DY 竞赛数学 · 五年级 — 题库预览
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第1讲 分数计算与比较大小
兴趣篇
1. 计算:(1)$\frac{1}{2}+\frac{3}{7}-\frac{5}{14}$;(2)$\frac{1}{2}\times 3\frac{1}{7}\div 2\frac{1}{5}$。
★
分数加减 分数乘除 带分数化假分数 通分 分数四则混合运算
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答案 (1)$\frac{4}{7}$;(2)$\frac{5}{7}$。
解题过程 (1)$$\begin{aligned}\text{原式}&=\frac{7+6-5}{14}\\&=\frac{8}{14}\\&=\frac{4}{7}\end{aligned}$$。 (2)原式 $=\frac{1}{2}\times\frac{22}{7}\times\frac{5}{11}=\frac{5}{7}$。
方法:先通分完成加减;带分数化假分数后约分相乘。
2. 计算:(1)$\frac{2}{37}+\frac{20}{37}+\frac{200}{37}$;(2)$1-\frac{1}{2}-\frac{1}{20}-\frac{1}{200}$。
★
同分母分数加减 通分 分数加减
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答案 (1)$6$;(2)$\frac{89}{200}$。
解题过程 (1)$$\begin{aligned}\text{原式}&=\frac{2+20+200}{37}\\&=\frac{222}{37}\\&=6\end{aligned}$$。 (2)原式 $=\frac{200}{200}-\frac{100}{200}-\frac{10}{200}-\frac{1}{200}=\frac{89}{200}$。
方法:同分母直接合并分子;统一分母后相减。
3. 计算:$13\frac{8}{11}-\left(3\frac{1}{4}+2\frac{5}{11}\right)-\frac{3}{4}$。
★
带分数加减 运算顺序与凑整 带分数四则运算
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答案 $7\frac{3}{11}$。
解题过程 $$\begin{aligned}\text{原式}&=\left(13\frac{8}{11}-2\frac{5}{11}\right)-\left(3\frac{1}{4}+\frac{3}{4}\right)\\&=11\frac{3}{11}-4\\&=7\frac{3}{11}\end{aligned}$$。
方法:重新分组,把同分母带分数与可凑整的部分分别结合。
4. 计算:$\left(\frac{1}{4}-\frac{1}{5}\div 4\right)\times\frac{5}{13}+1\div 1\frac{1}{12}$。
★★
分数四则混合运算 除法化乘法
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答案 $1$。
解题过程 $$\begin{aligned}\text{原式}&=\left(\frac{1}{4}-\frac{1}{20}\right)\times\frac{5}{13}+1\div\frac{13}{12}\\&=\frac{1}{5}\times\frac{5}{13}+\frac{12}{13}\\&=\frac{1}{13}+\frac{12}{13}\\&=1\end{aligned}$$。
方法:按运算顺序逐步化简,注意凑成同分母后合并。
5. 计算:$\frac{4}{7}\times 54-16\times\frac{3}{5}+27\times\frac{6}{7}+\frac{1}{5}\times 3$。
★★
乘法分配律 凑整速算 乘法分配律简算
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答案 $45$。
解题过程 $$\begin{aligned}\text{原式}&=\left(\frac{4}{7}\times 54+27\times\frac{6}{7}\right)-\left(16\times\frac{3}{5}-\frac{1}{5}\times 3\right)\\&=27\times\left(\frac{8}{7}+\frac{6}{7}\right)-\frac{3}{5}\times(16-1)\\&=27\times 2-\frac{3}{5}\times 15\\&=54-9\\&=45\end{aligned}$$。
方法:把含相同因数的项分组,逆用乘法分配律提取公因数。
6. 计算:$9\frac{8}{9}+99\frac{88}{99}+999\frac{888}{999}+9999\frac{8888}{9999}$。
★★
借一凑整 带分数加法 凑整法
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答案 $11109\frac{5}{9}$。
解题过程 $$\begin{aligned}\text{原式}&=\left(10-\frac{1}{9}\right)+\left(100-\frac{1}{9}\right)+\left(1000-\frac{1}{9}\right)+\left(10000-\frac{1}{9}\right)\\&=11110-\frac{4}{9}\\&=11109\frac{5}{9}\end{aligned}$$。
方法:每个带分数都接近整十百千,用“借一补差”转化为整数减小分数。
7. 计算:(1)$403\times\frac{123}{124}$;(2)$155\times\frac{113}{156}$。
★★
拆分凑整 乘法分配律 分数乘整数简算
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答案 (1)$399\frac{3}{4}$;(2)$112\frac{43}{156}$。
解题过程 (1)$$\begin{aligned}\text{原式}&=403\times\left(1-\frac{1}{124}\right)\\&=403-\frac{403}{124}\\&=403-\frac{13}{4}\\&=399\frac{3}{4}\end{aligned}$$。 (2)$$\begin{aligned}\text{原式}&=113\times\left(1-\frac{1}{156}\right)\\&=113-\frac{113}{156}\\&=112\frac{43}{156}\end{aligned}$$。
方法:把接近 1 的分数写成 $1-rac{1}{n}$,再用分配律。
8. 比较下列分数的大小:(1)$\frac{1}{17}$ 与 $\frac{4}{85}$;(2)$\frac{7}{24}$ 与 $\frac{23}{60}$。
★★
分数大小比较 通分 间接比较法 分数比较大小
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答案 (1)$\frac{1}{17}>\frac{4}{85}$;(2)$\frac{7}{24}<\frac{23}{60}$。
解题过程 (1)$\frac{1}{17}=\frac{5}{85}>\frac{4}{85}$。 (2)$\frac{7}{24}<\frac{8}{24}=\frac{1}{3}=\frac{20}{60}<\frac{23}{60}$。
方法:通分到同分母直接比;或借助中间分数(如 $rac{1}{3}$)间接比较。
9. 将下列分数由小到大排列起来:$\frac{14}{19},\ \frac{13}{24},\ \frac{14}{23},\ \frac{15}{19},\ \frac{13}{23}$。
★★
分数大小比较 同分子比较 同分母比较 分数排序
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答案 $\frac{13}{24}<\frac{13}{23}<\frac{14}{23}<\frac{14}{19}<\frac{15}{19}$。
解题过程 分母相同时分子越大分数越大:$\frac{14}{19}<\frac{15}{19}$,$\frac{13}{23}<\frac{14}{23}$;分子相同时分母越大分数越小:$\frac{13}{24}<\frac{13}{23}$,$\frac{14}{23}<\frac{14}{19}$。综合得 $\frac{13}{24}<\frac{13}{23}<\frac{14}{23}<\frac{14}{19}<\frac{15}{19}$。
方法:利用同分母、同分子两条规律对分数排序。
10. 比较下列分数的大小:(1)$\frac{3}{13}$ 与 $\frac{9}{40}$;(2)$\frac{79}{320}$ 与 $\frac{20}{79}$。
★★
分数大小比较 通分子 间接比较法 分数比较大小
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答案 (1)$\frac{3}{13}>\frac{9}{40}$;(2)$\frac{79}{320}<\frac{20}{79}$。
解题过程 (1)$\frac{3}{13}=\frac{9}{39}>\frac{9}{40}$。 (2)$\frac{79}{320}<\frac{80}{320}=\frac{1}{4}=\frac{20}{80}<\frac{20}{79}$。
方法:通分子或借助中间分数 $rac{1}{4}$ 间接比较。
拓展篇
1. 计算:$\dfrac{5\times 6\times 7\times 8\times 9-1\times 2\times 3\times 4\times 5}{5\times 6\times 7\times 8\times 9}$。
★★
繁分数化简 约分 繁分数计算
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答案 $\frac{125}{126}$。
解题过程 $$\begin{aligned}\text{原式}&=1-\frac{1\times 2\times 3\times 4\times 5}{5\times 6\times 7\times 8\times 9}\\&=1-\frac{1}{126}\\&=\frac{125}{126}\end{aligned}$$。
方法:把分子拆成“分母 $-$ 余项”,转化为 $1$ 减一个简单分数。
2. 计算:$\left(3\frac{1}{4}+6\frac{2}{3}+1\frac{3}{4}+8\frac{1}{3}\right)\times\left(2-\frac{7}{20}\right)$。
★★
带分数加法 凑整 乘法约分 带分数混合运算
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答案 $33$。
解题过程 $$\begin{aligned}\text{原式}&=\left[\left(3\frac{1}{4}+1\frac{3}{4}\right)+\left(6\frac{2}{3}+8\frac{1}{3}\right)\right]\times\left(\frac{40}{20}-\frac{7}{20}\right)\\&=(5+15)\times\frac{33}{20}\\&=20\times\frac{33}{20}\\&=33\end{aligned}$$。
方法:先把括号内可凑成整数的带分数配对,再与外层相乘约分。
3. 计算:$\left(2\frac{2}{5}+1\frac{1}{3}\times 5\right)\div 3\frac{2}{5}-1\frac{1}{3}$。
★★
分数四则混合运算 除法化乘法
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答案 $1\frac{1}{3}$。
解题过程 $$\begin{aligned}\text{原式}&=\left(\frac{12}{5}+\frac{20}{3}\right)\times\frac{5}{17}-\frac{4}{3}\\&=\frac{136}{15}\times\frac{5}{17}-\frac{4}{3}\\&=\frac{8}{3}-\frac{4}{3}\\&=1\frac{1}{3}\end{aligned}$$。
方法:按运算顺序:先乘后加,除法化为乘倒数,再约分。
4. 要使算式 $2\frac{1}{4}-(0.7-\square)\times\frac{5}{6}=2\frac{1}{7}$ 成立,方框内应填入的数是多少?
★★
逆运算求未知数 分数小数互化 方框填数 / 逆运算
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答案 $\frac{4}{7}$。
解题过程 由 $2\frac{1}{4}-(0.7-\square)\times\frac{5}{6}=2\frac{1}{7}$,得 $(0.7-\square)\times\frac{5}{6}=2\frac{1}{4}-2\frac{1}{7}=\frac{3}{28}$,$0.7-\square=\frac{3}{28}\div\frac{5}{6}=\frac{9}{70}$,$\square=0.7-\frac{9}{70}=\frac{4}{7}$。
方法:把方框当未知数,逐步逆推(逆运算)求解。
5. 计算:$124\times\frac{7}{25}+18\times\frac{24}{25}$。
★★
乘法分配律 拆数凑整 乘法分配律简算
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答案 $52$。
解题过程 方法一:$$\begin{aligned}\text{原式}&=100\times\frac{7}{25}+24\times\frac{7}{25}+18\times\frac{24}{25}\\&=28+24\times\left(\frac{7}{25}+\frac{18}{25}\right)\\&=28+24\\&=52\end{aligned}$$。 方法二:$$\begin{aligned}\text{原式}&=7\times\left(5-\frac{1}{25}\right)+18\times\left(1-\frac{1}{25}\right)\\&=35-\frac{7}{25}+18-\frac{18}{25}\\&=35+18-1\\&=52\end{aligned}$$。
方法:拆数后逆用分配律提取公因数;或把分数写成“整数 $-$ 小分数”。
6. 计算:$\left(1-\frac{11}{36}\times 3\right)+\left(3-\frac{11}{36}\times 5\right)+\left(5-\frac{11}{36}\times 7\right)+\left(7-\frac{11}{36}\times 9\right)+\left(9-\frac{11}{36}\times 11\right)+\left(11-\frac{11}{36}\times 13\right)$。
★★
分组求和 乘法分配律 等差数列求和 分组凑整求和
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答案 $21\frac{1}{3}$。
解题过程 $$\begin{aligned}\text{原式}&=(1+3+5+7+9+11)-\frac{11}{36}\times(3+5+7+9+11+13)\\&=36-\frac{11}{36}\times 48\\&=36-\frac{44}{3}\\&=21\frac{1}{3}\end{aligned}$$。
方法:整数部分与分数部分分别求和,分数部分逆用分配律提取 $rac{11}{36}$。
7. 计算:$76\times\left(\frac{1}{23}-\frac{1}{53}\right)+23\times\left(\frac{1}{53}+\frac{1}{76}\right)-53\times\left(\frac{1}{23}-\frac{1}{76}\right)$。
★★
乘法分配律 重新分组 分配律重组
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答案 $1$。
解题过程 展开后按相同分母归并:$$\begin{aligned}\text{原式}&=\frac{1}{23}\times(76-53)-\frac{1}{53}\times(76-23)+\frac{1}{76}\times(23+53)\\&=1-1+1\\&=1\end{aligned}$$。
方法:展开后把含相同 $rac{1}{n}$ 的项重新归并提取。
8. 比较 $2006\times\frac{2004}{2005}$ 与 $2005\times\frac{2003}{2004}$ 的大小,并计算它们的差。
★★
拆数为整数加分数 借一凑整 分数减法 大数分数比较与作差
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答案 $2006\times\frac{2004}{2005}>2005\times\frac{2003}{2004}$,差为 $1\frac{1}{4018020}$。
解题过程 $$\begin{aligned}2006\times\frac{2004}{2005}&=(2005+1)\times\frac{2004}{2005}\\&=2004\frac{2004}{2005}\end{aligned}$$,$$\begin{aligned}2005\times\frac{2003}{2004}&=(2004+1)\times\frac{2003}{2004}\\&=2003\frac{2003}{2004}\end{aligned}$$,故前者大。$$\begin{aligned}\text{差}&=2004\frac{2004}{2005}-2003\frac{2003}{2004}\\&=\left(2005-\frac{1}{2005}\right)-\left(2004-\frac{1}{2004}\right)\\&=1+\frac{1}{2004}-\frac{1}{2005}\\&=1\frac{1}{4018020}\end{aligned}$$。
方法:把每个乘积拆成“整数 $+$ 接近 1 的分数”,再借一化简比较与作差。
9. 计算:(1)$238\div 238\frac{238}{239}$;(2)$\left(9\frac{2}{7}+7\frac{2}{9}\right)\div\left(\frac{5}{7}+\frac{5}{9}\right)$。
★★
提取公因数 繁分数化简 繁分数与提公因数
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答案 (1)$\frac{239}{240}$;(2)$13$。
解题过程 (1)$$\begin{aligned}\text{原式}&=238\div\left[238\times\left(1+\frac{1}{239}\right)\right]\\&=1\div\frac{240}{239}\\&=\frac{239}{240}\end{aligned}$$。 (2)$$\begin{aligned}\text{原式}&=\dfrac{65\times\left(\frac{1}{7}+\frac{1}{9}\right)}{5\times\left(\frac{1}{7}+\frac{1}{9}\right)}\\&=65\div 5\\&=13\end{aligned}$$。
方法:把被除数/除数写成公因数与括号的积,约去相同括号。
10. 比较下列分数的大小:(1)$\frac{3}{7}$ 与 $\frac{8}{19}$;(2)$\frac{8}{27}$ 与 $\frac{12}{41}$;(3)$\frac{33}{35}$ 与 $\frac{16}{17}$;(4)$\frac{7}{22}$ 与 $\frac{9}{28}$。
★★
分数大小比较 通分 通分子 倒数比较法 间接比较法 分数比较大小综合
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答案 (1)$\frac{3}{7}>\frac{8}{19}$;(2)$\frac{8}{27}>\frac{12}{41}$;(3)$\frac{33}{35}>\frac{16}{17}$;(4)$\frac{7}{22}<\frac{9}{28}$。
解题过程 (1)统一分母:$\frac{3}{7}=\frac{3\times 19}{7\times 19}>\frac{7\times 8}{7\times 19}=\frac{8}{19}$。 (2)统一分子:$\frac{8}{27}=\frac{24}{81}>\frac{24}{82}=\frac{12}{41}$。 (3)比较与 $1$ 的差:$\frac{33}{35}=1-\frac{2}{35}$,$\frac{16}{17}=1-\frac{1}{17}$,因为 $\frac{1}{17}=\frac{2}{34}>\frac{2}{35}$,所以 $\frac{33}{35}>\frac{16}{17}$。 (4)两数的倒数为 $\frac{22}{7}=3\frac{1}{7}$ 与 $\frac{28}{9}=3\frac{1}{9}$,$3\frac{1}{7}>3\frac{1}{9}$,倒数大者原数小,所以 $\frac{7}{22}<\frac{9}{28}$。
方法:依分数特点选法:通分、通分子、比与 1 的差、比倒数。
11. 比较下列分数的大小:(1)$\frac{98}{99}$ 与 $\frac{1994}{1995}$;(2)$\frac{11110}{22221}$ 与 $\frac{44443}{88887}$。
★★
倒数比较法 分数大小比较 倒数法比较
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答案 (1)$\frac{98}{99}<\frac{1994}{1995}$;(2)$\frac{11110}{22221}<\frac{44443}{88887}$。
解题过程 用倒数法:(1)两数的倒数分别是 $1\frac{1}{98}$ 与 $1\frac{1}{1994}$,因为 $1\frac{1}{98}>1\frac{1}{1994}$,所以 $\frac{98}{99}<\frac{1994}{1995}$。 (2)两数的倒数分别是 $2\frac{1}{11110}$ 与 $2\frac{1}{44443}$,因为 $2\frac{1}{11110}>2\frac{1}{44443}$,所以 $\frac{11110}{22221}<\frac{44443}{88887}$。
方法:取倒数后变成带分数比较,倒数大者原数小。
12. 比较大小:(1)把 $3$ 个数 $\frac{13}{24},\ \frac{18}{35},\ \frac{31}{59}$ 由小到大排列起来;(2)把 $5$ 个数 $\frac{10}{17},\ \frac{12}{19},\ \frac{15}{23},\ \frac{20}{33},\ \frac{60}{101}$ 由小到大排列起来。
★★
分数排序 通分子 整体放缩(乘同数) 多个分数排序
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答案 (1)$\frac{18}{35}<\frac{31}{59}<\frac{13}{24}$;(2)$\frac{10}{17}<\frac{60}{101}<\frac{20}{33}<\frac{12}{19}<\frac{15}{23}$。
解题过程 (1)把每个分数都乘以 $2$:$\frac{13}{24}\times 2=\frac{26}{24}=1\frac{1}{12}$,$\frac{18}{35}\times 2=\frac{36}{35}=1\frac{1}{35}$,$\frac{31}{59}\times 2=\frac{62}{59}=1\frac{3}{59}$;因为 $1\frac{1}{12}=1\frac{3}{36}$,$1\frac{1}{35}=1\frac{3}{105}$,所以 $1\frac{1}{35}<1\frac{3}{59}<1\frac{1}{12}$,于是 $\frac{18}{35}<\frac{31}{59}<\frac{13}{24}$。 (2)把分子统一为 $60$:$\frac{10}{17}=\frac{60}{102}$,$\frac{12}{19}=\frac{60}{95}$,$\frac{15}{23}=\frac{60}{92}$,$\frac{20}{33}=\frac{60}{99}$,$\frac{60}{101}$ 不变;分子相同分母越大越小:$\frac{60}{102}<\frac{60}{101}<\frac{60}{99}<\frac{60}{95}<\frac{60}{92}$,因此 $\frac{10}{17}<\frac{60}{101}<\frac{20}{33}<\frac{12}{19}<\frac{15}{23}$。
方法:(1) 同乘一个数转成带分数比较;(2) 通分子后比分母。
13. 比较下列分数的大小:(1)$\frac{12345}{56789}$ 与 $\frac{12346}{56790}$;(2)$\frac{20052005}{20062006}$ 与 $\frac{20052}{20062}$。
★★
中间分数(糖水)不等式 约分 分数大小比较 糖水不等式比较
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答案 (1)$\frac{12345}{56789}<\frac{12346}{56790}$;(2)$\frac{20052005}{20062006}<\frac{20052}{20062}$。
解题过程 利用性质:若 $\frac{a}{b}<\frac{c}{d}$,则 $\frac{a}{b}<\frac{a+c}{b+d}<\frac{c}{d}$(中间分数 / 糖水不等式)。 (1)因为 $\frac{12345}{56789}<1$,所以 $\frac{12345}{56789}<\frac{12345+1}{56789+1}=\frac{12346}{56790}$。 (2)$\frac{20052005}{20062006}=\frac{2005\times 10001}{2006\times 10001}=\frac{2005}{2006}=\frac{20050}{20060}<\frac{20050+2}{20060+2}=\frac{20052}{20062}$。
方法:运用 $rac{a}{b}<rac{a+c}{b+d}<rac{c}{d}$ 的“加同数”规律比较。
14. 比较下列分数的大小:(1)$\frac{22222}{99999}$ 与 $\frac{222}{999}$;(2)$\frac{222222}{99999}$ 与 $\frac{22222}{9999}$;(3)$\frac{22222}{999999}$ 与 $\frac{2222}{99999}$。
★★
约分提取公因数 倒数比较法 分数大小比较 特殊结构分数比较
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答案 (1)$\frac{22222}{99999}=\frac{222}{999}$(相等);(2)$\frac{222222}{99999}<\frac{22222}{9999}$;(3)$\frac{22222}{999999}>\frac{2222}{99999}$。
解题过程 (1)$$\begin{aligned}\frac{22222}{99999}&=\frac{2\times 11111}{9\times 11111}\\&=\frac{2}{9}\\&=\frac{2\times 111}{9\times 111}\\&=\frac{222}{999}\end{aligned}$$。 (2)$\frac{222222}{99999}=\frac{2}{9}\times\frac{111111}{11111}$,$\frac{22222}{9999}=\frac{2}{9}\times\frac{11111}{1111}$,只需比较 $\frac{111111}{11111}=10\frac{1}{11111}$ 与 $\frac{11111}{1111}=10\frac{1}{1111}$,前者较小,所以 $\frac{222222}{99999}<\frac{22222}{9999}$。 (3)同理 $\frac{22222}{999999}=\frac{2}{9}\times\frac{11111}{111111}$,$\frac{2222}{99999}=\frac{2}{9}\times\frac{1111}{11111}$,比较 $\frac{111111}{11111}$ 与 $\frac{11111}{1111}$ 的倒数关系可得 $\frac{22222}{999999}>\frac{2222}{99999}$。
方法:把循环型分数约分提取 $rac{2}{9}$,再比较剩余因子。
超越篇
1. 计算:$8\frac{12}{13}\times\frac{2}{19}+19\frac{2}{13}\times 13\frac{1}{19}$。
★★★★
带分数乘法 假分数计算 带分数乘加综合
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答案 $250\frac{18}{19}$。
解题过程 化为假分数后计算:$8\frac{12}{13}=\frac{116}{13}$,$19\frac{2}{13}=\frac{249}{13}$,$13\frac{1}{19}=\frac{248}{19}$,$$\begin{aligned}\text{原式}&=\frac{116}{13}\times\frac{2}{19}+\frac{249}{13}\times\frac{248}{19}\\&=\frac{116\times 2+249\times 248}{13\times 19}\\&=\frac{61984}{247}\\&=250\frac{18}{19}\end{aligned}$$。
方法:带分数统一化假分数后通分相加。
2. 计算:$\frac{363636}{363363}\times\frac{636636}{636363}$。
★★★★
数字结构观察 约分 因数分解 规律数字分数化简
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答案 $\frac{848}{847}$。
解题过程 提取重复数字的结构:$\frac{363636}{363363}=\frac{36\times 10101}{363\times 1001}$,$\frac{636636}{636363}=\frac{636\times 1001}{63\times 10101}$,相乘约分后得 $\frac{848}{847}$。
方法:识别 $abcabc=abc imes 1001$、$ababab=ab imes 10101$ 等结构后约分。
3. 计算:$\left[\left(\frac{1}{2}+\frac{1}{4}+\frac{1}{6}+\frac{1}{8}\right)-\left(\frac{1}{3}+\frac{1}{6}+\frac{1}{9}+\frac{1}{12}\right)\right]\div\left[\left(\frac{1}{4}+\frac{1}{8}+\frac{1}{12}+\frac{1}{16}\right)-\left(\frac{1}{5}+\frac{1}{10}+\frac{1}{15}+\frac{1}{20}\right)\right]$。
★★★★
提取公因数 整体代换 繁分数化简 整体代换约分
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答案 $3\frac{1}{3}$。
解题过程 提取公因数:$\frac{1}{2}+\frac{1}{4}+\frac{1}{6}+\frac{1}{8}=\frac{1}{2}\left(1+\frac{1}{2}+\frac{1}{3}+\frac{1}{4}\right)$,同理各括号都能提出 $\frac{1}{2},\frac{1}{3},\frac{1}{4},\frac{1}{5}$ 倍的 $S=1+\frac{1}{2}+\frac{1}{3}+\frac{1}{4}$。于是$$\begin{aligned}\text{分子}&=\left(\frac{1}{2}-\frac{1}{3}\right)S\\&=\frac{1}{6}S\end{aligned}$$,$$\begin{aligned}\text{分母}&=\left(\frac{1}{4}-\frac{1}{5}\right)S\\&=\frac{1}{20}S\end{aligned}$$,$$\begin{aligned}\text{原式}&=\frac{1}{6}S\div\frac{1}{20}S\\&=\frac{20}{6}\\&=3\frac{1}{3}\end{aligned}$$。
方法:发现各组都是同一调和和 $S$ 的倍数,提取公因数后 $S$ 约去。
4. 计算:$\left(\frac{1}{2}+\frac{1}{3}+\cdots+\frac{1}{10}\right)+\left(\frac{2}{3}+\frac{2}{4}+\cdots+\frac{2}{10}\right)+\left(\frac{3}{4}+\frac{3}{5}+\cdots+\frac{3}{10}\right)+\cdots+\left(\frac{8}{9}+\frac{8}{10}\right)+\frac{9}{10}$。
★★★★
按分母归类求和 等差数列求和 整体重排 双重求和重排
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答案 $22\frac{1}{2}$。
解题过程 按分母归类求和:分母为 $k$ 的各项分子为 $1,2,\cdots,k-1$,其和为 $\frac{1+2+\cdots+(k-1)}{k}=\frac{k-1}{2}$($k=2,3,\cdots,10$)。故$$\begin{aligned}\text{原式}&=\sum_{k=2}^{10}\frac{k-1}{2}\\&=\frac{1+2+\cdots+9}{2}\\&=\frac{45}{2}\\&=22\frac{1}{2}\end{aligned}$$。
方法:调换求和顺序,按相同分母合并,每组分子之和用等差数列公式。
5. 已知 $A=\frac{2008}{2007}+\frac{2007}{2008}$,$B=\frac{2006}{2005}+\frac{2005}{2006}$,试比较 $A,\ B$ 的大小。
★★★★
拆分为整数加分数 作差比较 约分 对称分数和比较
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答案 $A<B$。
解题过程 $$\begin{aligned}A&=\left(1+\frac{1}{2007}\right)+\left(1-\frac{1}{2008}\right)\\&=2+\frac{1}{2007}-\frac{1}{2008}\\&=2+\frac{1}{2007\times 2008}\end{aligned}$$;同理 $B=2+\frac{1}{2005\times 2006}$。因为 $\frac{1}{2007\times 2008}<\frac{1}{2005\times 2006}$,所以 $A<B$。
方法:将每个和拆成 $2+rac{1}{n(n+1)}$,比较余项大小。
6. $A=\left(\frac{1}{2001}+\frac{1}{2003}\right)\times 1001$,$B=\left(\frac{1}{2005}+\frac{1}{2007}\right)\times 1003$,$C=\left(\frac{1}{2009}+\frac{1}{2011}\right)\times 1005$,请将 $A,\ B,\ C$ 按从大到小的顺序排列起来。
★★★★
拆分化简 作差比较 约分 对称分数和比较
显示答案 / 解析
答案 $A>B>C$。
解题过程 $A=\frac{1001}{2001}+\frac{1001}{2003}$,$$\begin{aligned}A\times 2&=\frac{2002}{2001}+\frac{2002}{2003}\\&=2+\frac{1}{2001}-\frac{1}{2003}\\&=2+\frac{2}{2001\times 2003}\end{aligned}$$,故 $A=1+\frac{1}{2001\times 2003}$;同理 $B=1+\frac{1}{2005\times 2007}$,$C=1+\frac{1}{2009\times 2011}$。因为 $\frac{1}{2001\times 2003}>\frac{1}{2005\times 2007}>\frac{1}{2009\times 2011}$,所以 $A>B>C$。
方法:把每个量化简成 $1+rac{1}{n(n+2)}$,比较余项分母。
7. 计算:$\left[\frac{2+3+4}{1}-\frac{3+4+5}{2}+\frac{4+5+6}{3}-\frac{5+6+7}{4}+\cdots+\frac{10+11+12}{9}-\frac{11+12+13}{10}\right]\div\left(1-\frac{1}{2}+\frac{1}{3}-\frac{1}{4}+\cdots+\frac{1}{9}-\frac{1}{10}\right)$。
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拆项 整体约分 正负抵消 拆项约分
显示答案 / 解析
答案 $6$。
解题过程 每一项 $\frac{(k+1)+(k+2)+(k+3)}{k}=\frac{1+2+3}{k}+3$。代入被除式,常数 $+3,-3,+3,\cdots$ 两两抵消,剩下 $(1+2+3)\times\left(1-\frac{1}{2}+\frac{1}{3}-\cdots-\frac{1}{10}\right)$。它除以 $\left(1-\frac{1}{2}+\frac{1}{3}-\cdots-\frac{1}{10}\right)$ 即得 $1+2+3=6$。
方法:把每个分子拆成“定值 $\times\frac1k$ 加常数”,常数项交错抵消,提取公共括号约分。
8. 计算:$(1\times 2+2\times 3)\times\left(\frac{1}{1\times 2}+\frac{1}{2\times 3}\right)+(2\times 3+3\times 4)\times\left(\frac{1}{2\times 3}+\frac{1}{3\times 4}\right)+\cdots+(19\times 20+20\times 21)\times\left(\frac{1}{19\times 20}+\frac{1}{20\times 21}\right)$。
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展开整理 裂项相消 数列求和 乘积型数列求和
显示答案 / 解析
答案 $78\frac{169}{210}$。
解题过程 设第 $n$ 项($n=1,2,\cdots,19$)为 $\big(n(n+1)+(n+1)(n+2)\big)\left(\frac{1}{n(n+1)}+\frac{1}{(n+1)(n+2)}\right)$,展开得 $2+\frac{n+2}{n}+\frac{n}{n+2}$。故原式 $=2\times 19+\sum_{n=1}^{19}\left(\frac{n+2}{n}+\frac{n}{n+2}\right)$,再逐项裂项($\frac{n+2}{n}=1+\frac{2}{n}$,$\frac{n}{n+2}=1-\frac{2}{n+2}$)化简,最终得 $78\frac{169}{210}$。
方法:对每项展开成 $2+rac{n+2}{n}+rac{n}{n+2}$,再裂项求和。
第2讲 整除
兴趣篇
1. 下面有 9 个自然数:$14,\ 35,\ 80,\ 152,\ 650,\ 434,\ 4375,\ 9064,\ 24125$。在这些自然数中,请问:(1)有哪些数能被 2 整除?哪些能被 4 整除?哪些能被 8 整除?(2)有哪些数能被 5 整除?哪些能被 25 整除?哪些能被 125 整除?
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能被 2、4、8 整除的特征 能被 5、25、125 整除的特征 整除性判断
显示答案 / 解析
答案 (1)被 2 整除:$14,80,152,650,434,9064$;被 4 整除:$80,152,9064$;被 8 整除:$80,152,9064$。(2)被 5 整除:$35,80,650,4375,24125$;被 25 整除:$650,4375,24125$;被 125 整除:$4375,24125$。
解题过程 能被 $2$、$5$ 整除的数的特征是个位数字能被 $2$、$5$ 整除;能被 $4$、$25$ 整除的数的特征是末两位能被 $4$、$25$ 整除;能被 $8$、$125$ 整除的数的特征是末三位能被 $8$、$125$ 整除。运用这些性质即可迅速得出答案。
方法:依据末位、末两位、末三位的整除特征逐一判断。
2. 有如下 9 个三位数:$452,\ 387,\ 228,\ 975,\ 525,\ 882,\ 715,\ 775,\ 837$。这些数中哪些能被 3 整除?哪些能被 9 整除?哪些能同时被 2 和 3 整除?
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能被 3、9 整除的特征 同时被 2 和 3 整除 整除性判断
显示答案 / 解析
答案 被 3 整除:$387,228,975,525,882,837$;被 9 整除:$387,882,837$;同时被 2 和 3 整除:$228$ 和 $882$。
解题过程 依次计算每个数的各位数字之和:$4+5+2=11$,$3+8+7=18$,$2+2+8=12$,$9+7+5=21$,$5+2+5=12$,$8+8+2=18$,$7+1+5=13$,$7+7+5=19$,$8+3+7=18$。根据 $3$ 和 $9$ 的整除特征可知:$387,228,975,525,882,837$ 能被 $3$ 整除;其中 $387,882,837$ 能被 $9$ 整除。能被 $3$ 整除的数中偶数是 $228$ 和 $882$,所以能同时被 $2$ 和 $3$ 整除的数是 $228$ 和 $882$。
方法:计算各位数字之和判断被 3、9 整除;再结合末位是否为偶数判断被 6 整除。
3. 有如下 4 个自然数:$2695,\ 1804,\ 1963,\ 23205$。这些数中哪些能被 11 整除?哪些能被 7 整除?哪些能被 13 整除?
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能被 7、11、13 整除的特征 三位截断法 整除性判断
显示答案 / 解析
答案 被 11 整除:$2695,1804$;被 7 整除:$2695,23205$;被 13 整除:$1963,23205$。
解题过程 用“三位截断法”,这四个数分别可化为:$693,803,962,182$。$693,803$ 能被 $11$ 整除,因此 $2695,1804$ 能被 $11$ 整除;$693,182$ 能被 $7$ 整除,因此 $2695,23205$ 能被 $7$ 整除;$962,182$ 能被 $13$ 整除,因此 $1963,23205$ 能被 $13$ 整除。
方法:用三位截断法把多位数化为较小的数,再判断其被 7、11、13 的整除性。
4. 一个三位数 $\overline{6\square4}$ 的十位数字未知。请分别根据下列要求找出“$\square$”中合适的取值:(1)如果要求这个三位数能被 3 整除,“$\square$”可能等于多少?(2)如果要求这个三位数能被 4 整除,“$\square$”可能等于多少?(3)这个三位数有没有可能同时被 3 和 4 整除?如果有可能,“$\square$”可能等于多少?
★★
能被 3 整除的特征 能被 4 整除的特征 数字补漏 数字谜/补漏
显示答案 / 解析
答案 (1)$2,5$ 或 $8$;(2)$0,2,4,6$ 或 $8$;(3)$2$ 或 $8$。
解题过程 (1)要使 $\overline{6\square4}$ 能被 $3$ 整除,只需使 $6+\square+4$ 能被 $3$ 整除,所以 $\square$ 可能等于 $2,5,8$。(2)要使 $\overline{6\square4}$ 能被 $4$ 整除,只需末两位 $\overline{\square4}$ 能被 $4$ 整除,所以 $\square$ 可能等于 $0,2,4,6,8$。(3)综合(1)和(2)可知,当 $\square$ 等于 $2$ 或 $8$ 时,$\overline{6\square4}$ 既能被 $3$ 整除,也能被 $4$ 整除。
方法:用各位数字之和判断被 3,用末两位判断被 4,取交集得同时整除的情形。
5. 四位数 $\overline{23\square5}$ 能被 11 整除,求出所有满足要求的四位数。
★★
能被 11 整除的特征 数字补漏 数字谜/补漏
显示答案 / 解析
答案 $2365$。
解题过程 要使 $\overline{23\square5}$ 能被 $11$ 整除,要求奇数位数字之和与偶数位数字之和的差 $(5+3)-(\square+2)=6-\square$ 能被 $11$ 整除,因此 $\square=6$,该四位数是 $2365$。
方法:利用奇偶位数字和之差被 11 整除的特征求方框数字。
6. 新学年开学了,同学们要改穿新的校服。萱萱收了 9 位同学的校服费(每人交的钱一样多)交给老师。老师给了萱萱一张纸条,上面写着“交来校服费 $\overline{2\square38}$ 元”,其中有一滴墨水,把方格处的数字污染得看不清了。墨莫看了看,很快就算出了方格处的数字。聪明的读者们,你们能算出这个数字是多少吗?
★★
能被 9 整除的特征 数字补漏 数字谜/补漏 整除的实际应用
显示答案 / 解析
答案 $5$。
解题过程 依题意,$\overline{2\square38}$ 能被 $9$ 整除(因为 $9$ 人钱数相同,总钱数是 $9$ 的倍数),所以 $2+\square+3+8=13+\square$ 也能被 $9$ 整除,于是 $\square=5$。
方法:由总钱数是 9 的倍数,利用各位数字之和被 9 整除求出方框数字。
7. 四位数 $\overline{2\square9\square}$ 能同时被 3 和 5 整除,求出所有满足要求的四位数。
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能被 5 整除的特征 能被 3 整除的特征 数字补漏 数字谜/补漏
显示答案 / 解析
答案 $2190,\ 2490,\ 2790,\ 2295,\ 2595,\ 2895$。
解题过程 $\overline{2\square9\square}$ 能被 $5$ 整除,则个位数字为 $0$ 或 $5$,即四位数是 $\overline{2\square90}$ 或 $\overline{2\square95}$。若为 $\overline{2\square90}$,由它被 $3$ 整除得 $2+\square+9+0=11+\square$ 能被 $3$ 整除,$\square$ 等于 $1,4$ 或 $7$,得 $2190,2490,2790$;若为 $\overline{2\square95}$,由它被 $3$ 整除得 $2+\square+9+5=16+\square$ 能被 $3$ 整除,$\square$ 等于 $2,5$ 或 $8$,得 $2295,2595,2895$。
方法:先用被 5 整除确定个位,再用被 3 整除确定另一方框,分类讨论。
8. 四位偶数 $\overline{6\square4\square}$ 能被 11 整除,求出所有满足要求的四位数。
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能被 11 整除的特征 偶数的判断 数字补漏 数字谜/补漏
显示答案 / 解析
答案 $6842,\ 6644,\ 6446,\ 6248$。
解题过程 设这个四位数为 $\overline{6a4b}$,这个数能被 $11$ 整除,则 $(a+b)-(6+4)=(a+b)-10$ 能被 $11$ 整除。由于 $a$ 与 $b$ 是 $0\sim 9$ 中的数字,则 $0\leqslant a+b\leqslant 18$,因此 $a+b=10$。又要求是偶数,故 $b$ 为偶数,这个四位偶数可以是 $6842,6644,6446,6248$。
方法:由被 11 整除得奇偶位和之差关系,确定 $a+b=10$,再结合偶数条件枚举。
9. 一天,王经理去电信营业厅为公司安装一部电话。服务人员告诉他,目前只有形如“$\overline{1234\square6\square8}$”的号码可以申请。也就是说,在申请号码时,方框内的两个数字可以随意选择,而其余数字不得改动。王经理打算申请一个能同时被 8 和 11 整除的号码。请问:他申请的号码可能是多少?
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能被 8 整除的特征 能被 11 整除的特征 数字补漏 分类讨论 数字谜/补漏 整除的实际应用
显示答案 / 解析
答案 $12345608,\ 12341648,\ 12348688$。
解题过程 设八位数为 $\overline{1234a6b8}$,它能同时被 $8$ 和 $11$ 整除。根据被 $8$ 整除的特征,$\overline{6b8}$ 能被 $8$ 整除,则 $b$ 等于 $0,4$ 或 $8$。①若八位数为 $\overline{1234a608}$,由它被 $11$ 整除可知,$8+6+4+2=20$ 与 $0+a+3+1=a+4$ 的差能被 $11$ 整除,故 $20-(a+4)=11$,$a=5$,此时八位数为 $12345608$。②若八位数为 $\overline{1234a648}$,则 $20$ 与 $4+a+3+1=a+8$ 的差能被 $11$ 整除,故 $20-(a+8)=11$,$a=1$,此时八位数为 $12341648$。③若八位数为 $\overline{1234a688}$,则 $20$ 与 $8+a+3+1=a+12$ 的差能被 $11$ 整除,故 $20-(a+12)=0$,$a=8$,此时八位数为 $12348688$。
方法:先用末三位被 8 整除确定个位附近数字,再用被 11 整除分类确定另一方框。
10. 一个各位数字互不相同的四位数能被 9 整除,把它的个位数字去掉后剩下一个三位数,这个三位数能被 4 整除。这个四位数最大是多少?
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能被 9 整除的特征 能被 4 整除的特征 各位数字互不相同 最值分析 数字谜/补漏 整除与最值
显示答案 / 解析
答案 $9846$。
解题过程 设这个四位数为 $\overline{abcd}$,它能被 $9$ 整除,其中 $\overline{abc}$ 能被 $4$ 整除。要使 $\overline{abc}$ 能被 $4$ 整除,只需使它的末两位 $\overline{bc}$ 能被 $4$ 整除,而 $a$ 可以随便取值。这样,可以取 $a=9$,此时 $b$ 最大为 $8$,由 $\overline{abc}$ 能被 $4$ 整除可知,$c$ 最大为 $4$(注意各位数字互不相同这个条件),这样 $\overline{abc}$ 就等于 $984$。最后考虑 $d$,$\overline{984d}$ 能被 $9$ 整除,也就是 $9+8+4+d=21+d$ 能被 $9$ 整除,$d$ 只能取 $6$。综上所述,这个四位数最大为 $9846$。
方法:从高位到低位逐位取最大值,兼顾被 4、被 9 整除及数字互不相同的约束。
拓展篇
1. 判断下面 11 个数的整除性:$23487,\ 3568,\ 8875,\ 6765,\ 5880,\ 7538,\ 198954,\ 6512,\ 93625,\ 864,\ 407$。(1)这些数中,有哪些数能被 4 整除?哪些数能被 8 整除?(2)哪些数能被 25 整除?哪些数能被 125 整除?(3)哪些数能被 3 整除?哪些数能被 9 整除?(4)哪些数能被 11 整除?
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能被 4、8 整除的特征 能被 25、125 整除的特征 能被 3、9 整除的特征 能被 11 整除的特征 整除性判断
显示答案 / 解析
答案 (1)被 4 整除:$3568,5880,6512,864$;被 8 整除:$3568,5880,6512,864$。(2)被 25 整除:$8875,93625$;被 125 整除:$8875,93625$。(3)被 3 整除:$23487,6765,5880,198954,864$;被 9 整除:$198954,864$。(4)被 11 整除:$6765,6512,407$。
解题过程 (1)末两位被 $4$ 整除则数能被 $4$ 整除,末三位被 $8$ 整除则数能被 $8$ 整除,得 $3568,5880,6512,864$。(2)末两位被 $25$ 整除、末三位被 $125$ 整除,得 $8875,93625$。(3)各位数字之和被 $3$、$9$ 整除:被 $3$ 整除的有 $23487,6765,5880,198954,864$,其中被 $9$ 整除的有 $198954,864$。(4)由奇偶位数字和之差被 $11$ 整除得 $6765,6512,407$。(注:答案区原图被 4 整除一行将 $3568$ 误印为 $3558$,应以原题中的 $3568$ 为准。)
方法:综合运用各种整除特征逐一判断。
2. $\overline{173\square}$ 是一个四位数。数学老师说:“我在其中的方框内先后填入 3 个数字,得到 3 个四位数,依次能被 9,11,8 整除。”问:数学老师在方框中先后填入的 3 个数字之和是多少?
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能被 9 整除的特征 能被 11 整除的特征 能被 8 整除的特征 数字补漏 数字谜/补漏
显示答案 / 解析
答案 $21$(先后填入 $9,8,6$,其和为 $7+8+6=21$)。
解题过程 $\overline{173\square}$ 的数字之和能被 $9$ 整除,即 $1+7+3+\square=11+\square$ 能被 $9$ 整除,所以第一次填入方框内的数字是 $7$。$\overline{173\square}$ 奇数位上数字之和为 $\square+7$,偶数位上数字之和为 $3+1=4$,它们相差 $\square+3$,要使这个差能被 $11$ 整除,所以 $\square$ 只能是 $8$,即第二次填入的数字是 $8$。因为 $\overline{173\square}$ 能被 $8$ 整除,所以 $\overline{73\square}$ 能被 $8$ 整除,直接做除法得到 $\square$ 中应填 $6$。数学老师先后填入的 $3$ 个数字之和是 $7+8+6=21$。
方法:分别用被 9、被 11、被 8 整除的特征逐次确定方框内数字,再求和。
3. 多位数 $\underbrace{3232\cdots32}_{n\text{个}32}1$ 能被 11 整除,满足条件的 $n$ 最小是多少?
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能被 11 整除的特征 周期数字串的奇偶位和 整除性与数字规律
显示答案 / 解析
答案 $10$。
解题过程 这个多位数的奇位和是 $3n+1$,偶位和是 $2n$,奇位和与偶位和的差是 $n+1$,要使它能被 $11$ 整除,$n$ 最小是 $10$。
方法:把循环数字串的奇位和、偶位和分别用 $n$ 表示,令其差被 11 整除求最小 $n$。
4. 五位数 $\overline{3\square07\square}$ 能同时被 11 和 25 整除。这个五位数是多少?
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能被 25 整除的特征 能被 11 整除的特征 数字补漏 数字谜/补漏
显示答案 / 解析
答案 $31075$。
解题过程 $\overline{3\square07\square}$ 能被 $25$ 整除,它的末两位就一定能被 $25$ 整除,于是 $\overline{7\square}$ 只能是 $75$,所以这个五位数为 $\overline{3\square075}$。$\overline{3\square075}$ 能被 $11$ 整除,它的奇数位数字之和为 $5+0+3=8$,偶数位数字之和为 $7+\square$,由 $(7+\square)-8=\square-1$ 能被 $11$ 整除得 $\square=1$,这个五位数是 $31075$。
方法:先用末两位被 25 整除定出末位,再用被 11 整除定出另一方框。
5. 牛叔叔给 45 名工人发完工资后,将总钱数记在一张纸上。但是记账的那张纸被香烟烧了两个洞,上面只剩下“$\overline{67\square8\square}$”,其中方框表示被烧出的洞。牛叔叔记得每名工人的工资都一样,并且都是整数元。请问:这 45 名工人的总工资有可能是多少元呢?
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能被 45 整除(即同时被 5 和 9 整除) 能被 5 整除的特征 能被 9 整除的特征 数字补漏 数字谜/补漏 整除的实际应用
显示答案 / 解析
答案 $67680$ 元或 $67185$ 元。
解题过程 $\overline{67\square8\square}$ 能被 $45$ 整除,即能同时被 $5$ 和 $9$ 整除。$\overline{67\square8\square}$ 能被 $5$ 整除,则末位数字为 $0$ 或 $5$,即四位(五位)数是 $\overline{67\square80}$ 或 $\overline{67\square85}$。若是 $\overline{67\square80}$,由它能被 $9$ 整除,所以 $6+7+\square+8+0=21+\square$ 能被 $9$ 整除,即 $\square=6$,工资总数可能是 $67680$ 元;若是 $\overline{67\square85}$,由它能被 $9$ 整除,所以 $6+7+\square+8+5=26+\square$ 能被 $9$ 整除,即 $\square=1$,工资总数可能是 $67185$ 元。
方法:把被 45 整除拆成被 5、被 9 整除,先定末位再定方框,分类讨论。
6. 六位数 $\overline{\square2008\square}$ 能同时被 9 和 11 整除。这个六位数是多少?
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能被 99 整除(即同时被 9 和 11 整除) 两位截断法 数字补漏 数字谜/补漏
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答案 $120087$。
解题过程 用两位截断法,把 $\overline{A2008B}$ 分成三段,就是 $\overline{A2}$、$00$、$\overline{8B}$,它们的和要能被 $99$ 整除(被 $9$ 和 $11$ 整除等价于被 $99$ 整除)。$\overline{A2}+00+\overline{8B}$ 只能是 $87+12=99$,所以原来的六位数是 $120087$。
方法:用两位截断法把六位数分成三段求和,令和被 99 整除求出方框数字。
7. 请从 $1,2,3,4,5,6,7$ 这 7 个数字中选出 5 个组成一个五位数,使它是 99 的倍数。这个五位数最大是多少?
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能被 99 整除(即同时被 9 和 11 整除) 能被 9 整除的特征 能被 11 整除的特征 最值分析 数字组合与整除 整除与最值
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答案 $65241$。
解题过程 首先考虑它的数字和能被 $9$ 整除。若从 $1,2,3,4,5,6,7$ 中选出 $5$ 个数,那么这 $5$ 个数的和最小为 $1+2+3+4+5=15$,最大为 $3+4+5+6+7=25$,所以要使这个和能被 $9$ 整除,它只能为 $18$。由于 $1+2+3+4+5+6+7=28$,要选 $5$ 个数就相当于从这 $7$ 个数中去掉两个数,去掉的两个数的和应该是 $10$,所以只能去掉 $3$ 和 $7$,或 $4$ 和 $6$。情况 1:去掉 $3$ 和 $7$,剩下的 $5$ 个数是 $1,2,4,5,6$,因为它能被 $11$ 整除,奇位和与偶位和之差能被 $11$ 整除,又两和相加等于 $18$,故奇位和与偶位和都是 $9$,奇数位的三个数是 $1,2,6$,偶数位是 $4,5$,此时五位数最大是 $65241$。情况 2:去掉 $4$ 和 $6$,剩下 $1,2,3,5,7$,同理奇数位的三个数是 $1,3,5$,偶数位是 $2,7$,此时五位数最大是 $57321$。综上,满足要求的五位数最大是 $65241$。
方法:先用数字和被 9 整除确定选数,再用被 11 整除确定奇偶位分配,比较取最大。
8. 卡莉娅写了一个两位数 59,墨莫写了一个两位数 89,他们让小高写一个一位数放在 59 与 89 之间拼成一个五位数 $\overline{59\square89}$,使得这个五位数能被 7 整除。请问:小高写的数是多少?
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能被 7 整除的特征 三位截断法 数字补漏 数字谜/补漏
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答案 $6$。
解题过程 $\overline{59\square89}$ 能被 $7$ 整除,用三位截断法(或直接试算)可得方框内填 $6$,即五位数 $59689$ 能被 $7$ 整除($59689=7\times 8527$)。
方法:用被 7 整除的特征(三位截断法)或逐一试算确定方框数字。
9. 已知 51 位数 $\underbrace{55\cdots5}_{25\text{个}5}\square\underbrace{99\cdots9}_{25\text{个}9}$ 能被 13 整除,中间方格内的数字是多少?
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能被 13 整除的特征 999999 与 13 的整除关系 化简长数 数字补漏 整除性与长数化简
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答案 $5$。
解题过程 这个数的位数太多,可以想办法使它变得简短一些。利用 $13$ 的整除特征:末三位 $999$ 与前面的数之差必须能被 $13$ 整除,即 $\underbrace{55\cdots5}_{25}\square\underbrace{99\cdots9}_{22}000$ 能被 $13$ 整除,于是 $\underbrace{55\cdots5}_{25}\square\underbrace{99\cdots9}_{19}$ 应能被 $13$ 整除(实际上相当于从原数中去掉了末尾的 $999999$,因 $999999$ 能被 $13$ 整除)。继续下去,每次去掉 $999999$,又因 $555555$、$5555550\cdots0$ 都能被 $13$ 整除,从首位每次去掉 $555555$,最后得到的 $5\square9$ 应能被 $13$ 整除。对 $\square$ 枚举可知 $559$ 能被 $13$ 整除,所以方格内所填数字是 $5$。
方法:利用 $999999$、$555555$ 等能被 13 整除,从首尾不断去掉,把长数化为 $\overline{5\square9}$ 求解。
10. (1)一个多位数(两位及两位以上),它的各位数字互不相同,并且含有数字 0。如果它能被 11 整除,那么这个多位数最小是多少?(2)一个多位数,它的各位数字之和为 13,如果它能被 11 整除,那么这个多位数最小是多少?
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能被 11 整除的特征 数字互不相同 各位数字之和 最值分析 整除与最值
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答案 (1)$209$;(2)$319$。
解题过程 (1)显然两位数不合要求。若这个数是三位数,可能是 $\overline{ab0}$ 或 $\overline{a0b}$。若为 $\overline{ab0}$,$\overline{ab0}$ 能被 $11$ 整除,则 $\overline{ab}$ 亦能被 $11$ 整除,此时 $a=b$,不合题意;若为 $\overline{a0b}$,$\overline{a0b}$ 能被 $11$ 整除,则 $a+b-0=a+b$ 能被 $11$ 整除,$a+b=11$,这个数最小是 $209$。(2)设这个数的奇位和为 $a$,偶位和为 $b$,依题意有 $a+b=13$,且 $a-b$(或 $b-a$)能被 $11$ 整除。由于 $a+b$ 是奇数,因此 $a-b$(或 $b-a$)也是奇数,且不大于 $13$,只能等于 $11$,因此 $a$ 与 $b$ 一个是 $12$,一个是 $1$。不难推得这个多位数最小是 $319$。
方法:按位数从小讨论,结合被 11 整除与数字约束推出奇偶位和,取最小数。
11. 用数字 $6,7,8$ 各两个,要组成能同时被 $6,7,8$ 整除的六位数。请写出一个满足要求的六位数。
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能被 6 整除(即同时被 2、3 整除) $\overline{abcabc}$ 能被 7(及 11、13)整除 能被 8 整除的特征 数字组合与整除
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答案 $768768$。
解题过程 要使这个数能被 $6$ 整除,只需能被 $2$ 和 $3$ 整除,由于六位数字之和为 $6+6+7+7+8+8=42$ 能被 $3$ 整除,因此只要末位是偶数,这个数就一定能被 $6$ 整除。这个数有 $6,7,8$ 各两个,容易想到形如 $\overline{abcabc}$ 的数能被 $7$ 整除,因此只需找到一个 $\overline{abc}$ 能被 $8$ 整除即可,不难发现 $768$ 符合条件。因此 $768768$ 是满足条件的一个六位数。
方法:利用 $\overline{abcabc}=\overline{abc}\times 1001$ 必被 7 整除,再找 $\overline{abc}$ 被 8 整除、整体被 6 整除。
12. 墨莫和小高玩一个数字游戏。墨莫先给一个三位数的百位与个位填好,然后小高来填写这张纸条的数字于三位数的十位。如果最后这个三位数能被 11 整除,那么小高获胜,否则墨莫获胜。墨莫想了一会,想到了一个必胜的办法。请问:墨莫想到的办法是什么?
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能被 11 整除的特征 博弈策略 奇偶位和之差 整除性博弈
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答案 使百位与个位的和为 10(这样无论小高在十位填什么,所成三位数都不能被 11 整除)。
解题过程 根据游戏规则,墨莫想要确保“奇位和与偶位和之差”不能被 $11$ 整除,而小高想尽办法要使得“奇位和与偶位和之差”能被 $11$ 整除。注意,墨莫所填的两个位置恰好都是奇数位,而小高所填的位置恰好是偶数位。墨莫所填两个数字之和为 $1$,最大是 $18$。①如果墨莫在百位与个位所填两数之和为 $0\sim 9$,则小高可填上与这个和相同的数字,那么就使奇位和与偶位和的差为 $0$,能被 $11$ 整除。②如果墨莫在百位与个位所填两数之和为 $11\sim 18$,则小高填这个和减去 $11$ 后的差就可证三位数能被 $11$ 整除。比如,墨莫所填的两数之和为 $12$,那么小高在十位上填入 $12-11=1$ 即可。③如果墨莫在百位与个位所填两数之和为 $10$,那么不管小高在十位填的是几,他所填的数与 $10$ 的差都不能被 $11$ 整除,所以得到的三位数也不能被 $11$ 整除。因此墨莫必胜的填法为:使百位与个位的和为 $10$。
方法:分析奇偶位和之差,让百位与个位之和为 10,使十位无论怎么填都无法被 11 整除。
13. 对于一个自然数 $N$,如果具有以下的性质就称为“破坏数”:把它添加到任何一个自然数的右端,形成的新数都不能被 $N+1$ 整除。请问:一共有多少个不大于 10 的破坏数?
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整除的概念 奇偶性分析 末位与整除 整除性质探究
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答案 $6$ 个(它们是 $1,3,4,5,7,9$)。
解题过程 所有的奇数都是破坏数,因为奇数放在任何自然数的右边都是奇数,不可能被偶数整除。再看偶数:$4$ 是破坏数,因为末位是 $4$ 的数不可能被 $5$ 整除。$2,6,8,10$ 都不是破坏数,因为 $12,56,18,110$ 可以分别被 $3,7,9,11$ 整除。所以不大于 $10$ 的破坏数一共有 $6$ 个,它们分别是 $1,3,4,5,7,9$。
方法:按奇偶性逐一验证:奇数全是破坏数,偶数需逐个检验是否存在反例。
14. 一个五位数,它的末三位为 999。如果这个数能被 23 整除,那么这个五位数最小是多少?
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整除与乘法竖式(数字谜) 末位分析 最值分析 数字谜/竖式 整除与最值
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答案 $20999$。
解题过程 将这道题转化成数字谜:设这个五位数为 $\overline{\square\square 999}$,可写成 $23$ 乘以某个数。把它列成竖式 $23\times\overline{\square\square\square}=\overline{\square\square 999}$,竖式中的“$\cdots$”表示不能确定是否存在的数字。要使积的末位为 $9$,乘数个位为 $3$;再依次分析,可得乘数十位应填 $1$,百位应填 $9$,所以这个乘数最小等于 $913$。因此这个五位数最小可以是 $23\times 913=20999$。
方法:转化为 $23\times\overline{\square\square\square}=\overline{\square\square999}$ 的乘法竖式,从末位逐位推出乘数。
超越篇
1. 在所有各位数字互不相同的五位数中,能被 45 整除的数最小是多少?
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能被 45 整除(即同时被 5 和 9 整除) 各位数字互不相同 最值分析 逐位调整 整除与最值
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答案 $10395$。
解题过程 根据分析,应该先让这个五位数的前几位尽量小。前四位最小是 $1023$,要让这个五位数能被 $5$ 整除,个位只能是 $5$,但是 $10235$ 并不能被 $9$ 整除,不满足要求。接着要在此基础上调整,应该尽量保持让高位小一些,先调整低位。前三位保持不变是 $102$,要让这个五位数能被 $5$ 整除,个位也只能是 $5$。这时,五位数变为了 $\overline{102\square5}$,要使它能被 $9$ 整除,容易算出 $\square$ 中只能填 $1$,有重复数字,不满足要求。前三位调整为 $103$,个位依然是 $5$。这时,五位数变为了 $\overline{103\square5}$,要使它能被 $9$ 整除,容易算出 $\square$ 中只能填 $9$,满足要求。因此要求的数就是 $10395$。
方法:从高位到低位尽量取小,结合被 5、被 9 整除和数字互不相同逐位调整求最小数。
2. 将自然数 $1,2,3,\cdots$ 依次写下去形成一个多位数“$123456789101112\cdots$”。当写到某个数 $N$ 时,所形成的多位数恰好第一次能被 90 整除,请问:$N$ 是多少?
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能被 90 整除(即同时被 9 和 10 整除) 能被 9 整除的特征 等差数列求和 数字串构造 整除性与数字串
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答案 $80$。
解题过程 这个多位数能被 $90$ 整除,则能被 $9$ 和 $10$ 整除。这个多位数末位必定为 $0$,因此 $N$ 的末位为 $0$。要使 $123456789101112\cdots N$ 能被 $9$ 整除,只需 $1+2+3+\cdots+N=\dfrac{N(N+1)}{2}$ 能被 $9$ 整除(因为多位数各位数字之和等于 $1+2+\cdots+N$)。将 $10,20,30,\cdots$ 依次尝试可知 $N$ 是 $80$。
方法:用末位为 0 确定 $N$ 的末位,用数字和 $\frac{N(N+1)}{2}$ 被 9 整除逐个尝试。
3. 萱萱的爸爸买回来两箱杯子。两个箱子上各贴有一张价签,分别写着“总价 $117.\square\triangle$ 元”、“总价 $127.\bigcirc\diamondsuit$ 元”($\square,\triangle,\bigcirc,\diamondsuit$ 四个数字已辨认不清,但是它们互不相同)。爸爸告诉萱萱,其中一箱装了 99 只 $A$ 型杯子,另一箱装了 75 只 $B$ 型杯子,每只杯子的价格都是整数分。但是爸爸记不清每个价签具体是多少钱,也不记得哪个箱子装的是 $A$ 型杯子、哪个箱子装的是 $B$ 型杯子了。同学们,你能像萱萱一样把价签上的数分辨出来吗?
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能被 99 整除(即同时被 9 和 11 整除) 能被 75 整除(即同时被 25 和 3 整除) 两位截断法 数字补漏与分类讨论 数字谜/补漏 整除的实际应用
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答案 $\square\triangle=81$,$\bigcirc\diamondsuit=50$,即两张价签分别为 $117.81$ 元和 $127.50$ 元。
解题过程 依题意,$11781$ 分(或 $11700+\overline{\square\triangle}$)与 $12700+\overline{\bigcirc\diamondsuit}$ 分,一个能被 $99$ 整除($A$ 型 99 只),另一个能被 $75$ 整除($B$ 型 75 只)。以下分两种情况讨论:①$\overline{127\bigcirc\diamondsuit}$(即 $12700+\overline{\bigcirc\diamondsuit}$,单位分)能被 $99$ 整除,用两位截断法 $1+27+\overline{\bigcirc\diamondsuit}$ 能被 $99$ 整除,得 $\overline{\bigcirc\diamondsuit}=71$;$\overline{117\square\triangle}$ 能被 $75$ 整除,即能被 $25$ 和 $3$ 整除,则 $\overline{\square\triangle}$ 可能是 $25,50$ 或 $75$,其中只有 $11775$ 能被 $3$ 整除,因此 $\overline{\square\triangle}=75$,但与 $\overline{\bigcirc\diamondsuit}=71$ 有数字重复,故情况①不合条件。②$\overline{117\square\triangle}$ 能被 $99$ 整除,则 $1+17+\overline{\square\triangle}$ 能被 $99$ 整除,$\overline{\square\triangle}=81$;$\overline{127\bigcirc\diamondsuit}$ 能被 $75$ 整除,则 $\overline{\bigcirc\diamondsuit}$ 可能是 $25,50$ 或 $75$,其中只有 $12750$ 能被 $3$ 整除,因此 $\overline{\bigcirc\diamondsuit}=50$。$\overline{\square\triangle}=81$、$\overline{\bigcirc\diamondsuit}=50$ 符合条件(四个数字互不相同)。
方法:把总价分别考虑被 99(99 只)、被 75(75 只)整除,分两种配对讨论,结合数字互不相同排除。
4. 小高在一张纸条上依次写下 $2,3,4,5,6,7$ 这 6 个数字,形成一个六位数。卡莉娅把这张纸条撕成了三节。这三节纸条上的数加起来得到的和(如图 2-1,三节纸条上的和为 $23+456+7=486$)能被 55 整除。请问:卡莉娅可能是在什么位置撕断的这张纸条?
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能被 55 整除(即同时被 5 和 11 整除) 个位分析 分类讨论 整除性与拆分
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答案 将纸条撕成了 $2,\ 3456,\ 7$(即三段为 $2$、$3456$、$7$)。
解题过程 要使这三个数的和能被 $55$ 整除,只需能被 $5$ 和 $11$ 整除即可。首先要使和能被 $5$ 整除,因此和的个位为 $0$ 或 $5$。无论纸条如何撕,第三个数的个位一定是 $7$,因此前两数之和的个位等于 $3$ 或 $8$,只能是 $3+5$ 或 $2+6$。所以这三个数只能是 $23,45,67$,或 $2,3456,7$。还要求和能被 $11$ 整除,逐一验算即可:$23+45+67=135$ 不能被 $11$ 整除,而 $2+3456+7=3465$ 能被 $11$ 整除。所以卡莉娅一定是将纸条撕成了 $2,3456,7$。
方法:把被 55 整除拆成被 5、被 11 整除,先用个位限制撕法,再验算被 11 整除。
5. 将一个自然数 $N$ 接在任一自然数的右面(例如将 2 接在 13 的右面得到 132),如果所得的新数都能被 $N$ 整除,那么称 $N$ 为“神奇数”。请求出所有的两位“神奇数”。
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整除的概念与和差整除性 因数(约数) 数字串构造 整除性质探究
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答案 $10,\ 20,\ 25,\ 50$。
解题过程 考虑一个“神奇数”$\overline{ab}$,把它分别写在 $1,2,3,\cdots$ 的后面得到 $\overline{1ab},\overline{2ab},\overline{3ab},\overline{4ab},\cdots$,那么 $\overline{ab}$ 能分别整除这些数。先分析 $\overline{ab}$ 能整除 $\overline{1ab}$,注意 $\overline{1ab}=100+\overline{ab}$,根据和差整除性,$\overline{ab}$ 只需能整除 $100$ 就可以了。同理,$\overline{ab}$ 只需能整除 $200,300,400,\cdots$ 就能满足题目条件。因此只要一个数能整除 $100,200,300,400,\cdots$,那么这个数就是“神奇数”。很容易想到,只要这个数能整除 $100$,那么它一定能整除其他若干百的数,例如 $200,300,400,\cdots$。所以说,只要自然数 $N$ 能整除 $100$,就一定是“神奇数”。这样的两位数 $N$ 只能等于 $10,20,25$ 或 $50$。
方法:由和差整除性把条件归结为 $N$ 整除 100,再找 100 的两位约数。
6. 在六位数 $\overline{11\square\square11}$ 中的两个方框内各填入一个数字,使此数能被 17 和 19 整除。方框中的两位数是多少?
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能被 323(即同时被 17 和 19)整除 整除与乘法竖式(数字谜) 末位与估算 数字谜/竖式
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答案 $53$(六位数为 $115311$)。
解题过程 要使这个数能被 $17$ 和 $19$ 整除,只需它能被 $17\times 19=323$ 整除。因此需要找到一个数,使得它乘 $323$ 后得到的六位数末两位为 $11$,前两位也为 $11$,显然这是一个三位数。可以列出乘法竖式 $323\times\overline{\square\square\square}=\overline{11\square\square11}$。由末位分析可知乘数个位为 $7$,利用大小估计容易算出乘数百位为 $3$,代入算式后再看十位,可知乘数十位为 $5$,于是算得乘数为 $357$,原六位数为 $115311$,即方框中的两位数是 $53$。
方法:把被 17、19 整除化为被 323 整除,列乘法竖式 $323\times\overline{\square\square\square}$,逐位推出乘数。
7. 多位数 $A$ 由数字 $1,3,5,7,9$ 组成,每个数字都可以重复出现但至少出现一次,而且 $A$ 可以被 $A$ 中任意一个数字整除。求这样的 $A$ 的最小值。
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能被 5、7、9 整除 各位数字之和与被 9 整除 最值分析 枚举 数字组合与整除 整除与最值
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答案 $1117935$。
解题过程 依题意,$A$ 能被 $5,7,9$ 整除。$A$ 至少含有 $1,3,5,7,9$ 各一个,数字和至少是 $25$。由于 $A$ 是 $9$ 的倍数,其数字和也是 $9$ 的倍数,因此 $A$ 的数字和至少为 $27$,此时 $A$ 的数字是 $1,1,1,3,5,7,9$。由于 $A$ 是 $5$ 的倍数,因此末位数字为 $5$。从小到大枚举满足上面条件的几个数:$1113795,1113975,1117395,1117935,\cdots$,其中 $1117935$ 是第一个能被 $7$ 整除的。
方法:先定数字和为 27(被 9)确定数字构成,末位为 5(被 5),再从小到大枚举找被 7 整除者。
8. 有一些自然数,从左向右读与从右向左读是完全一样的,我们将这样的数称作“回文数”。比如 $2332,\ 181,\ 77$ 都是回文数。如果一个六位回文数除以 95 的商也是回文数,那么这个六位数是多少?
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回文数 能被 95 整除(即同时被 5 和 19 整除) 整除与数字谜 枚举 回文数与整除 数字谜
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答案 $527725$。
解题过程 这个六位数回文数是 $95$ 的倍数,则必为 $5$ 的倍数,由于它的末位与首位相同,不能为 $0$,因此只能是 $5$。题目可以转换成数字谜:$\overline{abba}\times 95=\overline{5cddc5}$。根据首位估计大小可知 $a$ 可能是 $5$ 或 $6$,再分析末位可知 $a$ 必为奇数,因此 $a=5$。将 $5005,5115,5225,5335,5445,5555,5665,5775,5885,5995$ 依次与 $95$ 相乘,只有 $5555\times 95=527725$ 的结果也是回文数,因此这个六位数是 $527725$。
方法:由被 5 整除定首末位为 5,转化为 $\overline{abba}\times 95$ 的数字谜,枚举验证商是否回文。
第3讲 质数与合数
兴趣篇
1. 请写出 $50$ 以内所有的质数。
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质数概念 质数判定 质数表的熟记
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答案 $2,3,5,7,11,13,17,19,23,29,31,37,41,43,47$。
解题过程 从小到大依次检验:$2,3,5,7,11,13,17,19,23,29,31,37,41,43,47$ 共 $15$ 个。它们都只有 $1$ 和本身两个因数,是 $50$ 以内的全部质数。
方法:按自然数顺序逐一判断是否只有两个因数。
2. (1)如果两个质数相加等于 $16$,这两个质数有可能等于多少?(2)如果两个质数相加等于 $25$,这两个质数有可能等于多少?(3)如果两个质数相加等于 $29$,这样的两个质数存在吗?
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质数概念 奇偶分析 拆数为质数之和 质数和的存在性
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答案 (1)$3+13$ 或 $5+11$;(2)$2+23$;(3)不存在。
解题过程 (1)$16$ 为偶数,可拆成两个奇质数之和:$3+13$ 或 $5+11$。 (2)$25$ 为奇数,两质数之和为奇必含一个偶质数 $2$,故 $25=2+23$,$23$ 是质数,符合。 (3)$29$ 为奇数,须含偶质数 $2$,但 $29-2=27$ 不是质数,所以不存在这样的两个质数。
方法:利用偶数=奇+奇、奇数=偶+奇,奇数拆和必含质数 2 来分类。
3. 有人说,“任何 $7$ 个连续整数中一定有质数”,请你举一个例子,说明这句话是错的。
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质数分布 举反例 反例构造
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答案 如 $90,91,92,93,94,95,96$ 这 $7$ 个连续整数全是合数。
解题过程 $100$ 以内最大的两个相邻质数是 $89$ 和 $97$,它们之间有 $97-89-1=7$ 个自然数,且都是合数:$90,91,92,93,94,95,96$。这 $7$ 个连续整数中没有质数,说明原话错误。
方法:找一段相邻质数之间的空隙作反例(89 与 97 之间)。
4. 请写出 $5$ 个质数,使得它们正好构成一个公差为 $12$ 的等差数列。
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质数判定 等差数列 等差质数列
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答案 $5,17,29,41,53$。
解题过程 从较小的质数开始逐一尝试:若以最小质数为 $2$ 或 $3$,则数列中很快出现合数。试取首项为 $5$:$5,17,29,41,53$,公差为 $12$,且五项都是质数,满足要求。
方法:枚举首项,逐项验证五个数都为质数。
5. 请把下面的数分解质因数:(1)$160$;(2)$598$;(3)$211$。
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分解质因数 短除法 质数判定
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答案 (1)$160=2^5\times 5$;(2)$598=2\times 13\times 23$;(3)$211$ 是质数。
解题过程 (1)$$\begin{aligned}160&=2\times 80\\&=2^5\times 5\end{aligned}$$。 (2)$$\begin{aligned}598&=2\times 299\\&=2\times 13\times 23\end{aligned}$$。 (3)$211$ 用 $2,3,5,7,11,13$ 试除都除不尽,且 $13^2=169<211<14^2=196$ 范围内无因数,故 $211$ 是质数。
方法:用短除法依次除以质数;判质数只需试除到不超过其平方根的质数。
6. 三个自然数的乘积为 $84$,其中两个数的和正好等于第三个数。请求出这三个数。
★★
分解质因数 因数组合 凑数 因数凑数问题
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答案 $3,4,7$。
解题过程 $84=2^2\times 3\times 7$。在它的因数中寻找“两数之和等于第三数”的组合:取 $3,4,7$,有 $3\times 4\times 7=84$ 且 $3+4=7$,满足要求。
方法:先分解质因数,再凑出满足“两数之和等于第三数”的因数组。
7. 用一个两位数除 $330$,结果正好能整除。请写出所有可能的两位数。
★★
分解质因数 求因数 整除 求因数问题
显示答案 / 解析
答案 $10,11,15,22,30,33,55,66$。
解题过程 $330=2\times 3\times 5\times 11$。下面找出 $330$ 的全部两位因数:$10,11,15,22,30,33,55,66$ 共 $8$ 个。它们都能整除 $330$。
方法:分解质因数后枚举满足两位数范围的因数。
8. 两个连续自然数的乘积是 $1190$,这两个数中较小的是多少?
★★
分解质因数 连续自然数乘积 估算 连续数乘积反求
显示答案 / 解析
答案 $34$。
解题过程 $1190=2\times 5\times 7\times 17$。把质因数重新组合成两个相邻的整数:$34\times 35=1190$,即 $34=2\times 17$,$35=5\times 7$。所以较小的数是 $34$。
方法:分解质因数后凑成两个相邻整数,或用 $\sqrt{1190}\approx 34$ 估算。
9. 请将 $2,5,14,24,27,55,56,99$ 这 $8$ 个数分成两组,使得这两组数的乘积相等。
★★
分解质因数 因数平衡分组 等积分组
显示答案 / 解析
答案 一组 $5,14,24,99$;另一组 $2,27,55,56$(两组乘积均为 $166320$)。
解题过程 先把各数分解质因数,统计两组乘积应相等需各含因数 $2^4\times 3^3\times 5\times 7\times 11$。$5$ 与 $55$ 含因数 $5$,须分在两组;$14,56$ 含因数 $7$,须分在两组;$99,27$ 含因数 $11/3$ 也须分开。据此配组:一组取 $5,14,24,99$,另一组取 $2,27,55,56$,两组乘积都等于 $166320$。
方法:分解质因数后,使两组各质因数的指数相同来平衡分组。
10. 请问:算式 $1\times 2\times 3\times\cdots\times 15$ 的计算结果的末尾有几个连续的 $0$?
★★
阶乘末尾零 因数2与5的个数 分解质因数 乘积末尾零个数
显示答案 / 解析
答案 $3$ 个。
解题过程 末尾 $0$ 的个数由乘积中因数 $2$ 与 $5$ 配对的个数决定,取较少者。$1\sim 15$ 中含因数 $5$ 的数为 $5,10,15$,共提供 $3$ 个因数 $5$;因数 $2$ 远多于 $5$。所以可配成 $3$ 对,末尾有 $3$ 个连续的 $0$。
方法:数清乘积中因数 5 的个数(因数 2 总是更多),取因数 5 的个数。
拓展篇
1. 一个两位质数的两个数字交换位置后,仍然是一个质数。请写出所有这样的质数。
★★
质数判定 数字交换 枚举 可逆质数
显示答案 / 解析
答案 $11,13,17,31,37,71,73,79,97$。
解题过程 列出备选的两位质数,逐个考查交换十位与个位后是否仍为质数。如 $13\leftrightarrow 31$、$17\leftrightarrow 71$、$37\leftrightarrow 73$、$79\leftrightarrow 97$ 都成立,$11$ 交换后不变也成立。所求为 $11,13,17,31,37,71,73,79,97$。
方法:枚举两位质数,检验交换数字后是否仍是质数。
2. $9$ 个连续的自然数中,最多有多少个质数?
★★
质数分布 奇偶与倍数分析 连续数中质数个数
显示答案 / 解析
答案 $4$ 个。
解题过程 连续 $9$ 个自然数中至少有 $4$ 个偶数(除 $2$ 外都是合数),且其中至少有 $3$ 个的个位是 $5$ 或为 $3$ 的倍数等情形,奇数中也会出现合数。综合分析,$9$ 个连续自然数中质数最多为 $4$ 个,例如 $1\sim 9$ 中有 $2,3,5,7$ 共 $4$ 个质数。
方法:用偶数、3 的倍数、5 的倍数排除合数,估计质数个数上界并举例达到。
3. (1)两个质数的和是 $39$,这两个质数的差是多少?(2)三个互不相同的质数相加,和为 $40$,这三个质数分别是多少?
★★
奇偶分析 质数和 拆数为质数 质数和差问题
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答案 (1)差为 $35$;(2)$2,7,31$(一组解)。
解题过程 (1)和 $39$ 为奇数,两质数中必有一个是偶质数 $2$,另一个为 $39-2=37$,故两数之差为 $37-2=35$。 (2)和 $40$ 为偶数,若三个质数都是奇数则和为奇,矛盾,故必含偶质数 $2$;剩下两质数之和为 $38$,可取 $7+31=38$,即 $2,7,31$。
方法:利用奇偶性确定必含偶质数 2,再求其余质数。
4. 请把下面的数分解质因数:(1)$360$;(2)$539$;(3)$373$;(4)$12660$。
★★
分解质因数 短除法 质数判定
显示答案 / 解析
答案 (1)$360=2^3\times 3^2\times 5$;(2)$539=7^2\times 11$;(3)$373$ 是质数;(4)$12660=2^2\times 3\times 5\times 211$。
解题过程 (1)$$\begin{aligned}360&=2^3\times 45\\&=2^3\times 3^2\times 5\end{aligned}$$。 (2)$$\begin{aligned}539&=7\times 77\\&=7^2\times 11\end{aligned}$$。 (3)$373$ 用不超过 $\sqrt{373}\approx 19$ 的质数试除均不整除,故是质数。 (4)$$\begin{aligned}12660&=2^2\times 3165\\&=2^2\times 3\times 1055\\&=2^2\times 3\times 5\times 211\end{aligned}$$。
方法:短除法逐次提取小质因数;判质数试除到平方根。
5. 有一些最简真分数,它们的分子与分母的乘积都等于 $140$。把所有这样的分数从小到大排列,其中第三个分数是多少?
★★
分解质因数 互质分解 最简真分数 互质分解构造分数
显示答案 / 解析
答案 $\frac{5}{28}$。
解题过程 最简真分数要求分子分母互质(无公共质因数)。把 $140=2^2\times 5\times 7$ 作互质分解,分子小于分母:最小者 $\frac{1}{140}$;其次 $$\begin{aligned}140&=(2^2)\times(5\times 7)\\&=4\times 35\end{aligned}$$,得 $\frac{4}{35}$;再次 $$\begin{aligned}140&=5\times(2^2\times 7)\\&=5\times 28\end{aligned}$$,得 $\frac{5}{28}$。所以第三个分数是 $\frac{5}{28}$。
方法:把 140 拆成两个互质的因数作分子分母,按分数值从小到大排列。
6. 小高在做一道计算两位数乘两位数的乘法题时,把一个乘数中的数字 $5$ 看成了 $8$,由此得乘积为 $1104$,正确的乘积是多少?
★★★
分解质因数 因数组合还原 看错数字问题 看错数字还原
显示答案 / 解析
答案 $1035$。
解题过程 $1104=2^4\times 3\times 23$。把它重新组合成两个两位数之积:$1104=23\times 48$,且 $48$ 中含数字 $8$,符合“看错的乘数”。把错看的 $48$ 还原(个位 $8$ 本应是 $5$)得 $45$,故另一个乘数为 $23$,正确乘积为 $23\times 45=1035$。
方法:分解质因数凑成两位数乘积,找出含被看错数字的乘数后还原。
7. 三个连续自然数的乘积等于 $39270$。这三个连续自然数的和等于多少?
★★★
分解质因数 连续自然数乘积 估算 连续数乘积反求
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答案 $102$。
解题过程 $39270$ 分解质因数含质因数 $17$。把质因数组合成三个相邻整数:$39270=33\times 34\times 35$(其中 $34=2\times 17$)。三数之和为 $33+34+35=102$。
方法:分解质因数后凑成三个相邻整数,可用 $\sqrt[3]{39270}\approx 34$ 估算中间数。
8. 甲、乙、丙三人打靶,每人打三枪。三人各自中靶的环数之积都是 $60$,且环数是不超过 $10$ 的自然数。把三个人按个人总环数由高到低排列,依次是甲、乙、丙。请问:靶子上 $4$ 环的那一枪是谁打的?
★★★
分解质因数 因数组合 排序推理 积一定的因数分组与排序
显示答案 / 解析
答案 丙。
解题过程 $60=2^2\times 3\times 5$,要把它写成三个不超过 $10$ 的自然数之积,含质因数 $5$ 的数只能是 $5$ 或 $10$。列出所有可能的三数组并算出其和(总环数):$\{10,6,1\}$ 和为 $17$、$\{10,3,2\}$ 和为 $15$、$\{5,2,6\}$ 和为 $13$、$\{5,4,3\}$ 和为 $12$。题目问“靶子上 $4$ 环的那一枪是谁打的”,可见一定有人打出了 $4$ 环,而含 $4$ 环的只有 $\{5,4,3\}$ 这一组,其和 $12$ 是四组中最小的,所以打出 $4$ 环的人总环数最低。按总环数由高到低排为甲、乙、丙,故这个人是丙。
方法:把 60 写成三个不超过 10 的因数之积,比较各组之和并按总环数排序。
9. $975\times 935\times 972\times\square$,要使这个连乘积的最后 $4$ 个数字是 $0$,方框内最小应填什么数?
★★★
末尾零个数 因数2与5的配对 分解质因数 末尾零补因数
显示答案 / 解析
答案 $20$。
解题过程 末尾 $4$ 个 $0$ 需要乘积中至少含 $4$ 个因数 $2$ 和 $4$ 个因数 $5$。$975=5^2\times 39$ 含 $2$ 个 $5$、$0$ 个 $2$;$935=5\times 11\times 17$ 含 $1$ 个 $5$;$972=2^2\times 243$ 含 $2$ 个 $2$。现有因数 $5$ 共 $3$ 个、因数 $2$ 共 $2$ 个。要使乘积末尾有 $4$ 个 $0$,方框内的数至少要补足 $4-3=1$ 个因数 $5$ 和 $4-2=2$ 个因数 $2$,即至少含 $2^2\times 5=20$。故最小填 $20$。
方法:统计已有因数 2、5 的个数,补足到各 4 个,取最小补充数。
10. (1)算式 $1\times 2\times 3\times\cdots\times 29\times 30$ 的计算结果的末尾有几个连续的 $0$?(2)算式 $31\times 32\times 33\times\cdots\times 150$ 的计算结果的末尾有几个连续的 $0$?
★★★
阶乘末尾零 因数5的个数 区间相减 区间连乘末尾零
显示答案 / 解析
答案 (1)$7$ 个;(2)$30$ 个。
解题过程 末尾零的个数等于乘积中因数 $5$ 的个数(因数 $2$ 更多)。 (1)$1\sim 30$ 中 $5$ 的倍数有 $30\div 5=6$ 个,$25$ 的倍数再多提供 $1$ 个,共 $6+1=7$ 个因数 $5$,故末尾 $7$ 个 $0$。 (2)先求 $1\sim 150$ 中因数 $5$ 的个数:$5$ 的倍数 $150\div 5=30$ 个,$25$ 的倍数 $150\div 25=6$ 个,$125$ 的倍数 $1$ 个,共 $30+6+1=37$ 个。再减去 $1\sim 30$ 部分的 $7$ 个,得 $37-7=30$ 个,故 $31\sim 150$ 连乘末尾有 $30$ 个 $0$。
方法:用 $\lfloor n/5\rfloor+\lfloor n/25\rfloor+\cdots$ 数因数 5;区间乘积用两端阶乘的零个数相减。
11. 请问:两个连续两位数乘积的末尾最多有几个连续的 $0$?
★★★
末尾零个数 连续自然数 因数2与5配对 连续数乘积末尾零
显示答案 / 解析
答案 $2$ 个。
解题过程 两个连续自然数中只有一个含质因数 $5$,要让末尾零尽量多,应让含 $5$ 的那个数含尽量多的 $5$,且另一个数含尽量多的 $2$。在两位数范围内,例如 $25\times 24$:$25=5^2$、$24=2^3\times 3$,乘积末尾恰有 $2$ 个 $0$($25\times 24=600$)。所以最多有 $2$ 个连续的 $0$。
方法:连续两数中只有一个含 5,使其含尽量多的 5,另一个含尽量多的 2。
12. 把从 $1$ 开始的若干个连续的自然数 $1,2,3,\cdots$ 乘到一起。已知这个乘积的末尾 $13$ 位恰好都是 $0$,请在乘积中出现的自然数最小应该是多少?
★★★
阶乘末尾零 因数5的累计计数 末尾零反求阶乘上界
显示答案 / 解析
答案 $55$。
解题过程 末尾 $13$ 个 $0$ 需要乘积中含 $13$ 个因数 $5$(因数 $2$ 足够)。统计 $1\sim n$ 中因数 $5$ 的个数:$1\sim 50$ 中有 $50\div 5=10$ 个 $5$ 的倍数,再加 $25,50$ 各多一个,共 $10+2=12$ 个;要达到 $13$ 个还差 $1$ 个,需要再乘进下一个 $5$ 的倍数 $55$(提供第 $13$ 个因数 $5$)。故乘积中出现的最大自然数最小为 $55$。
方法:累计因数 5 的个数,找到恰好达到 13 个时的最小上界。
13. $168$ 乘以一个大于 $1$ 的整数后得到一个平方数。乘的这个整数至少是多少?所得乘积又是多少数的平方?
★★★
分解质因数 完全平方数构造 指数奇偶 补因数成平方数
显示答案 / 解析
答案 至少乘 $42$,乘积是 $84$ 的平方。
解题过程 $168=2^3\times 3\times 7$,其中各质因数的指数 $3,1,1$ 均为奇数。要使乘积成为平方数,须把每个质因数的指数都补成偶数,至少再乘 $2\times 3\times 7=42$。此时 $$\begin{aligned}168\times 42&=2^4\times 3^2\times 7^2\\&=(2^2\times 3\times 7)^2\\&=84^2\end{aligned}$$,即 $84$ 的平方。
方法:把分解后指数为奇数的质因数各补一个,使全部指数变为偶数。
14. (1)$60$ 乘以一个三位数后,正好得到一个平方数,这个三位数是多少?(2)$72$ 乘以一个三位数后,正好得到一个立方数。这样的三位数一共有多少个?
★★★
分解质因数 完全平方数构造 立方数构造 指数整除性 补因数成平方数/立方数
显示答案 / 解析
答案 (1)$135$;(2)$3$ 个。
解题过程 (1)$60=2^2\times 3\times 5$,指数为奇数的是 $3$ 和 $5$,要成平方数须乘 $3\times 5=15$ 的奇数平方倍。最小须乘 $15$,得 $15\times 3^2=135$ 时 $$\begin{aligned}60\times 135&=2^2\times 3^4\times 5^2\\&=(2\times 3^2\times 5)^2\\&=90^2\end{aligned}$$,且 $135$ 是三位数。 (2)$72=2^3\times 3^2$。要成立方数,各质因数指数须为 $3$ 的倍数:$2$ 的指数已是 $3$,$3$ 的指数 $2$ 须补到 $3$ 的倍数,故所乘三位数形如 $3\times a^3$。由三位数限制 $3a^3\leqslant 999$,得 $a^3\leqslant 333$,故 $a=4,5,6$,对应三位数 $192,375,648$,共有 $3$ 个。
方法:调整各质因数指数:成平方数补到偶数倍,成立方数补到 3 的倍数,再筛选三位数。
超越篇
1. 如图 $3\text{-}1$,三张卡片上各印有一个数字(分别是 $7,8,9$)。从这三张卡片中选取一张或多张(每张最多选 $1$ 次)拼成质数,一共可以拼成多少个不同的质数?
★★
质数判定 数字拼组 整除特征(被3整除) 卡片拼质数
显示答案 / 解析
答案 $5$ 个。
解题过程 除 $2$ 以外的质数都是奇数,故拼成的质数个位只能是奇数($7$ 或 $9$;其中印 $9$ 的卡片倒过来可当作 $6$)。一位数中只有 $7$ 是质数。两位数中可拼出 $67,87,97,79,89$,其中 $87=3\times 29$ 是合数,其余 $67,97,79,89$ 都是质数。三位数由 $6,7,8$(或 $7,8,9$)组成,数字和为 $6+7+8=21$ 或 $7+8+9=24$,都是 $3$ 的倍数,故都是合数。综上,可拼成的质数共 $5$ 个:$7,67,79,89,97$。
方法:按位数分类,利用个位奇数与数字和被 3 整除的特征排除合数。
2. 用 $1,2,3,4,5,6,7,8,9$ 这 $9$ 个数字组成若干质数,要求每个数字恰好使用一次。请问:最多能组成多少个质数?请找出一种满足要求的组法。
★★
质数判定 数字分配 个位限制 数字组质数最多
显示答案 / 解析
答案 $6$ 个,如 $2,5,89,41,3,67$。
解题过程 个位是 $4,6,8$ 的数都是合数,不能单独作质数,要把 $4,6,8$ 放在十位或更高位。它们须与别的数字组成两位数或三位数。其中 $2,5$ 可作一位质数。经过调整可得一种组法:$2,5,89,41,3,67$,恰好用到 $1\sim 9$ 每个数字一次,且这 $6$ 个数都是质数。所以最多能组成 $6$ 个质数。
方法:把不能作质数个位的偶数字放到高位,组合成两位/三位质数,使质数个数最多。
3. 三个质数的乘积恰好等于它们的和的 $5$ 倍,这三个质数分别是多少?
★★★★
质数性质 因式分解 方程求整数解 质数乘积与和的方程
显示答案 / 解析
答案 $2,5,7$。
解题过程 设三个质数为 $A,B,C$,由乘积是和的 $5$ 倍,乘积是 $5$ 的倍数,故其中必有一个是 $5$,设 $C=5$。则 $5AB=5(A+B+5)$,即 $AB=A+B+5$,$AB-A-B+1=6$,$(A-1)(B-1)=6$。取 $A-1=1,B-1=6$ 得 $A=2,B=7$,均为质数。所以三个质数为 $2,5,7$。
方法:由乘积含 5 确定一个质数为 5,化为 $(A-1)(B-1)=6$ 求解。
4. 在射箭运动中,每射一箭得到的环数都是不超过 $10$ 的自然数。甲、乙两名运动员各射了 $5$ 箭,每人 $5$ 箭得到的环数的积都是 $1764$,但是甲的总环数比乙少 $4$ 环,求甲、乙各自的总环数。
★★★★
分解质因数 因数分组 和的比较 积一定的环数分组
显示答案 / 解析
答案 甲 $24$ 环,乙 $28$ 环。
解题过程 $1764=2^2\times 3^2\times 7^2$。要把它写成 $5$ 个不超过 $10$ 的自然数之积。把质因数组合成 $5$ 个数(可含 $1$)的不同方式,例如 $\{1,6,6,7,7\}$ 之和为 $27$,$\{2,2,9,7,7\}$ 之和为 $27$,$\{4,9,7,7,1\}$ 之和为 $28$,$\{2,3,6,7,7\}$、$\{3,4,3,7,7\}$ 之和为 $24$ 等。要使两组积相同而总和相差 $4$,取甲组之和 $24$、乙组之和 $28$,相差正好 $4$。故甲总环数为 $24$,乙总环数为 $28$。
方法:把 1764 分解后用不超过 10 的因数凑成 5 个数,找出两组之和相差 4 的方案。
5. 两名运动员进行一场乒乓球比赛,采用三局两胜制,每局先得 $11$ 分者为胜,如果打到 $10$ 平,则先多得 $2$ 分者为胜。结果三局比赛中,单方最高得分都不超过 $20$ 分,把每人每局得分乘在一起为 $480480$,各局比分是多少?(按大比小的方式写出)
★★★★
分解质因数 比赛规则约束 因数凑数 积一定的比分还原
显示答案 / 解析
答案 三局比分依次是 $16:14,\ 15:13,\ 11:1$。
解题过程 $480480$ 分解质因数为 $2^5\times 3\times 5\times 7\times 11\times 13$。三局两胜,故有一方赢两局;每局比分中胜方得分为 $11$(或在 $10$ 平后以多 $2$ 分取胜,故胜分为 $12\sim 20$)。分析各局胜负与不超过 $20$ 分的限制,把六个比分(每局两人得分)凑成乘积 $480480$,得到唯一满足条件的方案:$16:14$、$15:13$、$11:1$。
方法:结合三局两胜与 11 分制规则,把乘积分解成符合各局得分的因数。
6. 如图 $3\text{-}2$,把 $13,12,15,25,20$ 这 $5$ 个数依次排列,它们相邻的两个数相乘得 $4$ 个数,这 $4$ 个数每相邻的两个数相乘得 $3$ 个数,这 $3$ 个数每相邻的两个数相乘得 $2$ 个数,这 $2$ 个数相乘得 $1$ 个数。最后这个数的末位向左数,可以连续地数出几个 $0$?
★★★★
末尾零个数 因数2与5的加权计数 数阵规律 数阵连乘末尾零
显示答案 / 解析
答案 $10$ 个。
解题过程 末尾连续 $0$ 的个数由最终数中因数 $2$ 与 $5$ 的个数取较少者决定。在三角形数阵中,最顶层 $5$ 个数对最终积的贡献次数依次为 $1,4,6,4,1$(即各数被乘进最终积的次数)。把每个数含因数 $5$ 的个数按权 $1,4,6,4,1$ 累加:$13$ 含 $0$ 个 $5$,$12$ 含 $0$ 个 $5$,$15$ 含 $1$ 个 $5$,$25$ 含 $2$ 个 $5$,$20$ 含 $1$ 个 $5$,得 $5$ 的总数 $=6\times 1+4\times 2+1\times 1=15$。类似地算出因数 $2$ 的总个数,比较两者取较小,得末尾有 $10$ 个连续的 $0$。
方法:找出顶层各数被乘进最终积的次数(杨辉三角权重 1,4,6,4,1),按权累加因数 2、5 的个数取较小者。
7. 从 $1!,2!,3!,\cdots,100!$ 这 $100$ 个数中去掉一个数,使得剩下各数的乘积是一个完全平方数。请问:被去掉的那个数是什么?
★★★★★
阶乘配对 完全平方数 因式整理 去一项成平方数
显示答案 / 解析
答案 $50!$。
解题过程 把乘积配对:$1!\times 2!\times 3!\times\cdots\times 100!$。利用 $(2k-1)!\times(2k)!=[(2k-1)!]^2\times 2k$,把 $100$ 个阶乘两两配对($1!$ 与 $2!$,$3!$ 与 $4!$,……,$99!$ 与 $100!$),共 $50$ 对。每对乘积为一个平方数乘以 $2k$,于是全体乘积 $=(\text{平方数})\times(2\times 4\times 6\times\cdots\times 100)=(\text{平方数})\times 2^{50}\times 50!$。其中 $2^{50}$ 是平方数,故只需再去掉一个 $50!$,剩下即为完全平方数。所以去掉 $50!$。
方法:把相邻阶乘配对成平方数倍,余下偶数阶乘的连乘提出 $2^{50}\times 50!$,去掉 $50!$。
8. 已知对任意正整数 $n$ 都有公式 $1^2+2^2+\cdots+n^2=\dfrac{n\times(n+1)\times(2n+1)}{6}$,求分数 $\dfrac{1^2\times(1^2+2^2)\times(1^2+2^2+3^2)\times\cdots\times(1^2+2^2+\cdots+100^2)}{100!}$ 化成最简分数后的分母。
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平方和公式 连乘式化简 约分求最简分母 公式连乘化简求最简分母
显示答案 / 解析
答案 $72$。
解题过程 由公式 $1^2+2^2+\cdots+k^2=\dfrac{k(k+1)(2k+1)}{6}$,$$\begin{aligned}\text{分子}&=\prod_{k=1}^{100}\dfrac{k(k+1)(2k+1)}{6}\\&=\dfrac{(1\times 2\times\cdots\times 100)\times(2\times 3\times\cdots\times 101)\times(3\times 5\times\cdots\times 201)}{6^{100}}\end{aligned}$$。除以 $100!$ 后,约去一个 $\dfrac{1\times 2\times\cdots\times 100}{}$,化简得 $\dfrac{101!/1\times(3\times 5\times\cdots\times 201)}{6^{100}\times 100!}$,逐步约分后最简分数的分母为 $72$。
方法:用平方和公式把每个因子写成 $\frac{k(k+1)(2k+1)}{6}$,整体连乘后与 $100!$ 约分。
第4讲 包含与排除
兴趣篇
1. 某次练习共有 $2$ 道题,做对第一题的有 $40$ 人,这 $40$ 人中有 $13$ 人第 $2$ 题做错了,那么第 $1$ 题第 $2$ 题全对的共有多少人?
★
简单容斥 去重计数 两条件同时满足计数
显示答案 / 解析
答案 $27$ 人。
解题过程 做对第一题的有 $40$ 人,其中 $13$ 人第二题做错,所以两题全对的有 $40-13=27$(人)。
方法:从做对第一题的人中减去第二题做错的人。
2. 暑假里,萱萱和小高一起讨论“金陵十八景”。他们发现十八景中的每一处都有人去过,而且有五处是两人都去过的。如果萱萱去过其中的十二景,那么小高去过其中的几景?
★★
两个对象的容斥原理 并集已知求其一 并集已知的容斥
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答案 $11$ 景。
解题过程 由容斥原理,两人去过的处数之和减去都去过的处数等于总处数 $18$,所以小高去过 $18+5-12=11$(景)。
方法:利用 $A+B-A\cap B=$ 总数,反解出 $B$。
3. 在一群小朋友中,有 $12$ 人看过动画片《黑猫警长》,有 $21$ 人看过动画片《大闹天宫》,并且有 $8$ 人两部动画片都看过。请问:至少看过其中一部的小朋友有多少人?
★★
两个对象的容斥原理 并集计数
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答案 $25$ 人。
解题过程 由容斥原理,至少看过其中一部的有 $12+21-8=25$(人)。
方法:两部人数相加再减去都看过的人数。
4. 一群小朋友共有 $40$ 人,他们都喜欢吃馒头或者米饭中的一种或者两种,喜欢吃馒头的有 $30$ 人,两种都喜欢吃的有 $7$ 人,那么只喜欢吃米饭的有多少人?
★★
两个对象的容斥原理 只属于一个集合的计数 只满足其中一条件计数
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答案 $17$ 人。
解题过程 喜欢吃米饭的人数为 $$\begin{aligned}40-(30-7)&=40-23\\&=17\end{aligned}$$,即只喜欢吃米饭的有 $40-30+7=17$(人)。
方法:总人数减去只喜欢馒头的人数,得到喜欢米饭的,再说明只吃米饭即此结果。
5. 五年级一班 $45$ 个学生参加期末考试,成绩公布后,数学得满分的有 $10$ 人,数学及语文均得满分的有 $3$ 人,这两科都没有得满分的有 $29$ 人。请问:语文得满分的有多少人?
★★
两个对象的容斥原理 补集思想 含补集的容斥
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答案 $9$ 人。
解题过程 全班 $45$ 人,两科都没得满分的有 $29$ 人,所以至少有一科得满分的有 $45-29=16$(人)。其中数学得满分 $10$ 人、数学及语文都满分 $3$ 人。设语文得满分的有 $x$ 人,则 $10+x-3=16$,得 $x=9$。即语文得满分的有 $9$ 人(方法二:根据容斥原理 $45-29+3-10=9$ 人)。
方法:先由补集求出至少一科满分的人数,再用容斥反解语文满分人数。
6. 如图 $4-1$,已知甲、乙、丙三个圆的面积均为 $30$,甲与乙、乙与丙、甲与丙重合部分的面积分别为 $6,8,5$,同时被这三个圆覆盖的部分的面积为 $2$。请问:(1)只被甲或乙覆盖,而没被丙覆盖的部分的面积是多少?(2)只被这 $3$ 个圆中某一个圆覆盖的部分的面积是多少?
★★
三个对象的容斥原理 文氏图分区计算 三集合分区面积计数
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答案 (1)$43$;(2)$58$。
解题过程 在文氏图中给各部分标注记号。同时被三个圆覆盖的部分(三圆公共)面积为 $2$。甲与乙重合部分面积为 $6$,故只属于甲、乙重合(不含丙)的部分面积为 $6-2=4$;同理甲、丙重合(不含乙)的部分面积为 $5-2=3$,乙、丙重合(不含甲)的部分面积为 $8-2=6$。由每个圆面积均为 $30$,可求出只被甲覆盖的部分①面积为 $30-4-3-2=21$,只被乙覆盖的部分⑤面积为 $30-4-6-2=18$,只被丙覆盖的部分⑦面积为 $30-3-6-2=19$。(1)只被甲或乙覆盖、而没被丙覆盖的部分为①、甲乙重合(不含丙)、⑤,其面积之和为 $21+4+18=43$。(2)只被一个圆覆盖的部分面积为 $21+18+19=58$。
方法:用文氏图把三圆划分为各互斥小块,逐块求面积后按要求相加。
7. 在一个由 $30$ 人组成的合唱队中,每人都爱喝红茶、绿茶、花茶中的一种或者几种。其中有 $10$ 个人爱喝红茶,$12$ 个人不爱喝红茶却爱喝绿茶。请问:只爱喝花茶的有多少人?
★★
三个对象的容斥原理 补集与分区计数 三选一分区计数
显示答案 / 解析
答案 $8$ 人。
解题过程 要求只爱喝花茶的有多少人,也就是求不爱喝红茶且不爱喝绿茶的人数。因为有 $10$ 个人爱喝红茶,所以不爱喝红茶的有 $30-10=20$(人);这 $20$ 人中有 $12$ 人爱喝绿茶,剩下的既不爱喝红茶也不爱喝绿茶,即只爱喝花茶的有 $20-12=8$(人)。也即 $30-10-12=8$(人)。
方法:把“只爱喝花茶”转化为“既不爱红茶又不爱绿茶”,用补集逐步排除。
8. 光明小学五年级课外活动有体育、音乐、书法三个小组,参加的人数分别是 $54$ 人、$46$ 人、$36$ 人。同时参加体育小组和音乐小组的有 $4$ 人,同时参加体育小组和书法小组的有 $7$ 人,同时参加音乐小组和书法小组的有 $10$ 人,三组都参加的有 $2$ 人。光明小学五年级参加课外活动的一共有多少人?
★★
三个对象的容斥原理 三集合并集计数
显示答案 / 解析
答案 $117$ 人。
解题过程 由三个对象的容斥原理:$$\begin{aligned}\text{参加人数}&=54+46+36-4-7-10+2\\&=117\end{aligned}$$(人)。
方法:套用 $A+B+C-($两两重叠$)+($三者重叠$)$ 公式。
9. 卫生部对 $120$ 种食物是否含有维生素 A、C、E 进行调查,结果发现:含有维生素 A 的有 $62$ 种,含有维生素 C 的有 $90$ 种,含有维生素 E 的有 $68$ 种,同时含有维生素 A 和 C 的有 $48$ 种,同时含有维生素 A 和 E 的有 $36$ 种,同时含有维生素 C 和 E 的有 $50$ 种,同时含有这三种维生素的有 $25$ 种。请问:(1)这三种维生素都不含的食物有多少种?(2)仅含维生素 A 的食物有多少种?
★★
三个对象的容斥原理 补集计数 单独区域计数 三集合补集与单区域计数
显示答案 / 解析
答案 (1)$9$ 种;(2)$3$ 种。
解题过程 (1)由三个对象的容斥原理,至少含一种维生素的食物有 $62+90+68-48-36-50+25=111$(种),所以三种都不含的有 $120-111=9$(种)。(2)在含有维生素 A 的 $62$ 种食物中,同时含有维生素 C 或维生素 E 的有 $48+36-25=59$(种),所以只含有维生素 A 的食物有 $62-59=3$(种)。
方法:用容斥求并集再求补集;用分区相减求“仅含某一种”的部分。
10. 操场上有 $50$ 名同学在跑步或跳绳,其中女生有 $18$ 名,跳绳的同学有 $31$ 名,跑步的男生有 $14$ 名。跳绳的女生有多少名?
★★
二维分类计数 列表法 二维表格计数
显示答案 / 解析
答案 $13$ 名。
解题过程 列表分析:男生一共 $50-18=32$(人),跑步的男生有 $14$ 人,所以跳绳的男生有 $32-14=18$(人);又跳绳的同学共 $31$ 人,所以跳绳的女生有 $31-18=13$(名)。
方法:按男女与跑步跳绳两维列表,利用合计逐格推算。
拓展篇
1. 在一个办公室里,有 $7$ 个人爱喝茶,$10$ 个人爱喝咖啡,$3$ 个人既爱喝茶又爱喝咖啡。如果每个人都至少爱喝茶或咖啡中的一种,那么这个办公室里共有多少人?
★★
两个对象的容斥原理 并集计数
显示答案 / 解析
答案 $14$ 人。
解题过程 运用容斥原理,共有 $7+10-3=14$(人)。
方法:两种人数相加再减去都爱喝的人数。
2. 某餐馆有 $27$ 道招牌菜,卡莉娅吃过其中的 $13$ 道,墨莉吃过其中的 $7$ 道,而且有 $2$ 道菜是两人都吃过的。请问:有多少道招牌菜是两人都没吃过的?
★★
两个对象的容斥原理 补集计数 并集与补集计数
显示答案 / 解析
答案 $9$ 道。
解题过程 至少被一人吃过的有 $13+7-2=18$(道)。两人都没吃过的有 $27-18=9$(道)。
方法:先用容斥求出至少一人吃过的,再用总数减去得到都没吃过的。
3. 五年级二班有 $40$ 名同学,其中有 $25$ 人没参加数学小组,有 $18$ 人参加航模小组,有 $10$ 人两个小组都参加。那么只参加了这两个小组之一的学生共有多少人?
★★
两个对象的容斥原理 只属于一个集合的计数 文氏图 恰好属于一个集合计数
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答案 $13$ 人。
解题过程 用文氏图分析。没参加数学小组的有 $25$ 人,所以参加数学小组的有 $40-25=15$(人)。根据容斥原理,至少参加一个小组的有 $15+18-10=23$(人),因此只参加一个小组的有 $23-10=13$(人)。
方法:用文氏图分别求出只参加各组的人数。
4. 在 $1$ 至 $100$ 这 $100$ 个自然数中,既不能被 $2$ 整除也不能被 $3$ 整除的数有多少个?
★★
数论中的容斥原理 倍数计数 补集计数 倍数容斥计数
显示答案 / 解析
答案 $33$ 个。
解题过程 能被 $2$ 整除的数有 $\left[\frac{100}{2}\right]=50$ 个,能被 $3$ 整除的数有 $\left[\frac{100}{3}\right]=33$ 个,能同时被 $2,3$ 整除(即能被 $6$ 整除)的数有 $\left[\frac{100}{6}\right]=16$ 个。根据容斥原理,能被 $2,3$ 中的一个整除的数有 $50+33-16=67$(个),所以既不能被 $2$ 也不能被 $3$ 整除的数有 $100-67=33$(个)。
方法:分别数出 $2$、$3$ 的倍数,减去公倍数($6$ 的倍数),再求补集。
5. 渔乡小学举行长跑和游泳比赛,共 $305$ 人参加。参加长跑比赛的有 $150$ 名男生和 $90$ 名女生,参加游泳比赛的有 $120$ 名男生和 $70$ 名女生,有 $110$ 名男生两项比赛都参加了。请问:只参加游泳比赛而没参加长跑比赛的女生有多少人?
★★
二维容斥 文氏图分区计数 二维分层容斥
显示答案 / 解析
答案 $55$ 人。
解题过程 用文氏图分析,圆 $A$ 表示参加长跑比赛的,圆 $B$ 表示参加游泳比赛的,上半部分表示男生,下半部分表示女生。考虑男生:由条件知共有男生 $150+120-110=160$(人),这些是图的上半部分;又总人数为 $305$,所以共有女生 $305-160=145$(人)。其中有 $90$ 名女生参加了长跑比赛,所以只参加游泳而没参加长跑的女生有 $145-90=55$(人)。
方法:分男女两层用文氏图,先求男生重叠与女生总数,再扣除长跑女生。
6. 森林里有一群小白兔,每只小白兔都爱吃萝卜、白菜和青草中的一种或者几种。爱吃萝卜的小白兔有 $12$ 只不爱吃白菜,爱吃白菜的有 $23$ 只不爱吃青草,爱吃青草的小白兔有 $34$ 只不爱吃萝卜。如果三种食物都爱吃的小白兔有 $5$ 只,那么这群小白兔一共有多少只?
★★
三个对象的容斥原理 文氏图分区计数 三集合分区求总数
显示答案 / 解析
答案 $74$ 只。
解题过程 用文氏图分析:爱吃萝卜的小白兔不爱吃白菜的部分共 $12$ 只;爱吃白菜的小白兔不爱吃青草的部分共 $23$ 只;爱吃青草的小白兔不爱吃萝卜的部分共 $34$ 只;三种都爱吃的有 $5$ 只。以 $1$ 部分正好构成爱吃萝卜的全部,所以只需把各相加部分相加:$12+23+34+5=74$(只)。
方法:把三类“爱吃某种但不爱另一种”的部分与三者公共部分在文氏图上对应相加。
7. 三位基金经理投资若干只股票,张经理买过其中 $66$ 只,王经理买过其中 $40$ 只,李经理买过其中 $23$ 只,张经理和王经理都买过的有 $17$ 只,王经理和李经理都买过的有 $13$ 只,李经理和张经理都买过的有 $9$ 只,三个人都买过的有 $6$ 只。请问:这三位经理一共买过多少只股票?
★★
三个对象的容斥原理 三集合并集计数
显示答案 / 解析
答案 $96$ 只。
解题过程 运用三个对象的容斥原理,得 $66+40+23-17-13-9+6=96$(只)。
方法:套用三集合容斥公式(含两两重叠与三者重叠)。
8. 唐僧西天取经共历经了 $81$ 难,其中单独被过了 $3$ 难,与孙悟空一起渡过了 $77$ 难,与猪八戒一起渡过了 $65$ 难,与沙和尚一起渡过了 $62$ 难,同时与孙悟空和猪八戒一起渡过了 $64$ 难,同时与孙悟空和沙和尚一起渡过了 $61$ 难,同时与猪八戒和沙和尚一起渡过了 $60$ 难,请问:师徒四人共同渡过的有多少难?
★★★
多对象容斥原理 公共部分反解 多集合公共部分计数
显示答案 / 解析
答案 $59$ 难。
解题过程 至少有一个徒弟参与的难有 $81-3=78$(个)。根据容斥原理,得 $78=77+65+62-64-61-60+x$,其中 $x$ 表示四人共同渡过的难数,解得 $x=59$。因此师徒四人共同渡过的有 $78-19=59$(难)。
方法:去掉单独渡过的难,用三对象容斥列方程反解四人共同部分。
9. 培英学校有学生 $1000$ 人,有 $500$ 人订阅了《中国少年报》,有 $350$ 人订阅了《少年文艺》,有 $250$ 人订阅了《数学报》,至少订阅两种报刊的有 $400$ 人,三种报刊都订的有 $100$ 人。请问:培英学校有多少人没有订报?
★★
三个对象的容斥原理 重复计数修正 文氏图 至少两种型容斥
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答案 $400$ 人。
解题过程 用文氏图分析:至少订两种报刊的有 $400$ 人,三种报刊都订的有 $100$ 人,所以只订阅了两种报刊的人数为 $400-100=300$(人)。在 $500+350+250=1100$(人次)中,“只订两种报刊的人”被计算了 $2$ 次,“三种都订的人”被计算了 $3$ 次,所以订报的人数为 $1100-300-100\times2=600$(人)。没有订报的人数是 $1000-600=400$(人)。
方法:区分“恰好两种”“三种都订”,对总订阅次数去重得到订报人数,再求补集。
10. 五年级一班有 $46$ 名学生参加数学、语文、文艺三项课外小组,其中有 $24$ 人参加了数学小组,$20$ 人参加了语文小组,既参加数学小组又参加语文小组的有 $10$ 人。参加文艺小组的人数是既参加数学小组又参加文艺小组人数的 $3.5$ 倍,还是三项小组都参加的人数的 $7$ 倍;既参加文艺小组也参加语文小组的人数等于三项小组都参加的人数的 $2$ 倍。求参加文艺小组的人数。
★★
三个对象的容斥原理 倍数关系与方程 文氏图 带倍数关系的容斥
显示答案 / 解析
答案 $21$ 人。
解题过程 用文氏图分析(圆分别表示数学、语文、文艺)。设三项都参加的人数为 $1$ 份,则参加文艺小组的人数为 $7$ 份;既参加数学又参加文艺的人数为 $7\div3.5=2$ 份,既参加文艺又参加语文的人数为 $1\times2=2$ 份。于是“只参加文艺小组”的人数为 $7-2-2+1=4$ 份(其中三项都参加的 $1$ 份被两次扣减需加回一次)。又参加数学小组或语文小组的人数由容斥原理为 $24+20-10=34$(人),所以只参加文艺小组的有 $46-34=12$(人),它对应 $4$ 份,故 $1$ 份 $=3$ 人。从而参加文艺小组的人数为 $3\times7=21$(人)。
方法:设三项都参加的人数为未知数,用各倍数关系列方程,结合文氏图求文艺小组人数。
11. 学校举行棋类比赛,分为象棋、围棋和军棋三项,每人最多参加其中两项。根据报名情况,学校决定对象棋的前 $9$ 名、围棋的前 $10$ 名和军棋的前 $11$ 名发放奖品。请问:最少有几人获得奖品?
★★
最值型容斥 极端情形分析 最少人数型计数
显示答案 / 解析
答案 $15$ 人。
解题过程 每人最多参加两项,所以发奖品的名次 $9+10+11=30$ 份奖品中,每个人最多获得 $2$ 份。要使获奖人数最少,应让每人都恰好获得 $2$ 份,于是获奖人数最少为 $30\div2=15$(人)。所以最少有 $15$ 人获得奖品。
方法:总奖项数固定,按每人最多得 $2$ 份取最少人数。
12. 图书室有 $100$ 本书,借阅图书者需在图书上签名。已知这 $100$ 本书中有甲、乙、丙三人签名的分别有 $33$ 本、$44$ 本和 $55$ 本,其中同时有甲、乙签名的图书为 $29$ 本,同时有甲、丙签名的图书为 $25$ 本,同时有乙、丙签名的图书为 $36$ 本。问:这批图书中最少有多少本没有被甲、乙、丙中的任何一人借阅过?
★★
三个对象的容斥原理 最值型容斥 文氏图 最值型三集合容斥
显示答案 / 解析
答案 $33$ 本。
解题过程 总数中去掉甲、乙、丙都没借过的书,剩下的就是至少被一个人签名的书。由容斥原理,它等于 $33+44+55-29-25-36+(\text{三人都借过的数目})$。所以要使没借过的书最少,只需让“三人都借过”的数目最多。因为甲、丙都借过的书只有 $25$ 本,所以三人都借过的书不超过 $25$ 本。取 $25$ 本是可以实现的(此时甲、乙签名各小块为正:甲单独 $4$、乙单独 $4$、丙单独 $19$、甲乙不含丙 $4$、甲丙不含乙 $0$、乙丙不含甲 $11$、三者 $25$),此时被签过的书有 $33+44+55-29-25-36+25=67$(本),三人都没借过的书有 $100-67=33$(本)。所以最少有 $33$ 本没有被甲、乙、丙中的任何一人借阅过。
方法:在满足两两交集条件下让签名总数最大,从而使未签名的书最少。
13. 五年级三班有 $50$ 名学生,参加语文竞赛的有 $28$ 人,参加数学竞赛的有 $22$ 人,参加英语竞赛的有 $20$ 人。如果每人最多参加两科竞赛,那么该班未参加竞赛人数最多可能是多少人?
★★
最值型容斥 极端情形分析 最多未参加人数型计数
显示答案 / 解析
答案 $15$ 人。
解题过程 参加三个竞赛的总人次是 $28+22+20=70$,因为每人最多参加两科,所以至少有 $70\div2=35$ 人参加了竞赛。要使未参加竞赛人数最多,参加竞赛人数应最少,故参加的最少为 $35$ 人。未参加竞赛的人数最多为 $50-35=15$(人)。
方法:总人次固定,按每人最多参加两科求参加人数下界,再求未参加人数上界。
14. 甲、乙、丙三人都在读同一本故事书,书中有 $100$ 个故事。已知甲读过了 $85$ 个故事,乙读了 $70$ 个故事,丙读了 $62$ 个故事。(1)甲、乙、丙三人都读过的故事最少有多少个?(2)如果每个人都是从某一个故事开始,按顺序连续往后读,那么甲、乙、丙三人都读过的故事最少有多少个?
★★
重复计数与抽屉原理 最值型容斥 连续区间分析 最少公共部分计数 连续区间重叠
显示答案 / 解析
答案 (1)$17$ 个;(2)$32$ 个。
解题过程 (1)三人共读了 $85+70+62=217$(个)故事。若每个故事都被读了 $2$ 次,则共被读 $100\times2=200$ 次。因此至少有 $217-200=17$(个)故事被读了 $3$ 次(即三人都读过)。所以三人都读过的故事最少有 $17$ 个。(2)若甲读了前面 $85$ 个故事,乙读了前面 $70$ 个故事,丙读了后面 $62$ 个故事,则三人都读过的故事有 $32$ 个。对甲乙来说,无论他从第几个故事开始读,第 $16$ 至第 $85$ 个故事甲都读过;乙读了 $70$ 个故事,对乙若读前 $70$ 个则第 $1$ 至第 $70$ 个;丙读了 $62$ 个,可使三人公共部分最少。综合得三人都读过的故事最少有 $32$ 个。
方法:(1)用总读次数与每个故事最多被读次数估计公共部分下界;(2)取连续区间使公共部分最小。
超越篇
1. 森林里住着 $100$ 只小白兔,凡是不爱吃萝卜的小白兔都爱吃白菜。其中爱吃萝卜的小白兔数量是爱吃白菜的小白兔数量的 $2$ 倍。不爱吃白菜的小白兔数量是不爱吃萝卜的小白兔数量的 $3$ 倍。它们当中有多少只小白兔既爱吃萝卜又爱吃白菜?
★★
两个对象的容斥原理 倍数关系与方程 文氏图 带倍数关系的两集合容斥
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答案 $20$ 只。
解题过程 有小白兔 $100$ 只,①②③一共是 $100$ 只(①只爱萝卜、③既爱萝卜又爱白菜、②只爱白菜)。设爱吃萝卜的为 $①+③$,爱吃白菜的为 $②+③$,由“爱吃萝卜是爱吃白菜的 $2$ 倍”及“不爱吃白菜(①)是不爱吃萝卜(②)的 $3$ 倍”,列出关系 $①=3②$ 且 $(①+③)=2(②+③)$,得每份 $③=20$。所以既爱吃萝卜又爱吃白菜的小白兔恰好有 $20$(只)。
方法:用文氏图分三块设份数,依倍数关系列方程求交集。
2. 育才小学画展上展出了许多幅画,其中有 $16$ 幅画不是六年级的,有 $15$ 幅画不是五年级的,五、六年级共展出 $25$ 幅画。其他年级的画共有多少幅?
★★
两个对象的容斥原理 补集与方程 文氏图 补集条件型容斥
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答案 $3$ 幅。
解题过程 用文氏图分析,记①为五年级的画、②为六年级的画、③为其他年级的画。不是六年级的有 $16$ 幅,所以①③共 $16$ 幅;不是五年级的有 $15$ 幅,所以②③共 $15$ 幅。两式相减知①比②多 $1$ 幅。又五、六年级一共展出 $25$ 幅,即①②共 $25$ 幅,所以五年级有画 $(25+1)\div2=13$(幅),即①$=13$。从而其他年级的画③$=16-13=3$(幅)。
方法:把“不是某年级”转化为补集,结合两类总数列式求其他年级数。
3. DY有 $105$ 名男生和 $75$ 名女生参加数学竞赛,有 $95$ 名女生和 $85$ 名男生参加作文竞赛,参加这两项竞赛一共有 $280$ 名学生参加了竞赛。其中只参加数学竞赛的男生人数与只参加作文竞赛的女生人数相同,请问:只参加数学竞赛的女生有多少人?
★★
二维容斥 文氏图分区计数 相等条件方程 二维分层容斥
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答案 $40$ 人。
解题过程 用文氏图分析,圆 $A$ 表示参加数学竞赛、圆 $B$ 表示参加作文竞赛,上半部分表示男生、下半部分表示女生。参加数学竞赛的有 $105+75=180$(人),参加作文竞赛的有 $95+85=180$(人),两项竞赛一共有 $280$ 人,所以两项都参加的有 $180+180-280=80$(人)。其中女生两项都参加的部分记为⑤。有 $105$ 名男生参加数学、$95$ 名女生参加作文,由“只参加数学竞赛的男生人数与只参加作文竞赛的女生人数相同”可知男生两项都参加的部分③比女生两项都参加的部分⑤多 $105-95=10$(人);又③+⑤$=80$,所以⑤$=(80-10)\div2=35$(人)。又参加数学竞赛的女生共 $75$ 人,所以只参加数学竞赛的女生有 $75-35=40$(人)。
方法:分男女两层用文氏图,先求两项都参加人数,再用相等条件解只参加数学的女生数。
4. 小高和爸爸妈妈去芬兰旅游,他们照了很多照片。回家后,小高先把所有有自己像的照片放到自己的相册里,再把剩下的有妈妈像的照片放到妈妈的相册里,最后把剩下的照片放到爸爸的相册里。爸爸认为应该把所有有自己像的照片都放到自己相册里,于是从小高和妈妈的相册里一共拿出了 $37$ 张照片放到了自己的相册。妈妈不同意,又把放在小高和爸爸的相册里所有有自己像的 $45$ 张照片都拿出来放到了自己的相册。请问:究竟是妈妈和小高的合影多,还是爸爸和小高的合影多?多几张?
★★
三个对象的容斥原理 文氏图分区比较 重复计数 三集合区域比较
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答案 妈妈和小高的合影多,多 $8$ 张。
解题过程 用文氏图分析三人合影的各部分。小高和爸爸合影的部分①④,爸爸和小高合影的部分②⑤,妈妈和小高合影的部分②④。小高把自己相册中有爸爸像的照片 $37$ 张放回,又把放在小高和爸爸相册里所有有妈妈像的 $45$ 张照片放回妈妈相册。比较得:妈妈和小高的合影比爸爸和小高的合影多 $45-37=8$(张)。所以妈妈和小高的合影多,多 $8$ 张。
方法:用文氏图分清三类合影区域,比较两组合影对应区域之差。
5. 一次测验共有 $5$ 道试题,测试后统计如下:有 $81\%$ 的同学做对第 $1$ 题,有 $85\%$ 的同学做对第 $2$ 题,有 $91\%$ 的同学做对第 $3$ 题,有 $74\%$ 的同学做对第 $4$ 题,有 $79\%$ 的同学做对第 $5$ 题。如果做错了 $3$ 道或 $3$ 道以上试题的同学为考试不合格,请问:这次考试的合格率最多达百分之几?最少达百分之几?
★★★
最值型容斥 极端情形分析 抽屉原理 合格率最值 至少错若干题型
显示答案 / 解析
答案 最多 $100\%$,最少 $70\%$。
解题过程 假设有 $100$ 个同学参加测试,这 $100$ 人共答对 $81+85+91+74+79=410$(道)题,每人答对 $3$ 道题就算合格,而这 $410$ 道题最多能让全部 $100$ 人都合格,所以合格率最多为 $100\%$。下面给出一种实现:把答错的题集中。$100$ 人一共做错了 $90$ 道题,若每个不合格的人做错 $3$ 道,则最多有 $90\div3=30$ 人不合格。考虑反过来,不合格人数最多达到多少:对一个学生而言,他只要至少错了 $3$ 道题就不合格。一共错 $90$ 道题,最多能造成 $30$ 个人全部不合格,所以最少合格 $100-30=70$ 人,最少合格率为 $70\%$。
方法:用答对/答错总题数,分别构造使合格人数最多、最少的极端情形。
6. 五年级一班有 $22$ 人参加语文竞赛,$32$ 人参加数学竞赛,$27$ 人参加英语竞赛,其中同时参加语文竞赛和数学竞赛的有 $12$ 人,同时参加语文竞赛和英语竞赛的有 $14$ 人,同时参加数学竞赛和英语竞赛的有 $15$ 人。请问:五年级一班参加竞赛的总人数最少是多少?
★★★
三个对象的容斥原理 最值型容斥 公共部分的取值范围 最少总人数型容斥
显示答案 / 解析
答案 $44$ 人。
解题过程 根据容斥原理,$$\begin{aligned}\text{参加竞赛的人数}&=22+32+27-12-14-15+(\text{三科都参加的人数})\\&=40+(\text{三科都参加的人数})\end{aligned}$$。所以三科都参加的人数越小,总人数越少。对参加语文竞赛的人来说,他们当中还参加其他竞赛的人数是 $12+14-(\text{三科都参加})$,这个数显然不能多于语文竞赛的 $22$ 人,所以三科都参加的人数至少为 $12+14-22=4$(人)。当三科都参加的恰为 $4$ 人时可以实现,此时参加竞赛的总人数最少,为 $40+4=44$(人)。
方法:总人数随三者公共部分增大而减小,取公共部分最大值求总人数最小。
7. 在阳光明媚的一天下午,甲、乙、丙、丁四人给 $100$ 盆花浇水。已知甲浇了 $30$ 盆,乙浇了 $75$ 盆,丙浇了 $80$ 盆,丁浇了 $90$ 盆,请问:(1)恰好被 $3$ 个人浇过的花最少有多少盆?(2)恰好被 $1$ 个人浇过的花最多有多少盆?
★★★
多对象容斥原理 最值型容斥 浇水次数分配 覆盖次数最值 恰好被k人覆盖型计数
显示答案 / 解析
答案 (1)$15$ 盆;(2)$27$ 盆。
解题过程 (1)所有的花共被浇了 $30+75+80+90=275$ 次。要使被 $3$ 个人浇过的花最少,而被浇的总数还能达到 $275$ 次,那么要让被 $4$ 人浇过的尽可能地多,被 $4$ 人都浇过的花最多是 $30$ 盆,然后还剩 $275-30\times4=155$ 次浇水。继续分配使被 $3$ 人浇过的尽量少,计算得恰好被 $3$ 个人浇过的花最少有 $15$(盆)。(2)类似地,要让恰好被 $1$ 人浇过的花最多,调整分配方案,可得恰好被 $1$ 人浇过的花最多有 $27$(盆)。
方法:用浇水总次数固定的条件,构造极端分配方案求恰好被若干人浇过的花数的最值。
8. 一根 $1.8$ 米长的木棍,从左端开始每隔 $2$ 厘米划一个刻度,每隔 $3$ 厘米划一个刻度,每隔 $5$ 厘米划一个刻度,每隔 $7$ 厘米划一个刻度,如果按刻度把木棍截断,一共可以截成多少段小木棍?
★★★
四个对象的容斥原理 倍数计数 刻度与段数关系 多倍数容斥 刻度切割段数
显示答案 / 解析
答案 $139$ 段。
解题过程 此题可转化成求在 $1\sim180$ 中有多少个数是 $2,3,5$ 或 $7$ 的倍数。其中 $2$ 的倍数有 $90$ 个,$3$ 的倍数有 $60$ 个,$5$ 的倍数有 $36$ 个,$7$ 的倍数有 $25$ 个。同时是 $2,3$ 倍数的有 $30$ 个,同时是 $2,5$ 倍数的有 $18$ 个,同时是 $2,7$ 倍数的有 $12$ 个,同时是 $3,5$ 倍数的有 $12$ 个,同时是 $3,7$ 倍数的有 $8$ 个,同时是 $5,7$ 倍数的有 $5$ 个;同时是 $2,3,5$ 倍数的有 $6$ 个,同时是 $2,3,7$ 倍数的有 $4$ 个,同时是 $2,5,7$ 倍数的有 $2$ 个,同时是 $3,5,7$ 倍数的有 $1$ 个。运用四个对象的容斥原理,求出刻度个数后加 $1$,得到一共可以截成 $139$(段)小木棍。
方法:把刻度位置转化为 $2,3,5,7$ 倍数计数,用四对象容斥求刻度数,段数为刻度数加 $1$。
第5讲 行程问题四
兴趣篇
1. 一艘船在某条河流中顺水速度是每小时 $30$ 千米,逆水速度是每小时 $24$ 千米,那么这条河的水速每小时多少千米?
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流水行船 顺水速度与逆水速度 水速求法 流水行船求水速
显示答案 / 解析
答案 每小时 $3$ 千米。
解题过程 顺水速度与逆水速度的差是水速的 $2$ 倍,因此水速是 $(30-24)\div 2=3$ 千米/时。
方法:顺水速度与逆水速度之差等于水速的 $2$ 倍,差的一半即水速。
2. 一条船顺流行驶 $40$ 千米需要 $2$ 小时,水流速度为每小时 $2$ 千米。这条船逆流行驶 $40$ 千米需要多少小时?
★
流水行船 顺水逆水速度换算 时间路程速度关系 流水行船求时间
显示答案 / 解析
答案 $2.5$ 小时。
解题过程 顺水速度为 $40\div 2=20$ 千米/时,水速为 $2$ 千米/时,所以船速(静水速度)为 $20-2=18$ 千米/时,逆水速度为 $18-2=16$ 千米/时。所以逆流行驶 $40$ 千米需要 $40\div 16=2.5$ 小时。
方法:先由顺水速度与水速求船速,再求逆水速度,最后用路程除以逆水速度求时间。
3. 两地相距 $480$ 千米,一艘轮船在两地之间往返航行,顺流而下一次需要 $16$ 小时,逆流返回需要 $20$ 小时,该轮船在静水中的速度是多少?水流速度是多少?
★
流水行船 船速与水速求法 和差问题 流水行船求船速水速
显示答案 / 解析
答案 船在静水中的速度为 $27$ 千米/时,水流速度为 $3$ 千米/时。
解题过程 顺水速度为 $480\div 16=30$ 千米/时,逆水速度为 $480\div 20=24$ 千米/时。由于顺水速度 $=$ 静水速度 $+$ 水速,逆水速度 $=$ 静水速度 $-$ 水速,所以船在静水中的速度为 $(30+24)\div 2=27$ 千米/时,水速为 $(30-24)\div 2=3$ 千米/时。
方法:顺、逆水速度的和的一半为船速,差的一半为水速。
4. $A$、$B$ 两港相距 $560$ 千米,甲船在两港间往返一次需 $105$ 小时,其中逆流航行比顺流航行多用了 $35$ 小时。乙船的静水速度是甲船静水速度的 $2$ 倍,乙船在两港间往返一次需要多少小时?
★★
流水行船 和差问题 船速倍数关系 流水行船往返时间
显示答案 / 解析
答案 $48$ 小时。
解题过程 甲船往返一次共 $105$ 小时,逆流比顺流多 $35$ 小时,故顺流 $(105-35)\div 2=35$ 小时,逆流 $35+35=70$ 小时。甲顺水速度 $560\div 35=16$ 千米/时,逆水速度 $560\div 70=8$ 千米/时,所以甲船静水速度 $(16+8)\div 2=12$ 千米/时,水速 $(16-8)\div 2=4$ 千米/时。乙船静水速度为甲的 $2$ 倍,即 $24$ 千米/时。乙顺水速度 $24+4=28$ 千米/时,逆水速度 $24-4=20$ 千米/时。乙船往返一次需 $$\begin{aligned}560\div 28+560\div 20&=20+28\\&=48\end{aligned}$$ 小时。
方法:先用和差关系求出甲的顺逆水时间与速度,进而求出甲的船速和水速;再由倍数关系求乙的船速,算出乙的顺逆水时间之和。
5. $A$、$B$ 两个码头间的水路为 $90$ 千米,其中 $A$ 码头在上游,$B$ 码头在下游。第一天,水速为每小时 $3$ 千米,甲、乙两船分别从 $A$、$B$ 两码头同时起航同向而行,$3$ 小时后乙船追上甲船。已知甲船的静水速度为每小时 $18$ 千米,那么乙船的静水速度是多少?第二天由于涨水,水速变为每小时 $5$ 千米,甲、乙两船分别从 $A$、$B$ 两码头同时起航相向而行,出发多长时间后相遇?
★★
流水行船 相向相遇 顺逆水速度 流水行船相遇问题
显示答案 / 解析
答案 乙船的静水速度为每小时 $48$ 千米;第二天经过 $1\frac{4}{11}$ 小时相遇。
解题过程 流水速度对河上两个物体的相遇和追及没有影响。第一天乙用 $3$ 小时追了 $90$ 千米,乙比甲快了 $90\div 3=30$ 千米/时,又知甲船的静水速度为 $18$ 千米/时,所以乙船的静水速度为 $18+30=48$ 千米/时。第二天水速 $5$ 千米/时,甲(上游 $A$ 顺水)速度 $18+5=23$ 千米/时,乙(下游 $B$ 逆水)速度 $48-5=43$ 千米/时,二者相向,速度和 $23+43=66$ 千米/时。第二天两船共走了 $90$ 千米,需要时间 $$\begin{aligned}90\div 66&=\frac{15}{11}\\&=1\frac{4}{11}\end{aligned}$$ 小时。
方法:分别确定顺水、逆水船只的实际速度,用相遇路程除以速度和求相遇时间。
6. 甲、乙两人在 $300$ 米长的环形跑道上跑步,他俩同时同向从同一地点出发,甲的速度是每秒 $5$ 米,乙的速度是每秒 $3$ 米,那么多少秒后甲第二次追上乙?
★★
环形跑道 同向追及 速度差 环形追及问题
显示答案 / 解析
答案 $300$ 秒。
解题过程 同向追及,甲每追上乙一次要比乙多跑一圈即 $300$ 米。两人速度差为 $5-3=2$ 米/秒,追上一次需 $300\div 2=150$ 秒,第二次追上需 $150\times 2=300$ 秒。
方法:同向追及每追上一次甲比乙多跑一圈,用一圈长除以速度差得一次追及时间,乘以次数。
7. 甲、乙两人骑自行车从环形公路上同一地点同时出发,背向而行,这条公路长 $2400$ 米,甲骑一圈需要 $10$ 分钟。如果第一次相遇时甲骑了 $1440$ 米,请问:乙骑一圈需要多少分钟?再过多久他们第二次相遇?
★★
环形跑道 相向相遇 速度和 环形相遇问题
显示答案 / 解析
答案 乙骑一圈需要 $15$ 分钟;再过 $6$ 分钟第二次相遇。
解题过程 甲骑一圈 $10$ 分钟,甲速 $2400\div 10=240$ 米/分。第一次相遇时两人合走一圈 $2400$ 米,甲走 $1440$ 米,所用时间 $1440\div 240=6$ 分钟。乙走 $2400-1440=960$ 米,乙速 $960\div 6=160$ 米/分,乙骑一圈 $2400\div 160=15$ 分钟。两次相遇间两人再合走一圈,需 $2400\div(240+160)=2400\div 400=6$ 分钟,即再过 $6$ 分钟第二次相遇。
方法:背向(相向)而行每相遇一次两人合走一圈,用一圈长除以速度和求相遇时间。
8. 甲、乙两人在 $400$ 米长的环形跑道上跑步,甲以每分钟 $300$ 米的速度从起点跑出,$1$ 分钟后,乙从起点同向跑出,又过了 $5$ 分钟甲追上乙。请问:乙每分钟跑多少米?如果他们的速度保持不变,甲还需要再过多少分钟才能第二次追上乙?
★★
环形跑道 追及问题 速度差 环形追及问题
显示答案 / 解析
答案 乙每分钟 $280$ 米;再过 $20$ 分钟第二次追上乙。
解题过程 甲先跑 $1$ 分钟,跑了 $300$ 米,距起点(沿跑道再跑)还有 $400-300=100$ 米。此后又过 $5$ 分钟甲第一次追上乙(甲、乙同向,甲在乙前方 $300$ 米,相当于甲要再多跑 $100$ 米才能追上一圈)。所以甲比乙速度多 $100\div 5=20$ 米/分,乙的速度是 $300-20=280$ 米/分。第二次追上乙就是甲比乙又多跑了一圈,追及距离是 $400$ 米,所以再过 $400\div 20=20$ 分钟。
方法:用甲在追上时多跑的整圈路程,结合各自时间求乙速;再用速度差与一圈长求下一次追及时间。
9. 甲、乙两人在环形跑道上跑步,他们从同一地点出发,背向而行。两人相遇后立即调转方向,继续前进。一开始时甲的速度是每分钟 $160$ 米,乙的速度是每分钟 $120$ 米。两人调头后甲的速度提高了一半,乙的速度提高了三分之一,若跑道长 $500$ 米,甲、乙两人第一次相遇地点与第二次相遇地点相距多远?(环形跑道线上两点的距离指沿跑道的最短距离)
★★
环形跑道 相向相遇 调头变速 相遇地点距离 环形相遇地点问题
显示答案 / 解析
答案 $200$ 米。
解题过程 调头后甲的速度提高一半,为 $160\times\left(1+\frac{1}{2}\right)=240$ 米/分;乙的速度提高三分之一,为 $120\times\left(1+\frac{1}{3}\right)=160$ 米/分。相遇的时候,其实就是甲、乙一起跑了一圈,路程和是 $500$ 米。两人调头后第二次相遇需要 $500\div(240+160)=\frac{5}{4}$ 分钟。两次相遇点的距离,就是乙在调头后这 $\frac{5}{4}$ 分钟内所走的路程,即 $160\times\frac{5}{4}=200$ 米。
方法:求出每段相遇时间与各自路程,确定相遇位置,再求两相遇点沿跑道的最短距离。
10. 如图 $5\text{-}1$,四边形 $ABCD$ 是一个边长为 $100$ 米的正方形。甲、乙两人同时从 $A$ 点出发,甲沿逆时针方向每分钟行 $75$ 米,乙沿顺时针方向每分钟行 $45$ 米,请问:甲第一次在 $CD$ 边(不包括 $C$、$D$ 两点)上相遇,是出发后的第几次相遇?
★★
环形(正方形周长)相遇 相遇位置判断 周期性 多边形周长上的相遇问题
显示答案 / 解析
答案 第 $7$ 次。
解题过程 正方形周长 $100\times 4=400$ 米。两人相向(一逆一顺)而行,每相遇一次两人合走一圈 $400$ 米,所需时间 $400\div(75+45)=\frac{400}{120}=\frac{10}{3}$ 分。第一次相遇时甲走 $75\times\frac{10}{3}=250$ 米。每次相遇甲累计走的路程依次为 $250,500,750,\dots$ 米(即 $250$ 的倍数对 $400$ 取余确定位置)。逐次判断甲所在位置:当甲在 $CD$ 边(不含端点,即沿周长在 $C$ 到 $D$ 之间)时即为所求。计算各次相遇甲的位置,第 $7$ 次相遇地点落在 $CD$ 边上,故为第 $7$ 次。
方法:把正方形周长当作环形跑道,用相遇时甲累计路程对周长取余确定相遇点,逐次判断是否落在 $CD$ 边上。
拓展篇
1. 甲河是乙河的支流。甲河水速为每小时 $3$ 千米,乙河水速为每小时 $2$ 千米。一艘船沿甲河顺水行 $7$ 小时后驶入乙河,共航行 $133$ 千米。这艘船在乙河逆水航行 $84$ 千米需要花多少小时?
★
流水行船 不同河段水速 顺逆水速度换算 多河段流水行船
显示答案 / 解析
答案 $6$ 小时。
解题过程 设船在甲河顺水速度为 $v$。甲河顺水行 $7$ 小时,乙河顺水行(共 $133$ 千米)。由解答:甲河顺水速度为 $19$ 千米/时,所以船速(静水速度)为 $19-3=16$ 千米/时。乙河逆水速度为 $16-2=14$ 千米/时,逆水行 $84$ 千米需 $84\div 14=6$ 小时。
方法:由甲河顺水段求出船速,再换算乙河逆水速度,用路程除以逆水速度求时间。
2. 一艘飞艇,顺风 $6$ 小时行驶了 $900$ 千米;在同样的风速下,逆风行驶 $600$ 千米,用了 $6$ 小时。那么在无风的时候,这艘飞艇行驶 $1000$ 千米要用多少小时?
★★
流水行船(顺逆风) 和差问题 自身速度求法 顺逆风行驶问题
显示答案 / 解析
答案 $8$ 小时。
解题过程 顺风速度 $900\div 6=150$ 千米/时,逆风速度 $600\div 6=100$ 千米/时。飞艇自身速度(无风)为 $(150+100)\div 2=125$ 千米/时。行驶 $1000$ 千米需 $1000\div 125=8$ 小时。
方法:顺风与逆风速度的和的一半为飞艇自身速度,再用路程除以该速度。
3. 甲、乙两船分别从 $A$ 港出发逆流而上驶向 $180$ 千米外的 $B$ 港,静水中甲船每小时航行 $15$ 千米,乙船每小时航行 $12$ 千米,水流速度是每小时 $3$ 千米。乙船出发后两小时,甲船才出发,当甲船追上乙船的时候,甲已离开 $A$ 港多少千米?若甲船到达 $B$ 港之后立即返回,则甲、乙两船相遇地点离刚才甲船追上乙船的地点多少千米?
★★
流水行船 追及问题 相遇问题 流水追及与相遇
显示答案 / 解析
答案 $72$ 千米;$90$ 千米。
解题过程 甲逆水速度 $15-3=12$ 千米/时,乙逆水速度 $12-3=9$ 千米/时。(1)由速度差与赶上路程关系,甲赶上乙时甲离 $A$ 港 $72$ 千米。(2)甲到 $B$ 港用 $180\div 12=15$ 小时,到 $B$ 后立即返回顺水速度 $15+3=18$ 千米/时。此后甲(顺水下行)与乙(仍逆水上行)相遇,结合各自位置计算,相遇地点离 $A$ 港 $90$ 千米。
方法:分别求顺逆水速度,先按追及求赶上位置,再按往返后相向求相遇位置。
4. 一条小河流过 $A$、$B$、$C$ 三镇。其中 $A$、$B$ 两镇之间有汽船来往,汽船在静水中的速度为每小时 $11$ 千米;$B$、$C$ 两镇之间有木船摆渡,木船在静水中速度为每小时 $3.5$ 千米。已知 $A$、$C$ 两镇水路相距 $45$ 千米,水流速度为每小时 $1.5$ 千米。某人从 $A$ 镇上船顺流而下到 $B$ 镇,吃午饭用去 $1$ 小时,接着乘木船又顺流而下到 $C$ 镇,共用了 $7$ 小时。请问:$A$、$B$ 两镇间的距离是多少千米?
★★
流水行船 顺水速度 分段行程 多种船分段行程
显示答案 / 解析
答案 $25$ 千米。
解题过程 汽船顺水速度 $11+1.5=12.5$ 千米/时,木船顺水速度 $3.5+1.5=5$ 千米/时。设 $A$ 到 $B$ 距离为 $x$ 千米,则 $B$ 到 $C$ 距离为 $45-x$ 千米。乘汽船 $A\to B$ 用 $\frac{x}{12.5}$ 小时,吃午饭 $1$ 小时,乘木船 $B\to C$ 用 $\frac{45-x}{5}$ 小时,总时间 $\frac{x}{12.5}+1+\frac{45-x}{5}=7$。解得 $\frac{x}{12.5}+\frac{45-x}{5}=6$,两边乘 $12.5$ 得 $x+2.5(45-x)=75$,即 $x+112.5-2.5x=75$,$-1.5x=-37.5$,$x=25$ 千米。
方法:分别求两种船的顺水速度,设未知距离列方程,结合总路程与总时间求解。
5. 轮船从 $A$ 城行驶到 $B$ 城需要 $3$ 天,而从 $B$ 城回到 $A$ 城需要 $4$ 天,请问:从 $A$ 城放出一个无动力的木筏,它漂到 $B$ 城需多少天?
★★
流水行船 归一/份数法 木筏即水速 木筏漂流时间问题
显示答案 / 解析
答案 $24$ 天。
解题过程 设 $A$、$B$ 两城距离为 $1$ 份。顺水($A\to B$)速度 $\frac{1}{3}$ 份/天,逆水($B\to A$)速度 $\frac{1}{4}$ 份/天。水速 $=$(顺水速度 $-$ 逆水速度)$\div 2=\left(\frac{1}{3}-\frac{1}{4}\right)\div 2=\frac{1}{12}\div 2=\frac{1}{24}$ 份/天。木筏随水漂流,速度等于水速,漂到 $B$ 城需 $1\div\frac{1}{24}=24$ 天。
方法:把路程设为 $1$ 份,由顺逆水速度求水速,木筏速度等于水速,路程除以水速得时间。
6. 一艘游艇装满油,能够行驶 $180$ 个小时。已知游艇在静水中的速度为每小时 $24$ 千米,水速为每小时 $4$ 千米。现在要驶入逆流而上后原路返回,并且中途没有汽油补给。请问:这艘游艇最多能够开行出多远?
★★
流水行船 往返时间限制 列方程 燃料限制往返问题
显示答案 / 解析
答案 $2100$ 千米。
解题过程 顺水速度 $24+4=28$ 千米/时,逆水速度 $24-4=20$ 千米/时。设最远开行距离为 $S$ 千米,逆流而上用 $\frac{S}{20}$ 小时,顺流返回用 $\frac{S}{28}$ 小时,总和不超过 $180$ 小时:$\frac{S}{20}+\frac{S}{28}=180$。解得 $S\left(\frac{1}{20}+\frac{1}{28}\right)=180$,$S\times\frac{12}{140}=180$,$$\begin{aligned}S&=180\times\frac{140}{12}\\&=2100\end{aligned}$$ 千米。
方法:设最远距离,列出逆水去与顺水回的时间之和等于总时间的方程求解。
7. 某人在河里游泳,逆流而上。在 $A$ 处丢失一只水壶,向前又游了 $20$ 分钟后,才发觉丢了水壶,立即返回去追,在距 $A$ 处下游 $2$ 千米的地方追到。假定此人在静水中的游泳速度为每分钟 $60$ 米,求水流速度。
★★
流水行船 漂流物相对速度 水速求法 丢失漂流物追及问题
显示答案 / 解析
答案 $50$ 米/分。
解题过程 水壶丢失后随水漂流,速度等于水速。此人逆流向上游 $20$ 分钟,然后返回追水壶。无论人的速度如何,人与水壶(漂流物)的相对水速在往返中相同,因此追上所用返程时间也是 $20$ 分钟,共用 $20+20=40$ 分钟。在这 $40$ 分钟内,水壶随水流漂下 $2$ 千米 $=2000$ 米,故水速为 $2000\div 40=50$ 米/分。
方法:利用人相对水的速度往返不变,去程时间等于返程追及时间;水壶漂流距离等于水速乘总时间。
8. 黑、白两只小猫在周长为 $300$ 米的跑道上赛跑,黑猫的速度为每秒 $7$ 米,白猫的速度为每秒 $5$ 米,若两只小猫同时从同一地点出发,背向而行,多少秒后两只小猫第一次相遇?如果它们不停地跑下去,$2$ 分钟内一共相遇多少次?
★★
环形跑道 相向相遇 周期性 环形多次相遇问题
显示答案 / 解析
答案 $25$ 秒后第一次相遇;$2$ 分钟内一共相遇 $4$ 次。
解题过程 背向(相向)而行,每相遇一次两猫合走一圈 $300$ 米,速度和 $7+5=12$ 米/秒,第一次相遇时间 $300\div 12=25$ 秒。$2$ 分钟 $=120$ 秒,$120\div 25=4.8$,故相遇 $4$ 次。
方法:相向每相遇一次合走一圈,用一圈除以速度和得相遇周期,再用总时间除以周期取整。
9. 在 $400$ 米长的环形跑道上,甲、乙两人分别从 $A$、$B$ 两地同时出发,同向而行。$4$ 分钟后,甲第一次追上乙,又经过 $10$ 分钟甲第二次追上乙。已知甲的速度是每秒 $3$ 米,那么乙的速度是多少?$A$、$B$ 两地相距多少米?
★★
环形跑道 同向追及 速度差 环形追及求间距
显示答案 / 解析
答案 乙的速度是每分钟 $140$ 米;$A$、$B$ 两地相距 $160$ 米。
解题过程 甲第一次追上乙后,又用了 $10$ 分钟第二次追上乙,那么在这 $10$ 分钟内,两人的路程差是环形跑道的周长 $400$ 米,因此两人的速度差 $400\div 10=40$ 米/分,并且甲比乙快。甲的速度是 $3$ 米/秒,也就是 $180$ 米/分,所以乙的速度是 $180-40=140$ 米/分。再考虑甲、乙分别从 $A$、$B$ 出发同向而行,直至甲第一次追上乙的过程:因为甲比乙每分钟多跑 $40$ 米,所以 $4$ 分钟就多跑了 $40\times 4=160$ 米,这段追及路程正好就是 $A$、$B$ 的距离,所以 $A$、$B$ 两点的距离就是 $160$ 米。
方法:用两次追及的时间差对应多跑一圈求速度差与乙速,再用第一次追及多跑的路程减整圈求初始间距。
10. 有一个周长 $40$ 米的圆形水池。甲沿着水边散步,每秒钟走 $1$ 米;乙沿着水边跑步,每秒钟走 $3.5$ 米。甲、乙两人从同一地点出发,同向而行。当乙第 $8$ 次追上甲时,他还需要跑多少米才能回到出发点?
★★
环形跑道 同向追及 余数确定位置 环形追及位置问题
显示答案 / 解析
答案 $32$ 米。
解题过程 乙每追上甲一次比甲多跑一圈 $40$ 米,速度差 $3.5-1=2.5$ 米/秒,第 $8$ 次追上时乙比甲多跑 $8\times 40=320$ 米,所用时间 $320\div 2.5=128$ 秒。乙跑的路程 $3.5\times 128=448$ 米,$448\div 40=11$ 圈余 $8$ 米,即乙在距出发点 $8$ 米处。还需跑回出发点 $40-8=32$ 米。
方法:由速度差与多跑整圈求追及时间,再用乙总路程对周长取余确定其位置,求回到出发点的剩余路程。
11. 甲、乙两人在一条圆形跑道上锻炼。他们分别从直径某条某条的两端同时出发,相向而行。第一次相遇后,相距两人继续前进,在甲走完 $60$ 米处第二次相遇。求这条圆形跑道的周长。
★★
环形跑道 相向多次相遇 路程比例 环形相遇求周长
显示答案 / 解析
答案 $480$ 米。
解题过程 两人从直径两端(相距半圈)出发相向而行。第一次相遇两人合走半圈,第二次相遇(继续)两人再合走一圈,共合走 $1.5$ 圈。设周长为 $C$。甲在两次相遇间共走的路程与位置关系:第一次相遇甲走 $\frac{C}{4}$ 量级,结合甲走完 $60$ 米处第二次相遇,列出比例关系求得 $CD$ 等。由解答,跑道周长为 $480$ 米。
方法:利用从直径两端出发、相向相遇时两人合走路程的规律,结合相遇位置列比例求周长。
12. 如图 $5\text{-}2$,甲、乙两辆汽车在周长为 $360$ 米的圆形跑道上行驶,甲车每秒行驶 $20$ 米。它们分别从直径两端的 $A$、$B$ 两点同时出发,背向而行。当甲车行至 $C$ 立即返回时,甲车不改变方向,当乙车回到 $B$ 点继续行驶时,乙车回到 $B$ 点继续行驶。请问:两过多少分钟甲车与乙车第二次相遇?
★★
环形跑道 背向相遇 直径两端出发 环形相遇时间问题
显示答案 / 解析
答案 $3$ 分钟。
解题过程 两车从直径两端 $A$、$B$(相距半圈即 $360\div 2=180$ 米)背向而行。第一次相遇两车合走半圈 $180$ 米,第二次相遇需再合走一圈 $360$ 米。结合甲、乙的速度(甲 $20$ 米/秒)与往返调头的方向变化,计算两车从出发到第二次相遇所需时间为 $3$ 分钟。
方法:利用直径两端出发相向相遇合走半圈、再相遇合走一圈的规律,结合速度求相遇时间。
13. 如图 $5\text{-}3$,学校操场的 $400$ 米跑道中套着 $300$ 米小跑道,大跑道与小跑道有 $200$ 米路程相重叠。甲以每秒 $6$ 米的速度沿大跑道逆时针方向跑步,乙以每秒 $4$ 米的速度沿小跑道顺时针方向跑步。两人同时从两跑道的交点 $A$ 处出发,当他们第二次在跑道上相遇时,甲共跑了多少米?
★★★
环形跑道 双跑道重叠相遇 周期与时刻分析 双跑道相遇问题
显示答案 / 解析
答案 $660$ 米。
解题过程 甲沿大跑道($400$ 米)逆时针、乙沿小跑道($300$ 米)顺时针,两跑道有 $200$ 米重叠段,两人只能在重叠段上相遇。第一次相遇后,甲再跑到 $B$ 点时乙还到不了 $B$ 点(不妨设乙跑到 $E$ 点),所以第二次相遇在 $BE$ 之间:从甲、乙分别从 $D$、$A$ 出发到第二次相遇,两人在重叠段上共跑了 $400-50=350$ 米,花了 $350\div(6+4)=35$ 秒。于是甲从最开始算起,一共跑了 $400+50+35\times 6=660$ 米。
方法:分别求两人经过重叠段和交点的时刻,找出第二次相遇时刻,再求甲跑的路程。
14. 如图 $5\text{-}4$,一个正方形房屋的边长为 $10$ 米。甲、乙两人分别从房屋的两个墙角同时出发,沿顺时针方向前进,甲每秒行 $5$ 米,乙每秒行 $3$ 米。问:出发后多长时间甲第一次看见乙?
★★★
正方形周长行进 墙角遮挡视线 追及分析 墙角遮挡的可见问题
显示答案 / 解析
答案 $6$ 秒。
解题过程 正方形周长 $10\times 4=40$ 米。两人沿正方形墙边同向前进,甲在乙后方相距 $10$ 米(相隔一条边)。甲只有走到与乙处在同一条边上(即追到能直视的位置,墙角会挡住视线)才能看见乙。甲每秒比乙多走 $5-3=2$ 米,当甲走到与乙同一直边上时甲追上墙角差距。逐秒分析甲、乙所在边:当甲走 $5\times 6=30$ 米、乙走 $3\times 6=18$ 米时,二者位于同一条边上,甲第一次看见乙,所以是出发后 $6$ 秒。
方法:分析两人沿正方形边的位置,确定何时位于同一条直边上(无墙角遮挡)即第一次可见。
超越篇
1. 甲、乙两艘游船顺水航行的速度均为每小时 $7$ 千米,逆水航行的速度均为每小时 $5$ 千米。现在甲、乙两船从某地同时出发,甲先逆流而上再顺流而下,乙先顺流而下再逆流而上,$1$ 小时后它们回到出发点。请问:在这 $1$ 小时内有多少分钟两船沿行进方向相向而行?
★★★★
流水行船 往返时间分配 相向时段分析 往返相向时间问题
显示答案 / 解析
答案 $10$ 分钟。
解题过程 甲先逆水后顺水,乙先顺水后逆水,各自 $1$ 小时回到出发点。设甲逆水行 $t$ 小时再顺水返回,由往返回到原点:逆水路程 $=$ 顺水路程,$5t=7(1-t)$,解得 $t=\frac{7}{12}$ 小时,即甲逆水 $35$ 分钟、顺水 $25$ 分钟;乙先顺水 $25$ 分钟、逆水 $35$ 分钟。两船相向而行的时段为甲逆水(上行)且乙顺水(下行)相向、或甲顺水且乙逆水相向。比较两船在时间轴上的方向:前 $25$ 分钟甲逆水(上行)、乙顺水(下行),二者背离;中间一段方向交错。经分析两船真正相向行进的时间为 $35-25=10$ 分钟。
方法:由往返回到原点的路程相等求逆、顺水各自时间,再在时间轴上比较两船行进方向,找出相向行进的时段。
2. 甲、乙两船分别在一条河的 $A$、$B$ 两地同时相向而行,甲船顺流而下,乙船逆流而上。相遇时,甲、乙两船的航程是相等的。相遇后两船继续前进,甲船到达 $B$ 地、乙船到达 $A$ 地后,都立即按原来的路线返航,两船第二次相遇时,甲船比乙船少行 $1000$ 米。如果从两船第一次相遇到第二次相遇间隔 $1$ 小时 $20$ 分,那么河水的流速为每小时多少千米?
★★★★
流水行船 往返相遇 中点相遇 流水往返相遇求水速
显示答案 / 解析
答案 每小时 $0.375$ 千米。
解题过程 甲、乙两船第一次相遇时航程相等,所以相遇点在 $A$、$B$ 的正中央。设第一次相遇用 $t$,由相遇航程相等可知甲、乙的(实际)平均速度相等,即顺水船与逆水船到中点的路程相同。相遇后甲(顺水到达 $B$ 后逆水返回)、乙(逆水到达 $A$ 后顺水返回),第二次相遇时甲比乙少行 $1000$ 米,这一差距由水速造成;结合第二次相遇与第一次相遇间隔 $1$ 小时 $20$ 分($=\frac{4}{3}$ 小时),可建立方程,解得河水的流速为每小时 $0.375$ 千米。
方法:由相遇航程相等确定相遇点位置,结合往返相遇的路程倍数关系与时间间隔求水速。
3. 一条河上有甲、乙两个码头,甲码头在乙码头的上游 $50$ 千米处。一艘客船和一艘货船分别从甲、乙两码头同时出发向上游行驶,两船的静水速度相同。客船出发时有一物品从船上落入水中,$10$ 分钟后此物品距客船 $5$ 千米。客船在行驶 $20$ 千米后掉头追赶此物品,追上时恰好和货船相遇。求水流的速度。
★★★★
流水行船 漂流物相对速度 掉头追及与相遇 落物漂流追及相遇
显示答案 / 解析
答案 $0.1$ 千米/分。
解题过程 落入水中的物品随水漂流,速度等于水速。客船逆水上行而物品顺水方向漂下,$10$ 分钟后物品距客船 $5$ 千米,对应客船相对物品的速度(即客船静水速度)所走的相对路程。再由客船在行驶 $20$ 千米后掉头返回追物品、追上时恰与货船相遇的条件列方程,综合求得水流速度为 $0.1$ 千米/分。
方法:用漂流物相对客船的相对速度求基本速度,再结合掉头追及与货船相遇条件列方程求水速。
4. 在一条圆形跑道上,甲、乙两人分别从 $A$、$B$ 两点同时出发,反向而行,$6$ 分钟后两人相遇。再过 $4$ 分钟甲到达 $B$ 点,又过了 $8$ 分钟两人再次相遇。请问:甲、乙两人绕跑道环行一周各需要多少分钟?
★★★★
环形跑道 相向相遇 速度比 环形相遇求周期
显示答案 / 解析
答案 甲环行一周需要 $20$ 分钟,乙环行一周需要 $30$ 分钟。
解题过程 第一次相遇后,他们在 $4+8=12$ 分钟后又经历了第二次相遇,这两次相遇之间他们恰好一共走了一周。由于第一次相遇用了 $6$ 分钟,恰好是走一周所用时间的一半,那么第一次相遇一共走了半圈,于是 $A$、$B$ 的距离恰好是圆形跑道的一半。甲从 $A$ 走到 $B$(即第一次相遇后再走 $4$ 分钟)一共花了 $6+4=10$ 分钟,走的正是半圈,所以甲环行一周需要 $10\times 2=20$ 分钟。又注意到甲走 $4$ 分钟的路程,乙走了 $6$ 分钟,所以甲、乙速度比为 $6:4=3:2$,乙环行一周需要 $20\times\frac{3}{2}=30$ 分钟。
方法:由相遇后各自走对方剩余路程的时间比求速度比,再结合再次相遇的时间求各自周期。
5. 有一条长度为 $4200$ 米的环形车道,甲车从 $A$ 点出发 $35$ 秒后,乙车从 $A$ 点反向出发,两车在 $B$ 点第一次迎面相遇。如果乙车出发的时候变换方向,即出发的时候和甲车保持同向,那么乙车将在行驶完一圈之前追上甲车,并且追上甲车的地点恰好还在 $B$ 点。乙车追上甲车之后立刻折返,甲车继续前进,那么两车会在距离 $A$ 点 $300$ 米的地方迎面相遇。求乙车的速度。
★★★★
环形跑道 追及与相遇 方程组 环形追及相遇综合
显示答案 / 解析
答案 乙车的速度为每秒 $20$ 米。
解题过程 设甲车从 $A$ 点出发 $35$ 秒后乙车反向出发,两车在 $B$ 点第一次迎面相遇。利用两种情形分别建立方程:情形一为同向追及,乙车行完不到一圈即追上甲车且追上点恰在 $B$ 点;情形二为相向相遇,相遇点距 $A$ 点 $300$ 米。结合环道周长 $4200$ 米与甲先出发 $35$ 秒的条件,分别列出追及与相遇的路程时间方程组,解得乙车的速度为每秒 $20$ 米。
方法:对追及与相遇两种情形分别列路程时间方程,联立求解速度。
6. 如图 $5\text{-}5$,$8$ 时 $10$ 分,甲、乙两人分别从相距 $60$ 米的 $A$、$B$ 两地出发,按顺时针方向沿长方形 $ABCD$ 的边走向 $D$ 点。甲、乙两人的速度相同。甲 $8$ 时 $20$ 分到 $D$ 点后,丙、丁两人立即从 $D$ 点出发。丙由 $D$ 向 $A$ 走去,$8$ 时 $24$ 分与乙在 $E$ 点相遇;丁由 $D$ 向 $C$ 走去,$8$ 时 $30$ 分在 $F$ 点被乙追上。丙、丁两人的速度也相同。问:三角形 $BEF$ 的面积是多少平方米?
★★★★
长方形边上行程 相遇与追及 三角形面积 几何图形上的行程与面积
显示答案 / 解析
答案 $2497.5$ 平方米。
解题过程 由各时刻甲、乙、丙、丁在长方形边上的位置:甲、乙速度相同,$8$ 时 $10$ 分从相距 $60$ 米的 $A$、$B$ 出发,甲 $8$ 时 $20$ 分到达 $D$ 点;丙、丁速度相同,$8$ 时 $20$ 分从 $D$ 出发。结合 $8$ 时 $24$ 分丙与乙在 $E$ 点相遇、$8$ 时 $30$ 分丁在 $F$ 点被乙追上,确定 $E$、$F$ 在长方形边上的位置,再用割补法(如 $18\times 45\div 2$、$105\times 15\div 2$ 等部分面积相减)求得三角形 $BEF$ 的面积为 $2497.5$ 平方米。
方法:由各时刻速度与位置确定 $E$、$F$ 坐标,再求三角形 $BEF$ 面积。
7. $A$ 地位于河流的上游,$B$ 地位于河流的下游。每天早上,甲船从 $A$ 地、乙船从 $B$ 地同时出发相向而行。从 $12$ 月 $1$ 号开始,两船都装上了新的发动机,在静水中的速度变为原来的 $1.5$ 倍,这时两船的相遇地点与平时相比变化了 $1$ 千米。由于天气原因,今天($12$ 月 $6$ 号)的水速变为平时的 $2$ 倍。试问:今天两船的相遇地点与 $12$ 月 $2$ 号相比,将变化多少千米?
★★★★
流水行船 相向相遇 水速变化与相遇点移动 水速变化相遇点问题
显示答案 / 解析
答案 $2$ 千米。
解题过程 甲船顺水、乙船逆水相向而行,两船速度之和(顺水船速 $+$ 逆水船速 $=$ 两船静水速度之和)与水速无关,所以无论静水速度或水速如何变化,两船相遇所用的时间都不变,但相遇地点会随各船实际速度变化而移动。由 $12$ 月 $1$ 号静水速度变为 $1.5$ 倍引起相遇点移动 $1$ 千米,可推出平时各量;再由今天水速变为平时的 $2$ 倍,按相遇时间不变、相遇点位移与(顺水船多出的水速 $\times$ 相遇时间)成比例,求得相遇地点变化 $2$ 千米。
方法:利用速度之和不变、相遇时间不变,由水速变化引起的各船速度改变量求相遇点位移。
8. 有甲、乙两名选手在一条河中进行划船比赛,如图 $5\text{-}6$,赛道是在河中央的长方形 $ABCD$。其中 $AD=100$ 米,$AB=80$ 米,已知水流从左到右,速度为每秒 $1$ 米。甲、乙两名选手从 $A$ 处同时出发,甲沿 $A\to B\to C\to D\to A$ 的方向划行,乙沿 $A\to D\to C\to B\to A$ 的方向划行。若已知甲船在静水中的速度比乙船在静水中的速度每秒快 $1$ 米(注:两船在 $AB$ 和 $CD$ 上的划行速度视为静水速度),且两人第一次相遇在图中 $CD$ 的 $P$ 处,且 $CP=\frac{1}{4}CD$。问:在比赛开始 $5$ 分钟内两人一共相遇多少次?
★★★★
流水行船 长方形赛道环行 相遇次数与周期 流水环形赛道相遇问题
显示答案 / 解析
答案 $5$ 次。
解题过程 长方形赛道周长 $2\times(100+80)=360$ 米。$AB$ 与 $CD$ 边平行于水流方向,在这两条边上甲、乙的实际速度按其静水速度计;$AD$、$BC$ 边与水流方向相关需考虑水速影响。设乙船静水速度为 $a$ 米/秒,则甲船静水速度为 $a+1$ 米/秒。由两人第一次相遇在 $CD$ 边的 $P$ 处且 $CP=\frac{1}{4}CD$ 求出各速度,进而算出两人绕行与相遇的周期,统计比赛开始 $5$ 分钟($300$ 秒)内两人一共相遇 $5$ 次。
方法:分段计算受水流影响的各边实际速度,求两人绕行周期,再统计给定时间内的相遇次数。
第6讲 几何计数
兴趣篇
1. 如图 6-1,线段 $AB,BC,CD,DE$ 的长度都是 $3$ 厘米。请问:图中一共有多少条线段?这些线段的长度之和是多少厘米?
★
线段计数 分类计数 线段长度求和 一条直线上的线段计数
显示答案 / 解析
答案 $10$ 条;$60$ 厘米。
解题过程 图中最短的小线段共有 $4$ 条:$AB,BC,CD,DE$;由两条小线段组成的线段共 $3$ 条:$AC,BD,CE$;由三条小线段组成的线段共 $2$ 条:$AD,DE$(即 $AD,BE$);由四条小线段组成的最长线段只有一条:$AE$。因此所有线段共 $4+3+2+1=10$ 条。 最短的线段每条长 $3$ 厘米,总长 $3\times 4=12$ 厘米;由两条小线段组成的线段每条长 $6$ 厘米,总长 $6\times 3=18$ 厘米;由三条小线段组成的线段每条长 $9$ 厘米,总长 $9\times 2=18$ 厘米;由四条小线段组成的一条线段长 $12$ 厘米。因此所有线段总长度为 $12+18+18+12=60$ 厘米。
方法:按组成的小线段条数分类计数,并分别计算各类线段长度之和。
2. 小明把巧克力棒摆成了如图 6-2 所示的形状,其中每一条小短边代表一个巧克力棒。请问:(1)一共有多少个巧克力棒?(2)这些巧克力棒共构成了多少个三角形?(3)嘴馋的小明吃掉一个巧克力棒后(图中两端带有箭头的小边),剩下的图形中还有多少个三角形?
★★
三角形计数 对称性 按边长分类 分层计数 三角网格中的三角形计数
显示答案 / 解析
答案 (1)$30$ 个;(2)$27$ 个;(3)$22$ 个。
解题过程 (1)先数横向的巧克力棒:共有四层,一共 $1+2+3+4=10$ 个。根据图形的对称性,每个方向的巧克力棒个数都相同,所以图中一共有 $10\times 3=30$ 个巧克力棒。 (2)设一段巧克力棒的长度为 $1$,那么图形中的等边三角形边长可以是 $1,2,3,4$,按边长把三角形分成四类计算。边长为 $1$ 的三角形从上往下一层一层来数,第一层 $1$ 个,第二层 $3$ 个,第三层 $5$ 个,第四层 $7$ 个,共 $1+3+5+7=16$ 个;边长为 $2$ 的三角形共 $7$ 个;边长为 $3$ 的共 $3$ 个;边长为 $4$ 的共 $1$ 个。整个图形中共有 $16+7+3+1=27$ 个三角形。 (3)吃掉一个巧克力棒后减少的三角形都是以该巧克力棒为边(或边的一部分)的三角形,分类来数:边长为 $1$ 的 $2$ 个,边长为 $2$ 的 $2$ 个,边长为 $3$ 的 $1$ 个,共 $5$ 个。因此剩下图形中还有 $27-5=22$ 个三角形。
方法:利用对称性数边数;按边长分类逐层数三角形;删边后只需减去以该边为边的三角形。
3. 如图 6-3,它是由 $18$ 个大小相同的小正三角形拼成的四边形,其中某些相邻的小正三角形可以拼成较大的正三角形。图中包含“$*$”的各种大小的正三角形一共有多少个?
★★★
三角形计数 按边长分类 特定元素计数 含特定区域的三角形计数
显示答案 / 解析
答案 $6$ 个。
解题过程 设图中小正三角形的边长为 $1$。包含“$*$”的边长为 $1$ 的正三角形只有 $1$ 个;包含“$*$”的边长为 $2$ 的正三角形有 $4$ 个;包含“$*$”的边长为 $3$ 的正三角形只有 $1$ 个。所以图中包含“$*$”的各种大小的正三角形共有 $1+4+1=6$ 个。
方法:按正三角形的边长分类,只统计覆盖了标记小三角形的那些。
4. 数一数,图 6-4 中共有多少个三角形?
★★★
三角形计数 添线计数 分步计数 三角形内部添线计数
显示答案 / 解析
答案 $13$ 个。
解题过程 若将图中的斜边去掉,容易算得剩下的图形中有 $6$ 个三角形;此时再添上这条斜线,会多出 $7$ 个三角形,因此图中共有 $6+7=13$ 个三角形。
方法:先去掉一条线数出基本三角形,再添回该线统计新增的三角形。
5. 如图 6-5,在一个 $4\times 4$ 的方格表中,共有多少个正方形?
★★
正方形计数 按边长分类 平方和 方格表中正方形计数
显示答案 / 解析
答案 $30$ 个。
解题过程 设最小的正方形边长为 $1$,那么边长为 $1$ 的正方形共有 $16$ 个;边长为 $2$ 的正方形共有 $9$ 个;边长为 $3$ 的正方形共有 $4$ 个;边长为 $4$ 的正方形有 $1$ 个。所以图中所包含的正方形共有 $16+9+4+1=30$ 个。
方法:按正方形边长分类,$n\times n$ 方格中边长为 $k$ 的正方形有 $(n-k+1)^2$ 个。
6. 如图 6-6,数一数图中一共有多少条线段?多少个矩形?
★★
线段计数 矩形计数 组合数 乘法原理 方格网中矩形与线段计数
显示答案 / 解析
答案 $70$ 条线段;$60$ 个矩形。
解题过程 图中共有 $4$ 条横线和 $5$ 条竖线。每条横线上有 $C_5^2$ 条线段,因此横着的线段有 $C_5^2\times 4=40$ 条;同样,竖着的线段有 $C_4^2\times 5=30$ 条。图中共有 $40+30=70$ 条线段。 从 $4$ 条横线中选出 $2$ 条,再从 $5$ 条竖线中选出 $2$ 条,就能确定一个矩形。运用乘法原理,矩形的总数是 $$\begin{aligned}C_4^2\times C_5^2&=6\times 10\\&=60\end{aligned}$$ 个。
方法:横、竖方向分别用组合数数线段;选两横两竖确定一个矩形。
7. 如图 6-7,$AB,CD,EF,MN$ 互相平行,则图中梯形个数与三角形个数的差是多少个?
★★
梯形计数 三角形计数 对称结构计数 作差 平行线束中的梯形与三角形计数
显示答案 / 解析
答案 $20$ 个。
解题过程 观察由顶点 $O$ 引出的射线把图形分成的一个个小单元。在右面这样一个基本图形(即顶点处的小三角形与其下方的梯形所组成的图形)中,有 $6$ 个梯形和 $4$ 个三角形,梯形与三角形个数之差是 $2$。而题目给出的图形包含了 $10$ 个这样的基本图形,所以整个图形中梯形个数与三角形个数的差是 $2\times 10=20$。
方法:将图形拆成若干相同的基本单元,求出单元内梯形与三角形个数之差后乘以单元个数。
8. 如图 6-8,$125$ 个黑色与白色小立方体相间排列拼成了一个大立方体。其中露在表面上的黑色小立方体有多少个?
★★★
立体计数 立方体表面计数 相间染色 分类(棱、面)计数 染色立方体表面计数
显示答案 / 解析
答案 $48$ 个。
解题过程 大立方体是 $5\times 5\times 5$ 的。大立方体的每条棱上有 $2$ 个黑色小立方体,$12$ 条棱共有 $2\times 12=24$ 个。除棱上小立方体外,大立方体每个面上有 $4$ 个黑色小立方体,$6$ 个面共有 $4\times 6=24$ 个。因此,露在表面的黑色小立方体共有 $24+24=48$ 个。
方法:把表面黑色小方块按所在位置(棱上、面上)分类,避免重复地统计。
9. 平面上有 $9$ 个点,以这些点为顶点可以连出多少条线段?
★★
线段计数 组合数 点连线段(组合)计数
显示答案 / 解析
答案 $36$ 条。
解题过程 从这 $9$ 个点中任意选出两个,都能连出 $1$ 条线段,共 $C_9^2=36$ 种选法,因此一共可以连出 $C_9^2=36$ 条线段。
方法:每两点确定一条线段,用组合数 $C_9^2$ 计数。
10. 如图 6-9,在 $2\times 3$ 的长方形中,每个小正方形的面积都是 $1$。请问:以 $A,B,C,D,E,F,G$ 为顶点且面积为 $1$ 的三角形共有多少个?
★★★★
格点三角形计数 按底边位置分类 三角形面积 格点上指定面积的三角形计数
显示答案 / 解析
答案 $14$ 个。
解题过程 把这些三角形分成以下几类:(1)有一条边在直线 $DG$ 上的,符合条件的有 $\triangle DEA,\triangle DEB,\triangle EFA,\triangle EFB,\triangle FGA,\triangle FGB,\triangle DGC,\triangle EGC$ 共 $8$ 个;(2)有一条边在直线 $AB$ 上的,符合条件的有 $\triangle ABD,\triangle ABE,\triangle ABF,\triangle ABG$ 共 $4$ 个;(3)没有边在直线 $AB$ 或 $DG$ 上的,则必含有点 $C$,符合条件的有 $\triangle CAG,\triangle CBF$ 共 $2$ 个。综上,符合条件的三角形共有 $8+4+2=14$ 个。
方法:按三角形的底边所在直线(上边、下边或都不在)分类,逐一列举。
拓展篇
1. 如图 6-10,数一数,图中有多少个三角形?
★★★
三角形计数 按规模分类 正、倒三角形分别计数 大三角形剖分中的三角形计数
显示答案 / 解析
答案 $48$ 个。
解题过程 按所包含的最小三角形个数分类:只包含 $1$ 个小三角形的有 $25$ 个(朝上的 $15$ 个,朝下的 $10$ 个);包含 $4$ 个小三角形的有 $13$ 个(朝上的 $10$ 个,朝下的 $3$ 个);包含 $9$ 个小三角形的有 $6$ 个;包含 $16$ 个小三角形的有 $3$ 个;包含 $25$ 个小三角形的有 $1$ 个。所以共有 $25+13+6+3+1=48$ 个三角形。
方法:按所含最小三角形个数(即边长的平方)分类,并区分朝上和朝下。
2. 如图 6-11 和 6-12,数一数,两个图形中分别有多少个三角形?
★★
三角形计数 按组成块数分类 添线计数 对称性 复合多边形中的三角形计数
显示答案 / 解析
答案 图 6-11 有 $12$ 个;图 6-12 有 $32$ 个。
解题过程 (1)图 6-11 一共有 $7$ 小块,按包含小块的数量分类计算:包含 $1$ 块的三角形有 $5$ 个;包含 $2$ 块的有 $4$ 个,分别是 $\triangle AGF,\triangle CEF,\triangle EGF$ 和 $\triangle AIF$(其中 $\triangle AIF$ 容易漏掉);包含 $3$ 块的有 $1$ 个;包含 $4$ 块的有 $1$ 个;没有包含 $5$ 块和 $6$ 块的三角形;包含 $7$ 块的大 $\triangle ABC$ 有 $1$ 个。因此共有 $5+4+1+1+1=12$ 个。 (2)先数两个正六边形和对角线组成的图形,容易数出其中共有 $12$ 个三角形。增加一条对角线 $AB$ 后,增加的三角形一定以 $AC,CB$ 或 $AB$ 为边,以 $AC,CB$ 为边的各 $3$ 个,以 $AB$ 为边的有 $4$ 个,增加 $10$ 个;利用对称性,增加另一条对角线 $DE$ 后同样增加 $10$ 个,且没有同时以 $AB$ 的一部分和 $DE$ 的一部分为边的三角形。因此原图共有 $12+10+10=32$ 个三角形。
方法:按所含基本块数分类计数;对复杂图先数主干图形,再逐条添对角线统计新增。
3. 如图 6-13,数一数下面的三个图形中分别有多少个三角形?
★★★
三角形计数 按块数分类 删线与添线计数 五角星类图形的三角形计数
显示答案 / 解析
答案 三个图形依次为 $35$ 个、$29$ 个、$47$ 个。
解题过程 图 1:整个五边形被分成了 $11$ 块,按三角形包含的块数分类计算。由 $1$ 块构成的有 $10$ 个;由 $2$ 块构成的有 $10$ 个;由 $3$ 块构成的共两类(不要数漏),每类各 $5$ 个,共 $10$ 个;由 $5$ 块构成的有 $5$ 个。所以图 1 中共有 $10+10+10+5=35$ 个三角形。 图 2:把图 1 中擦掉一条线段后,减少的是以擦去的线段为一条边的三角形,这样的三角形共 $6$ 个,于是图 2 中共有 $35-6=29$ 个三角形。 图 3:增加一条线段 $AC$ 后增加的三角形一定以 $AC$ 或 $AC$ 的一部分为边。以 $AB$ 为边的有 $4$ 个,以 $BC$ 为边的有 $2$ 个,以 $AC$ 为边的有 $6$ 个,因此图 3 中共有 $35+12=47$ 个三角形。
方法:先数基本图(五角星)三角形,再通过删去或增加一条线段调整数目。
4. 如图 6-14,数一数,图中有多少个三角形?
★★★★
三角形计数 图形分解 跨区域三角形计数 复合五角星图形的三角形计数
显示答案 / 解析
答案 $85$ 个。
解题过程 原图可以分成一大一小两个部分。由上题已经算出这两个部分中各有 $35$ 个三角形,而且其中没有重复的。除了这些三角形之外,原图中剩下的三角形是由两个部分中各取一些线段组合而成的,这样的三角形一共有两种,第一种 $10$ 个,第二种 $5$ 个。因此原图中共有 $35\times 2+10+5=85$ 个三角形。
方法:把复杂图分成两个已知部分,再补上跨越两部分的三角形。
5. 如图 6-15,数一数,图中共有多少个长方形?(正方形是一种特殊的长方形)
★★
长方形计数 按块数分类 不规则分割图中的矩形计数
显示答案 / 解析
答案 $17$ 个。
解题过程 按所含基本块数分类:由 $1$ 块组成的长方形共有 $7$ 个;由 $2$ 块组成的共有 $4$ 个;由 $3$ 块组成的共有 $2$ 个;由 $4$ 块组成的有 $1$ 个;由 $5$ 块组成的有 $1$ 个;由 $6$ 块组成的有 $1$ 个;由 $7$ 块组成的有 $1$ 个。因此图中共有长方形 $7+4+2+1+1+1+1=17$ 个。
方法:对不规则划分的图形,按拼成长方形所用的小块数逐一分类计数。
6. 如图 6-16,四条边长度都相等的四边形称为菱形。用 $16$ 个同样大小的菱形组成如图所示的一个大菱形。数一数,图中共有多少个菱形?
★★★
菱形计数 按边长分类 平方和 菱形阵中的菱形计数
显示答案 / 解析
答案 $30$ 个。
解题过程 设最小的菱形边长为 $1$,那么边长为 $1$ 的菱形共有 $16$ 个;边长为 $2$ 的菱形共有 $9$ 个;边长为 $3$ 的菱形共有 $4$ 个;边长为 $4$ 的菱形有 $1$ 个。所以图中所包含的菱形共有 $16+9+4+1=30$ 个。
方法:与方格中正方形计数类似,按边长分类,$4\times 4$ 菱形阵中边长为 $k$ 的菱形有 $(4-k+1)^2$ 个。
7. 如图 6-17,这是一个长为 $9$,宽为 $4$ 的网格,每个小格都是 $1$ 个正方形,请问:(1)从中可以数出多少个长方形?(2)从中可以数出多少个包含黑点的长方形?
★★
长方形计数 组合数 乘法原理 含特定点计数 方格网中含定点的矩形计数
显示答案 / 解析
答案 (1)$450$ 个;(2)$144$ 个。
解题过程 (1)图中共有 $5$ 条横线和 $10$ 条竖线,而长方形的个数就等于任取两条横线两条竖线的方法数。从 $5$ 条横线中取 $2$ 条共有 $C_5^2$ 种方法,从 $10$ 条竖线中取 $2$ 条共有 $C_{10}^2$ 种方法。利用乘法原理,图中共有 $$\begin{aligned}C_5^2\times C_{10}^2&=10\times 45\\&=450\end{aligned}$$ 个长方形。 (2)如果长方形包含黑点,那么黑点应该在选出的两条横线之间,也应该在两条竖线之间,因此选出的两条横线应该有一条在黑点上面、一条在黑点下面,两条竖线有一条在黑点左边、一条在黑点右边。黑点上面有 $2$ 条横线、下面有 $3$ 条横线,左边有 $6$ 条竖线、右边有 $4$ 条竖线,因此包含黑点的长方形共有 $2\times 3\times 6\times 4=144$ 个。
方法:取两横两竖确定一个矩形;含黑点时分别在黑点两侧选取横竖线。
8. 如图 6-18,数一数图中有多少个长方形?
★★
长方形计数 组合数 容斥原理 图形分块 L 形(不规则)网格中的矩形计数
显示答案 / 解析
答案 $135$ 个。
解题过程 如图,把 L 形分成下方与右方两块矩形区域分别计数。下方阴影部分中一共有长方形 $C_4^2\times C_6^2=90$ 个;右方阴影部分中一共有长方形 $C_7^2\times C_3^2=63$ 个。其中右下方 $3\times 2$ 长方形中的长方形被两块都数到了,重复计算了,共有 $C_4^2\times C_3^2=18$ 个。所以图中一共包含长方形 $90+63-18=135$ 个。
方法:把 L 形分成两块矩形区域分别用组合数计数,再用容斥减去重复部分。
9. 如图 6-19,数一数,图中共有多少个平行四边形?
★★★
平行四边形计数 按方向分类 对称性 三角网格中的平行四边形计数
显示答案 / 解析
答案 $45$ 个。
解题过程 图中所有平行四边形一共有三种不同的方向:尖朝右、尖朝左和尖朝上。根据图形的对称性,这三种平行四边形的个数是一样多的,所以只需数出其中的一种,再乘以 $3$。下面数尖朝上的平行四边形:这种平行四边形的边都是斜的,没有横线,因此把图中所有横线去掉后图形就简单了。容易数出:最小的平行四边形有 $6$ 个,两个小平行四边形拼成的有 $6$ 个,三个拼成的有 $2$ 个,四个拼成的有 $1$ 个,共 $15$ 个。因此原图中一共有 $15\times 3=45$ 个平行四边形。
方法:利用三个方向的对称性,只数一个方向再乘以 $3$。
10. 如图 6-20,$18$ 个大小相同的小正三角形拼成了一个平行四边形。数一数,图中共有多少个梯形?
★★★
梯形计数 按底边方向分类 对称性 分层计数 三角网格平行四边形中的梯形计数
显示答案 / 解析
答案 $56$ 个。
解题过程 数梯形先找出它的上底和下底所在的两条平行线。图中一共有三组不同方向的平行线:左上右下的斜线、左下右上的斜线和竖线,因此所有梯形也分成三类,按梯形底的方向来分类计算。 先算底是左上右下斜线的梯形:一层的梯形共有 $6\times 3=18$ 个,两层的梯形共有 $2\times 2=4$ 个,没有三层的,因此这类梯形共有 $18+4=22$ 个。根据对称性,底是左下右上斜线的梯形也有 $22$ 个。最后考虑底是竖线的梯形,这样的梯形只有一层和两层,一层的有 $1+4+4+1=10$ 个,两层的有 $2$ 个,共 $12$ 个。所以图中所有梯形共有 $22+22+12=56$ 个。
方法:按梯形上下底所在平行线的方向分三类,对斜线方向利用对称性。
11. 如图 6-21,木板上钉着 $12$ 枚钉子,排成三行四列的长方形。用橡皮筋一共可以套出多少个不同的三角形?
★★
三角形计数 组合数 排除共线点组 正难则反 钉板(点阵)上的三角形计数
显示答案 / 解析
答案 $200$ 个。
解题过程 能够套出的三角形总数等于不在同一直线上的三点组的总数。从 $12$ 个点中任意选择 $3$ 个点有 $C_{12}^3=220$ 种方法,所以点阵中的三点组有 $220$ 个。再来计算共线三点组的数目:每条横线上任意三个都是共线的三点组,共 $C_4^3\times 3=12$ 个,还有 $8$ 条直线(如图中虚线所示)上各有 $1$ 个共线三点组,所以共线三点组共有 $12+8=20$ 个。因此,用橡皮筋一共可以套出 $220-20=200$ 个不同的三角形。
方法:用 $C_{12}^3$ 减去所有共线三点组的个数。
12. 如图 6-22,方格纸上放了 $20$ 枚棋子,以这些棋子为顶点,可以连出多少个正方形?
★★★
正方形计数 斜正方形计数 格点几何 格点上含斜正方形的计数
显示答案 / 解析
答案 $21$ 个。
解题过程 除了图中的 $9$ 个小正方形之外,还可以连出许多“斜”正方形。先确定一条边,然后看另几个顶点是不是格点。通过几次尝试,不难画出边是斜线的正方形一共只有下面四种情况,容易数出来:第一种正方形有 $4$ 个,第二种有 $2$ 个,第三种有 $4$ 个,第四种有 $2$ 个,因此边是斜线的正方形一共有 $4+2+4+2=12$ 个。综上所述,原来图形中以棋子为顶点的正方形一共有 $12+9=21$ 个。
方法:正放的正方形直接数,斜放的正方形按倾斜方式分类枚举。
13. 一个平面封闭图形,只要组成它的边中有一条边不是直线段,就将这个图形称为曲边形,例如圆、半圆、扇形等都是曲边形。在图 6-23 中,共有多少个不同的曲边形?
★★
曲边形计数 按部件数量分类 组合数 圆与内部图形分割成的曲边形计数
显示答案 / 解析
答案 $36$ 个。
解题过程 原来图形由 $6$ 个部分组成,中间是 $1$ 个五角星,边上是 $5$ 个弓形的小块。每个曲边形都至少含有 $1$ 个小块,则可以按含有小块数量来分类计算。含有 $1$ 个小块的曲边形只有两种:一种是只有 $1$ 个小块,另一种是 $1$ 个小块加上五角星,所以含有 $1$ 个小块的不同的曲边形共有 $10$ 个。含有 $2$ 个小块的曲边形一定要有中间的五角星才能连起来,五角星加上任意 $2$ 个小块都可以构成一个曲边形,所以这种曲边形共有 $C_5^2=10$ 个。同样,含有 $3$ 个小块的曲边形共有 $C_5^3=10$ 个;含有 $4$ 个小块的曲边形共有 $C_5^4=5$ 个;含有 $5$ 个小块的曲边形只有 $1$ 个。因此原来图形中一共有 $10+10+10+5+1=36$ 个曲边形。
方法:把图形拆成五角星与若干弓形小块,按所含小块数用组合数计数。
14. 如图 6-24,一个 $2\times 3$ 的网格中,每个小正方形的面积都是 $1$。以这些格点为顶点,可以连成多少个面积为 $1$ 的三角形?
★★★★
格点三角形计数 按底高分类 容斥(去重) 三角形面积 格点上指定面积的三角形计数
显示答案 / 解析
答案 $70$ 个。
解题过程 根据三角形面积公式,面积为 $1$ 的三角形有两种:底是 $2$、高是 $1$,和底是 $1$、高是 $2$。 先看底是 $2$、高是 $1$ 的三角形,按底所在直线分两类:底在横线上时,第三个顶点在另一条横线上有 $4$ 种可能,结合底的位置共有 $8+16+8+3+3+6+6=50$ 个;底在竖线上时,结合左、右两边和中间两条竖线,共有 $12+12+6+6+6+6=48$ 个,即底是 $1$、高是 $2$ 的三角形共 $48$ 个。 两大类合计后还要减去重复:直角边分别是 $1$ 和 $2$ 的直角三角形被两类重复计算,每个这样的直角三角形都是一个 $1\times 2$ 长方形的一半,每个这样的长方形中有 $4$ 个,这种长方形共有 $7$ 个,所以被重复计算的有 $4\times 7=28$ 个。因此,所有面积为 $1$ 的三角形一共有 $50+48-28=70$ 个。
方法:把面积为 $1$ 的三角形按“底 $2$ 高 $1$”“底 $1$ 高 $2$”两类计数,再减去两类重复的直角三角形。
超越篇
1. 图 6-25 是一个等边三角形的点阵。以这些点为顶点,可以画出多少个等腰三角形(包括等边三角形)?
★★★★
等腰三角形计数 点阵几何 按形状分类 对称性 三角点阵上的等腰三角形计数
显示答案 / 解析
答案 $39$ 个。
解题过程 分类计数。先数正三角形(正方向上的),有 $(1+3+5)+3+1=13$ 个;再数斜向的正三角形,有 $2$ 个;最小的等腰钝角三角形有 $3\times 2\times 3=18$ 个;与之相似的大等腰钝角三角形也有 $3$ 个;最后还有 $3$ 个等腰锐角三角形。所以共有等腰三角形 $13+2+18+3+3=39$ 个。
方法:把等腰三角形按正三角形、斜正三角形、钝角与锐角等腰三角形等形状分类计数。
2. 如图 6-26,数一数,图中共有多少个三角形?
★★
三角形计数 添线计数 正难则反 大三角形内多条斜线的三角形计数
显示答案 / 解析
答案 $67$ 个。
解题过程 若去掉中间倒三角形的两条斜边,则剩下的图形中有 $(1+2+3+4+5+6)\times 2=42$ 个三角形;而每添上一条斜边,新添上的斜边与原来的图形可组成 $12$ 个三角形;两条斜边都用到的三角形有 $1$ 个。因此三角形的总数目是 $42+12\times 2+1=67$ 个。
方法:先去掉两条斜边数基础三角形,再逐条添回斜边统计新增,并补回两条斜边公共的三角形。
3. 如图 6-27,这是一个 $4\times 8$ 的矩形网格,每一个小格都是一个正方形,请问:(1)包含有两个“$\bigstar$”的矩形共有多少个?(2)至少包含一个“$\bigstar$”的矩形有多少个?
★★
矩形计数 乘法原理 容斥原理 含特定点计数 方格网中含若干定点的矩形计数
显示答案 / 解析
答案 (1)$30$ 个;(2)$162$ 个。
解题过程 (1)要使矩形包含两个“$\bigstar$”,则矩形左面的边必定在两个“$\bigstar$”的左面,有 $3$ 种选择,矩形上面的边有 $2$ 种选择,右面的边有 $5$ 种选择,下面的边有 $1$ 种选择,因此这样的矩形有 $3\times 2\times 5\times 1=30$ 个。 (2)包含上面那个“$\bigstar$”的矩形有 $4\times 2\times 5\times 3=120$ 个;包含下面那个“$\bigstar$”的矩形有 $3\times 4\times 6\times 1=72$ 个;同时包含两个“$\bigstar$”的矩形有 $30$ 个。根据容斥原理,至少包含一个“$\bigstar$”的矩形有 $120+72-30=162$ 个。
方法:通过确定矩形四条边相对于标记点的位置来计数,至少含一个时用容斥。
4. 如图 6-28,在图中的 $3\times 3$ 正方形格子中,格线的交点称为格点。例如:$A,B,C$ 这 $3$ 个点都是格点。那么,以格点为顶点,且完全覆盖了阴影部分小方格的三角形共有多少个?
★★★
格点三角形计数 对称分类 去重(除以重复倍数) 格点上覆盖指定区域的三角形计数
显示答案 / 解析
答案 $16$ 个。
解题过程 以 $A$ 为一个顶点且完全覆盖了阴影部分的三角形有 $1$ 个;以 $B$ 为一个顶点且完全覆盖了阴影部分的三角形有 $5$ 个;以 $C$ 为一个顶点且完全覆盖了阴影部分的三角形有 $1$ 个。图中与 $A$ 同类型(在大正方形的顶点上)的点有 $4$ 个,与 $B$ 同类型(在大正方形的边上)的点有 $8$ 个,与 $C$ 同类型(在阴影正方形的顶点上)的点有 $4$ 个,因此能数出 $1\times 4+5\times 8+1\times 4=48$ 个三角形(含重复)。而每个三角形有 $3$ 个顶点,即每个三角形被算了 $3$ 遍,因此完全覆盖了阴影部分的三角形有 $48\div 3=16$ 个。
方法:按顶点类型分类,统计以各类点为顶点能覆盖阴影的三角形数,再除以每个三角形被数到的次数 $3$。
5. 如图 6-29,用 $12$ 个点将圆周 $12$ 等分。以这些点为顶点的梯形共有多少个?
★★★★
梯形计数 圆周等分点 旋转对称 等腰梯形(平行弦)判定 圆周等分点上的梯形计数
显示答案 / 解析
答案 $120$ 个。
解题过程 对于每个梯形,将它旋转 $\frac{1}{12}$ 个圆周后都能得到一个新的梯形,因此只需找出这样梯形的形状有多少种,再乘以 $12$ 即可。圆周被分成 $12$ 份相等的圆弧,设每段圆弧的长度为 $1$。若梯形上底对应的弧长为 $1$,则下底对应的弧长(同时包含上底和下底的那段弧)可以是 $3,5,7,9$;若上底对应弧长为 $2$,则下底对应弧长可以是 $4,6,8$;若上底对应弧长为 $3$,则下底对应弧长可以是 $5,7$;若上底对应弧长为 $4$,则下底对应弧长可以是 $6$。梯形的形状共有 $4+3+2+1=10$ 种,梯形的数目有 $10\times 12=120$ 个。
方法:梯形的两底是圆中的平行弦(弧长之和不超过半圆),先数本质不同的形状再乘旋转位置数。
6. 一个平面封闭图形,只要组成它的边中有一条边不是直线段,就将这个图形称为曲边形,例如圆、半圆、扇形等都是曲边形。如图 6-30 中,共有多少个不同的曲边形?
★★★
曲边形计数 按弧段数分类 对称性 圆内接图形分割成的曲边形计数
显示答案 / 解析
答案 $63$ 个。
解题过程 圆被内接正方形及其对角线分成若干弓形小块,按曲边形所含弧的段数分类计数:含一弧的曲边形有 $8\times 4=32$ 个;含相连两弧的曲边形有 $4\times 4=16$ 个;含相间两弧的曲边形有 $3\times 2=6$ 个;含三段弧的曲边形有 $2\times 4=8$ 个;含四段弧的曲边形有 $1$ 个。所以共有 $32+16+6+8+1=63$ 个曲边形。
方法:按曲边形所含圆弧的段数及相对位置分类,借助对称性计数。
7. 如图 6-31,木板上钉着 $16$ 枚钉子,排成四行四列的方阵。用橡皮筋一共可以套出多少个不同的等腰三角形?
★★★
等腰三角形计数 钉板(点阵)计数 按顶角顶点分类 对称性 方阵点阵上的等腰三角形计数
显示答案 / 解析
答案 $148$ 个。
解题过程 将图中的 $16$ 个点分成 $3$ 类:外层顶点处的 $4$ 个为 $A$ 类,外层边上的 $8$ 个为 $B$ 类,内层 $4$ 个为 $C$ 类。①以 $A$ 类的每个点为等腰三角形顶角所在的顶点,都能套出 $6$ 个等腰三角形;②以 $B$ 类的每个点为等腰三角形顶角所在的顶点,都能套出 $8$ 个等腰三角形;③以 $C$ 类的每个点为等腰三角形顶角所在的顶点,都能套出 $15$ 个等腰三角形。因此一共可以套出 $$\begin{aligned}6\times 4+8\times 8+15\times 4&=24+64+60\\&=148\end{aligned}$$ 个等腰三角形。
方法:以等腰三角形顶角的顶点定位,把 $16$ 个点按位置分三类分别统计。
8. 如图 6-32,在 $3\times 3$ 的方格表中,每个小正方形的面积均为 $1$。请问:(1)以格点为顶点共可以连出多少个面积为 $4$ 的三角形?(2)以格点为顶点共可以连出多少个面积为 $3$ 的三角形?(3)以格点为顶点共可以连出多少个面积为 $1.5$ 的三角形?
★★★
格点三角形计数 按面积分类 嵌入小矩形枚举形状 三角形面积 格点上按面积分类的三角形计数
显示答案 / 解析
答案 (1)$4$ 个;(2)$48$ 个;(3)$92$ 个。
解题过程 (1)面积为 $4$ 的三角形只有占据一个角的这种形状,刚好 $4$ 个角各一个,共 $4$ 个。 (2)在一个 $2\times 3$ 的长方形中,有 $4$ 个经旋转或翻转后形如左图的三角形(面积为 $3$),有 $4$ 个形如中图的三角形(面积为 $3$),有 $2$ 个形如右图的三角形(面积为 $3$)。表中有 $4$ 个 $2\times 3$ 的长方形,可以数出 $4\times(4+4+2)=40$ 个面积为 $3$ 的三角形;另外在 $3\times 3$ 的方格表中还有 $8$ 个形如右图的三角形面积为 $3$。综上,以格点为顶点共可以连出 $40+8=48$ 个面积为 $3$ 的三角形。 (3)在 $1\times 3$ 的长方形中,有 $4$ 个经旋转或翻转后形如左图、$4$ 个形如右图的三角形,面积均为 $1.5$。$3\times 3$ 方格表中有 $6$ 个 $1\times 3$ 的长方形,可以数出 $6\times(4+4)=48$ 个;在 $2\times 2$ 的正方形中各有 $4$ 个面积为 $1.5$ 的三角形,$3\times 3$ 表中有 $4$ 个 $2\times 2$ 正方形,可数出 $4\times 4=16$ 个;在 $2\times 3$ 的长方形中各有 $4$ 个,$3\times 3$ 表中有 $4$ 个 $2\times 3$ 长方形,可数出 $4\times 4=16$ 个;在 $3\times 3$ 方格表中还有 $8$ 个形如左图、$4$ 个形如右图的三角形,可数出 $8+4=12$ 个。综上,以格点为顶点共可以连出 $48+16+16+12=92$ 个面积为 $1.5$ 的三角形。
方法:对每种面积,确定三角形可能的形状,再借助 $3\times 3$ 表中各种小矩形的个数累加计数。
第7讲 约数与倍数
兴趣篇
1. (1)请写出 $4$ 个 $24$ 的约数;(2)请写出 $4$ 个 $24$ 的倍数;(3)请写出 $24$ 的所有约数。
★
约数的概念 倍数的概念 找一个数的全部约数 写出约数与倍数
显示答案 / 解析
答案 (1)如 $1,2,3,4$;(2)如 $24,48,72,96$;(3)$1,2,3,4,6,8,12,24$。
解题过程 (1)$24$ 的约数有 $1,2,3,4,6,8,12,24$,任取 $4$ 个即可,如 $1,2,3,4$。 (2)$24$ 的倍数有 $24,48,72,96,\cdots$,任取 $4$ 个即可。 (3)$24$ 的所有约数为 $1,2,3,4,6,8,12,24$,共 $8$ 个。
方法:成对地找约数:从 $1$ 开始依次试除,找出所有约数对。
2. (1)请写出 $105$ 的所有约数;(2)请写出 $72$ 的所有约数。
★
质因数分解 找一个数的全部约数 写出全部约数
显示答案 / 解析
答案 (1)$1,3,5,7,15,21,35,105$;(2)$1,2,3,4,6,8,9,12,18,24,36,72$。
解题过程 (1)$105=3\times5\times7$,其所有约数为 $1,3,5,7,15,21,35,105$。 (2)$72=2^3\times3^2$,其所有约数为 $1,2,3,4,6,8,9,12,18,24,36,72$。
方法:先质因数分解,再用约数对法或按因子组合写出全部约数。
3. (1)$20\,000$ 的约数有多少个?(2)$720$ 的约数有多少个?
★★
质因数分解 约数个数公式 约数个数计算
显示答案 / 解析
答案 (1)$30$ 个;(2)$30$ 个。
解题过程 (1)$20\,000=2^5\times5^4$,所以 $20\,000$ 共有 $(5+1)\times(4+1)=30$ 个约数。 (2)$720=2^4\times3^2\times5$,所以 $720$ 共有 $(4+1)\times(2+1)\times(1+1)=30$ 个约数。
方法:质因数分解后,把各质因数指数加 $1$ 相乘即为约数个数。
4. 计算:(1)$(28,72)$,$[28,72]$;(2)$(28,44,260)$,$[28,44,260]$。
★★
质因数分解 最大公约数 最小公倍数 求最大公约数与最小公倍数
显示答案 / 解析
答案 (1)$(28,72)=4$,$[28,72]=504$;(2)$(28,44,260)=4$,$[28,44,260]=20\,020$。
解题过程 分解质因数是求最大公约数和最小公倍数的基本方法。 (1)$28=2^2\times7$,$72=2^3\times3^2$,所以 $$\begin{aligned}(28,72)&=2^2\\&=4\end{aligned}$$,$$\begin{aligned}[28,72]&=2^3\times3^2\times7\\&=504\end{aligned}$$。 (2)$28=2^2\times7$,$44=2^2\times11$,$260=2^2\times5\times13$,所以 $$\begin{aligned}(28,44,260)&=2^2\\&=4\end{aligned}$$,$$\begin{aligned}[28,44,260]&=2^2\times5\times7\times11\times13\\&=20\,020\end{aligned}$$。
方法:质因数分解后,最大公约数取公共质因子的最低次幂,最小公倍数取所有质因子的最高次幂。
5. 两个数的差是 $6$,它们的最大公约数可能是多少?
★★
最大公约数 公约数整除差的性质 差与最大公约数关系
显示答案 / 解析
答案 $1,2,3,6$。
解题过程 两个数的公约数一定能整除这两个数,所以也能整除它们的差。因此它们最大公约数必是 $6$ 的约数,即 $1,2,3,6$ 这几种情况都可能取到。例如 $1$ 与 $7$ 的最大公约数是 $1$,$2$ 与 $8$ 是 $2$,$3$ 与 $9$ 是 $3$,$6$ 与 $12$ 是 $6$。
方法:利用“公约数整除两数之差”推出最大公约数必为 $6$ 的约数,再逐一验证。
6. (1)求 $1085$ 和 $1178$ 的最大公约数和最小公倍数;(2)求 $3553,3910$ 和 $1411$ 的最大公约数。
★★
辗转相除法(欧几里得算法) 最大公约数 最小公倍数 两数之积等于最大公约数与最小公倍数之积 辗转相除法求最大公约数
显示答案 / 解析
答案 (1)$(1085,1178)=31$,$[1085,1178]=41\,230$;(2)$(3553,3910,1411)=17$。
解题过程 题目中的数字比较难分解,可用辗转相除法。 (1)$1178$ 除以 $1085$ 余 $93$,$1085$ 除以 $93$ 余 $62$,$93$ 除以 $62$ 余 $31$,$62$ 除以 $31$ 余 $0$,所以 $(1085,1178)=31$,$$\begin{aligned}[1085,1178]&=1085\times1178\div31\\&=41\,230\end{aligned}$$。 (2)$3910$ 除以 $3553$ 余 $357$,$3553$ 除以 $357$ 余 $340$,$357$ 除以 $340$ 余 $17$,$340$ 是 $17$ 的倍数,所以 $(3553,3910)=17$。又 $1411\div17=83$,则 $1411$ 也是 $17$ 的倍数,所以 $(3553,3910,1411)=17$。
方法:对难分解的数用辗转相除法求最大公约数,再用 $a\times b=(a,b)\times[a,b]$ 求最小公倍数。
7. 教师节到了,校工会买了 $320$ 个苹果、$240$ 个橘子、$200$ 个香蕉来慰问退休老职工。请问:用这些水果最多可以分成多少份同样的礼物?在每份礼物中,苹果、橘子、香蕉各有多少个?
★★
最大公约数的应用 平均分配问题 最大公约数应用题
显示答案 / 解析
答案 最多分成 $40$ 份;每份苹果 $8$ 个、橘子 $6$ 个、香蕉 $5$ 个。
解题过程 依题意,所求份数等于 $320,240,200$ 的最大公约数。$320=2^6\times5$,$240=2^4\times3\times5$,$200=2^3\times5^2$,所以 $$\begin{aligned}(320,240,200)&=2^3\times5\\&=40\end{aligned}$$。所以这些水果最多可以分成 $40$ 份同样的礼物,每份苹果 $320\div40=8$ 个、橘子 $240\div40=6$ 个、香蕉 $200\div40=5$ 个。
方法:“最多分成几份且每份相同”即求各数量的最大公约数,再用总数除以份数得每份数量。
8. 一块长方形草地,长 $120$ 米,宽 $90$ 米。现在要在它的四周种树,要求四个角和各边中点都种树,且相邻两棵树的距离都相等。请问:最少要种多少棵树?
★★★
最大公约数的应用 植树问题(封闭周长) 最大公约数与植树问题
显示答案 / 解析
答案 $28$ 棵。
解题过程 根据题意,要使四个角和各边中点都种到,株距必须既能整除半长 $120\div2=60$,又能整除半宽 $90\div2=45$,即株距是 $60$ 和 $45$ 的公约数。为使所种树苗最少,株距应尽量大,取 $60$ 和 $45$ 的最大公约数 $(60,45)=15$ 米。四周周长为 $(120+90)\times2=420$ 米,封闭周长上棵数等于段数,所以最少要种 $420\div15=28$ 棵。
方法:株距取长宽的最大公约数,再用周长除以株距(封闭图形棵数等于段数)求出棵数。
9. 甲数和乙数的最大公约数是 $6$,最小公倍数是 $90$。如果甲数是 $18$,那么乙数是多少?
★★
最大公约数与最小公倍数的关系 两数之积等于最大公约数与最小公倍数之积 已知最大公约数最小公倍数求另一数
显示答案 / 解析
答案 $30$。
解题过程 两个数的乘积等于它们的最大公约数与最小公倍数的乘积,所以甲乙两数的乘积等于 $6\times90=540$。因此乙数为 $540\div18=30$。
方法:利用 $\text{甲}\times\text{乙}=(\text{甲},\text{乙})\times[\text{甲},\text{乙}]$ 求出未知数。
10. 墨莫和小高在黑板上各写了一个自然数,它们的最大公约数是 $42$,最小公倍数是 $168$,那么这两个数的和是多少?
★★
最大公约数与最小公倍数的关系 互质分解 已知最大公约数最小公倍数求两数
显示答案 / 解析
答案 $210$。
解题过程 $168=42\times2^2$,将 $2^2$ 分解成两个互质的数相乘有 $4\times1$,所以两数为 $42\times4=168$ 和 $42\times1=42$。它们的和为 $168+42=210$。
方法:设两数为最大公约数乘互质因子,由最小公倍数除以最大公约数得互质因子之积,再分解求两数。
拓展篇
1. $72$ 共有多少个约数?其中有多少个约数是 $3$ 的倍数?
★★
约数个数公式 约数的倍数计数 约数个数与限定约数计数
显示答案 / 解析
答案 $12$ 个;$8$ 个。
解题过程 $72=2^3\times3^2$,所以 $72$ 的约数个数为 $(3+1)\times(2+1)=12$ 个。 在这 $12$ 个约数中,是 $3$ 的倍数的约数必含质因数 $3$,可写成 $3\times d$,其中 $d$ 是 $2^3\times3=24$ 的约数,$24=2^3\times3$ 共有 $(3+1)\times(1+1)=8$ 个约数,所以 $72$ 的约数中是 $3$ 的倍数的有 $8$ 个。
方法:约数个数用指数加一相乘;求含某质因子的约数个数,先提取该质因子再数剩余部分的约数个数。
2. $5400$ 共有多少个约数?求出所有约数乘积的质因数分解形式。
★★
质因数分解 约数个数公式 约数之积公式 约数之积
显示答案 / 解析
答案 $48$ 个;所有约数之积为 $2^{72}\times3^{72}\times5^{48}$。
解题过程 $5400=2^3\times3^3\times5^2$,所以约数个数为 $(3+1)\times(3+1)\times(2+1)=48$ 个。 把这 $48$ 个约数两两配对,每对乘积都等于 $5400$,共 $48\div2=24$ 对,所以所有约数的乘积为 $$\begin{aligned}5400^{24}&=(2^3\times3^3\times5^2)^{24}\\&=2^{72}\times3^{72}\times5^{48}\end{aligned}$$。
方法:约数两两配对,乘积为原数;约数个数为偶数时所有约数之积等于原数的(约数个数÷2)次方。
3. 有甲、乙两个数,它们的最小公倍数是甲数的 $27$ 倍。已知甲数是 $2,4,6,8,10,12,14,16$ 的倍数,但不是 $18$ 的倍数;乙数是两位数。乙数是多少?
★★
最小公倍数与质因数 倍数判断 质因数分解 最小公倍数倍率问题
显示答案 / 解析
答案 $81$。
解题过程 甲、乙的最小公倍数是甲数的 $27$ 倍,说明甲中含有 $1$ 个 $3$,最小公倍数里含 $27$ 倍,因此最小公倍数含有 $4$ 个 $3$。因为乙是两位数,乙必含 $3^4$ 的因子……由分析,乙数是 $81$。
方法:通过最小公倍数是甲数的倍率确定缺少的质因子,再结合乙是两位数定出乙数。
4. 两数乘积是 $2800$,已知其中一个数的约数个数比另一个数的约数个数多 $1$。这两个数分别是多少?
★★
约数个数公式 完全平方数约数个数为奇数 质因数分解 约数个数与完全平方数
显示答案 / 解析
答案 $16$ 和 $175$。
解题过程 一个数的约数个数比另一个数的约数个数多 $1$,则必有一个数的约数个数是奇数,即这个数是完全平方数。所以只需考虑 $2800$ 的约数中哪些是完全平方数。$2800=2^4\times5^2\times7$,约数中完全平方数有 $1,4,16,400$ 等。两数乘积为 $2800$,且约数个数相差 $1$,逐一检验可得:$16=2^4$ 有 $5$ 个约数,$175=5^2\times7$ 有 $6$ 个约数,$16\times175=2800$,约数个数恰好相差 $1$。所以这两个数是 $16$ 和 $175$。
方法:利用“约数个数为奇数当且仅当是完全平方数”,从乘积的完全平方因子入手枚举验证。
5. 计算:(1)$(391,357)$,$[391,357]$;(2)$(18,24,36)$,$[18,24,36]$。
★★
质因数分解 最大公约数 最小公倍数 求最大公约数与最小公倍数
显示答案 / 解析
答案 (1)$(391,357)=17$,$[391,357]=8211$;(2)$(18,24,36)=6$,$[18,24,36]=72$。
解题过程 (1)$357=3\times7\times17$,$391=17\times23$,所以 $(391,357)=17$,$[391,357]=17\times3\times7\times23=8211$。 (2)$18=2\times3^2$,$24=2^3\times3$,$36=2^2\times3^2$,所以 $(18,24,36)=2\times3=6$,$[18,24,36]=2^3\times3^2=72$。
方法:质因数分解后取公共质因子最低次幂得最大公约数,取所有质因子最高次幂得最小公倍数。
6. $1547,1573,1859$ 这三个数的最大公约数是多少?最小公倍数是多少?
★★
辗转相除法 最大公约数 最小公倍数 质因数分解 三数最大公约数与最小公倍数
显示答案 / 解析
答案 最大公约数 $13$;最小公倍数 $2\,433\,431$。
解题过程 先用辗转相除法求 $1573$ 和 $1547$ 的最大公约数:$1573$ 除以 $1547$ 余 $26$,$1547$ 除以 $26$ 余 $13$,$26$ 除以 $13$ 余 $0$,所以 $(1573,1547)=13$。又 $1859\div13=143$,$1859$ 也是 $13$ 的倍数,所以三数的最大公约数是 $13$。由 $1547=13\times7\times17$,$1573=13\times11^2$,$$\begin{aligned}1859&=13\times11\times13\\&=13^2\times11\end{aligned}$$,得最小公倍数 $$\begin{aligned}\text{最小公倍数}&=7\times11^2\times13^2\times17\\&=2\,433\,431\end{aligned}$$。
方法:先用辗转相除法求两数最大公约数,再验证第三数,最后据质因数分解求最小公倍数。
7. 张阿姨把 $225$ 个苹果、$350$ 个梨和 $150$ 个橘子平均分给小朋友们,最后剩下 $9$ 个苹果、$26$ 个梨和 $6$ 个橘子没分出去。请问:每个小朋友各分了多少个苹果?
★★
最大公约数的应用 带余平均分配 约数的取舍(大于余数) 带余分配的最大公约数问题
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答案 $6$ 个。
解题过程 依题意,一共分出去了 $225-9=216$ 个苹果、$350-26=324$ 个梨、$150-6=144$ 个橘子。因为是平均分配,所以小朋友人数是 $216,324,144$ 的公约数,且人数要大于剩余的最大数 $26$。$216=2^3\times3^3$,$324=2^2\times3^4$,$144=2^4\times3^2$,$$\begin{aligned}(216,324,144)&=2^2\times3^2\\&=36\end{aligned}$$,$36$ 的约数中大于 $26$ 的只有 $36$,所以人数是 $36$。每人分得苹果 $216\div36=6$ 个。
方法:先减去余数得到能整除的数量,求其公约数,再用“人数必大于最大余数”筛选确定人数。
8. 一个数和 $16$ 的最大公约数是 $8$,最小公倍数是 $80$,这个数是多少?
★★
最大公约数与最小公倍数的关系 两数之积等于最大公约数与最小公倍数之积 已知最大公约数最小公倍数求一数
显示答案 / 解析
答案 $40$。
解题过程 两个数的乘积等于它们的最大公约数与最小公倍数的乘积,所以这个数与 $16$ 的乘积等于 $8\times80=640$。因此这个数为 $640\div16=40$。
方法:利用 $a\times b=(a,b)\times[a,b]$ 直接求出未知数。
9. 两个自然数不成倍数关系,它们的最大公约数是 $18$,最小公倍数是 $216$。这两个数分别是多少?
★★
最大公约数与最小公倍数的关系 互质分解 不成倍数关系的条件 已知最大公约数最小公倍数求两数
显示答案 / 解析
答案 $54$ 和 $72$。
解题过程 $216\div18=12$,将 $12$ 分解成两个互质且都不为 $1$(不成倍数关系)的因数,只能是 $3\times4$。所以两数为 $18\times3=54$ 和 $18\times4=72$。
方法:用最小公倍数除以最大公约数得互质因子之积,再分解成两个均大于 $1$ 的互质因数。
10. 两个数的最大公约数是 $6$,最小公倍数是 $420$,如果这两个数相差 $18$,那么较小的数是多少?
★★
最大公约数与最小公倍数的关系 互质因子设法 和差关系 最大公约数最小公倍数与差
显示答案 / 解析
答案 $42$。
解题过程 设两数为 $6a$ 和 $6b$($a,b$ 互质)。$6\times6\times a\times b$ 等于最大公约数乘最小公倍数 $6\times420$,即 $a\times b=70$。两数相差 $18$,即 $6\times|a-b|=18$,$|a-b|=3$。所以 $a,b$ 互质、相乘为 $70$、相差为 $3$,得 $a=7,b=10$(或反之)。较小的数为 $6\times7=42$。
方法:设两数为最大公约数乘互质因子,由最小公倍数与差列出互质因子的积与差求解。
11. 卡莉娅、小高、萱萱在黑板上各写了一个自然数,这三个自然数的最大公约数是 $35$,最小公倍数是 $70$。这三个数的和可能是多少?
★★
最大公约数与最小公倍数 约数倍数夹逼 分类讨论 三数最大公约数最小公倍数求和
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答案 $140$ 或 $175$。
解题过程 这三个数都是 $35$ 的倍数,且都是 $70$ 的约数,故每个数是 $35$ 或 $70$。三个数的最大公约数是 $35$、最小公倍数是 $70$,所以至少有一个 $35$、至少有一个 $70$。三数中 $35$ 和 $70$ 的个数搭配有:两个 $35$、一个 $70$,和为 $35+35+70=140$;一个 $35$、两个 $70$,和为 $35+70+70=175$。所以三数之和可能是 $140$ 或 $175$。
方法:由最大公约数与最小公倍数夹逼每个数只能取两个值,再分类讨论求和。
12. 有 $4$ 个不同的正整数,它们的和是 $1111$。请问:它们的最大公约数最大能是多少?
★★
最大公约数 约数与和的整除关系 不等式估计 和固定时最大公约数最大值
显示答案 / 解析
答案 $101$。
解题过程 设这 $4$ 个数的最大公约数为 $d$,则每个数都是 $d$ 的倍数,它们的和 $1111$ 也是 $d$ 的倍数。$1111=11\times101$,$d$ 是 $1111$ 的约数。又因为是 $4$ 个不同的正整数,它们的和至少为 $d\times(1+2+3+4)=10d$,所以 $10d\le1111$,$d\le111.1$。$1111$ 的约数中不超过 $111$ 的最大约数是 $101$,且可取 $101\times1,101\times2,101\times3,101\times5$ 使其和为 $101\times11=1111$,所以最大公约数最大为 $101$。
方法:最大公约数整除总和,再用“四个不同数之和不小于 $10d$”限制取值,取符合的最大约数。
13. 甲、乙两个数的最小公倍数是 $90$,乙、丙两个数的最小公倍数是 $105$,甲、丙两个数的最小公倍数是 $126$。请问:甲数是多少?
★★★
最小公倍数与质因数 质因数指数分析 推理 由多个最小公倍数反求一数
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答案 $18$。
解题过程 把各最小公倍数分解质因数:甲乙的最小公倍数 $90=2\times3^2\times5$,乙丙的最小公倍数 $105=3\times5\times7$,甲丙的最小公倍数 $126=2\times3^2\times7$。由甲乙与甲丙都含 $2$,乙丙不含 $2$,可知甲含 $2$;由甲乙与甲丙都含 $3^2$,乙丙只含 $3^1$,可知甲含 $3^2$;甲不含 $5$、$7$。所以$$\begin{aligned}\text{甲}&=2\times3^2\\&=18\end{aligned}$$。
方法:把三个最小公倍数分解,逐个质因子比较各最小公倍数中的指数,推断甲所含质因子及指数。
14. 甲、乙是两个不同的自然数,它们都只含有质因数 $2$ 和 $3$,并且都有 $12$ 个约数。它们的最大公约数是 $12$。请问:甲、乙两数之和是多少?
★★★
约数个数公式 质因数分解 最大公约数的判定 约数个数与最大公约数综合
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答案 $204$。
解题过程 把只含有质因数 $2$ 和 $3$ 的数设为 $2^a\times3^b$,它的约数个数为 $(a+1)(b+1)=12$。把 $12$ 拆成两个大于 $1$ 的数相乘,可能是 $2\times6$、$3\times4$、$4\times3$、$6\times2$,对应 $(a,b)=(1,5),(2,3),(3,2),(5,1)$,即 $2\times3^5,2^2\times3^3,2^3\times3^2,2^5\times3$。它们的最大公约数是 $12=2^2\times3$,可知甲、乙含 $2$ 的最低次幂为 $2$、含 $3$ 的最低次幂为 $1$,所以甲、乙分别是 $2^2\times3^3=108$ 和 $2^5\times3=96$,它们的和为 $108+96=204$。
方法:由约数个数列出指数组合,再用最大公约数限定两数的质因子指数,确定甲、乙。
超越篇
1. $360$ 有多少个奇约数?所有这些奇约数的和是多少?
★★★★
质因数分解 奇约数计数 约数和 奇约数个数与和
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答案 $6$ 个;和为 $78$。
解题过程 $360=2^3\times3^2\times5$。奇约数不含质因数 $2$,所以奇约数是 $3^2\times5$ 的约数。$3^2\times5=45$ 共有 $(2+1)\times(1+1)=6$ 个约数:$1,3,5,9,15,45$,所以 $360$ 有 $6$ 个奇约数。它们的和为 $1+3+5+9+15+45=78$。
方法:奇约数即去掉因子 $2$ 后剩余部分的约数,对奇部分用约数个数公式与求和。
2. 求出所有恰好有 $10$ 个约数的两位数,并求出每个数的所有约数之和。
★★★★
约数个数公式 约数和公式 质因数结构枚举 指定约数个数的数与约数和
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答案 $48$ 和 $80$;$48$ 的约数和为 $124$,$80$ 的约数和为 $186$。
解题过程 约数个数为 $10$,$10=10\times1=2\times5$。若约数个数为 $p^9$ 形式,则数太大不是两位数;所以两位数只能是 $p^4\times q$($(4+1)(1+1)=10$)的形式。当 $p=2$ 时,$2^4=16$,$q$ 取奇质数使其为两位数:$16\times3=48$,$16\times5=80$($16\times7=112$ 已是三位数)。验证 $48=2^4\times3$、$80=2^4\times5$,约数个数均为 $10$。$48$ 的约数和为 $$\begin{aligned}(1+2+4+8+16)\times(1+3)&=31\times4\\&=124\end{aligned}$$;$80$ 的约数和为 $$\begin{aligned}(1+2+4+8+16)\times(1+5)&=31\times6\\&=186\end{aligned}$$。
方法:由 $10$ 的乘积分解确定质因数结构 $p^4q$,枚举两位数,再用约数和公式求和。
3. 已知 $a$ 与 $b$ 的最大公约数是 $4$,$a$ 与 $c$、$b$ 与 $c$ 的最小公倍数都是 $100$,而且 $a\le b$。满足条件的自然数 $a,b,c$ 共有多少组?
★★★★
最大公约数与最小公倍数 质因数指数分析 列表枚举 分类讨论 三元最大公约数最小公倍数计数
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答案 $9$ 组。
解题过程 $4=2^2$,$100=2^2\times5^2$。下面列表分析 $a,b,c$ 中含质因数 $2,5$ 的情况。由于 $4=2^2$ 是 $a$ 的约数,因此 $a$ 至少含有 $2$ 个 $2$;又因为 $100=2^2\times5^2$ 是 $a$ 的倍数,所以 $a$ 至多含有 $2$ 个 $2$,因此 $a$ 恰好含有 $2$ 个 $2$,同理 $b$ 也恰好含有 $2$ 个 $2$。由于 $a$ 与 $c$、$b$ 与 $c$ 的最小公倍数都含有 $2$ 个 $5$,再根据 $a$ 与 $b$ 的最大公约数不含 $5$,可分别讨论 $a,b,c$ 中含 $5$ 的指数(各自取 $0,1,2$ 中的值,但 $a,b$ 不能同时含 $5^1$ 以上致使最大公约数含 $5$,且与 $c$ 取最小公倍数须得 $5^2$),逐一枚举满足条件的组合共有 $9$ 组。
方法:对每个质因子分别分析 $a,b,c$ 的指数取值,借助最大公约数和最小公倍数的限制列表枚举计数。
4. 所有 $70$ 的倍数中,共有多少个数恰有 $70$ 个约数?
★★★★
约数个数公式 质因数分解 排列计数 倍数中指定约数个数计数
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答案 $6$ 个。
解题过程 $70$ 的倍数 $N$ 有 $70$ 个约数,先看 $70$ 的质因数分解:$70=2\times5\times7$,$70$ 的倍数也一定含有 $2,5,7$ 这几个质因数。考虑 $N$ 的质因数分解,假设 $N=2^a\times5^b\times7^c\times\cdots$,那么 $N$ 的约数个数是 $(a+1)\times(b+1)\times(c+1)\times\cdots=70$。$N$ 是 $70$ 的倍数,所以 $a,b,c$ 都是正整数,$a+1,b+1,c+1$ 都大于 $1$。$70=2\times5\times7$,所以 $N$ 不能含别的质因数(否则 $N$ 还需再乘大于 $1$ 的因子),且 $(a+1)(b+1)(c+1)=2\times5\times7$。把 $2,5,7$ 分配给 $a+1,b+1,c+1$ 共有 $3!=6$ 种排列,即满足条件的数有 $6$ 个。
方法:由倍数关系确定 $N$ 必含且仅含 $2,5,7$,约数个数 $70=2\times5\times7$ 对应指数加一的全排列计数。
5. 自然数 $n$ 是 $1,2,3,\cdots,10$ 的公倍数,而且它恰有 $72$ 个约数。$n$ 的最小值是多少?
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最小公倍数 约数个数公式 最值优化 公倍数与约数个数最值
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答案 $10\,080$。
解题过程 $1,2,3,\cdots,10$ 的最小公倍数是 $$\begin{aligned}[1,2,\cdots,10]&=2^3\times3^2\times5\times7\\&=2520\end{aligned}$$,记为 $k$,$k=2520$ 共有 $(3+1)(2+1)(1+1)(1+1)=48$ 个约数,约数个数还不是 $72$。要使 $n$ 是 $1\sim10$ 的公倍数且约数恰为 $72$,需在 $k$ 上适当增加质因子指数。$72=4\times3\times3\times2$,与现有结构 $(4,3,2,2)$ 比较:①若 $72=4\times3\times3\times2$,则 $n$ 最小为 $2^3\times3^2\times5^2\times7$,相当于在 $k$ 基础上乘 $1$ 个 $5$;②若 $72=6\times3\times2\times2$,则 $n$ 最小为 $2^5\times3^2\times5\times7$,相当于在 $k$ 基础上乘 $2$ 个 $2$,也就是乘 $4$。综上所述,$n$ 的最小值为 $2^5\times3^2\times5\times7=10\,080$。
方法:先求 $1\sim10$ 的最小公倍数为基准,再按约数个数 $72$ 的分解方式补充质因子指数,取使数值最小的方案。
6. 三条圆形跑道,圆心都在操场中的旗杆处。里圈跑道长 $\frac{1}{5}$ 千米,中圈跑道长 $\frac{1}{4}$ 千米,外圈跑道长 $\frac{3}{8}$ 千米。甲、乙、丙三人分别在里圈、中圈、外圈沿同样的方向跑步,开始时,三人都在旗杆的正东方向,甲每小时跑 $3\frac{1}{2}$ 千米,乙每小时跑 $4$ 千米,丙每小时跑 $5$ 千米,他们同时出发。请问:几小时后,三人第一次同时回到出发点?
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分数的最小公倍数 行程问题(环形跑道) 最小公倍数应用 环形跑道相遇与分数最小公倍数
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答案 $6$ 小时。
解题过程 甲每跑一圈用 $\frac{1}{5}\div3\frac{1}{2}=\frac{2}{35}$ 小时,乙每跑一圈用 $\frac{1}{4}\div4=\frac{1}{16}$ 小时,丙每跑一圈用 $\frac{3}{8}\div5=\frac{3}{40}$ 小时。三人同时回到出发点所需时间是各自跑一圈所需时间的公倍数,因此题目相当于求 $\frac{2}{35},\frac{1}{16},\frac{3}{40}$ 的最小公倍数。$$\begin{aligned}\left[\frac{2}{35},\frac{1}{16},\frac{3}{40}\right]&=\frac{[2,1,3]}{(35,16,40)}\\&=\frac{6}{1}\\&=6\end{aligned}$$。所以经过 $6$ 小时后,三人第一次同时回到出发点。
方法:先求各人跑一圈所需时间(分数),再用分数最小公倍数公式 $\left[\frac{a}{b},\frac{c}{d}\right]=\frac{[a,c]}{(b,d)}$ 求结果。
7. 如图 $7-1$,在一个 $600\times600$ 的方格表 $ABCD$ 中,将 $AB$ 与线段 $CD$ 上端点以外的有格点 $N_1,N_2,\cdots,N_{599}$ 分别相连,再得到一些过格点的线段。请问:(1)不会与其他格点相交的线段共有多少条?(2)经过格点最多的线段共经过多少个格点(不包括它的端点)?(3)除去端点,还恰好经过 $29$ 个格点的线段有多少条?
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最大公约数 互质计数(欧拉函数思想) 容斥原理 格点与直线 格点直线与最大公约数计数
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答案 (1)$160$ 个;(2)$299$ 个;(3)$8$ 条。
解题过程 直线 $N_k$ 与 $600$ 会合时的格点情况与 $k$ 和 $600$ 的最大公约数相关。当 $k$ 与 $600$ 互质时,直线 $N_k$ 不会与其他格点相交。 (1)相当于求 $1\sim599$ 中与 $600$ 互质的数有多少个。$600=2^3\times3\times5^2$,由容斥原理:含因数 $2$ 的有 $300$ 个,含因数 $3$ 的有 $200$ 个,含因数 $5$ 的有 $120$ 个;$2,3$ 的公倍数 $100$ 个,$2,5$ 的公倍数 $60$ 个,$3,5$ 的公倍数 $40$ 个,$2,3,5$ 的公倍数 $20$ 个。根据容斥原理,$1\sim600$ 中与 $600$ 不互质的数共 $300+200+120-100-60-40+20=440$ 个,所以与 $600$ 互质的数有 $600-440=160$ 个。 (2)$1\sim599$ 中的数与 $600$ 的最大公约数最大是 $300$,因此经过最多格点的线段是 $N_{300}$,经过了 $299$ 个格点。 (3)相当于求 $1\sim599$ 中与 $600$ 的最大公约数是 $30$ 的数有多少个,这样的数必定为 $30a$ 的形式,其中 $a$ 是 $1\sim20$ 中的某个数。再根据 $30a$ 与 $600=30\times20$ 的最大公约数为 $30$,因此 $a$ 还要与 $20$ 互质,枚举可得 $a$ 可以是 $1,3,7,9,11,13,17,19$,共 $8$ 个,所以这样的线段有 $8$ 条。
方法:把线段经过的格点数与 $k$ 和 $600$ 的最大公约数联系,分别用容斥原理求互质个数、用最大公约数定经过格点最多者、用 $30a$ 与 $20$ 互质枚举。
8. 有些自然数等于自身约数个数的平方,例如 $1$ 和 $9$ 都有此性质。请问:是否还有其他的自然数有此性质?如果有,请举例;如果没有,请说明理由。
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约数个数公式 方程与枚举 质因数分解 数与约数个数的方程
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答案 没有。满足条件的自然数只有 $1$ 和 $9$。
解题过程 设满足条件的自然数为 $N^2$,其约数个数为 $N$。 $1$)显然 $N=1$ 时,该自然数是 $1$,满足条件。 $2$)若 $N\neq1$,将 $N$ 分解质因数为 $N=p_1^{\alpha_1}p_2^{\alpha_2}p_3^{\alpha_3}\cdots p_n^{\alpha_n}$(其中 $p_1<p_2<p_3<\cdots<p_n$),则 $N^2=p_1^{2\alpha_1}p_2^{2\alpha_2}p_3^{2\alpha_3}\cdots p_n^{2\alpha_n}$,其约数个数是 $(2\alpha_1+1)(2\alpha_2+1)(2\alpha_3+1)\cdots(2\alpha_n+1)$,因此有 $p_1^{\alpha_1}p_2^{\alpha_2}p_3^{\alpha_3}\cdots p_n^{\alpha_n}=(2\alpha_1+1)(2\alpha_2+1)(2\alpha_3+1)\cdots(2\alpha_n+1)$。 若 $n=1$,则 $p_1^{\alpha_1}=2\alpha_1+1$,由于 $2\alpha_1+1$ 是奇数,因此 $p_1$ 是奇质数,至少是 $3$。当 $p_1>3$ 或 $\alpha_1>1$ 时都会有 $p_1^{\alpha_1}>2\alpha_1+1$,因此要使等式成立,只能是 $p_1=3$,$\alpha_1=1$,此时该自然数为 $3^2=9$。 若 $n\geq2$,此时有 $p_2>3,p_3>3,\cdots,p_n>3$,可推出 $p_1^{\alpha_1}p_2^{\alpha_2}\cdots p_n^{\alpha_n}>(2\alpha_1+1)(2\alpha_2+1)\cdots(2\alpha_n+1)$,等式不可能成立。 综上,满足条件的自然数只有 $1$ 和 $9$。
方法:设约数个数为 $d(N)$,列出 $N=d(N)^2$,对质因数结构枚举分析。
第8讲 分数与循环小数
兴趣篇
1. 把下列分数化为小数:(1)$\frac{3}{4}, \frac{13}{8}, \frac{13}{25}$;(2)$\frac{2}{9}, \frac{3}{11}, \frac{4}{33}$;(3)$\frac{5}{6}, \frac{5}{22}, \frac{7}{90}$;(4)$\frac{2}{7}, \frac{3}{13}, \frac{4}{37}$。
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分数化小数 有限小数与循环小数的判别
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答案 (1)$0.75, 1.625, 0.52$;(2)$0.\dot{2}, 0.\dot{2}\dot{7}, 0.\dot{1}\dot{2}$;(3)$0.8\dot{3}, 0.2\dot{2}\dot{7}, 0.0\dot{7}$;(4)$0.\dot{2}8571\dot{4}, 0.\dot{2}3076\dot{9}, 0.\dot{1}0\dot{8}$。
解题过程 用分子除以分母即得小数。(1)$\frac{3}{4}=0.75$,$\frac{13}{8}=1.625$,$\frac{13}{25}=0.52$,都是有限小数。(2)$\frac{2}{9}=0.\dot{2}$,$\frac{3}{11}=0.\dot{2}\dot{7}$,$\frac{4}{33}=0.\dot{1}\dot{2}$,都是纯循环小数。(3)$\frac{5}{6}=0.8\dot{3}$,$\frac{5}{22}=0.2\dot{2}\dot{7}$,$\frac{7}{90}=0.0\dot{7}$,都是混循环小数。(4)$\frac{2}{7}=0.\dot{2}8571\dot{4}$,$\frac{3}{13}=0.\dot{2}3076\dot{9}$,$\frac{4}{37}=0.\dot{1}0\dot{8}$。
方法:分子除以分母,结合分母质因数判断小数类型。
2. 把下列小数化成分数:(1)$0.23, 0.479$;(2)$0.12, 0.255$。
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有限小数化分数 约分 小数化分数
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答案 (1)$\frac{23}{100}, \frac{479}{1000}$;(2)$\frac{3}{25}, \frac{51}{200}$。
解题过程 (1)$0.23=\frac{23}{100}$,$0.479=\frac{479}{1000}$。(2)$$\begin{aligned}0.12&=\frac{12}{100}\\&=\frac{3}{25}\end{aligned}$$,$$\begin{aligned}0.255&=\frac{255}{1000}\\&=\frac{51}{200}\end{aligned}$$。
方法:按小数位数确定分母(10 的幂),再约分。
3. 把下列循环小数转化为分数:(1)$0.\dot{1}, 0.\dot{4}$;(2)$0.\dot{0}\dot{1}, 0.\dot{3}\dot{5}$;(3)$0.0\dot{8}, 0.3\dot{8}$。
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纯循环小数化分数 混循环小数化分数 循环小数化分数
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答案 (1)$\frac{1}{9}, \frac{4}{9}$;(2)$\frac{1}{99}, \frac{35}{99}$;(3)$\frac{4}{45}, \frac{7}{18}$。
解题过程 纯循环小数:循环节几位分母就是几个 9。(1)$0.\dot{1}=\frac{1}{9}$,$0.\dot{4}=\frac{4}{9}$。(2)$0.\dot{0}\dot{1}=\frac{1}{99}$,$0.\dot{3}\dot{5}=\frac{35}{99}$。混循环小数:(3)$$\begin{aligned}0.0\dot{8}&=\frac{8}{90}\\&=\frac{4}{45}\end{aligned}$$,$$\begin{aligned}0.3\dot{8}&=\frac{38-3}{90}\\&=\frac{35}{90}\\&=\frac{7}{18}\end{aligned}$$。
方法:纯循环用 9 作分母;混循环用(整体数 − 不循环部分)作分子、若干个 9 后接若干个 0 作分母。
4. 把下列循环小数转化为分数:$0.\dot{7}, 0.\dot{1}\dot{2}, 0.\dot{1}2\dot{3}, 0.1\dot{2}\dot{3}$。
★★
纯循环小数化分数 混循环小数化分数 约分 循环小数化分数
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答案 $\frac{7}{9}, \frac{4}{33}, \frac{41}{333}, \frac{61}{495}$。
解题过程 $0.\dot{7}=\frac{7}{9}$;$$\begin{aligned}0.\dot{1}\dot{2}&=\frac{12}{99}\\&=\frac{4}{33}\end{aligned}$$;$$\begin{aligned}0.\dot{1}2\dot{3}&=\frac{123}{999}\\&=\frac{41}{333}\end{aligned}$$;$$\begin{aligned}0.1\dot{2}\dot{3}&=\frac{123-1}{990}\\&=\frac{122}{990}\\&=\frac{61}{495}\end{aligned}$$。
方法:区分纯循环与混循环,按规则写出分数后约分。
5. 计算:(1)$0.\dot{1}+0.\dot{2}+0.\dot{3}$;(2)$0.\dot{2}+0.\dot{3}+0.\dot{4}$;(3)$0.\dot{3}+0.\dot{5}+0.\dot{7}$;(4)$0.\dot{1}+0.\dot{1}\dot{2}+0.\dot{1}2\dot{3}$;(5)$0.\dot{1}\dot{2}+0.\dot{2}\dot{3}$。
★★
循环小数化分数 分数加法 循环小数加法
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答案 (1)$\frac{2}{3}$;(2)$1$;(3)$1\frac{2}{3}$;(4)$\frac{107}{300}$;(5)$\frac{39}{110}$。
解题过程 (1)$$\begin{aligned}0.\dot{1}+0.\dot{2}+0.\dot{3}&=\frac{1}{9}+\frac{2}{9}+\frac{3}{9}\\&=\frac{6}{9}\\&=\frac{2}{3}\end{aligned}$$。(2)$$\begin{aligned}\frac{2}{9}+\frac{3}{9}+\frac{4}{9}&=\frac{9}{9}\\&=1\end{aligned}$$。(3)$$\begin{aligned}\frac{3}{9}+\frac{5}{9}+\frac{7}{9}&=\frac{15}{9}\\&=1\frac{2}{3}\end{aligned}$$。(4)$$\begin{aligned}\frac{1}{9}+\frac{12-1}{90}+\frac{123-12}{900}&=\frac{321}{900}\\&=\frac{107}{300}\end{aligned}$$。(5)$$\begin{aligned}\frac{12-1}{90}+\frac{23}{99}&=\frac{351}{990}\\&=\frac{39}{110}\end{aligned}$$。
方法:先把每个循环小数化为分数,再通分相加。
6. 计算:$0.\dot{1}234\dot{5}+0.\dot{2}345\dot{1}+0.\dot{3}451\dot{2}+0.\dot{4}512\dot{3}+0.\dot{5}123\dot{4}$。
★★
纯循环小数化分数 同分母分数相加 约分 循环小数求和
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答案 $1\frac{2}{3}$。
解题过程 每个数都是 5 位纯循环小数,分母都是 $99999$,所以$$\begin{aligned}\text{原式}&=\frac{12345+23451+34512+45123+51234}{99999}\\&=\frac{166665}{99999}\\&=\frac{5}{3}\\&=1\frac{2}{3}\end{aligned}$$。
方法:化为同分母分数后合并分子。
7. 计算下列各式,并用小数表示计算结果:(1)$1.\dot{8}\dot{6}\times0.\dot{3}5\dot{1}$;(2)$0.3\dot{8}\div0.\dot{5}1\dot{8}$。
★★
循环小数化分数 分数乘除 约分 循环小数乘除
显示答案 / 解析
答案 (1)$0.\dot{6}\dot{5}$;(2)$0.75$。
解题过程 (1)$$\begin{aligned}1.\dot{8}\dot{6}\times0.\dot{3}5\dot{1}&=\frac{195}{99}\times\frac{351}{999}\\&=\frac{5\times37}{99}\times\frac{13\times3\times9}{37\times3\times9}\\&=\frac{65}{99}\\&=0.\dot{6}\dot{5}\end{aligned}$$。(2)$$\begin{aligned}0.3\dot{8}\div0.\dot{5}1\dot{8}&=\frac{38-3}{90}\div\frac{518}{999}\\&=\frac{35}{90}\times\frac{999}{518}\\&=\frac{3}{4}\\&=0.75\end{aligned}$$。
方法:先把循环小数化为分数,约分后再化回小数。
8. 将算式 $0.\dot{3}+0.\dot{6}-0.\dot{3}\times0.\dot{6}+0.\dot{3}\div0.\dot{6}$ 的计算结果用循环小数表示是多少?
★★
循环小数化分数 分数四则混合运算 分数化循环小数 循环小数混合运算
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答案 $1.2\dot{7}$。
解题过程 $$\begin{aligned}0.\dot{3}+0.\dot{6}-0.\dot{3}\times0.\dot{6}+0.\dot{3}\div0.\dot{6}&=\frac{1}{3}+\frac{2}{3}-\frac{1}{3}\times\frac{2}{3}+\frac{1}{3}\div\frac{2}{3}\\&=1-\frac{2}{9}+\frac{1}{2}\\&=1\frac{5}{18}\\&=1.2\dot{7}\end{aligned}$$。
方法:化分数计算,最后再化为循环小数。
9. 把分数 $\frac{4}{7}$ 化成小数后,从小数点后第一位起连续 1000 位数字的和是多少?
★★
循环小数的周期性 整除与余数 循环节数字和 循环小数连续若干位数字和
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答案 $4499$。
解题过程 $\frac{4}{7}=0.\dot{5}7142\dot{8}$,循环节有 6 位,这 6 位数字的和为 $5+7+1+4+2+8=27$。$1000\div6=166\cdots\cdots4$,1000 位中有 166 个完整循环节,还有 4 位数字依次是 $5,7,1,4$。所以这 1000 位数字的和是 $$\begin{aligned}27\times166+(5+7+1+4)&=4482+17\\&=4499\end{aligned}$$。
方法:用 1000 除以循环节长度,整数部分乘循环节数字和,余数部分单独相加。
10. 真分数 $\frac{a}{7}$ 化成小数后,如果从小数点后第一位起连续若干个数字之和是 $2000$,$a$ 应该是多少?
★★
循环小数的周期性 循环节数字和 余数分析 循环小数数字和反推
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答案 $a=2$。
解题过程 先把 $\frac{1}{7}$ 至 $\frac{6}{7}$ 都化成循环小数,发现每个数的循环节都是 6 位,且都由 $1,2,4,5,7,8$ 这 6 个数字组成,因此每个数的循环节各位数字之和都是 $1+2+4+5+7+8=27$。无论 $a$ 为多少,$\frac{a}{7}$ 化成小数后的每个循环节 6 个数字之和都是 27,而 $2000\div27=74\cdots\cdots2$,所以一定包含了 74 个循环节,还多了 2。因此要使数字和为 2000,下一个循环节必须以 2 开始,只能是 $0.\dot{2}8571\dot{4}$,于是 $a$ 为 2。
方法:利用 a/7 循环节数字和恒为 27,分析余数对应的起始数字确定 a。
拓展篇
1. 将下列分数化为小数:$\frac{3}{8}, \frac{5}{6}, \frac{44}{9}, \frac{2}{7}, \frac{10}{13}$。
★★
分数化小数 循环小数类型判别
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答案 $0.375, 0.8\dot{3}, 4.\dot{8}, 0.\dot{2}8571\dot{4}, 0.\dot{7}6923\dot{0}$。
解题过程 $\frac{3}{8}=0.375$(有限小数);$\frac{5}{6}=0.8\dot{3}$(混循环小数);$\frac{44}{9}=4.\dot{8}$(纯循环小数);$\frac{2}{7}=0.\dot{2}8571\dot{4}$;$\frac{10}{13}=0.\dot{7}6923\dot{0}$。
方法:分子除以分母,注意带分数与循环节的写法。
2. 把下列循环小数转化为分数:$0.\dot{4}\dot{8}, 0.\dot{1}35\dot{3}, 3.1\dot{7}0\dot{3}, 6.36\dot{5}3846\dot{1}$。
★★
纯循环小数化分数 混循环小数化分数 约分 循环小数化分数
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答案 $\frac{16}{33}, \frac{41}{303}, 3\frac{23}{135}, 6\frac{19}{52}$。
解题过程 (1)$0.\dot{4}\dot{8}$ 是纯循环小数,循环节 2 位,分母 99,$$\begin{aligned}&=\frac{48}{99}\\&=\frac{16}{33}\end{aligned}$$。(2)$0.\dot{1}35\dot{3}$ 是纯循环小数,循环节 4 位,分母 9999,$$\begin{aligned}&=\frac{1353}{9999}\\&=\frac{41}{303}\end{aligned}$$。(3)$3.1\dot{7}0\dot{3}$ 是混循环小数,循环节 3 位、不循环部分 1 位,分母 9990,$$\begin{aligned}&=3\frac{1703-1}{9990}\\&=3\frac{1702}{9990}\\&=3\frac{23}{135}\end{aligned}$$。(4)$6.36\dot{5}3846\dot{1}$ 是混循环小数,循环节 6 位、不循环部分 2 位,分母 99999900,$$\begin{aligned}&=6\frac{36538461-36}{99999900}\\&=6\frac{36538425}{99999900}\\&=6\frac{19}{52}\end{aligned}$$。
方法:判断循环节位数与不循环位数,套用循环小数化分数公式后约分。
3. (1)把下面这些分数化为小数后,哪些是有限小数?哪些是纯循环小数?哪些是混循环小数?$\frac{3}{4}, \frac{31}{50}, \frac{2}{17}, \frac{15}{77}, \frac{17}{150}, \frac{18}{192}, \frac{84}{308}, \frac{135}{625}, \frac{11}{1111}$;(2)把下列分数化成循环小数:$\frac{3}{35}, \frac{14}{37}, \frac{12}{143}$。
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有限小数、纯循环、混循环的判别 分数化循环小数 约分 小数类型判别
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答案 (1)$\frac{3}{4}, \frac{31}{50}, \frac{18}{192}, \frac{135}{625}$ 是有限小数;$\frac{2}{17}, \frac{15}{77}, \frac{84}{308}, \frac{11}{1111}$ 是纯循环小数;$\frac{17}{150}$ 是混循环小数。(2)$\frac{3}{35}=0.0\dot{8}5714\dot{2}$,$\frac{14}{37}=0.\dot{3}7\dot{8}$,$\frac{12}{143}=0.\dot{0}8391\dot{6}$。
解题过程 (1)判别依据最简分数的分母:分母只含质因数 2、5 的化为有限小数($\frac{3}{4}, \frac{31}{50}, \frac{18}{192}=\frac{3}{32}, \frac{135}{625}$);分母不含 2、5 的化为纯循环小数($\frac{2}{17}, \frac{15}{77}, \frac{84}{308}=\frac{3}{11}, \frac{11}{1111}=\frac{1}{101}$);分母既含 2 或 5 又含其他质因数的化为混循环小数($\frac{17}{150}=0.11\dot{3}$)。(2)$\frac{3}{35}=\frac{6}{70}$,因为 $\frac{6}{7}=0.\dot{8}5714\dot{2}$,所以 $\frac{3}{35}=0.0\dot{8}5714\dot{2}$;$$\begin{aligned}\frac{14}{37}&=\frac{14\times27}{999}\\&=\frac{378}{999}\\&=0.\dot{3}7\dot{8}\end{aligned}$$;$$\begin{aligned}\frac{12}{143}&=\frac{12\times7\times999}{999999}\\&=\frac{83916}{999999}\\&=0.\dot{0}8391\dot{6}\end{aligned}$$。
方法:先约分,再看分母质因数:只含 2、5 为有限;不含 2、5 为纯循环;两者皆有为混循环。
4. 计算:(1)$0.\dot{0}\dot{2}+0.\dot{3}\dot{1}+0.\dot{4}\dot{5}$;(2)$0.\dot{1}+0.\dot{1}\dot{2}+0.\dot{1}23\dot{4}$;(3)$0.\dot{1}\dot{2}+0.\dot{5}\dot{3}+0.\dot{6}\dot{9}$;(4)$0.\dot{6}\dot{7}+0.\dot{2}1\dot{2}+0.\dot{1}1102\dot{0}$。
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循环小数化分数 通分相加 循环小数求和
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答案 (1)$\frac{26}{33}$;(2)$\frac{883}{2475}$;(3)$1\frac{35}{99}$;(4)$1$。
解题过程 (1)$0.\dot{0}\dot{2}+0.\dot{3}\dot{1}+0.\dot{4}\dot{5}=\frac{2}{99}+\frac{31}{99}+\frac{45}{99}=\frac{78}{99}=\frac{26}{33}$。(2)$0.\dot{1}+0.\dot{1}\dot{2}+0.\dot{1}23\dot{4}=\frac{1}{9}+\frac{12-1}{90}+\frac{1234-12}{9900}=\frac{3532}{9900}=\frac{883}{2475}$。(3)$0.\dot{1}\dot{2}+0.\dot{5}\dot{3}+0.\dot{6}\dot{9}=\frac{12+53+69}{99}=\frac{134}{99}=1\frac{35}{99}$。(4)$0.\dot{6}\dot{7}+0.\dot{2}1\dot{2}+0.\dot{1}1102\dot{0}=\frac{67}{99}+\frac{212}{999}+\frac{111020}{999999}=\frac{999999}{999999}=1$。
方法:把各循环小数化为分数后通分相加。
5. 计算:(1)$0.\dot{0}\dot{1}+0.\dot{1}\dot{2}+0.\dot{2}\dot{3}+0.\dot{3}\dot{4}+\cdots+0.\dot{7}\dot{8}+0.\dot{8}\dot{9}$;(2)$0.0\dot{1}+0.1\dot{2}+0.2\dot{3}+0.3\dot{4}+0.7\dot{8}+0.8\dot{9}$。
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循环小数化分数 等差数列求和 纯循环与混循环的区别 循环小数求和
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答案 (1)$4\frac{1}{11}$;(2)$2.4$。
解题过程 (1)每个数都是纯循环小数:$$\begin{aligned}\frac{1}{99}+\frac{12}{99}+\frac{23}{99}+\frac{34}{99}+\frac{45}{99}+\frac{56}{99}+\frac{67}{99}+\frac{78}{99}+\frac{89}{99}&=\left(\frac{1}{99}+\frac{89}{99}\right)\times9\div2\\&=4\frac{1}{11}\end{aligned}$$。(2)每个数都是混循环小数(循环节 1 位):$$\begin{aligned}\frac{1}{90}+\frac{11}{90}+\frac{21}{90}+\frac{31}{90}+\frac{71}{90}+\frac{81}{90}&=\frac{216}{90}\\&=2.4\end{aligned}$$。
方法:化为同分母分数后用等差数列求和或直接相加。
6. 计算:(1)$(4.\dot{2}-0.\dot{4}\dot{8})\div2.0\dot{5}$;(2)$0.\dot{1}3\dot{2}\times(0.1\dot{3}\dot{5}+0.13\dot{5})$。
★★
循环小数化分数 分数四则混合运算 约分 循环小数混合运算
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答案 (1)$1\frac{9}{11}$;(2)$\frac{298}{8325}$。
解题过程 (1)$$\begin{aligned}(4.\dot{2}-0.\dot{4}\dot{8})\div2.0\dot{5}&=\left(4\frac{2}{9}-\frac{48}{99}\right)\div2\frac{5}{90}\\&=3\frac{73}{99}\div\frac{37}{18}\\&=\frac{370}{99}\times\frac{18}{37}\\&=1\frac{9}{11}\end{aligned}$$。(2)$$\begin{aligned}0.\dot{1}3\dot{2}\times(0.1\dot{3}\dot{5}+0.13\dot{5})&=\frac{132}{999}\times\left(\frac{134}{990}+\frac{122}{900}\right)\\&=\frac{132}{999}\times\frac{2682}{9900}\\&=\frac{4}{333}\times\frac{298}{100}\\&=\frac{298}{8325}\end{aligned}$$。
方法:把循环小数化为分数后按运算顺序计算并约分。
7. 计算:$(1.\dot{2}16\dot{9}+0.\dot{1}\dot{8})\div2.0\dot{9}8\dot{1}$。(将结果表示为分数和小数两种形式)
★★
循环小数化分数 分数四则混合运算 分数化循环小数 循环小数混合运算
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答案 $\frac{2}{3}$;$0.\dot{6}$。
解题过程 把算式化成分数来计算:$$\begin{aligned}(1.\dot{2}16\dot{9}+0.\dot{1}\dot{8})\div2.0\dot{9}8\dot{1}&=\left(1\frac{2169}{9999}+\frac{18}{99}\right)\div2\frac{981}{9999}\\&=\left(\frac{12168}{9999}+\frac{1818}{9999}\right)\div\frac{20979}{9999}\\&=\frac{13986}{9999}\times\frac{9999}{20979}\\&=\frac{13986}{20979}\\&=\frac{2}{3}\end{aligned}$$,用小数表示为 $0.\dot{6}$。
方法:化分数计算后再化回循环小数。
8. 将算式 $\frac{1}{9}+\frac{1}{10}+\frac{1}{11}+\frac{1}{12}$ 的计算结果用循环小数表示是多少?
★★
分数化循环小数 循环小数竖式相加 循环节的确定 分数和化循环小数
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答案 $0.38\dot{5}\dot{3}$。
解题过程 把 4 个分数都化成循环小数:$\frac{1}{9}+\frac{1}{10}+\frac{1}{11}+\frac{1}{12}=0.\dot{1}+0.1+0.\dot{0}\dot{9}+0.08\dot{3}$。由于各小数循环节不同,需多写出几位寻找规律,列竖式相加得 $0.385353\cdots=0.38\dot{5}\dot{3}$。
方法:把分数化为循环小数,多写几位后列竖式相加并找出循环节。
9. 计算:$1+\frac{1}{3}+\frac{1}{5}+\frac{1}{7}+\frac{1}{9}+\frac{1}{11}$。(结果用循环小数表示)
★★
分数化循环小数 循环小数竖式相加 循环节长度(最小公倍数) 分数和化循环小数
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答案 $1.8\dot{7}8210\dot{6}$。
解题过程 把 5 个分数都化成循环小数:$1+\frac{1}{3}+\frac{1}{5}+\frac{1}{7}+\frac{1}{9}+\frac{1}{11}=1+0.\dot{3}+0.2+0.\dot{1}4285\dot{7}+0.\dot{1}+0.\dot{0}\dot{9}$。各小数循环节长度不同(1、6、2 位),需多写出几位,列竖式相加得 $1.878210678210\cdots=1.8\dot{7}8210\dot{6}$。
方法:化为循环小数后列竖式相加,循环节长度取各循环节长度的最小公倍数。
10. 将最简真分数 $\frac{a}{7}$ 化成小数后,从小数点后第一位开始的连续 $n$ 位数之和为 $9006$,$a$ 与 $n$ 分别为多少?
★★
循环小数的周期性 循环节数字和 余数分析与分类讨论 循环小数数字和反推
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答案 $a=1, n=2002$ 或 $a=2, n=2001$。
解题过程 $\frac{a}{7}$ 化成小数后循环节都是 6 位,且由 $1,2,4,5,7,8$ 组成,循环节各位数字之和为 27。$9006\div27=333\cdots\cdots15$,要使数字和为 9006,一定是出现了 333 个循环节后还余 15,说明循环节前几位数字之和为 15。观察可得 $1+4+2+8=15$ 或 $2+8+5=15$,对应循环节可能是 $142857$ 或 $285714$。若循环节是 $142857$,则分数为 $\frac{1}{7}$,$a=1$,$n=333\times6+4=2002$;若循环节是 $285714$,则分数为 $\frac{2}{7}$,$a=2$,$n=333\times6+3=2001$。
方法:利用循环节数字和恒为 27,分析余数对应的部分数字和确定起始位置与 a、n。
11. 小高写了一个错误的不等式:$0.2008>0.2008>0.2008>0.2008$。请给式子中每个小数都添加循环点,使不等号成立。请问:添加循环点后这四个数中最大数与最小数的和等于多少?
★★
循环小数大小比较 循环点的添加 循环小数相加 循环点添加与比较
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答案 $0.\dot{4}0168\dot{9}$(即 $0.\dot{4}0168\dot{9}=0.401689689\cdots$)。
解题过程 添加循环点后可得 $0.200\dot{8}>0.20\dot{0}\dot{8}>0.2\dot{0}0\dot{8}>0.\dot{2}00\dot{8}$。其中最大数为 $0.200\dot{8}=0.200888\cdots$,最小数为 $0.\dot{2}00\dot{8}=0.200800800\cdots$。列竖式相加:$0.200888\cdots+0.200800800\cdots=0.\dot{4}0168\dot{9}$(即 $0.401689689\cdots$)。
方法:逐位比较确定循环点位置使不等式成立,再对最大、最小数列竖式相加。
12. (1)把 $\frac{13}{101}$ 和 $\frac{88}{101}$ 化成小数后,两个循环小数的小数点后第 2008 位数字的和是多少?(2)把 $\frac{1325}{2008}$ 和 $\frac{683}{2008}$ 化成小数后,两个循环小数的小数点后第 2008 位数字的和是多少?
★★
循环小数的周期性 互补分数的位值关系 第 n 位数字 循环小数第 n 位数字
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答案 (1)$9$;(2)$9$。
解题过程 (1)$$\begin{aligned}\frac{13}{101}&=\frac{1287}{9999}\\&=0.\dot{1}28\dot{7}\end{aligned}$$,$$\begin{aligned}\frac{88}{101}&=\frac{8712}{9999}\\&=0.\dot{8}71\dot{2}\end{aligned}$$,循环节都是 4 位。$2008\div4=502$,第 2008 位是循环节最后一位,分别是 7 和 2,和为 9。(2)注意到 $\frac{1325}{2008}+\frac{683}{2008}=\frac{2008}{2008}=1$,两个分数化成的循环小数之和也是 1,那么它们每一位数字相加的和都等于 9,因此第 2008 位的和一定是 9。
方法:(1)用周期定位第 2008 位;(2)利用两分数之和为 1 时各位数字互补和为 9。
13. 小高将 $1.2\dot{3}$ 乘以一个数 $a$ 时,把 $1.2\dot{3}$ 误看成 $1.23$,使乘积比正确结果减少 $0.3$。则正确结果应该是多少?
★★
循环小数化分数 差倍关系列方程 循环小数乘法 看错循环点的还原问题
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答案 $111$。
解题过程 根据题意有 $1.2\dot{3}a-1.23a=0.3$,$$\begin{aligned}a&=\frac{0.3}{1.2\dot{3}-1.23}\\&=\frac{0.3}{0.00\dot{3}}\\&=90\end{aligned}$$。于是正确的结果是 $$\begin{aligned}1.2\dot{3}\times90&=1\frac{21}{90}\times90\\&=111\end{aligned}$$。
方法:由乘积差等于误差乘以 a 求出 a,再算正确结果。
14. 墨莫将 $0.3\dot{2}\dot{1}$ 乘以一个数 $a$ 时,看丢了一个循环点,使得乘积比正确结果减少了 $0.\dot{0}\dot{3}$。正确结果应该是多少?
★★
循环小数化分数 差倍关系列方程 循环点位置分析 看错循环点的还原问题
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答案 $96\frac{4}{11}$。
解题过程 $0.3\dot{2}\dot{1}$ 看丢了一个循环点,只可能看丢了第一个,于是变成 $0.32\dot{1}$。$0.32\dot{1}\times a$ 比 $0.3\dot{2}\dot{1}\times a$ 少 $(0.3\dot{2}\dot{1}-0.32\dot{1})\times a$,根据题意它应等于 $0.\dot{0}\dot{3}$。所以 $$\begin{aligned}a&=0.\dot{0}\dot{3}\div(0.3\dot{2}\dot{1}-0.32\dot{1})\\&=0.\dot{0}\dot{3}\div0.00\dot{0}\dot{1}\\&=\frac{3}{99}\div\frac{1}{9900}\\&=300\end{aligned}$$。于是正确结果为 $$\begin{aligned}0.3\dot{2}\dot{1}\times300&=\frac{318}{990}\times300\\&=96\frac{4}{11}\end{aligned}$$。
方法:确定看丢循环点后的小数,由差值求出 a,再算正确结果。
超越篇
1. 将循环小数 $0.0\dot{2}\dot{7}$ 与 $0.\dot{1}79672\dot{2}$ 相乘,取近似值,要求保留一百位小数。该近似值的最后一位小数是多少?
★★★★
循环小数化分数 循环小数的周期性 四舍五入与第 n 位数字 循环小数四舍五入
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答案 $9$。
解题过程 $$\begin{aligned}0.0\dot{2}\dot{7}&=\frac{27}{999}\\&=\frac{1}{37}\end{aligned}$$,$0.\dot{1}79672\dot{2}=\frac{179672}{999999}$。所以 $$\begin{aligned}0.0\dot{2}\dot{7}\times0.\dot{1}79672\dot{2}&=\frac{1}{37}\times\frac{179672}{999999}\\&=\frac{4856}{999999}\end{aligned}$$,即 $0.\dot{0}0485\dot{6}$。乘积是一个六位循环小数,$100\div6=16\cdots\cdots4$,所以第 100 位是 8,第 101 位为 5,四舍五入到第 100 位后这一位数字是 9。
方法:化分数求出乘积的循环节,用周期定位第 100、101 位再四舍五入。
2. 有一个算式 $\frac{\square}{2}+\frac{\square}{5}+\frac{\square}{11}\approx1.37$,算式左边的方格中都是整数,右边的结果为四舍五入到百分位后的近似值,那么方格中填入的三个数分别是多少?
★★★★
分数与小数近似 百分位分析 枚举与凑数 近似值方框填数
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答案 $1, 3, 3$(依次填入分母为 2、5、11 的方格)。
解题过程 $\frac{\square}{2}$ 和 $\frac{\square}{5}$ 都至多只有一位小数,只有 $\frac{\square}{11}$ 可能是循环小数,这样计算结果的百分位只与 $\frac{\square}{11}$ 有关。把分母为 11 的真分数保留到百分位:$\frac{1}{11}\approx0.09,\ \frac{2}{11}\approx0.18,\ \frac{3}{11}\approx0.27,\ \cdots,\ \frac{10}{11}\approx0.91$,只有 $\frac{3}{11}$ 满足要求,所以 $\frac{\square}{11}=\frac{3}{11}$。此时 $\frac{\square}{2}+\frac{\square}{5}=1.1$,依次枚举只能是 $\frac{1}{2}+\frac{3}{5}=1.1$。综上,三个数字分别为 $1, 3, 3$。
方法:抓住决定百分位的分母为 11 的分数先定下来,再枚举另两个分数。
3. 划去 $0.5738367981$ 的小数点后的六个数字,再添上表示循环节的两个圆点,可以得到一个循环小数。这样的小数中最大的数为多少?最小的数为多少?
★★★★
子序列选取 循环小数大小比较 循环点的添加 划数添循环点构造极值
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答案 最大 $0.8\dot{9}8\dot{1}$,最小 $0.3\dot{3}6\dot{1}$。
解题过程 先考虑最大的情况。要让小数最大,应先使十分位最大。十分位最大是 9,但这样要划去 7 个数字,不能满足要求;因此十分位最大是 8,划去前三个数字。再考虑百分位:百分位最大是 9,这时要划去 3、6、7 三个数字,于是得到 $0.8981$。再加循环点使它最大,应在 9 上加循环点,所以最大数为 $0.8\dot{9}8\dot{1}$。再考虑最小的:类似地,十分位最小可以是 3(保留第一个 3),百分位最小也可以是 3,剩下 $0.3361$,再加循环点使它最小,得 $0.3\dot{3}6\dot{1}$。
方法:逐位贪心确定各位数字,再通过添加循环点取最大或最小。
4. 给小数 $0.2138045976$ 添加表示循环节的两个圆点,得到一个循环小数。要使得这个循环小数的小数点后第 100 位数字是 7,应该怎么添加?
★★★★
循环小数的周期性 循环节长度的因数分析 第 n 位数字 添加循环点定第 n 位
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答案 把循环点添在第 4 位的 8 和第 10 位的 6 上面,变成 $0.213\dot{8}04597\dot{6}$。
解题过程 第一个 7 是这个循环小数的第 9 位,第 100 位也是 7。而每经过一个循环节,都会出现一次 7,从第 9 位到第 100 位经过了 91 位,因此这 91 位一定是若干个完整的循环节。而 $91=7\times13$,但现在循环节最多只能有 10 位,因此这个小数的循环节长度一定是 7,即循环节为 $8045976$,这个循环小数是 $0.213\dot{8}04597\dot{6}$。
方法:利用第 9 位与第 100 位相同得到间隔 91 是周期的倍数,结合循环节位数约束确定周期。
5. 有两个循环小数 $a$ 和 $b$,$a$ 的循环节有 3 位,$b$ 的循环节有 6 位。这两个数之和的循环节最多有多少位?最少有多少位?
★★★★
循环节长度的最小公倍数 循环小数加减的周期性 构造反例 循环节长度分析
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答案 最多 6 位;最少 2 位。
解题过程 $b$ 的循环节是 6 位,$a$ 的循环节 3 位,那么 $a$ 的小数部分每 6 位也会循环,因此 $a$ 与 $b$ 的和每 6 位一定也循环,所以和的循环节最多是 6 位,例如 $0.\dot{0}0\dot{1}+0.\dot{0}0000\dot{1}=0.\dot{0}0100\dot{2}$。和的循环节不可能是 1 位:若为 1 位,反过来用和减去 $a$,由于 $a$ 的循环节是 3 位,所得的差一定每 3 位一循环,它不可能等于 $b$。循环节是 2 位有可能:只要找到两个循环节是 2 位和 3 位的循环小数,使得它们的差是 6 位循环小数即可,例如 $0.\dot{1}\dot{2}-0.\dot{0}0\dot{1}=0.\dot{1}2021\dot{1}$,因此 $0.\dot{0}0\dot{1}+0.\dot{1}2021\dot{1}=0.\dot{1}\dot{2}$,这样和就可能是 2 位循环节了。综上,所求循环节最多为 6 位,最少为 2 位。
方法:由 lcm(3,6)=6 得最多 6 位;用差的周期约束排除 1 位并构造 2 位的例子。
6. 只用数字 $1, 2, 3$ 各一次可以组成很多不含重复数字的循环小数(循环点和小数点可以任意添加,例如 $1.\dot{3}\dot{2}$,$12.\dot{3}$,$3.1\dot{2}$)。这些小数的总和是多少?
★★★★
分类枚举 循环小数化分数 对称求和 构造循环小数求总和
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答案 $160$。
解题过程 按整数部分位数分类枚举。1)整数部分是两位数:小数部分只有一位,循环小数为 $12.\dot{3},13.\dot{2},21.\dot{3},23.\dot{1},31.\dot{2},32.\dot{1}$,它们的和为 $12\frac{3}{9}+13\frac{2}{9}+21\frac{3}{9}+23\frac{1}{9}+31\frac{2}{9}+32\frac{1}{9}=133\frac{1}{3}$。2)整数部分是一位数:小数部分有两位,又分循环节 1 位和循环节 2 位两种。循环节 1 位时为 $1.2\dot{3},1.3\dot{2},2.1\dot{3},2.3\dot{1},3.1\dot{2},3.2\dot{1}$,它们恰好是(1)中六个小数把小数点向左移动一位,和为 $13\frac{1}{3}$;循环节 2 位时为 $1.\dot{2}\dot{3},1.\dot{3}\dot{2},2.\dot{1}\dot{3},2.\dot{3}\dot{1},3.\dot{1}\dot{2},3.\dot{2}\dot{1}$,和为 $1\frac{23}{99}+1\frac{32}{99}+2\frac{13}{99}+2\frac{31}{99}+3\frac{12}{99}+3\frac{21}{99}=13\frac{1}{3}$。因此这些小数的总和为 $133\frac{1}{3}+13\frac{1}{3}+13\frac{1}{3}=160$。
方法:按整数部分位数与循环节位数分类,每类利用对称性求和。
7. 写出一个最简真分数,它的分子是 2,并且化成小数后是一个混循环小数,不循环部分为 2 位,循环节为 3 位,那么这个分数最大是多少?
★★★★
混循环小数的分母结构 不循环位数与质因数 2、5 循环节位数与 10^k−1 由小数类型反推分数
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答案 $\frac{2}{675}$。
解题过程 这个混循环小数的不循环部分为 2 位,说明对应的最简真分数分母含有 $2^2$ 或 $5^2$;由于分子是 2,因此分母不能含有 $2^2$,必定含有 $5^2$。循环节为 3 位,说明分母含有的质因数除 5 外,其余的都是 $999=3^3\times37$ 的约数。要使这个分数最大,应该让分母最小,枚举 $\frac{2}{25\times3},\frac{2}{25\times9}$ 都不符合条件,而 $$\begin{aligned}\frac{2}{25\times27}&=\frac{2}{675}\\&=0.00\dot{2}9\dot{6}\end{aligned}$$ 符合条件,因此这个分数最大是 $\frac{2}{675}$。
方法:由不循环位数确定 5^2、由循环节位数确定 3 的幂,枚举使分母最小。
8. 我们把由数字 0 和 7 组成的小数叫做“特殊数”,例如 $7.0\dot{7}$,$77.007$ 都是“特殊数”。如果我们将 1 写成若干个“特殊数”的和,最少要写成多少个?
★★★★
数字替换与对应 循环小数按位拆分 最小个数的下界与构造 特殊数拼凑
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答案 $8$ 个。
解题过程 如果有若干个“特殊数”的和为 1,那么将这些“特殊数”中的数字 7 都换成 1,则它们的和会变成 $\frac{1}{7}=0.\dot{1}4285\dot{7}$。而要用若干个只含有数字 0 和 1 的小数相加得到 $0.\dot{1}4285\dot{7}$,由于其中最大数字是 8,所以至少需要 8 个。例如 $0.\dot{1}4285\dot{7}=0.\dot{1}+0.0\dot{1}111\dot{1}+0.0\dot{1}011\dot{1}+0.\dot{0}1011\dot{1}+0.\dot{0}0011\dot{1}+0.\dot{0}0010\dot{1}+0.\dot{0}0010\dot{1}+0.\dot{0}00100$,对应有 $1=0.\dot{7}+0.0\dot{7}777\dot{7}+0.0\dot{7}077\dot{7}+0.\dot{0}7077\dot{7}+0.\dot{0}0077\dot{7}+0.\dot{0}0070\dot{7}+0.\dot{0}0070\dot{7}+0.\dot{0}00700$,共 8 个。
方法:把 7 替换成 1 转化为凑 1/7 的小数,用最大数字 8 给出下界并构造 8 个特殊数。
第9讲 比较与估算
兴趣篇
1. 分别比较下面每组中两个数的大小:(1)$0.375$ 与 $\frac{7}{19}$;(2)$0.4\dot{2}\dot{3}$ 与 $\frac{3}{7}$;(3)$1.34\dot{7}$ 与 $\frac{31}{23}$。
★★
小数与分数比较 分数化小数 循环小数 小数与分数比较大小
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答案 (1)$0.375>\frac{7}{19}$;(2)$0.4\dot{2}\dot{3}<\frac{3}{7}$;(3)$1.34\dot{7}<\frac{31}{23}$。
解题过程 (1)$0.375=\frac{3}{8}>\frac{7}{19}$。 (2)$\frac{3}{7}=0.\dot{4}2857\dot{1}>0.4\dot{2}\dot{3}$,故 $0.4\dot{2}\dot{3}<\frac{3}{7}$。 (3)$\frac{31}{23}=1.3478\cdots>1.34\dot{7}$,故 $1.34\dot{7}<\frac{31}{23}$。
方法:把分数化成小数(或把小数化成分数)后逐位比较。
2. 有 5 个数:$0.17$,$\frac{1}{6}$,$\frac{4}{23}$,$0.\dot{1}\dot{7}$,$0.1\dot{7}$,请将它们从大到小排列。
★★
小数与分数比较 循环小数化小数 排序 多个数排序
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答案 $0.1\dot{7}>\frac{4}{23}>0.\dot{1}\dot{7}>0.17>\frac{1}{6}$(注:参考答案首位印作 $1.1\dot{7}$,系排版笔误,按题中数据应为 $0.1\dot{7}$)。
解题过程 将其中的分数都化成小数:$$\begin{aligned}\frac{1}{6}&=0.1\dot{6}\\&=0.1666\cdots\end{aligned}$$,$\frac{4}{23}=0.1739\cdots$;又 $0.1\dot{7}=0.1777\cdots$,$0.\dot{1}\dot{7}=0.1717\cdots$。逐位比较即可得从大到小的排列结果 $0.1\dot{7}>\frac{4}{23}>0.\dot{1}\dot{7}>0.17>\frac{1}{6}$。
方法:统一化成小数后逐位比较,从大到小排列。
3. 有 8 个数,$0.\dot{5}\dot{1}$,$\frac{2}{3}$,$\frac{5}{9}$,$0.5\dot{1}$,$\frac{24}{47}$,$\frac{13}{25}$ 是其中的 6 个,如果按从小到大的顺序排列,第 4 个数是 $0.5\dot{1}$,那么按从大到小排列时,第 4 个数是哪一个数?
★★
循环小数与分数比较 排序 缺失数的推断 排序与名次推断
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答案 $0.\dot{5}\dot{1}$。
解题过程 将题目中的分数都化成小数:$\frac{2}{3}=0.\dot{6}$,$\frac{5}{9}=0.\dot{5}$,$\frac{24}{47}=0.510\cdots$,$\frac{13}{25}=0.52$。先将已给出的 6 个数从小到大排列:$\frac{24}{47}<0.5\dot{1}<0.\dot{5}\dot{1}<\frac{13}{25}<\frac{5}{9}<\frac{2}{3}$,$0.5\dot{1}$ 是第 2 个;而把 8 个数一起排时 $0.5\dot{1}$ 是第 4 个,说明未给出的 2 个数都比 $0.5\dot{1}$ 小。将这些数从大到小排列时,第 4 个数是 $0.\dot{5}\dot{1}$。
方法:先把已知数化成小数排序,再由名次推断缺失数的位置,确定从大到小排列的指定名次。
4. 在不等式 $\frac{2}{3}<\frac{5}{\square}<\frac{3}{4}$ 的方框中填入一个自然数,使得不等式成立。
★★
分数大小比较 通分子 方框填数 方框填数 / 不等式定数
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答案 $7$。
解题过程 通分分子,把三个分数都化成分子为 $30$(或对应倍数)的形式比较:变成 $\frac{30}{45}<\frac{30}{6\times\square}<\frac{30}{40}$,因此 $45>6\times\square>40$,$\square$ 中只能填 $7$。
方法:通分子后比较分母,确定方框的取值范围。
5. 在大于 $\frac{1}{7}$ 且小于 $\frac{3}{11}$ 的最简真分数中,分子不超过 3 的共有多少个?
★★
分数大小比较 通分子 最简真分数计数 区间内最简分数计数
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答案 $12$ 个。
解题过程 设该分数为 $\frac{k}{N}$,则 $\frac{1}{7}<\frac{k}{N}<\frac{3}{11}$。当 $k=1$ 时,$\frac{3}{21}<\frac{3}{3N}<\frac{3}{11}$,$N$ 可以取 $4,5,6$;当 $k=2$ 时,$\frac{6}{42}<\frac{6}{3N}<\frac{6}{22}$,$N$ 可以取 $9,11,13$;当 $k=3$ 时,$\frac{3}{21}<\frac{3}{N}<\frac{3}{11}$,$N$ 可以取 $13,14,16,17,19,20$。综上,符合条件的最简真分数共有 $12$ 个。
方法:按分子取值分类,通分子确定分母范围,剔除不互质的情形后计数。
6. $A=\frac{1}{11}+\frac{1}{29}$,$B=\frac{1}{13}+\frac{1}{27}$,$C=\frac{1}{14}+\frac{1}{26}$,$D=\frac{1}{9}+\frac{1}{31}$,$E=\frac{1}{7}+\frac{1}{33}$,请将 $A,B,C,D,E$ 按从小到大的顺序排列起来。
★★
分数加法通分 和定差大原理 分数排序 结构化分数排序
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答案 $C<B<A<D<E$。
解题过程 每组两数之和的分母之和相同(均为 $40$),故 $A=\frac{40}{11\times 29}$,$B=\frac{40}{13\times 27}$,$C=\frac{40}{14\times 26}$,$D=\frac{40}{9\times 31}$,$E=\frac{40}{7\times 33}$。由于 $14\times 26>13\times 27>11\times 29>9\times 31>7\times 33$,分母越大分数越小,所以 $C<B<A<D<E$。
方法:把和化成同一分子(两分母之和相同),比较分母之积,分母积越大值越小。
7. $A=\frac{1}{5}+\frac{1}{29}$,$B=\frac{1}{6}+\frac{2}{29}$,它们中较大的是哪个?
★★
作差比较 分数减法 分数大小比较 作差比较大小
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答案 $B$ 较大。
解题过程 $B-A=\left(\frac{1}{6}+\frac{2}{29}\right)-\left(\frac{1}{5}+\frac{1}{29}\right)=\left(\frac{2}{29}-\frac{1}{29}\right)-\left(\frac{1}{5}-\frac{1}{6}\right)=\frac{1}{29}-\frac{1}{30}>0$。因此 $B>A$。
方法:作差后把同类项配对,判断差的正负。
8. 计算:$0.1\dot{6}+0.\dot{1}4285\dot{7}+0.12\dot{5}+0.\dot{1}$,结果保留三位小数。
★★
循环小数加法 竖式计算 四舍五入 循环小数近似计算
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答案 $0.546$。
解题过程 列竖式逐位相加:$0.16666\cdots+0.142857\cdots+0.125000\cdots+0.11111\cdots=0.545634\cdots$。四舍五入保留三位小数后得 $0.546$。
方法:把各循环小数展开足够多位,对齐相加后四舍五入到三位小数。
9. 某次考试中,13 名同学的平均分四舍五入到十分位后等于 85.4,且每名同学的得分都是整数。请问:这 13 名同学的总分是多少?计算平均分时四舍五入到百分位等于多少?
★★
平均数 四舍五入取值范围 整数约束 平均数逆推与估算
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答案 总分是 $1110$;四舍五入到百分位的平均分是 $85.38$。
解题过程 平均分四舍五入后等于 $85.4$,则平均分在 $85.35$ 与 $85.45$ 之间。总分在 $85.35\times 13=1109.55$ 与 $85.45\times 13=1110.85$ 之间,总分必定是整数,只能是 $1110$。平均分是 $1110\div 13=85.384\cdots$,四舍五入到百分位后是 $85.38$。
方法:由四舍五入结果反推平均分范围,乘人数得总分区间,再用总分为整数定值。
10. 算式 $1\frac{10}{100}+2\frac{10}{101}+3\frac{10}{102}+\cdots+11\frac{10}{110}$ 的计算结果的整数部分是多少?
★★
带分数拆分 放缩估算 求整数部分 和式整数部分估算
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答案 $67$。
解题过程 $$\begin{aligned}\text{原式}&=(1+2+3+\cdots+11)+\left(\frac{10}{100}+\frac{10}{101}+\cdots+\frac{10}{110}\right)\\&=66+\left(\frac{10}{100}+\cdots+\frac{10}{110}\right)\end{aligned}$$。由于 $\frac{10}{110}\times 11<\frac{10}{100}+\cdots+\frac{10}{110}<\frac{10}{100}\times 11$,所以 $1<\frac{10}{100}+\cdots+\frac{10}{110}<1\frac{1}{10}$,其整数部分为 $1$,故整个算式的整数部分为 $66+1=67$。
方法:整数部分单独求和,分数部分用最大、最小项放缩估计区间。
拓展篇
1. 分别比较下面每组中两个数的大小:(1)$0.\dot{1}3\dot{5}$ 与 $\frac{3}{19}$;(2)$0.\dot{4}0\dot{9}$ 与 $\frac{15}{37}$;(3)$0.97$ 与 $\frac{1949}{2008}$。
★★
循环小数化分数 小数与分数比较 去分母比较 循环小数与分数比较
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答案 (1)$0.\dot{1}3\dot{5}<\frac{3}{19}$;(2)$0.\dot{4}0\dot{9}>\frac{15}{37}$;(3)$0.97<\frac{1949}{2008}$。
解题过程 (1)$0.\dot{1}3\dot{5}=\frac{135}{999}=\frac{5}{37}<\frac{3}{19}$。 (2)$\frac{15}{37}=\frac{405}{999}=0.\dot{4}0\dot{5}<0.\dot{4}0\dot{9}$,故 $0.\dot{4}0\dot{9}>\frac{15}{37}$。 (3)$0.97\times 2008=1947.76<1949$,所以 $0.97<\frac{1949}{2008}$。
方法:纯循环小数按“循环节/9…9”化分数;或两边同乘分母去掉分数后比较。
2. 现有 7 个数,其中 5 个分别是 $3.\dot{1}\dot{4}$,$3\frac{1}{7}$,$\frac{116}{37}$,$3.\dot{1}\dot{5}$,$3\frac{37}{273}$,如果将这 7 个数按照从小到大排列,第三个数是 $\frac{116}{37}$。请问:位于中间的数是多少?
★★
循环小数与带分数比较 排序 名次推断 排序与中位数推断
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答案 $3\frac{37}{273}$。
解题过程 先将已给出的 5 个数从小到大排列:$\frac{116}{37}<3\frac{37}{273}<3.\dot{1}\dot{4}<3\frac{1}{7}<3.\dot{1}\dot{5}$。这里 $\frac{116}{37}$ 是其中第一个,而把 7 个数一起排时 $\frac{116}{37}$ 是第三个,说明未给出的两个数都比 $\frac{116}{37}$ 小,即排在最前两位:$\square<\square<\frac{116}{37}<3\frac{37}{273}<3.\dot{1}\dot{4}<3\frac{1}{7}<3.\dot{1}\dot{5}$。位于中间(第 4 个)的数是 $3\frac{37}{273}$。
方法:先把已知数排序确定名次,再由“某数排第三”推断缺失数的位置,找出中位数。
3. 在下面 9 个分数算式中:①$\frac{3}{5}+\frac{5}{20}$;②$\frac{3}{6}+\frac{6}{20}$;③$\frac{3}{7}+\frac{7}{20}$;④$\frac{3}{8}+\frac{8}{20}$;⑤$\frac{3}{9}+\frac{9}{20}$;⑥$\frac{3}{10}+\frac{10}{20}$;⑦$\frac{3}{11}+\frac{11}{20}$;⑧$\frac{3}{12}+\frac{12}{20}$;⑨$\frac{3}{13}+\frac{13}{20}$。第几个算式的结果最小?这个结果等于多少?
★★
相邻作差比较 分数加减 极值判断 算式序列极值
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答案 第④个算式结果最小,结果是 $\frac{31}{40}$。
解题过程 相邻算式作差:①$-$②$=\left(\frac{3}{5}-\frac{3}{6}\right)-\left(\frac{6}{20}-\frac{5}{20}\right)=\frac{3}{5\times 6}-\frac{1}{20}>0$,因此①$>$②;同理②$>$③,③$>$④。⑤$-$④$=\left(\frac{9}{20}-\frac{8}{20}\right)-\left(\frac{3}{8}-\frac{3}{9}\right)=\frac{1}{20}-\frac{3}{8\times 9}>0$,因此④$<$⑤;同理⑤$<$⑥,⑥$<$⑦,⑦$<$⑧,⑧$<$⑨。因此第④个算式结果最小,结果是 $\frac{3}{8}+\frac{8}{20}=\frac{31}{40}$。
方法:对相邻算式作差判断单调变化方向,找到由减到增的转折点即最小值。
4. 下面的 4 个算式中,哪个算式的结果最大?①$\left(\frac{1}{17}+\frac{1}{19}\right)\times 20$;②$\left(\frac{1}{24}+\frac{1}{29}\right)\times 30$;③$\left(\frac{1}{31}+\frac{1}{37}\right)\times 40$;④$\left(\frac{1}{41}+\frac{1}{47}\right)\times 50$。
★★
乘法分配律展开 统一基准作差 分数比较 算式比较取最值
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答案 第③个算式结果最大。
解题过程 将每个算式都减去 $2$(因为每个算式都接近 $2$),分别得到:①$\frac{3}{17}+\frac{1}{19}$;②$\frac{1}{4}+\frac{1}{29}$;③$\frac{9}{31}+\frac{3}{37}$;④$\frac{9}{41}+\frac{3}{47}$。不难看出,算式③减去 $2$ 后的余量最大,故算式③的结果最大。
方法:把各算式同减一个公共近似值,转化为比较较小的余项。
5. 从所有分母小于 10 的真分数中,找出一个最接近 0.618 的分数。
★★
分数逼近小数 估算 枚举 用分数逼近给定小数
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答案 $\frac{5}{8}$。
解题过程 用 $0.618$ 分别乘以 $1\sim 9$,看哪个的结果最接近整数:$0.618\times 1=0.618$,$\times 2=1.232$,$\times 3=1.854$,$\times 4=2.472$,$\times 5=3.09$,$\times 6=3.708$,$\times 7=4.326$,$\times 8=4.944$,$\times 9=5.562$。其中乘以 $8$ 的结果 $4.944$ 最接近整数 $5$,因此要求的分数是 $\frac{5}{8}$。
方法:对每个可能的分母,用目标小数乘分母看是否接近整数,从而找到最接近的分数。
6. 在不等式 $\frac{5}{22}<\frac{23}{\square}<\frac{4}{17}$ 的方框中填入一个自然数,使得不等号成立。一共有多少种不同的填法?
★★
分数大小比较 通分子 方框填数计数 不等式方框填数计数
显示答案 / 解析
答案 $4$ 种。
解题过程 通分分子,把三个分数都化成分子为 $460$ 的形式:$\frac{460}{2024}<\frac{460}{20\times\square}<\frac{460}{1955}$,因此 $2024>20\times\square>1955$,即 $101>\square>98$。方框处可填入 $98,99,100,101$ 共 $4$ 个数。
方法:通分子后比较分母,得到方框的取值范围再计数。
7. $1.65$,$1.65+\frac{1}{30}$,$1.65+\frac{2}{30}$,$1.65+\frac{3}{30}$,$\cdots$,$1.65+\frac{29}{30}$,这 30 个数的整数部分之和是多少?
★★
整数部分判断 等差数列 分类求和 整数部分之和
显示答案 / 解析
答案 $49$。
解题过程 $1.65$ 与 $2$ 的差是 $$\begin{aligned}0.35&=\frac{7}{20}\\&=\frac{10.5}{30}\end{aligned}$$。因此从 $1.65$ 到 $1.65+\frac{10}{30}$ 这 $11$ 个数的整数部分都是 $1$,剩下的 $19$ 个数(从 $1.65+\frac{11}{30}$ 起)整数部分都是 $2$。这 $30$ 个数的整数部分之和是 $1\times 11+2\times 19=49$。
方法:找出整数部分由 1 变 2 的临界项,按整数部分分组计数求和。
8. 算式 $\dfrac{1}{\frac{1}{11}+\frac{1}{12}+\frac{1}{13}+\cdots+\frac{1}{19}+\frac{1}{20}}$ 计算结果的整数部分是多少?
★★
放缩估算 繁分数 求整数部分 繁分数整数部分估算
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答案 $1$。
解题过程 分母是 $10$ 个分数之和,用最大、最小项放缩:$\frac{1}{20}\times 10<\frac{1}{11}+\frac{1}{12}+\cdots+\frac{1}{20}<\frac{1}{11}\times 10$,故 $\dfrac{1}{\frac{1}{11}\times 10}<\dfrac{1}{\frac{1}{11}+\cdots+\frac{1}{20}}<\dfrac{1}{\frac{1}{20}\times 10}$,即 $1\frac{1}{10}<\dfrac{1}{\frac{1}{11}+\cdots+\frac{1}{20}}<2$。整数部分是 $1$。
方法:对分母用首末项放缩夹出和的范围,再取倒数得整体范围。
9. 求下述算式计算结果的整数部分:$\left(\frac{1}{2}+\frac{1}{3}+\frac{1}{5}+\frac{1}{7}+\frac{1}{11}+\frac{1}{13}\right)\times 385$。
★★
乘法分配律 带分数求和 求整数部分 乘开求整数部分
显示答案 / 解析
答案 $517$。
解题过程 $385=5\times 7\times 11$,分别乘开:$$\begin{aligned}\left(\frac{1}{2}+\frac{1}{3}+\frac{1}{5}+\frac{1}{7}+\frac{1}{11}+\frac{1}{13}\right)\times 385&=192\frac{1}{2}+128\frac{1}{3}+77+55+35+29\frac{8}{13}\\&=517\frac{35}{48}\end{aligned}$$。整数部分是 $517$。
方法:用分配律把 385 分别乘各项,整数与分数部分分别相加。
10. 算式 $1+\frac{1}{2}+\frac{1}{3}+\frac{1}{4}+\frac{1}{5}+\cdots+\frac{1}{15}+\frac{1}{16}$ 计算结果的整数部分是多少?
★★
调和和分组放缩 求整数部分 估算 调和和整数部分估算
显示答案 / 解析
答案 $3$。
解题过程 分组放缩:$1+\frac{1}{2}+\frac{1}{3}+\cdots+\frac{1}{16}=1+\frac{1}{2}+\left(\frac{1}{3}+\frac{1}{4}\right)+\left(\frac{1}{5}+\cdots+\frac{1}{8}\right)+\left(\frac{1}{9}+\cdots+\frac{1}{16}\right)$。每个括号都小于 $1$(如 $\frac{1}{3}+\frac{1}{4}<\frac{1}{2}\times 2=1$ 等),故和 $<1+1+1+1=4$;同时和 $>3$。因此整数部分是 $3$。
方法:按 2 的幂次分组,每组用上界 1 放缩,夹出整数部分。
11. (1)算式 $33.333\times 33.333$ 计算结果的整数部分是多少?(2)算式 $333.33\times 333.33$ 计算结果的整数部分是多少?
★★
数字结构与凑整 平方公式 求整数部分 重复数字乘积估算
显示答案 / 解析
答案 (1)$1111$;(2)$111108$。
解题过程 先算 $$\begin{aligned}33333\times 33333&=\left(\frac{100000-1}{3}\right)^2\\&=\frac{100000^2-2\times 100000+1}{9}\\&=\frac{9999800001}{9}\\&=1111088889\end{aligned}$$。 (1)由此 $33.333\times 33.333=1111.088889$,整数部分是 $1111$。 (2)$333.33\times 333.33=111108.8889$,整数部分是 $111108$。
方法:把循环数字写成 $(10^n-1)/3$,用平方公式算出整数结果再移动小数点。
12. 将两个小数四舍五入到个位后,所得到的数值分别是 7 和 9。这两个小数乘积的整数部分共有多少种可能的取值?
★★
四舍五入取值范围 乘积区间估计 整数部分计数 近似数乘积整数部分取值
显示答案 / 解析
答案 $17$ 种。
解题过程 设这两个数是 $a$ 和 $b$,则 $6.5\leqslant a<7.5$,$8.5\leqslant b<9.5$。于是 $6.5\times 8.5\leqslant ab<7.5\times 9.5$,即 $55.25\leqslant ab<71.25$。乘积的整数部分可以是 $55\sim 71$ 的任意整数,有 $17$ 种可能的取值。
方法:由四舍五入确定两数范围,乘积取边界得区间,统计区间内整数个数。
13. 有一道题目要求 17 个自然数的平均数,结果保留两位小数。冬冬的计算结果是 11.28,老师说这个数百分位上的数字错了,其他数位上的数都正确,请问:正确答案是多少?
★★
平均数 四舍五入取值范围 整数总和约束 平均数纠错与估算
显示答案 / 解析
答案 $11.24$ 或 $11.29$。
解题过程 设平均数的准确值为 $a$,$a$ 保留两位小数后前面几位是 $11.2$,则 $11.195\leqslant a<11.295$。这 17 个自然数的总和是 $17a$,$11.195\times 17\leqslant 17a<11.295\times 17$,即 $190.315\leqslant 17a<192.015$。总和可能是 $191$ 或 $192$,因此平均数可能是 $191\div 17\approx 11.24$ 或 $192\div 17\approx 11.29$。
方法:由“十分位正确、百分位错误”确定平均数范围,乘人数得整数总和的可能值,再回算平均数。
14. 有一个算式 $\frac{1}{\square}+\frac{1}{\square}+\frac{1}{\square}\approx 0.658$,算式左边的方框各代表一个一位数,右边的结果为四舍五入到千分位后的近似值。方框中填入的三个数字分别为多少?
★★
单位分数和估算 范围估计与枚举 四舍五入近似 单位分数凑近似值
显示答案 / 解析
答案 $3,5,8$。
解题过程 设三个方框中填入的数分别是 $a,b,c$,其中 $a\leqslant b\leqslant c$。首先确定 $a$ 的范围:若 $a\leqslant 2$,则 $\frac{1}{a}+\frac{1}{b}+\frac{1}{c}\geqslant\frac{1}{2}+\frac{1}{9}+\frac{1}{9}=0.\dot{7}\dot{2}>0.658$,因此 $a>2$;若 $a\geqslant 5$,则 $\frac{1}{a}+\frac{1}{b}+\frac{1}{c}\leqslant\frac{1}{5}+\frac{1}{5}+\frac{1}{5}=0.6<0.658$,因此可确定 $a$ 可能是 $3$ 或 $4$。若 $a=4$,则 $\frac{1}{b}+\frac{1}{c}\approx 0.408$:此时若 $b=4$,$\frac{1}{c}\approx 0.158$,没有符合条件的整数 $c$;若 $b\geqslant 5$,$\frac{1}{b}+\frac{1}{c}\leqslant\frac{1}{5}+\frac{1}{5}=0.4<0.408$,矛盾。因此 $a=4$ 不符合条件。于是 $a=3$,$\frac{1}{b}+\frac{1}{c}\approx 0.325$,试验知 $b=5$,$c=8$ 符合条件。即三个数分别为 $3,5,8$。
方法:先用整体放缩界定最小数的范围,再分情况枚举求解。
超越篇
1. 算式 $\dfrac{1}{\frac{1}{10}+\frac{1}{11}+\cdots+\frac{1}{28}+\frac{1}{29}}$ 计算结果的整数部分是多少?
★★★★
对称配对放缩 繁分数 求整数部分 繁分数整数部分估算
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答案 $0$。
解题过程 分母 $\frac{1}{10}+\frac{1}{11}+\cdots+\frac{1}{29}=\frac{1}{10}+\left(\frac{1}{11}+\frac{1}{29}\right)+\left(\frac{1}{12}+\frac{1}{28}\right)+\cdots+\left(\frac{1}{19}+\frac{1}{21}\right)+\frac{1}{20}>\frac{1}{10}+\frac{1}{20}\times 19>1$。因此 $\dfrac{1}{\frac{1}{10}+\frac{1}{11}+\cdots+\frac{1}{29}}<1$,整数部分是 $0$。
方法:对分母首尾配对放缩证明其大于 1,则倒数小于 1,整数部分为 0。
2. 算式 $5.285714\times 4.9\times 3.857142$ 计算结果的整数部分是多少?
★★★★
小数与分数的近似 放缩估算 求整数部分 乘积整数部分估算
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答案 $99$。
解题过程 $5.285714<5\frac{2}{7}$,$3.857142<3\frac{6}{7}$。因此 $5.285714\times 4.9\times 3.857142<5\frac{2}{7}\times 4.9\times 3\frac{6}{7}=99.9$;又乘积明显大于 $99$,故整数部分是 $99$。
方法:把接近 $5\frac{2}{7}$、$3\frac{6}{7}$ 的小数用分数上界替换,估出乘积上界。
3. 在算式 $\frac{1}{\square}+\frac{4}{\square}<1$ 中,方框里填的都是整数,且不等式成立。这个式子左边最大是多少?请说明理由。
★★★★
分数逼近 1 分类讨论 最值 单位分数逼近最值
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答案 $\frac{29}{30}$。
解题过程 记为 $\frac{1}{a}+\frac{4}{b}<1$,显然 $b\geqslant 5$。当 $b=5$ 时,易知 $a=6$,式子取值最大,此时最大值为 $\frac{29}{30}$;当 $b=6$ 时,$a=4$,最大值为 $\frac{11}{12}$;当 $b=7$ 时,$a=3$,最大值为 $\frac{19}{21}$;当 $b=8$ 时,$a=3$,最大值为 $\frac{5}{6}$;当 $b\geqslant 9$ 时,式子的最大值不超过 $\frac{17}{18}$。综上,式子左边的最大值为 $\frac{29}{30}$。
方法:对分母 b 分类讨论,每种情形取使式子最接近 1 的 a,比较各情形的最大值。
4. 两个小数相乘,乘积四舍五入以后是 22.5。这两个数都只有一位小数,且整数部分都是 4。请问:这两个数的乘积四舍五入前是多少?
★★★★
四舍五入取值范围 不等式整数解 枚举与排除 近似乘积反求原数
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答案 $22.54$。
解题过程 由题意列不等式 $22.45\leqslant\left(4+\frac{a}{10}\right)\left(4+\frac{b}{10}\right)<22.55$,不妨设 $a\leqslant b$。化简得 $645\leqslant 40a+40b+ab<655$,即 $645-ab\leqslant 40a+40b<655-ab$。注意到 $a,b$ 为 $0\sim 9$ 的整数,$0\leqslant ab\leqslant 81$,所以 $564\leqslant 40(a+b)<655$,得 $15\leqslant a+b\leqslant 16$。若 $a+b=15$,则 $45\leqslant ab<55$,易得 $a=6$,$b=9$,此时两小数乘积为 $4.6\times 4.9=22.54$;若 $a+b=16$,则 $5\leqslant ab<15$,$a,b$ 无合理解。综上,两小数四舍五入前的乘积为 $22.54$。
方法:由四舍五入和小数位数列出乘积的不等式区间,再用整数约束求出唯一解。
5. 老师在黑板上从 1 开始写了若干个连续自然数:1,2,3,⋯ 后来擦掉其中的一个数,计算剩下数的平均数保留两位小数后是 12.52。老师擦掉的数是多少?
★★★★
连续自然数平均数 平均数变化范围 枚举验证 去数还原平均数
显示答案 / 解析
答案 $12$。
解题过程 设原来写了 $n$ 个数,去掉的数为 $a$。$1\sim n$ 的平均数是 $\frac{n+1}{2}$,必定是 $0.5$ 的倍数;而去掉其中一个数后,对平均数的改变不会超过 $0.5$。因此擦掉那个数之前 $n$ 个数的平均数可能是 $12.5$ 或 $13$。若为 $12.5$,则 $n=24$,$a\approx(1+2+\cdots+24)-12.52\times 23=12.04$,取 $a=12$,经检验符合条件。若为 $13$,则 $n=25$,$a\approx(1+2+\cdots+25)-12.52\times 24=24.52$,取 $a=24$ 或 $25$,经检验都不符合条件。综上所述,擦掉的数是 $12$。
方法:用原平均数为 0.5 的倍数且擦数后变化不超 0.5 缩小 n 的范围,再回算被擦数并验证。
6. 某天中午,3 个老师买盒饭吃。如果买 4 盒分着吃可以让大家都吃饱,而且还有剩余。此时又来了一位老师,结果发现再多买一盒还不够大家吃。后来又来了若干位老师,结果再多买几盒盒饭后,不多不少刚好够大家吃。如果每个老师的饭量都一样,那么后来至少再来了多少位老师?
★★★★
饭量的分数范围 分数不等式 最小整数解 分数范围与整除约束
显示答案 / 解析
答案 $3$ 位。
解题过程 由题意知每位老师的饭量小于 $\frac{4}{3}$ 盒、大于 $\frac{5}{4}$ 盒,记为 $1+\frac{t}{m}$(最简分数)。若干位老师恰好吃完整数盒饭,则老师的数目至少是 $m$,此题即求 $m-4$ 的最小值。由 $\frac{5}{4}<1+\frac{t}{m}<\frac{4}{3}$,可得 $\frac{1}{4}<\frac{t}{m}<\frac{1}{3}$,于是 $3t<m<4t$。当 $t=1$ 时无解;当 $t=2$ 时,$m$ 取得最小值 $7$。因此后来至少再来了 $7-4=3$ 位老师。
方法:把每人饭量设为带分数并界定范围,化为 t/m 的不等式求满足整除条件的最小人数。
7. 请比较 $1+\frac{1}{2}+\frac{2}{3}+\frac{3}{4}+\cdots+\frac{2007}{2008}$ 与 $\frac{2}{1}+\frac{3}{2}+\frac{4}{3}+\frac{5}{4}+\cdots+\frac{1984}{1983}$ 的大小。
★★★★
拆分为 1 加单位分数 调和和分组放缩 和式比较 调和和放缩比较
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答案 第一个比第二个大。
解题过程 把每个分数写成“1 加(减)一个单位分数”后,本题即比较 $2008-\left(\frac{1}{2}+\frac{1}{3}+\cdots+\frac{1}{2008}\right)$ 与 $1984+\left(\frac{1}{2}+\frac{1}{3}+\cdots+\frac{1}{1983}\right)$ 的大小,即比较 $24$ 与 $\left(\frac{1}{2}+\cdots+\frac{1}{2008}\right)+\left(\frac{1}{2}+\cdots+\frac{1}{1983}\right)=2\times\left(\frac{1}{2}+\cdots+\frac{1}{1983}\right)+\left(\frac{1}{1984}+\cdots+\frac{1}{2008}\right)$ 的大小。由于 $\frac{1}{2}+\frac{1}{3}+\cdots+\frac{1}{1983}=\left(\frac{1}{2}+\frac{1}{3}\right)+\left(\frac{1}{4}+\cdots+\frac{1}{7}\right)+\cdots+\left(\frac{1}{1024}+\cdots+\frac{1}{1983}\right)<\underbrace{1+1+\cdots+1}_{10\text{个}1}=10$,且 $\frac{1}{1984}+\cdots+\frac{1}{2008}<1$,因此 $2\times\left(\frac{1}{2}+\cdots+\frac{1}{1983}\right)+\left(\frac{1}{1984}+\cdots+\frac{1}{2008}\right)<2\times 10+1=21<24$。因此第一个比第二个大。
方法:把两边各项化成 1±单位分数,转化为常数与调和和的比较,再用分组放缩估界。
8. 小姚计算 27 个正整数的平均数,保留六位小数后为 8.329610,老师说结果中某些数字肯定是错的,那么小姚至少算错了几个数字?此时正确的平均数是多少?
★★★★★★
分母去 2、5 因子判断循环小数 纯循环小数与分数互化 整除判断 平均数纠错与循环小数
显示答案 / 解析
答案 至少算错 2 个数字;正确的平均数是 $8.\dot{6}2\dot{9}$。
解题过程 设 27 个正整数之和为 $a$,则其平均数为 $\frac{a}{27}$。因为分母 $27$ 不含因子 $2$ 和 $5$,所以 $\frac{a}{27}$ 化成小数后必为纯循环小数,且 $\frac{a}{27}=\frac{37a}{999}$,其结果可以表示为 $8.\dot{b}c\dot{d}$ 的形式,其中 $\overline{bcd}$ 是 $37$ 的倍数。原结果 $8.329610$ 不是这种循环形式,至少要改动 $2$ 个数字才能变成 $8.\dot{b}c\dot{d}$,正确答案可能是 $8.\dot{6}2\dot{9}$ 或 $8.\dot{6}0\dot{9}$;由于 $609$ 不是 $37$ 的倍数,因此正确答案是 $8.\dot{6}2\dot{9}$。
方法:由分母 27 推出平均数必为三位循环节小数,再用循环节是 37 的倍数定出正确结果。
第10讲 数字谜综合一
兴趣篇
1. 有一个整数,在它的个位与十位之间加上一个小数点后,得到一个小数。这个小数与原来的整数之差是 $264.6$。求原来的整数。
★★
小数点移动与数值变化 分数与整数关系 逆运算求原数 小数点位置变化求原数
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答案 $294$。
解题过程 在一个整数的个位与十位之间加上小数点后,数字会变成原来的 $\frac{1}{10}$,这个小数与原数的差为原数的 $\frac{9}{10}$,因此原来的整数是 $264.6\div\frac{9}{10}=294$。
方法:抓住加小数点后新数为原数的 $\frac{1}{10}$,由差占原数的 $\frac{9}{10}$ 反求原数。
2. 试将 $1,2,3,4,5,6,7$ 分别填入下面的方框中,每个数字只用一次:$\square\square\square$(这是一个三位数),$\square\square\square$(这是一个三位数),$\square$(这是一个一位数),使得这三个数中任意两个都互质。已知其中一个三位数已填好,它是 $714$,求另外两个数。
★★
互质判断 质因数分解 整除性 枚举与排除 互质填数
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答案 另外两个数分别是 $5$ 和 $263$。
解题过程 $714=2\times3\times7\times17$。以一位数作为突破口,$1$ 到 $7$ 这几个数字已经被用去了 $3$ 个,所以这个一位数只能在剩下的四个数字中选,剩下的四个数字分别是 $2,3,5,6$。显然,$2,3,6$ 都是 $714$ 的约数,所以这个一位数只能填 $5$。那剩下的三位数只能由 $2,3,6$ 这三个数字组成了,这个数不能是偶数,所以个位只能是 $3$。现在就有两种情况,$263$ 和 $623$,但 $623=7\times89$,有了约数 $7$,所以 $623$ 不满足题目的条件。因此另外两个数分别是 $5$ 和 $263$。
方法:以一位数为突破口,结合 $714$ 的质因数排除不互质的候选,再确定三位数。
3. 用 $1$ 至 $9$ 这 $9$ 个数字各一次组成若干个数,这些数中最多有多少个合数?
★★
合数的判断 组数策略 最优化构造 组数求合数个数
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答案 最多有 $6$ 个合数。
解题过程 $4,6,8,9$ 这 $4$ 个数本身就是合数。而 $1,2,3,5,7$ 不是合数,它们要组成多位数才能成为合数,最多能组成 $2$ 个。因此最多有 $6$ 个合数,例如 $4,6,8,9,21,375$。
方法:保留本身是合数的数字,把非合数数字两两组合成合数。
4. 如图 $10-1$,$4$ 个小三角形的顶点处有 $6$ 个圆圈。在这些圆圈中分别填上 $6$ 个质数(可以重复),使得它们的和是 $20$,而且每个小三角形 $3$ 个顶点上的数之和相等。请问:这 $6$ 个质数的乘积是多少?
★★
数阵图 质数 和相等的结构分析 三角数阵填质数
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答案 $900$。
解题过程 用虚线框起来的两个小三角形有两个顶点是共用的,而两个三角形的和又相等,所以剩下的那个点一定是相等的。这个数阵图的结构应该是中间三个顶点为 $A,B,C$,外侧三个顶点也分别等于 $A,B,C$。$A,B,C$ 分别表示三个质数,于是 $2\times(A+B+C)=20$,$A+B+C=10$。又因为 $A,B,C$ 是质数,要找三个质数凑成 $10$,满足条件的解就只有 $2,3,5$ 了。这 $6$ 个数的积就应该是 $2\times2\times3\times3\times5\times5=900$。
方法:由相邻三角形和相等推出对应顶点相等,化为求三个和为 $10$ 的质数。
5. 在一个带有余数的除法算式中,商比除数大 $2$,在被除数、除数、商和余数中,最大数与最小数之差是 $1023$。请问:此算式中的 $4$ 个数之和最大可能是多少?
★★
带余除法 被除数=除数×商+余数 因数分解 最大化求和 带余除法数字谜
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答案 $1147$。
解题过程 在这个算式中最大的必定是被除数。再根据商比除数大,除数比余数大,得知最小的是余数。由被除数 $-$ 余数 $=1023$ 可得:除数 $\times$ 商 $=1023=3\times11\times31$。已知商等于除数加 $2$,因此只能是商等于 $33$,除数等于 $31$。这时余数最大为 $31-1=30$,被除数为 $1023+30=1053$。因此算式中的 $4$ 个数的和最大可能是 $1053+33+31+30=1147$。
方法:确定大小关系,由被除数减余数得除数与商之积并分解,再取最大余数。
6. 在乘法算式“$\overline{迎杯}\times\overline{春杯}=\overline{好好好}$”中,不同的汉字表示不同的数字,相同的汉字表示相同的数字。请问:“迎 $+$ 春 $+$ 杯 $+$ 好”等于多少?
★★
乘法竖式数字谜 三位数 $\overline{aaa}=a\times111$ 枚举与排除 文字乘法算式
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答案 $21$。
解题过程 $\overline{好好好}=好\times111=好\times3\times37$,所以“迎杯”和“春杯”中一定有一个是 $3$ 的倍数,另一个是 $37$ 的倍数。由于“迎杯”和“春杯”都是两位数,而 $37$ 的倍数中只有 $37$ 和 $74$ 这 $2$ 个是两位数。不妨设“迎杯”是 $37$ 的倍数。如果“迎杯”$=37$,那么原式变为 $37\times\overline{春7}=\overline{好好好}$,所以“好”等于 $9$,因此$$\begin{aligned}\text{“春杯”}&=999\div37\\&=27\end{aligned}$$。如果“迎杯”$=37\times2=74$,那么原式变为 $74\times\overline{春4}=\overline{好好好}$,所以“好”等于 $6$,但 $666\div74=9$,不是两位数,所以这种情况下无解。因此迎、春、杯、好四个数之和为 $3+2+7+9=21$。
方法:利用 $\overline{好好好}=好\times3\times37$ 的结构,按 $37$ 的两位数倍数分类讨论。
7. 将 $1$ 至 $9$ 这 $9$ 个数填入下面算式中的 $9$ 个方框内(每个数字只能用一次),使等式成立:$\square\square\square\times\square\square=\square\square\times\square\square=5568$。
★★
质因数分解 乘积分解枚举 数字不重复约束 乘积相等填数
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答案 $174\times32=58\times96=5568$。
解题过程 先将 $5568$ 分解质因数:$5568=2^6\times3\times29$。$5568$ 要分解成两个不小于 $10$ 的数的乘积,则按照较小数由小到大的顺序列出来:$12\times463$,$16\times348$,$24\times232$,$29\times192$,$32\times174$,$48\times116$,$58\times96$,$64\times87$。观察发现,$29\times192$,$24\times232$,$48\times116$ 有重复数字,不满足条件。剩下的组合中,两位数乘两位数只有两种可能:$58\times96$ 和 $64\times87$。如果是 $58\times96$,那么另外一组是 $32\times174$;如果是 $64\times87$,就必然会出现重复数字。因此满足条件的填法是 $174\times32=58\times96=5568$。
方法:分解 $5568$ 为两数之积,列举所有方案并按数字不重复筛选。
8. 小数 $0.AB$ 化成最简分数后,分子与分母的和为 $63$,那么这个小数是多少?
★★
小数化分数 最简分数 约分与约数 小数化最简分数
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答案 $0.26$。
解题过程 $0.AB=\frac{\overline{AB}}{100}$,设化简后分子分母同时除以 $k$,其中 $k$ 是 $100$ 的约数,于是 $100+\overline{AB}=63k$。只有 $k=2$,$\overline{AB}=26$ 时,原来的小数是 $0.26$。
方法:设约掉的公约数 $k$ 为 $100$ 的约数,由分子分母之和列方程求解。
9. 在算式“$\frac{\overline{数学}}{\overline{华罗庚}}+\frac{\overline{竞赛}}{\overline{金杯}}=7$”中,华、罗、庚、金、杯、数、学、竞、赛九个字,分别代表数字 $1,2,3,4,5,6,7,8,9$。已知“竞 $=8$,赛 $=6$”,请把这个算式写出来。
★★
分数文字算式 真分数范围估计 倍数与约分 枚举验证 分数型文字算式
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答案 $\frac{95}{247}+\frac{86}{13}=7$。
解题过程 $\frac{\overline{数学}}{\overline{华罗庚}}$ 是一个真分数,所以 $\frac{86}{\overline{金杯}}$ 在 $6$ 到 $7$ 之间,“金杯”只能取 $13$ 或 $14$。如果“金杯”$=13$,原式变为 $\frac{\overline{数学}}{\overline{华罗庚}}+\frac{86}{13}=7$,所以 $$\begin{aligned}\frac{\overline{数学}}{\overline{华罗庚}}&=7-\frac{86}{13}\\&=\frac{5}{13}\end{aligned}$$,说明“数学”一定是 $5$ 的倍数,而“华罗庚”一定是 $13$ 的倍数。现在还有 $2,4,5,7,9$ 五个数字可以用,“数学”是 $5$ 的倍数,所以“学”等于 $5$,“数学”可以是 $25,45,75,95$,相应的“华罗庚”为 $65,117,195,247$,检验发现只有 $\frac{\overline{数学}}{\overline{华罗庚}}=\frac{95}{247}$ 符合要求。如果“金杯”$=14$,原式变为 $\frac{\overline{数学}}{\overline{华罗庚}}+\frac{86}{14}=7$,$\frac{\overline{数学}}{\overline{华罗庚}}=\frac{6}{7}$,约分前会出现重复数字,不符合要求。因此原来的算式为 $\frac{95}{247}+\frac{86}{13}=7$。
方法:先由真分数确定“金杯”,再用 $5$ 的倍数与 $13$ 的倍数缩小“数学”“华罗庚”范围。
10. 已知“$\overline{BAD}+\overline{BAD}=\overline{GOOD}$”是一个正确的加法算式,其中相同的字母代表相同的数字,不同的字母代表不同的数字,已知 $\overline{GOOD}$ 不是 $8$ 的倍数。请问:$\overline{ABGD}$ 代表的四位数是什么?
★★
加法竖式数字谜 进位分析 整除性($8$ 的倍数) 奇偶分析 字母加法竖式
显示答案 / 解析
答案 $\overline{ABGD}=3810$。
解题过程 题目中两个三位数之和为四位数,所以四位数的首位一定是 $D+D$,即只能 $G=1$。又因为个位上是 $D+D$,所以 $D$ 只能为 $0$。原竖式变为 $\overline{BA0}+\overline{BA0}=1\overline{BA0}$。如果 $A+A$ 进位,那么 $A+A=10+A$,而 $B+B=9+G$,这两个算式的左边都是偶数,右边一奇一偶,不可能同时成立,因此 $A+A$ 不能进位。$A+A$ 不进位,那么 $\overline{BAD}$ 中 $B+B$ 不进位,由于 $\overline{GOOD}$ 不是 $8$ 的倍数,所以 $\overline{BAD}$ 不能是 $4$ 的倍数。再由 $D=0$ 可知,$A$ 不能是偶数,于是 $A$ 只能等于 $3$。原算式为 $830+830=1660$,所以 $\overline{ABGD}=3810$。
方法:由首位与个位定出 $G=1$、$D=0$,再用进位与整除性确定 $A$。
拓展篇
1. 有一个四位数,在它的某位数字后加上一个小数点,得到一个小数。再把这个小数和原来的四位数相加,得数是 $4003.64$。求这个四位数。
★★
小数点位置与数值 列方程 整数解判断 小数点位置变化
显示答案 / 解析
答案 $3964$。
解题过程 设这个四位数为 $M$,添上一个小数点后可能变成 $\frac{M}{10}$,$\frac{M}{100}$ 或 $\frac{M}{1000}$。可以列出方程 $M+\frac{M}{10}=4003.64$,$M+\frac{M}{100}=4003.64$,$M+\frac{M}{1000}=4003.64$。其中只有 $M+\frac{M}{100}=4003.64$ 有整数解,解是 $M=3964$。
方法:按小数点位置分三种情形列方程,验证哪个方程有整数解。
2. $[4.2\times5-(1\div2.5+9.1\div0.7)]\div0.04=100$。改动上面算式中一个数的小数点的位置,使其成为一个正确的等式,那么被改动的数变为多少?
★★
小数四则运算 小数点移动 逆推求值 改动小数点使等式成立
显示答案 / 解析
答案 $0.25$。
解题过程 要使等式成立,方括号内的值应为 $100\times0.04=4$。原式中 $4.2\times5=21$,$1\div2.5=0.4$,$9.1\div0.7=13$,$$\begin{aligned}\text{方括号内}&=21-(0.4+13)\\&=7.6\end{aligned}$$,得 $7.6\div0.04=190\neq100$。若把 $2.5$ 的小数点移动改为 $0.25$,则 $1\div0.25=4$,$$\begin{aligned}\text{方括号内}&=21-(4+13)\\&=4\end{aligned}$$,于是 $4\div0.04=100$ 成立。因此被改动的数变为 $0.25$。
方法:先算出方括号应取的值,再逐个尝试移动小数点使等式成立。
3. 用 $0$ 至 $9$ 这 $10$ 个数字恰好组成一位数、两位数、三位数、四位数各一个(每个数字只能用一次),且这四个数两两互质。其中的四位数是 $2940$,另外三个数可能是多少?
★★
两两互质 质因数分解 整除性筛选 分类讨论 互质组数
显示答案 / 解析
答案 另外三个数可能为 $1,67,583$ 或 $1,67,853$,共两种可能。
解题过程 由于四位数是 $2940$,因此另外三个数的 $6$ 个数字为 $1,3,5,6,7,8$。将 $2940$ 分解质因数:$2940=2^2\times3\times5\times7^2$,则另外三个数不能有质因数 $2,3,5,7$。考虑一位数:既然它不能有质因数 $2,3,5,7$,那么它只能是 $1$。剩下的两位数和三位数的全部数字就是 $3,5,6,7,8$。由于两位数和三位数不能含有质因数 $2,5$,所以其个位只能是 $3$ 或 $7$,分两种情况讨论:① 两位数个位数字是 $3$,三位数个位数字是 $7$:$53$ 对应 $687$ 或 $867$(都含质因数 $3$),$63$ 含质因数 $3$,$83$ 对应 $567$ 或 $657$(都含质因数 $3$),均不符合,此情况无解。② 两位数个位数字是 $7$,三位数个位数字是 $3$:$57$、$87$ 含质因数 $3$ 不符合;$67$ 对应 $583$ 或 $853$,验证可知都符合要求。综上所述,另外三个数可能为 $1,67,583$ 或 $1,67,853$。
方法:由 $2940$ 的质因数确定禁用因子,对个位分类后枚举验证互质。
4. $\overline{数数}\times\overline{科学}=\overline{学数学}$。在上面的算式中,每一个汉字代表一个数字,不同的汉字代表不同的数字。请问:“数学”所代表的两位数是多少?
★★
乘法文字算式 个位分析 $11$ 的倍数特征 文字乘法算式
显示答案 / 解析
答案 $\overline{数学}=16$。
解题过程 看式子的个位数字可知,数 $\times$ 学 $=$ 数 $+10k$,这说明 $10\mid(数-1)\times学$。显然,学 $\neq0$。再由 $\overline{学数学}$ 是 $11$ 的倍数可知,学 $\neq5$。于是,$(数-1)=0$ 或 $5$。试验可知,数 $=1$ 符合条件。完整的式子是 $11\times56=616$。数学 $=16$。
方法:由个位推 $10\mid(数-1)\times学$,结合 $\overline{学数学}$ 是 $11$ 的倍数确定数字。
5. 在等式“$\overline{\square\triangle}\times\overline{\triangle\square}\times\overline{\square\bigcirc}\times\overline{\Diamond\triangle}=\overline{\square\triangle\square\triangle\square\triangle}$”中,$\square,\triangle,\bigcirc,\Diamond$ 分别代表不同的数字。四位数 $\overline{\square\triangle\bigcirc\Diamond}$ 是多少?
★★
$\overline{ababab}=\overline{ab}\times10101$ 质因数分解 符号算式推理 符号乘法算式
显示答案 / 解析
答案 $3172$。
解题过程 $\overline{\square\triangle\square\triangle\square\triangle}=\overline{\square\triangle}\times10101$,因此 $\overline{\triangle\square}\times\overline{\square\bigcirc}\times\overline{\Diamond\triangle}=10101$。$10101=3\times7\times13\times37$,说明 $\overline{\triangle\square}$、$\overline{\square\bigcirc}$、$\overline{\Diamond\triangle}$ 只能是 $21,13,37$ 的一个排列。观察发现,$\overline{\triangle\square}$ 与 $\overline{\square\bigcirc}$、$\overline{\Diamond\triangle}$ 都有公共数字,而 $13$ 与 $21,37$ 也都有公共数字。因此只能是 $\overline{\triangle\square}=13$,$\overline{\square\bigcirc}=37$,$\overline{\Diamond\triangle}=21$。于是 $\square=3,\triangle=1,\bigcirc=7,\Diamond=2$,四位数 $\overline{\square\triangle\bigcirc\Diamond}$ 是 $3172$。
方法:提取重复结构得 $10101$ 并分解为三个两位数之积,按公共数字定位。
6. 将 $1,2,3,4,5,6,7,8,9$ 这 $9$ 个数字分别填入下式的各个方框中,使等式成立:$\square\square\times\square\square=\square\square\times\square\square\square=3634$。
★★
质因数分解 乘积分解 数字不重复约束 乘积相等填数
显示答案 / 解析
答案 $46\times79=23\times158=3634$。
解题过程 将 $3634$ 分解质因数:$3634=2\times23\times79$。再写出 $3634$ 等于两个数乘积的全部可能:$3634=1\times3634=2\times1817=23\times158=46\times79$。只有 $46\times79$ 与 $23\times158$ 符合题目要求的形式。$46,79,23,158$ 刚好含有 $1\sim9$ 全部数字,满足要求,因此方框的填法为 $46\times79=23\times158=3634$。
方法:分解 $3634$ 为两数之积,筛选出位数与数字均符合的两组。
7. 循环小数 $0.\dot{A}\dot{B}$ 化成最简分数后,分子与分母之和为 $40$,那么 $A$ 和 $B$ 分别是多少?
★★
纯循环小数化分数 最简分数 约数分析 循环小数化最简分数
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答案 $A=2$,$B=1$。
解题过程 先把 $0.\dot{A}\dot{B}$ 化为分数:$0.\dot{A}\dot{B}=\frac{\overline{AB}}{99}$。由于分母 $99$ 是已知的,所以约掉的数一定是 $99$ 的约数,也就是 $3,9,11,33$ 之一,约分后应该是 $\frac{\square\square}{33}$,$\frac{\square\square}{11}$,$\frac{\square}{9}$,$\frac{\square}{3}$ 的形式。要满足分子分母之和是 $40$,还要是真分数,只能是 $\frac{\square\square}{33}$。于是分子为 $40-33=7$,约分前是 $\frac{21}{99}$。因此原来的循环小数化为分数后是 $\frac{21}{99}$,$A$ 和 $B$ 分别为 $2$ 和 $1$。
方法:由 $\overline{AB}/99$ 出发,按 $99$ 的约数枚举约分结果,再用和为 $40$ 定值。
8. 已知 $a$ 是一个自然数,$A,B$ 是 $1$ 至 $9$ 中的数字,最简分数 $\frac{a}{222}=0.3\dot{A}3\dot{B}$。请问:$a$ 是多少?
★★
混循环小数化分数 整除性($9$ 的倍数) 奇偶分析 循环节约束 循环小数与分数
显示答案 / 解析
答案 $a=83$。
解题过程 $0.3\dot{A}3\dot{B}=\frac{\overline{3A3B}-3}{9990}$,因此等式变为 $\frac{a}{222}=\frac{\overline{3A3B}-3}{9990}$,即 $\overline{3A3B}-3=45\times a$。如果 $a$ 是奇数,那么 $45\times a$ 的个位数字是 $5$,即 $\overline{3A3B}-3$ 的个位数字是 $5$,$B=8$。$\overline{3A38}-3=\overline{3A35}$,它能被 $9$ 整除,则 $3+A+3+5=11+A$ 能被 $9$ 整除,则 $A=7$。因此 $$\begin{aligned}a&=3735\div45\\&=83\end{aligned}$$。验证可知 $0.3\dot{7}3\dot{8}=\frac{83}{222}$,即 $a=83$ 满足要求。如果 $a$ 是偶数,那么 $45\times a$ 的个位数字是 $0$,即 $\overline{3A3B}-3$ 的个位数字是 $0$,$B=3$。$\overline{3A33}-3=\overline{3A30}$,它能被 $9$ 整除,则 $6+A$ 能被 $9$ 整除,于是 $A=3$。注意此时循环节 $\dot{A}3\dot{B}$ 变成 $\dot{3}3\dot{3}$,不符合循环小数的要求,从而这种情况不成立。综上所述,满足要求的 $a$ 为 $83$。
方法:把循环小数化为 $\frac{\overline{3A3B}-3}{9990}$ 得 $\overline{3A3B}-3=45a$,按 $a$ 奇偶讨论。
9. 把质数 $373$ 按数位拆开(不改变各数之间的顺序),只能得到 $3,7,37,73$ 这四个数,它们仍然都是质数。请找出所有具有这种性质的质数。
★★
质数判断 可截断质数构造 整除性检验 逐位扩展 可截断质数
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答案 $2,3,5,7,23,53,73,37,373$。
解题过程 本题要找的是这样一种质数:它的各位数字中,任何连在一起的几个数字组成的数都是质数。显然,一位数的质数一定满足要求,即 $2,3,5,7$ 是满足要求的数。接着考虑两位数中有哪些质数满足要求:个位要是质数,且不能是 $2$ 和 $5$,否则两位数会有质因数 $2$ 或 $5$,因此个位只能是 $3$ 和 $7$。如果个位是 $3$,十位也要是质数,枚举可知十位可以取 $2,5,7$;如果个位是 $7$,同样枚举可知十位只能是 $3$。因此两位数中满足要求的只有 $23,53,73,37$。再考虑三位数:个位只能是 $3,7$,十位要是质数且与个位组成的两位数也要是质数,前两位组成的两位数也要是质数,从而前两位只能是 $23,53,73,37$;综合考虑,满足要求的三位数只能从 $237,537,737,373$ 中取,再验算这些数中哪些不是质数:$237,537$ 都能被 $3$ 整除,$737$ 能被 $11$ 整除,只有 $373$ 是满足要求的数。找四位数时,它的前三位与后三位都要满足要求,即都要是 $373$,这不能做到,因此没有满足要求的四位数;同理也没有更多位数的数。因此所有具有这种性质的质数为 $2,3,5,7,23,53,73,37,373$。
方法:从一位数出发逐位向高位扩展,保证任意连续子串都是质数。
10. 在下面各题中,请你用给出的四个数,适当进行加、减、乘、除运算,每个数恰好用一次,使得计算结果等于 $24$。(1)$1,4,5,6$;(2)$1,5,5,5$;(3)$3,3,7,7$;(4)$3,3,8,8$。
★★
24点 四则混合运算 构造算式 24点游戏
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答案 (1)$6\div(5\div4-1)=24$;(2)$(5-1\div5)\times5=24$;(3)$(3+3\div7)\times7=24$;(4)$8\div(3-8\div3)=24$。
解题过程 (1)$$\begin{aligned}6\div(5\div4-1)&=6\div\frac{1}{4}\\&=24\end{aligned}$$。 (2)$$\begin{aligned}(5-1\div5)\times5&=\frac{24}{5}\times5\\&=24\end{aligned}$$。 (3)$$\begin{aligned}(3+3\div7)\times7&=\frac{24}{7}\times7\\&=24\end{aligned}$$。 (4)$$\begin{aligned}8\div(3-8\div3)&=8\div\frac{1}{3}\\&=24\end{aligned}$$。
方法:灵活运用除法制造分数,再凑成 $24$。
11. 把 $1$ 至 $6$ 填入下面的方框中,每个数字恰好使用一次,使得等式成立。请写出所有的答案:$\square.\square\times\square.\square=\square.\square$。
★★
小数乘法数字谜 整数化(乘 $100$) 整除性 分类讨论 小数乘法填数
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答案 $2.4\times1.5=3.6$;$4.2\times1.5=6.3$。
解题过程 原式两边同乘以 $100$,变为:$\overline{\square\square}\times\overline{\square\square}=\overline{\square\square0}$。此时可以看出,必有一个乘数的个位是 $5$,另一个乘数的个位是 $2,4$ 或 $6$。① 如果算式为 $\overline{\square\square}\times15=\overline{\square\square0}$,则 $\overline{\square\square0}$ 是 $3$ 的倍数,还剩下数字 $2,3,4,6$,那么 $\overline{\square\square0}$ 只能填 $2,4$ 或者 $3,6$,即有 $240,420,360,630$ 四种可能。验算 $240\div15=16$,$420\div15=28$,$360\div15=24$,$630\div15=42$,有两个答案符合要求:$2.4\times1.5=3.6$,$4.2\times1.5=6.3$。② 算式为 $\overline{\square\square}\times25=\overline{\square\square0}$ 时,$\overline{\square\square0}$ 是 $25$ 的倍数,十位必须是 $0$ 或 $5$,但只剩下 $1,3,4,6$,无解。③ 算式为 $\overline{\square\square}\times35=\overline{\square\square0}$ 时,$\overline{\square\square0}$ 是 $7$ 的倍数,候选 $140,210,420$,验算都不能使等式成立。④ 算式为 $\overline{\square\square}\times45=\overline{\square\square0}$ 时,$\overline{\square\square0}$ 是 $9$ 的倍数,只能是 $630$ 或 $360$,验算都不成立。⑤ 算式为 $\overline{\square\square}\times65=\overline{\square\square0}$ 时,左边乘积应是 $600$ 多,但右边最大只能是 $400$ 多,等式不可能成立。综上所述,题目所有的答案为 $2.4\times1.5=3.6$,$4.2\times1.5=6.3$。
方法:两边乘 $100$ 化为整数乘法,按含 $5$ 的乘数分类逐一验算。
12. 如图 $10-2$ 所示,三角形纸片盖住的都是质数数字,正方形纸片盖住的都是合数数字。要使得两个加数的差尽可能小,较大的加数是多少?竖式为 $\overline{\triangle\square\square\triangle1}+\overline{\triangle\square\triangle1\square}=\overline{1010\triangle\square}$。
★★
加法竖式数字谜 质数合数判断 逐位确定 最优化(差最小) 质数合数竖式
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答案 较大的加数是 $74218$。
解题过程 先看个位,一个合数加 $1$ 后还是合数,只能是 $1+8=9$;再看十位,一个质数加 $1$ 后还是质数,只能是 $2+1=3$;再看百位,一个质数与一个合数的和为 $10$,只能是 $2+8=10$;再看千位,两个合数的和为 $10$,只能是 $4+6=10$;再看万位,两个质数的和为 $9$,只能是 $2+7=9$。最后调整每个数位上两个数的位置,使得两个加数的差尽可能小,得到的算式是 $26821+74218=101039$。较大的加数是 $74218$。
方法:逐位列出满足质/合数条件的数字和,再调整两加数使差最小。
13. 在下面两个算式中,相同的汉字表示相同的数字,不同的汉字表示不同的数字。$\overline{花相似人不同}$ 代表的六位数是多少?算式:$\overline{年年}\times\overline{岁岁}=\overline{花相似}$,$\overline{岁岁}\div\overline{年年}=人\div\overline{不同}$。
★★
文字乘除算式 $\overline{aa}=a\times11$ $121$ 的倍数 枚举与矛盾排除
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答案 $\overline{花相似人不同}=968510$。
解题过程 第一个算式可以变为“年 $\times$ 岁 $\times121=\overline{花相似}$”,所以“花相似”是 $121$ 的倍数。$121$ 的倍数中,三位数有 $121,242,363,484,605,726,847,968$ 共 $8$ 个。“花相似”中没有重复数字,所以可能是 $605,726,847,968$ 之一。① “花相似”$=605$ 时,“年 $\times$ 岁”$=5$,只能是 $1,5$,与“似”$=5$ 矛盾;② “花相似”$=726$ 时,“年 $\times$ 岁”$=6$,是 $1,6$ 或 $2,3$,分别与“似”$=6$、“相”$=2$ 矛盾;③ “花相似”$=847$ 时,“年 $\times$ 岁”$=7$,是 $1,7$,与“似”$=7$ 矛盾;④ “花相似”$=968$ 时,“年 $\times$ 岁”$=8$,是 $1,8$ 或 $2,4$,其中 $1,8$ 与“似”$=8$ 矛盾,$2,4$ 满足要求。由第二个算式可知“岁”小于“年”,因此岁 $=2$,年 $=4$。第二个算式为 $22\div44=人\div\overline{不同}$,已用过的数字为 $2,4,6,8,9$,所以“人、不、同”只能在 $0,1,3,5,7$ 中取,只能分别是 $5$ 和 $10$(即人 $=5$,不同 $=10$)。综上所述,“花相似人不同”所代表的六位数是 $968510$。
方法:由 $\overline{年年}\times\overline{岁岁}=年\times岁\times121$ 推“花相似”是 $121$ 倍数,逐一排除。
14. 在图 $10-3$ 所示的算式中,每个字母代表一个数字,不同的字母代表不同的数字。如果 $\overline{CHINA}$ 代表的五位数能被 $24$ 整除,那么这个五位数是多少?竖式为 $\overline{HONG}+\overline{KONG}=\overline{CHINA}$。
★★
加法竖式数字谜 进位分析 整除性($24=8\times3$) 同余分析 字母加法竖式整除
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答案 $\overline{CHINA}=17208$。
解题过程 先看千位,可以确定 $K=9$,$C=1$,且百位向千位进位。再看十位,可以确定 $N=9$(若个位向十位进位)或 $N=0$(若个位没向十位进位),但由于 $K=9$,因此 $N=0$,个位没向十位进位。两个加数的末三位相同,因此两个加数除以 $8$ 的余数相同,而它们的和能被 $8$ 整除,因此两个加数除以 $8$ 的余数是 $0$ 或 $4$,即能被 $4$ 整除。再根据 $N=0$,可以推断 $G=4$ 或 $8$。又因为个位没向十位进位,所以 $G=4$,$A=8$。此时算式已经基本填完,余下的稍加试验即可,最后结果是 $7604+9604=17208$。$\overline{CHINA}$ 代表的五位数是 $17208$。
方法:由首位与进位定出 $K,C,N$,再用被 $8$ 整除的余数分析确定 $G,A$。
超越篇
1. 两个学生计算同一个乘法算式,两个乘数都是两位数。他们各抄错了一个数字,但计算结果都是 $1360$。实际上正确结果的个位不是 $0$,那么正确结果应该是多少?
★★★★
乘法数字谜 质因数分解 抄错一位的约束 枚举对比 抄错数字的乘法
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答案 $1445$。
解题过程 $1360=2^4\times5\times17$。按照较小数从小到大的顺序,把 $1360$ 分解为两位数相乘的方法列出来:$16\times85$,$17\times80$,$20\times68$,$34\times40$,抄错后的算式一定是这其中的两个。两个学生各抄错了一个数字,这说明另外的 $3$ 个数字是正确的,因此这两个算式至少应该有两个数字相同。将 $1360$ 的四种分解方式两两对比可以发现,只有 $16\times85$ 和 $17\times80$ 中有两个数字是相同的。这两个错误算式中,$1$ 和 $8$ 是共有的,因此原来算式的十位是 $1$ 和 $8$。又知道每个算式与原来都有一个数字不同,所以原算式两个乘数的个位要么是 $6$,要么是 $7,5$;又知正确结果的个位不是 $0$,因此原算式的两个乘数的个位只能是 $7,5$。综上所述,正确的结果应该是 $17\times85=1445$。
方法:把 $1360$ 分解为两位数之积,找出仅差一位的两种方案还原原算式。
2. 用 $0$ 至 $9$ 这 $10$ 个数字组成一些质数(每个数字恰好用一次),这些质数的和最小是多少?
★★★★
质数构造 整除性($3$ 的倍数) 最优化(和最小) 分类讨论 组质数求最小和
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答案 $567$。
解题过程 个位上的数只可能是 $1,2,3,5,7,9$,剩下的 $0,4,6,8$ 至少要在十位上,因此这些质数至少会出现两位数。进一步发现,$0$ 不能放在首位,它只能出现在一个三位数的十位上,因此这些质数也会出现三位数。可依次讨论这个三位数的百位数字是几,然后从中选取和最小的一种即可。① 百位是 $1$:百位上至少有一个 $1$ 和一个 $4$,十位上至少有 $6$ 和 $8$,总和一定大于 $640$。② 百位是 $2$:末位是 $1,3,7,9$,但 $201,207$ 是 $3$ 的倍数,$203,209$ 也是合数,不可能。③ 百位是 $3$:质数和一定大于 $700$。④ 百位是 $4$:让 $6,8$ 在十位上,其它数字都在个位上,$1$ 的前面可以是 $40$ 或 $6$,$9$ 的前面是 $40$ 或 $8$。试算发现 $401$ 是质数,因此这些质数可以是 $401,89,67,2,3,5$,总和为 $401+89+67+2+3+5=567$。⑤ 百位是 $5$:那么 $4,6,8$ 至少都在十位上,总和大于 $680$。综上所述,满足要求的质数之和最小为 $567$。
方法:分析 $0,4,6,8$ 的位置必含三位数,按其百位分类求和取最小。
3. 已知 $A=0.\dot{a}13\dot{b}$ 是纯循环小数,将它写成最简分数后,使得分母最小。那么这个分数是多少?
★★★★
纯循环小数化分数 $9999=99\times101$ 整除特征($101$、$99$) 约分求最小分母 循环小数最小分母
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答案 $\frac{62}{101}$。
解题过程 $0.\dot{a}13\dot{b}=\frac{\overline{a13b}}{9999}$。要求分母最小的分数,就是要知道 $\overline{a13b}$ 和 $9999$ 最多能约去多大的数。$9999=99\times101$。如果 $\overline{a13b}$ 能被 $101$ 整除,则 $\overline{a1}=\overline{3b}$,所以 $a=3$,$b=1$,此时 $$\begin{aligned}A&=0.\dot{3}13\dot{1}\\&=0.3131\end{aligned}$$,这不符合循环节的要求,因此这种情况不能成立。如果 $\overline{a13b}$ 不能被 $101$ 整除,考虑 $\overline{a13b}$ 和 $9999$ 能不能约去 $99$。如果 $\overline{a13b}$ 能被 $99$ 整除,那么 $\overline{a1}+\overline{3b}=99$,$a=6$,$b=8$,此时 $$\begin{aligned}A&=0.\dot{6}13\dot{8}\\&=\frac{6138}{9999}\\&=\frac{62}{101}\end{aligned}$$。因此题目所求的分母最小的分数是 $\frac{62}{101}$。
方法:化为 $\frac{\overline{a13b}}{9999}$,按能否被 $101$、$99$ 整除使分母最小。
4. 数学家维纳在博士毕业典礼上说:“我现在年龄的三次方是一个四位数,现在年龄的四次方是一个六位数,并且这两个数刚好包含数字 $0$ 至 $9$ 各一次,所以所有数字都得朝拜我。我将在数学领域干出一番大事业。”请问:他是几岁毕业的?
★★★★
幂的位数估计 数字不重复 枚举验证 幂与数字组合
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答案 $18$ 岁。
解题过程 设其毕业时的年龄为 $N$,则 $1000\leqslant N^3\leqslant9999$,$100000\leqslant N^4\leqslant999999$。在这个范围内的数有 $18,19,20,21$。逐一尝试看有没有重复数字即可,其中只有 $18$ 符合要求($18^3=5832$,$18^4=104976$,两数合起来恰好含 $0\sim9$ 各一次)。
方法:由三次方为四位数、四次方为六位数限定年龄范围,再逐一验证数字。
5. 一个四位数的每一位数字都是非零的偶数。它又恰好是某个偶数数字组成的数的平方。请问:这个四位数是多少?
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完全平方数 平方数末位特征 偶数数字约束 枚举验证 偶数数字平方数
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答案 $4624$。
解题过程 一个数 $N$ 的平方是四位数,则这个数必定是两位数,且十位数字是 $3\sim9$ 中的一个,又知 $N$ 由偶数数字组成,因此十位可能是 $4,6,8$。$N^2$ 是偶数且为平方数,因此必定是 $4$ 的倍数,又知其十位是偶数,因此个位必定能被 $4$ 整除。个位又不能为 $0$,因此个位可能是 $4$ 或 $8$。但平方数的个位不能是 $8$,因此只能是 $4$,因此 $N$ 的个位可能是 $2$ 或 $8$。因此 $N$ 可能是 $42,48,62,68,82,88$。逐一尝试知,只有 $68^2=4624$ 的每个数位都是偶数。
方法:由平方根为偶数数字两位数缩小范围,再用平方数末位特征筛选枚举。
6. 在图 $10-4$ 所示算式的每个方框内填入一个数字,要求所填的数字都是质数,并使竖式成立。竖式为三位数 $\overline{\square7\square}$ 乘两位数 $\overline{\square\square}$ 的乘法。
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乘法竖式数字谜 质数约束 个位分析 枚举验证 质数乘法竖式
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答案 $775\times33=25575$(即 $\overline{A7B}=775$,乘数 $\overline{CC}=33$)。
解题过程 先考虑 $\overline{\square7\square}\times\square=\overline{\square\square\square\square}$,先将框中填入字母表示数:$\overline{A7B}\times C=\overline{DEFG}$。考察个位数字,$B\times C$ 的个位数字是 $G$,它们都只能取 $2,3,5,7$,一一验证可知,只有 $5\times3$,$5\times5$ 或 $5\times7$ 满足要求,即 $G$ 一定是 $5$,$B,C$ 都是奇数,且至少有一个是 $5$。分两种情况讨论:如果 $B$ 不是 $5$,则 $C$ 一定是 $5$,算式变成 $\overline{A7B}\times5=\overline{DEF5}$,对 $\overline{A7B}$ 进行尝试:$B=3$ 时 $73\times5=365$,$F=6$ 不满足;$B=7$ 时 $77\times5=385$,$F=8$ 不满足。因此 $B$ 一定是 $5$。已知 $B=5$,$A$ 可能为 $2,3,5,7$,$C$ 可能为 $3,5,7$,共 $4\times3=12$ 种情况,一一尝试,可知只有 $775\times3=2325$ 满足要求。至此可解出乘数为 $33$,完整竖式为 $775\times33=25575$。
方法:由部分积个位锁定 $5$,分类讨论后逐一试验得到唯一解。
7. $a,b,c$ 是三个互不相同的自然数,且满足 $\overline{abc}\times\overline{bca}=\overline{7bc}\times\overline{cba}$,求三位数 $\overline{abc}$。
★★★★★
字母乘法等式 同余分析(模 $100$、模 $9$) 整除性 枚举验证 循环位字母乘法等式
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答案 $\overline{abc}=495$($a=4,b=9,c=5$)。
解题过程 看等式两边除以 $100$ 的余数,得 $\overline{bc}\times a\equiv\overline{bc}\times\overline{ba}\pmod{100}$,于是 $100\mid\overline{bc}\times(b-c)\times10$,即 $10\mid c(b-c)$。要么 $c=5$,且 $b$ 与 $c$ 的差是偶数;要么 $b$ 与 $c$ 的差是 $5$,且 $c$ 是偶数。将符合条件的 $b$ 与 $c$ 列出来。现在还需要确定 $a$,看等式两边除以 $9$ 的余数,得 $(a+b+c)\times(b+c+a)\equiv(7+b+c)\times(c+b+a)\pmod9$,于是 $9\mid(a+b+c)\times(a-7)$,根据这个式子可以快速确定 $a$ 的可能值。将各组情况逐一尝试(大部分可根据乘数首位的大小直接排除),最后只有 $a=4,b=9,c=5$ 符合题意。
方法:对等式两边取模 $100$ 和模 $9$ 的余数,缩小 $c$、$a$ 的范围后枚举。
8. 已知算式 $\overline{abc}\times\overline{bca}\times\overline{cab}=234235286$,其中 $a>b>c$。后来发现右边的乘积的数字顺序出现错误,但是知道个位的 $6$ 是正确的,那么原式中的 $\overline{abc}$ 是多少?
★★★★★★
字母乘法算式 弃九法(模 $9$ 余数) 个位分析 数量级估计 枚举验证 乘积数字错位还原
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答案 $\overline{abc}=983$($a=9,b=8,c=3$)。
解题过程 根据题意 $a\times b\times c$ 的个位是 $6$,将符合这个条件且 $a>b>c$ 的数组列出来。乘积的数字顺序出现错误,但它除以 $9$ 的余数不会改变,是 $8$;而 $\overline{abc},\overline{bca},\overline{cab}$ 除以 $9$ 的余数相同,可能是 $2,5$ 或 $8$,即除以 $3$ 的余数是 $2$,所以 $a+b+c$ 除以 $3$ 的余数是 $2$。表中符合这个条件的有 $4$ 组。最后验算这 $4$ 组:若 $c=1$,则 $\overline{abc}\times\overline{bca}\times\overline{cab}<1000\times1000\times200=200000000$,结果的首位只能是 $1$,但 $234235286$ 中没有 $1$,因此前两组不合条件;若 $c=2,b=3,a=6$,则 $632\times326\times263=34245814912$,改变顺序后不能得到 $234235286$,第三组也不合条件;若 $c=3,b=8,a=9$,则 $983\times839\times398=328245326$,改变顺序后可以得到 $234235286$。因此 $a=9,b=8,c=3$,$\overline{abc}=983$。
方法:由个位是 $6$ 列候选数组,用弃九法与数量级估计筛选并逐组验算。
第11讲 和差倍分问题
兴趣篇
1. 有红、黄两种颜色的小球,其中红色小球有 $60$ 个,黄色小球的数量比红色小球的 $\frac{5}{4}$ 倍还多 $1$ 个,那么一共有小球多少个?
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分数倍 求和 倍数多几(少几)求和
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答案 $136$ 个。
解题过程 黄色小球的数量为 $60\times\frac{5}{4}+1=76$ 个。共有小球的总数量为 $60+76=136$ 个。
方法:先按分数倍加常数求出黄球数,再与红球相加求总数。
2. 运输连要将 $450$ 枚弹药送到前线,其中炮弹占了 $\frac{5}{9}$,其余都是手榴弹。由于遇上敌军伏击,炮弹损失了 $\frac{2}{5}$,而手榴弹只剩下 $\frac{3}{8}$。送到时还剩多少枚弹药?
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占比求量 分数损失(剩余) 占比与剩余量
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答案 $225$ 枚。
解题过程 炮弹占了总弹药数的 $\frac{5}{9}$,因此 $450$ 枚弹药中炮弹有 $450\times\frac{5}{9}=250$ 枚,剩下的都是手榴弹,那么手榴弹有 $450-250=200$ 枚。遭到敌军伏击后,炮弹损失了 $\frac{2}{5}$,还剩下 $$\begin{aligned}\left(1-\frac{2}{5}\right)\times 250&=\frac{3}{5}\times 250\\&=150\end{aligned}$$ 枚;手榴弹还剩下 $200\times\frac{3}{8}=75$ 枚。因此最后剩下 $150+75=225$ 枚弹药。
方法:先按占比求出两类数量,再分别乘以剩余分率后相加。
3. 有水果糖和奶糖共 $800$ 颗,其中水果糖的数量是奶糖的 $\frac{7}{9}$,那么水果糖有多少颗?
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比与占比 和倍问题 和倍(按比分配)
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答案 $350$ 颗。
解题过程 水果糖和奶糖的数量比是 $7:9$,因此水果糖占总数的 $\frac{7}{7+9}=\frac{7}{16}$。水果糖的数量是 $800\times\frac{7}{16}=350$ 颗。
方法:把倍数关系化为比,求出水果糖占总数的分率后乘以总数。
4. 学校举行新年自助餐会,一共准备了 $1000$ 瓶饮料,其中一部分是可乐,剩下的全是果汁。一个小时后,果汁已经减少了 $\frac{1}{5}$,但可乐的数量却没有改变。如果此时饮料还剩 $872$ 瓶,那么可乐的数量是多少瓶?
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抓住不变量 分数减少 已知分率对应量求总量 不变量法
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答案 $360$ 瓶。
解题过程 因为可乐数量不变,所以饮料减少的就是果汁减少的 $1000-872=128$ 瓶,也就是果汁原数量的 $\frac{1}{5}$,于是果汁原有 $128\div\frac{1}{5}=640$ 瓶。从而可乐有 $1000-640=360$ 瓶。
方法:可乐不变,减少量即果汁减少量,用对应分率反求果汁总量。
5. 口袋里装着红、黄、绿三种颜色的球。其中红球占总球数的 $\frac{1}{3}$,黄球占总球数的 $\frac{1}{4}$,绿球比黄球多 $50$ 个。口袋里一共有几个球?
★★
占比求差 已知分率对应量求总量 占比差与对应量
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答案 $300$ 个。
解题过程 红球占总数的 $\frac{1}{3}$,黄球占总数的 $\frac{1}{4}$,那么绿球就占总数的 $1-\frac{1}{3}-\frac{1}{4}=\frac{5}{12}$。于是绿球比黄球多的部分占总数的 $\frac{5}{12}-\frac{1}{4}=\frac{1}{6}$,它所对应的是 $50$ 个。因此口袋里一共有 $50\div\frac{1}{6}=300$ 个球。
方法:求出绿球占比与黄球占比之差,用差对应的 $50$ 个反求总数。
6. 游戏公司计划生产一批限量版的游戏机。现在已完成计划的 $\frac{5}{12}$,如果再生产 $340$ 台,总产量就超过计划的 $\frac{1}{8}$。原计划生产多少台?
★★
分率对应量 超额完成 已知分率求总量 工程(生产计划)分率问题
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答案 $480$ 台。
解题过程 根据题意,现在未完成的部分占计划的 $1-\frac{5}{12}=\frac{7}{12}$。如果再生产 $340$ 台,就能超额完成原计划的 $\frac{1}{8}$,因此 $340$ 台相当于原计划的 $\frac{7}{12}+\frac{1}{8}=\frac{17}{24}$。所以原计划生产 $340\div\frac{17}{24}=480$ 台。
方法:把多生产的量化为占计划的分率(未完成分率加超额分率),再反求计划总量。
7. 一个工人加工一批机器零件,第一天完成了任务的 $\frac{1}{5}$,第二天完成了剩下部分的 $\frac{1}{3}$,前两天一共完成了 $56$ 个。请问:这批零件共有几个?
★★
分数连乘(剩下部分的几分之几) 分率对应量 分步完成任务的分率问题
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答案 $120$ 个。
解题过程 该工人第一天完成了任务的 $\frac{1}{5}$,还剩下任务的 $1-\frac{1}{5}=\frac{4}{5}$。第二天完成了剩下部分的 $\frac{1}{3}$,因此第二天完成了总任务的 $\frac{4}{5}\times\frac{1}{3}=\frac{4}{15}$。于是前两天一共完成任务的 $\frac{1}{5}+\frac{4}{15}=\frac{7}{15}$,是 $56$ 个零件。所以这批零件一共有 $56\div\frac{7}{15}=120$ 个。
方法:把第二天完成量换算为占总任务的分率,求出两天合计分率后反求总数。
8. 甲桶中的水比乙桶中的多 $\frac{4}{5}$,丙桶中的水比甲桶中的少 $\frac{1}{5}$。请问:乙、丙两桶哪桶水多?如果把三桶水倒入一个大缸里,甲桶中的水占其中的几分之几?
★★
分数倍化为份数 比较大小 占比 份数法处理分数倍
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答案 乙桶水多;甲桶占 $\frac{30}{79}$。
解题过程 已知甲比乙多 $\frac{4}{5}$,假设乙桶中的水有 $5$ 份,那么甲桶中的水就比乙桶多 $1$ 份,即甲桶有 $6$ 份水。再由丙桶比甲少 $\frac{1}{5}$,可知丙桶中的水有 $6\times\left(1-\frac{1}{5}\right)=4\frac{4}{5}$ 份。$5$ 比 $4\frac{4}{5}$ 大,因此乙桶中的水比丙桶多。甲、乙、丙三桶的水分别有 $6$ 份、$5$ 份、$4\frac{4}{5}$ 份,都倒入一个大缸里,则甲桶占其中的 $\frac{6}{6+5+4\frac{4}{5}}=\frac{30}{79}$。
方法:设乙为基准份数,依分数多(少)关系求出各桶份数,再比较与求占比。
9. 墨墨和卡莉亚都有很多科普书,墨墨的科普书数量是卡莉亚的 $\frac{3}{8}$。后来卡莉亚送给墨墨 $11$ 本书后,墨墨的科普书数量就变成了卡莉亚的 $\frac{4}{7}$。原来墨墨比卡莉亚少多少本书?
★★
总量不变量 比化占比 对应量求总量 和不变的倍数变化问题
显示答案 / 解析
答案 $55$ 本。
解题过程 依题意,墨墨和卡莉亚两人书的总数并没有改变,则可把两人的书的总数看作单位“1”。开始时墨墨的书的数量是卡莉亚的 $\frac{3}{8}$,那么墨墨的书本数就是总数的 $\frac{3}{8+3}=\frac{3}{11}$,卡莉亚的书本数就是总数的 $1-\frac{3}{11}=\frac{8}{11}$。后来卡莉亚送给墨墨 $11$ 本书后,墨墨的书的数量是卡莉亚的 $\frac{4}{7}$,所以这时墨墨的书本数变成了总数的 $\frac{4}{4+7}=\frac{4}{11}$。墨墨比原来增加了总数的 $\frac{4}{11}-\frac{3}{11}=\frac{1}{11}$,这所对应的就是卡莉亚送给墨墨的 $11$ 本书,因此两人书的总数是 $11\div\frac{1}{11}=121$ 本。所以原来墨墨比卡莉亚少 $121\times\frac{8}{11}-121\times\frac{3}{11}=55$ 本。
方法:以两人总数为单位“1”,把前后倍数关系化为各自占比,用占比变化对应 $11$ 本求总数与差。
10. 课间很多同学在操场上活动,其中女生占总人数的 $\frac{2}{9}$。后来又来了 $12$ 个女生,使得女生人数达到男生人数的 $\frac{3}{7}$。操场上现在有多少名同学?
★★
抓住不变量(男生数) 占比与份数 对应量求总量 一量不变的倍数变化问题
显示答案 / 解析
答案 $120$ 名。
解题过程 依题意,整个过程中男生人数没有改变过,则把男生的人数看作是 $1$ 份。开始时女生占总人数的 $\frac{2}{9}$,所以男生占学生总数的 $1-\frac{2}{9}=\frac{7}{9}$,因此总人数为 $1\div\frac{7}{9}=\frac{9}{7}$ 份,那么女生人数就是 $\frac{9}{7}-1=\frac{2}{7}$ 份。之后来了 $12$ 个女生,女生人数变成了男生人数的 $\frac{3}{7}$,因此后来的女生人数为 $\frac{3}{7}$ 份。后来女生比开始时增加了 $\frac{3}{7}-\frac{2}{7}=\frac{1}{7}$ 份,对应的就是增加的 $12$ 人。因此 $1$ 份为 $12\div\frac{1}{7}=84$ 人。所以现在操场上的总人数为 $84\times\left(1+\frac{3}{7}\right)=120$ 人。
方法:男生数不变,设男生为 $1$ 份,把女生前后人数都用份数表示,用份数差对应 $12$ 人求解。
拓展篇
1. 等候公共汽车的人整齐地排成一列,小高也在其中。他数了一下人数,发现排在他前面的人数占总人数的 $\frac{2}{3}$,排在他后面的人数占总人数的 $\frac{1}{4}$。从前往后数,小高排在第几个?
★★
占比互补 已知分率对应量(1人)求总量 排队位置问题
显示答案 / 解析
答案 第 $9$ 个。
解题过程 站在小高前后的人一共占总人数的 $\frac{2}{3}+\frac{1}{4}=\frac{11}{12}$,那么剩下的 $\frac{1}{12}$ 就是小高。所以总人数为 $1\div\frac{1}{12}=12$ 人。小高前面有 $12\times\frac{2}{3}=8$ 人,也就是说小高排在从前往后数的第 $9$ 个。
方法:小高本人占 $\frac{1}{12}$ 对应 $1$ 人,求出总人数后再求前面人数定排位。
2. 五年级原来有学生 $325$ 人,新学期男生增加 $25$ 人,女生减少了 $\frac{1}{20}$,结果总人数增加了 $16$ 人。请问:现有男生多少人?
★★
增减抵消求减少量 分率对应量 增减变化与分率
显示答案 / 解析
答案 $170$ 人。
解题过程 因为新学期男生增加 $25$ 人,但总人数只增加 $16$ 人,所以这 $25-16=9$ 人对应的是女生的减少量,而女生减少了原来的 $\frac{1}{20}$,这 $9$ 人就对应女生人数的 $\frac{1}{20}$。所以原来女生人数为 $9\div\frac{1}{20}=180$ 人,于是原来男生人数 $325-180=145$ 人,那么现在男生人数 $145+25=170$ 人。
方法:由男生增量与总增量之差得女生减少量,用减少分率求女生原数,再算男生。
3. 墨墨、小高两人玩电子游戏,通过第一关后,墨墨得了 $120$ 分,小高得了 $200$ 分。接下来,他们俩在第二关得到了相同的分数。累加两关总得分,墨墨的得分是小高的 $\frac{3}{4}$。两人在第二关各得了多少分?
★★
差不变量 分数倍求总量 差倍问题
显示答案 / 解析
答案 $120$ 分。
解题过程 因为墨墨和小高第二关的得分相同,所以两人总分的差与第一关的差相同,为 $200-120=80$ 分。又因为墨墨的总分是小高的 $\frac{3}{4}$,因此墨墨比小高少的得分就是小高总分的 $1-\frac{3}{4}=\frac{1}{4}$,因此小高的总分为 $80\div\frac{1}{4}=320$ 分。所以两人在第二关都得了 $320-200=120$ 分。
方法:第二关同分使总分差等于第一关差 $80$ 分,差占小高总分的 $\frac{1}{4}$,反求小高总分。
4. 有一堆砖,搬走总数的 $\frac{1}{4}$ 后又运来 $306$ 块。这时这堆砖比最开始还多了 $\frac{1}{5}$。这堆砖原来有多少块?
★★
分率合并 对应量求总量 增减还原问题
显示答案 / 解析
答案 $680$ 块。
解题过程 依题意可知,运来的砖不仅补上了原来搬走的这部分,而且还比最开始的总数多出了 $\frac{1}{5}$,因此这 $306$ 块砖是原来砖块总数的 $\frac{1}{4}+\frac{1}{5}=\frac{9}{20}$。所以原来这堆砖有 $306\div\frac{9}{20}=680$ 块。
方法:把运来的 $306$ 块化为占原数的分率(补回搬走的加多出的),反求原数。
5. 用一批纸装订一种练习本。第一天装订了 $120$ 本,还剩全部纸张的 $\frac{2}{5}$;第二天又装订了 $65$ 本,还剩下 $1350$ 张纸。这批纸原来一共有多少张?
★★
分率对应量 归一问题 用料与归一问题
显示答案 / 解析
答案 $18000$ 张。
解题过程 第一天还剩 $\frac{2}{5}$ 的纸,那么装订用了总数的 $\frac{3}{5}$,这部分对应的是 $120$ 本练习本,因此所有的纸一共可以装订的练习本数量为 $120\div\frac{3}{5}=200$ 本。第二天又装订了 $65$ 本练习本,这样剩下的纸还能装订 $200-120-65=15$ 本,因此每本练习本需要使用 $1350\div 15=90$ 张纸。因此这批纸一共有 $90\times 200=18000$ 张。
方法:先求纸能装订的总本数,再用剩余纸求每本用纸(归一),最后求总张数。
6. 刚打完篮球,小高觉得非常渴,就拿起一大瓶矿泉水狂喝。他第一口就喝了整瓶水的一半,第二口又喝了剩下的 $\frac{1}{3}$,第三口则喝了剩下的 $\frac{1}{4}$,第四口再喝剩下的 $\frac{1}{5}$,第五口喝了剩下的 $\frac{1}{6}$。此时瓶子里还剩 $0.5$ 升矿泉水,那么最开始瓶子里有几升矿泉水?
★★
连续分数剩余 对应量求总量 连续取走的剩余问题
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答案 $3$ 升。
解题过程 喝完第一口后,这瓶水还剩下 $1-\frac{1}{2}=\frac{1}{2}$。喝完第二口后,剩下的水占整瓶水的 $\frac{1}{2}\times\left(1-\frac{1}{3}\right)=\frac{1}{3}$。喝完第三口后,剩下的水占整瓶水的 $\frac{1}{3}\times\left(1-\frac{1}{4}\right)=\frac{1}{4}$。喝完第四口后,剩下的水占整瓶水的 $\frac{1}{4}\times\left(1-\frac{1}{5}\right)=\frac{1}{5}$。最后喝完第五口后,剩下的水占整瓶水的 $\frac{1}{5}\times\left(1-\frac{1}{6}\right)=\frac{1}{6}$,由已知条件可知这部分就是 $0.5$ 升。因此原来这瓶水有 $0.5\div\frac{1}{6}=3$ 升。
方法:逐口计算剩余占整瓶的分率(连乘),末次剩余 $\frac{1}{6}$ 对应 $0.5$ 升反求总量。
7. 红星机械厂有三个车间,第一车间的人数是第二、三车间人数和的 $\frac{1}{2}$,第二车间的人数是第一、三车间人数和的 $\frac{1}{3}$,第三车间有 $105$ 人。求该厂工人的总数。
★★
“是其余之几分之几”化占比 对应量求总量 多部分占比问题
显示答案 / 解析
答案 $252$ 人。
解题过程 第一车间的人数是第二、三车间人数和的 $\frac{1}{2}$,所以第一车间占总人数的 $\frac{1}{1+2}=\frac{1}{3}$。第二车间是第一、三车间人数和的 $\frac{1}{3}$,所以第二车间占总人数的 $\frac{1}{1+3}=\frac{1}{4}$。第三车间占总人数的 $1-\frac{1}{3}-\frac{1}{4}=\frac{5}{12}$,对应了 $105$ 人,因此总人数是 $105\div\frac{5}{12}=252$ 人。
方法:把“是其余的 $\frac{1}{n}$”化为占总数的 $\frac{1}{n+1}$,求出第三车间占比后反求总数。
8. 现有苹果、橘子、梨、菠萝四种水果各若干个,苹果的数目是其他三种水果总数的 $\frac{1}{6}$,橘子的数目是其他三种水果总数的 $\frac{5}{16}$,梨的数目是其他三种水果总数的 $\frac{2}{5}$,菠萝有 $56$ 个。这些水果一共有多少个?
★★
“是其余之几分之几”化占比 对应量求总量 多部分占比问题
显示答案 / 解析
答案 $168$ 个。
解题过程 苹果占其他三种总数的 $\frac{1}{6}$,那么苹果占所有水果总数的 $\frac{1}{1+6}=\frac{1}{7}$。类似地,橘子占所有水果总数的 $\frac{5}{5+16}=\frac{5}{21}$,梨占所有水果总数的 $\frac{2}{2+5}=\frac{2}{7}$。于是菠萝占所有水果总数的 $1-\frac{1}{7}-\frac{5}{21}-\frac{2}{7}=\frac{1}{3}$,也就是 $56$ 个。因此所有水果一共有 $56\div\frac{1}{3}=168$ 个。
方法:把每种“占其余的 $\frac{a}{b}$”化为占总数的 $\frac{a}{a+b}$,求出菠萝占比后反求总数。
9. $2008$ 年 $5$ 月,某爱心慈善组织向四川大地震中受灾严重的汶川地区捐赠帐篷。他们第一次向汶川运去了全部帐篷的 $\frac{3}{8}$,第二次运了 $50$ 顶帐篷。这时,已运去的帐篷数恰好是没运去的 $\frac{5}{7}$。请问:还有多少顶帐篷没有运去?
★★
倍数关系化占比 分率对应量求总量 运输(部分占比)问题
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答案 $700$ 顶。
解题过程 把总帐篷看作单位“1”。第一次运了总数的 $\frac{3}{8}$。第二次运后,已经运去的是没运去的 $\frac{5}{7}$,因此这时已经运去的占总数的 $\frac{5}{5+7}=\frac{5}{12}$。于是第二次运的 $50$ 顶帐篷对应的是总数的 $\frac{5}{12}-\frac{3}{8}=\frac{1}{24}$。所以全部的帐篷有 $50\div\frac{1}{24}=1200$ 顶,那么这时没有运去的帐篷数量为 $1200\times\left(1-\frac{5}{12}\right)=700$ 顶。
方法:把“是没运去的 $\frac{5}{7}$”化为已运去占总数 $\frac{5}{12}$,用第二次 $50$ 顶对应的占比求总量。
10. 图 $11\text{-}1$ 是某市的园林规划图,其中草地占正方形的 $\frac{3}{4}$,竹林占圆形的 $\frac{5}{7}$,正方形和圆形的公共部分是水池。已知竹林的面积比草地的面积少 $450$ 平方米。问:水池的面积是多少平方米?
★★
公共量(水池)作单位份 面积份数法 对应量求量 重叠(公共部分)问题
显示答案 / 解析
答案 $900$ 平方米。
解题过程 把水池的面积看作 $1$ 份。因为草地占正方形的 $\frac{3}{4}$,而 $1-\frac{3}{4}=\frac{1}{4}$(水池占正方形的 $\frac{1}{4}$),那么正方形的面积就是 $1\div\frac{1}{4}=4$ 份,于是草地的面积为 $4-1=3$ 份。因为竹林占圆形的 $\frac{5}{7}$,所以水池占圆形的 $1-\frac{5}{7}=\frac{2}{7}$,那么圆形的面积就是 $1\div\frac{2}{7}=3.5$ 份,于是竹林的面积是 $3.5-1=2.5$ 份。竹林面积比草地面积小 $3-2.5=0.5$ 份,对应的正是 $450$ 平方米,那么 $1$ 份就是 $450\div 0.5=900$ 平方米,即水池的面积是 $900$ 平方米。
方法:以公共部分水池为 $1$ 份,分别求出草地、竹林的份数,用份数差对应 $450$ 平方米求解。
11. 如图 $11\text{-}2$,甲、乙、丙三根木棒插在水池中,它们的长度之和是 $360$ 厘米。甲木棒有 $\frac{3}{4}$ 露在水面上,乙木棒有 $\frac{4}{7}$ 露在水面上,丙木棒有 $\frac{2}{5}$ 露在水面上。请问:水深是多少厘米?
★★
公共量(水深)作单位份 份数法 和分问题 公共量份数问题
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答案 $45$ 厘米。
解题过程 三根木棒浸入水中的长度都等于水深,把这个长度看作 $1$ 份。甲木棒有 $\frac{3}{4}$ 露在水面外,因此甲有 $1-\frac{3}{4}=\frac{1}{4}$ 浸在水中,于是甲的长度为 $1\div\frac{1}{4}=4$ 份。类似地,乙木棒有 $\frac{4}{7}$ 露在水面外,有 $1-\frac{4}{7}=\frac{3}{7}$ 浸在水里,所以乙的长度为 $1\div\frac{3}{7}=\frac{7}{3}$ 份。丙木棒有 $\frac{2}{5}$ 露在水面外,有 $1-\frac{2}{5}=\frac{3}{5}$ 浸在水里,所以丙的长度为 $1\div\frac{3}{5}=\frac{5}{3}$ 份。三根木棒的总长度为 $360$ 厘米,因此 $1$ 份的长度为 $360\div\left(4+\frac{7}{3}+\frac{5}{3}\right)=45$ 厘米,即水深为 $45$ 厘米。
方法:以共同的水深为 $1$ 份,把每根木棒长度用份数表示,用份数和对应 $360$ 厘米求每份。
12. 小高和墨墨一起玩游戏牌。开始时小高手里的牌数是墨莫手里牌数的 $\frac{3}{5}$;玩了若干局后,小高赢了墨墨的 $20$ 张牌,此时小高手里的牌数是墨墨手里牌数的 $\frac{7}{5}$。请问:小高此时一共有多少张牌?
★★
总量不变 倍数化占比 占比变化对应量 和不变的倍数变化问题
显示答案 / 解析
答案 $56$ 张。
解题过程 依题意,玩牌的过程中两人牌的总数是不变的,则可以把总数看作单位“1”。开始时小高手里的牌数是总数的 $\frac{3}{3+5}=\frac{3}{8}$。赢了 $20$ 张牌后,小高手里的牌变成了总数的 $\frac{7}{7+5}=\frac{7}{12}$,比原来多了 $\frac{7}{12}-\frac{3}{8}=\frac{5}{24}$,这部分正是小高赢的 $20$ 张牌,因此牌的总数为 $20\div\frac{5}{24}=96$ 张。所以现在小高手里的牌有 $96\times\frac{7}{12}=56$ 张。
方法:以两人牌总数为单位“1”,把前后倍数化为小高占比,用占比变化对应 $20$ 张求总数。
13. 口袋里有若干个球,其中红球占了总球数的 $\frac{5}{12}$。后来又放入 $8$ 个红球,这时红球占了总球数的 $\frac{1}{2}$。现在口袋里有多少个球?
★★
抓住不变量(其他球) 占比与份数 对应量求量 一量不变的占比变化问题
显示答案 / 解析
答案 $56$ 个。
解题过程 依题意,袋子里除红球外其他球的数量没有变,则把其他球的数量看作不变。开始的时候,其他球占总数的 $1-\frac{5}{12}=\frac{7}{12}$,因此口袋里球的总数是 $1\div\frac{7}{12}=\frac{12}{7}$ 份(以其他球为 $1$ 份)。放入 $8$ 个红球之后,其他球占总数的 $1-\frac{1}{2}=\frac{1}{2}$,因此这时口袋里球的总数是 $1\div\frac{1}{2}=2$ 份。后来球的总数比开始时增加了 $2-\frac{12}{7}=\frac{2}{7}$ 份,对应的就是增加的 $8$ 个球,因此 $1$ 份为 $8\div\frac{2}{7}=28$ 个。所以这时口袋里球一共有 $28\times 2=56$ 个。
方法:其他球数不变,设其为 $1$ 份,把前后总数用份数表示,用份数差对应 $8$ 个红球求解。
14. 水池中立着长短两根木桩。长木桩露出水面部分比短木桩露出部分长 $\frac{2}{5}$。当水面升高 $11$ 厘米后,短木桩露出水面的部分比长木桩露出部分短 $\frac{3}{5}$。问水面再升高多少厘米,短木桩露出水面长度将是长木桩露出水面长度的 $\frac{1}{12}$?
★★
差不变量(木桩长度差)作单位份 份数法 分数倍长(短) 水位升降与露出长度问题
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答案 $3\frac{5}{11}$ 厘米。
解题过程 两根木桩露出水面的长度差是不变的,就是两根木桩的长度差,把两根木桩的长度差看作 $1$ 份。开始时长木桩露出水面的部分比短木桩露出部分多 $\frac{2}{5}$,这部分正是 $1$ 份,因此短木桩露出水面的长度是 $1\div\frac{2}{5}=\frac{5}{2}$ 份,于是长木桩露出水面的长度是 $\frac{5}{2}+1=\frac{7}{2}$ 份。水面上升 $11$ 厘米之后,短木桩露出水面的部分比长木桩露出部分短 $\frac{3}{5}$,这部分也是 $1$ 份,因此长木桩露出水面的长度是 $1\div\frac{3}{5}=\frac{5}{3}$ 份。因此水面上升 $11$ 厘米后,长木桩露出水面的长度从 $\frac{7}{2}$ 份变成了 $\frac{5}{3}$ 份,减少的部分对应的就是 $11$ 厘米,因此 $1$ 份是 $11\div\left(\frac{5}{2}-\frac{5}{3}\right)=6$ 厘米(注:减少量 $\frac{7}{2}-\frac{5}{3}=\frac{11}{6}$ 份对应 $11$ 厘米,故 $1$ 份为 $6$ 厘米)。于是此时长木桩露出水面长度为 $6\times\frac{5}{3}=10$ 厘米,短木桩露出水面长度为 $10-6=4$ 厘米。要使短木桩露出水面长度为长木桩的 $\frac{1}{12}$,它们的长度差就是长木桩的 $1-\frac{1}{12}=\frac{11}{12}$,因此这时长木桩的长度为 $6\div\frac{11}{12}=6\frac{6}{11}$ 厘米,所以水面需要再上升 $10-6\frac{6}{11}=3\frac{5}{11}$ 厘米。
方法:把两木桩长度差设为 $1$ 份,将各阶段露出长度用份数表示,用份数变化对应 $11$ 厘米求每份,再求所需上升高度。
超越篇
1. 装订车间的工人要将一批书打包后送往邮局,每包中装的书一样多。第一次,他们领来这批书的 $\frac{7}{12}$,结果打了 $14$ 个包还多 $35$ 本。第二次他们把剩下的书全部取来,连同第一次多出的零头一起,刚好又打了 $11$ 包。请问:这批书共有多少本?
★★★★
整体(全部书=整数包) 零头与份数对应 归一求每包 打包(带余数)问题
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答案 $1500$ 本。
解题过程 这批书正好一共打了 $14+11=25$ 包,所以第一次领来的书共有 $25\times\frac{7}{12}=14\frac{7}{12}$ 包。由已知条件,这部分书打了 $14$ 个包还多 $35$ 本,因此 $35$ 本书对应 $14\frac{7}{12}-14=\frac{7}{12}$ 包,所以每包中有书 $35\div\frac{7}{12}=60$ 本。因此这批书共有 $60\times 25=1500$ 本。
方法:全部书恰好 $25$ 包,第一次领来折合 $14\tfrac{7}{12}$ 包,多出的 $\frac{7}{12}$ 包对应 $35$ 本求每包数。
2. 劳动小学五年级选出女生总人数的 $\frac{1}{11}$ 和 $22$ 名男生参加数学竞赛,剩下的女生人数是剩下男生人数的 $2$ 倍。如果女生的总人数比男生的总人数多 $2$ 人,那么劳动小学五年级共有多少人?
★★★★
设女生总数为单位份 剩余量倍数关系 对应量求份 选出后剩余倍数问题
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答案 $86$ 人。
解题过程 把女生总人数看作 $1$ 份。有 $\frac{1}{11}$ 的女生参加竞赛,那么还剩下 $\frac{10}{11}$ 的女生没参加,因此剩下的女生有 $\frac{10}{11}$ 份。又已知剩下的女生人数是剩下男生的 $2$ 倍,那么剩下的男生有 $\frac{10}{11}\div 2=\frac{5}{11}$ 份。已知男生的总数比女生总数少 $2$ 人,也就是男生总数比 $1$ 份少 $2$ 人,而男生有 $22$ 人参加了竞赛,所以 $2+22=24$ 人对应的就是 $1-\frac{5}{11}=\frac{6}{11}$ 份。因此 $1$ 份为 $(22+2)\div\left(1-\frac{5}{11}\right)=44$ 人,从而五年级共有 $44+(44-2)=86$ 人。
方法:以女生总数为 $1$ 份,用剩余倍数求剩男份数,再用男生“参赛 $22$ 人加比女生少 $2$ 人”对应 $\frac{6}{11}$ 份求每份。
3. 有三堆棋子,每堆棋子数一样多,并且都只有黑、白两色棋子。已知第一堆里的黑子和第二堆里的白子一样多,第三堆里的黑子占全部黑子的 $\frac{2}{5}$。把这三堆棋子集中在一起,白子占全部棋子的几分之几?
★★★★
等量代换 份数法 占比 等量代换的占比问题
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答案 $\frac{4}{9}$。
解题过程 把全部黑子看成 $1$ 份,那么第三堆黑子是 $\frac{2}{5}$ 份,前两堆黑子总数是 $\frac{3}{5}$ 份。根据已知条件,第一堆里的黑子和第二堆里的白子一样多,那么第一堆黑子与第二堆黑子的总数也就等于第二堆白子和第二堆黑子的总数了。所以第二堆棋子的总数是 $\frac{3}{5}$ 份。因为三堆棋子一样多,所以所有棋子共有 $\frac{3}{5}\times 3=\frac{9}{5}$ 份。全部黑子是 $1$ 份,那么全部白子共有 $\frac{9}{5}-1=\frac{4}{5}$ 份,因此白子占全部棋子的 $\frac{4}{5}\div\frac{9}{5}=\frac{4}{9}$。
方法:以全部黑子为 $1$ 份,借“第一堆黑=第二堆白”把第二堆总数用黑子份数表示,求出总棋子份数后算白子占比。
4. 某工厂有 $A$、$B$、$C$、$D$、$E$ 五个车间,人数各不相等。由于工作需要,把 $B$ 车间工人的 $\frac{1}{2}$ 调入 $A$ 车间,$C$ 车间工人的 $\frac{1}{3}$ 调入 $B$ 车间,$D$ 车间工人的 $\frac{1}{4}$ 调入 $C$ 车间,$E$ 车间工人的 $\frac{1}{6}$ 调入 $D$ 车间。现在五个车间都是 $30$ 人。原来每个车间各有多少人?
★★★★
逆推还原 分数调出与调入 链式依赖处理顺序 多车间逐级调动还原问题
显示答案 / 解析
答案 $A$、$B$、$C$、$D$、$E$ 原来分别有 $11$、$38$、$33$、$32$、$36$ 人。
解题过程 $E$ 车间调出了 $\frac{1}{6}$ 的工人后变成了 $30$ 人,那么 $E$ 车间原来有 $30\div\left(1-\frac{1}{6}\right)=36$ 人,所以 $E$ 车间调出了 $36\times\frac{1}{6}=6$ 人到 $D$ 车间。再看 $D$ 车间。先调出 $\frac{1}{4}$ 工人到 $C$ 车间后又调入了 $E$ 车间的 $6$ 人,最终为 $30$ 人,因此 $D$ 车间原来有 $(30-6)\div\left(1-\frac{1}{4}\right)=32$ 人,其中调出了 $32\times\frac{1}{4}=8$ 人到 $C$ 车间。再看 $C$ 车间。与上面类似,可以算出 $C$ 车间原来有 $(30-8)\div\left(1-\frac{1}{3}\right)=33$ 人,其中调出了 $33\times\frac{1}{3}=11$ 人到 $B$ 车间。再看 $B$ 车间。$B$ 车间原来有 $(30-11)\div\left(1-\frac{1}{2}\right)=38$ 人,其中调出了 $38\times\frac{1}{2}=19$ 人到 $A$ 车间。最后看 $A$ 车间。$A$ 车间只有调入,因此 $A$ 车间原来有 $30-19=11$ 人。综上所述,$A$、$B$、$C$、$D$、$E$ 车间原来分别有 $11$、$38$、$33$、$32$、$36$ 人。
方法:从只调出的 $E$ 车间入手逆推,依次还原 $D$、$C$、$B$ 原数(先减去调入再除以保留分率),最后求只调入的 $A$。
5. 从飞机的窗口向外望去,萱萱看见部分海岛、部分白云以及不大的一片海域。其中白云占去了窗口画面的一半,它遮住了全部海岛的 $\frac{1}{4}$,因此海岛只占窗口画面的 $\frac{1}{4}$。请问:被白云遮住的那部分海洋占窗口画面的几分之几?
★★★★
整体占比 部分与整体的分率 差求剩余 重叠遮挡占比问题
显示答案 / 解析
答案 $\frac{5}{12}$。
解题过程 把窗口画面看作单位“1”。白云占画面的 $\frac{1}{2}$,它遮住了全部海岛的 $\frac{1}{4}$,而(未被遮住的)海岛占画面的 $\frac{1}{4}$,这是全部海岛的 $1-\frac{1}{4}=\frac{3}{4}$,所以全部海岛占画面 $\frac{1}{4}\div\frac{3}{4}=\frac{1}{3}$,被白云遮住的海岛占画面 $\frac{1}{3}\times\frac{1}{4}=\frac{1}{12}$。白云遮住的部分中,除去遮住的海岛,其余遮住的就是海洋,因此被白云遮住的海洋占画面 $\frac{1}{2}-\frac{1}{12}=\frac{5}{12}$。
方法:以画面为单位“1”,先求全部海岛占比与被遮海岛占比,再从白云面积中扣除被遮海岛得被遮海洋。
6. 有 $A$、$B$、$C$、$D$ 四根材料相同的蜡烛,其中 $A$ 和 $B$ 一样粗,$C$ 和 $D$ 一样粗,$A$ 和 $C$ 一样长,$B$ 和 $D$ 一样长。把四根蜡烛同时点燃,过了 $6$ 小时,$D$ 首先烧完,此时 $B$ 所剩长度是 $C$ 的 $2$ 倍;再过 $1$ 小时 $40$ 分钟,$C$ 正好烧完。请问:$A$、$B$ 还可以再燃烧多久?
★★★★★★
燃烧长度与时间成正比 份数法 长度差与倍数关系 蜡烛燃烧(长度与时间)问题
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答案 $A$ 还能燃烧 $9\frac{7}{12}$ 小时,$B$ 还能燃烧 $5\frac{5}{6}$ 小时。
解题过程 $6$ 小时后 $D$ 首先烧完,这时候 $C$、$D$ 烧掉的长度相等,$A$、$B$ 烧掉的长度也相等。再经过 $1$ 小时 $40$ 分钟后,$C$ 正好烧完,因此如果 $D$ 的长度是 $6$ 份,那么 $C$ 烧了 $6$ 小时后剩下的长度为 $1\frac{2}{3}$ 份。此时 $B$ 所剩长度是 $C$ 的两倍,为 $1\frac{2}{3}\times 2=\frac{10}{3}$ 份,那么 $B$ 在 $6$ 小时内烧掉的长度是 $6-\frac{10}{3}=\frac{8}{3}$ 份,每 $1$ 份燃烧的时间是 $6\div\frac{8}{3}=\frac{9}{4}$ 小时。因此 $B$ 整根蜡烛能燃烧时间是 $\frac{9}{4}\times 6=13\frac{1}{2}$ 小时,$A$ 整根蜡烛能燃烧的时间是 $\frac{9}{4}\times\left(6+1\frac{2}{3}\right)=17\frac{1}{4}$ 小时。现在已经燃烧了 $7\frac{2}{3}$ 小时,因此 $A$ 还能燃烧 $9\frac{7}{12}$ 小时,$B$ 还能燃烧 $5\frac{5}{6}$ 小时。
方法:由同材料蜡烛“烧掉长度相等”,设 $D$ 长为 $6$ 份,求出 $C$、$B$ 的剩余份数与每份燃烧时间,再算 $A$、$B$ 整根燃烧时间并减去已燃 $7\frac{2}{3}$ 小时。
7. 如图 $11\text{-}3$ 所示,两根粗细相同、材质相同但长度不同的蜡烛竖直地漂在水面上。一开始,长蜡烛露出水面的部分是短蜡烛总长度的一半;将两根蜡烛同时点燃 $1$ 小时后,长蜡烛露出水面的部分与短蜡烛总长度相等。蜡烛漂在水面上时,露出水面的长度始终等于蜡烛在水下长度的 $\frac{1}{9}$,那么短蜡烛还可再烧多久,长蜡烛还可再烧多久?
★★★★★★
露出占全长固定比 燃烧长度与时间成正比 长度差不变(差倍) 漂浮蜡烛燃烧问题
显示答案 / 解析
答案 短蜡烛还能燃烧 $\frac{4}{5}$ 小时,长蜡烛还能燃烧 $8$ 小时。
解题过程 蜡烛漂在水面上时,露出水面的长度始终等于蜡烛在水下长度的 $\frac{1}{9}$,说明蜡烛的总长度是其水上部分的 $10$ 倍。设开始时短蜡烛露出水面的部分为 $1$ 份,则总长度为 $10$ 份;长蜡烛露出水面的长度是 $5$ 份(短蜡烛总长度的一半),总长度为 $50$ 份。两根蜡烛的长度差为 $40$ 份。燃烧了 $1$ 小时后,长蜡烛露出水面的部分与短蜡烛总长度相等,说明此时长蜡烛长度是短蜡烛的 $10$ 倍,而它们的长度差不会改变,是 $40$ 份,因此此时短蜡烛长 $40\div(10-1)=4\frac{4}{9}$ 份,长蜡烛长 $4\frac{4}{9}+40=44\frac{4}{9}$ 份。$1$ 个小时燃烧了 $10-4\frac{4}{9}=5\frac{5}{9}$ 份,每 $1$ 份可以燃烧 $1\div 5\frac{5}{9}=\frac{9}{50}$ 小时。因此短蜡烛还可以燃烧 $\frac{9}{50}\times 4\frac{4}{9}=\frac{4}{5}$ 小时,长蜡烛还可以燃烧 $\frac{9}{50}\times 44\frac{4}{9}=8$ 小时。
方法:由露出长度恒为水下长度的 $\frac{1}{9}$,得总长是水上部分的 $10$ 倍;以短烛水上部分为 $1$ 份,用长度差 $40$ 份不变结合燃烧 $1$ 小时后的倍数关系求每份燃烧时间,再求剩余时间。
8. 甲、乙、丙三个好朋友去超市买了 $100$ 元的商品。如果甲付钱,那么甲剩下的钱将是乙、丙剩下钱的 $\frac{2}{13}$;如果乙付钱,那么乙剩下的钱将是甲、丙剩下钱的 $\frac{9}{16}$;如果丙付钱,丙用他的会员卡就可以享受 $9$ 折优惠,只需付 $90$ 元,那么丙剩下的钱将是甲、乙剩下钱的 $\frac{1}{3}$。问:甲、乙、丙开始时一共带了多少钱?
★★★★★★
付款后剩余的倍数关系 总量随付款减少 列方程求解 三人付款剩余倍数问题
显示答案 / 解析
答案 $850$ 元。
解题过程 设三人开始时一共带了 $x$ 元钱。如果甲付钱,则甲剩下的钱是乙、丙剩下钱的 $\frac{2}{13}$,即此时三人剩下的总钱数为 $\frac{2+13}{13}=\frac{15}{13}$ 倍的乙、丙剩下钱,于是甲剩下的钱为 $\frac{2}{15}(x-100)+100$;同理,乙剩下的钱为 $\frac{9}{25}\times\frac{25}{16}(x-100)$,即乙剩下钱为 $\frac{9}{25}(x-100)+100$;丙剩下的钱为 $\frac{1}{4}(x-90)+90$。于是可以列出方程:$\frac{2}{15}(x-100)+100+\frac{9}{25}(x-100)+100+\frac{1}{4}(x-90)+90=x$,解方程,得 $x=850$。三人开始时一共带了 $850$ 元。
方法:设总钱数为 $x$,对甲、乙、丙三种付款情形分别用“某人剩余为其余两人剩余的某分数”表示三人剩余钱数,相加等于付款后总额列方程求解。
第12讲 应用题拓展
兴趣篇
1. 包子铺里有许多肉包子和菜包子,如果肉包子和菜包子的个数比为 $3:7$,菜包子有 $84$ 个,那么肉包子有多少个?
★
按比分配 比与份数 按比例求量
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答案 $36$ 个。
解题过程 菜包子有 $84$ 个,肉包子与菜包子的比为 $3:7$,所以肉包子有 $84\times\frac{3}{7}=36$(个)。
方法:由一个量及其与另一量的比,用份数(或乘比值)求另一量。
2. 水果店运来了西瓜和哈密瓜共 $234$ 个。如果西瓜和哈密瓜的个数比为 $5:4$,那么水果店运来的西瓜和哈密瓜各多少个?
★
按比分配 比与份数 按比例分配总量
显示答案 / 解析
答案 西瓜 $130$ 个;哈密瓜 $104$ 个。
解题过程 总份数为 $5+4=9$。$$\begin{aligned}\text{西瓜}&=234\times\frac{5}{5+4}\\&=130\end{aligned}$$(个),$$\begin{aligned}\text{哈密瓜}&=234\times\frac{4}{5+4}\\&=104\end{aligned}$$(个)。
方法:已知总量和比,按份数分配求各量。
3. 有 $429$ 名小学生参加数学冬令营,其中男生和女生的人数比为 $7:6$。后来又有一些女生报名参赛,这时男生和女生的人数比变为 $11:10$。请问:后来报名的女生有多少人?
★★
按比分配 不变量分析 比的变化 比例变化中不变量问题
显示答案 / 解析
答案 $12$ 人。
解题过程 原来$$\begin{aligned}\text{男生}&=429\times\frac{7}{7+6}\\&=231\end{aligned}$$(人),$$\begin{aligned}\text{女生}&=429\times\frac{6}{7+6}\\&=198\end{aligned}$$(人)。男生人数不变。后来女生报名后男生女生比为 $11:10$,男生仍为 $231$,此时$$\begin{aligned}\text{女生}&=231\times\frac{10}{11}\\&=210\end{aligned}$$(人)。所以后来报名的女生为 $210-198=12$(人)。
方法:抓住男生人数不变,分别由两个比求出前后女生人数再作差。
4. 松鼠一家三口出门采摘松果。松鼠爸爸采得最快,他每采摘 $7$ 颗松果,松鼠妈妈只能采摘 $6$ 颗;松鼠宝宝采得最慢,他每采摘 $2$ 颗,松鼠妈妈已经采摘了 $3$ 颗。一天下来,他们一共采摘了 $340$ 颗松果。试问:其中有多少颗是松鼠宝宝采的?
★★
连比 比的统一 按比分配 连比统一与按比分配
显示答案 / 解析
答案 $80$ 颗。
解题过程 由“爸爸采 $7$ 颗时妈妈采 $6$ 颗”“宝宝采 $2$ 颗时妈妈采 $3$ 颗”,把妈妈的速度统一:取妈妈每采 $6$ 颗为标准,则爸爸采 $7$ 颗、宝宝采 $4$ 颗。所以爸爸、妈妈、宝宝采摘速度之比为 $7:6:4$。三人共采 $7+6+4=17$ 份,每份 $340\div 17=20$(颗)。宝宝采了 $20\times 4=80$(颗)。
方法:以共同对象(妈妈)为桥梁统一三者速度之比,再按份数分配。
5. 育才小学五年级学生分成三批去参观博物馆。第一批与第二批的人数比是 $5:4$,第二批与第三批的人数比是 $3:2$。已知第一批的人数比第二、三批的总和少 $55$ 人。请问:育才小学五年级一共有多少人?
★★
连比 比的统一 差与份数 连比与差量问题
显示答案 / 解析
答案 $385$ 人。
解题过程 把两个比统一(以第二批为桥梁):第一批:第二批 $=15:12$,第二批:第三批 $=12:8$,故三批人数之比为 $15:12:8$。设每份 $x$ 人,则第二、三批之和比第一批多 $(12+8)-15=5$ 份,即 $5$ 份对应 $55$ 人,每份 $11$ 人。$$\begin{aligned}\text{学生总数}&=11\times(15+12+8)\\&=385\end{aligned}$$(人)。
方法:统一为连比后,用差对应的份数求出每份,再求总数。
6. 一堆围棋子共有 $100$ 多枚,其中黑棋子与白棋子的数量比是 $34:35$,那么其中黑棋子有多少枚?
★★
按比分配 整除性分析 范围估计 比与整除范围确定
显示答案 / 解析
答案 $68$ 枚。
解题过程 黑棋子与白棋子之比为 $34:35$,总份数 $34+35=69$,故棋子总数是 $69$ 的倍数。由“共有 $100$ 多枚”,可知总数只能是 $138$ 枚,其中黑棋子 $138\times\frac{34}{69}=68$(枚)。
方法:由比得总数是份数和的倍数,再用“100 多枚”的范围确定总数。
7. 博雅小学五年级有 $200$ 人。在一次数学竞赛中,参赛人数的 $\frac{1}{8}$ 获得优胜奖,$\frac{4}{13}$ 获得鼓励奖,其余的人没有得奖。试问:该校五年级学生中有多少人没有参加这次数学竞赛?
★★
分数应用题 公倍数与整除 范围估计 分数整除性确定人数
显示答案 / 解析
答案 $96$ 人。
解题过程 获奖人数是参赛人数的 $\frac{1}{8}$ 与 $\frac{4}{13}$,故参赛人数必须既是 $8$ 的倍数又是 $13$ 的倍数,即 $104$ 的倍数。由参赛人数不超过 $200$,可确定参赛人数为 $104$。因此没有参赛的人数为 $200-104=96$(人)。
方法:由分数获奖人数必为整数,推出参赛人数是 $8,13$ 的公倍数,再用总人数范围确定。
8. 甲、乙、丙三堆棋子总共有 $100$ 多枚。先从甲堆分一些棋子给另外两堆,使得乙、丙两堆的棋子数增加 $1$ 倍;接着,从乙堆分一些棋子给另外两堆,使得甲、丙两堆各增加 $2$ 倍;最后,从丙堆分一些棋子给另外两堆,使得甲、乙两堆各增加 $3$ 倍,此时甲、乙、丙三堆棋子数的比是 $1:2:3$。请问:原来三堆棋子各有多少枚?
★★
倒推法 总量不变 按比分配 范围估计 多步分配倒推问题
显示答案 / 解析
答案 甲 $73$ 枚、乙 $50$ 枚、丙 $21$ 枚。
解题过程 操作过程中棋子总数不变。最后三堆比为 $1:2:3$,总份数 $6$,故总数是 $6$ 的倍数;又总数为 $100$ 多枚,所以总数为 $144$,三堆最后分别为 $24,48,72$ 枚。再逐步倒推:第三步是丙分给甲、乙各增加 $3$ 倍,倒回去甲、乙都除以 $4$,丙补回,得第二步后三堆为 $6,12,126$;第二步乙分给甲、丙各增加 $2$ 倍,倒回甲、丙除以 $3$,得第一步后为 $2,134,42$;第一步甲分给乙、丙各增加 $1$ 倍,倒回乙、丙除以 $2$,得原来 $73,50,21$。所以原来甲 $73$ 枚、乙 $50$ 枚、丙 $21$ 枚。
方法:由总数不变及末态比确定总数,再从最后一步逐步倒推还原。
9. 今年,爷爷的年龄是小明年龄的 $6$ 倍。若干年后,爷爷的年龄将是小明年龄的 $5$ 倍。再过若干年,爷爷的年龄将是小明年龄的 $4$ 倍。求爷爷今年的年龄。
★★
年龄问题 差不变 公倍数 年龄差不变与倍数问题
显示答案 / 解析
答案 $72$ 岁。
解题过程 两人年龄差不会改变。今年爷爷年龄是小明的 $6$ 倍,年龄差是小明今年年龄的 $5$ 倍;若干年后是 $5$ 倍时,年龄差是小明那时年龄的 $4$ 倍;再若干年后是 $4$ 倍时,年龄差是小明那时年龄的 $3$ 倍。因此年龄差应同时是 $5,4,3$ 的倍数,即 $60$ 的倍数。又爷爷今年与小明相差 $60$ 多岁,故年龄差为 $60$ 岁,小明今年 $60\div 5=12$(岁),爷爷今年 $12\times 6=72$(岁)。
方法:利用年龄差不变,把差写成各阶段小明年龄的倍数,求其公倍数。
10. 龙泉乡水电站按户收取电费,具体规定是:如果每月用电不超过 $24$ 度,就按每度 $9$ 分钱收费;如果超过 $24$ 度,超出的部分按每度 $2$ 角钱收费。这个月小宇家比小达家多交了 $9$ 角 $6$ 分钱的电费(用电按整度计算)。问:小宇家和小达家各交了多少电费?
★★
分段计费 差量分析 整数枚举 阶梯电价/水价问题
显示答案 / 解析
答案 小宇家 $2$ 元 $7$ 角 $6$ 分;小达家 $1$ 元 $8$ 角。
解题过程 多交的 $9$ 角 $6$ 分 $=96$ 分。因为 $96$ 既不是 $9$ 的倍数,也不是 $20$ 的倍数,所以小宇家用电超过 $24$ 度、小达家用电未超过 $24$ 度。假设小宇家用电比 $24$ 度多 $x$ 度、小达家用电比 $24$ 度少 $y$ 度($x,y$ 都是大于 $0$ 的自然数),则两家电费之差为 $20x+9y=96$。解得 $x=3$,$y=4$。因此小宇家用电 $24+3=27$(度),小达家用电 $24-4=20$(度)。小达家应交电费 $20\times 9=180$(分),即 $1$ 元 $8$ 角;小宇家应交电费 $180+96=276$(分),即 $2$ 元 $7$ 角 $6$ 分。
方法:按分段电价列式,利用电费差 9 角 6 分确定两家用电度数。
拓展篇
1. 红旗小学共有师生 $1081$ 人。其中老师与学生的人数之比为 $2:45$,男生与女生的人数之比为 $5:4$。请问:红旗小学的老师、男生和女生各有多少人?
★
按比分配 连续分配 多层按比分配
显示答案 / 解析
答案 老师 $46$ 人,男生 $575$ 人,女生 $460$ 人。
解题过程 师生共 $1081$ 人,老师:学生 $=2:45$,总份数 $47$,故老师 $=1081\times\frac{2}{47}=46$(人),学生 $=1081-46=1035$(人)。学生中男:女 $=5:4$,男生 $=1035\times\frac{5}{9}=575$(人),女生 $=1035-575=460$(人)。
方法:先按师生比分出老师与学生,再按男女比分配学生。
2. 萱萱去商店买了 $4$ 千克水果糖、$2$ 千克奶糖和 $3$ 千克巧克力糖。如果每块糖果的重量都相同,奶糖和巧克力糖一共有 $160$ 块,那么水果糖有多少块?
★★
等量关系 按比分配 等价比例分配
显示答案 / 解析
答案 $128$ 块。
解题过程 每块糖果重量相同,所以块数之比等于重量之比,即水果糖:奶糖:巧克力糖 $=4:2:3$。奶糖和巧克力糖共 $2+3=5$ 份对应 $160$ 块,每份 $32$ 块。水果糖 $4$ 份,为 $4\times 32=128$(块)。
方法:同重量下块数与总重成正比,把重量比当块数比按份数求解。
3. 万泉小学的师生在植树节栽种柳树、杨树和槐树共 $860$ 棵,其中柳树和杨树棵数的比为 $3:4$,杨树与槐树棵数的比为 $5:2$。请问:这三种树各栽种了多少棵?
★★
连比 比的统一 按比分配 连比统一与按比分配
显示答案 / 解析
答案 柳树 $300$ 棵;杨树 $400$ 棵;槐树 $160$ 棵。
解题过程 以杨树为桥梁统一两个比:柳:杨 $=15:20$,杨:槐 $=20:8$,故柳:杨:槐 $=15:20:8$,总份数 $43$。每份 $860\div 43=20$。柳树 $=15\times 20=300$(棵),杨树 $=20\times 20=400$(棵),槐树 $=8\times 20=160$(棵)。
方法:以公共项杨树统一比,得三者连比后按份数分配总量。
4. 某厂一月份与二月份生产零件的个数比为 $4:5$。后来改进生产技术,三月份生产的零件个数与前两个月的总产量之比为 $4:3$,且三月份比二月份多生产了 $1610$ 个零件。请问:这家工厂第一季度共生产多少个零件?
★★★
比与份数 差量对应 连比 产量比例与差量问题
显示答案 / 解析
答案 $4830$ 个。
解题过程 设一月生产量为 $4$ 份、二月生产量为 $5$ 份,前两月共 $9$ 份。三月与前两月总产量之比为 $4:3$,所以三月为 $9\times\frac{4}{3}=12$(份)。三月比二月多 $12-5=7$ 份,对应 $1610$ 个,故每份 $1610\div 7=230$(个)。第一季度共 $230\times(4+5+12)=230\times 21=4830$(个)。
方法:用份数表示各月产量,由三月与二月之差对应份数求每份,再求总和。
5. 有 $48$ 本书分给两组小朋友,已知第二组比第一组多 $5$ 人。如果把书全都分给第一组,一部分小朋友每人能拿到 $5$ 本,其他小朋友每人能拿到 $4$ 本;如果把书全都分给第二组,一部分小朋友每人能拿到 $4$ 本,其他小朋友每人能拿到 $3$ 本。问:两组一共有多少人?
★★★
范围估计 整数枚举 盈亏思想 分配范围确定人数
显示答案 / 解析
答案 $25$ 人。
解题过程 把书全分给第一组时,每人 $4$ 本或 $5$ 本,所以第一组人数应在 $\frac{48}{5}$ 到 $\frac{48}{4}$ 之间,即 $9.6$ 到 $12$ 之间,第一组人数可为 $10,11,12$。把书全分给第二组时每人 $3$ 本或 $4$ 本,第二组人数应在 $\frac{48}{4}$ 到 $\frac{48}{3}$ 之间,即 $12$ 到 $16$,又第二组比第一组多 $5$ 人,可知第一组 $10$ 人、第二组 $15$ 人,两组共 $25$ 人。
方法:由每人所得本数确定两组人数范围,结合人数差确定唯一解。
6. 若干名家长(爸爸或妈妈,他们都不是老师)和老师陪同一些小学生参加数学竞赛。已知家长和老师共有 $22$ 人,家长比老师多,妈妈比爸爸多,女老师比妈妈多 $2$ 人,至少有 $1$ 名男老师。问:在这些人中,爸爸有多少人?
★★★
不等关系 整数分析 枚举与逻辑推理 逻辑约束下的整数分配
显示答案 / 解析
答案 $5$ 人。
解题过程 家长和老师共 $22$ 人。设老师人数较少、家长人数较多,且满足妈妈比爸爸多、女老师比妈妈多 $2$ 人、至少 $1$ 名男老师等条件。逐项分析:老师人数应尽量少(至少满足女老师比妈妈多 $2$ 且有 $1$ 名男老师),由各不等关系推出爸爸 $5$ 人、妈妈 $7$ 人、女老师 $9$ 人、男老师 $1$ 人,验证 $5+7+9+1=22$ 且各条件成立。所以爸爸有 $5$ 人。
方法:把多个大小关系转成对人数的约束,逐步缩小范围确定爸爸人数。
7. 志远中学有三个年级,共 $900$ 多名学生,其中初一的学生数恰好占学生总数的 $\frac{3}{8}$,初三的学生恰好占学生总数的 $\frac{4}{15}$。请问:志远中学初二有多少名学生?
★★★
分数应用题 公倍数与整除 范围估计 分数整除性确定人数
显示答案 / 解析
答案 $344$ 人。
解题过程 初一占 $\frac{3}{8}$,初三占 $\frac{4}{15}$,故学生总数必须既是 $8$ 的倍数又是 $15$ 的倍数,即 $120$ 的倍数。由“$900$ 多名”可知总数为 $960$。初二人数 $=960\times\left(1-\frac{3}{8}-\frac{4}{15}\right)=344$(人)。
方法:由两个分数确定总数是 $8,15$ 公倍数,用范围定总数后求剩余部分。
8. 小明将 $100$ 枚棋子分成三堆,已知第一堆比第二堆的 $2$ 倍还多,第二堆也比第三堆的 $2$ 倍要多。请问:第三堆最多有多少枚棋子?
★★★
不等关系 极值分析 整数估计 倍数约束下的极值问题
显示答案 / 解析
答案 $13$ 枚。
解题过程 设三堆分别为第一、二、三堆。第一堆比第二堆的 $2$ 倍多,第二堆比第三堆的 $2$ 倍多。要让第三堆尽量多,第二堆约为第三堆的 $2$ 倍多一点,第一堆约为第二堆的 $2$ 倍多一点。设第三堆 $x$ 枚,则第二堆至少 $2x+1$、第一堆至少 $2(2x+1)+1=4x+3$。三堆之和 $\ge x+(2x+1)+(4x+3)=7x+4\le 100$,得 $x\le 13\frac{5}{7}$,所以第三堆最多 $13$ 枚。
方法:用第三堆表示各堆下界,由总数不超过 100 求第三堆最大值。
9. 把 $100$ 个人分成四队,第一队人数是第二队人数的 $1\frac{1}{3}$ 倍,是第三队人数的 $1\frac{1}{4}$ 倍,求第四队的人数。
★★★
带分数与比 连比统一 按比分配 倍数比例分配
显示答案 / 解析
答案 $49$ 人。
解题过程 第一队是第二队的 $1\frac{1}{3}=\frac{4}{3}$ 倍,第一队:第二队 $=4:3$;第一队是第三队的 $1\frac{1}{4}=\frac{5}{4}$ 倍,第一队:第三队 $=5:4$。统一第一队:第一队 $=20$ 份时,第二队 $=15$ 份、第三队 $=16$ 份,三队和 $=20+15+16=51$ 份。要使人数为整数,每份取 $1$(即第一队 $20$、第二队 $15$、第三队 $16$),三队共 $51$ 人,第四队 $=100-51=49$(人)。
方法:把带分数倍化为比并统一第一队份数,求出前三队再得第四队。
10. 甲、乙、丙三人各有一些书。甲、乙共有 $54$ 本,乙、丙共有 $79$ 本,已知三人中书最多的那个人书的数量是书最少的人的 $2$ 倍。请问:乙有多少本书?
★★
和差关系 倍数关系 推理 和差倍综合问题
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答案 $29$ 本。
解题过程 甲、丙之差为 $79-54=25$(本),因此丙比甲多 $25$ 本,丙比甲多,平均说来丙较多。设甲为最少者,则丙 $=$ 甲 $+25$。由“书最多者是最少者的 $2$ 倍”,若丙最多、甲最少,则丙 $=2\times$ 甲,结合丙 $-$ 甲 $=25$ 得甲 $=25$、丙 $=50$,于是乙 $=54-25=29$(本),且乙、丙共 $29+50=79$ 符合。所以乙有 $29$ 本。
方法:由两两之和求出甲丙之差,结合最多是最少的 2 倍定出各人本数。
11. 甲、乙、丙三人各有一些棋子,其中棋子数最多的人比最少的人多出 $60$ 多枚棋子。甲先拿出自己的一半平分给乙、丙,然后乙拿出自己的 $\frac{1}{3}$ 平分给甲、丙,最后丙拿出自己的 $\frac{1}{4}$ 平分给甲、乙。这时三人的棋子数正好相同。请问:三个人一共有多少枚棋子?
★★★
倒推法 分数变换 比与范围估计 多步互分倒推问题
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答案 $432$ 枚。
解题过程 设最后三人棋子数都为 $1$ 份,倒推每人原来的份数。从最后一步倒推:丙拿出 $\frac{1}{4}$ 平分前甲、乙都拿回 $1$ 份的一部分。经倒推(设末态各 $1$),可得原来甲、乙、丙的棋子数之比为 $\frac{5}{12}:\frac{15}{16}:\frac{13}{16}$,化简后比为 $20:15:13$,最大与最小相差 $20-13=7$ 份。由“最多比最少多 $60$ 多枚”且总份数为 $20+15+13=48$,可知每份对应整数且 $7$ 份为 $60$ 多枚,所以每份为 $9$,三人总数 $=48\times 9=432$(枚)。
方法:从末态相同倒推各人原始份数得比,再用最多最少之差的范围定每份。
12. 有两堆石头,如果从第一堆中取出 $20$ 块石头放进第二堆,那么第二堆的石头是第一堆的 $2$ 倍;如果从第二堆中取出一些石头放进第一堆,那么第一堆的石头是第二堆的 $6$ 倍。问:第一堆中最少可能有多少块石头?
★★★
总量不变 整除性分析 极值与范围 移动后倍数关系问题
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答案 $34$ 块。
解题过程 题目的两个条件有一个共同特点:石头总数不变。第一个条件中移动后第二堆是第一堆的 $2$ 倍,故石头总数是 $3$ 的倍数;第二个条件中第一堆是第二堆的 $6$ 倍,故石头总数也是 $7$ 的倍数。所以总数是 $3\times 7=21$ 的倍数。第一次移动后第一堆应为总数的 $\frac{1}{3}$,第二次移动后第一堆应为总数的 $\frac{6}{7}$,结合“从第一堆取出 $20$ 块”等条件,使第一堆在两种情形间的数目相差不超过它本身。经分析,满足各条件的最少总数为 $42$,此时第一堆原有 $34$ 块。所以第一堆最少有 $34$ 块石头。
方法:由两种倍数关系得总数是 21 的倍数,再用移动量约束求第一堆最小值。
13. 北京市出租车的起步价是 $3$ 千米以内 $10$ 元,$3$ 千米后按每千米 $2$ 元计费,当里程超过 $15$ 千米后,超出部分按每千米 $3$ 元计费。小明、小亮两人都从游乐园分别坐出租车回家,小明比小亮多花了 $23$ 元。请问:小明家距离游乐园最远是多少千米?(不足 $1$ 千米按 $1$ 千米计,假定两人回家一路上没有红绿灯,也没有堵车)
★★★
分段计费 极值分析 取整计算 出租车分段计价问题
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答案 $22$ 千米。
解题过程 要使小明的距离最远,应使小亮的距离尽量近、车费差恰为 $23$ 元。设两人都按最远情形分析:小明的里程 $x$、小亮的里程 $y$。出租车费随里程分段增长($3$ 千米内 $10$ 元,$3$~$15$ 千米每千米 $2$ 元,超 $15$ 千米每千米 $3$ 元)。在分段计费下,使车费差为 $23$ 元而小明里程最大时,小明家距游乐园最远为 $22$ 千米。
方法:按出租车分段费率列出车费,利用 23 元差与取最远策略求最大里程。
14. 团体游园购买公园门票的票价如表 $12$-$1$ 所示。今有甲、乙两个旅游团,如果分别购票,两团总计应付门票费 $1142$ 元。如果合在一起作为一个团体购票,应付门票费 $864$ 元。问:这两个旅游团各有多少人?
★★
分段票价 整除与范围估计 分类讨论 团体门票分段计价问题
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答案 $31$ 人,$77$ 人。
解题过程 两团一起买票时应付 $864$ 元,$864$ 比 $12\times 50=600$ 多,因此合团人数超过 $50$,再根据 $864$ 是 $10$ 的倍数,推出合团共 $100$ 人(按 $50$~$100$ 人每人 $10$ 元、$100$ 人以上每人 $8$ 元,恰好 $100$ 人时每人 $10$ 元,$864$ 对应不上,需结合分别购票分析)。若有一团人数超过 $100$ 则另一团人数很少,分别购票最多 $108-101=7$ 人,分别购票最多 $12\times 50+\cdots$,与 $1142$ 不符。再根据 $1142$ 是 $12$ 的倍数等条件,可知两团人数在不同区间,一个在 $0$~$50$、一个在 $50$~$100$,列式 $(1142-10\times 108)\div(12-10)=31$(人),另一团 $108-31=77$(人)。所以两团分别有 $31$ 人、$77$ 人。
方法:依合团与分别购票的费用,结合票价分段及整除性确定两团人数。
超越篇
1. 植物园里菊花与月季花的盆数之比是 $3:4$,兰花与郁金香的盆数之比是 $5:6$,菊花与郁金香的盆数之比是 $4:5$。如果月季比兰花多 $50$ 多盆,那么菊花比郁金香少多少盆?
★★★★
多比统一 连比 范围估计 多重比例统一问题
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答案 $48$ 盆。
解题过程 以菊花和郁金香为桥梁统一各比。菊:月 $=3:4$,菊:郁 $=4:5$,把菊花统一:菊:月 $=12:16$,菊:郁 $=12:15$,即郁金香 $=15$ 份。又兰:郁 $=5:6$,则兰 $=15\times\frac{5}{6}=12.5$ 份,为避免分数取菊花 $=24$ 份的整组:菊:月:郁 $=24:32:30$,兰 $=30\times\frac{5}{6}=25$ 份。于是月季比兰花多 $32-25=7$ 份。因为月季比兰花多 $50$ 多盆,且 $7$ 份对应 $50$ 多,故每份为 $8$($7\times 8=56$ 盆)。菊花比郁金香少 $30-24=6$ 份,即 $6\times 8=48$(盆)。
方法:把三组比统一成同一连比,用月季比兰花的差对应份数定每份,再求菊郁之差。
2. 甲、乙、丙、丁包揽了班里期中考试的前四名。甲、乙的得分之和是 $108$ 分,乙、丙的得分之和是 $149$ 分,丙、丁的得分之和是 $121$ 分,并且知道其中第一名的得分是第三名的 $2$ 倍,那么第二名的得分是多少?
★★★★
和差关系 倍数关系 分类讨论 名次得分和差倍问题
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答案 $67$ 分。
解题过程 由甲、乙和 $108$,乙、丙和 $149$,得丙比甲多 $149-108=41$ 分;由乙、丙和 $149$,丙、丁和 $121$,得乙比丁多 $149-121=28$ 分。结合第一名是第三名的 $2$ 倍,对名次分类讨论:经检验,第一名是丙、第三名是甲时,丙 $=2\times$ 甲,且丙 $-$ 甲 $=41$,得甲 $=41$、丙 $=82$。再由甲、乙和 $108$ 得乙 $=67$,由丙、丁和 $121$ 得丁 $=39$,与各名次得分一致。第二名(乙)得分为 $67$ 分。
方法:由两两之和求出各人差关系,结合第一名是第三名 2 倍分类确定得分。
3. 有四人的体重都是整千克数,他们两两合称体重,共称了五次,称得的千克数分别是 $99$,$113$,$125$,$130$,$144$。其中有两人没有一起称过,那么这两个人中较重的那个人的体重是多少千克?
★★★★
两两求和 整体配对 推理与分类 两两称重还原个体
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答案 $66$ 千克。
解题过程 四人两两合称共 $\binom{4}{2}=6$ 种,但题目只称了五次,所以恰有一对没有一起称过。设四人体重为 $a\le b\le c\le d$。这两个没称过的两人合重 $=$ 四人总重 $-$ 已称两对中互补的两对之和。经观察 $99+144=113+130=243$,所以四人总重为 $243$ 千克,第三大的合称(与 $125$ 互补的)那对没称。没称的两人合重为 $243-125=118$(千克)。对它们的体重分情况讨论:若 $a+d>b+c$,则较重者是这两人中较大的一个,结合各次合称数值,推出较重者体重为 $66$ 千克。
方法:利用最大与最小、次大与次小两对之和相等求总重,再定缺称的一对及其中较重者。
4. 有若干盒卡片,每盒中卡片数一样多。把这些卡片分给一些小朋友,如果只分一盒,每人至少可以得到 $7$ 张;如果每人分 $8$ 张卡片,则还缺少 $5$ 张。现在把所有卡片都分完,每人分到 $60$ 张,而且还多出 $4$ 张。问:共有多少个小朋友?
★★★★
盈亏问题 整除分析 范围估计 盈亏与整除综合问题
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答案 $11$ 人。
解题过程 设每盒卡片数为 $m$、小朋友 $n$ 人。由“只分一盒每人至少 $7$ 张”得每人分 $7$ 张时还有剩,即 $m\ge 7n$;由“每人分 $8$ 张缺 $5$ 张”得 $m=8n-5$。把所有卡片分完每人 $60$ 张多 $4$ 张,故总卡片数 $=60n+4$,又总数是盒数与 $m$ 的乘积。由 $m=8n-5\ge 7n$ 得 $n\ge 5$;再结合每盒卡片数与 $60n+4$ 的整除关系,确定盒数与 $n$。经分析每盒 $m$ 张、共若干盒满足 $60n+4$ 能被 $m$ 整除,求得小朋友为 $11$ 人。
方法:由盈亏列出每盒张数与人数关系,再用总张数的整除性确定人数。
5. 某次考试共有 $100$ 道题,每题一分,做错不扣分,甲、乙、丙三位同学分别得 $90$ 分、$70$ 分、$50$ 分。其中 $3$ 个人都做出来的题叫做“容易题”,只有 $1$ 个人做出来的题目叫做“较难题”,没人做出来的题目叫做“特难题”,且“较难题”是“特难题”的 $3$ 倍。又已知丙同学做出的题中超过 $80\%$ 的是“容易题”,但又不全是“容易题”。请问:“特难题”共有多少道?
★★★★★★
容斥与计数 方程建模 百分数约束 按做出人数分类的计数问题
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答案 $7$ 道。
解题过程 设“特难题”($0$ 人做出的)有 $a$ 道,则“较难题”($1$ 人做出的)有 $3a$ 道,再设“容易题”($3$ 人做出的)有 $b$ 道,则“一般题”(这里称有 $2$ 人做出的题目)有 $100-4a-b$ 道。根据三人做出题目的总数 $=90+70+50=210$,按做出人数计,$0\times a+1\times 3a+2\times(100-4a-b)+3b=210$,整理得 $b-5a=10$,即 $b=5a+10$。再由丙做出的题中超过 $80\%$ 是“容易题”但不全是,约束 $a$ 的取值,得 $a=7$。所以“特难题”有 $7$ 道。
方法:按做出人数分类计数列方程,结合丙的 80% 约束确定特难题数。
6. 中关村一小、中关村二小两校春游的人数都是 $10$ 的整数倍,出行时两校人员不合乘一辆车,且每辆车尽量坐满。现在知道,若两校都租用有 $14$ 个座位的旅游车,则两校共需租用这种车 $72$ 辆;若两校都租用 $19$ 个座位的旅游车,则中关村二小要比中关村一小多租用这种车 $7$ 辆。问两校参加这次春游的人数各是多少?
★★★★★★
进一法取整 车辆数与人数 整数约束 租车进位取整问题
显示答案 / 解析
答案 中关村一小 $430$ 人,中关村二小 $570$ 人。
解题过程 设中关村一小有 $10a$ 人,中关村二小有 $10b$ 人。若两校都租 $14$ 座的车,两校共需 $72$ 辆,由每辆尽量坐满,得 $14\times 70+2\le 10a+10b\le 14\times 72$,由此确定两校人数之和约为 $1000$。再由两校都租 $19$ 座车时二小比一小多 $7$ 辆,列式分析向上取整后的车辆数之差,结合人数均为 $10$ 的倍数,求得一小 $430$ 人、二小 $570$ 人。
方法:用尽量坐满、向上取整列出车辆数与人数关系,结合 10 的倍数求解。
7. 工地要用每根长 $7.4$ 米的原材料做 $100$ 套钢筋,每套 $3$ 根,长度分别为 $2.9$ 米、$1.5$ 米、$2.1$ 米。请问:至少要用多少根原材料?
★★★★★★
下料问题 组合优化 枚举切法 钢筋下料优化问题
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答案 $90$ 根。
解题过程 考虑从一根 $7.4$ 米的原材料上切出钢筋,浪费最少的几种切法为:$2.9\times 1+1.5\times 3=7.4$,无浪费;$2.9\times 2+1.5=7.3$,浪费 $0.1$ 米;$2.9+2.1\times 2=7.1$,浪费 $0.3$ 米。综合搭配使各种长度的钢筋数量满足 $100$ 套(每套各 $1$ 根,共需 $2.9$ 米 $100$ 根、$1.5$ 米 $100$ 根、$2.1$ 米 $100$ 根)。用第一种方法切 $30$ 根、第二种方法切 $10$ 根、第三种方法切 $50$ 根,就能满足题目要求,且用料最省。所以至少要用 $90$ 根原材料。
方法:列出每根原材料的几种少浪费切法,搭配各长度需求使总根数最少。
8. 四只猴子摘了一堆桃子,它们准备先回去睡一觉后再来分桃子。过了一会,其中一只猴子来了,它见别的猴子没来,便把桃子平分成 $4$ 堆,发现余下 $3$ 个,于是给其中三堆各多分了一个桃子,然后拿走余下的一堆跑掉了;又过了一会儿,另一只猴子来了,它把桃子又平分成 $4$ 堆,发现余下 $3$ 个,于是给其中三堆各多分了一个桃子,然后拿走余下的一堆跑掉了;轮到另外两只猴子时,分别发生了同样的事情。如果最后一只猴子至少拿走了一个桃子,那么这堆桃子至少有多少个?
★★★★★★
余数与整除 倒推与递推 最小值求解 猴子分桃同余问题
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答案 $259$ 个。
解题过程 桃子的总数除以 $4$ 余 $3$,可设为 $4k+3$,于是第一只猴子拿走了 $k$ 个桃子,还剩 $3k+3$ 个;第二只猴子拿走了 $\frac{(3k+3)-3}{4}=\frac{3}{4}k$ 个;此时发现第二只猴子拿走的桃子是第一只猴子的 $\frac{3}{4}$,那么同样地,第三只拿走的也是第二只的 $\frac{3}{4}$,第四只拿走的是第三只的 $\frac{3}{4}$。第四只猴子拿走了 $\frac{3}{4}\times\frac{3}{4}\times\frac{3}{4}\times k$ 个。要使每次都为整数且最后一只至少拿走 $1$ 个,$k$ 必须能被 $4^3=64$ 整除且使第四只所得 $\ge 1$,取最小满足的总数,求得这堆桃子至少有 $259$ 个。
方法:设总数为 $4k+3$ 逐次表示各猴所得,要求每步整数且末次至少 1 个,取最小总数。
第13讲 计算综合一
兴趣篇
1. 计算:(1)$1+2+4+8+16+32+64+128+256$;(2)$1+\frac{1}{2}+\frac{1}{4}+\frac{1}{8}+\frac{1}{16}+\frac{1}{32}+\frac{1}{64}+\frac{1}{128}+\frac{1}{256}$。
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等比数列求和 错位相减法
显示答案 / 解析
答案 (1)$511$;(2)$1\frac{255}{256}$。
解题过程 (1)这是等比数列,可以运用错位相减法求和。设 $S=1+2+4+8+16+32+64+128+256$,则 $2S=2+4+8+16+32+64+128+256+512$,两式相减得 $(2-1)S=512-1$,$$\begin{aligned}S&=\frac{512-1}{2-1}\\&=511\end{aligned}$$。 (2)方法同上。设 $S=1+\frac{1}{2}+\frac{1}{4}+\frac{1}{8}+\frac{1}{16}+\frac{1}{32}+\frac{1}{64}+\frac{1}{128}+\frac{1}{256}$,则 $2S=2+1+\frac{1}{2}+\frac{1}{4}+\frac{1}{8}+\frac{1}{16}+\frac{1}{32}+\frac{1}{64}+\frac{1}{128}$,相减得 $(2-1)S=2-\frac{1}{256}$,$S=1\frac{255}{256}$。
方法:构造 $2S$ 与 $S$ 错位相减,使中间项抵消。
2. 计算:$384+192+96+48+24+12+6$。
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等比数列求和 提取公因数
显示答案 / 解析
答案 $762$。
解题过程 $$\begin{aligned}\text{原式}&=6\times(1+2+4+8+16+32+64)\\&=6\times127\\&=762\end{aligned}$$。
方法:提取公因数 $6$,化为等比数列 $1+2+\cdots+64$ 求和。
3. 计算:$3+3^2+3^3+3^4+3^5+3^6$。
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等比数列求和 错位相减法
显示答案 / 解析
答案 $1092$。
解题过程 $$\begin{aligned}\text{原式}&=3\times\frac{3^6-1}{3-1}\\&=1092\end{aligned}$$。
方法:公比为 $3$ 的等比数列,用求和公式(错位相减)计算。
4. 计算:$\dfrac{1995+19951995+199519951995}{2009+20092009+200920092009}$。
★★
数字结构观察 提取公因数 约分 规律数字分数化简
显示答案 / 解析
答案 $\frac{285}{287}$。
解题过程 $$\begin{aligned}\text{原式}&=\dfrac{1995\times(1+10001+100010001)}{2009\times(1+10001+100010001)}\\&=\dfrac{1995}{2009}\\&=\dfrac{285}{287}\end{aligned}$$。
方法:识别 $19951995=1995\times10001$ 等结构,提取公因数后约分。
5. 计算:$1\frac{1}{2}+2\frac{1}{3}-3\frac{1}{4}+4\frac{1}{2}+5\frac{1}{3}-6\frac{1}{4}+7\frac{1}{2}+8\frac{1}{3}-9\frac{1}{4}+\cdots+100\frac{1}{2}$。
★★
分组求和 等差数列求和 带分数运算 周期分组求和
显示答案 / 解析
答案 $1703\frac{3}{4}$。
解题过程 $$\begin{aligned}\text{原式}&=(1+2-3)+(4+5-6)+\cdots+(97+98-99)+\left(\frac{1}{2}+\frac{1}{3}-\frac{1}{4}\right)\times33+100\frac{1}{2}\\&=0+3+6+\cdots+96+\frac{7}{12}\times33+100\frac{1}{2}\\&=1584+19\frac{1}{4}+100\frac{1}{2}\\&=1703\frac{3}{4}\end{aligned}$$。
方法:把整数部分按 $(+,+,-)$ 三个一组求和,分数部分按相同周期合并。
6. 规定新运算“$\triangledown$”为:$a\triangledown b=a\times b-a$。计算:(1)$5\triangledown 7$;(2)$3\triangledown(4\triangledown 5)$。
★★
定义新运算 运算顺序
显示答案 / 解析
答案 (1)$30$;(2)$45$。
解题过程 (1)$$\begin{aligned}5\triangledown 7&=5\times 7-5\\&=30\end{aligned}$$。 (2)$$\begin{aligned}3\triangledown(4\triangledown 5)&=3\triangledown(4\times 5-4)\\&=3\triangledown 16\\&=3\times 16-3\\&=45\end{aligned}$$。
方法:按定义代入,先算括号内的新运算再算外层。
7. 规定新运算“$*$”为:$a*b=3\times a-2\times b$。(1)计算:$\frac{4}{3}*\left(\frac{5}{4}*\frac{6}{5}\right)$;(2)已知 $\frac{4}{3}*\left(x*\frac{5}{4}\right)=\frac{6}{5}$,求 $x$。
★★
定义新运算 逆运算求未知数 方程求解
显示答案 / 解析
答案 (1)$1\frac{3}{10}$;(2)$x=1\frac{3}{10}$。
解题过程 (1)$$\begin{aligned}\text{原式}&=3\times\frac{4}{3}-2\times\left(3\times\frac{5}{4}-2\times\frac{6}{5}\right)\\&=4-2\times\left(\frac{15}{4}-\frac{12}{5}\right)\\&=1\frac{3}{10}\end{aligned}$$。 (2)由 $\frac{4}{3}*\left(x*\frac{5}{4}\right)=\frac{6}{5}$,得 $3\times\frac{4}{3}-2\times\left(3x-2\times\frac{5}{4}\right)=\frac{6}{5}$,即 $4-6x+5=\frac{6}{5}$,解得 $x=1\frac{3}{10}$。
方法:按定义代入化简;解方程时把新运算展开为普通四则式逆推求 $x$。
8. 图 13-1 中除了每行两端的数之外,其余每个数都是与它相连的上一行的两个数的平均数,例如:$2.75$ 是 $2.5$ 和 $3$ 的平均数。请问:第 $100$ 行中的各数之和是多少?
★★
数表规律 等差数列 平均数 数表求和
显示答案 / 解析
答案 $204$。
解题过程 每一行的数都是等差数列,且平均数是 $2$。第 $100$ 行有 $102$ 个数,总和是 $2\times 102=204$。
方法:发现每行都是以 $2$ 为平均数的等差数列,各行项数随行号递增,用项数乘平均数求和。
9. 有这样一列数,前两个数分别是 $0$ 和 $1$,从第三个数开始,每一个数都是前两个数的和:$0,1,1,2,3,5,8,13,21,34,\cdots$。请问:这个数列的第 $1000$ 个数除以 $8$ 所得的余数是多少?
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斐波那契数列 余数周期
显示答案 / 解析
答案 $2$。
解题过程 前面几个数除以 $8$ 的余数依次是 $0,1,1,2,3,5,0,5,5,2,7,1,0,1,\cdots$,周期是 $12$。$1000\div 12=83\cdots\cdots4$,因此第 $1000$ 个数与第 $4$ 个数除以 $8$ 的余数相同,是 $2$。
方法:对递推数列逐项取余,找出余数的周期,再用周期定位第 $1000$ 项。
10. 观察数列 $\frac{1}{1},\frac{1}{2},\frac{2}{2},\frac{1}{2},\frac{1}{3},\frac{2}{3},\frac{3}{3},\frac{2}{3},\frac{1}{3},\frac{1}{4},\frac{2}{4},\frac{3}{4},\frac{4}{4},\frac{3}{4},\frac{2}{4},\frac{1}{4},\cdots$,求:(1)数列中第 $150$ 项;(2)数列中前 $300$ 项的和。
★★
数列分组 完全平方数 分组求和 数列分组求和
显示答案 / 解析
答案 (1)$\frac{6}{13}$;(2)$156\frac{2}{3}$。
解题过程 将这些分数进行分组:$\frac{1}{1},\left(\frac{1}{2},\frac{2}{2},\frac{1}{2}\right),\left(\frac{1}{3},\frac{2}{3},\frac{3}{3},\frac{2}{3},\frac{1}{3}\right),\cdots$,每组分别有 $1,3,5,\cdots$ 个数。 (1)前 $n$ 组共 $1+3+5+\cdots+(2n-1)=n^2$ 项。$150=12^2+6$,第 $150$ 项是第 $13$ 组中的第 $6$ 个,是 $\frac{6}{13}$。 (2)$300=17^2+11$,前 $17$ 组的和是 $1+2+3+\cdots+17=153$。剩余 $11$ 项的和是 $$\begin{aligned}\frac{1}{18}+\frac{2}{18}+\frac{3}{18}+\cdots+\frac{11}{18}&=\frac{11\times 12}{2\times 18}\\&=3\frac{2}{3}\end{aligned}$$。因此前 $300$ 项的和是 $153+3\frac{2}{3}=156\frac{2}{3}$。
方法:按分母分组,组内项数为奇数列,用 $n^2$ 定位项号,每组的和为整数。
拓展篇
1. 如图 13-2,有一个边长为 $81$ 厘米的等边三角形,将它每条边都三等分,以中间那一份为边向外作等边三角形,得到图 13-3。由图 13-3 通过同样方法又得到图 13-4。如果再由图 13-4 通过同样方法得到一个新的图形,试问:这个新的图形的周长是多少?
★★
图形周长变化规律 分数连乘 分形图周长
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答案 $576$ 厘米。
解题过程 每进行一次操作,图形周长变为原来的 $\frac{4}{3}$ 倍。原三角形周长为 $81\times 3$,共变化 $3$ 次,所以新图形的周长为 $81\times 3\times\frac{4}{3}\times\frac{4}{3}\times\frac{4}{3}=576$ 厘米。
方法:找出每次操作周长乘 $\frac{4}{3}$ 的规律,连乘三次。
2. 计算:(1)$1+2+2^2+2^3+2^4+2^5+2^6+2^7$;(2)$1+\frac{1}{3}+\frac{1}{3^2}+\frac{1}{3^3}+\frac{1}{3^4}+\frac{1}{3^5}+\frac{1}{3^6}+\frac{1}{3^7}$。
★★
等比数列求和 等比数列求和公式
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答案 (1)$255$;(2)$1\frac{1093}{2187}$。
解题过程 (1)$$\begin{aligned}\text{原式}&=\frac{2^8-1}{2-1}\\&=255\end{aligned}$$。 (2)$$\begin{aligned}\text{原式}&=\dfrac{1-\frac{1}{3^8}}{1-\frac{1}{3}}\\&=1\frac{1093}{2187}\end{aligned}$$。
方法:套用等比数列求和公式,注意公比小于 $1$ 时的写法。
3. 某工厂生产一种新型的乒乓球,第一天生产出了若干个,接下来每天的产量恰好是前一天的 $1.5$ 倍,且每天都生产整数个乒乓球。请问:第一周的总产量至少是多少?
★★
等比数列求和 整除条件 最小值 等比数列实际应用
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答案 $2059$ 个。
解题过程 因为第 $7$ 天的产量是第 $1$ 天的 $\frac{3^6}{2^6}$ 倍,而每天的产量都是整数,所以第一天的产量最少是 $2^6$ 个。此时总产量最少,为 $$\begin{aligned}2^6\times\left(1+\frac{3}{2}+\cdots+\frac{3^6}{2^6}\right)&=2^6\times\dfrac{\frac{3^7}{2^7}-1}{\frac{3}{2}-1}\\&=2059\end{aligned}$$ 个。
方法:由“每天整数”推出首项至少为 $2^6$,再用等比数列求和求最小总产量。
4. 计算:$41\frac{1}{3}\times\frac{3}{4}+52\frac{1}{2}\times\frac{4}{5}+63\frac{3}{5}\times\frac{5}{6}$。
★★
带分数化假分数 约分 带分数乘法
显示答案 / 解析
答案 $126$。
解题过程 $$\begin{aligned}\text{原式}&=\frac{124}{3}\times\frac{3}{4}+\frac{105}{2}\times\frac{4}{5}+\frac{318}{5}\times\frac{5}{6}\\&=31+42+53\\&=126\end{aligned}$$。
方法:把带分数化为假分数后逐项约分相乘,再相加。
5. 计算:$\dfrac{1\times 2\times 3+2\times 4\times 6+\cdots+100\times 200\times 300}{2\times 3\times 4+4\times 6\times 8+\cdots+200\times 300\times 400}$。
★★
提取公因数 整体约分 整体代换约分
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答案 $\frac{1}{4}$。
解题过程 $$\begin{aligned}\text{原式}&=\dfrac{1\times 2\times 3\times(1^3+2^3+\cdots+100^3)}{2\times 3\times 4\times(1^3+2^3+\cdots+100^3)}\\&=\dfrac{1\times 2\times 3}{2\times 3\times 4}\\&=\dfrac{1}{4}\end{aligned}$$。
方法:分子分母每一项都提取相同的立方因子,约去公共的求和括号。
6. 计算:$9\frac{7}{8}\div\left(9\frac{7}{8}+\dfrac{1999^2-1999+1}{1999^2-1999\times 1998+1998^2}\right)$。
★★
代数式化简 繁分数化简
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答案 $\frac{79}{87}$。
解题过程 因为 $$\begin{aligned}\dfrac{1999^2-1999+1}{1999^2-1999\times 1998+1998^2}&=\dfrac{1999^2-1998}{1999^2-(1998+1)\times 1998+1998^2}\\&=\dfrac{1999^2-1998}{1999^2-1998}\\&=1\end{aligned}$$,所以$$\begin{aligned}\text{原式}&=\frac{79}{8}\div\left(\frac{79}{8}+1\right)\\&=\frac{79}{87}\end{aligned}$$。
方法:先化简复杂分式得 $1$,再把外层繁分数化简。
7. 对于任意的两个自然数 $a$ 和 $b$,规定新运算“$\ominus$”为:$a\ominus b=a\times(a+1)\times(a+2)\times\cdots\times(a+b-1)$。如果 $(x\ominus 3)\ominus 3=15\,600$,求 $x$ 的值。
★★
定义新运算 连续自然数乘积 逆推求解
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答案 $x=2$。
解题过程 记 $x\ominus 3=y$,则 $y\ominus 3=y(y+1)(y+2)=15\,600=24\times 25\times 26$,因此 $y=24$。所以 $x\ominus 3=x(x+1)(x+2)=24=2\times 3\times 4$,从而 $x=2$。
方法:把外层运算结果分解为三个连续自然数之积,逐层求出未知数。
8. 定义新运算 $a\Omega b$ 为 $a$ 与 $b$ 之间(包含 $a$,$b$)所有与 $a$ 奇偶性相同的自然数的平均数,例如:$7\Omega 14=(7+9+11+13)\div 4=10$,$18\Omega 10=(18+16+14+12+10)\div 5=14$。(1)计算:$10\Omega 19$;(2)在算式 $\square\Omega(19\Omega 99)=80$ 的方框中填入恰当的自然数后可使等式成立,请问:所填的数是什么?
★★
定义新运算 等差数列平均数 奇偶讨论
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答案 (1)$14$;(2)$101$ 或 $100$。
解题过程 (1)$$\begin{aligned}10\Omega 19&=\dfrac{(10+18)}{2}\\&=14\end{aligned}$$。 (2)先算 $$\begin{aligned}19\Omega 99&=\dfrac{19+99}{2}\\&=59\end{aligned}$$,即求 $\square\Omega 59=80$。若 $\square$ 中的数是奇数,则有 $\dfrac{\square+59}{2}=80$,$\square=101$;若 $\square$ 中的数是偶数,则有 $\dfrac{\square+60}{2}=80$,$\square=100$。
方法:理解新运算实为某段等差数列的平均数(即首末两端的平均),再按奇偶分类讨论。
9. $1$ 至 $2008$ 这 $2008$ 个自然数的所有数字之和是多少?
★★
数字之和 补位凑整计数 分位求和 数字之和统计
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答案 $28\,054$。
解题过程 先计算 $0\sim 1999$ 这 $2000$ 个数的数字之和。个位上的数字和是 $(0+1+2+\cdots+9)\times 200=9000$,同样,十位和百位的数字和也是 $9000$;千位上的数字和是 $(0+1)\times 1000=1000$。共 $9000\times 3+1000=28\,000$。再算 $2000\sim 2008$ 的数字之和,是 $2\times 9+(1+2+3+\cdots+8)=54$。因此 $1\sim 2008$ 的数字之和是 $28\,000+54=28\,054$。
方法:把 $0\sim 1999$ 补齐为四位数,按各数位分别统计数字和,再补算 $2000\sim 2008$。
10. 有一串数如下:$1,2,4,7,11,16,\cdots$,它的规律是:由 $1$ 开始,依次加 $1$,加 $2$,加 $3$,$\cdots$ 逐个产生这串数,直到第 $50$ 个数为止。求第 $50$ 个数除以 $3$ 的余数。
★★
数列通项公式 三角形数 余数 数列通项与余数
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答案 $2$。
解题过程 易有第 $n$ 个数为 $\dfrac{(n-1)n}{2}+1$,所以第 $50$ 个数为 $1+\dfrac{(50-1)\times 50}{2}=1+49\times 25$,除以 $3$ 的余数为 $1+1\times 1=2$。
方法:导出通项 $\frac{(n-1)n}{2}+1$,再对各因数取余相乘求结果余数。
11. $70$ 个数排成一行,除了两头的两个数以外,每个数的 $3$ 倍都恰好等于与它相邻的两个数之和。这一行最左边的几个数是这样的:$0,1,3,8,21,\cdots$。请问:这列数中除以 $6$ 余 $1$ 的数有多少个?
★★
递推数列 余数周期 中国剩余分析 余数周期计数
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答案 $12$ 个。
解题过程 要求除以 $6$ 余 $1$ 的数,即求除以 $2$ 余 $1$,且除以 $3$ 余 $1$ 的数。这个数列除以 $2$ 的余数依次是 $0,1,1,0,1,1,\cdots$,$3$ 位一循环,所以满足条件的数的序号除以 $3$ 余 $0$ 及 $2$;这个数列除以 $3$ 的余数依次是 $0,1,0,2,0,1,0,2,\cdots$,$4$ 位一循环,满足条件的数的序号除以 $4$ 余 $2$。综上,满足条件的数的序号除以 $12$ 余 $2$ 或 $6$。$70\div 12=5\cdots\cdots10$,满足条件的数有 $5\times 2+2=12$ 个。
方法:分别对 $2$、$3$ 取余找周期,将“除以 $6$ 余 $1$”转化为对序号的双重周期条件计数。
12. 观察数列 $\frac{1}{2},\frac{1}{4},\frac{3}{4},\frac{1}{6},\frac{3}{6},\frac{5}{6},\frac{1}{8},\frac{3}{8},\frac{5}{8},\frac{7}{8},\frac{1}{10},\cdots,\frac{2005}{2008},\frac{2007}{2008}$ 的规律,问:(1)数列中第 $2008$ 项是什么?(2)数列中前 $2008$ 项的和是多少?
★★
数列分组 分母为偶数的分组规律 分组求和 数列分组求和
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答案 (1)$\frac{109}{126}$;(2)$1000\frac{32}{63}$。
解题过程 数列中分母为 $2n$ 的项的分数有 $n$ 项。 (1)因为 $\dfrac{62\times 63}{2}=1953<2008<\dfrac{63\times 64}{2}$,所以第 $2008$ 项的分母是 $63\times 2=126$。又 $2008-\dfrac{62\times 63}{2}=55$,所以该项的分子为 $55\times 2-1=109$,即该数为 $\dfrac{109}{126}$。 (2)因为从第 $\dfrac{n(n-1)}{2}+1$ 项到第 $\dfrac{n(n+1)}{2}$ 项,各项分母同为 $2n$,其和为 $\dfrac{1+3+\cdots+(2n-1)}{2n}=\dfrac{n}{2}$,所以前 $1953$ 项之和为 $\dfrac{1+2+\cdots+62}{2}=\dfrac{1953}{2}$。从第 $1954$ 项到第 $2008$ 项各项之和为 $$\begin{aligned}\dfrac{1+3+\cdots+109}{126}&=\dfrac{(1+109)\times 55\div 2}{126}\\&=\dfrac{3025}{126}\end{aligned}$$。那么全部各项之和为 $\dfrac{1953}{2}+\dfrac{3025}{126}=1000\frac{32}{63}$。
方法:按分母分组(分母 $2n$ 的组有 $n$ 项),先定位再分组求和。
13. 观察下面的数阵:第 $1$ 行 $\frac{1}{1}$;第 $2$ 行 $\frac{2}{1},\frac{1}{2}$;第 $3$ 行 $\frac{3}{1},\frac{2}{2},\frac{1}{3}$;第 $4$ 行 $\frac{4}{1},\frac{3}{2},\frac{2}{3},\frac{1}{4}$;第 $5$ 行 $\frac{5}{1},\frac{4}{2},\frac{3}{3},\frac{2}{4},\frac{1}{5}$;$\cdots$。根据前五行数所表达的规律,求:(1)$\frac{33}{67}$ 这个数在由上至下的第几行?在这一行中,它是由左向右的第几个?(2)第 $28$ 行第 $19$ 个数是什么?
★★
数阵规律 分子分母之和规律 数阵定位
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答案 (1)第 $99$ 行,第 $67$ 个;(2)$\frac{10}{19}$。
解题过程 (1)观察可知,第 $k$ 行的分数的分子与分母的和为 $k+1$。$\frac{33}{67}$ 的分子与分母之和是 $100$,因此在第 $99$ 行,是由左往右数的第 $67$ 个。 (2)第 $28$ 行的数分子与分母之和为 $29$,这行第 $19$ 个数的分母是 $19$,因此分子是 $10$,这个数是 $\frac{10}{19}$。
方法:发现每行分子分母之和等于行号加 $1$,分母随列号递增,从而定位与求值。
14. 将从 $1$ 开始的自然数按照如图 13-5 所示的规律排成数阵,数 $1000$ 所在的行与列中分别有一个最小的数,求这两个数的和。
★★★
蛇形数阵 完全平方数分层 行列定位 蛇形数阵定位
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答案 $1594$。
解题过程 数阵从左上角往右下角扩展,$1$ 为第 $1$ 层,$2\sim 4$ 为第 $2$ 层,$5\sim 9$ 为第 $3$ 层,则第 $n$ 层之内有 $n^2$ 个数。而 $31^2<1000<32^2$,因为 $32^2=1024$ 比 $31^2=961$ 更接近 $1000$,所以可从 $32^2$ 往回考察 $1000$ 所处的位置。由数阵的增长规律知,$32^2=1024$ 处在第 $32$ 行第 $1$ 列,且 $1023$ 处在第 $32$ 行第 $2$ 列,$1022$ 处在第 $32$ 行第 $3$ 列,$\cdots$,$1000$ 处在第 $32$ 行第 $25$ 列,$\cdots$,$993$ 处在第 $32$ 行第 $32$ 列,至此比 $993$ 小的数在第 $32$ 列上往上递减至 $962$,所以第 $32$ 行上最小的数是 $993$。再考察第 $25$ 列上的数,显然 $25^2=625$ 在第 $1$ 行第 $25$ 列上,则往下递减至第 $25$ 行第 $25$ 列是 $601$,此后该列上的数都比 $601$ 大,所以第 $25$ 列上最小的数是 $601$。综上,所求和为 $993+601=1594$。
方法:用平方数划分层数,确定 $1000$ 所在行列,再分别找该行该列的最小数相加。
超越篇
1. 求所有分母为 $360$ 的最简真分数的和。
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互质 容斥原理 等差数列求和 互质数求和
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答案 $48$。
解题过程 先求 $1\sim 360$ 间所有与 $360$ 互质的数之和。$360=2^3\times 3^3\times 5$(原书如此印刷,实际应为 $360=2^3\times 3^2\times 5$)。所有含因数 $2$ 的数之和为 $\dfrac{(2+360)\times 180}{2}=32\,580$;所有含因数 $3$ 的数之和为 $\dfrac{(3+360)\times 120}{2}=21\,780$;所有含因数 $5$ 的数之和为 $\dfrac{(5+360)\times 72}{2}=13\,140$;所有含因数 $2,3$ 的数之和为 $\dfrac{(6+360)\times 60}{2}=10\,980$;所有含因数 $2,5$ 的数之和为 $\dfrac{(10+360)\times 36}{2}=6660$;所有含因数 $3,5$ 的数之和为 $\dfrac{(15+360)\times 24}{2}=4500$;所有含因数 $2,3,5$ 的数之和为 $\dfrac{(30+360)\times 12}{2}=2340$。则 $1\sim 360$ 间所有与 $360$ 互质的数之和为 $\dfrac{(1+360)\times 360}{2}-(32\,580+21\,780+13\,140-10\,980-6660-4500+2340)=17\,280$。因此所有分母为 $360$ 的最简真分数之和为 $\dfrac{17\,280}{360}=48$。
方法:用容斥原理求与 $360$ 互质的数之和,再除以 $360$ 得最简真分数之和(互质数成对相加,和为整数)。
2. 有一种运算“$*$”,满足以下条件:① $2*3=5$;② $a*b=b*a$;③ $a*(b+c)=a*b+a*c$(这里的“$+$”是通常的加号)。请计算:$8*9$。
★★★★
定义新运算 运算律 分配律拆分
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答案 $60$。
解题过程 $$\begin{aligned}8*9&=8*(3+6)\\&=8*3+8*6\\&=8*3+8*(3+3)\\&=8*3+8*3+8*3\\&=3\times(8*3)\end{aligned}$$。而 $$\begin{aligned}8*3&=3*8\\&=3*(4+4)\\&=2\times(3*4)\\&=2\times[3*(2+2)]\\&=2\times 2\times(3*2)\\&=2\times 2\times 5\\&=20\end{aligned}$$,因此 $$\begin{aligned}8*9&=20\times 3\\&=60\end{aligned}$$。
方法:反复利用交换律和分配律把待求运算拆解到已知的 $2*3=5$ 上。
3. 下面的数列是按某种规律排列的:$1,3,4,7,11,18,29,47,\cdots$,试问:(1)其中第 $300$ 个数被 $6$ 除余几?(2)如果数列按第 $n$ 组含有 $n$ 个数的规律分组,成为:$(1),(3,4),(7,11,18),\cdots$,那么第 $300$ 组内各数之和除以 $6$ 的余数是多少?
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递推数列 余数周期 分组求和取余 余数周期与分组
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答案 (1)$4$;(2)$4$。
解题过程 (1)该数列除以 $2$ 的余数为 $1,1,0,1,1,0,\cdots$,$3$ 位一循环,所以第 $300$ 个数除以 $2$ 的余数为 $0$。该数列除以 $3$ 的余数为 $1,0,1,1,2,0,2,2,1,0,1,\cdots$,$8$ 位一循环,所以第 $300$ 个数除以 $3$ 的余数与第 $4$ 位除以 $3$ 的余数相同,为 $1$。因为该数列除以 $2$ 余 $0$、除以 $3$ 余 $1$,所以第 $300$ 个数除以 $6$ 的余数为 $4$。 (2)因为该数列除以 $2$ 的余数为 $1,1,0,1,1,0,\cdots$,任意连续 $3$ 数之和都是 $2$ 的倍数,所以第 $300$ 组内连续 $300$ 个数之和必为 $2$ 的倍数。因为 $\dfrac{(1+299)\times 299}{2}=44\,850$,所以第 $300$ 组数的第一个数为原数列内的第 $44\,851$ 个数($44\,851$ 除以 $8$ 余 $3$),它除以 $3$ 的余数相当于第 $3$ 位除以 $3$ 的余数,则第 $300$ 组数各数除以 $3$ 的余数为 $1,1,2,0,2,2,1,0,\cdots$,显然连续 $8$ 数之和为 $3$ 的倍数,所以第 $300$ 组数内各数之和除以 $3$ 的余数为 $1+1+2+0=4$(因为 $300$ 除以 $8$ 余 $4$),即为 $1$;综合除以 $2$ 余 $0$,得第 $300$ 组数内各数之和除以 $6$ 的余数为 $4$。
方法:分别对 $2$、$3$ 取余找周期,再合并到模 $6$;分组求和时利用余数序列的周期性。
4. 如图 13-6 所示的数阵中,从第 $2$ 行起,每行都是把上一行抄一遍,然后在相邻两数之间填入它们的和。请问:第 $999$ 行各数之和被 $7$ 除所得的余数是多少?
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数阵递推 递推求和 余数周期 递推数阵求和取余
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答案 $3$。
解题过程 记第 $k$ 行的数字和为 $S_k$。第 $k+1$ 行先将第 $k$ 行的数抄一遍,和为 $S_k$;再在每两个数间插入这两个数的和,因此除两边的数只算了 $1$ 遍外,其余的数都算了 $2$ 遍,因此新插入数的和是 $2S_k-2$。于是有 $$\begin{aligned}S_{k+1}&=S_k+2S_k-2\\&=3S_k-2\end{aligned}$$。各行的和除以 $7$ 的余数依次是 $2,4,3,0,5,6,2,4,\cdots$,周期是 $6$。$999\div 6=166\cdots\cdots3$,第 $999$ 个数与第 $3$ 个数的余数相同,是 $3$。
方法:建立行和的递推式 $S_{k+1}=3S_k-2$,对 $7$ 取余找周期定位第 $999$ 行。
5. 有一个圆,第一次用一条直径将圆周分成两个半圆周,在每个分点上标上 $1$;第二次再将两个半圆周分别分成两个 $\frac{1}{4}$ 圆周,在新产生的分点上标上相邻两数之和的 $\frac{1}{2}$;第三次再将四个 $\frac{1}{4}$ 圆周分别分成两个 $\frac{1}{8}$ 圆周,在新产生的分点上标上相邻两数之和的 $\frac{1}{3}$;第四次再将八个 $\frac{1}{8}$ 圆周分别分成两个 $\frac{1}{16}$ 圆周,在新产生的分点上标上相邻两数之和的 $\frac{1}{4}$;$\cdots\cdots$ 如此进行了 $100$ 次。请问:最后圆周上的所有数之和是多少?
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递推求和 约分相消 裂项连乘 递推连乘约分
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答案 $3434$。
解题过程 设第 $k$ 次得到的数字之和为 $S_k$,则 $S_1=2$,且有 $$\begin{aligned}S_{k+1}&=S_k+\dfrac{2}{k+1}S_k\\&=S_k\times\dfrac{k+3}{k+1}\end{aligned}$$。因此有 $$\begin{aligned}S_{100}&=2\times\dfrac{4}{2}\times\dfrac{5}{3}\times\dfrac{6}{4}\times\cdots\times\dfrac{101}{99}\times\dfrac{102}{100}\\&=2\times\dfrac{101\times 102}{2\times 3}\\&=3434\end{aligned}$$。
方法:建立每次操作后总和的递推关系 $S_{k+1}=S_k\times\frac{k+3}{k+1}$,连乘后约分相消。
6. 将非零自然数按照图 13-7 中的规律不断写出,发现有些数被写出多次,还有些数永远不会出现。请问:$99$ 在数表中共出现过几次?最后一次位于哪里?最小的永不出现的数是多少?
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数表规律 三角形数 不等式求范围 数表规律与缺口
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答案 $99$ 共出现 $14$ 次;最后一次位于第 $14$ 行第 $8$ 列;最小的永不出现的数是 $5050$。
解题过程 显然各行上出现的数都由该行第一列上的数决定,则可以先求出每行第一个数。记每行第一个数依次为 $a_1,a_2,a_3,\cdots$,观察可得 $a_n=1+\dfrac{n(n-1)}{2}$。所以第 $n$ 行上各数为 $1+\dfrac{n(n-1)}{2},2+\dfrac{n(n-1)}{2},\cdots,99+\dfrac{n(n-1)}{2}$。解不等式 $1+\dfrac{n(n-1)}{2}\le 99\le 99+\dfrac{n(n-1)}{2}$,得 $1\le n\le 14$。所以 $99$ 在该表中出现 $14$ 次,最后一次出现在第 $14$ 行;注意到第 $14$ 行第一个数为 $1+\dfrac{14\times 13}{2}=92$,那么 $99$ 是该行第 $99-92+1=8$ 个数,即 $99$ 最后一次出现在第 $14$ 行第 $8$ 列。永不出现的数是那些处于数表上两个相邻行之间的数,即在 $99+\dfrac{n(n-1)}{2}$ 与 $1+\dfrac{n(n+1)}{2}$ 之间,要使这样的整数存在,则 $99+\dfrac{n(n-1)}{2}+2\le 1+\dfrac{n(n+1)}{2}$,得 $n\ge 100$。则最小的永不出现的数为 $1+\dfrac{100\times(100+1)}{2}-1=5050$。
方法:找出每行首数的通项 $1+\frac{n(n-1)}{2}$,用不等式确定 $99$ 出现的行数与位置,再分析行间缺口求最小遗漏数。
7. 请写出 $5$ 个不同的最简分数,分子都是 $2$,而且这 $5$ 个分数组成一个等差数列。
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等差数列 最简分数 最小公倍数 构造等差分数列
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答案 $\frac{2}{315},\frac{2}{105},\frac{2}{63},\frac{2}{45},\frac{2}{35}$。
解题过程 不妨令首项为 $\dfrac{2}{n}$,公差为 $\dfrac{4}{n}$,则各项为 $\dfrac{2}{n},\dfrac{6}{n},\dfrac{10}{n},\dfrac{14}{n},\dfrac{18}{n}$。要使该 $5$ 项化简为分子为 $2$ 的最简分数,只要取 $n=[1,3,5,7,9]=315$ 即可。此时五数为 $\dfrac{2}{315},\dfrac{2}{105},\dfrac{2}{63},\dfrac{2}{45},\dfrac{2}{35}$。
方法:设公共分母 $n$,让分子成等差,再取 $n$ 为分子序列的最小公倍数,使各分数约分后分子均为 $2$。
8. 规定运算“$\Omega$”对任意的 $x,y,z$ 都满足 $x\Omega x=5$,$x\Omega(y\Omega z)=(x\Omega y)+z-5$。试求 $2009\Omega 1949$。
★★★★
定义新运算 恒等式代入 构造
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答案 $65$。
解题过程 $$\begin{aligned}2009\Omega 1949+1949-5&=2009\Omega(1949\Omega 1949)\\&=2009\Omega 5\\&=2009\Omega(2009\Omega 2009)\\&=2009\Omega 2009+2009-5\\&=5+2009-5\\&=2009\end{aligned}$$。因此有 $$\begin{aligned}2009\Omega 1949&=2009+5-1949\\&=65\end{aligned}$$。
方法:利用 $x\Omega x=5$ 把 $1949$、$2009$ 构造成 $y\Omega y$ 的形式代入第二个恒等式逐步求解。
第14讲 直线形计算二
兴趣篇
1. 如图 $14-1$,在三角形 $ABC$ 中,$AB$ 是 $AD$ 的 $3$ 倍,三角形 $ACD$ 的面积是 $5$ 平方厘米。请问:三角形 $ABC$ 的面积是多少?
★
等高三角形面积比 线段倍数转化为面积倍数 等高三角形面积计算
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答案 $15$ 平方厘米。
解题过程 $\triangle ABC$ 与 $\triangle ACD$ 的高相等,而 $AB$ 是 $AD$ 的 $3$ 倍,所以 $\triangle ABC$ 的面积是 $\triangle ACD$ 面积的 $3$ 倍,即 $5\times 3=15$ 平方厘米。
方法:两三角形同高时,面积之比等于底之比。
2. 如图 $14-2$,四边形 $ABCD$ 是直角梯形,其中 $AD=12$(厘米),$AB=8$(厘米),$BC=15$(厘米),且三角形 $ADE$、四边形 $DEBF$、三角形 $CDF$ 的面积相等,阴影三角形 $DEF$ 的面积是多少平方厘米?
★★
直角梯形面积 面积的等分与分割 梯形面积分割
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答案 $30$ 平方厘米。
解题过程 直角梯形 $ABCD$ 的上底 $AD=12$(厘米),下底 $BC=15$(厘米),高 $AB=8$(厘米),那么它的面积是 $(12+15)\times 8\div 2=108$ 平方厘米。由于 $\triangle ADE$、四边形 $DEBF$、$\triangle CDF$ 的面积相等,所以每一块的面积都是 $108\div 3=36$ 平方厘米。在 $\triangle ADE$ 中,$AD=12$ 厘米,则 $AE=36\times 2\div 12=6$ 厘米,$BE=AB-AE=8-6=2$ 厘米;在 $\triangle CDF$ 中,底边 $CF$ 上的高与 $AB$ 相等即 $8$ 厘米,则 $CF=36\times 2\div 8=9$ 厘米,$BF=BC-CF=15-9=6$ 厘米。于是角上的 $\triangle BEF$ 的面积为 $BE\times BF\div 2=2\times 6\div 2=6$ 平方厘米,所以阴影 $\triangle DEF$ 的面积为 $108-36-36-6=30$ 平方厘米。
方法:先求梯形面积,再利用三块面积相等的条件求阴影部分。
3. 一块长方形的土地被分割成 $4$ 个小长方形,其中三块的面积如图 $14-3$ 所示(单位:平方米),剩下一块的面积应该是多少平方米?
★★
长方形面积与边长关系 比例关系 长方形分块面积
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答案 $20$ 平方米。
解题过程 上排左、右两个小长方形面积是 $30$ 和 $15$,下排左边长方形面积是 $40$。上排两个长方形的高相同,所以它们的长之比等于面积之比 $30:15=2:1$;下排两块的长之比也相同,故下排右边长方形面积 $=40\times\frac{15}{30}=20$ 平方米。
方法:同高(同宽)的长方形面积之比等于长(宽)之比。
4. 如图 $14-4$,在三角形 $ABC$ 中,$BC$ 是 $DC$ 的 $3$ 倍,$AC$ 是 $EC$ 的 $3$ 倍。三角形 $DEC$ 的面积是 $3$ 平方厘米。请问:三角形 $ABC$ 的面积是多少平方厘米?
★★
等高三角形面积比 线段倍数转化为面积倍数 两次放缩 等高三角形连续放缩
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答案 $27$ 平方厘米。
解题过程 $\triangle ADC$ 与 $\triangle DEC$ 的底边 $AC$ 是 $EC$ 的 $3$ 倍,它们以 $D$ 点为顶点等高,所以 $\triangle ADC$ 面积是 $\triangle DEC$ 的 $3$ 倍,即 $3\times 3=9$ 平方厘米。再比较 $\triangle ABC$ 与 $\triangle ADC$:底边 $BC$ 是 $DC$ 的 $3$ 倍且以 $A$ 点为顶点等高,所以 $\triangle ABC$ 面积是 $\triangle ADC$ 的 $3$ 倍,为 $9\times 3=27$ 平方厘米。
方法:分两步用等高三角形底之比转化面积之比。
5. 如图 $14-5$,$E$ 是 $BC$ 上靠近 $B$ 点的三等分点,且 $ED$ 是 $AD$ 的 $2$ 倍。三角形 $ABC$ 的面积是 $36$ 平方厘米。三角形 $BDE$ 的面积是多少平方厘米?
★★
共顶点等高三角形面积比 三等分点 线段比转面积比 等高三角形连续放缩
显示答案 / 解析
答案 $16$ 平方厘米。
解题过程 $\triangle ABE$ 和 $\triangle ABC$ 有公共顶点 $A$、同高,且因为 $E$ 是 $BC$ 上的三等分点,所以底边 $BE$ 是 $BC$ 的 $\frac{2}{3}$,于是 $\triangle ABE$ 面积是 $\triangle ABC$ 面积的 $\frac{2}{3}$,即 $36\times\frac{2}{3}=24$ 平方厘米。又 $\triangle BDE$ 与 $\triangle ABE$ 有公共顶点 $B$、同高,且 $ED$ 是 $AD$ 的 $2$ 倍,所以底边 $ED$ 是 $AE$ 的 $\frac{2}{3}$,于是 $\triangle BDE$ 面积是 $\triangle ABE$ 面积的 $\frac{2}{3}$,即 $24\times\frac{2}{3}=16$ 平方厘米。
方法:连续两次利用同高三角形面积之比等于底之比。
6. 如图 $14-6$ 所示,已知三角形 $BEC$ 的面积等于 $20$ 平方厘米,$E$ 是 $AB$ 边上靠近 $B$ 点的四等分点,三角形 $AED$ 的面积是多少平方厘米?平行四边形 $DECF$ 的面积是多少平方厘米?
★★
四等分点 等高三角形面积比 平行四边形面积 三角形与平行四边形面积关系
显示答案 / 解析
答案 三角形 $AED$ 为 $60$ 平方厘米;平行四边形 $DECF$ 为 $160$ 平方厘米。
解题过程 $E$ 是 $AB$ 上靠近 $B$ 点的四等分点,故 $AE$ 是 $EB$ 的 $3$ 倍。$\triangle AED$ 与 $\triangle BEC$ 利用等底(同高)关系换算,可得 $\triangle AED$ 面积是 $\triangle BEC$ 面积的 $3$ 倍,即 $20\times 3=60$ 平方厘米。再由平行四边形 $DECF$ 与相关三角形的关系求得平行四边形 $DECF$ 的面积是 $80\times 2=160$ 平方厘米。
方法:利用四等分点把线段比转化为面积比,再求平行四边形面积。
7. 如图 $14-7$,已知平行四边形 $ABCD$ 的面积为 $36$,三角形 $AOD$ 的面积为 $8$,三角形 $BOC$ 的面积为多少?
★★
平行四边形面积分割 添加辅助线 三角形与平行四边形面积关系 平行四边形内三角形面积
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答案 $10$。
解题过程 过 $O$ 点作一条 $AD$ 的平行线,分别交 $AB$、$CD$ 于 $E$、$F$,正好把 $ABCD$ 分成左右两个小平行四边形,且分别将两个阴影三角形 $AOD$、$BOC$ 等分。$\triangle AOD$ 的面积是平行四边形 $ADFE$ 的一半,$\triangle BOC$ 的面积是平行四边形 $BCFE$ 的一半,于是它们的总面积是平行四边形 $ABCD$ 面积的一半,即 $36\div 2=18$。所以 $\triangle BOC$ 的面积为 $18-8=10$。
方法:过顶点作辅助平行线,把两三角形之和转化为平行四边形面积的一半。
8. 如图 $14-8$,长方形 $ABCD$ 的面积是 $96$ 平方厘米,$E$ 是 $AD$ 边上靠近 $D$ 点的三等分点,$F$ 是 $CD$ 边上靠近 $C$ 点的四等分点。阴影部分的面积是多少平方厘米?
★★
长方形内三角形面积 三等分点与四等分点 整体减空白 长方形内阴影三角形
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答案 $40$ 平方厘米。
解题过程 $\triangle AEB$ 的底 $AE$ 是长方形长 $AD$ 的 $\frac{2}{3}$,高与长方形宽相等,所以 $\triangle AEB$ 的面积是长方形面积的 $\frac{2}{3}\times 1\div 2=\frac{1}{3}$,即 $96\times\frac{1}{3}=32$ 平方厘米。$\triangle BFC$ 的底 $FC$ 是长方形宽的 $\frac{1}{4}$,所以面积是长方形面积的 $1\times\frac{1}{4}\div 2=\frac{1}{8}$,即 $96\times\frac{1}{8}=12$ 平方厘米。$\triangle EDF$ 的两直角边分别是长的 $\frac{1}{3}$ 与宽的 $\frac{3}{4}$,面积是长方形面积的 $\frac{1}{3}\times\frac{3}{4}\div 2=\frac{1}{8}$,即 $12$ 平方厘米。所以阴影三角形 $BEF$ 的面积为 $96-32-12-12=40$ 平方厘米。
方法:用长方形面积减去三个空白直角三角形的面积。
9. 如图 $14-9$,把一个正方形的相邻两边分别增加 $3$ 和 $5$ 厘米,结果面积增加了 $71$ 平方厘米(阴影部分)。原正方形的面积是多少平方厘米?
★★
正方形增边面积变化 图形分割 列方程 正方形增减边长求面积
显示答案 / 解析
答案 $49$ 平方厘米。
解题过程 设原正方形边长为 $a$ 厘米。增加的面积由两条长边的长方形和一个 $3\times 5$ 的小长方形组成:$3a+5a+3\times 5=8a+15=71$,解得 $a=7$。所以原正方形的面积是 $7\times 7=49$ 平方厘米。
方法:把增加的面积分成两个长方形条与一个小长方形,列方程求边长。
10. 如图 $14-10$ 所示,把一个正方形的相邻两边分别减少 $2$ 厘米和 $4$ 厘米,结果面积减少了 $46$ 平方厘米(阴影部分)。原正方形的面积是多少平方厘米?
★★
正方形减边面积变化 图形分割 列方程 正方形增减边长求面积
显示答案 / 解析
答案 $81$ 平方厘米。
解题过程 设原正方形边长为 $a$ 厘米。减少的面积由两条边的长方形减去重叠的 $2\times 4$ 小长方形:$2a+4a-2\times 4=6a-8=46$,解得 $a=9$。所以原正方形的面积是 $9\times 9=81$ 平方厘米。
方法:把减少的面积写成两个长方形条之和减去重叠的小长方形,列方程求边长。
拓展篇
1. 如图 $14-11$,有 $9$ 个小长方形,其中的 $5$ 个小长方形的面积分别为 $4,8,12,16,20$ 平方米。其余 $4$ 个长方形的面积分别是多少平方米?
★★
长方形面积与边长关系 行列比例 格点面积推算 长方形分块面积
显示答案 / 解析
答案 $8$ 平方米;$24$ 平方米;$10$ 平方米;$30$ 平方米。
解题过程 同一行的小长方形高相同,同一列的小长方形宽相同,因此处于同行(同列)的长方形面积之比等于它们的长(宽)之比。第一行中 $12$ 平方米的长方形面积是 $4$ 平方米的 $3$ 倍,依此关系逐格推算,可求出其余四个长方形面积分别为 $8$、$24$、$10$、$30$ 平方米。
方法:利用同行同列长方形面积之比等于对应边长之比,逐格推算。
2. 如图 $14-12$ 中三角形 $ABC$ 的面积是 $180$ 平方厘米,$D$ 是 $BC$ 的中点,$AD$ 是 $AE$ 的 $3$ 倍。三角形 $ABE$ 的面积是多少平方厘米?
★★
中点性质 等高三角形面积比 等高三角形连续放缩
显示答案 / 解析
答案 $30$ 平方厘米。
解题过程 $D$ 是 $BC$ 中点,所以 $\triangle ABD$ 的面积是 $\triangle ABC$ 的一半,即 $180\div 2=90$ 平方厘米。又 $AD$ 是 $AE$ 的 $3$ 倍,$\triangle ABE$ 与 $\triangle ABD$ 同高,所以 $\triangle ABE$ 的面积是 $\triangle ABD$ 的 $\frac{1}{3}$,即 $90\times\frac{1}{3}=30$ 平方厘米。
方法:先用中点把面积折半,再用线段倍数关系折算。
3. 如图 $14-13$,在四边形 $ABCD$ 中,已知 $CD=3DF$,$AE=3ED$,且三角形 $BFC$ 的面积为 $6$ 平方厘米,四边形 $BEDF$ 的面积为 $7$ 平方厘米。大四边形 $ABCD$ 的面积是多少?
★★★
添加辅助线(连对角线) 共边三角形面积比 面积分块求和 四边形分割求面积
显示答案 / 解析
答案 $25$ 平方厘米。
解题过程 连接 $BD$,把四边形 $BEDF$ 分成 $\triangle BDE$ 和 $\triangle BDF$ 两部分。在 $\triangle BCD$ 中,由 $CD=3DF$,可知 $\triangle BCF=2\triangle BDF$,即 $\triangle BCF$ 的面积是 $\triangle BDF$ 面积的 $2$ 倍,因此 $\triangle BDF$ 的面积为 $6\div 2=3$ 平方厘米。由四边形 $BEDF$ 的面积是 $7$ 平方厘米,得 $\triangle BDE=7-3=4$ 平方厘米。又由 $AE=3ED$,$\triangle ABD$ 的面积是 $\triangle BDE$ 面积的 $3$ 倍,即 $\triangle ABD=4\times 3=12$ 平方厘米。这样一来,四边形 $ABCD$ 各部分的面积都已求出,$\triangle ABD$ 与 $\triangle BCF$、四边形 $BEDF$ 合计 $12+7+6=25$ 平方厘米。
方法:连对角线把四边形拆成三角形,用线段倍数关系逐块求面积再求和。
4. 如图 $14-14$,把三角形 $DEF$ 的各边向外延长 $1$ 倍后得到三角形 $ABC$。三角形 $ABC$ 的面积是三角形 $DEF$ 的多少倍?
★★★
延长边的面积放大 共角三角形面积比 整体分块 延长边构造的面积倍数
显示答案 / 解析
答案 $7$ 倍(即 $\triangle DEF$ 的面积是 $\triangle ABC$ 的 $\frac{1}{7}$)。
解题过程 把各边向外延长 $1$ 倍,即每个外角处形成的三角形(如 $\triangle ADE$ 等)的面积都等于 $\triangle DEF$ 面积的 $2$ 倍。设 $\triangle DEF$ 的面积为 $1$ 份,三个外接三角形面积共为 $2\times 3=6$ 份,加上中间的 $\triangle DEF$,得 $\triangle ABC$ 的面积为 $1+6=7$ 份。所以 $\triangle ABC$ 的面积是 $\triangle DEF$ 的 $7$ 倍,$\triangle DEF$ 的面积是 $\triangle ABC$ 的 $\frac{1}{7}$。
方法:把外接三个三角形面积都换算成 DEF 的 2 倍,相加得到总倍数。
5. 如图 $14-15$,将一个长为 $18$ 的长方形,分成一个三角形和一个梯形,而且梯形的面积是三角形的 $5$ 倍。三角形 $ABE$ 的边长 $BE$ 是多少?
★★★
长方形与三角形面积关系 等高底比 倍数转化 长方形内三角形求底
显示答案 / 解析
答案 $BE=6$。
解题过程 梯形面积是三角形 $\triangle ABE$ 面积的 $5$ 倍,所以整个长方形面积是 $\triangle ABE$ 面积的 $5+1=6$ 倍。又 $\triangle ABE$ 与长方形等高(同为 $AB$),所以底 $BE$ 是长方形长 $BC=18$ 的 $\frac{1}{6}$,即 $BE=18\div 6\times 2$。由于三角形面积是长方形的 $\frac{1}{6}$ 而三角形面积公式带 $\div 2$,于是 $BE=18\div 3=6$。
方法:把梯形与三角形之和看作长方形,利用三角形占长方形面积的比例求底。
6. 如图 $14-16$,$E$ 是 $AB$ 边上靠近 $A$ 点的三等分点,梯形 $ABCD$ 的面积是三角形 $AEC$ 面积的 $5$ 倍。请问:梯形的下底长是上底长的几倍?
★★★
梯形与三角形面积关系 三等分点 等高三角形底比 梯形上下底之比
显示答案 / 解析
答案 $1.5$ 倍。
解题过程 假设 $\triangle AEC$ 的面积是 $1$ 份,那么梯形的面积是 $5$ 份。因为 $E$ 是 $AB$ 上靠近 $A$ 点的三等分点,所以 $AB=3AE$,$\triangle ABC$ 与 $\triangle AEC$ 同高,于是 $\triangle ABC$ 的面积是 $\triangle AEC$ 的 $3$ 倍,即 $3$ 份。那么 $\triangle ACD$ 的面积就是 $5-3=2$ 份。$\triangle ABC$ 以 $BC$ 为底、$\triangle ACD$ 以 $AD$ 为底时,它们的高都等于梯形的高,所以同高三角形面积之比等于底之比,即下底 $BC$ 与上底 $AD$ 之比为 $3:2=1.5$。所以下底是上底的 $1.5$ 倍。
方法:用份数表示各部分面积,把面积比转化为上下底之比。
7. 如图 $14-17$,一个长方形被分成 $4$ 个不同颜色的三角形。黄色三角形的面积是 $9$ 平方厘米,红色三角形的面积是 $21$ 平方厘米,绿色三角形的面积是 $10$ 平方厘米。那么蓝色三角形的面积是多少平方厘米?
★★★
长方形内三角形面积 底与高的对应 面积相等关系 长方形分四色三角形
显示答案 / 解析
答案 $22$ 平方厘米。
解题过程 黄色三角形的底和绿色三角形的底分别对应着长方形上、下两条长边,它们的高之和等于长方形的宽,所以黄色与绿色三角形的面积之和恰好是整个长方形面积的一半。同理,红色、蓝色两个三角形的面积之和也是整个长方形面积的一半。因此红色与蓝色三角形的面积和等于黄色与绿色三角形的面积和,即 $21+\text{蓝}=9+10+\text{(与蓝相对的一块)}$。按图中相对关系(黄、蓝相对,红、绿相对)有 $9+\text{蓝}=21+10$,所以蓝色三角形的面积为 $21+10-9=22$ 平方厘米。
方法:对边的两三角形面积和各为长方形的一半,由此建立相等关系求未知三角形。
8. 如图 $14-18$,设正方形 $ABCD$ 的面积为 $1$,把每条边都 $3$ 等分,然后将这 $8$ 个等分点与正方形内的某一点 $P$ 相连接,形成 $4$ 个阴影的四边形和 $4$ 个空白的三角形。阴影部分的总面积是多少?
★★★
共顶点三角形面积 三等分点 整体面积分配 内点连线分割正方形
显示答案 / 解析
答案 $\frac{2}{3}$。
解题过程 无论 $P$ 点取在何处,以正方形某条边上相邻两个三等分点之间的线段为底、$P$ 到该边的距离为高的三角形,其底是该边的 $\frac{1}{3}$。把全部以 $P$ 为顶点、以各边为底的三角形面积合起来恰好是正方形面积,而阴影四边形与空白三角形的划分使阴影部分占去其中的 $\frac{2}{3}$。所以正方形的面积是 $1$ 时,阴影部分的总面积就是 $\frac{2}{3}$。
方法:把所有以 P 为顶点的三角形面积之和看作正方形面积,分析阴影所占比例。
9. 如图 $14-19$,在梯形 $ABCD$ 中,$E$ 是 $AB$ 的中点。已知梯形 $ABCD$ 的面积为 $35$ 平方厘米,三角形 $ABD$ 的面积为 $13$ 平方厘米。三角形 $BCE$ 的面积是多少平方厘米?
★★★
梯形面积分割 中点性质 等高三角形面积比 梯形内三角形面积
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答案 $11$ 平方厘米。
解题过程 $\triangle ABD$ 的面积为 $13$,则 $\triangle BCD$ 的面积为 $35-13=22$ 平方厘米。$E$ 是 $AB$ 的中点,$\triangle BCE$ 与 $\triangle ABC$ 同高且底 $BE$ 是 $AB$ 的一半,所以 $\triangle BCE$ 的面积是 $\triangle ABC$ 的一半。结合梯形中 $\triangle ABC$ 的面积,可算得 $\triangle BCE$ 的面积为 $11$ 平方厘米。
方法:用梯形减去已知三角形求另一块,再用中点把面积折半。
10. 在图 $14-20$ 中,正方形 $ADEB$ 和正方形 $ECFG$ 底边在一条线上,两个正方形边长分别为 $6$ 和 $4$。三角形 $ACG$ 和三角形 $BDF$ 的面积分别是多少?
★★★
正方形对角线平行 同底等高三角形等积 等积变形 双正方形等积三角形
显示答案 / 解析
答案 三角形 $ACG$ 为 $8$ 平方单位;三角形 $BDF$ 为 $18$ 平方单位。
解题过程 连接图中两正方形的对角线 $AE$、$EF$。(1)四边形 $ADEB$ 和 $ECFG$ 都是正方形,因此对角线 $AE$ 和 $CG$ 平行。$\triangle ACG$ 与 $\triangle ECG$ 有公共底 $CG$,且 $AE\parallel CG$,于是它们等高也相等,所以 $S_{\triangle ACG}=S_{\triangle ECG}=4\times 4\div 2=8$。(2)同一道理,$BD\parallel EF$,$\triangle BDF$ 与 $\triangle EDF$ 等高相等,$S_{\triangle BDF}=S_{\triangle EDF}=6\times 6\div 2=18$。
方法:利用对角线平行做等积替换,把所求三角形换成易算的等积三角形。
11. 图 $14-21$ 是由边长分别为 $10$ 厘米、$12$ 厘米、$8$ 厘米的正方形构成的,有一条与 $AB$ 边平行的直线 $EF$ 将此图形分成面积相等的两部分,那么 $BF$ 的长度为多少厘米?
★★★
组合图形面积 面积平分 长方形面积与边长 组合正方形等分
显示答案 / 解析
答案 $5.8$ 厘米。
解题过程 左上角的小长方形面积为 $10\times 2=20$ 平方厘米,长方形 $CEFB$ 的面积是 $20+154=174$ 平方厘米,而长方形的长 $EF$ 正是三个正方形边长之和,即 $10+12+8=30$ 厘米,因此 $BF$ 就是 $174\div 30=5.8$ 厘米。
方法:先算出需平分得到的长方形面积,再用面积除以已知的长求出宽 BF。
12. (1)如图 $14-22$ 中左图所示,把一个正方形的相邻两边分别增加 $2$ 厘米和 $4$ 厘米,结果面积增加了 $50$ 平方厘米(阴影部分)。原正方形的面积是多少平方厘米?(2)如图 $14-22$ 中右图所示,把一个正方形的相邻两边分别减少 $3$ 厘米和 $5$ 厘米,结果面积减少了 $65$ 平方厘米(阴影部分)。原正方形的面积是多少平方厘米?
★★★
正方形增减边长面积变化 图形分割 列方程 正方形增减边长求面积
显示答案 / 解析
答案 (1)$49$ 平方厘米;(2)$100$ 平方厘米。
解题过程 (1)设原正方形边长为 $a$ 厘米。增加的面积由两条长边的长方形和一个 $2\times 4$ 的小长方形组成:$2a+4a+2\times 4=6a+8=50$,解得 $a=7$,原正方形面积为 $7\times 7=49$ 平方厘米。(2)设原正方形边长为 $a$ 厘米。减少的面积为 $3a+5a-3\times 5=8a-15=65$,解得 $a=10$,原正方形面积为 $10\times 10=100$ 平方厘米。
方法:把增加(减少)的面积分解为长方形条与小长方形,列方程求边长。
13. 如图 $14-23$,四边形 $ABCD$ 内有一点 $O$,$O$ 点到四条边的垂线段都是 $4$ 厘米。四边形的周长是 $36$ 厘米。四边形的面积是多少平方厘米?
★★★
添加辅助线(向内点连线) 三角形面积公式 乘法分配律 内点到各边等距求面积
显示答案 / 解析
答案 $72$ 平方厘米。
解题过程 连接 $AO$、$BO$、$CO$、$DO$ 之后,四边形 $ABCD$ 的面积正好是 $\triangle AOB$、$\triangle BOC$、$\triangle COD$、$\triangle DOA$ 的面积之和。$O$ 点到四条边的垂线段(即各三角形的高)都等于 $4$ 厘米,利用乘法分配律,$$\begin{aligned}\text{它们的面积之和}&=\frac{1}{2}\times 4\times(AB+BC+CD+DA)\\&=\frac{1}{2}\times 4\times 36\\&=72\end{aligned}$$ 平方厘米。
方法:把内点与各顶点相连,四个三角形等高,提取公因数(高与一半)后用周长一次算出。
14. 如图 $14-24$,直角三角形 $ABC$ 套住了一个正方形 $CDEF$,$E$ 点恰好在斜边 $AB$ 上。直角边 $AC$ 长 $20$ 厘米,$BC$ 长 $12$ 厘米。正方形的边长为多少厘米?
★★★
内接正方形 三角形面积之和 乘法分配律列方程 直角三角形内接正方形
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答案 $7.5$ 厘米。
解题过程 连接 $CE$,发现 $\triangle ACE$ 与 $\triangle CBE$ 的面积之和等于直角三角形 $ABC$ 的面积,即 $20\times 12\div 2=120$ 平方厘米。设正方形边长为 $a$ 厘米,以 $AC$ 为底时 $\triangle ACE$ 的高 $EF=a$,以 $BC$ 为底时 $\triangle CBE$ 的高 $ED=a$,于是 $AC\times a\div 2+BC\times a\div 2=(AC+BC)\times a\div 2=120$,得 $(20+12)\times a\div 2=120$,$$\begin{aligned}a&=120\times 2\div 32\\&=7.5\end{aligned}$$ 厘米。所以正方形的边长是 $7.5$ 厘米。
方法:连辅助线把直角三角形分成两个以正方形边为高的三角形,用面积和列方程。
超越篇
1. 如图 $14-25$,三角形 $ABC$ 的每边长都是 $96$ 厘米,用折线把这个三角形分割成面积相等的四个三角形,请求出 $CE$ 和 $CF$ 的长度之和。
★★★★
等积分割 等高三角形底比 折线分三角形 等积折线分割三角形
显示答案 / 解析
答案 $100$ 厘米。
解题过程 四个三角形面积相等,每个都是 $\triangle ABC$ 的 $\frac{1}{4}$。$\triangle ABD$ 是 $\triangle ABC$ 的 $\frac{1}{4}$,它们有相同的高,所以底边 $AD$ 与 $AC$ 也是 $4$ 倍关系,于是 $$\begin{aligned}AD&=AC\div 4\\&=96\div 4\\&=24\end{aligned}$$(厘米),$$\begin{aligned}CD&=AC-AD\\&=96-24\\&=72\end{aligned}$$(厘米)。类似地分析另一条折线对应的底,求出相应分点位置后相加,可得 $CE+CF=100$ 厘米。
方法:用每个小三角形占总面积的比例确定各分点位置,再求 CE 与 CF 之和。
2. 如图 $14-26$,把四边形 $ABCD$ 的各边延长 $1$ 倍,得到四边形 $EFGH$。如果四边形 $ABCD$ 的面积是 $5$ 平方米,则 $EFGH$ 的面积是多少平方米?
★★★★
延长边的面积放大 对角线分割 面积倍数关系 延长边构造的面积倍数
显示答案 / 解析
答案 $25$ 平方米。
解题过程 连接对角线设 $\triangle ABD$、$\triangle CBD$ 等的面积为 $S_1$、$S_2$,则四边形 $ABCD$ 的面积为 $S_1+S_2$。把各边延长 $1$ 倍,$\triangle AEH$ 与 $\triangle CFG$ 的面积和为 $2S_1+2S_2$,正好是四边形 $ABCD$ 面积的 $2$ 倍。同理,$\triangle BEF$ 与 $\triangle DGH$ 的面积和也是四边形 $ABCD$ 面积的 $2$ 倍。所以四边形 $EFGH$ 的面积为四边形 $ABCD$ 面积的 $2+2+1=5$ 倍,即 $5\times 5=25$ 平方米。
方法:用对角线把四边形分两块,逐块分析外接三角形面积,得到 5 倍关系。
3. 图 $14-27$ 中 $ABCD$ 是正方形,图中数字是各线段的长度(单位:厘米)。过 $I$ 点的线段 $IM$ 将五边形 $EFGHI$ 分成面积相等的两部分。线段 $BM$ 的长度是多少厘米?
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正方形与多边形面积 面积平分 直角梯形面积求底 多边形面积平分求线段
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答案 $2.75$ 厘米。
解题过程 观察图形,发现 $BM$ 在直角梯形 $ABMI$ 之中,已经知道了这个直角梯形的上底 $AI$ 与高 $AB$,如果知道它的面积就可以求出下底 $BM$。正方形 $ABCD$ 的边长为 $8$ 厘米,面积为 $8\times 8=64$ 平方厘米;分别算出四个角上的空白三角形 $S_{\triangle AEI}=2\times 5\div 2=5$,$S_{\triangle BEF}=1\times 6\div 2=3$,$S_{\triangle CHG}=2\times 4\div 2=4$,$S_{\triangle DHI}=3\times 4\div 2=6$。于是五边形 $EFGHI$ 的面积为 $64-5-3-4-6=46$ 平方厘米。四边形 $EFMI$ 的面积为五边形的一半,即 $46\div 2=23$ 平方厘米。直角梯形 $ABMI$ 的面积为 $\triangle AEI$、$\triangle BEF$ 和四边形 $EFMI$ 的面积和,即 $5+3+23=31$ 平方厘米,它的高 $AB$ 为 $8$ 厘米,上底 $AI$ 为 $5$ 厘米,则 $$\begin{aligned}BM&=31\times 2\div 8-5\\&=2.75\end{aligned}$$(厘米)。
方法:先求五边形面积并取一半,凑出含 BM 的直角梯形面积,再反解下底。
4. 如图 $14-28$,在钝角三角形 $ABC$ 中,$M$ 为 $AB$ 边的中点,$MD$、$EC$ 都垂直于 $BC$ 边。若三角形 $BDE$ 的面积是 $3$ 平方厘米,则三角形 $ABC$ 的面积是多少平方厘米?
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中点与中位线 等积变形 等高三角形面积比 中点构造的等积关系
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答案 $6$ 平方厘米。
解题过程 因为 $MD$、$EC$ 都垂直于 $BC$,所以 $MD\parallel EC$。$M$ 为 $AB$ 中点,$MD$ 是 $\triangle ABC$ 一条与 $EC$ 平行的中位线段,由此可证 $\triangle BCM$ 与 $\triangle BDE$ 等相关三角形面积也相等,进而 $\triangle BCM$ 的面积是 $3$ 平方厘米。又 $M$ 是 $AB$ 中点,所以 $\triangle ABC$ 的面积是 $\triangle BCM$ 的 $2$ 倍,即 $2\times 3=6$ 平方厘米。
方法:利用平行与中点做等积替换,再用中点把面积加倍。
5. 在图 $14-29$ 中,大正方形面积比小正方形面积大 $40$ 平方厘米。大正方形面积是多少平方厘米?
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平方差与和差 正方形面积 列方程求边长 两正方形面积差
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答案 $121$ 平方厘米。
解题过程 设两个正方形的边长分别为 $a$、$b$ 厘米($a>b$),由图知 $a+b=20$。又大正方形比小正方形面积大 $40$ 平方厘米,即 $a^2-b^2=40$,也就是 $(a+b)(a-b)=40$,所以 $$\begin{aligned}a-b&=40\div 20\\&=2\end{aligned}$$。由 $a+b=20$、$a-b=2$ 解得 $a=11$,$b=9$。因此大正方形面积为 $11\times 11=121$ 平方厘米。
方法:利用 $a^2-b^2=(a+b)(a-b)$ 结合两边之和求出边长差,再解和差问题。
6. 如图 $14-30$,直角三角形 $ABC$ 的三边长分别为 $AC=30$ 分米,$AB=18$ 分米,$BC=24$ 分米,$ED$ 垂直于 $AC$,且 $ED=95$ 厘米。问正方形 $BFEG$ 的边长是多少厘米?
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直角三角形面积 面积分割 乘法分配律求高 直角三角形内正方形边长
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答案 $35$ 厘米(即 $3.5$ 分米)。
解题过程 $ED=95$(厘米)即 $9.5$ 分米。$\triangle AEC$ 以 $AC$ 为底、$ED$ 为高,它的面积是 $30\times 9.5\div 2=142.5$ 平方分米。直角三角形 $ABC$ 的面积为 $18\times 24\div 2=216$ 平方分米,那么 $\triangle ABE$ 和 $\triangle CBE$ 的面积之和就是 $216-142.5=73.5$ 平方分米。在 $\triangle ABE$ 和 $\triangle CBE$ 中,底边分别是 $AB$ 和 $BC$,高都是正方形的边长。利用乘法分配律,它们的面积之和为 $(AB+BC)\times\text{高}\div 2$,于是高为 $73.5\times 2\div(18+24)=3.5$ 分米。因此正方形边长为 $3.5$ 分米,即 $35$ 厘米。
方法:用大三角形面积减去一块求另两块之和,再用面积公式(提取公因数)反解正方形边长。
7. 菜鸟和大虾在武林大会上相遇,争夺武林盟主的地位。突然,菜鸟向大虾发出一枚飞镖。说时迟那时快,飞镖已经接近大虾的胸口,只见大虾迅速抽身向左闪开,同时用手中的宝剑向飞镖砍去,只听见“噗”的一声,飞镖被劈成了两半。如图 $14-31$,菜鸟的飞镖是正六角星的形状,边长为 $5$,被大虾劈开的刀口如虚线所示(图中标注的长度分别为 $4$ 与 $2$),那么较小的那部分残片占到整体面积的几分之几?
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正六角星等积分割 相似三角形面积比 整体设为单位 1 正多角星面积分割
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答案 $\frac{107}{300}$。
解题过程 整个正六角星可以被分成 $12$ 个全等的小三角形,设整个六角星的面积为 $1$ 份,则每个小三角形的面积是 $\frac{1}{12}$。图中粗黑的大三角形面积是 $\frac{1}{12}\times 9=\frac{3}{4}$。直线分出的较小三角形(刀口附近、由所标 $4$ 与 $2$ 决定的三角形)面积,按相似(底比)计算为 $\frac{3}{4}\times\frac{11}{12}\times\frac{13}{15}=\frac{143}{300}$。于是较大的残片面积为 $\frac{1}{12}+\frac{1}{12}+\frac{143}{300}=\frac{193}{300}$,较小的残片面积为 $1-\frac{193}{300}=\frac{107}{300}$。
方法:把六角星等分为 12 个小三角形,结合刀口处相似三角形面积比求较小部分占比。
8. 如图 $14-32$,将三个边长为 $1$ 的正方形组合在一起,中间的正方形两个顶点恰好是另外两个正方形的中心。请问:图中阴影部分的面积是多少?
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平行线等积变形 正方形中心性质 对称性 组合正方形阴影面积
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答案 $0.5$。
解题过程 如图所示,由于 $BF\parallel GA$,所以 $S_{\triangle BAF}=S_{\triangle GAF}$;又由于 $NB\parallel GH$,所以 $S_{\triangle GAB}=S_{\triangle HAB}$。通过这一类等积变形可知,上、下两块阴影三角形与中间正方形构成的阴影部分,其总面积恰好等于一个边长为 $1$ 的正方形面积的一半。由对称性可得,整个阴影部分的面积是 $\frac{1}{2}$,即 $0.5$。
方法:利用平行线做等积替换,结合中心与对称把阴影面积归并为半个正方形。
第15讲 圆与扇形
兴趣篇
1. 已知一个扇形的圆心角为 $120^\circ$,半径为 $2$,这个扇形的面积和周长各是多少?($\pi$ 取 $3.14$)
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扇形面积公式 扇形周长(弧长+两半径) 圆心角与整圆的比 扇形面积与周长计算
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答案 面积 $4\frac{14}{75}$,周长 $8\frac{14}{75}$。
解题过程 $$\begin{aligned}\text{扇形的面积}&=\pi r^2\times\dfrac{120}{360}\\&=3.14\times 2^2\times\dfrac{1}{3}\\&=\dfrac{314}{75}\\&=4\dfrac{14}{75}\end{aligned}$$。 $$\begin{aligned}\text{扇形的周长}&=2r+2\pi r\times\dfrac{120}{360}\\&=2\times 2+2\times 3.14\times 2\times\dfrac{1}{3}\\&=4+\dfrac{314}{75}\\&=8\dfrac{14}{75}\end{aligned}$$。
方法:用圆心角占整圆的比例乘以整圆的面积/周长,周长别忘加上两条半径。
2. 已知一个圆的面积是 $28.26$ 平方厘米,那么这个圆的半径和周长分别是多少?($\pi$ 取 $3.14$)
★★
圆面积公式逆用 圆周长公式 已知圆面积求半径周长
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答案 半径 $3$ 厘米,周长 $18.84$ 厘米。
解题过程 由 $S=\pi r^2$,得 $$\begin{aligned}r^2&=\dfrac{S}{\pi}\\&=\dfrac{28.26}{3.14}\\&=9\end{aligned}$$,因此 $r=3$(厘米)。 $$\begin{aligned}C&=2\pi r\\&=2\times 3.14\times 3\\&=18.84\end{aligned}$$(厘米)。
方法:由面积公式反求半径的平方,再开方得半径,最后求周长。
3. 已知一个圆的周长是 $25.12$ 厘米,那么这个圆的半径和面积分别是多少?($\pi$ 取 $3.14$)
★★
圆周长公式逆用 圆面积公式 已知圆周长求半径面积
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答案 半径 $4$ 厘米,面积 $50.24$ 平方厘米。
解题过程 由 $C=2\pi r$,得 $$\begin{aligned}r&=\dfrac{C}{2\pi}\\&=\dfrac{25.12}{2\times 3.14}\\&=4\end{aligned}$$(厘米)。 $$\begin{aligned}S&=\pi r^2\\&=3.14\times 4^2\\&=50.24\end{aligned}$$(平方厘米)。
方法:由周长反求半径,再代入面积公式。
4. (1)根据图 15-1 所给的数值,求这个图形的外周长和面积。($\pi$ 取 $3.14$) (2)如图 15-2,有 $8$ 个半径为 $1$ 厘米的圆,用它们围成的图形的一部分连成一个花瓣图形,图中的黑点是这些圆的圆心,如果圆周率 $\pi$ 取 $3.14$,那么花瓣图形的周长和面积分别是多少?
★★
圆与正方形组合图形 外周长(直边+圆弧) 割补法求面积 圆与多边形组合图形周长面积
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答案 (1)周长 $14.28$ 厘米,面积 $15.14$ 平方厘米;(2)周长 $31.4$ 厘米,面积 $17.14$ 平方厘米。
解题过程 (1)在组成外周长的 $8$ 个部分中,有 $4$ 个部分是半径为 $1$、圆心角为 $90^\circ$ 的圆弧,它们恰好拼成一个整圆,于是这 $4$ 段弧长之和等于圆周长 $2\pi\times 1=2\pi$,加上 $4$ 段直边(每段长 $2$,共 $4\times 2=8$),因此圆角矩形的外周长就是 $$\begin{aligned}&2\pi+4\times 2\\&=6.28+8\\&=14.28\end{aligned}$$ 厘米。 面积就是 $4$ 个圆角处补成的部分加上中间部分,整理得 $3.18+8+4$ 等项,圆角矩形的总面积是 $15.14$ 平方厘米。 (2)花瓣图形的弧由半圆弧拼成,周长为 $31.4$ 厘米;面积按割补法计算(即 $9.42+4\times 4-6.28$ 等项)得 $17.14$ 平方厘米。
方法:把组合图形的外周长拆成直边段与圆弧段分别求和;面积用正方形面积与圆的割补关系计算。
5. 如图 15-3,求各图形中阴影部分的面积。(图中长度单位为厘米,$\pi$ 取 $3.14$)
★★★
割补法 平移等积变形 阴影面积转化 阴影面积的等积变形
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答案 (1)$4.5$ 平方厘米;(2)$1$ 平方厘米;(3)$2$ 平方厘米。
解题过程 (1)用割补的方法,把右边半圆部分“切割”下来,补在左边相同的位置,使整个阴影部分恰好拼成一个边长为 $3$ 的直角三角形 $3\times 3=9$ 的一半,所以阴影面积 $9\div 2=4.5$ 平方厘米。 (2)用平移的方法,把图形沿中间切开,把左边图形的阴影部分移到右边正方形内,这样整个阴影部分变成一个边长为 $1$ 的小正方形,面积 $1\times 1=1$ 平方厘米。 (3)与第 $2$ 问类似,用平移把阴影部分变成一个边长为 $2$ 厘米、宽为 $1$ 厘米的小正方形(即半个边长 $2$ 的正方形),面积 $2\times 2\div 2=2$ 平方厘米。
方法:通过切割、平移把不规则阴影转化为三角形或正方形等规则图形求面积。
6. 如图 15-4,求各图中阴影部分的面积。(图中长度单位为厘米,$\pi$ 取 $3.14$)
★★★
四分之一圆(扇形)面积 叶形面积(两弓形) 割补法 叶形与弓形面积
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答案 (1)$2.28$ 平方厘米;(2)$4.56$ 平方厘米;(3)$13.965$ 平方厘米。
解题过程 (1)阴影部分被两段圆弧包围,把弧的两端连起来,分成两个弓形,每个弓形都是从半径为 $2$ 的直角扇形(圆心角 $90^\circ$)中挖掉一个直角边长为 $2$ 的等腰直角三角形。直角扇形面积 $=\dfrac14\times 3.14\times 2^2=3.14$,三角形面积 $=\dfrac12\times 2\times 2=2$,一个弓形 $=3.14-2=1.14$,两个弓形 $=1.14\times 2=2.28$ 平方厘米。 (2)整个阴影由 $4$ 个面积相等的弓形组成,每个弓形仍是“半径 $2$ 的直角扇形减直角边 $2$ 的等腰直角三角形”$=1.14$,所以阴影 $=1.14\times 4=4.56$ 平方厘米。 (3)在每段圆弧两端连线,阴影由弓形旋转填补后等于“直角扇形面积减等腰直角三角形面积”。直角扇形(半径 $7$,圆心角 $90^\circ$)面积 $=\dfrac{90\times 3.14\times 7^2}{360}=38.465$,等腰直角三角形(直角边 $7$)面积 $=\dfrac12\times 7\times 7=24.5$,阴影 $=38.465-24.5=13.965$ 平方厘米。
方法:用“两个四分之一圆之和减正方形”求叶形面积,再据图形对称关系求总阴影面积。
7. 图 15-5 中甲区域比乙区域的面积大 $57$ 平方厘米,且半圆的半径是 $10$ 厘米,其中直角三角形竖直的直角边的长度是多少?($\pi$ 取 $3.14$)
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包含与排除(公共部分抵消) 半圆面积 三角形面积 两图形面积差与公共部分抵消
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答案 $10$ 厘米。
解题过程 甲区域与阴影组成了一个半圆,乙区域与阴影组成了一个三角形。由甲区域比乙区域大 $57$ 平方厘米,可知半圆面积比三角形面积大 $57$ 平方厘米(公共阴影部分抵消)。 $$\begin{aligned}\text{半圆面积}&=\dfrac{10^2\pi}{2}\\&=50\pi\\&\approx 157\end{aligned}$$ 平方厘米。 三角形面积 $=157-57=100$ 平方厘米。 直角三角形的底(即半圆直径)为 $2\times 10=20$ 厘米,设竖直直角边长为 $h$,则 $\dfrac{20\times h}{2}=100$,竖直直角边 $=\dfrac{100\times 2}{20}=10$ 厘米。
方法:两区域同时减去公共部分,其差等于半圆与三角形面积之差,列方程求未知直角边。
8. 求图 15-6 中阴影部分的面积。($\pi$ 取 $3.14$)
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扇形拼成半圆 三角形面积 包含与排除 扇形与三角形组合阴影
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答案 $107$ 平方厘米。
解题过程 图中两个半径为 $10$ 厘米的直角扇形(圆心角 $90^\circ$)拼成一个半径为 $10$ 的半圆,这两个直角扇形可组成一个半径为 $10$ 的半圆,$$\begin{aligned}\text{面积}&=\dfrac{10^2}{2}\pi\\&=50\pi\\&\approx 157\end{aligned}$$ 平方厘米。 而底边为 $20$、高为 $10$ 的等腰直角三角形面积 $=\dfrac{20\times 10}{2}=50$ 平方厘米。 阴影部分的面积 $=157-50=107$ 平方厘米。
方法:把两个直角扇形合成半圆,用半圆面积减去三角形面积得阴影。
9. 如图 15-7,在 $3\times 3$ 的方格表中,分别以 $A$,$E$ 为圆心,$3$,$2$ 为半径,画出圆心角都为 $90^\circ$ 的两段圆弧,图中阴影部分的面积是多少?($\pi$ 取 $3.14$)
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扇形面积 割补与包含排除 方格图中的面积 方格中两扇形组合阴影
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答案 $1.075$ 平方厘米。
解题过程 以 $E$ 为圆心、$2$ 为半径的扇形,加上左边和上边共 $5$ 个小正方形,再减去以 $A$ 为圆心、$3$ 为半径的扇形,即得阴影部分。因此 $$\begin{aligned}\text{阴影部分的面积}&=\dfrac{2^2\pi}{4}+5-\dfrac{3^2\pi}{4}\\&=5-1.25\pi\\&\approx 1.075\end{aligned}$$ 平方厘米。
方法:用两段四分之一圆扇形面积之差,再结合方格小正方形进行割补求阴影。
10. 一条直线上放着一个长和宽分别为 $4$ 厘米和 $3$ 厘米的长方形(图 15-8),让这个长方形绕顶点 $B$ 顺时针旋转 $90^\circ$ 后翻到长方形 II 的位置,这样连续翻转三次,$A$ 点到达 $E$ 点的位置,求 $A$ 点经过的总路程的长度。($\pi$ 取 $3$)
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图形滚动(翻转) 点的运动轨迹(四分之一圆弧) 勾股关系求对角线 长方形翻转中顶点轨迹长度
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答案 $18$ 厘米。
解题过程 长方形对角线长 $=\sqrt{4^2+3^2}=5$ 厘米。$A$ 点每次绕一个顶点旋转 $90^\circ$,转动半径分别为长方形的对角线、宽、长。 第一次旋转:以 $B$ 为圆心、$AB=5$ 为半径,转 $90^\circ$,弧长 $$\begin{aligned}S_1&=\dfrac14\times 2\times 3\times 5\\&=7.5\end{aligned}$$ 厘米。 第二次旋转:以 $C$ 为圆心、半径为长方形的宽 $3$,弧长 $$\begin{aligned}S_2&=\dfrac14\times 2\times 3\times 3\\&=4.5\end{aligned}$$ 厘米。 第三次旋转:以 $D$ 为圆心、半径为长方形的长 $4$,弧长 $$\begin{aligned}S_3&=\dfrac14\times 2\times 3\times 4\\&=6\end{aligned}$$ 厘米。 故 $A$ 点经过的总路程 $$\begin{aligned}S&=S_1+S_2+S_3\\&=7.5+4.5+6\\&=18\end{aligned}$$ 厘米。
方法:把每次翻转看成绕顶点转 90 度的四分之一圆弧,半径依次为对角线、宽、长,弧长求和。
拓展篇
1. (1)已知一个扇形的半径为 $2$ 厘米,弧长为 $3.14$,这个扇形的面积是多少? (2)已知一个半圆形的面积是 $56.52$ 平方厘米,求这个半圆形的周长。($\pi$ 取 $3.14$)
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扇形面积(弧长×半径÷2) 半圆面积与周长 扇形与半圆的面积周长
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答案 (1)$3.14$ 平方厘米;(2)$30.84$ 厘米。
解题过程 (1)扇形面积 $=$ 弧长乘以半径除以 $2$,即 $\dfrac{3.14\times 2}{2}=3.14$ 平方厘米。 (2)设半径为 $r$ 厘米,由 $\dfrac{r^2\times 3.14}{2}=56.52$,得 $r^2=36$,$r=6$ 厘米。半圆周长 $=$ 半圆弧 $+$ 直径 $$\begin{aligned}&=\dfrac{1}{2}\times 2\times 3.14\times 6+2\times 6\\&=18.84+12\\&=30.84\end{aligned}$$ 厘米。
方法:扇形面积可用“弧长×半径÷2”;半圆周长别忘加直径。
2. 已知一个扇形的面积是 $18.84$ 平方厘米,圆心角为 $60^\circ$,这个扇形的半径和周长各是多少?($\pi$ 取 $3.14$)
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扇形面积公式逆用 扇形周长 已知扇形面积与圆心角求半径周长
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答案 半径 $6$ 厘米,周长 $18.28$ 厘米。
解题过程 设扇形的半径为 $r$ 厘米。由 $\dfrac{r^2\times 3.14}{6}=18.84$,得 $r^2=36$,$r=6$ 厘米。 周长 $=2r+$ $$\begin{aligned}\text{弧长}&=2\times 6+\dfrac{6\times 2\times 3.14}{6}\\&=12+6.28\\&=18.28\end{aligned}$$ 厘米。
方法:由圆心角占整圆比例与面积反求半径,再算弧长加两半径得周长。
3. 如图 15-9,求各图中阴影部分的面积。(图中长度单位为厘米,$\pi$ 取 $3.14$)
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割补法 等腰直角三角形面积 叶形面积 弓形与叶形阴影面积
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答案 (1)$25$ 平方厘米;(2)$2.28$ 平方厘米。
解题过程 (1)用割补法。把三角形的弓形阴影补到三角形空白半圆内的对应位置,使阴影变成一个大等腰直角三角形减去小等腰直角三角形的面积之差。大等腰直角三角形的两直角边长是 $10$ 厘米,面积 $10\times 10\div 2=50$ 平方厘米;中间小三角形的面积是 $50\div 2=25$ 平方厘米。因此阴影部分的面积为 $25$ 平方厘米。 (2)四个叶形的阴影部分,每个叶形面积 $=2$ 个四分之一圆(半径 $1$)面积之和减去边长 $2$ 的正方形面积,整理得四叶形总面积约 $2.28$ 平方厘米。
方法:(1)将弓形阴影补成三角形求差;(2)用四分之一圆与正方形的割补求四叶形面积。
4. 如图 15-10,直角三角形 $ABC$ 的面积是 $45$,分别以 $B$,$C$ 为圆心,$3$ 为半径画弧,如果图中阴影部分的面积是 $35.58$,请问:角 $A$ 是多少度?($\pi$ 取 $3.14$)
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扇形面积与圆心角的关系 三角形内角和 包含与排除 扇形面积反求圆心角
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答案 $60^\circ$。
解题过程 三角形 $ABC$ 内由两个半径为 $3$ 的扇形(圆心分别为 $B$、$C$)覆盖。两扇形面积之和 $=$ 三角形面积 $-$ 阴影 $=45-35.58=9.42$。 其中以 $C$ 为圆心的是直角扇形($\angle C=90^\circ$),$$\begin{aligned}\text{面积}&=\dfrac14\times\pi\times 3^2\\&=\dfrac94\times 3.14\\&=7.065\end{aligned}$$,所以以 $B$ 为圆心的扇形面积 $=9.42-7.065=2.355$。 半径为 $3$ 的整圆面积 $=\pi\times 3^2\approx 28.26$,以 $B$ 为圆心的扇形占整圆的 $\dfrac{2.355}{28.26}=\dfrac{1}{12}$,故其圆心角 $=\dfrac{1}{12}\times 360^\circ=30^\circ$,即 $\angle B=30^\circ$。 在三角形 $ABC$ 中,$\angle B=30^\circ$,$\angle C=90^\circ$,所以 $\angle A=180^\circ-30^\circ-90^\circ=60^\circ$。
方法:由三角形面积减阴影得两扇形面积,反求圆心角之和,再用内角和求角 A。
5. 图 15-11 中有一个直径为 $3$ 厘米的半圆,$AB$ 是直径。如图 15-12 所示,让 $A$ 点不动,把整个半圆顺时针旋转 $60^\circ$,此时 $B$ 点移动到 $C$ 点。请问:图中阴影部分的面积是多少平方厘米?($\pi$ 取 $3.14$)
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旋转扫过区域 扇形面积 重叠部分抵消 旋转后阴影面积(扇形)
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答案 $4.71$ 平方厘米。
解题过程 阴影部分 $=$ 扇形 $CAB$(以 $A$ 为圆心、$AB=3$ 为半径、圆心角 $60^\circ$)。因为旋转前后两个半圆位置重叠的部分相互抵消,旋转扫过的阴影恰是扇形 $CAB$。 扇形 $CAB$ 的半径是半圆的直径 $3$ 厘米,圆心角 $60^\circ$,所以扇形面积 $=\dfrac{3^2\times 3.14}{6}=1.5\pi\approx 4.71$ 平方厘米。 因此阴影部分的面积是 $4.71$ 平方厘米。
方法:旋转前后重叠部分相消,阴影即为以 A 为圆心、直径为半径、圆心角 60° 的扇形。
6. 如图 15-13,在一块面积为 $36$ 平方厘米的圆形铝板上,截出 $7$ 个同样大的圆铝板,问:余下的边角料的总面积是多少平方厘米?
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圆面积与半径平方成正比 面积之差 圆内挖小圆求剩余面积
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答案 $8$ 平方厘米。
解题过程 大圆的半径是小圆半径的 $3$ 倍,因此大圆面积是小圆面积的 $9$ 倍。小圆面积 $\dfrac{1}{9}$,$7$ 个小圆面积 $=36\times\dfrac{7}{9}=28$ 平方厘米。 大圆面积是 $7$ 个小圆剩下的:$$\begin{aligned}36-7\times 4&=36-28\\&=8\end{aligned}$$ 平方厘米。 所以余下的边角料的总面积是 $8$ 平方厘米。
方法:由半径比得面积比,大圆面积减去 7 个小圆面积即得边角料面积。
7. 图 15-14 中有 $4$ 个圆,圆心都是正方形的顶点,它们的公共点是该正方形的中心。如果每个圆的半径都是 $1$ 厘米,那么阴影部分的总面积是多少平方厘米?
★★
圆的对称与割补 包含与排除 面积重组 对称圆组合阴影面积
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答案 $8$ 平方厘米。
解题过程 小圆的面积是整个大圆(半径 $\cdots$)面积的 $\dfrac{1}{3}$,由割补与对称分析,阴影部分恰好等于若干个整圆面积。每个圆半径为 $1$,$4$ 个圆经过割补整理,阴影部分的总面积为 $8$ 平方厘米。
方法:利用四个圆关于正方形中心的对称性,把阴影割补重组成整圆面积求和。
8. 如图 15-15 中有一个等腰直角三角形 $ABC$,以 $AB$ 为直径的半圆和一个以 $BC$ 为半径的扇形,如果 $AB=BC=10$ 厘米,那么图中阴影部分的面积为多少平方厘米?($\pi$ 取 $3.14$)
★★
容斥原理求面积 半圆与扇形面积 等腰直角三角形 三角形+半圆+扇形容斥阴影
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答案 $28.5$ 平方厘米。
解题过程 根据包含与排除(容斥),得阴影面积 $=S_{\text{扇形}}+S_{\text{半圆}}-S_{\triangle ABC}$。 扇形 $BC$ 为半径、圆心角 $90^\circ$:$S_{\text{扇形}}=\dfrac{45}{360}\times\pi\times 10^2$ 等相关项;以 $AB$ 为直径(半径 $5$)的半圆:$S_{\text{半圆}}=\dfrac12\times\pi\times 5^2$;三角形 $S_{\triangle}=\dfrac12\times 10\times 10=50$。 综合整理 $=\dfrac{25}{2}\pi+\dfrac{25}{2}\pi-50\approx 28.5$。 所以阴影部分的面积应该是 $28.5$ 平方厘米。
方法:用扇形面积加半圆面积再减去三角形面积(容斥)求阴影。
9. 如图 15-16 是由一个圆与一个扇形重叠组成的,其中圆的直径与扇形的半径都是 $4$。图中阴影部分的面积是多少?($\pi$ 取 $3.14$)
★★
割补法 扇形面积 对角线法求三角形/正方形面积 圆与扇形重叠阴影
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答案 $4.56$ 平方厘米。
解题过程 把图形上下和左右的阴影部分割补,上面合成的大块阴影面积恰等于扇形面积减去三角形(正方形)的面积。 注意:正方形的边长未知,但已知它的对角线长度为 $4$。因此 $$\begin{aligned}S_{\text{阴影}}&=S_{\text{扇形}}-S_{\text{三角形}}\\&=\dfrac14\times\pi\times 4^2-\dfrac12\times 4\times 4\\&=4\pi-8\\&\approx 4.56\end{aligned}$$ 平方厘米。
方法:把阴影割补成“扇形减三角形”,用对角线求三角形面积。
10. (1)如图 15-17,已知中圆大圆的半径,求正方形及其中圆小圆的面积。(答案用 $\pi$ 表示) (2)如图 15-18,正方形内有一个圆,圆的四个顶点(弧的交点)为圆心,正方形四个顶点为圆心的四条曲线给出,求图中阴影部分的面积。(答案用 $\pi$ 表示)
★★★
正方形与内切/外接圆 四分之一圆面积 割补与容斥 正方形与圆组合的面积与阴影
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答案 (1)正方形面积 $32$,小圆面积 $8\pi$;(2)$2\pi-4$。
解题过程 (1)通过添加辅助线把大圆直径、正方形对角线、小圆直径联系起来:正方形的对角线等于大圆直径,正方形对角线的平方等于边长平方的 $2$ 倍,于是正方形面积(即对角线平方除以 $2$)相关项整理后为 $32$;小圆直径等于正方形边长,设其为 $d$,则 $d^2=32$,小圆面积 $=\dfrac14\pi d^2=\dfrac14\pi\times 32=8\pi$。 (2)把以正方形 $4$ 个顶点为圆心的扇形面积合起来,经过割补得到阴影部分。$4$ 个四分之一圆(半径为正方形边长的一半,半径平方相关项)面积之和减去正方形面积,整理得阴影部分面积为 $2\pi-4$。
方法:用正方形边长与圆半径的关系求各面积;阴影用四个四分之一圆面积之和减正方形。
11. 图 15-19 中有一个矩形和两个半径分别为 $5$ 和 $2$ 的直角扇形,请问:两个阴影部分的面积之差是多少?($\pi$ 取 $3$)
★★★
扇形面积 两阴影面积之差(共用空白抵消) 两阴影面积之差
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答案 $1.485$。
解题过程 给两块阴影同时补上公共的空白部分后比较:转化为求“小直角扇形与长方形面积之和”与“大直角扇形面积”的差。 大直角扇形(半径 $5$)$$\begin{aligned}\text{面积}&=\dfrac{90\pi\times 5^2}{360}\\&\approx\dfrac{3.14\times 25}{4}\\&=19.625\end{aligned}$$。 小直角扇形(半径 $2$)$$\begin{aligned}\text{面积}&=\dfrac{90\pi\times 2^2}{360}\\&\approx\dfrac{3.14\times 4}{4}\\&=3.14\end{aligned}$$。 长方形的长就是大直角扇形的半径 $5$,宽就是两扇形半径之差 $5-2=3$,$$\begin{aligned}\text{面积}&=5\times 3\\&=15\end{aligned}$$。 由分析,$$\begin{aligned}\text{两阴影部分的面积相差}&=19.625-(3.14+15)\\&=1.485\end{aligned}$$。
方法:给两阴影加上同一块空白后比较,转化为两扇形与两矩形面积差之差。
12. (1)根据图 15-20 中给出的数值,求这个图形的外周长和面积。($\pi$ 取 $3.14$) (2)如图 15-21,有七根直径为 $5$ 厘米的塑料管,一根橡皮筋把它们扎成一捆,此时橡皮筋的长度是多少厘米?($\pi$ 取 $3.14$)
★★★
组合图形外周长与面积 圆的滚动/包绕(直边+圆弧) 圆弧拼成整圆 管束包绕的橡皮筋长度
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答案 (1)周长 $18.28$,面积 $23.14$;(2)$45.7$ 厘米。
解题过程 (1)由直角扇形与长方形拼成。外周长由 $4$ 段直边与一段圆弧组成,直边共 $2\times(4+2)=12$,圆弧组成的部分相加得周长约 $18.28$;面积由 $4$ 个直角扇形(半径 $\cdots$)与长方形相加得约 $23.14$。 (2)橡皮筋由 $6$ 段直线段与 $6$ 段圆弧组成:$6$ 段直线段每段为塑料管直径 $5$ 厘米,$$\begin{aligned}\text{它们的长度和}&=6\times 5\\&=30\end{aligned}$$ 厘米;$6$ 段圆弧对应的圆心角都是 $60^\circ$,每段弧长 $\dfrac{60}{360}$ 倍圆周,$6$ 段弧好能拼成一个完整的圆周。它们的弧长之和 $=$ 圆周长 $=\pi\times 5\approx 15.7$ 厘米。$$\begin{aligned}\text{橡皮筋长}&=30+15.7\\&=45.7\end{aligned}$$ 厘米。
方法:外周长拆成直线段与圆弧段,圆弧合并成整圆求弧长,再加直线段长度。
13. 如图 15-22,一只小狗被拴在一个边长为 $4$ 米的正五边形的建筑物的一个顶点处,四周都是空地。绳长刚好够小狗走到建筑物外墙边的任一位置。小狗的活动范围是多少平方米?(建筑外墙不可逾越,小狗身长忽略不计,$\pi$ 取 $3.14$)
★★★
动点活动范围(多扇形拼合) 正多边形内角 扇形面积 拴绳动物绕多边形活动范围
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答案 $270$ 平方米。
解题过程 绳长刚好等于正五边形的周长 $=5\times 4=20$ 米。 正五边形的内角是 $\dfrac{(5-2)\times 180^\circ}{5}=108^\circ$,所以小狗绕拴住顶点活动时 $$\begin{aligned}\text{主扇形的圆心角}&=360^\circ-108^\circ\\&=252^\circ\end{aligned}$$,半径为绳长 $20$ 米。 当绳子绕过相邻顶点后,剩余绳长依次减少 $4$ 米,对应扇形半径依次为 $20-4=16$、$16-4=12$、$12-4=8$、$8-4=4$ 米,每个扇形的圆心角为 $180^\circ-108^\circ=72^\circ$。 故活动范围 $=\dfrac{252}{360}\pi\times 20^2+\dfrac{72}{360}\pi\times(16^2+12^2+8^2+4^2)$,整理 $\approx 270$ 平方米。
方法:主扇形圆心角 360°减内角;绕过每个顶点后半径递减 4,圆心角为外角,逐段扇形求和。
14. (1)图 15-23 中正方形的边长是 $4$ 厘米,圆形的半径是 $1$ 厘米。当圆形绕正方形滚动一周又回到原来位置时,扫过的面积有多大?($\pi$ 取 $3.14$) (2)图 15-24 中等边三角形的边长是 $3$ 厘米,圆形的半径是 $1$ 厘米。当圆形绕等边三角形滚动一周又回到原来位置时,扫过的面积有多大?($\pi$ 取 $3.14$)
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圆沿多边形外侧滚动 扫过区域(长方形+拐角扇形) 拐角扇形拼成整圆 圆绕多边形滚动扫过面积
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答案 (1)$44.56$ 平方厘米;(2)$30.56$ 平方厘米。
解题过程 (1)圆绕正方形滚动一周可分为 $6$ 个部分:$4$ 个直角形和与正方形四边对应的 $4$ 个长方形,以及拐角处的扇形。$4$ 个长方形宽为 $2\times 1=2$、长为正方形边长 $4$,面积 $4\times(4\times 2)=32$;$4$ 个拐角扇形好拼成一个半径 $2$ 的整圆,面积 $\pi\times 2^2=4\pi$。因此 $$\begin{aligned}\text{圆扫过的面积}&=32+4\pi\\&\approx 32+12.56\\&=44.56\end{aligned}$$ 平方厘米。 (2)圆绕等边三角形滚动一周可分为 $6$ 个部分。$3$ 个长方形宽 $2$、长为三角形边长 $3$,面积 $3\times(3\times 2)=18$;$3$ 个拐角扇形(圆心角 $120^\circ$)好拼成一个半径 $2$ 的整圆,面积 $\pi\times 2^2=4\pi$。因此 $$\begin{aligned}\text{圆扫过的面积}&=18+4\pi\\&\approx 18+12.56\\&=30.56\end{aligned}$$ 平方厘米。
方法:把圆扫过的面积拆成沿各边的长方形和拐角处的扇形,拐角扇形合成整圆。
超越篇
1. 如图 15-25,边长为 $4$ 的正方形中依次挖去了四个半圆,阴影部分的面积是多少?(答案用 $\pi$ 表示)
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正方形挖半圆 割补与对称 用 π 表示面积 正方形挖圆/半圆阴影
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答案 $16-4\pi$。
解题过程 正方形被分成四个全等的直角三角形,每个三角形中空白部分都是一个半径为 $\cdots$ 的半圆,对于大小不同的形状、它们的形状相同(割补后),这些形状都相同。我们先来看每个三角形与在它内部的半圆之间有什么面积关系。 $4$ 个半圆正好拼成一个边长为 $\cdots$ 的正方形面积,恰是正方形面积的 $\dfrac{\pi}{4}$ 倍,所以 $$\begin{aligned}\text{四个半圆的面积}&=\dfrac{\pi}{4}\times 4^2\\&=4\pi\end{aligned}$$。 因此阴影部分的面积 $=$ 正方形面积 $-$ 四个半圆面积 $=16-4\pi$。
方法:用正方形面积减去四个半圆(合成的圆)面积。
2. 如图 15-26,直角三角形的三条边长分别为 $6$,$8$,$10$,它的内部放了一个半圆,图中阴影部分的面积是多少?(答案用 $\pi$ 表示)
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直角三角形内切半圆 面积与切线半径 用 π 表示阴影 三角形内放半圆/内切圆阴影
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答案 $24-4.5\pi$。
解题过程 在直角三角形 $ABC$ 中,两条直角边长为 $6$ 和 $8$,$$\begin{aligned}\text{面积}&=6\times 8\div 2\\&=24\end{aligned}$$。半圆的圆心 $O$ 在斜边 $BC$ 上,半圆与两条直角边 $AB$、$AC$ 相切,连结圆心 $O$ 与两切点,把三角形分成 $ABO$ 和 $AOC$ 两部分:$\triangle ABO$ 以 $AB=6$ 为底、半圆半径 $r$ 为高,$\triangle AOC$ 以 $AC=10$ 为底、$r$ 为高。 由 $S_{\triangle ABO}+S_{\triangle AOC}=24$,得 $\dfrac{(6+10)\times r}{2}=24$,解得 $r=3$。$$\begin{aligned}\text{半圆面积}&=\dfrac12\times\pi\times 3^2\\&=4.5\pi\end{aligned}$$。 阴影部分 $=$ 三角形面积 $-$ 半圆面积 $=24-4.5\pi$。
方法:用三角形面积减去内放半圆的面积;半圆半径由三角形面积与边长关系求出。
3. 如图 15-27 是一个半径为 $10$ 厘米、中心角为 $135^\circ$ 的扇形,$D$,$E$ 是弧 $BC$ 的三等分点,那么阴影部分的面积为多少平方厘米?($\pi$ 取 $3.14$)
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扇形面积 旋转等积变形 三等分弧 扇形内等分弧阴影面积
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答案 $78.5$ 平方厘米。
解题过程 连结 $AD$,$AE$,$AB=AD=AE=AC$。 $\angle BAC=135^\circ$,$\angle DAE=45^\circ$,这两个角互补。把三角形 $ADE$ 绕 $A$ 点顺时针旋转 $90^\circ$ 得到三角形 $ACF$,则 $B$,$A$,$F$ 在一条直线上,$S_{\triangle ADE}=S_{\triangle ACF}$,所以 $S_{\triangle ADE}=S_{\triangle ACF}$,即 $\dfrac12 S_{\text{扇形}DAE}$ 相关。 阴影部分的面积 $=$ 扇形 $BAC$ 减去空白部分,即扇形 $BAC$ 减去扇形 $DAE$ 的面积。 $$\begin{aligned}S_{\text{阴影}}&=S_{\text{扇形}BAC}-S_{\text{扇形}DAE}\\&=\dfrac{135}{360}\times\pi\times 10^2-\dfrac{45}{360}\times\pi\times 10^2\\&=\dfrac{90}{360}\times\pi\times 10^2\\&=25\pi\\&\approx 78.5\end{aligned}$$ 平方厘米。
方法:通过旋转把三角形等积转移,阴影化为大扇形减去(圆心角 45°的)小扇形。
4. 如图 15-28 所示,有 $7$ 个大小相同的圆叠放在一起。如果每个圆的面积都是 $10$,那么阴影部分的面积是多少?
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圆的重叠(花瓣) 割补法 对称性 多圆叠放花瓣阴影
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答案 $20$。
解题过程 阴影包括中间的一个圆和周围六个花瓣状的小图形。把每一个顶点为 $60^\circ$ 的影叶(花瓣)补到中间,这个图形可以补成 $GHI$,那么六个花瓣经过割补正好等于一个整圆。 这样阴影 $=$ 中间一个整圆 $+$ 六个花瓣(合成一个整圆)$=2$ 个整圆面积 $=2\times 10=20$。
方法:把六个花瓣割补成一个整圆,与中间整圆合计两个圆面积。
5. 图 15-29 中阴影部分为一个空心零件的设计图,该零件由三段圆套成,其中最大半圆的直径为 $12$ 厘米,该零件的面积是多少平方厘米?($\pi$ 取 $3.14$)
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半圆面积 割补与等积变形 勾股关系定半径 多个半圆套合的零件面积
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答案 $42.39$ 平方厘米。
解题过程 记大、中、小三个半圆的半径分别为 $a$,$b$,$c$。大半圆直径为 $12$,故 $a=6$。 先找 $a$ 与 $b$ 的关系:连结对应的直角三角形,其两条直角边长为 $b$,斜边长为 $a$,得 $2b^2=a^2$。 再找 $b$ 与 $c$ 的关系:同样地两条直角边长为 $c$,斜边长为 $b$,得 $2c^2=b^2$。 于是 $c^2=\dfrac12 b^2=\dfrac14 a^2$,即 $c=\dfrac12 a=3$。 那么 $$\begin{aligned}S_{\text{阴影}}&=S_{\text{大半圆}}-S_{\text{小半圆}}\\&=\dfrac12\times\pi\times 6^2-\dfrac12\times\pi\times 3^2\\&=\dfrac{27}{2}\pi\\&\approx 42.39\end{aligned}$$ 平方厘米。
方法:用大半圆面积减小半圆面积,半径间关系由直径上的直角关系确定。
6. 把一个等腰直角三角形绕直角顶点逆时针旋转 $90^\circ$。如果它的直角边长为 $10$,求它的斜边扫过的面积。($\pi$ 取 $3.14$)
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旋转扫过区域 扇形面积之差 等腰直角三角形斜边平方 图形旋转中某边扫过面积
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答案 $67.75$ 平方厘米。
解题过程 如下图,阴影部分就是斜边扫过的区域。用整个区域的面积减去空白部分即可: $S_{\text{阴影}}=S_{\text{大半圆}}-S_{\text{扇形}ADD'}-S_{\triangle AB'D'}-S_{\triangle ACD}=S_{\text{大半圆}}-S_{\text{扇形}ADD'}-S_{\triangle ABC}$。 即 $$\begin{aligned}S_{\text{阴影}}&=\dfrac12\times\pi\times 10^2-\dfrac14\times\pi\times AD^2-\dfrac12\times 10\times 10\\&=50\pi-\dfrac14\times\pi\times\dfrac{10^2}{2}-50\\&=37.5\pi-50\\&\approx 67.75\end{aligned}$$。 所以斜边扫过的面积是 $67.75$ 平方厘米。
方法:斜边扫过区域 = 以斜边为半径的扇形减去以直角边为半径的扇形(再作必要的三角形增减)。
7. 如图 15-30,在一个正方形中恰好放了四个相同的半圆,每个半圆的直径都在边上。一些线段的长度如图所示,那么中间的阴影面积与四个角上的阴影面积之差是多少?($\pi$ 取 $3.14$)
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正方形内放半圆 扇形拼成整圆 两阴影面积之差 正方形放半圆的两阴影之差
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答案 $16$。
解题过程 把正方形分成一个斜的正方形和四个相同的直角三角形:斜正方形的四个顶点是四个半圆的直径中点,四个三角形里的每一个扇形(四分之一圆)合起来正好可以组成一个圆。因此斜的正方形包含的阴影部分与四个角上的阴影部分恰可对换扇形。 而它们的差就是斜正方形面积与四个角上空白方形面积之差。再由图中标注的边长 $6$、$2$ 计算,正方形对角线相关项相消,最后阴影之差恰为正方形的某个面积关系,计算得中间阴影面积与四个角上的阴影面积之差是 $16$。
方法:把图形分割重组,扇形拼成整圆相消,阴影之差化为正方形面积之差。
8. 一个等边三角形边长为 $2$ 厘米,以它的每个顶点为圆心、以与边长相等的长为半径分别作一段弧,构成一个曲边三角形(图 15-31)。现在让一个曲边三角形 $A$ 绕另一个曲边三角形 $B$ 滚动一周回到原来位置的过程中,扫过的面积是多少平方厘米?($\pi$ 取 $3.14$)
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勒洛三角形(曲边三角形) 图形滚动扫过区域 扇形面积 曲边三角形(定宽形)滚动扫过面积
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答案 $25.12$ 平方厘米。
解题过程 如下图,扫过的图形即为图中的阴影部分。 阴影部分可分成六个小块。其中三块是扇形,每一块半径是 $2$ 厘米的半圆,面积 $\dfrac{2^2\times 3.14}{3}=\dfrac{12.56}{3}$ 平方厘米。 剩下三块组成中半个曲边形,外侧的半径是 $4$ 厘米,内侧 $2$ 厘米,面积 $\dfrac{4^2\times 3.14}{3}-\dfrac{2^2\times 3.14}{3}=18.84$ 平方厘米。 整个阴影部分的面积是 $6.28+18.84=25.12$ 平方厘米。
方法:把扫过区域分成扇形块,分别用大、小半径的扇形面积求和。
第16讲 余数
兴趣篇
1. $72$ 除以一个数,余数是 $7$,商可能是多少?
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带余除法 除数大于余数 约数分析 已知余数求除数或商
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答案 $1$ 或 $5$。
解题过程 $72-7=65$,除数是 $65$ 的约数。$65=1\times65=5\times13$,因为除数大于余数 $7$,所以它是 $13$ 或者 $65$。如果除数是 $13$,那么商是 $5$;如果除数是 $65$,那么商是 $1$。
方法:由被除数减余数得除数与商之积,再依据“除数大于余数”筛选约数。
2. $97$ 和 $79$ 除以一个数的余数都是 $7$,那么这个数可能是多少?
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余数相同转化为整除 最大公约数 除数大于余数 余数相同求除数
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答案 $9$ 或 $18$。
解题过程 $97-7=90$,$79-7=72$,这个数能整除 $90$ 和 $72$,因此能整除它们的最大公约数 $18$。再根据除数要比余数大,可知除数可能是 $9$ 或 $18$。
方法:被除数减相同余数后均被该数整除,求最大公约数的约数并排除小于余数者。
3. $100$ 和 $84$ 除以同一个数,得到的余数相同,但余数不为 $0$。这个除数可能是多少?
★★
余数相同转化为整除差 约数枚举 余数不为0的排除 两数余数相同求除数
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答案 $8$ 或 $16$。
解题过程 由于 $100$ 和 $84$ 除以同一个数的余数相同,所以它们的差 $100-84=16$ 是这个除数的倍数,$16$ 的约数有 $1,2,4,8,16$。所以这个除数只能是这 $5$ 个数之一。由于 $100$ 是 $1,2,4$ 的倍数,所以它除以 $1,2,4$ 时余数是 $0$,即除数不能是 $1,2,4$。当除数是 $8$ 时,$100$ 和 $84$ 除以 $8$ 的余数都是 $4$,满足要求;当除数是 $16$ 时,$100$ 和 $84$ 除以 $16$ 的余数都是 $4$,也满足要求。所以所求的除数可以是 $8$ 或者 $16$。
方法:余数相同则两数之差被除数整除,枚举差的约数并排除使余数为0的情形。
4. $20\,080\,808$ 除以 $9$ 的余数是多少?除以 $8$ 和 $25$ 的余数分别是多少?除以 $11$ 的余数是多少?
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被9整除的特征 被8、25整除看末几位 被11整除的奇偶位差特征 整除特征求余数
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答案 除以 $9$ 余 $8$;除以 $8$ 余 $0$;除以 $25$ 余 $8$;除以 $11$ 余 $0$。
解题过程 $20\,080\,808$ 的各位数字之和为 $2+8+8+8=26$,$26\div9=2\cdots\cdots8$,所以 $20\,080\,808$ 除以 $9$ 的余数是 $8$。$20\,080\,808$ 的末三位数是 $808$,$808\div8=101$,所以 $20\,080\,808$ 除以 $8$ 的余数是 $0$。$20\,080\,808$ 的末两位数是 $08$,$8\div25=0\cdots\cdots8$,所以 $20\,080\,808$ 除以 $25$ 的余数是 $8$。$20\,080\,808$ 奇位和是 $8+8+8=24$,偶位和是 $2$,它们的差是 $22$,可以被 $11$ 整除,所以 $20\,080\,808$ 除以 $11$ 的余数是 $0$。
方法:分别用各位数字和(9)、末三位(8)、末两位(25)、奇偶位数字和之差(11)求余数。
5. (1)$135\times137+139$ 除以 $5$ 的余数是多少?(2)$3579\times1357+13\,579$ 除以 $9$ 的余数是多少?
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余数的可乘性 余数的可加性 被9整除的特征 乘积与和的余数
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答案 (1)$4$;(2)$4$。
解题过程 (1)$135$ 除以 $5$ 的余数是 $0$,$137$ 除以 $5$ 的余数是 $2$,$139$ 除以 $5$ 的余数是 $4$。所以 $135\times137+139$ 除以 $5$ 的余数是 $0\times2+4=4$。(2)$3579$ 除以 $9$ 的余数是 $6$,$1357$ 除以 $9$ 的余数是 $7$,$13\,579$ 除以 $9$ 的余数是 $7$。因此 $3579\times1357+13\,579$ 除以 $9$ 的余数与 $6\times7+7=49$ 除以 $9$ 的余数相同,是 $4$。
方法:先求各因数(加数)的余数,再用余数的可加、可乘性合并。
6. $4$ 个运动员进行乒乓球比赛,他们的号码分别为 $101,126,173,193$。规定每两人之间比赛的盘数是他们号码的和除以 $3$ 所得的余数。请问:比赛盘数最多的运动员打了多少盘?
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余数的可加性 两两组合的求和 枚举比较 余数在组合计数中的应用
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答案 $5$ 盘。
解题过程 $101,126,173,193$ 除以 $3$ 的余数分别是 $2,0,2,1$。$101$ 号选手与 $126$ 号选手打了 $2$ 盘,与 $173$ 号选手打了 $1$ 盘,与 $193$ 号选手打了 $0$ 盘,因此 $101$ 号选手打了 $2+1+0=3$ 盘。$126$ 号选手要打 $2+2+1=5$ 盘比赛。$173$ 号选手要打 $1+2+0=3$ 盘比赛。$193$ 号选手要打 $0+1+0=3$ 盘比赛。所以打球最多的运动员打了 $5$ 盘比赛。
方法:先求各号码的余数,两人之和的余数即比赛盘数,逐人累加后比较。
7. 某工厂有 $128$ 名工人生产零件,他们每个月工作 $23$ 天,在工作期间同每人每天可以生产 $300$ 个零件。月底将这些零件按 $17$ 个一包的规格打包,发现最后一包不够 $17$ 个。请问:最后一包有多少个零件?
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余数的可乘性 乘积的余数 乘积的余数(打包问题)
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答案 $16$ 个。
解题过程 $128\div17=7\cdots\cdots9$;$23\div17=1\cdots\cdots6$;$300\div17=17\cdots\cdots11$。所以 $128\times23\times300$ 与 $9\times6\times11=594$ 除以 $17$ 的余数相同。$594\div17=34\cdots\cdots16$。所以最后一包有 $16$ 个零件。
方法:把每个因数除以17的余数相乘,再求其乘积的余数。
8. (1)$2^{20}$ 除以 $7$ 的余数是多少?(2)$14^{14}$ 除以 $11$ 的余数是多少?(3)$28^{121}$ 除以 $13$ 的余数是多少?
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幂的余数的周期性 余数的可乘性 底数换为同余的较小数 幂的余数(周期法)
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答案 (1)$4$;(2)$4$;(3)$2$。
解题过程 (1)$2$ 的不同次方除以 $7$ 的余数按照 $2,4,1$ 的规律反复出现,$20$ 除以 $3$ 余 $2$,所以 $2^{20}$ 除以 $7$ 的余数与 $2^2$ 除以 $7$ 的余数相同,为 $4$。(2)$14$ 除以 $11$ 的余数是 $3$,所以 $14^{14}$ 除以 $11$ 的余数与 $3^{14}$ 除以 $11$ 的余数相同。$3$ 除以 $11$ 余 $3$;$3^2$ 除以 $11$ 余 $9$;$3^3$ 除以 $11$ 余 $5$;$3^4$ 除以 $11$ 余 $4$;$3^5$ 除以 $11$ 余 $1$,$3^6$ 除以 $11$ 余 $3$;……可得 $3$ 的次方除以 $11$ 的余数每 $5$ 个为一周期。$14$ 除以 $5$ 余 $4$,所以 $3^{14}$ 与 $3^4$ 除以 $11$ 的余数相同,余 $4$。(3)$28$ 除以 $13$ 余 $2$,这样只需计算 $2^{121}$ 除以 $13$ 的余数。$2,2^2,2^3,2^4,\cdots$ 除以 $13$ 的余数依次为 $2,4,8,3,6,12,11,9,5,10,7,1,2,4,\cdots$,以 $12$ 个为一周期。由于 $121$ 除以 $12$ 余 $1$,所以 $2^{121}$ 与 $2^1$ 除以 $13$ 的余数相同,即 $2^{121}$ 除以 $13$ 余 $2$。
方法:先把底数换成除以模数的余数,列出幂的余数周期,再用指数对周期取余定位。
9. 一个三位数除以 $21$ 余 $17$,除以 $20$ 也余 $17$,这个数最小是多少?
★★★
余数相同转化为公倍数 最小公倍数 最小三位数 多个除数同余求最小数
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答案 $437$。
解题过程 这个三位数除以 $21$ 余 $17$,那么它减去 $17$ 后可以被 $21$ 整除;同样,根据它除以 $20$ 余 $17$,知它减去 $17$ 后可以被 $20$ 整除。所以这个三位数减去 $17$ 后是 $21$ 和 $20$ 的公倍数。当然 $17$ 本身就除以 $21$ 和 $20$ 都余 $17$,但是它不是三位数。$21$ 和 $20$ 的最小公倍数是 $21\times20=420$,所以这个三位数最小是 $420+17=437$。
方法:减去公共余数后转化为公倍数,取最小公倍数再加回余数。
10. 有一个数,除以 $3$ 的余数是 $2$,除以 $4$ 的余数是 $1$。请问:这个数除以 $12$ 余数是几?
★★
物不知数(同余) 最小公倍数12 枚举求最小解 物不知数问题
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答案 $5$。
解题过程 除以 $3$ 余 $2$ 的所有数为 $2,5,8,11,\cdots$,这些数中小于 $12$ 且除以 $4$ 余 $1$ 的只有 $5$,即 $5$ 除以 $3$ 余数是 $2$,除以 $4$ 余数是 $1$。$5$ 除以 $3$ 余 $2$,所以 $5$ 加上 $3$ 的倍数后还是除以 $3$ 余 $2$;$5$ 除以 $4$ 余 $1$,它加上 $4$ 的倍数后还是除以 $4$ 余 $1$。为同时满足这两个条件,就让 $5$ 加上一个 $3$ 和 $4$ 的公倍数,即加上一个 $3\times4=12$ 的倍数后仍然除以 $3$ 余 $2$、除以 $4$ 余 $1$。所有这些数为 $5,5+12\times1,5+12\times2,5+12\times3,\cdots$,它们除以 $12$ 余 $5$。
方法:先枚举出最小满足两条件的数,再说明所有解构成以12为公差的数列,从而求除以12的余数。
拓展篇
1. $1111$ 除以一个两位数,余数是 $66$。求这个两位数。
★
带余除法 约数分解 除数大于余数 已知余数求除数
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答案 $95$。
解题过程 $1111-66=1045$,即除数是 $1045$ 的约数,它还得大于余数 $66$。$1045=5\times11\times19$,它的两位数约数有 $11,19,55,95$,其中只有 $95$ 比 $66$ 大,所以这个两位数是 $95$。
方法:被除数减余数得除数的倍数,分解后在两位数约数中筛选大于余数者。
2. (1)$\underbrace{421421\cdots421}_{21\text{个}421}$ 除以 $4$ 和 $125$ 的余数分别为多少?(2)$\underbrace{808808\cdots808}_{21\text{个}808}$ 除以 $9$ 和 $11$ 的余数分别为多少?
★
被4整除看末两位 被125整除看末三位 被9整除看数字和 被11整除看奇偶位差 重复数字串求余数
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答案 (1)除以 $4$ 余 $1$,除以 $125$ 余 $46$;(2)除以 $9$ 余 $3$,除以 $11$ 余 $5$。
解题过程 (1)一个数除以 $4$ 的余数只需考虑它的末两位除以 $4$ 的余数。$21$ 除以 $4$ 余 $1$,所以 $\underbrace{421421\cdots421}_{21\text{个}421}$ 除以 $4$ 的余数是 $1$。一个数除以 $125$ 的余数只需考虑它的末三位除以 $125$ 的余数。$421\div125=3\cdots\cdots46$,所以 $\underbrace{421421\cdots421}_{21\text{个}421}$ 除以 $125$ 的余数是 $46$。(2)一个数除以 $9$ 的余数等于它的各位数字之和除以 $9$ 的余数。$\underbrace{808808\cdots808}_{21\text{个}808}$ 各位数字之和为 $(8+8)\times21=336$,它除以 $9$ 的余数是 $3$,所以 $\underbrace{808808\cdots808}_{21\text{个}808}$ 除以 $9$ 的余数是 $3$。一个数除以 $11$ 的余数等于它的奇数位数字和减去偶数位数字和的差除以 $11$ 的余数。$\underbrace{808808\cdots808}_{21\text{个}808}$ 奇数位数字和为 $(8+8)\times11=176$,偶数位数字和为 $(8+8)\times10=160$,奇数位数字和减去偶数位数字和的差是 $16$,除以 $11$ 余 $5$,所以 $\underbrace{808808\cdots808}_{21\text{个}808}$ 除以 $11$ 的余数是 $5$。
方法:针对不同除数运用相应整除特征:末几位、各位数字和、奇偶位数字和之差。
3. 一年有 $365$ 天,轮船制造厂每天都可以生产零件 $1234$ 个。年终将这些零件按 $19$ 个一包的规格打包,最后一包不够 $19$ 个。请问:最后一包有多少个零件?
★★
余数的可乘性 乘积的余数 乘积的余数(打包问题)
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答案 $15$ 个。
解题过程 $1234\div19=64\cdots\cdots18$,$365\div19=19\cdots\cdots4$。$1234\times365$ 与 $18\times4=72$ 除以 $19$ 的余数一样,$72$ 除以 $19$ 余 $15$,所以最后一包有 $15$ 个零件。
方法:求出每个因数的余数,再求其乘积的余数。
4. 自然数 $\underbrace{2\times2\times2\times\cdots\times2}_{67\text{个}2}-1$ 的个位数字是多少?
★★
个位数字的周期 幂的末位规律 幂的个位数字
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答案 $7$。
解题过程 依次计算 $2,2\times2,2\times2\times2,2\times2\times2\times2,2\times2\times2\times2\times2,\cdots$ 的个位数字,分别得到 $2,4,8,6,2,\cdots$,它以 $4$ 个为一周期按照 $2,4,8,6$ 的规律反复出现。$67$ 除以 $4$ 余 $3$,所以 $\underbrace{2\times2\times2\times\cdots\times2}_{67\text{个}2}$ 的个位数与 $2\times2\times2$ 的个位数字相同,是 $8$,这样 $\underbrace{2\times2\times2\times\cdots\times2}_{67\text{个}2}-1$ 的个位数字就是 $7$。
方法:列出 $2$ 的幂的个位数字周期,用指数对周期取余定位个位。
5. 算式 $1^{2007}+2^{2007}+3^{2007}+\cdots+2006^{2007}$ 计算结果的个位数字是多少?
★★★
个位数字的周期 按个位分组求和 和的个位数字 幂和的个位数字
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答案 $1$。
解题过程 $1,5,6,10$ 的 $2007$ 次方的个位数字就是 $1,5,6,0$。下面依次计算 $2,3,4,7,8,9$ 的 $1$ 次方、$2$ 次方、$3$ 次方、$4$ 次方、$5$ 次方……的个位数字,找出规律:对于 $2$,依次为 $2,4,8,6,2,\cdots$ 以 $4$ 个为一周期,$2007$ 除以 $4$ 余 $3$,所以 $2$ 的 $2007$ 次方个位为 $8$;对于 $3$,依次为 $3,9,7,1,3,\cdots$ 以 $4$ 个为一周期,$2007$ 除以 $4$ 余 $3$,所以 $3$ 的 $2007$ 次方个位为 $7$;对于 $4$,依次为 $4,6,4,6,4,\cdots$ 以 $2$ 个为一周期,$2007$ 除以 $2$ 余 $1$,所以 $4$ 的 $2007$ 次方个位为 $4$;对于 $7$,依次为 $7,9,3,1,7,\cdots$ 以 $4$ 个为一周期,$2007$ 除以 $4$ 余 $3$,所以 $7$ 的 $2007$ 次方个位为 $3$;对于 $8$,依次为 $8,4,2,6,8,\cdots$ 以 $4$ 个为一周期,$2007$ 除以 $4$ 余 $3$,所以 $8$ 的 $2007$ 次方个位为 $2$;对于 $9$,依次为 $9,1,9,1,9,\cdots$ 以 $2$ 个为一周期,$2007$ 除以 $2$ 余 $1$,所以 $9$ 的 $2007$ 次方个位为 $9$。$1+5+6+0+8+7+4+3+2+9=45$,所以 $1^{2007}+2^{2007}+\cdots+10^{2007}$ 的个位数字是 $5$;$2001^{2007}+2002^{2007}+\cdots+2006^{2007}$ 的个位数等于 $1+8+7+4+5+6=31$ 的个位数,是 $1$。所以 $1^{2007}+2^{2007}+\cdots+2006^{2007}$ 的个位数等于 $5\times200+1$ 的个位数,为 $1$。
方法:按底数个位分类找出幂的个位周期,每连续 $10$ 个底数的个位和固定,再整体求和。
6. $8+8\times8+\cdots+\underbrace{8\times8\times\cdots\times8}_{10\text{个}8}$ 除以 $5$ 的余数是多少?
★★★
幂的余数的周期性 余数的可加性 整周期相消 幂和的余数
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答案 $2$。
解题过程 $8$ 除以 $5$ 余 $3$,本题相当于求 $3+3\times3+\cdots+\underbrace{3\times3\times\cdots\times3}_{10\text{个}3}$ 除以 $5$ 的余数。$3,3^2,3^3,3^4,\cdots$ 除以 $5$ 的余数依次为 $3,4,2,1,3,4,\cdots$,它按照 $3,4,2,1$ 的顺序反复出现,并且 $3+4+2+1=10$ 是 $5$ 的倍数,这 $10$ 个数中有 $2$ 个 $3,4,2,1$,还剩一个 $3$ 和 $4$。所以所求余数为 $3+4=7$ 除以 $5$ 的余数,余 $2$。
方法:底数换成余数后,利用一个周期内余数之和为模数倍数消去整周期,只算剩余项。
7. 一个自然数除以 $49$ 余 $23$,除以 $48$ 也余 $23$,这个自然数被 $14$ 除的余数是多少?
★★
余数相同转化为公倍数 公倍数与第三个除数的整除关系 余数的可加性 多除数同余求另一余数
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答案 $9$。
解题过程 这个数除以 $49$ 余 $23$,除以 $48$ 也余 $23$。所以它减去 $23$ 后既能被 $49$ 整除,也能被 $48$ 整除,所以这个数减去 $23$ 后是 $49$ 和 $48$ 的一个公倍数,即这个数可能是 $23,23+49\times48\times1,23+49\times48\times2,23+49\times48\times3,23+49\times48\times4,\cdots$。其中 $49\times48=14\times168$ 是 $14$ 的倍数,所以这些数除以 $14$ 的余数与 $23$ 除以 $14$ 的余数一样,是 $9$。
方法:减去公共余数得 $49,48$ 的公倍数,发现其为 $14$ 的倍数,故余数只由公共余数决定。
8. 一个自然数除以 $19$ 余 $9$,除以 $23$ 余 $7$。这个自然数最小是多少?
★★★
物不知数(中国剩余定理) 逐个枚举筛选 代数转化 物不知数问题
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答案 $237$。
解题过程 方法一:除以 $23$ 余 $7$ 的所有数是 $7,30,53,76,99,122,145,168,191,214,237,\cdots$,这些数当中,第一个除以 $19$ 余 $9$ 的数是 $237$,所以 $237$ 是最小的除以 $19$ 余 $9$、除以 $23$ 余 $7$ 的数。方法二:所有除以 $23$ 余 $7$ 的数可以写成 $7+23\times n$ 的形式,这样问题转化为“求最小的 $n$,使得 $7+23\times n$ 除以 $19$ 余 $9$”。如果 $7+23\times n$ 除以 $19$ 余 $9$,那么 $7+23\times n-9=23\times n-2$ 可以被 $19$ 整除,从而 $23\times n-2-19n=4\times n-2$ 也是 $19$ 的倍数,$4\times n-2=2\times(2\times n-1)$,所以 $2\times n-1$ 也是 $19$ 的倍数。$n$ 最小是 $10$,这个自然数最小是 $7+23\times10=237$。
方法:在满足一个条件的数列中筛出满足另一条件者;或设为 $7+23n$ 用整除关系解出 $n$。
9. 刘叔叔养了 $400$ 多只兔子。如果每 $3$ 只兔子关在一个笼子里,那么最后一个笼子里有 $2$ 只;如果每 $5$ 只兔子关在一个笼子里,那么最后一个笼子里有 $4$ 只;如果每 $7$ 只兔子关在一个笼子里,那么最后一个笼子里有 $5$ 只。请问:刘叔叔一共养了多少只兔子?
★★★
物不知数(中国剩余定理) 逐步合并同余条件 最小公倍数 物不知数问题
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答案 $404$ 只。
解题过程 除以 $7$ 余 $5$ 的数有 $5,12,19,26,\cdots$,其中第一个除以 $5$ 余 $4$ 的数是 $19$。$5$ 和 $7$ 的最小公倍数是 $35$,这样所有满足除以 $7$ 余 $5$、除以 $5$ 余 $4$ 的数是 $19,19+35,19+35\times2,\cdots$,第一个除以 $3$ 余 $2$ 的数是 $19+35\times2=89$。$3,5$ 和 $7$ 的最小公倍数是 $105$,所以除以 $3$ 余 $2$、除以 $5$ 余 $4$、除以 $7$ 余 $5$ 的数有 $89,89+105,89+105\times2,89+105\times3,\cdots$,其中满足“$400$ 多只”的是 $404$,所以一共有 $404$ 只兔子。
方法:逐步合并同余条件得到通解(公差为最小公倍数),再取落在指定范围内的解。
10. $100$ 多名小朋友站成一列。从第一人开始依次按 $1,2,3,\cdots,11$ 的顺序循环报数,最后一名同学报的数是 $9$;如果按 $1,2,3,\cdots,13$ 的顺序循环报数,那么最后一名同学报的数是 $11$。请问:一共有多少名小朋友?
★★★
循环报数转化为同余 补成整除(差相同) 最小公倍数 循环报数 / 物不知数
显示答案 / 解析
答案 $141$ 名。
解题过程 根据题意,小朋友的数目除以 $11$ 余 $9$,除以 $13$ 余 $11$,这个数加上 $2$ 后正好能被 $11$ 和 $13$ 整除,这个数最小是 $11\times13-2=141$,又知小朋友有 $100$ 多名,因此只能是 $141$ 名。
方法:把循环报数末数化为同余,发现两余数都比除数小 $2$,加 $2$ 后被公倍数整除。
11. $\underbrace{123123\cdots123}_{123\text{个}123}$ 除以 $99$ 的余数是多少?
★★★
被99整除即被9和11整除 构造整除的整块 余数的可加性 超大重复数串求余数
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答案 $90$。
解题过程 因为被除数太大,直接做除法不太现实,则可以先看看是否有一个 $n$,使得 $\underbrace{123123\cdots123}_{n\text{个}123}$ 除以 $99$ 余 $0$,如果能找出这样的数来,就可以把问题转化了。能被 $99$ 整除的数也就是能被 $9$ 和 $11$ 整除的数。$\underbrace{123123\cdots123}_{n\text{个}123}$ 的各位数字之和为 $6n$,如果 $n$ 是 $3$ 的倍数,那么它是 $9$ 的倍数;同样,如果 $n$ 是 $2$ 的倍数,它是 $11$ 的倍数。如果 $n$ 是 $6$ 的倍数,那么 $\underbrace{123123\cdots123}_{n\text{个}123}$ 是 $99$ 的倍数,所以 $\underbrace{123123\cdots123}_{120\text{个}123}$ 是 $99$ 的倍数,从而 $\underbrace{123\cdots123}_{123\text{个}123}=\underbrace{123\cdots123}_{120\text{个}123}\times1\,000\,000\,000+123\,123\,123$ 除以 $99$ 的余数与 $123\,123\,123$ 除以 $99$ 的余数一样,余 $90$。
方法:找出可被 $99$ 整除的整块($120$ 个 $123$)剥离,余下三段 $123$ 单独求余。
12. 把 $63$ 个苹果,$90$ 个橘子,$130$ 个梨平均分给一些同学,最后一共剩下 $25$ 个水果没有分出去。请问:剩下个数最多的水果剩下多少个?
★★★
总量减剩余被人数整除 约数枚举 余数范围估计 平均分配的余数问题
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答案 $20$ 个。
解题过程 三种水果一共 $63+90+130=283$ 个,剩下 $25$ 个,所以分出水果 $283-25=258$ 个,从而 $258$ 是人数的倍数。$258=2\times3\times43$,$258$ 的约数有 $1,2,3,6,43,86,129$ 和 $258$。因为一共剩下 $25$ 个水果,所以人数一定大于 $63$,不然光苹果就会剩下 $63$ 个;另外人数不能小于 $10$ 个,否则每种水果最多只能剩下 $8$ 个,三种水果最多只能剩下 $24$ 个,不足 $25$ 个。因此人数只能是 $43$ 个。分完后苹果剩 $20$ 个,橘子剩 $4$ 个,梨剩 $1$ 个,最多的是苹果,剩 $20$ 个。
方法:分出总数被人数整除,枚举约数并用余数上下界确定人数,再算各自余数。
13. 有一个大于 $1$ 的整数,用它除 $300,262,205$ 得到相同的余数,求这个数。
★★★
余数相同转化为整除差 最大公约数 约数筛选 多数余数相同求除数
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答案 $19$。
解题过程 这个数整除 $300-262=38$ 和 $262-205=57$,所以它是 $38$ 和 $57$ 的公约数。$38$ 和 $57$ 的公约数有 $1$ 和 $19$,因为这个数比 $1$ 大,所以它只能是 $19$。
方法:三数两两作差得除数的倍数,求差的公约数并排除 $1$。
14. 用 $61$ 和 $90$ 分别除以某一个数,除完后发现两次除法都除不尽,而且前一次所得的余数是后一次的 $2$ 倍。如果这个数大于 $1$,那么这个数是多少?
★★★
余数的可乘性 余数关系转化为整除 约数枚举验证 余数成倍数关系求除数
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答案 $17$。
解题过程 用 $180$(即 $2\times90$)除以这个数得到的余数是 $90$ 除以这个数的余数的 $2$ 倍,它应与 $61$ 除以这个数的余数相同,所以这个除数整除 $180-61=119$,$119=7\times17$,它大于 $1$ 的约数有 $7,17$ 和 $119$。如果除数是 $7$,$61\div7=8\cdots\cdots5$,$5$ 不是 $2$ 的倍数,不符合题意;如果除数是 $17$,$61\div17=3\cdots\cdots10$,$90\div17=5\cdots\cdots5$,符合题意($10=2\times5$);如果除数是 $119$,$90$ 不是 $61$ 的倍数(不符合 $90$ 整除关系),不符合题意。所以这个数是 $17$。
方法:把“前余数是后余数 $2$ 倍”转化为 $2\times90$ 与 $61$ 同余,得除数整除 $119$,再逐一验证。
超越篇
1. 从 $1$ 依次写到 $99$,可以组成一个多位数 $12345\cdots979899$。这个多位数除以 $11$ 的余数是多少?
★★★★
被11整除的奇偶位差特征 数字位的统计 补倍数处理负差 大数被11整除的余数
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答案 $4$。
解题过程 这个多位数的奇数位上包括 $9$ 个 $0,1,2,3,4,5,6,7,8,9$ 和 $1$ 个 $1,3,5,7,9$,它们的和是 $(0+1+2+\cdots+9)\times9+1+3+5+7+9=430$;它的偶数位上包括 $10$ 个 $1,2,3,4,5,6,7,8,9$ 和 $1$ 个 $2,4,6,8$,它们的和是 $(1+2+\cdots+9)\times10+2+4+6+8=470$。由于 $430$ 小于 $470$,奇数位之和没法减偶数位之和,给它补上 $4$ 个 $11$,使减法能进行,并且除以 $11$ 的余数没有变化。这样得到这个多位数除以 $11$ 的余数和 $(430+44)-470=4$ 除以 $11$ 的余数一样,即多位数 $12345\cdots979899$ 除以 $11$ 的余数是 $4$。
方法:统计奇位、偶位数字之和,作差求余;差为负时补若干个 $11$ 不改变余数。
2. 算式 $7+7\times7+\cdots+\underbrace{7\times7\times\cdots\times7}_{2008\text{个}7}$ 计算结果的末两位数字是多少?
★★★★
末两位的周期 整周期分组求和 余数的可加性 幂和的末两位
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答案 $00$。
解题过程 通过计算 $7,7\times7,7\times7\times7,7\times7\times7\times7$ 的末两位知道这 $2008$ 个数的末两位以 $4$ 为周期,按 $07,49,43,01$ 循环出现。因为 $7+49+43+1=100$,所以原来每连续 $4$ 个数相加的末两位是 $00$。$2008\div4=502$,把这 $2008$ 个数按 $4$ 个一组分成 $502$ 组,每组 $4$ 个数之和的末两位都是 $0$,最后这 $2008$ 个数之和的末两位也是 $00$。
方法:求出幂的末两位周期,按周期分组使每组之和末两位为 $0$。
3. 算式 $1\times3\times5\times7\times\cdots\times2007$ 计算结果的末两位数字是多少?
★★★★
末两位 = 除以100的余数 中国剩余定理(mod 4 与 mod 25) 连乘的余数周期 连乘积的末两位
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答案 $25$。
解题过程 $1\times3\times5\times7\times\cdots\times2007$ 除以 $4$ 的余数等于 $\underbrace{1\times3\times1\times3\times\cdots\times1\times3}_{502\text{个}1\times3}$ 除以 $4$ 的余数,$3$ 的连乘除以 $4$ 的余数按照 $3,1,3,1,\cdots$ 的规律重复出现,所以原数除以 $4$ 的余数是 $1$。很显然,$1\times3\times5\times7\times\cdots\times2007$ 能被 $25$ 整除,它除以 $25$ 余 $0$。在 $100$ 以内寻找一个除以 $4$ 余 $1$、除以 $25$ 余 $0$ 的数,除以 $25$ 余 $0$ 的数有 $0,25,50,75$,其中 $25$ 除以 $4$ 余 $1$。因此 $1\times3\times5\times7\times\cdots\times2007$ 的末两位数是 $25$。
方法:把求末两位拆成除以 $4$ 与除以 $25$ 的余数,再用同余在 $100$ 以内拼出答案。
4. 有 $5000$ 多根牙签,按以下 $6$ 种规格分成小包:如果 $10$ 根一包,最后还剩 $9$ 根;如果 $9$ 根一包,最后还剩 $8$ 根;如果依次以 $8,7,6,5$ 根为一包,最后分别剩 $7,6,5,4$ 根。原来一共有牙签多少根?
★★★★
余数都比除数小 1(补 1 整除) 最小公倍数 范围确定解 缺 1 型物不知数
显示答案 / 解析
答案 $5039$ 根。
解题过程 牙签数加 $1$ 后能被 $5,6,7,8,9,10$ 整除,所以它是它们的一个公倍数,这 $6$ 个除数的最小公倍数是 $2520$,所以牙签数可以写成 $2520\times n-1$ 的形式,其中 $n=1,2,\cdots$。因为一共有 $5000$ 多根牙签,所以此时 $n=2$,可以算出共 $2520\times2-1=5039$ 根牙签。
方法:每个余数都比除数小 $1$,加 $1$ 后被各除数整除,取最小公倍数构造通解再用范围定 $n$。
5. 有三个连续的自然数,它们从小到大依次是 $5,7,9$ 的倍数。这三个连续自然数最小是多少?
★★★★
连续自然数与倍数关系 同余条件合并 最小公倍数 连续数的倍数 / 物不知数
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答案 $160,161,162$。
解题过程 如果这个三连续自然数中间那个是 $n$,那么它满足除以 $5$ 余 $1$,除以 $9$ 余 $8$ 且能被 $7$ 整除(中间数 $n$ 是 $7$ 的倍数,$n-1$ 是 $5$ 的倍数即 $n$ 除以 $5$ 余 $1$,$n+1$ 是 $9$ 的倍数即 $n$ 除以 $9$ 余 $8$)。除以 $9$ 余 $8$ 的数有 $8,8+9,8+9\times2,8+9\times3,\cdots$,其中第一个能被 $7$ 整除的数是 $35$,这样所有满足“除以 $9$ 余 $8$,能被 $7$ 整除”的数是 $35,35+63,35+63\times2,\cdots$,其中第一个满足除以 $5$ 余 $1$ 的数是 $35+63\times2=161$,所以这三个连续自然数最小是 $160,161,162$。
方法:设中间数为 $n$,把三条倍数条件转成 $n$ 的同余条件,逐步合并求最小解。
6. 请找出所有的三位数,使它除以 $7,11,13$ 的余数之和尽可能大。
★★★★
余数最大值的估计 物不知数(中国剩余定理) 分类讨论 余数之和最大化
显示答案 / 解析
答案 $285$ 和 $636$。
解题过程 一个数除以 $7$ 的余数最大是 $6$,除以 $11$ 的余数最大是 $10$,除以 $13$ 的余数最大是 $12$,所以一个数除以 $7,11,13$ 的余数之和最大是 $28$,此时容易算出这个数最小是 $$\begin{aligned}7\times11\times13-1&=1001-1\\&=1000\end{aligned}$$,不是三位数,所以余数之和不能是 $28$。既然 $28$ 不行,那 $27$ 行吗?这时存在三种情况:(1)除以 $7$ 余 $5$,除以 $11$ 余 $10$,除以 $13$ 余 $12$;(2)除以 $7$ 余 $6$,除以 $11$ 余 $9$,除以 $13$ 余 $12$;(3)除以 $7$ 余 $6$,除以 $11$ 余 $10$,除以 $13$ 余 $11$。这样问题成为物不知数问题,对三种情况分别求解:对于(1),除以 $11$ 余 $10$、除以 $13$ 余 $12$ 的自然数有 $142,285,428,\cdots$,其中 $285$ 除以 $7$ 余 $5$;对于(2),除以 $7$ 余 $6$、除以 $13$ 余 $12$ 的自然数有 $90,181,272,363,454,545,636,\cdots$,其中 $636$ 除以 $11$ 余 $9$;对于(3),除以 $7$ 余 $6$、除以 $11$ 余 $10$ 的自然数有 $76,153,\cdots$,其中 $76$ 除以 $13$ 余 $11$,它不是三位数,而下一个满足条件的数是 $76+1001$,也不是三位数。所以 $285$ 和 $636$ 除以 $7,11,13$ 的余数之和最大,是 $27$。
方法:先估计余数之和的上界并验证不可达,退而求 $27$ 时分三类用物不知数法解出三位数解。
7. 已知 $21!=\overline{AB0909421717094CD000}$,那么四位数 $\overline{ABCD}$ 是多少?
★★★★
阶乘末尾零的个数 末位数字(去除因子 2、5) 被99整除的两位分段和特征 阶乘的缺失数字
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答案 $5140$。
解题过程 $21!$ 里面含有 $4$ 个 $5$,且含有足够多的 $2$,因此 $21!$ 的末尾有 $4$ 个连续的 $0$,$D=0$。接下来求 $C$,亦即求 $\dfrac{21!}{16\times5^4}=1\times2\times3\times4\times1\times6\times7\times8\times9\times2\times11\times12\times13\times14\times3\times17\times18\times19\times4$ 的末尾数字,其中 $1\times2\times3\times4$,$6\times7\times8\times9$,$11\times12\times13\times14$,$1\times17\times18\times19$ 的末尾数字都是 $4$,因此可转化成求 $4\times4\times4\times4\times4$ 的末位数字,结果是 $4$,$C=4$。$21!$ 能被 $99$ 整除,因此根据 $\overline{AB090942171709440000}$,根据被 $99$ 整除的数的特征,有 $\overline{AB}+09+09+42+17+17+09+44+00=\overline{AB}+147$ 能被 $99$ 整除,因此 $\overline{AB}=51$,$\overline{ABCD}=5140$。
方法:先用 $5$ 的个数定末尾 $0$(求 $D$),去掉 $2,5$ 因子求末位(求 $C$),再用被 $99$ 整除分段求和定 $\overline{AB}$。
8. 有一些自然数 $n$,满足:$2^n-n$ 是 $3$ 的倍数,$3^n-n$ 是 $5$ 的倍数,$5^n-n$ 是 $2$ 的倍数。请问:这样的 $n$ 中最小的是多少?
★★★★
幂的余数的周期性 同余条件合并 奇偶性分析 多重幂同余条件求最小 n
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答案 $47$。
解题过程 当 $n$ 分别取 $1,2,3,\cdots$ 时,将 $2^n$ 和 $n$ 除以 $3$ 的余数分别列出来:$2^n$ 除以 $3$ 的余数为 $2,1,2,1,2,1,\cdots$,$n$ 除以 $3$ 的余数为 $1,2,0,1,2,0,\cdots$,当 $n=4,5$ 时两者相同符合条件。$2^n$ 的余数周期为 $2$,$n$ 的余数周期为 $3$,共同周期为 $6$,因此使 $2^n-n$ 是 $3$ 的倍数的 $n$ 应是除以 $6$ 余 $4,5$ 的数。再分析 $3^n-n$ 除以 $5$ 的余数($3^n$ 除以 $5$ 余数周期为 $4$:$3,4,2,1$;$n$ 除以 $5$ 余数周期为 $5$),可得使 $3^n-n$ 是 $5$ 的倍数的 $n$ 应是除以 $20$ 余 $7,13,14,16$ 的数。最后,使 $5^n-n$ 是 $2$ 的倍数的数应是奇数。因此所求的数是除以 $6$ 余 $5$、除以 $20$ 余 $7$ 或 $13$ 的数(且为奇数),这样的数最小是 $47$。
方法:对每个条件分别用周期列表得出 $n$ 的同余范围,再交叉合并各条件求最小公共解。
第17讲 工程问题
兴趣篇
1. 工厂有一批共 $450$ 个零件需要加工,如果甲单独做需要 $30$ 天完成,如果乙单独做需要 $15$ 天完成,那么他们俩合作需要多少天完成?
★
工作效率 合作工作时间 工作总量÷工作效率 两人合作工程问题
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答案 $10$ 天。
解题过程 甲每天的工作量为 $450\div 30=15$(个),乙每天的工作量为 $450\div 15=30$(个)。两人合作每天的工作量为 $15+30=45$(个),所需时间为 $450\div 45=10$(天)。
方法:先求出甲、乙各自每天的工作量,相加得合作效率,再用总量除以合作效率。
2. 甲、乙两辆车运一堆煤,如果只用甲车运,$15$ 小时可以运完;如果只用乙车运,$10$ 小时可以运完。(1)如果两车一起运,多少小时可以运完?(2)如果甲车从早上 $8$ 点开始运煤,乙车下午 $1$ 点才开始运煤,那么几点的时候可以把煤运完?
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工作效率 合作工作时间 已做部分扣除 两车合作运煤 错时开始的合作问题
显示答案 / 解析
答案 (1)$6$ 小时;(2)下午 $5$ 点。
解题过程 (1)设这堆煤的工作量为 $1$,则甲车的效率为 $\frac{1}{15}$,乙车的效率为 $\frac{1}{10}$。两车合作所需时间为 $1\div\left(\frac{1}{15}+\frac{1}{10}\right)=6$(小时)。 (2)下午 $1$ 点时甲车已经运了 $5$ 小时,运了总工作量的 $\frac{1}{15}\times 5=\frac{1}{3}$。剩下的两车合运,需要 $\left(1-\frac{1}{3}\right)\div\left(\frac{1}{15}+\frac{1}{10}\right)=4$(小时),因此下午 $5$ 点运完。
方法:把总量设为 1 求各车效率;第二问先扣除甲先运的部分,再用合作效率求剩余时间。
3. 甲、乙两辆车运一堆煤,如果两辆车一起运,$10$ 小时可以运完;如果只用甲车运,$15$ 小时可以运完。请问:如果只用乙车运,多少小时可以运完?
★
工作效率 效率差 求单独工作时间 已知合作与一方,求另一方
显示答案 / 解析
答案 $30$ 小时。
解题过程 设总工作量为 $1$,则两车合运的效率为 $\frac{1}{10}$,甲车的效率为 $\frac{1}{15}$。乙车的效率为 $\frac{1}{10}-\frac{1}{15}=\frac{1}{30}$,只用乙车 $30$ 小时可以运完。
方法:用合作效率减去甲车效率得乙车效率,再取倒数得乙车单独所需时间。
4. 一项工作,甲单独做 $20$ 天可以完成,乙单独做 $30$ 天可以完成。现在两人合做,用 $16$ 天就完成了工作,已知在这 $16$ 天中甲休息了 $2$ 天,乙休息了若干天。请问:乙休息了多少天?
★
工作效率 工作量分配 工作天数与休息天数 含休息天数的合作问题
显示答案 / 解析
答案 $7$ 天。
解题过程 设总工作量为 $1$,甲的效率为 $\frac{1}{20}$,乙的效率为 $\frac{1}{30}$。甲工作了 $16-2=14$ 天,完成了总工作量的 $\frac{1}{20}\times 14=\frac{7}{10}$。因此乙的工作量为 $1-\frac{7}{10}=\frac{3}{10}$,乙工作了 $\frac{3}{10}\div\frac{1}{30}=9$ 天,休息了 $16-9=7$ 天。
方法:先算甲的实做天数与工作量,余下归乙,求乙实做天数后用总天数减得休息天数。
5. 如果甲、乙两队合做一项工程,恰好 $24$ 天完成。如果乙队先做 $5$ 天,然后甲队来帮忙,又共同做了 $10$ 天后,全部工程才完成了一半,求甲队单独完成这项工程需多少天?
★★
工作效率和 效率差 求单独工作时间 合作与单独混合的工程问题
显示答案 / 解析
答案 $40$ 天。
解题过程 设总工作量为 $1$,甲、乙两队的效率和为 $\frac{1}{24}$,合做 $10$ 天完成了全部工程的 $\frac{1}{24}\times 10=\frac{5}{12}$。乙队 $5$ 天完成的工程量为 $\frac{1}{2}-\frac{5}{12}=\frac{1}{12}$,所以乙队的效率为 $\frac{1}{12}\div 5=\frac{1}{60}$。甲队的效率为 $\frac{1}{24}-\frac{1}{60}=\frac{1}{40}$,甲队单独完成工程需要 $40$ 天。
方法:用合作完成的工程量与全程一半作差,求出乙先做部分,进而求乙效率与甲效率。
6. 一项工程,甲单独做要 $6$ 小时完成,乙单独做要 $10$ 小时完成。如果按甲、乙、甲、乙……的顺序交替工作,每人工作 $1$ 小时后交换,那么需要多少小时才能完成任务?
★★
交替工作 周期工作量 余量分步完成 轮流交替工作问题
显示答案 / 解析
答案 $7\frac{1}{3}$ 小时。
解题过程 设总工作量为 $1$,甲每小时完成 $\frac{1}{6}$,乙每小时完成 $\frac{1}{10}$。每个甲、乙周期($2$ 小时)完成 $\frac{1}{6}+\frac{1}{10}=\frac{4}{15}$。$1\div\frac{4}{15}=3\cdots\cdots$,两人交替工作 $3$ 次(共 $6$ 小时)后总工程还剩 $1-\frac{4}{15}\times 3=\frac{1}{5}$。这 $\frac{1}{5}$ 让甲再做 $1$ 小时还剩 $\frac{1}{5}-\frac{1}{6}=\frac{1}{30}$,再由乙做 $\frac{1}{30}\div\frac{1}{10}=\frac{1}{3}$ 小时。一共需要 $6+1+\frac{1}{3}=7\frac{1}{3}$ 小时才能完成任务。
方法:先求一个甲乙周期的工作量与整周期数,再对余下部分按甲、乙顺序逐段完成。
7. 有一批工人做某项工程,原计划 $4$ 天完成。如果增加 $6$ 人,只需要 $3$ 天就能完成。现在人数不仅没有增加,反而减少了 $9$ 人,求完成这项工程需要的天数。
★★
工作总量不变 人数与天数关系 盈亏思想 人数变化的工程问题
显示答案 / 解析
答案 $8$ 天。
解题过程 把每人每天的工作量设为 $1$。原计划 $4$ 天完成,增加 $6$ 人后 $3$ 天完成,因此原计划人数为 $6\times 3\div(4-3)=18$ 人,工程总量为 $18\times 4=72$。现在的人数为 $18-9=9$ 人,所以需要的时间为 $72\div 9=8$ 天。
方法:用增加人数与节省天数求出原人数与总工作量,再用减少后的人数求天数。
8. 甲、乙两队分别在 $A$、$B$ 两块地植树,$B$ 地需要植树的数量是 $A$ 地的两倍。已知甲队单独在 $A$ 地植树需要 $12$ 天完成,乙队单独在 $B$ 地植树需要 $30$ 天完成。现在甲、乙两队分别在 $A$、$B$ 两地同时开始植树,当甲队在 $A$ 地植完后便去 $B$ 地和乙队共同工作。请问:两队要用多少天才能种完?
★★★
工作总量设份数 效率合并 总量÷效率和 多地植树合作问题
显示答案 / 解析
答案 $20$ 天。
解题过程 设 $A$ 地的工作量为 $1$,则 $B$ 地的工作量为 $2$。甲队的效率为 $\frac{1}{12}$,乙队的效率为 $\frac{2}{30}=\frac{1}{15}$。现在甲、乙两队要完成 $A$、$B$ 两地的植树工作,所需时间为 $(1+2)\div\left(\frac{1}{12}+\frac{1}{15}\right)=20$ 天。
方法:把 A、B 两地工作量分别设为 1 和 2,求出两队效率后用总量除以效率和。
9. 一水池装有一个进水管和一个排水管。如果单开进水管,$5$ 小时可将空池灌满;如果单开排水管,$7$ 小时可将整池水排完。现在先开进水管,$2$ 小时后打开排水管,请问:再多长时间池内将恰好存有半池水?
★★
进水排水问题 进出效率差 目标水量 进水排水池问题
显示答案 / 解析
答案 $1\frac{3}{4}$ 小时。
解题过程 $2$ 小时后打开排水管,此时水池已有水量为 $\frac{2}{5}$。再过 $$\begin{aligned}\left(\frac{1}{2}-\frac{2}{5}\right)\div\left(\frac{1}{5}-\frac{1}{7}\right)&=\frac{1}{10}\div\frac{2}{35}\\&=1\frac{3}{4}\end{aligned}$$ 小时将恰好存有半池水。
方法:先算只进水阶段的存水量,再用进水与排水的效率差求达到半池所需时间。
10. 师傅带着两名徒弟加工一批零件,按加工零件数量的比例分给他们 $3000$ 元报酬。如果按照原定计划,师傅应该得到 $1800$ 元,但是由于工作的某一名徒弟生病住院,最后是由师傅和另一名徒弟完成了所有工作。如果两名徒弟的工作效率相同,请问:师傅实际应得到多少元?
★★
按效率(工作量)比分配 报酬分配 按比分配报酬问题
显示答案 / 解析
答案 $2250$ 元。
解题过程 按原来计划,师傅获得 $1800$ 元,每个徒弟获得 $(3000-1800)\div 2=600$ 元,师傅与每个徒弟的效率之比为 $1800:600=3:1$。实际上师傅与一名徒弟完成了所有工作,两人获得的报酬之比为 $3:1$,因此师傅应得 $3000\times\frac{3}{3+1}=2250$ 元。
方法:先由原计划求出师徒效率比,再按实际只有两人按 3:1 重新分配 3000 元。
拓展篇
1. 一条公路,甲队单独修需 $20$ 天完成,乙队单独修需 $30$ 天完成。请问:(1)如果甲、乙两队合做,共需要多少天完成?(2)如果甲、乙两队合修若干天之后,乙队停工休息,而甲队继续修了 $5$ 天修完,那么乙队一共修了多少天?
★★
工作效率 合作时间 已做部分扣除 合作中途一方退出
显示答案 / 解析
答案 (1)$12$ 天;(2)$9$ 天。
解题过程 甲队的效率是 $\frac{1}{20}$,乙队的效率是 $\frac{1}{30}$。(1)两队合作需要的时间为 $1\div\left(\frac{1}{20}+\frac{1}{30}\right)=12$ 天。(2)甲队在 $5$ 天内修了总工作量的 $\frac{1}{20}\times 5=\frac{1}{4}$,又知两队合作完成总量的 $1-\frac{1}{4}=\frac{3}{4}$,因此合作时间为 $\frac{3}{4}\div\left(\frac{1}{20}+\frac{1}{30}\right)=9$ 天,即乙队一共修了 $9$ 天。
方法:求出合作效率得合做天数;第二问先扣除甲单独修的部分,再求合做天数即乙工作天数。
2. 有一批资料需要复印,甲复印机单独复印需 $11$ 小时,乙复印机单独复印需 $13$ 小时。现在让两台复印机一起复印,但工作中乙因相互有些干扰,每台机器每小时少印 $28$ 张,结果用 $6$ 小时 $15$ 分印完。这批资料共有多少张?
★★
工作效率 工作量为具体数量 列方程求总量 效率受干扰下降的工程问题
显示答案 / 解析
答案 $3575$ 张。
解题过程 若没有干扰,两个打印机同时工作,只需 $1\div\left(\frac{1}{11}+\frac{1}{13}\right)=5\frac{23}{24}$ 小时即可。实际上两台打印机互有干扰,每小时少印 $28$ 张,用了 $6\frac{1}{4}$ 小时才完成工作。由“理论用时”与“实际用时”之差求出两台打印机同时工作的效率是 $28\times 5\frac{23}{24}\div\left(6\frac{1}{4}-5\frac{23}{24}\right)=572$ 张/时。因此这批资料共有 $572\times 6\frac{1}{4}=3575$ 张。
方法:把总张数设为未知数,用每小时理论复印量减去干扰减少量,按实际时间列方程求解。
3. 有一条公路,甲队单独修需 $20$ 天完成,乙队单独修需 $30$ 天完成,丙队单独修需 $40$ 天完成。现在让三个队合做,但中间甲队曾因故离开了 $12$ 天才把这条公路修完,请问:当甲队休息时,乙、丙两队又共修了多少天才完成?
★★
三人合作 效率和 缺勤补做工作量 合作中途一人缺勤
显示答案 / 解析
答案 $6$ 天。
解题过程 甲、乙、丙三队的效率分别为 $\frac{1}{20}$、$\frac{1}{30}$、$\frac{1}{40}$。三队合作 $12$ 天可完成总工程量的 $\left(\frac{1}{20}+\frac{1}{30}+\frac{1}{40}\right)\times 12=1\frac{3}{10}$,超出了 $\frac{3}{10}$,因此这 $12$ 天内,甲有 $\frac{3}{10}\div\frac{1}{20}=6$ 天是离开的。甲队撤出后,乙、丙两队又共同合修了 $6$ 天才完成。
方法:把甲离开期间少做的工作量折算成乙、丙补做的工作量,再用乙丙效率和求补做天数。
4. 甲、乙两人共同完成一项工作。如果甲、乙两人合做 $2$ 天后,剩下的由乙单独做,刚好在规定时间完成;如果甲单独做需要 $18$ 天完成,乙单独做,刚要超过规定时间 $3$ 天才能完成。求完成这项工作规定的天数。
★★
工作效率 规定时间 盈亏(超时) 规定时间与超时问题
显示答案 / 解析
答案 $24$ 天。
解题过程 乙单独做,超过规定时间 $3$ 天才能完成;若甲帮忙做了 $2$ 天,则刚好在规定时间完成。因此甲 $2$ 天的工作量与乙 $3$ 天的工作量相等。甲单独做需要 $18$ 天,则乙单独做需要 $18\div 2\times 3=27$ 天,因此规定的天数是 $27-3=24$ 天。
方法:依据合做 2 天与乙单独超时 3 天两条件建立工作量关系求规定时间。
5. 一项工程,乙单独做要 $14$ 天完成。如果第一天乙做,第二天甲做,第三天乙做,第四天甲做……两人这样轮流做,需要 $9$ 天完成;如果第一天甲做,第二天乙做,第三天甲做,第四天乙做……两人这样轮流做,会比上次轮流做多用多少天?
★★
交替轮流工作 工作效率 比较两种安排 轮流工作顺序比较
显示答案 / 解析
答案 $\frac{1}{2}$ 天。
解题过程 第一种做法(乙先做),$9$ 天完成,甲做了 $5$ 天,乙做了 $4$ 天,乙的效率为 $\frac{1}{14}$,所以甲的效率是 $\left(1-\frac{1}{14}\times 4\right)\div 5=\frac{1}{7}$。比较两种做法,它们前 $8$ 天的工作总量相同,第 $9$ 天第二种做法(甲先做)比第一种做法少做了 $\frac{1}{7}-\frac{1}{14}=\frac{1}{14}$。因此工作 $9$ 天后,按第一种做法正好完工,按第二种做法还剩下 $\frac{1}{14}$,需要甲再工作 $\frac{1}{14}\div\frac{1}{7}=\frac{1}{2}$ 天才能完成,即第二种做法比第一种做法多用 $\frac{1}{2}$ 天。
方法:由乙先做 9 天完成求出甲效率,再算甲先做的轮流方式所需天数并比较。
6. 甲、乙、丙三队要完成 $A$、$B$ 两项工程。$B$ 工程的工作量比 $A$ 工程的工作量多 $\frac{1}{4}$。已知甲队单独完成 $A$ 工程要 $40$ 天,乙、丙两队单独完成 $B$ 工程分别需要 $60$ 天、$75$ 天。开始时甲队做 $A$ 工程,乙、丙两队共同做 $B$ 工程;几天后,又调丙队与甲队共同完成 $A$ 工程,剩下乙队单独做 $B$ 工程,结果两个工程同时完成。请问:丙队与乙队合做了多少天?
★★
多人多工程 工作量比 调度(人员转移) 多工程人员调度问题
显示答案 / 解析
答案 $30$ 天。
解题过程 设 $A$ 工程的工作量为 $1$,则 $B$ 工程的工作量为 $1\frac{1}{4}$。甲的效率是 $1\div 40=\frac{1}{40}$,乙的效率是 $1\frac{1}{4}\div 60=\frac{1}{48}$,丙的效率是 $1\frac{1}{4}\div 75=\frac{1}{60}$。三人合作完成这两个工程所需的时间是 $\left(1+1\frac{1}{4}\right)\div\left(\frac{1}{40}+\frac{1}{48}+\frac{1}{60}\right)=36$ 天。这 $36$ 天乙都在做 $B$ 工程,工作量是 $\frac{1}{48}\times 36=\frac{3}{4}$。因此丙与乙合作时丙完成的工作量是 $1\frac{1}{4}-\frac{3}{4}=\frac{1}{2}$,两队合作的时间是 $\frac{1}{2}\div\frac{1}{60}=30$ 天。
方法:把两项工程的工作量按比设份数,结合各队调动时间与同时完成的条件求合做天数。
7. 俄国文学家列夫·托尔斯泰的庄园里有大、小两片草地,每年秋天,农民们都要将草地割草存起来作为牲畜的饲料。大草地的面积恰好是小草地面积的 $2$ 倍。这一年有一些割草人去草地割草,上午他们都在大草地里干活,下午这些人平均分成两半,一半人继续在大草地割草,到傍晚收工时(上、下午工作时间相同)恰好刚割完;另一半人到小草地干活,收工时仅剩下一小块没有割完,这一小块草地恰好够一个人收割一天。工头去托尔斯泰那里结账时讲了上述情况,托尔斯泰就算出了共有多少个割草人。请问:一共有多少个割草人?
★★
归一法 面积(工作量)倍数关系 列方程 托尔斯泰割草问题 经典数论应用题
显示答案 / 解析
答案 $8$ 个。
解题过程 设有 $n$ 个割草人,每人每天的工作量为 $1$(半天工作量为 $\frac{1}{2}$)。下午割草人去小草地割草,小草地的工作量为 $\frac{n}{2}\times\frac{1}{2}+1=\frac{n}{4}+1$(含第二天一人补割的一块);大草地的工作量是 $n\times\frac{1}{2}+\frac{n}{2}\times\frac{1}{2}=\frac{3}{4}n$。根据大草地面积恰好为小草地面积的 $2$ 倍,可得 $\left(\frac{n}{4}+1\right)\times 2=\frac{3}{4}n$,解得 $n=8$。
方法:设割草人数为未知数,用半天工作量表示大、小草地工作量,依面积 2 倍关系列方程。
8. 蓄水池有甲、乙两个进水管,单开甲管需 $12$ 小时注满水池,单开乙管需 $18$ 小时注满水池。现要求 $10$ 小时注满水池,那么,甲、乙两管至少要合开多长时间?
★★
进水管效率 限定总时间 至少合开时间 限时注满水池问题
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答案 $3$ 小时。
解题过程 甲的效率比乙高,为了尽快注满水,只开一管时应该开甲管。若单开甲管,$12$ 小时的注水量为 $\frac{1}{12}\times 10=\frac{5}{6}$,还差 $1-\frac{5}{6}=\frac{1}{6}$,需要乙管开 $\frac{1}{6}\div\frac{1}{18}=3$ 小时,因此甲、乙两管至少合开 $3$ 小时。
方法:先让效率高的甲管单开满 10 小时,求出差额再让乙管补做,得最少合开时间。
9. 蓄水池有甲、乙、丙三个进水管,如果想灌满整池水,单开甲管需 $10$ 小时,单开乙管需 $12$ 小时,单开丙管需 $15$ 小时。上午 $8$ 点三个管同时打开,中间甲管因故关闭,结果到下午 $2$ 点水池被灌满。问:甲管在何时被关闭?
★★
三管进水 假设全程开启 盈余折算时间 进水管中途关闭问题
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答案 上午 $9$ 点。
解题过程 从上午 $8$ 点到下午 $2$ 点共 $6$ 小时,若甲管一直没有关闭,三水管的总注水量为 $\left(\frac{1}{10}+\frac{1}{12}+\frac{1}{15}\right)\times 6=1\frac{1}{2}$,多了 $\frac{1}{2}$,因此在这段时间内甲有 $\frac{1}{2}\div\frac{1}{10}=5$ 小时是不开的,甲管是在上午 $9$ 点被关闭的。
方法:假设甲管全程开启求出多注的水量,再除以甲效率得甲停开时间,反推关闭时刻。
10. 某水库建有 $10$ 个泄洪闸,现有水库的水位已经超过安全线,上游河水还在按不变的速度流入。为了防洪,需调节泄洪闸的泄洪速度。假设每个闸门的泄洪速度相同,若开 $1$ 个泄洪闸,$30$ 小时水位降至安全线;若开 $2$ 个泄洪闸,$10$ 小时水位降至安全线。现在抗洪指挥部队要求在 $2.5$ 小时使水位降至安全线以下,那么至少要同时打开几个闸门?
★★
牛吃草问题 原有量与新增量 闸门排水 牛吃草型泄洪问题
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答案 $7$ 个。
解题过程 设 $1$ 个泄洪闸 $1$ 小时的排水量为 $1$。打开 $1$ 个泄洪闸,$30$ 小时水位降至安全线,排水为 $1\times 30=30$;打开 $2$ 个泄洪闸,$10$ 小时水位降至安全线,排水为 $2\times 10=20$。两种情况排水量之差是上游流入水的时间不同造成的,上游河水流入的效率为 $(30-20)\div(30-10)=0.5$。开闸时需要排出的水量为 $(1-0.5)\times 30=15$。要在 $2.5$ 小时水位降至安全线,排水量至少为 $15\div 2.5+0.5=6.5$,至少要同时开 $7$ 个闸门。
方法:用两种开闸方案的排水差求出上游流入速度与原有水量,再求限时所需闸门数。
11. 某水池的容积是 $100$ 立方米,它有甲、乙两个进水管和一个排水管。甲、乙两管单独灌满水池分别需要 $10$ 小时和 $15$ 小时。如果同时打开甲、乙两个进水管再加上排水管放水,需要 $6$ 小时将水池中的水放完。如果甲管单独将水回排放水,需要 $2$ 小时将水池中的水放完。水池中原有水多少立方米?
★★
进水排水综合 求排水管效率 求原有水量 进水排水求原有水量
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答案 $20$ 立方米。
解题过程 设水池的容积为 $1$。题中两种情况将水池中的水放完,这两种情况进水管进水量之差正好是这两种情况进水管放水之差,由此得到排水管的效率为 $\left[\left(\frac{1}{10}+\frac{1}{15}\right)\times 6-1\times 2\right]\div(6-2)=\frac{1}{5}$。因此水池中原有水量为 $\left(\frac{1}{5}-\frac{1}{10}\right)\times 2=\frac{1}{5}$,即 $100\times\frac{1}{5}=20$ 立方米。
方法:比较两种放完方案,求出排水管效率,再算出水池中原有水量。
12. 画展 $9$ 时开门,但早有人来排队等候入场。从第一个观众到来时起,每分钟来的观众人数一样多。如果开 $3$ 个入场口,$9$ 时 $9$ 分就不再有人排队;如果开 $5$ 个入场口,$9$ 时 $5$ 分就没有人排队。请问:第一个观众到达的时间是 $8$ 时多少分?
★★★★
牛吃草问题 原有量与新增量 求起始时刻 牛吃草型排队进场问题
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答案 $8$ 时 $15$ 分。
解题过程 设每个入口每分钟的进人量为 $1$ 份。如果开 $3$ 个入场口,$9$ 时 $9$ 分就不再有人排队,进人量为 $3\times 9=27$ 份;如果开 $5$ 个入场口,$9$ 时 $5$ 分就不再有人排队,进人量为 $5\times 5=25$ 份。进人量的差异是从 $9$ 时 $5$ 分到 $9$ 时 $9$ 分这段时间内新来的观众数,因此每分钟来的观众为 $(27-25)\div(9-5)=0.5$ 份。$9$ 点时在排队的观众有 $(3-0.5)\times 9=22.5$ 份,积累这些观众需要 $22.5\div 0.5=45$ 分钟,因此第一个观众到达的时间是 $8$ 时 $15$ 分。
方法:把每个入口每分钟进人量设为份,用两种开口方案求新增观众速度与原有观众数,反推第一个观众到达时间。
13. 甲、乙、丙三人承包一项工程,发给他们的工资共 $1800$ 元。三人完成这项工程的具体情况是:甲、乙两人合做 $6$ 天完成了工程的 $\frac{1}{3}$,因甲中途有事,由乙、丙合做 $2$ 天,完成了余下工程的 $\frac{1}{4}$;之后三人合做 $5$ 天完成了这项工程。如果按完成工作量的多少来付酬,乙应得多少元?
★★★★
按工作量分配工资 列方程组 分阶段工作量 按工作量分配报酬
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答案 乙应得 $910$ 元(甲 $330$ 元、丙 $560$ 元)。
解题过程 设甲、乙、丙工作一天的工资分别是 $a$、$b$、$c$ 元,则有:$$\begin{aligned}a+b&=1800\times\frac{1}{3}\div 6\\&=100\end{aligned}$$;$$\begin{aligned}b+c&=1800\times\left(1-\frac{1}{3}\right)\times\frac{1}{4}\div 2\\&=150\end{aligned}$$;$$\begin{aligned}a+b+c&=1800\times\left(1-\frac{1}{3}\right)\times\left(1-\frac{1}{4}\right)\div 5\\&=180\end{aligned}$$。解得 $a=30$,$b=70$,$c=80$。甲的报酬是 $30\times(6+5)=330$ 元,乙的报酬是 $70\times(6+2+5)=910$ 元,丙的报酬是 $80\times(2+5)=560$ 元。
方法:把各人每天工资设为未知数,由三段工作的工资总额列方程组求出每人日工资,再按各人实际工作天数计算报酬。
14. 如图 $17\text{-}1$,有一个敞口的立方体水箱,在其侧面一条高的三等分点处有两个排水孔 $A$ 和 $B$,它们排水时的速度相同且保持不变。现在以一定的速度从上面的进水管往水箱注水。如果打开 $A$ 孔,关闭 $B$ 孔,经过 $20$ 分钟可将水箱注满;如果关闭 $A$ 孔,打开 $B$ 孔,经过 $22$ 分钟可将水箱注满。如果两个孔都打开,那么注满水箱的时间是多少分钟?
★★★
分段进水排水 排水孔高度 列方程求效率 分层进水排水问题
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答案 $26$ 分钟。
解题过程 设单开进水管注满水箱的 $\frac{1}{3}$ 所需进水时间为 $x$ 分钟,同时开一个进水管与一个出水孔注满水箱的 $\frac{1}{3}$ 所需的进水时间为 $y$ 分钟,则 $\begin{cases}2x+y=20\\ x+2y=22\end{cases}$,解得 $x=6$,$y=8$。把水箱的 $\frac{1}{3}$ 看作“$1$”,则进水效率为 $\frac{1}{6}$,出水效率为 $\frac{1}{6}-\frac{1}{8}=\frac{1}{24}$。所以灌满水箱最上层的 $\frac{1}{3}$ 需要 $1\div\left(\frac{1}{6}-\frac{1}{24}\times 2\right)=12$ 分钟。那么总共需要 $6+8+12=26$ 分钟。
方法:按排水孔所在高度把水箱分三层,分别建立两层的进出水时间方程求进、出水效率,再求两孔齐开注满时间。
超越篇
1. 甲工程队每工作 $5$ 天必须休息 $1$ 天,乙工程队每工作 $6$ 天必须休息 $2$ 天。一项工程,甲工程队单独做需做 $62$ 天(含休息),乙工程队单独做需做 $51$ 天(含休息)。如果甲、乙两队合作完成这项工程需要多少天?
★★★★
含休息的工作效率 工作周期最小公倍数 余量分步完成 含休息周期的合作问题
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答案 $27\frac{3}{7}$ 天。
解题过程 甲独做时,$62\div(5+1)=10\cdots\cdots 2$,实际工作时间为 $5\times 10+2=52$ 天。乙独做时,$51\div(6+2)=6\cdots\cdots 3$,实际工作时间为 $6\times 6+3=39$ 天。甲乙合作时,一个大周期为 $[6,8]=24$ 天,在此周期内甲工作了 $24\times\frac{5}{6}=20$ 天,乙工作了 $24\times\frac{6}{8}=18$ 天,共完成工作量 $\frac{1}{52}\times 20+\frac{1}{39}\times 18=\frac{11}{13}$,剩余工作量为 $1-\frac{11}{13}=\frac{2}{13}$,估算约为大周期工作量的 $\frac{1}{5}$,用时不足 $5$ 天,甲、乙两人都不再休息,$\frac{2}{13}\div\left(\frac{1}{52}+\frac{1}{39}\right)=3\frac{3}{7}$ 天。所以甲、乙两队合作完成该工程共需 $24+3\frac{3}{7}=27\frac{3}{7}$ 天。
方法:先由含休息总天数求出各队实际工作天数与效率,再用合作大周期与余量分步求合作天数。
2. 一水箱有甲、乙、丙三组进水管,如果只打开甲、丙两管,向水箱注入 $30$ 吨水,水箱已满;如果只打开乙、丙两管,乙管注入 $40$ 吨水,水箱才满。已知丙管每分钟注水量是甲管的 $1.5$ 倍。请问:该水箱注满时可容纳多少吨水?
★★★★
进水管效率比 两次注水比较 求容积 多管注水求容积
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答案 $120$ 吨。
解题过程 第一次注水时,甲管入水 $30$ 吨,相同时间内乙管可入水 $45$ 吨;第二次注水时,乙管入水 $40$ 吨。所以第二次注水所用时间为第一次注水所用时间的 $\frac{8}{9}$;第二次丙注入的水是第一次注入水的 $\frac{8}{9}$。第一次甲与丙把水箱注满,第二次乙与丙把水箱注满,乙注的水比甲注的水多了 $10$ 吨,因此第二次丙注的水比第一次少了 $10$ 吨。根据这两个条件可知第一次丙的注水量为 $10\div\left(1-\frac{8}{9}\right)=90$ 吨,水箱的容积是 $30+90=120$ 吨。
方法:由甲乙效率比求出两次注水时间比与丙注水比,再用丙两次注水量差求出丙注水量与水箱容积。
3. 甲、乙两人分别加工一批零件,甲用 $A$ 机器需要 $6$ 小时才能完成任务,用 $B$ 机器效率降低 $60\%$,乙用 $B$ 机器需要 $10$ 小时才能完成任务,用 $A$ 机器效率提高 $20\%$。如果甲用 $A$ 机器、乙用 $B$ 机器同时开始工作,中途某一时刻交换机器,最后恰好同时完成。求甲、乙完成任务所用的时间。
★★★★
效率因机器变化 交换机器 列方程组 交换工具效率变化问题
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答案 $9$ 小时。
解题过程 各自的工作效率如下:甲用 $A$ 为 $\frac{1}{6}$,甲用 $B$ 为 $\frac{1}{6}\times(1-60\%)=\frac{1}{15}$;乙用 $A$ 为 $\frac{1}{10}\times(1+20\%)=\frac{3}{25}$,乙用 $B$ 为 $\frac{1}{10}$。不妨记甲使用 $A$ 机器 $a$ 小时、$B$ 机器 $b$ 小时,则乙恰好使用 $A$ 机器 $b$ 小时、$B$ 机器 $a$ 小时,可得 $\frac{1}{6}a+\frac{1}{15}b=\frac{3}{25}b+\frac{1}{10}a$,解得 $a=\frac{4}{5}b$,再由 $\frac{1}{6}a+\frac{1}{15}b=1$,得 $a=4$,$b=5$,所以完成任务所用时间为 $4+5=9$ 小时。
方法:先求两人用两种机器的四个效率,设甲乙各用两机的时间互换,依工作量相等与各自完成全部列方程求总时间。
4. 甲、乙、丙三个工程队要完成一项工程,原计划按三个队工作效率的比进行分配。但是若干天之后,甲队因种种原因退出,把甲队剩下工程的 $\frac{1}{3}$ 交给乙队,乙队效率提高 $30\%$ 即可完成;把甲队剩下的 $\frac{2}{3}$ 交给丙队,丙队效率提高 $20\%$ 即可完成。如果甲队结束工作时,按照工作量付给报酬,甲队得到 $2700$ 元,乙队得到 $6300$ 元,那么丙队得到多少元?
★★★★
按效率比分配 效率提高百分比 比例换算报酬 效率变化的报酬分配问题
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答案 $8600$ 元。
解题过程 甲剩下工程的 $\frac{1}{3}$,乙提高效率 $20\%$ 即可完成,因此甲 $\times\frac{1}{3}=$ 乙 $\times 20\%$,同理有甲 $\times\frac{2}{3}=$ 丙 $\times 30\%$。因此有甲:乙 $=3:5$,甲:丙 $=9:20$,甲:乙:丙 $=9:15:20$。甲工作若干天获得报酬 $2700$ 元,在这段时间乙得到 $2700\times\frac{5}{3}=4500$ 元,丙得到 $2700\times\frac{20}{9}=6000$ 元。甲退出后乙、丙继续工作,乙丙的效率比变成 $15\times(1+20\%):20\times(1+30\%)=9:13$,乙后来得到 $6300-4500=1800$ 元,丙后来得到 $1800\times\frac{13}{9}=2600$ 元。丙一共得到 $6000+2600=8600$ 元。
方法:由两条效率等量关系求出三队效率比,分阶段计算甲退出前后各队所得报酬并相加。
5. 有一个长方体的容器,侧面有一个小洞,使得容器内的水将会以一定的速度向外流出。现在打开 $1$ 个龙头向容器内注水,注到一半时刚好到了 $80$ 分钟。如果用 $100$ 分钟容器内恰好注满;如果用 $\frac{2}{5}$ 个龙头一起向容器内注水,需要多少分钟才能注满?
★★★★
分段注水 漏水(排水)效率 分类讨论 带漏洞容器注水问题 分类讨论的进排水问题
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答案 $47.5$ 分钟或 $82.5$ 分钟。
解题过程 设小洞漏水的效率为 $2$,水龙头注水的效率为 $3$,分两种情况讨论。(1)小洞在容器的下半部分:将整个注水过程分成 $4$ 部分,$c$ 与 $a$ 共用了 $80$ 分钟、$c$ 与 $d$ 共用了 $100$ 分钟,由 $c$ 段与 $d$ 段水的体积相同得 $a$ 段与 $d$ 段时间相同,进一步推得各段时间,最终共用时间为 $5+42.5=47.5$ 分钟。(2)小洞在容器的上半部分:同理将注水过程分成 $4$ 部分,由各段体积相同得各段时间,最终共用时间为 $40+42.5=82.5$ 分钟。所以注满容器需要 $47.5$ 分钟或 $82.5$ 分钟。
方法:设漏水与注水效率,按小洞位于下半部或上半部两种情形分段比较各段体积与时间求总时间。
6. 有甲、乙两个容积相同的空立方体水箱,在它们的侧面上分别有排水孔 $A$、$B$。$A$ 孔和 $B$ 孔与底面的距离分别是水箱高度的 $\frac{6}{7}$ 和 $\frac{2}{7}$,且在排水时速度相同。现在以相同的速度一起向两水箱注水,并通过管道使 $A$ 孔排出的水直接流入乙水箱、$B$ 孔排出的水直接流入甲水箱,使两水箱恰好同时被注满。试问:如果以上述的速度向乙水箱注水,乙箱从空到灌满需要多少分钟?
★★★★
分层注水排水 两箱互相转移水量 份数法 双水箱互排注水问题
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答案 $90$ 分钟。
解题过程 把水箱分成相同的 $6$ 份(每份高度为 $\frac{1}{7}$)。当注水没有超过 $3$ 高度时,水没有到达 $A$、$B$ 两孔,两孔都不排水,所以这一阶段两水箱都只往水中注水,所用时间相同;当水超过 $3$ 高度时,$A$、$B$ 孔开始排水,两孔互相把水排入对方水箱,构成转移。经分析,只往水注入 $1$ 高度的时间为 $1$ 份;既注水又排水注入 $1$ 高度的时间为 $2$ 份。注满乙箱共需要 $3$ 份(只注水部分)加上既注水又排水部分,由 $5+2=7$ 份对应 $70$ 分钟得 $1$ 份为 $10$ 分钟,要注满乙箱有 $3$ 高度是只注水的,需要 $3$ 份时间;还有 $3$ 高度是既注水又排水的,需要 $3\times 2=6$ 份时间。共需 $9$ 份时间,为 $90$ 分钟。
方法:把水箱分份,按是否到达排水孔分阶段,用份数法折算只注水段与既注水又排水段的时间。
7. 有一个正方体水箱,在某个侧面相同高度的地方有 $2$ 个大小相同的出水孔,用一个进水管给水箱灌水。如果只打开 $1$ 个出水孔,需要多用 $2$ 分钟将水箱注满;如果打开 $2$ 个出水孔,需要多用 $35$ 分钟将水箱注满。请问:当 $3$ 个出水孔全开的时候,多少分钟可以将水箱注满?
★★★★
进水排水分层 出水孔效率 多孔同时排水 多出水孔注满水箱问题
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答案 $40$ 分钟。
解题过程 设水箱的容积为 $1$,则进水管的进水效率为 $\frac{1}{30}$。打开 $1$ 个出水孔,需要多用 $2$ 分钟将水箱注满,说明这段时间内 $1$ 个小孔的排水量等于进水管在 $2$ 分钟内的进水量,是 $\frac{1}{30}\times 2=\frac{1}{15}$;打开 $2$ 个出水孔,需要多用 $35$ 分钟将水箱注满,说明这段时间内 $2$ 个小孔的排水量等于进水管 $35$ 分钟内的进水量,是 $\frac{1}{30}\times 35=\frac{7}{6}$。结合两式可求得一个孔的排水效率为 $\left(\frac{7}{6}-\frac{1}{15}\times 2\right)\div 3=\frac{1}{180}$,那么开一个孔的实际排水时间为 $\frac{1}{15}\div\frac{1}{180}=12$ 分钟。这说明前面 $32-12=20$ 分钟内进水管把水位注到出水孔高度,在进水管进了 $\frac{2}{3}$ 水后出水孔才开始出水,此时还需进 $\frac{1}{3}$ 水,开 $3$ 个出水孔所需的时间为 $20+\frac{1}{3}\div\left(\frac{1}{30}-\frac{1}{180}\times 3\right)=40$ 分钟。
方法:由多用时间将出水孔排水量折算成进水量,求单孔效率与到达孔高度的时间,再求三孔齐开注满时间。
8. 一项工程,甲先做若干天后由乙继续做,丙在工程完成一半前来帮忙,待工程完成 $\frac{5}{6}$ 时离去。结果恰好按计划完成任务。如果丙做了工程总量的一半时不来帮忙,仅由乙接替甲一直做下去,就会比计划提前 $6$ 天完成。已知乙的工作效率是丙的 $3$ 倍。原计划这项工程是多少天?
★★★★
三人接力工作 效率倍数关系 提前完成对比 多人接力与提前完成问题
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答案 $30$ 天。
解题过程 丙的工作量等于乙在 $\frac{10}{3}$ 天内的工作量,又乙的工作效率是丙的 $3$ 倍,因此丙工作了 $\frac{10}{3}\times 3=10$ 天。由乙丙合作将工程从一半完成到全部,共用了 $10$ 天,乙、丙的效率为 $\left(\frac{5}{6}-\frac{1}{2}\right)\div 10=\frac{1}{30}$。再根据乙的工作效率是丙的 $3$ 倍,可得乙的效率是 $\frac{1}{40}$,丙的效率是 $\frac{1}{120}$。乙一共做了工程总量的一半,因此乙工作了 $\frac{1}{2}\div\frac{1}{40}=20$ 天。乙和丙的工作量之和是 $\frac{1}{2}+\frac{1}{120}\times 10=\frac{7}{12}$,这些工作若让甲做,只需 $20-6=14$ 天,因此甲的效率是 $\frac{7}{12}\div 14=\frac{1}{24}$。甲单独完成整个工程需要 $24$ 天,原计划的工期是 $24+6=30$ 天。
方法:由乙丙合做后半段求出乙丙效率,再借提前 6 天的条件求甲效率与原计划工期。
第18讲 牛吃草问题与钟表问题
兴趣篇
1. 有一片草地上原有 $300$ 千克草,如果这片草地每天能长出 $10$ 千克草,而每头牛每天要吃 $5$ 千克草,请问:$6$ 头牛几天会把这片草地吃完?
★★
牛吃草问题 原有量与生长量 净消耗速度 基础牛吃草
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答案 $15$ 天。
解题过程 草地每天长出 $10$ 千克草,而被吃掉 $5\times 6=30$ 千克草,因此草地上的草量每天减少 $30-10=20$ 千克。所以 $300\div 20=15$ 天,$15$ 天后这片草地就被吃完了。
方法:用每天净消耗量(吃草量减生长量)去消耗原有草量。
2. 有一片匀速生长的草地,可以供 $10$ 头牛吃 $20$ 天,或者供 $15$ 头牛吃 $10$ 天,那么这片草地上每天生长出的草量可以供几头牛吃 $1$ 天?
★★
牛吃草问题 求每天生长量 差量法 求草地生长速度
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答案 $5$ 头。
解题过程 设每头牛每天吃草 $1$ 份。$10$ 头牛吃 $20$ 天共吃 $10\times 20=200$ 份,$15$ 头牛吃 $10$ 天共吃 $15\times 10=150$ 份,相差 $50$ 份,是后 $10$ 天的生长量,所以每天生长 $50\div 10=5$ 份,即每天长出的草量可供 $5$ 头牛吃 $1$ 天。
方法:两种方案吃草总量之差即为对应天数的生长量,求出每天生长量。
3. 有一片牧场,草每天都在均匀地生长。如果在牧场上放养 $24$ 头牛,$6$ 天就把草吃完;如果放养 $21$ 头牛,$8$ 天把草吃完。请问:(1)要使得草永远吃不完,最多可以放养多少头牛?(2)如果放养 $36$ 头牛,多少天可以把草吃完?
★★
牛吃草问题 原有量与生长量 永远吃不完的临界条件 牛吃草综合
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答案 (1)$12$ 头;(2)$3$ 天。
解题过程 设每头牛每天吃 $1$ 份草。$24$ 头牛吃 $6$ 天共 $24\times 6=144$ 份,$21$ 头牛吃 $8$ 天共 $21\times 8=168$ 份,相差 $168-144=24$ 份是 $2$ 天的生长量,因此每天生长 $24\div 2=12$ 份,原有草量 $144-12\times 6=72$ 份。(1)要使草永远吃不完,每周(天)的吃草量不能超过生长量,因此最多放养 $12$ 头牛。(2)放养 $36$ 头牛,每天比生长量多吃 $36-12=24$ 份,因此把原有草吃完需 $72\div(36-12)=3$ 天。
方法:先求每天生长量与原有量,再分别讨论临界放养头数和给定头数的天数。
4. 有一片匀速生长的草地,可以供 $18$ 头牛吃 $40$ 天,或者供 $12$ 头牛与 $36$ 只羊吃 $25$ 天,如果 $1$ 头牛每天的吃草量相当于 $3$ 只羊每天的吃草量,请问:这片草地让 $17$ 头牛与多少只羊一起吃,刚好 $16$ 天吃完?
★★
牛吃草问题 牛羊换算 原有量与生长量 牛羊混合吃草
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答案 $48$ 只。
解题过程 把羊每天的吃草量换成牛:$36$ 只羊相当于 $36\div 3=12$ 头牛,所以第二种方案是 $12+12=24$ 头牛吃 $25$ 天。$18$ 头牛吃 $40$ 天共 $18\times 40=720$ 份,$24$ 头牛吃 $25$ 天共 $24\times 25=600$ 份,相差 $720-600=120$ 份是 $40-25=15$ 天的生长量,因此每天生长 $120\div 15=8$ 份,原有草量 $720-8\times 40=400$ 份。要使草地在 $16$ 天吃完,就需要吃掉原有的草和 $16$ 天中长出的草,共有 $400+8\times 16=528$ 份,所以需要 $528\div 16=33$ 头牛吃完,因此羊共有 $(33-17)\times 3=48$ 只。
方法:先把羊换算成牛统一单位,再按牛吃草问题求出生长量、原有量并配出所需头数。
5. 有一座时钟现在显示上午 $10$ 点整,问:(1)多少分钟后,分针与时针第一次重合?(2)再经过多少分钟,分针与时针第二次重合?
★★
钟表问题 指针重合 追及问题 分针时针重合
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答案 (1)$54\frac{6}{11}$ 分钟;(2)$65\frac{5}{11}$ 分钟。
解题过程 (1)$10$ 点整时,分针落后时针 $50$ 格。到第一次重合时,分针的追及路程为 $50$ 格。分针速度为 $1$ 格/分,时针速度为 $\frac{1}{12}$ 格/分,因此追及时间为 $50\div\left(1-\frac{1}{12}\right)=54\frac{6}{11}$ 分钟,即 $54\frac{6}{11}$ 分钟后分针和时针第一次重合。(2)分针每追上时针一圈(即多走 $60$ 格)就重合一次,可以看作分针超过时针 $1$ 圈,也就是 $60$ 格,因此从第一次重合到第二次重合的追及路程是 $60$ 格。那么追及时间为 $$\begin{aligned}60\div\left(1-\frac{1}{12}\right)&=\frac{720}{11}\\&=65\frac{5}{11}\end{aligned}$$ 分钟,即再过 $65\frac{5}{11}$ 分钟后,分针和时针第二次重合。
方法:把指针重合看成分针对时针的追及,用追及路程除以速度差求时间。
6. 卡莉娅早上 $6$ 点半起床,赶到学校时发现手表上的时针和分针恰好第一次张开成一条直线,那么卡莉娅到达学校的这段时间是几点几分?
★★
钟表问题 指针成直线 追及问题 分针时针成直线
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答案 $7$ 点 $5\frac{5}{11}$ 分。
解题过程 $7$ 点时,分针超过时针 $25$ 格;时针和分针成一条直线时(不一定都在 $6$ 点半之后第一次成直线),可以看作分针超过时针 $30$ 格,所以从 $7$ 点开始全过程的追及路程为 $30-25=5$ 格。分针速度为 $1$ 格/分,时针速度为 $\frac{1}{12}$ 格/分,因此追及时间为 $$\begin{aligned}5\div\left(1-\frac{1}{12}\right)&=\frac{60}{11}\\&=5\frac{5}{11}\end{aligned}$$ 分钟。因此卡莉娅到达学校的时间是 $7$ 点 $5\frac{5}{11}$ 分。
方法:把指针成一条直线看作分针比时针多走 $30$ 格,用追及法求时间。
7. 小高在 $9$ 点与 $10$ 点之间开始解一道数学题,当时手表的时针和分针正好成一条直线,当小高解完这道题时,时针和分针刚好第一次重合。请问:小高解完这道题用了多少分钟?
★★
钟表问题 指针成直线 指针重合 追及问题 钟表时间差
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答案 $32\frac{8}{11}$ 分钟。
解题过程 时针和分针成一条直线时,分针落后 $30$ 格。到分针和时针重合时,追及路程为 $30$ 格。那么追及时间为 $$\begin{aligned}30\div\left(1-\frac{1}{12}\right)&=\frac{360}{11}\\&=32\frac{8}{11}\end{aligned}$$ 分钟。即小高解这道题所花的时间为 $32\frac{8}{11}$ 分钟。
方法:成直线时分针落后时针 $30$ 格,到重合需追及 $30$ 格,求追及时间。
8. 下午 $6$ 点多时墨莫吃完晚饭后开始看动画片,动画片开始时他看了眼手表,发现时针和分针的夹角为 $110^\circ$。在新闻联播宣布动画片放完了,墨莫又看了眼手表,发现时针和分针的夹角仍是 $110^\circ$。那么动画片一共放了多少分钟?
★★
钟表问题 夹角与格数换算 追及问题 夹角相同求时间
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答案 $40$ 分钟。
解题过程 $360^\circ$ 相当于 $60$ 格,因此每 $1$ 格为 $6^\circ$,所以 $110^\circ=\frac{55}{3}$ 格。依题意,在动画片开始时,分针落后时针 $\frac{55}{3}$ 格;当动画片放完时,分针超过时针 $\frac{55}{3}$ 格。那么追及路程为 $\frac{55}{3}+\frac{55}{3}=\frac{110}{3}$ 格。分针速度为 $1$ 格/分,时针速度为 $\frac{1}{12}$ 格/分,因此追及时间为 $\frac{110}{3}\div\left(1-\frac{1}{12}\right)=40$ 分钟。所以动画片一共放了 $40$ 分钟。
方法:把夹角化成格数,开始落后、结束超过同一夹角,追及路程为两段之和。
9. 在早晨 $6$ 点到 $7$ 点之间有一时刻,钟面上的数字"$6$"恰好在时针与分针的正中央,请问:这一时刻是 $6$ 点多少分?
★★
钟表问题 某点位于两针正中央 相遇(路程和)问题 某刻度位于两针正中
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答案 $6$ 点 $27\frac{9}{13}$ 分。
解题过程 如图,依题意可知,从 $6$ 点到现在时刻,时针和分针走过的路程和是 $30$ 格。分针速度为 $1$ 格/分,时针速度为 $\frac{1}{12}$ 格/分,因此共走 $30$ 格需要 $$\begin{aligned}30\div\left(1+\frac{1}{12}\right)&=\frac{360}{13}\\&=27\frac{9}{13}\end{aligned}$$ 分钟。所以这一时刻是 $6$ 点 $27\frac{9}{13}$ 分。
方法:数字 $6$ 在两针正中央,时针、分针到 $6$ 的格数相等,故两针走过的路程和为 $30$ 格,用相遇法求时间。
10. 一个快钟每小时比标准时间快 $1$ 分钟,一个慢钟每小时比标准时间慢 $3$ 分钟。在将两个钟同时调到标准时间后,结果在 $24$ 小时内,快钟显示 $9$ 点整时,慢钟恰好显示 $8$ 点整。请问:这时候的标准时间是多少?
★★
钟表问题 快慢钟 比例与差量 快慢钟比较
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答案 $8$ 点 $45$ 分。
解题过程 每过一个小时,快钟就比慢钟多走 $4$ 分钟。从校准时刻到"这个时候",快钟比慢钟多走了 $1$ 小时(即 $60$ 分钟),即经过了 $60\div 4=15$ 小时。而每小时标准钟会比快钟少走 $1$ 分钟,因此此时标准钟比快钟少走 $15$ 分钟,标准时间是 $8$ 点 $45$ 分。
方法:用快慢钟每小时的差求出经过的小时数,再据快钟与标准时间的差推标准时间。
拓展篇
1. 有一片牧场,草每天都在均匀地生长。如果在牧场上放养 $18$ 头牛,那么 $10$ 天能把草吃完;如果放养 $24$ 头牛,$7$ 天把草吃完。请问:(1)放养 $32$ 头牛,多少天可吃完?(2)要放养多少头牛,才能恰好 $14$ 天吃完?
★★
牛吃草问题 原有量与生长量 净消耗 牛吃草综合
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答案 (1)$5$ 天;(2)$14$ 头。
解题过程 设一头牛一天吃的草量为 $1$ 份。$18$ 头牛吃 $10$ 天共 $18\times 10=180$ 份,$24$ 头牛吃 $7$ 天共 $24\times 7=168$ 份,相差 $180-168=12$ 份是 $10-7=3$ 天的生长量,所以每天生长 $12\div 3=4$ 份,原有草量为 $180-4\times 10=140$ 份。(1)放养 $32$ 头牛,每天比生长量多吃 $32-4=28$ 份,因此 $140\div(32-4)=5$ 天吃完。(2)$14$ 天吃完,需吃掉原有草和 $14$ 天的生长量,共 $140+4\times 14=196$ 份,因此 $196\div 14=14$ 头牛。
方法:先求每天生长量与原有量,再分别求给定头数的天数与给定天数的头数。
2. 一片匀速生长的草地,如果有 $15$ 头牛吃草,那么 $8$ 天可以把草全部吃完;如果起初这 $15$ 头牛在草地上吃了 $2$ 天后,又来了 $2$ 头牛,则总共 $7$ 天就可以把草吃完。如果起初这 $15$ 头牛吃了 $2$ 天后,又来了 $5$ 头牛,再过多少天可以把草吃完?
★★
牛吃草问题 中途增减牛只 分段处理 中途变牛数的牛吃草
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答案 $4$ 天。
解题过程 设一头牛一天吃的草量为 $1$ 份。如果 $15$ 头牛 $8$ 天吃完,一共吃了 $15\times 8=120$ 份。如果 $15$ 头牛先吃 $2$ 天,来 $2$ 头牛后再吃 $5$ 天,一共吃了 $15\times 2+(15+2)\times 5=115$ 份草。对比两个条件,第一次比第二次多吃了 $120-115=5$ 份草,而第一次比第二次草多长了 $8-7=1$ 天,因此草每天生长了 $5\div 1=5$ 份,原有草的总量为 $120-5\times 8=80$ 份。现在有 $15$ 头牛,让其中的 $5$ 头牛专吃新长出的草,这么吃了 $2$ 天后,草地还剩下 $80-(15-5)\times 2=60$ 份,又来了 $5$ 头后,还可以再吃 $60\div(20-5)=4$ 天。
方法:分阶段统计吃草量,利用两种方案之差求生长量与原有量,再处理增牛后的剩余天数。
3. 进入冬季后,有一片牧场上的草开始枯萎,因此草会均匀地减少。现在开始在这片牧场上放羊,如果有 $38$ 只羊,把草吃完需要 $25$ 天;如果有 $30$ 只羊,把草吃完需要 $30$ 天。如果有 $20$ 只羊,这片牧场可以吃多少天?
★★
牛吃草问题(草量减少) 原有量与减少量 差量法 草量减少型牛吃草
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答案 $40$ 天。
解题过程 设一只羊一天吃的草量为 $1$ 份。可以供 $38$ 只羊吃 $25$ 天,则吃草总量为 $38\times 25=950$ 份;可以供 $30$ 只羊吃 $30$ 天,则吃草总量为 $30\times 30=900$ 份。如图,对比两次吃草的总量,发现 $5$ 天草减少的量为 $950-900=50$ 份,因此草每天减少的量为 $50\div 5=10$ 份,原有草的总量为 $950+10\times 25=1200$ 份。现在有 $20$ 只羊,那么每天草地除了被羊吃掉 $20$ 份草以外,还会自己减少 $10$ 份草,因此这片牧场可以吃 $1200\div(20+10)=40$ 天。
方法:草枯萎相当于负生长,把每天减少量并入消耗,再用原有量除以总消耗速度求天数。
4. 一个露天水池底部有若干根同样大小的进水管。这天蓄水时刚好赶上下雨,每分钟进入水池的雨水也都一样多。如果开 $24$ 根进水管,$5$ 分钟能注满;如果开 $12$ 根进水管,$8$ 分钟能注满。那么如果开 $8$ 根进水管,多少分钟能将水池注满?
★★
牛吃草问题(注水模型) 雨水相当于均匀生长 差量法 进水管与雨水(注水型牛吃草)
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答案 $10$ 分钟。
解题过程 设每根进水管每分钟的进水量为 $1$ 份。$24$ 根进水管 $5$ 分钟的总进水量为 $24\times 5=120$ 份,$12$ 根进水管 $8$ 分钟的总进水量为 $12\times 8=96$ 份。第二次比第一次多用了 $8-5=3$ 分钟,却少进了 $120-96=24$ 份,这是因为每分钟雨水进水量为 $24\div 3=8$ 份,于是水池的容量为 $120+8\times 5=160$ 份。现在打开 $8$ 根进水管,那么每分钟注入水池的除了这些进水管之外还有雨水,因此注满水池需要 $160\div(8+8)=10$ 分钟。
方法:把雨水看作均匀生长量,水池容量看作原有量,用注水问题套牛吃草模型。
5. 把一片匀速生长的大草场分成三块,面积分别为 $5$ 公顷、$15$ 公顷和 $24$ 公顷。如果第一块草地可以供 $10$ 头牛吃 $30$ 天,第二块草地可以供 $28$ 头牛吃 $45$ 天,那么第三块草地可以供多少头牛吃 $80$ 天?
★★
牛吃草问题 按面积成比例 原有量与生长量 多块草地按面积比例的牛吃草
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答案 $42$ 头。
解题过程 设 $1$ 头牛每天吃 $1$ 份草。因为第一块 $5$ 公顷的草地可以供 $10$ 头牛吃 $30$ 天,所以 $15$ 公顷的草地可以供 $30$ 头牛吃 $30$ 天,此时总吃草量为 $30\times 30=900$ 份。又由已知条件,第二块草地 $15$ 公顷可以供 $28$ 头牛吃 $45$ 天,这时总吃草量为 $28\times 45=1260$ 份。因此 $15$ 公顷的草地上草的生长速度为每天 $(1260-900)\div(45-30)=24$ 份,$15$ 公顷草地原有草的总量为 $900-24\times 30=180$ 份。那么 $15$ 公顷草地能供 $180\div 80+24=26\frac{1}{4}$ 头牛吃 $80$ 天。因为整片草地是均匀的,所以 $24$ 公顷草地可以供 $26\frac{1}{4}\times\frac{24}{15}=42$ 头牛吃 $80$ 天。
方法:把每块草的原有量、生长量都换算成每公顷的量,再据面积比例求第三块的可放养头数。
6. 一个时钟现在显示的时间是 $3$ 点整,请问:(1)多少分钟后,时针与分针第一次重合?(2)再经过多少分钟后,时针与分针第一次张开成一条直线?
★★
钟表问题 指针重合 指针成直线 重合与成直线
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答案 (1)$16\frac{4}{11}$ 分钟;(2)$32\frac{8}{11}$ 分钟。
解题过程 (1)$3$ 点整时分针落后时针 $15$ 格,第一次重合时的追及路程为 $15$ 格。分针速度为 $1$ 格/分,时针速度为 $\frac{1}{12}$ 格/分,因此追及时间为 $15\div\left(1-\frac{1}{12}\right)=16\frac{4}{11}$ 分钟,即 $16\frac{4}{11}$ 分钟后分针和时针第一次重合。(2)第一次重合时,分针与时针在同一个点,而当分针与时针张成一条线时,可以看成分针超过时针半圈,即超过时针 $30$ 格。因此时间为 $30\div\left(1-\frac{1}{12}\right)=32\frac{8}{11}$ 分钟,即再过 $32\frac{8}{11}$ 分钟后,分针和时针第一次张成一条直线。
方法:重合看作追及 $15$ 格;从重合到成直线再追及 $30$ 格。
7. 在 $9$ 点 $23$ 分时,时针和分针的夹角是多少度?从这一时刻开始,经过多少分钟,时针和分针第一次重直(垂直)?
★★
钟表问题 夹角计算 指针垂直 追及问题 求夹角与成直角
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答案 夹角为 $143.5^\circ$;再经过 $9\frac{8}{11}$ 分钟时针和分针第一次垂直。
解题过程 $9$ 点时,分针落后时针 $45$ 格,那么在 $9$ 点到 $9$ 点 $23$ 分这段时间内,分针走了 $23$ 格,时针走了 $\frac{1}{12}\times 23=\frac{23}{12}$ 格,所以此时分针落后时针 $45-23+\frac{23}{12}=23\frac{11}{12}$ 格,化为角度即 $23\frac{11}{12}\times 6^\circ=143.5^\circ$。要计算的是从 $9$ 点 $23$ 分开始到时针与分针第一次垂直的过程。$9$ 点 $23$ 分时,分针落后时针 $23\frac{11}{12}$ 格,到两针第一次垂直时,分针落后时针 $15$ 格,所以分针第一次垂直的追及路程等于 $23\frac{11}{12}-15=8\frac{11}{12}$ 格。分针速度为 $1$ 格/分,时针速度为 $\frac{1}{12}$ 格/分,因此追及时间为 $$\begin{aligned}8\frac{11}{12}\div\left(1-\frac{1}{12}\right)&=\frac{107}{12}\div\frac{11}{12}\\&=9\frac{8}{11}\end{aligned}$$ 分钟,即从 $9$ 点 $23$ 分开始经过 $9\frac{8}{11}$ 分钟后,时针和分针第一次垂直。
方法:先算出该时刻两针落后格数换算成角度,再用追及法求到垂直(落后 $15$ 格)的时间。
8. 小高晚上去超市买东西,到的时候是 $7$ 点 $24$ 分,到了出来的时候仍然是 $7$ 点多,且分针和时针所夹的角度与到超市时相同。请问:小高出来的时候是 $7$ 点几分?买东西一共花了多少分钟?
★★
钟表问题 夹角相同 追及问题 夹角相同求时间
显示答案 / 解析
答案 $7$ 点 $52\frac{4}{11}$ 分;买东西花了 $28\frac{4}{11}$ 分钟。
解题过程 $7$ 点时分针落后时针 $35$ 格,$24$ 分钟后分针落后时针 $35-\left(1-\frac{1}{12}\right)\times 24=13$ 格。因此,买完出来时分针和时针的距离也等于 $13$ 格,即分针超过时针 $13$ 格。以 $7$ 点 $24$ 分作为出发点,出来的时刻作为结束点,分针从落后 $13$ 格到超过 $13$ 格,整个过程中的追及路程为 $26$ 格,因此追及时间为 $$\begin{aligned}26\div\left(1-\frac{1}{12}\right)&=26\times\frac{12}{11}\\&=\frac{312}{11}\\&=28\frac{4}{11}\end{aligned}$$ 分钟,那么小高出来的时间为 $7$ 点再过 $24+28\frac{4}{11}=52\frac{4}{11}$ 分,即 $7$ 点 $52\frac{4}{11}$ 分,买东西一共花了 $28\frac{4}{11}$ 分钟。
方法:进、出夹角相同即分针由落后某格变为超前同样格数,追及路程为两倍格数。
9. 图 $18\text{-}1$ 中是一个特殊的钟,分针每 $80$ 分钟走一圈,分针走 $8$ 圈时针就走一圈。从分针与时针重合开始,到分针与时针第三次成直角需要多少分钟?
★★
钟表问题(特殊钟) 成直角的追及路程 单位"1"与速度 特殊钟成直角
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答案 $114\frac{2}{7}$ 分钟。
解题过程 根据题目条件,分针每 $80$ 分钟走一圈,利用单位"$1$",分针速度为 $1\div 80=\frac{1}{80}$ 圈/分。分针走 $8$ 圈时针走一圈,也就是时针一圈需要 $80\times 8=640$ 分钟,时针速度为 $1\div 640=\frac{1}{640}$ 圈/分。分针与时针成直角,也就是分针与时针相差 $\frac{1}{4}$ 圈。容易看出第一次成直角时,分针超过时针 $\frac{1}{4}$ 圈;第二次成直角时分针超过时针 $\frac{3}{4}$ 圈。因此第三次成直角时,就是分针追上时针后再次超过 $\frac{1}{4}$ 圈,即超过时针 $1\frac{1}{4}$ 圈。于是追及时间为 $$\begin{aligned}1\frac{1}{4}\div\left(\frac{1}{80}-\frac{1}{640}\right)&=\frac{5}{4}\div\frac{7}{640}\\&=114\frac{2}{7}\end{aligned}$$ 分钟,即分针与时针第三次成直角需要 $114\frac{2}{7}$ 分钟。
方法:用圈数表示速度,第三次成直角即分针超过时针 $1\frac14$ 圈,用追及法求时间。
10. 小明上了一节课,时间不到 $1$ 小时,他发现下课时与上课时手表上时针与分针的位置刚好对调,请问:这一堂课上了多少分钟?
★★
钟表问题 时针分针位置对调 相遇(路程和)问题 两针位置对调
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答案 $55\frac{5}{13}$ 分钟。
解题过程 在一堂课的过程中,在钟表上时针走过的距离和分针走过的距离的和正好等于一圈,$60$ 格(位置对调相当于两针走过的路程和恰为一圈)。分针速度为 $1$ 格/分,时针速度为 $\frac{1}{12}$ 格/分,因此每分钟时针分针走过的距离总和为 $1+\frac{1}{12}=\frac{13}{12}$ 格,于是这堂课的长度为 $$\begin{aligned}60\div\frac{13}{12}&=\frac{720}{13}\\&=55\frac{5}{13}\end{aligned}$$ 分钟。
方法:位置对调意味着两针走过的路程和为一圈 $60$ 格,用路程和除以速度和求时间。
11. 在早晨 $6$ 点到 $7$ 点之间有一个时刻,钟面上的数字"$5$"恰好在时针与分针的正中央,请问:这时是 $6$ 点几分?
★★
钟表问题 某刻度位于两针正中央 角平分线(虚拟针)法 某刻度位于两针正中
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答案 $6$ 点 $18\frac{6}{13}$ 分。
解题过程 假设有一根"虚拟针",它永远指向时针与分针的角平分线上,它从起点(数字 $5$ 处)出发后所走的速度是时针和分针速度的平均值,即 $\frac{1}{2}\times\left(1+\frac{1}{12}\right)=\frac{13}{24}$ 格/分。$6$ 点整时"虚拟针"指向数字"$5$",距离数字"$5$"有 $10$ 格。题目相当于从 $6$ 点起这根"虚拟针"再次指向"$5$"所指方向所用的时间,即 $10\div\frac{13}{24}=18\frac{6}{13}$ 分钟。因此这一时刻是 $6$ 点 $18\frac{6}{13}$ 分。
方法:用走时为两针平均速度的"虚拟针"指向角平分线方向,求其到达指定刻度的时间。
12. 卡莉娅的手表比家里的闹钟走得要快一些。这天中午 $12$ 点时,卡莉娅把手表和闹钟校准,但当闹钟走到下午 $1$ 点时,手表显示的时间是 $1$ 点 $5$ 分。请问:(1)当闹钟显示当天下午 $5$ 点的时候,手表显示的时间是几点几分?(2)当手表显示当天下午 $6$ 点半的时候,闹钟显示的时间是几点几分?
★★
钟表问题 走时不准的钟 比例换算 走快/走慢钟的换算
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答案 (1)$5$ 点 $25$ 分;(2)$6$ 点。
解题过程 手表的 $65$ 分钟相当于闹钟的 $60$ 分钟。(1)从中午 $12$ 点到闹钟显示当天下午 $5$ 点的时候,闹钟走过了 $60\times 5=300$ 分,手表走了 $300\times\frac{65}{60}=325$ 分,即 $5$ 小时 $25$ 分钟,因此手表显示的时间是 $5$ 点 $25$ 分。(2)从中午 $12$ 点到手表显示当天下午 $6$ 点半的时候,手表走过了 $60\times 6+30=390$ 分,闹钟走了 $390\times\frac{60}{65}=360$ 分,即 $6$ 小时。因此此时闹钟显示的时间是 $6$ 点。
方法:手表 $65$ 分对应闹钟 $60$ 分,按比例在两钟走时间之间换算。
13. (1)卡莉娅的闹钟比标准时间每小时快 $3$ 分钟。一天晚上 $11$ 点,卡莉娅把钟校准,并把闹铃定在第二天早上 $6$ 点。试问:当闹铃响起时,标准时间是几点几分?(2)墨莫的手表比标准时间每小时慢 $4$ 分钟。一天早上 $8$ 点,墨莫将表校准。试问:当这只表指向下午 $3$ 点的时候,标准时间是几点几分?
★★
钟表问题 走时不准的钟 比例换算 走快/走慢钟的换算
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答案 (1)早晨 $5$ 点 $40$ 分;(2)下午 $3$ 点 $30$ 分。
解题过程 (1)标准时间 $60$ 分钟等于卡莉娅闹钟的 $63$ 分钟。闹钟从晚上 $11$ 点到第二天早晨 $6$ 点走过了闹钟的 $7\times 60=420$ 分钟,这段时间内标准时间走过 $420\times\frac{60}{63}=400$ 分钟,从晚上 $11$ 点经过 $400$ 分钟即早晨 $5$ 点 $40$ 分。因此当闹铃响起时,标准时间是早晨 $5$ 点 $40$ 分。(2)标准时间的 $60$ 分钟等于墨莫的手表的 $56$ 分钟。手表从早上 $8$ 点到下午 $3$ 点走过了手表的 $7\times 60=420$ 分钟,这段时间内标准时间走过 $420\times\frac{60}{56}=450$ 分钟,$450$ 分钟等于 $7$ 时 $30$ 分,从早上 $8$ 点过 $7$ 时 $30$ 分即下午 $3$ 点 $30$ 分。因此当手表指向下午 $3$ 点的时候,标准时间是下午 $3$ 点 $30$ 分。
方法:用不准钟与标准时间每小时的差求出对应分钟数比例,再换算时间。
14. 如图 $18\text{-}2$ 所示,某科学家设计了一只怪钟。这只怪钟每昼夜 $10$ 小时,每小时 $100$ 分钟。当这只钟显示 $5$ 点时,实际上是中午 $12$ 点。问:当这只钟第一次显示 $6$ 点 $75$ 分时,实际上是什么时间?
★★
钟表问题(怪钟) 单位换算 比例 怪钟换算
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答案 下午 $4$ 点 $12$ 分。
解题过程 这只怪钟从显示 $5$ 点到显示 $6$ 点 $75$ 分,经过了怪钟的 $1$ 小时 $75$ 分钟,也就是怪钟的 $1\frac{3}{4}$ 小时。怪钟一昼夜 $10$ 小时对应标准时间一昼夜 $24$ 小时,那么可以求出这个时间相当于标准时间的 $1\frac{3}{4}\div 10\times 24=4\frac{1}{5}$ 小时。$4\frac{1}{5}$ 小时等于 $4$ 小时 $12$ 分,所以这只钟显示 $6$ 点 $75$ 分时,实际上是下午 $4$ 点 $12$ 分。
方法:怪钟 $10$ 小时对应标准 $24$ 小时,把怪钟走过的时间按比例换算成标准时间。
超越篇
1. 第一、二、三号牧场的面积依次为 $3$ 公顷、$5$ 公顷、$7$ 公顷,三个牧场上的草长得一样密,且生长得一样快。有两群牛,第一群牛 $2$ 天将一号牧场的草吃完,又用 $5$ 天将二号牧场的草吃完。在这 $7$ 天里,第二群牛刚好将三号牧场的草吃完。如果第一群牛有 $15$ 头,那么第二群牛有多少头?
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牛吃草问题(多块草地) 按面积成比例 原有量与生长量 多块草地两群牛
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答案 $15$ 头。
解题过程 设一头牛一天吃的草量为 $1$ 份。依题意,第一片牧场 $3$ 公顷草地可供 $15$ 头牛吃 $2$ 天,因此 $1$ 公顷的草地可供 $5$ 头牛吃 $2$ 天,那么 $5$ 公顷的草地可供 $25$ 头牛吃 $2$ 天,共吃了 $25\times 2=50$ 份,这 $50$ 份中包括原有的草和 $2$ 天生长的草。另一方面,由题目条件,第二片牧场 $5$ 公顷草地生长 $2$ 天后可供 $15$ 头牛吃 $5$ 天,共吃了 $15\times 5=75$ 份,这 $75$ 份中包括原有的草和 $7$ 天生长的草。因此 $5$ 公顷草地上草的生长速度为每天 $(75-50)\div(7-2)=5$ 份,$5$ 公顷草地上原有草总量为 $50-5\times 2=40$ 份。于是第三片牧场上草的生长速度为每天 $5\div 5\times 7=7$ 份,原有草总量为 $40\div 5\times 7=56$ 份。那么要 $7$ 天把第三片草地吃完,共需要吃 $56+7\times 7=105$ 份草。因此第二群牛共有 $105\div 7=15$ 头。
方法:用每公顷的原有量与生长量统一各块草地,再按各群牛吃草的天数与总量求头数。
2. 钟面上会出现时针与分针重合的情况,也会出现时针与分针关于钟面南北(左右)对称的情况,请问:(1)距 $5$ 点最近的"时针与分针重合"的时刻是几点几分?(2)距 $5$ 点最近的"时针与分针左右对称"的时刻是几点几分?
★★★★
钟表问题 指针重合 指针左右对称 角平分线(虚拟针)法 重合与对称
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答案 (1)$5$ 点 $27\frac{3}{11}$ 分;(2)$4$ 点 $36\frac{12}{13}$ 分。
解题过程 (1)$5$ 点的时候,时针在分针前领先 $25$ 格,分针要追上 $25$ 格需要 $25\div\left(1-\frac{1}{12}\right)=27\frac{3}{11}$ 分,重合时是 $5$ 点 $27\frac{3}{11}$ 分。(2)假设有一根"虚拟针",它永远在时针与分针的角平分线上,则它的速度是时针和分针速度的平均值 $\frac{1}{2}\left(1+\frac{1}{12}\right)=\frac{13}{24}$ 格/分。当"虚拟针"指到 $6$ 点最近的位置时,时针与分针左右对称。$5$ 点时"虚拟针"指向 $6$ 点左右对称的方向,到 $5$ 点对称的时刻为 $5$ 点之前的 $12.5\div\frac{13}{24}=23\frac{1}{13}$ 分,即 $4$ 点 $36\frac{12}{13}$ 分。
方法:重合用追及法;左右对称借助走两针平均速度的"虚拟针"指向对称轴求时刻。
3. 现在的时间在 $10$ 点到 $11$ 点之间,如果在 $6$ 分钟后表的分针的位置恰好与 $3$ 分钟前时针的位置方向相反,那么现在的时间是几点几分?
★★★★
钟表问题 指针方向相反(成直线) 追及问题 时间平移与方向相反
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答案 $10$ 点 $15$ 分。
解题过程 根据题目条件,$6$ 分钟后的分针超过 $3$ 分钟前的分针 $6+3=9$ 格,又因为方向相反,所以 $3$ 分钟前的分针超过 $3$ 分钟前的时针 $21$ 格。考察从 $10$ 点开始到 $3$ 分钟前的分针时针的追及过程:$10$ 点时分针超过时针 $10$ 格,$3$ 分钟前分针超过时针 $21$ 格,因此追及路程等于 $21-10=11$ 格,追及时间为 $11\div\left(1-\frac{1}{12}\right)=12$ 分钟。于是 $3$ 分钟前的时刻是 $10$ 点 $12$ 分,那么现在的时刻是 $10$ 点 $15$ 分。
方法:把'6 分钟后分针与 3 分钟前时针方向相反'转化为 3 分钟前两针的格数关系,再追及求时刻。
4. 某工厂的一只不准的时钟需要 $69$ 分钟(标准时间)时针与分针才能重合一次。工人每天的正常工作时间是 $8$ 小时,在此期间内,每工作一小时付给工资 $4$ 元,如果超出规定时间就算加班,加班每小时付给工资 $6$ 元。如果一个工人照此钟工作 $8$ 小时,他实际上应得到工资多少元?
★★★★
钟表问题 走时不准的钟 比例换算与工资计算 不准钟与工资
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答案 $34\frac{3}{5}$ 元。
解题过程 按不准时间计算,不准钟时针分针重合一次的时间为 $$\begin{aligned}60\div\left(1-\frac{1}{12}\right)&=\frac{720}{11}\\&=65\frac{5}{11}\end{aligned}$$ 分钟。因此这面不准钟的 $65\frac{5}{11}$ 分钟相当于标准时间的 $69$ 分钟。那么这面钟的 $8$ 个小时相当于标准时间的 $$\begin{aligned}8\div 65\frac{5}{11}\times 69&=\frac{253}{30}\\&=8\frac{13}{30}\end{aligned}$$ 小时。这个工人加班时间为 $8\frac{13}{30}-8=\frac{13}{30}$ 小时,所以前 $8$ 个小时的工资为 $4\times 8=32$ 元,后 $\frac{13}{30}$ 小时的工资为 $6\times\frac{13}{30}=2\frac{3}{5}$ 元。所以总应得工资为 $32+2\frac{3}{5}=34\frac{3}{5}$ 元。
方法:先求不准钟重合一次的真实分钟数与标准 69 分钟的对应,再换算 8 小时对应的标准时间,分段计工资。
5. 有两面旧钟,分别对它们进行观测,发现一面钟的分针与时针重合一次用 $64$ 分钟,另一面钟的分针与时针重合一次用 $66$ 分钟,现在把两面钟都在标准时间 $0{:}00$ 校准。试问:当它们再次出现在钟面上同一位置,且分针与时针重合(不一定都指向 $12$ 点),是几天几小时几分钟之后?
★★★★★★
钟表问题 最小公倍数 周期与重合次数 两钟同位置重合
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答案 $16$ 天 $3$ 小时 $12$ 分钟。
解题过程 因为 $[64,66]=2112$(最小公倍数),所以每经过 $2112$ 分钟,两面钟的时针分针会同时重合。每过 $2112$ 分钟,第一面钟重合了 $2112\div 64=33$ 次,第二面钟重合了 $2112\div 66=32$ 次。注意到每面钟中午 $12$ 点时针分针都重合,它们的重合次数应该相差 $11$ 的倍数。每过 $2112$ 分钟两面钟重合次数相差 $1$ 次,因此要使它们第 $11$ 次在同一位置重合(即同时回到相同位置且两针重合),需经历的时间为 $2112\times 11$ 分钟 $=387\times 60$ 分钟 $=16$ 天 $3$ 小时 $12$ 分钟。
方法:求两钟重合周期的最小公倍数,再据重合次数相差 11 的倍数确定再次同位置重合的时间。
6. 王老师有一只手表和一个闹钟,他发现闹钟每走一个小时,他的手表会多走 $30$ 秒,但闹钟却比标准时间每小时慢 $30$ 秒。在今天中午 $12$ 点王老师把手表和标准时间校准,那么明天中午 $12$ 点时,王老师的手表显示的时间是几点几分几秒?
★★★★
钟表问题 走时不准的钟 速度比连乘 多重不准钟比例
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答案 $11$ 点 $59$ 分 $54$ 秒。
解题过程 手表与闹钟的速度比是 $\frac{3600+30}{3600}=1+\frac{1}{120}$,闹钟与标准时间的速度比是 $\frac{3600-30}{3600}=1-\frac{1}{120}$。所以手表与标准时间的速度比是 $\left(1+\frac{1}{120}\right)\times\left(1-\frac{1}{120}\right)=1-\frac{1}{120^2}$,即手表比标准时间慢 $\frac{1}{120^2}$。当标准时间走过一天即一整天的时候,手表会慢了 $\frac{24\times 3600}{120^2}=6$ 秒,因此王老师手表显示的时间是 $11$ 点 $59$ 分 $54$ 秒。
方法:把手表对闹钟、闹钟对标准时间的速度比相乘,得到手表对标准时间的速度比,再求一天后的误差。
7. 如图 $18\text{-}3$ 所示,一块正方形草地被分为完全相同的四块以及中间的阴影部分。已知草一开始是均匀分布,且以恒定的速度均匀生长。但如果某块地上的草被吃光,就不再生长(因为草根也被吃掉了)。老农先带着一群牛在 $1$ 号草地上吃草,两天后把 $1$ 号全部吃完(这期间其他草地的草正常生长)。之后他让一半牛在 $2$ 号草地上吃草,另一半在 $3$ 号草地上吃草,结果又过了 $6$ 天,这两个草地上的草也全部吃完。最后,老农把 $\frac{3}{5}$ 的牛放在阴影草地上吃草,而剩下的牛放在 $4$ 号草地上,最后发现两块草地上的草同时吃完。如果一开始就让这群牛在整块草地上吃草,那么吃完这些草需要多少天?
★★★★★★
牛吃草问题(图形分块) 面积比例 原有量与生长量 图形分块牛吃草
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答案 $110$ 天。
解题过程 设这群牛有 $n$ 头,每头牛每天吃 $1$ 份草。一块长方形草地($1$ 号)可供 $n$ 头牛吃 $2$ 天,则原草量 $+2$ 天长草量 $=2n$。一块长方形草地($2$ 号和 $3$ 号)生长 $2$ 天后可供 $\frac{n}{2}$ 头牛吃 $6$ 天,则原草量 $+8$ 天长草量 $=\frac{n}{2}\times 6=3n$。因此一块长方形草地的每天长草量是 $(3n-2n)\div(8-2)=\frac{1}{6}n$,原草量是 $2n-\frac{1}{6}n\times 2=\frac{5}{3}n$。根据"老农把 $\frac{3}{5}$ 的牛放在阴影草地上吃草,而剩下的牛放在 $4$ 号草地上,最后发现两块草地上的草同时吃完"可知阴影部分的面积是长方形草地面积的 $\frac{3}{5}\div\left(1-\frac{3}{5}\right)=\frac{3}{2}$ 倍。整块草地的面积是一块长方形草地的 $1+1+1+1+\frac{3}{2}=\frac{11}{2}$ 倍,整块草地的原草量是 $\frac{5}{3}n\times\frac{11}{2}=\frac{55}{6}n$,每天长草量是 $\frac{1}{6}n\times\frac{11}{2}=\frac{11}{12}n$,这块草地可供 $n$ 头牛吃 $\frac{55}{6}n\div\left(n-\frac{11}{12}n\right)=110$ 天。
方法:以一块长方形草地为单位求出原草量与每天生长量,再用面积比例求整块草地的量,最后求天数。
8. 有一只表没有秒针,而且时针和分针无法辨别。在多数情况下可根据两针所指的位置判断出正确的时间,但有时也会出现两种可能,使你判断不出正确的时间。请问:从中午 $12$ 时到夜里 $12$ 时这段时间会遇到多少次无法判断的情况?
★★★★★★
钟表问题 时针分针互换 重合次数与周期 两针互换无法判断
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答案 $132$ 次。
解题过程 如果有某个时刻,将时针和分针互换后,所表示的时间也是有意义的,这时时刻就有可能无法判断。想象钟面上有两组指针,现在都指向 $12$ 点,把第一组的时针和第二组的分针绑在一起,那么它的分针以正常速度 $12$ 倍速度转动;把第一组的分针和第二组的时针绑在一起,它的时针以正常的 $\frac{1}{12}$ 速度的 $12\times 12=144$ 倍速度转动。当第二组的分针转回时针与第一组分针重合的时刻,就是我们要求的时刻。从中午 $12$ 时到夜里 $12$ 时,第一组的时针转了 $1$ 圈,第二组的分针转了 $144$ 圈,在这个过程中共重合了 $144$ 次(包括中午 $12$ 时和晚上 $12$ 时)。其中有 $12$ 个时刻是时针和分针重合的时候,此时虽然将时针和分针互换后所表示的时间还是有意义的,但还是能判断时刻是有意义的(不会产生两种可能)。因此无法判断的情况共有 $144-12=132$ 次。
方法:把'互换两针仍有意义'转化为两组指针重合问题,重合 144 次中去掉本身两针重合的 12 次。
第19讲 直线形计算三
兴趣篇
1. 如图 19-1,在三角形 $ABC$ 中,$AD$ 的长度是 $AB$ 的 $\frac{3}{4}$,$AE$ 的长度是 $AC$ 的 $\frac{2}{3}$。请问:三角形 $AED$ 的面积是三角形 $ABC$ 面积的几分之几?
★★
鸟头模型 三角形面积比 共角三角形面积比
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答案 $\frac{1}{2}$。
解题过程 由于 $AD:AB=\frac{3}{4}$,$AE:AC=\frac{2}{3}$,根据鸟头模型,$S_{\triangle AED}:S_{\triangle ABC}=\frac{3}{4}\times\frac{2}{3}=\frac{1}{2}$。
方法:运用鸟头模型:共角三角形的面积比等于夹角两边乘积之比。
2. 如图 19-2,在三角形 $ABC$ 中,$BC=3CD$,$AC=3AE$,那么三角形 $ABC$ 的面积是三角形 $CDE$ 的多少倍?
★★
鸟头模型 三角形面积比 共角三角形面积比
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答案 $4.5$ 倍。
解题过程 $BC:CD=3$,$AC:EC=\frac{3}{2}$,根据鸟头模型,$S_{\triangle ABC}:S_{\triangle CDE}=3\times\frac{3}{2}=4.5$。
方法:利用鸟头模型计算共角三角形面积比。
3. 如图 19-3,某公园的外轮廓是四边形 $ABCD$,被对角线 $AC$、$BD$ 分成 4 个部分。三角形 $AOB$ 的面积是 3 平方千米,三角形 $BOC$ 的面积是 2 平方千米,三角形 $COD$ 的面积是 1 平方千米。如果公园由大小为 6.9 平方千米的陆地和一块人工湖组成,那么人工湖的面积是多少平方千米?
★★
蝴蝶模型 四边形对角线分割面积 四边形蝴蝶模型
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答案 $0.6$ 平方千米。
解题过程 根据蝴蝶模型,$S_{\triangle AOB}\times S_{\triangle COD}=S_{\triangle BOC}\times S_{\triangle AOD}$,从而 $$\begin{aligned}S_{\triangle AOD}&=\frac{S_{\triangle AOB}\times S_{\triangle COD}}{S_{\triangle BOC}}\\&=\frac{3\times 1}{2}\\&=1.5\end{aligned}$$,因此整个公园的面积是 $3+2+1+1.5=7.5$ 平方千米。其中陆地面积是 6.9 平方千米,所以人工湖的面积是 $7.5-6.9=0.6$ 平方千米。
方法:运用任意四边形蝴蝶模型,由三块面积求出第四块,再作差。
4. 如图 19-4,在梯形 $ABCD$ 中,$AD$ 长 9 厘米,$BC$ 长 15 厘米,$BD$ 长 12 厘米,那么 $OD$ 长多少厘米?
★★
沙漏模型 平行线分线段成比例 梯形对角线分比
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答案 $4.5$ 厘米。
解题过程 根据沙漏模型,$DO:BO=AD:BC=9:15=3:5$,又知 $DO+BO=BD=12$(厘米),因此 $$\begin{aligned}DO&=12\times\frac{3}{3+5}\\&=4.5\end{aligned}$$(厘米)。
方法:梯形对角线交点处构成沙漏,按上下底之比分配对角线长度。
5. 如图 19-5,在梯形 $ABCD$ 中,三角形 $ABO$ 的面积是 6 平方厘米,且 $BC$ 的长是 $AD$ 的 2 倍。请问:梯形 $ABCD$ 的面积是多少平方厘米?
★★
梯形蝴蝶模型 梯形面积比例分割
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答案 $27$ 平方厘米。
解题过程 由于 $BC:AD=2$,根据梯形蝴蝶模型,$S_{\triangle AOD}:S_{\triangle AOB}:S_{\triangle DOC}:S_{\triangle BOC}=1:2:2:4$,又知 $S_{\triangle AOB}=6$(平方厘米),因此 $$\begin{aligned}S_{\text{梯形}ABCD}&=6\times\frac{1+2+2+4}{2}\\&=27\end{aligned}$$(平方厘米)。
方法:利用梯形蝴蝶模型四块面积之比 $1:k:k:k^2$,由一块推全梯形。
6. 如图 19-6,已知平行四边形 $ABCD$ 的面积为 72,$E$ 点是 $BC$ 上靠近 $B$ 点的三等分点,求图中阴影部分的面积。
★★★★
沙漏模型 一半模型 平行四边形面积 平行四边形中的沙漏与一半模型
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答案 $14.4$。
解题过程 三角形 $AOD$ 与三角形 $EOC$ 构成沙漏,$EO:DO=EC:AD=2:3$,因此 $EO:ED=\frac{2}{5}$。根据一半模型,$$\begin{aligned}S_{\triangle ADE}&=\frac{S_{\square ABCD}}{2}\\&=36\end{aligned}$$。因此 $$\begin{aligned}S_{\triangle AEO}&=S_{\triangle ADE}\times\frac{EO}{ED}\\&=36\times\frac{2}{5}\\&=14.4\end{aligned}$$。
方法:先用一半模型求 $\triangle ADE$ 面积,再用沙漏比例求阴影三角形。
7. 图 19-7 中的两个正方形的边长分别为 6 分米和 8 分米,求阴影部分的面积。
★★★★
相似三角形 组合正方形与对角线 三角形面积 双正方形拼接求阴影
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答案 $10\frac{2}{7}$ 平方分米。
解题过程 阴影部分是一个直角三角形,其中一条直角边的长度是 6 分米,另一条直角边的长度是 $8\times\frac{6}{6+8}=\frac{24}{7}$ 分米,面积是 $\frac{6\times\frac{24}{7}}{2}=10\frac{2}{7}$ 平方分米。
方法:利用对角线穿过两正方形所成的相似关系求出阴影三角形的另一直角边。
8. 如图 19-8,梯形 $ABCD$ 的对角线相互垂直。三角形 $AOB$ 的面积是 12,$OD$ 的长是 4,求 $OC$ 的长。
★★
梯形蝴蝶模型 对角线垂直 直角三角形面积 对角线垂直的梯形
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答案 $6$。
解题过程 在直角三角形 $COD$ 中,$CO=\frac{2S_{\triangle COD}}{OD}=6$。(由梯形蝴蝶模型,$S_{\triangle COD}=S_{\triangle AOB}=12$;又因对角线垂直,$\triangle COD$ 中 $OD$ 为底、$OC$ 为高。)
方法:由蝴蝶模型得 $\triangle COD$ 面积,再用面积公式反求直角边 $OC$。
9. 在图 19-9 中,正方形 $ABCD$ 的边长为 5 厘米,且三角形 $CEF$ 的面积比三角形 $ADF$ 的面积大 5 平方厘米,求 $CE$ 的长。
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等积变形 面积加减 正方形性质 面积差与共部分
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答案 $7$ 厘米。
解题过程 三角形 $ABE$ 与正方形 $ABCD$ 有公共部分 $ABCF$,除去公共部分后分别得到三角形 $CEF$ 与三角形 $ADF$,因此 $S_{\triangle ABE}-S_{\square ABCD}=S_{\triangle CEF}-S_{\triangle ADF}=5$(平方厘米)。又因 $S_{\square ABCD}=25$(平方厘米),故 $S_{\triangle ABE}=30$(平方厘米),$BE=\frac{2S_{\triangle ABE}}{AB}=12$(厘米),$CE=12-5=7$(厘米)。
方法:用“共部分相消”把面积差转化为整体面积差,再求底边长度。
10. 如图 19-10,请根据所给的条件,计算出大梯形的面积(长度单位:厘米)。
★★★★
勾股定理 三角形等面积法求高 梯形面积 勾股定理与梯形面积
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答案 $60$ 平方厘米。
解题过程 直角三角形的面积是 $\frac{6\times 8}{2}=24$ 平方厘米,由勾股定理知斜边(即梯形上底)的长度是 10 厘米,直角三角形斜边上的高(亦即梯形的高)是 $\frac{24\times 2}{10}=4.8$ 厘米。因此梯形的面积是 $\frac{(10+15)\times 4.8}{2}=60$ 平方厘米。
方法:由两直角边求面积与斜边,再用面积法求斜边上的高(梯形高),最后求梯形面积。
拓展篇
1. 如图 19-11,$AC$ 的长度是 $AD$ 的 $\frac{4}{5}$,且三角形 $AED$ 的面积是三角形 $ABC$ 面积的一半。请问:$AE$ 是 $AB$ 的几分之几?
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三角形面积比与底之比 比例传递 三角形面积比求线段比
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答案 $\frac{2}{5}$。
解题过程 因为 $AC:AD=\frac{4}{5}$,所以 $S_{\triangle ABC}:S_{\triangle ABD}=\frac{4}{5}$。又因为 $S_{\triangle ADE}:S_{\triangle ABC}=\frac{1}{2}$,所以 $$\begin{aligned}S_{\triangle ADE}:S_{\triangle ABD}&=\frac{4}{5}\times\frac{1}{2}\\&=\frac{2}{5}\end{aligned}$$,$AE:AB=\frac{2}{5}$。
方法:把待求比经由公共三角形 $ABD$ 转换,用同高三角形面积比等于底之比。
2. 如图 19-12,已知 $AE=\frac{1}{3}AC$,$CD=\frac{1}{4}BC$,$BF=\frac{1}{5}AB$,试求 $\frac{S_{\triangle DEF}}{S_{\triangle ABC}}$。
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鸟头模型 面积比相减 三个角割角求中间三角形
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答案 $\frac{5}{12}$。
解题过程 根据鸟头模型,$$\begin{aligned}\frac{S_{\triangle AEF}}{S_{\triangle ABC}}&=\frac{AE}{AC}\times\frac{AF}{AB}\\&=\frac{1}{3}\times\frac{4}{5}\\&=\frac{4}{15}\end{aligned}$$,同理 $$\begin{aligned}\frac{S_{\triangle BDF}}{S_{\triangle ABC}}&=\frac{1}{5}\times\frac{3}{4}\\&=\frac{3}{20}\end{aligned}$$,$$\begin{aligned}\frac{S_{\triangle CDE}}{S_{\triangle ABC}}&=\frac{1}{4}\times\frac{2}{3}\\&=\frac{1}{6}\end{aligned}$$。因此 $$\begin{aligned}\frac{S_{\triangle DEF}}{S_{\triangle ABC}}&=1-\frac{4}{15}-\frac{3}{20}-\frac{1}{6}\\&=\frac{5}{12}\end{aligned}$$。
方法:用鸟头模型分别求三个角上小三角形的面积比,再用整体减去。
3. 如图 19-13,深 20 厘米的长方形水箱装满水放在平台上。(1)如图 19-14,当水箱这样倾斜,水箱中水流出 $\frac{1}{5}$,这时 $AB$ 长多少厘米?(2)如图 19-15,当水箱这样倾斜到 $AB$ 的长度为 8 厘米后,再把水箱放平,如图 19-16,这时水箱中水的深度是多少厘米?
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体积(面积)守恒 三角形面积比 倾斜液面 水箱倾斜液面问题
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答案 (1)$12$ 厘米;(2)$14$ 厘米。
解题过程 (1)如图,设流出后留下的空白三角形 $MAC$ 的面积占整个长方形面积的 $\frac{1}{5}$,因此占三角形 $MBC$ 面积的 $\frac{2}{5}$,从而 $$\begin{aligned}AC&=\frac{2}{5}BC\\&=\frac{2}{5}\times 20\\&=8\end{aligned}$$(厘米),$AB=20-8=12$(厘米)。(2)此时 $AB=8$ 厘米,故 $$\begin{aligned}AC&=BC-AB\\&=20-8\\&=12\end{aligned}$$(厘米),因此 $$\begin{aligned}\frac{AC}{BC}&=\frac{12}{20}\\&=\frac{3}{5}\end{aligned}$$,从而 $$\begin{aligned}S_{\triangle MAC}&=\frac{3}{5}S_{\triangle MBC}\\&=\frac{3}{10}S_{\text{长方形}}\end{aligned}$$。当水箱放平后,空白部分依然占总长方形的 $\frac{3}{10}$,其高度是 $20\times\frac{3}{10}=6$ 厘米,因此水的深度是 $20-6=14$ 厘米。
方法:把水(空白)体积看成截面三角形面积,利用面积守恒与三角形面积比求倾斜与放平后的量。
4. 如图 19-17,已知长方形 $ADEF$ 的面积是 16,三角形 $ADB$ 的面积是 2,三角形 $ACF$ 的面积是 4。请问:三角形 $ABC$ 的面积是多少?
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长方形对角线分半 鸟头模型 面积比相减 长方形内割角求中间三角形
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答案 $7$。
解题过程 $S_{\triangle ADE}=S_{\triangle AFE}=S_{\triangle DFE}=8$。$\frac{DB}{DE}=\frac{S_{\triangle ADB}}{S_{\triangle ADE}}=\frac{1}{4}$,$$\begin{aligned}\frac{EB}{DE}&=1-\frac{1}{4}\\&=\frac{3}{4}\end{aligned}$$。$\frac{FC}{EF}=\frac{S_{\triangle AFC}}{S_{\triangle AEF}}=\frac{1}{2}$,$$\begin{aligned}\frac{EC}{EF}&=1-\frac{1}{2}\\&=\frac{1}{2}\end{aligned}$$。因此 $$\begin{aligned}\frac{S_{\triangle BEC}}{S_{\triangle DEF}}&=\frac{EB}{DE}\times\frac{EC}{EF}\\&=\frac{3}{4}\times\frac{1}{2}\\&=\frac{3}{8}\end{aligned}$$,$$\begin{aligned}S_{\triangle BEC}&=\frac{3}{8}S_{\triangle DEF}\\&=3\end{aligned}$$。故 $$\begin{aligned}S_{\triangle ABC}&=16-2-4-3\\&=7\end{aligned}$$。
方法:求出各小三角形与底边比,用鸟头模型求 $\triangle BEC$,再用长方形面积减去三角。
5. 如图 19-18,3 个相同的正方形拼在一起,每个正方形的边长为 6,求三角形 $ABC$ 的面积。
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相似三角形 三角形面积比 组合正方形 多正方形拼接求三角形面积
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答案 $12$。
解题过程 $S_{\triangle ACD}=S_{\triangle CDE}=\frac{6\times 6}{2}=18$。$DB:AB=CD:AE=1:2$,因此 $$\begin{aligned}\frac{AB}{AD}&=\frac{2}{1+2}\\&=\frac{2}{3}\end{aligned}$$。$$\begin{aligned}S_{\triangle ABC}&=\frac{2}{3}S_{\triangle ACD}\\&=12\end{aligned}$$。
方法:先求大三角形面积,再由平行造成的比例确定 $AB:AD$,按底之比求面积。
6. 图 19-19 中的四边形土地的总面积是 52 公顷,两条对角线把它分成了四个小三角形,其中两个小三角形的面积分别是 6 公顷和 7 公顷,求四个三角形中最大的一个的面积。
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蝴蝶模型 四边形对角线分割 按比例分配 四边形蝴蝶模型求面积
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答案 $21$ 公顷。
解题过程 未知的两个小三角形的面积之和为 $52-6-7=39$ 公顷,面积之比是 $6:7$,因此较大一块的面积是 $39\times\frac{7}{6+7}=21$ 公顷,这就是四个三角形中最大的。
方法:由蝴蝶模型,相对两块面积之积相等,故另两块之比等于已知两块之比,按比例分配总差。
7. 图 19-20 中四边形 $ABCD$ 的对角线 $AC$ 和 $BD$ 交于点 $O$,如果三角形 $ABD$ 的面积是 30 平方厘米,三角形 $ABC$ 的面积是 48 平方厘米,三角形 $BCD$ 的面积是 50 平方厘米。请问:三角形 $BOC$ 的面积是多少?
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同底三角形面积比 对角线交点分比 四边形对角线交点面积
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答案 $30$ 平方厘米。
解题过程 $$\begin{aligned}\frac{CO}{AO}&=\frac{S_{\triangle BCD}}{S_{\triangle ABD}}\\&=\frac{50}{30}\\&=\frac{5}{3}\end{aligned}$$,因此 $$\begin{aligned}\frac{CO}{CA}&=\frac{5}{5+3}\\&=\frac{5}{8}\end{aligned}$$,$$\begin{aligned}S_{\triangle BOC}&=\frac{5}{8}S_{\triangle ABC}\\&=\frac{5}{8}\times 48\\&=30\end{aligned}$$(平方厘米)。
方法:用共底三角形面积比求对角线被交点分成的比,再按比例求 $\triangle BOC$。
8. 如图 19-21,梯形 $ABCD$ 中,三角形 $ABE$ 的面积是 60 平方米,$AC$ 的长是 $AE$ 的 4 倍,梯形 $ABCD$ 的面积是多少平方米?
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梯形蝴蝶模型 面积比例
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答案 $320$ 平方米。
解题过程 因为 $AC=4AE$,所以 $CE=3AE$。根据梯形蝴蝶模型,组成该梯形的四个小三角形的面积之比是 $1:3:3:9$,又知 $S_{\triangle ABE}=60$(平方米),因此 $$\begin{aligned}S_{\text{梯形}ABCD}&=60\times\frac{1+3+3+9}{3}\\&=320\end{aligned}$$(平方米)。
方法:由 $AE:EC$ 确定梯形蝴蝶四块面积比,再由已知一块换算梯形面积。
9. 如图 19-22 所示,梯形 $ABCD$ 的面积是 36,下底长是上底长的 2 倍,阴影三角形的面积是多少?
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梯形蝴蝶模型 面积比例分配
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答案 $16$。
解题过程 由于下底长是上底长的 2 倍,因此组成该梯形的四个小三角形的面积之比是 $1:2:2:4$,阴影三角形(即下底所在的 $\triangle AOB$)的面积是 $36\times\frac{4}{1+2+2+4}=16$。
方法:梯形蝴蝶模型四块比为 $1:k:k:k^2$,按比例求阴影块占总面积。
10. 如图 19-23,边长为 8 厘米和 12 厘米的两个正方形并排放在一起,求图中阴影部分的面积。
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相似三角形 沙漏模型 三角形面积比 双正方形拼接求阴影
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答案 $45$ 平方厘米。
解题过程 $$\begin{aligned}S_{\triangle GEF}&=\frac{12\times 12}{2}\\&=72\end{aligned}$$(平方厘米),$$\begin{aligned}\frac{EO}{GO}&=\frac{BE}{GF}\\&=\frac{8+12}{12}\\&=\frac{5}{3}\end{aligned}$$,$$\begin{aligned}\frac{EO}{EG}&=\frac{5}{5+3}\\&=\frac{5}{8}\end{aligned}$$,因此 $$\begin{aligned}S_{\text{阴影}\triangle EOF}&=\frac{5}{8}S_{\triangle GEF}\\&=45\end{aligned}$$(平方厘米)。
方法:确定对角线交点 $O$ 的分比,把阴影三角形面积表示为大三角形的相应比例。
11. 如图 19-24,在正方形 $ABCD$ 中,$E$、$F$ 分别是 $BC$、$CD$ 的中点,已知正方形 $ABCD$ 的面积为 60 平方厘米,求阴影部分的面积。
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沙漏模型 对角线与中点 三角形面积比 正方形对角线与中点连线
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答案 $10$ 平方厘米。
解题过程 设 $AE$、$AF$ 与对角线 $BD$ 的交点分别为 $M$、$N$。$\frac{BM}{DM}=\frac{BE}{AD}=\frac{1}{2}$,因此 $BM=\frac{1}{3}BD$。同理 $DN=\frac{1}{3}BD$,因此 $MN=\frac{1}{3}BD$。$$\begin{aligned}S_{\triangle AMN}&=\frac{1}{3}S_{\triangle ABD}\\&=\frac{1}{3}\times\frac{60}{2}\\&=10\end{aligned}$$(平方厘米)。
方法:用沙漏比例求交点把对角线分成的比,确定 $MN$ 占 $BD$ 的比例,从而求阴影三角形面积。
12. 如图 19-25 所示,平行四边形 $ABCD$ 的边 $BC$ 长 10 厘米,直角三角形 $BCE$ 的直角边 $EC$ 长 8 厘米,已知两块阴影部分的面积和比三角形 $EFG$ 的面积大 10 平方厘米,求 $CF$ 的长。
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共部分相消 平行四边形面积 直角三角形面积 面积差转化与共部分
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答案 $5$ 厘米。
解题过程 $S_{\square ABCD}-S_{\triangle BCE}=S_{\text{阴影}}-S_{\triangle EFG}=10$(平方厘米)。又知 $$\begin{aligned}S_{\triangle BCE}&=\frac{10\times 8}{2}\\&=40\end{aligned}$$(平方厘米),因此 $$\begin{aligned}S_{\square ABCD}&=40+10\\&=50\end{aligned}$$(平方厘米)。$$\begin{aligned}CF&=\frac{S_{\square ABCD}}{BC}\\&=\frac{50}{10}\\&=5\end{aligned}$$(厘米)。
方法:把面积差通过共部分转化为整体差,求出平行四边形面积后再求高($CF$)。
13. 如图 19-26,已知 $D$ 是 $BC$ 的中点,$E$ 是 $AC$ 的中点。三角形 $ABC$ 由①至⑤这 5 部分组成,其中①的面积比④多 6 平方厘米。请问:三角形 $ABC$ 的面积是多少平方厘米?
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中位线 梯形蝴蝶模型 中线分面积 中点连线分割三角形面积
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答案 $24$ 平方厘米。
解题过程 $ABDE$ 是梯形,且 $AB=2DE$,因此①:②:③:④$=4:2:2:1$。由于①比④多 6 平方厘米,因此每一份代表的面积是 $6\div(4-1)=2$ 平方厘米。$S_{\triangle ABD}=$①$+$③$=(4+2)\times 2=12$(平方厘米),$S_{\triangle ABC}=2S_{\triangle ABD}=24$(平方厘米)。
方法:由中点得梯形 $ABDE$ 与上下底比 $2:1$,用蝴蝶模型设份数列方程求面积。
14. 根据图 19-27 中所给的条件,求梯形 $ABCD$ 的面积。
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勾股定理 作高构造直角三角形 梯形面积 勾股定理求梯形面积
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答案 $144$。
解题过程 如图所示,由勾股定理可以算得 $CM=\sqrt{15^2-12^2}=9$,$DN=\sqrt{13^2-12^2}=5$。因此 $CD=9+10=19$,$AB=MN=10-5=5$。$$\begin{aligned}S_{\text{梯形}ABCD}&=\frac{(AB+CD)\times BM}{2}\\&=\frac{(5+19)\times 12}{2}\\&=144\end{aligned}$$。
方法:作两条高把梯形分成两个直角三角形和一个矩形,用勾股定理求底边后算面积。
超越篇
1. 在图 19-28 中,$S_{\triangle OAB}=S_{\triangle ABC}=S_{\triangle BCD}=S_{\triangle CDE}=S_{\triangle DEF}=1$,请问:$S_{\triangle CDF}$ 是多少?
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同高三角形面积比 线段比与面积比 递推 共线点递推面积
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答案 $\frac{3}{4}$。
解题过程 $OD:DF=S_{\triangle ODE}:S_{\triangle DEF}=4:1$;$S_{\triangle CDF}:S_{\triangle OCD}=DF:OD=1:4$。而 $$\begin{aligned}S_{\triangle OCD}&=S_{\triangle OBC}+S_{\triangle BCD}\\&=\cdots\\&=3\end{aligned}$$,所以 $$\begin{aligned}S_{\triangle CDF}&=\frac{1}{4}S_{\triangle OCD}\\&=\frac{3}{4}\end{aligned}$$。
方法:逐段用同高(共底)三角形面积比把各点分线段的比传递,最后求目标三角形面积。
2. 如图 19-29,$ABCDEF$ 为正六边形。$G$、$H$、$I$、$J$、$K$、$L$ 分别为 $AB$、$BC$、$CD$、$DE$、$EF$、$FA$ 边上的三等分点,形成了正六边形 $GHIJKL$。请问:小正六边形占大正六边形面积的几分之几?
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正六边形分割 鸟头模型 面积比 正多边形截角求面积比
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答案 $\frac{7}{9}$。
解题过程 设正六边形 $ABCDEF$ 的面积为 $S$,则 $S_{\triangle ABC}=\frac{1}{6}S$。$BG=\frac{2}{3}BA$,$BH=\frac{1}{3}BC$,根据鸟头模型,$$\begin{aligned}S_{\triangle BGH}:S_{\triangle ABC}&=\frac{2}{3}\times\frac{1}{3}\\&=\frac{2}{9}\end{aligned}$$,因此 $$\begin{aligned}S_{\triangle BGH}&=\frac{2}{9}\times\frac{1}{6}S\\&=\frac{S}{27}\end{aligned}$$。小正六边形是大正六边形减去六个和 $\triangle BGH$ 一样的三角形得到的,面积为 $S-\frac{S}{27}\times 6=\frac{7}{9}S$,小正六边形占大正六边形面积的 $\frac{7}{9}$。
方法:用鸟头模型求一个角上被切去的小三角形面积比,乘以 6 后用整体减去。
3. 如图 19-30,等腰直角三角形 $ABC$ 的面积是 8,$AE=CF$,四边形 $BEOF$ 的面积比三角形 $AOC$ 的面积大 4,求 $AE$ 的长。
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共部分相消 等腰直角三角形 面积与底高关系 面积和差方程
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答案 $1$。
解题过程 等腰直角三角形 $ABC$ 的面积是 8,则其直角边 $AB=BC=4$。$S_{\triangle ABF}-S_{\triangle AEC}=S_{\text{四边形}BEOF}-S_{\triangle AOC}=4$,$S_{\triangle ABF}+S_{\triangle AEC}=S_{\triangle ABF}+S_{\triangle AFC}=8$。因此 $S_{\triangle AEC}=\frac{8-4}{2}=2$,$$\begin{aligned}AE&=\frac{2\times S_{\triangle AEC}}{BC}\\&=\frac{2\times 2}{4}\\&=1\end{aligned}$$。
方法:用四边形与三角形面积差经共部分转化为两三角形和差方程组,解得目标三角形面积再求底。
4. 如图 19-31,$ABCD$ 是正方形,$AE=DF=4$,已知三角形 $AEG$ 与三角形 $DEF$ 的面积比为 $2:3$,求三角形 $EFG$ 的面积。
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鸟头模型 面积比例方程 正方形对角线分半 正方形内复杂面积
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答案 $40$。
解题过程 设 $S_{\triangle ACD}=S$,则 $S_{\triangle AEG}=\frac{AG}{AC}\times\frac{AE}{AD}\times S$,$S_{\triangle DEF}=\frac{DE}{AD}\times\frac{DF}{DC}\times S$。由于 $AE=DF$,$AD=DC$,所以 $\frac{AE}{AD}=\frac{DF}{DC}$。$S_{\triangle AEG}:S_{\triangle DEF}=\frac{AG}{AC}:\frac{DE}{AD}=\frac{1}{2}:\frac{DE}{AD}=2:3$,因此 $\frac{DE}{AD}=\frac{3}{4}$。$$\begin{aligned}\frac{AE}{AD}&=1-\frac{DE}{AD}\\&=\frac{1}{4}\end{aligned}$$,又知 $AE=4$,所以 $AD=16$,$S=\frac{16\times 16}{2}=128$。$$\begin{aligned}S_{\triangle DEF}&=\frac{DE}{AD}\times\frac{DF}{DC}\times S\\&=\frac{3}{4}\times\frac{1}{4}\times S\\&=\frac{3}{16}S\end{aligned}$$,$S_{\triangle AEG}+S_{\triangle CGF}=S_{\triangle DGF}+S_{\triangle CGF}=S_{\triangle DGC}=\frac{1}{2}S$。故 $$\begin{aligned}S_{\triangle EFG}&=S_{\triangle ADC}-(S_{\triangle DEF}+S_{\triangle AEG}+S_{\triangle CGF})\\&=S-\left(\frac{3}{16}S+\frac{1}{2}S\right)\\&=\frac{5}{16}S\\&=\frac{5}{16}\times 128\\&=40\end{aligned}$$。
方法:用鸟头模型表示各三角形面积,由面积比求出关键线段比,再用大三角形减去各部分。
5. 如图 19-32,正方形 $ABCD$ 的面积为 1,$BF=2FC$,求阴影四边形 $FHJG$ 的面积。
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沙漏模型 三角形面积比 面积相减求四边形 正方形内交线求阴影四边形
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答案 $\frac{3}{40}$。
解题过程 $S_{\text{阴影}FGJH}=S_{\triangle DGF}-S_{\triangle DHJ}$。由于 $BF=2FC$,可知 $BF=\frac{2}{3}BC$,$S_{\triangle DBF}=\frac{1}{3}$。由于 $AD:BF=3:2$,故 $DG:BG=3:2$,$DG=\frac{3}{5}DB$,$$\begin{aligned}S_{\triangle DGF}&=\frac{3}{5}S_{\triangle DBF}\\&=\frac{3}{5}\times\frac{1}{3}\\&=\frac{1}{5}\end{aligned}$$。由于 $AD:FC=3:1$,故 $DH:FH=3:1$,$DH=\frac{3}{4}DF$,而 $DJ=\frac{1}{2}DB$,故 $S_{\triangle DHJ}=\frac{3}{4}\times\frac{1}{2}\times S_{\triangle DBF}=\frac{1}{8}$。因此 $S_{\text{阴影}FGJH}=\frac{1}{5}-\frac{1}{8}=\frac{3}{40}$。
方法:把阴影四边形写成两个三角形之差,分别用线段比例(沙漏)求其面积。
6. 如图 19-33,四边形 $BCDE$ 是正方形,三角形 $ABC$ 是直角三角形。若 $AB$ 长 3 厘米,$AC$ 长 4 厘米,试求三角形 $ABE$ 的面积。
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全等三角形(旋转) 正方形性质 三角形面积 正方形外接直角三角形旋转全等
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答案 $4.5$ 平方厘米。
解题过程 过 $E$ 点作三角形 $ABE$ 的高 $EF$,则三角形 $ABC$ 与三角形 $FEB$ 完全相同(全等)。$EF=AB=3$(厘米),$$\begin{aligned}S_{\triangle ABE}&=\frac{AB\times EF}{2}\\&=\frac{3\times 3}{2}\\&=4.5\end{aligned}$$(平方厘米)。
方法:作高构造与原直角三角形全等的三角形,得到 $\triangle ABE$ 的高等于 $AB$,再算面积。
7. 如图 19-34,一个长方形被分为面积比为 $5:6:7:8:9$ 的 $A$、$B$、$C$、$D$、$E$ 五块,其中 $A$ 和 $B$ 是长方形,且 $A$ 的长等于 $B$ 的周长的一半。请问:$A$、$B$、$C$、$D$、$E$ 的周长比为多少?
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面积比与边长比 矩形分割 周长计算 勾股关系 矩形分块求周长比
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答案 $17:15:15:16:18$。
解题过程 对图中的分点标上字母后建立比例关系。由各块面积之比与 $A$ 是 $B$ 周长一半的条件,求得各分点把矩形边分成的长度。例如 $MN:MQ=S_{\text{四边形}KLMN}:S_{\text{四边形}HQML}=6:(7+8+9)=1:4$,令 $MN=a$,则 $MQ=4a$;据 $B:A=(LM\times MN):(NQ\times NJ)=6:5$ 算得 $NJ=\frac{2}{3}a$,再用各块面积比逐一求出 $HP$、$LP$、$LO$、$OP$、$OK$、$OM$ 等关键长度,并用勾股关系与对称性确定各块的边长。最终算得各块的周长之比为 $A:B:C:D:E=17:15:15:16:18$。
方法:为分点设字母与未知长度,逐块用面积比建立方程求边长,再分别计算各块周长之比。
8. 如图 19-35,三角形 $ABC$ 为等腰直角三角形,$C$ 为直角顶点,$P$、$Q$ 为 $AB$ 边上的两点。又已知 $AP$ 长度为 3,$BQ$ 长度为 4,$\angle PCQ=45^\circ$,那么 $PQ$ 的长度是多少?
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旋转构造全等 勾股定理 等腰直角三角形 半角模型 等腰直角三角形半角旋转
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答案 $5$。
解题过程 把三角形 $APC$ 绕 $C$ 点旋转使 $CA$ 与 $CB$ 重合(旋转 $90^\circ$),$A$ 落到 $B$,$P$ 落到 $P'$。则 $BP'=AP=3$,$CP'=CP$,且 $$\begin{aligned}\angle P'BQ&=\angle ABC+\angle P'BC\\&=45^\circ+45^\circ\\&=90^\circ\end{aligned}$$,所以 $\triangle P'BQ$ 是直角三角形,$$\begin{aligned}P'Q&=\sqrt{BP'^2+BQ^2}\\&=\sqrt{3^2+4^2}\\&=5\end{aligned}$$。又由 $\angle PCQ=45^\circ$ 可证 $\triangle PCQ\cong\triangle P'CQ$,于是 $PQ=P'Q=5$。
方法:利用 $45^\circ$ 半角条件作旋转,把 $AP$、$BQ$ 拼成一个直角三角形的两条直角边,用勾股定理求 $PQ$。
第20讲 行程问题五
兴趣篇
1. 邮递员早晨 $7$ 点出发送一份邮件到对面的村里,从邮局开始先走 $12$ 千米的上坡路,再走 $6$ 千米的下坡路。上坡的速度是 $3$ 千米/时,下坡的速度是 $6$ 千米/时。请问:(1)邮递员去村里的平均速度是多少?(2)邮递员返回时的平均速度是多少?(3)邮递员往返的平均速度是多少?
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平均速度 上坡下坡变速行程 总路程除以总时间 往返平均速度问题
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答案 (1)$3.6$ 千米/时;(2)$4.5$ 千米/时;(3)$4$ 千米/时。
解题过程 平均速度等于总路程除以总时间。(1)去时走的总路程是 $12+6=18$ 千米,总时间是 $12\div 3+6\div 6=5$ 小时,平均速度是 $18\div 5=3.6$ 千米/时。(2)返回时总路程是 $18$ 千米,总时间是 $12\div 6+6\div 3=4$ 小时,平均速度是 $18\div 4=4.5$ 千米/时。(3)往返的总路程是 $18\times 2=36$ 千米,总时间是 $5+4=9$ 小时,平均速度是 $36\div 9=4$ 千米/时。
方法:分别求去、回、往返的总路程与总时间,用总路程除以总时间得平均速度。
2. 王老师开车去学校,前一半时间车速为每小时 $40$ 千米,后一半时间车速变为每小时 $60$ 千米,那么他的平均速度是每小时多少千米?
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平均速度 时间等分变速 前后半时间变速求平均速度
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答案 $50$ 千米/时。
解题过程 设总时间的一半为 $1$ 份,则平均速度是 $\dfrac{40\times 1+60\times 1}{1+1}=50$ 千米/时。
方法:时间被等分时,平均速度等于两段速度的算术平均。
3. 王老师开车回家,原计划按照 $40$ 千米/时的速度行驶,行驶到路程的一半发现之前的速度只有 $30$ 千米/时,那么在后一半路程中,速度必须达到多少才能准时到家?
★★
变速行程 路程时间逆推 准时到达问题 前慢后快补速问题
显示答案 / 解析
答案 $60$ 千米/时。
解题过程 设总路程的一半为 $1$ 份,原计划速度为 $40$,到家的时间是 $\dfrac{2}{40}=\dfrac{1}{20}$。实际上他走前一半路程的速度是 $30$,用的时间是 $\dfrac{1}{30}$,因此他走后一半路程的时间是 $\dfrac{1}{20}-\dfrac{1}{30}=\dfrac{1}{60}$。要准时到家,他走后一半路程的速度是 $1\div\dfrac{1}{60}=60$,单位是千米/时。
方法:用总时间减去前半段用时得后半段时间,再用路程除以时间求所需速度。
4. 一辆汽车原计划 $6$ 小时从 $A$ 城到 $B$ 城,汽车行驶了一半路程,因故在途中停留了 $30$ 分钟,如果按照原定的时间到达 $B$ 城,汽车在后一半路程的速度就应该提高 $12$ 千米/时。那么 $A$、$B$ 两城相距多少千米?
★★
变速行程 停留补速 列方程求速度 中途停留提速问题
显示答案 / 解析
答案 $360$ 千米。
解题过程 设原速度为 $v$ 千米/时。前一半路程用时 $3$ 小时,走了 $3v$ 千米。后一半路程原计划用时 $3$ 小时,因停留 $30$ 分钟,实际只能用 $3-0.5=2.5$ 小时,速度提高到 $v+12$,所以 $(v+12)\times 2.5=3v$,解得 $v=60$。两城相距 $60\times 6=360$ 千米。
方法:前后半程路程相等列方程,求出原速度后乘总时间得总路程。
5. 甲、乙两人在 $400$ 米圆形跑道上进行 $10000$ 米比赛。两人从起点同时同向出发,开始时甲的速度为 $8$ 米/秒,乙的速度为 $6$ 米/秒。当甲每次从后面追上乙后即减速 $1$ 米/秒,而乙的速度增加 $0.5$ 米/秒,直到乙比甲快。请问:领先者到达终点时,另一人距终点多少米?
★★
环形跑道追及 速度比与圈数 变速行程 环形跑道多次追及变速问题
显示答案 / 解析
答案 $333\frac{1}{3}$ 米。
解题过程 两人都需要跑 $10000\div 400=25$ 圈。刚开始甲速度 $8$ 米/秒、乙速度 $6$ 米/秒,速度比是 $4:3$,因此甲第一次追上乙时,甲跑了 $4$ 圈,乙跑了 $3$ 圈。然后甲速度变成 $7$ 米/秒、乙速度变成 $6.5$ 米/秒,速度比是 $14:13$,因此甲第二次追上乙时,甲又跑了 $14$ 圈,乙跑了 $13$ 圈。之后甲速度变成 $6$ 米/秒,还剩下 $25-4-14=7$ 圈;乙速度变成 $7$ 米/秒,还剩下 $25-3-13=9$ 圈。由于 $\dfrac{7}{6}<\dfrac{9}{7}$,甲先到达终点,甲到终点时乙还剩 $9-7\times\dfrac{7}{6}=\dfrac{5}{6}$ 圈,即 $400\times\dfrac{5}{6}=333\frac{1}{3}$ 米。
方法:每次追上后路程比等于速度比,分段累计圈数,比较剩余圈数所需时间确定先到者。
6. 一个圆的周长为 $1.26$ 米,两只蚂蚁从一条直径的两端同时出发沿圆周相向爬行。这两只蚂蚁每秒钟分别爬行 $5.5$ 厘米和 $3.5$ 厘米,在运动过程中它们不断地调头。如果把出发算作第零次调头,那么相邻两次调头的时间间隔依次是 $1$ 秒、$3$ 秒、$5$ 秒、$\cdots$,即一个由连续奇数组成的数列。问:两只蚂蚁爬行了多长时间才能第一次相遇?
★★
相向爬行折返 等价位移分析 奇数数列求和 半圆周长 折返相遇周期问题
显示答案 / 解析
答案 $49$ 秒。
解题过程 设两只蚂蚁刚开始时在水平位置上,同时往上爬。第一次掉头时往上爬了 $1$ 秒;第二次掉头时又往下爬了 $3$ 秒,结果相当于往下爬了 $3-1=2$ 秒;第三次掉头时又往上爬了 $5$ 秒,结果相当于往上爬了 $5-2=3$ 秒;$\cdots$ 由此可知第 $n$ 次掉头时的结果相当于往某个方向爬了 $n$ 秒。开始时两蚂蚁在圆上的距离是半圆周,即 $63$ 厘米,需要两蚂蚁往某个方向爬 $63\div(5.5+3.5)=7$ 秒。亦即第 $7$ 次掉头时两蚂蚁正好相遇,那么共需 $1+3+5+7+9+11+13=49$ 秒。
方法:把多次折返化为等价的单向净位移,求出净相遇时间对应的掉头次数后用奇数列求和得总时间。
7. 如图 $20\text{-}1$ 所示,甲、乙两人绕着一个正方形的房子玩捉迷藏。正方形 $ABCD$ 的边长为 $24$ 米,甲、乙两人都从 $A$ 点出发逆时针行进。甲出发时,乙要靠在 $A$ 点的墙壁上,$10$ 秒后再出发。已知甲每秒跑 $4$ 米,乙每秒跑 $6$ 米,且两人每到达一个顶点都需要休息 $3$ 秒钟。请问:乙出发几秒后第一次看到甲?
★★
环形(正方形)路径追及 带休息的行程 视线遮挡判断 带休息的环线视线相遇问题
显示答案 / 解析
答案 $8$ 秒。
解题过程 乙出发时与甲的距离是 $4\times 10=40$ 米。若乙与甲的距离超过正方形的边长,则乙不可能看到甲。从乙出发到与甲的距离正好等于正方形的边长,需要 $(40-24)\div(6-4)=8$ 秒。此时乙走了 $6\times 8=48$ 米,恰好走到 $C$ 处,甲在 $B$ 点处,刚好能看到。
方法:当乙与甲的距离恰好等于正方形边长时乙第一次能看到甲,由追及关系求出所需时间。
8. 刘老师从家到单位时,前 $\dfrac{1}{3}$ 的路程骑车,后面的路程乘车;从单位回家时,前 $\dfrac{5}{8}$ 的路程乘车,后面的路程骑车。结果去单位的时间比回家的时间少 $2$ 分钟。已知刘老师骑车每小时行 $8$ 千米,乘车每小时行 $16$ 千米。请问:刘老师家到单位的距离是多少千米?
★★
分段变速行程 时间差列方程 分数路程 分段骑车乘车时间差问题
显示答案 / 解析
答案 $12.8$ 千米。
解题过程 设家到单位的距离为 $x$ 千米。去单位用时为 $\dfrac{\frac{1}{3}x}{8}+\dfrac{\frac{2}{3}x}{16}$,回家用时为 $\dfrac{\frac{3}{8}x}{8}+\dfrac{\frac{5}{8}x}{16}$。依题意去单位的时间比回家少 $2$ 分钟即 $\dfrac{1}{30}$ 小时,列方程解得 $x=12.8$。所以刘老师家到单位的距离是 $12.8$ 千米。
方法:分别表示去、回两段的总时间,用时间差列方程求路程。
9. 甲、乙两人分别从 $A$、$B$ 两地同时出发,$6$ 小时后在中点相遇;若甲每小时多走 $4$ 千米,乙提前 $1$ 小时出发,则仍在中点相遇。那么两地相距多少千米?
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相遇问题 中点相遇 提速与提前出发的时间分析 中点相遇变速问题
显示答案 / 解析
答案 $240$ 千米。
解题过程 显然两人速度相同,且走一半路程耗时 $6$ 小时。当甲每小时多走 $4$ 千米时,他走到中点用时 $6-1=5$ 小时,所以他原来的速度为 $\dfrac{4\times 5}{6-5}=20$ 千米/时,故两地相距 $20\times 6\times 2=240$ 千米。
方法:由两次都在中点相遇得两人速度相等且半程用时相同,再由提速后用时减少求原速度。
10. 如图 $20\text{-}2$ 所示,$A$ 与 $B$、$B$ 与 $C$ 之间的公路长度都相等,且每段公路上都有限速标志(单位:千米/时)。甲货车从 $A$ 出发,乙货车从 $C$ 出发,并且两车在 $A$、$C$ 之间往返行驶。结果当甲车到达 $C$ 后再返回到 $B$ 时,乙车刚好第一次到达 $B$。已知甲、乙两车在各段公路上均以所能达到的最快速度行驶(不会超过车子本身的最高时速,也不能超过公路上的最高限速),且甲车的最高时速是乙车的 $4$ 倍,那么甲车的最高时速是多少?
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限速分段行驶 往返行程 分类讨论 速度倍数关系 限速公路往返追及问题
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答案 $60$ 千米/时。
解题过程 设乙车最高速度为 $a$ 千米/时,甲车最高速度为 $4a$ 千米/时,以一半路程(即 $AB=BC$)为单位 $1$,分情况讨论:(1)若 $a\le 10$,则依题意有 $\dfrac{1}{4a}+\dfrac{2}{4a}=\dfrac{1}{a}$,不可能!(2)若 $10<a\le\dfrac{35}{2}$,则有 $\dfrac{1}{4a}+\dfrac{2}{40}=\dfrac{1}{a}$,解得 $a=15$,符合要求。(3)若 $\dfrac{35}{2}<a\le 40$,则有 $\dfrac{1}{70}+\dfrac{2}{40}=\dfrac{1}{a}$,解得 $a=\dfrac{140}{3}<\dfrac{35}{2}$,矛盾!(4)若 $a>40$,则有 $\dfrac{1}{70}+\dfrac{2}{40}=\dfrac{1}{40}$,不可能!综上,乙车最高速度为 $15$ 千米/时,此时甲车最高速度为 $60$ 千米/时。
方法:设乙车最高速度,按其与限速关系分类讨论,列时间相等方程求解。
拓展篇
1. 如图 $20\text{-}3$ 所示,一只蚂蚁沿等边三角形的三条边爬行,在三条边上它每分钟分别爬行 $50$ 厘米、$20$ 厘米、$40$ 厘米。蚂蚁由 $A$ 点出发,如果顺时针爬行一周,平均速度是多少?如果顺时针爬行了一周半,平均速度又是多少?
★★
平均速度 三角形分段变速 总路程除以总时间 多段变速平均速度
显示答案 / 解析
答案 顺时针爬一周 $31\frac{11}{19}$ 厘米/分;顺时针爬一周半 $32\frac{1}{7}$ 厘米/分。
解题过程 顺时针爬行一周的平均速度为 $\dfrac{3}{\frac{1}{50}+\frac{1}{20}+\frac{1}{40}}=31\frac{11}{19}$ 厘米/分。顺时针爬行一周半的平均速度为 $\dfrac{4.5}{\frac{2}{50}+\frac{1.5}{20}+\frac{1}{40}}=32\frac{1}{7}$ 厘米/分。
方法:分别算出每段所用时间,用总路程除以总时间得平均速度。
2. 甲、乙两班进行越野行军比赛,甲班以 $4$ 千米/时的速度走了路程的一半,又以 $6$ 千米/时的速度走完了另一半;乙班在比赛过程中,一半时间以 $4$ 千米/时的速度行进,另一半时间以 $6$ 千米/时的速度行进。问:甲、乙两班哪个班将获胜?
★★
路程等分与时间等分 平均速度比较 路程等分与时间等分速度比较
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答案 乙班获胜。
解题过程 甲班以 $4$ 千米/时的速度走了总路程的 $\dfrac{1}{2}$,以 $6$ 千米/时的速度走了总路程的 $\dfrac{1}{2}$。乙班以 $4$ 千米/时的速度走了总路程的 $\dfrac{4}{10}$,以 $6$ 千米/时的速度走了总路程的 $\dfrac{6}{10}$。对比可知,乙班以较快的速度($6$ 千米/时)所走的路程比甲班多,因此乙班用的时间短,乙班获胜。
方法:比较两班以快、慢速度各走的路程比例,速度快走得多者用时少。
3. 甲、乙两地相距 $100$ 千米,小张先骑摩托车从甲地出发,$1$ 小时后小李驾驶汽车从甲地出发,两人同时到达乙地。摩托车开始速度是每小时 $50$ 千米,中途减速后为每小时 $40$ 千米。汽车速度是每小时 $80$ 千米,汽车曾在途中停驶 $10$ 分钟。请问:小张驾驶的摩托车是在他出发多少小时后减速的?
★★
变速行程 鸡兔同笼思想 停驶时间换算 变速分段鸡兔同笼问题
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答案 $\frac{1}{3}$ 小时。
解题过程 小张骑摩托车的总时间是 $\dfrac{100}{80}+\dfrac{1}{6}+1=2\frac{5}{12}$ 小时。其中有一段时间速度是 $50$ 千米/时,一段时间是 $40$ 千米/时,共走了 $100$ 千米。运用鸡兔同笼的原理,以 $50$ 千米/时的速度走了 $\left(100-40\times 2\frac{5}{12}\right)\div(50-40)=\dfrac{1}{3}$ 小时,即出发 $\dfrac{1}{3}$ 小时后减速。
方法:先求摩托车总行驶时间,再用鸡兔同笼法分配两段速度的用时。
4. 男、女两名田径运动员在长 $120$ 米的斜坡上练习跑步(如图 $20\text{-}4$ 所示,坡顶为 $A$,坡底为 $B$)。两人同时从 $A$ 点出发,在 $A$、$B$ 之间不停地往返奔跑。已知男运动员上坡速度是每秒 $3$ 米,下坡速度是每秒 $5$ 米,女运动员上坡速度是每秒 $2$ 米,下坡速度是每秒 $3$ 米。请问:两人第一次迎面相遇的地点离 $A$ 点多少米?第二次迎面相遇的地点离 $A$ 点多少米?
★★
往返奔跑相遇 柳卡图分析 上下坡变速 斜坡往返多次相遇问题
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答案 第一次离 $A$ 点 $96$ 米;第二次离 $A$ 点 $51\frac{3}{7}$ 米。
解题过程 两名运动员走各段路的速度和时间如下表(速度单位:米/秒,时间单位:秒):男运动员 $A\to B$(下坡)速度 $5$、时间 $24$,$B\to A$(上坡)速度 $3$、时间 $40$;女运动员 $A\to B$(下坡)速度 $3$、时间 $40$,$B\to A$(上坡)速度 $2$、时间 $60$。用柳卡图表示两人运动状态可得:第一次迎面相遇时,男已折返上坡、女仍在下坡,相遇点离 $A$ 点的距离是 $120\times\dfrac{64}{64+(40-24)}=96$ 米;第二次迎面相遇点离 $A$ 点的距离是 $120\times\dfrac{100-64}{(100-64)+(88-40)}=51\frac{3}{7}$ 米。
方法:用柳卡(线段折返)图画出两人位置随时间变化,找出迎面相遇点并按比例求位置。
5. 小明和小强从 $400$ 米环形跑道的同一点出发,背向而行。当他们第 $1$ 次相遇时,小明转身往回跑;再次相遇时,小强转身往回跑;以后的每次相遇分别是小明和小强两人交替调转方向。两人的速度在运动过程中始终保持不变,小明每秒跑 $3$ 米,小强每秒跑 $5$ 米。试问:当他们第 $99$ 次相遇时,相遇点距离出发点多少米?
★★
环形跑道相遇 交替调头 周期性运动 柳卡图 环形跑道周期相遇问题
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答案 $200$ 米。
解题过程 把两人每次相遇时的运动状态画成柳卡图,发现第四次相遇后两人的运动状态和初始状态完全相同,因此两人的运动状态以每相遇 $4$ 次为一个周期。$99\div 4=24\cdots\cdots 3$,因此第 $99$ 次相遇时的情况和第 $3$ 次相遇时的情况相同,距离出发点 $200$ 米。
方法:找出相遇状态的周期,将第99次化归到周期内对应的相遇次序。
6. 在一条南北走向的公路上有 $A$、$B$ 两镇,$A$ 镇在 $B$ 镇北面 $4.8$ 千米处。甲、乙两人分别同时从 $A$ 镇、$B$ 镇出发向南行走,甲的速度是每小时 $9$ 千米,乙的速度是每小时 $6$ 千米。甲在运动过程中始终不改变方向,而乙向南走 $3$ 分钟后,便转身往回走 $2$ 分钟,接着按照先向南走 $3$ 分钟、再向北走 $2$ 分钟的方式循环运动。请问:两人相遇的地点距 $B$ 镇多少千米?
★★
折返循环运动 周期性追及 相遇问题 折返循环相遇问题
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答案 $0.96$ 千米。
解题过程 两镇相距 $4800$ 米,甲的速度是 $150$ 米/分,乙的速度是 $100$ 米/分。以 $5$ 分钟为一个周期,一个周期内甲往南走了 $150\times 5=750$ 米,乙往南走了 $100\times 3-100\times 2=100$ 米,两人的距离缩短了 $750-100=650$ 米。$4800\div 650=7\cdots\cdots 250$,这说明走了 $7$ 个周期 $35$ 分钟后两人的距离为 $250$ 米。接下来的 $3$ 分钟,两人都往南走,距离减少 $(150-100)\times 3=150$ 米,两人距离变成 $250-150=100$ 米。接下来甲往南走、乙往北走,再过 $100\div(150+100)=0.4$ 分钟后相遇。相遇时甲共走了 $35+3+0.4=38.4$ 分钟,走了 $150\times 38.4=5760$ 米。相遇点离 $B$ 点 $5760-4800=960$ 米,即 $0.96$ 千米。
方法:按乙的折返周期计算每周期距离缩短量,逐步逼近相遇时刻。
7. 龟兔赛跑,全程 $1.04$ 千米。兔子每小时跑 $4$ 千米,乌龟每小时爬 $0.6$ 千米。乌龟不停地爬,但兔子却边跑边玩,兔子先跑了 $1$ 分钟然后玩 $15$ 分钟,又跑 $2$ 分钟然后玩 $15$ 分钟,再跑 $3$ 分钟然后玩 $15$ 分钟$\cdots\cdots$ 请问:先到达终点的比后到达终点的快多少分钟?
★★
边跑边停行程 等差数列累加 时间比较 龟兔赛跑间歇行程问题
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答案 $13.4$ 分钟。
解题过程 兔子需要跑 $1.04\div 4\times 60=15.6$ 分钟。由 $1+2+3+4+5<15.6<1+2+3+4+5+6$,兔子在到终点前停了 $5$ 次。兔子到达终点的时间是 $15.6+15\times 5=90.6$ 分钟。乌龟跑完全程需要的时间是 $1.04\div 0.6\times 60=104$ 分钟。所以兔子先到,比乌龟快 $104-90.6=13.4$ 分钟。
方法:累加兔子跑步分钟数定位停玩次数,求各自到终点时间相减。
8. 如图 $20\text{-}5$ 所示,甲、乙两人绕着一个正方形的房子玩捉迷藏。正方形 $ABCD$ 的边长为 $24$ 米,甲、乙都从 $A$ 点出发逆时针行进。甲出发时,乙要靠在 $A$ 点的墙壁上,$10$ 秒后再出发。已知甲每秒跑 $4$ 米,乙每秒跑 $6$ 米,且两人每到达一个顶点都需要休息 $3$ 秒钟。请问:乙出发几秒后第一次追上甲?
★★
正方形路径追及 带休息的行程 时间差分析 带休息的环线追及问题
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答案 $25$ 秒。
解题过程 两人每到达一个顶点都要休息 $3$ 秒。甲比乙早出发 $10$ 秒,但他每走一条边都要比乙多用 $2$ 秒钟。因此甲比乙早 $2$ 秒走完第 $4$ 条边,在顶点处休息时被乙追上。乙第一次追上甲的时候是他刚到第 $4$ 条边的时候,需要的时间是 $4\times 4+3\times 3=25$ 秒。
方法:比较甲乙走每条边的用时差与休息时间,确定追上发生在休息时刻。
9. 如图 $20\text{-}6$ 所示,正方形边长是 $100$ 米,甲、乙两人同时从 $A$、$B$ 沿图中所示的方向出发,甲每分钟走 $75$ 米,乙每分钟走 $65$ 米,且两人每到达一个顶点都需要休息 $2$ 分钟。求甲从出发到第一次看见乙所用的时间。
★★
正方形路径行程 带休息的运动 视线判断与不等式 带休息的环线视线相遇问题
显示答案 / 解析
答案 $24\frac{2}{3}$ 分钟。
解题过程 甲第一次看到乙,必定是甲走到某个顶点时,而乙还没有离开下一个顶点。设甲走过 $a$ 条边时第一次看到乙,甲刚跑完这条边需要 $\dfrac{100a}{75}+2(a-1)$ 分钟。此时乙走了 $a-1$ 条边,乙离开这条边需要 $\dfrac{100(a-1)}{65}+2(a-1)$ 分钟。依题意有 $\dfrac{100a}{75}+2(a-1)\le\dfrac{100(a-1)}{65}+2(a-1)$,解得 $a\ge 7.5$。因此甲跑完第 $8$ 条边时第一次看到乙,需要的时间是 $\dfrac{100\times 8}{75}+2\times(8-1)=24\frac{2}{3}$ 分钟。
方法:设甲到第a个顶点时看见乙,列不等式确定最小的a后代入求时间。
10. 甲、乙两人分别从 $A$、$B$ 两地同时出发相向而行,$20$ 分钟后在某处相遇。如果甲每分钟多走 $15$ 米,而乙比甲提前 $2$ 分钟出发,则相遇时仍在此处。如果甲比乙晚 $4$ 分钟出发,乙每分钟少走 $25$ 米,也能在此处相遇。那么 $A$、$B$ 两地之间相距多少千米?
★★
相遇问题 提前/延后出发分析 速度变化 相遇点不变求速度问题
显示答案 / 解析
答案 $5.7$ 千米。
解题过程 当甲速度改变时,乙速度不变,乙仍用 $20$ 分钟走到该处,而乙提前出发了 $2$ 分钟,所以甲速度变后走到该处只用了 $20-2=18$ 分钟,所以甲原来的速度为 $15\times 18\div 2=135$ 米/分。当乙速度改变时,甲速度不变,甲仍用 $20$ 分钟走到该处,而甲比乙晚出发 $4$ 分钟,所以乙速度变后走到该处要用 $20+4=24$ 分钟,故乙原来的速度为 $25\times 24\div 4=150$ 米/分。因此甲乙两地距离是 $(135+150)\times 20=5700$ 米,即 $5.7$ 千米。
方法:由相遇点不变,分别用速度变化和出发时差求出两人原速度,再求两地距离。
11. 小明准时从家出发,以 $3.6$ 千米/时的速度从家步行去学校,恰好提前 $5$ 分钟到校。某天,当他走了 $1.2$ 千米,发现手表慢了 $10$ 分钟,因此立即跑步前进,到学校恰好准时上课。后来算了一下,如果小明从家开始就跑步,可以比一直步行早 $15$ 分钟到学校。那么他家离学校多少千米?小明跑步的速度是每小时多少千米?
★★
行程与时间差 比例关系 步行与跑步对比 步行跑步时间差问题
显示答案 / 解析
答案 $1.8$ 千米;每小时 $7.2$ 千米。
解题过程 依题意有,小明跑步走后部分路程时,所用时间比平时走路快 $10-5=5$ 分钟。而若小明前部分路程也跑步,则比平时走全程快 $15$ 分钟,所以前部分路程跑步比走路快 $15-5=10$ 分钟。依比例关系知,后部分的路程是 $1.2\times\dfrac{5}{10}=0.6$ 千米,所以家到学校的总路程是 $1.2+0.6=1.8$ 千米。前部分路程 $1.2$ 千米步行用时 $1.2\div 3.6\times 60=20$ 分钟,跑步比走路快 $10$ 分钟,即跑步用 $10$ 分钟,所以跑步速度是 $1.2\div\dfrac{10}{60}=7.2$ 千米/时。
方法:利用各段步行与跑步的时间差比例,求出后段路程及跑步速度。
12. 甲、乙两车分别从 $A$、$B$ 两地同时出发相向而行,$6$ 小时后相遇在 $C$ 点。如果甲车速度不变,乙车每小时多行 $5$ 千米,则相遇地点距 $C$ 点 $12$ 千米;如果乙车速度不变,甲车每小时多行 $5$ 千米,则相遇地点距 $C$ 点 $16$ 千米。请问:$A$、$B$ 两地间的距离是多少千米?
★★
相遇问题 速度变化与相遇点偏移 速度和 速度变化相遇点偏移问题
显示答案 / 解析
答案 $420$ 千米。
解题过程 两种情况下相遇时间相同,两个相遇点的距离是 $12+16=28$ 千米。这两种情况下甲车的速度差是 $5$ 千米/时,因此相遇时间是 $28\div 5=5.6$ 小时。原来两车 $6$ 小时可以相遇,而速度和提高 $5$ 千米/时后相遇时间变成 $5.6$ 小时,因此原来的速度和是 $5\times 5.6\div(6-5.6)=70$ 千米/时,两地的距离是 $70\times 6=420$ 千米。
方法:由两次相遇点的偏移求出相遇时间,再用速度和与相遇时间关系求总距离。
13. 李刚骑自行车从甲地到乙地,要先骑一段上坡路,再骑一段平坦路,他到乙地后,立即返回甲地,来回共用了 $3$ 小时。李刚在平坦路上比上坡路每小时多骑 $6$ 千米,下坡路比平坦路每小时多骑 $3$ 千米。还知道他在第 $1$ 小时比第 $2$ 小时少骑 $5$ 千米,第 $2$ 小时比第 $3$ 小时少骑 $3$ 千米。其中,第 $2$ 小时骑了一段上坡路,又骑了一段平坦路。请问:(1)李刚骑上坡路所用的时间是多少分钟?(2)李刚骑下坡路所用的时间是多少分钟?(3)甲、乙两地之间的距离是多少千米?
★★
上坡平路下坡变速 往返行程 分段时间分配 上坡平路下坡往返综合问题
显示答案 / 解析
答案 (1)$70$ 分钟;(2)$40$ 分钟;(3)$24.5$ 千米。
解题过程 设上坡速度为 $v$,则平坦速度为 $v+6$,下坡速度为 $v+9$。第 $1$ 小时全程上坡,第 $3$ 小时全程下坡。第 $1$ 小时比第 $2$ 小时少骑 $5$ 千米,因为第 $2$ 小时上坡 $\dfrac{1}{6}$ 小时、平坦 $\dfrac{5}{6}$ 小时,由此可列出第 $1$ 小时上坡 $1$ 小时、第 $2$ 小时上坡 $\dfrac{1}{6}$ 小时与平坦 $\dfrac{5}{6}$ 小时的关系,得 $1+\dfrac{1}{6}=\dfrac{7}{6}$ 小时即 $70$ 分钟为上坡用时。第 $2$ 小时比第 $3$ 小时少骑 $3$ 千米,由下坡用时关系得下坡共 $\dfrac{2}{3}$ 小时即 $40$ 分钟。上坡速度为 $9\times\dfrac{2}{3}\div\left(\dfrac{7}{6}-\dfrac{2}{3}\right)=12$ 千米/时,上坡路程是 $12\times\dfrac{7}{6}=14$ 千米。走平路的速度是 $12+6=18$ 千米/时,走单程平路的时间是 $\left(3-\dfrac{7}{6}-\dfrac{2}{3}\right)\div 2=\dfrac{7}{12}$ 小时,平路的距离是 $18\times\dfrac{7}{12}=10.5$ 千米。两地的距离是 $14+10.5=24.5$ 千米。
方法:由每小时路程差和分段速度关系求各段时间与速度,进而求各段路程与总距离。
14. 如图 $20\text{-}7$ 所示,有 $4$ 个村镇 $A$、$B$、$C$、$D$,在连接它们的 $3$ 段等长的公路 $AB$、$BC$、$CD$ 上,汽车行驶的最高时速限制分别是 $60$ 千米/时、$20$ 千米/时和 $30$ 千米/时。一辆客车从 $A$ 镇出发驶向 $D$ 镇,到达 $D$ 镇后立即返回;一辆货车同时从 $D$ 镇出发,驶向 $B$ 镇。两车相遇在 $C$ 镇,而当货车到达 $B$ 镇时,客车又回到了 $C$ 镇。已知客车和货车在各段公路上均以其所能达到且被允许的最大速度行驶,货车在与客车相遇后自身所具有的最高时速比相遇前提高了 $\dfrac{1}{8}$,求客车的最高时速。
★★★
限速分段行驶 往返与相遇 分类讨论 速度提高比例 限速分段相遇综合问题
显示答案 / 解析
答案 $25$ 千米/时 或 $40$ 千米/时。
解题过程 设每段长为 $1$,分情况讨论客车 $A\to B$ 段的可能速度 $v$(受最高时速与限速 $60$ 共同约束)。(2)当 $20<v\le 30$ 时,客车走 $C\to D\to C$ 的速度是 $v$,货车走 $C\to B$ 的速度是 $\dfrac{v}{2}$,相遇前货车速度记为 $\dfrac{v}{2}\div\dfrac{9}{8}=\dfrac{4}{9}v$,两车从出发到相遇时间相同,因此 $\dfrac{1}{v}+\dfrac{1}{20}=\dfrac{1}{\frac{4}{9}v}$,解得 $v=25$,符合条件;(3)当 $v>30$ 时,客车走 $C\to D\to C$ 速度是 $30$,货车走 $C\to B$ 速度是 $15$,相遇前货车速度是 $15\div\dfrac{9}{8}=\dfrac{40}{3}$,记 $x$ 为客车 $A\to B$ 速度,有 $\dfrac{1}{x}+\dfrac{1}{20}=\dfrac{1}{\frac{40}{3}}$,解得 $x=40$,符合题意。综上,客车的最高时速可能是 $25$ 千米/时或 $40$ 千米/时。
方法:以每段为单位,按客车在各段的可能速度分类,列两车到相遇时间相等方程求解。
超越篇
1. 学校组织春游,同学们下午一点出发,走了一段平坦的路,爬了一座山,然后按原路返回,下午七点回到学校。已知他们的步行速度平地为 $4$ 千米/时,上山为 $3$ 千米/时,下山为 $6$ 千米/时。请问:同学们一共走了多少千米?
★★★★
往返行程 上下山平均速度 平均速度等于路程除时间 上山下山往返平均速度问题
显示答案 / 解析
答案 $24$ 千米。
解题过程 上山和下山的路程一样,设为 $1$,则上山与下山的平均速度是 $\dfrac{2}{\frac{1}{3}+\frac{1}{6}}=4$ 千米/时,正好等于平路速度,因此总的平均速度是 $4$ 千米/时。一共走了 $6$ 小时(下午一点到七点),总路程是 $4\times 6=24$ 千米。
方法:由上下山平均速度恰等于平路速度,得全程平均速度,再乘总时间。
2. 男、女两名运动员在长 $350$ 米的斜坡 $AB$($A$ 为坡顶、$B$ 为坡底)上跑步,二人同时从坡顶出发,在 $A$、$B$ 间往返奔跑,已知速度如图 $20\text{-}8$ 所示(上坡:男 $3$、女 $2$;下坡:男 $5$、女 $3$,单位米/秒),那么男运动员第二次追上女运动员的位置距坡顶多少米?
★★★★
往返奔跑追及 柳卡图分析 上下坡变速 斜坡往返追及问题
显示答案 / 解析
答案 $280$ 米。
解题过程 设斜坡长度为 $30$ 份,则两运动员走各段路的时间如下表:男运动员上坡 $10$、下坡 $6$,女运动员上坡 $15$、下坡 $10$(单位:份对应的时间)。用柳卡图表示两人运动状态(实线表示男运动员,虚线表示女运动员),由图可读出男运动员第二次追上女运动员的位置距坡顶的距离是 $350\times\dfrac{100-96}{(100-96)+(86-85)}=280$ 米。
方法:用柳卡图画出男女运动员的折返轨迹,找出第二次追上点并按比例求位置。
3. 甲、乙两车从 $A$、$B$ 两地同时出发相向而行,$5$ 小时相遇;如果乙车提前 $1$ 小时出发,则在不到中点 $13$ 千米处与甲车相遇;如果甲车提前 $1$ 小时出发,则过中点 $37$ 千米后与乙车相遇。求甲车与乙车的速度差。
★★★★★★
相遇问题 提前出发与相遇点偏移 速度差 相遇点偏移求速度差问题
显示答案 / 解析
答案 $10$ 千米/时。
解题过程 第一次乙比甲多走一个小时,第二次甲比乙多走一个小时,将两个过程合起来看,甲和乙走的总路程一样的,两两人合走了两个全程,所需时间是 $5\times 2=10$ 小时。第一个过程甲比乙多走了 $13\times 2=26$ 千米,第二个过程乙比甲多走了 $37\times 2=74$ 千米,因此乙比甲在 $10$ 小时内多走 $74-26=48$ 千米,速度差是 $48\div 10=4.8$ 千米/时;再结合每个提前 $1$ 小时所造成的路程差,可求得甲、乙两车的速度差是 $10$ 千米/时。
方法:把两次提前出发的过程合并对比,利用相遇点偏移求速度差。
4. 如图 $20\text{-}9$,在一条马路边有 $A$、$B$、$C$、$D$ 四个车站,甲、乙两辆相同的汽车分别从 $A$、$D$ 两地出发相向而行,在 $BC$ 的中点相遇。已知它们在 $AB$、$BC$、$CD$ 上的速度分别为 $30$ 千米/时、$40$ 千米/时、$50$ 千米/时。如果甲晚出发 $1$ 小时,则它们将在 $B$ 点相遇;如果乙在每一段上的速度都减半,而甲的速度不变,它们的相遇地点离 $B$ 点 $65$ 千米。请求出 $A$、$D$ 之间的距离。
★★★★★★
分段变速相遇 速度减半分析 路程比例 分段限速相遇求距离问题
显示答案 / 解析
答案 $240$ 千米。
解题过程 由相遇条件可推出各段路程关系。设乙以原速从 $D$ 出发,乙速度减半后在某段时间内乙走了 $25\times 1.5=37.5$ 千米,因此 $CD$ 段的一半是 $25+37.5=62.5$ 千米,$CD=62.5\times 2=125$ 千米。$AB=125\times\dfrac{3}{5}=75$ 千米,$AD=75+40+125=240$ 千米。
方法:利用相遇点条件与速度减半后的位移关系求各段长度,相加得总距离。
5. 如图 $20\text{-}10$,正方形 $ABCD$ 是一条环形公路。已知汽车在 $AB$ 上时速是 $90$ 千米,在 $BC$ 上的时速是 $120$ 千米,在 $CD$ 上的时速是 $60$ 千米,在 $DA$ 上的时速是 $80$ 千米。从 $CD$ 上一点 $P$,同时反向各发出一辆汽车,它们将在 $AB$ 中点相遇。如果从 $PC$ 的中点 $M$,同时反向各发出一辆汽车,它们将在 $AB$ 上一点 $N$ 相遇。问:$AN$ 占 $AB$ 的几分之几?
★★★★★★
环形公路分段变速 相遇点位置 列方程求比例 环形公路相遇定位问题
显示答案 / 解析
答案 $\frac{1}{32}$。
解题过程 记正方形每段边长为 $1$,设 $DP$ 段为 $a$,则依题意有 $\dfrac{\frac{1}{2}}{90}+\dfrac{1}{80}+\dfrac{a}{60}=\dfrac{1-a}{60}+\dfrac{1}{120}+\dfrac{\frac{1}{2}}{90}$。解得 $a=\dfrac{3}{8}$,因此 $CM=\left(1-\dfrac{3}{8}\right)\div 2=\dfrac{5}{16}$,$DM=1-\dfrac{5}{16}=\dfrac{11}{16}$。再由从 $M$ 点反向发车在 $N$ 相遇,列两车时间相等方程,解得 $AN$ 占 $AB$ 的 $\dfrac{1}{32}$。
方法:以边长为单位设出发点位置,由两车到相遇点时间相等列方程求位置比例。
6. 在 $400$ 米环形跑道上进行 $10000$ 米赛跑。乙始终保持一个固定的速度前进;甲刚开始的速度比乙慢,但一直没有被乙追上。计时到 $30$ 分 $0$ 秒时甲开始加速并保持这个速度;$36$ 分 $0$ 秒时甲追上乙,$46$ 分 $0$ 秒时甲再次追上乙,$47$ 分 $40$ 秒时甲到达终点。问:计时到几分几秒时乙到达终点?
★★★★★★
环形跑道追及 相对速度 圈数与时间 环形跑道追及定时问题
显示答案 / 解析
答案 $50$ 分钟。
解题过程 全程有 $10000\div 400=25$ 圈。从 $36$ 分 $0$ 秒到 $46$ 分 $0$ 秒甲恰好追上乙 $1$ 圈,甲追上乙一圈需要 $10$ 分钟。因此甲到达终点时比乙多走了 $\left(47\frac{2}{3}-36\right)\div 10=1\frac{1}{6}$ 圈,乙用 $47\frac{2}{3}$ 分钟走了 $25-1\frac{1}{6}=23\frac{5}{6}$ 圈,正好 $2$ 分钟走 $1$ 圈,因此乙走完 $25$ 圈需要 $50$ 分钟。
方法:由追上一圈所需时间求出相对速度,推出乙的圈速,再算乙走完全程时间。
7. 圆形跑道的 $40\%$ 是平路,$60\%$ 则设置了跨栏(如图 $20\text{-}11$ 中粗线部分)。甲、乙两人的平路速度分别为 $5$ 米/秒和 $6$ 米/秒,跨栏速度分别为 $4$ 米/秒和 $3$ 米/秒。第一次两人从 $A$ 点出发逆时针跑,甲先跑了 $5$ 秒钟,然后乙再出发。结果两人在跑第一圈的时候相遇了两次,且两次相遇的间隔为 $15$ 秒。问:(1)跑道总长为多少米?(2)如果两人从 $A$ 点出发顺时针方向跑,而且在跑第一圈的相遇时间间隔为 $45$ 秒,那么甲和乙应该谁先跑,先跑多少秒?(3)如果两人从 $A$ 点出发按顺时针方向跑,而且在跑第一圈的人最少晚出发几秒钟?
★★★★★★
环形分段变速 相遇间隔分析 出发时差 环形分段变速相遇综合问题
显示答案 / 解析
答案 (1)$500$ 米;(2)甲先跑,先跑 $20$ 秒;(3)$18\frac{1}{3}$ 秒。
解题过程 (1)甲先走 $5$ 秒,领先乙 $25$ 米。设上点 $C_1$,则 $AC_1$ 长 $150$ 米。设甲跑乙 $D$ 段的某点 $B$,由两次相遇间隔 $15$ 秒、相向相遇间的路程关系,求得 $CB$ 长 $\dfrac{5}{6}\times 60=50$ 米,所以 $AB$ 长 $200$ 米,跑道总长为 $500$ 米。(2)甲先跑相遇点为 $D$,设甲走到 $D$ 用 $3x$ 秒,由两次相遇间隔 $45$ 秒及甲乙各段速度,解得 $9x=45$,$x=\dfrac{5}{6}$,甲先走 $240-3-240-4=20$ 秒,即甲先跑 $20$ 秒。(3)由相遇条件分析,跑第一圈的人最少晚出发 $18\frac{1}{3}$ 秒。
方法:按平路、跨栏分段,利用相遇时间间隔列方程求跑道长及出发时差。
8. 如图 $20\text{-}12$ 所示,正方形跑道的周长为 $360$ 米,甲、乙两人同时从正方形跑道的 $A$ 点出发,按顺时针方向行进。甲的速度始终为 $5$ 米/秒;乙最初的速度为 $6$ 米/秒,第一次拐弯后速度减少 $\dfrac{1}{3}$,第二次拐弯后速度增加 $\dfrac{1}{2}$,第三次拐弯后速度减少 $\dfrac{1}{3}$,第四次拐弯后速度增加 $\dfrac{1}{2}$$\cdots\cdots$ 如此下去。请问:出发后多少秒甲、乙两人第 $1$ 次相遇,相遇地点在何处?出发后多少秒他们第 $100$ 次相遇,相遇地点在何处?(注意:两人在一起即为相遇。)
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正方形跑道变速追及 周期性运动 平均速度 列表分析 正方形跑道周期追及问题
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答案 第 $1$ 次相遇:$30$ 秒,在 $DC$ 上距离 $C$ 点 $30$ 米处;第 $100$ 次相遇:$36000$ 秒,在 $A$ 点。
解题过程 (1)每条边的长度是 $360\div 4=90$ 米。甲走第一边的时间是 $90\div 5=18$ 秒,乙走第一边所需的时间是 $90\div 6=15$ 秒。乙先到 $D$ 点,然后以 $4$ 米/秒的速度继续走(拐弯后减少 $\dfrac{1}{3}$),走了 $3$ 秒后甲才到 $D$ 点,此时乙在甲前面 $4\times 3=12$ 米处。甲追上乙需要 $12\div(5-4)=12$ 秒,此时是出发后 $18+12=30$ 秒,相遇点超过 $D$ 点 $5\times 12=60$ 米,即离 $C$ 点 $30$ 米处。(2)甲走每条边都要用 $18$ 秒,乙走每条边依次用 $15$ 秒、$22.5$ 秒、$15$ 秒、$22.5$ 秒、$\cdots$。将两人到达各顶点的时间列表分析可知:第一次相遇点在 $DC$ 边上,第二次相遇点在 $CB$ 边上,第三次相遇点在 $BA$ 边上,第四次相遇点在 $D$ 点,因长期保持,直到甲乙在 $A$、$C$ 处相遇时平均速度才会是 $4.8$。乙平均速度为 $(90+90)\div(15+22.5)=4.8$ 米/秒,因此走完一周大致需要 $360\div(5-4.8)=1800$ 秒。检验 $1800$ 秒内甲跑了 $25$ 圈、乙跑了 $24$ 圈,满足要求。所以第 $5$ 次相遇之后,两人会持续之前的过程,第 $100$ 次相遇时恰好有 $20$ 个这样的周期,故第 $100$ 次相遇时间为 $1800\times 20=36000$ 秒,地点在 $A$ 点。
方法:先求第一次相遇时刻与位置,再找出相遇状态的周期,把第100次化归到整周期。
第21讲 数字问题
兴趣篇
1. 一个四位数,在它的个位后面再添上数字“$0$”可以得到一个五位数,这个五位数与四位数的和等于 $24684$,这个四位数是多少?
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位值原理 添零即扩大10倍 倍数关系 添数字与位值变化
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答案 $2244$。
解题过程 一个数后面添上数字“$0$”,相当于把原数变成原来的 $10$ 倍。因此这个五位数和原数的和是原数的 $11$ 倍。所以 $$\begin{aligned}\text{原数}&=24684\div(10+1)\\&=24684\div 11\\&=2244\end{aligned}$$。
方法:添 $0$ 使数扩大 $10$ 倍,两数之和为原数的 $11$ 倍,用和除以 $11$ 求原数。
2. 一个两位数等于它的数字和的 $6$ 倍,求这个两位数。
★★
位值原理 数字和 整数方程求解 数与数字和的关系
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答案 $54$。
解题过程 设这个两位数为 $\overline{AB}$,根据题目条件 $10A+B=(A+B)\times 6=6A+6B$,化简得 $4A=5B$。由于 $A$、$B$ 都是数字,所以 $A$ 是 $5$ 的倍数,$B$ 是 $4$ 的倍数,取 $A=5$,$B=4$,即这个两位数是 $54$。
方法:用 $10A+B$ 表示两位数,列方程 $10A+B=6(A+B)$,化简得 $4A=5B$ 再求解。
3. 用 $3$ 个不同的数字能组成 $6$ 个不同的三位数,这 $6$ 个三位数的和是 $2886$,求 $6$ 个三位数中最小的一个。
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位值原理 全排列求和 数字和 数字全排列之和
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答案 $139$。
解题过程 设最小的三位数为 $\overline{ABC}$。$6$ 个三位数的和为 $\overline{ABC}+\overline{ACB}+\overline{BAC}+\overline{BCA}+\overline{CAB}+\overline{CBA}=2886$。利用位值原理把这些三位数展开化简,得 $222\times(A+B+C)=2886$,所以 $A+B+C=13$。由于 $\overline{ABC}$ 是最小的三位数,$A$ 应该越小越好,首先考虑 $A=1$;取 $A=1$,则 $B+C=12$,此时 $B$ 不能小于 $3$,不然 $C$ 就大于 $9$ 了,所以取 $B=3$,则 $C=9$。因此 $6$ 个这样的三位数中,最小的三位数为 $139$。
方法:$6$ 个排列的数字和为 $222\times$(三数字之和),求出数字和后再取最小排列。
4. 有一个两位数,在它前面加上数字“$3$”可以得到一个三位数;在它后面加上数字“$3$”也得到一个三位数;在它前、后各加一个数字“$3$”得到一个四位数。已知得到的三个数总和为 $3600$,求原来的两位数。
★★
位值原理 添数字与位值变化 一元一次方程
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答案 $14$。
解题过程 设这个两位数为 $x$,那么在它前面加上“$3$”后就变成 $300+x$,在它后面加上“$3$”就变成 $10x+3$,在它前、后各加一个“$3$”后就变成 $3000+10x+3$,从而有 $(300+x)+(10x+3)+(3000+10x+3)=3600$。化简得 $21x+3306=3600$,即 $21x=294$,所以 $x=14$,即原来的两位数是 $14$。
方法:用 $x$ 表示原两位数,按位值写出三个新数,列方程求和求解。
5. 有 $A$、$B$ 两个整数,$A$ 的各位数字之和为 $35$,$B$ 的各位数字之和为 $26$,且两数相加时进位三次,求 $A+B$ 的各位数字之和。
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数字和 进位与数字和变化 9的整除特征 数字和与进位
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答案 $34$。
解题过程 当两数相加进位 $1$ 次时,它们和的各位数字之和,等于它们各自的各位数字之和相加再减去 $9$。现在已知 $A+B$ 进位三次,因此 $A+B$ 的各位数字之和等于 $$\begin{aligned}35+26-9\times 3&=61-27\\&=34\end{aligned}$$。
方法:每进位一次,和的数字和比两数数字和之和少 $9$,进位三次共少 $27$。
6. 一张卡片上写了一个五位数,李老师给学生看时拿倒了,这时卡片上还是一个五位数。这个五位数比原来的五位数小 $71355$。问:原来卡片上写的五位数是多少?
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位值原理 倒置数字(旋转180度) 减法竖式借位 倒置数字与差
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答案 $90961$。
解题过程 设卡片上原来写的五位数为 $\overline{ABCDE}$。卡片倒过来后仍是一个五位数,所以 $A$、$B$、$C$、$D$、$E$ 只能是 $0$、$1$、$6$、$8$、$9$ 这些数字,且 $0$、$1$、$8$ 倒过来不变,$6$ 与 $9$ 倒过来互换。卡片拿倒后变成的五位数记为 $\overline{edcba}$(即把原数旋转 $180^\circ$),则 $\overline{ABCDE}-\overline{edcba}=71355$。列竖式逐位分析:分析个位(两数相差 $5$),得 $E=6$,$e=1$;再分析十位(两数相差 $6$ 或 $4$),只能是 $D=6$,$b=0$,$d=9$,$B=0$;再分析百位(两数相差 $3$),$C=9$,$c=6$。所以原来的五位数是 $90961$。
方法:倒置后仍为数字的只有 $0、1、6、8、9$,列减法竖式逐位确定各位数字。
7. 有一个四位数 $\overline{2M9N}$,它是由 $M$ 个 $2$ 的积与 $N$ 个 $9$ 的积相乘得到的,求这个四位数。
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位值原理 幂与整除 9的整除特征 数字谜与幂
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答案 $2592$。
解题过程 由于 $9^4=6561>\overline{2M9N}$,因此 $N<4$,$N$ 可能是 $0$、$1$、$2$、$3$。若 $N=0$,即 $\overline{2M90}$ 是若干个 $2$ 的积,容易知道这不成立。若 $N=1$,则这个四位数为奇数,所以 $M=0$,显然不成立。若 $N=2$,则 $\overline{2M92}$ 能被 $9$ 整除,即各位数字之和能被 $9$ 整除,所以 $M=5$,验证可知 $2592=2^5\times 9^2$,成立。若 $N=3$,这个四位数也为奇数,则 $M=0$,$2093\neq 9^3$,显然不成立。因此这个四位数是 $2592$。
方法:由 $9^4$ 大于四位数定出 $N<4$,逐一讨论 $N$,结合奇偶与 $9$ 的整除性确定 $M$。
8. 如果 $4\underbrace{88\cdots 8}_{n\text{个}8}4$ 是 $9$ 的倍数,那么 $n$ 最小是多少?
★★
重复数字的整除性 9的整除特征 数字和 重复数字与倍数
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答案 $8$。
解题过程 若这个数是 $9$ 的倍数,则其各位数字之和 $4+8n+4=8(n+1)$ 也是 $9$ 的倍数。由于 $8$ 与 $9$ 互质,所以 $n+1$ 是 $9$ 的倍数,$n$ 最小是 $8$。
方法:用 $9$ 的整除特征写出数字和 $8(n+1)$,由互质得 $9\mid(n+1)$。
9. 如果 $12\underbrace{33\cdots 3}_{n\text{个}3}$ 是 $27$ 的倍数,那么 $n$ 最小是几?
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重复数字的整除性 27的整除特征 9的整除特征 重复数字与倍数
显示答案 / 解析
答案 $5$。
解题过程 $27=3\times 9$,要使 $12\underbrace{33\cdots 3}_{n\text{个}3}$ 是 $27$ 的倍数,只需 $\underbrace{33\cdots 3}_{n\text{个}3}\div 3$(即把整个数除以 $3$ 的商)是 $9$ 的倍数。计算 $12\underbrace{33\cdots 3}_{n\text{个}3}\div 3=4\underbrace{11\cdots 1}_{n\text{个}1}$,要使它是 $9$ 的倍数,只需各位数字之和 $4+n$ 是 $9$ 的倍数,因此 $n$ 最小为 $5$。
方法:$27=3\times 9$,将原数除以 $3$ 转化为求商被 $9$ 整除,分析商的数字和。
10. 从 $1$ 至 $9$ 这 $9$ 个数中选出 $8$ 个不同的数字,组成能被 $24$ 整除的八位数。试问:在这样的八位数中,最大的和最小的分别是多少?
★★★
24的整除特征 3的整除特征 8的整除特征 数字选取与排列 组数与整除
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答案 最大 $98764512$,最小 $12345768$。
解题过程 $24=8\times 3$。要使选出来的 $8$ 个数组成的八位数能被 $3$ 整除,$8$ 个数字之和要能被 $3$ 整除。$1+2+\cdots+9=45$ 能被 $3$ 整除,所以要使剩下的 $8$ 个数之和能被 $3$ 整除,去掉的那个数字也应是 $3$ 的倍数,即去掉 $3$、$6$ 或 $9$。还要能被 $8$ 整除,即末三位组成的三位数能被 $8$ 整除。要使八位数最大,应去掉 $3$(保留较大数字),让高位尽量大,再调整末三位被 $8$ 整除,得最大 $98764512$;要使八位数最小,让高位尽量小,再调整末三位被 $8$ 整除,得最小 $12345768$。
方法:$24=8\times 3$,先保证数字和被 $3$ 整除(去掉 $3$、$6$ 或 $9$),再调整末三位被 $8$ 整除取最大最小。
拓展篇
1. 今年是 $2008$ 年,小王说:“我的年龄正好与我出生那年年份的四个数字之和相同。”请问:小王今年多大?
★★
位值原理 年龄问题 数字和 年龄与数字和
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答案 $5$ 岁或 $23$ 岁。
解题过程 (1)若小王在 $2000$ 年后出生,设为 $\overline{200x}$,则有 $2008-\overline{200x}=2+0+0+x$,解得 $x=3$,即出生年是 $2003$ 年,今年 $5$ 岁。(2)若小王在 $2000$ 年前出生,设为 $\overline{19ab}$,则 $2008-\overline{19ab}=1+9+a+b$,即 $2008-(1900+10a+b)=10+a+b$,整理得 $11a+2b=98$。$a$、$b$ 都是 $0\sim 9$ 之间的数字,得 $a=8$、$b=5$,即出生年 $1985$,今年 $2008-1985=23$ 岁。所以小王今年 $5$ 岁或 $23$ 岁。
方法:分世纪讨论出生年份,用位值展开列方程,求满足年龄等于年份数字和的解。
2. 在一个两位数的两个数字中间加一个 $0$,所得的三位数比原数大 $8$ 倍,求这个两位数。
★★
位值原理 插入数字 倍数关系 插入数字与倍数
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答案 $45$。
解题过程 设原两位数为 $\overline{ab}$,中间加 $0$ 后得三位数 $\overline{a0b}=100a+b$。所得的三位数比原数大 $8$ 倍,即它是原数的 $9$ 倍,于是 $100a+b=(10a+b)\times 9$。化简得 $100a+b=90a+9b$,即 $10a=8b$,$5a=4b$。由于 $a$、$b$ 都是 $0\sim 9$ 的数字且 $a$ 不为 $0$,所以 $a=4$,$b=5$,原来的两位数是 $45$。
方法:“比原数大 $8$ 倍”即为原数的 $9$ 倍,用位值展开 $100a+b=9(10a+b)$,化简求数字解。
3. 把一个两位数的个位数字与十位数字交换后得到一个新数,新数与原数的和恰好是某个自然数的平方,请问:这个数是多少?
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位值原理 交换数字求和 完全平方数 交换数字与平方数
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答案 $121$。
解题过程 设原两位数为 $\overline{ab}$,交换数字后为 $\overline{ba}$,它们的和为 $(10a+b)+(10b+a)=11(a+b)$。它是某个自然数的平方,而 $11$ 是质数,所以 $a+b$ 也必须含因数 $11$,即要求 $a+b=11$,此时和为 $11\times 11=121=11^2$。所以原数与新数之和是 $121$。
方法:两数和为 $11(a+b)$,要为完全平方数须 $a+b=11$,得和为 $121$。
4. 有一个三位数是 $8$ 的倍数,把它的各位数字的顺序颠倒过来所得到的新三位数与原三位数的和恰好是 $1111$,请问:原来的三位数是多少?
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位值原理 颠倒数字求和 8的整除特征 颠倒数字与和
显示答案 / 解析
答案 $704$。
解题过程 设这个三位数为 $\overline{abc}$,把它的各位数字颠倒得 $\overline{cba}$,按照位值原理展开:$(100a+10b+c)+(100c+10b+a)=101(a+c)+20b=1111$。$20b$ 的末位是 $0$,所以 $101(a+c)$ 的末位是 $1$,即 $a+c$ 的末位是 $1$;又 $a+c$ 在 $1\sim 18$ 之间,故 $a+c=11$,于是 $$\begin{aligned}20b&=1111-1111\\&=0\end{aligned}$$,$b=0$。又由 $a+c=11$ 知 $a$、$c$ 一奇一偶,结合这个三位数是 $8$ 的倍数(其末三位即整体能被 $8$ 整除),经试算只有 $704$ 是 $8$ 的倍数。所以原来的三位数是 $704$。
方法:用位值展开得 $101(a+c)+20b=1111$,结合 $8$ 的倍数条件确定数字。
5. 在等式“学习好勤动脑 $\times 5=$ 勤动脑学习好 $\times 8$”中,相同的汉字表示相同的数字,不同的汉字表示不同的数字,“学习好勤动脑”所表示的六位数最小是多少?
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位值原理 文字算式 整数方程与互质 文字数字谜
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答案 $410256$。
解题过程 设“学习好”表示的三位数为 $x$,“勤动脑”表示的三位数为 $y$。则“学习好勤动脑”这个六位数为 $1000x+y$,“勤动脑学习好”为 $1000y+x$。于是 $(1000x+y)\times 5=(1000y+x)\times 8$,整理得 $4992x=7995y$,约分得 $128x=205y$。其中 $128$ 与 $205$ 互质,因此 $x$ 是 $205$ 的倍数,$y$ 是 $128$ 的倍数。要使六位数尽量小,取最小一组 $x=205$,$y=128$,则 $$\begin{aligned}\text{六位数}&=1000\times 205+128\\&=410256\end{aligned}$$。
方法:用三位数 $x,y$ 表示前后三位,列方程化简为 $128x=205y$,由互质取最小解。
6. 在一个三位数的百位和十位之间加入一个数字后,得到的四位数恰好是原三位数的 $9$ 倍,在这样的三位数中最小的是多少?最大的是多少?
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位值原理 插入数字 倍数关系 插入数字与倍数
显示答案 / 解析
答案 最小是 $125$,最大是 $675$。
解题过程 设原来的三位数为 $\overline{abc}$,在百位和十位之间加入一个数字 $d$,得到的四位数为 $\overline{adbc}$。按照位值原理 $\overline{adbc}=1000a+100d+\overline{bc}$,$\overline{abc}=100a+\overline{bc}$,由题意 $1000a+100d+\overline{bc}=9\times(100a+\overline{bc})=900a+9\overline{bc}$,化简得 $100(a+d)=8\overline{bc}$,即 $25(a+d)=2\overline{bc}$。所以 $\overline{bc}$ 是 $25$ 的倍数,$a+d$ 是 $2$ 的倍数。要使三位数最小,取 $\overline{bc}=25$、$a=1$,原数为 $125$;要使三位数最大,取 $\overline{bc}=75$、$a=6$,原数为 $675$。所以最小是 $125$,最大是 $675$。
方法:用位值展开列出 $25(a+d)=2\overline{bc}$,由倍数关系枚举求最小最大。
7. 用 $5$、$7$、$2$、$0$、$8$ 这 $5$ 个数字组成两个没有重复数字的五位数,这两个五位数的差是 $66663$,这两个数中较大的一个可能是多少?
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位值原理 减法竖式借位 数字组合 数字组数与差
显示答案 / 解析
答案 $87250$ 或 $87520$。
解题过程 由于五位数的首位不能为 $0$,考虑两数首位的差,只能是 $6$ 或 $7$。从竖式各位的借位关系出发逐位分析:由千位、万位等的借位情况确定首位差为 $7$,即较大数首位为 $8$、较小数首位为 $1$,再结合个位($0-5$ 等借位)和各位的填数,可得两组解,较大数的数字排列为 $87250$ 或 $87520$。所以较大的一个可能是 $87250$ 或 $87520$。
方法:由差 $66663$ 逐位分析借位关系,确定较大数的数字排列。
8. 有些三位数,如果它本身增加 $3$,那么新的三位数的各位数字之和就减少到原来三位数各位数字之和的 $\frac{1}{3}$,求所有这样的三位数。
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位值原理 进位分析 数字和 数字和与进位
显示答案 / 解析
答案 $117$,$207$,$108$。
解题过程 三位数本身增加 $3$ 后,新数各位数字之和减少到原来的 $\frac{1}{3}$,说明加 $3$ 后发生了进位。设原数个位为 $N$,加 $3$ 后若个位进位,则个位变成 $N+3-10=N-7$,向十位进 $1$,由此可知 $N$ 必为 $7$、$8$、$9$ 之一。经过对进位情况和数字和减少为原来 $\frac{1}{3}$ 的条件逐一试算,满足条件的三位数为 $117$、$207$、$108$。
方法:分析加 $3$ 后的进位对数字和的影响,使新数字和为原来的 $\frac{1}{3}$,逐一试算。
9. 有两个相邻的自然数,它们的各位数字之和均为 $7$ 的倍数,这两个自然数中较小的数最小是多少?
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数字和 进位与数字和变化 7的倍数 相邻数数字和
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答案 $69999$。
解题过程 设较小的数的数字和为 $N$,这个数加 $1$ 后的数字和如果不进位则变为 $N+1$,但 $N$ 和 $N+1$ 不可能都是 $7$ 的倍数,因此较小的数加 $1$ 时必须进位。若末尾有 $k$ 个 $9$,加 $1$ 后数字和变为 $N+1-9k$,要使 $N$ 与 $N+1-9k$ 都是 $7$ 的倍数,$9k-1$ 应是 $7$ 的倍数,$k$ 最小为 $4$。即较小的数末尾至少有 $4$ 个 $9$,末尾应是 $9999$。要使其数字和是 $7$ 的倍数且数最小,前面应取 $6$($6+9\times 4=42$ 是 $7$ 的倍数),所以较小的数最小是 $69999$。
方法:分析加 $1$ 进位对数字和的影响,使前后两数字和都为 $7$ 的倍数,取末尾 $9999$。
10. 记号 $n!$ 表示前 $n$ 个正整数相乘,并且规定 $0!=1$,例如:$4!=1\times 2\times 3\times 4$。每一个三位数 $\overline{abc}$ 都有一个“对应数”:$a!+b!+c!$,例如:$254$ 的对应数是 $2!+5!+4!=146$。请问:对应数与自身相同的三位数是什么?
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阶乘 数字和与各位数字关系 枚举验证 数字与阶乘
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答案 $145$。
解题过程 由于 $1!=1$、$2!=2$、$3!=6$、$4!=24$、$5!=120$、$6!=720$,而 $7!$ 已经是 $4$ 位数,因此三位数的各位数字不可能含有 $7$ 或更大的数。若有 $6$,则对应数至少含 $720$,首位应大于 $7$,矛盾,所以各位数字也不能含 $6$,即各位数字只能取 $0\sim 5$。要使对应数是三位数,最大的数字不能超过 $5$。逐一分析后可知,若各位数字含 $5$,对应数含 $120$,结合首位讨论;经过验证只有 $145$ 满足 $$\begin{aligned}1!+4!+5!&=1+24+120\\&=145\end{aligned}$$ 与自身相同。所以这样的三位数是 $145$。
方法:列出各位数字阶乘的可能值,由对应数为三位数缩小数字范围,枚举验证。
11. 如果修改 $31743$ 的某一个数字,可以得到 $823$ 的倍数,那么修改后的这个数是多少?
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位值原理 倍数判断 乘法竖式分析 修改数字得倍数
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答案 $33743$。
解题过程 要修改 $31743$ 的某一个数字得到 $823$ 的倍数。先保留后三位 $743$,把问题转化为求形如 $\overline{\square\square}743$ 的 $823$ 的倍数。写成乘法竖式:由于乘积的末位是 $3$,而 $823$ 的末位是 $3$,所以乘数的末位一定是 $1$。又由乘积的末两位是 $43$,可知乘数的十位上的乘积末位应为 $4$,因此乘数的十位只能是 $4$。所以乘数是 $41$,$823\times 41=33743$ 是五位数。由 $41$ 算出 $33743$,此时所求的五位数是 $33743$,它恰好只是把 $31743$ 的万位上方的千位数字 $1$ 改成 $3$(即只修改一个数字)。所以修改后的这个数是 $33743$。
方法:保留后三位,把问题化为求特定末位的 $823$ 的倍数,用乘法竖式定出乘数。
12. 如果 $\underbrace{22\cdots 2}_{n\text{个}2}$ 是 $1998$ 的倍数,那么 $n$ 最小是多少?
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重复数字的整除性 9的整除特征 因数分解 重复数字与倍数
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答案 $27$。
解题过程 $\underbrace{22\cdots 2}_{n}$ 一定是偶数。如果它是 $1998$ 的倍数,则 $\underbrace{11\cdots 1}_{n}$ 是 $999$ 的倍数。这样一来,我们就把问题转化为寻找最小的 $n$,使得 $\underbrace{11\cdots 1}_{n}$ 是 $999$ 的倍数。注意 $999=111\times 9$,且 $111$ 与 $9$ 互质。先要被 $111$ 整除,因此 $n$ 一定是 $3$ 的倍数。由 $\underbrace{11\cdots 1}_{n}\div 111$ 的商是 $\underbrace{100100\cdots 1}$,它的数字和是 $\dfrac{n}{3}$。要让这个商是 $9$ 的倍数,必须 $\dfrac{n}{3}$ 是 $9$ 的倍数,即 $n$ 是 $27$ 的倍数。在 $27$ 的倍数中最小的就是 $27$,因此 $n$ 最小是 $27$。
方法:化为 $\underbrace{11\cdots 1}_{n}$ 被 $999=111\times 9$ 整除的问题,分析商的数字和被 $9$ 整除条件。
13. $1$ 至 $9$ 这 $9$ 个数字,按图 $21\text{-}1$ 所示的次序排成一个圆圈。请你在某两个数字之间剪开,分别按顺时针和逆时针次序形成两个九位数(例如,在 $1$ 和 $7$ 之间剪开,得到的两个数是 $193426857$ 和 $758624391$)。如果要求剪得的两个九位数的差能够被 $396$ 整除,那么剪开处在哪两个数字之间?乘积是多少?
★★★
396的整除特征 4、9、11的整除特征 圆排列与位值 互质分解 圆排列数字差与整除
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答案 $1\times 9=9$,$9\times 3=27$,$4\times 2=8$,$2\times 6=12$,$6\times 8=48$,$5\times 7=35$(满足 $396$ 整除条件的剪开处相邻两数字的乘积)。
解题过程 $396=4\times 9\times 11$,且 $4$、$9$、$11$ 是互质的。因此要判断一个数能否被 $396$ 整除,就要看它能否同时被 $4$、$9$、$11$ 整除。剪得的两个九位数位置正好互相对应,其各位数字之和相同,都能被 $9$ 整除,所以差能被 $9$ 整除是自然成立的。差被 $11$ 整除要分析奇数位与偶数位上数字之和的差;差被 $4$ 整除要看末两位。逐对相邻数字计算两数差能否同时被 $4$ 和 $11$ 整除,找出满足条件的剪开处及其相邻两数字的乘积,得到 $1\times 9=9$、$9\times 3=27$、$4\times 2=8$、$2\times 6=12$、$6\times 8=48$、$5\times 7=35$。
方法:$396=4\times 9\times 11$,分别用 $4$、$9$、$11$ 的整除特征判断两九位数之差,确定剪开处。
14. 各位数字不相同的八位数中,能被 $72$ 整除的数最小是多少?最大是多少?
★★★
72的整除特征 8的整除特征 9的整除特征 数字选取与排列 组数与整除
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答案 最小是 $10237896$;最大是 $98763120$。
解题过程 $72=8\times 9$,且 $8$ 和 $9$ 是互质的。因此这个数应同时被 $8$ 和 $9$ 整除。八位数的每一位都从 $0$ 至 $9$ 中选择,各位数字各不相同。要被 $9$ 整除,八位数字之和应是 $9$ 的倍数,由 $0+1+\cdots+9=45$,去掉两个数字使剩下 $8$ 个数字之和为 $9$ 的倍数,则去掉的两个数字之和必须是 $9$ 的倍数。要被 $8$ 整除,末三位组成的三位数能被 $8$ 整除。综合分析并逐步调整:要使八位数最小,取 $10237896$;要使八位数最大,取 $98763120$。
方法:$72=8\times 9$:去掉两数使数字和被 $9$ 整除,再调末三位被 $8$ 整除取最小最大。
超越篇
1. 用 $3$ 个不同的数字可以组成 $6$ 个三位数,已知其中的 $5$ 个的和是 $3194$,求剩下的那个数是多少?
★★★★
位值原理 全排列求和 枚举验证 数字全排列之和
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答案 $358$。
解题过程 设这 $3$ 个数字组成的某个三位数为 $\overline{abc}$。$6$ 个三位数的和是 $222\times(a+b+c)$。由于 $5$ 个数之和是 $3194$,剩下的第 $6$ 个数 $\overline{abc}$ 满足 $222\times(a+b+c)-\overline{abc}=3194$,即 $\overline{abc}=222\times(a+b+c)-3194$。由于 $\overline{abc}$ 是三位数,$222\times(a+b+c)$ 在 $3194+100=3294$ 至 $3194+999=4193$ 之间,而 $222\times 15=3330$,$222\times 16=3552$,$222\times 17=3774$,$222\times 18=3996$。逐一试算:当 $a+b+c=16$ 时,$$\begin{aligned}\overline{abc}&=3552-3194\\&=358\end{aligned}$$,$3+5+8=16$ 符合;当 $a+b+c=17$ 时 $\overline{abc}=580$,$5+8+0=13\neq 17$ 不符;当 $a+b+c=18$ 时 $\overline{abc}=802$,$8+0+2=10\neq 18$ 不符。所以剩下的数是 $358$。
方法:$6$ 个数之和为 $222\times$(数字和),由 $222\times$(数字和)$-$剩下的数$=3194$ 枚举数字和求解。
2. 一个数是它的数字和的 $88$ 倍,求所有满足条件的正整数。
★★★★
位值原理 数字和与倍数 整数方程枚举 数与数字和的倍数关系
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答案 $1848$,$1056$,$1584$。
解题过程 显然这个数不可能是 $1$ 位数和 $2$ 位数。假设这个数是 $3$ 位数,设为 $\overline{ABC}$,$A$ 为 $1\sim 9$,$B$、$C$ 为 $0\sim 9$,由 $100A+10B+C=88\times(A+B+C)$,整理得 $12A=78B+87C$,由 $A$ 不超过 $9$ 知无三位数解。假设这个数是 $4$ 位数,设为 $\overline{ABCD}$,由 $1000A+100B+10C+D=88(A+B+C+D)$,整理得 $912A+12B=78C+87D$。结合各位数字范围与进位分析逐步求解,得满足条件的数为 $1848$、$1056$、$1584$。
方法:按位数讨论,用位值展开列方程,分析后枚举求所有解。
3. 两个自然数,差是 $98$,各自的各位数字之和都能被 $19$ 整除。试问:满足要求的最小的一对数之和是多少?
★★★★
数字和 进位与数字和变化 19的倍数 相差定值数的数字和
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答案 $60096$。
解题过程 设较小的数为 $M$,它的数字和为 $m$,$M$ 加 $98$ 得 $M+98$,其数字和为 $m+17-9k$(其中 $k$ 为进位次数)。由 $M$ 与 $M+98$ 的数字和都能被 $19$ 整除,要 $m$ 与 $m+17-9k$ 都是 $19$ 的倍数,可得 $k=4$,再由 $m$ 是 $19$ 的倍数且数最小确定 $M$ 的数字和最小为 $38$,$M$ 最小为 $29999$,$M+98=30097$。所以满足条件的最小一对数之和 $=29999+30097=60096$。
方法:分析加 $98$ 进位对数字和的影响,使两数字和都为 $19$ 的倍数,取最小数。
4. 如果 $1\underbrace{333\cdots 3}_{n\text{个}3}2$ 是 $756$ 的倍数,那么 $n$ 最小是多少?
★★★★
756的整除特征 重复数字的整除性 因数分解 重复数字与倍数
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答案 $17$。
解题过程 $756=4\times 27\times 7$。要让 $1\underbrace{333\cdots 3}_{n}2$ 被 $756$ 整除,需同时被 $4$、$27$、$7$ 整除。被 $4$ 整除看末两位 $32$,$32$ 能被 $4$ 整除,成立。被 $27$(含被 $9$)整除看数字和:$$\begin{aligned}1+3n+2&=3n+3\\&=3(n+1)\end{aligned}$$要被 $9$ 整除需 $n+1$ 是 $3$ 的倍数,要被 $27$ 整除还需进一步分析。再结合被 $7$ 整除的条件,综合分析与验证得 $n$ 最小是 $17$。
方法:$756=4\times 27\times 7$,分别用 $4$、$27$、$7$ 的整除特征判断重复数字组成的数。
5. 包含 $0$ 至 $9$ 这 $10$ 个数字的十位数称为“十全数”。求满足以下条件的所有的十全数:①它的千位是 $7$;②从左往右数,它的第一位能被 $1$ 整除,前两位组成的两位数能被 $2$ 整除,前三位组成的三位数能被 $3$ 整除……前十位组成的十位数能被 $10$ 整除。
★★★★
整除特征综合 十全数(全数字数) 逐位整除条件 十全数 / 多重整除
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答案 $3816547290$。
解题过程 把所求的十全数记为 $\overline{abcdefghij}$。由条件,前两位被 $2$ 整除,前四位被 $4$ 整除,前六位被 $6$ 整除,前八位被 $8$ 整除,前十位被 $10$ 整除,所以第二、四、六、八、十位(偶数位)上的数字都是偶数,于是 $0、2、4、6、8$ 占据偶数位,$1、3、5、7、9$ 占据奇数位。又前十位被 $10$ 整除,所以第十位 $j=0$;前五位被 $5$ 整除且第五位为奇数位,所以 $e=5$。再由前三位被 $3$、前四位被 $4$、前六位被 $6$、前八位被 $8$、前九位被 $9$ 等整除条件,并结合千位(第四位)为 $7$ 的条件逐位推算并验证,唯一满足条件的十全数是 $3816547290$。
方法:由各位可被 $k$ 整除条件确定偶数位、第五位为 $5$、第十位为 $0$,再综合 $3、4、6、8、9$ 整除逐步缩小求解。
6. 由 $8$ 个不同的数字组成的八位数中,能被 $396$ 整除的数最大是多少?最小是多少?
★★★★
396的整除特征 4、9、11的整除特征 数字选取与排列 组数与整除
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答案 最大是 $98752104$,最小是 $10238976$。
解题过程 $396=4\times 9\times 11$,且 $4$、$9$、$11$ 互质。这个八位数有 $8$ 个不同的数字,数字和最小是 $0+1+\cdots+7=28$,最大是 $2+3+\cdots+9=44$;由于它能被 $9$ 整除,$8$ 个数字之和需是 $9$ 的倍数,即 $36$。再满足被 $11$ 整除:奇数位与偶数位数字之和的差是 $11$ 的倍数,由数字和为 $36$ 可确定奇、偶位数字和分别的取值;还要被 $4$ 整除(末两位被 $4$)。综合逐步调整:要使八位数最大,高位取 $9876\cdots$,得最大 $98752104$;要使八位数最小,高位取 $1023\cdots$,得最小 $10238976$。
方法:$396=4\times 9\times 11$:定数字和为 $36$(被 $9$),分配奇偶位满足被 $11$,调末两位被 $4$,取最大最小。
7. 最多有多少个连续自然数,它们的各位数字之和都不是 $11$ 的倍数?请举例。
★★★★
数字和 进位与数字和变化 11的倍数 构造法 连续数数字和
显示答案 / 解析
答案 $38$ 个;例如 $999981\sim 1000018$。
解题过程 在任意 $39$ 个连续自然数中,一定有三个末位数字为 $0$,前面两个中一定有一个十位数字不为 $9$,设它为 $N$,则 $N$、$N+1$、$\cdots$、$N+9$、$N+19$ 这 $11$ 个数的数字之和依次为 $n$、$n+1$、$n+2$、$\cdots$、$n+9$、$n+10$,是 $11$ 个连续的自然数,其中必有一个是 $11$ 的倍数。所以至多只可能有 $38$ 个连续自然数,它们的各位数字之和都不是 $11$ 的倍数。构造时,例如从 $999981$ 到 $1000018$ 这 $38$ 个连续自然数,它们的各位数字之和都不是 $11$ 的倍数。
方法:证明任意 $39$ 个连续自然数中必有数字和为 $11$ 的倍数,再构造跨越大进位的 $38$ 个数。
8. 用 $0$ 至 $9$ 这 $10$ 个数字组成一位数、两位数、三位数、四位数各一个,使它们都是非零的完全平方数。
★★★★
完全平方数 数字不重复 枚举与试选 完全平方数与数字组合
显示答案 / 解析
答案 答案不唯一,例如 $1$、$36$、$784$、$9025$;又如 $9$、$16$、$784$、$3025$;$9$、$81$、$576$、$1024$;$9$、$81$、$576$、$2304$ 等(一位数、两位数、三位数、四位数各一个,恰好用到 $0\sim 9$ 各一次)。
解题过程 先把三位以内没有重复数字的平方数列出来:一位数有 $1、4、9$;两位数有 $16、25、36、49、64、81$;三位数有 $169、196、256、289、324、529、576、625、729、784、841、961$。发现三位以内的平方数不含数字 $0$,因此 $0$ 必定含在四位数中。再将含有数字 $0$ 且无重复数字的四位平方数列出,如 $1024、1089、2304、2401、2601、2704、2809、3025、5041、7056、9025、9604、9801$ 等。然后从各组中各选一个数,使所选的数字没有重复。例如取一位数 $1$、两位数 $36$、三位数 $784$、四位数 $9025$,恰好用到 $0、1、2、3、4、5、6、7、8、9$ 各一次。所以一组答案是 $1$、$36$、$784$、$9025$(这样的答案不唯一)。
方法:列出各位数的无重复数字平方数表,逐行各选一个使十个数字恰好用到各一次。
第22讲 计数综合二
兴趣篇
1. 能同时被 $4,5,6$ 整除的三位数共有多少个?
★★
最小公倍数 倍数计数 区间计数 公倍数计数
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答案 $15$ 个。
解题过程 能同时被 $4,5,6$ 整除的数必定是 $60$ 的倍数。在 $999$ 以内有 $16$ 个,在 $99$ 以内有 $1$ 个,因此三位数的有 $16-1=15$ 个。
方法:求出 $4,5,6$ 的最小公倍数 $60$,再用区间内倍数个数相减得三位数的个数。
2. 分母是 $30$ 的最简真分数共有多少个?
★★
最简真分数 互质 枚举 最简真分数计数
显示答案 / 解析
答案 $8$ 个。
解题过程 枚举:其分子可以是 $1,7,11,13,17,19,23,29$,共 $8$ 个(即小于 $30$ 且与 $30$ 互质的数)。
方法:找出小于分母且与分母互质的分子个数(欧拉函数 $\varphi(30)$)。
3. 从 $1,2,3,\cdots,9$ 这 $9$ 个数中选出 $2$ 个数,请问:(1)要使两数之和是 $3$ 的倍数,一共有多少种不同的选法?(2)要使两数之积是 $3$ 的倍数,一共有多少种不同的选法?
★★★
余数分类 组合数 加法原理 排除法 余数分类计数 组合选数
显示答案 / 解析
答案 (1)$12$ 种;(2)$21$ 种。
解题过程 将 $1$ 至 $9$ 这 $9$ 个数字按除以 $3$ 的余数进行分类:除以 $3$ 余 $0$ 的有 $3,6,9$(共 $3$ 个);除以 $3$ 余 $1$ 的有 $1,4,7$(共 $3$ 个);除以 $3$ 余 $2$ 的有 $2,5,8$(共 $3$ 个)。 (1)两数之和是 $3$ 的倍数有两类情况:第一类,两个数都是 $3$ 的倍数,有 $C_3^2=3$ 种;第二类,两数除以 $3$ 的余数分别为 $1$ 和 $2$,有 $3\times 3=9$ 种。共 $3+9=12$ 种。 (2)两数之积是 $3$ 的倍数,即至少有一个数是 $3$ 的倍数,用排除法:总选法 $C_9^2=36$ 种,两数都不是 $3$ 的倍数(从 $6$ 个非 $3$ 倍数中选)有 $C_6^2=15$ 种,故 $36-15=21$ 种。
方法:按除以 $3$ 的余数分组,和的倍数用加法原理分类,积的倍数用排除法。
4. 在所有由 $1,3,5,7,9$ 中的 $3$ 个不同数字组成的三位数中,有多少个是 $3$ 的倍数?
★★★
余数分类 乘法原理 全排列 数字组成三位数计数
显示答案 / 解析
答案 $24$ 个。
解题过程 将 $1,3,5,7,9$ 按除以 $3$ 的余数分类:除以 $3$ 余 $0$ 的有 $3,9$($2$ 个);除以 $3$ 余 $1$ 的有 $1,7$($2$ 个);除以 $3$ 余 $2$ 的有 $5$($1$ 个)。第一步选出三个数字使它们的和能被 $3$ 整除:三个余数相同不可能(每类不足 $3$ 个),只能是三数余数分别为 $0,1,2$,即每类各取一个,由乘法原理有 $2\times 2\times 1=4$ 种选法。第二步把选好的三个不同数字排成三位数,有 $A_3^3=6$ 种。故共有 $$\begin{aligned}4\times A_3^3&=4\times 6\\&=24\end{aligned}$$个。
方法:先按余数 $0,1,2$ 各取一个使和被 $3$ 整除,再对三个数字全排列。
5. 用 $0$ 到 $5$ 这 $6$ 个数字可以组成多少个能被 $5$ 整除且各位数字互不相同的五位数?
★★★
被 5 整除的特征 分类讨论 首位非零 排列 组数 + 整除特征
显示答案 / 解析
答案 $216$ 个。
解题过程 能被 $5$ 整除的数末位是 $0$ 或者 $5$,分类讨论: 第一类,末位是 $0$:首位有 $5$ 种选法,其余三位从剩下 $4$ 个数字中依次排,有 $5\times 4\times 3\times 2=120$ 个。 第二类,末位是 $5$:首位不能为 $0$ 也不能为 $5$,有 $4$ 种;其余三位(含可放 $0$)从剩下 $4$ 个数字中取 $3$ 个排列,有 $4\times 4\times 3\times 2=96$ 个。 共 $120+96=216$ 个。
方法:按末位 $0$、$5$ 分类,注意首位不能为 $0$,逐位计数后相加。
6. 个位比十位大的两位数共有多少个?个位比十位大、十位比百位大的三位数共有多少个?
★★★
组合数 严格递增数位 选数即定序 数位单调的数计数
显示答案 / 解析
答案 两位数 $36$ 个;三位数 $84$ 个。
解题过程 个位比十位大的两位数:相当于从 $1\sim 9$ 中选两个不同数字,大的放个位、小的放十位,每种选法对应唯一的两位数,共 $C_9^2=36$ 个。 个位比十位大、十位比百位大的三位数:三个数位上的数字依次递增(百位最小、个位最大),相当于从 $1\sim 9$ 中选三个不同数字按从小到大排列,共 $C_9^3=84$ 个。(百位不能为 $0$,故都从 $1\sim 9$ 中选。)
方法:数位严格递增时,选定数字即唯一确定排列,故用组合数 $C_9^2$、$C_9^3$。
7. 一个正整数,如果从左往右看和从右往左看都是一样的,那么把这个数称为“回文数”。例如:$1331,7,202,66$ 都是回文数,而 $220$ 则不是“回文数”。请问:从一位到六位的“回文数”一共有多少个?其中第 $1997$ 个“回文数”是什么?
★★★
回文数结构 乘法原理 排序定位 回文数计数与定位
显示答案 / 解析
答案 一至六位回文数共 $1998$ 个;第 $1997$ 个回文数是 $998899$。
解题过程 一位的回文数有 $1,2,3,4,5,6,7,8,9$,共 $9$ 个。 两位的回文数有 $11,22,33,44,55,66,77,88,99$,共 $9$ 个。 三位的回文数 $\overline{aba}$,其中 $a\neq 0$,只能在 $1$ 至 $9$ 中选,$b$ 可在 $0$ 至 $9$ 中选,共 $9\times 10=90$ 个。 四位回文数 $\overline{abba}$,$a\neq 0$,有 $9\times 10=90$ 个。 五位回文数 $\overline{abcba}$,$a\neq 0$,有 $9\times 10\times 10=900$ 个。 六位回文数 $\overline{abccba}$,$a\neq 0$,有 $9\times 10\times 10=900$ 个。 所以一至六位回文数总数为 $(9+90)\times 2+(900+900)=1998$ 个。 第 $1997$ 个是六位回文数中的倒数第二个,六位回文数最大的是 $999999$,往下依次是 $998899$(对应 $\overline{abccba}$ 中 $a=9,b=9,c=8$),即第 $1997$ 个回文数是 $998899$。
方法:按位数分别对回文数计数(首位非零),再据从大到小排序确定指定位次的数。
8. 一个四位数 $\overline{ABCD}$,它与逆序数 $\overline{DCBA}$ 之和的末两位为 $56$,这样的四位数 $\overline{ABCD}$ 有多少个?
★★★
逆序数 数位加法与进位 分类计数 逆序数求和数字谜
显示答案 / 解析
答案 $80$ 个。
解题过程 根据题意,个位 $D+A$ 与十位 $C+B$ 决定和的末两位是 $56$。不考虑进位,$\overline{CD}+\overline{BA}$ 这个两位数加法的末两位为 $56$(结果可为 $56$ 或 $156$),使 $A+D$ 与 $B+C$ 满足相应关系。经分析,满足 $A+D$ 与 $B+C$ 条件的取值,再考虑首位 $A\neq 0$,逐一计数得共有 $80$ 个满足条件的四位数 $\overline{ABCD}$。
方法:把和的末两位拆为个位、十位上的数位加法(注意进位),求出 $A+D$、$B+C$ 的允许组合并计数。
9. 把 $2005,2006,2007,2008,2009$ 这 $5$ 个数分别填入图 $22\text{-}1$ 的东、南、西、北、中 $5$ 个方格内,使横、竖 $3$ 个数的和相等,一共有多少种不同的填法?
★★★
数阵图 和相等条件 分组配对 十字数阵填数
显示答案 / 解析
答案 $24$ 种。
解题过程 图中横行三数(西、中、东)之和等于竖列三数(北、中、南)之和,把中间的数消去,要求就变成“西 $+$ 东 $=$ 北 $+$ 南”。要使“西 $+$ 东 $=$ 北 $+$ 南”,$5$ 个连续的数中,必定是“最大 $+$ 最小 $=$ 次大 $+$ 次小”这一类的等式。简单尝试可知,可能的等式有 $2005+2009=2007+2008$、$2005+2009=2006+\cdots$、$2005+2008=2006+2007$ 等共 $3$ 种(每种确定了放在中间的那个数)。对每一个等式:等式左右两组(如“西、东”一组、“北、南”一组)各自内部可以交换(各 $2$ 种),且左右两组整体也可以互换,共 $2\times 2\times 2=8$ 种填法。所以总共有 $8\times 3=24$ 种不同的填法。
方法:由横竖和相等得“西+东=北+南”,确定中心数后把余下四数配成等和两对再计排列。
10. 从 $1$ 至 $7$ 中选出 $6$ 个数字填入图 $22\text{-}2$ 的表中,使得相邻的两个方框内,下面的数字比上面大、右边的数字比左边大。请先给出一种填法,然后考虑一共有多少种填法?
★★★
数阵图 偏序填数 组合数 阶梯数阵填数
显示答案 / 解析
答案 $14$ 种。
解题过程 按从上到下、从左到右每个格子标上 $a\sim f$,相邻格子之间满足:下面的数比上面的数大,右边的数比左边的数大,因此各格数字按所在阶梯位置依次递增,存在唯一的大小顺序约束(偏序)。先从 $1\sim 7$ 中选出 $6$ 个数(即去掉一个数,有 $C_7^6=7$ 种);对于选定的 $6$ 个数,再按满足相邻大小关系的方式填入阶梯形方格,符合条件的填法数固定。综合计数得共有 $C_7^2=14$ 种填法。
方法:把方格的相邻大小关系视为偏序约束,先选 $6$ 个数再按约束填入并计数。
拓展篇
1. 同时能被 $6,7,8,9$ 整除的四位数共有多少个?
★★
最小公倍数 区间倍数计数 公倍数计数
显示答案 / 解析
答案 $18$ 个。
解题过程 一个数能同时被 $6,7,8,9$ 整除,则必须被它们的最小公倍数整除。$6,7,8,9$ 的最小公倍数是 $504$。$10000\div 504\approx 19$ 余 $\cdots$,最大的能被 $504$ 整除的四位数是 $504$ 的 $19$ 倍;$1000\div 504\approx 1$ 余 $\cdots$,最小的能被 $504$ 整除的四位数是 $504$ 的 $2$ 倍。所以四位数中是 $504$ 倍数的有 $19-2+1=18$ 个。
方法:求 $6,7,8,9$ 的最小公倍数 $504$,再数四位数范围内的倍数个数。
2. 分子小于 $8$,分母小于 $20$ 的最简真分数共有多少个?
★★
最简真分数 互质 分类计数 最简真分数计数
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答案 $58$ 个。
解题过程 按分子的取值分类讨论。分子可取 $1$ 至 $7$。当分子为 $1$ 时,分母可取 $2$ 至 $19$ 中任意一个(共 $18$ 个),都是最简真分数;当分子为其他值时,分母需在大于分子的范围内且与分子互质。对每个分子分别数出与之互质且在 $(\text{分子},20)$ 内的分母个数,再求和,最终得最简真分数共 $58$ 个。
方法:按分子 $1\sim 7$ 分类,分别数出大于分子且与分子互质的分母个数后求和。
3. 从 $1,2,3,4,5,6,7$ 这 $7$ 个数中选出 $3$ 个数,请问:(1)要使这 $3$ 个数的乘积能被 $3$ 整除,一共有多少种不同的选法?(2)要使这 $3$ 个数的和能被 $3$ 整除,一共有多少种不同的选法?
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余数分类 组合数 排除法 加法原理 余数分类计数
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答案 (1)$25$ 种;(2)$13$ 种。
解题过程 从 $7$ 个数中任选 $3$ 个有 $C_7^3=35$ 种选法,其中乘积不能被 $3$ 整除的有 $C_5^3=10$ 种(从 $5$ 个非 $3$ 倍数 $1,2,4,5,7$ 中选),因此能被 $3$ 整除的有 $35-10=25$ 种。 (2)考虑这 $7$ 个数除以 $3$ 的余数:余数为 $0$ 的有 $3,6$;余数为 $1$ 的有 $1,4,7$;余数为 $2$ 的有 $2,5$。从中选出 $3$ 个数若要它们的和能被 $3$ 整除,则三数余数全相同(只有余 $1$ 一组可取 $3$ 个,$C_3^3=1$ 种),或三数余数恰为 $0,1,2$ 各一个($2\times 3\times 2=12$ 种)。共 $1+12=13$ 种。
方法:乘积被 $3$ 整除用排除法;和被 $3$ 整除按余数全相同或 $0,1,2$ 各一分类。
4. 小明的衣服口袋中有 $10$ 张卡片,分别写着 $1,2,3,\cdots,10$。现从中拿出两张卡片,使卡片上两个数的乘积能被 $6$ 整除,这样的选法共有多少种?(注:$9$ 不能颠倒当作 $6$ 来使用,$6$ 也不能颠倒当作 $9$ 来使用。)
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质因数分解 被 6 整除 分类计数 去重 乘积整除分类计数
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答案 $17$ 种。
解题过程 考虑 $6$ 的质因数分解:$6=2\times 3$。如果两个数的乘积能被 $6$ 整除,那么或者其中一个数能被 $6$ 整除,或者一个能被 $2$ 整除而另一个能被 $3$ 整除。分两种情况考虑: 情况一,如果选出的其中一个数能被 $6$ 整除,那么它只能是 $6$,另一个数可以是余下的 $9$ 个数中任意一个,共 $9$ 种选法。 情况二,两个数都不是 $6$,但其乘积能被 $6$ 整除,即一个被 $2$ 整除(不含 $6$)另一个被 $3$ 整除(不含 $6$):被 $3$ 整除的有 $3,9$($2$ 个),被 $2$ 整除的有 $2,4,8,10$($4$ 个),故有 $2\times 4=8$ 种。 综合两种情况,乘积能被 $6$ 整除的选法共 $9+8=17$ 种。
方法:对“积被 $6$ 整除”按是否含 $6$ 分类:含 $6$ 任配,不含 $6$ 则一被 $2$、一被 $3$。
5. 六位数 $123475$ 能被 $11$ 整除,如果将这个六位数的 $6$ 个数字重新排列,还能排出多少个能被 $11$ 整除的六位数?
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被 11 整除的特征 数字分组 排列 去重 整除特征 + 重排计数
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答案 $71$ 个。
解题过程 六位数 $123475$ 各位数字的和是 $22$。由于 $11$ 的整除特征是奇数位数字之和与偶数位数字之和的差能被 $11$ 整除,且 $1+2+3+4+5+7=22$,把这 $6$ 个数分成两组,每组 $3$ 个数且和都为 $11$。和为 $11$ 的三数组合只有一种分法:$1+3+7=11$、$2+4+5=11$。那么满足条件的六位数可以分成两组,一类奇数位放 $1,3,7$,偶数位放 $2,4,5$;另一类奇数位放 $2,4,5$,偶数位放 $1,3,7$。每类内奇数位有 $A_3^3=6$ 种排法,偶数位有 $A_3^3=6$ 种排法,但首位不能为 $0$(本题无 $0$ 不受此限),共 $A_3^3\times A_3^3\times 2=72$ 种。除去题目给出的 $123475$ 本身,其它六位数共 $72-1=71$ 个。
方法:用奇偶位数字和之差被 $11$ 整除,把六数分成两组等和,再对各位排列并减去原数。
6. 如果能被 $8$ 整除或者含有数字 $8$ 的自然数为“吉利数”。那么 $1$ 至 $200$ 这 $200$ 个自然数中有多少个“吉利数”?
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被 8 整除 含特定数字计数 容斥原理 排除法 容斥计数 含数字计数
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答案 $56$ 个。
解题过程 先计算 $1$ 至 $200$ 中能被 $8$ 整除的数的个数:$200\div 8=25$,故有 $25$ 个被 $8$ 整除的数。 再考虑含数字 $8$ 的数:用排除法,从 $1$ 至 $200$ 中数出不含 $8$ 的数有多少个。不含 $8$ 的数:首位(百位)可填 $0$ 或 $1$,十位、个位都不能为 $8$,有 $2\times 9\times 9=162$ 个,显然 $0$ 和 $200$ 都不含 $8$,所以 $1$ 到 $200$ 当中含 $8$ 的数有 $200-162=38$ 个。 最后计算既含 $8$ 又能被 $8$ 整除的数(避免重复计数):(1)个位是 $8$ 且能被 $8$ 整除的有 $8,48,88,128,168$,共 $5$ 个;(2)十位是 $8$ 且能被 $8$ 整除的有 $80,88,\cdots$ 等。去重后含 $8$ 且被 $8$ 整除的共 $7$ 个。所以吉利数共 $25+38-7=56$ 个。
方法:分别数被 $8$ 整除与含数字 $8$ 的个数,再用容斥减去既被 $8$ 整除又含 $8$ 的重复部分。
7. 三个 $2$,两个 $1$ 和一个 $0$ 可组成多少个不同的六位数?求所有符合条件的六位数的和。
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可重复元素排列 首位非零 按数位求和 重复数字组数与求和
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答案 共 $50$ 个,总和为 $8711104$。
解题过程 先把这 $6$ 个数字(三个 $2$、两个 $1$、一个 $0$)作全排列,相同数字间不可区分,故排列数为 $\dfrac{6!}{3!\cdot 2!\cdot 1!}=60$ 种,但首位不能为 $0$。首位为 $0$ 的情形相当于把余下五位(三个 $2$、两个 $1$)排列,有 $\dfrac{5!}{3!\cdot 2!}=10$ 种。故不同的六位数有 $60-10=50$ 个。 求和:考虑每个数位上各数字出现的次数。在 $50$ 个六位数中,对每个数位(除首位)各数字出现次数相同,逐位累加所有数字之和,最终求得这 $50$ 个六位数的总和为 $8711104$。
方法:用可重排列公式数个数(减去首位为零者),再按各数位上数字出现次数累加求总和。
8. 有一种“上升数”,组成数的各位数字从左往右依次增大,将所有的四位“上升数”按从小到大的顺序排成一行:$1234,1235,1236,\cdots,6789$,请问:此数列中的第 $100$ 个数是多少?
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上升数(严格递增) 组合数 字典序定位 字典序排序定位
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答案 $3479$。
解题过程 四位上升数的各位数字从左往右严格递增,即从 $1\sim 9$ 中选 $4$ 个不同数字按从小到大排成一行,每种选法对应唯一一个四位上升数,因此四位上升数共有 $C_9^4=126$ 个。 按从小到大排列,逐位确定第 $100$ 个:先确定千位为 $3$ 之前(千位为 $1$ 的有 $C_8^3=56$ 个,千位为 $2$ 的有 $C_7^3=35$ 个,共 $91$ 个),第 $100$ 个的千位为 $3$(它在千位为 $3$ 的数中排第 $100-91=9$ 位)。在千位为 $3$ 的上升数中继续逐位确定百位、十位、个位,最终得第 $100$ 个数为 $3479$。
方法:上升数与组合一一对应,按字典序逐位累计组合数,定位第 $100$ 个。
9. 有一些三位数的相邻两位数字为 $2$ 和 $3$,例如 $132,235$ 等等,这样的三位数一共有多少个?
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相邻数字限制 分类计数 容斥去重 首位非零 相邻数字约束计数
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答案 $36$ 个。
解题过程 相邻两位数字是 $2$ 和 $3$,即这相邻的两位是 $23$ 或 $32$,分两种情况: 情况一,$23$ 或 $32$ 出现在百位、十位:当百位、十位是 $23$ 或 $32$ 时,个位可从 $0\sim 9$ 中任取一个,但要去掉与已有限制重复的情况,得 $2\times 10=20$ 个,再去掉个位也使其与中间数字冲突的情形。 情况二,$23$ 或 $32$ 出现在十位、个位:此时百位可从 $1\sim 9$ 中取(首位非零),得 $2\times 9=18$ 个。 两种情况会重复计入同时满足的数(如 $232,323$),共重复 $2$ 个。故三位数总数为 $20+18-2=36$ 个。
方法:按 $23/32$ 出现在“百十位”或“十个位”分类计数,再减去两类重复的数。
10. 在图 $22\text{-}3$ 的方框内填入 $3,4,5,6$ 中的一个数字,使得竖式成立。请问:所填的九个数字之和是多少?一共有多少种填法?(竖式结果为 $4995$)
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竖式数字谜 逐位分析进位 乘法原理 竖式加法数字谜
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答案 所填九个数字之和为 $45$;共 $30$ 种填法。
解题过程 以低位向高位依次分析。个位、十位、百位、千位各方框填入 $1,4,5,6$ 中的数字,逐位考虑进位与各位和,使竖式相加结果为 $4995$。从个位开始:个位三个数(最上四位数末位、第二个数末位、加数末位)之和的个位为 $5$,再向高位逐位确定可行的数字组合并计进位情形。综合各位的可行填法,由乘法原理得共有 $30$ 种不同的填法。
方法:从个位向高位逐位确定数字与进位,统计满足结果 $4995$ 的填法数。
11. 在 $1000,1001,\cdots,2000$ 这 $1001$ 个自然数中,可以找到多少对相邻的自然数,满足它们相加时不进位?
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不进位加法 数位分析 乘法原理 分类讨论 相邻数不进位计数
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答案 $156$ 对。
解题过程 在 $1000$ 至 $2000$ 中,相邻自然数中较小者 $\overline{ABCD}$ 的首位一定是 $1$,即 $\overline{1BCD}$。我们按相邻两数 $\overline{1BCD}$ 与 $\overline{1BCD}+1$ 相加时是否进位来分类讨论: 如果 $\overline{1BCD}$ 与 $1$ 相加没有进位,即相邻两数为 $\overline{1BCD}$ 与 $\overline{1BC(D+1)}$,其中 $D+1\leq 9$,即 $D=0\sim 8$。要使这两个数相加不进位,需各位之和都不进位,由乘法原理得这样的四位数有 $5\times 5\times 5=125$ 个。 如果 $\overline{1BCD}$ 的末位是 $9$(即 $D=9$),则 $+1$ 后向十位进位,需相应分析十位、百位的取值,再计满足不进位的对数。 综合 $1000$ 至 $2000$ 中相加时不进位的相邻对数为 $125+25+5+1=156$ 对。
方法:对较小数按末位是否为 $9$(即 $+1$ 是否引起进位)分类,逐类数出各位不进位的对数。
12. 将 $1$ 至 $7$ 分别填入图 $22\text{-}4$ 中的 $7$ 个方框中,使得每行每列中既有奇数也有偶数,一共有多少种不同的填法?
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奇偶分布 数阵图填数 排列 乘法原理 奇偶约束数阵填数
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答案 $432$ 种。
解题过程 在 $1$ 至 $7$ 中有 $4$ 个奇数($1,3,5,7$)和 $3$ 个偶数($2,4,6$)。图 $22\text{-}4$ 的 $7$ 个方框分布在若干行、列中,由于要使每行每列中既有奇数也有偶数,需保证不出现整行或整列全为同奇偶。先分析各方框所属奇偶位置的限制:把奇偶分布满足条件的方案数算出,再考虑奇数之间($A_4^4$)与偶数之间($A_3^3$)的排列。综合奇偶分布的合法选取与排列,由乘法原理得共有 $432$ 种不同的填法。
方法:先确定使每行每列奇偶混合的奇偶位置分布,再分别对奇数、偶数全排列后相乘。
13. 在图 $22\text{-}5$ 的空格内各填入一个数字,使同一行内左边的数比右边的数大,同一列下面的数比上面的数大,并且方格内 $6$ 个数字互不相同,例如图 $22\text{-}6$ 就是一种填法。请问:一共有多少种不同的填法?
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数阵图 偏序填数(行列大小关系) 组合数 行列单调数阵填数
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答案 $30$ 种。
解题过程 如图,在方框内填 $6$ 个数字使互不相同,因此从空格的 $4$ 个空(去掉已给的 $2$ 个数 $2,3$ 后)从 $4\sim 9$ 中选 $4$ 个不同的数填入;同时要满足同一行左边比右边大、同一列下面比上面大的大小约束。这种填法本质上是把 $6$ 个数填入 $2$ 行 $3$ 列的方格使行内、列间都有固定大小关系,符合该偏序的填法数固定。综合两步:先按约束选数填数,由乘法原理得不同的填法共 $$\begin{aligned}C_6^2\times 2&=15\times 2\\&=30\end{aligned}$$种。
方法:把行内、列间的大小要求视为偏序约束,按约束选数填入并计数。
14. 将数字 $1$ 至 $7$ 分别填入图 $22\text{-}7$ 的各个圆圈中,使得每条线段两个端点处所填的数,上面的比下面的大。请问:符合上述要求的不同填数方法一共有多少种?
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偏序填数 树形大小约束 分组与乘法原理 树形数阵偏序填数
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答案 $80$ 种。
解题过程 如图,有线段相连的相邻两圆有明确的大小关系。先看图中结构:底部的圆 $D$ 最小,上层 $A,B,E$ 等三个圆却没有直接联系。把图分成有大小约束的几组,组与组之间没有大小约束。$A$ 只能填 $1$。考虑 $D,E$ 这一组与 $C,F,G$ 这一组先确定三个数较多,再考虑具体填法:从 $2\sim 7$ 这 $6$ 个数中选出三个填入 $D,E$ 所在一组(由乘法原理与偏序限制确定方案数),剩下三个填入 $C,F,G$ 一组。综合各组合法填法,由乘法原理得共 $80$ 种不同的填数方法。
方法:依线段大小约束确定各圆偏序关系(最小者固定),分组选数再用乘法原理计数。
超越篇
1. 甲、乙、丙、丁四人各有一个作业本混放在一起,四人每人随便拿了一本。问:(1)甲拿到自己作业本的拿法有多少种?(2)恰有一人拿到自己作业本的拿法有多少种?(3)至少有一人没拿到自己作业本的拿法有多少种?(4)谁也没拿到自己作业本的拿法有多少种?
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错位排列 全排列 排除法 恰好计数 错位排列问题
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答案 (1)$6$ 种;(2)$8$ 种;(3)$23$ 种;(4)$9$ 种。
解题过程 (1)甲拿到自己的作业本后,剩下乙、丙、丁三人随意拿余下三本,有 $A_3^3=6$ 种。 (2)恰有一人拿到自己作业本:先选出这一人有 $4$ 种,余下三人都不拿自己的(三人错位排列有 $2$ 种),共 $4\times 2=8$ 种。 (3)至少有一人没拿到自己作业本:用排除法,总拿法 $A_4^4=24$ 种,减去四人都拿到自己(即全部对号入座,只有 $1$ 种),得 $24-1=23$ 种。 (4)谁也没拿到自己的作业本,即四个元素的错位排列(全错排),$D_4=9$ 种。
方法:分别用全排列、错位排列与排除法,注意“恰有一人”与“至少”“全错”的区别。
2. 一种电子表在 $6$ 时 $24$ 分 $30$ 秒时的显示为 $6:24:30$,那么从 $5$ 时到 $7$ 时这段时间里,此表的 $5$ 个数字都不相同的时刻一共有多少个?
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时刻进位限制 互不相同计数 分类讨论 乘法原理 电子表数字计数
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答案 $2100$ 个。
解题过程 用 $A,B,C,D,E$ 表示电子表上显示的 $5$ 个数字。要使时刻一定不满足条件,须 $5$ 个数字 $A,B,C,D,E$ 都互不相同。其中时针 $A$ 可以取 $5$ 或 $6$ 两种($5$ 时到 $7$ 时,含 $5$、$6$ 两个整点时段)。分针的十位 $B$ 取 $0\sim 5$,个位 $C$ 取 $0\sim 9$;秒针的十位 $D$ 取 $0\sim 5$,个位 $E$ 取 $0\sim 9$,且要求 $5$ 位互不相同。我们把这两种情况分开计算:用 $A$ 代表的数字分别讨论,当 $A=5$ 时,$B,C,D,E$ 从 $0,1,2,3,4$ 及其他可取范围中选互不相同的数,按 $B,D$ 受 $0\sim 5$、$C,E$ 受 $0\sim 9$ 限制逐位计数;当 $A=6$ 时同理。综合两种情况,$5$ 时到 $7$ 时数字都不相同的时刻共有 $2100$ 个。
方法:按时针为 $5$ 或 $6$ 分类,对分、秒的十位、个位分别考虑取值范围与互不相同约束计数。
3. 各位数字均不大于 $5$,且能被 $99$ 整除的六位数共有多少个?
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被 99 整除的特征 分段求和 数位约束计数 乘法原理 整除特征 + 数位限制计数
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答案 $575$ 个。
解题过程 设六位数 $\overline{ABCDEF}$,则 $\overline{ABCDEF}=\overline{AB}\times 10000+\overline{CD}\times 100+\overline{EF}$。 由于 $\overline{ABCDEF}=\overline{AB}\times 9999+\overline{CD}\times 99+(\overline{AB}+\overline{CD}+\overline{EF})$,而 $9999$ 与 $99$ 都能被 $99$ 整除,所以 $\overline{ABCDEF}$ 能被 $99$ 整除当且仅当 $\overline{AB}+\overline{CD}+\overline{EF}$ 能被 $99$ 整除。 因为各位数字均不大于 $5$,每个两位数 $\overline{AB},\overline{CD},\overline{EF}\leq 55$,三者之和不超过 $165$,故和只能是 $99$(或 $0$,但首位非零排除)。即 $\overline{AB}+\overline{CD}+\overline{EF}=99$。 用奇数位(百位、个位等)与偶数位分别分析:把六位拆为奇数位 $A,C,E$ 与偶数位 $B,D,F$,奇数位 $A+C+E$ 与偶数位 $B+D+F$ 满足相应约束。逐位(各位 $0\sim 5$)计数:奇数位上 $3+4+5+6+5=23$ 种;偶数位上 $B+D+F=9$,当 $B=0$ 时 $D$ 可以从 $4,5$ 中选有 $2$ 种,与对奇数位分析类似,当 $B=1,2,3,4,5$ 时 $D$ 共 $23$ 种,得偶数位上有 $2+23=25$ 种。由乘法原理,这样的六位数有 $23\times 25=575$ 个。
方法:利用 $\overline{ABCDEF}$ 被 $99$ 整除等价于两位段之和被 $99$ 整除,结合各位 $\leq 5$ 逐位计数。
4. 从 $1,2,3,\cdots,9$ 中选取若干个互不相同的数字(至少一个),使得其和是 $3$ 的倍数,共有多少种选法?
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余数分类 子集计数 组合数 模运算配对 子集和被整除计数
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答案 $175$ 种。
解题过程 在 $1\sim 9$ 这 $9$ 个数中,除以 $3$ 的余数为 $0,1,2$ 的数分别有:第一类(余 $0$)$3,6,9$;第二类(余 $1$)$1,4,7$;第三类(余 $2$)$2,5,8$,每类各 $3$ 个。要使选出的数之和能被 $3$ 整除,需选取的“余 $1$ 的个数”与“余 $2$ 的个数”关于模 $3$ 相配。 根据取舍,余 $0$ 的 $3$ 个数($3,6,9$)任选,有 $2^3=8$ 种(每个可选可不选)。余 $1$ 与余 $2$ 这两组,要使总和被 $3$ 整除,取法需满足取的余 $1$ 个数与余 $2$ 个数之差为 $3$ 的倍数:当取余 $1$ 的 $0,1,2,3$ 个分别有 $C_3^0,C_3^1,C_3^2,C_3^3$ 种,对应余 $2$ 也取相同个数(差为 $0$)或差为 $3$ 的搭配。经分类汇总:选法(不含全不选的空集)共 $2^3\times($ 合法的余 $1$、余 $2$ 搭配数 $)-1$。综合计算得满足和为 $3$ 倍数的非空选法共 $175$ 种。
方法:按除以 $3$ 余数分三组,余 $0$ 组任选,余 $1$、余 $2$ 组按个数之差为 $3$ 倍数配对计数,去掉空集。
5. 从 $0$ 至 $9$ 这 $10$ 个数字中选出 $7$ 个填入图 $22\text{-}8$ 的方框中,使竖式成立,一共有多少种不同的填法?(竖式为一个四位数加一个三位数等于 $2008$)
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竖式数字谜 逐位进位分析 互不相同约束 分类计数 竖式加法数字谜计数
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答案 $44$ 种。
解题过程 为了表示清晰,用字母 $A,B,C,D,E,F,G$ 代替各方框,竖式为四位数 $\overline{ABCD}$ 加三位数 $\overline{EFG}$ 等于 $2008$。 首先看千位 $A$:显然只有两种可能,$A=1$(百位进位)或者 $A=2$(百位不进位)。 如果 $A=2$,那么 $B+E=0$,这是不可能的(首位等限制);故 $A=1$。 再看百位 $B+E$,由进位关系:$B+E$ 与进位 $0$、$9$、$18$ 等的关系决定。逐位(千、百、十、个位)分析进位 $0$ 或 $1$,确定 $B+E$、$C+F$、$D+G$ 满足竖式相加等于 $2008$ 且 $7$ 个数字互不相同。 由此,每组算式对应 $B+E$、$C+F$、$D+G$ 满足的和。例如对应位上 $D+G=8+0=7+1=6+2=5+3=4+\cdots$ 等若干种,逐位算出满足互不相同的方案数。综合各位的合法搭配,由计数得共有 $44$ 种不同的填法。
方法:先定千位 $A=1$,再逐位分析进位与各位和,统计 $7$ 个数字互不相同的填法数。
6. 从 $1$ 到 $9$ 这 $9$ 个数字中选出 $6$ 个不同的数填入图 $22\text{-}9$ 的 $6$ 个圆圈中,使得任意相邻两个圆圈内的数字之和都是质数。请问:共能找出多少种不同的选法?(所填的 $6$ 个数字相同,但排列次序不同,都算同一种选法。)
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环形排列 质数和约束 奇偶相间 分类枚举 环形相邻和质数计数
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答案 $17$ 种。
解题过程 图 $22\text{-}9$ 是 $6$ 个圆圈排成一个环。任意相邻两数之和都是质数,故必为奇偶相间排列(除 $2$ 外质数皆为奇数,奇数 $=$ 奇 $+$ 偶)。所以选出的 $6$ 个数中奇偶相间,需 $3$ 个奇数与 $3$ 个偶数($1\sim 9$ 中奇数 $1,3,5,7,9$,偶数 $2,4,6,8$)。 分情况讨论填入的具体数字组合,并验证环上每对相邻数之和是否为质数。第一种情况:填入 $2,4,6$ 与某奇数组使相邻和为质数,分析合法选法;第二种、第三种情况类似按所选偶数组分类。综合各类合法选法(且相同 $6$ 个数算同一种),共找出 $17$ 种不同的选法。
方法:由相邻和为质数得奇偶相间,需 $3$ 奇 $3$ 偶;按所选奇偶数组分类并验证质数和后计数。
7. 在 $3\times 3$ 方格表内填入数字 $1$ 至 $9$,使得左边的数比右边的大,上面的数比下面的大,一共有多少种不同的填法?
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二维偏序填数 标准杨表 行列单调 方格表单调填数(杨表)
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答案 $42$ 种。
解题过程 $3\times 3$ 方格中填入 $1\sim 9$,要求每行从左到右递减、每列从上到下递减(即左边比右边大、上面比下面大)。这等价于一个标准杨表的填法计数(行、列都单调)。最大的数 $9$ 必在左上角,最小的数 $1$ 必在右下角。按可行的偏序填法逐步分析(如固定对角线、按位置约束分类),统计满足所有行列大小关系的填法。经计算,符合要求的填法共有 $42$ 种。
方法:把行列单调视为偏序约束(角上数固定),分类统计满足全部大小关系的填法。
8. 含有数字 $3$,且能被 $3$ 整除的五位数共有多少个?
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被 3 整除的特征 含特定数字计数 容斥原理 余数均匀分布 含数字 + 整除特征计数
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答案 $12504$ 个。
解题过程 易知从 $10000$ 至 $99999$ 的五位数共 $90000$ 个,其中能被 $3$ 整除的有 $\dfrac{90000}{3}=30000$ 个。 以下从反面考虑,先数能被 $3$ 整除但不含数字 $3$ 的五位数个数:首位不能为 $0$ 也不能为 $3$,有 $8$ 种可能;其余各位不能为 $3$,每位有 $9$ 种可能。先任意确定前四位(首位 $8$ 种、其余三位各 $9$ 种),无论前四位怎样取,能使五位数字之和被 $3$ 整除的末位(也不能为 $3$)恰有 $3$ 种可能。故不含数字 $3$ 且被 $3$ 整除的五位数共 $8\times 9\times 9\times 9\times 3=17496$ 个。 所以含数字 $3$ 且能被 $3$ 整除的五位数共 $30000-17496=12504$ 个。
方法:用排除法:被 $3$ 整除的五位数总数减去被 $3$ 整除但不含数字 $3$ 的个数。
第23讲 构造论证一
兴趣篇
1. 如图23-1,用 $1\times 2$ 和 $1\times 3$ 两种规格的小长方形地板砖铺满的地面(即图23-1所示的 $5\times 8$ 区域),至少需要地板砖多少块?
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覆盖与计数估计 构造法 铺砖/覆盖问题 最少块数估计
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答案 $14$ 块。
解题过程 用14块地板砖就可以铺满整个图形(可给出一种铺法)。如果只有13块砖,每块最多能盖住3个单位小正方形,一共最多盖住 $13\times 3=39$ 个小正方形,而图形有 $5\times 8=40$ 个小正方形,因此13块砖不能铺满。所以至少需要14块地板砖才能铺满整个图形。
方法:用“每块最多覆盖面积 × 块数 ≥ 总面积”给出下界,再构造一种铺法达到下界。
2. 国际象棋的皇后可以控制她所在的横线、竖线和斜线。图23-2中一个皇后(图中五角星)就把整个 $3\times 3$ 的棋盘控制了。为了控制一个 $4\times 4$ 的棋盘,至少要放几个皇后?
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覆盖与计数估计 构造法 棋盘控制/覆盖问题
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答案 $2$ 个。
解题过程 在 $4\times 4$ 的棋盘中,横线、竖线和斜线都只有4个方格,因此皇后在每条线上最多控制除自己以外的另外3个方格。皇后一共能控制4条线,所以一个皇后最多控制 $4\times 3+1=13$ 个方格。但是整个棋盘有16个方格,所以一个皇后不能控制整个棋盘。可以给出两个皇后控制整个棋盘的摆法,因此至少需要2个皇后。
方法:先用单个皇后最多控制的方格数说明1个不够,再构造2个皇后的摆法。
3. 图23-3中的左图为15枚硬币组成的三角形,如果仅移动5枚硬币,要把这些硬币变成右图的形式,应该怎样移动?请在图中表示出移动的方法。
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构造法(给出方案) 移动硬币/火柴构造图形
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答案 存在移动方案(答案不唯一),如解答所示。
解题过程 移动方法如图所示(答案不唯一):只需把原三角形顶部及两侧的5枚硬币重新摆放到目标图形中缺少的5个位置上即可,注意被移动的硬币恰好为5枚。
方法:对照原图与目标图,找出需要补足的位置,把多余位置上的硬币移过去。
4. 把100个橘子分装在6个篮子里,使得每个篮子里装的橘子数都含有数字6,应该如何装?
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整除性/位值分析 构造法 数字约束下的分配构造
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答案 一个篮子里放 $60$ 个,一个篮子里放 $16$ 个,其余4个篮子里都放 $6$ 个。
解题过程 考察每个篮子里装的橘子数——一共有6个数,它们都含有数字6,即它们的个位或十位数字一定是6。由于这6个数的和为100,所以其中不能有两个数大于50,那么最多只能有一个数十位数字是6。如果所有数的个位都是6,6个数的个位数字之和为36,6个数的总和个位数字也是6,从而总和不可能为100,因此必有一个数的个位是0。其它5个数的个位数字都是6,5个数个位之和为30,所以个位为0的那个数十位也含6,即它等于60。其余5个篮子的橘子数之和为 $100-60=40$,且末位数字都是6,和为40,故为 $6,6,6,6,16$。所以一种装法为:一个篮子里放60个,一个篮子里放16个,其它4个篮子里都放6个。
方法:从“含数字6”出发分析个位与十位,再用总和约束确定各数。
5. 如图23-4,把正方体的所有棱染成白色或者红色,要求每个面上至少有一条棱是白色的。请问:最少有多少条棱是白色的?
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覆盖与计数估计 构造法 几何覆盖/染色最少元素
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答案 $3$ 条。
解题过程 如图,染1,2,3三条棱就可以满足题目要求。由于正方体一共有6个面,而每条棱只在两个面上,也就是说每条棱最多能使两个面满足要求,因此要使6个面都满足要求,至少需要 $6\div 2=3$ 条棱染成白色。所以题目所求的答案是3。
方法:用“每条棱最多覆盖2个面”给出下界 $6\div2=3$,再构造3条棱的染法。
6. 请在 $9,8,\cdots,3,2,1$ 的相邻两个数之间填入“$+$”或者“$-$”(不能改变数的顺序),使得结果是1。能否使得结果为0呢?
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奇偶性分析 和差问题 构造法 添加正负号凑数 奇偶性不可能证明
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答案 可以使结果为1,例如 $9+8-7+6-5-4-3-2-1=1$;不能使结果为0。
解题过程 第一个数9前默认带“$+$”。把前面是“$+$”的数(连同第一个数)求和减去前面是“$-$”的数的和,差等于1。由于 $1+2+\cdots+9=45$,根据和差问题:前面是“$+$”的数之和为 $(45+1)\div 2=23$,前面是“$-$”的数之和为 $(45-1)\div 2=22$。只要找出和为22的一些数,在它们前面填“$-$”,其它填“$+$”,就能使结果为1。例如 $1+2+3+4+5+7=22$,即 $9+8-7+6-5-4-3-2-1=1$。要使结果为0,需要把 $1\sim 9$ 分成两部分,两部分总和相减为0、相加为45,但 $45\div 2$ 不是整数,所以无法分成这样的两部分,即不可能使结果为0。
方法:把添号问题转化为“前面是+的和减去前面是-的和”,用和差关系构造,并用奇偶性说明结果0不可能。
7. 如图23-5,能否在三角形的三个顶点各填一个自然数,使得每条边上的两个顶点上的数之和都是奇数?如果能,请写出一种填法;如果不能,请说明理由。
★★
奇偶性分析 抽屉原理思想 奇偶性不可能证明 顶点填数
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答案 不能。
解题过程 因为3个数中至少有两个数奇偶性相同,所以至少有某条边的两个顶点上的数奇偶性一样,其和为偶数,因此不可能使各条边顶点上的数之和都是奇数。具体地:要使横边两个数之和为奇数,它们必须一奇一偶,可在左下角填1、右下角填2。要使1所在的边为奇数,上面顶点应填偶数;但要使2所在的边为奇数,上面顶点又应填奇数,这就无法使三条边的和都是奇数。
方法:三个数中必有两个同奇偶,对应边和为偶数,故不可能。
8. 能否将 $1,2,3,4,5$ 围成一个圆圈,使得相邻两个数的差都是2或者3?
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构造法(给出方案) 环形排列构造
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答案 能。例如:$1,4,2,5,3$ 依次排列成一个圆圈。
解题过程 按 $1,4,2,5,3$ 依次排成一个圆圈,相邻两数之差依次为 $|1-4|=3,\ |4-2|=2,\ |2-5|=3,\ |5-3|=2,\ |3-1|=2$,都是2或3,满足要求。
方法:尝试构造一种满足相邻差为2或3的圆排列。
9. 四位同学进行了一次乒乓球单打比赛,当比赛进行了若干场后,体育老师问他们分别比赛了多少场。这四位同学回答分别比了 $1,2,3,3$ 场。老师说:“你们肯定有人记错了。”请问:老师是怎么知道的呢?
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奇偶性分析 握手定理思想 奇偶性矛盾 度数之和为偶
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答案 因为四人所说的比赛场数之和 $1+2+3+3=9$ 是奇数,而所有人比赛场数的总和必为偶数(每场比赛使两人各加1场),二者矛盾,所以必有人记错。
解题过程 注意到 $A$ 和 $B$ 进行一场比赛,这场比赛会被 $A$ 和 $B$ 分别算入自己的比赛场数,也就是说每场比赛会使两个人的比赛场数各加1,那么就会使所有人比赛场数的总和加2。因此所有人的比赛场数总和必然是偶数。但现在4个人分别比赛 $1,2,3,3$ 场,总和为 $1+2+3+3=9$,是奇数,矛盾。
方法:每场比赛使总场数加2,故总和必为偶数;用奇偶矛盾说明有人记错。
10. $a_1,a_2,\cdots,a_{2011}$ 是1到2011的一个排列,请问 $(a_1-1)(a_2-2)\cdots(a_{2011}-2011)$ 是偶数还是奇数?并说明理由。
★★
奇偶性分析 排列求和 排列乘积奇偶性 奇偶性矛盾
显示答案 / 解析
答案 偶数。
解题过程 $(a_1-1)+(a_2-2)+\cdots+(a_{2011}-2011)=(a_1+a_2+\cdots+a_{2011})-(1+2+\cdots+2011)=0$,是偶数;若 $(a_1-1),(a_2-2),\cdots,(a_{2011}-2011)$ 全为奇数,则它们之和应为奇数个奇数之和即奇数,与和为0(偶数)矛盾,故其中至少有一个偶数,所以乘积为偶数。
方法:求出这些因子之和为0(偶数),用“奇数个奇数之和为奇数”推出必有偶数因子。
拓展篇
1. 图23-6中的左图为21枚硬币组成的三角形,如果仅移动7枚硬币,要把这些硬币变成右图的形式,应该怎样移动?请在图中表示出移动的方法。
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构造法(给出方案) 移动硬币构造图形
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答案 存在移动方案(答案不唯一),如解答所示。
解题过程 移动方法如图所示(答案不唯一):把原三角形外缘的7枚硬币移到目标图形所缺的7个位置上,使移动的硬币恰为7枚即可。
方法:对照原图与目标图缺口,移动恰好7枚硬币补足。
2. 小明买来一个1500克的圆形生日蛋糕,他把蛋糕切成了7块,使得无论是3个人还是5个人平分,都不必再分割蛋糕。这7块蛋糕的重量应该是多少?
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构造法 公倍数/分割 蛋糕分割构造
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答案 分别为 $300$ 克,$300$ 克,$300$ 克,$200$ 克,$200$ 克,$100$ 克,$100$ 克。
解题过程 容易想到:如果先把蛋糕均分成3块,再均分成5块,那么既能切3个人均分又能切5个人均分,但这样要把蛋糕切了 $3+5=8$ 块。只切7块的办法是把按3等分的切法(每块500克)与按5等分的切法(每块300克)叠在一起,并把圆内一条重合的半径线去掉,得到的就是7块的切法。容易算出,这时7块小蛋糕的重量分别是300克,300克,300克,200克,200克,100克,100克。
方法:把3等分与5等分两套切线叠加,去掉一条重合线,得到7块。
3. 有4颗外形完全相同的珍珠,其中3颗是真的,另1颗是假的,已知假珍珠比真的要轻。请问,用一架没有砝码的天平最少称几次就可以找出假珍珠?如果是9颗珍珠里有1颗假的呢?请设计出方案。
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构造法(设计方案) 分组比较 极端/最坏情况 天平称次找次品
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答案 都是 $2$ 次(4颗最少2次,9颗也最少2次)。
解题过程 (1)把4颗珍珠记为1至4号。第一次把1号和2号放在天平两端:若不平衡则较轻的就是假珍珠;若平衡则假珍珠在3号、4号中,再用第二次称3号和4号即可找出。所以4颗珍珠最少称2次。
(2)把9颗珍珠分成三堆,每堆3颗。第一次把其中两堆放在天平两端:若不平衡则假珍珠在较轻的那堆中,若平衡则假珍珠在第三堆中;这样一次就确定假珍珠所在的3颗一堆。再用第二次在这3颗中任取两颗称量找出假珍珠。由于只称1次不可能从9颗中确定假珍珠,所以9颗珍珠最少也称2次。
方法:用天平把珍珠分组比较,逐步缩小范围;并说明1次不足以确定。
4. 图23-7中,左边是一把长为6厘米的直尺,其中已标出2条刻度线(在1厘米、4厘米处,即把直尺分成1厘米、3厘米、2厘米三段),用它可以一次量出从1至6厘米中任意整数厘米的长度。右图为一把长为9厘米的直尺,请你在上面只标出3条刻度线,使得用这把直尺一次可以量出从1至9厘米中任意整数厘米的长度。
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构造法 差量表示 完美量尺/差集构造
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答案 三段长依次为 $1,1,4,3$(即在1,2,6厘米处刻线)或 $1,3,3,2$(即在1,3,6厘米处刻线)。
解题过程 尺子长9厘米,要用它量出8厘米,就要在距其中一端1厘米处画刻度线。还要能量出7厘米,那么第二条刻度线有几种画法,需结合第三条刻度线检验。最终可找到两种满足要求的画法:把9厘米尺分成 $1,1,4,3$ 四段(刻度在1,2,6厘米处),或分成 $1,3,3,2$ 四段(刻度在1,3,6厘米处)。以第一种为例,可一次量出 $1=2-1,\ 2,\ 3=6-...,\ 4=6-2,\ 5=6-1,\ 6,\ 7=...,\ 8=9-1,\ 9$ 等所有1至9厘米的长度。
方法:用刻度间任意两点之差能表示所有1~9的整数长度,逐步试验确定刻度位置。
5. 请将8个1,8个0填入图23-8的16个空格中,使得每行、每列的4个数之和都是奇数。
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奇偶性分析 构造法 0-1方阵奇偶填数
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答案 存在填法(答案不唯一),如解答中的图所示。
解题过程 每行有四个数,且只能从0和1中选择。这四个数的和又是奇数,则或者是3个1和1个0,或者是1个1和3个0。16个空格中有8个1和8个0,所以4行中必有两行各含3个1、另两行各含1个1。类似地考虑各列,可知两列各含3个1、另两列各含1个1。这样就能给出一种填法(如解答中图所示)。
方法:由每行(列)和为奇数确定每行(列)含1的个数分布,再构造具体填法。
6. 有一列自然数,其中任意3个相连的数之和都不小于6,而任意4个相连的数之和都小于8。这个数列最多能有几项?
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不等式分析 构造法 极端情况 数列项数上界与构造
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答案 $5$ 项。
解题过程 设数列中任意相连的四个数为 $a,b,c,d$,有 $a+b+c\geqslant 6$ 且 $a+b+c+d<8$,因此 $d\leqslant 1$;由此可知数列中任意四个相连的数,其两端的两个数都小于1(不超过1)。若数列有六项 $a,b,c,d,e,f$,由 $a\leqslant 1$,$d\leqslant 1$,$c+d+e+f<8$ 知 $c\leqslant 1$;又由 $c\leqslant 1$,$f\leqslant 1$ 知 $d+e\leqslant 8-c-f$ 受限,从而推出 $d+e+f$ 偏小,与“任意3个相连的数之和都不小于6”矛盾,因此这个数列最多能有5项。下面的例子说明5项是可能的:$1,1,4,1,1$。
方法:由相邻三项和与四项和的约束推出两端项的上界,反证项数不能超过5,再构造5项的例子。
7. 用7个相同的数字并且适当地使用加号、减号,可以计算出1000,例如 $1111-111=1000$。试用8个相同的数字(并且适当地使用加号、减号)来计算1000。
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构造法 分类讨论 位数估计 相同数字凑目标值
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答案 $888+88+8+8+8=1000$。
解题过程 显然这8个相同的数字都不是0,要从1至9中选择。而且算式中不能出现五位数(否则结果一定大于1000);8个相同的一位数相加也达不到1000,因此这8个相同的数字一定会组成至少一个三位数或四位数。经过对“是否含四位数、含几个三位数”等情况的逐一分析(含四位数会使结果超过1000,被排除;进而判断首位只能是8等),最终得到唯一满足要求的算式:$888+88+8+8+8=1000$。
方法:先排除0与五位数,分析三位数/四位数的个数与首位,逐步逼近得到 $888+88+8+8+8=1000$。
8. 有12根小木棍,长度分别为 $1,2,3,4,\cdots,12$。(1)能否用这12根小木棍拼成一个长方形,要求木棍都用上且不能折断或弯曲?(2)能否用这12根小木棍拼成一个正方形,要求木棍都用上且不能折断或弯曲?
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构造法 整除性分析 配对凑数 木棍拼图形可行性
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答案 (1)能;(2)不能。
解题过程 (1)把1厘米长和12厘米长的木棍拼在一起,类似地,把2厘米和11厘米、3厘米和10厘米…6厘米和7厘米的木棍都拼在一起。这样一来,12根小木棍就变成6根大木棍,每根大木棍的长度都是13厘米。要用6根长度相同的大木棍拼成一个长方形,由 $6=2+2+1+1$ 可以拼出(每条长边由2根、每条短边由1根组成),因此能拼成长方形。
(2)12根木棍的总长是 $1+2+\cdots+12=78$ 厘米。若能拼成正方形,则边长应是 $78\div 4=19.5$ 厘米。但木棍不能折断或弯曲,显然拼不出19.5厘米的边长,因此这12根木棍不能拼成正方形。
方法:(1)首尾配对成等长大木棍后拼长方形;(2)用总长不能被4整除说明无法拼正方形。
9. (1)请在 $1,2,3,\cdots,19,20$ 的相邻两个数之间填入“$+$”或者“$-$”(不能改变数的顺序),使得结果是0。(2)能否在 $1,2,3,\cdots,20,21$ 的相邻两个数之间填入“$+$”或者“$-$”(不能改变数的顺序),使得结果是0?
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构造法 奇偶性分析 配对求和 添加正负号凑0 奇偶性不可能证明
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答案 (1)能,例如 $1+2+3+4+5-6-7-8-9-10-11-12-13-14-15+16+17+18+19+20=0$;(2)不能。
解题过程 (1)把 $1,2,\cdots,20$ 这20个数首尾两两配对,配成10对,每对数的和都是21。只要把这10个21分成相加和相减相等的两部分即可。比如把 $1,2,3,4,5,16,17,18,19,20$ 取“$+$”,它们的和是 $21\times 5=105$;把 $6,7,8,\cdots,15$ 取“$-$”,它们的和也是 $21\times 5=105$,此时算式结果就是 $105-105=0$,整个算式是 $1+2+3+4+5-6-7-8-9-10-11-12-13-14-15+16+17+18+19+20=0$。
(2)$1\sim 21$ 的总和为奇数,把其中某些数从相加变成相减,结果的奇偶性不会改变,因此结果不可能为0。
方法:(1)首尾配对成相等的和,平分成正负两组构造0;(2)总和为奇数,添号不改变奇偶性,故不可能为0。
10. 有四个算式:$\square+\square=\square$,$\square-\square=\square$,$\square\times\square=\square$,$\square\div\square=\square$。如果每一个算式中都至少有1个偶数和1个奇数,那么12个数中一共有多少个偶数?如果没有前面的限制,这12个数中最多有多少个偶数?最少有多少个偶数?
★★
奇偶性分析 四则运算奇偶规律 运算结果奇偶计数
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答案 有限制时一共 $6$ 个偶数;没有限制时最少 $2$ 个偶数,最多 $12$ 个偶数。
解题过程 在有条件限制时,算式 $\square+\square=\square$ 里的三个数中有1个偶数;减法 $\square-\square=\square$(被减数=减数+差)与加法同类型,也只有1个偶数;乘法 $\square\times\square=\square$ 中,若积为奇数则两乘数都为奇数,不能满足“至少有一个偶数”,所以积为偶数且乘数中至少有一个偶数,此算式有2个偶数;除法 $\square\div\square=\square$ 同理有2个偶数。所以四个算式至少 $1+1+2+2=6$ 个偶数。如果没有限制条件:$\square+\square=\square$ 中至少1个、至多3个偶数,减法同样;乘、除可以全为偶数。因此12个数中最少 $1+1+0+0=2$ 个偶数,最多 $3+3+3+3=12$ 个偶数。
方法:对加减乘除分别分析其中奇偶数的最少/最多个数,再求和。
11. 有5个亮着的灯泡,每一个灯泡由一个开关控制。每次操作可以拉动其中的2个开关以改变相应灯泡的亮暗状态。能否经过若干次操作使得5个灯泡都变暗?
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不变量(奇偶性) 奇偶性分析 开关/灯泡不变量问题
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答案 不能。
解题过程 我们每按动一次开关,或者把两个开着的灯都关掉,或者把两个关着的灯都开启,或者关掉了一个灯但又开了一个灯。无论哪种情况,开着的灯的个数的奇偶性始终不变。开始时有5个亮着的灯泡(奇数个),无论怎么按动开关,亮着的灯泡的个数一定保持奇数个,不会是0个。因此不会出现5个灯泡都变暗的情况。
方法:找出“亮灯个数的奇偶性”这一不变量,说明无法变为偶数个(0)。
12. 桌上放有5张卡片,卡莉娅先在卡片的正面分别写上 $1,2,3,4,5$,然后小高在背面也分别写上 $1,2,3,4,5$,写完后计算每张卡片上两数之和,再把5个和相乘。问:小高能否找到一种写法,使得最后的乘积是奇数?为什么?
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奇偶性分析 乘积奇偶性论证
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答案 不能。
解题过程 要让5个和数的乘积是奇数,就必须让这5个和都是奇数,则这5个和的和也是奇数。而实际上这5个和的和为(正面5个数与背面5个数的总和) $(1+2+3+4+5)\times 2=30$,是偶数,不是奇数,矛盾。因此乘积一定为偶数,不可能是奇数。
方法:用“5个和之和必为偶数”说明不能全为奇数,从而乘积必为偶数。
13. 有14个孩子,依次给他们编号为 $1,2,3,\cdots,14$。能否把他们分成三组,使得每组都有一个孩子的编号是该组其他孩子的编号之和?
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奇偶性分析 整除性分析 分组求和奇偶矛盾
显示答案 / 解析
答案 不能。
解题过程 若一个孩子的编号是该组其它孩子的编号之和,则这组内所有孩子的编号之和是这个孩子编号的两倍,必为偶数;那么三组的编号之和也是偶数。而所有编号之和是 $1+2+3+\cdots+14=105$,不是偶数,因此题目的要求不可能满足。
方法:每组编号和为某编号的2倍(偶数),三组总和应为偶数,但 $1+\cdots+14=105$ 为奇数,矛盾。
14. 将一个三位数改变三个数字的顺序之后可以得到一个新的三位数,请问:这个新的三位数和原来的三位数之和能不能等于999?如果能,请举出例子;如果不能,请说明理由。
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奇偶性分析 位值与进位分析 数字重排求和论证
显示答案 / 解析
答案 不能。
解题过程 个位上两数相加后末位是9,因此个位上一定没有进位。类似地,十位与百位上相加都没有进位,因此两数相加和为999时肯定没有发生进位,那么原来两数的数字之和等于27(即 $9+9+9$)。而根据题目所描述,新数与原数是同样三个数字的重排,二者数字和相同,于是两数数字之和 $=2\times(\text{原数数字和})$ 为偶数,与等于27(奇数)矛盾,因此不能等于999。
方法:由各位无进位推出两数数字和为27(奇数),又两数数字和为某数的2倍(偶数),矛盾。
超越篇
1. 桌上放有5枚硬币。第一次翻动其中1枚,第二次翻动其中2枚,第三次翻动其中3枚,第四次翻动其中4枚,第五次翻动其中5枚。能否找到一种翻动硬币的方法,使得最后所有的硬币都翻过来?如果桌上放有6枚硬币,按类似的方法翻动六次,能否找到一种翻动硬币的方法,使得最后所有的硬币都翻过来?
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构造法 奇偶性分析 不变量 翻硬币奇偶论证
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答案 翻5次可以(5枚硬币能全部翻过来);6次不可以(6枚硬币不能全部翻过来)。
解题过程 对于5枚硬币:注意到 $1+4=5,\ 2+3=5$。第一次翻1枚、第四次翻4枚,合起来恰把5枚硬币各翻一遍;第二次翻2枚、第三次翻3枚,合起来又把5枚硬币各翻一遍。这样安排后每枚硬币都被翻了两次,等于没翻;再用第五次翻动全部5枚硬币,就把所有硬币都翻过来了,完成任务。
对于6枚硬币翻动6次:一共翻了 $1+2+3+4+5+6=21$ 枚次的硬币。若最后每枚硬币都被翻过来,则每枚硬币都要被翻奇数次,6枚硬币被翻的总次数应是6个奇数之和,为偶数;但总翻动枚次为21,是奇数,矛盾。所以6枚硬币的任务不可能完成。
方法:5枚用配对构造翻法;6枚用“翻动总枚次的奇偶性”说明不可能。
2. 甲、乙、丙、丁四个人,每个人都有一条消息。他们之间通过电话传递消息:当甲与乙两个人通话时,甲把他当时所知道的一切信息全部告诉乙,乙也把自己所知道的全部信息告诉甲。请你设计一种方案,使得只需打电话4次,就可以使每个人都知道其他所有人的信息。
★★★★
构造法(设计方案) 信息传递/电话问题
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答案 存在4次通话的方案,例如:第一次 甲—乙,第二次 丙—丁,第三次 甲—丙,第四次 乙—丁。
解题过程 四个人打4次电话的方案不多,举例容易找到答案。按如下顺序通话即可:第一次 甲—乙(甲、乙各知甲乙信息),第二次 丙—丁(丙、丁各知丙丁信息),第三次 甲—丙(甲、丙都知道全部四人信息),第四次 乙—丁(乙、丁也都知道全部四人信息)。这样4次通话后每个人都知道其他所有人的信息。
方法:先两两通话汇集,再交叉通话把信息传遍全部4人。
3. 天平称物体的原理是:在天平的左右两个托盘中放入物体和砝码,当天平平衡时,可以根据砝码的重量来知道物体的重量。(1)在某一类天平中,物品只能放在左边的托盘中,砝码只能放在天平右边的托盘中,至少需要准备多少个砝码,才能保证一次称出1至20克之间的任意整数克的物品?(2)在某一类天平中,砝码可以放在天平两端的托盘中,物品也可以放在两边的托盘中,那么至少需要准备多少个砝码,才能保证一次称出1至32克之间的任意整数克的物品?
★★★★
进制思想(二进制/三进制) 计数估计 构造法 砝码称重/进制表示
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答案 (1)$5$ 个;(2)$4$ 个。
解题过程 (1)有 $n$ 个砝码,每个砝码可以选择放或者不放这两种状态,因此能称出的重量最多有 $2^n$ 个;其中有一个是0,所以能称出的有效重量有 $2^n-1$ 个。要称出 $1\sim 20$ 克这20个重量,需 $2^n-1\geqslant 20$,至少需要5个砝码。当砝码取 $1,2,4,8,16$ 时满足条件(选法不止一种),因此用5个砝码即可。
(2)有 $n$ 个砝码,每个砝码可以放右盘、放左盘或不放这三种状态,因此能称出的重量最多有 $3^n$ 个,其中一半是负数(左右对称),所以能称出的有效重量有 $\frac{3^n-1}{2}$ 个。要称出 $1\sim 32$ 克这32个重量,需 $\frac{3^n-1}{2}\geqslant 32$,至少需要4个砝码。当砝码取 $1,3,9,27$ 时满足条件(选法不止一种),因此用4个砝码即可。
方法:(1)每砝码两态对应二进制,用 $2^n-1\geqslant 20$ 估计;(2)每砝码三态对应平衡三进制,用 $\frac{3^n-1}{2}\geqslant 32$ 估计,并给出砝码组。
4. 如图23-9所示,18个孩子站在24个方格中,每格最多站1人。要使得每行每列站的孩子数都是偶数,请在图中标出这些孩子的站法(只需给出一种站法即可)。
★★★★
构造法 奇偶性分析 方格站人奇偶构造
显示答案 / 解析
答案 存在站法(答案不唯一),如解答中的图所示(含叉的方格不站人)。
解题过程 有24个方格,站了18个人,还有6个空格(从空格的位置考虑更简单)。方格有4行6列,且18是偶数,因此每行每列站的孩子数都是偶数等价于每行每列的空格数也都是偶数。下图给出一种方案:使6个空格在每行每列中的个数都是偶数(含叉的方格不站人)即可。
方法:把问题转化为“空格数为偶数”,再安排6个空格使每行每列空格数为偶。
5. 如图23-10所示,有3个 $3\times 3$ 的方格表,每个都已经填入了9个整数。如果将表中同一行或同一列的3个数加上相同的整数称为一次操作,问:(1)下列三个方格表中,是否有某个方格表能通过若干次操作使得表中9个数都变为相同的数?若有请指出是哪个或哪些表格,若没有则说明理由。(2)是否有某些方格表能够通过若干次操作变得完全一样?若有请指出是哪些表格,若没有则说明理由。
★★★★
不变量 整除性/奇偶性分析 构造论证 行列加法操作的不变量
显示答案 / 解析
答案 (1)没有;(2)没有。
解题过程 从表格中任选一个田字格,设田字格中的四个数为 $a,b,c,d$(左上、右上、左下、右下)。则每次操作(对某一行或某一列加上同一个整数)后,$a+d$ 与 $b+c$ 的差 $(a+d)-(b+c)$ 都不会改变,它是一个不变量。(1)若某个表格通过若干次操作使得表中9个数都变为相同的数,则这个表格中每个田字格中的 $a+d$ 与 $b+c$ 的差都应是0,但题中这三个表格都不满足该条件,所以没有表格能做到。(2)若某些方格表能够通过若干次操作变得完全一样,则这些表格所有对应田字格中的 $a+d$ 与 $b+c$ 的差都应相等,但题中三个表格相应田字格的差互不相等,所以也没有哪两个表格能变成一样。
方法:找出田字格的不变量 $(a+d)-(b+c)$,用它来判断能否达到目标。
6. (1)能否将 $1,2,3,4,5$ 围成一个圆圈,使得相邻两个数的差都是2或者3?(2)能否将 $1,2,3,4,5,6,7$ 围成一个圆圈,使得相邻两个数的差都是2或者3?
★★★★
构造法 穷举/分类讨论 环形排列存在性
显示答案 / 解析
答案 (1)能,依次为 $1,3,5,2,4$;(2)不能。
解题过程 (1)先排好1,则其旁边的数为3和4,然后3后面必定是5,易知 $1,3,5,2,4$ 符合条件(相邻差依次为 $2,2,3,2,3$)。
(2)先排好1,显然1的旁边只能是3和4,然后后面的数必定是5或6,对每种情况进行分析,可得三条链:$4\to 1\to 3\to 5\to\{2\to 4 \text{ 或 } 7\to 4\}$、$4\to 1\to 3\to 6\to 4$ 等。这三条链都没有用全7个数字,因此满足题目要求的排法不存在。
方法:从固定起点出发按相邻差约束逐步延伸,5个数能构造,7个数穷举发现无法成环。
7. 旅店现在有9个单人间,10名旅客可能入住。这10名旅客每次有9个人同时入住,管理员想事先给每人配一些钥匙,使得无论是哪9个人入住,总能正好入住这9个房间,而且不用找别人借钥匙。请问:最少要配多少把钥匙?
★★★★
构造法 极端/最坏情况 计数估计 钥匙分配/最坏情况
显示答案 / 解析
答案 $18$ 把。
解题过程 每个房间至少要配2把钥匙。(否则,若某房间只配了1把钥匙,且这把钥匙在某甲手里,则当除甲以外的另外9人入住时,他们必须要找某甲借钥匙,不合要求!)而每个房间只配2把钥匙是可以满足要求的:例如让甲配齐9个房间的钥匙各一把,另外9个人每人配一个房间(互不相同)的钥匙;住宿时先让除甲以外的人入住对应房间,最后甲入住剩下的房间即可。共需 $9\times 2=18$ 把钥匙。
方法:用最坏情况说明每房间至少2把(下界 18),再构造一种配钥匙方案达到。
8. 如图23-11,在五角星图案中共有10个节点(用黑色实心圆点表示),以这些节点为顶点的三角形共有10个。现在将自然数1到10分别填在10个节点上,将每个三角形中三个顶点处所标数的和称为这个三角形的“特征值”。请问:(1)是否存在一种填数方法,使得每个三角形的特征值均为偶数?(2)是否存在一种填数方法,使得每个三角形的特征值都能被3整除?能则举出例子,不能请说明理由。
★★★★★★
奇偶性分析 整除性分析(模3) 重复计数 五角星填数特征值论证
显示答案 / 解析
答案 (1)不存在;(2)不存在。
解题过程 (1)若每个三角形的特征值均为偶数,则它们的总和也是偶数。而在算这10个三角形的特征值时,每个顶点都被算了3次,因此总和是 $$\begin{aligned}(1+2+3+\cdots+10)\times 3&=55\times 3\\&=165\end{aligned}$$是奇数,矛盾,所以不存在使每个特征值均为偶数的填法。
(2)若每个三角形的特征值都是3的倍数,考虑过五角星五个“角”的三角形,其顶点数之和 $A+F+J,\ A+C+I,\ A+G+D,\ B+H+E$ 等都是3的倍数;把它们相加,每个角点 $A$ 被多算,可得 $2A+(A+B+C+\cdots+J)=2A+55$ 是3的倍数,因此 $A$ 除以3余1。同理 $B,C,D,E$(五个角点)全都除以3余1;而 $1\sim 10$ 中除以3余1的数只有3个,不够5个角点用,因此不可能。
方法:(1)用“每点被算3次”求特征值总和的奇偶性矛盾;(2)用模3分析角点的余数,结合余1的数不足5个导出矛盾。
第24讲 抽屉原理二
兴趣篇
1. 将 $60$ 个红球、$8$ 个白球排成一条直线,至少会有多少个红球连在一起?
★★
抽屉原理 分段计数 向上取整 鸽巢原理求至少重复个数
显示答案 / 解析
答案 $7$ 个。
解题过程 $8$ 个白球把这条直线最多分成 $9$ 个部分(白球两端及其之间),$60$ 个红球分到这 $9$ 个部分中,由抽屉原理,必有一部分至少包含 $\lceil 60\div 9\rceil=7$ 个红球,即至少有 $7$ 个红球连在一起。
方法:用白球把直线分成若干段作为抽屉,再把红球作为苹果放入。
2. $17$ 名同学参加一次考试,考试题是 $3$ 道判断题(答案只有对或错),每名同学都在答题纸上依次写上了 $3$ 道题目的答案。请问:至少有几名同学的答案是一样的?
★★
抽屉原理 乘法原理计数 向上取整 鸽巢原理求至少重复个数
显示答案 / 解析
答案 $3$ 名。
解题过程 $3$ 道判断题一共有 $2\times 2\times 2=8$ 种不同的答案,把这 $8$ 种答案作为抽屉,$17$ 名同学作为苹果。由 $17\div 8=2\cdots\cdots 1$,根据抽屉原理,必有 $2+1=3$ 名同学的答案是一样的。
方法:先算出答案的种数作为抽屉,再用抽屉原理求至少重复个数。
3. 将 $1$ 至 $6$ 这 $6$ 个自然数随意填在图 24-1 的六个圆圈中,试说明:图中至少有一行的数字之和不小于 $8$。
★★
抽屉原理 平均值思想 反证法 数阵中行和的抽屉原理
显示答案 / 解析
答案 至少有一行(如图所示自上而下三行)的数字之和不小于 $8$。
解题过程 $1+2+3+4+5+6=21$,所以三行的数字总和为 $21$,每行平均数为 $7$。如果三行中每行的数字和都小于 $8$,那么每行的数字和只能都是 $7$(因为总和为 $21=7\times 3$,且都不超过 $7$)。但第一行中只有一个圆圈,要使这一行的和为 $7$,就必须在其中填入数字 $7$;而可以选择的数只有 $1$ 至 $6$,这就出现了矛盾。所以至少有一行的数字之和不小于 $8$。
方法:把若干行作为抽屉,用总和与平均值估计,反证出必有一行之和达到下界。
4. 从 $1,2,3,\cdots,99,100$ 这 $100$ 个数中任意选出 $51$ 个数。请说明:(1)在这 $51$ 个数中,一定有两个数的差等于 $50$;(2)在这 $51$ 个数中,一定有两个数差为 $1$。
★★
抽屉原理 按差分组构造抽屉 按差分组的抽屉原理
显示答案 / 解析
答案 (1)一定有两个数的差等于 $50$;(2)一定有两个数差为 $1$。
解题过程 (1)把这 $100$ 个数按下面方式分成 $50$ 组(每组两数差为 $50$):$\{1,51\},\{2,52\},\cdots,\{50,100\}$。从中选出 $51$ 个数,由抽屉原理,必有两个数属于同一组,它们的差等于 $50$。(2)把这 $100$ 个数按相邻两数分成 $50$ 组:$\{1,2\},\{3,4\},\cdots,\{99,100\}$。从中选出 $51$ 个数,由抽屉原理,必有两个数属于同一组,它们的差为 $1$。
方法:把数按“差为定值”的方式两两配对成抽屉,再用抽屉原理。
5. 从 $1,2,3,\cdots,21$ 这些自然数中,最多可以取出多少个数,使得其中每两个数的差都不等于 $4$?
★★
抽屉原理(构造极值) 按差分链分组 隔项取数 差不等于定值的最多取数
显示答案 / 解析
答案 $12$ 个。
解题过程 将这些数分成 $12$ 组:$\{1,5\},\{2,6\},\{3,7\},\{4,8\},\{9,13\},\{10,14\},\{11,15\},\{12,16\},\{17,21\}$,以及单独的 $18,19,20$。每组中(前 $9$ 组)两数的差都是 $4$,所以每组中最多只能选中一个数,否则就会有两个数的差为 $4$。因此为了让每两个数的差都不等于 $4$,最多从这 $21$ 个数中选出 $12$ 个。而选出 $12$ 个是可以的,例如 $1,2,3,4,9,10,11,12,17,18,19,20$。
方法:把数按差为定值连成链,链上隔一个取一个,求各链可取数之和的最大值。
6. 从 $1$ 至 $11$ 这 $11$ 个自然数中至少选出多少个不同的数,才能保证其中一定有两个数的和为 $12$?
★★
抽屉原理 按和分组构造抽屉 按和分组的抽屉原理
显示答案 / 解析
答案 $7$ 个。
解题过程 把和为 $12$ 的数配成一组:$\{1,11\},\{2,10\},\{3,9\},\{4,8\},\{5,7\}$,再加上单独的 $\{6\}$,共 $6$ 组(抽屉)。若只选 $6$ 个数,可能每组各取一个而无和为 $12$ 的两数。再多选一个,即选出 $7$ 个数时,由抽屉原理,必有两个数取自同一组,其和为 $12$。
方法:把数按“和为定值”配对成抽屉,最坏情形每组取一个,再多取一个即触发。
7. $100$ 个数都不能被 $19$ 整除,那么这些数除以 $19$ 得到的 $100$ 个余数中至少有几个是相同的?
★★
抽屉原理 余数(不为 0) 向上取整 余数分组的抽屉原理
显示答案 / 解析
答案 $6$ 个。
解题过程 这些数除以 $19$ 的余数有 $18$ 种可能($1,2,\cdots,18$,不能为 $0$)。把这 $18$ 种余数作为抽屉,$100$ 个余数作为苹果。由 $100\div 18=5\cdots\cdots 10$,根据抽屉原理,至少有 $5+1=6$ 个余数是相同的。
方法:确定余数的可能取值个数作为抽屉,再用抽屉原理求至少重复个数。
8. (1)任给 $4$ 个自然数,请说明:一定有两个数的差是 $3$ 的倍数;(2)至少取几个数,才能保证一定有两个数的差是 $7$ 的倍数?
★★
抽屉原理 余数分组 差为倍数与同余 同余分组求差为倍数
显示答案 / 解析
答案 (1)一定有两个数的差是 $3$ 的倍数;(2)至少取 $8$ 个数。
解题过程 (1)把自然数按除以 $3$ 的余数分成 $0,1,2$ 三组($3$ 个抽屉)。任给 $4$ 个数放入,由抽屉原理必有两个数余数相同,它们的差是 $3$ 的倍数。(2)把自然数按除以 $7$ 的余数分成 $7$ 组($0,1,2,\cdots,6$)。要保证有两数余数相同,最坏情形每组取一个共 $7$ 个仍无重复,故至少取 $7+1=8$ 个数,才能保证有两个数的差是 $7$ 的倍数。
方法:按除以 $n$ 的余数分成 $n$ 个抽屉,同抽屉两数之差是 $n$ 的倍数。
9. $6$ 个朋友都住在同一条胡同里。如果这个胡同有 $200$ 米长,请说明一定有两个朋友的家相距不超过 $40$ 米。
★★
抽屉原理 线段分段 几何中的鸽巢原理 线段上的抽屉原理
显示答案 / 解析
答案 一定有两个朋友的家相距不超过 $40$ 米。
解题过程 把 $200$ 米的胡同平均分成 $5$ 段,每段长 $40$ 米,作为 $5$ 个抽屉。$6$ 个朋友的家作为苹果放入,由抽屉原理,必有两个朋友的家在同一段内,他们相距不超过 $40$ 米。
方法:把线段等分成若干段作为抽屉,点数多于段数即必有同段两点。
10. 在一个边长为 $2$ 厘米的等边三角形内(包括边界)选出 $5$ 个点,请证明:一定有两个点之间的距离不大于 $1$。
★★
抽屉原理 等边三角形分割 几何中的鸽巢原理 几何区域分割的抽屉原理
显示答案 / 解析
答案 一定有两个点之间的距离不大于 $1$ 厘米。
解题过程 把边长为 $2$ 厘米的等边三角形用三条中位线分成 $4$ 个边长为 $1$ 厘米的小等边三角形,作为 $4$ 个抽屉。在其中选出 $5$ 个点,由抽屉原理,必有两个点落在同一个小三角形内。由于每个小三角形内任意两点的距离不超过其边长 $1$ 厘米,所以这两个点之间的距离不大于 $1$ 厘米。
方法:用中位线把三角形分成 $4$ 个全等小三角形作为抽屉,同一小三角形内两点距离不超过边长。
拓展篇
1. 任意写一个由数字 $1,2$ 组成的六位数,从这个六位数中任意截取相邻两位,可得到一个两位数;请说明:从各个不同位置上截取的所有两位数中一定有两个相等。
★★
抽屉原理 乘法原理计数 数字组成的两位数 数字截取的抽屉原理
显示答案 / 解析
答案 一定有两个相等。
解题过程 一个六位数截取相邻两位,有 $5$ 种不同的截取方法(位置)。截取后得到的 $5$ 个两位数都由数字 $1,2$ 组成。而由数字 $1,2$ 组成的两位数一共只有 $2\times 2=4$ 个($11,12,21,22$)。把这 $4$ 种作为抽屉,$5$ 个两位数作为苹果,根据抽屉原理,截取得到的 $5$ 个数中必有两个相等。
方法:算出由 $1,2$ 组成两位数的种数作为抽屉,截取个数多于种数即必有相等。
2. 如图 24-2,将 $2$ 行 $5$ 列的方格纸每一格染成黑色或白色,请说明:总有两列的染色方式是一样的。
★★
抽屉原理 乘法原理计数 染色问题 方格染色的抽屉原理
显示答案 / 解析
答案 总有两列的染色方式是一样的。
解题过程 图中共有 $5$ 列,而每一列有上、下两格,每格染黑或白,所以一列的染色方式一共有 $2\times 2=4$ 种。把这 $4$ 种染色方式作为抽屉,$5$ 列作为苹果,根据抽屉原理,$5$ 列中必有两列的染色方式相同。
方法:算出一列染色方式的种数作为抽屉,列数多于种数即必有两列相同。
3. 任意写一个由数字 $1,2,3$ 组成的三十位数。从这个三十位数中任意截取相邻三位,可得一个三位数;请说明:在从各个不同位置上截取得到的所有三位数中,一定有两个相等。
★★
抽屉原理 乘法原理计数 数字组成的三位数 数字截取的抽屉原理
显示答案 / 解析
答案 一定有两个相等。
解题过程 从一个三十位数中截取相邻三位,一共有 $28$ 种不同的截取方法(位置)。截取后得到的 $28$ 个三位数都由数字 $1,2,3$ 组成。由数字 $1,2,3$ 组成的三位数一共有 $3\times 3\times 3=27$ 个,把这 $27$ 种作为抽屉,$28$ 个数作为苹果,根据抽屉原理,截取得到的 $28$ 个数中必有两个相等。
方法:算出由 $1,2,3$ 组成三位数的种数作为抽屉,截取个数多于种数即必有相等。
4. $27$ 只小猴分 $140$ 颗花生米,每只小猴最少分 $1$ 颗,最多分 $9$ 颗。请问:其中至少有几只小猴分到的花生米数是一样的?
★★
抽屉原理 总和约束 反证法 带总和限制的抽屉原理
显示答案 / 解析
答案 $4$ 只。
解题过程 由于每只小猴至少分 $1$ 颗、最多分 $9$ 颗,分到的花生米数有 $1,2,\cdots,9$ 共 $9$ 种可能($9$ 个抽屉)。如果每组(即分到花生数相同的小猴)都至多 $3$ 只,那么 $27$ 只小猴分到的花生总数至多为 $(1+2+\cdots+9)\times 3=135$ 颗,少于 $140$ 颗,因此不可能每组都只有 $3$ 只小猴,即至少有一组有 $4$ 只小猴。再给出达到 $4$ 只的例子:将 $27$ 只小猴如下分组——分到 $1$ 颗的 $2$ 只,分到 $6$ 颗的 $4$ 只,分到 $2,3,4,5,7,8,9$ 颗的小猴各 $3$ 只,则花生总数为 $2\times 1+4\times 6+(2+3+4+5+7+8+9)\times 3=140$ 颗,满足要求。因此答案是 $4$ 只。
方法:以分得数的可能取值为抽屉,结合花生米总数的约束,反证出某组人数达到下界。
5. 能否在 $4\times 4$ 方格表的每个格子中填入 $1,2,3$ 中的一个数字,使得每行、每列以及它的两条对角线上的和互不相同?
★★
抽屉原理 和的范围估计 奇偶分析 方格填数和互不相同问题
显示答案 / 解析
答案 不能。
解题过程 根据题意,每行、每列、对角线的和最小为 $1+1+1+1=4$,最大为 $3+3+3+3=12$,我们将行、列、对角线的和分成 $9$ 组:$4,5,6,7,8,9,10,11,12$。注意到 $4\times 4$ 的方格表有 $4$ 行 $4$ 列以及 $2$ 条对角线,一共有 $10$ 个和,把这 $9$ 种可能的和作为抽屉,$10$ 个和作为苹果。由 $10\div 9=1\cdots\cdots 1$,根据抽屉原理,必有两个和分在同一组中,即必有两个和相等。因此,题目的答案是不能。
方法:估计各条线之和的取值范围,结合总和约束与奇偶性,论证不可能全部互不相同。
6. 从 $1$ 到 $99$ 这 $99$ 个自然数中,最多可以取出多少个数,使得其中每两个数的和都不等于 $100$?最多可以取出多少个数,使得其中每两个数的差不等于 $5$?
★★
抽屉原理(构造极值) 按和分组 按差分链分组 和/差受限的最多取数
显示答案 / 解析
答案 两问的答案都是 $50$。
解题过程 (第一问)将 $1,2,\cdots,99$ 分成 $50$ 组:和为 $100$ 的配对 $\{1,99\},\{2,98\},\cdots,\{49,51\}$ 共 $49$ 组,再加上单独的 $\{50\}$。每组中两数之和为 $100$,要使取出的数中没有两数之和为 $100$,每组至多取一个,共 $50$ 个;并且可以取出一组满足条件的 $50$ 个数,故第一问答案是 $50$。(第二问)将 $1,2,\cdots,99$ 按差为 $5$ 连成链分组,每条链上隔一个取一个;统计各链可取数之和,最多可取 $50$ 个,且若取 $51$ 个数,由 $51\div 50=1\cdots\cdots 1$,必有两数差为 $5$,故第二问答案也是 $50$。
方法:按和配对或按差连链构造抽屉,每组隔取,求可取数的最大值。
7. 如果从 $1,2,\cdots,n$ 中任取 $19$ 个数,可以保证其中必有两个数的差是 $6$,那么 $n$ 最大是多少?
★★
抽屉原理 按差分组构造抽屉 极值的确定 差为定值的抽屉原理求最大 n
显示答案 / 解析
答案 $36$。
解题过程 如果 $n$ 等于 $36$,我们将 $1,2,\cdots,36$ 分成 $18$ 组,每组两数差为 $6$:$\{1,7\},\{2,8\},\{3,9\},\{4,10\},\{5,11\},\{6,12\}$;$\{13,19\},\{14,20\},\{15,21\},\{16,22\},\{17,23\},\{18,24\}$;$\{25,31\},\{26,32\},\{27,33\},\{28,34\},\{29,35\},\{30,36\}$。从 $1,2,\cdots,36$ 中取 $19$ 个数,由 $19\div 18=1\cdots\cdots 1$,根据抽屉原理必有两数同组,差为 $6$。若 $n=37$,则可构造取 $19$ 个数而两两差不为 $6$ 的例子,故 $n$ 最大是 $36$。
方法:把数按差为 $6$ 配对成 $18$ 组,使取 $19$ 个必有同组;再验证 $n$ 增大时构造反例。
8. 从 $1$ 至 $50$ 这 $50$ 个自然数中至少要选出多少个数,才能保证其中必有两个数互质?
★★
抽屉原理 相邻自然数互质 最坏情形分析 保证互质的抽屉原理
显示答案 / 解析
答案 $26$ 个。
解题过程 把 $1,2,3,4,\cdots,49,50$ 中每相邻两个数分为一组:$\{1,2\},\{3,4\},\cdots,\{49,50\}$,一共 $50\div 2=25$ 组。每组相邻两数互质。要保证选出的数中必有两数互质,最坏情形是从全部偶数中选,全部偶数只有 $25$ 个且两两不互质;只要再多选一个,即选出 $26$ 个数,根据抽屉原理必有两个数取自同一相邻组,它们互质。故至少选 $26$ 个数。
方法:把相邻两数配成互质对作为抽屉,最坏情形取全部偶数,再多取一个即得互质对。
9. 从 $1$ 至 $30$ 这 $30$ 个自然数中取出若干个数,使其中任意两个数的和都不能被 $7$ 整除。请问:最多能取出多少个数?
★★
抽屉原理 按余数分组 和被整除的判定 和不被整除的最多取数
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答案 $15$ 个。
解题过程 将 $1,\cdots,30$ 按除以 $7$ 的余数分组:余 $1$ 的有 $\{1,8,15,22,29\}$,余 $2$ 的有 $\{2,9,16,23,30\}$,余 $3$ 的有 $\{3,10,17,24\}$,余 $4$ 的有 $\{4,11,18,25\}$,余 $5$ 的有 $\{5,12,19,26\}$,余 $6$ 的有 $\{6,13,20,27\}$,余 $0$ 的有 $\{7,14,21,28\}$。两数之和被 $7$ 整除当且仅当余数之和为 $7$ 或两数都余 $0$。配对的余数组为 $(1,6),(2,5),(3,4)$,每对只能取其中一组;余 $0$ 的只能取一个。取余 $1$ 的 $5$ 个、余 $2$ 的 $5$ 个、余 $3$ 的 $4$ 个、再加余 $0$ 的 $1$ 个,共 $5+5+4+1=15$ 个。故最多能取出 $15$ 个数。
方法:按除以 $7$ 的余数分组,避开余数互补的两组同时取,余 $0$ 组只取一个,求最大可取数。
10. 请说明:任意 $5$ 个数中必有 $3$ 个数的和是 $3$ 的倍数。
★★
抽屉原理 余数分组 分类讨论 三数之和为倍数的抽屉原理
显示答案 / 解析
答案 任意 $5$ 个数中必有 $3$ 个数的和是 $3$ 的倍数。
解题过程 把数按除以 $3$ 的余数分成 $0,1,2$ 三组($3$ 个抽屉)。如果某一组中有 $3$ 个数,那么这 $3$ 个数的余数相同,它们的和是 $3$ 的倍数;如果三组中每组至少有 $1$ 个数,则从三组中各取一个数,余数分别为 $0,1,2$,三数之和的余数为 $0+1+2=3$,是 $3$ 的倍数。对 $5$ 个数而言,由抽屉原理,要么某组至少 $3$ 个、要么三组都非空,两种情形都能找出 $3$ 个数之和为 $3$ 的倍数。
方法:按除以 $3$ 的余数分成三组,分“同组三数”与“三组各取一数”两种情形讨论。
11. 任选 $7$ 个不同的数,请说明:其中必有 $2$ 个数的和或者差是 $10$ 的倍数。
★★
抽屉原理 按余数(相同或互补)分组 和或差为倍数 和或差为倍数的抽屉原理
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答案 其中必有 $2$ 个数的和或者差是 $10$ 的倍数。
解题过程 按除以 $10$ 的余数构造 $6$ 个抽屉:$\{0\},\{5\}$,以及 $\{1,9\},\{2,8\},\{3,7\},\{4,6\}$(每个抽屉里的余数要么相同、要么互补凑成 $10$)。如果任选的 $7$ 个数中有两个数除以 $10$ 的余数落入同一抽屉,则它们的余数相同(差是 $10$ 的倍数)或互补(和是 $10$ 的倍数)。$7$ 个数放入 $6$ 个抽屉,由抽屉原理必有两数同抽屉,从而其和或差是 $10$ 的倍数。
方法:把余数相同或互补的归为一个抽屉,使同抽屉两数的和或差为 $10$ 的倍数。
12. 至少找出多少个不同的两位数,才能保证其中一定有两个数,它们的差是个位数字与十位数字相同的两位数?
★★
抽屉原理 按余数分组 11 的倍数特征 差为特定倍数的抽屉原理
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答案 $12$ 个。
解题过程 差为个位与十位数字相同的两位数,即差为 $11$ 的倍数。按除以 $11$ 的余数把两位数分成 $11$ 组,它们的余数为 $0,1,\cdots,10$。如果从每组中各取一个数,就取出 $11$ 个数,此时还没有两数同组;只要再多取一个,即取出 $12$ 个数,根据抽屉原理必有两个数同组,它们的差是 $11$ 的倍数。因此本题的答案是至少取 $12$ 个不同的两位数。
方法:把两位数按除以 $11$ 的余数分成 $11$ 组,取数多于组数即必有同组两数差为 $11$ 的倍数。
13. 有 $9$ 个人,每人至少与另外 $5$ 个人互相认识。试证明:可以从中找到 $3$ 个人,他们彼此互相认识。
★★★★
抽屉原理 图论中的友谊关系 计数与反证 认识关系中的抽屉原理
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答案 可以从中找到 $3$ 个人,他们彼此互相认识。
解题过程 先取两个人 $A,B$,他们互相认识。其余 $7$ 个人中,根据条件,$A$ 至少与其他 $7$ 个人中的若干人认识、$B$ 也至少与其中若干人认识。设 $A$ 在其余 $7$ 人中认识 $a$ 人、$B$ 认识 $b$ 人,由每人至少认识 $5$ 人,去掉互认的 $A,B$ 后 $a+b\geq 4+4=8>7$,根据抽屉原理,$7$ 个人中必有一人 $C$ 同时被 $A$ 与 $B$ 认识,即 $A,B,C$ 三人彼此互相认识。
方法:取一对互认的人,统计他们各自认识的人数之和超过总人数,由抽屉原理得到公共熟人。
14. (1)在一个边长为 $1$ 的正方形里放入 $3$ 个点,以这 $3$ 个点为顶点连出的三角形面积最大是多少?(2)在一个边长为 $1$ 的正方形中随意放入 $9$ 个点,这 $9$ 个点任何三点不共线,请说明:这 $9$ 个点中一定有 $3$ 个点构成的三角形面积不超过 $\frac{1}{8}$。
★★★★
抽屉原理 正方形等分 三角形面积估计 几何分割与面积的抽屉原理
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答案 (1)$\frac{1}{2}$;(2)一定有 $3$ 个点构成的三角形面积不超过 $\frac{1}{8}$。
解题过程 (1)在边长为 $1$ 的正方形中放入 $3$ 个点,所构成三角形面积最大为 $\frac{1}{2}$(如以一条边和对边上一点为顶点的三角形)。如图,将放入的三个点记为 $A,B,C$,过 $A,B,C$ 作 $3$ 条平行于正方形一组边的直线,与正方形的两边交于 $F,G,D,E,M,N$。由于三角形 $ACH$ 的面积为长方形 $DEFG$ 面积的一半、三角形 $ABH$ 的面积为长方形 $FGMN$ 面积的一半,所以三角形 $ABC$ 的面积是长方形 $DEMN$ 面积的一半,最大为 $\frac{1}{2}$。(2)把边长为 $1$ 的正方形等分成 $4$ 个面积为 $\frac{1}{4}$ 的小正方形,作为 $4$ 个抽屉。放入 $9$ 个点,由 $9\div 4=2\cdots\cdots 1$,根据抽屉原理,必有一个小正方形内至少有 $3$ 个点。由(1)的结论,这 $3$ 个点构成的三角形面积不超过该小正方形面积的一半,即不超过 $\frac{1}{4}\times\frac{1}{2}=\frac{1}{8}$。
方法:先证正方形内三点三角形面积不超过正方形面积的一半,再把正方形等分成 $4$ 块作抽屉。
超越篇
1. 从 $1$ 至 $12$ 这 $12$ 个自然数中最多能选出几个数,使得在选出的数中任何一个数都不是另一个数的倍数?
★★★★
抽屉原理 倍数链分组 极值构造 无倍数关系的最多取数
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答案 $6$ 个。
解题过程 将 $1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12$ 分成下面 $6$ 组(每组中后一个数都是前一个数的倍数):$\{1,2,4,8\},\{3,6,12\},\{5,10\},\{7\},\{9\},\{11\}$。如果选出了 $7$ 个数,由 $7\div 6=1\cdots\cdots 1$,根据抽屉原理,必有两个数分在同一组中,但每组中的两个数都有倍数关系,因此选 $7$ 个数不能满足题目要求。选取 $7,8,9,10,11,12$,满足题目要求(任何一个都不是另一个的倍数)。因此答案是 $6$。
方法:把数按倍数关系连成链分组作为抽屉,再构造一组无倍数关系的 $6$ 个数说明可达。
2. (1)请说明:在任意的 $68$ 个自然数中,必有两个数的差是 $67$ 的倍数;(2)在 $1,11,111,1111,\cdots$ 这一列数中必有一个数是 $67$ 的倍数。
★★★★
抽屉原理 余数分组 互质与整除 余数分组与全 1 数整除
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答案 (1)必有两个数的差是 $67$ 的倍数;(2)必有一个数是 $67$ 的倍数。
解题过程 (1)一个数除以 $67$ 的余数有 $67$ 种不同可能:$0,1,2,\cdots,66$。由 $68\div 67=1\cdots\cdots 1$,根据抽屉原理,$68$ 个数中必有两个数除以 $67$ 的余数相同,这两个数的差就是 $67$ 的倍数。(2)取 $1,11,111,\cdots$ 中前 $68$ 个数,根据(1),其中必有两个数 $A>B$ 之差是 $67$ 的倍数。它们的差形如 $\underbrace{1\cdots1}_{}\underbrace{0\cdots0}_{}=\underbrace{1\cdots1}_{}\times 10^k$。因为 $67$ 与 $10$ 互质,所以 $67$ 整除前面那个全由 $1$ 组成的数,即这一列数中必有一个数是 $67$ 的倍数。
方法:用 $67$ 个余数作抽屉得到差为 $67$ 倍数的两数;再利用 $67$ 与 $10$ 互质把差转化为全 $1$ 数。
3. 请证明:对于任意给定的 $8$ 个自然数,一定能从中找出 $6$ 个 $a,b,c,d,e,f$,使得 $(a-b)\times(c-d)\times(e-f)$ 是 $105$ 的倍数。
★★★★
抽屉原理 余数分组 因数分解 (105=3×5×7) 乘积为倍数的抽屉原理
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答案 一定能从中找出 $6$ 个数 $a,b,c,d,e,f$,使 $(a-b)(c-d)(e-f)$ 是 $105$ 的倍数。
解题过程 $105=3\times 5\times 7$。一个数除以 $7$ 的余数只有 $0,1,2,3,4,5,6$ 共 $7$ 种,$8$ 个数除以 $7$ 的余数中由 $8-7=1$ 必有两个数 $a,b$ 除以 $7$ 同余,$a-b$ 是 $7$ 的倍数。取出这两个数后还剩 $6$ 个数;一个数除以 $5$ 的余数有 $5$ 种,$6$ 个数中必有两个数 $c,d$ 除以 $5$ 同余,$c-d$ 是 $5$ 的倍数。再取出后还剩 $4$ 个数;一个数除以 $3$ 的余数有 $3$ 种,$4$ 个数中必有两个数 $e,f$ 除以 $3$ 同余,$e-f$ 是 $3$ 的倍数。此时 $(a-b)\times(c-d)\times(e-f)$ 是 $7\times 5\times 3=105$ 的倍数,命题得证。
方法:把 $105$ 分解为 $3\times 5\times 7$,依次用抽屉原理取出差分别为 $3,5,7$ 倍数的三对数。
4. 从 $1$ 至 $25$ 这 $25$ 个自然数中最多取出多少个数,使得在取出来的这些数中,任何一个数都不等于另外两个不同的数的乘积?
★★★★
抽屉原理 乘积关系三元组 极值构造 无乘积关系的最多取数
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答案 $22$ 个。
解题过程 将 $1\sim 25$ 如下分组:$1$,$(2,7,14)$,$(3,6,18)$,$(4,5,20)$,以及 $8,9,\cdots,25$ 中其余每个数各自单独成一组,其中单独成一组的共有 $16$ 组。这样一共分成 $3+16=19$ 组,而 $(2,7,14)$、$(3,6,18)$、$(4,5,20)$ 这 $3$ 组中每组都满足“大数等于另两个数的乘积”($2\times 7=14$,$3\times 6=18$,$4\times 5=20$)。如果取出了 $23$ 个数,那么由于单独成一组的只有 $16$ 个数,这 $3$ 个三元组中至少选了 $23-16=7$ 个数;根据抽屉原理,$7\div 3=2\cdots\cdots 1$,必有一组三数被全部选出,这一组中的大数等于另外两个数的乘积,不符合题目要求,所以不能取出 $23$ 个数。而选取下面的 $22$ 个数可以满足要求:$1,5,6,7,\cdots,25$(即去掉 $2,3,4$)。因此最多能取出 $22$ 个数。
方法:把形如 $\{a,b,ab\}$ 的乘积三元组作为约束,分析最多可去多少数、最多可取多少数。
5. $25$ 名男生与 $25$ 名女生坐在一张圆桌旁,请说明:至少有一人,他(或她)的两边都是女生。
★★★★
抽屉原理 圆桌排列 奇偶位置分析 圆桌相邻关系的抽屉原理
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答案 至少有一人,他(或她)的两边都是女生。
解题过程 把圆桌旁的 $50$ 个座位依次编号为 $1,2,3,\cdots,50$,则奇数号座位与偶数号座位各 $25$ 个。$25$ 名女生分坐在奇数号和偶数号座位上,由抽屉原理,至少有 $\lceil 25\div 2\rceil=13$ 名女生坐在奇数号座位上,或者至少有 $13$ 名女生坐在偶数号座位上。不妨设有 $13$ 名女生坐在奇数号座位上。奇数号座位一共只有 $25$ 个,$13$ 名女生坐入其中,那么必然有相邻的两个奇数号座位(如 $1$ 号与 $3$ 号,中间隔着一个偶数号)上都坐着女生,这两个女生之间的那个偶数号座位上的人,其两边都是女生。故至少有一人,他(或她)的两边都是女生。
方法:按奇偶号座位分析,论证必有相邻奇数号都坐女生,其间者两边皆女生。
6. 时钟的表盘上按标准的方式标着 $1,2,3,\cdots,11,12$ 这 $12$ 个数,在其上任意做 $n$ 个 $120^\circ$ 的扇形,每一个都恰好覆盖 $4$ 个数,每两个覆盖的数不全相同。如果从这任做的 $n$ 个扇形中总能恰好取出 $3$ 个,这 $3$ 个扇形能覆盖整个钟面的全部 $12$ 个数,求 $n$ 的最小值。
★★★★
抽屉原理 圆周覆盖与分组 极值的确定 覆盖型抽屉原理求最小 n
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答案 $9$。
解题过程 由于每个 $120^\circ$ 的扇形恰好覆盖 $4$ 个连续的数,而每两个覆盖的数不全相同,因此一共只有 $12$ 个不同的扇形:① $(1,2,3,4),(5,6,7,8),(9,10,11,12)$;② $(2,3,4,5),(6,7,8,9),(10,11,12,1)$;③ $(3,4,5,6),(7,8,9,10),(11,12,1,2)$;④ $(4,5,6,7),(8,9,10,11),(12,1,2,3)$。把这 $12$ 个扇形按上面的方法分成 $4$ 组,每组 $3$ 个扇形恰好覆盖全部 $12$ 个数,一共是 $4$ 组($4$ 个抽屉)。如果 $n=9$,由 $9\div 4=2\cdots\cdots 1$,根据抽屉原理,必有一组的 $3$ 个扇形被全部取出,它们能覆盖全部 $12$ 个数。再说明 $n=8$ 时可能取不到这样的 $3$ 个扇形,故 $n$ 的最小值是 $9$。
方法:枚举出 $12$ 个不同扇形并分成 $4$ 组覆盖全盘,用抽屉原理求保证取到一整组的最小 $n$。
7. (1)将一个 $5\times 5$ 的方格表每个方格都染成黑、白两种颜色之一,请证明:一定存在一个长方形,四个顶点处的四个方格同色;(2)将一个 $4\times 19$ 的方格表每个方格都染成黑、白、红三种颜色之一,请证明:一定存在一个长方形,四个顶点处的四个方格同色。
★★★★
抽屉原理 方格染色 组合计数 (行对×颜色) 染色矩形存在性的抽屉原理
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答案 (1)一定存在四个顶点同色的长方形;(2)一定存在四个顶点同色的长方形。
解题过程 (1)每一行有 $5$ 个方格,染黑、白两色,若某行有三格同色(不妨设黑),由抽屉原理 $5$ 格中必有 $3$ 格同色。从第二行到第五行的每一列,与第一行对应同色组合考查:若某行也在第一行同色的那几列上出现两格同色,就得到一个四角同色的长方形。利用抽屉原理对各行的同色列做配对分析,可证 $5$ 行中必出现四角同色长方形。(2)每一列有 $4$ 个方格,用黑、白、红三色染,一列的染色方式(按颜色在各行的分布)一共有 $3\times 3\times 3\times 3=81$ 种,但考虑“同一列中必有两格同色”——由抽屉 $4$ 格 $3$ 色必有两格同色,记录这两格所在行与颜色,共有 $C_4^2\times 3=18$ 种可能。$19$ 列放入 $18$ 种,由抽屉原理必有两列在相同两行处出现相同颜色,这两列与那两行交出的四个方格构成四角同色的长方形。
方法:对每列记录“同色两格所在行与颜色”作为抽屉,列数多于种数即得四角同色长方形。
8. 从 $1$ 至 $2000$ 这 $2000$ 个数中最多能选出多少个数,使得任何两个数的差既不等于 $4$ 也不等于 $7$?
★★★★
抽屉原理 差受限的最多取数 周期构造 差不为两个定值的最多取数
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答案 $910$ 个。
解题过程 先证明连续的 $11$ 个数中符合条件(差既不等于 $4$ 也不等于 $7$)的数最多取 $5$ 个:在 $n,n+1,\cdots,n+10$ 中,把差为 $4$ 或 $7$ 的两数连线,构成一个圈,任意两个相邻(差 $4$ 或 $7$)的数不能同时取,可证这 $11$ 个数中最多取 $5$ 个,且 $5$ 个是可行的(如取 $1,2,5,7,11$ 这类)。再把 $1\sim 2000$ 按每 $11$ 个连续数分成一组:$(1,2,\cdots,11),(12,13,\cdots,22),\cdots,(1981,\cdots,1991),(1992,1995,\cdots,2000)$。由前面的结论,前 $181$ 组每组最多取 $5$ 个,最后一组最多取 $5$ 个,一共最多取 $181\times 5+5=910$ 个数。最后给出一个可行性构造:$1,4,6,7,9,12,15,17,18,20,23,\cdots,1992,1995,1997,1998,2000$(差的周期长度为 $5$,依次为 $3,2,1,2,3$,依此下去),说明 $910$ 个数可以取到。
方法:先求连续 $11$ 个数中可取的上界 $5$,再按每 $11$ 个分组累加,并给出周期为 $11$ 取 $5$ 的构造。
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