Рис. 32 Эти сцепленные друг с другом замкнутые кривые можно разделить, не разрывая ни одной из них и не протаскивая другую в образовавшийся зазор. Верхние кривые можно разделить, пропустив дважды перекрученную кривую через нее же в точке А.
Эти кривые можно разделить, пропустив одну из лент через себя в точке А.
Три замкнутые кривые, изображенные на рис. 32 внизу, нельзя отделить друг от друга, хотя они и не связаны между собой. Если удалить любую из кривых, то две оставшиеся окажутся свободными. Если сцепить любые две кривые, то свободной окажется третья кривая. Иногда такие кольца называют кольцами Борромео, поскольку они были изображены на гербе семейства Борромео, жившего в Италии эпохи Возрождения. Мне не известно, как построить бумажную модель поверхности без самопересечения, у которой два или большее число краев устроены так, что их нельзя разделить, хотя они и не зацеплены. Может быть, кому-нибудь из остроумных читателей удастся построить такую модель.
* * *
Интересную модель двойного листа Мёбиуса можно сделать из жесткого пластика. На такой модели особенно легко описать полный оборот пальцем, просунув его между «двумя» лентами.
Один из читателей предложил изготовить модель из гибкого белого пластика, а затем в промежуток между «полосками» вложить прокладку из красного пластика. Когда красную прокладку вынимают, превращение двух белых лент в одну кажется особенно удивительным, поскольку до этого хорошо было видно, как красная прокладка всюду разделяла то, что можно было принять за две отдельные ленты. Концы красной прокладки нужно не склеивать, а просто накладывать друг на друга, иначе красная лента окажется зацепленной за белую и ее нельзя будет вытащить.
Красная прокладка в такой модели принимает форму листа Мёбиуса. Точно так же всякую неориентируемую (одностороннюю) поверхность можно накрыть так называемой «двулистной» двусторонней поверхностью. Например, бутылку Клейна можно полностью накрыть тором, половина которого должна быть вывернута наизнанку. Как и при накрывании листа Мёбиуса, кажется, что эта поверхность состоит из двух отдельных поверхностей, вложенных одна в другую. Проколов такую поверхность в любой точке, мы обнаружим, что внутренняя поверхность отделена от наружной поверхностью бутылки Клейна. Тем не менее и внутренняя и наружная поверхности являются частями одного и того же тора.[14]
Глава 8. ИГРА В ГЕКС
В наши дни редко кому удается придумать математическую игру, которая была бы одновременно и новой и интересной. Именно такой оригинальной и увлекательной является игра в гекс, впервые появившаяся в пятидесятые годы в Институте теоретической физики Нильса Бора в Копенгагене. Гекс вполне может стать одной из наиболее популярных и наиболее полно исследованных математических игр нашего века.
В гекс играют на доске, имеющей форму ромба, составленного из шестиугольников (рис. 33).
Рис. 33 Игра в гекс на доске со стороной из 11 шестиугольников. Черные выиграли.
Число шестиугольников может быть разным, но обычно предпочитают играть на доске, вдоль стороны которой укладывается одиннадцать шестиугольников. Две противоположные стороны ромба называются «черными», две другие — «белыми». Шестиугольники, находящиеся в углах ромба, относятся к обеим сторонам. Один игрок играет черными фишками, второй — белыми. Играющие по очереди ставят фишку на любой шестиугольник, еще не занятый другой фишкой. Цель «черных» состоит в том, чтобы построить цепь из черных фишек между двумя «черными» сторонами. «Белые» стремятся построить цепь из белых фишек между «белыми» сторонами.
Цепь может как угодно изгибаться, поворачивать. Фишки ставят до тех пор, пока кто-нибудь из игроков не выстроит свою цепь.
На рис. 33, например, видно, как победили «черные».
Игра никогда не кончается вничью, потому что один из участников может запереть другого, только построив свою цепь. Хотя правила гекса очень просты, тем не менее он оказывается удивительно тонкой математической игрой.
Придумал гекс датчанин Пит Хейн. В молодости Хейн провел несколько лет в Институте теоретической физики, а затем, сделав несколько технических изобретений, стал работать в промышленности. Так продолжалось до 1940 года, до вторжения немцев в Данию. Во время оккупации Хейн дважды уходил в подполье — он был председателем антинацистского демократического союза, распущенного с приходом нацистов. Именно во время оккупации он начал писать свои знаменитые эпиграммы под псевдонимом Кумбель.
[Три выпуска этих эпиграмм (Хейн назвал их «груками») изданы на английском языке под истинной фамилией автора: Нет Р. Grouks. I, II, III. — Copenhagen: 1966–1970. Некоторые эпиграммы Хейна были напечатаны на страницах журнала «Наука и жизнь» на русском языке. Вот одна из них, которая могла бы послужить эпиграфом к этой книге:
Они печатались в датской газете «Политикен», для которой Хейн одно время писал очерки и стихи, подписываясь своим настоящим именем. В одной только Дании, где население немногим больше четырех миллионов, было продано около четверти миллиона экземпляров сборника его стихов.
Идея игры в гекс пришла Хейну в голову, когда он размышлял над знаменитой топологической проблемой четырех красок. Эта проблема до сих пор не решена. Формулируется она следующим образом. Требуется доказать или опровергнуть утверждение: «Всякую карту можно раскрасить четырьмя красками так, что никакие две области, имеющие один и тот же цвет, не будут иметь общей границы». Хейн рассказал о придуманной им игре во время лекции.
Это было в 1942 году. Вскоре правила игры были опубликованы в газете «Политикен» и гекс стал необычайно популярен в Дании под названием «Многоугольники». Появились в продаже блокноты для игры с заранее напечатанными изображениями досок. «Политикен» из месяца в месяц публиковала задачи и премировала лучшие решения. Игра получила свое нынешнее название гекс лишь в 1952 году, после того как была выпущена фирмой «Паркер».
В 1948 году Джон Нэш, в то время аспирант-математик Принстонского университета, а позже один из самых выдающихся специалистов по теории игр в США, изобрел ту же игру независимо от Хейна. Она быстро увлекла математиков в Принстоне и в Институте высших исследований. Игра обычно называлась «Нэш» или «Ванная». Последнее название в основном было обязано тому, что студенты часто играли на шестиугольных плитках в ванных комнатах.
Читателям, которым захочется поиграть в гекс, следует заранее заготовить листки с начерченными на них досками. Ходы можно отмечать крестиками и кружками. Если вам больше нравится передвигать фишки на «настоящей» доске, можно нарисовать большую доску на листе толстого картона или сложить ее из шестиугольных керамических плиток. Если плитки достаточно большие, то играть можно обычными шашками.
Чтобы понять все тонкости игры в гекс, лучше воспользоваться игровым полем, состоящим из небольшого числа шестиугольников.
На доске 2x2 (четыре шестиугольника) всегда выигрывает тот, кто делает первый ход. На доске 3x3 легко выиграть, если первый ход сделать в центр доски (рис. 34).
Рис. 34
«Черные» могут пойти двумя разными способами, заняв любой из двух шестиугольников, расположенных по обе стороны от центра, и поэтому на третьем ходу обязательно выигрывают.
На доске 4x4 все гораздо сложнее. Начинающий игру выигрывает наверняка лишь в том случае, если он сразу же занимает одну из четырех пронумерованных клеток (рис. 35).
14