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日志

自然数的几个模型

已有 371 次阅读2011-8-15 11:07 | 模型

问题3:能否在 的方格表 的各个空格中,分别填写 这三个数中的任一个,使得每行,每列及对角线 的各个数的和都不相同?为什么?

分析:若从考虑填法的种类入手,情况太复杂;这里我们注意到,方格表中行,列及对角线的总数为 个;而用 填入表格,每行,列及对角线都是 个数, 个数的和最小为 ,最大为 ,共有 种;利用鸽笼原理, 个“鸽”放入 个“鸽笼”,必有两个在一个“鸽笼”,也即必有两个和相同。所以题目中的要求,无法实现。

思考题:在一个边长为 的正三角形内,若要彼此间距离大于  ,最多能找到几个点?

1.2 “奇偶校验”方法

    所谓 “奇偶校验”,即是如果两个数都是奇数或偶数,则称这两个数具有相同的奇偶性;若一个数是奇数,另一个数是偶数,则称具有相反的奇偶性。在组合问题中,经常使用“奇偶校验”考虑配对问题。

问题1(棋盘问题):假设你有一张普通的国际象棋盘,一组对角上的两个方格被切掉,这样棋盘上只剩下 个方格(如图12)。若你还有 块骨牌,每块骨牌的大小为 方格。试说明用互不重叠的骨牌完全覆盖住这张残缺的棋盘是不可能的。

分析:关键是对图12的棋盘进行黑白着色,使得相邻的两个方格有不同的颜色;用一块骨牌覆盖两个方格,必是盖住颜色不同的方格。我们计算一下黑白着色棋盘的黑格,白格个数,分别为 ;因此不同能用 块骨牌盖住这张残缺的棋盘。用奇偶校验法,我们可以把黑色方格看成奇数方格,白色方格看成偶数方格;因为奇偶个数不同,所以不能进行奇偶配对,故题中要求的作法是不可能实现的。

问题2(菱形十二面体上的H路径问题):沿一菱形十二面体各棱行走,要寻找一条这样的路径它通过各顶点恰好一次,该问题被称为Hamilton路径问题。

分析:我们注意到菱形十二面体每个顶点的度或者为 或者为 ,所谓顶点的度是指通过这一顶点的棱数,如图13;且每 度顶点刚好与 度顶点相连,而每个 度顶点刚好与 顶点相连。因此一个Hamilton路径必是 度与 度顶点交错,故若存在Hamilton  路径,则 度顶点个数,与 度顶点个数要么相等,要么相差 。用奇偶校验法 度顶点为奇数顶点, 度顶点为偶数顶点,奇偶配对,最多只能余 个;而事实上菱形十二面体中,有 度顶点 个, 度顶点 个;可得结论,菱形十二面体中不存在Hamilton 路径.

思考题:1、设一所监狱有 间囚室,其排列类似 棋盘,看守长告诉关押在一个角落里的囚犯,只要他能够不重复地通过每间囚室到达对角的囚室(所有相邻囚室间都有门相通),他将获释,问囚犯能否获得自由?

2、某班有 个学生,坐成 列,每个坐位的前后左右的坐位叫做它的邻座,要让 个学生都换到他的邻座上去,问是否有这种调换位置的方案?

1.3 自然数的因子个数与狱吏问题

 为自然数 的因子个数,则 有的为奇数,有的为偶数,见下表:          

n

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

d(n)

1

2

2

3

2

4

2

4

3

4

2

6

2

4

4

5

 

我们发现这样一个规律,当且仅当 为完全平方数时, 为奇数;这是因为 的因子是成对出现的,也即 ; 只有 为完全平方数, 才会出现 的情形, 才为奇数。

下面我们利用上述结论研究一个有趣的问题.

狱吏问题:某王国对囚犯进行大赦,让一狱吏n次通过一排锁着的n间牢房,每通过一次按所定规则转动门锁, 每转动一次, 原来锁着的被打开, 原来打开的被锁上;通过n次后,门锁开着的,牢房中的犯人放出,否则犯人不得获释。转动门锁的规则是这样的,第一次通过牢房,要转动每一把门锁,即把全部锁打开;第二次通过牢房时,从第二间开始转动,每隔一间转动一次;第k次通过牢房,从第k间开始转动,每隔k-1 间转动一次;问通过n次后,那些牢房的锁仍然是打开的?

问题分析: 牢房的锁最后是打开的,则该牢房的锁要被转动奇数次;如果把n间牢房用 编号,则第k间牢房被转动的次数,取决于k是否为 整除,也即k的因子个数,利用自然数因子个数定理,我们得到结论:只有编号为完全平方数的牢房门仍是开着的。

14 相识问题

问题:在6人的集会上,总会有3人互相认识或互相不认识。

分析:设6人为 ;下面分二种情形,1. 至多只和两个人相识,不妨设 不认识 ;若 互相都认识,则结论成立,若 中有两人不认识,则加上 ,有三人互不相识. 2  至少和三人相识,不妨设  认识 ;若 互不相识结论成立,若 有两人相识,加上  则有三人互相认识 。这样,我们就证明了结论成立,这个问题的讨论,我们也可以采用几何模似的方法,如图14


路过

雷人

握手

鲜花

鸡蛋

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