把7个苹果任意放到4个抽屉中,如何让苹果最多的抽屉里尽可能少?
类似这样的问题,我们在数学中称之为抽屉原理。抽屉原理在小升初和数学竞赛中考得非常多,学生的得分率和正确率都很低,使得抽屉原理一直是一个热点和难点。杨老师认为,抽屉原理得分率低的主要原因不是学生学不懂,而是教材和教学太抽象而且语言表达不清晰。抽屉原理要解决的问题非常简单,但我们的老师在教学中,常常忽略了一个问题:抽屉原理所关注的数学本质是什么?
如何精选一个生动的例子,让学生对抽屉原理的实质印象深刻呢?杨老师的一个简单实用的办法就是,从学生熟悉的生活中寻找生动的例子。
比如,我们每天都要乘电梯,那么我们就可以从乘电梯的这件事情中,提出抽屉原理所关注的实质性问题。4个人乘电梯,可是只按了3个楼层键,这是为什么呢?聪明的孩子马上回答,有2人个去了同一层;那么10个人乘电梯,可是只按了3个楼层键?这又是为什么呢?这下孩子们七语八舌,议论纷纷。
这里面包含的可能情况就很多了,一时很难罗列。但有两个边界可以明确:(1)人去得最多的楼层不会少于4个人;(2)人去得最多的楼层也不会多于8个人。
这是如何知道的呢?第一种情况,要想人去得最多的楼层人数最少,最好的办法就是让每个楼层的人数尽量平均,10 ÷ 3 = 3 … 1,所以人去得最多的楼层不会少于 3 + 1 = 4人;第二种情况,要想人去得最多的楼层的人最多,就要其余的楼层人最少。其它楼层各去1人是最少的,所以最多的楼层最多可以去 10 - 2 = 8人。这种情况比较好理解,所以在实际教学和考试中,相对较难的第一种情况是考察最多的。
我们可以用几个简单的例题,循序渐进的学习抽屉原理。
抽屉原理1
思考1:把5个苹果任意放到4个抽屉中,让苹果最多的抽屉里尽可能少,至少放几个?
先每个抽屉各放1个,余下的1个总要放到某个抽屉里,所以1+1=2个;
思考2:把6个苹果任意放到4个抽屉中,让苹果最多的抽屉里尽可能少,至少放几个?
先每个抽屉各放1个,余下的2个,让其它2个抽屉里各放1个,所以最多的抽屉里还是:1+1=2个;
思考3:把7个苹果任意放到4个抽屉中,让苹果最多的抽屉里尽可能少,至少放几个?
先每个抽屉各放1个,余下的3个,让其它3个抽屉里各放1个,所以最多的抽屉里还是:1+1=2个;
抽象:把多于m个苹果,任意放到m个抽屉中,最多的抽屉里至少放了1+1个苹果。这就是抽屉原理1的本质。
但大部分教材把抽屉原理1表述成这样:把多于m个苹果,任意放到m个抽屉中,至少一个抽屉里放了1+1个苹果。杨老师认为,这种表述虽然看起来差别不大,但是它没有指出“最多的抽屉”这一个特征,不利于学生理解抽屉原理的本质。
抽屉原理2
思考1:把13个苹果任意放到4个抽屉中,让苹果最多的抽屉里尽可能少,至少放几个?
先平均,13÷4=3…1,则答案是3+1=4个
思考2:把14个苹果任意放到4个抽屉中,让苹果最多的抽屉里尽可能少,至少放几个?
先平均,14÷4=3…2,余下的2个在其它2个抽屉里各放1个, 则答案是3+1=4个
思考3:把15个苹果任意放到4个抽屉中,让苹果最多的抽屉里尽可能少,至少放几个?
先平均,15÷4=3…3,余下的3个在其它3个抽屉里各放1个,则答案是3+1=4个
思考4:把16个苹果任意放到4个抽屉中,让苹果最多的抽屉里尽可能少,至少放几个?
先平均,16÷4=4个,没有余数,则答案是4个
抽象:把m个苹果任意放到n个抽屉中(m>n),有两种情况:
(1)如果m÷n没有余数,最多的抽屉里至少放了m÷n个
(2)如果m÷n有余数,最多的抽屉里至少放了[m÷n]+1个
这就是抽屉原理2的本质。
但大部分教材把抽屉原理2表述成:
(1)如果m÷n没有余数,至少一个抽屉里放了m÷n个;
(2)如果m÷n有余数,至少一个抽屉里放了[m÷n]+1个。
在实际教学中,很多老师是把两个抽象的原理直接交给学生,然后就开始刷题,企图让学生通过做题来掌握抽屉原理。正是由于我们的教材编写有缺陷,加上老师引导不充分,导致很多学生害怕抽屉原理,扼杀了孩子的天赋和自信。
而杨老师在实际教学中,采取的策略是先带领学生认识抽屉问题,再由浅入深地设计一些例题,在解题中引导对抽屉原理的观察和总结,最后再通过抽象来形成对抽屉原理的深刻理解。
如此,学生才能真正掌握抽屉原理,感受到抽屉原理解决现实问题的魅力。
杨老师在下文中设计了一些很棒的例题,如果您对自己的教学有信心,甚至可以在家就教会孩子学懂抽屉原理。
例题1 任意7个人中,至少有几个性别相同的人?
分析与解答:性别只有男女两种,看成两个抽屉,7个人看7个苹果,7÷2=3…1,3+1=4个。至少有4个性别相同的人。
模仿题:任意11个人中,至少有几个性别相同的人?
类模仿题:中国人把人的属相分为12种,即:鼠、牛、虎、兔、龙、蛇、马、羊、猴、鸡、狗、猪。请问:任意13个人中,至少有几个人的属相相同?任意37个人中,至少有几个人的属相相同?
变式题:在一个箱子里有四种颜色质感相同的小球,每种颜色都足够多。如果从中任意摸出9个球来,至少有几个球的颜色相同?
本质题:四甲班有61人,班级要求暑假期间,每个学生至少读完下面这些名著中的一本:《红楼梦》,《西游记》,《三国演义》和《水浒传》。那么暑期结束时,至少有几个学生读的名著相同?
分析与解答:本质题隐藏了抽屉,也就是按读名著的情况把学生分类:只读一本的有4种;刚好读两本的有6种,刚好读三本的有4种,刚好读4本的1种。共有4+6+4+1=15种类型的人,61÷15=4…1,4+1=5人,至少有5人读的名著相同。
有时苹果数不知道,其它条件知道,要反过来求苹果数。我们可以这样设计:
例题2 在若干个人中,至少有5个性别相同的人,请问:至少有多少人?
模仿题:在若干个人中,至少有21个性别相同的人,请问:至少有多少人?
类模仿题:任意多少个人中,才能保证至少有3个人的属相相同?
变式题:在一个箱子里有四种颜色质感相同的小球,每种颜色都足够多。如果从中任意摸出一些球,使得这些球中至少有6个球的颜色相同,至少要摸出多少个球?
本质题:四甲班有若干个人,班级要求暑假期间,每个学生至少读完下面这些名著中的一本:《红楼梦》,《西游记》,《三国演义》和《水浒传》。那么暑期结束时,班主任统计发现,至少有5个学生读的名著相同,请问该班至少有多少人?
有时抽屉数隐藏了,其它条件知道,需要求抽屉数。我们可以这样设计:
例题3:某班有61个人,一次期末考试,统计发现:至少有3人的得分相同,请问:该班至多有几种得分类型?
模仿题:某班有61个人,一次期末考试,统计发现:至少有4人的得分相同,请问:该班至多有几种得分类型?
类模仿题:在一次钓鱼比赛中,共有100人参加,比赛结束后,统计发现,至少有4人钓鱼的数量一样,请问:至多有几种钓鱼数量不同的人?
变式题:如果任意31个球中,经计发现:这些球中至少有3个球的颜色相同,请问至多有多少种颜色?
本质题:把61个苹果任意放入一些抽屉中,至少一个抽屉里有7个苹果,请问至多有多少个抽屉。
通过前期对抽屉原理的认识和三个例题四个层级的训练,孩子们对抽屉原理从宽度到深度都达到了一定的层次,孩子们的数学素养也相应地得到了提升。
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