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初中数学竞赛 · 组合趣题

抽屉原理

苹果比抽屉多,必有一个抽屉挤着至少两个苹果。证明“存在”最便宜的工具。

八年级难度 ★★★12 分钟

原理与加强形式

把 n+1 个苹果放进 n 个抽屉,必有一个抽屉至少有 2 个苹果。一般形式:m 个苹果、n 个抽屉,必有某个抽屉至少有 ⌊m−1n⌋+1 个。

加强版(狄利克雷):若每个抽屉都不超过 k 个,总数不超过 kn;总数超过 kn 就必有一个抽屉超过 k 个。

它只保证“存在”,不告诉你是哪一个抽屉——所以抽屉原理证的是存在性命题,想找出具体对象还得另想办法。

最不利原则(计数的反面)

问“至少取多少个才能保证……”时,设想对手处处跟你作对:把你不想要的全给你,直到再取一个必然命中。最不利情形的数目加 1,就是答案。

构造抽屉的四种常用手法

  1. 余数:整数按除 m 的余数分进 m 个抽屉;
  2. 分组配对:和为定值的两数配成一对;
  3. 染色/图形:方格按颜色类、区域分割;
  4. 自身作差或作和:把前缀和、子段和当作苹果。

抽屉怎么造,取决于要证的“存在”长什么样:要证两个数同余就按余数造,要证两数互补就按配对造。

例题

例1 余数抽屉

任取 5 个整数,证明其中必有两个数的差是 4 的倍数。

解:按除以 4 的余数造 4 个抽屉:0、1、2、3。

5 个整数进 4 个抽屉,必有两数同余,它们的差是 4 的倍数。一般地,任取 n+1 个整数必有兩数差是 n 的倍数——把 n 换成任何正整数,抽屉数跟着换。

例2 配对抽屉

从 1 到 10 中任取 6 个数,证明其中必有两个数之和为 11。

解:造 5 个抽屉:{1,10}、{2,9}、{3,8}、{4,7}、{5,6}。

取 6 个数进 5 个抽屉,必有一个抽屉被取了两个,这两个数之和为 11。取 5 个则不行(每个抽屉各取一个,例如 1,2,3,4,5),6 是保证成立的临界数。

例3 最不利原则

一副去掉大小王的 52 张扑克,至少抽多少张才能保证有 5 张同花色?

解:最不利情形:四种花色各 4 张,共 16 张,仍没有 5 张同花。

再抽一张,无论什么花色都使该花色达到 5 张。答案 16+1=17 张。

三个坑
  1. 抽屉造错对象:苹果和抽屉要分清,“数”是苹果,“余数类”是抽屉;反了证不出来。
  2. 把“保证”算成“可能”:最不利原则给的是最坏情形下的保证值,不是运气好的最小值。
  3. 加强形式用错方向:m 个进 n 个抽屉,保证的是 ⌊m−1n⌋+1,别写成 ⌈mn⌉ 之外还记错加减一。
练习(先做,再看答案)
  1. 至少取多少个整数,才能保证其中必有两数之差是 7 的倍数?
  2. 从 1 到 2n 中任取 n+1 个数,证明必有两个数互素。
  3. 袜子有红、蓝、黑三色各 10 双,黑暗中至少取多少只才能保证一双同色?
看答案

1. 余数抽屉 7 个,7+1=8 个。

2. 相邻两数 2k−1 与 2k 配成 n 个抽屉(互素对),n+1 个数必有两数同抽屉,而相邻两数互素。

3. 最不利取红、蓝、黑各 1 只共 3 只,再取 1 只必与某只同色,答案 4 只。

一句话收束

要证存在就造抽屉:余数、配对、染色、前缀和;要算保证就用最不利,临界值加一。

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