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。
原理与加强形式
把 个苹果放进 个抽屉,必有一个抽屉至少有 个苹果。一般形式: 个苹果、 个抽屉,必有某个抽屉至少有 个。
加强版(狄利克雷):若每个抽屉都不超过 个,总数不超过 ;总数超过 就必有一个抽屉超过 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 ,就是答案。
构造抽屉的四种常用手法
- 余数:整数按除 的余数分进 个抽屉;
- 分组配对:和为定值的两数配成一对;
- 染色/图形:方格按颜色类、区域分割;
- 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 个整数,证明其中必有两个数的差是 的倍数。
解:按除以 的余数造 个抽屉:、、、。
个整数进 个抽屉,必有两数同余,它们的差是 的倍数。一般地,任取 个整数必有兩数差是 的倍数——把 换成任何正整数,抽屉数跟着换。
例2 配对抽屉
从 到 中任取 个数,证明其中必有两个数之和为 。
解:造 个抽屉:、、、、。
取 个数进 个抽屉,必有一个抽屉被取了两个,这两个数之和为 。取 个则不行(每个抽屉各取一个,例如 ), 是保证成立的临界数。
例3 最不利原则
一副去掉大小王的 张扑克,至少抽多少张才能保证有 张同花色?
解:最不利情形:四种花色各 张,共 张,仍没有 张同花。
再抽一张,无论什么花色都使该花色达到 张。答案 张。
- 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。
- 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。
- 加强形式用错方向: 个进 个抽屉,保证的是 ,别写成 之外还记错加减一。
- 至少取多少个整数,才能保证其中必有两数之差是 的倍数?
- 从 到 中任取 个数,证明必有两个数互素。
- 袜子有红、蓝、黑三色各 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 个, 个。
2. 相邻两数 与 配成 个抽屉(互素对), 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 只共 只,再取 只必与某只同色,答案 只。
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。