Творчество в математике. По каким правилам ведутся игры разума

Мы обнаружили порядок среди хаоса. Первое, что нужно сделать в подобных ситуациях — постараться объяснить увиденное. Быть может, доказательство поможет нам найти такое объяснение, а может быть, и нет. Рассмотрим векторный и алгебраический подход к этой теореме. Нужно доказать, что точки А, В, С и D, которые являются серединами сторон произвольного четырехугольника PQRS, определяют параллелограмм. Иными словами, нужно доказать, что векторы АВ^→ и DC^→ равны, то есть их можно разложить на одинаковые составляющие. Пусть исходные точки имеют следующие координаты: P(p₁, р₂), Q(q₁, q₂), R(r₁, r₂) и S(s₁, s₂). Найдем координаты первого из рассматриваемых векторов и покажем, что они равны координатам второго вектора:

Теорема доказана. Объясняет ли это доказательство суть увиденного нами? Нет. Перед нами пример того, как логика доказывает, но не объясняет. В данном случае логика не объясняет, потому что из доказательства мы не можем понять, почему ситуация складывается именно так, а не иначе. Вернемся в начало доказательства и обратим внимание на часть исходной фигуры:

Возможно, в этом контексте она покажется вам знакомой. Проведем вспомогательную линию — единственно возможную для завершения рисунка:

Результат построения — треугольники APD и QPS. Так как точки А и D — середины сторон PQ и PS соответственно, то отрезок AD параллелен QS, а его длина в два раза меньше длины QS. Последнее утверждение известно как теорема о средней линии — она заслуживает отдельного упоминания, так как не столь очевидна, как может показаться.

Проведя аналогичные рассуждения для вершины R исходной фигуры, получим, что отрезок ВС параллелен QS. Так как AD и ВС параллельны QS, они параллельны между собой, а четырехугольников CD — параллелограмм.

Несомненно, только в геометрическом контексте теорема наполняется смыслом, а объяснить ситуацию помогает доказательство, в котором используется теорема Фалеса.

Однако, подобно творцам от математики, не следует останавливаться на этом.

Пауль Матуссек, которого мы цитировали в первой главе, говорил, что творческий ум работает постоянно. Так, прямым следствием этой теоремы является то, что стороны параллелограмма ABCD параллельны диагоналям четырехугольника PQRS. Можно задать и другие вопросы: что произойдет, если мы будем делить стороны исходного четырехугольника не пополам, а на три, четыре и более частей?

Здесь в игру вступают компьютерные программы для рисования и обработки геометрических фигур, которые позволяют наглядно представить ситуацию и могут навести на новые вопросы. Рисунки ниже были сделаны с помощью программы, позволяющей произвольно перемещать вершины исходного четырехугольника. При этом возникают весьма необычные четырехугольники и параллелограммы:

Нельзя избавиться от ощущения, что некоторые из этих фигур представляют собой изображения трехмерных многогранников на плоскости. Теорема Вариньона покидает пределы плоскости и выходит в пространство. Современные технологии помогли нам сломать незримые границы, поставленные исходной формулировкой задачи. Как следствие, возникли новые вопросы: верна ли теорема Вариньона, если стороны исходного четырехугольника пересекаются? А если одна из вершин четырехугольника совпадает с какой-либо из остальных и таким образом четырехугольник превращается в треугольник? Какими свойствами будет обладать этот треугольник и каким будет соотношение между ним и параллелограммом внутри него? При каких условиях теорема будет выполняться в пространстве, если мы заменим четырехугольник многогранником, а параллелограмм — параллелепипедом?

Степени двойки нельзя представить как сумму последовательных натуральных чисел

2000 год был объявлен Международным годом математики. В мире прошли многочисленные конгрессы, а в научных и учебных центрах состоялись различные мероприятия, посвященные математике. Эта дата навела автора на новый вопрос:

можно ли представить число 2000 в виде суммы последовательных натуральных чисел?

Так появилась теорема о числах, которая ранее не была известна автору этой книги и его коллегам. Год публикации первого издания этой книги — 2010. Это число достаточно круглое, чтобы можно было вновь задаться вопросом:

можно ли представить число 2010 в виде суммы последовательных натуральных чисел?

Оно не является суммой двух последовательных натуральных чисел:

2010 = 1005 +1005 = 1004 +1006.

Однако его можно представить как сумму трех или четырех последовательных чисел:

2010 = 669 + 670 + 671.

2010 = 501 + 502 + 503 + 504.

Можно ли представить любое натуральное число в виде суммы последовательных натуральных чисел? Очевидно, что всякое натуральное число можно представить как сумму одного последовательного числа — самого себя. Запишем сумму k последовательных натуральных чисел:

(n + 1) + (n + 2) +… + (n + k) = k·n + (1 + 2 + … + k).