找次品

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  “找次品”是一类流传广泛的智力题,这类问题既可以用来训练逻辑推理的严谨性,又可以用来训练思维的灵活性。据说,伟大的物理学家爱因斯坦和我国著名的数学家华罗庚,都非常喜欢这类问题,他们认为经常解答这类问题,对于训练一个人的思维能力是特别有帮助的。如果能花些时间试着去解这类题,一定会有所收获。
  在人教版教材《数学·五年级下册》的“数学广角”就安排了这类问题。这类问题最常见的表述如同教材中的例题:
  [问题1]在9个零件里有1个是次品(次品重一些),用天平称,至少称几次就一定能找出次品来?
  解答这道题,对于大多数人来说是比较容易的。
  首先把零件分成三份,每份3个,第一次在天平两边各放一份(3个零件),这时有两种情况:
  (1)两边平衡,就把这6个零件拿开。第二次从剩下的一份中拿2个零件放在天平两边称,如果平衡,剩下的是次品;如果不平衡,重的是次品。
  (2)两边不平衡,就把轻的一边3个零件拿开。第二次从重的一边中拿2个零件放在天平两边一称,如果平衡,剩下的是次品;如果不平衡,重的是次品。
  所以,至少称两次就一定能把次品找出来。
  这类问题的变式很多,教材中的一些习题就是常见的变式,例如第135页的“做一做”。
  [问题2]有10瓶水,其中9瓶质量相同,另有一瓶是盐水,比其他的水略重一些。至少称几次能保证找出这瓶盐水?
  首先同样把10瓶水分成三份,分别是4瓶、4瓶、2瓶。先在天平两边各放4瓶水,这时有两种情况:
  (1)两边平衡,就把这8瓶水拿开。第二次把剩下的2瓶水放在天平两边一称,这时肯定不平衡,重的是盐水。
  (2)两边不平衡,就把轻的一边4瓶水拿开。第二次把重的一边4瓶水放在天平两边(各2瓶)称,这时肯定不平衡,重的一边有那瓶盐水。第三次把重的一边的2瓶水放在天平两边称,这时肯定不平衡,重的是盐水。
  综合(1)、(2),至少称三次才能保证把盐水找出来。
  对于用天平找次品(只含一个比正品重或轻的次品),教材中介绍了所测物品数目与保证能找出次品需测次数的关系:
  这种关系可以表述为:用天平从(3n-1 1)~3n个物品中找次品(只含一个比正品重或轻的次品),保证找出次品需要称的次数是n(n为自然数)。
  明白了这种关系,我们就可很快地知道一些找次品问题的结果。
  [问题3]超市运来100袋糖果,已知其中99袋质量相同,另1袋质量不足,轻一些。用天平至少要称几次才能保证找出这袋糖果来?
  有了上面的关系,其结果是显而易见的:因为34<100<35,所以至少要称5次才能保证找出这袋糖果。(至于这5次是怎么称的,读者自己去想想吧!)
  有了上述的这种关系,好像问题圆满地解决了。然而,有些找次品的问题,是不能机械地套用公式的。
  [问题4]在258只外形和大小一样的球中,有一只重量不合格的次品球。如果使用天平把这个次品球找出来,最少要称几次?
  面对这个问题,你可能首先注意的是258这个数,考虑到34<258<35,利用上述关系,于是认为答案就是5次。
  其实,答案5次是不对的。为什么这样说呢?让我们来充分地分析一下题意:本题要求使用最少的次数,把混在258只球中的某只在重量上有问题的次品球找出来。题中只要求“最少的次数”,并没要求“保证找出来”,而只是要求“可能找出来”就行了。
  在正确理解题意的基础上,较好的解题思路应该用“倒推法”:
  “最少的次数”是几次?能不能只称1次就把次品球找出来?这是根本不可能的。因为不知道这个次品球比合格的球重还是轻。所以,即使“运气”极好,随便抓两只球放在天平的两端,凑巧出现不平衡,但还是不能确定两只球中到底哪一只是次品。
  “最少的次数”是2次,可能吗?这是可能的。如果“运气”极好,随便抓两只球(例如A、B两球),放在天平的两边,凑巧出现不平衡。于是,可以断定次品球必然在A和B这两只球中,而其余的256只球都是合格的。然后,从256只合格的球中任取一只放在天平的一边,从A、B中任取一只(例如A)放在天平的另一边称。这时,会出现两种可能情况:天平平衡,则说明B是次品;天平不平衡,则说明A是次品。
  称1次不可能找出那只次品球,称2次就有可能找出来。因此,“最少的次数”是2次。唯有2次这个答案才完全符合题意。
  [问题5]在259只外形和大小一样的球中,有一只重量不合格的次品球。如果使用天平把这个次品球找出来,最少要称几次?
  读完问题4的分析解答后,一定可以理解:球的只数是258只,或者是200只、300只、400只、500只……都无关紧要。其实,只要球的只数是大于2的偶数,都不会改变问题的本质。
  现在的球是259只,情况就不一样了,259是个奇数。如果不排除偶然性,那么,从大于1的任何奇数只球中找出唯一的那只次品球的最少次数是1次。
  为什么?先把259分成A、B、C三组,A组、B组各129只,C组1只。把A、B两组分别放在天平两边。因为不排除偶然性,这时的天平就有可能平衡。如果天平碰巧平衡,就可以推出C组的那只就是次品球了。
  所以,在n(n>2)只外形和大小一样的球中,用天平称出那只重量不合格次品球,要称的次数最少是:1(n为奇数)或2(n为偶数)。
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