信息学奥赛问题求解选讲讲稿.ppt
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1、信息学奥赛问题求解选讲第一页,讲稿共五十一页哦归纳推理Contents归纳推理归纳逻辑推理初等数论递推递归数据结构其他江凡问题求解选讲August 10, 201612345第二页,讲稿共五十一页哦归纳推理归纳 例例1,根据,根据Nocomachns定理,任何一个正整数定理,任何一个正整数n的立方一定的立方一定可以表示成可以表示成n个连续的奇数的和。个连续的奇数的和。 例如:例如: 13 1 23 3 5 33 7 9 11 43= 13+15+17+19 在这里,若将每一个式中的最小奇数称为在这里,若将每一个式中的最小奇数称为X,那么当给出,那么当给出n之后之后,请写出,请写出X与与n之间的
2、关系表达式。之间的关系表达式。江凡问题求解选讲August 10, 2016X=N2-N+1 第三页,讲稿共五十一页哦归纳推理归纳 例例2,将边长为,将边长为n的正三角形每边的正三角形每边n等分,过每个分点分别做另等分,过每个分点分别做另外两边的平行线,得到若干个正三角形,我们称为小三角形。正三角形外两边的平行线,得到若干个正三角形,我们称为小三角形。正三角形的一条通路是一条连续的折线,起点是最上面的一个小三角形,终点是的一条通路是一条连续的折线,起点是最上面的一个小三角形,终点是最下面一行位于中间的小三角形。在通路中,只允许由一个小三角形走最下面一行位于中间的小三角形。在通路中,只允许由一个
3、小三角形走到另一个与其有公共边的且位于同一行或下一行的小三角形,并且每个到另一个与其有公共边的且位于同一行或下一行的小三角形,并且每个小三角形不能经过两次或两次以上(图中是小三角形不能经过两次或两次以上(图中是n=5时一条通路的例子)时一条通路的例子)。设。设n=10,则该正三角形的不同的通路的总数为,则该正三角形的不同的通路的总数为 。江凡问题求解选讲August 10, 2016第四页,讲稿共五十一页哦归纳推理江凡问题求解选讲August 10, 2016n=5n=5时,方案有时,方案有1 12 23 34 44!4!n=10n=10时,方案有时,方案有1 12 29 99!9!n=2n=
4、2时,方案有时,方案有1 1种。种。n=3n=3时,方案有时,方案有2 2种。种。n=4n=4时,方案有时,方案有6 6种。种。归纳第五页,讲稿共五十一页哦逻辑推理 通常把只涉及一些相互关联(或依存)条件或关系,极少给出(不直接赋与)数量关系与几何图形的一类非标准(常规)数学问题叫逻辑推理问题,处理这类问题,要从一些关联的条件出发,应用某些数学知识,甚至日常生活常识,依据一定的思维规律(机智灵活、准确敏捷的思考),通过分析、推理、排除不可能情况(剔除不合理成分),然后作出正确的判断。逻辑推理问题中常用到以下三条逻辑基本规律:(1)同一律:是指同一东西(对象)。它是什么就是什么,不能模棱两可,亦
5、此亦彼;(2)矛盾律:是指互相对立(矛盾)的事不能都真,二者必有一假(即同一思想不能既真又假);(3)排中律:是指两个不相容的判断不能都假,二者必有一真(即任何判断或同一思想不能既不真也不假)。归纳推理逻辑推理江凡问题求解选讲August 10, 2016第六页,讲稿共五十一页哦归纳推理逻辑推理利用表格辅助推理: 例3,某中学推理社招新题,答案是 _这道题的答案是AAB BC CD D第5题的答案是ACB DC AD B以下选项中哪一题的答案与其他三项不同A第3题B 第6题C 第2题D 第4题以下选项中哪两题的答案相同A第1,5题B 第2,7题C 第1,9题D 第6,10题以下选项中哪一题的答
6、案与本题相同A第8题B 第4题C 第9题D 第7题以下选项中哪两题的答案与第8题相同A第2,4题B 第1,6题C 第3,10题D 第5,9题在此十道题中,被选择次数最少的选项字母为ACB BC AD D以下选项中哪一题的答案与第1题的答案在字母表中的不相邻A第7题B 第5题C 第2题D 第10题已知“第1题与第6题的答案相同”与“第X题与第5题的答案相同”的真假性相反,那么X为A第6题B 第10题C 第2题D 第9题在此十道题中,ABCD四个字母中出现的次数最多者与最少者的差为A3B 2C 4D 1江凡问题求解选讲August 10, 2016BCACACDABA 第七页,讲稿共五十一页哦归纳
7、推理逻辑推理利用图形辅助推理美国数学家斯蒂恩说过:“如果一个特定的问题可以被转化成一个图形,那么,思想就整体地把握了问题,并且能创造性地思索问题解法。” 例4,A、B、C、D、E五支球队进行单循环比赛(每两支球队间都要进行一场比赛),当比赛进行到一定阶段时,统计A、B、C、D四个球队已经赛过的场数,依次为A队4场,B队3场,C队2场,D队1场,这时,E队已赛过的场数是()A. 1B. 2C. 3D. 4 江凡问题求解选讲August 10, 2016B第八页,讲稿共五十一页哦数论基础Contents归纳推理数论基础同余素数排列组合递推递归数据结构其他江凡问题求解选讲August 10, 201
8、612345第九页,讲稿共五十一页哦数论基础同余如果a1a2 b1 b2(mod m)(mod m)那么b1a1 a2 b2b1 b2(mod m)(mod m)江凡问题求解选讲August 10, 2016a1a2同余的定义与性质如果 m 整除 a b,我们就说 a 与 b 模 m 同余并记为a b(mod m)简单来说,就是它们模 m 后的余数相同就可以记成这样。第十页,讲稿共五十一页哦数论基础同余江凡问题求解选讲August 10, 2016(a1 a2)mod b (a1 mod b)( a2 mod b) mod b分治思想与快速幂方法例5,输入b,p,k的值,求 bp mod k
9、的值。如,59 mod 7 = ?59 = 【(5 5) (5 5)】 【(5 5) (5 5)】 54422456第十一页,讲稿共五十一页哦 x a1 x a2.数论基础同余方程与中国剩余定理中国剩余定理 有物不知其数,三三数之剩二,五五数之剩三,七七数之剩二。问物几何?孙子算经 这个问题说的是:有一个整数,被 3 除余 2,被 5 除余 3,被 7 除余 2,问这个整数是多少? 事实上,这个问题有无穷多个解,其中一个解是 23。中国剩余定理,又称为孙子定理,常常简写成 CRT(Chinese RemainderTheorem)。它给出了构造如下方程组解的方法:(mod m1 )(mod m
10、2 ).x an(mod mn )其中 m1 , m2 , . . . , mn 两两互素。江凡问题求解选讲August 10, 2016第十二页,讲稿共五十一页哦同余方程与中国剩余定理数论基础中国剩余定理首先来解只有两个方程的方程组。xx a1 a2(mod m1 )(mod m2 )我们可以把这个方程组改写成xx= a1 + k1 m1= a2 + k2 m2消去 x 之后就可以得到 a1 + k1 m1 = a2 + k2 m2 ,这刚好是关于 k1 , k2 的一个线性方程。 此外,中国剩余定理还告诉我们一个事实,在 m1 , m2 互素的条件下,假设 x0是该方程组的一个解,那么该方
11、程组的所有解都满足如下形式:江凡问题求解选讲August 10, 2016x x0(mod m1 m2 )这样我们相当于把刚刚的两个方程合并成为了一个方程。如果有多个方程,可以不断进行这样的合并,最后就可以解出结果了。第十三页,讲稿共五十一页哦x 2x 2数论基础同余方程与中国剩余定理中国剩余定理我们来拿刚刚开头的例子来试着算一算。那个方程组是:x 3(mod 3)(mod 5)(mod 7)江凡问题求解选讲August 10, 2016首先来合并前两个方程,联立后得到的线性方程是 2 + 3k1 = 3 + 5k2 ,整理后可以得到一组解是 k1 = 2, k2 = 1,这样可以得到满足前两
12、个方程的 x 都满足:x 8 (mod 15)第十四页,讲稿共五十一页哦数论基础同余方程与中国剩余定理中国剩余定理之后可以得到新的方程组:xx 8 2(mod 15)(mod 7)再合并两个方程,联立后得到的线性方程是 8 + 15k1 = 2 + 7k2 ,整理后可以得到一组解是 k1 = 1, k2 = 3,这样可以得到满足这两个方程的 x 都满足:x 23(mod 105)这便是最后的解了!江凡问题求解选讲August 10, 2016第十五页,讲稿共五十一页哦数论基础素数及基本知识江凡问题求解选讲August 10, 2016素数及基本知识素数是只含有 1 及其本身两个正因子的数,也称
13、为质数。如果还有其它正因子的话,那么这个数就被称为合数。注意 1 并非素数,亦非合数。我在这里介绍一个关于素数的定理,它们在算法复杂度分析中或许会用到:Theorem (素数定理)当 x 很大时,小于 x 的素数个数近似等于x/lnx第十六页,讲稿共五十一页哦数论基础江凡问题求解选讲August 10, 2016素数的判定 如何判定一个数 m 是不是素数,我们可以直接从定义出发,从 2 开始到m-1 为止,检测是否有一个数整除 m,如果没有,那么这个数就是素数。 例6,求105内的所有素数。 Eratosthenes 筛法筛法是一种用来求素数的方法,它的思路比较简单。 由于每个合数都可以被分解
14、成几个素数的乘积,如果我们将所有素数的倍数都删去,那么剩下的就是素数了。 因此,我们可以从 2 开始,先将 2 的所有倍数都删去。然后往下找到第一个没有被删去的数,这个数一定是素数,再将这个数的所有倍数都删去,不断进行这个操作。素数及基本知识 线性筛法线性筛法,又称欧拉筛法。 避免冗余的运算。每个合数必有一个最大因子(不包括它本身) ,用这个因子把合数筛掉。 对于每一个数i,乘上小于等于i的最小素因数的素数,就得到以i为最大因数的合数。设有一个数t,只要将所有以比t小的数为最大因数的合数筛去,那么比t小的数里剩下的就只有素数了。第十七页,讲稿共五十一页哦组合数学基础排列组合 组合数学基础 例7
15、,在1与106之间,有多少个整数的各位数字之和等于9?江凡问题求解选讲August 10, 2016第十八页,讲稿共五十一页哦组合数学基础排列组合 排列 现在来考虑一个问题:你需要在 n 个不同的人里面选出 m 个人排成一行,问有多少种排列方案? n(n 1)(n 2) (n m + 1)这个数通常被成为排列,记成 ,或者 。 如果我们定义一种名为阶乘的运算:n!= 1 2 3 n特别地,当 n = 0 时,0! = 1。那么这个数就可以简单地写成:Anm=n!(n m)!江凡问题求解选讲August 10, 2016AnmP nm第十九页,讲稿共五十一页哦组合数学基础排列组合 排列 圆排列圆
16、排列 (1)由 的个元素中,每次取出r个元素排在一个圆环上,叫做一个圆排列(或叫环状排列)。 (2)圆排列有三个特点:(i)无头无尾;(ii)按照同一方向转换后仍是同一排列;(iii)两个圆排列只有在元素不同或者元素虽然相同,但元素之间的顺序不同,才是不同的圆排列。 (3)定理:在的个元素中,每次取出个不同的元素进行圆排列,圆排列数为 。 不尽相异元素的全排列不尽相异元素的全排列 如果n个元素中,有p1个元素相同,又有p2个元素相同,又有ps个元素相同( ),这个n元素全部取的排列叫做不尽相异的n个元素的全排列,它的排列数是 。江凡问题求解选讲August 10, 2016rPrn!21spp
17、pn,321naaaaAnppps21第二十页,讲稿共五十一页哦组合数学基础排列组合组合研究无次序的选取问题。把前述排列问题改成:你只需要在 n 个不同的人里面选出 m 个人,问有多少种方案? 如果我们选出来 m 个人后,再将他们排成一队,那么方案数就是先前的排列数 。 但是这样的计数会出现很多的重复,也就是每次我们都多算了将 m 个人排成一队的方案数,那么这个数是什么呢? 它就是 ,或者说 m!。 那么由于每种方案都被重复计算了 m! 次,我们只要将 除以 m! 就可以得到组合数的公式了!江凡问题求解选讲August 10, 2016AnmAmmAnmCnm=nAm!=n!m!(n m)!m
18、第二十一页,讲稿共五十一页哦排列组合组合数学基础组合数的基本性质首先第一个性质就是先前的递推关系(1)此外,直接根据通项可以得到一个对称的性质:(2)江凡问题求解选讲August 10, 2016Cnm= Cn1 + Cn1mm-1Cnm= Cnn-m第二十二页,讲稿共五十一页哦排列组合组合数学基础排列组合分析原理江凡问题求解选讲August 10, 2016 加法原理 如果完成一件事情有n种方式A1,An,每种方式中又有mi种方法(1in),且Ai Aj= ,则要完成此事共有 ,即n1iimN12nNmmm 乘法原理 如果完成一件事情要分几个步骤B1 ,B2 , ,Bn ,而每个步骤Bi有m
19、i种方法(1in) ,那么完成这事共有 ,即n1iimN12nNmmm第二十三页,讲稿共五十一页哦7名学生站成一排,甲、乙必须站在一起有多少不同排法?( )7名学生站成一排,甲乙互不相邻有多少不同排法? ( ) 我们班里有43位同学,从中任抽5人,正、副班长、团支部书记至少有一人在内的抽法有多少种? ( )某班新年联欢会原定的5个节目已排成节目单,开演前又增加了两个新节目.如果将这两个节目插入原节目单中,那么不同插法的种数为( )( ) A42 B30 C20 D12 从黄瓜、白菜、油菜、扁豆4种蔬菜品种中选出3种,分别种在不同土质的三块土地上,其中黄瓜必须种植,不同的种植方法共有( )( )
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