Две исследовательские работы

Я расскажу о двух работах (или одной, как считать), показательных во многих отношениях. Всё началось с того, что шестиклассник Володя Иванов взял задачу об аликвотах – обыкновенных дробях с числителем 1. Древние египтяне использовали почему-то только такие дроби. Другие дроби представляли в виде сумм аликвот. Сохранился папирус Ахмеса, в котором дроби вида 2/(2n+1) представлялась в виде суммы двух, трёх или четырёх аликвот. Володя задался вопросом: любую ли дробь такого вида («папирусную») можно представить в виде суммы двух аликвот? Оказалось, что любую, да ещё несколькими вариантами. Всегда присутствует, во-первых, тривиальное разложение

(которое мы договорились даже не учитывать), во-вторых, ещё такое:

(можно проверить тождество непосредственно). Володя искал разложения численно на компьютере, и открыл, что для многих n есть и другие разложения. Этим закончилось первое полугодие, но тут наш коллега Андрей Олегович подкинул идею посмотреть частоты распределения количеств разложений. Володя обсчитал все дроби с n от 1 до 500. Оказалось, что вполне можно говорить о статистической закономерности: 1, 4, 7, 13 вариантов встречались стабильно больше остальных. Примерно в этот момент я понял, что нашу задачу можно сформулировать так: дано натуральное число h; сколько есть пар натуральных чисел a и b, для которых h является средним гармоническим? Новая формулировка задачи привела, во-первых, к тому, что мы стали исследовать и чётные знаменатели (для них закономерности оказались такие же). Во-вторых, была поставлена серия аналогичных задач: Дано натуральное число r. Сколько существует пар натуральных чисел a, b, для которых r является 1) средним арифметическим? 2) средним геометрическим? 3) средним квадратичным? За эти задачи взялся Миша Пядёркин (6 класс). Но вернёмся к Володе. За следующие полгода (третьи!) мы поняли, что количество вариантов разложения папирусной дроби в сумму двух аликвот однозначно определяется видом разложения её знаменателя на простые множители. Наконец, в четвёртом полугодии я смог по Володиным таблицам и классификациям угадать общую формулу для количества вариантов. Мне хотелось, чтобы Вова на майском докладе доложил этот результат, но сам он никак до формулы не догадывался, а лишать его открытия было нечестно… Он придумал формулу осенью, а чуть раньше, в августе, корейский учитель Kim Young Won, которому я рассказал нашу гипотезу как пример того, на что способна неполная индукция в школьной математике, дал строгий и простой вывод формулы.

Тем временем Миша легко решил задачу о среднем арифметическом. Решение задачи о среднем геометрическом я знал, поэтому подсказал нужную комбинаторную идею. После этого мы на вторые полгода завязли в задаче о среднем арифметическом трёх чисел. Сложность была в том, что при подсчёте троек чисел мы вводили «ограничения» (как называл их Миша), то есть отождествляли все варианты, получаемые друг из друга перестановкой (например, 1+2+3 и 3+2+1 считали за 1 вариант). Поэтому надо было отдельно считать случаи, в которых все три числа различны, в которых два числа совпадают и в которых все три совпадают. Миша проделал всю работу сам с большим энтузиазмом (я только вылавливал ошибки и давал советы). Получились разные ответы для чётных и нечётных r.

В задаче о среднем квадратичном даже двух чисел просветов не было видно. Миша сделал для неё компьютерную таблицу разложений (как Володя когда-то), и на этом мы расстались на лето. В начале осени я посмотрел на таблицу и стал догадываться, что к чему. К сожалению, дальнейшее происходило при весьма слабом участии Миши. Постепенно я опять угадал общую формулу – она оказалась очень похожа по структуре на Володину, но сложнее (так что без подготовки открыть её было бы очень трудно). Потом я научился доказывать, что количество вариантов не меньше, чем утверждает формула. Для этого хватало чисто алгебраической техники: равенство

порождает два числовых разложения. Однако эта техника принципиально не могла доказать отсутствия других вариантов разложений! Требовался выход задачи в какую-то другую область математики… Задача пролежала три года, но вспомнилась, когда проф. Г.Б. Шабат, консультировавший другого моего ученика, рассказал ему о гауссовых числах – это комплексные числа с целыми действительной и мнимой частями. Эти числа однозначно раскладываются на простые гауссовы числа, исследовав которые, не так уж трудно оказалось доказать угаданные мною формулы. Заодно задача свелась к классической задаче Ферма-Эйлера о сумме квадратов.

Удивительно, что дети могут плодотворно заниматься одной темой по два года и больше! Очевидно, это возможно не с любой задачей, а с задачей, допускающей постепенные продвижения, «вживание» (которого почти никогда не бывает на уроках). А в результате этого «вживания» со временем решаются задачи, к которым вначале совсем не видно подхода.

Стоит отметить и большую роль обсуждения задач с коллегами по ходу решения.

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: