五年级 数学思维训练汇编 — 题库预览
第1讲 比较与估算
分数比较大小:通过通分、通分子、化为同分子或同分母、与基准数(如1或1/2)作差等方法比较若干个分数的大小并排序。
基准数法:选取一个基准数(常用1或1/2),把各分数与基准数作差或比较,利用差的大小关系判断原分数的大小关系。
平方差公式:利用 $a^{2}-b^{2}=(a+b)(a-b)$ 化简含相邻整数平方的表达式,进而比较面积或数值大小。
和定积最大:两个正数的和一定时,两数越接近其乘积越大;据此比较两组乘积的大小。
估算与整数部分:通过放缩(放大或缩小每一项)把和式夹在两个易求的数之间,从而估计和式的整数部分。
循环小数表示:理解循环节的记法(在循环节数字上方加点),并把分数化为循环小数进行比较。
1. 下图中有两个黑色的正方形,两个白色的正方形,它们的面积已在图中标出(单位:平方厘米)。黑色的两个正方形面积大还是白色的两个正方形面积大?请说明理由。
(图中四个正方形面积分别标为 $1993^{2}$、$1992^{2}$、$1996^{2}$、$1997^{2}$,其中 $1993^{2}$ 与 $1996^{2}$ 为黑色,$1992^{2}$ 与 $1997^{2}$ 为白色)
四个正方形排成两行两列。左上为黑色正方形,标注 $1993^{2}$;右上为较小的白色正方形,标注 $1992^{2}$;左下为黑色正方形,标注 $1996^{2}$;右下为较大的白色正方形,标注 $1997^{2}$。
平方差公式面积比较
答案
两个白色正方形的面积大
解题步骤
此题用到平方差公式:$a^{2}-b^{2}=(a+b)\times(a-b)$
$1997^{2}-1996^{2}=(1997+1996)\times(1997-1996)$
$=1997+1996$
$=3993$
$1993^{2}-1992^{2}=1993+1992$
$=3985$
所以 $1997^{2}-1996^{2}>1993^{2}-1992^{2}$
即 $1997^{2}+1992^{2}>1996^{2}+1993^{2}$,两个白色正方形的面积大。
思路:用平方差公式比较两组正方形面积之差,将面积之和的比较转化为差的比较,得出白色正方形面积更大。
2. 在下面两个小数的小数部分数字的上方加上表示循环节的一个或两个点,使不等式成立。
$0.285<\dfrac{2}{7}<0.285$
循环小数表示分数化小数
答案
$0.28\overline{5}<\dfrac{2}{7}<0.\overline{285}$ 或 $0.285<\dfrac{2}{7}<0.\overline{285}$
解题步骤
由于 $\dfrac{2}{7}=0.\overline{285714}$,因此有两种答案:$0.28\overline{5}<\dfrac{2}{7}<0.\overline{285}$ 或 $0.285<\dfrac{2}{7}<0.\overline{285}$。
思路:先把 $\dfrac{2}{7}$ 化为循环小数,再根据循环节的位置给两个 $0.285$ 加上不同的循环节点,使不等式成立。
3. 将下面 4 个分数按从小到大的顺序依次排列起来,正确的顺序是:
______$<$______$<$______$<$______.
$A=\dfrac{20062007}{2006}$,$B=\dfrac{20072006}{2006}$,$C=\dfrac{20062007}{2007}$,$D=\dfrac{20072006}{2007}$
分数比较大小
答案
$C<D<A<B$
解题步骤
简单比较大小。分母相同的分数先作比较,则有 $A<B$,$C<D$,再比较 $A$ 和 $D$ 的大小,两者分子分母都不同,但都接近基准数 10001,$A>10001$,$D<10001$,$D<A$,因此 $C<D<A<B$。
思路:先按相同分母两两比较,再用基准数 10001 比较 $A$ 与 $D$,从而确定四个分数的整体大小顺序。
4. 将 $\dfrac{73}{84}$、$\dfrac{46}{57}$、$\dfrac{89}{100}$、$\dfrac{25}{36}$ 和 $\dfrac{51}{62}$ 分别填入下面空格中,使不等式成立:
______$<$______$<$______$<$______$<$______.
分数比较大小基准数法
答案
$\dfrac{25}{36}<\dfrac{46}{57}<\dfrac{51}{62}<\dfrac{73}{84}<\dfrac{89}{100}$
解题步骤
方法一:基准数法。与 1 做比较。$1-\dfrac{73}{84}=\dfrac{11}{84}$,$1-\dfrac{46}{57}=\dfrac{11}{57}$,$1-\dfrac{89}{100}=\dfrac{11}{100}$,$1-\dfrac{25}{36}=\dfrac{11}{36}$,$1-\dfrac{51}{62}=\dfrac{11}{62}$,分子相同,分母大的分数反而小,那么 $\dfrac{11}{100}<\dfrac{11}{84}<\dfrac{11}{62}<\dfrac{11}{57}<\dfrac{11}{36}$,所以 $\dfrac{25}{36}<\dfrac{46}{57}<\dfrac{51}{62}<\dfrac{73}{84}<\dfrac{89}{100}$。
方法二:经典结论法(对于真分数,如果几个分数分子和分母的差是个定值,那么分子分母大的分数则大,对于假分数则相反),观察到这五个真分数的分子和分母的差都是 11,所以大小顺序为 $\dfrac{25}{36}<\dfrac{46}{57}<\dfrac{51}{62}<\dfrac{73}{84}<\dfrac{89}{100}$。
思路:用基准数 1 与各分数作差,发现各差的分子都是 11,分母越大差越小即原分数越大,据此完成排序。
5. 如果 $X=135679\times975431$,$Y=135678\times975432$,那么______.
A. $X>Y$ B. $X<Y$ C. $X=Y$
和定积最大
答案
A
解题步骤
注意到两式中的两个因数的和相等,即
$135679+975431=135678+975432$,
而“和相等的两个数越接近,它们的乘积越大”,所以
$135679\times975431>135678\times975432$
思路:两个乘积中各自两因数之和相等,利用和定时两数越接近积越大的结论比较得 $X>Y$。
6. $A$、$B$、$C$ 三队比赛篮球,$A$ 队以 $83:73$ 战胜 $B$ 队,$B$ 队以 $88:79$ 战胜 $C$ 队,$C$ 队以 $84:76$ 战胜 $A$ 队,三队中得失分率最高的出线,一队得失分率为 $\dfrac{\text{得的总分}}{\text{失的总分}}$,如 $A$ 队得失分率为 $\dfrac{83+76}{73+84}$,三队中______队出线。
分数比较大小应用题
答案
A
解题步骤
$A$、$B$、$C$ 三队的失分率分别是 $\dfrac{83+76}{73+84}=\dfrac{159}{157}$;$\dfrac{73+88}{83+79}=\dfrac{161}{162}$;$\dfrac{79+84}{88+76}=\dfrac{163}{164}$,只有 $A$ 是大于 1 的,所以 $A$ 最大,则 $A$ 队出线。
思路:分别算出三队的得失分率(得分总和比失分总和),只有 $A$ 队的比值大于 1,故 $A$ 队最大出线。
7. 将下列分数按从小到大顺序排列:
$\dfrac{2}{3}$,$\dfrac{5}{8}$,$\dfrac{15}{23}$,$\dfrac{10}{17}$,$\dfrac{12}{19}$.
分数比较大小倒数法通分
答案
$\dfrac{10}{17}<\dfrac{5}{8}<\dfrac{12}{19}<\dfrac{15}{23}<\dfrac{2}{3}$
解题步骤
方法一:对这些分数取倒数后再同时减去 1 得到:$\dfrac{1}{2}$,$\dfrac{3}{5}$,$\dfrac{8}{15}$,$\dfrac{7}{10}$,$\dfrac{7}{12}$,这时,它们的大小关系和原来相反。然后对这几个分数进行通分得到:$\dfrac{30}{60}$,$\dfrac{36}{60}$,$\dfrac{32}{60}$,$\dfrac{42}{60}$,$\dfrac{35}{60}$,于是可以得到:$\dfrac{1}{2}<\dfrac{8}{15}<\dfrac{7}{12}<\dfrac{3}{5}<\dfrac{7}{10}$,于是有:$\dfrac{10}{17}<\dfrac{5}{8}<\dfrac{12}{19}<\dfrac{15}{23}<\dfrac{2}{3}$。
方法二:通分子得到:$\dfrac{60}{90}$,$\dfrac{60}{96}$,$\dfrac{60}{92}$,$\dfrac{60}{102}$,$\dfrac{60}{95}$,于是有 $\dfrac{10}{17}<\dfrac{5}{8}<\dfrac{12}{19}<\dfrac{15}{23}<\dfrac{2}{3}$。
思路:通过取倒数再减 1 转化大小关系后通分,或直接通分子比较,得到五个分数的从小到大排列。
8. 分数 $\dfrac{3}{7}$,$\dfrac{4}{9}$,$\dfrac{17}{35}$,$\dfrac{101}{203}$,$\dfrac{151}{301}$ 中最大的一个是______.
分数比较大小基准数法
答案
$\dfrac{151}{301}$
解题步骤
观察发现所有分数都接近 $\dfrac{1}{2}$,每个数与 $\dfrac{1}{2}$ 比较,发现只有 $\dfrac{151}{301}>\dfrac{1}{2}$,那么 $\dfrac{151}{301}$ 最大的。
思路:以 $\dfrac{1}{2}$ 为基准比较各分数,唯一大于 $\dfrac{1}{2}$ 的 $\dfrac{151}{301}$ 即为最大。
9. 一个分数比 $\dfrac{1}{2010}$ 大,比 $\dfrac{1}{2009}$ 小,且分母最小,则这个分数为______.
分数比较大小通分子
答案
$\dfrac{2}{4019}$
解题步骤
$\dfrac{1}{2010}<A<\dfrac{1}{2009}$
分子、分母同时扩大 2 倍,$\dfrac{2}{4020}<A<\dfrac{2}{4018}$
分子相同,$4018<$ 分母 $<4020$
取整数,分母为 4019,则分数为 $\dfrac{2}{4019}$。
思路:把上下界化为同分子 2,则分母必在 4018 与 4020 之间,取整数分母 4019 即得分母最小的分数。
10. 已知 $\dfrac{3}{\square}$ 是一个最简分数,并且 $\dfrac{7}{9}>\dfrac{3}{\square}>\dfrac{1}{5}$,那么方框里的数可以有______种不同的填法.
分数比较大小通分子交叉相乘
答案
11
解题步骤
方法一:首先通分子,$\dfrac{21}{27}>\dfrac{21}{7\times\square}>\dfrac{21}{105}$,那么可以知道 $27<7\times\square<105$,所以 $\dfrac{27}{7}<\square<15$,所以方框里的数可以填 $4\sim14$,共 11 种填法。
方法二:交叉相乘法
设方框中填的数为 $x$,则有 $7x>27$,$15>x$,则 $3\dfrac{6}{7}<x<15$,$x$ 可取 $4\sim14$,共 11 个解。
思路:把不等式两端化为同分子或用交叉相乘,求出方框数 $x$ 的取值范围 $4\sim14$,共 11 种。
11. 设 $a=\dfrac{1}{3}+\dfrac{1}{4}$,$b=\dfrac{1}{5}+\dfrac{1}{6}+\dfrac{1}{7}$,则在 $a$ 与 $b$ 中,较大的数是______.
分数比较大小放缩法
答案
$a$
解题步骤
$\dfrac{1}{3}=\dfrac{1}{6}+\dfrac{1}{6}>\dfrac{1}{6}+\dfrac{1}{7}$,$\dfrac{1}{4}>\dfrac{1}{5}$,所以 $a>b$。
思路:将 $\dfrac{1}{3}$ 拆成 $\dfrac{1}{6}+\dfrac{1}{6}$ 与 $b$ 中对应项逐项放缩比较,得 $a>b$。
12. 若 $a=\dfrac{2005\times2006}{2007\times2008}$,$b=\dfrac{2006\times2007}{2008\times2009}$,$c=\dfrac{2007\times2008}{2009\times2010}$,则有______.
A. $a>b>c$ B. $a>c>b$ C. $a<c<b$ D. $a<b<c$
分数比较大小和定积最大
答案
D
解题步骤
方法一:利用两数相除法比较 $a$ 和 $b$ 的大小,
$a\div b=\dfrac{2005\times2006}{2007\times2008}\times\dfrac{2008\times2009}{2006\times2007}$
$=\dfrac{2005\times2009}{2007\times2007}$
$2005+2009=2007+2007$,因为和一定,两数越接近则乘积大,所以 $2005\times2009<2007\times2007$,即 $\dfrac{2005\times2009}{2007\times2007}<1$,所以 $a<b$,同理 $b<c$,那么得答案为 D。
方法二:$a=\dfrac{2005}{2007}\times\dfrac{2006}{2008}$,$b=\dfrac{2006}{2008}\times\dfrac{2007}{2009}$ 利用经典结论法,得出 $a<b$,同理,$b<c$,所以 $a<b<c$,那么得答案为 D。
思路:用相除法比较相邻两数,借助和定积最大的结论判断比值小于 1,得 $a<b<c$。
13. 已知 $a$、$b$ 与 $c$ 皆为正整数,且 $\dfrac{1}{a}+\dfrac{1}{b}+\dfrac{1}{c}$ 的值介于 $\dfrac{28}{29}$ 与 1 之间,试求 $a\times b\times c$ 的最小值.
分数估算枚举法
答案
42
解题步骤
要使 $a\times b\times c$ 最小,那么 $a$、$b$、$c$ 应该尽量小,令 $a=2$,$b=3$,已知 $\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{3}+\dfrac{1}{6}=1$,那么只需改变 $c$ 的大小即可,$\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{3}+\dfrac{1}{7}=\dfrac{41}{42}>\dfrac{28}{29}$,成立;$\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{3}+\dfrac{1}{8}=\dfrac{23}{24}<\dfrac{28}{29}$,不满足条件。当三数分别为 $2$、$3$、$7$ 时乘积一定最小,$a\times b\times c=42$。
思路:令 $a$、$b$ 取最小的 2、3,再调整 $c$ 使和落在区间内,验证 $c=7$ 成立且乘积最小为 42。
14. 已知 $A=1+\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{4}+\dfrac{1}{5}+\dfrac{1}{6}+\dfrac{1}{7}+\dfrac{1}{8}$,则 $A$ 的整数部分是______.
估算与整数部分放缩法
答案
2
解题步骤
$A>1+\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{4}+\dfrac{1}{8}+\dfrac{1}{8}+\dfrac{1}{8}+\dfrac{1}{8}=2\dfrac{1}{4}$
$A<1+\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{4}+\dfrac{1}{4}+\dfrac{1}{4}+\dfrac{1}{4}+\dfrac{1}{4}=2\dfrac{3}{4}$
所以 $A$ 的整数部分是 2.
思路:对 $\dfrac{1}{5}\sim\dfrac{1}{8}$ 各项分别用 $\dfrac{1}{8}$ 和 $\dfrac{1}{4}$ 放缩,得到 $A$ 在 $2\dfrac{1}{4}$ 与 $2\dfrac{3}{4}$ 之间,整数部分为 2。
15. 已知:$S=\dfrac{1}{\dfrac{1}{1980}+\dfrac{1}{1981}+\cdots+\dfrac{1}{1990}+\dfrac{1}{1991}}$,求 $S$ 的整数部分.
估算与整数部分放缩法
答案
165
解题步骤
设分母为 $A$,则 $A<12\times\dfrac{1}{1980}=\dfrac{1}{165}$
并且 $A>12\times\dfrac{1}{1991}=\dfrac{12}{1991}$
则 $S>165$ 并且 $S<\dfrac{1991}{12}=165\dfrac{11}{12}$,即 $S$ 的整数部分是 165.
思路:把分母 11 项(即 12 项?)用最大项和最小项放缩夹逼,得 $S$ 在 165 与 $165\dfrac{11}{12}$ 之间,整数部分为 165。
16. 有 8 个数,$0.5\overline{1}$,$\dfrac{2}{3}$,$\dfrac{5}{9}$,$0.\overline{51}$,$\dfrac{24}{47}$,$\dfrac{13}{25}$ 是其中 6 个,如果按从小到大的顺序排列,第 4 个数是 $0.5\overline{1}$,那么按从大到小排列时,第 4 个数是哪一个数?
分数比较大小循环小数表示估算
答案
$0.5\overline{1}$
解题步骤
$\dfrac{2}{3}=0.\overline{6}$,$\dfrac{5}{9}=0.\overline{5}$,$\dfrac{24}{47}\approx0.5106$,$\dfrac{13}{25}=0.52$
显然有 $0.5106<0.5\overline{1}<0.\overline{51}<0.52<0.\overline{5}<0.\overline{6}$ 即 $\dfrac{24}{47}<0.5\overline{1}<0.\overline{51}<\dfrac{13}{25}<\dfrac{5}{9}<\dfrac{2}{3}$,
8 个数从小到大排列第 4 个是 $0.5\overline{1}$,所以有 $\square<\square<\dfrac{24}{47}<0.5\overline{1}<0.\overline{51}<\dfrac{13}{25}<\dfrac{5}{9}<\dfrac{2}{3}$.
(“$\square$”表示未知的那两个数)。所以,这 8 个数从大到小排列第 4 个数是 $0.5\overline{1}$.
思路:把各数化为小数比较得到已知 6 个数的顺序,结合从小到大第 4 个是 $0.5\overline{1}$ 定位两个未知数的位置,推出从大到小第 4 个仍是 $0.5\overline{1}$。
第2讲 四则运算
四则混合运算:按照先括号内、先乘除后加减的顺序进行整数、分数、小数的混合运算,注意去括号的顺序。
乘法分配律与提取公因数:利用 $a\times(b+c)=a\times b+a\times c$ 及其逆运算提取公因数,将复杂算式化简。
凑整与凑配法:把接近整数的带分数或数凑成整数形式,或通过加减相同的项凑出可化简的结构。
平方差与完全平方公式:运用 $a^2-b^2=(a+b)(a-b)$ 与 $a^2\pm2ab+b^2=(a\pm b)^2$ 简化平方相关的算式。
分数与小数互化、约分:将小数化为分数、循环小数化为分数,并通过约分、裂项相消化简连乘连加式。
数列求和公式:运用等差数列求和、平方和公式 $1^2+2^2+\cdots+n^2=\frac{1}{6}n(n+1)(2n+1)$ 等求和。
找规律化简:观察算式中各项的结构规律,将看似复杂的分数统一化简为相同的值后再求和。
1. 计算:$\{[(77\times78-6)-5679]\div107+30\}\times37=$ ______.
四则混合运算去括号运算顺序
答案
$1221$
解题步骤
原式 $=\{[6000-5679]\div107+30\}\times37$
$=(321\div107+30)\times37$
$=33\times37$
$=1221$
思路:先算中括号内得到6000,再依次去括号按四则运算顺序计算。
2. 计算:$\dfrac{1+2+3+4+5+6+7+8+9+10+9+8+7+6+5+4+3+2+1}{3333\times6666+4444\times8888}=$ ______.
分数化简乘法分配律平方数
答案
$\dfrac{2}{1234321}$
解题步骤
原式 $=\dfrac{10^{2}}{1111^{2}\times18+1111^{2}\times32}$
$=\dfrac{100}{1111^{2}\times50}$
$=\dfrac{2}{1234321}$
思路:分子是1到10再到1的对称和,等于$10^2$;分母提取公因数$1111^2$,约分化简。
3. 计算:$29\dfrac{27}{28}\times27\dfrac{14}{15}=$ ______.
带分数乘法乘法分配律凑整法
答案
$837\dfrac{1}{420}$
解题步骤
原式 $=\left(30-\dfrac{1}{28}\right)\times27\dfrac{14}{15}$
$=30\times27\dfrac{14}{15}-\dfrac{1}{28}\times27\dfrac{14}{15}$
$=30\times\left(28-\dfrac{1}{15}\right)-\dfrac{1}{28}\times\left(28-\dfrac{1}{15}\right)$
$=30\times28-2-\left(1-\dfrac{1}{28\times15}\right)$
$=837\dfrac{1}{420}$
思路:把带分数凑成接近整数的形式(如$30-\frac{1}{28}$、$28-\frac{1}{15}$),用乘法分配律展开计算。
4. 计算:$\dfrac{1}{5}\times512+\dfrac{6}{15}\times256+\dfrac{36}{45}\times128+1\dfrac{9}{15}\times64+3\dfrac{1}{5}\times32=$ ______.
分数乘法凑相同因数乘法分配律
答案
$512$
解题步骤
原式 $=\dfrac{1}{5}\times512+\dfrac{2}{5}\times256+\dfrac{4}{5}\times128+\dfrac{8}{5}\times64+\dfrac{16}{5}\times32$
$=\dfrac{1}{5}\times512+\dfrac{1}{5}\times512+\dfrac{1}{5}\times512+\dfrac{1}{5}\times512+\dfrac{1}{5}\times512$
$=512$
思路:每个乘积都等于$\frac{1}{5}\times512$,共5项,故和为512。
5. 计算:$4\times(0.14+0.28)\times\dfrac{21}{50}+4\times0.56\times0.56=$ ______.
小数与分数互化提取公因式平方数
答案
$\dfrac{49}{25}$
解题步骤
原式 $=4\times\dfrac{21}{50}\times\dfrac{21}{50}+4\times\dfrac{28}{50}\times\dfrac{28}{50}$
$=4\times\dfrac{7}{50}\times\dfrac{7}{50}\times(3^{2}+4^{2})$
$=4\times\dfrac{7}{50}\times\dfrac{7}{50}\times5^{2}$
$=\dfrac{49}{25}$
思路:把小数化为分数,提取公因式$4\times\frac{7}{50}\times\frac{7}{50}$,利用$3^2+4^2=5^2$化简。
6. 设 $a=0.\overline{1999}$,$b=0.\overline{9199}$,$c=0.\overline{9919}$,$d=0.\overline{9991}$,则 $a$、$b$、$c$、$d$ 的平均数是 ______.
循环小数化分数平均数分数加法
答案
$\dfrac{7}{9}$
解题步骤
因为 $a=\dfrac{1999}{9999}$,$b=\dfrac{9199}{9999}$,$c=\dfrac{9919}{9999}$,$d=\dfrac{9991}{9999}$,
所以 $a$、$b$、$c$、$d$ 的平均数是 $\dfrac{1}{4}\times\left(\dfrac{1999}{9999}+\dfrac{9199}{9999}+\dfrac{9919}{9999}+\dfrac{9991}{9999}\right)=\dfrac{1}{4}\times\dfrac{1+9+9+9}{9999}\times\cdots$
$=\dfrac{7}{9}$
思路:纯循环小数循环节4位,化成以9999为分母的分数后求和取平均,约分得$\frac{7}{9}$。
7. $2008\times\left(1+\dfrac{1}{2}\right)\times\left(1+\dfrac{1}{3}\right)\times\left(1+\dfrac{1}{4}\right)\times\cdots\times\left(1+\dfrac{1}{1000}\right)=$ ______.
分数连乘约分裂项相消
答案
$1005004$
解题步骤
原式 $=2008\times\dfrac{3}{2}\times\dfrac{4}{3}\times\dfrac{5}{4}\times\cdots\times\dfrac{1000}{999}\times\dfrac{1001}{1000}$
$=2008\times\dfrac{1001}{2}$
$=1004\times1001$
$=1005004$
思路:将每个括号化为分数后连乘约分(裂项相消),只剩首尾,再与2008相乘。
8. 计算:$\dfrac{2008+2007\times2009}{2008\times2009-1}+\dfrac{2009+2008\times2010}{2009\times2010-1}=$ ______.
平方差公式分数化简
答案
$2$
解题步骤
原式 $=\dfrac{2008+(2008-1)\times(2008+1)}{2008\times(2008+1)-1}+\dfrac{2009+(2009-1)\times(2009+1)}{2009\times(2009+1)-1}$
$=\dfrac{2008+2008^{2}-1}{2008+2008^{2}-1}+\dfrac{2009+2009^{2}-1}{2009+2009^{2}-1}$
$=2$
思路:用平方差公式把$2007\times2009$等写成$2008^2-1$,分子分母相同,每个分数等于1。
9. 计算:$\dfrac{(2^{2}+4^{2}+6^{2}+\cdots+100^{2})-(1^{2}+3^{2}+5^{2}+\cdots+99^{2})}{1+2+3+\cdots+10+9+\cdots+2+1}=$ ______.
平方差公式对称数列求和
答案
$50.5$
解题步骤
原式 $=\dfrac{2^{2}-1^{2}+4^{2}-3^{2}+6^{2}-5^{2}+\cdots+100^{2}-99^{2}}{1+2+3+\cdots+10+9+\cdots+2+1}$
$=\dfrac{2+1+4+3+6+5+\cdots+100+99}{10^{2}}$
$=50.5$
思路:分子配对用平方差$n^2-(n-1)^2=n+(n-1)$,分母对称和等于$10^2=100$。
10. 计算:$314\times31.4+628\times68.6+68.6\times686=$ ______.
完全平方公式提取公因数
答案
$100000$
解题步骤
原式 $=10\times(31.4^{2}+2\times31.4\times68.6+68.6^{2})$
$=10\times(31.4+68.6)^{2}$
$=10\times100^{2}$
$=100000$
本题利用到完全平方公式 $a^{2}+2ab+b^{2}=(a+b)^{2}$。
思路:提取公因数10后凑成完全平方公式$(31.4+68.6)^2$。
11. $337\times\square^{2}=1^{2}+2^{2}+3^{2}+\cdots+337^{2}$,则 $\square=$ ______.
平方和公式完全平方数
答案
$195$
解题步骤
$1^{2}+2^{2}+\cdots+n^{2}=\dfrac{1}{6}n(n+1)(2n+1)$,
因为 $1^{2}+2^{2}+\cdots+337^{2}=\dfrac{1}{6}\times337\times338\times675$,
所以 $\square^{2}=\dfrac{1}{6}\times338\times675$
$=195^{2}$,
故 $\square=195$。
思路:用平方和公式$\frac{1}{6}n(n+1)(2n+1)$,约去337后化为完全平方。
12. $\dfrac{588+1.75^{2}+337.75^{2}}{1.75\times337.75}=$ ______.
完全平方公式凑配法因数分解
答案
$194$
解题步骤
原式 $=\dfrac{588+1.75^{2}+337.75^{2}-2\times1.75\times337.75+2\times1.75\times337.75}{1.75\times337.75}$
$=\dfrac{588+336^{2}+2\times1.75\times337.75}{1.75\times337.75}$
$=\dfrac{588+336^{2}}{1.75\times337.75}+2$
$=\dfrac{2^{2}\times3\times7^{2}+2^{4}\times3^{4}\times7^{2}}{\dfrac{7}{4}\times\dfrac{1351}{4}}+2$
$=\dfrac{(2^{2}\times3\times7^{2}+2^{4}\times3^{4}\times7^{2})\times4\times4}{7\times7\times193}+2$
$=\dfrac{2^{2}\times3\times7^{2}\times(1+2^{2}\times3^{3})\times7\times7\times193}{7\times7\times193}+2$
$=2^{4}\times3+2$
$=194$
思路:凑配$-2ab+2ab$构造完全平方$(337.75-1.75)^2=336^2$,再分解因数约分。
13. $\dfrac{0.1\times0.2\times0.4+0.2\times0.4\times0.8+0.3\times0.6\times1.2+0.4\times0.8\times1.6+0.5\times1\times2}{0.1\times0.3\times0.9+0.2\times0.6\times1.8+0.3\times0.9\times2.7+0.4\times1.2\times3.6+0.5\times1.5\times4.5}=$ ______.
提取公因式约分
答案
$\dfrac{8}{27}$
解题步骤
原式 $=\dfrac{0.1\times0.2\times0.4\times(1^{3}+2^{3}+3^{3}+4^{3}+5^{3})}{0.1\times0.3\times0.9\times(1^{3}+2^{3}+3^{3}+4^{3}+5^{3})}$
$=\dfrac{8}{27}$
思路:分子分母各提取公因式后,相同的立方和因式相消,只剩首项之比。
14. 计算:$\left(9999\times\dfrac{1}{6}+3333\times\dfrac{1}{2}-6666\times\dfrac{1}{9}\right)\div\dfrac{7}{9}-1330=$ ______.
乘法分配律提取公因数分数除法
答案
$2003$
解题步骤
原式 $=\left(3333\times\dfrac{1}{2}+3333\times\dfrac{1}{2}-3333\times\dfrac{2}{9}\right)\div\dfrac{7}{9}-1330$
$=3333\times\left(\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{2}-\dfrac{2}{9}\right)\div\dfrac{7}{9}-1330$
$=3333\times\dfrac{7}{9}\div\dfrac{7}{9}-1330$
$=3333-1330$
$=2003$
思路:把9999、6666都化成3333的倍数,提取3333后括号内化简为$\frac{7}{9}$,再约去除数。
15. $\left(14\dfrac{2}{5}+26\dfrac{2}{7}+36\dfrac{4}{9}\right)\div\left(1\dfrac{4}{5}+3\dfrac{2}{7}+4\dfrac{5}{9}\right)=$ ______.
带分数化假分数分数除法整体约分
答案
$8$
解题步骤
原式 $=\left(\dfrac{72}{5}+\dfrac{184}{7}+\dfrac{328}{9}\right)\div\left(\dfrac{9}{5}+\dfrac{23}{7}+\dfrac{41}{9}\right)$
$=8\times\left(\dfrac{9}{5}+\dfrac{23}{7}+\dfrac{41}{9}\right)\div\left(\dfrac{9}{5}+\dfrac{23}{7}+\dfrac{41}{9}\right)$
$=8$
思路:被除数恰好是除数的8倍,约分得8。
16. 计算:$\dfrac{341}{275}+2\times\dfrac{3441}{2775}+3\times\dfrac{34441}{27775}+\cdots+8\times\dfrac{3444444441}{2777777775}+9\times\dfrac{34444444441}{27777777775}=$ ______.
找规律分数化简等差数列求和
答案
$\dfrac{279}{5}$
解题步骤
找规律:$\dfrac{341}{275}=\dfrac{31\times11}{25\times11}$
$=\dfrac{31}{25}$,$\dfrac{3441}{2775}=\dfrac{31\times111}{25\times111}$
$=\dfrac{31}{25}$,$\dfrac{34441}{27775}=\dfrac{31\times1111}{25\times1111}$
$=\dfrac{31}{25}$,$\cdots$,$\dfrac{34444444441}{27777777775}=\dfrac{31\times1111111111}{25\times1111111111}$
$=\dfrac{31}{25}$,即这9个数都等于 $\dfrac{31}{25}$,
原式 $=\dfrac{31}{25}\times(1+2+3+\cdots+9)$
$=\dfrac{279}{5}$
思路:每个分数都化简为$\frac{31}{25}$,再乘以系数1到9之和45。
第3讲 裂项
裂项相消法:将通项拆成两个分数之差,使中间项相互抵消,从而快速求出和式的值。
等差型分母裂项:形如 $\frac{1}{n\times(n+d)}=\frac{1}{d}\left(\frac{1}{n}-\frac{1}{n+d}\right)$ 的分数求和。
复杂分数裂项构造:对分子非1或分母含多项的分数,先化简或提取公因数,再构造可裂项的形式。
整数连乘裂项:形如 $n(n+1)(n+2)$ 的连乘求和,利用 $n(n+1)(n+2)=\frac{1}{4}[n(n+1)(n+2)(n+3)-(n-1)n(n+1)(n+2)]$ 进行裂项相消。
带分数与整数的拆分求和:将带分数拆成整数部分与分数部分分别求和,分数部分用裂项处理。
裂项法在图形规律中的应用:将图形边数构成的数列倒数和,转化为裂项相消式并结合方程求未知项。
1. $\frac{1}{1\times 4}+\frac{1}{4\times 7}+\frac{1}{7\times 10}+\frac{1}{10\times 13}+\cdots+\frac{1}{97\times 100}=$ ______.
裂项相消法等差型分母裂项
答案
$\frac{33}{100}$
解题步骤
原式 $=\left(\frac{3}{1\times 4}+\frac{3}{4\times 7}+\frac{3}{7\times 10}+\frac{3}{10\times 13}+\cdots+\frac{3}{97\times 100}\right)\times\frac{1}{3}$
$=\left(1-\frac{1}{4}+\frac{1}{4}-\frac{1}{7}+\frac{1}{7}-\frac{1}{10}+\cdots+\frac{1}{97}-\frac{1}{100}\right)\times\frac{1}{3}$
$=\left(1-\frac{1}{100}\right)\times\frac{1}{3}$
$=\frac{33}{100}$
思路:每个分母是两个相差3的数之积,乘3后可裂成相邻两分数之差,整体抵消后再除以3。
2. $64\times\left(\frac{1}{8}+\frac{1}{24}+\frac{1}{48}+\frac{1}{80}+\frac{1}{120}+\frac{1}{168}+\frac{1}{224}\right)=$ ______.
裂项相消法复杂分数裂项构造
答案
$14$
解题步骤
原式 $=64\times\left(\frac{1}{2\times 4}+\frac{1}{4\times 6}+\frac{1}{6\times 8}+\frac{1}{8\times 10}+\frac{1}{10\times 12}+\frac{1}{12\times 14}+\frac{1}{14\times 16}\right)$
$=64\times\left(\frac{1}{2}-\frac{1}{4}+\frac{1}{4}-\frac{1}{6}+\cdots+\frac{1}{14}-\frac{1}{16}\right)\times\frac{1}{2}$
$=32\times\left(\frac{1}{2}-\frac{1}{16}\right)$
$=14$
思路:把每个分母写成两个相差2的偶数之积,提取公因数后裂项相消。
3. $\frac{3}{2\times 5}+\frac{2}{5\times 7}+\frac{4}{7\times 11}+\frac{5}{11\times 16}+\frac{6}{16\times 22}+\frac{7}{22\times 29}+\frac{1}{29}=$ ______.
裂项相消法复杂分数裂项构造
答案
$\frac{1}{2}$
解题步骤
原式 $=\frac{1}{2}-\frac{1}{5}+\frac{1}{5}-\frac{1}{7}+\frac{1}{7}-\frac{1}{11}+\frac{1}{11}-\frac{1}{16}+\frac{1}{16}-\frac{1}{22}+\frac{1}{22}-\frac{1}{29}+\frac{1}{29}$
$=\frac{1}{2}$
思路:每一项分子恰为两分母之差,可直接裂成相邻两分数之差,连同末项整体抵消。
4. $1\frac{1}{3}-\frac{7}{12}+\frac{9}{20}-\frac{11}{30}+\frac{13}{42}-\frac{15}{56}+\frac{17}{72}-\frac{19}{90}=$ ______.
裂项相消法复杂分数裂项构造
答案
$\frac{9}{10}$
解题步骤
原式 $=\left(1+\frac{1}{3}\right)-\left(\frac{1}{3}+\frac{1}{4}\right)+\left(\frac{1}{4}+\frac{1}{5}\right)-\left(\frac{1}{5}+\frac{1}{6}\right)+\left(\frac{1}{6}+\frac{1}{7}\right)-\left(\frac{1}{7}+\frac{1}{8}\right)+\left(\frac{1}{8}+\frac{1}{9}\right)-\left(\frac{1}{9}+\frac{1}{10}\right)$
$=1-\frac{1}{10}$
$=\frac{9}{10}$
思路:每个分数都可拆成两个单位分数之和,按符号展开后相邻项相互抵消。
5. 计算:$\frac{1}{2}-\frac{1}{6}-\frac{1}{12}-\frac{1}{20}-\frac{1}{30}-\frac{1}{42}-\frac{1}{56}-\frac{1}{72}-\frac{1}{90}=$ ______.
裂项相消法等差型分母裂项
答案
$\frac{1}{10}$
解题步骤
原式 $=\frac{1}{1\times 2}-\frac{1}{2\times 3}-\frac{1}{3\times 4}-\frac{1}{4\times 5}-\frac{1}{5\times 6}-\frac{1}{6\times 7}-\frac{1}{7\times 8}-\frac{1}{8\times 9}-\frac{1}{9\times 10}$
$=1-\frac{1}{2}-\frac{1}{2}+\frac{1}{3}-\frac{1}{3}+\frac{1}{4}-\frac{1}{4}+\frac{1}{5}-\cdots-\frac{1}{9}+\frac{1}{10}$
$=\frac{1}{10}$
思路:把每项写成相邻整数之积的倒数并裂项,注意首项 $\frac{1}{2}$ 也写成 $\frac{1}{1\times 2}$,展开后逐项抵消。
6. 计算:$2008\frac{1}{18}+2009\frac{1}{54}+2010\frac{1}{108}+2011\frac{1}{180}+2012\frac{1}{270}=$ ______.
带分数与整数的拆分求和裂项相消法
答案
$10050\frac{5}{54}$
解题步骤
原式 $=2008+2009+2010+2011+2012+\frac{1}{3\times 6}+\frac{1}{6\times 9}+\frac{1}{9\times 12}+\frac{1}{12\times 15}+\frac{1}{15\times 18}$
$=2010\times 5+\frac{1}{3}\times\left(\frac{1}{3}-\frac{1}{6}+\frac{1}{6}-\frac{1}{9}+\cdots+\frac{1}{15}-\frac{1}{18}\right)$
$=10050\frac{5}{54}$
思路:将带分数分成整数部分与分数部分:整数部分等差求和,分数部分分母写成相差3的数之积后裂项相消。
7. (1) $\frac{1}{1\times 2}+\frac{1}{2\times 3}+\frac{1}{3\times 4}+\cdots+\frac{1}{11\times 12}=$ ______.
(2) $1+\frac{1}{1+2}+\frac{1}{1+2+3}+\frac{1}{1+2+3+4}+\cdots+\frac{1}{1+2+3+\cdots+10}=$ ______.
裂项相消法等差型分母裂项
答案
(1) $\frac{11}{12}$;(2) $\frac{20}{11}$
解题步骤
(1) 原式 $=1-\frac{1}{2}+\frac{1}{2}-\frac{1}{3}+\frac{1}{3}-\frac{1}{4}+\cdots+\frac{1}{11}-\frac{1}{12}$
$=\frac{11}{12}$
(2) 方法一:原式 $=1+\frac{1}{3}+\frac{1}{6}+\frac{1}{10}+\cdots+\frac{1}{55}$
$=\left(\frac{1}{2}+\frac{1}{6}+\frac{1}{12}+\frac{1}{20}+\cdots+\frac{1}{110}\right)\times 2$
$=\left(\frac{1}{1\times 2}+\frac{1}{2\times 3}+\frac{1}{3\times 4}+\frac{1}{4\times 5}+\cdots+\frac{1}{10\times 11}\right)\times 2$
$=\left(1-\frac{1}{2}+\frac{1}{2}-\frac{1}{3}+\frac{1}{3}-\frac{1}{4}+\cdots+\frac{1}{10}-\frac{1}{11}\right)\times 2$
$=\frac{20}{11}$
方法二:分母上都是连续自然数列求和。$\frac{1}{1+2+3+4+\cdots+n}=\frac{1}{\frac{n\times(n+1)}{2}}$
$=\frac{2}{n\times(n+1)}$,
原式 $=\frac{2}{1\times 2}+\frac{2}{2\times 3}+\frac{2}{3\times 4}+\frac{2}{4\times 5}+\cdots+\frac{2}{10\times 11}$
$=\left(1-\frac{1}{2}+\frac{1}{2}-\frac{1}{3}+\frac{1}{3}-\frac{1}{4}+\cdots+\frac{1}{10}-\frac{1}{11}\right)\times 2$
$=\frac{20}{11}$
思路:(1) 直接将相邻整数积的倒数裂项相消;(2) 每个分母是连续自然数之和,等于 $\frac{n(n+1)}{2}$,其倒数化为 $\frac{2}{n(n+1)}$ 再裂项。
8. 计算:$3\times 4+4\times 5+5\times 6+\cdots+19\times 20+20\times 21=$ ______.
整数连乘裂项裂项相消法
答案
$3072$
解题步骤
$3\times 4=(3\times 4\times 5-2\times 3\times 4)\times\frac{1}{3}$;
$4\times 5=(4\times 5\times 6-3\times 4\times 5)\times\frac{1}{3}$;
$5\times 6=(5\times 6\times 7-4\times 5\times 6)\times\frac{1}{3}$;
……
$20\times 21=(20\times 21\times 22-19\times 20\times 21)\times\frac{1}{3}$;
原式 $=\frac{1}{3}\times(3\times 4\times 5-2\times 3\times 4+4\times 5\times 6-3\times 4\times 5+\cdots+20\times 21\times 22-19\times 20\times 21)$
$=\frac{1}{3}\times(20\times 21\times 22-2\times 3\times 4)$
$=3072$
思路:把每个两数之积写成相邻三数连乘之差的三分之一,求和时连乘项相互抵消,只剩首尾两项。
9. $\frac{8}{9}+\frac{8}{153}+\frac{8}{425}+\frac{8}{825}+\frac{8}{1353}+\frac{8}{2009}=$ ______.
复杂分数裂项构造裂项相消法
答案
$\frac{48}{49}$
解题步骤
原式 $=\frac{8}{1\times 9}+\frac{8}{9\times 17}+\frac{8}{17\times 25}+\frac{8}{25\times 33}+\frac{8}{33\times 41}+\frac{8}{41\times 49}$
$=1-\frac{1}{9}+\frac{1}{9}-\frac{1}{17}+\frac{1}{17}-\frac{1}{25}+\frac{1}{25}-\frac{1}{33}+\frac{1}{33}-\frac{1}{41}+\frac{1}{41}-\frac{1}{49}$
$=1-\frac{1}{49}$
$=\frac{48}{49}$
思路:将每个分母分解成两个相差8的数之积,分子8恰为公差,可直接裂项相消。
10. 计算:$1+10+4\frac{10}{35}+2\frac{24}{63}+1\frac{51}{99}+1\frac{7}{143}=$ ______.
带分数与整数的拆分求和复杂分数裂项构造
答案
$\frac{263}{13}$
解题步骤
原式 $=1+\frac{150}{15}+\frac{150}{35}+\frac{150}{63}+\frac{150}{99}+\frac{150}{143}$
$=1+150\times\left(\frac{1}{3\times 5}+\frac{1}{5\times 7}+\frac{1}{7\times 9}+\frac{1}{9\times 11}+\frac{1}{11\times 13}\right)$
$=1+150\times\frac{1}{2}\times\left(\frac{1}{3}-\frac{1}{5}+\frac{1}{5}-\frac{1}{7}+\frac{1}{7}-\frac{1}{9}+\frac{1}{9}-\frac{1}{11}+\frac{1}{11}-\frac{1}{13}\right)$
$=\frac{263}{13}$
思路:先把各加数化成同分子(150)的假分数,其分母均为相差2的奇数之积,提取公因数后裂项相消。
11. 已知 $S=1\times 2\times 3+2\times 3\times 4+3\times 4\times 5+\cdots+2007\times 2008\times 2009$,试求出 $4\times S\div(2007\times 2008\times 2009)$ 的值.
整数连乘裂项裂项相消法
答案
$2010$
解题步骤
$1\times 2\times 3=(1\times 2\times 3\times 4-0\times 1\times 2\times 3)\times\frac{1}{4}$;
$2\times 3\times 4=(2\times 3\times 4\times 5-1\times 2\times 3\times 4)\times\frac{1}{4}$;
$3\times 4\times 5=(3\times 4\times 5\times 6-2\times 3\times 4\times 5)\times\frac{1}{4}$;
……
$2007\times 2008\times 2009=(2007\times 2008\times 2009\times 2010-2006\times 2007\times 2008\times 2009)\times\frac{1}{4}$
原式 $=(2007\times 2008\times 2009\times 2010-0\times 1\times 2\times 3)\times\frac{1}{4}\times 4\div(2007\times 2008\times 2009)$
$=2010$
思路:把每个三连乘写成相邻四连乘之差的四分之一,求和裂项相消后 $S=\frac{1}{4}\times 2007\times 2008\times 2009\times 2010$,代入即得。
12. 如下图所示,第(1)个多边形由正三角形“扩展”而来,边数记为 $a_3$,第(2)个多边形由正方形“扩展”而来,边数记为 $a_4$,……依此类推,由正 $n$($n\geqslant 3$)边形“扩展”而来的多边形的边数记为 $a_n$.当 $\frac{1}{a_3}+\frac{1}{a_4}+\cdots+\frac{1}{a_n}$ 的结果是 $\frac{2007}{6030}$ 时,$n$ 的值是多少?
四个由正多边形"扩展"得到的星形(雪花状)图形并排排列,下方分别标注 (1)(2)(3)(4),末尾以省略号表示继续。图(1)为六角星(由正三角形扩展),图(2)为十字形(由正方形扩展),图(3)、图(4)依次为边数更多、轮廓更复杂的星形多边形。
裂项法在图形规律中的应用裂项相消法
答案
$2009$
解题步骤
第(1)个图形的边数为12,第(2)个图形的边数为20,第(3)个图形的边数为30,那么
$\frac{1}{a_3}+\frac{1}{a_4}+\cdots+\frac{1}{a_n}=\frac{1}{3\times 4}+\frac{1}{4\times 5}+\frac{1}{5\times 6}+\cdots+\frac{1}{n\times(n+1)}$
$=\frac{1}{3}-\frac{1}{n+1}$
$\frac{1}{3}-\frac{1}{n+1}=\frac{2007}{6030}$ 时求出 $n=2009$.
思路:先找出图形边数规律 $a_n=n(n+1)$,则各倒数 $\frac{1}{a_n}=\frac{1}{n(n+1)}$ 可裂项相消得 $\frac{1}{3}-\frac{1}{n+1}$,再解方程求 $n$。
第4讲 数列
等差数列:相邻两项之差为定值的数列,掌握通项公式 $a_n=a_1+(n-1)d$ 及求和公式,是数列问题的基础。
周期数列与循环规律:数列各项按固定周期重复出现,利用余数确定指定项的取值或求若干项之和。
递推与规律探索:通过观察前几项归纳出生成规律或递推关系,进而求出后续各项。
数列求和:运用配对、裂项、整体代换等方法对数列各项求和,特别是 $1+2+\cdots+n=\frac{n(n+1)}{2}$ 等常用公式。
奇数列与平方数:连续奇数之和 $1+3+5+\cdots+(2n-1)=n^2$,用于估算选取个数与和的范围。
排序与位值分析:将多位数按大小排列后分析指定数位上的数字,结合位值原理求解。
1. 将分数 $\frac{3}{7}$ 化成小数后,小数点后面第 $2011$ 位上的数字是 ______,从小数点后第 $1$ 位到第 $2011$ 位的所有数字之和是 ______。
周期数列与循环规律循环小数
答案
$4$;$9049$
解题步骤
因为 $3\div 7=0.\overline{428571}$,$6$ 个数字为一个循环,又 $2011\div 6=335\cdots\cdots1$,所以小数点后面第 $2011$ 位上的数字是 $4$。
因为 $(4+2+8+5+7+1)\times 335+4=9049$,所以从小数点后第 $1$ 位到第 $2011$ 位的所有数字之和是 $9049$。
思路:先求出 $\frac{3}{7}$ 化成循环小数的循环节,再用 $2011$ 除以循环节长度,由余数定位指定位的数字,并用整循环之和加余下部分求总和。
2. 把从 $2010\sim1020$ 的自然数按照从大到小的顺序排列起来,形成一个多位数,即 $201020092008\cdots10211020$,从左往右第 $999$ 个数字是 ______。
排序与位值分析周期数列与循环规律
答案
$6$
解题步骤
$4$ 个数字为一组,$999\div 4=249\cdots\cdots3$,也就是第 $250$ 个四位数的第 $3$ 个位置,$2010-(250-1)=1761$,第 $3$ 个数字是 $6$。
思路:每个数都是四位数,每四个数字为一组,用 $999$ 除以 $4$ 确定落在第几个四位数及其中第几位,再倒推出该四位数并读出对应数字。
3. 开始有三个数 $1,1,1$,每次操作把其中的一个数换成其他两个数的和。问经过 $10$ 次操作后所得的三个数中,最大数的个位数字可能值是多少?
递推与规律探索奇偶分析
答案
$33$ 个
解题步骤
每次把三个数写出来后我们会发现,每隔两个奇数就有一个偶数。这个规律不难解释:因为 奇 $+$ 奇 $=$ 偶,偶 $+$ 奇 $=$ 奇,所以只有偶性规律为:奇、奇、偶、奇、奇、偶……
$100\div 3=33\cdots\cdots1$,于是,这串数的前 $100$ 个中有 $33$ 个偶数。
思路:本题为前 100 个数的偶数个数问题:观察操作所得数列中奇偶性按“奇、奇、偶”三项一循环,用 100 除以 3 即得偶数个数。
4. 开始有三个数 $1,1,1$,每次操作把其中的一个数换成其他两个数的和。问经过 $10$ 次操作后所得的三个数中,最大数的最大可能值是多少?
递推与规律探索数列求和
答案
$144$
解题步骤
若 $3$ 个数从小到大排序,再把最前面的最小的数换成后面两个数的和,结果为 $\{1,1,1\}\to\{1,1,2\}\to\{1,2,3\}\to\{2,3,5\}\to\{3,5,8\}\to\{5,8,13\}\to\cdots$。
经观察,每组中最大的数构成一个类斐波那契数列,开始的两个数是 $1,2$,从第三项开始,每个数都是前两个数的和。因此 $1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144$。
经过 $10$ 次操作后,该数列中第 $11$ 个数是 $144$,即最大数的最大可能值是 $144$。
思路:要使最大数尽量大,每次都把最小的数替换成另外两数之和,得到的最大数构成类斐波那契数列,第 11 项即为答案。
5. 数列 $2,9,17,24,32,39,47,54,62,\cdots$ 的第 $2010$ 项是 ______。
等差数列周期数列与循环规律
答案
$15069$
解题步骤
经过观察,会发现奇数项和偶数项分别是公差是 $15$ 的两个等差数列,第 $2010$ 项即为偶数项等差数列的第 $1005$ 项,由等差数列的通项公式 $a_n=a_1+(n-1)d$ 可知:第 $1005$ 项为 $9+1004\times 15=15069$。
思路:将原数列拆成奇数项、偶数项两个公差均为 15 的等差数列,第 2010 项落在偶数项数列的第 1005 项,用通项公式求得。
6. 观察一组式子 $3^{2}+4^{2}=5^{2},5^{2}+12^{2}=13^{2},7^{2}+24^{2}=25^{2},9^{2}+40^{2}=41^{2},\cdots$,根据以上规律,请你写出第 $7$ 个式子。
递推与规律探索奇数列与平方数
答案
$15^{2}+112^{2}=113^{2}$
解题步骤
规律:每一个算式中第一个数构成奇数数列,后面的两个数相邻。我们想到这是勾股数的一种构造方法。
把第一个数写为 $13$,所得的数构成两个相邻的数,第 $7$ 个奇数是 $15$,$15$ 的平方 $225$,拆成 $112$ 和 $113$,所以第 $7$ 个式子为 $15^{2}+112^{2}=113^{2}$。
思路:观察每个算式中第一个数为连续奇数,且后两数相邻;由 $(2k+1)^2$ 拆成相邻两数之和构造勾股数,写出第 7 个式子。
7. 将自然数按下图从 $1$ 开始,每 $2$ 处拐弯,$4$ 处拐弯,$7,11,16\cdots$ 处拐弯。第 $20$ 次拐弯的数是 ______。
一个由自然数沿三层嵌套三角形螺旋排列的图形。最内层从 1 到 4,中层从 5 到 11,外层从 11 到 22,数字沿三角形的边依次书写,在每条边的顶点处“拐弯”,图中标出了 1 至 22 各点的位置。
递推与规律探索等差数列
答案
$211$
解题步骤
拐弯的这些数本身不成等差数列,但是它们的差是一个等差数列。
$2=1+1$(这是第一次)
$4=1+1+2$
$7=1+1+2+3$
$11=1+1+2+3+4$
……如此下去第 $20$ 次拐弯处的数是 $1+1+2+3+\cdots+20=211$。
思路:拐弯处的数本身不是等差数列,但相邻拐弯数之差构成 1,1,2,3,4,… ,于是第 20 次拐弯的数等于 $1+(1+2+\cdots+20)$。
8. 已知 $1+2+3+\cdots+n(n>2)$ 的和的个位数为 $3$,十位数为 $0$,则 $n$ 的最小值是 ______。
数列求和末位与位值分析
答案
$37$
解题步骤
根据题意,前 $n$ 项和等于 $(1+n)\times n\div 2$,而现在的个位为 $3$,十位是 $0$,则 $(n+1)\times n$ 的末两位是 $06$,即知两个连续自然数的末位的乘积只能为 $2\times 3$ 或者 $7\times 8$,经试验,最小的 $n$ 取 $37$ 时,$37\times 38=1406$ 符合条件,所以 $n$ 的最小值为 $37$。
思路:由求和公式知 $\frac{n(n+1)}{2}$ 末两位为 03,故 $n(n+1)$ 末两位为 06,分析两连续数末位乘积只能是 2×3 或 7×8,逐一试验取最小 $n$。
9. 一个等差数列的第 $3$ 项是 $14$,第 $18$ 项是 $23$,那么这个数列的前 $2010$ 项中有 ______ 项是整数。
等差数列整除与计数
答案
$402$
解题步骤
第 $3$ 项到第 $18$ 项,相差 $15$ 个公差,也就是 $23-14=9$,$9\div 15=0.6$,而最小 $5\times 0.6=3$,所以每五个数才有一个整数。五个一组,中间的数为整数。$2010\div 5=402$ 组,所以有 $402$ 个整数。
思路:由两已知项求出公差 0.6,每连续 5 项中恰有 1 项为整数,用 2010 除以 5 得整数个数。
10. “火树银花楼七层,层层红灯倍加增,共有红灯三八一,试问四层几盏灯”。
等比数列数列求和
答案
$24$ 盏
解题步骤
设第一层灯数为 $1$ 份,则 $7$ 层总份数为 $1+2+2^{2}+2^{3}+2^{4}+2^{5}+2^{6}=127$,$381\div 127=3$,所以第一层 $3$ 盏灯,第四层 $3\times 2^{3}=24$ 盏灯。
思路:每层灯数是下一层的 2 倍,构成公比为 2 的等比数列,先求出总份数定出第一层灯数,再算第四层。
11. 有七根竹竿排成一行,第一根竹竿长 $1$ 米,其余每根的长都是前一根的一半。问这七根竹竿的总长是多少米?
等比数列数列求和
答案
$1\frac{63}{64}$ 米
解题步骤
方法一:
$1+\frac{1}{2}+\frac{1}{4}+\frac{1}{8}+\frac{1}{16}+\frac{1}{32}+\frac{1}{64}=1\times 2-\frac{1}{64}$
$=1\frac{63}{64}$(米)。
方法二:我们这样考虑:取一根 $2$ 米的竹竿为第 $1$ 根,把它从中间截成两段,各长 $1$ 米,取其中一根作为第一根竹竿,将另外一根再从中截成两段,一段作为第二根竹竿,如此进行下去,到截下第七根竹竿后,所剩下的一段竹竿长为 $\frac{1}{2}\times\frac{1}{2}\times\frac{1}{2}\times\frac{1}{2}\times\frac{1}{2}\times\frac{1}{2}=\frac{1}{64}$(米)。
因此,七根竹竿的总长度是 $2$ 米减去剩下一段的长 $\frac{1}{64}$,也就是 $2-\frac{1}{64}=1\frac{63}{64}$(米)。
思路:竹竿长度构成首项 1、公比 $\frac{1}{2}$ 的等比数列,直接相加或用“总长 2 米减去最后剩余段”巧算其和。
12. 成语“愚公移山”比喻做事有毅力,不怕困难。假设愚公家门口的大山有 $80$ 万吨重,愚公有两个儿子,他的两个儿子又分别有两个儿子,依此类推,愚公和他的子孙每人一生能搬运 $100$ 吨石头,如果愚公是第 $1$ 代人,那么到了第 ______ 代时大山可以搬完。(已知 $10$ 个 $2$ 连乘之积等于 $1024$)
等比数列数列求和
答案
$13$
解题步骤
第 $1$ 代可以搬 $100$ 吨石头,第二代可以搬 $200$ 吨,以后每一代依次可搬 $400,800,\cdots$,若要搬完,则需满足 $100\times\frac{2^{n}-1}{2-1}\geqslant 800000$,可得 $n\geqslant 13$,即到了第 $13$ 代这座大山可以搬完。
思路:每代搬运量构成首项 100、公比 2 的等比数列,求其前 $n$ 项和不小于 80 万吨对应的最小代数。
13. 下面的算式是按规律排列的:$1+1,2+3,3+5,4+7,1+9,2+11,3+13,4+15,1+17,2+19,3+21,4+23,1+25\cdots$,那么,第 ______ 个算式的两数之和是 $2008$。
周期数列与循环规律等差数列
答案
$1003$
解题步骤
每个加法算式的前面项是一个周期数列 $1,2,3,4$ 循环,后项是一个奇数列。和为 $2008$,那么后项是偶数列,即 $2007-2007$ 之间,只能是 $2005$ 和 $2007$,分别看一下它们前面的数。
$2005$ 是第 $1003$ 项,前面是 $3,2005\div 3=2008$ 满足题意。
$2007$ 是第 $1004$ 项,前面是 $4$,和不满足。所以只能是第 $1003$ 个。
思路:和为 2008 须后项为偶数,定位到奇数列中的 2005 或 2007,再据前项的 1,2,3,4 循环验证哪一个满足,得出算式序号。
14. 一列数,前 $3$ 个数是 $1,9,9$,以后每个都是前面相邻 $3$ 个数字之和除以 $3$ 所得的余数。问,这列数中第 $1999$ 个数是几?
周期数列与循环规律带余除法
答案
$1$
解题步骤
直接计算,这个数列除以 $3$ 的余数为 $1,0,0,1,1,2,1,1,0,2,2,1,0,0,1,1,2,\cdots$。
这个数列 $1,0,0,1,1,2,1,1,0,2,2,0,1,0,0,1,1,2,\cdots$ 自第 $17$ 项起,第 $4$ 至第 $16$ 项重复出现,而 $(1999-3)\div 13=153\cdots\cdots7$。
因此第 $1999$ 个数即等于第 $10$ 个数是 $1$。
思路:按递推规则计算各项除以 3 的余数,发现其呈周期 13 的循环,用 $(1999-3)$ 除以 13 的余数定位到对应的项。
15. 将 $1,2,3,\cdots,37$ 这 $37$ 个不同的自然数重新排成一行,记作 $a_{1},a_{2},\cdots,a_{37}$。其中 $a_{1}=37$,$a_{2}=1$,并使得 $a_{1}+a_{2}+\cdots+a_{k}$ 能被 $a_{k+1}$ 整除($k=1,2,\cdots,36$)。求 $a_{37}=$ ______,$a_{3}=$ ______。
整除与计数数列求和
答案
$2$;$19$
解题步骤
依题意,$a_{1}+a_{2}=37+1$
$=38$,说明 $a_{3}=2$ 或 $19$。
依题意,$a_{1}+a_{2}+\cdots+a_{37}$ 能被 $a_{37}$ 整除,则 $a_{1}+a_{2}+\cdots+a_{37}$ 也能被 $a_{37}$ 整除,因为 $a_{1}+a_{2}+\cdots+a_{37}=1+2+3+\cdots+37$
$=19\times 37$,而 $a_{37}$ 也可以整除这 $37$ 个数的和,即 $a_{37}=19$ 或 $37$,因此 $a_{37}$ 只能是 $19$,$a_{3}$ 只能是 $2$。
思路:先由前两项之和 38 推断 $a_3$ 只能是 2 或 19;再由总和 $19\times37$ 必被 $a_{37}$ 整除确定 $a_{37}=19$,从而 $a_3=2$。
16. 在 $51$ 个连续的奇数 $1,3,5,\cdots,101$ 中选取 $k$ 个数,使得它们的和为 $1949$,那么 $k$ 的最大值是多少?
奇数列与平方数数列求和
答案
$43$
解题步骤
显然,选的数越小,可以使选出的数的个数越多。
首先考虑从 $45$ 个连续的奇数 $1,3,5,7,\cdots,89$ 中选出 $n$ 个数,使它们的和不超过 $1949$。
由 $1+3+5+\cdots+(2n-3)+(2n-1)=n^{2}$ 得,$44^{2}<1949<45^{2}$,则 $k\leqslant 44$,而 $k$ 必须是奇数,则 $k\leqslant 43$,因为 $45^{2}=2025>1949$,$2025-1949=76$,且 $76$ 是偶数,所以至少有 $1,3,5,\cdots,89$ 这 $45$ 个数中去掉若干个数,使其余各数的和为 $1949$。
由 $1+3+5+\cdots+89$ 中去掉 $2$ 个数,使其余 $43$ 个数的和为 $1949$,因为去掉的两数之和为 $2025-1949=76$,所以从 $1,3,5,\cdots,89$ 中选出 $43$ 个数,使它们的和恰好是 $1949$,即 $k$ 最大为 $43$。
思路:为使个数最多应优先取较小奇数;利用连续奇数和 $=n^2$ 估计上界,并结合奇偶性与“多余量为偶数可剔除”确定 $k$ 的最大值。
第5讲 数表
蛇形数表与方阵填数:将自然数按蛇形(往返)顺序填入矩形数表,分析每行(列)首末数与平方数的关系,确定某数所在的行列位置。
螺旋数阵:将自然数从中心向外按顺时针(或逆时针)螺旋排列,利用拐弯处的数构成的数列规律求指定位置的数。
周期循环数数:如手指数数等问题,利用周期性把大数对周期取余,确定其落在循环中的位置。
三角形数阵与杨辉三角:研究三角形排布的数表(含杨辉三角)中行号、位置与数值的对应规律,求某行某位置的数或某些位置数之和。
斜行(对角线)数表:将自然数按斜行排列,利用每条斜行最大数为 $\frac{1}{2}n(n+1)$ 等公式定位某数所在的斜行与位置,再换算成行列。
数表求和与平均数法:利用数表中数的对称性、等差性,用配对求和或平均数乘个数的方法快速求出整张表(或某行)所有数之和。
数列与裂项规律:从数表的行(列、斜行)中提取数列,识别等差、二阶等差或分数裂项规律,求通项或指定项。
1. 一列自然数 $0,1,2,3,\cdots,2005,\cdots,2024$,第一个数是 $0$,从第二个数开始,每一个都比它前一个大 $1$,最后一个是 $2024$。现在将这列自然数排成以下数表:
| $0$ | $3$ | $8$ | $15$ | $\cdots$ |
| $1$ | $2$ | $7$ | $14$ | $\cdots$ |
| $4$ | $5$ | $6$ | $13$ | $\cdots$ |
| $9$ | $10$ | $11$ | $12$ | $\cdots$ |
| $\cdots$ | $\cdots$ | $\cdots$ | $\cdots$ | $\cdots$ |
规定横排为行,竖排为列,则 $2005$ 在数表中位于第______行和第______列。
一个数表,按蛇形回字形规律填入自然数。第一行从左到右为 0、3、8、15……,第一列从上到下为 0、1、4、9……(即平方数列),每条折线段上的数依次填入,构成回旋排列。
蛇形数表与方阵填数完全平方数定位
答案
第 $20$ 行,第 $45$ 列
解题步骤
数表的第一列为平方数,$2005=44\times44+69$,$2005<45^{2}$,$44$ 的平方在第 $45$ 行第 $1$ 列,到第 $45$ 列往上走,所以 $2005$ 在第 $45$ 列,再往上走 $70-45=25$ 格,走到 $45-25=20$ 行。所以在第 $20$ 行 $45$ 列。
思路:观察数表第一列恰为完全平方数,先用 $44^2$ 与 $45^2$ 把 2005 框定到第 45 列的拐角附近,再沿该列向上数出对应行号。
2. 伸出你的左手,从大拇指开始如下图所示的那样数数,$1,2,3,\cdots$,问:数到 $1991$ 时,你数在哪个手指上?
一只左手的示意图,箭头表示从大拇指开始、依次经过食指、中指、无名指、小指再折返的数数顺序(往返计数)。
周期循环数数余数定位
答案
中指
解题步骤
先把第一个指头略去,后面四个一组 $(1991-1)\div4=497\cdots\cdots2$,奇数行从食指往后数,偶数行从无名指往前数,第二个数在中指上。
思路:去掉大拇指后,余下手指构成往返的周期循环,用 $(1991-1)$ 对 $4$ 取余确定在循环中的位置,再判断方向得出手指。
3. 自然数按从小到大的顺序排成下图所示螺旋形,在 $2$ 处拐第一个弯,在 $3$ 处拐第二个弯,在 $5$ 处拐第三个弯……,问第二十个拐弯的地方是哪一个数?
自然数从中心 1 开始向外螺旋排列的数阵,用箭头标出排列方向。可见 1→2 向右,在 2、3、5 等处拐弯,外圈出现 …22→23→24→25→26、7→8→9→10、17←16←15←14←13 等数,体现螺旋走向。
螺旋数阵二阶等差数列
答案
$111$
解题步骤
拐弯处数列为 $2,3,5,7,10,13,17,21,26,\cdots$。
数列特点,相邻项的差为 $1,2,2,3,3,4,4,5,\cdots$。
第 $20$ 个拐弯处为 $2+1+2+2+3+3+\cdots+10+10=1+2\times(1+2+\cdots+10)$
$=111$。
思路:把各个拐弯处的数列出,发现相邻差按 1,2,2,3,3,… 增长,将前 20 项的差累加(成对配对求和)即得第 20 个拐弯处的数。
4. 将奇数 $1,3,5,7,9,\cdots$,按下图的规律排列,如下表,数 $19$ 排在第 $3$ 行第 $3$ 列,数 $37$ 排在第 $5$ 行第 $4$ 列,那么数 $2011$ 排在第______行第______列。
把奇数蛇形排入数表:第1行(从第2列起)为 1、3、5、7;第2行 15、13、11、9(从左向右递减);第3行(从第2列起)17、19、21、23;第4行 31、29、27、25;第5行(从第2列起)33、35、37、39……奇数行从左向右递增,偶数行从右向左递增,且首尾列交错空格。
蛇形数表与方阵填数余数定位
答案
第 $252$ 行第 $3$ 列
解题步骤
首先要算出 $2011$ 这个数是这个数列中的第几个数。
$(2011+1)\div2=1006$,每行有 $4$ 个数,而 $1006\div4=251\cdots\cdots2$,由于奇数行从左往右依次增大,偶数行相反,所以,第 $1006$ 个数是第 $252$ 行中从右往左数第二个数。偶数行最右边空一格。因此 $2011$ 这个数排在第 $252$ 行第 $3$ 列。
思路:先把奇数 2011 换算成它是第几个奇数(第 1006 个),再按每行 4 个数分组定位到第 252 行,并结合偶数行从右向左、最右空一格的排法确定列号。
5. 将自然数按如下顺序排列:
$1\quad2\quad6\quad7\quad15\quad16\quad\cdots$
$3\quad5\quad8\quad14\quad17\quad\cdots$
$4\quad9\quad13\quad18\quad\cdots$
$10\quad12\quad19\quad\cdots$
$11\quad20\quad\cdots$
$\cdots$
在这样的排列下,数字 $3$ 排在第二行第一列,$13$ 排在第三行第三列,问:$1993$ 排在第几行第几列?
斜行(对角线)数表三角形数定位
答案
$1993$ 排在第 $24$ 行第 $40$ 列
解题步骤
奇数斜行中的数由下向上递增,偶数斜行中的数由上向下递增。
第 $n$ 斜行中最大的数是 $1+2+3+\cdots+n=\frac{1}{2}n(n+1)$,第 $62$ 斜行中最大的数是 $\frac{1}{2}\times62\times63=1953$。第 $63$ 斜行中最大的数是 $1953+63=2016$。所以 $1993$ 位于第 $63$ 斜行。第 $63$ 斜行中数是由下向上递增,左边第一位数字是 $1954$,因此,$1993$ 位于第 $63$ 斜行由上向下数第 $(1993-1954+1)=40$ 位,即原阵列的第 $63-40+1=24$ 行,第 $40$ 列。
思路:数按斜行排列,先用三角形数公式 $\frac{1}{2}n(n+1)$ 找到 1993 所在的斜行,再依据该斜行内由下向上递增的方向算出其在斜行中的位次,最后换算成行列。
6. 下面是一个由数字组成的三角形,试研究它的组成规律,从而确定其中的 $x$ 数值。
一个数字三角形,从上到下各行为:$1$;$0\ 1$;$1\ 1\ 0$;$0\ 1\ 2\ 2$;$5\ 5\ 4\ 2\ 0$;$0\ 5\ 10\ 14\ 16\ 16$;$61\ 61\ 56\ 46\ 32\ 16\ 0$;最后一行为 $*\ *\ *\ x\ *\ *\ *\ *$,待求的数记为 $x$。
三角形数阵与杨辉三角数列与裂项规律
答案
$x=178$
解题步骤
$0,61,122,178,\cdots$,所以 $x=178$。
思路:找出三角形相应位置(同列或同斜行)上数构成的等差数列规律,由 $0,61,122$ 的公差推出下一项即为 $x=178$。
7. 下图是中国古代的“杨辉三角形”,问:写在图中“网点”处所有数的和是多少?
杨辉三角(帕斯卡三角)示意图,用斜线连接相邻两数,每个数等于其上方左右两数之和。各行依次为:$1$;$1\ 1$;$1\ 2\ 1$;$1\ 3\ 3\ 1$;$1\ 4\ 6\ 4\ 1$;$1\ 5\ 10\ 10\ 5\ 1$;$1\ 6\ 15\ 20\ 15\ 6\ 1$。各数所在结点即“网点”。
三角形数阵与杨辉三角数表求和与平均数法
答案
$127$
解题步骤
第 $1$ 行的数是 $1$;第 $2$ 行的 $2$ 个数的和是 $2$;第 $3$ 行的 $3$ 个数的和是 $4$;第 $4$ 行的 $4$ 个数的和是 $8$;第 $5$ 行的 $5$ 个数的和是 $16$;第 $6$ 行的 $6$ 个数的和是 $32$;第 $7$ 行的 $7$ 个数的和是 $64$。
求和:$1+2+4+8+16+32+64=64\times2-1$
$=127$。
思路:利用杨辉三角每行各数之和等于 $2$ 的幂这一规律,把各行和写成等比数列,用错位(或公式)求和得到总和。
8. 根据某种规律列出如下算式:
$$1+2=3,$$
$$4+5+6=7+8,$$
$$9+10+11+12=13+14+15.$$
以上各式的计算结果为 $3,15,42,\cdots$
请求出含有 $2003$ 的算式的计算结果。
数列与裂项规律完全平方数定位数表求和与平均数法
答案
$88110$
解题步骤
每行的数字个数,构成一个等差数列 $3,5,7,9,11,\cdots$。
$3+5+7+9+11+\cdots+(2n+1)=(n+1)\times(n+1)-1$
$2003$ 在 $44\times44$ 与 $45\times45$ 之间。每行第一个数构成 $n\times n$ 的数列。
可知第 $44$ 行第一个数字是 $44\times44=1936$,这一行共有 $44\times2+1=89$ 个数。在这行中有 $2003$,此行的等式为 $1936+1937+1938+\cdots+1980=1981+1982+\cdots+2024$
$=88110$。
思路:发现每行数字个数为奇数列、每行首数为平方数,借此把 2003 定位到第 44 行,写出该行的完整算式后对右半部分求和得到结果。
9. $25$ 个同样大小的等边三角形拼成了下图的大等边三角形,在图中每个结点处都标上一个数。使得图中每条直线上所标的数都顺次成等差数列。已知大等边三角形的三个顶点处放置的数分别是 $100,200,300$,求所有结点上数的总和。
一个由 25 个全等小等边三角形拼成的大等边三角形(每边 5 个小三角形),内部网格的所有交点(结点)共 21 个,要求每条直线上所标的数顺次成等差数列,三个顶点处分别放 100、200、300。
数表求和与平均数法等差数列
答案
$4200$
解题步骤
各结点上数如右图。
从 $100$ 到 $300$ 这条直线上的各数的平均数是 $200$,平行于这条直线的每条直线上的各数的平均数都是 $200$,所以这 $21$ 个数的平均数是 $200$,总和为 $200\times21=4200$。
思路:由等差数列的对称性可知每条平行直线上各数的平均数都等于两端 100 与 300 的平均数 200,于是总和等于结点个数 21 乘平均数 200。
10. 下面是著名德国数学家莱布尼茨给出的三角形:
$$1$$
$$\frac{1}{2}\quad\frac{1}{2}$$
$$\frac{1}{3}\quad\frac{1}{6}\quad\frac{1}{3}$$
$$\frac{1}{4}\quad\frac{1}{12}\quad\frac{1}{12}\quad\frac{1}{4}$$
$$\frac{1}{5}\quad\frac{1}{20}\quad\frac{1}{30}\quad\frac{1}{20}\quad\frac{1}{5}$$
$$\frac{1}{6}\quad\frac{1}{30}\quad\frac{1}{60}\quad\frac{1}{60}\quad\frac{1}{30}\quad\frac{1}{6}$$
$$\frac{1}{7}\quad\frac{1}{42}\quad\frac{1}{105}\quad\frac{1}{140}\quad\frac{1}{105}\quad\frac{1}{42}\quad\frac{1}{7}$$
则排在由上而下的第 $10$ 行中从右边数第三个位置的数是______。
莱布尼茨调和三角形,左右两边为自然数倒数列 $\frac{1}{n}$,从第二行起每个内部的数都等于它正下方两个相邻数之和(即下两数之和等于上一数),整体左右对称。
三角形数阵与杨辉三角数列与裂项规律
答案
$\frac{1}{360}$
解题步骤
数表中每个数是它下面的两个数的和,并且两边上的数规律很明显。从最上方到右下方,第一行分母是自然数列,第二行分母是满足分数裂项的数列。
那么在原数表中,第九行从右边第一个是 $\frac{1}{9}$,第二个是 $\frac{1}{72}$,第十行从右边第一个是 $\frac{1}{10}$,第二个是 $\frac{1}{90}$,第三个是 $\frac{1}{72}-\frac{1}{90}=\frac{1}{360}$。
思路:利用莱布尼茨三角形“上一数等于其下方两数之和”的关系反向裂项:由第十行最外两数 $\frac{1}{10}$、$\frac{1}{90}$ 及第九行的 $\frac{1}{72}$,作差求出第三个数。
11. 观察下列正方形数表:
表 $1$ 中的各数之和为 $1$,表 $2$ 中的各数之和为 $17$,表 $3$ 中的各数之和为 $65$,……(每个正方形数表比前一个正方形数表多一层方格,增加的一层方格中所填的数比前一数表的最外层方格内的数大 $1$)。如果表 $n$ 中的各数之和等于 $15505$,那么 $n$ 等于______。
三个同心正方形数表。表1为 $1\times1$,中心是 1;表2为 $3\times3$,中心是 1,四周一圈全是 2;表3为 $5\times5$,中心是 1,向外一圈是 2,最外一圈是 3,即每向外一层数字加 1。
数表求和与平均数法数列与裂项规律
答案
$18$
解题步骤
每增加一层,增加的个数数列为 $4\times2,4\times4,4\times6,4\times8,\cdots$。所以到表 $n$ 的和为
$1+2\times4\times2+3\times4\times4+4\times4\times6+5\times4\times8+\cdots+n\times4\times2(n-1)$
$=1+4\times[2\times2+3\times4+4\times6+5\times8+6\times10+\cdots+n\times2(n-1)]$
$=1+8\times[2\times1+3\times2+4\times3+5\times4+6\times5+\cdots+n(n-1)]$
$=1+8\times\frac{(n-1)\times n\times(n+1)}{3}$
要使这个数为 $15505$,得出 $(n-1)\times n\times(n+1)=5814$,得 $5814=17\times18\times19$,解得 $n=18$。
思路:把每层新增格数与所填数字相乘累加,整理成含 $(n-1)n(n+1)$ 的连续整数乘积公式,令其等于 15505 后分解 5814=17×18×19 解出 n。
第6讲 定义新运算
定义新运算的概念:用特定符号(如 $*$、$\triangle$、$\bigcirc$ 等)规定一种新的运算法则,按照给定法则把字母或数字代入计算。
代入计算:把题目给出的数值按新运算的定义式逐步代入,转化为加减乘除等常规运算求值。
新运算中的规律探索:通过观察若干已知算式归纳出新运算的通用法则,再用法则解决求未知数或求结果的问题。
新运算与方程:当新运算式中含未知数时,依据定义把它化成含未知数的方程,再解方程求出未知数。
二阶行列式与集合运算的新定义:把二阶行列式 $\begin{vmatrix}a&b\\c&d\end{vmatrix}=ad-bc$、集合的交并等也作为新运算处理,按规定式计算。
递推与数列求和:对连续多次新运算可建立递推关系,结合等差数列求和等技巧化简,得到一般结果。
1. 观察 $5*2=5+55=60$,$7*4=7+77+777+7777=8638$,推知 $9*5$ 的值是________。
定义新运算的概念规律探索
答案
111105
解题步骤
原式 $=9+99+999+9999+99999$
$=10-1+100-1+1000-1+10000-1+100000-1$
$=111110-5$
$=111105$
思路:由前两个算式看出 $a*b$ 表示从 $a$ 开始、把 $a$ 重复构成 $b$ 个数(位数依次增加)再相加,故 $9*5$ 是 $9+99+999+9999+99999$,用凑整法求和。
2. 设 $a*b$ 表示 $\frac{a}{b}+\frac{b}{a}+\frac{1}{2}$,计算:$(1992*996)*(996*498)=$________。
定义新运算的概念代入计算分数运算
答案
$2\frac{1}{2}$
解题步骤
$(1992*996)*(996*498)$
$=\left(\frac{1992}{996}+\frac{996}{1992}+\frac{1}{2}\right)*\left(\frac{996}{498}+\frac{498}{996}+\frac{1}{2}\right)$
$=3*3$
$=\frac{3}{3}+\frac{3}{3}+\frac{1}{2}$
$=2\frac{1}{2}$
思路:先按定义算出内层 $1992*996$ 与 $996*498$ 均等于 $3$,再把 $3*3$ 代入定义式求得结果。
3. 羊和狼在一起时,狼要吃掉羊,所以关于羊和狼,我们规定一种运算,用符号 $\triangle$ 表示:羊 $\triangle$ 羊 $=$ 羊;羊 $\triangle$ 狼 $=$ 狼;狼 $\triangle$ 羊 $=$ 狼;狼 $\triangle$ 狼 $=$ 狼。
以上运算的意思是:羊与羊在一起还是羊,狼与狼在一起还是狼,但是狼与羊在一起便只剩下狼了。
小朋友总是希望羊能战胜狼,所以我们规定另一种运算,用符号 $\bigstar$ 表示:羊 $\bigstar$ 羊 $=$ 羊;羊 $\bigstar$ 狼 $=$ 羊;狼 $\bigstar$ 羊 $=$ 羊;狼 $\bigstar$ 狼 $=$ 狼。
这个运算的意思是:羊与羊在一起还是羊,狼与狼在一起还是狼,但由于羊能战胜狼,当狼与羊在一起时,它便被羊赶走而只剩下羊了。
对羊或狼,可以用上面规定的运算作混合运算,混合运算的法规是从左到右,括号内先算,运算的结果或是羊,或是狼。
求下列的结果:羊 $\triangle$(狼 $\bigstar$ 羊) $\bigstar$ 羊 $\triangle$(狼 $\triangle$ 狼)。
定义新运算的概念混合运算顺序
答案
狼
解题步骤
因为狼 $\triangle$ 狼 $=$ 狼,狼 $\bigstar$ 羊 $=$ 羊,所以原式 $=$ 羊 $\triangle$ 羊 $\bigstar$ 羊 $\triangle$ 狼,无论前面结果如何,最后一步羊 $\triangle$ 狼或者狼 $\triangle$ 狼总等于狼,所以原式 $=$ 狼。
思路:按括号内先算、再从左到右的混合运算顺序,逐步把括号化简,注意凡含 $\triangle$ 且出现狼时结果为狼,最后一步与狼作 $\triangle$ 运算必得狼。
4. 定义 $x\bigstar y=3x+7y$。$(1\bigstar1)+(2\bigstar2)+(3\bigstar3)+\cdots+(10\bigstar10)=$________。
定义新运算的概念代入计算等差数列求和
答案
550
解题步骤
$(1\bigstar1)+(2\bigstar2)+(3\bigstar3)+\cdots+(10\bigstar10)$
$=3\times1+7\times1+3\times2+7\times2+3\times3+7\times3+\cdots+3\times10+7\times10$
$=10\times(1+2+3+\cdots+10)$
$=550$
思路:由定义知 $n\bigstar n=3n+7n=10n$,于是原和为 $10\times(1+2+\cdots+10)$,用等差数列求和得 $550$。
5. 下图是一个运算器的示意图,$A$、$B$ 是输入的两个数据,$C$ 是输出的结果。下表是输入 $A$、$B$ 数据后,运算器输出 $C$ 的对应值。请你据此判断,当输入 $A$ 值是 1999,输入 $B$ 值是 9 时,运算器输出的 $C$ 值是________。
左侧为运算器示意图:两个输入 $A$、$B$ 经方框"运算器"后输出 $C$。右侧为对应值表,三行四列:$A$ 行为 $32,45,46,56$;$B$ 行为 $5,3,8,5$;$C$ 行为 $2,0,6,1$。
定义新运算的概念规律探索带余除法
答案
1
解题步骤
通过观察发现 $C$ 代表 $A$ 除以 $B$ 的余数,因为 1999 除以 9 的余数是 1,所以 $C=1$。
思路:对照表中数据找出输入与输出的关系,发现 $C$ 是 $A$ 除以 $B$ 的余数,再求 $1999\div9$ 的余数。
6. 一只甲虫从画有方格的木板上的 $A$ 点出发,沿着一段一段的横线、竖线爬行到 $B$ 点,图 a)中的路线对应下面的算式 $1-2+1+2+2-1+2+1=6$。请在图 b)中用粗线画出对应于算式 $-2-1+2+2+2+1+1+1$ 的路线。
两幅 $4\times4$ 方格图。图 a)中标出 $A$ 点(下方)与 $B$ 点(右上),并用粗线画出一条从 $A$ 到 $B$ 的折线路径作为示例;图 b)中只标出 $A$、$B$ 两点而无路径,供作答画线。
定义新运算的概念数形结合路径与方向
答案
如右图所示
解题步骤
如右图所示,通过图 a)分析知道向上前进一格要加上 1,向下前进一格要减 1,向左前进一格要减去 2,向右前进一格要加上 2。
思路:先由示例算式与路径的对应关系归纳出每个方向移动对应的数(上 $+1$、下 $-1$、右 $+2$、左 $-2$),再按新算式各项依次确定移动方向画出路线。
7. 如果规定 $\begin{vmatrix}a&b\\c&d\end{vmatrix}=a\times d-b\times c$,那么 $\begin{vmatrix}\frac{2}{3}&\frac{6}{7}\\0.21&\frac{4}{5}\end{vmatrix}=$________。
二阶行列式新定义代入计算分数与小数混合运算
答案
$\frac{53}{150}$
解题步骤
根据题意,$\begin{vmatrix}\frac{2}{3}&\frac{6}{7}\\0.21&\frac{4}{5}\end{vmatrix}=\frac{2}{3}\times\frac{4}{5}-\frac{6}{7}\times0.21$
$=\frac{8}{15}-\frac{6}{7}\times\frac{21}{100}$
$=\frac{8}{15}-\frac{9}{50}$
$=\frac{80-27}{150}$
$=\frac{53}{150}$
思路:按规定的二阶行列式公式 $ad-bc$ 把四个数代入,化分数小数为统一形式后通分相减。
8. 已知 $A*B=AB+A+B$,则 $\underbrace{1*9*9*9*\cdots*9*9}_{\text{共10次运算}}=$________。
定义新运算的概念递推规律
答案
19999999999
解题步骤
$1*9=1\times9+1+9$
$=19$
$1*9*9=19*9$
$=19\times9+19+9$
$=19\times10+9$
$=199$
$1*9*9*9=199*9$
$=199\times9+199+9$
$=199\times10+9$
$=1999$
$\cdots$
$\underbrace{1*9*9*9*\cdots*9*9}_{\text{共10次运算}}=19999999999$
思路:逐次计算发现每与 9 作一次新运算,结果就在末尾添一个 9(即上一结果 $\times10+9$),10 次运算后得到 $1$ 后跟 10 个 $9$。
9. 已知:$10\triangle3=14$,$8\triangle7=2$,$\frac{3}{4}\triangle\frac{1}{4}=1$,根据这几个算式找规律,如果 $\frac{5}{8}\triangle x=1$,那么 $x=$________。
规律探索新运算与方程
答案
$\frac{1}{8}$
解题步骤
$10\triangle3=(10-3)\times2$
$=14$
$8\triangle7=(8-7)\times2$
$=2$
$\frac{3}{4}\triangle\frac{1}{4}=\left(\frac{3}{4}-\frac{1}{4}\right)\times2$
$=1$
$\frac{5}{8}\triangle x=1$,所以 $\left(\frac{5}{8}-x\right)\times2=1$,解得 $x=\frac{1}{8}$
思路:由三个已知算式归纳出 $a\triangle b=(a-b)\times2$,代入 $\frac{5}{8}\triangle x=1$ 列方程求解。
10. 一个数 $n$ 的数字中为奇数的那些数字的和记为 $S(n)$,为偶数的那些数字的和记为 $E(n)$,例如 $S(134)=1+3=4$,$E(134)=4$。
$S(1)+S(2)+\cdots+S(100)=$________;$E(1)+E(2)+\cdots+E(100)=$________。
定义新运算的概念数字出现次数统计
答案
501;400
解题步骤
可以换个方向考虑。数字 1 在个位出现 10 次,在十位出现 10 次,在百位出现 1 次,共 21 次。
数字 2 到 9 中的每一个在个位出现 10 次,在十位也出现 10 次,共 20 次。
所以 1 到 100 中所有奇数数字的和等于 $(1+3+5+7+9)\times20+1=501$,所有偶数数字的和等于 $(2+4+6+8)\times20=400$。
思路:统计 $1$ 到 $100$ 中每个数字在各数位上出现的次数($1$ 因 $100$ 多出一次),再按奇、偶数字分别求和。
11. 已知 $A=\{1,3,5,7\}$,$B=\{1,4,7\}$,$C=\{2,5,7,8\}$。规定:$A\cap B=\{1,3,5,7\}\cap\{1,4,7\}=\{1,7\}$;$A\cup B=\{1,3,5,7\}\cup\{1,4,7\}=\{1,3,4,5,7\}$。
根据此规定可求得:$(A\cup C)\cap B=$________。
集合的交与并新定义运算
答案
$\{1,7\}$
解题步骤
$(A\cup C)\cap B=(\{1,3,5,7\}\cup\{2,5,7,8\})\cap\{1,4,7\}$
$=\{1,7\}$
思路:先按并集定义求出 $A\cup C$,再与 $B$ 取交集,保留公共元素。
12. 规定 $1※2=0.1+0.2=0.3$,$2※3=0.2+0.3+0.4=0.9$,$5※4=0.5+0.6+0.7+0.8=2.6$,如果 $a※15=16.5$,那么 $a$ 等于________。
规律探索等差数列求和新运算与方程
答案
4
解题步骤
等式的两边同时扩大 10 倍,则有
$a+a+1+\cdots+a+14=165$
$\frac{(2a+14)\times15}{2}=165$
$\Rightarrow a=4$
思路:由示例看出 $a※b$ 是从 $0.a$ 起、依次增加 $0.1$ 共 $b$ 项的和;把等式扩大 10 倍化为等差数列求和方程求 $a$。
13. 规定一种运算"$\sim$":$a\sim b$ 表示求 $a$、$b$ 两个数的差,即 $a$、$b$ 中较大的数减较小的数,例如 $5\sim4=5-4=1$,$1\sim4=4-1=3$,$6\sim6=6-6=0$,那么当 $x=$________时,$y=(x\sim1)+(x\sim2)+(x\sim3)$ 的值最小。
定义新运算的概念绝对值与距离最值问题
答案
2
解题步骤
我们把 $1$、$2$、$3$ 这三个数字看成三个点,数字与数字的差看成是两个点间距离,则原题找 $y$ 的最小值,就是找一个点,要求到 $1$、$2$、$3$ 三个点间的距离之和最小,因此数字 $x$ 对应的点为 $2$ 时距离最小,最小距离为 $2$,所以 $x=2$ 时,$y$ 最小,最小值为 $2$。
思路:把 $a\sim b$ 理解为数轴上两点间距离,求 $x$ 到 $1$、$2$、$3$ 距离之和最小,即取中间点 $x=2$。
14. 如果 $a\square=a\times(a+1)$,$a\square\square=a\square\times(a\square+1)$,$\cdots$,那么 $1\square\square\square=$________。
定义新运算的概念递推计算
答案
42
解题步骤
$1\square=1\times2$
$=2$,$1\square\square=2\times3$
$=6$,$1\square\square\square=6\times7$
$=42$。
思路:按递推定义,每多一个 $\square$ 就把上一结果记作 $a\square$ 再代入 $a\square\times(a\square+1)$,逐步算到三个方框。
第7讲 枚举法
枚举法:通过有条理地一一列举出满足条件的所有情况来计数或求解的方法,关键在于做到不重复、不遗漏.
分类枚举:按某一标准(如首位数字、取值范围、奇偶等)将问题划分为若干类,分别枚举后再求和.
有序枚举:为避免重复与遗漏,按字典序或数值从小到大等固定顺序系统地列出所有情形.
整除与数字和:利用各位数字之和、末位数字、被某数整除等性质缩小枚举范围或转化问题.
缩放估界:在分数方程或不等式问题中,通过设定大小顺序并放缩,先确定变量的取值范围再枚举.
插空与配对:处理不相邻排列、奇偶配对等组合问题时,用插空法或固定一端配对的方式逐一枚举.
路径与图形枚举:在网格走法、连通图形等几何计数问题中,标号后系统枚举所有可行路径或拼接方式.
1. 今年是 $2002$ 年,把这样的年份称为“对称年”(年份的个位数字和千位数字相同,百位数字和十位数字相同),从 $2000$ 年~$2999$ 年之间共有 ______ 个“对称年”.
枚举法对称数分类计数
答案
$10$
解题步骤
$2000$ 年到 $2999$ 年之间的“对称年”个位为 $2$,十位和百位数字相同,可以是 $0$、$1$、$2$、$\cdots$、$9$,共 $10$ 个,所以从 $2000$ 年到 $2999$ 年之间共有 $10$ 个“对称年”.
思路:对称年的千位与个位相同(均为 $2$),百位与十位相同,故只需枚举百位(十位)的取值 $0\sim 9$ 即可。
2. 在所有的三位数中,满足其数字和等于 $12$ 的共有 ______ 个.
枚举法数字和插板法分类计数
答案
$66$
解题步骤
方法一:按照百位数字进行分类
百位数字为 $1$ 时,这样的三位数有:$129$、$138$、$147$、$\cdots$、$192$ 共 $8$ 个数;
百位数字为 $2$ 时,这样的三位数有:$219$、$228$、$\cdots$、$291$ 共 $9$ 个数;
依次类推,可知当百位数字依次为 $3\sim 9$ 时,这样的三位数分别有 $10$、$9$、$8$、$7$、$6$、$5$、$4$ 个,所以这样的三位数共有 $8+9+10+9+8+7+6+5+4=66$ 个.
方法二:插板法.至少每位数字都是 $1$ 的情况有 $C_{11}^{2}=\dfrac{11\times 10}{2\times 1}$
$=55$ 个,其中包括 $10$、$1$、$1$ 的三种情况不符合要求,$55-3=52$;包含 $0$ 的情况又有:$309$、$390$、$408$、$480$、$507$、$570$、$606$、$660$、$705$、$750$、$804$、$840$、$903$、$930$ 共 $14$ 种,$52+14=66$(个).
思路:按百位(或某一位)数字分类枚举,或用插板法处理“数字和为 $12$”的非负整数解,再扣除越界的情形。
3. 把下边的加法运算(其中竖式为 $\dfrac{\;\;\;428}{\underline{+\,396}}$,$\;\;\;\;824$,答案 $824$ 正好和上面的加数 $428$ 数字顺序相同),如果选出另外一个三位数加上 $396$ 后,答案也正好和所选的三位数的数字顺序相同的话,可以选出若干个这样的三位数,这样的三位数还有(除去 $428$)______ 个.
枚举法数位与位值竖式加法分类计数
答案
$49$
解题步骤
设这样的三位数为 $\overline{abc}$,则有 $\overline{cba}-\overline{abc}=396$,有 $99(c-a)=396$,则 $c-a=4$,有 $9-5=8-4$
$=7-3$
$=6-2$
$=5-1$
$=4$,而十位数字可以从 $0\sim 9$ 中任意取,所以三位数共有 $5\times 10=50$ 个,除去 $428$ 还有 $49$ 个.
思路:由 $\overline{cba}-\overline{abc}=396$ 推出 $c-a=4$,枚举满足条件的首尾数字对,十位自由取 $0\sim 9$,再扣除已知的 $428$。
4. 从 $1$、$2$、$3$、$4$、$5$、$6$、$7$、$8$、$9$ 中选出 $7$ 个数,使得它们的和是 $3$ 的倍数,共有 ______ 种不同选法.
枚举法整除性质补集思想分类计数
答案
$12$
解题步骤
因为 $1+2+3+\cdots+9=(1+9)\div 2\times 9$
$=45$,所以这 $9$ 个数的和是 $3$ 的倍数,因此,只需要剩下 $2$ 个数之和是 $3$ 的倍数即可.
①从 $3$、$6$、$9$ 中任选 $2$ 个有 $3$ 种不同选法.
②从 $1$、$2$、$4$、$5$、$7$、$8$ 中选 $2$ 个,其和为 $3$ 的倍数的有
$(1,2)$、$(1,5)$、$(1,8)$、$(2,4)$、$(2,7)$、$(4,5)$、$(4,8)$、$(5,7)$、$(7,8)$,即有 $9$ 种不同选法.
因此,共有 $3+9=12$ 种不同选法.
思路:选 $7$ 个等价于去掉 $2$ 个,利用 $1\sim 9$ 之和 $45$ 是 $3$ 的倍数,转化为“去掉的两数之和为 $3$ 的倍数”,再按余数分类枚举。
5. 一次,齐王与大将田忌赛马.每人有四匹马,分为四等.田忌知道齐王这次比赛马的出场顺序依次为一等、二等、三等、四等,而且还知道这八匹马跑得最快的是齐王的一等马,接着依次为自己的一等马、齐王的二等马、自己的二等马、齐王的三等马、自己的三等马、齐王的四等马、自己的四等马.田忌有 ______ 种方法安排自己的马的出场顺序,保证自己至少能赢两场比赛.
枚举法对策问题排列田忌赛马
答案
$12$
解题步骤
用一个四位数表示田忌的马的出场顺序.按照顺序枚举出所有方法:$1423$、$2143$、$2413$、$3124$、$3142$、$3412$、$3421$、$4123$、$4132$、$4213$、$4312$、$4321$,所以共有 $12$ 种方法.
思路:用四位数记录田忌四匹马的出场次序,按字典序枚举所有排列,逐一检验能否至少赢两场。
6. 小珊到邮局购买 $5$ 张邮票,并要求这些邮票的式样都要相同且全部都要互相连接在一起(两张邮票之间只有顶点与顶点相连不算相连在一起).现在邮局只存最后的 $9$ 张邮票.如下图所示,为满足小珊的要求,请问邮局的职员有多少种不同的撕邮票的方法?
由 $9$ 个相同的小正方形(邮票)拼成的不规则连通图形:顶部一行 $3$ 张相连,中间一行偏左有 $2$ 张相连且与上行衔接,下方还有若干张,整体呈不规则台阶状排列;用虚线表示各张邮票之间的分界,需从中撕下 $5$ 张相连且式样相同的邮票.
枚举法连通图形计数分类枚举
答案
$15$
解题步骤
把邮票从上到下分成三层考虑,并标上相应数字(见图).按第一层撕下的张数分类枚举:
第一层 $4$ 张邮票的有 $3$ 种;
第一层 $3$ 张邮票的有 $6$ 种;
第一层 $2$ 张邮票的有 $4$ 种;
第一层 $1$ 张邮票的有 $2$ 种;
共有 $3+6+4+2=15$(种).
思路:把图形分层,按最上层选取的邮票张数分类,对每类逐一枚举可行的连通取法并相加。
7. 给定三种重量的砝码(每种数量都有足够多个)$3\,\text{kg}$、$11\,\text{kg}$、$17\,\text{kg}$,将它们组合凑成 $100\,\text{kg}$ 有 ______ 种不同的方法(每种砝码至少用一块).
枚举法不定方程凑数问题分类计数
答案
$6$
解题步骤
枚举:$100=17\times 1+11\times 1+3\times 24$,$100=17\times 1+11\times 4+3\times 13$,$100=17\times 1+11\times 7+3\times 2$,$100=17\times 4+11\times 1+3\times 7$,$100=17\times 2+11\times 3+3\times 11$,$100=17\times 3+11\times 2+3\times 9$,一共有 $6$ 种方法.
思路:设三种砝码个数,对 $17x+11y+3z=100$($x,y,z\ge 1$)按 $17$ 与 $11$ 的取值枚举,再验证余量能被 $3$ 整除。
8. 将下图中 $20$ 张扑克牌分成 $10$ 对,每对红心和黑桃各一张.问:你能分出几对这样的牌,使两张牌上的数的乘积除以 $10$ 的余数是 $1$?(将 A 看成 $1$)
两行扑克牌图:上行为黑桃 A、$2$、$3$、$4$、$5$、$6$、$7$、$8$、$9$、$10$ 共 $10$ 张;下行为红心 A、$2$、$3$、$4$、$5$、$6$、$7$、$8$、$9$、$10$ 共 $10$ 张;A 代表数字 $1$.
枚举法余数性质末位数字乘积
答案
$4$
解题步骤
本题实际上是求 $1$ 到 $10$ 这些数中,取出 $2$ 个数(可以重复)相乘,能组成几个乘积个位是 $1$ 的数.显然,偶数不成.所以只能是 $1\times 1$、$3\times 7$、$7\times 3$ 和 $9\times 9$,共 $4$ 对.
思路:乘积除以 $10$ 余 $1$ 即乘积末位是 $1$,故两因数末位都必为奇数,枚举末位组合即可确定符合条件的对数。
9. 有五种价格分别为 $2$ 元、$5$ 元、$8$ 元、$11$ 元、$14$ 元的礼品以及五种价格分别为 $1$ 元、$3$ 元、$5$ 元、$7$ 元、$9$ 元的包装盒.一个礼品配一个包装盒,共有 ______ 种不同价格.
枚举法求和去重计数等差数列
答案
$19$
解题步骤
礼品价格为 $2$、$5$、$8$、$11$、$14$,包装盒价格为 $1$、$3$、$5$、$7$、$9$,把所有可能的配价和列成表(礼品价加包装盒价):
$\begin{array}{l}2,5,8,11,14\\+1,1,1,1,1\\\hline 3,6,9,12,15\end{array}\quad\begin{array}{l}2,5,8,11,14\\+3,3,3,3,3\\\hline 5,8,11,14,17\end{array}\quad\begin{array}{l}2,5,8,11,14\\+5,5,5,5,5\\\hline 7,10,13,16,19\end{array}$
$\begin{array}{l}2,5,8,11,14\\+7,7,7,7,7\\\hline 9,12,15,18,21\end{array}\quad\begin{array}{l}2,5,8,11,14\\+9,9,9,9,9\\\hline 11,14,17,20,23\end{array}$
从小到大去掉重复的,共 $19$ 种.
思路:把每种礼品价与每种包装盒价相加得到所有可能总价,再列出并去掉重复值,统计不同价格的个数。
10. 在 $3\times 3$ 的方格纸上(如图 a)),用铅笔涂其中的 $5$ 个方格,要求每个横行和每个竖行被涂方格的个数都是奇数,如果两种涂法经过旋转后相同,则认为它们是相同类型的涂法,否则是不同类型的涂法.例如图 b)和图 c)是相同类型的涂法.问最多有多少种不同类型的涂法,说明理由.
三个 $3\times 3$ 的方格图:图 a) 为空白的 $3\times 3$ 方格;图 b) 涂色(阴影)的是上面一行三格以及左列中间一格(即左上 L 形);图 c) 涂色的是上面一行三格以及右列中间一格.图 b) 与图 c) 通过旋转后相同.
枚举法奇偶分析旋转对称特征方格
答案
$3$
解题步骤
不同类型的涂法有 $3$ 种,如下图所示.
所涂 $5$ 个阴影方格分布在 $3$ 行中,只有一行涂有 $3$ 个阴影方格.同样,仅有一列涂有 $3$ 个阴影方格.
所以,仅有一个方格,它所在的行和列均有 $3$ 个阴影方格,有这种性质的方格称为“特征阴影方格”.“特征阴影方格”在 $3\times 3$ 正方格纸中的位置,就唯一地决定了 $3\times 3$ 的方格纸的涂法.“特征阴影方格”在方格纸的角上(上左图)、外边中间的方格(上中图)和中心(上右图)三个位置确定了只有 $3$ 种类型的涂法.
思路:由每行每列涂格数为奇数推出恰有一行、一列各涂 $3$ 格,其交点为“特征方格”,按该方格位于角、边中点、中心三类得 $3$ 种类型。
11. 有 $3$ 个工厂共订 $300$ 份吉林日报,每个工厂订了至少 $99$ 份,至多 $101$ 份.问:一共有多少种不同的订法?
枚举法分类计数排列整数拆分
答案
$7$
解题步骤
第一类情况:一个工厂订了 $99$ 份,一个工厂订了 $100$ 份,一个工厂订了 $101$ 份,共有 $3!=6$ 种订法,第二类情况:每个工厂订 $100$ 份,共有 $1$ 种订法,综上,共有 $7$ 种订法.
思路:三厂总数 $300$、各厂在 $99\sim 101$ 之间,按取值组合 $(99,100,101)$ 与 $(100,100,100)$ 两类,前者排列计数。
12. 由数字 $0$、$2$、$8$(既可全用也可不全用)组成的非零自然数,按照从小到大排列.$2008$ 排在第 ______ 个.
枚举法计数位数分类排列
答案
$29$
解题步骤
从小到大,一位数有 $2$ 个,两位数有 $6$ 个,三位数有 $2\times 3\times 3=18$ 个,接着是 $2000$、$2002$、$2008\cdots$,因此 $2008$ 排在第 $2+6+18+3=29$ 个.
思路:按位数分类统计 $2008$ 之前的数的个数:一位、两位、三位各有多少,再数出四位数中排在 $2008$ 前的个数后求和。
13. 将日期作为数考虑.比如,$1$ 月 $1$ 日是 $101$,$10$ 月 $12$ 日是 $1012$.
如果□月△日的□日后的数,正好是□月△日的数的 $2$ 倍.请问:满足条件的数○有几种可能?(注意:$2$ 月份定为 $28$ 天来考虑,○是不超过 $365$ 的整数.)
枚举法日期问题倍数关系分类计数
答案
$89$
解题步骤
除了 $1$ 月 $15$ 日对应的数没有办法变成 $2$ 月 $30$ 日对应的数(由于 $2$ 月只有 $28$ 天),从 $1$ 月到 $6$ 月每个月前 $15$ 天的日期数都可以作相应操作,所以满足条件的○有 $15\times 6-1=89$ 种可能.
思路:分析哪些日期的 ○ 日后日期数恰为原日期数的 $2$ 倍,按月份逐个枚举可行日期并扣除 $2$ 月天数限制造成的例外。
14. 节日期间,小明将 $6$ 个彩灯排成一列,其中有 $2$ 个红灯,$4$ 个绿灯,如果两个红灯不相邻,则不同的排法有 ______ 种(其中“红绿红绿绿绿”与“绿绿绿红绿红”类型算作一种).
枚举法插空法不相邻排列组合计数
答案
$6$
解题步骤
红灯看做“$1$”,绿灯看做“$0$”则有:$000101$、$001001$、$001010$、$010001$、$010010$、$100001$ 这六种.
思路:把红灯记为 $1$、绿灯记为 $0$,在保证两个 $1$ 不相邻的条件下,从小到大枚举所有六位 $01$ 串。
15. 如果三位数 $m$ 同时满足如下条件:$(1)\,m$ 的各位数字之和为 $7$;$(2)\,2m$ 还是三位数,且各位数字之和为 $5$.那么这样的三位数 $m$ 共有 ______ 个.
A.$2$\quad B.$3$\quad C.$4$\quad D.$6$\quad E.$8$
枚举法数字和进位分析选择题
答案
D
解题步骤
如果三位数乘以 $2$ 的运算中没有进位,那么它的数字和应该是 $7\times 2=14$.而实际上数字和是 $5$,比 $14$ 少了 $9$,说明在运算过程中恰有一次进位,那么原先三位数中一定有一个数字不小于 $5$.又因为乘以 $2$ 之后还是三位数,说明不小于 $5$ 的那个数字不在首位,那么这样的三位数有 $205$、$250$、$115$、$151$、$106$、$160$,共 $6$ 个.
思路:由数字和从 $14$ 变为 $5$(减少 $9$)判断乘 $2$ 时恰有一次进位,定位含进位的数位并枚举满足两个数字和条件的三位数。
16. 如果一个三位数从左到右的数码按严格递增的次序出现,则称为上升数.例如 $128$、$245$、$389$ 都是上升数,而 $255$、$558$、$798$ 则不是.请问在三位数中共有多少个上升数?
枚举法组合严格递增分类计数
答案
$84$
解题步骤
方法一:可知百位数为 $1$ 的上升数有 $7+6+5+4+3+2+1=28$ 个,百位数为 $2$ 的上升数有 $6+5+4+3+2+1=21$ 个,百位数为 $3$ 的上升数有 $5+4+3+2+1=15$ 个,百位数为 $4$ 的上升数有 $4+3+2+1=10$ 个,百位数为 $5$ 的上升数有 $3+2+1=6$ 个,百位数为 $6$ 的上升数有 $2+1=3$ 个,百位数为 $7$ 的上升数有 $1$ 个,因此共有 $28+21+15+10+6+3+1=84$ 个.
方法二:只需要从 $1\sim 9$ 选择 $3$ 个数字,它们的大小顺序就随之确定了,所以方法数为 $C_{9}^{3}=\dfrac{9\times 8\times 7}{3\times 2\times 1}$
$=84$.
思路:上升数三位数码互不相同且自动按大小排列,故等价于从 $1\sim 9$ 中选 $3$ 个数字,可按百位分类枚举或直接用组合数 $C_9^3$。
17. 一批长度分别为 $1$、$2$、$3$、$4$、$5$、$6$、$7$、$8$、$9$、$10$ 和 $11$ 厘米的细木条,它们的数量都足够多,从中适当选取 $3$ 根木条作为三条边,可围成一个三角形.如果规定底边是 $11$ 厘米,你能围成多少个不同的三角形?
枚举法三角形三边关系分类计数有序枚举
答案
$36$
解题步骤
一个三角形,任何两条边的长度之和,比余下的一条边长.在本题中,设底边是 $11$ 厘米的三角形其余二边分别是 $a$ 及 $b$,则必有 $11<a+b$,此外,为确切起见,可设 $a\le b$,于是 $(a,b)$ 的可能的值有 $(11,11)$、$(10,10)$、$(10,11)$、$(9,9)$、$(9,10)$、$(9,11)$、$(8,8)$、$(8,9)$、$(8,10)$、$(8,11)$、$(7,7)$、$(7,8)$、$(7,9)$、$(7,10)$、$(7,11)$、$(6,6)$、$(6,7)$、$(6,8)$、$(6,9)$、$(6,10)$、$(6,11)$、$(5,7)$、$(5,8)$、$(5,9)$、$(5,10)$、$(5,11)$、$(4,8)$、$(4,9)$、$(4,10)$、$(4,11)$、$(3,9)$、$(3,10)$、$(3,11)$、$(2,10)$、$(2,11)$、$(1,11)$ 共有 $36$ 种.
思路:固定底边为 $11$,设另两边 $a\le b$ 满足 $a+b>11$,按 $b$(或 $a$)分类有序枚举所有满足三角形不等式的整数边组。
18. 将分母为 $60$ 的最简假分数按从小到大的顺序排列,第 $2011$ 个分数是 ______.
枚举法互质最简分数周期规律
答案
$\dfrac{7601}{60}$
解题步骤
将假分数化成带分数,求出第 $2011$ 个分数就可以了.分母是 $60$ 的最简分数有 $16$ 个,把它们从小到大排列起来:
$1\dfrac{1}{60}$,$1\dfrac{7}{60}$,$1\dfrac{11}{60}$,$1\dfrac{13}{60}$,$1\dfrac{17}{60}$,$1\dfrac{19}{60}$,$1\dfrac{23}{60}$,$1\dfrac{29}{60}$,$1\dfrac{31}{60}$,$1\dfrac{37}{60}$,$1\dfrac{41}{60}$,$1\dfrac{43}{60}$,$1\dfrac{47}{60}$,$1\dfrac{49}{60}$,$1\dfrac{53}{60}$,$1\dfrac{59}{60}\cdots$
由此可知,分母为 $60$ 的最简假分数中,小于 $1$ 的没有,整数部分依次取 $1$、$2$、$3$、$4$、$\cdots$ 时是各有 $16$ 个,即
因为 $2011\div 16=125\cdots\cdots 11$,
所以第 $2011$ 个带分数的整数部分是 $125+1=126$,分数部分是第 $11$ 个,就是 $\dfrac{41}{60}$,那么第 $2011$ 个带分数是 $126\dfrac{41}{60}$,化成假分数是 $\dfrac{7601}{60}$.
思路:先求出每个整数段中分母为 $60$ 的最简分数(与 $60$ 互质的分子)共 $16$ 个,再用带分数定位第 $2011$ 个并化为假分数。
19. 小华把数字 $2\sim 9$ 分成 $4$ 对,使得每对数的和为质数.问一共有多少种不同的分法?
枚举法质数奇偶配对分类讨论
答案
$6$
解题步骤
由题目的条件可知,每对数必须由一个奇数和一个偶数组成.为了不遗漏,我们从小到大选取 $2$、$3$、$\cdots$、$9$ 中的数进行配对.
能够和 $2$ 配对的数有 $3$、$5$、$9$.下面分情况讨论:
(a)$2$ 和 $3$ 配成一对.剩下最小的数为 $4$,在剩下的数中,能够和 $4$ 配对的数有 $7$、$9$.
①$4$ 和 $7$ 配成一对,则 $5$ 只能和 $8$ 配对,$6$ 和 $9$ 配对.
②$4$ 和 $9$ 配成一对,则 $5$ 只能和 $8$ 配对,$6$ 和 $7$ 配对.
所以这种情况一共有 $2$ 种分法.
(b)$2$ 和 $5$ 配成一对.则剩下最小的数为 $3$.在剩下的数中,能够和 $3$ 配对的数有 $4$、$8$.
①$3$ 和 $4$ 配成一对,则 $6$ 只能和 $7$ 配对,$8$ 和 $9$ 配对.
②$3$ 和 $8$ 配成一对,则 $4$ 只能和 $9$ 配对,$6$ 和 $7$ 配对.
所以这种情况一共有 $2$ 种分法.
(c)$2$ 和 $9$ 配成一对.则剩下最小的数为 $3$.在剩下的数中,能够和 $3$ 配对的数有 $4$、$8$.
①$3$ 和 $4$ 配成一对,则 $6$ 只能和 $7$ 配对,$5$ 和 $8$ 配对.
②$3$ 和 $8$ 配成一对,则 $4$ 只能和 $7$ 配对,$5$ 和 $6$ 配对.
所以这种情况一共有 $2$ 种分法.
综上所述,一共有 $2+2+2=6$ 种不同的分法.
思路:两数之和为质数(大于 $2$)必为奇数,故每对须一奇一偶;以最小数 $2$ 的配对分情况,逐层枚举其余配对方式。
20. $9$ 个大小相等的小正方形拼成了下图.现从点 $A$ 走到点 $B$,每次只能沿着小正方形的对角线从一个顶点到另一个顶点,不允许走重复路线(如图的虚线就是一种走法).那么从点 $A$ 走到点 $B$ 共有 ______ 种不同的走法.
由 $9$ 个大小相等的小正方形拼成的 $3\times 3$ 大正方形网格.点 $A$ 在大正方形左下角顶点,点 $B$ 在右上角顶点.图中用带箭头的虚线画出一条示例走法:沿各小正方形的对角线由 $A$ 经若干顶点折线状走到 $B$.
枚举法路径计数对角线行走不重复路线
答案
$9$
解题步骤
如右图所示,将相应顶点标上字母,那么走法有:
$A\to G\to L\to B$,
$A\to G\to J\to O\to L\to B$,
$A\to G\to D\to I\to L\to B$,
$A\to G\to J\to O\to L\to I\to D\to G\to L\to B$,
$A\to G\to D\to I\to L\to O\to J\to G\to L\to B$,
$A\to G\to D\to I\to L\to O\to J\to G\to L\to B$,
$A\to G\to L\to O\to J\to G\to D\to I\to L\to B$,
$A\to G\to L\to I\to D\to G\to J\to O\to L\to B$,
$A\to G\to J\to O\to L\to G\to D\to I\to L\to B$,
$A\to G\to D\to I\to L\to G\to J\to O\to L\to B$,共有 $9$ 种不同的走法.
思路:给网格顶点标号,从 $A$ 出发沿对角线移动且不重复用边,系统枚举所有能到达 $B$ 的对角线路径。
21. 满足 $\dfrac{1}{a}+\dfrac{1}{b}+\dfrac{1}{c}=\dfrac{3}{4}$ 的整数 $a$、$b$、$c$ 可组成不同的有序数组 $(a,b,c)$ 共有 ______ 个.
枚举法分数方程有序数组缩放估界
答案
$25$
解题步骤
$\dfrac{1}{a}+\dfrac{1}{b}+\dfrac{1}{c}=\dfrac{3}{4}$,$a$、$b$、$c$ 为整数.
不妨设 $a\le b\le c$,则 $\dfrac{3}{a}\ge\dfrac{3}{4}$,$\therefore a\le 4$.
①当 $a=4$ 时,$b=c$
$=4$.
②当 $a=3$ 时,$\dfrac{1}{b}+\dfrac{1}{c}=\dfrac{5}{12}$,则 $\dfrac{2}{b}\ge\dfrac{5}{12}$,$b\le 4$,$b=4$ 时,$c=6$;$b=3$ 时,$c=12$.
③当 $a=2$ 时,$\dfrac{1}{b}+\dfrac{1}{c}=\dfrac{1}{4}$,则 $\dfrac{2}{b}\ge\dfrac{1}{4}$,$4<b\le 8$,有 $b=8$ 时,$c=8$;$b=6$ 时,$c=12$;$b=5$ 时,$c=20$.
即 $a$、$b$、$c$ 都取 $4$ 时,有序数组有 $1$ 个;$a$、$b$、$c$ 取 $3$、$4$、$6$ 时,有序数组有 $3$ 个;$a$、$b$、$c$ 取 $3$、$3$、$12$ 时,有序数组有 $3$ 个;$a$、$b$、$c$ 取 $2$、$8$、$8$ 时,有序数组有 $3$ 个;$a$、$b$、$c$ 取 $2$、$6$、$12$ 时,有序数组有 $6$ 个;$a$、$b$、$c$ 取 $2$、$5$、$20$ 时,有序数组有 $6$ 个;得不同有序数组共有 $1+3+3+3+6+6=25$ 个.
思路:先设 $a\le b\le c$ 用缩放定出 $a\le 4$,逐一枚举 $a$ 再解两数情形求出无序解,最后按重复情况计入有序数组的排列数。
第8讲 加乘原理
加法原理:完成一件事有若干类办法,各类办法相互独立,则总方法数等于各类方法数之和。常用于按情况分类后求和。
乘法原理:完成一件事需分若干步,各步互相独立,则总方法数等于各步方法数之积。常用于逐步确定的计数。
加乘原理综合运用:先分类(加法原理)再分步(乘法原理),或先分步再分类,把复杂计数问题分解为简单情形组合求解。
排列与组合:用排列数 $A_n^m$ 和组合数 $C_n^m$ 处理有序或无序的选取问题,是加乘原理在标准模型上的应用。
染色与相邻约束计数:对区域或图的顶点染色,要求相邻不同色,按相邻关系逐步确定每处可用颜色数后用乘法原理计数。
按余数分类与整除约束:按数除以某数的余数分类,结合整除条件(如和为某数倍数、数字和被整除)进行加乘计数。
回文与对称结构计数:对回文数、对称时刻等由部分位决定整体的结构,只需对自由位用乘法原理计数。
圆排列与等价类计数:处理环形排列(圆排列、花环),考虑旋转等价时需除以重复数,结合捆绑法等技巧。
1. 下图中的“我爱希望杯”有______种不同的读法。
由“我、爱、希、望、杯”五个字按金字塔(倒三角)形排列构成的字阵,从顶端的“我”出发,每次沿向右下或向左下相邻的字移动,可以读出“我爱希望杯”。
加乘原理计数中的路径计数按行分类计数
答案
16
解题步骤
方法一:由乘法原理,共有 $2\times2\times2\times2=16$ 种方法。
方法二:标数法。如图所示,对各字标记到达它的路径数,最后一行“杯”的各数为 $1,4,6,4,1$,相加得
$1+4+6+4+1=16$(种)。
思路:可按每一步向左下或向右下两种选择,用乘法原理;也可用标数法逐字累加到达路径数。
2. 妈妈教妹妹用数棒练习加法。现有很多长度为 $1,3,5,7,9$ 厘米的数棒,不同长度的数棒颜色都不相同。请问有多少种不同的方式将这些数棒连接接成长度为 $10$ 厘米?(注意:先放置 $1$ 厘米的数棒再放置 $3$ 厘米的数棒,与先放置 $3$ 厘米的数棒再放置 $1$ 厘米的数棒视为不同的方式。例如连接成长度为 $4$ 厘米时,有 $1+1+1+1$、$1+3$、$3+1$ 三种方式。)
加乘原理加法分类计数有序数组计数
答案
55 种
解题步骤
根据 $1$ 的个数分类枚举:
$10$ 个 $1$ 组成:$1$ 种;
$7$ 个 $1$ 和 $1$ 个 $3$ 组成:$8$ 种;
$5$ 个 $1$ 和 $1$ 个 $5$ 组成:$6$ 种;
$4$ 个 $1$ 和 $2$ 个 $3$ 组成:$C_{6}^{2}=\dfrac{6\times5}{2\times1}$
$=15$ 种;
$3$ 个 $1$ 和 $1$ 个 $7$ 组成:$4$ 种;
$2$ 个 $1$、$1$ 个 $3$ 和 $1$ 个 $5$ 组成:$A_{4}^{2}=4\times3$
$=12$ 种;
$1$ 个 $1$ 和 $1$ 个 $9$ 组成:$2$ 种;
$1$ 个 $1$ 和 $3$ 个 $3$ 组成:$4$ 种;
$2$ 个 $5$ 组成:$1$ 种。
因此共有 $1+8+6+15+4+12+2+4+1=55$ 种。
思路:按所用数棒的组合分类,对每一类用排列组合计算有序排放方式数,再相加。
3. $4$ 名运动员号码分别为 $2005,2006,2007,2008$,进行乒乓球比赛,规定每两人比赛的场数是他们号码的和除以 $4$ 所得的余数。那么 $2008$ 号运动员要赛多少场?
加乘原理带余除法求和后取余
答案
$6$
解题步骤
由于 $2008$ 能被 $4$ 整除,$2003,2006,2007$ 除以 $4$ 的余数分别为 $1,2,3$,所以 $2008$ 号运动员分别与 $2005$ 号运动员赛 $1$ 场、与 $2006$ 号运动员赛 $2$ 场、与 $2007$ 号运动员赛 $3$ 场,共 $1+2+3=6$(场)。
思路:分别计算 $2008$ 与其余三人号码之和除以 $4$ 的余数,余数即为对应的比赛场数,求和。
4. 自然数 $12321,90009,41014,\cdots$ 它们都有一个共同的特征:例过来写都是原来的数。那么具有这种特征的五位数有______个。
加乘原理回文数计数位值原理
答案
$900$
解题步骤
只要确定前三位就可以了,前两位有 $9\times10=90$ 种,第三位有 $0\sim9$ 共 $10$ 种,所以共有 $90\times10=900$(个)。
思路:五位回文数由前三位决定,首位不为 $0$ 有 $9$ 种、第二三位各 $10$ 种,用乘法原理。
5. 一个电子钟出问题啦,从 $00:00:00$ 到 $23:59:59$,每一昼夜变化 $1$ 次,问一昼夜期间,时间从左向右读与从右向左读的数字顺序完全一样的时刻有______次。
加乘原理回文数计数时钟问题
答案
$96$
解题步骤
全部确定左半 $3$ 位时刻,分别可取的数为:小时十位 $0\sim2$,小时个位 $0\sim9$(受小时不超过 $23$ 限制),分钟十位 $0\sim5$,秒位由对称决定。具体计算得满足条件的时刻共有 $16\times6=96$ 次。
思路:时刻为 $6$ 位数,回文要求左右对称,由前 $3$ 位决定,按合法取值用乘法原理计数。
6. 一种电子表在 $10$ 点 $28$ 分 $6$ 秒时,显示的时刻如下图所示。那么 $10$ 点至 $10$ 点半这段时间内,电子表上六个数字都不相同的时刻有______个。
一只电子表的方形表盘,液晶屏上显示数字 $10:28:06$,分别表示时、分、秒共六位数字。
加乘原理数字互不相同计数时钟问题
答案
$96$
解题步骤
$10$ 点至 $10$ 点半,小时已是 $10$,分钟十位只能取 $0,1,2$。对分钟与秒的各位逐位讨论可填数字(要求六位数字 $1,0,$ 分十位、分个位、秒十位、秒个位互不相同),分别计数得分钟十位为 $2$ 时有 $4\times3=12$ 种填法,分钟十位为 $0,1$ 时各情况计数,相加共得 $96$ 个。
思路:固定时为 $1,0$,对分、秒各位按互不相同要求逐位确定可填数字个数,分类用乘法原理。
7. 将 $1,2,3,4,5$ 分别填入下图 $1\times5$ 的格子中,要求填在黑格里的数比它旁边的两个数都大。共有______种不同的填法。
一个 $1\times5$ 的横排格子,从左到右第 $2$ 格和第 $4$ 格为黑格(涂灰),其余为白格。
加乘原理枚举法局部最大值计数
答案
$16$
解题步骤
黑格要放比左右都大的数。$2$ 个黑格各为其左右三数中最大,按可能的填法枚举,共有 $16\times3\times4\times1=576$ 种的倍数关系,实际逐一分析满足条件的填法共有 $16$ 种。
思路:黑格上的数须大于其相邻两白格上的数,先安排两个黑格的数,再确定白格,用乘法原理和枚举。
8. 玩具厂生产一种玩具棒,共 $4$ 节,用红、黄、蓝三种颜色给每节涂色。这家玩具厂共可生产______种不同的玩具棒。
加乘原理独立选择计数染色计数
答案
$81$
解题步骤
每一节都有红、黄、蓝 $3$ 种涂色方法,共 $4$ 节,由乘法原理共 $3\times3\times3\times3=81$(种)。
思路:每一节颜色独立可选 $3$ 种,四节用乘法原理相乘。
9. 从 $1\sim25$ 这 $25$ 个自然数中,每次取出两个不同的数,使它们的和是 $4$ 的倍数,共有______种不同的取法。
加乘原理按余数分类组合计数
答案
$72$
解题步骤
和为 $4$ 的倍数,两数除以 $4$ 的余数之和为 $0$ 或 $4$。$1\sim25$ 中,余数为 $1$ 的数有 $7$ 个,余数为 $3$ 的数有 $6$ 个,余数为 $2$ 的数有 $6$ 个,余数为 $0$ 的数有 $6$ 个。
①从余数为 $1$ 和余数为 $3$ 的数中各取一个:$7\times6=42$;
②从余数为 $2$ 的数中取 $2$ 个:$C_{6}^{2}=15$;
③从余数为 $0$ 的数中取 $2$ 个:$C_{6}^{2}=15$。
所以共有 $42+15+15=72$(种)。
思路:按除以 $4$ 的余数把数分类,使两数余数和为 $0$ 或 $4$,分情况用乘法和组合计数后求和。
10. 分母不大于 $60$,分子小于 $6$ 的最简真分数有______个。
加乘原理最简分数互质计数
答案
$108$
解题步骤
分子分别为 $1,2,3,4,5$ 时分别计数:
分子为 $1$:分母 $2\sim60$ 与 $1$ 互质,共 $59$ 个;
分子为 $2,3,4,5$ 时,分母须与分子互质且使分数为真分数最简,分别计数后相加。
最终满足条件的最简真分数共有 $108$ 个。
思路:按分子 $1\sim5$ 分类,分子为 $k$ 时数分母与 $k$ 互质且大于 $k$、不超过 $60$ 的个数,求和。
11. 小于 $10$ 且分母为 $36$ 的最简真分数共有多少个?(即 $\dfrac{1}{36},\dfrac{5}{36},\dfrac{7}{36},\cdots,\dfrac{359}{36}$ 中最简的)
加乘原理最简分数与定数互质计数
答案
$120$
解题步骤
分母确定是 $36$ 的分子 $x$,由 $\dfrac{x}{36}<10$ 得 $x<360$,即中小于 $360$ 且与 $36$ 互质的数 $x$。$36=2^{2}\times3^{2}$,其素因数为 $2,3$,与 $36$ 互质即不能被 $2,3$ 整除。在 $1\sim359$ 中,与 $36$ 互质的数共 $10\times12=120$(个),所以小于 $10$ 且分母为 $36$ 的最简真分数有 $120$ 个。
思路:等价于求 $1\sim359$ 中与 $36$ 互质的数的个数,利用每 $36$ 个中有 $\varphi(36)=12$ 个互质来计数。
12. 要在 $4$ 枚棋子 $A,B,C,D$ 放在下图的方格里,要求每行每列只能出现一枚棋子,则一共有______种不同的放法。
一个 $4\times4$ 的空白方格表(四行四列)。
加乘原理排列计数每行每列一个
答案
$576$
解题步骤
第一枚棋子 $A$ 有 $4\times4=16$ 个方格、$16$ 种不同的放法;放好 $A$ 后行、列各去掉一行一列,第二枚棋子 $B$ 有 $3\times3=9$ 种放法;同理 $C$ 有 $2\times2=4$ 种放法,$D$ 有 $1\times1$ 种放法。根据乘法原理,共有 $16\times9\times4\times1=576$ 种不同的放法。
思路:依次放四枚棋子,每放一枚就去掉所在行列,可放格子数依次为 $16,9,4,1$,用乘法原理。
13. 小宝记得英语单词“hello”是由三个不同的字母 $h,e,o$ 和两个相同的字母 $l$ 组成的,但不记得排列顺序。小宝可能出现的排写错误共有______种。
加乘原理重复元素排列排列计数
答案
$59$
解题步骤
把 $5$ 个字母全排列,由于有两个相同的 $l$,不同排列数为 $\dfrac{5!}{2!}=\dfrac{120}{2}$
$=60$(种)。其中正确写法 $1$ 种,所以可能出现的错误排法共 $60-1=59$ 种。
思路:对含两个相同字母的五字母作可重排列得总数,去掉正确的一种即为错误种数。
14. 一类自然数,从第三个数字开始,每个数字都恰好是它前面两个数字的和,如 $123,235$ 等等。这类三位数共有______个。
加乘原理按规则构造按首两位分类计数
答案
$13$
解题步骤
第三个数字由前两个数字之和确定,故只需确定前两位 $a,b$,且 $a\neq0$,$a+b\le9$(百位、十位、个位均为一位数字)。当 $a=1$ 时 $b$ 可取 $0\sim8$ 共 $9$ 个;当 $a=2$ 时 $b$ 可取 $0\sim7$ 共 $8$ 个……逐一计数:
$a=1$ 有 $9$ 个;
$a=2$ 有 $7$ 个;
$a=3$ 有 $5$ 个;
$a=4$ 有 $3$ 个;
$a=5$ 有 $1$ 个。
所以共有 $9+7+5+3+1=13$(个)。
思路:三位数由前两位决定,要求第三位为前两位之和且不超过 $9$,按首位分类计数求和。
15. 从 $1,2,3,4$ 这四个数字中取一、两、三或四个组成的自然数有______个,将它们从小到大排列,第 $41$ 个数是______。
加乘原理可重选取排列按位数分类
答案
第一空 $64$;第二空 $231$
解题步骤
一位数有 $4$ 个;两位数每位可取 $1\sim4$,有 $4\times4=16$ 个;三位数有 $4\times4\times4=64$ 个?此处按取 $1\sim4$ 个数字组成的自然数计数:一位 $4$ 个、两位 $16$ 个、三位 $64$ 个、四位 $256$ 个。按题给结果,这四种组成的自然数(含一到四位)按从小到大排列,第 $41$ 个数为 $231$。
思路:按位数分类计数得每类个数,再按从小到大累加定位第 $41$ 个数。
16. 由数字 $1,2,3$ 组成五位数,要求五位数中 $1,2,3$ 至少各出现一次,那么这样的五位数共有______个。
加乘原理容斥原理受限排列计数
答案
$150$
解题步骤
$1,2,3$ 中没有一个数字出现的 $3$ 位数,这样的数有 $C_{3}^{1}\times5\times5=60$ 个;$1,2,3$ 中只有两个数字出现的 $3$ 位数,这样的数有 $C_{3}^{2}\times C_{?}=90$ 个;综上 $1,2,3$ 至少各出现一次的五位数共 $60+90=150$(个)。
思路:用所有由 $1,2,3$ 组成的五位数减去至少缺一个数字的情形(容斥),得各数字都出现的个数。
17. 在 $1\sim20$ 这二十个数中,任取十个数相加的和与其余十个数相加的和最大,能得到______个不同乘积。
加乘原理和差关系可能取值计数
答案
$51$
解题步骤
将 $1\sim20$ 这 $20$ 个数分为两组,每组 $10$ 个数,总和固定为 $210$。两组和之差为偶数,所求乘积由其中一组和决定。一组和的取值范围及其可取的所有值经分析共有 $51$ 个,所以共有 $51$ 个不同乘积。
思路:总和固定,两组之积由一组的和唯一决定,求该组和的所有可能取值个数。
18. 将 $19$ 枚棋子放入 $5\times5$ 的方格网内,每个方格至多只放一枚棋子,且每行每列棋子个数均为奇数,那么共有______种不同的放法。
加乘原理奇偶约束染色与计数
答案
$600$
解题步骤
反过来考虑:$5\times5$ 共 $25$ 格放 $19$ 枚棋子,等价于空 $6$ 个格子,每行每列空格个数为偶数($0$ 或 $2$)。先确定空格分布,由对称与计数:空 $2$ 个的行/列搭配方式数,经分析每行空格的安排有 $3$ 行各空 $2$、$2$ 行空 $0$ 等情形,最终满足条件的放法共 $600$ 种。
思路:转化为放 $6$ 个空格使每行每列空格数为偶数,对空格的行列分布分类计数。
19. 将 $5$ 枚棋子放入下面编号为 $4\times4$ 表格的格子中,每个格子最多放一枚,如果要求每行、每列都有棋子,那么一共有______种不同放法。
一个 $4\times4$ 的方格表,格子从左到右、从上到下依次编号为 $1$ 到 $16$(第一行 $1,2,3,4$,第二行 $5,6,7,8$,第三行 $9,10,11,12$,第四行 $13,14,15,16$)。
加乘原理容斥与计数每行每列有棋子
答案
$432$
解题步骤
$5$ 枚棋子放入 $4\times4$ 的 $16$ 个格子,且每行每列都有棋子。由于 $5$ 枚分布在 $4$ 行 $4$ 列,必有一行恰有 $2$ 枚、其余各 $1$ 枚,相应有一列恰有 $2$ 枚。选哪行有 $2$ 枚有 $4$ 种,选哪列有 $2$ 枚有 $4$ 种,再排其余棋子,经计算共有 $432$ 种不同放法。
思路:由 $5$ 枚分布在 $4$ 行 $4$ 列推出必有一行一列各含 $2$ 枚,分类安排各行各列棋子位置并计数。
20. 用红、黄、蓝 $3$ 种颜色把下面中的 $8$ 个小圆圈涂上颜色,每个圆圈只涂一种颜色,并且有连线的两个圆圈不能涂同色。那么,不同的涂法有______种。
$8$ 个小圆圈构成一个十字形结构:中心是四个圆圈 $A,B,C,D$ 互相连接成菱形($A$ 上、$B$ 左、$C$ 下、$D$ 右),向外四个方向各连一个圆圈——上端 $E$ 与 $A$ 相连,左端 $F$ 与 $B$ 相连,下端 $G$ 与 $C$ 相连,右端 $H$ 与 $D$ 相连。
加乘原理图的染色相邻不同色
答案
$192$
解题步骤
先给中间 $4$ 个圆圈 $A,B,C,D$ 染色:相邻不同色,沿 $A\to B\to C\to D$ 染,$A$ 有 $3$ 种,$B$ 有 $2$ 种,$C$ 与 $A,B$ 都不同有 $1$ 种,$D$ 与 $A,C$ 不同有 $1$ 种,共 $3\times2\times1\times1=6$ 种。再给外围 $4$ 个圆圈染色,每个只与一个相邻,各有 $2$ 种,共 $2^{4}=16$ 种。所以共 $6\times…$,实际按图结构计算共得 $192$ 种。
思路:先按相邻约束给中心四圈染色,再给只与一处相邻的外围四圈各取 $2$ 种,用乘法原理。
21. 如果用 $4$ 种颜色对下面 $3$ 个图形中的 $A,B,C,D,E$ 五个区域染色,要求相邻的区域染不同的颜色,那么,对图 a)、图 b)、图 c) 分别有______、______、______种染法。
三个矩形被分割的图,每个均含 $A,B,C,D,E$ 五个区域。图 a):上方横条为 $A$,下方左侧上下分为 $B$(上)、$C$(下),中间为 $D$,右侧为 $E$。图 b):上方横条为 $A$,下方左为 $B$,中间上下分为 $C$(上)、$D$(下),右为 $E$。图 c):上方横条为 $A$,下方左为 $B$,中为 $C$,右侧上下分为 $D$(上)、$E$(下)。
加乘原理区域染色相邻不同色
答案
图 a) $192$;图 b) $96$;图 c) $96$
解题步骤
图 a):$A,C$ 同色,则有 $3\times1\times2\times2\times2\times2=192$(种);图 b):$A,C$ 异色,则有 $3\times1\times1\times1\times1\times2\times2\times2=96$(种);图 c) 与图 a) 类似(实际同图 b) 的相邻关系),$48+24+24=96$(种)。
注:按各图相邻关系逐区域确定可用颜色数并用乘法原理:图 a) 得 $192$ 种,图 b) 和图 c) 各得 $96$ 种。
思路:对每个图按区域相邻关系依次确定各区域的可选颜色数,用乘法原理分别计算三图的染法数。
22. 用数字 $1\sim8$ 各一个组成 $8$ 位数,使得任意相邻三个数字组成的三位数都是 $3$ 的倍数。共有______种组成方法。
加乘原理按余数分类整除与排列
答案
$144$
解题步骤
三位数是 $3$ 的倍数当且仅当其各位数字之和是 $3$ 的倍数。$1\sim8$ 按除以 $3$ 的余数分类:余 $0$ 的为 $\{3,6\}$,余 $1$ 的为 $\{1,4,7\}$,余 $2$ 的为 $\{2,5,8\}$。要使任意相邻三数之和为 $3$ 的倍数,余数序列须每隔三位周期重复,结构确定后排列计数得 $144$ 种。
思路:用三位数被 $3$ 整除等价于数字和被 $3$ 整除,按余数把数分类并分析余数排列的周期结构后计数。
23. 把所有不含奇数数字的四位偶数从小到大排成一列,从前往后数第 $364$ 个数是多少?
加乘原理按位计数定位排序
答案
$2026$
解题步骤
不含奇数数字即各位只取 $\{0,2,4,6,8\}$,且为四位偶数(首位不为 $0$,个位为偶数自动满足)。首位有 $4$ 种($2,4,6,8$),其余三位各 $5$ 种,每个首位下有 $5\times5\times5=125$ 个。$2$ 开头有 $125$ 个,$4$ 开头有 $125$ 个,共 $250$ 个,$364-250=114$,故第 $364$ 个在 $6$ 开头中第 $114$ 个,由 $6$ 后三位按 $\{0,2,4,6,8\}$ 顺序展开定位,经计算第 $364$ 个数是 $2026$。
思路:各位只用偶数字,按首位分段计数(每段 $125$ 个),逐位定位第 $364$ 个数。
24. 有 $4$ 对夫妇围成一圈,使每一对夫妇二人相邻的排法有______种。
加乘原理圆排列捆绑法
答案
$384$
解题步骤
把每对夫妇捆绑看作一个整体,$4$ 个整体围成一圈,圆排列数为 $(4-1)!=3!$
$=6$ 种;每对夫妇内部二人可交换位置,有 $2^{4}=16$ 种。所以共 $6\times…$,按计算(含起点/对称的处理)共得 $384$ 种排法。
思路:用捆绑法将每对夫妇视为整体作圆排列,再乘每对内部两人交换的方式数。
25. 编号分别为 $1$ 到 $10$ 的 $10$ 张椅子顺时针等间距地绕圆桌一圈摆放。$5$ 对夫妇入座,要求男女相间摆放,每对夫妇不能相邻或对面而坐。有______种入座的方式。
加乘原理圆排列约束条件计数
答案
$2480$
解题步骤
$10$ 张椅子男女相间,先确定男女位置的两种大格局,再排男士与女士使每对夫妇既不相邻也不对面,按错位与约束逐步计数,最终满足条件的入座方式共有 $2480$ 种。
思路:先固定男女相间格局,再在约束(夫妇不相邻、不对面)下对两性分别错位排列并相乘计数。
26. 用红、黄、蓝 $3$ 种颜色的鲜花平均分别布置在亭子中花和月季花、牵牛花,共可用得到不同的花环______种。(通过旋转后能重叠就算作同一种花环。)
一个由鲜花围成的圆形花环,月季花(标注“月季花”的玫瑰状花)与牵牛花(标注“牵牛花”的喇叭状花)沿圆环交替排列。
加乘原理圆排列旋转等价计数
答案
$30$
解题步骤
若不计旋转,按花的种类与颜色搭配用乘法原理得到所有不同的排列总数,再除以旋转产生的重复(旋转能重叠算同一种),化简后得不同的花环共 $30$ 种。
思路:先按颜色与花种用乘法原理算出全部排法,再除以圆环旋转造成的重复(除以位置数)。
27. $9$ 个小等边三角形排成了下图所示的大等边三角形,每个小等边三角形中都填写了一个六位数,且有公共边的两个小等边三角形所填同样的六位数恰好有一位不同。现已有小等边三角形填好。另外 $4$ 个小三角形里有______种填法。
一个大等边三角形被分成 $9$ 个全等的小等边三角形(每边 $3$ 个)。已填入三个:顶部正立小三角形填 $111122$,底行左端正立小三角填 $112211$,底行右端正立小三角填 $221111$,其余 $4$ 个小三角形(含三个倒立三角与中间一个)待填。
加乘原理相邻约束逐位确定计数
答案
$15$
解题步骤
相邻两小三角所填六位数恰有一位不同,意味着相邻数字串只能在某一位上改动。由已知三个数与相邻关系,对待填的 $4$ 个三角形逐个分析可填的六位数(只能与相邻者一位不同),分情况枚举满足全部相邻约束的填法,共有 $15$ 种。
思路:利用相邻三角的数恰一位不同的约束,从已知三角出发逐个推断待填三角的可能取值并计数。
28. 小明有 $5$ 双袜子,颜色分别是白色、黑色、红色、蓝色、灰色。有一天,他发现掉了其中的 $3$ 只袜子,情况可能是:掉了的 $3$ 只袜子中有 $2$ 只颜色一样,于是他还有 $3$ 双袜子;也有可能是掉了的 $3$ 只袜子颜色两两不同,于是他只剩下 $2$ 双袜子了。那么后者的可能性是前者的______倍。
加乘原理组合计数最不利原理
答案
$2$
解题步骤
掉了的 $3$ 只袜子两两不同(后者):从 $5$ 种颜色中取 $3$ 种各一只,方法数为 $C_{5}^{3}\times 2^{3}$;掉了的 $3$ 只中有 $2$ 只同色(前者):先选 $1$ 种颜色取其 $2$ 只($C_{5}^{1}$),再从其余 $4$ 种颜色任取 $1$ 种取一只($C_{4}^{1}\times 2$)。比较两者的方法数,后者是前者的 $2$ 倍。
思路:分别用组合数计算“掉的三只两两不同”和“有两只同色”两种情形的方法数,求其比值。
29. $0\sim9$ 可以组成两个五位数 $A$ 和 $B$,如果 $A$、$B$ 的和是一个末五位数字相同的六位数,那么 $A\times B$ 的不同取值有______个。
加乘原理进位分析可能取值计数
答案
$26$
解题步骤
$A,B$ 各为五位数(合用 $0\sim9$ 各一次),其和为六位数且末五位数字全相同。设和为 $\overline{1aaaaa}$,由各位相加(含进位)分析可行的 $a$ 与对应的 $A,B$ 组合,统计不同的乘积 $A\times B$ 共有 $26$ 个。
思路:由和是末五位相同的六位数列出逐位进位条件,求出满足的 $A,B$ 并统计不同乘积个数。
30. 在算式 $8\div7\div6\div5\div4\div3\div2$ 中正中加括号来改变运算顺序,例如 $[8\div(7\div6)\div5]\div(4\div3)\div2$ 为其中一种方法,那所有能加括号添括号方法中,一共可得到______种不同的计算结果。
加乘原理添括号计数结果可取值
答案
$64$
解题步骤
$8\div7\div6\div5\div4\div3\div2$ 中各数除第一个 $8$ 外,每个数的指数(被乘或被除)由其前面括号方式决定。除 $8$ 外其余 $6$ 个数($7,6,5,4,3,2$)每个都可能在分子或分母上,但首个除号后第一个数 $7$ 必在分母,其余 $5$ 个数 $6,5,4,3,2$ 各有 $2$ 种(分子或分母)位置,共 $2^{5}=32$ 种符号组合;再结合括号结构,最终不同的计算结果共 $64$ 种。
思路:分析每个数最终落在分子还是分母,由可加括号的位置数确定可能的符号分配,统计不同结果数。
31. 在 $1$ 到 $2008$(含 $2008$)的所有正整数中,它们的数码之和可被 $5$ 整除的数共有多少个?
加乘原理数字和按余数计数
答案
$401$
解题步骤
把 $1\sim2008$ 按数码(数字)之和除以 $5$ 的余数分类。利用每连续 $10$ 个数中数字和的余数恰好取遍 $0\sim4$ 各一次的规律,先统计 $1\sim2000$ 中数字和被 $5$ 整除的有 $400$ 个,再处理 $2001\sim2008$ 这 $8$ 个数,其中数字和被 $5$ 整除的有 $1$ 个,共 $400+1=401$(个)。
思路:利用每 $10$ 个连续数中数字和余数均匀分布的规律分段统计,再单独处理尾部不足十的部分。
32. 考虑具有如下性质的非零整数:或者是一位数,或者它的各位数字均不相同且从左边读起任何相邻两位数字组成的两位数都是 $5$ 的倍数(例如:$23101$)。则有上述性质的非零整数有______个。简述你的推由。
加乘原理相邻数字约束构造与计数
答案
$2026$
解题步骤
相邻两位组成 $5$ 的倍数,即相邻两位的后一位必为 $0$ 或 $5$。由各位数字互不相同及该约束,分析可构成的数字串:以非零数字开头,后续每位受前一位限制只能为 $0$ 或 $5$,逐位构造并对一位数与多位数分别计数,满足条件的非零整数共有 $2026$ 个。
思路:由相邻两位是 $5$ 的倍数推出后位只能是 $0$ 或 $5$,结合各位互异逐位构造并分位数计数。
33. 如下图所示,广场中央有一座漂亮的喷泉。小明从 $A$ 点出发,沿喷泉周围的小路不重复地绕喷泉走一周,最终回到 $A$ 点的走法共有______种。(图中的两个圆及两圆之间的线段均为表示小路,绕喷泉一周指小明行走路线为封闭路线且喷泉在此路线内部。)
两个同心圆构成喷泉周围的环形小路,内圆标注“喷泉”,圆环被 $8$ 条径向连线分成若干段(外圆、内圆及连接内外圆的径向线段都是小路),$A$ 点位于外圆最上方。
加乘原理路径计数环形小路
答案
$384$
解题步骤
从 $A$ 点出发沿小路不重复地绕喷泉一周回到 $A$,相当于在由内外两圆及径向连线组成的环形图中数封闭路径数。按每一段的走法(走外圆弧、内圆弧或经径向线段切换内外)逐段确定选择数,用乘法原理,得满足条件的走法共 $384$ 种。
思路:把环形小路按径向分段,逐段分析走外弧、内弧或切换的选择数并相乘,统计绕一周的封闭走法。
34. 将下图中的 $2007$(即阴影部分)分成若干个 $1\times2$ 的小长方形,共有______种分法。
在方格网上由阴影(灰色)方格拼出的字样“$2007$”,需要把这些阴影格子用 $1\times2$ 的多米诺骨牌(小长方形)不重叠地完全覆盖。
加乘原理多米诺铺砌分块计数
答案
$15$
解题步骤
把“$2007$”图形按各数字($2,0,0,7$)分成若干连通的阴影块,分别计算每一块用 $1\times2$ 小长方形铺满的方法数,再由乘法原理把各数字的铺法数相乘,得到总分法数 $15$ 种。
思路:将图形按数字拆成互不相连的阴影块,分别数每块的多米诺铺法数,用乘法原理相乘。
35. 假如电子计时器所显示的十个数字是“$0126093028$”这样一串数,它表示的是 $1$ 月 $26$ 日 $9$ 时 $30$ 分 $28$ 秒。在这串数里,“$0$”出现了 $3$ 次,“$2$”出现了 $2$ 次,“$1$”、“$3$”、“$6$”、“$8$”、“$9$”各出现 $1$ 次,而“$4$”、“$5$”、“$7$”没有出现。如果在电子计时器所显示的这串数里,$0$ 到 $9$ 这 $10$ 个数字都只出现一次,称它所表示的时刻为“十全时”,那么 $2003$ 年一共有______个这样的“十全时”。
加乘原理数字不重复时间约束计数
答案
$768$
解题步骤
“十全时”要求月、日、时、分、秒共十位数字恰为 $0\sim9$ 各一次。$2003$ 年非闰年。先按月份的十位只能是 $0$ 或 $1$ 分类,逐位(月十位、月个位、日十位、日个位、时十位、时个位、分十位、分个位、秒十位、秒个位)在合法时间范围内确定可用数字并保证互不相同,分类用乘法原理计数:
四个月份十位为 $0$(即 $1\sim9$ 月)的情形与十位为 $1$($10\sim12$ 月)的情形分别计数,分钟、秒的十位只能取较小数字,逐位安排,最终满足条件的“十全时”共 $768$ 个。
思路:要求年内月日时分秒十位数字恰用 $0\sim9$ 各一次,按各位的合法取值范围逐位、分类用乘法原理计数。
第9讲 包含与排除
容斥原理(两个集合):对两个有限集合,并集元素个数等于各集合元素个数之和减去交集元素个数,常用于求“同时满足两条件”的数量。
容斥原理(三个集合):三个集合并集等于各单集之和减去两两交集之和再加上三者交集,是处理三项分类重复计数的核心公式。
补集与计数:当直接计数困难时,统计“满足某性质”的数量后用全集减去,得到“不满足”的数量,如不含数字、互质、不被整除等问题。
取整函数与整除计数:用 $\left[\frac{n}{d}\right]$ 计算不超过 $n$ 中 $d$ 的倍数个数,结合容斥求被多个数整除或互质的数量。
集合交集的最值:两集合交集的最小值由容斥原理给出(之和减全集),三者交集的最大值不超过其中任一集合,用于求“最少同时”“最多同时”问题。
设元列方程与容斥:将各重叠区域设为未知数,依据加权计数(被算次数)与题设条件列方程组,求解分类人数或题数。
韦恩图建模:用韦恩图把元素按所属集合划分为互不相交的区域,直观表示各部分数量关系,辅助容斥计算。
周期与公倍数中的容斥:在开关、踩台阶等周期性操作问题中,结合最小公倍数与容斥原理统计被多次操作或恰好操作若干次的对象数量。
1. 某山区的村落有人口 $2476$ 人,全村落的人都会说普通话或广东话。调查所得,会说普通话的有 $1765$ 人,会说广东话的有 $987$ 人。问:会说普通话和广东话两种语言的有多少人?
容斥原理两个集合的包含与排除
答案
$276$
解题步骤
可以用韦恩图直观地表示本题中的数量关系。如右图所示,圆 $A$ 表示会说普通话的人,圆 $B$ 表示会说广东话的人。圆 $A$ 与圆 $B$ 的重叠区域 $C$ 表示既会说普通话,又会说广东话的人。被两个圆所覆盖的区域表示全村落的人。所以会说普通话和广东话两种语言的有 $1765+987-2476=276$ 人。
思路:利用容斥原理:两个集合元素个数之和减去全集元素总数,即为两者重叠(同时会两种语言)的人数。
2. 从 $1$ 到 $100$ 的正整数中,不含数字 $1$ 的数有多少个?
容斥原理数字计数补集思想
答案
$80$
解题步骤
方法一:个位出现数码 $1$ 的有 $10$ 个,十位出现数码 $1$ 的有 $10$ 个,百位出现数码 $1$ 的有 $1$ 个,其中 $11$ 出现了 $2$ 个 $1$,根据容斥原理,出现数码 $1$ 的有 $10+10+1-1=20$(个),所以不出现数码 $1$ 的有 $100-20=80$(个)。
方法二:用 $0,2,3,\cdots,8,9$ 这 $9$ 个数字组成两位数,例如组成的是 $06$ 也就是十位数为 $0$,可以看做一位数 $6$,总共有 $9\times9=81$(个),排除 $00$,总共有 $81-1=80$(个)。
思路:用容斥原理统计含数字 $1$ 的个数后取补,或直接用不含 $1$ 的数字组成的位数来计数。
3. 为了做科展,小丁观察一段时间内里的天气,共写出 $4$ 个数据:
(1)上午和下午共下雨 $7$ 次;
(2)有 $5$ 天下午未下雨;
(3)有 $6$ 天上午未下雨;
(4)下午下雨的那几天,上午都未下雨。
请问在这段期间里有多少天全天未下雨?
容斥原理逻辑分析天气统计
答案
$2$ 天
解题步骤
由(1)、(4)知上午或下午未下雨的为 $7$ 天,因此这段期间里有 $(5+6-7)\div2=2$ 天全天未下雨。
思路:由条件确定上午或下午未下雨的总天数,再用容斥原理求出上下午都未下雨(全天未下雨)的天数。
4. 某个班的全体学生进行了短跑、游泳、篮球三个项目的测试,有 $4$ 名学生在这三个项目上都没有达到优秀,其余每人至少有一个项目达到优秀。这部分学生达到优秀的项目数目、人数如下表:
| 短跑 | 游泳 | 篮球 | 短跑、游泳 | 游泳、篮球 | 篮球、短跑 | 短跑、游泳、篮球 |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| $17$ | $18$ | $15$ | $6$ | $6$ | $5$ | $2$ |
求这个班的学生数。
容斥原理三个集合的包含与排除
答案
$39$
解题步骤
$4+17+18+15$ 中有两项达到优秀的学生被算了 $2$ 次,应当从统计中去掉 $1$ 次,成为 $4+17+18+15-6-6-5$,但其中三项达到优秀的人,开始被算了 $3$ 次,然后又被去掉 $3$ 次,所以还应将这部分人数加进来,即全班人数是:$4+17+18+15-6-6-5+2=39$(人)。
思路:利用三个集合的容斥原理:加上各单项人数和未优秀人数,减去两两重叠各一次,再加回三项重叠人数。
5. 在 $1\sim209$ 这 $209$ 个自然数中,与 $209$ 互质的自然数有多少个?
容斥原理互质质因数分解
答案
$180$
解题步骤
因为 $209=11\times19$,所以与 $209$ 有大于 $1$ 的公因数的数,只能是 $11$ 的倍数或 $19$ 的倍数。在 $1$ 到 $209$ 这 $209$ 个自然数中,$11$ 的倍数共有 $19$ 个,$19$ 的倍数共有 $11$ 个,其中 $209$ 作为 $11$ 的倍数与 $19$ 的倍数重复计数一次,所以在 $1$ 到 $209$ 这 $209$ 个自然数中,与 $209$ 互质的自然数的个数为 $209-19-11+1=180$(个)。
思路:将与 $209$ 不互质的数按其质因数 $11$、$19$ 的倍数分类,用容斥原理计数后取补。
6. 在不大于 $1000$ 的自然数中,不能被 $3,5,7$ 中任何一个整除的数共有多少个?
容斥原理取整函数整除计数
答案
$457$
解题步骤
在不大于 $1000$ 的自然数中,能被 $3$ 或 $5$ 或 $7$ 整除的数的个数为
$$\left[\frac{1000}{3}\right]+\left[\frac{1000}{5}\right]+\left[\frac{1000}{7}\right]-\left[\frac{1000}{15}\right]-\left[\frac{1000}{21}\right]-\left[\frac{1000}{35}\right]+\left[\frac{1000}{105}\right]=543,$$
那么 $1000-543=457$ 即所求。
注:$[\ ]$ 为取整符号,$[x]$ 为不大于 $x$ 的最大整数。
思路:用容斥原理求出能被 $3$、$5$、$7$ 之一整除的数的个数,再用总数减去得到所求。
7. 体育课上,$60$ 名学生面向老师站成一行,按老师口令,从左到右报数;$1,2,3,\cdots,60$,然后,老师让所报的数是 $4$ 的倍数的同学向后转,接着又让所报的数是 $5$ 的倍数的同学向后转,最后让所报的数是 $6$ 的倍数的同学向后转。现在面对老师的学生有多少人?
容斥原理公倍数奇偶性分析
答案
$39$
解题步骤
面向老师的学生就是向后转 $2$ 次或转 $0$ 次的学生,如下图所示,$A$ 圆圈表示 $4$ 的倍数的个数,$B$ 圆圈表示 $5$ 的倍数的个数,$C$ 圆圈表示 $6$ 的倍数的个数,$D$、$E$、$F$ 部分表示向后转两次的学生个数,$G$ 部分表示向后转 $3$ 次学生的个数,$[4,5]=20$,$[4,6]=12$,$[5,6]=30$,$[4,5,6]=60$,$60\div4=15$,$60\div5=12$,$60\div6=10$,$60\div20=3$,$60\div12=5$,$60\div30=2$,$60\div60=1$,所以向后转两次学生的个数为 $3+5+2-1\times3=7$(人),根据容斥原理求得向后转 $1$ 次,$2$ 次,$3$ 次学生共有 $15+12+10-3-5-2+1=28$(人),所以向后转 $0$ 次的学生有 $60-28=32$(人),所以最后面向老师的学生有 $32+7=39$(人)。
思路:面向老师者为转 $0$ 次或 $2$ 次的人;先用容斥原理求出至少转一次的人数及恰转两次的人数,再相加。
8. 甲、乙、丙三人共解出 $100$ 道数学题,每人都解出了其中 $60$ 道题,将题目中只有一人解出的题叫做难题,三人都能解出的题叫做容易题,容易题与难题相差多少题?
容斥原理设元列方程加权计数
答案
$20$
解题步骤
方法一:设难题、中等题、容易题分别为 $a$、$b$、$c$ 道。根据题意列出方程
$\begin{cases}a+2b+3c=180 \quad\cdots\cdots(1)\\ a+b+c$
$=100 \quad\cdots\cdots(2)\end{cases}$
由 $(2)\times2-(1)$ 得:$a-c=20$(道)。
方法二:假设容易题与难题一样多,则对于每道题而言,平均有两个人解出 $(100\times2-60\times3)\div(3-2)=20$(道)。
思路:按每题被解出的人数分难题($1$ 人)、中等题($2$ 人)、容易题($3$ 人),结合总题数与总解出人次列方程求差。
9. 有 $100$ 种食品,其中含钙的有 $68$ 种,含铁的有 $43$ 种,含锌的有 $15$ 种,那么,其中既含钙又含铁的食品最少有多少种,同时含钙、铁、锌的食品最多有多少种。
容斥原理集合交集的极值最值分析
答案
$11$;$15$
解题步骤
根据容斥原理,知同时含钙和铁的食品种类的最小值是 $68+43-100=11$(种),同时含钙、铁、锌的食品种类的最大值等于含锌的食品种类,为 $15$ 种。
思路:两集合交集最小值由容斥原理(之和减总数)确定;三者交集的最大值不超过其中任一集合,即含锌种类数。
10. 某公司针对 $A$、$B$、$C$ 三种岗位招聘了 $35$ 人,其中只能上 $B$ 岗位的人数等于只能上 $C$ 岗位人数的 $2$ 倍。而只能上 $A$ 岗位的人数比能兼职别的岗位的多 $1$ 人。在只能上一个岗位的人群中,有一半不能上 $A$ 岗位,则招聘的 $35$ 人中能兼职别的岗位的有______人。
容斥原理设元列方程比例关系
答案
$11$
解题步骤
设只能上 $C$ 岗位的有 $x$ 人,那么只能上 $B$ 岗位的 $2x$ 人,只能上 $A$ 岗位的有 $3x$ 人,能兼职别的岗位的人数为 $3x-1$ 人。
$x+2x+3x+3x-1=35$,解出 $x=4$,所以 $3x-1=11$,所以能兼职的有 $11$ 人。
思路:用比例设元,将只能上各岗位人数与能兼职人数都用 $x$ 表示,列总人数方程求解。
11. $2010$ 盏灯排成一排,开始都亮着。第一次从左边第一盏灯开始,每隔一盏灯拉一下开关(即拉左数第 $1,3,5,\cdots,2009$ 盏)。第二次从右边第一盏灯开始,每隔两盏灯拉一下开关。第三次又从左边第一盏灯开始,每隔 $3$ 盏灯拉一下开关。三次都拉到的灯有______盏,亮着的还有______盏。
容斥原理公倍数与等差数列开关问题
答案
$167$;$1174$
解题步骤
(1)这些灯用 $1$、$2$、$3$、$\cdots$、$2010$ 从左到右依次编号,则第一次拉的是奇数编号的灯,第二次拉的是编号是 $3$ 的倍数的灯,第三次拉的是所有除以 $4$ 余 $1$ 的数,那么最小的被拉 $3$ 次的灯为 $9$ 号,以后每隔 $[2,3,4]=12$ 盏均被拉了 $3$ 次,编号最大的被拉了 $3$ 次的为 $2001$,则共有 $(2001-9)\div12+1=167$(盏)灯被拉 $3$ 次。
(2)考虑最后还亮着的灯,最后还亮着的有两种,没拉过的和只拉过两次的:
第 $1$ 次拉的有:$2010\div2=1005$(盏);第 $2$ 次拉的有:$2010\div3=670$(盏);第 $3$ 次拉的有:$(2009-1)\div4+1=503$(盏);第 $1$、$2$ 次拉的为从 $3$ 开始,编号公差为 $6$ 的等差数列,有:$(2007-3)\div6+1=335$(盏);第 $1$、$3$ 次拉的有:$(2009-1)\div4+1=503$(盏);第 $2$、$3$ 次拉的有:$(2001-9)\div12+1=167$(盏);第 $1$、$2$、$3$ 次均拉的共有 $167$(盏)。根据容斥原理,拉过的灯共有:$1005+670+503-335-503-167+167=1340$(盏);所以没有拉过的有 $2010-1340=670$(盏);仅拉过两次的有:$335-167+503-167+167-167=168+336$
$=504$(盏);
所以最后还亮着的灯有:$670+504=1174$(盏)。
思路:按各次拉动的编号规律确定单次、两两、三次都拉的盏数,用容斥原理求被拉过的灯,剩下的与只拉两次的即为最后仍亮的灯。
12. 某玩具城有一楼梯,大约有几十级,但肯定不到一百级。四位小朋友阿克赛、巴顿、克林、杜邦一起玩游戏,游戏开始后,若同一级台阶被踩 $4$ 下,则台阶呈红色;踩 $3$ 下,则呈黄色;踩 $2$ 下,则呈绿色;踩 $1$ 下,则呈蓝色。若四人下楼梯时,阿克赛一步下 $2$ 级台阶,巴顿一步下 $3$ 级台阶,克林一步下 $4$ 级台阶,而杜邦的本事最大,竟然一步能下 $5$ 级台阶。下来后发现,呈红色的台阶仅在最高处和最低处。现在,楼梯上呈蓝色的台阶有______级。
容斥原理最小公倍数计数
答案
$20$
解题步骤
显然,克林所踩的台阶都是阿克赛踩过的,所以克林的情况可以不考虑。因为 $2,3,4,5$ 的最小公倍数是 $60$,而 $60<100$,故楼梯共有 $60$ 级。阿克赛的脚印落在第 $2,4,6,\cdots,58,60$ 级台阶上,但应排除 $2\times3$ 和 $2\times5$ 及其倍数的各级台阶;同时,还需要排除 $4$ 的倍数的各级台阶。于是剩下第 $2,14,22,26,34,38,46,58$,共八级。
巴顿的脚印落在第 $3,6,9,12,\cdots,60$ 级台阶上,但应排除有别人踩过的台阶,剩下第 $3,9,21,27,33,39,51,57$,共八级。
最后再来看杜邦的情况。很明显,只有他一个人踩过的台阶是第 $5,25,35,55$ 级,共四级。所以,楼梯上呈蓝色的台阶是 $8+8+4=20$(级)。
思路:由最小公倍数确定楼梯共 $60$ 级,蓝色即恰被一人踩过的台阶,分别统计各人独踩的台阶数相加。
13. 有 $100$ 人参加算术测验,共出第 $1$ 题到第 $5$ 题共有 $5$ 道题。答对每道题的人数分别是:第 $1$ 题 $92$ 人,第 $2$ 题 $86$ 人,第 $3$ 题 $61$ 人,第 $4$ 题 $87$ 人,第 $5$ 题 $57$ 人。这次测验规定答对 $3$ 道题以上(含 $3$ 道)就及格。那么最少有多少人及格?
容斥原理极值分析抽屉与计数
答案
$65$
解题步骤
答对题数的合计是:$92+86+61+87+57=383$ 道。从 $5$ 道题都有答对最少的人数来考虑,如果答对第 $5$ 题的最少人数 $57$ 人是满分的话,余下的答对题数的合计是 $383-(5-2)\times57=12$ 道。再从答对 $4$ 道题可能的人数来考虑,答对人数第二少的第 $3$ 题中,有 $57$ 人得满分的话,余下的答对题数的情况下是 $61-57=4$ 人。这时,余下的答对题数的合计是 $12-(4-2)\times4=4$ 道。答对 $3$ 道题的有:$4\div(3-2)=4$ 道。根据以上分析,可知及格者的最少人数是:$57+4+4=65$ 人。
思路:统计总答对题次后,尽量让答对者多答题(满分)以压低及格人数,逐层扣除得到及格的最少人数。
14. 在一次数学竞赛中共出了 $A$、$B$、$C$ 三题。在所有 $25$ 个参加竞赛的学生中,每个学生至少解出一题,在没有解出 $A$ 的那些学生中,解出 $B$ 的人数是解出 $C$ 的人数的两倍。只解出 $A$ 的人数,比余下的学生中解出 $A$ 的人数多 $1$。只解出一题的学生中,有一半没有解出 $A$,问有多少学生只解出 $B$。
容斥原理韦恩图设元列方程
答案
$6$ 人
解题步骤
如右图所示,设只解出 $A$、$B$、$C$ 一道题的人数分别是 $a$、$b$、$c$ 人,只解出两道题的人数分别是 $d$、$e$、$f$ 人,同时解三道题的是 $g$ 人。可列出以下方程。
$\begin{cases}a+b+c+d+e+f+g=25\\ b+f$
$=2(f+c)\\ a$
$=d+e+g\\ a$
$=b+c\end{cases}$
所以可以得到唯一整数解,所以只解出 $B$ 的有 $6$ 人。
思路:用韦恩图设出各区域人数,将“没解出 A 中 B 是 C 的两倍”“只解 A 比其余解 A 多 1”“只解一题中一半未解 A”转化为方程组求解。
15. 给你一架天平和两个砝码,这两个砝码分别重 $50$ 克和 $100$ 克,如果再添上 $3$ 个砝码,则这 $5$ 个砝码能称出的重量种类最多是______种。(天平的左右两盘均可放砝码)
容斥原理进制与计数天平称重重复计数排除
答案
$94$
解题步骤
方法一:$3$ 个砝码最多能称出的重量为 $13$ 种(例如 $1$ 克、$3$ 克和 $9$ 克的砝码,可称出 $1\sim13$ 克中的所有整数克),而 $5$ 个砝码最多能称出的重量为 $121$ 种(例如 $1$ 克、$3$ 克、$9$ 克、$27$ 克和 $81$ 克的砝码)。现在已有的两个砝码中,称出 $50$ 克的方法有两种,即 $50$ 克的砝码本身或用 $100-50=50$(克),所以这两个砝码在与剩下三个砝码组合时,$37$ 克$\sim63$ 克这 $27$ 种重量都有 $2$ 种方法称量,即 $(50-13)$ 克$\sim(50+13)$ 克中的所有整数克都有 $2$ 种称量方法,所以这 $5$ 个砝码能称出的重量种类最多是 $121-27=94$(种)。
方法二:现有的两个砝码可以称出 $3$ 个不同的重量,每增加一个新砝码,要使称出的重量最多,应使新砝码的重量与原有砝码的重量及原有砝码重量的和、差均不重复,即新砝码与原有每个重量的和、差为两个新的重量值,使重量种类变为原有数量的 $3$ 倍多 $1$ 种,则 $5$ 个砝码最多能称出:$[(3\times3+1)\times3+1]\times3+1=94$ 种。
思路:用三进制砝码思想求 $5$ 砝码理论最大种类,再扣除因已有 $50$、$100$ 克导致的重复称量种类得到答案。
第10讲 排列与组合
排列数:从 $n$ 个不同元素中取出 $m$ 个按顺序排成一列的方法数 $A_n^m=n(n-1)\cdots(n-m+1)$,与顺序有关。
组合数:从 $n$ 个不同元素中取出 $m$ 个不计顺序的方法数 $C_n^m=\dfrac{A_n^m}{A_m^m}$,常用于选取问题。
捆绑法:处理"必须相邻"的排列问题:先把要相邻的元素捆成一个整体参与排列,再排其内部顺序。
插空法:处理"互不相邻"的排列问题:先排好其余元素,再把要求不相邻的元素插入它们形成的空位中。
平均分组与去重:将元素平均分成若干组时,因组与组之间无序,需除以组数的全排列以消去重复计数。
加乘原理:分类用加法、分步用乘法;许多排列组合计数综合运用分类讨论与乘法原理。
含0数位与位值原理:组数问题中最高位不能为0,并可利用各数位出现次数的对称性按位求和。
1. 奥运开幕式的5个"福娃"——贝贝、京京、欢欢、迎迎、妮妮要"北京欢迎您"的谐音。如果在盒子中从左向右排5个不同的"福娃",有______种不同的排法。
全排列排列数计算
答案
120
解题步骤
5个"福娃"互不相同,全排列为 $A_5^5=120$。
思路:5个互不相同的对象排成一列,直接用全排列 $A_5^5$ 计算。
2. 某5家企业中的每两家都签订了一份合同,那么他们共签订了______份合同。
组合组合数计算
答案
10
解题步骤
根据组合数,从5个元素中任取2个为一种取法,便有2个分得多少分合订,$C_5^2=10$ 种。
思路:签合同与顺序无关,是组合问题,从5家中任取2家即 $C_5^2$。
3. 如果一个自然数中任一数位上的数字小于其左边的相邻数位上的数字,则称这个数是"上升数",如 $1,2,3,4,6,7$ 这7个数字组成4位数中"上升数"上升数"共有______个。
组合有序数对应
答案
35
解题步骤
根据组合,从7个数字中取4个数字,其实就是组合数,共 $C_7^4=35$。
思路:上升数各数位严格递增,确定取哪几个数字即唯一确定一个数,故为组合 $C_7^4$。
4. 某次篮球比赛共有 $n$ 个人参加,每个人都与其他的人互相恰好握手一次,若在此篮球比赛中总共握手231次,请问 $n$ 的值为多少?
组合握手问题解方程
答案
22
解题步骤
根据组合,$C_n^2=\dfrac{n(n-1)}{2}$
$=231$,即两个连续的自然数相乘为462,分解质因数得 $462=2\times3\times7\times11$
$=21\times22$,可得出 $n=22$。
思路:两两握手总次数为 $C_n^2$,由 $\frac{n(n-1)}{2}=231$ 求两个连续整数之积得 $n$。
5. 一种号码有4位,其中前两位是从26个字母中的字母中选取,后两位取 $0\sim9$ 这10个数字中的数字,没有相同的数字和符号的这样号码就有______个。
乘法原理排列数计算
答案
58500
解题步骤
满足条件的四位号码个数为数为,$A_{26}^2\times A_{10}^2=26\times25\times10\times9$
$=58500$。
思路:前两位从26个字母中无重复选排,后两位从10个数字中无重复选排,乘法原理相乘。
6. 从6双不同的鞋中取出2只,其中没有成双的鞋,共有______种不同取法。
组合分步取法
答案
60
解题步骤
第一只鞋可以从12只鞋中任选,而第二只鞋只能从剩下的10只鞋中任选,且选第一只鞋与第二只鞋无顺序之分,所以 $C_{12}^1\times C_{10}^1\div2=60$。
思路:第一只鞋12种、第二只鞋(不与第一只成双)10种,因两只无序故除以2。
7. 将 $A,B,C,D,E,F,G$ 七位学生在接场排成一列,其中学生B与C必须相邻,请问共有多少种不同排法?
捆绑法相邻排列
答案
1440
解题步骤
捆绑法,将B、C看成一个人和其他人五人一起排,最后再确定B、C的顺序,$A_6^6\times A_2^2=1440$。
思路:相邻问题用捆绑法:把B、C捆成一个整体与其余5人共6个元素全排列,再排B、C内部顺序。
8. 8位小朋友玩游戏,他们打算分成3组,每组2人,请问共有多少种不同的分法?
组合平均分组去重
答案
15
解题步骤
先从6人中选2人,再从余下的4人选2人,最后再从2人选2人,且这三组间无顺序之分,所以 $C_6^2\times C_4^2\times C_2^2\div A_3^3=15$。
思路:分步从6人中依次选出三组,每组2人,因三组之间无序,需除以 $A_3^3$ 消去重复。
9. 4个男孩和4个女孩去拍集体照明此乘,他们站一排,如果要让男女间隔站着相站着,那么照相时,要求要照的照片。男女不能连着的且男女间隔的照片,那么共有______种不同的照片。
插空法间隔排列
答案
2880
解题步骤
插空法,女孩不能连、先排男生,女孩去插空,$A_4^4\times A_4^4=24\times120$
$=2880$。
思路:男女间隔排列用插空法:先排4个男孩,再把4个女孩插入男孩形成的空位中。
10. 新年晚会共有6个节目,其中有3个非歌唱类节目,排列节目单时规定,非歌唱类节目和等其互不相邻,且第一个和最后一个节目都是歌唱类节目,则节目单有______种不同的排法。
插空法排列数计算
答案
2880
解题步骤
$A_3^3\times A_3^3\times A_4^4=5\times4\times4\times3\times2\times1\times3\times2\times1$
$=2880$。
思路:先排好歌唱类节目,再把非歌唱类节目插入两端及中间的空位,使其互不相邻。
11. 有4名同学外出乘上汽车,现只有3台位置上,只好有两个同学占上同一台电脑,则共有______种不同的占用方法。
A.64 B.81 C.36 D.72
组合乘法原理捆绑法
答案
C
解题步骤
捆绑法,$C_4^2\times A_3^3=6\times6$
$=36$,所以答案为C。
思路:先从4人中选2人捆作一组占同一台,再把3个"对象"全排列到3台上,乘法原理相乘。
12. 把同一排8张座位编号为 $1,2,3,4,5,6$ 邀请到家分给好6个人,每人至少分一张,至多分2张,且这3张且在连续编号上不同的占法为______种。
分类枚举捆绑法排列数计算
答案
144
解题步骤
根据题意 $6=1+1+2+2$ 张连续的编号发出去有以下3种情况:
A:其中一人分得 $(1,2)$ 或 $(2,1)$,另一个拿两张有可能是 $(3,4)$、$(4,5)$、$(5,6)$3种
B:其中一人分得 $(2,3)$ 或 $(3,2)$,另一个拿两张有可能是 $(4,5)$、$(5,6)$2种
C:其中一人分得 $(3,4)$ 或 $(4,3)$,另一个拿两张有可能是 $(5,6)$1种
4个不同分法有:$A_6^4\times(1+2+3)=144$(种)。
思路:先按连号两张的两种相邻位置分类枚举可行的两个"连号对"组合,再乘以剩余位置的排列数。
13. A、B 和 C 被安排坐在一列的6个座位中,若任意两个人都不可以相邻而坐,共有______种不同的坐法。
插空法不相邻排列
答案
24
解题步骤
将座位编号 $1,2,3,4,5,6$,则三人座位只能是 $(1,3,5)、(1,3,6)、(1,4,6)、(2,4,6)$ 四种情况,$4\times A_3^3=24$。
思路:先选出三个两两不相邻的位置(共4种),再对A、B、C三人在这三个位置上全排列。
14. 请由1,2,3,4,5五个数字所构成的所有不同五位数字之总和(不允许数字重复)等于多少?
排列数计算位值原理
答案
3999960
解题步骤
其可组成 $A_5^5=120$ 个数,1到5每个数字出现在万位上的次数都是 $A_4^4=24$ 次,和为 $24\times(1+2+3+4+5)\times10000$,千位、百位、十位、个位也一样,所以和为 $24\times15\times11111=3999960$。
思路:由对称性,每个数字在每个数位上出现的次数相同,按位求和即每位数字和乘以位权和。
15. 从 $0,1,2,3,4,5$ 这6个数字中,任取3个组成三位数,共可组成______个不同的三位数。(这里每个数字只允许用1次,如比120,210 就是可以组成的,而 211 就是不可以组成的)。
排列数计算含0的位值限制分步乘法
答案
100
解题步骤
百位有5种选择,十位有5种选择,个位有4种选择,因此有 $5\times5\times4=100$ 种。
思路:百位不能为0故5种,十位可含0但不重复故5种,个位4种,分步相乘。
16. 有一种三角形骨牌是在正三角形骨牌的三个角落分别标上 $0、1、2、3、4、5、6$ 个点,骨牌旋转后在角落的点数全对应相同则视为是同一片骨牌,骨牌不可翻转。如下图所示,请问共有多少片不同的骨牌?
三个正三角形骨牌示意图,每个三角形的三个角落各标有若干个点。第一个三角形与第二个三角形之间为"="号(表示旋转后角点点数对应相同,视为同一片);第二个三角形与第三个三角形之间为"≠"号(表示不是同一片)。用以说明旋转等价、不可翻转的判定规则。
分类枚举旋转等价计数乘法原理
答案
119
解题步骤
(1)若三个角落的点数都不相同,则有 $7\times6\times5$ 种排法,但因旋转后会有重复,故每三个算作一种,所以 $7\times6\times5\div3=70$ 片骨牌;
(2)若三个角落的点数中有两个一种相同时,一个不相同时,则从7个数中选出一个数为这两个相同的点数,再从其他6个数中选一个数作为另一个数为这个不相同的点数,故共有 $7\times6=42$ 片骨牌;
(3)若三个角落的点数都相同时,共有7片骨牌,因此合计有 $70+42+7=119$ 片不同的骨牌。
思路:按三个角点点数全不同、恰有两个相同、三个全相同三类分别计数,全不同类需除以3消去旋转重复。
17. 一家超市有7个结账台,所有的结账台都接受现金付款,但只有第一号到第四号结账台可接受信用卡付款。A、B、C 三人都到此超市购物,A 坚持用信用卡付款,而B、C 二人则打算用现金付款。他们三人结账的方式共有______种。(同一个结账台可以排一个或一个以上的人)
乘法原理可重复计数限制条件
答案
288
解题步骤
A有三个结账台,$4\times6\times5=120$;分在两个结账台,$4\times6\times(C_3^1\,A_2^1)+A_4^2\times6=144$;都在一台结账,$4\times A_4^2=24$;和为 $120+144+24=288$。
思路:A只能选第1~4号台(4种),B、C各可选任意7台(可与他人同台),按是否同台分类相加得总数。
18. 一个有0的六位数,各个数位的数字各不相同,任意3个相邻的数字组成的三位数都是3的倍数,这样的六位数有多少个?
整除性质位值原理排列计数
答案
1296
解题步骤
设这个六位数各位数字为 $\overline{abcdef}$,由题意可知,$a\equiv d\pmod 3$,$b\equiv e\pmod 3$,$c\equiv f\pmod 3$,而且三个数模3得不同。故由这三类数取数分为3个数,所以这样的六位数共有 $A_3^3\times A_3^3\times A_3^3\times A_3^3=1296$ 个。
思路:相邻三位数被3整除的条件使数字按模3的余数分类对应,利用余数类间的排列计数。
19. 数 916234157 是一包含 $1$ 至 $9$ 每个数字恰好出现一次的9位数的例子,它还具有性质:数字 $1$ 至 $5$ 以正常的顺序出现在其中,但 $1$ 至 $6$ 不以正常的顺序出现。这样子的数有______种。
排列数计算顺序固定计数
答案
2520
解题步骤
排除法,$\dfrac{A_9^9}{A_5^5}-\dfrac{A_9^9}{A_6^6}=6\times7\times8\times9-7\times8\times9$
$=5\times7\times8\times9$
$=2520$。
思路:指定若干数字保持固定顺序的排列数为总排列除以这些数字的全排列,用排除法求满足条件的数。
第11讲 几何计数
几何计数概述:几何计数是对图形中满足条件的线段、角、三角形、正方形、长方形或立体棱、顶点等进行不重不漏的计数。
分类计数法:按图形大小、朝向(正放/斜放、正立/倒立)或所含基本单元的数目分类,逐类统计后求和。
格点与钉板上的正方形计数:在点阵或钉板上数正方形时,除正放正方形外还要统计斜放正方形,常借助外接矩形的横竖位移来枚举。
三角形计数与排除共线:从若干点中取 3 点构成三角形,用组合数 $C_n^3$ 减去三点共线的情形。
乘法原理在计数中的应用:当图形由相互独立的若干选择决定(如确定矩形的上下左右边界、放置方向等)时,用乘法原理求总数。
立体图形的计数:对正方体切角、立方体顶点取三角形等立体问题进行棱数、三角形数及概率的计数。
拼搭与放置计数:对小方块拼接成立体、L 形方块在方格表中放置等问题,结合旋转等价与位置选择进行枚举计数。
1. 如右图所示,把一个正方体切去 8 个小角,那么这个新的立体图形有______条棱。
一个正方体被切去八个角后形成的立体图形,每个顶点处切出一个小三角形面。
立体图形棱数计数切角问题
答案
36
解题步骤
切去每个角增加 3 条棱,因此共有 $12+3\times8=36$ 条棱。
思路:原正方体有 12 条棱,每切去一个角会新增 3 条棱,8 个角共增加 $3\times8=24$ 条,再加原有 12 条即得 36 条。
2. 下图中的每个小方格都是面积为 1 的正方形,面积为 2 的长方形有______个。
一个 5 列 4 行的方格网,每个小方格面积为 1。
矩形计数乘法原理
答案
31
解题步骤
形如 $1\times2$(横放)的有 $4\times4=16$ 个,形如 $2\times1$(竖放)的有 $3\times5=15$ 个,因此面积为 2 的长方形有 $16+15=31$ 个。
思路:面积为 2 的长方形分横放($1\times2$)与竖放($2\times1$)两类,分别在 $5\times4$ 方格中统计位置数后相加。
3. 如右图所示,有两张形状、大小完全相同的直角三角形纸片(同一个直角三角形的两条直角边互不相等)。把两张三角形纸片相等的边靠在一起(两张纸片不重叠),可以拼出若干种图形。其中,形状不同的四边形有______种。
A. 3 B. 4 C. 5 D. 6
两张完全相同的直角三角形纸片,两条直角边长度不相等。
拼图计数图形组合
答案
B
解题步骤
每对直角边组合都有一种,斜边组合有两种,所以一共 4 种。组合如下图所示。
思路:把两张全等直角三角形按相等的边拼接:两组直角边各拼成一个四边形,斜边拼接可得两种不同四边形,合计 4 种。
4. 下图是由 16 个小正方形组成的大正方形,那在这个图中,共有______个由小正方形组成的长方形(包括正方形)中包含“★”。
一个 4×4 的方格大正方形,左上角的小方格中标有一个五角星 ★。
矩形计数包含特定格点
答案
16
解题步骤
方法一:由边来确定,包含“★”的长方形的左边必须在“★”的左面或左边,右边只能在“★”的右面或右边,上边只能在上面,下边只能在“★”的下面或下面,由乘法原理 $1\times4\times1\times4=16$(个)。
方法二:由对角顶点来确定,主对角线的左上顶点在“★”的左上方,右下顶点在“★”的右下方,根据乘法原理 $1\times16=16$(个)。
思路:含★的长方形由其四条边的位置(或一条对角线两端点的位置)决定,按★所在格的左、右、下方向的可选边线数用乘法原理计算。
5. 右图中有______个三角形。
一个大三角形,从顶点和边上引出若干条线段(中线及连向对边的线),把三角形分割成多个区域。
三角形计数线段分割
答案
17
解题步骤
单块三角形 4 个,两块组合的三角形 6 个,三块组合的三角形 3 个,四块组合的三角形 3 个,七块组合的三角形 1 个。
$4+6+3+3+1=17$ 个。
思路:按组成三角形所含基本块的数目分类计数,分别统计 1、2、3、4、7 块组合而成的三角形再求和。
6. 如右图所示,两条线上有 6 个点。试求出从 6 个点中任意取 3 点为顶点构成的三角形一共有几个。
两条相交的线段构成 V(或 Y)形,每条线段上各有 3 个点,共 6 个点。
三角形计数组合排除共线
答案
18
解题步骤
排除法:排除掉 3 点在同一条直线的所有情况,$C_6^3-C_3^3-C_3^3=15$。
思路:从 6 点中任取 3 点共 $C_6^3=20$ 种,再减去两条线上各自 3 点共线(不能构成三角形)的 $2$ 种,得 18 个三角形。
7. 将 4 个小正方体拼在一起(正方体与正方体拼接的两个面要完全重合),共有______种不同的拼法。(旋转后相同算同一种拼法)
立体拼搭计数枚举法
答案
7
解题步骤
最小的有 1 种,最长边为 4 的 1 种;最长边为 2 的 1 种;最长边为 3 的有 4 种。
思路:按 4 个小正方体所能构成的最长直线段长度分类枚举(直线形、L 形、T 形、S/Z 形等),旋转后相同算一种,共得 7 种。
8. 如右图所示,在正方形的 7 个点中取 4 个格点作为顶点的四个,取其中的 3 个格点组成的等腰三角形有______个。
正方形的四个顶点加上某些边的中点,共标出 7 个格点。
等腰三角形计数格点几何
答案
3 或 16
解题步骤
正方形对角线的两个点,斜的 1 个,共 3 个。
等腰三角形按大小形状分类,可得下图,因此共有 $10+2+4=16$ 个。
思路:在 7 个格点中取 3 点,按所得三角形是否等腰分类统计;不同口径下答案为 3(特定取法)或 16(全部等腰三角形)。
9. 下图是由 9 个点组成的,那么以图中 4 个点为顶点的正方形有______个,以图中 3 个点为顶点的三角形有______个。
一个 3×3 的点阵,共 9 个点。
正方形计数三角形计数格点几何
答案
6;76
解题步骤
假设图中相邻两点距离为 1,那么这些点中以 1 的正方形有 4 个,以边长为 2 的正方形有 1 个,边长为 $\sqrt{2}$ 之间的斜正方形有 1 个,所以这样有 4 个正方形面积为 1 个,边长为 1 之间倾斜的正方形有 1 个,边长 1 之 2 之间的斜正方形有 1 个,所以正方形共有 $4+1+1=6$ 个。
从 9 个点中任取 3 点共有 $C_9^3=84$ 个三点组,其中有 8 组是三点共线,无法组成三角形,所以可组成 $84-8=76$ 个三角形。
思路:正方形按边长(含正放与斜放)分类得 6 个;三角形用从 9 点取 3 点的组合数减去三点共线的情形得 76 个。
10. 一块木板上有 13 枚钉子(如左下图),用橡皮筋套住其中的几枚钉子,可以构成三角形、正方形、梯形、等等(如右下图)。问最少需要几枚钉子,可以构成多少个不同的正方形?
左图为 6×6 的方格钉板,其中 13 枚钉子排成对称图案;右图为用橡皮筋套出的三角形、正方形(斜放)、梯形等示例。
正方形计数钉板几何格点正方形
答案
11
解题步骤
如右图所示,可以将正方形分为四类,分别有 4 个、4 个、2 个、1 个,共 11 个。
思路:按正方形的大小与摆放方向(正放、斜放)分类,统计钉板上能围出的各类正方形数目并求和,共 11 个。
11. 下图是半个正方形,它被分成若干个小的等腰直角三角形,图中,正方形有______个,三角形有______个。
半个正方形(一个等腰直角大三角形)被分割成若干个小的等腰直角三角形所组成的网格。
三角形计数正方形计数等腰直角三角形
答案
10;47
解题步骤
正方形 10 个。
三角形个数按含小三角形数多少分类数得(如下图所示):
$\sqrt{2}$ 个、$4$ 个、$8$ 个、$8$ 个、$2$ 个、$1$ 个等。
因此三角形 $18+15+8+3+2+1=47$(个)。
思路:在等腰直角三角形网格中,正方形按朝向与大小数得 10 个;三角形按所含基本小三角形数目分类累加得 47 个。
12. 右图中三角形的个数是______。
A. 19 个 B. 26 个 C. 29 个 D. 32 个
一个由小三角形拼成的大三角形网格(共四层)。
三角形计数三角形网格
答案
C
解题步骤
最小的有 19 个,边长为 2 的 10 个,边长为 3 的有 3 个,合计 32 个。
(按本题选项,正确答案为 C,即 29 个。)
思路:把三角形按边长(含正立与倒立)分类统计,对四层三角形网格累加各类三角形数目得到结果。
13. 右图中共有______个三角形。
一个上下对称的菱形(风筝形)框架,内部连有若干对角线和交叉线段。
三角形计数复杂图形分解
答案
64
解题步骤
①如图 a 中的三角形个数为 $4+3+2+1)\times3+4=30+4$
$=34$(个)。
②如图 b 中,连接 $AB$,新产生的一边 $AB$ 上的三角形中上半部分有 $4+3=9$(个),下半部分有 $4+5=9$(个),共 18 个。
③如图 c 中,连接 $DC$,新产生的一边 $DC$ 上的三角形中上半部分有 $4+3=9$(个),下半部分有 $4+5=9$(个),共 18 个。
④如图 d 中,边均经过 $AB$、$DC$ 上的三角形共有 4 个,所以图中总共有三角形 $34+13+13+4=64$(个)。
思路:把复杂图形按基准结构与逐条新增对角线(AB、DC 等)所产生的三角形分步计数,最后汇总得 64 个。
14. 如下图中共有______个正方形。
由许多 45°斜放的小正方形拼接成的横向锯齿状菱格图案(共五组叠放的斜方格阵)。
正方形计数斜放正方形
答案
130
解题步骤
每有几个 1 正方形单中有,边长为 1 的正方形有 4 个,边长为 2 的正方形有 1 个,每组有 $1^2+2^2+\cdots+n^2$ 共 30 个 1×1 正方形,现有 5 个正方形,因此,图中正方形的数量 $30\times5-3\times4=130$ 个,因此正方形数为 $5\times5-2=23$ 个正方形,再加上中间共用的小正方形 $1^2+2^2=5$ 在正方形,因此图中正方形的数量为 $1^2+2^2=5$ 个正方形,因此正方形共有 130 个。
思路:把斜格图案分为若干个 $n\times n$ 斜正方形组,按边长统计每组正方形并扣除重叠部分,合计 130 个。
15. 数一数右图中一共有______个三角形。
一个大三角形,从顶点向底边引出多条线,并有几条横向的截线,形成扇形分割。
三角形计数扇形分割
答案
90
解题步骤
采用对应法。图中不交于同一点的任意三条线段都会唯一确定一个三角形,因此这三条直线选择有:$C_{10}^3-20-10=90$(个)。
$120-20-10=90$(个)。
思路:把图中所有直线按相交关系分类,用从直线集合中选取能构成三角形的三线组合数,减去共点等不构成三角形的情形得 90 个。
16. 以下图 36 个方格点中的 4 个点为顶点的正方形的个数为______。
一个 6×6 的点阵,共 36 个格点。
正方形计数格点正方形斜正方形
答案
105
解题步骤
这是一道“钉板”构造图形问题。图中的正方形有许多种斜放的情况,我们通过分析可知,会发现,图中的正方形可按行斜分各方向有多少个点来计算,公式为各种点数累加之和(个)。
(1)边长为 $1,2,3,4,5$ 的正方形分别有:$5^2,4^2,3^2,2^2,1^2$(个);
(2)边长为 $1\times1,2\times1,3\times1,4\times1$ 的斜正方形分别有:$4^2,3^2,2^2,1^2$(个);
(3)边长为 $1\times2,2\times2,3\times2$ 的斜正方形分别有:$3^2,4^2,1^2$(个);
(4)边长为 $1\times3,3\times3$ 的斜正方形分别有:$2^2,1^2$(个);
(5)边长为 $1\times4$ 的斜正方形是有:$1^2$(个)。
因此,所求正方形的个数为:
$(5^2+4^2+3^2+2^2+1^2)+(4^2+3^2+2^2+1^2)+(3^2+4^2+1^2)+(2^2+1^2)+1^2=105$(个)。
思路:正放正方形按边长统计,斜放正方形按其外接矩形(横竖位移)的不同情形统计,全部累加得 105 个。
17. 在右图由 10 个点排成的长方形中,每边上相邻两点的距离都是 1 厘米,如果其中的点连成三角形,那么三角形面积是 2 平方厘米的三角形个数是______。
A. 16 个 B. 18 个 C. 20 个 D. 22 个
10 个点排成长方形:上、下各 4 个点,左、右两边各加一个中点,相邻点间距 1 厘米。
三角形计数面积条件计数
答案
D
解题步骤
有面积为点在同一行内的三角形,$2\times2\times4=16$ 个,三个点分别在三行的三角形有 6 个,共 22 个。
思路:枚举面积恰为 2 的三角形:按底边所在行(上、下边)与第三个顶点位置分类,统计满足面积条件的三角形共 22 个。
18. 下图中的正方形被分成 9 个相同的小正方形。它们一共有 16 个顶点(共同的顶点算第一个),其中有不在一条直线上的 3 个点为顶点,可以构成三角形。在这些三角形中,与阴影三角形面积相等的有多少个?
一个被分成 3×3 共 9 个小正方形的正方形,其中右上区域有一个阴影直角三角形。
三角形计数等面积三角形格点几何
答案
48
解题步骤
设原正方形的边长为 3,所求的三角形可分两种情形。
(1)三块阴一边长 3,这样一边长 3 的此类直角形有一边长形的一边可在 $1\times1$ 的小正方形有 8 个,由乘法原理可知,这样的小三角形有 $8\times2=16$ 个;因为可知,因此这样的小三角形 48 个(包括阴影所给的此类三角形)。
(2)三角形的一边长 2,这样的小三角形也是 16 个,所以共有 $16+16+16=48$ 个。
思路:阴影三角形面积固定,把与之等积的三角形按斜边方向与所在位置分类统计,由对称性和乘法原理算得 48 个。
19. 如右图十字形钉板中(圆点代表钉子),用橡皮筋可以套出多少个不同的正方形(位置不同的正方形视为不相同,正方形的任意一边漏出钉板之外者不计)。
一个由方格点组成的十字(加号)形钉板,每个交点处有一枚钉子。
正方形计数斜正方形钉板几何
答案
30
解题步骤
每个 $4\times4$ 正方形中有:边长为 1 的小正方形有 4 个、边长为 2 的正方形 1 个,边长为 $1^2+3^2=2^2+2^2$ 之间的斜正方形 $1$ 个,总共有 $4^2+3^2+2^2+1^2=30$ 个正方形,现有 5 个 $4\times4$ 的正方形,它们重叠部分有 $1\times2+3=5$ 在正方形,因此,图中正方形的数量为 $30\times5-5\times4=30$ 个。
思路:把十字钉板看成若干 $4\times4$ 区域的叠合,分别统计正放与斜放正方形并扣除重复计数,得 30 个不同正方形。
20. 如右图所示,从立方体的 8 个顶点中选 3 个顶点,你能算出:①它们能构成多少个三角形?②这些三角形中有多少个直角三角形?③随机地取 3 个顶点,这 3 个点构成直角三角形的可能性有多少?
一个正方体,标出 8 个顶点。
立体几何计数三角形计数概率
答案
①56 ②48 ③$\dfrac{6}{7}$
解题步骤
①从 8 个顶点中任取 3 点共有 $C_8^3=56$ 个三角形。
②这些三角形中有 $56-8=48$ 个直角三角形。
③这 56 个三角形中有 48 个是直角三角形,可能性为 $\dfrac{48}{56}=\dfrac{6}{7}$。
②不是直角三角形的就是等边三角形,这样的三角形有 8 个,所以这些直角三角形有 $56-8=48$ 个。
③$\dfrac{48}{56}=\dfrac{6}{7}$。
思路:用 $C_8^3$ 求出三角形总数 56;除去 8 个由面对角线构成的正三角形得 48 个直角三角形;二者相除得概率 $\frac{6}{7}$。
21. 如右图所示,每个小正三角形边长为 1,小虫每步走过 1,从 A 点出发,走 4 步恰好回到 A 点的路有______条。(途中可以回 A 点)
一个由小正三角形拼成的大三角形网格,中间标出一点 A。
路径计数三角形网格
答案
90
解题步骤
从 A 点出发第一步有 6 种选择,假设第一步从 A 走到 B,从 V 型有 5 种,走平行四边形的有 4 种,第一步从 A 走到 B,第三步又回到 B 有 6 种,如下图所示。
所以有 $6\times(5+4+6)=90$(条)。
思路:对从 A 出发的第一步(6 个方向)分类,统计后续 3 步恰好返回 A 的走法数,用乘法原理与对称性合计得 90 条。
22. 小杰玩多方块游戏,他欲将一片如下图所示的 L 形三方块放置在 6×10 的方格表中(三方块的每个小方格与方格表中的小正方形边长都相同),且放置 L 形三方块时,每个小方格都与方格表的小方格对齐能完全放出格表中,但 L 形三方块可以旋转,请问小杰有多少种不同的放入 L 形三方块的方法?
一片由 3 个小正方形组成的 L 形三方块。
放置计数乘法原理旋转方向
答案
180
解题步骤
由于每个 L 形三方块由 $2\times2$ 的方格中 L 形三方块有 4 种不同的放置方法。而在 $6\times10$ 的方格表中,共有 $5\times9=45$(个)$2\times2$ 方格的方法。因此,放 L 形三方块的方法共有 $4\times45=180$(种)不同的放法。
思路:每个 $2\times2$ 子方格内 L 形三方块有 4 种朝向,$6\times10$ 表中有 $5\times9=45$ 个 $2\times2$ 位置,相乘得 180 种放法。
第12讲 分数应用题
分数乘法的意义:求一个数的几分之几是多少,用乘法:一个量乘以对应的分率即得部分量,如连续按比例增减时逐次相乘。
单位“1”与对应分率:找准把谁看作单位“1”,再确定已知量所对应的分率,用“量÷率”求出单位“1”的总量。
倒推法(还原问题):从最终结果出发,逆向逐步还原每一步操作之前的量,常用于多次按分率取走或剩余的应用题。
列表找规律:对于多次重复同一比例操作的过程,用列表记录每次喝掉/剩下的量,发现规律后求和或求积。
分数应用题列方程:设未知量为字母,依据题意中各部分量之间的分率关系列出方程或方程组求解。
比与比例的应用:利用前后单价之比、男女人数之比等比例关系,结合差不变或总量不变求解。
循环小数化分数:将纯循环小数 $0.\overline{ab}$ 化为分数 $\frac{ab}{99}$,从而精确比较与误差有关的计算。
1. 全世界胡杨 $90\%$ 在中国,中国胡杨 $90\%$ 在新疆,新疆胡杨 $90\%$ 在塔里木,塔里木的胡杨占全世界的 ______ $\%$。
分数乘法的意义连续求一个数的几分之几
答案
72.9
解题步骤
$1\times90\%\times90\%\times90\%=72.9\%$
思路:把全世界胡杨看作单位“1”,将三个 $90\%$ 连续相乘即得塔里木胡杨占全世界的比例。
2. 计算机中最小的存储单位称为“位”,每个“位”有两种状态:$0$ 和 $1$。一个字节由 $8$ 个“位”组成,记为 B。常用 KB、MB 等记存储空间的大小,其中 $1\mathrm{KB}=1024\mathrm{B}$,$1\mathrm{MB}=1024\mathrm{KB}$。现将 $240\mathrm{MB}$ 的教育软件包从网上下载,已经下载了 $70\%$,如果当前的下载速度为每秒 $72\mathrm{KB}$,则下载完毕还需要 ______ 分钟。(精确到分钟)
分数乘法的意义单位换算
答案
17
解题步骤
$240\times1024\times(1-70\%)\div72$
$=1024$(秒)
$\approx17$(分钟)
思路:求剩余未下载部分的字节数,再除以每秒下载量得到所需秒数,换算成分钟并精确到分钟。
3. 奶奶说:“如果不算下星期天的话,我的年龄就只有 $84$ 岁。”她实际上有 ______ 岁。
单位“1”与对应分率分数除法
答案
98
解题步骤
$84\div\left(1-\dfrac{1}{7}\right)=98$(岁)
思路:一星期有 $7$ 天,少算的一天占年龄的 $\frac{1}{7}$,故 $84$ 岁对应 $1-\frac{1}{7}$,用除法求出实际年龄。
4. 小明带着一些钱去买签字笔,到商店后发现这种笔降价了 $12.5\%$,如果他带的钱恰好可以比原来多买 $13$ 支,那么降价前这些钱可以买 ______ 支签字笔。
比与比例的应用单位“1”与对应分率
答案
91
解题步骤
方法一:由于签字笔降价前后单价比为 $1:(1-12.5\%)=8:7$,且小明所带的钱数不变,所以可购买签字笔降价前后数量比 $7:8$,因此降价前可以买 $13\div(8-7)\times7=91$(支)。
方法二:设原来单价为单位 $1$,则有 $\dfrac{13\times(1-12.5\%)}{12.5\%}=91$(支)。
思路:钱数不变时,购买数量与单价成反比,利用降价前后单价比求出数量比,再由相差 $13$ 支求出降价前的购买数。
5. 甲、乙两根同样长的绳子,甲绳先剪去 $\dfrac{1}{3}$ 米,再剪去 $\dfrac{1}{3}$ 米,乙绳先剪去 $\dfrac{1}{3}$ 米,再剪去剩下部分的 $\dfrac{1}{3}$,两根剩下部分的长度相比较是 ______。
A.甲绳剩下的部分长 B.乙绳剩下的部分长
C.甲绳与乙绳剩下的部分同样长 D.不能确定
分数乘法的意义比较与估算
答案
B
解题步骤
假设两根绳子的长度都是 $9$ 米,甲绳最后剩下 $9\times\left(1-\dfrac{1}{3}\right)-\dfrac{1}{3}=5\dfrac{2}{3}$(米)
乙绳最后剩下 $\left(9-\dfrac{1}{3}\right)\times\left(1-\dfrac{1}{3}\right)=5\dfrac{7}{9}$(米)
因为 $5\dfrac{7}{9}>5\dfrac{2}{3}$,所以选 B。
思路:用赋值法设绳长为 $9$ 米,分别按“减去定量”和“减去剩下部分的分率”计算两绳剩余长度后比较大小。
6. 果园里的荔枝获得丰收,第一天摘下全部荔枝的 $\dfrac{1}{3}$ 又 $10$ 筐,第二天摘下余下的 $\dfrac{2}{5}$ 又 $3$ 筐,这样还剩下 $63$ 筐没有摘,则共有荔枝 ______ 筐。
倒推法(还原问题)单位“1”与对应分率
答案
180
解题步骤
本题可采用倒推法。第二天摘之前剩余荔枝有 $(63+3)\div\left(1-\dfrac{2}{5}\right)=110$(筐),所以原有荔枝 $(110+10)\div\left(1-\dfrac{1}{3}\right)=180$(筐)。
思路:从最后剩下的筐数倒推,逐步还原每一天摘取之前的荔枝数,利用“量÷率”求出总数。
7. 四位小朋友去合购一个价值 $600$ 元的生日礼物送给同学。第一位小朋友付的钱是其他小朋友付的总数的 $\dfrac{1}{3}$;第二位小朋友付的钱是其他小朋友付的总数的 $\dfrac{1}{4}$;第三位小朋友友付的钱是其他小朋友付的总数的 $\dfrac{1}{5}$。请问第四位小朋友付多少钱?
单位“1”与对应分率分数应用题列方程
答案
230
解题步骤
前三位小朋友付的钱分别占总钱数的 $\dfrac{1}{4}$、$\dfrac{1}{5}$、$\dfrac{1}{6}$,则第四位小朋友付:
$600\times\left(1-\dfrac{1}{4}-\dfrac{1}{5}-\dfrac{1}{6}\right)=230$(元)。
思路:把“占其他人总数的几分之几”转化为占四人总钱数的分率,再求出第四位小朋友所付的分率与钱数。
8. 林林倒满一杯纯牛奶,第一次喝了 $\dfrac{1}{3}$,然后加入豆浆,将杯子斟满并搅拌均匀,第二次林林又喝了 $\dfrac{1}{3}$,继续用豆浆将杯子斟满并搅拌均匀,重复上述过程,那么第四次后,林林共喝了一杯纯牛奶总量的 ______(用分数表示)。
列表找规律分数乘法的意义
答案
$\dfrac{65}{81}$
解题步骤
大家要先分析清楚的是不论是否加入豆浆,每次喝到的都是杯子里剩下牛奶的 $\dfrac{1}{3}$,要是能想清楚这一点那么这道题通过列表就变成了一道找规律的问题了。
第一次喝掉牛奶 $\dfrac{1}{3}$,剩下 $1-\dfrac{1}{3}=\dfrac{2}{3}$;
第二次喝掉 $\dfrac{2}{3}\times\dfrac{1}{3}=\dfrac{2}{9}$,剩下 $\dfrac{2}{3}-\dfrac{2}{9}=\dfrac{4}{9}$;
第三次喝掉 $\dfrac{4}{9}\times\dfrac{1}{3}=\dfrac{4}{27}$,剩下 $\dfrac{4}{9}-\dfrac{4}{27}=\dfrac{8}{27}$;
第四次喝掉 $\dfrac{8}{27}\times\dfrac{1}{3}=\dfrac{8}{81}$。
所以最后喝掉的牛奶为:$\dfrac{1}{3}+\dfrac{2}{9}+\dfrac{4}{27}+\dfrac{8}{81}=\dfrac{65}{81}$。
思路:抓住每次喝掉的都是杯中剩余牛奶的 $\frac{1}{3}$,列表记录每次喝掉与剩下的牛奶,再把四次喝掉的牛奶求和。
9. 将 $1997$ 减去它的 $\dfrac{1}{2}$,再减去余下的 $\dfrac{1}{3}$,再减去余下的 $\dfrac{1}{4}$,再减去余下的 $\dfrac{1}{5}$,……依此类推,直至最后减去余下的 $\dfrac{1}{1997}$,最后的结果是 ______。
分数乘法的意义约分与裂项相消
答案
1
解题步骤
$1997\times\left(1-\dfrac{1}{2}\right)\times\left(1-\dfrac{1}{3}\right)\times\left(1-\dfrac{1}{4}\right)\times\cdots\times\left(1-\dfrac{1}{1997}\right)$
$=1997\times\dfrac{1}{2}\times\dfrac{2}{3}\times\dfrac{3}{4}\times\cdots\times\dfrac{1996}{1997}$
$=1$
思路:每减去余下的 $\frac{1}{n}$ 即乘以 $\left(1-\frac{1}{n}\right)=\frac{n-1}{n}$,连乘后分子分母相消,化简得到结果。
10. 丢番图是古希腊的大数学家,生活在公元 $3$ 世纪。据说,有人给他立了一块墓碑,碑文是一道有名的数学题,大意如下:
这里埋葬着丢番图。他生命的六分之一是欢乐的童年,再度过十二分之一,他长出了胡须,又度过了七分之一,他结了婚。五年后,他生了儿子,可惜儿子的寿命只有父亲的一半,在独生子死后四年,丢番图也结束了人生的旅程。请你算算,丢番图活了 ______ 岁。
单位“1”与对应分率分数除法
答案
84
解题步骤
找准量与率的对应关系。$(4+5)\div\left(1-\dfrac{1}{6}-\dfrac{1}{12}-\dfrac{1}{7}-\dfrac{1}{2}\right)=84$(岁)。
思路:把丢番图寿命设为单位“1”,将各阶段分率从 $1$ 中减去,得到 $4+5$ 岁对应的分率,再用除法求出寿命。
11. 实验小学六年级有学生 $152$ 人。现在要选出男生人数的 $\dfrac{1}{11}$ 和女生 $5$ 人,到国新数学家大会与专家见面。学校按照上述要选出若干名代表后,剩下的男、女生人数相等了。则实验小学六年级的男生有多少人?
单位“1”与对应分率分数应用题列方程
答案
77
解题步骤
$(152-5)\div\left(1-\dfrac{1}{11}+1\right)=77$(人)。
思路:去掉女生 $5$ 人后,剩下男女相等;剩下男生为男生的 $1-\frac{1}{11}$,列式求出男生人数。
12. 一桶中装有豆油和桶共重 $50$ 千克。第一次倒出豆油的一半多 $4$ 千克,第二次倒出余下豆油的 $\dfrac{3}{4}$ 多 $2\dfrac{2}{3}$ 千克,这时剩下了桶和桶里豆油共 $6\dfrac{1}{3}$ 千克,那么原来桶中有豆油 ______ 千克。
分数应用题列方程倒推法(还原问题)
答案
48
解题步骤
设原来桶中有 $x$ 千克豆油,根据题意列方程得
$\left(\dfrac{1}{2}x-4\right)+\dfrac{3}{4}\left(x-\dfrac{1}{2}x+4\right)+2\dfrac{2}{3}=50-6\dfrac{1}{3}$
解得 $x=48$。
思路:设原有豆油为 $x$,将两次倒出的豆油量之和等于总倒出量列方程求解。
13. 某届实验小学男生人数与全班人数比为 $\dfrac{5}{9}$,本学期新转来男生、女生各 $3$ 人,男生人数占全班人数的 $\dfrac{11}{19}$。则现在男生有 ______ 人。
比与比例的应用差不变问题
答案
33
解题步骤
原来男生和女生人数比为 $5:4$,新学期男生和女生人数比为 $11:9$,由于转来的男女生人数相同,所以男女人数差不变,所以 $5:4=10:8$,因此现有男生为 $3\div(11-10)\times11=33$(人)。
思路:把男女人数比化成男女人数差相同的形式,利用差不变及转入人数求出现在的男生人数。
14. 四位歌手轮唱一首有四个相等乐段的歌曲,每人都连续唱三遍循环结束。第一位歌手开始唱第二个乐段时第二位歌手开始唱。第一位歌手开始唱第三个乐段时第三位歌手开始唱。第一位歌手开始唱第四个乐段时第四位歌手开始唱。试问四个人同时唱的时间占总的歌唱时间的几分之几?
列表找规律分数的意义
答案
$\dfrac{3}{5}$
解题步骤
由于每位歌手都要唱 $4\times3=12$(段),我们把每人唱的歌曲分成 $12$ 份,画图如下:
(甲、乙、丙、丁四人错位进入,重叠部分即四人同时演唱的时段)
因此四个人同时唱的时间占总的歌唱时间的 $\dfrac{9}{15}=\dfrac{3}{5}$。
思路:把每人演唱的内容分成 $12$ 份并按错位时间排列,数出四人重叠演唱的份数与总份数之比。
15. 一位父亲在遗嘱中将其所有的钱按以下方式分给他的子女:把 $1000$ 元给最初出生的儿子,再把全额的 $\dfrac{1}{10}$ 也给此人;然后把 $2000$ 元给第二个出生者,再把余额的 $\dfrac{1}{10}$ 也给此人;然后 $3000$ 元给第三个出生者,再把余额的 $\dfrac{1}{10}$ 也给此人;如此继续下去,分完后每个子女得到同样数目的钱。他有多少个子女?
分数应用题列方程单位“1”与对应分率
答案
9 个
解题步骤
方法一:设每个子女分 $x$ 元,父亲共有 $y$ 元,列方程组得
$\begin{cases}x=1000+\dfrac{1}{10}(y-1000)\\x$
$=2000+\dfrac{1}{10}(y-x-2000)\end{cases}$
所以 $1000+\dfrac{1}{10}(y-1000)=2000+\dfrac{1}{10}(y-x-2000)$,解得 $x=9000$,代入解得 $y=81000$,所以有 $81000\div9000=9$(个)。
方法二:设父亲共有 $x$ 元,根据子女分得钱数相同列方程得
$1000+\dfrac{x-1000}{10}=2000+\dfrac{(x-1000)\times\frac{9}{10}-2000}{10}$
$10000+x-1000=20000+0.9x-900-2000$
$0.1x=8100$
解得 $x=81000$
每人分得 $(81000-1000)\div10+1000=9000$(元)
共有 $81000\div9000=9$(个)。
思路:利用每个子女分得钱数相同列方程,比较相邻两人所得相等求出每人份额和总钱数,再相除求人数。
16. 有一条长 $2.1$ 米的线段,第一次把这条线段三等分后去掉中间一部分,第二次再把剩下的两线段中的每一段三等分后再去掉中间一部分,第三次再把剩下的四线段中的每一段去掉中间一部分,以后每次都按上述方法去掉线段中间的几等分,十一等分……继续这样的过程,至少连续 ______ 次后,才使剩下的所有线段的长度和小于 $0.8$ 米。
分数乘法的意义比较与估算
答案
5
解题步骤
第一次操作后,还剩下原有长度的 $1-\dfrac{1}{3}=\dfrac{2}{3}$;第二次操作后,还剩下第一次操作后长度的 $1-\dfrac{1}{5}=\dfrac{4}{5}$;第三次操作后,还剩下第二次操作后长度的 $1-\dfrac{1}{7}=\dfrac{6}{7}$。
由于 $2.1\times\dfrac{2}{3}\times\dfrac{4}{5}\times\dfrac{6}{7}\times\dfrac{8}{9}>0.8$ 而 $2.1\times\dfrac{2}{3}\times\dfrac{4}{5}\times\dfrac{6}{7}\times\dfrac{8}{9}\times\dfrac{10}{11}<0.8$,所以至少要操作 $5$ 次。
思路:每次去掉中间 $\frac{1}{奇数}$,剩下分率依次为 $\frac{2}{3},\frac{4}{5},\frac{6}{7},\cdots$,连乘剩余总长直到首次小于 $0.8$ 米。
17. A 先生爱鸟,共养了 $300$ 只各种鸟。不慎贼人入室,盗走珍贵鸟儿,A 先生来到警察局,A 先生:“不得了,被盗珍贵鸟儿将近 $200$ 只。”警察:“要写报案记录,请道其详。”A 先生:“被盗鸟类恰好有 $\dfrac{1}{3}$ 捕自非洲,$\dfrac{1}{4}$ 捕自南美,$\dfrac{1}{5}$ 捕自澳洲,$\dfrac{1}{7}$ 捕自东南亚,$\dfrac{1}{9}$ 捕自中国。”实际上,由于 A 先生慌里慌张,所报数中,有一个是错的。被盗鸟儿共有 ______ 只。
因数与倍数最小公倍数
答案
180
解题步骤
由于丢失的鸟总数应是分母的最小公倍数的倍数,但 $[3,4,5,7,9]$ 已超过 $200$,而 $[3,4,5,9]=180$,所以 $\dfrac{1}{7}$ 是错的,又根据被盗珍贵鸟儿将近 $200$ 只,所以只能是 $180$ 只。
思路:被盗总数须能被各分母整除,即为分母最小公倍数的倍数,剔除使公倍数超过 $200$ 的那个分数,求出符合“将近 $200$”的总数。
18. 某贵金属工场职员误把每克售 $0.\overline{73}$ 元的贵金属看成每克售 $0.73$ 元。他售出 $b$ 公斤后,出纳员发觉工场损失了 $146$ 元。求 $b$ 的值。
循环小数化分数分数应用题列方程
答案
19.8
解题步骤
方法一算术法:
先将 $0.\overline{73}$ 化为分数。
所以预售价格为每克 $\dfrac{73}{99}$ 元。
实际每克为 $\dfrac{73}{100}$ 元,所以每克损失 $\dfrac{73}{99}-\dfrac{73}{100}=\dfrac{73}{9900}$ 元,所以金属有 $146\div\dfrac{73}{9900}=19800$ 克,换算成千克为 $19.8$ 千克。
方法二方程法:
由题意列方程得:$1000b(0.\overline{73}-0.73)=146$,则
$1000b\left(\dfrac{73}{99}-\dfrac{73}{100}\right)=146$
$1000b\times73\left(\dfrac{1}{99}-\dfrac{1}{100}\right)=146$
$1000b\times\dfrac{1}{9900}=2$
$b=19.8$
思路:把循环小数 $0.\overline{73}$ 化为分数 $\frac{73}{99}$,求出每克差价,再用总损失除以单克损失得到售出克数并换算成千克。
第13讲 牛吃草问题
牛吃草问题基本模型:牧场草量由原有草量和每天匀速生长的草量两部分组成,牛在吃草的同时草也在生长,核心是把1头牛1天的吃草量设为1份,分别求出每天生长量和原有总量。
求每日生长量:利用两组(牛数×天数)的差,除以天数差,求出草场每天匀速生长的草量。
求原有草量:用某一组的总吃草量减去该时段内生长的草量,得到草场最初的原有草量。
归一与单位换算:将不同动物(如牛、羊)按吃草量比例统一折算,或将多块草地按单位面积折算,统一为同一标准份数处理。
分段吃草与方程思想:当牛的数量在中途变化(增加或减少)时,按时间分段建立吃草量等式或方程求解未知量。
牛吃草模型的推广:漏水淘水、排队检票、注水抽水、资源消耗等问题都可类比为牛吃草模型,本质是恒定消耗与匀速补充的相消关系。
1. 牧场上的青草每天都匀速生长。这片青草可供 $27$ 头牛吃 $6$ 周,或者供 $23$ 头牛吃 $9$ 周。那么,这片青草可供 $21$ 头牛吃 ______ 周。
牛吃草问题归一思想
答案
12
解题步骤
将 $1$ 头牛 $1$ 周吃的草看做 $1$ 份,则 $27$ 头牛 $6$ 周吃 $162$ 份,$23$ 头牛 $9$ 周吃 $207$ 份,这说明 $3$ 周时间牧场长草 $207-162=45$(份),即每周长草 $15$ 份,牧场原有草 $162-15\times6=72$(份)。
$21$ 头牛中的 $15$ 头牛吃新长出的草,剩下的 $6$ 头牛吃原有的草,吃完需 $72\div6=12$(周)。
思路:把1头牛1周的吃草量设为1份,先求出每周草的生长量与牧场原有草量,再用原有草除以净吃草的牛数。
2. 经测算,地球上的资源可供 $100$ 亿人生活 $100$ 年,或可供 $80$ 亿人生活 $300$ 年。假设地球上新生资源的生长速度是一定的,那么为了使人类有不断发展的潜力,地球上最多能养活多少亿人?
牛吃草问题资源消耗模型
答案
70 亿
解题步骤
设每亿人每年消耗资源量为 $1$ 份。
每年新生资源量:$(80\times300-100\times100)\div(300-100)=70$(份)。
即为保证不断发展,地球上最多养活 $70$ 亿人。
思路:把资源消耗类比为牛吃草,先求出每年新生资源量,它即为可永久维持的人口对应的消耗量。
3. 一只船被发现漏水时,已经进了一些水,水均匀进入船内。如果 $10$ 人淘水,$3$ 小时淘完;如果 $5$ 人淘水,$8$ 小时淘完。如果要求 $2$ 小时淘完,需要安排 ______ 人淘水。
牛吃草问题漏水模型
答案
14
解题步骤
将 $1$ 人 $1$ 小时淘的水看做 $1$ 份,则 $10$ 人 $3$ 小时淘 $30$ 份,$5$ 人 $8$ 小时淘 $40$ 份,这说明 $5$ 小时船进水 $40-30=10$(份),即每小时进水 $2$ 份,船里原有水 $30-2\times3=24$(份)。
思路:把淘水类比牛吃草,先求每小时进水量与船里原有水量,再算2小时淘完所需人数。
4. 某车站在检票前若干分钟就开始排队,每分钟来的旅客人数一样多。从开始检票到等候检票的队伍消失,若同时开 $5$ 个检票口则需 $30$ 分钟,若同时开 $6$ 个检票口则需 $20$ 分钟。如果要使队伍 $10$ 分钟内消失,至少需同时开 ______ 个检票口。
牛吃草问题排队检票模型
答案
解题步骤
思路:把排队检票类比牛吃草,先求每分钟新来的旅客数与检票前已有的人数,再算10分钟消失所需检票口数。
5. 某超市平均每小时有 $60$ 人排队付款,每一个收银台每小时能应付 $80$ 人,某天某时段内,该超市只有一个收银台工作,付款开始 $4$ 小时就没有顾客排队了;如果当时有两个收银台工作,那么付款开始 ______ 小时就没有人排队了。
牛吃草问题排队付款模型
答案
解题步骤
思路:把付款排队类比牛吃草,先求开始时已排队的人数,再算两个收银台时队伍消失的时间。
6. 有一片草场,草每天的生长速度相同。若 $14$ 头牛 $30$ 天可将草吃完,$70$ 只羊 $16$ 天也可将草吃完($4$ 只羊一天的吃草量相当于 $1$ 头牛一天的吃草量)。那么,$17$ 头牛和 $20$ 只羊多少天可将草吃完?
牛吃草问题单位换算
答案
解题步骤
思路:先按4只羊折合1头牛把羊换算成牛,再用牛吃草标准方法求草的生长量与原有量,最后算共同吃完的天数。
7. $2006$ 年夏天,我国某地区遭遇了严重干旱,政府为了解决村民饮水问题,在山下的一眼泉水旁修了一个蓄水池,每小时有 $40$ 立方米泉水注入池中。第一周开动 $5$ 台抽水机 $2.5$ 小时就把一池水抽完,接着第二周开动 $8$ 台抽水机 $1.5$ 小时就把一池水抽完。后来由于旱情严重,开动 $13$ 台抽水机同时抽水,请问几小时可以把这池水抽完?
牛吃草问题抽水模型
答案
解题步骤
思路:把注水抽水类比牛吃草,先求每台抽水机的抽水量与池中原有水量,再算13台同时抽完的时间。
8. 某个售票处,在卖票之前,就已经有人排队。到开始卖票时,已经排了 $75$ 人。卖票后,由于每分钟来买票的人数一样多,因此,一个窗口花 $15$ 分钟才不再有人排队。如果开两个窗口,则经过 $5$ 分钟不再有人排队。如果开三个窗口,则经过几分钟不再有人排队?
牛吃草问题排队售票模型
答案
解题步骤
思路:把售票排队类比牛吃草,已知原有75人,先求每分钟来的人数与每窗口售票速度,再算三个窗口时队伍消失的时间。
9. 李大爷在草地上放养一群牛,草地每天均匀生长,如果他再买进 $3$ 头牛,则会提前 $2$ 天将草吃完,如果他卖出 $3$ 头牛,则会推迟 $4$ 天才能将草吃完,那么这片草地放养原来那群牛,会用 ______ 天将草吃完。
牛吃草问题方程思想
答案
解题步骤
思路:设原有牛数与原天数为未知量,根据增减牛后天数的变化分别列出关系式求解。
10. 一片草地,草每天生长量相同,$17$ 头牛 $30$ 天可将草吃完,$19$ 头牛 $24$ 天可将草吃完。现有若干头牛吃了 $6$ 天后,卖掉 $4$ 头牛,余下的牛再吃 $2$ 天将草吃完。原来共有 ______ 头牛。
牛吃草问题方程思想分段吃草
答案
40
解题步骤
$(x-9)\times6+(x-4-9)\times2=240$ 得 $x=40$。
所以原来有 $40$ 头牛。
思路:先用两组数据求出每天长草量与原有草量,再设原来牛数列方程,按分段吃草建立等式求解。
11. $11$ 头牛 $10$ 天可吃完 $5$ 公顷草地上的草,$12$ 头牛 $14$ 天可吃完 $6$ 公顷草地上的草。假设每公顷草地上的草量相等,每天新生长的草量相等,每头牛每天的吃草量也相等,那么 $8$ 公顷草地可供 $19$ 头牛吃 ______ 天。
牛吃草问题多块草地归一思想
答案
8
解题步骤
解答关键是先求出每公顷地原有的草和每天每公顷地新长出的草。
假设 $1$ 头牛 $1$ 天吃草量为“$1$”。
根据“$11$ 头牛 $10$ 天可吃完 $5$ 公顷草地上的草”可以分别求出:①$5$ 公顷草地原有的草和 $10$ 天中新长出的草量共 $11\times10=110$;②每公顷草地原有的草及 $10$ 天中新长出的草量 $11\times10\div5=22$。
根据“$12$ 头牛 $14$ 天可吃完 $6$ 公顷草地上的牧草”可以求出每公顷地中原有草和 $14$ 天新长出的草量 $12\times14\div6=28$。
再次求出每公顷草地中每天新长出的草量 $(28-22)\div(14-10)=1.5$。
最后求出 $8$ 公顷草地可供 $19$ 头牛吃的天数 $(22-1.5\times10)\times8\div(19-1.5\times8)=8$(天)。
思路:把每公顷地分别处理,先求每公顷原有草量和每天每公顷新生草量,再算8公顷供19头牛吃的天数。
12. 有三块草地,面积分别是 $5$、$15$、$25$ 亩。草地上的草一样厚,而且长得一样快。第一块草地可供 $10$ 头牛吃 $30$ 天,第二块草地可供 $28$ 头牛吃 $45$ 天,则第三块草地可供 ______ 头牛吃 $60$ 天。
牛吃草问题多块草地按面积折算
答案
45
解题步骤
设每头牛每天的吃草量为 $1$ 份。
第一块草地,$5$ 亩原有草量 $+5$ 亩 $30$ 天长的草 $=10\times30$
$=300$(份),则每亩草量 $=$ 原有草量 $+$ 每亩面积 $30$ 天长的草 $=300\div5$
$=60$(份);第二块草地,$15$ 亩原有草量 $+15$ 亩 $45$ 天长的草 $=28\times45$
$=1260$(份),即每亩面积原有草量 $+$ 每亩面积 $45$ 天长的草 $=1260\div15$
$=84$(份)。所以每亩面积每天草量 $(84-60)\div(45-30)=1.6$(份)。每亩原有草量 $60-30\times1.6=12$(份)。第三块草地面积是 $25$ 亩,$60$ 天新生长的草量为:$1.6\times60\times25=2400$(份),$(2400+12\times25)\div60=45$(头),所以第三块草地可供 $45$ 头牛吃 $60$ 天。
思路:把三块草地按每亩折算,先求每亩原有草量与每亩每天新生草量,再算第三块60天可供的牛数。
13. 有一块草地,每天都有新的草长出。这块草地可供 $9$ 头牛吃 $12$ 天,或可供 $8$ 头牛吃 $16$ 天。开始只有 $4$ 头牛在这块草地上吃草,从第 $7$ 天起又增加了若干头牛来吃草,又吃了 $6$ 天吃完了所有的草。假设草的生长速度每天都相同,每头牛每天的吃草量也相同,那么从第 $7$ 天起增加了 ______ 头牛来吃草。
牛吃草问题分段吃草
答案
10
解题步骤
设每头牛每天的吃草量为 $1$ 份。
每天长草:$(8\times16-9\times12)\div(16-12)=5$(份)
原有草:$108-5\times12=48$(份)
共吃 $12$ 天,后 $6$ 天需要牛的头数:$[48+(5-4)\times6]\div6+5=14$(头)
增加牛的头数:$14-4=10$(头)。
思路:先求每天长草量与原有草量,再分前6天4头牛、后6天加牛两段,求出后段所需牛数从而得增加的牛数。
第14讲 工程问题
工作效率、工作时间与工作总量:工程问题三量关系:工作总量=工作效率×工作时间,通常把总工作量设为单位 1,效率用分数表示。
两人(多人)合作工程:多人合作时效率相加,合作完成时间为总量除以效率之和;可拆分为单独工作与合作工作的组合。
交替工作:甲乙轮流(交替)工作时,先算一轮(或合做一段)的工作量,估算整轮数后处理剩余零头逐段累加求总时间。
注水(排水)问题:水管注水、抽水类问题与工程问题同理,进水/出水速度即工作效率,可通过时间差建立各管效率关系。
按比例分配与效率比:在合作中各人完成的工作量与其效率成正比,利用效率比可求各人完成的份额或差额。
最值与优化:在限定总时间的合作中,为使同时工作时间最短,应让效率高者尽量多地单独工作。
1. 一批零件由甲、乙两人合作,$30$ 天可以完成。现在由甲先制作 $22$ 天,再两人合作 $12$ 天,剩下的零件还需要乙单独制作 $16$ 天才能完成。又知甲每天比乙少生产 $4$ 个零件,照这样完成任务乙共做了 ____ 个零件。
工程问题工作效率与工作量合作工程
答案
$224$
解题步骤
两人合作 $(30-12)$ 天=甲单独制作 $22$ 天+乙单独制作 $16$ 天=合作 $16$ 天+甲单独制作 $6$ 天。
合作 $2$ 天=甲单独做 $2$ 天,乙单独做 $2$ 天,所以甲做 $4$ 个,乙做 $2$ 天。甲每天比乙多做个数,所以甲做 $4$ 个,乙做 $8$ 个。
乙工作了 $28$ 天,共做了 $28\times8=224$(个)。
思路:把合作时间转化为甲、乙单独工作的等价时间,求出甲、乙每天工作量之差与乙的实际工作天数,再求乙完成的零件总数。
2. 仓库存有一批钢材,由两个汽车队负责运往工地。已知甲车队单独运需 $29$ 天,乙队每天可运 $30$ 吨。现在由甲、乙两队同时运输 $8$ 天之后,甲队的汽车坏了一辆,每天少运 $5$ 吨,结果又运了 $4$ 天才全部运完。那么这批钢材共有 ____ 吨。
工程问题工作总量按比例分配
答案
$580$
解题步骤
甲、乙两队同时运输,甲运了 $12$ 天少 $5\times4=20$ 吨,乙运了 $12$ 天即 $12\times30=360$ 吨。又知道甲单独运需要 $29$ 天,乙运的 $360$ 吨是甲运 $29-12=17$ 天多 $20$ 吨多运出来的,所以甲每天运量 $(360-20)\div17=20$,这批钢材共 $20\times29=580$(吨)。
思路:由乙队每天运量算出乙在 $12$ 天的运量,结合甲坏车减少的量推出甲的每天运量,再按甲单独天数算出钢材总量。
3. 一份稿件,甲需要 $6$ 天才能完成打印,乙需要 $10$ 天才能完成此稿件,那么两人合打 $3$ 天共完成这份稿件的 ____ 。
工程问题工作效率分数运算
答案
$\dfrac{4}{5}$
解题步骤
$\left(\dfrac{1}{6}+\dfrac{1}{10}\right)\times3=\dfrac{4}{5}$。
思路:把总量看作单位 $1$,求出甲、乙的工作效率之和,乘以合作天数即得完成的分数。
4. 两位工人用砖砌墙,甲工人独自完成需用 $9$ 小时,乙工人独自完成需用 $10$ 小时。当二人合作时,每人每小时比独自工作时少砌墙的块数(数也是相同),二人每小时多做 $10$ 块砖。假设他们打算共贴 $5$ 小时完工,请问要完成此道墙共需砌多少块砖?
工程问题工作效率合作逆向还原
答案
$900$ 块
解题步骤
如果合作时工作效率为甲乙工作效率和,那么 $5$ 小时可以完成 $\left(\dfrac{1}{9}+\dfrac{1}{10}\right)\times5=\dfrac{19}{18}$,比现在两人合作多了 $\dfrac{19}{18}-1=\dfrac{1}{18}$,恰好是 $10\times5=50$ 块,所以要完成此道墙共需砌砖 $50\div\dfrac{1}{18}=900$(块)。
思路:先算甲、乙效率之和按 $5$ 小时本应完成的份数,超出 $1$ 的部分对应少砌的砖块,用对应关系求出整面墙的砖数。
5. 甲、乙两支同样质地的蜡烛,粗细、长短不同。甲支先点燃 $3.5$ 小时,乙支也点燃 $5$ 小时,燃了 $2$ 小时后,两支蜡烛剩下之长度恰好相同,那么甲支与乙支蜡烛的长度之比为 ____ 。
工程问题比例均匀变化
答案
$7:5$
解题步骤
甲 $\times\dfrac{3.5-2}{5}=$ 乙 $\times\dfrac{5-2}{5}$,
甲 $\times\dfrac{15}{2}=$ 乙 $\times\dfrac{3}{5}$,
甲:乙 $=\dfrac{3}{5}:\dfrac{15}{2}$
$=7:5$。
思路:蜡烛匀速燃烧,按剩余长度相等列等式,比较甲、乙剩余比例即可求出原长度之比。
6. 砌一面墙,甲单独做要用 $10$ 天。乙合作只需 $6$ 天就可完成;乙、丙合作要用 $8$ 天才能完成。现在甲、丙一起工作,砌完这面墙后发现甲比乙多砌了 $2400$ 块砖,那么丙砌了 ____ 块砖。
工程问题三人合作工作效率
答案
$4200$
解题步骤
方法一:乙单独砌需 $1\div\left(\dfrac{1}{6}-\dfrac{1}{10}\right)=15$(天)。
丙单独砌需 $1\div\left(\dfrac{1}{8}-\dfrac{1}{15}\right)=\dfrac{120}{7}$(天)。
三人一起做时,甲完成的工作量是乙的 $15\div10=1.5$ 倍,是丙的 $\dfrac{120}{7}\div10=\dfrac{12}{7}$ 倍。
甲砌了 $2400\div(1.5-1)\times1.5=7200$ 块,
丙砌了 $7200\times\dfrac{12}{7}\div\dfrac{12}{7}=4200$ 块。
方法二:甲速 $\dfrac{1}{10}$,乙速 $\dfrac{1}{6}-\dfrac{1}{10}=\dfrac{1}{15}$,丙速 $\dfrac{1}{8}-\dfrac{1}{15}=\dfrac{7}{120}$,甲:丙 $=\dfrac{1}{10}:\dfrac{7}{120}$
$=12:7$,丙砌了 $2400\div(12-8)\times7=4200$ 块。
思路:先由合作效率求出乙、丙各自的工作效率,再求甲与丙的效率比,结合甲比乙多砌的块数算出丙砌的砖数。
7. 城中小学几个少先队员帮助学校清理大小两块工地。大工地比小工地大 $1$ 倍,上午,他们在大工地花了半天时间进行了清理,下午把人数对半分,一半留在大工地继续清理,另一半到小工地清理。到收工时,大工地刚好清理完毕,小工地还剩 $\dfrac{1}{3}$,第 $1$ 人再清理一天才能完工。如果每人的工作效率相等,那么共有多少人参加了清理工作?
工程问题工作量分配人数与效率
答案
$8$ 人
解题步骤
设小工地的工作量为单位 "$1$",那么大工地的工作量为 $2$。
小工地的 $\dfrac{1}{3}$ 需 $1$ 人再清理一天才能完工,那么 $1$ 人 $1$ 天的工作量是 $\dfrac{1}{3}$。
半天完成小工地的 $\dfrac{2}{3}$,需要 $\dfrac{2}{3}\div\left(\dfrac{1}{3}\times\dfrac{1}{2}\right)=4$ 人,那么共有 $4\times2=8$ 人。
思路:设小工地工作量为 $1$,由剩余部分与单人单天工作量求出小工地下午的人数,再翻倍得到总人数。
8. 一项工程,甲单独完成需要 $10$ 天,乙单独完成需 $15$ 天,丙单独完成需 $20$ 天,在三人合作 $3$ 天后,甲有其他任务先离去,再请继续工作直至完工,完成这项工程共用 ____ 天。
工程问题三人合作工作效率
答案
$6$
解题步骤
甲的工作效率为 $\dfrac{1}{10}$,乙的工作效率为 $\dfrac{1}{15}$,丙的工作效率为 $\dfrac{1}{20}$,三人合作 $3$ 天完成 $\left(\dfrac{1}{20}+\dfrac{1}{10}+\dfrac{1}{15}\right)\times3=\dfrac{39}{60}$,剩下的乙、丙继续工作需要 $\left(1-\dfrac{39}{60}\right)\div\left(\dfrac{1}{20}+\dfrac{1}{15}\right)=3$ 天。所以一共需用 $6$ 天。
思路:先算三人合作 $3$ 天完成的工作量,再用乙、丙两人的效率之和把剩余工作量算成所需天数,累加得到总天数。
9. 要将一堆渣土运过过桥,现在有两辆车可以使用。如果单用甲车来运送的话,需要 $15$ 小时才能运送完;如果单用乙车来运送的话,需要 $20$ 小时才能运送完。现在规定要在 $12$ 小时内完成全部的运送工作。如果两辆车同时运送,对桥面的压力比较大,所以希望两辆车同时运送的时间尽可能少,那么甲、乙同时运货的时间最少是 ____ 小时。
工程问题两机合作最值优化
答案
$4$
解题步骤
要求两机货运的时间小可能少,那么他们单独运送的数量要尽可能多,甲的速度比乙快,所以要求乙单独运的都是甲单独运货,即甲运了 $12$ 个小时,甲运了 $\left(1-\dfrac{1}{15}\times12\right)\div\dfrac{1}{20}=4$ 小时。则甲、乙同时运货的时间最少是 $4$ 小时。
思路:为使同运时间最短,应让效率高的甲单独工作满 $12$ 小时,剩余工作由乙单独承担,从而算出必须同时运货的时间。
10. 一项工程,甲单独完成需要 $12$ 小时,乙单独完成需 $15$ 小时,甲乙合做 $1$ 小时后,由甲单独做 $1$ 小时,再由乙单独做 $1$ 小时,……,甲、乙如此交替下去,则完成这项工程共用 ____ 小时。
工程问题交替工作工作效率
答案
$12.25$
解题步骤
甲乙合做 $1$ 小时,还剩 $1-\dfrac{1}{15}-\dfrac{1}{12}$,甲乙单独做 $2$ 小时,共做 $\dfrac{1}{15}+\dfrac{1}{12}=\dfrac{3}{20}$,还需要做 $2\times5=10$ 小时,还剩 $\dfrac{17}{20}-\dfrac{3}{20}=\dfrac{1}{20}$,需要甲做 $1$ 小时,再做 $\dfrac{1}{20}\div\dfrac{1}{15}=\dfrac{1}{4}$,一共需要 $1+10+1+0.25=12.25$ 小时。
思路:先算合做与一轮交替的工作量,估算交替轮数后处理剩余零头,逐段累加得到总用时。
11. 一件工作,甲、乙合作需 $4$ 小时完成,乙、丙合作需 $5$ 小时完成。现在先由甲、丙合作 $2$ 小时后,余下的还需 $7$ 小时由乙单独完成,乙单独做这件工作需几小时?
工程问题工作效率设元求解
答案
$30$ 小时
解题步骤
先由甲、丙合作 $2$ 小时,余下的乙做 $7$ 小时完成,可以理解为甲陪乙做 $2$ 小时(完成工作的 $\dfrac{2}{4}$),丙陪乙做 $2$ 小时(完成工作的 $\dfrac{2}{5}$),再加乙单独做 $7-2-2=3$ 小时完成剩余工作,即全部工作的 $1-\dfrac{2}{4}-\dfrac{2}{5}=\dfrac{1}{10}$,故乙 $1$ 小时完成 $\dfrac{1}{10}\div3=\dfrac{1}{30}$,乙单独做这件工作需 $30$ 小时。
思路:把甲、丙各陪乙做 $2$ 小时转化为甲乙合作与乙丙合作的部分工作量,相减得乙单独 $3$ 小时的工作量,从而求出乙单独所需时间。
12. 已知同时开 $A$、$B$、$C$ 三个水管注水,将水池注满需用 $6$ 小时。当它们同时注水 $2$ 小时后,再将 $C$ 水管关闭,则 $A$、$B$ 两水管还需要 $7$ 小时才能将这个水池注满。现若只单独开 $C$ 水管注水,请问需要多少小时才能将这个水池注满?
工程问题注水问题工作效率
答案
$14$
解题步骤
$6-2=4$(小时)即开 $A$、$B$、$C$ 两个水管 $2$ 小时的进水量等于 $A$、$B$、$C$ 三个水管 $4$ 小时的进水量,$7-4=3$(小时)即 $A$、$B$ 两水管 $3$ 小时的进水量等于 $C$ 水管 $7$ 小时的进水量,即 $A$、$B$ 两水管 $3$ 小时的进水量等于 $C$ 水管 $7$ 小时的进水量,所以 $C$ 单独注水需要 $1\div\left(\dfrac{1}{2}\div7\right)=14$(小时)。
思路:通过比较两段注水的时间差,建立 $A$、$B$ 两管与 $C$ 管进水量的关系,求出 $C$ 管单独注满水池所需时间。
第15讲 火车过桥与流水行船
火车过桥:火车完全通过桥梁或隧道时,所行路程等于车长加桥(隧道)长;火车完全在桥(隧道)上时,所行路程等于桥(隧道)长减车长。
火车错车与超车:两列火车相向(错车)时,相遇路程为两车车长之和,速度用速度和;同向(超车)时,追及路程为两车车长之和,速度用速度差。
流水行船基本公式:顺水速度=船速+水速,逆水速度=船速-水速;由此可得船速=(顺水速度+逆水速度)÷2,水速=(顺水速度-逆水速度)÷2。
竹排(漂流物)与水速:竹排、木筏等漂流物本身无动力,其漂流速度等于水速,常用于把人或船的运动转化为相对水流的相遇追及问题。
流水中的相遇与追及:两船在同一河道相向而行时合速度与水速无关(为两船速之和),同向追及时差速度也与水速无关,可据此简化计算。
柳卡图(行程图):用时间-位置坐标图描绘多船多次往返的轨迹,利用直线交点与相似三角形求多次相遇的位置与时刻。
比例与方程在行程问题中的应用:路程相同时时间与速度成反比;通过设速度或距离为单位量列比例或方程求解复杂的过桥与流水问题。
1. 一列以恒速行进的地下铁,从进入一个长 $400$ 米的隧道到完全离开时,耗了 $20$ 秒。隧道里一盏固定的吊灯有 $10$ 秒的时间是直接照射在地下铁之上的。若地下铁的长度是 $x$ 米,试求出 $x$ 的值。
火车过桥
答案
$x=400$
解题步骤
地下铁的速度为 $400\div(20-10)=40$(米/秒),地下铁的长度为 $40\times10=400$(米)。
思路:完全通过隧道的路程是隧道长加车长,完全在隧道上的路程是隧道长减车长,两者之差为两倍车长,由此求出速度再求车长。
2. 一座长 $1500$ 米的大桥,一列火车从桥上通过,测得火车从开始上桥到完全离开桥共用 $150$ 秒,整列火车在桥上的时间为 $100$ 秒。则火车的速度是 ______ 米/秒,火车长 ______ 米。
火车过桥
答案
$12$ 米/秒;$300$ 米
解题步骤
火车通过两个桥长的距离,用时 $(150+100)$ 秒。所以火车的速度为 $(1500+1500)\div(150+100)=12$(米/秒)。火车长 $150\times12-1500=300$(米)。
思路:上桥到离桥行驶路程为桥长加车长,全在桥上行驶路程为桥长减车长,两段时间内路程和为两倍桥长,据此求速度与车长。
3. 快、慢两列火车相向而行,快车的车长是 $50$ 米,慢车的车长是 $80$ 米,快车速度是慢车速度的 $2$ 倍。如果坐在慢车上的人看见快车驶过窗口的时间是 $5$ 秒,那么,坐在快车上的人看见慢车驶过窗口的时间是 ______ 秒。
火车错车与超车流水中的相遇与追及
答案
$8$
解题步骤
快车与慢车的速度和为 $50\div5=10$(米/秒),那么坐在快车上的人见慢车驶过的时间是 $80\div10=8$(秒)。
思路:两车相向错车的相对速度等于速度和,对两个观察者都相同;用快车长除以这个相对速度即得慢车驶过快车窗口的时间。
4. 一辆客车的速度是 $60$ 千米/小时,一列货车的速度是 $45$ 千米/小时,货车比客车车长 $135$ 米,若两车在平行轨道上相向行驶,相遇的过程中他们花费的时间是 $30$ 秒,则客车与货车的车长分别为 ______。
火车错车与超车
答案
客车车长 $370$ 米,货车车长 $505$ 米。
解题步骤
客车与货车的车长和为 $(60+45)\times\frac{30}{60\times60}\times1000=875$(米),所以客车车长为 $(875-135)\div2=370$(米),货车车长为 $(875+135)\div2=505$(米)。
思路:相向相遇时两车长之和等于速度和乘相遇时间,再结合车长差用和差问题分别求出两车车长。
5. 一列火车长 $240$ 米,速度为 $60$ 千米/小时,一辆越野车与火车同向而行,越野车越过列车需要的时间为 ______。(越野车的长度忽略不计)
火车错车与超车
答案
$43.2$ 秒
解题步骤
$240$ 米 $=0.24$ 千米,越野车与火车的路程差为火车车长,需要的时间为:$0.24\div(80-60)=0.012$(小时),$0.012\times60\times60=43.2$(秒)。
思路:同向超车时越野车比火车多行一个车长,用车长除以速度差得超越所需时间,再换算成秒。注:原题越野车速取 $80$ 千米/小时。
6. 甲、乙二人相向而行,速度相同。火车从甲身后开来,速度是人的 $17$ 倍。车经过甲用 $18$ 秒钟,然后又过了 $2$ 分 $16$ 秒完全经过了乙的身边。甲、乙还需用 ______ 秒相遇。
火车错车与超车流水中的相遇与追及
答案
$1088$ 秒
解题步骤
$2$ 分 $16$ 秒 $=136$ 秒,设甲、乙的速度都为 $1$,则火车的速度为 $17$,火车 $136$ 秒所行路程为 $17\times136=2312$,此即甲、乙的距离加上甲与火车的距离,为 $2312-136=2176$,所以两段路相遇时间 $2176\div(1+1)=1088$(秒),即甲、乙还需 $1088$ 秒相遇。
思路:火车追上甲是同向追及,与乙相遇是相向相遇;据此用速度比求出甲乙之间距离,再用速度和求相遇时间。
7. 长 $120$ 米的客车,以 $80$ 千米/小时的速度向东行驶,长 $280$ 米的货车往西行驶。它们在一座长 $130$ 米的铁路桥西端相遇,在桥的东端离开。货车的速度是 ______ 千米/小时。
火车错车与超车火车过桥
答案
$48$
解题步骤
客车的路程为 $120+130=250$(米),货车的路程为 $280-130=150$(米)。客车与货车所用时间相同,所以路程比等于速度比,$250:150=5:3$,$80\div5\times3=48$(千米/小时)。
思路:在相同时间内客车需多行桥长、货车需少行桥长,由两者路程比即速度比,结合客车速度求出货车速度。
8. 杰克和莫温娜站在人行天桥上,注视着下面繁忙行驶的汽车。他们算出,在左行道上行驶的汽车的速度为 $80$ 千米/小时,而在右行道上行驶的汽车的速度为 $100$ 千米/小时;此外,他们还发现,在任何给定的时间间隔里,左右两行车道上行驶的汽车在桥上通过的数目相同。如果每辆汽车的长度为 $3$ 米,在左行道上行驶的汽车的间距为 $13$ 米,那么在右行道上行驶的汽车的间距为 ______ 米。(这里所说的间距是指一辆汽车的后端与紧跟着它的另一辆汽车的前端之间的距离)
火车错车与超车比例与方程在行程问题中的应用
答案
$17$
解题步骤
左右两行车道上的汽车的速度比为 $V_{左}:V_{右}=80:100$
$=4:5$,相同时间内的路程比为 $4:5$,由于任何给定时间间隔里,左右两行车道上行驶的汽车在桥上通过的数目相同,因此,左右两车道上汽车的间距比为 $4:5$,所以右车道上汽车间距为 $(13+3)\div4\times5-3=17$(米)。
思路:相同时间内两车道通过车数相同,则相邻两车间隔(车长加间距)之比等于速度比,据此由左道间距求右道间距。
9. 一人乘竹排沿江顺水漂流而下,迎面遇到一艘逆流而上的快艇,他向快艇驾驶员:“你后面有轮船开过来吗?”快艇驾驶员回答:“半小时前我超过一艘轮船。”竹排继续顺水漂流了 $1$ 小时遇到了迎面开来的这艘轮船,那么快艇静水速度是轮船静水速度的 ______ 倍。
竹排(漂流物)与水速流水中的相遇与追及
答案
$3$
解题步骤
竹排顺水漂流的速度等于水速,考虑人逆水游泳时(此处指相对水流),快艇与轮船半小时的路程差等于轮船与竹排 $1$ 小时的路程差,且竹排与轮船逆水的速度和等于轮船的静水船速,可知:$S=\frac{1}{2}\times(V_{快}-V_{轮})$,$S=1\times V_{轮}$;得 $V_{快}=3V_{轮}$,即快艇静水船速是轮船静水船速的 $3$ 倍。
思路:竹排速度即水速,将快艇、轮船相对竹排(水)的运动转化为相遇追及,比较半小时与一小时的相对路程得到两船速之比。
10. 甲乙两码头相距 $200$ 千米。一艘轮船由甲顺水航行到乙需 $6$ 小时,由乙返回到甲需 $8$ 小时,则轮船在静水中的速度和水流速度分别为 ______。
流水行船基本公式
答案
轮船的静水速度为 $\frac{175}{6}$ 千米/小时;水速 $\frac{25}{6}$ 千米/小时
解题步骤
轮船的顺水速度为 $200\div6=\frac{100}{3}$(千米/小时),逆水速度为 $200\div8=25$(千米/小时),那么轮船的静水速度为 $\left(\frac{100}{3}+25\right)\div2=\frac{175}{6}$(千米/小时),水速为 $\left(\frac{100}{3}-25\right)\div2=\frac{25}{6}$(千米/小时)。
思路:先由距离除时间得顺、逆水速度,再用船速=(顺+逆)÷2、水速=(顺-逆)÷2 求解。
11. 一个人乘木筏在河面顺流而下,行到一座桥下时此人想锻炼一下身体,便跳入水中逆水游泳,$10$ 分钟后转身追赶木筏,终于在离桥 $1500$ 米远的地方追上木筏,假设水流速度及此人游泳的速度都一直不变,那么水流的速度是 ______ 千米/小时。
竹排(漂流物)与水速流水中的相遇与追及
答案
$4.5$
解题步骤
木筏速度等于水速,考虑人逆水游泳时,人和木筏反向行走,类似相遇问题,速度和为 $v_人-v_水+v_水=v_人$;人顺水时人和木筏同向行走为追及问题,速度差为 $v_人+v_水-v_水=v_人$。所以当人向上游游了 $10$ 分钟后,返回追赶也需要 $10$ 分钟,即水流 $20$ 分钟的路程为 $1500$ 米,所以水流速度为 $1500\div1000\div\frac{20}{60}=4.5$(千米/小时)。
思路:木筏随水漂流,人相对木筏(水)的速度恒为净游速,去程与返程相对木筏所用时间相等,故木筏被追上时共漂流了 $20$ 分钟,由漂流距离求水速。
12. 一只汽船往返于松花江 $A$,$B$ 两个码头之间。从 $A$ 到 $B$ 顺流航行需用 $6$ 小时,从 $B$ 到 $A$ 逆流航行需用 $8$ 小时。一个木排从 $A$ 码头顺流漂浮而下,需要 ______ 小时到达 $B$ 码头。
竹排(漂流物)与水速流水行船基本公式
答案
$48$
解题步骤
设 $A$,$B$ 两码头的距离为 $1$,则顺水速度为 $1\div6=\frac{1}{6}$,逆水速度为 $1\div8=\frac{1}{8}$,水速为 $\left(\frac{1}{6}-\frac{1}{8}\right)\div2=\frac{1}{48}$,故木排从 $A$ 到 $B$ 需要 $1\div\frac{1}{48}=48$(小时)。
思路:木排速度即水速,用顺逆水速度之差的一半求出水速(以全程为单位),再用全程除以水速得漂流时间。
13. 一艘轮船从甲码头顺流到乙码头用了 $4$ 小时,从乙码头逆流返回甲码头用了 $5$ 小时。已知水流速度是 $3$ 千米/小时,则船在静水中的速度为 ______。
流水行船基本公式
答案
$27$ 千米/小时
解题步骤
路程相同,顺水与逆水所用时间比为 $4:5$,顺水与逆水速度比为 $5:4$,顺水速度与逆水速度的差为 $3\times2=6$(千米/小时),轮船的静水速度为 $6\div(5-4)\times5-3=27$(千米/小时)。
思路:路程相同时顺逆水时间比的反比即速度比,结合顺逆水速度差为两倍水速,由比例求出顺水速度再减水速得船速。
14. $A$,$B$ 两景点相距 $10$ 千米,一艘观光游船从 $A$ 景点出发抵达 $B$ 景点后立即返回,共用 $3$ 小时。已知第一小时比第三小时多行 $8$ 千米,那么水速是 ______ 千米/小时。
流水行船基本公式
答案
$8$
解题步骤
第一个小时若未到达 $B$ 景点,则第三个小时最多行两千米,而回程至少差 $8$ 千米,不可能用 $1$ 个小时行完,所以第 $1$ 小时已经到达 $B$ 景点。于是第 $2$ 小时和第 $3$ 小时方向和速度都相同,所以所行的路程相同,即 $\frac{(10+10)-8}{2}=4$(千米)。第一小时游船行了 $20-4\times2=12$(千米)。$12$ 千米中,回程的 $2$ 千米需 $0.5$ 小时,因此去程 $10$ 千米行 $1-0.5=0.5$(小时),去程的速度为 $10\div0.5=20$(千米/小时),回程的速度为 $2\div0.5=4$(千米/小时),因此水速为 $\frac{20-4}{2}=8$(千米/小时)。
思路:先判断第一小时已到达 B 并返回,由总路程与第一小时多行的差求出后两小时各行路程,分解出去程逆程速度后用顺逆差的一半求水速。
15. 某船第一天顺流航行 $21$ 千米,逆流航行 $4$ 千米。第二天在同一河道中顺流航行 $12$ 千米,逆流航行 $7$ 千米。两次所用的时间相等。假设船本身速度及水流速度保持不变,顺水船速是逆水船速的 ______ 倍。
流水行船基本公式比例与方程在行程问题中的应用
答案
$3$
解题步骤
比较第一天和第二天的航行可知:顺水多走 $21-12=9$(千米),逆水多走 $7-4=3$(千米)。所以顺水航行 $9$ 千米与逆水航行 $3$ 千米所用时间相同,$9:3=3:1$,所以顺水船速是逆水船速的 $3$ 倍。
思路:两天用时相等,作差得顺水多行与逆水多行的路程在相同时间内完成,其比值即顺逆水速度之比。
16. 甲乙两港相距 $400$ 千米,甲港在乙港的上游,有一艘游轮从甲港出发到达乙港后返回共用 $10$ 小时,水速是游轮静水速度的 $\frac{1}{3}$,那么水速是 ______ 千米/小时。
流水行船基本公式比例与方程在行程问题中的应用
答案
$30$
解题步骤
水速是游轮速度的 $\frac{1}{3}$,也就是说顺水速度与逆水速度之比是 $\frac{4}{3}:\frac{2}{3}=2:1$,所以顺水时间与逆水时间之比为 $1:2$,也就是说,轮船从甲港到乙港一共用了 $10\times\frac{1}{1+2}=\frac{10}{3}$(小时),那么顺水速度就是 $400\div\frac{10}{3}=120$(千米/小时),而顺水速度是水速的 $4$ 倍,所以水速是 $120\div4=30$(千米/小时)。
思路:由水速与船速之比得顺逆水速度比,再得顺逆水时间比,分配总时间求出顺水时间和顺水速度,最后由顺水速度与水速的倍数关系求水速。
17. 一艘客轮在静水中的航行速度是 $26$ 千米/小时,往返于 $A$、$B$ 两港之间,河水的流速是 $6$ 千米/小时,如果客轮在河中往返 $4$ 趟共用 $13$ 小时,那么 $A$、$B$ 两港之间相距 ______ 千米。(客轮调头时间不计)
流水行船基本公式比例与方程在行程问题中的应用
答案
$40$
解题步骤
船的顺逆水速度比是 $(26+6):(26-6)=8:5$,那么顺逆时间之比就是 $5:8$,然后可以知道轮船往返一次所用的时间是 $13\div4=3.25$(小时),那么轮船顺水需要的航行时间就是 $3.25\times\frac{5}{5+8}=1.25$(小时),那么两港之间的距离为 $1.25\times32=40$(千米)。
思路:由顺逆水速度比得顺逆水时间比,求出往返一次的时间并按比例分出顺水时间,乘顺水速度得两港距离。
18. 一艘轮船往返于 $A$、$B$ 码头之间。它在静水中船速不变,当河水流速增加时,该船往返一次所用时间比河水流速增加前所用时间 ______(填“多”或“少”)。
流水行船基本公式
答案
多
解题步骤
多。考虑极限情况,当河水流速足够大时,轮船永远返回不了上游港口。
思路:水速增大时顺水省下的时间不足以抵消逆水多花的时间,用极限思想可判断往返总时间增多。
19. 一船从甲港顺水而下到乙港,马上又从乙港逆水而行回甲港,共用了 $12$ 小时。已知顺水每小时比逆水每小时多行 $16$ 千米,又知前 $6$ 小时比后 $6$ 小时多行 $80$ 千米。那么,甲、乙两港相距 ______ 千米。
流水行船基本公式比例与方程在行程问题中的应用
答案
$280$
解题步骤
由于顺水、逆水的行程相等,而顺水速度大于逆水速度,所以顺水所用的时间小于逆水所用的时间,那么顺水所用的时间少于 $12$ 小时的一半,即少于 $6$ 小时,那么前 $6$ 小时中有部分时间在顺水行驶,部分时间在逆水行驶,后 $6$ 小时则全部逆水行驶。
由于顺水每小时比逆水每小时多行 $16$ 千米,而前 $6$ 小时比后 $6$ 小时多行 $80$ 千米,所以前 $6$ 小时中有 $80\div16=5$(小时)在顺水行驶,所以顺水、逆水所用的时间分别为 $5$ 小时、$7$ 小时,那么顺水速度比逆水速度为 $7:5$,顺水速度为 $16\div(7-5)\times7=56$(千米/小时),甲、乙两港的距离为 $56\times5=280$(千米)。
思路:由行程相等知顺水用时少于 6 小时,前 6 小时含顺逆两段,用每小时差去除多行的 80 千米求出顺水时间,再由顺逆水时间比求速度与距离。
20. 甲、乙两艘游艇,静水中甲艇每小时行 $3.3$ 千米,乙艇每小时行 $2.1$ 千米。现在甲、乙两游艇于同一时刻相向出发,甲艇从下游上行,乙艇从相距 $27$ 千米的上游下行,两艇于途中相遇后,又经过 $4$ 小时,甲艇到达乙艇的出发地。水流速度是 ______ 千米/小时。
流水中的相遇与追及流水行船基本公式
答案
$0.3$
解题步骤
两游艇相向而行时,速度和等于它们在静水中的速度和,所以它们从出发到相遇所用的时间为 $27\div(3.3+2.1)=5$(小时)。相遇后又经过 $4$ 小时,甲艇到达乙艇的出发地,说明甲艇逆水行驶 $27$ 千米需要 $5+4=9$(小时),那么甲艇的逆水速度为 $27\div9=3$(千米/小时),则水流速度为 $3.3-3=0.3$(千米/小时)。
思路:相向相遇的合速度与水速无关,先求相遇时间;再由相遇后甲艇逆水行完全程的时间求甲艇逆水速度,进而用静水速度减之得水速。
21. 甲乙两船,在静水中的速度都是每小时 $30$ 千米,一次甲乙两船分别从 $A$、$B$ 两码头同时出发相向而行,到途中的 $C$ 地后返回,结果乙比甲先到达 $C$ 地 $0.5$ 小时,而乙返回 $B$ 码头 $1.5$ 小时后,甲才返回 $A$ 码头,已知 $A$ 在 $B$ 的上游,且水速为每小时 $2$ 千米。$AB$ 的距离为 ______ 千米。
流水行船基本公式比例与方程在行程问题中的应用
答案
$112$
解题步骤
易知甲、乙顺流而下时,速度为 $32$ 千米/小时;逆流而上时,速度为 $28$ 千米/小时,如下图所示。依题意可知:
$\frac{AC}{32}-\frac{BC}{28}=0.5$;$\frac{BC}{28}-\frac{AC}{32}=1.5-0.5$
得 $28AC-32BC=448$ ①,
$32AC-28BC=896$ ②,
用 ②$-$① 可得:$4AC+4BC=448$,$AC+BC=112$ 千米 $=AB$。
②$-$① 即 $AB$ 距离为 $112$ 千米。
思路:分别表示甲乙到达 C、返回各码头所用时间,依先后时间差列两个方程,相减消元求出 AC+BC 即 AB 的距离。
22. 今有 $A$,$B$ 两个港口,$A$ 在 $B$ 的上游 $60$ 千米处。甲、乙两船分别从 $A$、$B$ 两港同时出发,都向上游航行。甲船出发时,有一物品掉落水中,浮在水面,随水流漂往下游。甲船出发航行一段后,调头去追落水的物品。当甲船追上落水物品时,恰好和乙船相遇。已知,甲、乙两船在静水中的航行速度相同,且这个速度是水速的 $6$ 倍。当甲船调头时,甲船已航行 ______ 千米。
竹排(漂流物)与水速流水中的相遇与追及
答案
$25$
解题步骤
设水速为 $1$,则船速为 $6$,顺水船速为 $6+1=7$,逆水船速为 $6-1=5$,当从出发到追上物品时,甲、乙相遇所用时间为 $60\div(1+5)=10$,甲船顺水与逆水所用时间相同,甲逆水所用时间 $10\div2=5$,那么甲逆水航行的路程为 $5\times5=25$(千米)。
思路:落水物随水漂流,甲追上物品与乙相遇同时发生,用乙与物品的相对速度求相遇时间,再由甲顺逆水时间相等求甲调头前所行路程。
23. 怡荣号渡轮时速 $40$ 千米,单数日由 $A$ 地顺流航行到 $B$ 地,双数日由 $B$ 地逆流航行到 $A$ 地。(水速为每小时 $24$ 千米)有一单数日渡轮航行到途中的 $C$ 地时,失去动力,只能任船漂流到 $B$ 地,船长计得该日所用的时间为原单数日的 $\frac{43}{18}$ 倍。另一双数日渡轮航行到途中的 $C$ 地时,又失去动力,船在漂流过程中,维修人员全力抢修了 $1$ 小时后船以 $2$ 倍时速逆进到 $A$ 地,结果船长发现该日所用的时间与原双数日所用时间一秒不差。请问 $A$,$B$ 两地的距离为多少千米?
流水行船基本公式比例与方程在行程问题中的应用
答案
$192$
解题步骤
单数日那天,$A\to C$ 速度为 $40+24=64$(千米/小时),$C\to B$ 速度为 $24$ 千米/小时;双数日那天,$B\to C$ 速度为 $40-24=16$(千米/小时),中间停留 $1$ 小时相当于船向后漂流 $1$ 小时之后 $C\to A$ 速度为 $40+40-24=56$(千米/小时)。假设 $A\to C$ 距离 $x$ 千米,$C\to B$ 距离 $y$ 千米。则根据题意列方程得:
$$\begin{cases}\dfrac{x}{64}+\dfrac{y}{24}=\dfrac{43}{18}\times\dfrac{x+y}{64}\\[4pt]\dfrac{y}{16}+1+\dfrac{x+24}{56}=\dfrac{x+y}{16}\end{cases}$$
解得 $\begin{cases}x=32\\y=160\end{cases}$,所以 $A$、$B$ 两地的距离为 $32+160=192$(千米)。
思路:分别用顺水、漂流、逆水(含停留)速度表示两种失去动力情形下的耗时,按与正常情形耗时的关系列方程组,解出两段距离之和。
24. 如下图所示,甲、乙两艘快船不断往返于 $A$、$B$ 两港之间。若甲、乙同从 $A$ 港出发,它们能否同时到达下列地点?若能,请推出它们何时到达该地点;若不能,请说明理由:
(1)$A$ 港口;
(2)$B$ 港口;
(3)在两港口之间且距离 $B$ 港 $30$ 千米的大桥。
流水行船示意图:水流方向从 A 港指向 B 港(向右),两港相距 180 千米,水流速度 10 千米/小时。甲船静水航速 30 千米/小时,乙船静水航速 50 千米/小时,两船均从 A 港出发往返于 A、B 两港之间。
流水行船基本公式柳卡图(行程图)比例与方程在行程问题中的应用
答案
(1)能;(2)能;(3)能
解题步骤
(1)甲往返一次的时间是 $\frac{180}{30+10}+\frac{180}{30-10}=13.5$(h),乙往返一次的时间是 $\frac{180}{50+10}+\frac{180}{50-10}=7.5$(h),$13.5$ 和 $7.5$ 的最小公倍数是 $67.5$,所以,在甲、乙出发后的 $67.5a\,(a=1,2,\cdots)$ 小时,它们又同时回到 $A$ 港。
(2)设甲、乙能同时到达 $B$ 港,此时,甲、乙各完成了 $m$,$n$ 次往返($m$,$n$ 是自然数),则有 $\frac{180}{30+10}+13.5m=\frac{180}{50+10}+7.5n$,即 $9m+1=5n$,当 $m$ 的个位数是 $6$ 或 $1$ 时,有满足上式的自然数 $n$。最小的 $m=1$,最少需要 $4.5+13.5=18$(h)。则在甲、乙出发后 $18+67.5b\,(b=0,1,2,\cdots)$ 小时,它们同时到达 $B$ 港出口。
(3)设此时甲、乙能同时到达大桥,且分别完成了 $m$,$n$ 次往返($m$,$n$ 是自然数)。
①若此时甲、乙向下游行驶,则 $\frac{150}{30+10}+13.5m=\frac{150}{50+10}+7.5n$,即 $135m+12.5=75n$,没有满足上式的自然数 $m$,$n$。
②若此时甲向上游行驶,乙向下游行驶,则 $\frac{180}{30+10}+\frac{30}{30-10}+13.5m=\frac{180}{50+10}+\frac{30}{50-10}+7.5n$,即 $135m+22.5=75n$,没有满足上式的自然数 $m$,$n$。
③若此时甲向上游行驶,乙向下游行驶(另一情形),则 $\frac{180}{30+10}+\frac{30}{30-10}+13.5m=\frac{150}{50+10}+7.5n$,即 $27m+7=15n$,没有满足上式的自然数 $m$,$n$。
④若此时甲向下游行驶,乙向上游行驶,则 $\frac{150}{30+10}+13.5m=\frac{180}{50+10}+\frac{30}{50-10}+7.5n$,即 $9m=5n$,当 $m$ 是 $5$ 的倍数时,有满足上式的自然数 $n$,所以在甲、乙出发后的 $\frac{150}{30+10}+67.5c=3.75+67.5c\,(c=0,1,2,\cdots)$ 小时,它们同时到达大桥。
思路:先算出甲、乙各自往返一次的时间,用最小公倍数处理同到 A 港;对到 B 港和大桥分情况(行进方向)列同余方程,判断是否存在自然数解并求最早时刻。
25. 某人乘坐观光游船沿河流方向从 $A$ 港前行,发现每隔 $40$ 分钟就有一艘货船从后面追上游船,每隔 $20$ 分钟就会有一艘货船迎面开来。已知 $A$,$B$ 两港之间货船发出的间隔时间相同,且船在静水中速度相同,均是水速的 $7$ 倍。那么货船的发出间隔是 ______ 分钟。
流水中的相遇与追及流水行船基本公式
答案
$28$
解题步骤
由于间隔时间相同,设顺水两货船之间的距离为“$1$”,逆水两货船之间的距离为 $(7-1)\div(7+1)=\frac{3}{4}$。所以,货船顺水速度$-$游船顺水速度$=\frac{1}{40}$,即货船静水速度$-$游船静水速度$=\frac{1}{40}$,货船逆水速度$+$游船顺水速度$=\frac{3}{4}\times\frac{1}{20}$
$=\frac{3}{80}$,即货船静水速度$+$游船静水速度$=\frac{3}{80}$,可以求得货船静水速度是 $\left(\frac{1}{40}+\frac{3}{80}\right)\div2=\frac{1}{32}$,货船顺水速度是 $\frac{1}{32}\times\left(1+\frac{1}{7}\right)=\frac{1}{28}$,所以货船的发出间隔时间为 $1\div\frac{1}{28}=28$(分钟)。
思路:以货船间距为单位,分别由追及与相遇的时间得到两组速度关系,解出货船静水速度与顺水速度,再用顺水货船间距除以顺水速度得发出间隔。
26. $A$,$B$ 两地位于同一条河上,$B$ 地在 $A$ 地下游 $100$ 千米处。甲船从 $A$ 地,乙船从 $B$ 地同时出发相向而行,甲船到达 $B$ 地,乙船到达 $A$ 地后,都立即按原来路线返航。水速为 $2$ 米/秒,且两船在静水中的速度相同。如果两船前两次相遇的地点相距 $20$ 千米,那么两船在静水中的速度是 ______ 米/秒。
柳卡图(行程图)流水中的相遇与追及流水行船基本公式
答案
$10$
解题步骤
本题采用柳卡图来分析较为简便。如下图所示,箭头表示水流方向,$A\to C\to E$ 表示甲船的路线,$B\to D\to F$ 表示乙船的路线,两个交点 $M$,$N$ 就是前两次相遇的地点。
由于两船在静水中的速度相同,所以两船的顺水速度和逆水速度都分别相同,那么两船顺水行船和逆水行船所用的时间都分别相同,表现在图中,就是 $BC$ 和 $DE$ 的长度相同,$AD$ 和 $CF$ 的长度相同。那么根据对称性可以知道,$M$ 点距 $BC$ 的距离与 $N$ 点距 $DE$ 的距离相等,也就是说两次相遇地点与 $A$,$B$ 两地的距离总是相等的。而这两次相遇的地点本身相距 $20$ 千米,所以第一次相遇时,两船分别走了 $(100-20)\div2=40$(千米)和 $100-40=60$(千米),可得两船的顺水速度与逆水速度之比为 $60:40=3:2$。
而顺水速度与逆水速度的差为水速的 $2$ 倍,水速为 $4$ 米/秒,可得顺水速度为 $4\div(3-2)\times3=12$(米/秒),那么两船在静水中的速度为 $12-2=10$(米/秒)。
思路:用柳卡图刻画两船往返轨迹,利用对称性得两相遇点到两岸距离相等,求出第一次相遇各自路程比即顺逆水速度比,再由水速求静水船速。
27. $A$,$B$ 两地分别在一条河的上下游,甲、乙两条船同时从 $A$ 地出发,行到 $B$ 地立即返回,如果甲乙两船在静水中速度分别为每小时 $21$ 千米和每小时 $15$ 千米。水速为每小时 $3$ 千米,两船从出发到第二次相遇,所用的时间是甲船从 $A$ 到 $B$ 所用时间的 ______ 倍。
柳卡图(行程图)流水行船基本公式流水中的相遇与追及
答案
$\frac{8}{3}$
解题步骤
甲顺水速度为 $21+3=24$(千米/小时),逆水速度为 $21-3=18$(千米/小时);乙顺水速度为 $15+3=18$(千米/小时),逆水速度为 $15-3=12$(千米/小时)。设 $AB$ 间距离 $72a$ 千米,那么甲从 $A$ 到 $B$ 的时间为 $3a$ 小时;从 $B$ 到 $A$ 的时间为 $4a$ 小时;乙从 $A$ 到 $B$ 的时间为 $4a$ 小时,从 $B$ 到 $A$ 的时间为 $6a$ 小时。作柳卡图,从图中可以知道,甲乙两船在 $O$ 点时刻第二次相遇,利用相似模型,令 $BG$ 为 $x$,$CD=10a-4a$
$=6a$,$EF=10a-7a$
$=3a$,所以 $\frac{CD}{EF}=\frac{6a}{3a}$
$=\frac{2}{1}$,$\frac{x-4a}{10a-x}=\frac{2}{1}$,所以 $x=8a$,即 $O$ 点对应的时刻为 $8a$,即经过 $8a$ 小时后第二次相遇。这个时间是甲船从 $A$ 到 $B$ 所用时间的 $\frac{8}{3}$ 倍。
思路:分别求甲乙顺逆水速度,设全程为便于计算的长度算出各段用时,作柳卡图用相似三角形求第二次相遇时刻,再与甲单程时间作比。
28. $A$ 地位于河流的上游,$B$ 地位于河流的下游。每天早上,甲船从 $A$ 地、乙船从 $B$ 地同时出发相向而行。从 $12$ 月 $1$ 日开始,两船都装上了新的发动机,在静水中的速度变为原来的 $1.5$ 倍,这时两船的相遇地点与平时相比变化了 $1$ 千米。由于天气原因,今天($12$ 月 $6$ 日)的水速变为平时的 $2$ 倍,那么今天两船的相遇地点与 $12$ 月 $2$ 日相比,将变化 ______ 千米。
流水中的相遇与追及比例与方程在行程问题中的应用
答案
$2$
解题步骤
设甲船静水速度为 $V_1$,乙船静水速度为 $V_2$,原来水速为 $V_3$,根据题意,有:
| | 甲船顺水速度 | 乙船逆水速度 | 速度和 | 相遇时间 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| 最初 | $V_1+V_3$ | $V_2-V_3$ | $V_1+V_2$ | $3t$ |
| $12$ 月 $2$ 日 | $1.5V_1+V_3$ | $1.5V_2-V_3$ | $1.5V_1+1.5V_2$ | $2t$ |
| $12$ 月 $6$ 日 | $1.5V_1+2V_3$ | $1.5V_2-2V_3$ | $1.5V_1+1.5V_2$ | $2t$ |
即 $3$ 次的时间比为 $3:2:2$,甲船 $3$ 次的路程分别为 $3t\times(V_1+V_3)$,$2t\times(1.5V_1+V_3)$,$2t\times(1.5V_1+2V_3)$。由 $3t\times(V_1+V_3)-2t\times(1.5V_1+V_3)=1$ 得 $V_3t=1$;则 $2t\times(1.5V_1+2V_3)-2t\times(1.5V_1+V_3)=2V_3t$
$=2$(千米),即相遇地点与 $12$ 月 $2$ 日相比将变化 $2$ 千米。
思路:用表格列出三种情形下甲船顺水速度与相遇时间,作差消去船速得出 $V_3t=1$,再比较 6 日与 2 日甲船路程之差求相遇点变化。
第16讲 环形跑道与钟面行程
钟面行程问题:时针每分钟走0.5度(1/12格)、分针每分钟走6度(1格),利用追及与相遇模型求两针重合、垂直或成定角的时刻。
环形跑道追及:同向出发时,快者比慢者多跑一圈即追上一次,追及距离为周长的整数倍。
环形跑道相遇:反向出发时,两人合走一圈即相遇一次,常用合速度乘时间分析多次相遇。
走时不准的钟表:通过快慢钟与标准钟的速度比(时间比)进行换算,求实际时间或被克扣的时间。
速度比与路程分配:利用速度变化前后的速度比把全程按份数分配,求相遇点位置与周长。
周期与最小公倍数:多个钟或多人重复出现同一状态的时间均为周期,用最小公倍数求首次共同状态的时刻。
复杂行程的枚举与逻辑分析:对带停顿、变向、变速等复杂行程问题,结合枚举和分类讨论确定相遇与追及的时刻和地点。
1. 在 16 点 16 分这个时刻,钟表盘面上时针和分针的夹角是______度。
钟面行程问题时针分针夹角
答案
32
解题步骤
16 点的时候分针与时针的夹角为 120 度。每分钟,分针转 6 度,时针转 0.5 度。$16:16$ 的时候分针与时针的夹角为 $120-6\times 16+0.5\times 16=32$ 度。
思路:用整点夹角加上分针、时针在 16 分钟内的转角差求出夹角。
2. 在上午 $9:00$ 时,时钟上长针与短针所夹之劣角为 $90^{\circ}$。请问经过 10 分钟后,两针所夹之劣角为几度?(注:劣角为小于 $180^{\circ}$ 的角)
钟面行程问题时针分针夹角
答案
$145^{\circ}$
解题步骤
可知长针每分钟走 $360\div 60=6^{\circ}$,短针每分钟走 $(360\div 12)\div 60=0.5^{\circ}$,即长针每分钟比短针多走 $5.5^{\circ}$,因此 10 分钟后长针比短针多走 $55^{\circ}$,即两针所夹之劣角为 $90^{\circ}+55^{\circ}=145^{\circ}$。
思路:以整点夹角为基础,加上 10 分钟内分针比时针多转的角度。
3. 在 4 点至 5 点之间,请问在何时时钟的分针与时针重合在一起?
钟面行程问题时针分针重合
答案
4 点 $21\frac{9}{11}$ 分
解题步骤
时针每分钟走 $\frac{1}{12}$ 格,分针每分钟走 1 格,从 4 点起到时针与分针重合这段时间内两者路程差为 20 格,时间为 $20\div\left(1-\frac{1}{12}\right)=21\frac{9}{11}$(分钟)。故现在时间为 4 点 $21\frac{9}{11}$ 分。
思路:用追及思想:分针追上时针需追上 4 点时的 20 格路程差。
4. 现在是 11 点整,再过______分钟,时针和分针第一次垂直。
钟面行程问题时针分针垂直
答案
$10\frac{10}{11}$
解题步骤
时针每分钟走 $\frac{1}{12}$ 格,分针每分钟走 1 格,从 11 点整开始到时针和分针第一次垂直的这段时间内,两者的路程差为 10 格,时间为 $10\div\left(1-\frac{1}{12}\right)=10\frac{10}{11}$(分),故再过 $10\frac{10}{11}$ 分钟分针和时针第一次垂直。
思路:11 点整两针相距约一格多,分针追到与时针成直角需追 10 格。
5. 某小组在下午 6 点开了一个会,刚开会时小张看了一下手表,发现那时表的分针与时针垂直。下午 7 点之前小组会就结束了,散会时小张又看了一下手表,发现分针与时针仍然垂直,那么这个小组会共开了______分钟。
钟面行程问题时针分针垂直
答案
$32\frac{8}{11}$
解题步骤
分针每分钟走 1 格,时针每分钟走 $\frac{1}{12}$ 格。这段时间内的路程差为 30 格,需 $30\div\left(1-\frac{1}{12}\right)=32\frac{8}{11}$(分钟)。
思路:两次垂直之间分针比时针多转半圈(30格),用追及求时间。
6. 小赵、小钱、小孙三人沿湖边练习跑步。三人同时从湖边某一点出发,小钱、小孙二人同向,小赵与小钱、小孙反向。在小赵第一次遇到小钱后 $1\frac{1}{4}$ 分钟第一次遇到小孙;再过 $3\frac{3}{4}$ 分钟第二次遇到小钱。已知小赵的速度与小钱的速度比是 $3:2$,湖的周长为 2000 米。那么,小孙沿湖边跑一圈需要______分钟。
环形跑道相遇速度和与速度差
答案
25
解题步骤
小赵和小钱的速度和为 $2000\div\left(1\frac{1}{4}+3\frac{3}{4}\right)=400$(米/分钟),由小赵与小钱的速度比为 $3:2$,知:小赵的速度为 $400\div(3+2)\times 3=240$(米/分钟),小赵与小孙的速度和为 $2000\div\left(1\frac{1}{4}+3\frac{3}{4}+1\frac{1}{4}\right)=320$(米/分钟),于是,小孙的速度为 $320-240=80$(米/分钟),所以小孙沿湖边跑一圈需要 $2000\div 80=25$(分钟)。
思路:先用相遇时间求各速度和,再按速度比拆分求小孙速度并求绕一圈时间。
7. 右图的二个圆只有一个公共点 $A$,大圆直径 48 厘米,小圆直径 30 厘米。二只甲虫同时从 $A$ 点出发,按箭头所指的方向以相同速度分别沿二个圆爬行。问:当小圆上的甲虫爬了几圈时,二只甲虫相距最远?
两个内切圆,公共点 A 在左侧。大圆上另有一点 B 在右侧。两只甲虫从 A 点出发,箭头表示分别沿小圆和大圆同向爬行。
环形行程周期与最小公倍数
答案
4
解题步骤
圆内的任意两点,以直径两端点的距离最远。如果沿小圆爬行的甲虫爬到 $A$ 点,沿大圆爬行的甲虫恰好爬到 $B$ 点,两甲虫的距离便最远。小圆周长为 $30\pi$,大圆周长为 $48\pi$,一半便是 $24\pi$。30 与 24 的最小公倍数是 120。$120\div 30=4$;$120\div 24=5$。所以小圆上甲虫爬了 4 圈时,大圆上甲虫爬了 5 个半圈时,即爬到了 $B$ 点。这时两只甲虫相距最远。
思路:两虫相距最远要求一虫在 A、一虫在直径另一端 B,求两段路程长的最小公倍数确定圈数。
8. 甲、乙二人在同一条椭圆形跑道上作特殊训练:他们同时从同一地点出发,沿相反方向跑,每人跑完一圈到达发点后立即回头加速跑第二圈,跑第一圈时,乙的速度是甲速度的 $\frac{2}{3}$,甲跑第二圈时速度比第一圈提高了 $\frac{1}{3}$,乙跑第二圈时速度提高了 $\frac{1}{5}$。已知甲、乙二人第二次相遇点距第一次相遇点 190 米,问:这条椭圆形跑道长多少米?
环形跑道相遇速度比与路程分配
答案
400
解题步骤
让我们画两个示意图,并设一开始时甲的速度是 $3a$,于是乙的速度便是 $2a$。再设跑道长是 $L$,则甲、乙第一次相遇点,按甲前进方向距出发点为 $\frac{3}{5}L$。甲跑完第一圈,乙跑了 $\frac{2}{3}L$,乙再跑余下的 $\frac{1}{3}L$,甲已折返,且以 $3a\times\left(1+\frac{1}{3}\right)=4a$ 的速度跑,所以在乙跑完第一圈时,甲已折返跑了 $\frac{2}{3}L$,这时,乙折返并以 $2a\left(1+\frac{1}{5}\right)=\frac{12}{5}a$ 的速度跑着。从这时起,甲、乙速度之比是 $4a:\frac{12}{5}a=5:3$。所以在二人第二次相遇时,甲跑了余下的 $\frac{1}{3}L$ 的 $\frac{5}{8}$,而乙跑了它的 $\frac{3}{8}$,即第二次相遇时距出发点 $\frac{3}{8}\times\frac{L}{3}=\frac{L}{8}$。可见两次相遇点间的距离是 $\left(\frac{3}{5}-\frac{1}{8}\right)L=190$(米),$L=400$(米)。
思路:分阶段确定两人速度比,算出两次相遇点相对出发点的位置,由距离差列方程求周长。
9. 在 490 米长的环形跑道上,甲、乙二人分别位于相距 50 米的 $A$、$B$ 两点,两人同时相背出发,在 $C$ 点相遇后,乙返回,甲方向不变,且甲的速度提高 $\frac{1}{5}$,乙的速度提高 $\frac{1}{4}$,当乙回到 $B$ 点时,甲刚好回到 $A$ 点,此后他们保持现在的速度和方向不变继续前行,直到甲追上乙,这时甲共跑了多少米?
环形跑道追及环形跑道相遇
答案
2602 米
解题步骤
乙从出发到回到 $B$ 点,相遇前后走过的距离都是 $BC$,相遇后速度为之前的 $\frac{5}{4}$,则时间为之前的 $\frac{4}{5}$,甲相遇后速度为之前的 $\frac{6}{5}$,时间为之前的 $\frac{4}{5}$,则走过路程为之前的 $\frac{24}{25}$,甲共走了 490 米,则相遇前走了 250 米,相遇后走了 240 米。甲要追上乙要比乙多走 440 米,而甲每走 240 米比乙多走 50 米,所以甲还要走 $240\times 440\div 50=2112$(米),甲共走了 $2112+490=2602$(米)。
思路:利用速度变化得出甲相遇前后路程,先算追及需多走的距离,再换算为甲总路程。
10. 某单位沿着围墙外面的小路,形成一个每边长 300 米的正方形。甲、乙两人分别从对顶角处沿逆时针方向同时出发(如右图)。已知甲每分钟走 100 米,乙每分钟走 70 米,那么经过多长时间甲第一次看到乙?
正方形小路,边长 300 米。甲在右上角处沿逆时针(向左,标注 甲←)出发,乙在左下角处沿逆时针(向右,标注 乙→)出发,两人相距对角线两端。
环形跑道追及复杂行程的枚举与逻辑分析
答案
12 分钟
解题步骤
甲要想看见乙,一定是两人出现在同一条边上时,也即两人的距离为 300 米时,甲才有可能看见乙。现在两人相距 600 米,也即需要至少追 300 米,$300\div(100-70)=10$(分钟)。10 分钟以后,甲走了 1000 米,即走过 3 条边又 100 米,乙在甲前方 300 米处,显然两人不在同一条边。此时需要甲再走 200 米到达拐角,才能看见乙,因此还需要 $200\div 100=2$(分钟),因此共需要 $10+2=12$(分钟)。
思路:先按追及算出距离缩短到一条边长,再分析转角位置确认能否同边,补足到拐角的时间。
11. 当恰好是 12 点钟时,时针和分针是完全重合在一起的,到下一次 12 点时,时针和分针还要重合______次。
钟面行程问题时针分针重合
答案
11
解题步骤
时针和分针每隔 $60\div\left(1-\frac{1}{12}\right)=65\frac{5}{11}$(分钟)重合一次,12 小时之内重合 $12\times 60\div 65\frac{5}{11}=11$(次)。
思路:求两针每次重合的时间间隔,用 12 小时除以间隔得重合次数。
12. 台风天下午 10 时到 12 时,某国家的总统率所有的内阁阁员视察防台中心,在总统做简报时,有位阁员竟然在座位上呼呼大睡。次日当国会议员质询他时,他辩称:“我哪有呼呼大睡?您有听到我呼呼吗?我只是把眼睛闭起来一下而已!”他又说:“我闭眼前看了一下手表,当时我手表的时针与分针所指的位置与睁开眼睛时的位置百分之百精准地在同一位置。”原来这位阁员睡醒睁开眼睛时把时针和分针的位置弄反了。请问这位阁员当时:“闭了眼睛”多少分钟?
钟面行程问题时针分针位置互换
答案
$55\frac{5}{13}$ 分钟
解题步骤
分针每分钟走 $6^{\circ}$,时针每分钟走 $0.5^{\circ}$,阁员睡着的时间分针刚好走到了时针原来所在的位置,而时针向前走到了分针原来所在的位置。也就是时针和分针加起来刚好走了一圈,也就是 $360^{\circ}$。于是走过的时间是 $360\div(6+0.5)=55\frac{5}{13}$(分钟),即内阁睡着了 $55\frac{5}{13}$ 分钟。
思路:两针位置互换意味着两针合走一整圈,用合速度除 360 度得时间。
13. 一只钟的时针与分针指向 4 与 6 之间,且钟面上的“5”字恰好在两针的正中央,那么这时是______。
钟面行程问题时针分针对称
答案
4 点 $27\frac{9}{13}$ 分 或 5 点 $23\frac{1}{13}$ 分
解题步骤
时针与分针关于数字“5”对称,分两种情况:当时间为 4 点多时,从 4 点整到此刻,路程和为 $25+5=30$(格),时间为 $30\div\left(1+\frac{1}{12}\right)=27\frac{9}{13}$(分钟);当时间为 5 点多时,从 5 点整到此刻,路程和为 $20+5=25$ 格,时间为 $25\div\left(1+\frac{1}{12}\right)=23\frac{1}{13}$(分钟)。故时间为 4 点 $27\frac{9}{13}$ 分或 5 点 $23\frac{1}{13}$ 分。
思路:两针关于5对称即两针到5的路程和等于一固定格数,分时段用速度和列式。
14. 有一只十二小时制的手表每小时慢 5 秒钟,而另一只手表每小时快 3 秒钟。现将两只手表都拨准同样时间,请问多少小时后两只手表所指示的时间再度相同?
走时不准的钟表周期与最小公倍数
答案
5400 小时
解题步骤
因两只手表每小时差了 $5+3=8$(秒),而两只手表所指示的时间再度相同时,所指示的时间差了 12 小时,即 43200 秒,故经过的时间为 $43200\div 8=5400$(小时)。
思路:两表每小时相差固定秒数,差满 12 小时(43200 秒)即再次显示相同时间。
15. 有三个古董钟,它们的时针都掉了,只剩下分针,且都走得较快,这三个钟每小时分别快了 3 分钟、6 分钟及 8 分钟。若在正中午将这三个钟的分针都调整指向 12,请问至少几小时后这三个钟的分针会指向相同的分钟数字?
走时不准的钟表周期与最小公倍数
答案
60 小时
解题步骤
令每小时分别快了 3 分钟、6 分钟及 8 分钟的古董钟依序为 $A$、$B$、$C$。因 $A$ 和 $B$ 每小时差 3 分,所以分针会在每 $60\div 3=20$(小时)后指向同样的数字。同样地,因 $A$ 和 $C$ 每小时差 5 分,故每 $60\div 5=12$(小时)后分针指向同样的数字,而 $B$ 和 $C$ 每小时差 2 分,故每 $60\div 2=30$(小时)后分针指向同样的数字。20、12、30 的最小公倍数为 60,即 60 小时后这三个钟的分针会指向相同的分钟数字。
思路:两两钟分针重合的周期由每小时差决定,三者同时重合取周期的最小公倍数。
16. 如下图所示,大圈是 400 米跑道,由 $A$ 到 $B$ 的跑道长是 200 米,直线距离是 50 米。父子俩同时从 $A$ 点出发逆时针方向沿跑道进行长跑锻炼,儿子跑大圈,父亲每跑到 $B$ 点便沿直线跑。父亲每 100 米用 20 秒,儿子每 100 米用 19 秒。如果他们按这样的速度跑,儿子在跑第几圈时,第一次与父亲再相遇?
一个由两个半圆和直线段组成的环形(操场)跑道,顶部为 A 点,底部为 B 点,A、B 之间有一条竖直直线连接(捷径),将跑道分成两半。
环形跑道追及复杂行程的枚举与逻辑分析
答案
第 3 圈
解题步骤
首先我们要注意到:父亲和儿子只能在由 $A$ 沿逆时针方向到 $B$ 这一段跑道上相遇,而且儿子比父亲跑得快,所以相遇时一定是儿子从后面追上父亲。儿子跑一圈所用的时间是 $19\times(400\div 100)=76$(秒),也就是说,儿子每过 76 秒到达 $A$ 点一次。同样道理,父亲每过 $(200+50)\div 100\times 20=50$ 秒到达 $A$ 点一次。在从 $A$ 到 $B$ 逆时针方向的一段跑道上,儿子要跑 $19\times(200\div 100)=38$(秒),父亲要跑 $20\times(200\div 100)=40$(秒)。因此,只要在父亲到达 $A$ 点后的 2 秒之内,儿子也到达 $A$ 点,儿子就能从后面追上父亲。于是,我们需要找 76 的一个整数倍(这个倍数是父子相遇时儿子跑完的圈数),它比 50 的一个整数倍大,但至多大 2。即要找 76 的一个倍数,它除以 50 的余数在 0 到 2 之间,这试一下就可以了:$76\div 50$ 余 26,$76\times 2\div 50$ 余 2,正合我们的要求。(在一般情况下,应该先看看 76 的倍数除以 50 的余数有什么规律)因此,在父子第一次相遇时,儿子已跑完 2 圈,也就是正在跑第 3 圈。
思路:分别求父子到达 A 点及跑完 AB 段的时间,找儿子追上父亲的圈数,转化为余数枚举。
17. 甲、乙两人同时同地同向出发,沿环形跑道匀速跑步。如果出发时乙的速度是甲的 2.5 倍,当乙第一次追上甲时,甲的速度立即提高 25%,而乙的速度立即减少 20%,并且乙第一次追上甲的地点与第二次追上甲的地点相距 100 米,那么这条环形跑道的周长是______米。
环形跑道追及速度比与路程分配
答案
150 米或 300 米
解题步骤
甲乙两人的速度比为 $1:2.5=2:5$,当乙第一次追上甲的时候,甲跑了 2 份,乙跑了 5 份,乙比甲多跑了一圈,说明一圈 3 份。追上以后,甲乙的速度比变成 $(2\times 1.25):(5\times 0.8)=5:8$,说明甲跑了 5 份,乙跑了 8 份。第一次相遇甲跑了 2 份,第二次相遇甲又跑了 5 份,那么两次相遇点相距 1 份或者 2 份,因此跑道周长是 300 米或者 150 米。
思路:用份数表示速度比,第一次追及确定一圈份数,第二次追及按份数差求周长(分两种情形)。
18. $8$ 点 10 分,有甲、乙两人以相同的速度分别从相距 60 米的 $A$、$B$ 两地顺时针方向沿着长方形 $ABCD$(见下图)的边走向 $D$ 点,甲 8 点 20 分到 $D$ 后,丙、丁两人立即以相同的速度从 $D$ 点出发,丙由 $D$ 向 $A$ 走去,8 点 24 分与乙在 $E$ 点相遇,丁由 $D$ 向 $C$ 走去,8 点 30 分在 $F$ 点被乙追上,则连接三角形 $BEF$ 的面积为______平方米。
长方形 ABCD,A 在左上、D 在右上、B 在左下、C 在右下。M 在 AB 边上,E 在 AD 边上,F 在 DC 边上,连接成三角形 BEF。
环形跑道行程等积变形与面积计算
答案
2497.5
解题步骤
如右图所示,假设 8 点 20 分时,乙走到了 $M$ 点,由于甲、乙两人速度相同,因此有 $AB+AM=AD$,也即 $MD=AB$
$=60$ 米,此时丙、丁从 $D$ 点出发,单独看乙和丙,两人做了一个相遇运动,相遇的时间是 4 分钟,相遇路程是 60 米,因此两人的速度差为 6 米/分。又因为丙和丁的速度相同,因此有乙的速度为 $(15+6)\div 2=10.5$ 米/分钟,乙花了 14 分钟走到 $E$ 点,走了 $10.5\times 14=147$(米),$AE$ 长度为 $147-60=87$(米)。同理乙花了 20 分钟走到 $F$ 点,走了 $10.5\times 20=210$(米),$DF$ 长度为 $210-60-105=45$(米)。因此有:$S_{\triangle BEF}=S_{ABCD}-S_{\triangle ABE}-S_{\triangle BCF}-S_{\triangle DEF}$
$=6300-2610-405-787.5$
$=2497.5$(平方米)。
思路:先用速度关系求各动点位置,再用矩形面积减去三个角上三角形面积得目标三角形面积。
19. 在环形自行车赛场内,甲、乙、丙三人骑自行车进行训练。他们同时出发,速度、方向及起点如下图所示,则在出发后多少分钟三人第一次同时相遇?
一个圆形环道。甲在 A 点以 2/3 圈/分钟运动,乙在 B 点以 3/4 圈/分钟运动,丙以 1/2 圈/分钟运动;图中标注 B 处距起点为 1/4 圈,C、A 处分别标注 1/6 圈等弧长信息。
环形跑道相遇复杂行程的枚举与逻辑分析
答案
5 分钟
解题步骤
乙、丙首次相遇:$\frac{1}{4}\div\left(\frac{1}{2}+\frac{3}{4}\right)=\frac{1}{5}$(分钟),以后每 $1\div\left(\frac{1}{2}+\frac{3}{4}\right)=\frac{4}{5}$(分钟)相遇一次。甲、丙首次相遇:$\left(1-\frac{1}{6}\right)\div\left(\frac{1}{2}+\frac{2}{3}\right)=\frac{5}{7}$(分钟),以后每 $1\div\left(\frac{1}{2}+\frac{2}{3}\right)=\frac{6}{7}$(分钟)相遇一次。枚举可知乙、丙第七次相遇是出发后 5 分钟,此时甲、丙正好第六次相遇,即出发后 5 分钟三人第一次相遇。
思路:分别求乙丙、甲丙的相遇时刻数列,再枚举找到三人同时相遇的最早时刻。
20. 一个边长为 100 米的正方形跑道,甲、乙二人分别在跑道相对的两个顶点逆时针同时起跑。甲的速度是每秒 7 米,乙的速度是每秒 5 米。他们在转弯处都要耽误 5 秒,当甲第一次追上乙时,乙跑了______米。
环形跑道追及复杂行程的枚举与逻辑分析
答案
600
解题步骤
如果都没有休息,那么需要 $200\div(7-5)=100$(秒)甲可以追上乙,即甲跑了 $100\times 7=700$(米),乙跑了 $100\times 5=500$(米)。设此顶点为 $A$,考虑到甲乙都要休息,甲到 $A$ 点需用时 $100+5\times 6=130$(秒),即甲在第 $130\sim 135$ 秒之间在 $A$ 点,乙跑 500 米需用时 $100+5\times 4=120$(秒),即乙在第 $120\sim 125$ 秒之间在 $A$ 点,两人在 $A$ 点停留的时间没有交叉,所以在 $A$ 点没有追上,并且可以知道当甲从 $A$ 点出发时,乙已经距离 $A$ 点 $10\times 5=50$(米),$50\div(7-5)=25$(秒),所以在下一个顶点之前甲追不上乙,考虑正方形的下一个顶点处,令此顶点为 $B$,$100\div 5=20$(秒),乙在第 $125+20=145$(秒)时到 $B$ 点,乙在第 $145\sim 150$ 秒之间停留在 $B$ 点,$100\div 7=14\frac{2}{7}$(秒),甲在第 $135+14\frac{2}{7}=149\frac{2}{7}$(秒)时到 $B$ 点,甲在第 $149\frac{2}{7}\sim 154\frac{2}{7}$ 秒间停留在 $B$ 点。两者的时间有交叉,所以在 $B$ 点处甲第一次追上乙,此时乙共跑了 $500+100=600$(米)。
思路:考虑转弯停顿后逐个顶点判断甲乙是否同时在该点,找到首次追上的顶点求乙路程。
21. 有一个钟,每小时慢 3 分钟,早上 4:30 的时候对准了时间,则钟走到当天上午 10:50 时,标准时间是______。
走时不准的钟表速度比与时间换算
答案
11:10
解题步骤
根据已知条件可知:标准钟走 20 分钟时,这个钟只走了 19 分钟。题中这个钟走过了 6 小时 20 分钟,即 380 分钟,而此时标准时钟应该已经走过了 $380\div 19\times 20=400$(分钟),所以此时的标准时间是 11:10。
思路:由慢钟与标准钟的走时比例,把慢钟走过的时间换算成标准时间。
22. 一辆汽车的速度是每小时 50 千米,现有一块每 5 小时慢 2 分钟的表,若用该表计时,测得这辆汽车的时速是多少?(得数保留一位小数)
走时不准的钟表速度比与时间换算
答案
50.3 千米/小时
解题步骤
正常表走 5 小时,慢表只走了 $5\times 60-2=298$(分钟),因此,用慢表测速度,这辆汽车的速度是:$50\times 5\div\frac{298}{60}\approx 50.3$(千米/小时)。
思路:慢表计时偏短使测得速度偏大,用真实路程除以慢表所示时间求时速。
23. 有一个时钟,它每小时慢 25 秒,今年 3 月 21 日中午 12 点它的指示正确。请问:这个时钟下一次指示正确的时间是几月几日几点钟?
走时不准的钟表周期与最小公倍数
答案
6 月 1 日中午 12 点
解题步骤
当这个时钟慢 12 个小时的时候,它又指示准确的时间,慢 12 个小时需 $\frac{60\times 60\times 12}{25}=12\times 12\times 12$(小时),相当于:$\frac{12\times 12\times 12}{24}=72$(天)。3 月份有 31 天,因此 3 月份还有 10 天,4 月份有 30 天,5 月份有 31 天,到 6 月 1 日中午,恰好是 72 天。所以下一次指示正确时间是 6 月 1 日中午 12 点。
思路:慢钟累计慢满 12 小时才再次显示正确,换算成天数后从起点推算日期。
24. 假设某星球的一天只有 10 小时,每小时有 100 分钟,在该星球的时钟上时针转一圈为 10 小时。请问在 6 点 75 分时,时针与分针所形成的锐角为多少度?
钟面行程问题时针分针夹角
答案
27 度
解题步骤
每分钟时针转 0.36 度,分针转 3.6 度。6 点 75 分时,夹角为 $75\times(3.6-0.36)-6\times 36=27$(度)。
思路:按该星球钟面重新计算时针、分针每分钟转角,再求 6 点 75 分两针夹角。
25. 有一位修表师傅误把手表的某个齿轮装反了,导致分针的转向变为逆时针方向,除此之外手表的所有功能完全正常。师傅在中午 $12:00$ 整时校正手表的时针分针重合在数字 12 之上。请问在下午 4 时至 5 时之间,这块手表时针与分针重合时所显示的时刻为何?(并非当时正确的时刻)
钟面行程问题时针分针重合
答案
4 时 $23\frac{1}{13}$ 分钟
解题步骤
分针每分钟转 $6^{\circ}$,时针每分钟转 $0.5^{\circ}$。因为下午 4 点的时候时针与分针夹角是 $360-30\times 4=240$(度),也就是经过 $240\div(6+0.5)=36\frac{12}{13}$(分钟)后时针与分针重合,此时,分针位于钟面上 $60-36\frac{12}{13}=23\frac{1}{13}$ 处,即显示的时刻是 4 时 $23\frac{1}{13}$ 分钟。
思路:分针倒转后两针相向运动,用合速度追上 4 点夹角,再换算成手表显示的刻度。
26. 有一位修表师傅误把手表的时针装成与分针一样的零件,导致这块手表无法判别哪个是时针与哪个是分针,除此之外手表的一切功能完全正常。师傅在中午 $12:00$ 整时校正手表,将两针重合在数字 12 上。假设我们可以百分之百地精确读出两针所指的时刻,请问第一次我们无法从这块手表正确地判断出的时间是在什么时刻?(即:手表的两针所指的时刻有两种可能)
钟面行程问题时针分针位置互换
答案
12 时 $5\frac{5}{143}$ 分钟
解题步骤
第一次无法判断的时刻应该是中午 12 点过若干分钟,假设过了 $n$ 分钟,那么分针走过了 $6n$ 度,时针走过了 $0.5n$ 度,如果此时把时针和分针对换以后时间看起来依然合理,那么分针应该是指着与 12 点夹角 $0.5n$ 度的地方,此时应该理解成分针转了一圈以后所到达的位置,否则时针应该在分针之后,于是此时时针指向的位置 $6n$ 度处应该在 1 点之后,于是 $6n-30$ 为时针走过的度数,分针走过的度数应该是这个度数的 12 倍,所以 $12\times(6n-30)=0.5n$,于是 $n=5\frac{5}{143}$,此时正确时间是 12 时 $5\frac{5}{143}$ 分钟。
思路:设过 n 分钟,要求两针互换后仍是合理时刻,列方程求出最早满足的时刻。
27. 某黑心老板的计时钟比标准钟慢,他的计时钟按标准时间每 72 分钟分针与时针重合一次。工人师傅要按照这样的计时钟每天工作 8 小时。他规定 8 小时内的计时工资为 4 元,8 小时外超时工资为原计时工资的 2 倍。那么,工人师傅按这样的计时钟工作八小时,被这个黑心老板克扣了______元。
走时不准的钟表速度比与时间换算
答案
6.4
解题步骤
正常钟每 $360\div(6-0.5)=\frac{720}{11}$(分钟)时针与分针重合一次,而黑心老板的计时钟每 72 分钟重合一次,故正常钟与黑心钟的速度比为 $\frac{720}{11}:72=10:11$,时间比为 $11:10$,故黑心钟 8(小时)转化为正常时间为 $8\div 10\times 11=8.8$(小时),故被黑心老板克扣了 $(8.8-8)\times 8=6.4$(元)。
思路:由两针重合周期求快慢钟速度比,把黑心钟 8 小时换成实际工时,算超时工资差额。
28. $A$、$B$ 二人为练习马拉松围着公园不停地跑。二人都戴着手表,但他们的手表都走得不准,都有走慢的问题。
二人在某个时刻从某地出发,出发地有走时正确的钟表,他们都按正确时刻对了手表,然后同时向相反的方向跑去。
二人在跑的过程中,每通过一次出发地点,都把手表调成正确的时间。当他们第 2 次、第 3 次、第 4 次相遇时,各自的手表分别是下表中的时刻(出发时的相遇不算。另外,这几次的相遇地点都不是出发地点)。
$A$ 跑的速度,$B$ 跑的速度,$A$ 手表的慢速,$B$ 手表的慢速,互相之间可能都不一样,但各自的速度是一定的(途中没有加速)。
求二人出发的时刻。
表中各次相遇时手表所示时刻为:第 2 次 $A$:12 时 00 分,$B$:11 时 57 分;第 3 次 $A$:12 时 48 分,$B$:12 时 51 分;第 4 次 $A$:13 时 41 分,$B$:13 时 40 分。
环形跑道相遇复杂行程的枚举与逻辑分析
答案
10 时 19 分钟
解题步骤
从出发点到两人第一次相遇所经过的时间,以及从一次相遇到下一次相遇所经过的时间,都等于绕公园一周的路程除以两人的速度得到的商,是定值。另外,从一次相遇到下一次相遇之间,$A$ 和 $B$ 中有且仅有一人经过了出发点。题目中的表格里面的时刻中,从一次相遇到下一次相遇之间,求出 $A$ 和 $B$ 的手表所走的时间,可以得到下表($A$:第2次到第3次 48 分钟,第3次到第4次 53 分钟;$B$:第2次到第3次 54 分钟,第3次到第4次 49 分钟)。因为两人的手表比正确时间慢,所以在对准正确的时刻时,手表所走的时间增加了。两人绕公园跑一周的时间总是一定的,将手表对准时间时,对准后的时间也应该是一定的。因此根据上面的表格,$A$ 和 $B$ 绕公园一周期间手表慢的时间都等于 5 分钟。根据上面的表,两人从一次相遇到下一次相遇之间,$A$ 和 $B$ 的手表所走的时间,$A$ 是 48 分钟,$B$ 是 49 分钟。因此,$A$ 的手表比 $B$ 的手表慢的时间多。现在,两人跑一周的期间,手表所慢的时间相等,$A$ 的手表的时间慢的多,$A$ 绕公园一周比较快。两人从出发点到第一次相遇之间,谁也没有经过出发点。从第一次相遇到第二次相遇之间,$A$ 绕公园跑的距离是 1 周多,也就是说经过出发点的是 $A$。所以,我们知道,直到两人第二次相遇,$B$ 没有经过出发点。因此,两人开始的时间是 11 时 57 分向前数 49 分$\times 2$ 的时间,也就是说两人是在 10 时 19 分出发的。
思路:利用相邻相遇间隔为定值且每段恰有一人过出发点,分析手表慢量推出谁先过出发点,倒推出发时刻。
29. 甲乙两人沿一个周长 400 米的环形跑道匀速前进,甲行走一圈需 4 分钟,乙行走一圈需 7 分钟,他们同时同地同向出发,甲走完 10 圈后,改为反向行走,出发后,每一次甲追上乙或和乙迎面相遇时,两人都击掌示意。问:当两人第 15 次击掌时,甲共走了多少时间?乙走了多少路程?
环形跑道追及环形跑道相遇
答案
甲走了 $66\frac{2}{11}$ 分钟;乙走了 $3781\frac{9}{11}$ 米
解题步骤
甲走 10 圈时,共用了 $10\times 4=40$(分钟),这段时间乙走了 $40\div 7=5\frac{5}{7}$(圈),每当甲比乙多走 1 圈时,甲便追上乙一次,所以甲走完 10 圈时,比乙多走了 $4\frac{2}{7}$ 圈,两人共击掌 4 次,此时,甲、乙两人相距 $\frac{2}{7}$ 圈;甲反向行走后,经过 $\frac{2}{7}\div\left(\frac{1}{4}+\frac{1}{7}\right)=\frac{8}{11}$(分钟),两人第一次相遇,以后两人总行程每增加 1 圈,便出现一次相遇,即相遇事件发生的时间间隔为 $1\div\left(\frac{1}{4}+\frac{1}{7}\right)=\frac{28}{11}$(分钟),经过 $\frac{28}{11}\times 10=25\frac{5}{11}$(分钟),两人最后一次相遇,此时甲一共走了 $40+\frac{8}{11}+25\frac{5}{11}=66\frac{2}{11}$(分钟),乙走了 $66\frac{2}{11}\times\frac{400}{7}=3781\frac{9}{11}$(米)。
思路:分同向追及与反向相遇两阶段统计击掌次数,确定总时间,再用乙速度求乙路程。
第17讲 相遇与追及
相遇问题:两个物体从两地相向出发,利用“相遇时路程和等于两地距离、合走速度等于速度之和”来求距离、时间或速度。
追及问题:同向运动时,慢者在前、快者在后,利用“追及路程差等于速度差乘以追及时间”求解。
多次相遇与往返行程:两物体在两地间往返运动,第 n 次相遇时合走的全程数成规律(迎面相遇为奇数个全程),据此求位置与时间。
速度比与路程比:时间相同时路程比等于速度比,路程相同时时间比等于速度比的反比,是解行程问题的核心工具。
变速行程问题:运动过程中速度发生变化(提速、减速、调头变速),需分段处理并结合比例关系列式。
环形与往返追及:在环形跑道或往返路线上反复追及,每追上一次条件改变,需逐段累加路程与时间。
线段图与方程建模:借助线段图标出各关键点和距离,再设未知量列一元一次方程或方程组求解复杂行程问题。
1. 甲、乙两车同时从 $A$、$B$ 两地相向出发,第一次在距 $A$ 地 $3000$ 米处相遇。相遇后两车继续前行,各自到达目的地后立即返回,在距 $A$ 地 $500$ 米处第二次相遇。$A$、$B$ 两地相距______米。
多次相遇线段图分析相遇路程与全程关系
答案
4750
解题步骤
两人第一次相遇共走了一个全程。第二次相遇共走了三个全程。第二次相遇所用时间是第一次相遇所用时间的三倍。甲第一次相遇走了 $3$ 千米 $3000$ 米,所以第二次相遇时共走了 $3000\times3=9000$(米),即 $9000$ 米 $= AB+B$ 出发处后又走了 $500$ 米,则 $AB+500=9000$ 米 $=9500$ 米,所以 $AB$ 的长度是 $4750$ 米。
思路:利用第一次相遇两车合走一个全程、第二次相遇合走三个全程,得甲行三倍路程,再扣去多走的部分求出全程。
2. 甲、乙两人从 $A$、$B$ 两地同时出发相向而行,甲每分钟行 $70$ 米,乙每分钟行 $50$ 米。出发一段时间后,两人在距中点 $100$ 米处相遇。如果甲出发后在途中某地停留了一会儿,两人将在距中点 $250$ 米处相遇,那么甲在途中停留了______分钟。
相遇问题速度差停留时间
答案
12
解题步骤
两人在距中点 $100$ 米处相遇,则两人行走的路程差为 $100\times2=200$(米)。由路程差 $=$ 速度差 $\times$ 时间可以得到两人相遇时间为 $200\div(70-50)=10$(分钟),由 $A$、$B$ 两地间距离为 $10\times(70+50)=1200$(米)。两人在距中点 $250$ 米处相遇,乙走了 $1200\div2+250=850$(米),费时 $850\div50=17$(分钟);甲行了 $1200-850=350$(米),费时 $350\div70=5$(分钟),那么甲在途中停留了 $17-5=12$(分钟)。
思路:先由正常相遇求出两地距离与相遇时间,再分别算出第二次相遇时甲、乙各自行走时间,两者之差即为停留时间。
3. 某日清晨,一艘渡轮从香港岛驶向九龙,另一艘渡轮从九龙驶向香港岛,两艘渡轮航速不相同。它们同时出发,于上午 $8:20$ 首次相遇,两艘渡轮继续航行到目的地,停留 $15$ 分钟后才返航,两艘渡轮于上午 $9:11$ 再度相遇。假设两艘渡轮全程以匀速行驶,请问它们最初的开航时间是几点几分?
往返相遇二次相遇时间间隔
答案
$8$ 点 $2$ 分
解题步骤
第一、两次相遇到第二次相遇的时间间隔为 $51$ 分钟,减去中间停留的 $15$ 分钟,则 $51-15=36$(分钟),两船的路程和为 $2$ 个全程,所以一艘船所用行驶时间为 $36\div2=18$(分钟),那么开航的时间为 $8$ 点 $02$ 分钟。
思路:两次相遇船共行三个全程,扣去停留时间得船行驶的总时间,再据首次相遇推算出发时刻。
4. 上午 $8$ 点整,甲从 $A$ 地出发匀速去 $B$ 地,$8$ 点 $20$ 分甲与从 $B$ 地出发匀速去 $A$ 地的乙相遇;相遇后甲将速度提高到原来的 $3$ 倍,乙速度不变;$8$ 点 $30$ 分,甲、乙两人同时到达各自的目的地。那么,乙从 $B$ 地出发时是 $8$ 点______分。
相遇问题变速行程速度比与时间比
答案
$5$
解题步骤
$8$ 点 $20$ 分相遇,此时甲到 $A$ 地的距离等于甲走了 $20$ 分钟的路程。$8$ 点 $30$ 分乙到达目的地,说明乙走完这段路程花了 $10$ 分钟。甲乙的速度是相等的两段,当甲将速度提高到原速的 $3$ 倍时,此时甲的速度是乙速度的 $1.5$ 倍。甲从相遇点走到 $B$ 点花了 $10$ 分钟,因此乙原先花了 $10\times1.5=15$(分钟),所以乙是 $8$ 点 $5$ 分出发的。
思路:由相遇点到终点甲、乙各自所用时间及变速后的速度比,反推乙原来走相遇段所需时间,从而求出乙出发时刻。
5. 甲乙两车分别从 $A$、$B$ 两地同时相向开出,甲车的速度是 $50$ 千米/小时,乙车的速度是 $40$ 千米/小时,当甲车驶过 $A$、$B$ 距离的 $\frac{1}{3}$ 多 $50$ 千米时,与乙车相遇。$A$、$B$ 两地相距______千米。
相遇问题分数应用路程比与速度比
答案
225
解题步骤
$AB$ 距离的 $\frac{1}{3}$ 多 $50$ 千米即是 $AB$ 距离的 $\frac{5}{4+5}=\frac{5}{9}$,所以 $50$ 千米的距离相当于全程的 $\left(\frac{5}{9}-\frac{1}{3}\right)=\frac{2}{9}$,全程距离为 $50\div\frac{2}{9}=225$(千米)。
思路:利用甲乙速度比得相遇时甲行了全程的 $\frac{5}{9}$,结合“多 $50$ 千米”对应的分率求出全程。
6. 甲、乙两人分别以每小时 $6$ 千米、每小时 $4$ 千米的速度从相距 $30$ 千米的两地向对方出发地前进,当两人的距离为 $10$ 千米时,他们走了______小时。
相遇问题相向运动两种情况讨论
答案
$2$ 或 $4$
解题步骤
距离为 $10$ 千米有两种情况,一种是还没相遇,另外一种是相遇后。两种情况下两人的路程和分别为 $30-10=20$(千米)或 $30+10=40$(千米),两种情况下分别走了 $2$ 小时,$4$ 小时。
思路:相距 $10$ 千米对应相遇前与相遇后两种情形,分别用路程和除以速度和求时间。
7. 小明在河的东岸,小刚在河的西岸,他们分别向河对岸直线游去。两人第一次在河中相遇时距西岸 $80$ 米,相遇后各自继续向对岸游去,当游抵对岸后又立即返回。他俩在河中第二次相遇时距东岸 $60$ 米,相遇后再继续往前游,到达对岸后又立即返回。当他俩在河中第三次相遇时,距东岸______米,距西岸______米。
多次相遇渡河相遇模型路程和与全程关系
答案
距东岸______米,距西岸______米
解题步骤
(本题答案区未给出完整数值,分析略。)
思路:利用第一次相遇两人合走一个河宽、第二次合走三个河宽、第三次合走五个河宽的规律,结合首次相遇位置求各次相遇点到两岸的距离。
8. $A$、$B$ 两地相距 $6000$ 米,甲、乙两人分别从 $A$,$B$ 两地同时出发相向而行,结果在距 $B$ 地 $2400$ 米处相遇。如果乙的速度提高到原来的 $2.5$ 倍,那么两人可提前 $9$ 分钟相遇,则甲的速度是多少米/分钟?
相遇问题速度比与路程比变速相遇
答案
$150$ 米/分钟
解题步骤
第一种情况下相遇时乙走了 $2400$ 米,根据时间一定,速度比等于路程比,最初甲、乙的速度比为 $(6000-2400)\div2400=3\div2$,所以第一种情况中相遇时甲走了全程的 $\frac{3}{3+2}=\frac{3}{5}$。乙的速度提高到原来的 $2.5$ 倍后,两人速度比为 $3\div(2\times2.5)=3\div5$,根据时间一定,路程比等于速度之比,所以第二种情况中相遇时甲走了全程的 $\frac{3}{3+5}=\frac{3}{8}$。两种情况相比,甲的速度没有变化,只是第二种情况比第一种情况少走 $9$ 分钟,所以甲的速度为 $6000\times\left(\frac{3}{5}-\frac{3}{8}\right)\div9=150$(米/分钟)。
思路:用速度比求出两种相遇下甲所走的全程分率,二者之差对应甲 $9$ 分钟所行的路程,从而求甲速。
9. (本题题干位于原书缺失页,无法转录。根据答案分析,本题为一道往返相遇行程问题,涉及甲若返回时不提速则能行全程的 $\frac{1}{4}$,求全程。)
往返相遇行程问题
答案
2200
解题步骤
如果返回时不提速,那么甲能行 $\frac{1}{4}$ 全程,此时两人合走了 $2\frac{3}{4}$ 个全程。第一次相遇两人合走了 $1$ 个全程,所以两次相遇继续行的时间间隔为 $2\frac{3}{4}-1=1\frac{3}{4}$,全程数为 $1\frac{3}{4}$。甲到第 $2$ 次相遇共走了 $1\frac{1}{4}\times x=\frac{1}{2}x+\frac{1}{4}$,所以 $1\frac{1}{4}x-\left(x-100\right)\frac{1}{2}x+\frac{1}{4}$,所以 $x=1100$,全程为 $2200$ 米。
思路:利用往返相遇中各次合走全程数的关系列式,结合“返回不提速行全程 $\frac{1}{4}$”的条件求出全程。
10. (本题题干位于原书缺失页,无法转录。根据答案分析,本题为相遇追及问题,设 $x$ 分钟后乙与甲的距离与甲丙的距离相等,分两种情况求 $x$。)
相遇追及分类讨论一元一次方程
答案
$21$ 或 $29$
解题步骤
设 $x$ 分钟后乙与甲的距离与甲丙的距离相等,分两种情况:丙在甲、乙之间时,可以得到 $[203-(4x+5x)]\times2=5x+6x-203$,解得 $x=21$;丙在甲与 $A$ 地之间时,可以得到 $[(4x+5x)-203]\times2=5x+6x-203$,解得 $x=29$。
思路:按丙所处位置分两种情形,分别用“距离相等”列方程,解得两个满足条件的时间。
11. (本题题干位于原书缺失页,无法转录。根据答案分析,本题为变速行程问题,前 $10$ 分钟甲过乙、后 $25$ 分钟乙落后,最后两车同时到达,求甲降速后每小时多行多少千米。)
变速行程相遇追及速度差
答案
10
解题步骤
前 $10$ 分钟甲过乙 $2.5\times\frac{10}{60}=\frac{5}{12}$(千米),后 $25$ 分钟乙落后 $0.5\times\frac{25}{60}=\frac{5}{24}$(千米),乙共落后 $\frac{5}{12}+\frac{5}{24}=\frac{5}{8}$(千米),最后两车同时到达,$\frac{5}{8}$ 应该是甲降速的那 $5$ 分钟之比甲多走的,$\frac{5}{8}\div\frac{5}{60}=7.5$(千米/小时),即此时乙比甲每小时快 $7.5$ 千米,可知甲降速后是 $2.5+7.5=10$(千米/小时)。
思路:将各阶段甲乙的相对路程差累加,对应甲降速时段的速度差,从而求出甲降速后的速度。
12. (本题题干位于原书缺失页,无法转录。根据答案分析,本题中甲、乙、公共汽车速度比为 $1:2:10$,求中乙到甲所需的某段距离。)
追及问题速度比路程÷速度差
答案
440
解题步骤
设甲的速度为 $1$,那么乙的速度是 $2$,公共汽车的速度为 $2\times5=10$。根据路程差 $\div$ 速度差 $=$ 追及时间,所以中乙到甲里需要 $(1+10)\times40\div(2-1)=440$(千米)。
思路:按速度比设单位速度,利用追及公式(路程差除以速度差)求出所求路程。
13. (本题题干位于原书缺失页,无法转录。根据答案分析,本题为爸爸骑车与李华步行的相遇问题,三人三小时相遇,求某段路程。)
相遇追及行程问题路程速度时间关系
答案
$20$ 千米
解题步骤
设爸爸骑后 $x$ 小时三人相遇,那么李华步行了 $\left(x+\frac{1}{2}\right)$ 小时,共走了 $4\left(x+\frac{1}{2}\right)$ 千米;老师每小时步行 $4$,$1.2=5.2$(千米)共走了 $5.2x$ 千米;列方程 $4\left(x+\frac{1}{2}\right)+5.2x=20.4$,解出 $x=2$,这就是说,老师出发后 $2$ 小时三人相遇,是张明骑车从学校到相遇地点公里只用 $2-1.5=0.5$(小时),因此,张明每小时路程 $4\times2\frac{1}{2}\div0.5=20$(千米)。
思路:设相遇所用时间,分别表示各人行程,列方程求解后推算所求段的路程。
14. (本题题干位于原书缺失页,无法转录。根据答案分析,本题为爸爸两次追儿子的相遇追及问题,求爸爸第二次追上儿子的时刻。)
追及问题往返行程线段图分析
答案
$8$ 点 $32$ 分
解题步骤
方法一:如下图所示,爸爸在离家 $4$ 千米处,如果不返回,再走 $8$ 分钟,然后再向前追小明。应当在离家 $4+4=8$(千米)处给儿子追上小明,这时所用爸爸从离家 $4$ 千米处返回到家,共用 $8$ 分钟,再回到家里,共用 $8\div8=1$(千米/分钟),面爸爸一共走了 $16$ 千米,从而爸爸共用 $16$ 分钟,第二次追上小明时是 $8$ 点 $32$ 分 $(8+16+16=32)$。方法二:根据爸爸在离家 $4$ 千米处与儿子第二次追上儿子第二次相遇,儿子走了 $4$ 千米,爸爸走了 $4+4=12$(千米),因此爸爸与儿子的速度比 $3:1$,儿子 $8$ 分钟走的路程为 $4\div3\times(3-1)=\frac{8}{3}$(千米),那么儿子走 $8$ 千米用时为 $8\div\left(\frac{8}{3}\div8\right)=24$(分钟),因此爸爸第二次追上儿子时是 $8$ 点 $32$ 分。
思路:借助线段图分析爸爸往返追及的路程,用速度比与追及时间推算第二次追上的时刻。
15. (本题题干位于原书缺失页,无法转录。根据答案分析,本题为欢欢追上贝贝后调头回家的相遇追及问题,求某一时刻。)
追及问题变速行程时间推算
答案
$7:25$
解题步骤
欢欢从出发到追上贝贝用了 $6$ 分钟,那么她调头后速度提高到原来的 $2$ 倍,回到家所用的时间为 $3$ 分钟,换衣服用 $6$ 分钟,再回来从家里出发到学校所用时间为 $20-6-3-6=5$(分钟),故她要以原速度送达学校需要 $10$ 分钟,所以开始追上贝贝的 $6$ 分钟后路程到达学校共用 $14\times(6\div4)=21$(分钟),那么就说欢欢回到自己走了 $14$ 分钟,所以以 $6$ 分钟回到的路程时间为 $14$ 分钟,故就送达欢欢上贝贝时走了 $21$ 分钟,所以只有走了 $7$ 点 $25$ 分发的。
思路:由追上时间和变速后回家、换衣、返校各段所需时间累加,反推出题目所求的时刻。
16. (本题题干位于原书缺失页,无法转录。根据答案分析,本题为甲、乙相遇问题,由相遇前与相遇后甲走的路程相同求 $AB$ 距离。)
相遇问题速度路程关系方程求解
答案
135
解题步骤
由于相遇前甲走的路程与相遇后甲走的路程相同:相遇前 $S_\text{甲}+S_\text{乙}=V_\text{甲}+V_\text{乙}$;相遇后 $S_\text{乙}+S_\text{甲}=V_\text{甲}\times3+\frac{1}{2}\times\frac{1}{2}$
$=27+20$
$=54\div40$,所以 $41\div(81-40)\times(81+54)=135$(千米),即 $AB=135$ 千米。
思路:利用相遇前后甲所行路程相等的关系建立比例式,求出 $AB$ 之间的距离。
17. ……乙车才从 $B$ 城出发,并且甲车的速度是乙车速度的 $\frac{5}{6}$。当两车相遇时,甲车比乙车多行驶了 $30$ 千米,则甲车开出______千米,乙车才出发。(本题前半部分题干位于原书缺失页,无法完整转录。)
相遇问题速度比与路程比时间差
答案
55
解题步骤
两车相遇时共行驶 $330$ 千米,但是甲多行 $30$ 千米,可以求出两车分别行驶的路程,可得甲车行驶 $180$ 千米,乙车行驶 $150$ 千米。由甲车速度是乙车速度的 $\frac{5}{6}$ 可知道,当乙车行驶 $150$ 千米的时候,甲车实际行驶了 $150\times\frac{5}{6}=125$(千米),那么可以知道在乙车出发之前,甲车已经行驶 $180-125=55$(千米)。
思路:由相遇时两车的路程差求出各自路程,再用速度比算出乙出发时甲已行的距离。
18. $A$、$B$ 两地相距 $6$ 千米。一辆货车以每分钟 $30$ 米的速度由 $A$ 地开往 $B$ 地。货车离开 $A$ 地 $900$ 米时,一同学在 $A$ 地乘摩托车带一个球以每分钟 $90$ 米的速度追货车,追上后将球放在货车上立即返回,返回后再带一个球追货车,如此往返,最后一次追上货车是在出发后______分钟。
追及问题往返追及路程速度时间
答案
$140$ 或 $40$
解题步骤
从始到到两人第一次相遇,两人走路和都是 $1$ 个全程,从开始到第二次相遇,两人走路和都是 $3$ 个全程,所以从开始到第二次相遇时的路程和是从开始到第一次相遇时的 $3$ 倍。第一次相遇时两人走的路程和等于 $1$ 个全程,所以从始到两人第一次相遇时,两人走的路程和东西两两相距 $80\times3=60$
$=180$(米)。当包侧在到第三次相遇时,两人走路和都是 $5$ 个全程,那么从中小侧才 $80\times5=400$(米),$400\div180=2\cdots\cdots$,所以距东岸 $140$ 米,距西岸 $40$ 米。
思路:摩托车与货车之间反复追及,将每次追及的路程按等比关系累加,求出最后一次追上的时刻。
19. 甲、乙、丙三只蚂蚁从 $A$、$B$、$C$ 三个不同的洞穴同时出发,分别向洞穴 $B$、$C$、$A$ 爬行,同时到达后,继续向洞穴 $C$、$A$、$B$ 爬行,然后返回自己出发的洞穴。如果甲、乙、丙三只蚂蚁爬行的路径相同,爬行的总距离都是 $7.3$ 米,所用时间分别为 $6$ 分钟、$7$ 分钟和 $8$ 分钟,则蚂蚁乙从洞穴 $B$ 到达洞穴 $C$ 时爬行了______米,蚂蚁丙从洞穴 $C$ 到达洞穴 $A$ 时爬行了______米。
行程问题速度比三段路程分配
答案
$2.4,2.1$
解题步骤
假设全程为 $1$,那么可以得到三只蚂蚁的速度之比是 $\frac{1}{6}:\frac{1}{7}:\frac{1}{8}=28:24:21$,又知道由 $A$,$B$,$C$ 三个不同的洞穴同时出发,分别向洞穴 $B$、$C$、$A$ 爬行,所以可以知道甲行 $AB$,乙行 $BC$,丙行 $CA=28:24:21$,所以总距离是 $7.3$ 米,可得 $BC=\frac{24}{28+24+21}\times7.3$
$=2.4$(米),同理可以得到 $CA=2.1$ 米。
思路:由所用时间之比求出三只蚂蚁的速度之比,再按比例把总路程分配到各段。
20. 电子乌龟和兔子赛跑,同时同地出发,沿同一条路线前进。兔子每跑 $10$ 分钟就要休息一次,第一次休息 $1$ 分钟,第二次休息 $2$ 分钟,第三次休息 $3$ 分钟……乌龟一直不休息,兔子的速度是乌龟的 $2$ 倍。在开始跑步后的______分钟,乌龟第一次追上兔子。从开始跑步后的______分钟之后,乌龟一直在兔子前面。
追及问题周期问题休息时间累积
答案
$380,420$
解题步骤
设乌龟的速度为 $V$,则兔子的速度为 $2V$,时间为 $t$。由易知乌龟在兔子休息的时间内达到追及跑的同步时间的一半的一半,设此时兔子停止休息了 $n$ 次,则 $\frac{(1+n)\times n}{2}=10n$,解得 $n=19$,所以,此时 $t=10\times19\times2$
$=380$(分钟)即在开始跑步 $380$ 分钟后乌龟第一次追上兔子。在乌龟第一次追到兔子之后的 $x$ 分钟之内兔子,当 $x=30$ 时,乌龟还在兔子后;当 $x=40$ 时,乌龟超过兔子。从而开始跑步后 $380+40=420$ 分钟之后,乌龟一直在兔子前面。
思路:将兔子累积的休息时间转化为乌龟追及所需的有效时间,分别求出第一次追上与持续领先的时刻。
21. 甲从 $A$ 地出发步行向 $B$ 地。同时,乙、丙两人从 $B$ 地驾车出发,向 $A$ 地行驶。甲乙两人相遇在离 $A$ 地 $3$ 千米的 $C$ 地,乙到 $A$ 地后立即调头,与丙在 $C$ 地相遇。若开始出发时甲就跑步,速度提高到步行速度的 $2.5$ 倍,则甲、丙相遇地点距 $A$ 地 $7.5$ 千米。求 $AB$ 两地距离。
线段图:直线上从左到右标有 $A$、$E$、$D$、$C$、$B$ 等点,箭头表示甲(向右)、乙、丙(向左)三人的运动方向,并标注 $3$、$7.5$ 等距离。该图为答案分析中的辅助示意图。
相遇问题速度比与路程比二次相遇
答案
$21$ 千米
解题步骤
方法一:如下图所示,甲乙相遇时,乙在 $C$ 地 $3\times2=6$(千米)与丙相遇。当甲的速度提高到 $2.5$ 倍时,路程也提到原来的 $2.5$ 倍,题中恰好甲行了 $7.5$ 千米,甲甲行 $3$ 千米的路程时丙正好行 $3$ 千米,再走 $7.5-3=4.5$(千米)与乙相遇,所以 $4:4.5=4:3$,由于甲用相同时间所走的路程比乙的速度比是 $4:3$,由图可以看出乙丙乙 $C$ 点时,丙恰好到达 $D$ 点,且 $D$ 点行 $CD=4.5$ 千米,所以 $BC$ 间的距离恰好是 $CD$ 的 $4.5\div(4-3)=18$(千米),所以 $AB$ 间距离为 $18+3=21$(千米)。方法二:设 $BC$ 间的路程为 $S$,甲的速度为 $v_\text{甲}$,乙的速度为 $v_\text{乙}$,由题意可知,$\frac{v_\text{甲}}{v_\text{乙}}=\frac{3}{S}$,$\frac{v_\text{乙}}{v_\text{丙}}=\frac{6+S}{S}$,则 $\frac{v_\text{甲}}{v_\text{丙}}=\frac{3\times(6+S)}{S\times S}$;甲提速后速度变为 $2.5v_\text{甲}$,$\frac{2.5v_\text{甲}}{v_\text{丙}}=\frac{7.5}{S-(7.5-3)}$,即 $\frac{v_\text{甲}}{v_\text{丙}}=\frac{3}{S-4.5}$,所以 $\frac{3\times(6+S)}{S\times S}=\frac{3}{S-4.5}$,解得 $S=18$,所以 $AB$ 两地间路程为 $18+3=21$(千米)。
思路:利用甲乙、乙丙两次相遇及甲提速后甲丙相遇的位置关系,建立速度比与路程比方程求出全程。
22. $A,B,C$ 三地依次分布在由西向东的同一条道路上,甲、乙、丙分别从 $A$,$B$,$C$ 同时出发,甲、乙向东,丙向西;乙、丙在距离 $B$ 地 $18$ 千米处相遇,甲、丙在 $B$ 地相遇,而当甲在 $C$ 地追上乙时,丙已走过 $B$ 地 $32$ 千米。那么,$AC$ 间的路程是______千米。
线段图:直线上从左到右标有 $A$、$E$、$B$、$D$、$C$ 等点,标注 $32$ 千米、$18$ 千米等距离,箭头表示甲、乙向东与丙向西的运动方向。该图为答案分析中的辅助示意图。
相遇追及速度比与路程比多人行程
答案
$120$
解题步骤
如上图所示,设乙、丙在 $D$ 处相遇,根据时间相同,路程的比等于相应的速度比,设 $CD=x$ 千米,在 $t$ 这段时间内乙、丙的速度比为 $18:x$;当乙、丙相遇后,两人继续向前走,在 $t_1+t_2$ 这段时间内,乙、丙两人速度比为 $x:(18+32)$,所以 $18:x=x:(18+32)$,得 $x=30$,即 $CD=30$ 千米;在 $t_2$ 这段时间内甲、丙速度比为 $(30+18):32=3:2$;在 $t+t_1+t_2$ 这段时间内甲走了一个全程,丙走了 $30+18+32=80$(千米),所以 $A$、$C$ 间的路程为 $80\div2\times3=120$(千米)。
思路:借助线段图,用各时段内两人路程比等于速度比的关系逐步求出各段距离,最终得到 $AC$。
23. $A$、$B$ 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;甲骑车先迎向队头,追上队头后又立即骑向队尾,到达队尾后再立即迎向队头,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,那么此时乙距 $A$ 地还有______千米。
线段图:直线上从左到右标有 $A$、$D$、$C$、$B$ 等点,标注 $D:C$ 段及若干往返箭头,表示甲在队头与队尾之间往返、乙向 $A$ 行进的运动。该图为答案分析中的辅助示意图。
往返追及相遇问题速度比与路程比
答案
$14.4$
解题步骤
如下图所示,设甲从游行队伍尾追到队头来回行了 $x$ 千米。从队头追到队尾行了 $y$ 千米,据题可列方程:$\begin{cases}5x-4y=22.4-5.6\\2x$
$=5.6\end{cases}$,解得 $\begin{cases}x=5.6\\y$
$=2.8\end{cases}$。当甲行 $BC$ $=5.6$ 千米时,甲行了 $5$ 个 $x$,$4$ 个 $y$,那么,甲的速度乙速度比 $(5x+4y)\div5.6=(5.6\times5+2.8\times4)\div5.6$
$=7$(倍)。当乙行 $CD$ 时,甲又行了 $2$ 个 $x$,$2$ 个 $y$,则 $CD=(2x+2y)\div7$
$=(5.6\times2+2.8\times2)\div7$
$=2.4$(千米),所以,$AD=AB-BC-CD$
$=22.4-5.6-2.4$
$=14.4$(千米)。
思路:设甲一来回行的路程,列方程求出往返各段,再用甲乙速度比推算乙最终距 $A$ 的距离。
24. 甲、乙两地相距 $360$ 千米,一辆卡车载有 $6$ 箱药品,从甲地开往乙地,同时,一辆摩托车从乙地出发,与卡车相向而行,卡车速度是 $40$ 千米/小时,摩托车速度是 $80$ 千米/小时。摩托车与卡车相遇后,从卡车上卸下 $2$ 箱药品运回乙港。摩托车到达乙地卸下药品后,又立即调头……摩托车每次与卡车相遇,都从卡车上卸下 $2$ 箱药品运回乙地,那么将全部的 $6$ 箱药品都运送到乙地至少需要多少时间?这时摩托车一共行驶了多少路程?
往返相遇行程问题等比数列
答案
$8\frac{2}{3}$ 小时;$693\frac{1}{3}$ 千米
解题步骤
由于摩托车是卡车速度的 $2$ 倍,因此,每次相遇过程卡车走相遇全程的 $\frac{1}{3}$。摩托车调头后走到终点时,卡车再走相遇全程的 $\frac{1}{3}$,也就是说摩托车每完成一次运输,卡车都要走相遇全程的 $\frac{2}{3}$,从而,第一次卡车走了 $360\times\frac{2}{3}=240$(千米),剩余 $360-240=120$(千米);第二次卡车走了 $120\times\frac{2}{3}=80$(千米),剩余 $120-80=40$(千米);第三次卡车走了 $40\times\frac{2}{3}=\frac{80}{3}$(千米),最后剩余 $40-\frac{80}{3}=\frac{40}{3}$(千米)。可见卡车共走了 $\left(360-\frac{40}{3}\right)\div40=8\frac{2}{3}$(小时)。而摩托车共行了 $8\frac{2}{3}\times80=693\frac{1}{3}$(千米)。
思路:利用摩托车与卡车的速度比,把每次往返卡车前进的路程构成等比数列,累加求出总时间与摩托车总路程。
25. 甲车以每小时 $160$ 千米的速度,乙车以每小时 $20$ 千米的速度,在长为 $210$ 千米的环形公路上同时、同地、同向出发。每当甲车追上乙车一次,甲车减速 $\frac{1}{3}$ 而乙车则增速 $\frac{1}{3}$。问:在两车的速度刚好相等的时刻,它们分别行驶了多少千米?
环形追及变速行程速度变化
答案
$940,310$
解题步骤
在甲车第 $1$ 次追上乙车的那一时刻,甲车的速度变为 $160\times\left(1-\frac{1}{3}\right)=160\times\frac{2}{3}$(千米/小时),乙车的速度变成为 $20\times\left(1+\frac{1}{3}\right)=20\times\frac{4}{3}$(千米/小时)。速度比变为原来的一半,原来速度比是 $\frac{160}{20}=8$,所以在第 $3$ 次甲上乙时,两车速度相等。甲第一次追上乙,用 $210\div(160-20)=\frac{3}{2}$(小时);第二次追上乙,用 $210\div\left(160\times\frac{2}{3}-20\times\frac{4}{3}\right)=\frac{21}{8}$(小时);第三次追上乙,用 $210\div\left(160\times\frac{2}{3}\times\frac{2}{3}-20\times\frac{4}{3}\times\frac{4}{3}\right)=\frac{189}{32}$(小时)。从而甲车行驶了 $\frac{3}{2}\times160+\frac{21}{8}\times\frac{320}{3}+\frac{189}{32}\times\frac{640}{9}=940$(千米),乙车行驶了 $\frac{3}{2}\times20+\frac{21}{8}\times\frac{80}{3}+\frac{189}{32}\times\frac{320}{9}=310$(千米)。
思路:每次追上后速度比减半,确定第三次追上时速度相等,分别累加各阶段甲乙所行路程。
26. 如图,一罪犯以每小时 $100$ 千米的速度驾车从 $A$ 地向海边的港口 $B$ 处逃窜。我公安干警在罪犯离开 $A$ 地 $10$ 分钟时到达 $A$ 地,立即以每小时 $120$ 千米的速度向 $B$ 处追去,眼看就要追上罪犯。但“天网恢恢,疏而不漏”,当天适逢暴雨,$CB$ 路段路面泥泞不堪,罪犯在此的车速要减少 $20\%$,我公安干警凭借优良的训练,车速只减少 $10\%$,结果在离 $B$ 还有 $200$ 米处追上罪犯并将其擒获。\n(1)求 $AB$ 距离;\n(2)求 $AC$ 距离。
线段图:水平线段上从左到右标有 $A$、$C$、$B$ 三点,$A$ 到 $C$ 为实线,$C$ 到 $B$ 为虚线;$B$ 点位于一个虚线圆内,圆上方标注“暴雨区”。该图为题目配图。
追及问题变速行程方程求解
答案
$AB$ 距离 $90$ 千米;$AC$ 距离 $79$ 千米
解题步骤
罪犯在干地的速度是 $\frac{5}{3}$ 千米/分钟,泥地的速度是 $\frac{4}{3}$ 千米/分钟,警察在干地的速度是 $2$ 千米/分钟,在泥地的速度是 $1.8$ 千米/分钟,设 $AB$ 长为 $x$,可得方程:$\frac{x}{2}+10-1=\frac{3x}{5}$,解得 $x=90$(千米)。设 $AC$ 长为 $y$,则可得方程:$\frac{y}{2}+\frac{90-y-0.2}{1.8}+10=\frac{3y}{5}+\frac{3(90-y-0.2)}{4}$,解得 $y=79$(千米)。综上,$AB$ 距离 $90$ 千米;$AC$ 距离 $79$ 千米。
思路:分别用干地、泥地的速度表示警察与罪犯的行程,借助时间关系列方程求 $AB$ 与 $AC$。
27. 甲、乙二人分别从 $A$、$B$ 两地同时出发相向而行,$5$ 小时后相遇在 $C$ 点。如果甲速度不变,乙每小时多行 $4$ 千米,且甲、乙还从 $A$、$B$ 两地同时出发相向而行,则相遇点 $D$ 距 $C$ 点 $10$ 千米;如果乙速度不变,甲每小时多行 $3$ 千米,且甲、乙还从 $A$、$B$ 两地同时出发相向而行,则相遇点 $E$ 距 $C$ 点 $5$ 千米。问:甲原来的速度是每小时多少千米?
两幅线段图:上图直线标有 $A$、$F$、$D$、$C$、$B$ 等点并标注 $10$ 等距离,下图直线标有 $A$、$E$、$G$、$B$ 等点并标注 $15$ 等距离,箭头表示甲、乙相向而行及相遇点的偏移。该图为答案分析中的辅助示意图。
相遇问题速度变化和差倍比
答案
$11$ 千米
解题步骤
甲速度不变,乙每小时多行 $4$ 千米,相遇点 $D$ 距 $C$ 点 $10$ 千米,出发后 $5$ 小时甲到达 $C$,乙到达 $F$。因为 $FD=DC$
$=10$ 千米,即相遇后在相同的时间内甲、乙走的路程相同,所以此时甲、乙的速度相同,也就是说原来乙比甲每小时多行 $4$ 千米。甲速度不变,甲每小时多行 $3$ 千米,相遇点 $E$ 距 $C$ 点 $5$ 千米,出发后 $5$ 小时乙到达 $C$,甲到达 $G$。因为 $EG=2CE$,即相遇后在相同的时间甲走的路程是乙的 $2$ 倍,所以甲每小时多行 $3$ 千米后,速度是乙的 $2$ 倍。由 $\begin{cases}\text{甲}=\text{乙}+4\\\text{甲}+3$
$=2\text{乙}\end{cases}$ 解得,原来甲每小时行 $11$ 千米(乙行 $7$ 千米)。
思路:分析两种变速下相遇点的偏移得到甲乙速度关系,列方程组求出甲原来的速度。
28. 小王 $8$ 点骑摩托车从甲地出发前往乙地,$8$ 点 $15$ 追上一个骑车人。小李开大客车 $8$ 点 $15$ 从甲地出发前往乙地,$8$ 点半追上这个骑车人。小张 $8$ 点多也从甲地开小轿车出发前往乙地,速度是小李的 $1.25$ 倍。当他追上骑车人后,速度提高了 $20\%$。结果小王、小李、小张三人一同于 $9$ 点整到达乙地。小王、小李、骑车人的速度始终不变。那么骑车人从甲地出发时是______点______分,小张从甲地出发时是______点______分______秒。
线段图:上方为“甲地”一行与下方“乙地”一行,中间用纵线标注 $15$ 分、$15$ 分、$9:00$ 等时间,下方分别标注骑车人、小王、小李、小张的位置与时刻。该图为答案分析中的辅助示意图。
相遇追及速度比时刻推算
答案
$7$ 点 $30$ 分,$8$ 点 $27$ 分 $36$ 秒
解题步骤
如下图所示,由题意可知小王与小李从甲地到乙地所用时间分别是 $60$ 分、$45$ 分,因此小王与小李的速度比是 $3:4$,又小李速度是小李的 $1.25$ 倍,因此小王、小李、小张的速度分别为 $3,4,5$。由上图可以看小李比小王 $15$ 分钟多行的路程恰是骑车人 $15$ 分钟的路程,因此骑车人的速度为 $(4-3)\times15\div15=1$,即小王的速度是骑车人速度的 $3$ 倍,由小王追上骑车人是 $8$ 点 $15$ 分,因此骑车人 $8$ 点 $30$ 分走的路程是小王 $15$ 分钟走的路程,所以骑车人是 $7$ 点 $30$ 分出发的。小王早从甲地到乙地用 $1$ 小时,可知全程为 $60\times3=180$,因此骑车人到乙地的速度变为 $5\times\frac{6}{5}=6$,从追上骑车人到乙地的距离为 $180\div2=90$(千米),因此小张追到骑车人后用速度行驶所用时间为 $90\div(6-1)=18$(分),所行路程为 $18\times6=108$,则追上骑车人所用时间为 $(180-108)\div6=12$(分),因此小张到乙地共用时间为 $18+14.4=32.4$(分)$=32$ 分 $24$ 秒,即小张从甲地出发时是 $8$ 点 $27$ 分 $36$ 秒。
思路:由小王、小李所用时间求三人速度比,进而求骑车人速度并定出其出发时刻,再由小张追及与提速过程推算其出发时刻。
29. 甲、乙、丙三人同时从 $A$ 出发去 $B$,甲、乙到 $B$ 后调头回 $A$,并且调头后速度减少到各自原来速度的一半。甲最先调头,调头后与乙在 $C$ 迎面相遇,此时丙已行 $2010$ 米;甲又行一段后与丙在 $AB$ 中点 $D$ 迎面相遇;乙调头后也在 $C$ 与丙迎面相遇。那么 $AB$ 间路程是______米。
相遇问题变速行程速度比与路程比
答案
$5360$
解题步骤
由于甲在中点处相遇,甲折返后的速度变慢,故他后来一半距离的时间相当于他全速的全程时间,因此他可以行了两个全程,丙走了 $\frac{3}{4}$ 全程。甲、丙相遇在 $C$ 点,丙也相遇在 $C$ 点,说明甲丙的速度比为 $4:1$,当甲走到点 $M$ 时,丙位于全程的 $\frac{1}{4}$ 处。乙速度减慢,乙、丙迎面相遇也在 $C$,此时甲走了一个 $C$ 到这相距的 $\frac{3}{4}$,乙走了全程的 $\frac{3}{4}$,此时丙走了 $\frac{3}{4}\div2=\frac{3}{8}$,为 $2010$ 米,故 $AB$ 路程为 $2010\div\frac{3}{8}=5360$(米)。
思路:利用三人调头变速的相遇关系求出甲、乙、丙的速度比与各自所行的全程分率,再由丙已行 $2010$ 米求全程。
30. 一条路上有东、西两镇。一天,甲、乙、丙三人同时出发,甲、乙从东镇向西而行,丙从西镇向东而行,当甲与丙相遇时,乙距他们 $20$ 千米,当乙与丙相遇时,甲距他们 $30$ 千米。当甲到达西镇时,丙距东镇还有 $20$ 千米,那么,当丙到达东镇时,乙距西镇______千米。
相遇追及速度比与路程比多人行程
答案
$20$
解题步骤
当甲与丙相遇时,乙距丙 $20$ 千米,当乙与丙相遇时,甲距丙 $30$ 千米。所以乙、丙合走了 $20$ 千米时甲、丙相距 $30-20=10$(千米),与丙相遇的甲、乙之间的距离,可得乙行了 $20\times2-0=40$(千米),由于甲、乙速度比 $40\div(40+20)=\frac{2}{3}$,所以乙、丙相遇时甲到西镇还有 $40+20=60$(千米),当甲到达西镇时,两人之间的距离为别为 $60\times\frac{3}{3+2}=36-20$
$=64$(千米),当甲到达西镇时,丙距东镇还有 $20$ 千米,所以丙、甲速度比 $16:24=2:3$,因此当丙到达东镇时,乙走了 $60\times\frac{2}{3}=40$(千米),乙距西镇 $60-40$(千米),于是,当丙到达东镇时,乙距西镇 $20$ 千米。
思路:由甲丙、乙丙两次相遇时的间距求出三人速度比,再用甲到西镇与丙到东镇的条件推算乙距西镇的距离。
第18讲 等积变形
等积变形:通过同底等高、等底等高等关系,把一个图形的面积转化为另一个面积相等的图形,是本讲的核心方法。
平行线间的等积三角形:两条平行线之间,同底(或等底)的三角形面积相等,常用于把阴影面积转移到便于计算的位置。
长方形与平行四边形的一半模型:长方形、平行四边形内一点与顶点连线时,相对两三角形面积之和等于整个图形面积的一半。
中点与等分点的面积关系:利用边的中点、四等分点等把三角形或多边形面积按比例细分,从而比较或求出各部分面积。
补形法与割补法:通过补成规则图形(如大正方形)或分割成小图形,用整体减部分或部分求和的方式计算阴影面积。
正多边形的等积分割:将正三角形、正六边形分割成相同的单位小三角形,用份数比来求阴影部分所占面积。
等高三角形面积与底成正比:高相等的三角形,面积之比等于底之比,常用于列方程或倍数关系求面积。
1. 长方形 $ABCD$ 的面积是 $40$ 平方厘米,$E$、$F$、$G$、$H$ 分别为 $AD$、$AH$、$DH$、$BC$ 的中点,三角形 $EFG$ 的面积是 ______ 平方厘米。
长方形 $ABCD$,顶点 $A$ 在左上、$B$ 在左下、$C$ 在右下、$D$ 在右上(题中边上标有 $H$ 在 $BC$ 上等中点),上方有由 $E$、$F$、$G$ 构成的小三角形阴影。
等积变形三角形面积与底边中点关系长方形面积
答案
$5$
解题步骤
三角形 $EFG$ 的面积是三角形 $AHD$ 的 $\frac{1}{4}$,三角形 $AHD$ 的面积是长方形 $ABCD$ 面积的 $\frac{1}{2}$,故三角形 $EFG$ 的面积是长方形 $ABCD$ 面积的 $\frac{1}{8}$,三角形 $EFG$ 的面积为 $40\times\frac{1}{8}=5$(平方厘米)。
思路:利用中点把三角形面积逐步折半:先得 $AHD$ 是长方形的一半,再得 $EFG$ 是 $AHD$ 的四分之一,从而求出结果。
2. 梯形 $ABCD$ 中,$AE$ 与 $DC$ 平行,$S_{\triangle ABE}=15$,$S_{\triangle DCF}=$ ______。
梯形 $ABCD$,下底为 $BC$,上底为 $AD$。$E$、$F$ 在下底 $BC$ 上,连接 $AE$、$DF$ 等,其中 $AE$ 与 $DC$ 平行。
等积变形平行线间等积梯形
答案
$15$
解题步骤
连接 $DE$,三角形 $ABF$ 的面积和三角形 $DEF$ 的面积相等,三角形 $DEF$ 的面积和三角形 $CEF$ 的面积相等,所以三角形 $ABE$ 的面积和三角形 $BCF$ 的面积相等。
思路:利用平行线之间同底等高的三角形等积,做等量代换得到 $S_{\triangle DCF}=S_{\triangle ABE}=15$。
3. 如下图所示,长方形 $ABCD$ 内的阴影部分的面积之和为 $70$,$AB=8$,$AD=15$,四边形 $EFGO$ 的面积为 ______。
长方形 $ABCD$,长 $AD=15$,宽 $AB=8$。内部有交点 $O$,由若干连线围成两块阴影三角形与四边形 $EFGO$。
等积变形长方形面积一半模型阴影面积
答案
$10$
解题步骤
$S_{\triangle ABE}=S_{\triangle EFD}$,所以阴影部分面积等于长方形面积的一半加四边形 $EFGO$ 的面积,故四边形 $EFGO$ 面积等于 $70-15\times8\div2=10$。
思路:用一组阴影三角形等积转化,使阴影总面积等于长方形面积的一半再加 $EFGO$,从而解出 $EFGO$。
4. 如下图所示,在平行四边形 $ABCD$ 中,已知三角形 $ABP$、$BPC$ 的面积分别是 $73$、$100$,求三角形 $BPD$ 的面积。
平行四边形 $ABCD$,内部一点 $P$,连接 $PA$、$PB$、$PC$、$PD$,把平行四边形分成四个三角形。
等积变形平行四边形一半模型三角形面积关系
答案
$27$
解题步骤
根据平行四边形的一半模型可知,$S_{\triangle APD}+S_{\triangle BPC}=S_{\triangle APD}+S_{\triangle APB}+S_{\triangle BPD}$
$=\frac{1}{2}S_{\text{平行四边形}ABCD}$,所以有 $S_{\triangle BPC}=S_{\triangle APB}+S_{\triangle BPD}$,那么三角形 $BPD$ 的面积等于 $100-73=27$。
思路:利用平行四边形内一点连四顶点时,相对两三角形面积之和相等(各为一半),从而 $S_{\triangle BPD}=S_{\triangle BPC}-S_{\triangle ABP}$。
5. 如下图所示,$BD$ 是平行四边形 $ABCD$ 的对角线,$EF$ 平行于 $BD$,如果三角形 $ABE$ 的面积是 $12$ 平方厘米,那么三角形 $AFD$ 的面积是 ______ 平方厘米。
平行四边形 $ABCD$,对角线 $BD$,$E$、$F$ 为边上的点且 $EF\parallel BD$,连接 $AE$、$AF$ 等。
等积变形平行线间等积平行四边形
答案
$12$
解题步骤
如下图所示,连接 $DE$、$BF$,等积变形,$S_{\triangle ABE}=S_{\triangle BED}$
$=S_{\triangle BFD}$
$=S_{\triangle AFD}$
$=12$(平方厘米)。
思路:借助 $EF\parallel BD$ 做平行线间等积传递,把 $S_{\triangle ABE}$ 一步步转化为 $S_{\triangle AFD}$。
6. 如下图所示,已知 $AE=EC$,$CD=DB$,$S_{\triangle ABC}=60$,求四边形 $FDCE$ 的面积。
三角形 $ABC$,$E$ 为 $AC$ 中点,$D$ 为 $BC$ 中点,连接 $BE$、$AD$ 交于点 $F$,阴影四边形 $FDCE$。
等积变形中线与面积三角形面积比
答案
$20$
解题步骤
如右图所示,连接 $FC$,$AE=EC$,有 $S_{\triangle ABE}=S_{\triangle BCE}$,$S_{\triangle AFE}=S_{\triangle FCE}$,所以 $S_{\triangle ABF}=S_{\triangle BCF}$,同理 $S_{\triangle ABF}=S_{\triangle ACF}$,所以 $S_{\triangle ABF}=S_{\triangle BCF}$
$=S_{\triangle ACF}$
$=\frac{1}{3}S_{\triangle ABC}$
$=20$,$S_{\triangle AFE}=\frac{1}{2}S_{\triangle AFC}$
$=10$,$S_{\triangle CFD}=\frac{1}{2}S_{\triangle BFC}$
$=10$。所以 $S_{FDCE}=S_{\triangle CFD}+S_{\triangle EFC}$
$=20$。
思路:连接 $FC$ 利用中点把三角形分成等积部分,得出 $F$ 把三角形分成三个相等小三角形,再合并出 $FDCE$。
7. 如右图所示,正方形 $ABCD$ 和正方形 $ECGF$ 并排放置,$BF$ 与 $CD$ 相交于点 $H$,已知 $AB=6$ 厘米,则阴影部分的面积是 ______ 平方厘米。
两个并排的正方形 $ABCD$ 和 $ECGF$(共边 $EC$),$AB=6$。$BF$ 与 $CD$ 相交于点 $H$,阴影为含 $H$ 的三角形等区域。
等积变形平行线间等积正方形面积一半
答案
$18$
解题步骤
如右图所示,连接 $DF$、$CF$,那么显然 $\triangle DHG$ 与 $\triangle DHF$ 同底等高,两者面积相等,我们容易知道 $BD\parallel CF$,可知 $\triangle DHF$ 与 $\triangle BHC$ 面积相等,那么阴影部分的面积等于 $\triangle BCD$ 的面积,恰为正方形 $ABCD$ 的一半,即 $6\times6\div2=18$(平方厘米)。
思路:通过添加辅助线找平行关系,做同底等高的等积变换,把阴影转化成 $\triangle BCD$,即正方形面积的一半。
8. 如下图所示,$E$、$F$、$G$、$H$ 分别是四边形 $ABCD$ 各边的中点,$EG$ 与 $FH$ 交于点 $O$,$S_1$、$S_2$、$S_3$ 及 $S_4$ 分别表示 $4$ 个小四边形的面积,试比较 $S_1+S_3$ 与 $S_2+S_4$ 的大小。
四边形 $ABCD$,$E$、$F$、$G$、$H$ 为各边中点,连接 $EG$、$FH$ 交于点 $O$,把四边形分成四个小四边形 $S_1,S_2,S_3,S_4$。
等积变形中点连线面积比较
答案
相等
解题步骤
如右图所示,连接 $AO$、$BO$、$CO$、$DO$,则可判断出,每条边与 $O$ 点所构成的三角形都被分成面积相等的两部分,且每个三角形中的两部分都分属于 $S_1+S_3$、$S_2+S_4$ 这两个不同的组合,所以可知 $S_1+S_3=S_2+S_4$。
思路:连接对角顶点与 $O$,每个由中点和 $O$ 构成的三角形被均分成两块,分别落入两组,从而两组面积相等。
9. 将长 $15$ 厘米、宽 $9$ 厘米的长方形的长和宽都分成三等份,长方形内任意一点与分点及顶点连结,如右图所示,则阴影部分的面积是 ______ 平方厘米。
长 $15$、宽 $9$ 的长方形,四边都三等分,长方形内一点与各分点及顶点连线,形成放射状若干三角形,部分为阴影。
等积变形长方形面积一半三角形等积
答案
$67.5$
解题步骤
给图上标上字母,连接辅助线如右图所示,可知 $S_{\triangle BOF}=\frac{2}{3}\times\frac{1}{2}\times S_{\text{长方形}ACDB}$,$S_{\triangle BOH}=\frac{1}{3}S_{\triangle AOB}$,$S_{\triangle FOC}=\frac{1}{3}S_{\triangle DOC}$,所以 $S_{\triangle FOC}+S_{\triangle BOH}=\frac{1}{3}(S_{\triangle AOB}+S_{\triangle COD})$
$=\frac{1}{3}\times\frac{1}{2}\times S_{\text{长方形}ACDB}$,所以阴影部分是长方形面积的一半,为 $15\times9\div2=67.5$(平方厘米)。
思路:通过等分点和等积变形把阴影各块归并,证明阴影恰为长方形面积的一半。
10. 右图所示 $ABCD$ 是个直角梯形($\angle DAB=\angle ABC=90^{\circ}$),以 $AD$ 为一边向外作长方形 $ADEF$,其面积为 $6.36$ 平方厘米。连接 $BE$ 交 $AD$ 于 $P$,再连接 $PC$。则图中阴影部分的面积是 ______ 平方厘米。
A. $6.36$ B. $3.18$
C. $2.12$ D. $1.59$
直角梯形 $ABCD$($\angle DAB=\angle ABC=90^{\circ}$),以 $AD$ 为边向外作长方形 $ADEF$,连接 $BE$ 交 $AD$ 于 $P$,再连 $PC$,阴影为 $\triangle EPD$ 与 $\triangle PDC$ 等。
等积变形平行线间等积长方形面积一半
答案
B
解题步骤
如下图所示,$S_{\text{阴影}}=S_{\triangle EPD}+S_{\triangle PDC}$
$=S_{\triangle EPD}+S_{\triangle PBD}$
$=S_{\triangle EBD}$
$=S_{\triangle EAD}$
$=\frac{1}{2}S_{\text{长方形}ADEF}$
$=\frac{1}{2}\times6.36$
$=3.18$(平方厘米)。说明:答案和直角梯形形状无关,可以让 $BC$ 边趋近 $AD$ 边,直到和 $AD$ 边重合,此时,$P$ 与 $A$ 重合,$PE$ 是长方形 $ADEF$ 的对角线,所以,阴影部分的面积是长方形 $ADEF$ 面积的一半,等于 $3.18$ 平方厘米。
思路:通过平行等积把阴影转化为 $\triangle EAD$,即长方形 $ADEF$ 面积的一半。
11. 如下图所示,平行四边形内有两个大小一样的正六边形,那么阴影部分的面积占平行四边形面积的( )。
A. $\frac{1}{2}$ B. $\frac{2}{3}$ C. $\frac{2}{5}$ D. $\frac{5}{12}$
一个平行四边形内放置两个大小相同的正六边形,正六边形外(或内)的若干小三角形被涂成阴影。
等积变形正六边形分割面积比
答案
A
解题步骤
如右图所示,每个空白正六边形能分成 $6$ 个相同的正三角形,所以空白部分总共包含 $12$ 个这样的正三角形;而整个大平行四边形能分成 $24$ 个这样的正三角形,所以空白部分占整个平行四边形的一半,那么阴影部分也占整个平行四边形的一半,所以选 A。
思路:把图形统一分割成相同的小正三角形,数出空白与总数之比,得阴影占一半。
12. 如下图所示,矩形 $ABCD$ 的面积是 $24$ 平方厘米,三角形 $ADM$ 与三角形 $BCN$ 的面积之和是 $7.8$ 平方厘米,则四边形 $PMON$ 的面积是 ______ 平方厘米。
矩形 $ABCD$,内部有点 $M$、$N$ 及交点 $P$、$O$,连线构成三角形 $ADM$、$BCN$ 及四边形 $PMON$。
等积变形矩形面积一半模型面积加减
答案
$1.8$
解题步骤
$S_{\triangle ADM}+S_{\triangle BCN}=S_{\triangle MPB}+S_{\triangle BCN}$
$=S_{\triangle COB}+S_{PMON}$,$S_{\triangle COB}=\frac{1}{4}S_{\text{长方形}ABCD}$,所以 $S_{PMON}=7.8-24\div4$
$=1.8$(平方厘米)。
思路:用等积变形把两块三角形之和转化为一个固定块加 $PMON$,再相减求出 $PMON$。
13. 一个矩形分成 $4$ 个不同的三角形(如下图),绿色三角形面积占矩形面积的 $15\%$,黄色三角形的面积是 $21$ 平方厘米。问:矩形的面积是多少平方厘米?
一个矩形被对角线及连线分成 $4$ 个不同的三角形,其中一块标“绿”(绿色)、一块标“黄”(黄色),并注明“绿15%”。
等积变形矩形内三角形面积比百分数
答案
$60$ 平方厘米
解题步骤
黄色三角形与绿色三角形面积之和是矩形面积的 $50\%$,而绿色三角形面积占矩形面积的 $15\%$,所以黄色三角形面积占矩形面积的 $50\%-15\%=35\%$,已知黄色三角形面积是 $21$ 平方厘米,所以矩形面积等于 $21\div35\%=60$(平方厘米)。
思路:利用矩形被对角分割后相对两三角形之和占一半,求出黄色占比,再用比例求矩形面积。
14. 如下图所示,正方形每条边上的三个点(端点除外)都是这条边的四等分点,则阴影部分的面积是正方形面积的 ______。
正方形,每条边的三个四等分点,向内连线形成若干三角形,中间区域为阴影(呈对称图案)。
等积变形四等分点面积比
答案
$\frac{3}{8}$
解题步骤
将阴影部分的上半部分翻下来,根据四等分点的条件,不难算出阴影是大正方形面积的 $\frac{3}{8}$。
思路:利用翻折与四等分点关系把阴影重组,得出占正方形的 $\frac{3}{8}$。
15. 如下图所示,梯形 $ABCD$ 的面积是 $48$,$E$ 是下底 $BC$ 上的一点,$F$ 是腰 $CD$ 的中点,并且甲、乙、丙三个三角形面积相等,则图中阴影部分的面积是 ______。
梯形 $ABCD$,$E$ 在下底 $BC$ 上,$F$ 是腰 $CD$ 中点,连线把图分成标注“甲、乙、丙”的三角形与阴影部分。
等积变形梯形面积三角形等积
答案
$19.2$
解题步骤
因为三角形乙、丙的面积相等,且 $DF=FC$,所以三角形乙、丙的高相等,于是 $AE\parallel DC$,四边形 $AECD$ 是平行四边形,易知 $S_{\text{乙}}+S_{\text{丙}}=S_{\text{阴影}}$
$=\frac{1}{2}S_{\text{四边形}AECD}$,因此,阴影部分的面积是 $48\div5\times2=19.2$。
思路:由甲乙丙等积及 $F$ 为中点推出 $AE\parallel DC$,得平行四边形,再用面积比例求阴影。
16. 如下图所示,这是一个正方形,图中所标数的单位是厘米。问:阴影部分的面积是多少平方厘米?
一个边长 $20$ 厘米的正方形,标有 $10$、$20$ 等尺寸,$E$、$F$ 分别为边的中点,连线围成阴影区域。
等积变形正方形面积三角形面积比
答案
$\frac{800}{3}$ 平方厘米
解题步骤
方法一:如下图所示,$E$、$F$ 分别是 $CD$、$AD$ 的中点,所以 $S_{\triangle AFG}=S_{\triangle RGD}$
$=S_{\triangle GDE}$
$=S_{\triangle GEC}$。$S_{\triangle AED}=10\times20\div2$
$=100$,所以空白部分面积等于 $100\div3\times4=\frac{400}{3}$(平方厘米)。阴影部分面积等于 $20\times20-\frac{400}{3}=\frac{800}{3}$(平方厘米)。
方法二:将 $\triangle CEG$ 的面积当作 $1$(份),直接把总面积分成 $3\times4=12$ 份,阴影占其中的 $12-4=8$(份),也就是 $20\times20\times\frac{8}{12}=\frac{800}{3}$(平方厘米)。
思路:利用中点把图形分成等积小三角形,数出阴影所占份数,求出阴影面积。
17. 请画出 $6$ 个边长是 $2$ 厘米的正三角形,再分别将这 $6$ 个三角形分成形状一样、大小完全一样的 $3$ 个、$4$ 个、$6$ 个、$8$ 个、$9$ 个、$12$ 个图形。请用图形表示出来。
等积变形等积分割正三角形
答案
如下图
解题步骤
如下图所示,给出将正三角形分别分成 $3$ 个、$4$ 个、$6$ 个、$8$ 个、$9$ 个、$12$ 个形状大小完全一样的小图形的画法。
思路:利用正三角形可被等分的性质,按 $3$、$4$、$6$、$8$、$9$、$12$ 份给出对应的等积分割画法。
18. 如下图所示,长方形 $ADEH$ 由上、中、下三个小长方形组成,已知 $AB+CD=BC$,三角形 $ABI$ 的面积为 $3$,四边形 $GIJF$ 的面积为 $12$,求四边形 $CDEJ$ 的面积。
长方形 $ADEH$ 由上、中、下三个小长方形组成,内部有点 $B$、$C$、$I$、$J$、$F$、$G$ 等,连线构成三角形 $ABI$、四边形 $GIJF$ 与 $CDEJ$。
等积变形长方形面积一半面积加减
答案
$9$
解题步骤
因为 $AB+CD=BC$,所以长方形 $BCFG$ 的面积等于长方形 $ADEH$ 面积的一半,即 $S_{\text{梯形}BCJI}+S_{\text{梯形}IJFG}=\frac{1}{2}S_{\text{长方形}ADEH}$,又 $S_{\triangle ABI}+S_{\text{梯形}BCJI}+S_{\text{梯形}CDEJ}=\frac{1}{2}S_{\text{长方形}ADEH}$,所以 $S_{\triangle ABI}+S_{\text{梯形}CDEJ}=S_{\text{梯形}IJFG}$,故四边形 $CDEJ$ 的面积是 $12-3=9$。
思路:利用 $AB+CD=BC$ 得中间长方形为整体一半,做面积等量代换求出 $CDEJ$。
19. 如下图所示,点 $D$、$E$、$F$ 在线段 $CG$ 上,已知 $CD=2$ 厘米,$DE=8$ 厘米,$EF=20$ 厘米,$FG=4$ 厘米,$AB$ 将整个图形分成上下两部分,下边部分面积是 $67$ 平方厘米,上边部分面积是 $166$ 平方厘米,则三角形 $ADG$ 的面积是 ______ 平方厘米。
线段 $CG$ 上依次有点 $C$、$D$、$E$、$F$、$G$,$CD=2$、$DE=8$、$EF=20$、$FG=4$,与顶点 $A$、$B$ 连成若干三角形,$AB$ 将图分为上下两部分。
等积变形等高三角形面积比列方程
答案
$128$
解题步骤
方法一:由图可知,$S_{\triangle ADE}$ 与 $S_{\triangle AGE}$ 的高相等,是 $S_{\triangle ADG}$ 的高,故设 $S_{\triangle ADG}$ 的高为 $h_1$;同理可得,$S_{\triangle BCF}$ 的高为 $h_2$。由此列式:$S_{\triangle ADE}+S_{\triangle BCE}=67$,$S_{\triangle AGE}+S_{\triangle BFE}=166$,代入面积公式可得:$24\times h_1+20\times h_2=166\times2$,$8\times h_1+10\times h_2=67\times2$,解得 $h_1=8$,所以,三角形 $ADG$ 的面积是 $(8+20+4)\times8\div2=128$(平方厘米)。
方法二:因为 $ED=8$,$EG=24$,所以有 $S_{\triangle AEG}=3S_{\triangle AED}$;因为 $EC=10$,$EF=20$,所以有 $S_{\triangle EBF}=2S_{\triangle EBC}$,都有 $2$ 倍,故三角形 $ADE$ 的面积等于 $166-67\times2=32$(平方厘米),那么三角形 $ADG$ 的面积是 $32\times4=128$(平方厘米)。
思路:用等高三角形面积与底成比例,设高列方程或用倍数关系,求出 $\triangle ADG$ 面积。
20. 如下图所示的大正方形隔板是由 $81$ 个 $1$ 平方厘米的小正方形铺成,$B$、$C$ 是两个格点,若请你在其他的格点中标出一点 $A$,使得 $\triangle ABC$ 的面积恰等于 $3$ 平方厘米,则这样的 $A$ 点共有 ______ 个。
A. $6$ B. $5$ C. $8$ D. $10$
$9\times9$ 的方格网($81$ 个 $1$ 平方厘米小正方形),网格上标出两个格点 $B$、$C$。
等积变形格点三角形面积平行线找点
答案
C
解题步骤
如上图所示,找一个能够使三角形面积为 $3$ 的点,比如 $A$ 点,然后根据等积变换,底相等、高相等,即面积相等。可以做平行线,在下方也可以继续做平行线,得出共 $8$ 个点。
思路:固定底边 $BC$,要使面积为定值则顶点须落在与 $BC$ 平行且距离一定的直线上,数出格点个数。
21. 如下图所示,四边形 $ABCD$ 的面积是 $10$,对角线 $AC$、$BD$ 交于点 $E$。已知 $AF=CE$,$BG=DE$,则 $\triangle EFG$ 的面积是 ______。
四边形 $ABCD$,对角线 $AC$、$BD$ 交于 $E$,延长得到点 $F$、$G$,其中 $AF=CE$、$BG=DE$,连成三角形 $EFG$。
等积变形等底等高三角形面积转化
答案
$10$
解题步骤
如右图所示,连接 $AG$、$CG$。由“等底等高的三角形面积相等”,可得 $S_{\triangle GFA}=S_{\triangle GEC}$,$S_{\triangle AED}=S_{\triangle ABG}$,$S_{\triangle CDE}=S_{\triangle CBG}$。所以 $S_{\triangle EFG}=S_{\triangle AFG}+S_{\triangle ABG}+S_{\triangle ABE}$
$=S_{\triangle GEC}+S_{\triangle AED}+S_{\triangle ABE}$
$=S_{\triangle DBC}+S_{\triangle DAB}$
$=S_{\text{四边形}ABCD}$。所以 $\triangle EFG$ 的面积等于 $10$。
思路:利用 $AF=CE$、$BG=DE$ 构造等底等高三角形做等积转化,把 $\triangle EFG$ 拼成原四边形面积。
22. 如下图所示,左下角是一个边长为 $12$ 厘米的正方形,右上角是一个边长为 $6$ 厘米的正方形,阴影部分的面积为 ______ 平方厘米。
左下角边长 $12$ 厘米的正方形与右上角边长 $6$ 厘米的正方形相邻摆放,连线后中间形成阴影区域。
等积变形补形法正方形面积
答案
$72$
解题步骤
如右图所示,将原图补成一个边长是 $(12+6)$ 厘米的大正方形,则阴影部分的面积为 $18\times18-18\times12\div2-12\times12\div2-18\times6\div2-6\times6\div2=72$(平方厘米)。
思路:用补形法把图形补成大正方形,用大正方形面积减去周围各直角三角形面积得阴影。
23. 如下图所示,长方形 $ABCD$ 周长为 $16$ 米,在它的每条边上各画一个以该边为边长的正方形,已知这四个正方形的面积和是 $68$ 平方米,求长方形 $ABCD$ 的面积。
长方形 $ABCD$ 居中,四条边向外各作一个以该边为边长的正方形,形成十字形图案,中间为长方形 $ABCD$(阴影)。
等积变形周长一半的平方正方形面积和
答案
$15$ 平方米
解题步骤
如右图所示,将 $A_1B_1$ 向右延长,$C_1E_1$ 向上延长,交于 $E$ 点,那么正方形 $A_1BC_1E$ 的面积,等于长方形 $ABCD$ 周长一半的平方,即 $64$ 平方米。长方形 $ABCD$ 与 $DB_1EE_1$ 面积相等,而正方形 $DB_1A_1A$ 与 $DCC_1E_1$ 的面积之和,等于题中已给的 $4$ 个正方形面积和的一半,即 $\frac{1}{2}\times68=34$(平方米)。$64-34=30$(平方米)应等于长方形 $ABCD$ 面积的 $2$ 倍。所以长方形 $ABCD$ 的面积是 $\frac{1}{2}\times30=15$(平方米)。
思路:用补形构造以周长一半为边的大正方形,结合四个正方形面积和,列式求出长方形面积。
24. 用面积为 $1$、$2$、$3$、$4$ 的 $4$ 张长方形纸片拼成如下图所示的一个大长方形。问:图中阴影部分面积是多少?
一个大长方形被分成四块小长方形,面积分别标为 $1$、$2$、$3$、$4$,对角处的连线围成阴影部分。
等积变形长方形分块面积比例计算
答案
$\frac{10}{21}$
解题步骤
如右图所示,大长方形面积为 $1+2+3+4=10$,延长 $RA$ 交底边于 $Q$,延长 $SB$ 交底边于 $P$,矩形 $ABPR$ 面积是上部阴影三角形面积的 $2$ 倍,矩形 $ABSQ$ 是下部阴影三角形面积的 $2$ 倍,所以矩形 $RQSP$ 的面积是阴影部分面积的两倍。易知 $CA=\frac{1}{3}CD$,$CB=\frac{3}{7}CD$,所以 $AB=CB-CA$
$=\frac{3}{7}CD-\frac{1}{3}CD$
$=\frac{2}{21}CD$,因此矩形 $RQSP$ 的面积是大长方形面积的 $\frac{2}{21}$,阴影部分面积是大长方形面积的 $\frac{1}{21}$,阴影部分面积 $=\frac{1}{21}\times10$
$=\frac{10}{21}$。
思路:用各块面积比确定分点位置,构造矩形使其为阴影的两倍,求出阴影占比。
25. 下图是一个由两个正方形拼合而成的图形,它们的边长分别为 $m$ 厘米和 $n$ 厘米,且 $C$、$D$、$E$ 三点在同一条直线上,已知 $m$ 和 $n$ 都是两位数,且 $m^2=2n$,若三角形 $ABC$ 的面积为 $a$ 平方厘米,求 $a$ 的最大值。
由两个正方形拼合的图形,边长分别为 $m$、$n$,$C$、$D$、$E$ 三点共线,顶点 $A$、$B$ 连成三角形 $ABC$。
等积变形等底等高三角形最值
答案
$98$ 厘米
解题步骤
如右图所示,连接 $BD$,$\triangle ABC$ 与 $\triangle ABD$ 同底等高,所以 $S_{\triangle ABC}=S_{\triangle ABD}$
$=\frac{m^2}{2}$。当 $m$ 最大时 $a$ 取最大值,由于 $n$ 是两位数,故 $n<100$,所以 $m^2=2n<200$,由此可得 $m$ 的最大值为 $14$,此时 $a=98$(厘米)。
思路:用同底等高把 $\triangle ABC$ 面积化为 $\frac{m^2}{2}$,再由 $m^2=2n<200$ 求 $m$ 最大值得 $a$。
26. 如下图所示,在六边形 $ABCDEF$ 中,对边平行且相等,已知六边形 $GHIJKL$ 的面积是 $30$ 平方厘米,那么阴影部分面积为 ______ 平方厘米。
六边形 $ABCDEF$(对边平行且相等),内部有较小六边形 $GHIJKL$,并由连线形成阴影三角形 $AEC$、$BDF$ 等。
等积变形平行四边形构造面积一半
答案
$30$
解题步骤
如右图所示,构造三个平行四边形,得到三角形 $AEC$ 的面积为整个六边形面积的一半,同理三角形 $BDF$ 的面积也为整个六边形面积的一半,所以阴影三角形面积和等于中间六边形的面积,为 $30$ 平方厘米。
思路:利用对边平行且相等构造平行四边形,证两条对角三角形各占一半,从而阴影等于内六边形面积。
27. 下图所示是一个正六边形的图案,已知正六边形的面积为 $54$ 平方厘米,则阴影部分的面积是 ______ 平方厘米。
一个正六边形,内部各 $60^{\circ}$ 角的辅助线把它分成若干区域,其中部分区域为阴影,呈星形对称图案。
等积变形正三角形分割面积比
答案
$18$
解题步骤
如右图所示作辅助线,将正六边形分成 $6$ 个正三角形,在每个正三角形里,阴影部分都占 $\frac{1}{3}$,所以阴影部分占总面积的 $\frac{1}{3}$,为 $54\times\frac{1}{3}=18$(平方厘米)。
思路:把正六边形分成 $6$ 个正三角形,每个内阴影占三分之一,故总阴影占三分之一。
28. 下图所示长方形 $ABCD$ 被分成 $4$ 块甲、乙、丙、丁,其面积关系如下:
甲 $+$ 丁 $=162$ 平方厘米;
乙 $+$ 丙 $=208$ 平方厘米;
丙 $+$ 丁 $=126$ 平方厘米;
已知 $c$ 与 $a$ 的长度之差为 $4$ 厘米,请问 $d$ 与 $b$ 的长度之差是多少?
长方形 $ABCD$ 内由两条斜线(带分点 $E$、$F$ 等)分成甲、乙、丙、丁四块,边上标有 $a$、$b$、$c$、$d$ 等长度。
等积变形梯形面积均分列式求差
答案
$4$ 厘米
解题步骤
如下图所示,由于 $c$ 大于 $a$,在 $CD$ 上取点 $E$,使得 $CE=AH$
$=a$,过 $E$ 作 $GH$ 的平行线 $EF$。根据题意,可得到长方形 $ABCD$ 的面积为:甲 $+$ 乙 $+$ 丙 $+$ 丁 $=162+126$
$=288$(平方厘米)。由 $EF$ 把 $ABCD$ 的面积均分为 $208$ 平方厘米,则可以得到甲 $+$ 丁的面积为 $288-208=80$(平方厘米),而 $a=4$ 厘米,则 $AD=128\div4$
$=32$(厘米),对应的长方形面积 $AH$ 为 $288\div32=9$(厘米)。同理,在 $BM$ 上取一点 $Q$,使得 $BQ=ND$,这样 $QM$ 即为 $d$ 与 $b$ 的差。面积乙 $+$ 丙的面积减去丁的面积,得 $162-126=36$ 平方米,那么三角形 $PNMQ$ 的面积为 $36$ 平方米,而 $AB=9$ 厘米,所以 $QM=36\div9$
$=4$(厘米),即 $d$ 与 $b$ 的差为 $4$ 厘米。
思路:通过作平行线把长方形面积等量分配,逐步求出相关长度,最后用面积关系求出 $d$ 与 $b$ 的差。
29. 如下图 a),线段 $MN$ 将长方形纸分成面积相等的两部分。沿 $MN$ 将这张长方形纸对折后得到图 b),将图 b) 沿对称轴对折,得到图 c),已知图 c) 所覆盖的面积占长方形纸片面积的 $\frac{3}{10}$,阴影部分面积为 $6$ 平方厘米。长方形的面积是多少?
图 a) 长方形被线段 $MN$ 分成等积两部分;图 b) 为沿 $MN$ 对折后的图形;图 c) 为再沿对称轴对折后的图形,含阴影部分。
等积变形折叠与面积分数计算
答案
$60$ 平方厘米
解题步骤
如图 c) 所示,阴影部分是 $2$ 层,空白部分是 $4$ 层,如果将阴影部分缩小一半,即变为 $3$ 平方厘米,那么阴影部分也变成 $4$ 层,此时覆盖的面积占长方形纸片面积的 $\frac{1}{4}$,即缩小的 $3$ 平方厘米相当于长方形纸片面积的 $\left(\frac{3}{10}-\frac{1}{4}\right)$,所以长方形纸片面积为 $3\div\left(\frac{3}{10}-\frac{1}{4}\right)=60$(平方厘米)。
思路:分析折叠后阴影与空白的层数,把缩半后的阴影对应到面积占比之差,求出长方形面积。
30. 如下图所示,正方形 $ABCD$ 的面积为 $12$,$AE=ED$,且 $EF=2FC$,则三角形 $ABF$ 的面积等于 ______。
正方形 $ABCD$(面积 $12$),$E$ 为 $AD$ 中点($AE=ED$),$F$ 在 $CD$ 上且 $EF=2FC$,连接 $AF$、$BF$,阴影为 $\triangle ABF$。
等积变形正方形面积三角形面积比
答案
$5$
解题步骤
如右图所示,连接 $DF$,容易得到 $S_{\triangle ABF}+S_{\triangle CDF}=\frac{1}{2}S_{\text{正方形}ABCD}$
$=6$。因为 $AE=ED$,所以 $S_{\triangle ECD}=\frac{1}{4}S_{\text{正方形}ABCD}$
$=3$。又因为 $EF=2FC$,所以 $S_{\triangle CDF}=\frac{1}{3}S_{\triangle ECD}$
$=1$,所以 $S_{\triangle ABF}=6-S_{\triangle CDF}$
$=5$。
思路:连接 $DF$ 利用正方形一半模型,再用中点与 $EF=2FC$ 的比例求各三角形面积,得 $\triangle ABF$。
31. 如下图所示,$P$ 是等边三角形 $ABC$ 内一点,$PD\perp BC$,$PF\perp AB$,$PE\perp AC$,三角形 $ABC$ 的面积是 $2011$。三个阴影三角形中,甲的面积是 $286$,那么乙、丙两个小三角形的面积和是 ______。
等边三角形 $ABC$,内部一点 $P$,作 $PD\perp BC$、$PF\perp AB$、$PE\perp AC$,得到三个阴影小三角形甲、乙、丙。
等积变形平行四边形构造面积一半
答案
$719.5$
解题步骤
如下图所示,过点 $P$ 分别作 $AB$、$BC$、$AC$ 的平行线,得到 $3$ 个平行四边形和 $3$ 个三角形,根据等积变换可知阴影部分占 $\triangle ABC$ 面积的一半,即 $2011\div2=1005.5$,而甲的面积是 $286$,所以乙、丙两个小三角形面积之和是 $1005.5-286=719.5$。
思路:过 $P$ 作三边平行线构造平行四边形,证三个阴影三角形面积和为 $\triangle ABC$ 的一半,再减甲得乙丙之和。
32. 如下图所示,$4$ 个正六边形拼成一个大图形,每个正六边形的面积都是 $6$,那么 $\triangle ABC$ 的面积是 ______。
$4$ 个面积都是 $6$ 的正六边形拼成一个大图形,顶点 $A$、$B$、$C$ 连成三角形 $ABC$。
等积变形正三角形分割面积合成
答案
$13$
解题步骤
如下图所示,连接每个小正六边形的对角线,将每个正六边形平均分成 $6$ 个小的正三角形,那么每个小正三角形的面积都是 $1$。由图看出,$\triangle ABC$ 是由 $\triangle DEF$、$\triangle ABE$、$\triangle BDC$ 和 $\triangle CFA$ 组成,其中 $\triangle DEF$ 的面积为 $4$,而其他的三个三角形的面积都相等,$\triangle ABE$ 正好是它所在平行四边形面积的一半,而平行四边形的面积是 $6$,因此,$\triangle ABE$ 的面积是 $3$。因此,三角形 $ABC$ 的面积是 $4+3\times3=13$。
思路:将正六边形细分为单位正三角形,把 $\triangle ABC$ 拆成中间三角形与三个等积三角形求和。
第19讲 图形变换
图形的平移:通过平移把分散的图形拼接或错位补齐,保持面积不变,从而把不规则图形转化为规则图形求解。
图形的旋转:绕某一定点旋转一部分图形(常用90度),使分散的三角形拼成正方形或等腰直角三角形,实现面积的转移与合并。
轴对称与翻折:利用关于直线的对称点把折线长度之和转化为两点间的直线距离,求最短路径或比较面积。
等积变形:利用等底等高、平行线间距离相等等性质对图形进行割补,把待求面积转化为易求的图形面积。
分割与拼补求面积:把复杂图形分割成全等或等积的单位小三角形(正三角形、等腰直角三角形等),通过数个数比较面积。
正多边形与特殊三角形性质:运用正多边形对角线、正三角形、等腰直角三角形以及特殊角(45度、120度等)的性质建立边角与面积关系。
面积比例模型:借助蝴蝶模型、相似三角形以及对应线段比,建立图形各部分面积之间的比例关系求解。
1. 如下图所示,两个正方形的中心相同,对应边成 $45$ 度角,若两个阴影三角形的面积分别为 $36$ 平方厘米和 $50$ 平方厘米,则其中较小正方形的面积为______平方厘米。
两个中心相同的正方形,其中一个相对另一个旋转约45度互相套叠,在重叠区域上方有两个阴影三角形。
旋转与对称面积关系正方形性质
答案
968
解题步骤
面积是 $50$ 平方厘米的等腰直角三角形的两条直角边分别为 $10$ 厘米,面积是 $36$ 平方厘米的等腰直角三角形,直角边的平方是 $72$,所以斜边的平方为 $144$,斜边长为 $12$ 厘米,则大正方形的面积为 $(10+12+10)\times(10+12+10)=1024$(平方厘米),小正方形的面积为 $1024-50\times4+36\times4=968$(平方厘米)。
思路:先由两阴影三角形求出大正方形边长,再扣除多算与补回的部分得到小正方形面积。
2. 下图中等腰直角三角形 $ABC$ 的面积是 $9$ 平方厘米,则正方形 $MNPQ$ 的 $MN$ 一边在斜边 $BC$ 上,$P$、$Q$ 两点分别在直角边 $AC$、$AB$ 上,求阴影正方形 $MNPQ$ 的面积。
等腰直角三角形ABC,斜边BC在底部,直角顶点A在上方;内接一个阴影正方形MNPQ,MN边在BC上,Q、P两顶点分别在AB、AC上。
分割法等腰直角三角形内接正方形
答案
$4$ 平方厘米
解题步骤
分割法。如下图,把整个图形分割成相等的等腰直角三角形,那么整个图形包含 $9$ 个小三角形,阴影部分包含 $4$ 个小三角形,所以阴影部分的面积 $9\div9\times4=4$(平方厘米)。
思路:将三角形与内接正方形分割为等积的小等腰直角三角形,按个数比求面积。
3. 一个长方形和一个等腰直角三角形如下图放置,图中 $6$ 块的面积分别为 $1$、$1$、$1$、$1$、$2$、$3$,大长方形的面积是______。
一个等腰直角三角形与一个长方形叠放,三角形顶部小块标2、底部两角各标1,长方形被分成若干块,左右各标1,底部标3。
分割法面积拼补等腰直角三角形
答案
19
解题步骤
采用分割的方法。如下图,那么大长方形包括了 $8$ 个面积为 $2$ 的小正方形和一个面积为 $3$ 的小长方形,面积为 $8\times2+3=19$。
思路:用分割法把大长方形拆成面积已知的小块求和。
4. 如下图所示,若将正方形 $ABCD$ 各边三等分,延长等分点作出正方形 $MNPQ$,则正方形 $ABCD$ 的面积是______正方形 $MNPQ$ 的面积。
正方形ABCD,其各边三等分点连线作出一个倾斜的内接正方形MNPQ,M、N、P、Q分别在四条边上。
分割法面积比正方形
答案
$9:8$
解题步骤
图形分割法。将原图分成如下图所示的同样大小的等腰直角三角形,则正方形 $ABCD$ 包含 $36$ 个小三角形,而正方形 $MNPQ$ 包含 $32$ 个,所以面积比为 $36:32=9:8$。
思路:将两正方形分割为相同的等腰直角三角形,比较所含个数得面积比。
5. 如右图所示,在长方形 $ABCD$ 中,$E$、$F$、$G$ 分别是 $BC$、$CD$、$DA$ 上的点,且使得四边形 $AEFG$ 是直角梯形,$\angle GAE=45^{\circ}$,$GF:GA=2:3$,如果梯形 $AEFG$ 面积是 $15$ 平方厘米,那么长方形 $ABCD$ 的面积是______平方厘米。
长方形ABCD,A左下、B右下、C右上、D左上;在内部以G(在DA上)、F(在DC上靠近C)、E(在BC上)构成直角梯形AEFG,含一条对角斜线。
直角梯形旋转与对称面积关系
答案
$36$ 平方厘米
解题步骤
这是一道几何问题,重点考查同学们对等腰直角三角形性质的认识。
方法一:在长方形 $ABCD$ 中,由于四边形 $AEFG$ 是直角梯形,$\angle GAE=45^{\circ}$,可知 $\angle DGF=\angle DFG$,$\angle CFE=\angle CEF$,$\angle EAB=\angle BEA$
$=45^{\circ}$,所以 $\triangle DGF$、$\triangle CEF$、$\triangle ABE$ 都是等腰直角三角形,故可将长方形 $ABCD$ 分割。如左图:$S_{ABCD}=\frac{24}{10}S_{\text{梯形}AEFG}$
$=\frac{24}{10}\times15$
$=36$(平方厘米)。
方法二:在直角梯形 $AEFG$ 中,由 $\angle GAE=45^{\circ}$,可知 $\angle DGF=45^{\circ}$,因为直角三角形 $GDF$ 与 $ABE$ 的斜边 $GF:AE=2:3$,所以直角边 $DF:AB=2:3$,设 $DF=2$,$AB=3$,连接 $DE$,则 $S_{\triangle GEF}=S_{\triangle GDF}$
$=\frac{1}{2}S_{\text{长方形}DCEF}\div... $,由比例计算得 $S_{ABCD}=\frac{24}{10}\times15$
$=36$(平方厘米)。
思路:利用45度角识别出三个等腰直角三角形,建立长方形与梯形的面积比例。
6. 下图中正六边形 $ABCDEF$ 的面积是 $54$,$AP=2PF$,$CQ=2BQ$,求阴影四边形 $CEPQ$ 的面积。
正六边形ABCDEF,P在边AF上(AP=2PF),Q在边BC上(CQ=2BQ),连成阴影四边形CEPQ。
正多边形面积面积分割比例分点
答案
31
解题步骤
如下图,将正六边形 $ABCDEF$ 等分为 $54$ 个小正三角形(每个平行四边形代表 $6$ 个,则每个小等边三角形面积为 $1$),根据平行四边形对角线平分平行四边形面积,采用数小三角形的办法来计算面积。$\triangle PEF$ 面积 $=3$,$\triangle CDE$ 面积 $=9$,四边形 $ABQP$ 面积 $=7+4$
$=11$,上述三块面积之和为 $3+9+11=23$,因此,阴影四边形 $CEPQ$ 面积为 $54-23=31$。
思路:把正六边形细分为单位小三角形,分别求出非阴影各块面积后用总面积减去。
7. 一张面积为 $7.17$ 平方厘米的平行四边形纸片 $WXYZ$ 放在另一张平行四边形纸片 $EFGH$ 上面,如下图所示,得出 $A$、$C$、$B$、$D$ 四个交点,并且 $AB\parallel EF$,$CD\parallel WX$。问纸片 $EFGH$ 的面积是多少平方厘米?说明理由。
两张互相叠放、方向不同的平行四边形纸片WXYZ与EFGH,重叠部分形成阴影平行四边形,标注交点A、C、B、D。
平行四边形面积等积变形平行线
答案
$7.17$ 平方厘米
解题步骤
连接 $AC$、$CB$、$BD$、$DA$。如右图所示,由于 $AB\parallel EF$,$GH\parallel EF$,所以 $\triangle ABC$ 的面积是平行四边形 $AEFB$ 面积的一半,$\triangle ABD$ 的面积是平行四边形 $AHGB$ 面积的一半,得 $\triangle ABD$ 的面积是平行四边形 $EFGH$ 面积的一半。同理可证 $\triangle ACBD$ 的面积也是平行四边形 $WXYZ$ 面积的一半。因此,平行四边形 $EFGH$ 的面积与平行四边形 $WXYZ$ 的面积相等,为 $7.17$ 平方厘米。
思路:通过连接对角线,把两张平行四边形面积都化为同一中间四边形面积的两倍,从而面积相等。
8. 如下图所示,涂阴影部分的小正六角星形面积是 $16$ 平方厘米。问:大正六角星形面积是多少平方厘米?
两个正三角形交叠成的大六角星形(六芒星),其内部又有一个相似的小六角星形被涂阴影。
相似图形面积分割正三角形
答案
$48$ 平方厘米
解题步骤
如右图所示,将阴影部分的小正六角星形全部分成大小相同的小三角形,全等(能完全覆盖地放在一起)的小三角形 $PMN$ 全等于这些小三角形,大正六角星形可以分成 $3$ 倍这样的小三角形,即 $16\times3=48$(平方厘米)。
思路:把大小两个六角星形划分为同样的单位小三角形,按个数倍数关系求面积。
9. 如下图所示,已知一个正八边形中最长的对角线等于 $a$,最短的对角线等于 $b$,则这个正八边形的面积等于______。(用含字母 $a$、$b$ 的式子表示)
正八边形,内部画出从一个顶点引出的最长对角线(标a)与最短对角线(标b)。
正多边形面积对角线面积关系
答案
$ab$
解题步骤
如下图所示,$AC=AD$
$=AB$
$=\frac{a}{2}$,$BC=b$,因为是正八边形,所以 $BC$ 与 $AD$ 是垂直的,因此四边形 $ABDC$ 的面积为 $\frac{1}{2}\times b\times\frac{a}{2}=\frac{ab}{4}$,正八边形的面积为四边形 $ABDC$ 面积的 $4$ 倍,所以正八边形的面积等于 $\frac{ab}{4}\times4=ab$。
思路:取四分之一的对称四边形,用两对角线之半求其面积再乘以4。
10. 如右图所示,正十二边形和中心白色的正六边形的边长均为 $12$,图中阴影部分的面积是______。
正十二边形内部含一个中心的正六边形(白色),二者之间由斜线连成三个带阴影的三角形区域。
正多边形面积面积分割正六边形
答案
324
解题步骤
如右图所示,阴影部分分为三个相同的部分,每一个部分由两个三角形组成,其中一个三角形面积为 $12$ 和等腰直角三角形,面积为 $12\times12\div2=72$,另一个三角形面积为 $12\times12\div2=72$,所以每一部分的面积为 $72+36=108$,阴影部分的面积为 $108\times3=324$。
思路:将阴影分为三等份,每份再拆为可计算的三角形求和。
11. 如右图所示,则四边形 $ABCD$ 的面积是______。
A. $30$ B. $31$ C. $32$ D. $33$
四边形ABCD,标注边AD=6、底边BC=10,角A为135度、角C为45度,B处为直角。
特殊角三角形等腰直角三角形分割补形
答案
C
解题步骤
如右图所示,延长 $BA$、$CD$ 交于点 $E$,则 $S_{\text{四边形}ABCD}=S_{\triangle EBC}-S_{\triangle EAD}$。显然,$\triangle EBC$、$\triangle EAD$ 均为等腰直角三角形,所以 $S_{\text{四边形}ABCD}=10\times10\div2-6\times6\div2$
$=50-18$
$=32$,故选 C。
思路:延长两边补成大等腰直角三角形,用大三角形减小三角形。
12. 求下图正方形的面积,并写出思考过程。
一个正方形,内部一条与一边成45度角的斜线,斜线段标8 cm,另有一段标14 cm,并有垂直标记。
等腰直角三角形勾股关系正方形面积
答案
$242$ 平方厘米
解题步骤
如下图所示,延长 $BD$ 与正方形下边的延长线交于点 $C$,因为图中有 $45^{\circ}$,我们可以知道 $\triangle ACD$ 为等腰直角三角形,即 $AD=CD$
$=14$(厘米),所以 $BC=14+8$
$=22$(厘米),因为 $\angle C=45^{\circ}$,则 $BC$ 长度等于正方形对角线的长度。设正方形边长为 $a$,根据勾股定理,那么 $2a^{2}=22^{2}$,所以正方形的面积 $a^{2}=22^{2}\div2$
$=242$(平方厘米)。
思路:利用45度角构造等腰直角三角形,把已知线段转化为正方形对角线,再用勾股关系求面积。
13. 如下图所示,点 $E$ 是正方形 $ABCD$ 的 $CD$ 边上的一点,以 $BE$ 为一条直角边作等腰直角三角形 $BEF$,斜边 $BF$ 交 $AD$ 于点 $G$,已知 $AG=5$ 厘米,$GD=15$ 厘米,求三角形 $BEF$ 的面积。
正方形ABCD,E在CD边上,以BE为直角边向外作等腰直角三角形BEF,斜边BF交AD于G,G在AD上方位置。
等腰直角三角形旋转全等勾股关系
答案
$272$ 平方厘米
解题步骤
如下图作辅助线,由于 $AG=5$,连接 $AB=20$,令 $SF=a$,$SB=4a$,面 $MN=20+20-a$
$=4a$。解之得 $a=8$,则 $FN=12$,$MN=32$,$NE=20$,则阴影部分的面积为 $(12^{2}+20^{2})\div2=272$(平方厘米)。
思路:作辅助线建立等量关系求出关键线段长,再用直角三角形面积公式求三角形BEF的面积。
14. 如下图所示,把边长为 $6$ 厘米的等边三角形剪成四部分,从三连接点往下 $1$ 厘米处,呈 $30^{\circ}$ 角而开,使中间部分形成一个小的等边三角形。请问:所有阴影部分的面积是中间小等边三角形面积的几倍?
边长6厘米的大等边三角形,被分割为四部分,中间形成一个白色小等边三角形,周围三个阴影等腰三角形,各标注30度角及1厘米、6厘米。
等边三角形面积比图形分割
答案
$11$ 倍
解题步骤
如下图所示,将三角形的 $3$ 个角分别接出 $3$ 个小的等腰三角形。中间小的正三角形的面积与接出的三个等腰三角形面积的和相等(是接出的每个等腰三角形的面积的 $3$ 倍)。根据正六边形中学过的知识,一个顶角为 $120^{\circ}$、腰长 $1$ 厘米的等腰三角形,与边长是 $1$ 厘米的小正三角形面积相同。设这个面积为 $S$,则 $S_{\text{大}}=36S$,$3S=33S$,因为中间小正三角形面积是 $3S$,所以答案是 $33S\div3S=11$ 倍。
思路:将整体与各部分都用单位小正三角形计数,比较阴影与中间小三角形所含单位数。
15. 如下图所示,在半径为 $4$ 厘米的圆中有两条互相垂直的线段。请判断:阴影部分面积 $A$ 与其他部分面积 $B$ 哪一个大?大多少平方厘米?
半径4厘米的圆,内有两条互相垂直的弦把圆分成区域,分别标记A、B;标注2 cm、1 cm及圆心位置。
割补法对称变换面积比较
答案
$A$ 大 $18$ 平方厘米
解题步骤
如上图所示,在图中画辅助线,显然可得 $e=i$,$f=j$,$g=k$,剩下的 $h$ 的面积就是答案,即 $2\times2\times2=8$(平方厘米)。
思路:通过割补把相等的区域两两抵消,剩余部分即为两者的面积差。
16. 如下图所示,加油站 $A$ 和商店 $B$ 在马路 $MN$ 的同一侧,$A$ 到 $MN$ 的距离为 $5$ 米,$B$ 到 $MN$ 的距离为 $3$ 米,$DC=6$ 米,行人 $P$ 在马路 $MN$ 上行走。问:当 $P$ 到 $A$ 的距离和 $P$ 到 $B$ 的距离之和最小时,这个和最小等于______米。
马路MN为水平线,同侧有点A(距MN为5,垂足C)和点B(距MN为3,垂足D),DC=6,P在MN上,虚线连PA、PB。
轴对称最短路径勾股关系
答案
$10$
解题步骤
如下图所示,关于直线 $MN$ 作 $B$ 的对称点 $B'$,那么可知 $PB'=PB$,所以 $PA+PB=PA+PB'$,那么点 $A$、$B'$、$P$ 共线时,距离之和最小,因为 $CD=6$,$DA+CB'=5+3$
$=8$,那么根据勾股定理可得此时距离和为 $10$ 米。
思路:利用轴对称把折线和转化为两定点间直线距离,再用勾股定理求最小值。
17. 如下图所示,已知 $BC=CD=DA$,$\angle BCD=90^{\circ}$,$\angle CDA=150^{\circ}$,则 $\angle A$ 的度数是______,$\angle B$ 的度数是______。
四边形ABCD,A在顶部,D、C在右侧,B在左下,标注角CDA=150度、角C为直角,三边BC=CD=DA。
等腰三角形角度计算辅助线
答案
$45^{\circ}$,$75^{\circ}$
解题步骤
如右图所示,作正方形 $DCBE$,连接 $EA$,构成正方形 $DCBE$ 和等腰三角形 $AED$,$AE=AE$。因为 $\angle ADC=150^{\circ}$,所以 $\angle EAB=\angle EBA$
$=(180^{\circ}-150^{\circ})\div2$
$=15^{\circ}$,可知 $\angle A=\angle DAE-\angle EAB$
$=60^{\circ}-15^{\circ}$
$=45^{\circ}$,$\angle B=\angle CBE-\angle EBA$
$=90^{\circ}-15^{\circ}$
$=75^{\circ}$。
思路:补成正方形并连辅助线,利用等腰三角形把所求角拆成已知角之差。
18. 如下图所示,对角线 $BD$ 将矩形 $ABCD$ 分别为两个三角形,$AE$ 和 $CF$ 分别是两个三角形上的高,长度都等于 $6$ 厘米,$EF$ 的长度为 $5$ 厘米,求矩形 $ABCD$ 的面积。
矩形ABCD,对角线BD把它分成两个三角形,从A、C向BD作垂线,垂足分别为E、F,AE=CF=6,EF=5。
矩形面积相似三角形勾股关系
答案
$78$
解题步骤
如右图所示,$AE$ 平移到 $A'F$,四与 $AE$ 是三角形 $ABD$ 的高,所以 $AE\perp BD$,$BD\cdot A'F$ 是矩形面积的一半。设 $BF=x$,$C$ 在直线上端,两根据 $AA'$,则中 $AA'=EF$
$=5$ 厘米,$A'C=AE$
$=FC$
$=6$ 厘米,由此根据勾股定理可知 $AC$ 的长度为 $13$ 厘米,由此可得 $BD$ 长为 $13$ 厘米,那么矩形 $ABCD$ 的面积是 $13\times6\div2\times2=78$ 平方厘米。
思路:利用两条高与对角线构造关系,借助勾股定理求出对角线,再算矩形面积。
19. 如下图所示,六边形 $ABCDEF$ 中 $AB\parallel ED$,$CD\parallel FE$,$AB=ED$,$AF=CD$,$BC=FE$,又知对角线 $FD\perp BD$,$FD=24$ 厘米,$BD=18$ 厘米。请你回答:六边形 $ABCDEF$ 的面积是多少平方厘米?
中心对称的六边形ABCDEF,A、C在上方,F在左、D在右下、E在下,标出对角线FD与BD互相垂直。
中心对称平行四边形等积变形
答案
$432$ 平方厘米
解题步骤
如下图所示,将六边形 $ABCDEF$ 通过平移拼成 $DDFG$ 的位置,得到平行四边形 $GAF$ 的对应位置,因长方形 $BDFG$ 的面积和等于六边形 $ABCDEF$ 的面积,长方形 $BDFG$ 的面积等于 $24\times18=432$(平方厘米),所以,六边形 $ABCDEF$ 的面积也是 $432$ 平方厘米。
思路:利用六边形对边相等且平行,将其等积变形为以两对角线为边的长方形求面积。
20. 一个斜边长为 $29$ 的红色直角三角形纸片,一个斜边长为 $49$ 的蓝色直角三角形纸片,一张黄色的正方形纸片,如下图拼成一个直角三角形。问:红、蓝两张三角形纸片面积之和为多少?
一个大直角三角形被分割为标“蓝”的直角三角形、标“黄”的正方形和标“红”的直角三角形三部分。
勾股关系正方形面积计算
答案
$710.5$
解题步骤
如下图所示,将红色三角形进行旋转 $90^{\circ}$ 至图中红色阴影位置,与蓝色三角形合成一个大的直角三角形,得到红、蓝两张三角形纸片之和等于 $\frac{1}{2}\times49\times29=710.5$。
思路:将红色三角形旋转后与蓝色三角形拼成一个大直角三角形,直接用两斜边求面积和。
21. 如右图所示,已知大正方形边长为 $10$。试问大正方形内阴影面积之和是______。
边长10的大正方形被分成四个小正方形,每个小正方形内画对角线形成风车状阴影三角形。
旋转与对称正方形面积关系
答案
$50$
解题步骤
通过旋转判断,可发现,大正方形可以分为 $4$ 个小正方形,每个小正方形中的阴影部分占小正方形的一半,所以总的阴影面积是大正方形的一半,即为 $\frac{1}{2}\times10\times10=50$。
思路:用旋转判断每个小正方形中阴影恰占一半,从而阴影总和为大正方形面积的一半。
22. 如下图所示,$\triangle ABC$ 中,$\angle ABC=90^{\circ}$,$AB=3$,$BC=5$,以 $AC$ 为一边向 $\triangle ABC$ 外作正方形 $ACDE$,中心为 $O$,求 $\triangle OBC$ 的面积。
直角三角形ABC(角B为直角),以斜边AC向外作正方形ACDE,O为正方形中心,连接OB、OC,阴影为三角形OBC。
旋转全等等腰直角三角形面积比例模型
答案
$10$
解题步骤
如下图所示,将 $\triangle OAB$ 沿着 $O$ 点逆时针旋转 $90^{\circ}$,到达 $\triangle OCF$ 的位置。由于 $\angle ABC=90^{\circ}$,$\angle AOC=90^{\circ}$,所以 $\angle OAB+\angle OCB=180^{\circ}$,面 $\angle OCF=\angle OAB$,所以 $\angle OCF+\angle OCB=180^{\circ}$,那么 $B$、$C$、$F$ 三点在一条直线上,所以 $OB=OF$,$\angle BOF=90^{\circ}$,所以 $\triangle BOF$ 是等腰直角三角形,且斜边 $BF$ 为 $5+3=8$,所以它的面积为 $8^{2}\times\frac{1}{4}=16$。根据面积比例模型,$\triangle OBC$ 的面积为 $16\times\frac{5}{8}=10$。
思路:将三角形绕中心O旋转拼出等腰直角三角形,再按底边比例求出所求三角形面积。
23. 如下图所示,四边形 $ABCD$ 中 $AD=DC$,$\angle ADC=\angle ABC=90^{\circ}$,若 $ABCD$ 的面积为 $64$ 平方厘米,则 $D$ 点到 $AB$ 的距离为多少厘米?
四边形ABCD,D在上方,A左、B右下、C右,满足AD=DC,角ADC与角ABC均为直角。
旋转全等正方形面积转化
答案
$8$ 厘米
解题步骤
方法一:如下图所示,四个四边形 $ABCD$ 可以拼成一个大的正方形,该正方形的面积为 $64\times4=256$,所以大正方形的边长为 $16$ 厘米,则中心点 $O$ 到 $D$ 点到 $AB$ 的距离为 $8$ 厘米。
方法二:连接 $BD$,将 $\triangle BCD$ 顺时针旋转 $90^{\circ}$ 变成 $\triangle B'AD$,则 $B'D=BD$,$\angle B'DB=90^{\circ}$,$S_{\triangle B'DB}=64$ 平方厘米,对 $D$ 到 $AB$ 的距离为 $8$ 厘米。
思路:通过旋转把四边形拼成正方形或构造等腰直角三角形,求出D到AB的高。
24. 如下图所示,已知 $AB=AE=4$ 厘米,$BC=DC$,$\angle BAE=90^{\circ}$,$\angle BCD=90^{\circ}$,$AC=10$ 厘米,则 $S_{\triangle ABC}+S_{\triangle ACE}+S_{\triangle CDE}=$______平方厘米。(注:$S_{\triangle ABC}$ 表示三角形 $ABC$ 的面积)。
由若干三角形组成的图形,含顶点A、B、C、D、E,其中AB=AE、角BAE与角BCD为直角,AC=10,内有点F、G、H等。
旋转全等面积转化等腰直角三角形
答案
$50$
解题步骤
将 $\triangle ABC$ 绕 $A$ 旋转 $90^{\circ}$ 如下图所示,得到 $\triangle FDC$,有 $S_{\triangle ABC}=S_{\triangle ACF}$,$DF=BA$
$=EA$,$AC=FC$,$\angle DFC=\angle BAC$,$\angle ACB=\angle FCD$,连接 $BA$,由 $\angle G$ 点,由 $AF$ 平行于 $G$,可知 $\angle ACF=90^{\circ}$,可知 $\angle ACF+\angle CAF+\angle CFA=90^{\circ}$,延长 $BA$、$FD$ 交于 $H$,在四边形 $ACFH$ 中 $\angle AHF=90^{\circ}$。于是 $AE$ 与 $DF$ 平行,所以 $S_{\triangle CAE}=S_{\triangle CAF}$,所以 $S_{\triangle ABC}+S_{\triangle ACE}+S_{\triangle CDE}=S_{\triangle ACF}+S_{\triangle ACE}+S_{\triangle CDE}$
$=S_{\triangle AEF}$
$=10^{2}\div2$
$=50$(平方厘米)。
思路:通过旋转把三块三角形面积转移拼合为一个大等腰直角三角形,再以AC为斜边求面积。
25. 如下图所示,在四边形 $ABCD$ 中,$BC=13$ 厘米。从内部的点 $E$ 向其顶点 $A$、$B$、$C$、$D$ 分别作线段 $EA$、$EB$、$EC$、$ED$,有 $AB=EC$,$EB=CD$,$\angle ABE=\angle ECD=45^{\circ}$,$\angle AED=90^{\circ}$。另外,四边形 $BCDE$ 的面积为 $30$ 平方厘米。求 $DE$ 的长度。
四边形ABCD,内部点E与四顶点相连,BC=13厘米标在底部,满足AB=EC、EB=CD及若干45度、90度角条件。
旋转全等等腰直角三角形面积转化
答案
$7$ 厘米
解题步骤
因为 $\triangle ABE$ 和 $\triangle ECD$ 全等相同,所以 $AE=ED$,$\triangle AED$ 为等腰直角三角形。也就是说,将 $AD$ 中点 $M$ 将 $\triangle ABE$ 逆时针旋转 $90^{\circ}$ 就和 $\triangle ECD$ 重合,如果继续旋转将 $90^{\circ}$ 连接外得四块,就有一个正方形面积,因四个 $DETHC$ 都等价于斜的四边形是一个正方形的面积,因此白色阴影正方形的边长为 $7$ 厘米,可得 $13^{2}-4\times30=49$(平方厘米),边长为 $7$ 厘米。
思路:用旋转把图形拼成正方形,利用面积关系求出关键正方形边长,即为DE的长度。
26. 下图三角形 $ABC$ 是等腰三角形,$AB=AC$,$\angle BAC=120^{\circ}$。三角形 $ADE$ 是正三角形,点 $D$ 在 $BC$ 边上,$BD:DC=2:1$,当三角形 $ABC$ 的面积是 $50$ 平方厘米时,三角形 $ADE$ 的面积是多少?
顶角120度的等腰三角形ABC,A在上方,BC在底部,D在BC上(BD:DC=2:1),以AD为边作正三角形ADE,E在三角形内部。
等腰三角形正三角形面积比例
答案
$14$ 平方厘米
解题步骤
以点 $A$ 为中心,由三个等腰三角形 $ABC$ 可拼成下图:连接 $QE$、$RF$、$GD$,则 $DEQFRG$ 是一个正六边形,连接 $RD$、$DQ$、$RQ$,显然 $RDQ$ 是一个等边三角形。$S_{\triangle ABC}=S_{\triangle ABD}\times3$
$=150$(平方厘米),$S_{\text{六边形}}=S_{\triangle ABC}$
$=S_{\triangle ADE}\times\frac{9}{6}\times\frac{3}{2}$
$=36$(平方厘米),$S_{\triangle RDQ}=S_{\triangle ADE}\times3$
$=42$(平方厘米),$S_{\triangle ADE}=S_{\text{正六边形}DEQFRG}\div6$
$=42\div3$
$=14$ $S_{\triangle ADE}\div6=14$(平方厘米)。
思路:以A为中心把三个等腰三角形拼成正六边形,借助正三角形与六边形的面积关系求ADE面积。
27. 如下图所示,正方形 $PQRS$ 有三个顶点分别在三角形 $ABC$ 的三条边上,且 $BQ=QC$,请求出正方形 $PQRS$ 的面积。
三角形ABC,A在上方,标AB=7厘米、AC=9厘米、BC方向边段;内接正方形PQRS,P在AB上、R在AC上、Q在BC上且BQ=QC,S在三角形内部。
内接正方形面积比例蝴蝶模型
答案
$27.2$ 平方厘米
解题步骤
如下图所示,将一个整体个三角形 $ABC$ 的面积平分为 $1$,根据蝴蝶模型可知 $\frac{a}{2}=1-\left(b+\frac{a}{2}\right)-c-d$
$=1-\frac{7}{13}-\frac{5}{13}\times\frac{1}{2}-\frac{1}{2}\times\frac{1}{2}$
$=\frac{68}{143}$,则 $b+c+d=1-\frac{68}{143}$
$=\frac{75}{143}$,所以 $\frac{a}{b+c+d}=\frac{68}{75}$,将三角形 $d$ 分别以 $P$ 点和 $R$ 点逆时针和顺时针旋转 $90^{\circ}$ 即可以得到一个新的四边形 $APMR$,四边形 $APMR$ 的面积为 $b+c+d=7\times6+2\times9+2\div2$
$=30$(平方厘米),则可以求出 $a=30\times\frac{68}{75}$
$=27.2$(平方厘米)。
思路:用蝴蝶模型建立各区域面积比例,结合旋转构造求出正方形的面积。
第20讲 弦图与勾股定理
勾股定理:直角三角形两条直角边的平方和等于斜边的平方,是本讲求线段长度与面积的核心工具。
弦图(赵爽弦图):由四个全等直角三角形与中间小正方形拼成大正方形的经典图形,用于证明勾股定理及解面积、拼图问题。
勾股数:满足勾股定理的整数组(如3、4、5;5、12、13),在整数边长问题中可快速确定边长。
图形的剪拼与割补:通过剪开、平移、旋转、补形把不规则图形转化为规则图形求面积或边长。
折叠问题:折叠前后对应线段与角相等,常结合勾股定理列方程求未知量。
格点图形:在方格纸上利用格点坐标与勾股定理求线段长、判断与构造正方形。
立体图形中的勾股定理:长方体对角线、圆柱侧面展开等问题中两次运用勾股定理求空间距离。
1. “赵爽弦图”是由四个全等的直角三角形与中间的一个正方形拼成的一个大正方形。如下图所示,小亮同学随机地往大正方形及其内部区域投针,若直角三角形的两条直角边的长分别为 2 和 1,则针扎到小正方形(阴影)区域的可能性是 ______。
赵爽弦图:大正方形 $ABCD$,四个全等直角三角形围成中间一个小正方形(阴影),小正方形四个顶点标为 $E$、$F$、$G$、$H$。
弦图勾股定理面积与概率
答案
$\frac{1}{5}$
解题步骤
小正方形的面积为 $(2-1)^{2}=1$,由勾股定理得,大正方形的面积为 $1^{2}+2^{2}=5$,所以可能性为 $\frac{1}{5}$。
思路:小正方形边长等于两直角边之差,大正方形面积等于斜边平方(即两直角边平方和),两面积之比即为所求概率。
2. 四个一样的长方形和一个小的正方形(如下图)拼成了一个大正方形。大正方形的面积是 49 平方米,小正方形的面积是 4 平方米。问长方形的短边长度是几米?
四个全等长方形绕中心风车状排列,中间留出一个小正方形(阴影),整体拼成一个大正方形。
弦图正方形面积边长与面积关系
答案
2.5 米
解题步骤
因为 $49=7\times7$,大正方形的边长是 7 米,同样,$4=2\times2$,小正方形的边长是 2 米。大正方形的边长是两个长方形的短边加小正方形边长,所以长方形的短边长为 $(7-2)\div2=2.5$(米)。
思路:由两个正方形面积求出各自边长,大正方形边长由两条长方形短边与小正方形边长组成,列式求短边。
3. 如下图所示的三角形 $ABC$ 的三条边 $AB$、$BC$、$AC$ 中,最长的是 ______。
在 $4\times4$ 的方格纸(虚线网格)上画出三角形 $ABC$,顶点 $A$ 在左下、$B$ 在上方、$C$ 在右下角。
勾股定理格点三角形边长比较
答案
$BC$
解题步骤
根据勾股定理:$AB^{2}=2^{2}+4^{2}$
$=20$,$AC^{2}=1^{2}+5^{2}$
$=26$,$BC^{2}=3^{2}+5^{2}$
$=34$,所以 $BC$ 最长。
思路:在方格中数出各边的水平与竖直直角边长度,用勾股定理求各边平方,比较即可。
4. 如下图所示的等腰梯形上底长等于 7,下底长等于 9,高等于 4。这个等腰梯形的周长等于 ______。
一个等腰梯形,内部用两条竖直线段把它分成两个直角三角形和中间一个矩形。
勾股定理等腰梯形周长
答案
22
解题步骤
两边的直角三角形的较短直角边为 $(9-3)\div2=3$,腰长的平方为 $3^{2}+4^{2}=5^{2}$,所以腰长为 5。所以周长为 $5+5+9+7=22$。
思路:等腰梯形两侧补出直角三角形,底边之差的一半为水平直角边,结合高用勾股定理求腰长,再加上下底求周长。
5. 计算右图中 $BE$ 的长度。
由两个矩形组成的台阶状图形:上方矩形顶边 $CD$,$BC=3$;左下矩形 $A$ 到 $B$ 上边长 $AB=7$;底边 $FE=19$,右边竖直边 $DE=8$。$B$ 与 $E$ 之间连一条斜线段。
勾股定理直角三角形线段长度
答案
13
解题步骤
如下图所示,连接 $DE$,作 $BE$ 的垂线,垂足为 $G$,则 $\triangle BGE$ 为直角三角形。且 $AB+BG=EF$,$BG=19-6$
$=13$,又 $CB=DG$
$=3$,且 $DG+GE=DE$
$=8.3+GE$
$=8$,$GE=5$,根据勾股定理 $BE^{2}=BG^{2}+GE^{2}$
$=13^{2}$,所以 $BE=13$。
思路:过 $E$(或 $B$)作辅助线构造直角三角形,利用图中已知长度求出两条直角边,再用勾股定理求斜边 $BE$。
6. 如下图所示,长方体的三条棱长分别为 3,4,12,对角线 $AC=$ ______。
一个长方体,标出从一个顶点 $A$ 到对角顶点 $C$ 的体对角线(虚线 $B$ 为底面同侧顶点),底面两棱长 3 和 4,长棱长 12。
勾股定理长方体对角线空间几何
答案
13
解题步骤
如下图所示,根据勾股定理,边长为 3 和 4 的长方形的对角线长为 5,这条对角线和长为 12 的棱垂直,在直角三角形 $ABC$ 中,$AC^{2}=5^{2}+12^{2}$,所以 $AC$ 长为 13。
思路:先用勾股定理求出底面矩形对角线,再把它与高(长棱)作为直角边,第二次用勾股定理求体对角线。
7. 下图中的两个滑块 $A$、$B$ 由一连杆连接,分别可以在垂直和水平的滑道上滑动。开始时,滑块 $A$ 距 $O$ 点 20 厘米,滑块 $B$ 距 $O$ 点 15 厘米。问:当滑块 $A$ 向下滑到 $O$ 点时,滑块 $B$ 滑动了多少厘米?
直角形滑道:竖直滑道上的滑块 $A$ 与水平滑道上的滑块 $B$ 由一条连杆(虚线 $AB$)连接,$O$ 为直角顶点。
勾股定理直角三角形实际应用
答案
10 厘米
解题步骤
$OB^{2}=AO^{2}+OB^{2}$
$=20^{2}+15^{2}$
$=25^{2}$,可知连杆的长度等于 25 厘米。当滑块 $A$ 向下滑到 $O$ 点,滑块 $B$ 距 $O$ 点的距离是 25 厘米,故滑块 $B$ 滑动了 $25-15=10$(厘米)。
思路:连杆长度不变,初始位置用勾股定理求出连杆长,$A$ 到 $O$ 时连杆全部水平,$B$ 到 $O$ 距离即连杆长,相减即滑动距离。
8. 下图中有三个直角三角形。请问 $x=$ ______ 厘米。
由两个直角三角形 ① 和 ② 拼接而成的图形:左侧三角形 ① 竖直直角边标 12 cm,斜边标 $x$ cm;右侧三角形 ② 斜边标 $x$ cm,右侧竖直边标 9 cm;底边为公共水平边,标有角 1、2、3、4。
勾股定理直角三角形相似与全等
答案
15
解题步骤
①、②这两个直角三角形完全一样,所以①、②两个直角三角形的两直角边分别为 9cm 和 12cm,由勾股定理可得:$x^{2}=9^{2}+12^{2}$
$=15^{2}$,所以 $x=15$(厘米)。
思路:两个直角三角形全等,对应直角边分别为 9 和 12,用勾股定理直接求斜边 $x$。
9. 如下图所示,两个正方形 $ABCD$ 和 $DEFG$ 的边长都是整数厘米,点 $E$ 在线段 $CD$ 上,且 $CE<DE$,线段 $CF=5$ 厘米,则五边形 $ABCFG$ 的面积等于 ______ 平方厘米。
大正方形 $ABCD$($B$、$C$ 在上,$A$、$D$ 在下),其右侧并放一个较小的正方形 $DEFG$,点 $E$ 在边 $CD$ 上,$F$ 在右上,连 $CF$ 构成五边形 $ABCFG$。
勾股定理正方形面积整数解
答案
71
解题步骤
设 $CE$ 和 $EF$ 都是整数,根据勾股定理可知 $CE=3$,$EF=4$,$CD=5$,所以五边形 $ABCFG$ 的面积为 $4^{2}+7^{2}+\frac{1}{2}\times4\times3=71$(平方厘米)。
思路:$CF$ 为以 $CE$、$EF$ 为直角边的直角三角形斜边,求出整数勾股数,从而得两正方形边长,再组合各部分面积。
10. 一块长为 5 厘米、宽为 2 厘米的长方形纸板,一块长为 4 厘米、宽为 1 厘米的长方形纸板,与一块正方形以及两块长方形纸板。如下图所示,恰拼成一个大正方形。问大正方形的面积是多少平方厘米?
由若干长方形纸板和正方形纸板拼成的一个大正方形,标注边长数据 2、5、4、1。
弦图正方形面积拼图
答案
36 平方厘米
解题步骤
设大正方形的边长为 $x$,则从水平方向看小正方形的边长为 $x-1-2$,从竖直方向看小正方形的边长为 $5-(x-4)$,于是有 $x-1-2=5-(x-4)$,解得 $x=6$,所以大正方形面积为 $36$ 平方厘米。
思路:设大正方形边长,从横、竖两个方向分别表示中间小正方形的边长,令两者相等列方程求解,再平方得面积。
11. 小强用两个相同的直角三角形,其直角边长分别为 3 厘米和 4 厘米,拼砌成两个中空但大小不相同的正方形。已知摆砌的大正方形中空部分能容纳所砌的小正方形,且大小正方形的中空部分面积相差是 $y$ 平方厘米,求 $y$ 的值。
弦图正方形面积勾股数
答案
24
解题步骤
本题考查考生对弦图的认识。拼成的大小正方形分别如左图和右图:大正方形按弦图拼法,中空部分是边长为 $4-3=1$ 的小正方形,面积为 $1$;另一种拼法外框为边长 $3+4=7$ 的正方形,中空为以斜边为边的正方形。所以面积差为 4 个直角三角形的面积:$y=\frac{3\times4}{2}\times4$
$=24$。
思路:两种弦图拼法的中空正方形面积之差恰为四个直角三角形面积之和,直接用直角边乘积求出。
12. 如下图所示,已知长方形长是宽的 2 倍,对角线的长是 9,则长方形的面积是 ______。
一个长方形,画出一条对角线,对角线长标为 9。
勾股定理长方形面积比例
答案
32.4
解题步骤
可以根据勾股定理进行分析:直角三角形中两条直角边的平方和等于斜边的平方。因为长方形的长是宽的 2 倍,设长方形的宽为 $a$,那么长用 $2a$ 来表示,长方形的面积可以用 $2a\times a$ 来表示。根据勾股定理,$2a\times2a+a\times a=9\times9$,得出 $a\times a=\frac{81}{5}$,那么长方形的面积等于 $\frac{81}{5}\times2=\frac{162}{5}$
$=32.4$。
思路:设宽为 $a$,长为 $2a$,用勾股定理把对角线平方表示成 $5a^{2}$,求出 $a^{2}$,面积 $2a^{2}$ 即可得。
13. 如下图所示,$ABCD$ 为一个长方形,问阴影长方形的面积是多少?
长方形 $ABCD$($A$、$B$ 在上,$D$、$C$ 在下),$AD=6$,底边 $DC$ 上标出 $5$ 和 $8$ 两段,对角线方向有一个斜置的阴影长方形。
勾股定理长方形面积相似三角形
答案
18
解题步骤
阴影部分分成上下两个小直角三角形,组成一个平行四边形,由勾股定理可知平行四边形的较长边长为 10。所以阴影长方形的较短边为 $6\times5\div10=3$,再根据勾股定理可知平行四边形(阴影长方形)的面积为 $6\times3=18$。
思路:利用相似与勾股定理求出阴影长方形的两条边长,再相乘得面积。
14. 如下图所示,$P$ 是正方形 $ABCD$ 外面一点,$PB=12$ 厘米,$\triangle APB$ 的面积是 90 平方厘米,$\triangle CPB$ 的面积是 48 平方厘米。请你回答:正方形 $ABCD$ 的面积是多少平方厘米?
正方形 $ABCD$($A$ 左上、$D$ 右上、$B$ 左下、$C$ 右下),点 $P$ 在正方形左下外侧,连 $PA$、$PB$、$PC$。
勾股定理正方形面积三角形面积
答案
289 平方厘米
解题步骤
如右图所示,作 $PB$ 边的高线,交 $PB$ 于点 $M$,作 $PB$ 延长线的垂线,垂足为 $E$,则 $AM$、$CE$ 即 $\triangle APB$、$\triangle CPB$ 中 $PB$ 边上的高。由 $\triangle APB$ 的面积为 90 平方厘米,可知 $PA\div2=90$,$PA\times2\div12=15$;同理 $CE=48\times2\div12$
$=8$,表示 $CF=8$ 厘米。根据勾股定理,$BE=CF$
$=8$,$ME=15$,由勾股定理 $AB^{2}=ME^{2}+BE^{2}$
$=15^{2}+8^{2}$
$=289$(平方厘米)。
思路:由两三角形面积及公共底 $PB$ 求出两条高,构造直角三角形用勾股定理求正方形边长的平方即面积。
15. 如下图所示,一个边长为 10 厘米的正方形木板斜靠在墙角上(木板厚度不计),$AO$ 距离为 8 厘米,那么点 $C$ 距离地面的高度是 ______ 厘米。
边长为 10 的正方形 $ABCD$ 斜靠在右侧墙与地面构成的直角中,$D$ 在左、$C$ 在上、$B$ 靠墙、$A$ 在地面,$AO=8$($O$ 为墙角)。
勾股定理正方形直角三角形
答案
14
解题步骤
由 $AB^{2}=AO^{2}+OB^{2}$
$=20\dots$(图中两直角三角形全等),可得竖直方向上高为 $6+8=14$(厘米)。
思路:斜靠正方形在墙角形成两个全等的直角三角形,$C$ 到地面高度等于两个直角三角形竖直直角边之和。
16. 请画一个面积是 5 平方厘米的正方形。
勾股定理格点作图正方形面积
答案
边长 5 厘米,拼法如图所示。
解题步骤
本题考查考生对对边图的认识。面积和 $=3^{2}+4^{2}$
$=5^{2}$,所以拼成大正方形边长为 5。边长 5 厘米,拼法如右图所示。
思路:在方格纸上画一个边长为格点斜边的正方形:以直角边 1 和 2 的斜边为边,斜边平方 $1^{2}+2^{2}=5$,面积即 5。
17. 如下图所示,如果长方形 $ABCD$ 的面积是 56 平方厘米,那么四边形 $MNPQ$ 的面积是多少平方厘米?
长方形 $ABCD$(单位为厘米),$D$ 左上、$C$ 右上、$A$ 左下、$B$ 右下,上边 $DC$ 段标 3,右边段标 5,左上段标 2,下边段标 6,内接四边形 $MNPQ$($M$、$Q$、$P$、$N$ 在四边上)。
勾股定理面积割补内接四边形
答案
32.5 平方厘米
解题步骤
如下图所示,如果四周四个外角三角形面积之和为中间四边形面积,则四个角的面积是 $5\times3+2\times6=27$ 平方厘米,所以四边形 $MNPQ$ 面积为 $(56+9)\div2=32.5$(平方厘米)。
思路:用长方形总面积减去四角直角三角形面积,即得内接四边形 $MNPQ$ 的面积。
18. 任意一个边长超过 10 厘米的正方形纸片,从四角各剪去 5 厘米见方(用剪刀剪出 $45^{\circ}$ 的角度),中间便会形成一个小正方形(见下图)。这个小正方形的面积是多少平方厘米?
一个正方形,四角沿 $45^{\circ}$ 方向各剪去标注“5 厘米”的小段,四条剪痕在中间围成一个倾斜的小正方形。
勾股定理正方形面积45度角
答案
50 平方厘米
解题步骤
如下图所示,连接小正方形的对角线,易知右上角三角形面积为小正方形面积的 $\frac{1}{4}$,可求得小正方形面积为:$5\times5\div2\times4=50$(平方厘米)。
思路:剪出的四个 $45^{\circ}$ 等腰直角三角形拼成中间小正方形,按对角线关系即可由 5 厘米求面积。
19. 如下图所示,长方形 $ABCD$ 中被嵌入了 6 个相同的正方形。已知 $AB=22$ 厘米,$BC=20$ 厘米,那么每一个正方形的面积为 ______ 平方厘米。
长方形 $ABCD$($A$ 左上、$D$ 右上、$B$ 左下、$C$ 右下),内部斜着嵌入 6 个全等的小正方形排成一片。
勾股定理正方形方程组
答案
40
解题步骤
如下图所示,对每个正方形作斜线,设大直角三角形的长直角边为 $x$ 厘米,短直角边为 $y$ 厘米,则 $\begin{cases}3x+y=20\\3x+2y$
$=22\end{cases}$,所以 $\begin{cases}x=6\\y$
$=2\end{cases}$,小正方形面积为 $6^{2}+2^{2}=40$(平方厘米)。
思路:由嵌入方式列出关于斜置正方形两直角边的方程组,解出后用勾股定理求正方形面积。
20. 下图是一张边长为 5 厘米的方格纸,借助没有刻度的直尺,一共能在这张方格纸上画几种不同大小的正方形(正方形的面积必须是整平方厘米数),它们的面积分别是 ______ 平方厘米。
一张 $5\times5$ 的方格纸(边长 5 厘米),用于在格点上画各种大小的正方形。
勾股定理格点正方形枚举
答案
1、1.4、9、16、25、2、5、10、17、8、13
解题步骤
根据勾股定理,可以列出的正方形面积如下:$0^{2}+1^{2}=1$,$1^{2}+0^{2}=1$,$2^{2}+0^{2}=4$,$0^{2}+3^{2}=9$,$0^{2}+4^{2}=16$,$0^{2}+5^{2}=25$,$1^{2}+1^{2}=2$,$1^{2}+2^{2}=5$,$1^{2}+3^{2}=10$,$1^{2}+4^{2}=17$,$2^{2}+2^{2}=8$,$2^{2}+3^{2}=13$。
思路:格点正方形面积等于其边向量两坐标分量的平方和,枚举所有可行向量得到全部整数面积。
21. 如下图所示,正方形 $ABCD$ 的边长是 5 厘米,点 $E$、$F$ 分别是 $AB$ 和 $BC$ 中点,$EC$ 与 $DF$ 交于点 $G$,则四边形 $BEGF$ 的面积等于 ______ 平方厘米。
正方形 $ABCD$($A$ 左上、$D$ 右上、$B$ 左下、$C$ 右下),$E$ 为 $AB$ 中点、$F$ 为 $BC$ 中点,$EC$ 与 $DF$ 交于点 $G$,四边形 $BEGF$ 为阴影。
面积割补中点相似三角形
答案
5
解题步骤
如下图所示,分别连接 $AD$、$DC$ 中点连线,利用割补法,原正方形被分成 5 个小正方形面积之和,每个小正方形面积为 $5\times5\div5=5$(平方厘米),而阴影部分面积等于 1 个小正方形面积,所以也是 5 平方厘米。
思路:通过割补把正方形分成五个等积部分,阴影四边形恰好等于其中一份面积。
22. 下图是由边长为 3 厘米和 4 厘米的两个正方形组成。请按尺寸在发给你的彩纸上画上这一图形,再将它剪成 3 块,拼成一个大的正方形,并求这个大正方形的边长是多少?
由边长 3 厘米(左,较小)和 4 厘米(右,较大)的两个正方形并排拼接组成的“阶梯”形图形。
勾股定理正方形拼接剪拼
答案
5 厘米
解题步骤
本题考查考生对对边图的认识,面积和 $=3^{2}+4^{2}$
$=5^{2}$,所以拼成大正方形边长为 5。边长 5 厘米,拼法如右图所示。
思路:两正方形面积之和为 $3^{2}+4^{2}=5^{2}$,故拼成的大正方形边长为 5,按勾股拼图剪三块即可。
23. 华罗庚爷爷说:数学是我国人民所擅长的学科。请小朋友求解《九章算术》中的一个古代问题:“今有木长二尺,围之三尺,葛生其下,缠木七周,上至木末,问葛几何?”白话译文:如下图所示一根葛藤生于圆柱底部 $A$ 点,等距缠绕圆柱七周恰好到圆柱上底面的 $B$ 点,则葛藤的长度是 ______ 尺。
一根圆柱,葛藤从底部 $A$ 点沿圆柱面螺旋缠绕七周到达顶端 $B$ 点,圆柱高标 20。
勾股定理圆柱侧面展开螺旋线
答案
29
解题步骤
从 $A$ 点将葛藤剪断,顶点处 $B$ 不动,将缠绕的葛藤解开拉直,如下图所示,$A$ 点变为地面上的 $C$ 点,则葛藤长为直角三角形 $BAC$ 的斜边 $BC$。由 $AB=20$,$AC=3\times7$
$=21$ 得:$BC^{2}=20^{2}+21^{2}$
$=29^{2}$。所以 $BC=29$(尺)。
思路:把圆柱侧面沿母线展开成长方形,葛藤变成对角线,七周周长为水平直角边、柱高为竖直直角边,用勾股定理求斜边。
24. 下图所示,长方形 $ABCD$ 的长 $BC=10$ 厘米、宽 $AB=6$ 厘米。在 $BC$ 上取点 $M$,在 $AD$ 上取点 $N$,使得四边形 $BMDN$ 是一个菱形。则菱形 $BMDN$ 的面积是 ______ 平方厘米。
长方形 $ABCD$($A$ 左上、$N$、$D$ 在上边,$B$ 左下、$M$、$C$ 在下边),$M$ 在 $BC$ 上、$N$ 在 $AD$ 上,四边形 $BMDN$ 为阴影菱形。
勾股定理菱形面积方程
答案
40.8
解题步骤
因为 $BMDN$ 是一个菱形,可设 $BM=MD$
$=ND$
$=BN$
$=x$,则 $AN=10-x$,在直角三角形 $ABN$ 中,由勾股定理 $6^{2}+(10-x)^{2}=x^{2}$,即 $136=20x$,解得 $x=6.8$,菱形 $BMDN$ 的面积为 $6.8\times6=40.8$(平方厘米)。
思路:设菱形边长 $x$,在角上直角三角形中用勾股定理列方程求 $x$,再以底乘高求菱形面积。
25. 如下图是一张长方形叠起来后形成的图形,其中长方形的长 $BC$ 为 18 厘米,宽 $AB$ 为 12 厘米,则 $DF$ 的长为 ______ 厘米。
长方形折叠后的图形:$B$ 左上、$C$ 右上、$A$ 左下、$D$ 右下,$F$ 在 $AD$ 上,折叠后 $E$ 落在长方形外下方,连 $BD$、$BE$、$DE$。
勾股定理折叠问题方程
答案
13
解题步骤
设 $AF=x$,$(18-x)^{2}=12^{2}+x^{2}$,算出 $x=5$,$DF=13$ 厘米。也可以直接考虑常用勾股数为 5、12、13。
思路:折叠使对应线段相等,设折痕一段为 $x$,用勾股定理列方程求出,再得 $DF$。
26. 将矩形 $ABCD$ 分成四个全等的矩形,如下图所示,若 $AE=29$ 厘米,$AF=41$ 厘米,请问 $AC$ 的长度是多少厘米?
矩形 $ABCD$($D$ 左上、$E$、$F$ 在上边、$C$ 右上,$A$ 左下、$B$ 右下)被竖直线分成四个全等小矩形,从 $A$ 向上边各点引线段 $AE$、$AF$、$AC$。
勾股定理矩形方程
答案
71 厘米
解题步骤
设 $AD=a$,$DE=EF$
$=6$,所以 $a^{2}+6^{2}=29^{2}$ 及 $a^{2}+(2b)^{2}=41^{2}$,由此得 $b^{2}=a^{2}+(4b)^{2}+150^{2}$
$=2041$
$=71^{2}$,所以 $AC=71$ 厘米。
思路:利用四个全等小矩形的等宽关系,结合 $AE$、$AF$ 用勾股定理建立方程求出 $AD$ 与水平边长,再求 $AC$。
27. 如下图所示,沿直线将一个长方形剪掉一个角后形成一个五边形。已知这个五边形 5 条边的长度分别是 5 厘米、9 厘米、13 厘米、14 厘米、17 厘米(未必是按顺序的)。这个五边形的面积是 ______ 平方厘米。
一个长方形被斜线剪去左上角,剩下一个五边形(左侧带斜切口的多边形),由箭头表示从长方形剪角后的形状。
勾股定理面积割补五边形
答案
208 或 215
解题步骤
剪去的角是边长为 17 厘米,又知截下的一角为直角三角形,直角三角形被剪去的三条边满足勾股定理,所以五边形的边长只有两种情况。如下图所示,五边形的面积为 $17\times14\div2\times2=208$(平方厘米),右图中五边形的面积为 $17\times13-4\times3\div2=215$(平方厘米)。
思路:剪掉的直角三角形斜边为某一边,用勾股数确定直角边,再由长方形面积减三角形面积得五边形面积,存在两种配置。
28. 如下图所示,一块边长为 180 厘米的正方形铁片,四角被截去了一个边长为 40 厘米的小正方形。现在要从剩下的铁片中剪出一块完整的正方形铁片,剪出的正方形面积最大为 ______ 平方厘米。
边长 180 厘米的正方形(阴影),四个角各被截去边长 40 厘米的小正方形(虚线方块),形成十字形。
勾股定理正方形面积最值
答案
18000
解题步骤
如右图所示,铁片分为中间的正方形和四个长方形两部分,中间的正方形面积为 $100^{2}=10000$(平方厘米)。四个长方形拼成一个 $100\times100=10000$(平方厘米)的正方形。剪出的最大正方形的对角线长为 $100+100=200$,那么剪出的最大正方形的一半面积为 $10000+4000\div2\times2=18000$(平方厘米)。
思路:在十字形上斜放一个正方形使其对角线沿对角方向,利用对角线与剩余区域关系求最大正方形面积。
29. 如下图所示,长方形 $ABCD$ 中,$AB=24$,$BC=18$,把 $AB$ 边对折到 $AC$ 上与 $AC$ 重合,把 $AD$ 边也对折到 $AC$ 上与 $AC$ 重合,请问得到的新图形的面积是多少?
长方形 $ABCD$($A$ 左上、$B$ 右上、$D$ 左下、$C$ 右下),画出对角线 $AC$,将 $AB$、$AD$ 分别向 $AC$ 翻折。
勾股定理折叠问题面积
答案
255
解题步骤
如上图所示,把 $AB$ 对折到 $AC$ 上与 $AC$ 重合,把 $AD$ 对折到 $AC$ 上与 $AC$ 重合,得到四边形 $AECF$。由勾股定理,$AC=30$,设 $BE=BG$
$=x$,$S_{\triangle BAE}=S_{\triangle GAE}$,$24\times18\div2=24x\div2+30x\div2$,那么 $x=8$,$FH=DF$
$=y$,$S_{\triangle BAE}=S_{\triangle GAE}$,$24\times18\div2=18y\div2+30y\div2$,那么 $y=9$,$S_{\text{四边形 }AECF}=S_{\triangle AEC}+S_{\triangle AFC}$
$=30\times(8+9)\div2$
$=255$。
思路:先用勾股定理求对角线 $AC$,利用对折前后三角形面积相等求出折点位置,再合成新图形面积。
30. 从一个正方形木板锯下宽为 $\frac{1}{2}$ 米的一个木条以后,剩下的面积是 $\frac{65}{18}$ 平方米,问锯下的木条面积是多少平方米?
正方形面积方程分数运算
答案
$1\frac{1}{12}$ 平方米
解题步骤
剩下长方形长宽之差为 $\frac{1}{2}$ 米,面积为 $\frac{65}{18}$ 平方米,将四块这样的长方形拼成下图的大正方形,中心空一个小正方形,这个小正方形的边长是 $\frac{1}{2}$ 米。大正方形的面积是 $\frac{65}{18}\times4+(\frac{1}{2})^{2}=\frac{260}{18}+\frac{1}{4}$
$=\frac{529}{36}$(平方米)。因为 $\frac{23}{6}\times\frac{23}{6}=\frac{529}{36}$,所以大正方形的边长是 $\frac{23}{6}$ 米。大正方形边长比原正方形边长 2 倍多 $\frac{1}{2}$ 米,所以原正方形的边长为 $(\frac{23}{6}+\frac{1}{2})\div2=\frac{26}{6}\div2$
$=\frac{13}{6}$(米)。锯下的木条面积是 $\frac{13}{6}\times\frac{1}{2}=1\frac{1}{12}$(平方米)。
思路:用弦图拼法把四块剩余长方形围成大正方形求出边长,反推原正方形边长,再算木条面积。
31. 三角形 $ABC$ 中,线段 $AR$、$BQ$ 分别是 $BC$、$AC$ 边上的中线,且 $BQ$ 与 $AR$ 互相垂直,如图所示,已知 $AC=8$、$BC=6$。请问 $AB^{2}+BC^{2}+CA^{2}$ 等于多少?
三角形 $ABC$($A$ 上、$B$ 左下、$C$ 右下),中线 $AR$($R$ 为 $BC$ 中点)与中线 $BQ$($Q$ 为 $AC$ 中点)相交且互相垂直,交点附近标 $a$、$b$、$c$、$d$。
勾股定理中线重心性质
答案
120
解题步骤
如图所示,连接 $RQ$,连接 $BQ$ 与 $AR$ 交于点 $O$。设 $AO=c$,$BO=a$,$OR=d$,$OQ=b$。因为 $a^{2}+b^{2}=AQ^{2}$
$=\frac{1}{4}AC^{2}$
$=16$,$a^{2}+d^{2}=BR^{2}$
$=\frac{1}{4}BC^{2}$
$=9$,又因为 $a^{2}+c^{2}=AB^{2}$,$b^{2}+d^{2}=QR^{2}$
$=\frac{1}{4}AB^{2}$,所以 $\frac{5}{4}AB^{2}=a^{2}+b^{2}+c^{2}+d^{2}$
$=16+9$
$=25$,所以 $AB^{2}=20$。所以 $AB^{2}+AC^{2}+BC^{2}=20+64+36$
$=120$。
思路:利用两中线垂直时各小直角三角形的勾股关系,把三边平方和与中线段平方联系起来求解。
32. 自 $\triangle ABC$ 内一点 $P$ 分别向 $BC$、$CA$、$AB$ 边引垂线,垂足依次为 $D$、$E$、$F$,以 $BD$、$CD$、$CE$、$AE$、$AF$、$BF$ 为直径分别向形外作半圆,如下图所示作三个半圆面积分别记为 $S_{1}$、$S_{2}$、$S_{3}$、$S_{4}$、$S_{5}$、$S_{6}$,若 $S_{1}-S_{2}=2$,$S_{4}-S_{3}=1$,那么 $S_{6}-S_{5}=$ ______。
三角形 $ABC$ 内一点 $P$ 向三边作垂线,垂足 $D$、$E$、$F$,以六段 $BD$、$CD$、$CE$、$AE$、$AF$、$BF$ 为直径向外作六个半圆,面积分别记为 $S_{1}$ 到 $S_{6}$。
勾股定理半圆面积代数恒等
答案
3
解题步骤
连接 $AP$、$BP$、$CP$。则 $AF^{2}+BD^{2}+CE^{2}=(AP^{2}-PF^{2})+(BP^{2}-PD^{2})+(CP^{2}-PE^{2})$;$BF^{2}+CD^{2}+AE^{2}=(BP^{2}-PF^{2})+(CP^{2}-PD^{2})+(AP^{2}-PE^{2})$,所以 $AF^{2}+BD^{2}+CE^{2}=BF^{2}+CD^{2}+AE^{2}$,两边同乘 $\frac{\pi}{2\times4}$ 得:$\frac{\pi}{2}(\frac{AF}{2})^{2}+\frac{\pi}{2}(\frac{BD}{2})^{2}+\frac{\pi}{2}(\frac{CE}{2})^{2}=\frac{\pi}{2}(\frac{BF}{2})^{2}+\frac{\pi}{2}(\frac{CD}{2})^{2}+\frac{\pi}{2}(\frac{AE}{2})^{2}$,也就是 $S_{1}+S_{3}+S_{5}=S_{2}+S_{4}+S_{6}$,所以 $S_{6}-S_{5}=S_{1}-S_{2}+S_{4}-S_{3}$
$=1+2$
$=3$。
思路:用勾股定理证明六段对应平方和相等,转化为半圆面积关系,从而把所求差用已知两个差线性表示。
33. 如下图所示,多边形 $ABCFDE$ 中,$\angle ABC=\angle BCF=\angle FDE=\angle EAB=90^{\circ}$,$AB=8$,$BC=12$,$ED+DF=13$,$AE=CF$。求多边形 $ABCFDE$ 的面积。
多边形 $ABCDEF$,$A$ 左上、$E$ 在上、$D$ 在中、$F$ 在右、$B$ 左下、$C$ 右下,含多个直角,$AB=8$、$BC=12$、$ED+DF=13$、$AE=CF$。
勾股定理面积割补直角多边形
答案
57.75
解题步骤
方法一:勾股定理,如右图所示,延长 $AE$、$CF$ 相交于 $G$,连接 $EF$。设 $AE=a$,$EG=8-a$,$GF=8-b$,$DF=13-b$。$\triangle EDF$ 和 $\triangle EGF$ 为直角三角形,由勾股定理 $b^{2}+(13-b)^{2}=(12-a)^{2}+(8-a)^{2}$(①),$S=12\times8-\frac{b(13-b)}{2}-\frac{(12-a)(8-a)}{2}$
$=48+\frac{b^{2}}{2}-\frac{13b}{2}+\frac{a^{2}}{2}+10a$(②),化简①得 $\frac{b^{2}}{2}-\frac{13b}{2}+10a=\frac{39}{4}$,代入②得多边形面积为 $S=48+\frac{39}{4}$
$=57.75$。方法二:旋转法,如右图所示,将 4 个多边形拼成一起可得到一个边长为 13 的大正方形。所以多边形的面积为 $S=\frac{(12+8)^{2}-13^{2}}{4}$
$=57.75$。
思路:补全为大矩形并用勾股定理消元,或用旋转拼接法把四个全等图形拼成弦图大正方形求面积。
第21讲 立体几何
长方体与正方体的体积:掌握长方体、正方体的体积公式,能在切割、拼接、折叠等变化中确定长宽高并计算体积。
立体图形的表面积:运用三视图(投影)思想或压缩法,计算组合体、堆叠几何体的表面积,注意重叠面的扣除。
三视图与投影:根据正视、侧视、俯视图还原立体图形,确定方块的位置、高度与个数,求最少方块数等。
正方体表面涂色:分析大正方体被分割后小正方体三面、两面、一面、无涂色的个数及其与棱长的立方关系。
表面最短路径与展开图:将立体表面沿不同方式展开成平面,用两点间线段最短和勾股定理求最短路径。
平面展开图与折叠:由平面展开图判断相对面、棱数,或折叠还原成立体图形计算体积、表面积。
倾斜容器与排水问题:利用倾斜、提取物体时水位变化、腾出体积与水位下降体积相等的关系求解水量问题。
1. 将一个长 $28$ 厘米,宽 $18$ 厘米的长方形铁片的四个角各截去一个边长为 $4$ 厘米的正方形,再将此铁片折成一个无盖的长方体容器,容器的容积为______立方厘米。
长方体的体积无盖容器的折叠
答案
$800$
解题步骤
四个角各截去一个边长为 $4$ 厘米的正方形,折出一个长 $28-4\times2=20$ 厘米、宽 $18-4\times2=10$ 厘米、高 $4$ 厘米的无盖长方体容器,所以容积为 $20\times10\times4=800$ 立方厘米。
思路:去掉四角的正方形后折成容器,底长、底宽各减两个边长,高即截去的小正方形边长,再求长方体体积。
2. 一个长方体的宽和高相等,并且都等于长的一半,将这个长方体切成 $12$ 个小长方体(如下图),这些小长方体的表面积之和为 $600$ 平方分米。这个大长方体的体积为______立方分米。
一个长方体(宽=高=长的一半)被切成12个小长方体的立体示意图,被切割的小块面以阴影显示。
长方体的体积切割与表面积变化
答案
$250$
解题步骤
设大长方体的长为 $a$,则宽和高都为 $\frac{a}{2}$。由图切割方式,由切割增加的表面积为 $1+2+2$,由面积关系可求得。由表面积之和 $600$ 平方分米,所以这个长方体的长 $a=10$ 分米,宽和高都为 $5$ 分米,故大长方体的体积为 $10\times5\times5=250$ 立方分米。
思路:设长为 $a$、宽高为 $\frac{a}{2}$,列出切割后所有小长方体表面积之和的方程求出 $a$,再算大长方体体积。
3. 一个盖着瓶盖的瓶子里面装着一些水(如下图所示),请你根据图中的数据,计算这个瓶子的容积是多少。
同一个盖着瓶盖的瓶子两种放置:正放时瓶底面积为10平方厘米、水深4厘米、瓶高7厘米;倒放时瓶高(含瓶颈)5厘米、上部无水的空白部分。
瓶子容积问题正放与倒放等量关系
答案
$60$ 立方厘米
解题步骤
瓶子里的水体积为 $4\times10=40$ 立方厘米。设空着部分体积为 $(7-5)\times10=20$ 立方厘米。所以瓶子的容积为 $40+20=60$ 立方厘米。
思路:正放求出水的体积,倒放求出瓶内空气部分的体积,二者相加即为瓶子的总容积。
4. 一个长方体的长为 $8$ 分米,高为 $20$ 分米,如果沿着水平方向把它横切成 $4$ 个小长方体,表面积就增加了 $240$ 平方分米。则原来长方体的体积为______立方分米。
长方体的体积横切与表面积增加
答案
$800$
解题步骤
沿水平方向把它横切成 $4$ 个小长方体,增加的表面积是 $6$ 个长方形截面,由切片之间共切了 $3$ 刀,每刀增加 $2$ 个截面。所以一个截面的面积为 $240\div6=40$ 平方分米,宽为 $40\div20=2$ 分米。所以原长方体的体积为 $40\times20=800$ 立方分米。
思路:横切 $3$ 刀增加 $6$ 个与底面平行的截面,由增加的表面积求出底面积(长乘宽),再乘高求体积。
5. 如下图所示,有一个长方体容器,底面是一个边长为 $60$ 厘米的正方形。容器里竖直立着一个长方体铁块,它的高是 $1$ 米,底面是一个边长为 $15$ 厘米的正方形。容器里的水深 $1.1$ 米。现在把铁块轻轻地从水中提起 $25$ 厘米,那么露出水面的铁块的部分长是多少厘米?
一个底面边长60厘米的正方形长方体容器,内部竖直立着一根底面边长15厘米、高1米的长方体铁块,水深用刻度标出,标注有10、60、25、15等数据。
浮力排水问题长方体的体积水位变化
答案
$16$ 厘米
解题步骤
如图,两个图中阴影部分的水的体积是相等的,所以只用考虑其他部分水的体积相等,所以有 $60\times60\times(110-100)=15\times15\times25+(60\times60-15\times15)\times h$,得 $h=9$(厘米),那么露出水面部分的铁块的长是 $25-9=16$(厘米)。
思路:铁块被提起后水位下降,根据腾出体积与水面降低体积相等求出水位变化,再算出露出水面的铁块长度。
6. 一个长方体的长、宽、高恰好是 $3$ 个连续的自然数,并且它的体积的数值等于它的所有棱长之和的数值的 $2$ 倍,那么这个长方体的表面积是______。
A. $74$\quad B. $148$\quad C. $150$\quad D. $154$
长方体的体积与表面积连续自然数列方程
答案
B
解题步骤
设长方体的三条棱长分别为 $a-1,a,a+1$,则它的体积为 $a^{3}-a$,它的所有棱长之和为 $[(a-1)+a+(a+1)]\times4=12a$,于是有 $a^{3}-a=12a\times2$,即 $a^{3}=25a,a^{2}=25,a=5$,即这个长方体的棱长分别为 $4,5,6$。所以它的表面积为 $(4\times5+4\times6+5\times6)\times2=148$。
思路:用连续自然数 $a-1,a,a+1$ 表示三边,依体积等于棱长和两倍列方程求出 $a$,再算表面积。
7. 某工人用薄木板钉成一个长方体的邮件包装箱,并用尼龙编织条如图所示在三个方向上加固。尼龙编织条分别为 $365$ 厘米、$405$ 厘米、$485$ 厘米,若每个尼龙条加固时打结头重叠都是 $5$ 厘米。问这个长方体盒装箱的体积约是多少立方厘米?
一个长方体邮件包装箱的立体图,在长、宽、高三个方向上分别用尼龙编织条捆绑加固,并标注长、宽、高。
长方体的体积棱长和捆绳问题
答案
$1.001$ 立方米
解题步骤
长方体中:
高 $+$ 宽 $=\frac{1}{2}(365-5)$
$=180$ ……①
高 $+$ 长 $=\frac{1}{2}(405-5)$
$=200$ ……②
长 $+$ 宽 $=\frac{1}{2}(485-5)$
$=240$ ……③
②$-$①:长 $-$ 宽 $=20$ ……④
(③$+$④)$\div2$:长 $=130$,从而宽 $=110$,代入①得高 $=70$。
所以长方体的体积为 $70\times110\times130=1001000$(立方厘米)$=1.001$(立方米)。
思路:每根绳长扣去重叠后是两条棱长之和的两倍,列三元一次方程组解出长宽高,再求体积。
8. 将 $25$ 块棱长为 $1$ 的正方体积木堆放成一个几何体,如下图所示,看谁堆放的几何体的表面积最小?最小的表面积是多少?
一些棱长为1的小正方体积木散放的示意图,标注"25个积木"。
立体图形的表面积积木堆放最小表面积
答案
$54$
解题步骤
把 $25$ 块棱长为 $1$ 的正方体积木堆放成一个几何体,当从积木互相重合的面最多时表面积最小。设想 $27$ 块组成 $3\times3\times3$ 的大正方体积木,其表面积为 $54$(即 $6\times3\times3$)。现在要去掉 $2$ 块小积木来成为 $25$ 块,只要去掉表面积不会减少,要使得总表面积最小,发现在一个角处去掉相邻两块小积木后(如缺一角),表面积不变;与边上去掉的 $2$ 块的立方体相比较,$3\times3\times3=54$,所以堆放 $25$ 块小积木的最小表面积是 $54$。
思路:尽量让相邻小正方体的面互相贴合(重合面最多)来减少暴露面,通过近似 $3\times3\times3$ 大方体并去角得到最小表面积 $54$。
9. 一个长方体的棱长之和是 $28$ 厘米,而长方体的长宽高的长度各不相同,并且都是整数厘米。则它的体积是______立方厘米。
长方体的体积棱长和整数分拆
答案
$8$
解题步骤
由题意知长、宽、高的和为 $28\div4=7$(厘米),又根据题意长、宽、高各不相同,且是整数,所以只能是 $1,2,4$,所以体积为 $8$ 立方厘米。
思路:棱长和除以 $4$ 得长宽高之和为 $7$,三数互不相同且为整数,只能取 $1,2,4$,乘积即体积。
10. 用 $9$ 个如图甲所示的小长方体拼成一个如图乙所示的大长方体,已知小长方体的体积是 $750$ 立方厘米,则大长方体的表面积为______平方厘米。
图甲为一个小长方体;图乙为由9个相同小长方体拼成的大长方体的立体示意图,部分面以阴影标出。
长方体的体积与表面积拼接比例关系
答案
$2250$
解题步骤
由图中可知,假设小长方体最长的棱为长,次长的棱为宽,最短的棱为高,根据图乙可得出:长 $=3$ 高,$2$ 长 $=3$ 宽,假设小长方体的高为 $a$,那么小长方体的长就是 $3a$,那么宽就是 $3a\times2\div3=2a$,那么小长方体的体积就应该是 $a\times2a\times3a=6a^{3}$,说明 $a^{3}$ 即 $125$,那么 $a=5$,小长方体的长宽高分别是 $15,10,5$,那么根据图形列出算式:$(30\times15+30\times15+15\times15)\times2=2250$(平方厘米)。
思路:由拼接关系和小长方体体积求出小长方体的长宽高,再按大长方体尺寸计算表面积。
11. 如下图所示,用若干个体积相同的小正方体堆积成一个大正方体,要使大正方体的对角线上正方体 $8$ 个顶点中距离最远的两个顶点之间的连线穿过的小正方体是黑色的,其余小正方体都是白色的,并保证大正方体每条棱上有偶数个小正方体。当堆积完成后,白色正方体的体积占总体积的 $93.75\%$,那么一共用了多少个黑色的小正方体?
一个透视画出的大正方体框架,体对角线方向穿过若干小黑色正方体,右下角与左下角示意有小立方体堆叠。
立体图形的体积对角线穿过的正方体百分数
答案
$32$ 个
解题步骤
白色正方体的体积占总体积的 $93.75\%$,即占整个的 $\frac{15}{16}$,白色正方体与黑色正方体体积之比为 $15:1$,观察可知,每一层黑色正方体有 $4$ 个,则白色正方体有 $60$ 个,所以每一层共有 $64$ 个正方体,设小正方体的棱长为 $1$,则大正方体的棱长为 $8$,共有 $8$ 层,所以一共用了 $4\times8=32$(个)黑色的小正方体。
思路:由白色占 $\frac{15}{16}$ 得黑白体积比,结合每层黑块数与偶数棱长条件求出大正方体棱长,从而得黑色正方体总数。
12. 一块长、宽、高分别为 $21$ 厘米、$15$ 厘米和 $12$ 厘米的长方体木料,现从它的上面尽可能大地切下一个正方体,然后从剩余部分再尽可能大地切下一个正方体,最后再从第二次切剩的部分尽可能大地切下一个正方体,则最后剩下的部分体积是______立方厘米。
长方体的体积切正方体余料体积
答案
$1107$
解题步骤
第一次切下的正方体的棱长是 $12$ 厘米,第二次切下的正方体的棱长是 $9$ 厘米,第三次切下的正方体的棱长是 $6$ 厘米。
最后剩下的体积是
$21\times15\times12-12^{3}-9^{3}-6^{3}=3780-1728-729-216$
$=1107$(立方厘米)。
思路:每次都切出与当前最短棱相等棱长的正方体,依次确定三个正方体的棱长,用原体积减去三个立方体体积。
13. 一个大正方体,表面全涂上红色后,被分割成若干个体积都等于 $1$ 的小正方体。如果在这些小正方体中,$6$ 个面都没有涂红色的小正方体的个数占全部小正方体个数的 $\frac{8}{27}$,那么大正方体的棱长是多少?
正方体表面涂色比例立方关系
答案
$6$
解题步骤
设大正方体的棱长为 $a$,则大正方体的体积等于 $a^{3}$ 个体积都等于 $1$ 的小正方体,其中六个面都没有涂红色的小正方体的个数是 $(a-2)^{3}$。
所以 $\dfrac{(a-2)^{3}}{a^{3}}=\dfrac{8}{27}$
$=\left(\dfrac{2}{3}\right)^{3}$
$=\left(\dfrac{a-2}{a}\right)^{3}$,于是有 $a=6$。
思路:无涂色小正方体个数为 $(a-2)^3$、总数为 $a^3$,令其比等于 $\frac{8}{27}$ 开立方解出棱长。
14. 一个大正方体、$4$ 个中正方体、$4$ 个小正方体排成下图的立体图形,已知大、中、小三种正方体的棱长分别为 $5$ 厘米、$2$ 厘米、$1$ 厘米。那么,这个立体图形的表面积是______平方厘米。
由1个大正方体、4个中正方体、4个小正方体堆叠成的立体图形,中、小正方体立在大正方体顶面上。
立体图形的表面积组合体重叠面
答案
$230$
解题步骤
采用"压缩"的方法,把上面都列大正方体的上面,总表面积 $=$ 大正方体的表面积 $+$ 中正方体的侧面积 $+$ 小正方体的侧面积 $=5\times5\times6+2\times2\times4\times4+1\times1\times4\times4$
$=230$(平方厘米)。
思路:将上方小立方体投影压缩到大正方体顶面,总表面积等于大正方体表面积加上中、小正方体的侧面积。
15. 如下图所示,棱长分别为 $1$ 厘米、$2$ 厘米、$3$ 厘米、$5$ 厘米的 $4$ 个正方体紧贴在一起,则所得到的多面体表面积是______平方厘米。
棱长1、2、3、5厘米的4个正方体依次紧贴堆放在一起组成的多面体立体图。
立体图形的表面积三视图重叠面扣除
答案
$194$
解题步骤
运用三视图法,从前后面观察到的面积为 $5^{2}+3^{2}+2^{2}=38$(平方厘米),从左右两个面观察到的面积 $5^{2}=25$(平方厘米),从上下能观察到的面积为 $5^{2}=25$(平方厘米)。表面积为 $(38+25+25)\times2=194$(平方厘米)。
思路:用三视图思想分别求出前后、左右、上下三组方向的投影面积,相加再乘 $2$ 得表面积。
16. 桌子上有一些黑、白颜色的棋子,小明分别把从正面、左面和上面三个方向看到的情况画了下来(如下图),桌上共有多少枚棋子?
三视图:左视(左面)为高6层、有2列方块的图;主视(正面)为类似的两列方块图;俯视(上面)画有3个圆,呈两上一下排列,圆内有点。
三视图棋子计数逻辑推理
答案
$14$ 枚
解题步骤
由三视图不难分析得出,右上方的棋子有 $4$ 枚,左下方的棋子有 $4$ 枚,左上方的棋子有 $6$ 枚。所以以桌上共 $14$ 枚棋子。
思路:结合正面、左面、上面三视图判断每一摞棋子的位置与高度,分类相加得总枚数。
17. 下图是由几个边长为 $1$ 厘米的立方体搭成的几何体的俯视图,小正方形中的数字表示该位置叠加的立方体的个数,则这个几何体的表面积是多少?
一个俯视图,由几个小正方形组成阶梯形,方格内数字依次为:顶行1;中行2、4;底行3、2、1,表示各处叠加的立方体个数。
立体图形的表面积俯视图与高度投影法
答案
$44$ 平方厘米
解题步骤
表面积等于 $(8+8+6)\times2=44$(平方厘米)。
思路:由俯视图各格高度数字,分别计算上下、前后、左右三组投影面积,相加再乘 $2$ 求表面积。
18. 用棱长为 $1$ 厘米的立方块拼成右图所示的立体图形,求该图形的表面积。
用棱长1厘米的小立方块拼成的金字塔状立体图形,呈底层大、上层小的阶梯堆叠。
立体图形的表面积三视图投影法
答案
$54$ 平方厘米
解题步骤
用三视图法,从前后看每个方向各看到 $8$ 个面,从左右各看到 $7$ 个面。所以,这个立体图形的表面积是 $(12+8+7)\times2=54$(平方厘米)。
思路:用三视图分别数出前后、左右、上下三个方向的可见面数,相加再乘 $2$ 得到表面积。
19. 用若干个 $1\times1\times1$ 的小立方体堆积成一个立体图形(小立方体不能悬空),它的正视图、左视图、俯视图都是下图的样子,那么堆放或成满足条件的小立方体最少要______个小立方体。
一个台阶状的三视图:呈阶梯形,自上而下为1格、2格、3格的阶梯轮廓。
三视图最少立方体构造
答案
$9$
解题步骤
如下图所示,最少为 $9$ 个。(按图给出满足三视图的堆放方式,共需 $9$ 个小立方体。)
思路:在满足三个视图都呈阶梯形的前提下,让方块尽量共用位置,构造出所需最少的 $9$ 个立方体。
20. 下图中的 A,B,C 是三块形状不同的铁皮,将每块铁皮沿虚线弯折后焊接成一个无盖的长方体铁桶。其中,装水最多的铁桶是由______铁皮焊接的。
三块带折叠虚线的铁皮展开图:A 高80厘米、底宽120厘米;B 高75厘米、底宽140厘米;C 高70厘米、底宽160厘米,均带一个凸出的小矩形作为侧面。
长方体的体积折叠成桶最大容积
答案
B
解题步骤
分别求 A、B、C 的体积。
A:$30\times30\times50=45000$(立方厘米);
B:$35\times35\times40=49000$(立方厘米);
C:$40\times40\times30=48000$(立方厘米)。
所以以 B 铁皮焊接成的桶装水最多。
思路:把每块铁皮折成长方体桶,分别确定底面边长和高算出容积,比较三者得装水最多的那块。
21. 沿下图的虚线折叠,可以围成一个长方体,它的体积是______立方厘米。
一个带虚线的台阶状平面展开图,标注有7厘米、5厘米等尺寸,折叠后围成一个长方体。
长方体的体积展开图折叠尺寸推断
答案
$60$
解题步骤
宽 $+$ 高 $=7$,长 $=5$,长 $+$ 高 $=8$,所以长 $=5$,高 $=3$,宽 $=4$,体积为 $3\times4\times5=60$(立方厘米)。
思路:由展开图各段尺寸推出长方体的长、宽、高,三者相乘求体积。
22. 用若干个棱长为 $1$ 的小正方体铁框架焊接成的几何体,从正面、侧面、上面看到的视图均如右图所示,那么这个几何体至少有______个小正方体铁框架焊接而成。
一个 $3\times3$ 方格图,作为正面、侧面、上面三个方向均相同的视图。
三视图最少框架数棱柱结构
答案
$9$
解题步骤
注意,此题是焊接而成,而不是堆叠。棚中间可空,所以用 $9$ 个小正方体铁框架可焊接成面。
思路:因为是铁框架而非实心堆叠,中间可镂空,沿三个方向布置框架,最少用 $9$ 个即可满足三视图。
23. 右图由 $1$ 个正五边形、$5$ 个长方形、$5$ 个等边三角形组成,它是一个立体图形的平面展开图,那么这个立体图形有______条棱。
一个平面展开图:顶部一个正五边形,下方一排5个长方形,每个长方形下方再连一个等边三角形(呈尖角向下),共同组成一个立体图形的展开图。
立体图形的棱平面展开图多面体
答案
$20$
解题步骤
此立体图形示意图如下:共 $20$ 条棱。(由正五边形底、$5$ 个长方形侧面与 $5$ 个三角形面拼成的棱锥形多面体,数得共 $20$ 条棱。)
思路:将展开图还原为以正五边形为底、侧面为长方形并顶部收成三角形的多面体,数出全部棱数。
24. 一个大正方体由 $n^{3}$ 个单位小正方体组成,在大正方体表面涂色,如果其中只有一面涂色的小正方体有 $1014$ 个,则这个大正方体由______个小正方体组成。
A. $15^{3}$\quad B. $14^{3}$\quad C. $16^{3}$\quad D. $18^{3}$
正方体表面涂色只有一面涂色立方计数
答案
A
解题步骤
一面涂色的小正方体所在的位置在正方体的 $6$ 个面上且不能处在棱的位置,则 $6(n-2)^{2}=1014$,可求得 $n=15$,所以小正方体的个数为 $15^{3}$ 个。
思路:一面涂色块位于六个面内部(去掉边缘一圈),列方程 $6(n-2)^2=1014$ 解出 $n$,再求总数。
25. 有一个深 $4$ 分米的长方体容器,其内底面为边长 $3$ 分米的正方形。当容器底面的一边紧靠桌面倾斜如下图时,容器内的水刚好不会溢出。容器内的水有多少立方分米?
一个倾斜放置的长方体容器横截面示意图,截面被分为标有①②③的三块,沿边标有0、1、2、3、4等刻度,水面与容器口齐平不溢出,下部②①为有水的阴影区。
长方体的体积倾斜容器截面分割
答案
$22.5$ 立方分米
解题步骤
因为水刚好不溢出,所以②$=$③。
①的体积为 $3\times3\times1$
②的体积为 $3\times3\times(4-1)\div2$
所以容器内水的总体积为 $3\times3\times(4-1)\div2+3\times3\times1=22.5$(立方分米)。
思路:倾斜后水面截出三角形,利用不溢出时两块面积相等的关系,将水的体积拆成矩形柱与三棱柱之和。
26. 下图是一个长方体的展开图,则 A 的对面是______,B 的对面是______,C 的对面是______。
一个长方体的平面展开图,6个面排成阶梯状,分别标注 A、B、C、D、E、F。
长方体展开图相对面空间想象
答案
$E$、$D$、$F$
解题步骤
易知 B 对面是 $D$,$C$ 对面是 $F$,$A$ 对面是 $E$。
思路:按展开图中"相隔一个面即为相对面"的规律,确定每个字母面对应的相对面。
27. 如下图所示,沿长方体表面系一根绳子连接 A 点与 B 点。如果让绳子的长度达到最短,其长度应是多少厘米?
一个长20厘米、宽24厘米、高12厘米的长方体,A、B 为相对的两个顶点,沿表面有连接 A、B 的折线(绳子)。
长方体表面最短路径展开图勾股定理
答案
$40$ 厘米
解题步骤
两点之间,线段最短,那么在展开图中,AB 应为连接 A 点和 B 点的线段。
根据勾股定理,$AB^{2}=(20+12)^{2}+24^{2}$
$=1600$
$=40^{2}$,或 $AB^{2}=(20+24)^{2}+12^{2}$
$=2080$,或 $AB^{2}=(24+12)^{2}+20^{2}$
$=1696$,所以最短的长度应该是 $40$ 厘米。
思路:把长方体表面沿不同方式展开成平面,用勾股定理算出各展开方式下的直线距离,取最小值。
28. 将如下图所示的圆心角为 $90^{\circ}$ 的扇形纸片 $AOB$ 围成圆锥形纸帽,使扇形的两条半径 $OA$ 与 $OB$ 重合(接缝粘贴部分忽略不计),则围成的圆锥形纸帽是______。
一个圆心角90°的扇形 $AOB$ 上画有黑色直条纹(与半径垂直),以及 (a)(b)(c)(d) 四个带不同条纹的圆锥形纸帽选项供选择。
圆锥与扇形展开与卷曲图形变换
答案
(b)
解题步骤
在展开扇形上黑色条纹与 $OA$、$OB$ 是垂直的,当 $OA$、$OB$ 重合时,接口处黑色条纹应平直连接,由此排除 (a)、(c)、(d) 选 (b)。
思路:扇形上与半径垂直的条纹卷成圆锥后应在接缝处平直相接,据此排除接缝错位的选项得到 (b)。
第22讲 进位制与位值原理
进位制:理解 N 进制数“逢 N 进一”的计数规则,掌握 N 进制数按位值展开 $\sum a_i\times N^i$ 与十进制的相互转换。
位值原理:多位数可按数位展开为各数码与位权之积的和,如 $\overline{abc}=100a+10b+c$,是解数字问题的核心工具。
进制转换与运算:在二、三、八、十二等进制之间转换,并在非十进制下进行加减借位与整除余数判断。
数字重排与逆序数:研究将多位数各数码重新排列(含逆序)所得数与原数的和、差、最值关系,常得 $99(c-a)$、$222(a+b+c)$ 等结论。
小数点移动:小数点左右移动等价于乘除 $10$ 的幂,用位值分析点错小数点、平移小数点引起的金额或倍数变化。
位值法列方程:将数字谜、年龄、行程等问题中的多位数用位值表示后建立方程或不等式,结合数码取值范围求解。
平衡三进制与称重:砝码可放天平两侧时,用系数取 $-1$、$0$、$1$ 的平衡三进制表示物重,确定砝码的摆放方案。
1. 在二进制中,$1_2$ 表示 $1$;$(10)_2$ 表示 $2$;$(11)_2$ 表示 $3$;$(100)_2$ 表示 $4$;$(101)_2$ 表示 $5$;$\cdots\cdots$ 那么在六进制数中,$(1111)_6$ 所表示的十进制数为______。
进位制位值原理进制转换
答案
$259$
解题步骤
$(1111)_6 = 1\times 6^3 + 1\times 6^2 + 1\times 6 + 1 $
$= 259$。
思路:按位值原理把六进制数 $(1111)_6$ 各位乘以相应的 $6$ 的幂再求和即可。
2. $(643721)_8$ 表示一个八进制中的数。请问这个数被 $7$ 除的余数是多少?
进位制整除与余数位值原理
答案
$2$
解题步骤
在八进制中被 $7$ 除的性质与在十进制中被 $9$ 除的性质相同,$(6+4+3+7+2+1)\div 7 = 3\cdots\cdots 2$。
思路:类比十进制中“被 $9$ 除看各位数字和”的性质,八进制数被 $7$ 除的余数等于各位数字和被 $7$ 除的余数。
3. $\overline{xy}$、$\overline{zw}$ 各表示一个两位数,若 $\overline{xy}+\overline{zw}=139$,则 $x+y+z+w=$ ______。
位值原理进位与退位两位数运算
答案
$22$
解题步骤
和的个位为 $9$,不会发生进位 $y+w=9$,十位明显进位 $x+z=13$,所以 $x+y+z+w=22$。
思路:按位值拆分两位数加法,由个位不进位、十位进位分别确定 $y+w$ 与 $x+z$,再相加。
4. 有 $4$ 个数 $\overline{a}$、$\overline{b3}$、$\overline{1c26}$、$\overline{d341}$,它们的平均数是 $1837$,则 $\overline{acdb}=$ ______。
位值原理平均数数字重排
答案
$8957$
解题步骤
$\overline{a}+\overline{b3}+\overline{1c26}+\overline{d341}=1837\times 4$,
即 $1000d+100c+10b+a = 1837\times 4 - 341 - 26 - 3 - 1000$,
即 $\overline{dcba}=5978$,所以 $\overline{acdb}=8957$。
思路:由平均数求出四数之和,按位值原理列方程解出各数码后重新排列得 $\overline{acdb}$。
5. 四位数 $1234$ 可通过下面的变换变成 $1541$:
$$1234 \xrightarrow{\;\frac{12+1+2}{34+3+4}\;} 1541$$
现在有一个四位数,通过以上方法变换成 $3779$,那么原来的这个四位数是______。
位值原理数字变换列方程
答案
$3271$
解题步骤
设原来这个四位数是 $\overline{abcd}$,则有 $\overline{ab}+a+b=37$,$\overline{cd}+c+d=79$,即 $11a+2b=37$,$11c+2d=79$,解得 $a=3$,$b=2$,$c=7$,$d=1$,所以原来这个四位数是 $3271$。
思路:理解变换规则:新数前两位为前两位数与其数码和之和、后两位同理,逆向按位值列方程求解。
6. 一个两位数,加上 $45$ 以后,十位数字正好与个位数字互换位置。原来的这个两位数是多少?请写出所有可能。
位值原理数字互换枚举
答案
$16$、$27$、$38$、$49$
解题步骤
设原来这个两位数是 $\overline{ab}$,则有 $\overline{ab}+45=\overline{ba}$,即 $(10b+a)-(10a+b)=45$,解得 $b-a=5$,因此满足条件的所有两位数是 $16$、$27$、$38$、$49$。
思路:用位值表示两位数及其数字互换后的数,列差式得到 $b-a=5$,枚举满足的两位数。
7. 将一个数 $A$ 的小数点向右移动两位,得到数 $B$。那么 $B+A$ 是 $B-A$ 的______倍。(结果写成分数形式)
小数点移动进位制倍数关系
答案
$\dfrac{101}{99}$
解题步骤
将 $A$ 的小数点向右移动两位则 $A$ 变成 $100$ 倍,即 $B=100A$,那么 $B+A=101A$,$B-A=99A$,$B+A$ 是 $B-A$ 的 $\dfrac{101}{99}$ 倍。
思路:小数点右移两位即乘 $100$,用 $B=100A$ 表示后求 $B+A$ 与 $B-A$ 的比。
8. 有一个四位整数。在它的某位数字前面加上一个小数点,再和这个四位数相加,得到数 $2000.81$。求这个四位数。
小数点位置位值原理枚举讨论
答案
$1981$
解题步骤
由于和是 $2000.81$,小数点不可能加在个位数之前,如果小数点加在十位数之前,所得数除非常接近 $2$,与题意不符,所以小数点加在百位数之前,得到数除以约为 $20$,所以小数点加在百位数之前,则四位数加它的百分之一得 $2000.81$,则四位数为 $2000.81\div 1.01=1981$,故四位整数是 $1981$。但是因为 $(2000.81\div 1.001)$ 和 $(2000.81\div 1.0001)$ 都不是整数,所以只有 $1981$ 是唯一的答案。
思路:讨论小数点加在哪一位,使原四位数与其某分数倍之和恰为 $2000.81$,验证仅 $1981$ 成立。
9. 已知 $111111222222 = k\times(k+1)$,求 $k$ 的值。
位值原理因式分解找规律
答案
$333333$
解题步骤
方法一:利用位值原理直接计算:
$111111222222$
$=111111\times 1000000+111111\times 2$
$=111111\times 1000002$
$=111111\times 3\times 333334$
$=333333\times 333334$
所以,$k=333333$。
方法二:找规律:
$3\times 4=12$
$33\times 34=1122$
$333\times 334=111222$
$\cdots$
所以 $111111222222 = 333333\times 333334$,所以 $k=333333$。
思路:把左边按位值拆成 $111111\times 1000002$ 并因式分解为相邻两数之积,或用 $\underbrace{3\cdots3}\times\underbrace{3\cdots4}$ 的规律得到 $k$。
10. 某八位数形如 $\overline{2abcdefg}$,它与 $3$ 的乘积形如 $\overline{abcdefg4}$,则七位数 $\overline{abcdefg}$ 应是______。
位值原理列方程乘法竖式
答案
$8571428$
解题步骤
设 $x=\overline{abcdefg}$,则
$$(20000000+x)\times 3 = 10x+4$$
$$7x = 59999996$$
$$x = 8571428$$
即七位数应是 $8571428$。
思路:用位值把八位数 $\overline{2abcdefg}$ 与乘积 $\overline{abcdefg4}$ 分别表示,列一元一次方程求 $\overline{abcdefg}$。
11. 学生问数学老师的年龄。老师说:“由三个相同数字组成的三位数除以这三个数字的和,所得结果就是我的年龄。”老师今年______岁。
位值原理三位数结构约分求值
答案
$37$
解题步骤
设这个三位数为 $\overline{aaa}$,$\overline{aaa}\div(100a+10a+a)\div(a+a+a)=111a\div 3a$
$=37$ 岁。
思路:三个相同数字的三位数 $\overline{aaa}=111a$,除以数字和 $3a$ 得到与 $a$ 无关的定值 $37$。
12. 一辆汽车以不变的速度在行驶,司机看了三次里程表,如下图所示,由此可知汽车每小时行驶______千米。
三辆相同的面包车依次排列,分别标注三次里程表读数:第一辆里程表显示“0000xy”,向右经过“过了1小时”后第二辆里程表显示“0000yx”,再经“又过了1小时”后第三辆里程表显示“000x0y”。
位值原理行程问题列方程
答案
$45$
解题步骤
设汽车每小时行驶的路程为 $\overline{yx}-\overline{xy}=10y+x-10x-y$
$=9y-9x$,
又有汽车每小时行驶的路程为 $(\overline{x0y}-\overline{xy})\div 2=(100x-10x)\div 2$
$=45x$。
于是有 $9y-9x=45x$,即 $y=6x$。
又根据题意可知 $x$、$y$ 肯定是 $0\sim 9$ 的数值,且不等于 $0$,只能是 $x=1$,$y=6$,所以汽车每小时行驶 $45$ 千米。
思路:三次里程表读数依次为 $\overline{xy}$、$\overline{yx}$、$\overline{x0y}$,每小时增量相等,列方程求得每小时 $45$ 千米。
13. 三位数 $\overline{abc}$ 比三位数 $\overline{cba}$ 小 $99$,若 $a$、$b$、$c$ 彼此不同,则 $\overline{abc}$ 最大是______。
位值原理数字差最值
答案
$879$
解题步骤
由题意,竖式为
$$\begin{array}{r} a\;b\;c \\ +\quad 9\;9 \\ \hline c\;b\;a \end{array}$$
则有 $a+1=c$,要 $\overline{abc}$ 最大,如果 $a=8$,那么 $c=9$,剩下 $b$ 最大取 $7$,所以 $\overline{abc}$ 最大是 $879$。
思路:$\overline{cba}-\overline{abc}=99$ 推出个位需进位且 $c=a+1$;要 $\overline{abc}$ 最大则尽量取大数码得 $879$。
14. 由 $3$ 个 $0\sim 9$ 中的不同数字能组成 $6$ 个不同的三位数,如果这 $6$ 个三位数的和是 $5328$,则这些三位数中最小的一个是______。
位值原理数字排列三位数求和
答案
$159$
解题步骤
设三个数字为 $a$、$b$、$c$,不会发生进位 $x+w=9$,十位明显进位 $x+z=13$……(按位值原理,$6$ 个不同三位数之和为 $222(a+b+c)$,由 $222(a+b+c)=5328$ 得 $a+b+c=24$,即百位、十位、个位上数字和均为 $24$。每位数字和为 $24$,要最小三位数则百位尽量小,故百位取 $1$,于是十位与个位之和为 $23$,故最小三位数是 $159$。)
思路:三个不同数字排成的 $6$ 个三位数之和为 $222(a+b+c)$,由此求出数字和,再按“百位最小”原则确定最小三位数。
15. 十进制的正整数 $n$,它的九进制表示为一个三位数 $(abc)_9$,它的六进制表示也是一个三位数 $(cba)_6$。请问 $n$ 的十进制表示是什么?
进位制进制转换不定方程
答案
$248$
解题步骤
由题意 $(abc)_9=(cba)_6$,即 $81a+9b+c=36c+6b+a$,即 $80a+3b=35c$,所以 $16a+\dfrac{3}{5}b=7c$,即 $b$ 是 $5$ 的倍数,故 $b=0$ 或 $5$。
①若 $b=0$,则 $80a=35c$,即 $\dfrac{a}{c}=\dfrac{7}{16}$,$a$、$c$ 都不为 $0$,所以 $a=16$,$c=7$,但这与 $a$、$c$ 是九进制、六进制数码矛盾(数码必须小于进制),无解。
②若 $b=5$,则 $80a+15=35c$,即 $16a+3=7c$,可知 $2a$ 与 $4$ 相关,可取 $a=2$,则 $c=5$,符合数码条件。故 $a=2$,$b=5$,$c=5$,所求数为 $(255)_9=2\times 81+5\times 9+5$
$=212$。
思路:用九、六进制位值列等式 $81a+9b+c=36c+6b+a$,结合各数码小于其进制约束求解。
16. 智慧文具公司用以下方式计算原子笔:$12$ 支原子笔算为 $1$ 打,$12$ 打原子笔算为 $1$ 罗,用记号 $8°11'6''$ 代表 $6$ 罗 $11$ 打又 $8$ 支原子笔。请问 $3°7'10''$ 与 $6°8'3''$ 相差多少支原子笔?
进位制十二进制进制运算
答案
$995$
解题步骤
本题实际上是一个 $12$ 进制计算问题,我们可以将其转化为十进制后计算。$3°7'10''$、$6°8'3''$ 即 $(3\,7\,10)_{12}$ 与 $(6\,8\,3)_{12}$,化为十进制:$(3\,7\,10)_{12}=3\times 144+7\times 12+10$
$=430$ 支,$(6\,8\,3)_{12}=6\times 144+8\times 12+3$
$=963$ 支,相差 $963-430$……(按 $12$ 进制借位竖式 $6°8'3''-3°7'10''$ 计算得 $2°8'11''$,化为支数 $2\times 144+8\times 12+11=995$ 支。)
思路:把“罗、打、支”看作 $12$ 进制各位,化为十进制(或按 $12$ 进制借位)做减法得相差支数。
17. 甲数各位数字之和是 $9$,乙数各位数字之和是 $10$,当甲数作为被减数,乙数作为减数,用竖式做减法运算时,有两次借位。那么甲乙两数之差的各位数字之和是______。
位值原理借位数字和
答案
$17$
解题步骤
甲数有两次借位,每次借位会使数字和增加 $9$,所以甲乙两数之差的各位数字之和是 $9+9\times 2-10=17$。
思路:每发生一次借位,差的数字和相对“甲数字和减乙数字和”增加 $9$,两次借位即加 $2\times 9$。
18. 有一个四位数,将它的数码顺序倒排后得到一个新的四位数,加上原来的四位数后再加上 $1$,得到计算结果,甲的答案是 $8988$,乙的答案是 $9998$,丙的答案是 $9988$,丁的答案是 $8888$。如果四人中有一个人的计算是正确的,那么这个人是______。
位值原理回文数数字对称
答案
甲
解题步骤
说明四位数加它的倒序数为一个回文四位数,加上原来的四位数与倒序数之和必为各位对称(回文)结构。四位数与其倒序数之和的各位数字应对称,再加 $1$ 后分析各候选答案的各位结构,只有甲的答案 $8988$ 符合要求,故正确的是甲。
思路:原数与倒序数之和具有对称(回文)性,分析加 $1$ 后各答案的数位结构,判定哪一个可能成立。
19. 一个收银员下班前查账时发现:现金比账面记录少了 $153$ 元,她知道实际收钱不会错,只能是记账时有一个数点错了小数点,那么记错的那笔账实际收到的现金是______元。
小数点位置位值原理逆向求数
答案
$17$ 元
解题步骤
说明账面记金额比实际少 $153$ 元,$100a+b=17$($a$、$b$ 表示元、角)……(设记错的那笔账实际金额为 $x$ 元,错记成 $0.1x$ 元,则少记 $0.9x=153$,得 $x=170$ 元;若错记成 $0.01x$,则少记 $0.99x=153$,$x$ 不为整数,故实际金额为 $17$ 元。)
思路:小数点点错使金额变为原来的十分之一或百分之一,按“少记的差等于 $153$ 元”反求实际金额。
20. 一个十位数字是 $0$ 的三位数,等于它的各位数字之和的 $67$ 倍,交换这个三位数的个位数字和百位数字,得到的新三位数是它的各位数字之和的______倍。
位值原理数字交换倍数关系
答案
$34$
解题步骤
设原来的三位数为 $\overline{a0c}$,则有 $\overline{a0c}=67(a+c)$,即 $100a+c=67a+67c$,即 $33a=66c$,可得 $a=2c$。交换后新三位数为 $\overline{c0a}$,则 $(10b+a)\div(a+c)=(100c+a)\div(a+c)$,由 $a=2c$ 得 $\overline{c0a}=\overline{c0(2c)}$
$=102c$,而 $a+c=3c$,所以新三位数 $\overline{c0a}$ 是各位数字和的 $102c\div 3c=34$ 倍。
思路:由位值列出 $100a+c=67(a+c)$ 得 $a=2c$,再算交换后三位数与数字和之比。
21. 一个三位数 $A$ 的三个非零数字所组成的最大三位数与最小三位数的差仍是数 $A$,这个三位数 $A$ 是______。
位值原理数字重排自指数
答案
$495$
解题步骤
设这个三位数为 $\overline{abc}$,那么最大三位数 $\overline{cba}$,于是 $A=\overline{cba}-\overline{abc}$
$=99(c-a)$,三位数 $A$ 是 $99$ 的倍数,所有可能值如下:$198$、$297$、$396$、$495$、$594$、$693$、$792$、$891$,代入题中检验,得 $A=495$。
思路:数字重排的最大数减最小数为 $99(c-a)$,列出 $99$ 的倍数并检验“差等于原数”得 $495$。
22. 一个年龄在 $13\sim 19$ 岁之间的孩子把自己的年龄写在他父亲年龄的后面成为一个四位数,从这个四位数中减去父子年龄之差得到 $4289$,孩子与父亲的年龄之和等于______。
位值原理年龄问题列方程
答案
$59$
解题步骤
设孩子的年龄为 $\overline{1a}$,父亲的年龄是 $\overline{cd}$,根据题意有 $\overline{cd\,1a}=(\overline{cd}-\overline{1a})+4289$,所以 $\overline{cd}=43$,$\overline{1a}=16$,所以孩子和父亲的年龄和为 $43+16=59$。
思路:把孩子年龄接在父亲年龄后构成四位数,用位值列方程,减去年龄差后求出两人年龄。
23. $2025$ 的百位数字为 $0$,去掉 $0$ 后是 $225$,$225\times 9=2025$,这样的 $4$ 位数称为“零巧数”,那么所有的“零巧数”有______。
位值原理数字结构枚举
答案
$2025$、$4050$、$6075$
解题步骤
设零巧数为 $\overline{a0bc}$,因此有 $\overline{a0bc}=9\times\overline{abc}$,即 $1000a+\overline{bc}=900a+9\times\overline{bc}$,即 $\overline{bc}=25a$,因此最小为 $8$ 的倍数(即 $a\leqslant 4$),代入得 $2025$、$4050$、$6075$。
思路:设零巧数 $\overline{a0bc}=9\,\overline{abc}$,化简得 $\overline{bc}=25a$,枚举合法的 $a$ 求所有零巧数。
24. 在一种猜数游戏中,魔术师让小明随意想一个三位数 $\overline{abc}$,再让小明求出 $\overline{acb}$、$\overline{bac}$、$\overline{bca}$、$\overline{cab}$、$\overline{cba}$ 这五个三位数的和,并把所求得的和告诉魔术师,魔术师就能说出小明所想的数是多少。如果小明所求五个三位数的和是 $2003$,那么小明所想的三位数是______。
位值原理数字全排列枚举检验
答案
$217$
解题步骤
$\overline{acb}+\overline{bac}+\overline{bca}+\overline{cab}+\overline{cba}=2003$,即 $\overline{abc}+\overline{acb}+\overline{bac}+\overline{bca}+\overline{cab}+\overline{cba}=2003+\overline{abc}$,$222(a+b+c)=2003+\overline{abc}$。
由 $222(a+b+c)>2003$ 且 $222\times(a+b+c)>2003$,所以 $11>a+b+c\geqslant 10$,
当 $a+b+c=10$,$\overline{abc}=222\times 10-2003$
$=217$,(合);
当 $a+b+c=11$,$\overline{abc}=222\times 11-2003$
$=439$,$4+3+9=16\neq 11$(舍);
当 $a+b+c=13$,$\overline{abc}=222\times 13-2003$
$=883$,(舍);
当 $a+b+c=14$,$\overline{abc}=222\times 14-2003$
$=1105$,(舍)。
所以小明想的三位数是 $217$。
思路:六个数码全排列三位数之和为 $222(a+b+c)$,由五数之和反推 $\overline{abc}=222(a+b+c)-2003$ 并检验数字和。
25. 有一个四位数,它的各位数字中没有 $0$,将它的各位数字重新排列后,可得一些新的四位数。这些新的数中最大的数比原来的四位数大 $3834$,这些新数中最小的数比原来的四位数小 $4338$。请问原来的四位数是什么?
位值原理数字重排最大最小数
答案
$5917$
解题步骤
设原来的四位数为 $m$,最大的四位数为 $\overline{abcd}$,则最小的四位数为 $\overline{dcba}$,根据题意有
$\begin{cases}\overline{abcd}-m=3834\\ m-\overline{dcba}$
$=4338\end{cases}$
所以有 $\overline{abcd}-\overline{dcba}=3834+4338$
$=8172$,可得 $999(a-d)+90\times(b-c)=8172$
$=7992+180$,
则 $a-d=8$,$b-c=2$,$a=9$,$d=1$,$m=\overline{1b9 d}+4338$,且 $m$ 的四位数字分别为 $1$、$c$、$b$、$9$,由 $a=9$ 知 $a=9$,$d=1$,$b-c=2$,则 $b=9$,$c=7$,所以 $m=1579+4338$
$=5917$。
思路:最大数减最小数 $=8172$,用位值 $999(a-d)+90(b-c)$ 分解定出 $a,d,b,c$,再加上偏差求原数。
26. 一个人 $2008$ 年的年龄恰好等于他出生年的数字的和,那么这个人 $2008$ 年的年龄是______。
位值原理年龄问题分类讨论
答案
$23$ 岁或 $5$ 岁
解题步骤
①设这个人的出生年为 $\overline{19ab}$,根据题意 $1+9+a+b=2008-\overline{19ab}$,
$10+a+b=2008-1900-10a-b$,
化简得:$11a+2b=98$。
所以 $11a=98-2b$,因为 $a\leqslant 9$,所以 $11a\geqslant 98-18=80$,从而 $a\geqslant 8$,得到 $a=8$,$b=5$,这个人的年龄为 $2008-1985=23$(岁)。
②设这个人的出生年为 $\overline{200a}$,根据题意 $2+0+0+a=2008-\overline{200a}$,$2+a=8-a$,$a=3$,这个人的年龄为 $2008-2003=5$(岁)。
思路:分出生年在 $1900$ 年代或 $2000$ 年代两类,用位值列方程,由数字和等于年龄求年龄。
27. 正整数 $3$、$5$、$6$、$15$ 可以分别表示为 $1\times 2+1$,$1\times 2^2+1$,$1\times 2^2+1\times 2$,$1\times 2^3+1\times 2^2+1\times 2+1$,它们的上述表示(又称为二进制)中 $1$ 的个数分别是 $2$、$2$、$2$、$4$,都是偶数,像 $3$、$5$、$6$、$15\cdots$ 这样的数,称为魔数,前 $10$ 个魔数(从小到大)的和是______。
二进制数位计数枚举求和
答案
$115$
解题步骤
魔数从小到大排列:$3$、$5$、$6$、$9$、$10$、$12$、$15$、$17$、$18$、$20\cdots$,即 $10$ 个数中有 $1$ 在末位的有 $5$ 个,即在偶数位第二位、$5$ 个 $1$ 在偶数位第三位、$2$ 个 $1$ 在偶数位第 $4$ 位、$3$ 个 $1$ 在偶数位第 $5$ 位,和为 $5\times 1+5\times 2+5\times 2^2+4\times 2^3+3\times 2^4=115$,即前 $10$ 个魔数的和为 $115$。
思路:魔数即二进制中 $1$ 的个数为偶数的数,按从小到大枚举前 $10$ 个并求和。
28. 有一架两臂天平与 $1$、$3$、$9$、$27$、$81$、$243$、$729$、$2187$ 克的砝码,称重时砝码可以任意放在天平秤盘的两侧。现要称一个 $2009$ 克的物品,当天平平衡时,请问与物品在同一秤盘上的砝码总重是多少克?
三进制平衡三进制砝码称重
答案
$271$ 克
解题步骤
利用三进制,因 $2009=(2202102)_3$,
$=2\times 3^6+2\times 3^5+0\times 3^4+2\times 3^3+1\times 3^2+0\times 3+2\times 3^0$
$=(3\times 3^6-1\times 3^6)+(3\times 3^5-1\times 3^5)+0\times 3^4+(3\times 3^3-1\times 3^3)+1\times 3^2+0\times 3+(3\times 3^0-1\times 3^0)$
$=1\times 3^7+0\times 3^6-1\times 3^5+1\times 3^4-1\times 3^3+0\times 3^2+1\times 3-1\times 3^0$
即 $2009+243+27+1=2187+81+9+3$,
故与物品在同一秤盘上的砝码 $243$ 克、$27$ 克与 $1$ 克,总重为 $271$ 克。
思路:砝码可放两侧即用平衡三进制表示 $2009$,把系数为 $-1$ 的砝码与物品同盘,求其总重。
29. 把一个数的数字顺序颠倒过来得到的数称为这个数的逆序数,比如 $89$ 的逆序数为 $98$。如果一个两位数等于其逆序数与 $1$ 的平均数,这个两位数是______。
位值原理逆序数列方程
答案
$37$
解题步骤
设这个两位数为 $\overline{ab}$,则其逆序数为 $\overline{ba}$。根据题意有 $\overline{ab}=\dfrac{1}{2}(\overline{ba}+1)$,所以 $\overline{ba}+1=2\,\overline{ab}$,即 $10b+a+1=20a+2b$,得 $8b+1=19a$,可见 $a$ 为奇数,而且 $19a\leqslant 8\times 9+1=73$,得到 $a<4$。$a$ 可能为 $1$ 或 $3$,代入 $8b+1=19a$ 可知只有当 $a=3$ 时 $b=7$ 是整数,所以所求的两位数为 $37$。
思路:用位值表示两位数与其逆序数,由“等于逆序数与 $1$ 的平均数”列方程并讨论整除求解。
30. 一个正整数,如果它的各位数字之和恰好与加上它的各位数字之积相等,这样的数叫“奇妙数”,例如 $39=3+9+3\times 9$ 就是一个奇妙数。
(1)试求两位数中所有的奇妙数;
(2)三位数中是否存在奇妙数,若有,有几个?若无,请说明理由。
位值原理数字和与积存在性证明
答案
(1)$19$、$29$、$39$、$49$、$59$、$69$、$79$、$89$ 和 $99$;(2)无
解题步骤
(1)设两位奇妙数 $\overline{ab}=10a+b$($a\neq 0$)。
则 $a+b=\overline{ab}$
$=10a+b$,从而 $a=b\times 9a$,得 $b=9$。
因此两位数中的奇妙数为 $19$、$29$、$39$、$49$、$59$、$69$、$79$、$89$、$99$。
(2)三位数中没有奇妙数。
说明:设三位奇妙数 $\overline{abc}=100a+10b+c$($a\neq 0$)。
由 $a+b+c+abc=\overline{abc}$
$=100a+10b+c$,所以 $9\mid abc$。
①$a$、$b$、$c$ 中有一等于 $9$,若 $c=9$,则 $\overline{ab}=11a+b$($a\neq 1$,否则 $11=0$)即 $b(a-1)=11a$,从而 $11\mid b$ 或 $11\mid(a-1)$,不可能。同理:$a=9$ 或 $b=9$ 均不可能。
②若 $a$、$b$、$c$ 中有两个为 $3$ 的倍数,如 $a=3l_1$,$b=3l_2$($l_1$,$l_2=1$ 或 $2$)。则 $l_1 l_2 c=33l_1+3l_2\geqslant 36$,又 $l_1 l_2 c\leqslant 4c$,从而 $4c\geqslant 36$,$c=9$,由①知,这不可能。
思路:用位值把“数字和加数字积等于原数”列方程;两位数解出 $b=9$,三位数通过 $9\mid abc$ 分类证明无解。
31. 老王去银行兑现一张支票。结果银行职员疏忽,在支付款项时把百元和千元的数字弄并了,而老王也没注意到。在回家的途中,老王花费 $152$ 元买了一本杂志,回到家才发觉口袋里的钱恰好是要兑现支票之金额的两倍。若老王原来口袋里没有钱,请问原来这张支票的金额是多少?
位值原理数字互换列方程
答案
$2548$ 元
解题步骤
设支票金额为 $\overline{abcd}$,银行职员将百元与千元数字弄并支付 $\overline{abdc}$(百、千位互换)……由题意,错付的金额减去 $152$ 元后等于支票金额的两倍,列出位值方程化简得 $19a=8b-2$,于是 $a$ 是偶数,并且 $19a\leqslant 8\times 9-2=70$,于是 $a=2$,于是 $b=5$,于是原支票的面额是 $2548$ 元。
思路:把千、百位互换造成的金额差与“花 $152$ 元后剩为支票两倍”列位值方程,解出各位数字得面额。
32. 已知 $a$ 是各位数字相同的两位数,$b$ 是各位数字相同的两位数,$c$ 是各位数字相同的四位数,且 $a^2+b=c$。求所有满足条件的 $(a,b,c)$。
位值原理叠数结构整数方程
答案
所有满足条件的数组 $(a,b,c)$ 为 $(88,33,7777)$、$(33,22,1111)$ 和 $(66,88,4444)$。
解题步骤
设 $a=10x+x$,$b=10y+y$,$c=1000z+100z+10z+z$,其中 $x$、$y$、$z$ 是非零数码,则由 $a^2+b=c$,可得整数方程:
$121x^2+11y=1111z$,即 $11x^2+y=101z$,即 $2z-y=11x^2-99z$
$=11(x^2-9z)$。
因为 $x$、$y$、$z$ 是非零数码:
①$2z-y=11$,$x^2-9z=1$,由 $x$、$y$、$z$ 是非零数码之条件,解出 $z=7$,$x=8$,$y=3$;
②$2z-y=0$,$x^2-9z=0$,由 $x$、$y$、$z$ 是非零数码之条件,解出 $z=1$ 或 $4$,$x$ 相应为 $3$、$6$……
故所有满足条件的数组 $(a,b,c)$ 为 $(88,33,7777)$、$(33,22,1111)$ 和 $(66,88,4444)$。
思路:把三种叠数用 $11x$、$11y$、$1111z$ 表示,由 $a^2+b=c$ 化为 $11x^2+y=101z$,分类解非零数码。
第23讲 数的整除
整除的基本特征:能被 2、4、5、8 整除看末位或末几位; 能被 3、9 整除看各位数字之和; 能被 11 整除看奇数位与偶数位数字和之差。
合数整除的拆分:判断能否被合数整除, 可将其分解为互质因数(如 12=3×4, 15=3×5, 72=8×9, 55=5×11, 63=7×9), 分别判断后综合。
数字和与余数(弃九法):一个数除以 9(或 3)的余数等于其各位数字之和除以 9(或 3)的余数, 可用于求余数及验证整除。
最小公倍数与整除:同时被多个数整除等价于被它们的最小公倍数整除, 常用于求满足多重整除条件的最小数。
逐位整除与构造:对前缀依次被不同数整除或逐位删除后整除的题, 按位逐步推断并构造满足条件的最大/最小数。
整除性质与约数分析:利用 $a\mid b$ 的传递与组合性质、把分式整除转化为约数问题, 解决三数互整除等综合题。
1. $\overline{1a87a2}$ 是 $2008$ 的倍数. $a=$ ______.
整除特征8的倍数判定试除法
答案
$9$
解题步骤
$2008$ 是 $8$ 的倍数, 则 $\overline{1a87a2}$ 也是 $8$ 的倍数, 所以 $\overline{7a2}$ 是 $8$ 的倍数, $a$ 只能是 $1$、$5$ 或 $9$. 经试除可知 $a=9$ 时满足题目要求, 所以 $a=9$.
思路:利用 2008 含因数 8, 故原数末三位 $\overline{7a2}$ 必被 8 整除, 缩小 $a$ 的取值后试除确定.
2. 在六位数 $3\square2\square1\square$ 的三个方框里分别填入数字, 使得该数能被 $15$ 整除, 这样的六位数中最小的是 ______.
整除特征15的倍数判定3和5的倍数判定
答案
$302010$
解题步骤
要想使六位数最小, 则三个方框里的数字应最小, 最小为 $302010$, 满足被 $3$、$5$ 整除, $3$ 和 $5$ 互质, 所以 $302010$ 能被 $15$ 整除. 所以六位数中最小的是 $302010$.
思路:被 15 整除即同时被 3 和 5 整除; 让各空位尽量小并校验整除性.
3. $1234567891011121314\cdots20082009$ 除以 $9$, 商的个位数字是 ______.
9的余数数字和与余数同余
答案
$4$
解题步骤
一个数除以 $9$ 的余数, 等于它的各个数位上的数字和除以 $9$ 的余数, 所以这个数除以 $9$ 的余数即 $1+2+3+\cdots+2009$ 除以 $9$ 的余数. $1+2+3+\cdots+2009=2010\times2009\div2\equiv3\times2\div2\equiv3\pmod{9}$, 即该多位数除以 $9$ 余 $3$, 则商的个位数字乘以 $9$ 所得积的个位为 $9-3=6$, 所以商的个位数字为 $4$.
思路:用数字和求原数除以 9 的余数, 再由 商×9+余数=原数 推出商的个位.
4. 将自然数 $1$、$2$、$3$、$\cdots$ 依次写下去组成一个数: $12345678910111213\cdots$, 如果写到某个自然数时, 所组成的数恰好第一次被 $72$ 整除, 那么这个自然数是多少?
72的倍数判定8和9的倍数判定数字和
答案
$36$
解题步骤
方法一: 能被 $72$ 整除, 则一定能被 $8$ 和 $9$ 整除. 所以数字和应为 $9$ 的倍数, 且末三位为 $8$ 的倍数, 经试验可知最小写到 $36$ 时, 数字和一定是 $9$ 的倍数, 而 $536$ 是 $8$ 的倍数, 所组成的数能被 $72$ 整除. 所以这个自然数为 $36$.
方法二: 假设满足条件的数是 $n$, 则 $1+2+3+\cdots+n=\frac{n(n+1)}{2}$ 能被 $9$ 整除, 因此 $n$ 或 $n+1$ 是 $9$ 的倍数, 且 $n$ 是偶数, 所以 $n=8,18,26,36,\cdots$ 经检验 $n=36$.
思路:72=8×9, 故组成数须同时满足被 8(末三位)和 9(数字和)整除, 顺次试验找首个满足者.
5. $\overline{20116\text{XES杯XES杯XES杯XES杯}20116}$ 是 $99$ 的倍数, 是 $101$ 的倍数, 那么 “学”$+$“而”$+$“思”$+$“杯” 等于 ______.
99的倍数判定101的倍数判定9999的倍数
答案
$22$
解题步骤
因为 $99$ 和 $101$ 互质, 所以原数是 $9999$ 的倍数. 因此 $9999\mid\overline{20116\text{XES杯XES杯XES杯XES杯}20116000}$, 所以 $9999\mid(2+0116+\overline{\text{XES杯}}\times4+2011+6000)$, 即 $9999\mid(\overline{\text{XES杯}}\times4+8129)$, 因为 $8129$ 被 $4$ 除余 $1$, $9999$ 被 $4$ 除余 $3$, 所以 $\overline{\text{XES杯}}\times4+8129=9999\times3$, 所以 $\overline{\text{XES杯}}=5467$, 数字和为 $22$.
思路:99 与 101 互质故原数被 9999 整除; 按四位分段求和后解出“XES杯”这四个数字.
6. 如果一个至少两位的自然数 $N$ 满足下列性质: 在 $N$ 的前面任意添加一些数字, 使得到的新数的数字和为 $N$, 但无论如何添加, 这样得到的新数一定不能被 $N$ 整除, 则称 $N$ 为 “破坏数”. 那么最小的 “破坏数” 是 ______.
整除性质奇偶性分析构造与反证
答案
$11$
解题步骤
最小的两位数是 $10$, 但如果在 $10$ 的前面添加数字, 得到的新数肯定都能被 $10$ 整除, 所以 $10$ 不是 “破坏数”. 除了 $10$ 之外, 最小的两位数是 $11$, 在 $11$ 前面添加一些数字, 得到新数的数字和为 $11$, 由于一个数被 $11$ 整除取决于它的奇偶位数字之差, 而添加数字之和是奇数 $11$, 所以这两个奇偶位数字之和的奇偶性不同, 即新数不可能被 $11$ 整除, 因此此新数一定不能被 $11$ 整除, 即最小的 “破坏数” 是 $11$.
思路:逐一检验小两位数; 10 添数必被整除, 11 利用 11 的整除判定(奇偶位差)说明无法被整除.
7. $0\sim6$ 这 $7$ 个数字能组成许多个没有重复数字的 $7$ 位数, 其中有些是 $55$ 的倍数, 最大的一个是 ______.
55的倍数判定5和11的倍数判定奇偶位数字和
答案
$6431205$
解题步骤
这个七位数是 $55$ 的倍数, 所以是 $5$ 和 $11$ 的倍数. 是 $5$ 的倍数, 个位只能是 $0$ 或 $5$; 是 $11$ 的倍数, 奇数位数字和与偶数位数字和之差应为 $11$ 的倍数(包括 $0$), 由于各位数字和为 $21$, 是奇数, 所以差只能为 $11$. $(21-11)\div2=5$, 要想最大, 首位应为 $6$, 所以奇数位数字和为 $21-5=16$, 偶数位数字和为 $5$. 第二位最大只能是 $4,5=4+1+0,0$ 在偶数位, 因此个位是 $5$, 所以这个数为 $6431205$.
思路:55=5×11, 综合末位规则与奇偶位差为 11 的倍数, 在高位尽量大下逐位安排数字.
8. 用数字 $0$、$1$、$2$、$3$、$4$、$5$、$6$、$7$、$8$、$9$ 拼成一个十位数. 要求前 $1$ 位数能被 $2$ 整除, 前 $2$ 位数能被 $3$ 整除, $\cdots\cdots$, 前 $9$ 位数能被 $10$ 整除. 已知最高位数为 $8$. 这个十位数是 ______.
整除特征综合逐位整除凑数构造
答案
$8165432709$
解题步骤
由前 $9$ 位数能被 $10$ 整除, 可知第九位数字为 $0$; 由第八位能被 $5$ 整除, 可知第四位数字为 $5$; 由第四、第八位能被 $5$ 整除, 可知前四位数字为 $9$ 的倍数, 而所有数字本身就是 $9$ 的倍数, 所以第十位数字只能是 $9$; 由第二、四、六、八位能被 $2$ 整除, 故第二位数字只能是 $1$、$4$ 或 $7$, 如果第二位数字是 $4$, 则由第二位能被 $4$ 整除, 故第三位数字只能是 $1$ 或 $7$; 则第三位数字只能是 $2$ 或 $6$, 结合前后各位数知后面位数只能是 $1$ 或 $7$, 由前六位能被 $6$ 整除, 故第六位数字 $6$, 第四位数字只能为 $5$, 经过排除可知这个十位数为 $8165432709$.
思路:从被 10、被 5、被 2 等限制定出固定数位, 再逐位试验整除条件排除, 还原整数.
9. 一个 $10$ 位数, 如果数位上的各位数字各不相同, 那么称为 “十全数”. 已知一个十全数能被 $1$、$2$、$3$、$\cdots$、$18$ 整除, 并且它的前四位是 $4876$, 那么, 这个十全数是 ______.
十全数最小公倍数整除性质
答案
$4876391520$
解题步骤
被 $10$ 整除可以确定末位为 $0$, 并且能被 $4$ 整除, 所以十位为偶数, 而 $0,4,6,8$ 已经用过, 所以十位为 $2$, 这个数能被 $11$ 整除, 所以由奇数位与偶数位的数字和之差能被 $11$ 的倍数, 所以补剩余 $1,3,5,9$ 应是 $5,9$ 填在奇数位, $1,3$ 填在偶数位. 因此由前四位数字可确定: $4876391520$, 利用 $17$ 来检验, 易得, 这个十全数为 $4876391520$.
思路:由被 10、被 4、被 11 等条件确定末位与奇偶位数字分布, 在前四位已知下逐步还原并验证.
10. 包含 $0,1,2,3,4,5,6,7,8,9$ 十个数字的十位数称为 “十全数”, 如果某个 “十全数” 同时满足下列要求:
(1) 它能分别被 $1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12$ 整除;
(2) 它与 $2004$ 的和能被 $13$ 整除;
那么这些 “十全数” 中最小的是 ______.
十全数整除特征综合13的倍数判定
答案
$1234759680$
解题步骤
“十全数” 如果它能被 $7,8,9,10,11$ 整除, 那么它就能被 $1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12$ 整除.
(1) 因为 “十全数” 要被 $10$ 整除, 所以个位必是 $0$.
(2) 数字 $0\sim9$ 的和是 $45$, 所以不管数字如何排列, 这个数一定能被 $9$ 整除.
(3) 这个数要能被 $11$ 整除, 奇数位上的数字之和与偶数位上的数字之和的差就要能被 $11$ 整除. 因为和是 $45$, 所以这个差也一定是奇数(想一想为什么), 所以只能是 $11$. 根据和差问题可求出奇数位上的数字之和与偶数位上的数字之和分别是 $(45-11)\div2=17$, $(45+11)\div2=28$. 为了让数最小我们可以让前四位为 $1234$, 这时 “十全数” 的形式为 $1234\square\square\square\square\square0$. 那么奇数位上的数字 $2+4+\square+\square+0=17$, $\square+\square=11$, 只能是 $5+6=11$, 为了让数最小, 我们让百位上的数字是 $6$, 万位上的数字是 $5$. $1234\square5\square6\square0$, 这时构成的能被 $11$ 整除的最小的 “十全数” 为 $1234758690$.
(4) 因为 $1234758690$ 的末三位不是 $8$ 的倍数, 所以 $1234758690$ 也不是 $8$ 的倍数, 我们调换一下 $8$ 和 $9$ 的位置把数变为 $1234759680$, 这个数是 $8$ 的倍数. 经验证 $1234759680$ 这个数能被 $7$ 整除, 并且与 $2004$ 的和也能被 $13$ 整除, 所以满足条件的最小 “十全数” 是 $1234759680$.
思路:被 12 以下整除归结为被 7、8、9、10、11 整除, 由末位、数字和、奇偶位差逐步确定数字, 再调整满足被 8 及与 2004 和被 13 整除.
11. 在六位数 $\overline{ABCDEF}$ 中, 不同的字母表示不同的数字, 且满足 $A$、$\overline{AB}$、$\overline{ABC}$、$\overline{ABCD}$、$\overline{ABCDE}$、$\overline{ABCDEF}$ 依次能被 $2,3,5,7,11,13$ 整除, 则 $\overline{ABCDEF}$ 的最小值是 ______, (已知当 $\overline{ABCDEF}$ 取得最大值时 $C=0$, $F=6$.) 那么 $\overline{ABCDEF}$ 的最大值是 ______.
整除特征综合逐位整除极值构造
答案
$210769$; $840736$
解题步骤
(1) 求 $\overline{ABCDEF}$ 的最小值: $A$ 最小为 $2$, $\overline{AB}$ 最小为 $21$, $\overline{ABC}$ 最小为 $210$, $\overline{ABCD}$ 最小为 $2107$, $\overline{ABCDE}$ 最小为 $21076$, 此时由 $210760\div13=16212\cdots\cdots4$ 可知 $\overline{ABCDEF}$ 最小为 $210769$.
(2) 再求 $\overline{ABCDEF}$ 的最大值: 为使 $\overline{ABCDEF}$ 最大, 高位上的数应尽可能大. 由于 $A$ 能被 $2$ 整除, 所以 $A$ 最大为 $8$; 当 $A$ 为 $8$ 时, 由于 $\overline{AB}$ 能被 $3$ 整除, $\overline{AB}$ 最大可能为 $87$. 若 $\overline{AB}$ 为 $87$, 则 $\overline{ABC}$ 为 $870$. 若为 $870$, 由 $\overline{ABCD}$ 能被 $7$ 整除可知 $\overline{ABCD}$ 可为 $8701$($8708$ 因有重复数字被排除), 此时由 $\overline{ABCDE}$ 能被 $11$ 整除可知 $E$ 只能为 $0$, 此时也有重复数字, 不合题意. 所以 $B$ 不能为 $7$, $B$ 最大为 $4$. 当 $B$ 为 $4$ 时, $\overline{ABC}$ 为 $840$. 若为 $840$, 则 $\overline{ABCD}$ 只能为 $8407$, 此时由 $\overline{ABCDE}$ 能被 $11$ 整除可知 $E$ 只能为 $3$, 此时 $\overline{ABCDE}$ 为 $84073$, 而 $84073\div13=6467\cdots\cdots2$, 由 $F=6$ 可知 $\overline{ABCDEF}$ 最大为 $840736$.
思路:利用前缀依次被 2,3,5,7,11,13 整除的逐位限制, 分别在高位取小/取大并排除重复数字得最小、最大值.
12. 有 $7$ 张卡片, 上面分别写着 $1$、$2$、$3$、$4$、$5$、$6$、$7$ 这七个数字, 从这七张卡片中选出若干张卡片, 排成一个尽可能大的多位数, 并且使这个多位数能被组成它的所有数整除, 求这个多位数.
整除特征综合数字和与3的倍数末两位被4整除
答案
$73416$
解题步骤
要想这个多位数尽可能大, 选出的数要尽可能多. 如果这个数是五位以上数, 选出的数中肯定有 $5$, 那么这个数的数位中肯定有数字是 $5$ 的倍数, 个位只能是 $5$, 那么这个数的数位中不能出现 $2,4,6$ 这些偶数, 否则 $5$ 之外都要选出来, 但是 $1+2+3+4+6+7=23$, 这个六位数肯定不能被 $3$ 整除, 所以 $3$ 也不能选, 矛盾. 如果这个数是五位数, $5$ 不能选, 如果没有选 $5$, 那么 $6$ 也不能选, 所以肯定选了 $3$, 由能被 $3$ 整除的判定, 只有 $1+3+4+6+7=21$ 满足条件, 所以这个五位数是由 $1,3,4,6,7$ 构成. 五位数能被 $4$ 整除, 那么末两位能被 $4$ 整除, 只能是 $16,36$ 或 $64$. 如果末两位是 $16$: 最大的 $74316$ 不能被 $7$ 整除, 次大的 $73416$ 能被 $7$ 整除. 如果末两位是 $36$: 最大的 $74136$ 不能被 $7$ 整除, 之后的数小于 $73416$. 如果末两位是 $64$: 最大的 $73164$ 小于 $73416$. 综上所述, 这个多位数是 $73416$.
思路:通过 5、3 等倍数判定缩小所选数字集合, 确定为五位数 $\{1,3,4,6,7\}$, 再按被 4、7 整除从大到小试.
13. 设 $a$、$b$、$c$、$d$ 各代表一个不同的非零数字, 如果 $\overline{abcd}$ 是 $13$ 的倍数, $\overline{bcda}$ 是 $11$ 的倍数, $\overline{cdab}$ 是 $9$ 的倍数, $\overline{dabc}$ 是 $7$ 的倍数, 那么 $\overline{abcd}$ 是 ______.
整除特征综合最小公倍数循环位移数
答案
$3861$
解题步骤
由于 $\overline{cdab}$ 是 $9$ 的倍数, 说明其各位数字之和能被 $9$ 整除, 所以 $\overline{abcd}$ 也是 $9$ 的倍数; 由于 $\overline{bcda}$ 是 $11$ 的倍数, 那么其奇位数字之和与偶位数字之和的差能被 $11$ 整除, 也就是 $a+c$ 与 $b+d$ 的差能被 $11$ 整除, 所以 $\overline{abcd}$ 是 $11$ 的倍数; 又根据题意, $\overline{abcd}$ 是 $13$ 的倍数, 那么 $\overline{abcd}$ 是 $9$、$11$、$13$ 的公倍数, 也就是 $[9,11,13]=1287$ 的倍数, 又是四位数, 可能为 $1287,2574,3861,5148,6435,7722,9009$, 其中 $7722$ 和 $9009$ 出现重复数字, 可以排除, 由于 $\overline{dabc}$ 是 $7$ 的倍数, 说明 $\overline{abc}-d$ 是 $7$ 的倍数, 对 $1287,2574,3861,5148,6435,\cdots$ 一一进行检验, 发现只有 $3861$ 满足这一点, 所以 $\overline{abcd}$ 是 $3861$.
思路:由四个循环数的整除条件推出 $\overline{abcd}$ 须被 9、11、13 整除即被 1287 整除, 列出四位倍数后用被 7 整除校验.
14. 已知 $n$ 是一个三位数, 且 $(n+1)(n+2)(n+3)$ 可被 $7$ 整除. 请问满足上述条件的 $n$ 共有多少个?
7的倍数判定连续整数计数
答案
$386$ 个
解题步骤
所有 $7k-1$、$7k-2$、$7k-3$ 形式的 $n$ 均是符合要求的, $7$ 的倍数中最小的三位数为 $105$, 最大的三位数为 $994$, 三位数中 $7$ 的倍数有 $(994-105)\div7+1=128$(个), 因此 $7k-1$、$7k-2$、$7k-3$ 也各有 $128$ 个, 同时 $1001-3$、$1001-2$ 也满足条件, 所以 $n$ 有 $128\times3+2=386$(个).
思路:$(n+1)(n+2)(n+3)$ 含 7 因子等价于 $n$ 为 $7k-1,7k-2,7k-3$ 之一, 统计三位数中这三类的个数并补足边界.
15. 有一个由 $1$、$2$、$3$、$4$、$5$ 组成的无重复数字的五位数. 从左起删除第 $1$ 个数字成为一个四位数时, 此四位数是 $1$ 的倍数; 从左起删除第 $2$ 个数字成为一个四位数时, 此四位数是 $2$ 的倍数; 从左起删除第 $3$ 个数字成为一个四位数时, 此四位数是 $3$ 的倍数; 从左起删除第 $4$ 个数字成为一个四位数时, 此四位数是 $4$ 的倍数; 从左起删除第 $5$ 个数字成为一个四位数时, 此整数是 $5$ 的倍数. 请写出 $2$ 个这样的五位数: ______, ______.
整除特征综合逐位删除2、3、4、5的倍数判定
答案
$41352$; $14352$
解题步骤
设这个数为 $\overline{abcde}$, 从左起删除第 $2$ 个数字形成的四位数是 $2$ 的倍数, 所以 $e$ 是偶数, 可取 $2$ 或 $4$; 从左起删除第 $3$ 个数字形成的四位数是 $3$ 的倍数, $3\mid(a+b+d+e)$, 又 $3\mid(1+2+3+4+5)$, 所以 $c=3$; 从左起删除第 $4$ 个数字形成的四位数是 $4$ 的倍数, 所以 $4\mid\overline{3e}$, 则 $e=2$; 从左起删除第 $5$ 个数字形成的四位数是 $5$ 的倍数, 所以 $d=5$. 综上可确定 $\overline{cde}=352$, 这样的五位数为 $41352$ 或 $14352$.
思路:对各次删除后四位数的整除条件依次推出 $c=3$、$e=2$、$d=5$, 余下首两位 $1$、$4$ 可互换.
16. 六位自然数, $\overline{1082\square\square}$ 能被 $12$ 整除, 末两位数有 ______ 种情况.
12的倍数判定试除法枚举
答案
$8$
解题步骤
试除法: $108299\div12=9024\cdots\cdots11$, $99-11=88$, $88-12=76$, $76-12=64$, $64-12=52$, $52-12=40$, $40-12=28$, $28-12=16$, $16-12=04$ 共 $8$ 种情况.
思路:从被 12 整除的最大候选向下逐次减 12, 列出落在末两位范围内的合法末两位个数.
17. 一个七位数 $\overline{2058xyz}$ 能同时被 $2,3,4,5,6,7,8,9$ 整除, 则 $x+y+z=$ ______.
最小公倍数整除特征综合凑整除
答案
$12$
解题步骤
试除法: $[2,3,4,5,6,7,8,9]=2520$, $2058000\div2520=816\cdots\cdots1680$, 所以这个七位数为 $2058000+(2520-1680)=2058840$, 则 $x+y+z=8+4+0$
$=12$.
思路:被 2~9 整除即被它们的最小公倍数 2520 整除, 求出大于 2058000 的最小 2520 倍数定出末三位.
18. 有 $15$ 位同学, 学号都有编号, 他们是 $1$ 号到 $15$ 号. $1$ 号同学写了一个自然数, $2$ 号说: “这个数能被 $2$ 整除”, $3$ 号说: “这个数能被 $3$ 整除”$\cdots\cdots$ 依次下去, 每位同学都说: 这个数能被他的编号数字整除. $1$ 号了一了, 编号相邻的同学有两位说的不对, 其余的同学都对, 问:
(1) 说得不对的两位同学, 他们的编号是哪两个连续自然数?
(2) 如果告诉你, $1$ 号同学写的数是五位数, 请求出这个数. (写出解题过程)
整除性质最小公倍数逻辑推理
答案
(1) 编号是 $8$ 和 $9$; (2) $60060$
解题步骤
(1) 首先可以断定编号是 $2,3,4,5,6,7$ 的同学说的一定都对. 不然, 其中说得不对的编号乘以 $2$ 后所有编号中说得对的, 这样就与 “只有编号相邻的两位同学说得不对” 不符合. 因此, 说得不对的编号是 $7,8,9,10,11,12,13,14$ 中相邻的两个. 其次, 我们利用排除质可知这个数能被 $2\times5$、$3\times4$、$2\times7$ 都整除, 即编号为 $10,12,14$ 的同学说的也对. 由于说得不对的两位编号相邻, 这样就与编号相邻矛盾, 所以编号是连续的两个自然数. 现在我们可以断定说得不对的两个编号只能是 $8$ 和 $9$.
(2) 这个数 $2,3,4,5,6,7,10,11,12,13,14,15$ 的公倍数, 即上述十二个数的最小公倍数 $[2,3,4,5,6,7,10,11,12,13,14,15]=2^2\times3\times5\times7\times11\times13$
$=60060$, 因为 $60060$ 是一个五位数, 而由十二个数的其他公倍数均不是五位数, 所以 $1$ 号同学写的数就是 $60060$.
思路:利用整除连锁排除, 锁定说错者为相邻编号 8 与 9; 再取其余编号的最小公倍数得五位数 60060.
19. 使得 $10^{n}-1$ 是 $63$ 的倍数的最小正整数 $n$ 是 ______.
整除性质质因数分解循环节
答案
$6$
解题步骤
$63=9\times7$, $10^{n}-1$ 肯定是 $9$ 的倍数, 所以只要考虑 $7$ 的倍数就可以了. 考虑到 $111111$ 是 $7$ 的倍数, $10^{6}-1=999999$, 所以最小的 $n$ 是 $6$.
思路:63=9×7, 而 $10^n-1$ 恒被 9 整除, 故只需 $\underbrace{9\cdots9}_{n}$ 被 7 整除, 取 $n=6$.
20. 在 $1,2,3,\cdots,1995$ 这 $1995$ 个数中找出所有满足下面条件的数 $a$ 来: $(1995+a)$ 能整除 $1995\times a$.
整除性质约数质因数分解
答案
$1254$、$532$、$798$、$1330$、$210$、$1680$
解题步骤
$1995-\frac{1995\times a}{1995+a}=\frac{1995\times1995}{1995+a}$ 是自然数, 即 $1995+a$ 是 $1995\times1995$ 的约数. 因为 $1995\times1995=3^{2}\times5^{2}\times7^{2}\times19^{2}$, 它在 $1995$ 与 $2\times1995$ 之间(不包括 $1995$)的约数, 即 $1995+a$ 的值有 $6$ 个: $3^{2}\times19^{2}=3249$, $7\times19^{2}=2527$, $3\times7^{2}\times19=2793$, $5^{2}\times7\times19=3325$, $3^{2}\times5\times7^{2}=2205$, $3\times5^{2}\times7^{2}=3675$, 于是 $a$ 的值有 $6$ 个, 即 $1254,532,798,1330,210,1680$.
思路:把条件化为 $1995+a$ 整除 $1995^2$, 列出位于 $(1995,3990)$ 区间的约数, 反推出对应的 $a$.
21. 已知两位自然数 $\overline{\text{虎威}}$ 能被它的数字之积整除, 求出 $\overline{\text{虎威}}$ 代表的两位数.
整除性质数字之积枚举
答案
$11$、$12$、$15$、$24$、$36$
解题步骤
设这个两位数为 $\overline{ab}$, $10a+b$ 设 $10a+b=kab$, 其中 $k$ 是整数, 则 $b=\frac{10}{ka-1}\times a$. 由于 $a$、$b$ 均为整数, 所以 $\frac{10}{ka-1}$ 是整数, 则 $ka-1$ 为 $10$ 的约数, 只有 $1,2,5,10$, 所以 $ka=2,3,6$ 或 $11$. 当 $ka=2$ 时, $b$ 不是一位数, 所以无符合题意的解; 当 $ka=3$ 时, $b=5a$, 所以只能 $a=1$, $k=3$, 此时 $b=5$, $\overline{ab}=15$; 当 $ka=6$ 时, $b=2a$, 可能 $a=1$, $k=6$; $a=2$, $k=3$ 或 $a=3$, $k=2$, 分别得 $\overline{ab}$ 为 $12$、$24$、$36$; 当 $ka=11$ 时, $b=a$, 只能 $a=1$, $k=11$, 得 $\overline{ab}$ 为 $11$. 综上, 符合题意的两位数有 $11$、$12$、$15$、$24$、$36$.
思路:设 $10a+b=k\cdot ab$, 化为 $b=\frac{10a}{ka-1}$, 由 $ka-1$ 整除 10 枚举求出全部两位数.
22. 将数字 $4$、$5$、$6$、$7$、$8$、$9$ 各使用一次, 组成一个被 $667$ 整除的 $6$ 位数, 那么, 这个 $6$ 位数除以 $667$ 的结果是 ______.
整除性质质因数分解数位分段
答案
$1434$
解题步骤
注意到 $4+5+6+7+8+9=39$ 是 $3$ 的倍数, 因此这个 $6$ 位数一定被 $3$ 整除. 继而, 这个六位数一定是 $667\times3=2001$ 的倍数. 设这个六位数为 $\overline{abcdef}$, 显然 $\overline{abcdef}$ 除以 $2001$ 的结果是一个三位数, 且这个三位数一定是 $\overline{def}$. 于是, $\overline{abc}=2\times\overline{def}$. 由百位数字知, $a=9$, $d=4$. 接着由个位数字知, $c=6$, $f=8$. 从而, 可以确定 $\overline{abc}=956$, $\overline{def}=478$, $\overline{abcdef}=956478$. 因此, $\overline{abcdef}\div667=956478\div667$
$=1434$.
思路:由数字和被 3 整除推出六位数被 $667\times3=2001$ 整除, 故商的三倍关系 $\overline{abc}=2\overline{def}$, 逐位定数得 956478÷667=1434.
23. 多位数 $\underbrace{2009\cdots\cdots2009}_{n\text{个}2009}736$ 能被 $11$ 整除, $n$ 的最小值是 ______.
11的倍数判定奇偶位数字和同余
答案
$3$
解题步骤
一个数能被 $11$ 整除, 那么这个数的奇数位的数字和与偶数位的数字和之差是 $11$ 的倍数. 多位数 $\underbrace{2009\cdots\cdots2009}_{n\text{个}2009}736$ 的奇数位的数字和与偶数位的数字和之差是 $(6+7+2n)-(3+9n)=10-7n$, 或 $(3+9n)-(6+7+2n)=7n-10$, 那么 $n$ 的最小值是 $3$.
思路:对该数按 11 整除判定列出奇偶位数字和之差的代数式 $10-7n$ 或 $7n-10$, 求使其为 11 倍数的最小 n.
24. 如果在三个整数中, 任意两个整数的和除以另一个整数所得的商都是整数, 那么这三个商的和的最大值是 ______.
整除性质不等式估计分类讨论
答案
$8$
解题步骤
设这三个整数分别为 $a$、$b$、$c$, 且 $a\geqslant b\geqslant c$, 则根据题意, 三个商的和为
$$\frac{a+b}{c}+\frac{a+c}{b}+\frac{b+c}{a}$$
由于 $a\mid b+c$, 且 $b+c\leqslant2a$, 所以有: $b=c=a$ 或 $b+c=a$.
(1) 当 $b=c=a$ 时, $\frac{a+b}{c}+\frac{a+c}{b}+\frac{b+c}{a}=6$.
(2) 当 $b+c=a$ 时,
$$\frac{b+c}{a}+\frac{c+a}{b}+\frac{a+b}{c}=1+\frac{a+c}{b}+\frac{a+b}{c}=1+1+\frac{2c}{b}+\frac{2b}{c}+1=3+2\left(\frac{c}{b}+\frac{b}{c}\right)$$
① 若此时 $b=c$, 则 $\frac{a+b}{c}+\frac{a+c}{b}+\frac{b+c}{a}=3+2\times2=7$.
② 若此时 $b>c$, 由于 $b\mid a+c$, 即 $b\mid b+2c$, 从而 $b\mid2c$, 因此, $b$ 能而且只能等于 $2c$. 此时有: $b=2c$, $a=b+c=3c$,
$$\frac{a+b}{c}+\frac{a+c}{b}+\frac{b+c}{a}=\frac{3c+2c}{c}+\frac{3c+c}{2c}+\frac{2c+c}{3c}=8$$
通过比较可知: 这三个商的和的最大值是 $8$.
思路:设 $a\ge b\ge c$ 并用整除关系约束 $b+c$ 与 $a$ 的比值, 分类计算三商之和, 得最大值在 $a:b:c=3:2:1$ 时为 8.
25. 有 $n$ 个大于 $10$ 的连续正整数, 它们的各位数码和都不可以被 $5$ 整除. 请问 $n$ 的最大值是什么?
数字和5的倍数判定连续整数极值
答案
$8$
解题步骤
个位数字只能是 $0\sim9$, 这些整数数码和的个位数字在 $0\sim4$ 之间最多只能出现 $4$ 个, 否则必定有一个各位数字之和是 $5$ 的倍数; 同理, 连续变化的个位数字在 $5\sim9$ 之间最多只能出现 $4$ 个, 否则必定有一个各位数字之和是 $5$ 的倍数, 于是连续的 $n$ 个数一定不会多于 $8$ 个. 另外 $556$、$557$、$558$、$559$、$560$、$561$、$562$、$563$ 这八个数的各位数字之和依次是 $16$、$17$、$18$、$19$、$11$、$12$、$13$、$14$ 均不是 $5$ 的倍数, 所以符合要求的 $n$ 最大是 $8$.
思路:按个位 0~4 与 5~9 分段分析数码和余数, 说明连续段不超过 8, 并给出 556~563 这个达标例子.
第24讲 质数与合数
质数与合数的判别:理解质数只有 1 和它本身两个因数、合数有三个或以上因数;用试除法(只需用不超过平方根的质数试除)判断一个数是否为质数。
质因数分解:把一个合数写成若干质数连乘的形式,用于分析因数个数、构造特定乘积、求末尾零的个数等。
质数的奇偶性与个位数分析:利用除 2 外质数皆为奇数、个位数特征等,缩小满足条件的质数范围,常用于含 2、5 必出现的论证。
哥德巴赫猜想与质数分拆:把偶数表示成两个质数之和,并结合个位、位数限制枚举求解。
连续自然数中的质数与合数:利用奇偶性、5 的倍数等分析连续若干自然数中质数最多个数或最小连续合数。
互质与构造:利用两两互质(无公共质因数)的条件构造分组、填数或排列,使乘积为完全平方数或满足互质要求。
位值原理与最小化:借助按数位求和的位值表达式,在组数、填数问题中使总和取得最小值。
1. 华罗庚爷爷出生于 1910 年 11 月 12 日。将这些数字排成一个整数,并且分解成 $19101112 = 1163 \times 16424$。请问这两个数 1163 和 16424 中有没有质数吗?
质数与合数的判别试除法
答案
$1163$ 是质数。
解题步骤
$16424$ 一定是合数。判断 $1163$ 是否为合数,找到最接近 $1163$ 的完全平方数 $34^{2}=1156$,只需验证小于 $34$ 的质数能否整除 $1163$,一一验证发现均不能整除,所以 $1163$ 是质数。
思路:对较大数判断是否为质数,只需用不超过其平方根的所有质数去试除。
2. $2008006$ 共有 ______ 个质因数。
A. 4 \quad B. 5 \quad C. 6 \quad D. 7
质因数分解计数
答案
C
解题步骤
$2008006 = 2006 \times 1000 + 2006 $
$= 2006 \times 1001 $
$= (2 \times 17 \times 59) \times (7 \times 11 \times 13)$,所以 $2008006$ 有 $6$ 个质因数。
思路:通过提取公因数与分解因数,把数化为质因数连乘形式后计数。
3. 有些三位数,它的各位数字之积为质数,这样的三位数最小是 ______,最大是 ______。
质数性质数位分析
答案
最小是 $112$,最大是 $711$。
解题步骤
三位数各位数字之积为质数,由于质数除了 $1$ 和它本身外无其他因数,因此三位数必有两位是 $1$,另一位是质数。最小的一位质数为 $2$,最大的一位质数为 $7$,要使三位数最小则把质数放在个位,所以最小为 $112$;要使三位数最大则把质数放在最高位,所以最大为 $711$。
思路:各位数字之积为质数,意味着三个数字中两个是 1,另一个是一位质数。
4. 一个两位数,数字和是质数。而且,这个两位数分别乘以 $3,5,7$ 之后,得到的数的数字和都仍为质数。满足条件的两位数为 ______。
质数性质数字和枚举验证
答案
$67$
解题步骤
两位数本身数字和是质数,而乘以 $3$ 后数字和一定能被 $3$ 整除,又因为乘 $3$ 后的数字和也是质数,所以这些数字和只能是 $3$。满足两位数数字和为 $3$ 的有 $12,21,30$,再结合乘 $3,5,7$ 后数字和仍为质数逐一验证(原数、$\times 3$、$\times 5$、$\times 7$ 的数字和):
$12 \to 36(9,\text{合})$,舍;
$21 \to 63(9,\text{合})$,舍;
$67 \to 201(3,\text{质}),335(11,\text{质}),469(19,\text{质})$,且 $67$ 自身数字和 $13$ 为质数,满足。
经逐一分析,满足条件的两位数为 $67$。
思路:数字和为质数且为 3 倍数所以等于 3,逐一枚举乘 3、5、7 后验证数字和。
5. 当 $p$ 和 $p^{3}+5$ 都是质数时,$p^{5}+5=$ ______。
质数奇偶性代入计算
答案
$37$
解题步骤
$p$ 和 $p^{3}+5$ 奇偶性不同,又都为质数,那么较小的 $p$ 一定是 $2$,所以 $p^{5}+5=2^{5}+5$
$=37$。
思路:利用奇偶性确定 $p=2$,再代入计算。
6. 求三个质数,使它们的积为它们的和的 5 倍。
质数性质方程求解
答案
$2,5,7$
解题步骤
设这 $3$ 个质数分别为 $a,b,c$,由题意 $abc=5(a+b+c)$,容易判断 $a,b,c$ 中必有一个是 $5$。不妨设 $c=5$,则 $ab=a+b+5$,因而 $ab-(a+b)=5\to(a-1)(b-1)$
$=6$,不妨设 $a<b$,则 $\begin{cases}a-1=1\\b-1$
$=6\end{cases}$ 或 $\begin{cases}a-1=2\\b-1$
$=3\end{cases}$,解得 $\begin{cases}a=2\\b$
$=7\end{cases}$ 或 $\begin{cases}a=3\\b$
$=4\end{cases}$(舍去),所以这三个质数是 $2,5,7$。
思路:设三质数并列出积等于和 5 倍的方程,利用最小质数为 2 缩小范围后求解。
7. $3$ 个质数的倒数之和是 $\dfrac{1661}{1986}$,则这 $3$ 个质数之和为多少?
质因数分解倒数和
答案
$336$
解题步骤
设这 $3$ 个质数从小到大为 $a,b,c$,它们的倒数和为 $\dfrac{1}{a}+\dfrac{1}{b}+\dfrac{1}{c}$。计算它们的和时需通分,且通分后的分母为 $a\times b\times c$,求和得到的分数为 $\dfrac{F}{abc}$。如果这个分数能够约分,那么得到的分数的分母为 $a,b,c$ 或它们之间的积。现在有 $\dfrac{1661}{1986}$,$1986=2\times 3\times 331$,所以一定是 $a=2$,$b=3$,$c=331$。校验满足,所以这 $3$ 个质数的和为 $2+3+331=336$。
思路:由倒数和的分母分解出三个质数,再求其和。
8. 设 $p,a,b,c$ 均为互不相同的质数,且满足 $p = a^{3}+b^{3}+c^{3}-3$,则满足条件的 $p$ 的和为多少?
质数奇偶性个位数分析
答案
$719$
解题步骤
若 $a,b,c$ 中没有 $2$,否则若 $a,b,c$ 都不为奇数,则 $a^{3}+b^{3}+c^{3}-3$ 均为奇数,则 $p$ 为非常奇偶。
不妨设 $a=2$,则 $p=a^{3}+b^{3}+c^{3}-3$
$=8+b^{3}+c^{3}-3$
$=5+b^{3}+c^{3}$,此时 $p$ 是质数,其个位数只能是 $1,3,5,7,9$,除了 $5$ 之外,其余两个数的方的个位数只能是 $1,9$;$94$ 相加后个位数为 $5$,显然导致 $p$ 为合数,所以 $a$ 的个位数为 $5$ 即 $a$ 为质数,所以 $a=5$。
综上,$p$ 只有 $1$ 个:$719$。
注意 $a,b,c$ 中没有 $2$,否则三数立方和 $a^{3}+b^{3}+c^{3}$ 为偶数,$3$ 为奇数,$p$ 为奇数;同理三个数都为奇数则和为奇数,那么 $p$ 一定要有一个为 $2$;如果不含 $5$,则三数立方和的个位数是 $6\,(=1+0+5)$ 之类组合,导致 $p$ 含因数 $3$ 或 $7$ 等而成为合数,所以恰好两两个数都有 $5$,由此推得 $p=719$。
思路:利用奇偶性与个位数分析确定三个质数中含有 2 与 5,从而唯一确定 $p$。
9. 已知 $n$、$n+6$、$n+84$、$n+102$、$n+218$ 都是质数,那么 $n=$ ______。
质数性质同余分析
答案
$5$
解题步骤
$n=6,84,102,218$ 除以 $5$ 的余数分别为 $1,4,2,3$,所以 $n,n+6,n+84,n+102,n+218$ 这五个数除以 $5$ 的余数恰好是 $1,2,3,4,0$,因此其中必有一个能被 $5$ 整除,要使它们都是质数,那么这个 $5$ 的倍数自身就是 $5$。验证 $5,11,89,107,223$ 都是质数,所以 $n=5$。
思路:用模 5 余数分析五个数中必有一个为 5 的倍数,从而 n=5。
10. 从 $20$ 以内的质数中选出 $6$ 个数,写在一个正方体的六个面上,使得与相对的面的和都相等,所选的 $6$ 个数是 ______。
质数性质配对分组
答案
$5,7,11,13,17,19$
解题步骤
首先 $20$ 以内的质数有 $2,3,5,7,11,13,17,19$。如果选 $2$,由于其余都是奇数,奇数与 $2$ 的和为奇数,三组相对面的和无法都相等,故不能选 $2$。在剩下的 $7$ 个质数 $3,5,7,11,13,17,19$ 中要选 $6$ 个分成三组使每组和相等,三组和都相等需总和能被 $3$ 整除,$3+5+7+11+13+17+19$ 去掉一个数使余下 $6$ 个和能被 $3$ 整除:去掉 $3$ 得到 $5,7,11,13,17,19$,配对 $5+19=7+17$
$=11+13$
$=24$。所以所选的 $6$ 个数是 $5,7,11,13,17,19$。
思路:排除 2 后从奇质数中选 6 个分三组配成相等的对面和。
11. 个位数、十位数都是质数的所有两位质数的数码和是 ______。
质数枚举数码和
答案
$33$
解题步骤
一位质数有 $2,3,5,7$。要使两位数的个位、十位都是质数,可用的数字是 $2,3,5,7$。其中个位若为 $2$ 则该两位数为偶数(除 $22$ 外都不是质数,而 $22$ 也是合数),个位若为 $5$ 则该两位数是 $5$ 的倍数(非质数),所以个位只能是 $3$ 或 $7$。逐一验证十位、个位均取自 $\{2,3,5,7\}$ 的两位质数有 $23,53,73$ 和 $37$,它们的数码和为 $(2+3)+(5+3)+(7+3)+(3+7)=33$。
思路:枚举十位个位均取自一位质数的两位数中的质数,求其数码之和。
12. 已知 $p$ 与 $50$ 以内的一个两位质数,且 $2p+1$ 也是质数。若所有的和是 $x$,求 $x$ 的值。
质数枚举表格分析
答案
$104$
解题步骤
$p$ 是 $50$ 以内的两位质数,其可能值及对应 $2p+1$ 的值如下表所示:
$\begin{array}{c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c} p & 11 & 13 & 17 & 19 & 23 & 29 & 31 & 37 & 41 & 43 & 47 \\ \hline 2p+1 & 23 & 27 & 35 & 39 & 47 & 59 & 63 & 75 & 83 & 87 & 95 \end{array}$
其中 $2p+1$ 为质数的有 $23,47,59,83$,对应 $p=11,23,29,41$,因此所有满足条件的 $p$ 的和为 $x=11+23+29+41$
$=104$。
思路:列举两位质数 p 中使 2p+1 也为质数的,求这些 p 之和。
13. 请将 $1,2,3,\cdots,99,100$ 这一百个自然数中既是奇数又是合数的自然数排成一行,使每两个相邻的数都不互质(若一行写不下,可移至第二行接着写,若第二行仍写不下,可移至第三行接着写)。
奇合数互质构造排列
答案
答案不唯一
解题步骤
$1$ 至 $100$ 中既是奇数又是合数的数有 $25$ 个:$9,15,21,25,27,33,35,39,45,49,51,55,57,63,65,69,75,77,81,85,87,91,93,95,99$。
奇合数有 $25$ 个,$9,15,21,25,27,33,35,39,45,49,51,55,57,63,65,69,75,77,81,85,87,91,93,95,99$。
符合条件的排列种类不一,下面给出一种排列:
$9,21,27,33,39,51,57,63,69,75,81,87,93,99,45,15,25,35,55,65,85,95,77,91,49$ 等(此为相邻数不互质数列)。
$33,45,27,9,51$ 可的相邻数。
这是一道开放题,能给出任意一种相邻两数都不互质的排列即可。
思路:找出奇合数,按公共质因数把相邻两数衔接,构造相邻不互质的排列。
14. 在 $10$ 个连续自然数中,最多有 ______ 个质数。
连续自然数质数计数
答案
$5$
解题步骤
$10$ 个连续自然数有 $5$ 个奇数,另外要使 $10$ 个连续自然数中质数个数最多,只能取 $2$ 至 $11$,其中 $2,3,5,7,11$ 共有 $5$ 个质数。所以 $10$ 个连续自然数中最多有 $5$ 个质数。
思路:在十个连续自然数中通过奇偶性与含 1 的特殊区间分析质数最多个数。
15. $9$ 个连续的自然数,它们都大于 $80$,那么其中质数最多有 ______ 个。
连续自然数质数计数
答案
$4$
解题步骤
大于 $80$ 的 $9$ 个连续自然数中,至多有 $5$ 个连续的奇数,因为大于 $80$ 的质数必为奇数(偶数中只有 $2$ 是质数),于是质数只可能在这 $5$ 个连续的奇数中产生。又由于在连续 $5$ 个奇数中一定有一个数是 $3$ 的倍数,分三种情况:当第一个奇数恰是 $3$ 的倍数时结论显然;当第一个奇数被 $3$ 除余 $1$ 时,第二个奇数恰是 $3$ 的倍数;当第一个奇数被 $3$ 除余 $2$ 时,第三个奇数恰是 $3$ 的倍数。而大于 $80$ 的 $3$ 的倍数都是合数,所以这 $5$ 个连续奇数中至多有 $4$ 个质数。另一方面,在 $101$ 至 $109$ 这 $9$ 个连续自然数中 $101,103,107,109$ 是质数,共 $4$ 个。综上,大于 $80$ 的 $9$ 个连续自然数中质数最多有 $4$ 个。
思路:在大于 80 的九连续数中通过偶数与 5 的倍数排除,求质数最多个数。
16. 五个连续的自然数,每个数都是合数,这五个连续自然数的和最小是 ______。
连续合数质数间隔
答案
$130$
解题步骤
从质数开始考虑,质数从小到大有 $2,3,5,7,11,13,17,19,23,29\cdots$。在 $23$ 与 $29$ 之间有 $5$ 个数 $24,25,26,27,28$,它们都是合数,所以这 $5$ 个连续自然数之和为 $24+25+26+27+28=26\times 5$
$=130$。
思路:在相邻质数间隔较大处找连续合数,使五个连续合数的和最小。
17. 哥德巴赫猜想是说,"每个大于 $2$ 的偶数都可以表示成两个质数之和。"问:$168$ 是哪两个两位数的质数和,并且其中一个的个位数字是 $1$?
哥德巴赫猜想质数分解
答案
$168=71+97$。
解题步骤
个位数字是 $1$ 的两位质数有 $11,31,41,61,71$。逐一用 $168$ 减去:$168-11=157$,$168-31=137$,$168-41=127$,$168-61=107$,这些差都不是两位数;只有 $168-71=97$ 是两位数,而且 $97$ 是质数。所以满足条件的分法是唯一的:$168=71+97$。
思路:在两位质数中找个位为 1 的,用 168 减去后验证另一数是否为质数。
18. 有三张卡片,在它们上面各写有一个数字(如下图所示)。从中抽出一张、二张、三张,按任意次序排起来,可以得到不同的一位数、二位数、三位数。请你将其中的质数都写出来。
三张卡片,每张写有一个数字,从左到右依次为 1、2、3,每张卡片为竖直长方形。
质数判别排列枚举
答案
$2,3,13,23,31$。
解题步骤
三张卡片上的数字为 $1,2,3$,它们的数字和为 $6$ 能被 $3$ 整除。所以用这三个数字组成的任何三位数都能被 $3$ 整除,都不是质数;同理用 $1,2,3$ 中两个数字组成的、数字和为 $3$ 的倍数的两位数(如 $12,21$)也能被 $3$ 整除。
一位数:$1,2,3$,其中质数为 $2,3$。
二位数:$12,13,21,23,31,32$,其中 $12,21$ 被 $3$ 整除,$32$ 是偶数,质数为 $13,23,31$。
三位数:数字和为 $6$,都能被 $3$ 整除,没有质数。
所以可以组成的质数为 $2,3,13,23,31$。
思路:枚举由 1、2、3 组成的一位、二位、三位数,逐一判断哪些是质数。
19. 用数字卡片 $1,1,2,2,3,3,4,4,5,5,6,7,9,9$(不允许把 $6$ 倒过来当做 $9$,也不许把 $9$ 倒过来当做 $6$)组成七个不同的两位质数,这七个质数之和等于 ______。
两位质数组合拼数
答案
$313$
解题步骤
当两位数的个位数字为 $2,4,5,6$ 时该数不是质数,所以 $2,4,5,6$ 都不能出现在个位,那么数字卡片中的 $2,4,5,6$ 都只能出现在十位上,它们恰好有 $7$ 个,对应七个两位质数的十位;而 $1,3,9$ 各有两个、$7$ 有一个,共 $7$ 个,放在个位。已经确定哪些数字在十位、哪些在个位,于是七个质数之和为 $(2+2+4+4+5+5+6)\times 10+(1+1+3+3+7+9+9)=313$。可以构造出 $7$ 个两位质数:$23,23,41,41,59,59,67$。
思路:用受限数字卡片拼出七个互异的两位质数,求其和。
20. 用 $1,3,5,7,9$ 这五个数字组成若干个合数(每个数字恰好用一次)。那么,这些合数的总和最少为 ______。
合数构造最小化
答案
$214$
解题步骤
用 $1,3,5,7,9$ 五个数字各一次组成若干个合数,使总和最小。能单独作合数的只有 $9$,所以最小的方案是两个两位数和一个 $9$,但凑不出来;次小的方案是一个一百多的三位数和一个两位数。两个数的十位是 $3,5$ 的凑不出,接下来十位数是 $3$ 和 $7$ 的,发现可以是 $175$ 和 $39$,和为 $175+39=214$。所以这些合数的总和最少为 $214$。
思路:用给定数字各一次组成合数,使合数总和最小。
21. $121 \times 122 \times 123 \times 124 \times \cdots \times 2004 \times 2005 \times 2006$ 的乘积的末尾有 ______ 个零。
质因数分解末尾零阶乘
答案
$472$
解题步骤
末尾零的个数由因数 $5$ 的个数决定,所以以乘积中起到零的个数取决于因数 $5$ 的个数。
$2006!$ 中含有 $5$ 的个数为:$\left[\frac{2006}{5}\right]+\left[\frac{2006}{25}\right]+\left[\frac{2006}{125}\right]+\left[\frac{2006}{625}\right]=401+80+16+3$
$=500$。
$120!$ 中含有 $5$ 的个数为:$\left[\frac{120}{5}\right]+\left[\frac{120}{25}\right]=24+4$
$=28$。
所以 $121 \times 122 \times 123 \times 124 \times \cdots \times 2004 \times 2005 \times 2006$ 的乘积末尾有 $500-28=472$ 个零。
思路:末尾零数等于乘积中因数 5 的个数,用阶乘中 5 的幂次相减得到。
22. 将 $6$ 个自然数 $14,20,33,117,143,175$ 分组,如果要求每组中的任意两个数都互质,那么至少需要将这些数分成 ______ 组。
质因数分解完全平方数分组
答案
$3$
解题步骤
先将各数分解质因数:$14=2\times 7$;$20=2^{2}\times 5$;$33=3\times 11$;$117=3^{2}\times 13$;$143=11\times 13$;$175=5^{2}\times 7$。注意到 $33,117,143$ 两两都不互质,所以至少应分成 $3$ 组;同样 $14,20,175$ 也必须分到不同组。一种符合要求的分法为 $(14,143),(20,33),(117,175)$,故至少需要分成 $3$ 组。
思路:对各数质因数分解,按使每组乘积各质因数次数为偶来分组求最少组数。
23. 如下图所示,$B$ 是线段 $AD$ 的中点,由 $A,B,C,D$ 四个点所构成的所有线段的长度均为整数。若这些线段的长度之积为 $10500$,则线段 $AB$ 的长度是 ______。
一条水平线段,从左到右依次标有点 A、B、C、D,B 是 AD 的中点。
线段计数质因数分解
答案
$5$
解题步骤
线段所有长度包括 $AB,BC,CD,AC,BD,AD$。由于 $B$ 是 $AD$ 的中点,故 $AB=BD$,$AD=2AB$;又 $AC=AB+BC$,$CD=AD-AC$
$=2AB-(AB+BC)$
$=AB-BC$。所以六条线段之积为 $AB\times BC\times(AB-BC)\times(AB+BC)\times AB\times 2AB$,即 $2AB^{3}\times BC\times(AB+BC)\times(AB-BC)=10500$。对 $10500$ 分解质因数得 $10500=2^{2}\times 3\times 5^{3}\times 7$,由此可得 $AB$ 的长度为 $5$。
思路:用中点条件列出各线段乘积,分解 10500 质因数求线段长度。
24. 甲、乙两个自然数的乘积比甲数的平方少 $1999$,乙数是 ______。
质数性质数的拆分
答案
$1998$
解题步骤
由题意 $甲\times 甲-甲\times 乙=1999$,即 $甲\times(甲-乙)=1999$。因为 $1999$ 是质数,所以只能 $甲=1999$,$甲-乙=1$,于是乙数 $=1999-1$
$=1998$。
思路:由乘积比平方少 1999 列式,利用 1999 为质数求出乙数。
25. 张老师带领六(1) 班的学生种树,学生恰好可平均分成 $5$ 组,已知每生人种的树一样多,共种树 $527$ 棵。则六(1) 班的学生有 ______ 人。
质因数分解整除
答案
$30$
解题步骤
$527=17\times 31$。由于学生恰好可以平均分成 $5$ 组,则学生总数必然是 $5$ 的倍数。在 $527$ 的因数中,$31=5\times 6+1$,且每人种树相同,故学生数取 $30$(每人种 $17$ 棵则 $30\times 17=510$ 不符,结合整除关系得人数为 $5$ 的倍数 $30$)。所以六(1) 班学生共有 $30$ 人。
思路:由总棵数与可平均分 5 组的条件,对 527 分解质因数定人数。
26. 有一群猴子正要分 $56$ 个桃子,每只猴子可以分到同样个数的桃子。这时,又来 $4$ 只猴子,只好重新分配,但发现每只猴子要分到同样个数的桃子,必须扔掉一个桃子。则最后每只猴子分到桃子 ______ 个。
因数分解分配问题
答案
$5$
解题步骤
原来 $56$ 个桃子平均分,猴子数与每只所得是 $56$ 的一对因数:$56=1\times 56$
$=2\times 28$
$=4\times 14$
$=7\times 8$。又来 $4$ 只后桃子要扔掉 $1$ 个,剩 $55$ 个平均分,$55=1\times 55$
$=5\times 11$。两种猴子数相差 $4$ 的只有 $7$ 与 $11$($11-7=4$),所以原来有 $7$ 只猴子,后来变为 $11$ 只,每只猴子分到 $55\div 11=5$ 个桃子。
思路:用桃子总数不变、猴子数增加 4 的条件,借助因数关系求每只所得。
27. 一个长方体的长、宽、高是连续的三个自然数,它的体积是 $39270$ 立方厘米,那么这个长方体的表面积是 ______ 平方厘米。
质因数分解连续自然数长方体表面积
答案
$6934$
解题步骤
首先把 $39270$ 分解质因数得 $39270 = 2 \times 3 \times 5 \times 7 \times 11 \times 17$。
因此,这个长方体的长、宽、高分别是 $33$ 厘米、$34$ 厘米、$35$ 厘米,所以,它的表面积是 $(33 \times 34 + 34 \times 35 + 33 \times 35) \times 2 = 6934$(平方厘米)。
思路:把体积分解质因数得三个连续自然数为长宽高,再求表面积。
28. 有四个连续整数的乘积为 $9\square\square\square 4$(中间数字不知道),求这四个数中的最大数。
连续整数估算末位分析
答案
$19$
解题步骤
因为乘积的末位是 $4$,四个连续整数中不能含有以 $0$ 或 $5$ 结尾的数(否则末位为 $0$)。能使乘积末位为 $4$ 的连续四数,末位组合是 $1,2,3,4$ 或 $6,7,8,9$。又乘积首位是 $9$,约为九百多万,故估算:$11\times 12\times 13\times 14=24024$(太小),$16\times 17\times 18\times 19=93024$,符合 $9\square\square\square 4$ 的形式。所以这四个连续整数中最大数是 $19$。
思路:由乘积的首位与末位估计四个连续偶数的范围并试算确定最大数。
29. 数学府里王老师准备去拜访一位朋友,那位朋友打电话给王老师,电话号码是 $27433619$,王老师发现这个电话号码恰好是 $4$ 个连续质数的乘积。问:这 $4$ 个质数的总和是 ______。
质因数分解连续质数
答案
$290$
解题步骤
本题考查质数的概念及估算法在分解因数中的应用。先估算,$70^{4}=24010000$,$80^{4}=40960000$,所以这 $4$ 个连续质数应在 $70$ 附近。经验证 $27433619=67\times 71\times 73\times 79$,$67,71,73,79$ 都是质数且连续,所以这 $4$ 个质数的和为 $67+71+73+79=290$。
思路:把电话号码分解为四个连续质数的乘积,再求它们之和。
30. 已知 $3$ 个合数 $A,B,C$ 两两互质,且 $A \times B \times C = 11011 \times 28$,那么 $A+B+C$ 的最大值数为 ______。
质因数分解互质最大化
答案
$1626$
解题步骤
先对乘积进行分解:$A \times B \times C = 11011 \times 28 $
$= 11 \times 1001 \times 28 $
$= 2^{2} \times 7^{2} \times 11^{2} \times 13$,由于 $A,B,C$ 两两互质,并且 $A+B+C$ 要最大,则要尽可能让某个数最大,所以三个数分别为 $4,49,1573$,则 $A+B+C$ 的最大值为 $4+49+1573=1626$。
思路:把乘积分解质因数后按两两互质且使一数尽量大来分配,求和的最大值。
31. 构成自然数 $A$ 的所有数字互不相同,这些数字的乘积等于 $360$,求 $A$ 的最大值。
质因数分解数字互异最大数
答案
$95421$
解题步骤
$360=2^{3}\times 3^{2}\times 5$
$=1\times 2\times 4\times 5\times 9$,把这些互不相同的一位数字从大到小排列,所以 $A$ 的最大值为 $95421$。
思路:把 360 分解为互不相同的一位数字之积,再把数字从大到小排列。
32. 已知 $a,b,c,d,e$ 这 $5$ 个质数互不相同,并且符合下面的算式:$(a+b)(c+d)e=2890$,那么,这 $5$ 个数当中最大的数是 ______。
质数性质奇偶分析质因数分解
答案
$29$
解题步骤
$(a+b)(c+d)e=2890$
$=2\times 5\times 17^{2}$,所以 $a+b$、$c+d$、$e$ 中只有一个偶数。如果 $a,b,c,d$ 中没有 $2$,那么 $a+b$、$c+d$ 均为偶数,矛盾;所以 $a,b,c,d$ 中有一个为 $2$,不妨设 $a=2$,那么 $e$ 只能为 $5$ 或 $17$。若 $e=5$,则 $(2+b)(c+d)=2\times 17^{2}$
$=17\times 34$,由 $2+b=17$ 得 $b=15$ 为合数,矛盾;所以只能 $2+b=5$,$c+d=34$,即 $b=3$,$c,d$ 至少为 $5$,故最大数为 $34-5=29$。所以这 $5$ 个数当中最大的数是 $29$。
思路:利用奇偶性与质因数分解分析使五数的和最小。
33. 试将 $1,2,3,4,5,6,7$ 分别填入下图的方框中,每个数字只用一次:(第一行:$7,1,4$,这是一个三位数;第二行:三个空框,这是一个三位数;第三行:一个空框,这是一个一位数。)使得这 $3$ 个数中任意两个都互质。其中一个三位数已填好,它是 $714$。
三行方框:第一行三个方框依次填有 7、1、4(这是一个三位数);第二行三个空方框(这是一个三位数);第三行一个空方框(这是一个一位数)。
互质质因数分解数字填空
答案
三位数为 $263$,一位数为 $5$(一种解:$714,263,5$)。
解题步骤
已填三位数 $714=2\times 3\times 7\times 17$。要使最下面的一位数与 $714$ 互质,在剩下未填的数字 $2,3,5,6$ 中只能选 $5$,所以第三行的一位数填 $5$。再讨论第二行三位数中 $2,3,6$ 的顺序:因为任意两个偶数都有公因数 $2$ 而 $714$ 是偶数,所以第二行三位数不能是偶数,个位只能是 $3$,于是第二行三位数是 $263$ 或 $623$。$623=7\times 89$ 能被 $7$ 整除,与 $714$ 不互质;而 $263$ 是质数,与 $714$、$5$ 都互质。所以三位数填 $263$,一位数填 $5$,三个数 $714,263,5$ 两两互质。
思路:由已填三位数的质因数确定剩余数字的填法,使三数两两互质。
34. 今天是 $2011$ 年 $12$ 月 $17$ 日,在这个日期中有 $4$ 个 $1$,$2$ 个 $2$,$1$ 个 $0$,$1$ 个 $7$。用这 $8$ 个数字组成若干个合数(每个数字恰用一次,首位数字不能为 $0$),这些合数的和的最小值是 ______。
合数构造位值原理最小化
答案
$231$
解题步骤
若组成 $4$ 个两位合数,由于 $11$ 是质数,从而 $4$ 个 $1$ 必须分别处于不同两位合数的个位或十位,其中必须有 $1$ 个 $1$ 和 $7$ 组成 $17$ 这一两位质数。
若组成的合数都是两位数,由于要使和最小,那么尽量让十位数字小。要使这些合数的和最小,应让首位数字尽量小,把 $0$ 放在某个两位数的个位,如 $10$(合数)。
若组成的数字中含 $0$ 与其他数字组合,首位不能为 $0$。综合分析,把 $8$ 个数字组成若干合数,让它们的和最小。
构造合数:$AB,DEF,GH$ 等形式,使各数都尽量小且两两满足合数条件,最终求得最小和:
$\overline{ABC}+\overline{DEF}+\overline{GH}=100 \times (A+D)+10 \times (B+E+G)+C+F+H \geq 100 \times (1+1)+10 \times (0+1+1)+2+2+7$
$=221$,另一方案得 $\geq$ 某值,最终最小值是 $102,117,12$。所以这些合数的和的最小值是 $231$。
思路:把日期中的数字组成若干合数,按位值最小化原则求和的最小值。
35. 形如 $1\,\underbrace{0101\cdots01}_{k 个 01}$(其中,$k \geq 1$ 且 $k$ 是自然数)这样的自然数中有多少个为质数?
等比数列求和因式分解质数判别
答案
只有 $1$ 个,就是 $101$。
解题步骤
$1\,\underbrace{0101\cdots01}_{k\,\text{个}\,01}=1+100+10000+\cdots+100^{k}$。令 $S=1+100+10000+\cdots+100^{k}$,利用错位相减法,$100S=100+10000+\cdots+100^{k+1}$,两式相减得 $100S-S=100^{k+1}-1$,所以 $S=\dfrac{100^{k+1}-1}{99}$
$=\dfrac{(10^{k+1}+1)(10^{k+1}-1)}{99}$。
①当 $k+1$ 为偶数时,$10^{k+1}-1$ 是 $99$ 的倍数,只有 $k+1=2$(即原数为 $101$)时 $\dfrac{10^{k+1}-1}{99}=1$,此时 $S=101$ 为质数;$k$ 取其他值时 $S$ 都是合数。
②当 $k+1$ 为奇数时,$10^{k+1}+1$ 是 $11$ 的倍数,$10^{k+1}-1$ 是 $9$ 的倍数,$S$ 含有大于 $1$ 的真因数,为合数。
所以形如该式的数中只有 $1$ 个为质数,就是 $101$。
思路:把数表示为等比数列求和并因式分解,分析其因数判断质数个数。
第25讲 因数与倍数
因数与倍数的基本概念:理解因数、倍数、公因数、公倍数的含义,掌握一个数的最大因数为其自身、次大因数等性质。
质因数分解:把自然数写成质因数幂的乘积形式,是分析因数结构、求公约数与公倍数的基础工具。
因数个数与因数和公式:由质因数分解 $n=p_1^{a_1}\cdots p_k^{a_k}$ 求因数个数 $(a_1+1)\cdots(a_k+1)$ 及所有因数之和。
最大公约数(最大公因数):求两个或多个数的最大公约数,并应用于裁剪、植树、互质分解等实际问题。
最小公倍数:求两个或多个数(含分数)的最小公倍数,应用于周期相遇、整除、商为整数等问题。
互质与互质分解:利用互质两数最小公倍数等于乘积、最大公约数与最小公倍数的关系将数分解为互质因子。
最大公约数与最小公倍数的极值与计数:在给定和或积的约束下,通过质因数指数的独立分类讨论求公约数、公倍数的最值或满足条件的组数。
1. 由不小于 30 人、不大于 50 人的学生围成一个圆圈,由某人开始从 1 连续报数。如果报 30 和 198 是同一个人时,请问,这批学生一共有多少人?
因数与倍数公约数报数周期问题
答案
42 人
解题步骤
由于报 30 和 198 是同一个人,而 $198-30=168$,那么这批学生的总人数是 168 的一个因数。而 168 的因数在 30 到 50 之间的只有 42,所以这批学生一共有 42 人。
思路:两次报到同一人,差 $198-30=168$ 必为人数的倍数,故人数是 168 在 $[30,50]$ 之间的因数。
2. 有这样一类 2009 位数,它们不含有数字 0,任何相邻两位(按照原来的顺序)组成的两位数都有一个因数和 20 相差 1,这样的 2009 位数共有______个。
因数与倍数数字构造循环规律
答案
9
解题步骤
和 20 相差 1 的数有 19 和 21,19 的倍数中两位数有 $19,38,57,76,95$;21 的倍数中两位数有 $21,42,63,84$。
由于任何相邻的两位组成的两位数都有因数 19 或 21,它们只能是以上 9 个数中的一个。如果首位是 1,则第二位只能是 9,第三位只能是 5,第四位只能是 7,第五位只能是 6,第六位只能是 3,第七位只能是 8,第八位只能是 4,第九位只能是 2,第十位只能是 1,……可以发现每 9 位数字一个循环。
也就是说,只要这样的数的首位确定了,那么之后的数字也都唯一确定了。而首位上的数字可以是 $1\sim9$ 中的任何一个数,所以这样的 2009 位数共有 9 个。
思路:相邻两位组成的两位数必为 19 或 21 的倍数,导出每位由前一位唯一确定,形成 9 位循环,首位有 9 种选法。
3. 一个自然数,它的最大的因数和次大的因数的和是 111,这个自然数是______。
因数与倍数最大因数奇偶分析
答案
74
解题步骤
因为 111 是奇数,而奇数 = 奇数 + 偶数,所以所求数的最大因数与次大因数必为一奇一偶。而一个数的最大因数是其自身,所以这个数为偶数。一个偶数的次大因数应为这个偶数的 $\frac{1}{2}$。设这个次大因数为 $a$,则最大因数为 $2a$,由 $2a+a=111$ 求得 $a=37$,$2a=74$。即所求数为 74。
思路:和为奇数说明最大与次大因数一奇一偶,故该数为偶数,最大因数是自身、次大因数是自身的一半,列方程 $2a+a=111$。
4. 筐中有 60 个苹果,将它们全部取出来,分成偶数堆,使得每堆的个数相同。问:有多少种分法。
因数与倍数因数个数奇偶因数
答案
8 种
解题步骤
堆数是 60 的因数且是偶数,$60=2^{2}\times3\times5$,所以 60 共有因数 $(2+1)\times(1+1)\times(1+1)=12$(个),其中奇因数有 $(1+1)\times(1+1)=4$(个),所以偶因数有 $12-4=8$(个),所以有 8 种分法。
由于 60 较小,还可以枚举,即 $2,4,6,10,12,20,30,60$,有 8 个偶因数,有 8 种分法。
思路:堆数须为 60 的偶因数,用因数个数公式求出总因数减去奇因数得偶因数个数。
5. 称一个两头(首位与末尾)都是 1 的数为“两头蛇数”。一个四位数的“两头蛇数”去掉两头,得到一个两位数,它恰好是这个“两头蛇数”的因数,这个“两头蛇数”是______。(写出所有可能的)
因数与倍数数字构造整除
答案
1111,1131,1771,1911
解题步骤
去掉头尾后的两位数必为 1001 的因数。1001 的两位数因数有 $11,13,77,91$,所以可能的数为 $1111,1131,1771,1911$。
思路:四位两头蛇数 $\overline{1ab1}=1001+\overline{ab1}\cdots$,关键在于 $\overline{ab}$ 须整除 1001,枚举 1001 的两位因数即可。
6. 你能在 $3\times3$ 的方格表(如下图)中填入彼此不相同的 9 个自然数(每个格子里只填一个数),使得每行、每列以及两条对角线上三个数的乘积都等于 2005 吗?若能,请填出一例;若不能,请说明理由。
一个 3×3 的方格表,9 个格子内均标有问号“?”,表示待填入的自然数。
因数与倍数质因数分解幻方构造
答案
不能
解题步骤
如果能填,则填入的彼此不同的 9 个自然数将是 2005 的 9 个彼此不同的因数,然而 2005 的彼此不同的因数只有 $1,5,401,2005$ 这 4 个,故不能。
思路:要填的 9 个数都须是 2005 的因数且互不相同,而 2005 只有 4 个因数,数量不足,故不可能。
7. 已知三位数 240 有 $d$ 个不同的因数(因子),求 $d$ 的值。
因数与倍数质因数分解因数个数公式
答案
20
解题步骤
将 240 分解质因数:$240=2^{4}\times3\times5$。由因数个数定理得:$d=(4+1)\times(1+1)\times(1+1)$
$=20$。
思路:分解质因数后用因数个数公式 $(4+1)(1+1)(1+1)$ 计算。
8. 100 以内有 10 个因数的最小的自然数是______,它的所有因数的和是______。
因数与倍数因数个数因数和
答案
48,124
解题步骤
使因数尽可能小,取 2 和 3,即 $2^{4}\times3^{1}=48,48<100$,所以 100 以内有 10 个因数的最小自然数是 48。
$48=2^{4}\times3^{1}$,48 的所有因数的和是 $(2^{0}+2^{1}+2^{2}+2^{3}+2^{4})\times(3^{0}+3^{1})=124$。
思路:$10=5\times2=(4+1)(1+1)$,取最小质数底数得 $2^{4}\times3=48$;再用因数和公式求和。
9. 一个正整数,它的 2 倍的因数恰好比它自己的因数多 2 个,它的 3 倍的因数恰好比它自己的因数多 3 个。那么这个正整数是______。
因数与倍数因数个数质因数分解
答案
12
解题步骤
根据题意,这个数有 2 个因数不是 2 的倍数,有 3 个因数不是 3 的倍数,不难得出这个数的质因数只能有 2 和 3,这个数只能是 $2^{1}\times3^{1}=12$。
思路:由因数个数变化推出该数仅含质因数 2 和 3,且各自指数为 1,得 $2\times3=12$。
10. 能被 2145 整除且恰有 2145 个因数的数有______个。
因数与倍数因数个数质因数分解
答案
24
解题步骤
2145 只有质因数 $3,5,11,13$,这 4 个因子的幂次都恰好是 $2=(3-1)$,$4=(5-1)$,$10=(11-1)$,$12=(13-1)$ 的一个排列,所以只有 $4!=24$。
思路:$2145=3\times5\times11\times13$,所求数须含这 4 个质因子,把指数 $2,4,10,12$ 分配给 4 个质因子,共 $4!=24$ 种。
11. 一个自然数恰好有 18 个因数,那么它最多有______个因数的个位是 3。
因数与倍数因数个数个位数字分析
答案
9
解题步骤
$18=2\times3^{2}$。根据求一个数因数个数公式知,不同的质因数个数可能有一至三个。但是如果个位是 3 的因数尽可能多,可以构造出:$N=\overline{a3}^{1}\times\overline{b1}^{8}$,即一个质因数的个位是 3,这个质因数只有 1 次方,另一个质因数的个位是 1,这个质因数有 8 次方。这样得到的不同的个位是 3 的因数有 $\overline{a3}^{1}\times\overline{b1}^{0},\overline{a3}^{1}\times\overline{b1}^{1},\overline{a3}^{1}\times\overline{b1}^{2},\overline{a3}^{1}\times\overline{b1}^{3},\cdots,\overline{a3}^{1}\times\overline{b1}^{8}$,共有 9 个。
思路:个位是 3 的因数 = (个位 3 的质因子的奇次幂) ×(个位 1 的质因子的幂),构造 $\overline{a3}^{1}\times\overline{b1}^{8}$ 使其最多,得 9 个。
12. $N$ 是 $1,2,3,\cdots,1995,1996,1997$ 的最小公倍数,请回答 $N$ 等于多少个 2 与一个奇数的积?
因数与倍数最小公倍数质因数幂次
答案
10 个
解题步骤
因为 $2^{10}=1024,2^{11}=2048>1997$,每一个不大于 1997 的自然数表示为质因子相乘,其中 2 的个数都不多于 10 个,而 $1024=2^{10}$,所以 $N$ 等于 10 个 2 与某个奇数的积。
思路:最小公倍数中 2 的幂次取各数中 2 的最高幂次,$1024=2^{10}\le1997<2^{11}$,故为 10。
13. 在下面一列数中,从第二个数开始,每个数都比它前面相邻的数大 7,数列如下:$8,15,22,29,36,43,\cdots$,它们前面 $n-1$ 个数相乘的积的末尾 0 的个数比前 $n$ 个数相乘的积的末尾 0 的个数少 3 个,求 $n$ 的最小值。
因数与倍数等差数列末尾零个数
答案
107
解题步骤
观察这列数可知每个数除以 7 余数为 1,由题意知若要使 $n$ 最小,则第 $n$ 个数必须含有 3 个 5 的因子。所以第 $n$ 个数可写成 $5\times5\times5\times k$ 的形式,即 $125k$($k$ 为自然数)且 $125k$ 除以 7 余数为 1,这样最小的 $k$ 值为 6。即第 $n$ 个数为 $7n+1=125\times6$
$=750$,可得 $n=107$。
思路:该数列每项除 7 余 1;新增的末尾 0 增加 3 个需第 $n$ 项含 $5^{3}$,找最小的 $125k\equiv1\pmod7$,得项值 750 对应 $n=107$。
14. $\frac{1}{8},\frac{2}{9},\frac{3}{10},\cdots,\frac{2002}{2009}$ 中,共有______个最简分数。
因数与倍数最简分数互质
答案
1716
解题步骤
观察可知每个分数的分子与分母的差都是 7,所以,如果分子是 7 的倍数,那么这个分数就不是最简分数;如果分子不是 7 的倍数,那么这个分数就是最简分数。由于 2002 是 7 的倍数,所以 $1\sim2002$ 中 7 的倍数有 $2002\div7=286$ 个,不是 7 的倍数有 $2002-286=1716$ 个,所以这些数中共有 1716 个最简分数。
思路:各分数分子与分母之差恒为 7,故分数最简当且仅当分子不是 7 的倍数,在 $1\sim2002$ 中统计即可。
15. 美术老师要在一张长 12 分米、宽 84 厘米的纸上裁出尽可能大的正方形手工纸若干张,且没有纸剩下,那么每张正方形手工纸的边长最大是______厘米,一共能够裁出______张这样的手工纸。
因数与倍数最大公约数裁剪问题
答案
12,70
解题步骤
显然,边长最大是长和宽的最大公约数:$(120,84)=12$(厘米)。一共能够裁出 $120\times84\div(12\times12)=70$(张)。
思路:正方形边长取长与宽(化为同一单位)的最大公约数,再用总面积除以小正方形面积得张数。注意 120 分米 =1200 厘米(原书按 120 与 84 求最大公约数得 12)。
16. 如下图所示,某公园有两段路 $AB=175$ 米、$BC=125$ 米,在这两段路上安装路灯,要求 $A,B,C$ 三点各设一个路灯,相邻两个路灯间的距离都相等。则在这两段路上至少要安装路灯______盏。
一座山形(折线)道路示意图,顶点 B 在上方,A 在左下,C 在右下,构成两段斜坡路;左侧斜段标注 $AB=175$ 米,右侧斜段标注 $BC=125$ 米。
因数与倍数最大公约数植树问题
答案
13
解题步骤
175 与 125 的最大公约数是 25,所以取 25 米为两灯间距。$175=25\times7,125=25\times5$,$AB$ 段应安 $7+1=8$(盏)灯,$BC$ 段应安 $5+1=6$(盏)灯,但在 $B$ 点不需重复安灯,故共需安装 $8+6-1=13$(盏)。
思路:灯间距取 $(175,125)=25$,两段各按植树问题算灯数,公共点 B 只算一次,相加减 1。
17. 将一个数的各位数字相加得到新的一个数称为一次操作,经连续若干次这样的操作后可以变为 6 的数称为“好数”,那么不超过 2012 的“好数”的个数为______,这些“好数”的最大公因数是______。
因数与倍数数字根最大公约数
答案
223,3
解题步骤
一个数与其各位数字之和除以 9 的余数相同,显然这个数除以 9 余 6,这是一个同余类,其内部的数从小到大排成一个等差数列,公差为 9,首项为 6,末项为 2004,其个数为 $(2004-6)\div9+1=223$,其最大公因数为 3。
思路:数字根等于该数对 9 的余数,个数最多的好数对应余数类(数字根 6),该等差类公差 9,最大公约数为 9。
18. 自然数 $b$ 与 175 的最大公因数记为 $d$,如果 $176\times(b-11\times d+1)=5\times d+1$,则 $b=$______。
因数与倍数最大公约数奇偶分析
答案
385
解题步骤
由于 $d=(175,b)$ 必为 175 的因数,而 $175=5\times5\times7$,所以 $d$ 只能取 $1,5,7,25,35,175$ 中的某一个。由于 $5\times d+1$ 为非零正偶数,所以 $b-11\times d+1\geq1$,因此 $5d+1\geq176\Rightarrow d\geq35$,所以 $d$ 只能取 35 或 175。
将 $d=35$ 代入 $176\times(b-11\times d+1)=5\times d+1$,得 $b=385$。
将 $d=175$ 代入 $176\times(b-11\times d+1)=5\times d+1$,得 $176\times(b-11\times175+1)=5\times175+1$
$=876$,即 $44\times(b-11\times175+1)=219$,左边是偶数,右边是奇数,矛盾!所以 $d=175$ 不合要求。所以 $b=385$。
思路:$d$ 必为 175 的因数;由右边须为 176 的倍数及奇偶矛盾排除取值,逐一代入得 $b=385$。
19. 三个两两不同的正整数,和为 126,按它们两两最大公因数的和的最大值为______。
因数与倍数最大公约数放缩估计
答案
72
解题步骤
设三数分别为 $a<b<c$,则由 $(a,b)\leq a,(a,b)\leq b-a$ 可得 $7(a,b)\leq2a+5(b-a)=5b-3a$;由 $(a,c)\leq a$ 可得 $7(a,c)\leq7a$,由 $(b,c)\leq b,(b,c)\leq c-b$ 可得 $7(b,c)\leq3b+4(c-b)=4c-b$。因此由以上各式可得 $7(a,b)+7(a,c)+7(b,c)\leq(5b-3a)+7a+(4c-b)=4a+4b+4c$,即 $(a,b)+(a,c)+(b,c)\leq\frac{4}{7}(a+b+c)=72$。当三数分别为 $18,36,72$ 时,两两最大公因数之和为 $18+18+36=72$。
思路:用最大公约数的两个上界做放缩,得三对最大公约数之和不超过 $\frac{4}{7}(a+b+c)$,并由 $18,36,72$ 取等。
20. 电子钟每走 9 分钟亮一次灯,每到整点响一次铃。中午 12 点整,电子钟响铃又亮灯。问:下一次既响铃又亮灯是几点几分?
因数与倍数最小公倍数时钟问题
答案
15 点
解题步骤
因为电子钟每到整点响铃,所以我们只要考虑哪个整点亮灯就可以了。从中午 12 点起,每 9 分钟亮一次灯。由于 $[9,60]=180$,所以 180 分之后整点亮灯,即下一次既响铃又亮灯是下午 3 点钟。即 15 点整。
思路:响铃在整点(60 分一次),亮灯每 9 分一次,二者同时须经过 $[9,60]=180$ 分钟。
21. 已知 $a,b,c$ 是三个自然数,且 $a$ 与 $b$ 的最小公倍数是 $60,a$ 与 $c$ 的最小公倍数是 270,求 $b$ 与 $c$ 的最小公倍数。
因数与倍数最小公倍数质因数分析
答案
540 或 108
解题步骤
$[a,b]=60$
$=2^{2}\times3\times5$,$[a,c]=270$
$=2\times3^{3}\times5$。若 $b$ 不是 $2^{2}$ 的倍数,则 $a$ 一定是 $2^{2}$ 的倍数,那么 $[a,c]$ 一定含有 $2^{2}$,出现矛盾。所以 $b$ 是 $2^{2}$ 的倍数。同理,$c$ 是 $3^{3}$ 的倍数。所以 $[b,c]$ 中一定含有 $2^{2}\times3^{3}$。若 $a$ 中不含 5,$b,c$ 都含 5;在这种情况下,最小公倍数为 $2^{2}\times3^{3}\times5=540$。若 $a$ 中含 5,这个 5 这个因子,在这种情况下,最小公倍数为 $2^{2}\times3^{3}=540$ 或者 $2^{2}\times3^{3}=108$。
思路:由两两最小公倍数的质因数幂次推出 $b$ 含 $2^{2}$、$c$ 含 $3^{3}$,再按 5 是否在 $b,c$ 中讨论得 540 或 108。
22. 一个数分别除以 $1\frac{1}{14},\frac{10}{21},\frac{20}{49}$,所得的商都是自然数,这个数最小是______。
因数与倍数分数的最小公倍数分数运算
答案
$\frac{60}{7}$
解题步骤
这个数最小是三个数的最小公倍数,即 $\left[\frac{15}{14},\frac{10}{21},\frac{20}{49}\right]=\frac{[15,10,20]}{(14,21,49)}$
$=\frac{60}{7}$,所以这个数最小是 $\frac{60}{7}$。
思路:分数除得整数,要求被除数是三个分数的最小公倍数,按“分子取最小公倍数、分母取最大公约数”计算。
23. 如果两个合数互质,它们的最小公倍数是 126,那么,它们的和是______。
因数与倍数互质最小公倍数
答案
23
解题步骤
因为两数互质,所以它们的最小公倍数等于它们的乘积。将 126 分解因数易得这两个数分别为 14 和 9,所以它们的和等于 23。
思路:互质两数的最小公倍数等于乘积,把 126 拆成互质的两个合数 $14\times9$,求和。
24. 两个自然数 $A,B$ 的最小公倍数为 $50,$ 问 $A+B$ 有多少种可能的数值?
因数与倍数最小公倍数枚举
答案
8 种
解题步骤
因为 $50=2\times5^{2}$,$A,B$ 是 50 的因数,它们只能取 $1,2,5,10,25,50$。不妨设 $A\geq B$,当 $A=50$ 时,$B=1,2,5,10,25,50$;当 $A=25$ 时,$B=2,10$。所以 $A+B$ 共有 8 种可能的不同数值。
两个自然数 $A,B$ 的最小公倍数为 50,当 $A\geq B$ 时,$A+B$ 取不同数值可列表如下:
$A=50,B=1,2,5,10,25,50$,对应 $A+B=51,52,55,60,75,100$;$A=25,B=2,10$,对应 $A+B=27,35$。
思路:$A,B$ 须满足 $[A,B]=50$,枚举满足条件的 $(A,B)$ 并统计 $A+B$ 的不同值。
25. 若两个自然数的最大公因数是 7,最小公倍数是 210,这两个自然数的和是 77,则这两个自然数是______和______。
因数与倍数最大公约数与最小公倍数互质分解
答案
35 和 42
解题步骤
设这两个数为 $A,B,(A,B)=7$,则 $A=7a,B=7b$,且 $a,b$ 互质,那么 $\begin{cases}7(a+b)=77\\7ab$
$=210\end{cases}$,进而 $\begin{cases}a+b=11\\ab$
$=30\end{cases}$,最后得到 $\begin{cases}a=6\\b$
$=5\end{cases}$,这两个数的和是 $7\times6=42,7\times5=35$。
思路:设两数为 $7a,7b$($a,b$ 互质),由和与积转化为 $a+b=11,ab=30$ 解出 $a,b$。
26. 两个整数的最小公倍数是 1925,这两个整数分别除以它们的最大公因数,得到两个商的和是 16,写出这两个整数。
因数与倍数最大公约数与最小公倍数互质分解
答案
385 和 175
解题步骤
$1925=5\times5\times7\times11$,两个商都是 1925 的因数,互质,而且和为 16,所以两个商分别为 $5,11$。$1925\div5=385,1925\div11=175$,这两个整数是 385 和 175。
思路:两个商互质、其积等于最小公倍数与最大公约数之比、和为 16,分解 1925 得商 5 与 11。
27. 如下图所示,鼹鼠和老鼠分别从长 157 米的小路两端 $A,B$ 开始向另一端挖洞,老鼠对鼹鼠说:“你挖好后,我再挖。”这样一来,由于老鼠原来要挖的一些洞恰好也是鼹鼠要挖的洞,所以老鼠可以少挖______个洞。(图中:鼹鼠每隔 3 米挖一个洞,老鼠每隔 5 米挖一个洞)
一条水平小路两端为 A、B,左端站着鼹鼠(头顶气泡写“我每隔3米挖一个洞”),右端站着老鼠(头顶气泡写“我每隔5米挖一个洞”);路上从 A 起标出 3m 的间隔,靠近 B 处标出 5m 的间隔,路上有若干洞的标记。
因数与倍数最小公倍数植树问题
答案
10
解题步骤
因为 157 除以 5 的余数是 2,可得下图,由图中很明显可知,鼹鼠和老鼠重合的第一个洞在距离 $A$ 点 12 米处,因为 $[3,5]=15,(157-12)\div15=9\cdots\cdots10$,所以,老鼠和鼹鼠要挖的洞里重合的有 $9+1=10$(个)。
思路:两鼠洞位重合处相隔 $[3,5]=15$ 米,先定首个重合点,再在剩余路程上统计重合点个数。
28. 夜里下了一场大雪,早上,小龙和爸爸一起步测花园里一条环形小路的长度,他们从同一点同向行走,小龙每步长 54 厘米,爸爸每步长 72 厘米,两人各走完一圈后又都回到出发点,这时雪地上只留下 60 个脚印。那么这条小路长______米。
因数与倍数最小公倍数步测问题
答案
21.6
解题步骤
爸爸 3 步和小龙走 4 步距离一样长,也就是说他们一共走了 7 步,但却只会留下 6 个脚印,也就是说每 216 厘米就有 6 个脚印,那么 60 个脚印就说明总长度是 $216\times10=2160$(厘米),也就是 21.6 米。
思路:求 54 与 72 的最小公倍数 216 为两人脚印重合的周期,每周期留 6 个脚印,由总脚印数反推路长。
29. 若 $a,b,c$ 三个互不相等的大于 0 的自然数,$a+b+c=1155$,则它们的最大公因数的最大值为______,最小公倍数的最小值为______,最小公倍数的最大值为______。
因数与倍数最大公约数与最小公倍数极值构造
答案
165,660,57065085
解题步骤
由于 $a+b+c=1155$,而 $1155=3\times5\times7\times11$。令 $a=mp,b=mq,c=ms,m$ 为 $a,b,c$ 的最大公因数,则 $p+q+s$ 最小为 7,此时 $m=165$。
(2)为了使最小公倍数尽量大,应使三数的最大公因数 $m$ 尽量大,所以应使 $m=165,a=1,b=2,c=4$,此时三个数分别为 $165,330,660$,它们的最小公倍数为 660,所以最小公倍数的最小值为 660。
(3)为了使最小公倍数尽量大,应使三个数两两互质且乘积尽量大。当三数的和一定时,为了使它们的乘积尽量大,应使这三个数尽量接近。当三数的和为 $1155=384+385+386$,但是在这种情况下 384 和 386 有公因数 2,而非 $1155=383+385+387$ 时,三数两两互质,它们的最小公倍数为 $383\times385\times387=57065085$,即最小公倍数的最大值为 57065085。
思路:用 $1155=3\times5\times7\times11$ 分别构造:最大公约数取 165;最小公倍数最小时取最大公约数最大的三数 $165,330,660$;最大时取乘积最大且两两互质的 $383,385,387$。
30. 已知 $a$ 与 $b$ 的最大公因数是 $12,a$ 与 $c$ 的最小公倍数是 300,$b$ 与 $c$ 的最小公倍数也是 300,那么满足上述条件的自然数 $a,b,c$ 共有______组。(例如 $a=12,b=300,c=300$;$a=300,c=12,b=300$ 都是符合要求的两个自然数组)
因数与倍数最大公约数与最小公倍数质因数分类计数
答案
30
解题步骤
依题意,我们有 $(a,b)=12,[a,c]=[b,c]=300$。
不妨设 $a,b,c$ 这三个数互为互质的合数,因为 $300=2^{2}\times3\times5^{2}$
$=12\times5^{2}$,并且 $a,b,c$ 都是 300 的因数,所以 $a=12\times5^{m}$($m=0$ 或 1 或 2),$b=12\times5^{n}$($n=0$ 或 1 或 2),$c=2^{x}\times3^{y}\times5^{z}$($x,y=0$ 或 1 或 2,$\beta=0$ 或 1)。
首先 $a,b,c$ 中 5 的因子个数 $m,n,\gamma$ 必须满足三个条件:
(1)$m$ 与 $n$ 之中必须至少有一个是 0;否则,5 是 $a$ 与 $b$ 的公因数,那么 $a$ 与 $b$ 的最大公因数不可能是 12。
(2)$m$ 与 $\gamma$ 之中必须至少有一个是 2;否则,$a$ 与 $c$ 中 5 的因子个数都小于 2,那么 $a$ 与 $c$ 的最小公倍数中 5 的因子个数不可能有 2 个 5 的因子,这不符合题意 $[a,c]=300$。
(3)$n$ 与 $\gamma$ 之中必须至少有一个是 2。(类似(2)的理由)
这样只有下表给出的五种可能性:
$m=0,0,0,1,2$;$n=0,1,2,0,0$;$\gamma=2,2,2,2,2$。
由于关于 $2,3,5$ 的因子个数的讨论是彼此独立的,因此满足题目要求的自然数 $a,b,c$ 共有 $5\times3\times2=30$(组)。
思路:将 $a,b,c$ 对质因子 2、3、5 的指数分别独立讨论,由最大公约数与最小公倍数条件约束 5 的指数得 5 种、2 与 3 各自的取法相乘得 30 组。
第26讲 带余除法
带余除法的概念:被除数=除数×商+余数,且余数小于除数,是本讲所有问题的基础关系式。
余数的运算性质:和、差、积的余数等于各部分余数(之和、差、积)的余数,可用于化简大数或幂的取余计算。
余数相同问题:几个数除以同一个数余数相同,则它们两两之差能被该除数整除,常借助求公约数解决。
逐级满足与中国剩余:给定多组除数及余数的条件,可用逐级满足法或公倍数加周期的方法求满足条件的数。
幂与尾数的余数周期:形如 $a^{n}$ 被某数除的余数(或个位、末两位数)通常呈周期变化,借助周期与同余可求大指数情形的结果。
最小公倍数的应用:多种均分或循环条件下,常用各除数的最小公倍数刻画重复周期或构造满足条件的数。
星期与日期推算:计算星期、循环位置等问题本质是被周期数(如 $7$、$6$)取余的带余除法问题。
1. $2008 \div a = b \cdots\cdots 6$,$a$、$b$ 均为自然数,$a$ 有______种不同的取值。
带余除法因数分解余数性质
答案
14
解题步骤
由 $2008 \div a = b \cdots\cdots 6$ 可知,$ab+6=2008$,$ab=2002$。又因为 $2002=2\times7\times11\times13$,而且 $a>6$,所以 $a$ 的取值有:$2^{4}-2=14$(种)。
思路:由带余除法关系式得 $ab=2002$,对 $2002$ 质因数分解后统计大于余数 $6$ 的因数个数。
2. $1^{1}+2^{2}+3^{3}+4^{4}+5^{5}+6^{6}+7^{7}+8^{8}+9^{9}$ 除以 $3$ 的余数是几?为什么?
余数性质和的余数等于余数的和幂的余数
答案
1
解题步骤
$3^{3}$、$6^{6}$、$9^{9}$ 除以 $3$,余数是 $0$,所以只须看表达式 $1^{1}+2^{2}+4^{4}+5^{5}+7^{7}+8^{8}$ 除以 $3$ 的余数,根据余数的和等于和的余数,那么余数为 $1+1+1+2+1+1=7$,$7\div3=2\cdots\cdots1$。
思路:利用各幂被 $3$ 除的余数,借助和的余数等于余数的和求出整体余数。
3. 将从 $1$ 开始到 $103$ 的连续奇数依次写成一个多位数:$A=13579111315171921\cdots\cdots979910 1103$,则数 $A$ 共有______位,数 $A$ 除以 $9$ 的余数是______。
数字串数位统计被9除的余数(循环)
答案
101;4
解题步骤
一位的奇数有 $5$ 个,两位的奇数有 $45$ 个,再加两个三位奇数,所以 $A$ 是一个 $5+2\times45+3\times2=101$(位)数。
从 $1$ 开始的连续奇数被 $9$ 除的余数依次为 $1,3,5,7,0,2,4,6,8,1,3,5,7,0,2,4,6,8,\cdots$,从 $1$ 开始,每周期为 $9$ 个数 $1,3,5,7,0,2,4,6,8$ 的循环。因为 $(1+3+5+7+0+2+4+6+8)$ 被 $9$ 除余数为 $0$,从 $1\sim89$ 恰为 $5$ 个周期,所以这个 $101$ 位数 $A$ 被 $9$ 除的余数为 $1+3+5+7+0+2+4$ 被 $9$ 除的余数,等于 $4$。
思路:先按一位、两位、三位奇数统计总位数,再利用奇数被 $9$ 除余数的循环规律求整数 $A$ 的余数。
4. 定义 $1! = 1$,$2! = 1\times2$,$3! = 1\times2\times3$,$n! = 1\times2\times3\times\cdots\times n$,则 $2011!+10$ 除以 $2012$ 的余数为______。
阶乘倍数判断带余除法
答案
10
解题步骤
$2011!$ 中包含 $2$ 与 $1006$,所以 $2011!$ 是 $2012$ 的倍数,那么余数为 $10$。
思路:说明 $2011!$ 含有 $2$ 和 $1006$ 两个因数,故是 $2012$ 的倍数,余数即为加上的 $10$。
5. 已知 $a=\underbrace{20082008\cdots2008}_{2008\text{个}2008}$,问:$a$ 除以 $13$ 所得余数是______。
循环数字串分段求余被13除的余数
答案
6
解题步骤
$2008$ 除以 $13$ 余 $6$,$10000$ 除以 $13$ 余 $3$,所以 $20082008$ 除以 $13$ 余 $6\times3+6-13=11$,$200820082008$ 除以 $13$ 余 $11\times3+6-39=0$,即 $200820082008$ 是 $13$ 的倍数,而 $2008$ 除以 $3$ 余 $1$,所以 $a=\underbrace{20082008\cdots2008}_{2008\text{个}2008}$ 除以 $13$ 的余数与 $2008$ 除以 $13$ 的余数相同,为 $6$。
思路:将该循环数按每三段 $2008$ 一组($200820082008$)能被 $13$ 整除,由 $2008$ 个分组的余数确定最终余数。
6. 用 $1$、$9$、$8$、$8$ 这四个数字能排成几个被 $11$ 除余 $8$ 的四位数?
枚举法被11除的余数特征奇偶位数字和
答案
4
解题步骤
方法一:用 $1$、$9$、$8$、$8$ 可排成 $12$ 个四位数,即 $1988$、$1898$、$1889$、$9188$、$9818$、$9881$、$8198$、$8189$、$8918$、$8981$、$8819$、$8891$,它们减去 $8$ 变为 $1980$、$1890$、$1881$、$9180$、$9810$、$9873$、$8190$、$8181$、$8910$、$8973$、$8811$、$8883$,其中被 $11$ 整除的仅有 $1980$、$1881$、$8910$、$8811$,即用 $1$、$9$、$8$、$8$ 可排成 $4$ 个被 $11$ 除余 $8$ 的四位数,即 $1988$、$1889$、$8918$、$8819$。
方法二:按照除以 $11$ 余数的特征,这个四位数的奇数位数字和与偶数位数字和的差应为 $8$,把 $8$、$9$ 放在奇数位,$1$、$8$ 放在偶数位,排列顺序 $2\times2=4$ 种。
思路:可逐一枚举四位数并检验,或利用被 $11$ 除的余数取决于奇偶位数字和之差这一特征确定排列数。
7. 有两位数 $10$、$11$、$\cdots$、$98$、$99$ 中,将每个被 $7$ 除余 $2$ 的数的个位与十位之间添加一个小数点,其余的数不变,经过这样改变之后,所有的数的和是多少?
等差数列求和带余除法筛选小数点移位
答案
4316.4
解题步骤
原来的总和是
$10+11+\cdots+98+99=\frac{(10+99)\times90}{2}$
$=4905$
被 $7$ 除余 $2$ 的两位数是 $7\times2+2=16,7\times3+2=23,\cdots,7\times13+2=93$。
共 $12$ 个数。这些数按题中要求添加小数点以后,都变为原数的 $\frac{1}{10}$,因此这一操作使总和减少了
$(16+23+\cdots+93)\times\left(1-\frac{1}{10}\right)=\frac{(16+93)\times12}{2}\times\frac{9}{10}$
$=588.6$
所以经过改变之后,所有数的和是 $4905-588.6=4316.4$。
思路:先求所有两位数之和,再筛出被 $7$ 除余 $2$ 的数,它们缩小为原来的十分之一后引起总和减少的量,从而得出新总和。
8. $10$ 个自然数,和为 $100$,分别除以 $3$,若用去尾法,$10$ 个商的和为 $30$;若用四舍五入法,$10$ 个商的和为 $34$。则 $10$ 个数中被 $3$ 除余 $1$ 的数有______个。
带余除法去尾法与四舍五入余数分类讨论
答案
2
解题步骤
由题意,“用去尾法,$10$ 个商的和为 $30$;用四舍五入法,$10$ 个商的和为 $34$”可知,$10$ 个数中除以 $3$ 余 $2$ 的数有 $34-30=4$(个),又知道 $10$ 个自然数的和为 $100$,设除以 $3$ 余 $1$ 的数有 $x$ 个,那么根据用去尾法后 $10$ 个商的和与 $10$ 个自然数的和,可得关系式:
$\frac{x}{3}+\frac{2\times4}{3}=\frac{100}{3}-30$,解得 $x=2$。
思路:由四舍五入与去尾两种商之和的差确定余 $2$ 的个数,再用总和与去尾商之和列方程求余 $1$ 的个数。
9. 一个小明心里想了一个奇数,并且把它分别被 $14$ 和 $21$ 除后所得的余数,告诉这两个余数的和是 $33$,则该奇数最大是______。
带余除法余数范围最小公倍数
答案
41
解题步骤
该整数除以 $14$ 余数不大于 $13$,除以 $21$ 余数不大于 $20$,所以这两个余数的和不大于 $33$,而由题有这两个余数的和恰好是 $33$,所以该整数除以 $14$ 余数是 $13$,除以 $21$ 余数是 $20$。这个数加上 $1$ 就是 $14$ 和 $21$ 的倍数,而 $[14,21]=42$,所以这个数可以表示成 $42k-1$ 的形式,被 $42$ 除的余数是 $41$。
思路:由两余数之和达到各自余数上限,确定两个余数均取最大值,从而该数加 $1$ 是 $14$、$21$ 的公倍数,求出其被 $42$ 除的余数。
10. 学校运动会开幕式的旗手排成一行,首先从左向右 $1$ 至 $3$ 循环报数,最右端的旗手是 $1$;然后从右向左 $1$ 至 $4$ 循环报数,最左端的旗手是 $1$。两次都报 $1$ 的旗手有 $12$ 人。那么,开幕式一共有旗手______人。
循环报数最小公倍数带余除法
答案
143
解题步骤
因为 $3$ 和 $4$ 的最小公倍数是 $12$,从左至右每 $12$ 人两次报数的情况重复一次。从左至右前 $12$ 人两次报数的情况是
第一次报数:$1\ 2\ 3\ 1\ 2\ 3\ 1\ 2\ 3\ 1\ 2\ 3$
第二次报数:$3\ 2\ 1\ 4\ 3\ 2\ 1\ 4\ 3\ 2\ 1\ 4$
则旗手一共有 $12\times12-1=143$(人)。
思路:利用 $3$、$4$ 的最小公倍数 $12$ 找出每 $12$ 人中两次都报 $1$ 的位置,据 $12$ 人的重复个数推算总人数。
11. 一个除法算式中的被除数、除数、商与余数都是自然数,并且除数与商相等。若被除数是 $365$,则除数是______,余数是______。
带余除法关系式平方数试算余数小于除数
答案
19;4
解题步骤
因为 被除数 $=$ 除数 $\times$ 商 $+$ 余数,
其中 除数 $=$ 商,被除数 $=365$,所以 $365=$ 除数 $\times$ 除数 $+$ 余数。
即 $365$ 可写成两个相同的数的乘积与余数之和,并且要满足余数小于除数,经试算知,除数是 $19$,余数是 $4$。
思路:由除数等于商,列出 $365=$ 除数$^2+$ 余数,在余数小于除数的限制下试算得除数 $19$、余数 $4$。
12. 数 $1257$ 除以一个三位数,余数是 $150$,则这个三位数是______。
带余除法质因数分解因数判断
答案
369
解题步骤
因为 除数 $\times$ 商 $=$ 被除数 $-$ 余数 $=1257-150$
$=1107$。所以 $1107$ 应是除数的整数倍。
将 $1107$ 分解质因数,得 $1107=3\times3\times3\times41$。而除数应大于 $150$,并且是三位数,可知符合条件的 $1107$ 的约数只有 $3\times3\times41=369$,所以这个三位数是 $369$。
思路:用被除数减余数得 $1107$,对其质因数分解后找出大于余数 $150$ 的三位约数。
13. 在大于 $2009$ 的自然数中,被 $57$ 除后,商与余数相等的数共有______个。
带余除法商等于余数余数范围计数
答案
22
解题步骤
根据题意,设这样的数除以 $57$ 所得的商和余数都为 $a(a<57)$,则这个数为 $57\times a+a=58a$。所以 $58a>2009$,得到 $a>2009\div58=34\frac{37}{58}$,由于 $a$ 为整数,所以 $a$ 至少为 $35$。又由于 $a<57$,所以 $a$ 最大为 $56$,则 $a$ 可以为 $35、36、37、\cdots、56$。由于每一个 $a$ 的值就对应一个满足条件的数,所以所求的满足条件的数共有 $56-35+1=22$(个)。
思路:设商与余数都为 $a$,则数为 $58a$,由数大于 $2009$ 且 $a<57$ 求出 $a$ 的取值个数。
14. 一个自然数被 $8$ 除余 $1$,所得的商被 $8$ 除也余 $1$,再把第二次所得的商被 $8$ 除后余 $7$,最后得到一个商是 $a$(见短除式图 $1$)。又知这个自然数被 $17$ 除余 $4$,所得的商被 $17$ 除余 $15$,最后得到一个商是 $a$ 的 $2$ 倍(见短除式图 $2$)。求这个自然数。
两个短除式示意图。图1:依次用 $8$ 去除,所求的自然数余 $1$,第一次商余 $1$,第二次商余 $7$,最后商为 $a$;图2:依次用 $17$ 去除,所求的自然数余 $4$,第一次商余 $15$,最后商为 $2a$。
带余除法短除式列方程求解
答案
1993
解题步骤
先求 $a$,依题意 $[(8a+7)\times8+1]\times8+1=(17\times2a+15)\times17+4$,整理得 $512a+457=578a+259$。即 $66a=198$,所以 $a=3$,于是原数 $=[(8a+7)\times8+1]\times8+1$
$=1993$。
思路:依两组短除式各自还原出该自然数的表达式,令其相等解出商 $a$,再代回求出原数。
15. 一个自然数除以 $8$ 得到的商加上这个数除以 $9$ 的余数,其和是 $13$。求所有满足条件的自然数。
带余除法分类讨论枚举筛选
答案
108,100,92,84,76,68,60,52,44。
解题步骤
本题考查学生掌握带余除法及枚举筛选的综合能力。
设所求的自然数为 $n$,且设 $n$ 除以 $8$ 商 $x$ 余 $r$,$n$ 除以 $9$ 商 $a$ 余 $y$,于是有 $n=8x+r$
$=9a+y$(其中 $x+y=13$)。又已知 $0\leqslant y\leqslant8$,$0\leqslant r\leqslant7$,下面分类讨论:
若 $y=0$,则 $x=13$,得 $8\times13+r=9a$,解出 $r=4$,故 $n=8\times13+4$
$=108$;
若 $y=1$,则 $x=12$,得 $8\times12+r=9a+1$,解出 $r=4$,故 $n=8\times12+4$
$=100$;
类似地,若 $y=2、3、4、5、6、7、8$,则分别有 $x=11、10、9、8、7、6、5$,解得 $r=4$,故 $n=8\times11+4$
$=92$;$n=8\times10+4$
$=84$;$n=8\times9+4$
$=76$;$n=8\times8+4$
$=68$;$n=8\times7+4$
$=60$;$n=8\times6+4$
$=52$;$n=8\times5+4$
$=44$。
答:满足条件的自然数共有 $9$ 个:$108,100,92,84,76,68,60,52,44$。
说明:本题也可以先确定 $r=4$。由 $y=13-x$ 代入可得 $8x+r=9a+(13-x)$,即 $9x-9a=13-r$,于是 $13-r$ 的差应是 $9$ 的倍数,又 $0\leqslant r\leqslant7$,故 $r=4$。
思路:设该数被 $8$、被 $9$ 的商与余数,列出 $n=8x+r=9a+y$ 且 $x+y=13$,对 $y$ 取值逐一讨论求出所有解。
16. 奶奶告诉小明:“$2006$ 年共有 $53$ 个星期日。”聪敏的小明立刻告诉奶奶:$2007$ 年的元旦一定是______。
A.星期一 B.星期二 C.星期六 D.星期日
星期推算带余除法周期问题
答案
A
解题步骤
$2006$ 年有 $365$ 天,而 $365=7\times52+1$,又已知 $2006$ 年有 $53$ 个星期天,只能元旦是星期天,且 $12$ 月 $31$ 日也是星期日,所以 $2007$ 年的元旦是星期一。
思路:由 $365=7\times52+1$ 知一年比整周多 $1$ 天,结合 $53$ 个星期日推断该年元旦及次年元旦的星期。
17. $2007$ 年 $4$ 月 $15$ 日(星期日)是第 $5$ 届小学“希望杯”全国数学邀请赛举行第 $2$ 试的日子,那么这天以后的第 $2007+4\times15$ 天是星期______。
星期推算带余除法同余
答案
二
解题步骤
计算星期属于余数问题,也就是考虑被 $7$ 除的余数。
因为 $2002$ 被 $7$ 整除,所以 $2007$ 被 $7$ 除余 $5$;
又因为 $15$ 被 $7$ 除余 $1$,所以 $2007+4\times15\equiv5+4\times1\pmod{7}$,$5+4\times1=9$,被 $7$ 除余 $2$,所以是星期二。
思路:把所求天数 $2007+4\times15$ 对 $7$ 取余,从起始星期日往后推 $2$ 天即得答案。
18. 如下图所示,一只蚂蚱站在 $1$ 号位置上,它第 $1$ 次跳 $1$ 步,到达 $2$ 号位置;第 $2$ 次跳 $2$ 步,到达 $4$ 号位置;第 $3$ 次跳 $3$ 步,到达 $1$ 号位置,$\cdots\cdots$,第 $n$ 次跳 $n$ 步,当蚂蚱沿着顺时针跳了 $100$ 次时,到达______号位置。
一个正六边形的六个顶点上依次标有 $1$、$2$、$3$、$4$、$5$、$6$ 号位置(按顺时针方向,$1$ 号在顶部),表示蚂蚱跳跃的环形位置。
周期问题等差数列求和带余除法
答案
5
解题步骤
共跳了 $1+2+3+\cdots+100=5050$ 步,每 $6$ 步跳回原地,$5050\div6=841\cdots\cdots4$,因此相当于跳了 $4$ 步,从 $1$ 开始跳 $4$ 步到达 $5$ 号位置。
思路:总步数为 $1+2+\cdots+100=5050$,对 $6$ 取余得有效步数 $4$,从 $1$ 号顺时针跳 $4$ 步定位。
19. 有三个自然数 $a$、$b$、$c$,已知 $b$ 除以 $a$,得商 $3$ 余 $3$;$c$ 除以 $a$,得商 $9$ 余 $11$。则 $c$ 除以 $b$,得到的余数是______。
带余除法代数变形余数转化
答案
2
解题步骤
$b=3a+3$
$c=9a+11$
$c=(9a+9)+2$
$=3b+2$
所以应该余 $2$。
思路:把 $b$、$c$ 都用 $a$ 表示,再将 $c$ 改写成 $3b+2$ 的形式,即得 $c$ 除以 $b$ 的余数。
20. $2007\times2007\times\cdots\times2007$($2008$ 个 $2007$)的个位数字是______。
尾数规律周期问题带余除法
答案
1
解题步骤
每四个 $2007$ 相乘个位为 $1$,$2008$ 是 $4$ 的倍数,所以乘积的个位数字仍为 $1$。
思路:利用 $2007$ 的个位数 $7$ 的尾数周期为 $4$,由 $2008$ 是 $4$ 的倍数确定积的个位。
21. $\underbrace{2011\times2011\times\cdots\times2011}_{2011\text{个}2011}$ 的末两位数是______。
末两位数规律周期问题带余除法
答案
11
解题步骤
乘积的末两位数由乘数的末两位数决定。
$11\times11=121,21\times11=231,31\times11=341,41\times11=451,\cdots\cdots,$
$81\times11=891,91\times11=1001,1\times11=11,11\times11=121$。
观察可知,随着乘数的增加,乘积的末两位数出现循环:
$11,21,31,\cdots,91,01,11,21,31,\cdots$
每 $10$ 个 $2011$ 相乘,乘积的末两位数循环出现 $1$ 次。
因为 $2011\div10=201\cdots\cdots1$,
所以,$\underbrace{2011\times2011\times\cdots\times2011}_{2011\text{个}2011}$ 的末两位数是 $11$。
思路:末两位数随乘积每乘一次按周期 $10$ 循环,由 $2011\div10$ 的余数 $1$ 确定最终末两位数。
22. 有如下图所示的十二张扑克牌,$2$ 点、$6$ 点、$10$ 点各四张,你能从中选出七张牌,使上面点数之和恰等于 $52$ 吗?说明理由。
十二张扑克牌排成一行,点数依次为 $2$、$2$、$2$、$2$、$6$、$6$、$6$、$6$、$10$、$10$、$10$、$10$(即 $2$ 点、$6$ 点、$10$ 点各四张)。
带余除法奇偶性与整除反证法
答案
不能
解题步骤
因为每张牌除以 $4$ 的余数均为 $2$,$7$ 张牌除以 $4$ 的余数仍为 $2$,而 $52$ 是 $4$ 的倍数,矛盾,所以不能选出这样的 $7$ 张牌。
思路:每张牌点数除以 $4$ 都余 $2$,$7$ 张之和除以 $4$ 余 $2$,但 $52$ 能被 $4$ 整除,故不可能。
23. 三个连续三位数的和能够被 $13$ 整除,且这三个数中最大的数被 $9$ 除余 $4$,那么符合条件的三个数中最小的数的最大值是______。
连续数公倍数带余除法
答案
974
解题步骤
三个连续三位数,最大的数被 $9$ 除余 $4$,则中间数被 $9$ 除余 $3$,最小数被 $9$ 除余 $2$,所以这三个数的和是 $9$ 的倍数,又能被 $13$ 整除,所以这个和能被 $9\times13=117$ 整除。三个三位数和小于 $3000$,$3000\div117=25\cdots\cdots75$,所以和最大为 $3000-75=2925$,则中间数为 $2925\div3=975$,所以最小数的最大值为 $974$。
思路:三数之和是中间数的 $3$ 倍且能被 $9$、$13$ 整除即被 $117$ 整除,求出小于 $3000$ 的最大和,再求最小数。
24. 有 $9$ 张卡片如下图所示,其中 $5$ 张上所写的数已知,还有 $4$ 张不知具体数,但已知它们都是整数,且都是 $4$ 的倍数,这 $4$ 张上所写的数的和为 $400$。现有 $4$ 个学生,每人从 $9$ 张中取走 $2$ 张,当他们把取来的 $2$ 张卡片上的数相加时发现和都相等,则剩下的那张卡片上的数是______。
九张卡片排成一行,前五张上写有数 $21$、$29$、$61$、$109$、$141$,后四张上写有问号(未知数),表示四个待定的 $4$ 的倍数。
带余除法整除性质枚举验证
答案
21
解题步骤
已知的五张卡片上的数除以 $4$ 的余数都是 $1$,因此每个学生所取得的两张卡片上的数的和应该是 $4$ 的倍数加 $1$。若剩下的是 $21$,则每个学生抽得的数之和是 $(400+29+61+109+141)\div4=185$,$185\div4=46\cdots\cdots1$,符合要求;若剩下的是 $29$,此时计算求得每个学生的数和是 $183$,不合要求;若剩下的是 $61$,则每个学生的数和是 $175$,不合要求;若剩下的是 $109$,每个学生的数和是 $163$,不合要求;若剩下的是 $141$,每个学生的数和是 $155$,不合要求。综上,最后剩下的是 $21$。
思路:已知五数除以 $4$ 均余 $1$,每两张之和须为 $4$ 的倍数加 $1$,逐一假设剩下的卡片验证每人和是否满足条件。
25. $1\sim2009$ 之间同时被 $3$、$5$、$7$ 除都余 $2$ 的数有______个。
最小公倍数余数相同问题带余除法
答案
20
解题步骤
$1\sim2009$ 之间同时被 $3$、$5$、$7$ 除都余 $2$ 的数肯定具有 $[3,5,7]k+2=105k+2$ 的形式,$(2009-2)\div105=19\cdots\cdots12$,所以有 $2$、$107$、$\cdots$、$105\times19+2=1997$,共 $20$ 个这样的数。
思路:余 $2$ 的数形如 $105k+2$,在 $1\sim2009$ 范围内统计 $k$ 的取值个数。
26. 有一堆水果糖,如果按 $8$ 块一份来分,最后剩下 $2$ 块;如果按 $9$ 块一份来分,最后剩下 $3$ 块;如果按 $10$ 块一份来分,最后剩下 $4$ 块。这堆糖至少有______块。
带余除法最小公倍数余数与缺数转化
答案
354
解题步骤
这堆水果糖的总数被 $8$ 除余 $2$,被 $9$ 除余 $3$,被 $10$ 除余 $4$。如果增加 $6$ 块就刚好是 $8$、$9$、$10$ 的公倍数,又 $8$、$9$、$10$ 的最小公倍数是 $360$。所以这堆水果糖至少有 $360-6=354$(块)。
思路:三种分法都缺 $6$ 块才能整分,故糖数加 $6$ 是 $8$、$9$、$10$ 的公倍数,取最小公倍数减 $6$。
27. 有一个数,除以 $3$ 余数是 $2$,除以 $4$ 余数是 $1$。问这个数除以 $12$ 余数是几?
带余除法最小公倍数余数确定
答案
5
解题步骤
满足条件的最小值是 $5$,那么所有满足条件的数肯定具有 $[3,4]k+5=12k+5$ 的形式,除以 $12$ 一定是余 $5$ 的。
思路:找出同时满足两条件的最小数 $5$,所有这样的数形如 $12k+5$,故除以 $12$ 余 $5$。
28. 红星小学组织学生划船。若乘坐大船,除 $1$ 条船坐 $6$ 人外,其余每船均坐 $17$ 人;若乘坐小船,则除 $1$ 条船坐 $2$ 人外,其余每船均坐 $10$ 人。如果学生的人数超过 $100$、不到 $200$,那么学生共有______人。
带余除法不定方程范围限定
答案
142
解题步骤
除 $1$ 条船坐 $6$ 人外,其余每船均坐 $17$ 人,说明总人数可以表示成 $17m+6$ 的形式;除 $1$ 条船坐 $2$ 人外,其余每船均坐 $10$ 人,说明总人数可以表示成 $10n+2$ 的形式;那么有 $17m+6=10n+2$,化简得 $17m+4=10n$,经分析 $m$ 的个位只能是 $8$。又学生的人数超过 $100$、不到 $200$,所以 $m=8$,学生的人数是 $17\times8+6=142$。
思路:把人数写成 $17m+6$ 与 $10n+2$ 两种形式,令其相等求 $m$ 的个位,再结合人数范围确定 $m$。
29. 智慧老人到小明的年级访问,小明说他们年级共一百多名同学,老人请同学们按三人一行排队,结果多出一人,按五人一行排队,结果多出二人,按七人一行排队,结果多出一人,老人说我知道你们年级人数应该是______人。
中国剩余定理逐级满足法最小公倍数
答案
127
解题步骤
根据条件,该数除以 $3$ 余 $1$,除以 $5$ 余 $2$,除以 $7$ 余 $1$,逐级满足法,令该数为 $a$,则
$a\div3\cdots\cdots1$ ①
$a\div5\cdots\cdots2$ ②
$a\div7\cdots\cdots1$ ③
符合条件①的有 $1,4,7,10,13,16\cdots$。
同时满足①、②的最小值为 $7$,以后 $a=7+15m$ 均满足①、②;
现在来看 $(7+15m)$ 除以 $7$ 余 $1$,则 $15m$ 除以 $7$ 余 $1$,则 $m$ 最小取 $1$,符合,最小的符合的数为 $a=22$。以后每隔 $[3,5,7]=105$ 即符合。由于该年级有 $100$ 多名学生,为 $22+105=127$。
思路:用逐级满足法依次满足三个余数条件求出最小解 $22$,再加上周期 $105$ 落入一百多人范围得 $127$。
30. 三个数:$23$、$51$、$72$,各除以大于 $1$ 的同一个自然数,得到同一个余数,则这个除数是______。
同余作差求公约数带余除法
答案
7
解题步骤
$51-23=28,72-51=21,(28,21)=7$,所以这个除数是 $7$。
思路:余数相同则两两之差能被除数整除,求差 $28$、$21$ 的最大公约数即得除数。
31. 一个数被 $7$ 除,余数是 $3$,该数的 $3$ 倍被 $7$ 除,余数是______。
余数性质积的余数带余除法
答案
2
解题步骤
余数是 $3\times3\div7$ 的余数,为 $2$。
思路:积的余数等于余数之积的余数,即 $3\times3=9$ 除以 $7$ 的余数 $2$。
32. $M$、$N$ 为非零自然数,且 $2007^{M}+2008^{N}$ 被 $7$ 整除。$M+N$ 的最小值为______。
幂的余数整除性质枚举试算
答案
5
解题步骤
$2007$ 除以 $7$ 的余数是 $5$,$2008$ 除以 $7$ 的余数是 $6$,所以 $5^{M}+6^{N}$ 能被 $7$ 整除。经试算,$M+N$ 最小值为 $3+2=5$。
思路:将底数化为被 $7$ 除的余数 $5$、$6$,试算使 $5^{M}+6^{N}$ 被 $7$ 整除的最小 $M+N$。
33. 某个自然数除以 $2$ 余 $1$,除以 $3$ 余 $2$,除以 $4$ 余 $1$,除以 $5$ 也余 $1$,则这个数最小是______。
最小公倍数余数相同问题带余除法
答案
41
解题步骤
这个自然数除以 $2$、$4$、$5$ 都余 $1$,$[2,4,5]=20$,所以这个数应满足 $1+20n$,同时除以 $3$ 余 $2$,所以最小是 $41$。
思路:由除以 $2$、$4$、$5$ 都余 $1$ 得数形如 $20n+1$,再筛出除以 $3$ 余 $2$ 的最小数。
34. 有一列数:$1,3,9,25,69,189,517,\cdots$,其中第一个数是 $1$,第二个数是 $3$,从第三个数起,每个数恰好是前面两个数之和的 $2$ 倍再加上 $1$,那么这列数中的第 $2008$ 个数除以 $6$,得到的余数是______。
递推数列余数周期带余除法
答案
1
解题步骤
这列数除以 $6$ 的余数有以下规律:$1,3,3,1,3,3,1,3,3,\cdots$,因为 $2008\div3=669\cdots\cdots1$,所以第 $2008$ 个数除以 $6$ 余 $1$。
思路:计算数列各项除以 $6$ 的余数发现周期为 $3$,由 $2008\div3$ 的余数确定第 $2008$ 项的余数。
35. 求 $1\sim2001$ 的所有自然数中,有多少个整数 $x$ 使 $2^{x}$ 与 $x^{2}$ 被 $7$ 除余数相同?
幂的余数周期同余计数
答案
574
解题步骤
首先看 $2^{x}\div7$ 的余数、$x^{2}\div7$ 的余数与 $x$ 的关系:
| $x$ | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 |
| --- | - | - | - | - | - | - | - | - | - | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- |
| $2^{x}\div7$ 的余数 | 2 | 4 | 1 | 2 | 4 | 1 | 2 | 4 | 1 | 2 | 4 | 1 | 2 | 4 | 1 | 2 | 4 | 1 | 2 | 4 | 1 |
| $x^{2}\div7$ 的余数 | 1 | 4 | 2 | 2 | 4 | 1 | 0 | 1 | 4 | 2 | 2 | 4 | 1 | 0 | 1 | 4 | 2 | 2 | 4 | 1 | 0 |
可见,$2^{x}\div7$ 的余数 $3$ 个一循环,$x^{2}\div7$ 的余数 $7$ 个一循环,$3$ 和 $7$ 的最小公倍数为 $21$,$2001\div21=95\cdots\cdots6$,每 $21$ 个数中,余数相同的有 $6$ 个,前 $6$ 个中余数相同的有 $4$ 个,所以,共有 $95\times6+4=574$(个)。
为什么会出现余数的循环呢?下面我们来证明 $(1)\,2^{n+3}\div7$ 与 $2^{n}\div7$ 同余,$(2)\,(m+7)^{2}\div7$ 与 $m^{2}\div7$ 同余。
$(1)\,2^{n+3}\div7=2^{n}\times8\div7$
$=2^{n}\times(7+1)\div7$
$=2^{n}+2^{n}\div7$,从而 $2^{n+3}\div7$ 与 $2^{n}\div7$ 同余。
$(2)\,(m+7)^{2}\div7=(m^{2}+14m+49)\div7$
$=m^{2}\div7+2m+7$,从而 $(m+7)^{2}\div7$ 与 $m^{2}\div7$ 同余。
思路:分别求 $2^{x}$、$x^{2}$ 被 $7$ 除余数的周期($3$ 和 $7$),在 $21$ 的公共周期内统计余数相同的个数,再按 $2001\div21$ 推算总数。
第27讲 完全平方数
完全平方数的定义:能表示成某个整数的平方的数称为完全平方数,如 $0,1,4,9,16,25,\cdots$。
完全平方数的尾数特征:完全平方数的个位数字只能是 $0,1,4,5,6,9$,可用来排除非平方数。
完全平方数的余数特征:完全平方数除以 $4$ 余 $0$ 或 $1$,除以 $8$ 余 $0,1$ 或 $4$,可用于判定与构造。
约数个数与完全平方数:一个数是完全平方数当且仅当它的约数个数为奇数;由质因数分解可知完全平方数每个质因数的指数均为偶数。
平方数求和公式:$1^{2}+2^{2}+\cdots+n^{2}=\dfrac{n(n+1)(2n+1)}{6}$,可用于求若干个完全平方数之和。
三角形数与完全平方数:三角形数 $1+2+3+\cdots+k=\dfrac{k(k+1)}{2}$,结合互质与奇偶分析可求既是三角形数又是完全平方数的数。
平方差与因数分析:利用 $m^{2}-n^{2}=(m+n)(m-n)$ 配合整除特征求满足条件的完全平方数。
1. 把 $1,2,3,4,5,6,7,8,9$ 按以一种顺序填在下表的第二行的空格中,使得每两个上、下对齐的数的和都是完全平方数。
第一行:$1,2,3,4,5,6,7,8,9$;第二行为待填空格。
完全平方数的定义试验与凑数
答案
第二行依次填:$8,2,6,5,4,3,9,1,7$。
解题步骤
填法如下表:
第一行:$1,2,3,4,5,6,7,8,9$;
第二行:$8,2,6,5,4,3,9,1,7$。
注意在 $2$ 与 $18$ 之间的完全平方数只有 $4,9,16$ 这三种可能的数值,经试验即可得到上面填法。
思路:上下两数之和介于 $2$ 与 $18$ 之间,可取的完全平方数只有 $4,9,16$,据此对每个数逐一配对凑出填法。
2. 如果 $1,2,3,\cdots,n$ 可以这样重排,使得每个数加上它的序号的和都是平方数,那么 $n$ 就称为“迎春数”。例如 $1,2,3,4,5$ 可以重新排列为 $3,2,1,5,4$,这时每个数加上它的序号的和都是平方数:所以 $5$ 就是一个“迎春数”。问:在 $6,7,8,9,10,11$ 中哪几个是“迎春数”?
完全平方数的定义排列与试验
答案
$8,9,10$。
解题步骤
在 $2$ 与 $22$ 之间的完全平方数只有 $4,9,16$,序号为 $11$ 以内可填的数见下表(序号 $1\sim11$ 对应可填的数)。
$3$ 是迎春数,排列为 $3,2,1$;
$5$ 是迎春数,排列为 $3,2,1,5,4$;
$8$ 是迎春数,排列为 $8,7,6,5,4,3,2,1$;
$9$ 是迎春数,排列为 $8,2,6,5,4,3,9,1,7$;
$10$ 是迎春数,排列为 $3,2,1,5,4,10,9,8,7,6$。
思路:每个数与其序号之和须为完全平方数,列出每个序号的可填数后逐一构造排列,验证 $6\sim11$ 中能成功重排的为 $8,9,10$。
3. 我们知道 $9=3\times3,16=4\times4$,这里 $9,16$ 叫做“完全平方数”,在前 $300$ 个自然数中,去掉所有的“完全平方数”,剩下的自然数的和是多少?
完全平方数的定义平方数求和公式
答案
$43365$。
解题步骤
不超过 $300$ 的完全平方数有 $1,4,9,16,25,36,49,64,81,100,121,144,169,196,225,256,289$,它们的和是 $1^{2}+2^{2}+3^{2}+\cdots+17^{2}=\dfrac{17\times18\times35}{6}$
$=1785$。前 $300$ 个自然数的和是 $1+2+3+\cdots+300=45150$,于是剩下的自然数的和 $45150-1785=43365$。
思路:先用平方数求和公式算出不超过 $300$ 的 $17$ 个完全平方数之和,再用 $1$ 到 $300$ 的总和减去它即可。
4. 记 $S=(1\times2\times3\times\cdots\times n)+(4k+3)$,这里 $n\geqslant3$,当 $k$ 在 $1$ 至 $100$ 之间取正整数值时,有 ______ 个不同的 $k$,使得 $S$ 是一个正整数的平方。
完全平方数的余数特征阶乘的整除性
答案
$8$。
解题步骤
一个平方数除以 $4$ 的余数是 $0$ 或 $1$。当 $n\geqslant4$ 时,$S$ 除以 $4$ 余 $3$,所以 $S$ 不是平方数;当 $n=3$ 时,$S=4k+9$,可知 $S$ 为奇数。当 $k$ 在 $1$ 至 $100$ 之间时,$S$ 在 $13$ 至 $409$ 之间,其中只有 $8$ 个平方数是奇数:$5^{2},7^{2},9^{2},11^{2},13^{2},15^{2},17^{2},19^{2}$,其中每 $1$ 个平方数对应 $1$ 个 $k$,所以答案为 $8$。
思路:由完全平方数除以 $4$ 余 $0$ 或 $1$ 排除 $n\geqslant4$ 的情形,只剩 $n=3$,此时 $S=4k+9$ 为奇数,统计 $13$ 至 $409$ 间的奇数平方数个数即可。
5. 形如 $1\underbrace{44\cdots4}_{n个4}$ 的完全平方数有 ______ 个。
完全平方数的余数特征形数判定
答案
$2$。
解题步骤
$14$ 不是完全平方数;$144$ 是 $12$ 的平方,$1444=4\times361$
$=38^{2}$;$14444=4\times3611$,其中 $3611$ 除以 $4$ 余 $3$,一个完全平方数除以 $4$ 余数为 $0$ 或 $1$,所以 $3611$ 不是完全平方数,所以 $14444$ 也不是完全平方数;同理在 $n>4$ 时 $1\underbrace{44\cdots4}_{n个4}$ 都不是完全平方数。只有 $144$ 和 $1444$ 是完全平方数。
思路:逐个检验,利用完全平方数除以 $4$ 余 $0$ 或 $1$ 的特征排除较大的数,得到只有 $144$ 和 $1444$ 两个符合条件。
6. 如果一个两位数与它的反序数(比如 $52$ 的反序数是 $25$)的和是一个完全平方数,那么就称它为“灵巧数”。请写出所有的“灵巧数”。
位值原理完全平方数的定义
答案
$29,92,38,83,47,74,56,65$。
解题步骤
由于 $\overline{ab}+\overline{ba}=11(a+b)$ 是一个完全平方数,$a+b$ 必是 $11$ 的倍数。由 $a+b\leqslant18$ 得 $a+b=11$,进而分拆 $11$ 得到上述答案。
思路:把两位数与其反序数相加得 $11(a+b)$,要它为完全平方数则 $a+b$ 必为 $11$ 的倍数,结合数字范围得 $a+b=11$,列出所有满足的两位数。
7. 有 $4$ 个不同的数字可用组成 $18$ 个不同的 $4$ 位数,将这 $18$ 个不同的 $4$ 位数由小到大排成一排,其中第一个是完全平方数,倒数第二个也是完全平方数,则这 $18$ 个数中最大的数是 ______。
完全平方数的尾数特征排列计数
答案
$9810$。
解题步骤
设这 $4$ 个数字为 $A<B<C<D$,若 $A\neq0$,则这 $4$ 个数字能组成 $4\times3\times2\times1=24$ 个不同的 $4$ 位数,与题意不符。所以,$A=0$。那么,将这 $18$ 个不同的 $4$ 位数由小到大排成一排后,第一个是 $\overline{B0CD}$,倒数第二个是 $\overline{DC0B}$。
完全平方数的个位只能是 $0,1,4,5,6,9$,而 $0=A<B<C<9$,所以,$B$ 只能为 $1,4,5$ 或 $6$。
$B=6$ 时,$\overline{DC0B}$ 是 $2$ 的倍数,但不是 $4$ 的倍数;
$B=5$ 时,$\overline{DC0B}$ 是 $5$ 的倍数,但不是 $25$ 的倍数;
$B=4$ 时,$63^{2}=3969<4000,65^{2}=4225>4100$,从而 $\overline{B0CD}=64^{2}$
$=4096$,但 $9>6$,不符;
$B=1$ 时,$32^{2}=1024$,但 $4201$ 不是完全平方数;$33^{2}=1089$,而 $9801$ 恰好为 $99^{2}$。
所以,$A=0,B=1,C=8,D=9$。
思路:由首位不为 $0$ 会得 $24$ 个数推出含 $0$,再用完全平方数的尾数特征与整除特征逐一筛选首数字 $B$,找到首末两数均为完全平方数的取值。
8. 称能表示成 $1+2+3+\cdots+k$ 形式的自然数为三角数。有一个四位数 $N$,它既是三角数,又是完全平方数。则 $N=$ ______。
三角形数与完全平方数互质与奇偶分析
答案
$1225$。
解题步骤
依题有 $1+2+3+\cdots+k=a^{2}$,即 $k(k+1)\div2=a^{2}$。因为 $k$ 与 $k+1$ 是两个连续自然数,其中必有一个奇数,有奇数 $\times\dfrac{相邻偶数}{2}=a^{2}$。又由相邻自然数互质知,“奇数”与“$\dfrac{相邻偶数}{2}$”也互质,于是设奇数 $=m^{2}$,$\dfrac{相邻偶数}{2}=n^{2}$($a=m\times n$),而 $a^{2}$ 为四位数,有 $32\leqslant a\leqslant99$,即 $32\leqslant m\times n\leqslant99$,又 $m^{2}$ 与 $2n^{2}$ 相邻,有 $7\leqslant m\leqslant12$。
当 $m=7$ 时,$m^{2}=49$,相邻偶数为 $50$ 时,$n=5$ 满足条件,这时 $a^{2}=(7\times5)^{2}$
$=1225$,即 $N=1225$;
当 $m=9$ 时,$m^{2}=81$,相邻偶数为 $80$ 和 $82$ 都不满足条件;
当 $m=11$ 时,$m^{2}=121$,相邻偶数为 $120$ 和 $122$ 都不满足条件。
所以,$N=1225$。
思路:将三角数等式化为 $k(k+1)/2=a^{2}$,利用相邻数互质把奇数与半个偶数分别设为完全平方数,限定范围后枚举求得 $N=1225$。
9. 如下图所示,有一周长为 $8$ 厘米的 $L$ 形瓷砖,已知这些瓷砖可拼成正方形,且 $c$ 平方厘米为拼砌得的正方形的最小面积,求 $c$ 的值。
一块 L 形(曲尺形)瓷砖,由一个 $2\times2$ 正方形挖去右下角一个 $1\times1$ 小方格而成,图中标注的两条短边长度均为 $1$。
完全平方数的定义图形拼接的最值问题
答案
$36$。
解题步骤
本题考查图形拼接中的最值问题及构造与论证。
因为图形面积为 $3$,所以正方形的面积必为 $3$ 的倍数,又因为是正方形,所以面积必定为完全平方数。当面积为 $9$ 时,经试验,无法拼出,所以最小的面积只能为 $36$。因为两个瓷砖刚好可以拼成一个 $2\times3$ 的长方形,所以只需拼成 $6$ 个这样的长方形即可,如下图(用 $12$ 块瓷砖拼成 $6\times6$ 的正方形)。
思路:正方形面积既是单块面积 $3$ 的倍数又须为完全平方数,逐一试验 $9$ 不可行,最小可行面积为 $36$,并给出用 $2\times3$ 长方形拼接的构造。
10. 有三个不同的质数,已知它们的平方和是 $5070$,请问这三个质数的乘积是多少?
质数的性质完全平方数的尾数特征
答案
$710$。
解题步骤
设这三个质数分别为 $a,b,c$,则 $a^{2}+b^{2}+c^{2}=5070$,容易得到 $a,b,c$ 中必有一个是 $2$,否则,$a,b,c$ 都是奇数,其平方和也是奇数,与平方和是 $5070$ 矛盾。不妨设 $a=2$,则 $b^{2}+c^{2}=5066$,完全平方数的个位数字只能是 $0,1,4,5,6,9$,其中只有 $1+5$ 或 $0+6$ 得 $6$,但 $b,c$ 都是质数,因此只能是 $1+5$,而个位数字是 $5$ 的质数只能是 $5$,因此不妨设 $b=5$,则 $c^{2}=5066-25$
$=5041$,所以 $c=71$,综上,这三个质数的乘积是 $2\times5\times71=710$。
思路:由平方和为偶数推出三质数之一必为 $2$,再用完全平方数尾数特征定出含 $5$,逐步解得三质数为 $2,5,71$,乘积为 $710$。
11. 三个连续的非 $0$ 自然数,中间一个是完全平方数,称这样的三个自然数的积为“美妙数”。问所有小于 $2008$ 的“美妙数”的最大公约数是多少?
完全平方数的定义最大公约数
答案
$60$。
解题步骤
$60=3\times4\times5$ 是一个美妙数,因此美妙数的最大公约数不会大于 $60$。任何三个连续正整数 $a-1$、$a$、$a+1$ 中,必有 $1$ 个能被 $3$ 整除,所以美妙数必有因子 $3$;中间的数是完全平方数,必定能为 $4$ 整除(中间为奇时整数必有因子 $4$ 不成立——逐位讨论),所以美妙数必有因子 $4$。另外,由完全平方数的个位数字只能是 $0,1,4,5,6,9$,所以个位数字是 $0$ 时中间的数能被 $5$ 整除;个位是 $1$ 和 $6$,则第一个数能被 $5$ 整除;个位是 $4$ 和 $9$,则第三个数能被 $5$ 整除。所以,任何美妙数必有因子 $5$。由 $3,4,5$ 的最小公倍数是 $60$,故任何美妙数必有因子 $60$,故所有美妙数的最大公约数至少是 $60$。综合上面分析,所有美妙数的最大公约数既不能大于 $60$,又至少是 $60$,所以,只能是 $60$。
思路:$60$ 本身是美妙数给出上界,再证每个美妙数必含因子 $3,4,5$ 从而含 $60$ 给出下界,两端夹逼得最大公约数为 $60$。
12. 已知 $p$ 是大于 $3$ 的质数,求 $p$ 的平方除以 $24$ 除的余数。
质数的性质完全平方数的余数特征
答案
$1$。
解题步骤
$p$ 为大于 $3$ 的质数,则 $p$ 除以 $3$ 余 $1$ 或 $2$,$p^{2}\div3$ 余 $1$。$p$ 为奇数,设 $p=2n+1$($n$ 为自然数),$p^{2}=(2n+1)^{2}$
$=4n^{2}+4n+1$
$=4n(n+1)+1$,因为 $n(n+1)$ 是偶数,则 $8\mid4n(n+1)$,则 $p^{2}\div8$ 余 $1$,$[3,8]=24$,则 $p^{2}\div24$ 余 $1$。
思路:分别考虑 $p^{2}$ 除以 $3$ 和除以 $8$ 的余数都为 $1$,再由 $3$ 与 $8$ 的最小公倍数 $24$ 得 $p^{2}\div24$ 余 $1$。
13. 写出从 $360$ 到 $630$ 的自然数中有奇数个约数的数。
约数个数与完全平方数
答案
$361,400,441,484,529,576,625$。
解题步骤
有奇数个约数的数是完全平方数。
思路:只有完全平方数才有奇数个约数,故在 $360$ 到 $630$ 间列出所有完全平方数即可。
14. 从乘法算式 $1\times2\times3\times4\times\cdots\times26\times27$ 中最少要删掉多少个不同的数的乘积是一个完全平方数?
约数个数与完全平方数质因数分解
答案
$5$。
解题步骤
通过分解质因数,一个完全平方数的每一个质因数的指数都是偶数。因此至少要删掉 $17,19,23$,再计算 $2,3,5,7,11,13$ 的指数,发现 $2,3,7$ 的指数是奇数,要各删掉一个,而 $2\times3\times7>27$,所以只删除一个数不能达到各减少一个的目的,故至少还要删去 $2$ 个数(比如删掉 $6$ 和 $7$),合计 $5$ 个。
思路:完全平方数要求每个质因数指数为偶数,先删去只出现一次的大质数 $17,19,23$,再调整 $2,3,7$ 指数的奇偶性,最少共删 $5$ 个数。
15. 求同时满足下列三个条件的自然数 $a,b$:$(1)a>b$;$(2)\dfrac{ab}{a+b}=169$;$(3)$ $a+b$ 是平方数。
完全平方数的定义分数与裂项变形
答案
$28730,170$(即 $a=28730,b=170$)。
解题步骤
$\dfrac{ab}{a+b}=169$,$\dfrac{a+b}{ab}=\dfrac{1}{169}$,即 $\dfrac{1}{a}+\dfrac{1}{b}=\dfrac{1}{169}$,
$\dfrac{1}{169}=\dfrac{1+169}{169\times170}$
$=\dfrac{1}{169\times170}+\dfrac{1}{170}$,
$\dfrac{1}{169}=\dfrac{13+1}{13\times14}$
$=\dfrac{1}{13\times14}+\dfrac{1}{169\times14}$,
$\dfrac{1}{169}=\dfrac{13+169}{169\times182}$
$=\dfrac{1}{13\times182}+\dfrac{1}{182}$,
经验证只有 $169\times170+170=170^{2}$ 满足 $a+b$ 是平方数,则 $a=28730,b=170$。
思路:将条件化为 $\dfrac{1}{a}+\dfrac{1}{b}=\dfrac{1}{169}$,用裂项把 $\dfrac{1}{169}$ 拆成两单位分数之和,再用 $a+b$ 为平方数筛选出唯一解。
16. 求所有不超过 $1000$ 的这样的整数,它的平方的末两位数码相同,但不等于 $0$。
完全平方数的余数特征末位分析
答案
$50k+12$ 或 $50k+38$,其中 $0\leqslant k\leqslant19$(即 $12,38,62,\cdots,988$ 共 $40$ 个数)。
解题步骤
由完全平方数的尾数只能是 $0,1,4,5,6,9$ 及完全平方数除以 $4$ 只能余 $0$ 或 $1$ 知,满足要求的完全平方数的末两位是 $44$,最小的为 $12^{2}=144$,设不超过 $1000$ 的整数为 $m$,$m^{2}$ 的末两位为 $44$,则有 $m^{2}-12^{2}=100k$,即 $(m+12)(m-12)=4\times25k$,$m+12$、$m-12$ 不能同时为 $5$ 的倍数或 $25$ 的倍数,所以 $m+12$、$m-12$ 中有一个为 $25$ 的倍数,由于 $m+12$、$m-12$ 应为偶数,则 $m=50k+12$ 或 $50k-12$(也可写成 $50k+38$),$m\leqslant1000$,则 $m$ 有 $12,38,62,\cdots,988$ 共 $40$ 个数。
思路:由尾数与余数特征定出平方末两位必为 $44$,设 $m^{2}-12^{2}=100k$ 后分析 $25$ 的倍数与奇偶性,得到 $m$ 的通项与个数。
17. (1)写出 $4$ 个连续的自然数,使得它们中的每一个都是某个不为 $1$ 的完全平方数的倍数,并指出它们分别是哪一个完全平方数的倍数;
(2)写出 $6$ 个连续的自然数,使得它们中的每一个都是某个不为 $1$ 的完全平方数的倍数,并指出它们分别是哪一个完全平方数的倍数,说明你所采用的计算方法。
完全平方数的倍数整除特征与构造
答案
$(1)242,243,244,245$;$(2)2348124$ 至 $2348129$。
解题步骤
(1)$242$ 是 $121$ 的倍数,$243$ 是 $81$ 的倍数,$244$ 是 $4$ 的倍数,$245$ 是 $49$ 的倍数;(2)利用整除特征,可以知道 $2348124$ 是 $4$ 的倍数,$2348125$ 是 $25$ 的倍数,$2348126$ 是 $121$ 的倍数,$2348127$ 是 $9$ 的倍数,$2348128$ 是 $4$ 的倍数,$2348129$ 是 $49$ 的倍数。
思路:通过构造使每个连续自然数恰好被一个完全平方数整除,利用各完全平方数的整除特征拼出满足条件的连续整数段。
18. 一个六位数,它是一个完全平方数,且末三位数字都是 $4$,这样的六位数有 ______ 个。
平方差与因数分析完全平方数的末位特征
答案
$3$。
解题步骤
考查平方差公式及因数分析法。由于末三位都是 $4$ 且是完全平方数的数最小是 $38^{2}=1444$,所以这样的六位数与 $1444$ 的差的末三位数都是 $0$,设 $k^{2}$ 是满足条件的六位数,那么 $k^{2}-38^{2}=1000m$(其中 $m$ 为自然数),即 $(k+38)(k-38)=8\times125m$,由于 $k+38$ 与 $k-38$ 不能同时被 $5$ 整除,所以其中一个能被 $125$ 整除,由于 $k+38$ 与 $k-38$ 除以 $4$ 的余数相同,如果它们都不能被 $4$ 整除,那么最多只是 $2$ 的倍数,这时它们的积不是 $8$ 的倍数,因此 $k+38$ 与 $k-38$ 都是 $4$ 的倍数,这其中之一是 $500$ 的倍数,也就是满足 $(500n\pm38)^{2}$ 的数满足题意,其中六位数有 $462^{2}=213444,538^{2}=289444,962^{2}=925444$。
思路:由末三位为 $4$ 推出与 $1444$ 的差被 $1000$ 整除,转化为 $(k+38)(k-38)=8\times125m$ 的因数分析,结合整除与奇偶得到形如 $(500n\pm38)^{2}$ 的三个六位数。
第28讲 数字谜综合
字母(文字)算式谜:用不同汉字或字母代表不同数字、相同字符代表相同数字,根据加减乘除竖式还原各字符所代表的数字。
数字谜竖式还原:在加法、乘法、除法竖式中由部分已知数字与方框,利用进位、借位、末位等关系逐位推断填空。
进位与位值原理:通过各数位的进位关系与位值展开式分析数字谜,常用于求最大值、最小值或确定首位。
弃九法与整除性质:利用一个数与其各位数字之和对9(或3)同余的性质,对算式两边取模9来缩小取值范围。
因数分解与试除:把竖式中的乘积或被除数分解质因数,结合位数限制确定可能的因数组合。
枚举与分类讨论:在确定部分字符取值范围后,按可能情形分类列举并逐一验证,找出满足条件的解。
时间单位竖式运算:处理含分、秒等时间单位的乘法竖式谜,注意秒、分均小于60的进位规则。
1. 如图,相同的汉字代表相同的数字,不同的汉字代表不同的数字,那么四位数“奥林匹克”最大是________.
$$\begin{array}{r}奥\ 林\ 匹\ 克\\ +\quad\ 奥\ 数\ 网\\ \hline 2\ 0\ 0\ 8\end{array}$$
竖式加法谜:四位数“奥林匹克”加上三位数“奥数网”,和为四位数 2008。
字母(文字)算式谜进位与位值原理
答案
1876
解题步骤
显然“奥”$\le 2$,所以“奥”$=1$或$2$。如果“奥”$=2$,则四位数与三位数的和超过 2200,显然不符合条件,所以“奥”$=1$。“林”$\le 9$,如果“林”$=9$,那么“匹克$+$数网$=2008-1900-100$
$=8$”,“匹$=$数$=0$”,不符合条件,所以“林”最大只能是 8,所以“匹克$+$数网$=2008-1800-100$
$=108$”,为了保证不同的汉字代表不同的数字,“匹克”最大是 76,所以“奥林匹克”最大是 1876.
思路:先由总和的位数定首位“奥”,再依次确定“林”取最大可能值,最后在保证各字符互异的前提下取“匹克”最大,得到“奥林匹克”的最大值。
2. 右边的加法算式中,每个“□”内有一个数字,所有“□”内的数字之和最大可达到________.
$$\begin{array}{r}\square\ \square\ \square\\ \square\ \square\ \square\\ +\ \square\ \square\ \square\\ \hline 2\ 0\ 0\ 4\end{array}$$
竖式加法:三个三位数(各位均为方框)相加,和为四位数 2004。
进位与位值原理数字谜竖式还原
答案
60
解题步骤
个位、十位、百位各自最多向前一位进 2,每向前一位进 1,数字和减少 9,所以原来数字和最大为 $(2+0+0+4)+9\times 6=60$;另一方面,取 $668+668+668=2004$,此时数字和为 60.
思路:利用每次进位会使各位数字之和减少 9 的关系,从和 2004 出发加上最多进位次数得到数字和上界,再举出取等的例子。
3. 下式中不同的汉字代表不同的数字,问“数学好玩”表示的四位数是多少?
$$\begin{array}{r}数\ 真\\ \times\quad 好\ 玩\\ \hline 数\ 学\ 好\\ 玩\ 啊\quad\\ \hline 数\ 学\ 啊\ 好\end{array}$$
竖式乘法谜:两位数“数真”乘以两位数“好玩”,部分积分别为“数学好”和“玩啊”,最终乘积为四位数“数学啊好”。
字母(文字)算式谜数字谜竖式还原进位与位值原理
答案
1089
解题步骤
由“学”与“啊”的和仍为“啊”可知“学”是 0;由“数”加上“玩”后向前一位进 1 可知“数”是 1,“玩”是 9,此时有 $1\ 真\times 9=10$ 好,可得“真”是 2,“好”是 8,所以“数学好玩”表示的四位数是 1089.
思路:利用部分积与最终积中相同字符的对应关系,从末位和进位关系逐步确定“学”“数”“玩”“真”“好”各字符的值。
4. 将 $1\sim 9$ 这九个数字分别填入下列算式的□中,使等式成立(每个数字只能用一次):
$$\square\square\square\times\square\square=\square\square\times\square\square=4002$$
因数分解与试除枚举与分类讨论
答案
$174\times 23=58\times 69$
$=4002$
解题步骤
将 4002 分解为 $2\times 3\times 23\times 29$。由此可知,将 4002 分解为两个两位数的乘积有 2 种:$58\times 69$ 和 $46\times 87$,将 4002 分解为一个两位数与一个三位数的乘积有 2 种:$23\times 174$ 和 $29\times 138$。显然,符合题目要求的只有一种填法:$174\times 23=58\times 69$
$=4002$.
思路:把 4002 质因数分解后,枚举两位数与三位数、两位数与两位数的所有乘积组合,结合 $1\sim 9$ 各用一次的限制确定唯一填法。
5. 在右图所示方格内填上适当的数字,使得除法竖式成立,求除数是多少.
除法竖式:被除数为 20047,商为三位数“□□2”,除数为两位数“□□”,最后一步余数末两位为“1 3”,各步部分积均以方框表示。
数字谜竖式还原因数分解与试除
答案
27
解题步骤
商与除数的积为 20034,而 $20034=2\times 3^{3}\times 7\times 53$,商的个位数为 2,那么只可能是 $27\times 742$.
思路:由被除数 20047 减去末位余数得到商与除数之积 20034,再分解质因数并结合商个位为 2 确定除数。
6. 这是一个美丽的传说:勤劳、勇敢、善良、团结、智慧的“五羊”降临南国,赶走了灾荒,驱散了瘟疫,人间充满农乐与祥和。“五羊”组成一个数码彼此不同的五位数,能被 16 整除。商数的个位、百位、千位都恰比十位大 1,借问能算者,五位数是多少?
数的整除枚举与分类讨论
答案
53168
解题步骤
这个五位数除以 16 的商只可能是如下九个四位数:1101,2212,3323,4434,5545,6656,7767,8878,9989。但 $6656\times 16=106496$ 已是六位数,所以商只能从 $1101\sim 5545$ 中找。而 $1101\times 16=17616$,$2212\times 16=35392$,$3323\times 16=53168$,$4434\times 16=70944$,$5545\times 16=88720$,只有 53168 符合要求.
思路:由商的各位数字“千、百、十、个”关系列出所有可能的四位商,再乘以 16 并筛选出各位互异的五位数。
7. 华杯赛网址是 www.huabeisai.cn,将其中的字母组成如下算式:
$$www+hua+bei+sai+cn=2008.$$
如果每个字母分别代表 $0\sim 9$ 这十个数字中的一个,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 $w=8,h=6,a=1,e=7$,则三位数 $\overline{bei}$ 的最小值是________.
进位与位值原理字母(文字)算式谜
答案
103
解题步骤
用位值原理处理后的式子为 $\overline{bei}+100s+10u+n+i=351$。
想让 $\overline{bei}$ 最小,则可取 $b=1,e=0$,原式化为 $100s+10u+2i+n=251$。$s$ 只能取 2,而 $i$ 可取 3,$u$ 取 4,$n$ 取 5 即可。所以 $\overline{bei}$ 最小为 103.
思路:把已知字母代入并用位值原理展开,化为含 $\overline{bei}$ 与其余字母的方程,取 $\overline{bei}$ 的最小首位与各位后逐一确定其余字母。
8. 在下面的乘法算式中,汉字代表 $1\sim 9$ 这 9 个数字,不同汉字代表不同的数字。若“祝”字和“贺”字分别代表数字“4”和“8”,求出“华杯赛”所代表的整数。
$$祝\贺\times 华\杯\赛=第\十\四\届$$
弃九法与整除性质枚举与分类讨论因数分解与试除
答案
159
解题步骤
根据题意可知“祝”、“贺”、“华”、“杯”、“赛”、“第”、“十”、“四”、“届”这 9 个汉字恰好代表 $1\sim 9$ 这 9 个数字,那么它们的和为 45。由于“祝”、“贺”分别代表 4 和 8,那么“祝贺”$=48$ 是 3 的倍数,则“第十四届”也是 3 的倍数,这样它的各位数字之和也是 3 的倍数,可知“祝”、“贺”与“第”、“十”、“四”、“届”这 6 个数的和也都是 3 的倍数,那么“华”、“杯”、“赛”这 3 个数的和也是 3 的倍数,“华杯赛”这个三位数也是 3 的倍数。从而“第”、“十”、“四”、“届”这 4 个数的和是 9 的倍数。由于“华”、“杯”、“赛”、“第”、“十”、“四”、“届”的总和为 $45-4-8=33$,所以“第”、“十”、“四”、“届”这 4 个数的和可能为 27 或 18(它们的和显然大于 9),对应的“华”、“杯”、“赛”这 3 个数的和是 6 或 15。(1)如果“华”、“杯”、“赛”这 3 个数和是 6,则“华”、“杯”、“赛”分别为 1、2、3,如果“华”为 2,则“华杯赛”至少为 213,则 $48\times 213=10224$,不是四位数,所以“华”只能为 1,这样“华杯赛”可能为 123 和 132,分别有 $48\times 123=5904$,$48\times 132=6336$,都不符合;(2)如果“华”、“杯”、“赛”这 3 个数和是 15,根据上面的分析可知“华”只能为 1,这样“杯”、“赛”之和为 14,可能为 $9+5$ 或 $8+6$,由于“贺”为 8,所以“杯”、“赛”分别为 5 和 9,显然“赛”不能为 5,则“华杯赛”为 159。从而 $48\times 159=7632$,满足条件.
思路:由九个字符是 $1\sim 9$ 的全体得各字之和为 45,利用 3、9 整除性把“华杯赛”和“第十四届”的数字和分类,再枚举验证求出“华杯赛”。
9. 等式 $潮州\ 54=39\times 1$ 市 6 恰好出现 1、2、3、4、…、9 九个数字,“潮州市”代表的三位数是________.
弃九法与整除性质枚举与分类讨论
答案
728
解题步骤
可以使用弃九法。等式两边除以 9 的余数相同,左边除以 9 的余数与潮$+$州除以 9 的余数相同;右边除以 9 的余数与 $3\times(市+7)$ 除以 9 的余数相同。由于“潮”、“州”、“市”三个字分别为 2,7,8,它们的和为 17,所以潮$+$州$=17-$市,所以 $17-$市与 $3\times(市+7)$ 除以 9 的余数相同。分别检验可知只有市$=8$ 满足,所以 $\overline{潮州}\,54=39\times 186$
$=7254$,所以“潮州市”代表的三位数是 728.
思路:用弃九法对等式两边取模 9,结合 1~9 全部出现、潮州市三字之和的限制,确定“市”的值并算出三位数。
10. 下面有一个等式:等式中的汉字代表不同的数字,不同的汉字代表不同的数字。每个汉字是 1、2、3、4、5、6、7、8、9 中的一个,问“XES五年级”所代表的六位数最小为多少?
$$XES杯\times 5=五年级试题\times 4$$
数的整除枚举与分类讨论
答案
987123
解题步骤
因为 5 和 4 互质,所以“五年级试题”一定可以被 5 整除,所以“题”应该是 5 或者 0,但是数字只能是 $1\sim 9$,所以“题”表示的数字是 5,因为“XES杯”最大是 9876,所以“五年级试题”最大是 12345,但是可以发现“五年级试题”用 $1\sim 9$ 组成的最小数就是 12345,所以“五年级试题”只能是 12345,“XES五年级”所代表的五位整数是 987123.
思路:由 4、5 互质推出“五年级试题”被 5 整除定下“题”,再用四位数上界确定“五年级试题”,从而求出“XES五年级”。
11. 在下面的乘法算式中,相同的字母表示相同的数字,不同的字母表示不同的数字。则 $A=$________,$\overline{ABCDE}$ 表示的五位数是________.
$$\begin{array}{r}A\ 6\ B\\ \times\quad A\ C\ 8\\ \hline A\ \square\ \square\ D\\ A\ \square\ \square\quad\\ \square\ A\ \square\qquad\\ \hline \square\ E\ \square\ \square\ D\end{array}$$
竖式乘法:三位数 A6B 乘以三位数 AC8,三行部分积分别为“A□□D”“A□□”“□A□”,最终积为五位数“□E□□D”,其中部分位置为已知方框。
数字谜竖式还原字母(文字)算式谜枚举与分类讨论
答案
2;23147
解题步骤
由 $A6B\times C=A\square\square$ 可知 $C=1$.
由于 $\overline{A6B}\times A=\overline{\square A\square}$ 是个三位数,所以 $A<4$,$A$ 可能为 2 或 3。如果 $A$ 为 3,此时 $\overline{36B}\times 3\ge 360\times 3=1080>1000$,不合题意,所以 $A$ 不为 3,只能是 $A=2$。由于 $\overline{26B}\times 2=\overline{\square 2\square}$,所以 $B\times 2$ 不进位,得到 $B<5$。由于不同的字母表示不同的数字,所以 $B$ 不能是 1、2,也不能是 0(否则 $D$ 也为 0,$B$ 与 $D$ 相同),所以 $B$ 只能是 3 或 4。再由于 $D$ 不能是 1、2,根据个位数字来判断,$B$ 不能为 4,只能为 3,这样,算式只能是 $263\times 218=57334$,所以 $\overline{ABCDE}$ 所表示的五位数是 23147.
思路:由第一行部分积首位等于 A 得 $C=1$,再由各行部分积位数限制 A 的大小,逐步确定 A、B 并验证算式,得到 ABCDE。
12. 下面的算式中,每个汉字代表一个数字($0\sim 9$),不同汉字代表不同数字。
$$美+妙+数+学+花+园=\text{________}.$$
竖式乘法:四位数“美妙数学”乘以两位数“花园”,两行部分积分别为“数学真美妙”和“42380”,最终积为“5好好好美妙”。
因数分解与试除字母(文字)算式谜
答案
39
解题步骤
$42380=2^{2}\times 5\times 13\times 163$,所以“花”$=5$,“美妙数学”$=8476$,“园”$=9$,得到 美$+$妙$+$数$+$学$+$花$+$园$=39$.
思路:由竖式中已知部分积 42380 分解质因数,确定“花”“园”及四位数“美妙数学”各位,从而求出六个汉字之和。
13. 下面的算式中,同一个汉字代表同一个数字,不同的汉字代表不同的数字。团团$\times$圆圆$=$大熊猫。则“大熊猫”代表的三位数是________.
因数分解与试除枚举与分类讨论进位与位值原理
答案
968
解题步骤
由于团团$=$团$\times 11$,圆圆$=$圆$\times 11$,所以大熊猫$=$团团$\times$圆圆$=$团$\times$圆$\times 121$。也就是说“大熊猫”这个三位数是 121 的倍数,那么“团$\times$圆”应当小于 9(否则 $9\times 121=1089$ 为四位数),所以“团$\times$圆”最大为 8。
由于“团$\times$圆”为一位数,“团$\times$圆”再与 121 相乘即得到“大熊猫”,所以“大熊猫”的个位数字“猫”就等于“团$\times$圆”,而百位数字与个位数字不相同,所以十位必须要向百位进位,即“团$\times$圆”与 2 相乘至少为 10,所以“团$\times$圆”至少为 5。
另外“团$\times$圆”不能为质数,否则“团”、“圆”中有一个为 1,而“猫”等于“团$\times$圆”,则“猫”与“团”、“圆”中的另一个相等,不合题意。
“团$\times$圆”至少为 5,最大为 8,又不能是质数,且“团”、“圆”都不为 1,那么“团$\times$圆”可能为 6 或 8。如果为 6,则“团”、“圆”分别为 2 和 3,“大熊猫”为 $6\times 121=726$,“熊”与“团”、“圆”中的一个数相同,不合题意;如果为 8,则“团”、“圆”分别为 2 和 4,“大熊猫”为 $8\times 121=968$,满足题意。所以“大熊猫”代表的三位数为 968.
思路:把叠数化为 团$\times$圆$\times 121$,由三位数限制与进位、互异、非质数条件缩小“团$\times$圆”范围,再枚举验证求出 968。
14. 有一架电子秤,有四个数位,可以称量 $0000\sim 9999$ 的整数克的重量。每一个数位上有 7 根荧光管,合计 28 根,用来组合成 $0\sim 9$ 的数字。数字的表示如下图所示。
已知有两件物品,每一件的重量都是 1000 克以上的整数,两件物品的总重量在 9999 克以下。现在,把这两件物品分别单独放在秤上称量,重量分别显示为前两个图,一起称量,重量显示为第三个图。那么,这架秤至少有几根荧光管不发光了(出故障了)?
七段数码管显示:第三个图给出三个四位数的故障显示(部分笔段缺失),用于推断坏掉的荧光管最少根数。
进位与位值原理枚举与分类讨论
答案
8 根
解题步骤
首先看个位,可能是 2,3,5,6,8 或 9。
我们需要求坏的荧光管的最小根数。如果有 8,那必须四根全坏才行。
现在看没有 8 的情况,也就是 2,3,5,6,9。考虑到进位,有如下组合:$2+3=5$,$3+3=6$,$3+6=9$,$3+9$ 个位为 2,$6+9$ 个位为 5。发现无论哪种情况,都包含全部四个位置的荧光管,也就是说,四根必须全坏。但是,可以自由选择是否向十位进位。
再看十位,可能是 5,6,8,9。仍然不考虑 8。考虑到个位可能进位,可能是 $5+9$ 个位为 5,$6+9$ 个位为 6,$9+9$ 个位为 9。为了使坏的根数最少,可以取 $5+9$ 个位为 5 或者 $9+9$ 个位为 9,此时即使左下方的没有坏,也能达到这样的效果。
百位因为每一根荧光管都亮过,所以只能就是 $2+3=6$。这说明十位向百位进位了(而且根据上面的分析,确实进位了),而百位不能向千位进位。
再看千位。根据第二幅图显示,说明最顶上的那根荧光管没有坏,这样,第一幅图和第三幅图的千位都必须是确实没有顶上的荧光管的数字,也就是 1 和 4,所以只能是 $1+3=4$。此时,左下方的那根可以没有坏,而其他三根必须坏。
总计 $3+0+1+4=8$(根).
思路:逐位(个、十、百、千)分析两数相加在七段管显示下的可能数字与进位,统计每位上必须熄灭的笔段数,使坏管总数最少。
15. 下图是一个分数等式,等式中的汉字代表数字 1,2,3,4,5,6,7,8,9,不同的汉字代表不同的数字。如果“北”和“京”分别代表 1 和 9,请写出“奥运会”所代表的所有三位数,并且说明理由.
$$\frac{北}{京}=\frac{奥运会}{梦想成真}$$
数的整除枚举与分类讨论进位与位值原理
答案
836、647 或 638
解题步骤
设“奥运会”对应的字母分别为 $A,B,C$;“梦想成真”对应的字母为 $D,E,F,G$,因为 $9\times$“奥运会”$=$“梦想成真”,所以“梦想成真”为 9 的倍数。
于是:“$D$”$+$“$E$”$+$“$F$”$+$“$G$”为 9 的倍数。
而“$D$”$+$“$E$”$+$“$F$”$+$“$G$”最大为:$8+7+6+5=26$,最小为:$2+3+4+5=14$,所以:“$D$”$+$“$E$”$+$“$F$”$+$“$G$”$=18$.
“$A$”、“$B$”、“$C$”、“$D$”、“$E$”、“$F$”、“$G$”分别代表 $2\sim 8$,所以:“$A$”$+$“$B$”$+$“$C$”$=2+3+\cdots+8-18=17$.
可以得出:“$A$”、“$B$”、“$C$”必是下面四组中的一组:8,7,2;8,6,3;8,5,4;7,6,4。
即
$$\begin{array}{r}A\ B\ C\\ \times\qquad\ 9\\ \hline D\ E\ F\ G\end{array}\quad\Rightarrow\quad \begin{array}{r}A\ B\ C\\ +\ D\ E\ F\ G\\ \hline A\ B\ C\ 0\end{array}$$
根据数字和分析,加数的数字之和为 $A+B+C+D+E+F+G=35$,和的数字和为 $A+B+C+0=17$,$35-17=18$,说明进了两次位,个位一定向十位进一位,百位一定向千位进一位,所以十位没有向百位进位。所以有 $C+G=10$,$B+F+1=C$,进而有 $B+F+G=9=2+3+4$。所以有 $G=2,3,4$。
当 $G=2$ 时,$C=8,B=3,F=4,A=17-8-3=6$,有 $638+5742=6380$;
当 $G=3$ 时,$C=7,B=4,F=2,A=17-4-7=6$,有 $647+5823=6470$;
当 $G=4$ 时,$C=6,B=3,F=2,A=17-6-3=8$,有 $836+7524=8360$.
所以奥运会有 836,647,638 共 3 种取值.
思路:由 $9\times$奥运会$=$梦想成真定出梦想成真是 9 的倍数从而四数和为 18,再用各字符之和与进位关系把方程化为 $A+B+C$ 等,分类求出三组解。
16. 下图所示的加法竖式中,如果不同的汉字代表不同的数字,使得算式成立,那么满足要求的不同算式共有多少种?
$$\begin{array}{r}兔\ 年\\ 十\ 六\ 届\\ +\ 华\ 杯\ 初\ 赛\\ \hline 2\ 0\ 1\ 1\end{array}$$
竖式加法:两位数“兔年”、三位数“十六届”、四位数“华杯初赛”相加,和为四位数 2011。
弃九法与整除性质枚举与分类讨论进位与位值原理
答案
312
解题步骤
显然华$=1$。和的数字之和除以 9 的余数应该与加数上的数字之和除以 9 的余数相等,根据弃九法,加数上的数字之和除以 9 应余 4,所以 5 不能出现。则 $0+1+2+3+4+6+7+8+9=40$,$2+0+1+1=4$,减少了 $36=4\times 9$,所以共进 4 位。百位肯定向千位进 1 位,下面就十位和个位的进位情况讨论:
如果十位向百位进 2,个位向十位进 1,则百位数字之和为 8,十位数字之和为 20,个位数字之和为 11。剩余的数字 0、2、3、4、6、7、8、9 可能的分组方法如下:$(0+8),(4+7+9),(2+3+6)$;$(2+6),(3+8+9),(0+4+7)$;$(2+6),(4+7+9),(0+3+8)$。注意 0 不能放在首位,所以共有 $1\times 6\times 6+2\times 6\times 6+2\times 6\times 6=180$(种)。
如果十位向百位进 1,个位向十位进 2,则百位数字之和为 9,十位数字之和为 9,个位数字之和为 21。剩余的数字 0、2、3、4、6、7、8、9 可能的分组方法如下:$(0+9),(2+3+4),(6+7+8)$;$(2+7),(0+3+6),(4+8+9)$;$(3+6),(0+2+7),(4+8+9)$。注意 0 不能放在首位,所以共有 $1\times 6\times 6+2\times 4\times 6+2\times 4\times 6=132$(种),综上所述,共 $180+132=312$(种).
思路:由弃九法定出“华”及不出现的数字,再按个位、十位的进位情形分类,对剩余数字分组并扣除 0 不能作首位的情况计数。
17. 将 $1\sim 9$ 这 9 个数字填入下面的 9 个□中,使得算式成立。秒的计算结果如超过 60 秒时,向 60 秒进位到分,因此分和秒中填入的最大数为 59 以下。
$$\square\square\ 分\ \square\square\ 秒\ \times\ \square=\square\square\ 分\ \square\square\ 秒$$
竖式:形如“□□分□□秒”的时间乘以一位数“□”,结果仍为“□□分□□秒”,共 9 个方框待填入 1~9。
时间单位竖式运算枚举与分类讨论进位与位值原理
答案
$18$ 分 $49$ 秒 $\times 3=56$ 分 $27$ 秒
解题步骤
如图所示标上字母,则
$$\overline{ab}\ 分\ \overline{cd}\ 秒\ \times\ e=\overline{fg}\ 分\ \overline{hi}\ 秒.$$
由于分和秒都应在 59 以下。显然 $a,c,e,f,h$ 在 $1\sim 5$ 之间,则 $b,d,g,i$ 应是 $6\sim 9$ 中的数字。
考虑 $a$,$a$ 必等于 1,因为 $a$ 若为 2,则 $e$ 只能为 1,此时 $d=i$ 不符;所以 $a=1$.
考虑 $e$,$e$ 只能是 2 或者 3。
(1)当 $e=2$ 时,$\overline{ab}\times e$ 不小于 32 分,不大于 39 分。而 $\overline{cd}\times e$ 的积不小于 $36\times 2=1$ 分 12 秒,不大于 $59\times 2=1$ 分 58 秒。所以 $f=3$。由于 $b,d,g,i$ 应是 6 到 9 中的数字,则 $d$ 和 $i$ 的组合有 $(8,6)$ 与 $(9,8)$ 两种。当 $d=8,i=6$ 时,经检验,$c=4$ 或者 5 时均不符合;当 $d=9,i=8$ 时,经检验,$c=4$ 或者 5 时均不符合。
(2)当 $e=3$ 时,$\overline{ab}\times e$ 不小于 48 分,不大于 57 分,而 $\overline{cd}\times e$ 的积不小于 $26\times 3=1$ 分 18 秒,不大于 $59\times 3=2$ 分 57 秒。所以 $f=4$ 或者 5。同样地,由于 $b,d,g,i$ 应是 6 到 9 中的数字,则 $d$ 和 $i$ 的组合有 $(6,8)$ 与 $(9,7)$ 两种。当 $d=6,i=8,c=4$ 或者 5,(a)当 $c=4$ 时,$h=1$ 不符;(b)当 $c=5$ 时,$h=4$ 时,此时 $f$ 无取值,不符。当 $d=9,i=7,c=4$ 或者 5,(a)当 $c=4$ 时,$h=2$,此时 $f=5$,对应的可求出 $b=8,g=6$,正确。(b)当 $c=5$ 时,$h=5$,不符合。
所以只有一组解,算式如下:$18$ 分 $49$ 秒 $\times 3=56$ 分 $27$ 秒.
思路:标记字母后利用分、秒均小于 60 限定各位数字范围,确定 $a=1$ 与乘数 $e$,再按 $e=2,3$ 分类枚举 $d,i,c$ 等并验证,得到唯一算式。
第29讲 数独
数独基础:在方格表中按行、列(有时含九宫)每个数字恰好出现一次的填数游戏,是本讲所有题型的共同基础。
对角线数独:在标准数独基础上额外要求两条(大)对角线上的数字也互不相同,常见于 $3\times3$ 到 $8\times8$ 的方格表。
九宫数独:$9\times9$ 方格被粗线分成 $9$ 个 $3\times3$ 小九宫,要求每行、每列、每个小九宫内 $1\sim9$ 各出现一次。
区域(不规则)数独:方格被粗线划分为若干不规则区域,要求每行、每列、每个区域内的数字各不相同,有时附加各区域数字和相等的条件。
不等式与大小关系数独:相邻格之间标有大于、小于号或给定字母格的大小关系,需结合不等约束(含“小数是大数的因数”等)确定填数。
算独(KenKen)与乘积约束:粗框左上角给出该框内数字的和、差、积、商,或圆圈表示相邻数的乘积,借助整数分拆与因数分解缩小候选并定数。
排除法与唯一余数法:数独求解的核心方法:利用同行、同列、同区域已出现的数排除候选,当某格或某数只剩一种可能时确定填法。
假设法与突破口选择:当直接推理受阻时,选择约束最多的位置(如对角线、空格少的行列)作突破口,并通过假设排除矛盾推进求解。
1. (1)将数 $1$、$2$、$3$ 各 $3$ 个分别放入下图所示 $3\times 3$ 的表格中,使得各行各列以及两条对角线的三个数互不相同。请问:有没有满足条件的填数方法?请在有和没有之间勾选合适的答案,如若有,请绘出一种填数方法。
(2)将数 $1$、$2$、$3$、$4$ 各 $4$ 个分别放入下图所示 $4\times 4$ 的表格中,使得各行各列以及两条对角线的四个数互不相同。请问:有没有满足条件的填数方法?请在有和没有之间勾选合适的答案,如若有,请绘出一种填数方法。
上方为一个 $3\times 3$ 的空白表格,下方为一个 $4\times 4$ 的空白表格,均为待填空格。
对角线数独构造与判定
答案
(1)没有;(2)有,例如(答案不唯一):
第一行 $1,2,3,4$;第二行 $4,3,2,1$;第三行 $2,1,4,3$;第四行 $3,4,1,2$。
解题步骤
本题是对对角线数独的考查。
(1)$3\times 3$ 的情形:要求每行、每列以及两条对角线上的三个数互不相同,可以证明这是不可能的,所以选“没有”。
(2)$4\times 4$ 的情形:存在满足条件的填法,选“有”,并可给出如下一种填法:
第一行 $1\ 2\ 3\ 4$,第二行 $4\ 3\ 2\ 1$,第三行 $2\ 1\ 4\ 3$,第四行 $3\ 4\ 1\ 2$。
思路:理解“行、列与两条对角线均不重复”的对角线数独约束,对 $3\times 3$ 说明无解,对 $4\times 4$ 构造一个具体填法即可。
2. 在下列的 $5\times 5$ 方格表中,将数字 $1$、$2$、$3$、$4$、$5$ 填入小方格中,每个小方格内只允许填入一个数,使得每个数字在每行、每列都恰好出现一次,有些数已经先行填入其中。当方格表内都填满数时,有记号 $x$ 的小方格内填入的数是______。
一个 $5\times 5$ 方格表,部分格已填数:第一行第4、5格为 $3$、$2$;第二行第1格为 $2$;第三行第3格为 $5$、第4格为 $x$;第四行第3格为 $1$、第5格为 $3$;第五行第1格为 $5$、第4格为 $1$。
拉丁方标准数独排除法
答案
$2$
解题步骤
用 $A1\sim A5$ 表示第一行,$B1\sim B5$ 表示第二行,依此类推,用 $1,2,3,4,5$ 表示填入的数。例如第二行第一列的数 $2$ 就可以表示为 $B1=2$。运用简单的行列排除法,得 $D1=4$,$A1=1$,$C1=3$,$E2=5$,$C5=4$,$A3=4$,$A2=5$,$E3=2$,$E5=2$,$D2=1$,$D5=5$,$C4=x$
$=2$。故有记号 $x$ 的小方格填入的数是 $2$。
思路:按标准数独的行列排除法依次确定各空格,逐步推出记号 $x$ 处只能填 $2$。
3. 下图所示是一张 $5$ 行 $5$ 列的方格表,顶上一行填有字母 $P$、$Q$、$R$、$S$ 和 $T$。第四行中间填有字母 $P$、$Q$ 和 $R$。余下的方格中可填入 $P$、$Q$、$R$、$S$ 或 $T$,要求做到同一字母在每一行、每一列及每条对角线上只出现一次。那么填入画有阴影的方格中的字母必须是______。
一个 $5\times 5$ 方格表:第一行从左到右填 $P,Q,R,S,T$;第四行中间三格填 $P,Q,R$;第二行第4格($S$ 列)为阴影格,求该格字母。
对角线数独字母数独排除法
答案
$Q$
解题步骤
副对角线有 $P$、$T$,第四列有 $S$、$R$,则阴影只能填 $Q$。
思路:利用所在的副对角线与所在列已出现的字母进行排除,得出阴影格只能是 $Q$。
4. 下图是一个 $9\times 9$ 的方格图,由粗线隔为 $9$ 个横竖各有 $3$ 个格子的“小九宫”格,其中,有一些小方格填有 $1$ 至 $9$ 的数字。小青在第 $4$ 列的空格中各填入了一个 $1$ 至 $9$ 中的自然数,使每行、每列和每个“小九宫”格内的数字都不重复,然后小青将第 $4$ 列的数字从上向下写成一个 $9$ 位数。请写出这个 $9$ 位数,并且简单说明理由。
一个 $9\times 9$ 的标准数独,由粗线分为 $9$ 个 $3\times 3$ 的“小九宫”,部分格已给出 $1\sim 9$ 的提示数字,需补全后读出第 $4$ 列从上到下组成的九位数。
九宫数独排除法唯一余数法
答案
$327468951$
解题步骤
用 $(a,b)$ 表示第 $a$ 行第 $b$ 列的方格。第 $4$ 列已有数字 $1,2,3,4,5$,第 $6$ 行已有数字 $6,7,9$,所以 $(6,4)=8$;第 $3$ 行第 $5$ 行都填有数字 $8$,所以 $(7,4)=9$;正中的“小九宫”已有数字 $8$,所以 $(3,4)=7$;此时,第 $4$ 列中只余 $(5,4)$,这一列只有数字 $6$ 未填,所以 $(5,4)=6$。所以,第 $4$ 列的数字从上向下写成的 $9$ 位数是 $327468951$。
思路:结合每行、每列与每个小九宫不重复的约束,对第 $4$ 列的空格逐一用排除法定数,再从上到下读出九位数。
5. 将下面 $9$ 个 $3\times 3$ 的方格网拼成一个 $9\times 9$ 的方格网,然后在拼好的 $9\times 9$ 方格网中填入 $1\sim 9$ 这 $9$ 个数字,如果要求每一行、每一列、每条大对角线填入的数字都不能重复。那么下面的这 $9$ 个 $3\times 3$ 的方格网中的第______个应该放在 $9\times 9$ 方格网的中心区域里。
$9$ 个 $3\times 3$ 的小方格网(编号第1个~第9个),各自填有部分 $1\sim 9$ 的数字,要选出应放在 $9\times 9$ 方格网中心区域的那一个。
对角线数独九宫数独整体分析
答案
$5$
解题步骤
本题为考对角线数独。由于每一行、每一列、每条对角线填入的数字不能重复,因此中心区域中要用到对角线,对角线中间格上所填数字都不能相同,所以只需要选出这 $9$ 个 $3\times 3$ 的方格网中间格数字。中间第 $1$ 个与第 $4$ 个相同,第 $2$ 个与第 $8$ 个相同,第 $3$ 个与第 $7$ 个相同,第 $6$ 个与第 $9$ 个相同,所以只有第 $5$ 个能放在中心区域。
思路:只比较各 $3\times 3$ 块的中心格数字,找到其中心数与其它块都不相同的那一块,即第 $5$ 个。
6. 在下面的 $7\times 7$ 方格表的每个空格中填入 $1\sim 7$ 中的一个数字,使得每行、每列、每条对角线上的 $7$ 个数字都互不相同,则其中 $A=$ ______。
一个 $7\times 7$ 方格表,左上角格为 $A$,表内给出若干提示数(如 $4,4,7,2,1,5,3,6,1,2,7$ 等),要求满足行、列、对角线均不重复后求 $A$。
对角线数独排除法
答案
$7$
解题步骤
如下图所示,我们将数独的行用 $A,B,C,D,E,F,G$ 表示,列用 $1,2,3,4,5,6,7$ 表示。例如第一行第四列可表示为 $A4=4$,第八行可表示为列数多的数从 $A4$ 出发,根据列排除法的方法及 $E5$ 所在的行列进行排除,确定 $E5=6$,进而确定 $E2=1$,$E3=7$,$E7=4$,则 $F6=2$,$A1=7$。所以 $A=7$。
思路:结合所在行、列及对角线的不等约束,从已知较多的位置出发用排除法逐格定数,最终确定 $A=7$。
7. 将 $1$,$2$,$3$,$4$ 分别填入 $4\times 4$ 的方格网(如图 a)所示)的 $16$ 个小方格中,使得每一行每一列中的 $4$ 个数 $1$、$2$、$3$、$4$ 恰好各出现一次,并且满足与不等号相邻的两个数中小数是大数的因数,那么,从左上到右下的对角线上 $4$ 个数的和是______。(图 b)是一个 $3\times 3$ 的例子)
A. $10$ B. $11$ C. $12$ D. $16$
图 a)为 $4\times 4$ 方格网,相邻格之间标有 $>$、$<$ 等不等号;图 b)为一个 $3\times 3$ 的示例,格内已填好数字并标有不等号,说明小数是大数因数的填法规则。
不等式数独因数关系排除法
答案
C
解题步骤
利用不等号,可以迅速填出所有的 $1$,进而根据“与不等号相邻的两个数中小数是大数的因数”可知,类似 $\Box>\Box>\Box$ 形式中所填的数应依次为 $4,2,1$,进而可以填出所有的数。如下图。从左上到右下对角线上的 $4$ 个数依次为 $3,4,2,3$,其和为 $3+4+2+3=12$。
思路:先用不等号确定所有的 $1$,再用“小数是大数的因数”这一更强的约束确定连续不等号链上的数,求出主对角线四数之和为 $12$。
8. 请你在下面 $5\times 5$ 表格的每格中填入 $1$,$2$,$3$,$4$,$5$ 中的一个,使得每行、每列、每条对角线所填的 $5$ 个数各不相同,且 $A$ 格中的数比 $B$ 格中的数大,$B$ 格中的数比 $C$ 格中的数大,$C$ 格中的数比 $D$ 格中的数大,$E$ 格中的数比 $F$ 格中的数大,$G$ 格中的数比 $H$ 格中的数大。那么,第二行的 $5$ 个数从左到右依次是______。
一个 $5\times 5$ 方格表,部分格标有字母:第一行中间三格为 $A,B,C$,第二行第4格为 $D$,第三行中间三格为 $G,F,E$,第四行第2格为 $H$,给出大小关系并要求填数。
对角线数独大小关系约束排除法
答案
$45213$
解题步骤
本题是数独游戏的变体,可称之为“大小数独”。解数独的时候,一般是先分析必然成立的,从而分析不出来时再进行假设。为描述方便,将所有有标记出来的方格用小写字母表示。根据题意及数独约束推理,可确定各格数字,最终第二行从左到右依次为 $4,5,2,1,3$。所以所求结果为 $45213$。
思路:结合对角线数独约束与给定的若干大小不等关系,先填确定项再用假设法补全,读出第二行五个数为 $45213$。
9. 在下图的每个格子中填入 $1\sim 6$ 中的一个数,使得每行、每列所填数字各不相同,每个粗框左上角的数和“$+$”“$-$”“$\times$”“$\div$”分别表示粗框内所填数字的和、差、积、商(例如“$600\times$”表示它所在粗框内的四个数字的乘积是 $600$)。
一个 $6\times 6$ 的算独(KenKen)方格表,由粗线分成若干粗框,部分粗框左上角标有运算线索,如 $18+$、$30\times$、$600\times$、$2\div$、$3\div$、$72\times$、$11+$、$13+$、$3+$、$5-$、$12+$、$20\times$ 等。
算独(KenKen)整数分拆排除法
答案
如下图(见解析)
解题步骤
本题是数独游戏的变体,称为“算独”。解题时按每行每列 $1\sim 6$ 各不相同,且每个粗框内的数满足左上角给出的运算结果(和、差、积、商)逐步推理。最终填法如下图所示(第一行 $4\ 3\ 6\ 5\ 1\ 2$,第二行 $3\ 2\ 5\ 4\ 6\ 1$,第三行 $6\ 5\ 2\ 1\ 3\ 4$,第四行 $5\ 4\ 1\ 6\ 2\ 3$,第五行 $2\ 1\ 4\ 3\ 5\ 6$,第六行 $1\ 6\ 3\ 2\ 4\ 5$)。
思路:结合每行每列 $1\sim 6$ 不重复与每个粗框的运算线索(和差积商),对乘除框作整数分拆缩小候选,逐步推出整张算独。
10. 如下图所示,$9$ 个 $3\times 3$ 的小方格表合并成一个 $9\times 9$ 的大方格,每个格子中填入 $1\sim 9$ 中的一个数,每个数在每一行、每一列中都只出现一次,并且在原来每个 $3\times 3$ 的小方格表中也只出现一次,$10$ 个“☆”处所填数的总和是______。
一个 $9\times 9$ 的标准九宫数独,给出大量提示数字与灰色底纹格,并在 $10$ 个格中标有“☆”符号,需求这 $10$ 个 ☆ 处所填数之和。
九宫数独排除法整体求和
答案
$46$
解题步骤
根据排列排除法,可以很快推出第一列的“☆”处填 $2$,第一行第 $2$ 个“☆”处结合所在九宫格应填 $5$。另外,第 $6$ 列未填的数为 $3,5,6,7,8$,第 $6$ 个九宫格内未填的数为 $1,2,7,8$。所以 $10$ 个“☆”处所填的数的总和为 $2+5+3+5+6+7+1+2+7+8=46$。
思路:用九宫数独的行、列、宫排除法逐一确定 $10$ 个 ☆ 处的数字,再求其总和为 $46$。
11. 下图是一个 $6\times 6$ 的方格表,将数字 $1\sim 6$ 填入空白方格中,使得每一行、每一列每个数字 $1\sim 6$ 都恰好出现一次,方格表还被粗实线划分成了 $6$ 块区域,每个区域填 $1\sim 6$ 也恰好只出现一次。那么最下面的一行数字组成的 $6$ 位数是______。
一个 $6\times 6$ 方格表,由粗实线分成 $6$ 块不规则区域,部分格已填 $1,2,4,5,2,4,5,2,4,6,5$ 等数,要求行、列及每块均填 $1\sim 6$ 各一次。
区域数独排除法
答案
$241365$
解题步骤
因为出现 $3$ 个 $5$,所以先找 $5$,$a$ 处必填 $5$,$b$ 填 $5$。右下角连着的区域中有个 $6$,所以 $d$ 填 $6$,$e$ 填 $6$,$f$ 填 $4$,$i$ 填 $1$,$j$ 填 $1$,$k$ 填 $1$,$C$ 填 $1$,$D$ 填 $3$,$A$ 填 $2$。结合行、列与每块区域均含 $1\sim 6$ 各一次的约束逐格排除,可定出最下面一行从左到右依次为 $2,4,1,3,6,5$,所以最下面一行数字组成的 $6$ 位数是 $241365$。
思路:综合行、列与每块区域均含 $1\sim 6$ 各一次的约束,由出现 $3$ 个 $5$ 入手先确定各 $5$,再逐格排除定数,读出最后一行组成的六位数 $241365$。
12. 请在下图的每个空格内填入 $1\sim 8$ 中的一个数字,使每一行、每一列、每条对角线上 $8$ 个数字都互不相同。
一个 $8\times 8$ 方格表,给出若干提示数(如 $1,6,4,2,4,3,1,5,6,4,8,3,5,6,3,1,8,5,2$ 等),要求每行、每列及两条对角线上 $8$ 个数字互不相同。
对角线数独排除法假设法
答案
如下图(见解析)
解题步骤
解此类数独题的关键在于观察那些位置较特殊的方格(对角线上的或者所在行、列空格比较少的),选作突破口。本题可以选择两条对角线为突破口,因为它们同时涉及三条线,所受的限制最严,能填的空间也最小。副对角线上面已经填了 $2,3,8,6$ 四个数,剩下 $1,4,5$(与 $7$)作突破口:左下角的格所在行已经有 $5$、所在列已经有 $1$ 和 $4$,所以只能填 $7$;第六行第三列的格所在行已有 $5$、所在列已有 $1$,所以只能填 $1$;第四行第五列的格所在行和列都已经有 $5$,所以只能填 $4$,剩下右上角填 $5$。再来看主对角线,已经填了 $3$ 和 $9$,依次观察剩余的 $5$ 个方格:第四列的格只能填 $7$(因为第四行第四列已有 $5,4,6,8,3$),第五行第五列已有 $4,8,3,5$,所以只能填 $3$。此时位于无法继续填主对角线的格子,但观察空格较少的行列,例如第四列已填 $5$ 个数,剩下 $1,2,5$,则第六格填 $2$、第八格填 $1$、第三格填 $5$,此时可以填主对角线的格子了:第三行第三列填 $3$,第二行第二列填 $3$,第六行第六列填 $6$,第七行第七列填 $5$,从而补全全表(见解析图)。
思路:以约束最多的两条对角线及空格少的行列为突破口,结合行、列、对角线三重不重复约束逐格定数,补全 $8\times 8$ 对角线数独。
13. 如下图所示,$5\times 5$ 方格被分成了 $5$ 块,请你在每个空格中填入 $1$,$2$,$3$,$4$,$5$ 中的一个,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。现有一个格子已分别填入 $1$ 和 $2$,请在其他格子中填上适当的数,则 $\overline{ABCDE}$ 是______。
一个 $5\times 5$ 方格表,由粗线分成 $5$ 块,已填入 $1$(右上区域)和 $2$;第三行从左到右标有 $A,B,C,D,E$,要求各行各列及对角线填 $1\sim 5$ 各一次且各块和相等。
区域数独对角线数独整数分拆
答案
$14523$
解题步骤
因为每行、每列、每条对角线的五个数各不相同,且每块上所填数的和都相等,一共分成了 $5$ 块,必然这几个和都是 $1+2+3+4+5=15$。下面用 $(m,n)$ 表示第 $m$ 行第 $n$ 列的数字。不难得到 $(2,2)$ 处填 $4$,可知中标 $a$ 的两个空格数应该相同,考查方格数最少的右下角,必有两个 $4$ 在同行或同列,因此分情况讨论:
(1)$15=5+5+3+1+1$,则两个 $5$ 必须现在图 b 中的 $b$ 位置上……产生矛盾;
(2)$15=5+4+4+1+1$,同上一情况,矛盾;
(3)$15=5+4+3+2+1$,从而另外两个位置是 $4$ 和 $5$……$a$ 只能填 $3$。
接着可以按照题意求出 $C$ 位置只能是 $5$,最上面的 $5$ 就在 $(1,2)$ 的位置上,从而最后一个 $5$ 在 $(2,1)$ 的位置上。按照题意依次下去就很容易填出全表如图 c 所示。因此 $\overline{ABCDE}=14523$。
思路:由每块数字之和都为 $15$ 出发作整数分拆,结合行、列、对角线及区域约束逐步排除矛盾情形,定出第三行字母依次为 $1,4,5,2,3$,即 $\overline{ABCDE}=14523$。
14. 在下图的每个方格中分别填入 $1$,$2$,$3$,$4$,$5$,$6$,$7$ 中的一个数字,使每一行、每一列的 $7$ 个数不相同;并且圆圈中的数等于它相邻的四个数的乘积,那么★处所填的数是______。
一个 $7\times 7$ 方格表,部分格线交点处画有圆圈并标有数字(如 $525,168,24,120,192,60,105,120,36,20,84$),圆圈中的数等于其相邻四个方格数的乘积,右下角格标有 ★。
乘积约束数独因数分解排除法
答案
$6$
解题步骤
每行、每列的 $7$ 个不相等的数的乘积均为 $7!=5040$,任意两行(或两列)中 $14$ 个各不相等的数的乘积均为 $7!\times 7!=25401600$,除去已知的乘积,未知的乘积便可求出,将其分解,进行分析,即可填出。如下图所示,首先将各列依次定为 $a,b,c,d,e,f,g$,行依次定为 $1,2,3,4,5,6,7$,那么 ★ 处即表示 $7g$。观察 $a,b$ 两列,由 $25401600\div 525\div 192=36$,可知 $7a,7b$ 只能是 $7$ 和 $6$,再由 $6a,7a,7b,7c$ 相乘积为 $20$,$7b$ 只能是 $1$ 和 $7$,从而由 $a,b$ 两列得 $36$ 知 $7a=6$。……由 $25401600\div 525\div 168\div 24=12,12=2\times 6$
$=3\times 4$,七这两行 $14$ 个数中确定 $2c,7c$ 处填的数为 $1$ 和 $2$……由 $25401600\div 168\div 120\div 84=15,15=3\times 5$,可确定 $3e$ 填 $3$。下面确定 $4e,4e,$ 处所填的数为 $105$ 与 $120$ 的公约数,只能是 $1$ 或 $5$。若填 $1$,则 $5d,5e$ 的乘积为 $60$;……最终求得 ★(即 $7g$)处所填的数是 $6$。
思路:利用每行每列七数之积均为 $7!=5040$、两行两列十四数之积为 $7!\times 7!$,对圆圈给出的相邻四数乘积作因数分解逐步定数,最终求出 ★ 处填 $6$。
第30讲 逻辑推理
逻辑推理:通过若干已知条件与陈述,运用排除、假设、反证等方法,推断出唯一确定的结论。
假设与排除法:先假设某一情形成立,检验是否与所有条件相容,逐一排除矛盾情形,锁定正确答案。
真假话问题:在说真话者与说假话者混合的情境中,依据陈述间的矛盾关系判定每人身份。
条件约束推理:将多条限制条件(顺序、相邻、不连续、定值等)综合,逐步缩小可能并定解。
赛程与积分推理:利用单循环/循环赛的总场数、计分规则与已知积分,推断未知队伍的成绩或对阵。
空间想象与对面关系:借助立方体展开与叠放的可见面信息,推断正方体各面之间的对面、相邻关系。
猜数与数字谜推理:根据“数字对且位置对/数字对位置错”等反馈信息,逐步确定隐藏的多位数。
1. 老师在 $3$ 个小箱中各放了一个彩色球,让小明、小亮、小强、小佳四人猜一下各个箱子中放了什么颜色的球.
小明说:“$1$ 号箱中放的是黄色的,$2$ 号箱中放的是黑色的,$3$ 号箱中放的是红色的.”
小亮说:“$1$ 号箱中放的是橙色的,$2$ 号箱中放的是黑色的,$3$ 号箱中放的是绿色的.”
小强说:“$1$ 号箱中放的是紫色的,$2$ 号箱中放的是黄色的,$3$ 号箱中放的是蓝色的.”
小佳说:“$1$ 号箱中放的是橙色的,$2$ 号箱中放的是绿色的,$3$ 号箱中放的是紫色的.”
老师说:“你们中有一个人恰好猜对了两个,其余三人都只猜对了一个.”
那么第三个箱子中放的是______色的球.
A.红 B.绿 C.蓝 D.紫 E.以上答案都不对
逻辑推理假设法条件排除
答案
C
解题步骤
4 人共猜对 5 次. 所以 1 号箱被猜对 2 次,2 号箱被猜对 2 次,3 号箱被猜对 1 次. 1 号箱为橙色球,2 号箱为黑色球,3 号箱为蓝色球.
思路:对每人“恰好猜对两个”逐一假设,结合“其余三人各猜对一个”的约束,用排除法确定唯一不矛盾的着色方案,再读出第三个箱子的颜色。
2. $27$ 个同样大小的小正方体,每个小正方体六个面写着一个相同的数,且恰为 $1\sim27$,用这 $27$ 个小正方体拼成如图所示的大正方体. 请根据右图所示数据以及下面所给出的条件:
①数 $9$、$13$ 和 $16$ 在同一条直线上;
②数 $22$ 在 $9$ 和 $6$ 之间;
③$17$ 紧挨着 $5$ 和 $13$,但与 $9$ 不相邻;
④$14$ 紧挨着 $24$ 和 $27$;
⑤数 $20$ 在 $14$ 的上面.
推断,从六个方向都看不见的小正方体面上所写的数是______.
一个 $3\times3\times3$ 的大正方体立体图,露出三个相邻面上的小立方体数字。顶面可见 $16$、$3$、$8$、$25$、$23$、$2$、$1$、$4$、$12$;正前面可见 $1$、$4$、$12$、$10$、$21$、$11$、$27$、$26$、$15$;右侧面可见 $12$、$2$、$8$、$11$、$18$、$7$、$15$、$19$、$6$。
逻辑推理空间想象位置约束推理
答案
5
解题步骤
首先,数 9、13 和 16 在同一条直线上,可知 $C$、$G$ 代表 13 和 9;再由数 22 在 9 和 6 之间,可知 $G$、$H$ 代表 22 和 9;所以 $G$ 代表 9,$C$ 代表 13,$H$ 代表 22.
由 14 紧挨着 24 和 27,可知 $E$ 代表 14;$F$ 代表 24,再由数 20 在 14 的上面,可知 $A$ 代表 20.
最后由 17 紧挨着 5 和 13,但与 9 不相邻,可知 $D$ 代表 17,$B$ 代表 5. 所以从六个方向都看不见的小正方体面上所写的数是 5.
思路:按给出的相邻、同线、上下等位置条件,逐步确定 $27$ 个数在 $3\times3\times3$ 立方体中的排布,最终找出处于正中央、六面都看不见的那块的数。
3. 有 $8$ 个球,其中 $1$ 克重的球有 $6$ 个,$2$ 克重的球有 $1$ 个,$3$ 克重的球有 $1$ 个. 现给这 $8$ 个球标上①至⑧的编号,然后放在天平上,如下图所示,则 $2$ 克重的球是______号;$3$ 克重的球是______号.
三幅天平称量图。第一幅:左盘①④⑧,右盘②③⑤⑥,左低右高(左重)。第二幅:左盘①②⑤⑥,右盘④⑦⑧,左低右高(左重)。第三幅:左盘②④⑥,右盘①③⑦,两端平衡。
逻辑推理天平称重等式与不等式推理
答案
③;⑦
解题步骤
由中间的天平可知,④号、⑦号、⑧号肯定有一个是 3 克的,否则不可能比右边的 4 个球还重;若⑤号球或⑧号球是 3 克,则第一个天平的左边不可能比右边轻,所以⑦号球是 3 克. 再根据第一个天平,①号、④号和⑧号球不可能是 2 克,否则天平会不平衡,在第二个天平中,⑤、⑥号不可能为 2 克,所以右边四个球只能是 1 克,①号、②号、⑤号和⑥号球都是 1 克,所以 2 克重的球是③号.
思路:将每次称量转化为两组球质量的大小或相等关系,结合只有一个 $2$ 克球和一个 $3$ 克球的总量约束,推出 $2$ 克与 $3$ 克球的编号。
4. $A$、$B$、$C$、$D$、$E$、$F$ $6$ 个选手进行乒乓球单打的单循环比赛(每人都与其他选手赛一场). 每天同时在三张球台各进行一场比赛,已知第一天 $B$ 对 $D$,第二天 $C$ 对 $E$,第三天 $D$ 对 $F$,第四天 $B$ 对 $C$. 问:第五天 $A$ 与谁对阵?另外两张球台上是谁与谁对阵?
逻辑推理单循环赛程安排排除法
答案
$B$ 对 $A$;$D$ 对 $C$;$E$ 对 $F$
解题步骤
第二天 $B$ 不能对 $A$,否则与第四天 $A$ 对 $B$ 与第三天 $D$ 对 $F$ 矛盾,所以应当 $B$ 对 $F$,$A$ 对 $E$. 第三天 $B$ 也不能对 $A$,否则 $C$ 对 $E$ 与第二天 $C$ 对 $E$ 矛盾,应当 $B$ 对 $E$(不能 $B$ 对 $C$,第四天 $B$ 对 $C$),第五天 $B$ 对 $A$,$D$ 对 $C$,$E$ 对 $F$.
思路:$6$ 人单循环共 $5$ 轮、每人每天恰赛一场,按已知对阵逐轮排除冲突,列出每天三场对阵表,进而确定第五天的全部对阵。
5. $A$ 先生的衬衫都是由红、蓝、黄、绿、黑 $5$ 种颜色中的任何两种组成的. 某一周,从星期一到星期日,$A$ 先生按下列规则挑选每天穿的衬衫:
$1$.每天都穿不同配色的衬衫;
$2$.同一种颜色不连续出现在连着的 $2$ 天中;
$3$.有一个颜色出现在了 $4$ 天中;
$4$.星期一穿的是蓝黑组合;
$5$.星期四穿的有绿色;
$6$.星期五不出现黄色;
$7$.红和黑组合不能出现.
请问:星期六穿的衬衫是哪两种颜色的组合.
逻辑推理条件约束推理排除法
答案
黄黑
解题步骤
因为红和黑组合不能出现,星期一是蓝黑组合,红只能和蓝、黄、绿三种颜色组合,而又不能出现红黑,所以红只穿三天. 如果某一颜色出现四天,则只可能是蓝、黄、绿中的一个. 由周一是蓝黑,则周三是蓝绿或蓝黄. 由周四有绿色,则周三只能是蓝黄. 则周日是蓝绿. 则周六是黄黑.
思路:以每天两色为单位,结合各条规则(不连续、某色出现 $4$ 天、定色等)逐天排定衬衫配色,最后确定星期六的两色组合。
6. 花园里有向日葵、百合花、牡丹三种植物,
$1$.在一个星期内只有一天这三种花能同时开放;
$2$.没有一种花连续开放三天;
$3$.在一周之内,任何两种花同时不开的日子不会超过一天;
$4$.向日葵在周 $2$、周 $4$、周日不开放;
$5$.百合花在周 $4$、周 $6$ 不开放;
$6$.牡丹在周日不开放.
那么三种花在星期______同时绽放(星期一至星期日用数字 $1$ 至 $7$ 表示).
逻辑推理开放日程推理条件约束
答案
5
解题步骤
列表分析. 根据条件(3)可知,百合花周二、周日必开,牡丹周二、周四必开;再根据条件(2)可知,百合花周一不开,牡丹周三不开. 于是只剩下周五可以全开了,故为星期五.
思路:把每种花一周七天的开放情况列表,依次满足“仅一天三花齐开、不连开三天、双花不开不超过一天”等条件,定出三花同开的那一天。
7. 一栋新建 $5$ 层楼房的一个单元每层有东西 $2$ 套房,各层房间号如下图所示,现已有赵、钱、孙、李、周共五家人住,一天他们 $5$ 人在花园中聊天:
赵说:“我家是第 $3$ 个人住的,第 $1$ 个人住的就住我对门.”
钱说:“只有我一家住在最高层.”
孙说:“我家与赵家住的楼层相同,上一层和下一层都没人住了.”
李说:“我家是楼东向第一个人住的,我家楼下那一层全空着了.”
周说:“我家住在 $106$ 号,$104$ 号空着,$108$ 号也空着.”
他们说的话全是真话. 设第 $1$、$2$、$3$、$4$、$5$ 家人住的房号的个位数依次为 $A$、$B$、$C$、$D$、$E$,那么五位数 $\overline{ABCDE}=$ ______.
一个 $5$ 层楼房单元的房间号示意表,每层左右各一套。一层:$101$、$102$;二层:$103$、$104$;三层:$105$、$106$;四层:$107$、$108$;五层:$109$、$110$。
逻辑推理条件约束推理位值与编号
答案
69573
解题步骤
孙、李都与赵不在同一侧,则孙与李同侧,而孙的上层与下层都是李. 李的下层全空,所以李第五个人住周 2 房 103,孙第一个人住周 105,钱第二个人住周 109,赵第三个人住周 107,周第四个人住周 106. 五位数为 69573.
思路:将五人陈述转化为各家所在房号与入住顺序的约束,逐条排除得出每家房号,再按第 $1$ 至第 $5$ 家房号个位组成五位数。
8. 用红、黄、蓝、白、黑 $5$ 种颜色分别涂在正方体的各面上(每一个面只涂一种颜色),现有涂色方式完全一样的相同的四块小正方体,把它们拼成一长方体,如右图所示. 试回答:每个小正方体红色面的对面涂的是______色;黄色面的对面涂的是______色;黑色面的对面涂的是______色.
四个完全相同的小正方体竖直叠成一根长方体,露出正面与右面的颜色。自上而下:第一块正面黑、右面黄,顶面红;第二块正面红、右面白;第三块正面蓝、右面红;第四块正面黄、右面白。
逻辑推理空间想象正方体对面关系
答案
绿;蓝;白
解题步骤
考查逻辑推理和空间想象能力. 图中出现最多的红面是 4 个,每个相邻的面分别是黄色、黑色、白色及蓝色,于是可以推断出红面的对面是绿色(剩下的唯一一颜色). 考查蓝色面出现是上、下两个正方体,从图中只能看出它的 3 个相邻的面分别是红色、黑色及白色;又因为已判断绿色面与红面相邻,从而可推知绿色面也必与黄色面相邻,则只剩下蓝色面是黄色面的对面. 最后,只有白色面与黑色面相对.
思路:利用四块涂色相同的小正方体在叠放后呈现出的不同朝向,比较各块露出的面,推断每种颜色所对的对面颜色。
9. 人的血通常为 $A$ 型、$B$ 型、$O$ 型、$AB$ 型. 子女的血型与其父母血型间的关系如下表所示:
现有三个分别身穿红、黄、蓝上衣的孩子,他们的血型依次为 $O$、$A$、$B$. 每个孩子的父母都戴着同颜色的帽子,颜色也分红、黄、蓝三种,依次表示所具有的血型为 $AB$、$A$、$O$. 问:穿红、黄、蓝上衣的孩子的父母各戴什么颜色的帽子?
子女血型与父母血型关系表。两列:左列“父母的血型”,右列“子女可能的血型”。各行为:$O,O$→$O$;$O,A$→$A,O$;$O,B$→$B,O$;$O,AB$→$A,B$;$A,A$→$A,O$;$A,B$→$A,B,AB,O$;$A,AB$→$A,B,AB$;$B,B$→$B,O$;$B,AB$→$A,B,AB$;$AB,AB$→$A,B,AB$。
逻辑推理遗传血型对照对应匹配推理
答案
穿红、黄、蓝上衣的孩子,父母分别戴蓝、黄、红帽子.
解题步骤
题中表明,三种孩子血型必有一种是血型的,孩子必 $O$ 型,父母必为 $A$ 型. 孩子必 $A$ 型(孩子为 $O$ 型的情况已被排除),$A$ 型孩子的父母已经确定为 $O$ 型;父母为 $AB$ 型. 穿红、黄、蓝上衣的孩子,父母分别戴蓝、黄、红帽子.
思路:根据父母血型与子女可能血型的对照表,把孩子血型与父母帽色(代表父母血型)做相容匹配,确定每个孩子父母所戴帽子颜色。
10. $40$ 根长度相同的火柴棍摆成下图,如果将每根火柴棍看作长度为 $1$ 的线段,那么其中可以数出 $30$ 个正方形来. 拿走 $5$ 根火柴棍后,$A$、$B$、$C$、$D$、$E$ 五人作了如下的判断:
$A$:“$1\times1$ 的正方形还剩下 $5$ 个.”
$B$:“$2\times2$ 的正方形还剩下 $3$ 个.”
$C$:“$3\times3$ 的正方形全部保留下来了.”
$D$:“拿走的火柴棍所在直线各不相同.”
$E$:“拿走的火柴棍中有 $4$ 根在同一直线上.”
已知这 $5$ 人中恰有 $2$ 人的判断错了,那么剩下的图形中还能数出______个正方形.
由 $40$ 根等长火柴棍摆成的网格图,构成一个 $4\times4$(每个小格边长为 $1$)的正方形点线网格,可数出多种大小的正方形。
逻辑推理几何计数真假判断
答案
14
解题步骤
(1)每拿走 1 根火柴棍,最多减少 2 个 1×1 的小正方形. 拿 5 根最多减少 10 个 1×1 的小正方形,所以 1×1 应还剩下 6 个,$A$ 必错;
(2)显然 $D$、$E$ 不对,必有 1 错,故 $B$、$C$ 都对;
(3)$C$ 对,所以应让 3×3 的正方形需要的火柴棍保留,即第 1、2、4、5 行及第 1、2、4、5 列的 32 根都保留,得 $B$ 必对,$E$ 必对.
剩下的图形中可以数出正方形 14 个.
思路:先理解原网格中各尺寸正方形的总数,再结合“恰有 $2$ 人判断错”筛选出符合的拿走方案,最后数出剩余图形中的正方形个数。
11. 某次武林大会有九个级别的高手参加,按级别从高到低分别是游侠、火枪手、骑士、剑客、武士、弓箭手、法师、猎人、牧师. 为公平起见,分组比赛的规则是:两人或三人分为一组,若两人一组,则这两人级别必须相同;若三人一组,则这三名高手级别相同,或者是连续的三个级别各一名. 现有 $13$ 个人,其中有三名游侠、三名牧师,其他七类高手各一名. 若此时再有一人加入,所有这些人共分为五组比赛,那么,新加入这个人的级别可以有______种选择.
逻辑推理分类讨论组合分组
答案
9
解题步骤
若新加入的高手是骑士、剑客、武士各 1 名,弓箭手、法师、猎人各 1 名、2 名牧师,所以新加入的高手可以是骑士、剑客、武士. 若新加入的高手是剑客,可以将这 14 个人分组. 若新加入的高手是弓箭手. 综上所述,新加入的这个人的级别可以有 9 种选择.
思路:在加入一人后共 $14$ 人分成五组的限制下,按分组规则(同级别或连续三级别)讨论新加入者各种级别的可行性,统计可选级别数。
12. 太平洋某岛国的一个部落里只有两种人:一种是永远说真话的老实人,一种是永远说假话的骗子. 一天,这个部落的 $2009$ 个人举行了一次圆桌会议,每个人都声称:“我左右的两个人都是骗子.”第二天,会议继续进行,但一人因病未能到会,因此只有 $2008$ 个人参加第二天的会议,大家按照新的顺序坐了下来,此时,每个人都声称:“我左右的两个人都和我不是同一种人.”参加第一天圆桌会议的人中共有______位老实人.
逻辑推理奇偶与计数真假话圆桌问题
答案
670
解题步骤
由题意可知,第一天时骗子的身边至少坐着 1 位老实人,老实人的两边坐着骗子,故任何连续的三个人中至多有一位老实人. 于是,第一天时老实人的数目至多为 $\left[\dfrac{2009}{3}\right]+1=670$(人). 第二天骗子的身边至多坐着一位老实人,老实人的两边坐着骗子,故任何连续的三个人中至多有一位老实人. 于是,第二天老实人的数目至多为 $\left[\dfrac{2008}{3}\right]=669$(人). 综合第一天和第二天的情况可知,因病未能到会的人是老实人,且参加第一天会议的人中有 670 位老实人.
思路:分析两天圆桌上每人陈述对其与邻座类型的约束,由两种合法排布方式推出老实人与骗子人数关系,结合 $2009$、$2008$ 人数算出第一天老实人数。
13. 博之和太郎兄弟俩都喜欢猜数游戏. 有先,博之在纸上写了 $1$ 个四位数字都不同的四位数,写好后将纸藏过来,不让太郎看到,然后让太郎猜这个四位数的每位数字. 如果某次猜对位数都猜对了就赢了. 如果有四位数 $1234$,那么太郎猜的是 $1234$ 就算是 $2$ 个○,$1$ 个△.
例如:博之写的是 $1234$,太郎猜的是 $1354$,那么这就是 $2$ 个○,$1$ 个△.
请填以下对话并回答问题:
太郎:“我猜 $9856$.”
博之:“$1$ 个○,$1$ 个△.”
太郎:“$6972$?”
博之:“也是 $1$ 个○,$1$ 个△.”
太郎:“$3058$?”
博之:“也是 $1$ 个○,$1$ 个△.”
太郎:“$4732$ 呢?”
博之:“$2$ 个△.”
太郎:“咦,$1$ 个○ $2$ 个△,$8369$ 呢?”
博之:“也是 $2$ 个△.”
(问 $1$)请从以上的对话中答出博之猜的四位数.
后来,博之发现自己刚才的回答中其中有四位数位置的判断有误.
博之:“对不起,刚才有很错误的.”
太郎:“啊!那么……”
太郎:“啊等一会儿……啊!我知道啦!博之写的四位数你是○○○○吗?”
博之:“对啦!你真棒!”
(问 $2$)请问博之写的这个四位数是什么?
逻辑推理数字谜猜数推理
答案
(问 1)3576、7953、6253、2953 四个;(问 2)6753
解题步骤
(1)9856 和 6972 中都出现了 6 和 9,且都是 1○1△. 若四位数中有 6 和 9,则 5、8、7 都没有. 而 3058 是 1○1△,表明 0 和 3 都有,这样 8369 不没有,8369 为 2△表明 5 有而 8 没有,至此,3 和 5 确定出现,而 6、9 中出现一个,2、7 中出现一个. 组合正好有 2×2=4(种);具体排列情况为:2953、7953、6253、3576 四个.
(2)8369:2△,故 3 不在第 1 位. 若 3 在第 1 位,则 3058 看出 5 不在第 3 位,继而从 9856 看出 6 在第 4 位,5 在第 2 位,故应是 35□6,但与 4732 是 1○1△矛盾. 若 3 在第 3 位,则 3058 不可能是 1○1△,也矛盾. 故 3 在第 4 位.
由 3058 是 1○在第 3 位;同 4732 知 5 在第 3 位,由 6972 知 6 在第 1 位. 故这个四位数为 6753.
思路:把“○表示数字且位置都对、△表示数字对但位置不对”的反馈逐条转化为约束,结合各次猜测确定数字集合与正确位置,分别回答两问。
14. 足球队 $A$、$B$、$C$、$D$、$E$ 进行单循环赛(每两队赛一场),每场比赛胜队得 $3$ 分、负队得 $0$ 分,平局各得 $1$ 分. 若 $A$、$B$、$C$、$D$ 队总分分别为 $1$、$4$、$7$、$8$,请问 $E$ 队至多得几分?至少得几分?
逻辑推理单循环积分枚举与约束
答案
最多 7 分、至少 5 分
解题步骤
设 $A$、$B$、$C$、$D$、$E$ 五队总分分别为 $a$、$b$、$c$、$d$、$e$,五队总和 $S=a+b+c+d+e$
$=20+e$. 五队单循环赛共 $C_5^2=10$ 场,所以最多 30 分,每增加一场平局,总分少 1 分. $a=1$
$=1+0+0+0$,$b=4$
$=3+1+0+0$
$=1+1+1+1$,$c=7$
$=3+3+1+0$,$d=8$
$=3+3+1+1$. 至少 3 场平局与至多 5 场平局分别给出 $25\leqslant 20+e\leqslant 27\Rightarrow 5\leqslant e\leqslant 7$. 所以 $E$ 队最多 7 分、至少 5 分.
思路:由单循环总场数与计分规则得到全部球队总分范围,结合已知四队得分,推断 $E$ 队得分的最大与最小可能值。
15. 六个足球队进行单循环赛,每两队都要赛一场,胜的队得 $3$ 分,负的队得 $0$ 分,平局两队各得 $1$ 分. 现在已经赛完了 $7$ 场后(每队至少赛了 $1$ 队比赛),各队 $1$ 场得分互不相同,且各队总分均不为 $0$. 那么总分分第三位的队至少可得______分,最多可得______分.
逻辑推理单循环积分极值分析
答案
3,1
解题步骤
考查学生逻辑推理和解决实际问题的能力. 设六个队 4 场得分之和依次为 $a>b>c>d>e>f$,因为每轮赛 3 场,最多得 3×3=9(分). 通过对各队胜平负场次的构造与约束分析,排名第三位的队至少可得 3 分,最多可得 1 分(按书中所给极端情形).
思路:在已赛 $7$ 场、各队分数互不相同且均非零的条件下,分配比赛结果以使排名第三的队伍得分取到最小与最大值。
16. 有 $10$ 个选手循环比赛,胜队得 $2$ 分,负队得 $0$ 分,平局各得 $1$ 分,无平局. 比赛结束后,每名选手得分都不相同,且第二名选手的得分是后五名选手得分总和. 请计算第五名选手的得分.
逻辑推理循环赛积分枚举推理
答案
17、15、15、14、14、13、11、10、9(答案不唯一)
解题步骤
10 个队进行单循环赛,每队打 9 场,共赛 45 场. 每场 3 分,共 45×3=135(分),因为有两个第一名,最高得分最多为 17 分,最低得分至少为 9 分,如果按照两个 17 分、两个 15 分计算,再分 15 分. 其余分别为 9、10、11、12 分计算,共 138 分. 将第二名改为 15 分,第三名改为 14 分,第七名改为 13 分,则 17×2+15×2+14×2+13+11+10+9=135;当然也可能是 16×2+15×2+14×2+13+12+11+9=135. 一种答案为 17、15、15、14、14、13、11、10、9.
思路:利用循环赛总分固定及各人得分两两不同的限制,结合“第二名等于后五名得分之和”的条件,推出第五名选手的得分。
17. 小明和 $8$ 个好朋友去李老师家玩. 李老师给每人发了一顶帽子,并在每个人的帽子上写了一个两位数,这 $9$ 个两位数互不相同,且每个小朋友只能看见别人帽子上的数. 老师在纸上又写了一个数 $A$,问这 $9$ 位同学:“你知道自己帽子上的数能否被 $A$ 整除?知道的请举手.”结果有 $4$ 人举手. 老师又问:“现在你知不知道自己帽子上的数能否被 $24$ 整除?知道的请举手.”结果有 $6$ 人两次都举手了,并且这 $9$ 个小朋友都是非常聪明且从不说谎,那么小明看到的别人帽子上的 $8$ 个两位数的总和是______.
逻辑推理整除性质信息推理
答案
438
解题步骤
(1)两位数中是 $A$ 的倍数的恰好 5 个、5 个全在这 9 个数中,答知道有是 4 个人;
(2)由于都是聪明且从未说谎,所以只写有一个准确地知道了自己的因数. 第二轮又有 6 人举手,但两位数中 24 的倍数最多有一个非 $A$ 倍数 1 4 个,5 这些恰多 5 准确判断了自己的因数倍率正方数. 这样,$A=24$. 9 个数中 18、24 的倍数共 8 个,即 18、36、54、72、90、24、48、96. 小明两次都举手了,所以看到的是上述 8 个数,总和是 438.
思路:由“看不见自己却能判断能否被某数整除”所传递的信息,结合两位数互不相同与举手人数,推断这些两位数的取值,求出小明所见 $8$ 个数之和。
第31讲 操作类问题
倒水/称量操作:借助无刻度容器或天平,通过有限次倒水、称量等操作把物体按要求分配,并追求操作次数最少.
图形分割与对称:把图形按面积、周长、对称轴等约束分割或涂画,常借助折纸等动手操作辅助思考.
周期与余数规律:齿轮转动、环形取子、跳蚤跳跃等操作往往呈周期性,用除法取余确定最终状态.
逆推法:对一系列操作从结果出发逆向追溯,确定初始的操作或状态.
约瑟夫问题与 2 的幂:环形隔位取子最终保留的位置与总数关于 2 的幂的关系密切,可先化为 2 的幂再推算.
操作不变量与构造:分析操作过程中保持不变或受限的量(如奇偶、倍数关系),用以判断目标状态可否达到并给出构造.
角的拼合与整除:用固定度数的模板连续拼角,转化为求线性方程 $am-180n=1$ 的整数解问题.
1. 下图是由五个同样的正方形组成的图形,请你将它平均分成 3 份,要使每份的形状、大小完全一样.
由五个相同的正方形拼成的图形:上面一行三个正方形,下面一行两个正方形(靠左对齐),整体呈阶梯状.
图形分割等积变形
答案
解题步骤
五个正方形面积总和不是 3 的倍数,因此可以把每个正方形平均分成 3 个形状相同的小长方形,可以尝试每个图形含有 5 个小长方形,并保证图形形状相同即可.
思路:把每个正方形再三等分为小长方形,使总数 15 个小长方形按形状相同的方式拼成三份.
2. 将一块正方形纸片沿对角线折叠一次,然后在得到的三角形的三个角上各挖去一个圆洞,再展开正方形纸片,得到下图中的____.(填序号)
四个正方形选项①②③④,每个正方形内画有若干个圆洞,分别表示不同的挖洞分布情况.
对称折叠展开
答案
③
解题步骤
思路:正方形沿对角线折叠后挖三个角上的洞,展开后洞应关于该对角线对称,据此判断符合的图形为③.
3. 如下图有两个 $5 \times 5$ 的方格图.请你在方格图中,用涂阴影的方法,涂出两个不相同的图形,使这两个图形的面积都等于 9,周长都等于 20,并且使第一个图形有 4 条对称轴,第二个图形有 2 条对称轴.
两个并排的空白 $5 \times 5$ 方格网,供涂画图形使用.
对称轴面积与周长图形设计
答案
解题步骤
这个问题由于对所画图形的限制条件比较多,这给我们直接在图形上画出符合要求的图形带来了困难,我们可以拿来一张 $5 \times 5$ 的方格纸动手折一折,折出图形的对称轴.
(1)我们折出正面的 4 条对称轴,就很容易画出符合要求的有 4 条对称轴的图形.
(2)我们折出正面的 2 条对称轴,就很容易画出符合要求的有 2 条对称轴的图形.
(3)我们折出正面的 2 条对称轴,又可画出符合要求的有 2 条对称轴的 1 个图形.
注:有 2 条对称轴的图形还可能有其他的情况.
从这个问题的解答中我们可以看出,动手操作对解决问题是很重要的.
思路:借助折纸找出 4 条和 2 条对称轴,再在对称约束下涂出面积为 9、周长为 20 的两个不同图形.
4. 下图所示是一把游戏锁,上面有 16 个按钮.游戏规则如下:按照按钮上的提示,按遍全部按钮,才能把锁打开.比如,当你按下第 1 行的第 2 个按钮“右 2”时,就要按照提示,向右移动 2 格,按“下 2”钮,再按照提示按“下 1”钮,……,为了打开这把游戏锁,请你选择第一次应按的按钮,它在第___行第___个.
$4 \times 4$ 的圆形按钮阵列,每个按钮标有移动方向与格数.第一行:开、右2、左2、下2;第二行:下1、下2、右1、左2;第三行:右1、上2、上2、下1;第四行:上2、左1、上1、左1.
逆推法操作类问题
答案
2;3
解题步骤
我们可以从“开”这个按钮逆推出第一次应按的按钮,答案为第 2 行第 3 个“右 1”.这就是逆推法在实际中的一个应用,逆推法是思考问题的一个重要方法,当一个问题顺着想不太好想或比较麻烦时,我们就可以从后面一步一步逆推到最开始的那一步.
思路:从终点“开”按钮出发逆向追溯每一步移动,逆推回去找到第一次应按的按钮位置.
5. 下面是四个互相咬合着的齿轮,其中最大的那个齿轮通过顺时针旋转可带动其他三个齿轮,各齿轮的齿数依次为 16、12、10、6.如下图所示,当最大齿轮按照顺时针方向恰好旋转 7 周时,各齿轮上面箭头所指的四个汉字是____.
四个互相咬合的齿轮,从左到右齿数依次为 16、12、10、6,各齿轮齿上刻有汉字,每个齿轮上方有一个向下的箭头指示当前所指的字.
齿轮转动余数问题周期问题
答案
“数学活动”
解题步骤
先来了解互相咬合着的齿轮的两个常识:
(1)相邻的两个齿轮旋转的方向相反.即:第一个齿轮顺时针旋转,那么第二个齿轮逆时针旋转,第三个齿轮又顺时针旋转,第四个齿轮又逆时针旋转.
(2)每个齿轮旋转的总齿数是相同的.
第一个齿轮按照顺时针方向旋转 7 周,箭头所指的字还是“数”.
第一个齿轮共转过了 $16 \times 7 = 112$(个)齿,$112 \div 12 = 9 \cdots\cdots 4$,那么第二个齿轮逆时针旋转 9 周后又逆时针旋转了 4 个齿,所以箭头所指的字是“学”. $112 \div 10 = 11 \cdots\cdots 2$,那么第三个齿轮顺时针旋转 11 周后又顺时针旋转了 2 个齿,所以箭头所指的字是“活”. $112 \div 6 = 18 \cdots\cdots 4$,那么第四个齿轮逆时针旋转 18 周后又逆时针旋转了 4 个齿,所以箭头所指的字是“动”.
各个齿轮上面箭头所指的四个汉字是“数学活动”.
思路:求出大齿轮转动的总齿数,利用每个齿轮转动总齿数相同分别取余,结合顺逆方向确定各箭头所指的字.
6. 有三个无刻度的水桶 $A$、$B$、$C$.它们的容量分别为 10 升,7 升,3 升.现在 $A$ 中装满水,要求你找出一种只借助于这三个水桶做工具,把 $A$ 中的 10 升水平均分成两份的方法,且要求分水过程中操作次数最少.
倒水问题操作次数最优化
答案
总共操作九次
解题步骤
用符号 $(a,b,c)$ 表示操作过程中某次操作后 $A$、$B$、$C$ 水桶装水的情况(其中 $a$、$b$、$c$ 依次是 $A$、$B$、$C$ 中装水的数值).那么次数最少的操作过程如下:
$(10,0,0)$ 把A注入B $(3,7,0)$ 把B注入C $(3,4,3)$ 把C全注入A $(6,4,0)$ 把B注入C $(6,1,3)$ 把C全注入A $(9,1,0)$ 把B全注入C $(9,0,1)$ 把A注入B $(2,7,1)$ 把B注入C $(2,5,3)$ 把C全注入A $(5,5,0)$.
总共操作九次.
说明:这是一个很古老的数学游戏,叫做分油问题.我们给出的解法是正确的吗?从把水“平均分成两份”是符合要求的,关键问题在于还有没有次数更少的操作方法.结论是否定的.分油问题的彻底解决,要运用到新近的一门数学分支——图论的知识,在此我们不再介绍,有兴趣的读者可参阅华台心、魏万迪编著的《初等组合学漫话》(科学出版社 1984 年版,第 280 页).
思路:用三元组记录三桶水量,通过倒水操作搜索出步骤最少(九次)的平分方案.
7. 如下图 a),圆周上顺序排列着 1、2、3、…、12 这十二个数,我们规定:相邻的四个数 $a_1$、$a_2$、$a_3$、$a_4$,顺序颠倒为 $a_4$、$a_3$、$a_2$、$a_1$ 称为一次“变换”(如 1、2、3、4 变为 4、3、2、1,又如 11、12、1、2 变为 2、1、12、11).能否经过有限次“变换”,将十二个数的顺序变为 9、1、2、3、…、8、10、11、12(如图 b))?请说明理由.
两个圆 a) 和 b).图 a) 中圆周上顺时针顺序排列 1 到 12;图 b) 中圆周上顺序为 9、1、2、3、…、8、10、11、12.
排列变换构造法
答案
能
解题步骤
考查学生动手操作的能力.
$56789 \rightarrow 59876 \rightarrow 78956 \rightarrow 76598 \rightarrow 95678$.
这说明经过 4 次“变换”可将数字 9 提前 4 位,其余的数顺序不变.再经过 4 次“变换”可将数字 9 提前 8 位,其余的数顺序不变.即经过 8 次“变换”可将原来的十二个数的顺序变为:
$9,1,2,3,4,5,6,7,8,10,11,12$.
具体“变换”方法如下:
$56789 \rightarrow 59876 \rightarrow 78956 \rightarrow 76598 \rightarrow 95678$;
$12349 \rightarrow 19432 \rightarrow 34912 \rightarrow 32194 \rightarrow 91234$.
思路:通过若干次四数颠倒的“变换”逐步把 9 提前到目标位置,从而实现目标排列,故可以做到.
8. 对一个自然数作如下操作:如果是偶数则除以 2,如果是奇数则加 1.如此进行直到为 1 时操作停止.问:经过 9 次操作变为 1 的数有多少个?
操作类问题斐波那契数列递推
答案
34
解题步骤
可以先尝试一下,倒推得出下面的图:
其中经 1 次操作变为 1 的 1 个,即 2;经 2 次操作变为 1 的 1 个,即 4;经 3 次操作变为 1 的 2 个,是一奇一偶;以后发现,每个偶数可以变成两个数,分别是一奇一偶,每个奇数变为一个偶数,于是,经 $1$、$2$、$\cdots$ 次操作变为 1 的数的个数依次为
$1,1,2,3,5,8,\cdots$
这一串数中有个特点:自第三个开始,每一个等于前两个的和.
即经过 9 次操作变为 1 的数有 34 个.
为什么上面的规律是正确的呢?
道理也很简单.设经过 $n$ 次操作变为 1 的数的个数为 $a_n$,则 $a_1 = 1, a_2 = 1, a_3 = 2, \cdots$
从上面的图看出,$a_{n+1}$ 比 $a_n$ 大.一方面,每个经过 $n$ 次操作变为 1 的数,乘以 2,就得出一个偶数,经过 $n+1$ 次操作变为 1;反过来,每个经过 $n+1$ 次操作变为 1 的偶数,除以 2,就得出一个经过 $n$ 次操作变为 1 的数.所以经过 $n$ 次操作变为 1 的数与经过 $n+1$ 次操作变为 1 的偶数恰好一样多.前者的个数是 $a_n$,因此后者也是 $a_n$ 个.
另外,每个经过 $n$ 次操作变为 1 的偶数,减去 1,就得出一个奇数,它经过 $n+1$ 次操作变为 1,反过来.每个经过 $n+1$ 次操作变为 1 的奇数,加上 1,就得出一个偶数,它经过 $n$ 次操作变为 1.所以经过 $n$ 次操作变为 1 的偶数与经过 $n+1$ 次操作变为 1 的奇数恰好一样多.而由上面所说,前者的个数就是 $a_{n-1}$,因此后者也是 $a_{n-1}$.
经过 $n+1$ 次操作变为 1 的数,分为偶数、奇数两类,所以 $a_{n+1} = a_n + a_{n-1}$ 即上面所说的规律的确成立.
思路:倒推统计各次操作能变为 1 的数的个数,发现其满足斐波那契递推,从而第 9 次对应 34 个.
9. 小华有糖 300 克,他有一架天平及重量分别为 30 克和 5 克的两个砝码.问:小华最少用天平称几次,可以将糖分为两份,使一份重 100 克,另一份重 200 克?
天平称量操作次数最优化
答案
2次
解题步骤
第一次用 30 克和 5 克的两个砝码可以称出 35 克糖;第二次用 30 克的砝码和 35 克糖可称出 65 克糖.
思路:先用两砝码称出 35 克,再借助 30 克砝码与已称出的糖凑出 65 克,两次称量即可完成 100 克与 200 克的分配.
10. 有 12 颗外观一模一样的小球,其中 11 颗的质量相同,而另一颗则不知是比其他小球重还是轻.现在可用的工具是一台天平,要求称 3 次找出这颗与众不同的小球.请简要说明你的称法.
天平称量分类讨论逻辑推理
答案
解题步骤
分三组:每组四个,第一组编号 1~4,第二组 5~8,第三组 9~12.
第一次称:天平左边放第一组,右边放第二组.
A 第一种可能:平衡.则不同的在第三组.
接下来可以在左边放第 9、10、11 号,右边放 1、2、3 号三个正常的.
a.如果平衡,则 12 号是不同的.
b.如果左重右轻,则不同的在 9、10、11 号中,而且比正常球重.再称一次:9 放左边,10 放右边,如果平衡,则 11 号是不同的;如果左重右轻,则 9 号是不同的,如果有左轻右重,则 10 号是不同的.
c.如果左轻右重,道理同 b.
B 第二种可能:左重右轻,则不同的在 1~8 号中,但不知比正常的轻还是重.
第二次称:左边放 1、2、5 号,右边放 6、9、3 号.
a.如果平衡.则不同的在 4、7、8 中.可以称第三次:左边放 4、7,右边放 9、10.如果平衡,则 8 是不同;如果左重右轻,则 4 是不同;如果左轻右重,则 7 是不同.
b.仍然左重右轻.则不同的在 1、2、6 中.可以称第三次:左边放 1、6,右边放 9、10.如果平衡,则 2 是不同;如果左重右轻,则 1 是不同;如果左轻右重,则 6 是不同.
c.左轻右重.则不同的在 5、3 中,因为只有它们改变了原来的位置.可以称第三次:左放 5、3,右放 9、10.如果左轻右重,则 5 是不同;如果左重右轻,则 3 是不同.
C 第三种可能:左轻右重,道理同 B.
至此,不论发生任何情况,称三次都可以找出不同,而且知道比正常的轻了还是重了.
思路:把 12 球分成三组各四个,第一次比较前两组确定异球所在组,再据天平倾斜方向分类讨论,三次称量内必能锁定异球并判断其轻重.
11. 将七位数“1357924”重复写 287 次组成一个 2009 位数“13579241357924…”.删去这个数中所有位于奇数位上的数字;按上述方法一直删除下去直到剩下一个数字为止,则最后剩下的数字为____.
位置规律余数问题
答案
3
解题步骤
根据题意,最后剩下的数为第 1024 个数,则最后剩下的数字为:$1024 \div 7 = 146 \cdots\cdots 2$,所以最后剩下的数字为 3.
思路:反复删去奇数位后最终保留的是第 1024 个数字,再用 1024 对周期 7 取余确定其在“1357924”中的位置即为 3.
12. 如下图,小刚在圆周上放了 1 枚黑子和 2010 枚白子,从黑子开始,按顺时针方向,每隔一枚,取走一枚,即留下奇数号棋子,取走偶数号棋子,若黑子初始位置是第 2011 号,则最后剩下的棋子最初是第多少枚?
圆周上放置棋子,顶部偏左为黑子(编号 2011),其余为白子,沿顺时针依次标 1、2、3、4、5……,底部用省略号表示其余棋子.
约瑟夫问题2 的幂周期与余数
答案
1975 枚
解题步骤
从简单的问题开始,通过试验寻找规律.
如果圆圈只有 1、2 号两枚棋子,最后剩下的是 1 号;
如果圆圈上只有 1~4 这 4 个号码的棋子,通过试验发现,最后剩下的还是 1 号;
如果圆圈上只有 1~8 这 8 个号码的棋子,通过试验发现,最后剩下的还是 1 号;
而 $2 = 2^1, 4 = 2^2, 8 = 2^3, \cdots$,
由此可以得出一条规律:当圆圈上有 $1 \sim 2^n$ 这 $2^n$ 个号码时,按题目中的取法最后剩下的一定是 1 号.但 2011 不是 2 的几次方,须设法使圆圈上的数是 2 的若干次方.因为 $1024 = 2^{10} < 2011 < 2^{11} $
$= 2048$. $2011 - 1024 = 987$.
所以从 2011 枚棋子中去掉 987 枚棋子后就只剩下 1024 枚棋子.
又因为 $987 \times 2 = 1974$,即从 1 开始,取走 $2,4,6,8,\cdots,1970,1972,1974$ 这 987 枚棋子后,从 1974 开始数:$1975,1976,1977,\cdots,2010,2011,1,3,5,\cdots,1971,1973$,共有 1024 枚棋子,这一来,问题就变成:将这剩下的 1024 枚棋子按顺时针方向,依次排成一个圆圈,从 1975 开始,留下 1975,取走 1976,$\cdots$,正好符合上面规律的要求,所以最后剩下的一个棋子为开始的那枚棋子,即最初的 1975 号棋子.
思路:利用约瑟夫问题中棋子总数为 2 的幂时剩下起点的规律,先取走 987 枚使余数化为 1024 枚,确定新起点即最初第 1975 号棋子.
13. 电子跳蚤游戏盘(如下图)为 $\triangle ABC$,$AB = 8$,$AC = 9$,$BC = 10$,如果电子跳蚤开始时在 $BC$ 边上的 $P_0$ 点,$BP_0 = 4$.第一步跳蚤跳到 $AC$ 边上 $P_1$ 点,且 $CP_1 = CP_0$;
第二步跳蚤从 $P_1$ 跳到 $AB$ 边上 $P_2$ 点,且 $AP_2 = AP_1$;
第三步跳蚤从 $P_2$ 跳回到 $BC$ 边上 $P_3$ 点,且 $BP_3 = BP_2$;
……
跳蚤按上述规则跳下去,第 2001 次落点为 $P_{2001}$,请计算 $P_0$ 与 $P_{2001}$ 之间的距离.
三角形 $ABC$,顶点 $A$ 在上,$B$、$C$ 在底边两端.$AB$ 边上标点 $P_2$,$AC$ 边上标点 $P_1$,底边 $BC$ 上靠中部标有 $P_0$、$P_3$ 两点.
周期问题线段计算
答案
1
解题步骤
因为 $BP_0 = 4$,所以 $CP_0 = 10 - 4 $
$= 6$.
第一步:从 $P_0 \rightarrow P_1$,$CP_1 = CP_0 $
$= 6$;所以 $AP_1 = 9 - 6 $
$= 3$,
第二步:从 $P_1 \rightarrow P_2$,$AP_2 = AP_1 $
$= 3$;所以 $BP_2 = 8 - 3 $
$= 5$,
第三步:从 $P_2 \rightarrow P_3$,$BP_3 = BP_2 $
$= 5$;所以 $CP_3 = 10 - 5 $
$= 5$,
第四步:从 $P_3 \rightarrow P_4$,$CP_4 = CP_3 $
$= 5$;所以 $AP_4 = 9 - 5 $
$= 4$,
第五步:从 $P_4 \rightarrow P_5$,$AP_5 = AP_4 $
$= 4$;所以 $BP_5 = 8 - 4 $
$= 4$,
第六步:从 $P_5 \rightarrow P_6$,$BP_6 = BP_5 $
$= 4$;
因此,$P_6$ 与 $P_0$ 点重合,而 $2001 = 6 \times 333 + 3$,故 $P_{2001}$ 点与 $P_3$ 点重合.
$P_0$ 与 $P_{2001}$ 之间的距离就是 $P_0$ 与 $P_3$ 之间的距离,即 $6 - 5 = 1$($CP_0 - CP_3$) 或 $5 - 4 = 1$($BP_3 - BP_0$).所以 $P_0$ 与 $P_{2001}$ 之间的距离是 1.
思路:依次计算各落点位置,发现跳蚤每 6 步回到 $P_0$,用 2001 对 6 取余确定 $P_{2001}$ 与 $P_3$ 重合,从而求出距离为 1.
14. 在一个圆圈上有几十个孔(不到 100 个),如下图所示.小明像玩跳棋那样,从 $A$ 孔出发沿着逆时针方向,每隔几个孔跳一步,希望一圈以后能跳回到 $A$ 孔.他先试着每隔 2 孔跳一步,结果只能跳到 $B$ 孔.他又试着每隔 4 孔跳一步,也只能跳到 $B$ 孔.最后他每隔 6 孔跳一步,正好跳回到 $A$ 孔.你知道这个圆圈上共有多少个孔吗?
一个圆圈,圆周下部标有相邻的 $B$、$A$ 两个孔以及若干小圆圈表示孔,其余部分为圆弧.
最小公倍数余数问题整除
答案
91
解题步骤
设想圆圈上的孔已按下面方式编了号:$A$ 孔编号为 1,然后沿逆时针方向顺次编号为 $2,3,4,\cdots,B$ 孔的编号是圆圈上的孔数.每隔 2 孔跳一步,跳在 $1,4,7,10,\cdots$ 上.最后跳到 $B$ 孔,因此总孔数是 3 的倍数加 1,同样道理,每隔 4 孔跳一步最后跳到 $B$ 孔,就意味着总孔数是 5 的倍数加 1;而每隔 6 孔跳一步最后跳回到 $A$,就意味着总孔数是 7 的倍数.如果将孔数减 1,那么得数既是 3 的倍数也是 5 的倍数,因而是 15 的倍数.这个 15 的倍数加上 1 就等于孔数,而且能被 7 整除.注意:15 被 7 除余 1,所以 $15 \times 6$ 被 7 除余 6,15 的 6 倍加 1 正好被 7 整除.我们还可以看出,15 的其他(小于 7 的)倍数加 1 都不能被 7 整除,而 $15 \times 7 = 105$ 已经大于 100. 7 以上的倍数都不必考虑,因此,圆圈上总孔数是 $15 \times 6 + 1 = 91$(个).
思路:把跳跃条件转化为孔数减 1 是 15 的倍数且孔数是 7 的倍数,在小于 100 的范围内求得满足的孔数为 91.
15. 圆周上放置有 7 个空盒子,按照顺时针方向依次编号为 1、2、3、4、5、6、7.小明首先将第 1 枚白色棋子放入 1 号盒子,然后将第 2 枚白色棋子放入 3 号盒子,再将第 3 枚白色棋子放入 6 号盒子,……,放置了第 $k-1$ 枚白色棋子后,小明依顺时针方向向前数了 $k-1$ 个盒子,并将第 $k$ 枚白色棋子放在下一个盒子中,小明按照这个规则共放置了 200 枚白色棋子.随后,小青从 1 号盒子开始,按照逆时针方向和同样的规则将这些盒子中放入了 300 枚红色棋子.请问答:每个盒子各有多少枚白色棋子? 每个盒子各有多少枚棋子?
三角形数周期与余数操作类问题
答案
每个盒子内白、红棋子的数量和棋子总的数量如下表:
盒子号数:1,2,3,4,5,6,7;
白色棋子:57,0,58,0,0,29,56;
红色棋子:86,85,43,0,0,86,0;
总数:143,85,101,0,0,115,56.
解题步骤
按照题意,如果依顺时针方向不间断地给这 7 个盒子编号,则 1 号盒子可以有的编号是 $1,8,15,22,\cdots,7k+1$;2 号盒子可以有的编号是 $2,9,16,23,\cdots,7k+2$;……;7 号盒子可以有的编号是 $7,14,21,\cdots,7k+7$.
按照规则,小明将第 1 枚棋子放在 1 号盒子;第 2 枚棋子放在 3 号盒子;第 3 枚棋子放在 6 号盒子;第 4 枚棋子放在 10 号盒子,即 3 号盒子;第 5 枚棋子放在 15 号盒子,即 1 号盒子;第 6 枚棋子放在 21 号盒子,即 7 号盒子;第 7 枚棋子放在 28 号盒子,即 7 号盒子,……,按照放棋子的规则,自第 8 枚棋子开始一个新的周期,即第 8 枚棋子放在 1 号盒子,第 9 枚棋子放在 3 号盒子,……,第 $k$ 枚棋子放在 $\frac{k(k+1)}{2}$ 号盒子,即其号数为 $\frac{k(k+1)}{2}$ 除以 7 的余数,也就是每 7 枚棋子为一个周期.并且,这 7 枚棋子有 2 枚放在 1 号盒子,有 2 枚放在 3 号盒子,有 2 枚放在 7 号盒子,有 1 枚放在 6 号盒子,2 号、4 号和 5 号盒子没有棋子.
所以,$200 = 7 \times 28 + 4$,经过 28 次循环后,第 197 枚白色棋子放在 1 号盒子,第 198 枚和第 200 枚白色棋子放在 3 号盒子,第 199 枚白色棋子放在 6 号盒子.所以,1 号盒子中有 $2 \times 28 + 1 = 57$(枚)白色棋子,3 号盒子中有 $2 \times 28 + 2 = 58$(枚)白色棋子,6 号盒子中有 $1 \times 28 + 1 = 29$(枚)白色棋子,7 号盒子有 $2 \times 28 = 56$(枚)白色棋子,其余盒子中没有白色棋子.
小青依逆时针方向放置红色棋子,我们可以将 1 号棋子仍视为 1 号,7 号则视为 2 号,6 号视为 3 号,5 号视为 4 号,4 号视为 5 号,3 号视为 6 号,2 号视为 7 号.此时,$300 = 7 \times 42 + 6$,1 号盒子中有 $2 \times 42 + 2 = 86$(枚)红色棋子,6 号盒子中有 $2 \times 42 + 2 = 86$(枚)红色棋子,3 号盒子中有 $1 \times 42 + 1 = 43$(枚)红色棋子,2 号盒子中有 $2 \times 42 + 1 = 85$(枚)红色棋子.
每个盒子内白、红棋子的数量和棋子总的数量如下表:
盒子号数:1,2,3,4,5,6,7;白色棋子:57,0,58,0,0,29,56;红色棋子:86,85,43,0,0,86,0;总数:143,85,101,0,0,115,56.
思路:发现第 $k$ 枚棋子放在三角形数 $\frac{k(k+1)}{2}$ 对应的盒号上,以 7 为周期统计白子分布,再对逆向红子作对称转化求出各盒棋子数.
16. 有足够多的盒子依次编号 0、1、2、…,只有 0 号是黑盒,其余的都是白盒.开始时把 10 个球放入白盒中,允许进行这样的操作:如果 $k$ 号白盒中恰有 $k$ 个球,可将这 $k$ 个球取出,并给 0 号、1 号、……、$(k-1)$ 号盒中各放 1 个.如果经过有限次这样的操作后,最终把 10 个球全放入黑盒中,那么 4 号盒中原有____个球.
操作类问题倍数关系逻辑推理
答案
3
解题步骤
设第 $k$ 号白盒中原有 $a$ 个球($a \leqslant k$),如果大于 $k$ 号的盒中均无球,则必有 $a = k$,否则第 $k$ 号白盒中的球无法转移到黑盒中;如果大于 $k$ 号的盒子中有 $n$ 个盒子中有球,必然会有 $n$ 个球会相继转到第 $k$ 号盒中,因此 $(a+n)$ 应满足是 $k$ 的倍数.
根据以上结论:如果有球的盒子的号码最大为 6 号,则盒中必有 6 个球,5 号盒中必有 4 个球,其余盒中没球,这样不能将所有球转移到黑盒中;同理可知,大于 6 号的盒中也不能有球.
如果有球的盒子的号码最大为 4 号,则 4 号盒放 4 个,3 号 2 个,2 号 0 个,1 号 1 个,总数不到 10,不满足题意.
因此 5 号盒必有球,且只能有 5 个球.这样 4 号盒只能放 3 个,3 号 1 个,2 号 1 个,满足题目要求.
因此 4 号盒中原有 3 个球.
思路:分析各号盒清空所需满足的倍数条件,排除最大号为 6 及以上和为 4 的情形,确定 5 号盒放 5 个,从而 4 号盒原有 3 个球.
17. 老师在黑板上写上数 1、2,接着每个学生按下面规则写数:对黑板上已写好的 2 个不同的数 $x$、$y$,他可以写出 $x \times y + x + y$.
(1)请你写出图中共可写出多少个不同的数;
(2)试问 1791 能否按上述规则写出来? 说明理由.
运算规律因数分解构造法
答案
(1)5、11、17、23、35、47;(2)不能
解题步骤
(1)5、11、17、23、35、47.
(2)如果可以的话,则 1791 可以表示为 $x \times y + x + y$.也就是说 1792 可以分解为 $(x+1) \times (y+1)$.如果 $x$ 小于 $y$ 的话,则有 $x$ 小于 47,但是 $1792 = 7 \times 2^8$,由①的答案知道不存在这样的 $x$,所以 1791 不能按题目的规则写出来.
思路:注意到 $x \times y + x + y + 1 = (x+1)(y+1)$,把问题转化为 1792 的因数分解,结合已写出的数判断 1791 无法被写出.
18. 三张卡片上分别标有 $p$、$q$、$r$ 数码(整数)且 $0 < p < q < r$,游戏时将三张卡片随意分发给 $A$、$B$、$C$ 三个人,每人各一张,根据每个人得到卡片上的数码数分别给他们记分,如此重复游戏若干轮,结果 $A$、$B$、$C$ 三人得分总数分别为 20、10、9.已知 $B$ 在最后一轮的得分是 $r$,那么
(1)____在第一轮得分是 $q$;
(2) $p$、$q$、$r$ 分别是____、____、____.
逻辑推理因数分解方程组
答案
(1)C;(2)1、4、8
解题步骤
三人总分为 $20 + 10 + 9 = 39 $
$= 1 \times 39 $
$= 3 \times 13$.
如果游戏进行了 39 或 13 轮,则 $p + q + r = 1$ 或 3,与 $0 < p < q < r$ 矛盾;如果游戏只进行了 1 轮,则 $r = 20$,被 $A$ 得到,与“$B$ 在最后一轮的得分是 $r$”矛盾.所以游戏进行了 3 轮,且 $p + q + r = 13$.
(1)因为 $B$ 共得 10 分,且最后一次得 $r$ 分,所以前两次都得 $p$ 分,否则三次至少得 13 分.因为 $C$ 三次总分比 $B$ 少,所以 $C$ 没得过 $r$ 分,前两次都得 $q$ 分,即第一轮得 $q$ 分的是 $C$.
(2)假设 $C$ 三次都得 $q$,由 $B$ 得 $p + p + r = 10$ 和 $A$ 得 $r + r + p = 20$,解得 $r = 10, p = 0$,与 $p > 0$ 矛盾,所以 $C$ 前两次得 $q$,最后一次得 $p$.
由 $\begin{cases} p + 2q = 9, \\ 2p + r = 10, \\ 2r + q = 20, \end{cases}$ 解得 $p = 1, q = 4, r = 8$.
思路:由总分 39 分解确定共进行 3 轮且 $p+q+r=13$,再结合各人得分约束列方程组解出 $p=1,q=4,r=8$ 并判断第一轮得 $q$ 的是 C.
19. (1)如下图所示,现有一个 $19°$ 的“模板”,请你设计一种办法,只用这个“模板”和铅笔在纸上画出 $1°$ 的角来.
(2)现有一个 $17°$ 的模板与铅笔,你能否在纸上画出一个 $1°$ 的角来?
(3)用一个 $21°$ 的模板与铅笔,你能否在纸上画出一个 $1°$ 的角来?
对(2)、(3)两问,如果能,请你简述画法步骤,如果不能,请你说明理由.
一个标有 $19°$ 角的“模板”图形,左端为 $19°$ 的尖角,右侧为竖直边,右侧轮廓呈不规则波浪状(撕开的纸边).
角的拼合余数问题整除
答案
(1)(2)可以画出,(3)不可以.
解题步骤
(1)在平面上取一点 $O$,过 $O$ 点画一条直线 $AOB$,以 $19°$ 模板顶点与 $O$ 重合,一边与 $OB$ 射线重合,另一边落在射线 $OB_1$,仍以 $O$ 为顶点,角一边重合于 $OB_1$,另一边落在射线 $OB_2$,这样作出 19 个 $19°$ 的角,其总和为 $361°$,$\angle BOB_{19}$ 就是 $1°$ 角.
(2)利用 $17°$ 角的模板,要画出 $1°$ 角,关键在于找到整数 $m$ 和 $n$,使得 $17 \times m - 180 \times n = 1$.事实上 $17 \times 53 - 180 \times 5 = 901 - 900 $
$= 1$.所以作法如下:在平面上任取一点 $O$,过 $O$ 点画直线 $AOB$,以 $OB$ 为始边,$O$ 为顶点,反时针方向依次画 53 个 $17°$ 的角,设最后的终边为 $OB_{53}$,而 $5 \times 180°$ 的终边在 $OA$ 射线,这时 $\angle AOB_{53}$ 即为 $1°$ 的角.
(3)若用 $21°$ 的模板可以画出 $1°$ 的角,则存在整数 $m$、$n$,使得 $21° \times m - 180° \times n = 1$,此时方程左边是 3 的倍数,这样的 $m$,$n$ 不存在,因此,用 $21°$ 角的模板和铅笔不能画出 $1°$ 角来.
思路:通过连续拼接模板角累积成周角整数倍再多出 $1°$,转化为求 $am-180n=1$ 的整数解;$19°$、$17°$ 与 180 互素故可作,$21°$ 与 180 有公因数 3 故不可作.
20. 用 24 个面积为 1 个单位的正三角形拼成下图所示的正六边形,我们把面积为 4 的正三角形称为“希望形”.
(1)请你回答,图中共可数出多少个不同的“希望形”?
(2)将 $1 \sim 24$ 这 24 个自然数填入 24 个小正三角形中(每个里只填一个数),我们依次对所有“希望形”中的四个小正三角形中填的数同时加上一个相同的自然数称为一次操作,问能否经过有限次操作后,使图中 24 个小正三角形中的数都变为相同的自然数? 如果能,请给出一种填法;如果不能,请简述理由.
由 24 个单位正三角形拼成的正六边形网格,内部由若干条线分割成正立和倒立的小正三角形.
几何计数操作不变量奇偶分析
答案
(1)12;(2)不能
解题步骤
(1)因为底边水平,顶点在上的希望形有 6 个,顶点在下的希望形也有 6 个,所以共 12 个.
(2)不可能经过有限次操作后,使图中的 24 个单位正三角形中的数字都变为相同的自然数.因为第一行第一个单位正三角形和第二行第一个单位正三角形只属于唯一一个希望形,每次操作它们或者都不变,或者都增加相同的数,不可能变成相同的数.
思路:(1)按顶点朝上、朝下分类各数出 6 个希望形共 12 个;(2)找到只同属一个希望形的两个相邻小三角形作为不变量,因其差恒定不能变相同,故不能.