经典趣味数学题—分油问题的一般性求解
分油问题是一道非常经典的初等数学趣味题。它有很多种表述版本。例如,版本1:日本分油问题。有一个装满油的8公升容器,另有一个5公升及3公升的空容器各 一个,且三个容器都没有刻度,试将此8公升油分成4公升。.版本2:法国著名数学家泊松年轻时研究过的一道题:某人有12品脱美酒,想把一半赠人,但没有6品脱的容器,而只有一个8品脱和一个5品 脱的容器,问怎样才能把6品脱的酒倒入8品脱的容器中。
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分油问题是一道非常经典的初等数学趣味题。它有很多种表述版本。例如,
版本1:日本分油问题。有一个装满油的8公升容器,另有一个5公升及3公升的空容器各 一个,且三个容器都没有刻度,试将此8公升油分成4公升。.
版本2:法国著名数学家泊松年轻时研究过的一道题:
某人有12品脱美酒,想把一半赠人,但没有6品脱的容器,而只有一个8品脱和一个5品 脱的容器,问怎样才能把6品脱的酒倒入8品脱的容器中。
版本3:我国的韩信分油问题:韩信遇到两个路人争执不下,原因是两人有装满10斤的油 ¨和两个3斤、7斤的空油¨,无法平均分出两份,每份5斤油。韩信是如何解决这个难题的?
版本4:史泰因豪斯在《数学万花筒》中的表述:有装有14千克酒的容器,另外有可装5 千克和9千克酒的容器,要把酒平分,该如何办?
版本5:别莱利曼在《趣味几何学》中表述:一只水桶,可装12杓水,还有两只空桶,容 量分别为9杓和5杓,如何把大水桶的水分成两半?
解决这类问题通常有尝试法、几何坐标法和不定方程法。
这里将详细讨论用不定方程来解这类题的基本思路和步骤拆分。
(一)分析思路
我们注意到这类题有几个共同的特点:
(1)三个容器N!,N2,N按容积由小到大排列,分别为自然数N1,N2,N;得到 的油M是小于N的自然数。
(2)两个较小容器的容积数N1,N2互素的(不是互素的要简单一些)。
(3)由于容器没有刻度,倒油过程中,较小容器总需要倒空或者填满。
(4)小容器倒油的次数X、Y是整数,最后需要得到的油M也是正整数。
(5)在小容器里得到数量较少的油,如容器N1得到小于等于N1的油;容器N2得到大 于N1小于等于N2的油
所以分油的实质是一个求解二元一次不定方程的解的过程。
方程列为
N2·X+N1·Y=M
其中,N=N1+N2,M=(N1+N2)/2,则是平均分油问题,是分油问题的一个 特例。
与一般不定方程有所不同的是,在倒油问题上,这里X和Y取正值,也可取负值。正值表示 倒满某个小容器的次数且首先将此容器倒满,负值表示从满油小容器倒出的次数。
如果方程有多解,需要寻找一个最优解。
X和Y的绝对值越小,表明倒油的次数越少,表明是一个最优解。
有了这个解,就可以用来帮助我们完成分油过程。
中间倒油的过程为了满足某个较小容器倒满或者清空而倒来倒去。
具体如何实现只需要费一点点脑筋。
(二)平均分油实例
(1)日本分油问题的不定方程是:5X+3Y=4 解为:X=2,Y=-2
步 数 8升容器 5升容器 3升容 器
0 8 0 0
1 3 5(+1) 0
2 3 2 3(-1)
3 6 2 0
4 6 0 2
5 1 5(+1) 2
6 1 4 3(-1)
7 4 4 0
7步完成日本分油问题。
(2)我们来解泊松分酒问题。列方程8X+5Y=6
我们得到的解为:X=2,Y=-2,这是一个最优解。
也就是从最大容器倒满8升容器2次,5升容器装满后倒出2次进入最大的容器,就会得到 来两个6升。
步 数 12品脱容器 8品脱容器 5品 脱容器
0 12 0 0
1 4 8(+1) 0
2 4 3 5(-1)
3 9 3 0
4 9 0 3
5 1 8(+1) 3
6 1 6 5(-1)
7 6 6 0
由此,7步解决分油问题。
(3)韩信分油的不定方程是:7X+3Y=5;解为:X=2,Y=-3
步 数 10斤油¨ 7斤油¨ 3斤 油¨
0 12 0 0
1 3 7(+1) 0
2 4 4 3(-1)
3 6 4 0
4 6 1 3(-1)
5 9 1 0
6 9 0 1
7 2 7(+1) 1
8 2 5 3(-1)
9 5 5 0
9步完成韩信分油问题。
(4)史泰因豪斯问题的不定方程为:9X+5Y=7,解为:X=3,Y=-4
步 数 14千克容器 9千克容器 5千 克容器
0 14 0 0
1 5 9(+1) 0
2 5 4 5(-1)
3 10 4 0
4 10 0 4
5 1 9(+1) 4
6 1 8 5(-1)
7 6 8 0
8 6 3 5(-1)
9 11 3 0
10 11 0 3
11 2 9(+1) 3
12 2 7 5(-1)
13 7 7 0
共13步完成分油问题
注意,在大容器等于两小容器且均分的案例中,分油步骤等于X绝对值与Y绝对值之 和的2倍减1。
这可以判断出实际操作中你是否完成了最简的分油步骤。
(5)别莱利曼问题的不定方程为:9X+5Y=6,解为:X=-1,Y=3
步 数 12千克容器 9千克容器 5千 克容器
0 12 0 0
1 7 0 5(+1)
2 0 7 5
3 5 7 0
4 5 2 5(+1)
5 10 2 0
6 10 0 2
7 1 9(-1) 2
8 1 6 5(+1)
9 6 6 0
共9步完成分油问题
(三)分油拓展
二元一次不定方程的解法也比较多,我基本上采用尝试方法。不过尝试的时候也有些基本诀窍。
比如,从系数大的未知数开始取值,根据系数的奇偶性取值,根据倍数关系取值,根据末位数性质取值,这样就会比较快地得到答案。
现在,根据以上不定方程的解和具体的方法,会比较容易地解决分油问题。
要求最终要用较小容器来装较小量值的油,如在日本分油问题中,分出的2升油最后只能有3升容器而不能用5胜容器来装。
例如,我们可以求解出
日本分油问题5X+3Y=1,2,,4,,6,7的所有情形。
泊松问题8X+5Y=1,2,3,4,,6,7,,9,10,11的所有情形。
韩信分油问题7X+3Y=1,2,,4,5,6,8,9的所有情形。
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