Есть идея! - Мартин Гарднер

Играя с посетителем павильона в 15, мистер Ярмар мысленно играет с ним в «крестики-нолики» на магическом квадрате. Если игра в «крестики-нолики» происходит по всем правилам, то партия в 15 кончается вничью. Но легковерные посетители павильона, вздумавшие сразиться с мистером Ярмаром в 15, лишены огромного преимущества, так как не сознают, что в действительности играют в «крестики-нолики». Это облегчает задачу мистеру Ярмару, и он подстраивает своим партнерам каверзы и ловушки, вынуждая их делать ходы, ведущие к его выигрышу.

Чтобы разобраться, как действует мистер Ярмар, рассмотрим подробно партию, изображенную на картинках. Ходы приведены на диаграммах, показанных на рис. 1. Даже если мистер Ярмар ходит вторым (ставит нолики), то на шестом ходу он может поставить даме западню, которая обеспечит ему выигрыш на восьмом ходу независимо от того, как именно пойдет дама на седьмом ходу. Всякий, кто умеет играть на гроссмейстерском уровне в «крестики-нолики», взяв на вооружение магический квадрат, станет непобедимым игроком в 15.

Понятие изоморфизма (математической эквивалентности) — одно из важнейших в математике. Во многих случаях трудная задача легко решается, если ее удается свести к изоморфной уже решенной задаче. По мере того как математика разрастается вглубь и вширь, она становится все более единой, все более упрощается по мере открытия все новых и новых изоморфизмов. Например, найденное в 1976 г. решение знаменитой проблемы четырех красок позволило доказать десятки других важных гипотез в иных разделах математики, которые были изоморфны проблеме четырех красок.

Чтобы помочь вам глубже разобраться в сущности такого фундаментального понятия, как изоморфизм, рассмотрим следующую игру в слова, Берется 9 слов:

БУСЫ

ХЛЕБ

БАНЯ

ПЛУГ

СНЕГ

ГАТЬ

УРОН

ОРЕХ

МАРС

Двое игроков по очереди вычеркивают по одному слову, помечая каждый сделанный ход своими инициалами или условным значком. Выигрывает тот, кому первым удастся вычеркнуть три слова, имеющие общую букву. Пройдет немало времени, прежде чем игроки поймут, что и на этот раз они играют в добрые старые «крестики-нолики». Изоморфизм игр нетрудно установить, если вписать слова в клетки таблички, расчерченной для игры в «крестики-нолики» (рис. 2). Как нетрудно проверить, общая буква имеется лишь у трех слов, расположенных по горизонталям, вертикалям и диагоналям. Тем самым доказано, что играть в слова означает по существу играть в «крестики-нолики», и наоборот (или в 15).

Попробуйте подобрать другие 9 слов для игры. Разумеется, отнюдь не обязательно играть именно в слова родного языка. С тем же успехом можно воспользоваться и абстрактными символами, как это сделано на рис. 3.

Еще лучше играть во все эти игры, записав слова, знаки или цифры на 9 карточках. Разложив точки на столе исписанной стороной вверх, игроки могут по очереди брать по одной карточке до тех пор, пока одни из них не выиграет.

Разобравшись в изоморфизме игры в 15, «крестики-нолики» и игры в слова, приступим к новой игре — на дорожной сети. В нее играют на карте дорог, изображенной на рис. 4.

Между восемью городами проложены дороги. Вооружившись цветными карандашами (один игрок пусть выберет красный карандаш, а другой — синий), игроки по очереди закрашивают по одной дороге (каждую дорогу необходимо закрашивать целиком). Обратите внимание, что некоторые дороги проходят через города не обрываясь. В таких случаях закрашивать дорогу нужно не только до ближайшего города, а на всем ее протяжении. Выигрывает тот, кому первым удастся закрасить три дороги, ведущие в один и тот же город. На первый взгляд кажется, что новая игра не имеет ни малейшего отношения к трем уже рассмотренным нами играм. В действительности же и она изоморфна игре в «крестики-нолики»!

Чтобы установить изоморфизм, достаточно перенумеровать дороги так, как показано на рис. 4. Каждая дорога соответствует клетке магического квадрата, помеченной тем же числом. Каждый город на карте соответствует горизонтали, вертикали или диагонали в магическом квадрате. Как и в предыдущих случаях, изоморфизм полный. Всякий, кто умеет на гроссмейстерском уровне играть в «крестики-нолики», не будет знать горечи поражений и в новой игре.

На рис. 5 изображен один из 880 различных (не переходящих друг в друга под действием поворотов и отражений) магических квадратов 4×4. Постоянная этого квадрата (сумма чисел, стоящих на любой горизонтали, вертикали и диагонали) равна 34. Может ли такой квадрат служить ключом для беспроигрышной игры в 34, то есть игры, в которой игроки по очереди выбирают число от 1 до 16 (ни одно число не разрешается выбирать дважды) до тех пор, пока у одного из игроков не наберется четыре числа, дающие в сумме 34. Изоморфна ли игра в 34 игре в «крестики-нолики» на магическом квадрате, изображенном на рис. 5? Нет, не изоморфна! Почему?

Можно ли так изменить правила игры в «крестики-нолики», чтобы победную комбинацию образовывали четыре клетки, не лежащие на одной горизонтали, вертикали или диагонали, и утраченный изоморфизм был восстановлен?

Как взвесить гиппопотама

Так уж повелось, что бремя забот о священном гиппопотаме нес на своих плечах вождь племени, собственноручно кормивший и всячески ублажавший своего подопечного.

Каждый год в день своего рождения вождь, прихватив с собой лодку сборщика податей и священного гиппопотама, отправлялся вверх по реке в те места, где стояла хижина, возведенная специально для сбора дани.

Племя платило вождю дань — столько золотых слитков, сколько требовалось, чтобы уравновесить священного гиппопотама. На чашу огромных весов ставили священное животное и уравновешивали его грудой слитков золота на другой чаше.

Однажды вождь племени так раскормил священного гиппопотама, что весы не выдержали непомерной тяжести и сломались. На починку их потребовалось бы несколько дней. Над торжественной церемонией сбора дани нависла угроза срыва.

Вождь племени был вне себя от ярости. Он вызвал сборщика податей.

Вождь. Я не желаю ждать. Золото мне нужно сегодня и ровно столько, сколько весит священный гиппопотам. Если ты не придумаешь, как отмерить нужное количество золота до захода солнца, я прикажу отрубить тебе голову.

Несчастный сборщик податей от страха почти перестал что-либо соображать. Лишь огромным усилием воли ему удалось собраться с мыслями.

После нескольких часов напряженных размышлений ему пришла в голову блестящая мысль. Вы не догадываетесь, что именно он придумал?

Как и все гениальное, предложенный им выход из создавшегося положения был необычайно прост. Сборщик податей ввел священного гиппопотама на пустую лодку вождя и отметил снаружи на борту лодки уровень, до которого та погрузилась в воду.

Затем он свел гиппопотама на берег и принялся нагружать лодку золотыми слитками. Так он трудился до тех пор, пока лодка не погрузилась в воду по сделанную ранее отметку, после чего с полным основанием доложил вождю, что вес груды золота в лодке равен весу священного гиппопотама.

По закону Архимеда, плавающее тело вытесняет объем воды, масса которого равна массе тела. Следовательно, если священного гиппопотама ввести на лодку, то та погрузится в воду, вытеснив количество воды, масса которой равна массе гиппопотама.

А вот еще одна задача на близкую тему. Предположим, что лодка плавает в достаточно малом бассейне, где уровень воды можно точно измерить. Священного гиппопотама свели на берег, лодку нагрузили эквивалентной по массе грудой золотых монет и на стенке бассейна отметили уровень воды.

Предположим, что мы принялись швырять монеты одну за другой за борт лодки на дно бассейна. Глубина погружения лодки в воду при этом уменьшается. А что произойдет с уровнем воды в бассейне? Будет он подниматься или опускаться?

Даже физики иногда затрудняются ответить на этот вопрос. Одни полагают, что уровень воды в бассейне не изменится. Другие утверждают, будто уровень воды в бассейне поднимается из-за того, что утонувшие монеты вытеснят какой-то объем воды. И те, и другие заблуждаются.

Чтобы разобраться, в чем корень ошибки, необходимо снова вернуться к закону Архимеда. Каждое плавающее тело, вытесняет объем воды, масса которого равна массе тела. Золото гораздо тяжелее воды, поэтому объем воды, вытесняемой нагруженной золотом лодкой, гораздо больше объема самого золота. Когда же золото оказывается на дне бассейна, то оно вытесняет лишь объем воды, равный своему собственному объему. Поскольку этот объем гораздо меньше объема, который вытесняет лодка, груженная золотом, то уровень воды в бассейне понизится.