Яков Перельман - Живая математика. Математические рассказы и головоломки

Заканчивая нашу беседу о числе перестановок, решим такую задачу из школьной жизни.

В классе 25 учеников. Сколькими способами можно рассадить их по партам?

Путь решения этой задачи - для тех, кто усвоил себе все сказанное раньше - весьма несложен: нужно перемножить 25 таких чисел:

1 х 2 х З х 4 х 5 х 6… х 23 х 24 х 25.

Результат получается огромный, из 26 цифр - число, величину которого наше воображение не в силах себе представить. Вот оно: [17] Как прочесть это число? Оно произносится так: 15 511 секстиллионов 210 квинтиллионов 43 квадриллиона 330 триллионов 985 миллиардов 984 миллиона. – Прим. ред.

15 511 210 043 330 985 984 000 000.

Из всех чисел, какие встречались нам до сих пор, это, конечно, самое крупное, и ему больше всех прочих принадлежит право называться «числом-великаном».

В детстве старший брат показал мне, помню, занимательную игру с монетами. Поставив рядом три блюдца, он положил в крайнее блюдце стопку из 5 монет: вниз - рублевую, на нее - полтинник, выше - двугривенный, далее - пятиалтынный и на самый верх - гривенник [18] Полтинник – монета достоинством 50 коп., двугривенный – 20 коп., пятиалтынный – 15 коп., гривенник – 10 коп. Повторяя эту игру, читатель может взять любые 5 монет (или картонных кружков). Важно лишь, чтобы монета, лежащая в самом начале внизу, была самой большой, а дальше монеты располагались в порядке убывания их диаметра снизу вверх. – Прим. ред. .

Рис. 85. Брат показал мне занимательную игру

- Все 5 монет, - заявил он, - нужно перенести на третье блюдце, соблюдая следующие три правила, первое правило: за один раз перекладывать только одну монету. Второе: никогда не класть большей монеты на меньшую. Третье: можно временно класть монеты и на среднее блюдце, соблюдая оба правила, но к концу игры все монеты должны очутиться на третьем блюдце в первоначальном порядке. Правила, как видишь, несложные. А теперь приступай к делу.

Так выглядели монеты, о которых идет речь

Я принялся перекладывать. Положил гривенник на третье блюдце, пятиалтынный на среднее и запнулся. Куда положить двугривенный? Ведь он крупнее и гривенника, и пятиалтынного.

- Ну, что же? - выручил меня брат. - Клади гривенник на среднее блюдце, поверх пятиалтынного. Тогда для двугривенного освободится третье блюдце.

Я так и сделал. Но дальше - новое затруднение. Куда положить полтинник? Впрочем, я скоро догадался: перенес сначала гривенник на первое блюдце, пятиалтынный на третье и затем гривенник тоже на третье. Теперь полтинник можно положить на свободное среднее блюдце. Дальше, после длинного ряда перекладываний, мне удалось перенести также рублевую монету с первого блюдца и, наконец, собрать всю кучку монет на третьем блюдце.

- Сколько же ты проделал всех перекладываний? - спросил брат, одобрив мою работу.

- Не считал.

- Давай сосчитаем. Интересно же знать, каким наименьшим числом ходов можно достигнуть цели. Если бы стопка состояла не из 5, а только из 2 монет - пятиалтынного и гривенника, - то сколько понадобилось бы ходов?

- Три: гривенник на среднее блюдце, пятиалтынный - на третье и затем гривенник на третье блюдце.

- Правильно. Прибавим теперь еще монету - двугривенный - и сосчитаем, сколькими ходами можно перенести стопку из этих монет. Поступаем так: сначала последовательно перенесем меньшие две монеты на среднее блюдце. Для этого нужно, как мы уже знаем, 3 хода. Затем перекладываем двугривенный на свободное третье блюдце - 1 ход. А тогда переносим обе монеты со среднего блюдца тоже на третье - еще 3 хода. Итого всех ходов:

3 + 1 + 3 = 7.

- Для четырех монет число ходов позволь мне сосчитать самому. Сначала переношу 3 меньшие монеты на среднее блюдце - 7 ходов; потом полтинник на третье блюдце - 1 ход и затем снова три меньшие монеты на третье блюдце - еще 7 ходов. Итого:

7 + 1 + 7 = 15.

- Отлично. А для пяти монет?

- 15 + 1 + 15 = 31, - сразу сообразил я.

- Ну, вот ты и уловил способ вычисления. Но я покажу тебе, как можно его еще упростить. Заметь, что полученные нами числа 3, 7, 15, 31 - все представляют собой двойку, умноженную на себя один или несколько раз, но без единицы. Смотри.

Рис. 86. Жрецы обязаны перекладывать кружки…

И брат написал табличку:

3 = 2 х 2-1

7 = 2 х 2 x 2-1

15 = 2 х 2 х 2 х 2-1

31=2 x 2 x 2 x 2 x 2-1.

- Понимаю: сколько монет перекладывается, столько раз берется двойка множителем, а затем отнимается единица. Я мог бы теперь вычислить число ходов для любой стопки монет. Например, для 7 монет:

2 х 2 х 2 х 2 х 2 х 2 х 2-1 = 128 -1 = 127.

- Вот ты и постиг эту старинную игру. Одно только практическое правило надо тебе еще знать: если в стопке число монет нечетное, то первую монету перекладывают на третье блюдце, если четное - то на среднее блюдце.

- Ты сказал: старинная игра. Разве не сам ты ее придумал?

- Нет, я только применил ее к монетам. Игра очень древнего происхождения и зародилась, говорят, в Индии. Существует интересная легенда, связанная с этой игрой. В городе Бенаресе будто бы имеется храм, в котором индусский бог Брама при сотворении мира установил три алмазных палочки и надел на одну из них 64 золотых кружка: самый большой внизу, а каждый следующий меньше предыдущего. Жрецы храма обязаны без устали, днем и ночью, перекладывать эти кружочки с одной палочки на другую, пользуясь третьей, как вспомогательной, и, соблюдая правила нашей игры, переносить за раз только один кружок и не класть большего на меньший. Легенда говорит, что когда будут перенесены все 64 кружка, наступит конец мира.

- О, значит, мир давно уже должен был погибнуть, если верить этому преданию!

- Ты, по-видимому, думаешь, что перенесение 64 кружков не должно отнять много времени?

- Конечно. Делая каждую секунду один ход, можно ведь в час успеть проделать 3600 перенесений.

- Ну и что же?

- А в сутки - около ста тысяч. В десять дней - миллион ходов. Миллионом же ходов можно, я уверен, перенести хоть тысячу кружков.

- Ошибаешься. Чтобы перенести всего 64 кружка, нужно уже круглым счетом 500 миллиардов лет.

- «Только» 18 триллионов с лишком, если называть триллионом миллион миллионов.

- Погоди, я сейчас перемножу и проверю.

- Прекрасно. А пока будешь умножать, я успею сходить по своим делам.

И брат ушел, оставив меня погруженным в выкладки. Я нашел сначала произведение 16 двоек, затем умножил этот результат - 65 536 - сам на себя, а то, что получилось, - снова на себя. Потом не забыл отнять единицу.