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01
先找到13枚,再排除14枚
5×5方格棋盘,每格至多放1枚棋子,共边的两格不能同时放;对角相邻允许。最多能放几枚?试出13枚只说明“至少能放13枚”,还不能排除14枚。
第1步 / 共6步:明确限制
只禁止共边,不禁止对角相邻。目标是证明最大值。
对应左侧完整5×5棋盘
待证明
最优需要两份证据
比较几个方案只是探索。要同时说明:任何合法方案至多多少,以及某个方案确实达到多少。
金色框表示共边两格的配对。绿色圆片表示实际放置的棋子。配对不是额外摆放规则。
02
学习准备与目标
学习目标
- 区分可行方案、上界、下界和实际最值。
- 用分组、平均数、整数限制得到任何方案都满足的界。
- 明确达到界所需的条件,并构造满足全部条件的方案。
- 界达不到时,寻找更强的界,而非直接宣布答案。
必要前置
整数与除法余数,平均数,简单不等式,以及棋盘中共边与对角相邻的区别。会用“任意”“至少”“至多”准确表达结论。
本页S班是项目教学深度编排,属于综合方法;不代表某机构或某学期的官方必学范围。
03
为什么要同时证明界与构造
一、先说清可选方案与目标
可行方案是满足题目全部条件的方案。把每个方案要比较的数量记为 F,例如棋子总数、最大一盒的数量。最大值是可行方案中实际出现的最大 F;最小值是实际出现的最小 F。
证明最大值等于 M
所有方案 F ≤ M
存在合法方案 F = M
上界排除更大者;构造证明该数能达到。只完成一条都不足够。
证明最小值等于 m
所有方案 F ≥ m
存在合法方案 F = m
下界排除更小者;构造证明该数能达到。注意不等号的方向。
二、把复杂限制拆成局部容量
若能把全部对象分成互不重叠、没有遗漏的组,第 i 组的贡献至多 uᵢ,则总贡献至多 u₁+u₂+…+uₖ。证明每组容量时,可以暂时忽略跨组限制:忽略限制只会扩大可选范围,因此仍得到安全上界;但这可能使界不够紧。
棋盘沿蛇形路径编号:第一行从左到右,第二行从右到左,以此交替。依次配(第1格,第2格)、(第3格,第4格),直到(第23格,第24格),第25格单独留下。路径相邻格都共边,因此每对至多放1枚。12对和余格覆盖25格,所以总数≤13。
三、平均数下界与整数修正
N个相同、不可拆分的小球放进k个盒子,令最大盒有 M 个。因为每盒都≤M,所以 N≤kM,故 M≥N/k。如果 M 是整数,还要取不小于 N/k 的最小整数,记作 ⌈N/k⌉(向上取整)。
若 N=qk+r,0≤r<k,令r盒各放q+1个,其余k−r盒各放q个,就达到该下界。r=0时每盒都是q个。若题目还规定每盒非空,必须有N≥k;有容量上限、不同球的重量或其他限制时,须重新核查构造。
04
完整例题:从上界到下界
以下例题、练习及反例均为本页自拟教学题,采用精确整数与分数核算。
例题一 · 用局部容量证明上界
5×5棋盘不共边摆子,最多几枚?
每格至多放1枚,共边的两格不能同时放,对角相邻允许。
- 建立覆盖:按蛇形顺序把前24格分成12对,每对的两格共边,最后一格单独留下。
- 证明上界:每对至多放1枚,余格至多1枚,总数≤12+1=13。
- 构造:从左上角开始隔格放,第一、三、五行各在第1、3、5列放,第二、四行各在第2、4列放,共3+2+3+2+3=13枚。
- 检查合法:行号与列号之和为偶数的格放棋子。横向或纵向跨过一格,和的奇偶性改变,因此任何共边两格不会同时放。每格也只有1枚。
- 合并:任意方案≤13,又有合法方案=13,故最大值13枚。
只说黑格13、白格12并不足以证明“任意方案≤13”,因为合法方案不一定全放在同一种颜色里。这里的严格上界来自相邻配对,染色用于构造与合法性核查。
例题二 · 结构变式:让“最多的一盒”尽量少
53个相同小球分进6个盒子,每盒至少1个
小球不可拆分,各盒容量不限。求最大一盒的数量最少是多少。
- 明确目标:设每次分配最大盒有M个,要求让M尽量小,不是求某一固定盒的最少球数。
- 证明下界:若M≤8,则6盒合计≤6×8=48个,放不下53个。因此所有方案M≥9。等价地,M≥⌈53/6⌉=9。
- 构造:53=6×8+5。先每盒放8个,再给其中5盒各加1个,得到(9,9,9,9,9,8)。
- 核查:总数5×9+8=53,每盒非空,最大盒9个,因此所求最小值是9个。
“平均每盒53/6个”是下界的线索,不能作为实际分配,因为小球不可拆。整数修正与构造必须一起写出。
05
迁移练习
练习一 · 矩形棋盘的迁移
4×6棋盘,每格至多1枚棋子,共边两格不能同时放,对角相邻允许。最多能放几枚?要求写出界和构造。
查看完整解析
上界:每行把第1、2列、第3、4列、第5、6列各配成一对。4行共12对,每对共边,至多放1枚,故总数≤12。
构造:第一、三行放第1、3、5列;第二、四行放第2、4、6列。每行3枚,共4×3=12枚。所有放子格行列和为偶数,共边格奇偶不同,构造合法。因此最大值12枚。
没有余格,所以不能照搬5×5的“12+1”。
练习二 · 最小化最大盒
37个相同、不可拆分的小球放进5个盒子,每盒至少1个,容量不限。最大一盒的数量最少是多少?给出达到方案。
查看完整解析
下界:若每盒至多7个,总数至多5×7=35,不够37。因此最大盒至少8个。
构造:37=5×7+2,分成(8,8,7,7,7),总数2×8+3×7=37,各盒非空,最大盒为8。故所求最小值8个。
37/5只是下界;真正答案需满足整数条件。两个8不是固定在指定盒子里,换盒仍是合法达到方案。
06
边界反例:不能达到,就不能宣布答案
反例一:总重量的平均数下界可能不紧
三件物品各重4千克,整件分进两个盒子,不许拆分,每盒至少一件。要让较重盒尽量轻。总重12千克,平均给出下界6千克,但没有任何盒子能装成6千克:一盒的重量只能是4或8千克。
三件进两盒,至少一盒有两件,否则最多放下两件。于是较重盒至少8千克。构造两件一盒、一件一盒,重量为(8,4),达到8。所以最小值是8千克。没有达到6,说明应加强下界。
反例二:有上界,不一定有最大值
若实数x满足0<x<1,1确实是上界,却不属于允许范围。任取允许的x,数(x+1)/2仍小于1且比x大,所以总能找到更大者;不存在最大值。有限个非空可行方案一定能比较出最值;无限范围还要检查界能否取到。
反例三:改变相邻定义,构造立即失效
5×5棋盘若改成“共边或共顶点都不能同时放”,隔格构造中的(第1行第1列)与(第2行第2列)共顶点,已经不合法。本页13枚结论只适用于禁止共边。条件变化必须重新证明,不能沿用旧构造。
07
易错与回顾
两类证据,各有任务| 不完整的说法 | 缺少什么 |
|---|
| 我摆出了13枚,所以最多13枚 | 还缺对全部合法方案的上界证明。 |
| 证明至多13枚,所以答案13枚 | 还缺达到13枚的合法构造。 |
| 每组放满即可,不管组外 | 跨组约束可能冲突,构造须核查全部条件。 |
| 平均数就是实际最小值 | 整数、不可拆分和其他条件可能使平均数无法达到。 |
四步回顾:明确可行方案与目标 → 推出任何方案都满足的界 → 构造并检查所有限制 → 界与构造相等时宣布最值。若不相等,说明还有工作。
08
逐章回看
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五乘五棋盘,每格至多放一枚棋子,共边的两格不能同时放。最多能放几枚?
先沿蛇形路线经过二十五格,再把相邻的两格配成一组。
得到十二组相邻格,还剩一格。每组至多放一枚,否则就会共边。
所以任何合法方案,都不能超过十二加一,也就是十三枚。这只是上界,还要证明能达到。
现在隔格摆子:第一行放三枚,第二行放两枚,后面交替。
横着没有共边,竖着也错开。对角相邻允许,因此一共放了三加二加三加二加三,十三枚。
任何方案至多十三枚,又确实能放十三枚,所以最大值就是十三。
求最小值时方向相反:先证任何方案都不少于某个数,再构造恰好达到它的方案。