными различна, неодинаково условие,——и поэтому задачи действительно очень различны (наша задача легче).
Читателю, конечно, знакомо решение нашей задачи. Пусть о, Ь и с обозначают длины трех данных отрезков. Отложим отрезок о, концы которого назовем S и С (чертеж сделайте сами). Мы проводим две окружности, одну радиуса b с центром в С, другую радиуса с с центром в S; пусть А — одна из авух точек их пересечения. Тогда АВС — искомый треугольник.
От примера к методу
Вернемся к предыдущему решению и постараемся обнаружить в нем характерные особенности, которые с некоторой надеждой на успех можно будет использовать при решении других, родственных задач.
Отложив отрезок а, мы тем самым зафиксировали две вершины искомого треугольника, В и С; остается найти еще только одну. Отложив этот отрезок, мы, по существу, преобразовали поставленную задачу в другую, ей эквивалентную, но отличную от первоначальной. В этой новой задаче
неизвестным является точка (третья вершина искомого треугольника);
данными являются две точки (В н С) и две длины бис;
условие требует, чтобы искомая точка находилась на расстоянии Ь от данной точки С и на расстоянии с от данной точки В.
Это условие состоит из двух частей, одна из которых относится к Ь и С, другая — к с и В. Сохраните только одну часть условия и опустите вторую] насколько определенным останется после этого неизвестное, как оно может изменяться'? Точка плоскости, расположенная на данном расстоянии Ъ от заданной точки С, не будет ни полностью определенной, ни полностью произвольной: ее поло-
жение ограничено «геометрическим местом» — она должна принадлежать окружности радиуса b с центром в С, но может при этом перемещаться по этой окружности. Неизвестная точка обязана принадлежать двум таким геометрическим местам и определяется как их пересечение.
Мы подмечаем здесь метод («метод двух геометрических мест»), который можно применить с некоторой надеждой на успех при решении геометрических задач на построение:
Сначала сводим задачу к построению ОДНОЙ точки.
Затем разбиваем условие на ДВЕ части, каждая из которых приводит к геометрическому месту для неизвестной тонки; каждое из этих геометрических мест должно быть либо прямой линией, либо окружностью.
Примеры лучше рецептов — установление метода само по себе не принесет вам больших благ. Метод будет приобретать новые краски, становиться интереснее и ценнее с каждым новым приме* ром, к которому вы его успешно примените.
Примеры
Почти все построения, которые традиционно включаются в программу средней школы, являются непосредственными приложениями метода двух геометрических мест.
1°. Описать около данного треугольника окружность. Сведем эту задачу к построению центра требуемой окружности. В получаемой таким образом задаче
неизвестным является точка, обозначим ее X;
данными являются три точки 4, В н С;
условие заключается в равенстве трех расстояний:
ХА = ХВ=ХС.
Мы разбиваем условие на две части:
Первая — ХА = ХВВторая — ХА — ХС.
Каждой части условия соответствует геометрическое место. Первое геометрическое место представляет собой перпендикуляр, восставленный к отрезку АВ в его середине; второе —— такой же перпендикуляр, восставленный к отрезку АС. Искомая точка является точкой пересечения этих двух прямых линий.
Мы могли бы расчленить условие иначе: первая часть — Х/4 = ХВ, вторая часть ——ХВ=ХС. Это привело бы к другому построению. Но может ли оказаться другим и результат построения? Почему нет?
2°. Вписать s данный треугольник окружность. Мы сводим и эту задачу к построению центра требуемой окружности. В полученной таким образом задаче
неизвестным является точка, допустим X;
данными являются три (бесконечные) прямые линии а, b и с, условие состоит в том, чтобы точка X находилась на одном н том же (измеренном по перпендикуляру) расстоянии от всех трех данных прямых.
Мы разбиваем условие на две части:
Первая ——X находится на равных расстояниях от а и 方；
Вторая ——X находится на равных расстояниях от а и с.
Геометрическое место точек, удовлетворяющее первой части условия, состоит из двух прямых линий, перпендикулярных друг другу, а именно — биссектрис вертикальных углов, образованных прямыми а и Ь. Второе геометрическое место аналогично первому. Эти два геометрических места пересекаются в четырех точках, и мы получаем помимо центра вписанной окружности, заключенной внутри треугольника, еще три центра вневписанных окружностей.
Заметьте, что последний пример требует небольшого видоизменения нашей формулировки метода двух геометрических мест (эта формулировка приведена в конце § 2). Какого именно?
3°. Даны две параллельные прямые и точка между ними. Построить окружность, касающуюся обеих прямых и проходящую через заданную точку. Мысленно представляя себе требуемую фигуру (полезно начертить ее на бумаге), можно заметить, что задачу легко решить частично: расстояние между двумя заданными параллелями будет, очевидно, диаметром искомой окружности, а половина этого расстояния ——радиусом.
Мы сводим задачу к нахождению центра X неизвестной окружности.-
Зная радиус,— обозначим его через г,——мы разбиваем условие следующим образом:
первая часть ——X находится на расстоянии г от данной точки;
вторая часть ——X находится на расстоянии г от каждой из данных прямых.
Первая часть условия приводит к окружности, вторая —— к прямой линии, параллельной двум данным прямым и проходящей посередине между ними.
Не зная радиуса искомой окружности, мы могли бы разбить условие следующим образом:
первая часть ——X находится на одинаковом расстоянии от данной точки и первой из заданных прямых;
вторая часть — X находится на одинаковом расстоянии от данной точки и второй заданной прямой.
Разделение условия на такие две части не может вызвать возражений с логической стороны, но тем не менее оно практически бесполезно: соответствующими геометрическими местами будут пара- 6ол“; мы не можем начертить их с помощью циркуля и линейки —— в нашей схеме существенно, чтобы получающиеся в процессе решения задачи геометрические места были окружностями или прямыми линиями.
Последний пример может способствовать лучшему пониманию метода двух геометрических мест. Этот метод, как показывают соответствующие примеры, помогает во многих случаях, но не во всех без исключения случаях.
Предположим, что задача решена
Мечтать — это значит создавать в своем воображении вещи, которыми хочешь обладать, но не обладаешь. Голодный человек, у которого нет ничего, кроме небольшого куска черствого хлеба, говорит себе: «Если бы у меня было немного ветчины, то я бы мог приготовить яичницу с ветчиной, конечно, при условии, что у меня бнло бы также еще и несколько яиц».
Люди вам скажут, что мечтание — бессмыслица. Не верьте им,— это одно из широко распространенных заблуждений. Мечты могут быть плохи, как плохо слишком большое количество соли в супе или чеснок в шоколадном торте. Я хочу сказать, что мечты плохи, если они чрезмерны или неуместны, но вообще мечтать полезно, и это часто помогает в жизни, в частности, при решении задач. Вместе с маленькой мечтой о яичнице с ветчиной наш бедняга может получить больше удовольствия от своего куска черствого хлеба и лучше переварить его. А теперь мы собираемся рассмотреть следующую задачу (см. рис. 1а).
Даны, три точки А, В и С. Провести прямую, пересекающую АС 8 точке X, а ВС s точке У так, что
' AX=XY=YB. .
Предположим, что мы знаем положение одной из двух точек X или У (сладкое мечтанье!). Тогда мы могли бы найти другую точку (восставив перпендикуляр из середины отрезка). Беда в том, что ни одна из этих двух точек нам не известна,— задача не так легка, как кажется.
Предадимся еще более приятной мечте и предположим, что задача решена, иными словами, допустим, что рис. 1а построен в соответствии с условием задачи, т. е. три звена ломаной AXYB в точности равны друг другу. Поступая таким образом, мы воображаем, что имеет место результат, который пока не достигнут, а именно
воображаем, что нашли требуемое ству, мы воображаем, что нашли
И все же хорошо иметь рис. 1а ны все геометрические элементы,
положение отрезка ХУ; по суще- решение задачи.
перед глазами. На нем пзображе- с которыми мы имеем дело, как
Рис. 1а. Неизвестное, данные,условие.
Рис. 1в. Продвижение от конца к началу (от неизвестного к данным).
Рис. 16. Продвижение от начала к концу (от данных к неизвестному).
Рис. 1г. Связь с ранее уже изве-стным.
сунков.
данные, так и неизвестные; они собраны вместе и расгтоложенн в соответствии с условием задачи. Имея перед собой этот рисунок, мн можем размышлять над тем, какие элементы можно было бы построить, основываясь на данных задачи, и какие элементы можно использовать для построения неизвестного. Можно начать с данных и продвигаться вперед к решению или же начать с неиз-
вестных и двигаться назад — экскурсы в обоих направлениях бывают весьма гюучнтельнн.
Могли бы вы объединить хотя бы некоторые из элементов нашей двусторонней головоломки? Могли бы вы решить какую-нибудь часть этой задачи? На рис. 1а имеется треугольник XCY — можно лн его построить? Для этого нам нужно было бы знать три элемента этого треугольника, но, к сожалению, мы имеем только один (угол при вершине С).
Вы можете пользоваться тем, что имеется в вашем распоряжении, но нельзя употребить то, чего у вас нет. Сумеете ли вы извлечь что-нибудь полезное из данный Нетрудно, например, соединить точки Л и 5, и можно надеяться, что связывающий их отрезок пригодится для решения задачи; проведем его (рис. 16). Но к а к использовать отрезок 45? Это не так-то легко усмотреть — может быть, лучше оставить его?
Рис. 1а кажется слишком малосодержательным. Мы почти не сомневаемся в том, что в искомом построении потребуются дополнительные линии, но какие именно линии?
Отрезки 4Х, XY и YB равны (наше предположение,— помечтаем об этом), но они так неудачно расположены друг относительно друга — равные отрезки можно расположить так, чтобы они составляли гораздо более удачные фигуры. Быть может, стоило бы добавить еще несколько равных отрезков или, для начала, один такой отрезок?
Удача или интуиция могут побудить нас провести на чертеже линию, на первый взгляд достаточно хорошо выбранную, если помнить о целн, которую мы имеем в виду: начертим отрезок YZ, параллельный и равный отрезку ХА (рис. 1в). (Мы начинаем с искомого ——помечтаем о нем ——и пытаемся продвигаться в обратном направлении: к данным.)
Отрезок YZ был пробным — и, кажется, этот отрезок совсем неплох. Он приводит к знакомым геометрическим образам. Соединим Z с Л и с В (рис. 1г); мы получаем ромб XAZY и равнобедренный треугольник BYZ. Не могли бы вы решить теперь какую- нибудь часть задачи^ Можно ли построить треугольник BYZ7 Для построения равнобедренного треугольника нам нужно было бы знать два элемента, но, к сожалению, мы имеем только один (угол при вершине У, равный данному углу при С). И все же мы кой-чего достигли. Даже если треугольник BYZ полностью нам не известен, мы знаем его форму: о размерах пока ничего сказать нельзя, но мы можем построить треугольник, подобный BYZ.
Мы как будто приближаемся к решению,— но пока мы его еще не достигли; придется испробовать еще что-нибудь. Рано или поздно мы можем вспомнить одну из первых попыток, связанную с рис. 16. А что получится, если связать ее с последующими попытками?
Наложив друг на друга рис. 16 и рис. 1г, мы получим рис. 1д, на котором имеется новый треугольник BZA. Можем ли мы его построить? Это было бы возможно, если бы мы знали треугольник BYZ: в этом благоприятном случае мы могли бы набрать три элемента —две стороны, ZB и ZA=^ZY и угол В. Да, но треугольника BZA у нас нет; во всяком случае мы не знаем его полностью, нам известен только его вид. Но тогда можно...
Мы сумеем начертить четырехугольник BYfZrAf (рис. 1е), п од о б н ы й четырехугольнику BYZA (рис. 1д), представляющему собой существенную часть искомого построения. А это может оказаться ключом к решению задачи!
Метод подобия
Выполним построение, идея которого подсказана цепочкой рисунков 1а — 1е.
На данном отрезке ВС (см. рис. 1е) выберем произвольно точку У' (но не очень далеко от точки В). Проведем YZ параллельно СА так, чтобы было
Найдем, далее, на отрезке АВ такую точку Л\ что
Проведем теперь через Л параллель к 4'Z' до пересечения с продолжением отрезка В2‘： это пересечение дает точку Z. Остальное просто.
Два четырехугольника AZYB и A'ZfYfB не только подобны, но и《подобно расположены^ (гомотетичны}. Точка В является их центром подобия. Это означает, что любой отрезок, соединяющий соответственные точки наших двух подобных фигур, должен проходить через В,
Вот еще одно замечание, из которого можно кое-что извлечь для решения задач: из двух рассмотренных выше подобных фигур фигура AZYB, пришедшая нам на ум первой, в действительности была построена последней >
Предыдущий пример наталкивает на общий метод: если вы не можете построить требуемую фигуру сразу、подумайте над возможностью построения фигуры, ей подобной,
В конце этой главы собраны упражнения, которые, если вы их тщательно проработаете, смогут убедить вас в полезности метода подобия.
В только что законченном нами «историческом» разборе примера (мы начали его в § 4) самым заслуживающим внимания шагом было допущение: «Предположим, что задача решена». Дальнейшие замечания по этому поводу см. КРЗ, Геометрические фигуры, стр. 75—76 и П а п п ⑵，стр. 141—148, главным образом стр. 146—147.
Примеры
Следующие примеры непохожи друг на друга во многих отношениях; их различия могут продемонстрировать нам более ясно ту общую всем им характерную черту, которую мы желаем вскрыть.
1°. Провести общие касательные 先 двум данным окружностям. Заданы две окружности, определенным образом расположенные друг относительно друга (вычерченные на бумаге). Мн хотим провести прямые, касающиеся обеих окружностей. Если данные окружности не пересекаются, то общих касательных будет четыре ——две
Рис. 2a. Неизвестное, данные, условие. Рис. 26. Ключ к решению.
внешние и две внутренние. Остановим наше внимание на общих внешних касательных (рис. 2а), которые обязательно существуют, еслн только одна из двух заданных окружностей не лежит целиком внутри другой.
Если вы не можете решить поставленную задачу, посмотрите, нет ли, поблизости родственной ей задачи. Такая близкая задача существует (мы предполагаем, что читатель знает, как она решается): провести касательные 先 данной окружности из внешней точки. В действительности эта задача является крайним или п р е д е л ь- н ы м случаем поставленной задачи, в который она обращается, когда одна из двух данных окружностей стягивается в точку. Наиболее естественно подойти к этому предельному случаю путем изменения данных. Это можно сделать несколькими способами: уменьшая один из радиусов, а другой оставляя неизменным, или уменьшая один радиус, а другой увеличивая, или, наконец, уменьшая оба радиуса. Так мы можем натолкнуться на мысль об уменьшении обоих радиусов с одинаковой скоростью, о равномерном их уменьшении, т. е. уменьшении обоих радиусов на одну и ту же длину за один и тот же промежуток времени. Представляя себе это изменение наглядно, мы можем заметить, что каждая из общих касательных перемещается, оставаясь
при этом параллельной самой себе, до тех пор, пока, наконец, не появится фигура, изображенная на рис. 26,— отсюда-то и вытекает решение: постройте вспомогательную окружность, концентричную большей из данных окружностей и имеющую радиус, равный разности радиусов данных окружностей, а затем проведите к ней касательные из центра меньшей окружности. Используйте полученную фигуру как ключ к решению задачи: переход от этой фигуры к искомой нетруден (остается только построить два прямоугольника).
Рис. За. Неизвестное, Рис. 36, Точка, полезная поданные, условие. многим соображениям.
2°. Построить треугольник 〃о трем его медианам. Предположим, что задача решена: начертим (искомый) треугольник и проведем три его (известные) медианы (рис. За). Вспомним, что наши три медианы обязаны пересекаться в одной точке ——в точке М (в центре тяжести треугольника), делящей каждую медиану в отношении 1 : 2. Чтобы сделать этот существенный факт наглядным, отметим середину D отрезка АМ\ точки О и М делят медиану АЕ на три равные части (рис. 36).
Итак, искомый треугольник оказался разбитым на шесть меньших треугольников. Можете ли sb£ решить задачу частичной Для построения одного из наших малых треугольников нужны три элемента; на самом же деле нам известны только две его стороны: первая ——это одна треть одной из заданных медиан, вторая —— это две трети другой медианы,—— но мы пока не видим третьего злемен- та. Можно ли подыскать еще какой-нибудь треугольник, в котором были бы известны все три элемента? На рис. 36 отмечена точка D、 которая по многим соображениям представляется нам полезной: если мы соединим ее отрезком с соседней точкой, то получим треугольник MDG, каждая сторона которого представляет собой одну треть медианы,— мы можем его, таким образом, построить по трем известным сторонам; вот ключ к решению задачи! Остальное просто.
3°. Каждой задаче, касающейся обычных плоских треугольников, можно сопоставить задачу, относящуюся к сферическим тре~ угольникам или к трехгранным углам (трехгранный угол ограничен тремя плоскостями; сфера с центром в его вершине дает в сечении с этим углом сферический треугольник). Соответствующие стереометрические задачи можно свести к задачам планиметрии. Такое перенесение пространственных задач в область изготовления плоских чертежей является, по существу, предметом начертательной геометрии, представляющей собой интересную ветвь геометрии, необходимую инженерам и архитекторам для правильного выполнения чертежей машин, судов, зданий и пр.
Читателю не потребуются знания начертательной геометрии — ему будут нужны только кой-какие сведения из стереометрии и немного сообразительности, чтобы решить следующую задачу: По трем данным плоским углам трехгранного угла построить его двугранные углы ).
Обозначим через а, b и с плоские углы нашего трехгранного угла (стороны соответствующего сферического треугольника), а через а ——двугранный угол, противолежащий грани с плоским углом а (а — угол сферического треугольника). Пусть а, & и с даны; требуется построить а. (Метод построения всех трех двугранных углов один и тот же; мы ограничимся построением одного из них, а именно а.)
Чтобы более наглядно представить себе данные., развернем углы Ь, с н а на плоскость (рис. 4а), а для того чтобы нагляднее представить неизвестное, полезно представить себе интересующую нас фигуру в пространстве. (Перенесем для этого рис. 4а на картон и согнем его по линии, разделяющей углы а и &, а также по лнннн, разделяюгце出 углы。и % так, чтобы образовался трехгранный угол.) На рис. 46 наш трехгранный угол изображен в перспективе; Л — произвольно выбранная точка на ребре, противоположном грани а; два перпендикуляра, проведенных к этому ребру (один ——в плоскости грани Ь, другой ——в плоскости грани с), образуют угол а, который нам требуется построить.
Что представляет собой неизвестное^ Это — угол, а именно угол а, изображенный на рис. 46.
Что вы можете предпринять, чтобы построить неизвестное такого рода? — Мы часто определяем угол с помощью треугольника, в который он входит.
Имеется ли на нашей фигуре треугольник? —— Пока нет, но его можно построить.
В самом деле, имеется очевидный путь для получения нужного
нам треугольника: плоскость, заключающая угол а, дает в сечении с трехгранным углом треугольник (рис. 4в). Этот треугольник может
оказаться удачной вспомогательной фигурой, может стать ключом к решению задачи.
И действительно, решение уже совсем близко. Вернемся к плоской фигуре, изображенной на рис. 4а, где данные задачи, т. е. углы а, b и су даны в натуральную величину. (Разогните картонную модель, которую мы изготовили при переходе от рис. 4а к рис. 46.)
Точка Л возникает на рис. 4а дважды, как Ах и как А2, (При разгибании модели мы разобщили грани b н с, которые в пространстве были смежными.) Эти точки Ах и 4? находятся на одинаковом рас-
стоянии от вершины V трехгранного угла. Перпендикуляр к АУ, восставленный из 4, встречает противоположную сторону угла b в точке С; аналогично получается точка В (рис. 4г). Теперь мы знаем все три стороны 48, ВС н САХ вспомогательного треугольника, изображенного на рис. 4в, и можем построить его без всяких затруднений (на рис. 4г это сделано пунктиром)； этот треугольник содержит искомый угол а.
Только что рассмотренная задача родственна весьма простой задаче, которую мы разбирали в § 1, и нсгюльзует примененное там построение, в котором речь шла об обычных плоских треугольниках. Мы можем усмотреть в этом определенную закономерность, указывающую на пользу аналогий.
Метод вспомогательных фигур
Бросим еще один взгляд на задачи, которые мы обсудили в § 6. Эти задачи были весьма различны по формулировкам; совсем непохожи были также их решения, если не считать того, что во всех случаях ключом к решению служила вспомогательная фигура: окружность с двумя касательными, проведенными к ней из внешней точки в примере 1°, малый треугольник, вырезанный из искомого треугольника в примере 2°, еще один треугольник в примере 3°. Используя данные задачи, мы во всех случаях легко смогли построить вспомогательную фигуру, а затем, с ее помощью, и требуемую фигуру. Таким образом, нашей цели мы достигали в два этапа: вспомогательная фигура служила как бы ключом к решению; нахождение ее было решающим моментом, кульминационной точкой процесса решения. В этом и заключается метод ——метод вспомогательных фигур, который часто оказывается полезным и который мы изложим в следующих словах: Попытайтесь отыскать какую-нибудь “ас他ь искомой фигуры или какую- нибудь близко лежащую РОДСТВЕННУЮ ФИГУРУ, которую вы можете построить и которую можно использовать для получения заданной фигуры.
Этот метод обладает большой общностью. По существу, сформулированный в § 5 метод подобия является его частным случаем: фигуру, подобную искомой, следует рассматривать как один из видов родственной фигуры, которая может оказаться особенно удобной в качестве вспомогательной фигуры.
Большая общность метода вспомогательных фигур неизбежно делает его менее конкретным, менее осязаемым: он не дает определенного совета относительно вида вспомогательной фигуры, которую требуется найти. Опыт может, конечно, дать нам некоторые указания (но не строгие и жесткие правила): мы должны искать фигуры, которые легко «вырезать» из искомой фигуры, «простые»
фигуры (например, треугольники), «предельные случаи» (ср. с п, 1° из § 6) и т. д. Кроме того, мы можем применять такую процедуру, как изменение данных, или пользоваться аналогией, что также в некоторых случаях может натолкнуть на вспомогательную фигуру.
Итак, мы выделили три различных метода, которыми можно пользоваться при решении геометрических задач на построение. Метод вспомогательных фигур предоставляет нам большую возможность выбора, но местонахождение мишени в нем менее определенно, чем в методе подобия. Метод двух гео метр ическ их мест —— самый простой из трех, его-то и следует испробовать прежде всего, потому что в большинстве случаев лучше начать с простейшего. Но не ограничивайте себя, отбросьте предвзятость: предположите, что задача решена, начертите фигуру, на которой соответствующим образом расположены неизвестное и данные, каждый элемент находится на своем месте, все элементы связаны надлежащим образом, как того требует условие. Изучите эту фигуру, попробуйте узнать в ней какую-нибудь знакомую конфигурацию, постарайтесь привлечь любые, относящиеся к делу сведения, которые вы вспомните (родственные задачи, подходящие теоремы), ищите лазейку (это может быть, например, какая-нибудь более доступная часть фигуры). Вы имеете основания надеяться на удачу: созерцание фигуры может подать яркую мысль, подсказать вспомогательную линию, которую полезно провести, натолкнуть на подходящий метод или на еще какой-нибудь шаг, полезный для решения задачи.
Упражнения и дополнительные замечания к главе 1
Каково геометрическое место точек, удаленных от данной точки на заданное расстояние?
Каково геометрическое место точек, удаленных от данной прямой на заданное расстояние?
Подвижная точка все время удалена от двух данных точек на одно и то же расстояние; каково соответствующее геометрическое место?
Подвижная точка все время удалена от двух данных параллельных прямых на одно и то же расстояние; каково соответствующее геометрическое место?
Подвижная точка все время удалена от двух данных пересекающихся прямых на одно и то же расстояние; каково соответствующее геометрическое место?
В треугольнике даны две вершины Л и В и угол у, противолежащий стороне 4В; такой треугольник определен неоднозначно, так как его третья вершина (вершина угла величины у) может перемещаться. Каково геометрическое место третьей вершины?
Обозначения. Имея дело с треугольниками, удобно пользоваться следующими обозначениями;
А, В, С—вершины;
а, Ь, с — стороны;
а，Р，Y — углы;
九а，也)，hc — высоты;
тач т» те — медианы;
九，％ Ь — биссектрисы;
R’ 一 радиус описанной окружности;尸——радиус вписанной окружности.
При этом подразумевается, что сторона。противолежит углу а, а вершина 4 является общим концом трех отрезков h〃，та и Ь^. Одна и та же буква о, как это общепринято, обозначает как саму сторону (прямолинейный отрезок, а иногда неограниченную прямую линию), так и ее длину; в каждом конкретном случае читатель должен по смыслу сказанного установить, какое из значений имеется в виду. Такая же двусмысленность присуща символам Ь, с 〃〃，•.・，力了, R,匸 здесь мы придерживаемся традиции, хотя она и не бесспорна.
Задача ^Постройте треугольник по а, b и с》означает, конечно, «постройте треугольник, если даны три его стороны (отрезки!) о, b и с». Заметьте, что если данные выбраны неудачно, то решения может и не быть (может не существовать фнгурн, удовлетворяющей заданному условию); так, например, треугольник со сторонами a, b а с при а > б^с не существует. Начинайте свои пробы с данных, при которых требуемая фигура, по-видимому, существует.
Постройте треугольник по © Ь, та.
Постройте треугольник по а, /%, та.
Постройте треугольник по а, 力.， а.
Постройте треугольник по а, та, а.
Даны три (бесконечные) прямые. Постройте окружность, которая касается двух первых прямых и центр которой принадлежит третьей прямой.
Даны две пересекающиеся (бесконечные) прямые и отрезок длины 九 Постройте окружность радиуса 厂，касающуюся двух данных прямых.
Постройте окружность заданного радиуса, если даны принадлежащая ей точка и касающаяся ее прямая.
С корабля видны три маяка, положение которых на карте известно. Нанесите на карту положение корабля, если известны углы между отбрасываемыми маякамн на корабль лучами света (эти углы можно измерить).
Впишите в данную окружность три равные окружности так, чтобы каждая из них касалась двух других н данной окружности. (Эту фигуру иногда можно увидеть в архитектурных узорах, украшающих строения готического стиля; впрочем, там чаще встречаются фигуры, имеющие по четыре или по шесть внутренних окружностей.)
Внутри данного треугольника найдите точку, из которой все три его стороны видны под одним и тем же углом.
Выполните трисекцию площади данного треугольника.
Эта задача требует отыскания такой точки X внутри данного треугольника АВС, что треугольники ХВС, ХСА и ХАВ равновелики.
[Сохраните только часть условия задачи, отбросив все остальное: пусть равновелики только два треугольника ХСА и ХСВ. Каково будет тогда геометрическое место точки X? Ответ на этот вопрос может подсказать вам путь решения; возможны и другие подходы к решению этой задачи.]
Построите треугольник по а, а,厂.
[Сохраните только часть условия задачи, отбросив остальное-, пренебрегая 厂， сохраните лишь требования, касающиеся а и а. Каково будет геометрическое место центра вписанной окружности"
Постройте треугольник по а,厂，R.
("е могли бы вы указать другие данные, более подходящие для нахождения вашего неизвестного^ Не могли бы вы заменить одно из данных задачи другим, более удобным?)
Постройте треугольник по а,九口，г.
(Не могли бы вы извлечь что-либо полезное из этих данных'?)
Постройте треугольник по а, г,叶匕十с
Постройте треугольник по а,九匕，с.
Постройте треугольник по а, %, 6”.
Постройте треугольник по а,力匕，he-
Постройте треугольник по %,卜匕，？.
Постройте треугольник по р, у.
Постройте треугольник по ha, %, а.
Построите параллелограмм, зная одну из его сторон и обе диагонали.
Постройте трапецию, зная четыре ее стороны а, Ь, с и d; стороны а и с должны быть параллельными ).
Постройте четырехугольник, зная четыре его стороны a, b, с, d и угол £, образованный продолжениями противоположных сторон а к с.
Постройте треугольник по а, b十с, а.
[Не совершайте ошибки, используя для построения фигуры все данные сразу. Где «должное место» для суммы Ь-卜с?]
Постройте треугольник по а,力-J-с, р——卩
Постройте треугольник по a-^b^c, ha, а.
[Задача симметрична относительно 力 н с (которые не даны): их можно поменять местами.]
Даны две окружности, расположенные одна вне другой; проведите их общие внутренние касательные. [Окружности принадлежат одной и той же полу- плоскоети, ограниченной их общей внешней касательной, и разным полуплоскостям, ограниченным их общей внутренней касательной.]
Даны три равные окружности; проведите окружность, касающуюся всех трех данных окружностей и содержащую их внутри себя.
Постройте треугольник по а, р,力丁
Впишите квадрат в данный прямоугольный треугольник. Один из углов
квадрата должен совпадать с прямым углом заданного треугольника, противоположная ему вершина квадрата должна лежать на гипотенузе, а две остальные вершины — на катетах, по одной на каждом. '
Впишите квадрат в данный треугольник АВС. Две вершины квадрата должны лежать на стороне 4В, одна — на стороне АС и одна — на стороне ВС.
Впишите квадрат в данный круговой сектор. Две вершины квадрата должны лежать на дуге окружности и по одной вершине — на каждом из ограничивающих сектор радиусов.
Постройте окружность, если даны две принадлежащие ей точки и одна
касающаяся ее прямая.
Постройте окружность, если даны одна принадлежащая ей точка и две касающиеся ее прямые.
Постройте пятиугольник, в который можно было бы вписать окружность, если даны пять его углов а, 0, у, b и & (удовлетворяющие, конечно, условию а十р+у + 6+&=540°) и периметр / пятиугольника.
Постройте треугольник по 九@,九匕，hc.
Изъян. Может случиться, что геометрическая задача на построение не имеет решения: фигуры, удовлетворяющей требуемому условию и предложенным данным, не существует. Так, например, не существует треугольника с заданными сторонами а, Ь и с, если Оа-^Ь. Хороший метод решения должен указать фигуру, удовлетворяющую поставленному условию, если такая фигура существует; в случае же невозможности построения он должен показать, что искомой фигуры не существует.
Может, однако, возникнуть следующая ситуация: поставленная задача сама по себе решение имеет, тогда как у вспомогательной задачи его нет,——вспомогательную фигуру, которая согласно нашей схеме решения необходима для
получения искомой фигуры, построить невозможно. Конечно, это будет изъяном нашей схемы решения задачи.
Удовлетворителен ли с этой точки зрения ваш метод решения упр. 44? (Треугольник со сторонами 65, 156, 169 ——прямоугольный треугольник, стороны которого пропорциональны числам 5, 12, 13,——имеет высоты, равные 156, 65, 60.) Если вы вынуждены будете ответить «нет», то постарайтесь улучшить свой метод.
Постройте треугольник по a, a, R.
Бросив взгляд назад на решение упр. 46, вы можете задать ряд поучительных вопросов и поставить несколько родственных задач:
Какая задача аналогична рассматриваемой?
Как можно обобщить постановку этой задачи?
Постройте треугольник по а, р, R.
Постройте треугольник по а,广，R.
Тр〃 наблюдательных пункта. На трех наблюдательных пунктах было точно измерено время, за которое до них дошел звук выстрела вражеской пушки. На основании этих данных нанесите на карту местоположение X вражеской пушки.
Скорость звука считается известной. Поясните сходство и различие между этой задачей и задачей о трех маяках (упр. 15).
Замечания по поводу метода двух геометрических мест. Полезны ли геометрические места, о которых речь шла в упр. 2, 5 и 6 с точки зрения метода двух геометрических мест? См. утверждение в конце § 2.
Метод трех геометрических мест. Некоторые понятия, встречающиеся в планиметрии, могут иметь различные аналогии в стереометрии. Так, например, в п. 3° § 6 мы рассматривали сферический треугольник и трехгранный угол как аналоги обычного плоского треугольника. Аналогом обычного треугольника можно считать также треугольную пирамиду — тетраэдр; с этой точки зрения следующая задача предстает перед нами как аналог задачи, рассмотренной Б П. 1° § 3.
Опишите сферу около данного тетраэдра^
Дополним эту аналогию. Мы сводим рассматриваемую задачу к нахождению центра требуемой сферы. В полученной таким образом задаче
неизвестным является точка, обозначим ее X;
данными являются четыре точки (вершины заданного тетраэдра),
скажем, Д, В, С н D;
условие состоит в равенстве четырех расстояний
XA^XB=XC=XD.
Мы можем разбить это условие на три части:
Первая — ХА~ХВ,Вторая — ХА — ХС,Третья — XA—XD.
Каждой из этих частей соответствует геометрическое место. Если точка X удовлетворяет первой части условия, то геометрическим местом этой гонки будет плоскость (по которой точка может свободно перемещаться); эта плоскость перпендикулярна отрезку АВ и проходит через его середину. Каждой из остальных двух частей условия соответствует аналогичная плоскость. Наконец, искомый центр сферы получается как точка пересечения трех плоскостей.
Допустим, что в нашем распоряжении имеются инструменты, с помощью которых можно определять точки пересечения трех данных поверхностей, если каждая из этих поверхностей является плоскостью либо сферой. (В действительности мы ранее это неявно предполагали. Между прочим, упомянутые точки пересечения можно найти с помощью столь привычных нам инструментов, как циркуль и линейка; нужно только быть достаточно знакомым с начертательной геометрией.) Тогда мы можем составлять и решать задачи н а построение
в и р ос т р а н с т в е. Рассмотренная только что задача может служить примером такой задачи, а ее решение дает нам образец, из которого с помощью аналогий можно извлечь общий метод решения задач на построение в пространстве — метод трех геометрических мест.
В предыдущем yni). 50, так же как и в примере из п. 1° § 3, мы могли бы разбить условие иначе и получить таким образом другое (хотя и довольно похожее) построение. Однако может ли при этом результат оказаться иным? Почему не может?
О геометрических построениях. Имеется много геометрических задач на построение, в которых требуемая фигура, очевидно, «существует», но ее невозможно построить при помощи циркуля и линейки. (Эго можно было бы сделать, пользуясь другими — идеализированными — инструментами.) Одной из самых знаменитых задач этого рода является задача о трисекции у г л а: произвольный угол нельзя разделить на три равные части при помощи циркуля п линейки. (См. Курант и Роббинс, Что такое математика?, «Просвещение». 1967, стр. 166—168 ).)
Хороший метод решения геометрических задач на построение должен либо приводить к построению требуемой фигуры при помощи циркуля и линейки, либо показывать, что такое построение невозможно. Наши методы (двух геометрических мест, подобных фигур, вспомогательных фигур) совсем не бесполезны (в чем, я надеюсь, читатель имел уже случай убедиться), но они не представляют собой совершенного метода — часто они приводят к нужному построению, но если это не так, то нам остается блуждать в потемках, не имея никаких указаний относительно волнующей нас альтернативы: невозможно ли это построение по существу, или же оно возможно, но наши усилия недостаточны?
Существует хорошо известный и гораздо более совершенный метод геометрических построений (алгебраический метод; но сейчас нам не следует входить в подробности). И все же при решении той или иной задачи, которая может нам когда-нибудь встретиться, можно не найти сразу известного, хорошего метода — тогда нам придется пробовать. Поэтому рассмотренные выше методы, несмотря на все их несовершенство, часто могут оказать помощь при решении задач.
Дополнительные задачи. Придумайте несколько задач, подобных задачам, приведенным в этой главе, и вместе с тем отличных от них ——в первую очередь таких, которые вы сами сумеете решить.
Множества. Мы не в состоянии определить понятие множества при помощи других, относящихся к рассматриваемому вопросу, но более простых понятий, потому что таких более простых понятий не существует. Но ведь это понятие знакомо каждому, даже если он не употребляет при этом слово «множество». Выражение «множество элементов» означает, по сути, тс же самое, что и «класс объектов», «собрание вещей», «совокупность предметов». «Учашиеся, которые сдадут данный предмет на отлично» образуют множество, даже если в данный момент вы и не можете назвать их всех по фамилиям. «Точки пространства, которые находятся на одинаковом расстоянии от двух данных точек》，образуют вполне определенное множество точек, а именно——плоскость. «Прямые, лежащие в данной плоскости и удаленные на данное расстояние от данной точки» образуют любопытное множество, состоящее из всех касательных некоторой окружности. Если а, b п с ——какие-то три различных объекта, то множество, элементами которого являются только эти три объекта, также вполне определено.
Два множества одинаковы или равны, если каждый объект, принадлежащий одному из них, принадлежит также и другому. Если любой элемент, который принадлежит множеству А, вместе с тем принадлежит и множеству 8, то мы говорим, что А содержится в В; этот же самый факт можно выразить еще многими другими способами: В содержит 4, 3 включает А, А является подмножеством множества 3. и т. д.
Иногда бывает удобным рассматривать пустое множество, т. е. множество, не содержащее элементов. Так например, «множество учащихся, которые сдадут данный предмет нз отлично», может оказаться и пустым, если ни один из учащихся не получит оценки выше «хорошо» или если преподаватель заболеет и заключительного экзамена вовсе не будет. Пустое множество — настолько же полезное множество, насколько нуль ——полезное число. Далее, подобно тому как нуль меньше любого положительного числа, пустое множество считается подмножеством любого множества.
Самое богатое элементами подмножество, являющееся общей частью нескольких множеств, называется 〃％ пересечением. Иными словами, пересечение множеств А, В, С, . . .、L состоит из тех и только тех элементов, которые принадлежат одновременно каждому из множеств А, В, С, . . L.
Пусть, например, Д и В обозначают две плоскости, каждая из которых рассматривается как множество точек; если эти плоскости не совпадают и не параллельны, то они пересекаются по прямой; если они не совпадают и параллельны, то их пересечением является пустое множество; если, наконец, они совпадают, то их «пересечение» тождественно каждой из плоскостей. Если А, В и С ——три плоскости, не параллельные одновременно какой-нибудь прямой, то пересечением их является множество, состоящее из одного единственного элемента, из одной точки.
Термин «геометрическое место» означает, по существу, то же самое, что и термин «множество»; можно сказать: множество (вместо «геометрическое место») точек плоскости, находящихся на определенном расстоянии от данной точки, является окружностью ).
В этом примере мы определяем множество (или геометрическое место) при помощи условия, которому должны удовлетворять его элементы, или свойства, которым должны обладать эти элементы: точки окружности удовлетворяют тому условию или обладают тем свойством, что все они лежат в одной и той же плоскости и находятся на определенном расстоянии (его обычно обозначают буквой г) от данной точки (от точки О).
Понятия «условия» и «свойства» неразрывно связаны с понятием множества. Во многих математических задачах можно легко и просто выделить условие или свойство, характеризующее элементы множества. Даже если достаточно содержательного описания у нас нет, мы ведь все равно всегда можем сказать: элементы множества S обладают тем свойством, что они принадлежат S, или удовлетворяют тому условию, что они входят в S.
Рассмотрение метода трех геометрических мест (после метода двух геометрических мест, см. у пр. 50) уже могло натолкнуть нас на мысль о возможности дальнейших обобщений. Изучение множеств и их пересечений усиливает этот соблазн. Мы возвратимся к этой мысли в одной из последующих глав, а пока дадим ей созреть в голове читателя.
(Наименее богатое элементами множество, подмножеством которого является каждое из нескольких заданных множеств, называется обеъдинением этих последних. Иными словами, объединение множеств А, 8, С, . . ., L содержит все элементы из Л, все элементы из 8, . . все элементы из 厶，причем каждый элемент, содержащийся в объединении, должен принадлежать по крайней мере одному из множеств А, В, С, . . ., L (он может также одновременно принадлежать нескольким из этих множеств).
Понятия объединения и пересечения множеств тесно связаны (они являются «дополнительными» понятиями в смысле, на который мы можем только намекнуть) и невозможно эффективно обсуждать одно из них, не упоминая при этом другого. Практически же нам чаще придется рассматривать пересечение заданных множеств, нежели их объединение. Читателю полезно будет познакомиться по какой- нибудь другой книжке с основными понятиями теории множеств ), которые, возможно, будут включены в программу средних школ в ближайшем будущем.]
Декарт и его идея об универсальном методе
Рене Декарт (1596——1650) был одним из величайших умов человечества. Многне считают его отцом современной фмлософии, его труды изменили лицо математики; помимо того, его имя занимает почетное место в истории физики. Нас будет интересовать здесь главным образом одна из его работ, а именно «Правила для руководства ума» (см. замечание 81 на стр. 80).
В своих «Правилах» Декарт стремился дать универсальный метод решения задач. Вот грубый набросок схемы, которая, как ожидал Декарт, может быть применена ко всем видам задач:
Первое: задача любого вида сводится к математической задаче.
Второе: математическая задача любого вида сводится к алгебраической задаче.
Т р е т ь е: любая алгебраическая задача сводится к решению одного-единственного уравнения.
Чем больше объем ваших знаний, тем больше пробелов вы можете усмотреть в этой программе. С течением времени сам Декарт должен был признать, что имеются случаи, когда его схема является непригодной; как бы то ни было, он оставил свои «Правила» незаконченными и включил только некоторые фрагменты проекта в свою более позднюю (и лучше известную) работу «Рассуждения о методе».
В намерении, положенном в основу схемы Декарта, можно усмотреть нечто глубоко правильное. Однако претворить это намерение в жизнь оказалось очень трудно: здесь возникло гораздо больше препятствий и осложнений, чем это первоначально представлял себе полный энтузиазма Декарт. Проект Декарта потерпел неудачу, однако это был великий проект, и, даже оставшись нереализованным, он оказал большее влияние на науку, чем тысяча малых проектов, в том числе таких, которые удалось реализовать.
Хотя схема Декарта и неприменима во всех, без исключения, случаях, она пригодна для огромного множества их, которое включает неисчерпаемое разнообразие важнейших случаев. И когда ученик средней школы собирается решать «словесную задачу»
при помощи «системы уравнений», он следует схеме Декарта и готов к серьезным применениям лежащей в ее основе универсальной идеи.
Таким образом, нам, возможно, будет полезно обратиться к материалу, изучаемому в средней школе.
Задачка
Вот головоломка, которая может позабавить смышленых ребят и в наши дни, подобно тому как она, возможно, развлекала детей на протяжении нескольких столетий в прошлом:
У фермера имеются куры и кролики. Всего у этих кур 〃 кроликов 50 голов и 140 ног. Сколько кур и сколько кроликов имеет фермер?
Мы рассмотрим несколько подходов к решению этой задачи.
1°. Подбор решения. Всего животных 50. Курами они все быть не могут, потому что тогда у них было бы только 100 ног. Кроликами они все также быть не могут, так как тогда ног у них было бы 200 (а их должно быть 140). Если бы ровно половина животных была курами, а другая —— кроликами, то они имели бы... Исследуем
все эти случаи, пользуясь таблицей:
Число
Число
Число
кур
кроликов
ног
50
0
100
0
50
200
25
25
150
Если бы мы взяли меньшее число кур, то нам прихилось бы брать большее число кроликов, что привело бы к увеличению числа ног. Наоборот, если бы мы взяли большее число кур, то... Да, кур должно быть больше; попробуем 30:
ЧислоЧислоЧисло
куркроликовног
3020140
Вот оно нужное число! Задача решена!
Да, действительно, мы нашли решение, но хорошо, что заданные числа 50 и 140 сравнительно невелики и достаточно удачно подобраны. А если бы задача, сформулированная в тех же словах, содержала большие или не специально подобранные числа, то нам потребовалось бы гораздо больше попыток и большая удача, чтобы нашим путем, ошибаясь и путая, довести дело до успешного конца.
2°. Блестящая мысль. Конечно, наша задача может быть решена менее «эмпирически» и более «дедуктивно» — я подразумеваю под этим меньшее число проб, меньшее число догадок и более последовательное использование рассуждений.
Вот еще одно решение.
Фермер застал своих животных в весьма странной позе: каждая курица стояла на одной ноге, а каждый кролик на задних лапах. В этом удивительном представлении участвовала ровно половина всех ног, т. е. 70. Чпсло 70 можно рассматривать и как такое, которое получается, если считать лишь головы, причем голова курицы учитывается одиII раз, тогда как голова кролика считается дважды. Отнимите от 70 число голов всех животных, которое равно 50; остается число кроличьих голов, т. е. искомое число кроликов, а именно:
70—50=20
кроликов! (И, конечно, 30 кур.)
Этот способ решения остается столь же удобным и при замене специально подобранных чисел (50 и 140), участвующих в нашей задачке, произвольными числами. Само решение (которое может быть изложено менее эксцентрично) очень остроумно: оно требует ясного интуитивного охвата ситуации, проблеска яркой мысли,—— я приношу своп поздравления четырнадцатилетнему мальчику, самостоятельно нашедшему это решение. Но блестящие идеи возникают не так уж часто: чтобы такая идея зародилась, нужна редкая удача.
3J. При помощи алгебры. Нашу задачу можно решить, не полагаясь на случай, не рассчитывая на какую-то особую удачу, а более регулярным путем, если мы хоть немного знакомы с алгеброй.
Алгебра ——это язык, не пользующийся словами, а только математическими символами. Если этот язык символов нам знаком, то на него можно перевести интересующие нас выражения повседневного языка. Так давайте попробуем перевести нашу задачу на язык математических символов. Поступая так, мы следуем предписанию декартовой схемы: «приведите любую задачу к алгебраической задаче». В нашем случае этот перевод нетруден.
Формулировка задачи
словеснаяна языке алгебры
У фермера имеется '
некоторое количество кур尤
и некоторое количество кроликову
Все эти животные вместе имеют
пятьдесят головх + у = 50
и сто сорок ног2% + 4y =140.
Мы преобразовали предложенный вопрос в систему двух уравнений с двумя неизвестными х и у. Для решения этой системы
достаточно самого первоначального знакомства с алгеброй. Перепишем нашу систему в виде
х+2у = 70, Iх+g = 50; /
вычитая второе уравнение из первого, находим:、
у = 20.
Используя найденное значение у, получаем из второго уравнения, что
х ~ 30.
Этот способ решения применим как в случае больших чисел, так и в случае малых, применим к неисчерпаемому множеству задач, он не нуждается в редкостных блестящих идеях, для него требуется только элементарное владение языком алгебры.
” 41 Обобщение. Мы несколько раз обсуждали' возможность замены чисел, данных в условии нашей задачи, другими (главным образом большими) числами ——и эти рассуждения были полезными. Еще более поучительной является замена чисел буквами.
Напишем в нашей задаче h вместо 50 и f вместо 140 ). Иными словами, пусть h обозначает число голов, a f число ног животных, принадлежащих нашему фермеру. После такой замены задача приобретает новый вид; рассмотрим перевод ее на язык алгебры.
У фермера имеется
некоторое количество кур尤
и некоторое количество кроликову
Все эти животные вместе имеют h голов х + у = 〃 и f ног2х + 4у=/.
Полученную нами систему двух уравнений можно переписать так:
х + 2у = 4 , I
вычитая второе уравнение из первого, получим:.
У = —h.
Переведем последнюю формулу на обычный язык: число кроликов равно половине числа ног без числа голов; это и было результатом интуитивного решения п. 2°.
Однако в нашем случае не требуется какого-то особо удачного приема или изощренного воображения; мы добились результата при помощи прямолинейной, рутинной процедуры, следующей за весьма простым первым шагом, который состоит в замене данных чисел буквами. Шаг этот, конечно, прост, но это ——важный шаг по пути обобщения )
5，Сравнение. Может оказаться поучительным сравнение разных подходов к решению одной и той же задачи. Оглядываясь назад на наши четыре подхода, можно отметить, что каждый из них, даже самый первый, имеет свои достоинства и представляет некоторый специальный интерес.
Первый способ, который мы характеризовали как «подбор» или «подгонку», обычно называют методом проб и ошибок. По существу, он состоит из серии проб, в каждой из которых делается попытка исправить ошибку, внесенную предыдущей пробой; при этом, вообще говоря, ошибки уменьшаются, и с каждой последовательной пробой мы все ближе и ближе подходим к желаемому конечному результату. Имея в виду эту последнюю сторону процесса, мы могли бы пожелать иметь более точную его характеристику, чем «метод проб и ошибок»; так, можно говорить о «последовательных пробах», «последовательных поправках», « пос л едова тельных приближениях». Последний термин может оказаться по многим соображениям наиболее подходящим. Термин метод последовательных приближений применим к широкому многообразию процессов в самых различных областях и на всех уровнях。Вы пользуетесь последовательными приближениями, разыскивая слово в словаре: вы листаете страницы вперед или назад, в соответствии с тем, предшествует ли слово, попавшееся вам на глаза, требуемому слову или следует за ним в алфавитном порядке. Математик может употребить этот термин в весьма шаткой процедуре, с помощью которой он пытается исследовать какую-нибудь очень сложную задачу, имеющую большое практическое значение, если он не находит к ней другого подхода. Этот термин можно применить и ко всей науке в целом: сменяющие друг друга научные теории, каждая из которых претендует на лучшее объяснение некоторого явления, могут рассматриваться как последовательные приближения к истине.
Поэтому учитель не должен отбивать у своих учеников охоту к применению «метода проб и ошибок» — наоборот, он должен поощрять разумное использование этого важнейшего метода. Но при этом он должен убедительно показать, что в таких простых задачах, как задача о курах и кроликах, а также во многих других (и более важных) вопросах непосредственное применение алгебры более эффективно, чем метод поеледовательных приближений.
См. КРЗ, Обобщение, п. 3, стр. 114—115: Видоизменение задачи, п. 4, стр. 56; Нельзя ли видоизменить результат? п. 2, стр. 111.
§ 3. Составление уравнений
Нам уже приходилось (см. п. 3? § 2) переводить предложенную задачу с обычного языка слов на алгебраический язык математических символов. В рассмотренном выше примере перевод был очевиден; однако бывают случаи, когда преобразование условия задачи в систему уравнений требует пли большего опыта, или большей изобретательности, или большей затраты труда 】).
В чем должен заключаться этот труд? Декарт пытался ответить на этот вопрос во взороп части своих «Правил», оставшихся, однако, неоконченными. Я намереваюсь извлечь из его текста (в переводе на современный язык) те моменты, которые ближе всего подходят к нынешнему этапу нашего исследования. При этом мне придется умалчивать о многих вещах, о которых говорил Декарт, п, наоборот, подчеркивать некоторые вещи, о которых он не упоминал явно; но я все же надеюсь, что не допущу искажения его замысла.
Я предпочитаю следовать декартовой манере изложения. Каждому пункту своих рассуждений я предпошлю краткую «рекомендацию» (в действительности это будет скорее резюме), а затем разовью ее при помощи дополнительных комментариев.
1°. Хорошо разобравшись 6 задаче, прежде всего приведите ее к нахождению некоторых неизвестных количеств (Правила XIII— XVI).
Было бы неразумно тратить время на задачу, которая нам не ясна. Поэтому наша первая и самая очевидная обязанность состоит в том, чтобы понять задачу, ее смысл, ее назначение.
Разобравшись в задаче в целом, мы переносим наше внимание на главнейшие ее составные части. Мы должны совершенно ясно различать:
какого рода объект требуется найти (каково НЕИЗВЕСТНОЕ или неизвестные);
что дано или известно (каковы ДАННЫЕ、;
как, с помощью каких соотношений, неизвестные и данные связаны друг с другом (каково УСЛОВИЕ).
(В задаче из п. 4° § 2 неизвестные ——х и у, данные ——h и Д соответственно числа кур и кроликов, голов н ног. Условие выражено сначала словесно, а затем при помощи уравнений.) Далее, следуя Декарту, мы ограничиваем себя классом задач, в которых неизвестными являются к о л и ч е с т в а ' (т. е. числа, не обязательно целые). Задачи другого рода, как, например, геометрические или физические, часто могут быть сведены также к таким задачам чисто количественного типа; мы это проиллюстрируем позже (см. примеры в §§ 5 и 6).
1) См. КРЗ, Составление уравнений, стр. 185—189.
2°. Исследуйте задачу наиболее естественным путем, бопуская, что она решена,辽 постарайтесь, s соответствующем порубке, нае几凡дно представить все соо〃2兄о，〃е兄〃兄,которые, согласно условию, должны иметь место между неизвестными 辽 данными (Правило XVII).
Мы допускаем, что неизвестные количества имеют значения, полностью удовлетворяющие условию задачи; это существенно опирается на «предположение о том, что задача решена» (см. § 4 гл. 1). Соответственно этому мы считаем неизвестные pi данные количества в определенном смысле равноправными, мы наглядно представляем их связанными соотношениями, как это требуется условием. Эти соотношения мы должны исследовать и изучить в том же духе, в котором мы исследовали и изучали фигуру, стремясь решить геометрическую задачу на построение (см. гл. 1, конец § 7). Наша цель заключается в том, чтобы получить какие-нибудь указания относительно последующего этапа.
3°. Выделите часть условия, позво几允юьцую выразить одно и то же количество двумя различными способами, чтобы получить таким образом уравнение, связывающее неизвестные. В конечном счете вам потребуется расчленить условие на столько частей,—— w, таким образом, прийти к системе из стольких уравнений,— сколько имеется неизвестных (Правило XIX).
Предшествующий абзац является вольным переводом или парафразом утверждения, содержащегося в декартовом Правиле XIX. За этим правилом в манускрипте Декарта идет большой пропуск; пояснение, которое должно было следовать за утверждением, содержащимся в этом правиле, отсутствует (возможно, оно никогда не было написано). Поэтому мы вынуждены сопроводить его своими собственными комментариями.
Цель поставлена достаточно ясно: нам нужно получить систему из п уравнений с п неизвестными. Понятно, что, вычислив эти неизвестные, мы должны получить решение поставленной задачи. Поэтому система уравнений должна быть эквивалентной заданному условию. Если система в целом выражает полностью все условие, то каждое из уравнений системы должно выражать некоторую часть условия. Поэтому, чтобы составить п уравнений, мы должны расчленить условие на 北 частей. Но как это сделать?
В предыдущих рассуждениях из пп. 1° и 2J (которые представляют собой схематический набросок декартовых Правил XIII ——XVII) содержатся лишь некоторые намеки на ответ, который можно дать на этот вопрос, но не точные указания. Безусловно, нужно хорошо изучить задачу, весьма и весьма внимательно исследовать неизвестные, данные и условия. Можно также извлечь пользу, изучая различные пункты условия в отдельности и изображая наглядно связи между неизвестными и данными. Все эти действия дают нам цеко-
торую надежду на получение искомой системы уравнений, но не полную уверенность.
В рекомендации, которую мы рассмотрели выше (парафраз Правила XIX), делается упор на одно дополнительное соображение: чтобы получить, уравнение, нужно выразить одно 辽 то же количество д8”(я различными способами. (В задаче п. 3° § 2 уравнение выражает число ног двумя способами.) Это замечание, реализованное надлежащим образом, часто помогает составить связывающее неизвестные уравнение,——и оно всегда может помочь раскрыть смысл уравнения, если его уже удалось составить.
Можно коротко сказать: имеется несколько хороших рецептов, но нет никаких правил, предохраняющих от ошибок при составлении уравнений. Что ж, там, где не помогают правила, может помочь практический опыт.
Приведите систему уравнений ^ одному единственному уравнению (Правило XXI).
Утверждение, высказанное в декартовом Правиле XXI, которое здесь немного перефразировано, не сопровождается разъяснениями (в манускрипте Декарта ——это последняя фраза). Мы здесь не будем изучать условий, при которых система алгебраических уравнений сводится к одному уравнению, не будем задаваться вопросом о том, как это можно практически выполнить: эти вопросы относятся к чисто математической стороне дела, которая более сложна, чем это можно было бы предположить, исходя из краткой рекомендации Декарта; соответствующие математические теории в наше время довольно хорошо разработаны, но сейчас нас интересует не это. В тех простых случаях, когда нам потребуются такие сведения, будет достаточно первоначального знакомства с алгеброй.
Однако здесь имеются и другие неизученные вопросы, с которыми нам придется иметь дело в дальнейшем. Полезнее будет перейти к ним после разбора нескольких примеров,
Школьные задачи
«Словесные задачи», встречающиеся в программе средней школы, математикам кажутся тривиальными, .но они не столь уж тривиальны в глазах школьников и школьниц или даже их учителей. Я полагаю, однако, что учитель, который приложит серьезные усилия для того, чтобы реализовать только что упомянутые рекомендации Декарта в условиях средней школы, и будет применять эти рекомендации на практике, сумеет избежать обычных затр уднений и ловушек, возникающих при решении задач такого типа.
Прежде всего, учащийся не должен приступать к решению задачи, не поняв ее как следует. В известной степени можно проверить, действительно ли понял учащийся задачу: он должен уметь
пересказать задачу, выделить неизвестные и данные и «своими словами» пояснить условие. Если он выполняет это достаточно созна^ тельно, то ему можно переходить к существу дела.
Каждое отдельное уравнение выражает часть условия. Учащийся должен уметь пояснить, какая часть условия выражена написан、 ным им уравнением и какая часть осталась еще не использованной.
Каждое уравнение выражает, что одно и то же количество записано двумя различными способами. Учащийся должен уметь ответить на вопрос о том, какое это количество.
Конечно, учащийся должен обладать н е о б х о д и м ы- и и знаниями, без которых ему не разобраться в задаче. Многие типичные для средней школы задачи ——это «задачи на скорость» (см. последующие три примера). Прежде чем учащийся приступит к решению такой задачи, он должен в достаточной степени овладеть понятиями «скорости», равномерного изменения, пропорциональной ^зависимости.
1°. Одна труба наполняет бассейн за 15 минут, другая —— за 20, а третья：——за 30 минут. За какое время наполнят бассейн эти три трубы, работая одновременной
Допустим, что объем бассейна равен а литрам. Тогда скорость потока через первую трубу равна
15
литрам в минуту. Поскольку
объем — скорость X время,
то количество воды, протекшей за / минут через первую трубу, будет равно
15 &
литрам. Если три трубы при одновременной работе наполняют бассейн за Z минут, то количество воды в нем можно выразить двумя способами:
Левая часть равенства показывает долю, внесенную каждой трубой в отдельности, правая ——суммарный результат действия всех трех труб. Деля обе части уравнения на а, получаем следующее уравнение:
i+4r+i = 1>
из которого можно определить искомое время 厶
Конечно, вывод этого уравнения может быть и иным, а поставленную задачу можно различными способами обобщить и видоизменить.
2°. Том может выполнить работу за 3 часа, Дик за 4, о Гарри за 6 часов. За какое время они могут выполнить эту работу, делая ее вместе (предполагается при этом, что они не мешают друг другу)?
Том за 1 час может выполнить ^ всей работы; мы могли бы сказать, что Том работает со скоростью ~ всей работы в час. Поэтому за t часов Том выполняет у работы. Если три мальчика, работая совместно (и не мешая друг другу — довольно неопределенное условие), заканчивают работу в течение / часов, то весь объем работы можно выразить двумя способами:
где единица, стоящая справа, обозначает всю работу, «рассматриваемую как одно целое»..
Эта задача почти идентична предыдущей задаче из п. 1° ——даже численно, так как
”15 : 20 : 30=3 : 4 : 6.
Было бы поучительным составить более общую задачу (в буквенных обозначениях)； охватывающую обе упомянутые. Кроме того, было бы интересно сравнить полученные решения и взвесить преимущества и недостатки введения величины а в решение примера 1\
3°. Патрульный самолет s тихую безветренную погоду делает 220 миль в час. Запас топлива рассчитан на 4 часа полета. На какое расстояние может удалиться этот самолет, если ему необходимо будет вернуться к месту вылета и если против направпеныл, 8 котором он первоначально летит, дует ветер, скорость которого равна 20 милям s час?
Предполагается, что в течение всего полета сила ветра не меняется, что самолет летит по прямой, что время разворота (в наиболее удаленной от места взлета точке) пренебрежимо мало и т. д. Все словесные задачи содержат такие неоговоренные, упрощающие, предположения и требуют от решающего некоторой предварительной работы по их осмысливанию и соответствующей абстракции. Это является существенной чертой словесных задач; такая предварительная работа не всегда тривиальна и, по крайней мере иногда, должна быть проделана в явном виде.
Наша задача станет более поучительной, если числа
заменить буквенными величинами
'v w Т
обозначающими, соответственно, скорость самолета в безветренную погоду, скорость ветра и полное время полета в оба конца. Эти три величины представляют собой наши данные. Пусть 尤 обозначает расстояние, на которое может удалиться самолет, ^― длительность полета в прямом направлении (до точки разворота), Z2 ——длительность полета в обратном направлении； эти три величины являются нашими неизвестными. Некоторые из названных величин полезно расположить специальным образом, упорядочив их в виде следующей таблицы:
Туда Обратно
Расстояние хх
' Врел1я乙厶
Скорость V — 0 Uf7
(Для того чтобы заполнить последнюю строчку, конечно, потребуется некоторое «естественное», т. е. не оговариваемое специально, знание кинематики.)
Далее, как нам должно быть известно,
расстояние—скорость X время.
Выразив каждую из трех следующих величин двумя способами: X= ®—g)厶，
мы получим систему трех уравнений с тремя неизвестными х, 4 и 勾.В задаче требуется найти только одно из них, а именно 居 友 и 力2 —— это всп омогате л ън ые неизвестные, которые были введены нами для того, чтобы полностью выразить условие задачи. Исключая Zi и & находим:
откуда
Подстановка числовых значений вместо данных v.wnT не представляет труда. Интереснее проанализировать результат и проверить его правильность посредством изменена士я исходных данных.
Если ©=0, то 2х=иТ. Это, очевидно, верно: полет в обоих направлениях протекает в безветренную погоду.
Если ⑪=и, то %=0. Это тоже ясно: самолет не может лететь против ветра, дующего со скоростью и.
Если скорость w увеличивается от ©=0 до ©=и, то, как показывает формула, расстояние х постепенно уменьшается. И снова формула подтверждает то, что можно было предвидеть без всякой алгебры, анализируя ситуацию с точки зрения «здравого смысла».
Если бы мы решали задачу с числовыми данными вместо буквенных, то поучительное исследование формулы, а также ценная проверка результата были бы упущены. Заметим, что существуют еще и другие интересные способы проверки.
4： Торговец продает орехи двух сортов', одни по 90 центов, другие по 60 центов за килограмм. Он хочет получить 50 кг смеси по 72 цента за килограмм. Сколько для. этого потребуете凡 орехов каждого сортам
Это ——типичная и довольно простая «задача на смеси». Допустим, что торговец берет х ке орехов первого сорта и у ке второго; % и у — неизвестные. Эти неизвестные удобно рассматривать вместе с данными, пользуясь следующей таблицей:
Первый сорт Второй сорт Смёсь
Стоимость 1 кг 90 центов 60 центов 72 цента
Весх ^гу кг50 юг
Выразим вес смеси двумя способами:
Затем запишем двумя способами стоимость смеси: 90x+60z/-72-50.
Получилась система двух уравнений с двумя неизвестными х и у. Решение ее мы предоставим читателю, который без труда найдет, что х=20,у=30.
Если перейти от чисел к буквам, то получится задача, которой, как это будет видно из дальнейшего, можно дать и другое истолкование (причем более интересное).
Геометрические примеры
Мы рассмотрим только два таких примера.
1°.『еометрикеска兄 задача на построение. Любую геометрическую задачу на построение можно свести к алгебраической задаче. У нас нет возможности обсуждать здесь общую теорию этого вопроса ); поэтому мы рассмотрим только один пример.
Прямолинейный отрезок АВ и две дуги окружностей АС и ВС образуют криволинейный треугольник. Центр одной окружности нахобитс兄 s точке А, другой ——s точке В,辽 каждая из этих окружностей проходит через центр другой окружности. Впишите s данный криволинейный треугольник окружность, касающуюся всех трех его сторон.
Подобную конфигурацию (рис. 5а) можно иногда видеть в архитектурных узорах, украшающих постройки готического стиля.
Рис. 5a. Деталь готического Рис. 56. Мы отбросили часть окна.условия.
Ясно, что нашу задачу можно свести к построению одной-един- ственной точки —— центра искомой окружности. Одно из геометрических мест, которым должна принадлежать эта точка, очевидно —— им является перпендикуляр, восставленный к отрезку АВ в его середине; этот перпендикуляр служит осью симметрии нашего криволинейного треугольника. Таким образом, нам остается найти второе геометрическое место.
Сохраните только часть условия, отбросив остальное. Рассмотрим окружность переменного радиуса, касающуюся не всех трех, а только двух сторон нашего треугольника, а именно — отрезка АВ и дуги ВС (рис. 56). Для нахождения геометрического места центров этой переменной окружности воспользуемся аналитической геометрией. Совместим начало прямоугольной системы координат с точкой Л, а ось х направим вдоль отрезка АВ (рис. 56). Обозначим через х и у координаты центра окружности. Соединим этот центр с двумя важными для нас точками касания, одна из которых принадлежит отрезку ЛВ, другая——дуге ВС. Полученные отрезки, как радиусы одной и той же окружности, имеют одинаковую длину; ее можно выразить двумя различными способами (пусть АВ=а): у=а一/%2十,2.
Избавляясь от квадратного корня, перепишем это уравнение так: х2=а2—2ау.
Таким образом, геометрическим местом центров окружностей оказывается парабола, т. е. кривая, которая не находит непосредственного применения в геометрических построениях.
Возвратимся к очевидному геометрическому месту, о котором мы упоминали вначале, т. е. к перпендикуляру, восставленному к отрезку АВ в его середине; уравнение этого перпендикуляра имеет простой вид:
подставляя это выражение в уравнение параболы, получаем выражение для ординаты искомого центра окружности:
найденную ординату нетрудно построить по данному отрезку а~АВ.
Стереометрический аналог теоремы Пифагора. Аналогии могут быть далеко не единственными; так, в стереометрии имеется целый ряд предложений, которые с полным основанием можно считать аналогами теоремы Пифагора. Такое предложение можно, например, получить, рассматривая куб как аналог квадрата, а тетраэдр, получающийся при отсечении угла куба наклонной плоскостью, как аналог прямоугольного треугольника (который получается при отсечении угла квадрата наклонной прямой). Вершине прямого угла прямоугольного треугольника соответствует вершина тетраэдра, которую мы назовем вершиной прямого трехгранного угла. (Действительно, три ребра тетраэдра, исходящих из этой вершины, перпендикулярны друг другу, т. е. образуют три прямых угла.)
Теорему Пифагора можно рассматривать как решение следующей задачи: в треугольнике с прямым углом при вершине О даны длины а и b сторон, сходящихся в этой вершине; требуется найти длину с стороны, противолежащей точке О.
Аналогичную задачу в пространстве можно сформулировать так: 8 тетраэдре с прямым трехгранным углом при вершине О даны площади А, В и С трех граней, сходящихся в этой вергиине. Найти площадь S грани, противолежащей точке О.
Нам нужно выразить S через Л, В и С. Естественно ожидать, что должна получиться формула, аналогичная теореме Пифагора
которая выражает решение соответствующей планиметрической задачи. Учащийся средней школы предположил, что
5^дз+Вз+сз.
Это ——разумное предположение: изменение значений показателей в точности отражает переход от двух измерений к трем.
3°. Что представляет собой неизвестное^ — Площадь треугольника S.
Как можно найти такое неизвестное? Кок можно получить подобный объект?——Если три стороны треугольника известны, то его
Рис. 6а. Теорема Пифагора в пространстве.Рис. 6а. Теорема Пифагора в пространстве.площадь можно вычислить по формуле Герона. Площадь нашего треугольника равна S. Пусть □, 6 и с — длины его сторон, а р
Рис. 6а. Теорема Пифагора в пространстве.
Рис. 6а. Теорема Пифагора в пространстве.
его полупериметр; тогда
S2=p (р—а) (р—仇(р—с).
(Это — одна из форм соотношения Герона.) Обозначим на чертеже стороны треугольника S буквами а, 6 и с (рис. 6а).
Как будто конец! Однако известны ли нам стороны в,方 н с? — Нет,
неизвестны, но это — стороны прямоугольных треугольников; и если бы в этих треугольниках были известны катеты (которые обозначены на рис. 6а через I, т и п), то мы могли бы выразить через них 口，6 и с:
а2=т2+^2, 62~«2+ Z2,с2= G+"z2.
Это уже хорошо; однако сами-то величины 厶 т и п разве нам известны?——Нет, но они связаны с данными площадями Л, В и С соотношениями:
~ mn = А, "I■献=8, ^2/пмС.
Это правильно,— и все же, достигли ли мы какого-нибудь положительного результата? А1не кажется, что да. Хотя теперь у нас семь неизвестных
0, Ь, с;
厶 т, /г,
——но вместе с тем у нас имеется и система из семи уравнений для их нахождения.
4°. В наших предыдущих рассуждениях из п. 3° не содержалось ошибок. Мы достигли цели, сформулированной в правиле Декарта (мы его процитировали в вольном переводе в п. 3° § 3 гл. 2), т. е. получили систему, содержащую столько же уравнений, сколько неизвестных. Правда, здесь имеется одно возражение: число 7 может показаться слишком большим ——процедура решения семи уравнений с семью неизвестными выглядит чересчур утомительной. Да и формула Герона не является особенно привлекательной.
Если со всем этим согласиться, то, возможно, мы предпочтем
начать все сначала.
Что представляет собой неизвестное? —— Площадь треугольника, которую мы обозначили через S.
Как можно найти такое неизвестное? Как можно получить подобный объект!——Наиболее простая формула для вычисления пло
ahahщади треугольника имеет вид
ah
ah
где а — основание треугольника, а Л — его высота; обозначим на чертеже высоту треугольника через Л (рис. 66).
Хорошо, с 仪 мы уже встречались; но как быть с h? Высоту h искомого треугольника с площадью S можно попытаться вычислить, используя какой-ни-
с -будь вспомогательный треугольник. Для
Рис' 6б' Новая попытка. этого рассечем тетраэдр плоскостью； . проходящей через высоту h и вершину прямого трехгранного угла. В сечении получится прямоугольный треугольник с гипотенузой h и катетом 厶 о котором мы уже упоминали; вторым катетом ——обозначим его через 左 —— будет высота, треугольника площади А, опущенная на сторону
длины а.
Таким образом,
h^k2+l\
Очень хорошо! Но как быть с 用？——Нам нужно как-то найти эту величину. Выразим площадь треугольника, высотой которого, как мы только что говорили, является 用,двумя способами:
Имеем ли мы теперь столько уравнений, сколько неизвестных?— Ведь имеются еще и старые уравнения; но не стоит сейчас их пересчитывать. Путь, кажется, достаточно ясен. Подытожим все? что
имеется в нашем распоряжении: 、
4s2 = q2公=
=44?+ (后+小2)/2= =44?+(几 /)?十(/他尸= ■=4氏+4炉十4ct
Сопоставим начало и конец этой записи и отбросим ненужный множитель 4. Тогда получится вот что:
Результат, конечно, совершенно аналогичен теореме Пифагора. Догадка о том, что показателями степени будут тройки, не подтвердилась, но это не должно нас смущать. Удивительно то, что наша догадка оказалась столь близка к истине.
Сравните два подхода к предложенной задаче; они во многих отношениях отличаются друг от друга, н такое сравнение может оказаться очень поучительным.
Не можете ли вы придумать еще какой-нибудь аналог теоремы Пифагора?
§ 6. Пример из физики
Мы начнем со следующего вопроса:
Железный шар плавает на поверхности ртути, налитой в какой-то сосуд. Сверху наливается вода, которая постепенно покрывает шар. Будет ли при этом шар погружаться, всплывать, или же он останется на первоначальной глубине?
Сравним два случая. В первом ——верхняя часть шара находится в воздухе (или в вакууме), а во втором — окружена водой (нижняя часть шара в обоих случаях погружена в ртуть, т. е. находится ниже уровня ртути). В каком из этих случаев часть шара, находящаяся над поверхностью ртути, будет большей?
Вопрос этот — чисто качественного характера, но ему можно придать и количественную окраску, которая позволит уточнить его (а также сделать доступным для исследования методами алгебры). Вычислим для каждого из этих случаев часть объема шара, находящуюся над поверхностью ртути.
1°. Правдоподобный качественный ответ на поставленный вопрос можно дать, рассуждая чисто интуитивно; для этого нужно только наглядно вообразить себе, что переход от одного состояния к другому совершается непрерывно. Представим себе, что некоторая жидкость, наливаемая на ртуть и окружающая затем верхнюю часть железного шара, непрерывно меняет свою плотность. Вначале
эта воображаемая жидкость имеет нулевую плотность (т. е. мы имеем вакуум). Далее плотность жидкости возрастает; вскоре она достигает плотности воздуха, а через некоторое время — и плотности воды. Если вы пока еще не видите, какое влияние оказывает такое изменение плотности на плавающий шар, предположите, что плотность продолжает возрастать и дальше. В тот момент, когда плотность нашей воображаемой жидкости достигнет плотности железа, шар должен полностью выйти из ртути. Действительно, если бы плотность возросла еще хотя бы на самую малую величину, то шар должен был бы подскочить вверх и немного высунуться из воображаемой жидкости.
Естественно предположить, что, по мере того как плотность воображаемой жидкости увеличивается, изменение положения плавающего шара происходит 6 одном и том же направлении. Так, мы неизбежно приходим к заключе
нию, что при переходе от вакуума пли воздуха, окружающего шар, к воде шар будет подниматься.
Для того чтобы ответить на поставленный вопрос количественно, нам нужно знать удельные веса упоминаемых в задаче веществ; вот эти удельные веса, сведенные в одну таблицу:
ВодаРтутьЖелезо
уд. вес: 1,0013,607,84.
Однако гораздо поучительнее заменить числовые данные буквенными. Обозначим через
&bс
удельные веса, соответственно, верхней нижней плавающего жидкости жидкости тела.
Пусть V обозначает (данный) объем плавающего тела, х ——часть объема находящуюся над уровнем, разделяющем две жидкости, а у — часть объема, находящуюся под этим уровнем (рис. 7). Величины о, 6, с н 〃 一 это наши данные, хну — наши неизвестные. Само собой разумеется, что
Объем плавающего тела можно выразить двумя способами:
Однако мы не можем продвинуться дальше этого места, если не знаем соэтзетстзующих физическихзаконэз. Мы подразумеваем здесь закон Архимеда, который обычно формулируется так: тело, погруженное в жидкость, выталкивается с силой, равной весу вытесненной им жидкости. Рассматриваемый нами шар вытесняет жидкость в двух различных слоях. Веса вытесненных количеств жидкости равны
ахnby
соответственно для верхнего слоя и для нижнего слоя. Эти две направленные вертикально вверх силы должны совместно уравновешивать вес плавающего шара, и поэтому сумму их можно выразить двумя различными способами:
ах rhy=cv.
Теперь для двух неизвестных „г и у мы имеем систему двух уравнений. Решив ее, получаем:
3°. Вернемся к первоначальной постановке задачи. В первом случае, когда над ргутью был вакуум, мы имели:
а=0, Ь—13,60,с=7,84,
что дает для объема части шара, выступающей над уровнем ртути, значение
戈=0,423и.
Во втором случае, когда над ртутью была вода,
а--1,00, Ь— 13,60,с=7,84,
и мы получаем
•工=0,457и;
второе число больше, что находится в согласии с нашим интуитивным рассуждением.
Общая (буквенная) формула представляет а』# нас больше интереса, чем какой бы то ни было численный результат, полученный с ее помощью. В самом деле, пусть Ь, с и и постоянны, а а (плотность верхнего слоя) увеличивается
от 0 до а=с.
Тогда знаменатель b——а в выражении для х непрерывно убывает, и поэтому х, т. е. часть объема тела и, находящаяся над уровнем ртути, непрерывно возрастает
、Ь — с -
от х =—и ДО X — V.
§ 7. Пример из области головоломок
Как из пяти квадратов получить два? На рис. 8 показан лист бумаги, вырезанный в форме креста; он состоит из пяти равных квадратов. Требуется разрезать этот крест вдоль некоторой прямой на две части, затем одну из этих частей вдоль некоторой другой прямой снова на две части та к, чтобы получившиеся три куска бумаги, приложенные друг к другу подходящим образом, составили
Рис. 8. Два из пятя?Рис. 8. Два из пятя?два примыкающих одинаковых квадрата. Крест, изображенный на рис. 8, является весьма симметричной фигурой (он обладает центром симметрии и четырьмя осями симметрии). Заметим еще, что два примыкающих друг к другу квадрата образуют прямоугольник, длина которого вдвое больше ширины. Кроме того, в условии задачи подразумевается, что части, на которые разрезается крест, должны заполнять прямоугольник сплошь, без пробелов и двойных покрытий. .
Рис. 8. Два из пятя?
Рис. 8. Два из пятя?
Не можете ли вы решить задачу частично! Очевидно, что пло
щадь искомого прямоугольника равна площади данного креста и равна поэтому 5а2, где через。обозначена сторона каждого из квадратов, образующих крест. Зная площадь прямоугольника, в нашем случае можно найти и длины его сторон. Пусть х обозначает большую сторону (длину) прямоугольника; тогда ~ будет его меньшей стороной (шириной). В выразим площадь прямоугольника двумя различными способами; мы получаем:
илиили%- у = 5aM
или
или
%2= IO*
откуда можно найти обе стороны прямоугольника.
Теперь у нас достаточно сведений^ прямоугольнике, его форме и размерах, но задача пока все еще не решена: нам остается указать на кресте места разрезов. В выражении для х, которое было получено выше, можно усмотреть некоторое указание на то, как это сделать, особенно, если мы перепишем его в виде
Из предыдущего обсуждения нашей головоломки можно 一 извлечь кое-что полезное.,
Во-первых, оно показывает, что алгебра приносит пользу даже в том случае, когда не дает возможности решить задачу полностью: с ее помощью можно решить какую-то часть задачи, а полученный результат может облегчить оставшуюся часть работы.
Во-вторых, примененная процедура может произвести на нас впечатление новизной своего метода ——метода расширяющегося решения. Сначала мы нашли только небольшую часть решения: форму искомого прямоугольника. Затем эту малую часть мы использовали для получения большей, а именно для нахождения размеров прямоугольника и, таким образом, узнали о нем все, что требовалось. Теперь мы пытаемся применить эту большую часть при нахождении еще более обширной части, которую, как мы надеемся, впоследствии можно будет использовать для получения полного решения.
§ 8. Озадачивающие примеры
Задачи, которые мы до сих пор рассматривали в этой главе, были «корректными». Естественно считать корректной или правильно поставленной такую задачу, решение которой определяется однозначно. И если мы серьезно заинтересованы задачей, то желательно как можно раньше установить (или догадаться), корректна она или нет. Таким образом, уже с самого начала мы можем ставить перед собой следующие вопросы: Возможно ли удовлетворить условию^ Достаточно ли условий имеем мы для нахождения неизвестного ? Или мы имеем слишком мало у слови й! А может быть, наобо рот, условий у нас так много, что возникает вопрос о том, могут ли они быть удовлетворены^
Эти вопросы очень важны 丄).Мы отложим на дальнейшее широкое обсуждение роли этих вопросов в процессе решения задачи; здесь же будет уместно рассмотреть несколько примеров.
1°. Некто гулял 5 часов ——сначала он шел по горизонтальной дороге, затем поднялся с гору 辽，наконец, по старому маршруту возвратился назад в исходный пункт. Скорость гуляющего была равна ^ км в час на горизонтальном участке пути, 3 км в час — при подъеме в гору 辽 6 к龙 е час ——при спуске с горы. Найти пройденное этим лицом расстояние 2).
Корректна ли эта задача? Достаточно ли данных для определения неизвестного? Или же их не хватает? Или их слишком многой
】)См. КРЗ, Возможно ли удовлетворить условию?, стр. 60.
Ср. Lewis Carrol, A Tangled Tale (Knot I), New York, 1958. [Известный английский писатель Льюис К е р р о л (1832——1898; под этим псевдонимом скрывался преподаватель математики Чарльз Лютвидж Доджсон), автор широко популярных во всем мире сказок «Алиса в стране чудес» и «Алиса в Зазеркалье», выпустил также несколько сборников математических головоломок, на один из которых ссылается здесь автор.— Прим, ред.]
Кажется, что данных недостаток н о: как будто не хватает сведений о протяженности наклонного участка пути. Если бы мы знали, сколько времени было затрачено на подъем или на спуск, то затруднений не возникло бы. А без этих сведений задача кажется неопределенной.
Все же попробуем приступить к решению. Пусть
х ——пройденное в оба конца расстояние, у—длина наклонного участка.
Пройденное расстояние можно разбить на четыре этапа: горизонтальный подъем спуск горизонтальный
участокучастокучасток
участок
участок
Теперь нетрудно выразить время, затраченное на ходьбу в оба конца:
Мы имеем только одно уравнение, связывающее два неизвестных,— этого недостаточно. Попробуем, однако, сгруппировать члены; тогда коэффициент при у окажется равным нулю и останется равенство
т. е.
20.
Таким образом, дагшых для определения х было достаточно: постановка задачи требует введения только одного неизвестного. Итак, в конце kofiнов, выясняется, что задача не была неопределенной. Мы ошиблись.
2‘ Да, мы ошиблись, этого нельзя отрицать, но есть основания подозревать, что автор нарочно хотел ввести нас в заблуждение специальным подбором чисел 3, 6 и 4. Чтобы добраться до сути его уловки, подставим вместо чисел
6,4
буквы
и,wt、
обозначающие, соответственно, скорости ходьбы
при подъеме при спуске на горизонтальном участке
Прочтем еще раз условие задачи, подставив вместо первоначальных чисел только что введенные нами буквы, и выразим время, 3aipa-
ценное на прямой и обратный путь, в новых обозначениях:
ИЛИИЛИWW= 5,= 5,〃 1 и〃 1 иX 玄一g9X 玄一g9=5.=5.
ИЛИ
ИЛИ
W
W
= 5,
= 5,
〃 1 и
〃 1 и
X 玄一g
9
X 玄一g
9
=5.
=5.
корректна. Для того чтобыкорректна. Для того чтобыодна вне другой, заключеныодна вне другой, заключеныилиили
корректна. Для того чтобы
корректна. Для того чтобы
одна вне другой, заключены
одна вне другой, заключены
или
или
Из этого уравнения можно найти х только в том случае, когда коэффициент при у обращается 8 нуль. Поэтому если не выполняется соотношение
1_ 1 ( 1 I \
*2 \ и v j
то задача действительно оказывается неопределенной. Нас ввели в заблуждение при помощи коварной уловки!
【Mbi можем выразить это критическое соотношение в виде
или сказать, что скорость движения по горизонтальной дороге есть среднее гармоническое скоростей движения вверх и вниз ).]
3°. Две окружности, расположенные внутри третьей окружности, большей их обеих. Каждая из трех окружностей касается двух остальных и центры их принадлежат одной прямой. Даны радиус г большей окружности и заключенный внутри нее отрезок Z касательной, проведенной 汇 двум меньшим окружностям 6 их общей точке. Найти площадь, заключенную внутри большей окружности и вне двух меньших (рис. 9).
Корректна ли эта задача? Достаточно ла данных для нахождения неизвестного^ Или же их не хватает? Или их слитком многой
По-видимому, наша задача вполне 】
определить искомую фигуру, составленную тремя окружностями,
необходимо и достаточно знать, например, радиусы двух меньших окружностей; вообще же для этого подходят любые два независимых данных. Наши данные г и /, очевидно, независимы; каждое из них можно менять, оставляя другое неизменным (с тем лишь ограничением, что должно выполняться очевидное неравенство /^2г). Да, этих данных г и / как будто бы как раз достаточно: ни чересчур мало, ни чересчур много.
Поэтому приступим к решению. Пусть S обозначает искомую площадь, хну — радиусы двух меньших окружностей. Очевидно,
5 =n广2-П%2—数2,
2 广=2х+2у.
Мы имеем здесь два уравнения с тремя неизвестными S, х и у. Чтобы найти третье уравнение, рассмотрим прямоугольный треугольник, вписанный в большую окружность, основание которого содержит три центра, а противоположная основанию вершина совпадает с одним из концов отрезка длины £ Высота этого треугольника, опущенная из вершины прямого угла, равна 万.Она является средним пропорциональным (Евклид, VI, 13 )) между диаметрами меньших окружностей:
(f = 2x・2g.
Теперь у нас имеются все три уравнения. Перепишем последние два в виде
(x +心尸，
2%g =可.
Находя с помощью вычитания значение х^+у? и подставляя его в первое уравнение, получаем:
S
Итак, оказывается, что данных было слишком много; из двух величин / и г на самом деле необходима только первая величина, но не вторая. Мы снова ошиблись.
Любопытное соотношение, лежащее в основе только что рассмотренного примера, было замечено еще Архимедом )
Упражнения и дополнительные замечания к главе 2
Раздел 1
У Боба есть 3-^- доллара никелями и даймами *). Сколько у Боба никелей и сколько даймов, если всего он имеет 50 монет? (Встречалась ли Вам эта задача в немного измененном виде?)
Обобщите задачу из п. 1〉§ 4, заменив имела буквам и и взяв несколько наполняющих и несколько опоражнивак)|цих бассейн груб.
Придумайте какую-нибудь другую интерпретацию уравнения, выведенного в задаче 2° из § 4.
Найдите дополнительные способы проверки решения задачи 3° из § 4 о патрульном самолете.
В задаче «на смеси» 4° из § 4 замените числа
90 60 72 50.
буквами
■а b с V
Прочтите еще раз условие и выведите уравнения. Зн^кь務修 ли они вам?
На рис. 10 (хотя и отличающемся от рис. 5а, но связанном с ним) изображена конфигурация, часто встречающаяся в строениях готического стиля.
Найдите центр окружности, касающейся
Рис. 10. Деталь готического окна.Рис. 10. Деталь готического окна.четырех дуг окружностей, образующих «криволинейный четырехугольник». Две дуги описаны радиусом АВ; центром одной из них служит точка Л другой ——точка В. Две АВ
Рис. 10. Деталь готического окна.
Рис. 10. Деталь готического окна.
полуокружности имеют радиус ; их
центры лежат на отрезке АВ, одна из них начинается в точке А, другая — в точке В; обе они кончаются в середине отрезка Л й, касаясь
при этом друг друга.
Реализуйте план, намечен 1!ЫЙ в п. 3° из § 5; это должно привести вас к тому же самому простому выражению для S2 через А, В и С, которое было получено другим способом в п. 4° § 5.
Сравните подходы к решению, примененные в пп. 3” и 4° § 5. (Выделите об-
щие моменты.)
Найдите объем тетраэдра V с прямым трехгранным углом при вершине О, если ланы площади А, В и С трех его граней, сходящихся в точке О.
Л налог формулы Герона. Найдите объем V тетраэдра с прямым грехгран- ным углом при вершине О если даны длины ребер а, b и с его грани, противолежащей вершине О.
(Если в выражение для объема V подходящим симметричным образом ввести а2 I ^2 I с2
величину 户= L 2〔 , то получится формула, внешне довольно похо
жая на формулу Герона.)
Другой аналог теоремы Пифагора, Найдите длину диагонали ящика (прямоугольного параллелепипеда), если даны его длина р, ширина q и высота г.
*) «Никель» — пятииенювая монета,«даим» —— десятицентовая монета；
I доллар = 100 центам,— Прим, п^рев-
Еще один аналог теоремы Пифагора. Найти длину диагонали ящика, если даны длины а, b и(; диагоналей трех его граней, сходящихся в одной вершине.
Другой аналог формулы Герона. Обозначим через У объем тетраэдра, а через a, b и с ——длины трех ребер, принадлежащих одной из его граней, н предположим. что каждое из остальных ребер тетраэдра равно противолежащему ему ребру. Выразите V через а, b и с.'
Проверьте результаты упр. 10 и 13 в вырожденном случае, когда объем У обращается в нуль.“ 上
Решите головоломку, предложенную в § 7. (Стороны х м ~ станут из
вестны, как только крест будет разрезан, — но как расположить на фигуре отрезок ДЛИНЫ X?).
На рис. 11 изображен прямоугольный лист бумаги с вырезом, сделанным тоже в виде прямоугольника. Стороны внешнего прямоугольника равны 9 и 12, внутреннего ——соответственно 1 и 8 единиц.
Рис. 11. С помощью двух разрезов —квадрат!Рис. 11. С помощью двух разрезов —квадрат!Центры обоих прямоугольников совпадают, а стороны их параллельны. Требуется разрезать этот лист по двум линиям на такие две части, из которых можно затем составить один (сплошной) квадрат.
Рис. 11. С помощью двух разрезов —квадрат!
Рис. 11. С помощью двух разрезов —квадрат!
Не можете ли вы решить задачу частично? Как велика должна быть сторона искомого квадрата?
Предположим, что задача решена. Вообразите, что наш лист уже разрезан на две части —— «правую» и «левую». Вы оставляете левую часть на месте, а правую передвигаете в требуемое положение (где она, вместе с левой, образует квадрат). Если допустить, что ответ на вопрос а) вам известен, то
какого рода движение здесь можно ожидать?
Нельзя ли угадать часть решений Наш лист симметричен относительно своего центра, а также относительно двух взаимно перпендикулярных осей. Не предполагаете ли вы, что какой-нибудь из этих видов симметрии сохранится и после того, как будут сделаны требуемые разрезы? Какой именно?
Раздел 2
Часть примеров, которые будут рассматриваться в дальнейшем, объединены в группы по 1емам; эти темы указываются перед первой задачей в каждой из таких групп (например: планиметрия, стереометрия, разное и т. д.). В конце некоторых задач в скобках стоят великие имена Ньютона и Эйлера; эти задачи заимствованы, соответственно, из книг：
И. Ньютон, Всеобщая арифметика. Изд-во Академии наук СССР, 1948 (оригинал на латинском языке). (Задачи, в конце которых указано: «по Ньютону», заимствованы из того же источника, но либо формулировка их, либо числовые данные несколько изменены.)
Л. Эйлер, Основания алгебры, Издательство Императорской Академии наук, Спб, 1812 (оригинал на немецком языке).
[Исаак Ньютон (1643—1727) многими считается величайшим из ученых, когда-либо живших на свете. Его работы касаются основных принципов механики, теории всемирного тяготения, дифференциального и интегрального исчисления, теоретической и экспериментальной оптики и, кроме того, еще ряда менее серьезных вопросов, каждого из которых было бы достаточно, чтобы обеспечить автору этих исслелований весьма почетное место в истории науки.
Леонард Эйлер (1707—1783) также принадлежит к числу великнх ученых; он оставил след почти во всех разделах математики и в ряде разделов фи-
УПРАЖНЕНИЯ II ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ： ЗАМЕЧАНИЯ К ГЛАВЕ 2 "J зики; его вклал в разви!ие дифференциального и инкгралыюго исчисления, открытого Нью!оном и Лейбницем, превышав! вклад .любого другого математика. Заметим, что оба этих знаменитых ученых не считали ниже своего достоинства разбирать и иллюстрировать со всеми подробностями применение уравнений к решению «словесных задач».]
Р〃з〃ие. 'Аул и осел несли груз весом в несколько сотен каких-то единиц. Осел, жалуясь на свою судьбу, сказал мулу: «Мне нужно только сто единиц твоей ноши, чтобы моя стала вдвое тяжелее гвоей». На эго мул ему ответил： «Да, это так, нс если бы ты мне отдал сто елиниц из твоей ноши, го я был бы нагружен втрое больше тебя».
Какого веса была ноша осла и ноша мула? (Эйлер.)
Когда мистер и миссис Смит садились в самолет, у них было вместе 94 кг багажа. За излишек веса мистер Смит уплатил 1 доллар и 50 центов, а миссис Смит ——2 доллара. Еслбы мисгер Смит путешествовал в одиночку со всем багажом, принадлежащим обоим супругам, ему пришлось бы уплатить 13 долларов и 50 иенюв. Сколько килограммов груза может перевезти каждый пассажир бесплатно?
Отец, у которого было грое сыновей, оставил им 1600 крон. В завещании уточнялось, что старший должен гюлучитг- на 200 крон больше среднего, а средний ——на 100 крон больше младшего. Требуегся найти долю каждого из сыновей. (Эйлер.)
Отец оставил четырех сыновей. д(\1я которых при разделе наследства выражалась следующим образом:
первому доставалась половина всех денег минус 3000 ливров;
второму доставалось одна греть минус 1000 ливров;
третьему доставалась ровно одна четверть;
четвертому доставалось 600 ливров и одна пятая часть всех денег.
Какой сумме было равно все наеледство и сколько должен был получить каждый из сыновей? (Эйлер.)
Отец после смерти оставил несколько детей, доля которых при разделе наследства выражалась следующим образом:
первый получил 100 крон и одну десятую остатка;
второй получил 200 крон и одну десятую следующего остатка;
третий получил 300 крон и одну деся гую следующего остатка;
четвертый получил 400 крон и одну десятую следующего остатка, и т. д.
В конце концов, наследство оказалось поделенным и оровну между всеми детьми. Требуется узнать, как велико было наследство и сколько крон получил каждый. (Эйлер.)
Три лица играли в какую-to игру. В первой партии первый проиграл каждому из остальных столько денег, сколько было у каждого из них. В следующей партии второй проиграл каждому из остальных вдвое больше того, что в то время имел каждый из них. И, наконец, в последней партии как первый, так н второй выиграли у третьего столько денег, сколько до этого было у них самих. Здесь они прекратили игру и обнаружили, что у каждого из них осталась одна и та же сумма, а именно 24 луидора. Требуется узнать, сколько денег было у каждого из игроков в начале игры. (Эйлер.)
Трое рабочих могут выполнить некоторую работу, каждый в известное время, а именно Л может выполнить эту работу в 3 недели, В ——в три раза большую работу в 8 недель и С —— в пять раз большую работу в 12 недель. Требуется узнать, за какое время они могут закончить эту работу совместно. (Ньютон.)
Дапы величины нескольких действующих сил. Требуется найти время, за которое они могут произвести определенную работу при совместном действии. (Ньютон.)
Некто купил 40 бушелей пшеницы, 24 бушеля ячменя и 20 бушелей овса, уплатив за всё 15 фунтов 12 шиллингов 竹.
叫 Английский фунт равен 20 шиллингам,— Прим, перев.
Во второй раз он купил такого же качества зерна: пшеницы 26 бушелей, ячменя 30 бушелей и овса 50 бушелей, уплатив за всё 16 фунтов.
И в третий раз он купил такого же зерна: пшеницы 24 бушеля, ячменя 120 бушелей и овса 100 бушелей, уплатив за всё 34 фунта.
Спрашивается, какова должна быть цена каждого нз этих видов зерна. (Ньютон.)
(Продолжение.) Обобщите предыдущую задачу.
12 быков съели траву на 3— акрах пастбища за 4 недели, а 21 бык съел траву на 10 акрах такого же пастбища за 9 недель； требуется узнать, сколько быков съедят траву на 24 акрах за 12 недель. (Ньютон.)
Как долог был век Диофанта^ Задача предлагается в виде надписи, по преданию высеченной на надгробном памятнике Диофанта. Оригинал — в стихах 1).
Здесь могила Диофанта. Если вы овладели его искусством [счета], то этот камень расскажет вам о его возрасте. Боги позволили ему прожить одну шестую часть жизни мальчиком. Последующая двенадцатая часть его жизни пришлась па юность. До женитьбы протекла одна седьмая часть его жизни. После пяти лет супружества у него родился ребенок. Увы, его любимый сын скончался, достигнув лишь половины тех лет, которые было предопределено прожить ему самому. Перенеся столь тяжелую утрату он четыре года искал утешения в математике и закончил свое земное существование.
Египетская задача. Сейчас мы изложим одну задачу из папируса Райнда^), который является нашим основным источником для ознакомления с древнеегипетской математикой. В оригинальном тексте речь пдег о 100 хлебах, которые требуется разделить между пятью лицами; при этом большая часть условия не дана (или выражена неясно); решение достигнуто при помощи «подгонки», можно даже сказать догадки, с последующим исправлением этой догадки 2).
】)Ср. Б. Л. Ваи дер Варден, Пробуждающаяся наука, Физматгиз, 1959, стр. 374. [В этой книге имеется русский стихотворный перевод надписи:
«Прах Диофанта- гробница покоит; дивись ей — и камень
Мудрым искусством его скажет усопшего век.
Волей богов шестую часть жизни он прожил ребенком
И половину шестой встретил с пушком на щеках.
Только минула седьмая — с подругою он обручился,
С нею пять лет проведя, сына дождался мудрец;
Только полжизни отцовской возлюбленный сын его прожил, Отнят он был у отца ранней могилой своей.
Дважды два года родитель оплакивал
.тяжкое горе,
Тут и увидел предел жизни печальной своей.»
—Прим, ред.]
*) Папирус Райнда, называемый так по имени обнаружившего его английского египтолога,——знаменитый папирус математического содержания, хранящийся в Британском музее в Лондоне. В последнее время этот папирус стали чаще называть ^папирусом Ахмеса» по имени составившего его египетского писца; это, видимо, более справедливо.
2) Ср. J. R. Newman, The World of Mathematics, т. I, стр. 173—174. IСоставленный выдающимся американским педагогом Дж. Р. Ньюменом четырехтомный «Мир математики» (Нью-Йорк, 1955) представляет собой уникальную комментированную математическую антологию (свыше 2500 страниц убористого текста!), рассчитанную на широкий круг читателей и составленную из произведений классиков и современных писателей,— Прим, ред.]
Мы излагаем эту египетскую задачу в абстрактной форме и в современной терминологии; читателю предоставляется сделать следующий шаг и свести ее к системе уравнений:
Арифметическая прогрессия состоит из пяти членов, сумма которых равна 100; сумма трех больших членов в семь раз больше суммы двух меньших. Найти прогрессию. -
В геометрической прогрессии три члена. Сумма этих членов равна 19, а сумма их квадратов равна 133. Найти члены прогрессии. (По Ньютону.)
В геометрической прогрессии четыре члена. Сумма крайних членов равна 13, а сумма средних равна 4. Найти члены прогрессии. (По Ньютону.)
Несколько торговцев имели вместе товара на 8240 крон. Доля каждого в кронах равнялась числу торговцев, умноженному на 40; на всю имевшуюся у них сумму они получили столько процентов прибыли, сколько было компаньонов; после того как прибыль поделили, оказалось, что каждый из них получил столько крон, сколько было компаньонов, причем еще осталось 224 кроны. Требуется узнать, сколько было компаньонов. (Эйлер.)
Планиметрия. Внутри квадрата со стороной а расположены пять непе- ресекающихся кругов одинакового радиуса г. Один из кругов имеет своим центром центр квадрата, его окружность касается четырех других окружностей, каждая из которых в свою очередь касается двух сторон квадрата (сдвинута в угол). Выразите г через а.
Ньютон 。 составлении уравнений при решении геометрических задач. Если мы имеем вопрос, касающийся вписанного в окружность равнобедренного треугольника, стороны которого нужно связать с диаметром этой окружности, то это можно выполнить или выражая Диаметр через известные боковые Стороны и Основание, или выражая Основание через данные Стороны и Диаметр, или же, наконец, выражая боковые Стороны через данные Основание и Диаметр; но какой бы путь мы ни избрали, дело сведется к одному и тому же уравнению, полученному в процессе общего для всех трех путей анализа. (Ньютон.)
Пусть d, а и b обозначают, соответственно, диаметр, боковые стороны и основание (т. е. стороны треугольника равны а, а и К); найдите уравнение, которое связывает d, а и b а решает одновременно все три задачи： одну ——с неизвестным d, другую — с неизвестным b и третью — с неизвестным а. (Данных величин всегда будет две.)
(Продолжение.) Изучите уравнение, являющееся решением упр. 34. а) Одинаково ли трудны три поставленные задачи? б) Во всех трех перечисленных нами случаях найденное уравнение дает (для d, b и а, соответственно) положительные значения только при определенных условиях. Точно ли соответствуют эти условия геометрической сущности задачи?
Четыре точки G, Н, V и U являются (в указанном порядке) вершинами четырехугольника. Землемер хочет найти длину UV=x. Ему известна длина GH= Z и величины четырех углов
乙GU"=a, ^WV-p, ^UVG=yt ^ОУЯ-6.
Выразите х через а, 0, у, 5 н 厶
(Вспомните упр. 34 и следуйте совету Ньютона: выбирайте те Данные и Искомые, с помощью которых, как вам кажется, легче всего составить нужное Уравнение.)
Из вершины треугольника проведены биссектриса, медиана и высота. Найдите угол а при этой вершине, если известно, что эти три линии делят его на четыре равные части.
(Вам, быть может, захочется узнать, какую форму имеет этот треугольник. В таком случае обратите внимание на каждую часть условия, в отдельности.)
Даны Площадь и Периметр прямоугольного треугольника. Найдите Гипотенузу. (Ньютон.) ' *
Полагая, что даны Основание, Высота и Сумма сторон треугольника, найти сам Треугольник. (Ньютон.)
Полагая, что даны Стороны некоторого параллелограмма и одна из его Диагоналей, найти Другую Диагональ. (Ньютон.)
Дан равнобедренный треугольник со сторонами а, а и Ь. Требуется отрезать от него два треугольника, симметричных друг другу относительно высоты, опущенной на основание Ь, причем так, чтобы остающийся симметричный пятиугольник был равносторонним. Выразите сторону х этого пятиугольника через a w Ь.
(Леонардо Пизанский, известный под именем Фибоначчи ), рассмотрел эту задачу при следующих числовых данных: а=10,12.)
Даы равносторонний шестиугольник, каждая из сторон которого равна а. Три его угла прямые; они чередуются с тремя тупыми углами. (Пусть это шестиугольник ABCDEF, в котором углы при вершинах Л, С и £ — прямые, а при вершинах В, D и F ——тупые.) Найти площадь этого шестиугольника.
Дан прямоугольный треугольник с гипотенузой с и площадью S. Постройте на каждой из сторон этого треугольника квадрат, обращенный наружу, и рассмотрите наименьшую выпуклую фигуру, охватывающую все три квадрата (образованную туго натянутой на них резиновой нитью); эта фигура будет шестиугольником (причем неправильным; он имеет с каждым из квадратов по одной общей стороне, а одна из трех остальных его сторон, очевидно, равна с).
Найдите площадь этого шестиугольника.
В прямоугольном треугольнике с——гипотенуза, а и b — катеты, d — диаметр вписанной окружности. Докажите, что
a^rb—c^d.
(Эту задачу можно сформулировать по-иному: по данным а, b и с найти d.)
Равносторонний треугольник вписан в больший равносторонний треугольник так, что соответствующие стороны этих двух треугольников взаимно перпендикулярны. При этом площадь большего треугольника оказывается разделенной на четыре куска. Какую часть площади всего треугольника составляет площадь каждого из кусков?
Разрежьте данный треугольник тремя прямыми линиями на семь частей так, чтобы четыре из них были треугольниками (а остальные — пятиугольниками). При этом один из треугольников будет заключен между тремя линиями разрезов, а каждый из трех остальных ——между двумя линиями разрезов и одной из сторон исходного треугольника. Как провести эти три разреза так, чтобы все треугольники оказались равными? Какую часть площади исходного треугольника составит площадь каждого из четырех треугольников, получаемых при таком рассечении?
(Сначала целесообразно рассмотреть какой-нибудь частный вид треугольника, для которого решение может оказаться более легким.) ■
Точка Р расположена внутри прямоугольника； ее расстояние до одной вершины равно 5 м, расстояние до противоположной вершины равно 14 м, а расстояние до третьей вершины — 10 м. Чему равно расстояние от Р до четвертой вершины?
. Даны расстояния а, b и с от точки плоскости до трех вершин лежащего в этой же плоскости квадрата; здесь а к с ——расстояния до противоположных вершин.
Г. Найти сторону и квадрата.
Проверить пол\ ценный результат в следующих четырех случаях:
а~Ь—с\
6)分=202=2
〃=0;
6=0.
Одноиентовые монеты (одинаковые кружочки — пенно) разложены на большом столе (точнее, на очень большом столе ——на бесконечной плоскости). Мы изучим два способа раскладки.
При первом способе раскладки каждая монета касается четырех других, а прямые линии, соединяющие центры соприкасающихся монет, рассекают плоскость на одинаковые квадраты.
При втором способе раскладки каждая монета касается шести других, а прямые линии, соединяющие центры соприкасающихся монет, разбивают плоскость на одинаковые равносторонние треугольники.
Вычислите долю площади, покрытой монетами (кружочками для каждого из способов укладки *).
(Рис. 18а, стр. 112 можно воспринимать как иллюстрирующий второй способ укладки, а первый из рис. 186 тa^^ же ——как иллюстрирующий первый способ.)
Стереометрия. Внутри куба с ребром а располагаются 9 непересекаю- щихся шаров одинакового радиуса (в ящик, имеющий форму куба, упаковано 9 теннисных мячей). Один из шаров имеет своим центром центр куба и касается восьми других шаров (мячи упакованы плотно), каждый их которых в свою очередь касается трех граней куба (сдвинут в угол). Выразите г через а.
(Или же а через г ——для наших мячей нужно сделать ящик. В планиметрии имеется аналогичная задача, см. упр. 3.3; нельзя ли воспользоваться ее результатом или методом решения?)
Составьте стереомечрическую задачу, аналогичную рассмотренной в упр. 47.
Пирамида называется правильной, если в ее основании лежит правильный многоугольник, а высота проходит через центр этого многоугольника.
Дана правильная четырехугольная пирамида высоты А, все пять граней которой равновелики. Найти полную поверхность пирамиды.
(Продолжение.) Между правильной пирамидой и равнобедренным треугольником имеется некоторая аналогия; во всяком случае, если число боковых граней пирамиды известно, то обе фигуры, как пространственная, так и плоская, определяются двумя данными.
Составьте еще несколько задач о правильных пирамидах.
Составьте стереометрическую задачу, аналогичную рассмотренной в упр.
40. (Упр. 12 может здесь служить ключом.)
Вот стереометрическая задача, аналогичная упр. 49.
Начните с разбиения трехмерного про(Тгранства на равные кубы.
Первый способ заполнения пространства: каждому кубу сопоставляется концентричная с ним сфера, касающаяся 山еста его граней.
Второй способ заполнения пространства: «каждому второму» кубу сопоставляется концентричная с кубом сфера, касающаяся двенадцати его ребер. (Имеется в виду, что из двух кубов, имеющих общую грань, один содержит центр соответствующей ему сферы, а другой не содержит его.)
Для каждого из способов вычислите, какую долю всего объема пространства составляет та его часть, которая заключена внутри сфер*).
Найти поверхность тетраэдра, рассмотренного в упр. 13, если даны а, b с. (Не видите ли вы здесь некоторой аналогии?)
57. ляются раэдра.58.57. ляются раэдра.58.Из двенадцати одинаковых равносторонних треугольников восемь яв- гранями правильного октаэдра, а четыре ——гранями правильного тет- Найдите отношение объема октаэдра к объему тетраэдра.
57. ляются раэдра.
58.
57. ляются раэдра.
58.
Торт имеет форму правильной четырехугольной призмы (прямоуголь
ного параллелепипеда), покрытой глазурью как сверху, так и с боков (т. е. глазурью покрыты верхняя и четыре боковые грани призмы).
Высота призмы составляет 5/16 стороны ее основания. Разрежьте торт на 9 кусков так, чтобы вес всех кусков был одинаков и, кроме того, все куски содержали одно и то же количество глазури. Один из кусков должен представлять собой правильную четырехугольную призму, покрытую глазурью только сверху; вычислите отношение ее высоты к стороне ее основания и подробно опишите все 9 кусков.
Треугольник вращается около своей стороны о, затем около своей стороны b и. наконец, около своей стороны с, образуя три тела вращения. Найдите отношение объемов этих трех тел, а также отношение их поверхностей.
Яеравенство. Прямоугольник и равнобедренная трапеция расположены так, как это показано на рис. 12, т. е. они имеют общую (вертикальную) ось симметрии, одну и ту же высоту Л и одну и ту же площадь； если длины верхнего и нижнего оснований трапеций обозначить через 2〃 и 2Ь, то основание прямоугольника будет равно 〃十6. При вращении вокруг оси симметрии прямоугольник описывает цилиндр, а трапеция — усеченный конус. Какое из этих двух тел имеет больший объем? (Ваш ответ может быть основан на геометрических соображениях, но должен быть доказан при помощи алгебры.)
Сферометр. На поверхности шара даны четыре точки Л, В, С и D. Точки Л, В и С образуют равносторонний треугольник, сторона которого равна а. Из точки D на плоскость треугольника АВС опущен перпендикуляр, длина которого равна 九，а основанием
является центр этого треугольника.
Найдите радиус шара R по данным а и Л.
(Рассмотренная геометрическая конфигурация лежит в основе сферометра —— прибора для определения кривизны линз. У такого сферометра точками А, В и С служат концы трех параллельных «ножек», конец же четвертой, подвижной, вывинчивающейся «ножки» можно установить в положении D, причем расстояние h измеряется числом оборотов винта.)
Пять ребер тетраэдра имеют одинаковую длину а, а шестое — длину Ь.
1°. Выразите через а и b радиус сферы, описанной около тетраэдра.
2°. Как могли бы вы использовать результат п. Г для практического нахождения радиуса сферической поверхности (например, линзы).
Атом углерода четырехвалентен. При изображении его в пространстве валентные связи располагаются симметрично.
Соедините отрезками центр правильного тетраэдра с четырьмя его вершинами и вычислите угол а между любыми двумя из проведенных отрезков.
Фотометр. Лампа L в / свечей и лампа Z/ в /' свечей помещены на растоянии d друг от друга. Найдите местоположение экрана, помещенного между лампами перпендикулярно соединяющей их оси, если известно, что освещенность его с обеих сторон одинакова.
(Если сила света точечного источника L равна /, то освещенность поверхности, расположенной на расстоянии % от L перпендикулярно световому лучу, равна //%2. Чтобы хорошо разобраться в этом вопросе, представьте себе две концентрические сферы-радиусов 1 и х с общим центром L.)
7777Упражнения и до полнительНыё замечания к главе 2
77
77
График движения. В задачах, в которых рассматривается движение нескольких объектов (материальных точек) по одному и тому же пути, часто бывает целесообразно ввести прямоугольную систему координат, где по оси абсцисс откладывается время /, а по осН ординат——пройденное расстояние s, отсчитываемое от некоторой фиксированной точки. Чтобы продемонстрировать пользу такого представления, рассмотрим еще раз задач у, подробно изученную нами в п. 3° § 4.
Отсчет времени / и пройденного расстояния s будем вести, соответственно, с момента вылета и от точки старта самолета. Таким образом, через Е часов полета в направлении к точке разворота его расстояние от точки старта будет равно
s = (и—ш)/.
Это уравнение, в котором и и ш фиксированы, a s и / — переменные, изобразится в нашей системе координат прямой линией с угловым коэффициентом и——к» (скорость самолета), проходящей через начало координат [точка (0,0) изображает место старта самолета]. При обратном полете расстояние s и время £ связаны равенством
s=—■(吁(Е—Т),
изображаемым прямой с угловым коэффициентом —(u+酬)， проходящей через
точку (Т, 0) (которая показывает, что самолет возвратился к месту старта в предписанное время Г).
Точка пересечения наших двух прямых относится как к полету в прямом направлении, так и к полету в обратном направлении и изображает (в пространстве и времени) точку разворота. В
этой точке должны иметь место обе формулы для s, т. е. должно быть
(у—w)t=— (и+⑵)(/—Т).
Отсюда вытекает, что
и, таким образом (используя любое уравнение), мы получаем для расстояния до точки разворота выражение
_(№ —吟 T
К этому же самому результату мы пришли в п. 3° § 4 (там вместо s мы писали %).
На рис. 13 (пунктирные линии не принимаются во внимание) полет самолета изображается ломаной линией, составленной из двух отрезков; эти отрезки с ходится под углом в точке, ордината которой выражает собой наибольшее расетоя- ние, на которое удалился самолет. Вся ломаная, в целом, полностью отображает историю полета: она показывает, где находился самолет в любое интересующее нас время и когда он прибывал в любое интересующее нас место. Такая линия носит специальное название график полета (график движения).
Два почтальона Л и В, которых разделяет р асстояние в 59 миль, выезжают утром навстречу друг другу. А делает за 2 часа 7 миль, а В — за 3 часа 8 миль; при этом В отправляется в путь часом позже А. Требуется найти, сколько миль проедет А до встречи с В. (Ньютои.)
(Продолжение.) Обобщите предыдущую задачу.
Арт и Билл живут иа противоположных концах одной и той же улицы. Арту нужно доставить пакет на дом к Биллу, а Биллу — пакет на дом к Арту. Оии вышли в одно и то же время, шли с постоянной скоростью и возвратились
каждый к себе домой сразу после доставки пакета по назначению. Приближаясь друг к другу с противоположных направлений, они встретились в первый раз на расстоянии а м от дома Арта, а во второй раз — на расстоянии b м от дома Билла.
1°. Какова длина улицы?
2°. Если 〃=300 м, а 匕=400 м, то кто из них шел быстрее.
Боб, Питер и Пол путешествуют вместе. Питер и Пол хорошие ходоки; каждый из них проходит р км в час. У Боба же больная нога и он едет в маленьком автомобиле, рассчитанном не более чем на двух пассажиров; его машина делает с км в час. Три приятеля приняли следующий план движения: они начинают путь одновременно, причем Пол едет в машине с Бобом, а Питер идет пешком. Через определенное время Боб высаживает Пола, который продолжает путь пешком; Боб возвращается, забирает Питера и едет с ним вместе в машине, пока они не догоняют Пола, после чего Питер и Пол меняются ролями, т. е. Пол садится в автомобиль, а пешком идет Питер. Здесь возникает первоначальная ситуация, и вся процедура повторяется столько раз, сколько потребуется.
1°. На какое расстояние (на сколько километров) продвигается компания за час?
2°. Какую часть всего времени, которое заняло путешествие, в автомобиле едет только один человек?
(Продолжение.) Обобщите предыдущую задачу： Боб (у него больная нога и он — владелец двуместной автомашины) проделывает аналогичную операцию с п друзьями А, В、СL (вместо двух), каждый из которых делает пешком р км в час.
(Начертите график движения для случая /г=3. Сделайте проверку, рассмотрев предельные случаи, отвечающие значениям " = 0, "=с;拉=1,拉=8丿
Камень падает в колодец; найти глубину колодца по звуку камня, ударившегося о его дно. (Ньютон.)_
Вам нужно измерить время Т между двумя моментами: первым, когда вы бросаете камень, и вторым,— когда вы слышите звук его удара о дно. Кроме того, вам необходимо знать：
скорость звука с,
ускорение силы тяжести g.
Зная Т, с к g, найдите глубину колодца d.
Предполагая, что комета движется прямолинейно и равномерно, определите по трем наблюдениям ее траекторию в пространстве.
Пусть О——глаз наблюдателя. А, В и С ——местоположения кометы, соот-- ветственно, при первом, втором и третьем наблюдениях. Из этих наблюдений нам известны углы
4 A0В=з,/若。С=о/
и время t, соответственно У, прошедшее между первым и вторым, соответственно между первым и третьим наблюдениями. В силу предположения о том, что движение равномерно,
АВ _ /
Считая(о,(о', / и 广 данными, найдите угол §= / ABO.
(Выразите через е, о/, t и f какую-нибудь тригонометрическую функцию угла 5，например ctg §.)“
Число уравнений равно числу неизвестных. Найдите х, р н z из системы трех уравнений
3%—у—а,
-2X十3纟一z=b,
—%—3z—с, считая а, b и с данными.
(Возможно ли удовлетворить условию^ Достаточно ли условие для определения неизвестных?)
Число уравнений больше числа неизвестных. Найти три числа р, g н 户 такие, что переменное 乃 тождественно удовлетворяет уравнению
Y4+4%3—2犬—12 尤十 9=(р£+/+炉.
(В нашей задаче требуется, чтобы заданный многочлен четвертой степени был точным квадратом, что может иметь место в каком-то частном случае, но не в общем. Почему?)
Покажите, что невозможно подобрать такие (вещественные или комплексные) числа 亿 b, с. А, В н С, чтобы уравнение
尤2一Fy2~Fz(ax-^by-гcz) (AxJrBy^Cz)
удовлетворялось тождественно при любых (независимых) значениях х, у и 2.
Число уравнений л1еныие числа неизвестных. Некто покупает свиней, коз и овец, всего числом 100 голов, за 100 крон; одна свинья обходится ему в 3 -|-
11'
кроны, коза в 1 — кроны и овца в 歹 кроны; сколько он купил свиней? коз? овец? (Эйлер.)
Эйлер следующим образом решает эту задачу с помощью процедуры, которую он назвал Regula Caeci (Правило слепого). Пусть х, у н z обозначают, соответственно, число купленных свиней, коз и овец; ясно, что х, и г должны быть ц ел ы м и положительными числами. Выражая сначала общее число купленных животных, а затем их обшую стоимость, получаем:
%+夕卜n=!00，2民+8y+32=600;
второе уравнение здесь слегка преобразовано (записано в более удобном для дальнейшего виде). Если мы исключим 2 и решим получившееся уравнение от
носительно у, то получим: p = 6U^― , откуда следует, что 石—с должно быть целым положительным числом.
Закончите решение.
Фальшивомонетчик (мы надеемся, что изготовленные им монеты не очень похожи на настоящие) имеет три сорта серебра различной пробы: первый с 7 унциями чистого серебра на марку (марка равна 8 унциям), второй с 5— ун- пнями, третий с 4； унциями. Ом хочет составить сплав весом в 30 марок, содержащий 6 унций (чистого серебра на марку); сколько марок каждого сорта он должен взять? (Эйлер; разъяснения добавлены в скобках.)
Предполагается, что решение должно выражаться в целых положительных числах. Уравнение, в котором согласно условию допускаются только целочисленные решения, называется диофантовым уравнением 京).
*) Задачам такого рода посвящена рассчитанная на широкого читателя (но притом все же довольно трудная) брошюра: А. О. Г е л ь ф о н д, Решение уравнений в целых числах, Гостехиздат, 1952. [Подобными задачами много занимался древнегреческий .математик Диофант Александрийский (около 250 г. н. э.; ср. выше задачу 27).]
Существует такое (целое положительное) число.- которое становится точным квадратом если к нему прибавить 100, и снова точным квадратом, если к нему прибавить 168. Что это за число?
Коллекция марок Боба состоит из трех альбомов. В первом альбоме содержится две десятых всех марок, во втором альбоме — несколько седьмых, в третьем же альбоме 303 марки. Сколько марок у Боба? (Достаточны ли условия для определения неизвестного?)
Новая модель шариковой ручки продавалась в магазине напротив средней школы за 50 центов, но покупателей было мало. Когда же магазин снизил цену, то весь запас оставшихся ручек был распродан за 31 доллар и 93 цента. Какою стала цена ручки после снижения? (Достаточно ли условий для определения неизвестного?)
Правила Декарта. Книга знаменитого философа и математика Рене Декарта, на которую мы ссылались в § 1, имеет особо важное значение для нашего исследования.
«Правила» были найдены в незаконченном виде среди бумаг Декарта после его смерти. Он предполагал написать 36 параграфов, но в действительности его работа содержит в более или менее законченном виде только 18 параграфов и резюме еще трех параграфов; весьма вероятно, что остальное никогда не было написано. В первых 12 параграфах обсуждается вопрос, каким должен быть процесс умственной работы при решении задач, в следующих двенадцати разбираются корректно поставленные задачи, а последние двенадцать предполагалось отвести некорректно поставленным задачам 】).
Каждый параграф открывается «Правилом» — лаконичным советом читателю; остальное -- это мотивировка, пояснение, разработка на примерах или более подробное изложение основной мысли, резюмированной в правиле. Мы будем приводить различные выдержки из текста параграфа, посвященного нужному правилу, указывая только номер самого правила ?).
Высказывания Декарта будут служить нам ценным руководством, но со стороны читателя было бы неуважением к памяти творца концепции сомнения. если бы он принимал на веру все то, что сказал Декарт, лишь потому, что так говорил Декарт ). Читатель должен относиться критически также к тому, что говорит автор этой книги, как и автор любой другой книги, и не должен слишком доверять своим поверхностным впечатлениям. Уделив достаточно внимания высказываниям автора, читателю следует соглашаться только с такими его утверждениями. которые самому читателю кажутся совершенно ясными, или с такими, которые подтверждаются накопленным им опытом. Только поступая так, он будет действовать в согласии с духом декартовых «Правил».
Обнажите задачу и расчлените ее. Сошлемся на Декарта: Освободите вопрос от всех излишних представлений и сведите его 汇 простейшим элементам 3).
Правило XII, стр. 120. Наиболее существенная черта, отличающая к о р- ректно поставленные задачи от некорректно поставленных задач, заключается в том, что первые немедленно сводятся к чисто математическим задачам, вторые же не могут быть сведены к ним. [Здесь и всюду в дальнейшем Правила цитируются по изданию: Декарт, Избранные произведения, Госполитиздат, 1950.— Прим, перев.]
Как это уже было сделано в предыдущем примечании. (Латинский оригинал «Правил»: «Regulae ad directionem ingenii» можно найги в фундаментальном собрании сочинений Декарта |3], т. X, стр. 359—469.] “
Этот совет применим к задачам любого содержания и любой степени трудности. Однако будем конкретны. Возьмем обычную школьную задачу о движении — «задачу на скорость» (например, такую, которая рассматривалась в □. 3° § 4). В подобной задаче под движущимся объектом можно понимать человека, автомобиль, поезд или самолет. Но, по существу, здесь требуется некоторое уточнение: при решении простейших задач этого рода мы в действительности рассматриваем объект как материальную точку, движущуюся по прямолинейному пути. Такое упрощение в некоторых случаях вполне целесообразно, в других же рискованно. Однако несомненно, что при сведении задачи о реальных объектах к математической задаче мы не можем обойтись без известного упрощения и а б- стракции. И это, конечно, потому, что математическая задача имеет дело с абстрактными величинами; она касается реальных объектов лишь косвенным образом, поскольку ранее был совершен переход к абстрактным величинам от конкретных данных.
Инженеры и физики, решая свои за21ачи, должны уделять серьезное внимание вопросу о том, насколько далеко должны заходить абстракция и упрощение, какими деталями можно пренебречь и на какие малозначительные эффекты можно не обращать внимания. При этом они должны остерегаться двух противоположных опасностей: нельзя допускать, чтобы задача с математической точки зрения оказалась слишком громоздкой, но в то же время нельзя чересчур упрощать физическую сторону дела. Мы уже имели случай познакомиться с этой дилеммой, решая самые простые ^словесные задачи». Опыт показывает, что установить границу допустимых упрощений бывает довольно трудно, но начинающий должен научиться это делать, так как если эта грудность не преодолена своевременно, то в дальнейшем она может стать еще более серьезной.
Существует здесь и еще одна трудность. Задачи, предлагаемые в руководствах, молчаливо допускают известные упрощения; так, например, реальные скорости могут меняться, в элементарных же рассуждениях они всегда постоянны. Начинающему следует привыкнуть к таким молчаливым допущениям, он должен научиться правильной интерпретации некоторых, обычно употребляемых, сокращенных формулировок; и эта трудность должна явно обсуждаться, по крайней мере время от времени.
(Отметим еще одно обстоятельство, о котором необходимо упомянуть ввиду его важности, хотя, возможно, и кратко, поскольку оно лежит в стороне от пашей основной линии. К упрощениям и пренебрежениям, подразумевавшимся в формулировке задачи, мы должны отнести также точность, с которой выполняется численное нахождение неизвестного. Мы можем погрешить, превышая заложенные в условии возможности ил и упуская их, если будем производить вычисления с большим числом десятичных знаков, чем это допускается данными задачи, или, напротив, с меньшим числом знаков. Существует не так уж много случаев, когда это обстоятельство можно проиллюстрировать на элементарных задачах, но такие случаи не должны быть упущены.)
Довольно поучительная и не совсем очевидная иллюстрация к только что рассмотренному вопросу имеется в работе 丨18] (см. Библиографию в конце книги).
Дополнительные сведения, необходимые для решения задачи. Мобилизация “ организация. Ясно, что мы не можем выразить физическую задачу на языке уравнений, не зная соответствующих физических фактов (или не предполагая, что мы их знаем). Например, мы не могли бы решить задачу, рассмотренную в § 6, если бы не зналн закона Архимеда.
Выражая с помощью уравнений геометрическую задачу, мы используем соответствующие геометрические факты. Например, мы можем применить теорему Пифагора, или пропорциональность сторбн подобных треугольников, или формулу для площади или для объема и т. д.
Не используя относящихся к делу сведений, нельзя изложить задачу на языке уравнений. Но даже если мы располагали когда-то необходимыми
знаниями, мы можем не вспомнить их в ют момент, когда они нам нужны; пли если даже считать, что они сохранились в нашей памяти, мы можем не осознать их полезности в рассматрив а ем ом вопросе. Здесь совершенно ясно следующее： еще недостаточно обладать требуемыми знаниями в некотором потенциальном состоянии; мы должны вспомнить о них, когда это становится необходимым, оживить их, мобилизовать их, сделать их пригодными для достижения нашей цели, приспособить их к нашей задаче, организовать их.
По мере того как решение продвигается вперед, наш взгляд на задачу непрерывно меняется: на фигУРе возникает все больше и больше вспомогательных линий, в наших уравнениях появляются все новые и новые вспомогательные неизвестные, мобилизуются и вводятся в структуру задачи все новые и новые элементы ——и так до тех пор, пока фигура не насыщается линиями, число уравнений не становится равным числу неизвестных, а элементы, как исходные, так и мобилизованные в процессе решения, не сливаются в одно органическое целое (п. 3’ § 5 служит этому хорошей иллюстрацией).
Независимость а совместность. Декарт рекомендует составлять столько уравнений, сколько имеется неизвестных ]). Предположим, что неизвестные, число которых равно п, обозначены через 入、，心，...,хп\ тогда интересующую нас систему можно записать в виде:
/"1 (/，心，..q)=0,
%(%1，%，• • •，忆)=0,
где Г)(X], 乂2, . . ., x〃)，так же как н левые части остальных уравнений, являетс$1 многочленом относительно х「心心• Декарт советует сводить такую систему уравнений к одному результирующему уравнению ?). «Вообще говоря» («в обычном случае», «как правило», ...), это можно сделать и, «вообще говоря», система имеет либо единственное решение (представляющее собой совокупность числовых значений переменных 尤丄，х2, . . ., х„, вещественных или комплексных, удовлетворяющих одновременно всем п уравнениям), либо конечное множество решений (их число зависит от степени результирующего уравнения).
По бывают и исключительные (особые) случаи; мы здесь не можем изучать их во всей полноте; ограничимся лишь одним простым примером.
Рассмотрим систему трех линейных уравнений с тремя неизвестными:
a/丄九//+Qz+% = 0,a^x^bi2y^ с2?+ d^ О,43十十 随夕卜内z+/=0,
где х, у, г ——неизвестные, а двенадцать букв а】，Ь「. . d3——данные вещественные числа. Допустим. что 的，九 и q не равны одновременно нулю, так же как и а?，力2, с?, и а；’，力3, с?. Если рассматривать х, ^ и г как прямоугольные координаты точки в пространстве, то каждое из трех выписанных уравнений будет представлять собой плоскость; таким образом, наша система трех уравнений соответствует системе трех плоскостей, расположенных определенным образом в пространстве.
При решении подобной системы трех линейных уравнений мы различаем несколько случаев.
Решения не существует, т. е. нет такой совокупности трех вещественных чисел х. у, г, которая удовлетворяла бы одновременно всем трем уравнениям.
Правило XIX, стр. 168.
Правило XXI, стр. 169.
В этом случае мы говорим, что уравнения несовместны, н называем систему несовместной или внутренне противоречивой.
2°. Решений бесконечное множество; тогда мы называем систему неопределенной. Так будет в случае, когда любая тройка чисел х, у, z, которая удовлетворяет двум из наших уравнений, удовлетворяет также и третьему; в этом случае мы говорим, что это третье уравнение не является независимым от двух остальных.
3°. Решение единственно: в этом случае уравнения независимы, система совместна и определена.
Представьте себе эти случаи геометрически, рассматривая наши три плоскости (опишите их взаимное расположение).
Единственность решения. Взгляд вперед. Если шахматная задача или головоломка имеет несколько решений, то мы считаем ее некорректной. Вообще говоря, мы, по-видимому, отдаем естественное предпочтение задачам с единственным решением; они кажутся нам «рациональными» или «корректными». Сам Декарт как будто также разделял эту точку зрения; он говорил: «для полноты вопроса желательно, чтобы он был строго определенным, благодаря чему мы не открывали бы ничего сверх того, что может быть выведено из данных 〃0"兄加〃"》I).
Является ли решение нашей задачи единственным? Достаточны ли условия для определения неизвестного^ Мы очень часто задаем себе эти вопросы в самом начале (и это рекомендуется делать), приступая к решению задачи. Задавая их столь рано, мы, по существу, не нуждаемся в окончательном ответе или не надеемся его получить (ответ появится, когда задача будет полностью решена)': нам нужен только предварительный ответ, догадка, предвидение (которое может сделать более глубоким проникновение в задачу). Иногда такой предварительный ответ оказывается верным, но временами мы можем попадать в ловушку, как это было в примерах из § 8 ).
Между прочим, решение может оказаться единственным даже в том случае, когда оно получено в виде корня уравнения /г-й степени, имеющего п различных корней (где п> 1). Это будет иметь место в том случае, когда, по условию, значение неизвестного должно быть вещественным, или положительным, или целым, а изучаемое уравнение имеет только один такой корень.
Зачем нужны словесные задачи^ Я надеюсь, что шокирую лишь немногих математиков, утверждая, что самая важная частная -задача математического образования в средней школе ——это научить составлять уравнения для решения словесных задач. В пользу высказанного мнения безусловно имеются сильные аргументы.
При решении словесных задач с помощью уравнений учащийся осуществляет перевод реальной обстановки на математический язык и при этом убеждается на опыте, что математические понятия можно связать с действительностью, хотя эти связи и нужно тщательно разрабатывать. Именно здесь программа обучения дает возможность приобрести ценнейший опыт. Для учащегося, которому не придется пользоваться в своей будущей профессии математикой, этот первый случай может оказаться и последним. Но инженеры и ученые, профессия которых требует применения математики, используют ее главным образом для перевода реальных задач на язык математических понятий. В жизни денежные доходы инженера превышают денежные доходы математика и, таким образом, он может нанять математика себе на службу *) с тем, чтобы последний
решал нужные инженеру математические задачи; поэтому будущий инженер, вообще говоря, не должен изучать математику с целью решения з ад а ч. Однако здесь имеется одно обстоятельство, из-за которого инженер не может целиком положиться на математика: инженер должен сам настолько знать математику, чтобы уметь ставить свои задачи в математи* ческой форме. И, таким образом, будущий инженер, когда он учится в средней школе составлению уравнений, необходимых для решения «словесных задач», впервые сталкивается здесь со своим основным, профессиональным, использованием математики и впервые имеет случай приобрести для этого важнейшие навыки.
Дополнительные задачи. Придумайте несколько задач, подобных тем, которые приведены в этой главе, и вместе с тем отличных от них — в первую очередь' так^х, которые вы сами могли бы решить.
ГЛАВА 3
рекурсия
§ 1. История одного маленького открытия
Существует традиционный рассказ о маленьком Гауссе, который впоследствии стал великим Карлом-Фридрихом Гауссом, prin- ceps mathematicorum ). Мне очень нравится следующая версия, которую я слышал в детстве; вопрос об ее достоверности беспокоит меня весьма мало. ■
«Это случилось, когда маленький Гаусс еще посещал начальную школу. Однажды учитель задал нелегкую задачу: сложить числа 1, 2, 3 и т. д. до 20. Он надеялся освободить себе немного времени, пока ученики будут заняты нахождением суммы такого длинного ряда чисел, и был поэтому неприятно удивлен, когда маленький Гаусс шагнул вперед,——в то время, как остальные ученики еще только собирались приступить к работе,— положил грифельную доску на конторку учителя и сказал: «Готово». Учитель даже не взглянул на доску маленького Гаусса, так как был совершенно убежден, что ответ неверен, и собирался строго наказать мальчика за нескромность. Дождавшись, пока остальные ученики выполнили задание и сложили свои доски на доску маленького Гаусса, он вытащил ее (ведь она лежала в самом низу) и посмотрел. Каково же было удивление учителя, обнаружившего на доске одно-единствен- ное число и притом верное. Какое это было число и как маленький Гаусс его нашел?»
Мы, конечно, точно не знаем, как маленький Гаусс это сделал, и никогда не сможем этого узнать. Однако воображение может подсказать нечто, кажущееся правдоподобным. Как бы то ни было, Гаусс все же был тогда еще ребенком, хотя и очень умным и развитым не по летам. Возможно, что ему удавалось более непосредственно, чем другим детям такого же возраста, улавливать конечную цель задачи и сосредоточивать внимание на наиболее существенном. Весьма вероятно, что в данном случае он представил себе более
четко и ясно, чем его сверстники, что требуется 6 задаче^ т. е. как
найти сумму чисел
12 312 3и так далееи так далее2020Он, должно быть, «видел» задачу не так, как другие, а более глубоко, возможно в таком духе, как это изображено на последовательности диаграмм 4, В, С, Q н Е, изображенных на рис. 14.Он, должно быть, «видел» задачу не так, как другие, а более глубоко, возможно в таком духе, как это изображено на последовательности диаграмм 4, В, С, Q н Е, изображенных на рис. 14.АВ1123.АВ1123.СQ1122СQ11223333Е12-3-Е12-3-10~|11」10~|11」
12 3
12 3
и так далее
и так далее
20
20
Он, должно быть, «видел» задачу не так, как другие, а более глубоко, возможно в таком духе, как это изображено на последовательности диаграмм 4, В, С, Q н Е, изображенных на рис. 14.
Он, должно быть, «видел» задачу не так, как другие, а более глубоко, возможно в таком духе, как это изображено на последовательности диаграмм 4, В, С, Q н Е, изображенных на рис. 14.
АВ
11
2
3.
АВ
11
2
3.
СQ
11
22
СQ
11
22
33
33
Е
1
2-
3-
Е
1
2-
3-
10~|
11」
10~|
11」
・18192020・18192020181819192020181819192020181920-181920-
・18
19
2020
・18
19
2020
1818
1919
2020
1818
1919
2020
18
19
20-
18
19
20-
Рис.Рис.14. Пять фаз одного открытия.
Рис.
Рис.
В первоначальной формулировке задачи выписано в явном виде только начало ряда чисел, сумму которых требуется найти (Д). Но мы могли бы указать также и конец ряда (В) или, еще лучше, выписать начало и конец одновременно (С). В этом случае наше внимание могли бы привлечь два крайних числа (самое первое и самое последнее) и, возможно, мы заметили бы, что существует некоторое соотношение, связывающее эти числа (Q). А здесь уже открывается возможность появления идеи (Е)! Да, это так, любая
пара чисел, равноудаленных от концов, дает в сумме одно и то же число:
1+20=2+19=3+18= •••=10+11=21, и поэтому сумма ряда равна
10-21-210.
Этим ли путем в действительности 山ел Гаусс? Я далек от такого утверждения. Я только говорю, что естественно было бы решать задачу в таком духе. Благодаря чему же мы все-таки сумели решить задачу? В конечном счете благодаря тому, что в нашем сознании возникла диаграмма (Е), мы «увидели истину ясно и четко», как сказал бы Декарт, мы нашли легкий, не требующий напряжения, удобный для применения способ вычисления требуемой суммы. Сначала мы колебались между двумя противоположными подхи- дами к решению задачи (Л и В), которые в итоге слились в более симметричном подходе (С). Первоначальное противопоставление перешло в гармоничную согласованность, после чего переход к основной идее (D) стал совсем доступным. Ну, а решающая идея Гаусса, была ли она такою же? Прошел ли он через те же самые ступени на пути к ее достижению? Или он перескочил через некоторые из них? Или он миновал их все? Шагнул ли он прямо к окончательному выводу? На эти вопросы мы -не можем дать ответа. Обычно яркая идея возникает после периода колебаний и сомнений, более или менее длинного или совсем короткого. Так получилось в нашем случае — и нечто подобное могло произойти в сознании маленького Гаусса.
Перейдем к обобщению. Взяв за основу только что решенную задачу и подставляя вместо случайного числа 20 произвольное целое положительное число 冗，мы приходим к -следующей задаче: Найти сумму S первых п целых положительных чисел.
Итак, нам требуется найти сумму
S = 1 + 2+3 +…+ 孔.
Идея, которую мы только что использовали (возможно, что это та же самая идея, которая возникла у маленького Гаусса), .заключалась в образовании пар чисел, в каждую из которых входят член, расположенный на известном расстоянии от начала, и член, расположенный на таком же расстоянии от конца. Достаточно самого небольшого знакомства с алгебраическими преобразованиями, чтобы без затруднений перейти к следующему видоизменению нашей схемы.
Выпишем сумму S дважды, меняя во второй строке первоначальный порядок членов на обратный:
S = 1 -卜 23[fi — 2) (几—1) + /1,
S =孔 + (孔—1) + (/t — 2)+...十 3 十 2+1,
Члены, составлявшие пару в описанном ранее способе решения, расположены теперь более удобно ——один под другим. Складывая два наших равенства, получаем:
2s =（八+1） + 他十1） + （/：+1）+.一+（几+1） + m+1） + （几+1）, 2s =孔（孔+1）,
Это и есть общая формула. При 〃 = 20 она дает результат маленького Гаусса, который оказывается таким, каким он и должен быть.
Дар небес
Вот еще одна задача, подобная решенной в предыдущем параграфе: найти сумму квадратов п первых натуральных чисел.
Обозначим искомую сумму через S （безотносительно к обозначениям предыдущего параграфа）, т. е. положим
S-H-4+9+164-. . Лп\ “
Способ' вычисления этой суммы не так уж очевиден. Особенности человеческого характера побуждают повторить процедуру, которая помогла нам ранее в аналогичной ситуации,—— вспоминая предыдущий параграф, мы можем попытаться записать искомую сумму дважды, меняя во второй раз порядок членов на обратный:
S=1 十 4+9+ . . . + （孔一2）2 + （孔一I）?+ 6,
S =孔? +（九一1广 + （八一2『+...十9+4 +L
Однако сложение двух равенств, которое было столь эффективным в предыдущем случае, здесь ничего не дает; наша попытка проваливается, мы приступали к ней, руководствуясь скорее оптимизмом, чем пониманием сути дела, наше наивное подражание однажды выбранному методу было — сознаемся в этом — не таким уж умным. （Инерция нашей мысли оказалась чрезмерной, наш разум крепко держался раз установленного курса, хотя в силу новых обстоятельств его следовало изменить.） И все же даже такую нерациональную попытку не следует считать совсем бесполезной: она может привести нас к более правильной оценке задачи, которая, по-видимому, труднее, чем задача предыдущего параграфа.
А теперь покажем, как решается наша задача. Начнем с рассмотрения частного случая хорошо известной формулы куба суммы двух чисел:
{/i+l）3=^s+3n2+3/1+1,
которую можно переписать в виде
（几+1）3—п3=Зп2+Зп+1.
Эта формула справедлива при любом п; выпишем ее последовательно для 孔=1, 2, 3, п:
2з—1^з.12+3-Ц-1,
33—2：з=3・22+3・2+1,
43—33 = 3-32 + 3-3 + 1,
（及 + 1 厂一/f = 3户十 3n -J- 1.
Какую наиболее очевидную операцию можно выполнить над этими п равенствами? Конечно, сложить их! Благодаря тому, что ряд слагаемых при этом, очевидно, взаимно уничтожится, левая часть результирующего равенства будет выглядеть очень просто. Что же касается правой, то здесь придется складывать три столбца. Первый из них дает наше искомое S — сумму квадратов первых п натуральных чисел. Последний состоит из п единиц — этот столбец не доставит нам никаких хлопот. Средний столбец приводит к сумме первых п натуральных чисел; но эта сумма нам уже известна из предыдущего параграфа. В итоге мы получаем равенство
（九+1）3—1 = 3S + 3^^- + n,
в котором все известно （т. е. выражено через 吟 за исключением S; таким образом, из этого равенства можно определить S. Выполняя простые алгебраические преобразования, получим:
2 （几 * + 3/2 2 十 3『?） = 6s 十 3 （/? 2-^-/г） -р2/г,
с _ 2л3」Зп2-[-п
или, окончательно,
0 _…1）亠=6*
Нравится ли Вам это решение?
Я немедленно соглашусь с читателем, который не удовлетворен таким решением, при условии, что он сумеет привести веские доводы в обоснование своей неудовлетворенности. Чем же все-таки это решение так плохо?
Оно заведомо корректно. Больше того, оно эффективно, ясно, коротко. Вспомните, какой трудной казалась задача вначале —— было бы чересчур оптимистично ожидать более ясного или более короткого решения. И все же, насколько я могу судить, одно обоснованное возражение имеется: решение появляется вдруг из ничего, оно возникает совершенно неожиданно, как дар небес. Такое
решение похоже на кролика, вытащенного фокусником из шляпы. Сравните это решение с решением яз предыдущего параграфа. Там мы могли в какой-то мере наглядно представить себе, как оно было найдено, кое-что узнать о том, какими путями шел решающий, даже могли надеяться решить когда-нибудь подобную задачу самостоятельно. Здесь же решение изложено без какого-либо намека на его источник, нас просто ошеломили взятым неизвестно откуда равенством, из которого получается все, причем отсутствуют какие бы то ни было указания на то, как мы могли бы догадаться об этом равенстве сами.
Все это разочаровывает; нам хотелось научиться решать задачи,——а как этого можно добиться, рассматривая подобные решения *)?
И все же оно заслуживает внимания!
Да, именно так, из предыдущего решения можно извлечь для методики решения задач нечто важное. Верно, конечно, что изложение этого решения не было само по себе поучительным, так как его источник остался для нас скрытым и поэтому оно напоминало фокус, хитроумную уловку. Хотите раскрыть секрет этого фокуса? Тогда попытайтесь проделать его сами, и вы, возможно, поймете, в чем здесь дело. Уловка оказалась настолько успешной, что, право же, мы не можем позволить себе оставить ее без внимания.
Начнем с обобщения. Рассмотрим задачи, о которых шла речь в §§ 1 и 2, с единой точки зрения, для чего запишем сумму 々-х степеней первых п натуральных чисел:
S」尸№+27⑶十…+#.
В предыдущем параграфе мы установили, что
о — п(п-^\) (2л 丄 1)=6，
а до этого ——что
сюда можно еще добавить очевидный крайний случай *)
который, возможно, также окажется небесполезным. Начав с частных случаев 々=0, 1 и 2, можно поставить затем общую задачу
])Сн. МПР, стр. 409—412. «Deus ex machina» и Эвристическое оправдание.
*) Ибо2。丄3。十...十淤С修1，1亠...十1.
л раз
з том, как выразить аналогичным образом S儿.Вглядываясь в эти частные случаи, мы можем даже предположить, что S^ выражается в виде многочлена （々+1）-й степени относительно п.
В интересующем нас общем случае естественно испробовать ту же уловку, которая так хорошо послужила нам при 々=2. Но сначала изучим следующий частный случай: k—З. Нам предстоит воспроизвести на новом, более высоком уровне те же операции, с которыми мы встретились в § 2,— это не может оказаться слишком трудным.
Действительно, выпишем сначала биномиальную формулу для следующего по порядку показателя 4:
（北十1尸=心卜4〃3十6八-4"十1,.
откуда
"，十1尸——/■产=4〃3十6/产十4" +1.
Это равенство справедливо при любом /?; запишем его последовательно для значений /?=1, 2, 3,/2：
2』-14 = 4・13+6・12+4，1丄1,
34 -24 = 4。23 + 6.2?+4,2+1,
44 —34 - 4-3：4 6-32 + 4-34-1,-
（咒丁 I）4 —и4 = 4絞十 6n24；1 + 1.
Как н прежде, сложим эти п равенств. Очевидно, что при этом ряд членов слева взаимно уничтожается. Справа же нам потребуется гложить четыре столбца, каждый из которых является суммой одинаковых степеней первых п натуральных чисел, т. е. представляет собой еще один частный случай суммы S九：
S+1）』_1=4S3+6S,+4S「HS。.
Но мы уже ранее выразили S?, Si и S（）через п. Подставляя зтн выражения, преобразуем наше равенство так:
（„+1Г_1 = 4s3+6^±iia^
Здесь уже все члены, кроме S3, выражены через п. Чтобы найти теперь S；j, нам осталось выполнить простые алгебраические преобразования:
4sз二（п+1）4—（n+1）—2n（n+l）—n（zz+O （2n'+l）—'
=（九十 1）历 3+3 山+3〃-2/1—n （2 几 +1）]=
=（孔+1） n[n2+3n+1—（2n-rl）l；
Мы пришли к желаемому результату, причем ход рассуждений стал выглядеть даже более поучительным, так как, использовав нашу уловку вторично, мы можем обнаружить за ней общую схему. Вспомните изречение знаменитого педагога:
«Метод — это прием, которым вы пользуетесь дважды» х).
Рекурсия
Какой элемент нашей работы в предыдущем параграфе был наиболее характерным? Для того чтобы получить S：§, мы возвращались назад к ранее найденным S2, Si и So. Это проливает свет на «уловку» из § 2, которая помогла нам определить S2 путем возврата к ранее найденным Si и So.
По существу, мы могли бы применить эту же схему для нахождения суммы di, которую мы подсчитали в § 1, используя иные соображения. Согласно одной из самых известных формул алгебры (п+ 1)2=;г24-2п+1, откуда
(九十I)2一北2=2几十i.
Выпишем частные случаи:
2?—Н=2・1 + 1,
3-2』2，2+1,
42一32=2・3+1,
(п+1)2—п2=2-п+1.
Складывая, получаем:
(〃+1)2_1 = 2Si+Sq.
Так как очевидно, что S^—n, то
几(几+1) 2~几(几+1) 2~
几(几+1) 2~
几(几+1) 2~
что мы и доказали в § 1 совсем другим путем.
Проверив нашу схему на частных случаях 々=1, 2 и 3, мы можем без колебаний применить ее к общему выражению суммы S^. Здесь нам потребуется биномиальная формула для показателя 々十1:
（九+1产+1一公+1 =（左十1）展十包/公T+ ... 4-1.
КРЗ, Традиционный тип профессора математики, стр. 198.
Выпишем частные случаи:
2ft+l_p+l==^+1) [k + ^+^lhlk~l+ +13k+1_2后+1 =3+1)2后+^^2"i+ ... +1,4+1_3用+1 =住+1)3后十电;1)"3"1+ ... +1,
(九十l)A+i一公+1 =他+1)卄+直押九"1+ . .. +1.
Складывая, получаем: ■
(九 + 1 尸+|-1=(^H)SM-7№Sli+ +S0.
Из последнего равенства можно найти (выразить через 孔)S 互, если ранее были найдены Sft_i, S^_2, Mi и So. Так, например, поскольку из предыдущего нам уже известны выражения для Sq, Si, S? и S3, мы можем с помощью элементарных алгебраических преобразований получить выражение для S4. Найдя S&, мы можем заняться суммой S5, и т. д.
Итак, последовательно применяя «уловку» из § 2, казавшуюся вначале «даром небес», мы пришли к методу, который, если иметь в виду возможность его применения в будущем, заслуживает специальной формулировки и запоминания.
Когда мы встречаемся с вполне упорядоченной последовательностью (например, такой как: So, Si, S?, S3, •••, S自，・.) всегда есть надежда найти последовательно один з а другим все ее члены. Для этого необходимы два условия: во-первых, каким-то образом надо определить первый член п ос ледов ател ьности (в нашем случае величина суммы So была очевидной); во-вторых, должно существовать соотношение, связывающее общий член последовательности с предыдущими членами (в нашем примере S^ связква- ло с So, 5Ъ ..., Sk.i последнее равенство этого параграфа, которое мы заранее могли предвидеть благодаря «уловке» из § 2).
Если эти два фактора налицо, то члены последовательности можно находить один за другим, последовательно, рекуррентно, поворачивая вспять, т. е. .возвращаясь каждый раз к ранее найденным членам. Этот важный метод называется рекурсией *).
Этот метод принадлежит Паскалю; см. В. Pascal, Oeuvres, Paris, 1819, изд. L. Brunschwig и P. Boutroux, т. 3, стр. 341—367.
Абракадабра
Слово «абракадабра» означает нечто похожее на «запутанную бессмыслицу». Оно сейчас употребляется с пренебрежительным оттенком, но было время, когда это слово считалось чудодейственным, вырезалось на амулетах в зашифрованном виде (например, подобно тому, как это изображено на рис. 15а), и люди верили, что такой амулет защитит его обладателя от болезни и несчастья.
8
В
/F 斤
//
ССС
АЛА
ZZ2
Л Л
3 в
斤
力
Рис. 15a. Alan
3★ЛЛС6АААZZЛА£/?lecxoe слово.3★ЛЛС6АААZZЛА£/?lecxoe слово.Сколькими способами можно прочесть слово ^абракадабра^ на ■рис. 15а? При этом п одр азумев ается, что мы начинаем с самого верхнего Л (в верхнем углу, «на крайнем Севере») и читаем сверху вниз, переходя каждый раз к соседней букве (на юго-востоке или юго-западе), пока не достигнем самого нижнего Л (в южном углу).
3
★
ЛЛ
С6
ААА
ZZ
ЛА
£
/?
lecxoe слово.
3
★
ЛЛ
С6
ААА
ZZ
ЛА
£
/?
lecxoe слово.
Вопрос любопытен. Ваш интерес к нему может возрасти еще больше, если вы заметите, что за ним скрывается нечто вам уже знакомое. Действительно, он может напомнить вам прогулку или поездку по городу. Вообразите себе город, спланированный в виде правильных квадратных кварталов,—— город, половина улиц которого идет с северо-запада на юго-восток, а остальные (их можно назвать проспектами) — с северо-востока на юго-запад. Каждое
прочтение магического слова на рис. 15а соответствует одному зигзагообразному маршруту на такой сети улиц. Когда вы идете по маршруту, отмеченному на рис. 156, вы проходите десять кварталов, расположенных между начальным А и конечным А. Существует много других маршрутов протяженностью в 10 кварталов, связывающих эти две конечные точки на нашей сети улиц； короче же ни одного маршрута нет. Найти число различных кратчайших
Рис. 156. Один из кратчайших зигзагообразных маршрутов.
маршрутов между данными конечными точками —— такова общая, по-настоящему интересная задача, скрывающаяся за курьезной, изолированной задачей о магическом слове, показанном на рис. 15а.
Общая формулировка может обладать рядом преимуществ. Иногда она помогает найти подход к решению — именно это имеет место в нашем случае. Если вы не умеете решить предложенную задачу —— мы имеем в виду задачу, к которой относится рис. 15а (возможно, что вы действительно не умеете ее решить),——попро- буйте сначала решить какую-нибудь более простую, родственную задачу. Здесь на помощь может прийти обобщенная формулировка, которая наводит нас на мысль об изучении более простых случаев,
для которых она сохраняет смысл. В самом деле, если два перекрестка на нашей сети улиц достаточно близки друг к другу (ближе, чем верхнее А от нижнего А на рис. 156), то сосчитать все соединяющие их зигзагообразные маршруты нетрудно. Вы можете вычертить их друг за другом и обозреть всю их совокупность. Отнеситесь внимательно к этому совету и систематически используйте его. Начните с верхней точки Л и двигайтесь вниз. Рассмотрите сначала точки, которых вы можете достичь, пройдя один квартал,
затем те, к которым нужно идти два квартала, далее те, которые
находятся на удалении трех, четырех и более кварталов. Обследуйте и сосчитайте все кратчайшие зигзагообразные маршруты, идущие от верхнего А до каждой из этих точек. На рис. 16а проставлено несколько полученных таким образом чисел (вы и сами могли получить эти и еще другие, следующие за ними числа,——сверьте свои результаты). Вглядитесь в них внимательно ——замечаете ли
Рис. 16а. Сосчитайте число крат- ВЬ1 Что-нибудь?
чапших зигзагообразных марш- Если вы знакомы с этими вопро- рутов.сами, то сможете заметить мно
гое, но даже если вы раньше никогда не видели такой таблицы чисел, то вы все же, наверное, обнаружите одно замечательное соотношение: любое число на этом рисунке, отличное от единицы, является суммой двух других чисел таблицы, а именно своих северо-западного и северо-восточного соседей. Так, например,
4=1+3,6-3+3.
Вы можете открыть этот закон посредством наблюдения, подобно тому как путем наблюдения натуралист открывает закон природы. Но после того как закон найден, вы должны спросить себя: Почему это так? Как это можно объяснить?
Причина достаточно проста. Рассмотрите три перекрестка на вашей сети улиц, отмеченных точками X, У и Z, взаимное расположение которых показано на рис. 16а. X — это северо-западный сосед точки Z, а У —• северо-восточный. Если мы, отправляясь от точки А, хотим достичь точки Z по кратчайшему маршруту на нашей сети, то мы должны пройти либо через точку X, либо через точку Y. Но как только мы попали в X, мы можем проследовать из нее в Z единственным путем; то же самое справедливо относительно следования из Y в Z. Поэтому общее число кратчайших
маршрутов, ведущих из А в Z, представляет собой сумму двух членов: оно равно числу кратчайших маршрутов, ведущих из А в X, сложенному с числом таких же маршрутов, ведущих из А в Y. Тем самым наше наблюдение полностью обосновано и общий закон установлен.
Выяснив это основное обстоятельство, мы можем расширять нашу таблицу, изображенную на рис. 16а (используя для этого обычное сложение), до тех пор, пока не получим большую таблицу,
7
77
755у
14641
7510 1Q 5/
61520156
〃3535//
567056
126126
252
Рис. 166. Квадрат, вырезанныйиз треугольника.
представленную на рис. 166, «южная оконечность» которой дает требуемый ответ: магическое слово «абракадабра» на рис. 15а можно прочесть 252 различными способами.
Треугольник Паскаля )
Возможно, читатель сумел уже опознать числа, которые мы изучали в предыдущем параграфе, и особенности их расположения. Числа, представленные на рис. 16а ——166, являются б и н ом и а л ь н ы м и коэффициентами, а треугольник, образованный ими (см. рис. 16а), обычно называют треугольником Паскаля (сам Паскаль называл его «арифметическим треугольником»), К этому треугольнику мы можем добавлять все новые и новые строки — и принципиально его можно продолжать сколь угодно далеко. Таблицу, представленную на рис. 166, можно
рассматривать как квадратный участок, вырезанный из некоторого большего треугольника.
Кое-какие упоминания о биномиальных коэффициентах и расположении их в виде треугольной таблицы можно найти также в работах других авторов, вышедших в свет ранее книги Блеза Паскаля об арифметическом треугольнике (В. Pascal, Traite du triangle arithmetique — см. сноску на стр. 93). Однако заслуги Паскаля в этом вопросе вполне достаточны, чтобы оправдать присвоение упомянутому треугольнику его имени.
1°. Нам предстоит теперь ввести подходящее обозначение для чисел, образующих треугольник Паскаля. Этот шаг очень важен, потому что каждое из этих чисел, проставленное в определенной точке треугольника, имеет вполне определенный геометрический смысл: оно указывает количество различных кратчайших зигзагообразных маршрутов, ведущих из вершины треугольника в эту точку. Каждый такой маршрут содержит одно и то же число кварталов; обозначим это число через п. Более того, все эти маршруты определенным образом согласуются с числами кварталов, проходимых в юго-западном и юго-восточном направлениях, рассматриваемых каждое в отдельности. Обозначим их, соответственно, через /иг (/ — число кварталов, идущих влево и вниз, г ——число кварталов, идущих вправо и вниз). Очевидно, что'
Любые два из этих трех чисел п, I и г однозначно определяют третье, а следовательно, и точку, к которой они относятся. (В самом деле, /иг можно рассматривать как прямоугольные координаты точки в системе координат, начало которой совпадает с вершиной треугольника Паскаля, одна из осей проведена в юго-западном направлении, другая — в юго-восточном.) Так, например, для нижней точки А маршрута, показанного на рис. 156,
2=5,尸=5,/7=10,
а для второй точки В этого же маршрута
2=5,г=3,/г=&
Обозначим через С^ число кратчайших маршрутов от вершины треугольника до точки, характеризуемой буквами п (суммарное число кварталов) и г (число кварталов, идущих направо вниз). Так, например (см. рис. 166),
& = 56,a产252.
Числам рис. 16а соответствуют символы на рис. 16в. Символы с одинаковыми нижними индексами (одно и то же /г) расположены по горизонтали (на /г・м основании — гипотенузе прямоугольного треугольника). Символы с одинаковыми верхними
Со
货
歹 a 号 密
「7「7「2「3р4
%%%%%
Рис. 16в. Символический тре-угольник Паскаля.
индексами (одно и то же г) расположены наискось (вдоль г-го «проспекта»). Одну из сторон показанного на рис. 166 квадрата образует Пятая авеню (проспект) ), противоположная сторона образована нулевым проспектом (вы можете назвать ее граничной линией или, если вам так больше нравится, Риверсайд Драйв *)). Рис. 16а обрывается на четвертом основании.
2°. Помимо геометрического аспекта, треугольник Паскаля имеет еще вычислительный аспект. Все числа, расположенные вдоль границы (вдоль нулевой улицы и нулевого проспекта, включая их общую исходную точку), равны 1 (очевидно, существует только один кратчайший маршрут, начинающийся в исходной верхней точке и ведущий к этим перекресткам, расположенным на границах). Поэтому
^― С^— 1 ；
целесообразно назвать указанное соотношение граничным условием треугольника Паскаля.
Каждое из чисел внутри треугольника Паскаля располагается в некотором горизонтальном ряду, или основании. Мы можем
вычислить число, расположенное на (/г+1)-м основании, возвращаясь назад, т. е. применяя рекурсию, а именно, используя два соседних числа из /г-ro основания (см. рис. 16в):
Последнее равенство уместно называть рекуррентной формулой, задающей треугольник Паскаля.
Математическая индукция
Когда мы вычисляем входящее в треугольник Паскаля число, применяя рекуррентную формулу, нам приходится опираться на два ранее найденных числа из предыдущего основания. Было бы желательно разработать схему вычисления, не зависящую от этих предварительных сведений. Такое независимое вычисление обеспечивает хорошо известная формула
「尸 _ л (п — 1) (п—2) ... (п—г +1)
которую мы будем называть явной формулой для вычисления биномиальных коэффициентов С^. Эта явная формула содержится в трактате Паскаля (она выражена в нем словами, а не в современных обозначениях). Паскаль не сообщает, как ему удалось ее вывести,—— и мы не будем размышлять над тем, как он мог до нее додуматься. (Возможно, сначала это была просто догадка — мы часто открываем подобные закономерности, проводя вначале наблюдения, а затем пытаясь обобщить полученные результаты; см. замечание к решению упр. 40.) Однако Паскаль дает замечательное доказательство своей явной формулы, и мы намерены уделить его методу доказательства должное внимание 】).
Сделаем одно предварительное замечание. Явная формула в том виде, в котором она нами записана, неприменима в случае г=0. Однако мы условимся, что при 尸=0, п о определению,
cgl.
В случае же, когда г=п, формула смысла не теряет и мы имеем:
「也 л (л— 1)2 • 11
Ср. Паскаль, Цит. сочинение (см. сноску на стр. 93), стр. 455—464, в особенности стр. 456—457. В нашем изложении использованы современные обозначения и несколько видоизменены второстепенные детали.
что является верным результатом. Таким образом, нам нужно доказать формулу только для 0V/*V/t, т. е. внутри треугольника Паскаля, где можно пользоваться рекуррентной формулой. Далее мы цитируем Паскаля с несущественными изменениями, часть которых заключена в квадратные скобки.
Несмотря на то, что рассматриваемое предложение (явная формула для биномиальных коэффициентов) содержит бесчисленное множество частных случаев, я дам для нее совсем короткое доказательство, основанное на двух леммах.■
Первая лемма утверждает, что предложение верно для первого основания—это очевидно. [При 九=i явная формула справедлива, так как в этом случае все возможные значения г, т. е. г™0,厂=1. подпадают под сделанное выше замечание.]
Вторая лемма утверждает следующее: если наше предложение верно для произвольного основания [для произвольного значения м], то оно будет верным и для следующего за ним основания [для n+1 ].
Из этих двух лемм необходимо вытекает справедливость предложения для всех значений п. Действительно, в силу первой леммы оно справедливо для п~ 1; следовательно, в силу второй леммы оно справедливо для /г—2; следовательно, опять-таки в силу второй леммы оно справедливо для л=3, и так до бесконечности.
Нам остается, таким образом, доказать только вторую лемму.
В согласии с формулировкой этой леммы допустим, что наша формула верна для /z-ro основания, т. е. для произвольного значения п и для всех возможных при таком п значений г (для r=0, 1, 2,〃)• В частности, наряду с записью
「广 rz (л -—■ 1). . . (/I —厂-j— 2)(几—г 十 1)
1-2 ... (r-l)r
мы можем также написать (при 尸》1)：
也(/1 — 1).. . (^ —尸 + 2)
Складывая эти два равенства и применяя рекуррентную формулу, получаем, как необходимое следствие, что
c/+[=+ e71=总(几一 1)一。S—了+ 2) 『一尸一卜1 + ]]=
/I (/I — 1). . . (/I -r一卜 2) n + 1
h 匸2 .二(7二ij
(n + 1) « (^ — 1) . .. (n ——г + 2) =1-2-3'
Иначе говоря, справедливость явной формулы для некоторого значения п влечет за собой ее справедливость для 九+L Именно это утверждается во второй лемме,— тем самым мы ее доказали. Приведенные нами слова Паскаля имеют историческое значение, так
как его доказательство представляет собой первое применение нового фундаментального метода рассуждения, обычно называемого математической индукцией.
Этот метод заслуживает дальнейшего изучения 】).Небрежно проведенное рассуждение, основанное на математической индукции, может озадачить начинающего; оно даже может быть воспринято им как дьявольски хитроумный обман.
Вы, конечно, знаете, что дьявол опасен; дайте ему мизинец —— он утянет всю руку. Но ведь вторая лемма Паскаля в точности это и делает: допуская справедливость первой леммы, вы отдаете только один палец (случай 1), но далее вторая лемма отбирает у вас второй палец (случай /1=2), затем третий (п=3), потом четвертый и т. д. и, наконец, отбирает все ваши пальцы, даже если бы их оказалось у вас бесконечное множество.
§ 8. В поисках новых подходов
После проработки трех предыдущих параграфов в нашем распоряжении имеются три различных подхода к изучению составляющих треугольник Паскаля чисел, т. е. биномиальных коэффициентов.
1°. Геометрический подход. Биномиальный коэффициент можно рассматривать как число различных кратчайших зигзагообразных маршрутов между двумя определенными перекрестками в нашей сети улиц.
2°. Вычислительный подход. Биномиальные коэффициенты можно определить при помощи рекуррентной формулы и граничного условия.
3°. ^вная формула. Мы доказали ее методом Паскаля в § 7.
Само название составляющих треугольник Паскаля чисел напоминает нам о возможности еще одного подхода.
4°. Бином Ньютона. Для произвольного (или переменного) % и любого целого неотрицательного п справедливо тождество •
(1 + 尤)"=С? + С^х 十 С»? + ….+
(По поводу доказательства см. упр. 1.)
Существуют и другие интерпретации составляющих треугольник Паскаля чисел, которые играют важную роль во многих интересных вопросах и обладают целым рядом любопытных свойств. «Эта таблица чисел обладает целым рядом замечательных, восхитительных свойств,——писал Яков Бернулли 2).——Сейчас мы только показали,
См. КРЗ, Индукция и математическая индукция, стр. 92—98; МПР, стр. 134—147. [Ср. также И. С. С о м и н с к и й, Л. И. Головина, И. М. Я гл о м, О математической индукции, «Наука», 1967.— Прим, ред}
Jacob Bernoulli, Ars Conjectandi, Basle, 1713; см. ч. 2, гл. Ill, стр. 88,
что в ней скрыта сущность теории соединений (см. ниже, у пр. 23—28], но те, кто ближе знаком с геометрией, знают, что в ней таятся многие фундаментальные секреты и других разделов математики». Прошли годы II многие факты, бывшие скрытыми во времена Бернулли, сегодня ясно видимы. И все же читатель, желающий познакомиться с интересными и поучительными упражнениями, имеет здесь для этого превосходный случай: изучая числа треугольника Паскаля и анализируя полученные результаты в свете той или другой, или одновременно нескольких точек зрения, он получает отличную возможность открыть какой-нибудь новый факт.
Заметим, между прочим, что в первых четырех параграфах этой главы мы начали обсуждать новый вопрос (о сумме степеней первых п натуральных чисел). Кроме того, мы познакомились с двумя важными общими методами (рекурсией и методом математической индукции), которые — если, конечно, мы хотим в них как следует разобраться ——нам предстоит еще рассмотреть на ряде примеров. Итак, впереди у нас много перспектив.
§ 9. Наблюдайте, обобщайте, доказывайте и передоказывайте по-новому
Вернемся к нашему отправному пункту и рассмотрим его еще с одной точки зрения.
1°. Мн начали с магического слова (см. рис. 15а и 156) или, точнее, с задачи, касающейся этого слова. Что представляло собой неизвестнсде? — Число кратчайших зигзагообразных маршрутов на сети улиц от первого Л к последнему Л, т. е. от северного угла квадрата к его южному углу. Любой такой маршрут должен пересекать в какой-то точке горизонтальную диагональ квадрата. Всего таких возможных точек пересечения (перекрестков, точек А) на горизонтальной диагонали имеется шесть. Поэтому можно, например, сказать, что в нашей задаче существуют шесть различных видов зигзагообразных маршрутов; ну, а сколько имеется маршрутов каждого вида в отдельности? Здесь перед нами уже новая задача.
Будем конкретны. Возьмем на нашей горизонтальной диагонали какой-то определенный перекресток, например третий слева (в обозначениях из § 6: /=3, /*=2, 〃 = 5). Зигзагообразный маршрут, проходящий через выбранную нами точку, состоит из двух участков: верхнего, начинающегося в северном углу квадрата и заканчивающегося в рассматриваемой точке, и нижнего, начинающегося в рассматриваемой точке и заканчивающегося в южном углу (см. рис. 156). Как мы это ранее установили (см. рис. 166), число различных возможных верхних участков равно
&=10.
Число различных возможных нижних участков точно такое же. Для того чтобы составить целиком весь маршрут, можно присоединять любой верхний участок к любому нижнему (как это подсказывает нам рис. 17 (///)). Следовательно, число таких маршрутов равно
0)2=100.
Ясно, что число зигзагообразных маршрутов, пересекающих горизонтальную диагональ в любой другой точке, можно подсчитать
Рис. 17. Схемы — указания.Рис. 17. Схемы — указания.
Рис. 17. Схемы — указания.
Рис. 17. Схемы — указания.
аналогичным образом. Отсюда мы находим новое решение нашей первоначальной задачи: магическое слово на рис. 15а можно прочесть точно
1+25+100+100+25+1
различными путями. Этот результат должен находиться в согласирг с тем, который мы получили в конце § 5; и действительно, наша сумма равна 252.
2°. Обобщение. Сторона квадрата, изображенного на рис. 156, состоит из пяти кварталов. Обобщая (т. е. заменяя 5 на 几),находим, что
(а尸 + (а尸 + (С泞 + .…+ (c^ - eК.
«Сумма квадратов чисел, расположенных на гг-м основании треугольника Паскаля, равна числу, стоящему в середине 2п-го основания». По существу, наше рассуждение в п. 1° доказывает это общее утверждение. Правда, мы рассматривали там только частный случай /? = 5 (и даже перекресток на пятом основании мы выбрали вполне определенным образом), но никаких особых выгод такой специальный выбор числа п не давал. Поэтому наше рассуждение справедливо и в общем случае. Читателю будет полезно в виде упражнения повторить все наши утверждения, уделяя особое вни- ^гание их общности —— для этого ему только придется вместо 5 говорить п 1).
3". Еще один подход. Все же наш результат несколько неожидан. Л1ы могли бы в нем лучше разобраться, если бы сумели подойти к нему еще с какой-нибудь стороны.
Перебирая различные подходы, перечисленные в § 8, мы можем попытаться связать наш результат с формулой бинома. И, действительно, такая связь существует:
(1 +%)2'2= ... + С^пх11 + 一 . у=(1 +х严(1 +工产-
х [2；+一.+2m” +品m一十0兵叽
Сосредоточим свое внимание на коэффициенте при х'1 Этот коэффициент, стоящий в правой части первой строки, совпадает с правой частью обобщенной формулы, встретившейся нам в п. 2，для которой мы ищем другое доказательство. Обратимся теперь к произведению двух сомножителей, которые представлены в развернутом виде в двух последних строчках; записывая их, мы использовали свойство симметрии биномиальных коэффициентов:
В этом произведении коэффициент при хп, очевидно, равен левой части формулы из п. 2* которую мы собираемся доказать. Собственно же доказательство заключается в следующем: поскольку мы имеем дело с тождеством относительно х, коэффициенты при хп в обеих частях тождества должны быть одинаковы.
1) Мы имеем здесь частный случай-представитель} см. МПР, стр. 44, пример 10.
Упражнения и дополнительные замечания к главе 3
Раздел 1
Включенные сюда упражнения и дополнительные замечания касаются содержания первых четырех параграфов.
Докажите формулу би нома, выписанную в п. 4° § 8 (мы ее применяли в § 4).
(Воспользуйтесь методом математической индукции. Какой из трех подходов, упомянутых в п. 4° § 8, более всего подходит для этой цели?)
Частный случай эквивалентен общему случаю. Тождество, выписанное в п. 4° ■§ 8 и доказанное в у пр. 1, является частным случаем тождества более общего вида
Покажите, что и, обратно, тождество общего вида может быть получено из этого частного случая 】)•
В первых трех параграфах настоящей главы мы вычисляли сумму S色 (определенную в § 3) для h=l, 2, 3; случай 月=0 тривиален. Сравнивая пол>-чен- ные выражения, мы могли бы прийти к следующей общей теореме: сумма Sk является многочленом (々ТТ)М степени от 他 старший коэффициент которого Разе” 畐•
Эта теорема, утверждающая, что
(здесь точки обозначают члены, степень которых меньше, чем п), сыграла важную
роль в истории интегрального исчисления.
Докажите ее; воспользуйтесь методом математической индукции х).
деле, дляделе, дляМы можем догадаться, каким должно быть выражение для суммы найдя численно отношение -^- для нескольких небольших значений л. В самом
деле, для
деле, для
/z=l,2,3,4,5,
1 1L 7 %飽
Перейдем к более единообразной записи:
517 35 59 89
НЕУ
Она показывает, что числители этих дробей близки к числам, кратным шестерке; действительно, наши числители можно представить в виде
6-1 — 1, 6-3—1, 6-6—1, 6-10—1, 6-15—1.
Полная эквивалентность частного и общего случаев может смутить философа или начинающего математика, но на самом деле в математике это обычное явление; см. МПР, стр. 42, упр. 3 и 4.
*) Аналогично решению упр. 3 можно доказать, что второй коэффициент многочлена Sfe (коэффициент при /г皮)вообще не зависит от 抬 докажите это. Чему равен этот коэффициент?
Последовательность чисел
3, 6, 10, 15 должна быть вам знакома.
Как только вам удастся построить выражение для S」，докажите его методом математической индукции независимо от § 4 )
Вычислите S4, независимо от упр. 4. методом, указанным в § 4.
Покажите, что
居=2S[—So. n^BS^SS^S^
.娥口4s3—6S±+4S[—S()
и вообще что
公=0泸々-1-e衿l2 +0衿”3—…十(一1产T0so.
(Эта формула хотя и родственна основной формуле из § 4, но все же от нее отличается.)
Покажите, что
Si=S[, 2(S】)2 = 2S3， 4(Si)3=3S5+Sb， 8(S])『4sH4s3
и вообще что при k—1, 2, 3,. 一
2々一1(S丿=0"2自 -1 +0»2~3+0衿2”5+ …，
причем последний член стоящего справа выражения равен либо S岳 либо kSk + 1, в зависимости от того, нечетно k или четно.
(Эта формула аналогична формуле из упр. 6, поскольку мы могли там писать (Sq)* вместо nk.)
Покажите, что
3s2=3S?,6S.2S1r^5S4-r 52,12s.2&)2=7S6-5S,,24S2(S1)3 = 9S8+14St5+54
и вообще что при fe~l, 2, 3,...
3.2为-55尸』(我+ 2")5”+(线+ 2或"2"2+…，
причем последний член стоящего справа выражения равен либо (在+2)5^ + » либо S在，в зависимости от того, нечетно k или четно.
Покажите, что
S§ = (S1)2, 邑=5户头
&二(&)2.如込手土1
Очень похожий, но более простой случай подробно обсуждается в МПР на стр. 134—136.
и вообще, чтоб*-】 (где 2А—1 >3) является многочленом от Si = ? !^h!) степени k, делящимся на (S])Z (Это обобщает результат § 3.)■
Покажите, что
S —S 6sLi
128 尸一6S1+1
"一327，
—40(S])3 —40(S])2 + 18sL—3
4
и вообще, что -^ является многочленом степени k—1 от S^. (Это обобщает ре
зультат, полученный нами при решении примера, рассмотренного в упр. 4.)
Спасение затонувшего судна. Судно затонуло — возможно, что на его борту имеются какие-то ценности, оправдывающие затраты по подъему судна. Ваш план потерпел неудачу — возможно, в нем заключена идея, заслуживающая того, чтобы мы попытались ее спасти.
В § 2 наш первоначальный план вычисления S? (в обозначениях § 3) позорно провалился: процедура, подходившая для S^ оказалась совершенно непригодной для вычисления S2. В чем же заключается ее недостаток? Возможгю, что мы прнменнли нашу процедуру слишком прямолинейно? А что если использовать ее более гибким образом? Несколько модифицировать ее? Или применить в каком-то другом случае?
Подобные рассуждения могут стать источником различных попыток, и поэтому совершенно естественно испытать нашу процедуру на «общей» сумме S炉 Что самое существенное в этой процедуре? Объединение двух членов, равгюуда- ленных от концов: некоторый член суммы на столько же удален от одного конца, как соответствующий ему член — от другого конца. Таковы, например, в 5々 члены /й и (п——/产 Если ничего не вышло с их сложением, попробуем, не лучше ли получится с вычитанием ——возможно, после нескольких проб нам удастся додуматься до связанной с 少 комбинации вида
(п — jp _у = nh _ 0仆 一 Т 十 С%п* -乎一+(—1 产 т嘰т 九产 У
Выпишем поеледовательно эту формулу для j=0, 1, 2, . . ., п—1, /г:
?? —(-1产0々=小，
(n—\)k — (~\)k\k^nk — C\nk-^-\+Clnk-^A2—...
…十(—1户一1哪-1几・俨T,
十(-1户-10£-5.2月Т,
2 —(一 1产5—1户=公一奥小-1.-1)+代公-2(九一1)2- … +(一1)1 看1九(I)
0月—(—\^n^ = n^ _ e护用-1九+気必-2九2—…
…+(—1 尸 q-izm^T.
Складывая, получаем в обозначениях § 3 (но записывая So вместо S()+l):
S用口一(一呼]=公5； —"#TSi + //?TJ一...+(一母-1趣7收片卜
Исследуйте последний результат для 依=1, 2, 3, а затем попытайтесь оценить его в общем случае.
Введем обозначение
m + 2e + 3"+一.+，/=5厶(n),
которое более полно (или в большей степени) характеризует сумму слева, чем обозначение, введенное в § 3; здесь k — целое неотрицательное число, а п —— целое положительное число.
Расширим теперь область значений п (не изменяя при этом области значений k) и предположим, что S^(k) есть многочлен от % степени /г+1, при %=1,2, 3, . . . совпадающий с S丸(п); например,
Докажите, что при 归(но не при 归=0)
^k (—汇一 1) = ( — 1)^~1S^ (%).
Найдите сумму первых п нечетных чисел 1+3+5+..・+(2几——1). (Ие- пользуйте все известные вам подходы.)
Найдите сумму: 1 丄9+2匕+ . . .+ (2п —I)2.
Найдите сумму: 1十27+125十..(2/г—1产.
(Продолжение.) Обобщите предыдущую задачу.
Найдите сумму: 22Н-52+824*. • •+ (Зп—1)工
(Продолжение,) Обобщите предыдущую задачу.
Найдите простое выражение для суммы
1-2+(1+2).3+(1+2+3)-4+. . .+ [1+24-. . .+ 5—1)]儿
(Конечно, при этом вам придется реализовать накопленные ранее знания. Что сулит лучшие перспективы: применение отдельных известных вам результатов или использование известных методов?)
Рассмотрите "•(%~— разностей
2—1,
3—1, 3—2,'
4-1, 4—2, 4—3,
/2—1, /2—2, /2—3, . . ., /2—(/2—1)
и вычислите: а) их сумму; б) их произведение; в) сумму их квадратов.
Допустим, что числа Еъ Е2, Е3, . . . определяются тождеством
屮一Еххп~1-\~Е^п~2 —. . . + (~\)пЕп = (х一 1)(% — 2)(% —3). . . (х —n).
Покажите, что
_/2(/2+1)
_(几一1)+1)图+2)
(/1 — 2) (n—1)/22 5+1)2
48，
e4 =e4 =(几一3)(几一2) S—1)/г m+ 1)(15/13+15紋一10/2 — 8)
e4 =
e4 =
5760
и что вообще Е卜(которое лучше было бы обозначать через Е^ ⑺、поскольку оно зависит и от п) является многочленом от п степени 22
[Здесь может принести большую пользу знакомство с одной теоремой из высшей алгебры:上女 представляет собой так называемый k-u элементарный симметрический многочлен от первых п целых чисел, сумму 归-х степеней которых мы обозначили через S^^S^ (п). Проверьте, что Ek (k)=kl.]
Два вида математической индукции. Типичное математическое предложение А, которое может быть доказано методом математической индукции, состоит из бесчисленного множества частных случаев 4,人，Л3, . . ,Л„, . . .; по существу, Д эквивалентно утверждению об одновременной справедливости всех ,4], 4?, 4з，... Так, например, если Л — теорема о биноме Ньютона, то Ап утверждает, что справедливо тождество
(1+尤产=С卄Су-!-。#十...+ С*7
(см. упр. 1); действительно, теорема о биноме утверждает, что последнее тождество имеет место при любом 1. 2, 3,...
Рассмотрим три утверждения относительно последовательности предложений:
& верно;*
Па) 4也 + 1 следует из Ап\
Пб) Ап + 1 следует из всей совокупности предложений Аъ Аъ Л3, . . ., А
Дальше можно следовать двумя различными путями,
Заключение о том, что Л справедливо в общем случае, т. е. при п= 1, 2, 3, . . ., можно вывести из утверждений I) и Па); к такому выводу мы, следуя Паскалю, пришли в § 7.
Это же заключение можно вывести из утверждений I) и IIб); так мы поступали при решении задачи, рассмотренной в упр. 3.
У вас может создаться впечатление, что случаи а) и б) отличаются скорее по форме, чем по содержанию. Не смогли бы вы облечь свои ощущения в конкретную форму и аргументировать их отчетливо?
Раздел 2
Десять мальчиков ——Боб, Рикки, Алф, Карл, Арт, Дик, Алекс, Билл, Рой и Аллен — отправились вместе в поход. Вечером они разделились на две бригады по пяти человек в каждой, одна из которых стала натягивать палатку, а другая — варить ужин. Сколькими способами можно произвести такое разделение на две бригады? (Не может ли здесь помочь магическое слово?)
Покажите, что из множества, состоящего из п предметов, можно выделить Сп подмножеств, состоящих из г предметов. |В более традиционноп терминологии: число сочетаний из п элементов по 厂 равно С^.]
На плоскости дано п точек, находящихся «в общем положении», т. е. расположенных так, что никакие три из них не принадлежат одной прямой. Сколько можно провести прямых, соединяя попарно заданные точки? Сколько можно построить треугольников с вершинами в заданных точках''
(Продолжение.) Сформулируйте и решите аналогичную стереометрическую задачу.
Найдите число диагоналей выпуклого п-угольника.
Найдите число точек пересечения диагоналей выпуклого п-угольника. При этом учитывайте только внутренние точки пересечения и исходите из предположения, что никакие три диагонали не пересекаются в одной точке (л-уголь- ник «общего вида»).
Дан шестигранник. (Мы можем считать его неправильным, например таким, что никакие его две грани не равны друг другу.) Грани требуется раскрасить: одну — в красный, две ——в синий и три ——в коричневый цвет. Сколькими способами это можно сделать?
Дан многогранник, имеющий п граней. (Мы можем считать его неправильным, например таким, что никакие две его грани не одинаковы.) Грани требуется раскрасить: г ——в красный цвет, s— в синий и / ——в зеленый; при этом предполагается, что 厂亠-sTJ==〃. Сколькими способами зт。 можно сделать?
(Продолжение.) Обобщите предыдущую задачу.
Раздел 3
При решении той или apyroii из нижеследующих задач читатель может применять различные подходы или остановить свой выбор только на одном из них. (См. § 8; связь биномиальных коэффициентов с теорией соединений, встретившаяся нам в упр. 24, дает еще один подход.) Важность подхода к одной и той же задаче с различных сторон подчеркивалась Лейбницем. Вот свободны!! перевод одного из его замечаний: «Сравнивая друг с другом два различных выражения, содержащих одно и то же количество, вы можете найти неизвестное; сравнивая друг с другом два различных вывода одного и того же результата, вы можете открыть новый метод.»
Докажите — и притом наибольшим числом способов, которые вам удастся отыскать,——что
Рассмотрите сумму чисел, лежащих в основаниях треугольника Паскаля
1=1,
14-1=2,
1丄2丄1Н4,
1;3」-3+1 = &
Полученные результаты наводят на мысль о некой общей теореме. Не можете ли вы догадаться о какой? Может быть, отгадав теорем у, вам удастся ее доказать? После того как вы ее докажете, не сможете ли вы придумать для той же теоремы еще и иру「()е доказательство?
Заметьте, что
— 1=0,
1—2十 1=0,
1一3十 3一1 м0,
1—4十 6—4 + 1 = 0;
обобщите этот результат; докажите его; докажите его другим способом.
Рассмотрите сумму первых шести чисел, расположенных вд(хть третьего проспекта треугольника Паскаля:
1-4 ^10-^204 354- 56=126.
Отыщите, где эта сумма (число 126) расположена в треугольнике Паскаля; попытайтесь обнаружить аналогичные факты; обобщите; докажите; докажите другим способом.
Сложите 36 чисел, представлениых на рис. 166; попробуйте отыскать эту сумму на треугольнике Паскаля, сформулируйте общую теорему и докажите ее. (Сложение такого большого количества чисел — утомительная работа, по если выполнять ее разумным способом, то нетрудно напасть на ценную идею.)
Попытайтесь отыскать в треугольнике Паскаля числа, участвующие в следующем соотношении:
1 -1+5 4+10-6+10-4+5-1^126.
Отыщите аналогичные соотношения (или припомните их); обобщите; докажите; докажите другим способом.
Попытайтесь отыскать в треугольнике Паскаля числа, участвующие в следующем соотношении:
6/+5。3+4。6+3.1叶2。15十1・21=126.
Отыщите другие аналогичные соотношения (или припомните их); обобщите; докажите; докажите другим способом.
На рис. 18а изображены четыре фигуры из бесконечной последовательности аналогичных фигур, каждая из которых представляет собой совокупность равных кругов, составленных в виде равностороннего треугольника. Любой круг,
Рис. 18а. Первые четыре треугольных числа.
не лежащий на краю фигуры, касается шести соседних. Фигуре, каждая из сторон которой образована п кругами, мы припишем номер 几；общее число всех кругов, образующих фигуру с номером п. мы назовем w-м треугольным числом. Выразите п-е треугольное число через п и установите его местонахождение в треугольнике Паскаля.
Замените каждый из кругов (монет) рис. 18а шаром (тенинсным мячом), «экватор» которого ограничивает этот круг. Закрепите на горизонгальноп плоскости 10 шаров, расположенных как это показано па рис. 18а, и уложите сверху
Рис. 186. Четвертое квадратное число.
шесть шаров (они аккуратно разместятся в ямках) — это будет второй слой; на них уложите еще три шара — это будет третий слон; и, наконец, на самом верху поместите последний шар. Такая пространственная конфигурация из 1+3+6+10=20
шаров находится в таком же соотношении с (правильным) тетраэдром (треугольной пирамидой), в каком каждая из изображенных на рис. 18a совокупностей кругов находится с некоторым равносторонним треугольником; мы назовем число 20 четвертым пирамидальным числом. Выразите /г-е пирамидальное число через 几 и установите его местонахождение в треугольнике Паскаля.
Пирамиду из теннисных мячей можно составить и другим способом. Начните со слоя в 几之 мячей, расположенных в виде квадрата, как это показано
на рис. 186; на него уложите второй слой из (〃一I)2 мячей, затем третий слой из (〃——2)3 мячей и т. д. и, наконец, на самом верху ——последний мяч. Сколько всего мячей содержится в такой пирамиде?
Сколькими способами целое положительное число п можно представить в виде суммы целых положительных mhccj? Сколькими способами можно представить п в виде суммы некоторого специально выбранного числа / целых чисел (предполагается, что все они положительны)? При этом две суммы, отличающиеся только порядком слагаемых, мы будем считать раз л п ч п ы м и.
11зучеиие подобной задачи естественно начать с частных случаев и с попыток систематизации накопленного опытного материала. Вот суммы, отвечающие случаям п—4 и 几=5:
4 1十3 2-!-1-1-1 1+1+1”
2-1-2 14-2-М
3 ；-1 Н-М2
5 Н 4 :卄 1十1 2Н-1М+1 ЦЧ+1+Н1
2+3 1*3+1 1 i-2-b
3+2 1十卄3 1+1 + 2〕1
44-1 14 24-2 1 + 1+1+2
2-1-14 2
2-； 2 十 1
Подметили ли вы здесь общин закон? Докажите свою догадку. Может ли вам помочь какая-нибудь геометрическая фигура?
Рис. 19а. Истолкование чисел Фибоначчи с помощью наклонных линий.
Числа Фибоначчи. Складывая числа, соединенные на рис. 19а накленртыми линиями, получаем последовательность чисел Фибоначчи:
1, 1, 2, 3. 5 8, 13, 21,...
Обозначим через Fn 几-仃 член этой последовательности, т. е. п-е число Фибоначчи; так, например, 1, F2= 1, . .F8=21.
1°. Выразите Fn через биномиальные коэффициенты.
-2°. Докажите, что при 〃=3, 4, 5,...
(Продолжение.) Последовательность чисел
1, 1, 1, 2, 3. 4. 6. 9, 13,...
порождена аналогично числам Фибоначчи (ср. рис. 196 с рис. 19а). Обозначим п~\\ член аг■(亩 последовательности через G〃.
1，Выразите G〃 через биномиальные коэффициенты.
2； Докажите, что при 〃 = 4, 5, б,...
3°. Обобщите полх1 ценный результат.
Рис. 196. Увеличьте наклон!
Покажите, что произведение
г^ I，СГ~ Сз г 々
можно интерпретировать как число зигзагообразных маршрутов из некоторой совокупности маршрутов в сети у“ни.
Все кратчайшие зигзагообразные маршруты, начинающиеся в вершине треугольника Паскаля и закапчиваюш,иеся в точке, характеризуемой числами п (общее число кварталов) и 厂(число кварталов, расположенных справа и ведущих вниз), заведом。 имею г общую точку с осью симметрии треугольника Паскаля (соединяющей верхнее 4 с нижним; см. рис. 156), а именно их общую начальную точку, т. е. вершину треугольника Паскаля. Рассмотрите в множестве этих маршрутов подмножество таких маршрутов, которые не имеют с осью симметрии никаких других общих точек, кроме упомянутой вершины, и найдите их число N.
Чтобы лучше разобраться в содержании задачи, начните с простых частных случаев, например с
尸=0, % В (п четно),
Л7 = 1, 1, 0.
Решение. Достаточно рассмотреть случаи ,；в этом случае нижняя конечная точка всех наших зигзагообразных маршрутов лежит в правой
полуплокости, считая от оси симметрии. Всего таких маршрутов имеется С%; мы разобьем их множество на три непересекающихся подмножества:
искомое подмножество, определенное выше, число элементов которого, Л\ мы хотим найти; любой маршрут, не принадлежащий к этому подмножеству, пересекает ось симметрии, помимо точки А, еще в некоторой точке;
маршруты, начало которых проходит по кварталу, расположенному слева (ведущему вниз)； этот маршрут обязательно должен пересекать ось симметрии, так как он заканчивается в другой полуплоскости; число маршрутов этого подмножества, очевидно, равно С^—i；
Рис. 20а. Решающая идея.Рис. 20а. Решающая идея.Рис. 206. Модификация решающей идеи.Рис. 206. Модификация решающей идеи.
Рис. 20а. Решающая идея.
Рис. 20а. Решающая идея.
Рис. 206. Модификация решающей идеи.
Рис. 206. Модификация решающей идеи.
Маршруты, не принадлежащие ни к типу 1), ли к типу 2); они начинаются с квартала, расположенного справа и ведз^щего вниз, а затем достигают в какой-тс точке оси симметрии.
Покажите, что подмножество 2) содержит столько же маршрутов, сколько и подмножество 3) (на рис. 20а и 206 проиллюстрирована идея установления взаимно однозначного соответствия между этими подмножествами), и на основании этого выведите, что
П %
(Продолжение.) Число всех кратчайших зигзагообразных маршрутов от вершины до n-го основания, имеющих единственной общей точкой с осью симметрии эту вершину, равно С^т, если п~2т четно, н равно 2c吼，если n=2/n*l нечетно.
Триномиальные коэффициенты. На рис. 21 показан фрагмент бесконечной треугольной таблицы чисел, определенной двумя условиями:
. Граничное условие. Любая горизонтальная линия или «основание» (в § 6 этот термин уже употреблялся в аналогичном смысле) начинается цифрами 0, 1 и заканчивается цифрами 1, 0 (п-е основание содержит 2冷+3 чисел и, таким образом, в нем остаются неизвестными 2几——1 чисел;冷=1, 2,..,).
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
2
3
2
1
0
0
1
3
6
7
6
3
1 0
0 1
4
10
16
19
16
10
4 1 0
1 5
15
30
45
51
45
30
15 5 1
Рис. 21. Триномиальные коэффициенты.
。 Рекуррентная формула. Любсе число из (nJr 1)-го основания, за исключением упомянутых в п. Г крайних пар чисел, можно вычислить, составляя сумму трех чисел 〃-п) основания, а именно, северо-западного, северного и северо-восточного соседей рассматриваемого числа (например, 45—10-(-16-[- 19).
Вычислите числа седьмого основания. (Все эти числа, за исключением трех, делятся на 7.)
(Продолжение.) Покажите, что числа п-го основания, начинающиеся и заканчивающиеся единицей, являются коэффициен гами разложения /г-й степени тринома (1一-尤-卜*2)/2 по степеням х. (Этим и объясняется название «триномиальные коэффициенты».)
(Продолжение.) Объясните симметрию рис. 21 относительно средней вертикали.
(Продолжение.) Заметьте, что
1+Н-1= з；
1+2+3+2 十 1= 9;
1 + 3一卜6 + 7十6+3+1 = 27;
обобщите этот факт и докажите его.
(Продолжение.) Заметьте, что
1 — 141-1;
1—2+3—2 J,-l =1；
1—3-i- 6—7+6—3+1=1;
обобщите этот факт и докажите его.
(Продолжение.) Заметьте, что величина суммы
12 十 2廿 32 十 2—2=19
представляет собой триномиальный коэффициент; обобщите этот факт и докажите его.
(Продолжение.) Найдите на рис. 21 линии, соответствующие линиям на треугольнике Паскаля.
Гармонический треугольник Лейбница. На рис. 22 показан фрагмент этой малоизвестной, но примечательной конфигурации чисел. Некоторые его свойства «аналогичны в смысле противоположности» свойствам треугольника
Паскаля. Так мы имеем дело с целыми числами, здесь (как это непосредственно видно) •——с обратными им величинами. В треугольнике Паскаля каждое число является суммой своего северо-западного и северо-восточного соседей; в треугольнике же Лейбница каждое число есть сумма своего юго-западного и юговосточного соседей; например,
Это и есть рекуррентнаяЭто и есть рекуррентнаяформула треугольника Лейбница.формула треугольника Лейбница.
Это и есть рекуррентная
Это и есть рекуррентная
формула треугольника Лейбница.
формула треугольника Лейбница.
二 ， Z 7
75 I 20
Z 夕[30 [ 6Q 7 ~S0
Рис. 22. Фрагмент гармонического тре-угольника Лайбница.
Для этого треугольника можно также указать граничное условие: числа, расположенные вдоль северо-западной граничной линии («нулевой проспект»), обратны последовательным натуральным числам. [Граничное условие треугольника Паскаля имеет несколько иной характер: там все числа, расположенные как вдоль северо-западной («нулевой проспект»), так и вдоль северо-восточной границы («нулевая улица»), равны единице.] В случае треугольника Паскаля мы можем, отправляясь от чисел, расположенных на границе, вычислить все остальные его числа, применяя операцию сложения; в случае же треугольника Лейбница для этого нужно применять вычитание. На рис. 22 оставлены свободные места, которые легко заполнить, обращаясь к рекуррентной формуле; так, например,
J丄
и
7~Т = "56 *
Применяя граничное условие и рекуррентную формулу, доведите таблицу, изображенную на рис. 22, до восьмого основания включительно.
Паскаль 〃 Лейбниц. Постарайтесь обнаружить связь между соответствующими числами треугольников Паскаля и Лейбница, а затем докажите обнаруженное свойство.
57. Докажите 】)，что
丄_丄丄LL丄上丄丄
丁 =可+ б-^ЛУ^ 20 + W
1 _ 111匸丄
(Установите для этого местоположение рассматриваемых чисел в гармоническом треугольнике.)
^58. Найдите cvmmv
‘‘丄丄丄I
]2 十 30 r 60 ■ 105
и обобщите полученный результат. (Известна ли вам какая-нибудь аналогичная задача?)
59. Найдите суммы рядов
],丄丄丄丄丄丄
L2 2-3' 4・5 '
1-2-3 1 2.3.4十3.4.5 , 4-5-6
Раздел 4
Некоторые из упражнений этой части связаны с у пр. 66, а некоторые — с у пр. 76.
*60. Степенные ряды. Десятичная дробь 3,14159..., выражающая число я — это, по существу, «бесконечный ряд»
Подставляя вместо у^ переменное 尤，а вместо последовательности цифр 3, 1, 4, 1, 5, 9, . . • произвольные постоянные коэффициенты
〃0，〃1，〃2，й3' °』，々5, мы получим степенной ряд
。0十%X十&x2%43炉+ . (1)
Здесь мы не можем остановиться на вопросе сходимости степенных рядов и на других важных вопросах, связанных с этим; поэтому мы ограничимся только формальными операциями над такими рядами (сгч. сноску к упр. 57). В результате
УПРАЖНЕНИЯ И ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ К ГЛАВЕ 3 Ц9 умножения заданного степенного ряда на постоянную с получаем ряд
Складывая ряд (1) с др)тим рядом
Ь^-Ь^х — Ь.^-^гЬ^х3—-. . . ,(2)
н('Л5 чаем ряд
(。"一力0)十(死丄&)不一(a2'九)炉一(03丄力3)炉十»
а перемножая ряды (1) и (2), получаем ряд
Два степенных ряда (1) и (2) р а в н ы то匚【а и только тогда, когда
^гсловимся рассматривать многочлен как степенной ряд, бесконечное множество коэффициентов которого (но существу, пичги все, за исключением конечного их числа) обращаются в нуль. Так, например, многочлен Зх——х3 можно рассматривать как qacTHbiii случай степенного ряда (1), в котором
(7()^0, 2]=一3，«2—0, а：?二一1 и о〃二=0 при 〃^4,
Проверьте самостоятельно, что приведенные выше правила операций над рядами справедливы и для многочленов.
61. Вычислите произведение
(1—X)(1 丁工+汇2十..•+%/1+・..).
62. Найдите коэффициент при хп в произведении
(1〃)-01心:一02炉丁，. .一 ClnXn-'-.- . . .) (1」-X-「炉%...~Xn~-...).
曰63. Ряд, фигурирующий в упр. 61, может навести на мысль о рассмотрении рядов
14~ х十炉-!~ W Т； • •,
1+2±-；-3支3 十 4%'+..., 1十3%-卜6代 +10x3十..., 1十4片厂10м十20娟丄. •.
Известна ли вам сумма какого-нибудь из этих ря」ов? Не сможете ли вы найти суммы остальных?
v64. Дайте другое доказательство результата уир. 38.
х65. Рассмотрите таблицу
>1=1,
1 -3—2-2+3-1=2,
*5—2 *4；i3 *3—4 ・2丁5 • 1=3,
.1-7—2 ，6丁3 -5-4 ・4+ 5 -3—6 ・2-7」=4.
Угадайте на основании этих примеров общин закон, выразите его в подходящих математических символах, а затем докажите его.
：-,66. Биномиальная формула для дробных и отрицательных показателей. В письме от 24 октября 1676 г., адресованном секретарю Королевского общества *), Ньютон описал, как ему удалось открыть формулу бинома (для общего случая); он написал это письмо в ответ на запрос Лейбница о его (Ньютона) методе доказательства 1). Ньютон рассматривал площади определенных криволинейных
*) Английская Академия наук.—— Прим, перев.
трапе цип; оп находился под сильным впечатлением идеи Валлиса, касающих
ся вопросов интерполяции, и, в котц? концов, пршие/i к предпо ложонию, что разложение
справедливо 〃е только 9/* целых положительных значений показателя а, но также для дробных " отрицательных, т.匕，по существу, для всех числовых значений показапд” a U.
Ньютон не привел формальных доказательств своего предположения; скорее всего, он оппрался на примеры и апалоглю, Мы мог/п: бы сказать, что он нс- следовал этот вопрос как физик, «экспериментально» и «индуктивно». Чтобы лучше разобраться в его точке зрения, попробуем восстановить некоторые из шагов, убедивших его в правильности сделанного предположения которое мы будем для краткости называть ^предположеннем Н.〉〉.
Если。——целое неотрицательное число, то коэффициент при ,9 + 1 в право/i части рассматриваемого ряда обрагцается в пуль, а вместе с ним к все последующие коэффициенты (благодаря присутствию сомножителя нуль в числителе), т. е. ряд обрывается. Если ?ке а принимает значения, не принадлежавшие последовательности 0, 1, 2, 3, . . то ряд. не обрываясь, продолжается неограниченно.
Так, например, при а — нзуиасмы讣 ряд принимает вид
1 \1 \1 /1 /332222221-21-21-2-31-2-33一 + -[53一 + -[55炉1285炉128
1 \
1 \
1 /
1 /
3
3
2
2
2
2
2
2
1-2
1-2
1-2-3
1-2-3
3一 + -[5
3一 + -[5
5炉128
5炉128
Ньютон, по-видимому, не б ыл обеспокоен тем, что не обращающихся в нуль членов здесь бесконечно много. Он хорошо знал о существовании аналогии (к。- тирах упоминается им в другом месте) между степенными рядами и десятичными дробями (см. упр. 60). И там одни десятичные дроби обрываются (как, например. 1/ 2 ил и 3/5), тогда как другие продолжаются неограниченно (как, скажем, 1/3 ил и 7/11).
Но пгпшеп ли ряд, отвечающий выражению (卜十汇)'/" Чтобы ответить на этот вопрос, 1-1ьютон умножает ряд сам на себя: если ряд равен (1 十х)，？，то в результате д 。 л ж н о получиться:
(1 十 х)&(1 Г)%=1+х.
Что6ь【проверить это, вычислите коэффициенты при х, л-, г? и х4 в произведении рядов (упр. 60).
<67. Вычислите коэффициенты при х, х{ <з н х‘ в выражении для квадрата ряда'
х 5л- Юх4 ，
являкжегося, согласно предположению Н., разложением бинома (1 丄х)'". Результат до；1жеп совпасть с разложением (написанным в соответствии с предположением Н.) для бинома (Ц-х)^\ Проверьте это!
也68. (Продолжение.) Вычислите коэффициенты при х, а'2, л3 и л-4 в выражении для куба рассматриваемого ряда. Догадайтесь, каким должен быть результат, и проверьте свое предположение.
«69. В соответствии с предположением Н. разложите в ряд (14~1. Прокомментируйте полученный результат.
70. Расширение области определения символа С/. В § 6 мы определили символ Сп для неотрицательных целых чисел п и 几 удовлетворяющих неравенству 广三儿 Расширим теперь область определения п (но не 厂；ср. упр. 12), пола гая, что
где r— 1, 2, 3, а А：——произвольное число. Из этого определения следует, что：
Сх является многочленом от х степени г, где 尸=0, 1, 2, 3,..
с； = (—1)。…；
если п и г — целые неотрицательные числа и г>п, то С隆二0；
предположение Н. можно записать так:
(1 + %)a=c^丁煜尢一片%2一卜…十g廿-卜.…
Свойства (I), (III) и (IV) очевидны; докажите (II).
1. Докажите, что если х и 几一целые положительные числа, то выражение
炉“2— 1)(#2 - 4)..」炉—(几—1产j
(2几一1)!几
также представляет собой целое число.
72. Обобщите упр. 69, проверив, что все результаты упр. 63 согласуются с предположением Н.'
*73. Примените еще раз прием, которым мы уже пользовались трижды (в § 9, в упр. 37 и в упр. 64): допустив, что предположение Н. справедливо, вычислят^ двумя различными способами коэффициент при х「 в разложении
(1 十尤)а (1+х)8= (1+ 尢)ат к
«•74. Попытайтесь оценить результат, полученньп: в упр. 73: можно ли считать его доказанным? Доказанным частично? Имеются ли другие средства для его доказательства? Не смогли бы вы, считая этот результат данным, доказать предположение Н.? Или хотя бы какую-то его часть?
?：-75. Не кажутся ли вам знакомыми коэффициенты разложения-
(1—4х)-，л=1+2х+6^+20а：3-4-. • ■ ?
Запишите общий член этого разложения, используя знакомые вам символы (очевидно, нужно обратить внимание на то, что все к(?эффицпспты являютс^ целыми числами).
«■76. Метод неопределенных коэффициентов. Разло?ките в степенной ряд о т- ношение двух степенных рядов.
Нам нужно представить в виде степенного ряда отношение
b0+b1%十b2%2+ . ・ • +6屋%"T一 . • .
где коэффициенты。孙 ai，a2, и 6力力口 b2,...——заданные числа; при этом мы будем предполагать, что。()卢0. (Это допущение, не оговоренное в первоначальной краткой формулировке, существенно.)
Выпишед) искомый степенной ряд в явном виде:
- "（）丄"m十"戸2+...- "（）丄"m十"戸2+...
- "（）丄"m十"戸2+...
- "（）丄"m十"戸2+...
Коэффициенты &0, /,处〃沙.написаны здесь пока только формально — они еще не определены (отсюда н название метода, который мы собираемся применять). и мы только надеемся найти их впоследствии; именно в этом и состоит наша задача, в которой коэффициенты 〃()， 〃「 〃？， . . , являются неизвестными (теперь мы видим, что наша задача содержит бесконечнее множество неизвестиых).
Соотношение, связывающее 1 ри наших степенных ряда (из которых два заданы, а третий требуется пай гп) мы перепишем в виде
(。0十％上+&工2「...)(/«)-; 〃]Х…i//2-i-.，.)二力°」&Х~ %Х?十.《 .；
теперь ситуация предстает перед нами в более знакомим оевещешш (см. у пр. 60). Приравнивая в обеих частях равенства коэффициенты при одинаковых степенях х, мы получаем систему уравнена市
«№=乐
仰匕产年/1f,
ci^^} 0屮[丄 с//=b*
0紹紀卄Cl^lV'-偉MG/""匕匚一力，
Эту систему, имеющую рекуррентный характер, можно решить уже знакомым нам методом, а именно, методом рекурсии. Первое неизвестное мы находим из первого урапнения： вообще же, н^Вдс неизвестные "山 〃「. • ♦，&〃一2 и 〃〃一 1， МЬ] находим следующее за ними неизвестное 工小 из очередного, не использованного ранее, уравнения.
Выразите иб〃卜 и 〃з через(?» е，a^ “)，九，ь? Й
(Это решение может сослужить нам хорошую службу в качестве иллюстрации одного нсвого метода. Обратите внимание на сделанные нами типичные шаги:
введение непзвестаых, являюшихся коэффициентами степенного ряда;
составление системы уравнении путем сравнения коэффициентов при одинаковых степенях в обеих частях некоторого соонюшевия, связывающего степенные ряды;
вычисление неизвестных рекуррентным образом.
Эти шаги характеризуют метод, называемый «методом неопределенных коэффициентов». который применим к некоторым из наиболее примечательных систем уравнений, решаемых методом рекурсии.)
77. Рассмотрим произведение степеней
назовем
“？+ “/ + &舟+卩/，一卩加степенью этого произведения;
% 十а/ 一 сцстепенью его относительно совокупности а;
В/+ 6力степенью его относительно совокупности Ь;
»/十加/十内融丄?瓦，m%тегО весом.
Понятно, что эти определения сохраняют силу при любом числе букв а и b (а не только при трех буквах одного вида и двух буквах другого вида).
Исследуйте выражения для коэффициентов 〃。， tq, u2 н 〃力 полученные в упр. 76, и объясните замеченные вами закономерности.
*78, Разложите в степенной ряд отношение
Ь^ _卜 Ь [ X b.)х~... 一卜少雇工" +
1 +无+ 炉+...+ X" + ….
(Результат оказывается весьма простым,-——не можете ли вы его использовать?) 吿79. Раззюжите в степенной ряд отношение
(Результат оказывается простым,—— не можете ли вы его использовать?)
*80. Разложите в степенной ряд отношение
1у + иГ +而 + …+三^.：.(2 …1) + …
J 2十8力482・4・6..,2几，…
(Вычислите несколько членов и попытайтесь догадаться, каким должно быть выражение для общего члена.)'
丟31. Обретение степенного ряда. По данном}7 разложению функции в степенной ряд на!1дите разложение в степенной ряд обратной ей функции.
Иными словами: дано разложение для х по степеням у; требуется найти разложение у по степеням х. Болео гочно: допустим, что
汇="也+02次++0n少’+， 一 ； предполагая, что а^^. найдите разложение
g=〃1无+〃2炉+...十〃,咨"+ 一・
Воспользуемся приемом, употреблявшимся в упр. 76. В данное разложенне х по степеням у подставим вместо у его (искомое) выражение в виде степенного ряда %=q1("1%+ 我/'十卫3A一)+
+ &(我国叫一2"1儿/3十j+
+ «3(^i-v3+. . •)+
Приравнивая коэффициенты при одинаковых степенях х в обеих частях этого соотношения, мы получаем систему уравнений относительно неизвестных 〃], 他，辽3， ♦ ■ -
O^axu^-a.^ui,
0=a“，3+2仰〃1〃?十 QgfZ；,
Полученная этим путем система рекуррентна (хотя, к сожалению, и не линейна).
Выразите 汉「汉力 卫з，〃i и 貝§ через %, 口沙 а^ о4 и с5.
为82. Исследуйте степень и вес выражений, представляющих собой ответы к упр. 81.
«83. Дан。，что
尤=川一里+次+•.•+，+•・.；
разложите у по степеням х.
(Результат оказался простым,— не можете ли вы его использовать?) н84. Дано, что
4尤=25—3炉+包3一m4+. 一 ；
разложите у по степеням %. (Попытайтесь догадаться, каким должно быть выражение для общего члена, а затем истолковать его.)
*85. Ran。，что
разложите у но степеням х. (П(1лучен11Ь111 результат можно использовать для
выяснения некоторых:工craiicii общей сигуашш, рассмотренной в упр. 81.)
*86. Дапо, что”
разложите ， ио сте\ен;в! 5.
«-87, Дт^фср(-н1；ис1льныс уравнения. Разтожите по степеням л: ф^'нкцию у, удовлетворяющую 工 п ф ф с р с п ц н я л ь и о му у р а в н е н и ю
при начальном условии у二 1 при х - 0.
Придерживаясь метода, использованного в упр. 76, положим-
"二 : 〃3户；..., где коэффициенты 〃小 山，〃小...нам euie предстоит найти. Подставляя в наше дифференциальное уравнение это выражение для у, гюхуинм:
Сравнивая коэффициенты при одинаковых степенях 尤 в обеих частях этого равенства, получаем следующую систему уравнений;
-2〃产 2〃(&i，
4"1=2也阳厂12卫|"2,
Поскольку, в силу начального условия, '
то из этой системы можно рекуррентном образом найти 〃】，〃？，辽з・• • • Найдите численно а» а?, "з и
(Решение диффер eihi и а лъных уравнений методом неопределенных коэффициентов. проиллюстрированное на атом примере, имеет большое значение как для теории, так и для практики.)
•：т88. (Продолжение.) Покажите, ит() 〃〃> 1 при /7^3.
・89. Разложите но степеням х функцию у, удовлетворяющую дифференциальному уравнению
и начальным условиям
у=1,工£ = 0 при % = 0.
阴90. Найдите коэффициент при 炉”)в' разложении по степеням % функции (i_X)T (1 —尤5)T (1一炉0) -1 (1-%25)-1 (1一炉0)-1.
Вряд ли можно сомневаться, что для того, чтобы решить предложенную задачу, ее следует рассматривать как частный случай более общей задачи, а затем
искать пути и способы вычисления обп(его коэффициента (г. е. коэффициента при %") рассматриваемого разложения. Вероятно, было бы также целесообразно исследовать аналогичные, но более легкие задачи, вытекающие из только что предложенной. Некоторые размышления в этом направлении могут, в конце концов, подсказать следующий план: нужно ввести несколько степенных рядов с неопределенными коэффициентами. Мы записываем：
(1 — х)т =儿 4- ,4/丄 &炉 + 4炉丄 4rl+,
(1 --V)- 1 (1 -x。)-i = & 丄当十一B2x2 8；/3 丄…，
(1—X)—1(1—炉)丁 1(1—А〃о)—1 二, (l-x)T (1-л，3)一(1 —戸。)-1 (1 一炉3)-1 =00十
н, наконец,
(1—a-)"1 (1—龙3厂1 (1 —/0)- 1 (1—423广 1 (1—%30)-1 =
-—Et)-\-EiX~\-E2X~-^-. .Епхп-т~...
В принятых обозначениях задача сводится к пахождению £100.
Вместо нашего единственного первоначального неизвестного £100 мы ввели бесчисленное множество новых неизвестных; теперь нам трсб\гется отыскать ,4〃， В〃，С〃，Dn н Еп для /г—0, 1, 2, 3, ... Однако значения некоторых из этих неизвестных нам хорошо известны или очевидны:
当=Co = % = & Н 1 .
Больше того, введенные нанн неизвестные связаны между собой соотношением
Ло- ； Л (л 卜,4・№丄...=(В(} В^-,--В.л2 卜...)(1 —户)，
из которого. прн])аш【ннан коэффициенты при к", мы пол^^чаем. что
Найдите анало1ичные соогно:^ения и промежуточные зависимости, связывающие искомую величину Е^^ с ранее найденными величинами. В конце концов, вы по订yq“Te численное значение £ 100.
«■91. Найдите /?-ю производную 少陶 от функции ух~г In .г.
Непосредстиеш-юе диффер ei i циров а и и е с последующа®" алгебраическими преобразованиями дает ：■
у’ = -In %
y" = 2.「 3 1□尤-3% - 3,
—G%_& In X ]]%т；
исходя из этих (или из енц2 большего числа) примеров, мы можем предположить, что иско.мая /г-я производная имеет вид
45)=(一])〃 几!尤一fZ — l hl X-L( _ j)以 _1*/一，'2-1,
Iде с〃——целое число, зависящее от 九(по нс зависящее от х). Докажите это и выразите сп через 〃.
Найдите краткое выражение для суммы ряда
1十2X十3状十，•几
(Известна ли вам какая-нибудь родственная задача? Не можете ли вы использовать ее результат или же метод ее решения?)
Найдите краткое выражение для суммы ряда
1 + 4%+9炉十..一川々厂1.
(Известна ли вам какая-нибудь родственная задача? Нс можете ли вы использовать ее результат или метод ее решения?)
(Продолжение.) Обобщите полученным результат.
~95. Еще одно, в некоторых отношениях более простое, решение упр. 92, можно получить с помощью дифференциального исчисления. Найдите его.
Заметьте, что
1-14-2-1=з,
1-1+2 «24-3-1=8,
1・1+2・3+3・3+4・1=20.
1 -Ц-2-4+3-6+4-4^-5-1=48,
1 ・1+2•5+3，10+4・10+5，5+6」=112.
подходя-подходя-Угадайте на основании этих примеров общий закон; выразите его в
подходя-
подходя-
щих математических символах; докажите его. 97. Дано соотношение
а“+1 =а“+1 =”"〃+1+р'”"〃+1+р'
а“+1 =
а“+1 =
”"〃+1+р'
”"〃+1+р'
где n~ 1, 2, 3, ... и а#§; покажите, что
Найдите краткое выражение для суммы
Р , Pf 1 丄 £ р+ 1 р4~2, р_ р+ 1 Р 小2Р +九1
丁丁 qq 7+19十2.…丁 g 在]0+2… q + m一1
О числе л. Возьмем окружность единичного радиуса (г— 1); опишем около нее и впишем в нее правильные n-угольники; обозначим их периметры через Рп (для описанного) и рп (для вписанного п-^^гольника).
Введем сокращенные обозначения:
£^■=4(% b), ^=G(a, &), ^ = Н(а, &)
(для арифметического, геометрического и гармонического средних чисел а п b )).
Г. Найдите, Р$,卩箝 Р$，Pg-
2°. Покажите, что
Р?п=Н (Р® “， Pwn=G(Pm PG
(Таким образом, отправляясь от Р6, Рб, можно вычислить рекуррентным образом последовательность чисел
「6，Рб；尸 12，Р12；尸24，。24；Р」8，048；…
как угодно далеко и тем самым заключить л между двумя ограничивающими его возможную величину числами, разность которых произвольно мала ). Архимед, вычислнв первые десять членов этой последовательности, т. е. дойдя до правильных многоугольников с 96 сторонами, нашел, что 】)
п 10° 1
3 元 < зх < 3 —,
Другие задача. Придумайте задачи, подобные тем, которые встречаются в этой главе, и в то же время отличные от них — в первую очередь такие, которые вы сами могли бы решить.
§ 1. Интерполяция
Прежде чем окончательно сформулировать следующую нашу задачу, сделаем несколько предварительных замечаний,
1°. Предположим, что задано п различных значений абсциссы точки:
%1, %2, %3, ••♦, %几，
которым соответствуют п значений ординаты 弘， иначе можно сказать, что задано п различных точек плоскости (%，Pl),(x2, %), (/,%)，…，(无n，уn)-
Требуется найти функцию /(х), значения которой при данных значениях абсциссы х в точности равны соответствующим ординатам у:
/(%1)=协，f(上2)=y-2,/(%3)=у3,…，/(无几)=%.
Другими словами, нам нужно найти линию с уравнением y=f(x), проходящую через п данных точек (рис. 23а). Это и есть задача об интерполяции ). Попробуем понять, что кроется за этой'
задачей; такое исследование может?
повысить наш интерес к ней и увеличить тем самым шансы ее решения.
2°. Задача об интерполяции может возникнуть всякий раз, ~—
когда приходится рассматривать /*‘〃
величину у, зависящую ОТ другой Рис. 23а. Интерполяция, величины 尤.Например: пусть х — температура, а у —— длина однородного стержня (давление предполагается постоянным). Каждому значению % температуры соответствует определенная длина у стержня; именно это мы
подразумеваем, говоря, что у зависит от %, или что у есть ф у н к ц и я от х, или, наконец, записывая у= /(х). Физик, экспериментально исследующий зависимость у от х, подвергает стержень действию различных температур ■
%1, %2, %3, X”
и регистрирует соответствующие им значения
У、, Уз, • • > У
измеряя длину стержня при каждой из этих температур. Конечно, физика может заинтересовать также длина у и при каком-то значении 尤 температуры, которое не фигурировало в его опытах, т. е. он желал бы на основании проведенных им п наблюдений определить функцию y=f(x) не частично, а полностью, для всей области изменения независимого переменного х; тем самым он ставит задачу об интерполяции.
3°. Заметим «в скобках», что в действительности стоящая перед физиком задача более сложна. Значения хх, уг\ х2, у?; ...;尤九；ynt которыми он пользуется, не являются «точными» или «истинными» значениями измеряемых величин, они искажены влиянием неустранимых ошибок измерения. Поэтому даже не следует требовать, чтобы искомая линия проходила через данные точки; можно ограничиться требованием, чтобы она проходила достаточно близкой ним.
Заметим далее, что здесь приходится различать два случая: 1) когда не вошедшее в исследование значение х абсциссы (отвечающее которой значение ординаты стремится найти физик) лежит внутри интервала, образованного крайними значениями абсциссы, фигурирующими в его экспериментах (хх и 公；см. рис. 23а), и 2) когда это значение лежит вне указанного интервала; в первом случае обычно говорят об интерполяции, во втором — об экстраполяции *). (Вообще интерполяция считается более надежной, чем экстраполяция.) .
Оставим, однако, в стороне упомянутое различие, равно как и другие подробности, относящиеся к этому вопросу,— «закроем скобки» и вернемся к исходным положениям, изложенным в пп. 1° и 2°.
4°. Задача, поставленная в п. 1°, чрезвычайно расплывчата, поскольку существует неисчерпаемое множество разнообразных линий, проходящих через п данных точек. Найденные п значений у сами по себе еще не дают оснований предпочесть какую-то из этих линий всем остальным. Если физик решает остановиться на определенной кривой, то у него должны быть для этого какие-то
дополнительные основания, кроме результатов его п наблюдений. Какими же могут быть эти основания или мотивы?
Таким образом, мы видим, что задача об интерполяции порождает (и благодаря этому становится гораздо интереснее!) более общий вопрос: на чем должен быть основан, или чем может быть оправдан, переход от данных наблюдения и подразумеваемых, неявных, требований задачи к ее математической постановке? Это самый важный философский вопрос, связанный с задачей об интерполяции; однако, так как вообще маловероятно, чтобы на важные филоссфские вопросы можно было найти удовлетворительные ответы, то обратимся к другому аспекту задачи об интерполяции.
5°. Было бы естественно видоизменить постановку задачи в п. 1°, потребовав, чтобы линия, проходящая через данные п точек, была простейшей. Однако и такое видоизменение оставляет задачу неопределенной, неясной, поскольку «простота» с трудом поддается объективной, количественной оценке; наше суждение о простоте формируется в соответствии с личным вкусом, разделяемыми нами точками зрения, подразумевающимися скрытыми требованиями задачи или, наконец, наклонностями нашего мышления.
И все же термину «простота» в нашей задаче можно придать такой смысл, который выглядит вполне приемлемым и приводит к ясной и полезной формулировке. Прежде всего условимся считать сложение, вычитание и умножение простейшими (вычислительными) операциями. Затем будем считать функцию простейшей, если ее значения находятся при помощи простейших операций. Приняв оба эти допущения, мы должны будем считать простейшими функциями многочлены, т. е. выражения вида
«о+«1^+^2+--• +апхп.
(Если ап^0, то выписанный многочлен имеет сте пень п.) Зная численные значения коэффициентов о% аъ ..., ап многочлена, мы можем найти его значение при любом значении переменной % посредством трех простейших вычислительных операций.
Наконец, если имеются два многочлена разной степени, то более простым условимся считать тот, степень которого ниже. Если принять еще и это допущение, то задача о проведении простейшей линии через п точек становится вполне определенной и разрешимой (эту задачу называют задачей о полиномиальной интерполяции или об интерполяции с помощью многочленов); ее формулируют так:
Пусть даны п (различных) чисел 尤匕 х2, ..., хл и п соответствующих им чисел ^i, ^2, •••» Уп\ требуется найти многочлен f(%) наименьшей возможной степени, удовлетворяющий п условиям:
f(%J=41,f(%2)= “2,…，f (Хп)=Уп*
5 И. Пойа
§ 2. Частный случай
Если никакого другого подхода к предложенной нам задаче найти не удается, можно попытаться изменить данные. Так, например, мы можем одну ординату зафиксировать, а остальные обратить в нуль; этим путем можно подойти к частному случаю нашей задачи, который выглядит более доступным, чем общий. Нам не принесут пользы изменение заданных значений абсциссы — здесь подойдут любые п различных чи-
—000 сел:
巧工2 哼
Х[,
Рис. 236. Частный случай.
—но систему значений ординаты мы выберем специальную, возможно более простую, например такую:
0, 1, 0,…，0.
(Все ординаты равны нулю, за исключением одной, соответствующей абсциссе х2; см. рис. 236.)
Из известных свойств многочленов вытекает, что многочлен, обращающийся в нуль в л——1 различных точках, т. е. имеющий п——1 различных корней 尤匕 х3, х4,...,工门,должен делиться на каждую из следующих п——1 разностей:
%-■-ХI,X-%3,X-尤4，…，X—Xn •
Поэтому он должен делиться также на произведение этих л——1 разностей, а следовательно, его степень не может быть ниже п—1. Если степень многочлена имеет это самое меньшее теоретически возможное значение п——1, то многочлен должен иметь вид“
/(%) " C (尤一-%1) (%尤3)(XX4)• • • (%^rt}f
где С — постоянная.
Все ли данные нами использованы! Нет, не все; нужно еще учесть значение 1 ординаты, соответствующее значению х2 абсциссы:
f (%2)~ e (也一%1)(尤2-%3)(尤2-x4)…(%2"一%n)=L
Мы вычисляем из этого равенства С, подставляем его в выражение для f(x) и, таким образом, находим, что
/(%)-(%-%i)(%—%3)(%-%4). . •(%-无浮)
(%2 -%1)(%2 -%3)(%2 -%4)。.，(尤2一无浮)*
Очевидно, что многочлен f（x） принимает при всех заданных значениях хг, х2, ..., хЛ абсциссы требуемые значения. Нам удалось решить задачу об интерполяции многочленами в одном частном случае, когда ординаты подобраны специальным образом.
§ 3. Решение общей задачи комбинированием частных решений
Нам посчастливилось выделить особо выгодный частный случай. Чтобы закрепить успех, нужно постараться хорошо использовать полученный результат.
Оказывается, что, слегка видоизменив только что найденное решение, можно охватить несколько более широкий частный случай, когда данным значениям
尤1,x2, %3,…，Xfl абсциссы ставятся в соответствие значения
ординаты. Умножив выражение, полученное в § 2, на очевидный множитель ^2, получим многочлен, принимающий эти значения:
（%亠/）（%-%3）（X 一 相）・一（尤一今）
2的一%1）（尤2 -%3）（%2 -%4）…•（%2 -巧2）"
В последнем выражении значение / абсциссы играет особую роль, отличающуюся от одинаковых ролей, выпадающих на долю остальных значений абсциссы. И все же никаких специальных преимуществ значение 也 не имеет; мы можем предоставить эту особую роль любому другому значению абсциссы. Таким образом, если абсциссам
尤1，尤2，尤3，• • ■, ^П
поставить в соответствие значения у, указанные в любой из следующих строчек:
У19 0, 0, • * * , О,
。，“2, 0, .. . , О,
°, °, Уз, ♦ ♦ •,。，
°,。，0, ..., уп,
то выражение для многочлена （п——1）-й степени, принимающего при соответствующих значениях абсциссы численные величины, выписанные в той строке значений, которую мы выбрали, будет аналогично выписанному выше.
Мы наметили здесь решение поставленной задачи для различ-. ных частных ее случаев. Можно ли объединить их так, чтобы из
полученной комбинации частных случаев вытекало решение задачи в общем случае? Конечно, можно; для этого п упомянутых выше выражений нужно просто сложить:
/ (%)=弘/ (%)=弘+ %+ %+ Уз+ Уз(% %z) (% %3)(% %4)■ , -(%-%^).(打一%2)(七一%3)(七二%4)：二(修一源)十(%—/)(% —/)(% —尤4)•一(％—今)I(%2-%1)(%2 -%3)(%2-%4)• • •(*2一司)(%-%1)(%-%2)(% -%4)(元一%?i) I (%3 -% 1)(%3 -%2)(%3 - ^1) ■ • • (X3一％) I(% %z) (% %3)(% %4)■ , -(%-%^).(打一%2)(七一%3)(七二%4)：二(修一源)十(%—/)(% —/)(% —尤4)•一(％—今)I(%2-%1)(%2 -%3)(%2-%4)• • •(*2一司)(%-%1)(%-%2)(% -%4)(元一%?i) I (%3 -% 1)(%3 -%2)(%3 - ^1) ■ • • (X3一％) I
/ (%)=弘
/ (%)=弘
+ %
+ %
+ Уз
+ Уз
(% %z) (% %3)(% %4)■ , -(%-%^).
(打一%2)(七一%3)(七二%4)：二(修一源)十
(%—/)(% —/)(% —尤4)•一(％—今)I
(%2-%1)(%2 -%3)(%2-%4)• • •(*2一司)
(%-%1)(%-%2)(% -%4)(元一%?i) I (%3 -% 1)(%3 -%2)(%3 - ^1) ■ • • (X3一％) I
(% %z) (% %3)(% %4)■ , -(%-%^).
(打一%2)(七一%3)(七二%4)：二(修一源)十
(%—/)(% —/)(% —尤4)•一(％—今)I
(%2-%1)(%2 -%3)(%2-%4)• • •(*2一司)
(%-%1)(%-%2)(% -%4)(元一%?i) I (%3 -% 1)(%3 -%2)(%3 - ^1) ■ • • (X3一％) I
которой мы только что оно позволяет наметитькоторой мы только что оно позволяет наметить
которой мы только что оно позволяет наметить
которой мы только что оно позволяет наметить
.(尤一十1)(元-x2)(%一*3)(%一尤抬一1)
П (%n - -r1)(^n一%2)(хn 一 %3)•…(/-/一1) .
В результате мы получаем многочлен, степень которого не превышает п——1 и который удовлетворяет условиям
f (电)=协при 2=1, 2, 3,…，/2,
как это сразу видно из самой структуры выражения, представляющего этот многочлен.
(Имеете ли вы еще вопросы?)
§ 4. Метод суперпозиции
Решение задачи об интерполяции, с ознакомились, принадлежит Лагранжу;
весьма перспективный общий метод. Не встречался ли он вам раньше?
Г. Возможно, читатель знает (а предыдущие рассуждения лишь напомнили ему) обычное доказательство хорошо известной теоремы планиметрии, утверждающей, что «центральный угол равен удвоенному вписанному углу, опирающемуся на то же основание, т. е. на ту же дугу». (Эта дуга выделена на рис. 24а и рис. 246 двойной линией.) Доказательство ее основано на двух замечаниях и выполняется в два приема; см. Евклид, III, 20.
2°. Начнем с более благоприятного частного случая. Если одна
из сторон вписанного угла совпадает с диаметром (см. рис. 24а), то центральный угол а, очевидно, равен сумме двух не смежных с ним углов равнобедренного треугольника, причем один из двух равных друг другу углов — это наш вписанный угол р. Тем самым
искомое соотношение
а = 2р
доказано для частного случая, изображенного на рис. 24а.
3°. Предположим теперь, что благоприятный случай, изображенный на рис. 24а, не имеет места. Тогда через вершину вписанного угла можно провести диаметр (на рис. 246 он изображен пунктиром) и рассмотренная только что конфигурация возникает дважды. Допустим, что этим конфигурациям (см. рис. 246) отвечают соотношения
优=2弘 cт=26",
справедливость которых вытекает из рассуждений п. 2°. Центральный угол а и вписанный угол §, о которых идет речь в нашей теореме, могут быть представлены в виде суммы или в виде разности
двух других углов (в зависимости от того, какой из случаев, изображенных на рис. 246, имеет в действительности место):
а=а' + а",6 = 6'+， или а =(/—а", § 工 §'—§".
Отсюда, складывая или вычитая два найденных ранее равенства, мы получаем:
а‘+a"= 2(6'+y)или 优—а" = 2 (6'一，)，
что и доказывает рассматриваемую теорему а=20 во всей общности.
4°. А теперь попытаемся сравнить две задачи, обсуждавшиеся нами в этой главе: алгебраическую задачу об интерполяции, рассмотренную в §§ 1, 2, 3, и планиметрическую задачу на доказательство, которой мы занимались в пп. 1°, 2° и 3° настоящего параграфа. Хотя эти задачи во многих отношениях различны, в решении их
усматривается один и тот же метод. В обоих случаях результат был достигнут в два этапа.
Сначала нам удалось выделить благоприятный частный случай ——особый случай, более простой, чем общий, и дать решение, в общем случае силы не имеющее, но подходящее именно для этого случая (см. § 2 и п. 2°, рис. 236 и рис. 24а).
Затем, объединяя частные случаи, к которым применимо ограниченное решение, мы получили полное решение, пригодное и в общем случае (см. § 3 и п. 3°).
Введем два термина, которые подчеркивают характерные особенности нашего метода.
На первом этапе разбирается частный случай, который оказывается не только исключительно благоприятным, но и исключительно полезным; мы его можем оправданно называть ведущим частным случаем, так как он ведет нас к общему решению 】).
На втором этапе частные случаи объединяются при помощи специальной алгебраической операции. В § 3 /г частных решений, после умножения itx на постоянные, складывают друг с другом, в результате чего получается общее решение. В п. 3° мы складываем и вычитаем равенства, относящиеся к специальной конфигурации, для того, чтобы получить общее доказательство. Назовем алгебраическую операцию, применяемую в § 3 (там она носит более общий характер, чем в п. 3° настоящего параграфа), линейной комбинацией или суперпозицией частных решений *). (Дополнительные сведения по этому вопросу см. в упр. 11.)
Мы можем воспользоваться только что введенными терминами, чтобы сформулировать сущность нашего метода: Отправляясь от ведущего частного случая, мы находим общее решение с помощью суперпозиции частных случаев.
Дополнительные замечания и упражнения помогут читателю расширить наше схематическое описание метода суперпозиции. Он может даже выйти за пределы этого схематического описания и расширить область применения рассматриваемого метода.
Упражнения и дополнительные замечания к главе 4
Раздел 1
При выводе формулы объема пирамиды,(S — площадь основания,
h — высота), можно рассматривать случай тетраэдра как ведущий частный случай, а затем использовать суперпозицию. Как?
Если / (х)——многочлен 々-й степени, то существует такой многочлен F (%) степени 左+1, что при 1, 2, 3,…“
f^+f^+f(3)+...+f(n)=F(n).
i) См. МПР, стр. 43, 44.
*) Последний термин происходит от латинского слова superpositio — наложение.
Доказывая эту теорему, можно рассматривать полученный в у пр. 3 гл. 3 результат в качестве ведущего частного случая и использовать суперпозицию. Как?
(Продолжение.) Существует, однако, и другой путь: можно рассматривать результат упр. 35 гл. 3 в качестве ведущего частного случая и, применяя суперпозицию, получить другое доказательство. Как?
Считая коэффициенты &,郁，&,...,绿 данными, найдите такие числа 方о,方1,力2, ••・，方历 что равенство
0(A*+анT十…+0为=方0С"®或1+%e：
является тождеством, т. е. справедливо при всех значениях % (по поводу обозначений см. упр. 70 гл, 3).
Покажите, что эта задача имеет единственное решение.
Используя метод, примененный в упр. 3, дайте новый вывод выражения для S3 из § 3 гл. 3.
Используя результат, полученный в упр. 3 (по поводу формулировки теоремы см. упр. 2), дайте новый вывод выражения для S3, полученного в § 3 гл. 3.'
Какую пользу может принести упр. 3 при решении упр. 3 гл. 3?
Вопрос, относящийся к § 1: Что можно сказать относительно частного случая 几=2? Когда заданы только две точки, естественно считать, что простейшей' проходящей через них линией является прямая (которая при этом определяется однозначно). Согласуется ли это с точкой зрения, к которой мн, в конце концов, пришли в п. 5° § 1?
Вопрос, относящийся к § 2: Обсудите частный случай
勿=0 при i= 1, 2, п,
т. е. случай, когда все заданные значения ординаты равны нулю.
Вопрос, относящийся к § 3: Удовлетворяет ли найденный многочлен / (%) всем пунктам условия? Является ли его степень самой низкой из всех возможных?
Линейная комбинация или суперпозиция. Пусть п математических величин вполне установленного характера (взятых из одной и той же вполне определенной совокупности)'
匕，匕，
таковы, что их линейная комбинация,.
4匕+&%十е3%+…+%%， образованная с помощью п чисел
имеет тот же самый характер (принадлежит к той же самой совокупности объектов).
Вот два примера:
Если У】，了2， 丫3， ♦••， ^п— многочлены, степень которых не превышает заданного положительного числа т, то их линейная комбинация будет снова многочленом, степень которого также не превысит т;
Если V\, V2, V3, ..., Vn——векторы, параллельные некоторой плоскости, то их линейная комбинация тоже будет вектором, параллельным этой плоскости.
Пример а) существен для рассуждений из § 3. Что же касается п. 3° § 4, то заметим, что сложение и вычитание можно рассматривать как частные случаи общей процедуры образования линейной комбинации (几=2; %=，2=1， соответственно, %=—%=1).
Поучителен и пример б): любые объекты такого рода, что из них можно составлять линейные комбинации в соответствии с «обычными» законами алгебры^
называются векторами, а всю совокупность их в абстрактной алгебре называют векторным пространством.
Понятие линейной комбинации (векторного пространства) играет большую роль во многих ведущих отраслях математики. Здесь мы можем рассмотреть только несколько, не слишком сложных, примеров (упр. 12, 13, 14, 15 и 16).
Термины «линейная комбинация» и «суперпозиция» мы употребляем в этой книге в одном и том же смысле, причем второй ——значительно чаще, чем первый. Термин «суперпозиция» нередко встречается в физике (особенно в теории колебаний). Здесь мы рассмотрим только один физический пример (см. упр. 17), который достаточно прост для нас и одновременно поучителен в целом ряде отношений.
2. Однородные линейные дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами. Такое уравнение имеет вид
y⑺+旬歹也- 1)+….十/十qy = 0,
где а】,。2， ...» ап— заданные числа, называемые коэффициентами уравнения; п—порядок уравнения; у——функция независимого переменного х, а у', у[….
у(п\ как обычно,——последовательные производные функции у. Функция у, удовлетворяющая уравнению, называется его решением или «интегралом».
Покажите, что линейная комбинация решений также является решением.
Покажите, что существует частное решение специального вида
где число г подобрано надлежащим образом.
Объединяя частные решения такого специального вида, постарайтесь получить решение возможно более общего вида.
3・ Найдите функцию у, удовлетворяющую дифференциальному уравнению
У—У
и начальным условиям
4=1, у'=0 при 尤=0.
Однородные линейные разностные уравнения с постоянными коэффициентами ). Такое уравнение имеет вид
Уk+п~}~а1Ук+ п- 1^г • • • ~\гап-1Ук+ 1^апУк~^^ где о】, о?， ••♦， а«— заданные числа, называемые коэффициентами уравнения; п — порядок уравнения; бесконечная последовательность чисел
Уо，У1，^2» • • •» У/г, удовлетворяющая уравнению при 左=0, 1, 2, ..., называется его решением.
(Мы можем рассматривать ух как функцию независимого переменного %, определенную для целых .неотрицательных значений 尤. С другой стороны, рассматриваемое уравнение можно считать рекуррентной формулой, иначе говоря, фиксированным правилом, с помощью которого любой член последовательности Уе+浮 вычисляется по п предыдущим членам yk + n-ъ Ук + п — 2、… …，Ук，или 歹尼 ПО J/；—1, У/； —2，…，Ук,—п^
Покажите, что линейная комбинация решений также является решением.
Покажите, что существует частное решение специального вида 纭=尸匕
где число 尸 выбрано надлежащим образом.
Объедините частные решения такого специального вида с тем, чтобы получить решение возможно более общего вида.■
Последовательность чисел Фибоначчи (ср. упр. 43—44 гл. 3).
О, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13,…
определяется при помощи разностного уравнения (или рекуррентной формулы) 欤=1 + ”-2,々 = 2,3,4,
и начальных условий у()=0, Ui=L Выразите у^ через k.
Определите yk для /г=2, 3, 4. ... с помощью рекуррентной формулы
2,
положив у产а, 扌工=力. Выразите у^ через a, b и k.
Суперпозиция движений. Галилей, открывший закон падения тел и закон инерции, объединил оба эти закона для нахождения траектории (кривой полета) снаряда. Читатель, знакомый с тем, насколько облегчает изучение этого вопроса современная математическая символика, может себе отчетливо представить все величие открытия Галилея.
Пусть х и у ——прямоугольные декартовы координаты в вертикальной плоскости; ось х направлена горизонтально, ось у — вертикально вверх. Снаряд (материальная точка, на которую не действуют силы трения и сопротивления воздуха) движется в этой плоскости, будучи выпущенным из начала координат в момент времени 土 =0 (t——время). Пусть начальная скорость снаряда равна р, а его начальное направление образует угол а с положительным направлением оси %.
Мы можем связать с реальным движением снаряда три виртуальных ) движения, начинающихся в той же точке и в тот же момент времени:
Тяжелая материальная точка свободно падает из состояния покоя, причем в момент времени f ее координаты имеют вид
/ = 0,打=一■門.
Материальная точка, свободная от влияния силы тяжести, движется под действием вертикальной составляющей и sin а первоначальной скорости, причем, в силу закона инерции, ее координаты в момент времени / равны
%2=°, У2=加 sin a.
Материальная точка, свободная от влияния силы тяжести, движется под влиянием горизонтальной составляющей первоначальной скорости, причем, в силу закона инерции, ее координаты в момент времени / имеют вид
%3=/ocosa, %=0・
Какова- траектория реального движения, если оно, в соответствии с нашими «упрощающими» предположениями, складывается из этих трех виртуальных движений?
Раздел 2
Читателю предоставляется возможность принять участие в исследовании, важнейшие этапы которого выделены в упр. 18 и упр. 25.
Разнообразие подходов при решении одной задача. Два противоположных ребра некоторого тетраэдра имеют одну и ту же длину а, перпендикулярны друг другу и, кроме того, каждое из этих ребер перпендикулярно отрезку длины 6, соединяющему их середины. Найдите объем тетраэдра.'
К этой задаче имеется несколько различных подходов. Если читателю потребуются дополнительные указания, то ему следует познакомиться с упр. 19——24 (либо выборочно, либо со всеми подряд). Если же он пожелает представить себе более наглядно пространственную картину, то ему можно рекомендовать поискать какую-нибудь простую ортогональную проекцию или построить простое поперечное сечение тетраэдра.
Что представляет собой неизвестное^ В упр. 18 неизвестен объем тетраэдра. ■
Как можно найти неизвестное такого роОа? Объем тетраэдра можно вычислить, если даны его основание и высота, но в упр. 18 ни одна из этих величин не дана.
Итак, что представляет собой неизвестное^
(Продолжение.) Требуется узнать площадь треугольника; как можно найти неизвестное такого рода^ Площадь треугольника можно вычислить, если даны его основание и высота,——но в треугольнике, являющемся основанием тетраэдра из упр. 18, известна только одна из этих двух величин.
Нам нужно найти длину отрезка; как можно найти неизвестное такого рода? Обычно длину отрезка вычисляют, используя какой-либо треугольник,—— но интересующая нас фигура не содержит треугольника, в который входила бы высота тетраэдра из упр. 18.
Да, пока такого треугольника нет, но не можете ли вы его построить^ Во всяком случае введите подходящие обозначения и старайтесь ничего не упустить из поля зрения.
Вот уже решенная задача, родственная вашей: «Вычислить объем тетраэдра, если известны его основание и высота». В упр. 18 эту задачу прямо использовать нельзя, так как основание и высота тетраэдра не даны. Но, может быть, неподалеку имеются другие, более подходящие тетраэдры?
(Продолжение.) А может быть, такие более подходящие тетраэдры имеются внутри нашего тетраэдра?
Вам могут помочь дополнительные сведения, относящиеся к рассматриваемой задаче. Упр. 18 покажется более легким, если известна формула объема призматоида.
Призматоид является многогранником частного вида. Две его грани, называемые нижним основанием и верхним основанием, параллельны друг другу; остальные грани называются боковыми гранями. У призматоида имеются три вида ребер: ребра, являющиеся сторонами нижнего основания, ребра, являющиеся сторонами верхнего основания, и боковые ребра. Любое боковое ребро призматоида (это важный элемент в определении этого типа многогранника) соединяет вершину нижнего основания с вершиной верхнего основания. Призма является частным случаем призматоида.
Расстояние между двумя основаниями называется высотой призматоида. Плоскость, проведенная параллельно нижнему и верхнему основаниям на одинаковом расстоянии от них, дает в сечении с призматоидом многоугольник, называемый средним сечением.
Пусть V — объем призматоида, h — его высота, L, М n N — соответственно площади нижнего основания, среднего сечения и верхнего основания. Тогда
(L + 4M + N)h
- 6 *
(Это выражение и носит название формулы объема призматоида; см. по этому поводу упр. 25 и след.) Используйте эту формулу для решения упр. 18.
Возможно, что вы отказались от намеченного пути решения упр. 18, изложение которого было начато в упр. 19 и который проходит через упр. 20, а достигли требуемого результата, выбрав какой-то другой путь. Если это так, запомните свой результат, возвращайтесь к упр. 20 и попытайтесь проследовать по оставленному вами пути до конца.
Формула объема призматоида. Подробно изучите рассматриваемый вопрос, исследуйте его с различных точек зрения, обдумайте его со всех сторон,— именно так мы и поступали,— и посмотрите на рис. 25. После того как найдены четыре способа для вывода одного и того же результата, мы должны суметь извлечь выгоду ■ из сравнения их между собой 】).
Три из четырех наших выводов не используют формулы объема призматоида; последняя применяется только в одном из них (см. упр. 23). Отсюда следует, что для того частного случая формулы объема призматоида, который встречается
а)川〃г)3)а)川〃г)3)Рис. 25. Поворачивайте тетраэдр снова и снова, рассматривайте его с разных точек зрения, изучайте его со всех сторон.Рис. 25. Поворачивайте тетраэдр снова и снова, рассматривайте его с разных точек зрения, изучайте его со всех сторон.
а)川〃г)3)
а)川〃г)3)
Рис. 25. Поворачивайте тетраэдр снова и снова, рассматривайте его с разных точек зрения, изучайте его со всех сторон.
Рис. 25. Поворачивайте тетраэдр снова и снова, рассматривайте его с разных точек зрения, изучайте его со всех сторон.
в нашей задаче, мы имеем, по существу, по крайней мере неявно, три различных доказательства. Нельзя ли воспроизвести какое-либо из этих доказательств в явном виде и расширить его так, чтобы оно давало искомую формулу не только для частного случая, но и для общего?
Какой из трех выводов, рассмотренных выше (упр. 21, упр. 22 и упр. 19, _ 20 и 24), обладает с этой точки зрения наилучшими шансами?
Проверьте формулу объема призматоида на призме (являющейся очень частным случаем призматоида).
Проверьте формулу объема призматоида на пирамиде (которую, в известном смысле, можно рассматривать как вырожденный призматоид или, если вы предпочитаете говорить по-другому, как предельный случай призматоида, верхнее основание которого стянуто в точку).
Обобщая прием, лежащий в основе решения упр. 21, рассмотрим призматоид Р, разбитый на п неперекрывающихся призматоидов /\, Р2, ..., Рп, целиком заполняющих Р, причем так, что нижние основания составляющих призматоидов заполняют нижнее основание первоначального призматоида Р, а верхние их основания — верхнее основание этого призматоида. [В случае, рассмотренном в упр. 21 (рис. 25, 6),尸——призма, основанием которой служит квадрат, «~5, Ръ Р?,尸3 и /%—равные друг другу тетраэдры, Р5—также тетраэдр.] Покажите, что если формула объема призматоида справедлива для каких-то п из п+1 рассматриваемых составляющих призматоидов, то она обязательно справедлива и для (п+ 1)-го призматоида.
Обобщая прием, лежащий в основе решения упр. 23 (см. рис. 25, г), обозначим через Z и п противоположные ребра тетраэдра (I— нижнее ребро, /г——верхнее ребро). Проведем через / плоскость, параллельную п, и через п — плоскость, параллельную /; обозначим через h расстояние между этими (параллельными) плоскостями. Тетраэдр можно рассматривать как призматоид (возможно, вы предпочли бы сказать—вырожденный призматоид), основаниями (соответственно верхним и нижним) которого служат ребра Z и п, а высотой h. (Его средним сечением будет параллелограмм.)
1) Здесь мы следуем рекоменданции Лейбница; см. соответствующую цитату перед упр. 32 гл. 3.“
Проверьте формулу объема призматоида для этого частного случая.
Докажите формулу объема призматоида в общем случае (используя для этого суперпозицию рассмотренных ранее частных случаев).
Никакая цепь не прочнее своего слабейшего звена. Изучит^ еще раз решение упр. 29.
Изучите снова решение упр. 30.
苏33. Формула Симпсона. Обозначим через / (х) (непрерывную) функцию, определенную в интервале aw%w〃+/i, и введем обозначения
a + h
§ / (х) dx — I,f(a) — L, f(a + ~^)=M f (a-\-h)~ N\
тогда, при известных условиях, которые мы собираемся в дальнейшем изучить,
, L + 4M + N ,'
6死
это выражение для / называют формулой Симпсона.
Пусть п обозначает неотрицательное целое число; положите f(x)~xn, а~ ——1,/г=2 и найдите те значения п, для которых справедлива формула
Симпсона для вычисления интеграла /.
(Даже в тех случаях, когда эта формула не дает точного значения интеграла /, она может давать его приближенное значение, т. е. разность между правой частью формулы Симпсона и значением интеграла / может быть сравнительно мала. Этот слуиай встречается очень часто; поэтому формула Симпсона играет важную роль в учении о приближенном вычислении определенных интегралов.)
*■34. Докажите, что при а~——1, /г=2 формула Симпсона верна для любого многочлена не выше третьей степени.
长35. Докажите, что формула Симпсона верна для любого многочлена не выше третьей степени и при произвольных а и А.
*36・ Выведите формулу объема призматоида из результата упр. 35, используя аналитическую геометрию в пространстве и интегральное исчисление. («Чтобы как следует оценить легкий путь решения задачи, решите ее сначала трудным путем» ——говорит традиционный профессор математики.)
^37. Расширение области исследования. Решая некоторые из предыдущих задач, мы, по существу^ уходили в сторону от того наброска метода суперпозиции, который мы сформулировали в п. 4° § 4. Мы действительно находили общее решение на основе суперпозиции благоприятных частных случаев; однако эти частные случая не всегда были однотипными, они не всегда принадлежали к одному определенному классу. [В решении упр. 30 одни тела，на которые распространялась суперпозиция, были пирамидами (они рассматривались в упр. 27), а другие ——особым образом расположенными тетраэдрами (они рассматривались в упр. 29). В упр. 34 мы также встречались с суперпозицией частных случаев различного характера.] Можно сказать, что наиболее существенно мы отклонялись от формулировки, принятой в п. 4° § 4, в одном-единственном пункте: мы начинали не с одного ведущего частного случая, а с нескольких таких случаев. Давайте поэтому расширим границы нашего метода, приняв следующую формулировку: Отправляясь от ведущего частного случая или от нескольких таких случаев, мы достигаем общего решения на основе суперпозиции частных случаев.
Метод суперпозиции указывает путь от ведущего частного случая (или от нескольких таких случаев) к общему случаю. Существует и другой, сильно отличающийся путь, связывающий концевые пункты нашей формулировки, с которым любознательному читателю также следует ознакомиться: общий случай часто можно свести к ведущему частному случаю при помощи соответствующего преобразования. [Общий случай из упр. 35 сводится к частному случаю из упр. 34 при помощи замены переменной интегрирования.] Поучительное обсуждение этой темы можно найти в книге Ж- Адамар [7], стр. 254——262.
Часть вторая
НА ПУТИ К ОБЩЕМУ МЕТОДУ
~... все знания в целом являются не чем
иным, как человеческой мудростью, остающейся всегда одинаковой, как бы ни были разнообразны те предметы, к которым она применяется, е ... это разнообразие имеет для нее не больше значения, нежели для солнца разнообразие освещаемых им тел...
Декарт, Правила для руководства ума. Правило I, Избранные произведения, cip, 79.
Решение задач является наиболее характерной 〃 специфической разновидностью свободного мышления.
Уильям Джеймс*)
Что такое задача?
Слово «задача» мы будем употреблять дальше в весьма широком смысле; поэтому прежде всего уточним, что будет подразумеваться под этим словом.
При современном укладе жизни добывание пищи обычно не представляет собой задачи. Если я проголодаюсь дома, то тащу что-нибудь из холодильника, в городе же — иду в какое-нибудь кафе или закусочную. Однако совсем другое дело, когда холодильник пуст или когда я оказываюсь в городе без денег; в таких случаях желание поесть приводит к задаче, иногда достаточно трудной. Вообще говоря, желание может иногда приводить к задаче, а иногда — нет. Если одновременно с желанием в моем мозгу сразу же, без какого бы то ни было усилия возникает очевидное средство, с помощью которого наверное можно осуществить это желание, то задача не возникает. Если же такого средства нет, то это ——задача. Таким образом, задача предполагает необходимость сознательного поиска соответствующего средства для достижения ясно видимой, но непосредственно недоступной цели. Решение задачи означает нахождение этого средства.
Задача может быть сложной или простой; в первом случае найти ее решение трудно, во втором ——легко. Кстати, трудность решения в какой-то мере входит в само понятие задачи: там, где нет трудности, нет и задачи.
Одна из самых типичных задач ——это задача о нахождении пути к заранее указанному месту в каком-то ограниченно знакомом районе. Легко себе представить, насколько серьезной была эта задача для наших первобытных предков, обитавших в девственном лесу. Возможно, что именно поэтому процесс решения задачи мы склонны представлять себе как поиск некоторого пути преодоления трудностей, пути обхода препятствий; впрочем, на этой гипотезе
*) Уильям Джеймс (1842——1910)——выдающийся американский психолог, создатель модной теории «потока сознания», оказавшей заметное влияние на многих западноевропейских и американских писателей (М. Пруст, Д. Джойс, Э. Хемингуэй и др.). Основные произведения У. Джеймса переведены на русский язык.
происхождения точки зрения на решение задачи как на путь ) я не склонен настаивать.
Основная часть нашего сознательного мышления связана с ре- .шением задач. Когда мы не развлекаемся и не мечтаем, наши мысли направлены к какой-то конечной цели, мы ищем пути и средства к достижению этой цели, мы пытаемся выработать какой-то курс, следуя которому, можно достичь нашей конечной цели.
Решение задач — специфическое достижение разума, разум же — особый дар, которым наделен человек. Способность к преодолению препятствий, к нахождению обходного маневра там, где не видно прямого пути, возвышает умное животное над тупым, человека —— над самым умным животным и талантливых людей —— над другими людьми.
Нет ничего более интересного, чем изучение проявлений человеческой деятельности. Наиболее характерными из них являются решение задач, размышление над тем, как можно достичь некоторой определенной цели, придумывание необходимых для этого средств. Мы стремимся хорошо разобраться в этой деятельности, и мне кажется, что такое стремление представляет большой интерес.
В прошлом мы изучали задачи элементарной математики, объединяя в группы задачи, решаемые одним и тем же методом. Тем самым мы обеспечили себе определенную экспериментальную базу; теперь же, используя эту базу, попытаемся подняться на более высокую ступень обобщения, стремясь при этом охватить, по возможности, также и задачи нематематического характера. Попытка найти общий метод, применимый ко всем видам задач, может показаться чересчур претенциозной, но она совершенно естественна, так как, несмотря на то, что множество задач, с которыми мы можем встретиться, бесконечно, у любого из нас есть только один мозг для их решения, и поэтому естественно, что мы желали бы обладать одним универсальным методом решения всех задач.
Классификация задач
Учащийся сдает письменный экзамен по математике; предположим, что это——средний учащийся, но не лентяй и что он затратил определенное время и некоторые усилия на подготовку к экзамену. Ознакомившись с предложенной ему задачей, он спросит себя: «Какого типа эта задача?» И действительно, постановка такого вопроса может принести пользу, так как если ему удастся отнести рассматриваемую задачу к определенному классу, установить ее тип, сопоставить с таким-то и таким-то местом из знакомого учебника, то
этимон достигнет некоторого прогресса: теперь он может вспомнить метод решения задач подобного типа, изученный им ранее.
Это в известной степени справедливо при решении задач любой сложности. Вопрос: «К какому типу относится эта задача?» ведет к следующему вопросу: «Что можно предпринять для решения задачи рассматриваемого типа?» — подобные вопросы можно с успехом задавать даже в очень серьезных исследованиях.
Итак, при решении задач может оказаться полезной их классификация, проведение различия между задачами в соответствии с их типами. Хорошая классификация предполагает разбиение задач на такие типы, что тип задачи предопределяет метод ее решения.
Мы сейчас не собираемся заниматься детальной классификацией задач; не собираемся мы также стремиться к совершенству такой классификации. Достаточно свободно интерпретируя традицию, восходящую к Евклиду и его комментаторам, мы охарактеризуем здесь только два весьма общих типа задач.
Евклидовы Начала содержат аксиомы, определения и «предложения». Его комментаторы и кое-кто из переводчиков различают два вида предложений: конечной целью предложений первого рода (латинское название их problemd) является построение фигуры; конечной целью предложений второго рода (латинское название их theoremd) является доказательство теоремы. Мы придадим этому различию более широкий смысл, рассматривая два вида задач: задачи на нахождение и задачи на доказательство. Конечной целью задачи н а нахождение является нахождение (построение, проведение, получение, отождествление, ...) некоторого объекта, т. е. неизвестного данной задачи. Конечной целью задачи на доказательство является установление правильности или ложности некоторого утверждения, подтверждение его или опровержение.
Так, например, когда вы спрашиваете: «Что он сказал?» ——вы ставите задачу на нахождение. Но когда вы задаете вопрос: «Сказал ли он это?» ——вы ставите задачу на доказательство.
Дальнейшие подробности, относящиеся к этим двум типам задач, вы найдете в следующих двух параграфах.
Задачи на нахождение
Целью задачи на нахождение является нахождение определенного объекта, неизвестного этой задачи, удовлетворяющего условию задачи, которое связывает неизвестное с данными этой задачи. Рассмотрим два примера.
«Даны два отрезка а и b и угол у; требуется построить параллелограмм, у которого данные отрезки являются смежными сторонами, образующими данный угол у».
«Даны два отрезка а н b и угол у; требуется построить параллелограмм, у которого данные отрезки являются диагоналями, образующими данный угол у».
В обеих задачах данные одни и те же ——это прямолинейные отрезки о н b и угол у. В обеих задачах неизвестное одно и то же —— параллелограмм, и, таким образом, если иметь в виду только характер неизвестного, неши задачи a priori неразличимы. Отличает же их друг от друга условие, т. е. требуемое соотношение между неизвестным и данными; ясно, что форма параллелограмма по-иному связана с его сторонамй, чем с его диагоналями.
Неизвестное может принадлежать к самым разнообразным категориям. В геометрических задачах на построение неизвестное ——это фигура, например треугольник. При решении алгебраических уравнений неизвестное —— это число, корень данного уравнения. Когда мы спрашиваем: «Что он сказал?», неизвестным может быть слово или несколько слов, предложение или несколько предложений, сказанное. Четко сформулированная задача должна указывать категорию (множество), к которой принадлежит неизвестное; мы должны знать с самого начала, какого рода неизвестное мы предполагаем найти: треугольник, или число, или слово, или ...
Четко сформулированная задача должна точно устанавливать условие, которому обязано удовлетворять неизвестное. Во множестве объектов, характеризуемых условием задачи, к которым должно принадлежать неизвестное, содержится подмножество тех объектов, которые удовлетворяют этому условию, и каждый объект, принадлежащий этому подмножеству, называется решением. Это подмножество может содержать один-единственный объект — и тогда решение будет единственным. Это множество может быть пустым — тогда решение вовсе отсутствует. (По поводу обсуждения термина «решение» см. доп. замеч. 13.) Отметим здесь, что задачу на нахождение можно понимать по-разному. В строгом смысле — это задача, в которой требуется найти (провести, построить, отождествить, перечислить, охарактеризовать, . . .) все решения (все упомянутое выше подмножество полностью). В менее строгом смысле в задаче может требоваться найти одно (какое-то, хотя бы одно) решение или несколько решений. Иногда бывает достаточно убедиться в существ'овании решения, т. е. установить, пусто или непусто множество решений. Под решением математической задачи принято понимать ее решение в строгом смысле (если нет явного указания о противном); однако во многих практических задачах «строгий смысл» может иметь очень мало смысла.
Когда мы имеем дело с математическими задачами, то (если только из контекста не вытекает противное) мы будем пользоваться термином «данные», чтобы указать все заданные (известные, допускаемые) объекты (или все множество их), связанные с неиз-
вестным при помощи условия. Если задача заключается в построении треугольника по его сторонам at b и с, то данными будут отрезки а, b и с. Если задача состоит в решении квадратного уравнения
%2+a无十6 = 0,
то данными будут два числа а и Ь. Задача может включать только одно данное или не иметь данных вовсе. Вот пример: «Найти отношение площади круга к площади описанного около него квадрата». Искомое частное не зависит от размера фигуры, и поэтому нет необходимости задавать радиус или какие-нибудь другие данные такого рода.
Неизвестное, условие и данные мы будем называть главными частями задачи на нахождение. В самом деле, мы не можем надеяться решить задачу, которую не понимаем. А для того чтобы понять задачу, нужно знать —— и притом знать очень хорошо,— что представляет собой неизвестное, что дано и в чем состоит условие. Таким образом, в процессе работы над задачей необходимо уделять особое внимание именно этим главным частям. ■
Задачи на доказательство
Ходят слухи, что государственный секрегарь в обращении к одному конгрессмену употребил по некоторому поводу довольно грубое выражение (которое нам здесь даже неудобно привести). Правда, это только слухи, которые вызывают довольно сильное сомнение. Однако вопрос «Сказал ли он это?» взволновал многих лиц, дебатировался в печати, упоминался на заседании комитета конгресса и мог дойти до суда. Тот, кто воспринял этот слух всерьез, имеет перед собой готовую «задачу на доказательство»: ему предстоит снять со слуха покров сомнения, он должен доказать (или опровергнуть!), что инкриминируемое выражение было употреблено, и это доказательство или опровержение должно быть им мотивировано со всей доступной в данном случае убедительностью.
Когда мы встречаемся с математической задачей на доказательство, нам предстоит снять сомнение в правильности четко сформулированного математического утверждения А ——мы должны доказать или опровергнуть А. Одной из самых занимательных задач подобного рода является доказательство или опровержение гипотезы Гольдбаха): Если целое число п четно 江九〉4, то 九 является суммой двух (нечетных) простых чиселг).
Утверждение Гольдбаха (пока это только предположительное утверждение, мы не знаем, справедливо оно или ложно) сформулировано здесь в наиболее естественной для математических утверждений форме, так как оно состоит из условия и заключения: первая его часть, начинающаяся словом «если», является условием, вторая часть, начинающаяся словом «то»,— заключением 】).
Когда нам нужно доказать или опровергнуть математическое предложение, сформулированное в наиболее естественной форме, мы называем его условие (предпосылку) и заключение главными частями задачи. И в самом деле эти главные части заслуживают особого внимания. Чтобы доказать предложение, нужно обнаружить логическое звено, связывающее его главные части —■ условие (предпосылку) и заключение; чтобы опровергнуть предложение, нужно показать (если возможно —— на контрпримере), что одна из главных частей ——условие ——не приводит к другой — к заключению. Многие математики ——самые выдающиеся и самые рядовые — пытались снять покров неизвестности с гипотезы Гольдбаха, но безуспешно; несмотря на то, что для понимания смысла условия и заключения требуется .совсем немного знаний, еще никому не удалось установить между ними строго аргументированную связь и никто не смог привести противоречащий этой гипотезе пример ).
149149§5. Компоненты неизвестного, пункты условия
149
149
Компоненты неизвестного, пункты условия
Если задача заключается в том, чтобы построить окружность, то нам, по существу, требуется найти два элемента: центр окружности и ее радиус. Возможно, что будет полезно расчленить нашу задачу: вместо того чтобы искать сразу оба интересующих нас элемента ——центр и радиус, можно попытаться найти сначала один, а затем другой.
Если задача состоит в том, чтобы определить положение точки в пространстве, и мы пользуемся для этого аналитической геометрией, то, по существу, нам требуется найти три числа —■ три координаты xt у И Z этой точки.
В зависимости от точки зрения, на которую мы предпочтем стать, можно говорить, что в первом случае имеется два неизвестных или же только одно, а во втором ——что имеется три неизвестных или опять же только одно. Есть и еще одна, отличная от упомянутых, точка зрения, которая часто бывает полезной: можно говорить, что в обоих примерах имеется только одно неизвестное, но что оно в известном смысле «подразделено». Так, в нашем первом примере неизвестное ——это окружность, но это ^двухэлементное» или《Мухкомпонентное» неизвестное; его компоненты ——центр и радиус. Подобным же образом в нашем втором примере точка является трехэлементныю или трехкомпоненгпныму> неизвестным; его компоненты — три координаты х, и z. Вообще говоря, можн*о рассматривать ыногоэлементное» или ^многокомпонентное^ неизвестное с п компонентами %1? х2, хп.
Одно из преимуществ только что введенной терминологии состоит в том, что при обсуждении некоторых общих вопросов устраняется необходимость проводить различие между задачами с одним неизвестным и задачами с несколькими неизвестными: ведь мы всегда можем свести второй случай к первому, рассматривая упомянутые неизвестные как компоненты одного «многокомпонентного» неизвестного. Так, например, то, что говорилось в § 3, в основном применимо также к задачам, в которых требуется найти несколько неизвестных, хотя этот случай в § 3 явно и не упоминался. В дальнейшем мы увидим, что принятая терминология бывает полезной в самых различных ситуациях. ,
Если перед нами стоит задача на нахождение, то может оказаться выгодным подразделение условия на несколько частей или пунктов; у нас уже было достаточно случаев это заметить. При решении геометрической задачи на построение мы можем разбить условие на две части так, чтобы каждая из этих частей порождала геометрическое место для искомой точки (гл. 1). При решении алгебраической «словесной задачи» мы разбиваем условие на столько частей, сколько имеется неизвестных, причем так, чтобы каждая часть порождала уравнение (гл. 2).
Если перед нами стоит задача на доказательство, то может оказаться полезным подразделение условия (предпосылки), или заключения, или как того, так и другого, на соответствующие части или пункты.
Ищем соответствующую процедуру
При построении фигур в стиле евклидовых «Начал» мы не можем выбирать чертежные приспособления или инструменты произвольно, так как a priori предполагается, что такое построение выполняется при помощи циркуля и линейки. Таким образом, решение задачи, по существу, заключается в применении последовательности целенаправленных геометрических операций, начинающихся с данных и заканчивающихся искомой фигурой; в нашем случае эти операции состоят в проведении прямых линий и окружностей и нахождении точек их пересечения.
Этот пример может прояснить нам многое, и тогда, глубже вникая в суть дела, мы ясно увидим, что решение многих задач существенно зависит от процедуры, линии действия, схемы увязанных между собой операций, от modus operand! *).
Возьмите, далее, задачу о решении уравнения второй степени (или третьей, или четвертой). Оно заключается в указании последовательности правильно увязанных между собой алгебраических операций, начинающихся с данных ——известных коэффициентов уравнения ——и заключающихся искомэтми корнями; операциями здесь являются сложение, вычитание, умножение или деление заданных или предварительно найденных количеств, а также извлечение корней из этих количеств.
Рассмотрите еще и «задачу на доказательство». Процесс решения этой задачи —— результат наших умственных усилий —— есть доказательство, т. е. последовательность хорошо координированных логических операций или шагов, начинающихся с условия (предпосылки) и заканчивающихся заключением теоремы, к которому мы стремились; каждый шаг приводит к некоторому новому
положению, полученному из соответствующим образом подобранных частей условия (предпосылки), или из уже известных фактов, или из ранее доказанных положений.
Нематематические задачи можно представлять себе в том же аспекте. Строителю моста предстоит организовать, координировать, укладывать в согласованную схему огромное множество операций: конструктивные решения, плавсредства, сооружение лесов, заливку бетона, склепывание металлических конструкций и т. д., и т. п. Сверх того, в его обязанности может входить согласование этих операций с операциями совершенно иного характера, например, финансовыми, юридическими или даже с политическими сделками. Все эти операции взаимозависимы, причем в большинстве из них предполагается, что некоторые из этих операций были выполнены заранее.
Или возьмите детектив. Неизвестное ——убийца; автор старается ошеломить нас действиями героя ——сыщика, который придумывает схему или линию действия, начинающуюся с первичных улик н заканчивающуюся опознанием и поимкой убийцы.
Объектом наших поисков может оказаться неизвестное любой природы или раскрытие истины, относящейся к любому виду вопросов; наша задача может быть теоретической или практической, серьезной или пустячной. Чтобы решить ее, мы должны составить хорошо продуманную, согласованную схему операций (логических, математических или материально обеспечивающих), начинающуюся с условия (предпосылки) и заканчивающуюся заключением, ведущую от данных к неизвестному, от объектов, находящихся в нашем распоряжении, к объектам, которых мы собираемся достичь.
Упражнения и дополнительные замечания к главе 5
Требуется найти объем У правильной четырехугольной призмы, зная сторону о ее основания и высоту А.
Что представляет собой неизвестное? Что дано? В чем состоит условие?
Требуется найти два таких вещественных числа 尤 н у, что
*2+y2=L
Что представляет собой неизвестное? Что дано? В чем состоит условие задачи? Охарактеризуйте множество ее решений.
Найдите два вещественных числа хну, удовлетв ор яющих уравнению 炉+ *2 = 一 1.,
Охарактеризуйте множество решений задачи.
Найдите два целых числа хну, у довл етв ор я ющих уравнению '
尤2+“=13.
Охарактеризуйте множество решений задачи.
Найдите три вещественных числа х, у н z таких, что:
W+]^i+|2[<l.
1°. Охарактеризуйте множество решений задачи.
2°. Видоизмените задачу, заменив знак < на W, и охарактеризуйте множество решений полученной задачи.
Сформулируйте теорему Пифагора.
В чем состоит условие (предпосылка)? Что является заключением?
Обозначим через п целое положительное число, а через d (л) — число его делителей (мы имеем в виду целые положительные делители, включая 1 и /г). Т ак, например,
делителями 6 являются числа 1, 2, 3,- 6: d(6)=4,
делителями 9 являются числа 1, 3, 9: d(9)=§.
Рассмотрите предложение:
Если /г является квадратом, то d (/г) нечетно, если же /г не является квадратом, то d(n) четно.
В чем состоит условие (предпосылка)? Что является заключением?
Задача на нахождение или задача на доказательство? Равны ли между собой числа УЗ+у^П и У 5+ У8? Если нет, то какое из них больше?
Если б£>1 мы попытались сформулировать эту задачу в общем виде, то она выглядела бы так: Два числа а и b однозначно определяются при помощи некоторых арифметических операций, включающих, возможно, и операцию извлечения корня; требуется решить вопрос о том, какой из трех возможных случаев
а=Ь, а>Ь, а<Ь
имеет s действительности место.
Нетрудно заметить, что наша задача допускает несколько различных подходов.
1°. Можно начать с доказательства или опровержения того, что а=Ь. Если окажется, что а^Ь, то можно перейти к доказательству или опровержению того, что а>Ь. Можно приступать к этим заданиям и в обратном порядке, или даже одновременно; как бы то ни было, здесь перед нами две взаимосвязанные задачи на доказательство.
2°. В различных разделах математики широко употребляется обозначение sgn х (читается «сигнум х» или «знак х»), определяемое следующим образом:
С 1, если х > О,sgnx=〈 0, если х = О,
[—1, если х < 0.
Используя введенное обозначение, можно сказать, что в поставленной задаче требуется найти число sgn (а——力),——но тогда это уже задача на нахождение,
Здесь нет формального противоречия (его и ие может возникнуть, если наша терминология тщательно продумана): в 1° мы имеем задачу А, состоящую из двух взаимосвязанных, одновременно сформулированных задач на доказательство; в 2° мы имеем задачу В, являющуюся задачей на нахождение. Эти, сформулированные в различных терминах задачи Л и В, нельзя считать тождественным и, но можно сказать, что они эквивалентны друг другу. (Такое использование термина «эквивалентность» разъяснено в КРЗ, Вспомогательная задача, стр. 65——71 и снова будет объясняться в гл. 9.)
Заметим далее, что, рассматривая подобным образом задачу с двух сторон, мы не наносим себе никакого ущерба. Наоборот, бывает полезно взглянуть на одну и ту же трудность с двух различных точек зрения, так как одна из этих точек зрения может оказаться более поучительной, чем другая; она может открыть нам более доступную сторону задачи, давая тем самым возможность атаковать трудность с более уязвимой стороны.
Другие задачи. Возьмите любую задачу (их в предьщущих главах имеется достаточное количество) и определите, является ли она задачей «иа нахождение» или «на доказательство». Спросите себя при этом:
Что представляет собой Неизвестное? Что дано? В чем состоит условие? Что является заключением? В чем состоит предпосылка?
В данном случае эти вопросы ставятся в основном для того, чтобы лучше ознакомиться с главными частями задачи. Но вы сможете убедиться иа опыте, что подобные вопросы, серьезно поставленные и ие оставшиеся без вразумительного ответа, оказывают при решении задач большую помощь; они фокусируют ваше внимание на главных частях задачи, углубляют ее понимание и помогают выбрать правильное направление на ранних стадиях решения задачи.
Процедура решения задачи может состоять из неограниченной последовательности операций. Пусть нам требуется решить уравнение
*2=2.
Эту задачу можно понимать по-разному. Возможно, например, такое ее толкование: «Найти положительное значение квадратного корня из 2 с пятью значащими цифрами»; в этом случае, написав десятичную дробь 1,4142, мы полностью выполним задание. Однако возможно и другое понимание задачи: «Извлечь квадратный корень из 2» без всяких добавочных уточнений и облегчающих условий; в этом случае мы не можем считать задачу решенной после того, как выписали четыре или любое другое количество цифр после запятой. Здесь ответом должна быть процедура, схема арифметических операций, дающая любое наперед заданное число десятичных знаков.
Вот еще один пример: «Найти отношение площади круга к площади описанного около него квадрата». Если значение л считать данным, то ответом здесь будет л/4. Лейбниц же дал ответ в виде ряда )
По существу, этот ряд предусматривает выполнение бесконечной последоваФель- ности арифметических операций, которые должны обеспечить любое требуемое количество верных десятичных знаков в выражении числа л (по крайней мере теоретически, на практике же эта процедура оказывается слишком медленной). «Хотя этот ряд,——говорит Лейбниц 1),——в его настоящем виде непригоден для быстрого приближения, но я не думаю, чтобы можно было вообразить себе что- нибудь более простое или более подходящее для того, чтобы представить в своем уме отношение круга к описанному квадрату».
Квадратура круга. Решая задачу на нахождение, мы ищем объект, «не” известный объект»,— а это нередко приводит к поискам процедуры (последовательности операций), обеспечивающей нахождение объекта; чтобы подчеркнуть особое значение процедуры при нахождении некоторых объектов, мы назовем эту искомую процедуру «процедурным неизвестным» в отличие от «обычного» неизвестного. То, что такое различие бывает здесь очень желательным, можно проиллюстрировать на одном историческом примере.
Дан круг, радиус которого известен; требуется построить при помощи циркуля и линейки квадрат, площадь которого в точности равнялась бы площади этого круга.
Такова строгая формулировка знаменитой древней задачи о «квадратуре круга», восходящей к ранним греческим геометрам. Подчеркнем, что формулировка задачи предписывает характер процедуры ее реш е н и я («процедурное неизвестное»): сторону искомого квадрата нужно построить при помощи кромки линейки и циркуля, проводя прямые линии и окружности и используя при этом только точки, получающиеся как пересечения уже
проведенных линий. В задаче, конечно, предполагается, что, начав с двух концевых точек заданного радиуса, мы должны прийти к двум концевым точкам стороны искомого квадрата, сделав конечное число шагов.
После многовековых попыток найти решение, предпринимавшихся бесчисленным множеством лиц, было доказано (Ф. Линдеманом в 1882 г.), что решения н е существует. Хотя квадрат, имеющий ту же площадь, что и заданный круг, несомненно существует (его сторону можно аппроксимировать с любой точностью при помощи различных бесконечных процессов, которые сегодня хорошо известны математикам; одним из таких процессов может служить знаменитый ряд Лейбница, упомянутый в дополн. замечании 10), однако процедуры желаемого вида (состоящей из конечной последовательности операций с линейкой и циркулем) не существует. Меня очень занимает вопрос о том, может ли проведение четкого различия между искомой фигурой и искомой процедурой, между «искомым объектом» и «процедурным неизвестным» уменьшить число неудачников, пытающихся решить задачу о квадратуре круга.
Следование и следствие. Установка готовой металлической конструкции при постройке моста на надлежащее место является важной операцией. Если же речь идет о двух таких операциях, то может быть существенным, чтобы одна предваряла другую (например, когда вторую конструкцию нельзя установить на место до тех пор, пока не установлена первая), но это может быть и не существенным (например, если эти две конструкции не связаны между собой). Таким образом, соблюдение известной последовательности при выполнении двух операций может быть необходимым или не быть таковым. Можно также сказать, что на лекции или в печатном труде появляются в известной последовательности этапы доказательства. Надо проводить различие между следованием и следствием, между предварением во времени и логической (причинной) взаимосвязью. (Мы вернемся к этому важному вопросу в гл. 7.)
- 13. Неударная терминология, двусмысленность. Слово «решение» имеет несколько значений, некоторые из которых очень важны и требуют замены термином, имеющим однозначный смысл. Вот возможные варианты, которые я здесь предлагаю, за неимением лучшего (в скобках указаны немецкие ) эквиваленты).
Решение (объект) (Solving object, Losungsgegenstand)——объект, удовлетворяющий условию задачи. Если в задаче ставится цель решить алгебраическое уравнение, то решение (объект)——это корень уравнения, т. е. величина, удовлетворяющая уравнению. Решение (объект) может существовать только у задач на нахождение. В отчетливо сформулированной задаче должна быть заранее четко указана категория (множество), к которой принадлежит решение (объект),— мы должны знать наперед, что мы ищем: треугольник ли, число ли, или еще что- нибудь. Такое указание (четкое' выделение множества, к которому принадлежит неизвестное) является важной частью задачи. «Найти неизвестное» означает найти (отождествить, построить, провести, получить, . . .) решение (объект) [или множество всех решений (объектов)].
Решение (процесс) (Solving procedure, Losungsgang) — процедура (построение, схема операций, система выводов), заканчивающаяся нахождением неизвестного в задаче на нахождение или ликвидацией сомнения в справедливости (или ложности) утверждения, высказанного в задаче на доказательство. Таким образом, решение (процесс)——термин, применимый к обоим видам задач. В начале работы мы обычно еще не знаем процедуры решения, надлежащей схемы операций, но мы неустанно ищем ее в надежде, что, в конце концов, определим ее полностью; эта процедура является частью наших поисков; она по смыслу, по сути дела,— наше неизвестное, она (употребим такое выражение) —— наше «процедурное неизвестное» (см. дополн. замечания 10 и 11).
Можно говорить также о «работе над решением» (work of solving, Losungsar- beit) или о «результате решения» (result of solving, Losungsergebnis), но на прак-
УПРАЖНЕНИЯ И ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ К ГЛАВЕ 5 155 тике я буду стараться не быть чересчур педантичным и, за исключением немногих, особо важных случаев, предоставлю читателю самому догадываться из контекста, что означает слово «решение» в данном конкретном случае, т. е. объект ли, процесс ли, результат ли работы или работу как таковую J).
Данные 〃 неизвестное, условие (предпосылка) и заключение. «Начала» Евклида написаны в своеобразном строго последовательном стиле, который одни склонны называть таинственным, другие ——педантичным,... Все содержащиеся в них предложения сформулированы в единой, четко установленной манере изложения, причем в этой формулировке данные и неизвестное в задачах на нахождение рассматриваются как аналоги ил»-, параллельные элементы, соответственно условию (предпосылке) и заключению в задачах на доказательство. Как мы это увидим в дальнейшем, известная аналогия или параллелизм между этими двумя главными элементами двух видов задач действительно существует — и это имеет известное значение с точки зрения решающего задачу, а следовательно, касается интересующего нас вопроса. Однако было бы недопустимо。неграмотно смешивать термины «данное» и «условие» («предпосылка»； или же термины «неизвестное» и «заключение» и применять любой из этих терминов в том виде задачи, к которому он не относится. Печально что случаи такого недопустимого и неграмотного употребления этих важных терминов встречаются иногда даже в печати.
Число необходимых данных. Треугольник определяекя своими гремя сторонами или двумя сторонами и углом (заключенным между ними) или одной стороной и двумя углами, но трех углов для этого недостаточно, так как для определения треугольника необходимо, чтобы данные были независимы. (См. также упр. 4G и 47 из гл. 1.) Чтобы задать многочлен /г-й степени ог одного переменного (это переменное обычно обозначают через 尤)、необходимы 〃十1 независимых данных, а именно /гТ-1 коэффициентов в разложении многочлена по степеням 尤 или 孔十1 значений, принимаемых этим многочленом в точках y=0, 1, 2, . . п или в любых других 孔+1 точках, и т. д. Существует целый ряд важных математических объектов, для определения которых требуется вполне определенное число независимых данных. Поэтому, когда мы решаем задачу на нахождение, часто бывает полезным сосчитать эти данные ——и хорошо сделать это пораньше.
Чтобы определить «-угольник необходимо иметь:
(n-1)+ (n一2)= (n—3)寸 n-3+2 (h.--3)=2孔--3
независимых данных. Какой геометрический смысл имеют эти четыре различных выражения для одного и того же числа?
Сколько требуется данных, чтобы определим- «-угольную пирамиду?
Сколько требуется данных, чюбы определить «-угольную призму (она может быть и наклонной)?
Сколько требуется данных, чтобы определить многочлен 几-仃 степени от V переменных (его члены имеют вид《*『'％夢'…％叫，где с — постоянный коэффициент и -|- /п2+..，+ m.v^n).
Изучая решение упр. 19, можно заметить, что найденное число допускает простую интерпретацию: оно равно числу способов, каким можно из п~ги ящиков выбрать V ящиков. Весьма вероятно, что столь простое обстоятельство может быть обнаружено с помощью несложных соображений.
Вообразите себе л+р ящиков, установленных в линию гак, что каждый из них (если вам угодно представлять себе это именно так!) занимает участок длг ны 1 внутри интервала
Как можно было бы в такой постановке справиться с задачей о выделении и ящиков из общего их числа 孔+沙？
м. КРЗ, п. 8, Термины старые и новые, Решение, стр. 197.
ГЛАВА 6
РАСШИРЕНИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА
Расчлените каждую изучаемую вами задачу на столько частей, на сколько сможете и на сколько это потребуется вам, чтобы их было легко решить.
Декарт, Рассуждение о методе, Избранные произведения, стр. 272.
Это правило Декарта м алоэффект йен опоскольку искусство разделения... остается не поддающимся истолкованию, . Разделяй задачу на неподходящие части, неопытный решающий может увеличить свои затруднения.
Л е а б н и ц, Philosophische SchriUen, т. IV, стр. 331.
Расширение области применения метода Декарта
В методе Декарта содержатся важные идеи, не обязательно связанные с составлением уравнений. В настоящей главе мы попытаемся вскрыть некоторые из этих идей, совершая осторожный переход от уравнений к более общим понятиям. Мы начинаем с примера, вообще говоря, достаточно общего и в то же время в одном отношении весьма конкретного; этот пример укажет направление последующей работы.
1°. Допустим, что некотррая задача в переводе на язык уравнений привела к системе четырех уравнений с четырьмя неизвестными, причем такой, что не каждое из уравнений этой системы содержит все неизвестные. Нам хочется подчеркнуть именно это свойство системы, и поэтому мы введем обозначения, которые явно указывают, какие неизвестные входят в каждое из уравнений; другие подробности нас интересовать не будут. Предположим, что уравнения записываются следующим образом:
尸 1 （%i）=0,
，2（%1,尤2, Хз） = 0,
『з（爲，Х2, Хз）—О,尸4（%1, %，2，%3, %4）= 0.
Эта запись означает, что первое уравнение содержит только одно неизвестное х（, тогда как следующие два уравнения содержат первые три неизвестных хь х2, %з, и только четвертое, последнее, уравнение содержит все четыре неизвестных.
Такая особенность данной системы уравнений подсказывает очевидный план ее решения. Мы начинаем с неизвестного хь которое находим из первого уравнения. Вычислив %” замечаем, что даль-
нейшие два уравнения образуют систему, из которой можно определить следующие два неизвестных х2 и Хз. Получив, таким образом, X], х2 и %з, мы используем последнее, четвертое, уравнение для определения последнего неизвестного х4.
2c. Представим себе теперь, что система рассмотренных уравнений выражает условие некоторой задачи. Допустим, что это условие разбито на четыре части и что каждое отдельное уравнение представляет какую-то часть (или пункт, или оговорку) этого условия; мы подразумеваем под этим, что каждое уравнение выражает именно то соотношение между входящими в него неизвестными и данными, которое предписывается соответствующей этому уравнению частью условия. Таким образом, условие нашей задачи обладает одной специфической чертой: не в каждый из его пунктов входят все неизвестные. Принятые обозначения ясно показывают, какие неизвестные участвуют в том или ином пункте условия.
Понятно, что условие может быть разбито на пункты упомянутым выше специфическим образом (т. е. так, чтобы каждый пункт содержал именно указанную, специальную комбинацию неизвестных), даже если мы не успели еще перевести эти пункты на язык уравнений или даже если мы вообще этого не в состоянии сделать. Есть основания предполагать, чго п л а н, схематически намеченных в п. 1° для системы уравнений, может в известном смысле сохранить свое значение и для системы из четырех пунктов условия задачи, даже если эти пункты еще не выражены в алгебраическом виде или вообще не могут быть выражены алгебраически.
Сделанное замечание открывает перед нами новые широкие перспективы, новые возможности.
3'. Чтобы лучше разобраться в этих возможностях, нам придется несколько иначе проинтерпретировать введенные ранее обозначения. '
До сих пор мы рассматривали символ а (хь х?, хп) в общепринятом смысле, т. -. как алгебраическое выражение (или как многочлен； или как функцию), содержащее неизвестные хь 心，…，尤仆 В соответствии с этим мы интерпретировали выражение
как (алгебраическое) уравнение, связывающее неизвестные хъ х2,... ...» хп. Когда мы имеем дело с задачей^ в которой х“ r2j ...» хп играют роль неизвестных, такое уравнение выражает часть условия (один из его пунктов, содержащуюся в нем оговорку), т. е. требуемое условием соотношение между неизвестными хъ х3,...,尤门 и данными.
Не собираясь отказываться от такой- интерпретации, мы раздвигаем ее рамки, а именно, мы утверждаем, что если даже какой-то пункт условия и невозможно перевести на язык уравнений и даже
если 修，/,・••，尤几 一 не неизвестные числа, а неизвестные объекты любого рода, то символическое равенство
'尸(Х1,Х2,…，打)=0
все же выражает требуемое условием задачи соотношение, содержащее указанные неизвестные 尤］,х?,.…：弘.Мы можем также говорить, что такое символическое равенство выражает часть условия (пункт, оговорку, ограничение или требование, накладываемое условием).
Теперь нам надо привести несколько примеров, чтобы правильно уяснить себе особенности расширенной области истолкования символа 尸(尤1, %2,%")， и еще не
сколько дополнительных примеров, которые убедят нас в полезности такого расширенного толкования.
4°. Только что введенные соглашения
Слева направоНемецкий математикЛетчик, но не всякий и не толькоОн пришел из школыСлева направоНемецкий математикЛетчик, но не всякий и не толькоОн пришел из школыСверху внизФранцузский математикНу и отдохниОн тоже пришел из школыСверху внизФранцузский математикНу и отдохниОн тоже пришел из школыудобно проиллюстрировать на кроссвордах. Вот подходящий для наших целей (микро)пример (рис. 26):
Слева направо
Немецкий математик
Летчик, но не всякий и не только
Он пришел из школы
Слева направо
Немецкий математик
Летчик, но не всякий и не только
Он пришел из школы
Сверху вниз
Французский математик
Ну и отдохни
Он тоже пришел из школы
Сверху вниз
Французский математик
Ну и отдохни
Он тоже пришел из школы
В кроссворде неизвестными являются слова. Пусть 尤匕 ％?, %з, 尤4,居，％ — шесть неизвестных слов, которые надо вписать в белые клеточки рис. 26. Слова % и х& начинаются.в одной и той же клетке, помеченной номером 1, причем х, следует написать в верхнем (горизонтальном) ряду слева направо, а х$ ——в левом (вертикальном) столбце сверху вниз;尤几,где 孔=2, 3, 5 или 6, обозначает слово, начальная буква которого вписывается в клетку, помеченную номером п. Если педантично сформулировать все условия, выражаемые нашей квадратной схемой (содержащей черные и белые, занумерованные и незанумерованные клетки), то получится система из 21 условия.
Шесть из этих условий выделяются, среди остальных ——это «ключевые» условия. Запишем их следующим образом:
Здесь, например, символическое «равенство» 厂i(%i)=0 выражает следующее условие: «слово %i является фамилией немецкого математика»; «равенство» г4(х4)=0 имеет аналогичный смысл: «слово
Xi является фамилией французского математика»; «равенство» 尸5（%5）=0 подчеркивает значение （пока довольно туманной） фр азы: «ну и отдохни» и т. д.
Еще шесть условий, как это видно из схемы, задают длину шести искомых слов
厂7（修）=°， 尸8（心）=0,…， r12（招）=°"
Например, условие r7 （хъ）^0 указывает длину слова хР В нашем случае эта шесть условий заключаются в том, что слова ль х?, х（. должны состоять из пяти букв каждое.
Далее схема показывает, какие слова содержат обшие буквы и где именно эти буквы расположены; всего мы имеем девять условий такого рода:
九Mg 匕）=Q
у：（/，&）=o.
小（％L %J=0,
г18（心，尤6）=°，
仆（x3,
々0（九九¥J=Q
/ 1 （%3, %）=（）♦
Здесь, например, «равенство» 尸1」（尤3 %J=0 обусловливает совпаде-
ние третьей буквы слова 丸 и начальной буквы слова х5. Теперь мы перечислили все условия; число их равно
6+6+9=21.
5°. Вообще говоря, если задача содержит п неизвестных %], г?, ...,尤门,а условие разбито на / частей （требований, частичных условий, пунктов, оговорок） *）, то мы получаем систему из I соотношений, связывающих п неизвестных; эти соотношения можно выразить в виде системы из / символических «уравнений», связывающих наши п неизвестных:
八（修,¥2，无几）= 0）
В гл. 2 мы имели дело с частным случаем такой системы, в котором неизвестные х〔, х2, хп были числами, уравнения ——истинными （а не только символическими!） алгебраическими уравнениями и где / было равно п. В настоящей главе мы часто будем встречаться со специальными случаями, подобными рассмотренным в пп. ]° и 2°, когда некоторые из уравнений содержат не все неизвестные, а только их часть.
6°. Может случиться, чю одна и та же система символических уравнений отвечает двум задачам. Эти две задачи могут относиться к совершенно различным областям, но если они в известном — скорее абстрактном, нежели конкретном — смысле аналогичны друг другу, то у них имеется нечто общее; это не очень легко точно формулируемое «общее» позволяет отнести обе задачи к одному и тому же классу. Таким путем мы приходим к более тонкой классификации задач (имеются в виду задачи н а нахождение). Представляет ли для нас подобная классификация какой-нибудь интерес? Существует ли процедура решения, приложимая в равной степени к двум различным по характеру задачам, если им отвечает одна и та же система символических уравнений?
Этот вопрос мне кажется интересным. И хотя, если рассматривать его во всей общности, он вряд ли может принести много пользы, все же сама его постановка проливает дополнительный свет на некоторые более специальные обстоятельства, которые мы далее собираемся обсудить.
Расширение области применения метода двух геометрических мест
В предыдущем параграфе мы набросали весьма общую картину. Как укладываются в нее сделанные нами ранее наблюдения? Какое место занимает в ней самый первый изучавшийся нами метод?
1°. Наш ответ на этот вопрос будет более убедительным, если мы и в дальнейшем будем придерживаться принятой ранее терминологии.
Занимаясь геометрическими построениями, мы рассматривали «геометрические места». По существу, каждое такое геометрическое место представляет собой некоторое множество точек. В дальнейшем мы будем называть некоторое множество геометрическим местом, если оно появляется при решении задач некоторым характерным образом; как —— это будет разъяснено в последующих примерах. Поскольку термин «множество», о чем уже упоминалось в дополнительном замечании 54 к гл. 1, имеет массу синонимов (класс, совокупность, собрание, категория), казалось бы, бесцельно прибавлять к ним еще один ). Однако термин «геометрическое место» может напомнить кое-что из опыта, приобретенного при решении элементарных геометрических задач; тем самым он может подсказать нам, по аналогии с известным ранее, некоторые полезные шаги, применимые и в ситуации, связанной с другими, возможно, более трудными задачами, чем те, в связи с которыми первоначально возникла эта терминология.
2°. Два геометрических места для точки на плоскости. Вернемся назад к самому первому из рассмотренных нами примеров: построить треугольник, по трем его сторонам. .
Взглянем еще раз на уже знакомое нам решение задачи из § 2 гл. 1. Отложив одну из сторон искомого треугольника, скажем а, мы тем самым фиксируем две его вершины В и С. Остается найти еще только одну вершину; эту третью, на данном этапе работы пока еще неизвестную нам вершину обозначим через х. Согласно условию, точка х должна удовлетворять двум требованиям:
ri) точка % должна находиться на данном расстоянии b отданной вершины С;
%) точка х должна находиться на данном расстоянии с от данной вершины В,
Используя обозначение, введенное в § 1, мы записываем требования гх) и г2) в виде символических равенств
尸 1 (х)=0,尸2 (%)=°・
Точки 尤,удовлетворяющие первому требованию rj (первому из двух символических «уравнений»), заполняют окружность Si (радиуса b с центром в С)—линия Si представляет собой множество или геометрическое место точек, удовлетворяющих требованию гх). Геометрическое место точек, удовлетворяющих второму требованию &) (второму символическому уравнению), представляет собой вторую окружность S2. Искомая точка х, являющаяся решением предложенной нам задачи о треугольнике, должна удовлетворять обоим требованиям, т. е. принадлежать обоим геометрическим местам. Следовательно, множеством решений рассматриваемой задачи является пересечение геометрических мест S] и S2. Это множество, вообще говоря, состоит из двух точек, и поэтому существуют два решения — два треугольника, симметричных друг другу относительно стороны ВС.
3°. Три геометрических места для точки в пространстве. Рассмотрим следующую стереометрическую задачу, аналогичную той простой планиметрической задаче, которую мы только что обсудили: Построить тетраэдр по его шести ребрам.
Используя упоминавшуюся в п. 2° процедуру, построим сначала основание искомого тетраэдра, т. е. треугольник по трем сторонам, являющимся ребрами тетраэдра. Построив основание, мы тем самым зафиксировали три вершины тетраэдра, скажем, А, В и С. Осталось найти еще только одну вершину; эту четвертую, на данном этапе работы пока еще нам неизвестную, вершину D мы обозначим через 无冴 а ее расстояния от трех вершин, местоположение которых нам уже известно,— соответственно через а, b и с (эти величины нам
даны). Согласно условию задачи, к точке х предъявляются следующие три требования:
гх) точкаyдолжнанаходитьсянарасстоянииаотточки力;
fJ точкахдолжнанаходитьсянарасстоянии6отточкиВ;
Гз) точкахдолжнанаходитьсянарасстояниисотточкиС.
Используяобозначения, введенныев § 1, запишем эти требо
вания в виде трех символических уравнений
厂 1 (%1)=0,厂2 (%2)=0,“(%з) = 0・
Точки х, удовлетворяющие первому требованию гх) (первому символическому уравнению), заполняют поверхность сферы 2Х (радиуса а с центром в А). Эта сфера St образует множество или геометрическое место точек, удовлетворяющих первому требованию г^. Каждому из двух других требований отвечает другая сфера ?2, соответственно S3: эти сферы суть геометрические места точек z, удовлетворяющих этим требованиям. Точка х, являющаяся решением предложенной задачи о тетраэдре, должна удовлетворять одновременно всем трем требованиям, т. е, принадлежать всем трем геометрическим местам. Поэтому множество решений рассматриваемой задачи совпадает с пересечением упомянутых трех геометрических мест (трех сфер 2匕 S2 и S3). Это множество, вообще говоря, содержит две точки, и поэтому существуют два решения — два тетраэдра, симметричные друг другу относительно плоскости треугольника АВС.
4°. Геометрическое место точек для объекта более общего характера. Примеры, рассмотренные в пп. 2° и 3°, могут напомнить нам еще несколько задач, которые мы решили в гл. 1, следуя этому же методу. За этими примерами можно обнаружить общее положение.:
Неизвестное задачи — х. Условие задачи разбито на / пунктов, которые мы выражаем при помощи системы из / символических «уравнений»:
г 1 (х) =^ 0,「2 (х)=0, * * *,г с (х) 0.
Объекты х, удовлетворяющие первому пункту, отраженному в первом символическом уравнении, образуют некоторое множество, которое мы называем первым геометрическим местом. Объекты, удовлетворяющие второму пункту, образуют второе геометрическое место; объекты, удовлетворяющие последнему пункту, образуют /-е геометрическое место. Объект х, являющийся решением предложенной задачи, должен удовлетворять всем / пунктам, т. е. условию задачи
в целом; поэтому он обязан принадлежать всем /^геометрическим местам. С другой стороны, любой объект 招 который одновременно принадлежит всем / геометрическим местам, удовлетворяет всем пунктам условия и, следовательно, условию задачи в целом,— поэтому он является решением предложенной нам задачи. Коротко: множество решений рассматриваемой задачи, т. е. совокупность объектов, удов летвор я ющи х ее условию, представляет собой пересечение упомянутых геометрических мест.
Отсюда вытекает возможность широкого обобщения метода двух геометрических мест, возможность создания схемы, пригодной для неисчерпаемого множества случаев и дающей решение почти любой задачи; для этого нужно только сначала разбить условие на соот- йетствующие пункты, затем построить геометрические места, отвечающие всем этим пунктам, и, наконец, получить решение, взяв пересечение этих геометрических мест. Прежде чем вынести суждение об этой весьма общей схеме, рассмотрим несколько конкретных случаев.
5°. Два геометрических места для прямой линии. Построить треугольник, если даны г, ha и а.
Читатель должен вспомнить обозначения, которыми мы пользовались в гл. 1: г обозначает радиус вписанного круга, ha — высоту, опущенную на сторону а, и а — угол, противолежащий стороне а.
Эта задача не слишком легка, но некоторые первоначальные шаги очевидны. Нельзя ли решить задачу частичной Мы легко можем вычертить часть искомой фигуры, а именно, круг радиуса г и две касательные к нему, образующие между собой угол а. (Заметьте, что два радиуса, проведенных в точки касания, образуют угол 180° — а.) Вершина этого угла а будет вершиной Л искомого треугольника. Теперь задача сводится к построению прямой (бесконечной), частью которой является отрезок, противолежащий вершине Л. Таким образом, если уже построенную часть фигуры Йитать данной, то эта прямая ——обозначим ее через х — будет нашим новым неизвестным.
Условие, которому должна удовлетворять прямая х, состоит из двух пунктов:
rj % является касательной к построенной нами окружности радиуса г;
&) х находится на заданном расстоянии ha от данной точки Л.
Первое геометрическое место для z представляет собой множество касательных к данной окружности радиуса г.
Второе геометрическое место для х является опять-таки множеством касательных к окружности радиуса ha с центром 4 Пересечение упомянутых геометрических мест состоит из общих
касательных, проведенных к этим двум окружностям; такие касательные мы умеем строить (см. п. 1° § 6 гл. 1 и упр. 35 из гл. 1).
(На самом деле только внешние касательные решают поставленную задачу в точном соответствии с ее формулировкой; общие же внутренние касательные, которые могут и не существовать, приводят к треугольнику с вневписанной окружностью радиуса г.)
Рассматривая общие касательные двух окружностей как пересечение двух геометрических мест, образуемых прямыми линиями, мы приходим к полезной идее; она оказывается еще более полезной, если к ней прибегают в некоторых других аналогичных случаях, особенно в предельном случае, когда одна из окружностей вырождается в точку.
Рис. 27a. Три отверстия для «универсальной Рис. 276. Первое геопробки».метрическое место.
6°. Три геометрических места для тела. Сконструируйте «универсальную» пробку, которая аккуратно закрывает три различных отверстия: круглое, квадратное и треугольное.
Взгляните на рис. 27а; на нем изображены круг, квадрат и равнобедренный треугольник такие, что диаметр круга, сторона квадрата, основание и высота равнобедренного треугольника равны друг другу.
Пользуясь геометрической терминологией, можно сказать, что три ортогональные проекции искомого тела совпадают с тремя фигурами именно такого вида. Допустим (в действительности такое допущение сужает постановку вопроса), что проекции расположены в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Неизвестным в нашей задаче является тело,— скажем х; ее условие состоит из трёх пунктов:'
Г1) проекция тела х на пол ——окружность;
■ и?) проекция тела 尤 на боковую стенку — квадрат,
%) проекция тела y на заднюю- стенку — равнобедренный треугольник.
*' Здесь подразумевается, что тело % находится в комнате, имеющей форму обычного п р я моуго л ьного параллелепипеда, что ■ проекции
ортогональны и что размеры трех фигур, изображенных на рис. 27а, таковы, как это объяснено выше.
Изучим вначале первое геометрическое место, т.亂 множество тел, удовлетворяющих требованию rj. Заданный нам круг расположен на полу. Рассмотрим какую-нибудь бесконечную вертикальную прямую, пересекающую этот круг; назовем ее 《нитью》.
места.места.Рис. 27в. Два геометрическихРис. 27в. Два геометрических
места.
места.
Рис. 27в. Два геометрических
Рис. 27в. Два геометрических
Рис. 27д. Наилучшая «универсальная пробка».Рис. 27д. Наилучшая «универсальная пробка».
Рис. 27д. Наилучшая «универсальная пробка».
Рис. 27д. Наилучшая «универсальная пробка».
Такие нити заполняют бесконечный круговой цилиндр (рис. 276), сечением которого является наш круг. Тело % будет удовлетворять первому требованию ri), если оно является частью этого цилиндра и содержит по крайней мере одну точку каждой из нитей, «образующих» цилиндра. Множество всех таких тел —
это наше первое геометрическое место.
Подобно тому как первое геометрическое место связано с бесконечным вертикальным цилиндром, Два других геометрических места связаны с двумя бесконечными (горизонтально расположенными) призмами. Сечение призмы, соответствующее требованию &), является квадратом; допустим, что эта призма вытянута в направлении с востока на запад (рис. 27в). Тогда призма, соответствующая требованию 尸з), сечением которой является равносторонний треугольник, будет вытянута в направлении с севера на юг (рис. 27г).
Любое тело 居 принадлежащее всем трем геометрическим местам, является решением нашей задачи, т. е. «универсальной пробкой»; наибольшее по объему тело такого рода представляет собой пересечение трех вышеупомянутых бесконечных тел, т. е. цилиндра и двух призм; эскиз его дан на рис. 27д.
(Почему оно по объему наибольшее? Опишите различные части его поверхности. Опишите еще какие-нибудь тела, являющиеся решениями задачи.).
7°. Два геометрических места для слова. В кроссворде, построенном на игре слов и анаграммах, встретилась следующая «шифровка»:
«Эта форма — сразу да — не доказательство» (7 букв) ).
Перед нами неправильное маленькое предложение; оно даже как будто имеет смысл: «Если вы говорите «да» столь поспешно, то это вряд ли что-либо доказывает». Однако у нас может возникнуть подозрение, что крупица здравого смысла заложена в «шифровку» только для того, чтобы сбить нас с толку. И тогда можно предложить лучший вариант ее истолкования: слово «форма» может означать «анаграмма». В этом случае нашу шифровку можно интерпретировать следующим образом:
Неизвестное х — это слово. Условие состоит из двух частей: rx) y является анаграммой слов (т. е. состоит из тех же букв, что и слова) «сразу да»;
&)《Y не является доказательством» представляет собой осмысленную (возможно, даже часто встречающуюся) фразу.
Изучим теперь эту новую интерпретацию задачи. Условие четко разбито на два пункта: гг) касается буквенного состава слова, &) — его смыслового значения. Каждому из этих пунктов соответствует некоторое «геометрическое место», хотя эти геометрические места и менее «удобообозримы», чем в предыдущих случаях.
Первое геометрическое место само по себе достаточно ясно. Мы можем расположить семь букв
А А У Д 3 Р С
2520 различными способами (читателю здесь нет необходимости заниматься вопросом о происхождении этого числа, которое равно 7!/2!). Если бы это оказалось абсолютно необходимым, мы могли бы выписать эти 2520 различных размещений из данных семи букв (без повторений и пропусков) и таким образом исчерпать все возможности, открываемые пунктом /), т. е. описать или полностью воспроизвести интересующее нас геометрическое место. Однако это было бы утомительной и ненужной работой (ведь большинство размещений будут комбинациями гласных и согласных, никогда не встречающимися в русском языке). Более того, такое механическое исчерпывание всех возможных случаев в задаче и не предполагалось, так как оно никак не соответсгвует духу кроссворда как веселой игры, развлечения. Геометрическое место, отвечающее пункту ri), если не в принципе, то на практике неисчерпаемо, н еудобообоз римо.
Геометрическое место, соответствующее пункту &), не только неисчерпаемо, но еще и несколько туманно. Дано русское слово х; имеет ли смысл фраза:《х не является доказательством?» Является ли она обычной фразой? Во многих случаях ответ будет спорным.
Итак, в силу различных причин, ни одно из двух наших геометрических мест не пригодно для применения на практике, ни одно из них нельзя надлежащим образом описать, обозреть или построить. И, конечно, у нас нет четкой процедуры, чтобы найти пересечение этих двух геометрических мест. Несмотря на это, все же полезно представлять себе, что условие состоит из двух различных пунктов и что искомое слово должно удовлетворять им обоим. Сосредоточиваясь сначала на одном из них, а затем на другом, размышляя о словах, которые почти удовлетворяют первому пункту или же второму, нанося удар в одном направлении, а затем в другом,— мы, в конце концов, можем настолько расшевелить нашу память, запас слов и фраз, что неожиданно возникнет искомое слово.
(Мы подчеркнули то обстоятельство, что ни один из двух пунктов rj и г2) не может быть использован на практике,—— такая точка зрения полезна для общей оценки применимости рассматриваемой схемы. В действительности же всегда бывает так, что один из этих двух пунктов более удобен, чем другой,— это соображение может принести пользу при решении какой-нибудь маленькой головоломки, с которой вы встретились.)
С какого пункта условия следует начинать
В предыдущем параграфе мы обсуждали различные типы задач и решали их одним и тем же методом, который можно назвать «методом / геометрических мест». Нерешенной осталась только одна, последняя задача из п. 7° § 2. В чем заключалась ее трудность? Нам удалось достаточно искусно разбить условие на пункты, но мы не сумели справиться с геометр ическ и ми местами, соответствующими этим пунктам, мы не смогли исчерпать получившиеся геометрические места, не смогли надлежащим образом описать их и, в результате, не смогли образовать их пересечение.
Бывают случаи, когда затруднение, с которым мы встречаемся, не столь неопределенно; тогда с ним справиться можно.
1°. Два геометрических места для слова. В кроссворде, построенном на игре слов и анаграммах, мы встретили такую «шифровку»:
«Обилие воды в обоих направлениях (5 букв)》).
После нескольких попыток можно прийти к следующей интерпретации: Неизвестное % — это слово. Условие состоит-из двух пунктов:
-产J х означает «обилие воды»,
г2) х ——это слово, состоящее из пяти букв, которое, будучи прочтено в обратном направлении, также сохраняет значение «обилия воды».
С какого пункта условия нам следует начинать? Это не безразлично. Чтобы эффективно использовать условие, вам придется держать в уме перечень всех пятибуквенных слов, которые можно читать в обратном направлении с сохранением какого-то смысла. Однако вряд ли у кого-нибудь окажется таксой перечень, тогда как большинство из нас могут припомнить слова, которые более или менее подходят по смыслу к выражению «обилие воды»; нам остается только, по мере их возникновения в памяти, проверять, удовлетворяют ли они условию г2)- Вот некоторые из этих слов:
озеро, море, океан, прилив, разлив, наводнение,——ну, конечно, ПОТОП )】)！
2°. Попытаемся выделить характерную особенность только что рассмотренной процедуры.
В пункте ri) из обширной совокупности всех слов отбирается небольшое множество слов, одно из которььх является решением. В пункте /) делается то же самое, однако с тем различием, что здесь отбор произвести заметно труднее: оперировать с пунктом ri) можно более успешно, чем с пунктом г2). Мы использовали более удобный пункт для первоначального отбора слов, а менее удобный ——для последующего. Важнее иметь возможность более эффективного отбора вначале, так как в первый раз объекты отбираются из огромного резервуара всех слов, во второй же —— из гораздо более ограниченного геометрического места, полученного в результате первоначального отбора.
Мораль проста: Каждому пункту соответствует геометрическое место. Начинайте с того пункта, для которого можно построить наиболее конкретное, наиболее эффективное геометрической мёсто. Поступая таким образом, вы сможете избежать полного построения геометрических мест, отвечающих остальным пунктам, поскольку эти пункты можно будет использовать лишь при отборе из первого геометрического места.
3°. Два геометрических места для трехкомпонентного неизвестного^ Сколько лет капитану, сколько у него детей и какова длина его судна, если произведение этих трех искомых (целых) чисел
равно 32 118. Предполагается, что длина судна выражается в метрах (равна нескольким метрам, т. е. больше одного метра); что у капитана есть как несколько (больше 1) сыновей, так и несколько дочерей; что ему больше лет, чем он имеет детей, но что ста лет ему еще нет.
■ В этой головоломке требуется найти числа
匕у,Z,
которые, соответственно, обозначают
число детей, возраст капитана, длину судна.
Полезно представить себе задачу таким образом, что имеется только одно неизвестное, которое, однако, представляет собой не просто число, а «трехкомпонентное» неизвестное — тройку чисел (%, у,外・
Очень важно суметь разбить условие, выражаемое формулировкой задачи, на соответствующие пункты. Это требует тщательного изучения деталей и довольно заметной перегруппировки частей условия. После ряда попыток (описание которых мы опускаем для экономии места) мы можем прийти к следующим двум пунктам: 尸О %, у и. z-—положительные числа, отличные от 1, произведение которых равно
xyz = 32 118,
%) 4&%<у<100.
С какого из этих двух пунктов следует начать? Конечно, с пункта 尸J, оставляющего лишь конечное число возможностей, тогда как- пункт г2) вообще не ограничивает z и, таким образом, оставляет бесконечное множество их.
Поэтому приступим к изучению 公).Так как число 32 118 делится на 6 без остатка, то его легко разложить на простые множители
32 118=2・3・53・101・
Чтобы получить разложение числа 32 118 только на три сомножителя, нам надо объединить какие-то два из четырех сомножителей. Таким образом, различных возможностей для представления числа 32 118 в виде произведения трех сомножителей, отличных от 1, имеется всего 6:..
53- 101, 3-101- 106, 3- 53- 202,:
2-101- 159,二
53- 303,“
2- 3-5353,
Из этих шести возможностей, в силу требования, выраженного в пункте г2), отбрасываются все, за исключением первой, и мы, таким образом, получаем, что
%=6,у=53, г~ 101.
У капитана 6 детей, ему 53 года, а длина его судна равна 101 метру.
Основная идея решения этой несложной головоломки часто применяется и в более сложных случаях. Она заключается в том, что из условия выделяется «узловой» пункт, оставляющий лишь небольшое число возможностей, а затем из этих последних производится отбор путем использования оставшейся «второстепенной» части условия 〉
*4°. Два геометрических места для функции. Существует очень важный тип математических задач, повседневно встречающихся в физике и технике, условия которых естественным образом разбиваются на два пункта: требуется найти функцию, заданную при помощи дифференциального уравнения и начальных или граничных условий. Вот простой пример, в котором неизвестное х является функцией независимого переменного /; в нем требуется найти такую функцию, чтобы она удовлетворяла:
ri) дифференциальному уравнению /(х, /), где /(х, f) — заданная функция,
г2)начальным условиям: х= 1, "=。при f = 0.
С чего следует здесь начать? С дифференциального уравнения или с начальных условий?——Это зависит от вида заданной функции f(x, О-
Первый случай. Пусть f(x, /)=—%, т. е. предположим, что исходное дифференциальное уравнение имеет вид
Это дифференциальное уравнение принадлежит к одному из тех немногочисленных типов, для которых мы в состоянии выразить 《общий интеграл» в явном виде. Наиболее общий вид функции, удовлетворяющий этому дифференциальному уравнению, имеет вид
%=4 cos t+B sin /,
где Л и В ——произвольные постоянные (постоянные интегрирования). Итак, мы получили «геометрическое место», отвечающее пункту %).
1) Ср. ниже, упр. 12—18.
Теперь перейдем к пункту г2) и используем его для того, чтобы выделить решение из первого, уже найденного, геометрического места. Полагая /=0 в выражении для % н 衣,получаем из начальных условий, что
/41, 8z=0, x==cos t.
Второй случай. Предположим, что при решении дифференциального уравнения нам не удалось найти его общий интеграл (или какой-нибудь из его частных интегралов) и что мы пришли к выводу о бесполезности дальнейших усилий в ат(%1 направлении. Что делать дальше? С какого из пунктов 尸J или г2) следует начинать теперь?
В такой ситуации можно сначала использовать 小)；представим х в виде степенного ряда (разложение по степеням независимого переменного /), первые два коэффициента которого и。и 必 определяются начальными условиями, а остальные ——〃2, 〃з, 〃打••.— остаются на данном этапе нашей работы неопределенными (в действительности они будут нашими новыми неизвестными; ср. упр. 87 к гл. 3):
X= 1+〃2产 + 〃3/3+〃4/4+...
Итак, геометрическое место, отвечающее пункту г2), в некотором смысле получено. Теперь можно перейти к первому пункту, т. е. к 尸J, имея в виду воспользоваться данным дифференциальным уравнением для того, чтобы найти остальные коэффициенты 〃？，〃力... (применяя, если это окажется возможным, метод рекурсии; см. упомянутое выше упр. 87 из гл. 3).
Заметим, что дифференциальное уравнение во всяком случае более «селективно» (т. е. более значительно сужает выбор функций), чем начальные условия. Действительно, с. помощью пункта г2) определяется только два коэффициента степенного ряда, тогда как оставшуюся бесконечную последовательность коэффициентов приходится определять с помощью дифференциального уравнения [т. е. условия 尸J]. Отсюда видно, что не всегда лучше начинать с более селективного пункта.
Расширение области применения рекурсии
В предыдущем параграфе мы отмечали важность проведения различия между пунктами условия, поскольку могут существовать причины (и притом очень веские), диктующие требование начинать работу с некоторого определенного пункта, а не с какого-то другого. Правда, до сих пор мы имели дело только с одним неизвестным, что может рассматриваться как ограничение (в действительности
ато ограничение несущественно; см. по этому поводу указание в .§ 5 гл. 5). Рассмотрим теперь случай решения задачи с несколькими неизвестными.
1°. Ряд примеров, рассмотренных в гл. 3, позволяет выдвинуть одно важное общее положение. Пусть имеется система из п неизвестных %[, %2, •••, хп, удовлетворяющих следующим п условиям:
尸 i(%i)=0,
尸2 (%1, %2)= 0,
分(%1, %2, %)=0,
Гп(Хх, х2, х3,...,厶)=0.
Эта специальная система, состоящая из п соотношений, не только указывает, откуда следует начинать, но и в каком направлении нужно продвигаться дальше. По сути дела, эта система _ подсказывает целиком весь план кампании.
Начинайте с 尤匕 которое вы найдете из первого соотношения; получив %i, определяйте х2 из второго соотношения; найдя хх и %2, определяйте х3 из третьего соотношения и т. д.—— таким путем, используя при определении очередного неизвестного значения найденных вами ранее неизвестных, вы последовательно "получите значения всех неизвестных, причем в том именно порядке, который указывается их нумерацией.
Этот план успешно реализуется, если А-е соотношение
尸用(%1， *2，，…，4-1，/)=0
для всех 々=1, 2, 3, ..., п представляет собой уравнение, из которого мы умеем выразить 无左 через хх, х2, ...» 尤月_1・ Если это уравнение линейно относительно 尤在(коэффициент при котором не должен, конечно, обращаться в нуль), то случай можно считать особенно благоприятным.
Это — метод рекурсии: мы находим xk рекуррентным образом, т. е. возвращаясь назад к ранее найденным величинам %匕 х2,... • • ♦, % 1* ■
Придерживаясь этого метода, мы естественно продвигаемся шаг за шагом вперед, начиная с хъ принимаясь после %】за х2, после х2 за х3, т. е. делая как раз то, что кажется наиболее очевидным и целесообразным. На каждом новом этапе мы используем всю накопленную ранее информацию, что, возможно, и является наиболее характерней чертой метода. Это станет еще более ясным после того, как мы рассмотрим несколько примеров.
2°. В п. 3° § 5 гл. 2 мы получили систему из семи уравнений с семью неизвестными. Обозначим их по-новому следующим образом:
а = %4，.b?-- х^,c = %6，
Перепишем теперь упомянутую систему уравнений, отмечая только то, какое неизвестное связывается с каким уравнением, и не обращая внимания на другие детали; кроме того, перенумеруем уравнения так, чтобы было ясно видно, в каком порядке их нужно рассматривать.
Так мы получаем следующую систему соотношений:
尸 1 (%2, %3)= 0,
尸2 (%3, Х1) —О,
尸3 (%1, %2)= 0,
尸4(%2, %3, %&) = 0,
尸5 (%3, %Ь %5)=0,人(%1, %2, %) = 0,尸7 (尤4, %5,尤6，^7)=：^*
Из такой записи системы вытекает следующий, очевидный план: отделить первые три соотношения от остальных. Эти три соотношения содержат только три первых неизвестных хъ %2, %з, и их можно рассматривать как систему трех уравнений с тремя неизвестными. В самом деле, из системы трех уравнений, приведенных в п. 3° § 5 гл. 2, которым здесь соответствуют три первых соотношения, мы легко получаем, что %；=厶 工2=加，心=孔・ После того как первые три неизвестных 尤的 х2, х3 найдены, система «становится рекуррентной». Сначала мы находим неизвестные х&, х5, х6 ——каждое из соотношения с соответствующим неизвестному номером. (Порядок, в котором мы рассматриваем эти три неизвестных, не играет, по существу, никакой роли.) После того как х&, х5, %$ найдены, мы из последнего соотношения получаем х7 (которое было основным неизвестным в первоначальной задаче из п. 3° § 5 гл. 2; все остальные введенные нами неизвестные являются только вспомогательными).
Читателю рекомендуется сравнить только что рассмотренную систему с системой, встретившейся нам в п. 1° § 1.-
Зэ. Решить уравнение
(也)2 = she,
где he и she *) —— обыкновенные (целые положительные) числа, 一 *) По-английски he——он, she——она.— Прим, перев.
записанные в десятичной системе (не произведения цифр!), одно из которых двузначное, другое трехзначное, h, е и s — цифры. Эту задачу можно сформулировать и иначе, в более развернутом виде: найти числа h, е и s, удовлетворяющие соотношению
(10/z4-e)2=100s+10/i+e,
где 儿 с и s — целые числа, причем 1&/1&9, 0&с&9, 1&S&9.
Наша маленькая головоломка нетрудна, и если читатель отложит на время книгу и решит ее самостоятельно, то он сможет лучше оценить предлагаемую схему. В начальной фазе решения мы имеем дело только с одним неизвестным. Переходя к следующей фазе, мы вводим еще одно неизвестное и рассматриваем совместно два неизвестных. И только в последней фазе решения мы занимаемся всеми тремя неизвестными одновременно.
Фаза (е). Мы начинаем с е, так как число е подчиняв т- ся отдельно му требованию: последняя цифра числа 外 должна совпадать с е. Выписав список квадратов всех десяти цифр
О, 1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81,
мы замечаем, что только четыре числа из десяти удовлетворяет нашему требованию; итак,
е=0, или 1, или 5, или 6.
Фаза (е, h). Можно сформулировать требование, касающееся только двух из трех искомых цифр, а именно с и %:
100 &硒 < 1000, откуда легко находим, что
10 & 位= 31.
Объединяя полученный только что результат с результатом из п. (е), находим, что двузначное число he должно совпадать с одним из следующих десяти чисел:
11, 15, 16,
21, 25, 26,
31.
Фаза (%力，s). Составляя список квадратов только что полученных десяти чисел:
121, 225, 256,
400, 441, 625, 676,
900, 961, мы обнаруживаем, что только одно из них полностью удовлетво-
ряет условию. Итак, 才e=5,九=2, s-6;
(25)2=625.
4°. В предыдущем пункте мы разделили условие нашей задачи на три пункта, которые (используя обозначения, введенные в § 1 гл. 6) можно представить с помощью системы трех символических уравнений
ri (е)=0,尸2 (% 九)=0,&(е,瓦 s)=0.
Сопоставим эту систему из трех пунктов со следующей системой из трех линейных уравнений:
a1%1=九，
где %i, х2, %?——неизвестные, а19 a2i ..., a6f b?, Ьз ——заданные числа, из которых 〃匕 а3 и。6 предполагаются отличными от нуля.
Сравним внимательно наши две системы, сходство между которыми больше бросается в глаза, чем их различие.
Сначала взглянем на систему линейных уравнений с неизвестными хь х3, х3; первое уравнение однозначно определяет первое Неизвестное хь остальные же с этим значением xt никак не связаны й изменить его не могут. Второе уравнение однозначно определяет второе неизвестное х2» для чего используется найденное ранее значение х,.
Посмотрим теперь на систему из трех пунктов, на которые мы разбили условие, наложенное на неизвестные е, h, s. Формально она аналогична системе трех уравнений для хь х2, %?, но по существу сильно от нее отличается. Первый пункт определяет первое неизвестное е не однозначно; он только сужает область его возможных значений; он указывает (н это здесь наиболее подходящее выражение!) геометрическое место цифры е. Второй пункт определяет второе неизвестное й также не однозначно: он указывает геометрическое место для пары неизвестных (е, й)——и только последний пункт обеспечивает однозначность решения задачи, так как выделяет из ранее установленного геометрического места единственную тройку (е, й, s), полностью удовлетворяющую условию задачи.
Последовательный охват неизвестных
Рассматривая п численных неизвестных хь х2, ..., хп, мы можем считать их последовательными компонентами многокомпонентного неизвестного 尤(см. § 5 гл. 5). Посмотрим с этой точки зрения на п неизвестных, которые мы последовательно определяем из некоторой
рекуррентной системы уравнений, например такой, с которой мы встретились в п. 1° § 4. Рекуррентная процедура решения последовательно, шаг за шагом, снимает покровы с нашего составного неизвестного. Вначале наши сведения о нем невелики ——это знание одной-единственной компоненты %> Но мы успешно используем наши первоначальные сведения и получаем больше: мы дополняем знание первой компоненты знанием второй компоненты, х2. На каждом этапе работы мы добавляем к ранее накопленной информации знание еще одной компоненты, мы используем уже имеющиеся сведения, чтобы получить дополнительные сведения. Мы завоевываем империю провинция за провинцией, используя на каждом этапе продвижения ранее захваченные провинции в качестве оперативной базы для покорения следующей провинции. -.
Нам встречались случаи, когда эта процедура применялась в несколько модифицированном виде. Иногда провинции могут завоевываться не строго по одной в каждой отдельной .кампании: случается, что завоевателю удается захватить для своей империи более обширную территорию — две или три провинции сразу (ср. п. 2° § 4 и п. 1° § 1). Бывает и так, что провинция завоевывается за одну кампанию не вся целиком; может случиться также, что одна, а затем другая провинция покоряются частично и только последнее успешное продвижение завершает их захват (ср. п. 3° §4).
Возможно, что нам раньше встречались и другие варианты изучаемой процедуры; так, например, у нас был случай познакомиться со специальным методом расширяющегося решения (см. § 7 гл. 2), который произвел на нас впечатление своей новизной. Если неизвестное содержит несколько компонент (как это было, например, в случае кроссворда), то можно продвигаться одновременно по нескольким направлениям: у нас нет необходимости нанизывать все бусины на одну нить, можно пользоваться и несколькими нитями. Однако самое существенное здесь состоит в том, чтобы использовать накопленную ранее информацию как оперативную базу для получения дальнейшей информации. Возможно, что в этом смысле все рациональные процессы изучения и решения задач рекуррентны.
Упражнения и дополнительные замечания к главе 6
Условие, состоящее из многих пунктов. В состав магического квадрата, имеющего п строк и п столбцов, входят /г2 чисел, причем сумма чисел в каждой из п строк и в каждом из п столбцов, а также чисел, стоящих по двум главным диагоналям квадрата, должна быть одной и той же; эта сумма носит название «постоянной» магического квадрата. Простейший и наиболее известный магический квадрат содержит 3 строки и 3 столбца и заполнен первыми девятью натуральными числами 1, 2, ..., 9. Сформулируем задачу о построении магического квадрата более подробно,
.Что неизвестной Неизвестны девять чисел; обозначим через %上用 то из искомых чисел, которое находится на пересечении г-й строки и 々-го столбца; г, 々=1, 2, 3.
В чем состоит условие? Оно содержит четыре различных типа требований
1°.打用一натуральное число;
2°. 1W%W9;
3°. x^/AyZ, если /// или 々喺 I （или имеют место оба неравенства）;
4°. х/1+х/2+х/3=х11+х22+^зз» где i=l, 2, 3, 打用+尤2用+饱用=%u+%22+&3, где /г=1, 2, 3,
%1з+%22+%31 = %11+%22+%33・
Установите число требований каждого типа и суммарное число требований. Какую форму принимают эти требования в обозначениях п. 3° § 1?
Используя многокомпонентное неизвестное, приведите систему общего вида, рассмотренную в п. 5° § 1 к （по-видимому, более узкой） системе, рассмотренной в и. 4° § 2.
Используя многокомпонентное неизвестное, приведите систему, рассмотренную в п. 1° § 1, к частному случаю системы, рассмотренной в п. Г § 4.
■ 4. Примените процедуру, упомянутую в упр. 3, к системе, рассмотренной в п. 2° §4.
Составьте план решения системы
г1 （修，%2,%3）= °，
厂2（打，%2,為） = 0，
:厂3（尤1，心，尤3）=0，
厂4（%1，%2，无3，%4）=°，
厂5（%1,%2，%3，%5）= °，
r6（尤1，%2, &，%6）= 0，
г7 （%1，%2,%3,%4,%5,%6,%7）=°・
Система соотношений
/的）=0,
厂2 （/,%2）=0, r3（尤2,為）=0， 厂4（马，%4）= 0，
%（/-1，&）=0
представляет собой интересный частный случай одной из систем, рассмотренных в тексте; не можете ли вы указать, какая система имеется здесь в виду?
Не встречалась ли она вам ранее? Где вам представлялся случай сравнить две системы, находящиеся в аналогичных взаимоотношениях друг с другом?
Через данную точку внутри окружности проведите хорду данной длины.
К какому классу задач относится это упражнение ?^
Заданы две прямые а и 6 и точка С; кроме того, известна величина L Проведите через точку С прямую х так, чтобы периметр треугольника, образованного прямыми а, 6 и х, имел данную длину Z.
К какому классу задач относится это упражнение?
Сохраните только часть -условия. Из двух пунктов условия задачи, рассмотренной в п. 7° § 2, несколько более удобен пункт 勺）,так как, пытаясь удовлетворить требованию, выраженному этим пунктом, легче составить набросок плана решения задачи. Чтобы найти анаграмму заданной совокупности букв «сразу да», нам нужно подыскать слово, состоящее из букв, принадлежащих только к этой совокупности, причем' такое, в которое входили бы все эти буквы. Здесь нам может прийти на. помощь следующая процедура: - опустим последнюю
часть условия, т. е. слова «входят все эти буквы», и попробуем подыскать слова или изучаемые в морфологии части слсж, как-то: приставки, окончания, образуемые буквами этой совокупности. Короткие слова такого рода найти легко; переходя затем к более длинным словам, мы можем надеяться, что, в конце концов, придем к искомой анаграмме. В нашем случае иам могли бы встретиться сле-
дующие слова:
АД,
АР,
УС,
СУ,
АЗ, ДА,
ДАР,
УДА,
ЗУД,
САД,
РАСА,
УДАР,
УЗДА,
РУДА,
СУДА,
ЗА・，
РАС-,
РАЗ- (приставки),
-А (окончание) *).
Чтобы решить задачу из п. 7° § 2, мы должны изучить эти «обломки» слов, имея в виду не столько саму анаграмму или пункт гх), сколько пункт г2)- Некоторые из этих «обломков» складываются в осмысленную анаграмму, например УЗДА РАС), однако в качестве решения это неприемлемо.
Нить Ариадны. Дочь короля Мнноса, Ариадна, полюбила Тезея и дала ему клубок нитей, чтобы тот, распуская клубок при входе в лабиринт, мог среди путаницы ходов по нити отыскать обратный путь.
Участвовал в создании этого мифа некий доисторический гений эвристики? Как удивительно этот миф напоминает содержание некоторых задач!
Пытаясь решить задачу, мы часто попадаем в затруднительное положение и не видим, как можно продвинуться дальше той последней точки, которой нам удалось достичь. Лабиринт представляет собой задачу иного характера, в ней от определенных, достигнутых нами точек отходят много путей; трудность же заключается в том, что неизвестно, какому из них следует отдать предпочтение. Чтобы справиться с подобной задачей (или для того чтобы записать ее решение, после того как с ней удалось справиться), нам нужно рассматривать объекты исследования в надлежащей последовательности, в наибол ее экономном, наиболее отвечающем духу этой задачи порядке; и если перед нами некая альтернатива, то следующий объект нужно выбирать так, чтобы извлечь максимальный эффект из проделанной ранее работы. Смысл фразы: «правильный выбор направления на распутье» совершенно точно передается выражением «нить Ариадны», которое, между прочим, было одним из любимых выражений Лейбница.
Комплексные задачи со многими неизвестными, охватывающими несколько взаимосвязанных задач и условий, часто имеют характер лабиринта; хорошей иллюстрацией тут могут служить кроссворды и построения сложных геометрических фигур. Имея перед собой такую комплексную задачу, мы на каждом этапе ее решения останавливаемся перед выбором: к какой промежуточной задаче (к какому слову, к какой части фигуры) следует дальше обратиться? В самом начале мы должны стараться отыскать наиболее уязвимое место, найти наиболее удобный пункт, с которого можно начать решение, например, самое доступное слово в кроссворде или часть фигуры, которую легче всего построить. После того как первое слово найдено или построен первоначальный элемент фигуры, иам
надо тщательно выбрать вторую задачу, т. е. то слово (или ту часть фигуры), отличное от первого, отысканию которого лучше всего способствует это первое, уже найденное, слово (или элемент фигуры). Продолжая действовать в том же духе и далее, мы всегда должны стараться выбрать очередную промежуточную задачу, очередное неизвестное таким образом, чтобы извлечь наибольшую выгоду из ранее найденных неизвестных. (Здесь мы снова, но более детально, излагаем идею, высказанную в § 5.)
Мы приводим далее несколько задач, которые дают читателю возможность применить на практике только что высказанные советы.
Найдите магический квадрат, состоящий из трех строчек и трех столбцов, схематически описанный в упр. 1. (Возможно, что вам известно одно из решений этой задачи, но здесь подразумевается, что нужно найти все решения. Очень важен порядок, в котором вы рассматриваете неизвестные. Прежде всего постарайтесь разместить в магическом квадрате однозначно определяемые неизвестные —это самое важное!)
Умножение на 9 меняет порядок цифр некоторого четырехзначного числа на обратный (т. е. приводит к четырехзначному числу, записываемому теми же цифрами, взятыми в обратном порядке). Какое это число?
(Какую часть условия вы намерены использовать прежде всего?)
Найдите цифры a, bt с и d, если известно, что
ab • ba=cd&
Предполагается, что цифры а и b двузначного числа 而 (т. е. числа 10口+匕)раз личны.
Докажите, что ни одно из чисел последовательности
111, 1111, 11 111, ...
не является квадратом целого числа.
Элементами треугольника называются три его стороны, и три угла. Можно ли построить два не равных друг другу треугольника, пять элементов одного из которых тождественны пяти элементам другого? (Мы не требуем, чтобы равные стороны этих треугольников были сходственными.)
Арт, Билл и Сэм задумали устроить большой пикник. Каждый накупил бутербродов, мороженого и фруктовой воды, истратив при этом 9 долларов. Стоимость всех купленных бутербродов оказалась равной 9 долларам; тому же равнялась и стоимость всего мороженого, так же как и стоимость всей воды, хотя доли мальчиков при покупке бутербродов, а также мороженого и воды были при этом неодинаковыми и ни один из них не уплатил одной и той же суммы, скажем, за бутерброды и за мороженое или за бутерброды и за воду, или за мороженое и за воду. Наибольшую разовую трату произвел Арт, расплачиваясь за мороженое; Билл уплатил за бутерброды вдвое больше, чем за мороженое. Сколько уплатил Сэм за фруктовую воду? (Стоимость каждой покупки выражается целым числом долларов.)
Готовясь к празднику 1 ноября*), три супружеские пары — Брауны, Джонсы и Смиты ——накупили мелких подарков для соседских ребят. Каждый из супругов приобрел столько одинаковых подарков, сколько уплатил (или уплатила) центов за отдельный подарок. Каждая жена истратила на 75 центов больше, чем ее муж. Анна купила на один подарок больше чем Билл Браун, а Бетти — одним подарком меньше чем Джо Джонс. Как фамилия Мэри?
Был очень жаркий день, и четыре супружеские пары выпили вместе 44 бутылочки кока-кола. Анна выпила 2 бутылочки, Бетти — 3, Сесиль — 4 и Дороти — 5 бутылочек. Мистер Адамс выпил столько же бутылочек, сколько его жена, а все остальные мужья — больше своих жен, причем мистер Брауи —
вдвое, мистер Вильсон — втрое, а мистер Грин в пять раз больше своей жены. Назовите фамилии каждой из четырех дам.
«Сколько у вас детей и какого возраста?» — спросил однажды гость у учителя математики、
«У меня три мальчика»,— сказал мистер Смит.— «Произведение чисел их лет равно 72, а сумма этих чисел равна номеру нашего дома》.
Гость вышел на улицу, посмотрел на номер, вернулся и сказал: «Задача неопределенная».
«Да, вы правы,— сказал мистер Смит,— но я все-таки надеюсь, что старший из моих сыновей еще окажется победителем в Стэнфордском конкурсе»：!：)-
Скажите, сколько лет каждому из детей учителя, аргументируя свое утверждение достаточно убедительно.
Другие задачи. Постарайтесь отыскать дальнейшие примеры, относящиеся к тематике этой главы. Обратите внимание на деление условия на пункты и взвесьте выгоды и невыгоды начала работы с использования того или иного пункта. Рассмотрите еще раз с точки зрения содержания настоящей главы какие- нибудь задачи, которые вам пришлось решать в прошлом и придумайте новые задачи, при решении которых эта точка зрения может принести пользу.
Промежуточная цель. Предположим, что мы уже приступили к- работе над задачей, но пока еще не вышли из начальной фазы. Мы уже поняли задачу в целом; это — задача на нахождение. Мы ответили на вопрос: «Что представляет собой неизвестное?»; мы знаем, какого вида объект требуется найти. Кроме того, мы-составили перечень данных и разобрались в условии; теперь мы хотим разбить условие на подходящие части.
Заметьте, что эта промежуточная задача не всегда тривиальна, так как способов подразделения может существовать несколько, а нам желательно иметь, конечно, наиболее выгодное подразделение. Так, например, решая геометрическую задачу алгебраическим способом, мы выражаем каждый из пунктов условия при помощи уравнения; различные способы подразделения на пункты приводят к различным системам уравнений, и нам, конечно, желательно иметь такую систему, с которой удобнее всего оперировать (ср. пп. 3° и 4° из § 5 гл. 2).
Условие предложенной нам задачи может представлять собой единое целое, но может .также подразделяться на несколько пунктов. В любом случае мы сталкиваемся с промежуточной задачей: в первом случае — разбить подходящим образом условия на пункты, во втором — разбить подходящим образом условие на большее число пунктов. Подразделение условия на пункты может приблизить решение; оно является нашей промежуточной целью, очень важной во многих случаях.
22・ Графическое представление. Допустим, что мы выразили соотношение, требуемое условием задачи (содержащей какие-то неизвестные) при помощи символического равенства (введенного в п. 3。§ 1). Подобные соотношения можно выразить также графически, при помощи диаграммы,— и такое графическое представление может способствовать лучшему пониманию системы заданных соотношении.
Обозначим на нашей диаграмме неизвестные кружками, соотношения между неизвестными — квадратиками, а тот факт, что в данном соотношении участвует неизвестное, выразим линией, соединяющей квадратик с кружком. Так, например, диаграмма 1) на рис. 28а представляет систему из четырех соотношений, связывающих четыре неязвестных; на ней видно, что только одно из неизвестных bxq-
*) Традиционный (ежегодный) конкурс на решение задач по элементарной математике, долгие годы игравшей роль «первого (по важности)» математического состязания американских школьников, т. е. роль, сравнимую с той, которую в нашей стране играли Московские математические олимпиады. [Заметим, что Дж. Пойа ——долголетний профессор отделения математики Стэнфордского университета (Калифорния).]
дит во все четыре соотношения и также что только одно соотношение содержит все четыре неизвестных; по существу, диаграмма 1) и система четырех уравнений в п. 1° § 1 выражает в точности одну и ту же ситуацию, в первом случае на языке геометрии, во втором ——на языке формул. Пересечение линий в точках, лежащих вне кружков и квадратиков [как это имеет место в одном случае на диаграмме 1)], в расчет не принимается; нужно представить себе, что в действительности только кружки и квадратики лежат в плоскости чертежа; соединительные же линии проведены в пространстве, хотя проекции этих линий на плоскость чертежа могут случайно пересекаться.
Диаграммы 2), 3), 4), 5), так же как и диаграмма 1) (см. рис. 28а), представляют собой системы соотношений, которые мы рассматривали ранее; укажите параграф или упражнение, к которым относятся эти диаграммы.
[Графические схемы другого вида, в некотором смысле «двойственного» предыдущему, иллюстрируются рис. 286; на нем как соотношения, так и неизвестные изображены линиями, причем соотношения ——гор изонтальными линиями, а неизвестные ——вертикальными; если соотношение содержит неизвестное, то соответствующие им линии имеют общую точку. Одно и то же строение системы неизвестных и системы связывающих их соотношений выражено соответственно диаграм
мами 3) и 4) на рис. 28а и 286. Рис. 28а. Кружки и квадратики; неизвестные
* Рис. 286 может навестии соотношения,
на мысль об алгебраическом представлении задачи: его можно рассматривать как схему матрицы, в которой каждая строка отвечает соотношению, а столбец — неизвестному; элементом этой матрицы является либо единица, либо нуль, в зависимости от того, содержит интересующее нас соотношение неизвестное или нет.]
Некоторые типы задач нематематического характера. Какому пункту условия мы должны пытаться удовлетворить в первую очередь? Этот вопрос типичен для многих задач. После того как выбран пункт, имеющий, по-видимому, главное значение, и составлен список объектов (полный или неполный), удовлетворяющий этому «главному» условию, мы вводим в дело остальные, «второстепенные», пункты и с их помощью отсеиваем большую часть объектов из нашего списка, пока, в конце концов, не остается один объект, удовлетворяющий одновременно как главному, так и второстепенным пунктам условия, а следовательно, и всему условию задачи в целом. Такая схема действий, с которой мы уже имели случай познакомиться ранее (см. п. 3° § 3, а также упр. 16 и 17), очень естественно возникает во многих типах нематематических задач и тем самым открывает возможность их решения.
Задача переводчика. При переводе с французского языка на русский требуется найти эквивалент некоторого французского слова, например слова «con- fiance». Французско-русский словарь дает перечень русских слов (Доверие, уверенность, смелость, самой адея н ность), которые удовлетворяют главному, довольно грубо выраженному пункту полного условия нашей задачи,——и нам нужно тщательно следить за контекстом, чтобы обнаружить дальнейшие, более тонкие пункты, ввести их в дело и с их помощью убрать из списка мало подходящие к смыслу переводимого места слова, оставляя в нем наиболее пригодное слово.
Мат 6 два хода. Задано некоторое расположение белых и черных фигур на шахматной доске, отвечающее правилам игры. Неизвестное — ход белых. Условие требует хода, после которого, независимо от хода черных, белые следующим ходом могут объявить мат черному королю.
Рис. 286. Вертикали и горизонтали; неизвестные и соотношения.
Искомый ход должен «отражать» любой возможный ход черных (предотвращать неожиданный выпад, подготавливая и на него ответ, объявляющий мат). Таким образом, можно сказать, что в этом случае условие содержит столько пунктов, сколько существует ходов черных, которые нужно опровергнуть.
Рабочая схема, стратегия, состоит в том, чтобы начать с «критического» хода черных, который, по-видимому, представляет наибольшую угрозу, и составить список ходов белых, способных отразить эту главную угрозу. ^После этого мы рассматриваем «второстепенные» ходы черных и вычеркиваем из списка те ходы белых, которые не могут отразить тот или иной «второстепенный» ход черных; в конце концов, в списке должно остаться одно-единственное верное решение.
Инженерная конструкция. Инженеру необходимо сконструировать новое приспособление. Чтобы быть принятым в производство, новое приспособление должно удовлетворять множеству требований; некоторые из них имеют «технический» характер, как, например, требования надежности в работе, безопасности, долговечности и т. д.; другие ——экономический характер, например, требование невысокой себестоимости, рыночного спроса и т. д. Инженер сначала учитывает только технические требования (полностью или частично), которые мы можем считать «главной» частью условия; ему приходится, таким образом, решать ясно очерченную техническую (физическую) задачу. Обычно у таких задач решений бывает несколько, и инженер все их учитывает и изучает. Когда этот этап пройден, на сцене появляются экономические требования, которые до этого момента рассматривались как «второстепейные»; в конце концов, это приводит к тому, что из нескольких, могущих надежно работать приспособлений в производство пускается экономически наиболее выгодное, а остальные отбрасываются.
Решите «созерцательно», т. е. не пользуясь карандашом и бумагой, следующую систему, состоящую из трех уравнений с тремя неизвестными:
Зх+ г/+2г=30,
2х+3у+ z=30,.
x+2y+3z=30.
Докажите, что ваше решение правильно.
Треугольник задан своими сторонами а, b и с. Из его вершин, как из центров, проведены три окружности, которые касаются друг друга внешним образом. Найти радиусы х, у и z этих окружностей.
Найдите значения неизвестных, удов летворяющие системе из четырех уравнений:
у+〃+и= 5,х +〃+^= О,х+у +и=—8,х+у+и = 4.
Попробуйте отыскать быстрый и оригинальный путь решения.
Более тонкая кАассафакадая. В упр. 24, 25 и 26 проиллюстрировано одно важное обстоятельство: симметричность условия задачи, содержащей несколько неизвестных, относительно этих неизвестных (если вам удалось ее подметить!) может в значительной степени повлиять на ход решения и сильно, его облегчить. (См. также упр. 8 из гл. 2 и МПР, стр. 218—219, упр. 41. Иногда, как это было в упр. 25, приходится рассматривать не просто подстановки, переставляющие между собой неизвестные, но и подстановки, в которых участвуют неизвестные совместно с данными задачи.) Бывают случаи, хотя не так уж часто встречающиеся, но тем не менее не лишенные интереса, когда условие сохраняется только некоторыми (а не всеми!) перестановками (т. е. сохраняется некоторой группой перестановок) неизвестных (и данных). Систематически исследуя и развивая это замечание, мы пришли бы к иной классификации задач на нахождение, более тонкой, чем та, которая зиждется только на одном лишь главном замечании, изложенном в п. 6° § 1; можно предвидеть, что такая классификация представляла бы для нашего исследования определенный интерес ).
ГЛАВА 7
ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССА РЕШЕНИЯ
Подобные представления об этих вещах весьма полезны, поскольку ничто не является 。〃兄 нас более наглядным, чем фигура^ ибо ее можно осязать 〃 видеть.
Декарт, вило XII,Декарт, вило XII,Правила для руководства ума； Пра- Избранные произведения, стр. 122.
Декарт, вило XII,
Декарт, вило XII,
Метафоры
Это случилось около пятидесяти лет тому назад, когда я был студентом; мне нужно было объяснить элементарную стереометрическую задачу. мальчику, которого я готовил к экзамену; однако я .потерял нить рассуждений и застрял. Я имел достаточно основания для недовольства собою, не сумев решить столь простой задачи, и на следующий вечер принялся за поиски решения с таким рвением, что никогда уже этого решения не забуду. Пытаясь интуитивно отыскать естественный ход решения и взаимную связь его основных принципов, я пришел, в конце концов, к геометрическому представлению процесса решения задачи. Это было моим первым открытием и началом продолжающегося всю жизнь интереса к процессу решения задачи.
К геометрической иллюстрации меня привели, по существу, несколько общепринятых метафорических выражений. Достаточно часто отмечалось, что язык, которым мы пользуемся, полон метафор (слабых, посредственных и ярких). Однако мне не известно, замечено ли также то, что многие из этих метафор взанмозавнснмн: они могут быть как-то связаны между собой, как-то объединены, могут образовывать более или менее независимые или, наоборот, более или менее сцепленные между собой группы. Как бы то ни было, существует широкое семейство метафор, обладающих одновременно следующими двумя характерными чертами: все они касаются основных принципов решения задач и все они приводят к одним и тем же геометрическим конфигурациям.
Найти решение задачи — это значит установить связь между заранее дифференцированными объектами или идеями (объектами, которые у нас имеются, и объектами, которые нам требуется отыскать, данными и неизвестным, предпосылкой и заключением). Чем дальше друг от друга находились вначале зависимые объекты, тем больше уважения заслуживает исследователь, обнаруживший между ними связь. Иногда эту связь мы представляем себе в виде моста: значительное открытие поражает нас, как наведение моста над глубокой пропастью, разделяющей две идеи, далеко
отстоящие друг от друга. Часто эта связь представляется осуществленной как бы при помощи цепи: доказательство предстает перед нами как взаимосвязь аргументов, как цепь —— возможно это будет длинная цепь — выводов. Вся цепь в целом не более прочна, чем ее слабейшее з в е н о,— и если хотя бы одного звена недостает, то нет обоснованного доказательства, нет непрерывности хода рассуждений. Еще чаще мысленную связь ассоциируют с нитью — всем нам приходилось видеть преподавателя, который потерял нить своих рассуждений или запутался в нитях своих доводов и которому приходилось подглядывать в свои записки для того, чтобы восстановить утерянную нить (мы порядком уставали, пока он собирал нити для конечного вывода). Тонкую нить естественно представлять как геометрическую линию, а взаимно связанные объекты — просто как точки; так, почти с неизбежностью возникает диаграмма, графическое представление взаимосвязи математических выводов.
А теперь обратимся к геометрическим фигурам, вместо того чтобы заниматься «фигурами словесными».
Что такое задача? '
■ - Нам- нужен какой-нибудь пример; в качестве такого примера я выбрал очень простую стереометрическую задачу »
Найти объем V правильной четы рехуго л ьной усеченной пирамиды, если даны ее высота 瓦 сторона а верхнего основания и сторона b нижнего основания.
[Пирамида с квадратным основанием будет правильной, если основание ее высоты совпадает с центром квадрата. Усеченной пирамидой называется часть пирамиды, заключенная между ее основанием и плоскостью, параллельной основанию. Этой параллельной плоскости принадлежит одна из граней усеченной пирамиды, которая называется ее верхним основанием; нижнее основание усеченной пирамиды совпадает с основанием первоначальной, полной пирамиды; высотой усеченной пирамиды (она меньше высоты полной пирамиды) называется расстояние между ее основаниями.]
Прежде всего сосредоточим внимание на том, что является целью задачи; это будет нашим первым шагом на пути к ее решению. Что требуется^ Мы задаем себе этот вопрос и стараемся как можно яснее вообразить форму тела, объем которого хотим найти (посмотрите на левую половину рис. 29а). Наш мысленный образ естественно интерпретировать графически как точку,—мы обозначим
Весьма похожую на задачу, которая уже однажды рассматривалась автором (см. указанные в списке литературы статьи [16] и [18J), но несколько более простую. - ..
ее через V, на которой должно быть сконцентрировано все наше внимание (посмотрите на правую половину рис. 29а).
Но невозможно найти неизвестное, если мы про него ничего не знаем. Что дано? —— или что у нас имеется! — спрашиваем мы себя и останавливаем внимание на линиях фигуры, дпина которых указана, т. е. на отрезках длин а, b и h (см. левую половину
加，требуется У
Рис. 29а. Сосредоточьте внимание на одном объекте — на цели.
рис. 296 — квадрат со стороною о расположен в верхней части рассматриваемого тела, а квадрат со стороною b — в нижней). Наша мысленная картина изменилась, и отражением этого являются три новые точки, появившиеся на рис. 296 справа (мы обозначаем их а, b к 九)；эти точки изображают данные и между ними и неизвестным
Рис. 296. Открытый вопрос: как ликвидировать разрыв?
лежит пустое место, имеется разрыв. Это пустое место символизирует стоящий перед нами вопрос: мы ставим себе целью связать неизвестное V с данными а, Л и Ь, — нам нужно ликвидировать разрыв между ними.
Есть идея!
Мы начали решать задачу с попытки наглядно представить цель, к которой мы стремимся, неизвестное и данные. Начальный этап нашей работы адекватно отображен на рис. 29а и 296. Но каким путем двигаться дальше, какой избрать курс?
Если вы не 6 состоянии решить предложенную задачу, то попробуйте найти близкую ей более легкую задачу.
В нашем случае далеко ходить не надо. В самом деле, что представляет собой неизвестное?——Объем усеченной пирамиды. А что это за геометрическое тело? Как оно определяется? —— Как часть полной пирамиды. Какая часть?——Часть, заключенная... Дальше не будем продолжать, этого уже достаточно; сформулируем определение иначе. Усеченной пирамидой называется часть полной пирамиды, которая остается после отбрасывания малой пирамиды, отсекаемой плоскостью, параллельной
Рис. 29в. Если вы не можете решить предложенной задачи, осмотритесь вокруг...Рис. 29в. Если вы не можете решить предложенной задачи, осмотритесь вокруг...
Рис. 29в. Если вы не можете решить предложенной задачи, осмотритесь вокруг...
Рис. 29в. Если вы не можете решить предложенной задачи, осмотритесь вокруг...
основанию. В нашем случае (рис. 29в) основание большой (полной) пирамиды представляет собой квадрат, площадь которого равна Ь2. Если бы мы знали объемы этих двух пирамид — обозначим их, соответственно, через В и А,— то можно было бы найти объем V усеченной пирамиды:
у^В—А.
Попытаемся найти объемы В и Д —— в этом и состоит наша идея!
Итак, мы свели первоначальную задачу о нахождении объема V к двум вспомогательным родственным ей задачам, а именно к нахождению Л и В. Чтобы выразить этот процесс графически, проставим на свободном месте между данными a, ht b п неизвестным V две новые точки,— обозначим их Л и В. Соединим 4HBe Р наклонными линиями, чтобы показать тем самым существенную взаимосвязь трех названных величин; отправляясь от Л и В, мы можем прийти к V; решение задачи о нахождении V сводится к решению двух задач о нахождении А и В.
Наша работа далеко еще не закончена; нам нужно найти два неизвестных 4 н В; на рис. 29в две нависшие точки 4HB отделены пропастью (пустым местом) от данных точек a, h, b. Однако положение не кажется безнадежным; полная пирамида, как геометрическая фигура, лучше знакома нам, чем усеченная пирамида, и хотя вместо одного неизвестного V появились два неизвестных А и Bt
оба они одной и той же природы и находятся в одинаковом взаимоотношении с данными величинами, соответственно с а и й. Вследствие этого, графическое представление нашей мысленной картины на рис. 2gB оказывается симметричным. Линия VA наклонена в сторону одной из данных величин а, линия VB ——в сторону другой величины Ь. Мы приступили к ликвидации разрыва между неизвестным и данными; оставшаяся часть бреши уже первоначальной.
Развитие идеи
На каком этапе решения мы сейчас находимся? Что требуется^—— Нам нужно найти неизвестные А и В. Что представляет собой неизвестное 4? — Объем пирамиды. Как можно получить такой
Рис. 29г. Первоначальная связь с данными найдена.Рис. 29г. Первоначальная связь с данными найдена.но свободныено свободныеконцы повисли в воздухе.концы повисли в воздухе.
Рис. 29г. Первоначальная связь с данными найдена.
Рис. 29г. Первоначальная связь с данными найдена.
но свободные
но свободные
концы повисли в воздухе.
концы повисли в воздухе.
объект? Каким образом можно найти подобное неизвестное^ Какие нужны данные, чтобы получить такое неизвестное^ —— Объем пирамиды можно вычислить, если известны две величины: площадь основания и высота пирамиды; этот объем равен произведению названных величин, деленному на 3. Высота пирамиды не дана» но ее можно попытаться найти. Обозначим ее через 尤 Тогда
На левой половине рис. 29г малая пирамида, расположенная над усеченной пирамидой, изображена с большими подробностями: выделены ее высота % и ребро а. Нынешний этап нашей работы представлен на правой половине рис. 29г; над данными величинами появились новая точка % и наклонные линии, соединяющие Л с х и с а,—— последние указывают, что к А можно прийти, отправляясь от х и а, т. е. что А может быть выражено через х и а> Хотя все еще остаются два неизвестных (в правой части -рис* 29г все еще нависают свободные концы), некоторый прогресс достигнут.
Нам удалось связать неизвестное V по крайней мере с одной из данных величин, а именно со.
• Следующий шаг теперь, конечно, очевиден. Неизвестные А и В имеют одинаковую природу (на рис. 29в они расположены на одной высоте); мы уже нашли выражение для объема А через основание и высоту, аналогично можно выразить и объем В:
р b2(x+h) ■
На левой половине рис. 29д с большими подробностями изображена полная пирамида, частью которой является наша усеченная пирамида: выделены ее высота 尤+" и ребро Ь. На правой половине
'Вычислитетаким 加 & путемД =3'Вычислитетаким 加 & путемД =3
'Вычислите
таким 加 & путем
Д =3
'Вычислите
таким 加 & путем
Д =3
Рис. 29д. Теперь в воздухе висит только один конец.
рис. 29д появились три новые наклонные линии, соединяющие В cbt h и х. Эти линии указывают, что к В можно прийти, отправляясь от 6, /i и 尤，т. е. что В может быть выражено через 仇 九 и %. Таким образом, остается только одна нависающая точка, не связанная с данными — точка 尤.Свободное пространство еще более сузилось: теперь такое пространство имеется лишь между 尤 и данными величинами.
Что осталось неизвестным^ — Длина отрезка, х. Как можно найти такое неизвестное^ Как можно получить подобный объект?
Длина отрезка проще всего вычисляется с помощью треугольника (прямоугольного, если это возможно),.или на основании подобия двух треугольников. На нашей фигуре подходящего треугольника нет; кроме того, нам еще нужно, чтобы отрезок % был одной из его сторон. Такой треугольник мог бы лежать, например, в плоскости, проходящей через высоту малой пирамиды с объёмом 4; эта плоскость, проходила бы тогда также через высоту большой пирамиды с объемом В, которая подобна малой пйрамиде. Да, нам нужны именно эти подобные треугольники, лежащие в плоскости, проведенной через высоту и параллельной известной
с т'о р о н е основания одной из наших пирамид. Но ведь это то, к чему мы стремились. В этом — суть дела!
На рис. 29е показаны два подобных треугольника, из которых нетрудно вычислить х, воспользовавшись пропорцией:
х а/2。
Однако на этом этапе нам не нужны дальнейшие подробности; важно только то, что 尤 можно выразить через данные величины а, А и &. На правой половине рис. 29е возникают три новые наклонные линии, которые, соединяя х с а,用 я Ь, выражают графически именно это обстоятельство.
Рис. 29е. Нам удалось ликвидировать разрыв.Рис. 29е. Нам удалось ликвидировать разрыв.
Рис. 29е. Нам удалось ликвидировать разрыв.
Рис. 29е. Нам удалось ликвидировать разрыв.
Дело сделано! Нам удалось ликвидировать брешь, установить при помощи промежуточных величин А, В и х (вспомогательных неизвестных) непрерывную связь между неизвестным V и данными q, h н Ь.
Оформление решения
Решена ли полностью наша задача? Нет еще, не совсем. Нам требуется выразить объем усеченной пирамиды V через данные величины a, h и 6, а это пока еще не сделано. Однако наиболее важная и интересная часть работы позади; осталось выполнить более рутинную и гораздо более простую часть.
В начале нашей работы имелся некоторый элемент неопределенности. На каждом новом этапе мы надеялись, что следующий шаг приведет нас к желаемой цели, к ликвидации разрыва между неизвестным и данными. Мы так предполагали, но не были в этом уверены; на каждом этапе нам нужно было изобретать (без полной уверенности в успехе) следующий шаг. Теперь же выдумка больше не нужна, неуверенность исчезла; мы ясно видим, что сможем благополучно достичь неизвестного V, отправляясь
от данных.a, h и b и следуя по нитям непрерывных связей, представленных на рис. 29е.
Мы начинаем вторую часть нашей работы там, где была закончена первая. Прежде всего мы принимаемся за введенное нами ранее неизвестное х; из последнего равенства § 4 получаем:
ah
X = -Г
и, значит,и, значит,x+/l =x+/l =ь-aь-aЗатем мы подставляем это значение хЗатем мы подставляем это значение хв два предыдущих равенства § 4 и находим:в два предыдущих равенства § 4 и находим:А =А =a^h爾二У｝，a^h爾二У｝，В =В =匕3九3(b —о) •匕3九3(b —о) •(Примечательно сходство этих двух результатов!) Наконец, мы используем равенство, впервые выписанное в § 3:(Примечательно сходство этих двух результатов!) Наконец, мы используем равенство, впервые выписанное в § 3:у = В — Лу = В — ЛЬЗ —炉 h b—а * 3 »ЬЗ —炉 h b—а * 3 »昨讲+泌十3h昨讲+泌十3h
и, значит,
и, значит,
x+/l =
x+/l =
ь-a
ь-a
Затем мы подставляем это значение х
Затем мы подставляем это значение х
в два предыдущих равенства § 4 и находим:
в два предыдущих равенства § 4 и находим:
А =
А =
a^h
爾二У｝，
a^h
爾二У｝，
В =
В =
匕3九
3(b —о) •
匕3九
3(b —о) •
(Примечательно сходство этих двух результатов!) Наконец, мы используем равенство, впервые выписанное в § 3:
(Примечательно сходство этих двух результатов!) Наконец, мы используем равенство, впервые выписанное в § 3:
у = В — Л
у = В — Л
ЬЗ —炉 h b—а * 3 »
ЬЗ —炉 h b—а * 3 »
昨讲+泌十3h
昨讲+泌十3h
Это и есть искомое выражение.Рис. 29ж. Продвигаемся от
Вся работа, выполненная нами в данных к неизвестному.
этом параграфе, символически представ
лена на рис. 29ж. Каждая линия связи на этом рисунке снабжена стрелкой, указывающей направление, в котором эта связь была использована. Мы начинали с данных величин, a, h и b и продвигались через вспомогательные неизвестные х, А и В по направлению к первоначальному, основному неизвестному 匕 выражая эти количества, одно за другим, через данные величины.
Замедленные кинокадры
На рис. 29а — 29ж показаны последовательные этапы решения задачи; составим из этих семи разрозненных фигур одну общую картину (рис. 30) [Рис. 29е слился с рис. 29ж. Рис. 30 воспроизведен в красной и черной красках на внутренней стороне переплета и форзаце в начале и в конце книги; элементы рисунка, на которых должно быть сосредоточено внимание, выделены красным — ведь вообще принято места «повышенного интереса» подчеркивать красным цветом.] Проследим взглядом за поеледовательностью фигур на рис. 30 в направлении слева направо. Если это сделать бегло, то рис. 30 можно принять за своеобразное кинематографическое отображение успехов решавшего или хода решения задачи. Если
•XKHBOdA xodlqloh вн йк^§5& SKKS^&offirto .08 бкл
Dh-君 E!3HH-E-- HDmoou
2 ON. GEh
装胃
glmmnqg
M Ad SO^E 考hmf- д§гз0 он曽乞X
же это делать медленно, то перед нами возникнет разновидность замедленной киносъемки, оставляющей достаточно времени для наблюдения за важными подробностями.
На рис. 30 каждый этап решения (каждый мысленный образ, возникающий у решающего задачу) представлен в четырех формах. Части рисунка, относящиеся к одному и тому же мысленному образу, расположены одна под другой по вертикали, так что за ходом решения можно следить по четырем горизонтальным путям, расположенным на четырех различных уровнях.
На 'самом важном из них, на уровне геометрических образов, мы видим эволюцию изучаемой геометрической фигуры в мыслях решающего. На каждом этапе решения у него возникает мысленное изображение исследуемой геометрической фигуры, и это изображение меняется при переходе к следующему этапу; при этом некоторые детали отступают на задний план, внимание начинают привлекать другие детали, а некоторые детали появляются вновь.
Спускаясь на одну ступень, мы попадаем на уровень связей. При графическом представлении решения элементы задачи (неизвестное, данные, вспомогательные неизвестные) символически обозначаются точками, а соотношения, связывающие эти элементы,—— линиями, соединяющими эти точки.
Непосредственно под уровнем связей расположен уровень вычислений, представленный формулами; в некотором смысле его можно противопоставить уровню связей. Мы имеем здесь в виду следующее: на уровне связей мы фиксируем совокупность всех соотношений, найденных к рассматриваемому моменту; последнее из этих соотношений выделено (цветом или толщиной линий; оно находится в фокусе нашего внимания), но показано не с большими подробностями, чем предыдущее. На вычислительном же уровне на каждом этапе решения полностью выписана только последняя формула, предыдущие же не отражены никак.
Опускаясь еще ниже, мы попадаем на эвристический уровень, который для нас важнее всего. На каждом его этапе ставится простой, естественный, вопрос (который можно поставить и в любой другой задаче) или дается некоторая рекомендация, способствующая достижению данного этапа. Изучение природы таких вопросов и рекомендаций является нашей основной целью.
Коротко о дальнейшем
Мы хотим еще раз вернуться назад и посмотреть на рис. 30 с тем, чтобы согласовать его с накопленным ранее опытом. Этот рисунок может кое о чем рассказать нам ——мы хотим выделить из его скрытого содержания пункты, интересные с точки зрения поисков общих подходов и поэтому заслуживающие дальнейшего
изучения. В графическом повествовании, посвященном решению одной^единственной задачи, мы найдем полезные указания относительно общих вопросов, которые будут рассмотрены в следующих главах. Мы собираемся бегло просмотреть эти главы друг за другом в надлежащем порядке.
(Каждый из следующих ниже параграфов этой главы предвосхищает содержание одной из дальнейших глав; он имеет тот же номер и то же название, что и соответствующая ему глава.)
А теперь попробуем пробиться сквозь наш частный пример к лежащим в его основании общим идеям.
План и программа
Обозревая этапы, последовательно представленные на рис. 30, мы видим, как внимание решающего странствует по изучаемой фигуре, как он охватывает все больше и больше ее деталей и как он, продвигаясь шаг за шагом, строит систему связей, образующих план решения. Присматриваясь внимательно к развертывающемуся решению, мы можем различить в нем несколько фаз н направлений.
Мы уже отмечали контраст между двумя частями решения (см. § 5): в первой части (отображенной на рис. 29а ——29е) мы продвигались вниз от неизвестного к данным; во второй части (отображенной на рис. 29ж) продвижение шло вверх от данных к неизвестному.
Но и в самой первой части мы тоже можем различить две фазы. В начальной фазе (см. рис. 29а и 296) главное усилие решающего было направлено на то, чтобы понять задачу. В заключительной фазе (см. рис. 29в ——29е) он развивает систему логических связей, строит план решения^
Последняя фаза, составление плана, кажется самой существенной частью работы; мы изучим ее более подробно в гл. 8.
Задачи внутри задач
Возвращаясь к § 8, можно заметить, что при решении первоначальной (основной, главной) задачи решающий встречает ряд вспомогательных (подчиненных, «подсобных») задач. Так, например, при вычислении объема усеченной пирамиды нам пришлось находить объем полной пирамиды, затем еще одной полной пирамиды, затем длину отрезка. Чтобы добраться до основного неизвестного У, нужно было пройти через вспомогательные неизвестные А, В и х. Достаточно совсем небольшого опыта в решении математических задач, чтобы убедиться в том, насколько типично
такое подразделение основной задачи на подчиненные (см., напри， мер, п. 3° § 5 гл. 2).
Мы тщательно изучим роль вспомогательных задач и дадим классификацию их по типам.
Зарождение идеи
Какой из шагов решения, проиллюстрированного на рис. 30, наиболее важен? Конечно, возникновение полной пирамиды. Так полагаю я,— и мне кажется, что со мною согласится большинство людей, накопивших некоторый опыт в этих делах или задумывавшихся над подобными вопросами. Введение полной пирамиды и представление усеченной пирамиды в виде разности двух полных пирамид — это 己woe兄а兄 tide凡 решения; остальное в решении задачи для большинства явится более легкой, более очевидной, более рутинной частью работы, а для более опытных математиков оно может оказаться совсем тривиальной ее частью.
Возникновение главной идеи производит в нашем случае не такое уж глубокое впечатление; но при этом не следует забывать, что и рассматриваемая здесь задача ведь очень проста. Вообще же зарождение ново访 идеи, этот внезапный проблеск света после длительного периода напряжения и колебаний, может оказаться очень впечатляющим; это ——великолепное переживание, и читатель должен стараться не упустить его.
Умственная работа
* Самый бросающийся в глаза признак прогресса в решении задачи ——это появление все новых и новых подробностей на графической иллюстрации решения (см. рис. 30). По мере того как решающий успешно продвигается вперед, на геометрических фигурах и на диаграмме связей возникают все новые и новые линии. За все увеличивающейся сложностью чертежа мы должны ощущать развитие мысленных построений решающего. С каждым новым важным шагом он включает в работу новые относящиеся к делу сведения; он узнает на изучаемом рисунке какую-то знакомую конфигурацию, применяет некоторую известную ему теорему. Таким образом, умственная работа решающего предстает перед нами как воскрешение относящихся к делу элементов его опыта, как связь этого опыта с решаемой задачей, как мобилизационная и организационная работа.
Нам приходилось уже делать подобные замечания раньше (особенно в упр. 83 из гл. 2); в дальнейшем у нас будет еще случай развить сказанное здесь подробнее, а также заострить внимание на других аспектах умственной работы, характерной для решения задач.
Дисциплина ума
Рис. 30, иллюстрирующий прогресс в решении задачи на четырех уровнях, дает некоторое представление о работе решающего. Нам, конечно, интересно знать, как он работает, но, пожалуй, еще больше нас интересует вопрос о том, так ли он должен работать. Можно ли получить об этом какие-нибудь сведения из рис. 30?
Самый нижний уровень на рис. 30 состоит из серии вопросов и рекомендаций, разъясняющих последовательные шаги решения задачи. Эти вопросы и рекомендации просты, естественны и носят весьма общий характер; они направляли усилия решающего при решении той простой задачи, которую мы избрали в качестве примера, и он может руководствоваться ими в бесчисленном множестве других случаев. И если можно говорить о дисциплине ума- (некотором ядре принципов или правил, известной системе направляющих линий на пути к универсальному методу, который пытались открыть Декарт и Лейбниц), то есть большая надежда, что вопросы и рекомендации, фигурирующие в нижней строке рис. 30 (строке, которая служит фундаментом для рис. 30!), имеют к ней некоторое отношение. Мы должны будем впоследствии специально остановиться на этом пункте.
Упражнения и дополнительные замечания к главе 7
Другой подход к задаче, сформулированной в § 2. Предположим, что основание усеченной пирамиды лежит на горизонтальной плоскости (на столе). Разобьем ее четырьмя вертикальными плоскостями, проходящими через четыре стороны верхнего основания, на девять многогранников (рис. 31а):
призму с квадратным основанием, объема Q;
четыре призмы с треугольными основаниями, объема Т каждая; четыре пирамиды с квадратными основаниями, объема Р каждая. Вычислите V, используя наш новый подход и опираясь на рис. 316.
Рис. 31а. Рассечем четырьмя вертикальными плоскостями...
2. Изобразите на диаграммах два решения задачи, приведенных в пп. 3° и 4° § 5 гл. 2 (упоминаемые в условии количества изобразите точками, а связывающие их соотношения — линиями).
3. Диаграмму, изображенную на рис. 32, можно интерпретировать в связи с задачей, имеющей исторический интерес. Не догадались ли вы, о чем мы здесь говорим?
4. Поиски доказательства. Предложение 4 из книги XI евклидовых «Начал» можно выразить так *):-
*) Ср. Евклид [1], т. 3, стр. 13.
Если прямая линия проходит через точку пересечения двух данных прямых и перпендикулярна им обеим, то она перпендикулярна и любой третьей прямой, лежащей 8 той же плоскости, что и данные две прямые^ и проходящей через точку их пересечения.
Мы хотим проанализировать доказательство этого предложения, придать наглядность его структуре и разобраться в его «движущих рычагах»; прн этом мы собираемся воспользоваться геометрической иллюстрацией процесса решения, предложенной в на- стоящей главе. Имея в виду аналогию с рассужде- ниями, представленными на рис. 29а—ж и 30, мы рассмотрим данный пример более сжато.^»
Нас будет интересовать главным образом мы- 八 ^^\ еденный процесс формирования доказательства. ^z^|
Однако от нас не должно ускользнуть и само со- , ^^1
ьд
QТ
°оо1
a h ь1>^♦
Рис. 316. Другой подход.Рис. 32. Вам это
знакомо?
держание доказуемого предложения — оно устанавливает один из важнейших фактов стереометрии. Даже логическая форма, которая придана сформулиродержание доказуемого предложения — оно устанавливает один из важнейших фактов стереометрии. Даже логическая форма, которая придана сформулироРис. 33. Два плохих ученика портят весь класс.Рис. 33. Два плохих ученика портят весь класс.
держание доказуемого предложения — оно устанавливает один из важнейших фактов стереометрии. Даже логическая форма, которая придана сформулиро
держание доказуемого предложения — оно устанавливает один из важнейших фактов стереометрии. Даже логическая форма, которая придана сформулиро
Рис. 33. Два плохих ученика портят весь класс.
Рис. 33. Два плохих ученика портят весь класс.
ванному предложению, представляет известный интерес. Учитель, сказавший как-то, что «двое плохих ребят портят весь класс», был, вероятно, неправ; но форма, которую он придал своему утверждению, близка к формулировке предложения Евклида, которое мы собираемся доказывать.
1°. Продвигаемся от конца к началу. Построим фигуру, изображенную на рис. 33, введем нужные обозначения, а затем придадим стандартную форму предложению, которое мы собираемся доказать, расчленив его на условие и заключение.
Условие. Три отрезка 04, ОВ же точке 0, лежат в одной и той же
и ОС пересекаются в одной н той плоскости и не совпадают друг с
другом; кроме того,
РО 丄 СМ,РО 丄
Заключение.
РО丄 ОС,
、《В чем состоит заключение»?
В том, что прямая РО перпендикулярна ОС, т. е. что угол РОС прямой.
Рис. 34, Геометрическая фигура в переменном аспекте.Рис. 34, Геометрическая фигура в переменном аспекте.
Рис. 34, Геометрическая фигура в переменном аспекте.
Рис. 34, Геометрическая фигура в переменном аспекте.
«Какой угол называют прямым? Как определяется прямой угол»? Прямой угол ——это такой угол, который равен своему смежному. Возможно, что изменение формулировки заключения в указанном смысле даст некоторое преимущество. Продолжим отрезок РО за точку。до точки Р (т. е. так, чтобы точки Р* О н Р‘ лежали на одной прямой и чгоЗы точка О и плоскость, в которой она Находится, лежали между .Р и Р‘). Тогд1 (рис. ；4, а) заключение можно будет
записать так:
乙 РОС=0ОС.
«Почему вам кажется, что эта форма заключения лучше предшествующей»?
Нам часто приходится доказывать равенство углов, основываясь на равенстве некоторых треугольников*. В рассматриваемом случае мы могли бы вывести требуемое заключение, если бы знали, что
^РОС=^РГОС
(рис. 34, 6). Чтобы доказать это, предположим, что
РО=Р'О
(мы вправе это сделать). В самом деле, что требуется для доказательства равенства упомянутых треугольников? Нам известны две пары равных сторон, РО=Р'О (по построению) и
0 c=ОС
(разумеется!). Для завершения доказательства достаточно было бы знать (рис. 34, в) чю
РС=Р9.
До сих пор мы вели доказательство, начиная с требуемого заключения и двигаясь в направлении данного условия, мы решали задачу от конца 片 началу и уже
Рис. 35а. Продвигаемся от конца к началу.
прошли порядочное расстояние, хотя продолжение дороги, ведущей к условию, пока еще скрыто в тумане. Наш труд символически отображает рис. 35а, на котором графически показано, какие утверждения вытекают из каких других утверждений, подобно тому как на рис. 29а——ж и 30 показано, какие величины вычисляются с помощью каких других величин. На рис. 35а каждое из предыдущих равенств представлено своей левой частью:
乙 Р0С=^Р，0С—/РОС,
色 Р0С=〉Р，0С—△РОС,
ос=ос—ос
и т. д. И в самом деле, одной только левой части этих равенств здесь достаточно.
так как правая часть может быть получена из левой заменой Р' на Р, т. е. при помощи перехода от полупространства, расположенного над плоскостью, проходящей через точки 4, В, С и О, к полупространству, расположенному под этой плоскостью.
2°. Изменение формулировки задачи. Потрудившись некоторое время над заключением, обратим теперь внимание на условие теоремы, которую мы собираемся доказать.
В чем состоит условие^
Нам нужно изменить его формулировку так, чтобы она гармонировала с измененным заключением; мы должны сблизить условие с заключением, а не отда-
，PDKА7в,СгРОв
принадлежатодной прямой
Рис. 356. Разрыв между условием (предпосылкой)и заключением.
лять их друг от друга. Итак, нам нужно доказать (измененное заключение), что厶 РОС=£Р，ОС
в предположении (давайте аналогично изменим условие), что
,/РОА= ^РЮА и 厶Р0В=£Р0В.
Предложение в целом оказалось довольно хорошо сформулированным； все три равенства однородны, каждое из них выражает равенство углов. Теперь нам нужно добавить к измененному условию еще один существенный пункт, а именно, что три не совпадающих отрезка О А, ОВ и ОС лежат в одной плоскости. Кроме того, его нужно как-то связать с заключением. Но как это сделать?
Для того чтобы заметить, что точки А, В и С можно расположить на одной прямой и что такое размещение их можег оказаться выгодным, нужна изобретательность, удачная догадка. (В качестве такой прямой может быть выбрана любая прямая, не проходящая через О и не параллельная ни одному из трех данных отрезков О А, ОВ и ОС.) Так мы приходим к новой формулировке предложения, которое собираемся доказать.
У с л о в и е. Пусть точки Л, В и С лежат на одной прямой, не проходящей через точку。Кроме того, предположим, что
^РОА=£РГОА,乙 РОВ=£РРВ.
Заключение. Тогда
^РОС= ^Р1 ОС.
На рис. 356 это утверждение представлено в символическом виде.
3°. Продвигаемся от начала /с концу. Занимаясь условием, мы рассмотрим соотшэшениа того же типа, что и при работе над заключением, но в обратном порядке.
Так какТак как4Р0А=£РРАРО=Р'ООА=ОА4Р0А=£РРАРО=Р'ООА=ОАпо предположению* по построению, разумеется!»
Так как
Так как
4Р0А=£РРАРО=Р'ООА=ОА
4Р0А=£РРАРО=Р'ООА=ОА
то можно сделать вывод, что
△ РО4=КО4
(см. рис. 34, г), откуда следует, что
РА=Р'А
(см. рис. 34, 0). Рассуждая совершенно аналогично, находим, что
РВ=Р'В
(см. рис. 34, е и 宛).
Выше мы вели доказательство от начала к концу, т. е. от условия к заключению.
оонои прямойоонои прямойНа рис. 35в отражена мысленная картина работы, проделанной только что, и работы, воспроизведенной на рис. 35а. Как показывает рис. 35в, нам остается
оонои прямой
оонои прямой
Рис. 35в. Продвигаемся от начала к концу.
на основании ранее доказанных аналогичных утверждений о том, что Р A=PfA и РВ=Р'В, и не использованного пока условия о том, что точки А, В и С лежат на одной прямой, доказать, что РС=Р'С. Сравнивая эту картину с картиной, представленной на рис. 35а и 356, мы находим некоторые основания для надежды: разрыв, который нам нужно ликвидировать, стал значительно уже.
4°. Продвигаемся в обоих направлениях. Остальную часть доказательства доказьшающий (или читатель), возможно, встречал очень часто; поэтому окончательной в旧вод покажется ему мгновенным. Т^м не менее выцищем все детали，
202 ГЛ. 7 ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССА РЕШЕНИЯ Искомое соотношение
(см. рис. 34, 8)можно вывести на основании равенства треугольников (эта часть решения связана с продвижением от конца к началу). В самом деле, из ранее най* денных соотношений
=РВ=Р,В
и очевидного равенства
совсем нетрудно установить равенство треугольников △РЛ5=ДРМВ
(см. рис. 34, з; мы продвигаемся здесь от начала к концу). Однако это не та пара
треугольников, которая нам нужна. Чтобы получить равенство РС=Р'С (которым заканчивается доказательство), мы могли бы исходить, например, из равенства треугольников
которое было бы справедливо (теперь мы уже продвигаемся от конца к началу!) В силу уже доказанного равенства
РА=РГА
и очевидного равенства
АС=АС,если бы только дополнительно мы знали, что/Р4С=%С
Пока же, учитывая равенство треугольников РАВ и Р'4В, которое мы уже доказали, мы знаем лишь, что
^РАВ= ^PfAB (см. рис. 34, w).
(Рис. 35г соответствует мысленному образу как раз в этот момент решения.) Но так как по предположению точки Д, В и С лежат н а одной п р ям о й, то
^РАВ^^РАС н ^РАС=^РГАС.
Этим замечанием мы окончательно закрываем брешь (см. рис. 35口； еще раз окиньте взглядом рис. 34 в целом).
Последний шаг доказательства —— переход от рис. 35г к рис. 35д —— заслуживает особого внимания; только в этом последнем шаге используется самый
важный пункт условия, говорящий о том, что три прямые ОА, ОВ и ОС принадлежат одной плоскости.，
Простейшие диаграммы. В §§ 2——6 мы изучали задачу на нахождение (в нашем случае — на вычисление), а в предыдущем утгр. 4 ——задачу на доказа-
тельство. В обоих случаях для того, чтобы проиллюстрировать ход решения и его структуру, мы пользовались диаграммами, составленными из точек и соединительных линий. Сравнивая наши два случая, мы хотим уточнить смысл . этих диаграмм.
Рассмотрим какую-нибудь «простейшую диаграмму», например представленную на рис. 36. На этой диаграмме всего “+1 точек, одна из которых, точка Л, помещена над остальными — точками В, С,…，L. Эта точка, расположенная выше других, связана с каждой из “ остальных при помощи идущего вниз отрезка. Подобные простейшие диаграммы являются «кирпичами», из которых строятся диаграммы, знакомые нам по рис. 29a—ж, 30 и 35a—д. Что же выражает такая простейшая диаграмма?
Если простейшая диаграмма составлена для задачи на нахождение, например такой, какая представлена на рис. 29а——ж и 30, то на ней точки А, В, С, ...» L изображают величины (отрезки, длины, объемы), если же простейшая диаграмма
Рис. 36. Мн могли бы иметь А, если бы нам были доступны В, С, D, ..., L.Рис. 36. Мн могли бы иметь А, если бы нам были доступны В, С, D, ..., L.относится к задаче на доказательство, подобной такой, какая представлена на рис. 35а—д, то точки на ней изображают утверждения. В первом случае рис. 36 показывает, что мы можем найти величину А, если 〃з- вестны величины В, С, ...» L. Во втором случае рис. 36 показывает, что мы можем вывести утверждение А из утверждений В, С,…，L. Иными словами, в первом случае простейшая диаграмма выражает, что величина Л есть и з - в е с т н а я функция величин В, С, ..., L, во втором случае,— что утверждение Л является следствием утверждений В, С, L
Рис. 36. Мн могли бы иметь А, если бы нам были доступны В, С, D, ..., L.
Рис. 36. Мн могли бы иметь А, если бы нам были доступны В, С, D, ..., L.
Можно сказать еще так: отвечает на вопрос: «По втором случае: «Из какихМожно сказать еще так: отвечает на вопрос: «По втором случае: «Из какихв первом случае простейшая диаграмма (см. рис. 36) каким данным можно найти величину Л», во предпосылок можно вывести утверждение Л». Учитывая только что сказанное, легко предвидеть возможность использова
Можно сказать еще так: отвечает на вопрос: «По втором случае: «Из каких
Можно сказать еще так: отвечает на вопрос: «По втором случае: «Из каких
ния таких диаграмм для иллюстрации хода решения задач любого типа. В каждой конкретной задаче точки А, В, С, D, .../£ могут изображать данные объекты или объекты, нам доступнее. Рис. 36 показывает, что точка Л достижима, если мы имеем В, С, ... и L, или что промежуточных данных В, С,…，L в совокупности достаточно для того, чтобы добраться до концевой точки А. Диаграмма дает ответ иа вопрос: «Что нужно знать прежде всего, если хотят достичь Л».
Другие задачи. Хотя, как мы только что говорили, диаграммы можно пытаться применять для иллюстрации хода решения задач любых видов (см. упр. 5), эти иллюстрации могут выглядеть натянутыми и неестественными. Най
дите задачи, решения которых легко представляются на диаграммах, становясь при этом более ясными и поучительными.
ПЛАН И ПРОГРАММА
От желания возникает, мысль о некоторых средствах, при помощи которых мы видим осуществленным нечто подобное тому,左 чему мы стремимся, и от этой мысли — мысль о средствах для достижения этих средств, и так далее, пока мы не доходим до некоторого начала, находящегося в нашей собственной. власти.
Т. Г о б б с. Левиафан, Соцэкгиз, 1936, стр. 48.
Составление плана как метод решения задачи
В словах Гоббса, предпосланных этой главе, с замечательной краткостью и точностью изложен фундаментально важный метод, определяющий процесс решения задачи. ^Постараемся же глубже вникнуть в только что процитированные строки и всесторонне охватить этот процесс вместе со всем многообразием случаев, в которых он может найти себе применение.
Итак, перед нами стоит задача. Иными словами, у нас есть цель Л, к которой мы не можем прийти сразу, и мы стремимся найти подходящий образ действий для ее достижения. Эта цель может принадлежать к области практики или к области теории, возможно, она относится к математике — это может быть какой- нибудь математический объект (число, треугольник, . . .), который мы хотим найти (вычислить, построить . . .). Какова бы ни была эта цель Л, мы хотим ее достичь.
«От желания возникает мысль о некоторых средствах» — это хорошо подмеченное свойство ума. Цель подсказывает средство: обычно вскоре вслед за желанием нам приходит мысль об определенных действиях, необходимых для осуществления этого желания. Я размышляю о некотором предмете, который мне хотелось бы иметь, и тут же вспоминаю магазин, в котором его можно купить.
Но вернемся к словам Гоббса: «От желания возникает мысль о некоторых средствах» В ), с помощью которых можно получить Л. Возможно, эта мысль имеет своим началом приобретенный ранее опыт: «Нам уже приходилось замечать, что В порождает нечто подобное цели Л, к которой мы стремимся». Как бы там ни было, мы думаем, что могли бы получить Л, если бы имели В. А из мысли о В возникает мысль о средствах, например о С, с помощью которых можно получить это В: мы могли бы получить В, если бы имели С. «И так далее, последовательно»,——мы могли бы получить С, если бы
имели Z),——«пока мы не доходим до некоторого начала, находящегося в нашей власти»; мы могли бы получить Q, если бы имели £,— но ведь у нас есть Е\ На этом £ заканчивается ход наших мыслей; мы обладаем £, оно «в нашей собственной власти», дано, известно.
Наша цепочка мыслей содержит много «если»: «это если то», «мы могли бы получить это, если бы имели то». В самом деле, мы говорим:
Л если В; В если С; С если D; D если
на £ мы остановились, так как £ выполнялось безоговорочно, без всяких добавочных «если».
(Почти излишне указывать, что число «если», т. е. число промежуточных шагов, здесь безразлично; в нашем примере фигурируют четыре шага и пять «целей» или «объектов»,——в общем же случае это будет п шагов и /г+1 объектов.)
То, о чем мы только что говорили, можно назвать составлением плана. За ним должна следовать, конечно, реализация плана. Начав с Е, представляющего собой «начало, находящееся в нашей власти», мы должны получить D; найдя D, мы должны следовать к С, от С ——к В и, наконец, от В ——к желанной цели А.
Заметим, что составление плана и его реализация идут в противоположных направлениях. Мы начинаем составление плана с А (цель, неизвестное, заключение); мы его заканчиваем, достигнув Е (заданные нам объекты, данные, условие). Реализуя же наш план, мы, напротив, продвигаемся от Е к 4; таким образом, об 4, т. е. о нашей цели, мы начинаем думать в самом начале, достигаем же ее в самом конце. Если движение в направлении цели рассматривать как движение в прямом направлении, то можно сказать, что при составлении плана мы продвигались в обратном направлении. Таким образом, описанный Гоббсом важный метод решения задач можно было бы назвать составлением плана в обратном направлении, или продвижением от конца к началу, греческие геометры называли этот метод анализом, что по смыслу означает «решение от конца к началу». Если же мы продвигаемся в противоположном направлении, т. е. от объектов, которые находятся в нашем распоряжении, по направлению к цели (в нашем случае от £ к Я), то такой метод решения (в противоположность первому методу) называют составлением плана 8 прямом направлении, или продвижением от начала к концу, или синтезом (что по-гречески означает «соединение») 1).
Читателю рекомендуется наглядно представить себе на каком- нибудь простом примере работу от конца к началу при составлении плана и работу от начала к концу при его реализации. «Я мог бы
1) См. КРЗ, стр. 132—138 (Папп), и стр. 152—157 (Работать от конца к началу).
приобрести интересующий меня предмет А в каком-то магазине, если бы уплатил за него определенную сумму В； я мог бы достать эту сумму В, если бы . . .». Я надеюсь, что читатель легко освоит технику составления планов,——и надеюсь, что он никогда не будет встречать затруднений при их реализации.
Более общий метод
Попытаемся рассмотреть с точки зрения метода, изложенного в предыдущем параграфе, пример, который мы тщательно проанализировали в гл. 7 (и проиллюстрировали там на рис. 30). Исходя из этого примера, можно с несомненностью установить общую тенденцию метода: продвигаться в обратном направлении от неизвестного к данным в фазе составления плана и в прямом направлении, т. е. от данных к неизвестному,——при его реализации. Что же касается деталей решения, то метод их не затрагивает.
Посмотрим на самый первый шаг. Описывая в § 1 составление плана как метод решения задачи, мы говорили, что А сводится к В, первичная цель подменяется вторичной, получение А зависит от того, достигнуто ли В. В примере же, проиллюстрированном на рис. 30, вычисление неизвестного (объема усеченной пирамиды) сводится к вычислению двух новых неизвестных (двух объемов); налицо уже не одна вторичная цель, а две таких цели.
Однако, если еще раз вернуться к примеру, проиллюстрированному на рис. 30, и вспомнить замечания, сделанные в гл. 7 по поводу его графического представления (см., в частности, упр. 5 из гл. 7), то нетрудно понять, как надо обобщить метод, изложенный в § 1, чтобы он охватывал не только пример из гл. 7, но и бесчисленное множество других заслуживающих внимания случаев.
Перед нами цель А. Мы не можем достичь ее сразу, но мы замечаем, что могли бы добиться этого, если бы имели несколько объектов В\ В", В"'. Правда, пока их у нас нет, но мы уже начали обдумывать вопрос о том, как их можно было бы получить,— иными словами, мы рассматриваем В', В", В'" как вторичные цели. Далее, после некоторого размышления мы устанавливаем, что все наши вторичные цели достижимы при условии владения несколькими новыми объектами С', С", С'". В действительности этих объектов (С‘，С", С"',…)у нас тоже нет, но можно попытаться их получить; это ——наши цели третьего порядка и т. д. Так мы ткем паутину нашего плана. Возможно, что нам часто придется говорить: «Мы могли бы иметь это, если бы у нас было то, и другое, и третье»,——и так до тех пор, пока мы не дойдем до твердой почвы, т. е. до объектов, которые мы реально имеем в нашем распоряжении. Паутина нашего плана состоит из вспомогательных целей, подчиненных нашей первоначальной цели Я, и из связей между этими
целями. Таких подчиненных целей может быть много, и поэтому детали строения нашей сложной сети, нашей паутины трудно описать словами,— но тогда на помощь приходит состоящая из точек и линий диаграмма, вроде той, которую мы построили в гл. 7; так, например в п. 3° § 5 гл. 2 нашей первоначальной целью было S, вторичными целями — а, b м с м целями третьего порядка — Z, m и и. (См. также упр. 2 из гл. 7.)
Мне кажется, что в только что сказанном содержится достаточно ясная характеристика более общего метода, частным случаем которого является метод, описанный в § 1; мы будем называть его методом продвижения от конца к началу. Этот метод заключается в составлении плана; исходным его пунктом служит цель (искомый объект, неизвестное, заключение)——и мы продвигаемся от конца к началу в направлении к объектам, которые «находятся в нашей собственной власти» (известные объекты, данные, условие). Наш план предполагает, что по достижении упомянутых объектов, которыми мы «владеем», они будут использованы как «отправной пункт», и, возвращаясь назад по своим следам, мы будем продвигаться в прямом направлении к цели (см. п. 3° упр. 2 из гл. 9).
Программа
Равны ли друг другу числа Кз+Р^П и К5+К8? Если нет, то какое из них большей (Предполагается, что значения всех корней понимаются в арифметическом смысле.)
Имея небольшой опыт в выполнении алгебраических преобразований, нетрудно наметить план ответа на этот вопрос; мы даже можем сформулировать его настолько определенно, что для характеристики такого плана потребуется специальный термин: программа.
Два предложенных нам числа либо равны друг другу, либо больше первое, либо больше второе. Между двумя нашими числами возможны три отношения, выражаемые знаками =, > н V, но только одно из них имеет место в действительности; какое именно, нам пока не известно, хотя мы и надеемся вскоре это узнать. Проставим вместо этого единственно справедливого в нашем случае отношения знак «?» и напишем:
/З+КП ? /5+/8.
Какое из трех возможных соотношений ни имело бы место в действительности, мы можем выполнить некоторые алгебраические преобразования, законные во всех трех случаях. Сначала можно, например, возвести оба числа в квадрат; при этом соотношение между левой и правой частями сохранится:
3+2^33+11 ? 5+2/40+8.
Благодаря этой операции мы уменьшили число квадратных корней: сначала их было четыре, теперь осталось только два. В дальнейшем мы постепенно избавимся и от остальных корней и тогда сможем установить, какое из трех возможных соотношений представляет знак ?.
Читателю нет необходимости предвидеть все дальнейшие алгебраические преобразования со всеми их следствиями; однако ему должно быть ясно, что они могут быть выполнены без затруднений и обязательно приведут к желаемой цели. Он может также решить, что в данном конкретном случае уместен специальный термин и что такой подробно составленный план должен быть назван программой (СМ. § 5).
Последнее замечание, по существу, уже привело нас к цели, поставленной в настоящем параграфе, и в запрограммированных шагах необходимости нет. Все же давайте выполним их:
1 +2/33?2/40,
1+4/33+132 ?160,
—4/33 ?27,
528 ? 729.
Теперь вопрос решен; мы узнали, какое из чисел больше, и, возвращаясь назад по своим следам, устанавливаем, что
/3+/1Т< /5+/8.
Выбор между несколькими планами
На сторонах данного (произвольного) треугольника постройте вне его три равносторонних треугольника и соедините 〃％ центры. Докажите, что полученный таким образом треугольник равносторонний.
На рис. 37а изображен данный треугольник АВС\ буквами Л\ В' и С' обозначены центры равносторонних треугольников, построенных, соответственно, на сторонах 5©, СА и АВ. Нам нужно доказать, что треугольник АВС равносторонний, хоть это и кажется удивительным, почти неправдоподобным: заранее трудно ожидать, что стороны такого треугольника А'ВС всегда будут - равны, что его форма, являющаяся результатом описанного довольно сложного построения, совсем н е зависит от формы исходного (произвольного!) треугольника. Можно предполагать, что доказательство здесь будет непростым.
Прежде всего, нам не нравятся точки Л \ В' и С'——они кажутся обособленными от остальной части рис. 37а. Впрочем, этот недостаток не так уж серьезен. Как нетрудно заметить, треугольник
ВА'С равнобедренный; в нем АГВ=^АГС и 乙54c=120°. Построив на нашей фигуре этот треугольник и два ему аналогичных, мы получаем в результате «более связную фигуру» (см. рис. 376).
И все-таки пока мы не знаем, как подойти к цели. Каким образом можно доказать требуемое утверждение^ В манере Евклида? При помощи аналитической геометрии? С использованием тригонометрии?
1°. Каким образом можно доказать, придерживаясь стиля Евклида, что AfB'=A'Cf? Это можно сделать, показав, что АГВ*
и AfC являются соответствующими сторонами двух равных треугольников. Но на нашей фигуре таких треугольников нет, и пока не видно, как их можно получить. Это нас обескураживает — поищем, нет ли здесь другого подхода.
2°. Как при помощи аналитической геометрии доказать, что А'В'^А'С^ Будем рассматривать координаты точек Л, В и С как данные величины, а координаты точек Л\ 5' и С' — как неизвестные. Выразив неизвестные величины через данные, мы можем затем при помощи этих данных найти интересующие нас расстояния и, таким образом, выяснить, равны они друг другу или нет. Это совершенно ясный план, но при его реализации нам придется иметь дело с шестью неизвестными величинами и шестью данными ...—— нет, здесь привлекательного мало, давайте испробуем третий подход.
3°. Как можно с помощью тригонометрии доказать, что АГВГ^ —Х'^? Будем рассматривать стороны а, b п с треугольника АВС как данные величины, а расстояния .
BrCf~x, Cr Ar /'5' = z
——как неизвестные. Вычислив эти неизвестные, посмотрим, действительно ли %=y=z. Кажется, так нам будет действовать легче,
чем исходя из п. 2°; мы имеем здесь только три данные величины и три неизвестные.
4°. В действительности не нужно находить все три неизвестные, достаточно будет и двух. Если y=z, то любые две стороны треугольника AfBrCr равны друг другу,— и этого уже достаточно.
Рис. 37в. Сосредоточьте внимание на одной стороне.Рис. 37в. Сосредоточьте внимание на одной стороне.5°. Больше того, по существу, нам не требуется находить даже двух неизвестных; если применить более тонкие рассуждения, то можно удовлетвориться и одним. Достаточно, выразить, например, 尤 через q, b и с; если при этом удастся получить выражение, симметричное относительно q, b и с, то наша цель будет достигнута. (Выражение называется симметричным относительно а, b и су если оно остается неизменным при перестановке этих букв.) В самом деле, если для х мы получим такое выражение, то оно ж е будет представлять и у н z.
Рис. 37в. Сосредоточьте внимание на одной стороне.
Рис. 37в. Сосредоточьте внимание на одной стороне.
Хотя этот план и зависит от изобретательности решающего, т. е. от появления новой маленькой идеи, он выглядит довольно привлекательно ——читателю стоит попытаться провести его в жизнь (см. рис. 37в и упр. 3).
6°. Можно ли извлечь из нашего рассказа нечто поучительноеJ Мне кажется, что да.
находитесь, отходитних на небольшомнаходитесь, отходитних на небольшомЕсли перед вами несколько планов, причем ни один из них полностью не надежен, если из пункта, в котором вы несколько дорог, исследуйте каждую из
находитесь, отходитних на небольшом
находитесь, отходитних на небольшом
протяжении, прежде чем вы уйдете слишком далеко по какой-либо одной из них —— ведь может случиться, что именно эта дорога заведет вас в тупик.
План и программа
Мы можем рассматривать план как дорогу, по которой собираемся отправиться в путешествие. Однако планы могут быть различными. Хотелось бы иметь такой план действий, который приводил бы прямо к цели; к сожалению, не всегда удается составить достаточно полный план и, кроме того, не так уж много эффективных действий нуждаются в предварительном составлении плана. Иногда мы видим только небольшой отрезок предстоящего нам пути, иногда это будет большой его участок, а случается, что путь виден весь, вплоть до самой цели. Далее, мы можем видеть наш путь в тумане или же видеть его ясно. На том участке пути, который виден плохо или которого не видно вовсе, нас могут ожидать различные случайности — и мы должны быть подготовлены к любым сюрпризам.
Самым приятным из таких сюрпризов (и надежда на это никогда не должна покидать нас!) будет появление яркой идеи, которая сразу прояснит сущность вопроса.
Очень часто мы не получаем сразу окончательного плана, в нашем плане имеются разрывы, все еще не хватает некоторых нужных идей. Но это нас не останавливает, мы приступаем к его реализации в надежде, что появится какая-нибудь яркая или же просто новая идея и что с ее помощью нам удастся ликвидировать пробелы.
Хороший план отличается от плохого прежде всего тем, что надежда на появление нужной идеи здесь больше. Если же мы вообще не нуждаемся в новых идеях, а, наоборот, уверены, что заранее обдуманные и предусмотренные шаги обеспечивают достижение цели, то наш план можно считать достаточно четким и определенным, чтобы называть его (полной) программой действий. Иногда приходится затрачивать очень много времени на разработку различных несовершенных планов прежде, чем какой-то один из них удается превратить в программу.
Сопоставьте, например, § 3 с § 4.
Метод и план
При соответствующих обстоятельствах каждый из методов, изученных нами в прошлом, порождает план, однако не сразу этот метод превращается в подробный план, т. е. в программу. Обратимся, например, к геометрическим задачам на построение. Можно пытаться решать их методом двух геометрических мест. Конечно, это — уже план; однако он требует дополнительных идей для того, чтобы найти подходящую точку, к построению которой можно свести задачу, и чтобы расчленить условие на две части, порождающие два геометрических места, определяющих положение этой точки.
Или, допустим, мы собираемся решать геометрическую задачу методом Декарта, сводя ее к системе уравнений. Это, конечно,—— тоже план; однако он требует дополнительных идей для того, чтобы составить столько уравнений, сколько у нас имеется неизвестных, и, кроме того, еще идей для решения полученной системы уравнений.
Продвижение от конца к началу ——это очень общий и полезный метод составления плана; однако для того, чтобы ликвидировать разрыв между неизвестным и данными, нам, очевидно, нужны еще какие-то идеи, подсказываемые сущностью вопроса. Когда же составление плана в обратном направлении окончено и логическое переплетение затягивающих разрыв нитей завершено, картина становится совсем иной. В этом случае мы имеем программу для продвижения от начала к концу, от данных к неизвестному.
Упражнения и дополнительные замечания к главе 8
От конца к началу или от начала к концу? В обратном направлении или в прямом направлении? Анализ или синтез^ Согласно нашей терминологии (см. § 2) утверждение «продвигаемся от конца к началу» означает определенную стратегию решения, стандартный путь для составления плана решения. Единственно ли возможна такая стратегия? Является ли она самой лучшей?
1°. Обратимся снова к «нашему примеру»—к тому примеру, который мы изучали графически в гл. 7. Окончательный план решения этого примера представлен на рис. 29*; он представляет собой паутину из точек и линий, промежуточных неизвестных и их взаимных связей, натянутую над зияющей на первоначальном чертеже пропастью, разделяющей неизвестйое и данные. Мы начали ткать эту паутину, исходя от неизвестного и продвигаясь в направлении данных. На рис. 30 показаны последовательные стадии нашей работы. Мы назвали это направление обратным, или направлением《от конца к началу» (на рис. 30 это — направление слева направо).
Окончательный план, полная система взаимных связей (см. рис. 29ж; иногда паутина может быть и более сложной), не указывает направления, в котором он составлялся. Один решающий мог бы начать его построение с данных и продвигаться в направлении, указанном стрелками на рис. 29ж (так же как это делали мы, реализуя план). Развертывание плана в этом направлении можно назвать развертыванием в прямом направлении, продвижением от начала к концу.
В то же время другой решающий (перед которым стоит иная, возможно, более сложная задача) мог бы составлять план, не придерживаясь при этом однажды выбранного направления. Избрав в качестве отправного пункта либо начало, либо конец, он мог бы продвигаться то от неизвестного к данным, то от данных к неизвестному; он мог бы продвигаться также попеременно в обоих направлениях; при этом он мог бы даже устанавливать некоторые перспективные связи между объектами, которые пока еще не связаны ни с началом, ни с концом намеченной схемы решения, прокладывать мостики между изолированными точками, скучающими в одиночестве, где-то между данными и неизвестным. Таким образом, составление плана от конца к началу — это отнюдь не единственная возможность. Соответствующим конкретным примером служит упр. 4 из гл. 7.
2°. В нашем примере, подытоженном на рис. 30, мы составили план решения, продвигаясь от конца к началу. Попробуем сравнить нашу работу с работой решающего, которому пришлось составлять план решения этого ж е примера, продвигаясь от начала к концу.
Мы начинали с неизвестного и поэтому задавали себе вопросы, делая упор именно на неизвестное. Что требуется? Что представляет собой неизвестное^? Как /ложно получить такой объект? Как можно найти подобное неизвестное^ Какие нужны данные, чтобы получить такое неизвестное^ И мы нашли два «данных» ——два объема Л и В, через которые выражается неизвестное У, зная которые, можно У получить: V—В—А, Этот этап нашей работы показан на рис. 38а (являющемся частью рис. 30).
Другой решающий начнет иначе: с данных. Он будет ставить вопросы, делая упор на данные. Что дано? Что представляют собой данные^ Для чего могут подойти такие объекты^? Ка& можно использовать подобные данные^ Нельзя ли извлечь из этих данных что-нибудь полезное^ И тут он заметит, что, пользуясь такими данными, можно вычислить длину (высоту) х, т. е. выразить х через а^ h и b (использовав для этого пропорцию, как это мы установили по ходу дела несколько позже; см. рис. 29е). Эта стадия его работы показана на рис. 386.
Вернемся снова к нашему решению, К этапу, представленному на рис. 38а. Выразив неизвестное У через 力 и В, мы встречаемся с двумя новыми неизвестными А и В, двумя новыми (вспомогательными) задачами:
Выразить Л, если даны at h п Ь.
Выразить В, если даны а, Л и 6.
Это — две четко очерченные математические задачи того же характера, что и исходная задача. Продвигаясь в обратном направлении, мы снова спрашиваем себя: Ка& можно найти такие неизвестные^ Какие нужно иметь данные, чтобы получить такие неизвестный
А теперь опять обратимся ко второму решающему; он достиг зтапа, представленного на рис. 386. Выразив 尤 через данные величины a, h и Ь, он может рассматривать 尤 как дополнительное данное; таким образом, у него теперь имеется больше известных величин, и это дает ему больше шансов найти требуемое неизвестное. Однако, продвигаясь по этому пути, он не придет к четко поставленной вспомогательной задаче, а должен будет задать себе менее определенные вопросы: Как можно использовать х? Для чего могут подойти такие объекты^ Нельзя ли извлечь из этих данных что-нибудь полезное^
Рис. 38а. Двигаемся назад.Рис. 38а. Двигаемся назад.Рис. 386. Двигаемся вперед.Рис. 386. Двигаемся вперед.
Рис. 38а. Двигаемся назад.
Рис. 38а. Двигаемся назад.
Рис. 386. Двигаемся вперед.
Рис. 386. Двигаемся вперед.
Итак, основное различие между нами и вторым решающим, между двумя ситуациями, представленными на рис. 38а и 386, заключается в перспективах. Что мы выиграем, если нам удастся решить наши вспомогательные задачи? Что он выиграет, если ему удастся получить ответ на его вопрос?
Если мы сумеем выразить вспомогательные неизвестные (Л и В через а, /г и Ь), то мы сможем выразить через них также исходное неизвестное (Р=£—Л)— и наша задача будет решена. Если же решающий в прямом направлении сможет выразить некоторую промежуточную величину, например у, через данные величины, он все еще будет стоять перед вопросом: а что ему делать с у? Правда, за исключением одного случая: если ему повезет, роль у может сыграть само «главное неизвестное» V — и тогда он тоже решил задачу.
3°. Составление плана как в прямом, так и в обратном направлении равно может закончиться как удачей, так и неудачей. Продвигаясь от конца к началу, мы можем прийти к вспомогательной задаче, которую не сумеем решить. Продвигаясь от начала к концу, мы можем выводить из данных все новые и новые величины; но эти величины могут оказаться бесполезными： мы можем не суметь извлечь из них неизвестное.
Составление плана как в том, так и в другом направлении требует комбинации различных приемов. И если при продвижении от конца к началу можно ожидать, что большая часть времени будет потрачена на решение ясно очерченных задач, то при продвижении от начала к концу много времени уйдет на колебания между задачами, которые мы могли бы решить, или на решение задач, которые оказываются бесполезными.
Вообще говоря, составление плана в обратном направлении, продвижение от конца к началу, «анализ» (по терминологии греческих геометров) предпочтительнее. Жесткого и непреложного правила здесь быть не может, целесообразно
сначала посмотреть на неизвестное (заключение, искомый объект), затем на данные (условие, предпосылка, объекты, которые находятся в нашем распоряжении). Приступайте к работе, продвигаясь от конца к началу, начиная с неизвестного, если, конечно, нет никаких особых соображений для отказа от этого,——например, если какая-нибудь хорошая, идея не заставит вас начать с данных,——и продолжайте идти по этому пути вперед.
4°. Сделаем еще несколько коротких замечаний, хотя здесь можно было бы сказать еще многое 】).
В некоторых случаях имеются определенные основания для того, чтобы сделать выбор. Так, во многих практических задачах объект, который мы хотим найти (построить, достичь, . . .), может быть вполне доступен, тогда как объекты, которые мы могли бы использовать для достижения цели, могут быть мало знакомы и не поддаваться обозрению из-за того, что их слишком много. Нам трудно было бы аргументировать начало работы от какого-нибудь определенного объекта из всего необъятного множества таких объектов — и потому мы бываем вынуждены составлять план в обратном направлении.
После того как план в обратном направлении составлен, мы приступаем к его реализации, продвигаясь в прямом направлении (вспомните § 5); но это уже именно реализация плана, а не его составление, поскольку все идеи мы разработали раньше, а теперь только их реализуем. Это может даже вызвать подозрение, что решающий, который начинает составление плана в прямом направлении, использует уже готовые идеи, я имею здесь в виду ——использует неявно, возможно даже подсознательно.
Одна студентка объясняла это так: опыт сам по себе (без предварительного анализа) был бы затруднителен ——нечто вроде попытки испечь пирог, когда имеются в наличии все его ингредиенты, но нет рецепта.
И, конечно, решая задачу, вы не должны быть чересчур педантичны, но не должны и разбрасываться. Если, начав продвижение от неизвестного, от конца к началу, вы увидели возможность сделать удачный шаг, отправляясь от данных,—— делайте его, обязательно делайте его!
Умный начинает с конца. Один мой приятель, хороший математик и хороший философ, рассказывал мне однажды, что, пробуя доказать теорему, он часто начинает с того, что пишет в обратном порядке Q. Е. D. («quod erat demonstrandum» ——что требовалось доказать), и этот акт обратного написания традиционной фразы, завершающей доказательство, хорошо настраивает его на нужный лад.
Существует пословица: «Умный начинает с конца, дурак кончает в начале» ).
Реализуйте план, составленный в § 4.
Выбор между тремя планами. Пусть а —— радиус основания, a h — высота прямого кругового цилиндра. Через диаметр нижнего основания проведена плоскость, касающаяся окружности верхнего основания (т. е. имеющая с ней единственную общую точку). Эта плоскость делит цилиндр на две неравные части. Найдите объем меньшей из них, заключенной между нижним основанием и секущей плоскостью (объем «копыта»).
Постановка этой задачи и ее первое решение принадлежат Архимеду 3).
Воспользуемся аналитической геометрией в пространстве. Примем ось цилиндра за ось г, а плоскость, проходящую через его основание,——за плоскость хОу прямоугольной системы координат. Пусть плоскость, разбивающая объем цилиндра на две части, пересекает плоскость хОу по оси у, Тогда уравнение
См. КРЗ, стр. 132—138 (Папп), и стр. 152—157 (Работать от конца к началу).
окружности нижнего основания запишется в виде
"+р2=а2,
а уравнение секущей плоскости будет иметь вид
г %
Для вычисления искомого объема можно воспользоваться интегральным исчислением или принципом Кавальери. В обоих случаях нам придется рассматривать семейство параллельных сечений «копыта». Возможны три очевидных плана: можно проводить сечения
. перпендикулярно оси х;
. перпендикулярно оси у;
. перпендикулярно оси г.
Какой план вы предпочитаете? Реализуйте его.
Выбор между двумя планами.
1°. Занимаясь кроссвордом, мы остановились в нерешительности. Перед нами —два слова: в одном четыре буквы, из которых известна одна, а неизвестны три, в другом — восемь, из которых известны три, а неизвестны пять. Какое из этих слов лучше пытаться отгадать первым? Можно ли обосновать выбор одного из этих слов, используя имеющиеся числовые данные?
Я думаю, что это вряд ли возможно, но попытка представляет интерес.
*2°. Сформулированный вопрос можно изложить в более общем виде и (поскольку это возможно) более точно,
.Предположим, что имеется некоторое слово, состоящее из k-\-l букв, из которых известны k и неизвестны 厶 Мы приступили к поискам этого слова и намереваемся установить коэффициент трудности таких поисков.
Допустим сперва, что k букв известны нам исчерпывающе, т. е. что мы знаем как сами буквы, так и место, которое каждая буква занимает в слове (как, например, в слове
Иhp,
где /г=3, /=5). В этом случае мы можем принять за коэффициент трудности отгадывания слова число N слов современного русского языка, содержащих 々+ / букв каждое, k из которых ссжпадают с известными нам буквами и находятся на нужных местах. (Конечно, за коэффициент трудности с таким же успехом можно было бы принять любую монотонно возрастающую функцию от N, например In М)
Теоретически такое определение может показаться разумным, так как с увеличением числа допустимых слов увеличивается и трудность выбора одного из них. Практически же здесь встречается ряд неудобств. Как быть, если слово не принадлежит к «современному» русскому языку? Удовлетворительно ли нйше определение с точки зрения энтузиаста кроссвордов? Как бы то ни было, практическое нахождение числа N выглядит крайне утомительным и нецелесообразным.
*3°. Так перед нами встает несколько иная и более сложная цель; мы хотим определить коэффициент трудности так, чтобы он зависел только о т k и /,— трудности «при прочих равных условиях», коэффициент какой-то «средней» трудности. Мы собираемся рассматривать все случаи с одинаковыми k и / сразу, принимая в расчет только эти числовые значения. Если бы нам удалось достичь такой более сложной цели, то коэффициент оказался бы функцией /(瓦 /) двух переменных ^ и /. Очевидно, что эта функция должна быть убывающей функцией от /г и возрастающей функцией от 厶 Однако мы пока ие можем сказать, какое из чисел будет больше: / (1, 3) или / (3, 5).
«4°. Если бы буквы в словах русского языка располагались независимо друг от друга, то число N русских слов, содержащих k данных и / свободно ₽ыби-
раемых букв, выражалось бы просто формулой
N=32t
(Это число N мы употребляем в значении, поясненном в п. 2°.) Таким образом, мы могли бы определить коэффициент трудности, например, так：
log У _ z
13g32~ *'
Подобное определение коэффициента / (k, /) выглядит последовательным, но оно обходит очень существенный вопрос: насколько ограничивает фиксация k букв выбор остальных / (как будто бы свободно избираемых, что в действительности не совсем так)?
Весьма сомнительно, что для функции /(玄 /) может быть предложена в какой-то мере реалистическая формула. Во всяком случае, следует ожидать, что такая формула отличалась бы от только что предложенной по крайней мере в двух отношениях： / (/г, /) должна быть строго убывающей функцией от k и быть применимой если не ко всем, то хотя бы к нескольким языкам.
劳5°. Вот несовершенное и чисто умозрительное пробное предложение:
£ /г 八— log [32 — a习 [32 — a(^+l)] … [32 — a3+" — 1)]
Положительный параметр а вводится в формулу для того, чтобы приспособить ее к любому языку, алфавит которого содержит 32 буквы. Эта формула пригодна только для слов длиною в
букв.
6°. Предыдущие рассуждения могут пролить некоторый свет на область эвристики и охарактеризовать точность, которая здесь может быть достигнута; именно в этом ——оправдание места, отведенного им в нашем изложении.
Реальный план. «Я собираюсь немедленно приняться за задачу, изучать фигуру и дожидаться, пока мне не придет в голову хорошая идея». Это ——самый настоящий план. Возможно, немного наивный. Возможно, слишком оптимистичный： вы можете несколько переоценить свою способность придумывать хорошие идеи. Тем не менее такой план может сработать, правда, не всегда.
Вспоминая решенные вами в прошлом задачи, посмотрите еще раз на те, которые вы решали или могли б ы решить, продвигаясь от конца к началу.
Не связывайте себя. Рассмотрим полуконкретный пример. Пусть нам требуется доказать теорему из элементарной геометрии, заключение которой гласит: «...тогда углы АВС и EFG равны». Нам нужно вывести это заключение из некоторой предпосылки, из некоторого условия, детали которого не относятся к делу и которые мы поэтому здесь принимать во внимание не будем.
На некотором (возможно раннем) этапе решения мы останавливаем свое внимание на заключении: что представляет -собой заключение^
Нам нужно доказать, что
乙 ABC=±EFG.
， Как можно доказать такое заключение? Из какого условия можно вывести подобное заключение^
Нам удается вспомнить несколькоХлизких фактов, изученных в прошлом, несколько путей для доказательства заключения, подобного тому, которое мы собираемся доказать. Два угла равны,
1°. если это соответствующие углы в равных треугольниках; или
2°. если это соответствующие углы в подобных треугольниках; или
3°. если это соответствующие углы, образованные двумя параллельными линиями и секущей； или
4°. равны углы, дополняющие их до 180°; или
5°. если они вписаны в одну и ту же окружность и опираются на равные дуги.
Мн перечислили пять различных теорем, каждую из которых можно приме- ннть в нашем случае, пять различных условий, из которых можно было бы вывести требуемое заключение. Мы можем начать с любого. Например, можно испробовать 1°: ввести два подходящих треугольника, скажем, АВС и EFG, а затем
пытаться доказать, что они равны между собой. Если нам это удалось, то требуемое заключение следует немедленно. А как можно доказать, что ДЛВС = Д/Г^д? Этот вопрос приводит к изменению направления нашего плана. Но мы могли бы точно так же начать составлять план в обратном направлении, отправляясь от любой из пяти упомянутых теорем. Ecib ли надежда, что одна из них даст возможность доказать паше заключение? Какая из них имеет на это наибольшие шансы? Если мы не можем ответить на эти вопросы или если ответ вызывает у нас подспудное чувство неудов
летворенности, то и в самом
Рис. 39. Выбор сомнителен,деле выбор сомнителен. Мы
у развилки. Нам нужно выбрать одну из нескольких дорог； начало их видно хорошо, но продолжение неясно, а конец скрыт в тумане. На рис. 39 сделана попытка проиллюстрировать создавшуюся ситуацию.
В этом примере мы ставили себе цель разъяснить читателю затруднительность положения, неопределенность выбора одного из нескольких планов. В сложившейся ситуации я бы дал следующий совет: не ограничивайте себя слишком рано, не связывайте себя выбором какого-либо курса более жестко, чем это необходимо. Делайте одно, но не забывайте и о другом.
Хороший математик, как и хороший генерал, должен уметь рассчитывать: он считается с возможностью неудачи предполагаемой атаки и не должен пренебрегать обеспечением пути для отступления. Хорошо составленный план должен обладать известной гибкостью, определенной приспособляемостью к непредвиденным затруднениям).
Если при построении или в доказательстве мы do пускаем что-либо такое, что не было ранее доказано, но требует аргументации, то мы считаем это do- пущение само по себе сомнительным а заслуживающим, исследования а называем его леммой.
П р о к л, Комментарии к Евклиду, К предложению 1 книги I.
...По зависимости познания одной вещи от познания другой,... мы тотчас же можем узнать, не будет ли полезным исследовать сначала что-нибудь другое, что именно а в каком порядке исследовать,
Декарт, Ираенаа для руководства ума. Правило VI, Избранные произведения, стр. 96.
Ка& вам лучше всего поступить с этой задачей^ Оставьте ее s покое w придумайте себе какую-нибудь другую.
Традиционный профессор математики*).
Вспомогательные задачи
Для нас представляют большой интерес некоторые наблюдения Вольфганга Кёлера над человекообразными обезьянами. Вот схематическое описание одного из его экспериментов )
В клетке находится шимпанзе; обезьяна голодна. С внешней стороны клетки на земле лежит банан. Шимпанзе может просунуть руку между прутьями клетки, но дотянуться до банана он не в состоянии. Обезьяна усердно, но безуспешно пыталась достать банан, и вот теперь она как раз сидит напротив него. С внешней же стороны клетки, но в пределах досягаемости, на земле лежит палка, однако обезьяна, по-видимому, не обращает на нее никакого внимания. Внезапно шимпанзе оживляется, хватает палку, неуклюже толкает ею банан до тех пор, пока не достает до него рукой, а затем хватает банан и съедает его.
Наша обезьяна решила две задачи.
А. Схватить банан.
Б.- Схватить палку.
Задача А возникла раньше, чем задача Б. Сперва обезьяна не выказывала ни малейшего интереса к палке, которая ведь
*) Автор имеет в виду анекдотическую фигуру преподавателя математики, см. КРЗ, стр. 198.— Прим, перев.
I) W. Kohler, The mentality of apes, New York, 1925, стр. 32—34.
является несъедобной; однако первой она решила задачу Б. Решение задачи Б проложило путь к решению исходной задачи А. Обезьяна была непосредственно заинтересована в решении задачи А и лишь косвенно ——в решении задачи Б; А было конечной целью, Б —— только средством к ее достижению; А было ее главной, основной задачей, Б ——только вспомогательно й задачей («подсобной» задачей, второстепенной задачей).
Попробуем описать в общих чертах значение этого важного термина: Вспомогательная задача —— это такая задачаt которой мы. вынуждены уделять внимание или над которой мы должны работать не ради ее самой, но из-за того, что такое внимание или работа могут помочь нам решить другую задачу, нашу основную задачу. Вспомогательная задача —— это средство для достижения цели, она открывает нам доступ к цели; исходная задача ——это цель и конец пути I).
Нахождение пути к решению задачи, кажущейся недоступной, при помощи специально для этого придуманной, а затем решенной, вспомогательной задачи — это одно из наиболее характерных проявлений умственной деятельности. И мы лишь с трудом можем отказаться от интерпретации действий шимпанзе как разумного акта.
Мы собираемся дать классификацию вспомогательных задач, разобрав для этого несколько математических примеров.
Эквивалентные задачи: двусторонняя редукция
Начнем с такого примера. Пусть наша цель заключается в решении следующей системы трех уравнений с тремя неизвестными:
%—У=—4,
x+y+z= 5,(А)
х+у—2= 31.
Перейдем от системы (А) к другой системе (В), для которой
1°. первое уравнение совпадает с первым уравнением системы (А);
2°. второе уравнение является суммой второго и третьего уравнений системы (А);
3°. третье уравнение представляет собой разность второго и третьего уравнений системы (А).
1) КРЗ, Вспомогательная задача, стр. 65—66.
Новая система трех уравнений будет иметь вид
(В)(В)х—У=— 4,2 (%+//)= 36,2z=—26.
(В)
(В)
Способ получения системы (В) показывает, что числа х, у, г, удовлетворяющие системе (А), обязательно должны удовлетворять и системе (В). Верно также и обратное: числа (х, у, г), удовлетворяющие системе (В), должны удовлетворять системе (А). Это кажется достаточно правдоподобным, но, кроме того, может быть доказано различными способами, например так: разделив оба последних уравнения системы (В) на 2, получаем систему
(С)(С)х—У~— 4,%+у= 18,2= —13,
(С)
(С)
а от (С) можно вернуться к (А), оставляя первое из уравнений (С) неизменным, далее же сначала складывая, а затем вычитая два последних уравнения. Коротко: если три числа х, у п z удовлетворяют одной из двух систем (А) и (В), то они удовлетворяют также и второй системе.
Системы (А) и (В) не тождественны друг другу: в них входят не одни и те же уравнения. Поэтому, строго говоря, нельзя утвер
ждать, что две задачи, системы (А), другая — Однако можно сказать,ждать, что две задачи, системы (А), другая — Однако можно сказать,одна из которых заключается в решении в решении системы (В), тождественны, что эти задачи эквивалентны.
ждать, что две задачи, системы (А), другая — Однако можно сказать,
ждать, что две задачи, системы (А), другая — Однако можно сказать,
Вот общее определение упомянутого термина, употребляемого в нужном нам смысле: Две задачи эквивалентны, если решение одной из них вытекает из решения другойг).
Переход от одной задачи к эквивалентной ей задаче называется двусторонней (или обратимой, или возвратной, или эквивалентной) редукцией. Так, например, переход от нашей исходной задачи, заключавшейся в решении системы (А), к решению системы (В) есть двусторонняя редукция. В нашем случае такая редукция оказывается полезной: система (В) ближе к окончательному решению, чем система (А). В самом деле, (В) ближе к (С), чем (А), а (С)— это уже почти конец нашей задачи: система (С) прямо указывает интересующее нас значение z и, чтобы найти значения хну, остается затратить не так уж много усилий.
См. КРЗ, Вспомогательная задача 6, стр. 67,
Цепочки эквивалентных задач
Вернемся к системе (С) из § 2; складывая и вычитая первые два входящих в нее уравнения, получаем систему
2х = 14,
2// = 22,(D)
z = — 13, откуда
% =7,
У = 11,(Е)
N — —13.
Мы имеем иоследова гельность, состоящую из пяти систем (каждая из которых содержит три уравнения):
(А), (В), (С), (D), (Е),
Каждой из этих систем соответствует задача о нахождении значений неизвестных %, у, г, удовлетворяющих этой системе. [Применительно к системе (Е), которая представляет собой окончательную запись решения «задачи», сам термин «задача» употребляется не в его собственном, обычном, смысле, а в обобщенном смысле. I Каждая из этих задач эквивалентна предыдущей задаче (а также последующей), подобно тому как каждое звено цепи связано с соседним; мы имеем здесь цепочку эквивалентных задач.
В нашей цепочке (А)——начало, а (Е)——конец; (А)——это исходная система уравнений, а (Е)——уже ее решение. Здесь перед нами — абсолютно безошибочный путь, ведущий к решению. Начав с предложенной задачи, мы составляем цепочку задач, каждая из которых эквивалентна решению и стоит ближе к нему, чем предыдущая; переходя, таким образом, от задачи к задаче, мы с последним шагом достигаем собственно решения.
Однако даже в математике, при поисках неизвестного или в попытках доказательства, мы часто встречаемся с тем, что может быть названо чувством неполного удовлетворения. Поэтому мы приступаем к обозрению других типов вспомогательных задач.
Более результативные или менее результативные вспомогательные задачи: односторонняя редукция
Начнем с рассмотрения схематической задачи:
А. Найти объем пирамиды, если do&"...
Будем считать, что для нахождения объема указано достаточно данных, но что среди них нет площади основания пирамиды и ее высоты — ни одна из этих величин не дана. Это для нас очень важ-
но; что же представляют собой данные в других отношениях, нас здесь интересовать не будет, и поэтому мы о них умалчиваем )
Известно, что объем пирамиды можно вычислить, если даны ее основание и высота, но, как мы только что сказали, ни одна из этих величин не дана. Поскольку эти величины нам не известны, мы попытаемся их вычислить, и, таким образом, перед нами встает новая задача:
Б. Найти основание 〃 высоту пирамиды, если даны ...
В задаче А — одно неизвестное, в задаче Б — два, данные в обеих задачах одни и те же (их мы не указывали). Можно сказать, что связь между нашими задачами односторонняя, несимметричная. Если мы умеем решить Б, то нам становятся известны основание н высота пирамиды и, следовательно, мы можем вычислить ее объем, т. е. решить задачу А. Если же мы умеем решить задачу А, то это никоим образом не означает, что мы можем решить также задачу Б: хотя из результата задачи А вытекает простое соотношение между двумя неизвестными, входящими в Б, нахождение каждого из этих неизвестных в отдельности может встретить серьезные затруднения. Итак, решив А, мы достигаем меньшего, чем решив Б. Из двух задач А и Б задачу А можно назвать менее результативной, а задачу Б ——более результативной ).
Сформулируем сказанное выше в общем виде. Имеются две нерешенные задачи А и Б, относительно которых мы можем утверждать только следующее: нам известно, как из решения задачи Б вывести решение задачи А, но мы не знаем, как из решения задачи А получить решение задачи Б. При таких обстоятельствах мы говорим, что задача А менее результативна, чем Б, или (что то же самое) что Б более результативна, чем А.
Переход от первоначальной задачи к вспомогательной задаче, более результативной или менее результативной, чем эта первоначальная (во всяком случае не эквивалентной ей), называется односторонней (или необратимой) редукцией. В нашем примере исходная задача А менее результативна, чем задача Б, и поэтому редукция от А к Б односторонняя. Эрудированный читатель наверное сможет вспомнить немало примеров, аналогичных нашему, в которых односторонняя редукция оказывалась полезной.
Часто бывает полезной односторонняя редукция и в противоположном направлении, т. е. редукция, где вспомогательная задача менее результативна, чем первоначальная. Вот схематический пример:
А. Вычислите неизвестные.尤厶 х2, ..., хп^г u xnt если даны . . • Б. Вычислите неизвестное 芻,если даны ...
Конкретная задача, имеющая вид А, приведена в упр. 18 к гл. 4.
Мы предполагаем, что условия и данных достаточно для нахождения неизвестных и что они одинаковы в обеих задачах, но сейчас они не играют для нас никакой роли, и поэтому мы о них умалчиваем. То, что решение задачи А означает одновременно решение задачи Б, тривиально; однако, вообще говоря, нельзя утверждать, что, решив задачу Б, мы тем самым решили также задачу А: согласно нашему определению А более результативна, чем Б. Тем не менее очень часто при решении задачи А можно использовать Б в качестве вспомогательной задачи; мы поступали так много раз в гл. 3, когда, решая задачу А методом рекурсии, мы выбирали хг в качестве неизвестного, которое нужно найти прежде других, и начинали свою работу с вспомогательной задачи Б, рассматривая ее как ключ к решению задачи А.
Косвенные вспомогательные задачи
Начнем с примера. Рассмотрим такую задачу:
А. Найти радиус сферы, описанной около правильного тетраэдра, зная длину ребра этого тетраэдра.
Если нам не удастся найти какого-нибудь иного подхода к задаче А, то можно попробовать начать с решения следующей вспомогательной задачи:
Б. Найти радиус окружности, описанной около равностороннего треугольника, зная длину стороны этого треугольника.
Переход от А к Б не будет ни односторонней, ни двусторонней редукцией в смысле определений из §§ 2 и 4. В самом деле, вряд ли можно усмотреть a priori, как из решения задачи Б извлечь решение задачи А или, наоборот, из решения задачи А — решение задачи Б; задачи А и Б не кажутся эквивалентными, ни одна из них, в смысле наших определений, не выглядит более результативной, чем другая.
И все же задачи А и Б — родственники. Задача Б «аналогична» задаче А; мы здесь встречаемся с одним из примеров, свидетельствующих о глубокой аналогии, существующей между планиметрией и стереометрией. И, конечно, большинству из нас задача Б покажется легче задачи А; возможно даже, что мы уже когда- нибудь встречались с задачей Б и без особых затруднений сможем вспомнить, как она решается. В такой ситуации естественно возникает вопрос: стоит ли заниматься задачей Б? Имеется ли надежда на то, что изучение задачи Б облегчит решение задачи А?
Возможно, что изучение задачи Б не дает ничего ценного для решения задачи А — с такой ситуацией мы можем встретиться даже и в том случае, когда аналогия между А и Б видна совершенно отчетливо и решение задачи Б известно нам полностью. Но может также оказаться, что решение задачи Б будет полезным, хотя на первый взгляд эта задача и представляется нам бесплодной. Сравнение
А с ее аналогом Б может сделать задачу А более поучительной, и в этом случае задача Б будет полезна. Вклад, вносимый решением задачи Б в решение задачи А, часто бывает не так уж непосредствен: например, не исключено, что аналогия между А и Б приведет нас к какой-либо полезной мысли. Так, скажем, в случае «плоской» задачи Б искомый радиус равен некоторому несложному рациональному кратному высоты равностороннего треугольника (2/3 этой высоты). Это может натолкнуть на вопрос: а как будет обстоять дело в случае «пространственной» задачи А? Выражается ли искомый радиус в виде несложного рационального кратного высоты правильного тетраэдра? Этот или подобный ему вопрос может оказаться достаточно плодотворным и проложить дорогу к решению задачи А. Возможно также, что при решении задачи А нам окажется нужным радиус описанной вокруг одной из граней тетраэдра окружности (например, для определения высоты тетраэдра, квадрат которой, очевидно, равен разности квадратов ребра тетраэдра и радиуса описанной вокруг его основания окружности); в этом случае умение решить задачу Б может стать звеном в цепи, которую мы должны выковать для решения задачи А.
Вообще можно ожидать, что изучение задачи Б внесет тот или иной вклад в решение первоначальной задачи А даже и в том случае, когда Б ни эквивалентна А, ни бълее результативна, чем А, ни менее результативна, чем А. Такая задача называется косвенной вспомогательной задачей по отношению к задаче А.
Частичная помощь, методологическая помощь, стимулирование, руководство, практика
Вспомогательная задача может помочь решить исходную задачу бесчисленным множеством способов.
Вспомогательная задача, эквивалентная исходной, если ее решение найдено, обеспечивает полное решение первоначальной задачи; это же справедливо для вспомогательной задачи, которая более результативна, чем исходная. (Разница между этими двумя видами вспомогательных задач явно проступает даже тогда, когда мы не в состоянии решить вспомогательную задачу. Если решение эквивалентной задачи недостижимо, то это же справедливо и для первоначальной задачи; если же недостижимо решение более результативной задачи, то перспективы решения исходной задачи не должны считаться столь же мрачными.)
Некоторые виды вспомогательных задач, даже будучи решены, не гарантируют полного решения первоначальной задачи; однако они могут оказать частичную помощь в ее решении. Часть решения вспомогательной задачи (или даже все решение целиком) может стать частью решения исходной задачи, обеспечив
для последнего какой-нибудь вывод, построение (или же просто отдельный факт, который послужит основой такого вывода, построения и т. д.).
Даже если такой частичной помощи появиться неоткуда, вспомогательная задача может принести методологическую помощь: она может подсказать метод решения, наметить общий контур решения или направление, в котором следует начинать работу, и т. д. Аналогичная исходной, но более легкая вспомогательная задача (ср. разобранный в § 5 пример) хорошо подходит для оказания такой методологической помощи.
Возможно, что иногда мы не будем в состоянии выделить в окончательном решении первоначальной задачи ту часть или мысль, которая была заимствована из какой-то вспомогательной задачи или подсказана ею. И все же весьма вероятно, что стимулирующее влияние этой вспомогательной задачи внесло достойный вклад в поиски решения исходной задачи. Может быть, эта вспомогательная задача, в силу аналогии или контраста, сделала исходную задачу более понятной, или доступной; или же она оживила нашу память ——привела в движение вереницу мыслей, из которых возникли некоторые существенные факты, относящиеся к решению рассматриваемой задачи.
Вспомогательные задачи могут оказать помощь еще одним довольно тонким образом. Занимаясь задачей, мы принимаем известные решения. Допустим, что работу можно продолжать по двум направлениям, что нам открыты два пути: один — направо, другой —— налево. Какой из них избрать? Который из двух ведет к решению с большей вероятностью? Важно уметь разумно оценивать шансы ——и в этом отношении вспомогательные задачи могут служить желательным р у ководством. Весьма вероятно, чтовнимание и труд, затраченные на решение вспомогательной задачи, и приобретенный при этом опыт весьма благоприятно скажутся на решении исходной задачи.
Иногда мы можем заниматься вспомогательными задачами просто для практики. Бывает, что первоначальная задача включает идеи, с которыми мы не привыкли иметь дела. В такой ситуации можно рекомендовать попробовать решить более легкую задачу, содержащую те же самые идеи; тем самым эта последняя становится (довольно отдаленной) косвенной вспомогательной задачей для нашей исходной задачи.
Несмотря на существование столь большого числа благоприятных возможностей, очень часто бывает, что выигрыш ничтожен, а времени и труда на решение вспомогательной задачи потеряно много. Поэтому, пока мы еще не погрузились в решение вспомогательной задачи слишком глубоко, следует попытаться взвесить все возможности и оценить все шансы.
Упражнения и дополнительные замечания к главе 9
Надежные источники вспомогательных задач? Вспомогательная задача может «самопроизвольно зародиться» из первоначальной задачи. Но может случиться также, что нас манит мысль о переходе к (достаточно перспективной) вспомогательной задаче, а на ум не приходит ничего. В такой ситуации было бы желательно иметь перечень источников, из'которых можно черпать полезные вспомогательные задачи. На практике существует много стандартных приемов для составления вспомогательных задач, и в дальнейшем мы рассмотрим наиболее очевидные из них; в большинстве случаев они приводят к определенным вспомогательным задачам, но без гарантии того, что эти задачи обязательно окажутся полезными.
Вспомогательная задача может возникнуть на любой стадии процесса решения. Однако будем считать, что мы не слишком далеко ушли от самой начальной фазы. Уже рассмотрены и хорошо изучены главные элементы задачи — неизвестные, данные и условие, или предпосылка и заключение, а также наиболее очевидные подразделения («пункты» условия и т. д.). Но пока не видно надежного плана, и поэтому нам хотелось бы иметь перед собой более доступную и более привлекательную цель. При таких обстоятельствах хорошо иметь уверенность, что исследование главных элементов задачи может предоставить нам такую цель, появляющуюся вместе с подходящей вспомогательной задачей. Мы сейчас обследуем наиболее примечательные случаи.
Respice finem. Стремление достичь цели можно рассматривать как стимул, оно подсказывает нам действия, которые, возможно, приведут к достижению цели. Желанный конец диктует средства. Поэтому смотрите в конец, не спускайте глаз с вашей цели; она направляет ваши мысли. Respice finem означает «Смотри в конец»; эта фраза была обиходной во времена, когда латынь была общеупотребительной). Гоббс поясняет это:《…со всех ваших, действиях, часто имейте перед глазами то, чего вы хотите достигнуть, как ту вещь, которая направляет все ваша мысли на пути к ее достижению'» 3). ,
Раздумывая над концом задачи, мы надеемся, что возникнет мысль о подходящих средствах для ее решения. Чтобы сократить время, необходимое для прихода этой мысли, нужно стараться представить себе конец с максимальной отчетливостью: Что требуется^ Какого рода объект вы хотите ^айт山 Что представляет собой неизвестное^ В чем состоит заключение? Мы должны применять самые настойчивые усилия, чтобы вызвать в своем воображении подходящие средства: Как можно получить такой объект? Где можно отыскать подобный объект? В каком магазине можно приобрести такую вещь"? Как можно найти подобное неизвестное^ Как можно вывести такое заключение?
Последние два вопроса специально относятся к математическим задачам: один — к задачам на нахождение, другой ——к задачам на доказательство. Рассмотрим эти случаи, каждый в отдельности.
1°. Задачи на нахождение. Рассмотрим, как это мы уже делали однажды в § 4, схематическую задачу: «найти объем пирамиды, если даны...». Неизвестное в этой задаче указано конкретно, тогда как условие и данные не уточнены. Как. можно найти такое неизвестное^ Как. можно вычислить объем пирамиды? Какие нужны данные, чтобы найти подобное неизвестной В предложенной нам задаче данных, конечно, достаточно, но беда, по крайней мере в данный момент, заключается в том, что мы не можем получить из этих данных неизвестное. По существу, нам хотелось бы иметь более подходящие данные; в действительности мы желали бы иметь дело с другой, более доступной задачей, содержащей то же самое неизвестное.
Если такую задачу удается отыскать, то могут встретиться различные ситуации.'
2°. Решенные ранее задачи с тем же неизвестным. Если нам настолько посчастливилось, что мы вспомнили такую задачу, то ее данные можно рассматривать как неизвестные во вспомогательной задаче ——и тем самым продвинуться в решении нашей основной задачи. Подобная процедура очень часто бывает полезной. Проиллюстрируем это на нашем (только что упомянутом, схематическом) примере.
В этой задаче неизвестное V ——объем пирамиды. В самой распространенной задаче с таким неизвестным задается площадь основания S и высота h. Мы знали решение этой задачи ( " = и нам удалось его вспомнить. Как использовать это решение? Естественнее всего попробовать вычислить S и А с помощью данных исходной (нерешенной) задачи. Пытаясь это сделать, мы принимаем S и А за новые неизвестные; так мы вводим две вспомогательные задачи, в одной из которых неизвестно S, а в другой 力；данные этих задач совпадают с данными основной задачи. (Конкретно этот случай рассмотрен в упр. 18 и 19 к гл. 4.)
3°. Указанной процедурой пользуются очень часто, и во многих случаях ее приходится применять повтор н о.
Пусть х обозначает первоначальное неизвестное из предложенной нам исходной задачи. Мы стараемся подыскать подходящие данные и замечаем, что могли бы найти х, если бы знали 乡‘，у"、у’"， ... (используя при этом решение задачи, решенной ранее). Мы рассматриваем “ “，，‘'，... как новые цели, как вторичные неизвестные. Далее, мы могли бы найти у', у'\…,если бы знали z‘，
(используя при этом решения нескольких ранее решенных задач), и опять рассматриваем г\ z", z‘"，... как новые цели, как неизвестные третьего порядка, и т. д. Мы продвигаемся от конца к началу (см. § 2 гл. 8).
Чтобы хорошо подготовить себя к выполнению такой работы, нужно сбладать запасом (часто применяемых, основных) задач и этот запас должен быть хорошо подобран и хорошо систематизирован (см. упр. 4 к гл.⑵.
4°. Нерешенная, задача с тем же неизвестным. Такую задачу можно рассматривать как ключ к решению исходной задачи. Мы приступаем к ней. как к вспомогательной задаче, и стараемся решить ее ——такая процедура может оказаться полезной. Однако, при прочих равных условиях, здесь перспективы менее благоприятны, чем в случае 2°. Действительно, чтобы из такой вспомогательной задачи извлечь пользу наиболее естественным путем, нужно сначала решить ее, а затем вдобавок нужно еще суметь применить ее так, как это описано в п. 2°.
5°. Если вообще неясно, как можно использовать неизвестное, которое ниспослано нам в рассматриваемой задаче, если мы не можем вспомнить никакой ранее решенной задачи с тем же неизвестным или придумать новую, с которой были бы в состоянии справиться, то мы можем попытаться подыскать задачу с р одственным неизвестным. Так, например, если требуется вычислить объем пирамиды и другого пути не видно, можно попробовать вспомнить, как мы находили площадь треугольника, используя при этом различные подходы и стараясь извлечь из аналогии между треугольником и треугольной пирамидой (тетраэдром) какие-либо наводящие соображения.
6°. Задачи на доказательство. Мы могли бы повторить здесь с небольшими изменениями все то, что было сказано о задачах на нахождение, но достаточно будет и беглого обзора.
И в этом случае удобно начать со схематического примера. Пусть требуется доказать теорему вида: «Если..., то угол прямой». Заключение этой теоремы сформулировано конкретно: «угол прямой», но условие нами не определено. Как можно доказать такое заключение? Из какого условия можно вывести подобное заключение? Эти вопросы побуждают нас искать теорему с тем ж е заключением, утверждение которой: «угол прямой» ——вытекает из какого-то другого условия, с которым легче справиться.
Если нам посчастливится вспомнить доказанную ранее теорему с тем ж е заключением, то мы можем принять ее условие за промежуточную цель, т. е. пытаться доказать условие теоремы, пришедшей нам на память, исходя из условия теоремы, которую мы собираемся доказать.
Такая процедура оказывается успешной довольно часто. Во многих случаях ее можно применять повторно и, продвигаясь от конца к н а- чалу, найти доказательство требуемого заключения.
Если нам удастся вспомнить теорему с тем же заключением, что и предложенная, но равным образом еще не доказанную, то можно попытаться сначала доказать ее. Такая попытка может принести пользу, но при этом должны быть тщательно взвешены все перспективы.
Если же нам не удастся вспомнить какую-нибудь ранее доказанную теорему с тем же заключением или придумать какую-нибудь новую, с доказательством которой мы могли бы справиться, то можно попытаться найти теорему с а нa- л о г и ч н ы м заключением.
7°. Какова бы ни была наша задача, можно заранее быть уверенным, что для ее решения придется применять ранее приобретенные знания. Но мы не можем с такой же уверенностью предсказать, какие разделы этих знаний окажутся необходимыми, особенно, если задача трудная. Вообще говоря, любая решенная ранее задача, или доказанная когда-то теорема, может оказаться полезной, в особенности, если у нее имеются точки соприкосновения с рассматриваемой задачей,— но на изучение всех таких теорем и задач у нас нет времени. Предыдущие рассуждения направляют наше внимание на самые вероятные точки соприкосновения. В случае задач на нахождение вернее всего может оказаться полезной решенная ранее задача с неизвестным того же рода, в случае задач на доказательство ——ранее доказанная теорема с тем же заключением. Поэтому следует отдавать безусловный приоритет вопросам: Каким образом можно найти подобное неизвестное^. Как можно доказать такое заключение!
Отбрасывание или добавление пункта 8 условии. Когда наша работа продвигается медленно или не идет вовсе, мы начичаем терять терпение и стремимся перейти к другой задаче. В этот момент хорош、)быть знакомым с модификациями первоначальной задачи, приводящими к родственным задачам, изучение которых может оказаться полезным для решения основной задачи. Дадим перечень наиболее очевидных модификаций такого рода.
Задачи на нахождение:'
1°. Отбрасывание определенной оговорки в условии задачи.
2°. Добавление оговорки к условию.
Изменение 1° делает условие шире, изменение 2° делает его уже.
Задачи на доказательство:
1°. Отбрасывание какого-нибудь предположения в условии.
2°. Добавление какого-нибудь предположения к условию.
3°. Отбрасывание какого-нибудь утверждения в заключении.
4°. Добавление какого-нибудь утверждения к заключению.
Изменения 1° н 4° усиливают теорему; изменения 2° и 3° ослабляют ее.
Влияние этих изменений рассмотрено в дополнительных замечаниях 4 и 5.
Расширение или сужение условия. Рассмотрим два условия Л (х) и В (х), содержащих объекты х, принадлежащие к одной и той же категории. Мы говорим, что А (%) уже, чем 8 (%), или (что то же самое) что 8 (%) шире, чем Л (%), если любой объект, удовлетворяющий ,4(%), удовлетворяет также В (х). (Таким образом, мы употребляем эти термины в «нестрогом» смысле; в случае, когда условия Л (х) и В (%) равносильны, мы можем сказать, что Л (%) уже, чем 8 (%), и что 8 (н) уже, чем Д (%).)、
Г. Расширение условия означает переход от первоначальной задачи к другой, задаче с более широким условием. Читатель знает, что в предыдущих главах мн
очень часто' осуществляли подобный переход (хотя и не описывали его в таких выражениях). Так, например, в условии геометрической задачи на построение (сформулированной соответствующим образом) обычно речь идет о точке. Геометрическое же место, которому принадлежит искомая точка, мы получаем, сохранив только часть условия и отбросив остальное, т. е. расширив условие. Вот еще один пример: составляя вначале только одно уравнение из системы уравнений, необходимой для нахождения нескольких неизвестных, мы принимаем во внимание только одну часть (требование, пункт, замечание, ...)из всего условия и, таким образом, по сути дела, расширяем условие.
Расширение условия оказывается особенно полезным, если удается выполнить два требования:' •
отыскать (описать, перечислить, . . .) совокупность всех объектов, удовлетворяющих расширенному условию;
исключить из этой совокупности те объекты, которые не удовлетворяют первоначальному условию.
Я полагаю, что читателю известно, каким образом достигаются обе эти цели с помощью метода двух геометрических мест; здесь полезно просмотреть еще раз п. 3° § 3 гл. 6 и некоторые упражнения и замечания, относящиеся к головоломкам (см. также упр. 23 к гл. 6).
Расширенное условие можно использовать еще и другим способом, как легко поймет читатель, знакомый уже с программой Декарта.
2°. Сужение условия означает переход от первоначальной задачи к другой задаче с более узким условием. Тематика, к которой мы до сих пор главным образом обращались, доставляет не так уж много возможностей применения указанной процедуры. Вот, однако, один пример такого рода.
Пусть нам нужно решить уравнение 几-й степени
хп 十 а/" 1 + й2хп-2+= 0
с целочисленными коэффициентами а^, «2, ..., а〃. Вначале целесообразно посмотреть, не имеет ли оно целых корней. Выставляя дополнительное требование, чтобы х было целым числом, мы, по существу, сужаем условие. Но отыскание целочисленных корней сравнительно нетрудно (они должны быть делителями свободного члена «„), и если нам удается найти такой корень, то можно понизить степень исходного уравнения, облегчив тем самым отыскание остальных корней. (Конкретный пример дан в упр. 32 к гл. 2.)
Сужение условия часто может принести пользу и в более глубоких проблемах (см. упр. 11).
Изучение более сильной или более слабой теоремы. Рассмотрим два предложения А и Б. Если известно, что А следует из Б (т. е. если мы можем вывести А, предполагая, что справедливо Б), то мы говорим, что А слабее, чем Б, или (что то же самое) что Б сильнее^ чем А. Это соотношение между А и Б становится особенно интересным, когда мы не можем ни доказать, ни опровергнуть ни одно из этих предложений.
Г. Исследование возмоэ!сной основы доказательспгва.
Пусть мы хотим доказать, что две какие-то величины не равны друг другу. Предположим, например, что мы собираемся доказать теорему А, утверждающую, что
Нетрудно заметить, что существует такая третья величина, с которой удобно сравнить две данные. В нашем примере как е, так и л легко сравнить с числом 3. Поэтому, чтобы установить теорему А, рассмотрим теорему Б, которая утверждает, что .
ev3 и 3<я.
Ясно, что А немедленно следует из Б. Наше новое предложение Б утверждает нечто большее, чем А, и поэтому оно сильнее предложения А； которое мы собирались доказать вначале.
Заметим вообще, что при доказательстве неравенств между иррациональными числами мы бываем почти всегда вынуждены действовать, как в приведенном только что примере, т. е. нам всегда приходится отыскивать какое-нибудь рациональное число, разделяющее два данных иррационал ьных числа. Поступая таким образом, мы сводим первоначальное предложение к более сильному, как это и было в нашем примере: использование разделяющего числа приводит к более сильному предложению.
В более серьезных исследованиях подобные ситуации встречаются довольно часто и, чтобы доказать первоначальную теорему А, нам часто приходится выдумывать более сильную теорему Б, из которой вытекает А и с которой, в силу определенных обстоятельств, легче справиться, чем с теоремой А. Доказывая Б, мы как бы обнажаем факт, лежащий в «основе» справедливости А. Конечно, когда мы придумываем теорему Б, из которой должна следовать теорема А, мы еще не знаем, сможем ли мы доказать Б; больше того, мы даже не знаем, справедлива ли теорема Б. Таким образом, в этот момент теорема Б еще не совсем является «основой» для первоначальной теоремы А, а только «возможной основой». И все же можно рекомендовать изучение Б как такой вероятной основы для А.
2°. Изучение следствия. Пусть требуется доказать, что две величины равны друг другу. Обозначим через S площадь поверхности сферы радиуса г и предположим, например, что мы собираемся доказать теорему, утверждающую, что
Возможно, что сначала целесообразно попытаться доказать меньшее, именно теорему 6, которая утверждает, что
Sw4n 产.
(Mbi, вероятно, могли бы доказать Б, аппроксимируя сферу вписанными многогранниками.) Как бы то ни было, Б, очевидно, следует из А, теорема Б является следствием теоремы А, т. е. Б слабее, чем А.
Однако доказательство более слабой теоремы Б может, в конце концов, привести нас к доказательству первоначальной теоремы А. В самом деле, соображения, использованные при доказательстве Б, могут подсказать способ доказательства другой более слабой теоремы, выражаемой неравенством противоположного смысла (возможно, здесь будет полезно перейти от вписанных многогранников к описанным). А из комбинации двух упомянутых более слабых теорем получится первоначальная теорема А. Подобные ситуации в математических исследованиях встречаются довольно часто.
Будучи не в состоянии доказать исходную теорему А, мы придумываем в качестве трамплина более слабую теорему Б и, используя импульс, приобретенный в процессе доказательства теоремы Б, достигаем А. Это может случиться даже при доказательстве самых простых теорем. Так, например, можно доказать теорему А, относящуюся к общему случаю, доказав сначала более слабую теорему Б, касающуюся частного случая, а затем использовав Б в качестве трамплина.
Не можете ли вы привести какой-нибудь пример?
Пусть т и п ——положительные числа, причем т> п. Сравните следующие задачи:
А. Найти общие делители чисел т и п.
Б. Найти общие делители чисел т и т——п.
Какова логическая связь между Л и Б?
Если требуется решить задачу А, то не усматриваете ли вы некоторого преимущества в переходе от А к Б?
Используйте этот намек для нахождения общих делителей чисел 437 и 323.
v：-7. Сравните следующие задачи:•
А. Найти максимум функции / (х).
Б. Найти значения 尤，при которых производная /х (х) данной функции / (х) обращается в нуль.
Какова логическая связь между А и Б?
Не видите ли вы некоторого преимущества в переходе от А к Б?
8. Возьмем произвольный треугольник и обозначим через
О — центр описанной около него окружности,
О —— точку пересечения медиан (центр тяжести),
£ ——точку, принадлежащую прямой, проходящей через О н G, такую, что 2OG=GE (предполагается, что точка G расположена между О и £).
Рассмотрим следующие две теоремы:
А. Три высоты треугольника пересекаются в одной точке.
Б. Три высоты треугольника проходят через точку Ё.
Какова логическая связь между А и Б?
Не обнаруживаете ли вы некоторого преимущества в переходе от А к В〉
Решите задачу Б.,
好9. Сравните следующие две задачи (всюду имеется в виду арифметическое значение корней):
А. Доказать, что
lim (Кх+Т—К^) = 0.
Б. Для заданного положительного числа 8 найти положительные значения х, для которых
VхЦ- 1 — V X <8.
Какова логическая связь между А и Б?
Не видите ли вы некоторого преимущества в переходе от А к Б?
Решите задачу Б.
Сравните две следующие задачи (в которых п обозначает целое положительное число):
А. Доказать (или опровергнуть) предложение:
Если 2П—1 — простое число, то число п также должно быть простым.
Б. Доказать (или опровергнуть) предложение:
Если п — составное число, то 2П—1 также должно быть составным.
Какова логическая связь между А и Б?
Не обнаруживаете ли вы некоторого преимущества в переходе от А к Б? Докажите Б.
Поиски противоречащего примера. Противоречащий пример подрывает утверждение, которое по своему содержанию как будто бы должно относиться ко всем объектам некоторой категории: противоречащий пример указывает объект из той же самой категории, к которому неприменимо данное, якобы общее, утверждение. Поиски противоречащего примера отличаются некоторыми интересными особенностями, которые полезно обсудить, хотя, если мы желаем сделать иллюстрацию достаточно поучительной, нам придется несколько отойти от принятого в этой книге уровня изложения.
*1°. Задача на доказательство. Докажите или опровергните следующее утверждение:
Если бесконечный ряд tz1+(22+tz3+... с действительными членами сходится, то бесконечный 卩兄d <2i+a|+tz|+... также сходится.
После более или менее продолжительного размышления мы можем заподозрить, что предлагаемое утверждение ложно, и тогда мы попытаемся опровергнуть его с помощью противоречащего примера.
2°. Вопрос о нахождении вспомогательной задачи 8л兄 задачи на доказательство. Мы ищем противоречащий пример, иными словами, бесконечный ряд, удовлетворяющий условию, но не удовлетворяющий заключению, содержащемуся в утверждении из п. Г. Таким образом, перед нами, по сути дела, задача на нахождение. Посмотрим на ее главные элементы.
Что представляет собой неизвестное?——Бесконечную последовательность действительных чисел 皿 &，。3，•••
Н чем состоит условие^ — Оно содержит два пункта:
1 . Ряда1 +02+的+…сходится.
Ряд 谓十冠+*|-…расходится.
Заметим, что эта задача на нахождение возникла у нас как вспомогательная задача по отношению к задаче на доказательство.
3°. Требуется найти только один (произвольный) объект, удовлетворяющий условию. В привычных нам задачах на нахождение речь обыкновенно идет об отыскании всех решений, всех объектов, удовлетворяющих условию задачи. В нашем же случае достаточно найти одно решение, один такой объект: достаточно одного противоречащего примера, чтобы ниспровергнуть всё якобы общее утверждение.
Такая ситуация, отличающаяся от обычной, может потребовать и другой стратегии. У Лейбница) имеется на этот счет определенный совет: «Иногда могут потребоваться все решения, а иногда только некоторые. В том случае, когда нужно найти только одно решение, следует придумать дополнительные условия, совместимые с первоначальными, для чего часто бывает необходимо большое искусство».
*4°. Сужение условия. Мы приступаем к изучению сходящихся рядов, удовлетворяющих первой части условия, в надежде обнаружить среди них такой, который удовлетворяет и второй. Поиски естественно начать с простейших и более известных случаев.
Прежде всего мы можем подумать о сходящихся рядах с положительными членами ап. Но в таких рядах ап< 1 при больших п, и поэтому a^Va门,так что ряд с общим членом а^ тоже сходится. Итак, второе условие не выполнено, и нам приходится перейти к изучению рядов не только с положительными, но и с отрицательными членами. .
Здесь наиболее известны знакочередующиеся ряды, в которых знаки членов образуют цепочку вида
1—-+ -—+ -I-...
Если члены ап такого ряда, взятые по абсолютной величине, монотонно убывают, стремясь к нулю, то ряд сходится; но тогда числа а^ ведут себя точно так же и поэтому образованный ими ряд тоже сходится. Итак, второе условие снова не выполняется, и мы вынуждены обратиться к менее знакомым областям.
Поскольку нежелательно рисковать, удаляясь от обычно рассматриваемых случаев слишком далеко, мы можем прийти к мысли о таком ограничении:
Знаки членов ап образуют цепочку вида •
Даже при добавлении к условиям I и II условия Ш все еще остается достаточно широкое поле для свободного выбора. Так, может возникнуть мысль о наложении еще одного (по существу, не совсем точно сформулированного) ограничения:
Ряд 0^十0^+。；十一.должен в отношении сходимости напоминать гармонический ряд 1+0十豆+
Эти требования Ш и IV, наложенные по собственной инициативе, существенно сужают условие (см. дополн. замечание 4). Они могут удачно направить нас в поисках противоречащего примера, но могут и затормозить дело,
Мне все же кажется, что пользы от них будет больше, чем помех; однако читатель должен пробовать найти противоречащий пример сам и выработать по этому вопросу свое собственное мнение.
. Процедура чере8о8ан裁兄 доказательств. Здесь нам, по-видимому, представляется удобный случай для того, чтобы упомянуть о процедуре, с которой должен быть знаком каждый желающий приобрести навыки в решении задач на доказательство (на уровне средней школь: обычно встречается не так уж много случаев для приобретения или применения подобных навыков).
Пусть перед нами стоит задача на доказательство, в которой содержится явно сформулированное утверждение А, причем неизвестно, справедливо оно или ложно: мы находимся в состоянии неопределенности и сомнения. Решая задачу, мы ставим себе целью устранить это сомнение, т. е. доказать или опровергнуть А. *
Так вот, иногда удается разработать подход, который годится в обоих случаях, т. с. подход, который приближает нас к доказательству утверждения А или же к его опровержению, независимо от того, что в действительности имеет место, иначе говоря, подход, который приближает нас к решению задачи в любом случае. Однако такие удачи бывают редко. И если нам не посчастливится найти хороший подход, то мы сталкиваемся с необходимостью принять решение: доказывать утверждение А или же опровергать его. Перед нами стоит выбор одного из двух различных направлений. Чтобы доказать утверждение А, нужно либо прямо искать какие-то предложения, из которых оно следует, либо разрабатывать для этого специальную стратегию. Чтобы опровергнуть А, требуется найти противоречащий пример.
Хорошей схемой будет чередование размышлений в обоих направлениях. Когда надежда на достижение результата по одному направлению угасает или работа в этом направлении начинает нас утомлять, мы обращаемся к другому направлению, будучи готовыми, если этого потребуют обстоятельства, снова вернуться к первоначальному направлению; таким образом, накапливая сведения в процессе работы по обоим направлениям, мы можем в конечном счете добиться успеха.
Существует более сложная модификация упомянутой процедуры чередования доказательств, которая может потребоваться в более трудных случаях и с помощью которой можно достичь более серьезных целей.
Если мы не в состоянии доказать предложенное нам утверждение А, то мы пытаемся доказать вместо него более слабое утверждение (установить которое имеется больше шансов). Если же мы не можем опровергнуть предложенное нам утверждение, то мы стараемся опровергнуть вместо него более сильное утверждение (ложность которого обнаружить легче). Если нам удалось доказать предложение П, мы пробуем вслед за этим опровергнуть (надлежащим образом составленное) предложение более сильное, чем П. Если же нам удалось опровергнуть предложение П, то мы пытаемся вслед за этим док а з а т ь (соответствующим образом подобранное) предложение более слабое, чем П. Продвигаясь к доказательству предложения А по обоим направлениям, мы, в конце концов, сумеем доказать его. Или же мы можем сделать больше, чем содержится в утверждении А, т. е. либо доказать предложение более сильное, чем А, либо опровергнуть А и вместе с тем установить справедливость некоторой части предложения А, доказав тем самым предложение более слабое, чем А.
Продвигаясь вперед по этому пути чередован ия попыток доказательства и построения противоречащих примеров, можно достигнуть более полного знания. Мы можем, например, установить, что некоторая теорема не только верна (поскольку она уже доказана нами), но что ее не так-то легко усилить (поскольку мы опровергли более сильную теорему). Здесь мы сталкиваемся вообще с ролью доказательств в развитии науки. (Ср. ниже, стр. 443; см. также МПР, стр. 129, упр. 14.)
Дальнейшие модификации, любопытные исторические примеры и философские нюансы процедуры чередования доказательств можно найти в упомянутой в библиографии работе И. Лакатоша [10].
Годится любое найденное решение. Докажите, что существует пара расходящихся рядов
(21+ (22+ ••.+a门+…，九+62+ • •。+6门+ • • •
с положительными убывающими членами
такая, что рядтакая, что рядmin (听，％)+min (匹，厶)+…+min {an, b^+...min (听，％)+min (匹，厶)+…+min {an, b^+...d]^* Q?^* Оз^* ♦ ♦ ♦, Ь] b ^^ 力 з^* ■..
такая, что ряд
такая, что ряд
min (听，％)+min (匹，厶)+…+min {an, b^+...
min (听，％)+min (匹，厶)+…+min {an, b^+...
сходится. [Как и обычно, min (а, 6) обозначает меньшее (не большее) из двух чисел а и Ь.]
[Здесь требуется найти не все пары рядов, удовлетворяющие сформулированному условию, а только одну (какую-нибудь) пару. Таким образом, можно использовать совет Лейбница, цитированный в упр. 11: сужайте область поисков решений (стараясь при этом не создавать себе новых затруднений).]
Специализация и обобщение представляют собой важные источники полезных вспомогательных задач.
Пусть требуется исследовать вопрос о числе делителей целого положительного числа 〃，которое мы обозначим символом т (л). Так, например (мы рассматриваем частный случай, т. е. применяем специализацию), число 12 имеет шесть делителей: 1, 2, 3, 4, 6 и 12 н поэтому тг (12)=6; в перечень делителей числа 12 здесь включены 1 и 12 — «тривиальные делители» — и так мы будем поступать в дальнейшем, при всех л.
Один из способов специализации состоит в том, чтобы конкретно рассматривать отдельные числа; например, можно заметить, что т (30)=8. Или же можно систематически перечислять значения т (п) для n— 1, 2, 3, составляя таблицу, начало - которой будет выглядеть так:
т(1)=1, т ⑵=2, Р (3)=2, т(4，=3, т(5)=2,т(1)=1, т ⑵=2, Р (3)=2, т(4，=3, т(5)=2,т(6)=4, т ⑺=2, р(8)=4, Р(9)=3, “10) = 4.т(6)=4, т ⑺=2, р(8)=4, Р(9)=3, “10) = 4.
т(1)=1, т ⑵=2, Р (3)=2, т(4，=3, т(5)=2,
т(1)=1, т ⑵=2, Р (3)=2, т(4，=3, т(5)=2,
т(6)=4, т ⑺=2, р(8)=4, Р(9)=3, “10) = 4.
т(6)=4, т ⑺=2, р(8)=4, Р(9)=3, “10) = 4.
Другой способ специализации заключается в том, чтобы рассматривать некоторые классы чисел. Если р— простое число, то
т 伪户 2,т (卢)=3,т (炉)=4.
Отсюда, обобщая, заключаем, что для любой целой положительной степени про
стого числа р
e(/^)=九+1.
Если ряд — два различных простых числа, то pq имеет ровно четыре делителя 1, р, q н pq в поэтому
«*=4.
Далее мы можем обратиться к произведению трех простых чисел и т. д. Обобщая, можно попытаться найти т(п), где 〃=pip2 ••• Pi представляет собой произведение / различных простых чисел. Продвигаясь по этому пути, рассматривая иногда частные случаи, а затем снова обобщая, можно найти общее выражение для т (п). (Найдите его!)
Таковы возможные пути открытия новых фактов не только в теории чисел, но и в других отраслях математики и вообще в науке. Прибегая к специализации,.
мн стараемся выделить более осязаемую, более доступную часть задачи; прибегая к обобщению, мы пробуем усилить те результаты, которых мы достигли при помощи наблюдений в ограниченной области).
Л налогия также является обильным источником новых фактов. В простейших случаях можно почти копировать решение близкой, родственной задачи. В более трудных случаях хрупкая аналогия может не принести сразу реальной помощи, однако она может указать направление, в котором следует продолжать работу.
Случаи, в которых применима аналогия, неисчерпаемы по своему разнообразию; это проиллюстрировано многими примерами в предыдущих (и в последующих) главах. Приведу лишь один из них (п. 3° § 6 гл. 1). Требуется построить угол сферического треугольника, заданного своими тремя сторонами. Для выполнения этого построения используется аналогичная задача из планиметрии: построить угол обычного треугольника, заданного своими тремя сторонами.
Попробуйте вспомнить еще несколько пар аналогичных задач.
Как мы уже указывали, существует множество других путей использования аналогии ).
Л что если неудачей Надежды, с которыми мы приступаем к изучению вспомогательной задачи, могут не сбыться, наше предприятие может потерпеть неудачу. И все же время и усилия, потраченные на вспомогательную задачу, не должны считаться потерянными впустую; мы можем чему-нибудь научиться на неудаче.
Нам хочется доказазь теорему А. Мы замечаем более сильную теорему Б, из которой следует теорема А. Мы приступаем к доказательству теоремы Б; если нам это удастся, тем самым будет доказана также и теорема А. Однако оказывается, что Б ложна. Это огорчительно, но опыт, приобретенный при доказательстве теоремы Б, может помочь нам лучше оценить возможности доказательства теоремы А.
Нам хочется доказать теорему А. Мы замечаем теорему Б, являющуюся следствием теоремы А и с доказательством которой легче справиться, чем с доказательством теоремы А. Мы приступаем к доказательсгву теоремы Б; если нам это удастся, то Б можно будет использовать в качестве ключа к доказательству теоремы А. Пусть мы в самом деле справились с доказательством теоремы Б, но все наши попытки использовать Б как ключ к А рухнули. Это огорчительно, но опыт, приобретенный при доказательстве теоремы Б, может помочь нам лучше оценить возможности доказательства теоремы А ).
Другие задачи. Заметив, что вспомогательные задачи оказались полезными при решении некоторых задач, попробуйте разобраться, почему это произошло и откуда эти задачи появились.
Почему'? Объясните связь между первоначальной и вспомогательной задачей; см. упр. 6—10. '
Откуда? Возникает ли вспомогательная задача (или имеются ли возможности для такого возникновения) в результате продвижения в обратном направлении (продвижения от конца к началу), обобщения, специализации или аналогии? Или для этого требуются другие (не столь часто встречающиеся) источники?
Я тут 8 мой разум 叩янул блеск с высот} Неся свершенье всех его усилий.
Данте, Рай, Песнь ХХХ1П, М., 1961, стр. 636.
Проблеск света
Решение задачи может возникнуть перед нами совершенно неожиданно. Мы долго копались в задаче без какого бы то ни было видимого прогресса — и внезапно нас осеняет блестящая идея, вспышка вдохновения, мы вдруг видим проблеск света во тьме! Это похоже на то, как бывает, когда входишь поздней ночью в незнакомый гостиннчнн访 номер, в котором даже не знаешь, где зажигается свет. Отыскиваешь в темноте выключатель, натыкаешься на какую-то мебель, ощущаешь какие-то острые углы, какие-то бесформенные темные массы. Но вот выключатель нашелся, зажегся свет — и все сразу стало ясным. Бесформенные массы разделились, приняли очертания знакомых предметов, причем оказалось, что эти предметы расположены там, где им и надлежит быть, и что они хорошо приспособлены для того, чтобы выполнять свое назначение.
Именно так могут выглядеть переживания решающего, сопровождающие решение задачи: идея — это внезапное просветление, вносящее ясность, порядок, связь и целесообразность в детали, которые до этого казались смутными, разбросанными, запутанными, неуловимыми.
Однако в подобных вопросах крупинка личного опыта дороже тонн описаний. Чтобы познакомиться ближе с тем, что может представлять собой такой личный опыт, нам нужен какой-нибудь конкретный пример. Возможно, что лучше всего для этой цели подходят самые простые математические примеры; они могут дать нам материал для работы, возможность пережить тревогу и радость открытия и «приучат наши глаза видеть истину ясно и четко». (Последняя фраза заимствована у Декарта.)
Пример
Я позволю себе вольность и попытаюсь проделать небольшой эксперимент над читателем. Я сформулирую простую, но не слишком избитую геометрическую задачу, а затем попробую воссоздать последовательность идей, ведущих к ее доказательству. Я намерен
продвигаться вперед медленно, очень медленно, выдавая последовательно секреты один за другим, причем каждый из этих секретов выдавая не сразу, а постепенно. Я надеюсь, что прежде, чем рассказ будет полностью доведен до конца, читатель сможет уловить главную идею (если, конечно, что-нибудь не помешает этому),—— и так как эта идея окажется несколько неожиданной, то он сможет испытать удовлетворение от своего небольшого открытия.
Если три окружности одного радиуса проходят через одну точку, то тот же радиус имеет и окружность, проходящая
Рис. 40а. Три окружности, проходящие через одну точку.Рис. 40а. Три окружности, проходящие через одну точку.через остальные три точки их пересечения.
Рис. 40а. Три окружности, проходящие через одну точку.
Рис. 40а. Три окружности, проходящие через одну точку.
Это и есть та теорема, которую нам нужно доказать. Утверждение теоремы коротко и ясно, но в нем как будто не хватает деталей. Сделав чертеж (рис. 40а) и в в ед я подходящи е обозначения, мы приходим к следующему, более подробному варианту задачи:
Б. Три окружности kt /, т одного радиуса 厂 проходят через точку О. Окружности I и т пересекаются в точке Л,
т и k — в точке В, k и / — в точке С. Требуется доказать, что радиус окружности е, проходящей через точки А, В и С, также равен г.
На рис. 40а изображены четыре окружности 以 I, т и е и четыре точки их пересечения. Однако эта фигура может показаться неудовлетворительной, потому что она не так уж, проста и в то же время неполна; создается впечатление, что на ней что-то отсутствует; кажется, что нечто существенное не принято во
внимание.
Мы имеем сейчас дело с окружностями. Что представляет собой окружность? Всякая окружность определяется местоположением ее центра и величиной ее радиуса: все точки окружности находятся на одинаковом (и равном радиусу) расстоянии от центра. Но мы забыли ввести в рассмотрение этот общий всем четырем окружностям радиус 尸；таким образом, мы не приняли во внимание существенную часть условия. Обозначим поэтому прежде всего центры наших окружностей: К для окружности kf L для окружности I м М для окружности т. В каком теперь месте
лучше всего провести радиус г? По-видимому, нет смысла отдавать предпочтение какой-то одной из трех данных окружностей 山，/ и т или какой-нибудь одной из трех точек их пересечения А, В и С. Поэтому соединим, пожалуй, каждый из трех центров со всеми тремя точками пересечения, принадлежащими соответствующей окружности: К с 方，С и О, и т. д.
Получающаяся фигура (рис. 406) оказывается обескураживающе перегруженной. На ней столько линий — прямых и кривых,——
Рис. 406. Слишком много линий.Рис. 406. Слишком много линий.что ее невозможно как следует «охватить взором»; она «не хочет стоять на месте». Эта фигура может напомнить некоторые рисунки, знакомые нам по старинным журналам,—такой рисунок намеренно делался неопределенным: если смотреть на него как обычно, то на нем видна одна фигура; если же повер-
Рис. 406. Слишком много линий.
Рис. 406. Слишком много линий.
нуть журнал, придав ему специально выбранное поло
к первой.к первой.жение, и рассматривать рисунок под определенным углом, то внезапно возникает другая фигура, поражающая вас как более или менее остроумный комментарий
к первой.
к первой.
Можете ли вы распознать на нашей запутанной фигуре, пере
груженной прямыми и окружностями, какую-нибудь другую, воз
Рис. 40в. На что это похоже? несовершенной фигуры,Рис. 40в. На что это похоже? несовершенной фигуры,можно, полезную для наших целей фиГУРУ?
Рис. 40в. На что это похоже? несовершенной фигуры,
Рис. 40в. На что это похоже? несовершенной фигуры,
На эту нужную нам фигуру, скрывающуюся за переплетением линий нашего перегруженного деталями рисунка, мы можем либо напасть сразу, либо распознавать ее постепенно. К искомой фигуре нас могут привести те усилия, которые мы предпринимаем для решения предложенной задачи, или какое- нибудь второстепенное, несущественное
обстоятельство. Так, например, когда мы были заняты перечерчиванием нашей мы могли заметить, что вся фи
гура целиком определяется входящей в ее состав «прямолинейной» (составленной из отрезков) частью (рис. 40в).
Последнее обстоятельство кажется нам важным. Оно существенно упрощает геометрию рисунка и, возможно, проясняет логическую сторону дела. И оно приводит к следующей измененной формулировке нашей теоремы:
Если каждый из девяти отрезков
К。， КС, кв,/С LO, LA,МВ. МА, МО
равен г, то существует точка Е такая, что каждый из отрезковЕА, • ЕВ, ЕС
также будет равен г.
Последнее утверждение привлекает наше внимание к рис. 40в. Этот рисунок чем-то примечателен; он напоминает нам что-то знакомое. (Что именно?)
Конечно, у любого из четырехугольников, изображенных на рис. 40в, например у четырехугольника 0LAM, все четыре стороны по условию равны друг другу, т. е. все эти четырехугольники — ромб ы. Ромб — хорошо знакомая нам фигура; выделив его мысленно на нашем чертеже, мы можем «видеть» всю фигуру лучше. (Что напоминает вам эта фигура в цело м?)
войдут отрезки 4厶， фигура теперь?)войдут отрезки 4厶， фигура теперь?)Противоположные стороны ромба параллельны. Основываясь на этом обстоятельстве, можно разбить 9 отрезков, из которых составлена фигура изображенная на рис. 40в, на три группы, в каждую из которых входят только параллельные друг другу отрезки; например, в одну из таких групп отрезков МО и ВК. (Что может напомнить нам эта
войдут отрезки 4厶， фигура теперь?)
войдут отрезки 4厶， фигура теперь?)
Мы не должны забывать цели, к которой стремимся. Допустим, что заключение нашей теоремы справедливо. Нанося на рисунок центр Е окружности е и три ее радиуса, оканчивающихся в точках А, В п С (рис. 40г), мы (предположительно) получаем новые ромбы, новые параллельные отрезки. (Что напоминает нам вся фигура в целом теперь?)
Ну, конечно, рис. 40г представляет собой проекцию 12 ребер параллелепипеда, расположенного таким образом, что все эти проекции имеют одинаковую длину.
Рис. 40в является проекцией «непрозрачного параллелепипеда»: мы видим только 3 его грани, 7 вершин и 9 рсбер, в то время как 3 грани, 1 вершина и 3 ребра на рисунке не видны. Этот ри-
сунок является частью рис. 40г, но такой частью, которая определяет всю интересующую нас фигуру. Если параллелепипед и на- правлен-ие проектирования выбраны так, что проекции девяти ребер, изображенных на рис. 40в, равны г (т. е. таковы, какими они и должны быть по условию задачи), то проекции трех оставшихся ребер также должны быть равны г. Из проекции Е восьмой, невидимой, вершины исходят три отрезка длиной г, а сама эта проекция является центром окружности, проходящей через точки Af В и С, радиус которой равен г.
Наша теорема доказана, причем доказана при помощи неожиданной остроумной идеи, заключающейся в том, что мы рассматриваем плоскую фигуру как проекцию пространственной фигуры.
(В этом доказательстве используются стереометрические понятия. Мне кажется, что беда здесь невелика, тем более, что она легко поправима. В самом деле, поскольку мы теперь знаем, что положение центра £ может быть охарактеризовано весьма просто, длины отрезков ЕА, ЕВ и £С можно ввести в рассмотрение, и не прибегая ни к какой стереометрии. Однако мы не будем настаивать здесь на этой точке зрения.)
Характерные черты полезной идеи
Только что мы проиллюстрировали на подходящем примере различные черты, характеризующие полезную идею. Мы представили ее зарождение чрезвычайно медленным. Вместо того чтобы триумфально заявить о себе во весь голос, она предстала перед нами каким-то заикой ). (Правда, это было сделано умышленно, чтобы дать читателю возможность участвовать в открытии математического факта.) Наш пример может показаться несколько односторонним также и в других отношениях, что, впрочем, неизбежно, поскольку сами-то идеи чрезвычайно разнообразны. Однако, если читатель будет рассматривать наш пример с благожелательным пониманием, в надлежащем свете, в соответствующих рамках, на фоне своего собственного опыта, то он может послужить ему полезной иллюстрацией различных черт, которые типичны для полезных идей и встречаются достаточно часто.
Очень часто полезная идея возникает внезапно. Она вносит существенно новый важный элемент и меняет нашу точку зрения. Вслед за ней приходит твердая уверенность, что цель достижима.
Внезапность — это очень характерная черта, но ее довольно трудно описать. Если у нашего читателя, изучавшего рис. 406, образ параллелепипеда внезапно «восстал» из путаницы линий и букв, он лучше поймет, о чем здесь идет речь. Возможно,
что при этом ему в какой-то мере станет ясно, что следует понимать под вдохновением и почему внезапное появление впечатляющей идеи иногда описывают как едва слышную подсказку, которой мы обязаны нашему внутреннему чувству, или как знак, поданный сверхестественным существом.
Заметим, что самы м важным элементом, возникшим в процессе доказательства нашей теоремы, была идея о параллелепипеде. Довольно странно, что пространственная фигура оказалась ключом к решению планиметрической задачи. Гораздо более обычен случай, когда ключевой элемент скрывается в той же области, к которой принадлежит сама задача. Если это — планиметрическая задача, то можно ожидать, что ключевым элементом будет новая линия, добавляемая к фигуре, или неожиданно пришедшая на память теорема, или еще что-нибудь в этом роде.
В нашем случае изменение привычного взг ляд а н а вещи выглядело очень эффектно. Окружности отступили на задний план и затем полностью исчезли; на передний же план выдвигаются прямолинейные отрезки, причем мы перестаем их рассматривать как радиусы и связываем с некоторым параллелепипедом. (Откуда он взялся ?) Прежние радиусы, их концы, четырехугольники, образованные этими радиусами, приобретают новый смысл —■ они становятся, соответственно, ребрами, вершинами и гранями пространственного тела. Изменение точки зрения на элементы, входящие в задачу, не только показательно, но и типично. Любая решающая идея влечет за собой подобную революционную перестройку в общем взгляде на вещи, -и это относится к решению почти каждой задачи. Вместе с появлением идеи элементы задачи начинают играть новую роль, приобретают новый смысл. В процессе решения геометрических задач их элементы меняются местами и перегруппировываются: они образуют треугольники, или пары треугольников с соответствующими сторонами, или -ромбы, или любые другие знакомые конфигурации, служащие целям исследования. Линия, которая до появления полезной идеи была просто линией, приобретает особый смысл: она становится стороной треугольника, равенство которого какому-нибудь другому треугольнику оказывается существенным для решения задачи; или эта линия становится секущей, пересекающей две параллели; или она входит каким-то иным образом в окончательную фигуру. После появления идеи мы видим больше —— больше смысла, больше перспектив и больше соотношений. Появление идеи подобно включению освещения в ранее затемненной комнате.
Полезная идея возникает одновременно с уверенностью в том, что цель может быть достигнута. Внезапно появившаяся идея демонстрирует новый эффектный ход среди драматического беспорядка, производит впечатление своей значимостью, приносит
с собой твердую уверенность. Эта уверенность выражается обычно такими восклицаниями, как: «Ну вот, теперь все!», «Наконец-то я нашел то, что надо!», «Так вот в чем здесь фокус!», «Разумеется!». В нашем примере недостаточно только заметить параллелепипед; если вы при этом не обнаружили, что именно он приводит к решению задачи,—— у вас еще нет решающей идеи. Вам нужно большее! Конечно, вам не нужно видеть со всеми подробностями, каким образом параллелепипед приводит к решению, но у вас должно возникнуть несомненное ощущение, что он обязательно ведет к нему.
Зависимость идеи от случая
Вы напали на идею? Если вы отвечаете «да» — значит, вам повезло. Ведь вы не можете заставить идею появиться тогда, когда вам этого хочется. Я поставил себе определенную задачу. Я занимаюсь ею всерьез; я четко сформулировал ее для себя; я отчетливо представил ее себе. Я погрузился в свою задачу и ... Я ожидаю прихода полезной идеи, но появится ли она? Возможно, что появится, и притом сразу, возможно, что появится спустя некоторое время, а возможно, что желанная идея и вовсе не придет：
Мы нуждаемся в плодотворных идеях; естественно, что мы стремимся иметь плодотворные идеи у себя под рукой, в своем распоряжении. Но на самом деле идеи распоряжаются нами, они являются нашими господами и они своевольны. Конечно, они могут осенять нас внезапно, но гораздо чаще они задерживаются; иногда они заставляют нас ждать себя долго, а иногда и вовсе отказываются нам служить. Идеи приходят, когда они этого захотят сами, а не тогда, когда мы ждем их прихода. Ждать идею — то же, что ждать выигрыша в лотерее.
Ну, а если согласиться с тем, что идеи — случайные гостьи, то решение задач должно зависеть главным образом от счастливой случайности. Многие люди думают, что это именно так и есть. Сэмюэль Батлер *) выразил эту мысль в остроумном четверостишии:
Все изобретенья обязаны рожденьем
Не разуму людей, не тонким рассужденьям;
Они дались тому, кто счастлив был:
Он свет на них нечаянно пролил **).
Трудно поверить, что столь широко распространенное мнение может быть полностью лишенным основания, что оно совершенно
*) Сэмюэль Батлер (1612—1680)——английский поэт-сатирик.
**) В оригинале:
All the inventions that the world contains,
Were not by reason first found out, nor brains;.
But pass for theirs who had the luck to light
Upon them by mistake or oversight.
ложно. Но полностью ли оно справедливо? И должны ли мы, когда нам нужно решить задачу, целиком полагаться на милость случая? Я надеюсь, что после прочтения всех предыдущих глав читатель все же сумел составить себе на этот счет определенное мнение.
Упражнения и дополнительные замечания к главе 10
Внезапность появления идеи. Одна цитата и комментарий к ней.
1°. Мы приведем цитату из книги Томаса Пэна (Thomas Paine)), The Age of Reason (Baltimore, 1956), q. 1:
Каждый исследователь, изучавший деятельность и развитие человеческого ума, основываясь на наблюдениях над своим собственным умом, не мог не заметить, что существуют две различные категории того, что называют мыслями: к первой относятся те, которые мьГ порождаем активно, посредством акта мышления, обдумывания, ко второй ——те, которые вспыхивают в нашем сознании самопроизвольно. Я всегда почитал за правило обращаться с этими добровольными пришельцами со всевозможной вежливостью и старался изучить, насколько мне позволяли мои способности, заслуживают ли они внимательного приема; именно благодаря им я приобрел почти все знания, которые имею.
2°. Лихтенберг как-то заметил, что не следует говорить «я думаю», но — «думается», подобно тому как говорят: «светает», «морозит» ). Лихтенберг утверждает, что существуют спонтанные акты мышления, которыми мы не можем управлять, подобно тому как мы не можем управлять великими силами природы.
Мы могли бы сюда еще добавить, что разум наш иногда ведет себя подобно упрямой лошади или мулу — странному животному, к которому мы должны приноровиться и которого должны время от времени понукать, чтобы заставить его служить нам, ибо, вообще-то говоря, он довольно часто отказывает нам в своих услугах. ■
[Георг Кристоф Лихтенберг (1742—1799)——немецкий физик и писатель; «Афоризмы» — ио-видимому, наиболее известное из его сочинений ).{
Два эксперимента. Некоторое (но не слишком большое) время, затраченное на разгадывание кроссвордов, может хорошо окупиться: здесь нам открывается возможность изучить кое-что относящееся к процессу решения задач, познакомиться с тем, как мы думаем и как нам следовало бы думать.
. В одном кроссворде вы прочли такое объяснение искомого слова: «Довольно обычный вид чувства (12 букв)». Вначале у вас может не быть догадок о том, какое это слово, вы можете даже не понять его объяснения. Однако пересекающееся с данным слово, которое вам удалось найти, приносит некоторую до* полнительную информацию — оно указывает одну букву в середине искомого слова. Другое слово дает вторую букву; далее вы находите третью букву, или четвертую, и вдруг искомое слово «ударяет вам в голову».
Запаситесь листом бумаги и приступайте к решению этой задачи, помещенному на стр. 422. Сначала целиком закройте решение вашим листком бумаги. Заметим, сдвинув его вниз, откройте только одну первую строчку — вы угадали, что это за слово? Если нет ——откройте следующую строчку, затем еще одну, и т. д.; так вы познакомитесь на практике с тем, как «идея ударяет в голову».
°. Если вы хотя бы немного знакомы с математическим анализом (совсем чуть-чуть), то можете попытаться проделать аналогичный труд, вычисляя неопределенный интеграл. Возьмите лист бумаги и откройте книгу на стр. 422.
ГЛАВА 11
УМСТВЕННАЯ РАБОТА
Мариотт говорит, что человеческий разум подобен шкатулке: думая, вы раскачиваете эту шкатулку, пока из нее что-нибудь не выпадет. Таким образом, нет сомнения в том, что результат размышления в какой-то степени зависит от случая. Я 6“ добавил, что человеческий разум еще больше походит на сито: когда вы думаете, вы. раскачиваете сито, пока сквозь него не просыплются какие-то мелкие частицы. По мере того как они проходят, ваше настороженное внимание подхватывает те из них, которые кажутся относящимися 及 делу. Вот еще одна аналогиям чтобы, поймать вора, комендант города приказывает всему населению продефилировать мимо ворот, у которых дожидается ограбленный человек.. При этом, чтобы сберечь время и уменьшить хлопоты, можно использовать какое-нибудь средство отбора. Если ограбленный утверждает, что вор был мужчиной, а не женщиной а, кроме того, взрослым, а не юношей или ребенком, то те, которых это не касается, освобождаются от прохождения через ворота.
Лейбниц, Opuscules, стр. 170.
Как мы думаем
Решающий задачу должен знать свой ум, а атлет ——свое тело примерно так же, как жокей знает своих лошадей. Я представляю себе, что жокей изучает лошадей не с точки зрения чистой науки, а для того, чтобы добиться от них лучших результатов на соревнованиях, что его больше интересуют особенности и капризы той определенной лошади, с которой он должен выступить, чем общая физиология или психология лошади как таковая.
То, что вы сейчас начинаете читать — не глава из учебника психологии; неточно было бы назвать это и беседой между интересующимися решением задач лицами об особенностях их ума, подобно тому как жокеи могли бы обсуждать особенности своих лошадей; и все же это гораздо больше похоже на беседу, чем на формальное изложение определенных фактов.
Стремление решить задачу
Существенным ингредиентом процесса решения всякой задачи является желание, стремление, решимость ее решить. Задача, которой вы предполагаете заняться, которую вы достаточно хорошо поняли,— это еще не совсем ваша задача. Она становится
по-настоящему вашей, действительно овладевает вами, когда вы твердо решили заняться ею как следует и стремитесь решить ее.
Задача может увлечь вас больше или меньше, ваше желание решить ее может быть более или менее сильным. Но я утверждаю, что пока оно не станет очень сильным, ваши шансы решить по-настоящему трудную задачу будут ничтожны.
Стремление решить задачу плодотворно уже само по себе, так как оно, в конечном счете, может привести к решению и, безусловно, дает толчок вашим мыслям.
Направленность мышления
Вы можете «плениться» какой-нибудь задачей в точном смысле этого слова: задача сама «берет вас в плен», вы не в состоянии от нее избавиться, она преследует вас всюду.
Иногда задача овладевает решающим настолько, что он становится рассеянным, перестает понимать вещи, кажущиеся очевидными окружающим его людям, забывает вещи, которые никто из них никогда не забыл бы. Ньютон, напряженно работая над своими проблемами, часто забывал пообедать.
Да, действительно, внимание решающего задачу избирательно. Оно отказывается задерживаться на вещах, которые кажутся не относящимися к его задаче, и видит издалека мельчайшие вещи, имеющие к ней какое-то отношение. Это — направленное, «настороженное» ) внимание, как выразился Лейбниц.
Близость решения
Учащийся сдает письменный экзамен по математике. От него не требуют, чтобы он решил все предложенные задачи, но он должен решить возможно большее их число. В такой ситуации лучшей стратегией, возможно, будет следующая: начать с беглого обзора всех задач и отобрать те, которые кажутся более доступными.
При этом, конечно, предполагается, что учащийся способен в какой-то степени оценить трудность задачи, что он может в какой-то мере «прикинуть психологическое расстояние», отделяющее его от решения. В самом деле, всякий серьезно занимающийся какой-нибудь задачей должен живо ощущать близость решения и скорость своего продвижения к конечной цели. Возможно, что он не выражает этого словесно, но он определенно чувствует: «дело
идет на лад, решение где-то рядом», или «дело тянется ужасно медленно, до решения еще очень далеко», или «я отупел, нет никакого прогресса», «я сползаю в сторону и лишь удаляюсь от ре~ шения».
Предвидение
Как только мы начинаем серьезно заниматься какой-нибудь задачей, нас что-то побуждает заглядывать вперед, мы пытаемся предвидеть, что будет дальше: мы ждем чего-то, мы стремимся угадать контур решения. Этот контур может быть более или менее расплывчатым, он может быть даже в какой-то степени неправильным, хотя на самом деле не так уж часто он бывает очень неправильным.
Всем занимающимся решением задач приходится строить догадки или выдвигать предположения, однако между догадками наивного решающего и вдумчивого человека имеется разница.
Наивный человек ожидает прозрения, почесывая затылок или грызя карандаш; надеясь на приход блестящей идеи, он очень мало делает (или даже вовсе ничего не делает) для того, чтобы ускорить этот приход. А когда желанная идея появляется и приносит правдоподобную догадку, он сразу ухватывается за нее почти без (или совсем без) всякой критики, рассматривая ее как готовое решение.
Вдумчнвнй же человек относится к своим догадкам более скептически. Его первоначальной догадкой может быть: «Их имеется 25» или «Я должен сказать ему то-то и то-то». Но вслед за этим он проверяет свою догадку и даже может изменить ее: «Нет, не 25. Дай-ка лучше попробую 30», или «Нет. Говорить ему то-то и то-то нет смысла потому, что он может возразить мне так-то и так-то. Но тогда я мог бы сказать ему, что . . .» Идя по этому пути при помощи «проб и ошибок», пользуясь последовательными приближениями, решающий может, в конце концов, подойти к правильному ответу, выбрать соответствующий план решения 丄).
Еще более вдумчивый и опытный решающий, когда ему не удается получить полностью весь ответ, пытается угадать какую-то его часть, какую-нибудь его характерную черту, какое-то приближение к решению или хотя бы некоторую деталь этого приближения. Затем он старается расширить свою догадку, одновременно отыскивая возможности для ее проверки; тем самым он старается привести свою догадку в соответствие с наиболее полными сведениями, которыми он обладает на данном этапе решения.
Как менее опытному, так и более опытному решающему, безусловно, хотелось бы прийти к по-настоящему хорошей догадке, выдвинуть по-настоящему плодотворную идею.
См. пп. 1° и 5° из § 2 гл. 2.
И каждой из них хотел бы знать, как велики шансы на то, что его догадка верна. Эти шансы не могут быть точно взвешены (и здесь не место для разбора проблематических возможностей их оценки). Однако во многих случаях у решающего может быть определенное ощущение перспективности своей догадки. Даже совсем наивные люди, не знающие, что такое доказательство, могут испытывать сильнейшие ощущения по поводу своих догадок; вдумчивые люди могут различать в своих ощущениях тонкие оттенки; но кто бы ни высказывал догадку, у него всегда имеется какое-то представление о ее вероятной судьбе. Итак, помимо ощущения того, что относится и что не относится к рассматриваемой задаче, помимо ощущения близости решения, мы отмечаем в мышлении решающего существование еще одной разновидности ощущения: предвидения.
Относится ли это соображение к делу? Далеко ли еще до решения? Насколько хороша эта догадка?— Такие вопросы сопутствуют решающему на каждом шагу; они более ощущаются, нежели формулируются в явном виде, и ответы на них также больше чувствуются, чем высказываются. Направляют ли подобные вопросы действия решающего или только сопровождают их? Являются ли они причиной или только симптомами?—Это мне неизвестно, но я знаю, что если подобные ощущения у вас не возникают, то вы еще по-настоящему не заинтересовались своей задачей.
Область поисков
Я редко расстаюсь со своими наручными часами, но когда это случается, у меня всегда появляется забота о том, как их найти. Потеряв свои часы, я по привычке начинаю искать их в некотором совершенно определенном месте: на своем письменном столе, или на какой-нибудь полке, где я обычно кладу свои мелкие вещи, или еще в каком-то третьем месте, если мне удалось вспомнить, что я снял свои часы именно там.
Такое поведение типично. Как только мы серьезно заинтересовались своей задачей, мы стараемся наметить контур, внутри которого следует искать ее решение. Этот контур может быть неопределенным, он может быть почти неосязаемым, но именно он определяет наши будущие действия. Конечно, попытки решения могут быть различными, но по существу же все они похожи друг на друга, все они лежат внутри этого заранее намеченного (возможно, не вполне сознательно) контура. Если ни одна из испробованных попыток решения не дает результата, мы чувствуем себя обескураженными, ничто другое не прихоДит на ум; мы не в состоянии выйти за пределы намеченного контура. Ведь мы ищем не вообще какое-то решение, а вполне определенное решение, решение, которое должно находиться внутри нашего ограниченного контура. Мы не ищем.
решения где-то по всему свету, а внутри ограниченной области поисков 1).
Итак, по-видимому, поиски решения целесообразно начинать внутри какой-то подходящим образом ограниченной области. Когда я пытаюсь найти свои пропавшие часы, целесообразно искать их, конечно, не где-то во вселенной, или где-то в городе, или где-то в доме, а именно на письменном столе, где я находил их неоднократно в прошлом. 'Безусловно целесообразно начинать поиски неизвестного в ограниченной области, но неразумно упорствовать и продолжать там поиск, когда становится все более и более ясным, что решения в этой области нет.
Промежуточные решения)
Процесс решения задачи может носить созерцательный характер; у недостаточно способных людей он иногда превращается в бесплодное высиживание. Иногда же о нем можно говорить как о длинной, извилистой, напряженной дороге к цели, каждый поворот которой отмечен принятием того или иного промежуточного решения. Эти промежуточные решения подсказываются (или, возможно, только сопровождаются) ощущением того, что относится и что не относится к задаче, ожиданием близости решения, ростом или затуханием надежды. Свои промежуточные решения и внезапно возникающие ощущения решающий редко выражает в словесной форме, но иногда это все-таки случается:
«А ну-ка, попробую взглянуть сюда».
«Нет, здесь вряд ли есть на что смотреть. Попробую-ка лучше заглянуть туда».
«Здесь тоже немного увидишь, но в воздухе определенно чем-то пахнет. Попытаюсь присмотреться к этому поближе».
Одним из важнейших типов промежуточного решения является решение о расширении области поиска, об отбрасывании ограничения, узость которого начинает нас стеснять,
Мобилизация и организация
Мы мало что знаем об особенностях умственной деятельности человека, решающего задачу. Сложность этой деятельности может быть неизмеримой, но одна ее сторона видна совершенно ясно: по мере того как решающий продвигается вперед, он накапливает все больше и больше сведений об изучаемом объекте.
К ar] D u n к е г, On Problem Solving, Psychological Monographs 58, № 5 (1945), ср. стр. 75...
Попробуем сравнить взгляды решающего на математическую задачу в начале и в конце его работы. Когда задача только еще возникла, картина проста: решающий видит ее обособленной, либо без всяких подробностей, либо с очень малыми подробностями; возможно, что он различает только главные ее части — неизвестное, данные и условие, или предпосылку и заключение. Картина же, которую он видит в конце, совсем другая: она сложна, снабжена такими дополнительными подробностями и деталями, о связи которых с рассматриваемой задачей решающий вначале и не подозревал. На исходной, лишенной деталей фигуре появились вспомогательные линии, введены вспомогательные неизвестные, использованы знания, приобретенные решающим в прошлом,— это главным образом теоремы, имеющие отношение к рассматриваемой задаче. Решающий никак не мог предвидеть в самом начале, когда он только приступал к решению задачи, что именно эти теоремы окажутся ему полезными. ■
Откуда же берутся все эти материалы, вспомогательные элементы, теоремы и т. д.? Их накопил решающий в своей памяти, и теперь ему предстоит извлечь их оттуда и целенаправленно приспособить к решению своей задачи. Такое привлечение сведений мы будем называть мобилизацией, а их приспособление к решаемой задаче ——организацией х).
Процесс решения задачи подобен строительству дома. Сначала нужно собрать необходимый материал, чего само по себе еще не достаточно: куча камней ——это еще не дом. Чтобы построить дом или решение, надо сложить части вместе и организовать их в целое, к которому мы стремимся.
Практически мобилизацию невозможно отделить от организации; они дополняют друг друга как аспекты единого сложного процесса ——процесса умственной работы, конечной целью которого является решение. Работа эта, если она проводится интенсивно, вводит в дело все наши материальные ресурсы, требует применения всей гаммы наших умственных способностей и содержит в себе неисчерпаемое множество аспектов. Возможно, нам следует здесь поддаться искушению и выделить некоторые операции из всего многообразия умственных операций, являющихся элементами умственной работы, и описать их в таких терминах, как изоляция и комбинация, распознавание и вспоминание, перегруппировка и пополнение.
В ближайших параграфах делается попытка описать эти операции. Конечно, читатель не должен ожидать здесь встречи со строгими и четкими различиями между понятиями или с жесткими и исчерпывающими определениями.
1) Ср. упр. 83 к гл. 2.
Распознавание и вспоминание
Решая задачу, мы бываем очень рады, если нам удается распознать какой-нибудь знакомый элемент. Так, например, при изучении геометрической фигуры мы можем обнаружить не замеченный ранее треугольник или пару подобных треугольников, или еще какую-нибудь хорошо знакомую конфигурацию. Исследуя алгебраическую формулу, мы можем заметить полный квадрат или какое- нибудь другое знакомое сочетание. Конечно, нам может встретиться и несколько более сложная ситуация, распознание которой оказалось бы очень полезно; возможно, мы даже не знаем, как следовало бы ее назвать, и у нас еще нет для нее формального определения, но она кажется нам поразительно знакомой и важной.
Если нам удалось распознать на изучаемой фигуре некоторый треугольник, то у нас есть достаточно оснований для того, чтЪбы почувствовать удовлетворение. В самом деле, нам известно несколько теорем о треугольниках, мы решали различные задачи на треугольники и возможно, что та или другая из знакомых нам теорем или какое-нибудь из найденных ранее решений окажутся пригодными и для рассматриваемой задачи. Обнаружив, распознав этот треугольник, мы устанавливаем тем самым связь с обширной областью ранее приобретенных знаний, один из участков которой может оказаться в настоящий момент полезным. Таким образом, распознавание может, вообще говоря, побуждать нас к вспоминанию чего-то полезного для решения задачи, к мобилизации относящихся к рассматриваемому вопросу сведений.
Пополнение и перегруппировка
Допустим, что мы распознали на фигуре треугольник и что нам удалось вспомнить теорему о треугольниках, которая имеет некоторые шансы оказаться полезной в рассматриваемой ситуации. Предположим, далее, что для того, чтобы иметь возможность применить эту теорему на практике, нам пришлось добавить на треугольнике кое-какие вспомогательные линии, например высоту. Мобилизованные нами потенциально полезные элементы, будучи присоединены к нашей концепции задачи, могут, вообще говоря, обогатить ее, придать ей более законченный вид, ликвидировать пробелы, устранить ее недостатки, одним словом, пополнить ее.
Подобное пополнение приносит с собой новый материал в наше понимание задачи и является важным шагом в ее организации. Иногда, однако, удается добиться значительного успеха в организации решения и без добавления нового материала за счет одного лишь изменения расположения уже имеющихся элементов, путем изучения соотношений между ними в новой диспозиции, путем
перестановки или перегруппировки их. Перегруппировав элементы, мы меняем «структуру» нашего понимания задачи. Итак, перегруппировка означает изменение структуры )
Изложим наши соображения более конкретно. Ключом к решению геометрической задачи может оказаться проведение вспомогательной линии. Но иногда решающий шаг можно сделать и без введения каких бы то ни было новых линий, ограничиваясь уже имеющимися, но рассматривая их по-иному. Так, например, мы можем заметить, что некоторые прямые образуют два подобных треугольника. Рассматривая такую знакомую конфигурацию, мы обнаруживаем не замеченные до этого соотношения между ее элементами, мы видим их сгруппированными по-иному, мы фиксируем новую структуру, мы созерцаем фигуру как более организованное, более гармоничное, более перспективное целое ——мы придали материалу задачи новую форму.
Перегруппировка может повлечь за собой изменение акцента в нашем понимании задачи. Элементы и соотношения, стоящие до перегруппировки на переднем плане, могут уступить свои привилегированные места и отойти на задний план; они могут отступить даже так далеко, что практически выпадут из процесса решения. Для лучшей организации процесса решения мы должны время от времени кое-что отбрасывать из недавно считавшегося относящимся к делу. Однако в целом мы, вообще говоря, больше добавляем, чем отбрасываем.
Изоляция и комбинация
При изучении сложного целого наше внимание может привлекать то одна, то другая деталь. Мы сосредоточиваемся на какой-то определенной детали, мы фокусируем на ней свое внимание, делаем на нее упор, выделяем ее из ее окружения ——одним словом, изолируем ее. Затем световое пятно передвигается и выделяет другую деталь —— мы изолируем новую деталь и т. д.
После того как изучен ряд деталей и произведена соответствующая их переоценка, может снова возникнуть потребность представить себе всю ситуацию в целом. В самом деле, после переоценки отдельных деталей «образ целого» («appearance of the whole», «vue d,ensemble», «Gestalt» )) мог измениться. Комбинированный эффект переоценки роли некоторых деталей может вылиться в новую мысленную картину общей ситуации, новую, более гармоничную комбинацию всех деталей.
Ср. D и п к е г, Цит. сочинение, стр. 29—30.
Изоляция и комбинация, дополняя друг друга, могут продвинуть процесс решения. Изоляция деталей приводит к распаду целого на части, а последующая комбинация их снова объединяет части в целое, более или менее отличающееся от исходного. Разлагая целое на составные части, а затем воссоединяя их по-иному, снова разлагая п снова воссоединяя по-иному, мы заставляем эволюционировать наше понимание задачи, переходя к более перспективной ситуации.
Диаграмма
Графическое резюме соображений, изложенных в предыдущих параграфах, дано на рис. 41. Оценку полезности этой схемы мы предоставляем читателю. Девять терминов расположено в виде квадрата; один из них помещен в центре, четыре —— в четырех вершинах и еще четыре выписаны на сторонах квадрата.
Изоляция
Рис. 41. Как мы думаем.
Мобилизация и организация представлены как противоположные концы одной и той же (горизонтальной) диагонали квадрата, так как практически эти операции дополняют друг друга. Мобилизация извлекает из нашей памяти относящиеся к делу элементы, а организация целенаправленно увязывает их друг с другом.
Изоляция и комбинация представлены как противоположные концы другой (вертикальной) диагонали, так как практически эти операции дополняют друг друга. Изоляция выделяет конкретную деталь из окружающего ее целого, комбинация воссоединяет рассеянные детали в осмысленное целое.
Стороны, исходящие из вершины, отведенной мобидпзации, помечены словами распознайте и вспомните, так как практически
мобилизация элементов, имеющих отношение к задаче, часто начинается с распознавания некоторого элемента, содержащегося в задаче, и заключается во вспоминании связанных с ним и уже знакомых нам других элементов.
Стороны, исходящие из вершины, отведенной организации, помечены словами пополните и перегруппируйте, так как практически организация означает пополнение нашего понимания задачи, придание ему определенной законченности путем добавления новых деталей и ликвидации пробелов; она означает также перегруппировку, перестройку во всей нашей концепции задачи.
Читая термины, расположенные вдоль сторон квадрата, слева направо, мы следуем от мобилизованных деталей к организованному целому; только что распознанная деталь, тщательно изолированная и помещенная в фокусе нашего внимания, может вызвать перестройку всей концепции задачи. Точно так же деталь, которую нам удалось вспомнить и которая оказалась полезной при комбинировании, обогащает наше понимание задачи и пополняет целое.
В процессе решения задачи прозрение (^.ли предвидение) является центром нашей деятельности; поэтому соответствующая точка помещена в центре нашего символического квадрата. Мы движемся, мобилизуя и организуя, изолируя и комбинируя, распознавая и вспоминая элементы различного вида, перегруппировывая и пополняя нашу концепцию задачи, стараясь предвидеть решение или какую- нибудь его характерную черту, или участок ведущего к нему пути. Если предвидение, прозрение приходит внезапно, подобно вспышке, то мы называем его вдохновением или блестящей идеей; обладание такой идеей ——наше самое сокровенное желание.
Мыслительные операции, отраженные на рис. 41, принимают более определенные формы, когда их рассматривают на каком- нибудь конкретном материале. Мы сейчас перечислим четыре мыслительные операции, соответствующие четырем сторонам нашего квадрата, которые имеют важное значение для решения математических задач.
Распознайте:используйте определенияВспомнитезнакомые теоремы и задачиРаспознайте:используйте определенияВспомнитезнакомые теоремы и задачиПерегруппируйте:переобразуйте задачуПополните:введите вспомогательныеэлементыПерегруппируйте:переобразуйте задачуПополните:введите вспомогательныеэлементы
Распознайте:используйте определения
Вспомнитезнакомые теоремы и задачи
Распознайте:используйте определения
Вспомнитезнакомые теоремы и задачи
Перегруппируйте:переобразуйте задачу
Пополните:введите вспомогательныеэлементы
Перегруппируйте:переобразуйте задачу
Пополните:введите вспомогательныеэлементы
Отметим еще одно обстоятельство. Продвижение решающего задачу сопровождается ощущением направленности действий, чувством близости решения, ощущениями, характеризующими успешность его догадок. Обсуждая этот вопрос, мы попутно указывали, что более вдумчивые люди отличаются более дифференцированными ощущениями, Мне не хотелось бы обойти здесь молчанием одно
скорее умозрительное замечание '): некоторые из оттенков этих ощущений могут быть связаны с мыслительными операциями, отображенными на рис. 41. _
Мы радуемся, когда наше понимание задачи оказывается хорошо сбалансированным и гармоничным, когда оно содержит все необходимые детали, и притом только хорошо знакомые детали. Если в гармоничном целом встречается большое разнообразие деталей, идея решения кажется близкой. Употребляя эти термины, мы, как мне кажется, выражаем, что те или другие из рассмотренных выше операций хорошо двигают, дело вперед или даже приводят к цели.
Наша концепция задачи кажется хорошо уравновешенной, если не ощущается необходимости в перегруппировке ее элементов, она кажется внутренне согласованной, если не нужно вспоминать детали, если одна из них легко вызывает в памяти другие. Если нет необходимости в пополнении концепции задачи, она представляется нам законченной; если все детали распознаны, она кажется нам знакомой и близкой. Отчетливость в восприятии деталей обеспечивается их предварительной изоляцией и сосредоточением внимания на каждой из них в отдельности, а гармоничность концепции в целом является следствием удачной комбинации деталей. Мы говорим, что идея близка, когда чувствуем уверенное продвижение к тому, что можно назвать прозрением.
Имея в виду систематизировать эти благоприятные признаки успешного продвижения, расположим их на схеме так, чтобы их взаимное расположение было таким же, как у соответствующих терминов на квадрате, изображенном на рис. 41. Таким образом, мы размещаем наши семь терминов подобно тому, как располагаются четыре стороны квадрата и три важные точки на его вертикальной диагонали. Вот эта схема:
Детали удачнораспознаны:ощущение пониманияконцепции задачиДетали удачнораспознаны:ощущение пониманияконцепции задачиДетали удачно изолированы:отчетливость деталей
Детали удачнораспознаны:ощущение пониманияконцепции задачи
Детали удачнораспознаны:ощущение пониманияконцепции задачи
Детали удачносгруппированы:хорошая уравнове-шенностьконцепции задачи
Удачное вспоминание:внутренняя согласован-ность задачиУдачное вспоминание:внутренняя согласован-ность задачиПрозрение:близость решающей идеиПрозрение:близость решающей идеиУдачное пополнение:полнота концепциизадачиУдачное пополнение:полнота концепциизадачи
Удачное вспоминание:внутренняя согласован-ность задачи
Удачное вспоминание:внутренняя согласован-ность задачи
Прозрение:близость решающей идеи
Прозрение:близость решающей идеи
Удачное пополнение:полнота концепциизадачи
Удачное пополнение:полнота концепциизадачи
148—151; HSI, Signs of148—151; HSI, Signs ofУдачная комбинация:гармоничность концепциив целом
148—151; HSI, Signs of
148—151; HSI, Signs of
См. КРЗ, Продвижение и достижение, стр. Progress, 4, стр. 184.
Часть подсказывает целое
Мимо меня прошел по улице мальчишка, насвистывающий какой-то мотив. Я сумел уловить только один или два такта мелодии, которая мне очень нравится, но которой я давно не слышал. И вдруг эта мелодия, пополненная памятью, вытеснила все заботы и праздные мысли, забивавшие до этого мою голову.
Описанное маленькое событие является хорошей иллюстрацией «ассоциации идей», явления, описанного еще Аристотелем, а после него — многими другими авторами. Хорошее описание этого явления дает Брэдли: «Каждая часть отдельно взятого состояния ума, будучи воспроизведенной, стремится восстановить все остальное»- Так, в нашем случае один такт вызвал сначала общее впечатление о мелодии, а затем, понемногу, восстановил и все остальные такты. Вот еще одна характеристика ассоциации идей, в которой, правда, недостает деталей, но которую легко запомнить: «Часть подсказывает целое». Условимся рассматривать эту краткую фразу как удобное сокращение более точной формулировки Брэдли.
Заметьте себе важные слова: «стремится» и «подсказывает». Утверждения:
«Часть подсказывает целое»,
«Часть стремится восстановить целое»,
«По части есть надежда восстановить целое» могут считаться приемлемыми, но фраза
«Часть восстанавливает целое»
совершенно неприемлема для выражения «закона ассоциации», ибо этот закон выражает не утверждение о восстановлении целого, а только надежду, шанс, тенденцию. Нам известно кое-что также о силе этой тенденции: если часть ставится в центр внимания, то она более эффективно наводит на мысль о целом; совокупность нескольких частей более эффективно подсказывает целое, чем любая часть, взятая в отдельности. Эти добавления очень важны для понимания роли ассоциации идей в умственной деятельности решающего.
Рассмотрим один очень схематический пример. Некоторая математическая задача может быть быстро решена при помощи одной имеющей решающее значение теоремы D, тогда как без применения этой теоремы задача решается с большим трудом. Вначале решающий даже не подозревает, что теорема D имеет какое-то отношение к его задаче, хотя он достаточно знаком с этой теоремой как таковой, Как решающий может догадаться о том, что теорема D играет решающую роль? Здесь могут быть разные случаи.
Сравнительно прост тот случай, когда предложенная задача и теорема имеют общую составную часть. Испробовав сначала одно, а затем другое, решающий обнаруживает эту составную часть, изолирует ее и сосредоточивает на ней свое внимание; в результате
УПРАЖНЕНИЯ И ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ К ГЛАВЕ 11 257 у него появляется шанс вспомнить или «восстановить» с помощью общей части целиком всю теорему D.
Менее прост случай, когда задача в ее первоначальной концепции и имеющая решающее значение теорема D не имеют общей компоненты. В этом случае может существовать еще одна теорема С, известная решающему, которая имеет одну компоненту — общую с нашей задачей, а другую компоненту ——общую с теоремой D; тогда решающий может добраться до D, соприкоснувшись сначала с С, а затем перейдя от С к D.
Ясно, что цепочка ассоциаций может быть и более длинной: предложенная задача может находиться в таком «контакте по ассоциации» с А, А с В, В с С и, наконец, С с D. Чем длиннее цепочка, тем дольше должен решающий «встряхивать ящик» или «раскачивать сито», пока, в конце концов, не выпадает желанная теорема D.
Встряхивание ящика или раскачивание сита можно рассматривать как метафорический способ описания умственной деятельности решающего (см. эпиграф к этой главе). В предыдущих параграфах, содержание которых подытожено на рис. 41, мы пытались интерпретировать эту деятельность менее метафорически. Это была достаточно правдоподобная интерпретация различных видов упомянутой деятельности; с их помощью решающий пытается установить необходимые контакты по ассоциации.
В самом деле, распознавая элемент, решающий вводит его в рассуждение, с которым этот элемент имеет тесный контакт по ассоциации. Каждый вновь мобилизованный элемент, присоединяемый к концепции задачи, дает решающему шансы на привлечение других элементов, с которыми он контактирует по ассоциации. Когда решающий изолирует элемент и сосредоточивает на нем свое внимание, имеется много шансов на то, что тем самым будут привлечены другие элементы из той же категории вещей. Перегруппировка может сблизить элементы, которые в своей совокупности могут привлечь по ассоциации нечто большее, чем каждый элемент в отдельности. '
Однако трудно было бы объяснить мыслительные процессы, протекающие в голове решающего, одними только ассоциациями; помимо ассоциативных заимствований должно существовать и нечто другое, помогающее отличать относящиеся к делу элементы и комбинации элементов от не относящихся к делу, нужное от ненужного, полезное от бесполезного 】).
Упражнения и дополнительные замечания к главе 11
Batu опыт, ваше суждение. Цель этой книги заключается в стремлении помочь вам усовершенствовать навыки исследовательской работы. Однако в действительности сделать это можете только вы сами. Вы должны выяснить,
См. D и п к е г, Цит. сочинение, стр. 18.
какая имеется разница между тем, что вы делаете обычно, и тем, что вам следовало бы делать. Эта глава была написана для того, чтобы помочь вам лучше разобраться в том, что вы обычно делаете.
Упр. 2—6 требуют от вас проиллюстрировать важнейшие места предыдущего текста. Прежде всего попытайтесь подобрать иллюстрации из своего собственного опыта — эпизоды из вашей работы, без принуждения пришедшие вам на ум, имеют больше всего шансов оказаться поучительными. Постарайтесь непредвзято обсудить вопрос о том, согласуются ли описания в тексте или рис. 41 с вашим собственным опытом.
Мобилизация. Вспомните свою работу над решением какой-нибудь геометрической задачи——как вначале совсем малосодержательная фигура постепенно все более и более пополнялась вспомогательными элементами, по мере того как работа над решением продвигалась вперед.
Прозрение. Можете ли вы припомнить случай, когда «в один прекрасный момент» вы внезапно обрели уверенность, что решение «пойдет»?
Часть подсказывает целое...', чем больше известно частей, тем больше надежд на восстановление целого. Можете ли вы с этим согласиться, основываясь на собственном опыте?
Распознавание. Не можете ли вы вспомнить случай, когда поворотным пунктом в решении задачи оказывается распознавание некоторого элемента (т. е. случай, когда вы вдруг обнаруживаете, что некоторый элемент играет хорошо знакомую вам роль, которой вы прежде не замечали)?
Перегруппировка. Не можете ли вы вспомнить случай, когда перегруппировка элементов фигуры оказалась ключом к решению задачи.
Рис. 42. Продвигаемся ли мы изнутри, продвигаемся ли извне,—— наша цель одна: пробить облака, рассеять туман.Рис. 42. Продвигаемся ли мы изнутри, продвигаемся ли извне,—— наша цель одна: пробить облака, рассеять туман.
Рис. 42. Продвигаемся ли мы изнутри, продвигаемся ли извне,—— наша цель одна: пробить облака, рассеять туман.
Рис. 42. Продвигаемся ли мы изнутри, продвигаемся ли извне,—— наша цель одна: пробить облака, рассеять туман.
Работа изнутри и работа извне. Одной из существенных частей работы решающего является установление контактов между предложенной задачей и накопленным им опытом. Он может пытаться обнаружить эти контакты «изнутри» или -«извне». Оставаясь в границах задачи, он может изучать отдельные ее элементы до тех пор, пока ему не удастся найти среди них такой, который может привлечь какой-нибудь полезный элемент извне, т. е. из знаний, приобретенных им ранее. Или же он может идти извне, роясь в ранее накопленных им знаниях до тех пор, пока не будет найден элемент, который окажется полезным для его задачи. Работая над задачей изнутри, решающий подробнейшим образом изучает свою задачу, ее составные части, ее аспекты. Работая над задачей извне, он перебирает запас своих знаний, роется в закоулках своей памяти в поисках того, что с большей вероятностью можно применить к рассматриваемой задаче. Левая и правая части рис. 42 представляют собой попытку проиллюстрировать работу над задачей «изнутри» и «извне».
Эвристический лабиринт. Рис. 43 может изображать, например, заброшенные тропинки, протоптанные дровосеками в холмистой, лесистой местности без особого плана; точка 8 обозначает вход. Рис. 43 можно рассматривать и как лабиринт, по которому заставляют бегать мышей при проведении какого-то психологического эксперимента.
Но этот же рис. 43 может также некоторым образом символизировать работу решающего над задачей. После ведущего прямо вперед начала он следует извилистой тропинкой, пока не заходит в (действительный или воображаемый) тупик. После этого решающий поворачивает назад и идет некоторое время по своим следам, но, заметив боковой ход,
Рис. 43. Тропинки, тропинки, тупики и бо- ；ковые ходы.Рис. 43. Тропинки, тропинки, тупики и бо- ；ковые ходы.сворачивает в него и идет, пока не заходит в новый тупик, заставляющий его снова повернуть вспять. Так он продолжает действовать и дальше, пробуя различные тропки, много раз поворачивая назад, замечая новые выходы, изучая свою задачу и двигаясь, в общем, как мы надеемся, в правильном направлении.
Рис. 43. Тропинки, тропинки, тупики и бо- ；ковые ходы.
Рис. 43. Тропинки, тропинки, тупики и бо- ；ковые ходы.
Продвижение вперед. По мере того как процесс решения задачи продвигается вперед, понимание решающим своей задачи
постепенно меняется: самое главное здесь то, что он набирает все больше и больше мате-
риала, связанного с задачей.
Предположим в качестве гипотезы, что мы как-то умеем оценивать количество материала, накопленного решающим в каждый момент времени, и что этот материал можно в какой-то мере считать пропорциональным уровню понимания решающим своей задачи. Конечно, это предположение наивно и нереально, но оно позволяет нам представить графически прогресс процесса решения задачи.
В системе координат, изображенной на рис. 44, мы по оси абсцисс отклады
ваем время, а по оси ординат — «меру» понимания решающим задачи в рассматриваемый момент. Результирующая кривая представляет понимание решающим задачи как функцию времени; она наглядно выражает прогресс решения в уме решающего.
.Допустим, что процесс решения развивается без забывания найденных деталей; в соответствии с этим на рис. 44 показана поднимающаяся вверх кривая, изображающая нигде не убывающую функцию времени; кривая начинается (слева) с медленно и почти равномерно поднимающейся линии (она изображена точками); эта линия должна символизировать «предысторию», т. е. подсознательный период решения задачи. Точка С, с которой начинается сплошная кривая, обозначает начало Сознательной работы. Наклон кривой в каждой точке указывает скорость продвижения решающего в соответствующий момент времени. Эта скорость переменна; наименьшей она является в точке 3, являющейся точкой (мгновенного) Застоя; касательная к кривой, проведенная в этой точке, почти горизонтальна. Наоборот, наибольшей является эта скорость в точке И, где наклон максимален; И ——точка перегиба кривой, она обозначает критический момент в развитии решающей Идеи, момент вдохновения. (Точка 3 ——также точка перегиба, но противоположного характера, так как в точке 3 наклон кривой минимален.)
Развитие решения в уме решающего ——процесс сложный, содержащий неисчерпаемое многообразие аспектов. Рис. 44 не претендует на то, чтобы служить
исчерпывающей иллюстрацией всех этих аспектов, но он может кое-что добавить
к некоторым прежним нашим рассуждениям, он может, например, пополнить и по-новому осветить основной рис. 30 (см. стр. 192).
Вы такой же, 'как 兄.Многое из того, что я знаю (или мне калится, что знаю) о решении задач, возникло благодаря размышлениям над относительно небольшим числом впечатляющих случаев. Читая книгу, споря с приятелем беседуя со студентом или наблюдая за выражением лиц своих слушателей, я неожиданно что-то узнавал и испытывал искушение сказать: «Вы такой же, как я.
Рис. 44. Начало Сознательной работы —— Застой ——Идея, вдохновение, точка перегиба.Рис. 44. Начало Сознательной работы —— Застой ——Идея, вдохновение, точка перегиба.вы очень часто действуете таким же образом, как я». Признаюсь, что это ощущение «вы такой же, как я》возникало у меня и при наблюдениях над действиями животных, собак, птиц, а однажды —даже мыши.
Рис. 44. Начало Сознательной работы —— Застой ——Идея, вдохновение, точка перегиба.
Рис. 44. Начало Сознательной работы —— Застой ——Идея, вдохновение, точка перегиба.
1L Мыши й люди *). Хозяйка быстро вышла во двор, поставила на землю мышеловку (это была мышеловка старого образца — клетка с захлопывающейся дверцей) и крикнула своей дочери, чтобы та пошла за кошкой. Мышь, сидевшая в мышеловке, кажется, понимала суть этих приготовлений; она неистово металась по клетке, бешено
набрасывалась на прутья то с одной, то с другой стороны клетки и в последний момент, удачно протиснувшись меж двух каких-то прутьев, исчезла в соседнем поле. По-видимому, на той стороне мышеловки между прутьями нашелся несколько более широкий просвет. Хозяйка казалась обескураженной так же, как и появившаяся слишком поздно кошка. Мои же симпатии с самого начала были на стороне мыши, так что я затруднялся высказать свое сочувствие хозяйке или кошке; про себя же я поздравлял мышь. Она решила серьезную задачу и дала нам поучительный пример.
Именно таким должен быть путь решения задачи! Мы должны делать попытку за попыткой, пока случайно не обнаружим небольшую разницу в величине отверстий, от которой все и зависит. Мы должны разнообразить свои попытки так, чтобы получить возможность изучить задачу всесторонне. Ведь мы не можем заранее знать на какой стороне расположено то единственное чуть-чуть большее других отверстие, сквозь которое нам удастся протиснуться.
• Основной метод применяемый при решении гадач людьми и мышами,—— один и тот же. Пробовать, пробовать снова и снова, разнообразя п о- пытки так, чтобы не упустить благоприятной возможности. Справедливо, конечно, что большей частью люди решают задачи лучше, чем мыши. Человеку ие нужно бросаться всем телом на препятствие ——он может сделать это мысленно; он может вносить в свои попытки больше разнообразия, а из неудач своих попыток извлекать больше поучительных выводов, чем мышь.
Метод состоит в размещении и упорядочении того, на что должно быть направлено острие ума в целях открытия какой-либо истины.
Декарт, Правила для руководства ума, Пра- . вило V, Избранные произведения, стр. 95.
Как надо думать
В гл. 11 была сделана попытка описать типичные особенности умственной деятельности лица, решающего (математическую или нематематическую) задачу. Но является ли типичное также и рациональным? Наша умственная работа может протекать так, но должна ли она протекать именно так?
На эти вопросы, в силу их неопределенной общности, довольно трудно дать однозначный ответ; однако для того, чтобы указать основную тенденцию этой главы, они нам нужны. Руководствуясь опытом умственной работы решающего, с которой мы познакомились в гл. 11, попытаемся перечислить умственные операции (шаги, процедуры и т. д.), которые обычно бывают полезны при решении задач; при этом мы будем стараться указать место каждой из таких операций в процессе решения задачи.
Мы выразим эти, как правило, полезные операции, применяемые для решения задач, в коротком, сжатом, виде, используя для этого «стандартные» вопросы и рекомендации. Читателю должно быть ясно, что подобные вопросы и рекомендации можно интерпретировать двояко: либо как цитаты из разговора решающего с самим собой, либо как обращения более опытного учителя к учащемуся, которому он хочет ^ помочь г).
Концентрация внимания на цели
Когда вам нужно решить задачу, вы о ней часто вспоминаете, может быть даже настолько часто, что она превращается в навязчивую идею. Однако вы должны не просто думать о своей задаче —— думать некоторым, так сказать, неопределенным образом,— вы должны быть постоянно обращены к своей задаче, предельно ясно
Читателю рекомендуется сравнить содержание этой главы с параллельными местами из КРЗ; см. об этом стр. 12—16, Назначение таблицы. «Стандартные» вопросы и рекомендации, которые я рассматриваю как существенный элемент своего метода, впервые фигурировали в моей статье [17] (см. Библиографию в конце книги).
видеть ее перед собой и прежде всего задавать себе основной вопрос: Что требуется?
В процессе решения задачи найдется много удобных случаев для постановки этого вопроса. Когда вы забрались чересчур глубоко в один из боковых ходов, который может, в конце концов, оказаться тупиком или увести вас далеко от цели, когда ваши мысли начали блуждать, бывает очень важно снова спросить себя: Что требуется^ ——и снова тем самым поставить цель в центр вашего внимания.
Целью задачи н а нахождение является неизвестное. Чтобы сосредоточить свое внимание на этой цели, спросите себя: Что представляет собой неизвестное? Целью задачи н а д о- казательство является заключение, вывод,—— в этом случае соответствующий вопрос будет иметь форму: В чем состоит заключение?
После того как вы стали ясно различать цель своей задачи, т. е. искомый объект, необходимо приступить к инвентаризации всего, что вы имеете в своем распоряжении, с тем, чтобы выделить объекты, которые с некоторой вероятностью могут быть использованы для достижения цели; таким образом, вы должны спросить себя: Что у нас имеется?
Допустим, что вы хотите установить связь между двумя элементами, проложить себе путь от одного элемента к другому; вам может помочь здесь поочередное рассмотрение этих элементов —— вы начинаете с одного из них, а затем переходите к другому, так что часто у вас оказывается возможность задавать упомянутые выше вопросы последовательно: Что требуете兄？ Что мы приобрели ?
Применительно к задачам на нахождение эти вопросы звучат так: Что представляет собой неизвестное^ Что дано? В чем состоит условие^ Применительно к задачам на доказательство эти вопросы будут такими: В чем состоит заключение^ В чем состоит условие (предпосылка} ?
Почему так важны эти вопросы? Потому что они побуждают нас обращать внимание на указанные элементы задачи. Согласно Декарту (см. эпиграф к этой главе) метод решения задачи состоит в том, чтобы направлять свое внимание на все относящиеся к делу элементы, один за другим, в надлежащей последовательности. У нас мало сомнений в том, что главные части задачи на нахождение (неизвестное, данное и условие) и главные части задачи на доказательство [заключение и условие (предпосылка)] являются относящимися к делу элементами задачи. Иногда они бывают настолько важными, что кажется необходимым приступить к их рассмотрению как можно раньше; после того как вы хорошо поняли задачу в целом, переносите свое внимание на ее главные части.
Оценка перспектив
Решающий, серьезно занимающийся своей задачей, остро чувствует близость цели и скорость своего продвижения к ней; так же остро ощущает он любую перемену, влияющую на перспективы его плана. Но иногда оказывается желательным несколько выйти за границы одних лишь ощущений, более трезво оценить свои возможности решения задачи, «диагнозировать» задачу, оценить перспективы,——именно такова тенденция нижеследующих вопросов.
Некоторые задачи бывают безнадежными. Если задача безнадежна, не следует позволять себе слишком глубоко в нее втягиваться,—и здесь мы спрашиваем: Существует ли вообще ответ на поставленный вопрос? Имеется ли ясный, разумный ответ? Если ответ существует, сумею ли я его наитий
Когда мы имеем дело с задачей на нахождение, мы должны спрашивать: Существует ли решение? Можно задавать и более дифференцированные вопросы: Существует ли одно-единственное решение или 宛е их имеется несколькоу или 宛е решения нет вовсе? Строго ли достаточно условие для определения неизвестного, или оно чрезмерно, или оно недостаточно?
Когда мы имеем дело с задачей на доказательство, соответствующие вопросы таковы: Верна ли теорема или она ложна? Можно задавать вопросы и более дифференцированно: Верна ли теорема^ Не требуется ли для справедливости теоремы, чтобы условие было более сильным? Правильно ли сформулирована теорема? Не достаточно ли для справедливости теоремы более слабого уело- вия^ и т. д.
На самом деле мы не можем дать определенного ответа ни на один из только что сформулированных вопросов до того, как не закончим своей работы, т. е. не решим задачи. Но эти вопросы по самому своему существу и не предполагают строго определенных ответов ——они рассчитаны только на предположительные ответы, на догадку. Пытаясь угадать правильно, мы можем уточнить свою позицию относительно рассматриваемой- задачи, а к этому мы как раз и стремимся. Предыдущие вопросы сформулированы в лаконичной форме, обычной для беседы, для разговора. Более осторожная (и более точная) постановка вопросов такова: Имеется ли (и велика ли) вероятность того, что существует ответ или решение задачи? Сформулированная теорема может быть как верной, так и ложной; что более вероятно?
В какой момент, как скоро должны мы начать ставить подобные вопросы? На этот счет нет (и не может, не должно быть) никакого жесткого или поспешного правила. Очень часто они являются продолжением вопросов из § 2, относящихся к главным частям задачи.
Блуждания: поиски подхода
Конечная цель подсказывает средства; изучение цели (неизвестного, заключения) может помочь найти подход к решению задачи. Мы уже знаем, что один вопрос порождает другой: Что требуется^ Что представляет собой неизвестное^ Каким образом можно найти подобное неизвестное^ Какие требуются данные, чтобы получить такое неизвестное? Именно эти вопросы могут явиться началом пути, основанного на продвижении в обратном направлении; так, например, если в предложенной задаче мы сумели разглядеть «данные», позволяющие получить неизвестное, то можно принять их за отвечающую постановке вспомогательной задачи «промежуточную» цель и тем самым начать продвижение от конца к началу (см. п. 2° упр. 1 к гл. 8).
В задаче на доказательство соответствующие вопросы будут такими: Что требуется^ В чем состоит заключение? Как можно получить такое заключение^ Из какого условия (предпосылки) можно вывести подобное заключение^
Вместо того чтобы перенести ударение на неизвестное (или на заключение теоремы), мы можем сосредоточить свое внимание на данных (или предпосылке): Что дано? Для чего могут пригодиться такие данные^ Что можно вывести из таких данных? Для задач на доказательство существует аналогичная цепочка вопросов: В чем состоит условие (предпосылка) ? Для чего может пригодиться такое условие^ Что можно вывести из такого условия^ Эти вопросы могут явиться началом подхода, основанного на продвижении в прямом направлении. (См. упр. 1 к гл. 8; мы установили там —— и это не следует забывать,—— что, вообще говоря, составление плана для работы в обратном направлении следует предпочесть составлению плана, отвечающего продвижению в прямом направлении.)
К сожалению, часто оказывается, что мы не в состоянии составить удовлетворительный план ——ни план, связанный с продвижением в прямом направлении, ни план движения в обратном направлении. На этот случай у нас в запасе имеются другие вопросы, которые могут помочь найти подход к решению задачи; вот некоторые из них (их можно с успехом задавать в самом начале работы): К какому типу относится рассматриваемая задача^ Не родственна ли она какой-нибудь другой известной задачей Не похожа ли она на какую-нибудь знакомую задачу? Пытаясь классифицировать задачу, стараясь обнаружить ее связь или сходство с известными нам задачами, можно напасть на знакомый метод, подходящий к рассматриваемой задаче, а тогда уже есть с чего начинать —— мы видим первый участок пути, который, возможно, ведет к решению.
Пытаясь отыскать полезного «родственника» нашей задачи, укажем сразу же те связи («родственные отношения») между задачами, которые чаще всего оказываются полезными: Известна ли вам какая-нибудь родственная данной задача? Не можете 4〃 вы придумать какую-нибудь близкую к данной задачу? Аналогичную задачу? Более общую задачу? Более частную задачу^ Существует, однако, опасность, что подобные вопросы уведут нас далеко в сторону от правильного пути; поэтому обычно бывает более полезным задавать их несколько позже, когда суть задачи отпечаталась в нашем сознании совершенно ясно и хорошо закрепилась в нем, т. е. тогда, когда нет риска, сознательно удаляясь от задачи, вовсе потерять ее из виду.
Блуждания: может быть, есть более об надежи ваю щи й аспект задачи?
Когда вы имеете дело с материальными объектами (например, собираетесь спилить сук), вы автоматически занимаете наиболее удобное для работы положение. Подобным же образом следует поступать, сталкиваясь с любой задачей: вы должны стараться занять такую позицию, чтобы можно было подойти к задаче с самой удобной или наиболее доступной ее стороны. Вы обдумываете задачу, поворачиваете ее в своей голове и так, и этак; попытайтесь же стать с той стороны, с какой задача кажется проще. Аспект задачи, с которого вы начинаете работу над ней, может оказаться не самым благоприятным. Сформулирована ли задача так просто, так ясно, так «наводяще», как это только и возможно сделать? Не смогли бы вы сформулировать задачу иначе?
Конечно, вам хотелось бы сформулировать задачу лучше (преобразовать ее в эквивалентную задачу), чтобы она казалась более знакомой, более привлекательной, более доступной, более перспективной.
Цель вашей работы состоит в том, чтобы заполнить разрыв между тем, что вам требуется, и тем, что вы имеете, связать неизвестное с данными, заключение с условием (предпосылкой). Не можете ли вы изменить формулировку задачи так, чтобы неизвестное и данные, условие и заключение как бы сблизились?
Видоизмените заключение или предпосылку, или обе эти части задачи одновременно, но сделайте это так, чтобы они стали ближе друг к другу. Видоизмените неизвестное или данные (условие) задачи, ил玄 даже всю задачу в целом, но сделайте это так, чтобы неизвестное и данные оказались стоящими друг к другу ближе, чем раньше.
По мере того как решение продвигается вперед, на изучаемой фигуре появляются новые линии; постройка, которую воздвигает
решающий в своем уме, пополняется новыми деталями и связями. Каждое преобразование задачи может внести в нее новые элементы. Одним из важных способов введения нового материала в концепцию задачи является возврат к определениям.
Допустим в качестве примера, что мы имеем дело с усеченной пирамидой (как в гл. 7). Что представляет собой усеченная пирамида? Как она определяется ?——Усеченной пирамидой называется часть полной пирамиды, остающаяся при отсечении от нее плоскостью, параллельной основанию, некоторой меньшей пирамиды. Это определение вводит в рассмотрение два новых тела: полную пирамиду и малую пирамиду —— и нам может показаться выгодным включение той или другой из этих пирамид, или даже обеих сразу, в нашу концепцию задачи г).
Возвращаясь к определениям элементов, встречающихся в условии задачи, мы тем самым вводим новые элементы, которые в свою очередь также привлекают новые элементы; продолжая действовать в таком же духе и дальше, мы развертываем концепцию задачи все шире. Этот процесс развертывания условия задачи часто подводит нас ближе к решению, хотя это бывает и не всегда — иногда он только загромождает задачу ненужными деталями.
Существует много заслуживающих внимания способов преобразования условий задач; одни из них приложимы только к некоторым частным случаям, другие — более универсальны. (См. ниже, упр. 1 и 2.)
Блуждания: поиски полезных сведений
Процесс решения задачи существенно зависит от установления связи между этой задачей и соответствующими элементами накопленного вами ранее запаса знаний. Когда мы пытаемся изложить задачу иначе, в более перспективной форме, то в действительности мы ищем именно такую связь; при этом отправным пунктом служит сама задача, и мы стараемся пробить окружащие ее облака, работая над нею «изнутри». Но эту связь можно искать и с другого конца, пытаясь обнаружить вовне какую-нибудь полезную частицу знаний — так сказать, приближаясь к задаче «извне».
Обозреть все когда-либо накопленные нами знания невозможно! Поэтому следует начать с обследования тех областей наших знаний, связь которых с рассматриваемой задачей более вероятна.
Если область, к которой принадлежит рассматриваемая задача, вам знакома, то вы должны знать ее «ключевые пункты» — факты, которыми вероятнее всего придется воспользоваться. Подготовьте
Ср. КРЗ, Определение, стр. 122—128.
их так, как хороший рабочий готовит свои любимые инструменты для работы, т. е. так, чтобы до них было легко дотянуться.
Если вы имеете дело с задачей на нахождение, особого внимания заслуживают задачи с тем же неизвестным; одна из таких задач может стать отправным пунктом для продвижения в обратном направлении (см. гл. 8). Если же перед вами задача на доказательство, то в качестве возможных отправных пунктов особого внимания заслуживают теоремы, имеющие то же заключение, что и теорема, интересующая вас в данный момент.
Какие факты являются здесь ключевыми^ Нет ли задачи (желательно уже решенной) с подобным неизвестным^ Нет ли теоремы (желательно ранее доказанной) с таким же заключением^ Имеются хорошие шансы на то, что эти вопросы помогут извлечь из запаса накопленных вами знаний какой-нибудь полезный элемент; с них и рекомендуется начинать, если вы хотите собрать воедино все нужное вам для решения задачи. Если же эти вопросы окажутся бесплодными, вам, возможно, придется обратиться к более сложным или более тонким фактам или рассмотренным ранее задачам, имеющим какой-либо другой общий элемент с данной задачей,—— вовсе не обязательно, чтобы это было только неизвестное или заключение! Нет сомнения, что в вашем запасе знаний имеются элементы, которые можно использовать в рассматриваемой задаче,— но как они с ней связаны? Как подобраться к ним? Вы можете испробовать обобщение, специализацию, аналогию; вы можете рыться во всей области знания, к которой принадлежит ваша задача, особенно, если область эта в вашей голове не так уж велика.
Конечно, чем ваши знания шире и чем лучше они упорядочены, тем более имеется шансов на то, что вам удастся найти нужные элементы. (См. упр. 4.)
§ 7. Блуждания: может быть, ситуацию следует переоценить?
Допустим, что вы не удовлетворены тем, как продвигается ваша работа. Различные идеи, приходившие вам в голову, потерпели фиаско, разнообразные пути, которыми вы пробовали идти, все завели вас в тупик. Созерцаемая вами фигура, вся концепция задачи в ее нынешнем состоянии, запутана и темна, перегружена деталями и вместе с тем неполна; какой-то существенный элемент, какое-то важное звено в ней отсутствует.
Беда может состоять в том, что вы все время обследуете боковые ходы и тупики, обременяя себя тем самым не относящимся к делу материалом. Попытайтесь вернуться назад к первоначальной, неприкрашенной, концепции задачи: взгляните еще раз на неизвестное, на данные и условие задачи, на ее предпосылку и заключение. Приняли ли вы во внимание полностью все условие^ Использовали ли
вы все данные? Учли ли вы целиком всю предпосылку'? Использовали ли вы все ее части?
Эти вопросы особенно уместны, если вы заранее уверены в том, что для определения неизвестного нужны все данные и все части условия задачи, или что для вывода заключения необходима целиком вся предпосылка. Даже если у вас такой твердой уверенности нет и вы только подозреваете, что все данные и все пункты условия или предпосылки могут быть существенны, то и в этом случае подобные вопросы будут оправданы и могут принести пользу. Они напоминают, что вам следовало бы попытаться использовать то данное или тот пункт, который вы до сих пор упускали из виду, и, таким образом, могут подвести вас к недостающему звену.
Беда может состоять также в том, что вы недостаточно отчетливо представляете себе значение основных терминов, содержащихся в условии задачи. Понятны ли вам — представили ли вы себе, наглядно —все понятия,兄ваяющиеся неотъемлемыми частями задачи? Этот вопрос может побудить вас вернуться назад к определениям некоторых понятий и, таким образом, навести на мысль о расширении концепции задачи; есть надежда, что он поможет вам более удовлетворительно сформулировать условие задачи и найти новые полезные элементы.
Искусство ставить вопросы
В предыдущих параграфах мы дали обзор типичных мыслительных операций или умственных «шагов» решающего задачу. Описание каждого такого шага имело своей кульминацией вопрос (или совет, напечатанный курсивом), который может служить концентрированным выражением данного конкретного шага решающего, его изображением в миниатюре 2). Важно понимать, как решающий задачу (или учитель) может использовать эти вопросы.
Каждый из приведенных выше вопросов, будучи задан в надлежащее время и в надлежащем месте, может стимулировать правильный ответ, верную идею, хорошо направленное движение мысли, которые могут продвинуть вперед решение. Итак, вопрос может сыграть роль стимулятора (химики в таких случаях говорят о «катализаторах»), ускоряющего желаемую реакцию. Подобные вопросы представляют собой как бы индукторы идей.
Конечно, в некоторых случаях можно не знать, какой именно вопрос следовало бы задать. Но тогда вы можете перебирать их один за другим до тех пор, пока, в конце концов, не дойдете до
Вопросы, относящиеся к задачам на нахождение, перечислены в КРЗ, стр. 202—204. Читателю рекомендуется хорошо изучить эти вопросы, а также относящиеся к ним пояснения и иллюстрации.
такого вопроса, который окажется полезным. Таким образом, вы можете использовать предыдущие параграфы как каталог подходящих вопросов, как контрольный перечень их.
Нельзя, однако, пользоваться этим перечнем беспорядочно, выбирая вопросы наугад; нельзя им пользоваться также механически, перебирая вопросы в одном, незыблемо установленном, порядке. Обращайтесь с этим перечнем вопросов так, как опытный рабочий на производстве обращается с ящиком с инструментами. Он окидывает внимательным взглядом работу, которую ему предстоит выполнить, а затем выбирает инструмент. Возможно, что ему придется испробовать несколько инструментов, пока он найдет нужный, но и в этом случае он не станет вынимать инструменты из ящика наугад или в механически установленном порядке: он выбирает их с рассудком. Таким же должен быть выбор нужного вопроса из всего множества вопросов, перечисленных в настоящей главе.
Конечно, рабочий скорее всего приобрел мастерство благодаря длительному опыту и внимательному наблюдению за работой других. Таким же пу^ем можете научиться применять собранные здесь вопросы и вы. Строгого и жесткого правила, регулирующего их употребление, не существует. Однако если за этими вопросами стоит ваш личный опыт, основанный на успехах и неудачах, и если вы отдаете себе полный отчет в цели, к которой стремитесь, то имеется много шансов на то, что вы подберете хороший вопрос.
У хорошего рабочего инструменты всегда находятся в исправном состоянии и лежат в ящике в полном порядке. Если вопросы и лежащие в их основе типичные мыслительные операции, описанные в настоящей главе, известны вам не по книгам, а по опыту, если вы хорошо поняли их роль в процессе решения задач, то есть много шансов на то, что вы сумеете обращаться с задачами более профессионально, менее неловко, не пользуясь случайными приемами, которые употребит в подобном случае профан.
Возможно, что всякий вид дисциплины ума заключается во владении совокупностью вопросов и в правильном их употреблении. Но как можно изучить искусство постановки вопросов? Подчиняется ли оно каким-либо правилам?
Упражнения и дополнительные замечания к главе 12
Измените формулировку задачи. Цель нашей задачи состоит в том, чтобы доказать (или опровергнуть) утверждение: «Если верно 4, то верно В». Иногда бывает выгодно видоизменить задачу и пытаться доказать (или опровергнуть) следующую эквивалентную исходной задачу: «Если ложно 良 то ложно 4»). (См. упр. 10 к гл. 9.)
Вот еще одна аналогичная ситуация. Пусть в задаче на нахождение х обозначает неизвестное, а а, Ь, % …，/ — данные. (Эти данные и неизвестное могут быть, например, размерами различных частей геометрической фигуры.) Может оказаться выгодным поменять ролями неизвестное 无 и какое-нибудь из данных, скажем а. Поступая таким образом, мы переходим от первоначальной задачи к новой задаче с неизвестным а и данными х, Ь, с, ..., /. (См. упр. 34, 35 и 36 к гл. 2.)
Мы рассмотрели здесь два типа преобразований, не зависящих от предметного содержания рассматриваемого вопроса. Изучение таких типов преобразований, безусловно, относится к эвристике.
Выразите задачу на языке математики. Формулировку великого проекта Декарта, обсуждавшуюся нами в § 1 гл. 2, можно сильно сжать, сведя ее до совсем короткого совета: «Какова бы ни была ваша -задача, преобразуйте ее в математическую задачу, выразив ее для этого в форме алгебраических уравнений». Проект Декарта оказался неосуществимым, однако его можно воскресить, становясь на путь обобщения: «Выразите вашу задачу на языке математики». Успех такого совета зависит, конечно, от богатства имеющегося в нашем распоряжении языка математики. Так, например, если мы знаем и можем использовать не только алгебраические символы,. как Декарт, но также символы дифференциального и интегрального исчисления, то число доступных нам задач значительно увеличится.
Понятие «язык математики», взятое в самом широком смысле, может включать любой вид достаточно ясного логического построения. При таком очень широком понимании совет: «Выразите ее на языке математики», будучи теоретически безукоризненным, на практике может оказаться бессмысленным, поскольку он может означать лишь совет: «Попытайтесь добиться большей ясности» ).
Существует, однако, и несколько более узкая и даже до некоторой степени неопределенная интерпретация, часто оказывающаяся полезной. Графики, диаграммы или геометрические фигуры также образуют одну из разновидностей математического языка. Часто бывает полезно начертить фигуру, выразить задачу на языке геометрических построений. Некоторые люди испытывают настоятельную потребность изображать свои идеи при помощи каких-нибудь геометрических символов. (Ср. упр. 9 к гл. 14.)
Докажите следующее предложение: если сторона треугольника меньше среднего арифметического двух других сторон, то противолежащий ей угол меньше среднего арифметического двух других углов.
(Каковы главные части задачи? Выразите их на языке математики, используя для этого символику элементарной тригонометрии.) '
Хорошо составленный и хорошо упорядоченный запас знаний является важным активом решающего задачу. Хорошая организация этого запаса, открывающая легкий доступ к знаниям, может оказаться даже более важной, чем уровень знаний. Как бы там ни было, излишек знаний иногда вредит, мешая решающему заметить простой подход к задаче; хорошая же организация знаний всегда только полезна.
В хорошо упорядоченном запасе знаний объекты, которые требуются особенно часто, располагаются в самых доступных местах; объекты, которые обычно используются совместно, хранятся вместе, а маркировка и порядок в помещении
планируются так, чтобы было удобнее группировать (попарно или объединяя их в большие совокупности) связанные друг с другом объекты.
Конечно, разумное размещение книг в вашей библиотеке или инструментов в ящике полезно, но гораздо большую пользу может принести разумное размещение знаний в вашей памяти и оно заведомо заслуживает гораздо большей заботы. Перейдем теперь к некоторым важным для решающего вопросам организации.
1°. В любом конкретном вопросе всегда имеются ключевые факты (ключевые задачи, ключевые теоремы), которые должны храниться на передней полке в шкафу вашей памяти. Когда вы приступаете к задаче, у вас должно находиться поблизости, прямо под руками, несколько ключевых фактов ——так опытный рабочий раскладывает наиболее часто употребляемые инструменты в самом доступном ему месте.
Если вы собираетесь доказывать какое-нибудь предложение из элементарной планиметрии в духе Евклида, то в качестве ключевых фактов естественно рассматривать три признака равенства треугольников и три признака их подобия. Когда вы, действуя в духе Декарта, собираетесь свести задачу из элементарной геометрии к системе уравнений (смл гл. 2). то в качестве ключевых фактов можно рассматривать теорему Пифагора и теорему о пропорциональности отрезков в подобных треугольниках. Аналогичным образом отбираются ключевые факты в задачах на сходимость рядов и во всех других достаточно широких классах задач.
2°. Вот два уже знакомых нам вопроса, которые снова и снова приносят пользу решающему. При помощи каких данных можно определить подобное неизвестное^ Из какого условия (предпосылки) можно вывести такое заключение^ Учитывая, что эти вопросы употребляются особенно часто, следует как-то «хранить вместе» уже решенные задачи, содержащие однотипные неизвестные, равно как и знакомые нам теоремы с одинаковыми заключениями.
3°. Хорошо ли вы знаете город, в котором живете? Если вы знаете его очень хорошо, то должны уметь выбрать в этом городе кратчайший путь между любыми двумя пунктами и знать, какими средствами транспорта наиболее удобно воспользоваться. Именно такой должна быть желательная организация знаний: в той области, в которой вы работаете, вы должны уметь находить практически удобную связь между любыми двумя пунктами.
Лучшей организации знаний может способствовать обзор близких друг другу задач. Так, например, первая часть этой книги содержит рассматриваемые с широкой точки зрения задачи, связанные друг с другом общностью метода решения. Мы можем рассматривать также цепочки задач, связанные общностью неизвестного или общностью данных, или какой-то аналогией, и т. д.
Как известно, Евклид написал не только «Начала», но также и несколько других книг. Одна из них, именно «Даннне», содержит обзор различных данных, с помощью которых определяются геометрические объекты. Мне хочется верить, что Евклид написал свои «Данные», чтобы помочь решающему путем составления выборки геометрических сведений, изложенной в легко доступной форме н предназначенной для тех читателей, которые часто задают себе вопрос: при помощи каких данных можно определить подобное неизвестное^
При помощи каких данных можно определить подобное неизвестное^ Придумайте простейшие задачи на нахождение, где неизвестное описывается одной из нижеследующих фраз:
1°. . . . найдите точку Р;
2°. найдите длину отрезка АВ;
3°. . . . найдите площадь треугольника АВС\
4°. . . . найдите объем тетраэдра ABCD.
(Прописные буквы А, В, С, D, Р всюду обозначают точки.)
6. Из какого условия (предпосылки} можно вывести такое заключение^ Перечислите простейшие планиметрические теоремы, заключение которых совпадает с одним из нижеследующих заключений:
1°. . . то AB=EF;
2°то 4ABe=^EFG;
3°. то АВ : CD=EF : GH;
4°. . . ., то АВ<АС,
(Прописные буквы 4, В, С, ... всюду обозначают точки.)
Сведения, относящиеся & рассматриваемому вопросу. Если четырехугольник со сторонами a, b, с, d и площадью S является одновременно вписанным и описанным' (вписанным в одну окружность и описанным около другой), то
S2—abcd.
(Доказательство этого предложения может оказаться легким или трудным в зависимости от того, знаете вы некоторые относящиеся к данному вопросу предложения или не знаете их.)
Аналогия между треугольником u-тетраэдром. Вот пара аналогичных цруг другу задач, одна из которых касается треугольника, а другая — тетраэдра:
впишите окружность в данный треугольник;
впишите сферу в данный тетр аэдр.
Перечислите другие, аналогичные друг другу, пары задач или теорем. Будут ли аналогичными также их решения или доказательства, а если нет, то как они между собой связаны?
Сформулируйте касающуюся треугольников теорему, аналогичную следующей теореме о тетраэдрах:
Отрезок, соединяющий середины двух противоположных ребер тетраэдра, проходит через центр тяжести любого поперечного сеченая, параллельного этим двум ребрам.
Может ли теорема о треугольнике помочь доказать теорему о тетраэдре? Ответьте также на соответствующие вопросы, относящиеся к теоремам, о которых идет речь в упр. 10 и 11.
(Продолжение.) Плоскость, проходящая через середины двух противоположных ребер тетраэдра, делит его объем пополам.
(Продолжение.) Биссектральная плоскость двугранного угла тетраэдра делит противоположное ребро, тетраэдра на отрезки, пропорциональные площадям граней, образующих этот двугранный угол.
Известна ли вам какая-нибудь родственная задача? Решите следующую систему из трех уравнений с неизвестными х, у a z (величины а, b а с даны):
#*+ ##="“ 為 y2*+y2®=bxyz, ^xP+^y2=cxyz.
(Мы имеем здесь систему трех уравнений с тремя неизвестными. Наиболее изученные системы этого рода — линейные системы. Не можете ли вы «линеаризовать» предложенную систему? Мы можем напасть на следующую форму записи:
1 , 1 _ а
у2 十？2 — XyZ '
%2十n2 一 ху2 '
1 .1 С
которая линейна относительно 尤一匕 у-2, г*2 при условии, что (помечтаем...) произведение xyz нам известно. Решение будет иметь вид
14
—5" — и т. д.
炉xyz
—и, таким образом, перед нами открывается новая перспектива (видите ли вы ее?).]
若 13. Вернитесь к определениям, Рассмотрите три окружности f, ff n v с центрами, соответственно,尸，尸'и К Окружности f н『'фиксированы, и переменна, /'ни расположены внутри f, но вне друг друга. Докажите предложение: если переменная окружность v касается обеих фиксированных окружностей f и /\ то геометрическое место ее центров — эллипс.
(Что такое эллипс?) ■
*14. Исследование ближайшей окрестности. Вам понравилась предыдущая задача (упр. 13)? А ее решение вам понравилось? Тогда исследуйте ближайшую окрестность — вы нашли на дереве спелое и вкусное яблоко, но ведь их может быть и несколько. .
Видоизмените вашу задачу, вы можете рассмотреть ее обобщение или ее частные случаи, предельные случаи, аналоги. У вас есть шанс обнаружить нечто интересное и возможность приобрести навык научно-исследовательской работы.
Вам предлагается найти геометрические места точек V, отвечающие следующим видоизменениям в допущениях, касающихся фиксированных окружностей f н f‘ н переменной окружности и.'
1°. Специализация. Окружности f и f концентричны.
2°. Предельный случай, f ——фиксированная прямая и 产——фиксированная окружность (《вне》f, т. е. не пересекающая f); v касается f и f‘.
3°. Аналогия. Две окружности / н f' расположены одна вне другой, а касание V с f a cff имеет одинаковый характер:軍 либо находится вне обеих этих окружностей, либо содержит их обе внутри себя.
4°. Частный случай для 3°. Пусть f a fr — две равные окружности; в остальном же пусть условия п. 3° останутся без изменения.
Рассмотрите еще и другие частные случаи, предельные случаи и аналоги исходной задачи и ее вариантов.
Внимание и действие. 1°. Действительно ли, как это утверждал Декарт (см. эпиграф к настоящей главе), метод всецело состоит в необходимости обращать внимание на в с е элементы, имеющие отношение к рассматриваемому вопросу (поочередно друг за другом и в надлежащей последовательности). Я бы не рискнул утверждать это. Однако несомненно, что значительная часть методической работы решающего состоит в сосредоточении внимания на элементах, имеющих отношение к его задаче (перебирая их последовательно друг за другом), и на их комбинациях.
Вопрос《4то представляет собой неизвестной и совет《Смотрите на неизвестное преследуют одну и ту же цель, заключащуюся в том, чтобы обратить внимание решающего на неизвестное. Работая методически, решающий продвигается вперед, как бы направляемый внутренним голосом:
Смотри на задачу в целом.
Смотри на неизвестное.
Смотри на данные.
Смотри на условие.
Смотри на каждое из данных в отдельности.
Смотри на каждый из пунктов условия в отдельности.
Особенно внимательно смотри на данное, которое еще не использовано.
Особенно внимательно смотри на пункт условия, который еще не использован.
Смотри на комбинацию этих двух данных.
И т. д.
2°. Внимание может положить начало действию. Смотрите на неизвестное} Что представляет собой неизвестное? Как можно найти подобное неизвестное? При помощи каких данных можно определить подобное неизвестное? Знаете ли вы (решали ли вы) задачу с неизвестным такого родб Внимание, обращаемое на неизвестное, побуждает решающего рыться в своей памяти, отыскивая ранее решенные задачи с тем 侬 самым н^изв^стньии. Если этот поиск оказывается
удачным, решающий может пытаться решить свою задачу, продвигаясь от конца к началу (см. гл. 8). - '
Хотя подобный случай (рекурсивная работа, стимулированная вниманием к неизвестному) встречается особенно часто и очень полезен, но и внимание, уделяемое любому другому элементу задачи, может привести к полезным контактам, а следовательно, и к успешным действиям. Так, например, внимание, обращенное н а какой-нибудь термин, содержащийся в формулировке задачи, может потребовать возврата к определению этого термина, а отсюда — к полезному изменению формулировки, к введению в задачу новых полезных элементов.
3°. Обращая внимание последовательно на различные элементы задачи или на различные комбинации этих элементов, решающий надеется обнаружить среди них тот, который открывает доступ к каким-нибудь рациональным действиям, или (еще лучше!) именно тот, который открывает доступ к наиболее рациональным действиям. Он надеется напасть на яркую идею, которая мгновенно укажет ему, что следует предпринять.
Продуктивное мышление, творческое мышление. Мышление можно назвать продуктивным, если оно приводит к решению данной конкретной задачи; мышление можно назвать творческим, если оно создает средства для решения будущих задач. Чем больше число и чем шире разнообразие задач, к которым применимы созданные средства, тем выше творческий уровень мышления.
Иногда работа решающего может быть названа творческой даже и в там случае, если ему не удалось решить задачу —— например, если его усилия привели к открытию способов решения, применимых к другим задачам. Работа решающего может оказаться творческой и косвенно, например, если он оставляет пусть нерешенную, но хорошую задачу, которая, в конце концов, приводит других к плодотворным идеям.
Мне кажется, что греки, оставившие нам задачу о трисекции угла, проделали большую творческую работу, несмотря на то, что они этой задачи не решили, и несмотря на то, что на протяжении протекших с того времени столетий эта задача была источником невероятного количества непродуктивной работы. Заметим, что задача о трисекции угла вскрывает контраст, заключающийся в том, что пополам можно разделить любой отрезок и любой угол, тогда как на три части легко разделить (при помощи циркуля и линейки) только некоторые с п е- ц и а л ь н о подобранные углы (скажем, угол в 90°) ). Идя по этому пути, мы далее встречаемся с задачами о делении угла на 5, 7 и 17 равных частей, связанными с задачами о решении уравнений в радикалах и, в конечном счете, с открытиями Гаусса, Абеля и Галуа, которые привели к созданию теорий, применимых к решению бесчисленного множества задач, о которых греки, начавшие размышлять над задачей о трисекции угла, даже и не подозревали.
И хотя в подобных случаях трудно дать общие предписания w каждый должен 8 них следовать указаниям собственного разума, я попытаюсь все 宛е указать путь начинающим.
Ньютон, Всеоби.ая арифметика, М.,1948,
гтр. 103.
兄 занимался до сих пор решением ряда задач, ибо при изучении наук, примеры полезнее правил.
'Ньютон, Там же, стр. 243.
Правила бывают разными
По мере того как работа решающего движется вперед, внешний вид задачи непрерывно меняется. На каждом новом этапе решающий встречается с новой ситуацией и снова перед ним встает вопрос о выборе правильного промежуточного решения: как следует поступить в данной ситуации, каким должен быть ближайший шаг? Если он владеет совершенным методом, непогрешимой стратегией решения задач, то он может выбрать следующий шаг при помощи одних лишь рассуждений, исходя из существующей ситуации и руководствуясь строгими законами. Однако универсального и непогрешимого метода решения задач, к сожалению, не существует: строгие правила, приложимые к любым ситуациям, пока не найдены и, по всей вероятности, не будут найдены никогда.
Но правила могут иметь различный характер. Правила поведения, принципы, афоризмы и указания часто бывают достаточно полезными, ни в коей мере не являясь столь же строгими, как правила математики или логики. Математический закон напоминает «длину без ширины», разделяющую черное и белое. Однако существуют и вполне разумные правила, которые оставляют некоторую свободу, известное пространство для последующих маневров; здесь нет резкой разграничительной линии, а иногда нет ни черного, ни белого, а имеются лишь разные оттенки серого.
По-видимому, должны существовать установки, способы мышления, умственные навыки, полезные во многих ситуациях, возникающих при решении задач, а возможно, и в большинстве таких ситуаций. Как бы то ни было, примеры и рассуждения, которыми были заполнены предыдущие главы, как будто говорят в пользу .существования таких установок. Поэтому нам не следует спрашивать:
«Существуют ли законы эвристики, т. е. точные правила, которых необходимо придерживаться для того, чтобы что-либо открыть?». Вопрос нужно ставить иначе, возможно, так: «Существуют ли какие-то принципы или афоризмы, выражающие установки, полезные для решения задач?».
Рациональность
Мы называем действие или суждение рациональным, если оно основано на ясных, обозримых доводах, а не возникает из таких туманных источников, как привычка, малоподдающиеся точному исследованию впечатления, ощущения или «вдохновение». Утверждение, которое мы возводим в ранг математической теоремы после кропотливого и критического изучения его доказательства,— вот прототип рационального суждения. С известной точки зрения главная польза изучения математических доказательств состоит в том, что они ближе всего подводят нас к той идеальной рационалистической манере мыслить, которая более всего приличествует человеку, homo sapiens, «разумному существу».
Неясно, однако, в чем именно должна заключаться рациональность действий решающего. Рассмотрим его затруднения несколько более конкретно, воображая себе для этого какую-нибудь часто возникающую, типичную ситуацию. Во время работы решающего над задачей А выяснилось, что она связана с другой задачей Б. Изучение этой последней, возможно, приблизит его к цели, т. е. к решению исходной задачи А. Но изучение задачи Б может оказаться и бесплодной потерей времени и сил. Таким образом, решающий стоит перед необходимостью выбора: следует ли ему продолжить работу над задачей А, игнорируя ее родство с задачей Б, или, напротив, отложив на время изучение первоначальной задачи А, переключиться на изучение новой задачи Б? Возникшая перед ним дилемма состоит в том, что он не знает, следует или не следует, анализируя задачу А, ввести в качестве вспомогательной или промежуточной задачи задачу Б. Какие он имеет основания признать принятое им на этот счет решение рациональным?
Одна из важнейших выгод, которую решающий может получить от задачи Б, заключается в том, что работа над ней может расшевелить его память и извлечь на поверхность элементы, полезные для решения первоначальной задачи А. Как велики шансы на то, что работа над задачей Б даст желаемый эффект? Оценить их, основываясь только на строгих «рациональных» аргументах, как будто невозможно; решающему приходится здесь в какой-то степени полагаться на свои смутные ощущения.
Однако некоторые рациональные доводы за или против привлечения задачи Б в качестве вспомогательной могут существовать;
некоторые из них мн рассмотрели в гл. 9. Как может решающий учесть оба эти фактора, т. е. и смутные, явно субъективные ощущения и строгие объективные соображения? Возможно, что ему следует (и подобная процедура будет, по-видимому, наиболее разумной!) в течение некоторого времени внимательно проанализировать отчетливо сформировавшиеся доводы, а затем, перед принятием окончательного решения, не доверяя этим соображениям полностью, обратиться и к своей интуиции, к смутным и неаргументированным ощущениям. Практика показывает, что имеются хорошие шансы на то, что предварительное продумывание строго формулируемых соображений может оказать благотворное влияние на его интуицию, на смутные его ощущения,——и описанный образ действий, видимо, надо считать наиболее рациональным.
Как бы там ни было, решающий должен научиться сохранять равновесие между смутными ощущениями и ясными доводами. Возможно, что это — самое важное из того, чему он должен научиться. Мне кажется, что главное правило, которым здесь должен руководствоваться решающий, можно выразить так:
Никогда не идите наперекор своим ощущениям, но старайтесь также трезво взвесить все аргументы за и против ваших планов.
Экономия, но без предвзятости
Стремление быть экономным не требует пояснений. Каждому понятно ваше желание сберечь свои активы, затратить как можно меньше времени, сил и денег при выполнении задания. Самым важным из ваших активов, видимо, является разум, и сбережение умственных усилий, вероятно, самый важный вид экономии. Не делайте при помощи большего то, что можно сделать при помощи меньшего. Это ——основной принцип экономии; мы встречаемся с ним в процессе решения задач, когда пытаемся получить решение, затратив возможно меньше вспомогательных материалов.
Конечно, прежде всего надо тщательно исследовать саму задачу и непосредственно связанные с ней материалы: естественно начать с попыток отыскания возможности решения задачи без привлечения вспомогательных средств. Если же такой возможности обнаружить не удается, то приступают к изучению материалов, которые связаны с задачей менее непосредственно, но все же близки ей. Если и здесь не находится ничего полезного, то можно перейти к более далеким деталям, однако,——и это является общим принципом, которого желательно придерживаться,— пока есть хоть какая-нибудь надежда решить предложенную задачу, отправляясь от более близких объектов, мы внутренне сопротивляемся тому, чтобы тратить время и усилия на объекты, лежащие от задачи
сравнительно далеко. Эта разновидность разумной экономии может быть выражена следующим афоризмом:■
Держитесь к задаче возможно ближе.
При этом мы, конечно, не можем предвидеть, насколько нам придется отойти от материала, непосредственно связанного с задачей. Высшее существо, владеющее совершенным методом, могло бы с уверенностью предсказать протяженность маршрута, который ему придется проделать, чтобы собрать материалы, необходимые для решения задачи,—— но мы этого сделать не можем. В согласии с принципом экономии мы сначала изучаем собственно задачу; если это окажется недостаточным, то исследуем ближайшую ее окрестность. Если же и этого окажется мало, то нам придется продвинуться дальше. Тому, кто настроился решить задачу любой ценой, возможно, и в самом деле придется уплатить очень высокую цену; как бы то ни было, вы не можете заранее ограничивать свои расходы. Настойчивый решающий должен придерживаться принципа отказа от ограничений, дополняющего принцип экономии:
...но будьте готовы отойти от задачи настолько далеко, насколько вас вынуждают обстоятельства.
Настойчивость, но н гибкость
«Гений — это терпение».
«Гений — это один процент вдохновения и девяносто девять процентов пота» ).
Одно из этих высказываний принадлежит Бюффону ), другое —Эдисону; оба они передают одну и ту же мысль: человек, хорошо решающий задачи, должен быть настойчивым, он должен оставаться верным своей цели, не должен сдаваться преждевременно.
Однако то, что верно для целого, может быть не вполне верным для части целого. Изучая какую-нибудь деталь или какой-либо аспект задачи, решающий, конечно, должен быть настойчив и не должен сдаваться слишком скоро; однако при этом он должен уметь также оценивать свои перспективы и не упорствовать в выжимании апельсина, ранее уже выжатого досуха. ■
Не бросайте изучаемого вопроса, пока не иссякла надежда на появление какой-нибудь плодотворной мысли.
Работа решающего — это в значительной степени работа по мобилизации всех ресурсов; ему все время приходится извлекать из памяти новые и новые объекты, необходимые для решения задачи. Нужный объект может быть связан с некоторой определенной де
талью или аспектом задачи теснее, чем с другими аспектами или деталями, и благодаря именно этой детали (или аспекту) легче приходит на память. Однако решающий не знает наперед, какая именно деталь или какой именно аспект задачи приведет его ближе к цели. Поэтому ему не остается ничего другого, как рассматривать множество аспектов или деталей, и среди них в первую очередь все самые важные и самые перспективные.
Чтобы обойти обширную территорию без потерь времени, решающий не должен слишком долго задерживаться на одном и том же месте или слишком быстро возвращаться к нему. Его поиски должны быть разносторонними, на каждом этапе решающий должен стараться увидеть что-то новое: новую деталь, или новую комбинацию уже изученных деталей, или, наконец, уже рассмотренные детали и их комбинации в новом свете. Цель при этом, конечно, состоит в том, чтобы увидеть в новом более обещающем свете всю задачу в целом.
Выражаясь кратко, можно сказать, что необходимым дополнением настойчивости является гибкость. Выше мы утверждали, что при изучении различных вопросов следует проявлять настойчивость.
...но на каждом этапе работы старайтесь охватить с也с не затронутый участок и почерпнуть полезную мысль из того, что вам не пришлось еще исследовать.
Наиболее очевидная опасность, о которой предупреждает этот афоризм,一 это отсутствие гибкости и вследствие этого попадание в рутинную колею, т. е. повторение одного и того же приема снова и снова, без всяких перемен и без какого бы то ни было продвижения вперед ).
Правила предпочтения
Если к одной и той же задаче имеются два подхода, кажущихся одинаково перспективными во всех отношениях, за исключением того, что один из них, по-видимому, легче другого, то естественно сперва испробовать более легкий подход. Мы усматриваем здесь (почти тривиальное) правило предпочтения, которое можно сформулировать так:
Более легкое предваряет более трудное.
Однако подобная формулировка делает это утверждение неполным. Нам следовало бы добавить к нему в качестве ограничения или оговорки слова «ceteris paribus» 一 «при прочих равных условиях». Заметим по этому поводу, что, хотя это существенное ограничение и не высказано нами явно, оно должно подразум е-
в а т ь с я и здесь и во всех последующих, аналогично формулируемых, правилах предпочтения. Ниже приводятся еще два столь же очевидных правила этого рода:
Более знакомое предваряет менее знакомое.
Объект, имеющий больше точек соприкосновения с рассматриваемой задачей, предваряет объект, имеющий меньше таких точек.
Эти правила очевидны; однако их применение может оказаться и не столь очевидным. Ограничение《ceteris paribus», особенно, если оно только подразумевается, а не выражено явно, может потребовать от решающего большого искусства.
Имеются и другие менее очевидные, не столь общие и более специфические правила предпочтения. Чтобы изучить их упорядоченным образом, надо предварительно классифицировать объекты, к которым они относятся. Вот одна из таких классификаций, может быть и неполная, но такая, что под нее довольно естественно подпадает большинство заслуживающих внимания случаев:
Г. Части задачи.
2ОЗОВ2ОЗОВ.Полезные сведения.
2ОЗОВ
2ОЗОВ
.Вспомогательные задачи.
трех ближайших параграфах мы рассмотрим правила пред
почтения, соответствующие этой классификации.
Части задачи
Приступая к решению задачи, вы еще не знаете, какие из ее деталей окажутся наиболее важными. Возникающая отсюда опасность состоит в том, что можно слишком увлечься какой-либо маловажной деталью, после чего от нее трудно будет отойти. Поэтому начинайте с изучения задачи в целом, не отвлекайтесь деталями, предоставьте задаче, понимаемой как единая постройка, занимать ваши мысли до тех пор, пока вы полностью не разберетесь в сути дела, не поймете стоящей перед вами цели.
Целое предваряет части целого.
Когда у вас создастся впечатление, что изучение задачи в целом больше не приносит пользы, и вы найдете нужным перейти к более детальным рассмотрениям, заметьте, что существует нечто вроде иерархии деталей. К высшей категории, ближайшей к «стержню» задачи, относятся главные части. [Как уже говорилось, условие (предпосылка) и заключение являются главными частями задачи на доказательство, а неизвестное, данные и условие — главными частями задачи на нахождение.] Естественно начинать подробное изучение задачи с главных частей. Вы должны не престо видеть, а предельно ясно видеть, в чем состоят желаемое заключение и предпосылка, из которой оно должно следовать, или же
искомое неизвестное, имеющиеся в распоряжении данные и условие, связывающее данные с неизвестным.
Главные части предваряют прочие части.
Та или другая из главных частей может подразделяться: предпосылка может состоять из нескольких утверждений, условие —— из нескольких пунктов; неизвестное может быть составным, включающим несколько компонент; данных может быть несколько, хотя при первоначальном изучении вы и рассматривали их как одно целое. Вслед за главными частями вашего внимания заслуживают части, на которые они подразделяются: можно изучать в отдельности каждое из данных, каждое из неизвестных, каждый из пунктов условия, каждое из предположений в предпосылке, каждое из утверждений в заключении. Все прочие детали задачи можно считать более удаленными от ее стержня, чем главные части, которые составляют высшую категорию, и чем их подразделения, которые составляют следующую категорию. Среди более удаленных частей также может существовать старшинство. (Так, например, если некоторое понятие А входит в формулировку теоремы, а другое понятие Б ——в определение понятия А, то, очевидно, Б дальше отстоит от стержня задачи, чем А.) Старайтесь не отдаляться от стержня задачи дальше, чем это необходимо. Пргг прочих равных условиях (эту оговорку мы всегда делаем) у вас больше шансов применить с пользой более близкую к стержню задачи часть, чем более далекую.•
Более близкие части предваряют более далекие.
Полезные сведения
Как мы уже неоднократно упоминали, одним из самых важных действий (возможно, самым важным действием) решающего являются мобилизация необходимых элементов из своего запаса знаний и увязка их с элементами задачи. Эта работа может вестись им «изнутри» и «извне». Он может раскрывать задачу, добросовестно исследовать различные ее части в надежде, что такое исследование поможет извлечь какие-нибудь полезные сведения, оставаясь при этом внутри задачи; но он может подходить к своей задаче также извне, странствуя по различным областям накопленных им знаний и выискивая там полезные сведения. В предыдущем параграфе мы наблюдали за решающим, действовавшим изнутри, а сейчас мы собираемся проследить за тем, как он будет работать, собираясь подходить к задаче извне.
--Каждый элемент знания или опыта, полученный нами в прошлом, может быть полезным для решения данной конкретной задачи; однако ясно, что невозможно пункт за пунктом обозреть все имеющиеся у нас знания и воскресить в памяти весь наш прошлый
опыт. Даже если перед нами математическая задача и речь идет только о той сравнительно ясной и хорошо упорядоченной области знаний, которая складывается из ранее решенных задач и ранее доказанных теорем, относящихся к одной определенной ветви математики, то и здесь невозможно предпринять изучение всего относящегося к задаче материала, рассматривая друг за другом каждый объект. Нам приходится себя ограничивать, выбирать такие пункты, которые имеют больше всего шансов оказаться полезными.
Рассмотрим последовательно задачи на нахождение и задачи на доказательство.
Перед нами задача на доказательство. Мы только что рассмотрели ее главные части: неизвестное, данные и условие — и вот теперь роемся в памяти в поисках какой-нибудь ранее решенной задачи, которая могла бы оказаться полезной. Естественно иметь при этом в виду такую задачу, у которой есть что-нибудь общее с рассматриваемой задачей, например, неизвестное или одно из неизвестных, вся совокупность данных или какое-нибудь одно из них, некоторое существенно входящее понятие, и т. д. Имеется вероятность ——большая или меньшая,— что любая такая ранее решенная задача может оказаться полезной, но перебрать их все мы не в состоянии. Однако среди всех возможных точек соприкосновения между рассматриваемой и ранее решенной задачами имеется такая, которая заслуживает большего внимания, чем остальные,——это неизвестное. (Особенно нужно стремиться использовать какую-нибудь ранее решенную задачу с таким же неизвестным, как и у данной, чтобы использовать ее в качестве отправного пункта для развертывания решения в обратном направлении или для работы от конца к началу; см. гл. 8.) Конечно, в некоторых специальных случаях, можно предпочесть другие контакты, но, вообще говоря, a priori, при прочих равных условиях, прежде всего смотрите на неизвестное 】).
Ранее решенные задач и с тем же неизвестным, что и в рассматриваемой задаче, предваряют прочие ранее решенные задачи. Если не удается найти близкую ранее решенную задачу с тем же неизвестным, как и в данной задаче, можно пытаться отыскать задачу с родственным неизвестным — и эти задачи обладают высоким приоритетом, хотя и не наивысшим.
В случае задачи на доказательство ситуация аналогична. Роясь в своей памяти в поисках какой-нибудь полезной ранее доказанной теоремы, прежде всего смотрите на заключение.
Ранее доказанные теоремы с тем же заключением, что и в теореме, которую мы собираемся доказать, предваряют прочие ра* нее доказанные теоремы.
Ср. КРЗ, Рассмотрите неизвестное, стр. 166—171.
Следующая «наилучшая» теорема после ранее доказанной теоремы с тем же заключением, что и у доказываемой,——это теорема с родственным заключением.
Вспомогательные задачи
Один из наиболее критических моментов, с которым сталкивается решающий при решении задач,——это выбор подходящей вспомогательной задачи. Он может искать такую задачу, двигаясь изнутри или же извне стоящей перед ним задачи, или (что часто оказывается наиболее разумной процедурой) двигаясь попеременно то изнутри, то извне. Определенные типы вспомогательных задач, при прочих равных условиях, имеют больше шансов быть полезными, чем другие.
Вспомогательная задача может продвинуть решение предложенной задачи неисчерпаемым множеством способов; она может, например, оказать существенную (так сказать, материальную) помощь, методическую помощь, может иметь стимулирующее влияние, служить руководством или примером, или всего лишь доставить решающему полезную практику. Однако, какой бы вид помощи мы ни искали, a priori имеется больше шансов получить ее от вспомогательной задачи, более непосредственно или тесно связанной с рассматриваемой задачей, чем от задачи, связанной с ней менее тесно.
Задачи, эквивалентные предложенной задаче, предваряют другие задачи, сводимые к данной или охватывающие данную, а зпш последние предваряют все прочие задачи.
Это же обстоятельство можно выразить другими словами:
Двусторонняя редукция предваряет одностороннюю редукцию, последняя же предваряет другие менее тесные связи (см. гл. 9).
Резюме
Рациональность. Никогда не идите наперекор своим ощущениям, но старайтесь также трезво взвесить все аргументы за " против ваших планов.
Экономия, но без предвзятости. Держитесь к задаче возможно ближе, но будьте готовы отойти от задачи настолько далеко, насколько вас вынуждают обстоятельства.
Настойчивость, но и гибкость. Не бросайте изучаемого вопроса, пока &е иссякла надежда на появление какой- нибудь плодотворной мысли, но на каждом этапе работы старайтесь охватить еще не затронутый участок и почерпнуть полезную мысль из тосо, что вам не пришлось е呼 исследовать. ,
Правила пре д п о ч т е н и я.
Более легкое предваряет более трудное.
Более знакомое предваряет менее знакомое.
Объект, имеющий больше точек соприкосновения с рассматриваемой задачей, предваряет объект, имеющий меньше таких точек.
Целое предваряет части целого. Главные части предваряют прочие части. Более близкие части предваряют более далекие.
Ранее решенные задачи с тем же неизвестным, что и в рассматриваемой задаче, предваряют прочие ранее решенные задачи. Ранее доказанные теоремы с тем же заключением, что и в теореме, которую мы собираемся доказать, предваряют прочие ранее доказанные теоремы.
Задачи, эквивалентные предложенной задаче, предваряют другие задачи, сводимые к данной или охватывающие данную, а эти последние преббаряют все прочие задачи. Или: двусторонняя редукция предваряет одностороннюю редукцию, последняя же предваряет другие менее тесные связи.
Ко всем правилам предпочтения не забывайте мысленно добавлять: ПРИ ПРОЧИХ РАВНЫХ УСЛОВИЯХ.
Упражнения и дополнительные замечания к главе 13
Одаренный человек, специалист 〃 начинающий. Одаренный человек действует в согласии с правилами, даже не подозревая об их существовании. Специалист действует в согласии с правилами, не задумываясь над этим; однако при случае он всегда может сослаться на нужное правило, регулирующее его поведение. Начинающий же, стараясь применить некоторое правило, тщательно оценивает его, исходя из своего предшествующего (небольшого) опыта.
Конечно, все сказанное нё ново. Святой Августин ) сказал об ораторах и о правилах риторики: «Они красноречивы, ибо придерживаются правил; они лишены красноречия, ибо придерживаются правил».
О плодах 〃 планах ). Стоит ли срывать этот плод? Достаточно ли он для этого созрел? Конечно, если оставить его на дереве, он, может быть, еще дозреет и станет еще вкуснее..С другой стороны, оставаясь на дереве, он может быть съеден птицами илн уничтожен насекомыми, сорван ветром или сбит соседскими мальчишками,— наконец, я не могу предсказать все случаи, в каких он будет испорчен или уничтожен. Стоит ли оставить его на дереве? Или он уже имеет достаточно хороший цвет, форму, запах, достаточно мягок и достаточно привлекателен внешне?
Цвет, форма и запах, внешний вид и мягкость, вообще говоря, кое-что говорят о вкусе плода, но они ие гарантируют его качества. Когда я осматриваю выросший в моем саду плод, я могу оценить его по этим признакам достаточно надежно, по крайней мере так я считаю. Если же плод мне мало знаком, оценка, конечно, будет гораздо более приблизительной. Как бы то ни было, оценку вкуса
плода по его внешнему виду едва ли можно признать «вполне объективной». Подобные оценки в значительной мере зависят от личного опыта, который вряд ли можно оценить с полной объективностью и который редко бывает связан с аргументами, убедительными для всех.
Стоит ли предпринимать этот шаг? Достаточно ли созрел план, чтобы его стоило проводить в жизнь? Конечно, полной уверенности в том, что принятый нами план даст желаемый эффект, нет. Если бы поразмышлять над ним побольше» то можно было 6rii лучше оценить его перспективы. Но, с другой стороны, рано или поздно, что-нибудь предпринимать надо, а сейчас придумать более надежного плана я не могу. Следует ли приступить к реализации этого плана немедленно? Достаточно ли он перспективен?
Как при сборе плодов, так и при реализации планов у нас могут накопиться определенные соображения, но окончательное решение вряд ли будет продиктовано одними только доводами рассудка. Наша оценка вероятности того, что вкус плода или сложившаяся в процессе решения задачи ситуация достаточно благоприятны, зависит от субъективных ощущений, которые невозможно проанализировать до конца. ■
Стиль работы. Каждый, пытающийся формулировать правила эвристики, должен исходить из того, что разные люди решают задачи по-разному. Каждое лицо, хорошо решающее задачи, имеет свой собственный стиль.
Попробуем сравнить двух решающих, одного со складом ума инженера, другого со складом ума физика. Пытаясь решить одну и ту же задачу, они работают по-разному, поскольку главными для них являются разные стороны дела. Инженер ищет ясное, короткое, эффективное решение («наименее расточительное», 《сам^е рациональное» решение). Физик же стремится найти общий принцип, на котором зиждется решение. Инженер больше склоняется к «продуктивному мышлению», физик же—к «творческому» (см. дополн. замечание 16 к гл. 12). Именно поэтому, преследуя одну и ту же цель, они отдают предпочтение различным средствам.
Рассмотрим несколько более конкретный пример. Допустим, что к задаче, которую пытаются решить инженер и физик, существуют два подхода. С одной стороны, рассматриваемая задача обнаруживает некоторое сходство с ранее решенной задачей А. С другой стороны, эта задача, по-видимому, поддается процедуре, продиктованной общим методом Б. Между этими двумя подходами А и Б нужно сделать выбор. Я склонен думать, что при указанных обстоятельствах (считая прочие условия равными) инженер предпочтет исходить из конкретной задачи А, а физик — из общих соображений Б.
Этот пример приводит нас к общему утверждению о том, что стиль работы решающего, по существу, заключается в избранной нм системе предпочтений или приоритетов. К правилам предпочтения, резюмированным в § 9, решающий может добавить еще некоторые (скажем такое: «Общие методы предваряют отдельные факты» ——илн обратное ему). Более того, он может придавать одним правилам больше значения, чем другим («В сложной ситуации правило X обладает большим весом, чем правило У》).
ГЛАВА 14
ОБ УЧЕНИИ, ПРЕПОДАВАНИИ И ОБУЧЕНИИ ПРЕПОДАВАНИЮ
То, что 8Е были вынуждены открыть сами, оставляет в вашем уме дорожку, которой вы можете снова воспользоваться, когда в этом возникнет необходимость.
Г. Лихтенберг. Aphorismen, Berlin, 1902—1906.
Всякое человеческое познание начинает с созерцаний, переходит от них к понятиям и заканчивает идеями,
И. К а н т, Критика чистого разума, Соч., т, 3, М., 1964, стр. 591.
Н старался писать так, чтобы изучающий всегда мог видеть внутреннюю основу изучаемых им ее晔近， чтобы он мог обнаружить источник открытия 〃, следовательно, во всем разобраться тек, как если бы он зт。придумал сам.
.Г. Лейбниц, MathemaHsche Schriften, т. VII,
стр. 9 (см. [4]).
Преподавание — не наука i)
Я поделюсь с вами некоторыми своими взглядами на процесс обучения, искусство преподавания и обучения преподаванию.
Эти взгляды являются результатом многолетнего опыта. Вообще говоря, высказывание личных взглядов не всегда уместно,一 я бы не рискнул отнимать у вас время, если бы преподавание полностью регулировалось научными фактами и теориями. Однако на самом деле это не так. По моему мнению, преподавание не является также и всего лишь ветвью практической психологии, по крайней мере в настоящее время.
Преподавание находится в определенной связи с учением. Экспериментальное и теоретическое исследование процесса изучения (приобретения новых знаний) является широкой и интенсивно развивающейся ветвью психологии. Однако сейчас я имею в виду другое. Мы будем заниматься здесь главным образом сложными процессами обучения, подобными обучению алгебре или обучению методике математики, сопряженными с длительными педагогиче-
г)§§ 1——7 настоящей главы представляют^собой речь, произнесенную автором на 46-м ежегодном собрании Математической ассоциации США в Беркли; они были опубликованы ранее (см, работу [28] в Библиографии).
скими эффектами. Психология же занимается в основном кратковременными, упрощенными ситуациями и уделяет этому почти все внимание. Таким образом, психология может подсказать нам нечто интересное, но это будут лишь намеки на решение занимающих нас проблем, не претендующие на вынесение окончательного суждения 1).
Цель обучения
Мы не можем оценить действия учителя, если не знаем стоящей перед ним цели. Мы не можем осмысленно обсуждать процесс обучения, пока не достигнем известного согласия относительно того, что является целью обучения.
Мне хочется быть более конкретным. Я имею здесь в виду преподавание математики в объеме курса средней школы и одну старомодную идею о том, какой должна быть эта цель: прежде всего ——и это бесспорно самое главное —— нужно научить молодежь ДУМАТЬ.
Это мое твердое убеждение; вы можете не разделять его полностью, но я полагаю, что хотя бы частично вы с ним согласны. Если вы не считаете воспитание мыслительных способностей первоочередной целью курса математики средней школы, то вы, быть может, считаете эту цель вторичной —— даже и в этом случае у нас найдется достаточно точек соприкосновения для плодотворности дальнейших дискуссий.
Лозунг «Учить думать» означает, что учитель математики должен не только служить источником информации, но обязан также стараться развивать способности учащихся по использованию этой информации; он должен развивать у своих учеников умение думать, относящиеся сюда навыки, определенный склад ума. Эта цель, возможно, нуждается в более подробном разъяснении (все мои печатные работы, посвященные вопросам преподавания, могут рассматриваться как такое разъяснение); здесь, однако, достаточно подчеркнуть лишь два момента.
Во-первых, размышления, о которых мы здесь говорим,—— это не досужие вымыслы, а «целенаправленные раздумья», или «волевые раздумья» (Уильям Джеймс )), или «продуктивные раздумья» (Макс Вертхеймер )). Такие «размышления» можно отождествить, по крайней мере в первом приближении, с «решением задач». И я
Ср. стр. 485—490 книги Е. R. Н i 1 g а г d, Theories of Learning, 2-е изд.. New York, 1956.
считаю, что одна из важнейших целей курса математики в средней школе заключается в развитии у учащихся умения решать задачи.
Во-вторых, математическое мышление нельзя считать чисто «формальным» ——оно не базируется на одних лишь аксиомах, определениях и строгих доказательствах, а включает в себя, помимо этого, и многое другое: обобщение рассмотренных случаев, применение индукции, использование аналогии, раскрытие или выделение математического содержания в какой-то конкретной ситуации. Учитель математики имеет много подходящих случаев познакомить своих учеников с этими чрезвычайно важными «неформальными» стадиями мыслительного процесса, и мне кажется, что ему следовало бы использовать эти случаи шире, много шире, чем он это делает в настоящее время. Выражая ту же самую мысль в сжатом, хотя и неполном ваде, можно сказать: нужно всеми средствами обучать искусству доказывать, не забывая при этом также и об искусстве догадываться.
Преподавание — это искусство
Преподавание — не наука, а искусство. Это мнение высказывалось столькими людьми и столько раз, что я даже чувствую себя неловко, повторяя его. Однако если мы оставим довольно избитые обобщения и перейдем к конкретным деталям, то этот избитый афоризм позволит нам рельефно осветить некоторые встречающиеся в нашей профессии приемы.
Преподавание, очевидно, имеет много общего с театральным искусством. Допустим,-вам нужно продемонстрировать своему классу доказательство, которое вы отлично знаете, так как много раз излагали его в прошлые годы, ведя тот же самый предмет. Вас, конечно, это доказательство уже не может интересовать, но, пожалуйста, не показывайте этого классу: если класс заметит, что вам скучно, то сразу станет скучно и всем. Приступая к доказательству, старайтесь казаться заинтересованным, в ходе доказательства не упускайте возможности обратить внимание учащихся на интересные идеи; закончив доказательство, старайтесь казаться немного удивленным и дайте учащимся возможность заметить ваше приподнятое настроение. Вы должны давать небольшое представление в интересах тех учащихся, которым может больше дать ваше отношение к рассматриваемому вопросу, чем сама его суть.
Должен признаться, что я нахожу удовольствие в таких сценках, особенно теперь, когда я уже стар и очень редко открываю в математике что-нибудь новое: мне может доставить маленькое менной западной философии направлением частично перекликается идущее от французской школы Н. Бурбаки представление о' математике как учении об определенных «математических структурах».]
удовлетворение спектакль, в котором я разыгрываю сцены, имитирующие открытие той или другой детали в прошлом.
Преподавание — хоть это и меньше заметно — имеет также нечто общее с музыкой). Вы, конечно, знаете, что учителю зачастую приходится говорить об одной и той же вещи не раз и не два, а три раза, четыре раза, пять раз, . . . Однако многократное, без перерыва и без изменений интонации, повторение одной и той же сентенции может отвратить слушателя от рассказываемого и тем самым повредить той цели, ради которой вы повторяетесь. Поучитесь у композиторов, как это делать лучше! Одной из важнейших музыкальных форм является «тема с вариациями». Перенося эту музыкальную., форму в педагогику, вы начнете с изложения вашей сентенции в ее простейшем виде; во второй раз вы повторите ее с небольшим изменением; в третий раз — добавите новые, более яркие краски и т. д. Заканчивая, вы можете вернуться к первоначальной простой формулировке. Другой важной музыкальной формой является «рондо». Перенося и эту музыкальную форму в педагогику, вы повторяете вашу основную мысль несколько раз с небольшими изменениями или вовсе без изменений; однако при этом между повторениями включаете соответственным образом подобранный иллюстративный материал. Я надеюсь, что, слушая в следующий раз тему с вариациями Бетховена или рондо Моцарта, вы немного подумаете и над проблемами методики преподавания...
Временами преподавание может приближаться к поэзии, а иногда —к цинизму. Позвольте рассказать вам маленькую историю о великом Эйнштейне. Однажды я присутствовал при беседе Эйнштейна с группой физиков. «Почему все электроны имеют одинаковый заряд? — переспросил Эйнштейн.— Ну, хорошо, а почему все козьи орешки имеют одинаковый размер?» Как мог позволить себе Эйнштейн так говорить? Только для того, чтобы шокировать нескольких снобов? Не думаю, чтобы такова была его цель. Вероятно, основания здесь более глубоки. Я думаю, что подслушанное мною замечание было не совсем случайно. Как бы там ни было, для себя я из него кое-что извлек: абстракции хороши, но используйте все средства, чтобы сделать их более осязаемыми. Пусть ничто не будет слишком хорошим или слишком плохим, слишком поэтичным или слишком низменным для того, чтобы прояснить ваши абстрактные построения. Монтень сказал: «Правда — настолько великая вещь, что мы не должны пренебрегать ничем, что ведет к ней». Поэтому, если чутье подсказывает вам, что уместно предстать перед классом немного поэтом или чуть-чуть циником,— не отказывайтесь от этого из ложно понимаемой сдержанности.
Три принципа изучения
Преподавание — это ремесло, и как каждое ремесло оно владеет массой приемов и хитростей. У каждого хорошего учителя имеются свои приемы, и этим каждый хороший учитель отличается от любого другого хорошего учителя.
Каждый эффективный прием обучения должен соответствовать определенному способу изучения. Мы не слишком много знаем о том, как протекает процесс изучения,— но даже самый грубый набросок некоторых его очевидных черт может пролить желанный свет на уловки преподавателя. Позвольте мне представить вам этот грубый набросок в виде трех «принципов» изучения. Формулировка их, равно как и выбор этих принципов, принадлежат мне; однако сами по себе эти принципы никоим образом не новы. Они многократно формулировались ранее в самых различных видах, они порождены многовековым опытом, подтверждены суждениями великих людей и, кроме того, продиктованы исследованием психологической стороны процесса изучения.
Эти «принципы изучения» могут рассматриваться также и как «принципы обучения» — последнее является главным аргументом в пользу того, чтобы разобрать их здесь; однако более подробно я скажу об этом позже.
Г. Активное изучение. Часто и по-разному говорилось, что изучение должно быть активным, а не пассивным или рецептивным, т. е. основанным на одном лишь восприятии; ограничиваясь чтением книг, слушанием лекций или просмотром кинокартин, не сопровождаемыми активной деятельностью собственного интеллекта, вы вряд ли сможете изучить что-нибудь и заведомо не сможете изучить много.
Существует еще одно часто формулируемое (и близкое к вышесказанному) мнение: Лучший способ изучить что-либо ——это открыть самому. Лихтенберг (немецкий физик 18-го столетия, более известный как составитель афоризмов) добавляет сюда интересный штрих: То, что вы были принуждены открыть сами, оставляет 6 вашем уме дорожкуу которой вы сможете снова воспользоваться, когда 6 том возникнет необходимость. Менее красочна, но, возможно, более широко применима следующая формулировка: Для того чтобы изучение было наиболее эффективным, учащийся должен самостоятельно открыть настолько большую часть изучаемого материала, насколько это 6 данных обстоятельстшк возможно.
В этом заключается принцип активного изучения (Principle of active learning, Arbeitsprinzip). Этот принцип очень стар, он лежит в основе идеи «метода Сократа».
2°. Наилучший стимул. Мы говорили, что изучение должно быть активным; однако учащийся не будет проявлять активности,
если у него для этого нет причины. Он должен быть побуждаем к умственной активности каким-нибудь стимулом, например надеждой на получение награды. Однако самым хорошим стимулом для учения является интерес, который вызывает у учащегося изучаемый материал, а лучшей наградой за интенсивную умственную деятельность ——наслаждение, доставляемое такой деятельностью. Если же у нас этого самого лучшего нет — ну что же, тогда нужно стараться заменить его чем-нибудь хорошим или даже только достаточно хорошим: не следует забывать и о других стимулах к изучению, помимо чисто внутренних.
Для эффективности изучения учащийся должен интересоваться изучаемым материалом, находить удовольствие 6 самом процессе изучения. Однако помимо этих самых хороших стимулов к изучению имеются и другие, часть которых можно считать желательными. (Наказание за нежелание учиться — возможно, худший из применяемых методов стимулирования работы учащегося.)
Назовем это утверждение принципом наилучшего стимула.
3°. Последовательность фаз изучения. Начнем с часто цитируемого изречения Канта: «Всякое человеческое познание начинает с созерцаний, переходит от них к понятиям и заканчивает идеями》. В русском переводе этой фразы употребляются термины: «созерцание», «понятие», «идея». Я не в состоянии (в состоянии ли это сделать кто-нибудь другой?) расшифровать точный смысл, который Кант вкладывает в эти термины; однако я прошу вашего разрешения изложить здесь свое понимание знаменитого афоризма Канта:
Изучение начинается с действия и восприятия, переходит от них к словам и понятиям и должно заканчиваться выработкой каких-то новых особенностей умственного склада.
Для начала рассматривайте, пожалуйста, термины, входящие в мое толкование этого афоризма, в том смысле, который вы в состоянии проиллюстрировать примерами из собственного опыта. (Побудить вас вспомнить о собственном опыте ——одна из целей, к которой я стремлюсь.) «Изучение» должно напомнить вам класс, в котором вы находились в качестве учащегося или учителя. «Действие и восприятие» должно вызвать у вас представление о работе с какими-либо конкретными предметами — камушками или яблоками, циркулем и линейкой, лабораторными приборами и т. д.—— и о наблюдениях над этими предметами.
Такая конкретная интерпретация терминов возникает легко и естественно, когда мы думаем о каких-нибудь простых, элементарных вещах. Однако со временем можно научиться выделять подобные фазы и при работе над более сложным материалом. Условимся отличать три фазы работы: фаза исслеОования, фаза формализации и фаза усвоения. ,
Первая ——фаза исследования — наиболее близка к действию и восприятию и развертывается прежде всего на интуитивном или эвристическом уровне.
Вторая — фаза формализации,— связанная с созданием терминологии, определений и доказательств, подымается до более высокого уровня ——уровня понятий.
Третья — фаза усвоения — приходит последней; она отвечает попытке постичь «внутреннюю суть» проблемы; на этой фазе изучаемый материал должен быть усвоен учащимся, должен войти в систему его знаний, расширить его умственный кругозор; эта фаза прокладывает дорогу к приложениям, с одной стороны, и к обобщениям на более высоком уровне — с другой.
Подведем итог. Для эффективности процесса изучения фаза иссле806aHи凡 должна предварять фазу словесного оформления и образована 凡 понятий, 6 заключение же изученный материал должен влиться в общий запас знаний учащегосяу способствуя повышению его интеллектуального уровня.
Таков принцип последовательных фаз.
Три принципа обучения
Учитель должен быть знаком с тем, как протекает процесс изучения. Он должен избегать неэффективных путей приобретения знаний и использовать преимущества эффективных путей. Для этого он может с успехом использовать три принципа, которые мы только что рассмотрели, т. е. принцип активного изучения, принцип наилучшего стимула и принцип последовательных фаз; указанные три принципа изучения являются одновременно также тремя принципами обучения. Однако здесь надо учитывать одно необходимое условие: чтобы извлечь пользу из этих принципов, учитель должен быть знаком с ними не только понаслышке — он должен их глубоко прочувствовать на основании своего личного хорошо осмысленного опыта.
1°. Активное изучение. То, что рассказывает учитель в классе, конечно, важно, но в тысячу раз важнее то, что думают учащиеся. Идеи должны зарождаться в уме учащихся, роль же учителя в этом процессе можно сравнить с ролью повивальной бабки.
Это — классическое наставление Сократа; форма обучения, лучше всего отвечающая ему,——Сократовский диалог. Школьный учитель имеет определенное преимущество перед преподавателем вуза, так как он может гораздо шире пользоваться формой диалога. Но, к сожалению, и в средней школе время, отводимое на прохождение определенного материала, также строго ограничено, так что вести весь урок в форме диалога невозможно. Однако наш
старый принцип сохраняет силу: предоставьте учащимся самим открывать максимум возможного при данных обстоятельствах.
Я уверен, что в этом отношении можно сделать гораздо больше, чем обыкновенно делается. Позвольте мне рекомендовать вам одну маленькую уловку: предоставьте учащимся возможность участвовать в составлении задачи, которую им придется решать. Если ученики внесли свой вклад в постановку задачи, то они будут гораздо активнее работать над ее решением.
Замечу, что и в работе ученого постановка задачи может оказаться наиболее ценной частью открытия — очень часто решение задачи требует меньшего проникновения в суть дела и меньшей оригинальности мысли, чем ее формулировка. Таким образом, давая учащимся возможность внести свой вклад в поиски рационального условия задачи, вы не только побуждаете их работать упорнее, но и развиваете у них желательный склад ума.
2°. Наилучший стимул. Учитель должен видеть в себе комиссионера, желающего продать юнцам немного математики. Но если комиссионер испытывает затруднения со сбытом и его товар залеживается, ибо клиенты отказываются его покупать, он не должен винить во всем покупателей. Вспомните, что покупатель всегда прав — в принципе, а иногда и практически. Парень, который отказывается учиться математике, может быть и прав. Дело не обязательно в том, что ваш ученик ленив или глуп,— просто его может интересовать что-нибудь совсем другое. Ведь на свете столько интересного! И ваш долг, как учителя, как поставщика знаний, состоит в том, чтобы убедить учащегося в интересе математики, в изяществе и красоте того вопроса, который вы как раз сейчас рассматриваете, заставить его понять, что он не пожалеет, затратив усилия на предлагаемую вами задачу.
Поэтому учитель должен уделять особое внимание выбору задачи, ее формулировке и тому, как лучше ее преподнести. Задача должна выглядеть осмысленной не только с позиции учителя, но и с позиции ученика. Желательно, чтобы она была связана с повседневным опытом учащихся; хорошо также, если постановка задачи связывается с шуткой, каламбуром или небольшим парадоксом. Задачу можно также начать с какого-либо хорошо известного учащимся факта; хорошо, если она при этом будет содержать нечто, представляющее общий интерес или возможность применений. Если мы хотим стимулировать творческие усилия учащегося, то обязаны дать ему какие-то основания предполагать, что эти его усилия не пропадут впустую.
Именно интерес учащегося является лучшим стимулом для его работы. Однако имеются и другие стимулы, которыми не следует- пренебрегать. Позвольте мне порекомендовать вам одну небольшую хитрость. Прежде чем учащиеся приступят к работе, предложите
294 ГЛ. 14. ОБ УЧЕНИИ, ПРЕПОДАВАНИИ И ОБУЧЕНИИ ПРЕПОДАВАНИЮ им угадать результат, или даже только какую-то его часть. Учащийся, высказавший определенную гипотезу, связывает себя этим; его престиж н чувство собственного достоинства в какой-то степени зависят теперь от исхода дела и ему не терпится узнать, окажется ли его догадка правильной или нет,— он будет активно заинтересован своей задачей и работой класса, он не заснет и не отвлечется другим.
Замечу, что и в работе ученого догадка почти всегда предшествует доказательству. Таким образом, предлагая учащимся угадать результат, вы снова не только побуждаете их работать более интенсивно, но и способствуете формированию у них желательного склада ума.
3°. Последовател&ные фазы. Основной недостаток школьных учебников математики состоит в том, что набор содержащихся в них задач обычно состоит почти исключительно из рутинных образцов. Рутинный пример —— это пример с узкой областью применения; ®н служит иллюстрацией одного правила и дает практику в применении лишь его одного. Такие рутинные примеры, возможно, полезны и даже необходимы — этого я не отрицаю; однако здесь отсутствуют две важные фазы обучения: фаза исследования и фаза усвоения. Обе эти фазы имеют своей целью связать рассматриваемую задачу с окружающей действительностью и с ранее приобретенными знаниями, первая — до, вторая ——после нахождения формального решения. Рутинная же задача явно связана только с определенным правилом, ее назначение — служить иллюстрацией правила, и вряд ли она имеет отношение к чему-нибудь другому, так что здесь поиски более отдаленных связей едва ли будут полезны. В противоположность подобным рутинным задачам, средняя школа должна, по крайней мере время от времени, давать учащимся более глубокие задачи, задачи с богатым фоном, заслуживающим дальнейшей разработки, а также задачи, дающие возможность войти во вкус научной работы.
Вот небольшой практический совет: если задача, которую вы собираетесь обсудить в классе, подходит для этой цели, то предложите учащимся провести сперва некоторое предварительное исследование — это возбудит у них аппетит к получению и формального решения задачи. И не забудьте оставить немного времени для обсуждения полученных результатов: это поможет вам также и дальше при решении других задач.
4°. Этим, во многом весьма неполным, обсуждением я вынужден ограничить свой разбор трех принципов обучения: активного изучения, наилучшего стимула и последовательных фаз. Мне кажется, что эти принципы должны органически войти во все элементы повседневной работы учителя и могут серьезно помочь ему в его работе. Я думаю также, что из этих трех принципов необходимо
исходить при планировке учебного курса, при составлении программы каждого предмета в этом курсе и каждого раздела в программе отдельного предмета.
И все же я совсем не собираюсь настаивать на том, что вы должны безоговорочно принять эти принципы: ведь они вытекают из определенной системы взглядов, из определенной точки зрения, в то время как ваша точка зрения может быть совсем иной. Но в деле обучения — как, впрочем, и довольно часто в жизни ——не так уж важно, какова на самом деле ваша точка зрения: гораздо важнее то, есть ли у вас вообще кака я-н ибуд ь точка зрения на данный предмет или ее у вас вовсе нет. И очень важно то, насколько активно вы стараетесь проводить в жизнь свою точку зрения. Единственные принципы, которые я отвергаю полностью,— это те принципы, которым проповедующее их лицо само не следует.
Примеры
Примеры полезнее правил; позвольте мне перейти к ним ——я считаю конкретные примеры гораздо более ценными, чем любые общие рассуждения. Здесь я касался главным образом вопросов обучения применительно к уровню средней школы; поэтому мои примеры будут касаться той же темы. Мне часто доставляет удовлетворение разбор таких примеров, и я могу вам сказать почему: я стараюсь излагать их так, чтобы они в том или ином отношении напоминали мне опыт моей собственной исследовательской работы; я как бы разыгрываю сценку, ил люстр ир ующую —— разумеется, в уменьшенном масштабе — какое-либо из дорогих моему сердцу открытий.
1°. Задача для седьмого класса. Одной из основных форм искусства преподавания является Сократовский диалог. В одном из средних классов школы, скажем, в седьмом, учитель может начать диалог следующим вопросом:
«В котором часу бывает в Сан-Франциско полдень?»
—— Но это же знает каждый,——может ответить учителю шустрый юнец. Возможно, он скажет даже так: «Вот глупый вопрос: конечно в двенадцать часов».
«А в котором часу бывает полдень в Сакраменто?»
—В двенадцать часов,— конечно, дня, а не ночи.
«А в котором часу бывает полдень в Нью-Йорке?»
—В двенадцать часов.
«Но я полагаю, что в Сан-Франциско и в Нью-Йорке полдень наступает в разное время, а вы мне говорите, что и там, и там он бывает в двенадцать часов.»
—Хорошо, пусть так: в Сан-Франциско полдень наступает в двенадцать часов Западного стандартного времени, а в
Нью-Йорке — в двенадцать часов Восточного стандартного времени.
■ «А каково стандартное время в Сакраменто? Восточное или Западное?»
— Западное, конечно.
«Наступает ли полдень в один и тот же момент для людей, живущих в Сан-Франциско, и для людей, живущих в Сакраменто? Да или нет?»
«Вы не можете ответить? Тогда постарайтесь угадать ответ: где полдень наступает раньше — в Сан-Франциско или в Сакраменто? Или же, может быть, он наступает в этих двух городах одновременно?...»
Нравится ли вам моя идея беседы в сократовском духе со школьниками-семиклассниками? Что бы вы ни ответили, вам нетрудно будет представить себе дальнейшее течение беседы. При помощи подходящих вопросов учитель, подражая Сократу, должен добиться от учащихся понимания того, что:
Следует различать «астрономический полдень» и условный, или «гражданский полдень».
Оба эти понятия «полудня» нуждаются в определении.
Следует понимать, что такое «стандартное (поясное) время»; как и почему поверхность земного шара разделена на временные
пояса.
Нашу задачу следует формулировать так: «На какой час Западного стандартного времени приходится астрономический полдень в Сан-Франциско?»
Единственное данное, которое необходимо знать, для того чтобы решить поставленную задачу,— это долгота Сан-Франциско (в приближении, достаточном для седьмого класса).
Задача не так-то легка. Я испробовал ее на двух группах, составленных из учителей средних школ; одна группа потратила на ее решение около 25 минут, другая — около 35 минут.
2°. Надо сказать, что эта задача для семиклассников обладает рядом достоинств. Главное из них, возможно, то, что в задаче подчеркивается значение одного очень важного умственного процесса (которым печально пренебрегают составители школьных задачников) ——процесса распознавания 6 данной конкретной ситуации принципиально важного математического понятия. Для того чтобы решить задачу о полудне, учащийся должен обнаружить пропорциональную зависимость между временем и долготой: время, отвечающее самому высокому положению солнца в любом пункте земной поверхности, изменяется пропорционально долготе этого пункта.
По сравнению с большинством болезненно искусственных задач из школьных задачников для средней школы наша задача кажется совершенно здоровой и «реальной». В серьезных задачах из при-
кладной математики надлежащая формулировка вопроса всегда важна, а иногда она важнее всего; наша маленькая задача, которую можно предложить каждому среднему седьмому классу, как раз и обладает этим свойством. Заметим далее, что серьезная задача из области прикладной математики может привести к серьезным практическим эффектам, например к внедрению лучшего производственного процесса; наша маленькая задача объясняет семиклассникам, зачем нужна система из 24 «часовых» поясов с одинаковым стандартным временем в пределах каждого пояса. Вообще мне кажется, что эта задача, если только учитель преподнесет ее с достаточным педагогическим мастерством, сможет помочь будущему ученому или инженеру найти свое призвание; она может также способствовать интеллектуальному развитию и тех учащихся, которым впоследствии не придется использовать математику в своей профессиональной работе.
Заметим также, что эта задача может служить иллюстрацией тех маленьких уловок или хитростей, о которых говорилось раньше, скажем, того, как можно побудить учащихся активно участвовать в формулировке задачи (ср. п. 1° § 5). Вообще исследовательская фаза, дающая возможность сформулировать задачу, крайне важна (ср. п. 3° § 5). Далее учащимся предлагается угадать основное содержание результата (ср. п. 2° § 5).
3°. Задача для десятого класса. Рассмотрим еще один пример. Начнем с наиболее, быть может, известной задачи на построение: построить треугольник 孔。трем его сторонам. Поскольку аналогия ——обильный источник новых открытий, то естественно поставить вопрос: как выглядит аналогичная стереометрическая задача? Средний учащийся, немного знакомый со стереометрией, возможно, сформулировал бы ее так: построить тетраэдр по шести его ребрам.
Здесь можно заметить в скобках, что эта задача довольно близко подводит школьника к практическим задачам из области «технического черчения». Инженеры и конструкторы используют хорошо выполненные чертежи для того, чтобы иметь точные сведения, необходимые для изготовления деталей машины или для постройки сооружений. Мы же здесь собираемся построить тетраэдр, зная его ребра. Возможно, что мы захотели вырезать этот тетраэдр из дерева.
Такая постановка задачи приводит к требованию о точном ее решении при помощи линейки и циркуля и к обсуждению вопроса о том, какие элементы тетраэдра следует при этом найти. Умело направляемая дискуссия в классе может привести к появлению следующей окончательной формулировки:
В тетраэдре ABCD известны длины шести его ребер
АВ, ВС, С4, AD, BD, 8.
Принимая за основание тетраэдра треугольник ЛВС, построит^
при помощи циркуля и линейки двугранные углы, образуемые этим основанием с остальными тремя гранями.
Упомянутые углы нужно знать, например, если мы хотим вы
резать наше тело из дерева; однако в процессе дискуссии предметом обсуждения могут стать и другие элементы тетраэдра, например: а) высота, опущенная из вер-
его ребрам.дачи.
нашего тела; не исключено, что с их помощью удастся найти интересующие нас углы; поэтому стоит попытаться построить также и их.
4°. Нетрудно, конечно, построить все четыре треугольные грани тетраэдра, собранные воедино на рис. 45а. (Маленькие дужки, использованные при построении граней, сохранены для того, чтобы вы не забыли, что AD2=AD3, BD3=BD1, CDi=CD&) Скопируем рис. 45а на картон, пририсуем дополнительно три клапана, вырежем получившуюся выкройку, согнем ее вдоль трех линий и, наконец, подклеим клапаны; так мы получаем пространственную модель, на которой можно грубо измерить высоту и углы, о которых идет речь. Подобная работа с картоном очень поучительна, но это совсем не то, к чему мы стремимся: ведь нам нужно построить высоту, ее основание и углы при помощи циркуля и линейки.
5°. Возможно, что нам здесь поможет «предположение, что задача решена» — полностью или частично. Представим себе, как будет выглядеть рис. 45а после того, как три боковые грани тетраэдра будут подняты в требуемое положение (для этого придется каждую из них повернуть вокруг ребра основания). На рис. 456 изображена ортогональная проекция тетраэдра на плоскость основания (т. е. на плоскость треугольника ЛВС); здесь точка F——проекция вершины D, т. е. основание высоты, опущенной из точки D9
6°. Переход от рис. 45а к рис. 456 можно представить себе наглядно —— с помощью картонной модели или без нее. Сосредоточим свое внимание на одной из трех боковых граней, скажем, на грани BCD*, которая первоначально находилась в той же плоскости, что и треугольник АВС, т. е. в (горизонтальной) плоскости рис. 45а. Проследим за треугольником 由CD、, вращающимся вокруг своей стороны 8С, не отрывая взгляда от единственной подвижной вершины D、этого треугольника. Эта вершина £\ опишет дугу окружности .Центр упомянутой окружности принадлежит ребру 2С;
плоскость, в которой распо-
1)г/ложена эта окружность,
、перпендикулярна (гори-
\，Уд； зонтальной) оси вращения
\ВС; таким образом, точка £>1
\ \Х /
Рис. 45в. У всех трех путешественни- Рис. 45г. Остальное ков ——единый пункт назначения! просто.
движется в вертикальной плоскости. Поэтому проекция ее траектории на горизонтальную плоскость, в которой расположен рис. 45а, есть прямая, перпендикулярная ВС и проходящая через первоначальное положение Di движущейся точки.
Но кроме треугольника BCD^ есть еще два вращающихся треугольника ——ведь всего их три. Итак, имеются три движущиеся вершины, каждая из которых описывает круговую траекторию в вертикальной плоскости, стремясь достичь некоторого пункта (какого именно пункта?).
7°. Я думаю, что к настоящему моменту читатель уже угадал результат (возможно, это произошло даже до того, как он прочел конец п. 6°): три отрезка, проведенных из первоначальных положений (см. рис. 45а) точек Dlt D^ и D3 перпендикулярно, соответственно, отрезкам 8С, СА и АВ, встречаются в одной точке, а именно, в точке F, нахождение которой составляло цель дополнительного вопроса б) (рис. 45в). (Для нахождения точки 尸 достаточно двух перпендикуляров; третий же можно использовать
для проверки точности чертежа.) Остальное — нетрудно. Пусть М ——точка пересечения прямых D±F и ВС (см. рис. 45в). Постройте прямоугольный треугольник FMD с гипотенузой MD=MDi и катетом MF (рис. 45г). Очевидно, FD будет в нем высотой, а угол FMD ——тем линейным углом двугранного угла, образованного основанием АВС и боковой гранью DBC, который нам и требовалось построить.
8°. Одно из достоинств хорошей задачи состоит в том, что она порождает другие хорошие задачи. ,
Заметим, что предыдущее решение может и даже должно возбудить некоторые сомнения. Мы получили изображенный на рис. 45в результат (заключающийся в том, что три фигурирующие в нашей задаче перпендикуляра пересекаются в одной точке), рассматривая движения вращающихся тел. Но ведь наш результат относится к области геометрии, а не физики; поэтому он должен быть установлен чисто геометрическими средствами, т. е. независимо от идеи движения.
Конечно, предыдущие рассуждения (см. пп. 6° и 7°) сравнительно нетрудно освободить от идеи движения и получить требуемый результат на основе чисто стереометрических соображений (пересечение сферических поверхностей, ортогональное проектирование —ср. п. 3° § 2 гл. 6). Однако этот результат является не стереометрической, а планиметрической теоремой и поэтому он должен быть установлен без выхода в пространство, средствами одной лишь планиметрии (как?).
9°. Заметьте, что наша задача для десятого класса может служить иллюстрацией некоторых общих положений, о которых мы говорили ранее. Так, например, и здесь учащиеся могут (и должны) принимать участие в окончательной формулировке задачи; в этой задаче достаточно ярка также фаза исследования и богат фон^
Имеется в нашей задаче и еще один момент, который мне хотелось бы особенно подчеркнуть: она составлена так, чтобы привлечь внимание учащихся. Хотя эта задача и не находится в непосредственной связи с их повседневным опытом, как рассмотренная нами ранее задача для седьмого класса, но она исходит из одного из самых известных учащимся фактов (построение треугольника по трем сторонам), в ней с самого начала делается упор на идею, представляющую широкий интерес (аналогия), она обращена в сторону возможных практических приложений (техническое черчение).
Даже при небольшом умении, но очень большом хотении учитель сможет привлечь к этой задаче внимание всех своих учеников, за исключением, быть может, совсем уж безнадежно тупых.
§ 7. Как учить преподаванию
Нам осталось обсудить еще один вопрос, но вопрос важный —— о подготовке учителей. В этом пункте 只 нахожусь в весьма благоприятном положении, так как почти целиком разделяю «официальную точку зрения». (Здесь я имею в виду «Рекомендации Американской математической ассоциации по подготовке учителей математики» 1); лишь для краткости я позволю себе ниже цитировать этот документ как «Официальные рекомендации».) Я остановлюсь лишь на двух пунктах, касающихся вопросов, которым в прошлом посвятил достаточно времени и труда ——практически весь мой труд преподавателя за последние десять лет.
Грубо говоря, один из пунктов, которые я имею в виду, касается роли и содержания «предметных» (математических) курсов в системе подготовки будущих учителей, второй —— курсов методики.
См. The American Mathematical Monthly 67 (I960), стр. 982—991. [Американская математическая ассоциация (The Mathematical Association of America, сокращенно MAA), объединяющая всех творчески работающих математиков США и многих преподавателей математики, выделила из своей среды Программную комиссию по вопросам школьной математики (The Commitee on the Undergraduate Program in Mathematics, сокращенно CUPM), включающую многих видных ученых и педагогов, и специальный Комитет по вопросам подготовки учителей (The Panel on Teacher Training, сокращенно PTT) под эгидой CUPM\ председателем РТТ был назначен крупный математик и выдающийся педагог Джон Кемени — один из лидеров' широкого международного движения за модернизацию курса математики в средней школе. (С педагогическими идеями Дж. Кемени и его единомышленников можно ознакомиться по книге Дж. Кемени, Дж. Снелл, Дж. Томпсон, Введение в конечную математику, ИЛ, 1963.) Составленные РТТ рекомендации были утверждены CUPM и правлением МАА, что позволяет Пойа именовать их «официальными». Основной пафос этих рекомендаций состоит в требовании повышения чисто научной подготовки учителей математики^ в рекомендациях указаны минимальные требования к математической подготовке преподавателей для каждой из пяти рассматриваемых РТТ групп или «уровней》 учителей ——от уровня I (учителя начальных школ) до уровня V (преподаватели «учительских колледжей», готовящих учителей математики), причем серьезное внимание уделяется вопросам подготовки по разделам «конечной математики» в смысле Кемени и его группы (алгебра множеств, элементы математической логики, теория вероятностей и математическая статистика). Меньше внимания уделено в рекомендациях курсам методики (Curriculum-study courses, см. ниже), относительно которых лишь сказано, что они должны обеспечить: 1) знание будущим учителем разных вариантов построения курса математики средней школы, используемых в преподавании и отраженных в литературе; 2) владение техникой индуктивного и дедуктивного введения новых математических идей и оценку сравнительных достоинств и места той и другой системы изложения -нового материала; 3) знание имеющейся математической и методической литературы; 4) владение основными идеями элементарной математики и возможностями реализации этих идей в практическом преподавании; 5) понимание основных путей применения заложенных в курсе средней школы математических идей и развиваемого аппарата.— Прим, ped.j
1°. Содержание ^предметных» курсов. Сейчас уже многие признают тот печальный факт, что наши учителя средних школ, вообще говоря, недостаточно владеют своим предметом. Мне приходилось, конечно, встречать и хорошо подготовленных учителей средних школ, но имеются среди них и такие (с некоторыми из них я сталкивался), у которых желание принести пользу может восхитить каждого, однако математическая подготовка далеко уступает их желанию работать. В части обзора содержания учебных курсов официальные рекомендации, возможно, и нельзя считать вполне совершенными; однако бесспорно, что реализация этих рекомендаций привела бы к существенному улучшению подготовки учителей. Я хочу только обратить внимание на один пункт, который, по моему глубокому убеждению, следовало бы включить в официальные рекомендации.
Наше владение каким-либо предметом складывается из накопленных знаний и приобретенных навыков ——«умений». Умение (know-how) )——это способность использовать накопленные знания (информацию); конечно, умение невозможно без некоторой независимости мышления, оригинальности, изобретательности. Умение в математике — это способность решать задачи, находить доказательства, критически анализировать доводы, с достаточной легкостью пользоваться математическим аппаратом, распознавать математические понятия в конкретных ситуациях.
Каждый согласится, что умение в математике более важно и даже намного более важно, чем одно лишь знание. Все требуют, чтобы средняя школа не только снабжала учащихся математическими знаниями, но и развивала в них умения: самостоятельность, оригинальность, творческие способности. Однако почти никто не требует этих прекрасных вещей от учителя математики,—— разве это не парадокс. Официальные рекомендации также хранят на сей счет молчание. Лица, изучающие математику с целью получения ученой степени, должны заниматься научно-исследовательской работой; однако и до получения ученой степени им предоставляется возможность самостоятельной работы в просеминарах, научных семинарах или при подготовке диплома. Будущему же учителю математики такой возможности никто не предоставляет, и в официальных рекомендациях также не говорится ни слова о каком бы то ни было виде самостоятельной или научно-исследовательской работы. Но если учитель сам никогда не занимался творческой работой какого-либо рода, то как сможет он вдохновлять, руководить, помогать или даже просто регистрировать творческую активность своих учеников? Учитель, все математические знания
которого приобретены чисто созерцательным путем, вряд ли сможет способствовать активному изучению предмета своими учениками. И вполне возможно, что преподаватель, которому ни разу в жизни не пришла в голову яркая мысль, сделает выговор проявившему самостоятельность ученику, вместо того чтобы подбодрить его.
Именно в этом, по-моему, и заключается самый большой пробел во владении математикой у рядового учителя средней школы —— он не имеет никакого опыта активной математической работы, а поэтому его нельзя назвать мастером в той области, которой он обязан обучать школьников.
Я не могу предложить здесь какой-либо панацеи, но могу поделиться своим опытом. Я устраивал для учителей семинары по решению задач и неоднократно руководил ими. Задачи, предлагавшиеся на таких семинарах, не предполагали никаких дополнительных знаний, выходящих за рамки программы средней школы, но они требовали довольно высокого уровня (иногда даже очень высокого уровня) концентрации мысли и способности к здравому суждению,— и работу учителей над решением задач вполне можно было назвать «творческой» работой. Я старался организовывать свои семинары так, чтобы их слушатели могли использовать, почти не видоизменяя его, тот материал, который они преподают, чтобы они могли отточить свое мастерство во владении элементарной математикой; я давал им даже некоторую возможность попрактиковаться в преподавании (поручая учителям проведение занятий в небольших группах, составленных из их коллег). (Подробнее об этом см. выше, стр. 20—22.)
2°. Методика. Из опыта своих контактов с сотнями учителей математики я вынес впечатление, что «методические» курсы обычно воспринимаются ими с чувствами, мало похожими на энтузиазм. Именно так относятся учителя к обычным курсам методики, читаемым на математических отделениях высших учебных заведений, готовящих учителей. Один учитель, с которым мне удалось откровенно побеседовать, выразился по этому поводу так: «На занятиях по математике нам предлагают столь жесткий бифштекс, что мы не в состоянии его разжевать, курсы же методики можно сравнить с постным супом, в котором вообще нет ни кусочка мяса».
Нам, конечно, необходимо собраться с духом и обсудить публично вопрос о том, нужны ли будущим учителям курсы методики? Или они вообще бесполезны? Я думаю, что откровенный обмен мнениями на этот счет даст больше, чем постоянное брюзжание.
Нет сомнений в том, что здесь имеется много сложных вопросов. Можно ли вообще обучить преподаванию? (Преподавание, как многие из нас считают, является искусством,— а можно ли учить искусству?) Существует ли вообще такая дисциплина, как методика математики? (То, что учитель передает своим ученикам, никогда
304 ГЛ. 14. ОБ УЧЕНИИ, ПРЕПОДАВАНИИ И ОБУЧЕНИИ ПРЕПОДАВАНИЮ не лучше того, что заключено в нем самом,——преподавание зависит от индивидуальных качеств учителя и хороших методов обучения существует ровно столько, сколько есть на свете хороших учителей.) Время, отводимое на подготовку учителя, разделяется между курсами математики, курсами методики и практическими занятиями; возможно, на курсы методического содержания следует отводить меньше времени? (Многие европейские страны уделяют этим курсам гораздо меньше внимания, чем это принято в США.)
Надеюсь, что молодежь, более смелая и более энергичная, чем я, найдет время для серьезного и непредвзятого обсуждения этого вопроса.
Я могу говорить лишь о своем личном опыте, и мой ответ на главный из поставленных вопросов известен: я считаю курсы методики полезными. В действительности все то, что излагалось мною здесь, есть попытка построения такого курса или, скорее, набросок некоторых тем, которые, по моему убеждению, должны входить в курс методики для учителей математики. Все курсы, которые я читал учителям математики, были построены так, чтобы они могли служить в какой-то мере и курсами методики. В названии курса обычно указывался только учебный предмет, которому посвящался курс, отводимое же время распределялось между математикой и методикой ее преподавания: вероятно, девять десятых всего времени тратилось на предмет и одна десятая —— на методику. По возможности курс строился в форме диалога. Некоторые методические замечания — мои или учащихся ——имели эпизодический характер; однако вывод важного факта или решение задачи почти всегда заканчивались обсуждением методического аспекта вопроса. «Можете ли вы применить это в ваших классных занятиях? — спрашивал 只 аудиторию.—— Какой пункт программы допускает такое использование? На что следует обратить особое внимание? Как бы вы попытались изложить это классу?» Вопросы такого рода (надлежащим образом сформулированные) регулярно включались также в экзаменационные билеты. Однако моя главная забота состояла в подборе задач (подобных двум задачам, рассмотренным в этой главе), иллюстрирующих те или иные стороны процесса обучения.
3°. Официальные рекомендации называют курсы методики «курсами по изучению планов и программ» (curriculum-study courses) ц не очень-то красноречивы в этом вопросе. Однако вы можете найти в них один совет, который мне кажется великолепным. (Правда, этот совет нелегко обнаружить ——для этого вам придется долго разбирать, чему равно дважды два, сопоставляя последнюю фразу раздела «курсы по изучению планов и программ» с рекомендаций для «Уровня IV» ).) Этот совет таков: преподаватель коллед-
о/са, намеревающийся прочесть курс методики математики, должен достаточно хорошо владеть самой математикой, Я хотел бы также добавить, что он должен обладать и определенным опытом научноисследовательской работы, пусть самым скромным. Если такого опыта у него нет, то какой может стимулировать у своих слушателей то, что является одним из важнейших качеств будущего учителя,——дух творческого исследования.
Я довольно долго утомлял вас своей старческой болтовней. Но из этого может получиться какой-то толк. Я предлагаю продумать следующие предложения, вытекающие из нашего разговора,— добавить к «официальным рекомендациям» Математической ассоциации следующие два пункта:
Подготовка учителей математики должна включать в себя элементы самостоятельной (《творческой》) работы на соответствующем уровне в форме семинара по решению задач или в какой-либо другой форме.
Курсы методики должны быть тесно связаны с курсами математики или с практическим преподаванием} читать их ——если это только возможно — должны лишь те преподаватели высших учебных заведений, которые имеют как опыт научно-исследовательской работы в области математики, так w опыт практического преподавания. -
§ 8. Позиция учителя 】)
Как 只 уже упоминал, курсы, прочитанные мною учителям, в какой-то степени являлись «курсами методики». Читая их,只 всегда заострял внимание на вопросах, которые могут оказаться полезными учителю в его повседневной работе. Поэтому 只 никак не мог обойти вопрос о задаче, которую учитель каждодневно решает, и о его позиции. Постепенно мои замечания стали приобретать афористическую форму и, в конце концов, нашли свое сжатое выражение в виде следующих «Десяти заповедей учителя»:
ДЕСЯТЬ ЗАПОВЕДЕЙ УЧИТЕЛЯ
Интересуйтесь своим предметом.
Знайте свой предмет.
Знайте, каким путем можно изучить то, что вам необходимо. Лучший способ изучить ——это открыть самому.
циальных дисциплин в школах с углубленной подготовкой по математике) в наших условиях отвечает группе учителей специализированных математических школ.
Этот параграф, содержащий кое-какие повторения, можно читать и независимо от предыдущего; он воспроизводит с некоторыми изменениями статью [23] автора (см. Библиографию в конце книги).
4. Умейте читать по лицам учащихся. Старайтесь увидеть,
чего они от вас ждут, понять их затруднения; умейте ставить себя на их место.
Не ограничивайтесь голой информацией; стремитесь развивать у учащихся определенные навыки, нужный склад ума и привычку к методической работе.
Старайтесь научить их догадываться.
Старайтесь научить их доказывать.
Выискивайте в вашей задаче то, что может пригодиться при решении других задач,——за данной конкретной ситуацией старайтесь обнаружить общий метод.
Не выдавайте своего секрета сразу ——пусть учащиеся попытаются угадать его до того, как вы его им раскроете,— предоставьте учащимся самим найти как можно больше.
Пользуйтесь наводящими указаниями, но не навязывайте своего мнения насильно.
Теперь 只 хочу сопроводить эти десять правил небольшим комментарием.I
Формулируя эти правила, я имел в виду участников своих семинаров для учителей математики в средней школе; однако наши правила применимы к любому виду обучения, к любому предмету, излагаемому на любом уровне. Но именно в средней школе и именно перед учителями математики открываются наибольшие возможности для применения некоторых из этих правил; это, в частности, относится к правилам 6, 7 и 8.
Чьим авторитетом подкреплены эти 10 заповедей? Дорогой коллега учитель! Не подчиняйтесь никакому авторитету —— пусть руководит вами лишь собственный опыт и собственное суждение, базирующееся на этом опыте. Старайтесь ясно видеть, что означает тот или другой совет в конкретной ситуации, с которой вы столкнулись, испытайте этот совет в классе и выносите свое окончательное суждение только после беспристрастного анализа проведенного опыта.
Рассмотрим теперь* эти 10 правил последовательно одно за другим, уделяя особое внимание проблемам преподавания математики.
1°. Существует только один безотказный метод преподавания: если учитель увлечен своим предметом, то будет увлечен и весь класс.
Этого замечания должно быть достаточно, чтобы сделать очевидной первую и самую главную заповедь учителя: Интересуйтесь евоим предметом.
2°. Если предмет не интересует вас, откажитесь от преподавания, ибо вы никогда не сможете излагать его хорошо. Интерес —
это sine, qua non ), совершенно необходимое условие, которое, однако, еще не является достаточным. Самая искренняя заинтересованность и богатство методических уловок не помогут вам хорошо объяснить другим то, что вы сами понимаете плохо.
Этого замечания должно быть достаточно, чтобы сделать очевидной вторую заповедь учителя: Знайте свой предмет.
Учителю необходимо и интересоваться своим предметом и знать его. Я ставлю интерес на первое место, так как при наличии подлинного интереса у вас имеются хорошие шансы приобрести нужные знания, тогда как даже некоторое знакомство с предметом при отсутствии интереса легко создают на редкость плохих учителей.
3°. Вы можете получить много пользы, прочитав хорошую книгу или прослушав хорошую лекцию, посвященную психологической стороне процесса изучения, однако ни чтение книг, ни слушание лекций не являются абсолютно необходимыми атрибутами этого процесса, и уж никоим образом для этого не достаточны: вы должны знать, каким путем можно изучить то, что вам необходимо, вы должны быть близко знакомы с процессом изучения на основе собственного опыта — опыта, приобретенного в процессе самостоятельного изучения и почерпнутого из наблюдения над своими учениками.
Плохо, когда с принципом соглашаются, не имея на то побудительных внутренних причин; еще хуже, когда принципу отдается дань лишь на словах. Однако имеется случай, когда уж никоим образом нельзя позволить себе удовлетвориться поверхностным или лишь внешним согласием с принципом — здесь 只 имею в виду основной принцип преподавания ——принцип активного изучения х). Вы должны уяснить себе, что в процессе изучения этот принцип занимает центральное место. Лучший способ изучить ——это открыть самому.
4°. Даже обладая подлинными знаниями, проявляя живой интерес и в какой-то степени понимая процесс изучения, вы можете оставаться слабым учителем. Я допускаю, что этот случай нельзя считать обычным, но он и не так уж редок. Некоторым из нас приходилось встречаться с учителем, вполне компетентным во всех отношениях, но не умеющим наладить контакт со своим классом. Для того чтобы обучение, руководимое одной индивидуальностью —— учителем, имело своим результатом изучение предмета другими индивидуальностями ——учащимися, между ними должен быть установлен определенный контакт: учитель должен разбираться в позиции ученика; он должен уметь в нужный момент поддержать его.
На этом базируется следующая заповедь: Умейте читать по лицам учащихся. Старайтесь увидеть, чего они от вас ждут, понять их затруднения; умейте ставить себя на их место.
Отклик учащихся на то, чему вы их учите, зависит от уровня подготовки, их видов на будущее, их интересов. Поэтому всегда помните и принимайте в расчет то, что они знают и чего не знают, что они хотели бы узнать и что их совсем не волнует, что они должны знать и чего они могут не знать.
5°. Четыре предыдущих правила лежат в основе педагогического мастерства. В совокупности они образуют нечто вроде необходимых и достаточных условий успешного преподаващ|я. Есцш вы интересуетесь своим предметом и знаете его, если, кроме того, вы можете поставить себя на место учащегося и увидеть, что стимулирует учение и что затрудняет его, то вы уже хороший учитель или вскоре им станете: вам еще может потребоваться лишь некоторый опыт.
Нам остается расшифровать некоторые следствия из предыдущих правил, главным образом те, которые касаются позиции учителя математики в средней школе.
Любое знание состоит частично из «информации» («чистое знание») и частично из «умения» (know-how). Умение — это мастерство, это способность использовать имеющиеся у вас сведения для достижения своих целей; умение можно еще охарактеризовать как совокупность определенных навыков; в конечном счете, умение — зто способность методически работать.
В математике умение — это способность решать задачи, проводить доказательства, а также критически анализировать полученные решения и доказательства. Умение в математике гораздо более важно, чем одно лишь чистое знание, чем голая информация. Поэтому следующая заповедь имеет для учителя математики особо важное значение: Не ограничивайтесь сообщением одних лишь фактов, стремитесь развивать у учащихся определенные навыки t нужный склад ума и привычку к методической работе.
Поскольку умение в математике важнее знания, то, по моему мнению, при обучении математике гораздо более важно то, как вы преподаете, чем то, что вы преподаете.
6°. Сначала догадайтесь, а потом докажите — так обычно делается открытие. Вы должны это знать (лучше всего из собственного опыта) и, кроме того, вы должны знать, что у учителя математики есть много превосходных возможностей продемонстр ировать роль догадки в открытии и, таким образом, способствовать развитию у учащихся того склада ума, который имеет фундаментально важное значение для любой исследовательской работы. Последнее обстоятельство известно не настолько широко, насколько это необходимо, — и именно поэтому оно заслуживает особого внима-
ния. Мне хочется, чтобы вы позаботились о своих учащихся в этом отношении. Старайтесь научить wx догадываться.
Слабые и легкомысленные ученики могут выдвигать самые «дикие» догадки и предположения. Тог чему мы обязаны их научить,—это «целенаправленное», «осмысленное», «разумное» угадывание. Разумное угадывание основано на осмысленном применении индукции и аналогии и, в конечном итоге, включает все стадии «правдоподобных рассуждений», играющих важную роль в любом научном методе )
7°. «Математика является хорошей школой правдоподобных рассуждений». Это утверждение подытожйвает умозаключение, лежащее в основе предыдущего правила; оно м.жет кое-кого удивить и имеет совсем недавнее происхождение; мне даже кажется, что я могу претендовать на честь называться его автором.
«Математика является хорошей школой дедуктивных (доказательных) рассуждений». Это утверждение никого не озадачит — возможно, что какой-нибудь его вариант так же стар, как и сама математика. В действительности верно гораздо большее: пределы математики — это вся область доказательных рассуждений, относящихся к любой науке, достигнувшей того уровня развития, при котором относящиеся к этой науке понятия могут быть выражены в абстрактной, логико-математической, форме. Ниже этого уровня нет места для истинно доказательного рассуждения (так, например, в нашей повседневной жизни сопровождаемые строгим «доказательством» рассуждения встречаются весьма редко). Ясно (и мне нет необходимости широко аргументировать эту общепринятую точку зрения), что учитель математики должен познакомить всех своих учеников (кроме учащихся самых младших классов, быть может) с доказательными рассуждениями. Старайтесь научить их доказывать.
8°. «Умения》， навыки являются наиболее важной составной частью математической культуры, гораздо более важной, чем просто знание определенных фактов и теорем. Но как обучать умению? Учащиеся могут приобрести необходимые навыки только путем подражания и, особенно, практики.
Демонстрируя решение задачиь выделяйте его п о- учительные стороны. Определенная сторона решения может быть названа «поучительной», если она заслуживает подражания, т. е. если ее можно использовать не только для решения какой-то одной задачи, но также для решения других задач,—— и чем чаще отмеченная особенность может быть использована, тем более поучительной следует ее считать. Подчеркивайте поучительные особенности решения не только восхвалением их (что может
См. гл. 15. [Ср. также книгу [14] автора.— Прим, ред.]
310 ГЛ. 14. ОБ УЧЕНИИ ПРЕПОДАВАНИИ И ОБУЧЕНИИ ПРЕПОДАВАНИЮ вызвать и противоположный эффект), но главным образом своей манерой держаться (небольшая доля актерства очень хороша — хороший преподаватель должен быть хоть немного актером). Удачно выделенная особенность может превратить ваше решение в типичное, в поучительный метод, подражая которому, учащиеся смогут решить много других задач *). Отсюда правило: выискивайте 6 вашей задаче то, что может пригодиться при решении других задач,—— за данной конкретной ситуацией старайтесь обнаружить общий метод х). •
9°. Мне хочется порекомендовать вам одну небольшую уловку, с которой должен быть знаком каждый учитель: приступая к обсуждению задачи, предложите учащимся угадать решение или ответ. Ученик, которому пришла в голову какая-либо догадка, которую он осмелился высказать вслух, взял тем самым на себя некоторую ответственность за дальнейшее — не бойтесь, что он далее отвлечется: он будет следить за ходом решения, чтобы узнать, был ли он прав ).
Эта небольшая уловка может рассматриваться как очень специальный случай следующего правила, которое в свою очередь является частью правил 3 и 6: Не выдавайте своего секрета сразу — пусть учащиеся попытаются угадать его до того, как вы его им раскроете,——предоставьте им самим найти как можно больше.
В действительности честь открытия этого правила принадлежит Вольтеру, который выразил его в виде следующего афоризма: «Le secret d'etre ennuyeux c'est de tout dire» — «Если хотите заставить скучать — расскажите все до конца».
10°. Учащийся показывает мне длинное вычисление. Взглянув на последнюю его строку, я вижу, что вычисление неверно, однако я не тороплюсь сообщить об этом ученику. Я предпочитаю «пройтись» по всему вычислению, строка за строкой: «Начали вы хорошо, ваша первая выкладка верна. Следующая — тоже; вы сделали то-то и то-то. И следующая строчка также не содержит ошибок. Так, так, а что вы думаете об этой строчке?» Ошибка коренится именно в этой строке, и если учащийся обнаружит это сам, то у него есть шанс чему-то научиться. Если же я сразу скажу: «Это неверно», то ученик может обидеться и перестанет слушать меня. А если я позволю себе слишком часто говорить: «Это неверно», то учащийся возненавидит меня ——и все мои дальнейшие усилия, касающиеся именно этого ученика, пропадут даром.
Дорогой коллега учитель! Избегайте слов «Вы ошиблись». Говорите вместо них: «В общем, вы правы, но...». Поверьте мне — это
не лицемерие, а всего лишь человечность. Возможно, что такую методику подскажет вам правило 4. Однако этот совет можно преподнести и в более явной форме: Пользуйтесь наводящими указаниями, но не навязывайте своего мнения насильно.
Два наших последних правила, 9 и 10, направлены к одной и той же цели: они рекомендуют предоставлять учащимся столько свободы и инициативы, сколько только возможно при существующих условиях обучения. Связанный недостатком времени учитель -математики часто подвергается соблазну погрешить против этих правил, т. е. против принципа активного изучения. Он иногда торопится получить решение, не оставляя учащимся достаточно времени, чтобы в него вникнуть. Он может ввести -понятие или сформулировать правило слишком быстро, без достаточной подготовки, до того, как учащиеся почувствуют необходимость такого понятия или правила. Иногда он может действовать по принципу deus ex machina, т. е. воспользоваться средством (например, провести какую-нибудь хитроумную вспомогательную линию на геометрическом чертеже), которое сразу приводит к требуемому результату, но относительно которого учащиеся никогда в жизни не поймут, как мог человек додуматься до такой хитрости, свалившейся на них как манна небесная ).
Существует много соблазнов нарушить этот принцип. Заострим поэтому внимание на некоторых других его аспектах:
Добивайтесь того, чтобы, ваши ученики задавали вопросы, или сами задавайте вопросы, которые могли бы у них возникнуть.
Добивайтесь того, чтобы ваши ученики умели отвечать на вопросы, или отвечайте на эти вопросы сами, но так, как могли бы ответить на них ваши ученики.
При всех обстоятельствах старайтесь избегать ответов на вопросы, которые никогда не возникают ни у кого, в том числе и у вас самих.
Упражнения и дополни гельные замечания к главе 14
Раздел 1
Принимая долготу Сан-Франциско равной 122°25'41", ответьте на вопрос г) п. 1 § 6.
Високосные годы. Обыкновенный год содержит 365 дней, високосный —— 366. п-й год, номер которого не делится на 100 (см. ниже), является високосным тогда и только тогда, когда /г кратно четырем, /г-й год, где п кратно 100, является високосным тогда (и только тогда), когда п кратно 400. Так, например, 1968-й и 2000-й годы — високосные, а 1969-й н 1900-й — нет. Эти правила были установлены папой Григорием XIII ).
До сих пор мы имели в виду «гражданский год», число дней которого должно быть целым. Астрономическим же годом называется период времени, за который Земля совершает полный оборот вокруг Солнца. Считая, что «григорианский год» полностью согласован с астрономическим годом, найдите продолжительность астрономического года. ,
Используя указания из п. 8° § 6, докажите средствами стереометрии предложение, вытекающее из рис. 45в.
(Продолжение.) Докажите это же предложение планнметрическимн средствами.
В п. 9° § 6 упомянуты некоторые вопросы, рассмотренные ранее и проиллюстрированные задачей, изложенной в пп. 3°——8’ § 6. Не можете ли вы указать и другие вопросы такого рода?
Раздел 2
Почему именно решение задач? Я придерживаюсь того мнения, что обучение решению задач должно быть важной составной частью многих курсов, даже очень различных по содержанию, и что оно должно являться неотъемлемой частью любого приносящего пользу курса математики в средней школе. Это соображение, как уже подчеркивалось в прошлом (см. п. 5° предисловия и § 2 настоящей главы), лежит в основе настоящей книги и других моих книг и работ, родственных ей. Если предыдущие главы не убедили читателя в справедливости этой точки зрения, то далее я вряд ли смогу чем-нибудь ему помочь. Несмотря на это, я позволю себе сделать еще несколько замечаний по вопросу о роли решения задач в школьном курсе обучения.
1°. Мы говорим здесь о преподавании математики на уровне средней школы и о его целях. Ответственный и реалистический подход к этому вопросу должен предполагать возможность практического использования материала, который будут изучать учащиеся. Конечно, ученики бывают разными — и одни из них сумеют использовать больше, нз того, что им преподают, а другие меньше; соответствующие категории учащихся могут составлять различные доли общёго их числа.. Было бы очень желательно иметь надежные сгатнстические данные, относящиеся к этой теме, однако это едва ли достижимо. Количественные оценки, которыми я буду в дальнейшем оперировать, грубы и ие подкреплены никаким опросом ——я включаю их в текст только для большей конкретности ).
2°. Допустим, что группа изучающих математику в объеме средней школы (алгебра, геометрия и т. д.) в соответствии с перспективами использования математики в будущей профессии разбита на три части: будущих математиков, лиц, использующих, математику, и лиц, не использующих ее.
Границы первой группы наметим довольно свободно —— отнесем к «математикам» нли к «специалистам-математикам» также физиков-теоретиков, астрономов и тех инженеров, которым приходится использовать математику в научноисследовательских целях. Все вместе они могут составить около 1% учащихся. (Число лиц, которые впоследствии получат ученые степени в области математических наук, равно приблизительно 0,1%.)
Инженеры, ученые — не математики (в том числе некоторые, занимающиеся общественными науками), учителя математики и некоторых других предметов н т. д. относятся к категории лнц, использующих математику в своей профессии^ но не являющихся в этой области специалистами. Отнесем к этой же категории лип. которым не придется использовать математику в своей профессиональной деятельности, но которым будет необходимо некоторое знание математики для успешного изучения некоторых других дисциплин (сюда входят, например, окан- чивак щие технические учебные заведения, которые в значительной доле стано-
вятся комиссионерами или служащими на предприятиях). Суммарное число лиц, которым придется использовать математику, может составить около 29% от общего числа учащихся.
Многие нз остальных учащихся в принципе могут использовать математику, но в действительности им никогда не придется применить что-либо большее курса математики начальной школы. Можно считать, что 70% — это хоть н грубая, ио не совсем надуманная оценка числа учащихся, которые не будут пользоваться математикой: в эту категорию входят почти все будущие бизнесмены, юристы, лица духовного звания и т. д.).
За. Мы не знаем наперед, кто кем станет в будущем, и поэтому не можем заранее отнести того нли иного учащегося к определенной категории. Отсюда вытекает, что обучение математике следует вести, сообразуясь с двумя принципами;
во-первых, каждый учащийся должен иметь возможность извлечь какую-то пользу из того, что он изучает, независимо от того, чем он будет заниматься впоследствии;
во-вторых, учащихся, обладающих определенными математическими способностями, нужно привлекать к этой науке, а не внушать к ней отвращение.
Я исхожу из того, что читатель, если не полностью, то по крайней мере частично, согласен с этими принципами. Я убежден в том, что было бы безответственно планировать обучение, не уделяя этим принципам постоянного, серьезного внимания.
Позвольте . мне кратко обрисовать ту пользу, которую могут извлечь для себя упомянутые три категории учащихся (см. п. 2°), занимаясь решением задач.
4°. Умение решать математические задачи предполагает, конечно, известное знакомство с нематематическим содержанием задачи, однако в еще большей степени оно требует определенных умственных навыков, определенного склада ума, который мы в повседневной жизни называем здравым смыслом. Учитель, который хочет быть одинаково полезным всем своим учащимся, как тем, которые будут впоследствии использовать математику, так и тем, которые ею пользоваться не будут, должен обучать процессу решения задачи так, как будто он содержит одну треть математики и две трети обыкновенного здравого смысла. Возможно, что привить здравый смысл и полезные умственные навыки не так уж просто,— но если учителю математики удалось этого добиться, то тем самым он оказал реальную услугу своим учащимся, чем бы они в будущем ни занимались. Именно эта услуга и есть то самое главное, что он может сделать для 70% учащихся, которые в своей дальнейшей жизни не будут нуждаться в прикладной математике.
29% учащихся, которые будут пользоваться математикой, должны приобрести определенные навыки (например, научиться выполнять алгебраические преобразования), необходимые для продолжения их образования; однако именно этн ученики с практическим складом ума неохотно изучают технику формальных преобразований, если только они не убеждены, что она служит конкретной цели и может где-нибудь им пригодиться. Лучшее, что учитель может сделать для того, чтобы доказать необходимость изучения математической техники,——это продемонстрировать ее эффективность на решении естественно возникающих, интересных, конкретных задач.
Будущие специалисты-математики составляют около 196 от общей массы учащихся, но выявление их ——дело первостепенной важности, потому что, если
они неправильно выберут профессию, то их талант, который так разносторонне нужен современному обществу, может пропасть даром. Самое важное из того, что школьный учитель может сделать для этого 1?6,——это пробудить в них интерес к математике. (Вряд ли имеет значение то, выучат ли они в средней школе немного больше или немяого меньше материала, поскольку в любом случае он составит крайне незначительную часть того, чем им предстоит овладеть в буду щем.) Итак, решение задач — это широкая дорога в математику, впрочем, не единственная и вливающаяся в другие важные дороги (см. ниже, дополнительное замечание 7). Заметим, что среди рядовых задач учитель обязательно должен рассмотреть также некоторое количество таких, которые хотя и несколько более трудны и отнимают больше времени, но отличаются настоящим математическим изяществом и глубиной содержания (см. гл. 15).
5°. Я надеюсь, как уже говорил об этом раньше, что аргументы в пользу обучения решению задач в средней школе можно найти в обеих частях этой книги и во всех других моих работах этого направления. Несколько относящихся сюда специальных вопросов будут особо отмечены в дальнейшем.
Решение задач и построение теории. Добросовестный и хорошо подготовленный учитель может подобрать серьезную и вместе с тем не очень сложную задачу, а затем, помогая учащимся в ее исследовании, провести их через эту задачу, как через распахнутые ворота, к общей теории. Доказательство того, что число М2 иррационально или что существует бесконечное множество простых чисел, может служить примером таких серьезных задач. С помощью первой можно проникнуть в область обсуждений самого понятия вещественного числа 】)，с помощью второй ——в область теории чисел 2).
Можно отметить известное сходство между проводимым таким образом уроком н реальной историей науки. Решение важной задачи, затраченные на это усилия, достигнутое благодаря решению проникновение в существо вопроса могут проложить дорогу к новой пауке нли даже явиться предвестником новой эры в науке. Мы не должны забывать Галилея с его задачей о падении тел и Кеп- _ лера с его задачей об орбите Марса.
В работе [42] Мартин Вагеншейн выдвигает идею, которая, по моему мнению, заслуживает внимания составителей учебных планов: вместо того, чтобы скороговоркой освещать все мелкие детали излишне пространной программы, учителю следует сосредоточить свое внимание на немногих действительно важных задачах, которые н обсудить не спеша и с достоинством. Учащиеся должны исследовать на доступном им уровне все аспекты предложенной задачи, они должны найтн решение самостоятельно н, в заключение, направляемые учителем, должны предугадать некоторые возможные следствия из этого решения. Так задача становится типичным примером, образцом для целого раздела науки. Это только первоначальный набросок идеи парадигматического обучения*), с которой каждому преподавателю, имеющему серьезное отношение к составлению учебных планов и программ, следует подробно ознакомиться по книге Вагеншейна (см. также упр. 12).
Отметим еще раз, что одна-единственная задача, исследованная надлежащим .образом, может открыть дорогу к целой отрасли науки или послужить образцом для нее. Имея в виду эти и аналогичные им соображения, я взял на себя смелость утверждать в § 2, что «продуктивное размышление можно отождествить, по крайней мере в первом приближении, с решением задач».
Решение задач, и общая культура. Многие люди (я сам принадлежу к их числу) думают, что одна из самых важных целей обучения в средней школе, возможно, даже самая важная цель, заключается в прививке учащимся общей культуры. Обратимся теперь к этому вопросу, оставляя, однако, в стороне само
определение «общей культуры», так как иначе нам угрожала бы опасность заблудиться в тех дебрях, куда могут завести споры о содержании самого этого понятия.
Обучение на уроках математики искусству решать задачи доставляет нам исключительно благоприятный случай формирования у учащихся определенного склада ума и привития соответствующих концепций, что является, на мой взгляд, важнейшим элементом общей культуры. Ниже в рамке приводится перечень нз нескольких пунктов 】)；он не является исчерпывающим и включает только те ключевые, наиболее важные пункты, которые, как я надеюсь, будут понятны рядовому классу нашей школы. Многие элементы, затронутые в этом списке, объяснены на страницах этой книги 2) и других моих книг и статей близкого содержания (см. также дополнительные замечания 9 н 11).
НеизвестноеДанныеУсловие
ОбобщениеСпециализация
Аналогия
Строгое рассуждениеПравдоподобная догадкаЯзык/ \чертежей формул
Со взглядами о взаимоотношении между общей культурой и преподаванием математики можно ознакомиться также по книге Виттенберга [43].
^зык фигур. Встречаются люди, которым необходимо материализовать свои идеи с помощью тех или иных геометрических образов; даже некоторые общеупотребительные обороты речи имеют тенденцию превращаться в их уме в геометрические фигуры. Размышляя над задачами, эти люди испытывают потребность вытащить лист бумаги и карандаш и начать рисовать разные линии; возможно, они бьются над проблемой самовыражения на языке геометрических фигур.
1°. Существует много важных идей и фактов, не относящихся непосредственно к геометрии, которые лучше всего выражаются при помощи геометрических фигур, графиков или диаграмм: таковы, например, музыкальные обозначения, где точки, помещаемые на соответствующих уровнях (высоко или низко), выражают высоту звуков, или химическая символика, позволяющая выразить строение и химический состав вещества при помощи геометрических символов (точек и соединительных черточек). Геометрические образы и отношения между ними позволяют многими способами выразить числа и числовые соотношения; регулярный аппарат для этого доставляет аналитическая геометрия, представляющая собой своеобразный двуязычный словарь для перевода с языка формул на язык геометрических фигур и обратно. Идеи аналитической геометрии положены в основу всего массива графиков, диаграмм, номограмм и т. д., используемых в экономике, в технике, в чистой науке. Геометрические иллюстрации плодотворны также н как чисто математический метод, что можно проиллюстрировать н оставаясь на уровне средней школы; упр. 10 представляет собой иллюстрацию этого утверждения, не встречающуюся в обычных учебниках ).
2°. В принципе графики и диаграммы, применяемые в различных науках, определяются точно и однозначно, поскольку (идеализированный) чертеж должен точно отобразить подразумеваемые числовые соотношения. Однако важно отметить, что иногда могут принести пользу также н такие геометрические изображения, которые отличаются некоторой расплывчатостью. Я полагаю, например, что рис. 42 имеет определенную познавательную ценность, хотя вряд лн ои чем-либо отличается от обыкновенной метафоры, перенесенной на бумагу, нли от словесного оборота, замененного зримой фигурой. К этому же типу «чертежей» относятся рнс. 43 н 44. Рисунки же 47а——47д (из § 5 гл. 15), напротив, имеют точный математический смысл: онн изображают множество всех треугольников н некоторые подмножества этого множества. Главный же нх интерес заключается в том, что они иллюстрируют еще и нечто большее ——процесс, который мы на данном этапе не можем представить себе вполне ясно: процесс индуктивного мышления.
Из двух внешне похожих схем илн чертежей одной (одному) можно приписать совершенно точный смысл, другой же (другому)——неопределенный, метафорический; между математической точностью и поэтическим намеком существует множество градаций, любая из которых может быть реализованной,——хорошей иллюстрацией здесь могут служить навигациспные схемы ).
3°. Геометрия как наука о пространстве имеет ряд аспектов. Ее можно рассматривать как чисто дедуктивную науку, базирующуюся на системе аксиом. И в то же время геометрия — это умение наблюдать, это ремесло. Наконец, геометрию можно понимать как часть физики (наиболее примитивную, как зачастую считают физики; наиболее интересную, как возражают нм математики). Являясь частью физнкн, геометрия в то же время представляет собой область, в которой можно делать интуитивные и индуктивные открытия, а затем подкреплять нх рассуждениями. К перечисленным только что аспектам наши предыдущие рассуждения добавляют еще один: геометрия ——это также источник символов^ употребляемых в некоторой разновидности языка, который может быть только обиходным или точным, но в обоих случаях полезным н поучительным.
Для учителя отсюда вытекает следующая мораль: если вы хотите учить своих учеников по-настоящему, а не просто пробегать второпях один за другим пункты спущенной вам свыше программы, не пренебрегайте нн одним нз этих аспектов. Особенно остерегайтесь слишком рано или слишком настойчиво подчеркивать аксиоматический аспект геометрии, если не хотите вызвать к ней отвращение у будущих ученых и инженеров (или будущих артистов и философов), которых, возможно, больше прельстит простое созерцание геометрических форм нли представление пространственных тел, или индуктивные открытия, или, наконец, иллюстрации в виде схем и чертежей, дающих мощный толчок размышлениям. -
Рациональные и иррациональные числа. То, о чем я буду сейчас говорить, является лишь беглым наброском темы, которая должна быть очень тщательно проработана в классе,— ведь здесь мы сталкиваемся с самым деликатным вопросом школьного курса математики. Для краткости я воспользуюсь несколькими терминами и символами, заимствованными из аналитической геометрии, хотя настоящего знакомства с ней я у читателя предполагать не буду: вам достаточно будет небольшого умения строить графики. .
Пусть % и у, как обычно,— декартовы прямоугольные координаты. Прямую с уравнением у=1 мы назовем числовой прямой (она играет роль «идеализированной масштабной линейки»). Взгляните на рис. 46, на котором изображены узлы целочисленной решетки, т. е. точки с целочис-
ленными координатами. На нем особо выделены узлы решетки, попавшие на нашу числовую прямую («километровые столбы на прямой, как стрела, дороге, уходящей вдаль»).
На рис. 46 число х изображается точкой (%, 1) нашей числовой прямой. Проведем через точку (х, 1) и начало координат (0,0) прямую линию. Для того чтобы число х было рациональным, необходимо и достаточно, чтобы эта прямая проходила через какой-нибудь узел (р, д) решетки (отличный от начала координат!); действительно, в этом случае нз подобия треугольников вытекает, что
Учитель должен поставить перед учащимися следующий вопрос:
Точка (0,0) принадлежит решетке; обязательно ли всякая прямая, аооходя- щая через эту точку, пройдет еще через какой-нибудь узел целочисленной решетки? ——и по крайней мере неко
торое (причем — достаточно продолжнтельное) время он должен удерживаться от соблазна ответить на этот вопрос самому.
Конечно, здесь может представиться только два случая: прямая, проходящая через начало координат, либо проходит, либо не проходит через какой-нибудь отличный 0T начала координат узел решетки; какой из этих двух случаев более в ер о я т е н?
Учитель должен дать этим вопросам созреть, а рис. 46 — «отстояться» в голове
учащихся, и только после того, как учащиеся поймут всю важность стоящей перед ними проблемы (возможно, что для этого потребуются часы, недели нлн даже месяцы!), он должен приступить к обсуждению вопроса об иррациональности числа ]^2, о приближении иррациональных чисел рациональными (следуя Фелнксу Клейну, рис. 46 можно использовать как трамплин при изучении непрерывных дробей )) и т. д.
Строгость рассуждений. Нужно ли в средней школе обучать проведению математических доказательств? Мне кажется, что ответ вряд ли может вызвать сомнения. Да, нужно, если только исключительно неблагоприятные условия не заставляют нас отходить от стандарта. Строгие доказательства — это отличительный признак математики; он представляет собой существенную часть вклада математики как науки в общую культуру. Учащийся, на которого математическое доказательство ни разу не оказало впечатляющего влияния, упустил одно нз важнейших интеллектуальных переживаний.
Какого уровня строгости следует придерживаться при проведении математических доказательств? И как это делать? Ответ на поставленный вопрос не так- прост; больше того, он изобилует трудностями. Игнорировать эти трудности, отвечать на него недостаточно обдуманно, следуя лишь традиции, моде или предубеждению,— это не тот образ действий, который можно рекомендовать вдумчивым составителям учебных планов и программ, рассчитанных на среднюю школу.
Существуют доказательства и доказательства; доказывать можно по-разному *). И прежде всего здесь нужно усвоить следующее: одни пути доказательств подходят для данного возраста илн уровня развития, в то время как другие могут быть преждевременными или слишком примитивными.
1°. Вот одни из аспектов процесса такого математического доказательства, который с замечательной ясностью был подмечен и описан Декартом.
Я цитирую третье нз его Правил для руководства ума 】)：«В предметах нашего исследования надлежит отыскивать не то, что о них думают другие или что мы предполагаем о них сами, но то, что мы ясно и очевидно можем усмотреть илн надежно дедуцировать, ибо знание не может быть достигнуто иначе». Поясняя это правило, Декарт последовательно рассматривает два «пути познания» — интуицию и дедукцию. Вот как он начинает рассуждение о дедукции ); «Эта же очевидность и достоверность интуиции должны иметь место не только в отдельных утверждениях, но также и во всякого рода рассуждениях. Так, например, в сумме 2 и 2 составляют то же, что 3 и 1; нужно интуитивно постигать не только то, что 2 и 2 составляют 4 и что 3 и 1 составляют также 4, но еще и то, что из первых двух положений необходимо вытекает это третье».
Математическая дедукция представляется Декарту цепочкой заключений, рядом последовательных шагов. Для справедливости дедукции требуется только интуитивное понимание того, что заключение, получаемое в результате каждого из этих шагов, очевидно вытекает и необходимо следует из ранее приобретенных знаний (непосредственно благодаря интуиции илн косвенно, на основании предыдущих шагов дедуктивного рассуждения).
[Из гл. 7 мы знаем, что разветвленная схема более адекватно представляет структуру доказательства, чем просто цепочка из последовательных звеньев; однако у Декарта речь идет именно о цепочке. Если бы Декарт был знаком с представлением доказательства при помощи диаграммы, которое мы изучали в гл. 7, он потребовал бы, чтобы на ннтунтивную очевидность опирался каждый элемент этой диаграммы ——например, в том виде, в котором онн предстают перед нами на рис. 36.]
2°. Но у математики имеется много аспектов. Ее можно рассматривать, например, как «игру》с символами, проводимую согласно априорным правилам, в которой главное внимание уделяется тому, чтобы эти правила не были нару^ шены. [Этот аспект дсх:таточно современен; еще 50 лет тому назад большинство математиков и большинство философов склонялись к тому, что его следует считать революционным. Тем не менее этот аспект, введенный в математику под влиянием великого Давида Гильберта, оказывается весьма полезным в некоторых исследованиях, посвященных основаниям математики.]
В этой «игре» с символами последним не приписывается никакого конкретного смысла (а если бы такой смысл существовал, то мы бы его просто игнорировали). В ней существуют «доказательства», причем «шагом» в таком доказательстве является написание «правильно построенной» новой формулы (т. е. комбинации символов, отвечающих правилам). Шаг считается правильным, если новая формула написана строго в соответствии с некоторыми первоначальными формулами («аксиомами»), с формулами, написанными на предыдущих шагах, и с определенными, зафиксированными также в самом начале, правилами умозаключений. Как доказательства, так и доказуемые предложения должны при это быть «атомизированы», т. е. расчленены на очень короткие шаги и очень мелкие составные части.
3°. Между двумя крайними аспектами доказательства, рассмотренными в п. 1° и п. 2°, имеются и другие 】).В действительности концепция математического доказательства претерпела эволюцию, меняясь с переходом от одной научной эпохи к другой. История этой эволюции и ее движущие силы представляют для нас, учителей, большой интерес: разобравшись в том, как человечество приходило к той или другой концепции, мы могли бы лучше понять, как должен воспринимать ее ребенок. (Ср. дополнительное замечание 14.)
Ученый, занятый научно-исследовательской работой, конечно, свободен в выборе точки зрения； с которой он рассматривает математику; он предпочтет ту из них, которая больше всего соответствует его работе. Однако на уровне средней школы наш выбор не свободен, и если говорить про выбор между Г и 2° (т. е. между точками зрения на доказательство, близкими к тому или иному из этих аспектов), то здесь вряд ли можно колебаться. Я полагаю, что каждый человек, в том числе и математик-профессионал, предпочтет интуитивное понимание предмета формально логическим построениям. Жак Ааамар *) — выдающийся математик нашего времени — выразил эту мысль в таких словах: «Цель математической строгости состоит в том^ чтобы санкционировать и узаконить завоевания интуиции,——и никакой другой цели у нее никогда не было» ). Если исключить математиков-профессионалов, то не останется почти никого, кто был бы в состоянии должным образом оценить- значение формальных доказательств. Интуиция приходит к нам естественным путем, формальное доказательство — никогда з). И уж во всяком случае, интуиция приходит к нам намного раньше и под гораздо меньшим внешним воздействием, чем формальное доказательство, которое мы даже не можем по-настоящему понять до тех пор, пока не познакомимся как следует с логикой и софистикой.
Поэтому я полагаю, что при обучении школьников мы должны делать больший упор на интуицию, а не на дедукцию, и обращаться к первой гораздо раньше, чем ко второй. При проведении же доказательств мы должны держаться гораздо ближе к идеям Декарта (см. п. 1°), чем к идеям кого-либо из современных логиков (см. п. 2°).
Я встречал юнцов, питавших определенный интерес к науке и к технике, обладавших даже, видимо, некоторым талантом, но наотрез отказывавшихся изучать математику,——и я подозреваю, что могу догадаться о причинах этого.
4°. Позвольте привести один пример. Я рассмотрю предложение: Из трех данных точек, расположенных на одной прямой, единствен ная лежит между двумя другими.
Заметьте, что в этом предположении говорится о свойстве, характеризующем именно прямую линию: если три точки принадлежат окружности, то ни одна из них не играет какой-то особой роли, ни к одной из них нельзя в отличие от других применить предлог «между».
Нуждается л и это предложение о трех точках на прямой в доказательстве? На лекции в университете, посвященной основаниям геометрии, доказательство этого предложения, опирающееся на систему аХсиом, может иметь важное значение. Однако давать такое доказательство ученику 10-го класса средней школы, только приступающему к систематическому изучению геометрии, просто абсурдно.
Таково мое мнение, с которым можно и не соглашаться. Чтобы составить свое мнение на этот счет, вы должны представить себе реакцию класса на подобное доказательство. Я представляю ее себе так. Большинству учеников будет просто скучно — они не задумаются почему. Более способное и не столь равнодушное меньшинство будут интуитивно чувствовать,— может быть, не отдавая себе в этом полного отчета,——что доказательство бесцельно и проводить его не следует. Возможно, что в классе найдется один или два мальчика,——возможно, самые способные из всех,—— которые открыто восстанут и заявят, что им и раньше был этот факт ясен, не менее ясен, чем после доказательства. Такой, во всяком случае, была бы, видимо, моя собственная реакция, если бы подобное доказательство было мне предложено в школьном возрасте. Я не претендую на то, что точно помню ход мысли подростка (недавно мне исполнилось 60 лет), и я, конечно, не настаиваю на том, что этот подросток был всегда прав, однако я легко могу представить свою реакцию на такое доказательство. Оно убедило бы меня в том, что мой учитель глуп или что математика ——это глупая наука, или что глупы и учитель и математика. Заняв такую позицию, я перестал бы слушать объяснения учителя — а если бы меня заставили это делать, то слушал бы с неохотой, подозрением и неуважением.
Как бы то ни было, я считаю, что враждебная реакция на доказательства такого рода естественна и правильна ).
5°. Существует много видов доказательств. Мне кажется, что роль доказательств в становлении науки более сложна, чем это обычно считается, и что
здесь могут найтись в опросы, заслуживающие философского интереса. Нас, однако, занимает другая сторона дела: какому виду доказательств надо обучать начинающих? Этот вопрос кажется мне более легким, и на этот счет у меня сложилось определенное мнение, которое я позволю себе здесь изложить.
Прежде всего учащийся должен быть убежден, что доказательства заслуживают того, чтобы их изучали, что они необходимы и интересны. В судебном разбирательстве, например, доказательства необходимы. Подозревают, что обвиняемый виновен, но это — только подозрение, твердой уверенности в этом нет. Виновен обвиняемый на самом деле или нет — это еще надо доказать. Цель юридического доказательства состоит в том, чтобы устранить с о м н е н и я,— но именно такова и самая очевидная и самая естественная цель математического доказательства. У нас имеются сомнения в справедливости ясно сформулированного математического утверждения, мы ие знаем, верно оно или ложно. В этом случае перед нами стоит альтернатива: для того чтобы ликвидировать сомнение, нужно либо доказать это утверждение, либо опровергнуть его.
Теперь я могу пояснить, почему я так твердо убежден, что доказательству упомянутого ранее предложения (о трех точках на прямой) не может быть места в средней школе. Юнец школьных лет. познакомившись с утверждением о трех точках, не усомнится в нем. Здесь перед нами не встает задача ликвидировать сомнение — и поэтому доказательство кажется бесполезным, бесцельным, бессмысленным. Ситуация еще больше обостряется, если доказательство начинается с аксиом, содержит исследование нескольких случаев и занимает в учебнике тринадцать строчек. Оно может создать у учащихся впечатление, что математика занимается тем, что весьма неочевидным путем доказывает совершенно очевидные вещи.
6°. На соответствующем ему уровне доказательство утверждения о трех точках на прямой, как я уже об этом говорил выше, вполне уместно. Когда же мы излагаем его в средней школе, мы совершаем грубый и непростительный в педагогике грех ——мы путаем уровни йзложения (см. дополнительное замечание 16).
На уровне научно-исследовательской работы нам может встретиться предложение, которое интуитивно кажется нам очевидным; у нас могут быть очень правдоподобные доводы в его пользу, но формальное доказательство может отсутствовать. В такой ситуации лучшее, что может сделать математик,——это постараться найти нужное доказательство. Знакомству с подобными ситуациями на уровне средней школы может способствовать упр. 12, а также некоторые из упражнений к гл. 15.
7°. Прежде чем оставить эту тему, я должен предостеречь вас еще от одного непростительного греха — от злоупотребления тривиальными доказательствами. Перегрузка учебника ненужными доказательствами, где счастливый конец ясен с самого начала, а аргументация основана на трюизмах, может произвести самое неблагоприятное впечатление на способных учеников, обладающих тем даром, который может принести им огромную пользу в технике и в науке (в частности, в математике),— даром интуиции.
Заметим, что и эта грубая ошибка может быть следствием путаницы в уровнях. Только математику-профессионалу, но никак не ребенку школьного возраста, может доставить удовольствие формальное обоснование каждого шага длинной цепочки рассуждений. Конечно, такой контроль бывает необходим, хотя он и не является наиболее привлекательной частью труда математика. Логика —это дама, стоящая у выхода из магазина самообслуживания и проверяющая стоимость каждого предмета в большой корзине, содержимое которой отбиралось не ею.
Может ли географическая карта быть совершенной? Географическая карта —— это изображение части земной поверхности на плоском листе бумаги.
1°. Чтобы лучше разобраться в поставленном вопросе, мы сначала его обобщим и изучим более детально новый, обобщенный вариант задачи. (Этот переход
Д. ПоЙа ,
от частного к общему и от интуитивного уровня изучения к более абстрактному очень важен; здесь он намеренно заострен, в классе же его нужно проводить постепенно и с большой осторожностью.)
Рассмотрим отображение поверхности S на другую поверхность S'. При этом мы предполагаем, что наше отображение взаимно однозначно, т. е. что каждой точке р поверхности S соответствует одна-единственная точка р‘ поверхности S1— образ точки р, и, обратно, каждой точке р‘ поверхности S' соответствует одна-единственная точка р на S — прообраз точки р‘. Кроме того, мы предполагаем, что наше отображение «непрерывно», т. е. что точкам, образующим 《гладкую》линию на одной поверхности, соответствует множество точек, образующее также «гладкую» линию на другой поверхности. Пусть L】и L2——линии на поверхности S, пересекающиеся в точке р под углом а, а 丄i и 丄;—— соответствующие им линии на поверхности S'. Тогда линии £； и L； пересекаются в точке р', являющейся образом точки р, образуя при этом некоторый угол а'. Мы будем называть угол а' образом угла а, а угол а — прообразом а'.
[В случае, когда мы имеем дело с географическими картами, S является частью земной поверхности, a S'——соответствующей ей частью плоскости. Будем считать «важными» линиями на земной поверхности берега морей и океанов, реки, границы государств, шоссейные и железные дороги ——каждой такой линии соответствует определенная линия на карте.]
2°. Теперь мы можем дать точное определение. Мы называем отображение совершенным, если оно удовлетворяет двум условиям:
длины всех линий уменьшаются в одном и том же отношении (называемом масштабом карты);
все углы сохраняются.
Сформулируем еще раз эти условия более подробно.
Каждому отображению соответствует определенный масштаб или фиксированное отношение двух чисел (например, 1 : 1 000 000). Под этим подразумевается следующее: если линия U на поверхности S' является образом линии L на поверхности S, то отношение длины линии 丄'к длине линии L есть постоянное число (1 : 1 000 000 в нашем примере), которое не зависит ни от размера линии, ни от ее расположения на поверхности.
Каждый угол а' на S' равен углу а на S, образом которого он является.
3°. Представим себе наше определение более отчетливо, рассмотрим конкрет
ные его детали.
3°а. Пусть на хорошо выполненной географической карте указан масштаб, равный 1 : 1 000 000,— это означает, разумеется, что таков приблизительный масштаб. А может ли масштаб иметь в точности одно и то же значение нт всем протяжении географической карты? И если да, то будут ли при этом сохраняться также и углы? В этом суть вопроса.
3°б. Если можно отобразить поверхность S на поверхность S' в каком-то фиксированном масштабе, то, очевидно, поверхность, геометрически подобную поверхности S, можно отобразить на поверхность S' в масштабе 1:1, т. е. н е увеличивая и не уменьшая ее. Допустим для примера, что земля, на которой мы живем, точная сфера. Если бы какая-нибудь часть земной поверхности допускала совершенное отображение на плоский лист бумаги в масштабе 1 : 1 000 000, то соответствующая часть сферы с диаметром, равным одной миллионной диаметра земли, отображалась бы на тот же самый лист бумаги так, что соответствующие линии — образы и прообразы — имели бы одинаковую длину, а соответствующие углы были бы равны друг другу.
3°в. Мы можем свернуть лист бумаги в конус или цилиндр, или, наоборот, развернуть боковую поверхность цилиндра или конуса на плоскость. Подобное развертывание порождает «совершенное» отображение искривленной цилиндрической или конической поверхности на плоскость (вообразите, что на бумаге нанесены береговые линии и реки): длины и углы при этом, очевидно, сохраняются.
Но можно ли аналогичным образом «развернуть» на плоскость часть сферической поверхности с сохранением всех длин и углов? Мы подозреваем, что это невозможно; возможно, что это подозрение основано на опыте, на наблюдениях, которые мы когда-то сделали при очистке яблок или картофеля.
4°. Теперь мы можем уяснить себе, в чем состоит ядро задачи. Можно ли отобразить (предполагая соответствие между точками двух поверхностей взаимно однозначным) часть S сферы на часть Sf плоскости так, чтобы сохранялись все длины и все углы?
Допустим (вопреки нашим ожиданиям), что такое отображение возможно; следствия, которые мы выведем из этого предположения, собраны в пп. 5е и 6°.
5°. Длины сохраняются. Пусть р н g — две различные точки части S сферы (или всей сферы), a L ——какая-то линия на S, соединяющая peg; пусть, далее, р', д' и U— образы р, д и L на части S' плоскости (или просто на плоскости). Согласно предположению, линии L и L' имеют одинаковую длину. Если бы линия L случайно была кратчайшей линией *) на сфере, соединяющей р и д, т. е. линией, которая короче любой другой линии, связывающей эти точки, то, поскольку наше отображение сохраняет длины, линия L' также была бы короче любой другой линии, соединяющей р' и д', т. е. кратчайшей линией, связывающей эти две точки плоскости. Мы знаем (читатель должен быть с этим знаком), что кратчайшие линии на плоскости ——это прямые, а на сфере ——это дуги больших окружностей**). Результат нашего рассуждения таков: дуги больших окружностей сферы S отображаются в отрезки прямых линий плоской области S'. В частности, стороны сферического треугольника, являющиеся дугами больших окружностей, отображаются в стороны обычного треугольника, являющиеся отрезками прямых линий.
6°. Углы сохраняются; поэтому каждый угол только что упомянутого сферического треугольника должен быть равен соответствующему углу обычного треугольника. Но это невозможно, так как сумма углов обычного треугольника равна 180°, тогда как (читатель должен это знать **)) сумма углов сферического треугольника больше 180°.
Итак, совершенное отображение сферы на плоскость невозможно.
7°. Задача, которую мы только что решили, может проложить дорогу как к практическим приложениям (картография), так и к серьезной теории (раздел дифференциальной геометрии, концентрирующийся вокруг «theorema egregium» Гаусса ***) и ведущей к общей теории относительности). Вот несколько вопросов, не слишком возвышающихся над уровнем средней школы и тесно связанных с тем, о чем только что говорилось; запомните их.
7°а. Плоский (обычный, евклидов) треугольник и сферический треугольник связаны друг с другом так, что каждая сторона одного из них равна соответствую-
*) Такие линии поверхности S математики называют ее геодезическими линиями.
**) См., например, Ж- А д а м а р, Элементарная геометрия, ч. II, «Просвещение», 1958, гл. VIII пятой книги; Д. И. Перепелкин, Курс элементарной геометрии, ч. 2, Гостехиздат, 1949, гл. XVI или Б. А. Розенфельд, Основные понятия сферической геометрии и тригонометрии, Энциклопедия элементарной математики, кн. IV, Физматгиз, 1963.
***) Название theorema egregium («выдающаяся теорема» ——лат.) К.①.Гаусс дал предложению о том, что так называемая «кривизна поверхности» сохраняется при всех ее изгибаниях. В дальнейшем своем развитии эта теорема привела к созданию так называемой «внутренней геометрии поверхности» (по этому поводу см., например, 4-ю часть книги Г. С. М. К о к с т е р, Введение в геометрию, «Наука», 1966, открывающуюся параграфом «theorema egregium》), явившейся фундаментом весьма общих концепций Б. Римана (концепция «риманова пространства»), лежащих, в частности, в основе «общей теории относительности» А. Эйнштейна.
щей стороне другого. Покажите, что при таком условии (рассмотренном нами в пп, 5° и 6°) каждый угол сферического/треугольника больше соответствующего угла плоского треугольника. (Вспомним, что замечание об избытке суммы углов первого треугольника над суммой углов второго сыграло решающую роль в п. 6°.)
7°б. Условия, сформулированные в п. 2°, не являются независимыми. Из первого, из них вытекает второе, т. е. если удовлетворяется условие I), то и условие II) также должно удовлетворяться.
7°в. Однако из условия II) условие I) н е следует. Существует много отображений сферы на плоскость, при которых сохраняются все углы ), тогда как отношение длины кривой на сфере к длине ее образа на плоскости постоянным не остается. (Оно и не может быть таким в силу теоремы, доказанной в пп. 5° и 6°.)
7°г. Существуют отображения сферы на плоскость, при которых сохраняются все площади ) (но не сохраняются углы).
7°д. Существуют отображения сферы на плоскость, при которых сохраняются кратчайшие ) линии, т. е. такие отображения, при которых дуги больших окружностей переходят в отрезки прямых линий (тогда как углы не сохраняются).
8°. Я совсем не касался вопроса о роли непрерывности в предыдущих рассуждениях; их можно было бы пополнить точными сведениями на этот счет, однако я думаю, что эта тема далеко превосходит возможности средней школы.
Чему мы должны учить? Вам, учителю, государство доверило обучение молодежи в вашем классе. Поэтому ваша задача ——учить тому, что полезно как обществу, так и самим учащимся.
Вам может показаться, что эта рекомендация стоит немногого; однако она глубже, чем вы думаете. Поэтому постоянно помните о своей задаче, не выпускайте ее из вашего поля зрения ни при краткосрочном, ни при долгосрочном планировании своих занятий, т. е. ни прн составлении наброска ближайшего урока, ни при составлении программы всего курса. Представьте себе, что в вашем классе есть милый и умный мальчик, еще не испорченный школой и ие испытывающий перед вами чувства страха, который может в любой момент открыто и наивно спросить вас:《А где это может пригодиться, учитель?» Так вот, если вы будете постоянно иметь в виду этого милого мальчика и планировать обучение так, чтобы всегда иметь возможность ответить на его вопрос,— а может быть так, чтобы он, будучи заинтересован и увлечен, не имел потребности задать этот вопрос,—вы можете стать хорошим учителем.
Я допускаю, что жизнь и работа учителя полны искушений. Нас может, например, соблазнить попытка изложения того, чему легко научить, того, что «удобоизлагаемо». Однако должны ли мы обучать только тому, что легко воспринимается учащимися? Всегда ли полезно то, чему обучить легко?
Искусный дрессировщик может научить тюленя держать мяч в равновесии на кончике носа. Но будет ли после этого тюлень лучше ловить рыбу?
Генетический принцип ). Планирование курса обучения — это нечто большее, чем простой выбор подлежащих изучению фактов и теорий. Здесь еще важно то, в каком порядке и какими методами будут изучаться эти факты и теории. В этом отношении многое может дать генетический принцип.
1°. Генетический принцип в обучении можно проводить различными путями. Так, например, излагая какой-нибудь раздел науки (или теорию, или концепцию), мы должны дать ребенку возможность проследить важнейшие ступени умственной эволюции человечества. Конечно, при этом не следует позволять ему повторять ту тысячу ошибок, которые были сделаны человечеством в прошлом; мы имеем здесь в виду только важнейшие ступени.
Этот принцип не устанавливает жесткого и непреложного правила; наоборот он оставляет большую свободу выбора. Какие ступени считать важнейшими и какие ошибки пренебрежимыми ——дело интерпретации. Генетический принцип — это проводник суждения, а не его замена.
Именно для того, чтобы подчеркнуть это последнее обстоятельство, возможно, будет полезно сформулировать генетический принцип более осторожно (и более свободно). Разобравшись в том, как приобрел определенные знания и концепции человеческий род в целом, мы можем лучше судить о том, как может приобрести эти знания ребенок. (В п. 3° дополнительного замечания 11 мы очень близко подошли к этой формулировке.)
2°. Генетический принцип находит себе поддержку в одной аналогии, заимствованной из биологии. Индивидуальное развитие каждого животного повторяет историю эволюции рода, к которому принадлежит данное животное. Это означает, что эмбрион данного животного, проходя последовательные стадии развития, начиная с оплодотворенного яйца и до взрослой особи, напоминает на каждой из этих стадий какого-то своего предка, а последовательность стадий развития отражает развитие всего предшествующего данному биологическому виду ряда 4^?рм. Если вместо слов «индивидуальное развитие каждого животного^ мы употребим научный термин «онтогенез», а вместо выражения «история эволюции биологических форм» ——термин «филогенез», то придем к сжатой формулировке «основного биогенетического закона», принадлежащей немецкому биологу Эрнесту Геккелю: «Онтогенез повторяет филогенез».
Конечно, такая аналогия может лишь служить источником интересных наводящих мыслей, а не обоснованием необходимости генетического принципа обучения; поэтому последний должен рассматриваться не как «обязательный принцип», а только как источник интересных идей.
3°. Генетический принцип может подсказать, например, принцип последовательных фаз, который мы обсуждали в п. 3° § 4 и п. 3° § 5. Действительно, в историческом развитии различных отраслей знания (теорий, концепций) можно усмотреть три фазы. В начальной, исследовательской, фазе, на основе контакта с экспериментальными данными, возникают первые, обнадеживающие, но часто неполные или даже ошибочные идеи. В следующей фазе, фазе формализации, экспериментальные данные систематизируются, вводится подходящая терминология, распознаются закономерности. В последней фазе, фазе освоения, найденные закономерности рассматриваются с более общей точки зрения, обобщаются и находят приложения в практике.
По-настоящему же убеждает нас в необходимости генетического принципа обучения только чтение оригинальных произведений великих авторов. Его можно сравнить с освежающей прогулкой на живительном воздухе после затхлой атмосферы учебников. Как писал в предисловии к своему великому «Трактату об электричестве и магнетизме» Джеймс Кларк Максвелл: «Изучающему любой пред-
мет чрезвычайно полезно читать оригинальные мемуары, относящиеся к этой теме, потому что знание усваивается наиболее полно только тогда, когда видишь процесс его зарождения».
4°. В согласии с генетическим принципом, обучаемому рекомендуется пройти путь, которым следовали первооткрыватели. В согласии же с принципом активного обучения, он должен самостоятельно открыть максимум возможного. Комбинация этих двух принципов говорит о том, что изучающий должен вторично открыть то, что ему нужно изучить. Здесь мы только бросили беглый взгляд на одну из важнейших сторон процесса обучения, с которой читатель может ознакомиться по упомянутым в библиографии двум книгам А. Виттенберга [43] и [44].
Бесплодные словоизлияния. «Общая культура》——ходячее выражение; как всякое такое выражение, его часто употребляют в неверном смысле. Нет ничего легче, чем говорить об «общей культуре». В средней школе можно встретить самые дикие вещи, оправдываемые тем, что они «развивают общую культуру».
«Привить общую культуру», «научить думать», «научить решать задачи» — ходячие слова, которые, несмотря на лежащую в их основе верную мысль, легко истолковать неверно и употребить в неправильном смысле. Однако между этими тремя выражениями имеется различие, благодаря которому последнее из них оказывается в лучшем положении, чем два других.
Выражение «научить решать задачи» можно разъяснить не только при помощи других общих терминов (которые также можно неправильно интерпретировать), но и при помощи поучительных конкретных примеров (в этой книге, как и в других моих книгах и статьях, близких к ней по теме, я старался привести таких примеров побольше).
Замечу еще, что бесплодные словоизлияния, распространяемые по поводу того, как надо решать задачи, можно легко разоблачить. «Ах, так вы учите тому, как надо решать задачи,— как интересно! А какие именно задачи вы разбирали в вашем классе? Какие полезные стороны ума развивают у учащихся ваши задачи? И как это происходит?..»
Путаница в уровнях. Современные математики имеют гораздо больше дел с множествами, операторами, группами, полями и т. д., чем со старомодной геометрией и алгеброй. Поэтому, прежде чем изучать в школе эти старомодные предметы, нам нужно изучать множества, операторы, группы и поля...
Таково мнение некоторых. А вот еще одно очень похожее мнение:
«Современные американские подростки проделывают гораздо больший путь за рулем автомашины, чем проходят пешком. Поэтому мы должны обучать младенца управлению автомобилем до того, как он научится ходить!»
Айседора Дункан была знаменитой танцовщицей, настолько же знаменитой в мои молодые годы, насколько недавно была знаменита Мэрилин Монро ). Да, но какая же связь между этой танцовщицей и интересующим нас предметом? Видите ли, может возникнуть некая блестящая мысль: а не поручить ли составление плана обучения и написание учебника одной «команде», состоящей из профессора университета и учителя средней школы. Можно ожидать, что соединение математического кругозора профессора с преподавательским опытом учителя дадут великолепный результат. Да, все это, конечно, так, но...
В мои молодые годы все знали одну историю, связанную с Айседорой Дункан, которая будто бы сказала как-то Бернарду Шоу; «...не стоит ли нам подумать, какой бы мог быть у нас ребенок ——с вашим умом.и моей красотой».— «Да, да, конечно,— ответил Бернард Шоу,— но не стоит ли заранее обдумать также и то, что случится, если ребенок унаследует мою красоту и ваш ум».
: Возможно вам тоже приходилось встречаться с книгами, которые объединяют... кругозор рядового учителя математики с опытом преподавания в средней щколе, каким может обладать разве лишь профессор университета.
У ровни знания. В своем «Трактате об усовершенствовании разума» (Тгас- tatus de Intellectus Emendatione) философ Бенедикт Спиноза различает четыре, уровня знания 】).Эти свои четыре уровня знания он разъясняет на четырех толкованиях Правила Трех.
В нижеследующих пунктах 1°—4° под «правилом» подразумевается любое математическое правило, которое когда-нибудь изучал читатель, причем, возможно по стадиям, с каждым новым шагом улучшая свое понимание правила.
1°. Учащийся выучил правило наизусть, приняв его на веру; однако он в состоянии им пользоваться, правильно применяя его на практике. Эту стадию, мы назовем стадией механического усвоения правила.
2°. Учащийся испробовал правило в простейших частных случаях, где, как он убедился, оно всегда дает верный результат. Это ——стадия индуктивного понимания правила.
3°. Учащийся понял доказательство правила. Это — стадия осмысленного понимания, правила.
4°. Учащийся полностью усвоил правило и настолько уверен в нем, что у него не осталось ни следа сомнений в его правильности. Это ——стадия внутреннего понимания правила.
5°. Я не знаю, были ли эти мысли Спинозы отмечены в педагогической литературе. Как бы то ни было, учитель должен хорошо понимать разницу между различными уровнями знания. Программа требует от учителя, чтобы он проходил с учащимися тот или иной раздел математики в таком-то и таком-то объеме. Однако какого уровня знаний должны при этом достичь учащиеся? Достаточно ли механического понимания? Или учитель должен пытаться довести их до стадии внутреннего понимания? Здесь перед нами две совершенно различные цели ——и далеко не безразлично как для учителя, так и для учащихся, какая именно из них имеется в виду.
6°. При исследовании с позиций учителя различных уровней знания, выделенных Спинозой, перед нами встает ряд вопросов. Как подвести учащихся к тому или иному уровню? Как можно проверить, что учащиеся достигли того или иного уровня? Наиболее трудно ответить на эти вопросы применительно к уровню внутреннего понимания.
7°. Не обязательно, конечно, ограничиваться только этими четырьмя уровнями знания; существует еще один уровень, бесспорно заслуживающий внимания учителей (а также и учеников — в первую очередь тех из них, которые стремятся стать учеными),— это стадия хорошо закрепленного, хорошо увязанного, хорошо сцементированного, одним словом, хорошо организованного знания).
Учитель, стремящийся к тому, чтобы знания его учеников были хорошо организованными, в первую очередь должен быть осторожен при ознакомлении их с новыми фактами. Новый факт не должен возникать из ничего: он должен быть связан с окружающим нас миром, с уже имеющимися знаниями, с повседневным опытом, опираться на них, находить в них свое объяснение, он должен отвечать естественной любознательности учащихся.
Больше того, как только новый факт усвоен, его следует использовать для решения других задач, для решения их более простым способом, для того, чтобы пролить новый свет на уже известные факты, для того, чтобы открыть новые перспективы.
1) См. Б. С п и н о з а, Трактат об усовершенствовании разума, Избранные произведения, М., 1957, стр. 325. Нижеследующее ——это довольно свободный пересказ оригинального текста Спинозы; в частности, добавлены названия уровней.
Целеустремленный ученик должен внимательно изучать каждый новый факт, он должен поворачивать его и так и этак, рассматривая этот факт с разных точек зрения, тщательно исследуя его со всех сторон, стараясь найти ему наиболее благоприятное место в системе приобретенных им ранее знаний с тем, чтобы он наиболее естественным образом увязывался с другими родственными ему фактами. При этих условиях учащийся, опираясь на свою интуицию, сможет обозреть этот новый фрагмент своих знаний с наименьшими трудностями и наибольшей полнотой. Более того, он должен стараться расширить и развить только что приобретенные знания, используя их для приложений, применяя обобщение, специализацию, аналогию, а также всеми другими доступными ему способами.
8°. Как преданные своему долгу учителя, мы в состоянии изыскать способы, чтобы закрепить новый факт в математических знаниях учащихся, привязать его к ранее изученным фактам, сцементировать его практикой. Но мы можем только надеяться, что эти хорошо закрепленные, хорошо увязанные, хорошо сцементированные, хорошо организованные знания, в конце концов, превратятся во внутренние знания.
Повторение и контраст. Если вы увлечены своей преподавательской деятельностью, а также любите музыку, то можете заметить между тем и другим много сходства; это наблюдение при всей его «ненаучности» может помочь вам как преподавателю ——оно может помочь вам более искусно и более эффективно расположить проходимый материал.
Что я под этим подразумеваю? Повторение и контраст играют важную роль во всех искусствах, не исключая искусства преподавания, однако в музыке их роль наиболее выразительна. Поэтому такие атрибуты музыкального произведения, как предвестник темы, ее развитие, повторение и вариация, чередование тем, могут навести на хорошую мысль об использовании аналогичных атрибутов в темах классных занятий или литературных сочинений.
Изнутри и извне. Когда я замышлял и писал эту книгу, я имел в виду нужды учителя математики средней школы и, в особенности, следующую ситуацию. Учитель предлагает своему классу задачу; учащиеся должны разобраться в ней самостоятельно, а затем обсудить ее всем классом. Эта ситуация требует обдуманного подхода. Если учитель слишком пассивен, то не будет должного продвижения вперед; но если учитель будет слишком активен, ему грозит опасность придушить инициативу учащихся. Каким образом учитель может избежать здесь острых углов? В каких пределах он должен оказывать помощь своим учащимся?
Вопрос лучше поставить иначе: не следует спрашивать «в каких пределах?», нужно спросить «как?». Как должен учитель помогать своим учащимся? Для этого имеется много путей.
Г. Бывают случаи, когда учитель, задав несколько вопросов, вынужден повторять их несколько раз до тех пор, пока ему не удастся заставить учащихся включиться в работу. В приводимом ниже диалоге точки символизируют молчание учащихся. Учитель говорит после продолжавшегося некоторое время обсуждения:
«Скажи мне еще раз: что представляет собой неизвестное?^
—Длину отрезка АВ.
«Каким образом можно найти подобное неизвестное?»
«Как можно найти длину отрезка?»
《Какие нужны данные, чтобы найти длину отрезка?»
«Разве мы раньше не решали таких задач? Я имею в виду задачи, в которых была бы неизвестна длина отрезка и ее требовалось определить?»
—Мне кажется, что решали.
• «Как же мы поступали в таком случае? По каким данным мы вычисляли неизвестную длину?»■
«Посмотри на чертеж. Видишь на нем отрезок ДВ? Длина его — это наше неизвестное. А какие отрезки даны?»
—Дан отрезок АС.
«Хорошо, а еще какой-нибудь отрезок нам пан?》
— Дан еще один отрезок ВС.
«Посмотри на отрезки АВ, АС и ВС ——каково их взаимное расположение. Как ты мог бы его описать?»
——АВ, АС и ВС — это стороны треугольника АВС.
«Какой это треугольник?»
Да..., бывают случаи, когда терпение учителя должно быть безграничным.
2°. Менее терпеливый учитель мог бы поступить совсем по-иному и сказать учащимся напрямик: «Примените к прямоугольному треугольнику АВС теорему Пифагора».
3°. Чем же отличаются друг от друга процедуры, описанные в пп. 1° и 2°?
Прежде всего тем, что первая длинна, а вторая коротка. Это наиболее очевидное отличие.
Еще одно отличие, которое нам следует отметить, состоит в том, что процедура 1° открывает перед учащимся больше возможностей для проявления собственной инициативы, чем процедура 2°.
Однако между ними имеется и более тонкое различие.
Вопросы и наводящие указания, которыми учитель пользуется в процедуре 1°, могли бы прийти на ум самому учащемуся. Присмотревшись к ним поближе, вы заметите, что многие из этих вопросов и указаний могут служить инструментами для решения не только данной задачи, но и многих других задач, можно даже сказать — для многих типов задач. И этот инструмент доступен всем,— правда, более опытные лица, с «лучшей методической подготовкой», смогут пользоваться им более свободно и более умело.
В то же время рекомендация учителя, предложенная им в процедуре 2°, a priori не является инструментом для решения других задач, ее можно рассматривать лишь как конкретное действие, проведенное вне всякой связи с какой бы то ни было общей идеей.
Назовем внутренней помощью такую помощь, которую каждый решающий, серьезно интересующийся своей задачей и знакомый с методологическими вопросами, может с достаточной вероятностью оказать себе сам. Внешней помощью назовем помощь, имеющую слабое отношение к методологическим вопросам,— у решающего мало шансов оказать себе такую помощь самостоятельно. Мне кажется, что самое важное различие между процедурами 1° и 2° состоит в том, что в первом случае учитель оказывает учащемуся внутреннюю помощь, тогда как во втором ——только внешнюю.
4°. Разделяя принцип активного изучения, мы должны внутреннюю помощь предпочесть внешней. Учитель должен прибегать к внешней помощи только как к последнему ресурсу, после того как все внутренние средства исчерпаны, а результат не достигнут (или — увы! — в случае острой нехватки времени).
Мало вероятно, что внешняя помощь окажется полезной ——возникнув как дар неба и deus ex machina, она легко может разочаровать х). Внутренняя помощь, возможно, самая полезная вещь, которую может предложить учитель. Учащийся может легко воспользоваться ею, он может понять, что вопросы помогают ему и, наконец, он может сам поставить вопросы перед собой. Таким образом, учащийся
1) См. конец § 2 гл. 3・
330 ГЛ. 14. ОБ УЧЕНИИ, ПРЕПОДАВАНИИ И ОБУЧЕНИИ ПРЕПОДАВАНИЮ научится эффективно пользоваться вопросами; голос учителя превратится для него во внутренний голос, помогающий ему в сходных ситуациях ]).
Для оказания внутренней помощи учитель может использовать все «стандартные вопросьг» и рекомендации, собранные в гл. 12, которая явится в этом случае для учителя центральной главой книги. Конечно, сначала он должен хорошо ознакомиться с ситуацией, в которой применимы эти вопросы н рекомендации. Настоящая книга была задумана и написана для того, чтобы помочь учителю в его работе.
Когда у меня создается впечатление, что я слишком долго говорю сам и что мне пора задать аудитории вопрос, я вспоминаю одни немецкий стишок, который переводится приблизительно так:
«Один лишь вещает, а класс засыпает;
Сие представленье зовут «обученье» *).
Насколько это трудно? С таким вопросом может встретиться как ученый, так и учитель: первый ——когда бьется над решением задачи, второй ——перед тем как предложить ее своему классу. Чтобы ответить на этот вопрос, следует больше полагаться на «чутье», чем на отчетливые аргументы. Все же иногда удается оценить трудность задачи довольно точно, так как впечатления ученого можно проверить по результатам его исследования, а впечатления учителя — по исходу экзамена.
При оценке трудности задачи прямые аргументы обычно могут дать совсем немного; однако даже это немногое заслуживает тщательного изучения.
1°. Объем области исследования. Допустим, что совершен некоторый проступок (например, кто-то из ребят разбил окно) и что виновником может быть один из п учеников. Ясно, что при прочих равных условиях трудность обнаружения виновника возрастает с ростом /г. Вообще говоря, можно ожидать, что с увеличением объема области исследования трудность задачи возрастает (ср. § 6 гл. 11).
2°. Число рассматриваемых совместно элементов. Допустим, что учащимся надо решить задачу, требующую применения п различных правил, встречающихся в последней пройденной ими главе курса ——той главе, которую они знают гораздо хуже всех предыдущих глав. В такой ситуации, при прочих равных условиях, трудность задачи, очевидно, растет вместе с п: можно ожидать, что трудность задачи увеличивается вместе с ростом числа элементов, которые до этого совместно не рассматривались и которые нужно объединить для того, чтобы решить задачу.
3°. Предыдущие рассуждения могут помочь нам вынести априорное суждение о трудности задачи ——до того, как мы приступили к ее решению. Что же касается апостериорного суждения о трудности задачи, т. е. суждения, выносимого после того, как была сделана попытка решить задачу, то оно более или менее явно связано с методами статистики. Вот один схематический пример: из двух задач, предложенных на экзамене ста учащимся, первую решили 82, а вторую 39 учащихся. Очевидно, что вторая задача для этой группы учащихся более трудна. Будет ли она более трудной и для следующей группы учащихся? Да, отвечает статистик, этого следует ожидать с такой-то и с такой-то
1) См. КРЗ, во многих местах, особенно § 17, Хорошие вопросы и плохие вопросы, стр. 30—31.
*) В оригинале:'
All аге sleeping just one is preaching;
,Such performance is called here «teaching».
Автор имеет в виду стишок из немецкого школьного фольклора:
Alles schlaft, nur einer spricht;
Der Vorgang nennt sich Unterricht.
—Прим, перев.
УПРАЖНЕНИЯ И ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ К ГЛАВЕ 14 33[ степенью уверенности при условии, что нет какой-нибудь неслучайной р а з и и ц ьг между данными двумя группами. Вот здесь-то мы натыкаемся на шероховатость. В вопросах образования встречается слишком много факторов, не поддающихся учету, но играющих большую роль, так что отличие «случайного» от «неслучайного» становится совершенно неуловимым. Укажем, например, на характер изложения учителем некоторого отрывка курса, акцент, который он делает на этом вопросе, его настроение и многие другие факторы, которые невозможно предвидеть,——все это может оказать не поддающееся учету влияние иа исход экзаменов, причем гораздо большее, чем те факторы, о которых мы можем получить информацию,'исходя из статистических данных. Мы коснулись здесь —— причем коснулись очень поверхностно ——одной из многих причин, которые должны сделать нас очень осторожными и даже подозрительными, когда приходится иметь дело со статистическими оценками в вопросах, касающихся образования.
В конечном счете, когда математик имеет дело с задачей, которая была предложена двести или две тысячи лет тому назад и которая до сих пор никем не решена, то у него имеются довольно хорошие «статистические» основания подозревать, что задача трудна. (Теория чисел изобилует такими задачами.)
Трудность задачи и ее образовательная ценность. Нелегко судить о трудности задачи, но еще труднее установить ее образовательную ценность — и все же учитель, который собирается предложить классу задачу, должен стараться взвесить все эти факторы.
В этом учителю может помочь классификация задач, соответствующих уровню средней школы. Заслуга составления такой классификации принадлежит Франку Денку 1). Классификация, которая приводится ниже, несколько отличается от нее; задачи разделяются в ней на четыре типа.
1°. Правило (типичный пример) у вас перед глазами. Задача решается путем непосредственного (механического) применения правила или путем непосредственного (механического) копирования типичного примера. Больше того, правило, которое надо применить, или типичный пример, которому надо следовать, находятся прямо перед глазами учащегося; учитель обычно дает такие задачи в конце урока, на котором объяснялось соответствующее правило или процедура решения. Подобная задача требует практики и ничего большего; она может научить учащегося применять то или иное частное правило или процедуру, но вряд ли чему- нибудь еще. (При этом существует опасность, что даже это единственное правило учащийся усвоит только механически, а «внутреннего» понимания так и не достигнет.)
2°. Применение правила (типичного примера) с предварительным отбором последнего. Как и в предыдущем случае, задача решается путем применения выученного в классе правила или путем копирования показанного учителем типичного примера; однако теперь учащемуся не сразу ясно, какое именно правило или типичный пример следует выбрать. В этом случае от учащихся требуется определенное умение применять на практике пройденный за последнее время материал, а также способность найти нужное правило или типичный пример в некоторой ограниченной области поисков,
3°. Выбор комбинации правил (типичных примеров). Для решения задачи учащийся должен объединить два или большее число правил или типичных примеров, показанных в классе. Предполагается, что задача не слишком трудна, так как похожая (но не в точности такая же!) комбинация учащимися уже рассматривалась. Конечно, если комбинация совсем нова или если нужно объединить чересчур много элементов знаний (или элементов знаний из слишком отдаленных областей), то задача может потребовать серьезной инициативы и оказаться очень трудной.
2)Ф. Ден к, В. Харткопф иД. Пойа [11], стр. 39—42 (см. Библиографию в конце книги).
4°. Задачи, близкие по уровню к научно-исследовательским. Едва ли возможно провести резкую разграничительную линию между задачами, о которых говорилось в п. 3°, и научно-исследовательскими задачами.
Далее, в гл. 15, я постараюсь описать в общих чертах и обсудить на примерах некоторые характерные черты «научно-исследовательских задач школьного уровня».
Вообще говоря, имеются некоторые шансы на то, что с увеличением трудности задачи в том направлении, о котором говорилось в пп. 1° и 2° дополнительного замечания 22, увеличивается и ее образовательная ценность, особенно, если считать, что цель образования состоит в том, чтобы «научить думать»； имея в виду именно эту цель, мы и судим о ценности задачи.
Несколько типов задач. Для того чтобы дать возможность учителям время от времени прерывать однообразную последовательность рутинных задач, подаваемых к столу учителя современными учебниками, я собрал из разных источников несколько типов нестандартных задач (см. МПР, стр. 425 и далее). Мне хочется здесь добавить к ним еще одну задачу, принадлежащую к типу «ваша догадка может быть ошибочной» (упр. 26), и один новый тип задач о «копченой селедке» ). Задачи последнего типа построены так, чтобы при помощи какой-нибудь резко бросающейся в глаза, но не имеющей никакого отношения к делу особенности задачи отвлечь внимание решающего ее человека от главного, замаскировать наиболее эффективный путь ее решения. Задачи типа «копченой селедки» надо использовать с большой осторожностью: их можно предлагать только таким учащимся, которые достаточно умны, чтобы оценить шутку и чтобы разбираться в относящихся к делу вещах путем отбрасывания всего лишнего (ср. упр. 25).
25 ) Найти остаток от деления многочлена
х3~Нх5+^7+^11+^13+^17+^19 на двучлен %2 — 1.
Две сферы касаются друг друга. Они разделены главной общей касательной плоскостью, проходящей через точку касания. Кроме нее, у них имеется _еще бесконечно много других общих касательных плоскостей, которые окружают их общий касательньгй конус. Этот конус касается каждой из сфер по окружности, а часть поверхности конуса, заключенная между этими двумя окружностями, образует боковую поверхность усеченного к он у с а.
Пусть дана образующая f усеченного конуса; вычислите:
1°. боковую поверхность усеченного конуса;
2°. площадь части «главной» касательной плоскости, заключенной внутри касательного конуса.
(Достаточно ли данных для нахождения неизвестных?)
Семестровая работа. Терминологию и обозначения см. МПР, стр. 165, упр. 33; возможно, вам удастся также использовать упр. 34——54 на стр. 166—169 и их решения на стр. 476—483 ).
Рассмотрим три тела:”
правильнуюn-угольнуюпризму;
правильнуюn-угольнуюпирамиду;
правильнуюn-угольиуюбипирамиду*),
каждое из которых описано около сферы так,что точка касания любой из граней
тела со сферой является центром тяжести грани.
Для каждого из тел а), б) и в):
. Найдите отношение площади основания s к площади полной поверхности S.
2°.
Вычислите
отношение
S3
■Р
где У — объем тела.
3°. Составьте таблицу численных значений вычисленных в п. 2° отношений для /г = 3, 4, 5 н 6.
4°. Опишите предельный случай /г т 8; найдите предел отношений, вычисленных в п. 2°, и дополните соответствующим образом таблицу из п. 3°.
5°. Исследуйте (не предполагая известным решение) задачу: «Найти многогранник с минимальной величиной поверхности, имеющий данное число граней Г и данный объем V».
Для случаев 7=4, 6, 8, 12 и 20 сформулируйте «правдоподобное» предположение и поясните, на чем основана его правдоподобность, т. е. в уже проделанной вами ранее работе найдите аргументы за или против этих предположений.
6°. Постарайтесь отыскать среди известных вам задач такую, которую можно использовать в средней школе при прохождении курса стереометрии.
Сформулируйте эту задачу отчетливо.
Отметьте «внутренние» вопросы и рекомендации (например, из списка, приведенного в моей книге КРЗ, стр. 16——31; ср. также гл. 12 настоящей книги), которые с шансами на успех можно использовать при решении выбранных вами задач.
Пред ставьте ход решения выбранных вами задач при помощи диаграммы (как это мы сделали с вами при нахождении объема усеченной пирамиды; ср. гл. 7).
7°. Как вы «подадите» (т. е. оправдаете ее выбор, разъясните ее значение) тему ваших занятий группе способных учащихся средней школы или учителям, посещающим курсы повышения квалификации? (Укажите, кого вы имеете в виду— учащихся или учителей,— и, пожалуйста, ответьте кратко и по существу.)
8°. Диагональю выпуклого многогранника называют отрезок, соединяющий две его вершины и целиком (за исключением своих концов) принадлежащий внутренности этого многогранника (а не его поверхности). Пусть D — число диагоналей многогранника.
Найти D'.
для каждого из пяти правильных многогранников;
для многогранника, все Г граней которого являются треугольниками;
для многогранника общего вида, если известно, что он имеет Гп п-уголь- ных граней; здесь 〃= 3, 4, 5, ... и
9°. (Необязательный.) Если предыдущие пункты подсказали вам какую-нибудь математическую идею, которая кажется вам относящейся к нашей теме, хотя в данный момент вы, быть может, представляете себе ее и не совсем отчетливо и до конца, то опишите ее здесь, но только, по возможности, ясно и лаконично.
[То, о чем говорилось выше,— это типичный пример «последней раскладки по полочкам», которую я обычно провожу па своих занятиях с учителями сред-
*) Бипирамидой называется многогранник, образованный двумя пирамидами, сложенными равными основаниями; правильная n-угольная бипирамида составляется из двух одинаковых правильных м-угольных пирамид.
них школ. Пункт 5° рассматривается далее в упр. 36 из гл. 15, п. 8°— в упр. 14 из той же главы. Ответы некоторых слушателей на вопросы пп. 6° и 7° имели форму диалога между учителем и учащимися, сходного с некоторыми диалогами из этой книги, а еще больше ——с диалогами из КРЗ. Некоторые из этих диалогов были очень хорошо составлены. (Ссылки в тексте п. 6° на настоящую книгу, естественно, были добавлены к описанию реальной беседы при подготовке книги.)]
О выступлениях на математических конференциях', правила Цермело. Роль докладчика на научной конференции математиков мало напоминает роль учителя в классе: отличие здесь гораздо больше сходства. Докладчик, так же как и учитель, хочет сообщить аудитории нечто новое; разницу, однако, составляет характер аудитории, состоящей из коллег докладчика, возможно, даже занимающих более высокое положение в ученом мире, чем он сам,- но никак не из его учащихся. Положение докладчика нелегкое — и выступление его не часто бывает успешным. Причина здесь коренится не столько в конкретных промахах, сколько в невероятной широте математики. Каждый отдельный математик может хорошо изучить только небольшой фрагмент современной науки и обычно плохо ориентируется в тех ее областях, которыми занимаются другие математики.
1°. Эрнест Цермело, имя которого всегда будет связано с так называемой «аксиомой выбора» общей теории множеств ), много времени проводил в кафе. Его беседы за столиком с коллегами были пересыпаны саркастическими замечаниями о других математиках. Комментируя одно выступление, которое имело большой успех на недавней математической конференции, он критиковал стиль докладчика и, в конце концов, выразил сжато свое неодобрение в двух правилах, которыми, как он насмешливо утверждал, должен р у ков одств оваться каждый докладчик:
Вы никогда не сможете преувеличить глупость своей аудитории.
Делайте упор на очевидном и скользите мимо существенного х).
Выпады Цермело часто бывали остроумными; очень несправедливые в целом, в деталях они были весьма метки и убедительны. Такова была и его критика, заключающаяся! в «двух правилах». Услышав их, я, конечно, рассмеялся, но забыть этих правил уже не мог. Прошли годы, и я понял, что эти правила, если их только соответствующим образом интерпретировать, часто можно рассматривать как здравый практический совет.
2°. Докладчик на математической конференции обычно подходит к своим слушателям так, как будто каждый из них знает о предмете обсуждения решительно все ——и, в частности, каждую деталь из последней статьи самого докладчика. В действительности же имеет место как раз обратное — и докладчику следовало бы это понимать. Для него гораздо лучше недооценить подготовку аудитории, чем переоценить ее. Докладчик может извлечь много пользы из следующей интерпретации первого правила Цермело: «Не бойтесь преуменьшить знания вашей аудитории — бойтесь преувеличить их».
3°. Что наиболее существенно в работе математика? Вообще говоря, существенна каждая деталь доказательства; однако на математической конференции почти невозможно останавливаться во всех подробностях на всех мелких пунктах запутанного и сложного рассуждения. Даже если докладчику удастся коснуться всех деталей, никто не будет в состоянии уследить за ними. Поэтому: «Старайтесь проскользнуть мимо существенного» — т. е. мимо строгих доказательств.
Иногда даже длинное доказательство может базироваться на каком-либо центральном моменте, простом и доступном интуиции. Хороший докладчик
должен уметь выделить из доказательства основное место и сделать его настолько явным и очевидным, чтобы каждый слушатель мог понять его, «уложить на соответствующую полочку» и сохранить для возможного использования в дальнейшем. Поступая таким образом, докладчик действительно сообщает слушателям полезную информацию; при этом он. по существу, следует второму правилу Цермело: «Делайте упор на очевидном».
Эпилог. В дни своей молодости я был увлечен романами Анатоля Франса. Еще больше, чем сам сюжет меня привлекал тон, в котором велось повествование,—тон мудреца, который глядит на дела человеческие с тонкой иронией, смешанной с состраданием.
Анатоль Франс тоже сказал свое слово по поводу обсуждаемого нами вопроса. «Не старайтесь удовлетворить свое тщеславие, обучая их слишком многому. Возбудите только любопытство. Открывайте своим слушателям глаза, но не перегружайте их мозг. Достаточно заронить в него искру. Огонь сам разгорится там, где для него есть пища》. («Сад Эпикура» ).)
Очень соблазнительно перефразировать этот отрывок так: «Не старайтесь удовлетворить свое тщеславие, обучая школьников множеству вещей... только потому, что вам хочется заставить их поверить, что вы сами в этом разбираетесь...». Но не будем поддаваться соблазну и мы.
ДОГАДКА И НАУЧНЫЙ МЕТОД】)
Нематематическая индукции играет существенную роль 8 математическом исследовании.
Исай Ш у р. Диссертация, Berlin, 1901, ч. 1.
В любой области знания трудно описать с достаточным приближением к истине метод, которому следовал первооткрыватель... Тем не менее, поскольку это касается процесса математического творчества, можно сделать одно простое замечание, многократно подтвержденное историей науки: наблюдение за- нимает важное, место и играет большую роль в этом процессе.
Шарль Эрмит, Oeuvres,Paris, 1905 — 1917, т. IV, стр. 586.
Наблюдения являются обильным источником открытий ^a^ 8 мире субъективные феноменов, так. и в мире реальных явлений, воспринимаемых нашими чувствами,
Шарль Э р м и т. Переписка со Стильтьесом, Paris, 1905, т. 1, стр. 332.
Научно-исследовательская работа на уровне средней школы
Обучение математике должно предусматривать ознакомление учащихся (разумеется, в допустимых пределах) со всеми сторонами математической деятельности. Особенно важно, чтобы оно открывало дорогу к самостоятельной творческой работе, конечно, в границах возможного.
Однако деятельность специалиста-математика очень сильно и во многих отношениях отличается от занятий с учащимися в классе. Какое из этих отличий заслуживает особого внимания? Мы ответим на этот вопрос после ознакомления с некоторыми примерами. Они покажут, что хороший учитель, выбирая подходящие задачи и преподнося их соответствующим образом, может предложить даже среднему классу нечто весьма близкое к самостоятельному исследованию.
Пример
«По данному периметру Р равнобедренного прямоугольного треугольника вычислить его площадь S». Именно такие задачи обычно встречаются в стандартных задачниках. И это, вообще говоря, не-
Настоящая глава посвящается моему другу и коллеге Чарльзу Лёвнеру (Charles Loewner).
плохая задача; только она не слишком интересна, если преподнести ее саму по себе, в отрыве от родственных ей задач. Сравните описанную ниже ее подачу с обычной и обратите внимание на разницу:
«В то легендарное время освоения прерий,—— говорит учитель,—— когда земли было сколько угодно, а всего остального едва хватало, каждый житель Среднего Запада имел много сотен акров пастбищ, но только сто ярдов проволоки. Он намеревался пустить в дело всю свою проволоку, чтобы отгородить участок земли. Раздумывая над различными формами участков, он удивлялся тому, какую малую площадь он в состоянии отгородить.
Ну, так вот, какую форму участка вы бы предпочли? Но не забудьте, что вам придется вычислять его площадь, так что лучше выбрать какую-нибудь простую фигуру».
—Квадрат.
——Прямоугольник со сторонами 20 и 30 ярдов.
—Равносторонний треугольник.
——Равнобедренный прямоугольный треугольник.
—Круг.
«Очень хорошо. Могу добавить несколько фигур и я: прямоугольник со сторонами 10 и 40 ярдов;
равнобедренный треугольник со сторонами 42, 29 и 29 ярдов; равнобедренную трапецию со сторонами 42, 13, 32 и 13 ярдов; правильный шестиугольник;
полукруг».
«Все эти фигуры изопериметрические, т. е. такие, периметр которых равен одному и тому же числу; в предлагаемой задаче он равен ста ярдам. Вычислите в квадратных ярдах площади перечисленных десяти фигур и расположите их в порядке убывания площади. Прежде чем приступить к вычислениям, вы можете попытаться угадать, какая из площадей окажется наибольшей и какая наименьшей».
Эту задачу можно предложить среднему по успеваемости классу, если только знания школьников это допускают. Вот список, являющийся решением задачи:
ФигураФигураКругПравильный шестиугольникКвадратПрямоугольник 30x20ПолукругКругПравильный шестиугольникКвадратПрямоугольник 30x20ПолукругПлощадь (в некоторыхслучаях приближенная)795722625600594Площадь (в некоторыхслучаях приближенная)795722625600594
Фигура
Фигура
Круг
Правильный шестиугольник
Квадрат
Прямоугольник 30x20
Полукруг
Круг
Правильный шестиугольник
Квадрат
Прямоугольник 30x20
Полукруг
Площадь (в некоторыхслучаях приближенная)
795
722
625
600
594
Площадь (в некоторыхслучаях приближенная)
795
722
625
600
594
ФигураПлощадь (в некоторых
случаях приближенная)
Равносторонний треугольник481
Трапеция 42, 13, 32, 13444
Равнобедренный прямоугольный430
треугольник
Треугольник 42, 29, 29420
Прямоугольник 40 х 10400
«Есть еще какие-нибудь вопросы?»
Обеуждение
Наша основная цель состоит в том, чтобы привлечь внимание учащихся к списку фигур и их площадей, который мы составили в процессе решения задачи; созерцание этого списка должно вызвать у учащихся ряд замечаний. Чем меньше здесь подсказывает учитель, тем лучше. Если же происходит заминка, то учитель может оживить дискуссию, осторожно задавая уместные наводящие вопросы, например, такие:
«Что вы можете сказать по поводу этого списка?»
«Первым по списку стоит круг, Что вы думаете по этому поводу?»
«В списке имеется несколько треугольников и четырехугольников. Какой из четырехугольников стоит впереди других? А как обстоит дело с треугольниками ?»/
«Да, возможно вы правы, но доказали ли вы это?»
«Если вы этого не доказали, то какие у вас имеются основания считать это верным?»
«Треугольник можно рассматривать как вырожденный четырехугольник с одной стороной длины нуль (или с одним углом величины 180е). Не поможет ли вам это замечание?»
В конце концов, раньше или позже, и по возможности самостоятельно учащиеся должны прийти к следующим выводам:
Наш список подсказывает, что:
Среди всех плоских фигур с одинаковым периметром наибольшую площадь имеет круг.
Среди всех четырехугол ън и ков с одинаковым периметром наиболь-. шую площадь имеет квадрат.
Среди всех треугольников с одинаковым периметром наибольшую площадь имеет равносторонний треугольник..
Среди всех многоугольников с данным числом п и данным периметром наибольшую площадь имеет правильный многоугольник.
Изучая этот список, можно прийти еще к одному заключению: если два правильных многоугольника имеют одинакова периметры^
то большую площадь имеет тот, у которого больше сторон. (Чем больше многоугольник напоминает круг, тем, по-видимому, больше его площадь.)
Ни одно из высказанных утверждений не доказывается одним лишь нашим списком, который, однако, может служить некоторым основанием для того, чтобы этим утверждениям можно было верить (в большей или меньшей степени, разумеется).
Опыт может подсказать и более общие соображения в пользу этих утверждений, например, такое: справедливость утверждения в большом числе случаев является серьезным аргументом в пользу его правильности.
Из нашего списка можно вывести еще ряд подобных умозаключений, причем увеличение числа примеров будет стимулировать появление новых гипотез.
Еще один пример
«Древние греки знали,— говорит учитель,— замечательное предложение о площади треугольника, которое мы сейчас называем формулой Герона) и которое выражается равенством
("—а) ("—Ь)с),
где S — площадь треугольника, а, b и с —— длины трех его сторон, а
2-
—полупериметр.
Доказательство формулы Герона не так уж просто и сегодня я не склонен им заниматься. Однако, не имея доказательства, мы не можем быть уверены в том, что равенство записано верно,— память могла подвести меня, когда я выписывал эту формулу. Не можете ли вы проверить предложенную формулу? Как это можно сделать?»
—Испробуем ее на равностороннем треугольнике.
В этом случае 〃=匕=& "=等 и формула дает верный результат.
«Что мы еще могли бы сделать?»
—— Давайте испробуем ее на прямоугольном треугольнике.
— Давайте испробуем ее на равнобедренном треугольнике.
В первом случае с^^а^-^Ъ2, во втором 〃=匕，и в обоих случаях (здесь нам понадобятся некоторые алгебраические преобразования!)
формула дает верный результат. (Читателю рекомендуется выполнить эти преобразования.)
«Ну, как это вам понравилось?»
— Да, формула заслуживает доверия.
«Не можете ли вы придумать еще какой-нибудь частный случай, который мог бы послужить примером?»
«Каково ваше мнение по поводу вырожденного треугольника? Я подразумеваю крайний или предельный случай треугольника,
вырождающегося в отрезок».
В этом случае р~с (или а, или Ь) и наша формула, очевидно, дает правильный результат.
——Учитель, скажите, пожалуйста, сколько надо провести проверок для. того, чтобы убедиться в том, что формула верна?
Читатель может вообразить дискуссию, начинающуюся с по
следнего вопроса.
Графическое представление индуктивного рассуждения
Чего мы достигли и чего не достигли в результате нескольких последовательных проверок формулы Герона, выполненных в § 4? Каждая наша проверка касалась треугольника определенной формы; поэтому прояснить вопрос может обзор всех возможных форм треугольников.
Пусть %, 4 и z ——стороны треугольника, записанные в порядке возрастания их длин, т. е. пусть
0 < % & р & N При этом обязательно
% + 4 > Z.
Далее, поскольку нам важна только форма треугольника, а не его размеры, можно положить:
Итак, мы имеем три неравенства
Х&4,д&1, х + у> 1.(1)
Изобразим теперь треугольник со сторонами х, “, 1 или, для краткости, треугольник (х, “，1), точкой (х, у) плоскости (где х, у — прямоугольные декартовы координаты). Каждое из трех неравенств (1) ограничивает возможные положения точки “，у) некоторой полуплоскостью (в первых двух случаях —— включая границу плоскости, а в третьем ——исключая ее). Три неравенства (I), рассматриваемых совместно, характеризуют множество точек, являющееся общей частью или пересечением трех полуплоскостей. Это пересечение есть треугольник (рис. 47а)
с вершинами (I, 1), (0, 1) и (^ , ^) (включающий вершину (1, 1) и две исходящие из нее стороны, но не включающий две другие вершины и третью сторону); он представляет собой всю совокупность различных форм треугольников, а отдельная точка (尤，у) —— индивидуальный треугольник (尤,у, 1), причем различные точки представляют треугольники разной формы.
Какие точки на рис. 47а отвечают частным случаям треугольников, рассмотренным в § 4?
Рис. 47а. Множество форм треугольников.Рис. 47а. Множество форм треугольников.Рис. 476. Проверка для равностороннего треугольника.Рис. 476. Проверка для равностороннего треугольника.
Рис. 47а. Множество форм треугольников.
Рис. 47а. Множество форм треугольников.
Рис. 476. Проверка для равностороннего треугольника.
Рис. 476. Проверка для равностороннего треугольника.
Сначала мы проверяли формулу Герона на равностороннем треугольнике. Этому треугольнику отвечает символ (1, 1, 1), который на рис. 476 представлен точкой с координатами (1, 1).
Далее мы проверяли формулу на прямоугольных треугольниках. Если (尤，у, 1)——прямоугольный треугольник, то его наибольшая сторона 1 является гипотенузой и поэтому
炉+g2= l
Отсюда следует, что прямоугольные треугольники представляются изображенной на рис. 47в дугой (единичной) окружности.
Затем мы рассматривали равнобедренные треугольники. Здесь следует различать два случая: первый —— когда у треугольников равны две большие стороны и, следовательно,
и второй —— когда у треугольников равны две меньшие стороны, т. е. когда
Отсюда следует, что точки, представляющие равнобедренные треугольники, заполняют изображенные на рис. 47г два граничных
отрезка (см. сплошные линии на этом рисунке, которые на рис. 476 и 47в были изображены черными точками).
Наконец, для «вырожденных» треугольников (х, у, 1) («треугольников нулевой площади»)
% + У = L
Рис. 47в. ...и для прямоугольных треугольников.Рис. 47в. ...и для прямоугольных треугольников.Эти «треугольники» представлены третьим граничным отрезком, который изображен сплошной линией на рис. 47д (на рис. 476, 47в и 47г он был обозначен светлыми точками).
Рис. 47в. ...и для прямоугольных треугольников.
Рис. 47в. ...и для прямоугольных треугольников.
Рис. 47г. ...и для равнобедренных треугольников.
Изучая последовательность чертежей 476 ——47д, мы можем представить себе наглядно процесс развития индуктивного рассуждения. Вначале (см. рис. 476) для того, чтобы отобразить уровень проверки предложения, хватало одной-единственной точки. Затем
佃"丿佃"丿на чертеже возникает все больше и больше сплошных линий, представляющих все новые и новые классы случаев, охваченных проверкой.
佃"丿
佃"丿
Рис. 47л. . . . и для вырожден-ных треугольников.ных этими линиями. ВсеРис. 47л. . . . и для вырожден-ных треугольников.ных этими линиями. ВсеТочки, представляющие треугольники специальных видов, на которых проверялась формула Герона, располагаются вдоль линий. Однако формула остается непроверенной для «основной массы» треугольников общего вида, представляемых внутренними точками областей, ограничен- же здесь можно заметить следующее:
Рис. 47л. . . . и для вырожден-ных треугольников.
ных этими линиями. Все
Рис. 47л. . . . и для вырожден-ных треугольников.
ных этими линиями. Все
поскольку формула оказалась верной для всех точек границы треугольной области, а также и для всех точек одной из пересекающих эту область линий, то естественно ожидать, что она останется верной и во всех остальных случаях. Часть подсказывает и подсказывает достаточно убедительно — целое.
§ 6. Один пример из истории
Мы исследуем здесь одну стереометрическую задачу. При этом мы будем идти по стопам двух великих математиков; их имена я назову позже, иначе эффект моего рассказа может быть частично испорчен.
Г. Аналогия подсказывает вопрос. Многогранник ограничен плоскими гранями аналогично тому, как многоугольник ограничен прямолинейными отрезками. Аналогия между многогранниками в пространстве и многоугольниками на плоскости очевидна. Однако многоугольники проще и доступнее для изучения, чем многогранники; можно ожидать, что любой вопрос, относящийся к многоугольникам, будет гораздо легче соответствующего ему стереометрического вопроса, затрагивающего свойства многогранников. Обнаружив какой-нибудь касающийся многоугольников факт, мы должны постараться установить аналогичное обстоятельство для многогранников; при этом мы будем иметь хорошие шансы найти что-нибудь поучительное. ■
Известно, например, что сумма углов треугольника одна и та же для всех треугольников ——она не зависит ни от формы, ни от размеров треугольника и равна 180°, или двум прямым углам, или л (в радианной мере; в дальнейшем мы предпочтем именно эту меру измерения углов). Более общей является формула, утверждающая, чю сумма углов п-угольника равна (п—2)л. Нет ли чего-нибудь аналогичного в учении о многогранниках?
2°. Стараемся исчерпать все возможности. Наша цель пока еще не совсем ясна. Мы хотим узнать кое-что о сумме углов многогранника, но какие углы здесь имеются в виду?
Каждому ребру многогранника соответствует двугранный угол, образованный гранями, сходящимися вдоль этого ребра. Каждой вершине многогранника соответствует телесный угол, образованный гранями (тремя или большим числом), сходящимися в этой вершине. Какие же углы нам стоит рассмотреть? Обладает ли сумма тех или иных углов каким-нибудь простым свойством? Как обстоит дело, например, с суммой шести двугранных углов тетраэдра? А что можно сказать по поводу суммы его четырех телесных углов? .
Оказывается, что ни одна из этих сумм не является независимой от формы тетраэдра. (См. упр. 15.) Какое разочарование! Мы не ожидали, что тетраэдр будет вести себя так плохо,— мы думали, что он похож на треугольник.
Однако, возможно, потеряно еще не все — ведь пока исчерпаны еще далеко не все возможности. Многогранник, кроме упомянутых, имеет еще углы иного рода (которые, кстати сказать, доступнее всех прочих): каждая n-угольная грань многогранника имеет п
представляющегося нампредставляющегося намРис. 48. Плоский угол многогранника.Рис. 48. Плоский угол многогранника.внутренних плоских углов. Будем называть эти углы просто плоскими углами многогранника и попытаемся найти -сумму всех плоских углов многогранника; ее мы обозначим нерезка (См. рис. 48).
представляющегося нам
представляющегося нам
Рис. 48. Плоский угол многогранника.
Рис. 48. Плоский угол многогранника.
一 ~ ~ ' г мы не видим никакого подхода к задаче, перспективным, подойдем к задаче как экспериментаторы: возьмем несколько многогранников и для каждого вычислим 2^ (сумму плоских углов). Мы можем начать с куба (рис. 49, а). Каждая грань куба есть квадрат; сумма углов квадрата равна 2冗.Поскольку всего граней шесть, то сумма плоских углов {а в случае куба равна
2a = 6.2冗=12h.
Точно так же можно решить этот вопрос для тетраэдра и октаэдра (см. рис. 49, 6 не) — затруднений здесь не возникнет.
Три рассмотренных до сих пор многогранника были правильными. Исследуем теперь для разнообразия какой-нибудь неправильный многогранник, например пятиугольную призму (призму
с пятиугольным основанием; см. рис. 49, г). У нее имеются грани двух видов: пять прямоугольников и два пятиугольника; поэтому в данном случае
》х= 5 • 2 冗+2 • Зл= 16л.
Возьмем далее многогранник, который мы реже встречали на занятиях в классе,——куб, увенчанный пирамидой (пирамидальной «крышей», см. рис. 49, 0); подобная «башня» имеет девять граней, пять из которых — квадраты, а четыре ——треугольники; сумма ее плоских углов равна
?а= 5 • 2л + 4 • я — 14冗.
Результаты наших наблюдений сведены в таблицу I； чтобы легче было распознать рассматриваемые многогранники, укажем для каждого из них число Г граней:
Таблица I
Вид многогранника
Куб
Тетраэдр
Октаэдр
Пятиугольная призма
Башня
12л 4л 8л
16n 14я
Не замечаете ли вы здесь чего-нибудь достойного внимания —— какую-нибудь закономерность или правильность?
4°. Мы наблюдаем, руководствуясь определенной идеей. Неудивительно, что пока мы не обнаружили ничего примечательного в собранном нами материале: чистое наблюдение, не направляемое никакой идеей, редко приводит к заслуживающим внимания результатам.
Поразмыслив немного над нашими действиями, мы можем найти выход из тупика. В п. 3° мы неоднократно вычисляли сумму плоских углов 2а，находя предварительно сумму углов, принадлежащих одной и той же гран и,—— эту последнюю сумму мы знали точно, и она, по существу, служила отправным пунктом всего исследования. Рассмотрим теперь для разнообразия сумму всех плоских углов при одной и той же вершине многогранника. Эту сумму мы точно не знаем; однако мы знаем, что она должна быть меньше 2冗,так как 2л ——это мера полного угла. (Мы ограничиваемся здесь, конечно, выпуклыми многогранниками; факт, о котором мы упоминаем, интуитивно ясен; строгое его доказательство можно найти у Евклида, см. XI, 21 ).) Пусть через В обозначено число вершин рассматриваемого многогранника; тогда общая сумма плоских углов
£а V 2лВ.
Проверим это соотношение на имеющемся «экспериментальном» материале. Составим таблицу II, расширяющую таблицу I.
что для всех многогранников число внимательном рассмотрении таблицы разность между этими числами по-что для всех многогранников число внимательном рассмотрении таблицы разность между этими числами по-Таблица II
что для всех многогранников число внимательном рассмотрении таблицы разность между этими числами по-
что для всех многогранников число внимательном рассмотрении таблицы разность между этими числами по-
Вид многогранника
1 Wa
В
2n石
Куб
12冗
16冗
Тетраэдр
8汽
Октаэдр
12л
Пятиугольная призма
16л
10
20л
Башня
14л
9
18n
Из этой таблицы видно, 2лВ больше, чем 2% при вы наверное заметите, что стоянна: 2яВ — £а — 4л.
Что' это — простое совпадение? Вряд ли: хочется думать, что обнаруженная зависимость справедлива не только в изученных случаях, но и вообще для всех выпуклых многогранников.
Так мы приходим к предположению, что 2a = 2nB — 4jt.
Вопросительный знак в скобках, которым помечено выписанное соотношение, должен напоминать нам, что оно еще не доказано,— это гипотеза, а не теорема.
5°. Проверим нашу гипотезу. Наше наблюдение, направленное удачной идеей, позволило высказать замечательное предположение, но не ошибаемся ли мы?
тело, образованное двумя n-угольными пирамидами, их равными основаниями (которые, таким образом, ю т с я гранью бипирамиды). Читатель легко может жить таблицу II, включив в нее указанные тела.Т а б л и ц а IIтело, образованное двумя n-угольными пирамидами, их равными основаниями (которые, таким образом, ю т с я гранью бипирамиды). Читатель легко может жить таблицу II, включив в нее указанные тела.Т а б л и ц а IIПроверим это предположение еще на нескольких примерах. Помимо куба, тетраэдра и октаэдра, с которыми мы уже встречались, существует еще два правильных многогранника ——додекаэдр (「=12) и икосаэдр (Г—20); их следовало бы тоже рассмотреть. Кроме того, можно рассмотреть /г-угольную призму общего вида, затем п-угольную пирамиду, наконец, n-угольную бипирамиду —
тело, образованное двумя n-угольными пирамидами, их равными основаниями (которые, таким образом, ю т с я гранью бипирамиды). Читатель легко может жить таблицу II, включив в нее указанные тела.
Т а б л и ц а II
тело, образованное двумя n-угольными пирамидами, их равными основаниями (которые, таким образом, ю т с я гранью бипирамиды). Читатель легко может жить таблицу II, включив в нее указанные тела.
Т а б л и ц а II
сложенными н е я в л ясам продол-
Вид многогранника
в 1
2n石
Додекаэдр
12
36冗
40я
Икосаэдр
20
201
24注
n-угольная призма
九+2
(4/1—4)冗
4八几
n-угольная пирамида
叶1
(2n—2) л
几十1
(2九+2) я
n-угольная бипирамида
2九
2/ш
叶2
(2也4~4, я
{продолжение}
Ура! — предположенное соотношение (?) выполняется во всех рассмотренных случаях. Однако последнее обстоятельство лишь не опровергает предполагаемую теорему, но не доказывает ее.
6°. Некоторые размышления по поводу дальнейшего. Вычисляя £а, мы несколько раз пользовались одним и тем же приемом — мы всегда начинали с вычисления суммы углов, принадлежащих к одной и той же грани. Почему бы не использовать эту процедуру в общем случае?
Чтобы реализовать этот план, нам потребуется ввести новые обозначения. Пусть
S], S・2, S3,.・♦,
обозначают, соответственно, число ребер, принадлежащих первой, второй, третьей, . . ., последней грани. В этих обозначениях
ра=花(Si—2)+e(s2—2)+…+冗(s「—2)=冗(Si-)-s2-I-...-I-s/' -2「).
Далее, общее число ребер у всех Г граней равно Si+sa+ss+.-.+sp, В этой сумме каждое ребро многогранника ^считывается ровно два раза (поскольку к нему примыкают ровно две грани) и поэтому Si+s2+...+sr=2P,
где через Р обозначено число ребер многогранника. Отсюда пол уч аем: 2a=2 冗(尸一Г).(!)
Мы нашли второе выражение для суммы ^а, но между ними имеется существенная разница: справедливость формулн (?) мы только предположили, в то время как справедливость (!) мы доказали. Исключая ?а из (?) и (!), получаем соотношение
「+8=尸+2,(??)
которое пока еще не доказано и поэтому отмечается знаком (??). По существу, выражение (??) столь же сомнительно, как и выражение (?); учитывая связь этих выражений со строго доказанной формулой (!), одно из них можно вывести из другого, и поэтому они либо оба справедливы, либо оба несправедливы — эти два выражения эквивалентны.
7°. Проверка. Широко известное соотношение (??), так же как и менее известное соотношение (?), было найдено Эйлером, который не знал, что до него к этим же соотношениям пришел Декарт. Мы знаем о работе Декарта над этим вопросом по немногим коротким фразам, найденным среди его неопубликованных рукописей, которые были напечатаны спустя столетие после смерти Эйлера »
Эйлер посвятил этому вопросу две специальные статьи и кратко коснулся его в третьей ). Последнее замечание касается вопроса
о сумме телесных углов тетраэдра (которая, как мы уже упоминали в п. 2°, зависит от его формы).
При изучении данного вопроса в предыдущих пунктах мы, в общем, придерживались первой статьи Эйлера, где он рассказывает о том, как ему удалось сделать свое открытие, однако не дает формальных доказательств, ограничиваясь многочисленными проверками. Мы хотим следовать Эйлеру и в этом отношении. Объединяя данные предыдущих таблиц и включая в нее величину 戶, мы получаем таблицу III.
Т а б л и ц а III■
Вид многогранника
г
в
р
Тетраэдр
4
6
Куб
8
12
Октаэдр
6
12
Додекаэдр
12
20
30
Икосаэдр
20
12
30
Башня
9
9
16
/г-угольная призма
«+2
2п
Зп
/z-угольная пирамида ....
九+1
2п
n-угольная бипирамида ...
2п
n-j-2
Зп
Предполагаемое соотношение (??) подтверждается к а ждой строчкой таблицы III; это делает его очень убедительным, но, конечно, не равносильно доказательству.
8°. Мы обдумываем полученные результаты. В своей второй статье Эйлер пытался доказать соотношение (??); однако его попытка не увенчалась успехом. И все же, по существу, предыдущие рассуждения подвели нас к доказательству почти вплотную; нужно только отчетливо представить себе, как далеко нам удалось продвинуться.
Попробуем как следует разобраться в том, что означает результат (!). В особенности обратим внимание на то, что получается, когда многогранник меняет свою форму. Мы будем считать это изменение непрерывным, т. е. будем предполагать, что наклон граней совершается постепенно, подразумевая под этим, что вызываемое им постоянное изменение линий и точек пересечения граней (ребер и вершин многогранника) не приводит к изменению «конфигурации» или «морфологической структуры» многогранника, ийаче говоря, оставляет неизменными взаимоотношения между его ребрами и вершинами. При этих предположениях числа Г, Р и В (т. е. соответственно числа граней, ребер и вершин) также останутся неизменными. Такое преобразование многогранника может изменить каждый отдельный плоский угол а; однако
в силу соотношения (!) (а его мы доказали!) оно не мэжет повлиять на всю совокупность плоских углов, т. е. сумму 2a всех плоских углов оно оставляет неизменной. Это обстоятельство позволяет
усмотреть те возможности, которые открывает перед нами такое изменение первоначальной формы многогранника: послед
нему надо придать более удобную для нас форму, позволяющую легче вычислить (остаю
Рис. 50. Сплющенные многогранники.Рис. 50. Сплющенные многогранники.щуюся неизменной!) сумму 义a.
Рис. 50. Сплющенные многогранники.
Рис. 50. Сплющенные многогранники.
В самом деле, примем одну из граней многогранника за основание. Расположим выбранное основание горизонтально и «растянем» его (с одновременным сжатием» остальных
граней) так, чтобы н а него можно б ы-
л о ортогонально
спроектировать весь многогранник. Рис. 50, а показывает, к чему мы придем в случае куба, а рис. 50, б — в случае многогранника общего вида. Как в том, так и в другом случае перед нами предстоит сплющенный многогранник, слившийся в две наложенные друг на друга многоугольные пластины (с общим контуром),応 которых верхняя разбита на Г—1 малых многоугольников (где Г —— число граней исходного многогранника), нижняя же (растянутое основание) на более мелкие части не дробится. Число сторон внешнего «окаймляющего» многоугольника обозначим через г.
Вычислим сумму 2 а для сплющенного многогранника (мы знаем, что она остается такой же, как и у исходного многогранника). Эту сумму составляют три части:
сумма углов нижней пластины («растянутого» основания), равная (г——2) л;
сумма углов «окаймляющего» многоугольника, являющегося контуром верхней пластины, равная той же величине;
сумма «внутренних» углов верхней пластины — все эти углы группируются около В—г внутренних вершин и потому сумма иХ равна (В—г)2н.
Вычисляя сумму наших трех составных частей, получаем: £а = 2(г —2)п + (В —г) 2л = 2лВ —4л.
Это доказывает наше предположение (?), а следовательно, и предположение (??) ).
Научный метод: догадывайтесь и испытывайте
Предыдущие примеры позволяют высказать несколько общих соображений. Конечно, эти соображения возникли бы более естественно и были бы лучше аргументированы, если бы наши примеры обсуждались более подробно или если бы их число было большим (см. упражнения и дополнительные замечания в конце этой главы). Однако даже на основе того, что уже рассмотрено, можно кое-что сказать:
Наблюдение может привести к открытию.
Наблюдение имеет своей целью обнаружить какой-нибудь регулярно повторяющийся факт, схему или закон.
Наблюдение имеет больше шансов привести к заслуживающим внимания результатам, если оно направляется какой-нибудь удачной мыслью или идеей (см. п. 4。 § 6).
Наблюдение может служить трамплином для обобщений и предположений, но оно не является доказательством.
Проверяйте ваше предположение на частных его случаях и на тех фактах, которые из него саедуют.
Каждый подтвердившийся частный случай или оказавшееся справедливым следствие подкрепляют ваше предположение.
Проводите тщательное различие между намеком на доказательство и самим доказательством, между предположением и фактом.
Не пренебрегайте аналогиями — они могут привести к открытию новых фактов (мы это иллюстрировали на примере аналогии между многоугольниками и многогранниками; см. п. 1° § 6).
Исследуйте предельные случаи (подобные вырожденным треугольникам и многогранникам; см. §4 и п. 8° § 6).
Сделанные замечания заслуживают более точной, более детальной и более систематической формулировки и гораздо большего иллюстративного материала (ср. МПР). Однако даже в том виде, в котором они даются в этой книге и в каком они могут возникнуть из примеров, подобных рассмотренным выше, или из хорошо направляемой дискуссии в классе, они могут создать у учащихся средней школы (или у учащихся иной ступени) достаточно ясное представление о характере научного исследования. Философы —— как раньше, так и теперь —— высказывали и высказывают весьма различные взгляды на содержание понятий: «научное исследование», «научный метод», «индукция» и т. д. Но чем они, по существу, занимаются? Они придумывают гипотезы, а затем испытывают их на опыте. Если вам угодно иметь характеристику научного метода в трех словах, то, по-моему, вот она:
'ДОГАДЫВАЙТЕСЬ И ИСПЫТЫВАЙТЕ.
О некоторых чертах задач
«научно-исследовательского характера»
Рассмотренные нами задачи несколько отличаются от обычных, рутинных, задач. Здесь я хочу особо выделить три момента.
1°. Школьник получает свою задачу в готовом виде от учителя или из учебника, и часто учитель не очень заботится о том, интересует ученика выбранная задача или нет (об учебнике это можно сказать еще с большей уверенностью!). Между тем для математика выбор задачи является, возможно, самым важным шагом: он должен придумать, должен найти задачу, которая привлекала бы его и заслуживала бы его усилий, но в то же время не оказалась для него непосильной. В §§ 2 и 4 учитель действует так, чтобы учащиеся могли принять участие 8 постановке задачи (ср. п. 1° § 5 гл. 14).
2°. Большинство задач из задачников и учебников мало связаны между собой: они служат для иллюстрации какого-то одного конкретного правила и дают возможность приобрести практику лишь в его применении. После того как эти задачи сослужили свою службу, их можно (и нужно) забыть. В противоположность им задачи из §§ 2 и 6 —— это задачи с глубоким подтекстом; они порождают поучительные вопросы, из которых в свою очере дь возникают новые интересные задачи,— и так продолжается до тех пор, пока разветвления первоначальной задачи не покроют весьма широкую область. (Подобные разветвления будут подробно рассматриваться в упражнениях и дополнительных замечаниях в конце этой главы.)
3°. Во многих школах на «угадывание» наложено табу, тогда как в любом научном исследовании (и в математическом в том числе) «сначала угадайте, а потом докажите» ——это почти что правило.
В рассмотренных нами задачах наблюдения, предположения, индуктивные умозаключения, короче —— правдоподобные рассуждения играют выдающуюся роль.
4°. Хотя пункт 1° (участие в составлении задач) является далеко не второстепенным, два следующих за ним пункта имеют еще более важное значение. Задачи с глубоким подтекстом, связанные с окружающей нас действительностью или другими областями мышления, а также задачи, рассчитанные на применение правдоподобных умозаключений и развивающие у учащихся умение рассуждать, могут скорее способствовать умственной зрелости, чем те задачи, которыми заполнены школьные учебники и которые годны лишь для того, чтобы набить руку в применении одного изолированного правила.
Выводы
Примеры и замечания, подобные тем, которыми завершается эта глава, можно, как мне кажется, изучать на уровне средней школы, и они могут быть полезны учащимся в трех отношениях: во-первых, они могут привить им вкус к математике, так как открывают возможность для самостоятельной, творческой работы;
во-вторых (и это даже еще более важно, поскольку затрагивает интересы большего числа учеников), они способствуют пониманию не только математики, но и других наук — они дают первоначальное, но вполне удовлетворительное понятие об «индуктивном исследовании» и «научном методе»;
в-третьих, они открывают перед учащимися один из аспектов математики, столь же важный, сколь редко упоминаемый: математика предстает в этих задачах наукой, тесно связанной с другими естественными науками, разновидностью «экспериментальной науки», в которой наблюдение (эксперимент) и аналогия могут привести к открытиям (этот аспект математики должен особенно привлекать будущих «потребителей» математики ——естествоиспытателей и инженеров).
Я надеюсь, что математическое открытие, научный метод и индукция, как один из аспектов математики, в средних школах будущего не будут так презираемы, как мы наблюдаем это сегодня.
Упражнения и дополнительные замечания к главе 15
Раздел 1
Имеются ли среди различных предположений, подсказанных списком из § 2 и сформулированных в § 3, такие, которые вы можете доказать сами? Подберите себе какое-нибудь доступное утверждение и докажите его.
(См. § 4.) Придумайте другие способы проверки формулы Герона.
(См. §5.) Пусть а, 6 и с — длины сторон треугольника, d — длннн биссектрисы угла, противолежащего стороне с.
1°. Выразите d через at b и с.
2°. Проверьте получающееся выражение в четырех- случаях, проиллюстрированных рис. 476—д.
(См. § 5.) На рис. 47д дуга единичного радиуса разбивает треугольник (точки которого представляют треугольники различной формы) на две части, одна из которых расположена над дугой, а другая ——под ней. Какие формы треугольников отвечают точкам одной и точкам второй частей?、
(См. п. 8° § 6.) Попытайтесь более точно описать переход от многогранника «общего вида» к «сплющенному» многограннику.
Рассмотрите выпуклый многогранник с Г гранями, 8 вершинами и 尸 ребрами; через Гп (где п=3, 4, ...) обозначим число его n-угольных граней, а через Вп —— число его n-гранных вершин. Чему равны 2г„ и 2в„, гдё символ W
обозначает ?. (Конечно, среди всех чисел Гп только конечное число л=з
отлично от 0; то же самое можно сказать и о Вп; таким образом, W в действительности обозначает конечную сумму. В таком же смысле символ W будет употребляться и в некоторых дальнейших задачах, связанных с данной.)
(Продолжение.) Выразите несколькими разными способами число плоских углов.
(Продолжение.) Проведя соответствующим образом не пересекающие друг друга диагонали граней («поверхностные диагонали»), разбейте каждую грань многогранника на треугольники. Выразите несколькими разными способами число треугольников, на которые при этом разбилась полная поверхность многогранника.
Покажите, что
Может ли в первом соотношении достигаться равенство и при каких обстоятельствах? Ответьте на тот х:е вопрос применительно ко второму соотношению.
Покажите, что в любом выпуклом многограннике среднняя в ел2л
личина плоского угла не меньше — , но всегда меньше .
Покажите, что в любом выпуклом многограннике существует грань, у которой меньше шести сторон.
Считая известным число 8 вершин выпуклого многогранника, найдите наибольшее возможное значение числа Г граней и числа 尸 ребер. При каких условиях достигаются .эти значения?
Считая известным число Г граней выпуклого многогранника, найдите наибольшее возможное значение 8 числа вершин и числа Р ребер. При каких условиях достигаются эти значения?
Если прямолинейный отрезок соединяет какие-нибудь две вершины выпуклого многогранника, то этот отрезок является ребром, или диагональю грани, или диагональю многогранника', последнее имеет место в том случае, когда никакая точка отрезка, за исключением двух его концов, не принадлежит поверхности многогранника. Обозначим через D число диагоналей многогранника, а буквы Р, Г, В, Гп и Вп будем употреблять в том же смысле, что и раньше.
1°. Найдите D для пяти правильных многогранников.
2°. Найдите D для n-угольной призмы, n-угольной пирамиды и п-угольной бипирамиды.
3°. Выразите D через Г в случае, когда все грани многогранника являются многоугольниками с одинаковыми числами сторон *=3, 4, 5,...
4°. Выразите D в общем виде.
Проиллюстрируйте общий случай примерами. Будьте осторожны: возможно, что вопросы поставлены неправильно.
(См. п. 2° § 6.) Обозначим через Еб сумму шести двугранных углов тетраэдра, а через 2(о—сумму его четырех трехгранных углов.
Найдите эти две суммы для следующих трех предельных случаев.
Тетраэдр сжимается в треугольник так, что три его ребра обращаются в стороны треугольника, а остальные три — в отрезки, соединяющие внутреннюю точку треугольника с его вершинами.
Тетраэдр сжимается в выпуклый четырехугольник так, что его шесть ребер обращаются в четыре стороны и две диагонали этого четырехугольника.
Одна из вершин тетраэдра уходит в бесконечность, а три сходящихся в ней ребра обращаются в три луча, параллельных друг другу и перпендикулярных противоположной грани.
(Рассмотрим единичную сферу с центром в вершине многогранного угла. Часть ее поверхности, попадающая в нутрь многогранного угла» представляет
собой сферический многоугольник. Площадь этого сферического многоугольника служит мерой стелесного угла».)
(Продолжение.) Изучите ответ к упр. 15. Сравните две найденные суммы. Носит ли их изменение один и тот же характер? Согласованно ли они изменяются?
Пусть многогранник имеет Г граней, 8 вершин и Р ребер; обозначим через 2б сумму всех (Р) его двугранных углов, а через Wa — сумму всех (В) его телесных углов. Вычислите эти две суммы для куба.
(Продолжение.) Вычислите суммы 2б и Ез для двух простейших поддающихся исследованию вырожденных случаев n-угольной пирамиды.
(Продолжение.) Вычислите суммы Wb и Ез для поддающихся исследованию предельных случаев n-угольной призмы и n-угольной бипирамиды.
(Продолжение.) Для всех рассмотренных случаев сравните суммы Еб и S(o с числами Г, В и Р; проследите за тем, как изменяются сравниваемые вами величины. Изменения каких из этих величин кажутся вам наиболее тесно связанными между собой?
(Продолжение.) Если вам удалось найти правило, подкрепленное результатами всех ваших наблюдений, то попытайтесь доказать его.
Раздел 2
Попытайтесь предугадать ответы на следующие вопросы:
Какой из всех треугольников, вписанных в данный круг, имеет наибольшую площадь?
Какой из всех четырехугольников, вписанных в данных круг, имеет наибольшую площадь?
Какой из всех n-угольников, вписанных в данный круг, имеет наибольшую площадь?
Попытайтесь предугадать ответы на следующие вопросы:
Какой из всех треугольников, описанных около данного круга, имеет наименьшую площадь?'
Какой из всех четырехугольников, описанных около данного круга, имеет наименьшую площадь?
Какой из всех n-угольников, описанных около данного круга, имеет наименьшую площадь?
Принцип Отсутствия Достаточных Оснований. «Естественные» ответы к упр. 22 и 23 правильны г). Мы не будем здесь обсуждать их доказательства. Нам хочется понять, почему в подобных ситуациях люди так часто высказывают правильные догадки.
Конечно, нельзя ожидать, что нам удастся найти точный ответ на этот вопрос. Однако я думаю, что нижеследующее описание достаточно хорошо выражает ощущения, которые присущи многим.
Почему нам так знакомы правильные многоугольники? Самая «совершенная», самая симметричная фигура на плоскости ——это круг; у него имеется бесчисленное множество осей симметрии, поскольку он симметричен относительно любого своего диаметра. Из всех многоугольников с данным числом сторон п «наиболее близок к совершенству» (т. е. к кругу!) правильный n-угольник: он самый симметричный из всех их, так как у него больше осей симметрии, чем у любого другого n-угольника. Поэтому можно надеяться, что вписанный правильный многоугольник будет лучше «заполнять» круг (а описанный правильный много-
1) Относительно упр. 22 см. МПР, стр. 155. [Ср. также В. Г. Болтянский, И. М. Я г л о м. Геометрические задачи на максимум и минимум, п. 2.6, Энциклопедия элементарной математики, кн. V (геометрия), «Наука», 1966, стр. 329—335.— Прим. редА
УПРАЖНЕНИЯ И ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ К ГЛАВЕ 15 355 угольник будет туже «охватывать» круг), чем любой другой многоугольник с тем же числом сторон.
Аналогия тоже играет роль. Ведь правильный многоугольник реализует экстремум в изопериметрической задаче (см. § 3 и упр. 1), которая подобна только что сформулированным задачам.
Существуют и другие правдоподобные аргументы. Мы сейчас разберем один из них, который довольно тонок и заслуживает особого внимания. Нам придется говорить о задачах, содержащих несколько неизвестных, каждое из которых удовлетворяет одному и тому же, общему для всех неизвестных условию: ни одна из вершин многоугольника не находится в более благоприятном положении, чем другие в отношении этого условия, и то же верно для всех его сторон. В этом случае можно предположить, что как все стороны, так и все углы многоугольника, удовлетворяющего упомянутому условию и поэтому являющегося решением нашей задачи, должны быть равны между собой. Итак, можно ожидать, что решением задачи будет служить правильный многоугольник.
Это предположение лежит в основе принципа правдоподобного умозаключения, который мы попытаемся сформулировать следующим образом:
«Из всех a priori допустимых возможностей ни одной не должно оказываться предпочтение, если для того нет достаточного основания».
Этот принцип можно назвать Принципом Отсутствия Достаточных Оснований для выбора чего-либо одного или предпочтения одного другому. Он играет определенную роль при решении задач, довольно часто позволяя предсказать ответ или избрать процедуру, приводящую к решению. В математическом контексте может оказаться удобной более специфическая формулировка этого принципа:
«Можно ожидать, что неизвестные, играющие одинаковую роль в условии задачи, будут играть одинаковую роль и в его решении^.
Или, короче: «Нет отличий в условиях, значит, нет отличий и в результатах». Или, наконец, так: «Можно ожидать, что неизвестные, на которые наложены одинаковые условия, будут иметь одинаковые значения».
В геометрических задачах этот принцип, как мы уже видели, приводит к предположению о симметричности искомой фигуры. В силу этого иногда могут показаться более доходчивыми (хотя на самом деле они более туманны) следующие формулировки Принципа Отсутствия Достаточных Оснований:
«Можно ожидать, что любая симметрия, обнаруженная в данных и условии задачи, найдет свое отражение в ее ответе».
«Симметрия порождает симметрию».
«Симметрия, обнаруженная в данных н условии задачи, должна в какой-то мере отражаться не только на «объекте решения», но и на «процедуре решения» 】).
Конечно, мы не должны при этом забывать, что речь идет об эвристическом принципе, и не подменять правдоподобностью суждения его доказательную силу ).
Принцип Отсутствия Достаточных Оснований играет определенную роль не только в чисто математических вопросах).
[Можно привести выразительный пример, противоречащий этому принципу (для краткости мн воспользуемся алгебраической терминологией). Вот какую задачу мы имеем в виду： заданы п основных симметрических многочленов от 几 чисел; требуется найти сами эти числа. Принцип Отсутствия Достаточных Оснований заставляет нас думать, что эти п чисел будут одинаковыми,— и все же еле-
дует ожидать, что п корней алгебраического уравнения с заданными 《наугад» коэффициентами будут различны.]
Буриданов осел. Один очень голодный осел нашел две совершенно одинаковые (и весьма аппетитные!) охапки сена —— одна находилась слева, а другая справа от него, причем сам он стоял точно посередине, занимая абсолютно симметричное относительно обеих охапок положение. Силы влечения осла к обеим охапкам уравновешивались — осел не мог выбрать какую-нибудь одну из них и умер от голода.
Бедный осел — он пал жертвой Принципа Отсутствия Достаточных Оснований (для предпочтения той или иной охапки).
Какой из всех вписанных в данный шар многогранников с заданным числом В вершин имеет наибольший объем?
Попытайтесь предугадать ответ, считая, что В=4, 6, 8.
Какой из всех описанных около данного шара многогранников с заданным числом Г граней имеет наименьший объем? Попытайтесь отгадать ответ, считая, что「=4, 6 и 8.
Дан шар радиуса 厂；вычислите объем вписанного в него куба.
Будем рассматривать шар радиуса г как глобус. Впишем в экватор правильный шестиугольник. Тогда шесть вершин этого шестиугольника, северный полюс и южный полюс можно рассматривать как восемь вершин бипирамиды. Вычислите ее объем.
Есть ли у вас какие-нибудь замечания?
Дан шар радиуса 厂；вычислите объем описанного вокруг него (правильного) октаэдра.
Прямая шестиугольная призма описана около шара радиуса г, который мы будем считать глобусом. Поверхность призмы касается шара в шести точках, расположенных вдоль экватора на равных расстояниях друг от друга. Вычислите объем призмы.
Есть ли у вас какие-нибудь замечания?
Сравните геометрические тела, рассмотренные в упр. 28 и 29, а также в упр. 30 и 31, и попытайтесь найти правдоподобное объяснение полученных в этих упражнениях результатов.
Вот одно правдоподобное предположение: из двух многогранников с одинаковым числом 8 вершин, вписанных в один и тот же шар, тот плотнее заполнйет шар, у которого больше граней и ребер. Предположим, что это так; как вы думаете, какого вида многогранник может служить решением упр. 26?
Вот еще одно правдоподобное предположение: из двух многогранников с одинаковым числом Г граней, описанных около одного и того же шара, тот теснее охватывает шар, у которого больше вершин и ребер. Допустим, что это так; как вы думаете, какого вида многогранник может служить решением упр. 27?
Не возникает ли у вас в связи с упр. 32 еще каких-нибудь замечаний?
Какой из многогранников с данной площадью поверхности и данным числом Г граней имеет наибольший объем?
Попробуйте предугадать ответ, полагая Г—4, 6 и 8.
Найдите все решения системы
2х2—4л@+3у2=36, I3x2—4ху+2д2=36. Г
Как здесь обстоит дело с Принципом Отсутствия Достаточных Оснований?
Найдите все решения системы:
6х2+3(/2+Зг2+8 ®z+"+冲)=36,
З^+б^+Зг^+З ®z+zx+%y)=36,Зх^З^+б^+в (yz+zx+%y)=36.
Найдите все решения системы:
尤?+5炉+6^+8 (”+"+%у)=36, -J6炉+炉 +5г2+8(t/z+zx+xt/)=36,卜5x2+6t/2+ г2+8(1/г+гх+х(/)=36. J
Принцип Отсутствия Достаточных Оснований в физике, или «Природа не смеет быть непредсказуемой». В начале работы Архимеда «О равновесии плоских фигур или о центрах тяжести плоских фигур» 】)рассматривается вопрос о равновесии рычага. (Рычагом называется жесткая горизонтальная балка, имеющая одну точку опоры; весом самой балки пренебрегают.) Архимед рассматривает случай, когда точка опоры находится точно посередине рычага, а грузы, подвешенные на двух его концах, равны между собой (рис. 51); он считает очевидным, что в этом совершенно симметричном случае имеет место положение равновесия —— в первом постулате Архимеда говорится «равные грузы на равном расстоянии
ООРис. 51. Одинаковые веса наодинаковых расстояниях.Рис. 51. Одинаковые веса наодинаковых расстояниях.находятся в равновесии». По сути дела, pbiqar оказывается в положении Буриданова осла: у него нет Достаточных Оснований для того, чтобы склониться в одну сторону, а не в другую.
О
О
Рис. 51. Одинаковые веса наодинаковых расстояниях.
Рис. 51. Одинаковые веса наодинаковых расстояниях.
Попробуем проникнуть в существо вопроса несколько глубже. Посмотрим, что получится, если кто-нибудь, в противоречие постулату Архимеда, предложит другое правило, скажем такое: в положении, изображенном на рис. 51, правый груз опустится. Допустим, что это так; тогда, если это правило
верно для меня, смотрящего на рычаг е моей стороны, то оно должно показаться ложным моему другу, который, обернувшись ко мне лицом, смотрит на рычаг с противоположной стороны; итак, правило, противоречащее постулату Архимеда, и е может быть верным в общем случае. Это рассуждение помогает обнаружить скрытый источник, на котором основана наша приверженность к постулату Архимеда: мы не желаем допустить, чтобы законы природы не позволяли предсказывать, каким будет положение рычага.
п точек сферы. Мы снова упоминаем об упр. 26 и 27 как .о первых двух из целой серии аналогичных задач.
Расположите на поверхности данного шара п точек так, чтобы
вписанный 6 шар многогранник с вершинами в этих точках имел наибольший возможный объем;
описанный многогранник, п граней которого касаются поверхности шара в этих п точках, имел наименьший возможный объем;
及解-1)-а
. кратчайшее из —' ?厂расстоянии между этими п точками было наибольшим возможным (задача на «максимум минимумов» — так называемая «задача о п мизантропаху>);
4°. п взаимно отталкивающихся единичных зарядов, расположенных в этих точках, образовали систему, находящуюся в наиболее устойчивом электростатическом равновесии;
5°. на поверхности шара задано некоторое непрерывное распределение масс, плотность которого измеряется в п точках. Требуется выбрать эти точки так, чтобы по результатам измерений можно было наилучшим образом оценить общую массу. (Это — так называемая《задача о п репортерах》мирового агентства печати или задача о наилучшей интерполяции-, аналогичную задачу для прямолинейного отрезка в известном смысле решил Гаусс при помощи его прославленной механической квадратуры.)
1) См. Архимед, Сочинения, Физматгиз, 1962, стр. 272—297.
Во всех этих пяти задачах в случаях, когда *=4, 6, 8, 12 и 20, заслуживают внимания точки, являющиеся вершинами правильных вписанных многогранников, хотя они, как это было показано на некоторых рассмотренных ранее примерах, могут и не давать решения задачи. Ср. Л. Ф е й е ш Тот, Расположения на плоскости, на сфере и в пространстве, Физматгиз, 1958, в первую очередь гл. V.
[Если п точек, о которых идет речь, выбраны наугад (когда п не очень велико, это могут быть, например п наиболее ярких неподвижных звезд на небесном своде), то среднее расстояние от точки до ее ближайшего соседа, затем до третьего и т. д. поддается вычислению. См. заметку автора в Vierteljahrs- schrift des Naturforschenden Gesellschaft in Ziirich 80 (1935), стр. 126—130.]
Раздел 3
Другие задачи. Рассмотрите еще какие-нибудь научно-исследовательские задачи, отличные от разобранных в этой главе, но подобные им. Обратите особое внимание на такие вопросы (или на им подобные): Соответствует ли задача программе и какому ее пункту? Поучительна ли задача? Имеет ли она глубокий подтекст? Иллюстрирует ли она какую-нибудь важную идею? Можно ли при ее решении применить индуктивное рассуждение или правдоподобное рассуждение? Можно ли ее предложить классу для самостоятельного доказательства? В каком виде ее следует преподнести классу?
В § 4 мы подвергали проверке общую формулу, рассматривая ее на частных случаях. Где еще вам приходилось встречаться с подобными случаями? Проведите аналогичное обсуждение еще нескольких случаев. В чем польза подобных обсуждений?
В § 5 нашу главную цель составляло стремление проиллюстр кровать графически один из аспектов индуктивного рассуждения. Могут ли учащиеся извлечь еще какую-нибудь пользу из материала этого 'Параграфа?
Периодические дроби. Дроби
1 -6 1 一 71 -6 1 一 7166666666...,
1 -6 1 一 7
1 -6 1 一 7
5121 -85121 -8142857142 …，
5
12
1 -8
5
12
1 -8
принадлежат к трем различным типам десятичных дробей. Десятичная дробь, представляющая число — , конечна; две другие дроби бесконечны. В действительности это — рекуррентные* повторяющиеся или периодические десятичные дроби', в стандартных обозначениях они записываются так:
~ = 0,1 (6),
7 = 0, (142857).
Повторяющаяся часть десятичной дроби — последовательность цифр, которые повторяются в том же порядке бессчисленное число раз, или период дроби — заключается в скобки. Период дроби — состоит из одной цифры, период же дроби i- — из шести; вообще число цифр в периоде называется его длиной. Десятич-
ное представление числа у есть чистая периодическая дробь, тогда как десятичное представление числа ™ — это смешанная периодическая дробь. В первой из них до периода не стоят никакие другие цифры, во второй же периоду предшествует некоторая последовательность цифр, не входящая в этот период. Вот еще по одному примеру на каждый из трех типов десятичных дробей:
*IQ1Q
芻= 0,88 (63),醤=0,(703), ^ = 0,95.
Изучая эти три типа дробей, постарайтесь узнать как можно больше о длине периода, о распределении цифр в периоде и обо всем прочем, что покажется вам достойным внимания; попытайтесь доказать или опровергнуть те догадки, к которым привели ваши наблюдения.
Выберите самостоятельно дроби, которые вам хотелось бы иметь в качестве объекта наблюдения, или рассмотрите десятичные дроби, выражающие приводимые ниже в группах от 1° до 7° числа:
1 2 3 4 5 6 7.
7 1 7 ' 7 '
3°. все правильные несократимые дроби со знаменателем, меньшим 14;
4°. все правильные несократимые дроби со знаменателем 27;
1- -ои 1- -Q^1- -ои 1- -Q^1П9С 1_7'11П9С 1_7'11371371-411-411731731999919999一 I一 I
1- -ои 1- -Q^
1- -ои 1- -Q^
1П9С 1_7'1
1П9С 1_7'1
137
137
1-41
1-41
173
173
199
99
199
99
一 I
一 I
Не пропустите следующие поучительные соотношения:
7,00000.. =6,99999..
0,50000…=0,49999…； попытайтесь в них разобраться.
(Продолжение.) Обратите внимание на то, что
I TT
= 0,090909...,
击= 0,037037...,
I 37
= 0,027027•…，
■A.=o,oioioioi.
I W
= 0,00990099...,
备= 0,0036900369
I ЗбТ
= 0,0027100271...,
и объясните замеченную закономерность.
(Продолжение.) Отправляясь от десятичных дробей и переходя от основания 10 к основанию 2, можно прийти к двоичным дробям. Вот пример:
у = 0,01010101...;
это равенство справедливо, если рассматривать правую часть как двоичную периодическую дробь, т. е. если расшифровывать предыдущее равенство так:
1
Исследуйте двоичные дроби подобно тому, как в упр. 45 и 46 мы исследовали десятичные дроби.
(Продолжение.) Оцените достоинства и недостатки (с учебно-педагогической точки зрения) плана исследования, намеченного в упр. 45, 46 и 47.
Трапецеидальные числа. Рис. 52, а представляет треугольное число
1 + 2+ 3+ 4= 10
(ср. упр. 39 к гл. 3 и рис. 18а). Аналогично этому число'
3+ 4+ 5= 12,
представленное на рис. 52, 6, можно назвать «трапецеидальным» числом. Если бы мы захотели включать в наше определение предельные случаи (что часто бывает желательным), то нам пришлось бы рассматривать числа, представленные на
а)勿")
Рис. 52. Треугольные и трапецеидальные числа.
рис. 52, а и 8, также как «трапецеидальные». Но тогда любое положительное число было бы «трапецеидальным» (поскольку его можно представить в виде одного ряда точек; см. рис. 52, 8)и определение оказалось бы бессодержательным. Однако положение еще можно спасти.
Пусть 力(п) обозначает количество трапецеидальных представлений целого положительного числа п, т. е. количество представлений числа п в виде суммы последовательных целых положительных чисел. Вот несколько примеров:..
6= 1+2+3,
15=7+8=4+5+6=1 + 2 + 3+4+5.
Если
曾=1, 2, 3, 6, 15, 81, 105, то
力(/г)=1, 1,2,2, 4, 5, 8.
Найдите из этих наблюдений «простое выражение» для t (л); сопроводите его, если вам это удастся, доказательством.
(Продолжение.) Рис. 53а и 536 представляют собой вспомогательную иллюстрацию/ позволяющую обозреть результаты наших наблюдений. Назовем представление п в виде'
(。+1)+ (0十2)+…+ (a+Г一1)
(сумма г членов) r-рядным трапецеидальным представлением числа п. В том (и только в том) случае, когда число п допускает r-рядное представление, мы отмечаем на рис. 53а точку с абсциссой п и ординатой г черным кружком.
Если t (п)=1, то единственным трапецеидальным представлением числа п является «тривиальное» его представление (для которого г=1)・ Укажите на рис. 53а числа п, для которых i («)= 1.
Чему равно 方(р), если 卩——простое число?
△ △ △△△△
Рис. 53а. Трапецеидальное представление числа п с по-мощью 厂 рядов.
Рис. 536. Для вдумчивого читателя (чертеж Лейбница):г является делителем п.
(Продолжение.) Пусть s(n) обозначает число представлений целого положительного числа /г в виде суммы последовательных нечетных положительных чисел. Найдите выражение для s(n).
Примеры:
15=3+5+7,
45= 13+ 15+17=5+7+9+11+ 13,
《8= 23+ 25= 9+ 11+ 13+ 15=3+ 5+ 7+ 9+ 11+ 13.
Если
п= 2, 3, 4, 15, 45,48, 105, то
s(ft)=0t 1, 1т 2, 3, 3, 4.
Оцените план исследования, намеченный в упр. 49 и 50.,
Рассмотрите три плоские фигуры:
квадрат с вертикальной диагональю;
круг (радиуса г), описанный около этого квадрата;
квадрат с вертикальной стороной, описанный около этого круга.
Вертикальная диагональ фигуры 1° делит каждую из трех фигур на две симметричные половины. При вращении этих плоских фигур вокруг их вертикальной оси симметрии они описывают три тела:
биконус (аналог бипирамиды; ср. выше, упр. 27 к гл. 14);
шар;
цилиндр.
Вычислите для всех трех тел:
— объем,
S — поверхность,
Я ——площадь плоской фигуры, вращение которой образует наше тело,
Р ——периметр этой плоской фигуры,
Х<— расстояние от центра тяжести половины плоской фигуры до оси вращения,
ХР ——расстояние от центра тяжести полупериметра плоской фигуры до оси вращения.
Расположите найденные 18 количеств в виде 3X6 таблицы; пронаблюдайте и попытайтесь объяснить результаты своих наблюдений.
Еще одно задание исследовательского характера, приспособленное к уровню средней школы; его можно рекомендовать в качестве одного из элементов работы с учителями.
Точка (%, у, г) трехмерного пространства обычным образом характеризуется тремя (прямоугольными) координатами х, у, z. Рассмотрим четыре множества точек К, О, П и Об, каждое из которых характеризуется системой неравенств (состоящей, быть может, из единственного неравенства) — в каждое из множеств входят те (и только те) точки, координаты которых удовлетворяют одновременно всем неравенствам соответствующей системы.
Вот эти четыре системы неравенств:-
|%|W1, |y|Wl, |z|Vl；(К)
М+М+Н<2;(О)
все неравенства (К) и (О), характеризующие
(") множество общих точек множеств (К) и (О);
|y|+|z|<2, |z|+同 W2,図+|y]w2.(Об)
Опишите подробно геометрическую природу этих четырех множеств, укажите все присущие им характерные черты (не забудьте о симметрии!), упорядочив их для наглядности в подходящих таблицах.
Опишите также, в каком взаимоотношении друг с другом находятся четыре найденные вами тела.
Найдите объем У и площадь поверхности S каждого из тел.
На какие обобщения может навести проделанная вами работа?
(Здесь могут быть полезны картонные модели. Ср. упр. 55 к гл. 2, а также HSI, стр. 235, упр. 8.)
Заметьте, что
/2—1= /2— /Г,
(/2 —1)2 = 3 —2/"2=/"9—/8,
(/"2 —1> = 5}<2 —7 =/5б—/49, (/2—1>=17—12/2 =}<289 —/"ass';
попытайтесь обобщить результат наблюдения, а затем доказать возникшую у вас догадку./
Заметьте также, что
2—уз = У 4—уз,
(2— /З)2 = /49"— У48,(2—/З)3 = /'676-/675,(2— /3 )4 = }<9409— }<9408;
попытайтесь обобщить ваши наблюдения и доказать свою догадку.
Довольно часто догадка сама по себе не столь уж важна, но всегда очень важно то, как вы ее проверяете.
Предположение и факт. В истории, которую я собираюсь рассказать и за достоверность которой ответственность на себя не беру, речь пойдет о сэре Джоне и швейцаре. Можно предполагать, что сэр Джон, член Королевского общества ), умел различать гипотезу и строго установленный факт; однако в том случае, о котором здесь пойдет речь, понимание этой разницы проявил не сэр Джон, а швейцар Королевского общества.
Однажды сэр Джон чуть-чуть опоздал на собрание Королевского общества; он явно нервничал и торопился. Ему нужно было оставить шляпу в гардеробе и получить номерок. Швейцар, дежуривший в тот день в гардеробе, услужливо сказал: «Вы можете не задерживаться, сэр,—— я выдам Вам шляпу и так». Сэр Джон отправился на собрание без номерка; хоть он и поблагодарил швейцара, но все же слегка беспокоился за судьбу своей шляпы. Однако когда он, возвратившись с собрания, вошел в гардероб, швейцар сразу же подал ему его шляпу. Сэр Джон был, видимо, удовлетворен; поэтому я не знаю, что толкнуло его задать вопрос: «Но откуда вы знаете, что это моя шляпа?». Я не могу судить, что не понравилось швейцару в этом вопросе — возможно, тон сэра Джона показался ему слишком покровительственным; во всяком случае, он довольно резко ответил: «Я не имею чести знать, Ваша лн это шляпа, сэр; однако это именно та шляпа, которую Вы мне оставили».
РЕШЕНИЯ УПРАЖНЕНИЙ
Глава 1
Окружность данного радиуса с центром в заданной точке.
Две прямые, параллельные данной.
Прямая ——перпендикуляр, восставленный к отрезку, соединяющему
две данные точки, в его середине.
Прямая, параллельная двум данным и проходящая между ними на равном расстоянии от обеих.
Две взаимно перпендикулярные прямые ——биссектрисы углов, образо
ванных заданными прямыми.
Две дуги окружности, проходящие через точки 4 и В и симметричные друг другу относительно прямой АВ.
Метод двух геометрических мест; см. упр. 1.
и 2.2 и 6.1 и 6.5.2.1 и 2.6.и 2.2 и 6.1 и 6.5.2.1 и 2.6.Метод двух геометрических мест; см. упр. 1
и 2.
2 и 6.
1 и 6.
5.
2.
1 и 2.
6.
и 2.
2 и 6.
1 и 6.
5.
2.
1 и 2.
6.
геометрических геометрических геометрических геометрических геометрических геометрических [етрии сводится геометрическихгеометрических геометрических геометрических геометрических геометрических геометрических [етрии сводится геометрическихмест; см. упр. мест; см. упр. мест; см. упр. мест; см. упр. м^ст; см. упр. мест; см. упр. к задаче п. 2° § мест; см. упр.мест; см. упр. мест; см. упр. мест; см. упр. мест; см. упр. м^ст; см. упр. мест; см. упр. к задаче п. 2° § мест; см. упр.Метод двух
геометрических геометрических геометрических геометрических геометрических геометрических [етрии сводится геометрических
геометрических геометрических геометрических геометрических геометрических геометрических [етрии сводится геометрических
мест; см. упр. мест; см. упр. мест; см. упр. мест; см. упр. м^ст; см. упр. мест; см. упр. к задаче п. 2° § мест; см. упр.
мест; см. упр. мест; см. упр. мест; см. упр. мест; см. упр. м^ст; см. упр. мест; см. упр. к задаче п. 2° § мест; см. упр.
Метод двух
Метод двух
Метод двух
Метод двух
3 или к упр. 12.3 или к упр. 12.Метод двух
3 или к упр. 12.
3 или к упр. 12.
В силу СИМ!
Метод двух
а) Если X перемещается так, что треугольники ХСА и ХСВ остаются равновеликими, то геометрическое место точек 文一медиана, проходящая через С (докажите это!); искомой точкой будет точка пересечения медиан, б) Если X перемещается так, что площадь А%ЗХ остается равной одной трети площади А%ВС, то геометрическое место точек ——прямая, параллельная АВ и удаленная от АВ на расстояние, равное одной трети опущенной из С высоты (см. упр. 2); искомой точкой будет точка пересечения таких прямых. [В обоих решениях используется «метод двух геометрических мест».]
Соедините центр вписанной окружности с обоими концами стороны длины а; в полученном таким образом треугольнике угол с вершиной в центре вписанной окружности равен 180°一(6*丫)/2 = 90口 + e/2-
Метод двух геометрических мест; см. упр. 2 и 6.
Соедините центр О описанной окружности с одним из концов стороны а и опустите из О перпендикуляр на эту сторону — вы получите прямоугольный
треугольник с гипотенузой R, углом а и противолежащим ему катетом 告.Так
как Киа даны, то вы можете построить а. Постройте искомый треугольник по (найденной) стороне а и величинам а и г; см. упр. 19.
Разбейте искомый треугольник на три меньших, соединяя центр вписанной окружности с тремя его вершинами. Приравнивая -два выражения площади треугольника, получаем: х/2 г (a-\-b-\-c) = V2 ^а- Поэтому по заданным величинам a, ha и г вы можете построить отрезок длины а-\-Ь-\-с и тем самым свести задачу к упр. 22.
Соедините центр О вписанной окружности с вершиной А и опустите из О перпендикуляр на сторону 6 (или с). Вы получите прямоугольный треугольник, в котором один из острых углов и противолежащим ему катет равны 芝 и г. Пусть х— второй катет; тогда «+ 6 + с——2。= 2х. Поэтому по данным。+ 6 + с и а вы можете построить 尤，а затем по х и г построить а. Используя упр. 19, постройте искомый треугольник по (найденному) углу а и (данным) лиг.
Вспомогательная фигура ——прямоугольный треугольник с основанием а и катетом 瓦.
Вспомогательная фигура — см. упр. 23.
Вспомогательные фигуры — см.、упр. 23.
Вспомогательная фигура ——прямоугольный треугольник с катетом ha и противолежащим ему углом р.
Вспомогательные фигуры — см. упр. 26. Другое решение — см. упр. 37.
Вспомогательная фигура — прямоугольный треугольник с гипотенузой 瓦 и катетом ha.
Вспомогательная фигура ——треугольник с тремя известными сторонами.
Пусть а>с. Вспомогательная фигура — треугольник со сторонами а—с, 6 и d; см. КРЗ, видоизменение задачи, п. 5°, стр. 56—58.
Обобщение упр. 30, соответствующее случаю 8—0. Вспомогательная фигура — треугольник со сторонами а, с и углом 8； см. МПР, стр. 405—408.
Вспомогательная фигура — треугольник, в котором известны а, 6+с (стороны) и а/2 (угол).
Вспомогательная фигура — треугольник, в котором известны а, Ь+с, 9QQ + (6—?)/2.
Вспомогательная фигура — треугольник, в котором известны а-^Ь-^с (сторона), ha (высота) и %+90° (угол).
Видоизмените соответствующим образом подход, применявшийся в п. 1° § 6, предположив, что один из радиусов уменьшается на некоторую величину, а другой ——увеличивается иа такую же величину. Вспомогательная фигура — окружность с двумя касательными, проведенными к ней из одной точки, и двумя прямоугольниками (заключительный этап построения).
Ср. п. 1° § 6. Вспомогательная фигура ——окружность, описанная около треугольника с вершинами в центрах трех данных окружностей.
Треугольник подобен любому другому с углами аир; размер искомого треугольника определяется величиной 匕丁 (этот метод годится и для упр. 27).
Метод подобия; центр подобия в вершине прямого угла заданного треугольника. Точка пересечения биссектрисы этого угла с гипотенузой ——одна из вершин искомого квадрата.
Обобщение упр. 38. Центр подобия в Л (или в В), см. КРЗ, § 18, стр. 31—33.
Метод подобия; центр подобия в центре круга. Искомый квадрат имеет ту же ось симметрии, что и заданный сектор.-
Метод подобия; подобные фигуры ——окружности, касающиеся заданной прямой, центры которых лежат на перпендикуляре, восставленном к отрезку, соединяющему две данные точки, в его середине; центр подобия ——точка пересечения этого перпендикуляра с заданной прямой. Задача имеет два решения.
Используя симметрию относительно биссектрисы угла, образованного данными касательными, получаем еще одну точку, через которую должна проходить окружность; далее см. упр. 41.
Углы, образованные радиусами вписанной окружности, проведенными в точки касания, равны 180°—а, 180°—р, ...; далее — метод подобия. (Сказанное относится к описанным многоугольникам с любым числом сторон.) 一
Пусть S — площадь искомого треугольника, а а, b н с—его стороны (см. дополнительное замечание 7)$ тогда
2S=aha=bhb=chc. '
Постройте треугольник со сторонами ha,八占，hc\ пусть S'— его площадь, а а', Ь', с'— соответствующие высоты; тогда 2SZ — haaf = h^' — hcc\ и поэтому а ： а' = Ь : b‘ = с : с', следовательно, треугольник со сторонами о, 6‘，с' (которые можно построить) подобен искомому.
Если Аа—156, /^=65, ^=60, то указанное выше решение предыдущего упражнения не проходит, так как вспомогательный треугольник со сторонами 156, 65 и 60 построить нельзя, тогда как искомый треугольник существует.
• Единственный выход из этого противоречия ——обобщение. Пусть 比 /, m —— три произвольных положительных числа, а (дальше мы пользуемся обозначениями, отличными от принятых в упр. 44) а', 6', с'— высоты треугольника со сторонами kha, lhb, mhc-, тогда a\ka! ~b\lb' — с : mcf. Так, например, треугольник со сторонами 156, 65 и 120=2 -60 существует.
Предположив, что задача решена, соедините центр описанной окружности с одним из концов стороны а и опустите из него же перпендикуляр на эту сторону. Из существования (полученного) прямоугольного треугольника с гипотенузой R, углом а и противолежащим ему катетом й/2 вытекает определенное соотношение между величинами а, а н R — ведь любую из этих трех величин можно построить, зная две другие. (Это соотношение можно выразить при помощи тригонометрии: a=2R sin а.) Если данные задачи не удовлетворяют этому соотношению, то решение задачи невозможно; если же они ему удовлетворяют, то задача неопределенна (имеет бесконечно много решений).
а) Например, построение треугольника по трем углам а, 6，丫 一 задача либо невозможная, либо неопределенная, б) Задачи такого рода получаются аналогично упр. 46 и 47а): существование решения означает наличие определенного соотношения между данными; поэтому если данные этому соотношению удовлетворяют, то решений бесконечно много, если же они ему не удовлетворяют, то решения не существует, в) Используя решение упр. 46, сведите задачу к построению треугольника по а, §, а. г) Используя решение упр. 46, сведите задачу к упр. 19.
Мы пренебрегаем неподвластными нам причинами, влияющими на скорость звука (ветром, изменениями температуры и т. д.). Вычислив разность времен, отмеченных на наблюдательных пунктах Д и В, мы находим по ним разность расстояний {X——ВХ; соответствующее геометрическое место точек X оказывается гиперболой. Вторую гиперболу мы получаем из сравнения данных, полученных в пунктах С и Д (или С и В). Пересечение двух гипербол определяет положение X. Сходство с упр. 15: в обоих случаях данные наблюдения приводят к двум геометрическим местам для искомой точки X. Основное различие: в упр. 15 геометрические места представляют собой окружности; здесь же это ——гиперболы. Гиперболу нельзя построить с помощью циркуля и линейки; однако здесь возможно использовать иные инструменты; можно также сконструировать специальный прибор, позволяющий находить точку X по точкам А, В, С с помощью наших данных.
Если понимать буквально метод геометрических мест, описанный в п. 2° § 1, то упомянутыми геометрическими местами пользоваться невозможно. В действительности же, как мы знаем, они очень полезны, и мы неоднократно применяли их в предыдущих примерах. Отсюда можно сделать вывод, что приведенная в п. 2° § 1 формулировка метода должна быть расширена: целесообразно допускать в качестве геометрических мест не только отдельно взятую прямую или окружность, но также и совокупность конечного числа прямых, окружностей, отрезков прямых и дуг окружностей.
Если части, на которые разбито условие, в своей совокупности эквивалентны всему условию в целом, то различные способы разбиения должны быть
равносильны. Именно это обстоятельство позволяет утверждать, скажем, что три перпендикуляра, восставленных к сторонам треугольника в их серединах( пересеваются в одной точке или что шесть плоскостей, перпендикулярных ребрам тетраэдра и проходящих через их середины, пересекаются в одной точке.
1°. В качестве данных возьмите любые три элемента треугольника из списка, приведенного в дополнительном замечании 7 (проследите, чтобы не напасть при этом на случай, подобный тем, о которых говорилось в упр.,46 и 47!), и попытайтесь построить по ним треугольник. Вот несколько комбинаций, для Которых нетрудно выполнить соответствующее построение:
а,
瓦，
R；
а,
加b:
а,
色，
"а，
bg
6；
加a，
加b；
%，
加b,
乙；
九。，
瓦，
%
R.
Можно взять еще углы а, р и любой отрезок, не фигурирующий в упр. 27 и 37. Несколько более труден случай а,八
2°. Существует ряд важных задач на трехгранные углы, подобных рассмотренным в п. 3° § 6, которые можно решить, не прибегая явно к начертательной геометрии. Вот одна такая задача: «В трехгранном угле известен плоский угол Д и прилежащие к нему два двугранных угла В н у; требуется построить два остальных плоских угла В и С». Решить эту задачу нетрудно, однако я не хочу задерживаться здесь на объяснении ее решения.
3°. По поводу аналога примера из п. 1° § 3 см. дополнительное замечание 50. Исследуйте пространственные аналоги примеров из п. 2° § 3. п. 3° § 3 и упр. 14 и 18.
К дополнительным замечаниям 7, 50, 52, 54 ответов и указаний не требуется.
Глава 2
Если Боб имеет 尤 никелей и у даймов, то условие задачи можно выразить так:
5%十 1 Оу =350,
尤+ У = 50;
после очевидных упрощений эта система уравнений сводится к системе из п. 3° § 2.
Пусть бассейн наполняют 加 труб, а опорожняют 几 труб: 1-я труба наполняет его за а】 минут, 2-я — за。纟 минут, ..., /л-я — за ат минут; 1-я из труб второго рода опорожняет бассейн за Ь】минут, 2-я — за 力纟 минут, ..., п-я ——за Ьп минут. Сколько потребуется времени, чтобы наполнить (пустой) бассейн при условии совместной работы всех труб?
Искомое время 力 находится из уравнения'
(Как вы будете интерпретировать ответ 力，если он окажется отрицательным? Возможно, что решения не существует вовсе; как объяснить этот случай?)
а) Мистер Вокач (эта фамилия в Лукоморье так же обычна, как в Америке фамилия Смит) одну треть своего заработка тратит на питание, одну четверть — на жилье, одну шестую — на одежду; других расходов у него нет (в счастливом Лукоморье нет подоходного налога). Его интересует, сколько времени он сможет прожить на годичное жалованье.
б) Какое напряжение следует поддерживать между двумя^ клеммами, связанными тремя проводами, сопротивления которых равны 3 ома, 4 ома и 6 омов, если требуется, чтобы суммарная сила текущего гго проводам тока была равна 1 амперу.
И т. д.
а) При замене w на —^ 尤 не меняется; это означает, что, начиная полет при попутном ветре и возвращаясь против ветра, самолет (при условии, что ои тратит на полет столько же времени, как и ранее) должен сделать разворот в том же пункте.
б) Проверка из соображений размерности; см. КРЗ, стр. 146—148.
Система.
尤 + а
ах by = cv
полностью совпадает с системой, полученной в п. 2° § 6.
Расположим оси координат по отношению к отрезку АВ так, как это было сделано в п. 1° § 2, и положим АВ=а. Координаты (尤，у) искомого центра окружности, касающейся четырех данных дуг, удовлетворяют уравнениям
откуда получаем:
Формула Герона, хотя и выглядит довольно громоздкой, на самом деле не так уж неудобна, ибо запомнить, как чередуются плюсы и минусы в каждом из четырех сомножителей ^довольно просто：
16s2=(叶方+c) (—а-\-Ь-\-с) (а—叶匕)(叶匕一0=
=[(6+с)2—а2] [а2 — (6—с)2]=
=(26c—d+片+巒)(2儿+a2一b2-e2)=
=4b 縛—(62+fЯ—叫2=
=4(步+川)(户+^2)- (2 /2)2.
а) Необходимые дополнительные сзедепа兄.Подход в п. 3° § 5 к решению задачи предполагает более широкое знакомство с планиметрией (формула Герона менее известна, чем выражение площади треугольника через его основание и высоту), в то время как подход п. 4° к решению этой же задачи требует большего знания стереометрии (сначала нужно догадаться, а затем доказать, что 论 перпендикулярна а).
Симметрия. Три данных величины А, В n С играют одинаковую роль; другими словами, задача симметрична относительно Д, В и С. В подходе, применяемом в п. 3°, эта симметрия учитывается, тогда как в п. 4° ею пренебрегают, оказывая предпочтение величине Д по сравнению с В и С.'
Составление плана. Подход в п. 3° выглядит более «методичным» и вызывает определенное доверие с самого начала. И в действительности этот подход с достаточной очевидностью приводит к системе семи уравнений, которая показалась нам на первый взгляд слишком громоздкой. (Эго нельзя считать недостатком подхода, который не только дает возможность выписать уравнения, но фактически подсказывает также способ решения получаемой системы; см. п. 2° § 4 гл. 6.) Целесообразность указанного в п. 4° подхода не столь очевидна, но он тоже «пробивает себе дорогу» (благодаря одному удачно подмеченному факту) и приводит к конечному результату гораздо быстрее.
/2加2* — 2АВС
36 = ~9~
Из трех полученных в п. 3° § 5 равенств, выражающих а2, 62 и с2 через
I, т и п, находим:'
庐+加2+紋=p2,
/2 = Р2— * М = р2 —力2,沙=р2 — *
что позволяет переписать результат упр. 9 так:
(p2 一 0)(戶2 —川)(戶2 一 c2)=36.
d2= /2+ m2+ г^. Эта задача подробно рассмотрена в КРЗ, стр. 17—1& 20 — 22, 23 — 24, 25 — 28.
Применяемые обозначения согласуются как с упр. И, так и с п. 3° § 5,— обратите внимание на две диагонали, принадлежащие одной грани. Повторяя выполненное в упр. 10 вычисление, находим:
£?+炉+^22£?+炉+^22
£?+炉+^22
£?+炉+^22
Мтп~б-Мтп~б-1тп ~3~'1тп ~3~'V = ltnnV = ltnnТетраэдр определяется длинами шести его ребер — этот результат является стереометрическим аналогом первой из разобранных нами в § 1 задач. С другой стороны, требуемую геометрическую фигуру из шести ребер (т. е. упомянутый тетраэдр) можно получить, выбрав соответствующую диагональ каждой из граней рассмотренного в упр. 11 и 12 ящика. Объем этого ящика равен 1тп. Отрежьте от ящика четыре равных «прямоугольных» (т. е. имеющих прямой трехгранный угол при одной из вершин) тетраэдра, объем каждого из которых в отдельности равен $ (СР- упр. 9); тогда вы получите тетраэдр объема
Мтп~б-
Мтп~б-
1тп ~3~'
1тп ~3~'
V = ltnn
V = ltnn
Далее, используя найденные в упр. 10 выражения /2=р2 —。2 鼠 Ti &, находим: 1Z2(戶2 一叫(P2一叫(p2 一度)
У9•
См. упр. 10; если V=0, то один из сомножителей, например Р?—炉= 算, обращается в нуль и две грани вырождаются в отрезки прямой; две другие грани превращаются в совпадающие прямоугольные треугольники.
См. упр. 13; если У=0, то тетраэдр вырождается в (дважды покрываемый) Прямоугольник (все четыре его грани превращаются в равные прямоугольные треугольники): в самом деле, если Р?一歩=。，то аа=6а+с2.
Как видно из последнего равенства § 7, одна из сторон х искомого прямоугольника является гипотенузой прямоугольного треугольника с катетами За и а. Отрезок х можно расположить внутри креста четырьмя различными (хоть и несущественно различными) способами; центр отрезка должен совпадать с центром креста и делить этот отрезок на две равные части, длина-g- каждой из которых равна другой стороне прямоугольника. Все это достаточно полно характеризует решение (см. рис. 54).
、16. а)炉=12・9—8・1, %=10.
Сдвиньте правую часть на единицу длины вверх и на две единицы длины влево; полученная фигура будет квадратом, поскольку
10=9+ 1= 12-2.
Более вероятно, что сохранится цен тральная симметрия. Все это проиллюстрировано на рис. 55.
Пусть 尤一 ноша мула, а у — ноша осла. Тогда
g+ 1 = 2(尤一1),尤 + 1=3 (у + 1);
13j 1
х—— ( = 260 единиц), z/ = — ( = 220 единиц).
Предположим, что у мистера Смита Л &е багажа, у миссис Смит 侬 кг и что 尤 кг разрешается перевозить бесплатно. Тогда
用+侬=94,用+侬=94,h-x w--x 94--尤h-x w--x 94--尤% = 40.% = 40.
用+侬=94,
用+侬=94,
h-x w--x 94--尤
h-x w--x 94--尤
% = 40.
% = 40.
Эти доли равны 700, 500 и х— 400, где х определяется из уравнения 工十(х+ 100) + (х+ 300) = 1600.
Каждый сын должен был получить 3000 ливров.
Рис. 54.Рис. 54.Рис. 55.Рис. 55.
Рис. 54.
Рис. 54.
Рис. 55.
Рис. 55.
Если обозначить долю каждого из сыновей через % а все наследство через у, то доли сыновей можно записать следующим образом:
f . у—100
первого 尤=10。+j§—а
one I У—200
вто рого尤=200 + 历，
и т. д.
Разность правых частей любых двух из этих равенств равна
Поскольку она должна быть равна нулю, то 尤=900 и, следовательно (из первого уравнения), д=8100; сыновей было 9.
Предположим, что три игрока имели в начале игры, соответственно, х, g и z луидоров; полезно ввести в рассмотрение сумму
(s=72). Составим таблицу распределения денег между игроками для четырех моментов времени, разделяющих партии (общее количество денег у трех игроков всегда равно s).
Перзыйх2% —s6х—3s12х—6s = 24Перзыйх2% —s6х—3s12х—6s = 24ВторойУ2P бу—2s 12у—4s = 24ВторойУ2P бу—2s 12у—4s = 24Третий г2г6г12г—s = 24.Третий г2г6г12г—s = 24.
Перзый
х
2% —s
6х—3s
12х—6s = 24
Перзый
х
2% —s
6х—3s
12х—6s = 24
Второй
У
2P бу—2s 12у—4s = 24
Второй
У
2P бу—2s 12у—4s = 24
Третий г
2г
6г
12г—s = 24.
Третий г
2г
6г
12г—s = 24.
Отсюда х=38, у=26, г=8.
Эта задача аналогична задачам, рассмотренным в пп. 1° и 2° § 4 и является частным случаем упр. 2, где надо только положить т= 3, m = 0, % = 3,的=g , 12 c
〃з= -g- . Отсюда г =~ недели.
Ньютон имеет здесь в виду обобщение в духе упр. 2, но не заходящее так далеко, ибо в нем не фигурируют «опоражнивающие трубы», т. е. буквы b отсутствуют и т=0.
Пшеница, ячмень и овес стоят, соответственно, 5, 3 и 2 шиллинга за бушель. См. упр. 26.、
Пусть
обозначают стоимости трех видов товара, a pv— стоимость смеси, в которую входят, соответственно,
么，сУ
весовых единиц этих товаров (р=1, 2, 3). Мы имеем систему трех уравнений
。/ + 6Vp +分之=凡，
где v = 1,2, 3. Это обобщение получается из упр. 25, если заменить числовую таблицу
402420312
263050320
24 120100680
таблицей из букв
。1 瓦ClPi
。262 C2 "2，
0303 3禽.
Переход от трех видов товаров к п видам не представляет труда.
Пусть
а—обозначает количество травы на акре пастбища в начале пастьбы# 卩一 количество травы, съеденной одним быком за одну неделю, + — количество травы, вырастающей на одном акре за одну неделю, 出，〃2,。一 число быков,
тх,加2,加—число акров,
*, %,方 — число недель соответственно трем рассмотренным случаям.
Здесь a, a, Ruy — неизвестные, остальные же восемь величин заданы.
Условия задачи записываются так:
加i(a+gy)=。拉丄B，m2@+方2y) = &金2匡m(a+ 方y)=砒 b;
эта система из трех уравнении с тремя неизвестными и а приводит к следующему выражению для а:
а= m [加 1&f2 (f-厶)■加2。#1 (f - %)].tYlytll^t (/2—匕)
численно же а=36.
Пусть 尤一число лет жизни Диофанта. Из уравнения
■б+12+7 + 5+т+4=х
следует, что х=84.
。，0+4…g叶4&0+ (。+d)+…+ (a+4t/)= 100 (叶 2d) + (a+3d) +(a+4d) 7[a+ (0+②].1b一2d=0。，0+4…g叶4&0+ (。+d)+…+ (a+4t/)= 100 (叶 2d) + (a+3d) +(a+4d) 7[a+ (0+②].1b一2d=0Если в арифметической прогрессии пять последовательных членов то ее первый член и разность находятся из условия равенства суммы всех членов числу 100 и равенства суммы трех последних членов
。，0+4…g叶4&
0+ (。+d)+…+ (a+4t/)= 100 (叶 2d) + (a+3d) +(a+4d) 7[a+ (0+②].
1b一2d=0
。，0+4…g叶4&
0+ (。+d)+…+ (a+4t/)= 100 (叶 2d) + (a+3d) +(a+4d) 7[a+ (0+②].
1b一2d=0
семь раз взятой сумме первых двух членов
Из уравнений
-5a4-10d=100,
получаем a = — и d=-g-, откуда следует, что искомая прогрессия имеет вид
1065120175 一 230_
зо: ■
——-ym-\-tnq= 19, 崇+成+m2g2= RS. Пусть
g+L；
тогда система перепишется так:
加(%+1)=19,加2(鋁-1)=133.
После деления второго уравнения на первое получаем два линейных от- ♦[33
носительно тх и т уравнения. Решая их, находим: /п = 6, х= -g—, 7 = — или
2一
豆;в результате получаются две (фактически одинаковые!) прогрессии: 4, 6, 9 и
6, 4.-
31.
a d+ д-з)= 13,а (g+ g 】)=4.
Разделив первое уравнение на второе, получаем биквадратное уравнение. Искомая прогрессия имеет вид
141664
(или же это — та же прогрессия, выписанная в обратном порядке).
Пусть х — число компаньонов. Выразите общую прибыль двумя способами (используя сначала условие ее получения, а затем условие ее распределения):
(8240 + 40% т)需=1 Ох • х + 224.
Уравнение
/一25炉+206%—560= 0
отрицательных корней не имеет (подставьте х=—р). Если оно имеет рациональный корень, то он должен быть целым положительным числом, являющимся делителем числа 560. Это приводит к следующим возможным значениям для х: х=1, 2, 4, 5, 7, 8, 10, 14, 16, ... В действительности корнями будут 7, 8 и 10. (Конечно, Эйлер сначала написал уравнение и только потом придумал рассказ о компаньонах,—вы можете пытаться подражать ему.)
Центры четырех окружностей, касающихся сторон квадрата, лежат в вершинах внутреннего квадрата, диагональ которого можно выразить двумя способами:'
(4г)2=2 (а—2г)2;
таким образом,
2
Выражение для высоты равнобедренного треугольника, опущенной на основание, можно записать ввидех+~ Тогда
卜+訂+(釘5犷+得)2=(訂 и, исключая х, получаем:
4a4 — 4^2”+?^2=о.
а) Это уравнение первой степени относительно d2 так же, как и относительно 加，но относительно а2 оно будет уравнением второй степени. Поэтому есть основания предполагать, что задача нахождения а труднее, чем две другие.
б) d положительно тогда и только тогда, когда 4а2>&2;
b положительно тогда и только тогда, когда d2〉。?； а принимает два различных положительных значения тогда и только тогда, когда d2〉^2.
Читатель может сделать отсюда несколько выводов. Ньютон комментирует решение упр； 34 следующим образом: «Отсюда ясно, почему Аналитики побуждают нас не проводить Различия между данными и искомыми Количествами. Ибо, благодаря тому что одинаковое Вычисление подходит к любому Виду данных и искомых Количеств, удобно представлять их себе и сравнивать без какого бы то ни было Различия... Скорее всего Вам удобнее воображать, что Вопрос равно касается тех Data и Quaesita, данных и искомых Количеств» при помощи которых Вы мыслите наиболее легко составить ваше Уравнение». Он добавляет чуть
дальше: «Отсюда, я думаю, станет очевидным, что Математики разумеют, когда они велят вам воображать уже сделанным то, что ищется».
(«Предположите, что задача решена»; ср. § 4.)
Составляя наши уравнения, мы продвигаемся в направлении, прямо противоположном тому, которое диктуется задачей землемера: в самом деле, мы считаем х и углы а, В，у, 6 данными, а I неизвестным. Из треугольника UVG мы выражаем (по теореме синусов) GV через х, а+р и у. Из треугольника YUН мы выражаем (по теореме синусов) HV через х, 0 и у+& Из треугольника GHV мы выражаем (по теореме косинусов) Z через <?R, HV и 6, а затем, используя выражения для GV и HV, получаем:
2 — 2 Г sin2(a+0)siMp2 sin (а + 0) sin 6 cos 6]
—% [sin2(a + p + Y)十 5皿(叶『P0 "sin(a-Pp + 6) sin (p + v + 6)J *
Отсюда x2 можно выразить через /, a, 0, Y н 6.
3 7. (Ср. American Mathematical Monthly 66 (1959), стр. 208 *).) Пусть § обозначает больший, а 丫 ——меньший из двух оставшихся углов. Если угол В острый, то пять отрезков с, ha, d* та> А исходящих из вершин Л (в обозначениях упр. 7 гл. 1), располагаются в указанном выше порядке. Из прямоугольных треугольников, на которые делит рассматриваемый треугольник высота ha, имеем:
В=^■一不，В=^■一不，丫”丫”ЗаЗа
В=^■一不，
В=^■一不，
丫”
丫”
За
За
Из треугольников, на которые делит рассматриваемый треугольник медиана та, получаем:
а. а. За
歹 s【n 丁 sln~
sm反
откуда
.аа. ЗаЗа
sin —cos — = sin —— cos —г™ »
4444 '
а За
万=h-
38・ Пусть
S2рса, &
обозначают, соответственно, площадь, периметр, гипотенузу, остальные стороны;
S и р даны, а, b и с неизвестны. Чтобы решить систему
а-^-^ + с —2р, ab = 2S, с2 = а2-|-&3,
ТогдаТогдаОтсюдаОтсюда2 (乐+»)=叶风[Диагонали параллелограмма рассекают его на четыре треугольника; примените к двум смежным треугольникам теорему косинусов.]41. (2万一0)炉+(曲2-62)(2%一0=0.2 (乐+»)=叶风[Диагонали параллелограмма рассекают его на четыре треугольника; примените к двум смежным треугольникам теорему косинусов.]41. (2万一0)炉+(曲2-62)(2%一0=0.Если а=10,万=12, тох =ните случай。=2瓦Если а=10,万=12, тох =ните случай。=2瓦16(—8 + 3 F п)16(—8 + 3 F п)7732,что довольно близко к 了 . Объяс-32,что довольно близко к 了 . Объяс-42.42.a2(3+匕3)a2(3+匕3)22
Тогда
Тогда
Отсюда
Отсюда
2 (乐+»)=叶风
[Диагонали параллелограмма рассекают его на четыре треугольника; примените к двум смежным треугольникам теорему косинусов.]
41. (2万一0)炉+(曲2-62)(2%一0=0.
2 (乐+»)=叶风
[Диагонали параллелограмма рассекают его на четыре треугольника; примените к двум смежным треугольникам теорему косинусов.]
41. (2万一0)炉+(曲2-62)(2%一0=0.
Если а=10,万=12, тох =
ните случай。=2瓦
Если а=10,万=12, тох =
ните случай。=2瓦
16(—8 + 3 F п)
16(—8 + 3 F п)
7
7
32
,что довольно близко к 了 . Объяс-
32
,что довольно близко к 了 . Объяс-
42.
42.
a2(3+匕3)
a2(3+匕3)
2
2
выразите (a+b'f двумя способами:
(2р—c)2=c2 + 4s,
S с = р・
Р
Рассмотрим треугольник со сторонами 2〃，以，и, где u+ v=2d, и обозначим высоту, опущенную на сторону 2。，через h.
Даны a, A, d; требуется найти и, а
Введите в рассмотрение ортогональные проекции хну сторон « и и на сторону 2а и обозначьте
x-Y у ~ 2а,〃2=炉+ 工2,02 =九2+g2.
или
2d (〃一v) — 2a-2z,
" =。=d一不2，
x — a-\-z,У = а—г,
(d + ■^ ny=必 + (a+ 2)2,
Пусть а и b — две смежные стороны параллелограмма, а с и d — его диагонали; тогда
(Стэнфорд, 1965.) Шестиугольник состоит из трех квадратов и четырех треугольников, площадь каждого из которых равна одной и той же величине S. Поэтому площадь шестиугольника равна 2c2+4S.
(Стэнфорд, 1963.) Разделите данный прямоугольный треугольник на три треугольника с общей вершиной в центре вписанной в него окружности. Из сравнения площадей имеем:
"2 —2- =
d =d ==а -|- Ь —- с.=а -|- Ь —- с.a + b+С一(0+ b)2 - С2a + b+С一(0+ b)2 - С22ab _2о6 (а-^Ь — с)
d =
d =
=а -|- Ь —- с.
=а -|- Ь —- с.
a + b+С一(0+ b)2 - С2
a + b+С一(0+ b)2 - С2
1222
—, 勺，勺，&. Вытекает из того, что стороны большого треугольника разделены вершинами вписанного треугольника в отношении 2 : 1.
(Стэнфорд, 1957.) Сначала рассмотрите самый простой случай, когда треугольник равносторонний. Его симметрия может навести на мысль, что в этом случае четыре малых треугольника также будут равносторонними. Однако если это так, то стороны малых треугольников должны быть параллельны сторонам данного треугольника, что вскрывает характерную особенность фигуры, позволяющую решить задачу не только в рассмотренном частном случае, но также и в общем случае. (От равностороннего треугольника к произвольному треугольнику можно перейти, исходя из соображений «аффинности»-).) Проводя прямые, параллельные одной из сторон данного треугольника, рассеките каждую из двух других его сторон на пять равных частей. Выполнив эту операцию над каждой из сторон треугольника (т. е. всего три раза), вы разделите треугольник на 25 равных между собой малых треугольников, подобных исходному. Из этих 25 треугольников нетрудно отобрать четыре треугольника, о которых говорится в задаче; площадь каждого из них равна 1/25 площади исходного треугольника. (Это решение не единственно возможное; доказательство последнего мы опускаем.)
(Стэнфорд, I960.) Обобщим задачу: пусть точка Р лежит внутри прямоугольника; ее расстояния от четырех вершин равны а, 6, с и d, а от четырех сторон —х, у, %' и у1 (вершины и стороны перечисляются в циклическом порядке — скажем, в порядке, отвечающем обходу контура б направлении вращения часовой стрелки). Тогда
炉=g找+炉，阱=*2+炉，e2 = g2+%，2,矛=/2+旷2, откуда
A2-加+座—Q2=0.
В нашем случае а=5, Ь=10, с=14； следовательно,
d2= 25— 100+ 196= 121, d= 11.
(Заметьте, что а, 6 и с определяют d, но недостаточны для определения сторон 尤干尤'й д+у' прямоугольника!).
Пусть и — сторона квадрата. Тогда, в обозначениях упр. 47, %+%'= =&+д'=〃 и мы получаем такие три уравнения с тремя неизвестными х, у н и:
х2+ (« — g)2 = * ха + v2 = ^2» У®+(〃一х)2 = с2.
Отсюда
2иу = и2 + Ь2 — а2,2〃尤=t? + b2 — с2;"
возводя в квадрат и складывая эти равенства, мы получаем биквадратное уравнение относительно 〃：
Исследуйте геометрический смысл частных случаев:
а)序=2包2 или 辽=0；
и=а;
и ——мнимое (кроме случая са = 26а = 2и2);
и — мнимое (кроме случая。合二及二壮).
、 1°0冗100冗_о -.П7
4 9. (Стэнфорд, F959.) и —или, соответственно, около 78,54%
42/3
и 90,69%. (Переход от весьма большого (квадратного) стола к неограниченной плоскости опирается, по существу, на понятие предела, однако, мы ие настаиваем
на более подробном обсуждении этого, довольствуясь интуитивными соображениями.).
Следуя процедуре, изложенной в упр. 33, выразим диагональ искомого куба двумя способами:
(4r)2 = 3(a—2r)2,
—(2р?—3)а у 2'
Четыре последовательные вершины прямоугольника удалены, соответственно, на расстояния а, Ь, с и d от точки 戶 пространства. Три из этих расстояний известны; найдите четвертое.
Соотношение
а2 — &2 + с2 — d2 = 0
(см. решение упр. 47), из которого немедленно следует решение задачи, остается в силе и в более общем (стереометрическом) случае. Полученный результат можно применить, например, к точке Р и соответственно подобранным вершинам прямоугольного параллелепипеда (ящика), поскольку любые две диагонали подобного ящика одновременно являются и диагоналями некоторого прямоугольника.
Решение стереометрической задачи часто зависит от наличия «ключевой плоской фигуры», которая открывает все двери, давая возможность вывести основные соотношения.
Через высоту пирамиды проходит плоскость, параллельная двум сторонам основания (и перпендикулярная двум другим сторонам). Равнобедренный треугольник — сечение пирамиды этой плоскостью —— можно использовать как ключевую фигуру; его высотц равна h, его основание — пусть это будет。一 равно стороне основания пирамиды, его боковые стороны равны 2а, так как каждая из них служит высотой боковой грани (апофемой). Отсюда
(2a)2=(訂+歩， и поэтому иск(жая площадь равна
Например: боковая поверхность правильной шестиугольной пирамиды равна учетверенной площади ее основания; найти высоту 九 пирамиды, если дана сторона а ее основания (h= а#6; см также упр. 57).
Сумма квадратов диагоналей параллелограмма равна сумме квадратов его сторон. (Другая формулировка результата упр. 40.)
Пусть в параллелепипеде
Д* ■' РГ:
обозначают, соответственно, сумму квадратов его
4 диагоналей, 12 ребер, 12 диагоналей боковых граней. Тогда
д =p=多.
(Следует из примененного дважды результата упр. 40.)：
100 л 100 冗.
―— и или, соответственно, 52,36% и 74,07% (прибли
жен но). Ср. п. 6° решения упр. 54 из гл. 15.
Квадрат искомой площади поверхности равен
16р (р—а) (р—Ь) (рт).
Это выражение можно рассматривать как аналог формулы Герона, но оно слишком тесно с ней связано, чтобы представлять самостоятельный интерес.
(Стэнфорд, I960.) Обозначим сторону треугольника через а; объем тетраэдра через Т, объем октаэдра через О.
Первое решение. Разобьем Октаэдр на две равные правильные четырехугольные пирамиды с общим (квадратным) основанием площади а2. Высота каждой из этих пирамид равна («ключевая плоская фигура» проходит через ди-
У 2•'
агональ основания пирамиды) и поэтому
0 = 20 = 2а2 аз /¥а2 аз /¥о3 /2о3 /2
0 = 2
0 = 2
а2 а
з /¥
а2 а
з /¥
о3 /2
о3 /2
(обозначим ее длину через Л)(обозначим ее длину через Л)Проведем теперь плоскость через высоту Тетраэдра
(обозначим ее длину через Л)
(обозначим ее длину через Л)
и через какое-нибудь из его боковых ребер; в сечении («ключевая плоская фи
гура»)гура»)получаются два прямоугольных треугольника, из которых находим:
гура»)
гура»)
такимтакимИтак,Итак,образом,образом,0=4Т・0=4Т・九2 =q2九2 =q2空.Т;空.Т;
таким
таким
Итак,
Итак,
образом,
образом,
0=4Т・
0=4Т・
九2 =q2
九2 =q2
空.
Т;
空.
Т;
Второе решение. Рассмотрим правильный тетраэдр с ребром 2а и объемом 23Т； четыре плоскости, каждая из которых проходит через середины трех его ребер, исходящих из одной и той же вершины, рассекают этот тетраэдр на четыре меньших правильных Тетраэдра объема Т и правильный Октаэдр объема О. Отсюда
4Т+ 0 = 8Т,что снова дает 0=47.
(Стэнфорд, 1964.) Пусть С —— данная призма (торт), a D — искомая (покрытая глазурью только сверху). Сторону основания и высоту призмы обозначим через
а и 九для С,
х п удля
Условия, определяющие призму D, выражаются уравнениями
便+如九
откудаоткуда% — ~9-，
откуда
откуда
а 5а у 5》=万，^ = 36> Т=18-
Вырежьте призму D так, чтобы центр ее верхнего основания р совпадал С центром верхнего основания Р призмы С н чтобы либо стороны, либо диагонали квадрата р
были параллельны сторонам квадрата Р, т. е. чтобы С и D имели четыре общие плоскости симметрии; эти плоскости разобьют остаток торта С на 8 равных кусков, имеющих тот же объем и столько же «глазури», сколько D.
Объемы относятся, кака поверхности — как
а ' b ' с
(Стэнфорд, 1951.) Разность объемов усеченного конуса и цилиндра
,「歩+曲+ 62(0+匕)2] _n/z (0 — 6)2
冗用[32—J =12—
положительна во всех случаях, кроме случая а=Ь, когда оба тела совпадают *).
(В МПР, гл. VIII, рассматривается еще несколько приложений алгебраических неравенств к геометрии.)
Пусть г — радиус окружности, описанной около АВС\ тогда
2 厶 cd их2 рЗа
и поэтому
z 6力十2 .
(Слагаемым у на практике часто можно пренебречь.)
(Стэнфорд, 1962.) Пусть С — центр, а г — радиус описанной сферы. Существуют《две плоские ключевые фигуры» — два сечения тетраэдра; одно из них проходит через ребро b и середину противоположного ребра, а другое — через середину ребра b и противоположное ребро. Эти сечения перпендикулярны друг другу; линия их пересечения d соединяет середины ребер и проходит через С.
Пусть, далее, % — расстояние от точки С до ребра b (вторым концом этого перпендикуляра будет середина ребра 6), a h ——высота одной из двух граней тетраэдра, представляющих собой равносторонние треугольники; тогда
Из рассмотрения получающихся в сечениях прямоугольных треугольников следует:,
r2-(d—%产 +r2-(d—%产 +
r2-(d—%产 +
r2-(d—%产 +
Теперь для нахождения наших четырех неизвестных мы имеем четыре уравнения; 无 сразу получается из первого, а затем d — из второго. После d удобно находить %
(для этого можко какое-нибудь одно из двух последних уравнений вычесть из другого). Наконец,
2 — а2 4а2—б2
'=4百2二庐・
(Проверка: если b = аУ 3 = 2儿 то г= оо.)
Возможное применение: два жестких равносторонних (со стороной а) треугольника с общей шарнирной стороной можно развести на такой угол, чтобы все четыре вершины коснулись вогнутой стороны исследуемой сферической поверхности; после этого,' измеряя 6, можно найти г. (Выпуклая линза требует несколько более сложного по конструкции прибора.)
Если в упр. 62 положить а^Ь, то тетраэдр становится правильным:
За3
и
аа
а
а
Полученный угол можно рассматривать как угол между двумя симметрия* ными валентными связями атома углерода (например в молекуле СН4).
Пусть %—расстояние (по перпендикуляру) от L до экрана. Тогда
炉 一3一%)2 , и, таким образом,
(На практике задача выглядит несколько иначе: задается /, а измеряются d и %; таким образом, определяется здесь /'.)
35 миль (см* упр. 67).
Введем общие обозначения (в скобках проставлены соответствующие числовые данные):
аbаb— скорость— скорость—скорость—скоростьпочтальона Л,почтальона В,почтальона Л,почтальона В,с(1)——время (в часах) между стартами Л и В,с(1)——время (в часах) между стартами Л и В,，d(59) Тогда，d(59) Тогда—расстояние в милях между отправными пунктами.—расстояние в милях между отправными пунктами.%+P = d, ——= &%+P = d, ——= &。(比+ d)X= a+b '。(比+ d)X= a+b '
а
b
а
b
— скорость
— скорость
—скорость
—скорость
почтальона Л,
почтальона В,
почтальона Л,
почтальона В,
с(1)——время (в часах) между стартами Л и В,
с(1)——время (в часах) между стартами Л и В,
，d(59) Тогда
，d(59) Тогда
—расстояние в милях между отправными пунктами.
—расстояние в милях между отправными пунктами.
%+P = d, ——= &
%+P = d, ——= &
。(比+ d)
X= a+b '
。(比+ d)
X= a+b '
Ньютон формулирует обобщенную задачу следующим образом: «Даны Скорости двух движущихся по направлению к одному и тому же-месту Тел Л и В, а также Интервал во времени, через который они начинают двигаться, а также Расстояние, на которое отстоят друг от друга места, с которых они начали дви* гаться; * определить Место, где они встретятся».>
(Станфорд, 1959.) Мы используем следующие обозначения：
и — скорость Арта,
ь—скорость Билла,，
厶一время (отсчитываемое с момента старта) до первой встречи мальчиков, "—время до второй встречи мальчиков,
d — искомое расстояние меаду их домами.
Тогда
utx = a,ut2 = dJrbt
u& = d—a,吟=2d—b.
способами, получаем:способами, получаем:1°. Выражая отношение ~ двумя
способами, получаем:
способами, получаем:
a _ d + b
d—a 2d—b
Отсюда, отбрасывая нулевой корень, находим: d—За—b.
2°.2°.Конечно, Арт.Конечно, Арт.Численно —= и 2Численно —= и 2
2°.
2°.
Конечно, Арт.
Конечно, Арт.
Численно —= и 2
Численно —= и 2
70. Время между стартом и тем моментом, когда впервые 九+1 друзей ветре*70. Время между стартом и тем моментом, когда впервые 九+1 друзей ветре*откудаоткуда
70. Время между стартом и тем моментом, когда впервые 九+1 друзей ветре*
70. Время между стартом и тем моментом, когда впервые 九+1 друзей ветре*
откуда
откуда
(Стэнфорд, 1955.) См. упр. 70. См. также HSI, стр. 236, 239—240, 247, задача 12.
чаются снова, проходит 2九一1 фаз:
Боб едет с Л,
Боб едет один,
Боб едет с 8,
Боб едет один
2п—1) Боб едет с L.
Рис. 56, где принято п=3, иллюстрирует эти пять фаз; отрезки, представляющие путешествия дру
зей А, В и С, помечены соответствующими буквами; более круто наклоненные отрезки изображают маршрут автомобиля. Из симметрии процедуры (которая особенно наглядно представлена на рис. 56) следует, что все п фаз с нечетными
номерами имеют одну и ту же длительность, скажем Т, и что все
п— 1 фаз с четными номерами также имеют одну и ту же длительность, скажем Т'. Выразим суммарное продвижение после 2п—1 фаз [т. е. пТ+ (п—1)TZ единиц времени] двумя различными способами (сначала следя за Бобом а затем — за
одним из его приятелей):
пТс— (/г—1)Т2=Тс+ s—1)(т+Т')р,Т =с + р
. Скорость пррдвижения всей компании равна
пТс—(也一1)TZ _ с+(2/i — 1)р也 Т + (孔一1) Tf(2/i — 1) с+p
2°. Доля времен^2°. Доля времен^когда машина(1)Гкогда машина(1)Гвезет одного Боба: i)(c—Р)везет одного Боба: i)(c—Р)3°. Результаты Г [правда, результат 2°,3°. Результаты Г [правда, результат 2°,nT + in — ^T^^n—^c + p'и 2° особенно интуитивно ясны в предельных где 九=8, менее очевиден]:nT + in — ^T^^n—^c + p'и 2° особенно интуитивно ясны в предельных где 九=8, менее очевиден]:случаяхслучаях1°. Скорость продвижения компании1°. Скорость продвижения компании2°. Доля времени, когда Боб едет один2°. Доля времени, когда Боб едет одинр = Оn一 1р = Оn一 1р = ср = сп = 1п = 1〃=8〃=8ссссррООООc一 p~ 2c 'c一 p~ 2c '71. Пусть 力1—— время падения камня, а £?— время, звук. Из соотношений71. Пусть 力1—— время падения камня, а £?— время, звук. Из соотношенийзазакоторое к вам приходиткоторое к вам приходитнаходим:находим:7 = /1 + 勾，d=等，d =度2,7 = /1 + 勾，d=等，d =度2,d=d=
2°. Доля времен^
2°. Доля времен^
когда машина
(1)Г
когда машина
(1)Г
везет одного Боба: i)(c—Р)
везет одного Боба: i)(c—Р)
3°. Результаты Г [правда, результат 2°,
3°. Результаты Г [правда, результат 2°,
nT + in — ^T^^n—^c + p'
и 2° особенно интуитивно ясны в предельных где 九=8, менее очевиден]:
nT + in — ^T^^n—^c + p'
и 2° особенно интуитивно ясны в предельных где 九=8, менее очевиден]:
случаях
случаях
1°. Скорость продвижения компании
1°. Скорость продвижения компании
2°. Доля времени, когда Боб едет один
2°. Доля времени, когда Боб едет один
р = О
n一 1
р = О
n一 1
р = с
р = с
п = 1
п = 1
〃=8
〃=8
с
с
с
с
р
р
О
О
О
О
c一 p
~ 2c '
c一 p
~ 2c '
71. Пусть 力1—— время падения камня, а £?— время, звук. Из соотношений
71. Пусть 力1—— время падения камня, а £?— время, звук. Из соотношений
за
за
которое к вам приходит
которое к вам приходит
находим:
находим:
7 = /1 + 勾，d=等，d =度2,
7 = /1 + 勾，d=等，d =度2,
d=
d=
Ср. МПР, стр. 165 и стр. 493, упр. 29.
Введем обозначение: р?—^ АСО. Поскольку sin —/В sin ①' AC
то
sin ① sin 6' _ fsin ” sin § J 尸'
С другой стороны, §'=§——(①'——①).Выражая ^~^ двумя различными спо-
/ sin со'/ sin со'Г sin(о sin (ш'—ш) *Г sin(о sin (ш'—ш) *собами, получаем:
/ sin со'
/ sin со'
Г sin(о sin (ш'—ш) *
Г sin(о sin (ш'—ш) *
ctg§ = ctg (о/ —(о)
Складывая три данных уравнения, получаем 0=。+计 С.
Если данные а, b и с этому соотношению н е удовлетворяют, то задачаЕсли данные а, b и с этому соотношению н е удовлетворяют, то задачаневозможна, т. е. чисел х, у, нениям, не существует. Если неопределенна, т. е. решений уравнений получаем:невозможна, т. е. чисел х, у, нениям, не существует. Если неопределенна, т. е. решений уравнений получаем:z, одновременно удовлетворяющих всем трем урав- же это соотношение выполняется, то задача бесконечно много; так, например, из первых двухz, одновременно удовлетворяющих всем трем урав- же это соотношение выполняется, то задача бесконечно много; так, например, из первых двухх =х =У =У =За + b,2。+ 3bЗа + b,2。+ 3b
Если данные а, b и с этому соотношению н е удовлетворяют, то задача
Если данные а, b и с этому соотношению н е удовлетворяют, то задача
невозможна, т. е. чисел х, у, нениям, не существует. Если неопределенна, т. е. решений уравнений получаем:
невозможна, т. е. чисел х, у, нениям, не существует. Если неопределенна, т. е. решений уравнений получаем:
z, одновременно удовлетворяющих всем трем урав- же это соотношение выполняется, то задача бесконечно много; так, например, из первых двух
z, одновременно удовлетворяющих всем трем урав- же это соотношение выполняется, то задача бесконечно много; так, например, из первых двух
х =
х =
У =
У =
За + b
,2。+ 3b
За + b
,2。+ 3b
причем г остается произвольным. Ср. упр. 47 и 48.
(Стенфорд, 1955.) Сравнивая коэффициенты при одинаковых степенях в обеих частях тождества, получаем пять уравнений для наших неизвестных Р, q в г:
1 = р2, 4 = 2pq, —2 =(72 + 2рг, —12 = 2“，9= г3.
Первое уравнение дает р~± 1, откуда, используя последовательно второе и третье уравнения, получаем две системы решений:
р=1, q = 2, г=—3 и р=—1, q = —2, г — 一3;
они одновременно удовлетворяют и двум последним уравнениям.
Вообще говоря, квадратный корень из стоящего слева многочлена или другого, подобного ему, как правило, не извлекается, так как решить систему, число уравнений которой превышает число неизвестных, обычно невозможно.
(Стэнфорд, 1954.) Раскладывая на множители правую часть предполагаемого тождества и приравнивая соответствующие коэффициенты, получаем:
аА — ЬВ = сС — 1,
ЬС -j-сВ —сА -]-<гС = аВ -j- ЬА = 0.
Из 2) находим, что
ЬС=—сВ, с4=—qC, аВ =—ЬА\*
перемножая эти три равенства, имеем:
abcABC = —abcABC*
abcABC — Q,
Но из 1) следует, что
abcABC = 1.
Полученное противоречие показывает, что предполагаемое тождество невозможно (т. е. наша система из шести уравнений с шестью неизвестными а, Ь, с. А, В и С несовместна).
Числа %=5力，у = 60——18% 2=4。+13力 положительны тогда и только тогда, когда 0 < / <. Таким образом, возможны только такие значения 力
2, 3 и только такие тройки (х,弘 г):
(5, 42, 53), (10, 24, 66), (15, 6, 79).
См. упр. 76; системе
%+У+z = 30*
14%+ 1頂 + 92 = 360 удовлетворяют значения
х=2力 у= 45 — 5i, 2 = 3力一15,
где / = 5, 6, 7, 8 или 9.
100+%=у2,168+%= г2.
Вычитая, получаем
(z—У) ©+?/) = 6&
Поскольку число 68=22*17 можно представить в виде .произведения двух сомножителей только тремя способами:
68 = 1 *68 = 2 *34 =4*17,
а у и г должны быть одновременно либо четными, либо нечетными, решение имеется только одно:
z—у=12, z+y = 34, г = 18, у =16* х=»156.
(Стэнфорд, 1557.) У Боба имеется % марок, из которых у седьмых находятся во втором альбоме; % и у — целые положительные числа;
^ +孥+ 303 = х,
и, следовательно,
3.5-7-101
一5乡.
Знаменатель правой части должен быть положительным и нечетным числом, поскольку он должен быть делителем числителя, который нечетен. Таким образом, остаются три возможности, из которых подходит только последняя; единственное решение имеет вид у=5 и х=3535.
(Стэнфорд, I960.) Если новая цена ручки равна % центам, а оставшийся запас составляет у ручек, то
ху = 3\ 93,
где х<50. Далее, поскольку число 3193 = 31 • 103 является произведением двух простых сомножителей, то у него имеется четыре различных делителя: 1, 31, 103 и 3193. Предполагая, что х — целое, получаем х= 1 или 31. Предполагая, кроме того, что х>1, находим х = 31.
1°. Несовместность. Либо среди трех плоскостей имеются две не совпадающие и параллельные друг другу, либо они попарно пересекаются по трем различным и попарно параллельным прямым.
Зависимость. Существует прямая, через которую проходят все три плоскости. (При этом две из них или даже все три могут совпадать.)
Совместность и независимость. Плоскости имеют одну-единственную общую точку.
В современных учебниках математики для средних школ имеется много «словесных задач», хотя и не очень разнообразных. К сожалению, в них обычно не разбираются именно те вопросы, которые по своему характеру могли бы пролить свет на важные преимущества «метода Декарта».
Из предыдущих упражнений читатель может усвоить, насколько полезны дополнительные вопросы, касающиеся только что решенной им задачи. Я приведу несколько таких вопросов, ссылаясь для иллюстрации после каждого из них на какое-нибудь упражнение (читателю полезно будет поискать и другие примеры).
Нельзя ли проверить результат? (Упр. 4.)
Проверьте крайние случаи (вырожденные случаи, предельные случаи). (Упр. 14.)
Нельзя ли получить тот же результат иначе? Сравните различные подходы. (Упр. 8.)
Не могли бы вы по-иному объяснить результат? (Упр. 3.)
Обобщите задачу. (Упр. 2.)'♦
Придумайте аналогичную задачу. (Упр. 51.)
Отправляясь от какой-нибудь задачи и задавая эти и другие подобные им вопросы, читателю, возможно, удастся составить новые задачи, среди которых могут оказаться интересные и не слишком трудные. Как бы то ни было, ставя такие вопросы, читатель имеет хорошие шансы углубить свое понимание исходной задачи и - повысить умение- решать задачи вообще.
Вот две (не слишком легкие) задачи, являющиеся развитием предыдущей задачи.
1°. Проверьте результат упр. 36
--а) предполагая, что а = 6, § = R а + 0 = 9О°;
предполагая, что а = Ь, § = ?, но не задавая наперед значения & + 卩；
подставляя вместо а, р, у и 6, соответственно, 6, у, $ 丑 а.
' 2°. Рассмотрите стереометрические задачи, аналогичные предложенной в упр. 49. (Здесь некоторое указание можно извлечь из упр. 40 к гл. 3.)
К дополнительным замечаниям 65, 81, 82, 83, 85 и 86 указаний не требуется.
Глава 3
При 几=0 и 几=1 утверждение очевидно. Пусть оно верно для некоторого значения п:
(1+х)п=1 + ... +C^~1xr~l + CnXr+ ... +хп-, тогда, умножая обе части н多 l+匕 получим:
(1 + х)"+1 = 1 + ... + [Сп + С^Г1] /+ ... +%«+1.
В силу рекуррентной формулы из п. 2° § 6 коэффициент при хг в разложении (1+%)以+1 оказывается равным
поэтому формула бинома, справедливость которой для показателя 几 нами предполагалась, оказывается верной также для показателя 也+l. Заметьте, что при этом мы воспользовались также граничным условием из п. 2° § 6. В каком именно месте?
Считая результат упр. 1 доказанным, положите
一
а.
и рассмотрите
曲(1+%严=(a+6产.
Рассмотрите утверждение ^Sp является многочленом (р+1)■讫 степени от п» в качестве одного из возможных предположений (как это и было сделано вначале). Это предположение заведомо верно в простейших частных случаях р=0, 1 и 2 (которые и навели нас на это предположение; см. начало § 3). Допустим, что предположение верно для всех значений вплоть до р=&—1, т. е. для р—0, 1, 2, ...» k—1 (иначе говоря, для So> S】，S2f ..., S^-i). Отсюда можно сделать вывод (см. последнее равенство в § 4), что выражение
^fe+i^fe-i + ^fe+i^fe-aH- •.. + *S0 = P
(обозначение Р вводится для сокращения записи) является многочленом fe-й степени. Из упомянутого равенства находим
• +1)"】一1一尸小
Поскольку степень многочлена 尸 относительно 几 равна 財 старший чл^н разложения (也十1)々+1, равный nk+1t не может сократиться ни с каким другим членом и, следовательно, S尼 действительно является многочленом от п степени
Мы пришли к нашему выводу, предположив, что So имеет степень 1, S「 степень 2, ...» S左_】——степень k. Выражаясь аллегорически, можно сказать, что рассматриваемое свойство суммы S存(то, что степень ее равна &+1) обладает «неукротимой тенденцией к распространению». Мы уже давно знали, что S0( S】 и S2 этим свойством обладают; поэтому вследствие только что сказанного сумма S3 тоже должна им обладать; в силу этого же доказательства упомянутым свойством должна обладать также S4, затем S5 и т. д.
То, что старший член суммы S左 имеет требуемый вид, также, очевидно, следует из формулы (I).-
Некоторые задачи, которые рассматриваются ниже, позволяют подойти к только что полученному результату иначе (см. также упр. 2—7 гл. 4).
.с о 6sl — 1 几(孔 + 1 )(2几 + 1) (3* + 3/2 — 1)
4・ S《=Sz 30•
Доказательство этих формул методом математической индукции проводится обычным путем; см. МП，стр. 134—147.
Способ вычисления подсказывается §§ 2, 3 и 4, а также упр. 3.
Находим (ср. § 4):
小一("-1户=а小T一a小一2+ ... +(-1 产-i eg.
Находим (ср. § 4):
[n ("+1)产一[("-1) "产=""("+1 产一("-1)中=
=2c 出 2h -1 + 2 或，犀一3 + 2@"峥-5 + ...
Находим (ср. § 4):
(2n+l)[n(n+l)\k — (2n—l)\(n~l)n]k=nkl(n+l)k + (n—\)k] +
+ 2"" "(" + 1 户一("一 1 户]=2 (恵 + 2a) n^ + 2(Cl+ 2d)№е 7 + ...
Получается из упр. 7 с использованием рекурсии и математической индукции.
Получается из упр. 8 с использованием рекурсии и математической индукции.
Вот три первых частных случая:
2S] =%(也+1), 0 =几2(也+ i；-2nSlt 2sз= 〃з (〃+ 1)—Зп^х+З^.
Случай 也=1 позволяет вычислить Si при помощи метода, лишь немногим отличающегося от «метода маленького Гаусса» (см. § 1).
Случай 也=2 окольным путем приведет опять-таки к 5卜
Случай 也=3 дает S§ при условии, что уже известны S[ и S2.
Вообще говоря, наш результат позволяет вычислить Sk по S。，Sp 52, ..., S尼_】 только, когда k нечетно, но не тогда, когда k четно. Этим до некоторой степени объясняется, почему метод, оказавшийся успешным при вычислении Sj (см. § 1), потерпел неудачу в случае S? (ср. § 2). Заметим еще, что, сравнивая наш результат с §§ 2 и 4 и упр. 6 иЮ, мы можем кое-чему научиться, а кто-нибудь, возможно, еще сможет использовать его в подходящих обстоятельствах.
В силу упр. 9 и 10 достаточно проверить, что это утверждение справедливо ДЛЯ S1 (х) и что
а) С помощью «метода маленького Гаусса» (см. первый подход из § 1) находим:
[1 + (2п — 1)] + [3+(2 几—3)] -{-«..= 2用万=л*.
Примените второй подход из § 1; см. ниже.
Обобщите. Рассмотрите сумму членов арифметической прогрессии с первым членом а, разностью d и числом членов п：
，S=q+ (q+G+ (a十2cQ+…+ [0+(几-l)d].
Обозначьте последний член а+ (п——l)d=b; тогда (см. второй подход из § 1) S = a+(a+^) + (a + 2с0 + …+ (6—2с0 + (6—d)十 b, s = 6 + a一冉 + e-2i/) +…+ (叶2 由+ (叶 rf) + a.
Складывая и деля на 2, находим:
S=T".
В частном случае, когда а=1, Ь=2п—1* имеем:
О 1 十(2也一1)2
S _ _亠^L n = rt2.
См. второй из рис. 186.
Ср. решение упр. 14.
1+4 + 9+16+...+(2?: —1)2 + 2也2一4(1+4+...+紋)=
2也(2也 +1) (4也 + 1) 也(也 +1) (2〃+ 1)_ /: (4紋—1)=4§= -~3~ *
Примените тот же метод, что и в решении упр. 14:.
4"2(2； +厅一8"2("产忆吗2"」1).
Используйте обозначения упр. 12:
\к ^гк+ ... +(!2.п—^ = Sk^,n}—^Sh(n}.
Иногда легче ответить на целую серию вопросов, чем на один отдельно взятый вопрос. (Это —— так называемый «парадокс исследователя»: см. КРЗ, стр. 138.) Наряду с суммой
22+52 + 82 +…+ (3n-1)2 = Z7
рассмотрите также сумму
12_|_42 + 72+..>_|_(3几一2)2 =匕
Тогда (ср. упр. 16)
U+Y+9s2 (n'=S2 (3/г).
Кроме того, ясно, что.
U —У = 3+9+15+...+ (6/г—3) = 3 罐.
Мы получаем, таким образом, систему двух линейных уравнений относительно неизвестных U и V, решая которую, находим не только искомое значение
г, п (6п2 + 3п — 1)
2，
но также и
т/ л (6л2—Зп — 1) 2>
Еще один метод решения этой задачи дается в упр. 18.
(См. Паскаль, сочинение, цит. в сноске иа стр. 93.) Обобщая обозначение из § 3 (где рассматривается частный случай a=d=l), положим;
Sk^ak-\-(a + d)& + (а+2d 产 +…+[a +(" — i)d 产.
Очевидно, S0=n. Подставляя в соотношение
(a + nd)k+i-[a-\-(n-\)d]k+^ =
=以十/a + (也一1)d产d + %卜]1a+(几一1) d] JtP + ...
вместо 几 значения 1, 2, 3, ...» п и складывая получившиеся выражения, находим:(а+ап^-а^^С^^+С^^^+.-.+З^^.
Отсюда рекуррентным образом последовательно получаем S】，S?, ...» S*. Рассмотрите подробно случай а = 2, d=3, fe=2; см. упр. 17.
В силу результатов, полученных в §§ 2 и 3, искомая сумма имеет вид
1-2 Q , 2.3 _ , 3-4 . .. (n—1)п
丁 2 Н- - g- 3 十—4 + • 一 + -^~^— п =
=у [(23 — 22)十(33 - 32) + (43 - 42) + ...+ (也3 -靈)]=
=y (53 —S2)==y (53 —S2)=(几一1)九(几+ 1) (3/2+ 2)(几一1)九(几+ 1) (3/2+ 2)2424
=y (53 —S2)=
=y (53 —S2)=
(几一1)九(几+ 1) (3/2+ 2)
(几一1)九(几+ 1) (3/2+ 2)
24
24
2О.а)-"”Т); б) ln-i2«-23"-3...(«—I)1；в)-"°(彳2TL .
Мы уже вычислили 々 в § 1 я / в упр. 19. Более эффективная процедура опирается на одну классическую теорему из высшей алгебры, в силу которой всякий элементарный симметрический многочлен может быть выражен через суммы одинаковых степеней:
Ei = &,
Е?=彳((S»2—S2),
爲=^(6)3 + 2冬一3slsI，
‘4 =^^((*^l)4 4~ 3(S2)2 + 85^3 — 6(S1)2s2 — 6s《).
Объединяя эти записи с результатами, полученными в §§ 1, 2 и 3 и в упр. 4, и сопоставляя некоторые свойства («изобарического» *)) общего выражения для Е^ через S], S2, ..., С用 с результатами упр. 9 и 10, можно найти не только степень старшего члена, но и коэффициент при нем
откуда вытекает, что при 也》2 выражение £々(п) делится на
3一 (一1产
(n —fe + 1) (n—fe + 2)... (n —1) [n (n+ 1)]2.
Процедура а) является частным случаем, процедуры б). В самом деле, если Л„+1 следует уже из одного Д„, то тем более можно утверадать, что Ап следует из совокупно взятых 4], Л2, ..., 4以-1 и Ап. Иначе говоря, если утверждение 11а) оказывается правильным, то утверждение Пб) также должно быть правильным. Следовательно, если мы допускаем процедуру б), то мы должны согласиться также с процедурой а).
Процедуру б) можно свести к процедуре а). Обозначим через Вп утверждение о том, что одновременно справедливы 几 предложений Аъ 42, ..., Лп_] Н
*) То есть такого, что каждый член этого выражения имеет одинаковый «вес» (получаемый суммированием «весов» сомножителей; при этом《вес» & полагается равным，).
Тогда
утверждение I) означает, что 当 верно;
утверждение 116) сокращается до утверждения о том, что Вп + 1 следует и з Вп.
Таким образом, утверждения I) и 116) относительно последовательности &, Д2» A3, ... сокращаются до утверждений I) и Па), где только теперь предложения А, А2, &, ... заменены на Blf В2, /,...
Рис. 156 ) можно рассматривать как иллюстрацию случая, когда Боб, Карл, Дик, Рой и Аллен (соответствующие буквы стоят в конце кварталов, идущих с северо-запада на юго-восток) ставят палатку, а остальные пять мальчиков Рикки, Алор, Алекс, Арт и Билл (кварталы, идущие с северо-востока на юго- запад) варят ужин. Начав с этого случая, вы сможете заметить, что каждому разделению мальчиков на две пятерки соответствует на рис. 156 кратчайший маршрут с верха до низа и, наоборот, каждому такому зигзагообразному маршруту соответствует одно такое разделение (соответствие взаимно однозначно!). Поэтому искомое число подразделений равно 252 (см. рис. 166).
Мы сталкиваемся здесь с общей ситуацией, частный случай-представитель которой (см. МПР, стр. 44, упр. 10) встречается в упр. 23 и на рис. 156.
Перенумеруем элементы множества числами от 1 до п и поставим в соответствие 々-му «основанию» (горизонтальному ряду) треугольника Паскаля fe-й элемент. Некоторый элемент принадлежит данному подмножеству тогда и только тогда, когда зигзагообразный маршрут выходит на соответствующее основание, двигаясь (вдоль последнего по пути квартала) с северо-запада н а юго-восток. Таким образом, любое подмножество из 厂 элементов данного множества из п элементов можно наглядно отождествить с некоторым зигзагообразным маршрутом, заканчивающимся в некоторой фиксированной точке; поэтому, подсчитывая число зигзагообразных маршрутов, мы тем самым подсчитаем число подмножеств. (Ср. МПР, стр. 363, упр. 31.)
—1)п (п—1)(〃 — 2)
———отрезков, —-——〔g \~ треугольников.
Если число точек «общего положения» в пространстве равно м, то число тетраэдров, вершинами которых служат какие-нибудь четыре из этих п точек, будет равно
п (м— 1) (п — 2)(л — 3)1-2-3-4・
Cj= a(a/3).
Две диагонали, пересекающиеся внутри данного выпуклого многоугольника, будут диагоналями выпуклого четырехугольника, четыре вершины которого совпадают с четырьмя из п вершин данного многоугольника. Поэтому искомое число равно
п (п— 1) (п — 2) (п — 3)
Красную грань можно выбрать
способами. Из оставшихся пяти граней две синие можно выбрать
С|=10
способами. Следовательно, число способов раскраски шести граней тремя красками (с соблюдением требуемых условий) равно
-10=60.-
30.30.СГ Г5 — 孔！ (s + f) !=捏！СГ Г5 — 孔！ (s + f) !=捏！
30.
30.
СГ Г5 — 孔！ (s + f) !=捏！
СГ Г5 — 孔！ (s + f) !=捏！
Множество из n элементов подразделено на 九 неперекрывающихся подмножеств (т. е. таких, что никакие два различных подмножества не имеют общего элемента); первое подмножество содержит /\ элементов, второе —厂2, последнее ——г^ элементов, где
r丄+厂2 +厂3 +' • • +产/z = 7九
Всего имеется
п !
匕！广2^3!…%!
различных способов такого подразделения. Нумерация и выбор обозначений для подмножеств имеют существенное значение, так как если среди чисел 厂厂?，...，厂力 окажутся равные, то обязательно нужно отличать друг от друга подмножества, содержаише одно и т о ж е число элементов. Так, например, в упр. 23 мы различали пять мальчиков, которые ставили палатку, и остальных пять, которые варили ужин; или (что, по существу, сводится к тому же) на рис. 156 мы различали между собой два зигзагообразных маршрута, симметричные друг другу относительно средней вертикали (соединяющей начальное А с конечным Л); или в упр. 30 мы не смешивали 厂 граней с требуемой окраской с s гранями другой окраски даже и тогда, когда /■ и s были (случайно) равны друг другу.
Любой из четырех подходов, указанных в § 8 и в упр. 24, годится для доказательства этого свойства.
1°. Сеть улиц симметрична относительно вертикали, проведенной через верхушку треугольника Паскаля.
2°. Рекуррентная формула и граничное условие также обладают свойством симметрии.
3°. Используя знак факториала: 1 ・2 ・3.../п=/п!, имеем:
с г — jz(〃 — D :.. m—广 +1)_,
/I (/I — 1) ... S *~ г + 1)5 — г)... 2 ■ 1
一1 ・2(m -厂)...2-1~
山献 「%一，
一7！(二广)一值一万!广！孔*
4°. Поскольку бином (а^гЬ)п не меняется при перемене местами букв and его коэффициенты при arbn~r и dl~rbr должны быть одинаковыми.
5°. Если из множества, содержащего л элементов, выделить подмножество, содержащее г элементов, то останется подмножество, содержащее п——厂 элементов. Поэтому r-элементных подмножеств должно быть столько же, сколько и (п—「)• элементных.
• +0% = 2吃
Доказательство. В разложении для (a+匕产 положите а=6=1.
Другое доказательство. Имеется 2k кратчайших зигзагообразных маршрутов, ведущих от вершины треугольника Паскаля к м~му основанию： ведь, выбирая на рис. 156 маршрут, ведущий на юг, вы на каждом перекрестке стоите перед выбором одного из двух альтернативных направлений.
Еще одно доказательство. Множество из м элементов имеет 2й подмножеств (включая пустое подмножество и само исходное множество;
ОНИ отвечают коэффициентам С« и Сп бинома); это очевидно, так как составляя подмножество, вЬ можете включать в него или не включать любой нз А элементов множества.
*4.。?-0片 +0方-….+(-1)"02 =。,
где 儿 >.
Доказател ь с т в о. Положите а~ 1 и Ь~ — 1 в разложении для 仅+力产.
Другое доказательство. В силу граничного условия и рекуррентной формулы имеем:
G 0 g。
“ ="-1，
-С^= —cii — cj,
С,1 =С,1 =c}-i + Со—1，c}-i + Со—1，
С,1 =
С,1 =
c}-i + Со—1，
c}-i + Со—1，
(一1)"- IC『=(一 1 )"TC忆；+ (一 1 严-1с忆;，
(-1)«сй=(―I)"。%?.
Сложите!
Еще одно доказательство. Каждый зигзагообразный маршрут, заканчивающийся на (〃——1)-м основании, разветвляется на два зигзагообразных маршрута, ведущих к 〃-му основанию, один из которых направлен в «положительный» угол (厂=0, 2, 4, ...), а другой ——в «отрицательный» (г— 1, 3, …).
Аналогично (четвертый проспект),
1+5+15+35=56.
В общем случае (r-й проспект)
С+ С+1 + С+2+ ■ ■ • + Сп =。厶牡
Доказательство методом математической индукции. Утверждение справедливо при п— г; в самом деле, в силу граничного условия имеем:
Допустим теперь, что наше утверждение справедливо для некоторого значения п; тогда, прибавляя к обеим частям равенства, отвечающего нашему утверждению, по С^+1, получаем (в силу рекуррентной формулы)：
С + Сг+[ +。2十 以+i — Crt+i +4+1 — Сд+2»
тем самым доказана справедливость нашего утверждения для п+1.
Другое доказательство. На рис. 17 (/) А обозначает верхнюю точку, а Л — заданную точку, отвечающую значениям л+1 и г+1; общее число кратчайших зигзагообразных маршрутов, ведущих от 4 к L, равно &：；• В каждом из этих маршрутов для перехода с r-го проспекта на (г+ 1)-й проспект должна использоваться какая-то улица; числа маршрутов, использующих для этого только нулевую улицу, только нулевую и первую улицы, ..., только улицы с нулевой до 厂-近，равны, соответственно,
поэтому сумма выписанных чисел дает общее число рассматриваемых маршрутов.
т- е. число С注;.
Складывая сначала числа вдоль северо-западной граничной линии (нулевого проспекта; см. рис. 166), затем вдоль первого проспекта, затем вдоль
второго, ...» и, наконец, вдоль шестого, мы получаем, соответственно»
6, 21, 56, 126, 252, 462.
В сумме эти числа дают 923 — число, которое мы напрасно искали бы на треугольнике Паскаля неподалеку от фрагмента этого треугольника, изображенного на рис. 166. Однако совсем рядом находится следующее за ним целое число, а именно число
924=С；2.
Заметьте, что мы могли бы не утруждать себя выполнением операций сложения (в том числе и последней, седьмой), если бы воспользовались результатом упр. 35 и таблицей биномиальных коэффициентов, поскольку (отправляясь от нашего типичного примера) нетрудно доказать, что в общем случае
Zj Zj ^l+r= ^m+n+2—L
+小+小В левой части рассматриваемого равенства первые сомножители взяты из пятого основания треугольника Паскаля, а вторые ——из четвертого; число, стоящее в правой части, можно отыскать в девятом основании. Для соотношения 1 -1+5-3+10-3+10 *1 — 56 аналогичную роль будут играть пятое, третье и восьмое основания. Более общий случай, рассмотренный в упр. 9, касается /i-го, еще раз m-го и (2м)-го оснований. Исходя из упомянутых примеров, можно предположить, что имеет место общая теорема:
+小
+小
^m^n -г ^тс п 十 ^т^п 十 十 匕巾（_＞拉一匕俏
В этой записи мы, по существу, допускаем расширенное толкование принятых ранее обозначений; см. по этому поводу упр. 70 (III).
Оба доказательства, приведенные в § 9, можно распространить на наш более общий случай. Геометрический подход подсказывается сравнением рис. 17 (//) с рис. 17 (///). Аналитический подход заклкчается в вычислении двумя способами коэффициента при хг в разложении
(1+尤)麻(1+尤严=(1+尤产+三
В левой части рассматриваемого равенства первые сомножители принадлежат первому проспекту треугольника Паскаля, а вторые ——второму проспекту; число, стоящее в правой части, можно найти на четвертом проспекте. Если взять соотношение
1 -10 + 3-6 + 6-3+10-l-56, то аналогичную роль будут играть второй, снова второй и пятый проспекты. В общем случае, к которому относятся упр. 35 и рис. 17 (/), можно считать, что затронуты 0-й , г-й и (г+ 1)-й проспекты.
Из этих примеров вытекает общая теорема:
CfCs+n +。A一1慎+〃一1CfCs+n +。A一1慎+〃一1+ С+2cl+• +。7+拉不=。先+ С+2cl+• +。7+拉不=。先S+l s+rt+i-S+l s+rt+i-
CfCs+n +。A一1慎+〃一1
CfCs+n +。A一1慎+〃一1
+ С+2cl+• +。7+拉不=。先
+ С+2cl+• +。7+拉不=。先
S+l s+rt+i-
S+l s+rt+i-
Геометрическое доказательство (более общее, чем доказательство упр. 35 и аналогичное доказательству из § 9 и упр. 37) заключается в следующем: на рис. 17 (/V) точка L однозначно определяется числами 厂+ l+s十捏 (суммарное число кварталов) и г+1+ s (число кварталов, расположенных справа и идущих вниз); таким образом, общее число кратчайших зигзагообразных маршрутов от вершины 4 no L равно
「Г+S+1
и каждом из этих маршрутов для перехода с г-「о проспек)а на (г+ 1)-й должна использоваться какая-то улица; мы классифицируем маршруты отвечающие левой
части доказываемой формулы, основываясь на выборе упомянутой улицы, и под^ считываем число всех маршрутов сразу.
Было бы желательно провести параллельно и второе, аналитическое, доказательство для § 9 и упр. 37, где интересующая нас формула получается в результате рассмотрения произведения двух рядов; однако это не очень просто, здесь имеется некоторая неясность. Было бы также желательно найти (алгебраическую?) связь между двумя родственными формулами, полученными здесь и в упр. 37; как это можно сделать, также пока неяснр.
Число
1+2 + 3+...+a=
является /z-м треугольным числом. Второй проспект треугольника Паскаля состоит из треугольных чисел: 1, 3, 6, 10,...
Число
欧 + e； + e: ++1 =爲+2 = ?(弋(a+ 2)
является /i-м пирамидальным числом; это утверждение основывается на упр- 35・ Пирамидальные числа 1, 4, 10, 20, образуют третий проспект треугольника Паскаля.
Замечание. Выражения для треугольных и пирамидальных чисел были известны до того, как была найдена в явном виде общая формула для биномиальных коэффициентов (§ 7); эти выражения могли бы привести (при использовании метода математической индукции) к открытию биномиальной формулы.
12 + 22+...+紋=回吐器上
Я надеюсь, что читатель исследовал также случаи 〃=1, 2, 3.
Догадка: существует 。；二\ различных способов представления числа п в виде суммы t целых положительных чисел.
Случаи $=1, п тривиальны; случаи £=2, п—1 очень просты. Чтобы получить доказательство в общем виде, рассмотрим на числовой оси интервал 0々％< 几 и целочисленные точки внутри него:尤=1, 2, 3 м—1. Выбирая из этих л—1
точек любые t——1 в качестве точек деления, мы разбиваем наш интервал на t последовательных подынтервалов с целочисленными длинами и тем самым представляем /г в виде суммы t последовательных чисел требуемого вида.
Проверьте соотношения, представленные на рис. 19а, для доступных вам значений.
1Q.尸打=。2-1 + e】2 + 。/?_3 + …*
2°. Воспользуйтесь рекуррентной формулой из п. 2° § 6. (Ср. упр. 15 из гл.4.)
1°.G" = Cii ++ С^—5 + .…
2°. Воспользуйтесь рекуррентной формулой.
3°. Изменение наклона приводит к пс следовательности 力，у2,勿，…，зависящей от параметра (им может быть угловой коэффициент — целое положительное число д), удовлетворяющего рекуррентной формуле (уравнение в конечных разностях; упр. 14 гл. 4):
Уп~Угг-1 ^Уп-q-
В случае q— 1 угловой коэффициент равен 0 и
Уп = 2Уп-\・
(Ср. упр. 33.)
Число кратчайших зигзагообразных маршрутов, которые соединяют вершину А с точкой 厶加 характеризуемой числами 〃 н г, где
*1=九1+几2 ++〃论
(общее число кварталов) и
尸=厂1 +厂2 +…+ %
(число кварталов, идущих с северо-запада на юго-восток), удовлетворяющих, кроме того, ограничительному условию, требующему чтобы эти маршруты проходили через Л—1 данных промежуточных точек £】，Л2,...,厶也一1， характери- зуемах, соответственно, числами:
〃iи г】
儿1 + 〃2Н「1 +「2
^1 + ^2+ • • ■ +^-1 и厂1 +厂2++厂论
а) На рис. 20а изображены два маршрута, принадлежащих к исходному множеству, но не входящих в подмножество 1). Все они начинаются в одной и той же точке Л, заканчиваются в одной и той же точке С и проходят через одну и ту же промежуточную точку В, расположенную на оси симметрии и делящую каждый из маршрутов на две части АВ и ВС. Ломаные АВ симметричны друг другу относительно этой оси и ни одна их внутренняя точка не лежит на ней; ломаные же ВС одинаковы. Один из этих маршрутов принадлежит подмножеству 2), другой — подмножеству 3). Обратно, любому маршруту, принадлежащему к этим подмножествам, можно сопоставить «парный» маршрут, подобно тому, как это сделано на рис. 20а; обратите внимание на вторую общую точку маршрута с осью симметрии (первой такой точкой является вершина треугольника Паскаля). Такое сопоставление дает возможность установить взаимно однозначное соответствие между подмножествами 2) и 3).
Можно сопоставлять маршруты и иначе; в то время как на рис. 20а ломаные АВ симметричны друг другу относительно прямой АВ (осевая симметрия), на рис. 206 они симметричны относительно середины отрезка 4£ (центральная симметрия).
Из а) и б) следует, что
С/ = М + 2Cn-i-
Используя последовательно выражения
мы получаем два различных выражения:
При выводе этого соотношения мы предполагали, что 2г>〃； однако от последнего ограничения легко избавиться, опираясь на симметрию треугольника Паскаля.
Применим математическую индукцию. Проверьте предсказанный результат для 〃=1, 2, 3 (m=0, 1) путем изучения чертежа.
От 2т к 2т+1. Проложив маршрут длины 2m, не имеющий отличных от А общих точек с осью симметрии, мы получаем два маршрута длины 2他+1, обладающих тем же свойством. Допуская, что ожидаемый результат справедлив при n=2m, мы, таким образом, находим, что при n~2tn-\-\ искомая величина принимает значение
От 2т+1 & 2m+2. Проложив маршрут длины 2m+L отвечающий специальным требованиям, о которых говорилось выше, мы в большинстве случаев полу-
чаем два маршрута длины 2加+2, отвечающих тем же требованиям [исключением являются маршруты, заканчивающиеся на (2加十 1)-м основании в двух точках, ближайших к оси симметрии]. Представим себе все это наглядно и допустим, что результат верен для п= 2m+1; используя теперь относящийся сюда частный случай упр. 46, мы получаем искомое число маршрутов для 〃=2加+2:
4编-24编-21 c〃+l2m 4-11 c〃+l2m 4-1
4编-2
4编-2
1 c〃+l
2m 4-1
1 c〃+l
2m 4-1
что после соответствующего преобразования дает:
m+i
Откажемся от применения математической индукции. Воспользуйтесь первым выражением для N, полученным в решении упр. 46, п. в), и рассмотрите сумму
пнеравенству —< rw, этоте. которые мы предсказы-различие между случаямипнеравенству —< rw, этоте. которые мы предсказы-различие между случаями2£(以二:一臨7),
п
неравенству —< rw, это
те. которые мы предсказы-различие между случаями
п
неравенству —< rw, это
те. которые мы предсказы-различие между случаями
распространенную на значения г, удов летворяющие
проводитьпроводитьвыражение дает искомые числа маршрутов, а именно,
проводить
проводить
вали заранее. (Надо только аккуратно м=2т и 捏=2"1+1.)
48.48.126, 141, 126, 357, 393, 357, ...126, 141, 126, 357, 393, 357, ...О, 1, 6, 21, 50, 90,0, 1, 7, 28, 77, 161, 266,
48.
48.
126, 141, 126, 357, 393, 357, ...
126, 141, 126, 357, 393, 357, ...
Все числа седьмого основания, за исключением 1, 393 и (снова) 1, делятся на 7.
Доказывается аналогично упр. 1.
Объясняется аналогично упр. 1.
Ср. упр. 33.
Ср. упр. 34.
См. § 9; далее обобщается аналогично упр. 37.
Наклонные
1, 1, 1, 1, •■•；
2, 3, 4, 5,…；
3, 6, 10. 15,…，
спускающиеся с северо-востока на юго-запад, одновременно являются проспектами треугольника Паскаля.
Симметрия, которую можно подметить в первых строчках, сохраняется и в последующих; поэтому седьмое и восьмое основания достаточно выписать только до средней линии
1 i 11
"8 苏 "Ж *280
11111
9~ 72"攵噸’ W W
Знаменатели чисел, расположенных в каждом из оснований гармонического треугольника, пропорциональны биномиальным коэффициентам, причем множителями пропорциональности служат граничные члены. Так, например, одинаковые места в изучаемых нами треугольниках занимают числа
ТреугольникПаскаля
(〃+ 1)。2
ТреугольникЛейбница
Доказательство. В случае г=0 граничное условие гармонического треугольника выполняется. Чтобы проверить рекуррентную формулу, сначала выпишите ее левую часть, а затем используйте явное выражение для биномиальных коэффициентов:
（九+ 1）С2 1 （^+ 1）Сл т+1）С^ iCrt
1S+1）!1S+1）!（厂一1）! （л —厂+ 1） ! г! （〃一г） !（厂一1）! （л —厂+ 1） ! г! （〃一г） !"+1"+1厂！ S + 1—厂）！厂！ S + 1—厂）！a！加=（尸—1）!（也一г）! =1a！加=（尸—1）!（也一г）! =1
1S+1）!
1S+1）!
（厂一1）! （л —厂+ 1） ! г! （〃一г） !
（厂一1）! （л —厂+ 1） ! г! （〃一г） !
"+1
"+1
厂！ S + 1—厂）！
厂！ S + 1—厂）！
a！加
=（尸—1）!（也一г）! =1
a！加
=（尸—1）!（也一г）! =1
В каждом из этих равенств слева стоит число, с которого начинается соответствующий проспект треугольника Лейбница （рис. 22）, а справа ——сумма всех чисел следующего проспекта. Относительно доказательства см. решение упр. 58.
Воспользуйтесь рекуррентной формулой для треугольника Лейбница:
i 11
一i2l一301 一60丄105 1 -^ 1 -^ 1 -^ 一6 丄1 一丄一i2l一301 一60丄105 1 -^ 1 -^ 1 -^ 一6 丄1 一丄
一i2l一301 一60丄105 1 -^ 1 -^ 1 -^ 一6 丄1 一丄
一i2l一301 一60丄105 1 -^ 1 -^ 1 -^ 一6 丄1 一丄
Сложите эти равенства! （«Бесконечно удаленным» членом во втором проспекте можно «пренебречь».） От этого частного случая-представителя мы легко переходим к следующему общему предложению: в треугольнике Лейбница （бесконечная） сумма всех чисел проспекта, начиная с некоторого выбранного члена, и следуя далее в юго-западном направлении, равна северо-западному соседу этого члена. Подставляя вместо слов
«Лейбница» «бесконечная» «юго-западном» «северо-западном» слова
«Паскаля» «конечная» «северо-восточном» «юго-восточном», мы получаем вместо только что найденного результата результат упр. 35,. что может служить еще одной иллюстрацией той «аналогии в противоположном смысле», о которой мы упоминали в упр. 55.
Согласно формуле, выражающей в явном виде общий член гармонического треугольника （угтр. 56）,（广—1）-я строка в нашей записи отличается от соответствующей строки в упр. 57 только постоянным множителем （г—2, 3, ...）, а сумма ее членов равна
1
（Г一1）!（尸一1），
Искомое произведение равно 1. Читатель, знакомый с теорией бесконечных рядов, может рассматривать равенство
1+х+л2+...+лп+...= （1—л）-1
не только как чисто формальное: он знает, при каком условии это равенство имеет смысл, и в последнем случае может строго доказать его.
的十。1+。2+…+。£ упр. 6i представляет собой частный случай упр. 62.
Каждый такой ряд соответствует какому-то проспекту в треугольнике Паскаля. Сумма первого из этих рядов найдена в упр. 61. Применяя результаты упр. 62 и упр. 35, получаем:.
1+ 2%+ 3%2+ 4^+... - (1+尤+犬戶，
l+3x+6x2-r 10х3+...= (1+%+#+…)з
и вообще
eГ+ e+1 %+0£+2%2 ++ e*以"+ • ■ • - ( 1 + 尤 +炉+ ….)/+ 1 = (1 -%)1Г11.
Для формального доказательства воспользуйтесь методом математической индукции.
Вычислите двумя способами коэффициент при хп в произведении (1 —盼 ТТ(1—%)7Т.
(Эта операция аналогична аналитическому способу решения упр. 37, опирающемуся на п. 3° § 9.)
Догадка:
1 (2/1—1)—2 (2/i—2)+3 (2/i—3)—…+ (2捏一1)1 —/I.
Чтобы доказать эту формулу, рассмотрите коэффициент при 炉"2 в произведении
(1+2%+3%2+4/+…)(1—2%十3炉—4炉+...)=
=(1—元)-2(! + %)-2= (1—炉)-2= 1+2炉 + 3 炉+4%6+…+加2"一2+…
Искомые коэффициенты равны, соответственно, 1, О, О, О, сматривать как подтверждение предположения Н.21Искомые коэффициенты, соответственно, равны у f ——卫，Искомые коэффициенты равны, соответственно, 1, О, О, О, сматривать как подтверждение предположения Н.21Искомые коэффициенты, соответственно, равны у f ——卫，что можно рас-что можно рас-еще раз подтверждает предположение Н., поскольку дважды вычислили существенно различными путями.еще раз подтверждает предположение Н., поскольку дважды вычислили существенно различными путями.47~‘ —— что81，243'47~‘ —— что81，243'эти коэффициенты мыэти коэффициенты мы
Искомые коэффициенты равны, соответственно, 1, О, О, О, сматривать как подтверждение предположения Н.
21
Искомые коэффициенты, соответственно, равны у f ——卫，
Искомые коэффициенты равны, соответственно, 1, О, О, О, сматривать как подтверждение предположения Н.
21
Искомые коэффициенты, соответственно, равны у f ——卫，
что можно рас-
что можно рас-
еще раз подтверждает предположение Н., поскольку дважды вычислили существенно различными путями.
еще раз подтверждает предположение Н., поскольку дважды вычислили существенно различными путями.
47
~‘ —— что
81，243'
47
~‘ —— что
81，243'
эти коэффициенты мы
эти коэффициенты мы
(1+х)%(1 十х)" =
=1 -]-^ + 0^2Ч-0^3 + 0^4+ чю снова подтверждает предположение Н.
Используя результат упр. 61, можно записать:
l+f+匕告22+l+f+匕告22+( — 1)(—2)(—3)( — 1)(—2)(—3)1.2-31.2-3%з + ...%з + ...=1--%+ 尤2--X3 + ...==[1一(一%)L=(1+尤l,=1--%+ 尤2--X3 + ...==[1一(一%)L=(1+尤l,
l+f+匕告22+
l+f+匕告22+
( — 1)(—2)(—3)
( — 1)(—2)(—3)
1.2-3
1.2-3
%з + ...
%з + ...
=1--%+ 尤2--X3 + ...=
=[1一(一%)L=(1+尤l,
=1--%+ 尤2--X3 + ...=
=[1一(一%)L=(1+尤l,
что подтверждает предположение Н. с совсем другой стороны. Можно ли на основании предположения Н. получить остальные ряды из упр. 63?
70. C-i_ = L；T70. C-i_ = L；T尤一г+ 1尤一г+ 1厂—2—x■— x. -. x x—厂 - 2
70. C-i_ = L；T
70. C-i_ = L；T
尤一г+ 1
尤一г+ 1
2' ' • • ~~ = (一 ]) 丁 , ( *广 I
(Ср. Стэнфорд, 1963.) Заметьте, что
尤.(％+〃)+ (% —切.
也- 2n '
таким образом, заданное выражение равно
「2%1 「2 拉
l х+п 十 5+拉一I，
а биномиальные коэффициенты являются целыми числами.
Согласно предположению Н. коэффициент при 无厚 в разложении (1+尤)~尸~1 равен С^г-1 = (—1)*С"+г= (—1)，。； +注；здесь мы сначала использовали упр. 70 (II). а затем упр. 32 в предположении^ чго г есть п е л о е неогр ицатель- н о е число. Заменяя 尤 на —尤，а следовательно. лп на (—\)nxnt мы получаем главный результат упр. 63, который подтверждает предположение Н. в одном важнол( частном случае, а именно, для всех целых отрицательных значений а.
Из соотношения
(或 + СдХ + .…+ СаХг 十...)(С% + . . . + С% I f 1 + 以尤"+・..)=
=Ca+b+ Ca+bX+ • * ' +%+/『+•- мы заключаем (упр. 60), что
。^。力十。/力 J -4~ . . . 4- CaCft = Са-^Ь>(*)
Если в этом выражении положить а=т и Ь=п, то оно перейдет в выражение, полученное в упр. 37; заметим, однако, что допустимые значения величин т,几 н а,力 будут при этом не одинаковы; в то время как первые две — обязательно целые неотрицательные числа, вторые две — какие угодно числа.
Соотношение (*), выведенное из предположения Н., нами не доказано — пока это тоже только предположение.
Частный сл^^чай соотношения (*)——когда числа а и b целые положительные ——доказан в упр. 37. Другой частный случай этого же соотношения ——когда числа о и 6 целые отрицательные — эквивалентен, в силу упр. 72, результату упр. 61, и поэтому также может считаться доказанным. (Заметьте, что соотношение /*) устанавливает тем самым желаемую зависимость между результатами упр. 37 и 38; см. замечание в конце решения упр. 38.)
Можно ли использовать результат упр. 37, являющийся частным случаем соотношения (*), для доказательства соотношения (*) в полном объеме? (Да, можно, если нам известен следующий относящийся к этому вопросу алгебраический факт: многочлен от двух переменных х и yf обращающийся в нуль при всех целых положительных значениях этих переменных, равен нулю тождественно.)
Введем обозначение
Сд + СаХ +。£炉 + . . . + СаХп +♦•♦=% (%)，
Соотношение (师),по существу, эквивалентно следующему:
/a (%)/6 (%)=/。 + ь(尤).
Предположим теперь, что ⑺ справедливо; тогда
/a (%)/a (尤)/a (%)=力a (%)/。 (尤)=/за (%)，
и, вообще, при любом целом положительном п имеет место равенств。
[/а (^)]п=/па (х).
Пусть m — целое (положительное или отрицательное) число; поскольку предположение Н. уже проверено нами для целых (как положительных, так и отрицательных) значений а (см., соответственно, упр. 1 и 72), то мы заключаем, что
『旦(х)у = % (х) = (1+х产，
3(x) = (l+xF;
тем самым справедливость предположения Н. доказана для всех рациональных значений показателя а.
[В действительности, наш последний шаг несколько рискован, поскольку мы не упомянули, какое из возможных значений корня л-й степени из числа при этом подразумевается; таким образом, остался пробел, который было бы весьма трудно заполнить, оставаясь на той, чисто формальной, точке зрения, которой мы придерживались в упр. 60. Тем не менее нами найдены наиболее важные элементы для построения полного доказательства. Через полтора столетия после ньютоновского письма 1826 г. вышел в свет мемуар великого норвежского математика Нильса Хенрика Абеля, в котором он рассматривал вопросы сходимости и суммирования биномиальных рядов, в том числе и для комплексных значений х и а, и в котором далеко продвинул общую теорию бесконечных рядов ^J
Числа 1, 2, 6, 20 мы можем найти на оси симметрии треугольника Паскаля. Пояснение: коэффициент при хп равен
(_4)” 乙(_4)” 乙1 35。* • (2门一1)—2・4・6.. .2〃~
(_4)” 乙
(_4)” 乙
1-3-5...(2п —1)-2-4-6...2л
76.
a0a0 = m，
呜〃1 =a0瓦一aWo,
若а2 =a662 - 0也1% + ( a；-旬。2)&o>
a3〃3 =а沿3 - 若。/2 + (。也:一%。2)% - (0； 一2aoai& + a%3)6o.
Случаи л= 0, 1, 2, 3, рассмотренные в упр. 76, позволяют предположить, что a俨"％ является многочленом относительно а п Ь, члены которого имеют:
одну и ту же степень 扭 относительно букв а,
одну и ту же степень 1 относительно букв Ь,
один и тот же вес п относительно совокупности букв а и букв Ь.
Вот основания для этого:
Если ап заменить на апс (где 门=0, 1, 2, а с—произвольно), то ип заменится на ипс~г.
Если Ьп заменить на Ьпс, то и* заменится на ипс.
Если ап и Ьп заменить, соответственно, на апсп и Ьпсп (так будет, если подставить с尤 вместо 尤),то ип заменится на ипсп.
un=bn~~bn^v этот результат получается, в частности, если мы выразим ип через а и & с соответствующими индексами, а затем положим(70 = 01=(72=-'- ...=。3=1. Это может служить хорошей проверкой; проведите ее для л=0, 1, 2, 3 (см. упр. 76).
〃/2=匕0十匕1十匕2十一・十匕/2 (см* упр. 62); этот результат получается, в частности, если мы выразим коэффициенты ип через а и b с соответствующими индексами, а затем положим(^― 1, 0】=—1,。2=。3=・・・=0. Это может служить хорошей проверкой; проведите ее для п—0,： 1, 2, 3 (см* упр. 76).
8a 6+4б-336+•■•+'(2.4.6...2«)(2n+l)+■••
Ср. МПР, стр. 109, упр. 2.
См. N. Н. A b е 1, Oeuvres completes, т. 1, Christiania, 1881, стр. 219—250.
81.
0]“]= 1,
a；〃2 =。2，
а；〃3 = 2若一旬。3,
一a；〃4 — 5 谓一5旬a2a3 + a沦4,
a:〃5 = 14a； — 21ala^а3 + за； aз 十 6。 铝2a4 -
Случаи, рассмотренные в упр. 81, позволяют предположить, что 碇1T11fl является многочленом относительно букв а, каждый член которого имеет:
степень п—1,
вес 2л—2.
Вот основания для этого:
Если ап заменить на апс (что произойдет, если подставить с*1% вместо х), то и„ заменится на ипс~п.
Если ап заменить на а/，(что произойдет, если подставить су вместо y)t то и„ заменится на wnc-1.
83.83.
83.
83.
таким образом,
У •= X--x2 + 无3—%4-)- ...
Итак, мы видим, что если в условиях упр. 81 ап~ 1, то ип=(——1)п-1. Это может служить хорошей проверкой полученных в упр. 81 результатов; приведите ее для л= 1, 2, 3, 4, 5.
1—4工匸(1+//)-2 или
у= — 1+(1 —4х)-% ==2х+6х2+...+СмХп+...
(см. упр. 75).
у = — 1 十(1 +4〃х)% (2а)т = х — йх24-2л2х3—5я3х4Ц- 14я4х5 —...
Коэффициент при 况* равенКоэффициент при 况* равен(4。严 '(4。严 '
Коэффициент при 况* равен
Коэффициент при 况* равен
(4。严 '
(4。严 '
(вычисление проводится так же, как и в упр. 75) и коэффициент ип из упр. 81 должен принимать именно это значение, если только。1=1, 〃2=。, tZg^^—... = 0. Ср. МПР, стр. 128, упр. 7, 8, 9.
87.87.U3=4.
87.
87.
Математическая индукция. Утверждение верно для л=3. Допустим, что п>3 и что утверждение доказано для коэффициентов, предшествующих коэффициенту ип, т. е. что
«п-1 > 1, «п-2〉 1， з〉 LМы знаем, qro. 〃()=〃i=〃2= 1； поэтому
孔〃/2 = 〃0〃公一1十 Ulun-2~\~ • • •丄 wn-iwo > 孔， 89. Положим
У =+以1元 + 〃2元2 + . . . + "门尤仪 + ..
7^ = 2。山2十…，十九(汽-1)+ • * •
Из дифференциального уравнения находим, что
М (孔—1) Un = — Un —2・
Из начального условия получаем, что
Wq 1, u] — 0.
Наконец, при 加=1, 2, 3 имеем:
(—1严
u2m = 一”2加!- ''2优-1 = °，
90・Вп — Вп^^-\- АПУ
°" — ^n-io 十 B/n Q以-Q耀一25十e", ^Л^^П-Бо + ^Л'
Из последнего равенства при п—100 вытекает, что
Е 10У=七 50十 ° ю(ь
а предыдущее равенство при п—20 дает：
020= c20；
при этом мы полагали, что Q_b=0, так как любую величину подобного вида с отрицательным индексом естественно считать равной нулю. Эти примеры имеют своей целью проиллюстрировать основное свойство полученной системы уравнений, а именно то, что любое входящее в нее неизвестное (например, /о) можно вычислить лишь в том случае, если ранее было вычислено какое-нибудь неизвестное, обозначенное той же буквой с меньшим индексом (например, £50), и еще какое-нибудь неизвестное, обозначенное предшествующей буквой алфавита (например, Р100). (Бывают случаи, когда можно обойтись только одним ранее вычисленным неизвестным; см,, например, D2q- В других случаях могут потребоваться некоторые «граничные значения» из числа тех, которые был л нам известны еще до составления системы уравнений,—— здесь я подразумеваю 8°, С。, Do, £0 и Ан при 门不0, 1, 2, 3, ...) Короче говоря, мы вычисляем неизвестные, возвращаясь к меньшим индексам или предшествующим буквам алфавита, т. е., в конце концов, к граничным значениям. (Различие в обозначениях не должно заслонять аналогию между только что проведенным вычислением и нахождением биномиальных коэффициентов с помощью рекуррентной формулы и граничного условия; см. п. 2° § 6.)
Читателю рекомендуется составить рациональную схему вычислений и испробовать ее на следующих числовых примерах:
В1о=3,。25=12, Z)5o=49, £\qq=292.
(Дальнейшие подробности и более конкретное изложение этой задачи можно иайти в HSI, стр. 238, упр. 20 и в журнале American Mathematical Monthly 63 (1956), стр. 689—697.)
Математическая индукциям допустим, что написанное выражение для 兴)верно; продифференцировав его, мы получаем следующее выражение:
у5 + 1)= (—1严+ 1 (孔+ 1)!尤_*2 1rl 尤十(—1)«[nl-|-(n+ 1) C J
которое примет нужный вид, если положить в нем си+1 = п! + (п+1)с„.
Записывая последнее равенство в виде и полагая ^― 1, находим:
% = "! (1+^ + Н^+…+^)・
Такой родственной задачей является нахождение суммы членов геометрической прогрессии; в решении используется как само выражение этой последней суммы, так и метод ее получения.
Обозначим искомую сумму через S. Тогда
(1-元)S= 1 +无+ 炉+ . .. +炉T - nxn=— — nxn.
Отсюда получаем требуемое краткое выражение для S:
1 —(几+ \ ) хп -\- nxtl^r
Используйте метод, обозначения и результат упр. 92; обозначьте через Т искомую сумму и рассмотрите выражение
(1 -%) T = 1+3%十5炉+ 7炉+ .…+(2m一I)/一1—n2хn =
=2S - (1+工十尤2十… +元/2-1)-北2炉.
Из него с помощью простых алгебраических преобразований получаем:
l+尤 一m+ 1)2/+(2紋+2北-—川炉+ 2
Выражение для суммы
1用+2用尤十3用尤2+一. +#尤
можно найти методом рекурсии, сводя случай k к случаям k——1,左一2, ..,, 2, 1, О, подобно тому как это делалось в упр. 92 и 93.
Продифференцируйте обе части тождества
1+元+尤2 +…，十元"=一二彳一 -
Упр. 93 и 94 также допускают такой подход.
Догадка:
1 "e^ + 2c分+ 3欧十(汽 + 1) C% =(门 +2) 2rli 1.
(Трудность этой догадки, возможно, коренится в распознаваний того, что представляют собой произведения 3*1, 4・2, 5*4, 6 -8, 7*16.)
Для доказательства сначала продифференцируйте обе части тождества
си + с^ + с^++С 觊"+1==х(1 +х)",
а затем положите х= 1.
Математическая индукция. При п~\ утверждение, очевидно, справедливо и
ап (п + ^)—。1(1 + 6) I ° fln+i («4-1 +Р)—«1 (1 +Р) I с
Примените результат упр. 97, полагая в нем 旬=^, а=Р，0 = g—1.
Искомая сумма оказывается равной•
р (р+1р + 2 卩 + 门 ЛP-9+1 W 中…g十孔一1 -丿,
1°. 8, 4 К2 , 4 /Г, 6.
2°. Cn = 2ntg^, /n = 2nsin~.
Далее—непосредственная проверка с применением известных тригонометрических тождеств.
Дальнейшие примеры применения метода математической индукции см. в литературе, цитированной в сноске г) на стр. 102. Задачи, решаемые методом математической индукции и связанные с материалом, содержащимся во втором и третьем разделах настоящих упражнений, можно найти в книгах по теории вероятностей и по комбинаторному анализу. Задачи же, относящиеся к материалу четвертого раздела и упражнениям 61——63,——в книгах, посвященных бесконечным рядам и теории функций комплексного переменного. Задачи, тесно связанные с упр. 87—89, составляют большой раздел теории дифференциальных уравнений.
Существует неисчерпаемый источник тем для задач подобного рода. Вот только один пример: коэффициенты многочлена (ср. упр. 29—31). Коэффициенты разложения тринома
(叶Ь+e严
при n=0, 1, 2, 3 можно связать с узлами пространственной решетки (в 1-м октанте), подобно тому как коэффициенты бинома
посредством треугольника Паскаля связываются с узлами плоской решетки (в 1-м квадранте). Что для случая пространственной решетки будет аналогом граничному условию, рекуррентной формуле, проспектам, улицам, основаниям треугольника Паскаля, упражнениям 32——40? Как все это связано с упр. 48—52? При этом мы еще не упомянули о теоретико-числовых свойствах биномиальных коэффициентов и коэффициентов многочлена и т. д.
К дополнительному замечанию 60 указаний не требуется.
Глава 4
Пусть Л ——вершина пирамиды, противолежащая ее основанию («апекс»). Разобьем основание пирамиды на п треугольников площадей
S], ‘2，
и рассмотрим п тетраэдров с общей вершиной Л и одной и той же высотой А, основаниями которых служат эти п треугольников. Если объемы п тетраэдров, на которые рассекается пирамида проходящими через Л плоскостями, равны, соответственно,
У], 丫2‘> У〃，
ТО
邑十S2+…+5门=3,
Предполагая, что для этих тетраэдров специального вида искомая формула для объема справедлива, запишем:
匕=3，%=亏，•匕=3，%=亏，•%=丁。%=丁。
匕=3，%=亏，•
匕=3，%=亏，•
%=丁。
%=丁。
Сложение (суперпозиция!) этих соотношений частного вида приводит к (требуемому) общему соотношению:
Многочлен k-й степени, вообще говоря, имеет вид 八尤)=a0炉十a1炉…十。用
(где go^O). Подставив вместо х последовательно числа 1, 2, 3, ..., л и сложив полученные результаты, найдем, пользуясь обозначениями из упр. 12 гл. 3:
f (1)十f⑵+… 十f⑺口。心后(n) + 01力- 1 (几)+…+ ak^o(n)-
Учитывая результат упр. 3 гл. 3, заключаем, что правая часть есть многочлен
относительно п.упр. 35 гл. 3 можно переписать так：С^+С；+^+..，+ С； = СЙ1гл. 3]. Используя упр. 4, перепишем рассматриваемый многочлен f (%)=瓦0£ +b10夕1.+ь左片，относительно п.упр. 35 гл. 3 можно переписать так：С^+С；+^+..，+ С； = СЙ1гл. 3]. Используя упр. 4, перепишем рассматриваемый многочлен f (%)=瓦0£ +b10夕1.+ь左片，很+1)电 степени
относительно п.
упр. 35 гл. 3 можно переписать так：
С^+С；+^+..，+ С； = СЙ1
гл. 3]. Используя упр. 4, перепишем рассматриваемый многочлен f (%)=瓦0£ +b10夕1.+ь左片，
относительно п.
упр. 35 гл. 3 можно переписать так：
С^+С；+^+..，+ С； = СЙ1
гл. 3]. Используя упр. 4, перепишем рассматриваемый многочлен f (%)=瓦0£ +b10夕1.+ь左片，
[см. упр 70 (III) в виде[см. упр 70 (III) в видеРезультат
[см. упр 70 (III) в виде
[см. упр 70 (III) в виде
где (см. решение упр. 4) b^kXa^O. Подставим сюда вместо х последовательно 0, I, 2, 3,..., 〃 и сложим найденные результаты; тогда (использовав только что • приведенную новую запись результата упр. 35 гл. 3) получим:
f (0) + f ⑴ + f ⑵十…• + f (л) = b0Cnti + ^i^n+i + …+匕后。%+1‘
Правая часть этого соотношения является многочленом 伏+1)-й степени относительно 扭.
Сравнивая коэффициенты при xk (при старшей степени х) в обеих частях предполагаемого тождества, находим：
°о =
Подставляя это значение в наше тождество, получаем:*
a0*'十。1/11 +一 . + 曲一宓!。00冬=Ь82 1
Сравнивая коэффициенты при xk~r в обеих частях последнего соотношения, мы выразим Ь[ через а0 и аг; продолжая действовать и далее таким же образом, мы с помощью рекурсии последовательно находим 匕。，匕力 匕2, •••,匕宓.
Требуется подобрать четыре числа 6°, Ь*、6? и 63 так； чтобы соотношение Xs =瓦或+瓦片+ b2cl +3以
стало тождеством относительно х. Это соотношение можно переписать так:
x3 = -^-(尤3 3尤2 + 2元)t (X2 -无)+ b2尤 + ^3-
Сравнивая коэффициенты при х3, х2, х1 и %°, мы получаем соответственно:
0晉 _% + &2，
откуда находим:
瓦=& 瓦=6,b2=1，b3=0*
Используя, далее, процедуру, примененную в упр. 3 (k= 3), получаем после простых преобразований:
w + 23+..紋=6圆+1+6chi+6爲+1=^±^^ .
Как было показано в упр. 3, существует пять постоянных с°, с】,с2, ^з> с& таких, что
13+23+33+...-|-江3=分九4+5 出十内階+分孔+%
при всех целых положительных п. Полагая последовательно п=1, 2, 3, 4 и 5, получаем систему из пяти уравнений для определения пяти неизвестных q, q, Q н с4. Решая ее, находим:
方=才， 5 =讶，/=彳，Q = 0, Q = Q,
иными словами, получаем тот же результат, что и в упр. 5, правда, с большими хлопотами.
Из упр. 3 можно вывести новое доказательство результата упр. 3 гл. 3, за исключением одного его пункта: процедура упр. 3 не позволяет найти коэффициент при 门々 + 1 в выражении для Sk (л). (Небольшие дополнительные соображения позволяют все же найти и этот коэффициент.)
Да, согласуется поскольку прямая выражается уравнением вида
у = ах^Ь,
правая часть которого есть многочлен степени W1.
Прямая, совпадающая с осью %, интуитивно кажется простейшей интерполяционной кривой; она соответствует многочлену нулевой степени, тождественно равному нулю. Любой другой интерполяционный многочлен обязательно будет иметь более высокую степень, а именно, степень ^п. поскольку он имеет п различных корней х】，х2- 工力・
Степень интерполяционного многочлена Лагранжа, представляемого последней формулой из § 3, не превышает п—1； я утверждаю, что это ——единственный интерполяционный многочлен такой низкой степени. В самом деле, если два многочлена, степени которых не превышают п—1, принимают одни и те же значения в п заданных точках, то их разность имеет п различных корней, т. е. больше, чем допускается степенью этой разности, если только, конечно, она не равна нулю тождесгвенно. Итак, интерполяционный многочлен Лагранжа, будучи единственным многочленом степени ^ п——1, являемся вместе с тем многочленом самой низкой степени из всех возможных.
а) Очевидно, поскольку при постоянных q и с2 {с^+с^^с^+с^.
Функция у~егх есть решение дифференциального уравнения тогда и только тогда, когда г есть корень характеристического уравнения
Если характеристическое уравнение (см. б)) имеет т различных корней г】,г2, …，%> a q,与，…， 勿一 произвольные постоянные, то функция
у = С1ег'х+ &，# + …+ %С
является решением дифференциального уравнения, которое (как это можно показать), будет общим решением, если только т=п.
Характеристическое уравнение имеет вид
и поэтому общее решение дифференциального уравнения таково: у^с^^ -\-с2е~1Х.
В силу начальных условий
q+ /= 1.&—心=0,
откуда 61 = & =讶； таким образом, искомое частное решение имеет вид
eix\e~ix
У =2—•
Заметьте, что функция y=cos х также является решением данного дифференциального уравнения и удовлетворяет заданным начальным условиям. (См. также упр. 89 к гл. 3.)
а) Очевидно.
б)扌总=尸用 является решением разностного уравнения гогда и только тогда, когда г — корень алгебраического уравнения упр. 126).
в) Если уравнение упр. 126) имеет т различных корней 勺，厂2， …
,гт. а с】 c2, •••，cm— произвольные постоянные, то
% =С]Г 1 十4厂^ + . . . + cmrm
является решением нашего разностного уравнения; если т=п, т。 (как можно доказать) это решение будет общим,
Уравнение относительно г имеет вид
川一—1 = 0, и поэтому общее решение разностного уравнения таково:
_ / ! + У'5 \* , / 1-/5 \*
= &22•
При /г=0 и 々=1 (начальные условия) получаем:,
,1 + /5 ,1-К5
% + R — °， ，z 2 Ь &2 一 ] *
откуда=следовательно, искомое выражение для
16. Уравнениеимеет корни r= 1 и г16. Уравнениеимеет корни r= 1 и гчисел Фибоначчи имеет вид
16. Уравнение
имеет корни r= 1 и г
16. Уравнение
имеет корни r= 1 и г
2 产—_1 = Q
• Поэтому, в силу упр. 14, ,(—1)%
Используя начальные условия (случаи /г『0 и k=l), мы находим q и &, откуда
圾=圾=с-|-2Ьс-|-2ЬН一城Н一城a—b3・2Ja—b3・2J
圾=
圾=
с-|-2Ь
с-|-2Ь
Н一城
Н一城
a—b3・2J
a—b3・2J
Если реальное движение можно представить как суперпозицию трех виртуальных движений, то координаты движущейся точки в момент времени t можно записать так：
v cos а,
y=%+"2+"3=方0 sin a 一歹仪'
Исключая отсюда t, получаем уравнение траектории снаряда
y = xiSa-~2^^r；
это уравнение задает параболу.
Неизвестных два: основание и высота тетраэдра (см. рис. 25, а).
Введем следующие обозначения:
У — объем тетраэдра,
S — его основание,
"—его высота,
А ——высота основания, опущенная на заданную сторону а. Тогда
и, следовательно,
ahH
Однако ни А, ни Н нам не известны.
Ортогональная проекция нашего тетраэдра (см. упр. 18) на плоскость, перпендикулярную отрезку b и проходящую через один из его концов, представляет собой квадрат. Диагонали его равны а, площадь——^- , и он может рассмат
риваться как основание призмы (прямоугольного параллелепипеда) высоты b (рис. 25, 6). Эта призма разбивается на пять (неперекрывающихся) тетраэдров, одним из которых является тетраэдр из упр. 18 (мы обозначили его объем через V); об остальных же четырех можно сказать, что они равны между собой, что в ос
новании каждого из них лежит равнобедренный прямоугольный треугольник
площади -^- и что высота каждого из них равна Ь. Таким образом:
02b4a2%
откудаоткудаУУа2Ьа2Ь
откуда
откуда
У
У
а2Ь
а2Ь
Плоскость, проходящая через ребро а и середину противолежащего ребра, является плоскостью симметрии рассматриваемого тетраэдра и делит его на два равных тетраэдра (см. рис. 25, в); площадь их общего основания (это будет ,„、ab
равнобедренный треугольник) равна, очевидно, , а высота——‘. Отсюда искомый объем равен
2 a abq2b
Таких плоскостей симметрии у нашего тетраэдра имеется две, они делят его на четыре равных тетраэдра; из этого замечания вытекает еще один подход к решению задачи (правда, он мало чем отличается от предыдущего).
Наш тетраэдр можно рассматривать как крайний случай (предельный случай, вырожденный случай) призматоида, высота которого равна Ь, а каждое основание обратилось в отрезок длины а; его среднее сечение представляет собой квадрат со стороною 专(см. рис. 25, г). Таким образом, считая, что
a2ba2bh = b, L = Q, 乂 =亍，N = °，
a2b
a2b
мы по формуле объема призматоида находим:
Так как выражение для объема У, найденное в упр. 20, должно согласоваться с результатом, тремя различными способами полученным в упр. 21, 22 и 23, то должно иметь место соотношение
Hh=ab.
Это соотношение можно доказать и независимо, вычисляя двумя различными способами площадь равнобедренного треугольника, который образуется при пересечении тетраэдра плоскостью симметрии (упр. 22, рис. 25, А). Итак, успешно завершен четвертый, несколько запутанный вариант решения, начатый в упр. 19 и разбиравшийся далее в упр. 20.
Пройденный нами путь (от упр. 19 через упр. 20 к упр. 24) слишком длинен и запутан. Наиболее изящно выглядит решение, составляющее содержание упр. 22: оно удачно использует симметрию фигуры (но именно по этой причине может оказаться менее удобным в случае, когда таковая отсутствует). Итак, prima facie ) аргументы говорят в пользу упр. 22. Не сможете ли вы привести еще какой-нибудь довод в пользу упр. 22?
L=M=H и, следовательно, V=Lh.
^ = 0,〃 =彳 н, следовательно, V— ^-.
Пусть L〃 М〃 ^^ и V； обозначают величины, связанные с Р/ так же, как 丄，М, А『и У связаны с Р (/ —1, 2,к). Все призматоиды имеют одну и ту же
высоту h. Очевидно,
匕+ и2 +…十%二К
Выполним над этими равенствами действия, характер и пос ледова те льность которых определяется правой частью выписанного ниже соотношения:
2(1 = 1、2(1 = 1、厶・ + 4Mf + M，6厶・ + 4Mf + M，6=54?+纥=54?+纥h~V.h~V.
2(
1 = 1、
2(
1 = 1、
厶・ + 4Mf + M，6
厶・ + 4Mf + M，6
=54?+纥
=54?+纥
h~V.
h~V.
Условимся рассматривать разность, стоящую в правой части, как единое целое; тогда левую часть можно считать суммой п разностей аналогичного вида. Если из общего числа п+1 разностей, связанных последним соотношением, п обращается в нуль, то и оставшаяся (п+ 1)-я разность также должна обращаться в нуль.
Ортогональная проекция нашего тетраэдра на проведенную через ребро 2 плоскость представляет собой четырехугольник. [В частном случае, рассмотрен*
ном в упр. 21, это был квадрат (см. рис. 25, 6); в общем же случае это — неправильный четырехугольник.] Одной его диагональю служит ребро /, другой диагональю ——отрезок, равный и параллельный ребру л. Этот четырехугольник является основанием призмы высотою h, которая разбита на пять тетраэдров;
пирамиды, к которымпирамиды, к которымодин из них — данный нам тетраэдр, четыре остальных —
пирамиды, к которым
пирамиды, к которым
(см. упр. 27) применима формула объема призматоида. Эту формулу (в силу упр. 26) можно использовать также для
призмы, а следовательно (вследствие упр. 28), и для нашего тетраэдра.
На рис. 57 изображен призматоид;
В, С,…，К — вершины его нижнего основа-
страницы).страницы).ния (расположенного в плоскости
страницы).
страницы).
а В',^/вания.а В',^/вания.——вершины верхнего осно-——вершины верхнего осно-1°. Рассмотрите пирамиду, основанием которой является верхнее основание призматоида, а вершиной ——(произвольно выбранная) точка А нижнего основания.
а В',^/
вания.
а В',^/
вания.
——вершины верхнего осно-
——вершины верхнего осно-
2°. Соедините точку Л с точками В, С, ..., К нижнего основания. Каждому из полученных таким образом отрезков можно сопоставить определенную сторону верхнего основания (т. е. ребро призматоида); при этом выбранный отрезок и соответствующая ему сторона образуют пару противоположных ребер тетраэдра (например, отрезок АВ соответствует стороне В'С, и вместе они определяют тетраэдр АВВ'С).
3°. Отрезки, соединяющие вершину .Л с точками В, С,…，К, разбивают нижнее
ККРис. 57.Рис. 57.основание на треугольники. Каждому из этих треугольников можно сопсставить определенную точку верхнего основания; при атом образуется пирамида, основанием которой является выбранный треугольник, а вершиной является упомянутая точка (это будет треугольная пирамида, т. е. тетраэдр; так, например, треугольнику АВС можно отнести вершину С и они совместно определяют тетраэдр АВСС').
К
К
Рис. 57.
Рис. 57.
Наш призматоид оказался рассеченным на тела, описанные в пп. 1°, 2°, 3°. Верхнее основание призматоида в теле 1° фигурирует целиком как многоугольник, понимаемый как плоская фигура; в тело 2° входят стороны этого многоугольника, а в тело 3°— только его вершины. Нижнее основание призматоида распадается на треугольники (понимаемые как плоские фигуры), которые входят в состав тела 3°; в тело 2° входят принадлежащие нижнему основанию отрезки, а в тело 1° входит только одна точка нижнего основания. Примените результат упр. 27 к пирамидам 1° и 3", а результат упр. 29 ——к тетраэдру 2°. Используя упр. 28, вы сможете доказать справедливость общей формулы объема призматоида для изображенного на рис. 57 призматоида ВС... К力…К'・
Решение упр. 29 неполно, так как в нем разбирается только один из трех возможных случаев. Рассмотрим два отрезка /ими ортогональную проекцию 孔'отрезка п на плоскость, параллельную п и проходящую через /, а также точку пересечения / двух прямых, содержащих отрезки / и 几.Возможны три
случая:
0) Точка / не принадлежит ни одному из отрезков / и 几'；
точка / принадлежит только одному из этих отрезков;
точка / принадлежит обоим отрезкам.
В упр. 21 разобран только случай 2). Но в случае 1) тетраэдр можно рассматривать как разность двух тетраэдров, отвечающих условиям случая 2), а в случае 0)
— как разность двух тетраэдров, отвечающих условиям случая 1). Если принять во внимание упр. 28, то этим замечанием доказательство упр. 29 завершается.
Тело, изображенное на рис. 57, таково, что:
его основаниями являются выпуклые многоугольники；
каждой вершине одного основания (взаимно однозначно) соответствует сторона другого основания. (Так, например, вершина В соответствует ребру В'С', вершина С— ребру ВС.)
Условие 2) менее ограничительно, чем это может показаться с первого взгляда: действительно, многие тела, формально не удовлетворяющие этому условию, можно рассматривать как предельные случаи (вырожденные случаи) тел, удовлетворяющих требуемым условиям, и, таким образом, исходя из соображений непрерывности или каких-либо других подходящих соображений, доказательство может быть распространено и на эти тела. 、
Доказательство упр. 36 свободно от ограничений 1) и 2), однако оно опирается на интегральное нечислен не.
九=0;тогда L=M= N=\, /—2; формула Симпсона справедлива.
—1, т. е. нечетно; тогда L= N=T, М— /=0; формула Симпсона справедлива.
2m, т. е. четно; тогда L=N=1, M=G, /= 抵十丁
Симпсона справедлива при 九=2 и ни при каких других четных положительных п.
Случай многочлена f (x)=a~]~bx-^cx2-^dx3 может быть охвачен как супер- пбзиция частных случаев n=0, 1, 2, 3 из упр. 33.
Подстановка
преобразует интервал a^xWa一 丸 в ишервал —」W%V1, а произвольный многочлен от % степени 3 ——в многочлен той же степени от t.
Введем прямоугольную систему координат х, у, z и расположим призматоид так, чтобы его нижнее основание принадлежало плоскости 2=0, а верхнее — плоскости Л. Объем призматоида выразится интегралом
"=，Q(z)dz,(1)
о
где Q (г)——площадь сечения призматоида плоскостью, параллельной нижнему основанию и удаленной от него на расстояние 九
В случае призматоида, имеющего п боковых ребер, это сеченне представляет собой многоугольник с 几 сторонами; если боковые ребра призматоида задаются системой уравнений
x^aiz-^ch 勿=b歩 + 当，(2)
то его площадь выражается формулой
Q (%) = g £ (修先 + i —叫加(3)
(понятно, что при этом (п+ 1)-е ребро считается совпадающим с первым, т. е. что 0门 + 1=a1，+ 瓦，…，уn+尸 у〉
Равенства (2) и (3) показывают, что Q(z) есть многочлен от г степени^.} таким образом, учитывая упр. 35, к интегралу (1) можно применить правило
Симпсона, установленное в упр. 33; а так как очевидно, что выражения
Q(0) = L,=Q(/，)= N
представляют собой, соответственно, площадь нижнего основания, площадь среднего сечения и площадь верхнего основания, то мы тем самым приходим к формуле объема призматоида, установленной в упр. 23.
Дополнительные замечания 11, 18 и 37 пояснений не требуют.
Глава 5
Неизвестное: величина V; данные: величины q и "; условие: объем правильной четырехугольной призмы со стороной основания о и высотой h равен V.
Можно считать, что неизвестными являются два вещественных числа % и у, н。можно также считать, что единственным неизвестным служит двухкомпонеытная величина с компонентами хну, которую мы можем интерпретировать геометрически как точку плоскости с декартовыми (прямоугольными) координатами х и у.
Условие полностью задается выписанным уравнением:
О данных здесь можно вовсе не говорить. (Если бы мы видоизменили задачу, поставив в правой части уравнения вместо 1 число г2, то г следовало бы рассматривать как данное.)
Одно из решении: 1, у=0; другое решение: 无=и т.
Полную систему всех решений можно интерпретировать геометрически как совокупность всех точек окружности радиуса 1 с центром в начале координат.
Решений нет (множество решений пусто).
Решений восемь:
(2, 3) (3, 2) (—2, 3) (—3, 2) (2, —3) (3, —2) (—2, —3) (—3, —2).
Это множество состоит из точек целочисленной «решетки», принадлежащих окружности радиуса ]/ ГЗ с центром в начале координат. (Точка, обе координаты которой являются целыми числами, называется точкой целочисленной решетки. Конфигурация всех таких точек играет важную роль в теории чисел, кристаллографии и т. д.)
Условимся интерпретировать трехкомпонентное неизвестное (%, у, г) как точку пространства с координатами х, у и z.
. Множество решений состоит из внутренних точек октаэдра с центром в начале координат и вершинами
(1, о, 0); (-1, 0, 0); (0, 1, 0); (0, —1, 0); (0, 0, 1); (0, 0, -1).
. Множество решений состоит из внутренних и граничных точек того же октаэдра.
Вот формулировка, в которой четко выделены главные части утверждения:
Если а, b ц с——стороны прямоугольного треугольника, причем сторона с противолежит прямому углу, то .
禎=底+产.
Прежде всего необходимо сформулировать теорему по-нному, заменив содержащееся в ней утверждение об одновременной справедливости двух предло-
жений обычной формой утверждения, т. е. формой «если ——то», в которой явно выделены условие (предпосылка) и заключение:
«Если п——квадрат, то d(n) нечетно»;
«Если п — не квадрат, то d (п) четно».
А вот сжатая формулировка, использующая оборот «тогда и только тогда») «п—квадрат тогда и только тогда, когда d (几)нечетно».
Начните со случая выпуклого многоугольника, отложив вопрос о модификациях, которые могут возникнуть при обсуждении общего случая. 、
Предположите, что в вашем многоугольнике известны длины п——I отрезков, соединяющих выбранную вершину с остальными п——1 вершинами, и 几一2 углов, образованных парами соседних отрезков.
Разделите многоугольник на п—2 треугольников п——3 диагоналями, исходящими из одной вершины; эти треугольники будут полностью определены (каждый своими тремя сторонами), если известны стороны многоугольника н длины рассекающих его диагоналей.
Рассмотрите снова треугольники, на которые разбивается многоугольник диагоналями, исходящими из одной вершины. Переходите от треугольника к треугольнику так. чтобы каждый из них (первый в расчет не принимается) имел одну общую сторону с предыдущим. Предположите, что первый треугольник задан любыми тремя независимыми данными, а каждый из последующих 几——3 треугольников — двумя данными, независимыми друг от друга и от стороны предыдущего треугольника.
. Задавая каждую из п вершин многоугольника двумя прямоугольными координатами, т. е. используя в общей сложности 2/г данных, мы определяем не только многоугольник, но также и его положение относительно системы координат, которое не должно учитываться. Положение системы координат на плоскости зависит от трех параметров; таким образом, число существенных данных будет равно 2п—3.
Основание задается указанием 2п—3 величин (см. упр. 16);- чтобы определить противоположную основанию вершину, достаточно задать три ее координаты в системе координат, где плоскость хОу совпадает с основанием пирамиды, начало О координат — с одной (выбранной) из вершин основания, а ось Ох —— с одной (выбранной) из сторон основания, исходящей из вершины О; общее число требуемых данных равно 2п.
2п данных (ср. с упр. 17).
Многочлен нмеет вид
fo^v -гfi^ 丄 + 一 •十%+ %
где fj——многочлен степени / от v—1 переменных хь х2,...,尤g_「Используя результаКупр. 35 из гл. 3 и метод математической индукции, можно доказать, что требуемое число данных (число коэффициентов многочлена) равно
О丄丄 丄
Отметим как-нибудь у ящиков из установленных в ряд 九+u ящиков (например, поставим на них косой крест —— знак умножения,— если вам так будет угодно). В каждый из ящиков, предшествующих первому помеченному (ящик № l)t вложим «объект» ^; в ящики, не отмеченные косым крестом, расположенные между ящиком № 1 и ящиком № 2 (вторым отмеченным ящиком), «вложим» 尤2； в ящики, расположенные между ящиками № 2 н № 3, «вложим» х3,...； в ящики, расположенные между ящиками (и——1) и и, «вложим» %方；в каждый нз
ящиков, расположенных за последним помеченным ящиком, «вложим» множитель 1. Таким образом, любому выбору v ящиков из общего их числа 九+ о будет соответствовать произведение вида х^1 х^2 х^3... x.^et где mx+ т2-^ т3 +••• +mpV", т. е. какой-то член многочлена. Это рассуждение можно облечь в форму математического доказательства, хотя пока вы вряд лн признаете его таковым. (Ср. упр. 40 .из гл. 3.)
Дополнительные замечания 8——15 пояснений не требуют.
Глава 6
1°. 9 требований типа г (х)—0;
2°. 9 требований типа г(х)—0;
3°. 36 гребований типа г(х, у) =0;
4°. 7 требований типа г(х, у、г,⑫)=0
(мы игнорируем то, что эти требования не независимы).
Всего будет 61 условие.
Предположите, что х имеет п компонент: хг, х2, хи.
Введите новые неизвестные 乡匕 у?, Уз・ Положите 尤1=乡1，%4=Уз，рассматривайте 汇2，％з как компоненты неизвестного у?, а комбинацию (одновременное выполнение) пунктов условия г2) и <з) — как один из пунктов нового условия; тогда (в соответствующих обозначениях) вы получите «рекуррентную» систему 近(川)=。，
52仇必)=0，
必 2，Уз)=0・
Предположите, что д^ имеет компоненты %i， х2, %*, ад? —— компоненты 无4,尤5,尤6； положите Уз=%7, объедините первые три пункта условия /■“, г^, г3) в один пункт $1), а следующие три пункта q), /^), %)——в один пункт %)； в результате вы получите ту же систему, что и в упр. 3.
План в основном не отличается от рассмотренного в п. 2° § 4.
Это ——частный случай системы из п. 1° § 4. (Ср. упр. 22 из гл. 3.)
Два геометрических места для прямой (ср. п. 5° § 2). В самом деле, все хорды данной окружности, имеющие одну и ту же длину, касаются некоторой окружности, концентричной с данной (ее нетрудно построить).
Возьмите на прямой а точку А, а на прямой b ——точку В. причем так, чтобы они были удалены на одно 日 то же расстояние 彳 от точки пересечения а с Ъ. Постройте окружность, касающуюся прямой а в точке Л и прямой b в точке 8; поскольку каждая из этих двух точек может занимать два положения, таких окружностей будет четыре. Одна из них будет вневписанной окружностью треугольника, образованного прямыми。，力 и %; поэтому искомая прямая х должна касаться одной из этих четырех окружностей. Мы имеем здесь два геометрических места для прямой х. (Ср. п. 5° § 2 и упр. 7.)
В русском языке требуемой анаграммы для СРАЗУ ДА, по-видимому, подобрать нельзя. В английском языке для RASH AYE искомая анаграмма существует: HEARSAY (слух, молва: «молва ——не доказательство»).
1°. Найдите прежде всего «постоянную» с, характеризующую магический квадрат. С одной стороны, сумма всех девяти неизвестных 尤注 равна
1+2+3+…+9=45;
с другой стороны, она образуется суммированием чисел по строкам (сумма чисел в каждой строке равна с) и сложением трех результатов. Поэтому
45= Зс и, значит, с=15.
2°. Сложите элементы трех строк к двух диагоналей; сумма их будет равна 5с. Вычтите отсюда элементы четырех «крайних» (т. е. н е содержащих
центрального числа х22) строк и столбцов — сумма всех этих элементов равна 4с. Таким образом,
Зх?2= 5c—4с= 15
(почему?)——и, значит, х22~5..
3°. Чтобы заполнить все «крайние» (или «граничные») строки и столбцы, выпишите всевозможные представления числа 15 в виде суммы трех различных чисел, отличных от 5 (—х22), т. е. чисел 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9. После ряда проб мы находим, что
15= 1+6+8=
=2+6+7=
=2+4+9=
= 3+4+8.
4°. Числа, которые во всех этих четырех представлениях встречаются т о л ь- к о один раз, выделены жирным шрифтом; их нужно поместить в середину соответствующей строки (или соответствующего столбца). Остальные числа (напечатанные обычным шрифтом) встречаются каждое п о два раза; их следует разместить в углах магического квадрата.
5". Начните с любого числа, напечатанного жирным шрифтом (например, с 1) и обозначьте его через х12. Одно из чисел, напечатанных обычным шрифтом и взятое из той же строки, пто и 1 (т. е. 6 или 8), примите за хп. В первый раз у вас был выбор из четырех возможностей, во второй ——из двух; дальше свободного выбора у вас нет: последовательно используя четыре представления числа 15, выписанные в п. 3°, вы неизбежно будете следовать елинственным возможным путем. Вот один из магических квадратов, которые вы сможете при этом получить:
6
1
8
7
5
3
2
9
4
Все 4・2=8 квадратов, находимых указанным здесь способом, в известном смысле «равны», т. е. все они могут быть получены из любого составленного вами квадрата с помощью поворотов и отражений (зеркальных симметрий). Воспроизведенный квадрат иллюстрирует число 61, фигурирующее в решении упр. 1.
1°. Если у нашего числа первая цифра больше 1, то умножение на 9 увеличивает число его цифр. Поэтому речь идет о числе вида \abc
2°. Так как 1abo9=9xyz, то искомое число должно иметь вид 1аЬ9.
3°. Таким образом, имеем:
(103+1。2〃+10Ы- 9).9=9-103+102Ы-10а+1,
89a十 8=b.
Поэтому а=0, Ь=8 и искомое число таково ): 1089=332.
1°. Поскольку ab -Ьа является трехзначным числом, то а-Ь< 10. Допустим, что aVb; тогда у нас останется только десять вариантов:'
а=1, 2vbv9, а = 2, 匕=3 или 4.
2В.(10a+6)(10Ь + 0)= 100c+10d + c,
10(02+旅 一砌=101 (e—ob).
Отсюда следует, что а2+&2—d делится на 101; но
-9<出+力2一d=82.
Поэтому 炉十力2—d=0..
3°. a2-}-62=dw9. Отсюда b<3 и, следовательно, a=l, 6=2, а тогда с—2, d=5.
(Стэнфорд, 1949.) Задачу можно понимать так: найдите целое положительное число 尤，квадрат которого записывается (в десятичной системе счисления) одними лишь единицами (точнее, докажите неразрешимость последней задачи!).
Г. Сохраните только часть (небольшую часть) условия-, последняя цифра числа х2 есть 1. Поскольку последняя цифра числа %2 зависит только от последней цифры числа х, достаточно рассмотреть однозначные числа 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9; их квадраты равны, соответственно,
О, 1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 8L
(Заметьте, что числа 尤？ и (10—х)2 имеют одну и ту же последнюю цифру.) Итак, подходят только числа, оканчивающиеся на 1 или 9.
2°. Сохраните только часть (уже несколько большую часть) условия: последние две цифры числа %2 суть 11. Теперь нам достаточно рассмотреть лишь двузначные числа, по одному нз каждой пары чисел х и 100——％, т. е., в силу п. 1°, всего лишь 10 чисел: 01, 11, 21, ..., 91. Ни один из квадратов этих чисел не оканчивается на 11. Этим наше утверждение доказано.
Мораль: «Задачу на доказательство» иногда бывает полезно преобразовать в «задачу на нахождение».'
Как это нн парадоксально, попробуем найти такую пару треугольников.
1°. Среди пяти упомянутых элементов не могут одновременно быть все три стороны, иначе треугольники были бы равными и все шесть нх элементов — одинаковыми.
2°. Нам остается предположить, что у искомых треугольников совпадают по две стороны и по трн угла. Но если три угла одного треугольника равны трем углам другого, то треугольники подобны.
3°. Пусть а, Ь, с — стороны первого треугольника, a b, с, d — стороны второго; если в наших подобных треугольниках а, Ь, с и b, с, d (в указанном порядке) являются сходственными сторонами, то должно выполняться соотношение
а — b
т. е. стороны а, Ь, с и d должны составлять геометрическую прогрессию. Но это вполне возможно — и вот ваш пример: числа
а,瓦 с, d соответственно равны
8, 12, 18, 27.
Заметим, что 8-^ 12> 18 н что треугольники со сторонами 8, 12, 18 и 12, 18, 27 подобны в силу пропорциональности сторон; таким образом, три угла одного из них равны трем углам другого.
1°. Найдите три целых числа х, у и z таких, что
叶什 z=9, X%vyvz.
После нескольких проб выясняется, что существует голь ко три решения (три способа разделить 9 долларов на три неравные части):
9= 1+2+6=
= 1+3+5= =2+3+4.
2°. Расположите эти трн строки в виде квадрата так, чтобы сумма цифр в каждом столбце была равна 9. По существу (т. е. с точностью до перестановки строк、 и столбцов), это можно сделать единственным образом (мы выбрали симметричную форму записи):
6 2 1
2 4 3
1 3 5
3°. Займемся теперь остальными «второстепенными» пунктами условия. Поскольку самое большое число в нашем квадрате ——шестерка, первая строка относится к Арту, а первый столбец — к мороженому. Единственное число в нашем квадрате, равное удвоенному числу из той же самой строки, находящемуся на пересечении с первым столбцом,— это 4; таким образом, вторая строка относится к Биллу, а второй столбец ——к бутербродам. Наконец, Сэм уплатил за фруктовую воду число (долларов), находящееся на пересечении последней строки и последнего столбца, т. е. 5 долларов.
1°. Жена покупает х подарков стоимостью % центов каждый , а муж у подарков стоимостью у центов каждый. Условие требует, чтобы было
尤 2—g2=75.
2°. Число 75—3 *5 *5 имеет в общей сложности шесть делителей
(х—у)(尤+д)=1 ・75=3・25=5・15,
и поэтому имеется всего три возможности:
х—у~ 1%—g=3X—g=5
илиили;-
尤+у=75尤+у=25叶 g=15
в результате получается следующая таблица:
жена муж
3837
1411
105
3°. Займемся теперь остальными «второстепенными» условиями. В конце концов, однозначно получаем:
Анна3837БиллБраун
1411ДжоДжонс
Бетти105
Таким образом, Мэри должна носить фамилию Джойс.
С самого начала очевидно, что число возможных вариантов ограничено (4! —24). Однако, если вы проявите изобретательность, то перечислять нх все вам не придется.
1°. Пусть
а, б, в, г-
——ч!кгг> бутылочек, выпитых каждой из четырех дам: миссис Адамс, миссис Браун, млссис Вильсон, миссис Грин.
Тогла
我干6+8+3= 14,
〃-|-2б + Зб + 4а = ЗО, и, следовательно,
6+2б + 3а = 16.
2°. Как это видно из последнего равенства, числа б и а либо одновременно четны, либо одновременно нечетны. Поэтому нужно разобрать всего четыре случая:
ббгг35243524534253426=82—11136=82—1113
б
б
г
г
3
5
2
4
3
5
2
4
5
3
4
2
5
3
4
2
6=8
2
—1
1
1
3
6=8
2
—1
1
1
3
Из них возможен только последний. Итак,
а=2, е=3, 6=4,以=5;
следовательно, наших дам зовут так.
Анна Грин, Бетти Вильсон, Сесиль Браун и Дороти Адамс.
(Стэнфорд, 1965.) Подразумевается, что «возраст» обозначает целое число лет. Вот полный список разбиений числа 72 на три целых положительных сомножителя; за каждым разложением выписана сумма сомножителей:
1-1-72
74
2-2-18
22
1 -2 -36
39
2-3-12
17
1・3・24
28
2-4-9
15
1-4-18
23
2・6・6
14
Ь6-12
19
3-3-8
14
1 -8-9
18
3・4・6
13
Единственная сумма, которая встречается более одного раза, выделена жирным шрифтом. Замечание об (одном!) старшем мальчике дает возможность провести различие между двумя случаями, которые иначе были бы равновозможными: сыновьям учителя 8 лет, 3 года и 3 года.
Часто для' решения головоломок полезно разбивать их условия на пункты. Читатель может найти соответствующие примеры в сборниках математических головоломок, например в книге ) Н. Е. D u d е п е у. Amusements in Mathematics (Dover). В книге Otto Dunkel Memorial Problem Book, изданной в качестве приложения к журналу American Mathematical Monthly 64 (1957) ), также содержится подходящий материал; пример Е 776 на стр. 61 заслуживает специального упоминания как исключительно изящный образец в своем роде.
2) п. 4° § 2, 2=5; 3) упр. 6, "=4; 4, п. 1° § 4, п—4; 5) п. 3° § 5 гл. 2; п. 2。§ 4..
В этой системе трех уравнений с тремя неизвестными, величины %, у н N играют совершенно одинаковую роль: система симметрична в том смысле, что циклическая перестановка неизвестных, хотя и может привести к перемене порядка записи уравнений в системе, но саму систему нисколько не меняет. Отсюда следует, что если %, у, г определяются из системы однозначно, то они должны быть равны друг другу：尤=y=z； предполагая это, мы сразу получаем: 6%=30,尤=g=z=5.
Остается показать, что неизвестные определяются однозначно. Это можно сделать, используя какой-нибудь обычный метод решения системы линейных уравнений.
у+г=а, '
х +%=Ь,х+у =с.
Любая перестановка неизвестных х, у ^ z не меняет вида выражений, стоящих в левых частях. Положим %+，+z=s. (Эта сумма также не меняет своего вида при перестановке неизвестных х, у п г.) Складывая три наших уравнения, сразу находим:'
и, таким образом, система сводится к трем уравнениям, каждое нз которых содержит только одно неизвестное:
Наша система в fцелом (а не только совокупность выражений, стоящих в ее левых частях) симметрична относительно пар (х, 〃)， (у, 6), (г, с).
(Стэнфорд, 1958.) Положите
叶什叶〃=&
далее ср. упр. 25.
Дополнительные замечания 10, 21, 23 и 27 пояснений не требуют *).
периодическим сборникам «Математическое просвещение») сборнике «400 лучших задач» из числа напечатанных в журнале за 1918—1950 гг.
Этот «дополнительный том» Monthly посвящен памяти Отто Данкеля, свыше 30 лет руководившего отделом задач журнала. (Рецензия А. М. Лопшица на этот сборник задач напечатана в вып. 4 новой серии «Математического просвещения», Физматгиз, 1959, стр. 301—308.)
Вот задача Е 776: «Это Ваши дети играют там во дворе?» — спросил гость. «Нет,——ответил хозяин,——это мои дети (их больше всего), дети моего брата (у него меньше детей, чем у меня), моей сестры (их еще меньше) и моего двоюродного брата (у него детей меньше всего). И вот что интересно — произведение четырех иисеа, указывающих число детей в каждой семье, равно номеру моего дома, который вы можете увидеть, выйдя на у〃1шу».
«Я немного математик,— сказал гость,— и я посмотрю номер дома, чтобы узнать, каково число детей в каждой семье». Вернувшись с улицы, он продолжал: «Я не имею достаточно данных, чтобы ответить на интересующий меня вопрос. Впрочем, скажите, ваш двоюродный брат имеет единственного ребенка?» ——и когда хозяин ответил, гость с удовлетворением сказал: «Вот теперь я знаю число детей в каждой семье».
Ответьте и Вы на поставленный вопрос. (Ср. упр. 19.)
*) Вот решение кроссворда, о котором говорится в § 1 этой главы: к导zaycc, х^^儿 Втун、х^^атлас, х^галуа, х 尹电 стал.、хосину с.
Глава 7
Отрезки на рис. 316 символизируют соотношение V= Q+4T+4P. Очевидно,
Дополните рис. 316 связями, отвечающими этим соотношениям, и убедитесь в том, что они приводят к тому же самому выражению для V, что и подход, изложенный в § 2.
Рис. 58.
См. рис. 58. « и б; он отражает мысленную картину, возникающую у решающего как раз перед последним решительным шагом, описанным на стр. 60—61.
См. упр. 99 из гл. 3. Точки на рис. 32 представляют величины
Рб
Рб
Р22
力2
?48
尸96
p96
Дополнительные замечания 4, 5 и 6 пояснений не требуют.
Глава 8
(Стэнфорд, 1956.) Как видно из рис. 37в,
力 в，= —, /3力 в，= —, /34С' =4С' =
力 в，= —, /3
力 в，= —, /3
4С' =
4С' =
Примените к треугольнику В'АС' теорему косинусов; вы получите:
32 =b2+e2 — 2bc cos
Чтобы выразить be cos а, примените к треугольнику АВС теорему косинусов;положив be sin а=25, где S ——площадь треугольника АВС, вы получите формулу6炉=炉+62+e2+4 HSS,
из которой видно, что х выражается через а, b и с симметрично*).
Вот каковы эти сечения:
1°.1°.прямоугольник площади 2yz =прямоугольник площади 2yz =2Лхh产中2Лхh产中аа2。.3°.2。.3°.прямоугольный треугольник площади 裝 сегмент круга.прямоугольный треугольник площади 裝 сегмент круга.恤2-护）.恤2-护）.2〃2〃Предпочтителен здесь план 2° (функция от у рациональна); искомый объем равенПредпочтителен здесь план 2° (функция от у рациональна); искомый объем равен
1°.
1°.
прямоугольник площади 2yz =
прямоугольник площади 2yz =
2Лхh产中
2Лхh产中
а
а
2。.
3°.
2。.
3°.
прямоугольный треугольник площади 裝 сегмент круга.
прямоугольный треугольник площади 裝 сегмент круга.
恤2-护）.
恤2-护）.
2〃
2〃
Предпочтителен здесь план 2° (функция от у рациональна); искомый объем равен
Предпочтителен здесь план 2° (функция от у рациональна); искомый объем равен
1 「，2"2九
Z dy = -^.
Дополнительные замечания 1, 2, 5, 6, 7 н 8 пояснений не требуют.
Глава 9
См. § 4. Теорема А, сформулированная в п. 1° § 4 и проиллюстрированная на рис. 246, доказана с помощью более слабой теоремы Б, сформулированной в п. 2° § 4 и проиллюстрированной на рис. 24а.
Задачи А и Б эквивалентны. Переход от А к Б создает определенное преимущество, так как при этом нам приходится иметь дело с меньшими числами. Применяя этот переход несколько раз, мы последовательно находим такие пары чисел'
' (437;323), (323;114), (209; 114), (114;95), (95;19), (76; 19), (57; 19), (38; 19), (19; 19).
Таким образом, множество общих делителей чисел 437 и 323 состоит из чисел 1 и 19, т. е. представляет собой число 19, которое и является наибольши м общим делителем. Процедура, с которой мы познакомились в этом упражнении, может применяться и в общем случае и имеет поэтому важное значение; она называется алгоритмом Евклида. (См. Евклид, VII, 2.)
1°. При некоторых часто встречающихся и важных условиях, Б шире А. (Вот один простой случай: на замкнутом интервале QVxWb определена непрерывная и дифференцируемая функция ，(％); кроме того, известно, что она не достигает своего максимума ни при х~а, ни при х~Ь.)
2°. Задача о нахождении корней уравнения /' (%)=0 в большинстве случаев оказывается более легкой и привычной; кроме того, известны методы исключения корней производной, не отвечающих максимуму функции f (%).
1°. Теорема Б сильнее; из нее немедленно следует теорема А.
2°. Легче доказать 5, чем А, поскольку Б по сравнению с А содержит важную дополнительную деталь, с которой можно начать исследование, тогда как, если бы мы имели одно лишь менее полное утверждение А, то сначала нужно было бы отыскать либо эту деталь, либо какой-нибудь эквивалентный ей факт; более
сильная теорема Б доступнее теоремы А, так как в Б содержится больше подробностей. Этот случай типичен (ср. КРЗ, стр. 92——98, Индукция и математическая индукция, особенно п. 7).
3°. Обозначьте через А какую-нибудь вершину треугольника, а через М середину противолежащей стороны; сначала докажите, что △MG0S&4GE, откуда будет следовать, что МО || АЕ.
1°. А — задача на доказательство, Б — задача на нахождение, кажущаяся более привлекательной, чем А; с самого начала можно предвидеть, что полное решение задачи Б либо подтвердит, либо опровергнет утверждение, содержащееся в А.
2°. А — задача на пределы, Б — на алгебраические неравенства; поэтому задача Б выглядит более элементарной.
3°. Мы опускаем более легкий случай в>1. В случае же е< 1 мы приходим к цепочке эквивалентных друг другу неравенств：
НЕ<е+М£, 1 < 8^ + 2е Гх,止产 <
Таким образом, начиная с некоторого значения х и далее, разность Hx-f-l—H京 оказывается меньше произвольной (сколь угодно малой!) положительной величины е. Это утверждение доказывает А.
1°. Фигурирующие в задачах А и Б два предложения эквивалентны (каждое из этих предложений противоположно обратному второму); поэтому эквивалентны и сами задачи А и Б.
2°. Утверждение «п — составное» говорит о существовании двух целых чисел an b таких, что 九=〃b, а> I, b > 1. Утверждение «п ——простое» является отрицанием утверждения «п—составное» (случаем п~ 1 можно здесь пренебречь)* и это «отрицательное» утверждение дает нам меньше «опоры». Таким образом* Б выглядит привлекательнее А.
3°. Если n=ab, то 2й—1 = (2@卢——1 делится на 2a——1.
1L Пусть
a3加一2 = 2加a3加一2=a3加=一加-%> где 加=1, 2, 3,...
Обобщение этой задачи см. в журнале American Mathematical Monthly 53 (1946), стр. 283—284, задача 4142. По-видимому, невозможно выдвинуть полезные дополнительные требования, подобные (III) и (IV), если нет какой-нибудь руководящей идеи или если невозможно представить себе или предугадать, каким должно быть решение.
(Ср. American Mathematical Monthly 56 (1949), стр. 423—424.) Положите сначала
шш (ani ои) =~^ •
(С таким же успехом вы можете выбрать любой другой сходящийся ряд с убывающими положительными членами.).
Ряды
(i)+(4) +(T+4+T+T)+ (4-+^+---+i) + (i+---
(i)+⑴+(营+亲+亲+亲)+ (急+京 …+击)+(菱+… построены из соответствующих друг другу «отрезков ряда», указываемых скобками. В одном из этих отрезков каждый член равен заранее выбранному минимуму пары чисел ап, b占 в соответствующем ему отрезке другого ряда все члены равны друг другу и совпадают с последним членом предыдущего отрезка того же ряда, причем сумма всех этих членов равна 1. Отрезки этих двух типов чередуются в обоих рядах.
Наши ряды еще не полностью удовлетворяют поставленному условию: их члены убывают в нестрогом смысле (в смысле《>》)，а не в строгом смысле (не в смысле «> »). Однако этот дефект легко устранить: от всех членов отрезка ряда, состоящего из одинаковых чисел, отнимите последовательно члены арифметической прогрессии с достаточно малыми первым членом и разностью и с суммой, меньшей 1/2.
Если 卩工，口2，…，Pz ——различные простые числа, а п—р^р^ ... р), то т(п)=(QrH)(&~H)…@~Н)・
У пр. 50 из гл. 1 и п. Г § 3 гл. 1; пп. 2° и 3° § 5 гл. 2; §§ 2 и 1 гл. 3.
16* Почему? Укажем еще два задания, аналогичные упр. 6—10:
Сравните две задачи:
А. Вычислить /100 ;
Б. Вычислить Н100 .
*11). Пусть / (х) и g(x)—две заданные функции. Сравните две задачи:
ьь
А. Доказать, что , / (%)厶安 j g(x)dx；
Б. Доказать, что f(x)>g(x), если oWxW瓦
Откуда^ Вспомогательные задачи как будто самым естественным образом возникают в явном или завуалированном виде из одного из названных выше четырех источников. Поучительным примером, иллюстрирующим это утверждение, являются обобщение, специализация и аналогия, примененные совместно к решению упр. 84 из гл. 3, см. стр. 123 и стр. 401, а также HSI, упр. 20, стр. 238, 252—253.
Дополнительные замечания 1, 2, 3, 4 и 15 пояснений не требуют.
Глава 10
2・1а.
л
лн..,.
л.б...н....
л.б.,,н...ь
л. б... н. с. ь
л.б. е.н.с.ь
\ У户—%4打=
■= ^ х2 У х3 — 1 dx =
=,M%3 — 1 •炉 dx =
11 一 3 11 - 3= =11 一 3 11 - 3= =j "3-1)‘/切(户-1).j "3-1)‘/切(户-1).\ У~%з — 1，3x2 dx =
11 一 3 11 - 3= =
11 一 3 11 - 3= =
j "3-1)‘/切(户-1).
j "3-1)‘/切(户-1).
Дополнительное замечание 1 пояснений не требует.
Глава 11
Рис. 1а—1е; рис. 29а—29е и сводный рис. 30.
См. два примера, упомянутых в решении упр. 2: в первом из этих примеров речь может идти о моменте возникновения в вашем уме рис. 1е; во втором — о моменте возникновения рис. 29в.
Упр. 2 гл. 10.
Такую роль может играть распознавание на рис. 23 в абсциссах хъ х3(... ・..，*” корней искомого полинома 『(％).
Переход от рис. 4а к рис. 46. Или в МПР — переход от рис. 16.2 к рис. 16.3, стр. 406—407.
Дополнительные замечания 1, 7, 8, 9, 10, 11 пояснений не требуют.
Глава 12
(Стэнфорд, 1952.) В чем состоит условие (предпосылка)? Вот оно:
8 чем состоит заключений Вот оно:
2сс<п—а,2сс<п—а,что эквивалентно неравенству
2сс<п—а,
2сс<п—а,
или неравенству
Необходимые вспомогательные сведения-.
a2=b2+产—2bc cos a.
Итак,
cos a=
5一中
2bc
3 (接+ C?)
—8 be
6儿 1
>荻一1"
что и доказывает требуемое.-
1°. Точка Р принадлежит двум данным прямым; выполнив 'построе-
Точка Р принадлежит данной прямой и дайной окружности; выполнив пост
роение, …；
Точка Р принадлежит двум данным окружностям; выполнив построение, ... 2°. В треугольнике АВС даны две стороны АС и ВС и угол между ними; ...;
В треугольнике АВС даиы сторона ВС и два угла; ...；
В прямоугольном треугольнике АВС даны два катета АС и ВС; ...
3°. Даны основание и высота треугольника АВС, .,.;
Даны три стороны тр еугольн и ка^ А В С, ...
(Можно также взять любую группу данных, приведенных в п. 2°.)
4°. Даны площадь треугольника ЛВС, являющегося основанием тетраэдра^ и высота тетраэдра, опущенная из вершины D;…；
Известны длины двух ребер АВ и CD тетраэдра и расстояние между прямыми АВ и CD... (ср. выше, стр. 138).
1°. Если 2ABe=&EFG,
Если фигура ABFE ——параллелограмм, ...
2°. Если AABCz&EFG,
Если /АВС и 厶EFG — острые углы с параллельными или с перпендикулярными сторонами …；
Если ^_АВС и 乙EFG — вписанные в окружность углы, опирающиеся на одну дугу или на равные дуги, ...
И т. д. (См. упр. 8 к гл. 8.)
3°. Если фигура A BCD ... подобна фигур, Е 尸 GZ/ ... (причем точки указаны в порядке их взаимного соответствия) ...;
Если АЕ И В尸 И CG II DH, причем точки А, В, С, D принадлежат одной прямой^ а точки Е,尸，G,"——другой прямой, ... (более удобная формулировка этой теоремы такова: «стороны угла разбиваются параллельными прямыми на пропорциональные отрезки»)...
4°. Если в треугольнике АВС имеем /Cv/B, ...
J. G. Baron; см. Mathematical Magazine 39 (1966), стр. 134 и 112.
Вот очень интересная задача: найти площадь S четырехугольника, являющегося одновременно вписанным и описанным, если даны его стироны а, Ь, с и d.
Очень близкая ей родственная задача возникла в Индии двенадцать столетий тому назад. У вас имеется хороший шанс вспомнить ее, если вы когда-нибудь о ней слышали; спрашивайте себя настойчиво. Известна ли вам какая-нибудь родственная задача^ Известна ли вам задача с такого же рода неизвестным^
И действительно, родственная задача, на которую мы хотим сослаться, имеет то же самое неизвестное и те же самые данные, что и рассматриваемая; больше того, она содержит половину важнейших пунктов из ее условия; вот эта задача: Найти площадь S вписанного четырехугольника по данным его сторонам а, Ь, с и d. Ее решение таково (МПР, стр. 168, упр. 41):
$2= (р—а) (р—6) (р—с) (р—d), где .
2P=a+叶叶£
Обладая этими сведениями, достаточно заметить следующее: если четырехугольник описанный и сторона а противолежит с, а сторона b противолежит £, то a-^c=b-^d=p,
См. упр. 47 гл. 1, п. 2° §5.гл. 2, упр. 10 гл. 2, упр. 13 гл. 2, упр. 51 гл. 2, п. 3° § 6 гл. 14, а также КРЗ, стр. 44-—51, в особенности стр. 45 (Аналогия, в особенности § 3) и МПР, стр. 32—34. Есть еще много и других примеров *).
Медиана, проведенная из вершины Л треугольника к стороне ВС, проходит через середину любого параллельного ВС отрезка, заключенного внутри треугольника.
'(Рассматриваемые сечения тетраэдра — параллелограммы. Плоскость, проходящая через ребро тетраэдра и середину противоположного ребра, пересекает тетраэдр по треугольнику, который может быть полезен для доказательства теоремы о тетраэдре.).
*) Ср. также названную в подстрочном примечании 】)на стр. 102 книгу И. С. Со- минского и др., § 6 ч. II (индукция по числу измерений).
Медиана треугольника делит его площадь пополам. (В случае тетраэдра сформулированная теорема следует из принципа Кавальери, поскольку рассматриваемая плоскость делит пополам площадь каждого сечения, фигурирующего в упр. 9.)
Биссектриса внутреннего угла треугольника делит противоположную сторону на отрезки, пропорциональные прилежащим сторонам.
Положите
匕+c—й=2Л, с+а—b=28, 。+匕一с=2С; тогда
1 Л 1 _ В 1 _ с
炉—xyz，у2 xyZ，好一Xyz *
Перемножая эти три уравнения, получаем: xyz= АВС и, следовательно,
%2=В& 产=。儿 ^ДВ.
Для полного изучения вопроса остается только обсудить случай обращения в нуль одного или нескольких из неизвестных х, у, г. ■
В обычном определении эллипса фигурируют его фокусы. Изучение этого определения может привести к вопросу: «Где расположены фокусы?» и, в конечном счете, натолкнуть на более сильное предложение, которое доказать легче- при данных предположениях относительно 五 /' и и геометрическим местом центров V явится эллипс с фокусами 尸 и 尸'.В самом деле, это предположение согласуется с определением эллипса: как легко видно из чертежа (рис. 59а)
FV+FfV=r+rf,
где г и 厂'一радиусы окружностей / и,
Г + г
Г. Концентрическая окружностям f н f окружность радиуса —— (рис. 596).
2°. Парабола с фокусом Р и-директрисой “ || f (рис. 59в).
3°. Гипербола с фокусами 尸 н 尸'(р ис. 59г).
4°. Перпендикуляр, восставленный к отрезку с концами F и 尸 в его середине (рис. 59д).
Вот еще несколько «яблок», быть может, уже менее сладких:
5°. Предельный случай для предложения упр. 13 или для его варианта 3°: окружность f стягивается в точку, принадлежащую окружности /; геометрическое место точек — прямая.
Рис. 59в. Предельный случай эллипса.
6°. Предельный случай варианта 2°: окружность /' стягивается в точкуГ^; окружностью касается прямой / и проходит через точку F'; геометрическое место точек — парабола с фокусом 尸'и директрисой /.
Рис. 59г. Что такое гипербола?
7°. Предельный случай варианта 4°;厂=г'=0; обе окружности f и Л стяги* ваются в точки, через которые проходит (переменная) окружность и; геометрическое место точек ——прямая.
Здесь можно поставить и другие вопросы:
К 3°. Каковы направления асимптот гиперболы и где расположен ее центр? Ясно, что направления асимптот и положение точки их пересечения должны определяться заданными окружностями / и /\ но как именно? И почему так?
К 5 . Является ли (бесконечная) прямая предельным случаем эллипса? Тот же вопрос для гиперболы. Или, может быть, предельным случаем эллипса служит только какая-то часть всей прямой, а другая ее часть является
предельным случаем гиперболы?
И т. д.
Дополнительные замечания 1, 2, 4, 15 и 16 пояснений не требуют.
Глава 13、
Дополнительные замечания 1, 2, 3 пояснений не требуют.
Глава 14
Приблизительно 9-|- минуты после полудня. [Долгота (западная) «центрального» меридиана Западного стандартного времени равна 120°.]
Если бы 400 последовательных «григорианских» лет в точности соответствовали 400 астрономическим годам, то продолжительность одного астрономического года равнялась бы
97-366 + 303-365 “и , 97
400= 365+4б7
Рис. 59д. Частный случай гиперболы.Рис. 59д. Частный случай гиперболы.дням, т. е. 365 дням, 5 часам, 49 минутам и 12 секундам; это всего лишь на 26 секунд превышает продолжительность года, найденную из астрономических наблюдений. Расхождение невелико: оно составляет один день в 3323 года.
Рис. 59д. Частный случай гиперболы.
Рис. 59д. Частный случай гиперболы.
Поскольку В£>=В£>1，CD=CD], то точка D принадлежит пересечению двух сфер: радиуса BQ工 с центром В и радиуса СОг с центром С. Эти сферы пересекаются по окружности, плоскость которой перпендикулярна прямой ВС, а следовательно, и горизонтальной плоскости, в которой лежит треугольник АВС. Поэтому ортогональная проекция F точки D на горизонтальную плоскость принадлежит перпендикуляру, опущенному на ВС из точки £>工；аналогичным образом связаны с точкой D и точки О2, D3.
Точка 尸 является радикальным центром (определение его можно найти в учебниках геометрии *)) трех окружностей, обозначенных дужками на рис. 45а, а прямые D^, D?尸 и 63 尸一попарными радикальными осями*) тех же окружностей, пересекающимися в точке F.
Ср. п. 4° § 6: изготовление модели и возникающие в результате этого идеи.
Нижеследующие ответы носят эскизный характер.
7°а. Используя теоремы косинусов (обыкновенной) планиметрии Евклида и сферической геометрии **), мы сведем задачу к доказательству неравенства
旅 Т-с?—а?— cos b cos с+cos а'
2bc > sinh sin с '
*) См., например, названную на стр. 445 «Элементарную геометрию» Ж- Ада* мара, указанную на стр. 323 «Введение в геометрию» Г. С. М. Кокстера, «Курс элементарной геометрии» Д. И. Перепелкину, ч. I, Гостех- издат, 1948 или статью «Окружности» в кн. IV Энциклопедии элементарной математики, Физматгиз, 1963, стр. 448—512, в частности, стр. 454—461.
**) См., например, статью Б. А. Розенфельда, названную в подстрочном примечании иа стр. 323.
где 0<й<п, 0<6<л, 0<с<л и три отрезка а, b н с служат сторонами некоторого треугольника. При помощи несложных алгебраических преобразований это неравенство можно вывести из того обстоятельства, что фуикция-^-^ монотонно убывает при возрастании ж от 0 до л; последнее же можно счесть правдоподобным в силу определенных соображений геометрического характера.
7°б. По соображениям непрерывности «очень малый» сферический треугольник можно считать «почти плоским》и «почти равным» своему образу на плоскости, имеющему почти такие же стороны; отсюда следует, что соответствующие углы этих двух треугольников также «почти равны».
7°в. Стереографическая проекция сферы (из северного полюса сферы на плоскость экватора) сохраняет углы ).
7°г. Теорема Архимеда о площади поверхности шарового ■ пояса приводит к простому отображению, сохраняющему площади ).
7°д. Центральная проекция полусферы на плоскость из центра сферы переводит кратчайшие линии сферы в кратчайшие линии плоскости.
Искомый остаток является многочленом степени не выше первой, т. е. имеет вид 次+尻 Допустим, что задача решена и что частное д(х) от деления найдено. Тогда
靖+犷十…(%3—1) q (х)4~йх+^；
полагая здесь %=1 и х=—1 , получим два уравнения с двумя неизвестными а иЬ:7=a+仇一7=一叶 氏
Отсюда 方=0, а=7, следовательно, искомый остаток есть 7х.
То, что все показатели 3, 5, 7, ...»17, 19 в пашем примере являются простыми числами, может вызвать какую-то реакцию, но в действительности это обстоятельство никакого отношения к существу дела не имеет； если заменить эти показатели любыми другими семью нечетными положительными числами, то результат не изменится. Это ясно видно после того, как задача нами решена. Однако до ее решения это обстоятельство не хочется считать случайным — и оно может натолкнуть на совершенно нелепые предположения ).
1°.加2. 2°.吟
4
Дополнительные замечания 6—11, 13——24, 27——29 пояснений не требуют.
Глава 15
«Найти фигуру заданного периметра, имеющую наибольшую площадь》,一 это так называемая «изопериметрическая задача», ее можно ставить для различных классов фигур. Вот несколько ссылок： “
Треугольники: МПР, стр. 161, упр. 16;
Прямоугольники: HSI, стр. 100—102 (И учите свою догадку!);
Четырехугольники: МПР, стр. 168, упр. 41;
Многоугольники с данным числом сторон: МПР, стр. 208;
Плоские фигуры: МПР, стр. 198—214.
Ознакомиться с некоторыми идеями Якоба Штейнера и связанными с ними физическими задачами можно по книге Modern Mathematics for the Engineer, изд. E. F. Beckenbach, вторая серия, New York, 1961, стр： 420—441 *).'
Симметрия относительно а, b я с; проверка с помощью соображений размерности.
(Ср. Стэнфорд, 1964.)
1°. Два отрезка, на которые d делит с, пропорциональны прилежащим сторонам. Поэтому
(誥2adcos*,j…J町 cos!.
Исключив у, получаем:
ab [(0+ b)2一C2]
Если 炉+Ь2=絞，тоЕсли 炉+Ь2=絞，тоd bd b
Если 炉+Ь2=絞，то
Если 炉+Ь2=絞，то
d b
d b
справедливость этой пропорции ясна из подобия легко распознаваемых на чертеже треугольников (постройте их!).
Если a = bt то d2 = °2 —(多)•
Если a-^b—c, то d=0.
Расположенным над дугой точкам соответствуют остроугольные треугольники, расположенным под ней ——тупоугольные.
Центральная проекция поверхности многогранника на одну из его граней ①(«окно»); за центр проектирования можно принять любую точку вне многогранника, достаточно близкую к внутренним точкам «окна» 吼 Ср. МПР, стр. 75, упр. 7.
^j Гп=Г, ± Вп=В.
£"也=£孔%=2尸.。
Используйте упр. 6, упр. 7, определение из п. 2° § 6 и результат п. 8 § 6:
£(〃一2)Г" = 2Р —2/' = ££ = 2В—4.
Из упр. 7 и 6 следует:.
2Р=^пГп^З^Гп=ЗГ,
2P= £”в〃>з£в“ = зв.
В первой строке равенство имеет место тогда и только тогда, когда все грани являются треугольниками; во второй ——тогда и только тогда, когда из каждой вершины исходит по три ребра.
Первое доказательство. Лемму, сформулированную ниже, считайте известной, но все-таки позже докажите ее самостоятельно.
Лемма. Если некоторое множество величин можно разбить на неперекры- вающиеся подмножества так, что для каждого подмножества среднее значение величины меньше а, то среднее значение величин всего множества также меньше а.
Лемма остается справедливой, если отношение «меньше чем» (отношение <) заменить любым из отношений W, > или》.Применим эту лемму дважды, к пп. 1° и к 2°.
1°. Для n-угольной грани среднее значение (плоского) угла равно
(П——2)n(П——2)n
(П——2)n
(П——2)n
2°. Сумма плоских углов многогранника, сходящихся в одной вершине, всегда <2 я, а число их》3; поэтому среднее значение плоского угла для опреде
ленной вершины многогранника < —.
Второе доказательство. Согласно п. 6° § 6 и упр. 7 среднее значение плоского угла равно
н поэтому, в силу упр.н поэтому, в силу упр.Равенство достигается в случае, когдаРавенство достигается в случае, когда
н поэтому, в силу упр.
н поэтому, в силу упр.
Равенство достигается в случае, когда
Равенство достигается в случае, когда
все грани — треугольники.
С другой стороны, согласно теореме Эйлера (см. п. 8° § 6) имеем:
2nB — 4л _ лВ 2冗
2Р= 7У'
и поэтому, в силу упр. 9, £а 2л 2п
грани многоугольникаграни многоугольникаПервое доказательство. Среднее значение угла /г-угольной
грани многоугольника
грани многоугольника
здесь мы предполагаем, что п^б. Таким образом, если все грани имеют шесть „ли более сторон, то средиее значение плоского угла многогранника А ^,
что невозможно в силу упр. 10.
Второе доказательство. Согласно теореме Эйлера, упр. 9 и упр. 7 имеем：
12= 6Т —2尸+ 68 — 4PW
《6Т — 2Р =
=£(6 —
12<ЗГ3+2Г4+Г5;
таким образом, по крайней мере одно из трех чисел Г3, Г4 и Г5 должно быть положительным.
1°. Если существует хотя бы одна к-угольная грань, где п>3, то ее можно разбить диагоналями на п—2 треугольников, а после этого заменить п—2 (это число > 1) треугольными гранями, не меняя при этом числа В. Поэтому число Г может принимать наибольшее значение только в том случае, когда все Р граней ——треугольники.
2°. Согласно упр. 9, 2Р^ЗГ, причем равенство имеет место тогда и только тогда, когда т4=「5=... =0,厂=T3.
Таким образом,
T+8 =p+ 2书r+ 2,
В А } Г+2,
Г <2 (В —2) н
Р = Т + (8—2) w3(B — 2), причем равенство имеет место тогда и только тогда, когда все грани — треугольники.、
В силу аналогии оба решения упр. 12 (при соответствующей их интерпретации) применимы и в данном случае, что дает:
В《2(Т-2), Р£3(厂一2),
причем равенство достигается тогда и только тогда, когда из каждой вершины многогранника исходит по три ребра.,
Эти неравенства имеют интересные приложения. Так, например, второе из них можно следующим образом объединить с результатом упр. 9:
Р + 62 P
При Р = 6 это дает:
4<Г<4,
т. е. мы имеем случай тетраэдра. Однако при Р = 7
откуда следует, что Г не может быть целым числом. Таким образом, мы вынуждены прийти к выводу, что выпуклого многогранника с семью ребрами не существу ет,——факт, на который обратил внимание еще Эйлер.
“
1°. О43100,36
длятетра-гекса-окта-додека-икосаэдра
(правильный гексаэдр или шестигранник—это куб).
2°.п(п-З)01 + X，F).
' для n-угольной призмы n-угольной пирамиды n-угольной бипирамиды
(「—2)(Т —4)Г —5 厂+ 29Р—42Г + 8
3 8，2，8
при 孔=3,4,5;
случай п > 5 невозможен (см. упр. 11): при к = 6, 7, ... вопрос не имеет смысла.
4°. Выражая D через Гп (ср. упр. 7 и 8), получаем:
п (п—3) 2
F Л2 =
=1-
-；£ (2к — 3) (п—2)J》(п — 2) Г„
15.
1°
2°3°
£6 =
Зл
с
2"Т
£з =
2л
0л
Изменение обеих сумм, рассматриваемых в упр. 15, имеет одинаковый характер: во всех случаях изменение суммы £<о равно удвоенному изменению суммы ?6; кроме того,
2^6-2<0 =4л.
Справедливо ли это для любого тетраэдра *)?
Ср. упр. 20.
.18. Обобщите случаи 1° и 3° из упр. 15; по поводу результата— ср. упр. 20.
Ср. упр. 20.
20.
2£б-£з
Г 8
P
Тетраэдр
4л
4
4
6
Куб
8л
6
8
12
n-угольная пирамида
(2п — 2) л
п+1
汽十 1
2n
n-угольная призма
九十2
2n
3n
Двойная n-угольиая пирамида
(4п — 4) л
2n
孔+ 2
3n
Из трех величин В, Р а Г только Г монотонно возрастает с ростом разности
2乎卷⑪
2 乎一£<°= 2лГ — 4л.
Для доказательства ) выразите площадь части сферической . поверхности# вырезаемой гранями многогранного угла при данной вершине (телесный угол),
через двугранные углы при ребрах, исходящих из этой вершины. Вспомните, что площадь сферического треугольника с углами а, р и у равна «сферическому избытку» a-j 8+ Y —冗 )； выведите отсюда выражение для площади сферического многоугольника. Вы получите следующее выражение (используйте упр. 6 и 7)：
у(о = 2£5 — ^ л (п — 2) В„ = 2 2 §— 2 л (Р—В).
бот обычные (правильные) ответы: равносторонний треугольник, квадрат, правильный п-угольник.
Обыкновенно даются такие же ответы, как и к упр. 22 (они верны!).
Вот обычные ответы: правильный тетраэдр, правильный октаэдр, куб.
Вот обычные ответы: правильный тетраэдр, правильный октаэдр, куб.
Диагональ куба является одновременно диаметром шара. Поэтому, если а — ребро куба, то
(2炉=3仪2.
(Ср. КРЗ, стр. 17——25, основной пример из первой части.) Таким образом, искомый объем равен
38 М3?з
Обозначим через S площадь равностороннего треугольника со стороною г. Искомый объем равен .
2・6Sr 广一
Таким образом, для случая 8=8 представлявшийся нам вполне правдоподобным ответ к упр. 26 оказывается неверным. (Ответы же для случаев В = 4 и 8=6 правильны; что касается первого из них, то ср. МПР, стр. 161, упр. 17.)
Обозначим через Suh площадь и высоту грани октаэдра. Тогда йскомый объем (разбейте октаэдр на восемь тетраэдов) выразится в виде
Т7 8Sr 8r 部
В силу симметрии сфера касается всех граней октаэдра в их центрах. Таким образом, h является гипотенузой прямоугольного треугольника, вершина прямого угла которого совпадает с центром октаэдра и делится высотой этого тре
угольника (длины г) на два отрезка длин и —. Отсюда
九2九2
■з -T=r •
Исключая 儿 находим:
V=4/"3 А
Объем призмы равен
6-^= 2г = 4/ТU 3
Рассматривая случай Г = 8 в упр. 27, мы вряд ли этого' ожидали (наши ответы для случаев Г = 4 н Г = 6 в упр. 27 верны.)
ГВР
Куб6812
Правильнаяшестиугольнаябипирамида 12818
Правильныйоктаэдр8612
Правильнаяшестиугольнаяпризма81218
Сравним правильные многогранники и «побивающие» их («выигрывающие s соревновании с ними») неправильные. Конечно, онн равноправны в отношении заданного заранее числа элементов многогранника (В 一 в первой паре,尸——во второй), но зато в других отношениях неправильные многогранники устроены более сложно — имеют больше граней и ребер в первом случае и больше вершин и ребер во втором. Может ли это обстоятельство как-то объяснить замеченный нами пробел в Принципе Отсутствия Достаточных Оснований для предпочтения?
Тот, у которого все грани — треугольники (см. упр. 12).
Тот, у которого из каждой вершины исходит по три ребра (см. упр. 13).
Между кубом и октаэдром существует обратное отношение «двойственности»; в таком же отношении друг к другу находятся и «соперничающие» с ними неправильные многогранники (ср. МПР, стр. 74 и 75, упр. 3 и 4). Это позволяет высказать предположение о том, что решения задач, составляющих сод ер жание упр. 26 и 27, при одном и том же числе заданных элементов будут находиться в тех же (топологических) обратных отношениях друг к другу (ср. упр. ЗЯ и 34).
Обычно здесь даются те же ответы, что и в упр. 27, и общая ситуация здесь такая же: «естественный» ответ верен в случаях Г=4иГ = ©и неверен в случае Г = 8 (ср. МПР, стр. 219, упр. 42 *)).
(Стэнфорд, 1962.) Нам требуется найти точки пересечения двух равных эллипсов, симметричных друг другу относительно прямой х~ у. Вычитание уравнений дает х2 = у?. Из четырех точек пересечения
(6, 6), (-6, -6), (2, -2), (-2, 2)
две вполне отвечают Принципу Отсутствия Достаточных Оснований для предпочтения» а две — нет. (Ср. упр. 24 к гл. 6.)
После вычитания уравнений друг из друга получаем % = у?=炉.Из восьми решений:
(1； 1； 1), (—1； —1； —1),
(3; —3; —3), (—3; 3; 3), (—3; 3; •—3), (3; —3; 3), (—3; —3; 3), (3; 3;—3) лишь два соответствуют Принципу Отсутствия Достаточных Оснований для предпочтения.
(Стэнфорд, 1963.) Система имеет те же решения, что н в случае \np. 3& однако равенства %2 = у2 = гз здесь устанавливаются труднее.
См. упр. 43—56.
1°. Этим методом (путем проверки отдельных частных случаев) можно исследовать результат любой задачи, записанный «в буквенном виде»; см. п. 3° § 4 гл. 2; упр. 72 к гл. 2; КРЗ. Нельзя ли проверить результат? (ср. 112—113, п. 2°); МПР, стр. 249—251 (§ 2), стр. 258—260 (упр. 3—7); ср. также указанную в Библиографии статью [19] и т. д.
2°. Проверяя формулу на частных случаях, мы лучше с ней знакомимся, лучше разбираемся в ее «структуре». Более того, подобное обсуждение может служить иллюстрацией некоторых важных общих идей: можно, например, заметить, что одним из главных достоинств формулы являются ее общность и удобство для приложений. Далее, мы можем изучить процесс индуктивного правдоподобного рассуждения, т. е. процесс, с помощью которого оце-
нивается полезность общего утверждения на основе изучения его частных случаев. Я уверен, что учитель, пренебрегающий дискуссиями, подобными описанным в § 4, упускает отличную возможность сделать что-то полезное для умственного развития его учеников.
Каждая точка области, изображенной на рис. 47а, представляет собой треугольник какого-то определенного вида. (В книге Г. Полна и Г. С е г ё, Изопериметрические неравенства в математической физике, стр. 63 и стр. 66, имеются аналогичные фигуры, точки которых символизируют различного вида эллипсоиды и линзы.) Таким образом, рис. 47а может познакомить учащегося с одним из способов применения в науке чертежей, например, индикаторных диаграмм в термодинамике. Кроме того, рис. 47а дает возможность приобрести полезный опыт в геометрической интерпретации линейных неравенств.
Вот некоторые математические факты, которые можно получить, исследуя десятичные дроби.
Все три рассматриваемых типа десятичных дробей представляют собой рациональные числа', обратно, любое рациональное число можно записать в виде десятичной дроби одного из этих трех типов. Различие между этими типами определяется видом простых сомножителей в знаменателе рационального числа, изображаемого десятичной дробью: если все эти простые числа являются делителями 10, то десятичная дробь будет конечной; если ни одно из этих чисел не является делителем 10, то десятичная дробь будет чисто периодической; если среди этих простых чисел имеется хотя бы одно, являющееся делителем 10, и хотя бы одно, не являющееся делителем 10, то десятичная дробь будет смешанной периодической. [Говоря о данном знаменателе b рационального аисла-^, мы предполагаем, что дробь ~ несократима, т. е. что а и & не имеют других общих делителей, кроме 1, и что b^l. При этом мы игнорировали два очевидных случая: случай b= 1 (случай целых чисел) и случай бесконечных десятичных дробей, изображающих такие рациональные числа, которые могут быть представлены также с помощью конечных десятичных дробей. Ср. А. Нивен, Числа рациональные и иррациональные, «Мир», 1966, стр. 36—39 и 45—50.]
Длина периода десятичной дроби не зависит от числителя рационального числа.
Если знаменателем рациональной дроби служит простое число р, то длина периода является делителем р— 1. (Более общо: длина периода дроби, изображающей рациональное число со знаменателем Ь, есть делитель 屮(方)一числа целых положительных чисел, не превышающих b и взаимно простых с Ь. Что можно сказать о смешанных периодических дробях?)
Если знаменатель рациональной дроби — простое число, а длина периода — число четное, то каждая цифра из второй половины периода дополняет соответствующую цифру из первой половины периода до 9. (Например, для случая
у = 0,(142857).
имеем:
1+8=9, 4+5=9, 2+7=9.
Знакомство с этим обстоятельством может сберечь много времени при вычислении десятичных дробей).
Если знаменатель десятичной дроби не делится на 3, то сумма цифр периода делится на 9. Например, для случая
• 券= 0,(36585)
3+ 6+ 5+8+ 5=27.
Читателю будет полезно проверить эти утверждения еще и на других примерах. Их доказательство нетрудно, но оно требует некоторого знакомства с теорией чисел; пробудить интерес читателя к этой теории является одной из наших целей.
Наблюдение:
9Х 11=99, 27X37=999, 99Х 101=9999, 271X369-99 999.
Объяснение: Поэтому, в частности,
27Х 0,037037…=0,999999…=1.
Нас не должно смущать сопоставление мелких обстоятельств и фундаментальных фактов (parva согпропеге magnis): такое сопоставление может оказаться весьма поучительным. Сделанный нами шаг от «наблюдения» к «объяснению», от установления «закономерности» к установлению лежащего в ее основе《закона» ничтожно мал по масштабу в сравнении с шагом от Кеплера к Ньютону, но он родствен этому переходу по своему содержанию. (См. МПР, стр. 111.)
За исключением последнего утверждения (о сумме цифр в периоде), каждому результату упр. 45 соответствует параллельный результат, относящийся к двоичной системе счисления. Так, например, в двоичном разложении
у = (1001)
(длина периода равна 5—1) и■
1 + 0= 1,0+1=1.
Достоинства: свобода от трудоемкой вычислительной работы, попутная практика в обращении с десятичными дробями и в разложении на множители, Глубокий подтекст: связь с концепцией вещественного числа («а как обстоит дело с представлением в виде 二есятнчной дроби числа 匕 2 или числа л»); введение в теорию чисел. Повышение общего культурного уровня: широкие возможности для индуктивных умозаключений, вплоть до построения исчерпывающей теории, начинающейся с экспериментального базиса.
Обратите внимание на деталь: упр. 46 открывает на редкость изящную возможность подтверждения основанной на наблюдениях догадки посредством строгого доказательства и уяснения закономерности, лежащей в основе рассматриваемого вопроса *).
См. упр. 50.
На рис. 53а и 536 функция t (п) обозначает число точек, имеющих абсциссу п. Если п=1, 2, 4, 8, 16, то 土(м)=1.
Если к — простое нечетное число, то t (р)=2.
Даже после этих важных указаний (и после сравнения рис, 53а с рис. 536) все еще могут потребоваться продолжительное экспериментирование и некоторая проницательность, чтобы обнаружить правило:力(л) равно числу нечетных делителей числа п. Читателю рекомендуется доказать это правило. Он может извлечь пользу из следующих замечаний.
.*) Учение о периодических десятичных дробях как содержательный раздел теории чисел было разработано К. Ф. Гауссом, который в поисках «экспериментального» материала не остановился перед таким колоссальным трудом, как составление полной таблицы десятичных представлений 1000 рациональных чисел
1丄丄 丄
、У ' T'- looo
(некоторые из этих дробей имеют период длиной в несколько сотен цифр!).
1 . Трзпецеидальное представление, рассмотренное в упр. 50, эквивалентно равенству'
2п = г(г + 2а— 1).
2°. Из двух сомножителей 尸 и r+2a —1 один является четным, а второй нечетным, причем нечетный сомножитель должен быть делителем числа п.
3°. Меньшим из этих двух сомножителей является число рядов 尸. '
4°. Если п и г заданы, то а определяется единственным образом.
51. Мы пользуемся символом т(м) в смысле, который указан в упр. 13 к гл. 9. Правило различает следующие пять случаев:
1°. Если п нечетно и не является квадратом, то s ⑻=~^ •
2°. Если п нечетно и является квадратом, то
3°. Если п четно и не делится на 4, то
s(n)=0.
4®. Если п делится на 4 и не является квадратом, то
5°. Если п делится на 4 и является квадратом, то
Чтобы доказать это правило, заметьте, что
孔=(2а + 1) + (2а + 3) + ...+ (2。+2r — 1) — г (г + 2а).
Если л делится на 4, то (заметьте это!)
告=千(*+a)■
52. Сравним интересующий нас план исследования с планом, рассмотренным в упр. 48. В настоящем случае задача носит более искусственный характер, ее подтекст менее глубок, закон угадать труднее, зато доказательство, хотя и трудоемко, требует очень небольших предварительных сведений; мне лично кажется, что этот план заслуживает большого внимания.
Рис. 53а дает нам нетривиальный поучительный пример бинарного отношения между двумя величинами (между двумя целыми положительными числами лиг, где п — сумма г последовательных положительных целых чисел) и его графического представления. По поводу рис. 536, который изображает более широко известное и более важное отношение между двумя целыми числами, см. L е i bn i t z, Opuscules, стр. 580. Предварительное изучение этих диаграмм может принести1 большую пользу при введении общего понятия «бинарного отношения» *).
*) Бинарным отношением в некотором множестве М объектов называется любое .отношение, выделяющее пары объектов, про которые говорят, что они «связаны» этим отношением (примеры: отношение<в множестве чисел; отношение - 《мать — дочь» в множестве людей и т. Л,).
53. Искомые величины можно вычислить, не пользуясь явно интегральным исчислением (например, можно использовать принцип Кавальери или правило Гюльдена). Результаты собраны в следующей таблице:
БиконусШарЦилиндр2気а34л(73V2паЗ1：2：3S2|/"2 л 偿4fid6资我2МТ:2:342療ла24区2:n:4尸4 К"?仪2Л仪8а2 Н 2:4X/а4а丽仪УХл 2а2з .Хр 3ХрТа'厂一dVS"2耳5 =包~ daС dV' da昨而p一" daБиконусШарЦилиндр2気а34л(73V2паЗ1：2：3S2|/"2 л 偿4fid6资我2МТ:2:342療ла24区2:n:4尸4 К"?仪2Л仪8а2 Н 2:4X/а4а丽仪УХл 2а2з .Хр 3ХрТа'厂一dVS"2耳5 =包~ daС dV' da昨而p一" daобобщения результатов наблюдения надобобщения результатов наблюдения надвеличинойвеличинойПо поводу между прочим,По поводу между прочим,лл(которая(которая.. явилась следствием обсуждения в классе) см. статью Герриэтсаи автора' (С. G е г г i е t s and G. Polya, American Mathematical Monthly 66.. явилась следствием обсуждения в классе) см. статью Герриэтсаи автора' (С. G е г г i е t s and G. Polya, American Mathematical Monthly 66Рис. 60а. Глядя на ^ и О представьте себе 77 и Об.Рис. 60а. Глядя на ^ и О представьте себе 77 и Об.(1959), стр. 875—879).54. Формулировка задачи достаточно широка и это сделано намеренно: задачи «практического»(1959), стр. 875—879).54. Формулировка задачи достаточно широка и это сделано намеренно: задачи «практического»
Биконус
Шар
Цилиндр
2気а3
4л(73
V
2паЗ
1：2：3
S
2|/"2 л 偿
4fid
6资我2
МТ:2:3
4
2療
ла2
4区
2:n:4
尸
4 К"?仪
2Л仪
8а
2 Н 2:4
X/
а
4
а
丽仪
У
Хл 2
а
2
з .
Хр 3
Хр
Та
'厂一dV
S"2耳
5 =包
~ da
С dV
' da
昨而
p一" da
Биконус
Шар
Цилиндр
2気а3
4л(73
V
2паЗ
1：2：3
S
2|/"2 л 偿
4fid
6资我2
МТ:2:3
4
2療
ла2
4区
2:n:4
尸
4 К"?仪
2Л仪
8а
2 Н 2:4
X/
а
4
а
丽仪
У
Хл 2
а
2
з .
Хр 3
Хр
Та
'厂一dV
S"2耳
5 =包
~ da
С dV
' da
昨而
p一" da
обобщения результатов наблюдения над
обобщения результатов наблюдения над
величиной
величиной
По поводу между прочим,
По поводу между прочим,
л
л
(которая
(которая
.. явилась следствием обсуждения в классе) см. статью Герриэтса
и автора' (С. G е г г i е t s and G. Polya, American Mathematical Monthly 66
.. явилась следствием обсуждения в классе) см. статью Герриэтса
и автора' (С. G е г г i е t s and G. Polya, American Mathematical Monthly 66
Рис. 60а. Глядя на ^ и О представьте себе 77 и Об.
Рис. 60а. Глядя на ^ и О представьте себе 77 и Об.
(1959), стр. 875—879).
54. Формулировка задачи достаточно широка и это сделано намеренно: задачи «практического»
(1959), стр. 875—879).
54. Формулировка задачи достаточно широка и это сделано намеренно: задачи «практического»
содержания вначале могут ставиться несколько неопределенно. Я выделю несколько пунктов, заслуживающих специального обсуждения.
1°. Точки каждого из рассматриваемых множеств заполняют внутреннюю область и поверхность некоторого многогранника (рис. 60а——60в).
К — куб, его грани — квадраты.
О —— правильный октаэдр, его грани — равносторонние треугольники. (Ср. упр. 5 к гл. 5.)
В
К
6
8
12
О
8
6
12
〃
6 + 8
12
24
Об
12
8 + 6
24
口 ―■ пересечение многогранников К и О; его называют кубооктаэдром. У него 14 граней: 6 из них — квадраты, вырезанные из граней куба К, а 8 — равносторонние треугольники, вырезанные из граней октаэдра О.Об содержит как К, так и О; это наименьшее выпуклое множество, содержащее оба эти многогранника,— их выпуклая оболочка. Грани Об — ромбы; этот много-口 ―■ пересечение многогранников К и О; его называют кубооктаэдром. У него 14 граней: 6 из них — квадраты, вырезанные из граней куба К, а 8 — равносторонние треугольники, вырезанные из граней октаэдра О.Об содержит как К, так и О; это наименьшее выпуклое множество, содержащее оба эти многогранника,— их выпуклая оболочка. Грани Об — ромбы; этот много-гранник называется декаэдром.гранник называется декаэдром.ромбическим до-ромбическим до-Мы переходим от К к 〃，отрезая от К восемь одинаковых тетраэдров.Мы переходим от К к В, добавляя к К шесть одинаковых пирамид.2°. Вот вершины наших четырех многогранников:Мы переходим от К к 〃，отрезая от К восемь одинаковых тетраэдров.Мы переходим от К к В, добавляя к К шесть одинаковых пирамид.2°. Вот вершины наших четырех многогранников:К о 〃К о 〃ОбОб(±1$ ±L ±1)(±2, 0, 0) (0, ±2, 0) (0, 0, 士2)(0, 土 1, ±1) (±1, 0, ±1)(土 1, ±L 0)Вершины обоих многогранников К и-О.(±1$ ±L ±1)(±2, 0, 0) (0, ±2, 0) (0, 0, 士2)(0, 土 1, ±1) (±1, 0, ±1)(土 1, ±L 0)Вершины обоих многогранников К и-О.3°. Следующая таблица характеризует число граней (Г), вершин (В) и ребер (Р) каждого из наших многогранников:3°. Следующая таблица характеризует число граней (Г), вершин (В) и ребер (Р) каждого из наших многогранников:Рис. 60в.Рис. 60в.Выпуклая оболочка Об,Выпуклая оболочка Об,
口 ―■ пересечение многогранников К и О; его называют кубооктаэдром. У него 14 граней: 6 из них — квадраты, вырезанные из граней куба К, а 8 — равносторонние треугольники, вырезанные из граней октаэдра О.
Об содержит как К, так и О; это наименьшее выпуклое множество, содержащее оба эти многогранника,— их выпуклая оболочка. Грани Об — ромбы; этот много-
口 ―■ пересечение многогранников К и О; его называют кубооктаэдром. У него 14 граней: 6 из них — квадраты, вырезанные из граней куба К, а 8 — равносторонние треугольники, вырезанные из граней октаэдра О.
Об содержит как К, так и О; это наименьшее выпуклое множество, содержащее оба эти многогранника,— их выпуклая оболочка. Грани Об — ромбы; этот много-
гранник называется декаэдром.
гранник называется декаэдром.
ромбическим до-
ромбическим до-
Мы переходим от К к 〃，отрезая от К восемь одинаковых тетраэдров.
Мы переходим от К к В, добавляя к К шесть одинаковых пирамид.
2°. Вот вершины наших четырех многогранников:
Мы переходим от К к 〃，отрезая от К восемь одинаковых тетраэдров.
Мы переходим от К к В, добавляя к К шесть одинаковых пирамид.
2°. Вот вершины наших четырех многогранников:
К о 〃
К о 〃
Об
Об
(±1$ ±L ±1)
(±2, 0, 0) (0, ±2, 0) (0, 0, 士2)
(0, 土 1, ±1) (±1, 0, ±1)
(土 1, ±L 0)
Вершины обоих многогранников К и-О.
(±1$ ±L ±1)
(±2, 0, 0) (0, ±2, 0) (0, 0, 士2)
(0, 土 1, ±1) (±1, 0, ±1)
(土 1, ±L 0)
Вершины обоих многогранников К и-О.
3°. Следующая таблица характеризует число граней (Г), вершин (В) и ребер (Р) каждого из наших многогранников:
3°. Следующая таблица характеризует число граней (Г), вершин (В) и ребер (Р) каждого из наших многогранников:
Рис. 60в.
Рис. 60в.
Выпуклая оболочка Об,
Выпуклая оболочка Об,
4°. К, О и П вписаны в Об. Восемь из 14 вершин выпуклой оболочки Об являются вершинами куба К, а остальные шесть — вершинами октаэдра О； центры 12 граней выпуклой оболочки Об являются вершинами многогранника- /7.-
Каждое ребро куба ^ находится в определенном соответствии с некоторым ребром октаэдра О: они делят друг друга пополам; они являются диагоналями одной и той же грани оболочки Об; точка их пересечения есть вершина многогранника П.
5°. Все четыре многогранника обладают симметрией одного и того .же харак- тера; мы опишем ее на примере наиболее знакомого нам многогранника — куба ^.
У куба существуют плоскости симметрии двух различных типов: три плоскости параллельны парам противоположных граней куба и проходят между этими гранями; шесть плоскостей проходят через пары противоположных ребер. Все девять плоскостей симметрии проходят через центр куба К н рассе* кают К на 48 равных тетраэдров.
У , куба существуют оси симметрии трех различных типов (ср. HSI, упр. 8, стр. 235, 244-—245): шесть из них соединяют середины двух противоположных ребер К (каждая из этих осей является линией пересечения двух плоскостей симметрии); четыре соединяют две противоположные вершины К (каждая из зтнх осей является линией пересечения трех плоскостей симметрии); три соеди- няют центры двух противоположных граней К (каждая из этих осей является линией пересечения четырех плоскостей симметрии). Все 13 осей симметрии про- ходят через центр куба. Ось, которая является линией пересечения 厚 плоскостей симметрии, является «осью симметрии порядка п»: при повороте куба вокруг °360
зтои оси на угол ——ои переходит сам в себя.
Центр куба является его центром симметрии; через эту точку проходят все плоскости симметрии и все оси симметрии.
6°. Два варианта разбиения пространства, о которых трактует упр. 55 к гл. 2, связаны с многогранниками К и Об. В первом варианте каждая сфера вписана в куб и эти кубы заполняют все пространство без пробелов и двойных перекрытий. Во втором варианте каждая сфера вписана в ромбический додекаэдр и эти ромбические додекаэдры также заполняют все пространство без пустот и перекрытий. ,7°. Чтобы вычислить объем V многогранников П и Об, можно с успехом
начать с куба. Если многогранник описан около сферы, то V и S тесно связаны между собой:
К
5 = 24,
卜=耳• 1 • S = 8,
0
S=16pT,
3 к 3
32
п
S=12 + 4pT,
卜号，
Об
5 = 24旷1\
卜=工 pT s=i6.
8°. Этот пример может служить хорошей иллюстрацией при введении нескольких общих понятий: решения системы линейных неравенств, пересечения и выпуклой оболочки выпуклых тел, пространственной симметрии и т. д.
Несколько более специальных вопросов: Существуют ли другие пары многогранников, связанные между собой подобно кубу и октаэдру? Другие многогранники, которыми можно заполнить пространство? И т. д.
При n= 1, 2, 3,...
(匕受—1严=m而，
где т — целое положительное число, определенным образом зависящее от ". Докажите это (что нетрудно!) при помощи метода математической индукции Т).
Пусть а, b и D — целые положительные числа, D — не точный квадрат и 02—62。= 1；
например,。= 2, b = 1,0 = 3. Пусть п — целое положительное число; тогда существуют целые положительные числа Л и В такие, что
(a — bVD)n=A — BVD.
Отсюда следует, что
.(a + bV'~D)n = A + BV~D ,
、A2 — B2D = (a + by"D^(a—bV~D)n =
=(л2 — b2D)n = 1 и что
(a — bVD)n= К 炉—KBW =
=M 炉—J0 — 1 .
Нужны совсем небольшие изменения, чтобы подобным же образом обобщить результаты упр. 55 или слить его с настоящим упражнением в один вопрос *).
Дополнительные замечания 24, 25, 40, 41, 57 и 58 пояснений не хребуют.
В См. American Mathematical Monthly 58(1951), стр. 566. [См. также задачу 180 из названной в Библиографии книги [31], 1.— Прим. редД
Ср. с гл. V раздела 2 указанной в Библиографии книги Е. Б. Д ы н к и н и В. А. Успенский [39].
ПРИ ЛОЖЕНИЕ
из ПРЕДИСЛОВИЯ К КНИГЕ Г. ПОЛНА И Г. СЕГЕ «ЗАДАЧИ И ТЕОРЕМЫ ИЗ АНАЛИЗА» )
Что значит преподавать? 一 Это значит систематически побуждать учащихся ^ собственным открытиям.
Спенсер.
В математической литературе (во французской еще больше, чем в немецкой) имеется много, частью прекрасных и богатых по материалу сборников задач, упражнений, повторительных курсов и т. п. Как нам кажется, настоящая книга от них всех отличается своей целью, материалом, его расположением, а также методом работы над ней, как мы его мыслим. Все эти моменты нуждаются поэтому в пояснении.
Главнейшей целью этой книги является приобщение лиц, достаточно продвинувшихся в изучении математики, к самостоятельному мышлению и исследованию в некоторых важных областях анализа путем решения систематически расположенных задач. Она должна служить для самодеятельного, активного изучения как в руках учащихся, так и преподавателей. Учащийся может пользоваться этой книгой либо для углубления материала, полученного при самостоятельном чтении или на лекциях, либо независимо от ннх, полностью прорабатывая отдельные ее части. Преподаватель может использовать ее для подготовки упражнений или семинарских занятий.
Настоящая книга отнюдь не представляет собой простого собрания задач. Главное заключается в расположении материала: оно должно побуждать читателя к самостоятельной работе и прививать ему целесообразные навыки математического мышления. Мы потратили на достижение возможно более эффектив* ного расположения материала гораздо больше времени, старания и скрупулезной работы, чем это на первый взгляд могло бы показаться необходимым.
Сообщение ряда новых сведений интересовало нас само по себе лишь во вторую очередь. В первую очередь мы желали бы способствовать выработке у читателя правильных установок, известной дисциплины мышления, что при изучении математики необходимо еще в большей мере, чем при изучении других наук.
Нам не известны какие бы то ни было《regulae cogitandi》(правила мышления), которые точно предписывали бы мышлению наиболее целесообразные пути. Если бы подобные правила и были возможны, вряд ли они были бы очень полезны. Наилучшие правила мышления нельзя получить как-то извне, их нужно выработать так, чтобы они вошли в плоть и в кровь и действовали с силой инстинкта. Поэтому для развития мышления действительно полезным является только его упражнение. Самостоятельное решение трудных и интересных задач больше даст читателю, чем приводимые нами ниже афоризмы, однако для начала и они будут небесполезны.
Мы пытаемся все осмыслить: отдельные факты — сопоставлением с родственными фактами, новое — приведением в связь со старым, непривычное — по аналогии с обычным, частное — путем обобщения, общее — надлежащим специа-
лизированием, сложное — разложением на отдельные части, единичное — восхождением к общему.
Есть нечто общее в ориентировании в городе и в какой-нибудь научной области: нужно из каждого заданного пункта суметь достичь любого другого. Еще лучше ориентируется тот, кто может сразу же выбрать наиболее удобный или быстрый путь. Тот же, кто очень хорошо ориентируется, сможет выполнять и более сложные и своеобразные задания, например предпринять путешествие, заранее исключив как запретные некоторые обычно используемые пути,— это имеет месго, например, в некоторых аксиоматических исследованиях.
Есть нечто общее в построении полного и связного знания из разрозненных сведений и стены из необтесанных камней: каждое новое сведение, как и каждый новый камень, нужно рассмотреть со всех сторон, приложить к разным местам, прежде чем новое не найдет себе наиболее подходящего места в наличном, так чтобы соприкасающаяся поверхность была как можно большей, пробелы ——как можно меньшими и целое было возведено прочно.
Прямая определяется двумя точками. Но и многие новые теоремы возникают путем некоторой прямолинейной «интерполяции» из двух крайних частных случаев. Прямая определяется также заданием точки и направления. Точно так же и новые теоремы часто возникают в результате счастливого стечения направления работы и отдельного впечатляющего частного случая. Проведение параллелей также является излюбленным методом создания новых теорем.
Идея, примененная однажды, порождает искусственный прием, примененная дважды, она становится методом.
При доказательствах, основанных на методе полной индукции, доказываемое и допущенное прямо пропорциональны: они относятся, как п + 1 к п. Поэтому расширение доказываемого может быть выгодным: оно расширяет допущенное. Да и вообще иной раз бывает легче доказать общее утверждение, чем частное: именно в формулировании более общего положения кроется главный успех, выделение существенного, пол ное понимание существа дела.
«Qui nimium probat, nihil probat» (кто слишком много доказывает— ничего не доказывает). Каждое доказательство нужно взять под подозрение: все ли предположения в нем действительно использованы? Нельзя ли получить тот же результат при меньшем числе предположений; либо при тех же предположениях получить более сильный результат? Пусть лишь тогда наступит успокоение, когда противоположный пример покажет, что границы возможного достигнуты!
Одиако не нужно забывать, что существуют обобщения двух родов: малоценные и полноценные. Первые — обобщения путем разрежения, другие — путем сгущения. Разредить — значит, наболтав воды, изготовить жиденькую похлебку, сгустить ——значит составить полезный, питательный экстракт. Соединение понятий, мало связанных друг с другом для обычного представления, в одно объемлющее есть сгущение; так сгущает, например, теория групп рассуждения, которые прежде, будучи рассеянными в алгебре, теории чисел, геометрии, анализе, выглядели совершенно различными. Привести примеры обобщения путем разрежения было бы еще легче, но мы не хотим наживать себе врагов.
Не всякий материал подходит для задач. Сборник, в котором были бы исчерпывающе представлены все важнейшие области анализа, был бы по необходимости чересчур большим и неудобоваримым. Конечно, выбор можно произвести различными способами. Мы отдали наибольшее предпочтение центральной области современного анализа — теории функций комплексного переменного. Тем самым мы оказались несколько в стороне от столбовой дороги, которой придерживаются обычные курсы лекций, учебники и сборники задач. Caeteris paribus (при прочих равных условиях) мы предпочли те области, которые ближе нашим персональным научным интересам. Мы включили задачи и из труднейших и притом находящихся
в стадии быстрого развития областей, которые до сих пор совсем не были представлены в сборниках задач и почти совсем 一 в учебной литературе. Подробнее на это укажет оглавление. Отдельные главы могут представить интерес и для специалистов. Однако мы нигде не стремились достичь полноты монографии, поскольку выбор материала был подчинен нашей основной цели ■— расположению^ 8 наибольшей степени возбуждающем у работу мысли. '
По происхождению материал очень разнообразен. Мы черпали его и из классического достояния математики, и из мемуаров последних лет; кроме того, мы собрали задачи, частью уже опубликованные в различных журналах, частью устно сообщенные нам авторами. Весь этот материал мы применительной нашим целям расширили, переработали и значительно дополнили. Кроме того, в форме задач здесь впервые опубликовываются некоторые наши собственные результаты. Мы надеемся, что и знаток найдет кое-что новое. '
Весь материал разделен на две части... Каждая часть содержит в своей первой половине задачи, во второй ——их решения. Среди задач, особенно в начале отдельных глав, вкраплены также некоторые пояснения, имеющие целью напомнить необходимые общие понятия и теоремы. Задачи часто снабжены указаниями. Решения изложены по возможности кратко, в конспективном стиле, тривиальные заключения опущены; однако при серьезном размышлении над задачей они должны быть вполне ясны. В исключительных случаях набрасываются лишь основные черты доказательства и читатель отсылается к литературе. Иногда тут же прн решении указываются возможные расширения, новые применения, а также не разрешенные еще вопросы. .
Отделы распадаются на главы, последние в свою очередь — на параграфы... Перед пояснением или же новым циклом задач оставлены небольшие пробелы.
Расположение задач внутри главы и параграфа является тем моментом, который отличает настоящую книгу от всех известных нам аналогичных работ еще больше, чем выбор материала. Упражнения в узком смысле, предназначенные для пояснения новых теорем и понятий на подходяще подобранных примерах, занимают относительно небольшое место. Обособленные задачи редки, Задачи объединены большей частью в длинные ряды, охватывающие, как правило, целый параграф; их органическое построение было предметом нашей наибольшей заботы.
Задачи можно группировать по различным признакам: по трудности, по применяемым средствам, по методу, по результату. Ни одному из этих признаков мы не отдали особого предпочтения; в различных случаях мы придерживаемся различных принципов расположения материала, так чтобы оно отражало все перипетии самостоятельного исследования. Один параграф посвящен, например, некоторому методу; вначале этот метод вкратце поясняется, затем применяется к решению как можно более разнообразных задач н при этом сам все более уточняется и совершенствуется. В другом параграфе аналогично поступлено с какой- нибудь теоремой; вначале эта теорема формулируется (и доказывается, если это можно сделать быстро и легко), затем следуют самые разнообразные частные случаи и применения этой теоремы. Третьи параграфы построены в «восходящем» порядке: общая теорема появляется лишь после ряда предпосылаемых ей частных случаев и отдельных кратких замечаний, подводящих вплотную к ее формулировке или же подготовляющих ее доказательство. Местами сложные и трудные доказательства разложены в длинный ряд задач; каждая отдельная задача содержит какую-нибудь лемму, либо самостоятельную часть доказательства, либо новое освещение предмета; в совокупности эти задачи составляют ряд переходных ступеней, по которым читатель поднимается, наконец, к доказательству гребуемои теоремы. В некоторых параграфах (содержащих «смешанные задачи») материал расположен без тесной взаимной связи; здесь приведены либо применения предшествующих теорем к более трудным случаям, либо отдельные задачи, представляющие самостоятельный интерес.
Кое-где четыре следующие одна за другой задачи образуют «пропорцию» в том смысле, что четвертая находится в таком же отношении к третьей, в каком вторая —к первой (обобщение, обращение, применение). Некоторые параграфы посвящены обстоятельному проведению и анализу аналогий. Они содержат задачи из двух параллельных областей, расположенные парами, по одной задаче из каждой, и образующие, так сказать, «непрерывную пропорцию». Этот тип расположения, казалось нам, может натолкнуть читателя на наиболее плодотворные размышления.
К этой книге можно подходить с разными требованиями: искать в ней задачи для самостоятельного решения, либо материал для упражнений студентов, либо материал для чтения. Во всех этих случаях ею можно пользоваться с довольно большой свободой.
Для понимания первой главы того или иного отдела требуется большей частью относительно небольшой запас предварительных сведений. Различные отделы, если и не вполне, то во всяком случае в значительной степени независимы друг от друга; точно так же и различные части одного и того же отдела часто очень слабо связаны между собой, так что при работе над ними вовсе не требуется точно придерживаться порядка их следования.
Читатель, желающий решать задачи, должен принимать во внимание не только, что спрашивается, но и как и где. А^ногне задачи, которые, будучи предложены изолированно, были бы неприступны и для подготовленных математиков, здесь окружены задачами подготовительного и пояснительного характера и преподнесены в такой связи, что без особого труда могут быть осилены при некоторой настойчивости самостоятельно...
Кому решение не дается сразу, тот пусть не огорчается; пусть он вспомнит, что «сократов метод обучения» вовсе не состоит в натаскивании на быстрые ответы. Если и повторные попытки остались тщетными, то читатель с тем большим вниманием прочтет решение, приведенное во второй половине тома, извлечет подлинную суть дела, и эта суть уложится в его памяти прочным приобретением-
Цюрих и Берлин, октябрь 1924 г.
БИБЛИОГРАФИЯ
Классики
Евклид, Начала, т. 1—3, Гостехиздат1948—1950,
Pappus Alexandrinus, Collectio, Berlin, 1877； см. т. 2, стр. 634— 637 (начало книги VII).
R. Descartes, Oeuvres, редакторы Charles Adam и Paul Tannery, Paris, 1897——1910. [Для нас представляет особый интерес его работа «Правила для руководства ума》. Замечания об этой работе и разъяснения по поводу ссылок на нее даются на стр. 80 (Дополнительное замечание 81 к гл. 2).] См. также русское издание; Р. Декарт, Избранные произведения, Госполитиздат, 1950.'
G. W. Leibnitz (или Leibniz)
Mathematische Schriften, Berlin, 1880. См. также： Избранные отрывки из Математических сочинений Лейбница, Успехи матем. наук 3, № 1 (1948) стр. 165—204.
Philosophische Schriften, Berlin, 1849—1863.、
Opuscules et fragments inedits, собранные Louis Couturat.
Bernard Bolzano, Wissenschaftslehre, Leipzig, 1930; cm. t. 3, стр. 293— 575 (Erfindungskunst).
Более современная литература
Е. Mach, Erkenntnis und Irrtum, Leipzig, 1924, см. стр. 251—274 и ^р. места.
Ж- А д а м а р, Элементарная геометрия, ч. I, Учпедгиз, 1957, Прибавление А, О методах, применяемых в геометрии, стр. 244—262.
F. К г a u s s, Denkform mathematischer Beweisfiihrung, Zeitschrift furmathe- matischen und natiirwissenshaftlichen Unterricht 63 (1931), стр. 209—222.
W. Hartkopf, Die structurformen der Probleme, Диссертация, Berlin 1958.'
И. Л а к а т о ш (или Лакатос), Доказательства и опровер^ения) «Наука», 1967.'
[И] F. D е n k, W. Hartkopf, G. Polya, Heuristik, Der Matheniatikun- terricht 10 (1964), ч. 1.
Другие работы автора родственного содержания
Книги
Задачи и теоремы из анализа, тт. 1—2, Гостехиздат, 1956 (совместно с 、Г. Сеге). [На титульном листе книги указаны авторы: Г, Поли а и Г. Сеге.] [13 Как решать задачу, Учпедгиз, 1959. (Цитируется как КРЗ. ПереВод сде.
лан с принстонского издания 1945 г. Издания последующих лет немного расширены; 2-е изд.— G. Polya, Howto Solve It? Anchor Book, А93^_цити. руется как HSI)..
Математика и правдоподобные рассуждения, ИЛ, 1957. (Цитируется как МПР.)
Mathematical Methods in Science, Лекции, изданные Боуденом (Leon Bowden, School Mathematics Study, Group Studies in Mathematics, т. XI, Stanford, 1963; mimeographed.)
Статьи
Geometrische Darstellung einer Gedankenkette, Schweizerische Padagogische Zeitschrift, 1919.
Wie sucht man die Losung mathematischer Aufgaben? Zeitschrift fur mathema- tischen und naturwissenschaftlichen Unterricht 63 (1932), стр. 159—169.
Wie sucht man die Losung mathematischer Aufgaben? Acta Psychologies 4 (1938), стр. 113-170.
Die Mathematik als Schale des plausiblen Schliessens, Gymnasium Helveti- cum 10 (1956), стр. 4—8； перепечатано в журнале Archimedes 8 (1956), стр. 111—114; англ, перевод Mathematics as a subject for learning plausible reasoning, The Mathematics Teacher 52 (1959), стр. 7—9.
On picture-writing, American Mathematical Monthly 63 (1956), стр. 689— 697.
L'Heuristique est-elle un sujet d*etude raisonable? La Methode dans les Sciences Modernes («Travial et Methode», numero hors serie), 1958, стр. 279—285.
On the curriculum for prospective high scool teachers, American Mathematical Monthly 65 (1958), стр. 101—104.
Ten Commandements for Teachers, Journal of Education of the Faculty and College of Education, Vancouver and Victoria, № 3 (1959), стр. 61—69.
Heuristic reasoning in the Theory of numbers, American Mathematical Monthly 66 (1959), стр. 375—384.
Teaching of Mathematics in Switzerland, American Mathematical Monthly 67 (I960), стр. 907—914; The Mathematics Teacher 53 (I960), стр. 552—558.
The minimum fraction of the popular vote that can elect the President of the United States, The Mathematics Teacher 54 (1961), стр. 130—133.
The Teaching of Mathematics and the Biogenetic Law., The Scientist Speculates, изд. IJ. Good, 1962, стр. 352—356.
On Learning, Teaching and Learning Teaching, American Mathematical Monthly 70 (1963), стр. 605—619.
[29*] L^nseignement par les problems, Enseignement mathematique 13 (1967/1968) № 3, стр. 233—241.
(См. также статьи, приведенные в библиографии МПР, стр. 527—528.)
Г. Задачи
Stanford University Competitive Examination Mathematics; большинство этих задач (некоторые с решениями) были опубликованы в бюллетене The California Mathematics Council Bulletin.
Некоторые задачи, включенные в настоящую книгу в качестве материала для упражнений, взяты из сборника конкурсных экзаменационных задач по математике, предлагавшихся в Стэнфордском университете (Стэнфорд, Калифорния). Это обстоятельство отмечается в начале решения задачи; одновременно указывается и год, в котором предлагалась данная задача (например, «Стэнфорд, 1957》).
Д. О. Шклярский, Н. Н. Ченцов, И. М. Я г л о м, Избранные задачи и теоремы элементарной математики.
1. Избранные задачи и теоремы элементарной математики. Арифметика и алгебра,《Наука》，1965.
2*. Избранные задачи и теоремы планиметрии,《Наука》，1967,
3*. Избранные задачи и теоремы элементарной математики, ч. 3, Геометрия (стереометрия), Гостехиздат, 1954..
4*. Геометрические неравенства и задачи на максимум и минимум, «Наука», 1970.■
5*. Геометрические оценки и задачи из комбинаторной геометрии (готовится к печати).
Книга содержит много оригинальных и достаточно трудных задач по элементарной математике, предлагавшихся в школьном математическом кружке при Московском университете и на олимпиадах.
Hungarian Problem Book, New Mathematical Library, кн. 11—12, New York, 1963.
Эта книга в оригинале изданная в Венгрии, содержит интересные задачи по элементарной математике с подробными решениями, полезные методические указания и замечания о математических состязаниях (Eotvos Competitions, 1884—1928), которые явились важным вкладом в развитие математического образования в Венгрии:
] Е. А. М о р о з о в а, И. С. П е т р а к о в. Международные математические олимпиады, «Просвещение», 1968.
] А. А. Леман (сост.), Сборник задач московских математических олимпиад, «Просвещение», 1965.
[35*] Г. Штейнгауз, Сто задач, Физматгиз, 1959.
Книги серии «Б иблиотечк а физико-матемагической школы»
] Е. Б. Ды н к и н, С. А. Молчанов, А. Л. Розенталь, А. К・ То л- п ы г о, Математические задачи《Наука》，1965.
J Е. Б. Д ы н к и н, С. А. Молчанов, А. Л. Розенталь, Математические соревнования (арифметика и алгебра), «Наука», 1970.
] Н. Б. Васильев и В. Л. Г утенмахер, Прямые и кривые, «Наука» 1970.
Книги серии «Библиотека математического круж- к а» (см, также [31])
] Е. Б. Д ы н к и и и В. А. Успенский, Математические беседы, Гостехиздат, 1952.
] И. М. Я г л ом и В. Г. Болтянский, Выпуклые фигуры, ' Гостехиздат, 1951.
Д. О преподавании
On the Mathematics Curriculum of the high School *) (меморандум, ' подписанный 65 лицами), American Mathematical Monthly 69 (1962), стр. 189—193; The Mathematics Teacher 55 (1962), стр. 191—195.
M. Wagenschein, Exemplarisches Lehren im Mathematikunterricht, Der Mathematikunterricht 8 (1962), ч. 4.
A. I. Wittenberg, Bildung und Mathematik, Stuttgart, 1963.
A. L Wittenberg, S о eur Sainte-Jeanne-de-Fran- c e, and F. L e m a y, Redecouvrir les mathematiques, Neuchatel, 1963.
R・ D u b i s c h, The Teaching of Mathematics, New York, 1963. Книга содержит многочисленные и подробные ссылки на современную английскую литературу.
*) Термином《High School» («Высшая школа») в США называют два старших класса средней школы.
Настоящий указатель включает, помимо ссылок на данную книгу, ссылки на избранные параллельные места из других родственных по содержанию работ автора, а именно на книги:
《Как решать задачу^ (обозначается К),
《How to Solve 7b (обозначается Н), Математика и правдоподобные рассуждениям (обозначается М).
Числа указывают страницы.
Несколько фраз напечатаны курсивом с целью подчеркнуть их значение, которое отмечается в главе 12.
Ссылка на такие понятия, как: «Аналогия», «Догадка», «Индукция», «Неизвестное», «Обобщение» и т. п.,— понятия, которые встречаются во всех трех книгах фактически повсеместно,— не являются (и, естественно, не могут быть) исчерпывйощими.
Абель (Abel N. Н.) 399
Абстракция 81
Адамар (Hadamard J.) 10, 126, 140, 319, 446-
Алгебраический язык см. Язык алгебры
Анализ см. Метод продвижения от начала к концу
Аналогия 224, 236, 272, 315, 343; К 44—51; М 32—41, 44—49, 254—258, 274—275; см. также Обобщение, специализация и аналогия
—.биномиальные коэффициенты и коэффициенты многочлена 115—116
—,планиметрия и стереометрия 35—— 37, 75—76, 110-111, 272, 297; К 45— 50; Н 235; М 33—34, 45—46
—,теорема Герона 69, 70
—,—Пифагора58—59,69—70;
К 17—29
—,треугольники Паскаля и Лейбница 116—118
Архимед (Archimedes) 63, 68, 81, 126, 215, 357; К 45; М 183—187, 196—197
Бернулли Яков (Bernoulli Jacob), 102
Блестящая мысль 37—38, 46—47, 85— 90, 237—244; К 51—58
«Бог из машины» (Deus ex machina) 89, 311; М 409—412
Больцано (Bolzano В.) 446; К 53.
Буриданов осел 356
Вагенштейн (Wagenschein М.) 314, 448
Валлис (Wallis J.) 120
Вейль (Weyl Н.) 319
Взгляд вперед 83
Виттенберг (Wittenberg А.) 315, 448
Внутренняя помощь, внешняя помощь 328—330; К 30—31
Все ли -данные вами использованы (все условие, вся предпосылка)? 39, 130, 267—269; К 63—65; М 419—421, 427—429
Вспомогательная задача 40—41, 219— 236, 283; К 65—71
более результативная, менее ре・ зульт^тивная 222—224; К 70—71
косвенная 224—225
эквивалентная 220—222; К 67— 70
Вспомогательные сведения см. Дополнительные сведения
Галилей (Galilei Galileo) 137, 314;
М 26, 225—226,
Гаусс (Gauss К- F.) 85; М 81
Генетический принцип 325—326
Геометрическое место 26—27, 160; см. также Метод двух геометрических мест, Метод трех геометрических МЁСТ”
Герона теорема 339—342
Гибкость 218
Гоббс (Hobbes Т.) 209, 227
Головоломки 64—65, 70, 1$6—170, 173—175, 179; К 79—81
—,кроссворд158—160,166—167,
177—178, 216—217, 244, 422; К 164
Гольдбах (Goldbach Ch.) 147; М 24 Гюльдена правило 438
Дан кер (Duncker К.) 249, 252, 257;
К 185
Данные 25, 145—147, 155, 262; К 83;- см. также: Как. можно использовать подобные данные или предпосылку? Неизвестное, данные, условие. Что дано?
—,изменение 33, 55, 130; К 56—59
—,нельзя ли извлечь что-нибудь полезное из данных^ 31, 213—214; К 152
—,при помощи каких данных, можно определить подобное неизвестное^ 271—272
Данте (Dante А.) 237; М 198
«Дар небес» 89, 311; К 74; М 411—412
Декарт (Descartes R.) 23, 45—46, 80, 82 , 83, 141, 156, 184, 261—262, 318, 446; К 81； М 264, 405
—о многогранниках 347; М 78—80
—,«Правила для руководства ума» 45, 50—52, 80—83, 318
Джеймс (James W.) 143; К 185 -
Догадка 58—59, 70, 106, 121, 123, 263, 294, 315, 336—352; Мем. в разных местах; см. также Обобщение, Индукция
—,проверьте вашу догадку 350, 363;
К 93—97
Доказательства (процедура чередования) 234
Дополнительные сведения 53, 63, 81, 266—267, 368; К 149—151
Евклид (Euclid) 25, 145, 150, 155, 196, 271,、446; М 34
Если вы не в состоянии решить предложенную задачу см. Задача
Задача 143—144
—вспомогательная см. Вспомогательная задача
—,главные части147—148, 281;
К 83—84
—,если вы не в состоянии решить предложенную задачу 33, 95, 186;
К 82
—,известна ли вам ' какая-нибудь родственная задача? 264; К 91
— на доказательство 145, 147—148;
К 84—85
нахождение 145—147; 160; К 83 Задача, предположим, что задача
почти решена М 155
—,—,решена 29—32, 34, 38, 51, 70; К 75—76, 153—155
—,разделенная на части 81
—,разнообразие подходов 102, 111, 138
—,решенная частично 28, 31, 34, 64, 70; К 161
—родственная 187, 265; К 82
н более простая 95
решенная ранее 138, 228;
К 61—63
——с тем же или родственным неизвестным 228—229, 267, 271, 282; К 166— 171
—,формулировка 127—129, 294, 297
—эквивалентная 26, 152, 220—222;
К 67—70
Заключение 148, 262; К 84
—,каким образом можно доказать требуемое утверждение? 210, 217
Знания, относящиеся к рассматриваемому вопросу см. Дополнительные сведения
Известна лн вам какая-нибудь родственная задача? см. Задача
Индукция 119—120, 336—352, 393;
К 92—98; М см. в разных местах
—,исследуйте и объясняйте закономерности 122, 338, 399—400, 436; Н 271; М 111 — 114
—,проверка (на частных случаях, следствиях) 120, 121, 339—342, 346— 347; К 111—113
—,фундаментальный метод индукции (эвристический силлогизм) К 157, 185—189; М 247—249 н в других местах, см, также Обобщение, наблюдайте и обобщайте
Инерция мысли 88
Интерпретация задачи 54, 59 механическая М 175—177 оптическая М 171—175 повторная М 177—183 «Исторический» разбор примера см. Методический разбор примера
Кавальери (Cavalieri В.) 172, 425, 438 Как можно использовать подобные дан* ные или предпосылку? 213, 271; К 152, 199—200; см, также Данные, нельзя ли извлечь что-нибудь полезное W3 данных?
Как можно получить подобный объект (неизвестное, заключение)? 59, 60, 138, 188, 189, 213—214, 264, 271; см・ также Задача с тем же илн родственным неизвестным, Теорема с тем же или родственным заключением
Кант (Kant I.) 286, 291
Кейнес (Keynes J. М.) 355
Кеплер (Kepler J.) 314, 436; М 31, 227—230
Кёлер (Kohler W.) 219; К 185
Ключ к решению 30—32, 34, 36, 37— 38, 266, 271; К 194
Ключевая фигура 377
Контрпример 232—234; К 189—191
Краусс (Krauss F.) 446; К 185 Кроссворд см. Головоломки Кэррол (Carroll Lewis) 65
Лагранж (Lagrange J. L.) 132, 405 Лекатош (Lacatos I.) 235, 319, 446 Лейбниц (Leibnitz G. W.) 13, 70, 111, 116—117, 119, 133, 153, 156, 178, 233, 245, 246, 286, 361, 446; К 98— 99; M 50
Левнер (Loevner Ch.) 336
Линдеман (Lindemann F.) 154
Лихтенберг (Lichtenberg G.) 244, 286, 290
Льюнс Кэррол см. Кэррол
Марнотт (Mariotte) 245
Математическая индукция см. Метод математической индукции
Математический язык см. Язык алгебры
Max (Mach Е.) 446
Метафоры 184
Метод вспомогательных фигур 37—38;
К 71—75
—двух геометрических мест 26—29, 38, 40, 160-167
—Декарта 45—46, 50—52, 156—160;
К 157, 185—187
— или результат см, результат или метод
—математической индукции 100—102, 110
—неопределенных коэффициентов
—подобия 32—33; К 31—33
——последовательных приближений 49
—продвижения от конца к началу 197—199, 205—208, 213—215, 228; К 152—157; Н 225—232
Метод продвижения от начала к концу 191, 200, 213—215
—рекурсии 92—93, 171—175
—суперпозиции 132—134, 135, 140
—трех геометрических мест 41
Методический разбор примера 14, 32
Мечтания, см. Сладкое мечтанье
Мобилизация н организация 81—82, 249—250, 258; К 149
,диаграмма (как мы думаем) 253
Мышление продуктивное, творческое мышление 274
Неизвестное 25, 145, 262; К 83—84; см. также Что неизвестной Смотрите на неизвестное}
—вспомогательное 55, 191; К 71
—,данные, условие 27, 30, 33—44, 50, 145—146, 153, 261—262, 280—281; К 84—85, 153
—как можно найти такое неизвестное! 59, 60, 138, 188—190, 213— 214, 264, 271; К 166—171
—многокомпонентное (многоэлементное) 149
—процедурное 126
Нельзя ли сформулировать задачу иначе^ 200—201, 269—270, К 114—115, 124
Ньютон (Newton I.) 70—74, 78, 120— 121, 246, 275, 398, 436; М 45, 111
Обобщение 72, 77, 87, 90, 105, 109, 111, 112, 116, 139, 140, 315—316, 345—346, 386; К 114—115; М 31—36, 41—43 и в других местах
—,буквы вместо чисел 48, 69, 371;
К 115
—и специализация 235—236
—,наблюдайте и обобщайте 103, 1 И, 338—339, 344—346; Н 237; М 143— 145
—,преимущества общей формулировки 95
—,специализация и аналогия 236, 265, 315; М 31—36
Определение 266, 268; К 122—128
Организация см. Мобилизация и организация
Осуществление плана (оформление решения) 190—191, 214—215, К 128— 132
Папп (Pappus) 32, 446; К 132—138
Паскаль (Pascal В.) 93, 97—108, 117, 387
Пифагора теорема см. Аналогия
План решения задачи см. Метод продвижения от конца к началу и Метод продвижения от начала к концу
Подход к задаче см. Задача, разнообразие подходов
Последовательные приближения 49
Правила 275—276, 284
—,как делать открытия 275—285;
К 141
—правдоподобных рассуждений М 367—370
—предпочтения 272—280, 284
— преподавания 292—295
Правило Симпсона см. Симпсона правило
Предположение см. . Догадка
—и факт 363
Предпосылка (условие) 148
—для вывода такого заключения 271
—и заключение см. Условие и заключение
Призматоид, формула объема 138— 140
Принцип Отсутствия Достаточных Оснований 354—357; М 217—219
Программа 208—209, 211—212
Продвижение от конца к началу см. Метод продвижения от конца к началу
начала к концу см. Метод продвижения от начала к концу
Промежуточная задача см. Вспомогательная задача
Пэн (Paine Т.) 244-
Работа изнутри, работа извне 258
Рассуждение см. Строгость рассуждений
Редукция 27—29
—двусторонняя (обращаемая, эквивалентная) 220—221; К 68
—односторонняя 222—224; К 70—71
Результат нлн метод 109, 125, 135, 402;
К 66—67
Рекуррентная формула 100, 116, 401;
М 118—119, 128, 129—131
Ретроспективное обсуждение 294;
К 106—114, 128—132
Решение 146, 154—155; К 197; см. также Существует лн решение? Ретроспективное обсуждение
—,взгляд назад 41; К 24—25
—,существование и единственность 146
Сегё (Szego G.) 439, 446
Симметрия 183, 211, 354—357, 370
418; К 180—181; М 219—220*
Симпсона правило 140
Синтез см. Метод продвижения от конца к началу
Сладкое мечтанье 29
Смотрите на неизвестное} 273, 282;
К 166—167; см. также Задача с тем же или родственным неизвестным Со^^товский метод (диалог) 290, 292, Составление уравнений см. Метод Декарта
Специализация 315; К 189—194; М 32; см. также Обобщение, специализация и аналогия
—,ведущий частный случай 134, 140: М 43—44
——,юэнкретная интерпретация К 194—
——,крайний частный случай К 191— 194; М 42—43
——,особенно благоприятный частный случай 131—132
—,следующий частный случай 91
——，частный случай ——представитель 105, 389; М 44
——,,эквивалентный общему слу
чаю 106; М 44—45
Спиноза (Spinoza В.) 327
Строгость рассуждений 317—321
Существует ли решение? 141; К 60—61;
см. также Условие, достаточное (или недостаточное) условие для нахождения неизвестного
Теорема (предложение) 147—148
—более сильная (возможная основа) 230; М 265—266
слабая (следствие) 230—231; М 247—253
—,доказательство и опровержение 148, 321; К 84—85
——с тем же самым или родственным заключением 229, 267, 271, 282— 283; К 167
Условие 26, 146—147, 156—160, 229— 230, 262; К 195-196, 198—199; см. также Неизвестное, данные, условие
—,выраженное прн помощи уравнений, см. Метод Декарта
—достаточное (илн недостаточное) для нахождения неизвестного 40, 65—
78—79, 81—82, 178—179; К 60— 61; М 232—234
Условие, лишние данные 67—68; М 221—223, 232—234
—,полное использование условия см. Все ли данные вами использованы?
—(предпосылка) и заключение 148, 153, 155, 229, 262, 280—281; К 84—85
—,пункт, с которого следует начинать, 167—171, 181—183
—,пункты 26, 149—150
——，разбейте условие на части 27, 28, 41, 51, 156—160, 180
—,сохраните только часть условия 26, 39, 57, 177, 230; К 164—165
—,узловой пункт 170
Факт н предположение 363
Фейеш Тот (Fejes Tot L.) 75, 358
Фибоначчи (Fibonacci L.) 74
—числа 113, 137
Франс (France А.) 335
Харткопф (Hartkopf W.) 18, 331
Хильгард (Hilgard Е.) 287
Цермело (Zermelo Е.) 334, 335
Часть подсказывает целое 256—257, 342
Что дано? 186, 261—262; К 199—200; см. также Неизвестное, данные, условие, Условие (предпосылка) и заключение
— неизвестно (что требуется1^ 185, 186, 227, 261—262; К 153—154, 199— 200
Шоу (Shaw В.) 326
Шур (Schur I.) 336
Эйлер (Euler, L.) 70—71, 73, 347—348;
М 21, 28, 37—41, 50—55, 116—128, 132—133, 148, 246—249, 352.
—о многогранниках 347; М 56—65, 74—80
Эйнштейн (Einstein А.) 289
Эрмит (Hermite Ch.) -336
Язык алгебраический 47, 270, 315;
К 115—122
—геометрических фигур 270, 315— 316
Deus ex machina, см. Бог из машины. Reduction ad absurdum К 169—172
Имя выдающегося математика и педагога Дж. Пой а '1) хорошо известно специалистам-математикам по многочисленным (и весьма разнообразным по тематике) научным работам, а также по (совместным с Г. Г. Харди, Дж. Литтльвудом и Г. Сегё) монографиям «Неравенства» и «Изопериметрические неравенства в математической физике», переведенным также и на русский язык 2). Однако наибольшей популярностью в среде любителей математики пользуются его двухтомные «Задачи и теоремы из анализа》[12] 3) (совместно с Г. Сегё), а также более поздние по времени написания книги «Как решать задачу» [13] и «Математика и правдоподобные рассуждения» [14]; все эти сочинения тесно связаны с «Математическим открытием», в связи с чем о них здесь следует сказать подробнее.
Я боюсь, что в настоящее время, столь богатое книгами по математике, рассчитанными на разные категории читателей, написанные более 45 лет назад «Задачи и теоремы из анализа» несколько утратили в глазах начинающих математиков свой былой блеск: их тематика кое-кому может показаться устаревшей (как будто может устареть классический анализ!), а форма ——во всяком случае не поражающей воображение (ибо влияние книги [12] на всю последующую литературу привело к появлению и других сборников задач, построенных по тому же плану, ни один из которых, впрочем, нельзя сравнить с основополагающей книгой [12] по широте охвата материала и тщательности исполнения). Однако лет 30 тому назад эта книга не имела конкурентов — и кто знает, скольких ученых породил этот задачник, где отдельные группы задач своей последовательностью и внутренними связями имитировали научное исследование, так что работа над ними вполне могла служить трамплином в область самостоятельного творчества.
Книга [12] доказала серьезный интерес ее авторов к сущности процесса научно-исследовательской работы ——и устойчивость этого интереса Дж. Пойа доказал появившимися в послевоенные годы книгами [13] и [14]. В русской и мировой литературе имеется немало книг по методике математики, книг, посвященных процессу преподавания. Гораздо более редкими являются сочинения
Дж. Пойа родился в Венгрии в 1888 г.; в предвоенные годы он работал в Швейцарии, Англии и Германии, а в последние десятилетия ——в Америке, куда переехал, когда над Европой сгустились тучи фашистского мракобесия. В нашей литературе этот математик известен как Георг Полна (немецкий вариант его имени и фамилии) и Дьердь Пойа (венгерский вариант); в последние годы его имя чаще всего транскрибируется как Джордж (американский вариант), а фамилия —— как Пойа или Пойя (впрочем, в переводе указанной в Библиографии книги И. Ла- катоша, или Лакатоса, он назван Георгом Полья).
Г. Г. Харди, Дж. Е. Литтльвуд и Г. Полна, Неравенства, ИЛ, 1948; Г. П о л и а и Г. С е г ё, Изопериметрические неравенства в математической физике, Физматгиз, 1962.
Числа в квадратных скобках отсылают читателя к списку литературы на стр. 445—447.
по методолосии математики в узком понимании этого термина, т. е. книги, анализирующие процесс математического творчества: ведь написать такую книгу способен лишь большой ученый — а ученого, как правило, больше интересуют сами новые теоремы, чем вопрос о том, как он к ним пришел 】).И во всей мировой общенаучной и математической литературе можно указать лишь весьма мало книг, сопоставимых с сочинениями [13] и [14J; особенно хочется обратить внимание читателей на книгу [14], равных которой по тонкости анализа и увлекательности изложения сыскать нелегко.
Сходный характер имеет и настоящая книга. «Математическое открытие» — этими словами Дж. Пойа характеризует получение любого (сколь угодно скромного!) математического результата, например, просто решение задачи — также в первую очередь посвящено методологии математики, вопросу о том, как возникают новые математические идеи; с этой точки зрения центральной в книге, видимо, надо считать гл. 7, содержащую анализ самого процесса решения задачи (процесса «математического открытия»). Однако в противоположность ранее упомянутым книгам, в этом сочинении, в значительной части адресованном учителям математики и «учителям учителей» (методистам и преподавателям педагогических учебных заведений), немало места занимают и прямые методические рекомендации (особенно частые в трех заключительных главах книги); это связано с тем, что процесс решения задач автор анализирует в неразрывной связи с процессом обучения решению задач, так что здесь тесно увязаны два вопроса: «Как это решить?» 2) и 《Как научить это решать?». Последнее обстоятельство делает книгу ценным пособием для учителя математики в средней школе и для преподавателя педагогического института. Учитывая интересы преподавателей средних школ, Дж. Пойа в этой книге (в противоположность, скажем, «Математике и правдоподобным рассуждениям» или, тем более, «Задачам и теоремам из анализа》) основное внимание уделяет задачам школьного уровня, отклоняясь в область «высшей математики» лишь в редких эпизодах (выделяемых с помощью специальной системы обозначений), пропуск которых не отразится на понимании всего остального содержания книги. Наряду с этим «Математическое открытие» очень хочется рекомендовать студентам-математикам младших курсов, увлекающимся математикой школьникам-старшеклассникам и вообще всем любителям нашей древней н мудрой науки.
Специально следует сказать о сопровождающих каждую главу Упражнениях и дополнительных замечаниях. Следуя автору, мы печатаем эти разделы книги мелким шрифтом (система, сознательно не выдержанная в русском издании книги [14J); таким образом, петитом напечатано больше половины всего объема книги. Хочется только подчеркнуть, что употребление мел кого шрифта в этом случае отнюдь не преследует своей целью призыв считать напечатанный петитом текст второстепенным и могущим быть опущенным — оно лишь подчеркивает членение всего объема книги на две разные по характеру (но равноправные по важности!) части. ЕСЛИ ВЫ ХОТИТЕ НАУЧИТЬСЯ ПЛАВАТЬ, ТО СМЕЛО ВХОДИТЕ В ВОДУ, А ЕСЛИ ХОТИТЕ НАУЧИТЬСЯ РЕШАТЬ ЗАДАЧИ, ТО РЕШАЙТЕ ИХ — этот совет автора (см. стр. 13) хочется особенно подчеркнуть: никакие
Пожалуй, единственными известными автору настоящих строк книгами, посвященными процессу математического творчества, являются «Наука и метод» Анри Пуанкаре (русский перевод — Одесса, «Матезис», 1910; ср. также А. Пуанкаре, «Наука и гипотеза», Спб., «Слово», 1906) и «Психология математического творчества» Жака А д а м а р a (J. Hadamar d, Ап Essay on the Psychology of Invention in the Mathematical Field, Princeton, 1945); однако эти книги (авторами которых, кстати сказать, являются выдающиеся ученые) по характеру сильно отличаются от книг Пойа (например тем, что они совсем не преследуют учебных целей).
How to Solve It?——так называется в оригинале книга 113].
рассуждения и теории не помогут вам так, как собственный опыт, и одна самостоятельно решенная задача даст больше двадцати других, решение которых вы узнали от друзей или прочитали в книге. По-настоящему овладеть изложенными здесь идеями можно лишь перерешав большую часть собранных в книге задач (которые опытный преподаватель Пойа перемежает замечаниями общего характера или просто анекдотами 】)——опасность задремать за книгой читателю не угрожает!), после чего можно перейти к другим сочинениям по математике, например к книгам [12] и [14] автора.
Скажем еще несколько слов о лежащей перед вами книге. В английском оригинале она вышла в свет двумя отдельными томами в 1962 и 1965 гг.; в 1968 г. второй том был переиздан с незначительными исправлениями и с Дополнением (Appendix), содержащим 35 новых задач, которые в переводе, следуя желанию автора, размещены на подходящих местах в тексте всех 15 глав. В настоящем издании исправлены также немногочисленные опечатки и мелкие ошибки английского издания, часть которых была указана нам автором, н учтены некоторые другие предложения Дж. Пойа, которого мне приятно поблагодарить за внимание к русскому изданию его книги. Наконец, нами несколько пополнен список рекомендуемой литературы (в основном в части, где перечисляются несколько сборников задач; номера добавленных книг и статей помечены звездочками); кроме того, в книгу включено Предисловие к знаменитому сочинению [12] автора и Г. Сегё и кое-где добавлены немногочисленные подстрочные примечания переводчика и редактора, отмеченные звездочками в отлнчие от нумерованных сносок автора. Второстепенные н часто очевидные отступления от авторского текста (замена указываемых автором книг их русскими переводами, ссылки на русский язык вместо английского или замена фигурирующего в гл. 6 кроссворда другим, составленным по той же схеме и сохраняющим шутливый стиль автора, но включающим русские, а не английские слова) обычно не оговариваются; заметим только, что к их числу относятся также немногочисленные замены и пропуски в тех местах, где автор слишком явно апеллирует к опыту американской средней и высшей школы (например, ссылается на наглядные пособия, незнакомые русскому читателю). Для понимания некоторых мест книги следует еще отметить, что американская средняя школа насчитывает 12 классов — от 1-го до 12-го,— в течение которых учащиеся изучают курс математики, по объему довольно близкий к тому, который проходят школьники в нашей стране (точное сопоставление затрудняется тем, что американская школа не знает общеобязательной программы и стабильных учебников и что даже в пределах одной школы или одного класса учащиеся могут по собственному желанию выбирать разные наборы учебных предметов).
В заключение мне хочется прибавить несколько слов более личного характера. Называя в своей книге составленный прн участии автора настоящих строк сборник задач [31], Дж. Пойа указывает присвоенное этой книге американскими переводчиками название «The USSR Olympiad Problem Book» (буквально 一 «Советская Олимпиадная Заданная Книга»), видимо, не подозревая, что русское ее название «Избранные задачи и теоремы элементарной математики» не случайно близко к названию перевода книги [12], причем прилагательное «избранные》
1) Напомним, что в оставшихся после смерти выдающегося немецкого математика и крупного педагога Карла Вейерштрасса (1815——1897) записях читанных им лекций, составленных самим автором с присущими немецким ученым пол нотой и аккуратностью, изложение в ряде мест прерывалось краткой пометкой: «Hier ein Spitz» («здесь — анекдот»).
было прибавлено составителями после некоторой дискуссии специально для того, чтобы не копировать слишком дословно название сборника Г. Полна и Г. Сегё (это казалось нам непозволительной дерзостью). Мы всегда будем считать Дж. Пойа и Г. Сегё своими учителями, во многом определившими наши взгляды на преподавание математики. И я всегда буду хранить присланный мне автором экземпляр «Математического открытия» с шутливой дарственной надписью «от брата по оружию», ибо хорошо отдаю себе отчет в том, какую роль сыграли «Задачи н теоремы из анализа» в сложившемся под их непосредственным влиянием моем мировоззрении преподавателя математики. Хочется верить, что и влияние книг《Как решать задачу», «Математика и правдоподобные рассуждения», «Математическое открытие» на новое поколение математиков-педагогов будет не меньшим того, которое имела в 30-х и 40-х годах старая и вечно молодая книга [12] замечательных ученых и преподавателей Г. Полна (Дж. Пойа) и Г. Сегё.
И. М. ^глом Москва, январь 1869
*) Ср. Д. И. Перепелкин, Геометрические построения в средней школе (Учпедгиз, 1963; эта брошюра имеет ряд точек соприкосновения с содержанием настоящей главы), а также В. Г. Болтянский, И. М. Я г л о м, Преобразования. Векторы («Просвещение», 1964), Приложение к части 1 (стр. 178—183).
1) Правило ХШ, стр. 137.
1) Ср. J.R. Newman. The World of Mathematics, т. 1, стр. 519—524. [Ср. подстрочное примечание 2) на стр. 72.——Прим, ред.]
1) На нынешней ступени развития математики мы знаем, что на х необходимо
*) В настоящее время «почти решена» задача доказательства теоремы о том, что каждое нечетное число представляет собой сумму трех (нечетных) простых чисел (см., например, указанную на стр. 42 книгу: Р. Курант и Г. Роббинс, Что такое математика?, стр. 56); однако к проблеме Гольдбаха в ее первоначальной постановке не видно до сих пор никаких перспективных подходов.
[Следует отметить, что «естественная форма» задачи на доказательство, т. е. простая связь между ее условием и заключением, вовсе еще не гарантирует принципиальную разрешимость задачи, т. е. возможность доказать или опровергнуть заключение, исходя единственно из данных задачи.
夫 Классический пример этого доставляет прославленная «континуум-гипотеза Кантора» (Георг Кантор (1845—1918)——знаменитый - немецкий математик, создатель так называемой «теории множеств»), которую можно сформулировать так: если мощность некоторого множества М не меньше мощности множества всех натуральных чисел и не больше мощности множества всех действительных чисел, то она совпадает с одной из этих двух мощностей-». Эта гипотеза по вызываемому ею интересу и количеству попыток доказать или опровергнуть ее в течение долгого времени вполне могла конкурировать с гипотезой Гольдбаха; однако в 1966 г. американский математик Поль Коэн доказал неразрешимость
1) Существуют математические предложения, которые не могут быть естественным образом разбиты на условие и заключение; см. КРЗ, стр. 84——Задачи на нахождение, задачи на доказательство, п° 4. Вот одно предложение такого рода: «В десятичном представлении числа л имеется девять последовательных девяток». Доказательство или опровержение этого предложения представляет собой определенную математическую задачу, которая в настоящий момент кажется безнадежно трудной. «Один глупец может найти больше вопросов, чем дюжина мудрецов ——ответов на них».
2) Гоббс, Левиафан, Соцэкгиз, 1936, гл. Ill, стр. 48.
*) Ср, ниже, стр. 442: примененная единожды идея ——это искусственный прием, примененная дважды и трижды, она становится методом.
1) Хотите дальнейших подробностей? Прочтите всю эту книгу целиком!
*) Парадигматическое обучение — обучение на образцах.— Прим, перев.
1) Ср. A. I. W i 11 е n b е г g [43], стр. 168—253 и в других местах.
2) Ср. М. Wagenschein [42], стр. 29—38.
*) См. по этому поводу превосходную книгу： И. Л а к а т о ш [10] (рецензия на эту книгу была опубликована в журнале «Математика в школе》, 1969, № 2, стр. 90—92).
工)Декарт, Правила для руководства ума, Избранные произведения, стр. 84.
1) Важное исследование природы доказательств, хорошо иллюстрированное примерами, содержится в книге И. Лакатоша [10] (см. библиографию в конце книги).
*) Жак А д а м а р (1865—1963) — один из крупнейших французских математиков конца XIX и первой половины XX века, автор основополагающих работ в области теории чисел и математического анализа и, одновременно, фундаментального курса геометрии для средней школы, переведенного и на русский язык (см. [7]).
3) Беглое замечание, выражающее сходное мнение, принадлежит Г. Вейлю (см. Н. Weyl, Philosophy of Mathematics and natural science, Princeton, 1950, стр. 19). [Герман Вейль (1885——1955)—— один из крупнейших математиков XX века, автор многочисленных работ во всех, буквально, областях математики и математической физики, живо интересовавшийся вопросами философии и методологии науки.— Прим, ред.]
1) Descartes, Oeuvres (см. [3]), т. X, стр. 265—269.
1) См. КРЗ, стр. 180—181 (симметрия) и дополнительное замечание 13 к гл. 5 (терминология).
Джордж Пойа
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОТКРЫТИЕРешение задач: основные понятия, изучение и преподаваниеОГЛАВЛЕНИЕ
От редактора9
Из предисловия автора13
Советы и указания19
Советы учителям и учителям учителей20