Задача приводит к противоречивому требованию, и значит — ее решение невозможно.
Совершенно так же невозможно и составление требуемым образом сумм в 3 рубля и в 2 рубля. В первом случае, как каждый легко может убедиться, получается уравнение:
9х+3у = 40;
во втором:
9х+ Зу = 20.
Оба равенства невозможны, так как ни 40, ни 20 не делятся без остатка на 3.
Сказанным задача собственно исчерпывается. Но поучительно присоединить к ней рассмотрение вопроса, какие же суммы можно этими 20-ю монетами в самом деле уплатить, — разумеется так, чтобы получилось целое число рублей.
Если обозначим это число рублей через т, то у нас будет уравнение:
50х + 20у + 5 z= 100m,
или
10х + 4y + z= 20 т,
при условии, что
х + у + z = 20,
откуда путем вычитания имеем:
9х + Зу = 20 т — 20 = 20 (т— 1).
Так как 9х + 3у кратно 3, то и 20 (т— 1) должно быть кратно 3.
Но 20 не делится на 3, так что кратным 3 должно быть только т — 1.
Если (т — 1) равно 0, 3, 6, 9, 12 и т. д., то т должно быть на единицу больше, т. е. одно из чисел: 1, 4, 7, 10, 13 и т. д. Только такие суммы рублей могут быть уплачены нашими 20-ю монетами. Но очевидно, что 10 рублей — наибольшая сумма, так как 20 полтинников составляют уже 10 рублей. Принимая поэтому только четыре возможных суммы — в 1 р., в 4 р., в 7 р. и в 10 р., имеем четыре случая:
9х + Зу — 20 (т — 1) = 0, или 60, или 120, или 180,
другими словами,
Зх + у = 0, или 20, или 40, или 60.
Только эти случаи и надо рассмотреть.
1) Один рубль. Зх + у = 0.
Это равенство возможно лишь тогда, когда и × и у равны нулю, так как, приняв для них даже наименьшее целое число 1, получим 4, а не 0. Единственное решение для этого случая, следовательно, есть × = 0, у = 0, а потому z = 20, т. е.
один рубль можно уплатить, только употребив 20 пятаков.
Рассмотрим теперь другой крайний случай:
2) Десять рублей. Зх + у = 60.
Так как у должно быть кратно 3 (иначе сумма его с Зх не делилась бы без остатка на 3), то примем у = 0, 3, 6… Для случая у = 0 имеем × = 20 и г = 0. Это дает нам уже упомянутое решение: 20 полтинников. Но оно и единственное, потому что для у = 3 имеем × = 19, и (х + у) превышает высшую сумму 20.
3) Четыре рубля. Зх + у = 20.
Принимая
х =0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8…,
получаем, что
у = 20 = 3х = 20, 17, 14, 11, 8, 5, 2 (-1, -4…).
Имеют смысл, очевидно, только первые семь значений. Им соответствуют
z = 0,2,4, 6,8, 10, 12.
Четыре рубля можно, как видим, уплатить 7-ю различными способами, например: 6 полтинниками, 2 двугривенными и 12 пятаками.
4) Семь рублей. Зх + у = 40.
Здесь не приходится рассматривать значения для × от 0 до 9, так как при этом для у получаются числа от 40 до 13, и (х + у) составляет, по меньшей мере, 22, что нарушает требование. Остается рассмотреть поэтому лишь случаи:
х= 10, И, 12, 13,
причем
у = 40-3х= 10, 7, 4, 1,
z = 0,2, 4, 6.
Остальные случаи исключаются, так как ближайшее у уже отрицательное.
Этим вопрос исчерпывается полностью. Кто хотя бы немного имел дело с уравнениями, тот заметил, вероятно, что здесь не приходится оперировать так механически, как обычно. Это оттого, что мы имеем в нашем случае больше неизвестных, нежели уравнений, а именно — 3 неизвестных при 2 уравнениях. Неизвестное z мы устранили и получили одно уравнение с двумя неизвестными хи у. Поэтому задача становится неопределенной; можно лишь установить взаимную обусловленность чисел × и у, так что для любого × можно найти соответствующее значение у. В сущности, имеется бесконечное множество пар решений задач такого рода. Но число их ограничивается требованием, вытекающим из сущности задачи, а именно: либо чтобы искомые числа были целые (как в нашей задаче, где речь идет о монетах), либо чтобы они не были отрицательные (наш случай), либо чтобы их сумма не превышала определенного числа (у нас — 20-ти), и т. п.
Итак, возвращаясь к первоначальной задаче, скажем: счетчик мог безопасно посулить сколь угодно большую награду — задача неразрешима. Для вас тем самым открывается легкая возможность предлагать своим друзьям крепкие головоломки. Можете обещать им величайшую награду — не попадетесь: как истые математики, вы можете быть твердо уверены в себе. А кто пожелал бы узнать подробнее об уравнениях вроде рассмотренных выше, пусть спросит своего учителя математики о Диофанте Александрийском.
Примечание редактора Диофант Александрийский
Упомянутый в конце очерка александрийский математик Диофант жил в III веке нашей эры. Им написана была «Арифметика», от которой до нас дошла только первая половина сочинения. В этом труде рассматриваются, между прочим, неопределенные уравнения, которые Диофантом и были впервые введены в математику; поэтому имя его осталось навсегда связанным с этими уравнениями.
О жизни Диофанта известно лишь то, что сообщается в надписи, сохранившейся на его могильном памятнике, — надписи, которая составлена в форме следующей задачи:
Путник! Здесь прах погребен Диофанта. И числа
поведать
Могут, о чудо, сколь долог был век его жизни.
Часть шестую его составляло прекрасное детство;
Двенадцатая часть протекла еще жизни, —
покрылся
Пухом тогда подбородок; седьмую в бездетном
Браке провел Диофант. Еще пять прошло лет,
Был осчастливлен рожденьем прекрасного
первенца-сына, Коему рок половину лишь жизни прекрасной и
светлой
Дал на земле по сравненью с отцом. И в печали
глубокой
Старец земного удела конец воспринял, проживши
Года четыре с тех пор, как сына лишился. Скажи,
Скольких лет жизни достигнув, смерть воспринял
Диофант?
Составив уравнение:
