Математические головоломки профессора Стюарта Стюарт Иэн

Adonis Asteroid Mousterian

Джереми Фаррелл опубликовал[4] несколько поразительных магических квадратов. Вот три примера из этой публикации. В каждой клеточке такого квадрата содержится двухбуквенное английское слово, которое можно найти в любом стандартном словаре. В клетках каждой строки, каждого столбца и каждой из двух главных диагоналей квадратов четвертого и пятого порядков содержатся одни и те же буквы. Каждая строка и столбец представляют собой анаграмму (хотя и не осмысленную) одного и того же словарного слова, написанного од соответствующим квадратом. Кстати говоря, Mousterian (мустьерский) – это разновидность кремневых орудий, которыми пользовались некоторые неандертальцы.

Вам может показаться, что правильным образом организованные слова не имеют отношения к математике. Однако любители головоломок, как правило, уважают и то и другое, а сам я склонен рассматривать игры со словами скорее как задачи по комбинаторике с нерегулярными ограничениями; говоря конкретнее, в качестве ограничения здесь выступает словарь. Но у этих квадратов есть и математические свойства. Если каждую букву заменить подходящим числом, а числа, соответствующие двум буквам в заданной клетке, сложить, то получившийся числовой квадрат тоже окажется магическим. То есть числа в каждой строке, в каждом столбце и (за исключением квадрата 3 3) по каждой диагонали в сумме дадут одно и то же число.

Конечно, это свойство выполняется для любого набора чисел, за исключением диагоналей квадрата 3 3, потому что каждая буква встречается в каждой строке, каждом столбце и (за исключением квадрата 3 3) на каждой диагонали ровно один раз. Однако при правильном выборе в квадратах будут стоять числа от 0 до 8, от 0 до 15 и от 0 до 24 соответственно. В каждом магическом словарном квадрате соответствия между буквами и цифрами будут разными.

Какие числа соответствуют каким буквам? Ответ см. в главе "Загадки разгаданные".

Два коротких вопроса на квадраты

1. Назовите наибольший полный квадрат, в котором каждая цифра 1 2 3 4 5 6 7 8 9 встречается ровно один раз.

2. Назовите наименьший полный квадрат, в котором каждая цифра 1 2 3 4 5 6 7 8 9 встречается ровно один раз.

Ответы см. в главе "Загадки разгаданные".

О вреде чистых рук

Джон Непер, восьмой лорд Мерчистона (ныне район Эдинбурга), знаменит тем, что в 1614 г. изобрел логарифмы. Но в его натуре была и темная сторона: он баловался алхимией и некромантией. Многие считали его колдуном, а его «фамильяром», или волшебным спутником, был черный петух.

При помощи этого петуха Непер ловил вороватых слуг. Он запирал слугу, заподозренного в краже, в комнате с петухом и велел ему погладить петуха, говоря, что волшебная птица сможет безошибочно определить виновного. Все обставлялось очень таинственно – но Непер точно знал, что делает. Он заранее покрывал черного петуха тонким слоем сажи. Невиновный слуга готов был, как велено, погладить птицу, и на его руках обязательно оставались следы сажи. Виновный, страшась разоблачения, игнорировал распоряжение хозяина, и его руки оставались чистыми.

Чистые руки служили доказательством вины.

Дело о картонных коробках[5]

Из мемуаров доктора Ватсапа

После возвращения ценных церемониальных кинжалов и по мере того, как росла репутация нашего партнерства в решении неразрешимого, постижении непостижимого и распутывании нераспутываемого, ситуация с нашими личными финансами улучшалась с каждым днем. Элита Англии становилась фактически в очередь, стремясь заручиться нашими услугами, и в моих записных книжках можно найти описание многих успехов моего друга: это и загадка пропавшей горы, и история с испарившимся виконтом, и союз лысых. Однако ни один из этих случаев не отражает талантов моего друга в их самой чистой форме и не раскрывает его способности распознавать значимые черты обычных на первый взгляд объектов и событий, на которые большинство людей просто не обратили бы внимания. В этой связи на ум сразу приходит случай с гигантской летучей мышью из Сент-Олбанс, но подробности этого дела слишком сложны и загадочны, чтобы разбирать его здесь.

Любопытные события Рождества 18.. года, однако, прекрасно подходят для моей цели и заслуживают большего интереса. (Я вынужден сохранить точную дату и большую часть обстоятельств происшедшего в тайне, чтобы не причинять неудобств знаменитой оперной диве-контральто и нескольким министрам Кабинета.)

Я сидел за своим письменным столом, припоминая и записывая подробности последних дел Сомса, а он проводил бесконечную, как мне казалось, серию экспериментов с моим старым армейским револьвером и вазой с хризантемами. И его, и мою деятельность прервала миссис Сопсудс, которая внесла и поставила на стол две картонные коробки разных размеров, перевязанные ленточками.

– Рождественские подарки для вас, мистер Сомс, – объявила она.

Сомс посмотрел на посылки. На упаковке каждой красовались его адрес и какие-то почтовые марки с нечитаемыми штемпелями. По форме коробки были прямоугольными… конечно, технически прямоугольник – двумерная фигура, так что на самом деле они были прямоугольными параллелепипедами. Кубоидами.

В общем, коробки имели форму коробок.

Сомс взял линейку и измерил все стороны.

– Замечательно, – пробормотал он. – И очень, очень неприятно.

К тому времени я уже научился уважать подобные оценки, какими бы странными на первый взгляд они ни выглядели. Я перестал смотреть на посылки как на подарки к Рождеству и попытался отбросить растущее подозрение о том, что там внутри бомбы; я постарался внимательно их осмотреть. В конце концов я заметил, что при обвязывании коробок было использовано больше ленты, чем это необходимо.

– Ленты образуют крест на каждой грани коробки, – сказал я. – Когда я упаковываю пакет, я обычно завязываю ленту так, чтобы она образовывала крест на верхней и нижней гранях коробки и проходила вертикально по каждой из четырех оставшихся граней.

– В самом деле.

Очевидно, мой анализ был неполон. Я напряг мозги.

– Ну… Там нет банта.

– Правильно, Ватсап.

По-прежнему ответ неполон. Я почесал голову.

– Это все, что мне удалось заметить.

– Это все, что вы видите, Ватсап. Вы заметили все, кроме главной закономерности. Боюсь, что на пороге ужасные дела.

Я признался, что не вижу ничего ужасного в двух рождественских подарках. Внезапно меня поразила одна мысль.

– Неужели вы имеете в виду, что в коробках содержатся отрезанные части тела, Сомс?

Он рассмеялся.

– Нет, они почти пусты, – сказал он, поднимая и встряхивая каждую по очереди. – Но вы, конечно же, понимаете, что ленты этого конкретного сорта можно купить только у Уилберфорса, в магазине для дам?

– К сожалению, нет, но я склоняюсь перед вашими несравненными познаниями. Хотя само заведение мне знакомо. Это галантерейный магазинчик на Исткасл-стрит. – И тут меня осенило: – Сомс! Это там, где произошло то ужасное убийство! Это было…

– …во всех газетах. Да, Ватсап.

– Улик было достаточно, но тело пока не найдено.

Сомс мрачно кивнул.

– Оно будет найдено.

– Когда?

– Вскоре после того, как я открою эти коробки.

Он натянул перчатки и начал осторожно разворачивать посылки.

– Несомненно, это работа картонариев, Ватсап.

Я непонимающе уставился на него, и Сомс добавил:

– Членов итальянского тайного общества. Но лучше бы вам об этом не знать, – и, несмотря на все мои мольбы, отказался что-либо рассказывать.

Он открыл обе коробки.

– Как я и подозревал. Одна коробка пуста, но во второй лежит вот это, – он поднял и показал мне небольшой прямоугольный лист бумаги.

– Что это?

Он передал лист мне.

– Квитанция из камеры хранения багажа, – сказал я. – Должно быть, это послание от убийцы. Но номер оторван, как и название станции.

– Как и следовало ожидать, Ватсап, как и следовало ожидать. Он – а по кровавым отпечаткам обуви ясно, что преступник определенно мужчина, к тому же крупный, – дразнит нас. Но мы разгадаем его загадки и возьмем над ним верх. Разумеется, название станции очевидно по тому, как коробки перевязаны лентой.

– Э-э… Простите?

– Конечно, вместе со стоимостью марок, что исключает вариант вокзала Чаринг-Кросс.

Мне все это показалось полной бессмыслицей, так что я взял со стола упаковку и насчитал на ней пять марок по одному шиллингу каждая. Откровенно говоря, я был озадачен.

– Нелепо платить столько за пересылку пустой коробки.

– Вовсе нет, если вы хотите тем самым что-то сообщить. Как иначе называется монета в пять шиллингов?

– Крона.

– А что символизирует крона и что на ней изображено?

– На ней отчеканена корона – символ нашей дорогой королевы.

– Близко, Ватсап, но вы не учли форму ленты.

– Коробка завязана крестом.

– Поэтому марки указывают на короля, а не на королеву. Станция – Кингс-Кросс, это очевидно! Но это не все. Ответьте мне вот на какой вопрос, Ватсап. Почему преступник прислал мне две большие коробки, если одна из них абсолютно пуста? Чтобы послать квитанцию, хватило бы одного небольшого конверта.

После долгой паузы я покачал головой.

– Понятия не имею.

– Коробки должны быть как-то связаны между собой, и характер этой связи должен что-то означать. Связь между ними, конечно, есть, я это понял сразу, как только измерил их стороны. – Сомс вручил мне линейку: – Попробуйте сами.

Я повторил его измерения.

– Длина, ширина и высота каждой коробки равняется целому числу дюймов, – сказал я. – Никакой другой закономерности в голову не приходит.

Он вздохнул.

– Вы не заметили странного совпадения?

– Какого странного совпадения?

– Объем обеих коробок одинаков, а перевязаны они одинаковыми по длине кусками ленты. Более того, размеры коробок – это наименьшие целые числа с такими свойствами.

– Из чего вы делаете вывод… ну конечно! Объем коробок и длина ленты дают нам номер багажной квитанции. Правда, число из них можно составить двумя разными способами, но мы можем с легкостью проверить оба варианта.

Сомс покачал головой.

– Нет-нет. Убийце потребовался бы помощник в багажном отделении, даже если бы такой номер квитанции вообще существовал. Все гораздо проще: преступник пометил какую-то вещь из оставленных в камере хранения этими числами. А внутри мы найдем нечто, что подскажет нам, где его искать.

– Кого искать?

– Разве не очевидно? Труп.

– Снимаю перед вами шляпу, Сомс, – с чувством сказал я. – Или снял бы, если бы она на мне была. Но разве труп, даже если мы его найдем, приведет нас к убийце?

– Это будет полезная улика, но вряд ли достаточная. Однако из этой посылки можно извлечь еще кое-что. Иногда преступник считает себя настолько умным, что намеренно оставляет за собой улики в уверенности, что представители власти глупы и при расследовании дела их просто не заметят. Картонарии – самоуверенные типы, и для них такое поведение типично. Но посмотрим. Так, возникает естественный вопрос, который ведет нас дальше от замечательной арифметики этих коробок. Каким будет наименьший набор из трех коробок с таким же свойством?

Я мгновенно понял ход его мыслей.

– Вы ожидаете такую посылку в ближайшем будущем! С еще одной разорванной квитанцией внутри! Значит, вы думаете, что будет еще одно убийство, да? – Я начал искать свой револьвер. – Мы должны остановить убийцу!

– Боюсь, что убийство уже совершено, но мы, если повезет, сможем предотвратить третью смерть. Сегодня убийца положит какую-то вещь – это может быть что угодно – в камеру хранения одного из главных лондонских вокзалов. Затем он отправит нам почтой коробки. Если мы сумеем заранее определить зашифрованные в них числа, то можно будет предупредить инспектора Роулейда. Он разошлет полицейских по всем основным вокзалам. Они не смогут, конечно, проверить всех пассажиров, которые будут оставлять багаж в камере хранения, поскольку это встревожило бы преступника, но могут посмотреть, не появится ли там кто-нибудь, у кого на багаже будут нанесены каким-то образом эти три числа, и арестовать тех, кто принесет этот багаж. В багаже будут указания на то, где следует искать второй труп. А когда он будет найден, доказательств вины окажется более чем достаточно.

В реальности все прошло не так гладко, и нам с Сомсом пришлось вмешаться после того, как полиция упустила нужного человека. К счастью, три посылки, которые надлежащим порядком прибыли к нам на следующий день вечерней почтой, принесли новые улики, и мы обнаружили, что это убийство было частью более обширного заговора. Извилистые пути, которыми двигалось наше расследование, и леденящие кровь тайны, которые мы откопали – в буквальном смысле, – как я уже объяснил, никогда не будут преданы гласности. Но в конце концов мы поймали преступника. И Сомс позволил мне открыть ответы на два вопроса, которые сыграли главную роль во всем этом расследовании.

Каких размеров были две коробки, с которых все началось? Каких размеров должны быть три коробки, чтобы они обладали такими же свойствами?

Ответы см. в главе "Загадки разгаданные".

RATS-последовательность

1, 2, 4, 8, 16, … Что дальше? Очень соблазнительно, особо не задумываясь, назвать в качестве следующего числа 32. Но что, если я скажу, что последовательность, которую я имел в виду, на самом деле выглядит так:

1 2 4 8 16 77 145 668.

Что теперь скажете про следующий член последовательности? Разумеется, единственного правильного ответа на этот вопрос не существует: придумав достаточно хитрые правила, можно подобрать формулу для любой конечной последовательности. Карл Линдерхольм в книге «Непростая математика» (Mathematics Made Difficult) посвятил целую главу объяснению того, почему на вопрос «Каков следующий член данной последовательности?» всегда можно отвечать: «19». Но вернемся к нашей последовательности: для нее существует простое правило. На него указывает название этой главки, но должен признать, что указание это слишком невнятно, чтобы из него можно было что-то извлечь.

Ответ см. в главе "Загадки разгаданные".

Дни рождения полезны

Статистика показывает, что люди, у которых больше всего дней рождения, живут дольше всех.

Ларри Лоренцони

Математические даты

В последние годы многие календарные даты оказались связаны с различными аспектами математики, в результате чего были объявлены особыми днями. Никто не придает таким дням никакого особого значения; все ограничивается исключительно численным сходством. Эти даты не предсказывают конца света или чего-то подобного – по крайней мере, насколько нам известно. В эти дни не происходит ничего особенного, их отмечают исключительно математики и иногда упоминают в СМИ. Но они забавны и дают средствам массовой информации лишний повод заинтересоваться серьезной математикой. Или хотя бы упомянуть математику в своих публикациях.

Можно назвать несколько таких дат. Многие из них связаны с американской системой датировки, где первым указывается не число, а месяц. Опять же, допускаются кое-какие календарные вольности: так, нули иногда можно опускать.

14 марта, или, в американской системе датировки, 3/14 ( ~ 3,14). В Сан-Франциско это квазиофициальный день с 1988 г. Палата представителей США приняла необязывающую резолюцию, в которой признала этот день.

14 марта, время 1:59. В американской системе это записывается как 3/14 1.59 ( ~ 3,14159). Можно и еще точнее: момент времени 1.59 и 26 секунд. 3/14 1:59:26 ( ~ 3,1415926).

22 июля, в британской системе датировки записывается как 22/7 ( ~ 22/7).

Жаль, но вы его пропустили. Этот единственный момент наступил 7 августа 2009 г. (по британской системе), или 8 июля 2009 г. (по американской системе), вскоре после 12:34. Дату и время этого момента можно записать как 12:34:56 7/8/(0) 9. Но некоторые из вас, возможно, еще увидят «День 1234567890» в 2090 г.

Его вы тоже пропустили. Этот момент имел место 11 ноября 2011 г. (в любой системе) в 11 часов 11 минут 11 секунд. Дата и время в тот момент были 11:11:11 11/11/11.