工程与变化 · 方法讲解

牛吃草模型

先从两种方案求增长,再用净消耗处理原有量与分段剩余量。

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01

牛少了,为什么吃草天数不成反比?

同一片草地,两次从相同的草量开始。12头牛18天吃完,10头牛30天吃完。草在吃完前均匀生长,每头牛每天的食量相同且恒定。若换成16头牛,几天吃完?若先让12头牛吃6天,再换成10头牛,又需多久?本页把每头牛每天吃的草定义为1份。

第1步 / 共5步:对齐两种方案

12头 × 18天 = 216份;10头 × 30天 = 300份。

总消耗 = 初始草量 + 期间新长草量

两次初始量相同,后一方案多12天。

对应左侧:两方案反推与16头牛预测

216 / 300份

先比较总消耗

多出来的84份草,不是原有草变多,而是后一个方案多生长了12天。

图中份数是统一计量单位;不是牛的数量,也不是草地面积。格子只表示草量,不表示真实草场形状。

02

学习准备:把“边长边吃”写清楚

本页目标

  • 用总量守恒解释为什么不能直接做反比例。
  • 从两种吃完方案反推增长率和初始量。
  • 用同一剩余量衔接分段,并反求后段牛数。
  • 检查净消耗、首次吃完与整数约束。

必要前置

会路程或工作量中的“数量=速度×时间”,会解一元一次方程,能理解差量消元。这里的率是每天变化多少份,不是百分比。时间按连续量处理,答案允许分数天;题目要求整头牛时,牛数必须是整数。

S班是本项目的教学深度编排,包含反推、分段及边界分析;不代表已核实的机构或地方官方课纲。本页例题、练习均为自拟教学题。

03

原理:相同初始量,用差消去

一、先定单位,再列守恒

把1头牛1天吃的草量定义为1份。设初始草量为 G 份,每天新长 g 份,牛数为 n,经过 t 天恰好首次吃完。草一直以每天 g 份的总量增长,每头牛每天吃1份,因此:

G + gt = nt,即 G = (n−g)t

nt 的单位是份,因为它实际上是“n头×1份/(头·天)×t天”。在这个单位体系下 n 与 g 的数值可以相减,但实际相减的是总消耗率与增长率。若每头牛每天吃 c 千克,则原式为 G+gt=nct,净消耗率为 nc−g,不能直接用 n−g 千克/天。

二、两种方案为什么能求出增长率?

两次从同样的 G 开始,草的增长率也同为 g。设 n₁头用t₁天吃完,n₂头用t₂天吃完:

G+gt₁=n₁t₁;G+gt₂=n₂t₂

第二式减第一式,初始量 G 消失:

g = (n₂t₂−n₁t₁) ÷ (t₂−t₁),t₂≠t₁

本题(10×30−12×18)÷(30−18)=84÷12=7。多12天的总消耗差,只能来自多12天新长的草。交换两个方案的顺序时,分子和分母都变号,结果不变;不能只换其中一个。

初始量

G = (n−g)t

用任一种方案求出,再代入另一种方案核查。

新方案用时

t = G ÷ (n−g)

G>0且n>g;即草量必须持续减少。

三、分段先求剩余量,再换净消耗率

第一段用 a 头吃 s 天,第一段结束仍有草,则剩余 R=G−(a−g)s。换成 b 头后,若 b>g,后段再用 u=R÷(b−g) 天。总时间为 s+u。

G = (a−g)s + (b−g)u

若指定总时长 T,且T>s,后段牛数满足 b=g+R÷(T−s)。总量等式仍需配合每段草量不能提前到零这一条件;“吃完”的连续过程在首次归零时结束,不能在负草量上继续计算。

04

完整例题:反推,再接上新方案

例题一 · 从两组观测到新预测

12头18天吃完,10头30天吃完,16头呢?

同一片草地,两次开始的草量相同;吃完前草均匀生长,各牛每天食量相同且恒定。若第三次仍从同样的初始量开始,16头牛几天恰好吃完?

  1. 统一单位:每牛每天吃1份。两次总消耗分别12×18=216份、10×30=300份。
  2. 用差量求增长:后一方案多30−18=12天,多吃300−216=84份,所以g=84÷12=7份/天。
  3. 还原初始量:12头每天净减少12−7=5份,G=5×18=90份。另一方案核查:(10−7)×30=90。
  4. 预测新用时:16头每天净减少16−7=9份,t=90÷9=10天。
  5. 代回守恒:初始90份加10天新长70份,共160份;16头吃10天也吃160份。

若误当作固定总量做反比例,12×18÷16=13.5天会错,因为这两种方案经历的生长时间不同。

例题二 · S班结构变式:指定总时间,反求后段牛数

12头先吃6天,怎样换牛才能第16天恰好吃完?

草地仍满足例题一的全部条件,初始90份,每天新长7份。先让12头牛吃6天;第6天结束立即换成固定数量的牛,要求从开始算总共16天恰好吃完。后段应有多少头牛?

  1. 求第一段剩余:R=90−(12−7)×6=90−30=60份,为正,因此可以按计划换牛。
  2. 区分总时间与后段时间:后段只有16−6=10天,不是16天。
  3. 反求后段净消耗:60÷10=6份/天。后段每天还长7份,故实际每天必须吃6+7=13份,即13头牛。
  4. 核查全过程:12×6+13×10=72+130=202份;90+7×16=202份。第一段持续下降至60份,后段持续下降至0,均未提前吃完。

与左侧“换10头”的演示区别:换10头后净减3份/天,后段用20天,总共26天;本例指定总16天,反求得到13头。两种题目不能混用答案。

05

迁移练习:先判条件,再动笔

练习一 · 换一组数据反推

同一片草地,两次初始草量相同。15头牛20天吃完,12头牛35天吃完;草均匀生长,各牛食量相同且恒定。仍以每牛每天吃的草为1份。求每日增长量、初始草量,以及18头牛从相同初始草量开始的吃完时间。

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  1. 两次总消耗为300份与420份,多15天多吃120份,所以g=120÷15=8份/天。
  2. G=(15−8)×20=140份;核对(12−8)×35=140。
  3. 18头每天净减18−8=10份,t=140÷10=14天。
  4. 核对总量:140+8×14=252,18×14=252,且18>8。

练习二 · 先多后少,分段衔接

草地初始90份,每天均匀新长7份,每牛每天吃1份。先用14头牛吃5天,然后立即换成12头,问还需几天吃完、从开始算共几天?草量首次为0时即停止。

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  1. 第一段每天净减14−7=7份,5天净减35份,剩余R=90−35=55份,没有提前吃完。
  2. 换12头后每天净减5份,后段55÷5=11天。
  3. 总时间5+11=16天。核对14×5+12×11=202份,90+7×16=202份。

答案的11天只指换牛之后;16天才是全过程。

练习三 · “恰好”与整头牛数

沿用例题二,先12头吃6天,但改为要求总共19天恰好吃完。后段保持固定牛数且牛数必须为整数,能否做到?若只要求不晚于第19天,最少几头?

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第一段仍剩60份。后段有13天,所需牛数b=7+60/13=151/13=11又8/13头,不是整数,所以用固定整数头牛不能恰在第19天吃完。若只要求不晚于第19天,11头净减4份/天,需要15天,合计21天,太晚;12头净减5份/天,需要12天,合计18天,符合。因此最少12头。不可把向上取整后的答案描述为恰好19天。

06

边界与反例:公式不是万能的

初始90份,每天新长7份,每牛每天吃1份
牛数草量变化结论
n>7每天减少n−7份有限时间90÷(n−7)吃完
n=7每天变化0份始终90份,不会吃完
n<7每天增加7−n份草越来越多,不会吃完

解题回顾

统一食量单位 → 写两次守恒 → 用差求增长 → 回代求初始量 → 分段算剩余 → 检查净消耗、首次归零与整数约束。用自己的话说明:牛少一点,除了每天少吃,草还有更多时间生长,因此天数可能多出很多。

07

逐章回看

点击章节标题,定位到视频中的对应讲解。

同一片草地,十二头牛十八天吃完,十头牛三十天吃完。两次都从相同草量开始。

把每头牛每天吃的草记为一份。两种方案分别吃掉二百一十六份和三百份。

后一方案多十二天,多吃八十四份。这些差量,恰好是多十二天长出的草。

所以每天新长八十四除以十二,等于七份。比较两次总消耗,是为了消去初始草量。

十二头牛每天吃十二份,同时长七份,草量每天净减少五份。

十八天把原有的草减完,所以初始草量是五乘十八,等于九十份。

若改为十六头牛,每天净减少十六减七,等于九份,九十除以九,十天吃完。

再看分段。先让十二头牛吃六天,净减少三十份,剩下六十份。

然后改为十头牛,每天净减少三份,还需二十天。两段相加,共二十六天。

如果只有七头牛,吃掉与新长一样多,草量不减少,不能算出有限的吃完时间。

这个模型要求同样的初始草量、恒定增长与食量。实际草场不能不经检查,就默认恒定增长。