Математические парадоксы для любителей головоломок / Skillbox Media

Содержание:

• Парадокс картофеля: как 1% воды уносит 50% массы
• Парадокс 100 заключённых: как одна хитрость превращает 0,00…1% в 31%
• Парадокс отеля Гильберта: почему ∞ + 1 = ∞, но всё же ∞ ≠ ∞
• На подумать: парадокс Монти Холла, где двери сбивают с толку

Математический парадокс — это логическое противоречие, когда на первый взгляд правильные рассуждения приводят к абсурдным или взаимоисключающим выводам. Например, вот классический парадокс лжеца: если человек говорит «я сейчас лгу», это создаёт противоречие.

Если утверждение истинно, значит, человек действительно лжёт, и тогда оно становится ложным. И наоборот: если утверждение ложно, значит, человек не лжёт, что делает его истинным. То есть мы попадаем в замкнутый круг, где каждый вывод отрицает сам себя. В подобных противоречиях и заключается суть различных парадоксов.

На этом с теорией мы закончим и перейдём к разбору трёх математических парадоксов, в которые нам было трудно поверить.

Содержание

• Парадокс картофеля: как 1% воды уносит 50% массы
• Парадокс 100 заключённых: как одна хитрость превращает 0,00…1% в 31%
• Парадокс отеля Гильберта: почему ∞ + 1 = ∞, но всё же ∞ ≠ ∞
• На подумать: парадокс Монти Холла, где двери сбивают с толку

Парадокс картофеля: как 1% воды уносит 50% массы

В вашем сарае лежит 100 килограммов картофеля. Пусть 99% массы каждой картофелины — это вода. Вы оставляете картошку на ночь, и за это время она немного подсыхает. Теперь картофель состоит из 98% воды. Вопрос: сколько килограммов картофеля осталось в вашем сарае?

Казалось бы, если влажность уменьшилась всего на 1%, то и вес картошки должен сократиться на 1 кг. Но давайте немного посчитаем.

Шаг 1. Если картофель на 99% состоит из воды, то оставшийся 1% — это твёрдая часть. То есть в 100 кг будет 99 кг воды и 1 кг сухого вещества.

Шаг 2. На следующий день состав картофеля меняется: теперь в нём 98% воды, а количество сухого вещества остаётся прежним — 1 кг. Однако теперь этот 1 кг составляет уже 2% от общего веса картофеля.

Шаг 3. Решаем простую пропорцию: если 2% массы — это 1 кг сухого вещества, то 100% массы будет составлять 1 кг / 0,02 = 50 кг. То есть после высыхания наш картофель стал весить ровно в два раза меньше.

Парадокс 100 заключённых: как одна хитрость превращает 0,00…1% в 31%

Начальник тюрьмы предлагает заключённым игру, победа в которой может принести свободу всем участникам. В тюрьме содержится 100 заключённых, и у каждого на футболке уникальный номер от 1 до 100.

Перед ними — комната с большим шкафом, в котором находится 100 пронумерованных ящиков (от 1 до 100). В каждый ящик начальник случайным образом положил листок с номером одного из заключённых.

Каждый заключённый по очереди заходит в комнату и может открыть 50 из 100 ящиков, пытаясь найти листок со своим номером. Если все 100 справятся с задачей, начальник тюрьмы отпустит их на свободу. Но если хотя бы один не найдёт свой номер, все возвращаются по своим камерам.

Заключённые не могут ничего менять в комнате, оставлять пометки или передавать информацию тем, кто ещё не заходил. Однако перед началом игры им разрешено обсудить правила и договориться о стратегии.

Вопрос: как в такой ситуации должны действовать заключённые, чтобы получить приемлемые шансы на освобождение?

Перед поиском оптимального решения давайте рассмотрим самый очевидный вариант — когда все заключённые открывают 50 ящиков в случайном порядке, без какой-либо стратегии. В этом случае вероятность того, что один заключённый найдёт свой листок, составляет 1/2. Вероятность того, что два заключённых подряд найдут свои листки, равна 1/2 × 1/2 = 1/4. Для трёх подряд — 1/2 × 1/2 × 1/2 = 1/8.

Если посчитать вероятность для 100 заключённых, то получится (1/2)¹⁰⁰ ≈ 10⁻³⁰. Это невероятно маленькое число, в котором первая значащая цифра появится через нуль и ещё примерно двадцать восемь нулей после запятой. Такую вероятность можно считать почти нулевой, — видимо, именно поэтому начальник тюрьмы и согласился на игру. Но давайте попробуем увеличить шансы.

Читайте также:

Что такое теория игр и как она помогает побеждать

Предположим, перед началом игры все заключённые договорились использовать стратегию «следуй за цепочкой». Каждый действует так:

• Сначала он открывает ящик с номером, который совпадает с его номером. Например, заключённый №25 открывает ящик №25.
• Затем смотрит, какой номер указан на бумажке внутри. Допустим, в ящике № 25 окажется спрятан номер 73.
• После этого он открывает ящик №73 и снова смотрит, какой номер внутри. Пусть это будет 14.
• Далее он открывает ящик №14 — и продолжает цепочку до тех пор, пока не найдёт свой номер или не исчерпает 50 попыток.

Эта стратегия работает благодаря тому, что все номера в ящиках распределены без повторений и пропусков — то есть образуют перестановку чисел от 1 до 100. Это значит, что каждый номер встречается ровно один раз, но не обязательно в «своём» ящике.

Такую перестановку удобно представить как набор замкнутых цепочек, или циклов. Цикл — это последовательность переходов по номерам: участник начинает с какого-то ящика, смотрит, какой номер внутри, открывает следующий ящик с этим номером, снова смотрит, что внутри, и так далее — пока не вернётся к начальному номеру. И если длина такого цикла для какого-либо заключённого не будет превышать 50, то он гарантированно найдёт нужный номер за отведённое число попыток.

Если все циклы окажутся короче 51 ящика, то каждый заключённый сможет найти свой номер. Именно эта особенность и даёт шанс на всей команде. Удивительно, но вероятность того, что в случайной перестановке из 100 элементов ни один цикл не будет длиннее 50, составляет примерно 31%. Это подтверждается как математическими расчётами, так и многочисленными симуляциями этой задачи.

Ещё интереснее, что, если увеличить количество заключённых до 1 000, 10 000 или даже 100 000, вероятность успеха почти не изменится и останется на уровне 31%. То есть даже при очень большом числе участников у команды сохраняются шансы на победу. Низкие, но вполне реальные.

Но мы не предлагаем слепо верить этим цифрам — лучше убедиться во всём самостоятельно. Для этого вам понадобится:

• Установить Python для вашей операционной системы и выбрать редактор кода. Мы будем использовать Visual Studio Code.
• С помощью менеджера пакетов PIP загрузить библиотеку Pygame. Команда: pip install pygame или py -m pip install pygame.
• Создать в VS Code новый файл, например, paradox_game.py, и вставить в него код, который мы спрячем ниже под спойлером.
• Открыть терминал в VS Code и запустить игру. Команда: py paradox_game.py или python paradox_game.py.

Перед вами откроется простая версия игры, в которой можно выбрать любой ящик и двигаться по цепочке в надежде найти свой номер.

Код игры «Парадокс 100 заключённых»

Парадокс отеля Гильберта: почему ∞ + 1 = ∞, но всё же ∞ ≠ ∞

Парадокс Гранд-отеля — это мысленный эксперимент, который предложил математик Дэвид Гильберт для иллюстрации необычных свойств бесконечности. Представьте отель с бесконечным числом комнат, в котором нет свободных мест: каждая комната занята, и в каждой живёт по одному постояльцу. Давайте поэкспериментируем с этим отелем и увидим, насколько странными могут быть его свойства.

Случай первый: приходит один новый гость. На первый взгляд кажется, что разместить его невозможно, ведь отель уже полностью занят: в каждой из бесконечных комнат живёт по одному постояльцу.

Однако если попросить каждого гостя перейти на одну комнату вперёд, то первая комната освободится и в неё можно будет поселить нового гостя.

Получается парадокс: отель полностью заполнен, но для одного нового постояльца место всё равно находится. Это показывает, что у бесконечности нет предела и для неё справедливо равенство ∞ + 1 = ∞.

Читайте также:

Какое число самое большое в мире?

Случай второй: приходит бесконечное число новых гостей. Просим всех постояльцев нашего переполненного отеля переехать из своей комнаты с номером n в комнату с номером 2n. Например, из комнаты 1 — в комнату 2, из 2 — в 4, из 3 — в 6, из 4 — в 8, из 5 — в 10 и так далее.

После такой перестановки все чётные комнаты окажутся заняты, а нечётные — свободны. Поскольку и тех и других бесконечно много, то в освобождённые нечётные комнаты можно заселить всех прибывших гостей. Так мы разместили одну бесконечность внутри другой: ∞ + ∞ = ∞.

Случай третий: к отелю подъезжает бесконечное число автобусов с бесконечным числом гостей в каждом. То есть в заполненном отеле нужно разместить бесконечно много бесконечностей.

Чтобы выйти из ситуации, мы можем присвоить каждому гостю уникальный номер. Для этого есть разные способы, и один из них — использование разложения чисел на простые множители. Например, если гость едет в автобусе №i и занимает место №j, то его номер комнаты можно определить по формуле: 2i × 3j. Вот как это вычисляется:

• Гость из автобуса №1, место №1: 2¹ × 3¹ = 6.
• Гость из автобуса №2, место №3: 2² × 3³ = 4 × 27 = 108.
• Гость из автобуса №3, место №2: 2³ × 3² = 8 × 9 = 72.

Также нам придётся переселить всех нынешних жильцов. Для удобства можно считать, что они приехали в автобусе №0, и расселить их по номерам по той же формуле: 2⁰ × 3ʲ = 3ʲ. Например, постояльцу из комнаты №3 придётся переселиться в комнату №27: 2⁰ × 3³ = 1 × 27 = 27.

Получается, мы нашли способ присвоить каждому постояльцу и каждому гостю своё уникальное место. То есть даже «бесконечность в квадрате» может уместиться в бесконечном отеле, если речь идёт о счётной бесконечности — о множестве натуральных чисел: ∞ × ∞ = ∞.

Случай четвёртый: мест для гостей не хватает. Представьте, что к отелю снова подъезжает бесконечное число автобусов и в каждом — бесконечное число гостей. Но теперь у каждого гостя в автобусе уже есть свой уникальный номер — не натуральное число, а любое вещественное число между 0 и 1. То есть это числа, которые можно записать как бесконечные десятичные дроби: 0,333…, 0,5, 0,14159… и так далее.

Поэтому, как бы мы ни нумеровали комнаты, расселить всех гостей не получится: вещественных чисел всегда больше, чем натуральных. Эту особенность впервые сформулировал математик Георг Кантор в теореме о различии мощностей бесконечных множеств. И это ещё один парадокс: не все бесконечности одинаковы — некоторые из них «больше» других.

Читайте также:

Основы систем счисления: от счётных палочек до машинного кода

На подумать: парадокс Монти Холла, где двери сбивают с толку

Представьте телевикторину с тремя дверями. За одной скрывается роскошный автомобиль, за двумя другими — симпатичные козы.

Вы выбираете, скажем, дверь №1. Прежде чем вы успеете её открыть, ведущий открывает одну из двух оставшихся дверей, за которой точно находится коза, — например, дверь №3. Затем он предлагает вам изменить выбор и выбрать дверь №2. Подумайте, стоит ли соглашаться?

Если вы не уверены в решении — переходите к другой статье, где мы подробно разбираем этот парадокс, предлагаем интерактивную симуляцию на Python и объясняем, почему в него так трудно поверить.

Читайте также:

Парадокс Монти Холла: одна из самых странных задач в теории вероятностей

Больше интересного про код — в нашем телеграм-канале. Подписывайтесь!

Читайте также:

• Фитнес для мозга: подборка логических загадок и математических задач
• Как устроены лотереи в России и реально ли в них выиграть?
• Как правильно решать задачи на LeetCode: подробный гайд по тренажёру для программистов