Чёт и нечет: то, что не меняется

← Назад к материалам
Начальная школа 11 Залы Инварианты Логика

Дидактические цели

Лаборатория для начальной школы (8–12 лет) об инвариантах чётности. Всё делается руками: переворачивать бокалы, стирать числа с доски, заставлять карту кувыркаться, переставлять фишки, а в конце — фокус. В каждом блоке есть задания, которые получаются, и одно, которое не получается: ученик понимает это, нажимая «Это невозможно», а анимированное объяснение показывает почему.

Главная идея: когда каждый ход меняет что-то по два (или всегда меняет чётность), достаточно знать, чётное или нечётное число, чтобы предсказать результат, не перебирая все пути.

Чему учатся

  • Придумывать и выполнять последовательности ходов, чтобы достичь цели, и искать самую короткую.
  • Следить во время игры за величиной (перевёрнутые бокалы, сумма на доске, кувырки, пары не по порядку) и замечать её чётность.
  • Узнавать инвариант — то, что не меняется, сколько ни делай ходов.
  • С помощью инварианта доказывать, что цель недостижима, и предсказывать результат без игры.
  • Видеть, что инвариант зависит от правила: при перевороте двух бокалов чётность сохраняется, трёх — нет.
  • Использовать раскраски (шахматную, полосатую по рядам, через одно место) для поиска инвариантов.

Основные математические идеи по блокам

A · Бокалы. Переворот двух бокалов меняет число перевёрнутых на +2, −2 или 0: его чётность — инвариант. Из 3 перевёрнутых не получить 0. Неважно, соседние ли бокалы; при перевороте трёх чётность меняется, и задача снова решается.

B · Доска. Замена a и b их разностью уменьшает сумму на удвоенное меньшее — чётное число. От 1 до 6 сумма 21: закончить можно только числами 1, 3 или 5. От 1 до 8 — 36: только 0, 2, 4, 6 или 8.

C · Карта. Каждый кувырок переворачивает карту и переносит её на клетку другого цвета шахматной раскраски: сторона карты зависит только от цвета клетки. Кувырки вверх и вниз меняют ряд и поворачивают кубок: его положение зависит только от ряда. Поэтому карта никогда не вернётся домой лицом вверх и на каждую клетку приходит одинаково.

D · Обмен соседей. Каждый обмен меняет порядок ровно одной пары. Минимум обменов — число пар не по порядку (6 для AMOR → ROMA, 15 для разворота шести чисел), а чётность числа обменов задана: AMOR → ROMA за 8 обменов можно, за 7 — нет.

E · Перевёрнутые тройки. Переворот тройки меняет местами крайние числа, которые стоят через одно: каждое число остаётся на местах той же чётности. 1..5 развернуть можно, 1..6 — нельзя.

F · Фокусник. Каждый переворот монеты меняет чётность числа орлов. Кто знает начальную чётность и считает перевороты, угадывает накрытую монету.

По листку «Чётность» Школы математического мышления (Escuela de Pensamiento Matemático), с другими числами и целями. Числа проверены полным перебором в scripts/verify_paridad.mjs.

Содержание по залам

Зал 1 · Два соседних бокала

Бокалы в ряд, одни стоят нормально, другие вверх дном; за ход переворачиваются два соседних. Анимированный пример: перевёрнутый бокал «путешествует», а два перевёрнутых соседа исправляются за один ход.

Задания для ученика

  • 6 бокалов, 2-й и 5-й вверх дном: поставить все нормально (3 хода).
  • 8 бокалов, 4 вверх дном (1, 3, 6, 8): всё за 4 хода.
  • Если 4 вверх дном, после хода их может быть 2, 4 или 6.

Зал 2 · Всегда ли получится?

Счётчик перевёрнутых бокалов с пометкой «чётное/нечётное». Кнопка «Это невозможно» рядом с «Проверить» во всех заданиях (в возможных отнимает 5 очков зала).

Задания для ученика

  • 8 бокалов, 3 вверх дном: невозможно; анимированное объяснение (счётчик меняется на +2, −2 или 0 и остаётся нечётным; 0 — чётное).
  • Любые два бокала, 10 бокалов, 6 вверх дном: возможно (3).
  • Любые два, 5 вверх дном: невозможно (важно, что их два, а не что они соседи).
  • С любыми тремя — можно? (да) и сделать (3 хода).

Зал 3 · Числа на доске

За шаг стираются два числа и пишется их разность, пока не останется одно. Пример с 1, 2, 3, 4.

Задания для ученика

  • От 1 до 6 закончить числом 1.
  • Закончить числом 5.
  • Закончить числом 3 (возможные концы — 1, 3 и 5).

Зал 4 · А ноль?

Сумма на доске на каждом шаге уменьшается на удвоенное меньшее число: её чётность не меняется.

Задания для ученика

  • От 1 до 6 закончить нулём: невозможно (сумма 21 нечётная); анимированное объяснение с суммой.
  • От 1 до 8 (сумма 36) закончить числом 8.
  • От 1 до 8 закончить числом 7: невозможно.
  • Какие концы возможны от 1 до 8 (0, 2, 4, 6 и 8).

Зал 5 · Кувыркающаяся карта

Туз кубков (испанская колода) на доске 4 × 4, рубашкой вверх в углу. Каждый кувырок на соседнюю клетку переворачивает карту; кувырки вверх и вниз ещё и ставят её вверх ногами.

Задания для ученика

  • Дойти до звезды лицом вверх.
  • До другой — лицом вверх и вверх ногами.
  • До третьей — лицом вверх и прямо, любым путём.
  • Предсказать, как карта, которая начинает лицом вверх, придёт на нижнюю клетку (лицом вверх и вверх ногами; от пути не зависит). После ответа показывается путь.

Зал 6 · Домой

Шахматная раскраска объясняет сторону карты (серые клетки — рубашкой, жёлтые — лицом), а полосатые ряды — поворот кубка.

Задания для ученика

  • Вернуться домой лицом вверх: невозможно; объяснение шахматной раскраской.
  • Прийти на клетку «розового» ряда лицом вверх и прямо: невозможно; объяснение рядами.
  • Предсказать (карта начинает лицом вверх): на клетку голубого ряда она не придёт «вверх ногами» (после ответа ряды раскрашиваются и показывается путь).
  • Предсказать: в противоположный угол она не придёт рубашкой вверх (после ответа появляется шахматная раскраска и путь).

Зал 7 · Поменяйся с соседом

Фишки в ряд; ⇄ между соседями меняет их местами. Показаны цель и счётчик обменов.

Задания для ученика

  • 1-2-3-4-5-6 → 2-4-6-1-3-5 за минимум (6).
  • AMOR → ROMA за минимум (6).
  • Минимум, чтобы развернуть 1..6 (15 = 5 + 4 + 3 + 2 + 1).

Зал 8 · Ровно столько

Пары не по порядку относительно цели со счётчиком чётности: каждый обмен прибавляет или отнимает 1.

Задания для ученика

  • AMOR → ROMA ровно за 8 обменов.
  • Ровно за 7: невозможно; анимированное объяснение.
  • 1..5 наоборот: ровно за сколько обменов можно (12 из 9, 11, 12 и 13).

Зал 9 · Перевёрнутые тройки

Нажатие на середину тройки соседей переворачивает её (края меняются местами).

Задания для ученика

  • 1..5 → 5-4-3-2-1.
  • 1..6 → 5-6-3-4-1-2.
  • Наименьшее число переворотов для 5-4-3-2-1 (4).

Зал 10 · Цветные места

Места раскрашены в два цвета через одно: каждое число остаётся на местах своего цвета.

Задания для ученика

  • 1..6 → 6..1: невозможно; анимированное объяснение цветами.
  • Какой из четырёх рядов можно получить (3-2-1-6-5-4).
  • Получить его (2 переворота).

Зал 11 · Фокусник с монетами

7 монет. Фокусник (компьютер) смотрит, закрывает глаза, слышит «переворот!» и угадывает накрытую монету. Потом фокусник — ученик.

Задания для ученика

  • Сделать фокус два раза с фокусником.
  • Объяснить, как он работает (чётность орлов и число переворотов).
  • Угадать три накрытые монеты (до 6 раундов).

Залы для показа

Самые наглядные для показа и обсуждения в классе.

★
Зал 2 · Всегда ли получится? — Первое «невозможно»: счётчик перевёрнутых бокалов всегда нечётный.
★
Зал 6 · Домой — Две раскраски (шахматная и по рядам) объясняют два инварианта сразу.
★
Зал 11 · Фокусник с монетами — Фокус, который можно показать в классе и дома.