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01
七个物体,怎样放都逃不开三个?
将7个物体全部放入甲、乙、丙3个不同抽屉,每个物体恰放入一个抽屉,允许空屉。是否必定有一屉至少3个?这里不限制每屉容量,也不要求平均分配。
第1步 / 共4步:先看目标
要避免出现3个,就只能让每屉最多2个。下一步把这份容量装满。
还有7个物体待放。
对应左侧7个物体与3个抽屉
6个
不出现3个时的最大容量
若每屉都最多2个,总共只能装3×2=6个。
此演示走一条最坏容量路径。结论适用于所有分配,依据是右侧的反证,不是因为画出了几种分法。
02
学习准备:从“可能”走到“必然”
学习目标
- 找出物体与抽屉,说明分类为什么覆盖全部对象。
- 用反证和容量上限推出保证数量。
- 用边界构造说明“再少一个就不保证”。
- 把余数、互补配对变成抽屉,推导原题结论。
必要前置
整数除法、带余除法、倍数和简单反证。抽屉可以是盒子、月份、余数类或数对,不一定是真实家具。每个物体必须恰好归入一类,不能漏分或重复计数。
本页“S班”指本项目教学深度,涵盖构造分类与阈值锐性;不代表已经核实的机构课纲。例题与练习均为自拟教学题。
03
原理:先假设所有抽屉都不够多
基本形式与一般形式
抽屉原理(Pigeonhole principle):把超过k个物体放入k个抽屉,至少一屉有2个。若每屉最多1个,总数只能到k,因此超过k时必定突破。
一般地,N是非负整数,k是正整数,N个物体全部放进k个抽屉,至少有一屉不小于N/k向上取整。向上取整记作⌈N/k⌉,表示不小于N/k的最小整数。
N=qk+r,0≤r<k
r=0:保证至少q个;r>0:保证至少q+1个。
若r=0且N>0,假设每屉最多q−1个,总数至多k(q−1)<N,矛盾。若r>0,假设每屉最多q个,总数至多kq<N,同样矛盾。N=0时所有抽屉都为空,保证数为0。
例如17个物体入5屉,17=3×5+2,保证某屉至少4个。不要求先给每屉3个;实际可为(17,0,0,0,0),也可为(4,4,3,3,3)。平均数17/5=3.4不是任何一屉的必然实际数量,向上取整的4是最大屉数量的保证下界。
反向问题:最少要多少个,才能保证某屉至少m个?
这里m为正整数。要避免达到m,每屉至多m−1个,k屉总容量为k(m−1)。所以阈值是:
最少物体数 = k(m−1)+1
少一个时可每屉恰放m−1个,尚无一屉达到m;加一个后不论怎样摆,都超过该总容量。因此同时证明了“足够”和“最少”。m=1时阈值为1,也成立。
04
完整例题:抽屉怎样构造?
例题一 · 余数抽屉
从1到20中任取8个不同整数
证明其中必有两个数,它们的差是7的倍数。这里讨论差,不是和;取大数减小数即可得到正的7的倍数。
- 确定物体:选出的8个整数,每个数算一个物体。
- 构造抽屉:按除以7的余数归类,余数只有0、1、2、3、4、5、6,共7类。余数为0的数也必须包括。
- 保证同类:8>7,至少两个数落入同一余数类。无需事先知道是哪一类、哪两个数。
- 翻译回题意:设两数为a=7u+r、b=7v+r,则a−b=7(u−v)。因为两数不同,差非零;大数减小数是正的7的倍数。
示例1和8同余,8−1=7。示例不是证明的全部;证明只依赖8个物体与7个类别。边界:7个数可选1、2、3、4、5、6、7,余数各不相同,任意非零差都小于7,故8是这一范围内的最少保证数量。
同余不保证和可被7整除:1与8同余,但1+8=9。要研究和,应按互补余数另行构造,不可照搬差的结论。
例题二 · S班结构变式:目标反推抽屉
从1到10中至少选几个不同整数,才能保证两数之和为11?
要求对任何选法都保证成立,并说明最少数量。
- 由目标构造:把1到10分成5个不重叠数对:(1,10)、(2,9)、(3,8)、(4,7)、(5,6)。每对之和恰为11,每个数恰在一对中。
- 数避免成功的容量:若不出现和为11的两数,每一对最多选1个,5对最多选5个。
- 越过阈值:选6个不同数时,至少一对选了2个。因每对只有2个数,这一对的两个成员都被选中,和为11。
- 证明最少:只选5个时可选{1,2,3,4,5},任意两数之和至多9,不存在和为11的一对。因此最少为6个。
为什么不直接按奇偶分两类?同奇偶不能推出和为11;分类必须与要证明的性质相连。为什么强调“不同”?若允许重复选6次1,结论就不成立。
05
迁移练习:先交代抽屉,再说保证
练习一 · 最大保证数量
25名学生按出生月份分成12类。至少有多少名学生出生在同一个月份?能否保证其中4名同月?这里只按月份分类,不计年份。
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学生是25个物体,月份是12个抽屉。若每月最多2人,总共最多24人。25>24,所以保证至少3名同月。
不能保证4名:构造1个月3人、其余11个月各2人,总数3+11×2=25,没有月份达到4人。故3是仅凭人数能给出的最佳保证,不代表真实班级必定有一个月恰好3人。
练习二 · 换一个模数,仍然找差
从1到12中最少选几个不同整数,才能保证其中两数之差是4的倍数?证明充分性与最少性。
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按除以4的余数0、1、2、3分成4屉,选5个数必有两个同余。两数写成4u+r与4v+r,相减为4(u−v),所以5个足够。
4个不一定够:选{1,2,3,4},四种余数各一个,任意两数的正差是1、2或3,不是4的倍数。因此最少为5个。不能因为有12个候选数,就把12当成抽屉数;本题分类依据是余数。
06
易错与回顾:保证到哪一步?
- 平均摆放是边界构造,不是题设。原理适用于任意分配,证明靠“若各屉都不超过上限,总数就不够”。
- 同余只直接推出差整除。要推出和的关系,需检查余数相加,或构造互补数对。
- 抽屉必须覆盖全部对象。余数0不能漏;配对不许把中间某数遗漏或算两遍。
- 存在结论不必定位。只有数量信息时,不能指认某个具体抽屉必定很多。
- “最少”需要反例。先证明阈值足够,再展示少一个时仍可避免目标。
解题链:确定物体 → 围绕目标构造分类 → 假设各屉都未达标 → 算最大容量 → 超过容量推出存在 → 构造临界反例。
再想一步:若不同抽屉允许的上限分别为c₁、c₂、…、cₖ,那么超过c₁+c₂+…+cₖ时,至少有一屉突破它自己的上限。这仍是同一个容量反证;不必强求各屉容量相同。
07
逐章回看
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七个物体放进三个抽屉。不论怎样放,总能保证某个抽屉至少有三个吗?
反过来想:如果每个抽屉最多两个,三个抽屉总共只能放六个。
第七个无论放进哪一屉,都会让某一屉达到三个。这里保证存在,不必事先知道是哪一屉。
一般地,N个物体放入k个抽屉,至少有一屉达到N除以k向上取整。
要保证某屉至少m个,先算每屉最多m减一个时的总容量,再加一个物体。刚好装满还不够。
抽屉不一定是真盒子。从一到二十中任选八个不同整数,按除以七的余数分类。
余数只有零到六,共七类。八个数必有两个落在同一类。图中选出一和八作示例。
同余的两数写成七乘以商,再加同一个余数。相减后余数抵消,差就是七的倍数。
先构造覆盖全部对象的抽屉,再数最坏容量。至少是保证下界,不是恰好,也不是每屉都有。
08
学习与图示说明
图形表示物体数量与分类关系,不表示真实抽屉容量或物体体积。第七个放入哪里可切换;这不表示只能按演示顺序摆放。整数题的演示选数只是一组实例,普遍结论由容量反证和带余除法推导。
本页结论依据正文给出的反证、带余除法及临界构造;没有引用未核实的题库或官方课纲。下载视频 · 下载完整离线包。