Математика в календаре

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

вечерняя (сменная) общеобразовательная школа

Исследовательский проект

«Математика в календаре».

Автор: Ждановав Альбина,

Волкова Анна

учащиеся 8 класса

Руководитель:

Хватынец Валентина Юрьвна,

учитель математики

г. Березники, 2019 год

1. Актуальность исследования

С настенным календарём мы встречаемся каждый день. Это привычный и такой необходимый для нас предмет. Заинтересовались настенным календарем после решения задачи, которую нам предложил учитель на уроке геометрии, при изучении темы «Прямоугольные треугольники»: «если соединить числа 10,20, и 30 января 2019 года, то получится равнобедренный прямоугольный треугольник. Докажите это. Задача про календарь и треугольники оказалась нестандартной задачей на признаки равенства треугольников и вызвала у большинства учащихся интерес и много вопросов. По совету учителя нам продолжили исследование задач, и ответить на возникшие вопросы. Результатом нашего исследования стал проект «Математика в календаре». Вопросы, на которые нам бы хотелось получить ответ:

• Получится ли равнобедренный прямоугольный треугольник, если соединить числа 10,20, и 30 января в любом году?

• Каков будет результат, если будем соединять числа 10, 20 и 30 любого месяца одного года?

• Получится ли равнобедренный прямоугольный треугольник, если соединим другие числа в любом месяце?
  2. Определение предмета исследования. Исследовав задачу про календарь и треугольники, задались вопросом: есть ли ещё в математической литературе задачи по теме «Календари»? Из Интернет-ресурсов узнали только об истории календаря, видах календарей, но нам нужны были только задачи по данной теме. Руководителем было рекомендовано поработать с газетой «Математика», где часто печатают задания олимпиад, различных математических соревнований, конкурсов и некоторыми математическими сборниками. Оказалось, что такие задачи встречаются часто на олимпиадах различных уровней. Чтобы решать подобные задачи, надо знать некоторые особенности календаря.
  3. Формулировка проблемы 1. Можно ли использовать настенный календарь на уроках математики? Для этого надо выяснить есть ли ещё в математической литературе задачи по теме «календари», которые можно предлагать на уроках, олимпиадах и различных математических турнирах. 2. Какими особенностями обладают табель–календари?
  4. Выдвижение гипотезы Гипотеза исследования связана с предположением, что, изучив особенности табель–календарей, можно исследовать немало задач по теме «Календари», которые украсят уроки математики, и их можно применять и во внеклассной работе: олимпиадах, турнирах, конкурсах, марафонах и т.д.
  Цель проекта: Доказать подлинность гипотезы.

Мы так привыкли пользоваться календарем, что даже и не вполне отдаем себе отчет в том, как велика в нашей жизни и во всем нашем мышлении роль упорядоченного счета времени; между тем нетрудно видеть, что никакая культура невозможна без него.

Н.И. Идельсон,

советский астроном-теоретик

Любой из нас с легкостью может назвать, какой сегодня день недели, число, месяц, год. В разговоре мы часто используем обороты, которые так или иначе затрагивают тему времени: «через неделю», «год назад», «до новой эры» и т.д.? В наше время нет человека, который не знал бы, что такое календарь. К его услугам мы прибегаем ежедневно. Календарь стал привычным и необходимым для нас предметом. Мы настолько привыкли пользоваться календарем, что даже не можем себе представить современное общество без упорядоченного счета времени.

Двенадцать систематизированных определенным образом числовых таблиц интересны не только ученым, но и любителям математики. Так, многие сборники математических задач, задачи различных математических соревнований, конкурсов и олимпиад содержат задачи, связанные с календарем.

Исходя из этого, возникает вопрос: «Какие особенности и закономерности присутствуют в календаре?».

Цель работы: изучить и систематизировать математические закономерности в календаре.

Задачи:

• Прочитать и проанализировать естественнонаучную и художественную литературу, которая описывает понятие «календарь». Научиться работать с литературой. Находить информацию в Интернете.

• Расширить свой кругозор, получить новые знания и умения.

• Обобщить и систематизировать информацию о понятии «календарь» для любителей математики

  • КАЛЕНДАРЬ И ЕГО ВИДЫ

Календарь – система счисления длительных промежутков времени, основанная на периодичности таких явлений природы, как смена дня и ночи, смен фаз Луны, смена времени года.

Слово «календарь» происходит от латинского calendae – в Древнем Риме так назывались первые дни каждого месяца (календы). В свою очередь это существительное происходит от архаичного глагола caleo – «провозглашать», «созывать». Это связано с тем, что в Риме начало месяца всегда торжественно провозглашалось особыми жрецами. Затем возникло слово calendarium, что означает «долговая книжка». В Древнем Риме должники платили проценты впервые дни месяца, то есть календы. В современном значении календарь - это способ деления года на удобные периодические интервалы времени, основанный на периодичности видимых движений небесных тел. Основными задачами календаря являются фиксация и изменение интервалов времени. Создать точный календарь можно при условии, что год будет состоять из целого числа суток. Следовательно, составление точного календаря невозможно! Существуют попытки составления точного и удобного календаря, поэтому и видов календарей несколько, например,

• Лунный календарь;

• Солнечный календарь;

• Солнечно – лунный календарь;

• Юлианский календарь («старый стиль»);

• Григорианский календарь («новый стиль») и др.

Так, в основе Лунного календаря положен лунный месяц, продолжительностью 29 или 30 суток. Продолжительность солнечного года не принимается во внимание. Длина года в лунном календаре составляет 354 суток. Лунным календарем до нашего времени пользуется большинство мусульманских стран. А чтобы поставить в соответствие с солнечным календарем ведение сельскохозяйственных работ и общественную жизнь, к короткому году лунного календаря время от времени стали прибавлять тринадцатый месяц. При этом часто возникала путаница. Солнечно-лунный календарь был создан еще в Древнем Египте. В нем было 12 месяцев по 30 суток и в конце года добавлялось еще 5 суток. Позже Эвергет предложил один раз в 4 года добавлять одни 366-е сутки. В настоящее время этот календарь используется в Эфиопии. Также, существуют календари «нового стиля» и «старого стиля». Такими календарями являются Григорианский календарь и Юлианский календарь. Юлий Цезарь постановил считать одни годы по 365 суток, другие по 366 суток, чередуя их: три коротких, четвёртый длинный. Все нечётные месяца имели по 31 дню, чётные по 30 дней, кроме февраля, который имел 29 дней, а 30 только в високосные года. Продолжительность года в таком календаре была 365 суток и 6 часов. Этот календарь назывался Юлианским календарём. Но этот календарь превышал астрономический год на 11 минут и 14 секунд. К 325 году превышение стало уже 3 суток. Тогда было решено создать новую реформу календаря. Инициатором реформы был римский папа Григорий 13, а разработал её итальянский врач, математик и астроном Алиозий Лилио. В таком календаре сдвинули числа на 10 дней, оставив чередование простых и високосных лет. Если год оканчивается 2 нулями, а число его сотен не делится на 4, то этот год простой, а не високосный. Этот календарь называют Григорианским. Жители России, Европы, США и многие другие используют Григорианский календарь. За всю историю своего существования значение слова «календарь» менялось не раз. Но каждое новое значение, так или иначе, соотносилось с понятием времени и проблемой его измерения. Интересно, что первый в мире календарь появился уже примерно в трехтысячном году до нашей эры, в Европе, в небезызвестном местечке Stonehenge (Стоунхэндж), которое само по себе является своего рода календарем. Но в те времена, конечно же, проблема времени не была столь актуальна, как в современном мире. Календарь тогда был, скорее, методом познания окружающей действительности, попыткой осмыслить и понять закономерности земного бытия.

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ В КАЛЕНДАРЕ

• «ТРЕУГОЛЬНИКИ В КАЛЕНДАРЕ»

Задача. Если в календаре 2019 года соединить числа 10, 20 и 30 января, то получится равнобедренный прямоугольный треугольник.

Решение.

Для удобства решения задачи, используем календарь, в котором числа запишем на клетчатой бумаге.

Из построения чертежа очевидно, что треугольники с вершинами в числах 30 – 9 – 10 и 10 – 13 – 20 – прямоугольные, с прямыми углами в вершинах с числами 9 и 13 соответственно. Из чертежа ясно, что стороны 9 – 30 и 10 – 13 равны; аналогично равны стороны 9 – 10 и 13 – 20. Отсюда, треугольники 30 – 9 – 10 и 10 – 13 – 20 равны по двум катетам. Из равенства треугольников следует равенство соответствующих их сторон 10 – 30 и 10 – 20.

Так как сумма углов в треугольнике равна 180˚, получаем, что сумма острых углов в треугольнике с вершинами в числах 9 – 10 – 30 равна 90˚. Следовательно, сумма углов, дополняющих угол 10 до развернутого угла, равна сумме острых углов треугольника 9 – 10 – 30. Значит, угол 10 тоже равен 90˚. Итак, треугольник с вершинами в числах 10 – 20 – 30 является равнобедренным и прямоугольным.

Итак, данную задачу можно переформулировать в утверждение: в календаре 2019 года при соединении чисел 10, 20 и 30 января получается равнобедренный прямоугольный треугольник.

Вывод. Календари обладают следующей особенностью: если в календаре любого года соединить числа, соответствующие 10, 20 и 30 января, то получится равнобедренный прямоугольный треугольник, за исключением случаев, где центры клеток с числами 10, 20 и 30 лежат на одной прямой.

«ЧЕТЫРЕХУГОЛЬНИКИ В КАЛЕНДАРЕ»

Заметим, что в любом месяце можно выделить квадраты, состоящие из четырех чисел (2х2), из девяти чисел (3х3) и из шестнадцати чисел (4х4).

Аналогично, рассмотрим календарь за 2019 год, январь месяц.

Какими свойствами обладают такие квадраты?

Квадрат 2х2

Свойство 1. Сумма чисел на одной диагонали выделенного квадрата, равна сумме чисел на другой диагонали.

Пусть первое выделенное наименьшее число равно m, исходя из положения чисел в календаре, другие числа будут равны m + 1, m + 7 и m + 8.

Сумма одной диагонали квадрата: m + (m + 8) = 2m + 8.

Сумма другой диагонали: (m + 1) + (m + 7) = 2m + 8.

Таким образом, выражения равны, а числа на одной диагонали квадрата равны сумме чисел на другой диагонали.

Свойство 2. Чтобы найти сумму четырех чисел в выделенном квадрате достаточно удвоить сумму чисел одной диагонали.

Свойство очевидно из предыдущего доказательства.

Пример: 2(1 + 8) = 20.

Квадрат 3х3

Свойство 1. Чтобы найти сумму девяти чисел, в выделенном квадрате календаря, необходимо к меньшему числу прибавить 8 и сумму умножить на 9.

Пусть первое выделенное наименьшее число равно m, исходя из положения чисел в календаре, другие числа будут равны m + 1, m + 2, m + 7, m + 8, m + 9, m + 14, m + 15 и m + 16.

Складывая числа, получим 9m + 72 = 9(m + 8).

Значит, сумму чисел таких квадратов можно находить, если к меньшему числу прибавить 8 и сумму умножить на 9.

Пример: (1 + 8)9 = 81.

Свойство 2. Чтобы найти сумму девяти чисел, в выделенном квадрате календаря, необходимо из большего числа вычесть 8 и разность умножить на 9.

Пусть последнее выделенное наибольшее число равноа, исходя из положения чисел в календаре, другие числа будут равны, а – 1, а – 2, а – 7, а – 8, а – 9, а – 14, а – 15 и а – 16.

Складывая числа, получим: 9а – 72 = 9(а – 8). Значит, сумму чисел таких квадратов можно находить, если из большего числа вычесть 8 и разность умножить на 9.

Пример: (17 – 8)9 = 81.

Квадрат 4х4

Свойство 1. Чтобы найти сумму шестнадцати чисел, в выделенном квадрате календаря, необходимо из большего числа вычесть 12 и полученную разность умножить на 16.

Пусть последнее выделенное наибольшее число равноа, исходя из положения чисел в календаре, другие числа будут равны а – 1, а – 2, а – 3, а – 7, а – 8, а – 9, а – 10, а – 14, а – 15, а – 16, а – 17, а – 21, а – 22, а – 23 и а – 24.

Складывая числа, получим: 16а – 192 = 16(а – 12). Значит, сумму чисел таких квадратов можно находить, если из большего числа вычесть 12 и разность умножить на 16.

Пример: (25 – 12)16 = 208.

• МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ФОКУСЫ И КАЛЕНДАРЬ

На принципе закономерностей, полученных в ходе исследования календаря, строятся несколько фокусов «быстрых вычислений».

1. Фокус-предсказание. В этом фокусе фокусник может показать свой дар прорицания и умеет производить в уме быстрое сложение нескольких чисел. Попросите зрителя обвести на настольном календаре в любом месяце любой квадрат из 16 чисел. Бегло взглянув на него, вы записываете на листке предсказание, кладете его в конверт и отдаете на хранение зрителю. Затем просите зрителя выбрать любое число в этом календаре, обвести его кружком и вычеркнуть все числа, находящиеся в той же строчке и том же столбце, что и только что обведенное число. В качестве второго числа зритель может обвести кружком любое число, оставшееся незачеркнутым. После этого он должен вычеркнуть третье число, а соответствующие строчка и столбец вычеркиваются.

В финале вы эффективно предлагаете достать из конверта листок и убедиться, что на нем заранее вами была написана именно эта сумма чисел.

Чтобы это сделать, вам нужно было сложить два числа, находящихся на двух диагонально противоположных углах квадрата и найденную сумму удвоить.

2. Фокус с нахождением суммы. В этом фокусе фокусник очень быстро может отгадать сумму чисел, входящих в обведенный квадрат на календаре. Для этого попросите зрителя обвести на настенном календаре в любом месяце квадрат, содержащий 16 чисел. Бегло взглянув на него и производя в уме необходимые вычисления, называете сумму всех чисел, попавших в этот квадрат.

Чтобы это сделать, вам нужно было умножить сумму двух чисел, стоящих на противоположных концах любой диагонали, обведенного квадрата, на 8.

3. Вычисление вслепую. На этот раз вообще не смотрим на календарь. Попросите зрителя выбрать на настенном календаре любой месяц и обвести на нем какой-нибудь квадрат, содержащий 9 чисел. Попросите назвать наименьшее из чисел, попавших в этот квадрат. Через пару мгновений называете сумму этих 9 чисел.

Чтобы это сделать, вам нужно прибавить к названному числу 8 и результат умножить на 9.

• МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОЛИМПИАДНЫЕ ЗАДАЧИ

1. Может ли быть в одном месяце быть 5 понедельников и 5 четвергов? Обоснуйте ответ.

Если в месяце 31 день, и он начинается с понедельника, то в нём может быть 5 понедельников, 5 вторников и 5 сред, но остальных дней недели по четыре, так как 5+5+5+4+4+4+4=31. Ответ: не может.

2. В феврале 2004 года 5 воскресений, а всего – 29 дней. На какой день недели приходится 23 февраля 2004 года?

Если в феврале 29 дней и 5 воскресений, то первое воскресение будет 1 февраля. Отсюда 23 февраля – понедельник.

4. В некотором месяце три пятницы пришлись на чётные числа. Какой день недели был 15 числа этого месяца?

Три пятницы, выпадающие на чётные числа месяца, могут быть только 2, 16 и 30 числа. 15 числа был четверг.

5. Известно. Что 1 декабря приходится на среду. На какой день недели приходится 1 января следующего года?

Среда 1, 8, 15, 22, и 29 декабря, четверг 30, пятница 31. Ответ: суббота 1 января следующего года.

6. В некотором месяце три воскресенья пришлись на чётные числа. Какой день недели был 20 числа этого месяца?

Четные воскресенья 2, 16, 28. Значит 20 число этого месяца – четверг.

7. Какое наибольшее число воскресений может быть в году?

53 воскресенья.

8. Какое самое большое число месяцев с пятью воскресениями может быть в году?

5 месяцев. Обычный год при этом должен начинаться с воскресенья, а високосный – с субботы или воскресенья.

9. В каком-то году некоторое число ни в одном месяце не было воскресеньем. Какое это могло быть число?

31-е число и только одно. Например, в 2007 году ни одно воскресенье не было 31 числом.

10. В некотором месяце три субботы пришлись на четные числа. Какой день недели был 28-го числа этого месяца?

Пусть первая «четная» суббота пришлась на число, которое обозначим через х(х – четное число). Следующая четная суббота будет через две недели, т.е. (х+14) –го числа, а третья «четная» суббота – (х+28) –го числа. Но в месяце не более 31 дня, следовательно, х+28≤ 31. У этого неравенства одно чётное решение х=2. Тогда третья «четная» суббота была 30-го числа, а 28-го был четверг.

11. В некотором месяце три пятницы пришлись на четные числа. Какой день недели был 15 числа этого месяца?

12. В некотором месяце три воскресенья пришлись на четные числа. Какой день недели был 20 числа этого месяца?

13. Докажите, что первый и последний день 2010 года – это один и тот же день недели.

2010 год не високосный 2. Обычный год содержит 365=52х7+1 дней, т.е. 52 полных недели плюс один день. Поэтому любой обычный год начинается и заканчивается на один и тот же день недели. Для 2010 года это будет пятница.

14. В некотором месяце понедельников больше, чем вторников, а воскресений больше, чем суббот. Какой день недели был 5-го числа этого месяца? Мог ли этот месяц быть декабрем?

За 4 недели, с 1 по 28-е число, каждый день недели встречается ровно 4 раза, поэтому из условия следует, что 29-е – воскресенье, 30-е – понедельник, а 31-го числа в этом месяце нет. Следовательно, месяц, о котором идет речь, начался с воскресенья, а его 5-е число было четвергом. Данный месяц декабрём быть не мог: в декабре 31 день.

15. В некотором году три месяца подряд содержали всего по четыре воскресенья. Докажите, что один из этих месяцев – февраль.

Если февраль не входит в указанные «три месяца подряд», то сумма дней – 91 или 92. Но 91=7х13, 92=7х13+1, т. е в этом случае три месяца содержат 13 полных недель, значит, и каждый день недели, в том числе воскресенье, содержится 13 раз, и условие не выполняется. Тем самым доказано, что один из трех месяцев должен быть февралём, причем в обычном году достаточно, чтобы из трёх месяцев был февралём, а в високосном – эти три месяца: февраль (29), март (31), апрель (30). К тому же необходимо, чтобы последний день третьего месяца был субботой.

16. У большинства Петиных одноклассников день рождения в 1995 году пришёлся на четверг. В 1996 году у большинства одноклассников он пришёлся на пятницу. А на какой день недели он приходился в 1997 году?

1995 и 1997 годы не високосные (по 365 дней), а 1996 – високосный (366 дней). При переходе от 1995 года к 1996 году любое число сместится на один день недели вперёд. Но при переходе от 1996-го високосного, смещение будет на два дня вперёд, т. е. день рождения, приходившийся на пятницу, сместится на воскресенье.

17. Один человек обнаружил в 1937 году, что в -м году ему было х лет, и сказал: «Если к числу моих лет прибавить порядковый номер месяца моего рождения, то получится квадрат дня моего рождения. Когда родился этот человек?

Если человек жил в 1937 году, то в 1849 году ему не могло быть 43 года: 1849=43². Следующая возможность – ему было 44 года в 1936 году: 1936=44². В силу заданных условий, 44+m=d²; 0md=7. Таким образом, человек родился 7 мая 1892 года.