home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Internet Surfer: Getting Started / Internet Surfer - Getting Started (Wayzata Technology)(7231)(1995).bin / pc / textfile / mac_faqs / puzz_faq / part10 < prev    next >
Internet Message Format  |  1995-01-30  |  61KB

  1. Xref: bloom-picayune.mit.edu rec.puzzles:18145 news.answers:3076
  2. Newsgroups: rec.puzzles,news.answers
  3. Path: bloom-picayune.mit.edu!enterpoop.mit.edu!snorkelwacker.mit.edu!usc!wupost!spool.mu.edu!uunet!questrel!chris
  4. From: uunet!questrel!chris (Chris Cole)
  5. Subject: rec.puzzles FAQ, part 10 of 15
  6. Message-ID: <puzzles-faq-10_717034101@questrel.com>
  7. Followup-To: rec.puzzles
  8. Summary: This posting contains a list of
  9.      Frequently Asked Questions (and their answers).
  10.      It should be read by anyone who wishes to
  11.      post to the rec.puzzles newsgroup.
  12. Sender: chris@questrel.com (Chris Cole)
  13. Reply-To: uunet!questrel!faql-comment
  14. Organization: Questrel, Inc.
  15. References: <puzzles-faq-1_717034101@questrel.com>
  16. Date: Mon, 21 Sep 1992 00:09:31 GMT
  17. Approved: news-answers-request@MIT.Edu
  18. Expires: Sat, 3 Apr 1993 00:08:21 GMT
  19. Lines: 1487
  20.  
  21. Archive-name: puzzles-faq/part10
  22. Last-modified: 1992/09/20
  23. Version: 3
  24.  
  25. ==> games/square-1.s <==
  26.                 SHAPES
  27.  
  28. 1. There are 29 different shapes for a side, counting reflections:
  29.     1 with 6 corners, 0 edges
  30.     3 with 5 corners, 2 edges
  31.    10 with 4 corners, 4 edges
  32.    10 with 3 corners, 6 edges
  33.     5 with 2 corners, 8 edges
  34.  
  35. 2. Naturally, a surplus of corners on one side must be compensated
  36.    by a deficit of corners on the other side.  Thus there are 1*5 +
  37.    3*10 + C(10,2) = 5 + 30 + 55 = 90 distinct combinations of shapes,
  38.    not counting the middle layer.
  39.  
  40. 3. You can reach two squares from any other shape in at most 7 transforms,
  41.    where a transform consists of (1) optionally twisting the top, (2)
  42.    optionally twisting the bottom, and (3) flipping.
  43.  
  44. 4. Each transform toggles the middle layer between Square and Kite,
  45.    so you may need 8 transforms to reach a perfect cube.
  46.  
  47. 5. The shapes with 4 corners and 4 edges on each side fall into four
  48.    mutually separated classes.  Side shapes can be assigned values:
  49.    0: Square, Mushroom, and Shield; 1: Left Fist and Left Paw; 2:
  50.    Scallop, Kite, and Barrel; 3. Right Fist and Right Paw.  The top
  51.    and bottom's sum or difference, depending on how you look at them,
  52.    is a constant.  Notice that the side shapes with bilateral symmetry
  53.    are those with even values.
  54.  
  55. 6. To change this constant, and in particular to make it zero, you must
  56.    attain a position that does not have 4 corners and 4 edges on each
  57.    side.  Almost any such position will do, but returning to 4 corners
  58.    and 4 edges with the right constant is left to your ingenuity.
  59.  
  60. 7. If the top and bottom are Squares but the middle is a Kite, just flip
  61.    with the top and bottom 30deg out of phase and you will get a cube.
  62.  
  63.                 COLORS
  64.  
  65. 1. I do not know the most efficient way to restore the colors.  What
  66.    follows is my own suboptimal method.  All flips keep the yellow
  67.    stripe steady and flip the blue stripe.
  68.  
  69. 2. You can permute the corners without changing the edges, so first
  70.    get the edges right, then the corners.
  71.  
  72. 3. This transformation sends the right top edge to the bottom
  73.    and the left bottom edge to the top, leaving the other edges
  74.    on the same side as they started:  Twist top 30deg cl, flip,
  75.    twist top 30deg ccl, twist bottom 150deg cl, flip, twist bottom
  76.    30deg cl, twist top 120deg cl, flip, twist top 30deg ccl, twist
  77.    bottom 150deg cl, flip, twist bottom 30deg cl.  Cl and ccl are
  78.    defined looking directly at the face.  With this transformation
  79.    you can eventually get all the white edges on top.
  80.  
  81. 4. Check the parity of the edge sequence on each side.  If either is
  82.    wrong, you need to fix it.  Sorry -- I don't know how!  (See any
  83.    standard reference on combinatorics for an explanation of parity.)
  84.  
  85. 5. The following transformation cyclically permutes ccl all the top edges
  86.    but the right one and cl all the bottom edges but the left one.  Apply
  87.    the transformation in 3., and turn the whole cube 180deg.  Repeat.
  88.    This is a useful transformation, though not a cure-all.
  89.  
  90. 6. Varying the transformation in 3. with other twists will produce other
  91.    results.
  92.  
  93. 7. The following transformation changes a cube into a Comet and Star:
  94.    Flip to get Kite and Kite.  Twist top and bottom cl 90deg and flip to get
  95.    Barrel and Barrel.  Twist top cl 30 and bottom cl 60 and flip to get
  96.    Scallop and Scallop.  Twist top cl 60 and bottom cl 120 and flip to
  97.    get Comet and Star.  The virtue of the Star is that it contains only
  98.    corners, so that you can permute the corners without altering the edges.
  99.  
  100. 8. To reach a Lemon and Star instead, replace the final bottom cl 120 with
  101.    a bottom cl 60.  In both these transformation the Star is on the bottom.
  102.  
  103. 9. The following transformation cyclically permutes all but the bottom
  104.    left rear.  It sends the top left front to the bottom, and the bottom
  105.    left front to the top.  Go to Comet and Star.  Twist star cl 60.
  106.    Go to Lemon and Star -- you need not return all the way to the cube, but
  107.    do it if you're unsure of yourself by following 7 backwards.  Twist star
  108.    cl 60.  Return to cube by following 8 backwards.  With this transformation
  109.    you should be able to get all the white corners on top.
  110.  
  111. 10. Check the parity of the corner sequences on both sides.  If the bottom
  112.    parity is wrong, here's how to fix it:  Go to Lemon and Star.  The
  113.    colors on the Star will run WWGWWG.  Twist it 180 and return to cube.
  114.  
  115. 11. If the top parity is wrong, do the same thing, except that when you
  116.    go from Scallop and Scallop to Lemon and Star, twist the top and bottom
  117.    ccl instead of cl.  The colors on the Star should now run GGWGGW.
  118.  
  119. 12. Once the parity is right on both sides, the basic method is to
  120.    go to Comet and Star, twist the star 120 cl (it will be WGWGWG),
  121.    return to cube, twist one or both sides, go to Comet and Star,
  122.    undo the star twist, return to cube, undo the side twists.
  123.    With no side twists, this does nothing.  If you twist the top,
  124.    you will permute the top corners.  If you twist the bottom,
  125.    you will permute the bottom corners.  Eventually you will get
  126.    both the top and the bottom right.  Don't forget to undo the
  127.    side twists -- you need to have the edges in the right places.
  128.  
  129. Happy twisting....
  130. -- 
  131. Col. G. L. Sicherman
  132. gls@windmill.att.COM
  133.  
  134. ==> games/think.and.jump.p <==
  135. THINK & JUMP:  FIRST THINK, THEN JUMP UNTIL YOU
  136.                ARE LEFT WITH ONE PEG!                      O - O   O - O
  137.                                                           / \ / \ / \ / \
  138.                                                          O---O---O---O---O
  139. BOARD DESCRIPTION:  To the right is a model of            \ / \ / \ / \ /
  140.                     the Think & Jump board.  The       O---O---O---O---O---O
  141.                     O's represent holes which         / \ / \ / \ / \ / \ / \
  142.                     contain pegs.                    O---O---O---O---O---O---O
  143.                                                       \ / \ / \ / \ / \ / \ /
  144.                                                        O---O---O---O---O---O
  145. DIRECTIONS:  To play this brain teaser, you begin         / \ / \ / \ / \
  146.              by removing the center peg.  Then,          O---O---O---O---O
  147.              moving any direction in the grid,            \ / \ / \ / \  /
  148.              jump over one peg at a time,                  O - O   O - O
  149.              removing the jumped peg - until only
  150.              one peg is left.  It's harder then it looks. 
  151.          But it's more fun than you can imagine.
  152.  
  153. SKILL CHART:
  154.  
  155.     10 pegs left - getting better
  156.      5 pegs left - true talent
  157.      1 peg  left - you're a genius
  158.  
  159. Manufactured by Pressman Toy Corporation, NY, NY.
  160.  
  161. ==> games/think.and.jump.s <==
  162. Three-color the board in the obvious way.  The initial configuration has 12
  163. of each color, and each jump changes the parity of all three colors.  Thus,
  164. it is impossible to achieve any position where the colors do not have the
  165. same parity; in particular, (1,0,0).
  166.  
  167. If you remove the requirement that the initially-empty cell must be at the
  168. center, the game becomes solvable.  The demonstration is left as an exercise.
  169.  
  170. Karl Heuer   rutgers!harvard!ima!haddock!karl   karl@haddock.ima.isc.com
  171.  
  172.  
  173.  
  174.  
  175. Here is one way of reducing Think & Jump to two pegs.
  176.  
  177.  
  178. Long simplifies Balsley's scintillating snowflake solution:
  179.  
  180. 1  U-S           A - B   C - D
  181. 2  H-U          / \ / \ / \ / \
  182. 3  V-T         E---F---G---H---I
  183. 4  S-H          \ / \ / \ / \ /
  184. 5  D-M       J---K---L---M---N---O
  185. 6  F-S      / \ / \ / \ / \ / \ / \
  186. 7  Q-F     P---Q---R---S---T---U---V
  187. 8  A-L      \ / \ / \ / \ / \ / \ /
  188. 9  S-Q       W---X---Y---Z---a---b
  189. 10 P-R          / \ / \ / \ / \
  190. 11 Z-N         c---d---e---f---g
  191. 12 Y-K          \ / \ / \ / \ /
  192. 13 h-Y           h - i   j - k
  193. 14 k-Z
  194.  
  195. The board should now be in the snowflake pattern, i.e. look like
  196.  
  197.          o - *   * - o
  198.         / \ / \ / \ / \
  199.        *---o---*---o---*
  200.         \ / \ / \ / \ /
  201.      *---*---*---*---*---*
  202.     / \ / \ / \ / \ / \ / \
  203.    o---o---o---o---o---o---o
  204.     \ / \ / \ / \ / \ / \ /
  205.      *---*---*---*---*---*
  206.         / \ / \ / \ / \
  207.        *---o---*---o---*
  208.         \ / \ / \ / \ /
  209.          o - *   * - o
  210.  
  211. where o is empty and * is a peg.  The top and bottom can now be reduced
  212. to single pegs individually.  For example, we could continue
  213.  
  214. 15 g-T
  215. 16 Y-a
  216. 17 i-Z
  217. 18 T-e
  218. 19 j-Y
  219. 20 b-Z
  220. 21 c-R
  221. 22 Z-X
  222. 23 W-Y
  223. 24 R-e
  224.  
  225. which finishes the bottom.  The top can be done in a similar manner.
  226. -- 
  227. Chris Long
  228.  
  229. ==> games/tictactoe.p <==
  230. In random tic-tac-toe, what is the probability that the first mover wins?
  231.  
  232. ==> games/tictactoe.s <==
  233. Count cases.
  234.  
  235. First assume that the game goes on even after a win.  (Later figure
  236. out who won if each player gets a row of three.)  Then there are
  237. 9!/5!4! possible final boards, of which
  238.  
  239.     8*6!/2!4! - 2*6*4!/0!4! - 3*3*4!/0!4! - 1 = 98
  240.  
  241. have a row of three Xs.  The first term is 8 rows times (6 choose 2)
  242. ways to put down the remaining 2 Xs.  The second term is the number
  243. of ways X can have a diagonal row plus a horizontal or vertical row.
  244. The third term is the number of ways X can have a vertical and a
  245. horizontal row, and the 4th term is the number of ways X can have two
  246. diagonal rows.  All the two-row configurations must be subtracted to
  247. avoid double-counting.
  248.  
  249. There are 8*6!/1!5! = 48 ways O can get a row.  There is no double-
  250. counting problem since only 4 Os are on the final board.
  251.  
  252. There are 6*2*3!/2!1! = 36 ways that both players can have a
  253. row.  (6 possible rows for X, each leaving 2 possible rows for O
  254. and (3 choose 2) ways to arrange the remaining row.)  These
  255. cases need further consideration.
  256.  
  257. There are 98 - 36 = 62 ways X can have a row but not O.
  258.  
  259. There are 48 - 36 = 12 ways O can have a row but not X.
  260.  
  261. There are 126 - 36 - 62 - 12 = 16 ways the game can be a tie.
  262.  
  263. Now consider the 36 configurations in which each player has a row.
  264. Each such can be achieved in 5!4! = 2880 orders.  There are 3*4!4!
  265. = 1728 ways that X's last move completes his row.  In these cases O
  266. wins.  There are 2*3*3!3! = 216 ways that Xs fourth move completes
  267. his row and Os row is already done in three moves.  In these cases O
  268. also wins.  Altogether, O wins 1728 + 216 = 1944 out of 2880 times
  269. in each of these 36 configurations.  X wins the other 936 out of
  270. 2880.
  271.  
  272. Altogether, the probability of X winning is ( 62 + 36*(936/2880) ) / 126. 
  273.  
  274. win:   737 / 1260  ( 0.5849206... )
  275. lose:  121 / 420   ( 0.2880952... )
  276. draw:  8 / 63      ( 0.1269841... )
  277.  
  278. 1000000 games:  won 584865, lost 288240, tied 126895
  279.  
  280. Instead, how about just methodically having the program play every
  281. possible game, tallying up who wins?
  282.  
  283. Wonderful idea, especially since there are only 9! ~ 1/3 million
  284. possible games.  Of course some are identical because they end in
  285. fewer than 8 moves.  It is clear that these should be counted
  286. multiple times since they are more probable than games that go
  287. longer.
  288.  
  289. The result:
  290. 362880 games:  won 212256, lost 104544, tied 46080
  291.  
  292. #include <stdio.h>
  293.  
  294. int    board[9];
  295. int    N, move, won, lost, tied;
  296.  
  297. int    perm[9] = { 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 };
  298.  
  299. int    rows[8][3] = {
  300.   { 0, 1, 2 }, { 3, 4, 5 }, { 6, 7, 8 }, { 0, 3, 6 },
  301.   { 1, 4, 7 }, { 2, 5, 8 }, { 0, 4, 8 }, { 2, 4, 6 }
  302. };
  303.  
  304.  
  305. main()
  306. {
  307.   do {
  308.     bzero((char *)board, sizeof board);
  309.     for ( move=0; move<9; move++ ) {
  310.       board[perm[move]] = (move&1) ? 4 : 1;
  311.       if ( move >= 4 && over() )
  312.     break;
  313.     }
  314.     if ( move == 9 )
  315.       tied++;
  316. #ifdef DEBUG
  317.     printf("%1d%1d%1d\n%1d%1d%1d  w %d, l %d, t %d\n%1d%1d%1d\n\n",
  318.        board[0], board[1], board[2],
  319.        board[3], board[4], board[5], won, lost, tied,
  320.        board[6], board[7], board[8]);
  321. #endif
  322.     N++;
  323.   } while ( nextperm(perm, 9) );
  324.  
  325.   printf("%d games:  won %d, lost %d, tied %d\n", N, won, lost, tied);
  326.   exit(0);
  327. }
  328.  
  329. int    s;
  330. int    *row;
  331.  
  332. over()
  333. {
  334.   for ( row=rows[0]; row<rows[8]; row+=3 ) {
  335.     s = board[row[0]] + board[row[1]] + board[row[2]];
  336.     if ( s == 3 )
  337.       return ++won;
  338.     if ( s == 12 )
  339.       return ++lost;
  340.   }
  341.   return 0;
  342. }
  343.  
  344. nextperm(c, n)
  345. int    c[], n;
  346. {
  347.   int    i = n-2, j=n-1, t;
  348.  
  349.   while ( i >= 0 && c[i] >= c[i+1] )
  350.     i--;
  351.   if ( i < 0 )
  352.     return 0;
  353.   while ( c[j] <= c[i] )
  354.     j--;
  355.   t = c[i];  c[i] = c[j];  c[j] = t;
  356.   i++;  j = n-1;
  357.   while ( i < j ) {
  358.     t = c[i];  c[i] = c[j];  c[j] = t;
  359.     i++;  j--;
  360.   }
  361.   return 1;
  362. }
  363.  
  364.  
  365.  
  366. ==> geometry/K3,3.p <==
  367. Can three houses be connected to three utilities without the pipes crossing?
  368.  
  369.             _______          _______          _______
  370.             | oil |          |water|          | gas |
  371.             |_____|          |_____|          |_____|
  372.  
  373.  
  374.             _______          _______          _______
  375.             |HOUSE|          |HOUSE|          |HOUSE|
  376.             | one |          | two |          |three|
  377.  
  378. ==> geometry/K3,3.s <==
  379. The problem you describe is to draw a bipartite graph of 3 nodes connected
  380. in all ways to 3 nodes, all embedded in the plane.  The graph is called K3,3.
  381. A famous theorem of Kuratowsky says that all graphs can be embedded
  382. in the plane, EXCEPT those containing K3,3 or K5 (the complete graph
  383. on 5 vertices, i.e., the graph with 5 nodes and 10 edges) as a 
  384. subgraph.  So your problem is a minimal example of a graph that
  385. cannot be embedded in the plane.
  386.  
  387. The proofs that K5 and K3,3 are non-planar are really quite easy, and only
  388. depend on Euler's Theorem that F-E+V=2 for a planar graph.
  389. For K3,3 V is 6 and E is 9, so F would have to be 5. But each face has at 
  390. least 4 edges, so E >= (F*4)/2 = 10, contradiction.
  391. For K5 V is 5 and E is 10, so F = 7. In this case each face has at least 3
  392. edges, so E >= (F*3)/2 = 10.5, contradiction.
  393.  
  394. The difficult part of Kuratowsky is the proof in the other direction!
  395.  
  396. A quick, informal proof by contradiction without assuming Euler's Theorem:
  397. Using a map in which the houses are 1, 2, and 3 and the utilities are
  398. A, B, and C, there must be continuous lines that connect the buildings and
  399. divide the area into three sections bounded by the loops A-1-B-2-A,
  400. A-1-B-3-A, and A-2-B-3-A.  (One of the areas is the infinite plane *around*
  401. whichever loop is the outer edge of the network.)  C must be in one of these
  402. three areas; whichever area it is in, either 1, or 2, or 3, is *not* part of
  403. the loop that rings its area and hence is inaccessible to C.
  404.  
  405. The usual quibble is to solve the puzzle by running one of the pipes
  406. underneath one of houses on its way to another house; the puzzle's
  407. instructions forbid crossing other *pipes*, but not crossing other *houses*.
  408.  
  409. ==> geometry/bear.p <==
  410. If a hunter goes out his front door, goes 50 miles south, then goes 50 
  411. miles west, shoots a bear, goes 50 miles north and ends up in front of
  412. his house.  What color was the bear?
  413.  
  414. ==> geometry/bear.s <==
  415. The hunter's door is in one of two locations.  One is a foot or so from the
  416. North Pole, facing north, such that his position in front of the door is
  417. precisely upon the North Pole.  Since that's a ridiculous place to build a
  418. house and since bears do not roam within fifty miles of the pole, the bear
  419. is either imaginary or imported, and there is no telling what color it is.
  420.  
  421. There is another place (actually a whole set) on earth from which one can go
  422. fifty miles south, fifty miles west, and fifty miles north and end up where
  423. one started.  Consider the parallel of latitude close enough to the South
  424. Pole that the circumference of the earth at that latitude is 50/n miles,
  425. for some integer n.
  426.  
  427. Take any point on that parallel of latitude and pick the point fifty miles
  428. north of it.  Situate the hunter's front porch there.  The hunter goes fifty
  429. miles south from his porch and is at a point we'll call A.  He travels fifty
  430. miles west, going n times around the earth, and is at A again, where he shoots
  431. the bear.  Fifty miles north from A he is back home.  Since bears are not
  432. indigenous to the Antarctic, again the bear is either imaginary or imported
  433. and there is no telling what color it might be.
  434.  
  435. ==> geometry/bisector.p <==
  436. If two angle bisectors of a triangle are equal, then the triangle is
  437. isosceles (more specifically, the sides opposite to the two angles
  438. being bisected are equal).
  439.  
  440. ==> geometry/bisector.s <==
  441. The following proof is probably from Altshiller-Court's College
  442. Geometry, since that's where I first saw the problem.
  443.  
  444. Let the triangle be ABC, with angle bisectors BE and CD.  
  445. Let F be such that BEFD is a parallelagram.  
  446. Let x  = measure of angle CBE = angle DBE,
  447.     y  = measure of angle BCD = angle DCE,
  448.     x' = measure of angle EFC,
  449.     y' = measure of angle ECF.
  450. (You will probably want to draw a picture.)
  451.  
  452. Suppose x > y.  Consider the triangles EBC and DCB.  Since BC = BC and
  453. BE = CD, we must have CE > BD.  Now, since BD = EF, we have that CE >
  454. EF, so that x' > y'.  Thus x+x' > y+y'.  But, triangle FDC is
  455. isosceles, since DF = BE = DC, so x+x' = y+y', a contradiction.
  456. Similarly, we cannot have x < y.  Therefore the base angles of ABC are
  457. equal, making ABC an isosceles triangle. QED
  458.  
  459.  
  460.  
  461.  
  462. ==> geometry/calendar.p <==
  463. Build a calendar from two sets of cubes.  On the first set,
  464. spell the months with a letter on each face of three cubes.
  465. Use lowercase three-letter abbreviations for the names of all
  466. twelve months (e.g., "jan", "feb", "mar").  On the second set,
  467. number the days with a digit on each face of two cubes (e.g.,
  468. "01", "02", etc.).
  469.  
  470. ==> geometry/calendar.s <==
  471.     First note that there are *nineteen* different letters in the
  472. month abbreviations (abcdef gjlmno prstuv y) so to get them all on the
  473. eighteen faces of 3 cubes, you know right away you're going to have to
  474. resort to trickery.
  475.  
  476.     So I wrote them all down and looked at which ones could be
  477. reversed to make another letter in the set.  The only pair that jumped
  478. out at me was the d/p pair.  Now I knew that it was at least feasible,
  479. as long as it wasn't necessary to duplicate any letters.
  480.  
  481.     Then I scanned the abbreviations to find ones that had a lot of
  482. common letters.  The jan-jun-jul series looked like a good place to
  483. start:
  484.     j    a    n
  485.         u    l
  486.                 was a good beginning but I realized
  487. right away that I had no room for duplicate letters and the second cube
  488. had both a and u so aug was going to be impossible.  In fact I almost
  489. posted that answer.  Then I realized that if Martin Gardner wrote about
  490. it, it must have a solution.  :-)  So I went back to the letter list.
  491.  
  492.     I don't put tails on my u's so it didn't strike me the first
  493. time through that n and u could be combined.
  494.       Cube 1  Cube 2  Cube 3
  495.     j    a    n/u
  496.         n/u    l
  497.                 would let me get away with putting the g
  498. on the first cube to get aug, so I did.
  499.     j    a    n/u
  500.     g    n/u    l    (1)
  501.  
  502.     Now came the fun part.  The a was placed so I had to work around
  503. it for the other months that had an a in them (mar, apr, may).
  504.     m    a    r
  505.     d/p        y    (2)
  506.  
  507.     Now the d/p was placed so I had to work around that for sep and dec.
  508. This one was easy since they shared an e as well.
  509.     d/p    e    s
  510.             c    (3)
  511.  
  512.     Now the e was placed so feb had to be worked in.
  513.     f    e    b    (4)
  514.  
  515.     The two months left (oct, nov) were far more complex.  Not only
  516. did they have two "set" letters (c, n/u), there were two possible n/u's
  517. to be set with.  That's why I left them for last.
  518.     o    t    c
  519.         n/u    v    (5)
  520.  
  521.     So now I had five pieces to fit together, so that no set would
  522. have more than six letters in it.  Trial and error provided:
  523.  
  524.     j    a    n/u            a    b    e
  525.     g    n/u    l    or,        c    d/p    g
  526.     r    s    m    alphabetically:    f    l    j
  527.     y    c    d/p            n/u    m    o
  528.     e    v    t            s    n/u    r
  529.     o    f    b            v    t    y
  530.  
  531.  
  532.   Without some gimmick the days cannot be done.  Because of the dates 11 and
  533. 22, there must be a 1 and a 2 on each cube. Thus there are 8 remaining spaces
  534. for the 8 remaining numbers, and because of 30, we put 3 and 0 on different
  535. cubes. I don't think the way you allocate the others matter. Now 6 numbers on
  536. each cube can produce at most 36 distinct pairs, and we need 31 distinct pairs
  537. to represent all possible dates. But since 3 each of {4,5,6,7,8,9} are on each
  538. cube, there are at least 9 representable numbers which can't be dates.
  539. Therefore there are at most 27 distinct numbers which are dates on the two
  540. cubes, and it can't be done. In particular, not all of {04,05,06,07,08,09} can
  541. be represented.
  542.  
  543.   The gimmick solution would be to represent the numbers in a stylised format
  544. (like say, on a digital clock or on a computer screen) such that the 6 can be
  545. turned upside down to be a 9. Then you can have 012 on both cubes, and three
  546. each of {3,4,5,6,7,8} on the other faces. Done.
  547.   
  548.   Example: 012468 012357
  549.  
  550. ==> geometry/circles.and.triangles.p <==
  551. Find the radius of the inscribed and circumscribed circles for a triangle.
  552.  
  553. ==> geometry/circles.and.triangles.s <==
  554. Let a, b, and c be the sides of the triangle.  Let s be the
  555. semiperimeter, i.e. s = (a + b + c) / 2.  Let A be the area
  556. of the triangle, and let x be the radius of the incircle.
  557.  
  558. Divide the triangle into three smaller triangles by drawing
  559. a line segment from each vertex to the incenter.  The areas
  560. of the smaller triangles are ax/2, bx/2, and cx/2.  Thus,
  561. A = ax/2 + bx/2 + cx/2, or A = sx. 
  562.  
  563. We use Heron's formula, which is A = sqrt(s(s-a)(s-b)(s-c)).
  564. This gives us x = sqrt((s-a)(s-b)(s-c)/s).
  565.  
  566. The radius of the circumscribed circle is given by R = abc/4A.
  567.  
  568. ==> geometry/coloring/cheese.cube.p <==
  569. A cube of cheese is divided into 27 subcubes.  A mouse starts at one
  570. corner and eats through every subcube.  Can it finish in the middle?
  571.  
  572. ==> geometry/coloring/cheese.cube.s <==
  573. Give the subcubes a checkerboard-like coloring so that no two adjacent
  574. subcubes have the same color.  If the corner subcubes are black, the
  575. cube will have 14 black subcubes and 13 white ones.  The mouse always
  576. alternates colors and so must end in a black subcube.  But the center
  577. subcube is white, so the mouse can't end there.
  578.  
  579. ==> geometry/coloring/dominoes.p <==
  580. There is a chess board (of course with 64 squares). You are given
  581. 21 dominoes of size 3-by-1 (the size of an individual square on
  582. a chess board is 1-by-1). Which square on the chess board can
  583. you cut out so that the 21 dominoes exactly cover the remaining
  584. 63 squares? Or is it impossible?
  585.  
  586. ==> geometry/coloring/dominoes.s <==
  587. ||||||||
  588. ||||||||
  589. ||||||||
  590. ---***+*
  591. ---...+*
  592. ---*+O+*
  593. ---*+...
  594. ---*+***
  595.  
  596. There is only one way to remove a square, aside from rotations and
  597. reflections.  To see that there is at most one way, do this:  Label
  598. all the squares of the chessboard with A, B or C in sequence by rows
  599. starting from the top:
  600.  
  601.         ABCABCAB
  602.         CABCABCA
  603.         BCABCABC
  604.         ABCABCAB
  605.         CABCABCA
  606.         BCABCABC
  607.         ABCABCAB
  608.         CABCABCA
  609.  
  610. Every trimino must cover one A, one B and one C.  There is one extra
  611. A square, so an A must be removed.  Now label the board again by
  612. rows starting from the bottom:
  613.  
  614.         CABCABCA
  615.         ABCABCAB
  616.         BCABCABC
  617.         CABCABCA
  618.         ABCABCAB
  619.         BCABCABC
  620.         CABCABCA
  621.         ABCABCAB
  622.  
  623. The square removed must still be an A.  The only squares that got
  624. marked with A both times are these:
  625.  
  626.         ........
  627.         ........
  628.         ..A..A..
  629.         ........
  630.         ........
  631.         ..A..A..
  632.         ........
  633.         ........
  634.  
  635. ==> geometry/construction/4.triangles.6.lines.p <==
  636. Can you construct 4 equilateral triangles with 6 toothpicks?
  637.  
  638. ==> geometry/construction/4.triangles.6.lines.s <==
  639. Use the toothpicks as the edges of a tetrahedron.
  640.  
  641. ==> geometry/construction/5.lines.with.4.points.p <==
  642. Arrange 10 points so that they form 5 rows of 4 each.
  643.  
  644. ==> geometry/construction/5.lines.with.4.points.s <==
  645. Draw a 5 pointed star, put a point where any two lines meet.
  646.  
  647. ==> geometry/construction/square.with.compass.p <==
  648. Construct a square with only a compass and a straight edge.
  649.  
  650. ==> geometry/construction/square.with.compass.s <==
  651. Draw a circle (C1 at P1).  Now draw a diameter D1 (intersects
  652. at P2 and P3).  Set the compass larger than before.  From points P2
  653. and P3 draw another larger circle (C2 and C3).  Where these two
  654. circles cross, draw a line (D2).  This line should go the center of
  655. circle C1 at a rt angle to the original diameter line.  This line
  656. should cross circle C1 at P4 and P5
  657.  
  658. Reset the compass to its original size.  From P2 and P4 draw a circle
  659. (C4 and C5).  These circles intersect at P6 and P1.  Connect P6, P2,
  660. P1, P4 for a square.
  661.  
  662. ==> geometry/cover.earth.p <==
  663. A thin membrane covers the surface of the earth.  One square meter is
  664. added to the area of this membrane.  How much is added to the radius and
  665. volume of this membrane?
  666.  
  667. ==> geometry/cover.earth.s <==
  668. We know that V = (4/3)*pi*r^3 and A = 4*pi*r^2.
  669. We need to find out how much V increases if A increases by 1 m^2.
  670.  
  671.   dV / dr = 4 * pi * r^2
  672.   dA / dr = 8 * pi * r
  673.   dV / dA = (dV / dr) / (dA / dr)
  674.       = (4 * pi * r^2) / (8 * pi * r)
  675.       = r/2
  676.           = 3,250,000 m
  677.  
  678. If the area of the cover is increased by 1 square meter,
  679. then the volume it contains is increased by about 3.25 million cubic meters.
  680.  
  681. We seem to be getting a lot of mileage out of such a small square of cotton.
  682. However, the new cover would not be very high above the surface of the
  683. planet -- about 6 nanometers (calculate dr/dA).
  684.  
  685. ==> geometry/dissections/circle.p <==
  686. Can a circle be cut into similar pieces without point symmetry
  687. about the midpoint?  Can it be done with a finite number of pieces?
  688.  
  689. ==> geometry/dissections/circle.s <==
  690. Yes.  Draw a circle inside the original circle, sharing a common point
  691. on the right.  Now draw another circle inside the second, sharing a
  692. point at the left.  Now draw another inside the third, sharing a point
  693. at the right.  Continue in this way, coloring in every other region
  694. thus generated.  Now, all the colored regions touch, so count this as
  695. one piece and the uncolored regions as a second piece.  So the circle
  696. has been divided into two similar pieces and there is no point
  697. symmetry about the midpoint.  Maybe it is cheating to call these
  698. single pieces, though.
  699.  
  700. ==> geometry/dissections/hexagon.p <==
  701. Divide the hexagon into:
  702. 1) 3 indentical rhombuses.
  703. 2) 6 indentical kites(?).
  704. 3) 4 indentical trapezoids.
  705. 4) 8 indentcal shapes (any shape).
  706. 5) 12 identical shapes (any shape).
  707.  
  708. ==> geometry/dissections/hexagon.s <==
  709. What is considered 'identical' for these questions?  If mirror-image shapes
  710. are allowed, these are all pretty trivial.  If not, the problems are rather
  711. more difficult...
  712.  
  713.     1. Connect the center to every second vertex.
  714.     2. Connect the center to the midpoint of each side.
  715.     3. This is the hard one.  If you allow mirror images, it's trivial:
  716.        bisect the hexagon from vertex to vertex, then bisect with a 
  717.        perpendicular to that, from midpoint of side to midpoint of side.
  718.     4. This one's neat.  Let the side length of the hexagon be 2 (WLOG).
  719.        We can easily partition the hexagon into equilateral triangles 
  720.        with side 2 (6 of them), which can in turn be quartered into 
  721.        equilateral triangles with side 1.  Thus, our original hexagon
  722.        is partitioned into 24 unit equilateral triangles.  Take the
  723.        trapezoid formed by 3 of these little triangles.  Place one such
  724.        trapezoid on the inside of each face of the original hexagon, so
  725.        that the long side of the trapezoid coincides with the side of the
  726.        hexagon.  This uses 6 trapezoids, and leaves a unit hexagon in the
  727.        center as yet uncovered.  Cover this little hexagon with two of
  728.        the trapezoids.  Voila.  An 8-identical-trapezoid partition.
  729.     5. Easy.  Do the rhombus partition in #1.  Quarter each rhombus by
  730.        connecting midpoints of opposite sides.  This produces 12 small
  731.        rhombi, each of which is equivalent to two adjacent small triangles
  732.        as in #4.
  733.  
  734. Except for #3, all of these partitions can be achieved by breaking up the
  735. hexagon into unit equilateral triangles, and then building these into the
  736. shapes desired.  For #3, though, this would require (since there are 24 small
  737. triangles) trapezoids formed from 6 triangles each.  The only trapezoid that
  738. can be built from 6 identical triangles is a parallelogram; I assume that the
  739. poster wouldn't have asked for a trapezoid if you could do it with a special
  740. case of trapezoid.  At any rate, that parallelogram doesn't work.
  741.  
  742. ==> geometry/dissections/square.70.p <==
  743. Since 1^2 + 2^2 + 3^2 + ... + 24^2 = 70^2, can a 70x70 sqaure be dissected into
  744. 24 squares of size 1x1, 2x2, 3x3, etc.?
  745.  
  746. ==> geometry/dissections/square.70.s <==
  747. Martin Gardner asked this in his Mathematical Games column in the
  748. September 1966 issue of Scientific American.  William Cutler was the first
  749. of 24 readers who reduced the uncovered area to 49, using all but the 7x7
  750. square.  All the patterns were the same except for interchanging the
  751. squares of orders 17 and 18 and rearranging the squares of orders 1, ...,
  752. 6, 8, 9, and 10.  Nobody proved that the solution is minimal.
  753.  
  754. +----------------+-------------+----------------------+---------------------+
  755. |                |             |                      |                     |
  756. |                |             |                      |                     |
  757. |                |      11     |                      |                     |
  758. |                |             |                      |                     |
  759. |       16       |             |                      |                     |
  760. |                +-----+--+----+         22           |         21          |
  761. |                |     | 2|    |                      |                     |
  762. |                |  5  +--+----+                      |                     |
  763. |                |     |       |                      |                     |
  764. +----------------+--+--+   6   |                      |                     |
  765. |                   | 3|       |                      |                     |
  766. |                   ++-+-------+                      |                     |
  767. |                   ||         |                      ++--------------------+
  768. |                   ||    8    +----------------------++                    |
  769. |        18         ||         |                       |                    |
  770. |                   ||         |                       |                    |
  771. |                   ++---------+                       |                    |
  772. |                   |          |                       |         20         |
  773. |                   |     9    |                       |                    |
  774. +------------------++          |          23           |                    |
  775. |                  ||          |                       |                    |
  776. |                  ++----------+                       |                    |
  777. |                  |           |                       +---++---------------+
  778. |                  |           |                       |   ||               |
  779. |        17        |     10    |                       | 4 ||               |
  780. |                  |           +---------------+-------+---++               |
  781. |                  +-+---------+---------------+            |      15       |
  782. |                  | |                         |            |               |
  783. |                  | |                         |     12     |               |
  784. +------------------+-+                         |            +-+-------------+
  785. |                    |                         |            |1|             |
  786. |                    |                         +------------+-+             |
  787. |                    |           24            |              |             |
  788. |                    |                         |              |             |
  789. |        19          |                         |     13       |     14      |
  790. |                    |                         |              |             |
  791. |                    |                         |              |             |
  792. |                    |                         |              |             |
  793. +--------------------+-------------------------+--------------+-------------+
  794.  
  795. ==> geometry/dissections/square.five.p <==
  796. Can you dissect a square into 5 parts of equal area with just a straight edge?
  797.  
  798. ==> geometry/dissections/square.five.s <==
  799. 1. Prove you can reflect points which lie on the sides of the square
  800. about the diagonals.
  801.  
  802. 2. Construct two different rectangles whose vertices lie on the square
  803. and whose sides are parallel to the diagonals.
  804.  
  805. 3. Construct points A, A', B, B' on one (extended) side of the square
  806. such that A/A' and B/B' are mirror image pairs with respect to another
  807. side of the square.
  808.  
  809. 4. Construct the mirror image of the center of the square in one
  810. of the sides.
  811.  
  812. 5. Divide the original square into 4 equal squares whose sides are
  813. parallel to the sides of the original square.
  814.  
  815. 6. Divide one side of the square into 8 equal segments.
  816.  
  817. 7. Construct a trapezoid in which one base is a square side and one
  818. base is 5/8 of the opposite square side.
  819.  
  820. 8. Divide one side of the square into 5 equal segments.
  821.  
  822. 9. Divide the square into 5 equal rectangles.
  823.  
  824. ==> geometry/duck.and.fox.p <==
  825. A duck is swimming about in a circular pond.  A ravenous fox (who cannot 
  826. swim) is roaming the edges of the pond, waiting for the duck to come close.  
  827. The fox can run faster than the duck can swim.  In order to escape, 
  828. the duck must swim to the edge of the pond before flying away.  Assume that 
  829. the duck can't fly until it has reached the edge of the pond.
  830.  
  831. How much faster must the fox run that the duck swims in order to be always
  832. able to catch the duck?
  833.  
  834. ==> geometry/duck.and.fox.s <==
  835. Assume the ratio of the fox's speed to the duck's is a, and the radius
  836. of the pond is r.  The duck's best strategy is:
  837.  
  838. 1.  Swim around a circle of radius (r/a - delta) concentric with the
  839. pond until you are diametrically opposite the fox (you, the fox, and
  840. the center of the pond are colinear).
  841.  
  842. 2.  Swim a distance delta along a radial line toward the bank opposite
  843. the fox.
  844.  
  845. 3.  Observe which way the fox has started to run around the circle.
  846. Turn at a RIGHT ANGLE in the opposite direction (i.e. if you started
  847. swimming due south in step 2 and the fox started running to the east,
  848. i.e. clockwise around the pond, then start swimming due west).  (Note:
  849. If at the beginning of step 3 the fox is still in the same location as
  850. at the start of step 2, i.e.  directly opposite you, repeat step 2
  851. instead of turning.)
  852.  
  853. 4.  While on your new course, keep track of the fox.  If the fox slows
  854. down or reverses direction, so that you again become diametrically
  855. opposite the fox, go back to step 2.  Otherwise continue in a straight
  856. line until you reach the bank.
  857.  
  858. 5.  Fly away.
  859.  
  860. The duck should make delta as small as necessary in order to be able
  861. to escape the fox.
  862.  
  863. The key to this strategy is that the duck initially follows a
  864. radial path away from the fox until the fox commits to running either
  865. clockwise or counterclockwise around the pond.  The duck then turns onto
  866. a new course that intersects the circle at a point MORE than halfway
  867. around the circle from the fox's starting position.  In fact, the duck
  868. swims along a tangent of the circle of radius r/a.  Let 
  869.  
  870.   theta = arc cos (1/a)
  871.  
  872. then the duck swims a path of length
  873.  
  874.   r sin theta + delta
  875.  
  876. but the fox has to run a path of length
  877.  
  878.   r*(pi + theta) - a*delta
  879.  
  880. around the circle.  In the limit as delta goes to 0, the duck will
  881. escape as long as
  882.  
  883.   r*(pi + theta) < a*r sin theta
  884.  
  885. that is,
  886.  
  887.   pi + arc cos (1/a) - a * sqrt(a^2 - 1) < 0
  888.  
  889. Maximize a in the above:  a = 4.6033388487517003525565820291030165130674...
  890. The fox can catch the duck as long as he can run about 4.6 times as fast as
  891. the duck can swim.
  892.  
  893. "But wait," I hear you cry, "When the duck heads off to that spot
  894. 'more than halfway' around the circle, why doesn't the fox just double
  895. back?  That way he'll reach that spot much quicker."  That is why the
  896. duck's strategy has instructions to repeat step 2 under certain
  897. circumstances.  Note that at the end of step 2, if the fox has started
  898. to run to head off the duck, say in a clockwise direction, he and the
  899. duck are now on the same side of some diameter of the circle.  This
  900. continues to be true as long as both travel along their chosen paths
  901. at full speed.  But if the fox were now to try to reach the duck's
  902. destination in a counterclockwise direction, then at some instant he
  903. and the duck must be on a diameter of the pond.  At that instant, they
  904. have exactly returned to the situation that existed at the end of step
  905. 1, except that the duck is a little closer to the edge than she was
  906. before.  That's why the duck always repeats step 2 if the fox is ever
  907. diametrically opposite her.  Then the fox must commit again to go one
  908. way or the other.  Every time the fox fails to commit, or reverses his
  909. commitment, the duck gets a distance delta closer to the edge.  This
  910. is a losing strategy for the fox.
  911.  
  912. The limiting ratio of velocities that this strategy works against
  913. cannot be improved by any other strategy, i.e., if the ratio of
  914. the duck's speed to the fox's speed is less than a then the duck
  915. cannot escape given the best fox strategy.
  916.  
  917. Given a ratio R of speeds less than the above a, the fox is sure to
  918. catch the duck (or keep it in water indefinitely) by pursuing the
  919. following strategy: 
  920. Do nothing so long as the duck is in a radius of R around the centre.
  921. As soon as it emerges from this circle, run at top speed around the
  922. circumference. If the duck is foolish enough not to position itself
  923. across from the center when it comes out of this circle, run "the short
  924. way around", otherwise run in either direction.
  925.  
  926. To see this it is enough to verify that at the circumference of the
  927. circle of radius R, all straight lines connecting the duck to points
  928. on the circumference (in the smaller segment of the circle cut out
  929. by the tangent to the smaller circle) bear a ratio greater than R
  930. with the corresponding arc the fox must follow. That this is enough
  931. follows from the observation that the shortest curve from a point on
  932. a circle to a point on a larger concentric circle (shortest among all
  933. curves that don't intersect the interior of the smaller circle) is
  934. either a straight line or an arc of the smaller circle followed by a
  935. tangential straight line.
  936.  
  937. ==> geometry/earth.band.p <==
  938. How much will a band around the equator rise above the surface if it
  939. is made one meter longer?
  940.  
  941. ==> geometry/earth.band.s <==
  942. The formula for the circumference of a circle is 2 * pi * radius.  Therefore,
  943. if you increase the circumference by 1 meter, you increase the radius by
  944. 1/(2 * pi) meters, or about 0.16 meters.
  945.  
  946. ==> geometry/ham.sandwich.p <==
  947. Consider a ham sandwich, consisting of two pieces of bread and one of
  948. ham.  Suppose the sandwich was dropped into a machine and spindled,
  949. torn and mutiliated.  Is it still possible to divide the ham sandwich
  950. with a straight knife cut such that both the ham and the bread are
  951. divided in two parts of equal volume?
  952.  
  953. ==> geometry/ham.sandwich.s <==
  954. Yes.  There is a theorem in topology called the Ham Sandwich Theorem,
  955. which says: Given 3 (finite) volumes (each may be of any shape, and in
  956. several pieces), there is a plane that cuts each volume in half.  One
  957. would learn about it typically in a first course in algebraic topology,
  958. or maybe in a course on introductory topology (if you studied the
  959. fundamental group).
  960.  
  961. ==> geometry/hike.p <==
  962. You are hiking in a half-planar woods, exactly 1 mile from the edge,
  963. when you suddenly trip and lose your sense of direction.  What's the
  964. shortest path that's guaranteed to take you out of the woods?  Assume
  965. that you can navigate perfectly relative to your current location and
  966. (unknown) heading.
  967.  
  968. ==> geometry/hike.s <==
  969. Go 2/sqrt(3) away from the starting point, turn 120 degrees and head
  970. 1/sqrt(3) along a tangent to the unit circle, then traverse an arc of
  971. length 7*pi/6 along this circle, then head off on a tangent 1 mile.
  972.  
  973. This gives a minimum of sqrt(3) + 7*pi/6 + 1 = 6.397...
  974.  
  975. It remains to prove this is the optimal answer.
  976.  
  977. ==> geometry/hole.in.sphere.p <==
  978. Old Boniface he took his cheer,
  979. Then he bored a hole through a solid sphere,
  980. Clear through the center, straight and strong,
  981. And the hole was just six inches long.
  982.  
  983. Now tell me, when the end was gained,
  984. What volume in the sphere remained?
  985. Sounds like I haven't told enough,
  986. But I have, and the answer isn't tough!
  987.  
  988. ==> geometry/hole.in.sphere.s <==
  989. The volume of the leftover material is equal to the volume of a 6" sphere.
  990.  
  991. First, lets look at the 2 dimensional equivalent of this problem.
  992. Two concentric circles where the chord of the outer circle that is
  993. tangent to the inner circle has length D. What is the area of the "doughnut"
  994. area between the circles?
  995.  
  996. It is pi * (D/2)^2. The same area as a circle with that diameter.
  997. Proof:
  998.     big circle radius is R
  999.     little circle radius is r
  1000.     
  1001.                   2         2
  1002.     area of donut = pi * R   - pi * r
  1003.  
  1004.                    2    2
  1005.     =        pi * (R     - r )
  1006.  
  1007.  
  1008. Draw a right triangle and apply the Pythagorean Theorem to see that
  1009.          2      2       2
  1010.         R  -   r   =  (D/2)
  1011. so the area is
  1012.                       2
  1013.     =        pi * (D/2)
  1014.  
  1015.  
  1016. Start with a sphere of radius R (where R > 6"), drill out the 6"
  1017. high hole.  We will now place this large "ring" on a plane.  Next to it 
  1018. place a 6" high sphere.  By Archemedes' theorem, it suffices
  1019. to show that for any plane parallel to the base plane, the cross-
  1020. sectional area of these two solids is the same.
  1021.  
  1022. Take a general plane at height h above (or below) the center
  1023. of the solids. The radius of the circle of intersection on the sphere is 
  1024.  
  1025.     radius = srqt(3^2 - h^2)
  1026.  
  1027. so the area is     
  1028.  
  1029.     pi * ( 3^2  - h^2 ) 
  1030.  
  1031.  
  1032. For the ring, once again we are looking at the area between two concentric 
  1033. circles.  The outer circle has radius sqrt(R^2 - h^2), 
  1034. The area of the outer circle is therefore
  1035.  
  1036.         pi (R^2 - h^2)
  1037.  
  1038. The inner circle has
  1039. radius sqrt(R^2 - 3^2).  So the area  of the inner circle is
  1040.  
  1041.     pi * ( R^2  - 3^2 ) 
  1042.  
  1043. the area of the doughnut is therefore
  1044.  
  1045.         pi(R^2 - h^2)  - pi( R^2  - 3^2 ) 
  1046.         
  1047.     =    pi (R^2 - h^2 - R^2 + 3^2)
  1048.  
  1049.     =    pi (3^2  - h^2)
  1050.  
  1051. Therefore the areas are the same for every plane intersecting the solids.
  1052. Therefore their volumes are the same.
  1053. QED
  1054.  
  1055. ==> geometry/ladders.p <==
  1056. Two ladders form a rough X in an alley.  The ladders are 11 and 13 meters
  1057. long and they cross 4 meters off the ground.  How wide is the alley?
  1058.  
  1059. ==> geometry/ladders.s <==
  1060. Ladders 1 and 2, denoted L1 and L2, respectively, will rest along two
  1061. walls (taken to be perpendicular to the ground), and they will
  1062. intersect at a point O = (a,s), a height s from the ground.  Find the
  1063. largest s such that this is possible.  Then find the width of the
  1064. alley, w = a+b, in terms of L1, L2, and s.  This diagram is not to
  1065. scale.
  1066.  
  1067.                  B                     D
  1068.                   |\ L1           L2 /|
  1069.                   |  \             /  |           BC = length of L1  
  1070.                   |    \         /    |           AD = length of L2
  1071.                   |      \  O  /      |            s = height of intersection
  1072.                  x|        \ /        |y           A = (0,0)
  1073.                   |        /|\        |           AE = a 
  1074.                   |    m /  |  \ n    |           EC = b
  1075.                   |    /    |s   \    |           AO = m
  1076.                   |  /      |      \  |           CO = n
  1077.                   |/________|________\|     
  1078.          (0,0) = A    a     E    b     C
  1079.  
  1080. -----------------------------------------------------------------------------
  1081. Without loss of generality, let L2 >= L1.
  1082.  
  1083. Observe that triangles AOB and DOC are similar.  Let r be the ratio of
  1084. similitude, so that x=ry.  Consider right triangles CAB and ACD.  By
  1085. the Pythagorean theorem, L1^2 - x^2 = L2^2 - y^2.  Substituting x=ry,
  1086. this becomes y^2(1-r^2) = L2^2 - L1^2.  Letting L= L2^2 -L1^2 (L>=0),
  1087. and factoring, this becomes
  1088.  
  1089.     (*)   y^2 (1+r)(1-r) = L
  1090.  
  1091. Now, because parallel lines cut L1 (a transversal) in proportion, r =
  1092. x/y = (L1-n)/n, and so  L1/n = r+1.  Now, x/s = L1/n = r+1, so ry = x =
  1093. s(r+1).  Solving for r, one obtains the formula r = s/(y-s).
  1094. Substitute this into (*) to get
  1095.  
  1096.     (**)  y^2 (y) (y-2s) = L (y-s)^2
  1097.  
  1098. NOTE:  Observe that, since L>=0, it must be true that y-2s>=0.
  1099.  
  1100. Now, (**) defines a fourth degree polynomial in y.  It can be written in the
  1101. form (by simply expanding (**))
  1102.  
  1103.     (***)  y^4 - 2s_y^3 - L_y^2 + 2sL_y - Ls^2 = 0
  1104.  
  1105. L1 and L2 are given, and so L is a constant.  How large can s be?  Given L,
  1106. the value s=k is possible if and only if there exists a real solution, y',
  1107. to (***), such that 2k <= y' < L2.  Now that s has been chosen, L and s are
  1108. constants, and (***) gives the desired value of y.  (Make sure to choose the
  1109. value satisfying 2s <= y' < L2.  If the value of s is "admissible" (i.e.,
  1110. feasible), then there will exist exactly one such solution.)
  1111. Now, w = sqrt(L2^2 - y^2), so this concludes the solution.
  1112.  
  1113. L1 = 11, L2 = 13, s = 4.  L = 13^2-11^2 = 48, so (***) becomes
  1114.  
  1115.        y^4 - 8_y^3 - 48_y^2 + 384_y - 768 = 0
  1116.  
  1117. Numerically find root y ~= 9.70940555, which yields w ~= 8.644504.
  1118.  
  1119. ==> geometry/lattice/area.p <==
  1120. Prove that the area of a triangle formed by three lattice points is integer/2.
  1121.  
  1122. ==> geometry/lattice/area.s <==
  1123. The formula for the area is
  1124.  
  1125.     A = | x1*y2 + x2*y3 + x3*y1 - x1*y3 - x2*y1 - x3*y2 | / 2
  1126.  
  1127. If the xi and yi are integers, A is of the form (integer/2)
  1128.  
  1129. ==> geometry/lattice/equilateral.p <==
  1130. Can an equlateral triangle have vertices at integer lattice points?
  1131.  
  1132. ==> geometry/lattice/equilateral.s <==
  1133. No.  
  1134.  
  1135. Suppose 2 of the vertices are (a,b) and (c,d), where a,b,c,d are integers.
  1136. Then the 3rd vertex lies on the line defined by
  1137.  
  1138.     (x,y) = 1/2 (a+c,b+d) + t ((d-b)/(c-a),-1)    (t any real number)
  1139.  
  1140. and since the triangle is equilateral, we must have
  1141.  
  1142.     ||t ((d-b)/(c-a),-1)|| = sqrt(3)/2 ||(c,d)-(a,b)||
  1143.  
  1144. which yields t = +/- sqrt(3)/2 (c-a).  Thus the 3rd vertex is
  1145.  
  1146.     1/2 (a+c,b+d) +/- sqrt(3)/2 (d-b,a-c)
  1147.  
  1148. which must be irrational in at least one coordinate.
  1149.  
  1150. ==> geometry/rotation.p <==
  1151. What is the smallest rotation that returns an object to its original state?
  1152.  
  1153. ==> geometry/rotation.s <==
  1154. 720 degrees.
  1155.  
  1156. Objects are made of bosons (integer-spin particles) and fermions
  1157. (half-odd-integer spin particles), and the wave function of a fermion
  1158. changes sign upon being rotated by 360 degrees.  To get it back to its
  1159. original state you must rotate by another 360 degrees, for a total of
  1160. 720 degrees.  This fact is the basis of Fermi-Dirac statistics, the
  1161. Pauli Exclusion Principle, electron orbits, chemistry, and life.
  1162.  
  1163. Mathematically, this is due to the continuous double cover of SO(2) by
  1164. SO(3), where SO(2) is the internal symmetry group of fermions and SO(3)
  1165. is the group of rotations in three dimensional space.
  1166.  
  1167. You can demonstrate this with a tray, which you hold in your right hand
  1168. with the arm lowered, then rotate twice as you raise your arm and end
  1169. up with the tray above your head, rotated twice about its vertical
  1170. axis, but without having twisted your arm.
  1171.  
  1172. Also, by attaching strings to a sphere, it is possible to see that a
  1173. 360 degree rotation will entangle the strings, which another 360 degree
  1174. rotation will disentangle.
  1175.  
  1176. Hospitals have machines which take out your blood, centrifuge it to take out
  1177. certain parts, then return it to your veins. Because of AIDS they must never
  1178. let your blood touch the inside of the machine which has touched others'
  1179. blood. So the inside is lined with a single piece of disposable branched
  1180. plastic tubing. This tube must rotate rapidly in the centrifuge where
  1181. several branches come out. Thus the tube should twist and tangle up the
  1182. branches. But the machine untwists the branches as in the above discussion.
  1183. At several hundred rounds per minute!
  1184.  
  1185. References
  1186.     P. A. M. Dirac's "scissors demonstration"
  1187.     R. Penrose and W.  Rindler
  1188.     Spinors and Space-time, vol. 1, p. 43
  1189.     Cambridge University Press, 1984,
  1190.  
  1191.     R. Feynman and S. Weinberg
  1192.     Elementary Particles and the Laws of Physics, p. 29
  1193.     Cambridge University Press, 1987
  1194.  
  1195. ==> geometry/smuggler.p <==
  1196. Somewhere on the high sees smuggler S is attempting, without much
  1197. luck, to outspeed coast guard G, whose boat can go faster than S's. G
  1198. is one mile east of S when a heavy fog descends. It's so heavy that
  1199. nobody can see or hear anything further than a few feet. Immediately
  1200. after the fog descends, S changes course and attempts to escape at
  1201. constant speed under a new, fixed course. Meanwhile, G has lost track
  1202. of S. But G happens to know S's speed, that it is constant, and that S
  1203. is sticking to some fixed heading, unknown to G.
  1204.  
  1205. How does G catch S? 
  1206.  
  1207. G may change course and speed at will. He knows his own speed and
  1208. course at all times. There is no wind, G does not have radio or radar,
  1209. there is enough space for maneuvering, etc.
  1210.  
  1211. ==> geometry/smuggler.s <==
  1212. One way G can catch S is as follows (it is not the fastest way). 
  1213.  
  1214. G waits until he knows that S has traveled for one mile. At that time, both
  1215. S and G are somewhere on a circle with radius one mile, and with its center
  1216. at the original position of S. G then begins to travel with a velocity that
  1217. has a radially outward component equal to that of S, and with a tangential
  1218. component as large as possible, given G's own limitation of total speed. By
  1219. doing so, G and S will always both be on an identical circle having its
  1220. center at the original position of S. Because G has a tangential component
  1221. whereas S does not, G will always catch S (actually, this is not proven
  1222. until you solve the o.d.e. associated with the problem).
  1223.  
  1224. If G can go at 40 mph and S goes at 20 mph, you can work out that it will
  1225. take G at most 1h 49m 52s to catch S.  On average, G will catch S in:
  1226.  
  1227. ( -2pi + sqrt(3) ( exp(2pi/sqrt(3)) - 1 )) / 40pi    hours,
  1228.  
  1229. which is, 27 min and 17 sec.
  1230.  
  1231. ==> geometry/table.in.corner.p <==
  1232. Put a round table into a (perpendicular) corner so that the table top
  1233. touches both walls and the feet are firmly on the ground.  If there is
  1234. a point on the perimeter of the table, in the quarter circle between
  1235. the two points of contact, which is 10 cm from one wall and 5 cm from
  1236. the other, what's the diameter of the table?
  1237.  
  1238. ==> geometry/table.in.corner.s <==
  1239. Consider the +X axis and the +Y axis to be the corner.  The table has
  1240. radius r which puts the center of the circle at (r,r) and makes the
  1241. circle tangent to both axis.  The equation of the circle (table's
  1242. perimeter) is
  1243.  
  1244.     (x-r)^2 + (y-r)^2 = r^2 .
  1245.  
  1246. This leads to 
  1247.  
  1248.      r^2 - 2(x+y) + x^2 + y^2 = 0
  1249.  
  1250. Using x = 10, y = 5 we get the solutions 25 and 5.  The former is the
  1251. radius of the table.  It's diameter is 50 cm.
  1252.  
  1253. The latter number is the radius of a table that has a point which
  1254. satisfies the conditions but is on the outside edge of the table.
  1255.  
  1256. ==> geometry/tesseract.p <==
  1257. If you suspend a cube by one corner and slice it in half with a
  1258. horizontal plane through its centre of gravity, the section face is a
  1259. hexagon.  Now suspend a tesseract (a four dimensional hypercube) by one
  1260. corner and slice it in half with a hyper-horizontal hyperplane through
  1261. its centre of hypergravity.  What is the shape of the section
  1262. hyper-face?
  1263.  
  1264. ==> geometry/tesseract.s <==
  1265. The 4-cube is the set of all points in [-1,1]^4 .
  1266. The hyperplane { (x,y,z,w) : x + y + z + w = 0 } cuts the 4-cube
  1267. in the desired manner.
  1268.  
  1269. Now, { (.5,.5,-.5,-.5), (.5,-.5,.5,-.5), (.5,-.5,-.5,.5) } is an
  1270. orthonormal basis for the hyperplane.  Let (a,b,c) be a point on the
  1271. hyperplane with respect to this basis.  (a,b,c) is in the 4-cube if and
  1272. only if |a| + |b| + |c| <= 2.   The shape of the intersection is a
  1273. regular octahedron.
  1274.  
  1275. ==> geometry/tetrahedron.p <==
  1276. Suppose you have a sphere of radius R and you have four planes that are
  1277. all tangent to the sphere such that they form an arbitrary tetrahedron
  1278. (it can be irregular).  What is the ratio of the surface area of the
  1279. tetrahedron to its volume?
  1280.  
  1281. ==> geometry/tetrahedron.s <==
  1282. For each face of the tetrahedron, construct a new tetrahedron with that
  1283. face as the base and the center of the sphere as the fourth vertex.
  1284. Now the original tetrahedron is divided into four smaller ones, each of
  1285. height R.  The volume of a tetrahedron is Ah/3 where A is the area of
  1286. the base and h the height; in this case h=R.  Combine the four
  1287. tetrahedra algebraically to find that the volume of the original
  1288. tetrahedron is R/3 times its surface area.
  1289.  
  1290. ==> geometry/tiling/rational.sides.p <==
  1291. A rectangular region R is divided into rectangular areas.  Show that if
  1292. each of the rectangles in the region has at least one side with
  1293. rational length then the same can be said of R.
  1294.  
  1295. ==> geometry/tiling/rational.sides.s <==
  1296. "Fourteen proofs of a result about tiling a rectangle" (Stan Wagon)
  1297. _The American Mathematical Monthly_, Aug-Sep 1987, Vol 94 #7.  There
  1298. was also a fifteenth proof published a few issues later, attributed to
  1299. a (University of Kentucky?) student.
  1300.  
  1301. ==> geometry/tiling/rectangles.with.squares.p <==
  1302. Given two sorts of squares, (axa) and (bxb), what rectangles can be tiled?
  1303.  
  1304. ==> geometry/tiling/rectangles.with.squares.s <==
  1305. A rectangle can be tiled with (axa) and (bxb) squares,   iff
  1306.  
  1307. (i) gcd(a,b)=1 , and any of the following hold:
  1308.  
  1309. either:  both sides of the rectangle are multiples of a;
  1310.     or:  both sides of the rectangle are multiples of b;
  1311.     or:  one side is a multiple of (ab), and the other is any length EXCEPT
  1312.          one of a finite number of "bad" lengths: those numbers which are
  1313.          NOT positive integer combinations of a & b. { By Sylvester's theorem
  1314.          there are (a-1)(b-1)/2 of these, the largest being (a-1)(b-1)-1. }
  1315.  
  1316. (ii) gcd(a,b) = d . 
  1317.      Then merely apply (i) to the problem with a,b replaced
  1318.      by a/d, b/d  and the rectangle lengths also divided by d.
  1319.      i.e.  all cells must appear in (dxd) subsquares.
  1320.  
  1321. ------
  1322. PROOF
  1323. It is clear that (ii) follows from (i), and that simple constructions give
  1324. the "if" part of (i). For the "only if" part, we prove that...
  1325.  
  1326. (S) If one side of the rectangle is not divisible by a, and the other is
  1327.     not divisible by b, then the tiling is impossible.
  1328.  
  1329. The results in (i) follow immediately from (S).
  1330.  
  1331. To prove (S):  ( Chakraborty-Hoey style ).
  1332.                  ~~~~~~~~~~~~~~~~
  1333. Let the width of the rectangle be a NON-(a-multiple). Then the number of
  1334. bxb squares starting (i.e. top edge) at row 1 must be a NON-a-multiple.
  1335. Thus the number of bxb starting at row 2 must BE an a-multiple. Similarly
  1336. for the number starting at rows 3,4,...,b . Then the number starting at
  1337. row (b+1) must be a NON-a-multiple again.
  1338.  
  1339. Similarly the number starting at rows (2b+1), (3b+1), (4b+1),... must all be
  1340. non-a-multiples. So if the number of rows is NOT a multiple of b, (call it
  1341. bx+r), then row (bx+1) must have a NON-a-multiple of bxb squares starting
  1342. there, i.e. at least one, and there is no room left to squeeze it in.     [QED]
  1343. ----
  1344.  
  1345. A Rickard-style proof of (S) is    ..BBB....BBWWW...WBBB....BBWWW...W(..etc)
  1346.   ~~~~~~~   also possible, by      ..BBB....BBWWW...WBBB....BBWWW...W
  1347. coloring the rectangle in          ..BBB....BBWWW...WBBB....BBWWW...W
  1348. vertical strips as shown here:       <-  a  ->< b-a ><-  a  ->< b-a >
  1349.  
  1350. Every square tile covers an a-multiple of black squares. But if the width
  1351. is a NON-b-multiple, and the number of rows is a NON-a-multiple, then there
  1352. are a NON-a-multiple of black squares in total.    [QED]
  1353.  
  1354. (Note: the coloring must have 1 column of blacks on the right, and any
  1355.  ====     spare columns of whites on the left.)
  1356.  
  1357. ===================
  1358.  
  1359. Bill Taylor.            wft@math.canterbury.ac.nz
  1360.  
  1361. >A Rickard-style proof of (S) is    ..BBB....BBWWW...WBBB....BBWWW...W(..etc)
  1362. >  ~~~~~~~   also possible, by      ..BBB....BBWWW...WBBB....BBWWW...W
  1363. >coloring the rectangle in          ..BBB....BBWWW...WBBB....BBWWW...W
  1364. >vertical strips as shown here:       <-  a  ->< b-a ><-  a  ->< b-a >
  1365. >
  1366. >Every square tile covers an a-multiple of black squares. But if the width
  1367. >is a NON-b-multiple, and the number of rows is a NON-a-multiple, then there
  1368. >are a NON-a-multiple of black squares in total.    [QED]
  1369. >
  1370. >(Note: the coloring must have 1 column of blacks on the right, and any
  1371. > ====     spare columns of whites on the left.)
  1372.  
  1373. This statement of how to position the colouring isn't good enough, I'm
  1374. afraid. Take a=4, b=7 and consider e.g. a 19x10 rectangle. Coloured your
  1375. way, you get:
  1376.  
  1377.     BWWWBBBBWWWBBBBWWWB
  1378.     BWWWBBBBWWWBBBBWWWB
  1379.     :::::::::::::::::::
  1380.     BWWWBBBBWWWBBBBWWWB
  1381.     BWWWBBBBWWWBBBBWWWB
  1382.  
  1383. The result has 10*10=100 black squares in it, which *is* a multiple of a=4,
  1384. despite the fact that 19 is not a multiple of 7 and 10 is not a multiple of
  1385. 4.
  1386.  
  1387. Of course, there is an alternative offset for the pattern that does give you
  1388. the result you want:
  1389.  
  1390.     WWBBBBWWWBBBBWWWBBB
  1391.     WWBBBBWWWBBBBWWWBBB
  1392.     :::::::::::::::::::
  1393.     WWBBBBWWWBBBBWWWBBB
  1394.     WWBBBBWWWBBBBWWWBBB
  1395.  
  1396. To show this happens in general: because the width of the rectangle is a
  1397. non-multiple of b, it is possible to position it on the pattern so that the
  1398. leftmost column in the rectangle is white and the column just right of the
  1399. right edge of the rectangle is black. Suppose N columns are black with this
  1400. positioning. Then the rectangle contains N*H black cells, where H is the
  1401. height of the rectangle.
  1402.  
  1403. If we then shift the rectangle right by one, the number of black columns
  1404. increases by 1 and it contains (N+1)*H black cells. The difference between
  1405. these two numbers of black cells is H, which is not a multiple of a.
  1406. Therefore N*H and (N+1)*H cannot both be multiples of a, and so one of these
  1407. two positionings of the pattern will suit your purposes.
  1408.  
  1409. David Seal
  1410. dseal@armltd.co.uk
  1411.  
  1412. ==> geometry/tiling/scaling.p <==
  1413. A given rectangle can be entirely covered (i.e. concealed) by an
  1414. appropriate arrangement of 25 disks of unit radius.
  1415.  
  1416. Can the same rectangle be covered by 100 disks of 1/2 unit radius?
  1417.  
  1418. ==> geometry/tiling/scaling.s <==
  1419. Yes.  The same configuration of circles, when every distance is reduced
  1420. by half (including the diameters), will cover a similar rectangle whose
  1421. sides are one half of the original one.  The original rectangle is the
  1422. union of four such rectangles.
  1423.  
  1424. ==> geometry/tiling/seven.cubes.p <==
  1425. Consider 7 cubes of equal size arranged as follows. Place 5 cubes so
  1426. that they form a Swiss cross or a + (plus). ( 4 cubes on the sides and
  1427. 1 in the middle). Now place one cube on top of the middle cube and the
  1428. seventh below the middle cube, to effectively form a 3-dimensional
  1429. swiss cross.
  1430.  
  1431. Can a number of such blocks (of 7 cubes each) be arranged so that they
  1432. are able to completely fill up a big cube (say 10 times the size of
  1433. the small cubes)? It is all right if these blocks project out of the
  1434. big cube, but there should be no holes or gaps.
  1435.  
  1436. ==> geometry/tiling/seven.cubes.s <==
  1437. Let n be a positive integer.  Define the function f from Z^n to Z by
  1438. f(x) = x_1+2x_2+3x_3+...+nx_n.  For x in Z^n, say y is a neighbor of x
  1439. if y and x differ by one in exactly one coordinate.  Let S(x) be the
  1440. set consisting of x and its 2n neighbors.  It is easy to check that
  1441. the values of f(y) for y in S(x) are congruent to 0,1,2,...,2n+1 (mod
  1442. 2n+1) in some order.  Using this, it is easy to check that every y in
  1443. Z^n is a neighbor of one and only one x in Z^n such that f(x) is
  1444. congruent to 0 (mod 2n+1).  So Z^n can be tiled by clusters of the
  1445. form S(x), where f(x) is congruent to 0 mod 2n+1.
  1446.  
  1447. ==> group/group.01.p <==
  1448. AEFHIKLMNTVWXYZ BCDGJOPQRSU
  1449.  
  1450. ==> group/group.01.s <==
  1451. AEFHIKLMNTVWXYZ    drawn with straight lines
  1452. BCDGJOPQRSU    not drawn with straight lines
  1453.  
  1454. ==> group/group.01a.p <==
  1455. 147 0235689
  1456.  
  1457. ==> group/group.01a.s <==
  1458. 147    drawn with straight lines
  1459. 0235689    not drawn with straight lines
  1460.  
  1461. ==> group/group.02.p <==
  1462. ABEHIKMNOPTXZ CDFGJLQRSUVWY
  1463.  
  1464. ==> group/group.02.s <==
  1465. ABEHIKMNOPTXZ    resembles Greek letter
  1466. CDFGJLQRSUVWY    does not resemble Greek letter
  1467.  
  1468. ==> group/group.03.p <==
  1469. BEJQXYZ DFGHLPRU KSTV CO AIW MN
  1470.  
  1471. ==> group/group.03.s <==
  1472.  
  1473. BEJQXYZ            no state starting with this letter
  1474. DFGHLPRU        one state starting with this letter
  1475. KSTV            two states starting with this letter
  1476. CO            three states starting with this letter
  1477. AIW            four states starting with this letter
  1478.             five states starting with this letter
  1479.             six states starting with this letter
  1480.             seven states starting with this letter
  1481. MN            eight states starting with this letter
  1482.  
  1483. ==> group/group.04.p <==
  1484. BDO P ACGJLMNQRSUVWZ EFTY HIKX
  1485.  
  1486. ==> group/group.04.s <==
  1487. BDO        no endpoint
  1488. P        one endpoint
  1489. ACGJLMNQRSUVWZ    two endpoints
  1490. EFTY        three endpoints
  1491. HIKX        four endpoints
  1492.  
  1493. ==> group/group.05.p <==
  1494. CEFGHIJKLMNSTUVWXYZ ADOPQR B
  1495.  
  1496. ==> group/group.05.s <==
  1497. CEFGHIJKLMNSTUVWXYZ    no enclosed area
  1498. ADOPQR            one enclosed area
  1499. B            two enclosed areas
  1500.  
  1501. ==> group/group.06.p <==
  1502. BCEGKMQSW DFHIJLNOPRTUVXYZ
  1503.  
  1504. ==> group/group.06.s <==
  1505. BCEGKMQSW        prime numbers
  1506. DFHIJLNOPRTUVXYZ    composites
  1507.  
  1508.