Шрифт:
Рис. 4.
В общем случае n– е треугольное число задается формулой
Тn = ½ n (n+1), n = 1, 2, 3… (1.4.1)
У этих чисел масса интересных свойств: например, сумма двух последовательных треугольных чисел является квадратом
1 + 3 = 4, 3 + 6 = 9, 6 + 10 = 16 и т. д. (1.4.2)
Обобщением треугольных чисел и квадратов явились многоугольные числа. Метод их получения проиллюстрируем на примере пятиугольных чисел. Для этого рассмотрим рис. 5.
Рис. 5.
Глядя на него, легко найти несколько первых пятиугольных чисел,
1, 5, 12, 22, 35. (1.4.3)
Можно показать, что n– е пятиугольное число выражается формулой
pn = ½ (3n2 — n). (1.4.4)
Шестиугольные числа, и вообще k– угольные числа, аналогично определяются с помощью правильного k– угольника, и мы не будем больше тратить времени на их обсуждение. Фигурные числа, особенно треугольные, пользовались большой популярностью при изучении чисел в конце эпохи Возрождения, после того как греческая теория чисел проникла в Западную Европу. И сейчас их можно иногда встретить в статьях по теории чисел.
Проводя анализ такого геометрического представления чисел, можно получить несколько простых соотношений. Остановимся лишь на одном примере. Уже давно было известно, что складывая последовательно нечетные числа, мы все время будем получать квадраты, например,
1 + 3 = 4, 1 + 3 + 5 = 9, 1 + 3 + 5 + 7 = 16 и т. д.
Чтобы доказать это соотношение, достаточно лишь взглянуть на рис. 6, на котором изображены последовательно вложенные квадраты.
Рис. 6.
Система задач 1.4.
1. Докажите по индукции общую формулу (1.4.1) для треугольных чисел.
2. Докажите формулу (1.4.4) для пятиугольных чисел.
3. Докажите, что произвольное k– угольное число выражается формулой
½ k (n2 – n) — n2 + 2n.
§ 5. Магические квадраты
Если вы играли в «шафлборд» [1] , вы можете вспомнить, что девять квадратов, на которых вы размещаете свои фишки, занумерованы числами от 1 до 9, расположенными так, как на рис. 7. Здесь числа в каждом столбце и в каждой строчке, а также в каждой из диагоналей, дают при сложении одно и то же число 15.
1
Игра с передвижением фишек по размеченной доске. (Прим. перев.)
Рис. 7.
В общем случае магическим квадратом является расположение чисел от 1 до n2 в виде квадрата так, что числа в каждом столбце, строчке и диагонали дают одинаковую сумму s, называемую магической суммой.
Пример магического квадрата с 42 = 16 числами изображен на рис. 8. Магическая сумма для него равна 34.
Рис. 8.
Для каждого числа n существует только одна магическая сумма s, которую легко найти. Так как сумма чисел в каждом столбце равна s, а столбцов — n, то сумма всех чисел в магическом квадрате равна ns.
Но сумма всех чисел от 1 до n2 равна
1 + 2 +… + n2 = ½ (n2 + 1) n2,
что следует из формулы для суммы n членов арифметической прогрессии. Так как
n s = ½ (n2 + 1) n2,
то
s = ½ n (n2 + 1). (1.5.1)
Таким образом, если число n задано, то число s определено. Магические квадраты могут быть построены для любого числа n, которое больше 2; читатель легко может убедиться, что их не существует для n = 2.