Реферат по дисциплине: «Математика» на тему: «Задачи на клетчатой бумаге»

Глава 3. Задачи на разрезание С этими задачами, очевидно, столкнулся ещё первобытный человек, когда пытался раскроить шкуру убитого зверя, чтобы сшить себе одежду. Известно, что решения многих простых задач на разрезание были найдены ещё древними греками. Первый письменный источник с подобными задачами относится к Х веку – это фрагменты трактата персидского астронома Абул-Вефа, жившего в Багдаде. Профессиональные математики всерьёз занялись задачами на разрезание ближе к середине XIX века. Сделаем небольшую классификацию таких задач [15]. Все их сюжеты можно условно поделить на следующие виды и подвиды: * Дробление – требуется разрезать данную фигуру: на заданное число равных между собой, или, как говорят математики, - конгруэнтных частей (фигур); на заданное число конгруэнтных и подобных ей фигур (такие фигуры получили название «делящихся»); определённым количеством прямых на максимально возможное число частей, не обязательно равных. Возможны и другие вариации условий разрезания, так как фантазия человека не имеет ограничений. * Квадрирование – разрезание фигуры на возможно меньшее число частей, из которых затем можно сложить квадрат. * Трансформирование – требуется разрезать одну фигуру так, чтобы их её частей можно было сложить вторую заданную фигуру (не квадрат). В отдельный подвид можно выделить очень популярные задачи на разрезание шахматной доски, которые отличаются от остальных задач на разрезание тем, что на доске есть раскраска квадратов, и это накладывает дополнительные требования при поиске решения. Учитывая большое общее количество задач на разрезание, мы в этой работе будем рассматривать задачи на клетчатой бумаге на дробление и задачи, связанные с шахматной доской. А остальные постараемся изучить при дальнейшем исследовании по этой теме. Следует учесть, что термин «разрезание» не всегда надо понимать буквально: при решении приведённых далее задач достаточно на чертеже данной фигуры обозначить линии разреза карандашом. Но смысл разрезания предполагает ещё и выход из плоскости и переворачивание фигуры любой её стороной из двух существующих. В качестве примеров рассмотрим несколько типичных задач на разрезание, которые встречаются во многих сборниках занимательных задач и одну менее известную задачу на делящиеся фигуры, которая представляет собой небольшое исследование. Задача 1. Можно ли разрезать квадрат 66 на полоски 14 ? Решение. Используем раскраску, показанную на рис. 1. Любая полоска 14, положенная на такую доску, покроет ровно одну чёрную клетку. Следовательно, если бы мы разрезали квадрат на полоски, то чёрных клеток оказалось бы столько же, сколько полосок. Но число полосок должно быть равно (6 · 6) : 4 = 9, а чёрных клеток на этом рисунке 8! Значит разрезание Рис. 1 невозможно. Вместо раскраски в два цвета можно было использовать раскраску в четыре цвета, изображённую на рисунке 2 (каждый цвет помечен своим номером: цвет 1, цвет 2, цвет 3 и цвет 4). Рис. 2 Тогда каждая полоска 14 будет содержать ровно по одной клетке каждого цвета. Значит, если бы удалось разрезать квадрат на полоски, то клеток всех цветов было бы поровну. Но клеток цветов 1 и 3 – по 9, цвета 2 – 10, а цвета 4 – 8 штук. Теперь вы сможете самостоятельно решить задачи 2 и 3. Задача 2. Можно ли прямоугольник 89 разрезать на полоски 16 ? Задача 3. Можно ли сложить прямоугольник из нарисованных на рис. 3 фигурок? (Каждая фигурка должна использоваться ровно один раз!) Задача 4. [8] На шахматной доске стоят 4 коня (рис. 4) Требуется разделить доску на 4 одинаковые по форме части, на каждой из которых стоял бы в точности один конь Рис. 3 Рис. 4 Задача 5. [3] В Волшебной Стране свои волшебные законы природы, один из которых гласит: «Ковёр-самолёт будет летать только тогда, когда он имеет прямоугольную форму». У Ивана-царевича был ковёр-самолёт размером 912. Как-то раз Змей Горыныч подкрался и отрезал от этого ковра маленький коврик размером 18. Иван царевич очень расстроился и хотел было отрезать ещё кусочек 14, чтобы получился прямоугольник 812, но Василиса Премудрая предложила поступить по-другому. Она разрезала ковёр на три части, из которых волшебными нитками сшила квадратный ковёр-самолёт размером 1010. Сможете ли вы догадаться, как Василиса Премудрая переделала испорченный ковёр? Задача 6. [1] На прямоугольном участке земли находятся 4 колодца, изображённые на рис. 5 точками. Разбейте этот участок на 4 части, одинаковые по величине и форме, так, чтобы колодцы на каждом участке занимали одно и то же положение. Рис. 5 Задача 7. [15] Найти все целые положительные числа n таким образом, чтобы каждый треугольник можно было разрезать на n треугольников, подобных между собой. Решение. Начертим разносторонний треугольник. Прежде всего покажем, как любой треугольник можно разрезать на n = k² равных (следовательно, подобных) треугольников, т.е. на число n, равное квадрату целого числа. Разделим каждую сторону треугольника на k равных частей и через точки деления проведём прямые, параллельные его сторонам. Тогда число малых треугольников равно 1+ 3 + 5 + … + (2k – 1) = k² Рис. 6. k = 5, n = 25 Рис. 7 Рис. 8 Теперь покажем, что каждый треугольник разрезается на любое число n ≥ 4 подобных между собой треугольников. В самом деле, оставим на рис. 6 малые треугольники только в нижней полосе (трапеции), а все остальные объединим в один (рис. 7). Столь же легко показать, что число таких частей может быть сделано любым нечётным n ≥ 7 : верхний из четырёх треугольников разбит на 2k (k ≥ 2) частей, и ещё имеется три нижних, так что общее число частей равно n = 2k + 3, где k ≥ 2 (рис. 8). Итак, любой треугольник можно разрезать на любое число n подобных между собой треугольников, за исключением n = 2, 3, 5. Можно доказать, что для этих значений n требуемое разрезание невозможно. Вот именно с таких занимательных задач начинается уже серьёзная математика с исследованиями, доказательствами и построением небольшого раздела математической теории под названием «делящиеся фигуры на плоскости». Задача 8. [16] «Парадокс шахматной доски» Шахматная доска разрезается наискосок, как это изображено на левой половине рисунка 9, а затем часть В сдвигается влево вниз, как это показано на правой половине рисунка. Первоначальная площадь Рис. 9 равнялась 64 кв. ед, теперь же она равна 63. Куда исчезла одна недостающая квадратная единица? Глава 4. Расстояние в «клетчатом» городе С понятием расстояния мы сталкиваемся ежедневно. «Каково расстояние от дома до школы?», «Сколько километров от Москвы до Петербурга?» - эти вопросы никого не удивят. Зная расстояние, мы можем прикинуть, долго ли добираться от одного места до другого. Все мы умеем вычислять расстояние между двумя точками на координатной прямой, с помощью теоремы Пифагора мы можем вычислить расстояние между двумя точками на координатной плоскости. А теперь возьмём хорошо знакомый нам листок клетчатой бумаги и представим себе, что это – город, линии сетки – улицы. Давайте прогуляемся по этому городу, ходя только по улицам (порядки в этом городе очень строгие). Длину клетки будем считать равной 1. Как нам быстрее всего попасть с перекрёстка А на перекрёсток Б (рис. 1)? Можно, например, пройти из А в С, а потом – из С в В. Можно было идти через D, а можно – и более замысловатым путём. Что же мы теперь назовём расстоянием от А до В? Конечно, длину кратчайшего Рис. 1 пути: 4 + 3 = 7. А теперь представим себе, что у нас в запасе есть время проделать путь длиной 3. В каких узлах мы можем побывать, выйдя из А? (Или: из каких узлов можно добраться до А, пройдя путь не более 3?) Ответ на этот вопрос изображён на рисунке 2). Наверное, многие из вас сейчас вспомнили о круге на плоскости: ведь круг радиуса r с центром в точке А и есть множество всех точек плоскости, которые удалены от А не больше, чем на r. Но как не похож ромбик из точек с рисунка 2 на привычный круг! Рис. 2 Познакомимся поближе с расстоянием в «клетчатом» городе с помощью нескольких задач. Задача 1.[11] В «клетчатом» городе выделили район – квадрат 44. Какое Наименьшее количество детских площадок нужно построить в этом районе, чтобы из любого узла этого района можно было попасть на одну из этих площадок, проделав путь не более 3? Решение. Понятно, что двух площадок хватает (рис. 3). Ещё легче понять, что одной площадки будет мало (слишком далеко разбросаны узлы, находящиеся на границе квадрата!) Рис. 3 Решите такую же задачу с прямоугольником 63. А как решается подобная задача, если расстояние на плоскости измеряется обычным способом? Задача 2. Какое наибольшее количество котов можно разместить в узлах сетки на территории квадрата 44, чтобы расстояние между любыми двумя из них было не менее 2 (иначе коты подерутся)? Наверное, без особого труда сумеете поделить территорию квадрата между 13 котами (рис. 4). А вот Рис. 4 14 котов мирно ужиться на этой территории уже не смогут. Докажем это. Поделим всю территорию, кроме центра квадрата, на 4 непересекающиеся зоны (рис. 5). Если даже одного из 14 котов поселить в центре квадрата, то остальных 13 придётся разместить по этим зонам. Значит, в какой-то зоне окажется хотя бы 4 кота. Перебирая различные варианты расселения 4 котов в Рис. 5 какой-нибудь из этих зон, легко увидеть, что это невозможно. Подумайте, как решить эту задачу, если расстояние на плоскости измеряется, как обычно. Итак, мы познакомились с расстоянием в «клетчатом» городе. Оно ни чуть не менее естественно, чем обычное расстояние «по прямой». Что их объединяет? Каковы общие свойства, которыми должно обладать расстояние? Свойство 1. Расстояние между двумя точками неотрицательно, причём оно равно нулю, только если точки совпадают. Ещё бы! Чтобы попасть из точки А в неё же, никуда идти не надо, а чтобы попасть в другую точку В, придётся проделать некий путь положительной длины. Свойство 2. Расстояние от точки А до точки В равно расстоянию от точки В до точки А. Недаром мы говорим обычно не о расстоянии от А до В, а о расстоянии между А и В, не различая расстояния от А до В и от В до А. Свойство 3. Для точек А, В и С сумма расстояний от А до С и от С до В не меньше расстояния от А до В (неравенство треугольника). Свойства 1, 2 и 3 в математике называются аксиомами расстояния. Как мы знаем, эти свойства есть у обычного расстояния на плоскости. Не трудно проверить, что есть они и у нового расстояния, введённого нами в «клетчатом» городе. Глава 5. Игры на клетчатой бумаге 1. Крестики - нолики 1. Популярная игра в крестики – нолики состоит в следующем. Двое по очереди рисуют на листе клетчатой бумаги крестики и нолики. Первый игрок рисует крестики, второй – нолики. Выигрывает тот, кто первым поставит определённое количество своих знаков в ряд (по вертикали, горизонтали или диагонали). Следующая задача относится к этой игре. Задача.[4] Докажите, что при игре в крестики – нолики второй игрок, как бы хорошо он ни играл, не может рассчитывать больше, чем на ничью, если его партнёр играет правильно. 2. Бридж-ит («перебрось мостик!») На рисунке показана доска для игры в бридж-ит. Участники игры по очереди проводят вертикальные или горизонтальные линии, соединяющие две соседние точки «своего» цвета: один игрок соединяет синими линиями синие точки, другой – чёрными линями чёрные точки. Линии противников нигде не должны пересекаться. Выигрывает тот, кто первым построит ломаную, соединяющую две противоположные стороны доски «своего» цвета. Так на рисунке выиграли «синие». В этой игре у начинающего игру есть выигрышная стратегия. Когда вы вдоволь наиграетесь с друзьями в эту игру, можете либо придумать стратегию, либо прочитать о ней в книге М. Гарднера «Математические досуги» 3. Солитер [11] Для игры в солитер нужны игровое поле-доска из 33 клеток и фишки, шашки или монетки. Игра начинается с того, что на все клетки доски, кроме центральной, расставляются фишки. Цель игры состоит в том, чтобы после ряда «прыжков» на доске осталась всего одна фишка. «Прыжок» означает следующее: фишка переносится на свободную клетку через любую соседнюю фишку, которая при этом снимается с доски, причём фишки могут прыгать влево, вправо, вверх и вниз (но не по диагонали!). Каждый ход обязательно должен быть прыжком через фишку. Если очередной ход невозможен, то игра заканчивается. Прежде чем играть в солитер, можете решить несколько более простых задач из книги М. Гарднера «Математические досуги». 4. Жизнь [11] Эту игру придумал математик Дж. Конуэй. В неё можно играть одному. Для игры вам понадобится большая доска, разграфленная на клетки, и много плоских фишек двух цветов. Основная идея игры состоит в том, чтобы, начав с какого-нибудь простого расположения фишек, расставленных в разных клетках, проследить за эволюцией исходной позиции под действием «генетических законов» Конуэя, которые управляют рождением, гибелью и выживанием фишек. Вот эти законы. 1. Выживание. Каждая фишка, имеющая две или три соседние фишки, выживает и переходит в следующие поколения. (Соседние фишки – те, которые расположены на соседних клетках: смежных по горизонтали, вертикали или диагонали.) 2. Гибель. Каждая фишка, у которой больше трёх соседей, погибает (то есть снимается с доски) из-за перенаселённости. Каждая фишка, вокруг которой свободны все соседние клетки или занята всего одна клетка, погибает от одиночества. 3. Рождение. Если число фишек, с которыми граничит какая-нибудь пустая клетка, в точности равно трём, то на этой клетке происходит рождение нового «организма», то есть следующим ходом на неё ставится одна фишка. Важно понять, что гибель и рождение всех «организмов» происходят одновременно. Вместе взятые, они образуют одно поколение – один «ход» в эволюции. Чтобы не запутаться, ходы рекомендуется делать так: 1) начать с конфигурации, целиком состоящей из чёрных фишек; 2) определить, какие фишки должны погибнуть, и положить на каждую из обречённых фишек по одной чёрной фишке; 3) Найти все свободные клетки, на которых должен произойти акт рождения, и на каждую из них поставить по одной белой фишке; 4) Всё проверить, затем снять с доски все погибшие фишки (столбики), а всех новорождённых (белые фишки) заменить чёрными фишками. Вы получите новое поколение. Дальше действуйте аналогично. Вы обнаружите много интересного и красивого в эволюции семейств организмов.

Похожие:

	Тема: "Симметрия на клетчатой бумаге" Цель: познакомить обучающихся с тем, что симметричные точки находятся на одном и том же расстоянии от оси симметрии		Реферат по дисциплине «Финансовый учет и отчетность» Реферат по дисциплине «Финансовый учет и отчетность» выполняется на белой бумаге формата а 4 размером 210 297 мм
	Реферат по дисциплине «Математика» на тему: «И это ещё не всё о них…...		Реферат по дисциплине «Математика» на тему Богатовская средняя общеобразовательная школа «Образовательный центр» муниципального района Богатовский Самарской области
	Реферат по дисциплине «Математика» на тему: «Простые числа» Изучая на уроках математики тему «Простые числа», я узнал из учебника и от учителя много интересных фактов по этой теме и мне захотелось...		Реферат по дисциплине «Математика» на тему : «Число» Целью нашего реферата является изучение истории возникновения числа π, его развития и применения в повседневной жизни
	Реферат по дисциплине «Математика» на тему : «Число» Целью нашего реферата является изучение истории возникновения числа π, его развития и применения в повседневной жизни		Реферат по дисциплине «Математика» на тему : «Древние «истоки» геометрии» Муниципальное казённое образовательное учреждение Никольская средняя общеобразовательная школа Новоусманского муниципального района...
	Реферат по дисциплине «Математика» на тему: «История развития математики» Развитие математики началось с создания практического счёта измерения линий, поверхностей и объёмов		Реферат по дисциплине «Философия» на тему: «Роль философии в жизни общества» «свести на нет» арифметику, на которой зиждится вся алгебра, геометрия и высшая математика. Казалось бы, что более «приземленной»...
	Реферат по дисциплине «Математика» на тему: «Функции и окружающий нас мир» Муниципальное общеобразовательное бюджетное учреждение «Краснооктябрьская средняя общеобразовательная школа» мо «Медведевский муниципальный...		Реферат по дисциплине: «Математика» на тему: «История возникновения и развития чисел» Первые достижения геометрии связаны с такими простыми понятиями, как прямая и окружность. Дальнейшее развитие математики началось...
	Реферат по дисциплине «Математика на тему «Это удивительное число семь» Среди тайн особое место занимают тайны чисел, их возникновение и влияние на людей. Мы сталкиваемся с числами на каждом шагу, они...		Реферат по дисциплине: Высшая математика на тему: Асимптоты (определение,... Асимптота, так называемая прямая или кривая линия, которая, будучи продолжена, приближается к другой кривой, но никогда не пересекает...
	Методическая разработка по дисциплине «Математика» на тему: «Корни n -ой степени» Приложение		Реферат по дисциплине: «Математика» по теме: «Необыкновенные обыкновенные дроби»