Математика для гиков - Рафаель Роузен

Если вы любите игры, то можете увлекаться танграмами, головоломкой из Китая. Некоторые люди считают, что она возникла тысячи лет назад, хотя первое опубликованное доказательство появилось в 1813 году. Классический набор танграм состоит из семи фигур: двух больших треугольников, среднего треугольника, двух маленьких треугольников, одного квадрата и одного параллелограмма (прямоугольника, у которого две короткие стороны наклонены в одну сторону). Все треугольники являются прямоугольными, то есть один угол в каждом треугольнике равен 90 градусам. Фигуры могут быть сделаны практически из любого материала, включая дерево, пластик, стекло или панцирь черепахи. На самом деле, вы сами можете сделать свой набор танграм с помощью бумаги, карандаша, линейки и ножниц.

Целью игры является сложить семь деталей, чтобы получить сложную фигуру, такую, как человек или животное. (Набор танграм обычно содержит книгу с возможными фигурами.) Детали не должны перекрывать друг друга, и край одной детали должен касаться края как минимум одной другой детали.

Связь между таграмами и математикой очевидна: фигуры пришли из геометрии, раздела математики, который изучает линии, точки и углы. Но танграмы наводят и на более глубокие математические размышления. Некоторые математики задавались вопросом, сколько фигур можно сложить из семи деталей набора танграм. Но в голове у них были вовсе не фигуры овец или моряков. Вместо этого они думали о выпуклых многоугольниках, таких фигурах, как пятиугольники и квадраты, у которых есть три или более сторон и ни одна сторона не наклоняется в сторону центра. Математики обнаружили, что игрок может создать из семи деталей 13 выпуклых многоугольников: два пятиугольника, шесть четырехугольников, один треугольник и четыре шестиугольника. Головоломка простая, но, как и многое в математике, имеет глубокий аспект, который не сразу виден.

Колумбово яйцо

Не все наборы танграм состоят из треугольников и прямоугольников. Один вид – яйцо Колумба – сначала предстает двухмерной фигурой. Потом его делят на детали, у некоторых из них изогнутые края.

Если вы поедете в Сент-Луис в Миссури, вы не сможете не увидеть «Ворота Запада», это громадная постройка из стали и бетона, которая достигает в высоту 630 футов. Достроенная в 1965 году арка символизирует историческую роль Сент-Луиса в качестве ворот на запад для тех, кто колонизировал Северную Америку. Арку можно также рассматривать как дань уважения математике, так как ее форма напоминает цепную линию, своего рода арку, которая образовывается, когда цепь прикрепляют к двум стойкам с обеих сторон, и при этом она ниспадает к земле. (Если быть более точным, то «Ворота Запада» – это перевернутая версия почти цепной линии.) Цепные линии вы можете увидеть в линиях электропередачи между вышками и в форме тяжелого троса, который держит корабль в порту. Вы также можете их увидеть в виде бархатных канатов, которые ограждают людей, стоящих в очереди в кино или на концерт.

Цепные линии похожи на параболы – другой вид кривых, – но уравнение для них было получено лишь в 1691 году тремя математическими титанами: Христианом Гюйгенсом, Якобом Бернулли и Готфридом Лейбницем.

Цепные линии в архитектуре

Перевернутые цепные линии часто встречаются в архитектуре, придавая красоту и грацию разным пространствам. Их можно увидеть, например, под террасой «Дома Мила» Антони Гауди, а еще они поддерживают крышу Зимнего сада Шеффилда в Южном Йоркшире в Великобритании.

Представьте прекрасное архитектурное сооружение, и вы, вероятно, подумаете о цепном мосте. Эти парящие конструкции узнаваемы благодаря кабелям, которые не только выглядят красиво, но и выполняют важную задачу: они поддерживают проезжую часть, которая проходит под ними. Эти волнообразные кривые также являются примерами парабол, форм, знакомых математикам и которые можно найти во многих местах физического мира.

Если вы помните декартову систему координат из уроков геометрии, то вы также помните, что можете построить параболу с помощью уравнения y=х². Или вы можете помнить, что парабола относится к классу фигур, известный как коническое сечение, которое образуется, когда плоскость, как лист бумаги, пересекает круговой конус разными способами. (На уроках физики вы, возможно, учили, что кабели передают силу тяжести, оказываемую тяжелой дорогой и машинами на башни моста, которые направляют эту силу вниз в землю.) Кабели также имеют форму парабол отчасти из-за дороги и движения по ней. Без этого веса кабели могли бы принять форму больше похожую на цепные линии, то есть форму, которую принимают такие висячие объекты, как веревки, когда единственной силой, которая на них действует, является гравитация (см. главу 1.31).

Мосты со сквозными фермами и треугольники

Естественно, не во всех мостах есть кабели. Некоторые мосты содержат такие структурные компоненты, как фермы. Они обычно сооружаются из множества компонентов, обычно треугольников, которые соединены так, что вся конструкция ведет себя как единое целое.

Если вы живете там, где ходят автобусы, вы, наверное, замечали, что иногда стоите на остановке намного дольше, чем рассчитывали, а автобусов все нет и нет. Вы смотрите на горизонт, ваша нога нервно стучит по асфальту, и вдруг видите два подъезжающих автобуса. «Черт! – вскрикиваете вы. – Почему они не могут приезжать равномерно? Что не так с транспортной системой в этом идиотском городе?»

Но оказывается, автобусы группируются не потому, что проблема в транспортной системе. На самом деле, это просто неизбежно. Представьте два автобуса, которые выезжают из автобусного парка рано утром в начале смены. Допустим, они выезжают оттуда с десятиминутным интервалом. Если бы автобусу нужно было подъехать к остановке, подождать определенное количество времени и уехать, то они бы не группировались. Но, естественно, на каждой остановке он должен набрать пассажиров, а время, которое нужно человеку, чтобы сесть в автобус, у всех разное. (Сравните пожилого человека с тростью и 10-летнего мальчика.) Более того, на некоторых остановках собирается огромное количество ожидающих пассажиров. (Возможно, эта остановка находится рядом со школой и каждый день примерно в 3 часа дня толпа учащихся выходит и ждет автобус, чтобы доехать до дома.) В любом случае, автобус может застрять в любой точке маршрута.