Алекс Беллос - Капуста, неверные мужья и зебра. Загадки и головоломки для развития критического мышления

К тексту

Эту головоломку можно решить с помощью физики (фу!) или – математики (класс!). Как и следовало ожидать, первое решение менее изящное, чем второе. Забейте два гвоздя в стену настолько близко, чтобы часть веревки была крепко зажата между ними. Сложите веревку в форме буквы W посредине так, чтобы направленный вверх кончик буквы W находился между гвоздями. Картина будет висеть, поскольку гвозди держат веревку в нужном месте. Однако если вынуть один из гвоздей, она упадет. Некрасиво, но вполне эффективно.

А вот более элегантное решение.

Впрочем, этот способ решения не один из моих любимых. Я надеялся, что вы используете для поиска ответа кольца Борромео, приняв во внимание мои прозрачные намеки на то, что эти кольца представляют собой математическую модель искомого решения. В случае удаления одного кольца два других разъединяются.

В этой головоломке три элемента – два гвоздя и веревка, и если удалить один из них, то все три тут же отделяются друг от друга. Трудность лишь в том, чтобы понять, как представить два гвоздя и веревку в виде колец Борромео, поскольку ни гвозди, ни веревка совсем на них не похожи.

Давайте еще раз поразмышляем о кольцах Борромео. Например, это могут быть круговые кольца или треугольники валькнута. Вообще-то кольца Борромео могут иметь любую форму, какую мы захотим им придать, если только они сцеплены одинаковым способом. Представьте, что каждый гвоздь – это часть жесткого кольца, которое начинается с кончика гвоздя, проходит через стену, затем поднимается вверх и возвращается в комнату, после чего замыкается в конце гвоздя. Теперь вообразите, что оба конца веревки соединяются, образуя гигантскую петлю по всей комнате. Если эти три «кольца» сцеплены тем же способом, что и кольца Борромео, то удаление одного гвоздя приведет к тому, что веревка перестанет опоясывать петлей второй гвоздь, – и задача решена.

Как же это сделать? Я сам изготовил набор колец Борромео с помощью двух пластиковых колец и веревки, как показано на рисунке ниже. Затем я разделил кольца, поместив их бок о бок (как показано на рисунке справа), как будто это гвозди на стене. Способ образования веревкой петли между кольцами представляет собой решение задачи; оно изображено на нижнем рисунке.

Обратите внимание: нас интересуют только те фрагменты каждого «кольца», которые изображены на этом рисунке, так как именно на нем показана связь между кольцами. Другие фрагменты «колец» – продолжение гвоздей, проходящее сквозь стену, или веревка, охватывающая всю комнату, – не имеют значения.

К тексту

Давайте закончим начатое. Поскольку высота кольца для салфеток составляет 6 сантиметров, ее половина равна 3 сантиметрам. Следовательно, высота купола h равна r – 3, как показано на рисунке поперечного сечения ниже.

Для поиска a (радиус цилиндра, подлежащего удалению) мы применим теорему Пифагора к прямоугольному треугольнику, изображенному пунктирной линией. Квадрат гипотенузы равен сумме квадратов двух других сторон, то есть r 2 = a 2 + 3 2, а значит,

А теперь пора потрудиться. Мы уже нашли формулу объема кольца для салфеток: шар – цилиндр – 2 × купол.

Воспользовавшись ею, получим

Подставим в это выражение вместо a и h их значения, выраженные через r :

Раскрыв скобки, получим

Продолжим:

Осталось еще немного: