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《趣味代数学》表针对调

 循天园 2022-04-16

【题目】传记作者莫希柯夫斯基有一次为了逗生病的爱因斯坦开心,给他出了这样的一道题(见图9):

“当表的指针处于12点整的位置时,如果把时针和分针对调一下,这个新时间也是存在的。但并非任何时间都可以这么做,比如6点钟的时候,如果把两个指针对调,出现的新时间就有些离谱了。我们知道,时针指向12时,分针恰好指向6,这对于正常运行的钟表来说是根本不可能的。那么,当表针处于什么位置的时候时针与分针可以对调,并且出现的新时间是能够真实存在的呢?”

爱因斯坦对此很感兴趣,他说:“对于我这种卧病在床的人来说,这种既有趣又有点难度的问题的确是很好的消遣,不过这道题或许用不了多少时间,我想我马上就解出来了。”

然后他从床上坐起来,在纸上迅速画出了一幅草图,并不比我描述这道题所用的时间更久,他已经得到了答案……

图9 表针问题

你知道他是怎么解答出来的吗?

【解题】以表盘圆周的为单位来度量表针从12起走过的距离。

现在假设当时针从12起走到要求的位置上时已经走过了x个刻度,分针已经走了y个刻度。时针走过60个刻度需要12小时,这说明它每小时能走5个刻度,那么它走完这x个刻度所用的时间应该是小时。或者说,当时针从12起走到要求的位置上时,已走了小时。分针走了y个刻度,用的时间是y分钟,可见,当分针从12起走到要求的位置上时,已走了小时。也可以说,时针与分针从同时指向12起,用小时走到了要求的位置。由于我们所指的是12点后的整小时数,因此这个时间应该是0到11的整数。

现在我们把时针与分针对调,用上述方法也可得到从12起至两针所指的时间经过了小时,这个时间也应该是0到11的整数。

现在我们得到一个方程组:

通过解方程组,可得到:

已知道了m和n的取值范围,想要得到本题所需要的表针位置,我们只需把0到11的每个整数代入上面的两个算式中就可以了,因为m所代表的12个数中的每一个都能与n所代表的12个数中的每一个组合在一起。这样看起来,本题应该有144个解,但事实上是143个,因为当“m=0,n=0”时和“m=11,n=11”时,表针所指的是同一位置;当“m=11,n=11”时,x与y的值都是60,因此两指针都指向12,这与“m=0,n=0”时两指针所指的位置是一样的。

我在这里并不打算对本题的143个解全部进行分析,只举其中两个有代表性的例子。

第一例,当“m=1,n=1”时:

这个时间是1点分,这时两指针是重合的,对调位置与原来没有区别,除此而外,其他每个两指针重合的时间也是这种情况。

第二例,当“m=8,n=5”时:

想要确定所有143个符合题目要求的指针位置,我们需要把表盘圆周分成143等份,这样得出的143个点就是本题的答案,其他任何点上的指针都是不可以对调的。(俄.别莱利曼)

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