b7克数学的技巧(上).pdf

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1、知识改变命运百度提升自我 本文为自本人珍藏版权所有仅供参考 奥林匹克数学的技巧（上篇） 有固定求解模式的问题不属于奥林匹克数学，通常的情况是，在一般思维规律的指导下，灵活 运用数学基础知识去进行探索与尝试、选择与组合。这当中，经常使用一些方法和原理（如探索法， 构造法，反证法，数学归纳法，以及抽屉原理，极端原理，容斥原理, ），同时，也积累了一批生 气勃勃、饶有趣味的奥林匹克技巧。在2-1 曾经说过：“竞赛的技巧不是低层次的一招一式或妙手偶 得的雕虫小技，它既是使用数学技巧的技巧，又是创造数学技巧的技巧，更确切点说，这是一种数 学创造力，一种高思维层次，高智力水平的艺术，一种独立于史诗、音乐、

2、绘画的数学美。” 奥林匹克技巧是竞赛数学中一个生动而又活跃的组成部分。 2-7-1 构造 它的基本形式是：以已知条件为原料、以所求结论为方向，构造出一种新的数学形式，使得问 题在这种形式下简捷解决。常见的有构造图形，构造方程，构造恒等式，构造函数，构造反例，构 造抽屉，构造算法等。 例 2-127 一位棋手参加11 周（ 77 天）的集训，每天至少下一盘棋，每周至多下12 盘棋，证 明这棋手必在连续几天内恰好下了21 盘棋。 证明：用 n a表示这位棋手在第1 天至第n天 （包括第n天在内） 所下的总盘数 （1,2,77n） ， 依题意 1277 112 11132aaa 考虑 154 个数：

3、 12771277 ,21,21,21a aaaaa, 又由 77 2113221153154a，即 154 个数中，每一个取值是从1 到 153 的自然数，因 而必有两个数取值相等，由于ij时， ii aa2121 ij aa 故只能是 ,21(771) ij a aij满足21 ij aa 这表明，从1i天到j天共下了21 盘棋。 这个题目构造了一个抽屉原理的解题程序，并具体构造了154 个“苹果”与153 个“抽屉”，其 困难、同时也是精妙之处就在于想到用抽屉原理。 例 2-128 已知, ,x y z为正数且()1xyz xyz求表达式()()xyyz的最最小值。 解：构造一个ABC

4、，其中三边长分别为 axy byz czx ，则其面积为 ( ()()()()1p papbpcxyz xyz 另方面 2 ()()2 sin xyyzab C 故知，当且仅当C=90时，取值得最小值2，亦即 222 ()()()xyyzxz 知识改变命运百度提升自我 ()y xyzxz时，()()xyyz取最小值 2， 如1 ,2 1x zy时，()()2xyyz。 2-7-2 映射 它的基本形式是RMI 原理。 令 R 表示一组原像的关系结构（或原像系统），其中包含着待确定的原像x，令M表示一种映 射，通过它的作用把原像结构R 被映成映象关系结构R* ，其中自然包含着未知原像x的映象*x。

5、 如果有办法把*x确定下来，则通过反演即逆映射 1 IM也就相应地把x确定下来。取对数计算、 换元、引进坐标系、设计数学模型，构造发生函数等都体现了这种原理。 建立对应来解题，也属于这一技巧。 例 2-129 甲乙两队各出7 名队员按事先排好的顺序出场参加围棋擂台赛，双方先由1 号队员比 赛，负者被淘汰，胜者再与负方2 号队员比赛， , 直到有一方队员全被淘汰为止，另一方获得胜利， 形成一种比赛过程，那么所有可能出现的比赛过程的种数为。 解设甲、乙两队的队员按出场顺序分别为A1，A2，, ，A7和 B1，B2，, B7。 如果甲方获胜， 设 i A获胜的场数是 i x，则07 , 17 i x

6、i而且 127 7xxx（ *） 容易证明以下两点：在甲方获生时， （i）不同的比赛过程对应着方程（* ）的不同非负整数解； （ii）方程（ * ）的不同非负整数解对应着不同的比赛过程，例如，解（2，0， 0，1，3，1， 0） 对应的比赛过程为：A1胜 B1和 B2，B3胜 A1，A2和 A3，A4胜 B3后负于 B4，A5胜 B4，B5和 B6但 负于 B7，最后 A6胜 B7结束比赛。 故甲方获胜的不同的比赛过程总数是方程（* ）的非负整数解的个数 7 13 C。 解二建立下面的对应； 集合 127 ,A AA,的任一个7-可重组合对应着一个比赛过程，且这种对应也是一个一一对应。 例如前

7、述的比赛过程对应的7-可重组合是 123456 ,A A AA AA所以甲方获胜的不同的比赛过程的 总数就是集合 127 ,A AA,的 7-可重组合的个数 77 7 7 113 CC。 例 2-130 设( ) n pk表示n个元素中有k个不动点的所有排列的种数。求证 0 ( )! n n k kpkn 证明设 12 , n Sa aa。对S 的每个排列，将它对应向量 12 ( ,) n e ee,，其中每个 0,1 i e，当排列中第i个元素不动时，1 i e，否则为 0。于是( ) n p k中所计数的任一排列所对应 的向量都恰有k个分量为1，所以!n个排列所对应的那些向量中取值为1 的

8、分量的总数为 1 ( ) n n k kpk 。 另一方面， 对于每个i，1in，使得第i个元素不动的排列共有(1)!n个，从而相应的n维 知识改变命运百度提升自我 向量中，有(1)!n个向量的第i个分量为1。所以，所有向量的取值为1 的分量总数(1)!n nn， 从而得到 1 ( )! n n k kpkn 例 2-131 在圆周上给定21(3)nn个点，从中任选n个点染成黑色。 试证一定存在两个黑点， 使得以它们为端点的两条弧之一的内部，恰好含有n个给定的点。 证明若不然，从圆周上任何一个黑点出发，沿任何方向的第1n个点都是白点，因而，对 于每一个黑点，都可得到两个相应的白点。这就定义了一

9、个由所有黑点到白点的对应，因为每个黑 点对应于两个白点，故共有2n个白点（包括重复计数）。又因每个白点至多是两个黑点的对应点， 故至少有n个不同的白点，这与共有21n个点矛盾，故知命题成立。 2-7-3 递推 如果前一件事与后一件事存在确定的关系，那么，就可以从某一（几）个初始条件出发逐步递 推，得到任一时刻的结果，用递推的方法解题，与数学归纳法（但不用预知结论），无穷递降法相联 系，关键是找出前号命题与后号命题之间的递推关系。 用递推的方法计数时要抓好三个环节： （1）设某一过程为数列( )f n，求出初始值(1),(2)ff等，取值的个数由第二步递推的需要决 定。 （2）找出( )f n与

10、(1)f n，(2)f n等之间的递推关系，即建立函数方程。 （3）解函数方程 例 2-132 整数 1，2，, ， n 的排列满足： 每个数大于它之前的所有的数或者小于它之前的所有 的数。试问有多少个这样的排列？ 解通过建立递推关系来计算。设所求的个数为 n a，则 1 1a（1） 对1n，如果n排在第i位，则它之后的ni个数完全确定，只能是,1,ni ni,2，1。 而它之前的1i个数，1,2,nini,1n，有 1i a 种排法，令1,2,i,n得递推关系。 121121111 1(1)2 nnnnnnnn aaaaaaaaaa（ 2） 由（ 1） ， （2）得 1 2 n n a 例

11、2-133 设n是正整数， n A表示用21 矩形覆盖2n的方法数； n B表示由 1 和 2 组成的 各 项 和 为n的 数 列 的 个 数 ； 且 0242 122 13521 12321 ,2, 21 m mmmm n m mmmm CCCCnm C CCCCnm ， 证 明 nnn ABC 证明由, nn A B的定义，容易得到 1112 ,1,2 nnn AAAAA 1112 ,1,2 nnn BBBBB 知识改变命运百度提升自我 又因为 12 1,2CC，且当2nm时， 0242221352113 112212122112 mmm nnmmmmmmmmmmm CCCCCCCCCCC

12、CC 52121 32211 mm mmmn CCCC 类似地可证在21nm时也有 11nnn CCC，从而, nn AB和 n C有相同的递推关系 和相同的初始条件，所以 nnn ABC。 22 329 6 ,IMOIMO 用无穷递降法求解也用到了这一技巧。 2-7-4 区分 当“数学黑箱”过于复杂时，可以分割为若干个小黑箱逐一破译，即把具有共同性质的部分分 为一类，形成数学上很有特色的方法区分情况或分类，不会正确地分类就谈不上掌握数学。 有时候，也可以把一个问题分阶段排成一些小目标系列，使得一旦证明了前面的情况，便可用 来证明后面的情况，称为爬坡式程序。比如，解柯西函数方程就是将整数的情况

13、归结为自然数的情 况来解决，再将有理数的情况归结为整数的情况来解决，最后是实数的情况归结为有理数的情况来 解决。 14 2 IMO 的处理也体现了爬坡式的推理（例2-47） 。 区分情况不仅分化了问题的难度，而且分类标准本身又附加了一个已知条件，所以，每一类子 问题的解决都大大降低了难度。 例 2-134 设凸四边形ABCD 的面积为1， 求证在它的边上 （包括顶点） 或内部可以找出4 个点， 使得以其中任意三点为顶点所构成的4 个三角形的面积均大于1/4。 证明作二级分类 1当四边形ABCD 为平行四边形时， 11 24 ABCABDACDBCD SSSS A，B，C，D 即为所求，命题成立

14、。 2当四边形ABCD 不是平行四边形时，则至少有一组对边不平行，设 AD 与 BC 不平行，且直 线 AD 与直线 BC 相交于 E，又设 D 到 AB 的距离不超过C 到 AB 的距离，过D 作 AB 的平行线交 BC 于 F，然后分两种情况讨论。 （1）如图 2-52， 1 2 DFAB，此时可作EAB 的中位线PQ、 QG，则 111 222 AGQPEABABCD SSS即 A、G、 Q、P 为所求。 （2）如图2-53， 1 2 DFAB，此时可在CD 与 CF 上分别取P、Q，使 1 2 PQAB。过 Q9 或 P）作 QG AP 交 AB 于 G。为证 1 2 APQG S ，

15、连 AP 交 BE 于 M，过 A 作 AH BC 交 CD 延长 线于 H。有 PCMPAHPAD SSS MABPCMABCPPADABCOABCD SSSSSA 知识改变命运百度提升自我 得 111 222 A P Q GM A BA B C D SSS 故 A、P、Q、G 为所求， 这实际上已证明了一个更强的命题：面积为1 的凸四边形一定能嵌入一个面积大于1/2 的平行 四边形。 例 2-135 对内角分别为为30、 60、90的三角形的顶点和各边四等分点共12 个点，染以 红色或蓝色，则必存在同色的三点，以它们为顶点的三角形与原三角形相似。 证明设 ABC 中， C=90， B=60

16、， C=30，点 A1，A2，A3；B1，B2，B3；C1， C2，C3分别是边 AB、 BC、CA 的四等分点，下面作三级分类。 1点 A、B、 C 同色时，结论显然成立。 2点 A、B、 C 异色时，记A 为红色，写作A（红） ，其余各点染色记号类同。 （1）A（红），B （红），C（蓝） 时，由 ABC B1BA C3B1CC3AA3 A2A3B1AA 2C2 C2B2CA2AB2知，若结论不成立，则有 B1（蓝） C3（红） A3（蓝） A2（红） C2（蓝） B2（红） A（蓝）。 这与 A（红）矛盾。 （2）A（红），B（蓝） ，C（红） 时，由 ABC B1AC A3BB1AC3

17、A3C2C3B1C2B2C A2BB2AA 2C2知，若结论不成立，则有 B1（蓝） A3（红） C3（蓝） C2（红） B2（蓝） A2（红） A（蓝）这与A（红）矛盾。 （3）A（红），B（蓝） ，C（蓝）时，又分两种情况： （3）1当 B1（红）时，由 ABC B2B1AB2C2CAA 2C2A2BB2知，若结论不成立，则 有 B2（蓝） C2（红） A2（蓝） B（红）。这与 B（蓝）矛盾。图（2-56） （3）2当 B1（蓝）时，由ABC C3B1CC3AA 3 A3BB1知，若结论不成立，则有 C3（红） A3（蓝） B（红）与 B（蓝）矛盾。 （图 2-57） 2-7-5 染色

18、染色是分类的直观表现，在数学竞赛中有大批以染色面目出现的问题，其特点是知识点少，逻 辑性强，技巧性强；同时，染色作为一种解题手段也在数学竞赛中广泛使用。下面是一些熟知的结 果。 1在（点）二染色的直线上存在相距1 或 2 的同色两点。 2在（点）二染色的直线上存在成等差数列的同色三点。 3在（点）二染色的平面上存在边长为1 或3的单色正三角形（三个顶点同色的三角形）。 4设 T1，T2是两个三角形， T1有一边长1，T2一边长3。若将平面作（点）二染色，则恒可 找到一个全等于T1或 T2的单色三角形。 5在（点）三染色的平面上，必有相距为1 的两点同色。 6在（点）三染色的平面上，必存在一个斜

19、边为1 的直角三角形，它的三个顶点是全同色的或 是全不同色的。 7在（边）染色的六阶完全图中必有单三角形（三边同色）。 8在（边）染色的六阶完全图中至少有两个单色三角形。 例 2-136 有一个 37 棋盘。用黑、白两种颜色去染棋盘上的方格，每个方格只染一种颜色。 证明不论怎样染色，棋盘上的方格组成的矩形中总有这样的矩形，其边与棋盘相应的边平行，而4 个角上的方格颜色相同。 证明称满足条件的矩形为单色矩形。由于棋盘上的37=21 个方格只染两种颜色，必有11 个同色，不妨设同为黑色。现设第i列上有(03) ii dd个黑色方格，一方面，总黑格数为 知识改变命运百度提升自我 7 1 11 i i

20、 xd ；另一方面，在第i列上首尾两端都是黑格的矩形有 1 (1) 2 ii d d个，总计 7777 2222 1111 1111 ()()(7 )14(117 11)3 27147 iiii iiii tddddxx 若题中的结论不成立，则上述t个矩形两两不同，将它们投影到第一列，那么第1 列就存在t 个首尾两端都是黑格的矩形，但第1 列最多有 2 3 3C个这样的矩形，有 1 33 7 t矛盾，故命题成 立。 例 2-137 在边二染色的K5中没有单色三角形的充要条件是它可分解为一红一蓝两个圈，每个 圈恰由 5 条边组成。 证明由图 2-58 可见，充分性是显然的。 考虑必要性， 在 K

21、5中每点恰引出4 条线段，如果从其中某点A1能引出三条同色线段A1A1， A1A3， A1A4， 记为同红， 则考虑 A2A3A4，若当中有红边 ij A A（24ij） ，则存在红色三角形 1ij A A A 是同蓝色三角形，均无与单色三角形矛盾。所以，从每点引出的四条线段中恰有两条红色两条蓝色， 整个图中恰有5 条红边、 5 条蓝边。 现只看红边，它们组成一个每点度数都是2 的偶图，可以构成一个或几个圈，但是每个圈至少 有 3 条边，故 5 条红边只能构成一个圈，同理5 条蓝边也构成一个圈。 例 2-138 求最小正整数n，使在任何n个无理数中， 总有 3 个数， 其中每两数之和都仍为无理

22、 数。 解取 4 个无理数 2,3,2,3，显然不满足要求，故5n。 设, , ,a b c d e是 5 个无理数，视它们为5 个点，若两数之和为有理数，则在相应两点间连一条 红边，否则连一条蓝边。这就得到一个二染色 5 k。只须证图中有蓝色三角形，分两步： （ 1）无红色三角形。若不然，顶点所对应的3 个数中，两两之和均为有理数，不妨设 ,ab bc ca都是有理数，有 1 ()()() 2 aabbcca 但无理数有理数，故 5 k中无红色三角形。 （2）有同色三角形，若不然，由上例知， 5 k中有一个红圈，顶点所对应的5 个数中，两两之 和均为有理数，设,ab bc cd de ea为

23、有理数，则 1 ()()()()() 2 aabbccddeea 但无理数有理数，故 5 k中无 5 条边组成的红圈，从而有同色三角形。 这时，同色三角形必为蓝色三角形，其顶点所对应的3 个无理数，两两之和仍为无理数。 综上所述，最小的正整数n=5 2-7-6 极端 知识改变命运百度提升自我 某些数学问题中所出现的各个元素的地位是不平衡的，其中的某个极端元素或某个元素的极端 状态往往具有优先于其它元素的特殊性质，而这又恰好为解题提供了突破口，从极端元素入手，进 而简捷地解决问题，这就是通常所说的“极端原理”。 使用这一技巧时，常常借用自然数集的最小数原理，并与反正法相结合。 例 2-139 设

24、 S 为平面上的一个有限点集（点数5） ，其中若干点染上红色，其余的点染上蓝 色，设任何3 个及 3 个以上的同色的点不共线。求证存在一个三角形，使得 （1）它的 3 个顶点涂有相同颜色； （2）这三角形至少有一边上不包含另一种颜色的点。 证明对于任意的五点涂上红色蓝色，则必有三点同色，结论（1）成立。 若结论（ 2）不成立，可取顶点同色的三角形中面积最小的一个，因为只有有限个三角形，这是 可以做到的，记为ABC ，由于此三角形的每一边上都有异色点，记为A1，B1， C1，则 A1B1C1 也是同色三角形，且面积小于ABC 的面积，这与ABC 面积的最小性矛盾。故（2）成立。 例 2-140

25、已知实数列 1 n k a 具有下列性质：存在自然数n，满足 12 0 n aaa 及,1,2 n kk aak 求证存在自然数N，使当0,1,2,k时，总有0 NK i iN a 证明构造和式 12 (1,2, jj Saaajn ） 依题设知 121212njjjjjnjjjnj SSaaaSaaaaaa 12 () jnj SaaaS 这表明，和数列的各项中只取有限个不同的值：S1， S2，, ，Sn，其中必有最小数，记作 (1) n Smn，取 N=m+1 ，则 11211 0 NNNkmmmkmkm aaaaaaSS 2-7-7 对称 对称性分析就是将数学的对称美与题目的条件或结论相

26、结合，再凭借知识经验与审美直觉，从 而确定解题的总体思想或入手方向。其实质是美的启示、没的追求在解题过程中成为一股宏观指导 的力量。 著名物理学家杨振宁曾高度评价对称性方法：“当我们默默考虑一下这中间所包含的数学推 理的优美性和它的美丽完整性，并以此对比它的复杂的、深入的物理成果，我们就不能不深深感到 对对称定律的力量的钦佩”。 例 2-141 设 12 , n a aa,为正数，它们的和等于1，试证必有下不等式成立： 2222 112 122311 1 2 nn nnn aaaa aaaaaaaa 知识改变命运百度提升自我 证明设左边为 2222 112 122311 nn nnn aaaa

27、 x aaaaaaaa 出于对称性的考虑，再引进 2222 321 122311 n nnn aaaa y aaaaaaaa 有 22222222 231112 12231 nnn nnni aaaaaaaa xy aaaaaaaa 122311 ()()()()0 nnn aaaaaaaa 又由 22 2 ijij ij aaaa aa 得 222222 23112 12231 11 ()() 22 n n aaaaaa xxy aaaaaa 12231 1 ()()() 4 n aaaaaa 12 11 () 22 n aaa 12 1 n aaa n 时，可取等号。 还可用平均值不等式、柯西不等式直接证明。 例 2-142 在0，1上给定函数 2 yx（图 2-59） ，则t点在什么位置时，面积 12 SS有最大值 和最小值。 解在0，1中作曲线 2 yx关于直线 1 2 x的对称曲线与之相交于P 点，由对称性，可将S2 移至左上角，阴影部分即S1+S2（图 2-60） 。移动 t 点，相当于MN 上下平移，当MN 经过 P点，即 1 2 t时，阴影面积（S1+S2）最小（图 2-61） ；当1t时，阴影面积为最大（图2-62） 。 下文中，例3-2 的处理，是不落俗套进行对称性分析的一个好例子，例3-18 体现了对图形对称 性的洞察。