Задача о стопке кирпичей

Сдвиги девяти блоков «наклонной башни лир»

Задача о стопке кирпичей — задача статики, заключающаяся в укладке прямоугольных блоков в башню, как можно дальше выдающуюся в сторону.

Формулировка

Проблема формулируется так:

Поставить друг на друга одинаковых твёрдых прямоугольных параллелепипедов, собрав устойчивую башню на краю стола таким образом, чтобы выступ за край был максимален.

История

Стопка монет: верхняя монета находится над областью, полностью находящейся вне самой низкой монеты

Задача о стопке кирпичей имеет долгую историю как в механике, так и в математике. В своих статьях Майк Патерсон (англ. Mike Paterson) и его соавторы приводят[1] длинный список ссылок на эту задачу, о которой говорится в работах по механике, относящихся к середине девятнадцатого века.

Решения

С только одним блоком на каждом уровне

В идеальном случае с только одним идеально прямоугольным блоком на каждом уровне свес равен ширины блока[2]. Эта сумма составляет половину частичной суммы гармонического ряда. Поскольку гармонический ряд расходится, максимальный свес стремится к бесконечности с ростом , т.е. можно достичь любого сколь угодно большого свеса при достаточном количестве блоков. В каждом конкретном случае максимальный свес приблизительно равен , т.е. пропорционален натуральному логарифму числа блоков.

NМаксимальный свес
дробьдесятичная
запись
относительный
размер
11/20,50.5
 
23/40,750.75
 
311/12~0,916670.91667
 
425/24~1,041671.04167
 
5137/120~1,141671.14167
 
649/401,2251.225
 
7363/280~1,296431.29643
 
8761/560~1,358931.35893
 
97 129/5 040~1,414481.41448
 
107 381/5 040~1,464481.46448
 
NМаксимальный свес
дробьдесятичная
запись
относительный
размер
1183 711/55 440~1,509941.50994
 
1286 021/55 440~1,551611.55161
 
131 145 993/720 720~1,590071.59007
 
141 171 733/720 720~1,625781.62578
 
151 195 757/720 720~1,659111.65911
 
162 436 559/1 441 440~1,690361.69036
 
1742 142 223/24 504 480~1,719781.71978
 
1814 274 301/8 168 160~1,747551.74755
 
19275 295 799/155 195 040~1,773871.77387
 
2055 835 135/31 039 008~1,798871.79887
 
NМаксимальный свес
дробьдесятичная
запись
относительный
размер
2118 858 053/10 346 336~1,822681.82268
 
2219 093 197/10 346 336~1,845411.84541
 
23444 316 699/237 965 728~1,867151.86715
 
241 347 822 955/713 897 184~1,887981.88798
 
2534 052 522 467/17 847 429 600~1,907981.90798
 
2634 395 742 267/17 847 429 600~1,927211.92721
 
27312 536 252 003/160 626 866 400~1,945731.94573
 
28315 404 588 903/160 626 866 400~1,963591.96359
 
299 227 046 511 387/4 658 179 125 600~1,980831.98083
 
309 304 682 830 147/4 658 179 125 600~1,997491.99749
 

С несколькими блоками на любом из уровней

Сравнение решений задачи с тремя блоками с одним (сверху) и несколькими (снизу) блоками на уровне

Дополнительные блоки на уровне могут использоваться как противовес и давать бо́льшие свесы, чем вариант с одним блоком на уровне. Даже для трех блоков укладка двух уравновешенных блоков поверх другого блока может дать свес в один блок, в то время как в простом идеальном случае — не более . В 2007 году Майк Патерсон с соавторами показали[1], что максимальный свес, который может быть достигнут с помощью нескольких блоков на уровне, асимптотически равен , то есть пропорционален кубическому корню из числа блоков, в отличие от простого случая, когда свес пропорционален логарифму количества блоков.

См. также

Примечания

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

Ссылки

  • Weisstein, Eric W. Book Stacking Problem (англ.) на сайте Wolfram MathWorld.
  • Building an Infinite Bridge. PBS Infinite Series (4 мая 2017). Дата обращения: 3 сентября 2018.
  • Mike Paterson, Yuval Peres, Mikkel Thorup, Peter Winkler, and Uri Zwick. Maximum Overhang // American Mathematical Monthly. — 2009. — Vol. 116. — P. 763–787.