【题目】据说,有一次爱因斯坦生病了,躺在床上很无聊,他的朋友莫希柯夫斯基给他出了一道题目,让他打发时间。题目是这样的:
“有一只钟表,假设表针的初始位置是12点。这时候,如果把钟表的长针和短针对调,它们指示的时间还是在合理范围的。但是,在有的时间,比如6点,如果把表针对调,出现的时间就不对了,因为当时针指着12的时候,分针并不会指着6。问题来了,当分针和时针分别在什么位置时,两针对调后所指的时间还是合理的?”
爱因斯坦听完后答道:“对于病床上的人来说,这的确是一个很好的问题,它很有意思,又不是很简单。只是,我可能消磨不了多少时间,因为我马上就要计算出来了。”
说着,他从床上坐了起来,在纸上画出了一个草图。爱因斯坦解答这个题目所花的时间,可能比我描述这个问题所花的时间还要短……
那么,他是如何解答的呢?
【解答】我们不妨把钟表的一周划分成相等的60份,并以每份为单位,用它来度量表针从12点开始走过的距离。
如图所示,假设到达题目所求的位置时,时针从12点开始走过x个刻度,分针走过y个刻度。由于时针每过12个小时走过60个刻度,所以它每小时走过个刻度。那么,它走过x个刻度所花的时间就是
小时。也就是说,钟表从12点开始走到所求的位置,过去了
小时。分针走过的刻度是y个,也就是y分钟相当于
小时。也就是说,在
小时之前,分针从12点的位置经过。换句话说,两个指针在12点的位置重合之后,过去的整小时数是
。
一定是0到11之间的整数,因为该数表示在12点以后正好过去了几个小时。
如果把两个指针对调,用同样的方法,我们可以计算出从12点开始到表针所指的时间过去的整小时数为
。该数也是一个从0到11的整数。
联立上面的两个方程:
其中,m和n都是从0到11的整数。解这个方程组,可以得出
如果用0到11中的每个整数来代m和n,就可以得到题目所求的两个表针所指所有的位置。由于m和n都有12个数,它们的组合就是144个,所以看起来该方程好像有144个解,可实际上只有143个,因为当m=n=0和m=n=11的时候,它们所表示的是同一个时间,即12点。
在这里,我们不打算逐个讨论,只举两个例子来看一下。
例1:当m=n=1时,
即当表针所指的时间是1点
分时,两个指针是重合的,它们当然可以进行对调。事实上,所有指针重复的时刻,二者都可以进行对调。
例2:当m=n=1时,
此时对应的时间分别是8点28分53秒和5点42分38秒。
根据前面的分析,该题一共有143个解,我们可以把钟表的圆周分成均等的143份,这样就得到了这143个点。在这些点上,时针和分针可以对调,而在其他的点上,则不能进行对调。