构造与论证
教学目标
1. 掌握最佳安排和选择方案的组合问题.
2. 利用基本染色去解决相关图论问题.
知识点拨
知识点说明
各种探讨给定要求能否实现,在论证中,有时需进行分类讨论,有时则要着眼于极端情形,或从整体
把握.设计最佳安排和选择方案的组合问题,这里的最佳通常指某个量达到最大或最小.解题时,既要构
造出取得最值的具体实例,又要对此方案的最优性进行论证.论证中的常用手段包括抽屉原则、整除性分
析和不等式估计.
组合证明题,在论证中,有时需进行分类讨论,有时则需要着眼于极端情况,或从整体把握。若干点
及连接它们的一些线段组成图,与此相关的题目称为图论问题。若干点及连接它们的一些线段组成图,与
此相关的题目称为图论问题,这里宜从特殊的点或线着手进行分析.各种以染色为内容,或通过染色求解
的组合问题,基本的染色方式有相间染色与条形染色.
知识点拨
板块一、最佳安排和选择方案
【例 1】 5 卷本百科全书按从第 1 卷到第 5 卷的递增序号排列,今要将它们变为反序排列,即从第 5 卷
到第 1 卷.如果每次只能调换相邻的两卷,那么最少要调换多少次?
【考点】构造与论证
【解析】因为必须是调换相邻的两卷,将第 5 卷调至原来第 1 卷的位置最少需 4 次,得到的顺序为 51234;
【题型】解答
【难度】2 星
现在将第 4 卷调至此时第 1 卷的位置最少需 3 次,得到的顺序为 54123;
现在将第 3 卷调至此时第 1 卷的位置最少需 2 次,得到的顺序为 54312;
最后将第 1 卷和第 2 卷对调即可.
所以,共需调换 4+3+2+1=10 次.
【答案】10 次
【例 2】 在 2009 张卡片上分别写着数字 1、2、3、4、……、2009,现在将卡片的顺序打乱,让空白面
朝上,并在空白面上又分别写上 1、2、3、4、……、2009.然后将每一张卡片正反两个面上的
数字相加,再将这 2009 个和相乘,所得的积能否确定是奇数还是偶数?
【考点】构造与论证
【解析】从整体进行考虑.所得的 2009 个和相加,便等于 1~2009 的所有数的总和的 2 倍,是个偶数.2009
【题型】解答
【难度】3 星
个数的和是偶数,说明这 2009 个数中必有偶数,那么这 2009 个数的乘积是偶数.
本题也可以考虑其中的奇数.由于 1~2009 中有 1005 个奇数,那么正反两面共有 2010 个奇数,
而只有 2009 张卡片,根据抽屉原理,其中必有 2 个奇数在同一张卡片上,那么这张卡片上的数
字的和是偶数,从而所有 2009 个和的乘积也是偶数.
【答案】偶数
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【例 3】 一个盒子里有 400 枚棋子,其中黑色和白色的棋子各 200 枚.下面我们对这些棋子做如下操作:
每次拿出 2 枚棋子,如果颜色相同,就补 1 枚黑色棋子回去;如果颜色不同,就补 1 枚白色的
棋子回去.这样的操作,实际上就是每次都少了 1 枚棋子,那么,经过 399 次操作后,最后剩
下的棋子是
颜色(填“黑”或者“白”).
【难度】3 星
【考点】构造与论证
【解析】在每一次操作中,若拿出的两枚棋子同色,则补黑子 1 枚,所以拿出的白子可能为 0 枚或 2 枚;
若拿出的两枚棋子异色,则补白子 1 枚,“两枚棋子异色”说明其中一黑一白,那么此时拿出的白
子数为 0 枚.可见每次操作中拿出的白子都是偶数枚,而由于起初白子有 200 枚,是偶数枚,所
以每次操作后剩下的白子都是偶数枚,因此最后 1 枚不可能是白子,只能是黑子.
【题型】填空
【答案】黑子
【例 4】 在黑板上写上1 、 2 、3 、 4 、……、 2008 ,按下列规定进行“操怍”:每次擦去其中的任意两个
数 a 和 b ,然后写上它们的差(大数减小数),直到黑板上剩下一个数为止.问黑板上剩下的数是
奇数还是偶数?为什么?
【题型】解答
【考点】构造与论证
【解析】根据等差数列求和公式,可知开始时黑板上所有数的和为1 2 3
【难度】3 星
偶数,而每一次“操作”,将 a 、b 两个数变成了 (
么从整体上看,总和减少了一个偶数,其奇偶性不变,还是一个偶数.
所以每次操作后黑板上剩下的数的和都是偶数,那么最后黑板上剩下一个数时,这个数是个偶数.
是一个
a b ,它们的和减少了 2b ,即减少了一个偶数.那
2008 2009 1004
)
【答案】偶数
【例 5】 在 1997×1997 的正方形棋盘上的每格都装有一盏灯和一个按钮.按钮每按一次,与它同一行和
同一列方格中的灯泡都改变一次状态,即由亮变为不亮,或由不亮变为亮.如果原来每盏灯都
是不亮的,请说明最少需要按多少次按钮才可以使灯全部变亮?
【题型】解答
【考点】构造与论证
【解析】最少要 1997 次,将第一列中的每一格都按一次,则除第一列外,每格的灯都只改变一次状态,
由不亮变成亮.而第一列每格的灯都改变 1997 次状态,由不亮变亮.如果少于 1997 次,则至少
有一列和至少有一行没有被按过,位于这一列和这一行相交处的灯保持原状,即不亮的状态.
【难度】4 星
【答案】1997 次
【例 6】 有 3 堆小石子,每次允许进行如下操作:从每堆中取走同样数目的小石子,或是将其中的某一
石子数是偶数的堆中的一半石子移入另外的一堆.开始时,第一堆有 1989 块石子,第二堆有
989 块石子,第三堆有 89 块石子.问能否做到:
(1)某 2 堆石子全部取光?
(2)3 堆中的所有石子都被取走?
【考点】构造与论证
【解析】 (1)可以,如(1989,989,89) (1900,900,0) (950,900,950) (50,0,50) (25,25,
【题型】解答
【难度】4 星
50) (0,0,25).
(2)因为操作就两种,每堆取走同样数目的小石子,将有偶数堆石子堆中一半移至另一堆,所
以每次操作石子总数要么减少 3 的倍数,要么不变.
现在共有 1989+989+89=3067,不是 3 的倍数,所以不能将 3 堆中所有石子都取走.
【答案】(1)可以
(2)不能
【例 7】 在某市举行的一次乒乓球邀请赛上,有 3 名专业选手与 3 名业余选手参加.比赛采用单循环方式
进行,就是说每两名选手都要比赛一场.为公平起见,用以下方法记分:开赛前每位选手各有
10 分作为底分,每赛一场,胜者加分,负者扣分,每胜专业选手一场加 2 分,每胜业余选手一
场加 1 分;专业选手每负一场扣 2 分,业余选手每负一场扣 1 分.问:一位业余选手最少要胜
几场,才能确保他的得分比某位专业选手高?
【难度】4 星
【考点】构造与论证
【解析】当一位业余选手胜 2 场时,如果只胜了另两位业余选手,那么他得 10+2-3=9(分).此时,如果专
业选手间的比赛均为一胜一负,而专业选手与业余选手比赛全胜,那么每位专业选手的得分都是
10+2-2+3=13(分).所以,一位业余选手胜 2 场,不能确保他的得分比某位专业选手高.
当 一 位 业 余 选 手 胜 3 场 时 , 得 分 最 少 时 是 胜 两 位 业 余 选 手 , 胜 一 位 专 业 选 手 , 得
【题型】解答
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10+2+2-2=12(分).此时,三位专业选手最多共得 30+0+4=34(分),其中专业选手之间的三场比赛
共得 0 分,专业选手与业余选手的比赛最多共得 4 分.由三个人得 34 分,34÷3=11 1
3
有人得分不超过 11 分.
也就是说,一位业余选手胜 3 场,能确保他的得分比某位专业选手高.
,推知,必
【答案】胜 3 场
【例 8】 n 支足球队进行比赛,比赛采用单循环制,即每对均与其他各队比赛一场.现规定胜一场得 2 分,
平一场得 1 分,负一场得 0 分.如果每一队至少胜一场,并且所有各队的积分都不相同,问:
(1)n=4 是否可能?
(2)n=5 是否可能?
【考点】构造与论证
【解析】(1)我们知道 4 个队共进行了 2
【难度】3 星
【题型】解答
4C 场比赛,而每场比赛有 2 分产生,所以 4 个队的得分总和为
2
4C ×2=12.因为每一队至少胜一场,所以得分最低的队至少得 2 分,又要求每个队的得分都不相同,
所以 4 个队得分最少 2+3+4+5=14>12,不满足.即 n=4 不可能。
(2)我们知道 5 个队共进行 2
5C ×2=20.
因为每一队至少胜一场,所以得分最低的队至少得 2 分,又要求每个队的得分都不相同,所以 5
个队得分最少为 2+3+4+5+6=20,满足.即 n=5 有可能.但是我们必须验证是否存在实例.如下所示,
A 得 2 分,C 得 3 分,D 得 4 分,B 得 5 分,E 得 6 分.其中“A B”表示 A、B 比赛时,A 胜 B;
“B--C”表示 B、C 比赛时,B 平 C,余下类推.
5C 场比赛,而每场比赛有 2 分产生,所以 4 个队的得分总和为 2
【答案】(1)不可能
(2)可能
【例 9】 如图 35-1,将 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 这 10 个数分别填入图中的 10 个圆圈内,使任
意连续相邻的 5 个圆圈内的各数之和均不大于某个整数 M.求 M 的最小值并完成你的填图.
【考点】构造与论证
【解析】要使 M 最小,就要尽量平均的填写,因为如果有的连续 5 个圆圈内的数特别小,有的特别大,那
【题型】解答
【难度】3 星
么 M 就只能大于等于特别大的数,不能达到尽量小的目的.
因为每个圆圈内的数都用了 5 次,所以 10 次的和为 5×(1+2+3+…+10)=275.
每次和都小于等于朋,所以 10M 大于等于 275,整数 M 大于 28.
下面来验证 M=28 时是否成立,注意到圆圈内全部数的总和是 55,所以肯定是一边五个的和是 28,
一边是 27.因为数字都不一样,所以和 28 肯定是相间排列,和 27 也是相问排列,也就是说数组
每隔 4 个差值为 1,这样从 1 填起,容易排出适当的填图.
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【答案】
【例 10】如图,在时钟的表盘上任意作 9 个120°的扇形,使得每一个扇形都恰好覆盖 4 个数,且每两个
扇形覆盖的数不全相同,求证:一定可以找到 3 个扇形,恰好覆盖整个表盘上的数.并举一个
反例说明,作 8 个扇形将不能保证上述结论成立.
10
9
8
11
12
1
7
6
5
2
4
3
【难度】3 星
【考点】构造与论证
【关键词】清华附中,入学测试
【解析】略.
【答案】要在表盘上共可作出 12 个不同的扇形,且 1~12 中的每个数恰好被 4 个扇形覆盖.将这 12 个扇
形分为 4 组,使得每一组的 3 个扇形恰好盖住整个表盘.那么,根据抽屉原理,从中选择 9 个扇
形,必有 9
1 3
4
个扇形属于同一组,那么这一组的 3 个扇形可以覆盖整个表盘.
【题型】解答
另一方面,作 8 个扇形相当于从全部的 12 个扇形中去掉 4 个,则可以去掉盖住同一个数的 4 个
扇形,这样这个数就没有被剩下的 8 个扇形盖住,那么这 8 个扇形不能盖住整个表盘
【巩固】 将 1、2、3、4、5、6 写在一个圆周上,然后把圆周上连续三个数之和写下来,则可以得到六个
数 1a 、 2a 、 3a 、 4a 、 5a 、 6a ,将这六个数中最大的记为 A .请问在所有填写方式中, A 的最小
值是什么?
1
4
6
5
3
2
【难度】3 星
【考点】构造与论证
【关键词】2008 年,台湾小学数学竞赛选拔赛
【解析】要由于每个写在圆周上的数都被用了三次,则
3 (1 2 3 4 5 6)
【题型】解答
a
3
a
2
a
1
此 A 至少为 11.由上图的排列方式可知 A 为 11 的情形存在,故 A 的最小值为 11.
,即写出来的这 6 个数的平均数为10.5 ,因
63
a
4
a
6
a
5
【答案】最小值为 11
【例 11】1998 名运动员的号码依次为 1 至 1998 的自然数.现在要从中选出若干名运动员参加仪仗队,
使得剩下的运动员中没有一个人的号码等于另外两人的号码的乘积.那么,选为仪仗队的运动
员最少有多少人?
【难度】3 星
【考点】构造与论证
【解析】我们很自然的想到把用得比较多的乘数去掉,因为它们参与的乘式比较多,把它们去掉有助于使
剩下的构不成乘式,比较小的数肯定是用得最多的,因为它们的倍数最多,所以考虑先把它们去
掉,但关键是除到何处?
考虑到 44 的平方为 1936,所以去到 44 就够了,因为如果剩下的构成了乘式,那么乘式中最小
的数一定小于等于 44,所以可以保证剩下的构不成乘式.因为对结果没有影响,所以可以将 1
【题型】解答
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保留,于是去掉 2,3,4,…,44 这 43 个数.
但是,是不是去掉 43 个数为最小的方法呢?构造 2×97,3×96,4×95,…,44×45,发现这 43 组
数全不相同而且结果都比 1998 小,所以要去掉这些乘式就至少要去掉 43 个数,所以 43 为最小
值,即为所求.
【答案】43
【例 12】一组互不相同的自然数,其中最小的数是 1,最大的数是 25,除 1 之外,这组数中的任一个数
或者等于这组数中某一个数的 2 倍,或者等于这组数中某两个数之和.问:这组数之和的最小值
是多少?当取到最小值时,这组数是怎样构成的?
【难度】3 星
【题型】解答
【考点】构造与论证
【解析】首先把这组数从小到大排列起来,那么最小的肯定为 1,1 后面只能是 1 的 2 倍即 2,2 后面可以
是 3 或 4,3 的后面可以是 4,5,6;4 的后面可以是 5,6,8.最大的为 25.下面将所有的可能
情况列出:
1,2,3,4,…,25 所有的和是 35;
1,2,3,5,…,25 所有的和是 36;
1,2,3,6,…,25 所有的和是 37;
1,2,4,5,…,25 所有的和是 37;
1,2,4,6,…,25 所有的和是 38;
1,2,4,8,…,25 所有的和是 40.
25 是奇数,只能是一个偶数加上一个奇数.在中间省略的数中不能只有 1 个数,所以至少还要
添加两个数,而且这两个数的和不能小于 25,否则就无法得到 25 这个数.要求求出最小值,先
看这两个数的和是 25 的情况,因为省略的两个数不同于前面的数,所以从 20+5 开始.
25=20+5=19+6=18+7=17+8=16+9=15+10=14+11=13+12.
这些数中 20,19,18,17 太大,无法产生,所以看:16+9=15+10=14+11=13+12.
看这些谁能出现和最小的 1,2,3,4,…,25 中,检验发现没有可以满足的:
再看 1,2,3,5,…,25,发现 1,2,3,5,10,15,25 满足,所以:1+2+3+5+10+15+25=36+25=61
【答案】1+2+3+5+10+15+25=36+25=61
【例 13】2004 枚棋子,每次可以取 1、3、4、7 枚,最后取的获胜。甲、乙轮流取,如果甲先取,如何
才能保证赢?
【考点】构造与论证
【解析】先从简单的情况看起,看看棋子数量较少时,在什么情况下先取者胜,什么情况下后取者胜.可
【题型】解答
【难度】3 星
以列表如下:
棋子数量
1 枚
2 枚
3 枚
4 枚
5 枚 ( 3 1 1)
6 枚 ( 4 1 1)
7 枚
8 枚
9 枚 ( 1 8)
10 枚
11 枚 ( 3 8)
12 枚 ( 4 8)
13 枚 ( 3 10)
14 枚 ( 4 10)
15 枚 ( 7 8)
后取者胜
√
√
√
先取者胜
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
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16 枚
17 枚 ( 1 16)
18 枚
19 枚 ( 3 16)
20 枚 ( 4 16)
√
√
√
√
√
棋子数是 1~8 时比较容易看得出来是先取者胜还是后取者胜,可以看出只有棋子数是 2 枚和 8
枚时是后取者胜,其他情况下都是先取者胜.
当棋子数大于 8 时,可以先取若干枚棋子,使得剩下的棋子数变成前面已有的棋子数.先取者为
了取胜,第一次取后,应该使剩下的棋子数是后取者胜的情况,比如变成剩下 2 枚或 8 枚.这样
推下去,可以发现只有当棋子数是 8 的倍数或者除以 8 余 2 时,是后取者胜,其他情况下是先取
者胜.
题目中有 2004 枚棋子,除以 8 余 4,所以先取者肯定可以取胜.不过取胜的策略比较灵活,不能
明确地说每次后取者取多少枚先取者就相应地取多少枚,应该从除以 8 的余数来考虑:
⑴先取者第一次可以先取 4 枚,这样还剩下 2000 枚,2000 除以 8 的余数是 0;
⑵先取者为了保证获胜,在每一次后取者取了之后,先取者再取的时候,应该使得自己取后剩下
的棋子数是 8 的倍数或者除以 8 余 2;
⑶后取者每次可以取 1,3,4,7 枚,每次先取者取后剩下的棋子数除以 8 的余数是 0 或 2,所以
每次后取者取后剩下的棋子数除以 8 的余数是 7,5,4,1 或 1,7,6,3.
所以接下来先取者可以对应地取 7,3,4,1 或 1,7,4,3 枚棋子,这样剩下的剩下的棋子数除
以 8 的余数为 0,2,0,0 或 0,0,2,0.
这样就保证了第⑵点.
⑷每次先取者取后剩下的棋子数除以 8 的余数是 0 或 2,那么最后一枚棋子肯定是先取者取得,
所以先取者获胜.
【答案】见解析
【例 14】在 10×19 方格表的每个方格内,写上 0 或 1,然后算出每行及每列的各数之和.问最多能得到
多少个不同的和数?
【考点】构造与论证
【解析】首先每列的和最少为 0,最多是 10,每行的和最少是 0,最多是 19,所以不同的和最多也就是 0,
【题型】解答
【难度】3 星
1,2,3,4,…,18,19 这 20 个.
下面我们说明如果 0 出现,那么必然有另外一个数字不能出现.
如果 0 出现在行的和中,说明有 1 行全是 0,意味着列的和中至多出现 0 到 9,加上行的和至多
出现 10 个数字,所以少了一种可能.
如果 0 出现在列的和中,说明在行的和中 19 不可能出现,所以 0 出现就意味着另一个数字不能
出现,所以至多是 19,下面给出一种排出方法.
【答案】19
【例 15】在 8×8 的国际象棋盘上最多能够放置多少枚棋子,使得棋盘上每行、每列及每条斜线上都有偶
数枚棋子?
【考点】构造与论证
【解析】因为 8×8 的国际象棋盘上的每行、每列都正好有偶数格,若某行(某列)有空格,必空偶数格.而
斜线上的格子数有奇也有偶,不妨从左上角的斜线看起:第一条斜线只有 1 格,必空;第三条有
【难度】3 星
【题型】解答
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3 格,必至少空 1 格;第五、七条分别有 5、7 格,每条线上至少空 1 格.由对称性易知共有 16
条斜线上有奇数格,且这 16 条斜线没有共用的格子,故至少必空出 16 格.其实,空出两条主对
角线上的 16 个格子就合题意.此时,最多可放置 48 枚棋子,放在除这两条主对角线外的其余格
子中,如下图所示.
【答案】 48
【例 16】在下图中有 16 个黑点,它们排成了一个 4×4 的方阵.用线段连接其中 4 点,就可以画出各种不
同的正方形.现在要去掉某些点,使得其中任意 4 点都不能连成正方形,那么最少要去掉多少
个点?
【考点】构造与论证
【解析】至少要除去 6 个点,如下所示为几种方法:
【难度】3 星
【题型】解答
【答案】 6 个
【例 17】三个边长为 1 的正方形并排放在一起,成为 1×3 的长方形.求证: 1
【考点】构造与论证
【解析】仔细分析,要证 1
【难度】3 星
【题型】解答
3 90
,
2
3 90
2
.
,所以,只需证明 1
由于 3 45
置,与 1 ( 2 )拼合在一起,恰成一个 45 的角呢?于是想到:如图 1 所示,再拼上一个单位
正方形 DFK,则三角形 AKC 为等腰直角三角形,
KCF
所以
45
,又直角三角形 KCF 与 AHD 全等,
45
就可以了!于是想到能否把 2 ( 1 )移动位
. 因此, 1
KCA
KCA
KCF
45
.
2
2
2
1
有了拼合 2 与 1 的思想,学生往往产生不同的拼合方式,沿着拼合全等的思路发散开来,又可
以找到许多拼法. 如图 2 三角形 AHP 是等腰直角三角形,
HAP
,
45
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HAG
2,
BAP
所以 1
1.
2
BAP
HAG
HAP
45
.
如图 3 三角形 AQC 是等腰直角三角形,
ACQ
45
,
QCP
2,
1
2
1
QCP
45
.
如图 4 三角形 WDB 是等腰直角三角形,
WDB
45 ,
CDB
1,
,
WDH
. 所以
2
1
2
CDB
WDH
WDB
45
.
如图 5 三角形 ZAH 是等腰直角三角形,
ZHA
45 ,
ZHY
1,
因此
1
2
ZHY
2
ZHA
45
. 其他的沿着“拼合全等”的思路的证法就不例举了.
如果利用相似三角形的知识,如图 5 所示,又
FH
1,
FA
2,
FC
所以,
2,
FA
FC
1
2
CAB
FH
FA
1
了.再开思路,可用三角法证明如下: 2 与 1 都是小于 45 的锐角,可知 1 + 2 是锐角. 又
. 用相似三角形法不用添设辅助线,简洁明
2
2
, 1
,因此 HFA
, 2
∽ AFC
FAC
,
HFA
AFC
FAC
FHA
CAB
EAB
45
,
2
但
tan 1
DA
DC
,
1
3
tan 2
DA
HD
1
2
.
tan
1
2
tan 1 tan 2
tan 1 tan 2
1
1
1
2
3
1 1
3 2
1
5
6
1
1
6
1
【答案】证明过程见解析
板块二、染色与赋值问题
,所以 1
2
45
.
【例 18】某学校的学生中,没有一个学生读过学校图书馆的所有图书,又知道图书馆内任何两本书都至
少被一个同学都读过.问:能否找到两个学生甲、乙和三本书 4、B、C,使得甲读过 A、B,
没读过 C,乙读过 B、C,没读过 A?说明判断过程.
【难度】3 星
【考点】构造与论证
【解析】略.
【答案】首先从读书数最多的学生中找一人甲.由题设,甲至少有一本书未读过,记为 C.设 B 是甲读过
的书中一本,由题意知,可找到学生乙,乙读过 B、C.由于甲是读书数最多的学生之一,乙读
书数不能超过甲的读书数,而乙读过 C 书,甲未读过 C 书,所以一定可以找出一本书 A,使得甲
读过而乙未读过,否则乙就比甲至少多读过一本书.这样一来,甲读过 A、B,未读过 C;乙读过
B、C 未读过 A.因此可以找到满足要求的两个学生
【题型】解答
【例 19】4 个人聚会,每人各带 2 件礼品,分赠给其余 3 个人中的 2 人.试证明:至少有 2 对人,每对
8-9.构造与论证.题库
教师版
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