![](/user_photo/_userpic.png)
книги из ГПНТБ / Чистяков В.Д. Старинные задачи по элементарной математике
.pdf■274
Р е ш е н и е г е о м е т р и ч е с к о е . На полупериметре р рассматриваемых прямоугольников, как на диа метре, построим полуокружность (рис. 57). Далее диа метр разделим на два отрезка х и р — х и в точке деления к диаметру восставим перпендикуляр. Тогда его
|
длина |
численно будет равна j / S , так |
||
|
как должно выполняться равенство |
|||
|
|
|
(р — х)х = S. |
|
РИ С . 57 |
Ясно, |
что |
5 достигнет |
максимума, |
если |
длина |
указанного |
перпендику |
|
|
ляра будет равна радиусу, |
т. е. при |
с _Д1
6- т г -
аэто возможно тогда, когда
р — х — х или х = ~y ,
т. е. когда данный прямоугольник будет квадратом.
Автором рассмотренной задачи является виднейший англий ский математик Джон Валлис (1616— 1703) — профессор Окс фордского университета, составитель многих трактатов по мате матике. Валлис занимался вопросами научного обоснования гео метрии как дедуктивной науки, вытекающей из ранее предпослан ных аксиом. В частности, ему принадлежит оригинальная попытка доказать аксиому параллельности и свести ее таким образом в разряд теорем. Это ему удалось сделать путем введения другой аксиомы, которая известна под названием «аксиомы Валлиса»: для всякой фигуры существует подобная ей фигура любых размеров
ЗЛПМ++ЛЯ- €ВРОПЛ
275
219.Обозначим точки пересечения противополож
ных сторон А В и DE, ВС и EF, CD и /М |
соответ |
||||||||
ственно точками L, М, N. |
Требуется |
доказать, |
что |
||||||
точки L, М, N лежат на одной прямой (прямой Пас |
|||||||||
каля). Соединим |
А и С, А и Е |
|
|
|
F |
|
|||
прямыми. На чертеже (рис. |
58) |
|
|
|
|
|
|||
они обозначены пунктирной |
ли |
|
|
|
|
|
|||
нией. Опишем вокруг треуголь |
|
|
|
|
|
||||
ников ACN, ЕСМ, AEL окруж |
|
|
|
|
|
||||
ности. Обозначим через Р точ |
|
|
|
|
|
||||
ку |
пересечения |
первых |
двух |
|
|
|
|
|
|
окружностей, отличную от точ |
|
|
|
|
|
||||
ки С. Докажем, |
что третья ок |
|
|
|
|
|
|||
ружность также |
проходит через |
|
|
|
ZA PE = |
||||
точку Р. Для этого достаточно доказать, |
что |
||||||||
= Z.ALE. Докажем |
это. |
|
|
|
|
|
|
||
' Z АРЕ = Z АРС + Z CPE = |
^ DEF~ ^ ABC + |
||||||||
+ |
kj FAB — w CDE |
w EF — '-и CD -)- |
FA — |
ВС |
|
||||
2 |
г~ |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
w EFA — w BCD |
Z ALE. |
|
|
|
||||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Докажем теперь, что точки М, N |
и |
Р лежат |
на |
|||||
одной прямой. Для |
этого |
докажем, что |
Z СРМ |
|
|||||
+ |
CPN = 180°: |
|
|
|
|
|
|
FABC. |
|
|
Z СРМ = 180° — Z СЕМ = |
Z CEF |
= |
w |
|
||||
|
|
2 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
■270
Z CPM + Z CPN = |
' FABC , <j CEF |
|
|
FABCEF |
180°. |
|
Аналогично докажем, что точки L, Р и М лежат также на одной прямой. Для этого докажем, что
ZEPM + ZEPL = 180°:
Z ЕРМ = Z ЕСМ = 180° — Z ВСЕ =
= 180°— 'и Е^ АВ-
Z |
= |
180° — Z ВАЕ = 180° |
^ BCDE |
|||
2 |
||||||
|
|
|
|
|
||
|
Z ЕРМ + Z EPL= 180° |
|
■EFAB |
|||
|
|
+ |
||||
+ |
180° |
- BCDE |
= 360° |
■BCDEFAB |
||
|
|
2 |
^ |
|
2 |
= 360° — 180°= 180°.
Итак, точки М, Р, N лежат на одной прямой, точ ки Ь; Р, М лежат тоже на одной прямой. Следова тельно, точки М, L, N лежат на одной прямой, что и требовалось доказать.
Блез Паскаль (1623— 1662) — французский математик, физик и философ. Математический талант проявился уже в детские годы. В юности открыл для себя первые теоремы планиметрии. Среди придуманных им фигур были треугольники, параллелограм мы, круги, пирамиды и т. д.
Задача Паскаля, решение которой рассмотрено выше, состав ляет частный случай более общей задачи — теоремы Паскаля, ко торую можно сформулировать так: «Во всяком шестиугольнике,
ЗЛГИД +Ь*» €ВРОПЛ
277.
вписанном в коническое сечение (окружность, эллипс, гипербола, парабола, пара прямых), точки пересечения противоположных сторон лежат на одной прямой». Паскаль эту теорему доказал в возрасте 16 лет, сначала для окружности (задача Паскаля), а за тем сделал заключение о правильности ее для любого коническо го сечения, исходя из того, что такое сечение может быть полу чено из окружности путем проектирования и сечения. Свои от крытия, сделанные до 1639 г., Паскаль опубликовал в 1640 г. в первом своем трактате «Опыт теории конических сечений», пред ставляющем афишу размером 4 7 x 3 9 см.
Теорема Паскаля является одной из основных теорем со временной проективной геометрии, изучающей самые общие свой ства фигур, остающиеся неизменными при произвольных цент ральных проектированиях и сечениях. Биографы Паскаля утвер ждают, и это совершенно правильно, что уже одной этой теоре мы было бы вполне достаточно, чтобы имя Паскаля стало известно всему миру как имя первоклассного ученого-математика.
Паскаль имеет в области |
математики и другие весьма |
важ |
|||||||||||
ные открытия. Так, в трактате |
«О характере |
делимости |
чисел» |
||||||||||
сформулирован общий признак делимости целых чисел на другое |
|||||||||||||
целое |
число, |
основанный на |
подсчете |
суммы |
цифр |
делимого. |
|||||||
В «Трактате об арифметическом |
треугольнике» приведен |
способ |
|||||||||||
вычисления биномиальных коэффициентов и |
сформулирован |
ряд |
|||||||||||
законов теории вероятностей, причем |
доказательства даны |
мето |
|||||||||||
дом математической |
индукции, |
методом, |
который здесь |
впервые |
|||||||||
в науке был |
четко сформулирован и применен |
при |
доказатель |
||||||||||
стве теорем и решении задач. |
В своих |
геометрических |
работах |
||||||||||
на вычисление площадей и объемов |
Паскаль |
подготовил |
почву |
||||||||||
для открытия дифференциального и интегрального исчисления. |
|||||||||||||
220. |
|
Рассмотрим |
следующие |
предельные |
случаи |
||||||||
задачи Паскаля. |
|
|
вершины |
шестиугольника, |
|||||||||
I |
с л у ч а й . Пусть две |
||||||||||||
вписанного |
в |
окружность, |
совмещаются, |
тогда |
|||||||||
сторона, |
принадлежащая |
|
этим |
вершинам, |
превра |
||||||||
щается |
в |
касательную (рис. |
59,а). |
В |
этом |
случае |
10 В. Д. Чистяков
'278
имеет место следующее утверждение: во всяком пяти угольнике, вписанном в окружность, точки пересече ния двух пар несмежных сторон и точка пересечения пятой стороны с касательной в противоположной вер шине лежат на одной прямой.
II с л у ч а й . Аналогично четырехугольник, вписан ный в окружность, будем рассматривать как шести-
ЗЛПЛ4-Н-** €ВРОПД
27£.
угольник, у которого две вершины совмещены. В этом случае выполняется предложение: во всяком четырех угольнике, вписанном в окружность, две пары проти воположных сторон и одна пара касательных в про тивоположных вершинах пересекаются в трех точках, расположенных на одной прямой (рис. 59, б).
Проводя касательные во всех вершинах четырех угольника, легко доказать предложение: во всяком че тырехугольнике, вписанном в окружность, две пары противоположных сторон и две пары касательных в противоположных вершинах пересекаются в четырех точках, расположенных на одной прямой (рис. 59, в).
III с л у ч а й . Наконец, будем считать треугольник, вписанный в окружность, шестиугольником, у которо го все вершины двойные (попарно совмещенные). То гда выполняется предложение: во всяком треугольни
ке, |
вписанном в окружность, три точки пересечения |
|||||
его сторон с касательными в противоположных верши |
||||||
нах лежат |
на одной прямой (рис. 59, г). |
|
||||
|
221. |
Сформулированная выше задача взята из трак |
||||
тата Паскаля, носящего название |
«Особенности дели |
|||||
мости чисел». |
|
|
|
|
||
|
Паскаль решает эту задачу при помощи следую |
|||||
щих рассуждений. Пусть, говорит он, при делении 10 |
||||||
на |
число |
А получается |
остаток |
гъ при делении 10rt |
||
на |
А — остаток |
г2, при |
делении |
10г2 на |
А — остаток |
|
г3 |
и т. д. |
Если |
данное число; например |
четырехзнач |
ное, будет иметь вид MCDU, где М, С, D, U ,— циф ры тысяч, сотен, десятков и единиц, то общий приз нак делимости этого числа на А следующий.
10*
СВ |
'280 |
Если U + Dr1+ |
Cr2-f Мг3 делится на А (кр. А), |
||
то на А делится и |
число |
MCDU. |
|
В самом деле, пусть |
|
|
|
|
Ю = A qi + |
г-i, |
|
|
10/-J = |
Aq2 + |
г2 , |
10г2 = A Q3 -Т г3.
Тогда
U -f- Dri -f- Cr2 ~4—Л1/*з = U jD (10 — Aqi) -f- C (10/"i —
—Aq2) + M(\0r2 — Aq3) = U + 10D + 10C (10 —
—Aq^) + 10M(10rj. — Aq2) — кр. A — U -f- 10D -f
+ 100C + 100Л1 (10 — AqJ — кр.A = U + 10D -f- + 100C+ 1 000А1 — кр. A.
Что и нужно было установить!
222.Решается задача при помощи следующих рас-
суждений: ~ |
+ -g- + ~y — -Ц- |
составляет 26 000. |
|
Отсюда |
составляет 2000. Следовательно, первый |
||
даст |
12 000, |
второй — 8000 и третий — 6000 ливров. |
|
Данная задача взята из сборника задач француз |
|||
ского |
математика Жака Озанама |
(1640— 1717) — со |
|
ставителя четырехтомного пособия |
«Курс математики». |
З Л П € В Р О П Д
281
223. |
у* — 3 |
а2у2 + |
3а3у -----а* |
уг—2ау+а2 |
|||||
|
|
а* |
|||||||
|
у* ± |
2ау3 + а2у2____________ |
у2-\-2ау— g |
||||||
|
|
2ш/3 — 4 ~y |
а2у2 + |
За:,{/ |
|
|
|
||
|
|
2ш/3 ± |
4а2у2 + 2а*у________ |
|
|||||
|
|
|
— а2у2 -I- а 'у -----^ |
а* |
|
||||
|
|
|
± 4 - а2у2 + а*у ± |
а* |
|
||||
|
|
|
|
|
|
О |
|
|
|
Эта |
задача |
|
взята |
из |
«Всеобщей |
арифметики» |
|||
И. Ньютона (1642 — 1727) — английского |
|
математика |
|||||||
и физика. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Исаак |
Ньютон |
был сыном фермера, |
умершего |
еще до |
рож |
||||
дения ребенка. Уже |
в раннем |
детстве |
будущий |
ученый |
про |
явил склонность к самостоятельным занятиям и серьёзной учебе. Учился в Кембриджском университете, где поражал учите лей своими математическими способностями. Со временем он
стал профессором этого университета. С 1703 г. был президен том Лондонского королевского общества, которое объединяло крупнейших ученых того времени.
Исаак Ньютон является автором замечательного трактата «Математические начала натуральной философии» (1687), где из ложены знаменитые законы Ньютона в области механики и ряд других открытий. В 1707 г. Ньютоном был написан трактат «Всеобщая арифметика», где алгебраический метод нашел со временную символику и изложение.
На памятнике Ньютону, поставленном на его могиле в Лон доне, имеется надпись: «Здесь покоится сэр Исаак Ньютон, ко торый почти божественной силой своей впервые объяснил с помощью своего математического метода движение и форму планет, приливы и отливы океана. Он первый исследовал разно
•282
образие световых лучей и проистекающую отсюда особенность цветов, каких до того никто даже не подозревал... Пусть смерт ные радуются, что в их среде жило такое украшение челове чества».
224. Ньютон эту задачу решал так. Положим
АВС = a, AD = у (рис. 60). Так как
угол ABD дан, то |
дано будет |
(по |
||||
таблицам синусов или тангенсов) |
||||||
отношение |
между |
линиями |
AD |
|||
и BD, которое положим |
равным d |
|||||
к /. |
Итак, |
d: I — у. BD, |
откуда |
|||
РИС. 60 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а |
|
|
Точно так же, поскольку дан угол ACD, отноше |
||||||
ние AD: CD’ положим |
равным |
d : /, так что |
|
|
||
DC = Jy_ |
|
|
|
|||
Но |
|
d ‘ |
|
|
|
|
|
DC = ВС, |
|
|
|
||
BD + |
|
|
|
|||
т. е. |
|
|
|
|
|
|
J L |
+ |
J L |
= а . |
|
|
|
d |
^ |
d |
|
|
|
|
Преобразуя это уравнение посредством умножения |
||||||
обеих сторон на d и деления |
на I + /, |
вы получите |
Эта задача взята из книги Исаака Ньютона «Все общая арифметика или книга об арифметических син тезе и анализе».
283 |
|
ЗЛПЛ4++*Я- £ВРОПЛ |
|||
|
|
|
|
|
|
225. Р е ш е н и е |
Н ь ю т о н а . |
«Если 12 |
быков за |
||
4 недели поедают 3 |
югера, то в силу пропорциональ |
||||
ности 36 быков за 4 |
недели, либо 16 быков за 9 не |
||||
дель, либо 8 быков |
за |
18 недель поедят |
10 |
югероз |
|
травы, предполагая, что трава перестает расти. |
Но так |
||||
как трава растет, то |
21 бык за 9 недель съест лишь |
||||
1.0 югеров -травы; значит, |
трава, |
которая выросла на |
|||
10 югерах за последующие 5 недель, сможет |
прокор |
мить в течение 9 недель избыток 21 быка над516 бы-
ками, или |
5 быков, либо, |
что то же |
самое, -у- быка |
||
в течение |
18 недель. Прирост травы за |
14 недель |
|||
(избыток .18 над первыми 4) может |
аналогичным |
об |
|||
разом прокормить 7 быков |
в течение |
18 недель, |
ибо |
||
5 недель : 14 неделям = |
быка : 7 |
быкам. |
Прибавь |
те поэтому этих 7 быков, которых сможет прокормить
один лишь прирост травы, |
к 8, которых прокормила |
||||
бы трава |
без прироста |
по |
истечении |
четырех |
первых |
недель; |
сумма будет |
15 |
быков. |
Наконец, |
если |
10 югеров могут прокормить 15 быков в течение 18 недель, то в силу пропорциональности 24 югера смо гут прокормить за это же время 36 быков.
Остановимся на алгебраическом решении -этой за дачи. Обозначим через у вспомогательное неизвестное, означающее, какая доля первоначального запаса травы прирастает на 1 югере в течение недели. Тогда на
первом лугу в течение |
недели прирастет травы 3 ~ у, |
|
а в течение 4 недель |
— 3 |
У • 4 = ~ у того запа |