有计划参加今年的AMC12的学生,从暑假开始就必须开始做备赛规划了。我近期将挑选几道AMC12真题做一些分析和点评,希望能对大家有所启发和思考。
今天选择的是一道计数问题。题目如下:
10个女人分别坐在排成一行的10张椅子上。在某个时间,她们同时站起来并重新选择座位。重新就座后她们仍然每个人坐一张椅子,并且每个人只能选择原来的椅子或与原来的椅子相邻的椅子就座。请问,她们一共有多少种不同的座位调整方式?
对于计数问题,我的个人心得是:几乎所有的计数问题都要分类计数。只要根据题目的条件设置找到合适的分类方式,就已经成功了一半。
寻找合适的分类方式的过程,非常考验我们对题目条件的理解和分析能力。有时候因为分析不够透彻,没有找到最佳的分类方法,因而导致解答过程冗长且复杂,很容易造成错误。
计数问题因其对背景知识要求少,便于考察学生的分析推理能力,而成为美、英、澳、加等国的数学竞赛中很受重视的一个题型,并且是贯穿从小学到高中的各个阶段。
对计数问题构造分类有两种不同的模式。
第一种模式,也是大多数情况下采取的模式,是选择其中一个要素进行分类。情况较复杂时,还需要嵌套分类,即在某些类别下再进一步分类。
第二种模式是递归分类,即分类后其中部分类别或所有类别都是同类问题的计数。这种分类模式的一个典型例子是《计数问题中的分类和递归方法》一文中的题目。本文中的题目则是另一个有趣的例子。
根据题意,每个女人在重新选择座位时,可以选择保持不动或换到相邻的椅子。也就是说,每个人都有三个选择——除了原来坐在两端的那两个女人,她们都只有两个选择。
尽管单独看每个女人,她要么有三个选择,要么有两个选择,但每个人的选择同时也会影响(更确切地说是限制)其他几个女人的选择,并且这种影响关系会传递下去。
为了构造分类,我们可以选择其中一个女人的位置选择作为分类依据。这样分类的好处是,在每个类别下,我们都只需考虑最多9个女人的位置选择。人数的减少意味着问题的简化。
应该选择哪个女人来分类呢?答案是——选择初始位置在两端的女人比中间的女人更好,因为前者只有一个方向需要关注。
从其中一端开始,按照座位顺序把10个女人依次编号为1~10,她们原本坐的椅子也相应编号为1~10。1号女人在重新选择座位时只有两个可能性。
1. 选择1号椅子。此时,2~10号女人只能各自在2~10号椅子中选择一个。
2. 选择2号椅子。此时我们来考虑2号女人。由于2号椅子已经被1号女人占了,所以她只能选择1号椅子或3号椅子。然而,假如她选择了3号椅子,其他女人(3~10号)都不可能选择1号椅子。也就是说,1号椅子只能空着。这不符合题目的要求。
根据以上分析,当1号女人选择2号椅子时,2号女人只能选择1号椅子才能保证换位后每个人仍然能坐一把椅子。与此同时,3~10号女人各自在3~10号椅子中选择一把椅子。
满足题目要求的任意一种换位方式,要么属于第一类(1号女人选1号椅子),要么属于第二类(1,2号女人互换座位)。
题目是针对10个女人(在规定的换位规则下)求换位方式的数量。事实上,对任意多个女人,我们都可以问同样的问题。记n个女人的换位方式数量为An。则第一类中的换位方式数量恰好是A9,因为9个女人(2~10号)要在她们坐的9把椅子里各自选择一把椅子。类似可知,第二类中的换位方式数量恰好是A8,因为8个女人(3~10号)需要各自在8把椅子(3~10号)中选择一把。
综上所述,我们得到了一个重要的等式关系:
A10=A9+A8.
不难发现,这个等式可以一般地推广到n(只需把上面的分析方法应用到n个女人的情形),即
An=An-1+An-2.
最后,容易求出A1=1,A2=2。也就是说,{An}恰好就是斐波那契数列。于是,本题的答案就是斐波那契数列的第10项的值。
数学题都是编出来的,而编题的水平各有高低。一道题可以从几个不同的角度进行评价,例如所考察的思维能力及深度(并不是越深越好)、趣味性、启发性,等等。这道题的妙处在于把斐波那契数列和一个具体问题联系起来,相当有趣,同时考察了分类计数的分析能力。
斐波那契数列通常在小学高年级作为课外知识引入。而在中学的数列学习中,斐波那契数列又是一个重要的例子。到了AMC12,一道与斐波那契数列有关的题目可以被列为第21题(AMC12的最后5道题通常是难度较大的题目)。由此,我们可以看到一个数学概念不仅仅是“知识点”,而是有不同层次的理解和分析思考。
暑假是开始备战AMC12的重要时段。因此,欧拉数学苑将在暑假期间安排一对一和小班的AMC12辅导课程。
其中,小班课程为3~4人规模,主要针对已经有参加AMC10的经验且AMC10的自测水平达到85分(考试成绩可以降低到75分)的学生,备考目标为AMC12的分数达到105~120的区间。
如果备考目标是120分以上,建议参加一对一的辅导课程。