💡 הידעת??
האם מחשב ביתי רגיל יכול לגלות סוד מתמטי שחמק מהמתמטיקאים הגדולים בהיסטוריה?
ב־ 12 בינואר 1998 נחשף אחד המספרים המדהימים ביותר שהתגלו: המספר הראשוני ה־37 של מרסן. הגילוי הזה לא קרה במעבדה סודית, אלא כחלק מפרויקט עולמי בשם GIMPS, שמוכיח שמתמטיקה היא עבודת צוות חוצת גבולות.
מספרים ראשוניים (אלו שמתחלקים רק בעצמם וב־1) הם אבני הבניין של עולם המספרים. ככל שהם גדלים, הם הופכים לנדירים וקשים מאוד לאיתור.
המספר שנמצא נכתב בקיצור כך:
המספר הזה מכיל 909,526 ספרות! אם הייתם מנסים להדפיס אותו, הוא היה ממלא ספר עבה של מאות עמודים.
מספרים ראשוניים ענקיים מופיעים לעיתים בצורה מיוחדת: מספרים כאלה נקראים מספרי מרסן, על שם המתמטיקאי והנזיר הצרפתי מרן מרסן, שחקר אותם כבר במאה ה‑17.
בזכות המבנה המיוחד של מספרי מרסן, מתמטיקאים גילו "קיצור דרך" – מבחן לוגי חכם שבודק את התכונות של המספר בלי לבצע שום פעולת חילוק בכמויות אדירות (של מספרים ראשוניים קטנים עד לשורש המספר).
המבחן הזה מאפשר למחשב לקבוע אם המספר ראשוני, במהירות גבוהה פי מיליונים מכל שיטה אחרת.
הגילוי המדהים הזה נעשה על ידי סטודנט צעיר, שתרם את זמן המחשב הפנוי שלו לפרויקט GIMPS, ויחד עם אלפי משתתפים אחרים נוצר 'מוח מתמטי' ענק, שמצא את המספר הראשוני.
למה זה חשוב לנו? מעבר לאתגר המתמטי, מספרים ראשוניים כאלה הם ה'שומרים' של הסודות שלנו. הם הבסיס להצפנות, סיסמאות וקניות באינטרנט, ודואגים שהמידע הדיגיטלי של כולנו יישאר בטוח.
הסוד מאחורי הגילוי המדהים של פרויקט GIMPS לא היה רק כוח חישוב, אלא ההבנה שישנן נוסחאות שמאפשרות לנו "לראות" תבניות גם בתוך אינסוף המספרים.
גם בחידה שלנו השבוע, הסמוראי מחפש את הדרך המדויקת למצות את המקסימום מכל מכת חרב ולייצר כמה שיותר חלקים.
האם תצליחו לגלות כמה חלקים ניתן ליצור ב-8 חיתוכים מושלמים? התשובה תגלה שגם אנחנו נהנים להשתעשע לפעמים.
נגה לביא, תלמידת שכבה ו' בהרצליה, עבדה בצורה מסודרת להפליא. היא לא הסתפקה בניסוי וטעייה אלא בנתה טבלה וניתחה את סדרות ההפרשים, גם של נקודות החיתוך וגם של החתיכות:
"כדי לפתור את החידה התחלתי בלחשב את מספר החתיכות המקסימלי במספרים קטנים יותר. הבנתי שבכל פעם שמוסיפים קו נוצרות במקסימום כמות נקודות חיתוך ששווה למספר הקווים שהיו עד עכשיו וכמות חתיכות שגדולה באחד ממספר הקווים (כל עוד לא עשינו קווים מקבילים או שלושה ומעלה שחוצים באותה נקודה).
אחר כך יצרתי טבלה שהעמודות שלה הן קווים, חיתוכים (נקודות חיתוך בין קווים) וחתיכות. בשורה הראשונה של קו ישר אחד היו 0 חיתוכים ו-2 חתיכות.
בהמשך הטבלה, בעמודות של החיתוכים ושל החתיכות נוצרו סדרות עם סדרות הפרשים:
חיתוכים - 0,1,3,6,10... (סדרת הפרשים - 1,2,3,4,...).
חתיכות - 2,4,7,11,16... (סדרת הפרשים - 2,3,4,5,...).
ככה אפשר לחשב את מספר החתיכות בשלב של 8 קווים - 37 (וגם את מספר החיתוכים - 28)".
_________________________
נוגה שלומי, תלמידת שכבה ו' ברופין, תיארה את הפתרון בצורה ציורית ופיוטית מקסימה, ממש כמו סיפור אגדה. היא דמיינה את הסמוראי והשמש, והבינה שכל מפגש בין קווים יוצר זהב חדש:
"קראתי את החידה ודמיינתי דיסקית מזהב שנראית כמו שמש. הסמוראי עומד מולה עם חרב חדה, אבל הוא לא חותך סתם הוא חושב חכם.
בחיתוך הראשון החרב עושה קו אחד ישר, ופתאום השמש מתחלקת לשתי חתיכות זהב. בחיתוך השני הסמוראי מבין סוד: אם הוא חותך כך שהקו החדש פוגש את הקו הקודם, הוא לא מוסיף סתם עוד חתיכה הוא יוצר עוד שתיים.
אז הוא מחליט: כל חיתוך חדש יעבור דרך כל החיתוכים שכבר קיימים, וככה כל פעם מספר החתיכות קופץ יותר ויותר.
אני התחלתי לספור: חיתוך ראשון 2, אחריו כל חיתוך מוסיף עוד יותר מהקודם
(כי הוא פוגש את כל הקווים שכבר היו).
כשסיימתי לספור את כל הקפיצות הקטנות האלה, הגעתי למספר הכי גדול שאפשר להגיע אליו בלי לשבור את הכללים: 37 חתיכות זהב".
_________________________
אסתר שפיגלמן, תלמידת שכבה ז' בלמידה מקוונת, הסבירה את הגיאומטריה שמאחורי המספרים. היא נימקה בדיוק למה החיתוך השמיני מוסיף דווקא 8 חלקים (כי הוא פוגש 7 קווים קודמים), וסיכמה את הכל בחיבור פשוט:
"כל חיתוך ישר יכול לפגוש חיתוך קודם שהיה רק בנקודה אחת (כי הם שני ישרים).
חיתוך כזה יחלק את 2 החתיכות שמשני צידי הקו ל-2.
חיתוך שיוסיף הכי הרבה חתיכות הוא כזה שפוגש את כל X החיתוכים הקודמים ומוסיף X+1 חתיכות.
אז החיתוך הראשון חוצה ל-2 את המעגל. החיתוך השני חוצה קו אחד ולכן מוסיף 2.
השלישי חוצה 2 קווים ומוסיף 3 חתיכות וכן הלאה. החיתוך השמיני חוצה 7 קווים ומוסיף 8 חתיכות. סה"כ 2+2+3+4+5+6+7+8=37".
_________________________
נווה שוורץ, תלמיד שכבה ו' בכפר סבא, הבין ש"חיתוך פיצה" רגיל (דרך המרכז) לא יפיק את התוצאה המקסימלית. הוא החליף את המודל בראשו למודל של חיתוכים מצטלבים, וכך גילה את הקשר בין מספר החיתוך לתוספת השטחים:
"כדי לפתור את החידה הזאת, ניסיתי בהתחלה לדמיין את הסמוראי חותך את הדיסקית כמו פיצה, אבל מהר מאוד הבנתי שזה פשוט מדי ושככה יוצאים רק 16 חלקים, מה שלא ממש מסתדר עם ה"דיוק המטורף" שמספרים עליו. אז חשבתי על זה שוב והבנתי שהחוכמה היא לא לחתוך דרך המרכז, אלא לגרום לכל חיתוך חדש לעבור דרך כל החיתוכים שכבר קיימים על הדיסקית – ככה כל מכה של החרב בעצם "מייצרת" עוד ועוד שטחים חדשים על פני אלו שכבר נחצו.
כשמציירים את זה ככה, רואים שכל קו מוסיף מספר חלקים ששווה למספר החיתוך שלו (הקו הראשון מוסיף חלק אחד, השני שניים, וכן הלאה), וככה הגעתי למסקנה שהסמוראי לא סתם חתך מהר, אלא עשה תרגיל גיאומטרי שהוציא מהדיסקית 37 חלקים בדיוק".
_________________________