抽屉原则及其应用

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  摘 要:抽屉原则的直观解释是:物品多,抽屉少,则至少有两个物品要聚放在同一个抽屉里。抽屉原则本身很简单,可是这样简单的原则在初等数学乃至高等数学中,应用之广,妙趣横生,令人眼花缭乱。灵活运用抽屉原则,可以顺利解决一些看上去非常复杂甚至觉得无从下手的题目。
  关键词:抽屉原则 不等量 整除性 涂色问题
  抽屉原则:若将n个东西分成m(m  不难用反证法证明这一原则的正确性。
  一、证明几何中的不等量
  解这类题目需要相当灵活的技巧,可合理分割图形,把分割的每一部分看成一个“抽屉”,然后来运用抽屉原则。
  例1.在边长为30米的正方形地内有10个学生,怎样跑动,至少有两名同学之间的距离不大于10 2米?
  证明:将这个正方形分成大小相等的9个小正方形(如图1)。每个小正方形的边长为10 2米,这10名学生在9个小正方形内跑动(相当于10个小球放入小抽屉中),由抽屉原则至少有2名同学在同一个小正方形内,他们之间的距离不大于小正方形对角线的长10 2米。
  例2.在一个面积为S的凸多边形中任取17个点(其中没有三点共线)。证明:至少有三个点所构成的三角形面积不超过 。
  证明:作直线把多边形的面积二等分,由抽屉原则必有一半至少包含9个点,此时一半部分的面积为 。在把这一半的面积二等分,又由抽屉原则,必有一半至少含有5个点,此时一半部分的面积为 。再把至少含有5个点的一半面积二等分,再由抽屉原则,必有一半至少含有三个点,此时的一半面积是原凸多边形的面积的 即 。很明显,这三个点所构成的三角形面积不超过 。
  二、证明整除性问题
  解这类题目时,可根据题目中的条件,把具有某种性质的数或数组进行分类,把每一类看成一个抽屉来运用抽屉原则。
  例3.任意三个整数中至少有两个整数的和能被2整除。
  证明:把整数按被2除所得余数来分类:余数为零的为一类(偶数),余数为1的为另一类(奇数),则必有一类中有二个数。这就是说,必定有两个数是偶数,或有二个数是奇数,不论哪种情况,命题都成立。
  例4.任意四个整数中,至少有两个整数的差能被3整除。
  证明:把全体整数按被3除所得余数的不同来分类,即余数分别为0、1、2之三类。由抽屉原则,任意四个整数中,至少有两个整数在同一类,显然,这两个整数的差能被3整除。
  三、证明涂色问题
  这类问题是以涂色形式出现的,解这类题目并不需要具备更多的特殊的数学知识,但是却需要缜密的思考能力和较强的分析能力。
  例5.如下图,有一个3×7的矩形,由21个小正方形组成,现任选两种颜色涂其中的小正方形,证明不论怎样涂必存在一矩形,使其四角上小正方形颜色相同。
  证明:以1表示第一种颜色,以2表示第二种颜色,则每一列的三格中至少二格涂同一颜色只可能有六种方式:
  (1,1,x),(1,x,1),(x,1,1),(2,2,x),(2,x,2),(x,2,2),(x表示可以是1或2)。
  现有7列,由抽屉原则,故必有两列具有相同的一种方式。取定这两列,从这两列中选取同色的两行,这样便可得到一个矩形,其四个顶角同色。
  参考文献
  [1]严士健《抽屉原则及其应用》.数学通报,1957,1。
  [2]戴再平 数学竞赛中的染色问题《中国数学教学》.1987,3。
  [3]常庚哲 编《抽屉原则及其他》。
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