Дано прямоугольное трёхмерное тело с рёбрами целой длины. При каких условиях можно разрезать его на кубы одинакового целого ребра? Обоснуйте решение и обсудите связь с делимостью размеров
Уточнение (стандартное для задачи): разрезы — плоскости, параллельные граням тела, так что кубы имеют грани, параллельные граням параллелепипеда. Пусть длины рёбер целого прямоугольного параллелепипеда равны a,b,c∈Z>0a,b,c\in\mathbb{Z}_{>0}a,b,c∈Z>0, а кубы одинакового целого ребра имеют сторону s∈Z>0s\in\mathbb{Z}_{>0}s∈Z>0. Утверждение: такое разрезание возможно тогда и только тогда, когда sss делит каждое из чисел a,b,ca,b,ca,b,c, т.е. когда s∣a,s∣b,s∣c,
s\mid a,\qquad s\mid b,\qquad s\mid c, s∣a,s∣b,s∣c,
или эквивалентно s∣gcd(a,b,c)s\mid \gcd(a,b,c)s∣gcd(a,b,c). Доказательство. 1) Достаточность. Если s∣a,b,cs\mid a,b,cs∣a,b,c, то a=sα, b=sβ, c=sγa= s\alpha,\ b=s\beta,\ c=s\gammaa=sα,b=sβ,c=sγ для целых α,β,γ\alpha,\beta,\gammaα,β,γ. Тогда очевидно можно разбить параллелепипед на αβγ\alpha\beta\gammaαβγ кубов размера sss (по равномерной сетке). 2) Необходимость. Рассмотрим одну грань параллелепипеда размером a×ba\times ba×b. Пересечение этой грани с кубами даёт покрытие прямоугольника одинаковыми квадратами со стороной sss. Поскольку квадраты располагаются рёбрами параллельно сторонам прямоугольника и имеют целую сторону sss, длина стороны aaa разбивается на целое число отрезков длины sss, значит s∣as\mid as∣a; аналогично s∣bs\mid bs∣b. То же рассуждение по второй оси даёт s∣cs\mid cs∣c. Таким образом sss делит все три размера. Следствие: все допустимые целые стороны куба — это делители числа gcd(a,b,c)\gcd(a,b,c)gcd(a,b,c). Число кубов в разрезании равно N=as⋅bs⋅cs=abcs3.
N=\frac{a}{s}\cdot\frac{b}{s}\cdot\frac{c}{s}=\frac{abc}{s^3}. N=sa⋅sb⋅sc=s3abc. Замечание: при другом понимании разрезания (например, с поворотами кубов или с нелинейными разрезами) формулировка и доказательство могут требовать уточнений; в классическом варианте, указанном выше, ответ — делимость размеров на сторону куба.
Пусть длины рёбер целого прямоугольного параллелепипеда равны a,b,c∈Z>0a,b,c\in\mathbb{Z}_{>0}a,b,c∈Z>0 , а кубы одинакового целого ребра имеют сторону s∈Z>0s\in\mathbb{Z}_{>0}s∈Z>0 .
Утверждение: такое разрезание возможно тогда и только тогда, когда sss делит каждое из чисел a,b,ca,b,ca,b,c, т.е. когда
s∣a,s∣b,s∣c, s\mid a,\qquad s\mid b,\qquad s\mid c,
s∣a,s∣b,s∣c, или эквивалентно s∣gcd(a,b,c)s\mid \gcd(a,b,c)s∣gcd(a,b,c).
Доказательство.
1) Достаточность. Если s∣a,b,cs\mid a,b,cs∣a,b,c, то a=sα, b=sβ, c=sγa= s\alpha,\ b=s\beta,\ c=s\gammaa=sα, b=sβ, c=sγ для целых α,β,γ\alpha,\beta,\gammaα,β,γ. Тогда очевидно можно разбить параллелепипед на αβγ\alpha\beta\gammaαβγ кубов размера sss (по равномерной сетке).
2) Необходимость. Рассмотрим одну грань параллелепипеда размером a×ba\times ba×b. Пересечение этой грани с кубами даёт покрытие прямоугольника одинаковыми квадратами со стороной sss. Поскольку квадраты располагаются рёбрами параллельно сторонам прямоугольника и имеют целую сторону sss, длина стороны aaa разбивается на целое число отрезков длины sss, значит s∣as\mid as∣a; аналогично s∣bs\mid bs∣b. То же рассуждение по второй оси даёт s∣cs\mid cs∣c. Таким образом sss делит все три размера.
Следствие: все допустимые целые стороны куба — это делители числа gcd(a,b,c)\gcd(a,b,c)gcd(a,b,c). Число кубов в разрезании равно
N=as⋅bs⋅cs=abcs3. N=\frac{a}{s}\cdot\frac{b}{s}\cdot\frac{c}{s}=\frac{abc}{s^3}.
N=sa ⋅sb ⋅sc =s3abc .
Замечание: при другом понимании разрезания (например, с поворотами кубов или с нелинейными разрезами) формулировка и доказательство могут требовать уточнений; в классическом варианте, указанном выше, ответ — делимость размеров на сторону куба.