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奥数知识点:整数的分拆(3)
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2018.09.22

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整数的拆分,就是把一个自然数表示成为若干个自然数的和的形式,每一种表示方法,就是自然数的一个分拆。

整数的分拆是古老而又有趣的问题,其中最著名的是哥德巴赫猜想。在国内外数学竞赛中,整数分拆的问题常常以各种形式出现,如,存在性问题、计数问题、最优化问题等。

例1.

电视台要播放一部30集电视连续剧,若要求每天安排播出的集数互不相等,则该电视连续剧最多可以播几天?

分析与解:由于希望播出的天数尽可能地多,所以,在每天播出的集数互不相等的条件下,每天播放的集数应尽可能地少。

我们知道,1+2+3+4+5+6+7=28。如果各天播出的集数分别为1,2,3,4,5,6,7时,那么七天共可播出28集,还剩2集未播出。由于已有过一天播出2集的情形,因此,这余下的2集不能再单独于一天播出,而只好把它们分到以前的日子,通过改动某一天或某二天播出的集数,来解决这个问题。例如,各天播出的集数安排为1,2,3,4,5,7,8或1,2,3,4,5,6,9都可以。

所以最多可以播7天。

例2:

有面值为1分、2分、5分的硬币各4枚,用它们去支付2角3分。问:有多少种不同支付方法?

分析与解:要付2角3分钱,最多只能使用4枚5分币。因为全部1分和2分币都用上时,共值12分,所以最少要用3枚5分币。

当使用3枚5分币时,5×3=15,23-15=8,所以使用2分币最多4枚,最少2枚,可有

23=15+(2+2+2+2),

23=15+(2+2+2+1+1),

23=15+(2+2+1+1+1+1),

共3种支付方法。

当使用4枚5分币时,5×4=20,23-20=3,所以最多使用1枚2分币,或不使用,从而可有

23=20+(2+1),

23=20+(1+1+1),

共2种支付方法。

总共有5种不同的支付方法。

例3:

把37拆成若干个不同的质数之和,有多少种不同的拆法?将每一种拆法中所拆出的那些质数相乘,得到的乘积中,哪个最小?

解:37=3+5+29=2+5+7+23=3+11+23 =2+3+13+19=5+13+19=7+11+19=2+5+11+19=7+13+17=2+5+13+17

=2+7+11+17,共10种不同拆法,其中3×5×29=435最小。

说明:本题属于迄今尚无普遍处理办法的问题,只是硬凑。比37小的最大质数是31,但37-31=6,6不能分拆为不同的质数之和,故不取;再下去比37小的质数是29,37-29=8,而8=3+5。其余的分拆考虑与此类似。

例4:求满足下列条件的最小自然数:它既可以表示为9个连续自然数之和,又可以表示为10个连续自然数之和,还可以表示为11个连续自然数之和。

解:9个连续自然数之和是其中第5个数的9倍,10个连续自然数之和是其中第5个数和第6个数之和的5倍,11个连续自然数之和是其中第6个数的11倍。这样,可以表示为9个、10个、11个连续自然数之和的数必是5,9和11的倍数,故最小的这样的数是[5,9,11]=495。

对495进行分拆可利用平均数,采取“以平均数为中心,向两边推进的方法”。例如,495÷10=49.5,则10个连续的自然数为 45,46,47,48,49,(49.5),50,51,52,53,54。

于是495=45+46+…+54。同理可得495=51+52+…+59=40+41+…+50。

例5:

若干只同样的盒子排成一列,小聪把42个同样的小球放在这些盒子里然后外出,小明从每只盒子里取出一个小球,然后把这些小球再放到小球数最少的盒子里去,再把盒子重排了一下。小聪回来,仔细查看,没有发现有人动过小球和盒子。问:一共有多少只盒子?

分析与解:

设原来小球数最少的盒子里装有a只小球,现在增加到了b只,由于小明没有发现有人动过小球和盒子,这说明现在又有了一只装有a个小球的盒子,这只盒子里原来装有(a+1)个小球。

同理,现在另有一个盒子里装有(a+1)个小球,这只盒子里原来装有(a+2)个小球。

依此类推,原来还有一只盒子装有(a+3)个小球,(a+4)个小球等等,故原来那些盒子中装有的小球数是一些连续整数。

现在这个问题就变成了:将42分拆成若干个连续整数的和,一共有多少种分法,每一种分法有多少个加数?

因为42=6×7,故可将42看成7个6的和,又(7+5)+(8+4)+(9+3)是6个6,

从而42=3+4+5+6+7+8+9,一共有7个加数。

又因42=14×3,故可将42写成13+14+15,一共有3个加数。

又因42=21×2,故可将42写成9+10+11+12,一共有4个加数。

于是原题有三个解:一共有7只盒子、4只盒子或3只盒子。

例6:

机器人从自然数1开始由小到大按如下规则进行染色:

凡能表示为两个不同合数之和的自然数都染成红色,不符合上述要求的自然数染成黄色(比如23可表示为两个不同合数15和8之和,23要染红色;1不能表示为两个不同合数之和,1染黄色)。问:被染成红色的数由小到大数下去,第2000个数是多少?请说明理由。

解:显然1要染黄色,2=1+1也要染黄色,

3=1+2,

4=1+3=2+2,

5=1+4=2+3,

6=1+5=2+4=3+3,

7=1+6=2+5=3+4,

8=1+7=2+6=3+5=4+4,

9=1+8=2+7=3+6=4+5,

11=1+10=2+9=3+8=4+7=5+6。

可见,1,2,3,4,5,6,7,8,9,11均应染黄色。

下面说明其它自然数n都要染红色。

(1)当n为大于等于10的偶数时,n=2k=4+2(k-2)。由于n≥10,所以k≥5,k-2≥3,2(k-2)与4均为合数,且不相等。也就是说,大于等于10的偶数均能表示为两个不同的合数之和,应染红色。(1)当n为大于等于13的奇数时,

n=2k+1=9+2(k-4)。由于n≥13,所以k≥6,k-4≥2,2(k-4)与9均为合数,且不相等。也就是说,大于等于13的奇数均能表示为两个不同的合数之和,应染红色。

综上所述,除了1,2,3,4,5,6,7,8,9,11这10个数染黄色外,其余自然数均染红色,第k个染为红色的数是第(k+10)个自然数(k≥2)。

所以第2000个染为红色的数是2000+10=2010。

例7:

把12分拆成两个自然数的和,再求出这两个自然数的积,要使这个积最大,应该如何分拆?

分析与解:把12分拆成两个自然数的和,当不考虑加数的顺序时,有1+11,2+10,3+9,4+8,5+7,6+6六种方法。它们的乘积分别是1×11=11,2×10=20,3×9=27,4×8=32,5×7=35,6×6=36。

显然,把12分拆成6+6时,有最大的积6×6=36。

例8:

把11分拆成两个自然数的和,再求出这两个自然数的积,要使这个积最大,应该如何分拆?

分析与解:把11分拆成两个自然数的和,当不考虑加数的顺序时,有1+10,2+9,3+8,4+7,5+6五种方法。它们的乘积分别是1×10=10,2×9=18,3×8=24, 4×7=28,5×6=30。

显然,把11分拆成5+6时,有最大的积5×6=30。

说明:由上面的两个例子可以看出,在自然数n的所有二项分拆中,当n是偶数2m时,以分成m+m时乘积最大;当n是奇数2m+1时,以分成m+(m+1)时乘积最大。换句话说,把自然数S(S>1)分拆为两个自然数m与n的和,使其积mn最大的条件是:m=n,或m=n+1。

在具体分拆时,当S为偶数时,

当S为奇数时,m、n分别为

例9:

试把1999分拆为8个自然数的和,使其乘积最大。

分析:反复使用上述结论,可知要使分拆成的8个自然数的乘积最大,必须使这8个数中的任意两数相等或差数为1。

解:因为1999=8×249+7,由上述分析,拆法应是1个249,7个250,其乘积249×2507为最大。

说明:一般地,把自然数S=pq+r(0≤r<p,p与q是自然数)分拆为p个自然数的和,使其乘积M为最大,则M为qp-r×(q+1)r。

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