小學(xué)六年級(jí)奧數(shù)訓(xùn)練——整數(shù)的分拆
整數(shù)的分拆,就是把一個(gè)自然數(shù)表示成為若干個(gè)自然數(shù)的和的形式,每一種表示方法,就是自然數(shù)的一個(gè)分拆。
整數(shù)的分拆是古老而又有趣的問題,其中最著名的是哥德巴赫猜想。在國內(nèi)外數(shù)學(xué)競(jìng)賽中,整數(shù)分拆的問題常常以各種形式出現(xiàn),如,存在性問題、計(jì)數(shù)問題、最優(yōu)化問題等。
例1電視臺(tái)要播放一部30集電視連續(xù)劇,若要求每天安排播出的集數(shù)互不相等,則該電視連續(xù)劇最多可以播幾天?
分析與解:由于希望播出的天數(shù)盡可能地多,所以,在每天播出的集數(shù)互不相等的條件下,每天播放的集數(shù)應(yīng)盡可能地少。
我們知道,1+2+3+4+5+6+7=28。如果各天播出的集數(shù)分別為1,2,3,4,5,6,7時(shí),那么七天共可播出28集,還剩2集未播出。由于已有過一天播出2集的情形,因此,這余下的2集不能再單獨(dú)于一天播出,而只好把它們分到以前的日子,通過改動(dòng)某一天或某二天播出的集數(shù),來解決這個(gè)問題。例如,各天播出的集數(shù)安排為1,2,3,4,5,7,8或1,2,3,4,5,6,9都可以。
所以最多可以播7天。
說明:本題實(shí)際上是問,把正整數(shù)30分拆成互不相等的正整數(shù)之和時(shí),最多能寫成幾項(xiàng)之和?也可以問,把一個(gè)正整數(shù)拆成若干個(gè)整數(shù)之和時(shí),有多少種分拆的辦法?例如:
5=1+1+1+1+1=1+1+1+2,
=1+2+2=1+1+3
=2+3=1+4,共有6種分拆法(不計(jì)分成的整數(shù)相加的順序)。
例2有面值為1分、2分、5分的硬幣各4枚,用它們?nèi)ブЦ?角3分。問:有多少種不同的支付方法?
分析與解:要付2角3分錢,最多只能使用4枚5分幣。因?yàn)槿?分和2分幣都用上時(shí),共值12分,所以最少要用3枚5分幣。
當(dāng)使用3枚5分幣時(shí),5×3=15,23-15=8,所以使用2分幣最多4枚,最少2枚,可有
23=15+(2+2+2+2),
23=15+(2+2+2+1+1),
23=15+(2+2+1+1+1+1),
共3種支付方法。
當(dāng)使用4枚5分幣時(shí),5×4=20,23-20=3,所以最多使用1枚2分幣,或不使用,從而可有
23=20+(2+1),
23=20+(1+1+1),
共2種支付方法。
總共有5種不同的支付方法。
說明:本題是組合學(xué)中有限條件的整數(shù)分拆問題的一個(gè)特例。
例3把37拆成若干個(gè)不同的質(zhì)數(shù)之和,有多少種不同的拆法?將每一種拆法中所拆出的那些質(zhì)數(shù)相乘,得到的乘積中,哪個(gè)最。
解:37=3+5+29
=2+5+7+23=3+11+23,
=2+3+13+19=5+13+19
=7+11+19=2+5+11+19
=7+13+17=2+5+13+17
=2+7+11+17,
共10種不同拆法,其中3×5×29=435最小。
說明:本題屬于迄今尚無普遍處理辦法的問題,只是硬湊。比37小的最大質(zhì)數(shù)是31,但37-31=6,6不能分拆為不同的質(zhì)數(shù)之和,故不取;再下去比37小的質(zhì)數(shù)是29,37-29=8,而8=3+5。其余的分拆考慮與此類似。
例4求滿足下列條件的最小自然數(shù):它既可以表示為9個(gè)連續(xù)自然數(shù)之和,又可以表示為10個(gè)連續(xù)自然數(shù)之和,還可以表示為11個(gè)連續(xù)自然數(shù)之和。
解:9個(gè)連續(xù)自然數(shù)之和是其中第5個(gè)數(shù)的9倍,10個(gè)連續(xù)自然數(shù)之和是其中第5個(gè)數(shù)和第6個(gè)數(shù)之和的5倍,11個(gè)連續(xù)自然數(shù)之和是其中第6個(gè)數(shù)的11倍。這樣,可以表示為9個(gè)、10個(gè)、11個(gè)連續(xù)自然數(shù)之和的數(shù)必是5,9和11的倍數(shù),故最小的這樣的數(shù)是[5,9,11]=495。
對(duì)495進(jìn)行分拆可利用平均數(shù),采取“以平均數(shù)為中心,向兩邊推進(jìn)的方法”。例如,495÷10=49.5,則10個(gè)連續(xù)的自然數(shù)為
45,46,47,48,49,(49.5),50,51,52,53,54。
于是495=45+46+…+54。
同理可得495=51+52+…+59=40+41+…+50。
例5若干只同樣的盒子排成一列,小聰把42個(gè)同樣的小球放在這些盒子里然后外出,小明從每只盒子里取出一個(gè)小球,然后把這些小球再放到小球數(shù)最少的盒子里去,再把盒子重排了一下。小聰回來,仔細(xì)查看,沒有發(fā)現(xiàn)有人動(dòng)過小球和盒子。問:一共有多少只盒子?
分析與解:設(shè)原來小球數(shù)最少的盒子里裝有a只小球,現(xiàn)在增加到了b只,由于小明沒有發(fā)現(xiàn)有人動(dòng)過小球和盒子,這說明現(xiàn)在又有了一只裝有a個(gè)小球的盒子,這只盒子里原來裝有(a+1)個(gè)小球。
同理,現(xiàn)在另有一個(gè)盒子里裝有(a+1)個(gè)小球,這只盒子里原來裝有(a+2)個(gè)小球。
依此類推,原來還有一只盒子裝有(a+3)個(gè)小球,(a+4)個(gè)小球等等,故原來那些盒子中裝有的小球數(shù)是一些連續(xù)整數(shù)。
現(xiàn)在這個(gè)問題就變成了:將42分拆成若干個(gè)連續(xù)整數(shù)的和,一共有多少種分法,每一種分法有多少個(gè)加數(shù)?
因?yàn)?2=6×7,故可將42看成7個(gè)6的和,又
(7+5)+(8+4)+(9+3)
是6個(gè)6,從而
42=3+4+5+6+7+8+9,
一共有7個(gè)加數(shù)。
又因42=14×3,故可將42寫成13+14+15,一共有3個(gè)加數(shù)。
又因42=21×2,故可將42寫成9+10+11+12,一共有4個(gè)加數(shù)。
于是原題有三個(gè)解:一共有7只盒子、4只盒子或3只盒子。
例6機(jī)器人從自然數(shù)1開始由小到大按如下規(guī)則進(jìn)行染色:
凡能表示為兩個(gè)不同合數(shù)之和的自然數(shù)都染成紅色,不符合上述要求的自然數(shù)染成黃色(比如23可表示為兩個(gè)不同合數(shù)15和8之和,23要染紅色;1不能表示為兩個(gè)不同合數(shù)之和,1染黃色)。問:被染成紅色的數(shù)由小到大數(shù)下去,第2000個(gè)數(shù)是多少?請(qǐng)說明理由。
解:顯然1要染黃色,2=1+1也要染黃色,
3=1+2,
4=1+3=2+2,
5=1+4=2+3,
6=1+5=2+4=3+3,
7=1+6=2+5=3+4,
8=1+7=2+6=3+5=4+4,
9=1+8=2+7=3+6=4+5,
11=1+10=2+9=3+8=4+7=5+6。
可見,1,2,3,4,5,6,7,8,9,11均應(yīng)染黃色。
下面說明其它自然數(shù)n都要染紅色。
(1)當(dāng)n為大于等于10的偶數(shù)時(shí),
n=2k=4+2(k-2)。
由于n≥10,所以k≥5,k-2≥3,2(k-2)與4均為合數(shù),且不相等。也就是說,大于等于10的偶數(shù)均能表示為兩個(gè)不同的合數(shù)之和,應(yīng)染紅色。(1)當(dāng)n為大于等于13的奇數(shù)時(shí),
n=2k+1=9+2(k-4)。
由于n≥13,所以k≥6,k-4≥2,2(k-4)與9均為合數(shù),且不相等。也就是說,大于等于13的奇數(shù)均能表示為兩個(gè)不同的合數(shù)之和,應(yīng)染紅色。
綜上所述,除了1,2,3,4,5,6,7,8,9,11這10個(gè)數(shù)染黃色外,其余自然數(shù)均染紅色,第k個(gè)染為紅色的數(shù)是第(k+10)個(gè)自然數(shù)(k≥2)。
所以第2000個(gè)染為紅色的數(shù)是2000+10=2010。
下面看一類有規(guī)律的最優(yōu)化問題。
例7把12分拆成兩個(gè)自然數(shù)的和,再求出這兩個(gè)自然數(shù)的積,要使這個(gè)積最大,應(yīng)該如何分拆?
分析與解:把12分拆成兩個(gè)自然數(shù)的和,當(dāng)不考慮加數(shù)的順序時(shí),有
1+11,2+10,3+9,4+8,5+7,6+6
六種方法。它們的乘積分別是
1×11=11,2×10=20,3×9=27,
4×8=32,5×7=35,6×6=36。
顯然,把12分拆成6+6時(shí),有最大的積6×6=36。
例8把11分拆成兩個(gè)自然數(shù)的和,再求出這兩個(gè)自然數(shù)的積,要使這個(gè)積最大,應(yīng)該如何分拆?
分析與解:把11分拆成兩個(gè)自然數(shù)的和,當(dāng)不考慮加數(shù)的順序時(shí),有1+10,2+9,3+8,4+7,5+6五種方法。它們的乘積分別是
1×10=10,2×9=18,3×8=24,
4×7=28,5×6=30。
顯然,把11分拆成5+6時(shí),有最大的積5×6=30。
說明:由上面的兩個(gè)例子可以看出,在自然數(shù)n的所有二項(xiàng)分拆中,當(dāng)n是偶數(shù)2m時(shí),以分成m+m時(shí)乘積最大;當(dāng)n是奇數(shù)2m+1時(shí),以分成m+(m+1)時(shí)乘積最大。換句話說,把自然數(shù)S(S>1)分拆為兩個(gè)自然數(shù)m與n的和,使其積mn最大的條件是:m=n,或m=n+1。
例9試把1999分拆為8個(gè)自然數(shù)的和,使其乘積最大。
分析:反復(fù)使用上述結(jié)論,可知要使分拆成的8個(gè)自然數(shù)的乘積最大,必須使這8個(gè)數(shù)中的任意兩數(shù)相等或差數(shù)為1。
解:因?yàn)?999=8×249+7,由上述分析,拆法應(yīng)是1個(gè)249,7個(gè)250,其乘積249×2507為最大。
說明:一般地,把自然數(shù)S=pq+r(0≤r<p,p與q是自然數(shù))分拆
為p個(gè)自然數(shù)的和,使其乘積M為最大,則M為qp-r×(q+1)r。
例10把14分拆成若干個(gè)自然數(shù)的和,再求出這些數(shù)的積,要使得到的積最大,應(yīng)該把14如何分拆?這個(gè)最大的乘積是多少?
分析與解:我們先考慮分成哪些數(shù)時(shí)乘積才能盡可能地大。
首先,分成的數(shù)中不能有1,這是顯然的。
其次,分成的數(shù)中不能有大于4的數(shù),否則可以將這個(gè)數(shù)再分拆成2與另外一個(gè)數(shù)的和,這兩個(gè)數(shù)的乘積一定比原數(shù)大,例如7就比它分拆成的2和5的乘積小。
再次,因?yàn)?=2×2,故我們可以只考慮將數(shù)分拆成2和3。
注意到2+2+2=6,2×2×2=8;3+3=6,3×3=9,因此分成的數(shù)中若有三個(gè)2,則不如換成兩個(gè)3,換句話說,分成的數(shù)中至多只能有兩個(gè)2,其余都是3。
根據(jù)上面的討論,我們應(yīng)該把14分拆成四個(gè)3與一個(gè)2之和,即14=3+3+3+3+2,這五數(shù)的積有最大值
3×3×3×3×2=162。
說明:這類問題最早出現(xiàn)于1976年第18屆國際數(shù)學(xué)奧林匹克試卷中。該試卷第4題是:
若干個(gè)正整數(shù)的和為1976,求這些正整數(shù)的積的最大值。
答案是2×3658。
這是由美國提供的一個(gè)題目,時(shí)隔兩年,它又出現(xiàn)在美國大學(xué)生數(shù)學(xué)競(jìng)賽中。1979年美國第40屆普特南數(shù)學(xué)競(jìng)賽A-1題是:
求出正整數(shù)n及a1,a2,…,an的值,使a1+a2+…+an=1979且乘積最大。
答案是n=660。
1992年武漢市小學(xué)數(shù)學(xué)競(jìng)賽第一題的第6題是:
將1992表示成若干個(gè)自然數(shù)的和,如果要使這些數(shù)的乘積最大,這些自然數(shù)是____。
答案:這些數(shù)應(yīng)是664個(gè)3。
上述三題的邏輯結(jié)構(gòu)并不隨和的數(shù)據(jù)而改變,所以分別冠以當(dāng)年的年份1976,1979和1992,這種改換數(shù)據(jù)的方法是數(shù)學(xué)競(jìng)賽命題中最簡(jiǎn)單的方法,多用于不同地區(qū)不同級(jí)別不同年份的競(jìng)賽中,所改換的數(shù)據(jù)一般都是出于對(duì)競(jìng)賽年份的考慮。將上述三題的結(jié)論推廣為一般情形便是:
把自然數(shù)S(S>1)分拆為若干個(gè)自然數(shù)的和:
S=a1+a2+…+an,
則當(dāng)a1,a2,…,an中至多有兩個(gè)2,其余都是3時(shí),其連乘積m=a1a2…an有最大值。
例11把1993分拆成若干個(gè)互不相等的自然數(shù)的和,且使這些自然數(shù)的乘積最大,該乘積是多少?
解:由于把1993分拆成若干個(gè)互不相等的自然數(shù)的和的分法只有有限種,因而一定存在一種分法,使得這些自然數(shù)的乘積最大。
若1作因數(shù),則顯然乘積不會(huì)最大。把1993分拆成若干個(gè)互不相等的自然數(shù)的和,因數(shù)個(gè)數(shù)越多,乘積越大。為了使因數(shù)個(gè)數(shù)盡可能地多,我們把1993分成2+3…+n直到和大于等于1993。
若和比1993大1,則因數(shù)個(gè)數(shù)至少減少1個(gè),為了使乘積最大,應(yīng)去掉最小的2,并將最后一個(gè)數(shù)(最大)加上1。
若和比1993大k(k≠1),則去掉等于k的那個(gè)數(shù),便可使乘積最大。
所以n=63。因?yàn)?015-1993=22,所以應(yīng)去掉22,把1993分成
。2+3+…+21)+(23+24+…+63)
這一形式時(shí),這些數(shù)的乘積最大,其積為
2×3×…×21×23×24×…×63。
說明:這是第四屆“華杯賽”武漢集訓(xùn)隊(duì)的一道訓(xùn)練題,在訓(xùn)練學(xué)生時(shí),發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學(xué)生不加思索地沿用例10的思考方法,得出答案是3663×4,而忽視了題中條件“分成若干個(gè)互不相等的自然數(shù)的和”。由此可見,認(rèn)真審題,弄清題意的重要性。
例12將1995表示為兩個(gè)或兩個(gè)以上連續(xù)自然數(shù)的和,共有多少種不同的方法?
分析與解:為了解決這個(gè)問題,我們?cè)O(shè)1995可以表示為以a為首項(xiàng)的k(k>1)個(gè)連續(xù)自然數(shù)之和。首項(xiàng)是a,項(xiàng)數(shù)為k,末項(xiàng)就是a+k-1,由等差數(shù)列求和公式,得到
化簡(jiǎn)為
(2a+k-1)×k=3990。(*)
注意,上式等號(hào)左邊的兩個(gè)因數(shù)中,第一個(gè)因數(shù)2a+k-1大于第二個(gè)因數(shù)k,并且兩個(gè)因數(shù)必為一奇一偶。因此,3990有多少個(gè)大于1的奇約數(shù),3990就有多少種形如(*)式的分解式,也就是說,1995就有多少種表示為兩個(gè)或兩個(gè)以上連續(xù)自然數(shù)之和的方法。因?yàn)?995與3990的奇約數(shù)完全相同,所以上述說法可以簡(jiǎn)化為,1995有多少個(gè)大于1的奇約數(shù),1995就有多少種表示為兩個(gè)或兩個(gè)以上連續(xù)自然數(shù)之和的方法。
1995=3×5×7×19,共有15個(gè)大于1的奇約數(shù),所以本題的答案是15種。
一般地,我們有下面的結(jié)論:
若自然數(shù)N有k個(gè)大于1的奇約數(shù),則N共有k種表示為兩個(gè)或兩個(gè)以上連續(xù)自然數(shù)之和的方法。
知道了有多少種表示方法后,很自然就會(huì)想到,如何找出這些不同的表示方法呢?從上面的結(jié)論可以看出,每一個(gè)大于1的奇約數(shù)對(duì)應(yīng)一種表示方法,我們就從1995的大于1的奇約數(shù)開始。1995的大于1的奇約數(shù)有。
3,5,7,15,19,21,35,57,95,
105,133,285,399,665,1995。
例如,對(duì)于奇約數(shù)35,由(*)式,得
3990=35×114,
因?yàn)?14>35,所以k=35,2a+k-1=114,解得a=40。推知35對(duì)應(yīng)的表示方法是首項(xiàng)為40的連續(xù)35個(gè)自然數(shù)之和,即
1995=40+41+42+…+73+74。
再如,對(duì)于奇約數(shù)399,由(*)式,得
3990=399×10,因?yàn)?99>10,所以k=10,2a+k-1=399,解得a=195。推知399對(duì)應(yīng)的表示方法是首項(xiàng)為195的連續(xù)10個(gè)自然數(shù)之和,即
1995=195+196+197+…+204。
對(duì)于1995的15個(gè)大于1的奇約數(shù),依次利用(*)式,即可求出15種不同的表示方法。
練習(xí)
1.將210拆成7個(gè)自然數(shù)的和,使這7個(gè)數(shù)從小到大排成一行后,相鄰兩個(gè)數(shù)的差都是5。第1個(gè)數(shù)與第6個(gè)數(shù)分別是幾?
2.將135個(gè)人分成若干個(gè)小組,要求任意兩個(gè)組的人數(shù)都不同,則至多可以分成多少組?
3.把19分成幾個(gè)自然數(shù)(可以相同)的和,再求出這些數(shù)的乘積,并且要使得到的乘積盡可能大,最大乘積是多少?
4.把1999分拆成兩個(gè)自然數(shù)的和,當(dāng)不考慮加數(shù)的順序時(shí),一共有多少種不同的分拆方法?求出這兩個(gè)自然數(shù)的積,要使這個(gè)積最大,應(yīng)將1999如何分拆?
5.把456表示成若干個(gè)連續(xù)自然數(shù)的和。要求寫出所有的表達(dá)式(如9可以有兩種表達(dá)形式:9=4+5=2+3+4)。
6.幾個(gè)連續(xù)自然數(shù)相加,和能等于2000嗎?如果能,有幾種不同的答案?寫出這些答案。如果不能,說明理由。
7.把70分拆成11個(gè)不同自然數(shù)的和,這樣的分拆方式一共有多少種?將不同的表示方法列舉出來。
8.有一把長為13厘米的直尺,在上面刻幾條刻度線,使得這把尺子能一次量出1到13厘米的所有整厘米的長度。問:至少要刻幾條線?要刻在哪些位置上?
練習(xí)
1.15,40。
解:這7個(gè)數(shù)中第4個(gè)數(shù)是中間數(shù),它是這7個(gè)數(shù)的平均數(shù),即210÷7=30。因?yàn)橄噜?數(shù)的差都是5,所以這7個(gè)數(shù)是15,20,25,30,35,40,45。故第1個(gè)數(shù)是15,第6個(gè)數(shù)是40。
2.15組。
解:因?yàn)橐笕我鈨蓚(gè)組的人數(shù)不相等,且分得的組要盡可能地多,所以,要使每個(gè)組分得的人數(shù)盡可能地少。
由于1+2+3+4+…+14+15=120,所以將135人分成每組人數(shù)不等的15個(gè)組后還余15人。剩下的15人不能再組成一個(gè)或幾個(gè)新的小組,否則就會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上的組的人數(shù)相等的情況。因此,應(yīng)將剩下的15人安插在已分好的15個(gè)組之中,所以至多可以分成15個(gè)組。這15個(gè)組各組人數(shù)可以有多種情況,例如,分別是2,3,4,5,6,…,14,15,16人。
3.972。
解:要使乘積盡可能大,把19分成的幾個(gè)自然數(shù)中,3要盡量多且不能有1,所以應(yīng)把19分成5個(gè)3及1個(gè)4的和。最大乘積為35×4=972。
4.有999種方法,分成999+1000時(shí)積最大。
5.提示:456有三個(gè)大于1的奇約數(shù)3,19,57。利用例12的方法可得:對(duì)于3,有k=3,a=151;對(duì)19,有k=19,a=15;對(duì)于57,有k=16,a=21。所以456有如下三種分拆方法:
456=151+152+153
。21+22+23+…+39
。15+16+17+…+33。
6.能。
提示:與例12類似,2000=24×53,有三個(gè)大于1的奇約數(shù)5,25,125。對(duì)于5,有k=5,a=398;對(duì)于25,有k=25,a=68;對(duì)于125,有k=32,a=47。所以2000共有如下三種分拆方法:
2000=398+399+400+401+402
。68+69+70+…+91+92
=47+48+49+…+77+78。
7.5種。
解:1+2+3+…+11=66,現(xiàn)在要將4分配到適當(dāng)?shù)募訑?shù)上,使其和等于70,又要使這11個(gè)加數(shù)互不相等。
先將4分別加在后4個(gè)加數(shù)上,得到4種分拆方法:
70=1+2+3+4+5+6+7+8+9+10+15
。1+2+3+4+5+6+7+8+9+14+11
=1+2+3+4+5+6+7+8+13+10+11
。1+2+3+4+5+6+7+12+9+10+11。
再將4拆成1+3,把1和3放在適當(dāng)?shù)奈恢蒙,僅有1種新方法:
1+2+3+4+5+6+7+8+9+13+12。
再將4拆成1+1+2或1+1+1+1+1或2+2,分別加在不同的位置上,都得不出新的分拆方法,故這樣的分拆方法一共有5種。
8.至少要刻4條線,例如刻在1,4,5,11厘米處,便可一次量出1到13厘米的所有整厘米的長度。這是因?yàn)橛?,4,5,11,13這5個(gè)數(shù)以及它們之間任意2個(gè)的差能夠得到1到13這13個(gè)整數(shù),見下列各式:
5-4=1,13-11=2,4-1=3,
11-5=6,11-4=7,13-5=8,
13-4=9,11-1=10,13-1=12。
下面我們來證明,只有3個(gè)刻度是不夠的。如果只刻了3條線,刻在a厘米、b厘米、c厘米處(0<a<b<c<13),那么a,b,C,13兩兩之差(大減。,只有至多6個(gè)不同的數(shù):13-a,13-b,13-c,c-a,c-b,b-a,再加上a,b,c,13這4個(gè)數(shù),至多有10個(gè)不同的數(shù),不可能得到1到13這13個(gè)不同的整數(shù)來。
順便說明一下,刻法不是唯一的。例如我們也可以刻在1厘米、2厘米、6厘米、10厘米這4個(gè)位置上。