Veže

  Agátka si z 21 drevených kociek postavila niekoľko veží. Z každej veže vzala vrchnú kocku a zo zozbieraných kociek postavila novú vežu. Potom opäť vzala z každej veže najvrchnejšiu kocku a z týchto kociek postavila novú vežu a tak ďalej. Keď po dlhom čase so svojou hrou skončila, koľko mala veží? 

Poznámka: Aj jednu kocku považujeme za vežu. Keď z takejto veže vezme Agátka vrchnú (čiže jedinú) kocku, táto veža zanikne a príslušná kocka sa stane súčasťou novej veže.

Ajkina úloha

Moja doktorandka Ajka Bachratá mi včera zadala takúto domácu úlohu:

Vieme, že v istej skupine 1000 ľudí je aritmetický priemer IQ presne 100 a rozptyl je presne 900. Aký je maximálny možný počet ľudí v tejto skupine, ktorí majú IQ aspoň 150?

Ako svedomitý školiteľ som si svoju domácu úlohu vyriešil a keďže sa mi celkom páčila, rozhodol som sa, že sa o ňu podelím aj s Vami. Riešenie si nevyžaduje žiadnu náročnú matematiku, no súčasne nie je úplne priamočiare.

Poznámka: V našej úlohe nie je úplne jednoznačne povedané čo sa myslí pod pojmom "rozptyl". Keď si pozrieme príslušnú stránku wikipedie, tak zistíme, že do úvahy prichádzajú dve mierne odlišné definície: "vychýlený výberový rozptyl" a "nevychýlený výberový rozptyl". Ak by mal štatistik len súbor reálnych dát

y₁,y₂,...,y₁₀₀₀

bez znalosti presnej strednej hodnoty rozdelenia, z ktorého dáta pochádzajú, skoro určite by použil "nevychýlený výberový rozptyl". Avšak v našom príklade sa dohodnime, že kvôli jednoduchosti riešenia budeme pod pojmom "rozptyl" uvažovať "vychýlený výberový rozptyl", čiže aritmetický priemer čísiel

(y₁-100)²,(y₂-100)²,..., (y₁₀₀₀-100)².

Ak by sme náhodne vybrali 1000 ľudí z populácie, tak ich priemerné IQ bude skutočne okolo 100, ale výberový rozptyl bude oveľa menší ako 900 (pre štandardizované testy bude približne 225). Skupina zo zadania by musela byť teda veľmi zvláštna...

Tri čísla

  Nájdite tri rôzne prirodzené čísla a,b,c také, že a+b je deliteľné číslom c+1, súčasne a+c je deliteľné číslom b+1 a súčasne b+c je deliteľné číslom a+1.

Poznamenám, že túto úlohu je možné vyčerpávajúco vyriešiť (čiže nájsť všetky riešenia a tiež dokázať, že tie riešenia sú naozaj všetky) na pár riadkov a to len pomocou základnej aritmetiky a úvah týkajúcich sa deliteľnosti.

Studňa

Nasledovnú úlohu položili autori knihy "How to Solve It: Modern Heuristics" veľkému počtu ľudí, z ktorých každý mal aspoň bakalársky titul z matematiky, informatiky, prípadne techniky. Nechce sa mi tomu ani veriť, ale údajne len jedno percento týchto ľudí našlo (nejaké) správne riešenie, pričom mali k dispozícii celú hodinu! Pokúste sa túto úlohu vyriešiť aj Vy a napíšte nám do komentárov ako dlho Vám to trvalo.

Do "dvojrozmernej studne" s vodorovným dnom a zvislými stenami vzdialenými od seba 3 metre sme hodili dve rovné palice dĺžok 4 a 5 metrov, ktoré sa ustálili v pozícii zaznačenej na obrázku. Ako vysoko od dna leží bod, v ktorom sa tieto palice "pretínajú"?

Znamienka

Pre ktoré čísla n existuje n-tica e₁,...,e_n "znamienok" (čiže n-tica pozostávajúca z čísiel -1 a 1) taká, že e₁1+e₂2+...+e_nn=0?

Nemožné?

Použitím cifier 1, 2, 3, ..., 9 (každú najviac raz) a operácii plus, mínus, krát, deleno, druhá odmocnina, umocňovanie, dvojkový logaritmus a zátvoriek napíšte ľubovoľné prirodzené číslo.

To je zadanie úlohy, ktoré mi pred pár dňami poslal Ondrej Budáč. Vzhľadom na to, že na prvý (aj druhý, aj tretí...) pohľad vzbudzuje úloha dojem neriešiteľnosti, uvediem tiež vlastné, trochu podrobnejšie, "informaticky ladené" znenie:

Nájdite spôsob ako konštruovať výrazy v₁, v₂, ... (v nejakom hypotetickom programovacom jazyku, ktorý počíta úplne presne s reálnymi číslami a má neobmedzenú dĺžku výrazov) také, že hodnota výrazu v_i je i. Každý z výrazov v_i môže obsahovať maximálne raz každú z cifier 1,2,..,9 a ľubovoľnekrát operátory +,-,*,/,^, funkcie sqrt,log2 a zátvorky (,). (Funkcia sqrt počíta druhú odmocninu a log2 dvojkový logaritmus.) Cifra 0 ani žiadne iné operátory a funkcie (ani premenné a konštanty) nie sú dovolené.

Ja som sa s týmto problémom trápil najprv asi pol hodiny, ale po dlhšej pauze ma napadlo riešenie už veľmi rýchlo. Naozaj to ide, nie je v tom žiadny chyták!

Polárny súčet kružníc

Keď som sa dnes zabával s Matlabom, natrafil som na jeden celkom pozoruhodný fenomén, ktorý ma v prvej chvíli prekvapil. Formulujme si ho ako úlohu.

V rovine máme zakreslených n kružníc C₁,...,C_n prechádzajúcich počiatkom O súradnicovej sústavy. Každá priamka p prechádzajúca bodom O pretne kružnicu C_k v dvoch bodoch - v bode O a v bode, ktorý si označíme A_k(p). (Ak je priamka p dotyková ku kružnici C_k, tak definujeme A_k(p)=O.) Aká je množina všetkých bodov tvaru S(p)=A₁(p)+...+A_n(p), kde p je priamka prechádzajúca počiatkom O? (Body sčítavame ako vektory.)

Táto úloha je možno trochu ťažšia, takže vítané sú aj čiatočné riešenia (napríklad riešenia pre špeciálne prípady), nápady, skrátka akékoľvek potenciálne zaujímavé komentáre.

Vláčik

  V piatok pred dvomi týždňami som cestoval vlakom z Londýna do Paríža a cestu som si krátil čítaním učebnice, ktorú som dostal na recenziu, konkrétne časti o miere zakrivenia kriviek. Vtedy ma napadla nasledovná úloha.

 
  Tri mestečká A,B,C ležia na spoločnej priamke, pričom vzdialenosť A a B je 2 a vzdialenosť B a C je tiež 2. Je potrebné vybudovať systém koľajníc, po ktorých bude nepretržite premávať vlak z A do B, z B do C, z C do A, z A do B atď. Konštrukcia vlaku (s lokomotívou len na jednom konci) si vyžaduje, aby zakrivenie koľajníc nebolo nikde väčšie ako 1, čím myslíme to, že žiadne tri blízke body na koľajnici nebudú ležať na kružnici, ktorá má polomer menší ako 1. Takže koľajnice môžu napríklad pozostávať s "hladko nadväzujúcich" úsečiek a častí kružníc s polomerom aspoň 1. Jeden možný návrh koľajníc je na ilustračnom obrázku. Nájdite taký systém koľajníc, ktorý umožní vlaku urobiť v priebehu dňa čo najväčší počet návštev všetkých troch miest. Na celkovej dĺžke koľajníc nezáleží a na železničnej trati môžu byť mosty a výhybky, nie však zariadenie na otáčanie vlaku do opačného smeru.

  Táto úloha je samozrejme jednoduchá, avšak hľadanie najkratšej krivky s ohraničenou krivosťou prechádzajúcej zadanými bodmi je vo všeobecnosti veľmi ťažká úloha. (Upozorňujem, že riešením nášho problému, tak ako je formulovaný, nemusí byť jediná nepretínajúca sa sa krivka.) Keď Vás napadne nejaká iná úloha z tejto kategórie, budem rád, ak nám ju napíšete do komentárov.

Päť rovnakých cifier

Pre každú cifru c=1,...,9 nájdite matematický výraz, ktorého výsledná hodnota je 100, pričom treba dodržať tieto podmienky: Daný výraz musí obsahovať práve 5 cifier c, ale žiadnu inú cifru. Okrem týchto piatich cifier sa v ňom môžu vyskytovať štandardné aritmetické operátory (+,-,*,/) symbol faktoriálu (!), umocňovania (^), druhej odmocniny a zátvorky. Napríklad pre cifru 1 platí 111-11=100 a pre cifru 2 máme ((22-2)/2)^2=100.

Týmto oddychovým problémom nás na Probastate pobavil Guillaume Sagnol. Postupne sme našli riešenia pre všetky cifry okrem 7 a 8. Túto úlohu údajne kedysi publikoval istý francúzsky časopis a riešenie pre sedmičku sa nepodarilo nájsť žiadnemu z tisícov čitateľov. Takže držím palce...

Servítkový problém

Pozdravujem všetkých z Cambridge. Počas minulotýždňovej konferencie na Matematickom inštitúte Isaaca Newtona začal Andrei Bejan svoju prednášku nasledovným rekreačným problémom (autorom je Vladimir Letsko).

Štvorcovú servítku preložíme tak, aby zhyb prechádzal jej stredom, čím dostaneme nekonvexný deväťuholník (pozri obrázok). Aký je maximálny možný obsah tohto deväťuholníka?

Na večeri sme sa s kolegami o tomto probléme rozprávali a niektorí z nich bez dlhšieho premýšľania odhadli, že rigorózne riešenie je možné len pomocou nudných analytických metód hľadania extrémov funkcií. Nie je to však tak! Podarí sa niekomu z Vás nájsť "some beautiful solution"?