华罗庚学校奥林匹克数学课本三年级下册(20220224102901).pdf
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1、第一讲 从数表中找规律 在前面学习了数列找规律的基础上,这一讲将从数表的角度出发,继续研究数列的规律性。例1 下图是按一定的规律排列的数学三角形,请你按规律填上空缺的数字.分析与解答 这个数字三角形的每一行都是等差数列(第一行除外),因此,第5行中的括号内填 20,第6行中的括号内填 24。例2 用数字摆成下面的三角形,请你仔细观察后回答下面的问题:这个三角阵的排列有何规律?根据找出的规律写出三角阵的第6行、第7行。推断第20行的各数之和是多少?分析与解答 首先可以看出,这个三角阵的两边全由1组成;其次,这个三角阵中,第一行由1个数组成,第 2行有两个数第几行就由几个数组成;最后,也是最重要的
2、一点是:三角阵中的每一个数(两边上的数1除外),都等于上一行中与它相邻的两数之和.如:2=1+1,3=2+1,4=3+1,6=33。根据由得出的规律,可以发现,这个三角阵中第6行的数为 1,5,10,10,5,1;第7行的数为 1,6,15,20,15,6,1。要求第 20行的各数之和,我们不妨先来看看开始的几行数。至此,我们可以推断,第 20行各数之和为219。本题中的数表就是著名的杨辉三角,这个数表在组合论中将得到广泛的应用 例3 将自然数中的偶数 2,4,6,8,10按下表排成 5列,问2000出现在哪一列?页码,1/3第一讲 从数表中找规律2010-07-04ada99:10957_S
3、R.HTM分析与解答 方法1:考虑到数表中的数呈 S 形排列,我们不妨把每两行分为一组,每组8个数,则按照组中数字从小到大的顺序,它们所在的列分别为 B、C、D、E、D、C、B、A.因此,我们只要考察 2000是第几组中的第几个数就可以了,因为2000是自然数中的第 1000个偶数,而 10008125,即2000是第125组中的最后一个数,所以,2000位于数表中的第250行的A 列。方法2:仔细观察数表,可以发现:A 列中的数都是 16的倍数,B 列中数除以 16余2或者14,C 列中的数除以 16余4或12,D 列的数除以 16余6或10,E 列中的数除以 16余8.这就是说,数表中数的
4、排列与除以16所得的余数有关,我们只要考察2000除以16所得的余数就可以了,因为200016=125,所以 2000位于A 列。学习的目的不仅仅是为了会做一道题,而是要学会思考问题的方法.一道题做完了,我们还应该仔细思考一下,哪种方法更简洁,题目主要考察的问题是什么这样学习才能举一反三,不断进步。就例 3而言,如果把偶数改为奇数,2000改为 1993,其他条件不变,你能很快得到结果吗?例4 按图所示的顺序数数,问当数到1500时,应数到第几列?1993呢?分析与解答 方法1:同例3的考虑,把数表中的每两行分为一组,则第一组有9个数,其余各组都只有 8个数。(1500-9)81863(199
5、39)8248 所以,1500位于第188组的第3个数,1993位于第249组的最后一个数,即 1500位于第列,1993位于第列。方法2:考虑除以 8所得的余数.第列除以 8余1,第列除以 8余2或是8的倍数,第列除以 8余3或7,第列除以8余4或6,第列除以 8余5;而15008=1874,19938=2491,则1993位于第列,1500位于第列。例5 从1开始的自然数按下图所示的规则排列,并用一个平行四边形框出九个数,能否使这九个数的和等于1993;1143;1989.若能办到,请写出平行四边形框内的最大数和最小数;若不能办到,说明理由.页码,2/3第一讲 从数表中找规律2010-07
6、-04ada99:10957_SR.HTM分析与解答 我们先来看这九个数的和有什么规律.仔细观察,容易发现:12+28220,13+27=2 20,14+26=2 20,19+21 2 20,即:20是框中九个数的平均数.因此,框中九个数的和等于20与9的乘积.事实上,由于数表排列的规律性,对于任意由这样的平行四边形框出的九个数来说,都有这样的规律,即这九个数的和等于平行四边形正中间的数乘以 9。因为1993不是9的倍数,所以不可能找到这样的平行四边形,使其中九个数的和等于1993。11439127,1278157.这就是说,如果 1143是符合条件的九个数的和,则正中间的数一定是127,而1
7、27位于数表中从右边数的第 2列.但从题中的图容易看出,平行四边形正中间的数不能位于第1行,也不能位于从左数的第1列、第2列、第7列和第8列,因此,不可能构成以 127为中心的平行四边形。19899=221,2218=275,即1989是9的倍数,且数 221位于数表中从左起的第 5列,故可以找到九个数之和为1989的平行四边形,如图:其中最大的数是 229,最小的数是 213.页码,3/3第一讲 从数表中找规律2010-07-04ada99:10957_SR.HTM习题一 1.观察下面已给出的数表,并按规律填空:2.下面一张数表里数的排列存在着某种规律,请你找出规律之后,按照规律填空。3.下
8、图是自然数列排成的数表,按照这个规律,1993在哪一列?4.从1开始的自然数如下排列,则第2行中的第 7个数是多少?习题一解答 1.第5行的括号中填 25;第6行的括号中填 37。2.这个数表的规律是:第二行的数等于相应的第三行的数与第一行的数的差的2倍.即:8=2(62),102(105),4=2(97),18=2(2011).因此,括号内填 12。3.1993应排在B 列。4.参看下表:页码,1/2习题一2010-07-04ada99:10958_SR.HTM第2行的第7个数为30.页码,2/2习题一2010-07-04ada99:10958_SR.HTM第二讲 从哥尼斯堡七桥问题谈起 故
9、事发生在 18世纪的哥尼斯堡城.流经那里的一条河中有两个小岛,还有七座桥把这两个小岛与河岸联系起来,那里风景优美,游人众多.在这美丽的地方,人们议论着一个有趣的问题:一个游人怎样才能不重复地一次走遍七座桥,最后又回到出发点呢?对于这个貌似简单的问题,许多人跃跃欲试,但都没有获得成功.直到1836年,瑞士著名的数学家欧拉才证明了这个问题的不可能性。欧拉解决这个问题的方法非常巧妙.他认为:人们关心的只是一次不重复地走遍这七座桥,而并不关心桥的长短和岛的大小,因此,岛和岸都可以看作一个点,而桥则可以看成是连接这些点的一条线.这样,一个实际问题就转化为一个几何图形(如下图)能否一笔画出的问题了.那么,
10、什么叫一笔画?什么样的图可以一笔画出?欧拉又是如何彻底证明七桥问题的不可能性呢?下面,我们就来介绍这一方面的简单知识。数学中,我们把由有限个点和连接这些点的线(线段或弧)所组成的图形叫做图(如图(a);图中的点叫做图的结点;连接两结点的线叫做图的边.如图(b)中,有三个结点:E、F、G,四条边:线段 EG、FG 以及连接 E、F的两段弧.从图(a)、(b)中可以看出,任意两点之间都有一条通路(即可以从其中一点出发,沿着图的边走到另一点,如A 到I的通路为 A H I或A D I),这样的图,我们称为连通图;而下图中(c)的一些结点之间却不存在通路(如 M 与N),像这样的图就不是连通图。所谓图
11、的一笔画,指的就是:从图的一点出发,笔不离纸,遍历每条边恰好一次,即每条边都只画一次,不准重复.从上图中容易看出:能一笔画出的图首先必须是连通图.但是否所有的连通图都可以一笔画出呢?下面,我们就来探求解决这个问题的方法。为了叙述的方便,我们把与奇数条边相连的结点叫做奇点,把与偶数条边相连的点称为偶点.如上图(a)中的八个结点全是奇点,上图(b)中E、F为奇点,G 为偶点。容易知道,上图(b)可以一笔画出,即从奇点E 出发,沿箭头所指方向,经过 F、G、E,最后到达奇点 F;同理,从奇点 F出发也可以一笔画出,最后到达奇点E.而从偶点 G 出发,却不能一笔画出.这是为什么呢?事实上,这并不是偶然
12、现象.假定某个图可以一笔画成,且它的结点X既不是起点,也不是终点,而是中间点,那么X 一定是一个偶点.这是因为无论何时通过一条边到达X,由于不能重复,必须从另一条边离开X.这样与X 连结的边一定成对出现,所以 X 必为偶点,也就是说:奇点在一笔画中只能作为起或终点.由此可以看出,在一个可以一笔画出的图中,奇点的个数最多只有两个。页码,1/4第二讲 从哥尼斯堡七桥问题谈起2010-07-04ada99:10959_SR.HTM在七桥问题的图中有四个奇点,因此,欧拉断言:这个图无法一笔画出,也即游人不可能不重复地一次走遍七座桥.更进一步地,欧拉在解决七桥问题的同时彻底地解决了一笔画的问题,给出了下
13、面的欧拉定理:凡是由偶点组成的连通图,一定可以一笔画成;画时可以任一偶点为起点,最后一定能以这个点为终点画完此图。凡是只有两个奇点(其余均为偶点)的连通图,一定可以一笔画完;画时必须以一个奇点为起点,另一个奇点为终点。其他情况的图,都不能一笔画出。下面我们就来研究一笔画问题的具体应用:例1 观察下面的图形,说明哪些图可以一笔画完,哪些不能,为什么?对于可以一笔画的图形,指明画法.分析与解答(a)图:可以一笔画,因为只有两个奇点A、B;画法为 A 头部翅膀尾部翅膀嘴。(b)图:不能一笔画,因为此图不是连通图。(c)图:不能一笔画,因图中有四个奇点:A、B、C、D。(d)图:可以一笔画,因为只有两
14、个奇点;画法为:A C D A B E FG H IJK B。(e)图:可以一笔画,因为没有奇点;画法可以是:A B C D E FG H IJB D FH JA。(f)图:不能一笔画出,因为图中有八个奇点。注意:在上面能够一笔画出的图中,画法并不是惟一的.事实上,对于有两个奇点的图来说,任一个奇点都可以作为起点,以另一个奇点作为终点;对于没有奇点的图来说,任一个偶点都可以作为起点,最后仍以这点作为终点。例2 下图是国际奥委会的会标,你能一笔把它画出来吗?分析与解答 一个图能否一笔画出,关键取决于这个图中奇点的个数.通过观察可以发现,上图中所有的结点都是偶点,因此,这个图可以一笔画出.画时可以
15、任一结点作为起点。页码,2/4第二讲 从哥尼斯堡七桥问题谈起2010-07-04ada99:10959_SR.HTM例3 下图是某地区所有街道的平面图.甲、乙二人同时分别从 A、B 出发,以相同的速度走遍所有的街道,最后到达C.如果允许两人在遵守规则的条件下可以选择最短路径的话,问两人谁能最先到达C?分析与解答 本题要求二人都必须走遍所有的街道最后到达C,而且两人的速度相同.因此,谁走的路程少,谁便可以先到达C。容易知道,在题目的要求下,每个人所走路程都至少是所有街道路程的总和。仔细观察上图,可以发现图中有两个奇点:A 和C.这就是说,此图可以以 A、C 两点分别作为起点和终点而一笔画成.也就
16、是说,甲可以从 A 出发,不重复地走遍所有的街道,最后到达C;而从B 出发的乙则不行.因此,甲所走的路程正好等于所有街道路程的总和,而乙所走的路程则必定大于这个总和,这样甲先到达C。例4 下图是某展览厅的平面图,它由五个展室组成,任两展室之间都有门相通,整个展览厅还有一个进口和一个出口,问游人能否一次不重复地穿过所有的门,并且从入口进,从出口出?分析与解答 这种应用题,表面看起来不易解决,事实上,只要认真分析,就可以发现:我们并不关心展室的大小以及路程的远近,关心的只是能否一次不重复地走遍所有的门,与七桥问题较为类似.因此,仿照七桥问题的解法,我们可以把每个展室看作一个结点,整个展厅的外部也看
17、作一个点,两室之间有门相通,可以看作两点之间有边相连.这样,展厅的平面图就转化成了我们数学中的图,一个实际问题也就转化为这个图(如下图)能否一笔画成的问题了,即能否从A 出发,一笔画完此图,最后再回到A。上图(b)中,所有的结点都是偶点,因此,一定可以以A 作为起点和终点而一笔画完此图.也即游人可以从入口进,一次不重复地穿过所有的门,最后从出口出来.下面仅给出一种参观路线:A E B C E FC D FA。注意:本题中,必须以 A 分别作为起点和终点.这就要求图中必须没有奇点,否则,若有两个奇点,虽能一笔画出,但与从入口入、出口出(即游人的出发和终止点都在展厅外)有矛盾,其他有多个奇点的情况
18、则根本不可能一笔画出。另外,通过前面的学习,大家已经知道:一个图如果能够一笔画出,则画的方法不止一种,但各种方法大同小异.因此,本书中,一笔画的问题,一般我们只给出一种画法。页码,3/4第二讲 从哥尼斯堡七桥问题谈起2010-07-04ada99:10959_SR.HTM例5 一张纸上画有如下图所示的图,你能否用剪刀一次连续剪下图中的三个正方形和两个三角形?分析与解答 一次连续剪下图中的三个正方形和两个三角形,必须要求剪刀连续剪过图中所有的线.即上述问题实质上是这个图能否一笔画出的问题。显然,图中有两个奇点,因此可以一笔画出,剪刀所走的路线可以是:A B C D E FG E IG H A I
19、C.这样,就能用剪刀一次连续剪下三个正方形和两个三角形。例6 下图是一个公园的平面图.要使游客走遍每条路而不重复,问出入口应设在哪里?分析与解答 本题实际上是这个图以哪两点为起点和终点一笔画出的问题.观察左图,可以发现仅有两个奇点:H 与B 点.因此,出入口应分别设在 H 点与B 点.页码,4/4第二讲 从哥尼斯堡七桥问题谈起2010-07-04ada99:10959_SR.HTM习题二 1.请将图中的小黑点按 1,2,3,4,5的顺序,用线连接起来,看看是什么?2.请一笔画出下列各图.3.判断下列各图能否一笔画出,并说明理由.4.下图是一公园的平面图,要使游客走遍每一条路且不重复,问出入口应
20、设在哪里?5.下图是一个商场的平面图,顾客可以从六个门进出商场(阴影部分为各商品部,空白处为通道),请你设计一种能够一次走遍各通道而又不必走重复路线的进出方法.页码,1/2习题二2010-07-04ada99:10960_SR.HTM习题二解答 1.左图是鹿,右图是青蛙。2.图(1)(2)都可从 A 开始,最后到 B,或从B 开始画,最后到 A.图(3)则可以从眼睛开始,沿线画至点B。3.前面图中,(1)(2)(3)均不能一笔画出,这是因为:图(1)中有四个奇点,图(2)有四个奇点,图(3)有六个奇点。图(4)和图(5)均可一笔画出,这是因为图(4)和图(5)都没有奇点.画时可以从任一点开始。
21、4.出入口应分别设在两个奇点处,即A、B 处。5.可选C、D 分别作为入口和出口.事实上,本题是把每条通道看作是边,通道的交点看作是结点(每个门也作为结点),于是问题就转化为右图能否一笔画出的问题.显然以D、C 分别作为起点和终点可一笔画完此图.如右图,顾客的行进路线可以是:D C O E FA B E D O B C.页码,2/2习题二2010-07-04ada99:10960_SR.HTM第三讲 多笔画及应用问题 上一讲中,我们主要研究了利用奇偶点来判别一笔画,学习了利用一笔画来研究一些简单的实际问题.然而,实际生活中,许多问题的图并不能一笔画出,也就是说,一笔画理论不能直接用来解决这些问
22、题.因此,在一笔画的基础上,我们有必要对这一类的问题作一些深入研究。一、多笔画 我们把不能一笔画成的图,归纳为多笔画.首先,我们来考虑一个不能一笔画成的图,至少用几笔才能画完呢?(为了研究的方便,我们仍然只研究连通图,非连通图可转化为连通图.)下面,我们就用简单熟悉的图来研究这个问题.通过前面的学习我们已经知道:当奇点个数不是0或2时,图不能一笔画出.因此,我们可以猜想;奇点个数是研究多笔画问题的关键。观察下面的图形,并列出奇点的个数与笔画数(至少几笔画完此图)的关系表格。为了表示得清楚一些,我们把图中第一笔画出的部分用实线表示,第二笔画出的部分用虚线表示,第三笔画出的部分用点线表示,其余部分
23、请大家自己画出.奇点个数与笔画数的关系可列表如下:容易看出,笔画数恰等于奇点个数的一半.事实上,对于任意的连通图来说,如果有2n个奇点(n为自然数),那么这个图一定可以用 n笔画成.公式如下:奇点数 2=笔画数,即 2n2=n。细心的同学可能会问:2n是表示一个偶数,但假若有奇数个奇点怎么办?实际上,这种情况不可能出现,连通图中,奇点的个数只能是偶数.想一想,这是为什么呢?例1 观察下面的图,看各至少用几笔画成?页码,1/5第三讲 多笔画及应用问题2010-07-04ada99:10961_SR.HTM分析解答(1)图中有 8个奇结点,因此需用 4笔画成。(2)图中有 12个奇点,需 6笔画成
24、。(3)图是无奇点的连通图,可一笔画成。例2 判断下面的图能否一笔画成;若不能,你能用什么方法把它改成一笔画?分析解答 图中共有 4个奇点,因此,显然无法一笔画成.要想改为一笔画,关键在于减少奇点的数目(把奇点的个数减少到0或2),具体方法有两种:去边.即将多余的两奇点间的边去掉.这种方法只适用于多余的两奇点间有边相连的情况,如对下图就不适用.本题中,可去掉连结奇点 B、C 的边BC。添边.即在多余的两奇点间添上一条边.本题中,可以在奇点 A、C 间添上边 AC.添边的方法适用于任意多笔画的图。改为一笔画时,具体实现的方案很多,如本题中,我们可以通过上述两种方法把奇点个数减少到0。小结:对于有
25、 2n(n为大于1的自然数)个奇点的连通图来说,改为一笔画的方法一般是:在多余的n-1(或n)对奇点间,各添上一条边;如果这n-1对(或n对)奇点间都有边相连,也可以在这n-1(或n)对间各去掉一条边。例3 将下图改为一笔画.页码,2/5第三讲 多笔画及应用问题2010-07-04ada99:10961_SR.HTM分析解答 图(1)中有6个奇点,因此可添上两条(或3条)边后可改为一笔画;又因为这个图中,把这6个奇点任意分为3对后,最多只有两对奇点间有边相连,因此,可去掉两条边后改为一笔画,举例如图(3)(6)。图(2)中有4个奇点,因此,可添上 2条(或1条)边后改为一笔画;又因为把奇点按A
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