Математические головоломки профессора Стюарта - Иэн Стюарт

Тривиальный способ получить последовательность степеней длины n состоит в том, чтобы повторить n раз число 2n!. Это число является одновременно первой степенью, квадратом, кубом и т. д., вплоть до n-й степени. Шаг в этом случае будет равняться 0.

В 2000 г. Джон Робертсон доказал, что, за исключением таких последовательностей, в которых многократно повторяется одно и то же число, – то есть последовательностей с нулевым шагом, – самая длинная возможная последовательность степеней состоит из пяти членов (имеет длину 5)[21]. Чтобы получить такую последовательность, возьмите числа 1, 9, 17, 25, 33, образующие арифметическую последовательность с шагом 8, и умножьте каждое из них на 32453011241720. Получившиеся в результате числа тоже образуют арифметическую последовательность с шагом, в восемь раз превосходящим это число. Вот эти числа:

1. 10529630094750052867957659797284314695762718513641400204044879414141178131103515625

2. 94766670852750475811618938175558832261864466622772601836403914727270603179931640625

3. 179003711610750898755280216553833349827966214731903803468762950040400028228759765625

4. 263240752368751321698941494932107867394067962841035005101121985353529453277587890625

5. 347477793126751744642602773310382384960169710950166206733481020666658878326416015625.

Ее шаг равен:

84237040758000422943661278378274517566101748109131201632359035313129425048828125000.

Если обозначить пять членов прогрессии как a1, a2, a3, a4, a5, то a1 есть первая степень самого себя (очевидно);

a2 = 307841957589849138828884412917083740234375² – квадрат;

a3 = 5635779747116948576103515625³ – куб;

a4 = 7162889984611066406254 – четвертая степень;

a5 = 510722993555156255 – пятая степень.

Вот это да!

(Проще всего проверить, что члены последовательности действительно являются заявленными полными степенями, если работать с простыми сомножителями.)

Почему пузырьки в пиве идут сверху вниз?

Всякий, кто пьет темное крепкое пиво, такое как «Гиннес», наверняка видел в нем кое-что, на первый взгляд бросающее вызов традиционной физике. Пузырьки в таком пиве движутся сверху вниз. Во всяком случае, создается такое впечатление. Но ведь пузырьки легче окружающей жидкости, так что они должны испытывать на себе действие подъемной силы, толкающей их вверх.

Этот вопрос – настоящая загадка, или, по крайней мере, был таковой до 2012 г., когда его решила команда математиков. Кстати говоря, ирландцев (или по меньшей мере жителей Ирландии): это Уильям Ли, Юджин Бенилов и Каталь Каммингс из Университета Лимерика.

Тот же эффект наблюдается и в других жидкостях, но в крепком пиве его легче увидеть, потому что пузырьки в нем содержат не только углекислый газ, который можно наблюдать в любом пиве, но и азот, а азотные пузырьки меньше и держатся дольше. Отчасти ответ на этот вопрос прост: мы видим только те пузырьки, которые находятся близко к стеклу. Пузырьки в глубине стакана скрыты от нас темным пивом. Так что не исключено, что только некоторые пузырьки опускаются вниз, а остальные поднимаются вверх. Однако таким образом невозможно объяснить, почему вообще хоть какие-то пузырьки опускаются вниз. Они не должны этого делать.

До некоторого момента мы не могли сказать даже, не является ли вся эта история просто оптической иллюзией. Одно из альтернативных объяснений состоит в том, что эффект вызывается волнами плотности – областями, где пузырьки поднимаются вверх. Пузырьки поднимаются, но волны плотности движутся в противоположном направлении. Подобное поведение часто встречается в волновых процессах. К примеру, вода в океанских волнах не движется с ними вместе; по большей части она ходит кругами примерно на одном месте. Движется же то место, где вода поднимается выше всего. Правда, волны, набегающие на пляж, действительно на него набегают; однако отчасти это происходит из-за мелководья, да и вода тут же стекает обратно в море. Если бы вода двигалась вместе с волнами, ей пришлось бы забираться на берег все выше и выше, а это явно противоречит здравому смыслу. Хотя вода не возвращается назад в сколько-нибудь значительном объеме, этот знакомый пример помогает почувствовать разницу между тем, куда движется вода, и тем, куда идут волны. А теперь проделаем то же самое с пузырьками.

Это довольно правдоподобная теория, но в 2004 г. группа шотландских ученых под руководством Эндрю Александера вместе с коллегами из Калифорнии получила видеозаписи, доказывающие, что пузырьки действительно движутся сверху вниз. Свои данные группа опубликовала в День святого Патрика. Чтобы замедлить движение и проследить за отдельными пузырьками, ученые использовали высокоскоростную видеокамеру. Выяснилось, что пузырьки, касающиеся стеклянных стенок, склонны прилипать к ним, так что они не могут двигаться вверх. Однако ближе к середине стакана пузырькам ничто не мешает; пиво поднимается в середине стакана и опускается вниз вдоль стенок, увлекая за собой пузырьки.

Ирландская команда нашла более точное объяснение, показав, что движение пива вызвано не прилипанием пузырьков к стенкам. Все дело в форме стакана. Темное пиво обычно пьют из стакана с изогнутыми стенками, который вверху шире, чем у донышка. Проделав гидродинамические расчеты и эксперименты, ученые выяснили, что, когда пузырьки вблизи стенки поднимаются, они идут прямо вверх, как и следовало ожидать. Но стенка уходит от вертикали, поэтому пузырьки, по существу, уходят от стенки прочь. Поэтому пиво у стенки плотнее, чем в середине стакана, и стремится опуститься вниз, увлекая за собой часть жидкости. Так что пиво в стакане циркулирует: вверх – в середине, вниз – вдоль стенок.

Пузырьки всегда поднимаются вверх относительно пива, но по краям пиво опускается быстрее, чем поднимаются пузырьки, и пузырьки опускаются вместе с ним. Пузырьки хорошо видны, в то время как движение пива заметить гораздо сложнее.

Дополнительную информацию см. в главе «Загадки разгаданные».

Гармонический ряд со случайными знаками

Бесконечный ряд

математики называют гармоническим рядом. Название отдаленно связано с музыкой, где обертоны колеблющейся струны имеют длины 1/2, 1/3, 1/4 и т. д. относительно основной для данной струны длины волны. Однако сама эта последовательность музыкального смысла не имеет. Известно, что это расходящаяся последовательность, то есть сумма первых n ее членов становится сколь угодно большой при достаточно большом n. Она расходится очень медленно, но все же расходится. Так, сумма первых 2n членов последовательности больше, чем 1 + n/2. С другой стороны, если мы изменим знак каждого второго члена последовательности, получится знакопеременный гармонический ряд

который является сходящимся. Его сумма равна ln 2, что составляет примерно 0,693.

Байрон Шмуланд заинтересовался тем, что происходит, если знак очередного члена последовательности выбирается случайным образом, бросанием монетки и присвоением знака плюс, к примеру, орлу, а знака минус – решке. Он доказал, что такая последовательность сходится с вероятностью 1 (гармонический ряд соответствовал бы выпадению ООООООО… до бесконечности, что происходит с нулевой вероятностью). Однако сумма такой последовательности зависит от последовательности бросков.

Возникает вопрос: какова вероятность получения какой-то определенной суммы? В принципе, суммой может быть любое действительное число, положительное или отрицательное, так что вероятность получения любого конкретного значения равна нулю (как обычно и бывает в случае «непрерывных случайных переменных»). В этом случае следует ввести распределение (или плотность) вероятности. Эта функция определяет вероятность попадания суммы в любой заданный диапазон величин, скажем, в промежуток между числами a и b. Эта вероятность равна площади под графиком функции распределения между x = a и x = b.

Для гармонического ряда, модифицированного при помощи монетки, распределение вероятности выглядит так, как показано на рисунке. Эта функция немного напоминает знакомую колоколовидную кривую, или нормальное распределение, но ее верхняя часть приплюснута. Это симметричная кривая, где замена левой стороны на правую соответствует замене орла на решку при бросании симметричной монетки.

Эта задача – предметный урок «экспериментальной математики», в которой компьютерные расчеты используются для выдвижения интересных гипотез. Похоже, что центральный пик достигает высоты 0,25, то есть 1/4. Кроме того, значения функции при –2 и +2 равны 0,125, то есть 1/8. В 1995 г. Кент Моррисон предположил, что обе эти гипотезы верны, но в 1998 г. он изменил свое мнение и исследовал их подробнее. С точностью до десяти знаков после запятой плотность вероятности при x = 0 составляет 0,2499150393, то есть чуть меньше 1/4. Однако с той же точностью при x = 2 значение функции равно 0,1250000000, что по-прежнему очень похоже на 1/8. Но если провести расчет до 45 знаков после запятой, значение получится следующее: