Иэн Стюарт - Математические головоломки профессора Стюарта

Любая ограда, включающая в себя все четыре угла и соединяющая их, должна быть непрозрачной, потому что любая прямая, рассекающая квадрат, должна либо проходить через угол, либо разделять два угла, а значит, любая линия, соединяющая углы, непременно с ней пересечется. Но является ли пара диагоналей наименее протяженной из подобных оград? Нет, не является. Самая короткая ограда, соединяющая все четыре угла квадрата, называется деревом Штейнера и имеет длину 1 + √3 = 2,732 (приближенно). Линии, составляющие это дерево, встречаются под углами 120°.

Однако оказывается, что даже эта ограда – не самая короткая. Существует разомкнутая ограда, в которой одна из частей блокирует линии прямой геометрической видимости через прореху в другой. Длина ее равна √2 + √(3/2) = 2,639. Считается, хотя пока и не доказано, что это и есть непрозрачная ограда наименьшей длины. Бернд Каволь доказал, что это самая короткая ограда, состоящая ровно из двух несвязанных кусков. Один из этих кусков – дерево Штейнера, связывающее три угла, то есть три отрезка, которые исходят из углов и встречаются под углами 120°. Второй – кратчайший отрезок прямой, соединяющий центр квадрата и четвертый угол.

Мы не можем даже сказать наверняка, что именно этот вариант представляет кратчайшую непрозрачную ограду. Или, скажем, что если существует ограда еще короче, то она непременно целиком укладывается внутрь квадрата. Вэнс Фэйбер и Ян Мысельски доказали, что для любого заданного конечного числа кусков существует по крайней мере одна кратчайшая непрозрачная ограда. (В принципе их вполне может быть и несколько.) Технически возможен следующий вариант: чем больше составных частей ограды вы допускаете, тем короче получается ограда. Эта проблема до сих пор не решена, и мы не можем с полной уверенностью сказать, что это не так. Если же это так, то существует последовательность все более коротких оград, но не существует ограды, которая была бы короче всех. Иначе говоря, самой короткой оградой является та, что состоит из бесконечного множества не связанных между собой частей.

Существует стандартный математический трюк: если не можешь решить задачу, обобщи ее, то есть рассмотри некоторое множество аналогичных, но более сложных задач. Эта мысль может показаться глупой: как рассмотрение более сложной задачи поможет справиться с менее сложной? Но чем больше у вас примеров для обдумывания, тем выше шансы заметить какую-нибудь интересную общую черту, которая и послужит ключом к задаче. Этот прием не всегда срабатывает, и здесь мы пока не видели подобных примеров, но иногда помогает.

Один из способов генерализации, или обобщения, задачи о непрозрачном квадрате состоит в том, чтобы изменить форму поля. Замените квадрат на прямоугольник или многоугольник с бо́льшим числом сторон, круг или эллипс – здесь открывается широчайшее поле для фантазии.

Математики сосредоточились в основном на двух генерализациях: на правильных многоугольниках и кругах. Самая короткая известная непрозрачная ограда для правильного треугольника – это дерево Штейнера, соединяющее каждый из углов с центром треугольника. Существует общая конструкция, которая позволяет получить ограды наименьшей длины для правильных многоугольников с нечетным числом сторон, и похожая на нее конструкция для четного числа сторон.

А как насчет непрозрачного круга? Если вся ограда должна располагаться в пределах фигуры, то очевидный ответ – это длина окружности. Для единичного круга это 2π = 6,282. Если часть окружности отсутствует, вам потребуются дополнительные участки ограды внутри круга, которые блокировали бы прямые, проходящие через отсутствующий сегмент, и все сильно усложняется. Интуитивно круг можно представить как правильный многоугольник с бесконечным числом бесконечно коротких сторон. На основании этой идеи Каволь доказал, что построение, аналогичное построению для правильных многоугольников, но с бесконечным числом сторон, дает непрозрачную ограду полной длины π + 2 = 5,141, что меньше 2π. Но если мы разрешим вынос части ограды за пределы круга, то выяснится, что существует более короткая непрозрачная ограда в форме буквы U. Ее длина также равна π + 2. Предполагается, что это самая короткая из возможных оград; пока это доказано для оград, представляющих собой единую кривую без ветвления.