Олег Власов - Футболоматика: как благодаря математике «Барселона» выигрывает, Роналду забивает, а букмекеры зарабатывают состояния

Во всех построениях есть треугольники, но треугольники «Барселоны» особенно радуют глаз математика. У любого игрока в команде есть возможность отдать короткий пас в любом направлении. Эти варианты одинаково распределены. Например, у опорного полузащитника (в сезоне-2010/11 эту роль чаще всего исполняли Серхио Бускетс или Хавьер Маскерано) пять вариантов для передачи. Эти опции являются также сторонами треугольника. Он может отдать пас назад по прямой либо по диагонали вперед и назад в любую сторону. Каждый игрок исполняет роль соединительного узла, в который мяч может доставляться из одного из углов и благодаря которому мяч быстро перемещается в нужном направлении. Это позволяет без затруднений делать то, что «Барселона» умеет лучше всех: контроль и быстрое перемещение мяча по полю.

«Барселона», возможно, построила лучшие треугольники в футболе, но треугольники решали проблемы и задолго до того, как появился футбол.

«Барселона», возможно, построила лучшие треугольники в футболе, но треугольники решали проблемы и задолго до того, как появился футбол. Рассмотрим следующую проблему. Вы – мэр города, в который входят несколько пригородов. Вы хотите построить железную дорогу, которая соединит их. Но вам не хватает денег, поэтому вы хотите использовать наименьшее количество рельсовых путей. Как вы соедините все пригороды с минимальной длиной железнодорожных путей?

Рисунок 2.2 показывает три правдоподобных решения для четырех пригородов. Посмотрите на них и подумайте, какой из них использует наименьшее количество ресурсов.

Если мы применим знания тригонометрии из средней школы, мы сможем выяснить, какой вариант наиболее короткий.

Решение слева состоит из трех блоков: каждая сторона по длине равна блоку и для соединения нам необходимы три стороны.

Рисунок 2.2. Три возможных решения для соединения четырех пригородов (круги) с наименьшей возможной длиной железной дороги (сплошные линии).

Решение посередине добавляет соединение в центр, разделяя область на четыре одинаковых треугольника. Длина каждой из двух пересекающихся линий может быть рассчитана с использованием теоремы Пифагора и равна √2. Общая длина равна √2 + √2 = 2,82 блока. Это решение похоже на расположение Хидегкути между полузащитой и форвардами или на то, как «Барселона» использует Месси. Добавление дополнительных точек дает треугольники, которые уменьшают общую длину соединительных линий.

Если одна дополнительная точка соединения – это хорошо, то использование двух еще лучше. На рисунке 2.2 длина правой структуры составляет 1 + √3 = 2,73 блока [13] Длина каждой из четырех ветвей, соединенных с пригородами, равна Применяя теорему Пифагора, средняя длина тогда . Общая сумма равна . – это наименьшее из всех решений. И снова задействованы треугольники. Три ответвления выходят из точек соединения под углом 120°. Как это часто бывает в математике, самая красивая и наиболее сбалансированная форма является лучшим решением.

Решение проблемы эффективного соединения четырех точек на квадрате было непростым (не могу сказать точно, сколько мэров справилось с этим). Но это задача для начинающих. Если хотите бросить себе настоящий вызов, попробуйте найти решение для пяти точек на углах пятиугольника. Ответом снова будут треугольники. Вопрос лишь в том, как их упорядочить. Если справитесь с пятью, попробуйте шесть точек в шестиугольнике. В последнем случае результатом станет совершенно новый тип решения, но он все еще включает в себя треугольники. Смотрите рисунок ниже.

Ответ. Решение для пяти и шести точек.

Давайте сделаем проблему соединения пригородов действительно сложной. Попробуем решить эту проблему, если мы не знаем расположения пригородов или даже сколько их необходимо подключить. С такой проблемой постоянно сталкивается слизевик под названием Physarum polycephalum. Слизевики не имеют мозга и состоят всего из одной клетки. Их «тело» представляет собой сеть взаимосвязанных трубок, которые качают питательные вещества назад и вперед. Слизевиков можно обнаружить на лесной подстилке или деревьях. Обычно они покрывают площадь меньше монеты, однако они могут сжиматься в неблагоприятных условиях и разрастаться, если еды вдоволь.

Когда слизевики ищут еду, они решают проблему соединения пригородов. Вдохновленный этой идеей, мой японский коллега Тоси Накагаки решил проверить, смогут ли слизевики создать сеть метрополитена и скоростного трамвая Токио. Он и его коллеги разложили питание слизевиков в виде масштабной модели Большого Токио. Они положили овсяные хлопья в чашки Петри: одна большая посередине как отображение центра города и поменьше в местах, соответствующих Сибуе, Иокогаме, аэропорту в Тибе и другим близлежащим районам. Чтобы добиться соединения чашек с овсом, слизевики должны решить ту же проблему, которую разрешили японские градостроители при проектировании транспортной системы Токио. Могут ли слизевики формировать эффективные связи между своими продовольственными ресурсами?

Эксперименты прошли отлично [14] Tero, A. Rules for biologically inspired adaptive network design. – Science 327(5964), 2010. – p. 439–442. . Создать сеть треугольников, соединяющих овсяные хлопья, не составило им труда. Тоси сравнил решение слизевиков с реальной транспортной сетью в Токио и обнаружил, что, хотя они и не были идентичными, у них была схожая структура. Решение слизевиков было так же эффективно, как и специалистов по городскому планированию; помимо этого, они использовали близкое к реальному число связей для объединения овсяных хлопьев. Сравнение решений слизевиков и людей показано на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3. Сравнение сети, построенной слизевиками для объединения овсяных хлопьев (круги), расположенных в соответствии с пригородами Токио (слева), и реальной железнодорожной сети (справа). Воспроизводится с разрешения Американской ассоциации содействия развитию науки.

Соединения треугольников – главная особенность трубчатых сетей слизевиков. Некоторые овсяные хлопья становятся узлами, которые соединяются с другими точками, так что общая длина трубок остается небольшой.

Обратите внимание: углы в этих узловых пунктах велики, как и в футбольных схемах, и сеть распространяется равномерно во всех направлениях. Слизевики не строят наименьшую возможную сеть для объединения овсяных хлопьев: они создали несколько петель, обеспечив различные способы перемещения между одними и теми же точками. Тоси и его коллеги объяснили, что эти петли очень полезны, если структура повреждена или разрушена. Если одно звено в сети разорвано, слизевик все равно остается связанным и может передавать ресурсы по альтернативному маршруту. Это похоже на ситуацию с аварией на одном отрезке ветки метро. Если система хорошо спроектирована, то не придется отключать всю сеть из-за поломки на одной ветке.