三年级奥数（下）.doc

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？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（19939）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.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=220，14+26=220，19+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127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.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：第2行的第7个数为30.第二讲 从哥尼斯堡七桥问题谈起故事发生在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，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AHI或ADI），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。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，因为只有两个奇点；画法为：ACDABEFGHIJKB。（e）图：可以一笔画，因为没有奇点；画法可以是：ABCDEFGHIJBDFHJA。（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.画时可以任一结点作为起点。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：AEBCEFCDFA。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。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：ABCDEFGEIGHAIC.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.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.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。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：DCOEFABEDOBC.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？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。（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.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与B，C与D（或A与D，B与C）分为两对后，每对间均有边相连，因此，可去掉两条（或1条）边后改为一笔画.举例如图（7）（8）.说明：图（6）运用了两种方法，去掉边BC，添上边AD与EF.二、应用问题在学习了一笔画与多笔画的理论以后，我们来看看这些理论在实际问题中的应用。例4 下图是某少年宫的平面图，共有五个大厅，相邻两厅之间都有门相通（D与E两厅除外），并且有一个入口和一个出口.问游人能否从入口入，一次不重复地穿过所有的门？如果可以，请指明穿行路线；如果不能，请你想一想，关闭哪扇门后就可以办到？分析解答类似于上一节中的问题，我们把每个厅看作一个结点（室外也看作一个结点），两厅之间有门相通可看作两结点之间有线相连，于是问题转化为图（2）能否一笔画完的问题. 显然，图中有四个奇点：A、B、C、F，不可能一笔画出，即游人不可能一次不重复地穿过所有的门。4个奇点时，只要把连接其中两个奇点的一条边去掉，这个图就只剩下两个奇点，就可以一笔画出，即游人可以用剩下的两个奇点分别作为起点和终点，不重复地穿过所有的门.关掉一扇门实际上就是去掉一条边.因此，我们可以考虑去掉边AC或AB.但是，值得注意的是：游人必须从入口进入，也即结点F必须作为起点，而本题中有4个奇点且只允许去掉一条边，因此F必须是奇点，也即不能去掉与F相连的边。通过上面的分析，我们知道：只要关闭A、C之间的门，或A、B之间的门，游人就可以从入口（边FC或FD或FE）入，一次不重复地穿过所有的门。例5 下图是某个花房的平面图，它由六间展室组成，每相邻两室间有一门相通.请你设计一个出口，使参观者能够从入口处A进去，一次不重复地经过所有的门，最后由出口走出花房。分析解答同上分析，可把每个花室看作一个点（花房外也看作是一个结点），每个门看作是连接两结点的边，于是，上图就转化为右图.设计一个出口，实际上是添一条与结点A相连的边，使新图能够以A为起点和终点一笔画出，也就是说，新图中，所有的点都必须是偶点.观察右图， 发现只有A、F两个奇点，所以，应把边添在A与F之间（如右图），即：把出口开在花室F处。例4与例5都是把多笔画改为一笔画的实际应用。例6 下图中的每条线都表示一条街道，线上的数字表示这条街道的里数.邮递员从邮局出发，要走遍各条街道，最后回到邮局.问：邮递员怎样走，路线最合理？分析解答邮递员走的路程最短时，路线最合理.利用一笔画的知识分析可得：因为邮递员从邮局作为起点和终点，所以没有奇点是最理想的，但实际上图中却有8个奇点，邮递员必须重复走某些路线.根据多笔画改为一笔画的方法得知：重复走的路线的两个端点应为奇点.重复的总路程应该尽可能短。我们把需重复走的路线，用虚线添在图中，通过分析与计算可知；当邮递员所走的路线如右图时，重复的路程最短，全程共走了56460（里）.其中56为所有街道的总长，4为所重复走的路程。本题属于最短邮递路线问题.解决这样的题目时，有两点值得注意：在所给图中，每条边都有具体的长度，这与前面其他问题中不考虑长度是不同的；邮递路线中，邮递员必须以邮局作为起点和终点，即在最后能一笔画出的图中，所有的点都必须是偶点.这也与前面游人可以选择进出口的问题不同。例7 右图是某地区街道的平面图，图上的数字表示那条街道的长度。清晨，洒水车从A出发，要洒遍所有的街道，最后再回到A.问：如何设计洒水路线最合理？分析解答这又是一个最短路线的问题.通过分析可以知道：在洒水路线中，K是中间点，因此必须成为偶点，这样洒水车必须重复走KC这条边（如下左图）.至此，奇点的个数并未减少，仍是6个，但问题却转化为例6的类型.类似于例6，容易得出，洒水车必须重复走的路线有：GF、IJ、BC.即洒水路线如下右图。全程453+6=54（里）.习题三1.下列各图至少要用几笔画完？2.游人在林间小路（如右图）上散步，问能否一次不重复地走遍所有的路后回到出发点？如不能，应选择怎样的路线才能使全程最短，其最短路程是多少？3.一辆清洁车清扫街道，每段街道长1公里，清洁车由A出发，走遍所有的街道再回到A.怎样走路程最短，全程多少公里？4.一个邮递员的投递范围如右图，图上的数字表示各段街道的长度.请你设计一条最短的投递路线，并求出全程是多少？习题三解答1.（1）4笔；（2）4笔；（3）2笔；（4）1笔；（5）1笔；（6）1笔。2.游人不能一次不重复地走遍所有路后返回出发点，他必须至少重复三段路（即三段长为1的小路）才能使全程最短.其最短程为24，如下左图.3.清洁车走的路径为： ABCNPBCDEFMNEFGHOLMHOIJKPLJKA. 即：清洁车必须至少重复走4段1公里的街道，如上右图.最短路线全程为28公里。4.邮递员的投递路线如下图，即：路线为：ABCDEDOBOMNLKLGLNEFGHIMOJIJA. 最短路线的全程为39+9=48.