抽屉原理的基本理论推广及应用

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  一、抽屉原理的基本理论
  
  把5个苹果放到4个抽屉中,必然有一个抽屉中至少有2个苹果,这是抽屉原理的通俗解释。一般地,我们将它表述为:
  第一抽屉原理:把[m×n+1]个物体放入n个抽屉,其中必有一个抽屉中至少有m+1个物体。
  例1:在一个礼堂中有99名学生,如果他们中的每个人都与其中的66人相识,那么可能出现这种情况:他们中的任何4人中都一定有2人不相识(假定相识是互相的)。
  分析:注意到题中的说法“可能出现……”,说明题的结论并非是条件的必然结果,而仅仅是一种可能性,因此只需要设法构造出一种情况使之出现题目中所说的结论即可。
  解:将礼堂中的99人记为K1 、K2、…K99,将99人分为3组:K1…K33,K34…K66,K67…K99 ,将3组学生作为3个抽屉,分别记为A、B、C ,并约定A中的学生所认识的66人只在B、C中,同时B、C中的学生所认识的66人也只在A、C和A、B中。如果出现这种局面,那么题目中所说情况就可能出现。
  因为礼堂中任意4人可看做4个苹果,放入A、B、C三个抽屉中,必有2人在同一抽屉,即必有2人来自同一组,那么他们认识的人只在另2组中,因此他们两人不相识。
  下面我们来考虑另外一种情况:若把5个苹果放到6个抽屉中,则必然有一个抽屉空着。这种情况一般可以表述为:
  第二抽屉原理:把[m×n-1]个物体放入n个抽屉,其中必有一个抽屉中至多有m-1个物体。
  例2:在圆周上放有5个筹码,其中有3个是同色的,那么这3个同色的筹码必有2个相邻。
  分析:将这个问题加以转化:
  如图,将同色的3个筹码A、B、C置于圆周上,看是否能用另外2个筹码将其隔开。
  


  
  解:将同色的3个筹码放置在圆周上,将每2个筹码之间的间隔看做抽屉,将其余2个筹码看做苹果,将2个苹果放入3个抽屉中,则必有1个抽屉中没有苹果,即有2个同色筹码之间没有其它筹码,那么这2个筹码必相邻。
  
  二、制造抽屉是运用原理的一大关键
  
  例3:从2,4,6,…,30这15个偶数中,任取9个数,证明其中一定有两个数之和是34。
  分析与解答:我们用题目中的15个偶数制造8个抽屉。凡是抽屉中有两个数的,都具有一个共同的特点:这两个数的和是34。现从题目中的15个偶数中任取9个数,由抽屉原理(因为抽屉只有8个),必有两个数在同一个抽屉中。由制造的抽屉的特点,这两个数的和是34。
  在有些问题中,“抽屉”和“物体”不是很明显的,需要精心制造“抽屉”和“物体”,如何制造“抽屉”和“物体”可能是很困难的,一方面需要认真地分析题目中的条件和问题,另一方面需要多做一些题积累经验。
  
  三、抽屉原则的应用
  
  抽屉原理的内容简明朴素,易于接受,它在数学问题中有重要的作用,许多有关存在性的证明都可用它来解决。
  例4:幼儿园买来了不少白兔、熊猫、长颈鹿塑料玩具,每个小朋友任意选择两件,那么不管怎样挑选,在任意七个小朋友中总有两个彼此选的玩具都相同,试说明道理。
  解 从三种玩具中挑选两件,搭配方式只能是下面六种:(兔、兔),(兔、熊猫),(兔、长颈鹿),(熊猫、熊猫),(熊猫、长颈鹿),(长颈鹿、长颈鹿)。把每种搭配方式看作一个抽屉,把7个小朋友看作物体,那么根据原理1,至少有2个物体要放进同一个抽屉里,也就是说,至少2人挑选玩具采用同一搭配方式,选的玩具相同。
  上面数例论证的似乎都是“存在”、“总有”、“至少有”的问题,不错,这正是抽屉原则的主要作用。(需要说明的是,运用抽屉原则只是肯定了“存在”、“总有”、“至少有”,却不能确切地指出哪个抽屉里存在多少。)抽屉原理虽然简单,但应用却很广泛,它可以解答很多有趣的问题,其中有些问题还具有相当的难度。下面我们来研究有关的一些问题。
  1、整除问题
  把所有整数按照除以某个自然数m的余数分为m类,叫做m的剩余类或同余类,用[0,1,2, …m]表示。每一个类含有无穷多个数,例如[1]中含有1,m+1,2m+1,3m+1, …。在研究与整除有关的问题时,常用剩余类作为抽屉,根据抽屉原理,可以证明任意n+1个自然数中,总有两个自然数的差是n的倍数。
  例5:证明任取8个自然数,必有两个数的差是7的倍数。
  分析与解答:在与整除有关的问题中有这样的性质,如果两个整数a,b,它们除以自然数m的余数相同,那么它们的差a-b是m的倍数,根据这个性质,本题只需证明这8个自然数中有2个自然数,它们除以7的余数相同。我们可以把所有自然数按被7除所得的7种不同的余数0,1, …,6分成七类.也就是7个抽屉.任取8个自然数,根据抽屉原理1,必有两个数在同一个抽屉中,也就是它们除以7的余数相同,因此这两个数的差一定是7的倍数。
  2、面积问题
  例6:边长为1的正方形中,任意放入9个点,求证这9个点中任取3个点组成的三角形中,至少有一个的面积不超过1/8。
  解:将边长为1的正方形等分成边长为1/2的四个小正方形,视这四个正方形为抽屉,9个点任意放入这四个正方形中,据原理2,必有三点落入同一个正方形内。那么可知:三角形的面积不超过小正方形面积的一半,即不超过1/8。
  3、染色问题
  例7:有5个小朋友,每人都从装有许多黑白围棋子的布袋中任意摸出3枚棋子,请你证明,这5个人中至少有两个小朋友摸出的棋子的颜色的配组是一样的。
  分析与解答:首先要确定3枚棋子的颜色可以有多少种不同的情况,可以有:3黑,2黑1白,1黑2白,3白共4种配组情况,看作4个抽屉,根据抽屉原理,至少有两个小朋友摸出的棋子的颜色在同一个抽屉里,也就是他们所拿棋子的颜色配组是一样的。
  (作者单位:121200辽宁省凌海市职教中心)
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