0

Kaksi jokilaivaa

IMLS Digital Collections & Content / Flickr (CC BY 2.0)

IMLS Digital Collections & Content / Flickr (CC BY 2.0)

Kaksi jokilaivaa lähtee samaan aikaan joen vastakkaisilta rannoilta tasaisella nopeudella suoraviivaisesti kohti vastarantaa; toinen laivoista on nopeampi. Kun laivat kohtaavat, on lähempi ranta 720 metrin päässä. Molemmat laivat pysähtyvät rannalle kymmeneksi minuutiksi, ja kun ne kohtaavat seuraavan kerran, ovat ne 400 metrin päässä toisesta rannasta. Kuinka leveä joki on?

Martin Gardnerin ongelma, tietenkin. Ratkaisu löytyy tästä. Ensi viikolle keksin sitten jotain ihan muuta.

0

Kuution sahaus – ratkaisu

Kuutio voidaan jakaa kuudella suoralla sahauksella 27 tasakokoiseksi pieneksi kuutioksi. Jos yksittäisen sahauksen jälkeen kuution osia voisi mielensä mukaan järjestellä uudelleen, olisiko mahdollista vähentää tarvittavien sahauksien määrää?

Sahauksien lukumäärää ei voi vähentää kuudesta. Keskimmäisessä kuutiossa on kuusi sahattavaa pintaa.

0

Pyöräilijän ja autoilijan kohtaus – ratkaisu

Pyöräilijä lähtee Tampereelta kohti Varkautta polkien tasaisella nopeudella. Tuntia myöhemmin Varkaudesta lähtee autoilija niin ikään tasaisella nopeudella kohti Tamperetta. Kun he kohtaavat, kumpi on lähempänä Tamperetta?

Tämä arvoitus herätti hieman hämmentynyttä vastakaikua, joten lienee tarpeen selventää, että kyseessä on tietenkin huumori. Me matemaatikot olemme hauskoja! Keksimme sellaisiakin vitsejä, että olkoon \epsilon < 0

Vastaus on siis, että yhtä kaukanahan he Tampereelta ovat, kun he kohtaavat. Tässä siis oletetaan, että autoilija ja pyöräilijä ovat pistemäisiä, täsmälleen samalla reitillä kulkevia objekteja.

Tämä vitsi tuo mieleeni yhden toisen ongelman, joka löytyy lukiomatematiikan oppikirjoistakin. Ja tämän toisen ongelman ratkaisu on hieno, vaikkei ehkä samaan tapaan humoristinen. Tämä on ihan oikeasti matematiikkaa.

Siis: Retkeilijä lähtee tunturihotellilta kello 7 aamulla kohti autiotupaa, jossa hän on perillä kello 17 illalla. Seuraavana päivänä hän lähtee takaisin kohti tunturihotellia samaa reittiä kulkien kello 9 aamulla ollen perillä kello 15. Osoita, että hän voi molempina päivinä pitää evästauon täsmälleen samassa kohdassa täsmälleen samaan aikaan.

0

Kuution sahaus

Rubikin kuutio voidaan jakaa kuudella suoralla sahauksella 27 tasakokoiseksi pieneksi kuutioksi kuvan osoittamalla tavalla. Jos yksittäisen sahauksen jälkeen kuution osia voisi mielensä mukaan järjestellä uudelleen, olisiko mahdollista vähentää tarvittavien sahauksien määrää?

Tämäkin ongelma kumartaa kauniisti Martin Gardnerin suuntaan. Ratkaisu löytyy tästä.rubiks-cube-145949_640

1

Pyöräilijän ja autoilijan kohtaus

Pyöräilijä lähtee Tampereelta kohti Varkautta polkien tasaisella nopeudella. Tuntia myöhemmin Varkaudesta lähtee autoilija niin ikään tasaisella nopeudella kohti Tamperetta. Kun he kohtaavat, kumpi on lähempänä Tamperetta?

George H. Van Norman (n. 1898): "Bike for Four"; Wikipedia/Public Domain

George H. Van Norman (n. 1898): ”Bike for Four”; Wikipedia/Public Domain

Ratkaisu ongelmaan on tässä.

0

Kuinka monta rationaalilukua on – ratkaisu

Näyttää siltä, että luonnollisia lukuja on tuplasti enemmän kuin parillisia luonnollisia lukuja, mutta itse asiassa onkin niin, että niitä on ”yhtä äärettömästi”. Mikä olisi kätevä tapa osoittaa tämä?

Rationaaliluvut ovat tiheitä reaalilukujen joukossa, eli kun valitaan mitkä tahansa kaksi reaalilukua, niin niiden väliin mahtuu aina rationaaliluku. Tämä ominaisuus ei selvästikään ole esimerkiksi luonnollisilla luvuilla voimassa. Mutta voitaisiinko silti osoittaa, että rationaalilukuja on ”yhtä äärettömästi” kuin luonnollisia lukuja?

Toimiva ratkaisu joukkojen osoittamiseksi yhtä mahtaviksi (eli joukoiksi, joissa on yhtä monta alkiota) on näyttää, että joukkojen välille voidaan muodostaa niin kutsuttu bijektio. Tämä tarkoittaa sitä, että joukkojen alkioiden välille voidaan muodostaa 1–1-vastaavuus. Hieman toisin tulkittuna kyse on siis funktion ja sen käänteisfunktion olemassaolosta tarkasteltavien joukkojen välillä.

Luonnollisten lukujen ja parillisten luonnollisten lukujen välille 1–1-vastaavuuden löytäminen on yksinkertaista:

    \[\begin{array}{ccccccccc} 0&1&2&3&4&5&6&7&\ldots\\ \updownarrow&\updownarrow&\updownarrow&\updownarrow&\updownarrow&\updownarrow&\updownarrow&\updownarrow&\\ 0&2&4&6&8&10&12&14&\ldots \end{array}\]

Samaa ideaa voidaan välittömästi laajentaa myös muihin joukkoihin. Esimerkiksi kokonaislukujen ja luonnollisten lukujen joukot ovat selvästi yhtä mahtavia.

Miten sitten osoitetaan rationaaliluvut yhtä mahtavaksi joukoksi luonnollisten lukujen kanssa? Yksi tunnettu menetelmä on seuraavassa. Tutkitaan ensin positiivisten kokonaislukujen ja positiivisten rationaalilukujen yhteyttä. Muodostetaan positiivisista kokonaisluvuista oheinen taulukko.

    \[\begin{array}{c|cccccccc} &1&2&3&4&5&6&7&\ldots\\ \hline 1&\frac{1}{1}&\frac{1}{2}&\frac{1}{3}&\frac{1}{4}&\frac{1}{5}&\frac{1}{6}&\frac{1}{7}&\ldots\\ 2&\frac{2}{1}&\frac{2}{2}&\frac{2}{3}&\frac{2}{4}&\frac{2}{5}&\frac{2}{6}&\frac{2}{7}&\ldots\\ 3&\frac{3}{1}&\frac{3}{2}&\frac{3}{3}&\frac{3}{4}&\frac{3}{5}&\frac{3}{6}&\frac{3}{7}&\ldots\\ 4&\frac{4}{1}&\frac{4}{2}&\frac{4}{3}&\frac{4}{4}&\frac{4}{5}&\frac{4}{6}&\frac{4}{7}&\ldots\\ 5&\frac{5}{1}&\frac{5}{2}&\frac{5}{3}&\frac{5}{4}&\frac{5}{5}&\frac{5}{6}&\frac{5}{7}&\ldots\\ 6&\frac{6}{1}&\frac{6}{2}&\frac{6}{3}&\frac{6}{4}&\frac{6}{5}&\frac{6}{6}&\frac{6}{7}&\ldots\\ 7&\frac{7}{1}&\frac{7}{2}&\frac{7}{3}&\frac{7}{4}&\frac{7}{5}&\frac{7}{6}&\frac{7}{7}&\ldots\\ 8&\frac{8}{1}&\frac{8}{2}&\frac{8}{3}&\frac{8}{4}&\frac{8}{5}&\frac{8}{6}&\frac{8}{7}&\ldots\\ \vdots&\vdots&\vdots&\vdots&\vdots&\vdots&\vdots&\vdots&\ddots\\ \end{array}\]

Aletaan nyt käydä tätä taulukkoa läpi järjestelmällisesti vasemmasta yläkulmasta alkaen aina diagonaali kerrallaan ja vaihdetaan aina reunalle päästyämme suuntaa. Hypätään yli kaikki ne rationaaliluvut, jotka eivät ole yksinkertaisimmassa mahdollisessa muodossa. Saadaan siis jono 1, 2, \frac{1}{2}, \frac{1}{3}, (hypätään yli \frac{2}{2}=1), 3, 4, \frac{3}{2}, \frac{2}{3}, \frac{1}{4}, \frac{1}{5}, (hypätään yli \frac{2}{4}, \frac{3}{3} ja \frac{4}{2}), 5, 6, \frac{5}{2} ja niin edelleen.

Näin jatkamalla tulee selvästi jokainen positiivinen rationaaliluku käydyksi läpi. Ja koska ne voidaan siis luetella järjestyksessä, on niiden ja positiivisten kokonaislukujen 1, 2, 3, 4, \ldots välillä ilmeinen 1–1-vastaavuus. Pienellä vaivalla myös nolla sekä negatiiviset rationaaliluvut saadaan otettua mukaan luetteloon. Siis rationaalilukuja on ”yhtä monta” kuin luonnollisia lukuja.

Eräs tämän ongelman kiehtovia variaatioita tunnetaan esittäjänsä David Hilbertin mukaan nimellä Hilbertin hotelli. Siihen voi tutustua vaikkapa tästä.

0

49 jakajana

Ensin huomataan, että

    \[\frac{\frac{1}{50}}{1-\frac{1}{50}}=\frac{\frac{1}{50}}{\frac{49}{50}}=\frac{1}{49}.\]

Siis geometriseksi sarjaksi kehiteltynä

    \[\frac{1}{49}=\frac{1}{50}+\left(\frac{1}{50}\right)^2+\left(\frac{1}{50}\right)^3+\left(\frac{1}{50}\right)^4+\ldots .\]

Jos näin muodostuvaa desimaalilukua käsitellään kahden desimaalin palasina, ovat jälkimmäiset kaksi aina yhden viideskymmenesosan eli kaksi sadasosaa edellisistä. Käytännön laskutoimituksissa tämä johtaa yllättävän helppoon desimaalikehitelmän muodostamiseen. Toimi seuraavasti:

  1. Kerro osoittaja kahdella. Kaksi ensimmäistä desimaalia on tässä. Jos tulos on vähintään 50, lisää siihen 1. Jos tulos on vähintään sata, jätä ykkönen alusta pois. Jos tulos on alle 10, lisää nolla eteen.
  2. Kerro edelliset kaksi desimaalia kahdella. Jos tulos on vähintään 50, lisää siihen 1. Jos tulos on vähintään sata, jätä ykkönen alusta pois. Jos tulos on alle 10, lisää nolla eteen.
  3. Ja niin edelleen.

Tämä algoritmi todella toimii! Ja jossain vaiheessa se jaksokin tulee kyllä vastaan – pakkohan sen on, koska kyseessä on ilmeinen rationaaliluku. (Jakson pituus tässä tapauksessa on muuten korkeintaan 42 numeroa.)

Otetaan esimerkiksi luku \frac{18}{49}. Kerrotaan ensin osoittaja kahdella: 2\cdot 18=36. Luvun alku on siis 0,36. Edelleen 36\cdot 2 =72, mutta koska 72\geq 50, lisätään 1. Alku on siis 0,3673. Nyt 73\cdot 2=146, joten tästä jätetään ykkönen alusta pois. Olemme saaneet 0,367346. Ja kun tästä jatkamme, saamme

    \[\frac{18}{49}=0,367346938775510204081632\ldots.\]

Kokeile nyt itse! Muodosta desimaalikehitelmät luvuille \frac{11}{49}, \frac{41}{49} ja \frac{8}{49}.

Jos lukuja jaetaan 7:llä, liittyy näin muodostuviin desimaalikehitelmiin eräs hauska ominaisuus. Muodosta desimaalikehitelmät luvuille \frac{1}{7}, \frac{2}{7}, \frac{3}{7}, \frac{4}{7}, \frac{5}{7} ja \frac{6}{7}. Huomaatko? Käytä apuna taitoasi 49:llä jakamisessa.

Vastaava temppu yleistyy myös 499:llä, 4999:llä, 49999:llä jne. jakamiseen. Pienellä vaivalla sovellusalueita löytyy lisääkin.

Opin tämän tempun Colin Beveridgeltä. Lähdeteksti löytyy osoitteesta http://www.flyingcoloursmaths.co.uk/mathematical-ninja-divides-49/.

0

Lävistäjä

neljännesympyrä

Neljännesympyrän sisällä on kuvan mukainen suorakulmio. Laske lävistäjän BD pituuden tarkka arvo.

Tämä mainio pikku ongelma on napattu jälleen Martin Gardnerilta. Ratkaisitko alle minuutissa?

Ratkaisu ongelmaan on tässä.

0

Julkisivuremontti

Pulmablogi hakee vähän toimivampaa ulkoasua. Olen joutunut ongelmiin erityisesti matemaattisen typografian, eli \LaTeX-koodauksen kanssa, enkä oikein meinaa löytää hyvää ratkaisua tähän. Tästä syystä lähiaikoina sivuilla nähtäneen monenlaisia kokeiluja sekä huonommin ja paremmin luettavaa matematiikkaa. Joka tapauksessa on selvää, että sivuston ulkoasu muuttuu sangen erilaiseksi, sillä nykyinen sivuteema ei taida tarpeisiini sittenkään kunnolla taipua. Kärsivällisyyttä, ystävät, kyllä tämä tästä ehkä.