Задание 2 "Кузнечик"
Кузнечик прыгает по числовой прямой и всегда начинает свое
путешествие из точки 0.
2.1. Кузнечик может прыгать на 3 и на 5 единиц длины как впе-
ред, так и назад. Покажите, что он может попасть как в точку 1,
так и в точку -1.
2.2. Покажите, что в ситуации задачи 2.1 Кузнечик может попасть
в любую целую точку (то есть в точку числовой прямой, координа-
та которой - целое число).
2.3. Что можно сказать про путешествия Кузнечика (см. пункты
2.1 и 2.2), если у него прыжки длиной (а) 4 и 6; (б) 5 и 7; (в)
6 и 9. Докажите свои утверждения.
Далее Кузнечик начинает свое путешествие из точки 0, но пры-
гает по числовой прямой только вперед (в положительном направ-
лении). Точки, в которые он может попасть, называются достижи-
мыми, остальные - недостижимыми. Начальная точка 0 считается
достижимой. Все отрицательные целые точки оказываются недости-
жимыми.
2.4. Кузнечик может прыгать вперед на 3 и на 5 единиц длины.
Отметьте все достижимые точки. Докажите, что все точки, начиная
с 8, оказываются достижимыми.
Замечание. Пометим достижимую точку буквой A, а недостижимую -
буквой B. Вот как раположатся пометки вблизи точки 0:
...BBBABBA...
Первая слева буква A отмечает точку старта (точку 0). До нее
слева буквы B отмечают недостижимые отрицательные точки. Нужно
продолжить пометки вправо, интересно, как там расположены бук-
вы.
2.5. Кузнечик может прыгать вперед на 5 и на 7 единиц длины.
Отметьте все достижимые точки (приведите слово из букв A и B).
Начиная с какой достижимой точки все следующие за ней также бу-
дут достижимые?
2.6. Кузнечик может прыгать вперед на a и на b единиц длины,
где a и b - взаимно простые числа (их наибольший общий делитель
равен 1). Докажите, что есть замечательная точка, которая дос-
тижимая и все следующие за ней тоже достижимые. Найдите формулу
замечательной точки (зависимость ее координаты от a и b).
Как устроены множества достижимых и недостижимых точек?
2.7. Проверьте в случаях 2.4 и 2.5, что множества достижимых и
недостижимых точек симметричны друг другу относительно некото-
рой точки. Докажите это утверждение в общем случае 2.6.
2.8. Опираясь на результат 2.7, подсчитайте в случае 2.6 коли-
чество положительных недостижимых точек.
2.9. Кузнечик может прыгать вперед на a, b и c единиц длины,
где a, b и c - попарно взаимно простые числа. Исследуйте эту
ситуацию, сформулируйте свои гипотезы и расскажите о результа-
тах.
Не обязательно отвечать на все вопросы. Выберите то, что Вам
интересно и доступно. Это одни вопросы для младших (6-7 классы)
и другие для старших (10-11 классы, студенты младших курсов).
О задачах
Прежде всего отметим, что для того, чтобы решать задачи, не
требуются никакие книжки, нужно только желание.
Кузнечик - исполнитель из учебника "Алгоритмика" для 5-7
классов. Обобщения пунктов 2.1 - 2.3 затрагивают алгоритм Ев-
клида. В Заочной Математической Школе при МГУ (позднее ОЛ ВЗМШ)
было очень хорошее задание "Целые числа" Н.Б.Васильева и
В.Л.Гутенмахера, в нем есть решение уравнений ax+by=c в целых
числах (a,b и c - целые), причем и с геометрической точки зре-
ния. Задача 2.4 (в формулировке с трехкопеечными и пятикопееч-
ными монетами) - стандартный пример на метод математической ин-
дукции: "Если первая в очереди женщина и за каждой женщиной
стоит женщина, то все в очереди женщины". Задачу об устройстве
множества достижимых точек в общем случае (прыжки длиной a_1,
..., a_n) недавно (примерно год назад) упомянул В.И.Арнольд. С
помощью вычислительного эксперимента можно исследовать, с какой
частотой встречаются достижимые точки на различных участках от-
резка [0,L], где L - замечательная точка.
(С) С.И.Соболев, 1999-2002