(1) 如果可以將正整數1 , 2 , 3 , …, n 填在圓周上,使得依順時鐘方向任何兩個相鄰的數之和,都能夠被它們的下一個數整除。求n的所有可能值。(三分)
n= 1,2時成立。當n
3時。如果圓周上有二個連續偶數,則被造成這個圓周上的每一個整數都是偶數(不合)。因為圓周上必有一個整數是偶數,而它的逆時鐘方向的下二個數及順時鐘方向的下個數,都必須是奇數。由於1∼n中,而且奇數的個數都是奇數,奇數的個數最多比偶數的個數多1個,所以圓周上最多只有一個偶數,這樣奇數有2個,所以n最多是3,1,
2, 3這個數任意排在圓周上都可以,所以n=1, 2, 3。
(2)在一張矩形紙片上有一些黑點:(a)當所有黑點共線;(二分)
(b)任意三黑點。(三分)
試著將這張紙沿直線摺幾次,但摺線不可以通過任何黑點。然後,使用細針插進摺好的紙,使得針只穿過所有的黑點,但不能穿過其它的點。求證:在(a)和(b)二種情況下,上述穿法必能成功做到。
(a)設矩形紙上有共線的
個點,依序取名為
。令
的垂直平分線為
,
。我們沿著
依扇子折疊法,一正一反對折紙張後,此時這n個點都會重合,而且n – 1條直線把平面分成n部份,所以一針插過黑點,它們穿過所有的黑點,但不會穿過其它的點。
(b)白紙上任三點A,B,C(如圖一),我們可以在B、C點附近各任取異於B、C點之
點,使得
與
間之距離不大於d,且直線
不與
及其內部相交。以
為對稱軸,取
直線之鏡像直線
與
間之距離亦不大於d。
設直線
與矩形之二邊交點為x,y。不失一般性,令
與
交於x;與
交於y。摺疊紙片,將點O,x重合,取出
中點
,將點O,y重合,取出
中點
。將紙片沿直線
對摺,則O點將落在直線
上。再對摺紙片將
與
重合,得出摺線
,再繼續將
與
重合,……一直依此方式繼續下去,總可以使
與
之距離小於d,這時
與
之間是一疊非常細窄的一疊“紙帶”,最後將這疊紙帶沿
直線向
方向對摺。
同樣,也可以在
的
、
邊上作上述同樣的動作。此時,則原紙片變成
及外部三條非常細窄的紙帶,其寬度要多小就可以多小,我們差不多可以忽略不計。這時(1)如果
不是正三角形或等腰三角形,則總可以將最短邊上的二端點對摺重合,如圖二,不失一般性,假設
,
為摺痕,則
,
,
,因為
,得
,故C點會落在
之外部。
(3)小唐和小夏輪流構造一個數列,首先任給一個正整數作為首項,由小唐開始增添新項,他選擇的方法是將前一項的數值加上該數的某一位數字(例如:首項是234,小唐可選234+2或234+3或234+4);接著換小夏,他選擇的方法是將小唐新添的數值減去該數的某一位數字(例如:小唐選的數是237,則小夏可選237-2或237-3或237-7),如此不停地輪流構造下去。求證:有一個整數會在這數列中至少出現100次。(六分)
(一)如果希望某數在此數列
出現100次,則我們該如何去解題呢?
小承:希望這個數列
有上界,即存在一個
,使得
(事實上只需要此數列的某個無限子數列有上界即可)
我們從題目知,道小唐添的項是偶數項
,其中
,x是
中的某數字,
。小夏添的項是奇數項其中
,y是
中的某數字,
。
(二)我們可以找集合
其中
,如果數列中任何項都不會大於Z,則
有上界。
如果數列中某一項超過Z。由於每一項最多比前一項多9,而A集合有連續9個數,所以它或者它的前面有一項
,則我們要證明存在一個
使得
。
(三)如果
是n位數,則令
。(如果
,Z取
位數即可)。
令

如果數列中
,輪到小唐添新項
會屬於
;輪到小夏添新項
會屬於
。
如果數列中
,輪到小唐添新項
會屬於
;輪到小夏添新項
會屬於
。
如果數列中
,則必須輪到小夏,小夏添新項
會屬於
;由上述論證數列永遠屬於
。所以Z + 9是它們的上界。
小君:令
,我們可以令
則集合A,B,C關係和你一樣,所以同理可證。
小淳:跟你的想法一樣只不過
,這也是一種正確答案。
(4)有n個砝碼,它們的質量分別為1,2,3,…,n克,在所有可以的方法中,打算從兩邊各拿掉兩個砝碼,而不影響平衡。
(a) 求證當n=100時,一定能成功。(四分)
(b) 當
時,是否對所有的n值都保證能成功?(四分)
小承:我的想法是:將這n個砝碼分成二組放在天平的兩邊,使它們平衡,不失一般性,設1在左邊,左邊的砝碼都標L,右邊的砝碼都標R。
把所有砝碼拿出來,按輕重從小到大排成一列,成為一個L,R的序列
其中
。把這個序列分成數段(至少2段),每段的標號L或R都相同,但和下一段不同。
(i)只分成二段,因為任取四個砝碼
及
則![]()
(ii) 如果分為三段 中間的段落至少有二個 因此取左圖中的四個砝碼:
則
(iii) 如果分成四段,且形如
則同(ii) (iv) 分成四段,且
因為任取四個砝碼及
則
![]()
(v) 如果分成5段以上,則必形如
則取右圖中的四個砝碼即可![]()
如果是(i)則有
![]()
如果是(iv)(*)
(1)n=100,因為
不可能是(i)及(iv)。 即不存在k使得(*)式成立得證。
故只能是(i)(ii)(iii),即必可以。
(2)討論一般的n。取n=20, k=14則可能分成(i)的狀況,所以可能使左右各拿掉2個砝碼使得仍舊平衡。
(5)在一個很大的棋盤上,其中有
個小方格被塗上紅色,而這
個小方格排列的方式,可讓一枚只能夠橫走或直走的棋子,從任一紅色格子不用穿過沒有塗色的格子,便能在數步移動後,到達任何其它的紅色格子。求證可以將這
個紅色格子分割為n個矩形(包括正方形)。(八分)
一個紅色小方格和它的上、下、左、右的紅色小方格稱為它們相鄰令T為一堆紅色小方格所組成的集合。從任何T中一個紅色小方格開始,每次都可以從任一紅色格子移動與其相鄰的紅色小格子,能在數步移動後,到達任何其它的紅色格子。我們稱T為連通。
題目的意思是指這
個紅色小方格形成一個連通部份。我們將證明一個更一般的定理。
定理:題目�堣j棋盤中的
小方格改成
或
小方格,結果一樣可以分割成n個矩形。
證明:我們將用數學歸納法證明上述兩種情形同時成立。
當n=1時,顯然成立。
假設
時,題目是成立。
當n = k + 1時,我們將把
個紅色小方格分成兩個連通的子集合,它們分別有2s與2(k +
1 - s),由假設可知它們可以被分為 s 和(k - s ) + 1個小矩形,所以共有k + 1小矩形。
(a)我們首先考慮棋盤上有
個連通紅色小方格,我們拿掉某一小方格A,剩下的2k個紅色小方格如果
(1)它們還是連通的,加上紅色小方格A,我們將把個紅色小方格分成兩個連通的子集合,得證。
(2)如果它們可以被分成m個(
)連通部份
,則我們把這2k + 1塊分成二塊,一塊是
,另外是全部扣除
。得證。
由(i),(ii)及數學歸納法可得知。2n - 1個連通小方格可以被分割成n個小矩形。
(b) 考慮2n = 2(k + 1)情形。
(1)存在有一個紅色小方格A,它恰有2個紅色小方格相鄰,令其為B , C,剪掉紅色小方格A,我們考慮剩下的2k + 1個紅色小方格。
(i)它們形成兩個連通部分,則其中有一個連通部分有奇數個紅色小方格,一個連通部分有偶數個紅色小方格,奇數連通部分連集A仍然是連通的。這樣我們得到2塊連通部分得證。
(ii) 它們形成一個連通部分,再剪掉紅色小方格B,我們考慮剩下的2k個紅色小方格中包含C的連通部分,如果它們包含偶數個紅色小方格,則剩下的紅色小方格也是連通的;否則將其連集A會形成一個連通部分則
(6)假設一個凸多面體有10n個面,求證其中至少有n個面,它們的邊數都相同。(八分)
假設這10n個面的凸多面體中有v個頂點,e條邊,令它有k邊的面之個數為
,由於面的一邊必有2個不同的面所共有,每一個頂點至少被3個面共用,所以
![]()
由歐立公式我們有
如果10n個凸多面體沒有相同邊數的n個面,則它的邊數
這與
不合。
所以至少有n個相同邊數的面。