初1数学竞赛教程含例题练习及答案⑾ (4)

初一数学竞赛讲座

第11讲染色和赋值

染色方法和赋值方法是解答数学竞赛问题的两种常用的方法。就其本质而言, 染色方法是一种对题目所研究的对象进行分类的一种形象化的方法。而凡是能用染色方法来解的题, 一般地都可以用赋值方法来解, 只需将染成某一种颜色的对象换成赋于其某一数值就行了。赋值方法的适用范围要更广泛一些, 我们可将题目所研究的对象赋于适当的数值, 然后利用这些数值的大小、正负、奇偶以及相互之间运算结果等来进行推证。

一、染色法

将问题中的对象适当进行染色, 有利于我们观察、分析对象之间的关系。像国际象棋的棋盘那样, 我们可以把被研究的对象染上不同的颜色, 许多隐藏的关系会变得明朗, 再通过对染色图形的处理达到对原问题的解决, 这种解题方法称为染色法。常见的染色方式有：点染色、线段染色、小方格染色和对区域染色。

例1用15个“T”字形纸片和1个“田”字形纸片（如下图所示）, 能否覆盖一个8×8的棋盘？

解：如下图, 将 8×8的棋盘染成黑白相间的形状。如果15个“T”字形纸片和1个“田”字形纸片能够覆盖一个8×8的棋盘, 那么它们覆盖住的白格数和黑格数都应该是32个, 但是每个“T”字形纸片只能覆盖1个或3个白格, 而1和3都是奇数, 因此15个“T”字形纸片覆盖的白格数是一个奇数；又每个“田”字形纸片一定覆盖2个白格, 从而15个“T”字形纸片与1个“田”字形纸片所覆盖的白格数是奇数, 这与32是偶数矛盾, 因此, 用它们不能覆盖整个棋盘。

例2如左下图, 把正方体分割成27个相等的小正方体, 在中心的那个小正方体中有一只甲虫, 甲虫能从每个小正方体走到与这个正方体相邻的6个小正方体中的任何一个中去。如果要求甲虫只能走到每个小正方体一次, 那么甲虫能走遍所有的正方体吗？

解：甲虫不能走遍所有的正方体。我们如右上图将正方体分割成27个小正方体, 涂上黑白相间的两种颜色, 使得中心的小正方体染成白色, 再使两个相邻的小正方体染上不同的颜色。显然, 在27个小正方体中, 14个是黑的, 13个是白的。甲虫从中间的白色小正方体出发, 每走一步, 方格就改变一种颜色。故它走27步, 应该经过14个白色的小正方体、13个黑色的小正方体。因此在27步中至少有一个小正方体, 甲虫进去过两次。由此可见, 如果要求甲虫到每一个小正方体只去一次, 那么甲虫不能走遍所有的小正方体。

例3 8×8的国际象棋棋盘能不能被剪成7个2×2的正方形和9个4×1的长方形？如果可以, 请给出一种剪法；如果不行, 请说明理由。

解：如下图, 对8×8的棋盘染色, 则每一个4×1的长方形能盖住2白2黑小方格, 每一个2×2的正方形能盖住1白3黑或3白1黑小方格。推知7个正方形盖住的黑格总数是一个奇数, 但图中的黑格数为32, 是一个偶数, 故这种剪法是不存在的。

例4在平面上有一个27×27的方格棋盘, 在棋盘的正中间摆好81枚棋子, 它们被摆成一个9×9的正方形。按下面的规则进行游戏：每一枚棋子都可沿水平方向或竖直方向越过相邻的棋子, 放进紧挨着这枚棋子的空格中, 并把越过的这枚棋子取出来。问：是否存在一种走法, 使棋盘上最后恰好剩下一枚棋子？

解：如下图, 将整个棋盘的每一格都分别染上红、白、黑三种颜色, 这种染色方式将棋盘按颜色分成了三个部分。按照游戏规则, 每走一步, 有两部分中的棋子数各减少了一个, 而第三部分的棋子数增加了一个。这表明每走一步, 每个部分的棋子数的奇偶性都要改变。

因为一开始时, 81个棋子摆成一个9×9的正方形, 显然三个部分的棋子数是相同的, 故每走一步, 三部分中的棋子数的奇偶性是一致的。

如果在走了若干步以后, 棋盘上恰好剩下一枚棋子, 则两部分上的棋子数为偶数, 而另一部分的棋子数为奇数, 这种结局是不可能的, 即不存在一种走法, 使棋盘上最后恰好剩下一枚棋子。

例5图1是由数字0, 1交替构成的, 图2是由图1中任选

减1, 如此反复多次形成的。问：图2中的A格上的数字是多少？

解：如左下图所示, 将8×8方格黑白交替地染色。

此题允许右上图所示的6个操作, 这6个操作无论实行在哪个位置上, 白格中的数字之和减去黑格中的数字之和总是常数。所以图1中白格中的数字之和减去黑格中的数字之和, 与图2中白格中的数字之和减去黑格中的数字之和相等, 都等于32, 由（31＋A）-32=32, 得出A=33。

例6有一批商品, 每件都是长方体形状, 尺寸是1×2×4。现在有一批现成的木箱, 内空尺寸是6×6×6。问：能不能用这些商品将木箱填满？

解：我们用染色法来解决这个问题。先将6×6×6的木箱分成216个小正方体, 这216个小正方体, 可以组成27个棱长为2的正方体。我们将这些棱长为2的正方体按黑白相间涂上颜色（如下图）。

容易计算出, 有14个黑色的, 有13个白色的。现在将商品放入木箱内, 不管怎么放, 每件商品要占据8个棱长为1的小正方体的空间, 而且其中黑、白色的必须各占据4个。现在白色的小正方体共有8×13=104（个）, 再配上104个黑色的小正方体, 一共可以放26件商品, 这时木箱余下的是8个黑色小正方体所占据的空间。这8个黑色的小正方体的体积虽然与一件商品的体积相等, 但是容不下这件商品。因此不能用这些商品刚好填满。

例7 6个人参加一个集会, 每两个人或者互相认识或者互相不认识。证明：存在两个“三人组”, 在每一个“三人组”中的三个人, 或者互相认识, 或者互相不认识（这两个“三人组”可以有公共成员）。

证明：将每个人用一个点表示, 如果两人认识就在相应的两个点之间连一条红色线段, 否则就连一条蓝色线段。本题即是要证明在所得的图中存在两个同色的三角形。

设这六个点为A, B, C, D, E, F。我们先证明存在一个同色的三角形：

考虑由A点引出的五条线段AB, AC, AD, AE, AF, 其中必然有三条被染成了相同的颜色, 不妨设AB, AC, AD同为红色。再考虑△BCD的三边：若其中有一条是红色, 则存在一个红色三角形；若这三条都不是红色, 则存在一个蓝色三角形。

下面再来证明有两个同色三角形：不妨设△ABC的三条边都是红色的。若△DEF也是三边同为红色的, 则显然就有两个同色三角形；若△DEF三边中有一条边为蓝色, 设其为DE, 再考虑DA, DB, DC三条线段：若其中有两条为红色, 则显然有一个红色三角形；若其中有两条是蓝色的, 则设其为DA, DB。此时在EA, EB中若有一边为蓝色, 则存在一个蓝色三角形；而若两边都是红色, 则又存在一个红色三角形。

故不论如何涂色, 总可以找到两个同色的三角形。

二、赋值法

将问题中的某些对象用适当的数表示之后, 再进行运算、推理、解题的方法叫做赋值法。许多组合问题和非传统的数论问题常用此法求解。常见的赋值方式有：对点赋值、对线段赋值、对区域赋值及对其他对象赋值。

例8一群旅游者, 从A村走到B村, 路线如下图所示。怎样走才能在最短时间内到达B村？图中的数字表示走这一段路程需要的时间（单位：分）。

解：我们先把从A村到各村的最短时间标注在各村的旁边, 从左到右, 一一标注, 如下图所示。

由此不难看出, 按图中的粗黑线走就能在最短时间（60分钟）内从A村走到B村。