逻辑、策略与经典模型

最不利原则

先找“还不成功”能撑到的最大数量,验证构造,再加一。

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01

六个可能失败,为什么七个必成功?

袋中红球5个、蓝球4个、绿球3个,共12个。每次摸1个,摸后不放回,不看颜色也不能挑选。分别求保证“某种颜色至少3个”和“红至少3个且蓝至少2个”的最少摸球数。

已摸0个:红0、蓝0、绿0。按下一步观察一种尽量拖延达标的顺序。

对应左侧红5、蓝4、绿3的摸球演示

0个已摸

任一颜色达到3个

当前未达标。要尽量拖延,就先让每种颜色都停在2个。

未达标最多6个;保证数为7个。

这里只演示一种合法最坏顺序。保证性的依据是右侧上限和下文证明,不是动画只试过这一条顺序。

02

学习准备:存在与保证是两种问题

学习目标

  • 把“至少取多少才能保证”翻译成所有合法结果都满足。
  • 写出准确的未达标条件,区分“或”与“且”。
  • 同时给出失败上限与能达到上限的构造,证明答案最小。
  • 处理有限库存、指定颜色与多个条件。

必要前置

会整数加法、比较与简单分类讨论;理解“至少”包含等于,“最多”给出上界。“保证”要求无论合法摸取顺序怎样都成立;不是问概率大不大,也不是问最快何时可能成功。

本题摸3个就可能全红,但不能保证全红;5个红球的库存不代表优先摸到红球。

S班为本项目编排,侧重多条件、容量限制与锐性证明;不声称是当地官方课程。本页题目均为自拟。

03

为什么“最大未达标数 + 1”成立?

把达标目标记为 P。固定有限库存,并要求 P 对继续取物品具有保持性:已经达到“至少几个”,再取不会失去资格。令 M 是所有合法未达标数量组中最大的总数。

  1. 必要性:给出恰好取 M 个仍未达标的合法构造。于是 M 个不能保证。把这条摸取顺序截短,较少数量也不能保证。
  2. 充分性:证明任何未达标结果都至多 M 个。若取了 M+1 个却还未达标,就与这个上限矛盾。
  3. 检查存在:目标必须能实现,且 M+1 不超过总库存。若全部取完仍未达标,不存在保证数,不能写一个摸不出来的答案。

最少保证数 = 最大合法未达标数 M + 1

上界与构造缺一不可。一个随意的失败例子只能说明“取这些还不够”,不能证明已经找到了最大值。

目标是“至少一项成功”

失败就必须所有项都失败。若共有 k 种颜色,第 i 种库存 cᵢ,目标为某色至少 r 个,则每色最多 min(cᵢ,r−1) 个。

M = Σ min(cᵢ, r−1)

cᵢ 为非负整数,r 为正整数;颜色之间无额外约束,且至少一种库存≥r,才能用 M+1。各色同时取到这个上限可实现。

目标是“所有指定项成功”

失败只需至少一项失败。分别让某一项不足,其余颜色尽量全取,再比较各分支的最大值,不能把分支相加。

M = 各失败分支上限的最大值

本页讨论指定颜色的数量下限;不同失败分支可能重叠,但求最大值不要求它们互斥。仍要给出库存内的构造。

04

两道完整例题

例题一|保证某种颜色至少3个

红5个、蓝4个、绿3个,不放回盲摸,至少摸几个才能保证某种颜色至少3个?

  1. 否定目标:没有任何颜色达到3个,即红、蓝、绿都最多2个。
  2. 求上限:未达标总数≤2+2+2=6。三种库存都不少于2,这个上限没有违背库存。
  3. 构造:(红,蓝,绿)=(2,2,2)合法,摸6个仍然没有3个同色。因此6个不足。
  4. 推出保证:摸7个若还失败,总数又必须≤6,矛盾。因此最少7个。这里的7并不保证指定的红色有3个。

例题二|同时保证红至少3个、蓝至少2个

仍是红5、蓝4、绿3,不放回盲摸。至少摸几个,才能保证红球至少3个,而且蓝球至少2个?

  1. 准确否定:失败为“红≤2或蓝≤1”。不能误写成两个条件同时不足。
  2. 红不足分支:红最多2个,蓝绿可以全取,最多2+4+3=9个。构造(2,4,3)合法。
  3. 蓝不足分支:蓝最多1个,红绿可以全取,最多5+1+3=9个。构造(5,1,3)合法。
  4. 合并:只要失败,必落在至少一个分支中,所以最多9个。9个时上述任一构造都失败;10个时两个分支都被排除,最少10个。
  5. 库存检查:总共12个,目标可实现,10个可取。作为核查,取10个时红至少10−(4+3)=3个,蓝至少10−(5+3)=2个。

若把题目改为“红至少3个或蓝至少2个”,失败反而要求红≤2且蓝≤1,绿可取3个,M=2+1+3=6,保证数变成7个。一个连接词能改变整个最坏构造。

05

迁移练习

练习一|库存不足时不能机械乘法

袋中红2个、蓝5个、绿6个,不放回盲摸。至少摸几个,保证某种颜色至少4个?写出未达标最大构造。

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未达标时各色至多3个,但红色只有2个,故 M=2+3+3=8。构造(2,3,3)可实现,8个仍失败;取9个时若每色都不足4个,总数至多8,矛盾。答案9个。直接算3×3+1=10虽然足够,却不是最少;红球永远不可能达到4个,但蓝绿能达到,目标仍可实现。

练习二|两个指定目标同时达到

红6个、蓝5个、绿2个,不放回盲摸。至少摸几个,才能保证红至少4个且蓝至少3个?

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失败是红≤3或蓝≤2。红不足分支最多3+5+2=10,构造(3,5,2)合法;蓝不足分支最多6+2+2=10,构造(6,2,2)合法。最大未达标数为10,故最少11个。取11个时红至少11−(5+2)=4,蓝至少11−(6+2)=3,也可直接验证。库存13个,11个可取。

06

边界、反例与回顾

解题顺序:写目标 → 写失败条件 → 在库存内求最大数 → 构造取到它 → 加一并核查可取。对“至少”目标,证明上限保证正确,构造保证最少。

07

逐章回看

文字稿默认可读。点击标题可定位到视频中的对应讲解。

袋中有红球五个、蓝球四个、绿球三个,不放回摸取。至少摸几个,才能保证某种颜色有三个?

先反过来想:怎样摸得尽量多,却还没有三颗同色球?每种颜色最多摸两个。

红二、蓝二、绿二,一共六个。这种未达标情况真的可以摸到,所以六个还不能保证。

第七个球无论是什么颜色,都会使某种颜色达到三个。未达标最多六个,再加一,答案是七个。

如果目标改成红球至少三个,而且蓝球至少两个,就不能照搬七。失败有两种可能。

第一种,红球最多两个,蓝球和绿球可以全部摸出;第二种,蓝球最多一个,其余也可以全摸出。

两个失败分支,最多都是九个。比如红二、蓝四、绿三,仍然缺少第三个红球。

摸到十个,红球不足或蓝球不足都不可能,因此两个条件同时满足。保证数是十个。

记住:准确写出未达标条件,求最大数量,给出可实现构造,最后再加一。还要检查目标本身能够实现。

08

学习与图示说明

球上的字标明颜色,不只依靠颜色区分。图示表示取出数量,不模拟概率、球的体积或手的运动;三个计数区不表示三只可选择的袋子,实际球在同一袋中盲摸。

本页例题与练习为自拟。数学依据为正文的有限计数证明与独立穷举核查,不借动画代替证明。下载视频 · 下载完整离线包。