Математические головоломки профессора Стюарта

Арифметическая последовательность степеней

Арифметическая последовательность (последовательность чисел с постоянной разницей между соседними членами) называется последовательностью степеней, если второй ее член является полным квадратом, третий – кубом и т. д. То есть k-й член такой арифметической последовательности представляет собой k-ю степень. (Это не накладывает никаких ограничений на первый член последовательности, поскольку любое число есть первая степень самого себя.) К примеру, последовательность 5, 16, 27 имеет длину 3 и шаг 11; кроме того,

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.