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抽屉原理及其应用

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原理2 把多于mn个的物体放到n个抽屉里,则至少有一个抽屉里有m?1个或多于m?1个的物体。

证明(反证法):若每个抽屉至多放进m个物体,那么n个抽屉至多放进mn个物体,与题设不符,故不可能。

2) 第二抽屉原理

把(mn?1)个物体放入n个抽屉中,其中必有一个抽屉中至多有m?1个物体。

证明(反证法):若每个抽屉都有不少于m个物体,则总共至少有mn个物体,与题设矛盾,故不可能。

3) 无限的抽屉原理

设有无穷多个元素分属于n个集合, 则必有一个集合中含有无穷多个元素。 1.2.2抽屉原理的数学表达形式[3]

n定理: 设qi?N(i?1如果把q1?q2???qn?n?1??qi?n?1,2,?,n),

i?1个物品放入n个盒子中,则至少存在一个i(1?i?n),使得第i个盒子中至少放有

qi物品。

证明:若对所有的i(1?i?n),第i个盒子中至多只有qi?1个物品,则n个盒子中至多有:与题设有?qi ?n?1 (q1?1)?(q2?1)??qn?1??qi?n物品,

i?1nn个物品相矛盾,故定理成立。

2抽屉原理的应用

2.1 抽屉的构造

在利用抽屉原理解题时,首先要明确哪些是“球”,哪些是“抽屉”,而这两者通常不会现成存在于题目中,尤其是“抽屉”,往往需要我们用一些巧

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妙地方法去构造。下面举例说明几种常见的抽屉构造法。 2.1.1 以集合构造抽屉[5]

例1. 证明: 在小于 100 的 27 个不同的奇自然数中 ,必定可找到两个数 ,它们的和等于 102 。

分析: 小于 100 的奇数有 1 ,3 ,5 ,?,99 共 50 个数 ,现在要用它做成 26 个抽屉 ,而且至少有一抽屉不少于两个数 ,这两个数之和恰为 102 就解决了。

证明:令A1?{1},A2?{3,99},A3?{5,97]?,A25?{49,53},A26?{51},除 由小于100 的奇数A1,A26外,A2,A3,?,A25每个抽屉均有和为 102 的两个奇数。

中任取 27 个奇数 ,这 27 个奇数必取自A1,A2,?A26这 26 个集合,依抽屉原理 ,至少有 2 个不同的奇数来源于同一抽屉 ,显然这个抽屉只能属于

A2,A3,?A25之一 ,这两个数之和等于 102。 2.1.2分割图形构造抽屉

在一个几何图形内有若干已知点,我们可以根据问题的要求把图形进行适当的分割,用这些分割成的图形作为抽屉,再对已知点进行分类,集中对某一个或几个抽屉进行讨论,使问题得到解决。

例2. 把125本书分给5(2)班学生,如果其中至少有1人分到至少4本书,那么,这个班最多有多少人?

解:这道题一下子不容易理解,我们将它变变形式,用“图形分割法”构造抽屉。题意是把书分给学生,所以学生是抽屉,书是物品。本题可以变为:125件物品放入若干个抽屉,无论怎样做,至少有一个抽屉中放有4件物品,求最多有几个抽屉。这个问题的条件和结论与抽屉原理二正好相反,所以反着用抽屉原理二即可。由125÷(4-1)=41??2知,125件物品放入41个抽屉,至少有一个抽屉有不少于4件物品。也就是说这个班最多有41人。

例3[4] 在边长为2米的正方形内,任意放入13个点.求证:必有4个点,以它们为顶点的四边形的面积不超过1平方米。

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(1) (2)

证明:把边长为2米的正方形分割成面积为1平方米的4个小正方形,如图1.因为13=3×4+1,所以由抽屉原理知,至少有4个点落在同一个面积为1平方米的小正方形内(或边上),以这4个点为顶点的四边形的面积总小于或等于小正方形的面积,即以这4个点为顶点的四边形的面积不超过1平方米。

注:此例是通过分割图形构造抽屉. 将正方形等分成4个矩形来制造抽屉也可以解决本题,如图2。 2.1.3 用状态构造抽屉[5]

例 4 . 设有六点 ,每两点之间都用红色或蓝色线段相连 ,且任三点不共线,求证: 总可以找到三点, 做成以它们为顶点的三角形, 而这三角形三边涂有相同的颜色。

分析: 设已知六点为 A1 、A2 、A3 、A4 、A5 、A5,由于任三点不共线 ,所以任三点均可作为某三角形的三个顶点。

证明:任取一点为A1, 将A1与其余五点相连得线段: A1A2 , A1A3 ,A1A4,

A1A5 , A1A6 ,由于这五条线段涂有红色或蓝色 ,由抽屉原理知 ,得至少有三条涂有同一种颜色。(颜色为抽屉 ,线段为元素) ,不妨设A1A2 , A1A3 ,A1A4 涂有红色 ,这时我们考察△A2A3A4。

(1) 若△A2A3A4中有一条边红色,如A2A3 ,则△A1A2A3为三边同红的三角形;

(2) 若 △A2A3A4 中无一条红色边 ,则 △A2A3A4就是三边均为蓝色的三角形。

5

综上所述 ,总存在同色三角形。 2.1.4 用整数性质制造抽屉

当问题与整数性质有关时,我们可以用整数的性质,把题目中的数设计成一些抽屉,然后用抽屉原理去解。

(1) 利用整数分组制做抽屉[5]

例 5. 对于n?1个不同的自然数 ,若每一数都小于2n ,那么可以从中选取三个数 ,使其中两数之和等于第三数。

证明:把这n?1个自然数排成单调递增序列:a0?a1???an,作

bi?ai?a0,i?1,2,??n,则:

0?b1?b2???bn?an?2n,考

察:a1,a2,?an ,b1,b2,?bn,,这 2n 个小于2n的自然数 ,则必有

2,??n。 ai?bj?aj?a0 ,即a0?ai?aj ,j?1,(2) 按同余类制造抽屉

把所有整数按照除以某个自然数m的余数分为m类,叫做m的剩余类或同余类,用[0],[1],[2],…,[m?1]表示.每一个类含有无穷多个数.在研究与整除有关的问题时,常按同余类制造抽屉。

例6[4]任意10个自然数中,总有两个数的差是9的倍数.

证明:要使两个自然数的差被9整除,必须使两个自然数被9除的余数相同.于是我们考虑把自然数按除以9所得的余数0、1、2、3、...、8进行分类,也就是9个抽屉.根据抽屉原理,任意10个自然数中,必有两个数除以9所得的余数相同.因此这两个数的差一定是9的倍数。

本题的特点比较明显,很容易想到利用同余类制造抽屉。 2.1.5 等分区间制造抽屉

当问题的结论与区间有关时,可等分某个区间,设计出若干个抽屉. 例7[6] 求证:对于任给的正无理数?及任意大的自然数n,存在一个有理数

kk1,使得︱??︳﹤mmmn。

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