Связь между математикой и шахматами

Республиканская научно-практическая конференция

«Исследование как метод познания…»

Секция: математические модели реальных процессов в природе и обществе

Связь между математикой и шахматами

ЗАГИДУЛЛИНА АЙСЫЛУ

МБОУ «Джалильская гимназия», 5 класс

п.Джалиль

Научный руководитель: Мухамадиева Г.Д.

с.Сарманово

2013

Содержание                                                                                   Стр.

Введение                                                                                            3

Глава 1. Связь между шахматами и математикой                         5

Симметрия в шахматах.                                                                   5

Система координат                                                                           6

Четность и нечетность                                                                      6

Геометрия шахматной доски                                                           7

Шахматы и магические квадраты                                                   7

Заключение                                                                                        9

Список используемых источников                                                 10

Приложение 1 . Математика на шахматной доске                        11

Приложение 2. Задачи шахматные и математические                 14                                 

Введение

Я заинтересовалась этой темой потому, что люблю шахматы,  и мне очень нравится предмет математика. Папа часто говорит мне: «Играй  в шахматы, будешь знать математику на 5».  В связи с этим я часто думаю о том, почему так.   Немного поразмыслив, я решила, что между ними есть какая-то связь.

Прежде всего, хочу рассказать одну легенду, в которой прослеживается  связь между шахматами и математикой.

Когда персидский шах впервые познакомился с шахматами, он был восхищен их своеобразием и обилием красивых комбинаций. Узнав, что мудрец, который изобрел игру, является его подданным, шах  позвал его, чтобы лично наградить за гениальную выдумку. Властелин пообещал  выполнить любую просьбу мудреца,  и был удивлен его скромностью, когда тот пожелал получить в награду пшеничные зерна. На первое поле шахматной доски  мудрец попросил положить одно зерно, на второе – два, и т. д., на каждое последующее вдвое больше зерен, чем на предыдущее. Шах  приказал быстрее выдать изобретателю шахмат его ничтожную награду. Однако на следующий день придворные математики сообщили своему повелителю, что не в состоянии исполнить желание хитроумного мудреца. Оказалось, что для этого не хватит пшеницы, хранящейся не только в амбарах всего царства, но и во всех амбарах мира.

         Это число записывается  двадцатью цифрами  и является фантастически большим. Подсчет показывает, что амбар для хранения необходимого зерна с площадью основания 80 кв. м. должен простираться от Земли до Солнца.      Конечно, связь с математикой здесь несколько условна, однако неожиданная развязка истории наглядно иллюстрирует грандиозные математические возможности, скрывающиеся в шахматной игре.

         Шахматная доска – объект исследования. Предмет исследования – математические задачи, связанные с шахматной доской и шахматными фигурами.

     Цель работы: изучить математику на шахматной доске.

     Задачи:

1. Исследовать связь математики и шахмат.

2. Рассмотреть математические решения задач, связанных с шахматной доской.

3. Рассмотреть математические решения задач, связанных с шахматными фигурами.

     Практическая значимость работы состоит в том, что задачи с применением шахматной теории часто встречаются на олимпиадах по математике.

Связь между шахматами и математикой

В первую очередь попробуем найти эту связь. Для этого мы   рассмотрим шахматную доску. Итак,  мы видим, что на шахматной доске есть координаты,  также на ней есть и симметрия,  геометрия тоже не обошла её сторон ой (см. рис.1, Приложение 1).

Основываясь на этом, я начала рассматривать эту связь более подробно, а именно на примерах.

                                               Симметрия в шахматах

Симметрия, как общий принцип гармонии в живой природе имеет глубокий смысл. Изучение ее проявлений, закономерностей играет важную роль в математике, физике, химии, биологии.

Разнообразные мотивы симметрии встречаются и на шахматной доске. С одной стороны, речь может идти о симметрии естественной, т. е. возникающей в процессе шахматной партии, а с другой стороны, — используемой в шахматных задачах и этюдах.

Симметрия бывает различных типов; наиболее распространенные – осевая и центральная. На шахматной доске при осевой симметрии осью служит прямая, разделяющая левый и правый фланги доски (граница между вертикалями «d» и «e») или  нижнюю и верхнюю части (граница между четвертой и пятой горизонталями). Если, скажем, белый конь стоит на с2, а черный на с7 (см. рис.2, Приложение 1), то мы говорим, что эти кони расположены  симметрично. Осями являются и большие диагонали.

Симметрией обладает исходное расположение шахматных фигур. Известна такая забавная история. Некто  явился в шахматный клуб и объявил,  что нашел верный способ не проигрывать черными. «Каким образом?» — спросили его.  «Очень просто, — ответил гость, — повторяя ходы противника!» Сыграть с наивным изобретателем вызвался  С.Ллойд, который и объявил ему мат в 4 хода.  Неясно, как Ллойд это сделал. Я могу поставить мат за 6 ходов при полной симметрии фигур.

1)  с2-с3                                  с7-с6

2)  е2-е3                                  е7-е6

3)  Кg1-е2                               Кg8-е7

4)  Кb1-с3                               Кb8с6

5)  Кс3-е4                               Кс6-е5

6)  Ке4-d6х

Система координат

Более чем за 100 лет до н.э. греческий ученый Гиппарх предложил опоясать на карте земной шар параллелями и меридианами и ввести хорошо теперь известные географические координаты: широту и долготу – и обозначить их числами.

        В ХIVв. Французский математик Н. Оресм ввел, по аналогии с географическими, координаты на плоскости. Он предложил покрыть плоскость прямоугольной сеткой и называть широтой и долготой то, что мы теперь называем абсциссой и ординатой. Это нововведение оказалось чрезвычайно продуктивным. На его основе возник метод координат, связавший геометрию с алгеброй. Основная заслуга в создании метода координат принадлежит французскому математику Р. Декарту и называется Декартовой системой координат на плоскости. 

На шахматной доске тоже есть координаты. При профессиональной игре, обычно, ведут записи (обозначение фигур и координаты этих фигур).

На рисунке 3 (см. Приложение 1)  мы видим, некий алгоритм определения координат чёрного короля.

Четность и нечетность

Число – одно из основных понятий математики, позволяющее выразить результаты счета или измерения.  Со временем люди научились не только называть числа, но и обозначать их цифрами (условные знаки для обозначения чисел).

Из признака делимости на 2 следует, что натуральные числа, которые делятся на 2, называются четными, остальные – нечетными.

На шахматной доске так же есть  чётность и нечётность. Тут они связаны с номером хода.

        При каждом ходе король меняет четность хода. Например, первый ход – нечётный, второй – чётный и т.д. (см.рис. 4, Приложение 1 ). Чётность, нечётность на шахматной доске ещё раз подтверждают прямое отношение шахмат к математике.

Геометрия шахматной доски

        Можно сказать, что ничего удивительного и интересного здесь нет. Можно подумать,  что при виде шахматной доски мы сразу вспоминаем геометрию (из – за геометрической формы доски). Это, безусловно, так, но геометрическая форма ещё не всё.

        Дело в том, что при игре в шахматы, как и в любой другой науке, есть свои определённые правила. И существует такое правило, как правило, квадрата.

Квадратом называется прямоугольник,  у которого все стороны равны.   При этой композиции (см. рис.5, Приложение 1) неопытные шахматисты рассуждают так: пешка идет сюда, король туда, пешка сюда, король туда и т.д. и при этом они часто путаются и, в конце концов, просчитываются.

Однако исход партии легко оценить при помощи «правила квадрата». Достаточно выяснить, может ли король при своем ходе попасть в квадрат пешки. Итак,  в нашей композиции черные при ходе делают ничью (попадают в квадрат), а при ходе противника проигрывают.

 Шахматы и магические квадраты

Существует гипотеза о том, что шахматы произошли из так называемых магических квадратов.

Магический квадрат представляет собой квадратную таблицу n×n, заполненную целыми числами и обладающую следующим свойством: сумма чисел каждой строки, каждого столбца, а также двух главных диагоналей одна и та же. Для магических квадратов порядка 8 она равна 260 (см.рис. 6, Приложение 1). Закономерность расположения чисел в магических квадратах придает им волшебную силу искусства.

     Рассмотрим одну из старинных дебютных табий (начальных расположений фигур) под названием альмуджаннах. Она получается из современной расстановки при помощи следующих симметричных ходов белых и черных: 1. d3 d6 2. e3 e6 3. b3 b6 4. g3 g6 5. c3 c6 6. f3 f6 7. c4 c5 8. f4 f5 9. Кc3 Кc6 10. Кf3 Кf6 11. Лb1 Лb8 12. Лg1 Лg8 .

        Подсчитав сумму чисел, стоящих на восьми полях — d2, d3, e2, e3, d6, d7, e6, e7, участвующих в первые двух ходах, мы неожиданно получим магическое числе 260. Тот же результат даст и каждая последующая пара приведенных ходов. Подобные примеры и позволяют высказать гипотезу о связи магических квадратов с шахматами.

Заключение

             Я поставила себе цель найти связь между шахматами и математикой, и считаю, что выполнила поставленную задачу. На примерах я подробно разобрала эту связь.

В ходе исследовательской работы я выявила, что у математики и шахмат много родственного. Выдающийся математик Г. Харди, проводя параллель между этими двумя видами человеческой деятельности, в своей статье «Исповедь математика» заметил, что решение проблем шахматной игры есть не что иное, как математическое упражнение, а игра в шахматы это как бы насвистывание математических мелодий.

         Шахматы справедливо считают единственной игрой из всех, придуманных человеком, в которой сочетаются спорт, искусство и наука. Почему шахматы привлекательны для людей разных возрастов и профессий? Потому что, играя в шахматы, мы приобретаем много полезных качеств, тренируем память, учимся упорству, находчивости, развиваем фантазию. Занятие шахматами способствует развитию математических способностей человека. Шахматы – это и вид интеллектуальной борьбы, и соревнование, а любое соревнование совершенствует сильные черты личности.

Таким образом, математика помогает шахматистам играть и выигрывать. А шахматы в свою очередь помогают нам решать простейшие и даже самые сложные математические задачи, помогают развивать логику, внимание и таким образом знать математику на пять.

В дальнейшем, я разберусь в том, что осталось для меня загадкой, и я обязательно буду продолжать играть в шахматы.

Литература

• Гарднер М., Матем. головоломки и развлечения, перевод с английского, М., 1971;
• его же, Матем. досуги, перевод с английского, М., 1972;
• его же, Матем. новеллы, перевод с английского, М., 1974;
• Дьюдени Г., Кентерберийские головоломки, перевод с английского, М., 1979;
• Гик Е. Я., Шахматы и математика, М., 1983.

Математика на шахматной доске                      Приложение 1

Рис.1. Шахматная доска

Рис. 2. Симметричное расположение коней на шахматной доске

Рис.3. Определение координат шахматных фигур

Рис. 4. Четность и нечетность на шахматной доске.

Рис. 5. Правило квадрата.

                                                                           Рис. 6. Альмуджаннах и магический квадрат.

Задачи шахматные и математические                             Приложение 2

Задачи на четность, нечётность

1. Конь вышел на поле А8 и через несколько ходов вернулся на него. Докажите, что он сделал четное число ходов.

Рис. 1. Решение задачи 1

Решение:  Вы, наверное, заметили, что, делая каждый ход, конь меняет цвет клетки ,на которой он стоит. Следовательно: каждый нечетный ход конь будет вставать на чёрную клетку. Исходя из этого и зная то, что конь должен вернуться на клетку  А8, белого цвета, мы можем сказать, что он вернется через четное число ходов.

2.Может ли конь пройти с поля a8  на поле h(1), побывав по дороге на каждом из остальных полей ровно один раз? 

Рис. 2. Решение задачи 2

Решение: Как и в предыдущем задании при каждом ходе конь меняет цвет клетки, на которой он стоит .Следовательно, на доске 63 хода (нечетное число), а8 – белая клетка, при 63 ходе конь будет на чёрной клетке.                                    

Задача на разделение шахматной доски

Из шахматной доски 8*8 вырезали две противоположные угловые клетки. Докажите, что остаток доски нельзя разделить на доминошки (прямоугольники 1*2).  Решение:

Так выглядит доминошка: . На шахматной доске, при удалении двух угловых клеток (а это либо две белых, либо две чёрных клетки), у нас получится 30 чёрных (белых)  и 32 белых (чёрных) . А это значит, что мы не сможем разделить оставшуюся часть доски на доминошки (так как неравное количество чёрных и белых клеток).    

  Рис. 3. Решение задачи 3

Задача на расстановку фигур

Расставьте на обычной шахматной доске тpи феpзя и две ладьи одного цвета так, чтобы все остальные поля доски оказались под боем.

Решений этой задачи достаточно много, одно из них приведено на рисунке

4.

                                           Мат в центpе доски

1. Hа доске стоит белый коpоль (поле A1), и чеpный коpоль (поле D4) (Рис. 5). Добавьте две белые ладьи и белого коня так, чтобы чеpный коpоль оказался заматован.

Рис. 6.  Условие задачи 5

Решение этой задачи приведено на рисунке 7.                                                                                        Рис. 7.  Решение задачи 5