俄罗斯奥赛题解答
(2007-11-03 03:18:36)
下一个
100个箱子,里面放苹果、梨、橘子,可以混合
问:不管怎么放这些水果,是不是总能挑出51个箱子,使这51个箱子里的苹果、梨、橘子分别都不少于其他49个箱子里的苹果、梨、橘子?
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先做些准备工作:
(1)
对于N个含同一种类水果的箱子,可以找到N/2(N是偶数),或(N+1)/2(N是奇数)个箱子,使得这N/2或(N+1)/2个箱子中的水果大于等于其余箱中的水果。这是显而易见的,比如,100个箱子,按箱内水果数量从多到少排序,前50个箱子的水果之和肯定大于等于后50个箱子的水果之和。
(2)
对于N个箱子,每个箱子里含有N种水果(水果的数量可以为0),则在最坏情况下,你需要全部N个箱子,来满足题中的条件,即:使得选中的这N个箱子中的每样水果数量不少于余下箱子中相应水果的数量。一个例子是:正交矩阵,行代表箱子,列代表水果
箱子\\水果
1 0 0 0 0 0 0
0 1 0 0 0 0 0
0 0 1 0 0 0 0
0 0 0 1 0 0 0
0 0 0 0 1 0 0
0 0 0 0 0 1 0
0 0 0 0 0 0 1
显然,任何N<7,都不能满足条件。
现在开始解题:
如果箱子数和水果数不等,比如这里,100个箱子,3种水果,我们可以先把它看作是100个箱子,100种水果。那么,我们知道,最坏情况下,我们有一个100 X 100的正交矩阵,我们只有取全部100个箱子,才能确保这一百个箱子满足题里的条件。
那么,想象这个正交矩阵的前99列(即前99种水果)不变,最后一种水果消失,必须变成前99种水果中的一种,那么,我们有98个箱子,#1到#98,每个箱子都只含有一种水果种类(#1,…,#98),和另外2个箱子,#99,#100,两个箱子中都只含有水果#99。
根据定理(2),为了满足条件,#1到#98这98个箱子,必须全部取出。
根据定理(1),#99和#100这两个箱子,只需取一个出来,取那个多的出来。
因此,100个箱子,含99种水果,至少要取99个箱子出来,才能满足条件。
当然,这里的第100种水果消失后,箱子#100也可能包含多种水果的组合,但是,结论相同。这里,我们考虑的是最坏情况。
现在考虑100个箱子,98种水果,思路同上,最后,我们可能得到2种情况:
1)97个箱子,分别只含水果#1到#97,和3个箱子,都含水果#98,根据上面定理,我们需要:97+2=99
2)96个箱子,分别只含水果#1到#96,和2个箱子,含水果#97,2个箱子,含水果#98,根据上面定理,我们需要:96+1+1=98
两者中取最坏:我们至少需要取99个箱子。
现在考虑100个箱子,3种水果的情况,只有3种水果保留,其余97种不得不变成所保留的3种水果之一。有很多种方法,但是,只含水果#1的箱子数 X1+只含水果#2的箱子数 X2+只含水果#3的箱子数 X3 = 100。
最坏情况下,X1,X2,X3中两个奇数,一个偶数,所以,最终所需要取的箱子数为51。
用此方法,可以给出100个箱子,不同水果种类的所需的最小数量箱子的全部结论:
水果种类,所需取的最小箱子数
100,100
99,99
98,99
97,98
96,98
..........
..........
..........
9,54
8,54
7,53
6,53
5,52
4,52
3,51
2,51
1,50
用公式表示,100个箱子,N种水果(N〈=100),则至少需要取:
50 + N/2 (N为偶数)
50 +(N-1)/2 (N为奇数)
个箱子,来确保这些箱子中的每种水果之和都大于其余箱子中对应水果之和。
比如,“这里的第100种水果消失后,箱子#100也可能包含多种水果的组合,但是,结论相同。这里,我们考虑的是最坏情况。”这里需要证明,为什么第100个箱子只有一个水果,是最坏情况。同理,还需要证明,只有98种水果时,为什么#99和#100各只有一个水果,是最坏情况。就是说,每一种水果数目的最坏情况都是独立的,都需要单独证明。