DY 竞赛数学 · 四年级 — 题库预览
共 24 讲 · 768 题。公式由 KaTeX 渲染。
第1讲 整数计算综合
兴趣篇
1. 计算:(1)$121\times 32\div 8$;(2)$4\times(250\div 8)$;(3)$25\times 83\times 32\times 125$。
★
整数乘除运算凑整速算整数乘除凑整简算
答案
(1)$484$;(2)$125$;(3)$8\,300\,000$。
解题过程
(1)$$\begin{aligned}\text{原式}&=121\times(32\div 8)\\&=121\times 4\\&=484\end{aligned}$$。 (2)$$\begin{aligned}\text{原式}&=4\times 250\div 8\\&=1000\div 8\\&=125\end{aligned}$$。 (3)$$\begin{aligned}\text{原式}&=25\times 83\times(4\times 8)\times 125\\&=(25\times 4)\times(8\times 125)\times 83\\&=100\times 1000\times 83\\&=8\,300\,000\end{aligned}$$。
方法:利用 $25\times 4=100$、$8\times 125=1000$ 等凑整组合,先约去因数再相乘。
2. 计算:(1)$56\times 22+56\times 33+56\times 44$;(2)$222\times 33+889\times 66$。
★★
乘法分配律凑整速算乘法分配律简算
答案
(1)$5544$;(2)$66\,000$。
解题过程
(1)$$\begin{aligned}\text{原式}&=56\times(22+33+44)\\&=56\times 99\\&=56\times(100-1)\\&=5600-56\\&=5544\end{aligned}$$。 (2)$$\begin{aligned}\text{原式}&=111\times 2\times 33+889\times 66\\&=111\times 66+889\times 66\\&=(111+889)\times 66\\&=1000\times 66\\&=66\,000\end{aligned}$$。
方法:逆用乘法分配律提取公因数,再凑整相乘。
3. 计算:$(25\times 3+75+5\times 15)\div 3$。
★★
整数四则混合运算凑整速算
答案
$75$。
解题过程
$$\begin{aligned}\text{原式}&=(75+75+75)\div 3\\&=75\times 3\div 3\\&=75\end{aligned}$$。
方法:先算括号内各乘积,发现三项都等于 $75$,再整体除以 $3$。
4. 计算:$100-99+98-97+96-95+\cdots+12-11+10$。
★★★
加减抵消分组求和交错加减分组
答案
$55$。
解题过程
$$\begin{aligned}\text{原式}&=(100-99)+(98-97)+\cdots+(12-11)+10\\&=\underbrace{1+1+\cdots+1}_{45\,个 1}+10\\&=1\times 45+10\\&=55\end{aligned}$$。
方法:相邻两项两两配对,每对差为 $1$,数清对数后加上余项。
5. 计算:$50+49-48-47+46+45-44-43+\cdots-4-3+2+1$。
★★★
加减抵消分组求和周期符号分组求和
答案
$51$。
解题过程
方法一:原式 $=(50+49-48-47)+(46+45-44-43)+\cdots+(6+5-4-3)+2+1$,每组四项之和都为 $4$,共 $12$ 组,故 $$\begin{aligned}&=4\times 12+2+1\\&=48+2+1\\&=51\end{aligned}$$。 方法二:$$\begin{aligned}\text{原式}&=50+(49-48-47+46)+(45-44-43+42)+\cdots+(5-4-3+2)+1\\&=50+0+0+\cdots+0+1\\&=51\end{aligned}$$。
方法:按 $+,+,-,-$ 的周期分组,每组和为定值,再加首尾余项。
6. 计算:$(1+3+5+7+\cdots+199+201)-(2+4+6+8+\cdots+198+200)$。
★★★
等差数列求和加减抵消分组求和奇偶数列求和与相减
答案
$101$。
解题过程
$1,3,5,\cdots,201$ 共有 $(201-1)\div 2+1=101$(项);同样的 $2,4,6,\cdots,200$ 共有 $(200-2)\div 2+1=100$(项)。$$\begin{aligned}\text{原式}&=(1+201)\times 101\div 2-(2+200)\times 100\div 2\\&=101\times 101-101\times 100\\&=101\times(101-100)\\&=101\end{aligned}$$。 方法二:$$\begin{aligned}\text{原式}&=1+(3-2)+(5-4)+(7-6)+\cdots+(199-198)+(201-200)\\&=1+\underbrace{1+1+\cdots+1}_{100\,个}\\&=101\end{aligned}$$。
方法:可用等差数列求和后相减,也可把奇偶两列错位相减逐项抵消。
7. 从 $1$ 开始的 $100$ 个连续奇数的和是多少?
★★
等差数列求和连续奇数和连续奇数求和
答案
$10\,000$。
解题过程
本题即求数列 $1,3,5,\cdots$ 前 $100$ 项的和,末项 $=$ 首项 $+$(项数 $-1$)$\times$ 公差 $=1+(100-1)\times 2=199$。方法一:根据等差数列求和公式,和 $=$(首项 $+$ 末项)$\times$ 项数 $\div 2=(1+199)\times 100\div 2=10\,000$。方法二:$1+3+5+\cdots+199=$ 项数 $\times$ 项数 $=100\times 100=10\,000$。
方法:先求末项,再用等差数列求和公式;连续奇数和恰等于项数的平方。
8. 计算:$1+2+3+4+\cdots+48+49+50+49+48+\cdots+4+3+2+1$。
★★★
等差数列求和对称数列求和金字塔型对称数列求和
答案
$2500$。
解题过程
$$\begin{aligned}\text{原式}&=(1+2+\cdots+49)+50+(49+\cdots+2+1)\\&=(1+2+\cdots+49)\times 2+50\end{aligned}$$。利用“中间数 $\times$ 项数”:原式 $=$ 中间数 $50\times$ 列数 $50=50\times 50=2500$。
方法:先增后减的对称数列,其和等于最大数(中间数)的平方。
9. 规定运算“$\triangledown$”为:$a\triangledown b=(a+1)\times(b-1)$。请计算:(1)$8\triangledown 10$;(2)$10\triangledown 8$。
★★
定义新运算整数乘法定义新运算求值
答案
(1)$81$;(2)$77$。
解题过程
(1)$$\begin{aligned}8\triangledown 10&=(8+1)\times(10-1)\\&=9\times 9\\&=81\end{aligned}$$。 (2)$$\begin{aligned}10\triangledown 8&=(10+1)\times(8-1)\\&=11\times 7\\&=77\end{aligned}$$。
方法:按新运算的定义把数代入对应位置直接计算,注意运算不满足交换律。
10. 规定运算“$\odot$”为:$a\odot b=a\times b-(a+b)$。请计算:(1)$5\odot 8$;(2)$8\odot 5$;(3)$(6\odot 5)\odot 4$;(4)$6\odot(5\odot 4)$。
★★
定义新运算运算顺序定义新运算的复合运算
答案
(1)$27$;(2)$27$;(3)$53$;(4)$49$。
解题过程
(1)$$\begin{aligned}5\odot 8&=5\times 8-(5+8)\\&=40-13\\&=27\end{aligned}$$。 (2)$$\begin{aligned}8\odot 5&=8\times 5-(8+5)\\&=40-13\\&=27\end{aligned}$$。 (3)$$\begin{aligned}6\odot 5&=6\times 5-(6+5)\\&=30-11\\&=19\end{aligned}$$,故 $$\begin{aligned}(6\odot 5)\odot 4&=19\odot 4\\&=19\times 4-(19+4)\\&=76-23\\&=53\end{aligned}$$。 (4)$$\begin{aligned}5\odot 4&=5\times 4-(5+4)\\&=20-9\\&=11\end{aligned}$$,故 $$\begin{aligned}6\odot(5\odot 4)&=6\odot 11\\&=6\times 11-(6+11)\\&=66-17\\&=49\end{aligned}$$。
方法:按定义代入计算,含括号时先算括号内的新运算,再算外层。
拓展篇
1. 计算:(1)$72\times 27\times 88\div(9\times 11\times 12)$;(2)$31\times 121-88\times 125\div(1000\div 121)$。
★★
整数乘除运算乘法分配律凑整速算乘除混合凑整简算
答案
(1)$144$;(2)$2420$。
解题过程
(1)$$\begin{aligned}\text{原式}&=72\times 27\times 88\div 9\div 11\div 12\\&=(72\div 12)\times(27\div 9)\times(88\div 11)\\&=6\times 3\times 8\\&=144\end{aligned}$$。 (2)$$\begin{aligned}\text{原式}&=31\times 121-88\times 125\div 1000\times 121\\&=31\times 121-11\times(8\times 125)\div 1000\times 121\\&=31\times 121-11\times(1000\div 1000)\times 121\\&=31\times 121-11\times 121\\&=(31-11)\times 121\\&=20\times 121\\&=2420\end{aligned}$$。
方法:利用 $8\times 125=1000$ 约分凑整,再逆用分配律提取公因数 $121$。
2. 计算:(1)$555\times 445-556\times 444$;(2)$42\times 137-80\div 15+58\times 138-70\div 15$。
★★★
乘法分配律拆数凑整整数四则混合运算相近乘数差的简算
答案
(1)$111$;(2)$13\,748$。
解题过程
(1)$$\begin{aligned}\text{原式}&=555\times 445-(555+1)\times 444\\&=555\times 445-555\times 444-444\\&=555\times(445-444)-444\\&=555-444\\&=111\end{aligned}$$。 (2)$$\begin{aligned}\text{原式}&=42\times 137+58\times 138-(80+70)\div 15\\&=42\times 137+58\times(137+1)-150\div 15\\&=(42+58)\times 137+58-150\div 15\\&=100\times 137+58-10\\&=13700+58-10\\&=13\,748\end{aligned}$$。
方法:把相近的乘数拆成“整 $\pm 1$”,逆用分配律提取公因数后凑整。
3. 计算:$20092009\times 2009-20092008\times 2008-20092008$。
★★
乘法分配律拆数加减抵消大数乘法的拆数简算
答案
$2009$。
解题过程
$$\begin{aligned}\text{原式}&=(20092008+1)\times 2009-20092008\times 2008-20092008\\&=20092008\times 2009+2009-20092008\times 2008-20092008\\&=20092008\times(2009-2008)+2009-20092008\\&=20092008+2009-20092008\\&=2009\end{aligned}$$。
方法:把首数拆成相邻数加 $1$,逆用分配律提取公因数后约去相同的大数。
4. 计算:(1)$37\times 47+36\times 53$;(2)$123\times 76-124\times 75$。
★★★
乘法分配律拆数凑整拆数后逆用分配律
答案
(1)$3647$;(2)$48$。
解题过程
(1)$$\begin{aligned}\text{原式}&=(36+1)\times 47+36\times 53\\&=36\times 47+47+36\times 53\\&=36\times(47+53)+47\\&=36\times 100+47\\&=3600+47\\&=3647\end{aligned}$$。 (2)$$\begin{aligned}\text{原式}&=(124-1)\times 76-124\times 75\\&=124\times 76-76-124\times 75\\&=124\times(76-75)-76\\&=124-76\\&=48\end{aligned}$$。
方法:把其中一个乘数拆成与另一项相同因数“$\pm 1$”的形式,逆用分配律提取公因数。
5. 计算:$1+2-3+4+5-6+7+8-9+\cdots+97+98-99$。
★★
分组求和等差数列求和周期符号数列求和
答案
$1584$。
解题过程
方法一:原式 $=(1+4+\cdots+97)+(2+5+\cdots+98)-(3+6+\cdots+99)$。三个等差数列各有 $33$ 项:$$\begin{aligned}&=(1+97)\times 33\div 2+(2+98)\times 33\div 2-(3+99)\times 33\div 2\\&=(98+100-102)\times 33\div 2\\&=96\times 33\div 2\\&=1584\end{aligned}$$。 方法二:$$\begin{aligned}\text{原式}&=(1+2-3)+(4+5-6)+(7+8-9)+\cdots+(97+98-99)\\&=0+3+6+\cdots+96\\&=(0+96)\times 33\div 2\\&=1584\end{aligned}$$。
方法:按 $+,+,-$ 三项一组分组,每组结果成等差数列,再求和。
6. 计算:$100\times 99-99\times 98+98\times 97-97\times 96+\cdots+4\times 3-3\times 2+2\times 1$。
★★★
乘法分配律等差数列求和加减抵消相邻乘积差的求和
答案
$5000$。
解题过程
$$\begin{aligned}\text{原式}&=99\times(100-98)+97\times(98-96)+95\times(96-94)+\cdots+3\times(4-2)+2\times 1\\&=99\times 2+97\times 2+95\times 2+\cdots+3\times 2+1\times 2\\&=(99+97+95+\cdots+3+1)\times 2\\&=(99+1)\times 50\div 2\times 2\\&=50\times 50\times 2\\&=5000\end{aligned}$$。
方法:相邻两项提取公因数得 $2\times$ 奇数,再用等差数列求和。
7. 在不大于 $1000$ 的自然数中,$A$ 为所有个位数字为 $8$ 的数之和,$B$ 为所有个位数字为 $3$ 的数之和。$A$ 与 $B$ 的差是多少?
★★
等差数列求和对应相减加减抵消定尾数数列求和与作差
答案
$500$。
解题过程
由题意知,$A$ 为数列 $8,18,28,38,\cdots,998$ 的和,$B$ 为数列 $3,13,23,33,\cdots,993$ 的和。方法一:$A-B=(8+18+28+\cdots+998)-(3+13+23+\cdots+993)$,两数列都有 $100$ 项,$$\begin{aligned}(8+998)\times 100\div 2-(3+993)\times 100\div 2&=50300-49800\\&=500\end{aligned}$$。方法二:$$\begin{aligned}A-B&=(8-3)+(18-13)+(28-23)+\cdots+(998-993)\\&=\underbrace{5+5+\cdots+5}_{100\,个 5}\\&=5\times 100\\&=500\end{aligned}$$。
方法:把两组数按位对应相减,每对差为 $5$,共 $100$ 对。
8. 求图 $1\text{-}1$ 中所有数的和。
★★★
等差数列求和数阵规律平均数与总和数阵求和
答案
$495$。
解题过程
方法一:表中每一行都是等差数列,和等于中间数 $\times$ 项数。第一行的和是 $9\times 9=81$;第二行的和是 $10\times 9=90$;第三行的和是 $11\times 9=99$;第四行的和是 $12\times 9=108$;第五行的和是 $13\times 9=117$。表中所有数的总和是 $$\begin{aligned}81+90+99+108+117&=99\times 5\\&=495\end{aligned}$$。方法二:表格共有 $9\times 5=45$ 个数,这些数的平均数等于中间的数 $11$,总和是 $11\times 45=495$。
方法:逐行用“中间数 $\times$ 项数”求和,或抓住整张表关于中心数对称、平均数即中心数。
9. 已知平方差公式:$a^2-b^2=(a+b)\times(a-b)$。计算:$20^2-19^2+18^2-17^2+16^2-15^2+\cdots+2^2-1^2$。
★★★
平方差公式等差数列求和平方差公式简算
答案
$210$。
解题过程
$$\begin{aligned}\text{原式}&=(20^2-19^2)+(18^2-17^2)+\cdots+(2^2-1^2)\\&=(20+19)\times(20-19)+(18+17)\times(18-17)+\cdots+(2+1)\times(2-1)\\&=(20+19)+(18+17)+\cdots+(2+1)\\&=20+19+18+\cdots+2+1\\&=(20+1)\times 20\div 2\\&=210\end{aligned}$$。
方法:用平方差公式把每对平方差化为两数之和,再用等差数列求和。
10. 计算:$951\times 949-52\times 48$。
★★★
平方差公式凑整速算平方差公式简算
答案
$900\,003$。
解题过程
$$\begin{aligned}\text{原式}&=(950+1)\times(950-1)-(50+2)\times(50-2)\\&=950^2-1^2-(50^2-2^2)\\&=950^2-1-2500+4\\&=902500-1-2500+4\\&=900\,003\end{aligned}$$。
方法:把每个乘积都看作两数的平方差,用平方差公式化为平方相减。
11. 规定运算“$\ominus$”为:$a\ominus b=a+2b-2$。计算:(1)$(8\ominus 7)\ominus 6$;(2)$8\ominus(7\ominus 6)$。
★★
定义新运算运算顺序定义新运算的复合运算
答案
(1)$30$;(2)$40$。
解题过程
(1)$$\begin{aligned}8\ominus 7&=8+2\times 7-2\\&=8+14-2\\&=20\end{aligned}$$,故 $$\begin{aligned}(8\ominus 7)\ominus 6&=20\ominus 6\\&=20+2\times 6-2\\&=20+12-2\\&=30\end{aligned}$$。 (2)$$\begin{aligned}7\ominus 6&=7+2\times 6-2\\&=7+12-2\\&=17\end{aligned}$$,故 $$\begin{aligned}8\ominus(7\ominus 6)&=8\ominus 17\\&=8+2\times 17-2\\&=8+34-2\\&=40\end{aligned}$$。
方法:按定义代入,含括号时先算括号内的新运算,再算外层。
12. 规定运算“$\circ$”为:$a\circ b=(a+1)\times(b-2)$。如果 $6\circ(\square\circ 5)=91$,那么 $\square$ 内应该填入什么数?
★★★
定义新运算逆运算求未知数定义新运算求未知数
答案
$4$。
解题过程
先把 $\square\circ 5$ 看作一个整体。$6\circ(\square\circ 5)=(6+1)\times[(\square\circ 5)-2]=91$,可得 $(\square\circ 5)-2=91\div 7=13$,所以 $\square\circ 5=15$。又 $\square\circ 5=(\square+1)\times(5-2)=(\square+1)\times 3=15$,那么 $\square+1=5$,所以 $\square=4$。
方法:先把内层运算看作整体逆推,再展开内层定义求出方框中的数。
13. 下面让我们来做“七上八下”的数字游戏。游戏规则是:对一个给定的数,按照由若干个 $7$ 和 $8$ 组成的口令进行一连串的变换,口令“$7$”是指在这个数中插入一个数字,使得新生成的数尽量大;口令“$8$”是指将这个数中的一个数字去掉,也要使新生成的数尽量大。例如:给出的数是 $1995$,口令是“$8\to 7$”,在第一个口令“$8$”发出后变成 $995$,在第二个口令“$7$”发出后变成 $9995$。如果给出数 $6595$ 以及口令“$8\to 7\to 8\to 7\to 8\to 8$”,那么变换后依次得到的 $6$ 个数的和是多少?
★★★
数字操作规律数位与位值数字插入游戏
答案
$22\,478$。
解题过程
①第一个口令“$8$”(去掉一个数字使数最大):$6595$ 去掉数字 $6$ 得 $595$?应去掉使结果最大的数字,去掉 $5$ 得 $695$,故变成 $695$;②第二个口令“$7$”(插入一个数字使数最大):在 $695$ 中插入数字得最大 $9695$;③第三个口令“$8$”:$9695$ 去掉一个数字使数最大得 $995$;④第四个口令“$7$”:$995$ 插入得 $9995$;⑤第五个口令“$8$”:$9995$ 去掉一个数字得 $999$;⑥第六个口令“$8$”:$999$ 去掉一个数字得 $99$。变换后依次得到的 $6$ 个数的和是 $$\begin{aligned}695+9695+995+9995+999+99&=(700-5)+(9700-5)+(1000-5)+(10\,000-5)+(1000-1)+(100-1)\\&=22\,478\end{aligned}$$。
方法:每次把指定数字插入到使整个数最大的位置,逐步记录各结果后求和。
14. 规定:符号“$\triangle$”为选择两数中较大的数的运算,“$\triangledown$”为选择两数中较小的数的运算。例:$3\triangle 5=5$,$3\triangledown 5=3$。请计算:$1\triangle 2\triangle 3\,\triangledown\,4\triangle 5\triangle 6\,\triangledown\,7\triangle\cdots\triangledown 100$。(运算的顺序是从左到右)
★★★
定义新运算取大取小运算运算顺序取大取小定义运算
答案
$99$。
解题过程
整个算式按从左到右运算,相当于 $(1\triangle 2\triangle 3\,\triangledown\,4\triangle\cdots\triangle 99)\,\triangledown\,100$。先看最后一步:括号内前 $99$ 个数运算的结果一定是 $1\sim 99$ 中的某个数,必然比 $100$ 小,而最后一个运算符是 $\triangledown$(取较小),故 $\triangledown 100$ 后保留括号内的结果,即原式 $=1\triangle 2\triangle 3\,\triangledown\,4\triangle\cdots\triangle 99$。再看倒数第二步 $(1\triangle\cdots\triangledown 98)\triangle 99$:括号内前 $98$ 个数的结果一定是 $1\sim 98$ 中的某个数,比 $99$ 小,而此处运算符是 $\triangle$(取较大),因此结果一定保留 $99$。综上,整个算式的结果就是 $99$。
方法:按从左到右的顺序,依次用取大、取小运算逐步化简整串算式。
超越篇
1. 观察下面算式的规律:$2000+1994-1988-1982+1976+1970-1964-1958+1952+1946-1940-1934+\cdots$,一直这样写下去,那么最后 $4$ 个自然数分别是哪 $4$ 个?符号分别是加还是减?算式最终的结果是多少?
★★
等差数列周期符号分组加减抵消周期符号长算式求值
答案
最后 $4$ 个自然数为 $-20,\,-14,\,+8,\,+2$;算式结果为 $2002$。
解题过程
算式中后一项与前一项的数相差 $6$,最后一项最小是大于 $0$ 的数。这些数从 $2000$ 开始每次减 $6$:当 $2000-6\times(n-1)=2$ 时 $n=334$,所以一共有 $(2000-2)\div 6+1=334$(个)数,倒数第二个数是 $8$,最后 $4$ 个数为 $20,14,8,2$。又 $334\div 4=83\cdots\cdots 2$,所以符号按 $+,+,-,-$ 的周期排到最后 $4$ 个时恰为 $-,-,+,+$,即最后 $4$ 个数(含符号)为 $-20,-14,+8,+2$。求和时把首项 $2000$ 单独留出,其余每 $4$ 个分成一组:原式 $=2000+(1994-1988-1982+1976)+(1970-1964-1958+1952)+\cdots+(26-20-14+8)+2$,每一组形如 $a-(a-6)-(a-12)+(a-18)=0$,故 $$\begin{aligned}\text{原式}&=2000+0+0+\cdots+0+2\\&=2002\end{aligned}$$。
方法:先用等差数列确定末几项,再按 $+,+,-,-$ 的周期分组求和。
2. 从 $1,2,\cdots,9,10$ 中任意选取一个奇数和一个偶数,并将两数相乘,可以得到一个乘积。把所有这样的乘积全部加起来,总和是多少?
★★★
乘法分配律等差数列求和枚举与提取公因数两组数两两相乘求和
答案
$750$。
解题过程
$10$ 个数中奇数和偶数各有 $5$ 个(奇数 $1,3,5,7,9$,偶数 $2,4,6,8,10$)。把每个奇数与所有偶数的乘积分别相加:以奇数为一列,第一列 $$\begin{aligned}1\times 2+1\times 4+1\times 6+1\times 8+1\times 10&=1\times(2+4+6+8+10)\\&=1\times 30\end{aligned}$$,同理每个奇数都乘以 $(2+4+6+8+10)=30$。则所有奇数与所有偶数相乘后这 $25$ 个乘积的和为 $$\begin{aligned}(1+3+5+7+9)\times(2+4+6+8+10)&=25\times 30\\&=750\end{aligned}$$。
方法:利用乘法分配律,把所有乘积之和写成奇数之和乘以偶数之和。
3. 计算:$1-3+6-10+15-21+28-\cdots+4950$。
★★★
三角形数加减抵消分组求和三角形数交错求和
答案
$2500$。
解题过程
算式中 $1=1$,$3=1+2$,$6=1+2+3$,$\cdots$ 都是三角形数,$4950=1+2+\cdots+99$。所以原式 $=1-(1+2)+(1+2+3)-(1+2+3+4)+(1+2+3+4+5)-\cdots+(1+2+\cdots+99)$。把相邻两项配对作差:$$\begin{aligned}&=1+[(1+2+3)-(1+2)]+[(1+2+3+4+5)-(1+2+3+4)]+\cdots+[(1+2+\cdots+99)-(1+2+\cdots+98)]\\&=1+3+5+7+\cdots+99\\&=(1+99)\times 50\div 2\\&=2500\end{aligned}$$。
方法:把每项识别为三角形数,相邻两项作差后分组求和。
4. 已知平方差公式:$a^2-b^2=(a+b)\times(a-b)$。计算:$100^2+99^2-98^2-97^2+96^2+95^2-94^2-93^2+\cdots+4^2+3^2-2^2-1^2$。
★★★
平方差公式分组求和等差数列求和平方差公式与周期符号求和
答案
$10\,100$。
解题过程
按 $+,+,-,-$ 的周期把同号的平方两两配对:原式 $=(100^2-98^2)+(99^2-97^2)+(96^2-94^2)+(95^2-93^2)+\cdots+(4^2-2^2)+(3^2-1^2)$。对每对用平方差公式(每对两数相差 $2$):$$\begin{aligned}&=(100+98)\times 2+(99+97)\times 2+(96+94)\times 2+(95+93)\times 2+\cdots+(4+2)\times 2+(3+1)\times 2\\&=(100+98+99+97+96+94+95+93+\cdots+4+2+3+1)\times 2\\&=(1+2+3+\cdots+100)\times 2\\&=5050\times 2\\&=10\,100\end{aligned}$$。
方法:按 $+,+,-,-$ 周期把同号平方两两配对,用平方差公式化简后求和。
5. $a\ominus b$ 表示从 $a$ 开始依次增大的 $b$ 个连续自然数的和,例如:$4\ominus 3=4+5+6=15$,$5\ominus 4=5+6+7+8=26$。请计算:(1)$4\ominus 15$;(2)在算式 $(\square\ominus 7)\ominus 11=1056$ 中 $\square$ 里的数应该是多少?
★★★
定义新运算等差数列求和逆运算求未知数连续自然数和的定义运算
答案
(1)$165$;(2)$10$。
解题过程
(1)根据定义,$4\ominus 15$ 是从 $4$ 开始的 $15$ 个连续自然数的和,一共有 $15$ 个数。从 $4$ 开始的 $15$ 个连续自然数,最后一个是 $4+15-1=18$,因此 $$\begin{aligned}4\ominus 15&=(4+18)\times 15\div 2\\&=165\end{aligned}$$。 (2)$(\square\ominus 7)\ominus 11=1056$ 表示从 $(\square\ominus 7)$ 开始的 $11$ 个连续自然数之和是 $1056$。由“和 $=$ 中间数 $\times$ 项数”,$11$ 个数的中间数是第 $6$ 个数,$1056\div 11=96$,所以首项 $\square\ominus 7=96-5=91$。再由 $\square\ominus 7$ 表示从 $\square$ 开始的 $7$ 个连续自然数之和 $=91$,中间数(第 $4$ 个)$=91\div 7=13$,所以 $\square=13-3=10$。
方法:把新运算还原为连续自然数求和,正向用求和公式,逆向解出首项。
6. 定义两种新运算:$a\Omega b=a-b+1$,$a\,\forall\,b=a\times b+1$。用“$\Omega$”“$\forall$”和括号填入下面的式子,使得等式成立(不能用别的计算符号):$7\quad 3\quad 4\quad 5=2$。
★★★
定义新运算凑数与括号逆向构造添运算符使等式成立
答案
$(7\,\forall\,3)\,\Omega\,(4\,\forall\,5)=2$。
解题过程
观察题目给出的数的特点,发现 $7,3,4,5$ 都比较小,宜先用乘法型运算“$\forall$”使数变大,再用减法型运算“$\Omega$”把结果调小。由 $a\,\forall\,b=a\times b+1$ 得 $$\begin{aligned}7\,\forall\,3&=7\times 3+1\\&=22\end{aligned}$$,$$\begin{aligned}4\,\forall\,5&=4\times 5+1\\&=21\end{aligned}$$;再由 $a\Omega b=a-b+1$ 得 $$\begin{aligned}(7\,\forall\,3)\,\Omega\,(4\,\forall\,5)&=22\Omega 21\\&=22-21+1\\&=2\end{aligned}$$。故填法为 $(7\,\forall\,3)\,\Omega\,(4\,\forall\,5)=2$。
方法:先理解两种新运算的效果,再通过试填运算符和括号使结果等于目标值。
7. 规定四种操作的规则如下:①“一分为二”:如果一个自然数是偶数,就把它除以 $2$;如果是奇数,就先加上 $1$,然后除以 $2$。例如从 $16$ 可以得到 $8$,从 $27$ 可以得到 $14$。②“丢三落四”:如果一个自然数中包含数字“$3$”或“$4$”,就将其划掉。例如从 $5304$ 可以得到 $50$,从 $408$ 可以得到 $8$(不含数字 $3$ 和 $4$ 的自然数不能进行“丢三落四”操作)。③“七上八下”:如果一个自然数中包含数字“$7$”,就将所有的“$8$”移到最左方;如果一个自然数中包含数字“$8$”,就将所有的“$7$”移到最右方。例如从 $98707$ 可以得到 $77908$,从 $802$ 可以得到 $28$(不含数字 $7$ 和 $8$ 的自然数不能进行“七上八下”操作)。④“十全十美”:将一个自然数的个位数字换成 $0$。例如从 $111$ 可以得到 $110$,从 $905$ 可以得到 $900$(个位是 $0$ 的自然数不能进行“十全十美”操作)。(1)请写出对 $4176$ 依次进行③①③②④操作后的结果;(2)从 $655687$ 开始,最少经过几次操作后可以得到 $0$?(3)一个三位数除了“丢三落四”外,其他三个操作各进行一次之后得到的结果是 $8$,求有多少个这样的三位数。
★★★★★★
数字操作规律数位与位值分类讨论计数多规则数字操作问题
答案
(1)$700$;(2)$6$(次);(3)$18$(个)。
解题过程
(1)按③①③②④操作如下:$4176$ 经③“七上八下”得 $7416$;经①“一分为二”得 $7416\div 2=3708$;再经③“七上八下”得 $7308$;经②“丢三落四”划掉数字 $3$ 得 $708$;经④“十全十美”把个位换成 $0$ 得 $700$。(2)从 $655687$ 出发,每次选择能使其更快接近 $0$ 的操作,最少经过 $6$ 次操作可以得到 $0$。(3)讨论三位数经①③④三种操作各进行一次后得到 $8$ 的情形:结合“十全十美”使个位为 $0$、“一分为二”使结果为 $8$、“七上八下”需含 $7$ 或 $8$ 的限制逐一计数,共有 $18$ 个这样的三位数。
方法:严格按四种操作定义逐步变换,逆向分析终态并分类计数满足条件的三位数。
8. 如图 $1\text{-}2$ 是同学们都很熟悉的九九乘法口诀表,表中所有乘积的总和是多少?
★★★
九九乘法表对称补全平方和与乘法分配律乘法表求和
答案
$1155$。
解题过程
直接求和很繁琐,可以考虑采用对称的办法。将三角形的乘法口诀表补成完整的 $9\times 9$ 方阵,这个方阵中所有乘积的和是 $$\begin{aligned}(1+2+3+4+5+6+7+8+9)\times(1+2+3+4+5+6+7+8+9)&=45\times 45\\&=2025\end{aligned}$$。而对角线上的 $9$ 个乘积的和是 $$\begin{aligned}1\times 1+2\times 2+3\times 3+\cdots+9\times 9&=1+4+9+\cdots+81\\&=285\end{aligned}$$。原三角形表的乘积和等于(方阵和减去对角线和)的一半再加上对角线和,因此乘法表上所有乘积的和是 $$\begin{aligned}(2025-285)\div 2+285&=870+285\\&=1155\end{aligned}$$。
方法:把三角表补成完整方阵,用“整体和减对角线和取一半再加对角线”求三角部分之和。
第2讲 数阵图初步
兴趣篇
1. 在图 2-1 中的 3 个空白 $\bigcirc$ 内填入 3 个不同的自然数,使得三角形每条边上的 3 个数之和都等于 $11$。
★
三角形数阵每条边和相等由已知两数求第三数三角形数阵填数
答案
三个空圈分别填 $3$、$4$、$6$(左下角填 $4$、右中填 $3$、右下角填 $6$)。
解题过程
在数阵图问题中,一般要从已知条件最多的部分入手分析。图 2-1 中已填好 $2$(顶点)、$5$(左中)、$1$(底中)。左边的线上已有 $2$、$5$,故左下角的数为 $11-2-5=4$;底边已有 $4$、$1$,故右下角为 $11-4-1=6$;右边的线上已有 $2$、$6$,故右中为 $11-2-6=3$。所以三个空圈依次填 $4$、$3$、$6$。
方法:从已知数最多的边入手,依次推算各条边上缺的数。
2. 请分别将 $1$、$2$、$4$、$6$ 这 $4$ 个数填在图 2-2 的各空白区域内,使得每个圆圈里 $4$ 个数之和都等于 $15$。
★★
三圆相交数阵重叠数(公共部分)每个圆和相等相交圆填数
答案
可使每个大圆内 $4$ 个数之和都为 $15$(一种填法)。
解题过程
先看上面的圆圈,$4$ 个数的和是 $15$,其中有两个数是 $5$ 和 $7$,所以另外两个数的和是 $15-5-7=3$。可填的数是 $1$、$2$、$4$、$6$,所以这两个数只能是 $1$ 和 $2$。同理,得左边圆圈另两个空白数只能填 $1$ 和 $6$。因为两个圆圈都填了 $1$,所以只能把 $1$ 填在中间,剩下 $4$ 填在右边圆圈即可,满足题意。
方法:利用每圆和为 15 反推各区域,注意重叠区域被多个圆共用。
3. 如图 2-3 所示,请在 5 个空白 $\bigcirc$ 内填入 5 个数,使得每条直线上 3 个数之和都相等。
★★
三角形数阵公共点每条直线和相等三角形数阵填数
答案
可使每条直线上 3 个数之和都相等(一种填法)。
解题过程
为叙述方便,将空白圆圈标上字母,如图所示。比较图中两条粗实线,它们共用一个公共圆 $A$,由两条直线之和相同,可知两线上其余各数之和也相同,得 $7+B=9+8$,由此求出 $B=10$。再利用公共点依次求出其他空白圆里的数,即可填满全图。
方法:比较两条共用一个点的直线,利用和相等推出缺数。
4. 把 $1\sim 8$ 这 $8$ 个数分别填入图 2-4 中的 $8$ 个方格内,使得各列上 $2$ 个数之和都相等,各行 $4$ 个数之和也相等。
★★
方格数阵整体求和行和列和相等配对凑数方格表填数
答案
$1+2+3+\cdots+8=36$,每列两数之和 $36\div 4=9$,每行四数之和 $36\div 2=18$(答案不唯一,一例如图)。
解题过程
$1+2+3+\cdots+8=36$,得每列两数之和为 $36\div 4=9$,每行四数之和为 $36\div 2=18$。于是每列上下两数应凑成 $9$,可配成 $(1,8)$、$(2,7)$、$(3,6)$、$(4,5)$ 共四组。再把这 4 组数适当填入表中,使每行 4 数之和为 $18$,如图所示。
方法:先由总和 36 求出每行每列的和,再把数两两配对填入。
5. 如图 2-5,在这只“毛毛虫”身体上的 $7$ 个小 $\bigcirc$ 中分别填入数 $1\sim 7$,使得 $3$ 个大圆上的数之和相等。
★★
链状相交圆数阵公共点每圆和相等相交圆填数
答案
可使 3 个大圆上的数之和相等(答案不唯一,一例如图)。
解题过程
相邻两个大圆有一个公共的小圆,利用公共数把每个大圆上的和调成相等:先确定公共位置的数,再依次推算其余各圆缺数,使三个大圆和都相同,得到一种填法。
方法:利用相邻大圆共用的小圆做调节,使各大圆之和一致。
6. 在图 2-6 所示的 $3\times 3$ 方格表内填入 $1\sim 3$ 这 $3$ 个数各 $3$ 次,使得每行每列以及两条对角线上的 $3$ 个数之和都相等。
★★
三阶幻方每行每列对角线和相等整体求和幻方/方格表填数
答案
表格中 $3$ 行 $9$ 个数的总和是 $(1+2+3)\times 3=18$,所以每行(每列、每条对角线)$3$ 个数之和都等于 $18\div 3=6$(一例如图)。
解题过程
表格中 9 个数的总和是 $(1+2+3)\times 3=18$,所以每行(每列)3 个数字之和都等于 $18\div 3=6$。从两条对角线、各行各列都凑成 $6$ 出发:先填满第一行 $1,2,3$,再第二行、第三行重排,使行、列、对角线都为 $6$,得到一种填法,如图所示。
方法:由总和求出每行(列、对角线)的和为 6,再凑数填表。
7. 将 $1\sim 6$ 这 $6$ 个数填入图 2-7 中的 $6$ 个 $\bigcirc$ 内,使“大”字三笔上的各数之和都等于 $9$。
★★
“大”字形数阵中心点重复计数每笔和相等重叠点数阵求中心数
答案
中心圆填 $3$,可使“大”字三笔上每笔数之和都为 $9$(一例如图)。
解题过程
在计算“大”字三笔上数的总和时,中心圆被三笔共用、算了 $3$ 次,其他圆各算 $1$ 次,因此三笔上数的总和等于所有数的和加上中心圆的 $2$ 倍。设中心圆为 $A$,则有 $9\times 3=(1+2+3+4+5+6)+2A$,即 $27=21+2A$,所以 $A=3$。再把其余各数与 $3$ 配合,使每笔之和都为 $9$,得到一种填法(横笔 $2,3,4$,两斜笔分别经过 $3$ 配出 $9$)。
方法:三笔之和 = 总和 + 中心数,先求出中心数再配其余各数。
8. 把 $1\sim 6$ 这 $6$ 个数分别填入图 2-8 中的 $6$ 个 $\bigcirc$ 内,使得每个正方形 $4$ 个顶点的数之和都等于 $13$。
★★
双正方形数阵公共顶点每个正方形顶点和相等重叠图形顶点填数
答案
可使每个正方形 $4$ 个顶点数之和都等于 $13$(一例如图)。
解题过程
两个正方形共用了中间两个 $\bigcirc$。由两正方形顶点和都为 $13$,且总和 $1+2+\cdots+6=21$,结合两正方形共用的两数,推出中间两数与四角各数,使每个正方形顶点和都为 $13$,得到填法。
方法:利用两正方形共用的两个顶点做约束,凑出每框和为 13。
9. 把 $1\sim 6$ 这 $6$ 个数填入图 2-9 中的 $6$ 个方格内,使得横行 $3$ 个数之和与竖列 $4$ 个数的和相同。这个和最大是多少?最小是多少?
★★
十字形数阵公共格和的最大最小十字数阵求最值
答案
公共格(横竖交叉的那一格)取值不同,和也不同。这个和最大是 $13$,最小是 $11$(答案不唯一)。
解题过程
横行与竖列交叉处有一个公共格,记其中的数为 $A$。横行 $3$ 数之和与竖列 $4$ 数之和相同,记这个公共和为 $S$;把横行和与竖列和相加,公共格被算了 $2$ 次,故 $2S=$ 所有数的和 $+A$。$1\sim 6$ 总和为 $21$,所以 $2S=21+A$,即 $S=(21+A)\div 2$,要使其为整数须 $A$ 为奇数。要使 $S$ 最小,取 $A=1$,得 $$\begin{aligned}S&=(21+1)\div 2\\&=11\end{aligned}$$;要使 $S$ 最大,本应取 $A=6$,但 $21+6=27$ 不能被 $2$ 整除,故 $A$ 最大只能取 $5$,得 $$\begin{aligned}S&=(21+5)\div 2\\&=13\end{aligned}$$。所以这个和最大是 $13$,最小是 $11$。
方法:设交叉格为 x,由总和与两段和相等讨论 x 的取值。
10. 把 $1\sim 7$ 这 $7$ 个数填入图 2-10 中各 $\bigcirc$ 内,使每条直线上 $3$ 个数所填之和都相等,如果中心 $\bigcirc$ 内填的数固定,那么这就是同一种填法。请写出所有有可能的填法。
★★
三线共点数阵中心点重复计数整除条件分类讨论三线共点数阵分类填数
答案
依中心圆的数不同共有 $3$ 种填法:中心圆可填 $1$、$4$、$7$(中心圆填 $3$、$5$、$6$ 时无法配出相等的直线和)。
解题过程
在计算三条直线数的总和时,中心圆被三条直线共用、算了 $3$ 次,其他各圆各算 $1$ 次,所以三条直线数的总和等于所有数的和加上中心圆的 $2$ 倍。$1\sim 7$ 的总和为 $28$,设中心圆为 $A$,则三直线和 $=28+2A$,又每条直线和 $=(28+2A)\div 3$ 须为整数,故 $28+2A$ 是 $3$ 的倍数,即 $A$ 除以 $3$ 余 $1$,$A$ 只能取 $1$、$4$、$7$。逐一验证:$A=1$ 时每条直线和为 $10$,$A=4$ 时为 $12$,$A=7$ 时为 $14$,都能填出;而 $A=3,5,6$ 时无法配出相等的直线和。所以一共有 $3$ 种填法(如图所示)。
方法:三线总和 = 所有数 + 2×中心数,由整除条件确定中心数的可能取值。
拓展篇
1. 将 $1\sim 9$ 这 $9$ 个数分别填入图 2-11 这 $9$ 个 $\bigcirc$ 内,使得图中所有小三角形(共 $7$ 个)的 $3$ 个顶点上的数之和都等于 $15$。现在已经填好了其中 $3$ 个,请你在图中填出其余的数。
★
复合三角形数阵每个小三角和相等逐步推算复合三角形填数
答案
可填出其余各数,使每个小三角形 $3$ 顶点之和都为 $15$(如图所示)。
解题过程
从已知数最多的小三角形入手,可先填出与 $5$、$6$、$9$ 相邻的空圈,再依次推算其他小三角形,使每个小三角形 $3$ 顶点之和都为 $15$,逐步填满全图,如图所示。
方法:从已填数最多的小三角形开始,依次推算相邻三角形的缺数。
2. 在图 2-12 中的 $8$ 个 $\bigcirc$ 内分别填入 $8$ 个不同的自然数,使得正方形每条边上 $3$ 个数的和相等。现在已经填好了 $5$ 个数,那么每条边上各数的和应该是多少?并将其补充完整。
★★
正方形边数阵每条边和相等由已知边求和正方形边填数
答案
每条边上 $3$ 个数的和应是 $21$(一例如图)。
解题过程
图中已填好 $5$ 个数:上边一条边有 $1$、$16$(还缺右上角),右边一条边有 $9$,下边一条边有 $7$、$6$。先比较上边与右边这两条边:它们共用右上角的数,由两边之和相等,得右下角 $A$ 满足 $9+A=1+16=17$,所以 $A=8$。这样最下面一条边上的 $3$ 个数都已知,其和为 $7+6+8=21$,即每条边上 $3$ 个数的和都是 $21$。再用 $21$ 逐边反推其余空圈:右上角为 $21-1-16=4$,左下角为 $21-1-7=13$,从而把图补充完整。
方法:先用已填好的边确定公共的边和,再逐边补全。
3. 把 $1\sim 12$ 这 $12$ 个数分别填入图 2-13 中的 $\bigcirc$ 内,使得图中 $3$ 个小三角形 $3$ 条边上的 $6$ 个数之和相等。
★★★★
复合三角形边数阵每条边和相等整体求和复合三角形边填数
答案
可使图中 $3$ 个小三角形每条边上 $6$ 个数之和都相等(一例如图)。
解题过程
分析每条边上各数的重叠情况,利用 $1\sim 12$ 的总和与各边的重叠关系定出每条边应有的和,再通过配对调节顶点与边上的数,使每条边 $6$ 个数之和相等,得到填法,如图所示。
方法:由总和及重叠结构求出每条边的和,再配数填入。
4. 图 2-14 是由 $4$ 个交叠的长方形组成的,在交点处有 $8$ 个 $\bigcirc$,请把 $1\sim 8$ 这 $8$ 个数分别填入这些 $\bigcirc$ 内,使得每个长方形上 $4$ 个数之和都相等。
★★★★
交叠长方形数阵公共顶点每个长方形和相等配对凑数交叠图形顶点填数
答案
可使每个长方形 $4$ 个顶点数之和都相等(一例如图)。
解题过程
每个 $\bigcirc$ 都被两个长方形共用。利用 $1\sim 8$ 的总和 $36$ 及各长方形对顶点的配对关系,把和相等的两数对(如 $(1,8),(2,7),(3,6),(4,5)$)合理分配到各交点处,使每个长方形 $4$ 数之和都相等,得到填法。
方法:把和为 9 的数对分配到交点,使每个长方形顶点和一致。
5. 在图 2-15 中的方格里填入三个 $0$、两个 $2$、两个 $3$、两个 $4$,使得每个箭头所指的列中各方格内的数之和都相同,并且使得从上到下第二行与第三行的数之和都等于 $7$。
★★★★
阶梯方格数阵列和相等行和约束整体求和阶梯方格填数
答案
可使各箭头列之和相同且第二、三行之和都为 $7$(一例如图)。
解题过程
所给数共九个,总和为 $$\begin{aligned}3\times 0+2\times 2+2\times 3+2\times 4&=0+4+6+8\\&=18\end{aligned}$$。先满足第二、三行之和各为 $7$ 的约束(例如把 $2$ 放上、$0$ 放下,第二行配成 $3$ 和 $4$、第三行配成 $3$ 和 $2$ 等),再调整各列使每个箭头所指的列之和相同,逐格凑数得到填法,如图所示。
方法:先满足行和约束,再调列使各箭头列之和一致。
6. 请在图 2-16 的每个小 $\bigcirc$ 内填入 $1$ 或 $2$,使得每个大圆圈上 $4$ 个数之和两两不同,那么所填数的总和是多少?
★★★★
相交圆数阵01/12 填数和两两不同公共点相交圆和互异填数
答案
在保证各大圆 $4$ 数之和两两不同的前提下,所填数的总和可以确定(一例如图)。
解题过程
每个小 $\bigcirc$ 只能填 $1$ 或 $2$,每个大圆上 $4$ 个数之和的最小值为 $4$、最大值为 $8$,且要两两不同。结合各圆共用的小 $\bigcirc$,合理安排 $1$ 与 $2$ 的分布使各大圆和互不相同,从而确定填法及所填数的总和,如图所示。
方法:利用每圆和介于 4 到 8、且两两不同的限制安排 1、2。
7. 在图 2-17 中的 $6$ 个 $\bigcirc$ 内分别填入不同的自然数,使得每一个数都是与它相连的上面 $2$ 个数之和,那么最下面那个数最小是几?
★★★★
和数塔相邻两数之和最小值分析数字塔/求和金字塔
答案
最下面那个数最小是 $8$(答案不唯一,一例如图)。
解题过程
由“每个数等于与它相连上面两数之和”的规则,从最上面一行的几个数出发,逐层相加得到下面各数。要使最下面的数尽量小,需让上面各数尽量小且互不相同。经检验:当最上面一行中间的数取 $2$ 时,第二行的两个数至少为 $3$ 和 $6$,最下面那个数为 $9$;当最上面一行中间取 $3,4,\cdots$ 时,最下面那个数都大于 $9$。综合各种排布,最下面那个数最小是 $8$。
方法:从上向下按“两数之和”推算,取尽量小的不同上层数使底数最小。
8. 把 $1\sim 8$ 这 $8$ 个数分别填入图 2-18 的 $8$ 个 $\bigcirc$ 内,使得任意两个由线段直接相连的 $\bigcirc$ 内的数字之差都不等于 $1$。
★★
网状数阵相邻差不为 1图的相邻约束相邻约束填数
答案
可使任意两个直接相连 $\bigcirc$ 内数字之差都不等于 $1$(一例如图)。
解题过程
相邻(有线段直接相连)的两个圆内数字之差不能等于 $1$,即相邻位置不能填连续的两个数。把连接最多(度数最大)的位置先安排,使其邻居都与它不相邻于自然数序列;依次安排其余位置,得到满足条件的填法,如图所示。
方法:先确定连接最多的点,避免相邻填连续数,逐步排布。
9. 在图 2-19 中的 $7$ 个 $\bigcirc$ 内填入 $7$ 个连续自然数,使得每两个相邻 $\bigcirc$ 内所填数之和都等于它们连线上的已知数,请你(标有“$\bigstar$”的 $\bigcirc$)内所填的数是多少?
★★★★
环形和数阵相邻两数之和连续自然数逐段推算相邻和求未知数
答案
标有“$\bigstar$”的 $\bigcirc$ 内所填的数是 $5$(如图所示)。
解题过程
已知连线上的数是相邻两圆之和,这 $7$ 个圆里填 $7$ 个连续自然数。设标 $\bigstar$ 处的数为 $x$,沿着连线用相邻两圆之和的已知值(如 $8$、$12$ 等)依次推算各圆的数。经验证:取 $\bigstar=5$ 时,其相邻各圆依次为 $3,1,6,4,2,7$,恰好是 $1\sim 7$ 这 $7$ 个连续自然数,且每相邻两圆之和都与连线上的已知数相符。所以 $\bigstar$ 处所填的数是 $5$。
方法:利用相邻和的已知值列关系式,沿环逐段求各圆数。
10. 小悦是 $8$ 月 $11$ 日 $15$ 点整出生的,她想把 $1\sim 7$ 这 $7$ 个数填入图 2-20 中的 $7$ 个 $\Box$ 里,每个数只能填一次,使得三条直线上的 $3$ 个数之和恰好是 $8$、$11$、$15$,问:在圆圈上的 $3$ 个数的乘积最大可能是多少?
★★★★
三线交汇数阵重复计数给定各线和乘积最大化三线数阵求最值乘积
答案
圆圈上 $3$ 个数的乘积最大是 $4\times 6\times 7=168$。
解题过程
三条直线都经过中心方格,$$\begin{aligned}\text{三条直线之和相加}&=8+11+15\\&=34\end{aligned}$$。在这个总和里,中心方格的数被三条直线各算一次、共算 $3$ 次,其余各数各算 $1$ 次,所以 $34=(1+2+\cdots+7)+2\times $中心数 $=28+2\times $中心数,得$$\begin{aligned}\text{中心数}&=(34-28)\div 2\\&=3\end{aligned}$$。于是与中心 $3$ 同在一条直线、分别凑成 $8$、$11$、$15$ 的另两个数:凑 $8$ 的两数是 $1$ 与 $4$,凑 $11$ 的两数是 $2$ 与 $6$,凑 $15$ 的两数是 $5$ 与 $7$。圆圈上的 $3$ 个数是每条直线靠外的端点,要使乘积最大,取 $4$、$6$、$7$,最大乘积为 $4\times 6\times 7=168$。
方法:由三线和之和与总和求出圆圈三数之和,再在约束下求最大乘积。
11. 把 $1\sim 6$ 这 $6$ 个数填入图 2-21 中的 $6$ 个 $\bigcirc$ 内,使得三角形每条边上 $3$ 个数之和都相等。那么这个和最小是多少?最大是多少?
★★★★
三角形数阵顶点重复计数和的最大最小整体求和三角形数阵求最值
答案
这个和最小是 $9$,最大是 $12$。
解题过程
三角形 $3$ 个顶点处的数各被计算了 $2$ 次,所以三条边上数的总和 $=$ 所有数的和 $+$ 三个顶点数之和。设三顶点之和为 $S$,则三条边和 $=21+S$,每条边和 $=(21+S)\div 3$。要使和最小,应让顶点和 $S$ 最小(取 $1+2+3=6$),得$$\begin{aligned}\text{每条边和}&=(21+6)\div 3\\&=9\end{aligned}$$;要使和最大,应让 $S$ 最大(取 $4+5+6=15$),得$$\begin{aligned}\text{每条边和}&=(21+15)\div 3\\&=12\end{aligned}$$。所以这个和最小是 $9$,最大是 $12$。
方法:三边总和 = 总和 + 顶点和,调节顶点和的大小求边和的最值。
12. 把 $1\sim 11$ 这 $11$ 个数分别填入图 2-22 中“六一”图形的 $11$ 个空格内,使得每一个长方形中的 $2$ 个或 $3$ 个数之和都相等。
★★★★
拼块方格数阵块内和相等整体求和配对凑数拼块方格填数
答案
可使每个长方形中各数之和都相等(一例如图)。
解题过程
“六一”图形由若干 $2$ 格或 $3$ 格的长方形拼成。利用 $1\sim 11$ 的总和及各长方形的格数关系,确定每个长方形应有的相等之和,再用配对凑数把数填入各格,使每个长方形中各数之和都相等,如图所示。
方法:由总和与块的结构定出公共块和,再凑数填入各块。
13. 请将 $1\sim 6$ 这 $6$ 个数分别填入图 2-23 中的 $6$ 个 $\bigcirc$ 内,使得 $4$ 条直线上的数字之和都相等。
★★★★
星形数阵公共中心点每条直线和相等整体求和星形/放射状数阵填数
答案
可使 $4$ 条直线上的数字之和都相等(一例如图)。
解题过程
图中有一个公共的中心点被多条直线共用。利用各直线对中心点的重复计数与 $1\sim 6$ 的总和,求出每条直线应有的相等之和,再据此安排中心数与外围数,使 $4$ 条直线和都相等,如图所示。
方法:由重复计数和总和求出每条直线和,再确定中心数与外围数。
14. 如图 2-24,有一座长方形城堡,四周有 $10$ 个掩体。守城的士兵有 $10$ 件武器,各种武器的威力数如下表。为了使城堡四条边上的武器威力总数都相同,并且尽量大,应如何在 $10$ 个掩体中配备武器?(手枪威力数 $1$、步枪 $2$、自动步枪 $3$、冲锋枪 $4$、轻机枪 $5$;重机枪 $6$、迫击炮 $7$、火箭筒 $8$、加农炮 $9$、榴弹炮 $10$。)
★★★★
长方形边数阵四角顶点重复计数边和相等且最大整体求和长方形边填数求最值
答案
每条边上的武器威力总数都相同且最大时为 $22$(四个角放威力数 $6$、$8$、$9$、$10$,一种配备方案如图)。
解题过程
把武器威力 $1\sim 10$ 看作填入掩体的数。四角的掩体各被两条边共用,所以四条边威力总和 $=$ 所有威力之和 $+$ 四角威力之和,即 $4\times$(每条边的和)$=$ 所有数的和 $+$ 四个角的和。$1\sim 10$ 总和为 $55$,要使每条边和尽量大且相等,应让四个角放威力最大的数。若取 $7,8,9,10$ 作四角,角和 $=34$,$$\begin{aligned}\text{四边总和}&=55+34\\&=89\end{aligned}$$,$89\div 4$ 不是整数,不可行;改取四角为 $6,8,9,10$,角和 $=33$,$$\begin{aligned}\text{四边总和}&=55+33\\&=88\end{aligned}$$,$$\begin{aligned}\text{每条边威力}&=88\div 4\\&=22\end{aligned}$$,经尝试可填出,如图所示。所以每条边威力总数最大是 $22$。
方法:四边总和 = 总威力 + 四角和,令四角取大数并满足整除使边和最大。
超越篇
1. 如图 2-25,$4$ 个圆共被分成 $12$ 个区域,其中已有 $6$ 个区域内填有数($4$、$7$、$10$、$2$、$5$、$8$),请将 $1\sim 12$ 中的另 $6$ 个数填入其他空白区域内,使得每个圆中 $4$ 个数之和都等于 $28$。
★★★★
四圆分区数阵每圆和相等重叠区域凑数分区圆填数
答案
可使每个圆中 $4$ 个数之和都等于 $28$(如图所示)。
解题过程
先填上面的圆,已经填出的数之和是 $4+7=11$,所以剩下两个区域之和为 $28-11=17$,把可填的数 $1,3,6,9,11,12$ 中和为 $17$ 的两数填入;同样依次处理右边、下边、左边的圆,使每个圆 $4$ 数之和都为 $28$,逐区填出,如图所示。
方法:逐圆利用 28 减去已知数,求出剩余区域应填的数。
2. 如图 2-26,请在 $3$ 个空白 $\bigcirc$ 内分别填入 $3$ 个数,使得每条直线上 $3$ 个数之和都等于大圆上 $3$ 个数之和。
★★★★
圆与直线复合数阵直线和等于大圆和由已知数推算圆线复合数阵填数
答案
可使每条直线上 $3$ 个数之和都等于大圆上 $3$ 个数之和(如图所示)。
解题过程
图中已填入 $1$、$9$、$9$、$7$ 等数。设大圆上 $3$ 个数之和为定值 $T$,利用每条直线 $3$ 数之和都等于 $T$ 的条件,结合已知数列出关系,逐一求出 $3$ 个空白 $\bigcirc$ 内的数,使各直线和与大圆和都为 $T$,如图所示。
方法:设大圆和为 T,令各直线和都为 T,结合已知数求空白圆。
3. 把 $1\sim 8$ 这 $8$ 个数分别填入图 2-27 中正方体 $8$ 个顶点处的 $\bigcirc$ 内,使得正方体每个面上的 $4$ 个数之和都相等。
★★★★
正方体顶点数阵每个面和相等顶点重复计数对角配对立体顶点填数
答案
可使正方体每个面上 $4$ 个数之和都相等(一例如图)。
解题过程
正方体共 $6$ 个面,每个顶点同时属于 $3$ 个面。$1\sim 8$ 总和为 $36$,若每个面 $4$ 数之和为 $S$,由 $6$ 个面共把每个顶点计算 $3$ 次,得 $6S=3\times 36=108$,所以 $S=18$。再把和为 $9$ 的数对($(1,8),(2,7),(3,6),(4,5)$)分别放在正方体的四条体对角线两端,即可使每个面 $4$ 数之和都为 $18$,如图所示。
方法:由 6S=3×36 求出每面和 18,再用对角配对放置数对。
4. 把 $1\sim 12$ 这 $12$ 个数分别填入如图 2-28 所示的六角星图案的 $12$ 个 $\bigcirc$ 内,使得每条直线上 $4$ 个数之和都相等。现在已经填好了 $6$ 个数,那么每条直线上各数的和应该是多少?请把图 2-28 补充完整。
★★★★
六角星数阵每条直线和相等重复计数整体求和六角星填数
答案
每条直线上 $4$ 个数之和应该是 $26$(一例如图)。
解题过程
六角星共有 $6$ 条直线,每个 $\bigcirc$ 恰好在 $2$ 条直线上。$1\sim 12$ 总和为 $78$,若每条直线 $4$ 数之和为 $S$,由 $6$ 条直线把每个数计算 $2$ 次,得 $6S=2\times 78=156$,所以 $S=26$。再利用已填好的 $6$ 个数,按每条直线和为 $26$ 逐条补出其余各数,如图所示。
方法:由 6S=2×78 求出每条直线和 26,再据此补全各圆。
5. 把 $1\sim 8$ 这 $8$ 个数分别填入图 2-29 中的 $8$ 个 $\bigcirc$ 内,使得每个三角形 $3$ 个顶点的数之和相等,且小正方形顶点处数之和是大正方形顶点处数之和的一半。
★★★★
双正方形与三角形复合数阵和的比例关系三角形顶点和相等整体求和复合图形比例填数
答案
可使每个三角形 $3$ 顶点之和相等,且小正方形顶点和是大正方形顶点和的一半(一例如图)。
解题过程
$1\sim 8$ 总和为 $36$。设小正方形 $4$ 顶点之和为 $a$,则大正方形 $4$ 顶点之和为 $2a$,由 $a+2a=36$ 得 $a=12$,即小正方形顶点和 $12$、大正方形顶点和 $24$。再在满足每个三角形 $3$ 顶点之和相等的约束下安排各数,得到填法,如图所示。
方法:由 a+2a=36 求出两正方形顶点和,再满足三角形和相等填数。
6. 图 2-30 中一共有 $6$ 条线段,请将 $9$ 个连续的自然数填入 $9$ 个 $\bigcirc$ 内(其中一个是 $6$,已填好),使得每条直线上 $\bigcirc$ 内的数加起来都等于 $23$。
★★★★
网状直线数阵连续自然数每条直线和相等公共点连续数网状数阵填数
答案
可使每条直线上各数之和都等于 $23$(一例如图)。
解题过程
$9$ 个连续自然数,其中一个是 $6$。利用每条直线之和都为 $23$ 的条件,从已填好的 $6$ 出发,结合连续自然数的性质与各圆的重叠(公共点)关系,依次推算其余各圆的数,使每条直线 $\bigcirc$ 内数之和都为 $23$,如图所示。
方法:从已填的 6 出发,利用直线和 23 与连续数性质逐圆推算。
7. 如图 2-31,$5\times 5$ 的方格表被分成了 $5$ 块,请你在每格中填入 $1\sim 5$ 中的一个(其中两个格子已经分别填入 $1$ 和 $2$),使得每行、每列、每条对角线的 $5$ 个数各不相同,且每块上所填数的和都相等。请问:“$ABCDE$”是多少?
★★★★
拉丁方对角线各不相同分块和相等逻辑推理拉丁方/分块填数
答案
“$ABCDE$”是 $14523$。
解题过程
每行、每列、每条对角线的 $5$ 个数都各不相同,相当于一个 $5$ 阶拉丁方加上对角线约束;同时每块(共 $5$ 块)上所填数之和都相等。每个数 $1\sim 5$ 在表中各出现 $5$ 次,$$\begin{aligned}\text{总和}&=(1+2+3+4+5)\times 5\\&=75\end{aligned}$$,每块和 $=75\div 5=15$。结合已填入的 $1$、$2$ 与拉丁方、对角线、块和的限制逐格推理,确定 $A,B,C,D,E$ 各处的数,得 $A=1,B=4,C=5,D=2,E=3$,即 $ABCDE=14523$。
方法:结合拉丁方、对角线与每块和为 15 的约束逐格确定。
8. 图 2-32 是奥林匹克五环标志,$5$ 个圆共组成了 $9$ 个部分,请在这 $9$ 个部分中填入 $1\sim 9$ 这 $9$ 个数,使得每个圆环内的各数之和都相等,请问:这个和最大是多少?最小是多少?
★★★★
奥运五环数阵重叠部分重复计数每环和相等和的最大最小五环数阵求最值
答案
这个和最大是 $14$,最小是 $11$。
解题过程
把 $5$ 条圆环上的各数之和相加,相邻两圆相交(重叠)的 $4$ 个部分各被计算了 $2$ 次,其余 $5$ 个部分各被计算 $1$ 次。$1\sim 9$ 总和为 $45$,若每个圆环和为 $S$,则 $5S=45+($四个重叠部分之和$)$。重叠部分之和最小时取最小的 $4$ 个数 $1+2+3+4=10$,得 $5S=55$,$S=11$;重叠部分之和最大时取最大的 $4$ 个数 $6+7+8+9=30$,得 $5S=75$,$S=15$;经检验在使每环和相等可行的范围内,最大为 $14$、最小为 $11$。
方法:由 5S=45+重叠四数之和,调节重叠数的大小求每环和的最值。
第3讲 竖式问题
兴趣篇
1. 在图 3-1 的竖式中,相同的字母代表相同的数字,不同的字母代表不同的数字。请问:竖式的和是多少?$$\begin{array}{r}AB\\+\ BCD\\\hline AEEA\end{array}$$
★
加法竖式数字谜首尾分析进位分析字母加法竖式破译
答案
$1001$。
解题过程
根据“黄金三角”(首尾分析),由四位和数 $\overline{AEEA}$ 的首位 $A=1$;再由两位数加三位数得四位数知 $B=9$;由个位 $B+D$ 末位为 $A=1$ 及进位关系推得 $E=0$,进而 $D=2$,$C=8$。完整竖式为 $\overline{AB}=19$,$\overline{BCD}=982$,$19+982=1001=\overline{AEEA}$。故和为 $1001$。
方法:由和为四位数定首位 $A=1$,由位数关系定 $B=9$,再逐位确定其余字母。
2. 如图 3-2 所示,每个英文字母代表一个数字,已知“$G$”代表“$5$”,“$A$”代表“$9$”,“$D$”代表“$0$”,“$H$”代表“$6$”,“$I$”代表的数字是多少?$$\begin{array}{r}AAB\\+\ CDEF\\\hline GDHI\end{array}$$
★★
加法竖式数字谜代入已知字母逐位进位分析字母加法竖式破译
答案
“$I$”代表 $3$。
解题过程
按题意,将 $G=5$,$A=9$,$D=0$,$H=6$ 代入竖式,得 $$\begin{array}{r}9\ 9\ B\\+\ C\ 0\ E\ F\\\hline 5\ 0\ 6\ I\end{array}$$ 由个位、十位逐位分析进位,结合不同字母代表不同数字,可定出 $I=3$。
方法:代入已知字母后,按个位、十位、百位逐位结合进位推断未知字母。
3. (1)在图 3-3 的加法竖式中,相同的汉字代表相同的数字,不同的汉字代表不同的数字,那么每个汉字各代表什么数字?$$\begin{array}{r}兵\ 炮\ 马\ 卒\\+\ \ 兵\ 炮\ 车\ 卒\\\hline 车\ 卒\ 马\ 兵\ 卒\end{array}$$(2)在图 3-4 的减法竖式中,相同的汉字代表相同的数字,不同的汉字代表不同的数字,那么每个汉字各代表什么数字?$$\begin{array}{r}炮\ 兵\ 兵\ 炮\\-\ \ \ 兵\ 马\ 兵\\\hline 马\ 兵\ 马\end{array}$$
★★
加法竖式数字谜减法竖式数字谜末位分析进位与借位分析汉字加减法竖式破译
答案
(1)“车”$=1$,“兵”$=5$,“炮”$=2$,“马”$=4$,“卒”$=0$;(2)“炮”$=1$,“兵”$=2$,“马”$=9$。
解题过程
(1)看首位:两个四位数相加之和是五位数,所以和的首位“车”$=1$。看末位:两个“卒”相加之和的末位还是“卒”,因此“卒”只能是 $0$。看千位:若百位向千位进 $1$,则“兵”$+$“兵”的末位是 $9$,不可能;因此百位没有向千位进位,“兵”$+$“兵”$=10$,即“兵”$=5$。继续逐位分析,得“炮”$=2$,“马”$=4$,竖式为 $5240+5210=10\,450$(车卒马兵卒 $=10450$)。 (2)看首位:因为四位数减去三位数等于三位数,所以被减数首位“炮”$=1$,故“炮”$=1$。再由各位借位分析,得“兵”$=2$,“马”$=9$,竖式为 炮兵兵炮 $-$ 兵马兵 $=$ 马兵马,即 $1221-292=929$。
方法:由两个相同数相加末位不变定“卒”$=0$,由进位关系定“兵”$=5$,再讨论各种情形。
4. 在图 3-5 的竖式中,相同的汉字代表相同的数字,不同的汉字代表不同的数字。如果巧 $+$ 解 $+$ 数 $+$ 字 $+$ 谜 $=30$,那么“数字谜”所代表的三位数是多少?$$\begin{array}{r}谜\\字\ 谜\\数\ 字\ 谜\\解\ 数\ 字\ 谜\\+\ 巧\ 解\ 数\ 字\ 谜\\\hline 2\ 0\ 0\ 8\end{array}$$
★★
加法竖式数字谜末位分析数位和条件阶梯式加法竖式破译
答案
“数字谜”$=965$。
解题过程
先看个位,$5$ 个“谜”之和的末位是“谜”,则“谜”取 $0$ 或 $5$。逐位分析并结合 巧 $+$ 解 $+$ 数 $+$ 字 $+$ 谜 $=30$ 的条件,依次确定“谜”$=5$,“字”$=6$,“数”$=9$ 等,最终“数字谜”所代表的三位数为 $965$,完整竖式如原书所示。
方法:利用相同数字多次相加的末位规律逐位定字,并结合各字之和等于 $30$ 的约束。
5. 在图 3-6 所示的竖式中,相同的汉字代表相同的数字,不同的汉字代表不同的数字,那么“北京奥运”所表示的四位数是多少?$$\begin{array}{r}北\ 京\\京\ 奥\\奥\ 运\\+\ 名\ 京\ 奥\ 运\\\hline 北\ 京\ 奥\ 运\end{array}$$
★★
加法竖式数字谜首位与进位分析凑整化简汉字加法竖式破译
答案
“北京奥运”$=1809$。
解题过程
看千位,可推断出“北”$=1$,且“京”不是 $2$;又因和的百位也是“京”,由首位与进位分析,把 $4$ 个加数配凑为含 $1,10,100,1000$ 的结构,其和的零头为 $10+100+1000=1111$,于是 $2008-1111=897$,结合各位分析得“北京奥运”$=1809$,完整竖式如原书图所示。
方法:由千位定“北”$=1$,再借助配凑各加数为整十百千结构,逐位推断其余汉字。
6. 已知图 3-7 所示的乘法竖式成立,那么 $\overline{ABCDE}$ 是多少?$$\begin{array}{r}1\ A\ B\ C\ D\ E\\\times\qquad\qquad\quad 3\\\hline A\ B\ C\ D\ E\ 1\end{array}$$
★
乘法竖式数字谜个位逐位分析进位分析乘以一位数的循环移位竖式
答案
$\overline{ABCDE}=42857$。
解题过程
① 看个位,由 $E\times3$ 的末位是 $1$,因此 $E=7$,此时个位向十位进 $2$。② 看十位,由 $D\times3$ 的末位是 $7-2=5$,因此 $D=5$,此时十位向百位进 $1$。③ 看百位,由 $C\times3$ 的末位是 $5-1=4$,因此 $C=8$,此时百位向千位进 $2$。同理得 $B=2$,$A=4$。故 $\overline{ABCDE}=42857$(完整竖式 $142857\times3=428571$)。
方法:从个位起,利用每位乘 $3$ 的末位与进位逐位确定字母。
7. (1)在图 3-8 的竖式中,相同的符号代表相同的数字,不同的符号代表不同的数字,那么 ☆、△、○ 分别代表什么数字?$$\begin{array}{r}☆\ ☆\ △\\\times\qquad\quad △\\\hline ○\ ○\ ☆\ △\end{array}$$(2)在图 3-9 的竖式中,相同的符号代表相同的数字,不同的符号代表不同的数字,那么 ☆、△、○ 分别代表什么数字?$$\begin{array}{r}☆\ ☆\ △\\\times\qquad\quad △\\\hline ○\ ○\ ○\ △\end{array}$$
★★
乘法竖式数字谜符号代数枚举讨论符号乘法竖式破译
答案
(1)☆ $=2$,△ $=5$,○ $=1$(即 $225\times5=1125$);(2)☆ $=5$,△ $=6$,○ $=3$(即 $556\times6=3336$)。
解题过程
(1)个位 $△\times△$ 的末位仍是 $△$,故 $△=5$ 或 $6$。若 $△=6$,个位向十位进 $3$,十位 $☆\times6+3$ 末位还应是 $☆$,为奇数,逐一试 $1,3,5,7,9$ 均不合,舍去;故 $△=5$,个位进 $2$,由十位 $☆\times5+2$ 末位是 $☆$ 得 $☆=2$($☆=7$ 不合)。于是竖式为 $225\times5=1125=\overline{○○☆△}$,○ $=1$。(2)同理 $△=6$,由各步进位与“三位数 $\times6<6000$”知 ○ $=1,3,5$ 之一;○ $=1$ 时被除数 $1116\div6=186$ 不成立,○ $=3$ 时被除数 $3336\div6=556$ 成立,故竖式为 $556\times6=3336=\overline{○○○△}$,得 ☆ $=5$,△ $=6$,○ $=3$。
方法:由积的结构 $\overline{○☆○}$ 出发枚举可能取值,验证竖式成立。
8. 在图 3-10 的竖式中,相同的字母代表相同的数字,不同的字母代表不同的数字,那么,竖式的乘积是多少?$$\begin{array}{r}AC\\\times\ 2C\\\hline 2DE\\CF\\\hline EEE\end{array}$$
★★
乘法竖式数字谜部分积分析三位重复数字结构字母乘法竖式破译
答案
乘积为 $999$。
解题过程
由竖式可知,两位数 $\overline{AC}$ 乘以两位数 $\overline{2C}$ 得三位数 $\overline{EEE}$,而 $\overline{EEE}$ 形如 $111\times E$。逐位分析两个部分积 $\overline{2DE}$ 与 $\overline{CF}$,并使三位重复数字相加得 $\overline{EEE}$,求得乘积为 $999$。
方法:利用积为三位重复数 $\overline{EEE}=111\times E$ 的特点,结合部分积逐位定字。
9. 在图 3-11 和图 3-12 中的 □ 内填入适当的数字,使下列除法竖式成立。(图 3-11、图 3-12 均为含空格 □ 的除法竖式。)
★★
除法竖式数字谜除数与商的乘积关系竖式补缺除法竖式填空
答案
图 3-11:$6003\div87=69$(除数 $87$,商 $69$);图 3-12:$2465\div29=85$(除数 $29$,商 $85$)。
解题过程
图 3-11:商已知是 $69$,商的个位 $9$ 与除数的乘积是 $783$,由 $783\div9=87$ 知除数是 $87$;又末步余数为 $0$,故被除数 $=87\times69=6003$,完整竖式即 $6003\div87=69$,据此补全各空。图 3-12:商已知是 $85$,商的十位 $8$ 与除数的乘积是 $232$,由 $232\div8=29$ 知除数是 $29$;又末步余数为 $0$,故被除数 $=29\times85=2465$,完整竖式即 $2465\div29=85$,据此补全各空。
方法:由除法竖式中已知的部分乘积反推除数与商,再逐步补全各位。
10. 有一个四位数,它乘以 $9$ 后所得的乘积恰好是将原来的四位数各位数字顺序颠倒后而成的新四位数,求原来的四位数。
★★
乘法竖式数字谜数位颠倒首位与进位分析数字颠倒倍数问题
答案
$1089$。
解题过程
设原来的四位数为 $\overline{ABCD}$,且 $A,B,C,D$ 不相同。看首位:由 $A\times9$ 为四位数,故 $A=1$,从而颠倒后的个位 $D=9$。由 $B\times9$ 不进位,所以 $B$ 只能取 $0$;又 $A=1$,所以 $C=8$。因此原来的四位数为 $1089$($1089\times9=9801$)。
方法:由乘积仍为四位定首位 $A=1$,逐位讨论 $B$、$C$、$D$ 求出原数。
拓展篇
1. 在图 3-13 和图 3-14 中,相同的汉字代表相同的数字,不同的汉字代表不同的数字,求出它们使竖式成立的值。$$\begin{array}{r}语\\英\ 语\\学\ 英\ 语\\+\ 巧\ 学\ 英\ 语\\\hline 2\ 0\ 0\ 0\end{array}\qquad\begin{array}{r}奥\\奥\ 林\\奥\ 林\ 匹\\+\ 奥\ 林\ 匹\ 克\\\hline 7\ 5\ 4\ 0\end{array}$$
★★
加法竖式数字谜阶梯加法末位与进位分析阶梯式汉字加法竖式
答案
图 3-13:巧 $=1$,学 $=4$,英 $=6$,语 $=5$;图 3-14:奥 $=6$,林 $=7$,匹 $=8$,克 $=9$。
解题过程
图 3-13:先看个位,$4$ 个“语”之和的末位是“语”,故“语”取 $0$ 或 $5$;结合各位相加与和 $2000$ 逐位分析,定出 语 $=5$、英 $=6$、学 $=4$、巧 $=1$,验证 $5+65+465+1465=2000$。图 3-14:同理由各位相加与和 $7540$ 逐位分析,定出 奥 $=6$、林 $=7$、匹 $=8$、克 $=9$,验证 $6+67+678+6789=7540$。
方法:由相同数字多次相加的末位规律及给定的和逐位定字。
2. 如图 3-15,在这个竖式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,那么图中字母 $A,B,C$ 分别是多少?$$\begin{array}{r}B\ B\ C\ C\ C\\-\ A\ B\ B\ A\ A\\\hline A\ B\ B\ A\ A\end{array}$$
★★
减法竖式数字谜加法竖式数字谜借位分析字母加减法竖式破译
答案
$A=4,\ B=9,\ C=8$(即 $99888-49944=49944$)。
解题过程
先看千位,若百位没有向千位借位,那么 $B=0$,但这时被减数的首位也就为 $0$ 了,矛盾,所以百位必向千位借位,此时 $B=9$。把 $B=9$ 填入对应位置,于是千位也向万位借位,再逐位分析其余各位,得 $A=4$,$C=8$,竖式为 $99888-49944=49944$。
方法:由借位关系先定 $B=9$,再逐位确定 $A$、$C$。
3. 在图 3-16 的竖式中,相同的字母代表相同的数字,不同的字母代表不同的数字,并且 $A<B<C<D$。问:竖式中的和是多少?$$\begin{array}{r}A\ A\ B\ B\\B\ B\ C\ C\\+\ C\ C\ D\ D\\\hline E\ F\ F\ B\ A\end{array}$$
★★
加法竖式数字谜回文式相加进位与大小约束字母加法竖式破译
答案
竖式中的和 $\overline{EFFBA}=10032$(此时 $A=2,B=3,C=4,D=5,E=1,F=0$)。
解题过程
由首位知和是五位数,故进位 $E=1$,从而 $A=2$。再由 $A<B<C<D$ 及各位进位逐位分析:若 $A\geqslant3$ 则 $C,D$ 至少为 $5,6$,使 $C+D>9$ 矛盾,故 $A=2$;取 $B=3$,由 $C+D=9$ 得 $C=4$,$D=5$。代入竖式 $2233+3344+4455=10032$,验证符合,故和为 $\overline{EFFBA}=10032$。
方法:利用 $A<B<C<D$ 的大小约束及逐位进位分析确定各字母后求和。
4. 在图 3-17 的竖式中,相同的汉字代表相同的数字,不同的汉字代表不同的数字,那么,“携手上海世博会”所代表的七位数是多少?$$\begin{array}{r}世\ 博\ 会\\上\ 海\ 世\ 博\ 会\\办\ 世\ 博\ 会\\+\ 上\ 海\ 世\ 博\ 会\\\hline 携\ 手\ 2\ 0\ 1\ 0\end{array}$$
★★
加法竖式数字谜多位汉字代数逐位进位分析多位汉字加法竖式破译
答案
“携手上海世博会”代表的七位数是 $1\,094\,372$ 或 $1\,094\,872$。
解题过程
由于和的尾部为 $2010$,逐位分析各汉字相加与进位关系。先看个位,因为“会”和三个“博”那不相同的位数关系,逐位讨论“会”“博”“世”等的取值;再结合首位“携”“手”与进位,得到“携手上海世博会”可取两种符合条件的七位数:$1\,094\,372$ 或 $1\,094\,872$。
方法:由和的尾数 $2010$ 出发逐位定字,并讨论符合条件的多组取值。
5. 卡莉娅写了一个四位数,小高把这个四位数的个位抹掉,变成了一个三位数;墨莫又把三位数的个位抹掉,变成了一个两位数。最后把这三个数加起来,结果刚好是 $7826$。那么卡莉娅原来写的四位数是多少?
★★
逐位抹去构造和竖式列方程首位估算定字抹位求原数
答案
$7051$。
解题过程
设原来的四位数为 $\overline{ABCD}$,被抹后得三位数 $\overline{ABC}$ 与两位数 $\overline{AB}$,则 $\overline{ABCD}+\overline{ABC}+\overline{AB}=7826$。由和的千位是 $7$,且三个加数最大都不超过 $6999,699,69$(和约 $7767$),可定首位 $A=7$。把三个加数的首位(共 $7000+700+70=7770$)抹去,则其余部分之和为 $7826-7770=56$,于是 $B=0$,再由 $\overline{CD}+C=56$ 得 $C=5$,$D=1$。所以原来的四位数为 $\overline{ABCD}=7051$。
方法:把抹去过程列成 $\overline{ABCD}+\overline{ABC}+\overline{AB}=7826$,由首位估算与逐位分析求解。
6. 一个各位数字互不相同的三位数,用它的三个数字组成一个最大的三位数,再用这三个数字组成一个最小的三位数,组成的这两个三位数的差正好是原来这个三位数,求原来的三位数。
★★
减法竖式数字谜重排数字作差借位分析数字黑洞(重排作差)
答案
$495$。
解题过程
设三个数字组成的最大三位数为 $\overline{ABC}$,最小三位数为 $\overline{CBA}$($A>C$),则按减法竖式 $\overline{ABC}-\overline{CBA}$ 表示为含借位的竖式。因为 $A>C$,个位向十位借位时百位也相应减少;由减数与被减数十位相同知十位差只能借位得 $9$,故差的十位为 $9$。再由各位关系定出差为 $495$,验证 $954-459=495$,恰为原来的三位数。
方法:由最大数减最小数的减法竖式逐位分析,定出差的各位。
7. (1)一个自然数的个位数字是 $4$,将这个 $4$ 移到左边首位数字前面,所构成的新数恰好是原数的 $4$ 倍,那么原数最小是多少?(2)一个五位数,将它的各位数字顺序颠倒就可以得到一个新的五位数,并且这个新的五位数恰好是原数的 $4$ 倍。那么原来的五位数是多少?
★★
乘法竖式数字谜数字移位与颠倒逐位推算移位倍数问题颠倒倍数问题
答案
(1)$102564$(题(1)实为六位数 $102564$,将末位 $4$ 移到最前得 $410256=4\times102564$);(2)$21978$。
解题过程
(1)设原数末位是 $4$,由“$4\times4=16$ 得积的个位是 $6$”逐位向前推算各位数字,每填一位就利用进位关系定下一位。如此逐位推得最小原数为 $102564$,其 $4$ 倍 $410256$ 正是把末位 $4$ 移到最前所得。 (2)设原来的五位数为 $\overline{ABCDE}$,则 $\overline{ABCDE}\times4=\overline{EDCBA}$。看首位,$A$ 只能取 $1$ 或 $2$;若 $A=1$ 则个位 $E\times4$ 末位为 $1$ 不成立,故 $A=2$,由 $E\times4$ 个位为 $2$ 得 $E=8$,再逐位推得 $B=1$,$C=9$,$D=7$,即原数 $21978$,其 $4$ 倍 $87912$ 为颠倒后的新五位数。
方法:从已知的末位出发,利用每位乘 $4$ 的末位与进位逐位向前推算。
8. 如图 3-18,相同的字母代表相同的数字,不同的字母代表不同的数字,那么 $10$ 个 □ 中数字之和是多少?$$\begin{array}{r}\square\ A\ B\\\times\quad\ A\ B\\\hline \square\ C\ B\\\square\ \square\ \square\ B\\\hline \square\ \square\ \square\ \square\ \square\end{array}$$
★★
乘法竖式数字谜部分积分析数位求和竖式填空与数位求和
答案
$10$ 个 □ 中数字之和是 $44$。
解题过程
先看个位 $B\times B$ 的末位是 $B$,故 $B$ 取 $0,1,5,6$;又 $B\neq0,1$,故 $B=5$ 或 $6$。若 $B=6$,则 $\overline{\square A6}\times A$ 应为四位数,推出 $A=1$ 但与 $\overline{\square A6}\times A$ 为四位数矛盾,故 $B=5$。由 $A$ 为奇数及各位进位分析得 $A=9$,$C=7$,首位 $\square=1$,即 $\overline{\square AB}=195$。完整竖式为 $195\times95=18525$,两部分积分别为 $975$ 与 $1755$。$10$ 个 □ 处的数字依次为 $1$(首位)、$9$($\overline{\square CB}=975$ 的首位)、$1,7,5$(部分积 $1755$ 的前三位)、$1,8,5,2,5$(乘积 $18525$ 各位),其和为 $1+9+1+7+5+1+8+5+2+5=44$。
方法:由积为四位定 $A>5$,结合 $C$ 定 $A=9$,补全竖式后把各位相加。
9. 如图 3-19,每一个英文字母代表 $0\sim9$ 中的一个数字,不同的字母代表不同的数字,则字母 $A,Q,T,R,F$ 分别代表什么数字?$$\begin{array}{r}A\ Q\\\times\ T\ Q\\\hline T\ A\ Q\\A\ Q\quad\\\hline F\ R\ Q\end{array}$$
★★
乘法竖式数字谜部分积相同末位分析字母乘法竖式破译
答案
$A=2,\ Q=5,\ T=1,\ R=7,\ F=3$。
解题过程
这个乘法竖式可拆成两个一位数乘法:$\overline{AQ}\times Q=\overline{TAQ}$ 与 $\overline{AQ}\times T=\overline{AQ}$。由后者知 $T=1$。由个位 $Q\times Q$ 的末位仍是 $Q$,定 $Q$ 取 $0,1,5,6$;结合 $\overline{AQ}\times Q$ 得三位数 $\overline{TAQ}$ 逐位讨论,得 $A=2,\ Q=5,\ T=1,\ R=7,\ F=3$,使竖式 $25\times15=375$ 成立。
方法:把竖式拆成两个一位数乘法分别分析,由末位与部分积相同逐位定字。
10. 图 3-20 中的竖式里,“江”“峡”“美”$3$ 个汉字分别代表 $3$ 个各不相同的数字,请把这个竖式写出来。$$\begin{array}{r}江\ 峡\ 美\\\times\ \ 峡\ 江\ 美\\\hline \square\ \square\ \square\ \square\\\square\ \square\ \square\quad\\\square\ 峡\qquad\\\hline \square\ \square\ \square\ \square\ \square\end{array}$$
★★
乘法竖式数字谜末位平方不变逐位定字汉字乘法竖式破译
答案
“江”$=2$,“峡”$=8$,“美”$=6$,竖式为 $286\times826=236236$。
解题过程
① 因为“美”$\times$“美”的个位仍是“美”,所以“美”代表的数字是 $5$ 或 $6$。若“美”是 $5$,注意到它与“江”相乘时积的个位仍是“江”,所以“江”只能是 $0$ 或 $5$,但“江”与“美”不同且不能为 $0$,矛盾,故“美”$=6$。② 继续逐位分析,定出“江”$=2$、“峡”$=8$,得到三位数 $\overline{江峡美}=286$,乘数 $\overline{峡江美}=826$,完整竖式为 $286\times826=236236$。
方法:由“美”$\times$“美”末位不变定“美”,再逐位推断“江”“峡”。
11. 请把如图 3-21 所示的除法竖式中空缺的数字补上,其中的商是多少?(图 3-21 为含空格 □ 的除法竖式。)
★★
除法竖式数字谜竖式补缺逐步试商除法竖式填空
答案
商是 $13$(按原书完整除法竖式补全)。
解题过程
先考虑首位 $\square$ 与 □,因为除数与商的个位的乘积的个位是确定的,再结合各步减法及余数关系逐位补全。综合分析,可定出商为 $13$,完整除法竖式如原书图所示。
方法:由各步部分积与余数的位数关系逐位反推被除数、除数与商。
12. 在图 3-22 所示的除法竖式中填入合适的数字,使商竖式成立,其中商是多少?(图 3-22 为含空格 □ 的除法竖式。)
★★
除法竖式数字谜部分积位数分析竖式补缺除法竖式填空
答案
商是 $79$(按原书完整除法竖式补全)。
解题过程
不难发现,除数与商的个位相乘得到一个两位数;另外,除数与商的某位相乘得到一个三位数。结合商的各位与各步部分积、余数的位数关系逐位分析,由 $13\times9=117$ 小于商位中三位数等约束,定出商为 $79$,完整竖式如原书所示。
方法:由各步部分积是两位数或三位数的位数特征,确定除数与商各位。
13. 请把图 3-23 中的除法竖式补充完整。(图 3-23 为含空格 □ 的除法竖式。)
★★
除法竖式数字谜竖式补缺试商与检验除法竖式填空
答案
完整除法竖式见原书(商为 $107$,$7176\div67=107\cdots\cdots7$)。
解题过程
先考虑商的个位与各位,因为各步部分积的位数已经确定,逐位反推。最后代入原竖式检验可得,商为 $104$ 时被除数是 $67\times104+7=6975$,与被除数首位是 $7$ 矛盾;因此商为 $107$,最后答案为 $7176\div67=107\cdots\cdots7$,完整竖式如原书所示。
方法:由各步部分积位数逐位反推,并代入原竖式检验首位。
14. 在图 3-24 的字母竖式中,相同的字母代表相同的数字,不同的字母代表不同的数字,请填出这个竖式。$$\begin{array}{r}E\ G\ M\\I\ C\ E\ )\overline{M\ H\ G\ T\ T}\\\hline E\ H\ C\quad\\\hline I\ P\ M\ T\\A\ A\ C\quad\\\hline C\ E\ T\\C\ E\ T\\\hline 0\end{array}$$
★★★
除法竖式数字谜字母代数破译部分积位数分析字母除法竖式破译
答案
$\overline{MHGTT}\div\overline{ICE}=\overline{EGM}$ 即 $38766\div142=273$($I=1,C=4,E=2,M=3,H=8,G=7,T=6,P=0,A=9$)。
解题过程
由字母除法竖式各步部分积的位数关系,结合除数 $\overline{ICE}$ 与商各位相乘所得位数,逐位破译各字母代表的数字。确定除数 $\overline{ICE}=142$、商 $\overline{EGM}=273$、被除数 $\overline{MHGTT}=38766$,各步为 $\overline{EHC}=284$、$\overline{IPMT}=1036$、$\overline{AAC}=994$、$\overline{CET}=426$、$\overline{CET}=426$,余数为 $0$,即 $38766\div142=273$,各字母互不相同,竖式成立。
方法:由除法竖式各步部分积位数与字母约束逐位破译。
超越篇
1. 图 3-25 是一个加法竖式,其中 $E,F,I,N,O,R,S,T,X,Y$ 表示 $0\sim9$ 的不同数字,且 $F,S$ 不等于零,那么这个竖式的结果是多少?$$\begin{array}{r}F\ O\ R\ T\ Y\\T\ E\ N\\+\quad T\ E\ N\\\hline S\ I\ X\ T\ Y\end{array}$$
★★★★
加法竖式数字谜(验证码型)末位与进位分析字母代数破译经典字母加法竖式(FORTY+TEN+TEN=SIXTY)
答案
竖式的结果($\overline{SIXTY}$)是 $31486$。
解题过程
① 观察个位和十位。先看个位 $Y+N+N$ 的末位仍是 $Y$,故 $N$ 只能是 $0$ 或 $5$。若 $N=5$ 则个位向十位进 $1$,由十位 $T+E+E+1$ 末位是 $T$ 得 $E+E+1$ 末位为 $0$,矛盾,故 $N=0$,进而 $E=5$。② 逐位分析进位与互不相同约束,依次确定 $E=5,N=0,O=9,I=1,R=7,T=8,X=4,S=3,F=2,Y=6$,使 $\overline{FORTY}+\overline{TEN}+\overline{TEN}=29786+850+850=31486=\overline{SIXTY}$ 成立,故结果为 $31486$。
方法:由个位定 $N=0$,逐位结合进位与互不相同约束确定各字母。
2. 澳门的拼音和英语写法为“AOMEN”及“MACAO”,我们规定这些字母表示 $1\sim9$ 中的不同数字,那么图 3-26 中竖式的计算结果最大是多少?$$\begin{array}{r}A\ O\ M\ E\ N\\+\ M\ A\ C\ A\ O\\\hline ?\end{array}$$
★★★★
加法竖式数字谜最值分析高位优先取大字母加法竖式求最值
答案
竖式的计算结果最大是 $99782$。
解题过程
为使和最大,应让高位尽量大。逐位讨论各字母取值并结合进位:先使万位、千位尽量取大,再逐位往下调整,保证各字母互不相同且属于 $1\sim9$。经验证,使和最大的填法所得竖式结果最大为 $99782$(如原书图所示完整竖式)。
方法:为使和最大,从高位起依次让各位尽量取大,再逐位验证可行性。
3. 华罗庚与钱三强、赵九章等几位科学家配对了一副美妙的对联:三强韩赵魏,九章勾股弦。“三强”不但指战国三雄,也指我国当代物理学家钱三强的名字;“九章”既指我国古代数学专著《九章算术》,又指我国当代数学家赵九章的名字。我们用这副对联来编下面的题目。(1)在图 3-27 的竖式中,相同的汉字代表相同的数字,不同的汉字代表不同的数字。如果“三”代表 $3$,“九”代表 $9$,请使竖式补充完整(找出一种解答即可)。$$\begin{array}{r}三\ 强\ 韩\ 赵\ 魏\\\times\qquad\qquad\quad \square\\\hline 九\ 章\ 勾\ 股\ 弦\end{array}$$(2)在图 3-28 的竖式中,相同的汉字代表相同的数字,不同的汉字代表不同的数字。如果“勾股弦”代表 $345$,请使竖式补充完整。$$\begin{array}{r}九\ 章\ 勾\ 股\ 弦\\\times\qquad\qquad\quad \square\\\hline 三\ 强\ 韩\ 赵\ 魏\end{array}$$
★★★★
乘法竖式数字谜汉字代数破译进位与枚举分析对联型汉字乘法竖式破译
答案
(1)三强韩赵魏 $=32058$,方框填 $3$,九章勾股弦 $=96174$(三 $=3$,强 $=2$,韩 $=0$,赵 $=5$,魏 $=8$,九 $=9$,章 $=6$,勾 $=1$,股 $=7$,弦 $=4$);(2)九章勾股弦 $=12345$,方框填 $8$,三强韩赵魏 $=98760$(九 $=1$,章 $=2$,三 $=9$,强 $=8$,韩 $=7$,赵 $=6$,魏 $=0$)。
解题过程
(1)由“三”$=3$、“九”$=9$,知 $\overline{三强韩赵魏}\times\square=\overline{九章勾股弦}$ 的乘数 $\square=3$(首位 $3\times3=9$ 不进位)。逐位试填得 $32058\times3=96174$,即三 $=3$,强 $=2$,韩 $=0$,赵 $=5$,魏 $=8$,九 $=9$,章 $=6$,勾 $=1$,股 $=7$,弦 $=4$。(2)由“勾股弦”$=345$,竖式为 $\overline{九章345}\times\square=\overline{三强韩赵魏}$。试填方框:填 $8$ 时 $\overline{九章345}\times8$ 的末三位为 $760$(韩赵魏 $=760$),且“九章”$=12$ 时 $12345\times8=98760$,得三 $=9$,强 $=8$,正好满足各字不同,故 $12345\times8=98760$。
方法:由进位约束限制各汉字取值范围,结合给定条件枚举验证补全竖式。
4. 在图 3-29 的竖式中,相同的字母代表相同的数字,不同的字母代表不同的数字,那么 $\overline{ABCDEFG}$ 所代表的七位数是多少?$$\begin{array}{r}A\ B\ C\\\times\quad\ D\ C\\\hline D\ E\ A\ C\\F\ E\ D\quad\\\hline G\ D\ B\ C\end{array}$$
★★★★
乘法竖式数字谜末位平方不变部分积分析字母乘法竖式破译
答案
$\overline{ABCDEFG}=3\,562\,179$。
解题过程
竖式为 $\overline{ABC}\times\overline{DC}$,两个部分积为 $\overline{ABC}\times C=\overline{DEAC}$ 和 $\overline{ABC}\times D=\overline{FED}$,乘积为 $\overline{GDBC}$。因为 $C\times C$ 的个位还是 $C$,所以 $C$ 只可能是 $0,1,5,6$;逐位讨论排除得 $C=6$。由 $\overline{ABC}\times6=\overline{DEAC}$ 为四位且 $A=$ 该积的十位,定出 $\overline{ABC}=356$,从而 $A=3$,$B=5$,$D=2$,$E=1$;第二部分积 $356\times2=712=\overline{FED}$ 得 $F=7$。乘积 $356\times26=9256=\overline{GDBC}$ 得 $G=9$。最终 $\overline{ABCDEFG}=3\,562\,179$。
方法:由 $C\times C$ 末位不变定 $C$,再借助部分积逐位确定其余字母。
5. 请把图 3-30 的除法竖式补充完整。(图 3-30 为含空格 □ 的多步除法竖式。)
★★★★
除法竖式数字谜竖式补缺部分积位数分析多步除法竖式填空
答案
完整除法竖式为 $45073\div137=329$(除数 $137$,商 $329$,被除数 $45073$)。
解题过程
由除法竖式各步部分积与余数的位数关系逐位反推被除数、除数与商。商的首位是 $3$,由各步部分积分别是 $411$、$397$、$274$、$1233$ 等的位数特征,依次确定除数 $137$、商 $329$,并补全各空,完整竖式即 $137\times329=45073$($45073\div137=329$)。
方法:由各步部分积位数与余数逐位反推商与各空格数字。
6. 在图 3-31 所示的除法竖式中,相同的字母代表相同的数字,不同的字母代表不同的数字。请问:被除数是多少?$$\begin{array}{r}C\ O\ L\\A\ I\ L\ S\ )\overline{L\ Y\ R\ I\ C\ S}\\\hline S\ I\ U\ R\\R\ I\ O\ C\ C\\R\ A\ I\ C\ O\\A\ G\ Y\ L\ S\\R\ Y\ L\ Y\ U\\\hline R\ G\ Y\ R\end{array}$$
★★★★
除法竖式数字谜字母代数破译部分积位数分析字母除法竖式破译
答案
被除数 $\overline{LYRICS}=891\,437$。
解题过程
竖式中未知字母有 $10$ 个,它们是 $A,I,L,S,Y,R,C,O,U,G$,由题意,这 $10$ 个字母分别表示 $0\sim9$ 这 $10$ 个数字。先观察竖式中各数的位数:除数 $\overline{AILS}$ 与 $C$ 相乘得四位数 $\overline{SIUR}$,而与 $O$、$L$ 相乘分别得五位数,由此确定商 $\overline{COL}$ 各位的取值范围。再观察竖式中各步减法与余数 $\overline{RIOCC}<\overline{RAICO}$ 等关系逐位破译,最终求得被除数 $\overline{LYRICS}=891\,437$。
方法:由各步部分积位数定商各位范围,结合减法与余数大小逐位破译字母。
7. 在图 3-32 的乘法竖式中,“二”代表除以 $3$ 余 $2$ 的数字,即 $2,5,8$ 中的一个;“一”代表除以 $3$ 余 $1$ 的数字,即 $1,4,7$ 中的一个;“零”代表除以 $3$ 余 $0$ 的数字,即 $0,3,6,9$ 中的一个。请填出这个竖式。$$\begin{array}{r}二\ 二\ 一\\\times\qquad 二\ 零\\\hline 二\ 二\ 二\ 零\\二\ 零\ 二\\\hline 一\ 二\ 一\ 零\end{array}$$
★★★★
乘法竖式数字谜同余约束逐位试填带同余条件的乘法竖式
答案
竖式为 $251\times29=7279$(部分积 $2259$ 与 $502$)。
解题过程
依据“二”“一”“零”分别对应除以 $3$ 余 $2$、余 $1$、余 $0$ 的数字(注意同一符号在不同位置可取该余数类中不同的数字),将各位的取值范围限定在 $\{2,5,8\}$、$\{1,4,7\}$、$\{0,3,6,9\}$ 内。再由乘法竖式各位的进位与部分积约束逐位试填,得 $\overline{二二一}=251$,$\overline{二零}=29$,部分积 $251\times9=2259=\overline{二二二零}$,$251\times2=502=\overline{二零二}$,乘积 $251\times29=7279=\overline{一二一零}$,验证各位余数均符合题意。
方法:先用除以 $3$ 的余数限定每位取值范围,再结合进位与部分积逐位试填。
8. 在图 3-33 的加法竖式中,相同的字母代表相同的数字,不同的字母代表不同的数字,其中 $W=0$。请用合适的数字替换字母,使得竖式成立。$$\begin{array}{r}E\ I\ G\ H\ T\\E\ I\ G\ H\ T\\T\ W\ O\\O\ N\ E\\+\quad\ \ O\ N\ E\\\hline T\ W\ E\ N\ T\ Y\end{array}$$
★★★★
加法竖式数字谜多加数进位分析字母代数破译经典英文单词加法竖式(EIGHT+...=TWENTY)
答案
$\overline{TWENTY}=105816$,即 $52371+52371+104+485+485=105816$($E=5,I=2,G=3,H=7,T=1,W=0,O=4,N=8,Y=6$)。
解题过程
被乘(加)数与各加数的首位都来自 $\{2,5,8\}$(因首位相加无进位),逐位分析:$\overline{EIGHT}$ 与 $\overline{TWENTY}$ 的位数关系定首位 $T=1$,又 $W=0$。由乘数(即 $\overline{EIGHT}\times2$ 的形式)个位得四位数知 $T=1$,进而各位首位为 $2$。逐位结合进位破译得 $E=5,I=2,G=3,H=7,T=1,W=0,O=4,N=8,Y=6$。完整竖式为 $\overline{EIGHT}+\overline{EIGHT}+\overline{TWO}+\overline{ONE}+\overline{ONE}=52371+52371+104+485+485=105816=\overline{TWENTY}$。
方法:由和的位数定首位 $T=1$、结合 $W=0$,逐位结合进位破译其余字母。
第4讲 几何图形剪拼
兴趣篇
1. 如图 4-1,将一个正方形纸片剪成大小、形状都相同的 4 块,可以怎么剪?请大家画出尽量多的图形。(如果两个图形通过旋转或翻转后重合,就认为它们的大小、形状是相同的)
★★
沿格线/中线分割全等图形旋转对称分割图形的等分剪拼
答案
有多种剪法,例如沿两条中线剪成 4 个小正方形、沿两条对角线剪成 4 个三角形、用 4 段平行斜线剪成 4 个长方形、用旋转对称的折线剪成 4 个全等的“风车形”等。
解题过程
要把一个图形平均分成 4 部分,可以先把图形平均分成 2 份,再把每一份各分成 2 份,即“一分为二、二分为四”。如本题第一、二部分给出的 5 种分法:沿两条中线、沿两条对角线、沿一组平行线、以及绕中心旋转对称的折线分割等,都能把正方形分成 4 个全等图形,画法不唯一。
方法:先二等分,再把每份再二等分;利用中心对称构造旋转全等的分割线。
2. 如图 4-2,在一块正方形纸片中有一个正方形的空洞。现在要求用一条经过大正方形中心点的线段,把纸片分成面积相等的两部分,应该怎么分?
★★
中心对称分割等面积过中心直线平分图形等面积分割
答案
作一条同时经过大正方形中心和小正方形(空洞)中心的直线,它把纸片分成面积相等的两部分。
解题过程
先不考虑空洞。任何经过正方形中心的直线都能把正方形分成面积相等的两部分。再考虑空洞:经过小正方形中心的任意一条直线,也把空洞分成面积相等的两部分。因此,只要画一条同时经过大正方形中心和小正方形中心的直线,这条直线就把“带洞纸片”分成面积相等的两半。
方法:利用“过正方形中心的直线把它平分”,连接大、小两正方形的中心。
3. 如图 4-3,三角形和六角星的每条边长都相等。那么用多少个三角形可以拼成六角星?请在图中表示出来。
★★
正三角形拼接六角星结构面积计数全等三角形拼图
答案
$12$ 个。
解题过程
因为六角星的每条边和小正三角形的边相等,所以六角星突出来的 6 个角各可以用 1 个小三角形填满,用去 6 个;剩下的中间部分是一个正六边形,也可以用 6 个小正三角形拼满。两部分合起来共需 $6+6=12$ 个三角形。
方法:把六角星分成 6 个尖角和中间正六边形两部分,分别用小三角形铺满后计数。
4. 如图 4-4,在正方形边上的 40 个点中,选出 6 个点,连出 3 条线段,将正方形分成 6 个部分,使得每个部分都恰好有 1 个三角形、2 个小正方形。
★★
按条件分割图形线段分区按要求分区
答案
适当选取边上的 6 个点连成 3 条线段,使每条线段都把图形隔开,最终分出的 6 个部分中各含 1 个三角形和 2 个小正方形即可(答案不唯一,见原书示意图)。
解题过程
本题答案略,只需画出满足要求的分法:恰当地在正方形边上选 6 个点,连成 3 条线段把正方形分成 6 块,并使每一块里都正好包含 1 个三角形与 2 个小正方形。
方法:结合图中三角形、小正方形的分布,凑出每块都含 1 个三角形和 2 个小正方形的分割线。
5. 请把图 4-5 中的两个图形分别沿格线剪成 4 个大小、形状都相同的图形。
★★
沿格线分割成全等图形相似分割格点图形四等分
答案
两个图形都能沿格线分成 4 个全等的部分(答案不唯一,见原书示意图)。
解题过程
图 (a) 由 12 个小正方格组成,沿格线分成 4 个部分,每部分含 $12\div 4=3$ 个小正方格,3 个方格要么组成 $1\times 3$ 的长方形、要么组成“L”形即可;图 (b)(一个梯形)由 12 个小三角形组成,沿格线分成 4 个部分后,每部分由 3 个小三角形组成,其形状与原梯形相似(即由 3 个小三角形拼成的小梯形),可分别给出几种分法。
方法:数出总格数,除以 4 得每块格数,再凑成与原图相似的小块。
6. 请把图 4-6 沿格线分成大小、形状都相同的 3 部分,使得每部分都恰好含有 1 个“○”。
★★
沿格线三等分全等图形按条件分区格点图形三等分
答案
把图形沿格线分成 3 个全等的部分,每块恰含 1 个“○”(答案见原书示意图)。
解题过程
先数出图形的方格总数,把它平均分成 3 块,求出每块的方格数;再观察 3 个“○”的位置,使每一块都含且只含 1 个“○”,凑出 3 个全等的小块即可。
方法:总格数除以 3 得每块格数,结合“○”位置凑出全等分割。
7. 请将图 4-7 分成大小、形状都相同的 4 部分,使得每个部分都恰好包含 $A$、$B$、$C$、$D$ 4 个字母。(图 4-7 为 $4\times 4$ 字母表,从上到下、从左到右依次为:$A\ C\ B\ C$;$D\ C\ C\ D$;$B\ A\ D\ A$;$D\ B\ B\ A$)
★★
沿格线四等分全等图形按条件分区字母方格等分
答案
把 $4\times 4$ 方格沿格线分成 4 个全等的部分,每块恰好含 $A$、$B$、$C$、$D$ 各一个(答案见原书示意图)。
解题过程
原来图形被格线分成 16 个相同的小正方形,沿格线分成 4 个全等部分,每部分含 4 个小正方格;再结合各字母的位置,使每一块里 $A$、$B$、$C$、$D$ 恰各出现一次,由图发现可分成“一”“T”“田”“L”等字形,经尝试即可找到符合要求的分法。
方法:16 格四等分得每块 4 格,结合字母位置凑出每块含 A、B、C、D 各一的全等块。
8. 如图 4-8,图 (a) 是由 5 个大小相同的小正方形拼成的,图 (b) 是由 1 个正方形和 1 个等腰直角三角形拼成的。请把这两个图形分别剪成 4 个大小、形状都相同的图形。
★★
全等分割对称分割等积变形组合图形四等分
答案
图 (a)、图 (b) 都能分成 4 个全等的图形(答案见原书示意图)。
解题过程
图 (a) 由 5 个小正方形组成,可把每个小正方形沿对角线或中线剖分,再把对应的小块拼成 4 个全等图形;图 (b) 由正方形和等腰直角三角形组成,把它补全或沿对称线分割,也能分成 4 个大小、形状相同的部分,分法见原书示意图。
方法:利用对称性和小块的拼合,把组合图形分成 4 个全等图形。
9. 如图 4-9,有两个面积相等的正方形纸片,现在想把它剪拼成一个更大的正方形,要求如下:(1)如果分别剪开这两个正方形,再拼接成一个大正方形,应该怎么分?(2)如果只允许剪开一个正方形,再拼接成一个大正方形,应该怎么分?
★★★
等积剪拼正方形拼接等腰直角三角形正方形剪拼成大正方形
答案
(1)把两个小正方形分别沿对角线剪成 4 个等腰直角三角形,再拼成一个大正方形;(2)保持一个正方形不剪,把另一个正方形剪成 4 个等腰直角三角形,绕大正方形四周拼接成更大的正方形(答案见原书示意图)。
解题过程
(1)设每个小正方形的面积为 1,则要拼成的大正方形面积为 2。沿对角线把每个小正方形剪成 2 个等腰直角三角形,4 个三角形拼起来就得到面积为 2 的大正方形。(2)保持一个正方形不剪,把另一个正方形沿两条对角线剪成 4 个等腰直角三角形,分别贴在保留正方形的 4 条边上,拼成一个更大的(斜放的)正方形。
方法:利用对角线把正方形剪成等腰直角三角形再拼接,使面积守恒。
10. 图 4-10 是由若干个小正方形组成的图形,你能将其剪成两块,然后拼成一个正方形吗?
★★
阶梯剪拼法等积剪拼拼成正方形阶梯剪拼成正方形
答案
能。这个图形由 16 个小正方形组成,可沿“阶梯形”折线剪成两块,再错位拼成一个 $4\times 4$ 的大正方形(答案见原书示意图)。
解题过程
这个图形是由 16 个小正方形组成的,那么拼成的正方形应该是由 4 个格组成的,也就是边长为 4 个小方格的正方形。沿着合适的阶梯形折线把图形剪成两块,再把其中一块沿对角方向平移错位拼接,就能拼成一个 $4\times 4$ 的大正方形。
方法:先确定目标正方形的边长,再沿阶梯折线剪成两块错位拼接。
拓展篇
1. 观察图 4-11,$ABCDEF$ 是正六边形,$O$ 是它的中心。画出线段 $PQ$ 后,就把正六边形 $ABCDEF$ 分成了 2 个大小、形状都相同的五边形。(1)能否画出 3 条线段,把正六边形分成 6 个大小、形状都相同的图形?(2)能否画出几条线段,把正六边形分成 3 个大小、形状都相同的四边形?(3)能否画出几条线段,把正六边形分成 3 个大小、形状都相同的五边形?
★★
正六边形中心对称旋转对称分割全等图形正多边形等分
答案
(1)能,连接中心 $O$ 与 6 个顶点,把正六边形分成 6 个全等的(正)三角形;(2)能,把(1)中的 6 个三角形两两组合,得到 3 个全等的菱形 $ABCO$、$CDEO$、$EFAO$;(3)能,连接中心 $O$ 与三个相隔的顶点(如 $OA$、$OC$、$OE$),把正六边形分成 3 个全等的五边形(答案见原书示意图)。
解题过程
利用正六边形关于中心 $O$ 的旋转对称性:(1)连接中心 $O$ 与 6 个顶点,把六边形分成 6 个全等的三角形;(2)把(1)中划分出的 6 个三角形两两组合,依次得到 3 个全等的菱形 $ABCO$、$CDEO$、$EFAO$;(3)画 $OA$、$OC$、$OE$ 三条线段,把正六边形分成 3 个全等的五边形。各小题分法都依赖正六边形关于中心 $O$ 的旋转对称性,分法见原书示意图。
方法:利用正六边形绕中心 60°、120°、180° 旋转对称,过中心画分割线。
2. 请在图 4-12 中标出分割线,把图形沿格线分成大小、形状都相同的 4 个部分。(如果两个图形通过旋转或翻转后重合,就认为它们的大小、形状是相同的)
★★
沿格线四等分全等图形旋转翻转判全等格点图形四等分
答案
沿格线把图形分成 4 个全等的部分(答案见原书示意图)。
解题过程
先数出图形的方格总数,平均分成 4 份得到每块的格数,再结合带凸出小方格的轮廓,凑出 4 个通过旋转或翻转能够重合的全等小块,标出分割线即可。
方法:总格数四等分,凑出旋转/翻转可重合的全等块。
3. 将图 4-13 沿格线分割成大小、形状都相同的 4 个部分,请在图中画出具体的分割方法。
★★
沿格线四等分三角形格阵相似分割三角形格阵等分
答案
把三角形格阵沿格线分成 4 个全等的小三角形区域(答案见原书示意图)。
解题过程
这个三角形格阵共有 24 个小三角形,因此分成的每个部分应有 $24\div 4=6$ 个小三角形。由 6 个小三角形拼成的图形要与整体相似(仍是三角形),分别在格阵中找出 4 个这样的小三角形即可,分法见原书示意图。
方法:总三角形数除以 4,凑出与原图相似的小三角形区域。
4. 将图 4-14 分割成大小、形状完全相同的 4 块,请至少画出 4 种不同的分法。(图中 L 形底边长为 12、右侧高为 8,上方凸起部分宽为 4)
★★
L 形四等分全等图形相似分割L 形图形等分
答案
至少画出 4 种把 L 形分成 4 个全等图形的分法(答案见原书示意图)。
解题过程
先求出 L 形的面积(按格计算),平均分成 4 份得每块面积。L 形可按多种方式分成 4 个全等的小图形——既能分成 4 个与原图相似的小 L 形,也能分成长方形、阶梯形等其它全等小块,至少给出 4 种不同的分法即可,分法见原书示意图。
方法:求面积四等分,构造与原图相似或其它形状的 4 个全等块。
5. 如图 4-15,从一张边长为 7 厘米的正方形纸片中,最多能裁剪出多少张长 4 厘米、宽 1 厘米的长方形纸条?请画图说明裁剪方法。
★★
面积估算纸条裁剪计数横竖交错裁剪
答案
最多 $12$ 张。
解题过程
因为边长为 7 厘米的正方形面积是 $7\times 7=49$ 平方厘米,每张长 4 厘米、宽 1 厘米的长方形纸条面积是 $4$ 平方厘米,由面积关系,最多能裁剪出 $12$ 张纸条。这些纸条可以横竖交错安排:先横着裁出 1 张纸条,剩下的竖着裁可以裁出 3 张,接着继续横着裁……如此充分利用纸片,最多能裁出 $12$ 张,具体裁法见原书示意图。
方法:用面积估上界,再用横竖交错的实际裁法数出最多张数。
6. 将图 4-16 分成大小、形状相同的 4 块,使得每块中都有 $A$、$B$、$C$、$D$。(图 4-16 为 $6\times 6$ 方格中按位置填入的若干字母 $A$、$B$、$C$、$D$)
★★
沿格线四等分全等图形按条件分区字母方格等分
答案
把 $6\times 6$ 方格沿格线分成 4 个全等的部分,每块恰含 $A$、$B$、$C$、$D$(答案见原书示意图)。
解题过程
$6\times 6$ 方格共 36 格,分成 4 块每块 9 格。结合字母 $A$、$B$、$C$、$D$ 在格中的位置,凑出 4 个通过旋转或翻转能重合的全等小块,并使每一块内 $A$、$B$、$C$、$D$ 都齐全,经尝试即可得到满足要求的分法。
方法:36 格四等分得每块 9 格,结合字母位置凑出全等块。
7. 如图 4-17,请把一个大正方形分割为两种面积不同的小正方形。(1)如果要求两种小正方形一共有 6 个,应该怎么分?(2)如果要求两种小正方形一共有 7 个,应该怎么分?
★★
正方形分割成小正方形面积关系构造分割正方形分割成正方形
答案
(1)把大正方形分成 2 个较大正方形和 4 个较小正方形,共 6 个;(2)分成 1 个大正方形和 6 个小正方形,共 7 个(答案见原书示意图)。
解题过程
把大正方形分割成两种面积不同的小正方形:(1)一共 6 个时,可分成边长之比合适的 2 个大正方形与 4 个小正方形;(2)一共 7 个时,可分成 1 个大正方形与 6 个小正方形。结合面积关系确定大、小正方形的边长和位置,分法见原书示意图。
方法:按要求的小正方形个数,确定两种边长的搭配并构造分割。
8. 将边长分别为 3 厘米和 4 厘米的两个正方形切割成 4 块,然后将它们拼成一个边长是 5 厘米的大正方形,请在图 4-18 中画出切割线和拼接线。
★★
等积剪拼勾股关系正方形拼接两正方形拼成大正方形
答案
边长 3、4 的两个正方形面积之和为 $3^2+4^2=25=5^2$,可切成 4 块拼成边长 5 的大正方形(切拼线见原书示意图)。
解题过程
由勾股关系 $3^2+4^2=5^2$,两个小正方形面积之和恰等于边长 5 的大正方形面积,所以拼接是可行的。把边长 3、4 的两个正方形按合适的直角阶梯线切成 4 块,再绕拼成边长 5 的大正方形,切割线和拼接线见原书示意图。
方法:用面积守恒确认可行,再用阶梯切拼把两正方形并成大正方形。
9. 请将图 4-19 中的图 (a) 剪成 3 块,再拼成一个正方形如图 (b)。
★★
等积剪拼阶梯剪拼法拼成正方形不规则图形剪拼成正方形
答案
图 (a) 可看作从一个 $4\times 7$ 的长方形去掉左上角 $1\times 3$ 的一块,面积为 $4\times 7-1\times 3=25$,因此拼成的正方形边长为 $5$,沿合适的阶梯/直线剪成 3 块错位拼接成图 (b) 的正方形(剪拼线见原书示意图)。
解题过程
图 (a) 是从一个 $4\times 7$ 的长方形去掉左上角 $1\times 3$ 的一块,所以总面积等于 $4\times 7-1\times 3=25$。于是拼成的正方形边长应该等于 $5$。补上格线后将正方形与图 (a) 重叠,把图 (a) 沿合适的阶梯折线剪成 3 块,平移、错位后拼成图 (b) 的边长 5 的正方形,具体剪拼方法见原书示意图。
方法:由面积 25 定出正方形边长 5,再沿阶梯折线剪成 3 块错位拼接。
10. 将图 4-20 分割成 4 个形状和大小都相同的部分,然后将它们拼接成一个正方形。请在原图上标明分割线,并画出正方形的拼接图。(图 4-20 为对称的十字凸形,标注边长 2、3、1、6、1、3、2 等)
★★
中心对称分割等积剪拼拼成正方形对称图形剪拼成正方形
答案
把图 4-20 分成 4 个全等部分,再拼成一个正方形(分割线与拼接图见原书示意图)。
解题过程
先求出图 4-20 的面积,它等于要拼成的正方形面积,从而定出正方形的边长。利用图形关于中心的对称性,把它分成 4 个全等部分,再把这 4 块绕中心旋转拼接成一个正方形,分割线和拼接图见原书示意图。
方法:用面积定边长,借助中心对称分成 4 个全等块旋转拼接。
11. 图 4-21 (a) 中长方形的长和宽分别是 9 厘米和 4 厘米,请把这个长方形剪成 2 块,再拼成一个正方形如图 (b)。
★★
阶梯剪拼法等积剪拼长方形拼成正方形长方形剪拼成正方形
答案
长方形面积 $9\times 4=36$ 平方厘米,目标正方形边长为 6 厘米,可沿阶梯线剪成 2 块拼成正方形(剪拼线见原书示意图)。
解题过程
长方形的面积是 $9\times 4=36$ 平方厘米,所以正方形的边长是 6 厘米。把长方形沿“阶梯形”折线剪成 2 块(沿长把 9 分成 6 与 3,沿宽把 4 分成 …… 的阶梯),再错位拼接,就能拼成边长 6 厘米的正方形。先剪后拼,分法见原书示意图。
方法:由面积求出正方形边长,再用阶梯剪拼法把长方形改拼成正方形。
12. 有一长方形纸片,按图 4-22 所示剪成了 3 块。已知这 3 块纸片可拼成一个正方形,那么这个正方形的边长是多少?请画出具体的拼法。(图 4-22 标注边长 4、5、3、9、12 等)
★★
等积剪拼面积计算拼成正方形三块剪拼成正方形
答案
正方形的边长是 $12$ 厘米。
解题过程
由于剪拼过程中保持面积不变,所以最后拼成的正方形大小可以直接由面积计算得出。计算长方形(含各剪块)的总面积为 $9\times(12+4)=144$,即 $144=12\times 12$,因此正方形的边长为 12 厘米,拼成正方形时注意斜线必须和斜线对齐,具体拼法见原书示意图。
方法:由面积守恒求出正方形边长 12,再按斜线对齐拼接。
13. 把长 7 厘米、宽为 3 厘米的长方形若干个互不重叠又不留空隙地拼成一个大长方形,那么这个大长方形的周长最少是多少厘米?请画出具体的拼法。
★★
拼接长方形面积与周长关系最值问题拼接图形求最小周长
答案
$38$ 厘米。
解题过程
大长方形的面积必须是 $7\times 3=21$ 平方厘米的整数倍。要使周长最小,应让大长方形尽量接近正方形。试取大长方形面积为 $84=3\times 4\times 7=21\times 4$,可拼成长 $7\times 2=14$、宽 $3\times 2=6$ 的长方形;进一步比较各种拼法(如 $84=1\times 84=2\times 42=3\times 28=4\times 21=6\times 14=7\times 12=\cdots$),发现长 12、宽 7 时拼成的大长方形周长最小,为 $(7+12)\times 2=38$ 厘米,具体拼法见原书示意图。
方法:面积取小长方形面积的整数倍,使长宽尽量接近以求最小周长。
14. 用若干张边长为 1、2、3、4 的正方形纸片互不重叠地拼成一个边长为 5 的大正方形,那么最少需要多少张纸片?请画出具体的拼法。
★★
正方形拼接面积分配最值(最少张数)正方形拼接求最少块数
答案
$8$ 张。
解题过程
题目要求所用的纸片数最少,所以要尽可能多用大的纸片来试一试。先看一看:能放多少张边长为 4 的正方形纸片,只能放 1 张,余下的部分无法放进边长为 4 的纸片;接着改放边长为 3 的纸片……逐步配合不同边长的正方形去填满 $5\times 5=25$ 的大正方形。经过试验,最少需要 8 张纸片,具体拼法见原书示意图。
方法:优先用大正方形填充,逐步搭配小正方形,使张数最少。
超越篇
1. 将图 4-23 沿格线分割成大小、形状完全相同的 4 个部分,你能想出几种方法?(如果两个图形通过旋转或翻转后重合,就认为它们的大小、形状是相同的)
★★★★
沿格线四等分全等图形旋转翻转判全等格点图形四等分
答案
图形共 32 个小格,每部分 8 个小格,可分成与“倾斜正方形”相似的 4 个全等图形,有多种分法(答案见原书示意图)。
解题过程
直接数方格数,整个图形有 32 个小格,所以分成的每一部分应该有 $32\div 4=8$ 个小格。而 8 个小正方形拼成的图形情况十分复杂,但是可以发现这个图形的形状很像一个倾斜的正方形。可以按多种方式把它分成 4 个全等的部分,分法见原书示意图。
方法:数总格数四等分,构造与原图相似的 4 个全等块。
2. 如图 4-24 (a),长方形的长和宽分别是 25 厘米和 16 厘米,请把这个长方形剪成两块,再拼成一个正方形如图 (b)。
★★★★
阶梯剪拼法等积剪拼长方形拼成正方形长方形阶梯剪拼成正方形
答案
长方形面积 $25\times 16=400$ 平方厘米,正方形边长为 20 厘米,可沿阶梯线剪成两块拼成正方形(剪拼线见原书示意图)。
解题过程
长方形的面积是 $25\times 16=400$ 平方厘米,所以正方形的边长是 20 厘米。因此要把长方形的长剪掉 5 厘米,同时要把宽补上 4 厘米,所以可以沿如图所示图形的虚线裁剪:横的虚线段长度都要取 5 厘米,竖的虚线段长度都要取 4 厘米,所以剪有 3 级阶梯(横 5、竖 4)的台阶线,剪成两块错位拼接即得边长 20 厘米的正方形,剪拼线见原书示意图。
方法:由面积求边长 20,沿横 5 竖 4 的阶梯线剪成两块错位拼接。
3. 如图 4-25 (a) 是一块 $25\times 49$(单位:厘米)的长方形纸片,现在要沿虚线将它分成 3 块,再拼成如图 (b) 所示的边长为 35 厘米的正方形纸片。请用实线标明剪切和拼接的方法。在这里,虚线划分成的小长方形的大小为 $5\times 7$(单位:厘米)。
★★★★
阶梯剪拼法等积剪拼长方形拼成正方形长方形阶梯剪拼成正方形
答案
长方形的长 49、正方形的边长 35,可沿阶梯线分成 3 块拼成边长 35 厘米的正方形(剪拼线见原书示意图)。
解题过程
长方形的长是 49 厘米,正方形的边长是 35 厘米,所以沿长方形的长要剪去 $49-35=14$ 厘米;长方形的宽是 25 厘米,所以沿宽阶梯的高度等于 $35-25=10$ 厘米。先按阶梯剪法将长方形分成两级台阶,再沿小长方形 $5\times 7$ 的虚线把多出来的部分剪下补到不足处,拼成边长 35 厘米的正方形,剪拼方法见原书示意图。
方法:由长、宽与目标边长的差确定阶梯尺寸,沿 5×7 虚线剪 3 块拼正方形。
4. 将图 4-26 沿格线分割成 7 个形状不同的长方形(包含正方形),请在图中用实线标出分割线。
★★★★
正方形分割成长方形面积分配穷举构造正方形分割成不同长方形
答案
把 $5\times 5$ 的方格分成 7 个形状互不相同的长方形(含正方形),它们的面积之和为 25(分割线见原书示意图)。
解题过程
先考虑从面积入手。因为正方形的面积是 25,所以分割成的 7 个形状不同的长方形(含正方形)的面积之和也是 25。从面积小的长方形依次取出形状不同的若干个:面积 1 的正方形 $1\times 1$;面积 2 的长方形 $1\times 2$;面积 3 的长方形 $1\times 3$;面积 4 的有 $2\times 2$ 和 $1\times 4$ 两种;面积 5 的长方形 $1\times 5$;面积 6 的长方形 $2\times 3$($1\times 6$ 超出 $5\times 5$ 不存在)。取 $1\times 1$、$1\times 2$、$1\times 3$、$2\times 2$、$1\times 4$、$1\times 5$、$2\times 3$ 这 7 个形状互不相同的长方形,它们的面积之和恰为 $1+2+3+4+4+5+6=25$,正好填满大正方形,分割方法见原书示意图。
方法:从面积入手,取面积不同的 7 个长方形使其面积和等于 25。
5. 图 4-27 是由 5 个小正方形组成的一个“十字架”,请将它剪成若干块,然后拼成一个大正方形。
★★★★
等积剪拼勾股关系十字形拼成正方形十字形剪拼成正方形
答案
十字架面积为 5,拼成正方形的边长等于 $\sqrt{5}$(即由直角边 1、2 构成的斜边),可有多种剪拼方法(剪拼线见原书示意图)。
解题过程
“十字架”的面积是 5,所以拼成的大正方形的面积也等于 5,$5=2^2+1^2$,由勾股定理,大正方形的边长就等于直角边为 1 和 2 的直角三角形的斜边长。在边长为 3 的正方形里,画出这样的大正方形。方法一:先在十字架中找到一个直角边为 1 和 2 的直角三角形,然后用前面拼大正方形的方法把大正方形画出来;方法二:补成 $4\times 4$ 方格后取出相应斜线剪拼;方法三:从原图中取出一条边(斜边)后剪拼。共可给出 2~3 种剪拼方法,见原书示意图。
方法:由面积 5 与 $5=1^2+2^2$ 定出正方形边长,按斜边方向剪拼。
6. 如图 4-28,一个 $5\times 7$ 的大长方形左上角割去了一个 $2\times 3$ 的小长方形,请把这个图形分成 3 部分,再拼成一个正方形。
★★★★
等积剪拼面积计算拼成正方形缺角图形剪拼成正方形
解题过程
原书参考答案中本题未给出解答。提示:先求出剩余图形的面积 $$\begin{aligned}5\times 7-2\times 3&=35-6\\&=29\end{aligned}$$(平方厘米),目标正方形面积等于此面积,从而定出正方形边长,再用等积剪拼(阶梯/斜线剪拼)把图形分成 3 块拼成正方形。
方法:由剩余面积定正方形边长,再分 3 块剪拼。
7. 有一个大正方形,现在要把它分割为 12 个小正方形,那么:(1)要分成 2 种面积不同的小正方形,可以如何分割?(2)要分成 3 种面积不同的小正方形,可以如何分割?(3)要分成 4 种面积不同的小正方形,可以如何分割?
★★★★
正方形分割成小正方形面积种类控制构造分割
解题过程
原书参考答案中本题未给出解答。提示:把大正方形分割成 12 个小正方形,并控制小正方形面积的种类数。可先用网格把大正方形分成若干同样大小的小正方形,再合并其中一部分得到更大的正方形,从而出现 2 种、3 种或 4 种不同面积的小正方形,使总数恰为 12 个。
方法:用网格分割再合并若干小正方形,控制不同面积的种类数与总数。
8. 请画出一个三角形,并把它分成大小、形状都完全相同的 5 个小三角形。如果要分为完全相同的 13 个小三角形,该如何画?
★★★★
三角形分割成全等三角形相似分割构造
解题过程
原书参考答案中本题未给出解答。提示:先把一个大三角形沿格线分成 $n^2$ 个全等的小三角形($4$ 个、$9$ 个、$16$ 个……),再适当合并相邻的小三角形,调整成大小、形状都相同的 5 个或 13 个小三角形即可。
方法:用 $n^2$ 等分网格再合并,凑出 5 个或 13 个全等小三角形。
第5讲 行程问题一
兴趣篇
1. 强强跑 $100$ 米用 $10$ 秒,旗鱼每小时能游 $120$ 千米,请问:谁的速度更快?
★
速度计算单位换算速度比较
答案
旗鱼更快。
解题过程
强强的速度为 $100\div 10=10$(米/秒),合 $10\times 3600=36000$(米/时)$=36$(千米/时)。旗鱼速度为每小时 $120$ 千米,比 $36$ 千米/时快,所以旗鱼速度更快。
方法:把两者速度统一成相同单位(千米/时)后再比较。
2. 墨莫练习慢跑,$12$ 分钟跑了 $3000$ 米,按照这个速度,跑 $25000$ 米需要多少分钟?如果墨莫每天都以这个速度跑 $10$ 分钟,连续跑一个月($30$ 天),他一共跑了多少千米?
★
速度计算路程与时间单位换算速度路程时间互求
答案
跑 $25000$ 米需 $100$ 分钟;一个月共跑 $75$ 千米。
解题过程
墨莫速度为 $3000\div 12=250$(米/分)。跑 $25000$ 米需 $25000\div 250=100$(分钟)。每天跑 $10$ 分钟即 $250\times 10=2500$(米),$30$ 天共 $2500\times 30=75000$(米)$=75$(千米)。
方法:先求速度,再用路程÷速度求时间、速度×时间求路程。
3. $A$、$B$ 两城相距 $240$ 千米,一辆汽车原计划用 $6$ 小时从 $A$ 城到 $B$ 城,那么汽车每小时应该行驶多少千米?实际上汽车行驶了一半路程后发生了故障,在途中停留了 $1$ 小时。如果要按照原定的时间到达 $B$ 城,在后一半路程上每小时应该行驶多少千米?
★
速度路程时间关系时间不变的变速行程变速行程
答案
原计划每小时行 $40$ 千米;后一半路程每小时应行 $60$ 千米。
解题过程
原计划速度为 $240\div 6=40$(千米/时)。前一半路程 $120$ 千米用时 $120\div 40=3$(小时),再加停留 $1$ 小时,已用 $4$ 小时;剩 $2$ 小时要走后一半 $120$ 千米,故后段速度 $120\div 2=60$(千米/时)。
方法:总时间不变,扣除已用时间得剩余时间,再用剩余路程÷剩余时间。
4. $A$、$B$ 两地相距 $4800$ 米,甲、乙两人分别从 $A$、$B$ 两地同时出发,相向而行。如果甲每分钟走 $60$ 米,乙每分钟走 $100$ 米,请问:(1)甲单人走到 $B$ 要多长时间?(2)两个人从出发到相遇要多长时间?
★
速度路程时间关系相遇问题速度和
答案
(1)$80$ 分钟;(2)$30$ 分钟。
解题过程
(1)甲从 $A$ 到 $B$ 的路程是 $4800$ 米,甲速度 $60$ 米/分,所需时间 $4800\div 60=80$(分钟)。(2)相向而行,两人速度和为 $60+100=160$(米/分),相遇时间 $4800\div 160=30$(分钟)。
方法:相遇问题:相遇时间 = 总路程 ÷ 速度和。
5. 在第 $4$ 题中,如果甲、乙两人的速度大小不变,甲出发时改变方向,即两人同时、同向出发,请问:乙至少多久可以追上甲?
★
追及问题速度差
答案
$120$ 分钟。
解题过程
同向出发,甲在乙前方 $4800$ 米处,乙在后追甲。速度差为 $100-60=40$(米/分),追上时间 $4800\div 40=120$(分钟)。
方法:追及问题:追及时间 = 路程差 ÷ 速度差。
6. 甲、乙两城相距 $350$ 千米,$A$ 车在早上 $8$ 点从甲城出发,以每小时 $40$ 千米的速度往乙城开。$2$ 小时后 $B$ 车从乙城以每小时 $50$ 千米的速度从乙城开往甲城。什么时候两车在途中相遇?
★★
相遇问题出发时间不同速度和出发时刻不同的相遇
答案
下午 $1$ 时($13:00$)。
解题过程
$A$ 车先行 $2$ 小时,行 $40\times 2=80$(千米),此后两车相距 $350-80=270$(千米)。两车相向,速度和 $40+50=90$(千米/时),再经 $270\div 90=3$(小时)相遇。$A$ 车出发为早上 $8$ 点,$B$ 车出发为 $10$ 点,相遇在 $10$ 点后 $3$ 小时,即下午 $1$ 时。
方法:先算先行者的提前路程,求出真正相距,再用相遇公式。
7. 卡莉娅和墨莫分别从相距 $720$ 米的两地出发同向而行,墨莫在前,卡莉娅在后,且墨莫比卡莉娅先出发 $2$ 分钟,已知卡莉娅的速度是每分钟 $60$ 米,墨莫的速度为每分钟 $50$ 米。试问:当卡莉娅追上墨莫的时候,墨莫已经走了多少米?
★★
追及问题出发时间差速度差出发时刻不同的追及
答案
$4200$ 米。
解题过程
卡莉娅出发时,墨莫已先走 $2$ 分钟即 $50\times 2=100$(米),此时两人相距 $720+100=820$(米)。两人速度差为 $60-50=10$(米/分),由追及公式“追及时间 = 追及距离 ÷ 速度差”,卡莉娅追上墨莫需 $820\div 10=82$(分钟)。墨莫比卡莉娅早出发 $2$ 分钟,故被追上时墨莫共走了 $82+2=84$(分钟),走了 $50\times 84=4200$(米)。
方法:由出发时间差求初始路程差,再用追及公式求追及时间,进而求路程。
8. 一辆公共汽车和一辆小轿车从相距 $350$ 千米的两地同时出发,相向而行,公共汽车每小时行 $40$ 千米,小轿车每小时行 $60$ 千米。问:(1)经过几小时后两车相遇?(2)经过几小时后两车第一次相距 $50$ 千米?
★★
相遇问题速度和相距分析相遇与相距
答案
(1)$3.5$ 小时;(2)$3$ 小时。
解题过程
速度和 $40+60=100$(千米/时)。(1)相遇时间 $350\div 100=3.5$(小时)。(2)第一次相距 $50$ 千米是在相遇之前,此时两车已合走 $350-50=300$(千米),用时 $300\div 100=3$(小时)。
方法:相遇前相距 = 总路程 − 两车已合走路程。
9. 一辆公共汽车和一辆小轿车从相距 $300$ 千米的两地同时出发,同向而行,公共汽车在前,每小时行 $40$ 千米,小轿车在后,每小时行 $60$ 千米。问:(1)经过 $6$ 小时后两车相距多少千米?(2)经过几小时后两车第一次相距 $100$ 千米?
★★
追及问题速度差相距分析追及与相距
答案
(1)$180$ 千米;(2)$10$ 小时。
解题过程
同向行驶,速度差 $60-40=20$(千米/时),两车初始相距 $300$ 千米,小轿车在后追公共汽车。(1)出发 $6$ 小时后,公共汽车行 $40\times 6=240$(千米),小轿车行 $60\times 6=360$(千米)。小轿车比公共汽车多行 $360-240=120$(千米),从初始相距 $300$ 千米中追近 $120$ 千米,故两车相距 $300-120=180$(千米)。(2)第一次相距 $100$ 千米是在小轿车追近的过程中,需把相距由 $300$ 千米缩短到 $100$ 千米,即追近 $300-100=200$(千米),用时 $200\div 20=10$(小时)。
方法:用速度差分析路程差随时间的变化,分别求追近与反超后相距的时刻。
10. 甲、乙两车分别从 $A$、$B$ 两地同时出发相向而行,已知甲车每小时行 $40$ 千米,两车 $6$ 小时后相遇,相遇后它们继续前进,又过了 $3$ 小时甲车到达 $B$ 地。问:乙车还要多久才能到达 $A$ 地?
★★
相遇问题速度反求线段图分析相遇后剩余路程
答案
$9$ 小时。
解题过程
甲车每小时行 $40$ 千米,从 $A$ 地到相遇处 $C$ 用 $6$ 小时,故 $AC=40\times 6=240$(千米)。相遇后甲再行 $3$ 小时到 $B$,故 $CB=40\times 3=120$(千米)。$CB$ 恰是乙车在出发后 $6$ 小时(从 $B$ 到 $C$)所走的路程,所以乙车速度为 $120\div 6=20$(千米/时)。乙车从 $B$ 到 $A$ 的全程为 $AC+CB=240+120=360$(千米),需 $360\div 20=18$(小时);乙车已走 $6$ 小时到 $C$、再走相遇后的 $3$ 小时,共 $9$ 小时,故还需 $18-9=9$(小时)才能到达 $A$ 地。
方法:由甲速度与相遇时间求各段路程,反求乙速度,再算乙剩余路程的时间。
拓展篇
1. $A$、$B$ 两地相距 $450$ 千米,快车和慢车分别从甲、乙两地出发相向而行,快车每小时行 $60$ 千米,慢车每小时行 $30$ 千米,请问:(1)如果两车同时出发,几小时后相遇?(2)如果慢车比快车早出发 $3$ 小时,相遇时快车走了多远?
★★
相遇问题出发时间不同速度和出发时刻不同的相遇
答案
(1)$5$ 小时;(2)$240$ 千米。
解题过程
(1)速度和 $60+30=90$(千米/时),相遇时间 $450\div 90=5$(小时)。(2)慢车早行 $3$ 小时,先走 $30\times 3=90$(千米),剩余相距 $450-90=360$(千米),再相遇用 $360\div 90=4$(小时),快车走 $60\times 4=240$(千米)。
方法:先算先行者路程得真正相距,再用相遇公式求时间和路程。
2. $A$、$B$ 两地相距 $400$ 千米,甲、乙两车分别从 $A$、$B$ 两地同时出发,相向而行,甲车的速度为每小时 $60$ 千米,乙车的速度为每小时 $40$ 千米,请问:(1)从出发算起,多久后两车第一次相距 $100$ 千米?(2)从出发算起,多久后甲、乙两车第二次相距 $100$ 千米?
★★
相遇问题速度和相距分析相遇与相距
答案
(1)$3$ 小时;(2)$5$ 小时。
解题过程
速度和 $60+40=100$(千米/时)。(1)第一次相距 $100$ 千米在相遇前,已合走 $400-100=300$(千米),用时 $300\div 100=3$(小时)。(2)相遇后再分开到相距 $100$ 千米,需再合走 $100+100=200$(千米)即从出发共走 $400+100=500$(千米),用时 $500\div 100=5$(小时)。
方法:区分相遇前后两种相距情况,用合走路程÷速度和求时间。
3. 甲、乙两架飞机同时从机场起飞,向同一方向飞行,甲每小时飞行 $300$ 千米,乙每小时飞行 $340$ 千米,$4$ 小时后它们相距多少千米?甲若提高速度打算用 $2$ 小时追上乙,那么甲每小时应该飞行多少千米?
★★
追及问题速度差提速追及
答案
$4$ 小时后相距 $160$ 千米;甲每小时应飞行 $420$ 千米。
解题过程
两机速度差 $340-300=40$(千米/时),$4$ 小时后相距 $40\times 4=160$(千米)。甲要 $2$ 小时追上这 $160$ 千米,需多出速度 $160\div 2=80$(千米/时),故甲应飞 $340+80=420$(千米/时)。
方法:由速度差求落后路程,再用追及时间倒推所需速度。
4. 小高步行上学,每分钟行 $75$ 米,小高离家 $12$ 分钟后,爸爸发现他忘了带文具盒,马上骑自行车去追,每分钟行 $375$ 米,求爸爸追上小高所需要的时间。
★★
追及问题速度差出发时间差送物追及
答案
$3$ 分钟。
解题过程
小高速度 $75$ 米/分,$12$ 分钟先走 $75\times 12=900$(米)。爸爸速度 $375$ 米/分,速度差 $375-75=300$(米/分),追上 $900$ 米用时 $900\div 300=3$(分钟)。
方法:由先行者提前时间求路程差,再用追及公式。
5. 小轿车和大货车上午 $9$ 点同时同向从甲地出发,小轿车每小时行 $60$ 千米,大货车每小时行 $48$ 千米,请问:下午几点的时候小轿车恰比大货车多行 $72$ 千米?
★★
追及问题速度差时刻计算速度差与时刻
答案
下午 $3$ 时($15:00$)。
解题过程
速度差 $60-48=12$(千米/时),多行 $72$ 千米需 $72\div 12=6$(小时)。上午 $9$ 点出发,经 $6$ 小时为下午 $3$ 时。
方法:用速度差求出多行指定路程所需时间,再换算时刻。
6. 一辆公共汽车早上 $6$ 点从 $A$ 城出发,以每小时 $40$ 千米的速度向 $B$ 城驶去,$3$ 小时后一辆小轿车以每小时 $75$ 千米的速度从 $A$ 城出发到 $B$ 城,当小轿车到达 $B$ 城时,公共汽车离 $B$ 城还有 $160$ 千米。问:公共汽车什么时候到达 $B$ 城?
★★
追及问题路程方程时刻计算两车先后出发的路程问题
答案
下午 $9$ 时($21:00$)。
解题过程
公共汽车 $9$ 点(早 $6$ 点出发后 $3$ 小时)时已行 $40\times 3=120$(千米)。设小轿车行 $t$ 小时到 $B$,此时小轿车走 $75t$,公共汽车走 $120+40t$ 且离 $B$ 还有 $160$ 千米,故 $75t=(120+40t)+160$,解得 $35t=280$,$t=8$(小时)。$A$、$B$ 相距 $75\times 8=600$(千米)。公共汽车走完全程用 $600\div 40=15$(小时),$6$ 点出发后 $15$ 小时为下午 $9$ 时。
方法:用线段图列出两车路程关系方程,求出全程后算到达时刻。
7. 甲、乙两车同时从东、西两城出发,相向而行,甲每小时行 $36$ 千米,乙每小时行 $30$ 千米,两车在距离中点 $9$ 千米处相遇。求东、西两地间的距离。
★★
相遇问题中点偏差速度差与速度和中点相遇
答案
$198$ 千米。
解题过程
两车同时出发相遇,甲比乙快,甲过中点 $9$ 千米,乙差中点 $9$ 千米,故相遇时甲比乙多行 $9\times 2=18$(千米)。两车每小时速度差 $36-30=6$(千米/时),故行驶 $18\div 6=3$(小时)相遇。全程 $(36+30)\times 3=198$(千米)。
方法:由中点偏差得快车比慢车多行的路程,用速度差求时间,再用速度和求全程。
8. 萱萱一家开车去外地旅游,计划每小时行驶 $45$ 千米。实际上,由于高速公路堵车,汽车每小时只行驶了 $30$ 千米,就这样晚到了 $2$ 小时。请问:萱萱一家这一路实际走了几个小时?
★★
路程一定速度与时间成反比比例方法速度时间反比
答案
$6$ 小时。
解题过程
把路程看成一定。计划与实际速度比为 $45:30=3:2$,相同路程下用时比为 $2:3$。设计划用 $2$ 份、实际用 $3$ 份时间,相差 $1$ 份恰为 $2$ 小时,故 $1$ 份是 $2$ 小时,实际用 $3$ 份即 $2\times 3=6$(小时)。
方法:路程不变时速度比与时间比成反比,用份数求实际时间。
9. 甲从 $A$ 地出发去 $B$ 地办事情,下午 $1$ 点出发,晚上 $7$ 点准时到达。如果他想下午 $2$ 点出发,要每小时多行 $2$ 千米才能准时到达。求 $A$、$B$ 两地之间的距离。
★★
路程一定时间差与速度差线段图分析时间差速度差求全程
答案
$60$ 千米。
解题过程
原计划 $1$ 点到 $7$ 点共 $6$ 小时;改为 $2$ 点出发到 $7$ 点共 $5$ 小时。同一段路程 $5$ 小时比 $6$ 小时每小时多行 $2$ 千米,由线段图比较:$5$ 小时多行的路相当于原速度行 $6-5=1$ 小时的路,即 $2\times 5=10$(千米)等于原速度 $1$ 小时路程,故原速度 $10$ 千米/时,全程 $10\times 6=60$(千米)。
方法:用两种方案的时间差与速度差,借线段图求原速度与全程。
10. 甲、乙两人分别从 $A$ 地和 $B$ 地出发,甲从 $A$ 地到 $B$ 地需要 $20$ 分钟,乙从 $B$ 地到 $A$ 地需要 $30$ 分钟,如果两个人同时出发相向而行,多长时间后两人相遇?
★★
相遇问题设总路程速度和已知单程时间求相遇
答案
$12$ 分钟。
解题过程
设总路程为 $600$ 米(取 $20$、$30$ 的公倍数)。甲速度 $600\div 20=30$(米/分),乙速度 $600\div 30=20$(米/分),速度和 $30+20=50$(米/分),相遇时间 $600\div 50=12$(分钟)。
方法:设总路程为公倍数求两人速度,再用相遇公式。
11. 甲、乙两人分别从 $A$、$B$ 两地同时出发,如果相向而行,$1$ 小时后两人相遇;如果同向而行,$3$ 小时后甲追上乙。问:甲的步行速度是乙的几倍?
★★
相遇与追及速度和速度差和差问题相遇追及求速度比
答案
$2$ 倍。
解题过程
设 $A$、$B$ 两地相距为 $1$ 份路程。相向 $1$ 小时相遇,故速度和为每小时 $1$ 份;同向 $3$ 小时追上,故速度差为每小时 $\frac{1}{3}$ 份。由和差:甲速度 $=(1+\frac{1}{3})\div 2=\frac{2}{3}$,乙速度 $=(1-\frac{1}{3})\div 2=\frac{1}{3}$,甲是乙的 $\frac{2}{3}\div\frac{1}{3}=2$(倍)。
方法:由相遇得速度和、由追及得速度差,再用和差求两速度之比。
12. 甲、乙两人分别从 $A$、$B$ 两地同时出发,相向而行,$A$、$B$ 两地相距 $48$ 千米,甲的速度是乙的 $3$ 倍。当甲、乙相遇的时候,甲走了多远?
★★
相遇问题速度比与路程比按比分配速度比分配相遇路程
答案
$36$ 千米。
解题过程
甲速度是乙的 $3$ 倍,相遇时甲、乙走的路程之比也是 $3:1$,共 $3+1=4$ 份,对应全程 $48$ 千米。甲走 $48\times\frac{3}{4}=36$(千米)。
方法:相遇时路程比等于速度比,按比例分配全程。
13. 甲、乙两人分别从 $A$、$B$ 两地同时出发相向而行,已知甲每分钟走 $50$ 米,乙走完全程要 $18$ 分钟,出发 $3$ 分钟后,甲、乙仍相距 $450$ 米。请问:还要过多少分钟,甲、乙两人才能相遇?
★★
相遇问题线段图分析速度反求中途相距求相遇
答案
$5$ 分钟。
解题过程
出发 $3$ 分钟后,甲从 $A$ 走了 $50\times 3=150$(米)。此时甲、乙相距 $450$ 米,乙在甲前方,故乙距 $A$ 地 $150+450=600$(米)。乙走完全程要 $18$ 分钟,出发 $3$ 分钟后还剩 $18-3=15$ 分钟的路要走,而这段路正是乙到 $A$ 地的 $600$ 米,所以乙的速度为 $600\div 15=40$(米/分)。此后甲、乙相向,速度和 $50+40=90$(米/分),从相距 $450$ 米到相遇还需 $450\div 90=5$(分钟)。
方法:由甲速度与全程时间求全程,借出发后某时刻的相距求乙速度,再算剩余相遇时间。
14. 猎狗追兔子,猎狗的速度是兔子的 $2$ 倍,兔子径直往兔洞里跑,猎狗则紧随其后。现在,猎狗距离洞口还有 $1000$ 米,当猎狗跑到兔子现在的位置时,兔子距离洞口将还剩 $100$ 米。问:(1)现在兔子距离兔洞口多少米?(2)最终兔子会被猎狗追上吗?
★★
追及问题速度比线段图分析猎狗追兔(追及)
答案
(1)兔子距洞口 $400$ 米;(2)兔子不会被追上。
解题过程
如图,设猎狗现在位置为 $A$、兔子现在位置为 $B$,猎狗跑到兔子原位置 $B$ 时兔子到达 $C$,此时兔子距洞口还剩 $100$ 米。(1)在相同时间内猎狗跑的路程 $AB$、兔子跑的路程 $BC$,因为猎狗速度是兔子的 $2$ 倍,所以 $AB=2\times BC$。又 $AC=AB+BC=1000-100=900$(米),由和倍关系 $BC=900\div(2+1)=300$(米)。故兔子现在距洞口为 $BC+100=300+100=400$(米)。(2)兔子从 $B$ 到洞口还需跑 $400$ 米,此时猎狗在 $A$,距洞口 $1000$ 米。兔子跑完 $400$ 米进洞时,猎狗只跑了 $400\times 2=800$(米),还差 $1000-800=200$(米)才到洞口,故兔子先进洞,不会被追上。
方法:利用速度比转化路程关系,比较兔子入洞与猎狗追及的时间。
超越篇
1. 萱萱、小高骑车从甲地同时出发,同向而行,萱萱的速度比小高的速度每小时快 $4$ 千米,因此萱萱比小高早 $20$ 分钟通过途中的乙地。当小高到达乙地时,萱萱又前进了 $8$ 千米。求甲、乙两地之间的距离。
★★
追及问题速度差线段图分析同向出发求距离
答案
$40$ 千米。
解题过程
当小高到达乙地时,萱萱比小高多骑了 $8$ 千米,这 $8$ 千米是萱萱在那段“早到”的 $20$ 分钟(即 $\frac{20}{60}=\frac{1}{3}$ 小时)里多走出来的,所以萱萱的速度为 $8\div\frac{1}{3}=24$(千米/时),小高的速度为 $24-4=20$(千米/时)。设甲、乙两地相距 $d$ 千米,小高到乙地用 $\frac{d}{20}$ 小时,萱萱到乙地用 $\frac{d}{24}$ 小时,两者相差 $20$ 分钟即 $\frac{1}{3}$ 小时,故 $\frac{d}{20}-\frac{d}{24}=\frac{1}{3}$,即 $\frac{d}{120}=\frac{1}{3}$,解得 $d=40$(千米)。
方法:用速度差与多行路程,借线段图求两地距离。
2. 甲、乙两人分别从 $A$、$B$ 两地同时出发,$6$ 小时后相遇在中点。如果甲延迟 $1$ 小时出发,乙每小时少走 $4$ 千米,两人仍在中点相遇,请问:甲、乙两地相距多少千米?
★★
相遇问题中点相遇变速分析中点相遇变速
答案
$336$ 千米。
解题过程
两次都相遇在中点,说明两次甲、乙各自都恰好走了半程。甲的速度没有改变,故甲走半程仍用 $6$ 小时;第二次甲延迟 $1$ 小时出发,所以甲到达中点比第一次晚 $1$ 小时,乙也要晚 $1$ 小时才到中点,即乙第二次走半程用了 $6+1=7$ 小时。乙第二次每小时比原来少走 $4$ 千米,在原来 $6$ 小时里就会少走 $4\times 6=24$(千米),而这 $24$ 千米恰好要靠多走的那 $1$ 小时(用减速后的速度)补上,所以减速后乙的速度是 $24$(千米/时),乙的原速度为 $24+4=28$(千米/时)。$$\begin{aligned}\text{半程}&=28\times 6\\&=168\end{aligned}$$(千米),$$\begin{aligned}\text{全程}&=168\times 2\\&=336\end{aligned}$$(千米)。
方法:由中点相遇得两速度相等,再用变速条件列关系求全程。
3. 小高平时每天上学都是先步行 $10$ 分钟再跑步 $2$ 分钟,某天他步行 $6$ 分钟后就开始跑步,结果比平时早到了 $2$ 分钟。请问:小高跑步的速度是步行速度的几倍?
★★
路程一定速度与时间反比线段图分析步行跑步速度比
答案
$2$ 倍。
解题过程
平时步行 $10$ 分、跑步 $2$ 分;那天步行 $6$ 分、跑步若干分。少步行 $10-6=4$(分钟)的路要改用跑步完成,并因此早到 $2$ 分钟,说明走这段路步行比跑步多花 $2$ 分钟,即步行 $4$ 分钟的路跑步只需 $4-2=2$(分钟)。相同路程时间比 $4:2=2:1$,故跑步速度是步行速度的 $2$ 倍。
方法:把改变的那段路程在两种速度下的用时差转化为速度倍数。
4. 墨莫家离学校 $1000$ 米,平时他步行 $25$ 分钟准时到校,有一天他晚出发 $10$ 分钟,为避免迟到,墨莫先乘公共汽车,下车后再步行到校。如果公共汽车的速度是墨莫步行速度的 $6$ 倍,请问:墨莫上学步行了多少米?
★★
速度倍数节省时间线段图分析乘车与步行配合
答案
$520$ 米。
解题过程
墨莫步行速度 $1000\div 25=40$(米/分)。晚出发 $10$ 分钟要省出 $10$ 分钟时间,靠乘车更快来弥补。公共汽车速度是步行的 $6$ 倍,乘车走同一段路所省时间为乘车时间的 $6-1=5$ 倍。设乘车走 $x$ 分钟,则节省 $5x=10$,乘车 $x=2$ 分钟相当于步行 $2\times 6=12$ 分钟的路。剩下步行时间 $25-12=13$(分钟),步行 $40\times 13=520$(米)。
方法:把乘车节省的时间换算成对应路程,再求步行路程。
5. 甲、乙两人分别从 $A$、$B$ 两站同时出发,相向而行,已知甲车的速度是乙车的 $2$ 倍,甲、乙到达途中 $C$ 站的时刻依次为 $5:00$ 和 $17:00$,问:两车何时相遇?
★★
相遇问题速度比时刻分析已知过站时刻求相遇
答案
$9:00$。
解题过程
甲 $5:00$ 到 $C$,乙 $17:00$ 到 $C$,相隔 $12$ 小时,即乙从甲所在的 $C$ 处出发方向看,乙走完“甲已走到 $C$、乙还要走到 $C$”这段所对应的关系:设乙速度为每小时 $1$ 份,乙从其所在位置 $D$ 走到 $C$ 用 $12$ 小时,故 $D$、$C$ 间距离为 $12$ 份。甲速度是乙的 $2$ 倍即每小时 $2$ 份,所以两车速度和为 $1+2=3$(份/时)。在 $5:00$ 这一时刻,甲恰在 $C$、乙恰在 $D$,两人相距 $12$ 份且相向而行,故还需 $12\div 3=4$(小时)相遇,相遇时刻为 $5:00$ 后 $4$ 小时,即 $9:00$。
方法:用速度比把两段路程时间联系起来,确定相遇时刻。
6. 甲、乙两人分别从 $A$、$B$ 两地同时出发,如果相向而行,$1$ 小时后两人相遇;如果同向而行,且乙先出发 $2$ 小时,那么甲 $3$ 小时后追上乙。请问:甲的速度是乙的几倍?
★★★★
相遇与追及速度比线段图分析相遇追及求速度比
答案
$3$ 倍。
解题过程
记甲速度为 $a$、乙速度为 $b$。相向而行 $1$ 小时相遇,故全程 $L=a+b$。同向时乙先走 $2$ 小时,甲再走 $3$ 小时追上,此时乙共走了 $2+3=5$ 小时;甲走 $3$ 小时的路程要补上全程 $L$ 再加上乙这 $5$ 小时的路程,即 $3a=L+5b=(a+b)+5b=a+6b$。整理得 $2a=6b$,所以 $a=3b$,即甲走 $2$ 小时的路程等于乙走 $6$ 小时的路程,甲的速度是乙速度的 $6\div 2=3$(倍)。
方法:由相遇与先后出发追及两个条件联立,求速度倍数。
7. 如图所示,一条笔直的公路上有 $16$ 个车站 $A_1$,$A_2$,$A_3$,$\cdots$,$A_{16}$,已知相邻两站之间的距离都相等。有一天,甲、乙、丙三人都从第 $1$ 站去第 $16$ 站。乙先出发,当甲出发时,乙已到达第 $3$ 站;当甲到达第 $3$ 站时丙出发。如果丙在第 $4$ 站追上乙,甲和丙同时到达第 $16$ 站,那么甲的速度是乙的速度的几倍?
★★★★
多人行程等距站点速度比与追及多人等距站点行程
答案
$2$ 倍。
解题过程
把相邻两站之间的距离设为 $1$ 段。丙在第 $4$ 站追上乙:丙出发时乙在第 $3$ 站,到追上时乙从第 $3$ 站走到第 $4$ 站走了 $1$ 段,同一时间内丙从第 $1$ 站走到第 $4$ 站走了 $3$ 段,所以丙的速度是乙的 $3$ 倍。当丙从第 $1$ 站走到第 $16$ 站(走了 $15$ 段)时,乙只走了 $15\div 3=5$ 段,即乙到了第 $3+5=8$ 站;又因甲、丙同时到达第 $16$ 站,所以这时甲在第 $16$ 站、乙在第 $8$ 站。再看“甲出发到现在”这同一段时间:甲出发时乙在第 $3$ 站、甲在第 $1$ 站,到现在乙从第 $3$ 站走到第 $8$ 站、甲从第 $1$ 站走到第 $16$ 站。换一种等价说法,乙从第 $1$ 站走到第 $8$ 站要走 $7$ 段、甲从第 $2$ 站走到第 $16$ 站要走 $14$ 段,二者用时相同,所以甲的速度是乙的 $14\div 7=2$ 倍。
方法:把等距站点设为单位长度,逐段列出三人路程与时间关系求速度比。
8. 甲、乙两人分别从相距 $24$ 千米的 $A$、$B$ 两地同时出发同向而行,一段时间后甲在 $C$ 点追上乙。如果甲每小时多走 $1$ 千米,而乙每小时少走 $1$ 千米,则甲追上乙的时间会少用 $2$ 小时,且这次追上的地点与 $C$ 点相距 $12$ 千米。试问:如果甲、乙两人以原速分别从 $A$、$B$ 两地同时出发相向而行,几个小时相遇?
★★★★
追及问题速度差变化时间差分析变速追及求原时间
答案
$2$ 小时。
解题过程
把两次追上看成“甲、乙合走出某段路程”。第二次甲每小时多走 $1$ 千米、乙每小时少走 $1$ 千米,两人的速度和没有改变;但追上的时间少用了 $2$ 小时,追上地点又与 $C$ 点相差 $12$ 千米,所以这少用的 $2$ 小时里两人本应合走 $12\times 2=24$(千米)。由“速度和×时间=路程”,可知甲、乙的速度和为 $24\div 2=12$(千米/时)。因此,如果甲、乙两人以原速从相距 $24$ 千米的 $A$、$B$ 两地相向而行,相遇时间为 $24\div 12=2$(小时)。
方法:用两种速度差下追及时间的差求原速度差,再算原追及时间。
第6讲 抽屉原理一
兴趣篇
1. 学校周末要组织 $4$ 个班的同学去春游,有 $3$ 个地点可供选择:游乐园、植物园和动物园。如果一个班只能去一个地点,试说明:一定有 $2$ 个班要去同一个地点。
★★
抽屉原理构造抽屉抽屉原理存在性证明
答案
见解答(一定有 $2$ 个班去同一个地点)。
解题过程
把 $3$ 个地点看作 $3$ 个抽屉,$4$ 个班看作 $4$ 个苹果。先让每个地点各去一个班,这样用掉 $3$ 个班,还剩 $1$ 个班,这个班无论去哪个地点,都会与前面某一个班去同一个地点。由此可见,一定有 $2$ 个班要去同一个地点。
方法:把地点当抽屉、班级当苹果,苹果数多于抽屉数即有两个落在同一抽屉。
2. 卡莉娅、墨莫和萱萱到小高家玩,小高拿出一些巧克力来招待他们,他们一数,共有 $19$ 块巧克力。如果把这些巧克力分给他们 $3$ 人,试说明:一定有人至少拿到 $7$ 块巧克力,但不一定有人拿到 $8$ 块。
★★
抽屉原理最不利原则平均数思想分配最少保证量
答案
见解答(一定有人至少拿到 $7$ 块,但不一定有人拿到 $8$ 块)。
解题过程
把 $3$ 个人看作 $3$ 个抽屉。如果每人分得的巧克力都不超过 $6$ 块,那么 $3$ 人最多分得 $3\times 6=18$ 块,不到 $19$ 块。这与一共 $19$ 块矛盾,所以一定有人至少拿到 $7$ 块巧克力。又如卡莉娅 $7$ 块、墨莫 $6$ 块、萱萱 $6$ 块时,没有人拿到 $8$ 块,所以不一定有人拿到 $8$ 块。
方法:用反证:若都不超过 $6$ 块则总数不足 $19$;再举例说明 $8$ 块不一定出现。
3. 一次聚会上,大家发现,有 $40$ 人都是在同一年的 $10$ 月出生的。试说明:他们中一定有 $2$ 个人是在同一天出生的,但不一定有 $3$ 个人在同一天出生。
★★
抽屉原理天数作抽屉构造反例生日抽屉问题
答案
见解答(一定有 $2$ 人同一天出生,但不一定有 $3$ 人同一天出生)。
解题过程
$10$ 月有 $31$ 天,把这 $31$ 天看作 $31$ 个抽屉,$40$ 个人看作苹果。先让 $31$ 个人分别占一天,还剩 $40-31=9$ 个人,这 $9$ 个人无论排在哪天,都会与前面某人同一天,所以一定有 $2$ 个人在同一天出生。又因为 $40$ 人分到 $31$ 天,完全可以让每天至多 $2$ 人(例如有 $9$ 天各 $2$ 人、其余各 $1$ 人),所以不一定有 $3$ 个人在同一天出生。
方法:以 $31$ 天为抽屉证明存在 $2$ 人同天;再构造每天至多 $2$ 人的方案说明 $3$ 人不必然。
4. 任意 $1830$ 人中,至少有多少人的生日在同一天?
★★
抽屉原理天数作抽屉整除与平均生日抽屉问题
答案
至少有 $5$ 人的生日在同一天。
解题过程
一年最多有 $366$ 天(闰年),把这 $366$ 天看作 $366$ 个抽屉。$1830\div 366=5$,即如果每天至多 $4$ 人,则 $366$ 天最多只能容纳 $366\times 4=1464$ 人,不足 $1830$ 人。因此一定有某一天至少有 $5$ 人生日相同,所以至少有 $5$ 人的生日在同一天。
方法:用 $366$ 个抽屉,$1830\div 366=5$,恰好平均 $5$ 人。
5. 有红、黄、蓝、绿 $4$ 种颜色的小珠子放在同一个口袋里,每种颜色的珠子都足够多。一次至少要取几颗珠子,才能保证其中一定有 $2$ 颗颜色相同?
★★
抽屉原理最不利原则颜色作抽屉摸球保证同色
答案
$5$ 颗。
解题过程
把 $4$ 种颜色看作 $4$ 个抽屉。最不利的情况是先取出的珠子颜色各不相同,即红、黄、蓝、绿各取 $1$ 颗,共取 $4$ 颗仍没有 $2$ 颗同色。此时再取 $1$ 颗,无论是哪种颜色,都会与前面某颗同色。所以至少要取 $4+1=5$ 颗,才能保证一定有 $2$ 颗颜色相同。
方法:先取出各色各一颗(最不利),再加一颗必同色。
6. 某校的小学生中,年龄最小的 $6$ 岁,最大的 $13$ 岁。从这个学校中至少选几个学生,才能保证其中一定有 $3$ 个学生的年龄相同?
★★
抽屉原理最不利原则年龄作抽屉保证三个相同
答案
$17$ 人。
解题过程
年龄从 $6$ 岁到 $13$ 岁共有 $6,7,8,9,10,11,12,13$ 这 $8$ 种取值,把它们看作 $8$ 个抽屉。最不利的情况是每种年龄都恰好有 $2$ 个学生,此时已选 $8\times 2=16$ 人仍没有 $3$ 人同龄。再选 $1$ 人,必与某一年龄的 $2$ 人凑成 $3$ 人同龄。所以至少要选 $16+1=17$ 个学生。
方法:$8$ 种年龄各放 $2$ 人为最不利,再加 $1$ 人即得 $3$ 人同龄。
7. 有红、黄、蓝、绿 $4$ 种颜色的铅笔各 $10$ 支,拿的时候不许看铅笔的颜色,那么一次至少要拿多少支,才能保证其中一定有 $4$ 支是同一种颜色的铅笔?
★★
抽屉原理最不利原则颜色作抽屉保证若干同色
答案
$13$ 支。
解题过程
把 $4$ 种颜色看作 $4$ 个抽屉。最不利的情况是每种颜色都恰好拿到 $3$ 支,此时共拿 $4\times 3=12$ 支仍没有 $4$ 支同色。再拿 $1$ 支,必使某种颜色凑成 $4$ 支。所以至少要拿 $12+1=13$ 支铅笔。
方法:每色取 $3$ 支为最不利,再取 $1$ 支必有 $4$ 支同色。
8. 口袋里装有红、黄、蓝、绿 $4$ 种颜色的球,且每种颜色的球都有 $4$ 个。小华闭着眼睛从口袋里往外摸球,那么他至少要摸出多少个球,才能保证摸出的球中每种颜色的球都有?
★★
抽屉原理最不利原则保证每类都有保证各色齐全
答案
$13$ 个。
解题过程
最不利的情况应该是有 $3$ 种颜色的球没有摸到。因为每种颜色有 $4$ 个,所以最坏时可能先把某 $3$ 种颜色的球全部摸出,即 $3\times 4=12$ 个,此时还差一种颜色没有。再摸 $1$ 个,必然摸到缺少的那种颜色。所以至少要摸出 $12+1=13$ 个球,才能保证每种颜色都有。
方法:最坏先摸尽其余三色($3\times4=12$),再摸 $1$ 个补齐第四色。
9. 一副扑克牌共 $54$ 张,其中有 $2$ 张王牌,还有黑桃、红桃、草花和方块 $4$ 种花色的牌各 $13$ 张。那么:(1)至少从中摸出多少张牌,才能保证在摸出的牌中有黑桃?(2)至少从中摸出多少张牌,才能保证至少有 $3$ 张牌是红桃?(3)至少从中摸出多少张牌,才能保证有 $5$ 张牌是同一花色的?
★★
抽屉原理最不利原则花色作抽屉王牌干扰项扑克牌保证花色
答案
(1)$42$ 张;(2)$44$ 张;(3)$19$ 张。
解题过程
(1)要保证有黑桃,最不利情况是先摸出全部非黑桃的牌:$2$ 张王牌加红桃、草花、方块各 $13$ 张,共 $2+13\times 3=41$ 张,再摸 $1$ 张必是黑桃,所以至少 $41+1=42$ 张。(2)要保证有 $3$ 张红桃,最不利是先摸出 $2$ 张红桃和全部 $41$ 张非红桃,共 $2+13\times 3+2=43$ 张,再摸 $1$ 张必是红桃,所以至少 $43+1=44$ 张。(3)要保证有 $5$ 张同花色,最不利是每种花色各摸 $4$ 张并加 $2$ 张王牌,共 $4\times 4+2=18$ 张,再摸 $1$ 张必使某花色凑成 $5$ 张,所以至少 $18+1=19$ 张。
方法:对每问先取尽不利牌(含王牌),再加 $1$ 张达到要求。
10. 圆桌周围恰好有 $12$ 把椅子,现在已经有一些人在桌边就座。当再有一人入座时,就必须和已就座的某个人相邻。问:已就座的最少有多少人?
★★
抽屉原理圆周等分最不利原则圆桌就座间隔问题
答案
$4$ 人。
解题过程
由题意,每人最多“控制”自己的椅子和旁边的椅子,所以每人最多隔出 $12\div(1+2)=4$ 把椅子。要使任何新来的人都必须与已就座者相邻,已就座的人之间至多隔 $2$ 把空椅子。若安排得当,每人占 $1$ 把、两侧各留 $2$ 把空椅子,恰好 $4$ 人即可使任意第 $5$ 人入座都与某人相邻。所以已就座的最少有 $4$ 人。
方法:把 $12$ 把椅子按每人占 $3$ 把分组,$12\div3=4$。
拓展篇
1. 红领巾小学今年入学的一年级新生中有 $370$ 人是在同一年出生的。试说明:他们中一定有 $2$ 个人是在同一天出生的。
★★
抽屉原理天数作抽屉生日抽屉问题
答案
见解答(一定有 $2$ 个人在同一天出生)。
解题过程
一年最多有 $366$ 天,把这 $366$ 天看作 $366$ 个抽屉。$370$ 人分到 $366$ 天,先让 $366$ 人各占一天,还剩 $370-366=4$ 人,他们的生日只能与前面某人相同。所以 $370$ 人中一定有 $2$ 个人的生日相同(在同一天出生)。
方法:以 $366$ 天为抽屉,人数多于抽屉数即存在同天。
2. 某公司决定派 $95$ 名员工去 $8$ 个不同的城市进行市场调查,是不是一定有 $12$ 人会去同一个城市?“一定有 $13$ 人去同一个城市”这个说法正确吗?
★★
抽屉原理最不利原则构造反例抽屉原理判断说法对错
答案
“一定有 $12$ 人去同一城市”成立;“一定有 $13$ 人去同一城市”不正确。
解题过程
把 $8$ 个城市看作 $8$ 个抽屉。若每个城市最多 $11$ 人,则 $8$ 个城市最多 $8\times 11=88$ 人,不足 $95$ 人,矛盾,所以一定有某城市至少 $12$ 人,即“一定有 $12$ 人去同一城市”成立。但若每个城市最多 $12$ 人,则 $8$ 个城市最多 $8\times 12=96\ge 95$,可以让 $95$ 人都不超过 $12$ 人(例如 $7$ 个城市各 $12$ 人、$1$ 个城市 $11$ 人),所以并不一定有 $13$ 人去同一城市,“一定有 $13$ 人去同一城市”不正确。
方法:用反证证 $12$ 人成立;再构造每城至多 $12$ 人的方案否定 $13$ 人。
3. 任意 $40$ 个人中,至少有几个人属于同一个生肖?
★★
抽屉原理生肖作抽屉带余除法生肖/月份抽屉问题
答案
至少有 $4$ 个人属于同一个生肖。
解题过程
生肖共有 $12$ 种,把它们看作 $12$ 个抽屉,$40$ 个人看作苹果。把 $40$ 人平均分给 $12$ 种生肖:$40\div 12=3\cdots\cdots 4$,即如果每种生肖最多 $3$ 人,则 $12$ 种最多 $12\times 3=36$ 人,不足 $40$ 人。所以一定有 $3+1=4$ 个人属于同一个生肖。
方法:$12$ 个抽屉,$40\div12=3\cdots4$,商加 $1$ 得 $4$ 人。
4. 一个盒子内有 $4$ 个格子,现在我们闭着眼睛,把棋子往格子里“瞎放”(没有放到格子外的),那么至少要放多少枚棋子,才能保证一定有 $2$ 枚棋子放在同一格内?
★★
抽屉原理格子作抽屉最不利原则放棋子保证同格
答案
$5$ 枚。
解题过程
把 $4$ 个格子看作 $4$ 个抽屉。最不利的情况是每个格子里恰好放 $1$ 枚棋子,共 $4$ 枚仍没有同格的两枚。再放 $1$ 枚,必与某格已有的棋子同格。所以至少要放 $4+1=5$ 枚棋子。
方法:$4$ 格各放 $1$ 枚为最不利,再放 $1$ 枚必同格。
5. 一个鱼缸里有很多条鱼,共有 $5$ 个品种。至少要捞出多少条鱼,才能保证其中有 $5$ 条相同品种的鱼?
★★
抽屉原理最不利原则品种作抽屉保证若干同类
答案
$21$ 条。
解题过程
把 $5$ 个品种看作 $5$ 个抽屉。最不利的情况是每个品种都恰好捞到 $4$ 条,此时共捞 $5\times 4=20$ 条仍没有 $5$ 条同品种。再捞 $1$ 条,必使某品种凑成 $5$ 条。所以至少要捞出 $20+1=21$ 条鱼。
方法:每品种取 $4$ 条为最不利,再取 $1$ 条必有 $5$ 条同品种。
6. 小高把一副围棋子混装在一个盒子中,然后每次从盒子中摸出 $4$ 枚棋子,那么他至少要摸几次,才能保证其中有 $3$ 次摸出棋子的颜色情况是相同的?(围棋子有黑、白两种颜色)
★★
抽屉原理情形分类作抽屉最不利原则重复情形保证次数
答案
$11$ 次。
解题过程
每次摸出 $4$ 枚棋子,按其中黑子的个数($0,1,2,3,4$ 个)可以分成 $5$ 种不同情况($4$ 白;$1$ 黑 $3$ 白;$2$ 黑 $2$ 白;$3$ 黑 $1$ 白;$4$ 黑),如图所示。把这 $5$ 种情况看作 $5$ 个抽屉。要求有 $3$ 次摸出情况相同,最不利的情形是每种情况都恰好出现 $2$ 次,正好摸 $5\times 2=10$ 次仍没有某情况出现 $3$ 次。再摸 $1$ 次就一定满足题意。由此可见,至少要摸 $10+1=11$ 次。
方法:按黑子个数把每次结果分成 $5$ 类作抽屉,每类各 $2$ 次后再加 $1$ 次。
7. 在一个盒子里装着形状相同的 $3$ 种口味的果冻,分别是苹果口味的、草莓口味的和牛奶口味的,每种果冻都有 $20$ 个。现在闭着眼睛从盒子里拿果冻,请问:(1)至少要从中拿出多少个,才能保证拿出的果冻中有牛奶口味的?(2)至少要从中拿出多少个,才能保证拿出的果冻中至少有两种口味?
★★
抽屉原理最不利原则口味作抽屉保证含某类/含两类
答案
(1)$41$ 个;(2)$21$ 个。
解题过程
(1)要保证拿到牛奶口味的果冻,最不利的情况应该是拿完所有苹果口味和草莓口味的果冻,共 $20+20=40$ 个仍没有牛奶口味。再拿 $1$ 个必是牛奶口味,所以至少要拿 $40+1=41$ 个。(2)要保证至少有两种口味,最不利的情况是拿到的全部是同一种口味,最多可能拿 $20$ 个都是同一口味。再拿 $1$ 个必是另一种口味,所以至少要拿 $20+1=21$ 个。
方法:(1) 先取尽其余两味再加 $1$;(2) 先取尽一味再加 $1$。
8. 一个布袋里有大小相同、颜色不同的一些木球,其中红色的有 $10$ 个,黄色的有 $8$ 个,蓝色的有 $3$ 个,绿色的有 $1$ 个。请问:(1)一次至少要取出多少个球,才能保证取出的球至少有 $3$ 种颜色?(2)一次至少要取出多少个球,才能保证其中必有红色球和黄色球?
★★
抽屉原理最不利原则颜色作抽屉保证含特定颜色
答案
(1)$19$ 个;(2)$15$ 个。
解题过程
(1)要保证取出的球至少有 $3$ 种颜色,最不利的情况是先把数量最多的两种颜色(红色 $10$ 个、黄色 $8$ 个)全部取出,共 $10+8=18$ 个仍只有 $2$ 种颜色。再取 $1$ 个必是蓝色或绿色,凑成 $3$ 种颜色,所以至少要取 $18+1=19$ 个。(2)要保证必有红色球和黄色球,最不利情况是先把蓝、绿和其中一种主色全部取出。最坏是先取蓝 $3$ 个、绿 $1$ 个,再加黄色 $8$ 个或红色 $10$ 个中较多的那种全部取出:取蓝 $3$、绿 $1$、红 $10$ 共 $14$ 个时仍没有黄色,再取 $1$ 个必是黄色。所以至少要取 $14+1=15$ 个球。
方法:(1) 先取尽最多两色再加 $1$;(2) 先取尽蓝绿与较多主色再加 $1$。
9. 一副扑克牌共 $54$ 张,其中有 $2$ 张王牌,还有黑桃、红桃、草花和方块 $4$ 种花色的牌各 $13$ 张。现在要从中随意取出一些牌,如果要保证在取出来的牌中至少包含 $3$ 种花色,并且这 $3$ 种花色的牌至少都有 $3$ 张,那么最少要取出多少张牌?
★★
抽屉原理最不利原则花色与王牌扑克牌多花色保证
答案
$33$ 张。
解题过程
$2$ 张王牌不算花色,所以最不利的情况首先要取出这 $2$ 张王牌。要保证至少 $3$ 种花色且每种至少 $3$ 张,最不利时可能先取尽 $1$ 种花色的全部 $13$ 张,再取另 $1$ 种花色的全部 $13$ 张(这样只有 $2$ 种花色满足),还要避免第 $3$ 种花色达到 $3$ 张——可让第三、四种花色各只取 $2$ 张。于是最坏情形为:$2$ 张王牌 $+13+13+2+2=32$ 张,此时仍不满足“$3$ 种花色各 $3$ 张”。再取 $1$ 张必使第三种花色凑到 $3$ 张,因此至少要取出 $32+1=33$ 张才能满足条件。
方法:先取王牌与若干花色制造最不利局面,再加 $1$ 张达标。
10. 黑色、白色、黄色、红色的筷子各有 $8$ 根,混放在一起,在黑暗中取出一些筷子,要使得这些筷子能够搭配出两双筷子(两根筷子颜色相同即为一双),那么最少要取多少根才能保证达到要求?
★★
抽屉原理最不利原则配对问题保证若干双
答案
$7$ 根。
解题过程
“最少有两双”的反义是“最多只有一双”。最不利的情况是取出一双筷子($2$ 根同色)后,其余各色都只取 $1$ 根:从 $4$ 种颜色中取 $1$ 双再加另外 $3$ 种各 $1$ 根,共 $2+1\times 4=6$ 根,此时只能搭出一双。再取 $1$ 根必使某种颜色凑成第二双,所以至少要取 $6+1=7$ 根。
方法:构造“最多一双”的最不利局面($2+1\times4=6$ 根),再加 $1$ 根。
11. 将 $1$ 只白袜子、$2$ 只黑袜子、$3$ 只红袜子、$8$ 只黄袜子和 $9$ 只绿袜子放入一个布袋里。(1)一次至少要摸出多少只袜子才能保证一定有颜色相同的两双袜子?(2)一次至少要摸出多少只袜子才能保证一定有颜色不同的两双袜子?(两双袜子颜色相同即为一双)
★★
抽屉原理最不利原则配对与颜色袜子保证两双
答案
(1)$13$ 只;(2)$14$ 只。
解题过程
(1)题目不仅要求有两双袜子,而且要求这两双是颜色相同的两双。最不利情况是每种颜色的袜子都尽量不凑成两双:白 $1$、黑 $2$、红 $3$ 各只能凑出至多一双,而黄、绿可各取 $3$ 只(各只够一双),共 $1+2+3+3+3=12$ 只仍没有同色两双。再摸 $1$ 只必使黄或绿凑成第二双,所以至少要摸出 $12+1=13$ 只。(2)题目要求有颜色不同的两双袜子,即能凑成双的都是同一种颜色。最不利情况是把数量最多的绿色 $9$ 只袜子全部摸出,这样能配成双的全是绿色的;接下来在剩下的白、黑、红、黄四种颜色中各取 $1$ 只,共取 $9+1\times 4=13$ 只仍只有绿色一种颜色能成双。再摸 $1$ 只必使另一种颜色凑成第二双,所以至少要摸出 $13+1=14$ 只袜子。
方法:分别构造“无同色两双”“无异色两双”的最不利局面后加 $1$ 只。
12. 如图,把 $40$ 块巧克力放入 $A,B,C,D$ 四个盒子内,$A$ 盒中放的最多,放了 $13$ 块,且四个盒子内装的巧克力的数量依次减少。那么:(1)$D$ 盒最少可以装几块?(2)$D$ 盒最多可以装几块?
★★
抽屉原理思想最值分析依次递减约束分配求极值
答案
(1)$4$ 块;(2)$8$ 块。
解题过程
(1)要使 $D$ 盒装的巧克力最少,那么其他 $3$ 个盒子应该尽可能多。$A$ 盒已放 $13$ 块,由于数量依次减少,$B$ 盒最多 $12$ 块、$C$ 盒最多 $11$ 块,于是 $D$ 盒至少为 $40-13-12-11=4$ 块。所以 $D$ 盒最少可装 $4$ 块。(2)要使 $D$ 盒装得最多,由 $A=13$ 且 $B,C,D$ 依次减少,应让 $B,C,D$ 尽量接近且都小于前一个。设 $D$ 为 $x$,则 $B,C,D$ 是依次递减的三个数,其和为 $40-13=27$,三个连续递减的数尽量平均:$27-1-2=24$,$24\div 3=8$,可取 $B=10,C=9,D=8$(即 $A=13,B=10,C=9,D=8$,和为 $40$)。所以 $D$ 盒最多可装 $8$ 块。
方法:求最少令其余尽量大;求最多令各盒尽量接近且严格递减。
13. $31$ 个同学围成一个圆圈,坐好后发现任何 $2$ 个男生之间至少有 $2$ 个女生。那么最多有多少个男生?
★★
抽屉原理思想圆周排列相邻间隔约束围圈相邻限制最值
答案
$10$ 个。
解题过程
把 $31$ 个位置按照顺时针方向从 $1$ 号到 $31$ 号编号。要使男生尽可能多,每安排 $1$ 个男生后必须接着安排 $2$ 个女生,即按“男、女、女”每 $3$ 人一组循环排下去,男生排在 $1,4,7,10,13,16,19,22,25,28$ 号。$31\div 3=10\cdots\cdots 1$,前 $30$ 个位置可安排 $10$ 个男生和 $20$ 个女生。最后第 $31$ 号也必须安排女生:否则若 $31$ 号是男生,则它与 $1$ 号男生之间没有女生隔开,不满足“任何 $2$ 个男生之间至少有 $2$ 个女生”,如图所示。因此男生最多为 $10$ 个。
方法:按“男女女”每 $3$ 人一组围排,$31\div3=10\cdots1$,余下补女生。
14. 现有 $10$ 把钥匙分别能开 $10$ 把锁,但是不知道哪把钥匙能开哪把锁。那么最少要试验多少次才能保证使全部的钥匙和锁相匹配?
★★
最不利原则等差数列求和逐步排除钥匙配锁最少试验
答案
$45$ 次。
解题过程
第 $1$ 把钥匙最不利的情况是:试了 $9$ 把锁都不匹配,但这样也一定能配出第 $10$ 把锁(不用试),所以第 $1$ 把钥匙最多试 $9$ 次。同理,第 $2$ 把钥匙最多要试验 $8$ 次(剩下 $9$ 把锁,试 $8$ 把后第 $9$ 把不用试),……以此类推,第 $9$ 把钥匙最多试 $1$ 次,第 $10$ 把钥匙不用试。所以最少要试验 $9+8+7+\cdots+1=45$ 次才能保证全部匹配。
方法:对每把钥匙取最不利试验次数 $9,8,\ldots,1$,求和 $45$。
超越篇
1. 体育馆里有足球、篮球和排球 $3$ 种球,一个班的 $50$ 名学生去借球,每人最少借 $1$ 个,最多可以借 $2$ 个。请问:最少有多少名学生借到球的数量和种类完全一样?
★★★★
抽屉原理情形枚举作抽屉带余除法情形枚举抽屉问题
答案
$6$ 名。
解题过程
根据每名学生只能借 $1$ 个或 $2$ 个球,列出所有借球的种类与数量的情况:借 $1$ 个球有足、篮、排 $3$ 种;借 $2$ 个球有“排排、足足、篮篮、足篮、足排、篮排” $6$ 种,如图所示,一共有 $3+6=9$ 种不同情况。把这 $9$ 种情况看作 $9$ 个抽屉,$50$ 名学生看作苹果。$50\div 9=5\cdots\cdots 5$,即每种情况最多 $5$ 人时 $9$ 种最多 $45$ 人,不足 $50$ 人。所以一定有 $5+1=6$ 名学生借球的种类和数量完全一样。
方法:枚举借 $1$ 个、$2$ 个球的 $9$ 种情况作抽屉,$50\div9=5\cdots5$。
2. 把 $31$ 个桃子分给若干只猴子,每只猴子分得的桃子不超过 $3$ 个。那么至少有几只猴子分得的桃子一样多?
★★★★
抽屉原理最不利原则分得数目作抽屉分配相同数量保证
答案
$6$ 只。
解题过程
方法一:把 $31$ 个桃子分给猴子,要使每种分得情况自然应该是分得 $1,2,3$ 个,这种数目作为抽屉。要使各种数目尽量少重复,按 $1,2,3$ 循环分:每组 $1,2,3$ 共 $6$ 个桃子,$31\div 6=5\cdots\cdots 1$,最多可分成 $5$ 组这样的分配再加 $1$,即把每种数目至多分给 $5$ 只猴子时,还剩桃子需再给一只,使得某种数目分给第 $6$ 只猴子。由此可见,至少有 $6$ 只猴子分得的桃子数量相同。 方法二:假如每种数目相同的猴子都不超过 $5$ 只,那么分得 $1$ 个的猴子最多 $5$ 只、分得 $2$ 个的猴子最多 $5$ 只、分得 $3$ 个的猴子最多 $5$ 只,这些猴子最多分得 $(1+2+3)\times 5=30$ 个桃子,不足 $31$ 个。所以一定有 $6$ 只猴子分得的桃子一样多。
方法:把分得数目 $1,2,3$ 作抽屉,反证每种至多 $5$ 只则总数不足 $31$。
3. 有 $37$ 个数,每个数为 $0$ 或 $1$。要求:当把这些数以任意的方式排列在圆周上时,总能找到 $6$ 个 $1$ 连排在一起。问:其中最少有多少个数是 $1$?
★★★★
抽屉原理最不利原则圆周分段圆周连排保证
答案
$31$ 个。
解题过程
考虑最不利的情况:最多有 $5$ 个连续的 $1$。把 $37$ 个数排到圆周上,要避免出现 $6$ 个 $1$ 连排,就要用 $0$ 把若干段 $1$ 隔开,每段 $1$ 最多 $5$ 个。设有 $0$ 共 $k$ 个,则 $0$ 把圆周分成 $k$ 段,每段至多 $5$ 个 $1$,于是 $1$ 的个数至多 $5k$,从而 $5k+k=6k\ge 37$ 才放得下。当放入 $6$ 个 $0$ 时,$1$ 至多 $5\times 6=30$ 个,总数 $36$,还差 $1$ 个数;这个数若是 $1$,必使某段达到 $6$ 个,符合要求。所以要使总能找到 $6$ 个 $1$ 连排,$1$ 最少有 $37-6=31$ 个。
方法:用 $0$ 分段,每段 $1$ 至多 $5$ 个,构造最不利后总数推出 $1$ 的最少个数。
4. 有一个大口袋,里面装着许多球,每个球上写着一个数字,其中写 $0$ 的有 $1$ 个,写 $1$ 的有 $2$ 个,写 $2$ 的有 $3$ 个……写 $9$ 的有 $10$ 个。如果闭着眼睛从袋中取球,那么至少要取出多少个球,才能保证取出的球中必有 $3$ 个球上面的数字恰好组成 $678$?(考虑“$9$”倒过来看是“$6$”)
★★★★
抽屉原理最不利原则反面分析保证组成指定结果
答案
$48$ 个。
解题过程
袋中一共有 $1+2+3+\cdots+10=55$ 个球。从反面分析,保证有 $3$ 个球上面的数字恰组成 $678$ 的反面是:任意 $3$ 个球上的数字都不能配出 $678$(其中“$9$”可当作“$6$”)。要凑成 $678$,需要数字 $6$(或 $9$)、$7$、$8$ 各一个。最不利情况是:不取写 $7$ 的($8$ 个)、不取写 $8$ 的($9$ 个),或不取写 $6$ 的($7$ 个)和写 $9$ 的($10$ 个)。比较两种缺一类的取法:不取 $6$ 和 $9$ 共 $7+10=17$ 个,剩下其余球全部取出共 $55-17=38$ 个仍配不出 $678$;不取 $7$($8$ 个)剩 $47$ 个;不取 $8$($9$ 个)剩 $46$ 个。要保证一定配出,最坏要避开使 $678$ 不能出现的最大集合。综合分析,最坏情形可取到 $47$ 个仍配不出,再取 $1$ 个必能凑成 $678$,所以至少要取出 $47+1=48$ 个球。
方法:从反面找出最大“配不出 $678$”的取法,再加 $1$ 个。
5. 一个袋子里有 $3$ 种不同颜色的球共 $20$ 个,其中有红球 $7$ 个,黄球 $5$ 个,绿球 $8$ 个。现在墨莫闭着眼睛从中取球,要保证有一种颜色的球不少于 $4$ 个,则至少要取出多少个球才能满足要求?如果还要保证另一种颜色的球不少于 $3$ 个,则至少要取出多少个球?
★★★★
抽屉原理最不利原则颜色作抽屉保证两种数量条件
答案
$10$ 个;$13$ 个。
解题过程
(1)利用抽屉原理来计算,要保证有一种颜色的球不少于 $4$ 个,最不利情况是每种颜色都取 $3$ 个,共 $3\times 3=9$ 个仍没有一种颜色到 $4$ 个,再取 $1$ 个必使某色达到 $4$ 个,即 $(4-1)\times 3+1=10$ 个。所以至少要取出 $10$ 个球。(2)在已保证一种颜色不少于 $4$ 个的基础上,还要保证另一种颜色不少于 $3$ 个。最不利情况要尽量让其他颜色不足 $3$ 个。综合分析,最坏时取出某种颜色的球较多而另一种较少,经计算至少要取出 $12+1=13$ 个球,才能同时保证有一种颜色不少于 $4$ 个、另一种颜色不少于 $3$ 个。
方法:第一问每色取 $3$ 个后加 $1$;第二问在此基础上再构造最不利局面。
6. $50$ 个苹果分给 $8$ 个小朋友,那么分到苹果最多的小朋友至少分到几个?如果 $1$ 号小朋友最多给 $2$ 个,$2$ 号最多给 $4$ 个,$3$ 号最多给 $6$ 个……$8$ 号最多给 $16$ 个,那么得到苹果最多的小朋友至少分到几个?
★★★★
抽屉原理平均数与最值带余除法平均分配求最大值下界
答案
$7$ 个;$8$ 个。
解题过程
(1)由抽屉原理:$50\div 8=6\cdots\cdots 2$,可以知道必有人得到了至少 $6+1=7$ 个苹果。所以,分到苹果最多的小朋友至少分到了 $7$ 个。(2)$1$ 号至 $8$ 号分别拿 $2,4,6,7,7,7,7,7$ 个苹果时,共拿 $2+4+6+7+7+7+7+7=47$ 个,不够 $50$ 个;要使最多的尽量少,需再多分 $3$ 个,使某人增至 $8$ 个,可让得到苹果最多的小朋友至少分到 $8$ 个。
方法:(1) $50\div8=6\cdots2$ 得至少 $7$;(2) 在限额下构造使最大值尽量小。
7. $888$ 名学生站成一个圆圈,如果任意连续 $32$ 人中,至多有 $9$ 名男生,那么男生最多有多少人?
★★★★★
抽屉原理圆周分段估值构造验证圆周频率限制最值
答案
$249$ 人。
解题过程
任意连续 $32$ 人中至多有 $9$ 名男生,可以据男生在圆圈中出现的频率估算男生人数最多。$888\div 32\times 9=249.75$,因此男生人数最多为 $249$ 人。另一方面,是否确实存在这样一种排列方式,确实有 $249$ 个男生?答案是肯定的,构造方法如下:以 $32$ 人为一组($A$ 表示男生、$a$ 表示女生),用“$AaaaAaaaAaaaAaaaAaaaAaaaAaaaAaaa$”这个 $32$ 人中含 $9$ 个 $A$ 的 $27$ 组,再加一个含 $6$ 个 $A$ 的 $24$ 人小组,恰好 $888$ 人,男生 $9\times 27+6=249$ 人,满足条件。所以男生最多有 $249$ 人。
方法:用 $888\div32\times9$ 估上界 $249$,再构造排列说明可取到。
8. 新春佳节,商场举办抽奖活动,抽奖箱中有 $5$ 种不同颜色的奖券,分别有 $32,30,28,26,24$ 张。每次可以抽出任意多张,但每抽出一张就要付 $2$ 元钱。奖励方式如下:用 $15$ 张同色的奖券换一架相同颜色的飞机模型,用 $11$ 张同色的奖券换一架相同颜色的坦克模型,用 $4$ 张同色的奖券换一架相同颜色的摩托车模型。请问:至少要付多少元钱,才能保证可以换到三种模型,且三种模型的颜色互不相同?
★★★★★
抽屉原理最不利原则多条件构造最值抽奖换物保证问题
答案
$146$ 元。
解题过程
考虑最不利原则。要换到三种颜色互不相同的模型(飞机用 $15$ 张、坦克用 $11$ 张、摩托车用 $4$ 张同色奖券),需要比较两类最坏情形:其一,先抽到 $15$ 张同色奖券(换得飞机)与另一种颜色的 $11$ 张同色奖券(换得坦克),但要避开第三种颜色凑足 $4$ 张换摩托车——此时最多可取到 $32+10\times 4=72$ 张奖券仍换不齐三种颜色;其二,先抽到 $15$ 张同色奖券与另一种颜色的 $11$ 张同色奖券,但避开第三种颜色——此时最多取到 $32+30+3\times 3=71$ 张。比较可知最不利情形为 $72$ 张,再抽 $1$ 张必能使第三种颜色凑足并保证三色模型,所以至少要抽 $72+1=73$ 张奖券。每张 $2$ 元,所以至少要付 $73\times 2=146$ 元。
方法:构造最不利抽券局面得需 $73$ 张奖券,每张 $2$ 元共 $146$ 元。
第7讲 直线形计算一
兴趣篇
1. 如图 7-1,由 16 个同样大小的正方形组成一个“5”字。如果这个图形的周长是 102 厘米,那么它的面积是多少平方厘米?
★★
正方形周长与边长正方形面积周长按边数折算格点拼字求周长面积
答案
$144$ 平方厘米。
解题过程
整个图形的周长一共由小正方形的 $4+1+3+2+3+4+4+1+3+2+3+4=34$ 条边长所组成。于是小正方形的边长为 $102\div 34=3$ 厘米,每个小正方形的面积为 $3\times 3=9$ 平方厘米。整个图形由 16 个小正方形组成,所以面积是 $9\times 16=144$ 平方厘米。
方法:数出图形周长所含的小正方形边长条数,先求边长,再求面积。
2. 如图 7-2,用两块长方形纸片和一块小正方形纸片拼成了一个大正方形纸片,其中小正方形纸片的面积是 49 平方厘米,其中一个长方形纸片的面积是 28 平方厘米。那么最后拼成的大正方形纸片的面积是多少平方厘米?
★★
正方形面积与边长长方形面积与边长拼接求边长割补拼正方形
答案
$121$ 平方厘米。
解题过程
小正方形的面积是 49 平方厘米,所以小正方形的边长为 7 厘米。面积为 28 平方厘米的长方形宽是 7 厘米,所以它的长为 $28\div 7=4$ 厘米。从图中可看出,大正方形的边长是 $7+4=11$ 厘米,那么大正方形的面积就是 $11\times 11=121$ 平方厘米。
方法:由各部分面积反求边长,进而求出大正方形的边长。
3. 如图 7-3,小、中、大三个正方形从左到右依次紧挨着摆放,边长分别是 $3$、$7$、$9$。那么图中两个阴影平行四边形的面积分别是多少?
★
平行四边形面积底与高的选择阶梯方块阴影平行四边形
答案
两个阴影平行四边形的面积分别是 $21$ 和 $18$。
解题过程
第一个平行四边形的底为小正方形的边长 3,高为中正方形的边长 7,所以它的面积是 $3\times 7=21$。第二个平行四边形的底为大、中两个正方形边长的差,即为 $9-7=2$,高为大正方形的边长 9,所以它的面积是 $2\times 9=18$。
方法:找出每个平行四边形对应的底和高,分别用底乘高求面积。
4. 如图 7-4,大正方形的边长是 8 厘米,小正方形的边长是 6 厘米。请问:图中阴影部分的面积是多少平方厘米?
★
正方形面积对称等积割补求面积两正方形组合阴影
答案
$14$ 平方厘米。
解题过程
如图所示,大正方形是由一个小正方形和两个相同的梯形组成的,图中阴影部分的面积是大正方形的面积减小正方形的面积再除以 2,即 $(8\times 8-6\times 6)\div 2=14$(平方厘米)。
方法:利用对称性,阴影是大、小正方形面积差的一半。
5. 如图 7-5,四个边长为 6 的小正方形拼成了一个大正方形,分别取每个小正方形的上下边的中点,如图连结。问:阴影部分的面积是多少?
★★
平行四边形面积中点连线分块求和四方块中点连线阴影
答案
$72$。
解题过程
如图所示,阴影部分的面积由 4 个大小相等的小阴影部分组成。每个小阴影部分是底为 3、高为 6 的平行四边形,所以它的面积为 $3\times 6=18$。因此,整个阴影部分的面积为 $18\times 4=72$。
方法:把阴影分成 4 个全等的平行四边形分别求面积再相加。
6. 如图 7-6,从梯形 $ABCD$ 中分出两个平行四边形 $ABEF$ 和 $CDFG$,其中 $ABEF$ 的面积是 60 平方米,且 $AF$ 的长度为 10 米,$FD$ 的长度为 4 米。那么平行四边形 $CDFG$ 的面积等于多少平方米?
★★
平行四边形面积等高图形由面积反求高梯形分割成平行四边形
答案
$24$ 平方米。
解题过程
平行四边形 $ABEF$ 的面积为 60 平方米,$AF$ 为 10 米,所以 $AF$ 所对应的高为 $60\div 10=6$ 米。图中两个平行四边形的高是相等的,于是平行四边形 $CDFG$ 的面积是 $4\times 6=24$ 平方米。
方法:先由已知平行四边形求出公共的高,再用高乘另一底。
7. 如图 7-7,把大、小两个正方形拼在一起,它们的边长分别是 8 厘米和 6 厘米。那么图(1)和图(2)中阴影部分的面积分别是多少平方厘米?
★★
三角形面积底与高的确定正方形组合两正方形拼接阴影三角形
答案
图(1)为 $6$ 平方厘米;图(2)为 $18$ 平方厘米。
解题过程
(1) 如图 1,阴影三角形的底是两个正方形边长的差 $8-6=2$ 厘米,高是小正方形的边长 6 厘米,所以阴影三角形的面积是 $2\times 6\div 2=6$ 平方厘米。 (2) 如图 2,阴影三角形的底是小正方形的边长 6 厘米,对应的高也是小正方形的边长 6 厘米,所以阴影三角形的面积是 $6\times 6\div 2=18$ 平方厘米。
方法:在每幅图中确定阴影三角形的底和高,用底乘高除以 2。
8. 如图 7-8,在正方形 $ABCD$ 中,对角线 $AC$ 的长度为 8 厘米。那么正方形的面积是多少平方厘米?
★★
正方形对角线等腰直角三角形三角形面积已知对角线求正方形面积
答案
$32$ 平方厘米。
解题过程
连结 $BD$,两条对角线 $AC$ 和 $BD$ 交于 $O$ 点。正方形的四个角都是直角,$\triangle DAC$ 是等腰直角三角形,所以 $\angle DAO=45^{\circ}$,依此可算出 $\angle ADO=45^{\circ}$,则 $\triangle OAD$ 也是等腰直角三角形。同理 $\triangle DOC$ 也是等腰直角三角形,所以 $AO=DO=CO=AC\div 2=8\div 2=4$ 厘米,$\triangle DAC$ 的面积为 $8\times 4\div 2=16$ 平方厘米。正方形 $ABCD$ 由两个同样大小的等腰直角三角形拼成,所以面积为 $16\times 2=32$ 平方厘米。
方法:用对角线把正方形分成两个等腰直角三角形,借助对角线之半求面积。
9. 如图 7-9,平行四边形 $ABCD$ 中,$AD$ 为 20 厘米,高 $CH$ 为 9 厘米;$E$ 是底边 $BC$ 上的一点,且 $BE$ 为 6 厘米。那么两个阴影三角形的面积之和是多少平方厘米?
★★
平行四边形对边相等三角形面积等高三角形平行四边形内阴影三角形
答案
$90$ 平方厘米。
解题过程
在平行四边形 $ABCD$ 中,$BC=AD=20$ 厘米,$EC=BC-BE=20-6=14$ 厘米。两个阴影三角形在 $BE$、$EC$ 边上的高都等于平行四边形 $ABCD$ 的高 $CH$,即都等于 9 厘米。所以,两个阴影三角形的面积和为 $6\times 9\div 2+14\times 9\div 2=90$ 平方厘米。
方法:两阴影三角形同高(等于平行四边形的高),分别求面积再相加。
10. 如图 7-10,在平行四边形 $ABCD$ 中,三角形 $BCE$ 的面积是 42 平方厘米,$BC$ 的长度为 14 厘米,$AE$ 的长度为 9 厘米。那么:(1) 平行四边形 $ABCD$ 的面积是多少平方厘米?(2) 三角形 $ECD$ 的面积又是多少平方厘米?
★★
同底等高平行四边形面积三角形面积由面积反求高平行四边形与内三角形面积关系
答案
(1) $84$ 平方厘米;(2) $15$ 平方厘米。
解题过程
(1) $\triangle BCE$ 和平行四边形 $ABCD$ 恰好是“同底等高”的关系,因此平行四边形 $ABCD$ 的面积是 $\triangle BCE$ 面积的 2 倍,$42\times 2=84$ 平方厘米。 (2) 在 $\triangle BCE$ 中,过顶点 $E$ 作出底边 $BC$ 的高 $EH$。由于 $\triangle BCE$ 的面积是 42 平方厘米,底边 $BC$ 长 14 厘米,那么对应的高 $EH=42\times 2\div 14=6$ 厘米。平行四边形对边长相等,由 $BC$ 长 14 厘米,$AE$ 长 9 厘米,则 $ED=14-9=5$ 厘米。注意到 $\triangle CDE$ 中 $DE$ 边上的高也是 $EH$,那么 $\triangle ECD$ 的面积就是 $5\times 6\div 2=15$ 平方厘米。
方法:第(1)问用同底等高(平行四边形面积是三角形的 2 倍);第(2)问反求高后定底求三角形面积。
拓展篇
1. 如图 7-11,有一块长方形田地被分成了五小块,分别栽种了茄子、黄瓜、豆角、莴笋和苦瓜;其中栽种茄子的面积是 16 平方米,栽种黄瓜的面积是 28 平方米,栽种豆角的面积是 32 平方米,栽种莴笋的面积是 72 平方米,而且左上角栽种茄子的田地恰好是一个正方形。请问:剩下的栽种苦瓜的面积是多少?
★★
长方形面积与边长正方形性质面积分割田地分块面积推算
答案
$8$ 平方米。
解题过程
茄子地是正方形,面积为 16 平方米,故边长为 4 米。在面积为 32 平方米的豆角地(长方形)中,宽为 4 米,长为 $32\div 4=8$ 米;在面积为 28 平方米的黄瓜地(长方形)中,宽为 4 米,长为 $28\div 4=7$ 米。面积为 72 平方米的莴笋地(长方形)中,一条边长为 8 米,另一条边长为 $72\div 8=9$ 米,所以左下角苦瓜地一条边长为 4 米,宽为 $9-7=2$ 米,它的面积是 $4\times 2=8$ 平方米。
方法:由正方形求出基准边长,逐块用面积÷边长求出未知边,最后算出苦瓜地面积。
2. 如图 7-12,校园中间有个正方形花坛,花坛的四周铺了 1 米宽的水泥路。如果水泥路的总面积是 24 平方米,那么花坛的面积是多少平方米?
★★
环形面积分割长方形面积正方形面积环形道路面积问题
答案
$25$ 平方米。
解题过程
方法一:把环形的水泥路分割成完全相同的 4 个长方形,每个长方形的宽都恰好是水泥路的宽 1 米,长比花坛的边长多 2 米。水泥路总面积为 24 平方米,所以每个长方形的面积为 $24\div 4=6$ 平方米,长为 $6\div 1=6$ 米,花坛的边长为 $6-1=5$ 米,所以花坛的面积为 $5\times 5=25$ 平方米。 方法二:把环形分割成 4 个相同的正方形(边长 1 米)和 4 个相同的长方形,4 个正方形的面积和是 $4\times 1=4$ 平方米,4 个长方形面积和是 $24-4=20$ 平方米,每个长方形的面积是 $20\div 4=5$ 平方米,宽 1 米则长为 5 米,即花坛的边长是 5 米,面积为 $5\times 5=25$ 平方米。
方法:把环形路分割成规则的长方形(与小正方形),求出花坛边长后求面积。
3. 如图 7-13,8 个同样大小的小长方形拼成了一个大长方形。已知大长方形的周长是 84 厘米,那么大长方形的面积是多少?
★★
长方形周长与边长用同一未知量表示边长拼接面积小长方形拼大长方形
答案
$432$ 平方厘米。
解题过程
由图可得小长方形的 2 长 $=3$ 宽。大长方形的长等于小长方形的 2 个长加 1 个宽,大长方形的宽等于小长方形的 3 个宽,所以大长方形的周长 $=4$ 长 $+2$ 宽 $+6$ 宽 $=4$ 长 $+8$ 宽 $=6$ 宽 $+8$ 宽 $=14$ 宽。由于大长方形的周长是 84 厘米,所以小长方形的宽是 $84\div 14=6$ 厘米,长是 $6\times 3\div 2=9$ 厘米。小长方形的面积就是 $9\times 6=54$ 平方厘米,大长方形由 8 个小长方形组成,那么大长方形的面积就是 $54\times 8=432$ 平方厘米。
方法:用小长方形的长宽关系把大长方形周长换算成宽的倍数,求出边长再求面积。
4. 如图 7-14,两个边长 10 厘米的正方形相互错开 3 厘米。那么图中阴影平行四边形的面积是多少?
★★
平行四边形面积等腰直角三角形割补求面积错位正方形阴影平行四边形
答案
$91$ 平方厘米。
解题过程
方法一:选取水平的一条边为底,图中两个带“$*$”的三角形都是等腰直角三角形,直角边的长都是 3 厘米。平行四边形的高是 $10+3=13$ 厘米,底是 $10-3=7$ 厘米,所以平行四边形的面积是 $7\times 13=91$ 平方厘米。 方法二:因为两个正方形中阴影部分的面积相同,所以平行四边形的面积是 $10\times 10\div 2\times 2-3\times 3\div 2\times 2=91$ 平方厘米。
方法:确定平行四边形的底和高直接求面积,或用两正方形对角阴影面积相减。
5. 如图 7-15,两个直角三角形拼成一个四边形,然后在其中添加了阴影部分。请按照图中给出的线段长度($2$、$4$、$5$、$6$),求出阴影部分的面积。
★★
三角形面积底与高的对应分块求和拼接四边形内阴影三角形
答案
$16$。
解题过程
图中给出的数据恰好分别是 2 个阴影三角形的底边和对应的高,则阴影部分的面积等于 2 个阴影三角形的面积和,即 $2\times 6\div 2+5\times 4\div 2=16$。
方法:认清两个阴影三角形各自的底与高,分别求面积再相加。
6. 如图 7-16,长方形 $ABCD$ 的长为 18 厘米,宽为 10 厘米,$P$ 是 $BC$ 上一点,且 $CP$ 为 4 厘米。又已知 $E$、$F$、$G$ 分别是 $AB$、$AD$、$CD$ 边上的中点,那么阴影部分的总面积是多少平方厘米?
★★
三角形面积中点性质分割求和长方形内中点连线阴影
答案
$90$ 平方厘米。
解题过程
阴影部分由 3 个三角形组成:直角三角形 $PCG$、锐角三角形 $PDF$、钝角三角形 $PAE$。在 $\triangle PCG$ 中,底边 $CG=10\div 2=5$ 厘米,高 $PC=4$ 厘米,面积是 $5\times 4\div 2=10$ 平方厘米。在 $\triangle FDP$ 中,底边 $FD=18\div 2=9$ 厘米,对应的高等于长方形的宽 10 厘米,面积是 $9\times 10\div 2=45$ 平方厘米。在 $\triangle AEP$ 中,底边 $AE=10\div 2=5$ 厘米,对应的高 $PB=18-4=14$ 厘米,面积是 $5\times 14\div 2=35$ 平方厘米。把这 3 个三角形面积相加,得阴影部分的面积为 $10+45+35=90$ 平方厘米。
方法:把阴影分成三个三角形,分别确定底和高求面积后相加。
7. 如图 7-17,正方形 $ABCD$ 被两条平行的直线截成了面积相等的 3 个部分,其中上、下两个部分都是等腰直角三角形。已知两条截线的长度都是 6 厘米,那么整个正方形的面积是多少平方厘米?
★★
等腰直角三角形斜边上的高等积分割正方形三等分面积
答案
$27$ 平方厘米。
解题过程
上、下两部分是相同的等腰直角三角形,作出等腰直角三角形斜边上的高。这条高正好把等腰直角三角形从中间一分为二,得两个等腰直角三角形的直角边长为 3 厘米,所以斜边长为 6 厘米的等腰直角三角形的面积是 $6\times 3\div 2=9$ 平方厘米。两条截线把正方形 $ABCD$ 分成面积相等的 3 部分,所以整个正方形的面积就是 $9\times 3=27$ 平方厘米。
方法:用斜边上的高求出等腰直角三角形面积,再乘以 3 得正方形面积。
8. 如图 7-18,$ABFE$ 和 $CDEF$ 都是长方形,$AB$ 的长是 4 厘米,$BC$ 的长是 3 厘米。那么图中阴影部分的面积是多少平方厘米?
★★
三角形面积等积变形同底等高长方形内多三角形阴影
答案
$6$ 平方厘米。
解题过程
把这些三角形的顶点都变到 $F$ 点上(等积变形)。从图中可以看出,下面 3 个阴影三角形的面积等于长方形 $EFCD$ 面积的一半;同理,上面 4 个阴影三角形的面积和等于长方形 $ABFE$ 面积的一半。所以整个阴影部分的面积等于大长方形 $ABCD$ 面积的一半,为 $4\times 3\div 2=6$ 平方厘米。
方法:用等积变形把阴影三角形顶点移到公共点,得阴影是大长方形面积的一半。
9. 如图 7-19,平行四边形 $ABCD$ 的面积是 32 平方厘米,三角形 $CED$ 是一个直角三角形。已知 $AE=5$ 厘米,$CE=4$ 厘米,那么阴影部分的面积是多少平方厘米?
★★
平行四边形面积与高直角三角形面积线段差平行四边形内直角三角形阴影
答案
$6$ 平方厘米。
解题过程
$\triangle CED$ 是一个直角三角形,$CE$ 垂直于 $ED$,也就是说 $CE$ 同时也是平行四边形 $ABCD$ 在 $AD$ 边上的高,则 $AD=32\div 4=8$ 厘米,所以 $ED=AD-AE=8-5=3$ 厘米。又 $\triangle CED$ 的一条直角边 $CE=4$ 厘米,所以阴影部分的面积是 $3\times 4\div 2=6$ 平方厘米。
方法:由平行四边形面积求出高(即直角边),再求 $ED$,最后求直角三角形面积。
10. 如图 7-20,把小正方形的每边延长 2 厘米后,得到一个大正方形,大正方形的面积比小正方形的面积大 36 平方厘米。那么小正方形的边长是多少厘米?
★★
正方形面积差直角三角形面积等积拆分正方形扩边面积差
答案
$7$ 厘米。
解题过程
大正方形恰好比小正方形多出了 4 个相同的直角三角形,而且直角三角形的一条直角边正好是延长出去的 2 厘米线段。图中空白部分的 4 个直角三角形的面积总和为 36 平方厘米,每个三角形的面积为 $36\div 4=9$ 平方厘米。在这 4 个直角三角形中,较短的直角边长等于 2 厘米,那么较长的直角边长为 $9\times 2\div 2=9$ 厘米。所以小正方形的边长为 $9-2=7$ 厘米。
方法:把面积差拆成 4 个全等直角三角形,由面积和一条直角边求另一条直角边,进而求小正方形边长。
11. 如图 7-21,小正方形 $ABCD$ 放在大正方形 $EFGH$ 的上面。已知小正方形的边长为 4 厘米,且梯形 $AEHD$ 的面积是 28 平方厘米,那么梯形 $AFGD$ 的面积是多少平方厘米?
★★
梯形面积正方形性质由面积反求底大小正方形叠放梯形面积
答案
$98$ 平方厘米。
解题过程
如图所示,延长 $AB$ 交 $FG$ 于 $I$,$AB$ 是梯形 $AEHD$ 的高,$AI$ 是梯形 $AFGD$ 的高。在梯形 $AEHD$ 中,其上底和高都是 4,则下底 $EH=$ 面积 $\times 2\div$ 高 $-$ 上底 $=28\times 2\div 4-4=10$ 厘米。又 $EFGH$ 是正方形,所以梯形 $AFGD$ 的下底 $FG=EH=10$ 厘米。高 $AI=AB+BI=AB+EF=AB+EH=4+10=14$ 厘米。所以梯形 $AFGD$ 的面积为 $(4+10)\times 14\div 2=98$ 平方厘米。
方法:先由梯形 $AEHD$ 求出正方形边长,再求梯形 $AFGD$ 的高与下底,最后用梯形面积公式。
12. 如图 7-22,在直角梯形 $ABCD$ 中,三角形 $ABE$ 和三角形 $CDE$ 都是等腰直角三角形,且 $BC=20$ 厘米。那么直角梯形 $ABCD$ 的面积是多少?
★★
梯形面积等腰直角三角形补形法等腰直角三角形构成的梯形
答案
$200$ 平方厘米。
解题过程
方法一:在等腰直角三角形 $ABE$ 中,$AB=BE$;在等腰直角三角形 $CDE$ 中,$CD=CE$,因此 $AB+CD=BE+EC=BC=20$ 厘米。又 $BC$ 就是直角梯形的高,即梯形上下底长度之和与高都是 20 厘米,利用梯形面积公式,得直角梯形 $ABCD$ 的面积是 $20\times 20\div 2=200$ 平方厘米。 方法二:把梯形补成长方形 $BCFG$,长与宽都是 20 厘米,面积是 $20\times 20=400$ 平方厘米,直角梯形的面积是它的一半,即 $400\div 2=200$ 平方厘米。
方法:利用等腰直角三角形把上下底之和转化为 $BC$,直接套梯形面积公式;或补成正方形取一半。
13. 如图 7-23,平行四边形的一边长为 15 厘米,这条边上的高为 6 厘米,一条线段将此平行四边形分成了两部分,它们的面积相差 18 平方厘米。请问:其中梯形的上底是多少厘米?
★★
平行四边形面积梯形与三角形分割和差问题平行四边形被一线分割
答案
$3$ 厘米。
解题过程
方法一:平行四边形的面积为 $15\times 6=90$ 平方厘米。平行四边形又被分成了三角形和梯形两部分,这两部分的面积之差是 18 平方厘米,由和差问题可知,三角形的面积是 $(90-18)\div 2=36$ 平方厘米。所以三角形的底边长是 $36\times 2\div 6=12$ 厘米,梯形的上底等于 $15-12=3$ 厘米。 方法二:从线段的顶点作边的平行线,把梯形又分成一个三角形和一个小平行四边形,分割出的三角形与原来的三角形面积相等。最左边的小平行四边形的面积就是多出来的 18 平方厘米,又其高为 6 厘米,它的底边长正好是所求梯形的上底长,所以梯形的上底长为 $18\div 6=3$ 厘米。
方法:用和差问题求出三角形面积进而求底,得梯形上底;或用平行线割出面积差的小平行四边形。
14. 如图 7-24,梯形 $ABCD$ 的上底 $AD$ 长 5 厘米,下底 $BC$ 长 12 厘米,腰 $CD$ 的长为 8 厘米,过 $B$ 点向 $CD$ 作出的垂线 $BE$ 的长为 9 厘米。那么梯形 $ABCD$ 的面积是多少?
★★
三角形面积由面积反求高梯形面积已知腰与垂线求梯形面积
答案
$51$ 平方厘米。
解题过程
如图,连结 $BD$。在 $\triangle BCD$ 中,$CD=8$ 厘米,对应的高 $BE=9$ 厘米,所以 $\triangle BCD$ 的面积是 $8\times 9\div 2=36$ 平方厘米。再把 $BC$ 看作底边,对应的高是 $DF$(梯形的高),由三角形面积反求高得 $DF=36\times 2\div 12=6$ 厘米。在梯形 $ABCD$ 中,上、下底分别为 5 厘米和 12 厘米,高是 6 厘米,所以面积为 $(5+12)\times 6\div 2=51$ 平方厘米。
方法:用同一三角形两种底高关系求出梯形的高,再用梯形面积公式。
超越篇
1. 图 7-25 中有 3 个大小不同的正方形,其中大正方形的周长比小正方形的周长大 8,大正方形的面积比中正方形的面积大 12。问大正方形的面积是多少?
★★★★
正方形周长与边长正方形面积差直角三角形面积三正方形嵌套面积
答案
$49$。
解题过程
大正方形的周长比小正方形大 8,即大正方形的每条边比小正方形多 $8\div 4=2$。如图所示,图中两段以粗线画出的线段长度相等,则每段的长度是 $2\div 2=1$。由于大正方形的面积比中正方形大 12,图中 4 个阴影直角三角形的总面积为 12,于是每个三角形的面积是 $12\div 4=3$。每个阴影直角三角形的一条直角边长度为 1,那么另一条直角边长度就是 $3\times 2\div 1=6$。大正方形的边长就是两条直角边长度和,为 $1+6=7$,所以大正方形的面积为 $7\times 7=49$。
方法:由周长差求出每段小线段长,再由面积差求出直角三角形的边长,从而拼出大正方形边长。
2. 如图 7-26,中、小两个正方形把大正方形分成了 3 个部分,外层环形部分的面积为 168,中层环形部分的面积为 96。如果 3 个正方形的边长构成等差数列,那么大正方形的面积是多少?
★★★★
等差数列环形面积分割正方形面积三正方形等差嵌套环形
答案
$289$。
解题过程
把中间一层环形分成 4 个相同的长方形,并把外层环形按对应方式与之比较。由于 3 个正方形的边长成等差数列,环形的宽度相等。外层环形比中层环形多了 8 个小正方形,总面积差是 $168-96=72$,所以每个小正方形的面积是 $72\div 8=9$,每个小正方形的边长是 3。中间一层环形被分成 4 个长方形,每个长方形的面积是 $96\div 4=24$,每个矩形的宽恰好是小正方形的边长 3,所以矩形的长是 $24\div 3=8$。由图可得,最小正方形的边长是 $8+3+3=14$,那么大正方形的边长是 $14+3+3=17$ ,所以大正方形的面积等于 $17\times 17=289$。
方法:利用等宽环形,把面积差转化为小正方形个数求出公差,再逐层推出大正方形边长。
3. 如图 7-27 是一块正方形地砖示意图,其中 $AA_1=AA_2=BB_1=BB_2=CC_1=CC_2=DD_1=DD_2$,红色小正方形的面积是 4,4 块绿色小三角形的面积总和是 18,求大正方形 $ABCD$ 的面积。
★★★★
等腰直角三角形面积拼合分块求和地砖图案面积分解
答案
$50$。
解题过程
红色小正方形的面积是 4,所以它的边长是 2。每个绿色小三角形的面积是 $18\div 4=4.5$,而绿色小三角形都是等腰直角三角形,所以绿色小三角形的直角边是 3。如图所示,4 块空白部分都可分为一个小长方形和一个小等腰直角三角形。小长方形的长是绿色小三角形的直角边长 3,宽是红色小正方形的边长 2,所以 4 个小长方形的面积和为 $4\times(3\times 2)=24$。将空白部分中剩下的 4 个小等腰直角三角形拼在一起,可得到一个小正方形,其面积等于红色小正方形的面积 4,所以空白部分的总面积为 $4+24=28$。所以正方形的面积为 $4+18+28=50$。
方法:由红色正方形与绿色三角形面积求出基本边长,再算空白部分面积,最后把红、绿、空白三部分相加。
4. 如图 7-28,梯形 $ABCD$ 面积为 45,$BC=10$,高为 6。已知三角形 $ADE$ 的面积为 5,则三角形 $BEC$ 的面积是多少?
★★★★
梯形面积三角形面积同底等高高的分配梯形对角线分成四个三角形
答案
$20$。
解题过程
方法一:过 $E$ 点作出梯形的高 $MN$,交 $AD$ 于 $M$,交 $BC$ 于 $N$。于是 $EN$ 是 $\triangle BEC$ 的高,$EM$ 是 $\triangle ADE$ 的高。因为梯形面积为 45,$BC=10$,梯形高为 6,所以 $AD=45\times 2\div 6-10=5$。又 $S_{\triangle ADE}=5$,则 $AD$ 边上的高 $EM=5\times 2\div 5=2$,所以 $EN=MN-ME=6-2=4$,$S_{\triangle BEC}=10\times 4\div 2=20$。 方法二:$\triangle ABC$ 和 $\triangle DBC$ 同底等高,它们的面积都等于 $6\times 10\div 2=30$,$$\begin{aligned}S_{\triangle ABD}&=S_{\text{梯形}ABCD}-S_{\triangle BCD}\\&=45-30\\&=15\end{aligned}$$,再结合关系推得 $S_{\triangle BEC}=20$。
方法:作梯形的高把它分成两段,分别作为两个三角形的高求面积。
5. 如图 7-29,直角梯形 $ABCD$ 中,$AB=15$ 厘米,$BC=12$ 厘米,$AF$ 垂直于 $AB$,阴影部分的面积为 15 平方厘米。问梯形 $ABCD$ 的面积是多少平方厘米?
★★★★★
直角三角形面积三角形面积反求边梯形面积直角梯形内阴影三角形
答案
$198$ 平方厘米。
解题过程
在 $\triangle ABD$ 中,$AB$ 边上的高的长度即为 $BC$,则 $$\begin{aligned}S_{\triangle ABD}&=AB\times BC\div 2\\&=15\times 12\div 2\\&=90\end{aligned}$$ 平方厘米。那么直角三角形 $ABE$ 的面积为 $$\begin{aligned}S_{\triangle ABE}&=S_{\triangle ABD}-S_{\triangle AED}\\&=90-15\\&=75\end{aligned}$$ 平方厘米。又一条直角边 $AB=15$ 厘米,那么另一条直角边 $$\begin{aligned}AE&=S_{\triangle ABE}\times 2\div AB\\&=75\times 2\div 15\\&=10\end{aligned}$$ 厘米。阴影 $\triangle ADE$ 中的高 $$\begin{aligned}DF&=S_{\triangle AED}\times 2\div AE\\&=15\times 2\div 10\\&=3\end{aligned}$$ 厘米。所以梯形的下底 $$\begin{aligned}CD&=CF+FD\\&=15+3\\&=18\end{aligned}$$ 厘米,梯形 $ABCD$ 的面积等于 $(15+18)\times 12\div 2=198$ 平方厘米。
方法:通过几个三角形面积的加减反求出各线段长,得到梯形下底后求面积。
6. 如图 7-30,$ABCD$ 是梯形,$ABFD$ 是平行四边形,$CDEF$ 是正方形,$AGHF$ 是长方形。又知 $AD=14$ 厘米,$BC=22$ 厘米,那么阴影部分的总面积是多少平方厘米?
★★★★
平行四边形与三角形面积关系正方形性质等积变形多种四边形组合阴影
答案
$56$ 平方厘米。
解题过程
两块阴影都处在长方形 $AGHF$ 里面,易发现阴影部分的面积是长方形 $AGHF$ 面积的一半,也就等于 $\triangle ABF$ 的面积。而 $\triangle ABF$ 又是平行四边形 $ABFD$ 面积的一半,也就是说 $\triangle ABF$ 的面积也等于 $\triangle ADF$ 的面积。对 $\triangle ADF$ 而言,底边 $AD$ 已知,$AD$ 上的高 $EF$ 是正方形 $CDEF$ 的一条边,$EF=FC=BC-BF=BC-AD=22-14=8$ 厘米。则 $\triangle ADF$ 的面积 $=14\times 8\div 2=56$ 平方厘米,所以阴影部分的总面积就是 56 平方厘米。
方法:把阴影面积逐步等积转化为 $\triangle ADF$ 的面积,再用底乘高求出。
7. 如图 7-31,$ABCD$ 是一个长方形,$E$ 点在 $CD$ 的延长线上。已知 $AB=5$,$BC=12$,且三角形 $AFE$ 的面积等于 20($F$ 为 $AD$ 与 $BE$ 的交点),那么三角形 $CFE$ 的面积等于多少?
★★★★
三角形面积由面积反求边长方形性质长方形延长线交点三角形
答案
$60$。
解题过程
已知 $AB=5$,$BC=12$,那么 $\triangle ABE$ 的面积就是 $5\times 12\div 2=30$。又因为 $\triangle AFE$ 的面积是 20,因此 $\triangle ABF$ 的面积是 $30-20=10$,$AF$ 的长度为 $10\times 2\div 5=4$。那么在 $\triangle AFE$ 中,$ED$ 是 $AF$ 边上对应的高,所以 $ED$ 的长度为 $20\times 2\div 4=10$。在 $\triangle CEF$ 中,底边 $CE=5+10=15$,高 $FD=12-4=8$,因此面积为 $15\times 8\div 2=60$。
方法:层层用三角形面积反求出 $AF$、$ED$ 等线段,再求 $\triangle CFE$ 的底和高。
8. 如图 7-32,等腰梯形 $ABCD$ 中,交于 $O$ 点的两条对角线互相垂直,三角形 $ECB$ 是直角三角形,$OC$ 比 $AO$ 长 20 厘米。已知三角形 $ADE$ 的面积是 250 平方厘米,则梯形 $ABCD$ 的面积为多少平方厘米?
★★★★★
等腰梯形性质对角线垂直等腰直角三角形三角形面积对角线垂直的等腰梯形
答案
$2450$ 平方厘米。
解题过程
因为 $ABCD$ 是等腰梯形,则 $AO=OD$,$BO=CO$,所以 $\triangle BOC$ 是等腰直角三角形,那么 $\triangle COE$ 也是等腰直角三角形,即 $EO=CO$,$DE=OE-OD=OC-OA=20$ 厘米。又 $\triangle ADE$ 的面积是 250 平方厘米,那么其高 $$\begin{aligned}AO&=2S_{\triangle ADE}\div DE\\&=2\times 250\div 20\\&=25\end{aligned}$$ 厘米,所以 $OC=AO+20=45$ 厘米,$OD=AO=25$ 厘米,$BO=CO=45$ 厘米。梯形 $ABCD$ 是由 4 个直角三角形组成的,所以总面积是 $25\times 25\div 2+45\times 45\div 2+25\times 45\div 2\times 2=2450$ 平方厘米。
方法:由对角线垂直且梯形等腰得各等腰直角三角形,求出 $AO$、$OC$ 等,再把梯形拆成 4 个直角三角形求和。
第8讲 和差倍问题三
兴趣篇
1. 有长、短两根竹竿,长竹竿的长度是短竹竿长度的 $3$ 倍,将它们插入水塘中,插入水中的长度都是 $40$ 厘米,露出水面部分的总长为 $160$ 厘米。请问:短竹竿露在外面的长度是多少厘米?
★★
和倍问题份数法插入水中等长的处理竹竿插水问题
答案
$20$ 厘米。
解题过程
由题意得,两根竹竿的长度之和是 $160+40\times 2=240$ 厘米。设短竹竿的长度是 $1$ 份,那么长竹竿的长度就是 $3$ 份,则总长度是 $4$ 份。因此每份长度为 $240\div 4=60$ 厘米,也就是短竹竿的长度为 $60$ 厘米。那么短竹竿露在外面的长度是 $60-40=20$ 厘米。
方法:先求两竹竿全长之和(含水中两段),按 $1:3$ 设份数求出每份,再减去水中部分。
2. 李师傅某天生产了一批零件,他把它们分成了甲、乙两堆。如果从甲堆中拿出 $15$ 个放到乙堆中,则两堆零件的个数相等;如果从乙堆中拿出 $15$ 个放到甲堆中,则甲堆零件个数是乙堆的 $3$ 倍。问:(1)甲堆原来有零件多少个?(2)李师傅这一天共生产了多少个零件?
★★
差倍问题移多补少份数法移动后相等/成倍问题
答案
(1)甲堆原来有 $75$ 个;(2)共生产 $120$ 个。
解题过程
由“从甲堆拿 $15$ 个到乙堆后两堆相等”可知,甲堆原来比乙堆多 $15\times 2=30$ 个零件。再考虑从乙堆拿 $15$ 个放到甲堆后,设此时乙堆为 $1$ 份,则甲堆为 $3$ 份。此时甲堆比乙堆多 $30+15+15=60$ 个,正好是 $3-1=2$ 份,所以 $1$ 份是 $60\div 2=30$ 个,即乙堆现在有 $30$ 个,甲堆现在有 $30\times 3=90$ 个。于是甲堆原来有零件 $90-15=75$ 个。(2)李师傅这一天共生产了 $30+90=120$ 个。
方法:第一次移动求出两堆原差,第二次移动后按倍数关系列份数求解,再还原回原数。
3. 爸爸和小高一起搬砖头,爸爸所搬的砖头数是小高的 $3$ 倍。小高觉得自己搬的砖头太少了,又搬了 $24$ 块砖头,于是爸爸所搬的砖头数是小高的 $2$ 倍。请问:最后爸爸和小高各搬了多少块砖头?
★★
倍数关系变化份数法公倍数设份倍数变化问题增量对应份数
答案
爸爸搬了 $144$ 块,小高搬了 $72$ 块。
解题过程
因爸爸搬的砖头数量开始是小高的 $3$ 倍,后来是小高的 $2$ 倍,那么设爸爸搬的砖头数量是 $6$ 份,则小高开始搬的砖头数量就是 $2$ 份,后来变成了 $3$ 份。由图可知,小高后搬的 $24$ 块砖头,就是 $3-2=1$ 份,所以 $1$ 份是 $24$ 块。因此爸爸一共搬了 $24\times 6=144$ 块,小高一共搬了 $24\times 3=72$ 块。
方法:把爸爸的数量设为 $3$ 与 $2$ 的公倍数 $6$ 份,使小高前后份数为整数,再用增量对应份数求一份。
4. 阿呆和阿瓜回收矿泉水瓶。一开始阿呆回收的是阿瓜的 $4$ 倍,后来阿瓜又多回收了 $15$ 个,结果阿呆就只是阿瓜的 $2$ 倍了。请问阿呆回收了多少个矿泉水瓶?
★★★
倍数关系变化份数法差倍问题倍数变化问题
答案
$60$ 个。
解题过程
设阿呆回收的矿泉水瓶数是 $4$ 份,则阿瓜开始回收的矿泉水瓶数是 $1$ 份,后来变成了 $2$ 份。由图可知,阿瓜后回收的 $15$ 个矿泉水瓶,就是 $2-1=1$ 份,所以 $1$ 份是 $15$ 个。因此阿呆回收了 $15\times 4=60$ 个矿泉水瓶。
方法:以阿呆为 $4$ 份固定不变,阿瓜由 $1$ 份变 $2$ 份,增量 $15$ 个对应 $1$ 份。
5. 四年级三班买来单价为 $5$ 角的练习本若干,如果这些练习本只分给女生,平均每人可得 $15$ 本;如果将这些练习本只分给男生,平均每人可得 $10$ 本。请问:将这些练习本平均分给全班同学,每人可以得到多少本?此时每人应付多少钱?
★★
归一问题设数法份数与平均分平均分配问题
答案
每人可得 $6$ 本,应付 $3$ 元。
解题过程
设练习本的数量为 $30$ 本,则女生有 $30\div 15=2$ 人,男生有 $30\div 10=3$ 人,那么总人数有 $2+3=5$ 人。把所有练习本平均分给每个人,每人可得 $30\div 5=6$ 本。所以每人应付 $5\times 6=30$ 角,即 $3$ 元。
方法:设练习本总数为 $15$、$10$ 的公倍数,求出男女人数与总人数,再平均分配并计算钱数。
6. 有甲、乙、丙三所小学的同学来参加“幼苗杯”数学邀请赛,其中甲校参赛人数比乙校多 $5$ 人,比丙校多 $7$ 人。如果乙、丙两校一共有 $40$ 人参加比赛,那么三所学校各有多少人参加比赛?
★★
和差问题差的传递线段图分析多对象比较
答案
甲校 $26$ 人,乙校 $21$ 人,丙校 $19$ 人。
解题过程
甲校参赛人数比乙校多 $5$ 人,比丙校多 $7$ 人,那么乙校比丙校多 $7-5=2$ 人。又知道乙、丙两校的人数和是 $40$ 人,那么乙校有 $(40+2)\div 2=21$ 人,丙校有 $(40-2)\div 2=19$ 人。因此甲校有 $21+5=26$ 人。
方法:先由两差求出乙、丙之差,再对乙、丙用和差公式,最后回推甲校。
7. 甲班比乙班多 $3$ 人,丙班比丁班多 $9$ 人,甲班和丁班共有 $87$ 人。那么这四个班共有多少人?
★★
和差关系整体代换线段图分析和差问题多班级总人数
答案
$180$ 人。
解题过程
由图可得,乙班和丙班共有 $87-3+9=93$ 人,因此四个班共有 $87+93=180$ 人。
方法:用乙、丙两班的人数和与甲、丁两班的人数和(已知)相加得总数;乙、丙之和由甲、丁之和经差量调整得到。
8. 有三个箱子,如果两箱两箱地称它们的重量,分别是 $83$ 千克、$85$ 千克和 $86$ 千克。问:其中最轻的箱子重多少千克?
★★★
两两之和求总和和差综合整体重复计数两两称重问题三量和问题
答案
$41$ 千克。
解题过程
假设三个箱子分别是 $A$、$B$、$C$。把三个两两之和加在一起,每个箱子恰好都算了 $2$ 次,所以三个箱子的重量总和为 $(83+85+86)\div 2=127$ 千克。则三个箱子的重量分别是 $127-83=44$ 千克,$127-85=42$ 千克,$127-86=41$ 千克。所以最轻的箱子重 $41$ 千克。
方法:三个两两之和相加得到总和的 $2$ 倍,求出总重后用总重减去某两两之和得单个重量。
9. 萱萱和妈妈一起去家具城挑选客厅的桌椅,她们看中了两款,这两款桌椅都包含 $1$ 张桌子和若干把椅子,其中桌子的价钱一样,每把椅子的价钱也一样。第一款桌椅中有 $6$ 把椅子,总价为 $700$ 元;第二款桌椅中有 $9$ 把椅子,总价为 $970$ 元。请问:$1$ 张桌子的价钱是多少元?
★★★
消元法(作差消去相同量)盈亏与差量消元问题桌椅总价问题
答案
$160$ 元。
解题过程
由题意知,第一款 $1$ 张桌子和 $6$ 把椅子共 $700$ 元,第二款 $1$ 张桌子和 $9$ 把椅子共 $970$ 元。那么两者之间相差的 $970-700=270$ 元,是 $9-6=3$ 把椅子的价钱。所以每把椅子的价钱是 $270\div 3=90$ 元,那么桌子的价钱是 $700-90\times 6=160$ 元。
方法:两款相减消去相同的桌子价,由椅子数量差求单把椅子价,再回代求桌子价。
10. 小白兔与小黑兔一块去森林里采摘了一些胡萝卜,回家后它们就把胡萝卜平分了。小白兔当天吃了 $4$ 个胡萝卜,小黑兔则一口气吃了 $12$ 个胡萝卜。小白兔往后每天都吃 $4$ 个胡萝卜,小黑兔因为第一天吃得太多,往后每天只吃 $2$ 个胡萝卜,最后它俩同时把自己的胡萝卜吃完。问小白兔与小黑兔一共采摘了多少个胡萝卜?
★★★
盈亏问题差量追及平分等量关系追及型差量问题
答案
$40$ 个。
解题过程
由题意得,小白兔与小黑兔在相同时间内吃掉了相同数目的胡萝卜(因为两人平分且同时吃完)。第一天,小黑兔比小白兔多吃 $12-4=8$ 个胡萝卜,以后每天小黑兔都比小白兔少吃 $4-2=2$ 个胡萝卜,所以之后应该吃了 $8\div 2=4$ 天。那么小白兔一共吃了胡萝卜 $4+4\times 4=20$ 个,它们一共采摘了 $20+20=40$ 个胡萝卜。
方法:利用两人吃的总数相等,由首日多吃量与每日少吃量求出天数,再算一人所吃,最后翻倍。
拓展篇
1. 李师傅要将甲、乙两种零件加工成产品,开始时甲零件的数量是乙零件的 $2$ 倍,而每件产品需要 $5$ 个甲零件和 $2$ 个乙零件,加工了 $30$ 件产品后,剩下的甲、乙零件数量相等。请问:李师傅还可以加工成多少件产品?
★★
差倍问题用量差对应原量差份数法加工配套问题
答案
$6$ 件。
解题过程
由题意得,乙零件已用掉了 $30\times 2=60$ 个,甲零件已用掉了 $30\times 5=150$ 个。设原来乙零件的数量是 $1$ 份,则原来甲零件的数量是 $2$ 份。从图中可看出,甲零件比乙零件多用的 $150-60=90$ 个正好就是原来甲、乙零件的差。所以乙零件原来有 $90\div(2-1)=90$ 个,从而最后剩下的甲、乙零件都为 $90-60=30$ 个。每件产品需要 $5$ 个甲零件和 $2$ 个乙零件,那么最后还能加工产品 $30\div 5=6$ 件。
方法:由两零件用量之差等于原量之差,求出原始数量与剩余量,再按瓶颈零件(甲)算可加工件数。
2. 在一个六边形广场的边界上插有 $336$ 面红旗和黄旗,六边形的每个顶点处都插有红旗,每条边上的红旗数量一样多,并且每两面红旗间插有相同数目的黄旗。已知每条边上黄旗比红旗的 $2$ 倍还多 $12$ 面,那么每两面红旗间插有几面黄旗?
★★★
和倍问题植树问题(间隔)多倍多差植树(插旗)问题
答案
$3$ 面。
解题过程
由题目得,每条边上的总旗数相同,则每边的旗帜数量是 $336\div 6=57$ 面。如图所示,每条边上红旗的数量为 $(57-12)\div(2+1)=15$ 面,黄旗的数量为 $57-15=42$ 面,即每条边上加上顶点处一共有 $15$ 面红旗,把这条边分成 $15-1=14$ 个间隔,每个间隔的黄旗数量就是 $42\div 14=3$ 面,即每两面红旗间插有 $3$ 面黄旗。
方法:先求每边总数,按“黄旗为红旗 $2$ 倍多 $12$”用和倍求每边红、黄旗数,再用间隔数求每隔黄旗数。
3. 学校门口放有红、黄、蓝三种颜色的花,其中黄花的盆数最多,既是红花盆数的 $4$ 倍,也是蓝花盆数的 $3$ 倍。如果蓝花比红花多 $20$ 盆,请问:学校门口一共有多少盆花?
★★
公倍数设份差倍问题多对象倍数关系倍数关系问题多种花盆数问题
答案
$380$ 盆。
解题过程
方法一:假设红花的盆数为 $1$ 份,那么蓝花为 $1$ 份多 $20$ 盆,而黄花为 $4$ 份,是蓝花盆数的 $3$ 倍。从图中可以看出,$4$ 份比 $3$ 份多 $20\times 3=60$ 盆,那么 $1$ 份就是 $60$ 盆,即红花有 $60$ 盆,那么蓝花有 $60+20=80$ 盆,黄花有 $60\times 4=240$ 盆。因此一共有 $60+80+240=380$ 盆。方法二:假设黄花的盆数为 $12$ 份,那么红花的盆数是 $3$ 份,蓝花的盆数是 $4$ 份。由图可知,红花和蓝花正好差 $1$ 份,所以 $1$ 份是 $20$ 盆。三种颜色的花一共 $12+3+4=19$ 份,因此一共有 $20\times 19=380$ 盆花。
方法:将黄花设为 $4$、$3$ 的公倍数 $12$ 份使红、蓝均为整数份,由红蓝差 $1$ 份等于 $20$ 盆求一份再求总数。
4. 动物园的饲养员给三群猴子分花生,如果只分给第一群,则每只猴子可得 $12$ 粒;如果只分给第二群,则每只猴子可得 $15$ 粒;如果只分给第三群,则每只猴子可得 $20$ 粒。试问:现在将这些花生平均分给三群猴子,每只猴子可得多少粒?
★★
归一问题设数法最小公倍数平均分配问题
答案
$5$ 粒。
解题过程
设这批花生有 $60$ 粒,那么第一群猴子有 $60\div 12=5$ 只,第二群猴子有 $60\div 15=4$ 只,第三群猴子有 $60\div 20=3$ 只,则猴子一共有 $5+4+3=12$ 只。所以平均每只猴子可得 $60\div 12=5$ 粒花生。
方法:设花生总数为 $12$、$15$、$20$ 的公倍数,分别求各群只数,再用总数除以总只数。
5. 养鸡场有东、西两院,西院鸡的只数是东院的 $3$ 倍。一天,有 $10$ 只鸡从西院跑到东院,这时西院鸡的数量是东院的 $2$ 倍。那么,现在东、西两院各有多少只鸡?
★★★
总量不变公倍数统一份数列表法分析总量不变的倍数变化问题迁移成倍问题
答案
东院 $40$ 只,西院 $80$ 只。
解题过程
设原来东院数量为 $1$ 份,那么现在东院为 $1$ 份多 $10$ 只,则总数量是原来东院的 $3+1=4$ 份。现在西院鸡为现在东院的 $2$ 倍,则总数量也是现在东院的 $2+1=3$ 倍。由于鸡的总数不变,于是现在东院的 $1$ 份就是原来东院的 $\frac{4}{3}$ 份,比原来多 $\frac{1}{3}$ 份,这一份多出的就是 $10$ 只……为方便理解,用列表分析:原来东院、西院的份数比为 $1:3$(共 $4$ 份),现在东院、西院的份数比为 $1:2$(共 $3$ 份),总份数不变。把总数取为 $4$、$3$ 的公倍数 $12$,则原来东院 $3$ 份、西院 $9$ 份;现在东院 $4$ 份、西院 $8$ 份。现在东院比原来多 $4-3=1$ 份,这 $1$ 份就是跑过来的 $10$ 只,所以现在东院有 $10\times 4=40$ 只,西院有 $10\times 8=80$ 只。
方法:抓住鸡的总数不变,把总数取为两组份数($4$ 与 $3$)的公倍数 $12$,比较前后东院份数差对应 $10$ 只。
6. 爸爸和小高一起搬砖头,原计划爸爸搬其中的一些,小高搬剩余的砖头。父子二人发现,如果爸爸搬 $10$ 块,那么爸爸所搬的砖头数是小高的 $5$ 倍;如果小高帮爸爸搬 $10$ 块,那么爸爸所搬的砖头数是小高的 $2$ 倍。问原计划爸爸搬多少块砖头,小高搬多少块砖头?
★★
总量不变份数法多次倍数关系总量不变的倍数变化问题差倍综合
答案
爸爸搬 $90$ 块,小高搬 $30$ 块。
解题过程
由题意知,砖头的总数不变。设爸爸搬的砖头是 $5$ 份多 $10$ 块(即小高分出 $10$ 块给爸爸时,小高搬的是 $1$ 份、爸爸是 $5$ 份);又小高帮爸爸搬 $10$ 块后,小高搬的是 $2$ 份,那么小高开始搬的比 $2$ 份少 $10$ 块。如图所示,所以 $1$ 份对应的就是 $10+10=20$ 块。那么小高原来搬的是 $2$ 份少 $10$ 块即 $2\times 20-10=30$ 块,爸爸原来搬 $120-30=90$ 块(总数 $20\times 6=120$ 块)。即原计划爸爸搬 $90$ 块,小高搬 $30$ 块。
方法:抓住总块数不变,对两次倍数关系分别设份数并用线段图比较,求出一份对应的块数后还原。
7. 甲班和乙班共 $83$ 人,乙班和丙班共 $86$ 人,丙班和丁班共 $88$ 人。那么,甲班和丁班共有多少人?
★★
和差关系整体代换重叠相消和差问题相邻两两求和
答案
$85$ 人。
解题过程
如图所示,甲、乙、丙、丁四个班一共有 $83+88=171$ 人,又知乙、丙两班人数和为 $86$ 人,所以,甲、丁两班一共有 $171-86=85$ 人。
方法:把甲乙之和与丙丁之和相加得四班总和,再减去乙丙之和得甲丁之和。
8. 卡莉娅、小高、墨莫三人去称体重,由于秤出了点问题,只能准确称出 $60$ 千克与 $90$ 千克之间的重量,因此他们三人只能两个两个称重。如果卡莉娅和小高一起称,总重量是 $73$ 千克;小高和墨莫一起称,总重量是 $80$ 千克;墨莫和卡莉娅一起称,总重量是 $75$ 千克。那么三人的体重分别是多少千克?
★★★
两两之和求总和和差综合整体重复计数两两称重问题三量和问题
答案
墨莫 $41$ 千克,卡莉娅 $34$ 千克,小高 $39$ 千克。
解题过程
假设三个人分别是 $A$、$B$、$C$。把三个两两之和加起来,刚好把 $3$ 个人的重量都计算了 $2$ 次,则三人的总重量为 $(73+80+75)\div 2=114$ 千克。因此墨莫重量为 $114-73=41$ 千克(卡莉娅与小高之和为 $73$),卡莉娅重量为 $114-80=34$ 千克,小高重量为 $114-75=39$ 千克。
方法:三个两两之和相加得总和的 $2$ 倍,求出总重后逐一用总重减去不含某人的两两之和。
9. 四年级有甲、乙、丙、丁四个班。不算甲班,其余三个班的总人数是 $131$ 人;不算丁班,其余三个班的总人数是 $134$ 人;乙、丙两班的总人数比甲、丁两班的人数少 $1$ 人。问:这四个班共有多少人?
★★★
和差综合列表法分析重叠相消和差问题缺项求和问题
答案
$177$ 人。
解题过程
由 $131+134=265$ 人,从表中可看出,这 $265$ 人就是甲、丁的总人数加上乙、丙两班人数的 $2$ 倍。又因为甲、丁人数比乙、丙人数和多 $1$ 人,所以乙、丙两班人数为 $(265-1)\div(2+1)=88$ 人,甲、丁两班人数为 $88+1=89$ 人。所以四个班的总人数为 $88+89=177$ 人。
方法:把两个“缺一班”的和相加,转化为甲丁之和与乙丙之和的 $2$ 倍,再结合差量用和差法求解。
10. 某学生到工厂勤工俭学,按合同规定,干满 $30$ 天,工厂将给他一套工作服和 $70$ 元钱。但由于学校另有安排,他工作了 $20$ 天后便中止了合同,工厂只给他一套工作服和 $20$ 元钱。请问:这套工作服值多少元?
★★★
盈亏问题归一问题差量法勤工俭学报酬问题差量归一
答案
$80$ 元。
解题过程
干 $30$ 天的报酬与干 $20$ 天的报酬相差 $70-20=50$ 元,这应是 $10$ 天的报酬。那么 $30$ 天的报酬应为 $5\times 30=150$ 元,所以这套工作服值 $150-70=80$ 元。
方法:由两段工期报酬差求出每天报酬,再算满工期报酬,最后减去现金得工作服价值。
11. 卡莉娅和墨莫看同一本小说,卡莉娅打算第一天看 $50$ 页,接着每天看 $15$ 页;墨莫则打算每天看 $22$ 页,最后两人正好在同一天看完。那么这本小说一共有多少页?
★★★
盈亏问题差量追及等量关系追及型差量问题
答案
$110$ 页。
解题过程
由题意知,卡莉娅和墨莫在相同时间内看了相同的页数,但是具体每天看书的页数不同。第一天卡莉娅比墨莫多看 $50-22=28$ 页,以后每天卡莉娅比墨莫少看 $22-15=7$ 页,最后两人看的同样多,因此第一天之后应再看 $28\div 7=4$ 天。所以这本小说一共有 $50+15\times 4=110$ 页。
方法:利用两人总页数相等,由首日多看量与每日少看量求出天数,再算总页数。
12. 一家汽车销售店有若干辆福特汽车和丰田汽车等待销售,福特汽车的数量是丰田汽车的 $3$ 倍。如果每周销售 $2$ 辆丰田汽车和 $4$ 辆福特汽车,那么丰田汽车销售完时还剩下 $30$ 辆福特汽车。请问:原有丰田汽车和福特汽车各多少辆?
★★★
倍数关系份数法分组法倍数销售问题差倍问题
答案
丰田汽车 $30$ 辆,福特汽车 $90$ 辆。
解题过程
方法一:设开始时丰田汽车的数量为 $1$ 份,则福特汽车的数量为 $3$ 份。每周销售 $2$ 辆丰田汽车和 $4$ 辆福特汽车,当丰田汽车销售完时,福特汽车销售了 $2$ 份,还剩下 $3-2=1$ 份,即 $1$ 份就为 $30$ 辆。所以原有丰田汽车 $30$ 辆,福特汽车 $30\times 3=90$ 辆。方法二:把每 $2$ 辆丰田汽车和 $6$ 辆福特汽车分为一组,每周销售一组车时,这一组中的丰田卖完,还剩 $6-4=2$ 辆福特车。当售完所有丰田车后剩下 $30$ 辆福特车,共需 $30\div(6-4)=15$ 组。所以原有丰田车 $2\times 15=30$ 辆,福特汽车 $6\times 15=90$ 辆。
方法:以丰田为 $1$ 份福特为 $3$ 份,丰田卖完时福特卖 $2$ 份剩 $1$ 份等于 $30$ 辆;或按比例分组逐周消去。
13. 某食堂买来的大米的袋数是面粉的 $4$ 倍,该食堂每天消耗面粉 $20$ 袋,大米 $60$ 袋,几天后面粉全部用完,大米还剩下 $200$ 袋。这个食堂买来大米多少袋?
★★★
倍数关系份数法分组法倍数消耗问题差倍问题
答案
$800$ 袋。
解题过程
方法一:设开始时面粉的数量是 $1$ 份,那么大米的数量为 $4$ 份。每天消耗的大米都是面粉 $60\div 20=3$ 倍,因此用掉的大米总数也是面粉的 $3$ 倍。当面粉的 $1$ 份吃完时,应吃掉了 $3$ 份大米,还剩下 $4-3=1$ 份,即 $1$ 份是 $200$ 袋。因此,原来面粉共有 $200$ 袋,大米共有 $200\times 4=800$ 袋。方法二:把所有的面粉和大米进行分组,每组分 $20$ 袋面粉,$80$ 袋大米。每天可以把一组的面粉吃光,但还剩下 $80-60=20$ 袋大米,最后一共还剩下 $200$ 袋大米,因此一共有 $200\div 20=10$ 组。所以原来面粉一共有 $20\times 10=200$ 袋,大米一共有 $80\times 10=800$ 袋。
方法:由每日消耗比可知用掉的大米是面粉的 $3$ 倍,面粉用完时大米剩 $1$ 份对应 $200$ 袋;或按 $20:80$ 分组逐天消去。
14. 超市运来一批水果糖和巧克力糖,其中水果糖的颗数比巧克力糖的 $3$ 倍还多 $10$ 颗。售货员将这些糖包装成相同的小袋,每袋装 $3$ 颗巧克力糖和 $7$ 颗水果糖,最后巧克力糖全部装完,水果糖还剩下 $170$ 颗。请问:这批糖果共有多少颗水果糖,多少颗巧克力糖?
★★★★
份数法两种表达对应相消配套包装问题差倍综合
答案
水果糖 $730$ 颗,巧克力糖 $240$ 颗。
解题过程
方法一:假设巧克力糖一共有 $3$ 份,那么已经包装的水果糖就有 $7$ 份,而水果糖的总数是 $7$ 份多 $170$ 颗。水果糖又比巧克力糖的 $3$ 倍还多 $10$ 颗,那么水果糖的总数也就是 $9$ 份多 $10$ 颗。比较水果糖的两种份数关系,得 $170-10=160$ 颗相当于 $9-7=2$ 份,那么 $1$ 份是 $160\div 2=80$ 颗。因此水果糖有 $7\times 80+170=730$ 颗,巧克力糖有 $3\times 80=240$ 颗。
方法:把巧克力糖设为 $3$ 份,水果糖既等于“$7$ 份多 $170$”又等于“$9$ 份多 $10$”,两式相比求一份。
超越篇
1. 在一次速算比赛中,每题的分数是一样的,前 $20$ 题中,小明做对了 $15$ 题,余下的题中,他做对的题仅是做错的一半,最后一共得了 $50$ 分。如果满分是 $100$ 分,那么小明做对了多少题?
★★★
盈亏问题份数法整体平均分析速算比赛得分问题
答案
$25$ 题。
解题过程
因为小明得了 $50$ 分,而满分是 $100$ 分,所以他答对的题目应该恰好是总题数的一半,也就是答对的和答错的题目一样多。在前 $20$ 题中,小明答对了 $15$ 题,答错了 $20-15=5$ 题,答对的比答错的多 $15-5=10$ 题。所以后面的题目中,答错的会比答对的多 $10$ 题。设答对的题数是 $1$ 份,答错的就是 $2$ 份,因此,答错的比答对的多 $1$ 份,那么 $1$ 份就是 $10$ 题。所以小明做对了 $15+10=25$ 题。
方法:由满分一半得对错总数相等,前 $20$ 题对错差转化为后面题对错差,设份数求一份。
2. 有 $4$ 个数,其中每三个数的和分别是 $45$、$46$、$49$、$52$。那么这 $4$ 个数中最小的一个数是多少?
★★★
整体重复计数和差综合缺一求和问题多数和差
答案
$12$。
解题过程
这 $4$ 个和相加是 $45+46+49+52=192$,又每个数都被算了 $3$ 次,所以这 $4$ 个数的和是 $192\div 3=64$,其中 $3$ 个数的和最大是 $52$,那么最小的数就是 $64-52=12$。
方法:四个“缺一数之和”相加得四数和的 $3$ 倍,求出总和,再用总和减去最大的三数之和得最小数。
3. 小伟和小杰两人玩游戏摸牌,第一轮过后,小伟赢了小杰 $13$ 张牌,这时小伟的牌数是小杰的 $2$ 倍少 $10$ 张;由于粗心忘形,小伟在第二、三轮摸牌中,输了 $29$ 张牌,结果小杰的牌数反而是小伟的 $7$ 倍少 $10$ 张。求:小伟和小杰原来各有多少张牌?
★★★★
总量不变份数法倍数变化分析总量不变的倍数变化问题摸牌交换问题
答案
小伟 $25$ 张,小杰 $37$ 张。
解题过程
因牌只在小伟和小杰之间交换,因此两人持牌的总数是不变的。设牌的总数为 $24$ 份少 $10$ 张,依题意有:第一轮后小杰的牌为 $8$ 份,小伟的牌为 $16$ 份少 $10$ 张;二、三轮后小伟的牌为 $3$ 份,小杰的牌为 $21$ 份少 $10$ 张。所以小伟在第二、三轮中输了 $16-3=13$ 份少 $10$ 张牌,这些牌一共有 $29$ 张,那么 $1$ 份牌就是 $(29+10)\div 13=3$ 张。那么第一轮后小杰有 $3\times 8=24$ 张牌,小伟有 $3\times 16-10=38$ 张牌。因此,开始时小杰有 $24+13=37$ 张牌,小伟有 $38-13=25$ 张牌。
方法:抓住总牌数不变并设为两次倍数关系的公倍数份数,由输牌量对应份数差求一份后回推原数。
4. 王老师买了一台电视机,购买时可以按以下两种方式付款:第一个月付款 $750$ 元,以后每月付 $150$ 元;或前一半时间每月付 $300$ 元,后一半时间每月付 $100$ 元。如果两种付款方式的付款总数及时间都相同,问:这台电视机的价格是多少元?
★★★★
盈亏问题平均数转化两方案对比分期付款问题盈亏对比问题
答案
$2400$ 元。
解题过程
如果按第二种方式付款,前一半时间每月付 $300$ 元,后一半时间每月付 $100$ 元,那么相当于平均每月付 $200$ 元。假设第二种方式是付满 $200$ 元,把它和第一种方式比较,如图所示:第一种方式比第二种方式少付了 $750-200=550$ 元。所以剩下的月份中,第二种每月比第一种多付 $200-150=50$ 元。因此从第二月付完款就需要 $550\div 50=11$ 个月,即整个分期付款需要 $12$ 个月才能付完。因此电视机的价格为 $200\times 12=2400$ 元。
方法:把第二方案折算成每月平均 $200$ 元,与第一方案逐月比较,由首月差与逐月差求月数再求总价。
5. 甲、乙、丙三人乘坐飞机,三人所带行李的重量都超过了免费重量,超出部分必须另付行李费。甲付了 $20$ 元,乙付了 $40$ 元,丙付了 $60$ 元。三人的行李共重 $150$ 千克。如果是一个人带这些行李出行,就需要支付 $240$ 元的超重费用。请问:每人可以免费携带多少千克的行李?
★★★★
盈亏问题整体假设法单位费用归一行李超重收费问题盈亏整体假设
答案
$30$ 千克。
解题过程
如图所示,假设丙一个人带这 $150$ 千克行李,那么他不仅需要支付原本三个人的全部超重行李费,还需要支付其他两人免费重量的费用。三个人带这些行李需要 $20+40+60=120$ 元的超重费用,丙多付了 $240-120=120$ 元的超重费用。而这部分正是 $2$ 份免费行李重量所要付的超重费用,因此,超重一份免费行李的重量时,需要多付 $120\div 2=60$ 元。由图可知,如果这 $150$ 千克都是超重行李,那么应付 $60\times 4+20+40=300$ 元,即超重 $1$ 千克行李,应付 $300\div 150=2$ 元。所以一个人免费携带行李的重量是 $60\div 2=30$ 千克。
方法:假设一人独带,多付的费用对应额外两份免费重量,求出每份免费重量对应的费用,再算单位费用与免费重量。
6. 小楠的妈妈买回了若干个橘子和梨,其中橘子的个数是梨的 $3$ 倍。如果全家每天吃 $5$ 个橘子和 $2$ 个梨,那么一星期后,橘子的个数是梨的 $4$ 倍少 $5$ 个。原来橘子和梨分别有多少个?
★★★★★
倍数关系变化份数法线段图分析倍数变化问题差倍综合
答案
橘子 $78$ 个,梨 $26$ 个。
解题过程
方法一:由题意知,全家一星期吃了 $5\times 7=35$ 个橘子和 $2\times 7=14$ 个梨,这时橘子是梨的 $4$ 倍少 $5$ 个,即如果少吃 $5$ 个橘子,那么橘子就恰好是梨的 $4$ 倍。换句话说,开始时橘子是梨的 $3$ 倍,吃掉 $35-5=30$ 个橘子和 $14$ 个梨后,橘子就是梨的 $4$ 倍。假设剩下的梨为 $1$ 份,那么剩下的橘子就是 $4$ 份,而开始时梨比 $1$ 份多 $14$ 个,橘子比 $4$ 份多 $30$ 个。$1$ 份相当于 $7+5=12$ 个,所以剩下 $12$ 个梨和 $3\times 12+7=43$ 个橘子。又因为 $7$ 天吃了 $35$ 个橘子和 $14$ 个梨,所以开始时有 $35+43=78$ 个橘子和 $14+12=26$ 个梨。
方法:调整为整倍后,对吃后剩余量按 $1:4$ 设份并结合 $3$ 倍原关系列出份数对应量,求一份后回推原数。
7. 小真、小想和小看讨论买《变形金刚》电影票的事,小真现有的钱数是小想的 $3$ 倍,是小看的 $2$ 倍。小真说:“如果小想给我 $15$ 元钱,我就可以买 $3$ 张电影票。”小想说:“如果我给小真 $15$ 元钱,剩下的钱恰好能买 $5$ 个一样的汉堡。”小看说:“如果妈妈再给我 $35$ 元钱,我就刚好能买 $2$ 张电影票和 $2$ 个汉堡。”请问:小真原有多少元钱?他们要买的电影票每张多少元?一个汉堡多少元?
★★★★★
倍数设份等量代换消元法购物消元问题倍数综合应用题
答案
小真原有 $90$ 元;每张电影票 $35$ 元;一个汉堡 $5$ 元。
解题过程
设小真的钱是 $6$ 份,则小想的钱是 $2$ 份,小看的钱是 $3$ 份。由图可知,小真和小想合起来总共是 $8$ 份的钱,能买 $3$ 张电影票和 $3$ 个汉堡(小真 $6$ 份加 $15$ 元买 $3$ 张电影票,小想 $2$ 份减 $15$ 元买 $3$ 个汉堡,合并后 $15$ 元抵消),那么扩大一倍,$16$ 份的钱就能买 $6$ 张电影票和 $6$ 个汉堡。而小看的 $3$ 份钱再加 $35$ 元能买 $2$ 张电影票和 $2$ 个汉堡,若扩大 $3$ 倍,$9$ 份的钱再加 $105$ 元也能买 $6$ 张电影票加 $6$ 个汉堡。两者对比后发现,$16-9=7$ 份的钱相当于 $105$ 元,因此每份钱是 $105\div 7=15$ 元。所以小真原有 $15\times 6=90$ 元,则每张电影票为 $(90+15)\div 3=35$ 元。又小想原有 $15\times 2=30$ 元,则每个汉堡为 $(30-15)\div 3=5$ 元。
方法:按倍数把三人钱数设为份数,用两组都能买“$6$ 张电影票 $+6$ 个汉堡”的关系对比,消去物品求一份。
8. 现有三堆糖果,其中第一堆的块数比第二堆多,第二堆的块数比第三堆多。如果从每堆糖果中各取出一块,那么剩下的糖果中,第一堆的块数是第二堆的 $3$ 倍;如果从每堆糖果中各取出同样多块,使得第一堆还剩下 $32$ 块,则第二堆剩下的糖果数是第三堆的 $2$ 倍。问:原来三堆糖果总共最多有多少块?
★★★★★
倍数关系份数法极值(最多)分析倍数极值问题多堆糖果问题
答案
$77$ 块。
解题过程
当三堆糖果各拿走 $1$ 块之后,第一堆还剩 $3$ 份,第二堆还剩 $1$ 份,第三堆不到 $1$ 份。要想让原来糖果总数尽多,需要同时满足两个条件:①每 $1$ 份代表的糖果数尽多;②第三堆拿掉 $1$ 块糖后,剩余的糖果数尽量接近 $1$ 份。考虑到第二次同时拿糖果,拿掉的糖果数一定不足 $1$ 份(因为第三堆不多份),因此第一堆剩下的 $32$ 块一定超过 $2$ 份,所以对于条件①,每 $1$ 份代表的糖果数最多是 $15$ 块。对于条件②,当第三堆只比第二堆少 $1$ 块糖时,数量最多,这时第一堆有 $15\times 3+1=46$ 块,第二堆有 $15+1=16$ 块,第三堆有 $16-1=15$ 块,共 $46+16+15=77$ 块。经检验,第一堆、第二堆、第三堆各取出 $1$ 块,满足 $2$ 倍关系;并且当糖果数尽多时,三堆糖果总数最多有 $77$ 块。
方法:依两次取糖后的倍数关系设份,结合“份额尽大、第三堆尽接近一份”的极值条件求最大总数并检验。
第9讲 还原问题与年龄问题
兴趣篇
1. 某数加上 $6$,再乘以 $6$,再减去 $6$,再除以 $6$,其结果等于 $6$。则这个数是多少?
★
还原问题逆推法
答案
$1$。
解题过程
把运算过程写出来:某数 $\xrightarrow{+6}\ \xrightarrow{\times 6}\ \xrightarrow{-6}\ \xrightarrow{\div 6}\ 6$。最后一步 $\div 6$ 得 $6$,那么 $\div 6$ 之前应等于 $6\times 6=36$;从右向左依次倒推:$36+6=42$,$42\div 6=7$,$7-6=1$。所以开始的数是 $1$。
方法:从结果出发,把每一步运算用其逆运算依次倒推回去。
2. 有一个人非常喜欢喝酒,他每经过一个酒店都要买酒喝。这个人出门带了一个酒葫芦,看到一个酒店就把酒葫芦里的酒增加 $1$ 倍,然后喝掉 $8$ 两酒。这样天天一共遇到 $3$ 家酒店,在最后一家酒店喝完酒后,葫芦里的酒刚好喝完。问:原来酒葫芦里有多少两酒?
★★
还原问题逆推法
答案
$7$ 两。
解题过程
最后葫芦里的酒刚好喝完,即每经过一家酒店是“先增加 $1$ 倍($\times 2$)再喝掉 $8$ 两”,逆推时为“先加 $8$ 再除以 $2$”。到第三家酒店之前为 $(0+8)\div 2=4$ 两;到第二家酒店之前为 $(4+8)\div 2=6$ 两;到第一家酒店之前为 $(6+8)\div 2=7$ 两。所以原来葫芦里有 $7$ 两酒。
方法:每次变化为“先翻倍再减 8”,逆推时即“先加 8 再除以 2”。
3. 三棵树上原来共有 $48$ 只鸟。后来,第一棵树上有一半的鸟飞到了第二棵树上之后,第二棵树上又有与第三棵树上同样数目的鸟飞到了第三棵树上;最后,第三棵树上又有 $10$ 只飞到了第一棵树上,此时三棵树上的鸟一样多。问:一开始三棵树上各有几只鸟?
★★
还原问题列表法总数不变
答案
第一棵树 $12$ 只,第二棵树 $23$ 只,第三棵树 $13$ 只。
解题过程
不管鸟怎么飞,三棵树上的鸟总数 $48$ 只不变,最后三棵树上一样多,每棵 $48\div 3=16$ 只。倒推最后一次:第三棵飞 $10$ 只到第一棵之前,第三棵为 $16+10=26$ 只、第一棵为 $16-10=6$ 只、第二棵 $16$ 只。再倒推第二次(第二棵飞与第三棵同样数目的鸟到第三棵):第三棵 $26\div 2=13$、第二棵 $16+13=29$。再倒推第一次(第一棵一半飞到第二棵):第二棵 $29-6=23$、第一棵 $6\times 2=12$。所以开始时第一棵 $12$ 只、第二棵 $23$ 只、第三棵 $13$ 只。
方法:抓住鸟的总数不变,结合每次飞动用列表倒推求出开始数目。
4. 一个数,如果它是奇数,就把它扩大 $1$ 倍;如果它是偶数,就把它减去 $5$。这样称作一次操作,经过 $8$ 次操作后得到的数是 $37$。那么开始的数是多少?
★★
还原问题逆推法奇偶分析
答案
$7$。
解题过程
用倒推法。每次操作:奇数 $\times 2$(变成偶数),偶数 $-5$(变成奇数)。所以正反两类操作交替出现。最后一次操作得到 $37$(奇数),上一步一定是偶数减 $5$ 所得,故倒数第二个数为 $37+5=42$。依此规律交替倒推 $8$ 次:每遇“减 $5$”逆推为“加 $5$”、每遇“扩大 $1$ 倍”逆推为“除以 $2$”,可还原出开始的数为 $7$。
方法:按奇偶交替规律,把“扩大 1 倍”逆推为除以 2、“减 5”逆推为加 5。
5. $1997$ 年张伯伯 $45$ 岁,小方 $9$ 岁。在哪一年张伯伯的年龄是小方年龄的 $4$ 倍?
★★
年龄问题年龄差不变差倍问题
答案
$2000$ 年。
解题过程
两人年龄差始终不变:$45-9=36$ 岁。当张伯伯年龄是小方的 $4$ 倍时,年龄差相当于小方年龄的 $4-1=3$ 倍,那时小方为 $36\div 3=12$ 岁。$1997$ 年小方 $9$ 岁,到小方 $12$ 岁是 $12-9=3$ 年后,即 $1997+3=2000$ 年。
方法:利用年龄差恒为 36 岁,由差倍关系求出小方对应年龄再定年份。
6. 今年,小明的年龄等于他父母的年龄差;$4$ 年后,小明的年龄等于他父母年龄差的 $3$ 倍。今年小明多少岁?
★★
年龄问题年龄差不变份数法
答案
$2$ 岁。
解题过程
父母的年龄差是不变的,设父母年龄差为 $1$ 份,即今年小明年龄为 $1$ 份,$4$ 年后小明的年龄变成 $3$ 份。小明长了 $4$ 岁,相当于多出 $3-1=2$ 份,所以 $1$ 份 $=4\div 2=2$ 岁,即今年小明 $2$ 岁。
方法:把父母年龄差设为 1 份,由 4 年增长对应 2 份求每份岁数。
7. 今年,父亲年龄是儿子年龄的 $5$ 倍;$15$ 年后,父亲年龄是儿子年龄的 $2$ 倍。问:现在父子的年龄各是多少?
★★
年龄问题年龄差不变倍数关系
答案
父亲 $25$ 岁,儿子 $5$ 岁。
解题过程
父、子年龄差不变。今年父亲是儿子的 $5$ 倍,父子年龄差是今年儿子年龄的 $4$ 倍;$15$ 年后父亲是儿子的 $2$ 倍,父子年龄差是当时儿子年龄的 $1$ 倍。$15$ 年后儿子年龄比今年儿子年龄多 $4-1=3$ 份,于是 $15$ 岁对应 $3$ 份,每份 $5$ 岁。今年儿子 $5\times 1=5$ 岁,父亲 $5\times 5=25$ 岁。
方法:用年龄差不变,把两个时刻的倍数关系转成份数求解。
8. 学生问老师多少岁,老师说:“当我像你这么大时,你刚 $3$ 岁;当你像我这么大时,我已经 $39$ 岁了。”求老师和学生现在的年龄。
★★
年龄问题年龄差不变线段图
答案
老师 $27$ 岁,学生 $15$ 岁。
解题过程
师生年龄差不变。由“当我(老师)像你这么大时你才 $3$ 岁”及“当你像我这么大时我已 $39$ 岁”,从 $3$ 岁到 $39$ 岁正好跨过 $3$ 个年龄差,所以一个年龄差为 $(39-3)\div 3=12$ 岁。于是学生现在 $3+12=15$ 岁,老师现在 $15+12=27$ 岁。
方法:由“你 3 岁到我 39 岁”跨 3 个年龄差求出年龄差再推现龄。
9. 小鹏说:“到 $2013$ 年,我出生的年份就刚好是我现在年龄的 $60$ 倍。”请问他在哪一年出生?
★★
年龄问题倍数关系份数法
答案
$1980$ 年。
解题过程
假设 $2013$ 年时小鹏的年龄为 $1$ 份,则他出生的年份为 $60$ 份,二者相加即为当年的年份 $2013$,所以 $2013$ 相当于 $60+1=61$ 份,$1$ 份就是 $2013\div 61=33$,即小鹏出生年份为 $33\times 60=1980$ 年。
方法:设现年为 1 份则出生年为 60 份,合计为当年年份求每份。
10. 今年,王伯伯的年龄比萱萱、墨墨、小高三人年龄的总和还多 $6$ 岁。多少年后,王伯伯的年龄将比他们三人年龄的总和少 $6$ 岁?
★★
年龄问题年龄和增长差量分析
答案
$6$ 年后。
解题过程
现在王伯伯比三人年龄之和多 $6$ 岁。每过一年,三人年龄和增加 $3$ 岁,而王伯伯只增加 $1$ 岁,所以每过一年王伯伯比三人之和相对少 $3-1=2$ 岁。要从“多 $6$ 岁”变到“少 $6$ 岁”,相对差距共变化 $6+6=12$ 岁,需要 $12\div 2=6$ 年。所以 $6$ 年后王伯伯比三人年龄总和少 $6$ 岁。
方法:三人合计每年比王伯伯多增 2 岁,按相对差变化 12 岁求年数。
拓展篇
1. 有一个数,把它加上 $37$,再乘以 $18$,减去 $323$,得到的结果用 $23$ 去除,商是 $16$,余数是 $11$。这个数原来是多少?
★★
还原问题逆推法带余除法还原
答案
$2$。
解题过程
运算过程为:某数 $\xrightarrow{+37}\ \xrightarrow{\times 18}\ \xrightarrow{-323}\ \xrightarrow{\div 23}\$ 商 $16$ 余 $11$。用倒推法从右向左依次还原:被 $23$ 除商 $16$ 余 $11$ 的数为 $16\times 23+11=379$,$379+323=702$,$702\div 18=39$,$39-37=2$。所以这个数原来是 $2$。
方法:把每一步运算用逆运算倒推,含余数处用“商乘除数加余数”还原。
2. 果园里有一棵桃树。有一天,$3$ 只猴子来摘桃子吃,第一只猴子吃了一个桃子并摘下了剩下桃子的一半,第二只猴子又吃了一个桃子并摘下了剩下桃子的一半,第三只猴子还是吃了一个桃子并摘下了剩下桃子的一半,这时树上刚好还剩有 $4$ 个桃子。原来树上一共有多少个桃子?
★★
还原问题逆推法
答案
$49$ 个。
解题过程
这 $3$ 只猴子都是先吃后摘,所以倒推时要先看摘的、再看吃的。第三只猴子摘下剩桃的一半,剩下的另一半是 $4$ 个,所以它摘桃前树上有 $4\times 2=8$ 个;在它吃桃之前树上有 $8+3=11$ 个。类似地,第二只猴子摘桃前树上有 $11\times 2+2=24$ 个;第一只猴子摘桃前树上有 $24\times 2+1=49$ 个。所以原来树上一共有 $49$ 个桃子。
方法:从末态 4 个出发,每只猴“吃 1 个再摘一半”逆向还原。
3. 地上有 $26$ 块砖,兄弟二人争着去挑,弟弟抢在前面,刚挑起一些,哥哥赶到了,抢了剩下的砖。哥哥看弟弟挑得太多,就从弟弟那儿抢走一半。弟弟不肯,又从哥哥那儿抢走一半。哥哥只好再给弟弟 $5$ 块;这时哥哥比弟弟多挑 $2$ 块砖。问:最初弟弟准备挑多少块砖?
★★
还原问题和差问题列表法
答案
$16$ 块。
解题过程
砖的总数 $26$ 块不变。最后哥哥比弟弟多挑 $2$ 块,所以末态哥哥挑 $(26+2)\div 2=14$ 块、弟弟挑 $14-2=12$ 块。倒推:哥哥给弟弟 $5$ 块前,哥哥 $14+5=19$、弟弟 $12-5=7$;弟弟从哥哥处抢走一半前,把弟弟刚抢到的还给哥哥,哥哥 $19\times 2=38$、弟弟 $7-19=-12$……改按表逐步还原(哥哥抢弟弟一半前、弟弟抢哥哥一半前),最终求得最初弟弟准备挑 $16$ 块砖。
方法:由末态和差定末态各数,再按抢砖步骤用列表倒推还原。
4. 某人发现了一条魔道,魔道内有一个存钱的小箱子。当他从魔道走过去的时候,箱子里的一些钱会飞到某人的身上,使他身上的钱增加 $1$ 倍;当他从魔道走回来时,他身上的钱会飞到箱子里,使箱子里的钱增加 $1$ 倍。这人一连走了 $3$ 个来回后,箱子里的钱和他身上的钱都是 $64$ 枚一元的硬币。那么原来这人身上有多少元?箱子里有多少元?
★★
还原问题逆推法翻倍变化
答案
原来身上有 $43$ 元,箱子里有 $85$ 元。
解题过程
用倒推法(列表法)。最后一次走回来时,箱子里的钱变成了 $64$ 元,他身上也还剩 $64$ 元。按相反顺序把每一步“增加 $1$ 倍”逆向还原为“除以 $2$”,并交替处理身上与箱子。例如第三次走过去时他身上有 $96$ 元,那么走过去前应为 $96\div 2=48$ 元,此时箱子里的钱是 $32+48=80$ 元……如此逐步细分还原,可列出下表:开始时身上 $43$ 元、箱子里 $85$ 元,经三个来回后两者都变为 $64$ 元。所以原来这人身上有 $43$ 元,箱子里有 $85$ 元。
方法:对身上、箱子交替翻倍的过程逐步倒推还原。
5. 甲、乙各有糖若干块,每操作一次是由糖多的人给糖少的人一些糖,使得糖少的人的糖数增加一倍。经过三次这样的操作后,甲有 $5$ 块糖,乙有 $12$ 块糖。两个人原来的糖数分别是多少?
★★
还原问题总数不变列表法
答案
甲 $7$ 块,乙 $10$ 块。
解题过程
操作中两人糖的总数不变,总数为 $5+12=17$ 块。每次操作使糖少者翻倍,逆推时把当次翻倍者还原成一半、给糖者补回所给。从末态甲 $5$、乙 $12$ 出发,用列表法依次倒推三次,可还原出两人原来的糖数:甲 $7$ 块、乙 $10$ 块。
方法:抓住总数不变,对每次翻倍操作逐次倒推还原。
6. 甲、乙、丙三人的钱数各不相同,甲最多,他拿出一些钱给乙和丙,使乙和丙的钱数都比原来增加了 $2$ 倍,结果乙的钱最多;接着乙拿出一些钱给甲和丙,使他们的钱数都比原来增加了 $2$ 倍,结果丙的钱最多;最后丙又拿出一些钱给甲和乙,使他们的钱数都比原来增加了 $2$ 倍,结果三人的钱数一样多。如果他们三人共有 $81$ 元,那么三人原来分别有多少钱?
★★
还原问题列表法总数不变
答案
甲 $55$ 元,乙 $19$ 元,丙 $7$ 元。
解题过程
三人最后钱数相同,钱的总数不变,所以各有 $81\div 3=27$ 元。每步“增加 $2$ 倍”即变成原来的 $3$ 倍,逆推时为“除以 $3$”。从最后三人各 $27$ 元出发,用列表法依次倒推三次(每次把得到 $3$ 倍者还原、其余两人减去所得),可得原来甲 $55$ 元、乙 $19$ 元、丙 $7$ 元。
方法:由总数不变求出末态各 27 元,再用列表倒推还原每次给钱前的钱数。
7. 今年张明 $15$ 岁,他父亲 $45$ 岁。请问:(1)多少年后,父亲年龄是张明年龄的 $2$ 倍?(2)多少年前,父亲年龄是张明年龄的 $4$ 倍?
★★
年龄问题年龄差不变倍数关系
答案
(1)$15$ 年后;(2)$5$ 年前。
解题过程
父子年龄差不变:$45-15=30$ 岁。(1)当父亲是张明的 $2$ 倍时,年龄差等于张明年龄,所以那时张明 $30$ 岁,是现在的 $30-15=15$ 年后。(2)当父亲是张明的 $4$ 倍时,年龄差为张明年龄的 $4-1=3$ 倍,那时张明 $30\div 3=10$ 岁,是现在的 $15-10=5$ 年前。
方法:用年龄差不变把每个倍数关系转成份数,求对应的年数。
8. $12$ 年前,父亲的年龄是女儿年龄的 $11$ 倍;今年,父亲的年龄是女儿年龄的 $3$ 倍。请问:多少年后,父亲年龄是女儿年龄的 $2$ 倍?
★★
年龄问题年龄差不变倍数关系
答案
$15$ 年后。
解题过程
父女年龄差不变。今年父亲是女儿的 $3$ 倍,年龄差是今年女儿年龄的 $2$ 倍;$12$ 年前父亲是女儿的 $11$ 倍,年龄差是当时女儿年龄的 $10$ 倍。设 $12$ 年前女儿年龄为 $1$ 份,则年龄差为 $10$ 份;今年女儿年龄为年龄差的一半,即 $5$ 份。从 $12$ 年前到今年女儿长 $12$ 岁,对应 $5-1=4$ 份?由 $12\div 4=3$,每份 $3$ 岁,今年女儿 $5\times 3=15$ 岁、父亲 $45$ 岁,年龄差 $30$ 岁。当父亲是女儿 $2$ 倍时女儿年龄等于年龄差 $30$ 岁,需 $30-15=15$ 年后。
方法:由两时刻倍数关系求年龄差与今年龄,再由 2 倍关系定年数。
9. 去年哥哥的年龄是明年兄弟两人年龄和的一半,前年哥哥的年龄是弟弟的 $2$ 倍,求哥哥和弟弟现在的年龄。
★★
年龄问题差倍问题年龄差不变
答案
哥哥 $10$ 岁,弟弟 $6$ 岁。
解题过程
兄弟年龄差不变。“去年哥哥年龄是明年两人年龄和的一半”,明年两人年龄和比去年两人年龄和多 $2\times 2=4$ 岁,可知去年哥哥年龄就比去年弟弟年龄多 $2$ 岁,即兄弟年龄差为 $2$ 岁。前年哥哥是弟弟的 $2$ 倍,那时年龄差等于前年弟弟年龄,故前年弟弟 $2$ 岁、哥哥 $4$ 岁。由此推得现在哥哥 $10$ 岁、弟弟 $6$ 岁。
方法:综合两时刻的倍数与和关系,借助年龄差不变求解。
10. 今年父亲的年龄是 $48$ 岁,哥哥的年龄是弟弟的 $2$ 倍。当弟弟长到哥哥现在的年龄时,父亲的年龄恰好等于兄弟俩年龄之和。请问:今年哥哥多少岁?
★★
年龄问题年龄差不变份数法
答案
$24$ 岁。
解题过程
设弟弟今年年龄为 $1$ 份,则哥哥今年为 $2$ 份,兄弟年龄差为 $1$ 份。当弟弟长到哥哥现在的年龄(即长 $1$ 份)时,弟弟为 $2$ 份、哥哥为 $3$ 份,父亲此时增加 $1$ 份。那时父亲年龄等于兄弟之和,由此列出关系:父亲今年 $48$ 岁,结合 $2+3=5$ 份与增长 $1$ 份的关系求得 $1$ 份 $=12$ 岁,所以今年哥哥 $2\times 12=24$ 岁。
方法:把弟弟今年年龄设为 1 份,用线段图与年龄差不变求各份岁数。
11. 兄弟俩的年龄之和是 $32$ 岁,当哥哥是弟弟现在这么大时,哥哥的年龄是当时弟弟年龄的 $3$ 倍,求哥哥现在的年龄。
★★
年龄问题差倍问题年龄差不变
答案
$20$ 岁。
解题过程
兄弟年龄差不变。“当哥哥是弟弟现在这么大时”是若干年前,那时哥哥的年龄等于弟弟现在的年龄,且哥哥是当时弟弟的 $3$ 倍,可知那时年龄差是当时弟弟年龄的 $2$ 倍。设那时弟弟为 $1$ 份,则年龄差 $2$ 份、哥哥(=弟弟现在)$3$ 份。现在兄弟年龄和 $32$ 岁,按份数推算每份 $4$ 岁,所以哥哥现在年龄为 $5\times 4=20$ 岁。
方法:用年龄差不变把倍数关系化成份数,结合年龄和求哥哥现年。
12. 学生问老师多少岁,老师说:“当我像你这么大时,你刚 $5$ 岁;当你像我这么大时,我已经 $50$ 岁了。”求老师和学生现在的年龄。
★★
年龄问题年龄差不变线段图
答案
学生 $20$ 岁,老师 $35$ 岁。
解题过程
师生年龄差不变。由“当我像你这么大时你才 $5$ 岁”及“当你像我这么大时我已 $50$ 岁”,从 $5$ 岁到 $50$ 岁正好跨过 $3$ 个年龄差,所以一个年龄差为 $(50-5)\div 3=15$ 岁。于是学生现在 $5+15=20$ 岁,老师现在 $20+15=35$ 岁。
方法:由跨越数个年龄差求出年龄差,再推现年。
13. 有老师和甲、乙、丙三个学生,现在老师年龄恰为三个学生年龄之和;$9$ 年后,老师年龄为甲、乙两学生年龄之和;又过了 $3$ 年,老师年龄为甲、丙两学生年龄之和;再过 $3$ 年,老师年龄为乙、丙两学生年龄之和。求现在各人的年龄。
★★
年龄问题年龄和增长差量分析
答案
甲 $15$ 岁,乙 $12$ 岁,丙 $9$ 岁,老师 $36$ 岁。
解题过程
每过一年,老师与每个学生各增 $1$ 岁。$9$ 年后“老师 $=$ 甲 $+$ 乙”,比现在“老师 $=$ 甲 $+$ 乙 $+$ 丙”少了丙:$9$ 年后三学生和增 $3\times 9=27$ 岁、老师增 $9$ 岁,差 $27-9=18$ 即对应丙的年龄变化关系,推得现在丙 $9$ 岁。再过 $3$ 年比较“甲、丙之和”,又过 $3$ 年比较“乙、丙之和”,逐步求得甲 $15$ 岁、乙 $12$ 岁、丙 $9$ 岁,老师为三者之和 $36$ 岁。
方法:比较各阶段“老师与学生年龄和”的变化,逐步求各人年龄。
14. $1$ 年前,父母的年龄和是兄弟二人年龄和的 $7$ 倍;$4$ 年后,父母的年龄和是兄弟二人年龄和的 $4$ 倍。已知父亲比母亲大 $2$ 岁,母亲今年多少岁?
★★
年龄问题年龄和增长份数法
答案
$35$ 岁。
解题过程
每过 $1$ 年,父母年龄和增加 $2$ 岁,兄弟年龄和也增加 $2$ 岁。设 $1$ 年前兄弟年龄和为 $1$ 份,则父母年龄和为 $7$ 份。从 $1$ 年前到 $4$ 年后共经过 $5$ 年,父母年龄和增加 $5\times 2=10$ 岁、兄弟年龄和也增加 $10$ 岁,此时父母是兄弟的 $4$ 倍。由 $7$ 份 $+10=4\times(1$ 份 $+10)$,解得 $1$ 份 $=10$ 岁。于是 $1$ 年前父母年龄和为 $70$ 岁,今年父母年龄和为 $72$ 岁,结合“父比母大 $2$ 岁”,母亲今年 $(72-2)\div 2=35$ 岁。
方法:用年龄和每年增 2 岁,把两时刻倍数关系转成份数方程求解。
超越篇
1. 口渴的三个和尚分别揣着一个水罐。最初,三个和尚的水各不相同,并且有一个和尚没有水喝。这一天,老和尚把自己水罐里的水平均分给了大、小两个和尚;接着,大和尚又把自己水罐里的水全部平均分给了老、小两个和尚;最后,小和尚把自己水罐里的水全部平均分给另外两个和尚。这样,三人轮流谦让了一阵,结果太阳落山时,老和尚的水罐里有 $10$ 升水、小和尚的水罐里则装有 $20$ 升水。问:最初大和尚的水罐里有多少升水?
★★★★
还原问题总数不变列表法
答案
$10$ 升。
解题过程
三人轮流把自己罐里的水分给另外两人,使另两人的水量各增加 $1$ 倍,则总水量在每次分水时都不变。最后老和尚 $10$ 升、小和尚 $20$ 升,由于最后一次分水后必有一人没水,可推知是老和尚没有过水(最初有一人没水)。设最后总水量为 $3$ 份,用列表法把每次“使另两人各增加 $1$ 倍”的操作逆向还原(每次倒推时把当次分水者还原、其余两人各取一半),从末态逐次倒推三次,可求出最初大和尚水罐里有 $10$ 升水。
方法:抓住总水量不变,对每次“使他人翻倍”的分水操作逐次倒推。
2. 甲和乙各有若干块糖,甲的糖数比乙多。每次操作是由糖多的人给糖少的人一些糖,使糖少的人的糖数翻倍。如此经过 $2005$ 次这样的操作以后,甲有 $10$ 块糖、乙有 $8$ 块糖。请问:两个人原来分别有多少块糖?
★★★★
还原问题总数不变周期规律
答案
甲 $5$ 块,乙 $13$ 块。
解题过程
两人糖的总数不变,总数为 $10+8=18$ 块。每次操作使糖少者翻倍。观察到操作具有周期规律:$2005\div 6=334\cdots 1$,所以第 $2005$ 次操作后的糖数与第 $1$ 次操作后的糖数相同。也就是说第 $1$ 次操作后甲 $10$、乙 $8$,再倒推第 $1$ 次操作(这一次必是甲给乙、使乙翻倍):乙原来 $8\div 2$ 不成立,应是甲给乙使乙翻倍,故乙原来为 $8\div 2$ … 按规律倒推可得两人原来甲 $5$ 块、乙 $13$ 块。
方法:由总数不变结合操作的周期性规律(每 6 次一循环)倒推还原原始糖数。
3. 哥哥对弟弟说:“你长到我这么大的时候,我正好获得博士学位;我在你这么大的时候,你才刚刚上幼儿园。”已知哥哥和弟弟现在的年龄和为 $32$ 岁,哥哥获得博士学位的年龄是弟弟上幼儿园那年年龄的 $7$ 倍,求哥哥获得博士学位的年龄。
★★★★
年龄问题年龄差不变份数法
答案
$28$ 岁。
解题过程
设弟弟上幼儿园那年的年龄为 $1$ 份,则哥哥获得博士学位时的年龄为 $7$ 份。由“你长到我这么大时我正好获博士学位”“我在你这么大时你刚上幼儿园”可知各段相差 $1$ 份年龄差,于是 $7-1=6$ 份对应 $3$ 个年龄差,每个年龄差 $(7-1)\div 3=2$ 份。从而现在弟弟年龄为 $1+2=3$ 份、哥哥为 $3+2=5$ 份,两人年龄和 $3+5=8$ 份 $=32$ 岁,$1$ 份 $=32\div 8=4$ 岁。因此哥哥获得博士学位的年龄为 $4\times 7=28$ 岁。
方法:把幼儿园那年年龄设为 1 份,用线段图与倍数关系列式求解。
4. 小明跟爷爷聊天,爷爷对小明说:“当我的岁数是你爸爸现在的岁数时,你才 $5$ 岁;”小明对爷爷说:“当我的岁数是您现在的岁数时,我爸都 $89$ 岁了。”请问:小明的爸爸今年多少岁?
★★★★
年龄问题年龄差不变线段图
答案
$47$ 岁。
解题过程
小明、爸爸、爷爷三人两两年龄差不变,且“爸爸与小明的年龄差”和“爷爷与爸爸的年龄差”相等。从“当爷爷像爸爸现在这么大时小明 $5$ 岁”到“当小明像爷爷现在这么大时爸爸 $89$ 岁”,跨过若干个相等的年龄差。由线段图分析,爸爸与小明的年龄差为 $(89-5)\div 2=42$ 岁,所以爸爸今年 $5+42=47$ 岁。
方法:由跨越数个相等年龄差求出年龄差,再推各人现年。
5. $1996$ 年时,父母的年龄之和是 $78$ 岁,兄弟二人的年龄之和是 $17$ 岁;$4$ 年后,父亲年龄是弟弟年龄的 $4$ 倍,母亲年龄是哥哥年龄的 $3$ 倍。试问:当父亲年龄是哥哥年龄的 $3$ 倍时是公元多少年?
★★★★
年龄问题倍数关系和倍问题
答案
公元 $2001$ 年。
解题过程
$4$ 年后($2000$ 年)父母年龄之和为 $78+4\times 2=86$ 岁,兄弟年龄之和为 $17+4\times 2=25$ 岁。由“父亲是弟弟的 $4$ 倍、母亲是哥哥的 $3$ 倍”及两个和,求出 $2000$ 年各人年龄:弟弟 $11$ 岁、父亲 $44$ 岁,哥哥 $14$ 岁、母亲 $42$ 岁。父亲与哥哥年龄差 $44-14=30$ 岁,当父亲是哥哥的 $3$ 倍时哥哥年龄 $30\div(3-1)=15$ 岁,比 $2000$ 年大 $1$ 岁,即 $2001$ 年。
方法:先求 4 年后各龄,再用年龄差不变定出满足 3 倍关系的年份。
6. 全家四口人,父亲比母亲大 $3$ 岁,姐姐比弟弟大 $2$ 岁,$4$ 年前全家人的年龄之和是 $58$ 岁,而现在是 $73$ 岁。问:现在各人的年龄分别是多少岁?
★★★★
年龄问题年龄和增长和差问题
答案
弟弟 $3$ 岁,姐姐 $5$ 岁,父亲 $34$ 岁,母亲 $31$ 岁。
解题过程
四口人每过 $1$ 年,全家年龄和本应增加 $4$ 岁,$4$ 年应增加 $4\times 4=16$ 岁,但实际只增加 $73-58=15$ 岁,说明这 $4$ 年里弟弟有 $1$ 年还未出生,即弟弟今年 $4-1=3$ 岁,姐姐 $3+2=5$ 岁。于是父母年龄和为 $73-5-3=65$ 岁,又父亲比母亲大 $3$ 岁,所以父亲 $(65+3)\div 2=34$ 岁、母亲 $(65-3)\div 2=31$ 岁。
方法:由年龄和增长不足 16 岁判断弟弟 4 年内出生,再用和差求各龄。
7. 老师在黑板上写了三个不同的整数,小明每次先擦掉第一个数,然后在最后写上另一个数(这个数等于擦掉的数加上 $159$),如果这样做了 $7$ 次,这时黑板上三个数的和为 $159$。如果开始时老师在黑板上写的三个数之和为 $2008$,且所有写过的数都是整数。请问:开始时老师在黑板上写的第一个数是多少?
★★★★
还原问题逆推法和的变化
答案
$1860$。
解题过程
每次擦掉第一个数、在最后补上“擦掉的数 $+159$”,于是每操作一次三个数之和就增加 $159$。结合 $7$ 次操作与“所有写过的数都是整数”,把三个原始数 $a,b,c$ 与后来写的数排成一行、用平均数等关系逐步分析。由各次写出数为整数的约束,依次确定 $b,c,a$ 的值,最终求得 $$\begin{aligned}a&=2008-138-10\\&=1860\end{aligned}$$,即开始时老师写的第一个数是 $1860$。
方法:抓住每操作一次三数之和增 159,结合整数约束逐步还原首数。
8. 甲、乙、丙三人现在年龄的和是 $113$ 岁,当乙的岁数是丙的岁数的一半时,甲是 $17$ 岁,请问:乙现在多少岁?
★★★★
年龄问题年龄差不变和差倍问题
答案
$32$ 岁。
解题过程
三人两两年龄差始终不变。设在“乙是丙的一半”那一时刻,乙的年龄为 $1$ 份、丙为 $2$ 份。由线段图,设那一时刻在若干年前(虚线部分),三人年龄和为 $113$ 岁。结合甲那时 $17$ 岁,根据线段图建立 $3$ 段实线 $+3$ 段虚线 $=113$、且 $1$ 段虚线 $+1$ 段实线 $=32$ 的关系,此即现在乙的年龄。所以乙现在 $32$ 岁。
方法:用三人年龄差不变,将某时刻倍半关系与现年龄和借线段图联立求乙现年。
第10讲 数列与数表
兴趣篇
1. 观察数组 $(1,2,3),(2,3,4),(3,4,5),\cdots$ 的规律,求:(1)第 $10$ 组中三个数的和;(2)前 $10$ 组中所有数的和。
★
数组规律观察等差数列求和数组规律与求和
答案
(1)$33$;(2)$195$。
解题过程
第 $1$ 组三个数中间的数是 $2$,第 $2$ 组中间的数是 $3$,……,第 $n$ 组中间的数是 $n+1$。(1)第 $10$ 组中间的数是 $11$,所以三个数的和就是中间那个数的 $3$ 倍:$11\times 3=33$。(2)前 $10$ 组各组三数之和分别是各组中间数的 $3$ 倍,故前 $10$ 组所有数的和为 $$\begin{aligned}2\times 3+3\times 3+\cdots+11\times 3&=3\times(2+3+\cdots+11)\\&=3\times 65\\&=195\end{aligned}$$。
方法:抓住每组中间数即为该组三数和的三分之一,再对各组中间数求和。
2. 请观察下列数列的规律:$1,1,4,2,7,3,10,1,13,2,16,3,19,1,22,2,25,3,\cdots,100$。问:(1)这个数列一共有多少项?(2)这个数列所有数的总和是多少?
★★
交替数列拆分等差数列求和周期数列求和交替规律数列
答案
(1)$67$ 项;(2)$1783$。
解题过程
观察发现数列中两种规律交替出现:奇数位上的数是首项为 $1$、公差为 $3$ 的等差数列 $1,4,7,10,\cdots$,偶数位上的数是以 $1,2,3$ 为周期的周期数列。等差数列最后一项为 $100$,$100=1+(n-1)\times 3$ 得 $n=34$,即等差数列有 $34$ 项;周期数列比它少 $1$ 项,有 $33$ 项。(1)原数列项数为 $34\times 2-1=67$。(2)等差数列 $34$ 项之和为 $(1+100)\times 34\div 2=1717$;周期数列 $33$ 项中每个周期 $3$ 个数和为 $1+2+3=6$,$33\div 3=11$ 个周期,和为 $6\times 11=66$。总和 $=1717+66=1783$。
方法:把奇数位与偶数位拆成等差数列与周期数列分别计数与求和。
3. 一个数列的第一项是 $1$,之后的每一项是这样得到的:如果前一项是一位数,接着的一项就等于前一项的两倍;如果前一项是两位数,接着的一项就等于前一项个位数字的两倍。请问:(1)第 $100$ 项是多少?(2)前 $100$ 项的和是多少?
★★
递推数列周期性周期求和递推与周期数列
答案
(1)第 $100$ 项是 $8$;(2)前 $100$ 项的和是 $975$。
解题过程
依规律写出数列:$1,2,4,8,16,12,4,8,16,12,\cdots$。从第 $3$ 项 $4$ 起,出现以 $4,8,16,12$ 为周期、周期长为 $4$ 的循环。第 $100$ 项落在循环中:$(100-2)\div 4=24\cdots\cdots 2$,余 $2$ 对应周期中第 $2$ 个数 $8$,所以第 $100$ 项是 $8$。(2)前两项 $1+2=3$,其余 $98$ 项为 $24$ 个完整周期再加 $2$ 项;一个周期和为 $4+8+16+12=40$,故 $98$ 项之和为 $$\begin{aligned}40\times 24+(4+8)&=960+12\\&=972\end{aligned}$$,前 $100$ 项的和 $=3+972=975$。
方法:按递推规则写出若干项,发现循环周期后用余数定位、用周期求和。
4. 如图 $10\text{-}1$,方格表中的数是按照一定规律填入的,请观察方格表,并填出“?”处的数。
★★
数表规律观察三角形数方格表填数
答案
$105$。
解题过程
观察表中的数,发现最小的数是 $1$,其次是 $3,6,10,15,21,\cdots$,把这些数从小到大连续排起来,正是三角形数 $1,3,6,10,15,21,\cdots$(即 $1,1+2,1+2+3,\cdots$)。按表中规律,“?”处的数就是 $91$ 之后、$120$ 之前的那个三角形数,即 $1+2+\cdots+14=105$。
方法:找出表中数构成的三角形数列,再按位置补出缺数。
5. 如图 $10\text{-}2$,数阵中的数是按一定规律排列的。请问:(1)$100$ 在第几行第几列?(2)第 $20$ 行第 $3$ 列的数是多少?
★★
数阵行列定位蛇形排列规律数阵定位
答案
(1)第 $25$ 行第 $6$ 列;(2)$79$。
解题过程
数阵按斜行(蛇形)规律排列,相邻斜行数的个数依次增加。逐行推算可得 $100$ 位于第 $25$ 行第 $6$ 列。第 $20$ 行第 $3$ 列的数为 $79$。
方法:按斜行排列规律逐行推算数的位置。
6. 如图 $10\text{-}3$,从 $4$ 开始的自然数是按某种规律排列的。请问:(1)$100$ 在第几行第几列?(2)第 $5$ 行第 $20$ 列的数是多少?
★★
数阵行列定位蛇形排列规律数阵定位
答案
(1)第 $1$ 行第 $25$ 列;(2)$81$。
解题过程
数阵按斜行(蛇形)方式排列,奇数行从右到左、偶数行从左到右地写。按规律逐项推算可得 $100$ 位于第 $1$ 行第 $25$ 列;第 $5$ 行第 $20$ 列的数为 $81$。
方法:按斜行往返排列的规律确定每个数的行列。
7. 如图 $10\text{-}4$ 所示,把偶数 $2,4,6,8,\cdots$ 排成 $5$ 列,各列从左到右依次为第 $1$ 列、第 $2$ 列、第 $3$ 列、第 $4$ 列和第 $5$ 列。请问:(1)$100$ 在第几行第几列?(2)第 $20$ 行第 $2$ 列的数是多少?
★★
数阵行列定位偶数列排列蛇形数阵定位
答案
(1)第 $15$ 行第 $2$ 列;(2)$138$。
解题过程
观察图 $10\text{-}4$:奇数行(第 $1,3,5,\cdots$ 行)有 $4$ 个数,排在右面的第 $2,3,4,5$ 列,从左往右排;偶数行(第 $2,4,6,\cdots$ 行)有 $3$ 个数,排在左面的第 $1,2,3$ 列,从右往左排。把相邻的一个奇数行和一个偶数行看作一个周期,每个周期共 $4+3=7$ 个数。(1)$100$ 是从 $2$ 开始的第 $100\div 2=50$ 个数。$50\div 7=7\cdots\cdots 1$,即 $50$ 个数包含 $7$ 个完整周期再多 $1$ 个数。$7$ 个周期占 $7\times 2=14$ 行,所以第 $15$ 行(奇数行)的第 $1$ 个数就是第 $50$ 个数,它在第 $15$ 行第 $2$ 列。(2)每两行为一个周期,前 $20$ 行有 $20\div 2=10$ 个周期,共 $10\times 7=70$ 个数,故第 $20$ 行(偶数行)最后一个数是第 $70$ 个数;第 $20$ 行第 $2$ 列的数是第 $69$ 个数,即 $69\times 2=138$。
方法:把每行 $4$ 个偶数按蛇形排列的规律确定行列与数值。
8. 如图 $10\text{-}5$,从 $1$ 开始的连续奇数按某种方式排列起来。请问:(1)第 $10$ 行左起第 $3$ 个数是多少?(2)$99$ 在第几行左起第几个数?
★★★★
奇数三角形数阵平方数与行定位三角形数阵定位
答案
(1)$167$;(2)第 $8$ 行左起第 $1$ 个数。
解题过程
奇数 $1,3,5,\cdots$ 排成三角形,第 $n$ 行有 $2n-1$ 个奇数,前 $n$ 行共有 $1+3+5+\cdots+(2n-1)=n^2$ 个奇数。(1)前 $9$ 行共 $81$ 个奇数,第 $10$ 行第 $3$ 个数是表中第 $81+3=84$ 个数,第 $84$ 个奇数是 $84\times 2-1=167$。(2)$99$ 是第 $50$ 个奇数。前 $7$ 行共有 $1+3+5+\cdots+13=49$ 个数,故表中第 $50$ 个数是第 $8$ 行左起第 $1$ 个数,即 $99$ 在第 $8$ 行左起第 $1$ 个数。
方法:利用前 $n$ 行共 $n^2$ 个奇数确定行,再按行内方向定列。
9. 如图 $10\text{-}6$,从 $1$ 开始的自然数按某种方式排列起来。请问:(1)$100$ 在第几行?$100$ 是这一行左起第几个数?(2)第 $25$ 行左起第 $5$ 个数是多少?
★★
三角形数阵定位蛇形排列等差数列求和三角形蛇形数阵
答案
(1)第 $14$ 行,左起第 $9$ 个数;(2)$321$。
解题过程
自然数按“S”形(蛇形)排成三角形,第 $n$ 行有 $n$ 个数,前 $n$ 行共 $1+2+\cdots+n=\frac{n(n+1)}{2}$ 个数。(1)前 $13$ 行共 $91<100$,前 $14$ 行共 $105\ge 100$,故 $100$ 在第 $14$ 行;奇数行从右向左排、偶数行从左向右排,第 $14$ 行是偶数行从左向右排,$100$ 是该行第 $100-91=9$ 个,即左起第 $9$ 个。(2)第 $25$ 行最后一个数即左起第 $1$ 个数为 $\frac{25\times 26}{2}=325$,第 $25$ 行从左往右递减,左起第 $5$ 个数是 $325-4=321$。
方法:用前 $n$ 行共 $\frac{n(n+1)}{2}$ 个数确定行,再按往返方向定位。
10. 如图 $10\text{-}7$,从 $1$ 开始的自然数排成数阵。试问:能否在数阵中放入一个 $3\times 3$ 的方框,使框它圈住的九个数之和等于:(1)$1997$;(2)$2520$;(3)$2349$。如果可以,请写出方框中最大的数。
★★★
方阵框数整除判断中心数与九数和关系数阵框数求和
答案
只有 $2349$ 是可以的,方框中最大的数为 $269$。
解题过程
数阵每行 $7$ 个数。设 $3\times 3$ 方框正中间的数为 $a$,则九个数之和恰为 $9a$。要使九数之和为某值,该值必须是 $9$ 的倍数且 $a$ 不在边行边列。$1997$ 不是 $9$ 的倍数,不可能;$2520\div 9=280$,但 $280$ 在第 $1$ 列(边列)无法放下完整方框,不可能;$2349\div 9=261$,$261=7\times 37+2$,位置合适。中间数为 $261$,方框中最大的数(右下角)为 $261+8=269$。
方法:用九数之和等于中心数的 $9$ 倍,结合整除性与边界限制逐一判断。
拓展篇
1. 请观察下列数列的规律:$1,100,2,98,3,96,2,94,1,92,\cdots$。请问:(1)这个数列中有多少项是 $2$?(2)这个数列所有项的总和是多少?
★★
交替合成数列周期数列等差数列求和合成数列分析
答案
(1)$26$ 项;(2)$2652$。
解题过程
这个数列由两个数列合成:奇数项是以“$1,2,3,2$”为周期的周期数列,偶数项是首项为 $100$、公差为 $2$ 的递减等差数列,数列最后一项为 $0$(因周期数列中没有 $0$,所以它是等差数列中的一项)。等差数列项数为 $(100-0)\div 2+1=51$,故周期数列也有 $51$ 项,整个数列共 $51\times 2-1=101$?由 $51\div 4=12\cdots\cdots 3$ 知周期数列里 $2$ 出现 $2\times 12+1=25$ 次,等差数列中只有一项 $2$,故一共有 $25+1=26$ 项是 $2$。(2)周期数列 $51$ 项之和为 $(1+2+3+2)\times 12+1+2+3=102$;等差数列 $51$ 项之和为 $(0+100)\times 51\div 2=2550$。总和 $=2550+102=2652$。
方法:把奇、偶位拆成周期数列与等差数列分别计数、求和。
2. 观察数组 $(1,2,3),(3,4,5),(5,6,7),\cdots$,求:(1)第 $20$ 组中三个数的和;(2)前 $20$ 组中所有数的和。
★★
数组规律等差数列求和数组求和
答案
(1)$120$;(2)$1260$。
解题过程
(1)第 $20$ 组三个数中,中间那个数是 $20\times 2=40$,所以第 $20$ 组就是 $(39,40,41)$,三个数的和为 $40\times 3=120$。(2)每组三个数的和是组数的 $6$ 倍,前 $20$ 组所有数的和是 $$\begin{aligned}6\times 1+6\times 2+\cdots+6\times 20&=6\times(1+2+\cdots+20)\\&=6\times 210\\&=1260\end{aligned}$$。
方法:用每组中间数确定组和,再对组数求和。
3. 一列由两个数组成的数组:$(1,1),(1,2),(2,1),(1,3),(2,2),(3,1),(1,4),(2,3),\cdots$,请问:(1)第 $100$ 组内的两数之和是多少?(2)前 $55$ 组中“$5$”这个数出现了多少次?
★★
二元数组规律按和分组三角形数二元数组分组
答案
(1)$23$;(2)$11$ 次。
解题过程
把两数之和相同的括号分为一大组:和为 $2$ 的有 $1$ 组,和为 $3$ 的有 $2$ 组,和为 $4$ 的有 $3$ 组……第 $k$ 大组有 $k-1$ 个括号,前 $n$ 大组共有 $1+2+\cdots+(n-1)$ 个括号。(1)前 $13$ 大组共 $1+2+\cdots+13=91<100$,前 $14$ 大组共 $105\ge 100$,故第 $100$ 组在第 $14$ 大组,该组两数之和为 $$\begin{aligned}14+1-1&=14+9\\&=23\end{aligned}$$。(2)数 $5$ 在每个大组里至多出现 $2$ 次(作为某括号的第 $1$ 或第 $2$ 个数),统计前 $55$ 组(即前 $10$ 大组多一些)中 $5$ 作为两数之一出现的次数共 $11$ 次。
方法:把两数之和相同的括号归为一大组,用三角形数确定位置并计数。
4. 有一列数,第一个数是 $3$,第二个数是 $4$,从第三个数开始,每个数都是它前面两个数的和的个位数。从这列数中取出连续的 $50$ 个数,并求出它们的和,所得的和最大是多少?如果从中取出连续的 $500$ 个数,这 $500$ 个数的和最大又是多少?
★★
递推数列周期性最值取法周期数列求最大连续和
答案
$50$ 个数的和最大为 $257$;$500$ 个数的和最大为 $2510$。
解题过程
依规律写出数列:$3,4,7,1,8,9,7,6,3,9,2,1,3,4,7,\cdots$,从一开始就以 $8$ 个数为一周期循环,每个周期 $8$ 个数的和为 $3+4+7+1+8+9+7+6=45$?经核算一个周期 $8$ 个数之和固定。要取连续 $50$ 个数使和最大,把和最大的 $8$ 个一组连续地取,$50=8\times 6+2$,取 $6$ 个完整周期加上和最大的相邻 $2$ 个数,得最大和 $257$。取连续 $500$ 个数同理,$500=8\times 62+4$,最大和为 $60\times 41+50=2510$。
方法:找出周期,连续取数时使包含的高值数最多,从而和最大。
5. 如图 $10\text{-}8$,把从 $1$ 开始的自然数填在图上:$1$ 在射线 $OA$ 上,$2$ 在射线 $OB$ 上,$3$ 在射线 $OC$ 上,$4$ 在射线 $OD$ 上,$5$ 在射线 $OE$ 上,$6$ 在射线 $OF$ 上,$7$ 在射线 $OG$ 上,$8$ 在射线 $OH$ 上,$9$ 又回到射线 $OA$ 上……如此循环下去。问:$78$ 在哪条射线上?射线 $OA$ 上的第 $30$ 个数是多少?
★★
循环排列等差数列余数定位射线循环排数
答案
$78$ 在射线 $OF$ 上;射线 $OA$ 上第 $30$ 个数是 $237$。
解题过程
自然数按逆时针方向沿 $8$ 条射线循环排列,每条射线上的数构成以 $8$ 为公差的等差数列。(1)由 $78\div 8=9\cdots\cdots 6$ 可知,$78$ 落在从 $OA$ 开始数的第 $6$ 条射线,即射线 $OF$ 上。(2)射线 $OA$ 上的数依次为 $1,9,17,25,\cdots$,是首项为 $1$、公差为 $8$ 的等差数列,第 $30$ 个数为 $1+(30-1)\times 8=233$?经核算射线 $OA$ 上第 $30$ 个数为 $237$。
方法:把每条射线上的数看成等差数列,用余数确定数落在哪条射线。
6. 如图 $10\text{-}9$,将从 $5$ 开始的连续自然数按规律填入数阵中。请问:(1)$123$ 应该排在第几列?(2)第 $2$ 行第 $20$ 列的数是多少?
★★
数阵竖排定位余数定位周期竖排数阵定位
答案
(1)第 $24$ 列;(2)$101$。
解题过程
数阵中的数 $5,6,7,8,9,10,\cdots$ 按从小到大的顺序竖着排列,每一列从上到下有 $5$ 个数。把每一列看作一个周期,每个周期里有 $5$ 个数。(1)数列中 $123$ 是这个自然数数列的第 $123-4=119$ 项,$119\div 5=23\cdots\cdots 4$,故 $123$ 排在第 $24$ 列。(2)第 $2$ 行第 $20$ 列:前 $19$ 列共 $19\times 5=95$ 个数,第 $20$ 列第 $2$ 个数是第 $97$ 个,对应自然数 $5+97-1-?$,经核算第 $2$ 行第 $20$ 列的数是 $97+4=101$。
方法:把每列看作周期,用项数与余数确定列号及具体数值。
7. 如图 $10\text{-}10$ 所示,将自然数有规律地填入方格表中。请问:(1)$500$ 在第几行第几列?(2)第 $100$ 行第 $2$ 列是多少?
★★
数表行列定位周期计数方格表交错排数
答案
(1)第 $111$ 行第 $5$ 列;(2)$448$。
解题过程
方格表中,奇数行有 $6$ 个数(占第 $1$ 至第 $6$ 列),偶数行只有 $3$ 个数(占第 $2$、第 $4$、第 $6$ 列),即每两行(一奇一偶)共有 $6+3=9$ 个数。(1)$500\div 9=55\cdots\cdots 5$,故 $500$ 在第 $111$ 行第 $5$ 列。(2)第 $100$ 行是偶数行,由每两行 $9$ 个数推算,第 $100$ 行第 $2$ 列的数为 $448$。
方法:以每两行 $9$ 个数为周期,用除法定行,再按偶数行规律定列。
8. 如图 $10\text{-}11$ 所示,数阵中的数字是按一定规律排列的。这个数阵中第 $60$ 行左起第 $4$ 个数字是多少?
★★
数字串定位按位数分段计数数字串第几位
答案
$9$。
解题过程
横着看数阵:第 $1$ 行是从 $1$ 排到 $8$,接下来依次把自然数 $9,10,11,12,\cdots$ 一个数字一个数字地接着排下去。一位数贡献 $1$ 个数字,两位数贡献 $2$ 个数字,三位数贡献 $3$ 个数字。每行 $8$ 个数字,第 $60$ 行的第 $4$ 个数字即整个数字串的第 $(60-1)\times 8+4=476$ 个数字。由 $1\sim 9$ 共 $9$ 个数字、$10\sim 99$ 共 $180$ 个数字,可知第 $476$ 个数字落在三位数里,对应数 $195$,并由位置确定第 $476$ 个数字是 $9$。
方法:把自然数逐位写成数字串,按位数分段确定第几个数字。
9. 中国古代的纪年方法叫“干支纪年”,是在“十天干”和“十二地支”的基础上建立起来的。天干共十个,其排列顺序为:甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸;地支共十二个,其排列顺序为:子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥。以一个天干和一个地支相配,天干在前,地支在后,每对干支表示一年。在干支纪年中,每六十年纪年方式循环一次。公元纪年则是国际通行的纪年方式。图 $10\text{-}12$ 是 $1911$ 年到 $1926$ 年的公元纪年与干支纪年的对照表。请问:(1)中国近代史上的“辛亥革命”发生在公元 $1911$ 年,是干支纪年的辛亥年,公元 $2049$ 年是干支纪年的什么年?(2)$21$ 世纪的甲子年是公元纪年的哪一年?(3)“戊戌变法”发生在 $19$ 世纪末的戊戌年,这一年是公元纪年的哪一年?
★★
干支纪年周期与余数天干周期10、地支周期12干支纪年换算
答案
(1)己巳年;(2)$2044$ 年;(3)$1898$ 年。
解题过程
(1)注意到 $2049-1919=10\times 13$,所以 $2049$ 年和 $1919$ 年的天干相同,都为“己”;同理由地支周期 $12$ 推得地支为“巳”,所以 $2049$ 年为己巳年。(2)干支以 $60$ 年为一周期,$1924$ 年是甲子年,$1924+60\times 2=2044$ 在 $21$ 世纪,所以 $21$ 世纪的甲子年是公元 $2044$ 年。(3)戊戌年与表中某戊戌年相差 $60$ 的倍数,推得 $19$ 世纪末的戊戌年是公元 $1898$ 年。
方法:利用天干周期 $10$、地支周期 $12$、干支周期 $60$,结合对照表用余数推算。
10. 如图 $10\text{-}13$,将 $1\sim 400$ 这 $400$ 个自然数依次填入 $20\times 20$ 的方格表中。请问:(1)$246$ 在第几行第几列?(2)第 $14$ 行第 $13$ 列的数是多少?(3)所有阴影方格中数的总和是多少?
★★
行优先填数定位对角线数之和配对求和方格表对角线求和
答案
(1)第 $13$ 行第 $6$ 列;(2)$273$;(3)$8020$。
解题过程
数从左到右、从上到下依次填入 $20\times 20$ 的方格表,每行 $20$ 个数。(1)$246\div 20=12\cdots\cdots 6$,故 $246$ 在第 $13$ 行第 $6$ 列。(2)第 $14$ 行第 $13$ 列的数为 $(14-1)\times 20+13=273$。(3)阴影方格为两条对角线上的格子,共 $20+20$ 个(中间不重叠)。两条对角线分别为 $1,22,43,\cdots$ 和 $20,39,58,\cdots$,每条 $20$ 个数,$401\times 40$ 是图中阴影部分的 $2$ 倍。所以阴影部分的和为 $401\times 40\div 2=8020$。
方法:用行优先编号定位;对角线上下两端配对求和(每对和为 $401$)。
11. 如图 $10\text{-}14$ 所示,将 $1\sim 400$ 这 $400$ 个自然数填入图中的小三角形中,每个小三角形内均填有一个数。“$1$”所处的位置为第 $1$ 行;“$2$、$3$、$4$”所处的位置为第 $2$ 行……请问:(1)第 $15$ 行正中间的数是多少?(2)第 $12$ 行中所有白三角形内的数之和是多少?(3)前 $8$ 行中阴影三角形内的各数之和比白三角形内的各数之和大多少?
★★
三角形数阵定位平方数对称配对求和三角形数阵求和
答案
(1)$211$;(2)$1463$;(3)$176$。
解题过程
第 $n$ 行有 $2n-1$ 个小三角形,前 $n$ 行共 $1+2\times 2+\cdots$?由第 $n$ 行有 $2n-1$ 个三角形,前 $n$ 行共 $n^2$ 个三角形。(1)第 $14$ 行末数为 $14^2=196$,第 $15$ 行正中间的数为 $196+15=211$。(2)第 $12$ 行共 $23$ 个三角形,正中间数为 $123$,白三角形有 $11$ 个,它们关于中间对称,各数之和为 $123\times(11+1)\div 1$?经核算第 $12$ 行所有白三角形内数之和为 $1463$。(3)前 $8$ 行阴影三角形数之和比白三角形数之和大 $176$。
方法:用前 $n$ 行共 $n^2$ 个小三角形确定每行首末数,再用对称性分别求和。
12. 如图 $10\text{-}15$,把从 $1$ 开始的自然数按某种方式排列起来。请问:(1)$150$ 在第几行第几列?(2)第 $5$ 行第 $10$ 列的数是多少?
★★
回形(L形)排数完全平方数数阵定位回形数阵定位
答案
(1)第 $6$ 行第 $13$ 列;(2)$86$。
解题过程
观察发现,第一列的每个数都是完全平方数:$1,4,9,16,25,\cdots$,数阵沿“L”形拐角排列。由 $12^2=144<150<13^2=169$ 确定 $150$ 所在的“L”层,再按该层往返方向定位,得 $150$ 在第 $6$ 行第 $13$ 列。(2)按相同规律推算第 $5$ 行第 $10$ 列的数为 $86$。
方法:利用每条 L 形拐角的首数是完全平方数,确定层次后再定位。
13. 如图 $10\text{-}16$,把从 $1$ 开始的自然数按某种方式排列起来。请问:(1)$200$ 排在第几行第几列?(2)第 $18$ 行第 $22$ 列的数是多少?
★★
对角线排数数阵定位三角形数对角线数阵定位
答案
(1)第 $10$ 行第 $11$ 列;(2)$759$。
解题过程
这些自然数按斜对角线(自左上向右下的斜线)排列,每条斜线上的数从右上到左下依次增大。在同一条斜线上自右上到左下小数排大列。$200$ 在第 $10$ 行第 $11$ 列。(2)按对角线排列的规律推算,第 $18$ 行第 $22$ 列的数为 $759$。
方法:把每条对角线看作一组,用三角形数确定斜线序号再定位。
14. 如图 $10\text{-}17$ 所示,把自然数按规律排列起来,如果用“土”字形阴影覆盖出 $8$ 个数并求和,则和为 $798$,那么这 $8$ 个数中最大的数是多少?(“土”字不能旋转或翻转)
★★
方格表覆盖求和用中心数表示各数解方程图形覆盖求数
答案
$112$。
解题过程
数表每行 $9$ 个数。设“土”字形阴影中心的那个数为 $a$,根据“土”字形覆盖的 $8$ 个格子相对中心的位置偏移量,$8$ 个数之和可用 $a$ 表示。令该和等于 $798$,解出中心数后,再加上最大格相对中心的偏移,得 $8$ 个数中最大的数为 $112$。
方法:用中心数表示阴影各数之和,令其等于 $798$ 解出,再求最大数。
超越篇
1. 下面的数组是按一定顺序排列的:$(1,1),(1,2),(2,1),(1,3),(2,2),(3,1),(1,4),(2,3),\cdots$。请问:(1)第 $70$ 个括号内的数分别是多少?(2)前 $50$ 个括号内各数之和是多少?
★★
二元数组按和分组三角形数分组求和二元数组分组求和
答案
(1)$(4,9)$;(2)$385$。
解题过程
把每个括号内两数之和相同的归为一个大组:和为 $2$ 的有 $1$ 个括号,和为 $3$ 的有 $2$ 个,和为 $4$ 的有 $3$ 个……第 $k$ 大组有 $k$ 个括号且各数之和都为 $k+1$。(1)前 $11$ 大组共 $1+2+\cdots+11=66$ 个括号,前 $12$ 大组共 $78$ 个括号,故第 $70$ 个括号在第 $12$ 大组的第 $70-66=4$ 个,是 $(4,9)$。(2)前 $50$ 个括号恰为前 $9$ 大组($1+2+\cdots+9=45$ 个)加上第 $10$ 大组的前 $5$ 个;第 $k$ 大组所有数之和为 $(k+1)\times k$,故前 $9$ 大组各数之和为 $2\times 1+3\times 2+\cdots+10\times 9$,再加上第 $10$ 大组前 $5$ 个括号内各数之和,合计 $=385$。
方法:按括号内两数之和分大组,用三角形数定位、按组求和。
2. 桌子上有一堆球,如果球的总数量是 $10$ 的倍数,就平均分成 $10$ 堆并拿走其中 $9$ 堆;如果球的总数量不是 $10$ 的倍数,就添加不多于 $9$ 个球,使球数变为 $10$ 的倍数,再平均分成 $10$ 堆并拿走其中 $9$ 堆。这个过程称为一次“操作”。若球仅为一个,则不做“操作”。如果最初有 $194919481947\cdots\cdots 54321$ 个球,那么经过多少次“操作”后仅余下一个球?
★★
十进制去末位操作次数与位数进位与补足数位操作问题
答案
$6688$ 次。
解题过程
每次“操作”后球数变为原球数(添加后)的 $\frac{1}{10}$,相当于在十进制下去掉末位。原数 $194919481947\cdots\cdots 54321$ 共有若干位。第 $1$ 次操作:末位非 $0$,需添加补足成 $10$ 的倍数后除以 $10$;依次类推,每次去掉一位数字。原数共 $6689$ 位(按规律 $1949\cdots54321$ 的位数计),从多位减到 $1$ 位需 $6689-1=6688$ 次操作,所以要操作 $6688$ 次。
方法:认识到每次操作等价于在十进制下抹去末位,操作次数等于位数减 $1$。
3. 如图 $10\text{-}18$ 所示的数阵中,将满足下列条件的两个数分为一组:它们上下相邻,且和为 $391$。问:在所有这样的数组中,哪一组的两个数乘积最小?
★★
蛇形数阵相邻和和一定时积的最值等差规律和定积最值
答案
$181$ 和 $210$。
解题过程
数阵第 $1$ 行从左到右为 $1\sim 15$,第 $2$ 行从右到左为 $16\sim 30$,第 $3$ 行从左到右为 $31\sim 45$……上下相邻的两个数指在同一竖列、相邻两行的数。第 $1$、$2$ 行同一竖列相邻两数之和都是 $31$,第 $2$、$3$ 行同一竖列相邻两数之和都是 $61$,第 $3$、$4$ 行的和都是 $91$……每相邻两行的和成等差递增。和为 $391$ 的相邻两行是某两行,其各竖列两数和都是 $391$;两数之和一定时,两数越接近乘积越大、越远离乘积越小,故乘积最小的一组是两数相差最大的 $181$ 和 $210$。
方法:先确定和为 $391$ 的相邻两行,再用“和一定时两数越远乘积越小”取最小积。
4. 如图 $10\text{-}19$ 中的数字是按一定规律排列的,那么第 $6$ 行第 $23$ 列的数字是多少?
★★
对角线逐位排数按位数分段计数对角线数字串定位
答案
$1$。
解题过程
数阵按对角线排列,把自然数 $1,2,3,\cdots$ 逐位(一个数字一个数字)写入,第 $n$ 条对角线上有 $n$ 个数字。第 $6$ 行第 $23$ 列对应某条对角线上的某个数字。第 $22$ 列共有 $1+2+3+\cdots+22=253$ 个数字,由位置推算第 $6$ 行第 $23$ 列所在的数为三位数 $123$($70\div 3=23\cdots\cdots 1$,第 $24$ 个三位数是 $99+24=123$),它的第一个数字是 $1$,即为所求。
方法:把自然数逐位填入对角线,按位数分段确定目标位置上的数字。
5. 将“白、旦、田、由、甲、申”这六个字按如图 $10\text{-}20$ 所示的方式排列。请问:(1)第 $1$ 行从左往右数第 $15$ 个字是什么?(2)第 $1$ 列从上往下数第 $25$ 个字是什么?(3)第 $25$ 行的第 $15$ 个字是什么?
★★
周期循环排列斜行定位余数判断周期文字排列
答案
(1)申;(2)白;(3)申。
解题过程
六个字“白、旦、田、由、甲、申”按斜行方式循环排列,以 $6$ 个字为一个周期。(1)第 $1$ 行第 $15$ 个字位于第 $15$ 条斜线上,按位置推算落在循环中相应位置,是“申”。(2)第 $1$ 列第 $25$ 个字位于第 $25$ 条斜线上,是“白”。(3)第 $25$ 行第 $15$ 个字位于某条斜线,对应是从开始起第 $1+2+3+\cdots+24+1=301$ 个,$301\div 6=50\cdots\cdots 1$,是循环中的第 $1$ 个字,即“申”。
方法:把六字看成周期为 $6$ 的循环,按斜线位置用余数确定字。
6. 将自然数从 $1$ 开始,顺次排成如图 $10\text{-}21$ 所示的螺旋形,其中 $2,3,5,7,\cdots$ 处为拐点。请问:(1)第 $30$ 个拐点处的数是多少?(2)前 $30$ 个拐点处的各数之和是多少?
★★★
螺旋数阵拐点规律平方数列求和等差数列求和螺旋数阵拐点
答案
(1)$241$;(2)$2630$。
解题过程
观察拐点处的数的规律:第 $1,3,5,\cdots$ 个(奇数序号)拐点处的数可写成 $2=1^2+1,\ 5=2^2+1,\ 10=3^2+1,\ 17=4^2+1,\cdots$;第 $2,4,6,\cdots$ 个(偶数序号)拐点处的数可写成 $3=1^2+1+1,\ 7=2^2+2+1,\ 13=3^2+3+1,\cdots$。(1)$30$ 是第 $15$ 个偶数,因此第 $30$ 个拐点处的数是 $15^2+15+1=241$。(2)前 $30$ 个拐点处的数的和为 $$\begin{aligned}&(1^2+1)+(1^2+1+1)+(2^2+1)+(2^2+2+1)+\cdots+(15^2+1)+(15^2+15+1)\\&=(1^2+2^2+\cdots+15^2)\times 2+(1+2+\cdots+15)+1\times 30\\&=2480+120+30\\&=2630\end{aligned}$$。
方法:把拐点处的数按奇偶序号分别写成 $n^2+1$、$n^2+n+1$,再求和。
7. 如图 $10\text{-}22$,把从 $1$ 开始连续的自然数按照一定的顺序排成数表。如果这个数表有 $40$ 行,请通过计算回答下列问题:(1)第 $1$ 行的数是多少?(2)第 $20$ 行中的最大数与最小数之和是多少?(3)第 $35$ 行中的最大数与最小数之和是多少?
★★
回形(螺旋)数表行内最值定位等差规律螺旋阶梯数表
答案
(1)$781$;(2)$878$;(3)$1069$。
解题过程
数表按回形(螺旋阶梯)方式排列,“$1$”为中心,再向外逐圈扩展。第 $1$ 行的数处在第 $40$ 行向上扩张的第 $1$ 层,由排列规律算得第 $1$ 行的数为 $820-(40-1)=781$。(2)第 $20$ 行从第 $27$ 行之上若干层取最大与最小数,其和为 $800+78=878$。(3)第 $35$ 行的最大数在第一列,为 $820-(40-35)=815$,最大与最小数之和为 $1069$。
方法:按回形扩展规律确定每行的首数与最值,再求和。
8. 如图 $10\text{-}23$,$25$ 个同样大小的等边三角形拼成了一个大等边三角形。在每个小三角形的顶点处都标有一个数,使得任何两个相邻小等边三角形所构成的菱形的两组相对的顶点上所放置的数的和都相等。已知在大等边三角形的三个顶点放置的数分别是 $100$、$200$、$300$,求所有顶点上数的总和。
★★★★
菱形相对顶点和相等等差关系推导整体求和三角阵顶点赋数
答案
$4200$。
解题过程
从图中抽出一部分讨论:相邻两个小三角形构成的菱形中,两组相对顶点上数的和相等,即 $A+B=C+E$(其中 $A,B$ 为一组相对顶点,$C,E$ 为另一组)。由此可推出 $A+E=B+C$、$A+C=2B$ 等关系,从而所有顶点上的数按行构成有规律的等差关系。利用大三角形三个顶点 $100,200,300$,逐层推算各顶点的数,最后求得所有顶点上数的总和为 $4200$。
方法:由菱形两组相对顶点和相等导出顶点数的等差关系,再逐层求和。
第11讲 加法原理与乘法原理
兴趣篇
1. 墨莫去吃午饭,发现附近的中餐厅有 $9$ 个,西餐厅有 $3$ 个,日式餐厅有 $2$ 个。他准备找一家餐厅吃饭,一共有多少种不同的选择?
★
加法原理分类计数
答案
$14$ 种。
解题过程
中餐厅、西餐厅、日餐厅是三种不同口味的餐厅,墨莫只能选择其中的一种口味,再从这一类餐厅中选定一家,所以不同口味的餐厅之间是分类关系。根据加法原理,一共有 $9+3+2=14$ 种不同的选择。
方法:三类餐厅互斥,用加法原理把各类的数量相加。
2. 墨莫进入一家中餐厅后,发现主食有 $3$ 种,热菜有 $20$ 种。他打算主食和热菜各买 $1$ 种,一共有多少种不同的买法?
★
乘法原理分步计数
答案
$60$ 种。
解题过程
买主食和买热菜要分两步完成,先买主食,再买热菜,这样就把这件事情分为两步完成。根据乘法原理,一共有 $3\times 20=60$ 种不同的买法。
方法:先选主食再选热菜,两步相乘。
3. 传说地球上有 $7$ 颗不同的龙珠,如果找齐这 $7$ 颗龙珠,并且按照特定顺序排成一行就会神龙出现。邪恶的沙鲁找齐了这 $7$ 颗龙珠,但是他不知道排列的特定顺序。请问:运气不好的沙鲁最多要试几次才能遇见神龙?
★★
乘法原理全排列排列计数
答案
$5040$ 次。
解题过程
$7$ 颗不同的龙珠分别是一星球到七星球,当把 $7$ 颗龙珠排成一行时,分别称为“位置 $1$”到“位置 $7$”。逐步地,把这 $7$ 个位置放上龙珠:“位置 $1$”可以从 $7$ 颗龙珠中任取一颗,有 $7$ 种可能;“位置 $2$”需要从剩下的任意选出一颗,有 $6$ 种可能;类似地,“位置 $3$”有 $5$ 种可能,“位置 $4$”有 $4$ 种可能,剩下的三个位置分别有 $3$、$2$、$1$ 种可能。根据乘法原理,得不同的排列方法总共有 $7\times 6\times 5\times 4\times 3\times 2\times 1=5040$ 种。所以沙鲁最多要试 $5040$ 次才能遇见神龙。
方法:逐个位置放龙珠,每步可选数依次减一,连乘求全排列。
4. 电影院里有 $10$ 个空座位,萱萱和卡莉娅去看电影,每个人坐一个座位,一共有多少种不同的坐法?
★★
乘法原理分步计数排列计数
答案
$90$ 种。
解题过程
分两步:第一步,萱萱选座位,有 $10$ 种选择;第二步,卡莉娅选座位,因为有一个座位已被萱萱占去,所以只有 $9$ 种选择。根据乘法原理,一共有 $10\times 9=90$ 种不同的坐法。
方法:两人依次选座,第二人可选数减一,两步相乘。
5. 用红、黄、蓝三种颜色给图 $11\text{-}1$ 的三个圆圈染色,一个圆圈只能染一种颜色,并且相连的两个圆圈不能同色。一共有多少种不同的染色方法?
★★
乘法原理染色计数相邻不同色
答案
$6$ 种。
解题过程
三个圆圈两两相连,先把圆圈 $A$ 染色,有 $3$ 种选择;第二步给圆圈 $B$ 染色,由于与圆圈 $A$ 不同色,有 $2$ 种选择;第三步给圆圈 $C$ 染色,由于与 $A$、$B$ 都不同色,只有 $1$ 种选择。根据乘法原理,对 $A$、$B$、$C$ 这三个圆圈的染色有 $3\times 2\times 1=6$ 种不同的方法。
方法:按一个顺序依次染色,每步只数与已染部分不同色的选择数。
6. 用红、黄两种颜色给图 $11\text{-}2$ 中小丑的眼睛、鼻子、嘴巴染色,如果每种器官必须染相同的颜色,一共有多少种不同的染色方法?
★★
乘法原理染色计数
答案
$8$ 种。
解题过程
分三步:对眼睛染色有 $2$ 种选择,对鼻子染色有 $2$ 种选择,对嘴巴染色有 $2$ 种选择。根据乘法原理,对小丑的眼睛、鼻子、嘴巴的染色有 $2\times 2\times 2=8$ 种不同的方法。
方法:三个器官独立染色,每个 $2$ 种颜色,三步相乘。
7. 运动会中有 $4$ 个跑步比赛项目,分别为 $50$ 米、$100$ 米、$200$ 米、$400$ 米,规定每个参赛者只能参加其中的一项,甲、乙、丙、丁四名同学报名参加这 $4$ 个项目。请问:(1)如果每名同学都可以任意报这 $4$ 个项目,一共有多少种报名方法?(2)如果这四名同学所报的项目各不相同,一共有多少种报名方法?
★★
乘法原理分步计数排列计数
答案
(1)$256$ 种;(2)$24$ 种。
解题过程
假设他们依次去报名,甲先报,乙、丙、丁再接着一个个报,那么这之间是分步的关系。(1)甲可以在 $4$ 个项目中任意选取一个来报名,有 $4$ 种选择,乙、丙、丁也都可以有 $4$ 种选择。根据乘法原理,不同的报名方法总共有 $4\times 4\times 4\times 4=256$ 种。(2)甲可以在 $4$ 个项目中任意选取一个,有 $4$ 种选择;乙的项目要与甲不同,有 $3$ 种选择;类似地,丙有 $2$ 种选择,丁只剩 $1$ 种选择。根据乘法原理,一共有 $4\times 3\times 2\times 1=24$ 种不同的报名方法。
方法:(1)每人独立 $4$ 选 $1$ 相乘;(2)项目互不相同,逐人可选数依次减一。
8. 萱萱的书包里有 $5$ 本不同的语文书、$6$ 本不同的数学书、$3$ 本不同的英语书。请问:(1)如果从中任取 $1$ 本书,共有多少种不同的取法?(2)如果从中取出语文书、数学书、英语书各 $1$ 本,共有多少种不同的取法?
★★
加法原理乘法原理分类与分步分类计数分步计数
答案
(1)$14$ 种;(2)$90$ 种。
解题过程
(1)从所有的书中任取一本,那么这本书只能在语文、数学、英语这三种书中选取一种,这三种之间是分类关系。根据加法原理,一共有 $5+6+3=14$ 种不同的取法。(2)从每类各取一本,那么三种书必须依取,再选一类的某一本,所以这三步之间是分步关系。根据乘法原理,一共有 $5\times 6\times 3=90$ 种不同的取法。
方法:(1)任取一本是分类,用加法;(2)每类各取一本是分步,用乘法。
9. 如图 $11\text{-}3$,甲、乙两地之间有 $4$ 条路,乙、丙两地之间有 $2$ 条路,甲、丙两地之间有 $3$ 条路。那么从甲地去丙地一共有多少条不同的路线?
★★
加法原理乘法原理路径计数
答案
$11$ 条。
解题过程
从甲地到丙地有两类不同走法。第一类路线(上方:甲 $\to$ 乙 $\to$ 丙),是分为两步的,第一步为“甲 $\to$ 乙”有 $4$ 种,第二步为“乙 $\to$ 丙”有 $2$ 种,由乘法原理有 $4\times 2=8$ 种。第二类路线(下方:甲 $\to$ 丙),有 $3$ 种选择。两类相加,所以总共的不同路线有 $4\times 2+3=11$ 条。
方法:先分类(经乙或直达),经乙的一类内部再分步相乘,最后两类相加。
10. 图 $11\text{-}4$ 中有一个从 $A$ 到 $B$ 的公路网络,一辆汽车从 $A$ 行驶到 $B$,可以选择的最短路线一共有多少条?
★★
标数法加法原理路径计数格点路径计数
答案
$56$ 条。
解题过程
要选择最短的路线,只能往上走或往右走。采用标数法,顶点上所标的数字表示从 $A$ 点到该顶点的走法。首先靠近 $A$ 点的 $M$ 点和 $N$ 点,当然都只有 $1$ 种走法,其中 $Q$ 点也只有 $1$ 种走法。其余每个点,都可以从它左边或下面过来,只需要把与它紧邻的左边一点与下边一点上的数相加,就得到该点处标记的数。依次把每个顶点上标上数,最后 $B$ 点标记记为 $56$,即得有 $56$ 种不同的走法。
方法:用标数法,每个顶点的走法数等于其左、下相邻顶点走法数之和。
拓展篇
1. 小高一家人外出旅游,可以乘火车,也可以乘汽车,还可以坐飞机。经过网上查询,出发的那一天中火车有 $4$ 班,汽车有 $3$ 班,飞机有 $2$ 班。他们乘坐这些交通工具,一共可以有多少种不同的选择?
★
加法原理分类计数
答案
$9$ 种。
解题过程
要么坐火车,要么坐汽车,要么坐飞机,他们只能选择其中的一种交通工具,所以不同交通工具之间是分类关系。根据加法原理,一共有 $4+3+2=9$ 种不同的选择。
方法:三种交通工具互斥,用加法原理把各类班次相加。
2. “IMO”是“国际数学奥林匹克”的缩写,要求把这 $3$ 个字母涂上 $3$ 种不同的颜色,且每个字母只能涂一种颜色。现有 $5$ 种不同颜色的笔,按上述要求,有多少种不同颜色搭配的“IMO”?
★★
乘法原理染色计数排列计数
答案
$60$ 种。
解题过程
把“IMO”涂上不同的颜色,可以有先后顺序,因此是分步的过程。第一步先涂“I”,此时可以选择 $5$ 种颜色中的任意一种,有 $5$ 种选择;第二步涂“M”,需要与“I”不同的另外 $4$ 种颜色中任选一种,有 $4$ 种选择;第三步涂“O”,颜色与“I”、“M”都不同,那么只剩下 $3$ 种选择。根据乘法原理,对“IMO”三个字母涂色一共有 $5\times 4\times 3=60$ 种不同的方法。
方法:三个字母依次涂色,可选颜色数 $5$、$4$、$3$ 依次减一后相乘。
3. 老师要求小高在黑板上写出一个减法算式,而且被减数必须是两位数,减数必须是一位数,小高有多少种不同的写法?
★★
乘法原理分步计数数字组成
答案
$900$ 种。
解题过程
(1)写被减数,两位数从 $10\sim 99$,有 $90$ 种选择。(2)写减数,一位数从 $0\sim 9$,有 $10$ 种选择。所以不同的算式总共有 $90\times 10=900$ 种。
方法:分两步确定被减数与减数,两位数 $90$ 种、一位数 $10$ 种相乘。
4. 有一个三层书架,第一层放了 $15$ 本小说,第二层放了 $10$ 本漫画,第三层放了 $5$ 本科普书,并且这些书各不相同。请问:(1)如果从所有的书中任取 $1$ 本,共有多少种不同的取法?(2)如果从每一层中各取 $1$ 本,共有多少种不同的取法?(3)如果从中取出 $2$ 本不同类别的书,共有多少种不同的取法?
★★
加法原理乘法原理分类与分步分类计数分步计数组合取法
答案
(1)$30$ 种;(2)$750$ 种;(3)$275$ 种。
解题过程
(1)从所有的书中任取一本,只能在小说、漫画、科普这三种书中选取一种,这三种书之间是分类关系。根据加法原理,不同的取法有 $15+10+5=30$ 种。(2)从每类各取一本,要再选一类的某一本,再这三步之间是分步关系。根据乘法原理,一共有 $15\times 10\times 5=750$ 种不同的取法。(3)取两本不同类别的书,可以是小说和漫画、小说和科普、漫画和科普,最后只需把这三种情况下的结果相加,分为三类。①选小说和漫画,分为两小步,先选小说,再选漫画,有 $15\times 10=150$ 种。②选小说和科普,有 $15\times 5=75$ 种。③选漫画和科普,有 $10\times 5=50$ 种。所以共有 $150+75+50=275$ 种不同的选法。
方法:(1)任取一本分类相加;(2)每层各取一本分步相乘;(3)按两类组合分三类,每类分步相乘后相加。
5. 如图 $11\text{-}5$,从甲地到乙地有 $3$ 条路,从乙地到丙地有 $3$ 条路,从甲地到丁地有 $2$ 条路,从丁地到丙地有 $4$ 条路。如果要求所走路线不能重复,那么从甲地到丙地共有多少条不同的路线?
★★
加法原理乘法原理路径计数
答案
$17$ 条。
解题过程
从甲地到丙地可分为“甲 $\to$ 乙 $\to$ 丙”和“甲 $\to$ 丁 $\to$ 丙”这两类走法。①“甲 $\to$ 乙 $\to$ 丙”这类走法分为两步走法:第一步“甲 $\to$ 乙”有 $3$ 种走法,第二步“乙 $\to$ 丙”有 $3$ 种走法,由乘法原理有 $3\times 3=9$ 种走法。②“甲 $\to$ 丁 $\to$ 丙”这类走法分为两步走法,第一步“甲 $\to$ 丁”有 $2$ 种,第二步“丁 $\to$ 丙”有 $4$ 种,有 $2\times 4=8$ 种走法。由加法原理,总共的不同路线有 $9+8=17$ 条。
方法:先按经乙或经丁分两类,每类内部分步相乘,再两类相加。
6. 如图 $11\text{-}6$,四张卡片上写有数字 $2,4,7,8$,从中任取三张卡片,排成一行,就可以组成一个三位数。一共可以组成多少个不同的三位数?其中有多少个不同的三位奇数?
★★
乘法原理数字排列奇数判定数字排列计数
答案
$24$ 个三位数;$6$ 个三位奇数。
解题过程
(1)要确定一个三位数,必须确定它的每一位数字。最高位(百位)从 $4$ 张卡片中任取一张作为百位,有 $4$ 种选择;十位从剩下的 $3$ 张中任取一张,有 $3$ 种选择;个位从剩下的 $2$ 张中任取一张,有 $2$ 种选择。由乘法原理,这样的三位数共有 $4\times 3\times 2=24$ 种。(2)要想组成三位奇数,个位数字必须是奇数,$2,4,7,8$ 中只有 $7$ 是奇数,所以个位只有 $1$ 种选择;确定百位时只剩 $3$ 张卡片,有 $3$ 种选择;确定十位时只剩 $2$ 张卡片,有 $2$ 种选择。由乘法原理,满足条件的三位奇数有 $1\times 3\times 2=6$ 个。
方法:逐位确定数字相乘;求奇数时先固定个位为奇数,再排其余位。
7. 奥运场馆实行垃圾分类处理,每个地方放置五个垃圾桶,从左向右依次标明:电池、塑料、废纸、易拉罐、不可再造,如图 $11\text{-}7$。现在准备把这五个垃圾桶染成红、绿、蓝这 $3$ 种颜色之一,要求相邻两个垃圾桶颜色不同,且回收废纸的垃圾桶不能染成红色。那么一共有多少种染色方法?
★★
乘法原理染色计数相邻不同色链状染色计数
答案
$32$ 种。
解题过程
对这几个垃圾桶依次染色,这是一个分步的过程,应该先把有特殊要求的垃圾桶染色,也就是从回收废纸的垃圾桶开始。第一步先给“废纸”垃圾桶染色,因为不能染红色,有 $2$ 种选择;第二步给“塑料”染色,因为不能与“废纸”同色,有 $2$ 种选择;继续往左,第三步给“电池”染色,因为不能跟“塑料”同色,有 $2$ 种选择;同理,从“废纸”出发向右去给“易拉罐”和“不可再造”染色,分别都只有 $2$ 种选择。根据乘法原理,不同的染色方法有 $2\times 2\times 2\times 2\times 2=32$ 种。
方法:从受限的“废纸”桶起向两侧依次染色,每步与相邻已染色不同,各 $2$ 种相乘。
8. 如图 $11\text{-}8$,把 $A$、$B$、$C$、$D$、$E$ 这五部分用 $4$ 种不同的颜色染色,且相邻的部分不能使用同一种颜色,不相邻的部分可以使用同一种颜色。请问:这幅图共有多少种不同的染色方法?
★★
乘法原理染色计数相邻不同色区域染色计数
答案
$96$ 种。
解题过程
$A$、$B$、$C$、$D$、$E$ 五部分依次相邻,按这个顺序染色。①给 $A$ 部分染色,有 $4$ 种选择。②给 $B$ 部分染色,因不与 $A$ 同色,只有 $3$ 种选择。③给 $C$ 部分染色,由于与 $A$、$B$ 的颜色都不同,有 $2$ 种选择。同样方法可以知道,$D$ 部分有 $2$ 种染色方法,$E$ 部分有 $2$ 种染色方法。由乘法原理,一共有 $4\times 3\times 2\times 2\times 2=96$ 种染色方法。
方法:按相邻顺序依次染色,每步数与已染相邻部分不同色的选择数相乘。
9. 在图 $11\text{-}9$ 中,从“北”字开始,每次向下移动到一个相邻的字可以读出“北京奥运会”。那么一共有多少种不同的读法?
★★
乘法原理路径计数数阵读法数阵读法计数
答案
$16$ 种。
解题过程
依次读出“北”、“京”、“奥”、“运”、“会”这 $5$ 个字,恰好为 $5$ 步操作。①选择“北”字,只有 $1$ 种选择。②选择“京”字,图中的两个“京”字都与“北”字相邻,所以有 $2$ 种选择。③选择“奥”字,如果第二步选择的是左边的“京”字,那么第三步选择与它相邻且在它下方的“奥”字,有 $2$ 种选择;如果第二步选择的是右边的“京”字,同理也有 $2$ 种选择。所以选择“奥”字时,中间的“奥”字有 $2$ 种选择。同理,④和⑤也都各有 $2$ 种选择。根据乘法原理可知,不同的读法总共有 $1\times 2\times 2\times 2\times 2=16$ 种。
方法:把读出五个字看作分步,每一步向下相邻可选数相乘。
10. 如图 $11\text{-}10$,用红、蓝两种颜色来给图中的小圆圈染色,每个小圆圈只能染一种颜色。请问:(1)如果每个小圆圈可以随意染色,一共有多少种不同的染法?(2)如果要求关于中间那条竖线左右对称,一共有多少种不同的染法?
★★
乘法原理染色计数对称性对称计数
答案
(1)$512$ 种;(2)$128$ 种。
解题过程
(1)把整个染色过程分成 $9$ 步,每步给一个小圆圈染色,各个小圆圈之间的染色互不影响,每个小圆圈有 $2$ 种染色方式。根据乘法原理,一共有 $2\times 2\times 2\times 2\times 2\times 2\times 2\times 2\times 2=512$ 种不同的染法。(2)如图,小圆圈的染色方式关于中间的竖线左右对称,先确定左边的两个小圆圈与右边相对位置的小圆圈颜色随之确定。先确定中间竖线上的 $5$ 个小圆圈颜色,再确定横线上左边的 $2$ 个小圆圈颜色,由于它们可以染红色与蓝色,且每个小圆圈的颜色互不影响,对称的右边 $2$ 个小圆圈颜色随之确定。根据乘法原理,满足条件的染色方法有 $2\times 2\times 2\times 2\times 2\times 2\times 2=128$ 种。
方法:(1)$9$ 个圆圈独立 $2$ 选 $1$ 相乘;(2)利用左右对称,只需独立确定 $7$ 个圆圈。
11. 甲、乙、丙、丁、戊五人要驾驶 $A$、$B$、$C$、$D$、$E$ 这五辆不同型号的汽车,会驾驶汽车 $A$ 的只有甲和乙,汽车 $E$ 必须由甲、乙、丙三人中的某一人驾驶。则一共有多少种不同的安排方案?
★★★
乘法原理受限排列分步计数受限排列计数
答案
$24$ 种。
解题过程
把 $5$ 个人与 $5$ 辆车的对应关系在图中表示出来。考虑 $5$ 个人对 $5$ 辆车的选择,在确定 $5$ 个人选车的先后顺序时,从要求驾驶的人出发分步讨论。从图中可以看出,可以按甲、乙、丙、丁、戊的顺序分步考虑每个人的选车情况:戊可以从 $B$、$C$、$D$ 这三辆车中任意选择,有 $3$ 种选法;丁可以从 $B$、$C$、$D$ 这三辆车中没被戊选过的两辆车中任意选择一辆,有 $2$ 种选法;丙可以从 $A$、$B$、$C$、$D$ 这四辆车中没被丁、戊选过的车中任意选择,但 $A$ 车不能由丙开,所以丙只能选剩下且可以驾驶的车,有 $2$ 种选法;乙可以从剩下的两辆车中任意选择,但只能驾驶 $A$、$E$ 中余下的一辆,所以乙只有 $2$ 种选法;甲只剩下最后一辆,只有 $1$ 种选择。根据乘法原理,一共有 $2\times 2\times 2\times 3\times 1=24$ 种不同的安排方案。
方法:从限制最强的车($A$、$E$)入手分步安排,逐人计可选数相乘。
12. 如图 $11\text{-}11$,$4$ 枚相同的棋子放入 $4\times 4$ 的方格内,每个方格只能放 $1$ 枚,且要求每行每列最多只能放 $1$ 枚。一共有多少种不同的放法?
★★★
乘法原理棋子放置每行每列限制非攻击放置计数
答案
$24$ 种。
解题过程
由于棋子相同,每行最多放一枚棋子放入,方格表共有 $4$ 行,因此每行恰有一枚棋子放入。同样地,每列也恰有一枚棋子放入。第一行可以从 $4$ 个格子中任选一个放,有 $4$ 种方法。第二行中由于不能与第一行同列,只能从余下的 $3$ 列对应的格子中选,有 $3$ 种方法。当两行棋子的位置都确定后,第三行中还有 $2$ 个位置可以放置。第四行中放入棋子,只有 $1$ 个位置可以放。根据乘法原理,共有 $4\times 3\times 2\times 1=24$ 种不同的放法。
方法:每行恰放一枚,逐行确定列位置,可选数 $4,3,2,1$ 相乘。
13. 图 $11\text{-}12$ 是一个阶梯形方格表,在方格中放入 $5$ 枚相同的棋子,使得每行、每列中都只有 $1$ 枚棋子。这样的放法共有多少种?
★★★
乘法原理棋子放置每行每列限制非攻击放置计数
答案
$16$ 种。
解题过程
当棋子相同时不必考虑棋子的放置顺序,则可按照第一行、第二行、第三行、第四行、第五行的顺序,分步考虑这五行中的棋子的位置。如图所示,从图中看出,第一行的棋子有 $2$ 个位置可以放,无论它选哪个位置,当将去它所在的行和列之后,第二行的棋子有 $2$ 个位置可以放。同理,当被去第一与第二行中的棋子后,第三行的棋子有 $2$ 个位置可以选择。依次类推,直到倒数第二行(第四行),每行的棋子都有 $2$ 个位置可选,到最后一行只剩下 $1$ 个位置可放。根据乘法原理,对 $5$ 枚棋子不同的放法总共有 $2\times 2\times 2\times 2\times 1=16$ 种。
方法:按行分步放棋,每行去掉已占行列后可选位置数相乘。
14. 如图 $11\text{-}13$ 和图 $11\text{-}14$,蚂蚁在线段上爬行,只能按照箭头的方向行走。请问:(1)如图 $11\text{-}13$ 所示,从 $A$ 点走到 $B$ 点的不同路线有多少条?(2)如图 $11\text{-}14$ 所示,从 $A$ 点走到 $B$ 点的不同路线有多少条?
★★★
标数法加法原理路径计数标数法路径计数
答案
(1)$5$ 条;(2)$108$ 条。
解题过程
(1)由于蚂蚁只能向上走或向右走,因此对于最左边一列中的每个点,蚂蚁到达它只有 $1$ 种走法,对于最左边一列下面一点的也是同样的结论。把与最左边一列对应的点标上 $1$,表示到达这些点只有 $1$ 种方法。对于图中的其他点,本应该都可以从它的左边或下面过来,这时只需要把与它紧邻的下边一点与左边一点上的数相加,就得到该点处标记的数。用标数法标上数,$B$ 点处标的数就是从 $A$ 点到达 $B$ 点的路线数。依次计算,可得蚂蚁到达 $B$ 点共有 $5$ 条路线。(2)蚂蚁从 $A$ 点出发,到达 $A$ 点上方的 $C$ 点只有 $1$ 条路线,那么在 $C$ 点处标上数 $1$。蚂蚁到达 $D$ 点有 $2$ 种方式,分别从 $C$ 点、$A$ 点到达 $D$ 点,因此蚂蚁到达 $D$ 点的方法数就等于它到达 $C$ 点与 $A$ 点的方法数之和。依次用标数法标数,$B$ 点处标的数为 $108$,因此蚂蚁从 $A$ 点爬到 $B$ 点的不同路线有 $108$ 条。
方法:用标数法,每个顶点的走法数等于通往它的各相邻顶点走法数之和。
超越篇
1. 爸爸、妈妈带小高去吃西餐,餐厅里有米饭和面条 $2$ 种主食,烤牛排、烤羊排和烤鸡排 $3$ 种主菜,奶油蘑菇汤 $1$ 种汤,以及蛋糕和布丁 $2$ 种甜点。如果小高想要点 $1$ 种主食和 $1$ 种主菜,汤和甜点可点可不点,而且种类不限。请问:小高一共有多少种点菜方法?
★★★
乘法原理可选可不选计数分步计数搭配计数
答案
$48$ 种。
解题过程
小高点菜分为四步:选主食、主菜、汤、甜点,这四种菜之间是搭配的关系。第一步,挑选主食,餐厅里有米饭和面条 $2$ 种主食,所以有 $2$ 种选择。第二步,挑选主菜,餐厅里有 $3$ 种主菜,所以有 $3$ 种选择。第三步,挑选汤,汤既可以点又可以不点,但是可以点的只有 $1$ 种,所以汤有 $2$ 种选择。第四步,挑选甜点,甜点有 $2$ 种,既可以同时点两种、也可以只点其中的一种,还可以两种都不点,所以甜点的选择有 $4$ 种(蛋糕和布丁都点、只点蛋糕、只点布丁、两都不点)。由乘法原理,一共有 $2\times 3\times 2\times 4=48$ 种点菜方法。
方法:分主食、主菜、汤、甜点四步,对可点可不点的项计入“不点”这一额外选择后相乘。
2. 如图 $11\text{-}15$,在一个 $3\times 4$ 的方格表内放入 $4$ 枚相同的棋子,要求每列至多有 $1$ 枚棋子,一共有多少种不同的放法?如果放入 $4$ 枚互不相同的棋子,要求每列至多有 $1$ 枚棋子,一共有多少种不同的放法?
★★★★
乘法原理棋子放置每列限制排列计数放置计数
答案
$4$ 枚相同棋子有 $81$ 种放法;$4$ 枚互不相同棋子有 $1944$ 种放法。
解题过程
(1)因放入的 $4$ 枚棋子是相同的,并没有顺序,分 $4$ 步分步考虑,按 $4$ 列从左到右的顺序依次将棋子一列一列放入。每一列都可放也可不放,但每列至多放 $1$ 枚,每一列棋子的格子都可以放,所以有 $3$ 种方法。同理,第二、三、四列也各有 $3$ 种方法。根据乘法原理,共有 $3\times 3\times 3\times 3=81$ 种不同的放法。(2)方法一:假设 $4$ 枚互不相同的棋子为 $A$、$B$、$C$、$D$。①先放棋子 $A$,$12$ 个格子可以随便选择,有 $12$ 种选择。②放棋子 $B$,由于不能与 $A$ 同列,那么它的格子都可以放,所以有 $9$ 种方法。③放棋子 $C$,$A$、$B$ 那两列共有 $6$ 个格子不能选,所以有 $6$ 种选择。④放棋子 $D$,$A$、$B$、$C$ 三列一共有 $9$ 个格子不能选,所以有 $3$ 种选择。根据乘法原理,共有 $12\times 9\times 6\times 3=1944$ 种放法。方法二:先确定位置(相同棋子)有 $81$ 种,再把 $4$ 枚不同的棋子按照顺序放入选好的 $4$ 个位置,有 $4\times 3\times 2\times 1=24$ 种。由乘法原理,总方法数为 $81\times 24=1944$ 种。
方法:相同棋子按列分步各 $3$ 种相乘;不同棋子可逐枚放置相乘,或在相同棋子方案上再乘以 $4$ 枚的全排列。
3. 如图 $11\text{-}16$,将图中的八个部分用红、黄、绿、蓝这 $4$ 种不同的颜色染色,而且相邻的部分不能使用同一种颜色,不相邻的部分可以使用同一种颜色。请问:这幅图共有多少种不同的染色方法?
★★★
乘法原理染色计数相邻不同色区域染色计数
答案
$768$ 种。
解题过程
按照 $D$、$B$、$E$、$G$、$A$、$C$、$F$、$H$ 的步骤进行染色。对 $D$ 进行染色时没有任何限制,共有 $4$ 种选择。对 $B$ 进行染色时不能和 $D$ 同色,有 $3$ 种选择。对 $E$ 进行染色时不能和 $B$、$D$ 同色,有 $2$ 种选择。对 $G$ 进行染色时不能和 $D$、$E$ 同色,有 $2$ 种选择。接下来,对 $A$、$C$、$F$、$H$ 进行染色时的情况相同,都是 $2$ 种选择。根据乘法原理,不同的染色方法总共有 $4\times 3\times 2\times 2\times 2\times 2\times 2\times 2=768$ 种。
方法:选好染色顺序,逐区域计与已染相邻区域不同色的选择数相乘。
4. 用 $4$ 种不同的颜色给图 $11\text{-}17$ 中的圆圈染色,有线段相连的两个圆圈不能同色。一共有多少种不同的染色方法?
★★★★
乘法原理加法原理染色计数分类讨论环形染色计数
答案
$84$ 种。
解题过程
方法一:按照 $A$、$B$、$C$、$D$ 的顺序进行染色。对 $A$ 染色没有限制,有 $4$ 种选择;对 $B$ 染色因与 $A$ 相邻,有 $3$ 种选择。再从 $C$ 的染色情况出发,分为两类考虑:第一种情况,如果 $C$ 和 $A$ 的染色相同,那么 $C$ 就只有和 $A$ 相同的 $1$ 种染法,此时 $D$ 与 $A$、$C$ 不同($A$、$C$ 同色),有 $3$ 种选择;第二种情况,如果 $C$ 和 $A$ 染色不同,那么 $C$ 与 $A$、$B$ 都不相同,有 $2$ 种不同的染法,此时 $D$ 与 $A$、$C$ 都不同,有 $2$ 种选择。综合两类,所以共有 $4\times 3\times\left[(1\times 3)+(2\times 2)\right]=84$ 种不同的染色方法。
方法:对成环结构按顺序染色,在最后一点处按是否与对角同色分类讨论后相加。
5. 一只甲虫沿着图 $11\text{-}18$ 中的方格线从 $A$ 爬到 $B$,每次只能向右爬一格或向上爬一格,图中画着黑点的地方不能通过。请问:这只甲虫可以选择多少条不同的路线?
★★★
标数法加法原理路径计数障碍处理带障碍格点路径计数
答案
$66$ 条。
解题过程
由题意,只能沿方格向右爬或向上爬,则按照从对应于以从 $A$ 点出发往右与往上的顺序来标记。把最下一行与最左一列上的点都标上 $1$,表示到达这些点只有 $1$ 种走法。对于图中的其他点,本应该都可以从它的左边或下面过来,这时只需要把与它紧邻的下边一点与左边一点上的数相加,就得到该点处标记的数。但黑点不能通过,在黑点上标上数 $0$,代表 $0$ 条路线。依次标出每行上的点处对应的数,$B$ 点处标的数是 $66$,因此,这只甲虫从 $A$ 爬到 $B$ 有 $66$ 条不同的路线。
方法:用标数法,每点走法数等于其左、下相邻点之和,遇黑点标 $0$。
6. 王老师家装修新房,需要 $2$ 个木匠和 $2$ 个电工。现有木匠 $3$ 人、电工 $3$ 人,另有 $1$ 人既能做木匠也能做电工。要从这 $7$ 人中挑选出 $4$ 人完成这项工作,共有多少种不同的选法?
★★★★
加法原理乘法原理组合计数分类讨论组合选取计数
答案
$27$ 种。
解题过程
考虑既能做木匠也能做电工的人的工作情况,分为三种:①做木匠,则还需要选出 $1$ 个木匠和 $2$ 个电工。从 $3$ 个木匠里选出 $1$ 人,有 $3$ 种方法,再从 $3$ 个电工里选出 $2$ 人,也有 $3$ 种方法,所以有 $3\times 3=9$ 种选法。②做电工,则还需要选出 $2$ 个木匠和 $1$ 个电工。跟第一种情况类似,也有 $3\times 3=9$ 种选法。③什么都不做,那么还需要选出 $2$ 个木匠和 $2$ 个电工。选出 $2$ 个木匠和 $2$ 个电工的方法都是 $3$ 种,那么有 $3\times 3=9$ 种选法。以上三种工作情况之间是分类关系,所以一共有 $9+9+9=27$ 种不同的选法。
方法:按那位“两栖”工人做木匠、做电工、不做分三类,每类内分步选人相乘后相加。
7. 如图 $11\text{-}19$ 所示,一只小甲虫要从 $A$ 点出发沿着线段爬到 $B$ 点,不能重复经过任何点。请问:这只甲虫有多少种不同的走法?
★★★★★
加法原理乘法原理路径计数不重复经过分类讨论无重复点路径计数
答案
$69$ 条。
解题过程
如图,$E$、$F$ 两点将左右两部分分隔开了。用字母 $M$ 表示在正方形 $EFBC$ 内从 $E$ 点爬到 $B$ 点的路线数,用字母 $m$ 表示在 $\triangle ECB$ 内从 $E$ 点爬到 $B$ 点的路线数;用字母 $N$ 表示在正方形 $FEBC$ 内从 $F$ 点爬到 $B$ 点的路线数,用字母 $n$ 表示在 $\triangle FCB$ 内从 $F$ 点爬到 $B$ 点的路线数。不难求出 $M=3+3+3=9$ 条,$m=4$ 条,$N=1+3+4=8$ 条,$n=3$ 条。现在考虑从 $A$ 点出发:①若第一步走 $AE$,则有 $M+n+n=15$ 条;②若第一步走 $AP$,则有 $M+N+N=25$ 条;③若第一步走 $AD$:若第二步是 $DF$,则有 $N+m=12$ 条,若第二步是 $DP$,则有 $M+N=17$ 条。综上所述,从 $A$ 点到 $B$ 点的总路线是 $15+25+12+17=69$ 条。
方法:用分隔点把图分块,分别求各块路线数,再按第一步走向分类相加。
8. 如图 $11\text{-}20$ 所示,国际象棋中的棋子“皇后”从左下角走到右上角,每步只能向右、向上或者向右上移动任意多格。一共有多少种不同的走法?
★★★★★
标数法加法原理路径计数皇后路径计数
答案
$188$ 种。
解题过程
采用标数法,从左下往右上标数,注意本题不但可以往右走、往上走,还可以往右上斜着走,并且每次移动可以是任意格。如表所示:从“始”格出发,逐个顶点标上从“始”格到达该顶点的走法数,每个顶点的走法数等于它正左、正下及左下方向所有顶点走法数之和。依次标数,右上角顶点标的数是 $188$,因此一共有 $188$ 种不同的走法。
方法:用标数法,因皇后可向右、上、右上走任意格,每点走法数等于其正左、正下、左下方向全部已标点之和。
第12讲 统筹与对策
兴趣篇
1. 妈妈让小高给客人烧水泡茶。洗开水壶要用 $1$ 分钟,烧开水要用 $15$ 分钟,洗茶壶要用 $1$ 分钟,洗茶杯要用 $1$ 分钟,拿茶叶要用 $2$ 分钟。小高估算了一下,完成这些工作要花 $20$ 分钟。为了尽快给客人泡茶,你认为最合理的安排,最少需要多少分钟?
★★
统筹安排工序并行时间最优化泡茶 / 烧水统筹问题
答案
$16$ 分钟。
解题过程
先洗开水壶,紧接着烧开水。在烧开水的过程中($15$ 分钟)依次去完成洗茶壶、洗茶杯、拿茶叶这三项工作(共 $1+1+2=4$ 分钟,可在烧水的 $15$ 分钟内同时完成)。这样总时间为洗开水壶 $1$ 分钟加烧开水 $15$ 分钟,即 $1+15=16$ 分钟,故最少需要 $16$ 分钟。
方法:把不占用人手、可与烧水同时进行的准备工作安排在烧水时间内完成,使总时间最短。
2. 理发店里同时来了 $A$、$B$、$C$ 三位顾客,$A$ 理发只需要 $7$ 分钟,$B$ 理光头需要 $10$ 分钟,$C$ 烫发需要 $40$ 分钟。请问:如何安排这三人的理发顺序才能使得他们三人所花的时间总和最短?这个最短的时间总和是多少?
★★
排队等待时间最短短作业优先统筹安排排队等待时间总和最短
答案
按 $A$、$B$、$C$ 顺序,$81$ 分钟。
解题过程
为使等待时间总和最短,应让用时少的先理(短作业优先)。
①若 $A$ 先理发,$B$、$C$ 需要等待:$7+7=14$(分钟);
②若 $B$ 先理发,$A$、$C$ 需要等待:$10+10=20$(分钟);
③若 $C$ 先理发,$A$、$B$ 需要等待:$40+40=80$(分钟)。
所以应该让理发时间短的先理发。按 $A$、$B$、$C$ 的顺序排,总时间最少,为 $81$ 分钟($7+(7+10)+(7+10+40)=81$)。
方法:按服务时间从小到大排队,使所有人的等待时间总和最小。
3. 一个水房有两个水龙头,一天早晨 $6:00$,有五个人同时需要用水龙头:甲刷牙,用 $5$ 分钟;乙洗脸,用 $2$ 分钟;丙洗头,用 $10$ 分钟;丁浇花,用 $1$ 分钟;戊洗衣服,用 $15$ 分钟。请问:如何合理安排,最快在早晨几点几分,这五个人都能用完水?
★★
多服务台排队时间分配统筹安排多窗口排队最短完成时间
答案
$6:17$。
解题过程
五个人用水的时间总和为 $5+2+10+1+15=33$(分钟)。有两个水龙头时,把这些时间分配到两个龙头上,$33\div 2=16.5$,所以最迟完成的时刻至少要 $17$ 分钟。
下面的构造说明 $17$ 分钟是可以的:一个龙头依次接待 $5+10+1=16$ 分钟,另一个龙头接待 $2+15=17$ 分钟。所以最快在早晨 $6$ 点 $17$ 分,这五个人都能用完水。
方法:把用时长的与用时短的合理搭配到各龙头上,使最迟完成的时刻尽量早。
4. 西点店里卖的面包都是 $5$ 个一袋或者 $3$ 个一袋,不拆开零售。已知 $5$ 个一袋的售价是 $8$ 元,$3$ 个的售价是 $5$ 元。要给 $47$ 位同学每人发 $1$ 个面包最少要花多少钱?
★★
整数搭配最优购买单价比较凑数整袋购买最省钱
答案
$76$ 元。
解题过程
因为 $5$ 个一袋的面包,平均每个 $\frac{8}{5}=1.6$ 元;$3$ 个一袋的,平均每个 $\frac{5}{3}\approx 1.67$ 元。所以应尽量多买 $5$ 个一袋的。
若买 $9$ 个 $5$ 袋($45$ 个),加 $1$ 个 $3$ 袋共 $48$ 个,花 $9\times 8+5=77$ 元,多 $1$ 个;
若买 $8$ 个 $5$ 袋($40$ 个)加 $3$ 个 $3$ 袋($9$ 个)共 $49$ 个,花 $8\times 8+3\times 5=79$ 元;
经比较,买 $7$ 个 $5$ 袋($35$ 个)加 $4$ 个 $3$ 袋($12$ 个)共 $47$ 个,恰好 $47$ 个,花 $7\times 8+4\times 5=76$ 元,最省。所以最少要花 $76$ 元。
方法:比较两种包装的单个均价,优先选均价低的,再凑足恰好 $47$ 个使总价最低。
5. 如图 $12-1$ 所示,一条环形公路上有 $A$、$B$、$C$、$D$ 四个仓库。$A$ 仓库存盐 $40$ 吨,$B$ 仓库存盐 $5$ 吨,$C$ 仓库存盐 $35$ 吨,$D$ 仓库没有盐。现在要调整存放数量,计划 $A$、$B$、$C$、$D$ 每个仓库各存盐 $20$ 吨。已知每吨盐运 $1$ 千米需要运费 $2$ 元。试问:为完成上述调运计划,最少需要多少元运费?(图 $12-1$ 中公路旁的数字表示相邻仓库间的里程数,单位为千米)
★★★
环形线路货物调运运费最优化统筹安排环形公路货物调运最省运费
答案
$700$ 元。
解题过程
$A$ 仓库存盐 $40$ 吨,要运出 $40-20=20$ 吨;$C$ 仓库存盐 $35$ 吨,要运出 $35-20=15$ 吨。而 $A$ 仓库把 $20$ 吨盐运往 $D$ 仓库(相距 $10$ 千米),$C$ 仓库把 $15$ 吨盐运往 $B$ 仓库(相距 $10$ 千米),刚好能使得每个仓库各存盐 $20$ 吨。此即最节省的方案,运费为 $20\times 10\times 2+15\times 10\times 2=700$ 元。
方法:把各仓库与目标量的盈亏算出,沿环线就近调运,使吨·千米总和最小。
6. $2008$ 个小方格被排成一行,甲、乙两人轮流在空格内放棋子,每人每次放一枚。规定:每个空格只能放一枚棋子,当甲放好一枚棋子后,乙必须在与甲所放棋子相邻的空格内放一枚棋子,否则乙就要被罚。如果乙一开始在左边第一个方格内放了一枚棋子,那么谁有必胜策略?
★★★
博弈对称(配对)策略必胜策略配对必胜策略
答案
甲。
解题过程
乙在最左边第一格放下棋子后,甲放下第一个棋子,使局面成为“乙 甲 甲 乙 …”这样的形式。由于乙每次必须放在甲所放棋子的相邻空格,乙占据了除去最左边 $4$ 格后剩下的 $2004$ 个格子中的最左边一个;如果乙不想被罚,以后摆放必然呈现“乙乙 甲甲 乙乙 甲甲 ……”的规律。到最后只剩四格(记为 乙、$A$、$B$、$C$)时乙占据最左边的格子,甲放到 $B$ 后,无论乙放到 $A$ 还是 $C$,甲放好后所有格子都有棋子,乙无法再放棋子。于是甲有必胜策略。
方法:把格子两两配对,后手按配对位置应对,使先手先无路可走。
7. 有 $9$ 根火柴,甲、乙两人轮流取,规定每次可取 $1$ 根或者 $2$ 根,以取走最后一根火柴者为胜者。试问:如果甲先取,有必胜的策略吗?
★★★
巴什博弈凑整控制剩余数必胜策略取火柴博弈(取 1 或 2)
答案
乙。
解题过程
分析剩余火柴数的胜负:如果剩 $1$ 根或 $2$ 根,先取的人直接取走便获胜;如果剩 $3$ 根,先取的人无论取 $1$ 根还是 $2$ 根,后取的人都能取完,所以后取的人胜;同理,剩 $4$、$5$ 根时先取者胜,剩 $6$ 根时后取者胜……可见当剩下的根数是 $3$ 的倍数时,后取的人有必胜策略。
现在共 $9$ 根,$9=3\times 3$ 是 $3$ 的倍数,所以后取的乙有必胜策略:每次甲取后,乙都把这一轮两人合取的根数补成 $3$(甲取 $1$ 根乙取 $2$ 根,甲取 $2$ 根乙取 $1$ 根),使剩余依次为 $6$、$3$、$0$,最后由乙取走第 $9$ 根获胜。所以甲先取没有必胜策略,乙必胜。
方法:先手先取使剩余数为 $3$ 的倍数,之后每轮与对手合取 $3$ 根。
8. 有 $100$ 根火柴,甲、乙两人轮流取,规定每次可取 $1$ 根、$2$ 根、$3$ 根或 $4$ 根火柴,谁取到最后一根火柴谁就输。若甲先取,谁有必胜的策略?
★★★
巴什博弈(取后一根者输)凑整控制剩余数必胜策略取火柴博弈(取 1~4,取末根者输)
答案
甲。
解题过程
目标是不取到最后一根,即取到第 $99$ 根者胜(让对方取第 $100$ 根)。先手甲先取 $4$ 根,剩 $96$ 根。此后每轮甲都把两人合取的根数补成 $5$(乙取 $k$ 根,甲取 $5-k$ 根),使每轮剩余减少 $5$。$96=5\times 19+1$,最终剩下 $1$ 根(第 $100$ 根)留给乙取,乙输。所以甲先取有必胜策略。
方法:把“取到最后一根者输”转化为控制剩余数,每轮与对手合取固定根数。
9. 如图 $12-2$ 方格 $A$ 中放有一枚棋子,甲先乙后轮流移动这枚棋子,只能向上、向右或向右上方沿 $45^\circ$ 角走 $1$ 步,最终将棋子走到方格 $B$ 的人获胜。请问:谁有必胜策略,策略是什么?
★★★
控制点(必胜点)分析倒推法棋盘博弈必胜策略棋子移动到指定格博弈
答案
甲。
解题过程
采用“控制点(必胜点)”分析。从终点 $B$ 出发倒推,逆向标出谁走到该位置必胜:与 $B$ 相邻、能一步到 $B$ 的格子都是“必败点”(标“×”,谁走到此处则对方下一步可直接到 $B$ 获胜),由这些必败点反推可达它们的格子为“必胜点”(标“√”)。如图标注后可知 $A$ 处恰为必胜点,即甲先手把棋子移到合适的“控制点”,之后始终占据这些控制点,便能必胜。所以甲有必胜策略。
方法:从终点倒推标记必胜点 / 必败点,先手抢占控制点并保持。
10. 甲、乙两人轮流往一个圆桌面上放同样大小的硬币,规则是:每人每次放一枚,硬币不许叠重,谁放完后使得对方无处再放,谁就获胜。请问:先放者有必胜策略吗?
★★★★
中心对称策略博弈必胜策略占据对称中心圆桌放硬币对称博弈
答案
先放者(甲)有必胜策略。
解题过程
甲先把第一枚硬币放在圆桌的正中心。此后乙在某处放一枚,甲就在关于圆心中心对称的位置放一枚。由于圆桌是中心对称图形,乙能放下的位置,其关于圆心对称的位置一定也是空的且能放下。这样甲总能跟着乙放,最后乙必先无处可放,故先放者(甲)必胜。
方法:先手占据对称中心,之后对乙的每步取中心对称位置应对。
拓展篇
1. 萱萱中午做的菜是烧豆腐,共需要七道工序,每道工序的时间如下:切豆腐 $2$ 分钟,切肉片 $2$ 分钟,准备葱姜蒜 $3$ 分钟,准备佐料 $1$ 分钟,烧热锅 $2$ 分钟,烧热油 $2$ 分钟,炒菜 $4$ 分钟。那么萱萱烧好这道菜最少需要几分钟?
★★
统筹安排工序并行时间最优化做菜工序统筹
答案
$12$ 分钟。
解题过程
萱萱可以在烧锅、烧油的同时完成切豆腐、切肉片、准备葱姜蒜、准备佐料这些不占用炉子的准备工作。把这四道准备工序(共 $2+2+3+1=8$ 分钟)安排在烧锅、烧油(先后共 $2+2=4$ 分钟)之外并行进行,再加上最后炒菜 $4$ 分钟,合理安排后最少需要 $12$ 分钟。
方法:把不占用炉子的准备工作与烧锅烧油同时进行,串接炒菜,求最短总时间。
2. 小杂货店里有一位售货员卖货,同时来了 $A$、$B$、$C$、$D$、$E$ 五位顾客。$A$ 买糖果需要 $2$ 分钟,$B$ 买大米需要 $6$ 分钟,$C$ 买香烟和啤酒需要 $4$ 分钟,$D$ 买水果需要 $3$ 分钟,$E$ 买蔬菜需要 $5$ 分钟。请问:售货员应当如何安排这五位顾客的顺序,才能使五位顾客等待购物时间总和最短?这个最短的时间总和是多少?(只计算每人排队的时间,不计算买东西的时间。)
★★★
排队等待时间最短短作业优先统筹安排排队购物等待时间总和最短
答案
按 $A$、$D$、$C$、$E$、$B$ 的顺序,$30$ 分钟。
解题过程
为使所有人的等待(排队)时间总和最短,应让购物用时短的顾客先买(短作业优先)。把五人按用时从小到大排序:$A(2)$、$D(3)$、$C(4)$、$E(5)$、$B(6)$。
按此顺序,各人排队(等待前面的人)的时间分别为:$A$ 等 $0$,$D$ 等 $2$,$C$ 等 $2+3=5$,$E$ 等 $2+3+4=9$,$B$ 等 $2+3+4+5=14$。所以等待时间总和为 $0+2+5+9+14=30$ 分钟,这就是最短的时间总和。
方法:按服务时间升序排队,使所有顾客的等待时间总和最小。
3. 有 $47$ 位小朋友,老师要给他们每人发 $1$ 支红笔和 $1$ 支蓝笔。商店中每种笔都是 $5$ 支一包或 $3$ 支一包,不能打开零售。$5$ 支一包的红笔 $61$ 元,蓝笔 $70$ 元;$3$ 支一包的红笔 $40$ 元,蓝笔 $47$ 元。请问:老师买所需要的笔最少要花多少元?
★★★
整数搭配最优购买单价比较分别求最省整袋购买最省钱
答案
$1264$ 元。
解题过程
因为买 $15$ 支笔时,$3$ 个大包($15$ 支)比 $5$ 个小包($15$ 支)划算,所以最后无论哪种笔,都至多有 $4$ 个小包(大包 $=5$ 支、小包 $=3$ 支)。
红笔:比较各方案——$10$ 大包 $61\times 10=610$ 元;$1$ 小包 $+9$ 大包 $40+61\times 9=589$ 元;$3$ 小包 $+8$ 大包 $40\times 3+61\times 8=608$ 元;$4$ 小包 $+7$ 大包 $40\times 4+61\times 7=587$ 元。所以只需购买 $4$ 小包和 $7$ 大包红笔,最少 $587$ 元。
蓝笔:$10$ 大包 $70\times 10=700$ 元;$1$ 小包 $+9$ 大包 $47+70\times 9=677$ 元;$3$ 小包 $+8$ 大包 $47\times 3+70\times 8=701$ 元;$4$ 小包 $+7$ 大包 $47\times 4+70\times 7=678$ 元。所以蓝笔最少 $677$ 元($1$ 小包 $+9$ 大包)。
所以红、蓝笔最少要花 $587+677=1264$ 元。
方法:两种笔分别考虑,优先买单价低的包装,凑足 $47$ 支后比较各方案取最省。
4. 如图 $12-3$ 的方格屏幕上,每个小方格的边长是 $1$ 厘米,一条贪吃的蛇从左下角出发,沿着格线爬行,如果它想吃掉图中的 $3$ 个“★”,最少要爬多少?请画出路线。
★★★
格线最短路径路线规划枚举比较格线上最短遍历路线
答案
$8$ 厘米。
解题过程
将三个“★”分别记作“左”“下”和“右”(按它们在图中的相对位置)。蛇从左下角出发,沿格线爬行去吃这三个星,比较各种走法的总长度:必须吃到的几个星之间的最短折线,逐一计算,最少为 $8$ 厘米。
方法:把要经过的目标点按位置分类,比较不同访问顺序的折线总长取最短。
5. 如图 $12-4$ 是一张道路图,图中数字表示通过这段道路所需的分钟数。问:卡莉娅从 $A$ 走到 $B$ 最快需要多少分钟?
★★★
最短路线逐点累计最短时间图上路径优化图上最短用时路线
答案
$18$ 分钟。
解题过程
如图中标出的 $5$ 个岔口分别标记为 $1\sim 5$。逐一计算从 $A$ 到各岔口的最短时间,再推进到 $B$。沿图上标注的各段时间,比较经过不同岔口的路线,从 $A$ 到 $B$ 最快需要的时间为 $18$ 分钟。
方法:从起点逐个岔口求出到该点的最短时间,再推进到终点。
6. 如图 $12-5$,一条路上从西到东有 $A$、$B$、$C$、$D$、$E$ 五所学校,分别有 $200$ 人、$300$ 人、$400$ 人、$500$ 人、$600$ 人。任意相邻的两所学校之间的距离都是 $100$ 米。现在要在某所学校的门口修建一个公共汽车站,要使所有人到达车站的距离之和最小,那么车站应该建在什么地方?距离的总和最少是多少?
★★★
线段上选址(带权中位数)加权距离和最小比较调整法直线上选址使加权距离和最小
答案
建在 $D$ 处,$220$ 千米(即 $220000$ 米)。
解题过程
首先把路程单位换为千米。$C$ 处在所有学校的中间,把车站从 $C$ 处逐步向人数多的一端($D$、$E$ 方向)移动,每移动一段,人数多的一侧减少的总距离会大于人数少的一侧增加的总距离,故应往人多方向移。
经比较,把车站建在 $D$ 处时距离总和最少:$200\times 3+300\times 2+400\times 1+600\times 1=$(按各校到 $D$ 的距离乘人数求和)得最少距离总和为 $220$ 千米。
方法:从中间向人数多的一侧移动车站,直到再移动距离和不再减少(带权中位数)。
7. 北京和上海分别制成同样型号的车床 $10$ 台和 $6$ 台,这些车床准备分配给武汉 $11$ 台、西安 $5$ 台,每台车床的运费如图 $12-6$ 所示。那么总运费最少是多少元?
★★★
运输问题调运最省运费比较调整法车床(货物)调运运费最少
答案
$9700$ 元。
解题过程
运费表为:北京运武汉每台 $500$ 元、运西安 $600$ 元;上海运武汉每台 $700$ 元、运西安 $100$ 元。先假设把北京和上海制成的所有车床都运到武汉,然后把其中一些改为运到西安。把一台车床从运到武汉改为运到西安时,北京的厂家差额较小,所以西安的 $5$ 台车床都由北京提供时能节省更多运费。
按此分配:北京运武汉 $5$ 台、北京运西安 $5$ 台、上海运武汉 $6$ 台,最少运费为 $500\times 5+600\times 5+700\times 6=9700$ 元。
方法:让单位运费低的产地优先满足相应销地,再调配差额使总运费最低。
8. 甲拿若干枚黑棋子,乙拿若干枚白棋子,他们轮流向如图 $12-7$ 所示的 $3\times 3$ 的方格中放棋子,每次放 $1$ 枚,谁的棋子中有 $3$ 枚连成一条线(横、竖、斜均可),谁就获胜。如果甲首先占据了中间位置,乙要想不败,第 $1$ 枚棋子应该放在哪里?
★★★
井字棋博弈防守策略对称位置分析井字棋(三连)博弈
答案
放在四个角之一(左上角、右上角、左下角或右下角)。
解题过程
甲先占中心后,分析乙第一枚棋子的落点。若乙把第一枚棋子放在某条边的中点(即与中心相邻的格子)处,则甲可以利用对称威胁连成两条线,乙无法同时兼顾两个威胁而失败。
若乙把第一枚棋子放在四个角之一,逐一分析甲的各种应对(甲再占某个边中点后乙顺势防守),都能验证乙不会落败。所以乙第一枚棋子应放在角上,即左上角、右上角、左下角或右下角。
方法:分析中心、边中点、角各位置参与的连线数,选受威胁最少的角位防守。
9. 有 $12$ 枚棋子,甲、乙两人轮流取,规定每次至少取 $1$ 枚,最多取 $3$ 枚,以取走最后一枚棋子者为胜者。如果甲先取,谁有必胜策略?如果取走最后一枚棋子者为败者,并且仍然是甲先取,那么谁有必胜策略?
★★★
巴什博弈凑整控制剩余数取末枚胜 / 败两种规则取棋子博弈(取 1~3)
答案
(取末枚为胜)乙;(取末枚为败)甲。
解题过程
第一问(取最后一枚为胜):因为 $12$ 是 $4$ 的倍数,乙采取后手控制策略——在每次甲取完之后,乙取适当的数目,使两人这一轮共取 $4$ 枚。这样每一轮都取 $4$ 枚,一共 $12$ 枚棋子,乙可以保证自己拿到最后一枚,所以乙有必胜策略。
第二问(取最后一枚为败):目标是让对方取第 $12$ 枚。甲先取 $3$ 枚,剩 $9$ 枚;此后每一轮甲都把两人合取数补成 $4$(乙取 $k$ 枚,甲取 $4-k$ 枚),使剩余依次为 $9,5,1$,最后剩 $1$ 枚留给乙,乙被迫取走最后一枚而败。所以甲有必胜策略。
方法:每轮与对手合取固定枚数,控制剩余数落到必胜余数上。
10. 现有 $2008$ 根火柴,甲、乙两个人轮流从中取出火柴,每次最少从中取出 $2$ 根,最多取出 $4$ 根,谁无法再次取出火柴就赢。如果甲先取,请问谁有必胜的策略?
★★★
取火柴博弈(取 2~4)凑整控制剩余数无法取者赢的逆向分析取火柴博弈变形
答案
甲。
解题过程
“谁无法再次取出火柴就赢”,即留给对方不足 $2$ 根(剩 $0$ 或 $1$ 根)时,对方无法取、对方反而赢;所以要把恰好剩 $2$ 根的局面留给对手,使对手取走后轮到自己无法取而获胜。
甲先取 $2$ 根,这时还剩 $2006$ 根。之后每次乙取完后,甲取适当的根数,以保证两个人这一轮共取 $6$ 根(乙取 $k$ 根,甲取 $6-k$ 根,$2\le k\le 4$)。因为 $2006=6\times 334+2$,这样最后还剩 $2$ 根给乙去取,乙取走后轮到甲已无法再取,于是甲获胜。所以甲有必胜策略。
方法:先手先取使剩余为合取数的倍数,之后每轮与对手合取固定根数。
11. 甲、乙两人玩游戏:有两堆小球,甲、乙两人轮流从中取球,每次只能从同一堆中取球。规定取到最后一个球的人获胜。(1)如果开始时两堆球数分别是 $2$ 个和 $2$ 个,那么谁有必胜策略?请说明理由。(2)如果开始时两堆球数分别是 $4$ 个和 $3$ 个,那么谁有必胜策略?请说明理由。(3)如果开始时两堆球数分别是 $5$ 个和 $8$ 个,那么谁有必胜策略?请说明理由。
★★★★
对称(模仿)策略两堆取球博弈必胜策略两堆取球对称博弈
答案
(1)乙有必胜策略;(2)甲有必胜策略;(3)甲有必胜策略。
解题过程
采用对称(模仿)策略。
(1)两堆球数相同($2$ 和 $2$)。乙采用模仿策略:甲从某一堆取走几个,乙就从另一堆取走同样多个,始终保持两堆相等,最后取完的是乙,所以乙有必胜策略。
(2)两堆球数不同($4$ 和 $3$)。甲先从 $4$ 个的那堆取走 $1$ 个,使两堆都为 $3$,化为相等局面;接着乙取几个,甲就从另外一堆取几个,保持两堆相等,故甲有必胜策略。
(3)两堆球数不同($5$ 和 $8$)。甲先从 $8$ 个的那堆取走 $3$ 个,使两堆都为 $5$,化为相等局面;此后甲用模仿策略保持两堆相等,故甲有必胜策略。
方法:两堆相等时后手模仿先手保持相等;两堆不等时先手先取齐再模仿。
12. 黑板上写有 $1\sim 2009$ 这些自然数,甲先乙后,两人轮流擦去一个自然数。如果最后剩下的两个自然数奇偶性不同,那么甲就胜,否则乙胜。请问:谁有必胜的策略,具体的策略是怎样的?
★★★
奇偶性分析配对策略必胜策略擦数奇偶博弈
答案
甲。
解题过程
$1\sim 2009$ 中共有奇数 $1005$ 个、偶数 $1004$ 个。甲有必胜策略:甲先擦去一个奇数,以后每次乙擦去一个数后,甲就擦去和乙不同奇偶性的一个数(乙擦奇数甲就擦偶数,乙擦偶数甲就擦奇数)。
甲先擦去一个奇数后,还剩奇数 $1004$ 个、偶数 $1004$ 个。此后每一轮乙、甲各擦一奇一偶,奇数和偶数的个数始终保持相等地一同减少。最后剩下两个数时,恰好是一个奇数和一个偶数,奇偶性不同,所以甲获胜。故甲有必胜策略。
方法:甲先擦使奇偶数目可控,再对乙的每次擦除配对应对,控制末两数奇偶。
13. 如图 $12-8$,方格 $A$ 中放有一枚棋子,甲先乙后轮流移动这枚棋子,只能向上、向右或向右上方沿 $45^\circ$ 角走 $1$ 步,最终将棋子走到方格 $B$ 的人获胜。请问:谁有必胜策略,策略是什么?如果每次允许往同一方向(上、右或右上)走任意步,结果又如何呢?
★★★★
控制点(必胜点)分析倒推法棋盘博弈必胜策略棋子移动到指定格博弈
答案
(每次走 $1$ 步)甲有必胜策略;(每次可走任意步)甲有必胜策略。
解题过程
从终点 $B$ 倒推,逐格标出必胜点(标“√”)与必败点(标“×”)。看不同的棋子位置:能一步到 $B$ 的格子为必败点,由必败点反推可达它们的格子为必胜点。如图标注后可知 $A$ 处为必胜点,故甲先手把棋子移到合适的控制点(标“√”处),之后始终占据控制点即可获胜。
若每次允许沿同一方向走任意步,仍用倒推法标记必胜 / 必败点,分析可得 $A$ 仍是必胜点,甲先手依旧有必胜策略。
方法:从终点倒推标记必胜 / 必败点,先手占据控制点并保持。
14. 桌上有一块巧克力,它被直线划分成了 $3$ 行 $7$ 列的 $21$ 个小方块,如图 $12-9$ 所示。现在让你和别人轮流切巧克力做这样的游戏,规则如下:①每次只沿着一条直线把巧克力切下来;②拿走其中一块,把另一块留给对方;③谁能留给对手的是一个小方块,谁就取胜。如果请你首先切巧克力,那么你第一次应该切去多少个小方块,才能使你最后获胜?
★★★★
切巧克力博弈对称(保持正方形)策略必胜局面分析切巧克力 / 掰巧克力博弈
答案
先切去 $12$ 块,给对手留下 $3\times 3$ 的正方形。
解题过程
如果只剩 $1$ 个小方块就是必胜目标。逆向分析:留给对手 $3\times 3$ 的正方形是一个关键的必胜局面。$21$ 个方块构成 $3$ 行 $7$ 列(或如图的阶梯形 $21$ 块),先手先切去 $12$ 块($21-9=12$),给对手留下 $3\times 3$ 的 $9$ 块正方形;此后无论对手怎么切,先手都把它再切回正方形(保持留给对手一个正方形),最终把单个小方块留给对手而取胜。所以第一刀切去 $12$ 块即可保证获胜。
方法:先手切出正方形必胜局面,之后每次把对手切剩的图形再切回正方形。
超越篇
1. 甲、乙、丙三名车工准备在同样效率的三台车床上车出七个零件,加工各零件所需要的时间分别是 $4$、$5$、$6$、$6$、$8$、$9$、$9$ 分钟。三人同时开始工作,问:经过合理分工,最少经过多少分钟可以车完全部零件?
★★★
并行机调度任务分配最优化瓶颈分析多机并行加工最短完工时间
答案
$17$ 分钟。
解题过程
如果想在 $16$ 分钟就完成所有零件,那么三个人的工作时间都不超过 $16$ 分钟。这 $7$ 个零件中,用时不超过 $16$ 分钟且恰好等于 $16$ 的零件组合只有 $4+6+6=16$ 一种,于是不可能让两个人都恰好用 $16$ 分钟完成,所以不可能 $16$ 分钟完成。
再看 $17$ 分钟:把零件分成三组 $\{8,9\}=17$、$\{9,6\}=15$、$\{6,5,4\}=15$,三台车床最长用时为 $17$ 分钟,可以完成。所以最少经过 $17$ 分钟可以车完全部零件。
方法:把任务尽量均分到三台机床,但受最大单件时间限制,调整使最长机床用时最小。
2. 如图 $12-10$ 是某县的道路分布图,小唐驾车从县城出发,要经过甲、乙、丙、丁、戊这些乡镇中的每个至少一次,并且最后回到县城。已知道路旁边的数值表示汽车通过此段公路所需的时间分钟数,那么小唐完成计划的行程最少需要多少分钟?
★★★★
图上遍历路线最短回路路径优化图上遍历各点最短回路
答案
$300$ 分钟。
解题过程
注意到甲、乙两乡镇之间的公路需要行驶 $80$ 分钟,而小唐由甲经过县城再到乙的时间是 $70$ 分钟,因此甲、乙之间这段公路是肯定不会经过的,可以从图上删除。同理可以删除的还有丙、丁之间的公路和县城与戊镇之间的公路。
这样完成此行程最快的路线是:县城→甲→戊→丁→县城→乙→丙→县城,需要的时间为 $20+60+50+40+20+60+50=300$(分钟)。所以小唐完成此行程最少需要 $300$ 分钟。
方法:在必经各点的前提下,比较不同走法的总用时,取最短遍历回路。
3. 如图 $12-11$,有 $10$ 个村坐落在从县城出发的一条公路上。图中的数字表示各段公路的长度,单位是千米。现在要安装水管,从县城送自来水供给各村。粗管足够供应所有各村用水,细管只能供一个村用水。粗管每千米要用 $8000$ 元,细管每千米要用 $2000$ 元。把粗管和细管适当搭配,互相连接,可以降低工程的总费用。按你认为最节约的办法,费用应是多少元?
★★★★
管线铺设最优化粗细管搭配费用最省水管(管线)铺设最省费用
答案
$414000$ 元。
解题过程
因为在倒数第四个村庄以及以前,水管要供至少 $4$ 个村用水,用粗管比较便宜。因此应该将粗管连到倒数第四个村庄,剩下的(末端只供一两个村的支线)用细管。
费用为:粗管段 $$\begin{aligned}8000\times(30+5+2+4+2+3+2)&=8000\times 48\\&=384000\end{aligned}$$ 元;细管段 $$\begin{aligned}2000\times(2\times 3+2+2+5\times 1)&=2000\times 15\\&=30000\end{aligned}$$ 元。
所以总费用为 $384000+30000=414000$ 元。
方法:按各段所负担的村庄数决定使用粗管还是细管,使总费用最低。
4. 甲和乙两人做数字游戏:在黑板上写一个自然数,轮到谁走时,谁就从该自然数中减去它的某个非零数字,两人轮流减,谁所得到的数是零,就算谁赢。如果开始时黑板上写的数是 $1994$,并且甲先走,谁有必胜策略?
★★★★
减数字博弈必胜 / 必败位置分析个位数控制减数字到零博弈
答案
甲。
解题过程
轮到谁走时,谁就从当前数中减去它的某一个非零数字,谁减得 $0$ 就赢。分析必胜 / 必败位置:个位是 $0$ 时总是必败位(轮到走的人减去某位非零数字后个位变为非 $0$,对方又能调整)。甲先走,把 $1994$ 减去个位数字 $4$,得 $1990$,使个位为 $0$ 交给乙。此后甲始终把数调成个位为 $0$ 的数(每次减去乙留下数的个位数字,使个位重新变 $0$),最终甲先到 $0$。所以甲有必胜策略。
方法:找出“个位为 $0$”的必败位,先手先把数减到个位为 $0$ 交给对方并保持。
5. 如图 $12-12$,五角星上共有 $10$ 个交点和 $15$ 条小线段。甲首先将一枚棋子放在 $A$ 点上,并由此出发沿某条小线段将棋子移到相邻的一个交点上,之后乙再将棋子沿某条小线段移到下一个相邻的交点上,之后甲再走……如此下去。如果要求每条小线段都不能重复经过,并且轮到某人无路可走时便判他失败。那么甲是否有必胜策略?
★★★★
图上路径博弈完美匹配(配对)策略必胜策略图上不重复走点博弈
答案
甲没有必胜策略,乙必胜。
解题过程
一枚棋子如果处在五角星的某个角上(外侧的尖点)的话,先走的人只能把它从角上移到中心(内侧的交点);而如果在中心的话,则可以选择移到角上或者其他中心位置。
据此可以给乙想出如下的方案:一旦甲由角上的点走到中间(中心点),乙就再走回相邻的角上去。五角星上角上的点是 $5$ 个,中心点也只有 $5$ 个,这样按“甲进中心、乙回角上”的配对走法,最后必然连成一个封闭图形,轮到甲时甲无路可走。所以甲没有必胜策略,乙必胜。
方法:把交点按线段两两配对,后手按配对边应对,使先手先无路可走。
6. 把一枚棋子放在如图 $12-13$ 所示的左下角的方格内,甲、乙两人玩这样一个游戏:双方轮流移动棋子,只能向上、向右或者向右上方沿 $45^\circ$ 角移动,一次可以移动任意多步,谁把棋子移到了右上角的方格中谁为输。试问:如果甲先走,是否有必胜的策略?为什么?
★★★★
棋子移动博弈(取末位者输)倒推标记必胜 / 必败点控制点策略棋盘移动博弈(到终点者输)
答案
甲没有必胜策略,乙有必胜策略。
解题过程
因为棋子开始在左下角,甲先移动它,移到右上角者输。从右上角(必败终点)倒推,逐格分析哪些位置是必胜的、哪些是必败的,结果如图所示(必胜点标“√”,必败点标“×”)。
分析可知:甲第一步必然走到一个“√”(必胜点)上,而乙必然可以每一步都把棋子移到一个“×”(必败点)后留给甲。这样无论甲怎么走,最后只能由甲把棋子移到右上角而输。所以甲没有必胜策略,乙有必胜策略。
方法:从右上角倒推标记必胜 / 必败点,先手抢占控制点,把右上角留给对方。
7. 小高中午要炒一个菜、煮一锅饭、烧一壶水。用煤气炉炒菜每道工序的时间如下:切菜 $4$ 分钟,准备佐料 $4$ 分钟,烧热锅 $2$ 分钟,烧热油 $2$ 分钟,炒菜 $4$ 分钟。用电饭锅煮饭每道工序的时间如下:淘米 $4$ 分钟、煮饭 $18$ 分钟。用煤气炉烧水每道工序的时间如下:洗水壶 $2$ 分钟、烧水 $15$ 分钟、把开水灌到热水瓶中需要 $2$ 分钟。小高家的煤气炉只有一个煤气灶。请问:小高做完这三件事情最少需要多少分钟?
★★★★
统筹安排单资源(煤气灶)约束下排序工序并行多炉具统筹做饭
答案
$25$ 分钟。
解题过程
想要让时间最短,那么能同时进行的事情都要尽量同时进行。合理的安排如下:先洗水壶,烧水的同时用电饭锅淘米、开始煮饭;煮饭的同时切菜、准备佐料;然后等待水烧开,开始烧热锅(同时把开水灌到热水瓶中),再烧热油、炒菜。
这样煤气灶上的工序依次是:洗水壶 $2$ 分钟、烧水 $15$ 分钟、烧热锅 $2$ 分钟、烧热油 $2$ 分钟、炒菜 $4$ 分钟,共 $2+15+2+2+4=25$ 分钟;而电饭锅煮饭这条线(淘米 $4$ $+$ 煮饭 $18$ $=22$ 分钟)以及切菜、准备佐料、灌水都安排在上述时间内并行完成。所以小高做完这三件事情最少需要 $25$ 分钟。
方法:把可并行的电饭锅煮饭与煤气灶上的烧水、炒菜分流,煤气灶上各工序错开排队,求最短总时。
8. 甲、乙两人轮流报数,每人都只能报 $2$、$3$、$5$、$7$ 中的一个,把两人报的数累加,如果某个人报完数后,累加的和第一次为三位数时,这个人就获胜。请问:谁有必胜策略?
★★★★★
报数博弈倒推临界值(必胜 / 必败和)凑整控制每轮和累加报数抢首达博弈
答案
甲(先报者)有必胜策略。
解题过程
累加和第一次达到三位数($\ge 100$)者胜。从 $99$ 往下用“必胜点/必败点”逐个标记,会发现规律的循环周期是 $9$(这是因为每次报的 $2、3、5、7$ 都不超过 $9$,而 $2\sim 7$ 中可以凑出与对方配合后每轮固定增加 $9$)。
$99\sim 1$ 恰好是 $11$ 个完整周期,因此游戏的出发点 $0$ 是一个必胜点,甲胜。具体策略:甲第一步先报 $2$,以后无论乙报什么,甲都选择一个合适的数,使得累加的和保持除以 $9$ 余 $1$ 或余 $2$,这样就能保证由自己首次把和报成三位数而获胜。所以甲(先报者)有必胜策略。
方法:从目标 $100$ 倒推必胜临界和,先手控制每轮两人合报数,使自己首次越界。
第13讲 多位数与小数
兴趣篇
1. 李老师在黑板上写了四个算式:①$7469\div 0.7$;②$7.469\div 0.007$;③$0.7469\div 0.07$;④$746.9\div 7$。请把它们的商按照从小到大的顺序排列起来。
★
小数点移动除法商的大小比较小数除法商的比较
答案
$0.7469\div 0.07<746.9\div 7<7.469\div 0.007<7469\div 0.7$。
解题过程
将四个算式依次变形:①$7469\div 0.7=74690\div 7$;②$7.469\div 0.007=7469\div 7$;③$0.7469\div 0.07=74.69\div 7$;④$746.9\div 7$。四个算式的商都是 $\div 7$,只需比较被除数的大小。显然 $74.69<746.9<7469<74690$,被除数越大商越大,所以 $0.7469\div 0.07<746.9\div 7<7.469\div 0.007<7469\div 0.7$。
方法:把每个算式都化成除以同一个数 $7$ 的形式,再比较被除数大小。
2. 计算:$5795.5795\div 5.795\times 579.5$。
★★
小数乘除运算顺序小数点移动小数乘除简算
答案
$579557.95$。
解题过程
$$\begin{aligned}\text{原式}&=5795.5795\times 579.5\div 5.795\\&=5795.5795\times(579.5\div 5.795)\\&=5795.5795\times 100\\&=579557.95\end{aligned}$$。
方法:调整乘除顺序,先算 $579.5\div 5.795=100$ 再相乘。
3. 计算:$24\times(0.123+0.127)\times 0.125\times(2.52+1.48)$。
★★
小数乘法凑整乘法交换结合律小数乘法凑整简算
答案
$3$。
解题过程
$$\begin{aligned}\text{原式}&=24\times 0.25\times 0.125\times 4\\&=(24\times 0.125)\times(4\times 0.25)\\&=3\times 1\\&=3\end{aligned}$$。
方法:先算括号内的和,再把 $24\times0.125$、$4\times0.25$ 分别凑成整数。
4. 计算:$(3.74+3.76+3.78+3.8+3.82)\times 0.04\div 24\times 60$。
★★
等差数列求和小数乘除凑整小数等差求和与乘除简算
答案
$1.89$。
解题过程
$$\begin{aligned}\text{原式}&=3.78\times 5\times 0.04\div 24\times 60\\&=18.9\times 0.04\div 24\times 60\\&=18.9\times(0.04\times 60\div 24)\\&=18.9\times 0.1\\&=1.89\end{aligned}$$。
方法:五个等差小数的和等于中间数 $3.78$ 的 $5$ 倍,再调整乘除顺序简算。
5. 计算:$1.25\times 3.14+125\times 0.0257+1250\times 0.00229$。
★★
乘法分配律小数点移动乘法分配律简算
答案
$10$。
解题过程
$$\begin{aligned}\text{原式}&=1.25\times 3.14+1.25\times 2.57+1.25\times 2.29\\&=1.25\times(3.14+2.57+2.29)\\&=1.25\times 8\\&=10\end{aligned}$$。
方法:把三项都化成 $1.25$ 与一个小数相乘,逆用乘法分配律提取公因数。
6. 计算:$19+199+1999+\cdots+\underbrace{199\cdots9}_{10\text{个}9}$。
★★★
借一凑整多位数求和找规律全 9 型多位数求和
答案
$\underbrace{22\cdots2}_{9\text{个}2}10$(即 $2222222210$)。
解题过程
$$\begin{aligned}\text{原式}&=(20-1)+(200-1)+(2000-1)+\cdots+(\underbrace{200\cdots0}_{10\text{个}0}-1)\\&=(20+200+2000+\cdots+\underbrace{200\cdots0}_{10\text{个}0})-10\\&=\underbrace{22\cdots2}_{10\text{个}2}0-10\\&=\underbrace{22\cdots2}_{9\text{个}2}10\end{aligned}$$。
方法:每个加数都接近整十、整百……,用“借一补差”化为整数减若干个 $1$。
7. 求和式 $3+33+333+\cdots+\underbrace{33\cdots3}_{10\text{个}3}$ 计算结果的万位数字。
★★★
多位数竖式相加逐位进位全 3 型求和指定数位
答案
$0$。
解题过程
把各加数按竖式逐位相加。个位共有 $10$ 个 $3$,和为 $30$,个位写 $0$,向十位进 $3$;十位有 $9$ 个 $3$,加上进位 $3$ 共 $30$,十位写 $0$,向百位进 $3$;百位有 $8$ 个 $3$ 加进位 $3$ 共 $27$,百位写 $7$,向千位进 $2$;千位有 $7$ 个 $3$ 加进位 $2$ 共 $23$,千位写 $3$,向万位进 $2$;万位有 $6$ 个 $3$ 加进位 $2$ 共 $20$,万位写 $0$,向十万位进 $2$。所以万位数字为 $0$。
方法:按竖式逐位累加并处理进位,直接读出万位数字。
8. 计算:$121212\times 4-242424\times 2$。
★★
重复数字结构提取公因数重复数字结构化简
答案
$0$。
解题过程
$$\begin{aligned}\text{原式}&=12\times 10101\times 4-24\times 10101\times 2\\&=12\times 4\times 10101-24\times 2\times 10101\\&=48\times 10101-48\times 10101\\&=0\end{aligned}$$。
方法:利用 $121212=12\times10101$、$242424=24\times10101$,提出公因数后相减得 $0$。
9. 计算:$99\cdots9\times 12345$,其中第一个因数是 $\underbrace{99\cdots9}_{10\text{个}9}$。
★★★
全 9 数乘法借一凑整全 9 数乘整数
答案
$123449999987655$。
解题过程
$$\begin{aligned}\text{原式}&=(\underbrace{100\cdots0}_{10\text{个}0}-1)\times 12345\\&=1234500\cdots0-12345\end{aligned}$$($12345$ 后补 $10$ 个 $0$)$=123449999987655$。
方法:把 $\underbrace{9\cdots9}_{10}$ 写成 $10^{10}-1$,用分配律化为整十次幂相乘再减。
10. 计算:$\underbrace{333\cdots33}_{10\text{个}3}\times\underbrace{333\cdots34}_{9\text{个}3\,\text{后接}4}$。
★★★
从简单情况找规律重复数字乘法重复数字乘法找规律
答案
$\underbrace{11\cdots1}_{10\text{个}1}\underbrace{22\cdots2}_{10\text{个}2}$(即 $1111111111222222222$)。
解题过程
由 $3\times 4=12$,$33\times 34=1122$,$333\times 334=111222$,……,发现规律:$\underbrace{3\cdots3}_{n\text{个}3}\times\underbrace{3\cdots34}_{(n-1)\text{个}3\,\text{后接}4}=\underbrace{1\cdots1}_{n\text{个}1}\underbrace{2\cdots2}_{n\text{个}2}$。取 $n=10$,得原式 $=\underbrace{11\cdots1}_{10\text{个}1}\underbrace{22\cdots2}_{10\text{个}2}$。
方法:从一位、两位的情形归纳乘积规律,再推广到十位。
拓展篇
1. 计算:$13.64\times 0.25\div 1.1$。
★★
小数乘除小数点移动小数乘除简算
答案
$3.1$。
解题过程
$$\begin{aligned}\text{原式}&=13.64\div 4\div 1.1\\&=3.41\div 1.1\\&=3.1\end{aligned}$$。
方法:把 $\times0.25$ 化为 $\div4$,逐步约简。
2. 计算:(1)$[4.2\times 5-(1\div 0.25+9.1\div 0.7)]\div 0.004$;(2)$4.5\times 4.8\div 0.25\div 15\div 0.24$。
★★
小数四则混合运算小数除法化整
答案
(1)$1000$;(2)$24$。
解题过程
(1)$$\begin{aligned}\text{原式}&=[21-(4+13)]\div 0.004\\&=4\div 0.004\\&=1000\end{aligned}$$。 (2)$$\begin{aligned}\text{原式}&=(4.5\div 15)\times(4.8\div 0.24)\div 0.25\\&=0.3\times 20\times 4\\&=24\end{aligned}$$。
方法:先算括号内的除法,再用小数点移动把除以小数化为整数运算。
3. 在下面算式的两个 $\square$ 中填入相同的数,使得等式成立,所填的数应该是多少?$$22.5-(\square\times 3.2-2.4\times\square)\div 3.2=10。$$
★★★
逆运算求未知数乘法分配律方框填数 / 逆运算
答案
$50$。
解题过程
由题意知 $22.5-(\square\times 3.2-2.4\times\square)\div 3.2=10$,进一步有 $(\square\times 3.2-2.4\times\square)\div 3.2=12.5$,即 $(\square\times 3.2-2.4\times\square)=12.5\times 3.2=40$。这时算式两边都有 $\square$,由乘法分配律得 $\square\times(3.2-2.4)=40$,因此 $\square=40\div 0.8=50$。
方法:逐步逆推求出括号值,再用分配律提取 $\square$ 求解。
4. 计算:(1)$299.9\times 19.98-199.8\times 29.97$;(2)$3.51\times 49+35.1\times 5.1+99\times 51$。
★★★
乘法分配律小数点移动凑整乘法分配律简算
答案
(1)$3.996$;(2)$5400$。
解题过程
(1)$$\begin{aligned}\text{原式}&=29.99\times 199.8-199.8\times 29.97\\&=199.8\times(29.99-29.97)\\&=199.8\times 0.02\\&=3.996\end{aligned}$$。 (2)$$\begin{aligned}\text{原式}&=351\times 0.49+351\times 0.51+99\times 51\\&=351\times(0.49+0.51)+99\times 51\\&=351+99\times 51\\&=300+1\times 51+99\times 51\\&=300+(1+99)\times 51\\&=300+5100\\&=5400\end{aligned}$$。
方法:通过小数点移动凑出相同因数,再逆用乘法分配律。
5. 计算:$3.14+64.8\times 0.537\times 25+5.37\times 6.48\times 75-8\times 64.8\times 0.125\times 53.7$。
★★★
乘法分配律小数点移动凑整乘法分配律简算
答案
$3.14$。
解题过程
$$\begin{aligned}\text{原式}&=3.14+6.48\times 5.37\times 25+5.37\times 6.48\times 75-8\times 6.48\times 12.5\times 5.37\\&=3.14+6.48\times 5.37\times(25+75-8\times 12.5)\\&=3.14+6.48\times 5.37\times(100-100)\\&=3.14+6.48\times 5.37\times 0\\&=3.14\end{aligned}$$。
方法:调整小数点凑出公共因数 $6.48\times5.37$,括号内恰好为 $0$。
6. 计算:$27.8\times 28.7-27.7\times 28.8$。
★★★
乘法分配律拆数相邻数乘积作差
答案
$0.1$。
解题过程
$$\begin{aligned}\text{原式}&=27.8\times 28.7-27.7\times(28.7+0.1)\\&=27.8\times 28.7-27.7\times 28.7-27.7\times 0.1\\&=(27.8-27.7)\times 28.7-27.7\times 0.1\\&=2.87-2.77\\&=0.1\end{aligned}$$。
方法:把 $28.8$ 拆成 $28.7+0.1$,再用分配律提取 $28.7$。
7. 计算:$24.25\times 7.19+0.23\times 281+1.25\times 0.81$。
★★★
乘法分配律拆数凑整乘法分配律拆数简算
答案
$240$。
解题过程
$$\begin{aligned}\text{原式}&=(23+1.25)\times 7.19+23\times 2.81+1.25\times 0.81\\&=23\times 7.19+1.25\times 7.19+23\times 2.81+1.25\times 0.81\\&=23\times(7.19+2.81)+1.25\times(7.19+0.81)\\&=23\times 10+1.25\times 8\\&=230+10\\&=240\end{aligned}$$。
方法:把 $24.25$ 拆成 $23+1.25$,把 $0.23\times281$ 化为 $23\times2.81$,再分组提取公因数。
8. 计算:$0.1+0.3+0.5+0.7+0.9+0.11+0.13+0.15+0.17+0.19+\cdots+0.99$。
★★★
等差数列求和小数求和分组小数等差数列求和
答案
$27.25$。
解题过程
发现 $0.1,0.3,0.5,0.7,0.9$ 是公差为 $0.2$ 的等差数列,$0.11,0.13,0.15,\cdots,0.99$ 是公差为 $0.02$ 的等差数列。前一组共 $5$ 项,平均数是 $0.5$,和为 $0.5\times 5=2.5$;后一组从 $0.11$ 到 $0.99$ 共 $(0.99-0.11)\div 0.02+1=45$ 项,平均数是 $(0.11+0.99)\div 2=0.55$,和为 $0.55\times 45=24.75$。所以总和 $=2.5+24.75=27.25$。
方法:把数列分成两段等差数列,分别用“平均数×项数”求和。
9. 计算:(1)$28+208+2008+\cdots+\underbrace{200\cdots08}_{100\text{个}0}$;(2)$98+998+9998+\cdots+\underbrace{99\cdots98}_{10\text{个}9}$。
★★★
多位数求和找规律拆项与借一凑整规律多位数求和
答案
(1)$\underbrace{22\cdots2}_{98\text{个}2}3028$;(2)$\underbrace{11\cdots1}_{98\text{个}1}10900$。
解题过程
(1)$$\begin{aligned}\text{原式}&=(20+8)+(200+8)+(2000+8)+\cdots+(\underbrace{200\cdots0}_{101\text{个}0}+8)\\&=(20+200+2000+\cdots+\underbrace{200\cdots0}_{101\text{个}0})+8\times 101\\&=\underbrace{22\cdots2}_{101\text{个}2}0+808\\&=\underbrace{22\cdots2}_{98\text{个}2}3028\end{aligned}$$。 (2)$$\begin{aligned}\text{原式}&=(100-2)+(1000-2)+(10000-2)+\cdots+(\underbrace{1\,00\cdots0}_{101\text{个}0}-2)\\&=(100+1000+10000+\cdots+\underbrace{1\,00\cdots0}_{101\text{个}0})-2\times 100\\&=\underbrace{11\cdots1}_{100\text{个}1}00-200\\&=\underbrace{11\cdots1}_{98\text{个}1}10900\end{aligned}$$。
方法:把每个加数拆成“整十百……加常数”,分别求和后再合并处理进位。
10. 计算:$3+33+333+3333+\cdots+\underbrace{33\cdots3}_{50\text{个}3}$。
★★★★
全 3 型求和借一凑整整除化简全 3 型多位数求和
答案
$\underbrace{370370\cdots37}_{16\text{个}370}020$。
解题过程
$$\begin{aligned}\text{原式}&=(9+99+999+9999+\cdots+\underbrace{99\cdots9}_{50\text{个}9})\div 3\\&=[(10-1)+(100-1)+(1000-1)+\cdots+(\underbrace{100\cdots0}_{50\text{个}0}-1)]\div 3\\&=(10+100+\cdots+\underbrace{100\cdots0}_{50\text{个}0}-50)\div 3\\&=(\underbrace{11\cdots1}_{50\text{个}1}0-50)\div 3\\&=\underbrace{11\cdots1}_{48\text{个}1}060\div 3\\&=\underbrace{370370\cdots37}_{16\text{个}370}020\end{aligned}$$。
方法:把全 3 数乘 $3$ 化为全 9 数,借一凑整求和后再除以 $3$。
11. 计算:$999999\times 222222+333333\times 333334$。
★★★
提取公因数重复数字结构重复数字乘积求和
答案
$333333000000$。
解题过程
方法二:$$\begin{aligned}\text{原式}&=333333\times 3\times 222222+333333\times 333334\\&=333333\times(3\times 222222+333334)\\&=333333\times(666666+333334)\\&=333333\times 1000000\\&=333333000000\end{aligned}$$。
方法:把 $999999$ 写成 $333333\times3$,提取公因数 $333333$,括号内恰好凑成 $10^6$。
12. 计算:$1981\times 198319831983-1982\times 198119811981$。
★★★
重复数字结构(abcabc=abc×1001 等)提取公因数重复数字结构作差
答案
$198119811981$。
解题过程
$$\begin{aligned}\text{原式}&=1981\times 1983\times 100010001-1982\times 1981\times 100010001\\&=1981\times 100010001\times(1983-1982)\\&=1981\times 100010001\\&=198119811981\end{aligned}$$。
方法:把 $198319831983=1983\times100010001$、$198119811981=1981\times100010001$,提取公因数后相减。
13. 计算:(1)$\underbrace{99\cdots9}_{100\text{个}9}\times\underbrace{99\cdots9}_{100\text{个}9}+\underbrace{199\cdots9}_{100\text{个}9}$;(2)$\underbrace{33\cdots3}_{20\text{个}3}\times\underbrace{66\cdots6}_{20\text{个}6}$。
★★★★★
全 9 数乘法重复数字乘法找规律
答案
(1)$\underbrace{100\cdots0}_{200\text{个}0}$(即 $10^{200}$);(2)$\underbrace{22\cdots2}_{19\text{个}2}1\underbrace{77\cdots7}_{19\text{个}7}8$。
解题过程
(1)原式 $=(\underbrace{10\cdots0}_{100\text{个}0}-1)\times\underbrace{99\cdots9}_{100\text{个}9}+\underbrace{199\cdots9}_{100\text{个}9}$;注意 $\underbrace{199\cdots9}_{100\text{个}9}=1+\underbrace{99\cdots9}_{100\text{个}9}$,整理得 $$\begin{aligned}\underbrace{99\cdots9}_{100\text{个}9}\times\underbrace{99\cdots9}_{100\text{个}9}+\underbrace{99\cdots9}_{100\text{个}9}+1&=\underbrace{99\cdots9}_{100\text{个}9}\times(\underbrace{99\cdots9}_{100\text{个}9}+1)+1\\&=\underbrace{99\cdots9}_{100\text{个}9}\times\underbrace{10\cdots0}_{100\text{个}0}+1\end{aligned}$$,再加可凑成 $\underbrace{100\cdots0}_{200\text{个}0}$。 (2)由 $3\times6=18$、$33\times66=2178$、$333\times666=221778$,归纳得 $\underbrace{3\cdots3}_{n}\times\underbrace{6\cdots6}_{n}=\underbrace{2\cdots2}_{(n-1)\text{个}2}1\underbrace{7\cdots7}_{(n-1)\text{个}7}8$,取 $n=20$ 得 $\underbrace{22\cdots2}_{19\text{个}2}1\underbrace{77\cdots7}_{19\text{个}7}8$。
方法:(1)借一凑整配方;(2)从小情形归纳乘积规律再推广。
14. 求算式 $\underbrace{99\cdots9}_{2000\text{个}9}\times\underbrace{88\cdots8}_{2000\text{个}8}\div\underbrace{66\cdots6}_{2000\text{个}6}$ 的计算结果的各位数字之和。
★★★★
重复数字约分各位数字之和重复数字约分与数字和
答案
$6000$。
解题过程
原式 $=(\underbrace{33\cdots3}_{2000\text{个}3}\times 3)\times(\underbrace{44\cdots4}_{2000\text{个}4}\times 2)\div(\underbrace{33\cdots3}_{2000\text{个}3}\times 2)=\underbrace{44\cdots4}_{2000\text{个}4}\times 3=\underbrace{13\cdots3}_{1999\text{个}3}2$(即 $1$ 后接 $1999$ 个 $3$ 再接 $2$)。所以各位数字之和为 $1+3\times 1999+2=6000$。
方法:把全 9、全 8、全 6 数都写成全 3、全 4 数的倍数,约分后求各位数字之和。
超越篇
1. 计算:$(1+1.2+1.23+1.234)\times(1.2+1.23+1.234+1.2345)-(1+1.2+1.23+1.234+1.2345)\times(1.2+1.23+1.234)$。
★★★
整体代换乘法分配律整体代换约分
答案
$1.2345$。
解题过程
设 $A=1+1.2+1.23+1.234$,$B=1.2+1.23+1.234$,则 $$\begin{aligned}\text{原式}&=A\times(B+1.2345)-(A+1.2345)\times B\\&=A\times B+A\times 1.2345-A\times B-1.2345\times B\\&=1.2345\times(A-B)\\&=1.2345\times 1\\&=1.2345\end{aligned}$$。
方法:设括号内部分和为 $A,B$,展开后约去 $A\times B$,注意 $A-B=1$。
2. 一个数去掉小数部分后得到一个整数,这个整数加上原数的 $4$ 倍,等于 $27.6$。那么原来这个数是多少?
★★★★
取整与小数部分列式逆推取整方程
答案
$5.65$。
解题过程
设原数的整数部分为 $a$,原数为 $a$ 加上一个小于 $1$ 的小数部分。由题意,整数部分 $a$ 加上原数的 $4$ 倍等于 $27.6$,即 $a+4\times(\text{原数})=27.6$。注意 $27.6\div 5=5.52$,由于小数部分小于 $1$,不影响整数部分的大小,因此原数的整数部分是 $5$,即 $a=5$。于是小数部分的 $4$ 倍等于 $27.6-5\times 5=2.6$,小数部分 $=2.6\div 4=0.65$,因此原来这个数是 $5+0.65=5.65$。
方法:把数拆成整数部分与小数部分,列方程并验证整数部分使小数部分合理。
3. 计算:$\underbrace{44\cdots4}_{40\text{个}4}-\underbrace{66\cdots6}_{20\text{个}6}+\underbrace{88\cdots8}_{20\text{个}8}\underbrace{00\cdots0}_{10\text{个}0}$。
★★★★
多位数竖式加减数位对齐重复数字竖式加减
答案
$\underbrace{44\cdots4}_{9\text{个}4}5\underbrace{33\cdots3}_{9\text{个}3}2\underbrace{66\cdots6}_{9\text{个}6}5\underbrace{77\cdots7}_{9\text{个}7}8$。
解题过程
先算减法。为了把数位对齐,把 $\underbrace{44\cdots4}_{40\text{个}4}$ 写成 $\underbrace{44\cdots44}_{20\text{个}4}\underbrace{44\cdots44}_{20\text{个}4}$,与 $\underbrace{66\cdots6}_{20\text{个}6}$ 列竖式相减得 $\underbrace{44\cdots4}_{19\text{个}4}3\underbrace{77\cdots7}_{19\text{个}7}8$。再加上 $\underbrace{88\cdots8}_{20\text{个}8}\underbrace{00\cdots0}_{10\text{个}0}$,按竖式对齐相加,最终原式 $=\underbrace{44\cdots4}_{9\text{个}4}5\underbrace{33\cdots3}_{9\text{个}3}2\underbrace{66\cdots6}_{9\text{个}6}5\underbrace{77\cdots7}_{9\text{个}7}8$。
方法:通过拆分使数位对齐,逐位列竖式做减法与加法。
4. 计算:$\underbrace{888\cdots88}_{2000\text{个}8}{}^{2}-\underbrace{111\cdots11}_{2000\text{个}1}{}^{2}$。
★★★★
平方差公式全 9 数乘法借一凑整平方差与重复数字
答案
$\underbrace{77\cdots7}_{1999\text{个}7}6\underbrace{22\cdots2}_{1999\text{个}2}3$。
解题过程
$$\begin{aligned}\text{原式}&=(\underbrace{88\cdots8}_{2000\text{个}8}+\underbrace{11\cdots1}_{2000\text{个}1})\times(\underbrace{88\cdots8}_{2000\text{个}8}-\underbrace{11\cdots1}_{2000\text{个}1})\\&=\underbrace{99\cdots9}_{2000\text{个}9}\times\underbrace{77\cdots7}_{2000\text{个}7}\\&=(\underbrace{100\cdots0}_{2000\text{个}0}-1)\times\underbrace{77\cdots7}_{2000\text{个}7}\\&=\underbrace{77\cdots7}_{2000\text{个}7}\underbrace{00\cdots0}_{2000\text{个}0}-\underbrace{77\cdots7}_{2000\text{个}7}\\&=\underbrace{77\cdots7}_{1999\text{个}7}6\underbrace{22\cdots2}_{1999\text{个}2}3\end{aligned}$$。
方法:用平方差公式化为两个全数相乘,再借一凑整做减法。
5. 求算式 $\underbrace{888\cdots8}_{300\text{个}8}\times\underbrace{333\cdots3}_{300\text{个}3}$ 的计算结果的各位数字之和。
★★★★★
重复数字乘法各位数字之和重复数字乘积的数字和
答案
$2700$。
解题过程
$$\begin{aligned}\text{原式}&=\underbrace{888\cdots8}_{300\text{个}8}\times(\underbrace{999\cdots9}_{300\text{个}9}\div 3)\\&=(\underbrace{888\cdots8}_{300\text{个}8}\div 3)\times\underbrace{999\cdots9}_{300\text{个}9}\\&=\underbrace{296296\cdots296}_{100\text{个}296}\times(\underbrace{100\cdots0}_{300\text{个}0}-1)\end{aligned}$$,列竖式得结果为 $\underbrace{296296\cdots295}{}\,\underbrace{703703\cdots704}{}$ 形式。其各位数字之和为 $$\begin{aligned}99\times(2+9+6)+(2+9+5)+(7+0+3)\times 99+(7+0+4)&=99\times 17+16+99\times 10+11\\&=1683+16+990+11\\&=2700\end{aligned}$$。
方法:把全 8 数化为全 9 数与 $296296\cdots$ 的乘积,再借一凑整列竖式,统计数字和。
6. 计算:$3+3.3+3.33+3.333+\cdots+\underbrace{3.33\cdots3}_{99\text{个}3}$。
★★★★★
全 3 型小数求和借一凑整小数除法找循环
答案
$332.\underbrace{962962\cdots962}_{32\text{个}962}963$。
解题过程
$$\begin{aligned}\text{原式}&=(9+9.9+9.99+\cdots+\underbrace{9.99\cdots9}_{99\text{个}9})\div 3\\&=[(10-1)+(10-0.1)+(10-0.01)+\cdots+(10-\underbrace{0.0\cdots01}_{98\text{个}0})]\div 3\\&=[10\times 99-(1+0.1+0.01+\cdots+\underbrace{0.0\cdots01}_{98\text{个}0})]\div 3\\&=[990-1.\underbrace{11\cdots1}_{98\text{个}1}]\div 3\\&=988.\underbrace{88\cdots8}_{98\text{个}8}9\div 3\\&=332.\underbrace{962962\cdots962}_{32\text{个}962}963\end{aligned}$$。
方法:把全 3 小数乘 $3$ 化为全 9 小数,借一凑整求和后再除以 $3$。
7. 已知数 $\underbrace{444\cdots4}_{99\text{个}4}6.\underbrace{222\cdots2}_{99\text{个}2}4$ 是某个小数的平方,请问:这个小数是多少?
★★★★
从简单情况找规律完全平方数结构开方重复数字开平方找规律
答案
$\underbrace{66\cdots6}_{50\text{个}6}.\underbrace{66\cdots6}_{49\text{个}6}8$(整数部分为 $50$ 个 $6$,小数部分为 $49$ 个 $6$ 后接 $8$)。
解题过程
观察规律:$4624=68^2$,$446224=668^2$,$44462224=6668^2$,……,猜测 $\underbrace{44\cdots4}_{n}6\underbrace{22\cdots2}_{n}4=\underbrace{66\cdots6}_{n}8^{2}$。验证:$\underbrace{66\cdots6}_{n}8=\underbrace{66\cdots6}_{n}+2$,$$\begin{aligned}(\underbrace{6\cdots6}_{n}+2)^2&=\underbrace{6\cdots6}_{n}\times\underbrace{6\cdots6}_{n}+4\times\underbrace{6\cdots6}_{n}+4\\&=\underbrace{44\cdots4}_{n}6\underbrace{22\cdots2}_{n}4\end{aligned}$$,规律成立。本题 $n=99$,去掉小数点后的整数 $\underbrace{44\cdots4}_{99}6\underbrace{22\cdots2}_{99}4=\underbrace{66\cdots6}_{99}8^{2}$。原数的小数点在 $6$ 之后(整数部分 $\underbrace{44\cdots4}_{99}6$ 共 $100$ 位),故其平方根的整数部分有 $50$ 位,于是这个小数为 $\underbrace{66\cdots6}_{50\text{个}6}.\underbrace{66\cdots6}_{49\text{个}6}8$。可用 $n=1$ 验证:$46.24=6.8^2$,整数部分 $1$ 个 $6$、小数部分 $0$ 个 $6$ 后接 $8$,与规律一致。
方法:从小情形归纳出 $\underbrace{4\cdots4}_{}6\underbrace{2\cdots2}_{}4=\underbrace{6\cdots6}_{}8^2$,再据小数点位置定结果。
8. 计算以下各数的数字之和:(1)$\underbrace{1111\cdots1}_{99\text{个}1}\times\underbrace{1111\cdots1}_{99\text{个}1}$;(2)$\underbrace{1111\cdots1}_{100\text{个}1}\times\underbrace{1111\cdots1}_{100\text{个}1}$。
★★★★
全 1 数自乘数字之和进位规律全 1 数自乘数字和
答案
(1)$891$;(2)$892$。
解题过程
(1)由 $\underbrace{1\cdots1}_{n}\times\underbrace{1\cdots1}_{n}$($n\le 9$)得回文数 $123\cdots n\cdots 321$,数字之和为 $n^2$;当 $n>9$ 时需处理进位。利用 $\underbrace{1\cdots1}_{n}=\underbrace{9\cdots9}_{n}\div 9$ 等方法可证:$n=99$ 时积的数字之和为 $891$。 (2)同理,$n=100$ 时积的数字之和为 $892$。原式 $=\underbrace{012345679\cdots012345679}_{11\text{个}012345679}\times\underbrace{9\cdots9}_{99\text{个}9}$ 等价变形可帮助计数,最终数字之和分别为 $891$ 与 $892$。
方法:从短全 1 数自乘的回文规律出发,结合进位推算长全 1 数乘积的数字之和。
第14讲 平均数问题
兴趣篇
1. 小高参加射击比赛,他一共打了 $10$ 枪,每枪都射中靶子,位置如图 $14-1$ 中的“×”所示。图中数字表示击中靶子各部位能得到的分数。请问:小高这次打靶的平均分是多少分?
★
平均数概念总分÷次数=平均分读图取数射击/投篮平均分
答案
$4.8$ 分。
解题过程
由图可看出,小高打靶的得分有 $2$ 个 $2$ 分、$4$ 个 $4$ 分、$2$ 个 $6$ 分、$2$ 个 $8$ 分,那么他打靶的得分总和为 $$\begin{aligned}2\times 2+4\times 4+6\times 2+8\times 2&=4+16+12+16\\&=48\end{aligned}$$(分),则平均得分等于 $48\div 10=4.8$(分)。
方法:先把各次得分相加求总分,再除以射击次数得平均分。
2. 请求出 $103,\ 109,\ 105,\ 101,\ 110,\ 102,\ 106,\ 104$ 这 $8$ 个数的平均数。
★
基准数法平均数基准数法求平均数
答案
$105$。
解题过程
以 $100$ 为基准数,超过 $100$ 的部分分别是 $3,\ 9,\ 5,\ 1,\ 10,\ 2,\ 6,\ 4$,它们的和是 $40$,平均超出 $40\div 8=5$。所以这 $8$ 个数的平均数等于 $100+5=105$。
方法:选 $100$ 作基准数,先求超出部分的平均,再加回基准数。
3. 甲、乙、丙、丁四个小队拾稻穗,甲、乙、丙三队平均每队拾了 $24$ 千克,乙、丙、丁三队平均每队拾了 $26$ 千克。已知丁队拾了 $28$ 千克,那么甲队拾了多少千克?
★★
平均数与总量互化和差关系多组平均数求个体
答案
$22$ 千克。
解题过程
乙、丙、丁三队平均每队拾了 $26$ 千克,他们一共拾了 $26\times 3=78$(千克),又因为丁队拾了 $28$ 千克,所以乙、丙两队一共拾了 $78-28=50$(千克)。甲、乙、丙三队平均每队拾了 $24$ 千克,他们一共拾了 $24\times 3=72$(千克),因此甲队拾了 $72-50=22$(千克)。
方法:由各组平均数求出各组总量,再通过总量加减求出甲队。
4. 墨莫参加了 $5$ 次天文知识竞赛,平均分是 $82$ 分。如果不算分数最高的那次,其余 $4$ 次的平均成绩为 $80$ 分。墨莫这 $5$ 次竞赛的最高分是多少分?
★
平均数与总分去掉一项求差去掉最高/最低分
答案
$90$ 分。
解题过程
全部 $5$ 次竞赛的总分等于 $82\times 5=410$(分),不算分数最高的那次后,$4$ 次的总分等于 $80\times 4=320$(分),因此分数最高的那次竞赛得了 $410-320=90$(分)。
方法:用 $5$ 次总分减去其余 $4$ 次总分,得最高那次的分数。
5. 张村有 $25$ 户人家,李村有 $20$ 户人家,去年张村平均每户收入 $4.4$ 万元,李村平均每户收入 $3.5$ 万元。去年两村平均每户收入多少万元?今年李村有 $3$ 户人家收入增加,这 $3$ 户平均每户多收入 $6000$ 元,请问:今年两村平均每户收入多少万元?
★★
加权平均总收入÷总户数两组合并求平均
答案
去年 $4$ 万元;今年 $4.04$ 万元。
解题过程
(1)去年张村的总收入为 $4.4\times 25=110$(万元),李村的总收入为 $3.5\times 20=70$(万元),所以去年两村的总收入为 $110+70=180$(万元),两村共有 $25+20=45$(户)人家,因此去年两村平均每户收入为 $180\div 45=4$(万元)。(2)今年有 $3$ 户平均多收入 $6000$ 元,一共多收入 $3\times 6000=18000$(元),平分到两村的全部 $45$ 户人家后,平均每户增加收入 $18000\div 45=400$(元),即 $0.04$ 万元。所以今年两村平均每户收入为 $4+0.04=4.04$(万元)。
方法:先分别求两村总收入再合并求平均;变化后用总量增量重新求平均。
6. 卡莉娅玩投飞镖,前 $6$ 次的平均成绩是 $3$ 环,第 $7$ 次投完之后,平均成绩上升了 $1$ 环,她第 $7$ 次投得了几环?
★★
平均数变化总量差新增一项影响平均数
答案
$10$ 环。
解题过程
前 $6$ 次总环数为 $3\times 6=18$(环),$7$ 次的平均成绩为 $3+1=4$(环),$7$ 次总环数为 $4\times 7=28$(环),所以第 $7$ 次投得了 $28-18=10$(环)。
方法:用变化后的总环数减去原总环数得到第 $7$ 次的环数。
7. $8$ 个数的平均数为 $50$,若把其中一个数改为 $90$,则平均数就变成了 $60$,被改动的那个数原来是多少?
★★
平均数与总和总和增量改动一个数引起平均数变化
答案
$10$。
解题过程
$8$ 个数原来的总和为 $50\times 8=400$,把一个数改为 $90$ 后平均数为 $60$,新的总和为 $60\times 8=480$,所以总和增加了 $480-400=80$。被改动的数增加了 $80$,因此它原来等于 $90-80=10$。
方法:由平均数变化求出总和的增量,再用改后的数减去增量得原数。
8. 萱萱参加了若干次测试,在最后一次考试时她发现:如果这次考试得 $97$ 分,那么她的平均分数为 $90$ 分;如果这次考试得 $73$ 分,那么她的平均分数是 $87$ 分。她一共参加了多少次考试?
★★
平均数与总分关系差量法平均分变化求次数
答案
$8$ 次。
解题过程
设萱萱一共参加了 $n$ 次考试。最后一次得 $97$ 分时平均分为 $90$ 分,最后一次得 $73$ 分时平均分为 $87$ 分,最后一次少得 $97-73=24$(分),引起平均分下降 $90-87=3$(分),下降的总分等于平均分下降乘以次数,即 $3\times n=24$,所以 $$\begin{aligned}n&=24\div 3\\&=8\end{aligned}$$(次)。
方法:用最后一次成绩的差除以平均分的差,求出考试次数。
9. 宇宙汽车厂有甲、乙两个车间生产零件,甲车间有 $57$ 名工人,每人每天平均生产 $132$ 个零件,乙车间每天平均生产 $163$ 个零件,两个车间每人每天平均生产 $144$ 个零件。请问:乙车间有多少名工人?
★★
加权平均盈亏(移多补少)两组合并求未知人数
答案
$36$ 名。
解题过程
甲车间每人每天比平均数 $144$ 少生产 $144-132=12$(个),$57$ 名工人共比平均数少 $12\times 57=684$(个)。乙车间每人每天比平均数多生产 $163-144=19$(个),设乙车间有 $x$ 名工人,则要补上甲车间少的部分,有 $19\times x=684$,$$\begin{aligned}x&=684\div 19\\&=36\end{aligned}$$(名)。
方法:用平均数作基准,甲车间“少的总量”由乙车间“多的总量”补齐,求乙车间人数。
10. 某人问园丁,花园里有多少株开花的植物,园丁说:“春、夏、秋三个季节,平均每个季节有 $56$ 株;春、夏、冬三个季节,平均每个季节有 $54$ 株;春、秋、冬三个季节,平均每个季节有 $43$ 株;夏、秋、冬三个季节,平均每个季节有 $24$ 株。”如果每株花只在其中一个季节开放,那么花园里共有多少株开花的植物?
★★
平均数与总量重叠求和(容斥)多组平均数综合
答案
$177$ 株。
解题过程
春、夏、秋三季总共有 $56\times 3=168$ 株开花的植物,春、夏、冬三季总共有 $54\times 3=162$ 株开花的植物,春、秋、冬三季总共有 $43\times 3=129$ 株开花的植物,夏、秋、冬三季总共有 $24\times 3=72$ 株开花的植物,全部加起来是 $168+162+129+72=531$(株)。但每个季节都被计算了 $3$ 次,所以要除以 $3$,是 $531\div 3=177$(株)。
方法:把各组的总量相加,结合四季总量去重,求出开花植物的总株数。
拓展篇
1. 有鸡、鸭、鸽子、麻雀四只小动物,鸽子重 $0.6$ 千克;鸡的重量比鸽子的 $2$ 倍少 $0.2$ 千克;鸭的重量比鸡多 $0.5$ 千克;麻雀的重量比鸽子少 $0.4$ 千克。求这四只动物的平均重量。
★
平均数倍数与和差关系由关系求各量再平均
答案
$0.825$ 千克。
解题过程
鸽子重 $0.6$ 千克,鸡的重量是鸽子的 $2$ 倍少 $0.2$ 千克,即 $0.6\times 2-0.2=1.0$(千克);鸭的重量比鸡多 $0.5$ 千克,即 $1.0+0.5=1.5$(千克);麻雀的重量比鸽子少 $0.4$ 千克,即 $0.6-0.4=0.2$(千克)。四只动物总重量是 $0.6+1.0+1.5+0.2=3.3$(千克),平均重量 $=3.3\div 4=0.825$(千克)。
方法:先依条件逐一求出各动物的重量,再求总和并除以只数得平均。
2. 求下列 $20$ 个数的平均数:$306,\ 312,\ 306,\ 308,\ 314,\ 304,\ 318,\ 311,\ 313,\ 315,\ 314,\ 310,\ 310,\ 320,\ 300,\ 316,\ 320,\ 312,\ 314,\ 315$。
★
基准数法平均数基准数法求平均数
答案
$311.9$。
解题过程
方法一:把这 $20$ 个数都减去 $300$,并求和:$6+12+6+8+14+4+18+11+13+15+14+10+10+20+0+16+20+12+14+15=238$,新得到的 $20$ 个数的平均数是 $238\div 20=11.9$,所以这 $20$ 个数的平均数是 $11.9+300=311.9$。方法二:以 $310$ 作为基准数,则这些数与 $310$ 的差是 $-4,\ 2,\ -4,\ -2,\ 4,\ -6,\ 8,\ 1,\ 3,\ 5,\ 4,\ 0,\ 0,\ 10,\ -10,\ 6,\ 10,\ 2,\ 4,\ 5$,这些差的和为 $38$,平均超出 $310$ 的部分为 $38\div 20=1.9$,原数平均数为 $1.9+310=311.9$。
方法:用基准数法把每个数减去 $300$(或 $310$),先求超出部分的平均再加回基准数。
3. 飞碟工厂一周生产的机器台数的统计表破损了,如图 $14-2$ 所示,表中缺少几个数字,请你根据这张统计表,求出星期三和星期四的产量。
★★
平均数与总量统计表读数统计表补缺求平均
答案
星期三 $64$ 台;星期四 $77$ 台。
解题过程
由表知星期一生产 $81$ 台,星期二 $74$ 台,星期五 $69$ 台,一周平均每天 $73$ 台,则一周总产量为 $73\times 5=365$(台)。星期一、二、五共生产 $81+74+69=224$(台),所以星期三、四共生产 $365-224=141$(台)。又由表知星期三的台数十位是 $6$(即 $6\square$),星期四的台数个位是 $7$(即 $\square 7$),满足两数之和为 $141$ 的只有星期三 $64$ 台、星期四 $77$ 台($64+77=141$)。
方法:由周平均求出一周总台数,结合已知各日台数和表中关系倒推星期三、四的产量。
4. 卡莉娅在商场买了 $3$ 千克水果糖、$1$ 千克花生糖和 $2$ 千克奶糖,已知水果糖每千克 $16$ 元,花生糖每千克 $14$ 元,奶糖每千克 $20$ 元。问:卡莉娅买的糖果平均每千克多少元钱?
★★
加权平均总价÷总量混合单价求平均
答案
$17$ 元。
解题过程
买水果糖花了 $16\times 3=48$(元),买花生糖花了 $14\times 1=14$(元),买奶糖花了 $20\times 2=40$(元)。卡莉娅总共买了 $3+1+2=6$(千克)糖果,一共花了 $48+14+40=102$(元),因此这些糖果平均每千克 $102\div 6=17$(元)。
方法:分别算出各种糖的总价相加,再除以总千克数得平均单价。
5. 四年级一班有 $6$ 名女学生,她们的平均身高是 $140$ 厘米。如果她们当中有 $1$ 人离开,剩下 $5$ 人的平均身高就成了 $135$ 厘米。请问:离开的那个女生身高是多少厘米?
★
平均数与总和去掉一项去掉一项求该项
答案
$165$ 厘米。
解题过程
$6$ 个女生的身高总和为 $140\times 6=840$(厘米),剩下 $5$ 个女生的身高总和为 $135\times 5=675$(厘米),又因为剩下 $5$ 个女生身高总和减少了 $840-675=165$(厘米),所以离开的那个女生身高是 $165$ 厘米。
方法:用原来 $6$ 人的身高总和减去剩下 $5$ 人的身高总和,得离开者的身高。
6. $35$ 个数排成 $5$ 行 $7$ 列,$7$ 列的平均数分别为 $39,\ 41,\ 40,\ 45,\ 42,\ 39,\ 41$,前 $4$ 行的平均数分别为 $42,\ 39,\ 44,\ 41$,请求出最后一行的平均数。
★★
行列平均数整体总和守恒矩阵行列平均数
答案
$39$。
解题过程
方法一:各列 $7$ 个数的平均分别是 $39,\ 41,\ 40,\ 45,\ 42,\ 39,\ 41$,那么这 $35$ 个数的和就是各列和之和,$35$ 个数的总和等于各列平均乘以行数 $5$,每列的和等于平均乘以 $5$:$39\times 5=195,\ 41\times 5=205,\ 40\times 5=200,\ 45\times 5=225,\ 42\times 5=210,\ 39\times 5=195,\ 41\times 5=205$,那么这 $35$ 个数的和就是 $195+205+200+225+210+195+205=1435$,前 $4$ 行每行 $7$ 个数的和:$42\times 7=294,\ 39\times 7=273,\ 44\times 7=308,\ 41\times 7=287$,则前 $4$ 行的和为 $294+273+308+287=1162$。最后一行 $7$ 个数的总和为 $1435-1162=273$,所以最后一行的平均数为 $273\div 7=39$。方法二:总平均数等于各列平均的平均,也等于各行平均的平均,因此最后一行的平均数可由总平均反推,从而得最后一行的平均数为 $39$。
方法:用各列平均求出全部 $35$ 个数总和,减去前 $4$ 行的和得最后一行总和,再求平均。
7. 汽车配件厂有 $150$ 名工人,平均每人每天能生产 $200$ 个零件。后来部分工人的设备被改良了,这些工人每人每天可以多生产 $30$ 个零件,此时工厂平均每人每天能生产 $213$ 个零件,请问:有多少名工人的设备被改良了?
★★
平均数与总量盈亏(面积模型)部分改良引起平均数变化
答案
$65$ 名。
解题过程
方法一:工厂平均每人每天生产了 $213$ 个零件,比 $150$ 人原来平均每人每天多生产 $213-200=13$(个)零件,因此 $150$ 人多生产 $13\times 150=1950$(个)零件。改良设备后每人每天多生产 $30$ 个零件,所以设备被改良的工人有 $1950\div 30=65$(名)。方法二:设有 $x$ 名工人改良了设备,则多生产 $$\begin{aligned}30\times x&=213\times 150-200\times 150\\&=1950\end{aligned}$$,所以 $x=65$ 名。
方法:由平均数增量求出多生产的零件总数,除以每人多生产的数得被改良设备的工人数。
8. 黑板上有 $7$ 个数,平均数为 $55$。如果把其中一个数改为 $140$,则平均数变为 $64$。求被改动的数是多少?如果再将其余 $6$ 个数都乘以 $2$,求此时 $7$ 个数的平均数。
★★
平均数与总和总和增减改动多个数求平均
答案
被改动的数是 $77$;此时 $7$ 个数的平均数是 $108$。
解题过程
开始时 $7$ 个数的平均数是 $55$,则它们的和是 $55\times 7=385$。改动后平均数变为 $64$,那么改动后 $7$ 个数的和变为 $64\times 7=448$,比原来多了 $448-385=63$。这 $7$ 个数中只有一个数改动了,所以原来那个数是 $140-63=77$。原来没有改动的 $6$ 个数的和是 $385-77=308$,把这 $6$ 个数都乘以 $2$,它们的和变为 $308\times 2=616$,再加上改成的 $140$,此时 $7$ 个数的和是 $616+140=756$,它们的平均数为 $756\div 7=108$。
方法:由平均数变化求总和增量定出被改数;再依各数增减调整总和求新平均。
9. 甲班有 $33$ 人,乙班有 $22$ 人,在一次考试中,甲班的平均分是 $80$ 分,甲班和乙班的总平均分是 $82$ 分,求乙班的平均分。
★★
加权平均移多补少(面积模型)两班合并求一班平均
答案
$85$ 分。
解题过程
方法一:甲班有 $33$ 人,平均分是 $80$ 分,甲班的总分为 $80\times 33=2640$ 分。甲、乙两班的总平均分是 $82$ 分,两班共 $33+22=55$ 人,总分为 $82\times 55=4510$ 分。乙班的总分为 $4510-2640=1870$ 分,乙班有 $22$ 人,所以乙班平均分为 $1870\div 22=85$(分)。方法二:甲班平均分比总平均分低 $82-80=2$ 分,$33$ 人共少 $2\times 33=66$ 分,这要由乙班补足,乙班 $22$ 人共多 $66$ 分,每人多 $66\div 22=3$ 分,所以乙班平均分为 $82+3=85$(分)。
方法:由总分关系直接求乙班总分再平均;或用基准数法把甲班缺额补给乙班。
10. 甲、乙、丙三个班的人数分别为 $45,\ 57,\ 54$,已知甲班的平均分为 $91.5$ 分,乙班的平均分为 $89.5$ 分,三个班的总平均分为 $92.5$ 分,求丙班的平均分。
★★
加权平均总分守恒三班合并求某班平均
答案
$96.5$ 分。
解题过程
方法一:甲班的总分为 $91.5\times 45=4117.5$(分),乙班的总分为 $89.5\times 57=5101.5$(分)。三个班共 $45+57+54=156$(人),总平均分 $92.5$ 分,三个班的总分为 $92.5\times 156=14430$(分)。因此丙班的总分为 $14430-4117.5-5101.5=5211$(分),丙班平均分为 $5211\div 54=96.5$(分)。方法二:如图所示,甲、乙上方的阴影是比总平均少的部分,丙上方的阴影是比总平均多的部分,两块阴影面积相等。甲班平均分比总平均少 $92.5-91.5=1$(分),乙班平均分比总平均少 $92.5-89.5=3$(分),甲、乙两班共比总平均少 $1\times 45+3\times 57=216$(分),即丙班比总平均多 $216$ 分,故丙班平均分比总平均多 $216\div 54=4$(分),丙班平均分为 $92.5+4=96.5$(分)。
方法:利用各组总分之和与三班总分的关系,解出丙班总分再求平均。
11. 某单位男职工人数是女职工人数的 $2$ 倍,男职工的平均年龄是 $31$ 岁,女职工的平均年龄是 $40$ 岁,请问:该单位全体职工的平均年龄是多少岁?
★★
加权平均按份数计算按比例的加权平均
答案
$34$ 岁。
解题过程
方法一:男职工人数是女职工人数的 $2$ 倍,设女职工 $1$ 份、男职工 $2$ 份,共 $3$ 份。男职工年龄总和按 $2$ 份算为 $31\times 2=62$(按份),女职工年龄总和按 $1$ 份算为 $40\times 1=40$(按份),全体职工年龄总和为 $(31\times 2+40\times 1)$ 份,平均年龄为 $$\begin{aligned}(31\times 2+40)\div 3&=(62+40)\div 3\\&=102\div 3\\&=34\end{aligned}$$(岁)。方法二:用面积模型把男职工年龄看作 $2$ 份、女职工年龄看作 $1$ 份,求加权平均得 $34$ 岁。
方法:按男女人数的份数比($2:1$)计算年龄总和,再除以总份数得平均年龄。
12. 甲班有 $25$ 人,乙班有 $75$ 人,甲班和乙班的总平均分是 $90$ 分。如果甲班的平均分比乙班的平均分高 $5$ 分,那么乙班的平均分是多少分?
★★
加权平均面积模型移多补少两班分差求平均
答案
$88.75$ 分。
解题过程
如图所示,乙班的平均分比甲班的平均分和总平均分都要低。甲班比乙班多的部分就是总平均分比乙班平均分多的部分,即图中阴影部分①③与空白部分②的面积之和相等。从图中看出,甲班比乙班多的部分是 $5\times 25=125$(分),把这 $125$ 分平均到所有人中,得到乙班平均分比总平均分低 $5\times 25\div(25+75)=1.25$(分),即乙班平均分为 $90-1.25=88.75$(分)。
方法:用面积模型把甲班高出的总分平摊给两班,结合条件求乙班平均分。
13. 某小学四年级一班和二班共有学生 $100$ 名,在一次数学考试中,两班学生的总平均分是 $75.4$ 分,其中一班的平均分是 $73$ 分,二班的平均分是 $78$ 分,请问:一班和二班的人数之差是多少?
★★
加权平均盈亏平衡已知平均求人数差
答案
$4$ 名。
解题过程
如图所示,以甲班(一班)的平均分 $73$ 为基准数,总平均分 $75.4$ 比甲班平均分高 $75.4-73=2.4$ 分,$100$ 名学生总分比按甲班平均算高 $100\times 2.4=240$(分)。这部分正是乙班(二班)比甲班多的总分,而乙班平均分比甲班高 $78-73=5$ 分,所以乙班人数为 $240\div 5=48$(人),甲班人数为 $100-48=52$(人),两班相差 $52-48=4$(名)。
方法:以总平均为基准,列“亏=盈”方程与总人数方程联立求两班人数差。
14. 小高期末考试语文、数学、英语、地理、历史五科中的四科成绩如下:语文 $88$ 分,数学 $99$ 分,地理 $94$ 分,历史 $95$ 分。英语成绩比五科的总平均分低 $2.4$ 分,那么小高英语的得分是多少分?
★★
平均数与总分基准数法某项与平均之差
答案
$91$ 分。
解题过程
语文、数学、地理、历史这四科的总分为 $88+99+94+95=376$(分)。以五科的平均分为基准数,因英语成绩比五科平均分低 $2.4$ 分,则前四科比平均分共多 $2.4$ 分。设五科平均分为 $a$,则四科总分 $=4a+2.4$,即 $376=4a+2.4$,$a=93.4$(分),所以英语得分 $=93.4-2.4=91$(分)。
方法:用基准数法把英语比平均分低的部分由前四科补足,求出平均分再得英语分。
超越篇
1. 萱萱参加了六次数学测验,这六次测验有一个总平均分。后四次测验的平均分比总平均分多 $3$ 分,第一次、第二次、第六次这 $3$ 次测验的平均分比总平均分少 $3.6$ 分。请问:前五次测验的平均分与总平均分相比,是高还是低?高或低多少分?
★★★★
平均数与总分盈亏交叉重叠多组平均偏差综合
答案
$0.24$ 分(前五次平均分比总平均分低 $0.24$ 分)。
解题过程
后 $4$ 次测验的总分比(总平均分 $\times 4$)多出的分数为 $3\times 4=12$ 分。第 $1,\ 2,\ 6$ 这 $3$ 次测验的总分比(总平均分 $\times 3$)少的分数为 $3.6\times 3=10.8$ 分。所以 $6$ 次测验的总分 $+$ 第 $6$ 次测验分数 $-$ 总平均分 $\times 7=12-10.8=1.2$ 分。又因为 $6$ 次测验的总分 $=$ 总平均分 $\times 6$,所以第 $6$ 次测验的分数 $-$ 总平均分 $=1.2$ 分。又因为前 $5$ 次测验总分 $+$ 第 $6$ 次测验分数 $=$ 总平均分 $\times 6$,所以总平均分 $\times 5-$ 前 $5$ 次测验总分 $=1.2$ 分。所以前 $5$ 次测验的平均分肯定比总平均分低,低出的分数为 $1.2\div 5=0.24$ 分。
方法:把各组与总平均的差量换算成总分的盈亏,注意重复计入的项,求前五次的偏差。
2. $A,\ B,\ C,\ D,\ E$ 这五人在一次满分为 $100$ 分的考试中,得分互不相同,并且都是大于 $91$ 的整数。如果 $A,\ B,\ C$ 三人的平均分为 $95$ 分,$B,\ C,\ D$ 三人的平均分为 $94$ 分,$A$ 是第一名,$E$ 得 $96$ 分是第三名,请问:$D$ 得了多少分?
★★★★
平均数与总分整数枚举与排序平均数+名次推断
答案
$97$ 分。
解题过程
$A,\ B,\ C$ 三人的平均分为 $95$ 分,总分为 $95\times 3=285$ 分;$B,\ C,\ D$ 三人的平均分为 $94$ 分,总分为 $94\times 3=282$ 分。两式相减得 $$\begin{aligned}A-D&=285-282\\&=3\end{aligned}$$,即 $A$ 比 $D$ 多 $3$ 分。因为 $A$ 是第一名,$E$ 是第三名得 $96$ 分,并且 $5$ 人得分互不相同,所以 $A$ 的分数可能是 $98,\ 99$ 或 $100$,下面分情况讨论。①若 $A$ 得 $98$ 分,此时 $D$ 的分数是 $98-3=95$ 分,可推出第二名是 $97$ 分,且肯定是 $B,\ C$ 中的一个。$B$ 的总分 $+C$ 的总分 $=95\times 3-A=285-98=187$ 分,因为 $B,\ C$ 中有一个是 $97$ 分,所以另一个是 $187-97=90$ 分,与每个人的分数都大于 $91$ 矛盾,所以 $A$ 不可能是 $98$ 分。②若 $A$ 得 $99$ 分,此时 $D$ 的分数是 $99-3=96$ 分,而已知 $E$ 得 $96$ 分,与 $5$ 人得分互不相同矛盾,所以 $A$ 不可能是 $99$ 分。③上述两种情况都不可能,那么 $A$ 的分数只能是 $100$ 分,所以 $D$ 得了 $100-3=97$ 分。
方法:由三人总分锁定取值范围,再结合名次与互不相同的整数条件枚举推出 $D$。
3. 老师在黑板上写出了若干个从 $1$ 开始的连续自然数 $1,\ 2,\ 3,\ \cdots$,后来擦掉其中的一个数,剩下的数的平均数是 $10.8$。求被擦掉的那个自然数。
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连续自然数求和平均数与总和擦去一个数求平均
答案
$15$。
解题过程
因为剩下数的平均数是 $10.8$,那么原来的数的平均数肯定在 $10.8$ 左右。若有 $1$ 到 $n$ 共 $n$ 个数,则从 $1$ 加到 $n$ 的和为 $\frac{(1+n)\times n}{2}$。当 $n=21$ 时,$$\begin{aligned}1+2+\cdots+21&=\frac{(1+21)\times 21}{2}\\&=231\end{aligned}$$。擦去一个数后剩 $20$ 个数,和为 $10.8\times 20=216$,所以擦去的那个数为 $231-216=15$。
方法:先由平均数确定连续自然数的个数 $n$,用求和公式求总和,减去剩余总和得被擦数。
4. 四年级五班有 $50$ 名同学,在一次数学考试后,王老师将这些学生按成绩排了名次,发现前 $30$ 名的平均分比后 $20$ 名的平均分多 $12$ 分。一位同学对“平均”的概念不清楚,他把前 $30$ 名的平均分加上后 $20$ 名的平均分,再除以 $2$,错误地认为这就是全班同学的平均分。这样做全班的平均成绩是提高了,还是降低了?请算出提高或降低了多少分?
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加权平均面积模型差量弄混平均数求偏差
答案
降低 $1.2$ 分。
解题过程
如图所示,因为前 $30$ 名的平均分比后 $20$ 名的平均分多 $12$ 分,所以错误的平均成绩比后 $20$ 名的平均成绩多 $12\div 2=6$(分)。前 $30$ 名的总分比后 $20$ 名的总分多 $12\times 30=360$(分),那么全班的平均成绩比后 $20$ 名的平均成绩多 $360\div(30+20)=7.2$(分),所以全班正确的平均成绩比错误的平均成绩多 $7.2-6=1.2$(分),即弄混后算出的成绩比正确成绩降低了 $1.2$ 分。
方法:分别写出正确与弄混后的全班平均分表达式,比较两者之差。
5. 某次数学竞赛原定一等奖 $10$ 人,二等奖 $20$ 人,现在将一等奖中最后 $4$ 人调整为二等奖,那么得二等奖的学生的平均分就提高了 $1$ 分,得一等奖的学生的平均分就提高了 $3$ 分。请问:原来一等奖学生的平均分比二等奖学生的平均分多多少分?
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加权平均面积模型移多补少调整人员引起平均变化
答案
$10.5$ 分。
解题过程
先来看一等奖的情况(如图 $1$ 所示):原一等奖 $10$ 人,将最后 $4$ 人调出后剩前 $6$ 人,这 $6$ 人的平均分比原一等奖平均分提高了 $3$ 分,相当于这 $4$ 人少出的总分 $3\times 6=18$ 分分摊给 $4$ 人,所以这 $4$ 人原平均分比一等奖平均分低 $3\times 6\div 4=4.5$(分)。再来看二等奖的情况(如图 $2$ 所示):原二等奖 $20$ 人,调入 $4$ 人后平均分提高 $1$ 分,相当于这 $4$ 人多出的总分要分给全部 $24$ 人,每人多 $1$ 分,所以这 $4$ 人原平均分比二等奖平均分高 $1\times(20+4)\div 4=6$(分)。所以原一等奖平均分比二等奖平均分高 $4.5+6=10.5$(分)。
方法:用调整 $4$ 人引起两组平均分的变化,分别求出这 $4$ 人相对两组平均分的差,再相加。
6. 小高家有 $5$ 口人:爷爷、奶奶、爸爸、妈妈还有小高。今年爷爷 $75$ 岁,奶奶比 $5$ 人的平均年龄大 $26$ 岁,爸爸 $34$ 岁,妈妈比 $5$ 人的平均年龄小 $13$ 岁,小高比妈妈小 $21$ 岁。请你根据以上的信息,求出小高刚出生时爸爸多少岁。
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平均数与总和和差倍关系列式家庭年龄平均数
答案
$24$ 岁。
解题过程
因为妈妈今年的岁数比 $5$ 人的平均年龄小 $13$ 岁,小高比妈妈小 $21$ 岁,所以小高今年的岁数比 $5$ 人的平均岁数小 $13+21=34$(岁)。因为妈妈和小高的岁数都比平均岁数少,则有 $($ 平均岁数 $-$ 小高岁数 $)+($ 平均岁数 $-$ 妈妈岁数 $)=34+13=47$(岁)。由于全体偏差之和为 $0$,所以 $($ 爷爷岁数 $-$ 平均岁数 $)+($ 爸爸岁数 $-$ 平均岁数 $)+($ 奶奶岁数 $-$ 平均岁数 $)=47$(岁),又奶奶比平均岁数大 $26$ 岁,所以 $($ 爷爷岁数 $-$ 平均岁数 $)+($ 爸爸岁数 $-$ 平均岁数 $)=47-26=21$(岁)。于是 $5$ 人的平均岁数是 $(75+34-21)\div 2=44$(岁)。所以小高今年的岁数是 $44-34=10$ 岁,则小高出生时,爸爸的岁数是 $34-10=24$ 岁。
方法:设平均年龄为未知量,把各人年龄用平均年龄与差关系表示,代入总和方程求解。
7. 一次考试中,男生的平均分比总平均分高 $2$ 分,女生的平均分比总平均分低 $1$ 分,男生的总分数是 $942$ 分,女生的总分数是 $1800$ 分。求男、女生各有多少人?
★★★★★
加权平均盈亏平衡列方程已知总分与偏差求人数
答案
男生 $14$ 人;女生 $28$ 人。
解题过程
由于男生的平均分比总平均分高 $2$ 分,女生的平均分比总平均分低 $1$ 分,根据移多补少的原理,女生的人数是男生的 $2$ 倍。女生的总分数是 $1800$ 分,如果把女生看作与男生人数一样多(即女生人数是男生的 $2$ 倍时,按相同人数比较),则同样人数的男生总分应是 $1800\div 2=900$ 分。而男生实际总分是 $942$ 分,男生总分多了 $942-900=42$ 分,又因为每个男生比女生平均分高 $2+1=3$ 分,因此男生人数为 $42\div 3=14$(人),女生人数是男生的 $2$ 倍,即 $28$ 人。
方法:以总平均为基准,用“男生盈=女生亏”建立人数关系,再结合总分方程求解。
8. 少年歌手大奖赛中,评委小组由若干人组成,每名裁判员给歌手的评分最高为 $10$ 分。第一名歌手演唱后得分情况是:全体裁判员给该歌手的平均分为 $9.64$ 分,如果只去掉一个最高分,则其余裁判员所给的平均分为 $9.60$ 分;如果去掉一个最低分,则其余裁判员所给的平均分为 $9.68$ 分。请问:所有裁判员所给的最低分至少可以是多少分?这时,大奖赛的裁判员至少有多少人?
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平均数与总分去掉极值求范围去最高最低分求极值
答案
最低分至少 $9.28$ 分,此时裁判员至少有 $10$ 人。
解题过程
设有 $n$ 名裁判员,全体平均分 $9.64$,总分为 $9.64n$。去掉最高分后 $n-1$ 人平均 $9.60$,总分为 $9.60(n-1)$,所以$$\begin{aligned}\text{最高分}&=9.64n-9.60(n-1)\\&=0.04n+9.60\end{aligned}$$。去掉最低分后 $n-1$ 人平均 $9.68$,总分为 $9.68(n-1)$,所以$$\begin{aligned}\text{最低分}&=9.64n-9.68(n-1)\\&=9.68-0.04n\end{aligned}$$。要使最低分尽量小且最高分不超过 $10$ 分:$0.04n+9.60\le 10$,得 $n\le 10$。取 $n=10$ 时$$\begin{aligned}\text{最低分}&=9.68-0.04\times 10\\&=9.28\end{aligned}$$(分),$$\begin{aligned}\text{最高分}&=9.60+0.04\times 10\\&=10\end{aligned}$$(分),符合条件,所以最低分至少为 $9.28$ 分,裁判员至少有 $10$ 人。
方法:用总分关系把最高、最低分表示为人数 $n$ 的式子,再由满分约束确定 $n$ 与最低分。
第15讲 复杂竖式
兴趣篇
1. 图15-1是一个字母竖式,相同的字母代表相同的数字,不同的字母代表不同的数字,请把竖式用数字表示出来。竖式为 $ACE+CDBC+CABE=DEECC$(见图15-1)。
★★
字母竖式还原末位分析进位分析加法字母竖式算式谜
答案
$940+4154+4950=10044$,即 $A=9,\ C=4,\ E=0,\ D=1,\ B=5$。
解题过程
看个位:$E+C+E$ 的末位是 $C$,即两个 $E$ 加后末位是 $0$,因此 $E=5$ 或 $0$。若 $E=5$ 时有进位,若 $E=0$ 则无进位。再分析十位、百位、千位的进位与末位,由 $E$ 必为偶才能使各位相符,定出 $E=0$;进而 $C=4$、$B=5$。逐位确定后得 $A=9,\ D=1$,竖式为 $940+4154+4950=10044$。
方法:从个位入手,利用相同字母相加的末位确定 $E$,再逐位推进位。
2. 图15-2算式中,相同的字母代表相同的数字,不同的字母代表不同的数字,这个算式的和是多少?算式为 $HORSE+HORSE=RABBIT$(见图15-2)。
★★
字母竖式还原末位分析进位分析加法字母竖式算式谜
答案
和 $RABBIT=172290$。
解题过程
两个相同的五位数 $HORSE$ 相加得到六位数 $RABBIT$,两数相加最多进 $1$,故首位 $R=1$。由百位上的 $B$ 是偶数知百位不可能向千位进位,再由十位也没有向百位进位得 $B=2$,进而得 $O=6$。其余字母经试算确定,最终 $HORSE+HORSE=86145+86145=172290$。
方法:由“五位数+五位数=六位数”定首位 $R=1$,再从个位逐位试算。
3. 在图15-3中的各个 $\square$ 内填入恰当的数字后,可使算式成立,并且个位上的 $5$ 个数字从上向下看,恰好是图15-4中顺时针次序的连续 $5$ 个数字,十位上的 $5$ 个数字也有这样的性质。请问:竖式中计算的结果是多少?(图15-3 为两个四位数相加得一个三位数和的竖式,图15-4 为数字 $0\sim 9$ 按顺时针排列的圆环。)
★★
加法竖式还原连续数字之和末位分析条件约束竖式数阵+竖式
答案
竖式计算的结果(和)为 $290$。
解题过程
第一步先分析个位:要求个位的 $5$ 个数字从上往下是图15-4中顺时针的连续 $5$ 个数字 $A,B,C,D,E$,由相加的末位关系得 $A+B+C+D+E$ 末位与和的个位相符。利用顺时针连续 $5$ 个数字之和为 $6+7+8+9+0=30$(个位 $0$)等情形确定个位;第二步同理分析十位。综合两步逐位还原,得竖式各数,最终算式的和为 $290$。
方法:分别按“个位连续 5 数”“十位连续 5 数”的条件,用末位和定位。
4. 请把 $1\sim 9$ 这 $9$ 个数字填在图15-5的 $\square$ 内(其中有 $3$ 个数字已填好),使得加法和乘法这两个算式都成立。图15-5 为乘法竖式 $\square 7\times\square$,部分积与最后的和均含 $\square$。
★★
乘法竖式还原末位分析枚举法乘法竖式填数数字 1~9 填空
答案
竖式可填为 $17\times 4=68$,再由加法部分得 $68+25=93$。
解题过程
由乘法竖式:两位数 $\square 7$ 乘一位数 $\square$,末位由 $7\times\square$ 决定。通过枚举发现十位数字只能填 $1$,且当第一个因数为 $17$、乘数为 $4$ 时 $17\times 4=68$,满足竖式。再把 $1\sim 9$ 中剩下的 $2,3,5,9$ 填入加法部分,使竖式成立,得 $68+25=93$。
方法:先由乘法末位与位数枚举确定 $17\times4=68$,再补全加法。
5. 图15-6是一个乘法竖式,请在其中的 $10$ 个 $\square$ 内分别填入 $0\sim 9$ 这 $10$ 个数字,使竖式成立。竖式为三位数乘三位数,部分积分别为 $3\square 08$、$\square 504$、$7\square 2$,最终积为 $\square 3248$。
★★
乘法竖式还原数字 0~9 不重复填空部分积分析乘法竖式填数全数字竖式
答案
竖式为 $376\times 248=93248$,三个部分积依次为 $3008$、$1504$、$752$。
解题过程
设三位数乘三位数为 $\overline{abc}\times\overline{xyz}$,三个部分积分别为 $3\square 08$、$\square 504$、$7\square 2$,最终积为 $\square 3248$。由第三个部分积 $7\square 2$ 末位为 $2$ 且 $\overline{abc}=752\div x$,结合各位互不相同的限制逐步还原,得 $\overline{abc}=376$、$\overline{xyz}=248$,三部分积为 $3008$、$1504$、$752$,最终 $376\times 248=93248$,使 $0\sim 9$ 恰好各用一次。
方法:由三行部分积的首位与末位关系逐步约束,定出各因数。
6. 如图15-7,在乘法竖式的每个 $\square$ 中填入一个数字,使其成为正确的竖式,那么所得的乘积应该是多少?竖式为 $\square 1\square\times\square\square$,部分积与积均含 $\square$,积的形式为 $\square\square 6\square$。
★★
乘法竖式还原部分积分析枚举法乘法竖式填数
答案
乘积为 $2204$。
解题过程
三位数 $\square 1\square$ 与两位数相乘,先由两个部分积的位数及末位关系确定可能的因数;其中第二个部分积首位为 $1$,最终积的形式为 $\square\square 6\square$。逐位枚举满足条件的填法,求得乘积为 $2204$。
方法:由部分积位数与积的已知位逐步缩小范围,枚举求乘积。
7. 如图15-8,在乘法竖式的每个 $\square$ 中填入一个数字,使其成为正确的竖式,那么所得的乘积应该是多少?竖式为 $\square\square 5\times\square\square$,第一部分积为 $1\square\square\square$,最终积为 $1\square\square 05$。
★★
乘法竖式还原部分积位数分析末位分析乘法竖式填数
答案
乘积为 $15805$。
解题过程
观察竖式:第二个乘数的十位是 $0$,且第三行的四位积的后两位分别是 $0$ 和 $5$。进一步发现第一个乘数与第二个乘数百位的乘积是四位数,所以两个乘数的首位都不会太大,且第二个乘数只能是 $109$。用同样方法算出第一个乘数是 $145$,因此 $145\times 109=15805$,经验算符合题意。
方法:由部分积位数定第二乘数为 $109$,再还原第一乘数。
8. 将图15-9中的竖式补充完整。竖式为乘法 $\square 7\square\times\square\square$,部分积分别为 $\square\square 5$ 与 $\square\square 93$,最终积为 $1\square\square\square\square$。
★★
乘法竖式还原末位分析进位分析乘法竖式填数
答案
竖式为 $177\times 95=16815$。
解题过程
由两个部分积的末位与位数关系逐步确定各位。第二个部分积 $\square\square 93$ 的末位 $3$ 由 $7$ 与乘数个位相乘的末位决定,结合首位进位与最终五位积 $1\square\square\square\square$ 还原,得 $177\times 95=16815$。
方法:用部分积末位 $3$、$5$ 与积的首位 $1$ 逐步定数字。
9. 在图15-10中的 $\square$ 内填上适当的数字,使得竖式成立,请写出所有的答案。竖式为除法 $\overline{\square\square}\,)\,\overline{7\square 2}$,商为 $2\square$,余数为 $0$,中间有 $6\square$、$1\square 2$、$1\square 2$ 等行。
★★
除法竖式还原试商分析分类讨论除法竖式填数
答案
有两个答案:$792\div 33=24$ 与 $782\div 34=23$。
解题过程
由商的十位为 $2$,它与除数的乘积是一个以 $6$ 开头的两位数,可知除数的十位是 $3$。再分析商的个位:第二步乘积小于 $70$,故除数的个位只能是 $3$ 或 $4$。讨论得:除数为 $33$ 时商个位为 $4$,$792\div 33=24$;除数为 $34$ 时商个位为 $3$,$782\div 34=23$。故有两个结果。
方法:由商十位与除数的乘积定除数十位,再讨论个位写出所有解。
10. 请把图15-11中的除法竖式补充完整,这个算式的被除数、除数以及商的总和是多少?竖式为 $\overline{\square\square 2}\,)\,\overline{\square 9\square\square}$,商为 $\square\square$,中间有 $5\square 8$、$\square 6\square$、$6\square\square$ 等行,余数为 $0$。
★★
除法竖式还原减法借位分析末位分析除法竖式填数
答案
被除数、除数与商的总和为 $6117$。
解题过程
由第一个减法算式可立即填出被除数的个位数字为 $4$、减数的十位为 $2$,进而得被除数的首位为 $5$。再由第一个乘法(除数末位为 $2$)的积末位为 $8$,定商首位只能是 $4$ 或 $9$;逐步还原整个竖式得到完整的被除数、除数和商,三者相加得 $6117$。
方法:从减法行还原被除数各位,再由乘法末位定商,最后求总和。
拓展篇
1. 在图15-12中的字母竖式中,相同的字母代表相同的数字,不同的字母代表不同的数字。已知个位向十位的进位为 $2$,且 $E$ 是奇数,$A,B,C,D$ 分别代表什么数字?竖式为 $\overline{ADBA}+\overline{DCA}+\overline{EBA}=\overline{CECE}$(见图15-12)。
★★
加法字母竖式还原进位分析奇偶分析加法字母竖式算式谜
答案
$A=7,\ B=9,\ C=8,\ D=4,\ E=1$,即 $7497+487+197=8181$。
解题过程
看个位:三个 $A$ 相加($3A$)末位为 $E$,且向十位进位为 $2$,则 $3A$ 在 $20\sim 29$ 之间,又 $E$ 为奇数,故 $3A=21$,得 $A=7$、$E=1$。看个位末位 $E=1$ 与进位 $2$ 相符。再看十位 $D+C+B+2$ 的末位为 $C$,得 $D+B+2$ 末位为 $0$;结合千位、百位的进位关系及各字母互不相同,逐位确定 $B=9,\ D=4,\ C=8$。故 $7497+487+197=8181$,即 $\overline{ADBA}+\overline{DCA}+\overline{EBA}=\overline{CECE}$ 成立。
方法:由给定的进位与奇偶条件逐位约束求字母。
2. 在图15-13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,请给出两种使竖式成立的填法。竖式为 $\overline{FORTY}+\overline{FIFTEEN}+\overline{FIFTEEN}=\overline{SEVENTY}$(见图15-13)。
★★
加法字母竖式还原末位分析进位与奇偶分析加法字母竖式多解算式谜
答案
两种填法:$F=3$ 时 $O=7,R=9,T=8,Y=4$,即 $37984+3238550+3238550=6515084$;$F=4$ 时 $O=1,R=9,T=6,Y=7$,即 $41967+4246550+4246550=8535067$(其余字母依竖式确定,均有 $I=2,E=5,N=0$)。
解题过程
先看个位 $T+N+N$ 的末位是 $T$,则 $N+N$ 末位是 $0$,所以 $N=0$ 或 $5$;再看十位 $E+E$ 与进位相加末位是 $E$,得 $N=0$、$E=5$。结合各列的进位与各字母互不相同,逐位还原得两组解:$F=3$ 时 $O=7,R=9,T=8,Y=4$,竖式为 $37984+3238550+3238550=6515084$;$F=4$ 时 $O=1,R=9,T=6,Y=7$,竖式为 $41967+4246550+4246550=8535067$。两种填法见参考答案图。
方法:由个位、十位末位定 $N,E$,再用进位的个位关系分两种情况求 $F,O,T,Y$。
3. 在图15-14所示的乘法竖式中,每个 $\square$ 和字母都代表一个数字,相同的字母代表相同的数字,不同的字母代表不同的数字。请问:$A,B,C,D$ 各代表什么数字?竖式为 $\overline{AB}\times\overline{CD}$,部分积为 $1\square\square$ 与 $1\square D$,最终积为 $\overline{\square\square D8}$(见图15-14)。
★★
乘法字母竖式还原部分积位数分析枚举法乘法字母竖式多解算式谜
答案
有两组解:$A,B,C,D=5,4,3,2$($54\times 32=1728$)或 $A,B,C,D=1,8,7,6$($18\times 76=1368$)。
解题过程
由两行部分积均为三位数(首位为 $1$),以及最终积个位为 $8$、十位含 $D$ 等条件逐步分析。两个部分积分别为 $\overline{AB}\times D$ 与 $\overline{AB}\times C$,均为三位数说明 $\overline{AB}$ 与 $C,D$ 不太大;结合末位关系枚举,得到两组满足条件的解:$54\times 32=1728$ 与 $18\times 76=1368$。
方法:由两部分积均为三位数缩小范围,再按末位枚举两组解。
4. 在图15-15中的 $\square$ 内填入恰当的数字,可以得到一个正确的乘法竖式,已知这样的填法有两种,请问这两种填法所得到的两个不同的乘积相差多少?竖式为 $\overline{\square\square 5}\times\overline{4\square}$,部分积为 $3\square\square$ 与 $\square 2\square\square$,最终积为 $1\square\square\square\square$(见图15-15)。
★★
乘法竖式还原部分积分析分类讨论乘法竖式填数多解求差
答案
两种填法的积分别为 $12505$ 与 $12915$,相差 $410$。
解题过程
已知计算结果首位是 $1$,由第二个乘数十位 $4$ 与第一乘数的乘积首位只能是 $1$,得该四位部分积形如 $12\square\square$,因此第一个乘数等于 $12\square\square\div 4$,其首位必为 $3$;又第二个乘数个位为 $1$,第一乘数即第三行的三位数。讨论得两组解:$305\times 41=12505$ 与 $315\times 41=12915$,两积相差 $12915-12505=410$。
方法:由部分积首位定第一乘数范围,讨论两组解再求差。
5. 在图15-16所示的乘法竖式中,每个 $\square$ 和汉字都代表一个数字,相同的汉字代表相同的数字,不同的汉字代表不同的数字。请问:这个乘法竖式最后的乘积是多少?竖式为 $\overline{\square恭\square}\times\overline{1贺\square}$,部分积含“$9$新$\square$”“$\square\square 9$年”“$\square\square 8$”,积为“$\square\square$年$\square\square$”(见图15-16,“恭贺新年”各代表数字)。
★★
乘法汉字竖式还原末位分析奇偶分析乘法汉字竖式算式谜
答案
由竖式还原得各汉字数字,使乘积成立(第一乘数个位“贺”乘 $8$ 得末位“年”为偶数等关系逐位确定)。
解题过程
由某部分积是“$\square\square 8$”知第一个乘数的个位与第二乘数某位之积末位为 $8$;由此“数就与第一个乘数相同”推出第一个乘数的个位是 $8$。又“年”是 $8$ 与“贺”的乘积末位,因此“年”是偶数。结合各部分积的位数与“恭、贺、新、年”互不相同等条件逐位还原,得到使竖式成立的乘法。
方法:由部分积末位 $8$ 推第一乘数个位,逐位确定各汉字。
6. 在图15-17所示的乘法竖式中,其中的每个 $\square$ 和汉字都代表一个数字,相同的汉字代表相同的数字,不同的汉字代表不同的数字。试问:当算式成立时,“巴西法国争夺冠军”所代表的八位数是多少?竖式为 $\overline{巴西法国}\times\overline{巴西法国}$,部分积含“$\square\square\square\square$国”“争夺$\square\square$”“$\square\square\square$法”,积为“$\square$冠军$\square\square\square\square$”(见图15-17)。
★★
乘法汉字竖式还原末位分析进位分析乘法汉字竖式算式谜
答案
“巴西法国争夺冠军”所代表的八位数为 $24059678$。
解题过程
第一个乘数与“法”相乘时,乘积是 $0$ 并且被省略,立即得到“法”$=0$。再由“巴”等各位的乘积与进位关系,结合“巴西法国”互不相同、各部分积的位数等条件逐位还原,最终得“巴西法国争夺冠军”$=24059678$。
方法:先由“法”相乘得 $0$ 定“法=0”,再逐位还原八位数。
7. 如图15-18,请把这个乘法竖式补充完整。竖式为 $\overline{\square\square\square}\times\overline{3\square 2}$,部分积含“$\square 9\square$”“$4\square 5\square$”“$\square\square\square 5$”,最终积为 $\overline{\square\square\square\square\square\square}$。
★★
乘法竖式还原部分积分析末位分析乘法竖式填数
答案
竖式补全后乘积为 $194040$(即 $495\times 392=194040$)。
解题过程
由三个部分积的位数与已知数字(第一部分积形如 $\square9\square$、第二部分积形如 $4\square5\square$、第三部分积末位为 $5$)逐步分析:第一部分积 $495\times 2=990$、第二部分积 $495\times 9=4455$、第三部分积 $495\times 3=1485$,结合各部分积首位、末位关系还原各位,最终得乘法 $495\times 392=194040$,原式即如答案图所示。
方法:由部分积已知位与位数关系逐位补全竖式。
8. 如图15-19,请把这个乘法竖式补充完整。竖式为 $\overline{\square\square\square\square}\times\overline{\square\square}$,四个部分积末位依次为 $1,9,9,9$,最终积为 $\overline{\square\square\square\square 9991}$。
★★
乘法竖式还原末位分析进位分析乘法竖式填数
答案
竖式可唯一补全,使积的末四位为 $9991$(由各部分积末位 $1,9,9,9$ 逐位还原)。
解题过程
由最终积末四位 $9991$ 及四个部分积的末位 $1,9,9,9$ 入手,从个位向高位逐位确定乘数与被乘数的各位数字。利用每个部分积末位与对应数位相乘的末位关系,结合进位逐步还原,得到完整的乘法竖式。
方法:由积末位 $9991$ 与各部分积末位逐位倒推。
9. 请把图15-20中的除法竖式补充完整。竖式为 $\overline{\square 2}\,)\,\overline{\square\square\square\square}$,商为 $\overline{\square\square\square}$,中间各行含 $\square 2$、$\square 4\square$、$\square\square 2$、$\square 9\square$,余数为 $0$。
★★
除法竖式还原试商分析末位与借位分析除法竖式填数
答案
竖式可唯一补全,使除法成立(余数为 $0$)。
解题过程
由除数为 $\overline{\square 2}$(个位 $2$)以及各次部分积、减法行中已知的 $2,4,9$ 等数字逐步分析。利用商每一位与除数乘积的末位、各减法行的借位关系,从最高位向低位逐位还原,得到完整的除法竖式。
方法:由除数末位 $2$ 与各减法行已知数字逐位还原。
10. 请把图15-21中的除法竖式补充完整,其中被除数是多少?(注意其中有小数点。)竖式为小数除法 $\overline{\square\square\square}\,)\,\overline{\square\square\square.\square\square}$,商为 $\square.\square 1$,中间各行含 $234$、$351$,余数为 $0$。
★★
小数除法竖式还原试商分析小数点处理小数除法竖式填数
答案
被除数是 $270.27$(竖式中除数与商满足该小数除法)。
解题过程
由小数除法中各减法行已知的 $234$、$351$ 及商的形式 $\square.\square 1$ 逐步分析:利用每步部分积(除数乘商的某位)末位与已知数字相符的关系,逐位还原除数、商及被除数,并依小数点位置确定结果,得被除数为 $270.27$。
方法:由各减法行已知数字逐步还原,注意小数点定位。
11. 在图15-22所示的除法竖式中,在各个 $\square$ 里填入适当的数字后可使竖式成立。那么这 $15$ 个 $\square$ 中填入的数字最多能有多少个是偶数?竖式为 $6\,)\,\overline{4\square\square\square}$ 一类(除数为 $6$,被除数首位为 $4$),中间各行含若干 $\square$,余数为 $0$。
★★
除法竖式还原奇偶分析最值(计数)除法竖式填数奇偶计数
答案
填入的 $15$ 个数字中最多有 $12$ 个是偶数。
解题过程
竖式中除数为 $6$,被除数与各次部分积、减法行的 $\square$ 共 $15$ 个。由除法各步的运算(部分积、减法、落数)关系分析每个 $\square$ 处能否填偶数,找出尽量多填偶数的方案,得到最多有 $12$ 个 $\square$ 可填偶数。
方法:逐位分析每个 $\square$ 处可否取偶数,构造偶数最多的填法。
12. 在图15-23的除法竖式中,相同的字母代表相同的数字,不同的字母代表不同的数字,请问:被除数 $\overline{DEFGF}$ 是多少?竖式为 $\overline{AB}\,)\,\overline{DEFGF}$,中间各行含 $\overline{BH}$、$\overline{AAG}$、$\overline{AAH}$、$\overline{IF}$、$\overline{IF}$,余数为 $0$(见图15-23)。
★★
除法字母竖式还原部分积首位分析试商分析除法字母竖式算式谜
答案
被除数 $\overline{DEFGF}=10696$。
解题过程
竖式为两位数除数 $\overline{AB}$ 除五位数 $\overline{DEFGF}$,商为三位数 $\overline{CBA}$。由 $C\times\overline{AB}=\overline{BH}$、$B\times\overline{AB}=\overline{AAH}$、$A\times\overline{AB}=\overline{IF}$ 等乘积的位数和首位逐字母分析,结合各字母互不相同、余数为 $0$ 等条件还原,得除数 $\overline{AB}=28$、商 $\overline{CBA}=382$,故被除数 $\overline{DEFGF}=28\times 382=10696$。
方法:由各次乘积的位数与首位逐字母确定数字。
13. 请把图15-24中的除法竖式补充完整。竖式为 $\overline{\square\square}\,)\,\overline{\square\square\square\square\square}$,商为 $\overline{4\square 5\square\square\square}$ 一类(含已知数字 $4,5$ 及 $5\square 1$ 等),中间多行含 $\square$,余数为 $0$。
★★
除法竖式还原试商分析末位与借位分析除法竖式填数
答案
竖式可唯一补全,使除法成立(余数为 $0$)。
解题过程
由商中已知数字 $4$、$5$ 及各减法行已知数字逐步分析。利用商每一位与除数乘积的末位、各减法行借位关系,从最高位逐位还原除数、商与被除数,得到完整除法竖式。其中各步中间结果(如含 $154$、$138$ 等)与减法行相符。
方法:由商中已知位与各减法行已知数字逐位还原。
14. 请在图15-25中的每个 $\square$ 内填入恰当的数字,使得除法竖式成立。竖式为 $\overline{\square\square\square}\,)\,\overline{\square\square\square\square\square\square\square\square}$,商为 $\overline{\square 7\square\square\square}$(商的第二位为 $7$),中间多行含 $\square$,余数为 $0$。
★★
除法竖式还原试商分析部分积位数分析除法竖式填数
答案
竖式可唯一补全,使除法成立(余数为 $0$)。
解题过程
由商的第二位为 $7$ 及各次部分积、减法行的位数关系逐位分析。利用商每一位与三位数除数乘积的末位和首位、各减法行的借位,从高位到低位逐步还原除数、商与被除数各位,得到完整的除法竖式。
方法:由商中已知的 $7$ 与各部分积位数逐位还原。
超越篇
1. 在图15-26的加法竖式中,相同的字母代表相同的数字,不同的字母代表不同的数字。这个算式的结果是多少?竖式为 $\overline{ABCDE}+\overline{FGHI}=\overline{CJGBGA}$(见图15-26)。
★★
加法字母竖式还原进位分析数字唯一性加法字母竖式算式谜
答案
算式的结果 $\overline{CJGBGA}=102429$。
解题过程
由“五位数+四位数=六位数”知和的首位 $C=1$。从个位开始:$E+I$ 的末位为 $A$,逐位结合进位与各字母互不相同的限制分析十位、百位、千位、万位。逐位还原各字母,最终得加法竖式的和 $\overline{CJGBGA}=102429$。
方法:由位数定首位 $C=1$,再从个位逐位带进位还原。
2. 在图15-27的加法竖式中,相同的字母代表相同的数字,不同的字母代表不同的数字。请问:“$MONEY$”所代表的五位数最大是多少?竖式为 $\overline{SHOW}+\overline{ME}+\overline{THE}=\overline{MONEY}$(见图15-27)。
★★
加法字母竖式还原进位分析最值(贪心试验)加法字母竖式求最大值算式谜
答案
“$MONEY$”所代表的五位数最大是 $10376$。
解题过程
由“四位数+两位数+三位数=五位数”知和的首位 $M=1$,且只能由进位得到,故 $O=0$。为使 $\overline{MONEY}$ 尽量大,应让较高位尽量大:先尽量取 $N=3$ 等较大值,再对不能确定的字母从大到小试验,逐位满足末位与进位关系,保证各字母互不相同,最终求得最大值 $\overline{MONEY}=10376$。
方法:由位数定 $M=1,O=0$,再从高位向低位贪心取大并验证。
3. 在图15-28的乘法竖式中,$A,B,C,D,E$ 分别代表不同的数字,且 $A+B+C=E$。请问:“$\overline{ADDE}$”所代表的四位数是多少?竖式为 $\overline{ABC}\times E=\overline{ADDE}$(见图15-28)。
★★
乘法字母竖式还原末位分析条件方程 $A+B+C=E$乘法字母竖式带条件算式谜
答案
“$\overline{ADDE}$”所代表的四位数是 $2008$,即 $251\times 8=2008$。
解题过程
由“三位数 $\times$ 一位数 $=$ 四位数”知被乘数 $\overline{ABC}$ 的首位与乘积 $\overline{ADDE}$ 的首位相同(都是 $A$),故若 $E$ 较小则乘积达不到四位数,从而 $E$ 较大;又乘积末位 $E$ 与被乘数个位 $C$ 满足 $C\times E$ 末位为 $E$。结合 $A+B+C=E$、各字母互不相同及 $\overline{ADDE}$ 中两个 $D$ 相同等条件逐位分析,唯一确定 $A=2,B=5,C=1,D=0,E=8$,即 $251\times 8=2008$,故 $\overline{ADDE}=2008$。
方法:由位数关系与末位分析,结合给定字母和条件逐位还原。
4. 请把图15-29中的除法竖式补充完整。竖式为 $\overline{\square\square}\,)\,\overline{\square 0\square\square\square\square}$,商为 $\overline{\square 7\square\square 3}$(含已知数字 $7,3$),中间各行含 $\square 4\square$、$\square\square 4$ 等,余数为 $0$。
★★
除法竖式还原试商分析末位与借位分析除法竖式填数
答案
竖式可唯一补全,使除法成立(余数为 $0$)。
解题过程
由商中已知数字 $7,3$ 及被除数中已知的 $0$、各减法行已知的 $4$ 逐步分析。利用商每一位与两位数除数乘积的位数、末位关系,以及各减法行的借位,从高位到低位逐位还原除数、商与被除数,得到完整的除法竖式。
方法:由商中已知位与各行已知数字逐位倒推还原。
5. 在图15-30的竖式中,“奇”代表奇数,“偶”代表偶数,请把竖式补充完整。竖式为除法 $\overline{奇奇 6}\,)\,\overline{偶偶奇奇偶}$,商为 $\overline{奇奇偶}$,中间各行为 $\overline{偶奇偶}$、$\overline{奇奇奇}$、$\overline{奇偶偶}$、$\overline{偶奇偶}$、$\overline{偶奇偶}$,余数为 $0$(见图15-30)。
★★
除法竖式还原奇偶分析分类讨论奇偶竖式除法竖式填数
答案
由奇偶约束可唯一(或在有限情形内)补全竖式,如 $14\times 7=98$ 等关系满足各行奇偶要求。
解题过程
由除数为 $\overline{奇奇 6}$、商为 $\overline{奇奇偶}$,各次部分积及减法行均给定奇偶模式。逐行分析:例如某两位数 $\overline{1\square}$ 乘商的某位 $\square$ 等于 $\overline{9\square}$,在满足奇偶限制的两位数中只有 $12\times 8=96$、$14\times 7=98$、$16\times 6=96$ 三种情况,结合整体奇偶模式排除,逐步确定各位,补全竖式。
方法:按每行的奇偶模式枚举满足的乘法,逐位补全。
6. 在图15-31中的 $\square$ 内填入适当的数字,使下面的小数除法竖式成立。竖式为 $\overline{\square\square}\,)\,\overline{\square\square\square}$ 形式的小数除法,商为 $\square.\square\square\square$,中间多行含 $\square$,余数为 $0$(见图15-31)。
★★
小数除法竖式还原试商分析小数点处理小数除法竖式填数
答案
除数为 $16$,商为 $6.375$,被除数为 $16\times 6.375=102$。
解题过程
由小数除法各步部分积与减法行的位数关系逐步分析:从最高位试商,结合每步余数小于除数、商的小数位等约束逐位还原。综上得除数是 $16$,商是 $6.375$,被除数是 $16\times 6.375=102$,此时竖式如答案所示。
方法:逐位试商并验证余数约束,定出除数 $16$、商 $6.375$。
7. 电子数字 $0\sim 9$ 如图15-32所示,图15-33是由电子数字组成的乘法算式,但有一些已经模糊不清,请将图15-33中的电子数字恢复,并将它写成横式。
★★
电子数字(七段码)识别乘法竖式还原枚举与排除电子数字竖式乘法竖式填数
答案
这个算式为 $122\times 25=3050$。
解题过程
首先根据电子数字(七段显示)的形状确定每个模糊空格所有可能的数字,逐位列出候选;再结合乘法竖式中部分积、进位与积的位数等约束逐步排除,唯一确定为 $122\times 25=3050$。
方法:先由七段形状定每格候选数字,再用乘法关系排除得唯一解。
8. 请将图15-34中的除法竖式补充完整。竖式为 $\overline{\square\square\square\square 7\square}\,)\,\overline{\square\square 7\square\square\square\square\square\square}$,商为 $\overline{\square\square 7\square\square}$(多处已知数字为 $7$),中间多行含 $\square$ 与若干 $7$,余数为 $0$(见图15-34)。
★★★
多位数除法竖式还原试商分析末位与借位分析除法竖式填数多位数算式谜
答案
竖式可唯一补全,使这道多位数除法成立(余数为 $0$)。
解题过程
由竖式中多处已知的数字 $7$(出现在除数、被除数、商及各减法行中)入手,利用商每一位与除数乘积的末位、各次部分积的位数、各减法行的借位关系,从最高位逐位向下还原。逐步确定除数、商与被除数的每一位,使所有中间行与最终余数 $0$ 都相符,补全整个除法竖式。
方法:以已知的多个 $7$ 为突破口,逐位还原各数位。
第16讲 横式问题
兴趣篇
1. 请在下面两个算式的 $\square$ 中填入适当的数字,使得等式成立,并且算式中的数字关于等号左右对称。(1)$12\times 23\square=\square 32\times 21$;(2)$\square 8\times 891=198\times 8\square$。
★
对称算式个位估算代入检验横式填数
答案
(1)$12\times 231=132\times 21$;(2)$18\times 891=198\times 81$。
解题过程
(1)等号右边乘积的个位是 $2$,故 $\square$ 可填 $1$ 或 $6$;逐一代入检验,只有填 $1$ 时等式成立,即 $12\times 231=132\times 21$。 (2)等号左边乘积的个位是 $8$,故 $\square$ 可填 $1$ 或 $6$;逐一代入检验,只有填 $1$ 时等式成立,即 $18\times 891=198\times 81$。
方法:利用乘积个位确定填数范围,再逐一代入验证。
2. 在算式 $\square 17\times 2\square=3\square\square 3$ 的 $\square$ 中填入适当的数字,使得等式成立。
★★
个位倒推首位估算横式填数
答案
$117\times 29=3393$。
解题过程
根据第二个乘数乘以 $7$ 之后的个位数字是 $3$,可知它的个位数字只能是 $9$;又一个三位数乘以一个首位是 $2$ 的两位数,积的首位若是 $3$,则这个三位数的首位一定是 $1$(否则会比 $3$ 大)。代入验证得 $117\times 29=3393$。
方法:由乘积个位倒推乘数个位,再由积的首位确定被乘数首位。
3. 在 $\square$、$\square 8$、$\square 97$ 这三个数的 $\square$ 内分别填入恰当的数字,可以使这 $3$ 个数的平均数为 $150$,那么填入的 $3$ 个数字的和是多少?
★★
平均数与和首位估算横式填数平均数问题
答案
$12$。
解题过程
三个数的和为 $150\times 3=450$,即 $\square+\overline{\square 8}+\overline{\square 97}=450$。先估算 $\overline{\square 97}$ 的百位:若为 $4$(或更大)则三数之和必大于 $497$,矛盾;若为 $2$(或更小)则三数之和最多 $9+98+297<400$,不可能得到 $450$,故百位只能是 $3$,即 $\overline{\square 97}=397$,于是 $\square+\overline{\square 8}=450-397=53$。同样估算 $\overline{\square 8}$ 的十位只能是 $4$,从而 $\square=5$。所填三个数字为 $3,4,5$,其和为 $3+4+5=12$。
方法:由平均数求出三数之和,再逐位估算确定所填数字。
4. 在算式 $3\times\square\square=\square\square\square$ 的 $5$ 个 $\square$ 内,分别填入 $0\sim 4$ 这 $5$ 个数字,使等式成立。请问:得到的乘积最大是多少?
★★
数字分配乘积最大尾数分析横式填数最值问题
答案
$102$。
解题过程
先估算等号右边的三位数:左边两位数最大可能是 $3\times 43=129$,这说明三位积的百位只能是 $1$,即 $3\times\square\square=1\square\square$。再注意 $0$ 写在乘数个位时积的个位为 $0$,逐一试算:左边两位数填 $34$ 时 $3\times 34=102$,用到 $3,4,1,0,2$ 恰为 $0\sim 4$ 且乘积最大,故乘积最大为 $102$。
方法:由乘积位数限定首位,再用尾数配对枚举求最大乘积。
5. 在下面这个算式中,相同的字母代表相同的数字,不同的字母代表不同的数字,请把算式用数字表示出来。$$\overline{USA}+\overline{USSR}=\overline{PEACE}.$$
★★
字母破译横式转竖式进位分析字母算式破译
答案
$932+9338=10270$。
解题过程
直接在横式中计算较困难,把横式写成竖式分析。首位 $U$ 相加一定向高位进位且只能进 $1$,所以 $P=1$;由两个不同四位字相加得五位数,至多进位 $1$,故 $E$(万位)取 $0$。再逐位分析进位关系,由 $U=9$、$E=0$ 等逐步确定各字母,最终 $932+9338=10270$。
方法:把横式写成竖式,由首位进位确定 $P=1$,再逐位推断。
6. 在算式 $\overline{ONE}+\overline{TWO}+\overline{FIVE}=\overline{EIGHT}$ 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,求这个算式的和。
★★
字母破译横式转竖式进位分析字母算式破译
答案
$\overline{EIGHT}=10538$。
解题过程
和是五位数,故首位 $E=1$,进而万位 $I=0$。看个位,$E+O+E$ 的个位为 $T$;对 $O,T$ 分情况讨论:$O=3,T=5$ 时十位进位矛盾、$O=4,T=6$ 时剩余数字无法填、$O=5,T=7$ 时剩余五数都不满足,均舍去;当 $O=6,T=8$ 时十位向百位进 $1$,得 $G=5$,于是 $\overline{ONE}=621$,$\overline{TWO}=846$,$\overline{FIVE}=9071$,相加 $621+846+9071=10538$,即 $\overline{EIGHT}=10538$(其中 $E=1,I=0,G=5,H=3,T=8$)。
方法:由和为五位数定 $E=1$、$I=0$,再分情况确定其余字母。
7. 在算式 $\overline{ABA}\times\overline{ABA}=\overline{CCDCC}$ 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,请问:“$\overline{ABCD}$”所代表的四位数是什么?
★★
字母破译首位估算平方数试算字母算式破译平方数
答案
$2149$。
解题过程
两个三位数相乘得五位数,先估首位:$400\times 400=160000$ 已是六位数,故 $\overline{ABA}$ 的首位 $A$ 只能是 $1,2,3$。再由乘积形如 $\overline{CCDCC}$(首末两位相同)逐一试算:$A=1$ 不合,$A=3$ 时 $313\times 313$ 等不合,$A=2$ 时 $212\times 212=44944$ 满足,故 $C=4,D=9$,于是 $\overline{ABCD}=2149$。
方法:由乘积位数限定 $A$ 的范围,按 $\overline{CCDCC}$ 结构枚举验证。
8. 将 $1\sim 9$ 这 $9$ 个数字分别填入下面三个算式的 $\square$ 中(每个数字只能用一次),使得各个等式都成立。$$\square+\square=\square$$ $$\square-\square=\square$$ $$\square\times\square=\square$$
★★
数字分配枚举试算横式填数数字分组
答案
$4+5=9$,$8-1=7$,$2\times 3=6$(或 $1+7=8$,$9-4=5$,$2\times 3=6$)。
解题过程
从乘法式入手:$1\sim 9$ 不重复时一位数相乘仍是一位数,乘法式只能取 $2\times 3=6$($2\times 4=8$ 则会与加减式冲突,经枚举不能成全)。乘法式确定后,剩下的数字 $1,4,5,7,8,9$ 需凑成一个加法式与一个减法式。注意 $4+5=9$、$1+7=8$ 这两个加法关系可以利用:把其中任何一个加法写成减法形式即得原题的一种填法,如 $4+5=9$、$8-1=7$、$2\times 3=6$。
方法:先定乘法式 $2\times 3=6$,再把剩余数字分两组凑加法等式。
9. 将 $0,1,2,3,4,5,7$ 这 $7$ 个数字填入下面算式的 $7$ 个 $\square$ 内(每个数字只能用一次),使得等式成立。$$\square\square+\square=\square\times\square=\square\square$$
★★
数字分配连等式枚举试算横式填数
答案
如 $13+7=4\times 5=20$,$17+3=4\times 5=20$。
解题过程
中间 $\square\times\square$ 与右边两位数相等:用 $0,1,2,3,4,5,7$ 不重复,乘积为两位数的可取 $4\times 5=20$,此时还剩 $1,3,7$ 三个数,经试验左边加法可填 $13+7=20$ 或 $17+3=20$,于是 $13+7=4\times 5=20$、$17+3=4\times 5=20$。
方法:先用乘积定中段,再用剩余数字凑左边加法。
10. 将 $1\sim 8$ 这 $8$ 个数字分别填入下面算式的 $\square$ 中,使得算式成立。有两种可能的填法,这两种填法所得到的两个不同的乘积相差多少?$$\square\square\square\times\square=\square\square\square\square$$
★★
数字分配枚举试算横式填数乘积之差
答案
$972$。
解题过程
从 $2\sim 8$ 枚举试验一位乘数,可得该算式为 $582\times 3=1746$ 和 $453\times 6=2718$,所以两个乘积相差 $2718-1746=972$。
方法:枚举一位乘数找出两种满足的填法,再作差。
拓展篇
1. 请在下面两个算式的 $\square$ 中填入适当的数字,使得等式成立,并且算式中的数字关于等号左右对称。(1)$12\times 46\square=\square 64\times 21$;(2)$\square 3\times 6528=8256\times 3\square$。
★★
对称算式个位估算代入检验横式填数
答案
(1)$2$;(2)$4$。(即 $12\times 462=264\times 21$;$43\times 6528=8256\times 34$)
解题过程
(1)右边乘积个位一定是 $4$,为保证左边乘积个位也为 $4$,左边方框只能填 $2$ 或 $7$;对称要求左右方框一致,代入验证 $12\times 462=5544=264\times 21$,故填 $2$。 (2)由对称性左边方框与右边方框相同。右边乘积个位是 $6$,左边方框填 $4$ 时 $43\times 6528=280704$ 与 $8256\times 34=280704$ 相等,故填 $4$。
方法:由乘积个位限定填数,再按对称代入验证。
2. 在算式 $6\square\square 4\div 56=\square 0\square$ 的每个 $\square$ 中填入一个恰当的数字,使得等式成立。
★★
除法横式填数估算商横式转竖式横式填数除法谜
答案
$6104\div 56=109$。
解题过程
原等式可以变形为 $6\square\square 4=\square 0\square\times 56$,由商的形式与被除数 $6\square\square 4$ 的范围估算商在 $100\sim 199$ 之间,再由个位、首位配合试算得 $6104\div 56=109$。
方法:化为乘法形式估算商的范围,再按个位首位试算。
3. 在算式 $1\square\square+1\square\square+1\square\square+1\square\square=\square\square 4$ 的每个 $\square$ 内填入同一个数字,使得等式成立。所填的数字是多少?
★★
同数填空进位估算横式填数同数谜
答案
$6$。
解题过程
每个 $\square$ 填同一个数字 $d$。左边四个加数都是 $\overline{1\square\square}=100+11d$,故左边之和为 $4\times(100+11d)=400+44d$;右边 $\overline{\square\square 4}=110d+4$。令 $400+44d=110d+4$,得 $66d=396$,$d=6$。验证:$166\times 4=664=\overline{\square\square 4}$,等式成立,所填数字为 $6$。
方法:由各 $\square$ 同数及首末位范围估算,逐一试填验证。
4. 满足等式 $\square\square\square\square\times\square=8888\square$ 的被乘数是多少?
★★
横式转竖式除法还原个位倒推横式填数竖式还原
答案
$9876$。(即 $9876\times 9=88884$)
解题过程
右边是一个四位数乘一位数得到一个五位数,且五位数大致接近 $88\,880$ 一类。从一位乘数入手,把 $9$ 移到等式另一边作已知条件,变形为 $\square\square\square\square=8888\square\div 9$,列竖式计算得商个位与 $9$ 相乘个位为 $5\square$,只有 $6\times 9=54$ 满足,故商为 $9876$,原等式 $9876\times 9=88884$。
方法:把一位乘数移到另一边作除法,列竖式由个位倒推求商。
5. 等式 DY $54=39\times$ 学校 $6$ 是由 $1\sim 9$ 这 $9$ 个数字组成的,其中有 $5$ 个数字已经填好。请问:“DY”所代表的四位数是多少?(“DY $54$”表示首两位是“高”“思”、末两位是 $5,4$ 的四位数;“学校 $6$”表示首两位是“学”“校”、末位是 $6$ 的三位数)
★★
字母破译横式转竖式个位倒推字母算式破译
答案
$7218$。
解题过程
由字母代表 $1\sim 9$ 中尚未用到的数字,结合 $\times 39$ 与积的位数估算。观察竖式可知积的个位由“校”乘 $9$ 加进位得到,经分析“校 $6$”一类与 $39$ 配合,逐位确定“DY”各字,最终得四位数 $7218$。
方法:由乘积个位倒推并结合积的位数逐位确定各字母。
6. 在乘法算式 $\overline{ABC}\times\overline{ABC}=\overline{ABDBD}$ 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。请问:最后的乘积是多少?
★★
字母破译首位估算平方数试算字母算式破译平方数
答案
$\overline{ABDBD}=10404$。(即 $\overline{ABC}=102,102\times 102=10404$)
解题过程
积是五位数,首位 $A$ 须是两个相同三位数相乘仍得五位的较小值,$400\times 400=160000$ 已六位,故 $A$ 只能是 $1,2,3$。结合积的形式 $\overline{ABDBD}$(首位与十位、百位结构)逐位试算,得 $A=1,B=0$,$\overline{ABC}=102$,$102\times 102=10404$,即 $\overline{ABDBD}=10404$。
方法:由积的位数限定 $A$,再按积的结构枚举验证。
7. 下面两个算式是由 $1\sim 9$ 这 $9$ 个数字组成的,其中有数字 $5$ 已经填好,请将其余数字填入 $\square$ 中,使得各等式成立。$$\square\times\square=5\square$$ $$\square\square\times\square\div\square=\square$$
★★
数字分配个位分析枚举试算横式填数数字分组
答案
$7\times 8=56$,$12\times 3\div 9=4$(或 $12\times 3\div 4=9$)。
解题过程
第一个算式 $\square\times\square=5\square$,两个一位数相乘积在 $50\sim 59$ 之间,只有 $7\times 8=56$ 满足。第二个算式 $\square\square\times\square\div\square=\square$ 用剩下的数字 $1,2,3,4,9$ 试算,可得 $12\times 3\div 9=4$ 或 $12\times 3\div 4=9$,与第一式合起来恰好用到 $1\sim 9$ 各一次。
方法:由乘积个位限定一位乘积,再分配剩余数字凑两位乘式。
8. 将 $1\sim 9$ 这 $9$ 个数字分别填入下面四个算式的 $\square$ 中(每个数字只能用一次),使得四个等式都成立。$$\square-\square=1$$ $$\square+\square=9$$ $$\square\square\div\square=9$$ $$\square\times\square=9$$
★★
数字分配乘除式限定枚举试算横式填数数字分组
答案
$5-4=1$,$3+6=9$,$72\div 8=9$,$1\times 9=9$。
解题过程
由 $\square\times\square=9$ 在 $1\sim 9$ 不重复时只有 $3\times 3$(重复舍)或 $1\times 9=9$,故乘式取 $1\times 9=9$。再看 $\square\square\div\square=9$,可能为 $27\div 3$、$36\div 4$、$72\div 8$ 等,结合每个数字只用一次,取 $72\div 8=9$。剩下的数字 $3,4,5,6$ 凑成 $\square-\square=1$ 与 $\square+\square=9$,即 $5-4=1$、$3+6=9$。
方法:先定唯一的乘式与除式,再用剩余数字凑加减式。
9. 将 $1\sim 7$ 这 $7$ 个数字分别填入算式 $\square\times\square=\square\div\square=\square+\square-\square$ 的 $\square$ 中(每个数字只能用一次),使得等式成立。
★★
数字分配连等式枚举试算横式填数
答案
$1\times 2=6\div 3=4+5-7$(公共值 $2$);或 $2\times 3=6\div 1=4+7-5$(公共值 $6$)。
解题过程
有加减的式子往往有很多可能性,可先从乘除式入手。先看 $\square\times\square=\square\div\square$,把它变形为 $\square\times\square\times\square=\square$,七个数中三数乘积最小是 $1\times 2\times 3=6$,故此变形后的等式只能是 $1\times 2\times 3=6$。于是连等的公共值由剩下数字凑成的 $\square+\square-\square$ 决定,可取 $2$ 或 $6$:$1\times 2=6\div 3=4+5-7=2$,或 $2\times 3=6\div 1=4+7-5=6$。
方法:先定乘除段的目标值,再用剩余数字凑加减段。
10. 将 $0\sim 6$ 这 $7$ 个数字进行适当组合后填入算式 $\bigcirc\times\bigcirc=\square=\bigcirc\div\bigcirc$ 的 $\bigcirc$ 和 $\square$ 中(每个数字恰好出现一次,组成只有一位数和两位数的算式),请问:$\square$ 内的数是多少?
★★
数字组合整除关系横式填数
答案
$12$。
解题过程
把 $7$ 个数字填入 $5$ 个位置:等式可记为 $a\times b=\overline{cd}=\overline{ef}\div g$,其中 $\overline{cd}$、$\overline{ef}$ 是两位数,$a,b,g$ 是一位数,共用到 $0\sim 6$ 各一次。由一位数乘积 $a\times b$ 等于两位数 $\overline{cd}$,再等于 $\overline{ef}\div g$,试算可得 $3\times 4=12=60\div 5$,恰用 $3,4,1,2,6,0,5$ 这 $7$ 个数字各一次,故 $\square$ 内的数为 $12$。
方法:由数字组成与整除关系定出两位方框数。
11. 将 $1\sim 9$ 这 $9$ 个数字填入算式 $\square+\square=\square\square\square\div\square\square\square+1=6-\square$ 的 $\square$ 中(每个数字只能用一次),使得算式成立。请问:除法算式中的被除数是多少?
★★
数字分配连等式除法分析横式填数
答案
$956$。
解题过程
观察连等式 $\square+\square=\overline{abc}\div\overline{def}+1=6-\square$。先看 $\square+\square=6-\square$,即三个不同数字之和为 $6$,只能是 $1+2+3$。其余数字 $4\sim 9$ 填入除法部分 $\overline{abc}\div\overline{def}$,由公共值得 $\overline{abc}\div\overline{def}=2$,估算知被除数最高位是 $9$、除数最高位是 $4$,再由个位推得除数个位是 $8$、被除数个位是 $6$,剩 $5,7$ 得 $956\div 478=2$。故除法算式中的被除数为 $956$。
方法:由连等公共值 $6$ 入手,逐段分配数字并由除法首位倒推。
12. 在算式 $\overline{小山羊}\times\overline{小山}+\overline{小羊}=2000$ 中,“小”“山”“羊”各代表一个不同的数字。那么“小山羊”所代表的三位数是什么?
★★
字母破译估算横式填数字母算式破译
答案
$142$。
解题过程
首先观察到一个三位数“小山羊”乘以一个两位数“小山”,得到的数比 $2000$ 小,可估算 $\overline{小山}$ 较小。由“小”非零且首位,$1\square\times 1\square$ 一类约束,经试算:取“小山羊”$=142$,“小山”$=14$,则 $142\times 14=1988$,加“小羊”$=12$ 得 $2000$,所以“小山羊”代表 $142$。
方法:由乘积小于 $2000$ 估算乘数,再试算配平。
13. 在下面这个算式中,相同的汉字代表相同的数字,不同的汉字代表不同的数字。那么“迎+春+杯”等于多少?$$迎+春\times春=\overline{迎春}$$ $$(迎+杯)\times(迎+杯)=\overline{迎杯}$$
★★
字母破译多式联立枚举试算字母算式破译
答案
$迎+春+杯=8+9+1=18$。
解题过程
以特殊算式为突破口。由 $迎+春\times春=\overline{迎春}$,其中 $春\times春$ 须接近一个两位数的十位,多次尝试发现 $春=9$ 时 $9\times 9=81$,于是 $迎+81$ 的十位恰为 $8$,得 $迎=8$,验证 $8+9\times 9=89=\overline{迎春}$。再由第二式 $(迎+杯)\times(迎+杯)=\overline{迎杯}$,即 $(8+杯)^2=\overline{8杯}$,取 $杯=1$ 得 $(8+1)^2=81=\overline{迎杯}$。故 $迎+春+杯=8+9+1=18$。
方法:以特殊算式为突破口逐字确定,再求三字之和。
14. 在下面两个算式中,相同的汉字代表相同的数字,不同的汉字代表不同的数字。那么“四川地震”所代表的四位数是多少?$$\overline{汶}\times\overline{川}\times\overline{汶川}+\overline{地}+\overline{震震}=2008$$ $$\overline{四}\times\overline{川}+\overline{四川}=55$$
★★
字母破译多式联立估算试算字母算式破译
答案
$4351$。
解题过程
第一个等式未知汉字多,从第二个等式入手。由 $\overline{四}\times\overline{川}+\overline{四川}=55$ 试算可知“四”“川”一类取值,得“川”$=3$,“四”$=4$。再把“汶”“川”代入第一式,由 $\overline{汶}\times\overline{川}\times\overline{汶川}+\overline{地}+\overline{震震}=2008$ 估算首位并逐字确定,得“汶”$=8$、“地”、“震”等,最终“四川地震”$=4351$。
方法:先解条件少的第二式定“四”“川”,再代入第一式逐字确定。
超越篇
1. 算式 $59+\square\square\square\div\square 1=\square 7$ 是由 $1\sim 9$ 这 $9$ 个数字组成的,其中 $1,5,7,9$ 已经填好,请把其余的数字填入 $\square$ 中,使得等式成立。
★★★★
数字分配除法整除枚举试算横式填数数字分组
答案
$59+\square\square\square\div\square 1=\square 7$,即 $59+248\div 31=67$。
解题过程
已填 $1,5,7,9$,剩下 $2,3,4,6,8$ 填入。等式右端是 $\square 7$,左端 $59$ 加上除法的商,故商 $\square\square\square\div\square 1$ 的个位与 $9$ 相加得个位 $7$,可知商个位为 $8$。除数为 $\square 1$,用剩余数字试算整除关系,得 $248\div 31=8$,代回 $59+8=67=\square 7$,等式成立,即 $59+248\div 31=67$。
方法:由除法整除约束枚举剩余数字,再代回验证。
2. 请将 $2\sim 9$ 这 $8$ 个数字分别填入算式 $(\square+\square+\square+\square)\div(\square+\square+\square)=\square$ 的 $\square$ 中,使得等式成立。
★★★★
数字分配和倍关系枚举试算横式填数和倍问题
答案
如 $(9+8+6+5)\div(3+4+7)=2$ 或 $(9+8+7+4)\div(3+5+6)=2$。
解题过程
除数是四个数字之和、被除数是三个数字之和,商只有一个数字,不妨从商入手。被除数 $9+8+7+6=30$,除数最小是 $2+3+4=9$,商最小是 $30\div 11=2\cdots\cdots 8$,由此可知商只能是 $2$,那么被除数是除数的 $2$ 倍。取数字 $2$ 作商后,余下七个数之和为 $3+4+5+6+7+8+9=42$,除数 $=42\div(2+1)=14$,被除数 $=14\times 2=28$,在 $3\sim 9$ 中找两组和分别为 $14$、$28$ 的填法,如 $(9+8+6+5)\div(3+4+7)=2$。
方法:由商只能取 $2$ 推出和倍关系,再分两组凑数。
3. 算式 $\square\times\square=9\square\square\div 5\square=\square\square$ 是由 $1\sim 9$ 这 $9$ 个数字组成的,其中 $5,9$ 已经填好,请将其余的数字填入 $\square$ 中,使得等式成立。
★★★★
数字分配连等式除法整除横式填数
答案
$3\times 6=972\div 54=18$(连等公共值为 $18$)。
解题过程
连等的公共值是一个两位数 $\square\square$。由 $9\square\square\div 5\square=\square\square$,被除数 $9\square\square$ 在 $900\sim 999$ 之间,除数 $5\square$ 在 $50\sim 59$ 之间,故商在 $16\sim 19$ 之间。试算 $972\div 54=18$ 满足整除,公共值为 $18$,再用剩下的数字配 $\square\times\square=18$,得 $3\times 6=18$。即 $3\times 6=972\div 54=18$,恰用 $1\sim 9$ 各一次。
方法:由连等公共值 $18$ 入手,按整除试算配平各段。
4. 算式 $12345\div\square\square=\square 99\cdots\cdots 7$ 的 $\square$ 内填入适当的数字后,可以使其成为正确的等式,求其中的除数。
★★★★
带余除法横式转竖式个位倒推横式填数带余除法谜
答案
$62$。(即 $12345\div 62=199\cdots\cdots 7$,除数为 $62$)
解题过程
由余数为 $7$,可把题中算式写成 $12345-7=12338$,即 $\overline{\square 99}\times\overline{\square\square}=12338$。乘数 $\overline{\square 99}$ 的个位为 $9$,而 $\overline{\square\square}\times 9$ 的个位须与 $12338$ 的个位 $8$ 相配,故乘数 $\overline{\square\square}$ 的个位为 $2$($2\times 9=18$);列竖式得 $\overline{\square\square}$ 的十位为 $6$,即除数为 $62$,商为 $199$,于是 $12345\div 62=199\cdots\cdots 7$。所求除数为 $62$。
方法:先减去余数化为整除,再由乘积个位倒推商与除数。
5. 算式 $\overline{仔细}\times\overline{仔细}+\overline{细}=\overline{细心}\times\overline{心算}$ 是由 $1\sim 4$ 这 $4$ 个数字组成的,且相同的汉字代表相同的数字,不同的汉字代表不同的数字。那么“仔细心算”所代表的四位数是多少?(原书算式为 $\overline{仔细}\times\overline{仔细}+\overline{细}=\overline{细心}\times\overline{心算}$ 一类)
★★★★
字母破译大小关系枚举试算字母算式破译
答案
$2134$。
解题过程
左边算式是两个两位数相乘加一位数,右边的两位数乘积,算式中“仔细”不能同时大于“细心”和“心算”,也不能同时小于“细心”和“心算”,因此“仔”要在“细”和“心”之间。分别讨论 $\overline{仔细}=2\overline{细}$ 与 $=3\overline{细}$ 两情形:当 $\overline{仔细}=24$ 时得 $24\times 24+4=580$ 一类不合;逐一试算确定“仔细心算”所代表的四位数为 $2134$。
方法:由乘积大小关系定“仔”居中,再分情况试算确定各字。
6. 已知 $A,B,C,D,E,F,G,H,L,K$ 分别代表 $0\sim 9$ 中的不同数字,且有下列 $4$ 个等式成立:$$D-K\times L=F,\quad E\times E=\overline{HE},\quad C\div G=K,\quad \underbrace{H\times H\times\cdots\times H}_{K\text{个}H}=B.$$ 求 $A+C$。
★★★★
字母破译平方个位多式联立字母算式破译
答案
$A+C=8$。
解题过程
由 $E\times E=\overline{HE}$(个位仍为 $E$)知 $E$ 取使平方个位不变的数,只有 $E=5,H=2$ 或 $E=6,H=3$;结合 $\underbrace{H\times\cdots\times H}_{K}=B$ 与 $C\div G=K$ 等逐一讨论,确定各字母后由 $D-K\times L=F$ 配合,剩下未出现的数字使 $A=0$,得 $A=0,C=8$,故 $A+C=8$。
方法:由 $E\times E=\overline{HE}$ 限定 $E,H$,再联立其余等式逐字确定。
7. 请将 $1\sim 9$ 这 $9$ 个数字填入算式 $\square\square\times\square\div\square=\square\square\square-\square-\square$ 的 $\square$ 内,每个数字只能填一次。要求等号左边 $4$ 个 $\square$ 填偶数数字,右边 $5$ 个 $\square$ 填奇数数字,使等式成立。
★★★★
奇偶分配整除关系枚举试算横式填数奇偶分组
答案
$82\times 6\div 4=137-5-9$。
解题过程
先用左边四个偶数数字 $2,4,6,8$ 组成 $\square\square\times\square\div\square$,结果是一个三位偶数(须被右边的奇数式等于)。等号两边相等且左为偶数运算、右为奇数减奇数,逐一试算左边偶数组合:$82\times 6\div 4=123$,再用奇数 $1,3,5,7,9$ 凑 $137-5-9=123$,故 $82\times 6\div 4=137-5-9$。
方法:用偶数组凑左边可整除结果,再用奇数组凑右边减式配平。
8. 在乘法算式 $\overline{ABCBD}\times\overline{ABCBD}=\overline{CCCBCCBBCB}$ 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 $A=8$,求 $B+C+D$ 的值。
★★★★
字母破译位数估算进位分析字母算式破译
答案
$16$。
解题过程
这是一个五位数 $\overline{8BCBD}$ 的平方等于十位数 $\overline{CCCBCCBBCB}$。由乘积的最高三位是 $CCC$,可估算 $C$ 的取值能否使平方满足该结构。讨论 $C$ 的可能值:$C=7$ 时 $7,8$ 已被 $C,A$ 占用,$B$ 无可取,舍去;$C=6$ 时各位与进位吻合,得 $\overline{ABCBD}=81619$,$81619^2=6661661161=\overline{CCCBCCBBCB}$,于是 $B=1,C=6,D=9$,从而 $B+C+D=1+6+9=16$。
方法:由乘积位数与 $\overline{CCC}$ 的整除性估算 $C$,再逐位确定其余字母。
第17讲 格点与割补
兴趣篇
1. 图 17-1 中相邻两格点间的距离均为 1 厘米,三个多边形的面积分别是多少平方厘米?
★
格点面积数方格割补法格点多边形面积
答案
①$4$ 平方厘米;②$2$ 平方厘米;③$8$ 平方厘米。
解题过程
因相邻两格点之间的距离为 1 厘米,图中一个小方格的面积为 1 平方厘米。①图①中由 4 个小方格组成,面积为 $4$ 平方厘米。②图②是把正方形分成四块相同的部分,每一块都是 1 个小三角形,面积为 $2$ 平方厘米。③把图③补成一个长方形后再减去多余的三角形,面积为 $8$ 平方厘米。
方法:用数方格、分割或补形的方法求格点多边形面积。
2. 图 17-2 中相邻两格点间的距离均为 1 厘米,三个阴影图形的面积分别是多少平方厘米?
★★
格点面积割补法补成外接图形斜置格点多边形面积
答案
①$5$ 平方厘米;②$5$ 平方厘米;③$0.5$ 平方厘米。
解题过程
①把斜放的正方形补成一个外接正方形(边长 3 厘米),用大正方形面积减去四角的四个直角三角形,得 $9-4\times1=5$ 平方厘米。②把三角形补成长方形(或用其外接图形)割补计算,得 $5$ 平方厘米。③细长的三角形底为 1、高为 1,面积 $\frac{1}{2}\times1\times1=0.5$ 平方厘米。
方法:把斜置图形补成外接正方形或长方形,再减去四角的直角三角形。
3. 图 17-3 中每个小正方形的面积均为 2 平方厘米,阴影多边形的面积是多少平方厘米?
★★
格点面积分割法割补法格点多边形面积
答案
$19$ 平方厘米。
解题过程
把阴影多边形分成三部分,其中两部分正好是面积为 2 平方厘米的小正方形的一半,另一个三角形的面积也用割补求出。按图中各部分面积相加,最终阴影多边形的面积为 $19$ 平方厘米(每个小方格面积为 2 平方厘米)。
方法:把不规则多边形分割成若干三角形与方格的一半,分别求面积再相加。
4. 图 17-4 是一个三角形点阵,其中能连出的最小的等边三角形的面积为 1 平方厘米。三个多边形的面积分别为多少平方厘米?
★★
三角形格点面积数三角形割补法三角形格点多边形面积
答案
①$6$ 平方厘米;②$6$ 平方厘米;③$14$ 平方厘米。
解题过程
以最小的等边三角形为单位面积(1 平方厘米),把每个多边形分割成若干个朝上和朝下的小等边三角形,分别数出个数:图①可分成 6 个小三角形,面积 $6$ 平方厘米;图②同样含 6 个,面积 $6$ 平方厘米;图③可补形数出 14 个,面积 $14$ 平方厘米。
方法:以最小等边三角形为单位,数出朝上、朝下的小三角形个数。
5. 如图 17-5 所示,如果每个小等边三角形的面积都是 1 平方厘米,四边形 $ABCD$ 和三角形 $EFG$ 的面积分别是多少平方厘米?
★★
三角形格点面积平行四边形与三角形关系分割法三角形格点多边形面积
答案
四边形 $ABCD$ 的面积为 $20$ 平方厘米;三角形 $EFG$ 的面积为 $10$ 平方厘米。
解题过程
$\triangle ABD$ 是平行四边形 $AFBD$ 面积的一半,依次可得 $\triangle ADE$、$\triangle ABF$、$\triangle CBG$、$\triangle CFG$ 各部分面积。由分割知四边形 $ABCD$ 的面积为 $2+2+4+3+9=20$ 平方厘米;三角形 $EFG$ 的面积为 $10$ 平方厘米。
方法:利用三角形为平行四边形的一半,逐块分割求面积。
6. 图 17-6 中的数字分别表示对应线段的长度,试求这个多边形的面积(单位:厘米)。
★★
凹多边形面积割补法补形为长方形阶梯形多边形面积
答案
$32$ 平方厘米。
解题过程
把这个凹多边形用横竖虚线分割成三块长方形。由 $CK=BK-BC=AH-BC=5-2=3$ 厘米,$CD=1$ 厘米,得长方形 $CDLK$ 的面积 $3\times1=3$ 平方厘米;由 $EL=ED+DL=4+3=7$ 厘米,$EF=2$ 厘米,得长方形 $EFGL$ 的面积 $7\times2=14$ 平方厘米;左侧长方形 $ABKH$ 面积 $3\times5=15$ 平方厘米。所以所求图形的面积是 $15+3+14=32$ 平方厘米。
方法:把凹多边形补成大长方形,再减去缺口的小长方形。
7. 如图 17-7 所示,在大等腰直角三角形 $ABC$ 中剪去一个小等腰直角三角形 $AED$。如果 $BC=10$ 厘米,$DE=4$ 厘米,那么阴影部分面积是多少平方厘米?
★★
等腰直角三角形面积整体减空白三角形剪去求阴影
答案
$42$ 平方厘米。
解题过程
大等腰直角三角形 $ABC$ 的面积为 $\frac{1}{2}\times BC\times \frac{BC}{2}$ 等方法求得 $50$ 平方厘米;小等腰直角三角形 $AED$ 的面积为 $\frac{1}{2}\times4\times4=8$ 平方厘米。所以阴影部分面积 $=50-8=42$ 平方厘米。
方法:用大三角形面积减去剪掉的小三角形面积。
8. 如图 17-8 所示,在正方形 $ABCD$ 内部有一个长方形 $EFGH$。已知正方形 $ABCD$ 的边长是 6 厘米,$AE$、$AH$ 都等于 2 厘米,求长方形 $EFGH$ 的面积。
★★
正方形与内接长方形等腰直角三角形面积整体减四角正方形内接图形面积
答案
$16$ 平方厘米。
解题过程
由 $AE=AH=2$ 厘米,得等腰直角三角形 $AEH$ 的面积 $2\times2\div2=2$ 平方厘米,又 $\angle EAH=45^\circ$,进而 $\angle FEH=90^\circ$、$\triangle BEF$ 等也是等腰直角三角形。由 $BE=AB-AE=6-2=4$ 厘米,得 $\triangle BEF$ 面积 $4\times4\div2=8$ 平方厘米。同理 $\text{Rt}\triangle CFG$、$\text{Rt}\triangle DGH$ 面积分别为 2 平方厘米和 8 平方厘米。所以长方形 $EFGH$ 的面积 $=36-(2+8+2+8)=16$ 平方厘米。
方法:用正方形面积减去四个角上的直角三角形面积。
9. 如图 17-9 所示,大正方形的边长为 10 厘米,连结正方形的各边中点得到一个小正方形,将小正方形每边三等分,再将三等分点与大正方形的中心和一个顶点相连。请问:图中阴影部分的面积总和等于多少平方厘米?
★★
对称与等积变形整体的一半割补平移对称割补求阴影
答案
$50$ 平方厘米。
解题过程
把阴影三角形剥离并平移、补到对应的空白位置,可发现阴影部分恰好与空白部分面积相等。即阴影部分占整个大正方形面积的一半,所以阴影部分面积总和 $=10\times10\div2=50$ 平方厘米。
方法:通过平移把阴影补成与空白对称,得阴影占整体的一半。
10. 如图 17-10 所示,大正三角形的面积为 20 平方厘米,连结大正三角形的各边中点得小正三角形,将小正三角形如图三等分。那么图中阴影部分的面积和等于多少平方厘米?
★★
正三角形等分等积分割按份数求面积等积分割求阴影
答案
$10$ 平方厘米。
解题过程
根据题意,大三角形被分割成形状、大小一样的 12 个小三角形,而阴影部分占了其中的 6 个,所以其面积为 $20\div12\times6=10$ 平方厘米。
方法:把大三角形等分成 12 个小三角形,数阴影所占份数。
拓展篇
1. 图 17-11 中相邻格点围成的最小正方形或正三角形的面积均为 1 平方厘米,这三个多边形的面积分别是多少平方厘米?
★★
格点面积割补法分割与补形格点多边形面积
答案
ⓐ$7.5$ 平方厘米;ⓑ$6.5$ 平方厘米;ⓒ$18$ 平方厘米。
解题过程
用补形法把每个多边形补成外接长方形(或大正方形),再减去四周的直角三角形和空白方格;或将多边形分割成方格与方格一半的三角形分别求和。计算得 ⓐ 面积 $7.5$ 平方厘米,ⓑ 面积 $6.5$ 平方厘米,ⓒ 面积 $18$ 平方厘米。
方法:补成外接矩形减四角三角形,或分割成方格与三角形求和。
2. (1)图 17-12 中每个小正方形的面积是 2 平方厘米,阴影部分面积是多少平方厘米?(2)图 17-13 中每个小正三角形的面积是 4 平方厘米,阴影部分面积是多少平方厘米?
★★★★
格点面积分割法按单位面积折算格点阴影面积
答案
(1)$17$ 平方厘米;(2)$56$ 平方厘米。
解题过程
(1)以每个小正方形面积 2 平方厘米计,用分割法把阴影部分拆成若干方格的一半的三角形与梯形求和,得阴影面积 $17$ 平方厘米。(2)以每个小正三角形面积 4 平方厘米计,数出阴影所含小三角形的总份数,再乘以单位面积,得阴影面积 $56$ 平方厘米。
方法:用单位格点面积分别折算正方形格点与三角形格点中的阴影。
3. 图 17-14 中每个小正方形的边长为 1 厘米,阴影部分的面积是多少平方厘米?
★★
格点面积整体减空白割补法对称图案求阴影
答案
$14$ 平方厘米。
解题过程
大正方形面积是 36 平方厘米(边长 6 厘米),空白部分分为 7 块。其中四条边上的白三角形底为 6 厘米、高为 1 厘米,面积 $6\times1\div2=3$ 平方厘米;中间空白部分由小等腰直角三角形组成,每个面积 0.5 平方厘米。用大正方形面积减去全部空白部分,得阴影部分面积 $36-3\times4-0.5\times20=14$ 平方厘米。
方法:用大正方形面积减去四周与中间的白色三角形面积。
4. 如图 17-15 和图 17-16,把两个相同的正三角形的各边五等分和三等分,并连结成这些分点。如果图 17-15 中阴影部分的面积是 294 平方分米,请问:图 17-16 中的阴影部分的面积是多少平方分米?
★★★★
正三角形等分等积分割按份数比例求面积等分三角形求阴影
答案
$200$ 平方分米。
解题过程
图 17-15 中,大正三角形被分成 25 个小正三角形,阴影部分占其中的 12 个,所以每个小正三角形的面积为 $294\div12=24.5$ 平方分米,则大正三角形的面积为 $24.5\times25=612.5$ 平方分米。图 17-16 中大正三角形被分成 9 个小正三角形,阴影占其中的 16 个对应小三角形,每个面积为 $612.5\div49=12.5$ 平方分米,所以图 17-16 阴影部分面积为 $12.5\times16=200$ 平方分米。
方法:通过单位小三角形面积建立两图之间的份数比例关系。
5. 如图 17-17,在两个相同的等腰直角三角形中各嵌一个正方形,如果正方形 $A$ 的面积是 36 平方厘米,那么正方形 $B$ 的面积是多少平方厘米?
★★★★
等腰直角三角形内嵌正方形等积剖分按份数求面积三角形内嵌正方形面积
答案
$32$ 平方厘米。
解题过程
将第一个等腰直角三角形划分如图①剖分,从图中可看出,第一个等腰直角三角形被分成 4 等分,正方形 $A$ 占其中 2 份,所以等腰直角三角形面积为 $36\div2\times4=72$ 平方厘米。将第二个等腰直角三角形如图②剖分,从图中可看出三角形被分成 9 等分,正方形 $B$ 占其中 4 份,所以正方形 $B$ 的面积为 $72\div9\times4=32$ 平方厘米。
方法:把三角形剖分成若干等份,确定正方形所占份数。
6. 如图 17-18 所示,正六边形 $ABCDEF$ 的面积是 6 平方厘米,$M$ 是 $AB$ 中点,$N$ 是 $CD$ 中点,$P$ 是 $EF$ 中点。请问:三角形 $MNP$ 的面积是多少平方厘米?
★★★★
正六边形分割正三角形格点按份数求面积正六边形内三角形面积
答案
$2.25$ 平方厘米。
解题过程
连结正六边形的各顶点中点,可将正六边形 $ABCDEF$ 分成 24 个小正三角形,则每个小正三角形的面积是 $6\div24=0.25$ 平方厘米。三角形 $MNP$ 由 9 个这样的小正三角形组成,所以它的面积为 $0.25\times9=2.25$ 平方厘米。
方法:把正六边形分割成 24 个小正三角形,数三角形 MNP 占的份数。
7. 在图 17-19 中,五个小正方形的边长是 2 厘米。求三角形 $ABC$ 的面积。
★★★★
割补法整体减空白直角三角形面积格点三角形面积
答案
$14$ 平方厘米。
解题过程
利用“添补法”,三角形 $ABC$ 的面积等于大正方形的面积减去角上 3 个小三角形的面积。大正方形(边长 6 厘米)的面积是 $9\times4=36$ 平方厘米;左上角白三角形面积是 $1\times4=4$ 平方厘米;右上角白三角形面积是 $3\times4=12$ 平方厘米;左下角白三角形面积是 $1.5\times4=6$ 平方厘米。所以三角形 $ABC$ 的面积等于 $36-4-12-6=14$ 平方厘米。
方法:把三角形补到大正方形中,用大面积减去周围三角形。
8. 图 17-20 中,小正方形和大正方形的边长分别是 4 厘米和 6 厘米,那么阴影部分的面积是多少平方厘米?
★★★★
割补法整体减空白直角三角形面积相邻正方形求阴影
答案
$18$ 平方厘米。
解题过程
方法一:延长相应正方形的边,围成一个大长方形。阴影三角形的面积等于大长方形面积减去角上三个空白三角形的面积。大长方形面积 $(4+6)\times6=60$ 平方厘米;左下角三角形面积 $(4+6)\times4\div2=20$ 平方厘米;右上角三角形面积 $6\times6\div2=18$ 平方厘米;左上角三角形面积 $(6-4)\times4\div2=4$ 平方厘米。所以阴影部分面积为 $60-20-18-4=18$ 平方厘米。
方法:把两个正方形补成大长方形,再减去上、下白三角形。
9. 如图 17-21 所示,四边形 $ABCD$ 是长方形,$AD$ 长 7 厘米,$AB$ 长 5 厘米,四边形 $CDEF$ 是平行四边形。如果 $BH$ 的长是 3 厘米,那么图中阴影部分面积是多少平方厘米?
★★
平行四边形面积梯形面积整体减空白长方形与平行四边形求阴影
答案
$25$ 平方厘米。
解题过程
阴影梯形 $EFCH$ 的面积等于平行四边形 $CDEF$ 的面积减去 $\triangle CDH$ 的面积。平行四边形 $CDEF$ 的面积 $CD\times AD=5\times7=35$ 平方厘米;$\triangle CDH$ 的面积 $$\begin{aligned}DC\times CH\div2&=DC\times(CB-BH)\div2\\&=5\times(7-3)\div2\\&=10\end{aligned}$$ 平方厘米。所以阴影部分面积为 $35-10=25$ 平方厘米。
方法:用平行四边形面积减去一个直角三角形面积。
10. 图 17-22 中,三角形 $ABC$ 和 $DFE$ 是两个完全相同的等腰直角三角形,其中 $DF$ 长 9 厘米,$CF$ 长 3 厘米,求阴影部分的面积。
★★★★
等腰直角三角形重叠长方形面积分割法两三角形重叠求阴影
答案
$27$ 平方厘米。
解题过程
把阴影图形分成上、下两部分。下方四边形 $BFIH$ 是一个长方形,$IF=CF=3$ 厘米,则长方形 $BFIH$ 的面积是 $6\times3=18$ 平方厘米。上面的 $\triangle GHI$ 是一个等腰直角三角形,斜边 $HI=6$ 厘米,它正好是等腰直角三角形 $DGH$ 的一半,面积 $6\times6\div2\div2=9$ 平方厘米。所以阴影部分的面积 $18+9=27$ 平方厘米。
方法:把重叠阴影分成长方形与等腰直角三角形分别求面积。
11. 图 17-23 是一个边长为 1 米的正方形和一个等腰梯形拼成的“火炬”。梯形的上底长 1.5 米,$A$ 为上底的中点,$B$ 为下底的中点,线段 $AB$(恰好是梯形的高)长 0.5 米,$CD$ 长 0.3 米。图中阴影部分的面积是多少平方米?
★★★★
梯形面积割补法中点性质组合图形求阴影
答案
$0.7$ 平方米。
解题过程
正方形的面积为 $1\times1=1$ 平方米,梯形空白部分“火炬”的面积为 $1.625$ 平方米。把阴影部分通过割补转化为若干直角三角形与梯形,逐块计算:右边 $\triangle AEF$ 等是直角三角形,依据 $A$、$B$ 为中点和 $CD=0.3$ 米求得各小块面积,最终阴影部分的面积为 $0.7$ 平方米。
方法:利用中点与梯形的高,把阴影割补成直角三角形与梯形求和。
12. 图 17-24 中,每一个小正方形的面积都是 1 平方厘米。那么阴影部分面积是多少平方厘米?
★★
格点面积整体减空白直角三角形面积格点阴影面积
答案
$6.5$ 平方厘米。
解题过程
把阴影外的空白部分①是一个直角三角形,面积等于 $1\times3\div2=1.5$ 平方厘米;其余空白②③等也都是直角三角形,分别求面积。整个 $4\times4$ 方格面积为 16 平方厘米,所有空白部分总面积为 $9.5$ 平方厘米,则阴影部分的面积为 $4\times4-9.5=6.5$ 平方厘米。
方法:用大正方形面积减去周围所有白色直角三角形。
13. 如图 17-25,正方形网格的总面积等于 96 平方厘米,求阴影图形的面积。
★★★★
格点面积皮克定理思想数方格折算格点阴影面积
答案
$38$ 平方厘米。
解题过程
正方形网格共 $8\times6=48$ 个小方格,总面积 96 平方厘米,所以每个小方格的面积为 $96\div48=2$ 平方厘米。用粗框线把阴影部分分成一些三角形与方格,数出阴影所含的份数,得阴影占 19 个小方格的面积,所以阴影图形的面积为 $2\times19=38$ 平方厘米。
方法:先求每个小方格面积,再数阴影所占方格份数。
14. 如图 17-26,每个小等边三角形的面积都是 1 平方厘米。那么阴影部分的面积是多少平方厘米?
★★★★
三角形格点面积分割法数三角形三角形格点阴影面积
答案
$17$ 平方厘米。
解题过程
用分割法把阴影部分分割成若干个小等边三角形与平行四边形,并连结这些分点,把阴影分成一些小三角形与平行四边形。分别数出朝上、朝下的小三角形及平行四边形所含的小三角形份数,相加得阴影部分面积为 $17$ 平方厘米。
方法:以小等边三角形为单位,分割数出阴影所含份数。
超越篇
1. 图 17-27 中每个小正方形的边长为 1 厘米,阴影部分的面积是多少平方厘米?
★★★★
皮克定理格点面积分割法格点多边形面积(皮克定理)
答案
$34$ 平方厘米。
解题过程
方法一:如图 1,用粗框线把阴影部分分成两个多边形。如图 2,对于左边的多边形,用白点表示内部格点,黑点表示边界格点,则内部格点数为 9,边界格点数为 18,由格点多边形面积公式(皮克定理:内部格点数 $+$ 边界格点数 $\div2-1$)得左边多边形面积 $9+18\div2-1=17$ 平方厘米。由于左右两个多边形中心对称,右边多边形面积也为 $17$ 平方厘米。所以阴影部分总面积为 $17+17=34$ 平方厘米。
方法:用皮克定理(内部格点数+边界格点数÷2−1)分块计算。
2. 如图 17-28,平面上有 16 个点,相邻两点间隔为 1 厘米,在每个点都钉上钉子,形成 4 行 4 列的正方形钉阵。现在在这些钉子中,请选出 3 个合适的格点钉子,可以套出多少种不同面积的三角形?(面积相同但形状不同的三角形算一种)
★★
皮克定理格点三角形面积枚举格点三角形面积种数
答案
$9$ 种。
解题过程
由公式“正方形格点多边形面积 $=$ 内部格点数 $+$ 边界格点数 $\div2-1$”可知,三角形的面积可以是半整数。在 $4\times4$ 的钉阵中,能套出的三角形面积只能是 $0.5,1,1.5,2,2.5,3,3.5,4,4.5$ 这些值(进一步搜索 16 个点全部可能性可一一验证),最大面积为 $4.5$ 平方厘米。综上,可以套出不同面积的三角形一共有 $9$ 种。
方法:用皮克定理确定可能的面积取值,逐一枚举验证。
3. 已知大正六边形的面积为 72 平方厘米,按图 17-29 中不同方式切割(切割点均为等分点),形成的阴影部分面积各是多少平方厘米?
★★★★
正六边形分割等积变形按份数求面积正六边形分割求阴影
答案
①$18$ 平方厘米;②$54$ 平方厘米;③$24$ 平方厘米。
解题过程
①如图①,把正六边形分割成 24 个小正三角形,阴影占 6 个,故阴影面积 $72\div24\times6=18$ 平方厘米。②将正六边形按图②方式分割成 6 块,把每个白色的三角形拼到与之相邻的阴影块上,可看出阴影占整体的 $\frac{3}{4}$,所以阴影面积 $72\div4\times3=54$ 平方厘米。③将正六边形按图③方式分成 18 块,阴影占其中 6 块,所以阴影面积 $72\div18\times6=24$ 平方厘米。
方法:将正六边形等分,数阴影所占份数,或用割补拼接确定占比。
4. 图 17-30 为一个边长为 2 厘米的正方形,分别连结顶点与对应边中点。围成的阴影部分的面积为多少平方厘米?
★★★★
正方形内部连线等积变形按份数求面积正方形连中点求阴影
答案
$0.8$ 平方厘米。
解题过程
方法一:以中间的阴影正方形为标准,把图形补成图 1 形式,可看出中间阴影正方形是 1 份,那么原来的大正方形面积是 5 份。原来正方形的边长是 2 厘米,所以面积为 $2\times2\div5=0.8$ 平方厘米,即整个大正方形恰好是阴影部分的 5 倍,所以阴影部分面积 $2\times2\div5=0.8$ 平方厘米。
方法:通过补形把大正方形分成 5 个等积块,阴影占 1 份。
5. 如图 17-31 所示,已知一个四边形两条边的长度和三个角的度数,那么这个四边形的面积是多少平方厘米?(单位:厘米)
★★★★
割补法等腰直角三角形面积补形求面积补形求四边形面积
答案
$20$ 平方厘米。
解题过程
延长四边形的两条边,把它补成一个大三角形。由图中所给的两条直角边和 $45^\circ$ 角等条件,大三角形是一个等腰直角三角形,底为 7 厘米;补上的小三角形是边长为 3 的等腰直角三角形,面积 $3\times3\div2=4.5$ 平方厘米。这样原四边形的面积 $=$ 大三角形面积 $-$ 小三角形面积,计算得原四边形面积为 $$\begin{aligned}7\times7\div2-3\times3\div2&=24.5-4.5\\&=20\end{aligned}$$ 平方厘米。
方法:延长两边补成大等腰直角三角形,再减去补上的小三角形。
6. 如图 17-32 所示,这个多边形六条边的长度分别是 $1,2,3,4,5,7$。问:这个图形的面积最大可能是多少?
★★
凹多边形面积割补法最值分析阶梯形多边形面积最值
答案
$26$ 平方厘米。
解题过程
图中有 3 条横边、3 条竖边。由平移关系易看出,横着的长边等于两条横着的短边之和,竖着的长边等于两条竖着的短边之和。所以横长边为 $1+2+\cdots$ 与竖长边对应。把这个凸缺口的多边形补成一个大长方形,大长方形面积减去凹进去的小长方形面积即为所求。要使面积最大,应让大长方形尽量大、凹去的小长方形尽量小,故大长方形取 $7\times4=28$ 平方厘米,凹去的小长方形取 $1\times2=2$ 平方厘米,得最大面积 $28-2=26$ 平方厘米。
方法:补成大长方形减去小长方形,合理安排边长使面积最大。
7. 如图 17-33,有一个 $80\times100$ 的长方形网格,它的四个顶点分别为 $A,B,C,D$。已知图中每一个小方格的面积都是 1,请选出一个合适的格点 $P$,使得三角形 $PAC$ 的面积尽可能小(不能等于 0)。那么这个最小的面积是多少?
★★★★
皮克定理格点三角形面积最值最大公约数
答案
$10$ 平方厘米。
解题过程
根据格点多边形面积公式,想要让 $\triangle PAC$ 的面积尽可能小,要让它内部格点数与边界格点数尽量少。$80\times100$ 的最简整数比是 $4:5$,因此 $AC$ 上能有的整点会比较密:除两端外,$AC$ 上恰好经过 $4-1=3$ 个内部格点。要使三角形面积最小,取格点 $P$ 使它不在 $AC$ 上,并尽量贴近 $AC$。可使 $\triangle PAC$ 的内部格点数为 0、边界格点数为 22(即 $AC$ 上含 22 个格点而 $P$ 不增加内部点),由皮克定理得最小面积 $0\times1+22\div2-1=10$ 平方厘米。
方法:用皮克定理分析,使内部格点为 0、边界格点尽量少。
8. 已知正 12 边形的边长为 1 厘米,阴影部分都是正三角形(边长也为 1 厘米),如图 17-34,那么空白部分面积等于多少平方厘米?
★★★★
正多边形内角正三角形拼补割补法正多边形拼正三角形求空白
答案
$6$ 平方厘米。
解题过程
由于正 12 边形的内角为 $180^\circ\times10\div12=150^\circ$,又 $150^\circ=60^\circ+90^\circ$,因此可以把正 12 边形向外补出一圈正三角形和正方形,得到一个大正六边形。设正六边形面积为 $S_{\text{正六边形}}+6\times S_{\text{正方形}}+6\times S_{\text{正三角形}}$。很显然阴影部分面积相当于 12 个小正三角形,而正六边形面积相当于 6 个小正三角形,两者一比较,容易发现空白部分面积等于 6 个小正方形的面积,即 $6$ 平方厘米。
方法:利用正 12 边形内角等于 150°(=60°+90°)将其补为正六边形,再用正三角形面积关系求空白。
第18讲 行程问题二
兴趣篇
1. 小高站在火车轨道旁,一辆长 $200$ 米的火车以每秒钟 $10$ 米的速度开过。请问:火车从他身边经过需要多少秒?
★
火车经过人(路程=车长)速度、路程、时间关系火车经过人/电线杆
答案
$20$ 秒。
解题过程
火车从车头经过小高到车尾离开小高,所走路程等于车身长 $200$ 米。所以需要的时间为 $200\div 10=20$(秒)。
方法:火车经过站立的人,所走路程恰为车身长,时间=车长÷车速。
2. (1)王老师沿着一条与铁路平行的公路散步,每分钟走 $60$ 米,迎面开过来一列长 $300$ 米的火车,从火车头与王老师相遇到火车尾离开他共用了 $20$ 秒,求火车的速度。(2)萱萱沿着一条与铁路平行的公路散步,她散步的速度是每秒 $2$ 米,从后面追上来一列火车,从车头追上她到车尾离开她共用了 $18$ 秒,已知火车每秒行 $17$ 米,求火车的长度。
★
火车与人迎面相遇(速度和)火车追及行人(速度差)单位换算火车与行人相遇、追及
答案
(1)$14$ 米/秒;(2)$270$ 米。
解题过程
(1)火车与行人迎面相遇,车头相遇到车尾离开所走路程等于车长 $300$ 米,这是相遇关系:速度和 $=300\div 20=15$ 米/秒。行人速度 $60$ 米/分 $=1$ 米/秒,所以火车速度 $=15-1=14$ 米/秒。(2)火车从后面追上行人,这是追及关系,火车与萱萱的速度差 $=17-2=15$ 米/秒,$18$ 秒内火车比萱萱多走的路程就是车长,即火车长 $=15\times 18=270$ 米。
方法:迎面看作相遇用速度和,背后看作追及用速度差,车头到车尾的路程都等于车长。
3. (1)一列火车长 $180$ 米,每秒行 $20$ 米,这列火车通过一座长 $320$ 米的大桥需要多长时间?(2)一列火车以每秒 $20$ 米的速度通过一座长 $200$ 米的大桥,共用了 $21$ 秒,那么这列火车长多少米?
★
火车过桥(路程=车长+桥长)已知路程与桥长求车长火车过桥
答案
(1)$25$ 秒;(2)$220$ 米。
解题过程
(1)火车过桥所走路程为火车长与桥长之和,即 $320+180=500$ 米。根据“时间=路程÷速度”,得过桥时间 $=500\div 20=25$ 秒。(2)火车过桥的路程 $=20\times 21=420$ 米,它等于火车长与桥长之和,所以火车长 $=420-200=220$ 米。
方法:过桥路程=车长+桥长;由路程减桥长得车长。
4. 一列火车长 $180$ 米,每秒行 $20$ 米;另一列火车长 $200$ 米,每秒行 $18$ 米,两车相向而行,它们从车头相遇到车尾相离要经过多长时间?
★★
两车相遇求时间路程和=两车长之和速度和两车相遇错车
答案
$10$ 秒。
解题过程
两车相向而行,从车头相遇到车尾相离,两车走的路程之和等于两列火车长度之和,即 $180+200=380$ 米;速度是两车速度之和 $20+18=38$ 米/秒。由“时间=路程÷速度和”,得相遇相离所用时间 $=380\div 38=10$ 秒。
方法:相向相遇,路程和=两车长之和,时间=路程和÷速度和。
5. 甲火车长 $370$ 米,每秒行 $15$ 米;乙火车长 $350$ 米,每秒行 $21$ 米,两车同向行驶,乙车从追上甲车到完全超过甲车需要多长时间?
★★
追及问题(速度差)从追上到完全超过(路程差=两车长之和)两车追及超车
答案
$120$ 秒。
解题过程
乙车追上甲车并完全超过的过程中,两车的路程差等于两车长之和 $370+350=720$ 米;速度是两车速度之差 $21-15=6$ 米/秒。由“时间=路程差÷速度差”,得所用时间 $=720\div(21-15)=120$ 秒。
方法:同向追及,从追上到完全超过的路程差=两车长之和,时间=路程差÷速度差。
6. 许三多所在的钢七连队伍长 $450$ 米,以每秒 $1.5$ 米的速度行进。问:(1)许三多以每秒 $3$ 米的速度从队尾跑到队头需要多长时间?(2)从队头返回队尾,又需要多长时间?
★★
队伍中追及(速度差)队伍中相遇(速度和)队伍传令往返
答案
(1)$300$ 秒;(2)$100$ 秒。
解题过程
(1)许三多从队尾跑到队头是追及关系,相对速度为速度差 $3-1.5=1.5$ 米/秒,所走相对路程为队伍长度 $450$ 米,所以时间 $=450\div(3-1.5)=300$ 秒。(2)从队头返回队尾是相遇关系,相对速度为速度和 $3+1.5=4.5$ 米/秒,时间 $=450\div(3+1.5)=100$ 秒。
方法:向队头跑是追及用速度差,往队尾跑是相遇用速度和,路程都等于队长。
7. 甲、乙两列火车相向而行,甲车每小时行 $48$ 千米,乙车每小时行 $60$ 千米。坐在甲车上的小坤从乙车车头经过他的车窗时开始计时,到车尾经过他的车窗为止共用了 $13$ 秒。问:乙车全长多少米?
★★
相向而行(速度和)经过车窗的相对路程=车长千米/时与米/秒换算坐车看对面火车经过求车长
答案
$390$ 米。
解题过程
小坤看到乙车从车头到车尾经过自己,所走的相对路程恰好等于乙车的车长。两车相向而行,速度和 $=(48+60)$ 千米/时 $=108$ 千米/时 $=30$ 米/秒。所以乙车长 $=30\times 13=390$ 米。
方法:以乙车头到车尾经过小坤为相对运动,相对路程=乙车长,相对速度为两车速度和。
8. 早上 $6{:}00$,甲、乙两人分别从相距 $240$ 千米的 $A$、$B$ 两城同时出发同向而行,甲在前,乙在后。甲每小时行 $40$ 千米,乙每小时行 $60$ 千米。如果丙以每小时 $72$ 千米的速度前进,同时追上甲、乙两人,丙应当在几点从 $B$ 城出发?
★★
追及问题(速度差)出发时间推算多人同地追及、出发时间
答案
$8{:}00$。
解题过程
乙追上甲需要 $240\div(60-40)=12$ 小时,追上时乙走了 $60\times 12=720$ 千米。丙要在乙追上甲的同一地点同时追上两人,丙走这段 $720$ 千米需要 $720\div 72=10$ 小时,比乙少用 $2$ 小时。乙是 $6{:}00$ 出发的,因此丙应该 $8{:}00$ 从 $B$ 城出发。
方法:先求乙追上甲的时间与地点,再算丙走同样路程的时间,比较出发时刻差。
9. 有甲、乙、丙三人,甲每分钟走 $40$ 米,乙每分钟走 $50$ 米,丙每分钟走 $60$ 米。$A$、$B$ 两地相距 $2700$ 米,甲、乙两人分别从 $A$、$B$ 两地同时出发相向而行,他们出发 $15$ 分钟后,丙从 $B$ 地出发去追赶乙。请问:(1)甲在与乙相遇之后多少分钟又与丙相遇?(2)又过了多少分钟丙才追上乙?
★★
相遇问题(速度和)追及问题(速度差)多人多次相遇分析三人多次相遇追及
答案
(1)$6$ 分钟;(2)$54$ 分钟。
解题过程
(1)甲、乙相向相遇的时间为 $2700\div(40+50)=30$ 分钟,记此为③时刻,此时甲从 $A$ 走了 $40\times 30=1200$ 米。丙比甲、乙晚 $15$ 分钟出发,到③时刻丙已走了 $60\times(30-15)=900$ 米(从 $B$ 往 $A$)。于是在③时刻甲、丙之间的距离 $=2700-(1200+900)=600$ 米。此后甲($40$)、丙($60$)相向,速度和 $40+60=100$ 米/分,还需 $600\div 100=6$ 分钟相遇。所以甲在与乙相遇之后又过 $6$ 分钟与丙相遇。(2)甲、丙相遇发生在甲、乙出发后 $30+6=36$ 分钟。此刻乙从 $B$ 走了 $50\times 36=1800$ 米,丙从 $B$ 走了 $$\begin{aligned}60\times(36-15)&=60\times 21\\&=1260\end{aligned}$$ 米,乙、丙同向(都向 $A$),丙落在乙后面 $1800-1260=540$ 米。丙追乙的速度差为 $60-50=10$ 米/分,所以之后丙追上乙还需 $540\div(60-50)=54$ 分钟。
方法:按相遇、相遇、追及三段分别用速度和、速度差求时间与路程。
10. 东、西两城相距 $75$ 千米,小明从东向西走,每小时走 $6.5$ 千米;小强从西向东走,每小时走 $6$ 千米;小辉骑自行车从东向西走,每小时行 $15$ 千米。三人同时出发,途中小辉遇到小强折回向东骑,遇见小明又折回向西骑,再遇见小强又折回向东骑……这样往返,直到三人在途中相遇为止。请问:小辉共骑了多少千米?
★★
相遇时间求法往返折返的总路程(速度×时间)迎面相遇中间往返的飞虫/狗问题
答案
$90$ 千米。
解题过程
无论小辉怎样来回折返,他从出发到三人在途中相遇所经历的总时间,与小明、小强迎面相遇所用的时间相同。这段时间 $$\begin{aligned}\text{这段时间}&=\dfrac{\text{东、西两城的距离}}{\text{小明、小强的速度和}}\\&=75\div(6.5+6)\\&=75\div 12.5\\&=6\end{aligned}$$ 小时。因此小辉共骑了 $15\times 6=90$ 千米。
方法:抓住小辉的总骑行时间=小明小强迎面相遇时间,再用速度乘时间求总路程。
拓展篇
1. (1)一列火车长 $400$ 米,以每分钟 $800$ 米的速度通过一条长 $2800$ 米的隧道,需要多长时间?(2)一列火车长 $720$ 米,每秒行驶 $15$ 米,全车通过一个山洞用了 $64$ 秒,这个山洞长多少米?
★
火车过隧道(路程=车长+隧道长)已知路程与车长求隧道长火车过隧道/山洞
答案
(1)$4$ 分钟;(2)$240$ 米。
解题过程
(1)用火车车尾的运动代替火车的运动,火车经过隧道的总路程=火车长+隧道长,即 $400+2800=3200$ 米。由速度每分钟 $800$ 米,得过隧道时间 $=3200\div 800=4$ 分钟。(2)火车通过山洞的总路程 $=15\times 64=960$ 米,它等于火车长与山洞长之和,所以山洞长 $=960-720=240$ 米。
方法:过隧道总路程=车长+隧道长;用总路程减车长得隧道长。
2. 一列火车通过一座长 $1000$ 米的桥,从火车车头上桥到火车车尾离桥共用 $120$ 秒,而火车完全在桥上的时间是 $80$ 秒。你知道火车有多长吗?它的速度是多少?
★★
火车过桥两种状态(车长+桥长、桥长-车长)和差问题火车过桥求车长与车速
答案
$200$ 米;$10$ 米/秒。
解题过程
从车头上桥到车尾离桥,火车走的路程=桥长+车长;火车完全在桥上(车尾上桥到车头下桥)所走路程=桥长-车长。设速度为 $1$ 份/秒,则桥长+车长对应 $120$ 份,桥长-车长对应 $80$ 份。由和差问题:桥长 $=(120+80)\div 2=100$ 份,车长 $=(120-80)\div 2=20$ 份。$100$ 份对应桥长 $1000$ 米,故 $1$ 份 $=10$ 米,即速度为 $10$ 米/秒;火车长 $=10\times 20=200$ 米。
方法:把全程上桥与完全在桥上分别表示成桥长±车长,用和差问题求出车长与速度。
3. 有一列客车和一列货车,客车长 $400$ 米,每秒行驶 $20$ 米;货车长 $800$ 米,每秒行驶 $10$ 米。试问:如果两车相向而行,它们从相遇到错开需要多长时间?如果两车同向而行,客车赶超货车(从追上到完全超过)需要多长时间?
★★
相遇(速度和、路程和=两车长和)追及(速度差、路程差=两车长和)两车相遇与追及对比
答案
相向:$40$ 秒;同向赶超:$120$ 秒。
解题过程
相向而行,从相遇到错开两车路程和等于两车长之和 $400+800=1200$ 米,速度和 $=20+10=30$ 米/秒,所以时间 $=1200\div(20+10)=40$ 秒。同向时,客车从追上到完全超过货车的路程差也等于两车长之和 $1200$ 米,速度差 $=20-10=10$ 米/秒,所以时间 $=1200\div(20-10)=120$ 秒。
方法:相遇用速度和、追及用速度差,相对路程都等于两车长之和。
4. 一列客车和一列货车同向而行,货车在前,客车在后。已知客车通过 $460$ 米长的隧道用了 $30$ 秒,通过 $410$ 米长的隧道用了 $28$ 秒。又已知货车长 $160$ 米,每小时行 $54$ 千米。请问:客车从追上到离开这列货车需要多少秒?
★★
由两次过隧道求车速、车长追及问题(速度差、两车长之和)过隧道求车长再追及
答案
$45$ 秒。
解题过程
客车通过两条隧道的路程差为 $460-410=50$ 米,时间差为 $30-28=2$ 秒,所以客车速度 $=50\div 2=25$ 米/秒。客车通过 $460$ 米隧道的总路程 $=25\times 30=750$ 米 $=$ 客车长+隧道长,所以客车长 $=750-460=290$ 米。货车每小时行 $54$ 千米 $=15$ 米/秒。客车从追上到离开货车,路程差为两车长之和 $290+160=450$ 米,速度差为 $25-15=10$ 米/秒,所以 $$\begin{aligned}\text{时间}&=(290+160)\div(25-15)\\&=450\div 10\\&=45\end{aligned}$$ 秒。
方法:用两次过隧道的路程差÷时间差求车速,再求客车长,最后用追及公式。
5. 与铁路平行的一条小路上,有一个行人与一个骑车人同时向南行进,行人速度为每小时 $3.6$ 千米,骑车人速度为每小时 $10.8$ 千米。这时,有一列火车从他们的背后开来,通过行人用了 $22$ 秒钟,通过骑车人用了 $26$ 秒钟。请问:这列火车的车身总长是多少米?
★★
火车追及行人、骑车人(速度差)列方程求车速、车长火车追及两个不同速度的人
答案
$286$ 米。
解题过程
把速度换算成“米/秒”:行人 $3.6$ 千米/时 $=1$ 米/秒,骑车人 $10.8$ 千米/时 $=3$ 米/秒。火车从背后追上经过行人、骑车人,路程差都等于车长。设火车速度为 $v$ 米/秒,则 $(v-1)\times 22=(v-3)\times 26=$ 车长。由 $22v-22=26v-78$ 得 $4v=56$,$v=14$ 米/秒。所以 $$\begin{aligned}\text{车长}&=(14-1)\times 22\\&=13\times 22\\&=286\end{aligned}$$ 米。
方法:火车经过两人路程差都等于车长,列等式求车速,再求车长。
6. 某小学组织学生去春游,队伍行进的速度是每秒 $2$ 米。宋老师以每秒 $4$ 米的速度从队尾跑到队头,再回到队尾,共用了 $6$ 分钟。请问:队伍的总长是多少米?
★★
队伍中追及与相遇往返时间之和列方程队伍传令往返求队长
答案
$540$ 米。
解题过程
宋老师从队尾跑到队头是追及,相对速度为速度差 $4-2=2$ 米/秒;从队头回到队尾是相遇,相对速度为速度和 $4+2=6$ 米/秒。两段相对路程都等于队伍长 $L$。两段时间之和为 $6$ 分钟 $=360$ 秒,即 $\dfrac{L}{2}+\dfrac{L}{6}=360$,$\dfrac{2L}{3}=360$,所以 $L=540$ 米。
方法:去时追及(速度差)、回时相遇(速度和),两段路程都是队长,由时间和求队长。
7. 墨莫在一条与铁路平行的小路上行走,有一列客车迎面开来,$40$ 秒后经过墨莫;如果这列客车从墨莫的背后开来,$60$ 秒后经过墨莫。试问:如果墨莫站着不动,客车多长时间可以经过墨莫?
★★
迎面(速度和)与背后(速度差)和差问题求火车与人速度火车经过同一人不同状态
答案
$48$ 秒。
解题过程
设客车车长为 $120$ 份。迎面经过墨莫是相遇,速度和 $=120\div 40=3$ 份/秒;背后经过墨莫是追及,速度差 $=120\div 60=2$ 份/秒。由和差问题,客车速度 $=(3+2)\div 2=2.5$ 份/秒,墨莫速度 $=(3-2)\div 2=0.5$ 份/秒。墨莫站着不动时,客车经过他所走路程仍是车长 $120$ 份,速度为客车速度 $2.5$ 份/秒,时间 $=120\div 2.5=48$ 秒。
方法:用份数设车长,迎面、背后分别得速度和与速度差,用和差求火车速度,再求经过静止人的时间。
8. 两列火车同时同方向齐头行进,快车每秒行 $18$ 米,慢车每秒行 $10$ 米,$12$ 秒后快车超过慢车。如果这两列火车车尾对齐,同时同方向行进,则 $9$ 秒后快车超过慢车。请问:快车和慢车的车长分别是多少米?
★★
齐头并进求快车长齐尾并进求慢车长追及(速度差)齐头/齐尾求车长
答案
快车长 $96$ 米,慢车长 $72$ 米。
解题过程
齐头并进时,快车从齐头到完全超过慢车(快车车尾超过慢车车头),路程差等于快车车长,所以快车车长 $=(18-10)\times 12=96$ 米。齐尾行进时,快车车头从与慢车车头平齐到完全超过,路程差等于慢车车长,所以慢车车长 $=(18-10)\times 9=72$ 米。
方法:齐头时路程差=快车长,齐尾时路程差=慢车长,分别用速度差乘时间。
9. 一列货车和一列客车同向行驶,由于货车有紧急任务,因此开始超越客车。小明在客车内沿着客车前进的方向向前走,发现货车用了 $140$ 秒就完全超过了他。已知小明走的速度为每秒 $1$ 米,客车的速度为每秒 $20$ 米,客车长 $350$ 米,货车长 $280$ 米。求货车从追上客车到完全超过客车所需要的时间。
★★
相对速度(货车与车内行人)追及问题(速度差、两车长之和)车内行人参照求两车速度差
答案
$210$ 秒。
解题过程
货车追及小明的过程中,路程差应是货车的车长 $280$ 米,追及时间为 $140$ 秒,因此货车与小明的速度差为 $280\div 140=2$ 米/秒。由于小明在客车中沿客车前进的方向以 $1$ 米/秒走,所以货车与客车的速度差为 $2+1=3$ 米/秒。货车追及客车的过程中,路程差应为货车长+客车长 $=280+350=630$ 米,所以货车完全超越客车需要 $(280+350)\div 3=210$ 秒。
方法:先由货车超过车内行人求货车与客车速度差,再用追及公式求完全超越时间。
10. 甲、乙两辆汽车的速度分别为每小时 $52$ 千米和每小时 $40$ 千米,两车同时从 $A$ 地出发到 $B$ 地去。出发 $6$ 小时后,甲车遇到一辆迎面开来的卡车,又过 $1$ 小时,乙车也遇到了这辆卡车。请问:这辆卡车的速度是多少?
★★
同向行驶的距离差相遇问题(速度和)迎面卡车先后相遇求速度
答案
$32$ 千米/时。
解题过程
甲、乙同向,出发 $6$ 小时后两车相距 $(52-40)\times 6=72$ 千米,此时甲在前、乙在后,甲恰好与卡车相遇。卡车从遇到甲到遇到乙,正好走过甲、乙之间这 $72$ 千米,且与乙相向,用时 $1$ 小时。设甲、乙相遇处之后这 $1$ 小时内乙走 $40$ 千米,卡车走的路程 $=72-40=32$ 千米,所以卡车速度为 $32$ 千米/时。
方法:先求甲乙间距,再由卡车与乙在 $1$ 小时内合走该间距求卡车速度。
11. 有甲、乙、丙三人,甲每分钟走 $60$ 米,乙每分钟走 $50$ 米,丙每分钟走 $40$ 米。甲从 $A$ 地,乙和丙从 $B$ 地,三人同时出发相向而行,甲和乙相遇 $15$ 分钟后甲和丙相遇,求 $A$、$B$ 两地的距离。
★★
相遇问题(速度和)两次相遇时间差求距离先后相遇求两地距离
答案
$16500$ 米。
解题过程
设①时刻三人同时出发,②时刻甲、乙相遇,③时刻甲、丙相遇,②③之间相隔 $15$ 分钟。在②时刻(甲、乙刚相遇)甲与丙之间的距离,等于甲、丙在这 $15$ 分钟里相向合走的路程 $=(60+40)\times 15=1500$ 米。而这段距离正是乙、丙从①时刻到②时刻所产生的路程差,乙、丙速度差为 $50-40=10$ 米/分,所以①②两时刻的时间间隔 $=1500\div(50-40)=150$ 分钟。从①时刻到②时刻甲、乙做一次标准相遇,所以 $AB=$ 甲、乙速度和 $\times$ $$\begin{aligned}\text{该时间间隔}&=(60+50)\times 150\\&=110\times 150\\&=16500\end{aligned}$$ 米。
方法:甲先后与乙、丙相向相遇,利用相遇时间差与乙丙速度差求出两地距离。
12. 甲、乙两人同时从 $A$ 地出发向 $B$ 地前进,甲骑车,乙步行,与此同时丙从 $B$ 地出发向 $A$ 地前进。甲骑 $9$ 千米后与丙相遇,而乙走 $6$ 千米后就与丙相遇。如果甲骑车的速度是乙步行速度的 $3$ 倍,求 $A$、$B$ 两地的距离。
★★
速度比=同时间路程比相遇问题分析速度倍数与相遇位置
答案
$12$ 千米。
解题过程
记甲与丙相遇点为 $C$($AC=9$ 千米),乙与丙相遇点为 $E$($AE=6$ 千米)。甲、乙都从 $A$ 出发、甲快,所以甲先与丙相遇,丙再继续向 $A$ 与乙相遇,四点顺序为 $A$、$E$、$C$、$B$。甲骑车速度是乙的 $3$ 倍,甲、丙相遇(设为②时刻)时甲走了 $9$ 千米,同一时刻乙只走了 $9\div 3=3$ 千米。乙再走到与丙相遇(③时刻)时共走 $6$ 千米,所以②到③这段时间乙走了 $6-3=3$ 千米;同一段时间里丙从 $C$ 走到 $E$,也走了 $$\begin{aligned}CE&=AC-AE\\&=9-6\\&=3\end{aligned}$$ 千米。可见乙、丙在相同时间内各走 $3$ 千米,速度相同。于是从出发到③时刻,乙走 $AE=6$ 千米、丙走 $BE$,二者用时相同且速度相同,故 $BE=AE=6$ 千米。所以 $$\begin{aligned}AB&=AE+BE\\&=6+6\\&=12\end{aligned}$$ 千米。
方法:用甲是乙的 $3$ 倍速度确定同时刻路程比,再结合两次相遇位置求两地距离。
13. 甲、乙、丙三人步行的速度相同,骑车的速度也相同,骑车的速度是步行速度的 $3$ 倍。现在甲从 $A$ 地向 $B$ 地行进,乙、丙两人从 $B$ 地向 $A$ 地行进,三人同时出发。出发时甲、乙骑车,丙步行;途中当甲、乙相遇时,甲又重新改为步行,乙把车给丙骑,自己又重新改为步行继续前进;当甲、丙相遇时,甲将车给乙骑,自己又重新改为步行,三人均按原来的方式继续前进。试问:三人之中谁最先到达目的地?谁最后到达目的地?
★★
速度变换的行程比较骑车与步行段的分析中途换车的先后到达
答案
丙最先到达目的地,甲最后到达目的地。
解题过程
分析每个人在各段所用的方式:丙开始步行较慢,但与甲相遇后改为骑车,骑车段相对较多,路程效率最高,最先到达目的地;甲先骑车,与乙相遇后改为步行,骑车的路段最短,路程效率最低,最后到达目的地。综合三人骑车与步行的路段安排可知:丙最先到,甲最后到。
方法:分别统计三人骑车段与步行段,比较各人总用时,判断先后。
14. $A$、$B$ 两城相距 $56$ 千米,甲、乙、丙三人分别以每小时 $6$ 千米、$5$ 千米、$4$ 千米的速度前进。甲、乙两人从 $A$ 城,丙从 $B$ 城同时出发,相向而行,请问:出发多长时间后,乙正好在甲和丙的中点?
★★
中点条件(两段距离相等)相向行程列方程/份数法三人相向求中点时刻
答案
$7$ 小时。
解题过程
设三人运动了相同的时间 $t$ 小时。以 $A$ 为起点,甲走 $6t$、乙走 $5t$,所以乙、甲都从 $A$ 出发、甲在前,乙到甲的距离 $=6t-5t=t$。丙从 $B$ 出发走 $4t$,丙到 $A$ 的距离 $=56-4t$。乙正好在甲、丙的中点,意味着乙到甲的距离等于乙到丙的距离,即丙到 $A$ 的距离比乙到 $A$ 的距离少 $t$:$56-4t=5t-t$,也就是 $56-4t=4t$,解得 $8t=56$,$t=7$ 小时。(按份数看:相同时间内甲、乙、丙各走 $6$、$5$、$4$ 份,乙到甲为 $1$ 份,要使乙居中,丙须在距 $A$ $4$ 份处,而丙又恰好走了 $4$ 份,故 $AB=4+4=8$ 份 $=56$ 千米,$1$ 份 $=7$ 千米,时间 $=42\div 6=7$ 小时。)所以出发 $7$ 小时后,乙正好在甲、丙的中点。
方法:用中点条件列出乙到甲、乙到丙距离相等,求出运动时间。
超越篇
1. 米老鼠沿着铁路旁的一条小路向前走,一列货车从后面开过来,$8{:}00$ 货车追上了米老鼠,又过了 $30$ 秒,货车超过了它;另有一列客车迎面驶来,$9{:}30$ 客车和米老鼠相遇,又过了 $12$ 秒客车离开了它。如果客车的长度是货车的 $2$ 倍,客车的速度是货车的 $3$ 倍,请问:客车和货车什么时间相遇?两车错开需要多长时间?
★★★★
追及(速度差)与相遇(速度和)车长、速度的倍数关系由时刻推位置求相遇时间两车相遇时刻与错车时间
答案
$9{:}15$ 相遇;错开需要 $15$ 秒。
解题过程
设货车车长为 $30$ 份。货车从背后超过米老鼠(追及)用 $30$ 秒,速度差 $=30\div 30=1$ 份/秒。客车长为货车的 $2$ 倍 $=60$ 份,客车与米老鼠迎面相遇(相遇)用 $12$ 秒,速度和 $=60\div 12=5$ 份/秒。客车速度是货车的 $3$ 倍,设货车速度 $a$,则客车速度 $3a$;由(货车速度-米老鼠速度)$=1$、(客车速度+米老鼠速度)$=5$,结合 $3a$ 与 $a$ 解得货车速度、客车速度(以份计)。利用 $8{:}00$ 与 $9{:}30$ 两个时刻米老鼠所在位置以及客、货车的速度,可求出客车与货车相遇的时刻为 $9{:}15$;两车车长和 $=30+60=90$ 份,错开时间为两车长和除以速度和,$90\div 6=15$ 秒。
方法:用份数设车长,分别由追及、相遇求速度关系,再结合两个时刻的位置求相遇时刻与错开时间。
2. 货车和客车相向而行,两车在 $A$ 点迎面相遇,在 $B$ 点错开,$A$ 点和 $B$ 点之间的距离为 $150$ 米。已知客车的长度为 $450$ 米,速度为每小时 $108$ 千米。如果货车比客车长,那么货车的长度是多少?
★★★★
相遇错车(路程=车长+错开距离)速度比=同时间路程比错车点间距求另一车长
答案
$550$ 米。
解题过程
从车头相遇到车尾错开,客车走的路程=客车长+$AB$ 之间距离 $=450+150=600$ 米。由于客车速度是货车速度的 $1.5$ 倍(题中客车 $108$ 千米/时,货车 $72$ 千米/时),相同时间内客车路程是货车路程的 $1.5$ 倍,所以货车的路程 $=600\div 1.5=400$ 米。因此货车长度 $=$ 货车路程+$AB$ 之间距离 $=400+150=550$ 米。
方法:由客车走过车长加错开距离求客车路程,按速度比求货车路程,再加错开距离得货车长。
3. 铁路旁有一条小路,一列长 $110$ 米的火车以每小时 $30$ 千米的速度向北缓缓驶去,$14$ 时 $10$ 分追上向北行走的一位工人,$15$ 秒后离开这个工人;$14$ 时 $16$ 分追上迎面向南而来的一位学生,$12$ 秒后离开这个学生。请问:工人与学生将在何时相遇?
★★★★
火车经过同向人(速度差)与迎面人(速度和)求人速后相遇问题火车经过两人求两人相遇时刻
答案
$14$ 点 $40$ 分。
解题过程
火车长 $110$ 米。火车与工人同向(追及),$15$ 秒经过工人,速度差 $=110\div 15\times 3.6=26.4$ 千米/时,工人速度 $=30-26.4=3.6$ 千米/时(向北)。火车与学生迎面(相遇),$12$ 秒经过学生,速度和 $=110\div 12\times 3.6=33$ 千米/时,学生速度 $=33-30=3$ 千米/时(向南)。$14$ 时 $10$ 分工人在火车处,$14$ 时 $16$ 分学生在火车处,由此算出此刻工人与学生相距 $3.3$ 千米。工人向北、学生向南相向而行,速度和 $=3.6+3=6.6$ 千米/时,相遇需要 $3.3\div 6.6=0.5$ 小时,所以工人与学生在 $14$ 点 $40$ 分相遇。
方法:先由火车经过工人、学生求两人速度,再求两人初始间距,最后用相遇公式求时刻。
4. $A$、$B$ 两地相距 $120$ 千米,甲、乙两人分别骑车从 $A$、$B$ 两地同时相向而行,甲车每小时行 $50$ 千米,出发后 $1$ 小时 $30$ 分钟相遇,然后甲、乙两人继续各自向前行进。在他们相遇 $6$ 分钟后,甲与迎面骑车而来的丙相遇,而丙在 $C$ 地追上乙。若甲以每小时 $44$ 千米的速度,乙以每小时比原速度快 $6$ 千米的车速,两人同时分别从 $A$、$B$ 出发相向而行,则甲、乙两人在 $C$ 点相遇。问丙的车速是多少?
★★★★
相遇问题(速度和)变速相遇定位速度和求未知速度多次相遇变速求速度
答案
$70$ 千米/时。
解题过程
甲、乙两人的速度和 $=120\div 1.5=80$ 千米/时,乙的速度 $=80-50=30$ 千米/时。第一次相遇时甲走了 $50\times 1.5=75$ 千米。变速后乙的速度 $=30+6=36$ 千米/时,甲速度 $44$ 千米/时,两人在 $C$ 点相遇时甲走了 $$\begin{aligned}44\times(120\div(44+36))&=44\times 1.5\\&=66\end{aligned}$$ 千米,所以第一次相遇点离 $C$ 点 $75-66=9$ 千米。甲、乙第一次相遇 $6$ 分钟($0.1$ 小时)后甲与丙相遇,此时丙离 $C$ 点 $9+50\times 0.1=14$ 千米,乙离 $C$ 点 $9-30\times 0.1=6$ 千米。丙和乙都恰好到 $C$ 点,相同时间内路程之比等于速度之比,所以丙的速度 $=30\times 14\div 6=70$ 千米/时。
方法:先求乙速与相遇位置,再由变速相遇定出 $C$ 点,最后用甲丙相遇的速度和求丙速。
5. 快、中、慢三辆车同时从甲地出发追赶前方的骑车人,分别用 $6$ 分钟、$12$ 分钟、$20$ 分钟追上。已知快车每小时行 $24$ 千米,中车每小时行 $20$ 千米,那么慢车每小时行多少千米?
★★★★
多车追同一目标追及距离相同列关系速度差与时间三车先后追同一人求速度
答案
$18.4$ 千米/时。
解题过程
三车同时出发追同一骑车人。$6$ 分钟时快车比中车多走 $(24-20)\times 0.1=0.4$ 千米 $=400$ 米,此时快车恰好追上骑车人,说明出发时骑车人领先快车 $400$ 米。再由快、中、慢三车与骑车人的追及关系(追及距离相同),设骑车人速度求得:慢车与骑车人的速度差 $=0.8\div 20=0.04$ 千米/分 $=0.04\times 60=2.4$ 千米/时,所以慢车速度 $=16+2.4=18.4$ 千米/时。
方法:由快、中两车追上时间差求骑车人领先距离与速度,再求慢车速度。
6. 快、中、慢三辆车同时从甲地出发开往乙地,与此同时墨莫以每分钟 $100$ 米的速度沿公路走向甲地。已知快车出发 $30$ 分钟后在途中遇上墨莫,中车出发 $35$ 分钟后遇上墨莫,三辆车到达乙地的时候分别用了 $100$ 分钟、$120$ 分钟、$150$ 分钟。请问:慢车出发多长时间后可以遇上墨莫?
★★★★
用时之比反求速度之比相遇问题(速度和)三车与对向人相遇
答案
$42$ 分钟。
解题过程
三车走完甲到乙的全程用时之比为 $100{:}120{:}150=6{:}5{:}4$,故速度之比为 $6{:}5{:}4$,记快、中、慢速度分别为 $600$、$500$、$400$ 米/分。快车出发 $30$ 分钟与墨莫相遇,路程和(快车与墨莫合走)$=(600+100)\times 30=21000$ 米,即甲地到相遇点距离。慢车与墨莫相遇时路程和也等于这一距离,速度和 $=400+100=500$ 米/分,所以慢车出发到遇上墨莫需 $21000\div 500=42$ 分钟。
方法:由三车到乙地用时比求速度比,用快车相遇求出甲地到相遇点距离,再用速度和求慢车相遇时间。
7. 铁路旁的一条平行小路上,有一行人与一骑车人早上同时从 $A$ 城出发向南前进,行人速度为每小时 $7.2$ 千米,骑车人速度为每小时 $18$ 千米。途中有一列火车迎面开来,$9$ 点 $10$ 分恰好追上行人,而且从行人身边通过用了 $20$ 秒钟;$9$ 点 $18$ 分恰好追上骑车人,从骑车人身边通过用了 $26$ 秒钟。请问:(1)这列火车的车身总长是多少米?(2)行人与骑车人早上何时从 $A$ 城出发?(3)他们出发时,火车离 $A$ 城还有多少千米?
★★★★★★
火车追及两人求车速车长出发时刻推算倒推求火车初始位置火车追及行人骑车人综合
答案
(1)$260$ 米;(2)$8{:}43{:}20$;(3)$20.8$ 千米。
解题过程
行人 $7.2$ 千米/时 $=2$ 米/秒,骑车人 $18$ 千米/时 $=5$ 米/秒。火车追及行人、骑车人时路程差都等于车长,火车追及骑车人比追及行人多走 $6$ 秒的路程,等于骑车人比行人多走的路程,即 $5\times 26-2\times 20=90$ 米,所以火车速度 $=90\div 6=15$ 米/秒。(1)火车长 $=(15-2)\times 20=260$ 米。(2)到 $9{:}18$ 火车追上骑车人时,骑车人领先行人 $8\times 60\times(15-2)=6240$ 米(其中 $8$ 分钟是火车从追上行人到追上骑车人的时间间隔)。这段领先距离是行人、骑车人从出发到此刻按速度差 $5-2=3$ 米/秒积累出来的,所以两人已经走了 $6240\div(5-2)=2080$ 秒 $=34$ 分 $40$ 秒,因此出发时间为 $9{:}18$ 往前推 $34$ 分 $40$ 秒,即 $8{:}43{:}20$。(3)出发时火车离 $A$ 城:从 $9{:}18$ 往前倒推 $2080$ 秒,火车离 $A$ 城 $2080\times(15-5)=20800$ 米 $=20.8$ 千米。
方法:由经过两人时间差求火车速度与车长;用两人速度差与领先距离求出发时刻;倒推求火车离城距离。
8. 铁路货运调度站有 $A$、$B$ 两个信号灯,在灯旁停靠着甲、乙、丙三列火车,它们的车长正好构成一个等差数列,其中乙车的车长居中。最开始的时候,甲、乙两车车尾正好对齐,且车尾正好位于 $A$ 信号灯处,而车头则冲着 $B$ 信号灯的方向;丙车则正好位于 $A$ 信号灯处,而车头冲着 $A$ 信号灯方向。现在,三列火车同时出发向前行驶,$10$ 秒之后三列火车的车头恰好相遇,再过 $15$ 秒,甲车恰好完全超过丙车,而丙车也正好完全和乙车相遇直至完全错开——一共用了几秒?
★★★★★
等差数列车长设份数齐头/齐尾相遇与超越多车相对运动综合多车齐头错车综合
答案
$8.75$ 秒。
解题过程
甲车速度比丙车快,并且出发 $10$ 秒后甲车超过丙车,可知甲车长一定是甲长大于乙长大于丙长。设丙车长为 $1$ 份,由甲、乙、丙车长成等差数列,甲、乙、丙速度成一定比例(甲速度是丙速度的 $3$ 倍、乙速度是丙速度的 $2$ 倍)。观察 $15$ 秒那一段:甲车与丙车错开,路程和为 $45$ 份;甲、乙、丙三车的车长与速度满足相应份数关系。最终求得丙完全和乙相遇直至完全错开共需时间 $35\div 4=8.75$ 秒。
方法:用份数表示车长与速度,分析各时段相遇、超越的路程与速度关系,求出错开时间。
第19讲 行程问题三
兴趣篇
1. 莉莉和莎莎一起从家去学校。莉莉步行,莎莎骑车。莎莎到学校后发现自己没带文具盒,便立刻骑车回家去取,到家取出文具盒后又马上骑向学校,结果她和莉莉一起到校。如果莉莉每分钟走 $53$ 米,那么莎莎骑车每分钟行进多少米?
★★
速度与路程成正比往返多走路程往返取物追及
答案
每分钟 $159$ 米。
解题过程
两人同时出发又同时到达,所用时间相同。莎莎走的路程是“家→学校→家→学校”,恰好是莉莉所走“家→学校”路程的 $3$ 倍。时间相同,路程成 $3$ 倍,所以莎莎骑车速度是莉莉的 $3$ 倍,即每分钟 $53\times 3=159$ 米。
方法:抓住“同时出发、同时到达”时间相等,由路程倍数得速度倍数。
2. 小燕上学时骑车,回家时步行,路上一共用了 $50$ 分钟。如果往返都步行,则全程要 $70$ 分钟。求小燕往返都骑车所需的时间。
★★
单程与往返时间分段计时往返步行骑车时间
答案
$30$ 分钟。
解题过程
往返都步行需 $70$ 分钟,所以单程步行需 $70\div 2=35$ 分钟。去时骑车、回家步行共 $50$ 分钟,故单程骑车需 $50-35=15$ 分钟。所以往返都骑车需 $15\times 2=30$ 分钟。
方法:先由往返步行时间求单程步行时间,再分离出单程骑车时间。
3. 萱萱和卡莉娅从相距 $32$ 千米的两地同时出发相向而行,萱萱每小时走 $4$ 千米,卡莉娅每小时走 $12$ 千米。卡莉娅遇到萱萱后立刻返回出发地点,到达后再向萱萱走去,这样不停地往返。请问:她们第二次相遇的地点距离卡莉娅的出发点多少千米?
★★
往返相遇路程和规律第二次相遇往返多次相遇
答案
$12$ 千米。
解题过程
第一次相遇时卡莉娅走了 $32\div(4+12)\times 12=24$ 千米。从第一次相遇到第二次相遇,两人又合走了 $2$ 个全程,即 $24\times 2=48$ 千米;这期间萱萱走了 $48\div(4+12)\times 4=12$ 千米。卡莉娅第一次相遇时位于距其出发点 $24$ 千米处(已折返一段),第二次相遇点距卡莉娅出发点为 $24-12=12$ 千米。
方法:用路程和分析:第一次相遇合走 $1$ 个全程,第二次相遇再合走 $2$ 个全程,按速度比定位相遇点。
4. 培英学校和电视机厂之间有一条公路,原计划下午 $2$ 点整培英学校派车去电视机厂接劳模来校作报告,往返需用 $1$ 小时。实际上这位劳模在下午 $1$ 点便提前离厂步行向学校走来,途中遇到接他的汽车,劳模便立刻上车去往学校,并在下午 $2$ 点 $40$ 分到达。问:汽车行驶速度是劳模步行速度的几倍?
★★
中途相遇省时速度倍数比较接送相遇省时
答案
$8$ 倍。
解题过程
原计划汽车 $2$ 时从学校出发,往返需 $1$ 小时,故单程行驶需 $30$ 分钟,本应 $2$ 时 $30$ 分到达工厂。实际劳模 $1$ 时步行迎着汽车走来,汽车途中遇到劳模后立即返回学校,使劳模 $2$ 时 $40$ 分到达,比原计划 $3$ 时返回学校早到 $20$ 分钟。这早到的 $20$ 分钟(往返各 $10$ 分钟)正是汽车少走的路程,对应汽车单程少行 $10$ 分钟,即相遇点距工厂是汽车行 $10$ 分钟的路程。换个角度:从 $1$ 时到相遇,劳模步行了 $80$ 分钟,而这段相同的路程汽车只需 $10$ 分钟,所以汽车速度是劳模步行速度的 $80\div 10=8$ 倍。
方法:由提前时间求出省下的往返时间,转化为步行者所走路程,再比较速度倍数。
5. 甲、乙两车分别从相距 $300$ 千米的 $A$、$B$ 两地同时出发,在 $A$、$B$ 两地之间不断往返行驶,已知甲车的速度是每小时 $30$ 千米,乙车的速度是每小时 $20$ 千米。请问:(1)出发后经过多长时间两车第一次迎面相遇?(2)第一次迎面相遇后又经过多长时间两车第二次迎面相遇?(3)第二次迎面相遇后又经过多长时间两车第三次迎面相遇?
★★
往返迎面相遇路程和规律往返多次迎面相遇
答案
(1)$6$ 小时;(2)$12$ 小时;(3)$12$ 小时。
解题过程
(1)第一次迎面相遇时两车共走 $1$ 个全程,所用时间为 $300\div(30+20)=6$ 小时。(2)第一次到第二次迎面相遇,两车共走 $2$ 个全程,所用时间为 $300\times 2\div 50=12$ 小时。(3)同理,第二次到第三次迎面相遇仍共走 $2$ 个全程,所用时间也是 $300\times 2\div 50=12$ 小时。
方法:第一次迎面相遇合走 $1$ 个全程,以后每次再合走 $2$ 个全程。
6. 甲、乙两车同时从 $A$ 地出发,在相距 $300$ 千米的 $A$、$B$ 两地之间不断往返行驶,已知甲车的速度是每小时 $30$ 千米,乙车的速度是每小时 $20$ 千米。请问:(1)出发后经过多长时间两车第一次迎面相遇?(2)第一次迎面相遇后又经过多长时间两车第二次迎面相遇?(3)第二次迎面相遇后又经过多长时间两车第三次迎面相遇?
★★
同地出发往返相遇路程和规律
答案
(1)$12$ 小时;(2)$12$ 小时;(3)$12$ 小时。
解题过程
两车同时从 $A$ 出发同向而行,第一次迎面相遇时两车经过的路程和是 $2$ 个全程,所以第一次相遇在出发后 $300\times 2\div(30+20)=12$ 小时。此后相邻两次迎面相遇仍各共走 $2$ 个全程,各需 $300\times 2\div 50=12$ 小时。故依次为 $12$ 小时、$12$ 小时、$12$ 小时。
方法:结合线段图判断折返后形成迎面相遇的时刻,再用路程和求时间。
7. 甲、乙两车分别从相距 $600$ 千米的 $A$、$B$ 两地同时出发,在 $A$、$B$ 两地之间不断往返行驶,已知甲车的速度是乙车的 $2$ 倍。请问:(1)甲、乙两车第一次迎面相遇在距离 $A$ 地多少千米处?(2)甲、乙两车第二次迎面相遇在距离 $A$ 地多少千米处?
★★
往返迎面相遇速度比定位相遇点速度比往返相遇
答案
(1)$400$ 千米;(2)$0$ 千米(即在 $A$ 地相遇)。
解题过程
甲、乙速度比为 $2:1$。(1)第一次迎面相遇时共走 $1$ 个全程,甲走全程的 $\frac{2}{3}$,即 $600\div(2+1)\times 2=400$ 千米,故距 $A$ 地 $400$ 千米。(2)第二次迎面相遇时共走 $3$ 个全程,甲走 $600\times 3\div 3\times 2=1200$ 千米,对往返折算后落在 $A$ 地,即距 $A$ 地 $0$ 千米。
方法:用速度比求每次相遇时甲走的路程,再在往返折线上定位相遇点。
8. $A$、$B$ 两辆汽车从甲、乙两站同时出发,相向而行,在距甲站 $50$ 千米处第一次迎面相遇,相遇后两车继续前进(保持原速)各自到达另一站后立即返回,又在距乙站 $30$ 千米处第二次迎面相遇。请问:甲、乙两站相距多少千米?若两车继续行驶,则在何处第三次迎面相遇?
★★
迎面相遇路程倍数求全程第三次相遇定位两次相遇求全程
答案
甲、乙两站相距 $120$ 千米;第三次迎面相遇在距甲站 $10$ 千米处。
解题过程
第一次迎面相遇两车共走 $1$ 个全程,其中 $A$ 车走 $50$ 千米。第二次迎面相遇两车共走 $3$ 个全程,$A$ 车走 $50\times 3=150$ 千米。又第二次相遇 $A$ 车走的距离 $=$ 全程 $+30$ 千米,所以全程 $=150-30=120$ 千米。第三次迎面相遇两车共走 $5$ 个全程,$A$ 车走 $50\times 5=250$ 千米,对全程 $120$ 折算($250-120-120=10$),落在距甲站 $10$ 千米处。
方法:利用第 $n$ 次迎面相遇两车共走 $(2n-1)$ 个全程,列式求全程并定位。
9. $A$、$B$ 两辆汽车从甲、乙两地同时出发,在两地间不断往返行驶。第一次迎面相遇离甲地 $40$ 公里,第二次迎面相遇离乙地 $10$ 公里。求甲、乙两地之间的路程。
★★
往返迎面相遇分情况讨论求全程两次相遇分类求全程
答案
$70$ 千米或 $90$ 千米。
解题过程
因 $A$ 车从甲地出发,第一次迎面相遇时 $A$ 车走 $40$ 千米(占全程一部分)。第二次迎面相遇两车共走 $3$ 个全程,需分两种情形讨论 $A$ 车的行进方向(折返与否)。情形一:$A$ 车第二次相遇时走 $3$ 个 $40=120$ 千米,结合“离乙地 $10$ 公里”可得全程 $70$ 千米;情形二:相应可得全程 $90$ 千米。故甲、乙两地相距 $70$ 千米或 $90$ 千米。
方法:由相遇点条件列式,因方向不确定需分两种情形讨论求全程。
10. $A$、$B$ 两地是电车的两个起点站,每隔 $12$ 分钟发一辆车,电车每小时行 $25$ 千米。请问:(1)如果小明从 $A$ 地坐电车去 $B$ 地,那么他每隔多长时间会看见一辆电车迎面开来?(2)如果小明从 $B$ 地步行走向 $A$ 地,每小时行 $5$ 千米,那么他每隔多长时间会看见一辆电车迎面开来?每隔多长时间会有一辆电车从后面超过他?
★★
电车间隔问题迎面与追及间隔公交(电车)间隔
答案
(1)每隔 $6$ 分钟;(2)迎面每隔 $10$ 分钟,从后面超过每隔 $15$ 分钟。
解题过程
相邻两辆电车之间的距离为 $25\div 60\times 12=5$ 千米。(1)小明坐电车与迎面驶来的电车相遇,两车速度和为 $25+25=50$ 千米/时,相遇间隔时间为 $5\div 50\times 60=6$ 分钟,即每隔 $6$ 分钟看见一辆迎面电车。(2)小明步行迎着电车走,速度和为 $25+5=30$ 千米/时,迎面间隔时间为 $5\div 30\times 60=10$ 分钟;被同向电车追上时速度差为 $25-5=20$ 千米/时,间隔时间为 $5\div 20\times 60=15$ 分钟,即每隔 $15$ 分钟有一辆电车从后面超过他。
方法:用相邻电车间隔距离除以相对速度(速度和 / 速度差)求间隔时间。
拓展篇
1. 甲、乙两人从同一个地点出发同向而行,甲比乙先出发。甲出发 $6$ 分钟到达 $A$ 地,此时乙距离起点 $150$ 米。又过了 $3$ 分钟乙到达 $A$ 地,此时甲距离起点 $900$ 米。问:乙比甲晚出发多长时间?
★★
同向行程速度与时间差线段图分析先后出发同向行程
答案
$5$ 分钟。
解题过程
用线段图,按甲出发时刻分①②③④(①甲出发,②乙出发,③甲到 $A$,④乙到 $A$)。甲从①到④共走 $900$ 米,所花时间为 $9$ 分钟,故甲速 $900\div 9=100$ 米/分。甲从①到③($6$ 分钟)走 $100\times 6=600$ 米,即起点到 $A$ 为 $600$ 米。乙从③到④走 $600-150=450$ 米,用 $3$ 分钟,故乙速 $450\div 3=150$ 米/分。乙从②到③走 $150$ 米,用 $150\div 150=1$ 分钟。所以乙比甲晚出发 $6-1=5$ 分钟。
方法:先由两段已知求出甲、乙速度,再比较两人走相同路程的时间差。
2. 自行车队出发 $12$ 分钟后,通信员骑摩托车去追他们,在距出发点 $9$ 千米处追上了自行车队。摩托车立刻把通信员送回出发地,到出发地后又立即返回去追赶自行车队,再次在距出发点 $18$ 千米处追上。自行车队每分钟行多少千米?摩托车每分钟行多少千米?
★★
追及问题往返追及速度比往返追及送信
答案
自行车队每分钟 $0.5$ 千米;摩托车每分钟 $1.5$ 千米。
解题过程
第一次追上时自行车队已经走了 $9$ 千米,加上出发早的 $12$ 分钟,结合第二次在 $18$ 千米处追上,可列方程分析。由两次追上的位置($9$ 千米、$18$ 千米)与往返关系,得自行车队速度 $9\div(12+6)=0.5$ 千米/分;摩托车速度 $0.5\times 3=1.5$ 千米/分。
方法:由两次追上的距离与时间关系列式,求自行车队与摩托车速度。
3. 乌龟和兔子进行 $10000$ 米赛跑,兔子的速度是乌龟的速度的 $5$ 倍。当它们从起点一起出发后,乌龟不停地跑,兔子跑到某一地点开始睡觉。兔子醒来时发现乌龟已经领先它 $5000$ 米,于是奋起直追,当乌龟到达终点时,兔子仍落后 $100$ 米。请问:兔子睡觉期间,乌龟跑了多少米?
★★
龟兔赛跑速度倍数追及与休息龟兔赛跑追及
答案
$8020$ 米。
解题过程
乌龟跑完全程 $10000$ 米到达终点时,兔子跑了 $10000-100=9900$ 米。兔子在不睡觉(即奔跑)时的速度是乌龟的 $5$ 倍,所以兔子奔跑时间内乌龟跑的路程是兔子的 $\dfrac{1}{5}$,即乌龟在“兔子奔跑”这段时间共跑了 $9900\div 5=1980$ 米。因此兔子睡觉期间乌龟跑的路程为 $10000-1980=8020$ 米。
方法:把兔子睡觉时间折算成路程,分段比较龟兔行程,求终点时落后距离。
4. 一天,萱萱到离自己家 $4000$ 米的表哥家去玩。早晨 $7$ 点 $20$ 分时,萱萱从家出发向表哥家走去,每分钟行 $60$ 米,同时表哥骑车从家出发来接她。表哥到萱萱家后才发现萱萱已经走了,又立即返回去追,表哥骑车每分钟行 $260$ 米。当表哥追上萱萱后,带着她一起回表哥家。已知带人回家时骑车速度为每分钟 $175$ 米,请问:当他们到达表哥家时还差几分钟就到 $8$ 点?
★★
迎接相遇分段计时变速返回接送相遇计时
答案
$4$ 分钟。
解题过程
表哥与萱萱同向,速度差 $260-60=200$ 米/分。表哥从家出发到追上萱萱用 $4000\div 200=20$ 分钟,这 $20$ 分钟萱萱走了 $60\times 20=1200$ 米,此时距表哥家 $4000-1200=2800$ 米。表哥带萱萱以 $175$ 米/分返回,用 $2800\div 175=16$ 分钟。两段共 $20+16=36$ 分钟,$7$ 时 $20$ 分加 $36$ 分钟得 $7$ 时 $56$ 分到达表哥家,离 $8$ 点还差 $60-56=4$ 分钟。
方法:分“相向迎接相遇”和“带回返程”两段分别计时,累加得到达时刻。
5. 甲、乙两车分别从 $A$、$B$ 两地同时出发,相向而行,$12$ 小时后在 $C$ 地相遇。两车不停车继续前进,甲车在相遇后继续行驶 $4$ 小时到达 $B$ 地,然后立即掉头以相同的速度返回 $A$ 地。请问:(1)当甲车再次经过 $C$ 地的时候,乙车还要多少小时才能到达 $A$ 地?(2)如果甲车从 $B$ 地返回的时候不是原速返回,而是变慢了,并且当它经过 $C$ 地的时候,乙车正好到达 $A$ 地,甲车返回的速度是原来速度的多少倍?
★★
相向相遇速度与路段时间变速返回相遇后往返变速
答案
(1)$28$ 小时;(2)$0.125$ 倍。
解题过程
相遇用 $12$ 小时,甲走 $CB$ 段需 $4$ 小时,故甲走相同的 $AC$ 段需 $12$ 小时。(1)甲到 $B$ 再返回经过 $C$ 时,分析线段图,乙车到 $A$ 还需 $28$ 小时。(2)由“乙经过 $C$ 时甲恰回到 $A$”的时间关系列式,得甲返回速度是原速度的 $0.125$ 倍。
方法:用相遇与各段所需时间建立关系,分别求等待时间与返回速度倍数。
6. 某科研单位每天派专车早上 $8$ 点准时到工程师家接他上班,有一天早晨,工程师临时改提前到,于是他没有等专车,步行去单位,步行途中正好遇到来接他的汽车,他马上上车赶到单位,结果发现这天早到了 $30$ 分钟。问:工程师上班这天是几点几分?
★★
接送相遇省时往返时间折半接送相遇求时刻
答案
$7$ 点 $45$ 分。
解题过程
汽车从单位提前出发去接是不可能的,专车仍按平时 $8$ 点准点到工程师家。由于中途接到工程师而少走了一段路(往返这段),早到了 $30$ 分钟,说明省下的往返时间 $30$ 分钟对应汽车从相遇点到工程师家再返回相遇点的时间。汽车单程为 $15$ 分钟,因此工程师是在 $8$ 点前 $15$ 分钟、即专车比平时少走 $15$ 分钟的相遇点上车;由相遇点距离与步行时间推算,工程师这天 $7$ 点 $45$ 分出门(上车)。
方法:由早到时间求出汽车省下的往返时间,得单程时间,再定出相遇时刻。
7. 快车和慢车分别从甲、乙两地同时开出,相向而行,经过 $4$ 小时在途中相遇。相遇后两车继续向前行驶,慢车到达甲地后停留 $1$ 小时再返回乙地,快车到达乙地后停留 $2.5$ 小时再返回甲地。已知慢车从乙地到甲地用了 $12$ 小时,那么两车从第一次相遇到第二次相遇需要多长时间?
★★
相向相遇与追及速度比多次相遇相遇追及综合
答案
$10$ 小时。
解题过程
相遇用 $4$ 小时,慢车走完全程 $12$ 小时,故慢车速度为全程的 $\frac{1}{12}$。由相遇、追及、返回各段的时间关系,结合速度比,画线段图分析两车第二次相遇的时刻,求得从第一次相遇到第二次相遇需 $10$ 小时。
方法:由各段时间求速度比,借助线段图定位第二次相遇时刻。
8. 甲、乙两车分别从相距 $900$ 千米的 $A$、$B$ 两地同时出发,在 $A$、$B$ 之间不断往返行驶,已知甲车的速度是每小时 $25$ 千米,乙车的速度是每小时 $20$ 千米。请问:(1)甲、乙两车第二次迎面相遇是在出发后多长时间?(2)第二次迎面相遇后又经过多长时间甲、乙两车第三次相遇?(3)甲车第一次从后面追上乙车是在出发后多长时间?
★★
往返迎面与追及路程和与路程差往返相遇追及计时
答案
(1)$60$ 小时;(2)$40$ 小时;(3)$180$ 小时。
解题过程
全程 $900$ 千米,速度和 $25+20=45$ 千米/时,速度差 $25-20=5$ 千米/时。(1)第二次迎面相遇时两车共走 $3$ 个全程,用时 $900\times 3\div 45=60$ 小时。(2)从第二次到第三次迎面相遇再共走 $2$ 个全程,用时 $900\times 2\div 45=40$ 小时。(3)甲第一次从后面追上乙,路程差为 $1$ 个全程,用时 $900\div 5=180$ 小时。
方法:迎面相遇用速度和、追及用速度差,分别按 $2$ 个全程计时。
9. 甲、乙两车同时从 $A$ 地出发,在相距 $900$ 千米的 $A$、$B$ 两地之间不断往返行驶。已知甲车的速度是每小时 $25$ 千米,乙车的速度是每小时 $20$ 千米。请问:(1)甲车第一次从后面追上乙车是在出发后多长时间?(2)甲车在第一次从后面追上乙车之后又经过多长时间第二次从后面追上乙车?(3)甲、乙两车第二次迎面相遇是在出发后多长时间?
★★
同地出发往返追及速度差
答案
(1)$360$ 小时;(2)$360$ 小时;(3)$80$ 小时。
解题过程
两车同时从 $A$ 出发,速度和 $45$ 千米/时,速度差 $5$ 千米/时。(1)甲第一次从后面追上乙,两车路程差为 $2$ 个全程,用时 $900\times 2\div 5=360$ 小时。(2)此后甲再次从后面追上乙仍需路程差 $2$ 个全程,用时 $900\times 2\div 5=360$ 小时。(3)甲、乙第二次迎面相遇所对应的路程和为 $4$ 个全程,用时 $900\times 4\div 45=80$ 小时。
方法:同地出发时用速度差与全程倍数分别求追及与迎面相遇的时间。
10. $A$、$B$ 两辆汽车分别从甲、乙两地同时出发,在两地间不断往返行驶。汽车在距离甲地 $40$ 千米处第一次迎面相遇,在距离乙地 $10$ 千米处第二次迎面相遇。甲、乙两地之间的路程是多少?
★★
往返迎面相遇分情况讨论求全程两次相遇分类求全程
答案
$65$ 千米或 $55$ 千米。
解题过程
$A$ 车从甲地出发,第一次迎面相遇时 $A$ 走 $40$ 千米。第二次迎面相遇两车共走 $3$ 个全程,$A$ 走 $40\times 3=120$ 千米,对相遇点“距乙地 $10$ 千米”需分两种情况讨论 $A$ 车方向,分别得全程 $65$ 千米或 $55$ 千米。
方法:用第 $n$ 次迎面相遇共走 $(2n-1)$ 个全程列式,分类讨论求全程。
11. 甲、乙两人分别从 $A$、$B$ 两地出发,在 $A$、$B$ 两地之间不断往返行进。当甲走了 $3$ 个来回的时候,乙恰好走了 $5$ 个来回。在甲、乙两人行进的过程中,两人一共相遇多少次?(迎面碰到和追上都算相遇)
★★
往返迎面相遇与追及速度比相遇次数计数往返相遇总次数
答案
$10$ 次。
解题过程
甲走 $3$ 个来回即 $6$ 个全长,乙走 $5$ 个来回即 $10$ 个全长,故甲、乙速度比为 $6:10=3:5$。在这段时间内,两人路程和为 $6+10=16$ 个全长,迎面相遇发生在路程和为奇数个全长时(即 $1,3,5,\cdots,15$),共 $8$ 次;追上发生在路程差为偶数个全长时(路程差最多 $10-6=4$ 个全长,对应 $2,4$ 个全长),共 $2$ 次。注意端点处的重合情形后,合计两人一共相遇 $10$ 次。
方法:用速度比把全程划成份,按路程和(迎面)与路程差(追及)的全长倍数计数。
12. 小明和小娟的速度分别为每分钟 $90$ 米和每分钟 $70$ 米。$8:00$ 他们从 $A$、$B$ 两地同时出发,相向而行。第一次相遇后两人继续前进,分别到达 $B$、$A$ 后返回,同样在途中第二次相遇。第二次相遇地点距离 $A$、$B$ 两站的中点 $450$ 米。请问:(1)从两人同时出发到第二次相遇共经过了多少分钟?(2)$A$、$B$ 两地之间的距离是多少?(3)他们第一次相遇是几点几分?
★★
往返迎面相遇路程和定位相遇点求全程与时刻两次相遇求全程时刻
答案
(1)$45$ 分钟;(2)$2400$ 米;(3)$8$ 时 $15$ 分。
解题过程
速度和 $90+70=160$ 米/分。第二次迎面相遇时两人共走 $3$ 个全程。设全程 $L$,则总时间 $3L\div 160$,小明共走 $90\times\dfrac{3L}{160}$。由第二次相遇点距中点 $450$ 米定出 $L=2400$ 米。于是总时间 $3\times 2400\div 160=45$ 分钟;第一次相遇用 $2400\div 160=15$ 分钟,故第一次相遇为 $8$ 时 $15$ 分。
方法:用速度和与“共走 3 个全程”定位第二次相遇点,列式求全程、时间与时刻。
13. 甲、乙两车分别从 $A$、$B$ 两地同时出发,在 $A$、$B$ 两地间不断地往返行驶,已知甲车的速度是每小时 $15$ 千米,乙车的速度是每小时 $35$ 千米,并且甲、乙两车第三次相遇(两车同时到达同一地点也称为相遇,这里第一次为迎面相遇)的地点与第四次相遇的地点恰好相距 $100$ 千米。求 $A$、$B$ 两地之间的距离是多少千米?
★★
往返迎面相遇速度比定位相遇点相邻相遇点距离相邻相遇点距离求全程
答案
$250$ 千米。
解题过程
速度比甲:乙 $=15:35=3:7$,速度和 $50$ 千米/时。设全程为 $1$ 个全长(分成 $10$ 份,甲占 $3$ 份、乙占 $7$ 份)。各次迎面相遇时两车共走的全程数依次为 $1,3,5,7,\cdots$,相应相遇点在往返折线上周期出现。由第三次与第四次相遇地点相距 $100$ 千米,对应相邻两相遇点相差的份数,求得每份长度后再乘 $10$,解得全程 $L=250$ 千米。
方法:用速度比把全程分份,求相邻两次相遇点位置之差,列式解全程。
14. 某人从甲地走往乙地,甲、乙两地之间有定时的公共汽车往返,而且两地发车的时间间隔相等。他发现每隔 $6$ 分钟开过来一辆去甲地的公共汽车,每隔 $12$ 分钟开过去一辆去乙地的公共汽车。问:公共汽车每隔多少分钟从甲、乙的始发站发车?
★★
公交(流水)间隔和差问题迎面与追及间隔公交发车间隔
答案
$8$ 分钟。
解题过程
设此人步行速度为行人速度,迎面 $6$ 分钟一辆、追面(同向超过)$12$ 分钟一辆。设发车间隔为 $T$,相邻两车间隔距离一定。由迎面间隔 $6$ 与追及间隔 $12$,得汽车与行人速度差为 $1$ 份/分,再由和差公式得汽车速度 $(2+1)\div 2=1.5$ 份/分,最后据“时间 $=$ 路程 $\div$ 速度”得发车间隔 $12\div 1.5=8$ 分钟。
方法:由迎面、追及间隔分别表示相对速度,用和差求车速,再求发车间隔。
超越篇
1. 每天早上 $7{:}30$ 王经理都从家出发,乘坐司机开的车前往公司,$8{:}00$ 准时到达。然后司机开车原速返回王经理家。一天早上,王经理想要锻炼一下,因此中途下车走到公司,结果 $9{:}00$ 才到,而司机 $8{:}10$ 就已经回到王经理家中。请问:(1)车速是王经理步行速度的几倍?(2)如果第二天,王经理仍然中途下车,但是下车地点比前一天距离公司要近一些,结果 $8{:}30$ 就赶到了公司,司机回到王经理家应该是几点几分?
★★★★
接送相遇省时往返时间折算速度比接送相遇求时刻
答案
(1)$7$ 倍;(2)$8$ 点 $20$ 分。
解题过程
记家为 $A$,下车点为 $B$,公司为 $D$。平时开车 $A(7{:}30)$ 到 $D(8{:}00)$ 需 $30$ 分钟。第一天开车从 $A(7{:}30)$ 到 $B$ 再返回 $A(8{:}10)$ 共 $40$ 分钟,故开车 $A$ 到 $B$ 需 $20$ 分钟。王经理第一天 $7{:}50$ 在 $B$ 下车,$9{:}00$ 才步行到公司 $D$,步行 $BD$ 用 $70$ 分钟。而开车走 $BD$ 段只需 $30-20=10$ 分钟,所以(1)车速是步行速度的 $70\div 10=7$ 倍。(2)第二天王经理仍中途下车,$8{:}30$ 到公司。由相同的速度关系,第二天王经理比平时多用的时间换算后,汽车第二天在途中共花 $60-10=50$ 分钟,故司机回到王经理家应该是 $8{:}20$。
方法:用相遇点把汽车省下的往返路程折算成时间,再推算各时刻。
2. 一辆大客车与一辆小轿车从甲地驶往乙地,大客车的速度是小轿车速度的 $0.8$ 倍,已知大客车比小轿车早出发 $17$ 分钟,但在两地中点处停留了 $5$ 分钟,然后继续驶往乙地。小轿车出发后中途没有停留,直接驶往乙地,结果小轿车比大客车早 $4$ 分钟到达乙地。已知大客车是上午 $10$ 点从甲地出发的,求小轿车追上大客车的时间。
★★★★
速度比与时间比分段行程追及定位中途停留追及
答案
$11$ 时 $05$ 分。
解题过程
大客车速度是小轿车的 $0.8$ 倍,故两车速度比为 $4:5$,走相同路程时间比为 $5:4$。大客车比小轿车早出发 $17$ 分钟、中点停留 $5$ 分钟,却仍比小轿车晚到乙地 $4$ 分钟。设小轿车走半程用 $4$ 份时间、大客车用 $5$ 份时间,由各段时间关系算得:大客车 $10$ 时出发,$10$ 时 $40$ 分到中点,停留至 $10$ 时 $45$ 分继续;小轿车 $10$ 时 $17$ 分出发,$10$ 时 $49$ 分到中点。此时大客车在小轿车前方,按速度差追及,$16\div(5-4)=16$ 分钟后追上,即小轿车追上大客车的时间为 $11$ 时 $05$ 分。
方法:用速度比把全程分段,结合早发、停留、早到时间逐段比较两车时刻求追及。
3. $A$、$B$ 两地间相距 $950$ 米,甲、乙两人同时从 $A$ 地出发,并在 $A$、$B$ 两地间往返行进,共行进了 $40$ 分钟,甲行进速度是每分 $40$ 米,乙跑步速度是每分钟 $150$ 米。那么甲、乙两人第几次迎面相遇时距 $B$ 地最近,距离是多少米?
★★★★
往返迎面相遇相遇点位置比较路程和规律多次相遇点位置比较
答案
第二次迎面相遇时距 $B$ 地最近,距离为 $150$ 米。
解题过程
甲、乙都从 $A$ 出发,速度和 $40+150=190$ 米/分。两人第一次迎面相遇时共走 $2$ 个全长,以后每次再共走 $2$ 个全长,故各次迎面相遇时甲走的路程分别为 $40\times 10=400$、$40\times 20=800$、$40\times 30=1200$、$40\times 40=1600$ 米(对应相遇时刻第 $10$、$20$、$30$、$40$ 分钟)。各相遇点距 $B$ 地的距离为 $950-400=550$、$950-800=150$、$1200-950=250$、$1600-950=650$ 米。其中最近的是第二次迎面相遇,距 $B$ 地 $150$ 米。
方法:列出各次迎面相遇时两人共走的全程数,定位相遇点,比较距 B 地距离。
4. 甲、乙两车分别从 $A$、$B$ 两地同时出发,在 $A$、$B$ 两地间不断地往返行驶,甲车每小时行 $20$ 千米,乙车每小时行 $50$ 千米,两车第 $10$ 次与第 $18$ 次迎面相遇的地点相距 $60$ 千米,问:$A$、$B$ 的路程是多少千米?
★★★★
往返迎面相遇速度比定位相遇点相遇点周期多次相遇求全程
答案
$105$ 千米。
解题过程
甲、乙速度比 $20:50=2:5$,速度和 $70$ 千米/时。各次迎面相遇时两车共走的全程数依次为 $1,3,5,\cdots$,对应相遇点在往返折线上周期出现。第 $10$ 次与第 $18$ 次迎面相遇地点相距 $4$ 份路程,由“相距 $60$ 千米对应 $4$ 份”得每份 $15$ 千米,结合 $7$ 份为一个全程,得 $A$、$B$ 两地距离 $15\times 7=105$ 千米。
方法:用速度比把全程分 $7$ 份,求第 10 与第 18 次相遇点的份数差,再求全程。
5. 小明家在颐和园,如果他骑车到人大附中,每隔 $3$ 分钟能见到一辆 $332$ 路公共汽车迎面开来;如果他步行到人大附中,每隔 $4$ 分钟能见到一辆 $332$ 路公共汽车迎面开来。已知任意两辆 $332$ 路汽车的发车间隔都是一样的,并且小明骑车速度是小明步行速度的 $3$ 倍。请问:如果小明坐 $332$ 路汽车到人大附中,每隔多少分钟能见到一辆 $332$ 路公共汽车迎面开来?
★★★★
公交(电车)迎面间隔速度比间隔距离不变公交迎面间隔进阶
答案
$2.4$ 分钟。
解题过程
设小明步行速度为 $1$ 份,骑车速度为 $3$ 份,$332$ 路汽车速度为 $v$ 份,两辆汽车的间隔距离一定。由迎面相遇间隔距离 $\div$ 速度和:骑车时(小明骑车速度 $+$ 汽车速度)$=$ 间隔距离 $\div 3$;步行时(小明步行速度 $+$ 汽车速度)$=$ 间隔距离 $\div 4$。两式相除消去间隔距离,解得汽车速度为 $9$ 份。坐车时(人随车而行)见迎面车的间隔 $=$ 间隔距离 $\div(2v)=$ 间隔距离 $\div 18$,与步行式比较得 $2.4$ 分钟。
方法:设速度份数,利用“间隔距离不变”由两种迎面间隔列比例求汽车速度,再求坐车时迎面间隔。
6. 甲、乙两人分别从 $A$、$B$ 两地出发,在 $A$、$B$ 两地之间不断往返行进。当甲第 $3$ 次到达 $B$ 地的时候,乙恰好第 $5$ 次回到了 $B$ 地。请问:在甲、乙两人行进的过程中,两人一共相遇了多少次?(迎面相遇和追上都算相遇)
★★★★
往返迎面相遇与追及速度比相遇次数列表计数往返相遇总次数
答案
$8$ 次。
解题过程
由“甲第 $3$ 次到 $B$ 时乙第 $5$ 次到 $A$”确定甲、乙速度比。列表统计在这段时间内甲、乙各自所在的全长位置,分别数出迎面相遇与追上的次数;注意追上点都发生在 $B$ 地、与迎面相遇相互重合需去重,最终相遇次数为 $8+3-3=8$ 次。
方法:由到达次数定速度比,列表统计迎面与追上次数并去重。
7. 从电车总站每隔一定时间开出一辆电车,甲和乙两人在一条街上沿着同一方向步行,甲每分钟步行 $82$ 米,每隔 $16$ 分钟迎面开来一辆电车;乙每分钟步行 $60$ 米,每隔 $10$ 分钟迎面开来一辆电车。问:电车总站每隔多少分钟开出一辆电车?
★★★★
电车迎面间隔路程和与车距和差求速度电车发车间隔进阶
答案
$11$ 分钟。
解题过程
甲每两次迎面遇上电车,与电车所走的路程和是车距;乙每两次迎面遇上电车,与电车所走的路程和也是车距。因此一个间隔之间甲比乙多走的路程正好是电车多行的路程,一个间隔之间甲比乙多走的路程是 $82\times 10-60\times 10.25=205$ 米,与乙相遇的电车比与甲相遇的多行了 $15$ 秒,因此电车速度是 $205\times 4=820$ 米/分,车距为 $(820+82)\times 10=9020$ 米,电车发车间隔为 $9020\div 820=11$ 分钟。
方法:用两人迎面间隔分别表示车距,比较多走路程求电车速度与车距,再求发车间隔。
8. $A$、$B$ 两地相距 $22.4$ 千米,有一支游行队伍从 $A$ 地出发,向 $B$ 地匀速前进,当游行队伍队尾离开 $A$ 地时,甲、乙两人分别从 $A$、$B$ 两地同时出发,乙向 $A$ 地步行,甲骑车先追向队头,追上队头后又立即骑向队尾,到达队尾后再立即追向队头,追上队头后又立即骑向队尾……当甲第 $5$ 次追上队头时恰与乙相遇在距 $B$ 地 $5.6$ 千米处,当甲第 $7$ 次追上队头时,甲恰好第一次到达 $B$ 地,求此时乙离 $A$ 地的距离。
★★★★
队伍送信往返速度比往返路程累加队列送信往返
答案
$14.4$ 千米。
解题过程
设队伍速度与甲(通信员)速度。甲在队伍中“队尾→队头→队尾”一个完整来回,对应队伍前进一段固定距离,由题中“甲第 $5$ 次追上队头时与乙相遇在距 $B$ 地 $5.6$ 千米处、第 $7$ 次追上队头时甲恰好第一次到达 $B$ 地”可建立甲、乙、队伍三者的路程比例关系。算得甲第 $5$ 次追上队头时实际行进路程约 $5.6\times 7=39.2$ 千米,乙的速度是甲的若干倍;当甲第 $7$ 次追上队头第一次到达 $B$ 地时,乙共走了 $8$ 千米,因此乙距 $A$ 地 $22.4-8=14.4$ 千米。
方法:由第一次往返路程求队伍与通信员速度比,再按往返累加求各次回到队尾的位置。
第20讲 幻方与数阵图扩展
兴趣篇
1. 把 $1\sim9$ 这 9 个数分别填入图 20-1 中的 9 个○内,使得三个圆周及三条线段上 3 个数之和都相等。
★★
数阵图重数分析三阶幻方变形圆周线段数阵图
答案
答案不唯一。每部分的和为 15,例如最外圈顶点为 4、3、8(自上而下),三个圆周与三条线段上各 3 个数之和都等于 15。
解题过程
全部数字之和 $=1+2+\cdots+9=45$,每一个圆圈都被算了 2 次,则三个圆周与三条线段上数字和的总和等于全部数字之和的 2 倍,即 $45\times2=90$,于是每部分的和为 $90\div6=15$。注意到 $15=1+5+9=1+6+8=2+4+9=2+5+8=2+6+7=3+4+8=3+5+7=4+5+6$,可发现 $1$、$3$、$7$、$9$ 只出现 2 次,优先放在交点处。本题实际上是基本三阶幻方 $\begin{matrix}8&1&6\\3&5&7\\4&9&2\end{matrix}$ 的变形(横行对应圆圈、竖行对应直线),按此可填出符合要求的一种填法。
方法:用总和的 2 倍除以部分数求出每部分的和,再借助三阶幻方结构试填。
2. (1)如图 20-2,在 $3\times3$ 的方格表的每个空格中填入恰当的数,使得每行、每列、每条对角线上的各数之和都相等。(2)如图 20-3,在 $4\times4$ 的方格表的每个空格中填入恰当的数,使得每行、每列、每条对角线上的各数之和都相等。
★★
三阶幻方四阶幻方幻和补全幻方
答案
(1)$\begin{matrix}16&9&14\\11&13&15\\12&17&10\end{matrix}$(幻和 39);(2)$\begin{matrix}1&14&7&12\\15&4&9&6\\10&5&16&3\\8&11&2&13\end{matrix}$(幻和 34)。
解题过程
(1)幻和等于 $16+11+12=39$。第二行已知 11 和 15,中间的数为 $39-11-15=13$;此时两条对角线都可填出:$39-12-13=14$,$39-16-13=10$;第一行与第三行也可填出:$39-16-14=9$,$39-12-10=17$。(2)幻和等于 $8+5+9+12=34$。第二列与第三列可填出:$34-4-5-11=14$,$34-7-9-16=2$;再逐行、逐列填出其余各数,得到完整的四阶幻方。
方法:先由已知确定幻和,再利用每行、每列、对角线之和相等逐格补出。
3. 在图 20-4 所示的 $3\times4$ 方格表的每个空格中填入恰当的数后,可以使各行、各列的各数之和都相等,那么标有符号"$*$"的方格内所填的数是多少?
★★
行列和相等整体求和方格表填数
答案
$1$。
解题过程
第一列的和等于 $2+3+7=12$,全部数字之和等于 $12\times4=48$,每行的和等于 $48\div3=16$。第一行已经填了 $2$、$4$、$5$,则最后一个是 $16-2-4-5=5$,从而标有"$*$"的格内的数是 $12-5-6=1$。
方法:由一列求出每列和(即总和的一份),再用每行和倒推出目标格。
4. 如图 20-5,请在空格中填入适当的数,组成一个三阶幻方。
★★
三阶幻方去公共部分比较直线和幻和补全三阶幻方
答案
$\begin{matrix}19&12&14\\10&15&20\\16&18&11\end{matrix}$(幻和 45)。
解题过程
幻方有一个基本性质:有公共部分的两条直线,去掉公共部分后,每条直线剩下的数之和相等。设方格为 $\begin{matrix}B&12&C\\D&15&E\\16&A&11\end{matrix}$。考察 16 和 15 所在的对角线与第三列,它们有公共方格 $C$,所以 $E$ 与 11 的和应等于 16 与 15 的和,从而 $E=16+15-11=20$;再考察第二行与第三列,同理 $B=15+20-16=19$。因此幻和等于 $19+15+11=45$,再依次填出其余各格,最终得 $\begin{matrix}19&12&14\\10&15&20\\16&18&11\end{matrix}$。
方法:利用"去掉公共方格后两直线剩余之和相等"的性质逐格推出。
5. 请将 $1\sim16$ 这 16 个数分别填入图 20-6 的方格中(有些数已填好),使得每行、每列及两条对角线上的各数之和都相等。
★★
四阶幻方幻和整体求和补全四阶幻方
答案
$\begin{matrix}3&16&5&10\\6&9&4&15\\12&7&14&1\\13&2&11&8\end{matrix}$(幻和 34)。
解题过程
全部数之和为 $$\begin{aligned}1+2+3+\cdots+16&=(1+16)\times16\div2\\&=136\end{aligned}$$,是 4 倍的幻和,因此幻和为 $136\div4=34$。那么 $C=34-3-12-13=6$,$B=34-4-7-13=10$,$A=34-3-16-10=5$,再依次填出其余空格,得到完整的四阶幻方。
方法:由全部数之和等于 4 倍幻和求出幻和,再逐行逐列补全。
6. 请将图 20-7 所示的 $5\times5$ 方格表补充完整,使得每个方格内都有一个数字,并且具有如下的性质:方格表中每行、每列和每条对角线的 5 个方格内所填的 5 个数中,$1$、$2$、$3$、$4$、$5$ 恰各出现一次。请问:标有符号"$\triangle$"、"$\bigtriangledown$"和"$\bigcirc$"的方格中所填的数分别是什么?
★★
拉丁方唯一性推理行列对角线限制拉丁方填数
答案
$\triangle=5$,$\bigtriangledown=5$,$\bigcirc=4$。
解题过程
给方格标上字母。方格 $A$ 所在的行已经有 $5$、$2$,所在的列已经有 $1$、$3$,则方格 $A$ 中只能填 $4$。第三列已经有 $1$、$4$、$3$,从而 $B$ 还剩 $2$ 和 $5$,但由于 $5$ 和 $B$ 在同一条对角线上,所以 $B$ 只能填 $2$,因此标有"$\triangle$"的方格中填 $5$。再考虑 $D$,它和 $2$、$4$、$5$ 共对角线,又和 $1$ 同行,它只能填 $3$;从而 $C$ 填 $1$,$F$ 填 $5$,逐步将所有数填出,所以标有"$\bigtriangledown$"的方格中填 $5$,标有"$\bigcirc$"的方格中填 $4$。
方法:按行、列、对角线中数字不重复的限制逐格排除推理。
7. 将 $4$、$6$、$8$、$9$、$10$、$12$、$13$、$14$、$17$ 这 9 个数分别填入图 20-8 中的○内(有些数已填好),使得每条直线上的数之和都相等。
★★
数阵图去公共部分比较直线和方阵带对角线数阵图
答案
$\begin{matrix}10&12&9\\4&13&14\\17&6&8\end{matrix}$(每条直线和为 31)。
解题过程
数阵图有一个性质:有公共部分的两条直线,去掉公共部分后,每条直线剩下的数之和相等。考察第二行与第二列,可知 $B=4+14-6=12$,此时还剩 $8$、$9$、$10$、$13$、$17$ 这 5 个数。考察第三行与第一列,可知 $A+4=6+F$,得 $A-F=2$,发现只有 $A=10$、$F=8$ 符合,再逐步填出全部,得每条直线和为 $31$。
方法:用去公共方格后两直线剩余和相等的性质建立等量关系求解。
8. 请在图 20-9 所示的 8 个○内,分别填入 $1\sim8$ 这 8 个数,使得图中用线段连结的两个○内所填的数之差(大减小)恰好是 $1$、$2$、$3$、$4$、$5$、$6$、$7$。
★★
差为定值的数阵从极端值入手对称性差数阵图
答案
答案不唯一。一种填法:左中心○填 1,与它相连的三个○填 8、7、6;右中心○填 5,与它相连的三个○填 2、4、3(即左半为 8-1、7-1、6-1,中间 5-1,右半为 5-2、5-4、5-3,差恰为 $1\sim7$)。
解题过程
差等于 $1$、$2$、$3$、$4$、$5$、$6$ 的数有多种情况,但是差等于 $7$ 的两个数只有 $1$ 和 $8$,因此从 $1$ 和 $8$ 的位置开始考虑。根据对称性,只需考虑两种情况:$8$ 填在外面的 6 个圆圈上,或者 $8$ 填在中间的 2 个圆圈上。给圆圈标上字母后逐一尝试,可得到满足要求的填法。
方法:先确定差为 7 的只能是 1 和 8,从这两个端点出发分类试填。
9. 将 $1\sim5$ 这 5 个数分别填入图 20-10 中的○内,使得横线、竖线、大圆周上所填数之和都相等。
★★
数阵图重数分析中心数确定十字圆周数阵图
答案
中心填 5,上、下、左、右分别填 3、2、1、4(横线 $1+5+4=10$,竖线 $3+5+2=10$,大圆周 $3+1+2+4=10$)。
解题过程
全部数字之和等于 $1+2+3+4+5=15$,而每一个圆圈在横线和竖线统计中被重复算了,则横线上的数字和、竖线上的数字和与圆周上的数字和加起来等于全部数字之和的 2 倍,即 $15\times2=30$,每部分的和为 $30\div3=10$。中心圆圈在横线和竖线中各被算一次,由 $15-10=5$ 可定中心填 5,再让横线两端、竖线两端各凑成 $10-5=5$ 的搭配,得到一种填法。
方法:用总和 2 倍除以 3 求每条线之和,再确定中心数后配对。
10. 将 $0\sim9$ 这 10 个数分别填入图 20-11 的 10 块区域中(阴影区域除外),使得每个圆内的 3 个数之和都相等。请问:这个和最小是多少?最大是多少?
★★
重数分析最大最小问题重叠区域计数重叠圆区域数阵最值
答案
最小是 $11$;最大是 $16$。
解题过程
先给每块区域标上字母,5 个圆都加起来时,外层 5 块区域($A$、$C$、$E$、$G$、$M$)各算 1 次,相邻重叠的 5 块区域($B$、$D$、$F$、$H$、$N$)各算 2 次。要使每个圆的和最小,应使被算 2 次的 5 块填上最小的 $0$、$1$、$2$、$3$、$4$,此时 5 个圆的和等于 $(5+6+7+8+9)+(0+1+2+3+4)\times2=55$,每个圆的和为 $55\div5=11$。要使和最大,则把被算 2 次的 5 块填上最大的 $5$、$6$、$7$、$8$、$9$,同理算得每个圆的和为 16。
方法:区分被算 1 次与 2 次的区域,通过控制高重数区域的数值取得最大、最小。
拓展篇
1. 将 $1\sim25$ 这 25 个数分别填入图 20-12 中的各个方格中(有些数已填好),使得每行、每列及两条对角线上的各数之和都相等。那么标有符号"$*$"的方格内所填的数是多少?
★★
五阶幻方幻和去公共部分推理补全五阶幻方
答案
$4$。完整方阵为 $\begin{matrix}20&22&4&6&13\\9&11&18&25&2\\23&5&7&14&16\\12&19&21&3&10\\1&8&15&17&24\end{matrix}$。
解题过程
全部数之和 $1+2+\cdots+25=325$,全部数之和等于幻和的 5 倍,所以每行、每列及两条对角线上的数之和都等于 $325\div5=65$。第 1 列已填 $20$、$9$、$23$、$12$,则剩下的一个方格等于 $65-20-9-23-12=1$。依次再利用各行、各列、对角线把其余空格填出。第 3 列已填 $18$、$7$、$21$、$15$,则"$*$"所填的数为 $65-18-7-21-15=4$。
方法:由总和等于 5 倍幻和定出幻和 65,再逐行逐列对角线倒推。
2. 请在图 20-13 的每个空格内填入一个合适的数,使得每行、每列及两条对角线上的各数之和都相等。
★★
三阶幻方去公共部分比较直线和补全三阶幻方
答案
左图 $\begin{matrix}24&171&105\\181&100&19\\95&29&176\end{matrix}$;右图 $\begin{matrix}5&12&7\\10&8&6\\9&4&11\end{matrix}$(幻和 24)。
解题过程
利用幻方的基本性质:有公共部分的两条直线,去掉公共部分后剩下的数之和相等。第二行已知 $100$ 和 $19$;另一个已知数是 $95$,它在第一列上,可发现第一列与第二行有一个公共的方格,于是第一行第一个数等于 $100+19-95=24$。类似地,比较第三列与一条对角线,可求出第三行第三个数等于 $100+95-19=176$。再依次填出其余各格,便得两图的填法。
方法:用去公共方格的两直线剩余和相等的性质建立关系,逐格填出。
3. (1)请在图 20-14 的每个空格内填入一个合适的数,使得每行、每列及两条对角线上的各数之和都等于 $19.95$。那么,标有"$*$"的方格内所填的数是多少?(2)请在图 20-15 的每个空格内填入一个合适的数,使得每行、每列及两条对角线上的各数之和都相等。
★★
三阶幻方中心数等于幻和的三分之一小数填数三阶幻方求指定格
答案
(1)$*=11.12$;(2)$\begin{matrix}27&17&31\\29&25&21\\19&33&23\end{matrix}$(中心 25,幻和 75)。
解题过程
(1)由题意知幻和 $=19.95$,根据"三阶幻方的幻和等于中心数的 3 倍",得中心数 $=19.95\div3=6.65$(位于第二列中间)。这样第二列已知中心数 $6.65$ 与底部的 $8.80$ 两个数,于是第二列第一个数 $=19.95-6.65-8.80=4.50$,再由第一行的 $4.33$ 与 $4.50$,得"$*$"处就是 $19.95-4.33-4.50=11.12$。(2)已知 $17$、$29$、$19$ 等数,比较第一行与第一列得第一行第三个数 $=29+19-17=31$,再用对角线与各行各列依次填出,中心数 $=75\div3=25$,得到完整幻方。
方法:由幻和定中心数(幻和的三分之一),再逐格推算出目标格。
4. 如图 20-16,大正方形的 4 个角上已填入 4 个数,4 个数之和是 $264$。奇妙的是,把这个图倒过来看,大正方形 4 个角上的数之和仍然是 $264$。请你在中间的小正方形的 4 个角的○里,填入另外 4 个数,使得每条对角线上的 4 个数正看和倒看时,其和都是 $264$;而且小正方形角上的 4 个数正看和倒看时,其和也都是 $264$。
★★
对称(倒置)数字和不变的填数1689 旋转性质倒置和不变数阵
答案
答案不唯一。如内层四角(左上、右上、左下、右下)依次填 $81$、$69$、$18$、$96$(外角为 $19$、$91$、$86$、$68$),正看、倒看每条对角线 4 数之和及小正方形 4 角之和都为 $264$。
解题过程
仔细观察图中已经填出的数可发现,这些两位数都是由 $1$、$6$、$8$、$9$ 组成的,而且这 4 个数字在个位与十位上分别各出现一次,因此 $$\begin{aligned}\text{4 个角上的数之和}&=(1+6+8+9)\times10+(1+6+8+9)\\&=240+24\\&=264\end{aligned}$$,恰好满足要求。又因为 $1$、$6$、$8$、$9$ 倒过来看仍是数字(且 $6$ 与 $9$ 互换),所以这些数倒看后各位数字依然是 $1$、$6$、$8$、$9$ 的某个排列,和仍为 $264$。据此让中间四角也用 $1$、$6$、$8$、$9$ 组成、个位与十位各用一次的两位数,并保证正看、倒看每条对角线 4 数之和都为 $264$,即可填出如答案所示的一组数(也存在另一组对称解)。
方法:利用 1、6、8、9 倒置仍为数字且 6、9 互换的特点构造和恒为 264 的填法。
5. 将 $1$、$2$、$3$、$5$、$6$、$7$、$9$、$10$、$11$ 这 9 个数分别填入图 20-17 中的○内($1$、$3$、$9$ 已填好),使得每条直线上各数之和都相等。
★★
数阵图去公共部分比较直线和菱形圆周数阵图
答案
一种填法:顶 10,上层 3、1,中层 5、6、7,下层 11、9,底 2(中心填 6)。
解题过程
先看左上与右上的两条直线,去掉公共圆圈后,$3$ 与左边数字之和等于 $1$ 与右边数字之和,因此右边的数比左边的数大 $2$。在条件给出的数中,相差 2 的有 $5$ 和 $7$、$9$ 和 $11$ 等,结合已填好的 $1$、$3$、$9$ 的位置逐步确定其余数的位置;再看左下与上面数的和等于 $9$ 与下面数的和,类似地继续推算,便得到一种满足每条直线和都相等的填法(中心圆圈填 6)。
方法:用去公共圆圈后两直线剩余之和相等推出各数差,再据已知数定位。
6. 请将 $1\sim9$ 这 9 个数分别填入图 20-18 中的□内,使得所有不等号都成立。那么所有满足要求的填法共有多少种?
★★
不等号填数极值定位计数不等号数阵计数
答案
$2$ 种。
解题过程
给方格标上字母。方格 $A$ 它所在的行已有大于关系,易看出 $A$ 框中的数最大,填 $9$;$H$ 框中的数最小,填 $1$。剩下的 7 个数是 $2$、$3$、$4$、$5$、$6$、$7$、$8$,同理易看出 $B$ 框中的数最大,填 $8$,$G$ 框中的数最小,填 $2$。再剩下 $3$、$4$、$5$、$6$、$7$,可知 $C$ 框中的数最大,填 $7$,$F$ 框中的数最小,填 $3$。还剩下 $4$、$5$、$6$,因此 $E$ 填 $4$,而 $D$、$M$ 可以交换填 $5$、$6$,一共有 $2$ 种填法。
方法:依据不等关系从最大、最小处逐层确定,剩余可交换处计数。
7. 请将 $1\sim10$ 这 10 个数分别填入图 20-19 中的○内($9$ 已经填好),使得除了第一行外每个○内的数都等于与它相连的上方两个○内的两数之差。
★★
差数金字塔从已知数倒推试填差数三角形
答案
答案不唯一。如第一行 $8$、$10$、$1$、$6$,第二行 $2$、$9$、$5$,第三行 $7$、$4$,最底 $3$。
解题过程
图中只给出一个数字 $9$,因此我们从 $9$ 开始分析。$9$ 要表示成两数之差,则它的上面两数只能填 $10$ 和 $1$。图中就会出现 $2$ 个 $1$,不行;由于一定是 $10-2$ 或 $9-1$ 得到的,斜上方不可出现 $1$、$9$、$10$,因此可知第二、三行 $8$、$1$、$5$ 是说 $8$ 只能出现在第一行……据此试填即可得到一种满足要求的填法。
方法:从给定的 9 出发,分析其上方两数只能为 10、1,逐层倒推试填。
8. 在图 20-20 中的 7 个○内各填一个数(两个数已填好),要求每一条直线上的 3 个数,居中的数是旁边两个数的平均数。
★★
平均数关系数阵图对称性平均数数阵图
答案
顶 17,中层 15、16、19,底 13、15、17(每条直线居中数为旁边两数的平均数)。
解题过程
由"中间数是旁边两个数的平均数",得最下面一条直线中间数是 $(13+17)\div2=15$。给图中空白圆圈的数标上字母,由题意得各条直线上中间数等于两端数的平均,逐条建立方程并求解(方法二:图形关于中间直线对称,虚线围成的也是平均数关系),即可填出顶 $17$、中层 $15$、$16$、$19$、底 $13$、$15$、$17$。
方法:利用"居中数为两端平均数"逐条直线建立等量关系求解。
9. 请在图 20-21 中的六块区域内分别填入 $1\sim6$ 这 6 个数,使得对每一个○来说,与它相邻的区域内的数之和都相等。
★★
重数分析区域数阵和相等区域相邻和数阵
答案
一种填法:外圈三块区域填 $4$、$2$、$1$,内圈三块区域填 $3$、$5$、$6$(与每个○相邻的 3 块区域数之和都等于 $14$)。
解题过程
设每个○的相邻区域内的数之和都为 $S$,将大圆上的 3 个○相邻区域的和加起来,每个区域算了 2 次,所以 $S$ 的 3 倍等于全部数字之和的 2 倍。$1+2+3+4+5+6=21$,那么 $S$ 的 3 倍等于 $21\times2=42$,则 $S=42\div3=14$。再由 3 个数的和等于 $14$,只能是 $3$、$5$、$6$,因此三角形内填 $3$、$5$、$6$,则全部区域可以填出。
方法:用相邻和的 3 倍等于总和 2 倍求出每组和,再凑数确定填法。
10. 请将 $1$ 个 $1$,$2$ 个 $2$,$3$ 个 $3$,$\cdots$,$8$ 个 $8$,$9$ 个 $9$ 分别填入图 20-22 中,使得相同的数所在的方格都连在一起(相连的两个方格必须有公共边),现在已经给出了其中 8 个方格中的数,并且知道 $A$、$B$、$C$、$D$、$E$、$F$、$G$ 各不相同,那么,七位数 $\overline{ABCDEFG}$ 是多少?
★★
连通块填数数字个数限制对称性与试填连通区域数字谜
答案
$\overline{ABCDEFG}=6732489$。
解题过程
相同的数所在的方格都连在一起,而只有 2 个 $2$,所以只能 $D=2$。同时发现 $3$ 到 $C$ 最近,且只有 3 个 $3$,所以 $C=3$。但发现只有 5 个 $5$,无论怎么写 $5$,都到不了 $A$、$B$、$E$、$F$、$G$ 的位置,即 $A$、$B$、$E$、$F$、$G$ 均不等于 $5$,所以 $A$、$B$、$E$、$F$、$G$ 只能等于 $4$、$6$、$7$、$8$、$9$ 这 5 个数。根据对称性可知 $A=9$ 或 $G=9$,再逐一尝试连通性(如图判断哪些填法满足连通且各数个数恰好),可知 $A=6$、$B=7$、$C=3$、$D=2$、$E=4$、$F=8$、$G=9$,于是七位数是 $6732489$。
方法:按各数出现次数和连通要求逐格确定,再借对称性与连通性排除。
11. 将数字 $1\sim7$ 这 7 个数分别填入图 20-23 中的小○内,使得每个圆周上的 3 个数之和与每条直线上的 3 个数之和都相等。
★★
重数分析幻和与总和关系整除分析圆周与直线综合数阵
答案
中心填 $4$,外圈三点填 $1$、$6$、$5$,中圈三点填 $7$、$2$、$3$(幻和 $12$)。
解题过程
图中的 2 个圆周和 3 条直线求和时,中心圆圈被加了 3 次,其他圆圈被加了 2 次,因此有 幻和 $\times5=$ 中心数 $\times3+$ 其他数 $\times2=$ 中心数 $+$ 所有数之和 $\times2$。所有数之和为 $1+2+3+4+5+6+7=28$,因此幻和 $\times5=$ 中心数 $+28\times2=$ 中心数 $+56$。幻和 $\times5$ 是 5 的倍数,因此中心数 $+56$ 也是 5 的倍数。在 $1\sim7$ 中,只有 $4+56=60$ 是 5 的倍数,于是中心数只能是 $4$,幻和 $=(4+56)\div5=12$。由此推出每条直线上另外两个数的和是 $8$,逐步填出符合要求的图。
方法:利用幻和×5 = 中心数 + 2×总和,结合整除性定出中心数与幻和。
12. 将 $1\sim9$ 这 9 个数分别填入图 20-24 中的 9 个○内,使 4 个大圆周上的 4 个数之和都等于 $16$。
★★
重数分析重叠圆周数阵和相等多圆周重叠数阵
答案
一种填法:中心填 $1$,上、下、左、右四角与四边按 顶 $9$、$2$、$4$、$6$、$1$、$8$、$7$、$3$、$5$ 排布,使 4 个大圆周上 4 数之和都为 16。
解题过程
4 个圆周求和时,中心圆圈加了 4 次,两个圆周相交位置的圆圈加了 2 次,另外 4 个圆圈只加 1 次。因此,幻和 $\times4=$ 中心数 $\times4+$ 两圆周相交位置的数之和 $\times2+$ 其他数之和。即 $16\times4=$ 中心数 $\times3+$ 所有数之和 $+$ 两圆周相交位置的数之和。设中心数为 $A$,两圆周相交位置的数为 $B$、$C$、$D$、$E$,则 $A\times3+(B+C+D+E)=19$。中心数 $A$ 可取 $1$ 或 $2$:若 $A=1$,则 $B+C+D+E=16$,其余四个圆圈填 $2$、$3$、$4$、$6$;若 $A=2$,则 $B+C+D+E=15$,其余四个圆圈填 $1$、$3$、$4$、$5$。据此凑配 $B$、$C$、$D$、$E$ 并补全其余圆圈,即得使 4 个大圆周和都为 16 的填法(答案不唯一)。
方法:按圆圈被各圆周覆盖的次数列出重数关系,求中心数后凑配其余。
13. 图 20-25 中一共有 10 个方格,现在把 $2\sim11$ 这 10 个自然数分别填到里面,每个方格各填一个。如果要求图中的 3 个 $2\times2$ 的正方形中的 4 个数之和都相等,那么这个和最小可能是多少?请给出一种填法。
★★
重数分析最小值问题整除分析2×2 方块和数阵最值
答案
这个和最小可能是 $24$。一种填法(图 1):上排 $11$、$7$、$5$,中排 $2$、$3$、$4$、$9$,下排 $8$、$10$、$6$。
解题过程
每个 $2\times2$ 的正方形方格都有一个公共的小格,这两个方格的重数为 2,其余方格的重数都是 1。因此有 幻和 $\times3=$ 所有数之和 $+$ 阴影方格中的数之和。$2\sim11$ 的和是 $65$,于是 幻和 $\times3=65+$ 阴影方格中的数之和。要使幻和最小,阴影方格中的数之和就应尽量小。阴影方格最小可填 $2$ 和 $3$,但此时 $65+2+3=70$ 不是 $3$ 的倍数;而大于 $70$ 又是 $3$ 的倍数的最小数是 $72$,因此幻和最小为 $72\div3=24$,两阴影方格中数之和最小为 $72-65=7$,即阴影方格中的数只能是 $3$、$4$ 或者 $2$、$5$。据此给出一种填法。
方法:用幻和×3 = 总和 + 公共格之和,结合 3 的倍数限制取最小幻和。
14. 如图 20-26,大三角形被分成了 9 个小三角形。试将 $1\sim9$ 这 9 个数分别填入这 9 个小三角形内,每个小三角形内填一个数,要求靠近大三角形三条边的每 5 个数相加的和相等。这 5 个数的和最大可能是多少?请给出一种填法。
★★
重数分析最大值问题三角形分块数阵三角形分块和数阵最值
答案
这 5 个数的和最大可能是 $28$。一种填法:顶 $5$,第二层 $1$、$9$、$2$,第三层 $7$、$6$、$3$、$4$、$8$。
解题过程
大三角形有 3 条边,每边 5 个数相加得到一个和,一共有 3 个和。在题图中的 9 个小三角形中,大三角形每边的中间格只在这 3 个和中被计算了一次,其他 6 个三角形都被计算了 2 次。因此有 幻和 $\times3=$ 所有数之和 $+$ 其他格中数之和。所有数之和固定为 $45$,要使每边 5 个数的和最大,则每边中间格的数应该尽量大。取每边中间格为 $3$、$4$、$5$,此时幻和 $\times3=45+(3+4+5)\times2\div\dots$ 经计算每边的和最大可达 $28$,按答案所示填法即满足要求。
方法:区分被算 1 次的中间格与被算 2 次的格,调高低重数格取得最大边和。
超越篇
1. 请在图 20-27 的每个空格内填入一个合适的数,使得每行、每列及两条对角线上的各数之和都相等。
★★★★
三阶幻方去公共部分比较直线和幻和补全三阶幻方
答案
$\begin{matrix}20&17&11\\7&16&25\\21&15&12\end{matrix}$(幻和 48)。
解题过程
设方格为 $\begin{matrix}B&17&11\\7&16&25\\21&15&12\end{matrix}$。考察第二行与第三行,可知 $E=7+21-11=17$,再考察第三行与第三列,可知 $C=21+15-11=25$。还剩一条对角线没填出:由于全部数之和等于幻和的 3 倍,而没填出的对角线之和等于幻和,所以已填出的数的总和等于幻和的 2 倍,因此 $$\begin{aligned}\text{幻和}&=(7+21+15+17+11+25)\div2\\&=96\div2\\&=48\end{aligned}$$(中心数 $16$),其余各数也可以求出,得到 $\begin{matrix}20&17&11\\7&16&25\\21&15&12\end{matrix}$。
方法:用去公共格的两直线剩余和相等推出若干格,再由幻和补全。
2. 图 20-28 是有名的"六角幻方",将 $1\sim19$ 这 19 个自然数分别填入图中的○内,使得每一条直线上○内的各数之和都相等。美国的数学爱好者阿当斯从 $1910$ 年开始,到 $1962$ 年,用了 $52$ 年的时间才找到了解答。现在已经填入了 6 个自然数,请你完成这个"六角幻方"。
★★★★
六角幻方幻和代数设元
答案
每条直线上各数之和都为 $38$。完整解:第一排 $15$、$13$、$10$;第二排 $14$、$8$、$4$、$12$;第三排 $9$、$6$、$5$、$2$、$16$;第四排 $11$、$1$、$7$、$19$;第五排 $18$、$17$、$3$。
解题过程
每一直线上的数的和是 $$\begin{aligned}(1+2+3+\cdots+19)\div5&=190\div5\\&=38\end{aligned}$$。设左上角的数为 $a$,按顺时针方向求得各顶点处的数,如左上、上、右上顶点依次为 $a$、$13$、$25-a$,由相邻直线和都为 38 可推出 $a$ 与 $24-a$ 之间的数是 $38-(a+24-a)=14$,继续逐步填表,剩下的 $3$、$9$、$10$、$15$、$16$、$18$ 填入六个顶点后即得到唯一的六角幻方。
方法:先求每条直线之和 38,设顶点为未知数沿直线逐步推出全部。
3. 在图 20-29 中有 6 个正方形,请你将 $1\sim9$ 这 9 个数分别填入图中 9 个○内,使得每个正方形 4 个顶点上的数字之和都相等。
★★★★
重数分析多正方形顶点和幻和多正方形顶点和数阵
答案
$\begin{matrix}9&2&7\\4&5&6\\3&8&1\end{matrix}$(每个正方形 4 顶点之和都为 $20$,中心 $5$)。
解题过程
将大正方形加 3 次,斜正方形加 2 次,4 个小正方形各加 1 次,一共加了 9 个正方形,每个圆圈都算了 4 次,因此幻和的 9 倍等于全部数字之和的 4 倍。$1+2+\cdots+9=45$,幻和 $=45\times4\div9=20$。大正方形的和是 20,斜正方形的和也是 20,全部数字之和为 45,从而中心圆圈等于 $45-20\times2=5$。中间填 5 后,四个角上的 4 个小三角形的 3 个顶点之和都等于 $20-5=15$,由此逐步填出,得到 $\begin{matrix}9&2&7\\4&5&6\\3&8&1\end{matrix}$。
方法:由各正方形覆盖圆圈次数列出幻和与总和关系,先定中心再补全。
4. 在图 20-30 中的 7 个○内填入一些自然数,要求所填的自然数中最小的一个数是 $1$,并且相邻两个○内的数字之差(大数减小数)恰好等于这两个○之间标出的数字。
★★★★
差为定值的环形数阵设元法最小值约束环形差数阵
答案
答案不唯一。一种填法(沿圆周顺次):$14$、$15$、$13$、$10$、$6$、$1$、$7$,相邻两数之差恰好依次为标注的 $1$、$2$、$3$、$4$、$5$、$6$、$7$。
解题过程
设左上角的数为 $a$,按顺时针方向,依据相邻两○之差等于其间标注的数字,逐个用加减写出各○内的数(如 $a$、$a+1$、$a-1$、$\cdots$ 形式的表达式)。由于要求最小的数是 $1$,把含 $a$ 的最小表达式令为 $1$,解出 $a$,即可定出全部○内的数。验证各相邻差恰为 $1\sim7$,便得到一组填法(答案不唯一)。
方法:设一个○为未知数,沿环用差关系表示其余,再令最小数为 1 求解。
5. 将 $1\sim9$ 这 9 个数分别填入图 20-31 中的 9 个○内,使图中每条直线(图中有 7 条直线)上的○内所填数之和都相等,那么这个和是多少?
★★★★
重数分析整除分析多直线数阵多直线相等数阵
答案
每条直线上的和都等于 $14$。
解题过程
图中有 3 条横线。将这 3 条横线相加,则直线和的 3 倍等于全部数字之和减 $A$($A$ 是唯一不在横线上的○)。全部数字之和为 $1+2+\cdots+9=45$,验证可知,只有当 $A$ 为 $3$、$6$、$9$ 时,全部数字之和减 $A$ 的差除以 $3$ 才能除尽。若 $A=9$,则直线和等于 $(45-9)\div3=12$;再结合其余各斜线对 $B$、$C$、$E$、$F$ 的限制逐一验证,最终只有使每条直线和等于 $14$ 的填法满足全部 7 条直线,故这个和是 $14$。
方法:把若干平行线相加得直线和与总和关系,用整除性筛选确定和。
6. 将 $0\sim9$ 这 10 个数分别填入图 20-32 中的各个○内,使得各阴影三角形的 3 个顶点上的数之和相等。这个和最大是多少?最小是多少?请分别给出使得和最大、最小的填法。
★★★★
重数分析最大最小问题三角形顶点和阴影三角形顶点和最值
答案
最大是 $14$,最小是 $13$。最大填法(图 1):顶 $0$,第二层 $5$、$9$,第三层 $6$、$3$、$2$,第四层 $1$、$7$、$4$、$8$;最小填法(图 2):顶 $9$,第二层 $0$、$4$,第三层 $7$、$6$、$3$,第四层 $1$、$5$、$2$、$8$。
解题过程
仔细观察图形可发现,把各阴影三角形的 3 个顶点之和加起来时,除中心圆圈外的数恰各被算 1 次,而中心圆圈的数不在任何阴影三角形上,因此 和 $\times3=$ 所有数之和 $-$ 中心数。所有数之和 $=0+1+\cdots+9=45$,于是 和 $\times3=45-$ 中心数。要使和最大,中心数应尽量小,但中心数取 $0$、$1$、$2$ 时所余无法构成满足条件的填法,经检验中心数取 $3$ 时 和 $\times3=45-3=42$,和 $=14$ 可填出(图 1);要使和最小,中心数应尽量大,经检验中心数取 $6$ 时 和 $\times3=45-6=39$,和 $=13$ 可填出(图 2)。所以这个和最大是 $14$,最小是 $13$。
方法:建立阴影三角形和的 3 倍与总和、中心数的关系,调中心数取最值。
7. 在图 20-33 中有 11 个空的○,要求把 $1\sim13$ 这 13 个数分别填入各○内(其中 $3$、$4$ 已经填好),使得上面 2 个○内数的和,等于与它相连的下面的○内的数(例如,虚线框中上面 2 个○内的数相加,它们的和应等于相连的下面 1 个○内的数),并且最下面空着的 4 个○内的数之和等于 $43$。
★★★★★
求和金字塔拆数试填求和金字塔数阵
答案
答案不唯一。一种填法:左侧上层 $5$、$1$、$7$,下层 $4$、$6$,再下 $10$、$8$;右侧上层 $3$、$9$、$2$,下层 $11$,再下 $12$、$13$,最底 $43$。最下面 4 个○之和等于 $43$。
解题过程
将 $43$ 拆分成 4 个 $1\sim13$ 内的不同自然数之和的方法有几种,如 $43=13+12+11+7$,$43=13+12+10+8$,$43=13+11+10+9$ 等。如图所示,以 $m$、$n$ 为突破口,首先可以确定 $1$ 或 $2$(因数字 $m$ 框中的数字没有重复,相邻两个○的和写在下面),再逐步确定 $c$、$d$ 是上面 3 个式子中的两个加数,每个圆圈的数字没有重复。试验后得到答案,如答案所示。
方法:由相邻两数之和等于下方数,结合底层 4 数和为 43 拆数试填。
8. 图 20-34 中共有 10 个○,6 条直线。请问:(1)能否将 $1\sim10$ 这 10 个数分别填入图中,使得每条直线上的各数之和都相等?(2)能否将 $0\sim9$ 这 10 个数分别填入图中,使得每条直线上的各数之和都相等?(3)请从 $1\sim11$ 这 11 个数中去掉一个数后,将剩下的 10 个数分别填入图中,使得每条直线上的各数之和都相等。
★★★★★
重数分析整除与奇偶判断存在性论证存在性数阵图
答案
(1)不能;(2)不能;(3)和可以是 $19$、$20$、$21$(分别对应去掉 $9$、$6$、$3$),答案不唯一。例如去掉 $3$ 时每条直线和为 $21$,此时中间两个○填 $10$ 和 $11$,过 $10$ 的三条直线两端点之和都为 $11$(如 $(2,9)$、$(4,7)$、$(5,6)$),过 $11$ 的三条直线两端点之和都为 $10$(如 $(1,9)$、$(2,8)$、$(4,6)$),据此填出即可。
解题过程
(2)全部数字之和为 $0+1+\cdots+9=45$,6 条直线总和等于 $45\times2=90$,每条直线的和为 $90\div6=15$,但每条直线必须由两个○圈与一个端点圈相连,验证奇偶性或位置约束后会出现矛盾,所以不能;(1)同理,$1\sim10$ 之和为 $55$,$55\div6$ 不是整数,每条直线和不为整数,因此不能。(3)由于 6 条直线总和等于留下的 10 个数之和的 2 倍,即每条直线和的 3 倍等于这 10 个数之和,所以留下的 10 个数之和必须是 3 的倍数。$1\sim11$ 之和为 $66$,去掉一个数后为 $66-x$,要被 $3$ 整除只能 $x=3$、$6$、$9$,对应每条直线和分别为 $63\div3=21$、$60\div3=20$、$57\div3=19$。以去掉 $3$、和为 $21$ 为例:上下两条直线和都为 $21$,则中间两个○之和等于 $63-21\times2=21$,只能是 $10$ 和 $11$;再由过 $10$、$11$ 的直线两端点之和分别为 $11$、$10$,并注意 $8$ 个端点互不相同,逐步填出,便得到如答案所示的填法(答案不唯一)。
方法:用 6 条直线和等于总和 2 倍,判断整除性确定可行的直线和并构造。
第21讲 排列组合
兴趣篇
1. 计算:(1)$A_4^2$;(2)$A_{10}^4$;(3)$3\times A_3^3+A_6^3$。
★
排列数计算乘法原理排列数求值
答案
(1)$12$;(2)$5040$;(3)$138$。
解题过程
(1)$$\begin{aligned}A_4^2&=4\times 3\\&=12\end{aligned}$$ (2)$$\begin{aligned}A_{10}^4&=10\times 9\times 8\times 7\\&=5040\end{aligned}$$ (3)$$\begin{aligned}3\times A_3^3+A_6^3&=3\times(3\times 2\times 1)+6\times 5\times 4\\&=18+120\\&=138\end{aligned}$$
方法:按排列数定义 $A_n^m=n(n-1)\cdots(n-m+1)$ 逐项相乘后求值。
2. 卡莉娅、萱萱、墨莫和小高 4 个人站队照一排照相,一共有多少种不同的排列方法?
★
全排列排列数计算全排列计数
答案
$24$ 种。
解题过程
4 个人进行全排列,不同的排法有 $$\begin{aligned}A_4^4&=4\times 3\times 2\times 1\\&=24\end{aligned}$$(种)。
方法:4 人站成一排即 4 个元素的全排列 $A_4^4$。
3. 体育课上,老师从 10 名男生中挑选出 4 人站成一排,一共有多少种不同的排列方法?
★
排列数计算选排列选排列计数
答案
$5040$ 种。
解题过程
从 10 名男生中选出 4 人进行排列,不同的排列方法有 $$\begin{aligned}A_{10}^4&=10\times 9\times 8\times 7\\&=5040\end{aligned}$$(种)。
方法:从 10 个元素中取 4 个排序,即 $A_{10}^4$。
4. 卡莉娅、萱萱、墨莫、小高 4 个人一起乘公共汽车去公园,上车后发现有 8 个空座位,他们一共有多少种不同的坐法?
★★
选排列排列数计算选排列计数
答案
$1680$ 种。
解题过程
相当于从 8 个座位中选出 4 个座位排成一列,让 4 个人依次坐下,有 $$\begin{aligned}A_8^4&=8\times 7\times 6\times 5\\&=1680\end{aligned}$$(种)坐法。
方法:把 8 个空座位看作 8 个元素,选 4 个让 4 人就座并排序,即 $A_8^4$。
5. 用 $1\sim 7$ 这 7 个数字一共能组成多少个没有重复数字的三位数?如果把这些三位数从小到大排起来,312 是其中第几个?
★★
排列数计算排序定位分类计数组数与排序定位
答案
$210$ 个;312 是第 $61$ 个。
解题过程
从 $1\sim 7$ 中先选 3 个数字排成三位数,有 $$\begin{aligned}A_7^3&=7\times 6\times 5\\&=210\end{aligned}$$(个)。再看 312 排在第几个:百位为 1 的三位数有 $A_6^2=30$ 个;百位为 2 的也有 $A_6^2=30$ 个,共 60 个排在 312 之前。接着百位为 3 时,最小的是 312,所以 312 是第 $60+1=61$ 个。
方法:用 $A_7^3$ 求总数;按百位数字分类,统计 312 之前的个数后定位。
6. 计算:(1)$C_5^2$;(2)$C_7^4$;(3)$A_6^3\times C_6^3$。
★
组合数计算排列数计算组合数与排列数的关系组合数求值
答案
(1)$10$;(2)$35$;(3)$2400$。
解题过程
(1)$$\begin{aligned}C_5^2&=A_5^2\div A_2^2\\&=(5\times 4)\div(2\times 1)\\&=10\end{aligned}$$ (2)$$\begin{aligned}C_7^4&=A_7^4\div A_4^4\\&=(7\times 6\times 5\times 4)\div(4\times 3\times 2\times 1)\\&=35\end{aligned}$$ (3)$$\begin{aligned}A_6^3&=6\times 5\times 4\\&=120\end{aligned}$$,$$\begin{aligned}C_6^3&=A_6^3\div A_3^3\\&=120\div 6\\&=20\end{aligned}$$,所以 $A_6^3\times C_6^3=120\times 20=2400$。
方法:用 $C_n^m=A_n^m\div A_m^m$ 计算组合数,再按要求相乘。
7. 如图 21-1 中有 6 个点,任意 3 个点都不在一条直线上。请问:(1)以这些点为端点,一共可以连出多少条线段?(2)以这些点为顶点,一共可以连出多少个三角形?
★★
组合数计算几何计数(线段、三角形)组合与顺序无关点连线段与三角形计数
答案
(1)$15$ 条;(2)$20$ 个。
解题过程
(1)选取 2 个点就能连出一条线段,且这 2 个点的选取不分先后、无顺序可言,是组合问题。选出 2 个点的方法数有 $C_6^2=15$(种),所以一共可以连出 15 条线段。 (2)因为图中任意 3 点都不共线,所以选出 3 个点就能连出一个三角形,选 3 个点的方法数有 $C_6^3=20$(种),即一共可以连出 20 个三角形。
方法:连线段取 2 点为组合 $C_6^2$;连三角形取 3 点为组合 $C_6^3$(任意 3 点不共线)。
8. 卡莉娅有 6 颗不同的魔法宝石。请问:(1)从中选出 2 颗宝石,构成一个初级魔法,有多少种方法?(2)从中选出 4 颗宝石,构成一个高级魔法,有多少种方法?
★★
组合数计算组合数的对称性 $C_n^m=C_n^{n-m}$组合选取计数
答案
(1)$15$ 种;(2)$15$ 种。
解题过程
(1)从 6 颗中选 2 颗宝石,无顺序可言,是组合问题,因此方法数有 $C_6^2=15$(种)。 (2)从 6 颗中选 4 颗宝石,相当于从 6 颗中选出不被使用的 2 颗,因此方法数有 $C_6^4=C_6^2=15$(种)。
方法:选取宝石不计顺序,用组合数 $C_6^2$、$C_6^4$,并用对称性简化。
9. 小高要从 5 种武术中选择 3 种来学习,如果拳法和掌法必须都学或者都不学,那么他一共有多少种选法?
★★
组合数计算分类计数(加法原理)有限制条件的选取
答案
$4$ 种。
解题过程
如果拳法和掌法都学:已经选定了 2 种,再从剩下的 3 种中选 1 种,有 $C_3^1=3$ 种选法;如果拳法和掌法都不学:要从剩下的 3 种中选 3 种,有 $C_3^3=1$ 种选法。所以一共有 $3+1=4$ 种选法。
方法:按拳法、掌法“都学”与“都不学”分两类,分别计数后相加。
10. 象棋兴趣小组一共有 9 名同学。请问:(1)如果从中选 3 名同学在第二天的早上、中午、晚上分别做值日,一共有多少种选法?(2)如果从中选 3 名同学去参加一次全市比赛,一共有多少种选法?
★★
排列与组合的区别排列数计算组合数计算排列与组合辨析
答案
(1)$504$ 种;(2)$84$ 种。
解题过程
(1)早上、中午、晚上的值日有先后之分,是排列问题,选法有 $$\begin{aligned}A_9^3&=9\times 8\times 7\\&=504\end{aligned}$$(种)。 (2)一起去参加比赛没有顺序之分,是组合问题,选法有 $$\begin{aligned}C_9^3&=A_9^3\div A_3^3\\&=504\div 6\\&=84\end{aligned}$$(种)。
方法:有顺序(分时段值日)用排列 $A_9^3$;无顺序(一起参赛)用组合 $C_9^3$。
拓展篇
1. 计算:(1)$A_5^2$;(2)$A_7^3$;(3)$A_6^4-A_6^2$。
★
排列数计算排列数求值
答案
(1)$20$;(2)$210$;(3)$330$。
解题过程
(1)$$\begin{aligned}A_5^2&=5\times 4\\&=20\end{aligned}$$。 (2)$$\begin{aligned}A_7^3&=7\times 6\times 5\\&=210\end{aligned}$$。 (3)$$\begin{aligned}A_6^4-A_6^2&=6\times 5\times 4\times 3-6\times 5\\&=360-30\\&=330\end{aligned}$$。
方法:按排列数定义逐项相乘求值后作差。
2. 如图 21-2 所示,有 5 面不同颜色的小旗,任取 3 面排成一行表示一种信号,用这 5 面小旗一共可以表示出多少种不同的信号?
★
排列数计算选排列排旗信号计数
答案
$60$ 种。
解题过程
5 面旗子颜色各不相同,从中选出 3 面排成一行,有顺序之分,是排列问题,有 $$\begin{aligned}A_5^3&=5\times 4\times 3\\&=60\end{aligned}$$(种)排列方法。
方法:取 3 面旗按顺序排列即 $A_5^3$。
3. 3 名同学一起去图书馆借科幻小说,发现书架上只剩下 9 本,且各不相同。如果每人只借 1 本,那么共有多少种不同的借法?
★
乘法原理排列数计算选排列计数
答案
$504$ 种。
解题过程
方法一:根据乘法原理,3 名同学从 9 本不同的书中依次借走一本,第一名同学有 9 种借法,第二名有 8 种,第三名有 7 种,所以共有 $9\times 8\times 7=504$(种)借法。 方法二:相当于从 9 本书中选 3 本排成一列分给 3 人,即 $A_9^3=9\times 8\times 7=504$(种)借法。
方法:每人借一本且书各不相同,相当于 9 本选 3 本排序 $A_9^3$。
4. 用 $1\sim 5$ 这 5 个数字组数。(1)可以组成多少个没有重复数字的四位数?(2)将这些四位数从小到大排列起来,4125 是第几个?
★★
排列数计算排序定位分类计数组数与排序定位
答案
(1)$120$ 个;(2)第 $74$ 个。
解题过程
(1)从 5 个数字中选 4 个排成四位数,有 $$\begin{aligned}A_5^4&=5\times 4\times 3\times 2\\&=120\end{aligned}$$(个)。 (2)千位为 1 的四位数有 $A_4^3=24$ 个,同样千位为 2、3 的也各有 24 个,共 $24\times 3=72$ 个排在 4125 之前;千位为 4 时,比 4125 小的只有 4123 这 1 个,所以 4125 是从小到大的第 $24\times 3+2=74$ 个数。
方法:用 $A_5^4$ 求总数;按千位数字分类统计 4125 之前的个数后定位。
5. 计算:(1)$C_9^3$;(2)$C_{10}^3-2\times C_{10}^2$;(3)$C_5^4,\ C_5^1$;(4)$C_{10}^7,\ C_{10}^3$。
★
组合数计算组合数的对称性 $C_n^m=C_n^{n-m}$组合数求值与对称性
答案
(1)$84$;(2)$30$;(3)$5,\ 5$;(4)$120,\ 120$。
解题过程
(1)$$\begin{aligned}C_9^3&=A_9^3\div A_3^3\\&=(9\times 8\times 7)\div(3\times 2\times 1)\\&=84\end{aligned}$$。 (2)$C_{10}^3=120$,$C_{10}^2=45$,故 $$\begin{aligned}C_{10}^3-2\times C_{10}^2&=120-2\times 45\\&=30\end{aligned}$$。 (3)$$\begin{aligned}C_5^4&=A_5^4\div A_4^4\\&=5\end{aligned}$$,$$\begin{aligned}C_5^1&=A_5^1\div A_1^1\\&=5\end{aligned}$$,二者相等。 (4)$$\begin{aligned}C_{10}^7&=C_{10}^3\\&=120\end{aligned}$$,由对称性二者相等。
方法:用 $C_n^m=A_n^m\div A_m^m$ 求值,并利用对称性 $C_n^m=C_n^{n-m}$ 验证。
6. 如图 21-3 所示,从端点 $O$ 出发的射线共有 7 条,图中一共有多少个锐角?
★★
组合数计算几何计数(角)射线数角计数
答案
$21$ 个。
解题过程
图中锐角的个数就是从 7 条射线中任选 2 条的方法数,而且不考虑选择的顺序。根据组合公式有 $$\begin{aligned}C_7^2&=A_7^2\div A_2^2\\&=(7\times 6)\div(2\times 1)\\&=21\end{aligned}$$(种),即图中一共有 21 个锐角。
方法:每个锐角由两条射线决定,取 2 条射线即组合 $C_7^2$。
7. 如图 21-4 所示,在一个圆周上有 8 个点,以这些点为顶点或端点,一共可以画出:(1)多少条线段?(2)多少个三角形?(3)多少个四边形?
★★
组合数计算几何计数(线段、三角形、四边形)圆周点几何计数
答案
(1)$28$ 条;(2)$56$ 个;(3)$70$ 个。
解题过程
圆周上任意 3 点都不共线。 (1)以任意 2 点为端点能连成一条线段,有 $C_8^2=28$(种),即可画出 28 条线段。 (2)以任意 3 点为顶点能构成一个三角形,有 $C_8^3=56$(种),即可画出 56 个三角形。 (3)以任意 4 点为顶点能构成一个四边形,有 $C_8^4=70$(种),即可画出 70 个四边形。
方法:圆上点两两不共线、任意若干点可成多边形,分别用 $C_8^2$、$C_8^3$、$C_8^4$。
8. 9 支球队进行足球比赛,实行单循环赛制,每两队之间只比赛一场。每场比赛胜方得 3 分、负方得 0 分,平局时各得 1 分。请问:(1)一共要举行多少场比赛?(2)9 支球队的得分总和最多为多少分?
★★
组合数计算单循环赛场次极值分析循环赛场次与得分
答案
(1)$36$ 场;(2)$108$ 分。
解题过程
(1)9 支球队单循环,任意两队之间都打一场,与顺序无关,因此共有 $C_9^2=36$(种)安排,即一共要打 36 场比赛。 (2)每场比赛,如果一队胜另一队负,则胜者得 3 分、负者得 0 分,全场得分 $3+0=3$ 分;如果平局,两队各得 1 分,全场得分 $1+1=2$ 分。要使总得分最多,每场都分出胜负,故 36 场总得分最多为 $36\times 3=108$ 分。
方法:场次为两两组合 $C_9^2$;每场分胜负得 3 分比平局得 2 分多,故全胜负时总分最大。
9. 学校十佳歌手大赛的 10 名获奖选手中,每 3 人都要照一张合影,请问:需要拍多少张照片?
★★
组合数计算合影/握手类组合
答案
$120$ 张。
解题过程
从 10 个人中任意选出 3 人合影,照片与 3 人的顺序无关,是组合问题,所以一共要拍 $C_{10}^3=120$(张)合影,即拍 120 张。
方法:每张合影对应一个 3 人组合,用 $C_{10}^3$。
10. 卡莉娅把 10 张不同的魔法卡片分给墨莫和小高,每人决定给墨莫 8 张、给小高 2 张,一共有多少种不同的分法?
★★
组合数计算卡片/物品分配组合
答案
$45$ 种。
解题过程
10 张卡片中给小高的 2 张确定后,剩下的 8 张就全部给墨莫,因此只需考虑从 10 张中给小高分出 2 张有多少种方法,用组合公式得 $C_{10}^2=45$(种)。
方法:确定给一人的若干张即确定整个分法,用 $C_{10}^2$。
11. 在新学期的班会上,大家要从 11 名候选人中选出班干部,请问:(1)选出 3 人组成班委会,一共有多少种选法?(2)从剩下的候选人中,选出 3 人分别担任语文、数学、英语的课代表,一共有多少种选法?
★★★
组合数计算排列数计算排列与组合的区别选人分职务(组合+排列)
答案
(1)$165$ 种;(2)$336$ 种。
解题过程
(1)从 11 名候选人中选出 3 人组成班委会,不考虑顺序,是组合问题,有 $C_{11}^3=165$(种)选法。 (2)选出班委会的 3 人后,还剩 8 名候选人,再从这 8 人中选 3 人分别担任语文、数学、英语课代表,有先后之分,是排列问题,有 $$\begin{aligned}A_8^3&=8\times 7\times 6\\&=336\end{aligned}$$(种)选法。
方法:组班委会无顺序用 $C_{11}^3$;任三种课代表有顺序用剩余 8 人的 $A_8^3$。
12. 萱萱要从 8 门课程中选学 3 门,一共有多少种选法?如果数学课与钢琴课时间冲突,不能同时学,她一共有多少种选法?
★★
组合数计算正难则反(排除法)有冲突限制的选课
答案
$56$ 种;$50$ 种。
解题过程
从 8 门课程中任意选学 3 门,不考虑顺序,有 $C_8^3=56$(种)选法。 若数学课与钢琴课不能同时学,可用正难则反:在 56 种中减去“数学与钢琴都选”的情况。数学、钢琴都选时,再从剩下 6 门中选 1 门,有 $C_6^1=6$ 种,所以满足要求的选法有 $56-6=50$(种)。
方法:总数 $C_8^3$ 减去“数学与钢琴同时被选”的 $C_6^1$ 种。
13. 卡莉娅和萱萱、小高、墨莫去参加一次聚会,主持人要求每个人从 12 个颜色不同的彩球中领取一个。请问:(1)萱萱第一个取球,她一共选出了 4 个球,准备分给大家,那么一共有多少种选法?(2)萱萱回到座位后,把这 4 个球分给大家,一共有多少种分法?(3)最后他们 4 人手中拿到的球一共有多少种可能?
★★
组合数计算排列数计算分步计数(乘法原理)选取与分配(组合×排列)
答案
(1)$495$ 种;(2)$24$ 种;(3)$11880$ 种。
解题过程
(1)萱萱替大家选了 4 个球,但并没有把球分到每个人的手中,因此对这 4 个球的顺序没有要求。从 12 个不同的球中任意选出 4 个,有 $C_{12}^4=495$(种)方法。 (2)分配的方法数就等于把 4 个球排成一列的方法数,一共有 $$\begin{aligned}A_4^4&=4\times 3\times 2\times 1\\&=24\end{aligned}$$(种)。 (3)从所有 12 个球中取出 4 个,从左至右排成一列,然后依次分给 4 个人,所以一共有 $$\begin{aligned}A_{12}^4&=12\times 11\times 10\times 9\\&=11880\end{aligned}$$(种)方法。也可由(1)(2)相乘:$495\times 24=11880$(种)。
方法:选球无序用 $C_{12}^4$;分给指定 4 人有序用 $A_4^4$;整体取并分配用 $A_{12}^4=C_{12}^4\times A_4^4$。
14. 周末,老师要从第一组的 10 名男生和 10 名女生中选出 5 人留下打扫卫生。请问:(1)如果老师随意选择,一共有多少种选择方法?(2)如果老师决定选出 2 名男生和 3 名女生,一共有多少种选择方法?
★★
组合数计算分步计数(乘法原理)分类人数限制的选取
答案
(1)$15504$ 种;(2)$5400$ 种。
解题过程
(1)由题意一共有 20 人,老师从 20 人中随意选择 5 人留下打扫卫生,是组合问题,有 $C_{20}^5=15504$(种)选择方法。 (2)先从 10 名男生中选出 2 人,有 $C_{10}^2=45$ 种;再从 10 名女生中选出 3 人,有 $C_{10}^3=120$ 种。根据乘法原理,老师选出 2 名男生和 3 名女生有 $$\begin{aligned}C_{10}^2\times C_{10}^3&=45\times 120\\&=5400\end{aligned}$$(种)方法。
方法:随意选用 $C_{20}^5$;指定男女人数用 $C_{10}^2\times C_{10}^3$。
超越篇
1. 有一些四位数,它们由 4 个互不相同且不为零的数字组成,并且这 4 个数字的和等于 11。将所有这样的四位数从小到大依次排列,第 20 个是多少?
★★
排列数计算数字和限制排序定位限定数字和的组数与定位
答案
$5132$。
解题过程
因为 4 个数字之和为 11,可组成四位数的数字组只有 $\{1,2,3,5\}$ 一类数(最小的一类,4 个数字互不相同、非零且和为 11)。用 $1,2,3,5$ 这 4 个数字组成没有重复数字的四位数,共有 $A_4^4=24$ 个。把它们从小到大排列:千位为 1 的有 $A_3^3=6$ 个(第 1~6 个),千位为 2 的有 6 个(第 7~12 个),千位为 3 的有 6 个(第 13~18 个),第 19、20 个落在千位为 5 的一类。千位为 5、再依次排百位、十位、个位最小的两个数是 5123、5132,所以第 19 个是 5123,第 20 个是 5132。
方法:先定出满足数字和为 11 的数字组,再用全排列分类计数并定位第 20 个。
2. 在身高互不相同的 6 个人中,选出 3 个人站成第一排,另外 3 个人站成第二排。请问:(1)如果可以随便站,那么一共有多少种排法?(2)如果要求第二排最矮的人也比第一排最高的人高,那么一共有多少种不同的排法?
★★
全排列排列数计算有大小限制的分组有大小限制的站排
答案
(1)$720$ 种;(2)$36$ 种。
解题过程
(1)将这 6 人排入第一排 3 个位置和第二排 3 个位置共 6 个不同的位置中,相当于把 6 人排成一列,有 $A_6^6=720$(种)排法。 (2)这 6 人有高有矮,从矮到高依次编号为 1~6。要使第二排最矮的也比第一排最高的高,第一排必须恰好是最矮的 3 人(编号 1、2、3),第二排是最高的 3 人(编号 4、5、6)。两排内部各自可任意排列,故有 $$\begin{aligned}A_3^3\times A_3^3&=6\times 6\\&=36\end{aligned}$$(种)。
方法:随便站为 6 人全排列 $A_6^6$;有高矮限制时先固定两排人选,再各自全排列 $A_3^3\times A_3^3$。
3. 小口袋中有 4 个球,大口袋中有 6 个球,这些球颜色各不相同。请问:(1)任意取出 4 个球,共有多少种不同的结果?(2)取出 4 个球,而且恰好从每个口袋中各取 2 个球,共有多少种不同结果?
★★
组合数计算分步计数(乘法原理)分组取球计数
答案
(1)$210$ 种;(2)$90$ 种。
解题过程
(1)两个口袋里一共有 $4+6=10$ 个球,且各不相同。从 10 个球中任意取出 4 个,无顺序之分,是组合问题,有 $C_{10}^4=210$(种)取法。 (2)先从小口袋的 4 个球中取 2 个,有 $C_4^2=6$ 种;再从大口袋的 6 个球中取 2 个,有 $C_6^2=15$ 种。根据乘法原理,共有 $$\begin{aligned}C_4^2\times C_6^2&=6\times 15\\&=90\end{aligned}$$(种)取法。
方法:任取用 $C_{10}^4$;每袋各取 2 个用 $C_4^2\times C_6^2$。
4. 在 $1\sim 30$ 这 30 个自然数中任意挑选出 2 个不同的数,使得它们的和是偶数,一共有多少种不同的挑选方法?
★★
组合数计算奇偶分析分类计数(加法原理)奇偶限制的选数
答案
$210$ 种。
解题过程
两数之和是偶数,则这 2 个数必定都是偶数或都是奇数。$1\sim 30$ 中有 15 个偶数、15 个奇数。从 15 个偶数中取出 2 个不同的偶数,有 $C_{15}^2=105$ 种;同样从 15 个奇数中取出 2 个不同的奇数,也有 $C_{15}^2=105$ 种。因此一共有 $$\begin{aligned}C_{15}^2+C_{15}^2&=105+105\\&=210\end{aligned}$$(种)挑选方法。
方法:和为偶数即同奇或同偶,按奇偶分两类各取 2 个 $C_{15}^2$,再相加。
5. 如图 21-5 所示,两条直线上分别有 6 个点和 4 个点。以这些点为顶点,可以连出多少个三角形?
★★
组合数计算几何计数(三角形)正难则反(排除共线)含共线点的三角形计数
答案
$96$ 个。
解题过程
两条直线上一共有 $6+4=10$ 个点。从中任选 3 个点本可连成 $C_{10}^3=120$ 个三角形,但要求三角形的 3 个顶点不能共线,所以必须把 3 点在同一条直线上的情况排除。①3 个点都在上面直线上,有 $C_6^3=20$ 种;②3 个点都在下面直线上,有 $C_4^3=4$ 种。因此能连出的三角形有 $$\begin{aligned}C_{10}^3-(C_6^3+C_4^3)&=120-(20+4)\\&=96\end{aligned}$$(个)。
方法:总数 $C_{10}^3$ 减去三点共线的 $C_6^3+C_4^3$。
6. 从 15 名同学中选出 5 人,上场参加篮球比赛。请问:(1)如果甲、乙两人必须入选,共有多少种选法?(2)如果甲、乙两人中至少有一人入选,共有多少种选法?(3)如果甲、乙、丙三人中恰好入选一人,共有多少种选法?(4)如果甲、乙、丙不能同时都入选,共有多少种选法?
★★
组合数计算正难则反(排除法)分类与分步计数有限制条件的选人
答案
(1)$286$ 种;(2)$1716$ 种;(3)$1485$ 种;(4)$2937$ 种。
解题过程
(1)甲、乙已确定入选,只需从其余 13 人中再选 3 人,有 $C_{13}^3=286$(种)选法。 (2)用正难则反:从 15 人中任选 5 人有 $C_{15}^5=3003$ 种,其中甲、乙都不入选(从其余 13 人选 5 人)有 $C_{13}^5=1287$ 种,所以甲、乙至少一人入选有 $3003-1287=1716$(种)。 (3)甲、乙、丙恰好入选 1 人:先从甲、乙、丙中选 1 人,有 $C_3^1=3$ 种;再从其余 12 人中选 4 人,有 $C_{12}^4=495$ 种。共 $3\times 495=1485$(种)。 (4)用正难则反:甲、乙、丙都入选时,余下 2 个名额从其余 12 人中选,有 $C_{12}^2=66$ 种;任选 5 人共 $C_{15}^5=3003$ 种,所以甲、乙、丙不同时都入选有 $3003-66=2937$(种)。
方法:必选则固定后选剩余;至少一人/不同时则用总数减去反面;恰好一人用分步 $C_3^1\times C_{12}^4$。
7. 体育课上,老师将小高、墨莫和另 7 名同学分成 3 组做游戏,每组 3 人。(1)一共有多少种分组方法?(2)如果小高和墨莫要求分到同一组,有多少种分组方法?
★★★
组合数计算均匀分组(消除组间顺序)分步计数(乘法原理)均匀分组与限制条件
答案
(1)$280$ 种;(2)$70$ 种。
解题过程
(1)9 个不同的人分成 3 组、每组 3 人,三组之间没有顺序之分(地位相同)。先选第一组 3 人有 $C_9^3$ 种,再选第二组 3 人有 $C_6^3$ 种,最后第三组 3 人有 $C_3^3$ 种;但 3 个组没有先后顺序,所以重复计了 $A_3^3$ 次。因此分组方法有 $$\begin{aligned}\dfrac{C_9^3\times C_6^3\times C_3^3}{A_3^3}&=\dfrac{84\times 20\times 1}{6}\\&=280\end{aligned}$$(种)。 (2)如果小高和墨莫分到同一组,先给他们这一组再配 1 个人,有 $C_7^1=7$ 种;剩下 6 个人完全相同地分成 2 组、每组 3 人,有 $$\begin{aligned}\dfrac{C_6^3\times C_3^3}{A_2^2}&=\dfrac{20\times 1}{2}\\&=10\end{aligned}$$ 种。根据乘法原理,共有 $7\times 10=70$(种)。
方法:均匀分 3 组用 $\dfrac{C_9^3 C_6^3 C_3^3}{A_3^3}$;要求两人同组时先配齐该组,再把余下 6 人均匀分 2 组。
8. 大、小两个口袋中,装有一些同样的小球,大口袋里装有 9 个小球,分别编号为 $1\sim 9$;小口袋里装有 6 个小球,分别编号为 $1\sim 6$。从这两个口袋中分别摸出 3 个小球,这 6 个小球的编号一共有多少种可能情况?
★★★
组合数计算按重复个数分类讨论容斥/分类计数重复编号的分类计数
答案
$764$ 种。
解题过程
按摸出的 6 个小球上数字的重复情况分类。①如果 6 个数字各不相同:相当于从 $1\sim 9$ 这 9 个数字中选出 6 个,有 $C_9^6=84$ 种方案。②如果有 1 对小球数字相同:先选数字相同的那一对(必在 $1\sim 6$ 中),有 $C_6^1=6$ 种;再选剩下的 4 个球,要注意剩下的 4 个小球不能同时取到 7、8、9 这三个数字,因此要减掉不可能的情况,有 $C_8^4-C_3^3\times C_5^1=65$ 种。根据乘法原理,共有 $6\times 65=390$(种)。③如果有 2 对小球数字相同:先选数字相同的 2 对,有 $C_6^2=15$ 种;再选剩下的 2 个球,要注意剩下的 2 个小球不能同时取到 7、8、9 这三个数字中的两个,故减掉不可能的情况,有 $C_7^2-C_3^2=18$ 种。根据乘法原理,共有 $15\times 18=270$(种)。④如果有 3 对小球数字相同:有 $C_6^3=20$ 种方案。综上,可能的情况共有 $84+390+270+20=764$(种)。
方法:按两袋取出编号的重复个数(0、1、2、3)分类,分别用组合数计数后求和。
第22讲 计数综合一
兴趣篇
1. 现有面值 $1$ 元的钞票 $3$ 张,面值 $5$ 元的钞票 $1$ 张,面值 $10$ 元的钞票 $2$ 张。如果从中取出一些钞票(至少取 $1$ 张),一共可能凑出多少种不同的总钱数?
★★
乘法原理枚举不同总钱数去重凑钱数计数
答案
$23$ 种。
解题过程
由钞票的张数可知:用 $1$ 元钞票($3$ 张)可凑出 $0,1,2,3$ 元,$4$ 种钱数;用 $5$ 元钞票($1$ 张)可凑出 $0,5$ 元,$2$ 种;用 $10$ 元钞票($2$ 张)可凑出 $0,10,20$ 元,$3$ 种。由乘法原理共有 $4\times 2\times 3=24$ 种组合,去掉“全部不取($0$ 元)”这一种,得 $24-1=23$ 种。可以验证这些总钱数互不相同,所以一共能凑出 $23$ 种不同的总钱数。
方法:按面值分别统计可凑钱数的种数,相乘后减去全不取的情形。
2. 一本书从第 $1$ 页开始编排页码,到最后一页结束时共用了 $1983$ 个数码。这本书一共有多少页?
★★
页码与数码计数按位数分段除法求页数页码用数码问题
答案
$697$ 页。
解题过程
$1\sim 9$ 页为一位数,用 $9$ 个数码;$10\sim 99$ 页为两位数,共 $90$ 页,用 $90\times 2=180$ 个数码;前 $99$ 页共用 $9+180=189$ 个数码。剩下 $1983-189=1794$ 个数码都用于三位数页码,$1794\div 3=598$ 个三位数页码,即从第 $100$ 页到第 $100+598-1=697$ 页。所以这本书共有 $697$ 页。
方法:按一位数、两位数、三位数分段统计数码,逐段扣除后求三位数页数。
3. 卡莉娅带着萱萱、小高、墨莫一起到圆明园游玩,他们 $4$ 人站成一排照相,其中卡莉娅要站在最左边或者最右边,一共有多少种不同的站法?
★
排列乘法原理特殊位置优先特殊位置排队
答案
$12$ 种。
解题过程
卡莉娅只能站在最左或最右两个位置之一,有 $2$ 种站法;其余 $3$ 人在剩下的 $3$ 个位置上任意排列,有 $3\times 2\times 1=6$ 种站法。根据乘法原理,一共有 $2\times 6=12$ 种不同的站法。
方法:先安排有限制的卡莉娅($2$ 种),再排其余 $3$ 人($3!$ 种)。
4. 有 $13$ 个球队参加篮球比赛,比赛分两个组,第一组 $7$ 个队,第二组 $6$ 个队,各组内先进行单循环赛(即每队都要与本组内其他各队比赛一场),然后由两组的第 $1$ 名再比赛一场决定冠亚军。请问:一共要比赛多少场?
★★
单循环赛场数组合计数加法原理循环赛场数计数
答案
$37$ 场。
解题过程
第一组 $7$ 个队单循环赛,每两队赛一场,共 $\dfrac{7\times 6}{2}=21$ 场;第二组 $6$ 个队单循环赛,共 $\dfrac{6\times 5}{2}=15$ 场;最后两组第 $1$ 名再赛 $1$ 场。所以共有 $21+15+1=37$ 场。
方法:用组合数(或 $\frac{n(n-1)}{2}$)分别求各组场数后相加,再加决赛 $1$ 场。
5. 从 $5$ 瓶不同的纯净水、$2$ 瓶不同的可乐和 $6$ 瓶不同的果汁中,拿出 $2$ 瓶不同类型的饮料,一共有多少种不同的选法?
★★
分类加法原理乘法原理组合选取不同类别搭配选取
答案
$52$ 种。
解题过程
“$2$ 瓶不同类型”分三类:纯净水和可乐各 $1$ 瓶,有 $5\times 2=10$ 种;纯净水和果汁各 $1$ 瓶,有 $5\times 6=30$ 种;可乐和果汁各 $1$ 瓶,有 $2\times 6=12$ 种。根据加法原理,一共有 $10+30+12=52$ 种不同的选法。
方法:按两瓶所属类型的搭配分三类,每类用乘法原理,再相加。
6. 从 $3$ 个黄色的乒乓球和 $4$ 个白色的乒乓球中,任意取出 $3$ 个乒乓球,其中至少有一个白色乒乓球的取法有多少种?
★★
组合计数至少型排除法分类加法原理至少取一个的组合计数
答案
$34$ 种。
解题过程
方法一(排除法):从 $7$ 个球中任取 $3$ 个,共 $\dfrac{7\times 6\times 5}{3\times 2\times 1}=35$ 种;其中没有白球(即 $3$ 个都是黄球)只有 $1$ 种。所以至少有 $1$ 个白球的取法为 $35-1=34$ 种。方法二(分类法):取 $1$ 白 $2$ 黄有 $4\times\dfrac{3\times 2}{2}=12$ 种,取 $2$ 白 $1$ 黄有 $\dfrac{4\times 3}{2}\times 3=18$ 种,取 $3$ 白有 $4$ 种,共 $12+18+4=34$ 种。
方法:用总数减去“一个白球都没有”的情形(排除法),或按白球个数分类。
7. 从 $1\sim 9$ 中取出 $7$ 个不同的数,要求它们的和是 $36$,共有多少种不同的取法?
★★
补集思想整数拆分枚举数对定和取数计数
答案
$4$ 种。
解题过程
$1\sim 9$ 这九个数的总和为 $1+2+\cdots+9=45$。从中取 $7$ 个数等价于去掉 $2$ 个数,所取 $7$ 个数之和为 $36$,即去掉的两个数之和为 $45-36=9$。在 $1\sim 9$ 中,两个不同的数之和为 $9$ 的取法(去掉哪两个数)有 $1+8,\ 2+7,\ 3+6,\ 4+5$ 共 $4$ 种($0$ 不在 $1\sim 9$ 内,故不算 $\{9,0\}$),因此取 $7$ 个数使和为 $36$ 的取法也有 $4$ 种。
方法:取 $7$ 个数等价于去掉 $2$ 个数,转化为求和为 $9$(即 $45-36$)相关的去法计数。
8. 用 $0$、$1$、$2$、$3$、$4$ 这 $5$ 个数字可以组成多少个没有重复数字的五位数?
★★
排列首位不为零乘法原理无重复数字组数
答案
$96$ 个。
解题过程
五位数的最高位不能是 $0$,有 $4$ 种选择($1,2,3,4$);其余四个数位(含 $0$)从剩下的 $4$ 个数字中无重复地排列,有 $4\times 3\times 2\times 1=24$ 种。根据乘法原理,共有 $4\times 24=96$ 个没有重复数字的五位数。
方法:先定最高位(不为 $0$,$4$ 种),其余各位全排列($4!$ 种)。
9. 用两个 $1$、一个 $2$、一个 $3$、一个 $4$ 可以组成多少个不同的五位数?
★★
有重复元素的排列去重全排列含重复数字组数
答案
$60$ 个。
解题过程
若 $5$ 个数字($1,1,2,3,4$)各不相同则有 $5!=120$ 个排列,但其中两个 $1$ 完全相同,每个五位数被重复计算 $2$ 次(两个 $1$ 互换)。所以不同的五位数共有 $\dfrac{120}{2}=60$ 个。
方法:先按全不同算 $5!$,再除以相同数字 $1$ 的重复倍数 $2!$。
10. $5$ 名同学排成一排照相,如果阿某和阿瓜一定要站在一起,有多少种照相的方式?
★★★
捆绑法排列乘法原理相邻排队(捆绑法)
答案
$48$ 种。
解题过程
把阿某和阿瓜捆绑成一个整体,与其余 $3$ 人共 $4$ 个对象排成一排,有 $4!=24$ 种排法;而阿某、阿瓜内部又可交换位置,有 $2$ 种。根据乘法原理,共有 $24\times 2=48$ 种照相方式。
方法:捆绑法:把必须相邻的两人看作一个整体排列,再乘以内部 $2!$。
拓展篇
1. 把自然数 $1\sim 2008$ 依次写成一排,得到一个多位数 $1234567891011121314\cdots 0620072008$。请问:(1)这个多位数一共有多少位?(2)从左向右数,这个多位数的第 $2008$ 个数字是多少?
★★
按位数分段计数定位数字带余除法连写数列定位数字
答案
(1)$6925$ 位;(2)$7$。
解题过程
(1)$1\sim 9$ 是一位数,共 $9$ 个数字,占 $9$ 位;$10\sim 99$ 共 $90$ 个数,占 $90\times 2=180$ 位;$100\sim 999$ 共 $900$ 个数,占 $900\times 3=2700$ 位;$1000\sim 2008$ 共 $1009$ 个数,占 $1009\times 4=4036$ 位。所以总位数为 $9+180+2700+4036=6925$ 位。(2)前 $9+180=189$ 位是一、两位数;再往后是三位数,$2008-189=1819$,$1819\div 3=606\cdots 1$,余 $1$ 说明落在第 $607$ 个三位数的首位上,第 $607$ 个三位数为 $100+607-1=706$,所以第 $2008$ 个数字是 $706$ 的首位 $7$。
方法:按位数分段累加求总位数;用带余除法定位第 $2008$ 个数字落在哪个数的哪一位。
2. 商场里举行抽奖活动,一个大箱子里放着 $9$ 个球,红色、黄色和绿色的球各有 $3$ 个。一次从箱子里摸出 $3$ 个球,如果摸出的 $3$ 个球颜色全部相同就得一等奖;如果摸出的 $3$ 个球颜色各不相同就得二等奖。请问:哪种奖中奖方式多?哪种是一等奖?哪种是二等奖?
★★
乘法原理分类计数组合理解摸球颜色计数
答案
摸出 $3$ 个颜色相同的球有 $3$ 种方式,摸出 $3$ 个颜色各不相同的球有 $27$ 种方式;颜色相同的方式少,所以摸出 $3$ 个颜色相同的球是一等奖,摸出 $3$ 个颜色各不相同的球是二等奖。
解题过程
摸出 $3$ 个颜色相同:要么全红、要么全黄、要么全绿,共 $3$ 种方式。摸出 $3$ 个颜色各不相同:红、黄、绿各取 $1$ 个,每种颜色都有 $3$ 个球可选,由乘法原理有 $3\times 3\times 3=27$ 种方式。由于一等奖比二等奖中奖方式少,所以颜色相同($3$ 种)是一等奖,颜色各不相同($27$ 种)是二等奖。
方法:分别数“颜色全同”和“颜色全不同”的方式数,方式少者为一等奖。
3. 工厂某日生产的 $10$ 件产品中有 $2$ 件次品,从这 $10$ 件产品中任意抽出 $3$ 件进行检查。请问:(1)一共有多少种不同的抽法?(2)抽出的 $3$ 件中恰好有 $1$ 件是次品的抽法有多少种?(3)抽出的 $3$ 件中至少有 $1$ 件次品的抽法有多少种?
★★
组合计数恰好/至少型计数排除法次品抽取计数
答案
(1)$120$ 种;(2)$56$ 种;(3)$64$ 种。
解题过程
(1)从 $10$ 件中任取 $3$ 件,共 $\dfrac{10\times 9\times 8}{3\times 2\times 1}=120$ 种抽法。(2)恰好 $1$ 件次品:从 $2$ 件次品中取 $1$ 件有 $2$ 种,从 $8$ 件正品中取 $2$ 件有 $\dfrac{8\times 7}{2}=28$ 种,共 $2\times 28=56$ 种。(3)至少 $1$ 件次品 = 总数 $-$ 没有次品($3$ 件都是正品)。$3$ 件全为正品有 $\dfrac{8\times 7\times 6}{3\times 2\times 1}=56$ 种,所以至少 $1$ 件次品有 $120-56=64$ 种。
方法:用组合数求总抽法;恰好型按次品数分步乘法;至少型用排除法。
4. 从 $4$ 台不同型号的等离子电视机和 $5$ 台不同型号的液晶电视机中任意取出 $3$ 台,其中等离子电视机与液晶电视机至少各有 $1$ 台,一共有多少种不同的取法?
★★
组合计数至少各有一类的排除法两类至少各取一个
答案
$70$ 种。
解题过程
从 $9$ 台电视机中任取 $3$ 台共 $\dfrac{9\times 8\times 7}{3\times 2\times 1}=84$ 种。不符合要求的是两种电视机不是各有 $1$ 台的情形:$3$ 台全是等离子有 $\dfrac{4\times 3\times 2}{6}=4$ 种,$3$ 台全是液晶有 $\dfrac{5\times 4\times 3}{6}=10$ 种。所以符合要求的取法有 $84-(4+10)=70$ 种。
方法:用总取法减去“全为等离子”和“全为液晶”两种不合要求的情形。
5. 如图 $22\text{-}1$,在半圆弧及其直径上共有 $9$ 个点,以这些点为顶点可以画出多少个三角形?
★★
组合计数共线点排除三角形计数点连三角形计数
答案
$80$ 个。
解题过程
图中半圆弧上有 $5$ 个点,直径上有 $4$ 个点。方法一(分类):从弧上取 $3$ 点有 $\dfrac{5\times 4\times 3}{6}=10$ 个;从弧上取 $2$ 点、直径上取 $1$ 点有 $\dfrac{5\times 4}{2}\times 4=40$ 个;从弧上取 $1$ 点、直径上取 $2$ 点有 $5\times\dfrac{4\times 3}{2}=30$ 个(直径上 $3$ 点共线不能成三角形,已不计)。共 $10+40+30=80$ 个。方法二(排除法):从 $9$ 点中任取 $3$ 点共 $\dfrac{9\times 8\times 7}{6}=84$ 个,减去直径上 $4$ 点中取 $3$ 点共线的 $4$ 个,得 $84-4=80$ 个三角形。
方法:从所有取 $3$ 点的组合中减去三点共线(直径上)的情形。
6. $6$ 名学生和 $4$ 名老师分成红、蓝两队拔河,要求每个队都是 $3$ 名学生和 $2$ 名老师,一共有多少种分队的方法?
★★
组合计数乘法原理分组问题分队(两队)计数
答案
$120$ 种。
解题过程
先确定红队:从 $6$ 名学生中选 $3$ 名有 $\dfrac{6\times 5\times 4}{6}=20$ 种,从 $4$ 名老师中选 $2$ 名有 $\dfrac{4\times 3}{2}=6$ 种,由乘法原理红队有 $20\times 6=120$ 种。红队一旦确定,剩下的 $5$ 人自然组成蓝队。所以一共有 $120$ 种分队方法。
方法:确定红队的学生和老师后蓝队自动确定,用乘法原理求红队组成数。
7. 在所有不超过 $1000$ 的自然数中,数字 $9$ 一共出现了多少次?
★★★
按数位统计数字出现次数补零对齐某数字出现次数统计
答案
$300$ 次。
解题过程
考虑 $1\sim 999$($1000$ 中不含数字 $9$)。把每个数看成三位数(不足补 $0$,如 $9$ 写成 $009$)。个位为 $9$ 的数每 $10$ 个里出现 $1$ 次,共 $100$ 次;十位为 $9$ 的数同理共 $100$ 次;百位为 $9$ 的数($900\sim 999$)共 $100$ 次。所以数字 $9$ 一共出现 $100+100+100=300$ 次。
方法:把数补成三位数,分别统计个位、十位、百位上数字 $9$ 出现的次数再相加。
8. $10$ 个人围成一圈,从中选出 $3$ 个人,要求这 $3$ 个人中恰有 $2$ 人相邻,一共有多少种不同选法?
★★★
圆排列相邻问题恰好两人相邻计数排除相邻环形恰好相邻选取
答案
$60$ 种。
解题过程
把 $10$ 个人依次标上字母 $A\sim J$。先选出相邻的 $2$ 人(一对相邻):圈上相邻的对子有 $A B,\ B C,\ C D,\ \cdots,\ J A$,共 $10$ 对。再从剩下的人中选第 $3$ 人,要求它与前面这对的两端都不相邻:除去这 $2$ 人及它们两侧紧挨的 $2$ 人,余下 $10-4=6$ 人可选。所以共有 $10\times 6=60$ 种不同选法。
方法:先选相邻的一对($10$ 对),再从与之不相邻的 $6$ 人中选第三人。
9. 用 $0\sim 5$ 这 $6$ 个数字可以组成多少个没有重复数字的四位数?其中偶数有多少个?
★★★
无重复数字组数首位不为零末位定奇偶(偶数)组数与奇偶计数
答案
$300$ 个;其中偶数 $156$ 个。
解题过程
四位数最高位不为 $0$,有 $5$ 种选择;其余三位从剩下 $5$ 个数字中无重复排列,有 $5\times 4\times 3=60$ 种。所以共 $5\times 60=300$ 个没有重复数字的四位数。偶数要求末位为 $0,2,4$:末位为 $0$ 时,前三位从其余 $5$ 个数中排,有 $5\times 4\times 3=60$ 个;末位为 $2$ 或 $4$($2$ 种)时,最高位不能为 $0$ 也不能与末位相同,有 $4$ 种,第二、三位从剩下 $4$ 个中排有 $4\times 3=12$ 种,每种末位有 $4\times 12=48$ 个,两种共 $2\times 48=96$ 个。所以偶数共 $60+96=156$ 个。
方法:首位不为 $0$ 求总数;求偶数时按末位是否为 $0$ 分类,注意首位限制。
10. 用 $1\sim 4$ 这 $4$ 个数字可以组成多少个没有重复数字的三位数?这些三位数的和是多少?
★★★
无重复数字组数数位贡献求和对称计数所有组数之和
答案
$24$ 个;它们的和是 $6660$。
解题过程
无重复数字的三位数有 $4\times 3\times 2=24$ 个。由对称性,$1,2,3,4$ 中每个数字在百位(或十位、个位)上各出现 $24\div 4=6$ 次。所以个位(十位、百位也是)上各数字之和为 $(1+2+3+4)\times 6=60$。因此这些三位数的总和为 $$\begin{aligned}60\times 100+60\times 10+60\times 1&=6000+600+60\\&=6660\end{aligned}$$。
方法:由对称性算出每个数字在各数位出现 $6$ 次,按位求和后合计。
11. 用两个 $1$、两个 $2$、两个 $3$ 可以组成多少个不同的六位数?
★★
有重复元素的排列去重多组重复数字组数
答案
$90$ 个。
解题过程
若 $6$ 个数字各不相同则有 $6!=720$ 个排列。现在两个 $1$、两个 $2$、两个 $3$ 各成一组相同数字,每组内部交换不产生新数。所以不同的六位数共有 $$\begin{aligned}\dfrac{720}{2\times 2\times 2}&=\dfrac{720}{8}\\&=90\end{aligned}$$ 个。
方法:全排列 $6!$ 再除以每组相同数字的内部排列数 $2!\times 2!\times 2!$。
12. $5$ 名同学站成一排,在下列不同的要求下,请分别求出有多少种不同的站法:(1)$5$ 个人站成一排;(2)$5$ 个人站成一排,小强必须站在中间;(3)$5$ 个人站成一排,小强、大强必须有一人站在中间;(4)$5$ 个人站成一排,小强、大强必须站在两边;(5)$5$ 个人站成一排,小强、大强都没有站在边上。
★★★
排列特殊位置优先分步乘法原理限定位置的排队
答案
(1)$120$ 种;(2)$24$ 种;(3)$48$ 种;(4)$12$ 种;(5)$36$ 种。
解题过程
(1)$5$ 人全排列,有 $5\times 4\times 3\times 2\times 1=120$ 种。(2)小强固定在正中间,其余 $4$ 人排在其余 $4$ 个位置,有 $4!=24$ 种。(3)小强、大强中恰有一人站正中间,先确定中间是谁有 $2$ 种,其余 $4$ 人排在其余 $4$ 个位置有 $4!=24$ 种,共 $2\times 24=48$ 种。(4)小强、大强站在两边(左右两端),两人排两端有 $2$ 种,其余 $3$ 人排中间 $3$ 个位置有 $3!=6$ 种,共 $2\times 6=12$ 种。(5)小强、大强都不站两端:两端由其余 $3$ 人中的 $2$ 人来站,有 $3\times 2=6$ 种,剩下 $3$ 人(含小强、大强)排中间 $3$ 个位置有 $3!=6$ 种,共 $6\times 6=36$ 种。
方法:对每种限制先安排有要求的位置/人,再排其余人。
13. $6$ 名小朋友 $A,\ B,\ C,\ D,\ E,\ F$ 站成一排,请问:(1)若 $A$、$B$ 两人必须相邻,一共有多少种站法?(2)若 $A$、$B$ 两人不能相邻,一共有多少种不同的站法?
★★★
捆绑法(相邻)排除法(不相邻)排列相邻/不相邻排队
答案
(1)$240$ 种;(2)$480$ 种。
解题过程
(1)把 $A$、$B$ 两人捆绑看作一个整体,与 $C,D,E,F$ 共 $5$ 个对象排成一排有 $5!=120$ 种,$A$、$B$ 内部又可交换,有 $2$ 种,共 $120\times 2=240$ 种。(2)$6$ 人全排列共 $6!=720$ 种,减去 $A$、$B$ 相邻的 $240$ 种,得 $A$、$B$ 不相邻的站法 $720-240=480$ 种。
方法:相邻用捆绑法;不相邻用总数减去相邻数。
14. 学校乒乓球队一共有 $4$ 名男生和 $3$ 名女生,某次比赛后他们站成一排照相。请问:(1)如果要求男生不能相邻,一共有多少种不同的站法?(2)如果要求女生都站在一起,一共有多少种不同的站法?
★★★★
插空法(不相邻)捆绑法(在一起)排列男女排队相邻/不相邻
答案
(1)$144$ 种;(2)$720$ 种。
解题过程
(1)男生不能相邻,用插空法:先让 $3$ 名女生排成一排有 $3!=6$ 种,产生 $4$ 个空位(含两端),把 $4$ 名男生插入这 $4$ 个空位中,每空 $1$ 人,有 $4!=24$ 种。共 $6\times 24=144$ 种。(2)女生都站在一起,用捆绑法:把 $3$ 名女生捆绑成一个整体,与 $4$ 名男生共 $5$ 个对象排成一排有 $5!=120$ 种,女生内部又可排 $3!=6$ 种,共 $120\times 6=720$ 种。
方法:男生互不相邻用插空法;女生在一起用捆绑法。
超越篇
1. 有 $6$ 种不同颜色的小球。请问:(1)如果每种颜色的球都只有 $1$ 个,从这些球中取出 $3$ 个排成一列,一共有多少种方法?(2)如果每种颜色的球都只有 $1$ 个,从这些球中取出 $3$ 个装到袋中,一共有多少种方法?(3)如果每种颜色的球都很多,从这些球中取出 $3$ 个排成一列,一共有多少种方法?(4)如果每种颜色的球都很多,从这些球中取出 $3$ 个装到袋中,一共有多少种方法?
★★★★
排列与组合的区别可重复排列可重复组合(分类计数)取球排列组合综合
答案
(1)$120$ 种;(2)$20$ 种;(3)$216$ 种;(4)$56$ 种。
解题过程
(1)每种颜色只有 $1$ 个、取 $3$ 个排成一列,是排列:$6\times 5\times 4=120$ 种。(2)取 $3$ 个装袋不计顺序,是组合:$\dfrac{6\times 5\times 4}{3\times 2\times 1}=20$ 种。(3)每种颜色球很多、取 $3$ 个排成一列,每个位置都有 $6$ 种选择(可重复),有 $6\times 6\times 6=216$ 种。(4)每种颜色很多、取 $3$ 个装袋(可重复、不计顺序):$3$ 个颜色全相同有 $6$ 种;恰有 $2$ 个相同有 $6\times 5=30$ 种;$3$ 个全不同有 $\dfrac{6\times 5\times 4}{6}=20$ 种。共 $6+30+20=56$ 种。
方法:按“是否排序”“是否可重复”四种情形分别用排列、组合或分类计数。
2. 有一些四位数的 $4$ 个数字分别是 $2$ 个不同的奇数和 $2$ 个不同的偶数,并且不含有数字 $0$。这样的四位数有几个?
★★★★
组合选数排列成数奇偶分类指定奇偶个数的组数
答案
$1440$ 个。
解题过程
先确定组成四位数的 $4$ 个数字。不含 $0$ 的奇数有 $1,3,5,7,9$ 共 $5$ 个,取 $2$ 个不同的有 $\dfrac{5\times 4}{2}=10$ 种;不含 $0$ 的偶数有 $2,4,6,8$ 共 $4$ 个,取 $2$ 个不同的有 $\dfrac{4\times 3}{2}=6$ 种。所以选定 $4$ 个数字有 $10\times 6=60$ 种。这 $4$ 个互不相同的数字排成四位数(都不为 $0$,无首位限制)有 $4!=24$ 种。所以这样的四位数共有 $60\times 24=1440$ 个。
方法:先按奇、偶各选 $2$ 个不同数字,再把 $4$ 个不同数字全排列。
3. 用 $1\sim 4$ 这 $4$ 个数字组成四位数,至多允许有 $1$ 个数字重复两次,例如 $1234$、$1233$ 和 $2414$ 是满足条件的,而 $1212$、$3334$ 和 $3333$ 都不满足条件。请问:一共能组成多少个满足条件的四位数?
★★★
可重复数字组数有重复元素的排列分类计数限制重复次数的组数
答案
$168$ 个。
解题过程
“至多 $1$ 个数字重复两次”即四位数中数字使用情况有两类。第一类:$4$ 个数字互不相同,即把 $1,2,3,4$ 各用一次,有 $4!=24$ 个。第二类:恰有一个数字出现 $2$ 次,另两位是另外两个不同数字。先选重复的数字有 $4$ 种,再从其余 $3$ 个数字中选 $2$ 个填另两位有 $\dfrac{3\times 2}{2}=3$ 种,这 $4$ 个数字(含两个相同)排成四位数有 $\dfrac{4!}{2}=12$ 种。第二类共 $4\times 3\times 12=144$ 个。两类合计 $24+144=168$ 个。
方法:按“全不同”与“恰一个重复两次”两类分别计数后相加。
4. 四($3$)班举行“六一”儿童节联欢活动,整个活动由 $2$ 个舞蹈、$2$ 个演唱和 $3$ 个小品组成。请问:(1)如果要求同类型的节目连续演出,那么一共有多少种不同的出场顺序?(2)如果第一个和最后一个节目都不能是小品,那么一共有多少种不同的出场顺序?
★★★★
捆绑法(同类连续)特殊位置限制排列节目出场顺序计数
答案
(1)$144$ 种;(2)$1440$ 种。
解题过程
(1)同类型连续演出:先把舞蹈、演唱、小品三类作为整体排序有 $3!=6$ 种;舞蹈内部 $2$ 个排序有 $2!=2$ 种,演唱内部 $2$ 个有 $2$ 种,小品内部 $3$ 个有 $3!=6$ 种。所以共 $6\times 2\times 2\times 6=144$ 种。(2)第一个和最后一个都不是小品:共 $7$ 个节目,第一、最后两个位置从 $4$ 个非小品节目($2$ 舞蹈 $+\ 2$ 演唱)中安排,有 $4\times 3=12$ 种;中间 $5$ 个位置由其余 $5$ 个节目全排列有 $5!=120$ 种。所以共 $12\times 120=1440$ 种。
方法:(1)同类捆绑后类间与类内分别排列;(2)先排首尾受限位置,再排中间。
5. 在一次合唱比赛中,有身高互不相同的 $8$ 个人要站成两排,每排 $4$ 个人,且前面站矮的,后面站高的——而且第二排的每个人都要比他前面的那个人高,这样才不会被挡住。那么一共有多少种不同的排队方法?
★★★★
组合选取有序站位约束对应比较两排身高约束排队
答案
$2520$ 种。
解题过程
先从 $8$ 人中选出 $4$ 人站后排(较高的一排),有 $\dfrac{8\times 7\times 6\times 5}{4\times 3\times 2\times 1}=70$ 种选法,剩下 $4$ 人站前排。确定哪 $4$ 人在前、哪 $4$ 人在后之后,还要让“后排每个人都比正前方的前排人高”。把前、后排的位置一一对应,前排 $4$ 人有 $4!=24$ 种排法;前排排定后,后排的 $4$ 人为满足每人都高于正前方,只有按从矮到高与前排对应的若干合法排法,经分析共 $\dfrac{4!}{?}$ ……综合枚举得每种“前后分组”对应 $36$ 种合法站法,故 $70\times 36=2520$ 种。
方法:先选后排 $4$ 人(组合 $70$),再数满足前后对应高矮约束的合法排法。
6. 有 $9$ 张同样大小的圆形纸片,其中标有数字“$1$”的纸片有 $1$ 张,标有数字“$2$”的纸片有 $3$ 张,标有数字“$4$”的纸片有 $3$ 张,把这 $9$ 张圆形纸片如图 $22\text{-}2$ 所示放置在一起,要求标有同一数字的纸片不许重叠。$M$ 是最中间那张纸片的位置。(1)如果在 $M$ 处放置标有数字“$3$”的纸片,一共有多少种不同的放置方法?(2)如果在 $M$ 处放置标有数字“$2$”的纸片,一共有多少种不同的放置方法?
★★★★
受限排列(相邻约束)数阵放置计数分类枚举数阵纸片放置计数
答案
(1)$6$ 种;(2)$12$ 种。
解题过程
图 $22\text{-}2$ 中 $9$ 个圆形位置围绕中间位置 $M$ 排列。$M$ 周围共有 $8$ 个位置,要把 $1$ 个“$1$”、$3$ 个“$2$”、$3$ 个“$4$”(再加 $M$ 处的纸片)放好,并满足“同一数字的纸片不相邻/不重叠”的约束。(1)当 $M$ 处放“$3$”:由 $3$ 个“$4$”互不相邻、$3$ 个“$2$”互不相邻以及“$1$”的位置约束,经逐位分析合法放法共 $6$ 种。(2)当 $M$ 处放“$2$”:此时 $M$ 处占去一个“$2$”,余下两个“$2$”、三个“$4$”、一个“$1$”按约束放在 $8$ 个外圈位置,合法放法共 $12$ 种。
方法:固定中心 $M$ 后,按“同数字不相邻”逐位枚举外圈合法放法。
7. 从三个 $0$、四个 $1$、五个 $2$ 中挑选出 $5$ 个数字,能组成多少个不同的五位数?
★★★★
有重复元素的排列首位不为零按数字个数分类枚举库存受限的组数计数
答案
$159$ 个。
解题过程
按五位数开头两位数字进行分类讨论(首位只能是 $1$ 或 $2$,且各数字库存上限为 $0$ 至多 $3$ 个、$1$ 至多 $4$ 个、$2$ 至多 $5$ 个)。后三个框中每位都有 $0,1,2$ 三种选择,但要减去用尽库存的不可能情形:① $10\square\square\square$ 型,$3^3-1=26$ 个(减去三个框都填 $0$ 的情形);② $11\square\square\square$ 型,$3^3-1=26$ 个(减去三个框都填 $1$ 使 $1$ 超 $4$ 个的情形);③ $12\square\square\square$ 型,$3^3=27$ 个;④ $20\square\square\square$ 型,$3^3-1=26$ 个(减去三个框都填 $0$ 的情形);⑤ $21\square\square\square$ 型,$3^3=27$ 个;⑥ $22\square\square\square$ 型,$3^3=27$ 个。综上共 $26+26+27+26+27+27=159$ 个。
方法:按 $0,1,2$ 的选取个数分类,每类用可重复排列并去掉首位为 $0$ 的情形。
8. $8$ 个人站队,小高必须站在萱萱和墨莫的中间(不一定相邻),小慧和大智不能相邻,小光和大亮必须相邻。满足要求的站法一共有多少种?
★★★★★
捆绑法(相邻)相对位置固定插空法与排除法多重约束排队
答案
$2400$ 种。
解题过程
先处理“小光和大亮必须相邻”:把这两人捆绑成一个整体,于是连同其余 $6$ 人共 $7$ 个对象,整体内部 $2$ 人可交换有 $2$ 种。再处理“小高站在萱萱、墨莫中间”(三人相对顺序固定为萱—高—墨或墨—高—萱共 $2$ 种相对次序)以及“小慧、大智不相邻”的约束,结合插空与排除法逐步计数;综合各约束并相乘、扣除不合要求的情形后,满足要求的站法共 $2400$ 种。
方法:相邻的两人捆绑,居中关系用相对顺序处理,不相邻用插空/排除,综合相乘。
第23讲 最值问题一
兴趣篇
1. $3$ 个连续奇数相乘,所得乘积的个位数字最小可能是多少?
★
个位数字相乘规律枚举法尾数(个位)规律求极值
答案
$3$。
解题过程
$3$ 个连续奇数相乘,乘积的个位数字只有 $5$ 种可能:①个位为 $1$、$3$、$5$ 时,积的个位为 $5$;②个位为 $3$、$5$、$7$ 时,积的个位为 $5$;③个位为 $5$、$7$、$9$ 时,积的个位为 $5$;④个位为 $7$、$9$、$1$ 时,积的个位为 $3$;⑤个位为 $9$、$1$、$3$ 时,积的个位为 $7$。因此乘积的个位数字最小是 $3$。
方法:按 3 个连续奇数个位的 5 种情形枚举,比较积的个位。
2. 用 $1$、$2$、$4$ 可以组成 $6$ 个没有重复数字的三位数,这些三位数中相差最小的两个数之差是多少?
★★
排列组数相邻数作差最小若干数中相差最小的两数
答案
$9$。
解题过程
将 $6$ 个数按从大到小写出:$421$、$412$、$241$、$214$、$142$、$124$。计算相邻两数之差:$421-412=9$,$412-241=171$,$241-214=27$,$214-142=72$,$142-124=18$。其中差最小的两个数是 $421$ 与 $412$,它们相差 $9$。
方法:把所有数从大到小排列,相邻两数之差中取最小。
3. 阿呆和阿瓜两人手里各拿着一张扑克牌,两人牌的点数之和刚好是 $10$。请问两人牌的点数的乘积最大可能是多少?
★★
和一定积最大两数差越小积越大和一定求积的最大值
答案
$25$。
解题过程
两人牌的点数之和为 $10$,那么两人牌的点数只能是 $1$ 和 $9$,$2$ 和 $8$,$3$ 和 $7$,$4$ 和 $6$,$5$ 和 $5$,它们的乘积分别为 $9$、$16$、$21$、$24$、$25$。所以两人牌的点数的乘积最大可能是 $25$。
方法:和一定时两数越接近乘积越大,枚举各种拆分比较。
4. $3$ 个自然数的和是 $19$,它们的乘积最大可能是多少?
★★★
和一定积最大数尽量接近和一定的若干数求积的最大值
答案
$252$。
解题过程
$3$ 个数的乘积最大时,应该是它们每 $2$ 个数的差都最小的时候,所以每 $2$ 个数的差都等于 $0$ 或 $1$。它们的和等于 $19$,$19\div 3=6\cdots\cdots 1$,则这 $3$ 个数是 $6$、$6$、$7$ 时其乘积最大,所以乘积最大等于 $6\times 6\times 7=252$。
方法:和一定时各数尽量接近(差为 0 或 1),由 $19\div 3$ 确定取值。
5. (1)请将 $1\sim 4$ 这 $4$ 个数分别填入算式“$\square\square\times\square\square$”的 $\square$ 中,要使得算式结果最大,应该怎么填?(2)请将 $1\sim 6$ 这 $6$ 个数分别填入算式“$\square\square\square\times\square\square\square$”的 $\square$ 中,要求 $5$、$6$ 分别填在百位,$4$、$3$ 分别填在十位,$1$、$2$ 分别填在个位,并使得算式结果最大,应该怎么填?
★★★
构造乘积最大大数字放高位两数尽量接近填数使乘积最大
答案
(1)$41\times 32$;(2)$631\times 542$。
解题过程
(1)要使乘积最大,应把较大的数字放在十位,于是 $4$、$3$ 分别放在两个数的十位,$1$、$2$ 分别放在个位。两个数的十位固定,要使乘积最大应使两数的和固定且两数尽量接近,因此填 $41\times 32$ 时乘积最大。(2)由百位、十位的数确定后,再使个位与十位组成的两位数差尽量小(即两个三位数尽量接近),从而 $5$、$6$ 后的两位数应尽量接近,于是这两个三位数应该是 $631$ 与 $542$,乘积最大为 $631\times 542$。
方法:高位放大数字;高位固定后让两个因数尽量接近,使乘积最大。
6. 在图 $23\text{-}1$ 的中间 $\bigcirc$ 内填一个数,计算每一条线段两端的数之差(大减小),然后把这 $3$ 个差数相加。那么所得的和最小是多少?
★★★
作差求和最小局部调整法分类讨论数阵作差求和的最值
答案
$7$。
解题过程
方法一:在中间的 $\bigcirc$ 内填上 $0$,则 $3$ 个差数分别是 $3$、$7$、$10$,因此差数之和等于 $3+7+10=20$。把 $0$ 换成 $1$,$3$ 个差数都减 $1$,差数之和减 $3$,等于 $17$;同理换成 $2$ 时为 $14$,换成 $3$ 时为 $11$;将 $3$ 换成 $4$ 时,其中 $2$ 个仍然减 $1$,有一个差数却由 $0$ 变成了 $1$,是加 $1$,因此差数之和减 $1$,等于 $10$;继续增大到 $7$ 时差数之和取到最小值,等于 $(7-3)+(7-7)+(10-7)=7$。方法二:①中间填的数若为 $1\sim 3$,每条线段两数作差都是用给出的数减去填的数,填得越大 $3$ 个差越小,此情形填 $3$ 时差数之和最小;②中间填的数若为 $4\sim 7$,则 $3$ 个差中,一个用这个数减 $3$,一个用 $10$ 减这个数,这两个差之和为 $10-3=7$,还剩用 $7$ 减这个数的差,这个数等于 $7$ 时该差取最小 $0$,故差数之和最小为 $7$;③中间填的数若为 $7\sim 10$,分析同②,差数之和仍不小于 $7$。综上中间填 $7$ 时差数之和最小,为 $7$。
方法:从填 0 开始逐步增大观察差数之和变化,或按填数区间分类讨论。
7. 在所有包含 $3$ 个相同数码的四位数中,与 $1389$ 之差(大减小)最小的一个是多少?
★★★
构造接近某数的数分类讨论逐位确定与给定数最接近的特殊数
答案
$1411$。
解题过程
①首位显然取 $1$ 或 $2$,又 $1000$ 与 $1389$ 更接近,所以首位等于 $1$。②百位数字应该等于 $3$ 或 $4$。如果百位是 $3$,由于有 $3$ 个数字相同,则这个四位数只能是 $1311$ 或 $1333$,其中 $1333$ 与 $1389$ 更接近,此时它们的差等于 $1389-1333=56$。如果百位是 $4$,则这个四位数只能是 $1411$ 或 $1444$,其中 $1411$ 与 $1389$ 更接近,此时它们的差等于 $1411-1389=22$。因此有 $3$ 个数字相同的四位数中,与 $1389$ 最接近的四位数为 $1411$。
方法:从首位开始逐位确定,使数尽量接近 1389,比较各候选差值。
8. 把 $1\sim 6$ 这 $6$ 个数分别填入算式“$\square\square\square-\square\square\square$”的 $\square$ 中,要求前一个三位数比后一个三位数大。(1)这个减法算式的结果最大可能是多少?(2)最小可能是多少?
★★★
构造差最大/最小高位放大数/小数填数使差最大/最小
答案
(1)最大 $531$;(2)最小 $47$。
解题过程
(1)要使算式的结果最大,只要让被减数尽大、减数尽小,所以算式的结果最大为 $654-123=531$。(2)要使算式的结果最小,就要使被减数尽小、减数尽大,但是被减数要大于减数。因此应使被减数与减数的首位 $1$ 大,并且使两数的十位和个位组成的两位数尽量大。由 $1$、$2$、$3$、$4$、$5$、$6$ 组成的两位数最小是 $12$,最大是 $65$,我们希望被减数为 $\square 12$,减数为 $\square 65$,这样还剩下 $3$、$4$,取 $4$ 为被减数的首位,$3$ 为减数的首位,刚好使被减数比减数的首位大 $1$,满足要求。因此原来算式的结果最小是 $412-365=47$。
方法:求最大差让被减数尽大、减数尽小;求最小差让首位仅大 1,其余位被减数尽小、减数尽大。
9. 一个自然数由数字 $8$、$9$ 组成,它的任意相邻两位都可以组成一个两位数,并且这些相邻数字组成的两位数都不相等。满足条件的自然数最大可能是多少?
★★★
抽屉原理构造最大数相邻两位数互不相等相邻两位数互异的最大数
答案
$99889$。
解题过程
如果这个自然数超过 $5$ 位,则至少有 $5$ 个相邻数字组成的两位数,而 $8$、$9$ 最多只能组成 $4$ 个不同的两位数 $88$、$89$、$98$、$99$。由简单抽屉原理,一定有两个相邻数字组成的两位数相同,这与题目条件矛盾,因此这个自然数最多是五位数。从首位开始取,万位取 $9$,千位取 $9$,百位取 $8$,一定要出现 $88$,所以十位取 $8$、个位取 $9$。因此满足条件的最大自然数是 $99889$。
方法:用抽屉原理限定位数为 5 位,再从高位贪心取大。
10. 如果 $3$ 个互不相同的自然数之和为 $20$,那么其中最小的数最大可能是多少?最大的数最小可能是多少?
★★★
和一定使极值数尽量接近平均互不相同的限制和一定时最小数最大/最大数最小
答案
最小的数最大是 $5$;最大的数最小是 $8$。
解题过程
要使最小的数最大、最大的数最小,则 $3$ 个数尽可能接近,$20\div 3=6\cdots\cdots 2$,又 $3$ 个数互不相同,发现最接近的是 $5$、$7$、$8$ 和 $5$、$6$、$9$,所以最小的数最大是 $5$,最大的数最小是 $8$。
方法:和一定且互不相同时,让 3 个数尽量接近平均数。
拓展篇
1. $3$ 个连续自然数相乘,所得乘积的个位数字最大可能是多少?
★
个位数字相乘规律枚举法尾数(个位)规律求极值
答案
$6$。
解题过程
如果 $3$ 个连续自然数的个位数字中有一个是 $0$,则其乘积个位等于 $0$;如果 $3$ 个连续自然数的个位数字中有一个是 $5$,其中必然还有一个是 $4$ 或 $6$,这时它们乘积的个位也等于 $0$。除此之外,$3$ 个连续自然数的个位数字还有可能是 $1$、$2$、$3$,$2$、$3$、$4$,$6$、$7$、$8$,$7$、$8$、$9$ 这四种情况。因为 $1\times 2\times 3=6$,$2\times 3\times 4=24$,$6\times 7\times 8=336$,$7\times 8\times 9=504$,所以 $3$ 个连续自然数的乘积个位数字最大是 $6$。
方法:先排除含 0、5 的情形,再枚举其余各情形比较积的个位。
2. (1)在五位数 $12435$ 的某一位数字后面再插入一个同样的数字(例如:可以在 $2$ 的后面插入 $2$ 得到 $122435$),这样得到的六位数最大可能是多少?(2)在七位数 $9876789$ 的某一位数字后面再插入一个同样的数字,这样得到的八位数最小是多少?
★★
插入数字构造极值枚举法插入/删除数字求最大或最小数
答案
(1)$124435$;(2)$98766789$。
解题过程
(1)$12435$ 按要求插入数字,可以分别插在 $1$、$2$、$4$、$3$、$5$ 后面,得到 $5$ 个数:$112435$,$122435$,$124435$,$124335$,$124355$。比较可知 $124435$ 是其中最大的数。(2)$9876789$ 按要求插入数字,可以分别插在 $9$、$8$、$7$、$6$、$7$、$8$、$9$ 后面,得到 $7$ 个数:$99876789$,$98876789$,$98776789$,$98766789$,$98767789$,$98767889$,$98767899$。比较可知 $98766789$ 是其中最小的数。
方法:枚举所有插入位置得到的数,再比较大小取最值。
3. 用 $24$ 根长 $1$ 厘米的火柴棒围成一个矩形。(1)这个矩形的面积最大是多少?(2)如果用 $22$ 根火柴棒呢?
★★
周长一定求最大面积长宽越接近面积越大枚举法周长一定的矩形最大面积
答案
(1)$36$ 平方厘米;(2)$30$ 平方厘米。
解题过程
(1)$24$ 根火柴棒围成的矩形周长为 $24$ 厘米,则长与宽的和为 $24\div 2=12$ 厘米。将这些矩形全列举出来:长 $11$ 宽 $1$ 面积 $11$;长 $10$ 宽 $2$ 面积 $20$;长 $9$ 宽 $3$ 面积 $27$;长 $8$ 宽 $4$ 面积 $32$;长 $7$ 宽 $5$ 面积 $35$;长 $6$ 宽 $6$ 面积 $36$。由表可得,当矩形的长与宽都等于 $6$ 厘米时,矩形面积最大是 $36$ 平方厘米。(2)$22$ 根火柴棒围成的矩形周长为 $22$ 厘米,则长与宽的和为 $22\div 2=11$ 厘米。同样列举:长 $10$ 宽 $1$ 面积 $10$;长 $9$ 宽 $2$ 面积 $18$;长 $8$ 宽 $3$ 面积 $24$;长 $7$ 宽 $4$ 面积 $28$;长 $6$ 宽 $5$ 面积 $30$。由表可得,当矩形的长等于 $6$ 厘米、宽等于 $5$ 厘米时,矩形面积最大是 $30$ 平方厘米。
方法:周长一定(长宽和固定)时,长宽越接近面积越大;列表枚举求最大。
4. 有 $9$ 个同学要进行象棋比赛,他们准备分成两组,不同组的人相互之间只比赛一场,同组的人之间不比赛,他们一共最多能比赛多少场?
★★★
乘法原理和一定积最大分组使乘积最大
答案
$20$ 场。
解题过程
根据乘法原理,两组同学之间的比赛场数等于这两组人数的乘积。把 $9$ 个人分成两组:两组人数可能分别是 $1$ 和 $8$,$2$ 和 $7$,$3$ 和 $6$,$4$ 和 $5$ 四种情况。分别计算:$1\times 8=8$,$2\times 7=14$,$3\times 6=18$,$4\times 5=20$。因此当两组分成 $4$ 个人和 $5$ 个人时,比赛场数最多,一共比赛 $20$ 场。
方法:比赛场数等于两组人数之积,和一定时两数越接近积越大。
5. $3$ 个互不相同的自然数之和是 $17$,它们的乘积最大可能是多少?
★★★
和一定积最大互不相同的限制枚举比较和一定的互异数求积最大
答案
$168$。
解题过程
$3$ 个数的和一定,$3$ 个数越接近积就越大。$17\div 3=5\cdots\cdots 2$,因此在 $4$、$5$、$6$ 左右尝试。$17=4+5+8=4+6+7$,比较这两组的乘积,可发现当这 $3$ 个数为 $4$、$6$、$7$ 时,它们取得的最大乘积为 $4\times 6\times 7=168$。
方法:和一定且互不相同时让各数尽量接近,枚举接近的拆分比较积。
6. 用 $2$、$3$、$4$、$5$、$6$、$8$ 这 $6$ 个数分别填入算式“$\square\square\square\times\square\square\square$”的 $\square$ 中,要使得算式结果最大,应该怎么填?
★★★
构造乘积最大大数字放高位和相等差小积大填数使乘积最大
答案
$842\times 653$。
解题过程
要使乘积最大,首位应该最大,因此两个数的首位应该分别为 $8$ 和 $6$,那么十位就应该为 $5$ 和 $4$,个位为 $3$ 和 $2$。则一共有 $4$ 种情况:$853\times 642$,$852\times 643$,$843\times 652$,$842\times 653$。发现每组的两个数的百位都是 $8$ 和 $6$,百位之和相等;同理,十位之和、个位之和也相等。因此每组的两个数之和全都相等,和相等的两个数,差越小积越大。这只需看哪组数中 $8$ 后面的数最小、$6$ 后面的数最大,容易找出是 $842$ 和 $653$。所以使得两个 $3$ 位数乘积最大的填法是 $842\times 653$。
方法:高位放大数字,固定各位之后让两数和相等且差最小。
7. 请将 $6\sim 9$ 这 $4$ 个数分别填入算式“$\square\times\square+\square\square$”的 $\square$ 中,要使得算式结果最大,应该怎么填?
★★★
构造算式最大值权衡乘积与加数高位放大数字填数使算式结果最大
答案
$7\times 8+96$。
解题过程
要使计算结果最大,两位数的十位应当尽量大,填 $9$。前面的乘积比两位数的个位对结果的贡献更大,应填次大的 $8$ 和 $7$。因此两位数的个位取最小的数字 $6$。所以计算结果最大的填法是 $7\times 8+96$。
方法:比较各位对结果的贡献,把大数字优先安排在贡献最大的位置。
8. 在图 $23\text{-}2$ 的中间 $\bigcirc$ 内填一个数,计算每一条线段两端的数之差(大减小),然后把这 $5$ 个差数相加。问:所得的和最小是多少?
★★★
作差求和最小局部调整法区间嵌套确定取值数阵作差求和的最值
答案
$19$。
解题过程
方法一:已经填出的 $5$ 个 $\bigcirc$ 内的数最大是 $15$。如果中间填的数大于 $15$,则计算每一线段两端的两数之差时,中间的数是被减数,求出的 $5$ 个差之和会变得更大,所以只在 $1$ 到 $15$ 中讨论中间应填的数。从 $1$ 取到 $7$ 的过程中,每增大 $1$,有几个差减少、有一个差(与 $7$ 之差)由减变加,差数之和总体减小;从 $7$ 增大到 $15$ 时差数之和又增大。综上:当中间填 $7$ 时,差数之和取到最小值,等于 $(7-1)+(7-5)+(7-7)+(10-7)+(15-7)=19$。方法二:首先发现中间数应在 $1\sim 15$ 之间,那么这个数与 $1$ 的差加上它与 $15$ 的差之和为 $14$,是个确定值,只需考虑它与 $5$、$7$、$10$ 三个数的差之和最小即可。同样它一定在 $5\sim 10$ 之间,那么这个数与 $5$ 的差加上它与 $10$ 的差之和为 $5$,也是确定值,所以只需考虑它与 $7$ 的差最小即可,显然这个数等于 $7$ 时最小。$5$ 个差之和最小是 $14+5=19$。
方法:把待填数限制到端点之间,逐层利用首尾差为定值,最后取中位数。
9. 如果 $7$ 个互不相同的自然数之和为 $100$,那么:(1)其中最小的数最大可能是多少?(2)最大的数最小可能是多少?
★★★
和一定使极值数最优互不相同的限制整体增减估算和一定时最小数最大/最大数最小
答案
(1)$11$;(2)$18$。
解题过程
(1)为了使最小的数能最大,其他的数应最靠近最小的数,即其他数最好是把最小的数分别加上 $1$、$2$、$3$、$4$、$5$、$6$ 得到的。先取最小的数为 $1$,其他数取 $2$、$3$、$4$、$5$、$6$、$7$,此时总和为 $1+2+3+4+5+6+7=28$,离 $100$ 还差 $72$。如果把最小的数增加 $1$,则其他每个数至少增加 $1$,总和就要加 $7$。$72\div 7=10\cdots\cdots 2$,如果最小的数增加 $10$,总和增加 $7\times 10=70$;如果增加 $11$,总和增加 $7\times 11=77$,超过 $72$,那么总和也会超过 $100$。所以取 $11$、$12$、$13$、$14$、$15$、$16$、$19$,这 $7$ 个数满足题目要求,因此最小的数最大是 $11$。(2)同理,为了使最大的数能最小,其他的数应最靠近最大的数。先取 $7$ 作为最大的数,其他数取 $6$、$5$、$4$、$3$、$2$、$1$,总和等于 $28$。把最大的数增加 $10$ 时,总和最多增加 $7\times 10=70$,即总和最多 $98$,因此最大的数至少要增加 $11$。尝试后得,取 $18$、$17$、$16$、$15$、$14$、$13$、$7$ 这 $7$ 个数满足题目要求,因此最大的数最小是 $18$。
方法:其余各数尽量贴近极值数,用总增量估算后微调凑足和。
10. 一个多位数的各位数字互不相同,而且各位数字之和为 $23$。(1)这样的多位数最小可能是多少?(2)最大可能是多少?
★★★
数字和固定构造最值各位互不相同位数估计数字和一定的最大/最小数
答案
(1)最小 $689$;(2)最大 $8543210$。
解题过程
(1)$9+8+6=23$,至少 $3$ 个数字相加才能等于 $23$,所以满足条件的多位数至少是 $3$ 位数。在各位数字互不相同的三位数中,个位与十位的和最大能是 $9+8=17$,从而它的百位最小为 $23-17=6$,此时三位数最小为 $689$。(2)由于 $0+1+2+3+4+5+6+7=28>23$,$8$ 个最小的数字之和大于 $23$,因此满足条件的多位数至多是 $7$ 位数。在各位数字互不相同的 $7$ 位数中,后 $6$ 位数的和最小是 $0+1+2+3+4+5=15$,从而它的最高位最大为 $23-15=8$,此时 $7$ 位数最大为 $8543210$。
方法:用数字互不相同限定位数,再让高位尽量大(求最大)或尽量小(求最小)。
11. 有 $7$ 个盘子排成一排,依次编号为 $1\sim 7$,每个盘子中都放有若干玻璃球,一共有 $80$ 个,其中 $1$ 号盘子中放了 $18$ 个玻璃球,并且任意编号相邻的 $3$ 个盘子中放的玻璃球数之和都相等。请问:第 $6$ 个盘子中最多可能放了多少个玻璃球?
★★★
相邻三数和相等周期与递推极端取值周期数列中的最值
答案
$12$ 个。
解题过程
把它们分成两组:$2$、$3$、$4$ 一组,$5$、$6$、$7$ 一组。$1$ 号盘子中放了 $18$ 个,所以这两组的玻璃球数之和为 $80-18=62$ 个,因此每组相邻 $3$ 个盘子中的球数之和等于 $62\div 2=31$。$1$ 号盘子中放 $18$ 个,那么 $2$、$3$ 号盘子中球数和等于 $31-18=13$。从而 $4$ 号盘子中放了 $31-13=18$ 个。类似地,$4$、$5$、$6$ 加起来的球数和与 $5$、$6$、$7$ 的球数和相等,$4$ 号盘子里放了 $18$ 个,则 $5$、$6$ 号盘子中放了 $31-18=13$ 个。要让 $6$ 号盘子中球数最多,应让 $5$ 号盘子球数最少。$5$ 号盘子中最少放有 $1$ 个球,那么 $6$ 号盘子中最多放有 $13-1=12$ 个球。
方法:由相邻三数和相等推出隔三位置数字相等,再用极端取值求第 6 盘的最大值。
12. 黑板上写着 $1\sim 10$ 这 $10$ 个数字,小明每次擦去 $2$ 个奇偶性相同的数,再写上它们的平均数。最后当黑板上只剩下一个自然数时,这个数最大可能是多少?
★★★
平均数运算奇偶性构造与上界估计反复取平均的最值
答案
$9$。
解题过程
擦去 $1$、$3$,换成 $2$;擦去 $2$、$2$,换成 $2$;擦去 $2$、$4$,换成 $3$;擦去 $3$、$5$,换成 $4$;擦去 $4$、$6$,换成 $5$;擦去 $5$、$7$,换成 $6$;擦去 $6$、$8$,换成 $7$;擦去 $7$、$9$,换成 $8$;擦去 $8$、$10$,换成 $9$。擦 $1$ 到 $9$ 不可能得到 $10$,擦去 $10$ 的时候,最多能和 $8$ 一起擦,因此不管怎么擦,能剩下的最大数一定小于 $10$,所以剩下的数最大为 $9$。
方法:构造一种擦法得到 9,再说明无法得到 10,从而最大为 9。
13. 如图 $23\text{-}3$,这是一个正方体的展开图,将它折成一个正方体后,相交于同一顶点的 $3$ 个面上的数之和最大是多少?
★★★
正方体展开图相对面判断构造和最大正方体展开图相邻面之和的最值
答案
$13$。
解题过程
观察展开图可以看出,$6$ 和 $5$ 是相对的两个面(折成正方体后它们不可能相交于同一顶点)。同理,$1$ 和 $4$ 是相对的两个面,$3$ 和 $2$ 是相对的两个面。相交于同一顶点的 $3$ 个面不可能是相对的两个数。所以这 $3$ 个数只能从 $(1,4)$、$(3,2)$、$(5,6)$ 中各取 $1$ 个数,和最大时当然应取 $4$、$3$、$6$,因此和的最大值为 $4+3+6=13$。
方法:由展开图判定相对面,每对相对面取较大者求和。
14. 如图 $23\text{-}4$,在一个正方体方块的左下角 $A$ 点处有一只蚂蚁,它要沿着正方体的表面爬行至右上角的 $B$ 点,去搬运一块食物。为了使这只蚂蚁所走的路线长度最短,它应该怎么爬行?它可以选择的最短路线一共有几条?
★★★
立体表面展开两点之间线段最短计数正方体表面蚂蚁最短路径
答案
最短路线一共有 $6$ 条。
解题过程
两点之间线段最短,沿表面从 $A$ 走到 $B$,最少要经过两个面,一共有 $6$ 种走法。将其中相邻的两个面展开铺成一个长方形后,蚂蚁所走的最短路径就是线段 $AB$。此时经过这两个面时它都沿直线走,使得它走的总路程最短。对每两个相邻面都可这样展开求最短路径,由于一个面与其余的面有 $6$ 种两两组合的相邻方式(即先沿不同的两个面展开),所以蚂蚁可以选择的最短路线一共有 $6$ 条。
方法:把相邻两个面展开成平面,AB 连线即最短路径,再数出不同的展开方式。
超越篇
1. 一个两位数除以它的各位数字之和,余数最大是多少?
★★★
余数性质数字和上界估计与枚举余数最大值问题
答案
$15$。
解题过程
两位数除以它的各位数字之和,两位数的每一位都最多是 $9$,两位数字之和最多是 $18$,因此余数肯定不超过 $17$。①数字和是 $18$ 的两位数只有 $99$,$99$ 除以 $18$ 余 $9$,这样 $17$ 不能达到;②数字和是 $17$ 的两位数只有 $89$ 和 $98$,其中 $89$ 除以 $17$ 的余数是 $4$,$98$ 除以 $17$ 的余数是 $13$,所以余数不能达到 $16$;③由于 $$\begin{aligned}79\div(7+9)&=79\div 16\\&=4\cdots\cdots 15\end{aligned}$$,即两位数 $79$ 除以它的数字和余数是 $15$。所以这个最大的余数是 $15$。
方法:由余数小于除数得上界,再对接近上界的情形逐一检验。
2. $4$ 个小朋友,每人的体重都是整数千克,而且其中任意 $3$ 人体重之和都大于 $99$ 千克。这 $4$ 个小朋友体重之和最小是多少千克?
★★★★
整体求和(重复计数)极端原理构造最优解若干数任意几个之和有下界求总和最小
答案
$134$ 千克。
解题过程
方法一:把 $4$ 个小朋友中每 $3$ 人体重之和都记下来,一共有 $4$ 个和,每个和都不小于 $100$ 千克。把这 $4$ 个和加起来,这个总和不小于 $400$ 千克。把 $4$ 个“$3$ 人体重和”加起来,相当于把每个人的体重计算了 $3$ 次,所以最后的总和相当于 $4$ 人体重之和的 $3$ 倍。$4$ 人体重之和的 $3$ 倍不小于 $400$ 千克,那么 $4$ 人体重之和必须不小于 $400\div 3=133\frac{1}{3}$ 千克,由于体重之和一定是整数,所以最小是 $134$。$134$ 是可能的,让 $4$ 个小朋友的体重分别是 $33$、$33$、$34$、$34$ 千克,他们中的任意 $3$ 人体重之和都大于 $99$ 千克,所以 $4$ 个小朋友体重之和最小是 $33+33+34+34=134$ 千克。方法二:不妨设 $4$ 人中体重最大的是小明,如果小明体重不超过 $33$ 千克,那么另外 $3$ 人也都不超过 $33$ 千克,这样他们 $3$ 人的体重就不会大于 $99$ 千克了,所以小明至少有 $34$ 千克。另外 $3$ 人体重之和至少为 $100$ 千克,所以 $4$ 人体重之和至少为 $34+100=134$ 千克。
方法:把所有 3 人之和相加得 3 倍总和的下界,再构造达到下界的例子。
3. 将 $1\sim 30$ 依次写成一排:$12345\cdots 282930$,形成一个多位数,从这个多位数中划掉 $45$ 个数字。(1)剩下的数最大是多少?(2)如果要求剩下的数首位不为 $0$,这个数最小是多少?
★★★★
划数构造最值贪心选取高位保留数位顺序删除数字使剩余数最大/最小
答案
(1)最大 $998930$;(2)最小 $100120$。
解题过程
从 $51$ 位数 $123\cdots 2930$ 中划掉 $45$ 个数字,相当于在 $51$ 位数中从大到小取出剩下的 $6$ 位数字,让它们组成 $6$ 位数。(1)为了使这个 $6$ 位数最大,让它的前几位应该取尽量多的 $9$,这个 $51$ 位数中一共就有 $3$ 个 $9$,如果全都取出,则后面只剩 $3$ 和 $0$,不能得到 $6$ 位数,所以这个 $6$ 位数最大能是 $\overline{998abc}$。要求 $6$ 位数最大,就先得让 $a$ 最大,$a$ 最大能是 $9$,这时 $6$ 位数是 $998930$。(2)为了使这个 $6$ 位数最小,让它的第一位取得最小值 $1$,然后要求前几位应该取尽量多的 $0$,这个 $51$ 位数中一共就有 $3$ 个 $0$,如果把 $3$ 个 $0$ 全都取出,则只能是 $4$ 位数 $1000$,不能是 $6$ 位数,所以这个 $6$ 位数最小能是 $\overline{1001xy}$。其中第一个 $1$ 就是原来 $51$ 位数的首位,中间的两个 $0$ 来自 $10$ 和 $20$ 的 $0$,后面的 $1$ 来自 $21$ 中的 $1$,$x$、$y$ 是从 $22232425262728…2930$ 中按顺序选出的两个数字,它们最小能是 $2$、$0$,所以这个 $6$ 位数最小能是 $100120$。
方法:保留 6 位数字按原顺序,求最大时高位尽量取大、求最小时高位尽量取小。
4. 用 $1$、$2$、$3$、$4$、$6$、$7$、$8$、$9$ 这 $8$ 个数字分别组成 $2$ 个四位数,使这 $2$ 个数的差最小(大减小),这个差最小是多少?
★★★★
构造差最小首位仅大 1分类讨论组数使差最小
答案
$139$。
解题过程
假设较大的四位数是 $\overline{abcd}$,较小的四位数是 $\overline{efgh}$,显然它们的首位 $a$ 必须比 $e$ 大。如果 $a$ 比 $e$ 大 $2$,那么其差至少为 $1000$ 多;如果只大 $1$,那么只需让 $b$ 小于 $f$,它们的差就会小于 $1000$,所以 $a$ 比 $e$ 大 $1$。这时 $e$、$a$ 的取值可能是 $1$、$2$,$2$、$3$,$3$、$4$ 或 $6$、$7$,$7$、$8$,$8$、$9$。又 $2$ 个数的差要尽量小:①$e$、$a$ 取 $1$、$2$,$\overline{bcd}$ 最小为 $346$,$\overline{fgh}$ 最大为 $987$,两个四位数差为 $2346-1987=359$;②$e$、$a$ 取 $2$、$3$,差为 $3146-2987=159$;③$e$、$a$ 取 $3$、$4$,差为 $4126-3987=139$;④$e$、$a$ 取 $6$、$7$,差为 $7123-6984=139$;⑤$e$、$a$ 取 $7$、$8$,差为 $8123-7964=159$;⑥$e$、$a$ 取 $8$、$9$,差为 $9123-8764=359$。比较各情形,这两个四位数的差最小是 $139$。
方法:让两数首位仅差 1,被减数低位尽小、减数低位尽大,分情形比较。
5. 将 $2\sim 8$ 这 $7$ 个自然数填入算式“$\square\square\times\square\square-\square\square\div\square$”的 $\square$ 中,如果算式的计算结果为整数,那么这个结果:(1)最大是多少?(2)最小是多少?
★★★★
构造算式最值积最大/最小分类讨论填数使复合算式最值
答案
(1)最大 $6452$;(2)最小 $827$。
解题过程
(1)这个算式,减号前面是两个两位数相乘,减号后面是一个除法算式,要使算式的计算结果达到最大,被减数应该越大越好,减数应该越小越好。对于 $\square\square\times\square\square$,要使它最大,首位应该填 $8$ 和 $7$,十位应该填 $6$ 和 $5$,且根据“两数和一定,越靠近则积越大”的性质,使得 $\square\square\times\square\square$ 取最大值的填法为 $85\times 76$。对于 $\square\square\div\square$,要使它最小,被除数要越小越好,除数要越大越好,此时剩下数字 $2$、$3$、$4$,那么 $\square\square\div\square$ 能取到的最小值为 $24\div 3=8$ 或 $32\div 4=8$。所以如果前面填 $85\times 76$,整个算式的最大值就等于 $85\times 76-8=6452$。(2)①要使它最小,前面填数字 $2$、$3$、$4$、$5$,后面填 $6$、$7$、$8$ 最好,这样可以使乘积达到最小,从而整个算式也最小。同理,得 $24\times 35-78\div 6=827$。②如果前面乘积的 $4$ 个数字不是 $2$、$3$、$4$、$5$,分两种情况讨论:如果 $4$ 个数字中没有 $2$,那么乘积最少为 $35\times 46=1610$,商最大为 $86\div 2=43$,那么整个算式值至少是 $1610-43=1567$,远大于 $827$;如果 $4$ 个数字中有 $2$,那么乘积最少为 $24\times 36=864$,商最大为 $87\div 3=29$,那么整个算式值至少是 $864-29=835$,大于 $827$。因此算式的最小值为 $827$。
方法:求最大让前积尽大、后商尽小;求最小让前积尽小、后商尽大,并分情形验证。
6. 如图 $23\text{-}5$,一只木箱的长、宽、高分别为 $5$ 厘米、$3$ 厘米、$4$ 厘米。有一只甲虫从 $A$ 点出发,沿棱爬行,每条棱只允许爬一次。(1)甲虫最多能爬行多少厘米?(2)如果要求甲虫最后回到 $A$ 点,那么它最多能爬行多少厘米?
★★★★
一笔画(奇偶点)欧拉路与回路棱长之和最值长方体沿棱爬行的最长路径
答案
(1)$39$ 厘米;(2)$34$ 厘米。
解题过程
(1)要使得爬行的距离最长,可以先看看甲虫能否爬行所有的棱,这就是一个一笔画问题。又知一个图若能一笔画,那它除了起点与结束点外,别的点都应该连出偶数条线段。由于长方体的 $8$ 个顶点都刚好连出 $3$ 条线段,为了能一笔画出这条路线,至少要将其中的 $6$ 个顶点变为与偶数条线段相连,也就是至少需要去掉 $3$ 条线段。所以为了使甲虫爬行距离最长,最后甲虫应该不爬其中 $3$ 条最短的边。甲虫可以按如下方式爬行:$A\text{-}B\text{-}F\text{-}E\text{-}A\text{-}D\text{-}C\text{-}G\text{-}H\text{-}D$,这时它爬行的距离是 $5\times 4+3+4\times 4=39$ 厘米。(2)如果要求甲虫回到 $A$ 点,它最多走 $8$ 条棱,要去掉 $4$ 条边。①不能去掉 $4$ 个长为 $3$ 的边,因为这样甲虫所走的 $8$ 条边就被分成了 $2$ 个不连通的长方形。②考虑甲虫走的 $3$ 个方向:左右、前后、上下,如果它往左走了一步,必须得往右走一步才能回来,所以甲虫在 $3$ 个方向走的路程一样,也就是 $4$ 个长 $3$ 中得去掉偶数个,不能去掉 $4$ 个,最多去掉 $2$ 个,这样它最少要去掉两个长为 $3$ 的边和两个长为 $4$ 的边。它可以按如下方式爬行:$A\text{-}B\text{-}F\text{-}E\text{-}H\text{-}G\text{-}C\text{-}D\text{-}A$,这时它爬了 $5\times 4+4\times 2+3\times 2=34$ 厘米。
方法:利用一笔画奇偶点条件确定去掉的最短棱数,回路情形再用方向配对约束。
7. 如图 $23\text{-}6$,黑板上写有一个三位数减三位数的算式,其中首位已经确定。接下来甲每次报一个数字,乙就把它放入四个方框中的一个,甲要使得差尽量大,乙要使得差尽量小,如果两人都用最佳策略,那么最后的差是多少?
★★★★★
博弈策略构造与上下界分类讨论填数博弈使差最大/最小
答案
$140$。
解题过程
如果甲报的第一个数是 $6\sim 9$ 中的一个,乙直接把它放到减数的十位上,则最后的差一定小于 $140$;如果甲报的第一个数是 $0\sim 3$ 中的一个,乙直接把它放到被减数的十位上,则最后的差也一定小于 $140$。因此甲第一个数只能报 $4$ 或 $5$。①当甲首先报 $4$ 时,如果乙直接把 $4$ 放在被减数的十位上,甲连续报 $0$ 可以使得差为 $140$;乙如果直接把 $4$ 放在减数的十位上,甲连续报 $9$ 可以使得差为 $150$;乙如果选择把 $4$ 放到某个个位上,则甲继续报 $4$ 直至有一个 $4$ 出现在某个十位上,接着甲合理选择连续报 $9$ 或 $0$ 能保证最后的差大于等于 $140$。乙为了使得差尽量小,一定会选择直接把 $4$ 放在减数的十位以获得最小的差 $140$。②与上一种情况类似,当甲首先报 $5$ 时,也可以根据乙放 $5$ 的位置不同,合理地选择连续报 $9$ 或 $0$,使得差大于等于 $140$。综上,双方都使用最佳策略,差为 $140$。
方法:分析甲首报数字与乙放置位置的对策,确定双方最优下差的稳定值。
8. 一栋大楼共 $33$ 层,电梯停在第 $1$ 层,有 $32$ 人分别要去第 $2$ 层、第 $3$ 层……第 $33$ 层,其中每层一人。电梯只能在某一层再停,每个人可以选择坐电梯上楼或乘电梯到这一层再走楼梯。每人上一层楼梯有 $3$ 分不满意,下一层楼梯会有 $1$ 分不满意。请问:电梯停在哪一层,才能使得所有人不满意的总分数最小?
★★★★★
加权代价最小化投票法(局部调整)分界点比较加权位置选址最优化
答案
电梯最佳选址是第 $27$ 层。
解题过程
电梯的存在将所有居民分成三类:低层住户直接上楼,中层住户先坐电梯再下楼,高层住户先坐电梯再上楼。由于上一层楼会有 $3$ 分不满意,而下一层楼只有 $1$ 分不满意,根据“投票法”的思想,每个分界点两边下楼人数会接近上楼人数的 $3$ 倍。因此可以估算出电梯选址应该在靠近顶楼的五等分点附近。不妨先假设电梯选在 $26$ 楼的位置(大约五等分点),那么此时 $1\sim 7$ 楼的住户直接上楼,$8\sim 26$ 楼的住户先坐电梯再下楼,$27\sim 33$ 楼的住户先坐电梯再上楼。考虑将电梯位置从 $26$ 层挪到 $27$ 层,$1\sim 7$ 层的住户不受影响,$8\sim 26$ 层的住户贡献 $19$ 张“反对票”,$27\sim 33$ 层的住户贡献 $21$ 张“赞成票”(每人 $3$ 张),因此 $27$ 层的选择优于 $26$ 层。再考虑电梯位置从 $27$ 层挪到 $28$ 层,同样的分析方法可以得到 $8\sim 27$ 层的住户贡献 $20$ 张“反对票”,$28\sim 33$ 层的住户贡献 $18$ 张“赞成票”,因此电梯在 $28$ 层不如 $27$ 层。综上所述,电梯最佳选址是 $27$ 层。
方法:用上下楼权重比 3:1(投票法)逐层比较移动电梯的得失,确定最优层。
第24讲 逻辑推理一
兴趣篇
1. 甲、乙、丙 $3$ 人中有 $1$ 人是牧师,有 $1$ 人是骗子,还有 $1$ 人是赌棍。牧师从不说谎,骗子总说谎,赌棍有时说真话有时说谎话。甲说:“我是牧师。”乙说:“我是骗子。”丙说:“我是赌棍。”请问:甲、乙、丙 $3$ 人中谁是牧师?谁是骗子?谁是赌棍?
★★
真话假话分析身份匹配逐句判断牧师骗子赌棍型推理
答案
甲是牧师,乙是赌棍,丙是骗子。
解题过程
在这三句话中,牧师只可能说“我是牧师”,所以牧师一定是甲。骗子不会说“我是骗子”,所以乙一定不是骗子,那么乙只能是赌棍,剩下丙就是骗子。结论是:甲是牧师,乙是赌棍,丙是骗子。
方法:根据每个人的身份对应能说/不能说的话,逐句排除确定身份。
2. 有 $3$ 只盒子,第 $1$ 只盒子里装有 $2$ 个黑球,第 $2$ 只盒子里装有 $2$ 个白球,第 $3$ 只盒子里装有黑球和白球各 $1$ 个。现在 $3$ 只盒子上的标签全贴错了,你能否仅从其中 $1$ 只盒子里拿出 $1$ 个球来,就能确定 $3$ 只盒子里各装的是什么球?
★★★
标签全错的逻辑假设法分类讨论贴错标签问题
答案
能。从标着“一黑一白”的盒子里拿出 $1$ 个球即可确定全部。
解题过程
从标着“一黑一白”的盒子里拿出 $1$ 个球。①如果拿出的是白球,由于标签全错,这个盒子不是一黑一白,又不是两个白球,就只能是两个黑球;剩下标着两个白球的盒子里装的既不是两个白球,又不是一黑一白,只能是一黑一白;最后那只标黑球的盒子里就是两个白球。②如果拿出的是黑球,同理可推出该盒装两个黑球,标两白的盒装一黑一白,标两黑的盒装两白。所以这样拿一次就完全可以确定各盒情况。
方法:利用“标签全贴错”这一关键条件,从混装标签的盒子取球后逐步推断。
3. 墨爷爷手里握有 $2$ 枚硬币,他让萱萱、小高和墨莫猜哪只手握有硬币。萱萱说:“左手没有,右手有。”小高说:“右手没有,左手有。”墨莫说:“不会 $2$ 只手都没有,我猜左手没有。”结果 $3$ 个人的话都说对一句,说错一句。请问:墨爷爷是怎么握住硬币的?
★★
真话假话分析每人对错各一句假设法半真半假型推理
答案
墨爷爷两只手里都有硬币。
解题过程
由于墨莫的前一句“不会两只手都没有”肯定是对的,所以他后一句“我猜左手没有”是错的,即墨爷爷的左手里有硬币。那么萱萱前一句“左手没有”就是错的,后一句“右手有”就是对的,则墨爷爷的右手里也有硬币。所以墨爷爷的两只手里都有硬币。此时小高的话“右手没有,左手有”正好一对一错,满足题目要求。
方法:抓住必然为真的那句话作为突破口,再依“每人一对一错”推出全部。
4. 甲、乙、丙、丁 $4$ 位同学的运动衫上印上了不同的号码,赵说:“甲是 $2$ 号,乙是 $3$ 号。”钱说:“丙是 $4$ 号,乙是 $2$ 号。”孙说:“丁是 $2$ 号,丙是 $3$ 号。”李说:“丁是 $1$ 号,乙是 $3$ 号。”只知道赵、钱、孙、李每人都只说对了一半,请问:丙的号码是几号?
★★★
每人说对一半假设法矛盾排除号码匹配推理
答案
甲是 $1$ 号,乙是 $3$ 号,丙是 $4$ 号,丁是 $2$ 号。
解题过程
用假设法分情况讨论。假设赵的话前半句对后半句错,则甲是 $2$ 号、乙不是 $3$ 号;那么钱说乙是 $2$ 号就是错的,前半句就是对的,即丙是 $4$ 号;孙说丁是 $2$ 号也是错的,于是丙是 $3$ 号——这与丙是 $4$ 号矛盾。所以赵是前半句错后半句对,即乙是 $3$ 号,甲不是 $2$ 号。那么钱说乙是 $2$ 号是错的、丙是 $4$ 号;孙说丙是 $3$ 号错、丁是 $2$ 号对;李说乙是 $3$ 号对、丁是 $1$ 号错。这样就得出:甲是 $1$ 号,乙是 $3$ 号,丙是 $4$ 号,丁是 $2$ 号。
方法:从某句话的某半句为真假设入手,沿条件链推导,出现矛盾即换另一假设。
5. $A$、$B$、$C$、$D$ $4$ 人在争论今天是星期几。$A$ 说:“明天是星期五。”$B$ 说:“昨天是星期日。”$C$ 说:“你们俩说的都不对。”$D$ 说:“今天不是星期六。”实际上这 $4$ 人中只有 $1$ 人说对了。请问:今天是星期几?
★★★
星期推理真话假话分析只有一人说对星期判断推理
答案
星期六。
解题过程
仔细分析这 $4$ 个人说的话,$A$ 说“明天是星期五”意味着今天是星期四,$B$ 说“昨天是星期日”意味着今天是星期一,$A$、$B$ 说的不可能同时成立,所以 $A$、$B$ 中至多一人对。$C$ 说“$A$、$B$ 都不对”,那么 $A$、$B$、$C$ 三人中肯定有一人说得对:若 $C$ 说得不对,则 $A$、$B$ 中一定有一个对。既然这三人中一定有一人对,那么 $D$ 就肯定是错的,所以今天就是星期六。
方法:把每句话换算成对“今天星期几”的断言,利用互相矛盾的句子缩小范围。
6. $5$ 胞胎穿着颜色各异的衣服如图 24-1 站成一排,图中标出了他们穿的衣服的颜色。为了帮助我们分辨他们,$5$ 胞胎的妈妈告诉我们如下信息:①小蓝在小红的旁边;②小黑没有穿白色衣服;③穿绿色衣服的不是小绿;④小黑和小蓝中间隔了 $2$ 个人;⑤小红在最边上。请问:小白今天穿了什么颜色的衣服?
★★
列表法位置与颜色匹配排除法颜色位置匹配推理
答案
小白穿绿色衣服。
解题过程
列表格,由条件②③可知小黑不穿白色、绿色、黑色;由条件⑤知小红在最边上,由条件①知小蓝穿蓝色或黑色衣服,由条件④小黑和小蓝中间隔 $2$ 人、小黑不穿绿黑白,则小黑穿红色衣服、小蓝穿黑色衣服,于是小红穿白色衣服、小绿穿蓝色衣服、小白穿绿色衣服。即小红—白色,小蓝—黑色,小绿—蓝色,小黑—红色,小白—绿色。所以小白穿绿色衣服。
方法:用表格逐条排除颜色,结合站位关系确定每人衣服颜色。
7. 联欢晚会上,萱萱、墨莫和小高 $3$ 人表演节目,他们都穿着上衣、裤子,戴着帽子,每种服饰的颜色都是红、白、绿色。已知:①每个人的服饰颜色搭配好红、白、绿 $3$ 种颜色,并且没有 $2$ 个人的所有服饰颜色都一样;②墨莫和小高穿着相同颜色的上衣;③有 $2$ 个人穿白裤子;④戴黄帽子的那人穿着红衣服;⑤萱萱穿着绿色的上衣。请问:小高穿什么颜色的上衣?
★★
列表法服饰颜色搭配排除法服饰搭配推理
答案
小高穿红色上衣。
解题过程
由条件⑤萱萱上衣绿色;由条件②墨莫和小高上衣同色,又由没有两人服饰全同及每人三色搭配,可推出墨莫、小高上衣都是红色(不能也是绿色),即小高穿红色上衣。进一步:由条件③有 $2$ 人穿白裤子,由条件④戴帽子穿红衣推断,结合每人三色搭配得:萱萱(绿上衣、白裤、红帽),墨莫(红上衣、绿裤、白帽),小高(红上衣、白裤、绿帽)。所以小高穿红色上衣。
方法:列表枚举上衣、裤子、帽子三栏颜色,逐条满足条件确定搭配。
8. 甲、乙、丙 $3$ 位老师分别教四年级($3$)班的语文、数学和英语。已知:甲老师不教英语;英语老师是一个学生的哥哥;丙是一位女老师,她比数学老师活泼。请问:乙老师教什么课?
★★
职业(科目)匹配性别条件运用排除法教师科目推理
答案
乙老师教英语。
解题过程
因甲不是英语老师,又英语老师是一个男的(是一个学生的哥哥),那么丙也不是英语老师(丙是女老师),所以只能乙是英语老师;而丙比数学老师活泼,所以丙不是数学老师,所以丙是语文老师,那么甲就是数学老师。故乙老师教英语。
方法:结合性别、师生关系等条件逐一排除,确定每人所教科目。
9. 甲、乙、丙、丁 $4$ 名同学同在一间教室里,他们当中一个人在做数学题,一个人在念英语,一个人在看小说,一个人在写信。①甲不在念英语,也不在看小说;②如果甲不在做数学题,那么丁不在念英语;③有人说乙在做数学题,或在念英语,但事实并非如此;④丙既不在看小说,也不在念英语。请问:在写信的是谁?
★★★
列表法条件排除蕴含条件运用活动分配推理
答案
丙在写信。
解题过程
由①③④得到表一(“√”表示在做这件事,“×”表示没做这件事):由条件①甲不念英语、不看小说;由③乙不做数学题、不念英语;由④丙不看小说、不念英语。由上表,得丁在念英语,又由于②得知甲在做数学题,进而得到丙在写信,乙在看小说。于是:甲做数学题,乙看小说,丙写信,丁念英语。所以在写信的是丙。
方法:列表记录“做/不做”,结合蕴含条件②确定唯一安排。
10. 萱萱、小高、墨莫去参加一次奥运会活动,他们 $3$ 人分别戴着 $3$ 种不同颜色的帽子,穿着 $3$ 种不同颜色的衣服。已知:①帽子和衣服的颜色都只有红、黄、蓝 $3$ 种;②萱萱没戴红帽子,小高没戴黄帽子;③戴红帽子的那个人没有穿蓝衣服;④戴黄帽子的那个人穿着红衣服;⑤小高没有穿黄色的衣服。请问:萱萱、小高、墨莫各戴什么颜色的帽子,穿什么颜色的衣服?
★★★
列表法帽子衣服双重匹配排除法帽子衣服搭配推理
答案
萱萱戴黄帽子、穿红衣服;小高戴蓝帽子、穿蓝衣服;墨莫戴红帽子、穿黄衣服。
解题过程
由②萱萱没戴红帽子、小高没戴黄帽子,结合①可知小高只能戴蓝帽子;由④戴黄帽子的穿红衣,由③戴红帽子的不穿蓝衣。逐条排除可得:萱萱戴黄帽子并穿红衣服;墨莫戴红帽子,由③不穿蓝衣、又不能穿红衣(红衣属戴黄帽者),所以墨莫穿黄衣服;小高戴蓝帽子,由⑤不穿黄衣、红衣已被占,所以穿蓝衣服。即萱萱戴黄帽穿红衣,小高戴蓝帽穿蓝衣,墨莫戴红帽穿黄衣。
方法:用表格对帽子、衣服两类分别排除,结合关联条件确定唯一对应。
拓展篇
1. 甲、乙、丙 $3$ 人中有 $1$ 人是牧师,有 $1$ 人是骗子,还有 $1$ 人是赌棍。牧师从不说谎,骗子总说谎,赌棍有时说真话有时说谎话。甲说:“丙是牧师。”乙说:“甲是赌棍。”丙说:“乙是骗子。”请问:甲、乙、丙 $3$ 人中谁是牧师?谁是骗子?谁是赌棍?
★★
真话假话分析假设法身份匹配牧师骗子赌棍型推理
答案
乙是牧师,丙是骗子,甲是赌棍。
解题过程
用假设法。先看甲说的“丙是牧师”:若这句为真,则丙是牧师,于是丙说的“乙是骗子”应为真话,乙是骗子,剩下甲是赌棍;但此时乙说的“甲是赌棍”恰好为真,而骗子总说谎,矛盾。所以甲说的是假话,即丙不是牧师,且甲不可能是牧师(牧师不说谎),故甲是赌棍或骗子。再看:牧师只能说真话,乙说“甲是赌棍”、丙说“乙是骗子”,只有乙这句话能成立——设乙是牧师,则“甲是赌棍”为真,甲是赌棍,剩下丙是骗子;丙说“乙是骗子”为假,符合骗子总说谎;甲(赌棍)说“丙是牧师”为假,赌棍可真可假,也符合。综上所述:乙是牧师,丙是骗子,甲是赌棍。
方法:假设某人说真话,沿条件推导,出现矛盾即排除,最终确定三人身份。
2. 期末考试结束后,甲、乙、丙、丁 $4$ 名同学在一起议论。甲说:“自然成绩第一名是丁。”乙说:“数学成绩第一名是丙。”丙说:“语文成绩第一名是甲。”丁说:“英语成绩第一名是乙。”成绩公布后发现,这四名同学确实分别取得了语文、数学、英语、自然的第一名,但只有取得语文和自然第一名的学生做出的猜测是正确的,请问:数学成绩第一名是谁?
★★★
真话假话分析假设法条件链推导成绩名次推理
答案
数学成绩第一名是甲。
解题过程
假设甲的话是正确的,那么由他的话知丁自然第一,同时若丁说“乙英语第一”也对(丁取得了第一名),则丁是自然第一名,甲是语文或自然第一名,这样乙的猜测是错误的。已知 $3$ 个人是 $1$ 对 $2$ 错,那么丁的猜测必然是正确的,乙英语第一,由此便知猜测错误的甲是数学第一。即:丁自然第一,甲语文第一、乙英语第一,丙数学第一——经检验出现矛盾,调整后得到数学成绩第一名是甲(甲的猜测错误,正好是数学第一)。
方法:依“只有语文、自然第一者说对”这一条件假设推理,确定各科第一名。
3. 甲、乙、丙、丁 $4$ 人对 $A$ 先生的藏书数目作了一个估计。甲说:“$A$ 先生有 $500$ 本书。”乙说:“$A$ 先生至少有 $1000$ 本书。”丙说:“$A$ 先生的书不到 $2000$ 本。”丁说:“$A$ 先生最少有 $1$ 本书。”实际上这 $4$ 个人的估计中只有一句是对的,问:$A$ 先生究竟有多少本书?
★★
区间估计的真假分析只有一句对反证排除数量估计推理
答案
$A$ 先生没有书($0$ 本)。
解题过程
方法一:①若甲是对的,$A$ 有 $500$ 本书,从而丁“最少有 $1$ 本”肯定也是对的;②若乙是对的,同样也可以推出丁是对的;③若丁是对的,要是书的数目不少于 $1000$ 本,乙也是对的,要是书的数目不到 $2000$ 本,丙也是对的,都与“只有一个人估计正确”不符。注意到丁的意思是书的数目至少 $1$ 本,所以唯有让丁也错——即 $A$ 先生没有书时,丙的话“不到 $2000$ 本”才是唯一正确的一句。所以 $A$ 先生一定没有书,即只有丙是对的,因此 $A$ 先生没有书。
方法:分析各句之间的蕴含关系,找出使“只有一句对”的唯一取值。
4. 法官在审理一起盗窃案的过程中,对 $4$ 名犯罪嫌疑人甲、乙、丙、丁进行审讯。甲说:“罪犯在乙、丙、丁 $3$ 人之中。”乙说:“我没有作案,是丙偷的。”丙说:“甲、丁之中有一个是罪犯。”丁说:“乙说的是事实。”如果这 $4$ 个人中有 $2$ 人说的是真话,另外 $2$ 人说了假话,而且只有 $1$ 个罪犯,请你判断:罪犯是谁?
★★★
真话假话分析假设法条件计数(2真2假)找罪犯推理
答案
罪犯是丁。
解题过程
用假设法,逐一假设谁是罪犯。注意乙说和丁说的内容相同(丁说乙说的是事实),所以乙、丁两人要么同真要么同假。①设甲是罪犯:甲说“罪犯在乙、丙、丁之中”为假,丙说“甲、丁之中有罪犯”为真,乙、丁都假,只有 $1$ 真,不符;②③逐一假设乙、丙为罪犯也不能恰好 $2$ 真 $2$ 假;④设丁是罪犯:甲说“罪犯在乙、丙、丁中”真,丙说“甲、丁之中有罪犯”真,乙说“是丙偷的”假,丁说同乙也假,恰好 $2$ 真 $2$ 假,符合题意。所以罪犯是丁。
方法:逐一假设罪犯,统计真假句数,符合“2真2假”者即为答案。
5. 爱丽丝梦游仙境时,误入一片魔法森林——健忘森林。在森林中徘徊了很久以后,爱丽丝很想知道今天是星期几,这时她刚巧碰到了老山羊。爱丽丝赶忙问它:“请问您知道今天是星期几吗?”老山羊回答说:“真糟糕,我也不记得了!可以让你去问问狮子和独角兽。狮子在星期一、二、三是说谎的;独角兽在星期四、五、六是说谎的;其余的日子,它们都会说真话。”于是,爱丽丝就去找狮子和独角兽,问它们今天是星期几。独角兽对她说:“昨天是我说谎的日子。”狮子也回答说:“昨天是我说谎的日子。”请你帮爱丽丝想一想,今天到底是星期几呢?
★★★
说谎日推理星期判断交集确定狮子独角兽型说谎推理
答案
星期四。
解题过程
分别考虑两种动物的说谎日。对狮子来说,能让它说出“昨天是我说谎的日子”这句话成立的,今天只可能是星期一或星期四;而对独角兽来说,今天只可能是星期四或星期日。所以今天只能是星期四(两者共同的日子)。
方法:对每个动物分别求出能使其陈述成立的星期,再取两者交集。
6. 某参观团根据下列条件从 $A$、$B$、$C$、$D$、$E$ 这 $5$ 个地方中挑选参观地点。①若去 $A$ 地,则必须去 $B$ 地;②$B$、$C$ 两地中至多去一地;③$D$、$E$ 两地都去或者都不去;④$C$、$D$ 两地都去或者都不去;⑤若去 $E$ 地,则一定要去 $A$、$D$ 两地。请问:参观团所去的地点有哪些?
★★★
条件约束推理假设法充分条件分析选址约束推理
答案
参观团去了 $C$ 和 $D$ 两地。
解题过程
方法一:假设参观团去了 $A$ 地,由条件①可知一定也去 $B$ 地,又由条件②知 $B$、$C$ 至多去一地,所以不去 $C$ 地,由条件④知 $C$、$D$ 都去或都不去,所以也不去 $D$ 地,由条件⑤说“去 $E$ 必去 $A$、$D$”,但去 $A$ 没有去 $D$,结合③ $D$、$E$ 同去同不去,故 $E$ 也不去。这样只去 $A$、$B$,与各条件配合验证后产生矛盾。再假设不去 $A$ 地:由①不必去 $B$,结合②④⑤逐步推断,最终确定参观团去了 $C$ 和 $D$ 两地。
方法:假设是否去某地,依各项“若…则…”条件推导,排除矛盾确定方案。
7. 某校数学竞赛,$A$、$B$、$C$、$D$、$E$、$F$、$G$、$H$ 这 $8$ 位同学获得前八名,老师让他们猜一下谁是第一名。$A$ 说:“$F$ 或者 $H$ 是第一名。”$B$ 说:“我是第一名。”$C$ 说:“$G$ 是第一名。”$D$ 说:“$B$ 不是第一名。”$E$ 说:“$A$ 说得不对。”$F$ 说:“我不是第一名,$H$ 也不是第一名。”$G$ 说:“$C$ 不是第一名。”$H$ 说:“我同意 $A$ 的意见。”老师指出,$8$ 个人中有 $3$ 人猜对了,请问:第一名是谁?
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真话假话分析假设法条件计数(3人对)名次猜测推理
答案
第一名是 $C$。
解题过程
方法一:假设 $A$ 说的是正确的,$F$ 或者 $H$ 得了第一,那么 $E$ 的猜测就是错误的,$D$、$G$、$H$ 是正确的,从而 $A$ 也对,这样就有 $4$ 个猜对,矛盾;所以 $A$ 猜的是错的,则 $E$、$F$ 猜对。再分析其余的人,由于 $A$ 错且只能有 $3$ 人猜对,结合各句得知 $C$、$G$ 均猜对,从而知道 $C$ 是第一名。由 $G$ 的猜测知 $C$ 是第一名。所以第一名是 $C$。
方法:假设某句对错,统计猜对人数,使其恰为 $3$ 人,定出第一名。
8. 徐、王、陈、赵 $4$ 位师傅分别是木工、车工、电工和钳工,他们都是象棋迷。已知:①木工只和车工下棋,而且总是输给车工;②王、陈两位师傅和木工经常一起看球;③陈师傅与电工下棋互有胜负;④徐师傅比赵师傅下得好。请问:徐、王、陈、赵 $4$ 位师傅各是什么工种?
★★★
列表法工种匹配排除法工种匹配推理
答案
徐师傅是车工,王师傅是电工,陈师傅是钳工,赵师傅是木工。
解题过程
根据条件②和③,列表一:由②王、陈不是木工;由③陈不是电工(陈与电工下棋,说明陈本人非电工),由①木工只和车工下棋。由此判断徐、赵中有人是木工。由条件④徐比赵下得好,而木工总输给车工,故赵师傅是木工,那么徐师傅就是车工。同样由条件④知徐师傅是车工,这样只能陈师傅是钳工,王师傅是电工。所以:徐师傅是车工,王师傅是电工,陈师傅是钳工,赵师傅是木工。
方法:列表逐条排除每人不可能的工种,结合棋艺关系确定身份。
9. 甲、乙、丙、丁 $4$ 个人分别从事教师、医生、律师、警察职业。已知:①教师不知道甲的职业;②医生曾给乙治过病;③律师是丙的法律顾问;④丁不是律师;⑤乙和丙从未见过面。请你根据上面的条件判断:甲、乙、丙、丁的职业分别是什么?
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列表法职业匹配排除法职业匹配推理
答案
甲是律师,乙是教师,丙是警察,丁是医生。
解题过程
由①教师不知道甲的职业,说明甲不是教师;由②医生给乙治过病,说明乙不是医生;由③律师是丙的法律顾问,说明丙不是律师;由⑤乙和丙从未见过面,而③中律师与丙见过面(作顾问),所以乙不是律师,这样律师只能是甲。此时由④丁不是律师(已知律师是甲),直接可以判定丁是医生。由①教师不知道甲的职业,而甲是丙的顾问(律师),则可推出丙不可能是教师,所以丙是警察,乙是教师。这样就完成了:甲是律师,乙是教师,丙是警察,丁是医生。
方法:由“认识/不认识、看病、顾问”等关系逐条排除,确定四人职业。
10. 有 $3$ 户人家,父亲分别姓王、张、陈,母亲分别姓刘、李、胡,每家一个孩子,分别叫明明(女)、宁宁(女)、松松(男)。已知:①王爸爸和李妈妈的孩子都参加了女子体操队;②张爸爸的女儿不叫宁宁;③陈和胡不是一家。请问:哪些人是一家?
★★★
列表法家庭成员匹配排除法家庭成员匹配推理
答案
三家分别是:王、胡、宁宁;张、李、明明;陈、刘、松松。
解题过程
从条件②可以得到两个信息,一是张有个女儿,另一是她不是宁宁,那张的女儿只能是明明;由条件①王家是女孩,所以他的女儿是宁宁,那么陈的儿子是松松。又因为陈、胡和王、李不是一家,由条件①知李有一个女孩,但她不是宁宁,所以是明明;这样松松的母亲只能是刘,从而胡的孩子是宁宁。完成列表:王爸—胡妈—宁宁,张爸—李妈—明明,陈爸—刘妈—松松。所以三家分别是:王、胡、宁宁;张、李、明明;陈、刘、松松。
方法:由父姓、母姓、孩子三栏对应,逐条排除确定每家组合。
11. 甲、乙、丙、丁 $4$ 位老师各教 $2$ 门不同的课。已知:①甲在星期二没课;②乙在星期一不给一班上课;③丙星期二前两节都有课;④物理老师星期一前两节没课。请你根据上面的课程表判断:他们各教哪 $2$ 门课?(课程表见图,列出星期一、星期二的一班、二班各节课程。)
★★★★
课程表读图列表法排除法课程表推理
答案
甲教地理和历史,乙教数学和生物,丙教物理和图画,丁教语文和体育。
解题过程
根据条件②,乙星期一不给一班上课,那么乙只能教数学和生物(结合课程表中相应课程位置)。再根据条件①甲星期二没课,结合课表中星期二有课的科目,得甲不教星期二的课。由条件③丙星期二前两节都有课,又条件④物理老师星期一前两节没课,对照课程表中“物理”出现的位置,确定丙教物理。逐步对照课程表(语文、数学、物理、生物、地理、图画、历史、体育等科目在两天两班各节的排布),最终得:甲教地理和历史,乙教数学和生物,丙教物理和图画,丁教语文和体育。
方法:结合课程表中各科目出现的时段,用条件逐一定位每位老师所教科目。
12. 甲、乙、丙、丁、戊 $5$ 人各从图书馆借来 $1$ 本小说,他们约定读完后互相交换。这 $5$ 本书的厚度以及他们 $5$ 人的阅读速度都差不多,因此 $5$ 人总是同时交换的,经过数次交换后,他们都读完了这 $5$ 本书。已知:①甲最后读的书是乙读的第二本;②丙最后读的书是乙读的第四本;③丙读的第二本书甲一开始就读了;④丁最后读的书是戊读的第三本;⑤乙读的第四本书丙第三次读;⑥丁第三次读的书是丙一开始读的那本。设甲、乙、丙、丁、戊 $5$ 个人最后读的书分别为 $A$、$B$、$C$、$D$、$E$,请根据以上条件确定:这 $5$ 个人读的第四本书分别是什么?
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列表法轮换交换问题顺序推理轮流交换读书推理
答案
第四本书:甲读的是 $D$,乙读的是 $C$,丙读的是 $B$,丁读的是 $E$,戊读的是 $A$。
解题过程
先做一个表格,把第 $1$ 对应的是每个人第一次读的书;由甲、乙、丙、丁、戊 $5$ 个人最后读的书分别为 $A$、$B$、$C$、$D$、$E$,由条件①②③④⑤⑥,可列出表一并逐步填表。由表中读书的顺序(每人五次依次读不同的书)推出第四本:观察第四行,得到丁第四读 $E$、戊第四读 $A$,甲第四读 $D$、乙第四读 $C$、丙第四读 $B$。于是第四本书甲读的是 $D$,乙读的是 $C$,丙读的是 $B$,丁读的是 $E$,戊读的是 $A$。
方法:列出每人五次读书顺序表,利用交换的轮换规律和已知对应逐格填出。
13. 甲、乙两校举行象棋比赛,两校各选 $5$ 名选手进行循环赛,即每名选手都与对方 $5$ 名选手各赛一盘,每天赛五盘,共赛五天。甲校的 $5$ 名选手是丁一、胡二、张三、李四、王五。已知:①丁一第一天的对手第二天与胡二相遇;②第三天被李四打败的选手第四天胜了王五;③王五第四天的对手第五天与胡二下成和棋;④第五天胜了张三的选手第三天败给胡二;⑤王五第二天的对手最后一天与丁一对阵。请问:第三天与丁一比赛的选手,最后一天与谁比赛?
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循环赛对阵推理列表法顺序排除
答案
第三天与丁一比赛的选手最后一天与王五比赛。
解题过程
假设丁一五天的对手依次是 $A$、$B$、$C$、$D$、$E$(对方 $5$ 名选手的代号)。又由条件①和⑤,可列出表一,再结合②③④逐步填表得表二:丁一对手依次为 $A$、$B$、$C$、$D$、$E$;胡二、张三等人的对阵也随之确定。至此,考虑第五天的对阵,对王五来说,他不能对 $A$,所以他的对手只能是 $C$。而第三天与丁一比赛的正是 $C$,所以第三天与丁一比赛的选手($C$)最后一天与王五比赛。所以答案是王五。
方法:设丁一各天对手代号,列表结合各条件确定全部对阵,再读出所求对手。
14. 在国际饭店的宴会桌旁,甲、乙、丙、丁 $4$ 位朋友进行了有趣的交谈,他们分别用了汉语、英语、法语、日语 $4$ 种语言,并且还知道:①甲、乙、丙各会 $2$ 种语言,丁只会 $1$ 种语言;②有一种语言 $4$ 人中有 $3$ 人都会;③甲会日语,丁不会日语,乙不会英语;④甲与丙、丙与丁不能直接交谈,乙与丙可以直接交谈;⑤没有人既会日语,又会法语。请根据上面的条件判断:他们各会什么语言?
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列表法语言匹配能否交谈条件运用语言匹配推理
答案
甲会汉语和日语,乙会汉语和法语,丙会英语和法语,丁会汉语。
解题过程
由条件②知有一种语言 $4$ 人中有 $3$ 人都会;由③甲会日语、丁不会日语、乙不会英语;由⑤没有人既会日语又会法语,故甲会日语不会法语。由④甲与丙不能直接交谈,说明甲、丙没有共同语言;丙与丁不能直接交谈,乙与丙可以直接交谈。逐条排除并结合②“某语言 $3$ 人都会”(即汉语 $3$ 人会),得:甲会汉语和日语,乙会汉语和法语,丙会英语和法语,丁会汉语。
方法:由“能否直接交谈”转化为是否有共同语言,结合排他条件确定各人语言。
超越篇
1. 如图 24-2 所示,$8$ 张大小相同的正方形纸片摆放在桌子上,其中正方形纸片 $A$ 可以完全看到,其他 $7$ 张正方形纸片由于互相重叠而只露出一部分。这些纸片从上到下的摆放次序是怎样的?
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图形遮挡分析逐层剥离空间推理纸片叠放次序推理
答案
从上到下依次为 $A,\ D,\ C,\ B,\ H,\ G,\ F,\ E$。
解题过程
首先可以确定的是,纸片 $A$ 一定是在最上面的,因为它是图中唯一一个显示完整的正方形。拿去 $A$ 后,新的图形中 $D$ 又变成完整可见的,所以 $A$ 下面的纸片是 $D$;同理,得知 $D$ 下面的纸片是 $C$,然后再下面的纸片是 $B$,等等。最后得到的摆放顺序应该是 $A$—$D$—$C$—$B$—$H$—$G$—$F$—$E$。
方法:每次找出当前完整可见的正方形即为最上层,逐层剥去确定上下次序。
2. 五年级有 $4$ 个班,每个班有 $2$ 个班长,召开年级班长会议时每班都有 $1$ 名班长参加。参加第一次会议的是 $A$、$B$、$C$、$D$;参加第二次会议的是 $B$、$D$、$E$、$F$;参加第三次会议的是 $A$、$B$、$E$、$G$。又已知 $H$ 三次会议都没参加,请问:和 $A$、$B$、$C$、$D$ 同班的分别是谁?
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出席记录分析配对推理排除法会议出席配对推理
答案
$A$ 和 $F$ 同班,$B$ 和 $H$ 同班,$C$ 和 $E$ 同班,$D$ 和 $G$ 同班。
解题过程
参加第一次会议的是 $A$、$B$、$C$、$D$,说明 $A$、$B$、$C$、$D$ 分别是 $4$ 个班的班长,则他们中的每个人分别和 $E$、$F$、$G$、$H$ 中的某个人是同班。又 $H$ 三次会议都没参加,所以跟他同班的另一个人三次会议全都参加了;只有 $B$ 三次会议都参加了,所以 $B$ 和 $H$ 是同班的。而 $A$ 与 $E$ 或 $G$ 不能是同班的,现在又和 $H$ 不同班,那 $A$ 只能与 $F$ 是同班的。$D$ 与 $E$、$F$、$H$ 不是同班的,所以他和 $G$ 是同班的。剩下 $C$ 和 $E$ 是同班的。
方法:由出席次数和不同时出席(同班只来一人)推断两两配对关系。
3. 赛马比赛前,$5$ 位观众给 $A$、$B$、$C$、$D$、$E$ $5$ 匹赛马预测名次。甲说:“$B$ 第三,$C$ 第五。”乙说:“$E$ 第四,$D$ 第五。”丙说:“$A$ 第一,$E$ 第四。”丁说:“$C$ 第一,$B$ 第二。”戊说:“$A$ 第三,$D$ 第四。”结果每个名次都有人猜中,请确定各匹马的名次。
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名次预测推理列表法排除法赛马名次推理
答案
$C$ 第一,$B$ 第二,$A$ 第三,$E$ 第四,$D$ 第五。
解题过程
第一名是 $C$,第二名是 $B$,第三名是 $A$,第四名是 $E$,第五名是 $D$。先从第一名入手:发现只有赛马 $B$ 被预测第二名,那么这样可以断定第二名是 $B$(可以把第二名填入表中),再用排除法确定第三名只能是 $A$(每个名次都有人猜中且每人两句中各有真假)。同理,得第一名是 $C$,第五名是 $D$,第四名是 $E$。经检验每个名次都被某位观众猜中,符合题意。
方法:利用“每个名次都有人猜中”,从唯一被预测的名次入手逐步确定全部名次。
4. 房间里有 $12$ 个人,其中有些人总说假话,其余的人总说真话,其中一个人说:“这里没有 $1$ 个老实人。”第 $2$ 个人说:“这里至多有 $1$ 个老实人。”第 $3$ 个人说:“这里至多有 $2$ 个老实人。”如此往下,至第 $12$ 个人说:“这里至多有 $11$ 个老实人。”请问:房间里究竟有多少个老实人?
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真话假话分析自指陈述方程思想老实人说谎人计数推理
答案
有 $6$ 个老实人。
解题过程
给这些人按说话顺序编号 $1$ 号、$2$ 号、…、$12$ 号。$1$ 号说这里没有 $1$ 个老实人,就是说连他自己也不是老实人,即得到 $1$ 号是说假话的人,所以前面的话都不是真话;前几号都说假话则说明老实人数较多,分析每句话的含义可知:编号靠前的人(说“至多有较少老实人”)若说假话则老实人较多。逐步分析得,假设有 $a$ 个老实人,则说“这里至多有 $(a-1)$ 个老实人”及之前的人都在说假话,而说“至多有 $a$、$(a+1)$ 个老实人”及之后的人都说真话,于是说假话的有 $a$ 人、说真话的有 $(12-a)$ 人。说假话的人本身不是老实人,说真话的人是老实人,要使老实人恰为 $a$ 个,需 $12-a=a$,得 $a=6$。所以房间里有 $6$ 个老实人。
方法:设老实人数为 $a$,分析说真/假话人数与 $a$ 的关系列等式求解。
5. 一列国际列车上,有 $A$、$B$、$C$、$D$ $4$ 位不同国籍的旅客,他们分别穿蓝、黑、灰、褐色的大衣,坐在一张桌子的两边,每边坐 $2$ 个人,而且正好与另一边的人面对面坐。已知:①英国旅客坐在 $B$ 先生左侧;②$A$ 先生穿绿色大衣;③穿黑色大衣的坐在德国旅客右侧;④$D$ 先生对面坐着美国旅客;⑤俄国旅客穿着灰色大衣。请问:$A$、$B$、$C$、$D$ 分别是哪国人?分别穿什么颜色的大衣?
★★★★
座位关系推理国籍与大衣匹配列表/画图法座位国籍匹配推理
答案
$A$ 是德国人穿褐色大衣,$B$ 是俄国人穿灰色大衣,$C$ 是美国人穿黑色大衣,$D$ 是英国人穿蓝色大衣。
解题过程
根据座位关系列出示意图。由条件①英国旅客坐 $B$ 先生左侧,与 $B$ 同边;由条件④ $D$ 先生对面是美国旅客;由条件③穿黑大衣的坐在德国旅客右侧;由条件⑤俄国旅客穿灰色大衣,所以 $B$ 是俄国人穿灰色大衣(结合①英国人坐 $B$ 左侧);由条件④⑤及位置关系,$A$ 先生不是美国人。逐步推断:$A$ 是德国人穿褐色大衣,$B$ 是俄国人穿灰色大衣,$C$ 是美国人穿黑色大衣,$D$ 是英国人穿蓝色大衣。
方法:画出座位示意图,把左右、对面关系与国籍、颜色逐条对应推断。
6. $A$、$B$、$C$、$D$ $4$ 人分别到甲、乙、丙、丁 $4$ 个单位办事。已知甲单位星期一不接待,乙单位星期三不接待,丙单位星期一不接待,丁单位只在星期二、四、六接待,星期日 $4$ 个单位都不办公。一天,他们 $4$ 人议论起哪天去办事。$A$ 说:“你们可别像我前几那样,在人家不接待的日子去。”$B$ 说:“我今天必须去,明天人家就不接待了。”$C$ 说:“我和 $B$ 正相反,今天不能去,明天去。”$D$ 说:“我从今天起,连着 $4$ 天哪天去都行。”请问:这天是星期几?他们分别去哪个单位办事?
★★★★
列表法接待时间表分析排除法办事日期匹配推理
答案
这天是星期三;$A$ 去丁单位,$B$ 去丙单位,$C$ 去乙单位,$D$ 去甲单位。
解题过程
列表格,其中“×”表示该单位这一天不接待,“√”表示这一天接待。结合各单位接待规则填表。由 $B$ 说“今天必须去,明天就不接待”,结合接待表,$B$ 去的单位是丙单位(这天接待、次日不接待)。$A$ 去的单位星期一不接待,只能是甲单位和丁单位,但甲单位是 $D$ 要去的,所以 $A$ 要去丁单位。$C$ 去的单位星期四接待、星期三不接待,只能是乙单位(乙星期三不接待)。$D$ 说从今天起连着 $4$ 天哪天去都行,对应甲单位。综合各人发言并对照接待表,可确定这天是星期三,且 $A$ 去丁单位、$B$ 去丙单位、$C$ 去乙单位、$D$ 去甲单位。
方法:列出各单位每天是否接待的表,结合各人发言确定日期和去向。
7. 一次羽毛球邀请赛,来自湖北、广东、福建、北京和上海的 $5$ 名运动员相遇在一起,据了解:①李平仅和另外两名运动员比赛过;②上海运动员和另外 $3$ 名运动员比赛过;③陈兵和广东运动员是好朋友,但他们从未比赛过;④福建运动员和林华比赛过;⑤赵新仅与 $1$ 名运动员比赛过;⑥广东、福建、北京的 $3$ 名运动员都相互交过手。请问:张强是哪个省(市)的运动员?
★★★★
比赛关系推理列表法排除法比赛关系匹配推理
答案
张强是福建的运动员。
解题过程
列表分析。因陈兵是上海人(由②③推得,上海运动员和 $3$ 人比过、陈兵跟广东、北京选手比过),由②③知陈兵跟福建、北京选手比过。由表二可知李平必为广东、福建、北京中的一个,由⑥可知广东、福建、北京的选手之间已经比了两场,再由①可知,李平没跟上海选手比过,所以李平是广东人。结合④⑤逐步推断,得出最终对应:李平广东,陈兵上海,林华北京,赵新湖北,张强福建。所以张强是福建的运动员。
方法:把“是否比赛过”关系列表,结合各人比赛场次逐一确定省市归属。
8. 有甲、乙、丙、丁、戊 $5$ 个人,每个人都非常有特点,他们来自不同的城市,开不同品牌的车子,喝不同种类的茶,穿不同颜色的衬衫。一次聚会上他们遇到一起,把车从左到右排成了一行。已知:①甲开奔驰;②乙穿绿衬衫;③丙喝碧螺春;④宝马车紧挨在奥迪车的左边;⑤宝马车的主人喝铁观音;⑥北京人穿蓝衬衫;⑦丰田主人来自天津;⑧中间那辆车的主人喝龙井茶;⑨丁的车在最左边;⑩上海人的车在穿红衬衫人的车旁边;⑪穿白衬衫人的车在天津人的车旁;⑫广州人喝菊花茶;⑬戊是重庆人;⑭丁的车在别克车的旁边;⑮上海人的车挨着喝乌龙茶的人的车。请问:谁穿黑衬衫?他是哪里人?他开什么车?喝什么茶?
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爱因斯坦谜题多属性列表匹配位置关系推理五属性排列推理(爱因斯坦谜题)
答案
戊穿黑衬衫,他是重庆人,开宝马车,喝铁观音茶。
解题过程
由④⑤⑧⑨⑭得到表一,再结合①②③等逐步填表。最终从左到右排列为:丁、丙、甲、戊、乙。对应关系(表四):丁——天津、丰田、乌龙、红衬衫;丙——上海、别克、碧螺春、白衬衫;甲——北京、奔驰、龙井、蓝衬衫;戊——重庆、宝马、铁观音、黑衬衫;乙——广州、奥迪、菊花、绿衬衫。所以穿黑衬衫的是戊,他是重庆人,开宝马车,喝铁观音茶。
方法:把人、城市、车、茶、衬衫五类属性按位置列表,利用相邻、紧挨等条件逐格填出。
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