Стратегии решения математических задач. Различные подходы к типовым задачам

Позаментье Альфред

Крулик Стивен

Глава 8

Схематичное изображение, или Визуальное представление

 

 

Когда вопросы в задаче касаются определенной геометрической фигуры или рисунка, без слов понятно, что построение схем, или визуальное представление, является неотъемлемой частью метода решения. Это необходимо и помогает решить задачу. Довольно трудно представить, чтобы математики в далекие времена оперировали геометрическими понятиями без рисунков или хотя бы демонстрировали свои геометрические расчеты без использования чертежа. Вместе с тем есть множество задач, где условия не предполагают построения чертежа, однако визуализация того, о чем идет речь, намного облегчает поиск решения. Многие люди лучше воспринимают информацию визуально — чтобы понять происходящее, им нужна картина, а не просто слова. Это не домыслы. Визуализация — очень сильный метод, помогающий вникнуть в данную ситуацию.

Например, когда нужно объяснить, как найти чей-то дом, схема направления движения просто неоценима. Рисунок помогает увидеть маршрут в целом. В журналах и газетах постоянно используются графики и другие визуальные инструменты для сравнения или противопоставления ситуаций. Когда вы покупаете что-то и должны собрать это сами, в руководстве производителя помимо письменных инструкций обычно приводятся рисунки. В большинстве видов спорта, особенно в футболе и баскетболе, тренер объясняет стратегию игры, как правило, с помощью диаграмм, или рисунков с крестиками и ноликами. Все это примеры повседневного использования стратегии схематичного изображения, когда напрямую оно не требуется. В конце концов, не зря же говорят, что лучше один раз увидеть, чем 100 раз услышать.

Возьмем для примера математическую задачу, в которой изначально мало кто ожидает использования визуального представления.

У г-на Адамса есть два теста в запасе для выпускного экзамена по алгебре, которые он хочет использовать в двух классах. В каждом тесте 26 разных вопросов. Он берет первые четыре вопроса из теста 1 и добавляет их в конец теста 2. Затем он берет четыре первых вопроса из теста 2 и добавляет их в конец теста 1. В каждом тесте теперь 30 вопросов. Сколько одинаковых вопросов в обоих тестах?

Ситуацию до и после перестановок можно представить схематично, или визуализировать ее:

Теперь видно, что тесты содержат восемь одинаковых вопросов, а именно 1, 2, 3, 4 и A, B, C, D. Хотя в этом случае не обязательно использовать визуальное представление, и задачу можно решить другими методами, создание схемы позволяет увидеть, что происходит. Такой подход облегчает поиск решения. Имейте в виду, когда мы говорим о визуальном представлении, не обязательно подразумевается «вычерчивание» чего-либо.

Вот еще одна задача, где визуальное представление помогает увидеть происходящее.

Длина стороны равностороннего треугольника равна 40 см. Средние точки сторон соединяются так, что образуется второй равносторонний треугольник. Средние точки сторон этого треугольника соединяются так, что образуется третий треугольник. Этот процесс продолжается до тех пор, пока мы не получим пять треугольников. Чему равен периметр пятого треугольника?

Излишне говорить, что в случае решения геометрической задачи — даже такой, которую легко изложить на словах, — построение чертежа очень полезно, а то и просто необходимо. Нам нужно видеть, о чем идет речь (рис. 8.1).

Чертеж должен показывать, что отрезок, соединяющий средние точки двух сторон треугольника, равен половине длины третьей стороны и параллелен ей. Таким образом, каждая сторона любого нашего треугольника равна длины соответствующей стороны предыдущего треугольника. Периметр каждого последующего треугольника равен половине периметра предыдущего треугольника. Для полной ясности составим таблицу, отражающую процесс.

Периметр пятого треугольника равен 7,5 см. Сделанный нами чертеж помог визуализировать ситуацию и решить задачу. Хотя решить ее можно и без рисунка, глядя на чертеж, легче найти ответ.

Чтобы подчеркнуть ценность использования схематичного представления, когда это напрямую не требуется в условиях, рассмотрим такую задачу.

В 5:00 часы бьют пять раз в течение 5 секунд. Сколько времени потребуется этим часам, чтобы пробить 10 раз в 10:00? (Предполагается, что на сами удары часов время не требуется.)

Ответ 10 секунд неверен! Характер этой задачи не предполагает создание каких-либо рисунков. Тем не менее представим ситуацию схематично, чтобы увидеть суть происходящего. На схеме каждая точка представляет удар часов. На рис. 8.2 мы видим, что общее время боя составляет 5 секунд, а между ударами четыре интервала.

Из этого следует, что интервал должен составлять секунды. Теперь рассмотрим второй случай на рис. 8.3.

Здесь мы видим, что между 10 ударами девять интервалов. Поскольку интервал равен секунды, продолжительность боя часов в 10:00 составит или секунды.

Схема значительно упростила задачу, которая иначе могла сбить человека с толку.

Стратегия составления схем или диаграмм, когда они не требуются по условиям задачи, нередко помогает найти решение, а в некоторых случаях прямо дает ответ, особенно в несложных задачах, где визуальное представление делает решение очевидным.

 

Задача 8.1

 

В классе г-на Страусса 25 столов, расставленных в виде квадрата в пять рядов по пять столов в каждом. Г-н Страусс хочет, чтобы все поменялись местами по такому правилу: каждый переходит за стол, находящийся слева или справа от него, или за стол, находящийся перед ним или позади него. Можно ли осуществить это?

 

Обычный подход

Самый распространенный подход к решению этой задачи — взять 25 листочков бумаги, которые будут обозначать столы, и подвигать их в соответствии с правилом г-на Страусса. Это неудобно, в процессе трудно уследить за всеми перемещениями и получить правильный ответ.

 

Образцовое решение

Вместо того, чтобы двигать листочки, давайте сделаем схему, или визуально представим расположение столов. Изобразим класс с 25 столами в виде шахматной доски, как показано на рис. 8.4.

Чтобы ученики соблюдали правило г-на Страусса, им нужно переходить с закрашенного стола на незакрашенный или наоборот. Однако у нас 13 закрашенных столов и только 12 незакрашенных. Таким образом, пересаживание по правилу г-на Страусса невозможно.

 

Задача 8.2

 

Стоимость разрезания и сваривания звена цепи составляет $1,00. У женщины есть семь звеньев, и она хочет сделать из них цепь. Во сколько долларов как минимум это обойдется?

 

Обычный подход

Наиболее очевидный подход — разрезать шесть звеньев, соединить их и сварить. Это будет стоить $6,00. Однако наверняка должен быть способ уменьшить затраты.

 

Образцовое решение

Воспользуемся стратегией визуального представления. Разомкнем звено 2 и соединим звенья 1, 2 и 3, как показано на рис. 8.5.

Разомкнем звено 5 и соединим звенья 4, 5 и 6, как показано на рис. 8.6.

Наконец, разомкнем звено 7 и соединим цепочки 1–2–3 и 4–5–6, как показано на рис. 8.7.

Поскольку нам пришлось разрезать только три звена, создание цепи обойдется в $3,00.

 

Задача 8.3

 

Если в среднем полторы несушки могут снести полтора яйца за полтора дня, то сколько яиц снесут шесть несушек за восемь дней?

 

Обычный подход

Это старая задача, которая выдержала испытание временем. Традиционно ее решают следующим образом. Поскольку несушки работают дня, можно сказать, что работа по откладыванию полутора яиц занимает или «несушко-дня». Аналогичным образом вторая работа занимает 6 × 8, или 48 «несушко-дней». Таким образом, можно составить пропорцию.

Обозначим за x количество яиц, снесенных 6 несушками за 8 дней. Тогда,

Перемножив средние и крайние члены пропорции, мы получим:

 

Образцовое решение

В качестве альтернативного подхода можно использовать следующее визуальное представление ситуации (в данном случае табличное):

Таким образом, 6 несушек должны снести 32 яйца за 8 дней.

 

Задача 8.4

 

Джек и Сэм заняты неполный рабочий день в местной пиццерии. Пиццерия открыта 7 дней в неделю. Джек работает день через два, а Сэм — день через три. Они работали вместе во вторник 1 марта. В какие еще дни марта Джек и Сэм будут работать вместе?

 

Обычный подход

Обычно берут два листа бумаги и выписывают на них раздельно все даты, в которые Джек и Сэм выходили на работу. Затем даты сравнивают и определяют совпадения. Это совершенно законный метод решения, который дает правильный ответ.

 

Образцовое решение

Более рациональный подход к этой задаче предполагает анализ с использованием визуального представления. Нарисуем календарь и просто поставим инициалы молодых людей в клетках с теми датами, в которые они работают.

В те даты, где стоят инициалы обоих молодых людей, они работают вместе. На рисунке эти даты ясно видны: 13 и 25 марта.

Эту задачу можно решить еще одним способом, если посмотреть на нее с другой точки зрения. Известно, что числа 4 и 3 являются взаимно простыми и представляют количество дней в рабочем цикле каждого молодого человека, соответственно. Их общее кратное, 12, дает дни между датами, в которые они работают вместе. Таким образом, 1 + 12 = 13 — это день, когда молодые люди работают вместе после первого дня, а 13 + 12 = 25 — это день, в который они работают вместе в следующий раз.

 

Задача 8.5

 

На местной ярмарке несколько работников занимаются отслеживанием количества людей, принимающих участие в конкретных мероприятиях каждый день. Записи Розалинды показывают, что с понедельника до субботы включительно стенд для стрельбы из лука посетили 510 человек. По подсчетам Габиэля с понедельника по среду включительно на этом стенде побывали 392 человека, а Фрэнк насчитал там во вторник и в пятницу 220 человек. Адель работала в среду, четверг и субботу и у нее получилось в сумме 208 человек. Наконец, в записях Альфреда значилось, что с четверга по субботу включительно на стенде побывали 118 человек. Если предположить, что все эти данные правильны, то сколько человек посетили стенд для стрельбы из лука в понедельник?

 

Обычный подход

Как правило, начинают составлять ряды уравнений, в которых переменные представляют разные дни недели. В результате получается пять уравнений первой степени с шестью неизвестными. Конечно, не все неизвестные встречаются в каждом уравнении.

Решив эту систему уравнений, можно попытаться найти ответ. Однако этот процесс довольно сложен и большинству не под силу. (Мало кто догадывается, что в результате вычитания уравнений 8.3 и 8.4 из уравнения 8.1 получается Пн. = 82.)

 

Образцовое решение

Визуализируем условия задачи в виде таблицы посещаемости стенда:

Обратите внимание на то, что за исключением понедельника каждый день упоминается три раза. Это приводит к двойному учету посетителей четырьмя последними учетчиками во все дни кроме понедельника. Таким образом, мы получаем одно уравнение:

2 × 510 − (392 + 220 + 208 + 118) = количество посетителей в понедельник; 1020 − 938 = 82.

В понедельник стенд посетили 82 человека.

 

Задача 8.6

 

Аманда, Айан, Сара и Эмили выставили своих лягушек для участия в соревнованиях на дальность прыжка на ярмарке. Лягушка Аманды опередила лягушку Эмили, но оказалась не первой. Лягушка Сары проиграла лягушке Аманды, но была не последней. Как распределились места лягушек?

 

Обычный подход

Чаще всего берут четыре фишки, жетона или монеты, наклеивают на них стикер с именем владельца и переставляют этих «лягушек» до тех пор, пока результат не будет удовлетворять условиям задачи.

 

Образцовое решение

Эту задачу проще решить с использованием визуального представления. Прежде всего, мы знаем, что лягушка Аманды опередила лягушку Эмили, но была не первой. Обозначим это схематично так:

Лягушка Сары проиграла лягушке Аманды, но была не последней. Продолжив построение схемы, мы получаем следующее распределение мест:

Схема позволила легко увидеть порядок, в котором распределились места.

 

Задача 8.7

 

Из 40 мальчиков в оздоровительном лагере «Кэмп-Уолден» 14 участвовали в заплыве на озере, 13 играли в баскетбол, а 16 ходили в поход. Трое мальчиков играли в баскетбол и участвовали в заплыве. Пять мальчиков участвовали в заплыве и ходили в поход. Восьмеро мальчиков играли в баскетбол и ходили в поход, а двое мальчиков участвовали во всех трех спортивных мероприятиях. Сколько мальчиков в этом лагере не участвовали ни в чем?

 

Обычный подход

Традиционно эту задачу начинают решать путем сложения всех участников спортивных мероприятий с последующим вычитанием повторов. Такая процедура редко бывает успешной.

 

Образцовое решение

Попробуем применить для решения задачи визуальное представление. Для наглядного отображения данных используем диаграмму Венна (рис. 8.8).

Область наложения всех трех кругов представляет двоих мальчиков, которые участвовали во всех трех спортивных мероприятиях. Круги показывают следующее:

Участвовали в заплыве = 14;

Играли в баскетбол и ходили в поход = 8;

Участвовали в заплыве и играли в баскетбол = 3;

Играли в баскетбол = 13;

Участвовали в заплыве и ходили в поход = 5;

Ходили в поход = 16.

При сложении этих частей диаграммы Венна мы получаем 8 + 3 + 2 + 1 + 4 + 6 + 5 = 29. В лагере было 40 мальчиков, из которых 29 участвовали в спортивных мероприятиях, а 11 нет.

 

Задача 8.8

 

Сколько целых чисел, цифры которых расположены в порядке возрастания, находится между 4000 и 5000?

 

Обычный подход

К решению этой задачи можно подойти, сообразив, что первой цифрой должна быть 4, а значит, на втором месте может стоять цифра 5, 6 или 7. Цифры 8 и 9 для этого не подходят, поскольку вслед за ними в возрастающем порядке уже ничего не расположишь. В результате таких рассуждений должно получиться следующее: 4567, 4568, 4569, 4578, 4579, 4589, 4678, 4679, 4689 и 4789.

 

Образцовое решение

Чтобы подойти к решению более организованно, воспользуемся схемой, представленной на рис. 8.9, хотя задача по своему характеру не требует никаких рисунков.

Каждый путь, начинающийся от цифры 4, ведет к числу, которое находится в диапазоне между 4000 и 5000. Всего таких путей 10, и они дают следующие числа: 4567, 4568, 4569, 4578, 4579, 4589, 4678, 4679, 4689 и 4789. Таким образом, мы получаем искомые числа с помощью схемы, построения которой условия задачи не требуют.

 

Задача 8.9

 

У моего брата целая коллекция фигурок двуногих обезьян и четвероногих буйволов. Если в коллекции всего 100 фигурок и в сумме 260 ног, то сколько в ней фигурок каждого вида?

 

Обычный подход

Чаще всего составляют два уравнения и решают их. Обозначим число фигурок обезьян как a, а число фигурок буйволов как b. Тогда мы получаем следующие уравнения:

a + b = 100;

2 a + 4 b = 260.

Умножение первого уравнения на 2 дает:

2 a + 2 b = 200;

2 a + 4 b = 260.

Если вычесть первое уравнение из второго, то мы получим:

2 b = 60;

b = 30.

Таким образом, в коллекции 30 буйволов и 70 обезьян.

 

Образцовое решение

Воспользуемся визуальным представлением данных (нарисуем схему), чтобы решить задачу. Прежде всего, уменьшим числа в условиях задачи в 10 раз, чтобы ими было легче оперировать (но будем помнить о том, что полученный результат нужно умножить на 10 для восстановления исходного порядка чисел). Итак, теперь у нас всего 26 ног и 10 фигурок. Нарисуем 10 окружностей, которые будут представлять 10 фигурок. Независимо от того, что это за фигурка, обезьяна или буйвол, у нее должно быть не менее двух ног (рис. 8.10).

До нужной величины нам не хватает шести ног — их необходимо добавлять парами (рис. 8.11).

У нас получилось три четвероногих фигурки и семь двуногих. Осталось умножить их на 10. Таким образом, мы получаем 30 фигурок буйволов и 70 фигурок обезьян.