Задача про стопку цегли

Задача про стопку цегли, завдання про стопці цегли, також відома як проблема укладання блоків (англ. Block-stacking problem), похила вежа лір (англ. The Leaning Tower of Lire), задача про складання книг і т.п. — задача статики, яка полягає в укладанні прямокутних блоків у вежу, як умога далі похилену в сторону.

Зсув дев'яти блоків «похилої вежі лір»

Формулювання

Проблема формулюється наступним чином:

Поставити один на один однакових твердих прямокутних паралелепіпедів, зібравши стійку вежу на краю стола таким чином, щоб виступ за край був максимальний

Історія

Стопка монет: верхня монета знаходиться над областю, яка повністю знаходиться поза найнижчою монетою

Задача про стопку цегли має довгу історію як в механіці, так і в математиці. У своїх статтях Майк Патерсон і його співавтори надають[1] довгий список посилань на цю проблему, про яку йдеться в роботах з механіки, що відносяться до середини XIX століття.

Рішення

З тільки одним блоком на кожному рівні

В ідеальному випадку з тільки одним ідеально прямокутним блоком на кожному рівні звисання дорівнює ширини блоку[2]. Ця сума складає половину часткової суми гармонійного ряду. Оскільки гармонійний ряд розходиться, максимальне звисання прямує до нескінченності з ростом , тобто можна досягти будь-якого завгодно великого звису при достатній кількості блоків. У кожному конкретному випадку максимальне звис приблизно дорівнює , тобто пропорційний натуральному логарифму числа блоків.

N Максимальний звис
Дріб Десятинний

запис

Відносний

розмір

1 1 /20.5 0.5
 
2 3 /40.75 0.75
 
3 11 /12~0.91667 0.91667
 
4 25 /24~1.04167 1.04167
 
5 137 /120~1.14167 1.14167
 
6 49 /401.225 1.225
 
7 363 /280~1.29643 1.29643
 
8 761 /560~1.35893 1.35893
 
9 7 129 /5 040~1.41448 1.41448
 
10 7 381 /5 040~1.46448 1.46448
 
N Максимальний звис
Дріб Десятинний

запис

Відносний

розмір

11 83 711 /55 440~1.50994 1.50994
 
12 86 021 /55 440~1.55161 1.55161
 
13 1 145 993 /720 720~1.59007 1.59007
 
14 1 171 733 /720 720~1.62578 1.62578
 
15 1 195 757 /720 720~1.65911 1.65911
 
16 2 436 559 /1 441 440~1.69036 1.69036
 
17 42 142 223 /24 504 480~1.71978 1.71978
 
18 14 274 301 /8 168 160~1.74755 1.74755
 
19 275 295 799 /155 195 040~1.77387 1.77387
 
20 55 835 135 /31 039 008~1.79887 1.79887
 
N Максимальний звис
Дріб Десятинний

запис

Відносний

розмір

21 18 858 053 /10 346 336~1.82268 1.82268
 
22 19 093 197 /10 346 336~1.84541 1.84541
 
23 444 316 699 /237 965 728~1.86715 1.86715
 
24 1 347 822 955 /713 897 184~1.88798 1.88798
 
25 34 052 522 467 /17 847 429 600~1.90798 1.90798
 
26 34 395 742 267 /17 847 429 600~1.92721 1.92721
 
27 312 536 252 003 /160 626 866 400~1.94573 1.94573
 
28 315 404 588 903 /160 626 866 400~1.96359 1.96359
 
29 9 227 046 511 387 /4 658 179 125 600~1.98083 1.98083
 
30 9 304 682 830 147 /4 658 179 125 600~1.99749 1.99749
 

З кількома блоками на будь-якому з рівнів

Порівняння рішень задачі з трьома блоками, з одним (зверху) і декількома (знизу) блоками на рівні

Додаткові блоки на рівні можуть використовуватися як противага і давати більше звисання, ніж варіант з одним блоком на рівні. Навіть для трьох блоків, укладання двох врівноважених блоків поверх іншого блоку, може дати звис в один блок, в той час як в простому ідеальному випадку — не більше . У 2007 році Майк Патерсон з співавторами показали, що максимальний звис, який може бути досягнутий за допомогою декількох блоків на рівні, асимптотично дорівнює , тобто пропорційний кубічному кореню з числа блоків, на відміну від простого випадку, коли звис пропорційний логарифму кількості блоків.

Див. також

Примітки

  1. Paterson et al, 2009.
  2. Здесь — номер блока; нумерация ведётся, начиная с верхнего.

Посилання

  • Weisstein, Eric W. Book Stacking Problem(англ.) на сайті Wolfram MathWorld.
  • Building an Infinite Bridge. PBS Infinite Series. 4 травня 2017. Процитовано 3 вересня 2018.
  • Mike Paterson, Yuval Peres, Mikkel Thorup, Peter Winkler, and Uri Zwick. Maximum Overhang. — American Mathematical Monthly. — 2009. — Vol. 116. — P. 763–787.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.