開腦洞!鴿籠原理還能這麼用(19年7月23日)

2021-02-08 每天3道奧數題

家長是孩子最好的老師,

這是奧數君第918天給出奧數題講解。


今天的題目是組合問題,

解題所用知識不超過小學4年級。

 

題目(5星難度):

小明參加了奧數難題暑期集訓,集訓持續時間為5個星期,期間每天至少練習一道難題,但連續5天最多練習8道難題。小紅說:中間一定有連續若干天,共練習了13道難題。請問小紅說的正確嗎?

 

輔導方法:

將題目寫給小朋友,

讓他自行思考解答,

若20分鐘仍然沒有思路,

再由家長進行提示性講解。

 

講解思路:

這道題是屬於組合問題,

要說明小紅的話錯誤,

只需要構造出一個反例;

要說明小紅的話正確,

需要給出嚴格的證明。

由於5個星期35天太長,

構造反例比較困難,

故初步嘗試選擇嚴格證明的方法,

證明過程需要用到鴿籠原理,

即3隻鴿子放進2個籠子,

定有一個籠子中至少有2隻鴿子。

鴿籠原理是一個簡單但很有用的方法,

著名的費馬小定理就可用該原理證明。

應用該原理關鍵是構造鴿籠和鴿子,

而構造的過程往往需要靈機一動,

有時甚至沒有太多的道理可講,

因此構造法是數學中最難的部分之一。

本題總的解題思路是:

用a(n)表示前n天練習的難題總數,

先考慮a(1),a(2),…,a(35)的範圍,

再想辦法應用鴿籠原理。

 

步驟1:

先思考第一個問題,

考慮a(1),a(2),…,a(35)的範圍。

這個問題比較簡單,

由於每天至少練習一道難題,

故a(1) >= 1,

且這個數列每一項都是遞增的。

又因為任意5天最多練習8道難題,

故35天最多練習7*8=56道難題,

即a(35) <= 56。

因此可以得到如下關係式:

1 <= a(1) < a(2)…< a(35) <=56。

 

步驟2:

再思考第二個問題,

考慮原題目的答案。

注意到35*2=70,

而56+13=69=70-1,

這恰好是鴿籠原理的條件。

故考慮以下70個自然數:

a(1),a(2),…,a(35)和

a(1)+13,a(2)+13,…,a(35)+13,

把這70個數看作鴿子;

根據步驟1的結論可得,

上述70個自然數最小是1,

最大不超過56+13=69,

也就是說可選範圍只有69個,

把這69個可選範圍看作鴿籠。

應用鴿籠原理可得,

其中一定存在2個數相等。

而根據步驟1的大小關係,

a(1),a(2),…,a(35)互不相等,

a(1)+13,a(2)+13,…,a(35)+13也互不相等。

因此一定存在兩個自然數m和n,

使a(m)+13=a(n),

這說明第m+1天到第n天的時間內,

共練習了13道難題。

所以小紅的話是正確的。

 

思考題(3星難度):

原題目改個數字。

小明參加了奧數難題暑期集訓,集訓持續時間為5個星期,期間每天至少練習一道難題,但任意5天最多練習8道難題。小紅說:中間一定有連續若干天,共練習了12道難題。請問小紅說的正確嗎?

微信回復「20190723」可獲得思考題答案。

註:過4個月之後,關鍵詞回復可能失效。


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19年6月15日題目(組合數學問題)

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