Математические головоломки и развлечения

Гарднер Мартин

Вот эта задача в том виде, как ее сформулировал клерк из рассказа Уильямса.

Пять матросов и мартышка потерпели кораблекрушение и высадились на необитаемом острове. Весь первый день они занимались сбором кокосовых орехов. Вечером они сложили все орехи в кучу и легли спать.

Ночью, когда все заснули, один из матросов, подумав, что утром при разделе орехов может вспыхнуть ссора, встал, чтобы взять свою долю орехов немедля. Он разделил все кокосовые орехи на пять равных кучек, а один оставшийся орех отдал мартышке. Затем матрос спрятал свою долю, а все остальные орехи снова сложил в одну кучу.

Через некоторое время проснулся другой «робинзон» и сделал то же самое. У него тоже остался один лишний орех, и он отдал его мартышке. И так один за другим поступили все пятеро потерпевших кораблекрушение. Каждый из них взял себе одну пятую орехов из той кучи, которую он нашел при пробуждении, и каждый отдал один орех мартышке. Утром они поделили оставшиеся орехи, и каждому досталось поровну — по одной пятой. Разумеется, каждый из матросов не мог не знать, что части орехов не хватает, но так как у каждого из них совесть была одинаково нечиста, то никто ничего не сказал. Сколько кокосовых орехов было первоначально?

В рассказе Уильямса ответа не давалось. Говорят, что уже в течение первой недели после опубликования рассказа редакция «Сатердей ивнинг пост» получила около 2000 писем. Джордж X. Лоример, занимавший в то время пост главного редактора газеты, направил Уильямсу следующую историческую телеграмму: Ради бога, сообщите, сколько было орехов. В редакции творится черт знает что.

В течение 20 лет Уильяме продолжал получать письма либо с просьбой сообщить ответ, либо с новыми решениями. В настоящее время задача о кокосовых орехах принадлежит к числу наиболее часто решаемых, но наименее поддающихся решению диофантовых головоломок (термин «диофантово уравнение» происходит от имени Диофанта Александрийского, греческого математика, который впервые подробно исследовал уравнения, допускающие решения в рациональных числах).

Задачу о кокосовых орехах придумал не Уильяме. Он лишь видоизменил уже известную до него задачу, чтобы сильнее запутать ее. Более старая версия задачи почти полностью совпадает с приведенной в рассказе Уильямса. Единственное различие заключается в том, что утром при окончательном разделе орехов в старом варианте задачи один орех снова оказывается лишним и достается мартышке, в то время как в рассказе окончательный раздел производится точно, без остатка. Некоторые диофантовы уравнения имеют лишь одно решение (например, уравнение х2 +2 = у3); другие допускают конечное число решений, третьи (например, уравнение х3 + у3 = z3) не имеют ни одного решения. Задача о кокосовых орехах и в изложении Уильямса, и в формулировке его предшественников допускает бесконечно много решений в целых числах.

Наша задача состоит в том, чтобы найти среди них наименьшее положительное число.

Более старый вариант задачи можно свести к следующим шести неопределенным уравнениям:

N = 5A + 1, 4C = 5D + 1,

4А = 5В + 1, 4D = 5E + 1

4B = 5C + 1, 4E = 5F + 1

Смысл каждого из этих уравнений очевиден: имеющееся количество орехов делят на пять равных частей (причем эту операцию проделывают шесть раз). Буква N означает первоначальное число орехов, буква F — число орехов, которое получил каждый моряк при окончательном разделе, единицы в правых частях уравнений — те орехи, которые достались мартышке, а каждая из букв — некоторое (пока неизвестное) целое положительное число.

С помощью хорошо известных из алгебры приемов эти уравнения нетрудно свести к одному диофантову уравнению с двумя неизвестными:

1024N = 15 625F+11529.

Это уравнение слишком сложно, чтобы решать его методом проб и ошибок. Существует стандартный метод его решения, основанный на остроумном использовании непрерывных дробей, однако он приводит к длинным и громоздким выкладкам. Мы же рассмотрим здесь на первый взгляд бессмысленное и невероятное, но изящное и простое решение, в котором используется понятие об отрицательном числе кокосовых орехов. Это решение иногда приписывают физику из Кембриджа Полю А. М. Дираку, однако в ответ на мой вопрос профессор Дирак написал, что ему решение сообщил Дж. Г. К. Уайтхэд, профессор математики из Оксфорда (и племянник знаменитого философа). Профессор Уайтхэд в ответ на аналогичный вопрос заявил, что он узнал решение от кого-то еще, и я не стал заниматься дальнейшим расследованием.

Независимо от того, кому первому пришла в голову мысль об отрицательных кокосовых орехах, рассуждать он мог примерно так.

Поскольку орехи шесть раз делили на пять кучек, ясно, что, прибавив число 56 (то есть 15 625) к любому ответу, мы получим другой, больший ответ. Более того, к решению задачи можно прибавлять кратное числа 56 (при этом мы получим новое решение), и точно так же из решения молено вычитать любое кратное числа 56. Вычитая кратные 56, мы в конце концов получим бесконечно много решений задачи в отрицательных числах. Все они будут удовлетворять исходному уравнению, но не будут удовлетворять первоначальной задаче, поскольку ее решение должно быть целым положительным числом.

Очевидно, что небольшого положительного значения N, которое бы удовлетворяло условиям задачи, не существует. Может быть, простое решение удастся найти в отрицательных числах? Простым подбором можно без особого труда обнаружить удивительный факт: такое решение действительно существует. Это N = —4.

Убедимся в том, что это число в самом деле удовлетворяет всем условиям задачи.

Первый моряк подходит к куче, в которой имеется -4 кокосовых ореха, бросает один (положительный) кокосовый орех мартышке (получает мартышка свой орех до или после того, как вся куча будет разделена на пять частей, роли не играет). Таким образом, в куче оказывается —5 орехов. Это количество он раскладывает на пять кучек, по —1 ореху в каждой. Затем он прячет —1 орех, после чего остается —4 кокосовых ореха—ровно столько, сколько было вначале! Следующий моряк проделывает тот лее ритуал с несуществующими орехами, и после окончательного раздела «имущества» у каждого моряка оказывается по —2 ореха. В самом лучшем положении при таком «пополнении запасов наоборот» оказывается мартышка: она умчится, получив свои +6 орехов! Чтобы найти ответ, то есть наименьшее целое положительное число, удовлетворяющее данным задачи, нам остается только прибавить 15 625 к —4 и получить искомое решение: 15 621.

Этот же подход к задаче позволяет сразу же дать общее решение для случая п моряков, каждый из которых, разделив лежащие перед ним орехи на п равных частей, берет себе одну n– ю. Когда моряков четверо, мы начинаем с —3 кокосовых орехов и прибавляем 4⁵. Если моряков шестеро, мы начинаем с —5 орехов и прибавляем 6⁷. Аналогично можно поступать и при других значениях n.

Рассуждая более формально, можно записать, что первоначальное число кокосовых орехов равно k(nⁿ+1) — m(n — 1), где n — число людей, m — число орехов, отдаваемых мартышке при каждом разделе, а k — произвольное целое число, называемое параметром.

Когда n = 5, а m = 1, наименьшее положительное решение (в целых числах) мы получим, положив параметр к равным 1.

К сожалению, столь необычный метод решения неприменим к тому варианту задачи, который приводится в рассказе Уильямса, когда при последнем разделе орехов мартышка не получает ничего. Найти решение для этого случая я предоставляю тем читателям, которых это интересует. Разумеется, его можно найти с помощью обычных методов решения диофантовых уравнений, однако можно намного быстрее прийти к ответу, воспользовавшись тем, что уже известно из только что разобранного варианта. Для тех, кто находит, что и это слишком трудно, приводим очень простую задачу о кокосовых орехах, свободную от всех трудностей решения диофантовых уравнений.