视频加载失败,请确认assets文件夹完整。下方正文与文字稿仍可独立阅读。
01
64 块中,谁有几面染色?
把一个棱长为4的正方体的六个外表面全部染色,待颜色固定后,沿单位网格切成64个棱长为1的小正方体。分别有多少块恰好3面、2面、1面、0面染色?切开后不再染色。
当前题目:4×4×4,六面先染后切,共64块。
图把每一层平摊为网格。数字是小块原有染色面数;间隙与展开不产生新染色。换题会重置步骤。
4×4×4 的分类结果
3面8块,2面24块,1面24块,0面8块。合计64块。
逐方向判断:位于该方向的端点,就接触一个原外表面。
02
学习准备与适用条件
本页目标
- 解释为什么顶点、棱中部、面内部、立体内部不重不漏。
- 把正方体推广到长方体,并检查总块数和染色小面数。
- 识别一层、两层的退化情形,回到逐面判断。
必要前置
理解正方体有6个面、12条棱、8个顶点;长方体体积为abc、表面积为2(ab+ac+bc)。会用乘法原理数独立选择,会读三方向的网格位置。
S班是本项目的教学深度编排,不代表当地机构的官方课纲。先掌握常规模型,再处理薄层边界。
固定条件:长方体无孔洞,六个外表面全部染色,然后沿相互垂直的单位网格切成相同小正方体。a、b、c表示三个方向的小块层数,均为正整数,原长方体边长分别为a、b、c个单位。
只染部分面、切开后再染、大小不一、内部有孔洞或求连在一起的块组时,都需要重新建模。本页计数的是小方块个数,不是染色小正方形的个数。
03
为什么分类公式成立?
先假设 a、b、c 都至少为3。每个方向有2个端点位置,以及“层数减2”个中间位置。每个端点方向贡献1个染色面,中间方向贡献0个。
用坐标(x,y,z)记录小块,范围分别为1到a、1到b、1到c。比如x=1接触左外面,x=a接触右外面。由于a≥3,两种情况不会发生在同一小块上;y、z方向同理。小块的染色面数,恰好等于它有几个方向选了端点。
六面全染,且a、b、c≥3时,恰好k面染色的块数 Nₖ| 类别 | 选择方式与计数 |
|---|
| 3面:顶点 | N₃=2×2×2=8 |
|---|
| 2面:棱中部 | N₂=4[(a−2)+(b−2)+(c−2)] |
|---|
| 1面:面内部 | N₁=2[(a−2)(b−2)+(a−2)(c−2)+(b−2)(c−2)] |
|---|
| 0面:立体内部 | N₀=(a−2)(b−2)(c−2) |
|---|
把每一项的来源说清楚
- 顶点:三个方向都选端点,每个方向2选1,得到8种唯一坐标。
- 棱中部:先选哪个方向在中间。若x在中间,有(a−2)种选择,另两方向各选一个端点,共4(a−2)块。y、z在中间的两组同理,三组相加。这些组的中间方向不同,互不重叠。
- 面内部:先选哪个方向在端点。若z在端点,有2(a−2)(b−2)块。另两组对应y或x在端点,三组相加。一个小块恰好一个方向在端点,所以只属于一组。
- 内部:三个方向都在中间,乘法得到(a−2)(b−2)(c−2)。
每个小块有唯一坐标,也有唯一的“哪些方向在端点”模式。所有模式按端点方向数分成0、1、2、3四类,所以不重不漏。图帮助观察,坐标分类才是证明。
两个独立的检查
N₀+N₁+N₂+N₃=abc
N₁+2N₂+3N₃=2(ab+ac+bc)
第一式数小方块:每块只出现一次。第二式数原来染色的单位小面:k面染色的每块贡献k个小面;从大长方体外部数,恰好是表面积。第二式不是小方块总数。若存在4面、5面、6面类,要把4N₄、5N₅、6N₆也加进去。
04
两道完整例题
例题一|4×4×4,恰好与至少
棱长4的正方体六个外表面全染色,再切成单位小正方体。分别求恰好0、1、2、3面染色,以及至少2面染色的小块个数。
- 每方向4层,满足至少3层。中间位置有4−2=2个。
- 3面:8块。2面:12×2=24块。1面:6×2²=24块。0面:2³=8块。
- 至少2面包括恰好2面和恰好3面,共24+8=32块,不能只算棱中部。
- 块数检查:8+24+24+8=64=4³。染色小面检查:24+2×24+3×8=96=6×4²。
答案:恰好0、1、2、3面的块数依次为8、24、24、8;至少2面为32块。
例题二|3×4×5,棱长不全相等
长、宽、高分别为3、4、5个单位的长方体,六个外表面全部染色,再沿单位网格切成60个单位小正方体。分别求各类块数。
- 三方向中间层数分别为1、2、3,都可用常规分类。
- 3面:8块。2面:4×(1+2+3)=24块。不能把12条棱都视为同长。
- 1面:2×(1×2+1×3+2×3)=22块。0面:1×2×3=6块。
- 总数:8+24+22+6=60。染色小面:3×8+2×24+22=94,等于2×(3×4+3×5+4×5)=94。
答案:恰好0、1、2、3面的块数依次为6、22、24、8。
05
薄层边界:先判断面,再谈分类
只有一层:3×4×1
把3×4×1长方体六面全染后切成12块。厚度方向只有一个位置,它同时位于最下和最上,所以单是厚度方向就贡献2个染色面。平面四角再各接触两个侧面,故为4面染色,共4块。平面边缘非角有2(3−2)+2(4−2)=6块,每块3面染色。平面内部(3−2)(4−2)=2块,每块2面染色。
因此恰好2、3、4面分别为2、6、4块;总数12,染色小面2×2+3×6+4×4=38=2×(12+3+4)。若机械套N₀=(3−2)(4−2)(1−2),竟得到−2,直接违反块数非负。
只有两层:3×4×2
两层彼此不同,但都在外侧,各贡献1个厚度方向染色面,没有厚度中间层。每层四角为3面:2×4=8块;每层边缘非角为2面:2×[2(3−2)+2(4−2)]=12块;每层平面内部为1面:2×(3−2)(4−2)=4块;0面为0块。
两层时,常规四类代数式恰好仍可得到正确结果,因为“中间位置数”变成0,但必须先解释为什么。不能声称此时仍有立体内部,也不能把两层当成一层去数两个相对面。
通用的逐方向法
对某方向:层数n≥2时,端点位置各贡献1面,中间贡献0面;n=1时,唯一位置贡献2面。把三个方向贡献相加,就得到每块的面数。这也处理1×1×1:只有1块,它有6面染色。多个方向仅一层时,可能出现5面或6面类,四类表格不再完整。
06
迁移练习
练习一|5×5×5
棱长5的正方体六面先染色,再切成125个单位小正方体。求恰好0、1、2、3面及至少2面染色的块数,并做两种检查。
查看完整解析
中间层数5−2=3。N₀=3³=27,N₁=6×3²=54,N₂=12×3=36,N₃=8。至少2面为36+8=44块。块数和27+54+36+8=125。染色小面54+2×36+3×8=150=6×5²。
练习二|3×4×2中的“至少”
3×4×2长方体六面全染色,再切成单位小正方体。至少2面染色的有多少块?是否存在0面染色块?
查看完整解析
两层各贡献一个厚度外面。每层平面四角有3面,共8块;每层边缘非角有2面,共12块;每层平面内部有1面,共4块。所以至少2面为8+12=20块,0面为0块。块数和24=3×4×2;染色小面3×8+2×12+4=52=2×(12+6+8)。
07
易错与回顾
- 先染后切:新切出来的内部面没有颜色。切完再染是另一道题。
- 恰好与至少:至少2面要把3面以及可能的4至6面类别都纳入。
- 长方体的12条棱不全同长:按三个方向各4条分类。
- 块数和面数不能混用:一块角块只算1块,但贡献3个染色小面;薄层可能更多。
- 一层是关键反例:两个相对外面可以落在同一小块上。坐标条件要分别判断,不能合并成“任一端点就只加1”。
解题顺序:确认染色与切割条件 → 写三方向层数 → 检查是否有一层/两层 → 逐方向确定分类 → 求恰好或至少 → 用体积和表面积复核。
08
逐章回看
文字稿默认可读。点击标题定位到对应讲解,时间依据实际旁白。
一个4乘4乘4的正方体,六个外表面全染色,再切成64个单位小方块。按每块染色面数分类。
每个方向都选端点,三个方向各有两个选择,所以三面染色的角块有八个。
两面染色在棱中部,不含顶点。十二条棱,每条有四减二个,共二十四块。
一面染色在各面内部。每面排成二乘二,六个面,共二十四块。
三个方向都去掉两端,内部是二乘二乘二,共八块。四类相加,恰好六十四。
改成三乘四乘五,仍先六面染色。棱中部按三个方向分组,四乘以一、二、三的和,共二十四块。
三乘四乘一只有一层。上下两个相对面都染色,四个角块各有四面染色,不能照搬三面角块的结论。
三乘四乘二没有中间层。逐方向判断,三面八块,两面十二块,一面四块,没有零面小块。
最后检查两件事:各类块数之和等于总体积,各类染色面数之和等于原物体表面积。