Яков Перельман - Загадки и диковинки в мире чисел
Вы называете наугад первое попавшееся число – 269.
Фокусник без малейшего промедления подает вам 4 заклеенных конверта. Вы вскрываете их и находите:
Теперь вы склонны заподозрить фокусника в искусной подмене конвертов и требуете повторения опыта. Фокусник спокойно кладет деньги обратно в конверты, заклеивает и оставляет их на этот раз уже в ваших руках. Вы называете новое число, например 100, или 7, или 293 – и фокусник моментально указывает, какие из лежащих у вас под руками конвертов вы должны взять, чтобы составить требуемую сумму (в первом случае, для 100 р. – 4 конверта, во втором, для 7 р. – 3 конверта, в третьем, для 293 р. – 6 конвертов). Это представляется чем-то непостижимым; но, прочтя ближайшие полстраницы, вы сможете повторить тот же фокус и изумлять других, еще не посвященных в его секрет. А секрет этот кроется в том, чтобы разложить деньги в следующие стопки: 1 р., 2 р., 4 р., 8 р., 16 р., 32 р., 64 р., 128 р. и, наконец, в последней – остальные рубли, т. е.
300-(1 + 2+ 4 +8 + 16 + 32 + 64+ 128) = 300–255 = 45.
Из первых 8 конвертов возможно, как нетрудно убедиться, составить любую сумму от 1 до 255; если же задается число большее, то пускают в дело последний конверт, с 45 рублями, а разницу составляют из первых восьми конвертов.
Вы можете проверить пригодность такой группировки чисел многочисленными пробами и убедиться, что из них можно действительно составить всякое число, не превышающее 300. Но вас, вероятно, интересует и то, почему собственно ряд чисел 1,2,4, 8,16, 32, 64 и т. д. обладает столь замечательным свойством. Это нетрудно понять, если вспомнить, что числа нашего ряда представляют степени двух: 21, 22, 23, 24 и т. д. [26] , и, следовательно, их можно рассматривать как разряды двоичной системы счисления. Атак как всякое число можно написать по двоичной системе, то, значит, и всякое число возможно составить из суммы степеней двух, т. е. из чисел ряда 1, 2, 4, 8, 16 и т. д. И когда вы подбираете конверты, чтобы составить из их содержимого заданное число, вы, в сущности, выражаете заданное число в двоичной системе счисления. Например, число 100 мы легко сможем составить, если изобразим его в двоичной системе:
(Напомним, что в двоичной системе на первом месте справа стоят единицы, на втором – двойки, на третьем – четверки, на четвертом – восьмерки и т. д.)
Угадать число спичек в коробке
Тем же свойством двоичной системы счисления можно воспользоваться и для следующего фокуса. Вы предлагаете кому-нибудь взять неполную коробку со спичками, положить ее на стол, а ниже ее положить один за другим 8 бумажных квадратиков. Затем просите в вашем отсутствии проделать следующее: оставив половину спичек в коробке, перенести другую половину на ближайшую бумажку; если число спичек нечетное, то излишнюю спичку положить рядом с бумажкой, налево от нее. Спички, очутившиеся на бумажке, надо (не трогая лежащей рядом) разделить на две равные части: одну половину положить в коробку, другую – переложить на следующую бумажку; в случае нечетного числа остающуюся спичку положить рядом со второй бумажкой. Далее поступать таким же образом, всякий раз возвращая половину спичек обратно в коробку, а другую половину перекладывая на следующую бумажку, не забывая, при нечетном числе спичек, класть одну спичку рядом. В конце концов все спички, кроме одиночных, лежащих рядом с бумажками, возвратятся в коробку.
Когда это сделано, вы являетесь в комнату и, бросив взгляд на пустые бумажки, называете число спичек во взятой коробке.
Этот фокус обыкновенно сильно изумляет непосвященных: кажется совершенно непонятным, как можно по пустым бумажкам и случайным единичным спичкам догадаться о первоначальном числе спичек в коробке. В действительности же «пустые» бумажки в данном случае очень красноречивы: по ним и по одиночным спичкам можно буквально прочесть искомое число, потому что оно написано на столе – в двоичной системе счисления. Поясним это на примере. Пусть число спичек в коробке было 66. Последовательные операции с ними и окончательный вид бумажек показаны на следующих схемах:
Итого……..66.
Не нужно большой проницательности, чтобы сообразить, что проделанные со спичками операции, в сущности, те же самые, какие мы выполнили бы, если бы хотели выразить число спичек в коробке по двоичной системе счисления; окончательная же схема прямо изображает это число в двоичной системе, если пустые бумажки принять за нули, а бумажки, отмеченные сбоку спичкой, – за единицы. Читая схему снизу вверх, получаем
То есть в десятичной: 64 + 2 = 66.
Если бы в коробке было 57 спичек, мы имели бы иные схемы.
Искомое число, написанное по двоичной системе:
А в десятичной: 33 + 16 + 8 + 1 = 57.
Для разнообразия можно также пользоваться двумя и более спичечными коробками и отгадывать сумму заключающихся в них спичек.
Чтение мыслей по спичкам
Третье видоизменение того же фокуса представляет собою своеобразный способ отгадывания задуманного по спичкам. Загадавший должен мысленно делить задуманное число пополам, полученную половину опять пополам и т. д. (от нечетного числа отбрасывая единицу), при каждом делении класть перед собой спичку: направленную вдоль стола, если делится число четное; поперек, если приходится делить нечетное. К концу операции получается фигура вроде следующей:
Вы всматриваетесь в эту фигуру и безошибочно называете задуманное число: 137. Как вы узнаете его?
Способ станет ясен сам собою, если в выбранном примере (137) мы последовательно обозначим возле каждой спички то число, при делении которого она была положена:
Теперь понятно, что так как последняя спичка во всех случаях обозначает число 1, то не составляет труда, восходя от нее к предшествующим делениям, добраться до первоначально задуманного числа. Например, по фигуре
вы можете вычислить, что задумано было число 664. В самом деле, выполняя последовательно удвоения (начиная с конца) и не забывая прибавлять в надлежащих местах единицу, получаем:
Таким образом, пользуясь спичками, вы прослеживаете ход чужих мыслей, восстановляя всю цепь умозаключений.
Тот же результат мы можем получить иначе, сообразив, что лежащая спичка в данном случае должна соответствовать в двоичной системе нулю (деление на 2 без остатка), а стоящая – единице. Таким образом, в предшествовавшем примере мы имеем (читая справа налево) число
или в десятичной системе так:
128 + 8 + 1 = 137.
А в последнем примере задуманное число изображается по двоичной системе:
или по десятичной:
512 + 128 + 16 + 8 + 1 = 664.
Еще пример. Какое число было задумано, если из спичек получилась фигура:
Решение: 10010101 в двоичной системе, а в десятичной:
128 + 16 + 4+ 1 = 139.
Необходимо заметить, что получаемая при последнем делении единица также должна быть отмечаема стоящей спичкой.
Идеальный разновес
У некоторых читателей, вероятно, возник уже вопрос: почему для выполнения описанных раньше опытов мы пользуемся именно двоичной системой? Ведь всякое число можно изобразить в любой системе, между прочим, и в десятичной. Чем же объясняется предпочтение двоичной?
Объясняется оно тем, что в этой системе, кроме нуля, употребляется всего одна цифра – единица, а следовательно, число составляется из различных степеней 2, взятых только по одному разу. Если бы в фокусе с конвертами мы распределили деньги, например, по 5-ричной системе, то могли бы составить, не вскрывая конвертов, любую сумму лишь в том случае, когда каждый пакет повторяется у нас не менее 4 раз (в 5-ричной системе, кроме нуля, употребляются ведь 4 цифры).
Впрочем, бывают случаи, когда для подобных надобностей удобнее пользоваться не двоичной, а троичной системой, несколько видоизмененной. Сюда относится знаменитая старинная «задача о системе гирь», которая может послужить сюжетом и для арифметического фокуса.
Представьте, что вам предложили придумать систему из 4 гирь, с помощью которых возможно было бы отвесить любое целое число фунтов от 1 до 40. Двоичная система подсказывает вам набор:
1 ф., 2 ф., 4 ф., 8 ф., 16 ф.,
которым можно отвешивать все грузы от 1 до 31 фунта. Но это, очевидно, не удовлетворяет требуемым условиям ни по числу гирь, ни по предельному грузу (31 ф. вместо 40 ф.). С другой стороны, однако, вы не использовали здесь предоставляемой весами возможности – класть гири не только на одну чашку весов, но и на две, т. е. пользоваться не только суммою гирь, но и их разностью. Это дает так много разнообразных комбинаций, что вы совершенно теряетесь в поисках, не умея уложить их в какую-либо систему. Если вам не посчастливится напасть на правильный путь, вы готовы будете даже сомневаться вообще в разрешимости подобной задачи таким малым числом гирь, как четыре. Но посвященный выходит из затруднения с волшебной простотой, намечая следующие 4 гири:
