101.空間填充
無(wú)法用較小的四面體堆出大四面體.假設(shè)從大四面體的的每一個(gè)頂點(diǎn)移去一個(gè)四面體,則留在中心的是一個(gè)有正方形橫切面的八面體,而這是無(wú)法由較小的四面體組成的.
102.長(zhǎng)方形的對(duì)角線
設(shè)h為l與b的最大公因數(shù),則關(guān)系式為:
d= l +b-h
例如,當(dāng)l =15,b=10,h=5時(shí),與對(duì)角線相交的方格數(shù)目為:
15+10-5=20
103.分割平面的直線
列表之后就能很明顯地看出r的數(shù)目之間的差為1、2、3、4、5,以此類推.不難推導(dǎo)出當(dāng)n=10時(shí),r=56.n=100時(shí),r的值也能用類似的方法導(dǎo)出,但如果用公式計(jì)算,得出5 051,自然是容易得多.
S=1+2+3+4+…+(n-1)+n
即 S=n+(n-1)+(n-2)+…+1(將次序顛倒)
因此 2S=(n+1)+(n+1)+(n+1)+…+(n+1)=n(n+1)
下一題將探討用差分推算數(shù)列的技巧,這種技巧在研究由P個(gè)平面分割空間,所分割成區(qū)域數(shù)目的極大值時(shí)也很有用.
分割平面在4個(gè)以上時(shí),就很難用“看”的方法去了解實(shí)際狀況,這時(shí)差分技巧就派上用場(chǎng)了:
104.?dāng)?shù)字序列——差分
第十項(xiàng)為120.
原始數(shù)列的下兩項(xiàng)為62與87.
(5)67 (6)96 (7)238 (8)275
105.從點(diǎn)陣模式到數(shù)字模式
(1)4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 (2)1 5 13 25 41 61 85 113 145 第一個(gè)數(shù)列是第二個(gè)數(shù)列差分的集合.
數(shù)列(1)的第一百項(xiàng)為400.
數(shù)列(2)的第一百項(xiàng)等于
1+4+8+12+16+…+396
=1+4(1+2+3+4+…+99)
=1+2(1+2+3+…+97+98+99+99+98+97+…+3+2+1)
=1+2(100+100+100+…+100+100+100)
=1+(2×99×100)
=19801 第十個(gè)三角形內(nèi)的點(diǎn)數(shù)很容易就可以由差分法找到.
前10個(gè)奇數(shù)的和是102=100.
奇數(shù)1、3、5、…39的和為202=400,因?yàn)?/font>39是第二十個(gè)奇數(shù).
在60與100之間的奇數(shù)和,就等于1至99的奇數(shù)和減去1至59的奇數(shù)和.99是第五十個(gè)奇數(shù),59是第三十個(gè)奇數(shù),故所求的和為502-302=1600.
106.釘板上的正方形
你可能認(rèn)為在8×8釘板上,所能作出的不同形狀正方形的數(shù)目為19,但其實(shí)你忽略了在作對(duì)角線正方形時(shí),有一個(gè)是以3、4、5為3邊的直角三角形為基礎(chǔ)的正方形,而這個(gè)正方形的邊長(zhǎng)為5,所以與6×6釘板的邊界正方形重疊.
正方形數(shù)目N與釘板一邊的釘子數(shù)n的關(guān)系如下:
在8×8釘板上所作成的正方形面積為:
觀察其間的差,似乎看不出任何可以使數(shù)列繼續(xù)下去的明顯模式.
107.多邊形的三角分割
(1)有17條對(duì)角線.
(2)四邊形、五邊形分別有2條、5條對(duì)角線.
(n-3)條對(duì)角線,共有n個(gè)頂點(diǎn),故得n(n-3),但因?yàn)槊恳粭l對(duì)角線都重復(fù)計(jì)算了兩次,故此數(shù)目應(yīng)減半.
(3)2條,3條,4條.
一般而言,在n邊形中,可以畫出n-3條互不交的對(duì)角線.
圖1與圖2是兩種分割六邊形的不同方法.
圖3~圖5是分割七邊形的其他3種方法.
1+5+1+2+2+2+2=15 1+2+3+2+1+3+3=15 1+2+4+1+2+2+3=15
在各種情況中,七邊形被分割后都形成5個(gè)三角形,每一個(gè)三角形都包含3個(gè)頂點(diǎn),所以在使用的數(shù)字記錄系統(tǒng)中,每一個(gè)三角形都被計(jì)算了3次.因此各種情況的數(shù)字和都為5×3=15.
顯然多邊形的邊愈多,也就有愈多種不同的分割方法.但作者至今尚未找到一種公式,可以預(yù)測(cè)對(duì)已知邊數(shù)的多邊形進(jìn)行分割時(shí),不同分割方法的數(shù)目. 姑且不論有多少分割方法的問(wèn)題,這個(gè)活動(dòng)的目的之一是要介紹可以形成帶狀模式的數(shù)列.對(duì)帶狀模式的研究最近才剛起步,而且人們對(duì)它所知不多.只要你熟悉生成新數(shù)列的方法,其算術(shù)是相當(dāng)簡(jiǎn)單的,但形成的模式卻非常奇妙.
108.一個(gè)人玩的跳棋游戲
跳棋游戲雖然歷史悠久,但一直未受重視,可能是因?yàn)榭雌饋?lái)似乎過(guò)于簡(jiǎn)單.
“跳蛙”最少需移動(dòng)15次.
將7個(gè)洞由左至右編號(hào),則15次移動(dòng)的方法如下所示,其中的數(shù)字代表空的洞:
3 5 6 4 2 1 3 5 7 6 4 2 3 5 4
策略為盡量用跳的方式,在此解中共跳了9次.
將x個(gè)黑色棋子與y個(gè)紅色棋子互換位置,最少要移動(dòng)xy+x+y次,其中xy為“蛙跳”的次數(shù).
109.一分為二
110.將立方體著色
最少需要3種顏色,因?yàn)橛?/font>3個(gè)面交于立方體的頂點(diǎn),這3個(gè)面必須為不同顏色,所以即使相對(duì)的面顏色相同,也沒(méi)有相鄰的面為相同顏色.
如果有A、B、C、D4種顏色可用,每一次取3種顏色的組合有4種,即ABC、ABD、ACD與BCD,而且每一種組合中只有一種將立方體著色的方法.所有其他的方法都會(huì)用到所有的4種顏色.如果沒(méi)有立方體模型,要整理出這些著色方法并不容易.要注意的是,除了兩個(gè)相鄰面必須不同色之外,相同顏色的面也不能超過(guò)兩個(gè).
因此要用4種顏色涂6個(gè)面,就必須有兩種顏色用兩次,另外兩種顏色各使用一次.如此就有6組解答,如圖所示.
在每一種情況中,只出現(xiàn)一次的兩種顏色,必定是在相對(duì)的面.這6組解答,加上前面只用3種顏色的4組解答,所以將立方體著色共有10種不同的方法.