奥林匹克数学的技巧
有固定求解模式的问题不属于奥林匹克数学,一般的状况是,在一般思维规律的指引下,灵活运用数学基本知识去进行摸索与尝试、选择与组合。这当中,常常使用某些措施和原理(如摸索法,构造法,反证法,数学归纳法,以及抽屉原理,极端原预知结论),无穷递降法相联系,核心是找出前号命题与后号命题之间的递推关系。
用递推的措施计数时要抓好三个环节:
(1)设某一过程为数列,求出初始值等,取值的个数由第二步递推的需要决定。
(2)找出与,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:每个数不小于它之前的所有的数或者不不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,则(1)
对,如果排在第位,则它之后的个数完全拟定,只能是…,2,1。而它之前的个数,…,,有种排法,令…,得递推关系。
(2)
由(1),(2)得
例2-133 设是正整数,表达用2×1矩形覆盖的措施数;表达由1和2构成的各项和为的数列的个数;且 ,证明
证明 由的定义,容易得到
又由于,且当时,
类似地可证在时也有,从而和有相似的递推关系和相似的初始条件,因此。
用无穷递降法求解也用到了这一技巧。
2-7-4 辨别
当“数学黑箱”过于复杂时,可以分割为若干个小黑箱逐个破译,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措施——辨别状况或分类,不会对的地分类就谈不上掌握数学。
有时候,也可以把一种问题分阶段排成某些小目的系列,使得一旦证明了前面的状况,便可用来证明背面的状况,称为爬坡式程序。例如,解柯西函数方程就是将整数的状况归结为自然数的状况来解决,再将有理数的状况归结为整数的状况来解决,最后是实数的状况归结为有理数的状况来解决。的解决也体现了爬坡式的推理(例2-47)。
辨别状况不仅分化了问题的难度,并且分类原则自身又附加了一种已知条件,因此,每一类子问题的解决都大大减少了难度。
例2-134 设凸四边形ABCD的面积为1,求证在它的边上(涉及顶点)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个三角形的面积均不小于1/4。
证明 作二级分类
1.当四边形ABCD为平行四边形时,
A,B,C,D即为所求,命题成立。
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,然后分两种状况讨论。
(1)如图2-52,,此时可作△EAB的中位线PQ、QG,则
即A、G、Q、P为所求。
(2)如图2-53,,此时可在CD与CF上分别取P、Q,使。过Q9或P)作QG∥AP交AB于G。为证,连AP交BE于M,过A作AH∥BC交CD延长线于H。有
得
故A、P、Q、G为所求,
这事实上已证明了一种更强的命题:面积为1的凸四边形一定能嵌入一种面积不小于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°,∠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),其他各点染色记号类同。
(1)A(红),B(红),C(蓝)时,由△ABC~△B1BA~△C3B1C~△C3AA3~△A2A3B1~△AA2C2~△C2B2C~△A2AB2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~△A3BB1~△AC3A3~△C2C3B1~△C2B2C~△A2BB2~△AA2C2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,又分两种状况:
(3)1当B1(红)时,由△ABC~△B2B1A~△B2C2C~△AA2C2~△A2BB2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~△C3B1C~△C3AA3~△A3BB1知,若结论不成立,则
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