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类型离散数学中许多有趣的问题.ppt

  • 上传人:HR专家
  • 文档编号:5321950
  • 上传时间:2019-02-21
  • 格式:PPT
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    离散数学中许多有趣的问题.ppt
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    1、離散數學中許多有趣的問題,By 孫一凡 老師,簡介,離散數學亦稱組合數學。自古的數學,算術與幾何便分別代表了離散與連續觀念的源頭。兩種思維相互發展,造就了數學世界。但自牛頓開創微積分以後,連續性數學便獨領風騷三百年。今日離散數學的若干題材,雖可在數論、代數、機率、幾何等學科中發現其身影,但始終是理論深度不明的研究課題。,本世紀以來,離散的工具與方法,逐漸在各個學科中被發展及使用,而產生出新的焦點及新的科學意識。一些彼此關連的研究領域,開始匯聚。特別自三十年代以後,計算科學在理論與實用上都有突破性的發展。這是因為電腦的出現。電腦利用離散的表示處理資訊,離散現象的重要開始被重視。此外,電腦幫人處理

    2、大量的有限數及有限結構,跑出了很多新層次的問題需研究。,離散數學包含了什麼?,包羅了許多學域,比較重要的包括下列幾種:古典計算問題,包括有限集合上的各類排列組合問題 以代數、拓樸方法建立組合學體系的研究 以群論、有限幾何為主要工具的設計理論(Design Theory) 圖形、網路與超圖的理論(Hypergraphs),請修:組合設計初步,請修:圖論初步、離散專題,請修:離散數學,離散數學包含了什麼?,最佳化、運籌學(Operation Research)與賽局理論(Game Theory) 編碼(Coding Theory)與密碼理論(Cryptography) 擬陣(Matroid)、廣義

    3、擬陣論(Greedoid) 離散與計算幾何學 演算法則的設計與分析,請修:代數編碼學、密碼學,請修:演算法,離散數學有些什麼應用?,在應用方面,最大的市場之一是資訊科學,已成為資訊系的必修課程。數位化的產物,如光碟、大哥大、衛星通訊等等都仰賴錯誤糾正碼(Error Correcting Code)設計以增加可靠性;提款卡、簽帳卡等也是密碼學的附產品;另外,DNA的定序問題,選舉權力的分析,生物食物網的平衡,實驗設計的安排,處處可見離散數學應用的例子。,討論整數 也可說是組合數學的重要關鍵,整數(Z)與實數(R)不同,兩者分別代表了離散觀念與連續觀念。 因此離散數學中,整數的觀念通常相當重要,整

    4、數與整數的關係也是如此,可以廣泛的應用在許多事上。,正整數 : 1,2,3,4,5,6, 零 : 0 負整數 : -1,-2,-3,-4, 單數(奇數) : 1,3,5, 雙數(偶數) : 0,2,4,6, ,先看一些整數的性質 來熱熱身!,性質 1 :,奇數: (odd) 被2除餘1的數字任何奇數都可表為 2n+1 的形式 偶數: (even)可被2整除的數字任何偶數都可表為 2n 的形式,動動腦 1某班49位同學,坐成七行七列。每個座位的前後左右稱做它的鄰座。要同時讓這49位同學中的每一位都換到他的鄰座上去,是否能辦到?,提示,當一聲令下,所有同學都換到他們的鄰座時,原本坐 位子的同學會換

    5、到原本就坐 的位子,可是 . . . .:24個:25個 所以,不可能!,性質 2 :,奇數 + 奇數 = 偶數 偶數 + 偶數 = 偶數 奇數 + 偶數 = 奇數 奇數 - 奇數 = 偶數 偶數 - 偶數 = 偶數 奇數 - 偶數 = 奇數,動動腦 2設 a1, a2, a3, ,a8 是1,2,3,8的一種任意排列。 (如:1,8,7,6,5,2,3,4)令 b1=|a1-a2|,b2=|a3-a4|, ,b4=|a7-a8|c1=|b1-b2|,c2=|b3-b4|=|c1-c2|這樣一直做下去,最後得到的整數一定會為偶數。,例如:,1, 8, 7, 6, 5, 2, 3, 47 1 3

    6、 16 24,4, 8, 1, 6, 5, 3, 2, 74 5 2 51 32,Why?,1. a1+ a2+ a3+ + a8 = 1+ + 8 = 36 2. b1=|a1-a2|,b2=|a3-a4|, b3=|a5-a6|,b4=|a7-a8| 則 b1+b2+b3+b4 =|a1-a2|+|a3-a4|+|a5-a6|+|a7-a8| = ? 如何將絕對值拆掉? 3. 若a1a2 則|a1-a2|= a1-a2 a1a2 則|a1-a2|= a2-a1,4. 假設絕對值都拆掉了,上式會變成如= (a1-a2)+(a4-a3)+(a6-a5)+(a7-a8)= (a1+a4+a6+a

    7、7)-(a2+a3+a5+a8) 之類的 (總之,有4個數字在前括號中,另外4 個數字在後括號中) 5. (a1+a4+a6+a7)+(a2+a3+a5+a8) = 36因為A+B=偶數,則A,B必同為偶數或同為 奇數,所以A-B必為奇-奇或偶-偶 = 偶數 6. 如此一來,上一列的總和為偶數,下一列 的總和也必為偶數,則最後的必為偶數,動動腦 3在平面上任意標出五個整數座標的點。證明:其中必至少有兩個點,它們的連線的中點也是整數座標的點。提示1:(x1,y1)與(x2,y2)的連線中點座標為 (x1+x2)/2,(y1+y2)/2)提示2:整數點只會有以下四種奇偶性:(奇,奇) (偶,偶)

    8、(奇,偶) (偶,奇),根據鴿洞原理,5個整數點中必有某兩點的奇偶性相同!(因為奇偶性總共只有四種,點有五個)而當兩點(x1, y1), (x2, y2)有相同奇偶性時x1+ x2 與 y1 + y2都是偶數即 (x1+x2)/2 與 (y1+y2)/2皆為整數(x1+x2)/2,(y1+y2)/2)為整數點,性質 3,1. 奇數個奇數的和必為奇數 2. 如果若干個整數a1a2a3的連乘積是奇數,則其中每個數ai都是奇數,動動腦 4設 n 為一奇數。又設 a1,a2, ,an 是1,2, ,n 的任意一種排列。求證:(1- a1)(2- a2) (n- an)必為偶數。,假設(1- a1)(2

    9、- a2) (n- an)為奇數則 1- a1 , 2- a2 , , n- an 都是奇數(1- a1)+(2- a2)+(n- an)=1+2+n - (a1+a2+an)=1+2+n - (1+2+n) = 0 產生矛盾!,動動腦 5n 個整數 a1, a2, ,an 滿足以下等式(i) a1a2an = n(ii) a1+a2+an = 0求證: n 為 4 的倍數。,若n為奇數,且滿足 a1a2an = n 則, a1、a2、an皆為奇數a1+a2+an 即為奇數個奇數的和(=奇數)0且因為a1+a2+an=0,所以a1、a2、an中奇數必為偶數個,則偶數也必為偶數個, 即a1、a2

    10、、an中偶數至少兩個,所以 a1a2an 連乘積必為4的倍數!,動動腦 6某博物館共有25間展覽室,如圖所示,這裡相鄰的展覽室之間都有門相通。參觀者自東北角大門口開始參觀,希望依次不重複地看遍每一間展覽室之後仍回到東北角大門去。請問參觀者有哪幾種路線可以參觀?,如圖示,東北角的展覽室為藍色,無論選擇怎樣路線,看展覽的順序依序為 藍1-橘1-藍2-橘2-藍3-橘12-藍13 (因為藍展覽室有13間,橘展覽室有12間)然後呢?藍13必須接到藍1啊!?矛盾!,定理 1,任何一個非完全平方數的正整數都有偶數個因數。如20的正因數有:1, 2, 4, 5, 10, 20 25的正因數有:1, 5, 25

    11、,動動腦 7有一百盞燈,排列成一列,從左至右依次標上 1,2,100 這些號碼。每一盞燈都有一根拉線開關。另外,還有一百個人。最初燈全是關著的,第一個人走過來把號碼為1的倍數的燈的開關拉一下;接著第二個人走過來把號碼為2的倍數的燈的開關拉一下;第三個人走過來把號碼為3的倍數的燈的開關拉一下;如此繼續著,最後那個人走過來把最後那盞燈的開關拉一下。這樣做過之後,請問留下哪些燈是亮著的?,號碼為 k 的燈,會不會被第i個人所拉,端看i是不是k的因數,是,則此人拉,不是,則此人不拉!所以,1. 如果 k 有 t 個因數則此盞燈共被拉了t次。2. 燈原本全都是關的,被拉奇數次的燈是亮的,被拉偶數次的燈是

    12、關的3. 所以最後亮著的燈為號碼 k 只有奇數個因數,為完全平方數,即:1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81, 100只有這10盞燈是亮的!,動動腦 8在一條環形公路上,n個車站被n段公路連接了起來。車站所在地的海拔高度共有5米和10米兩種。相鄰車站若海拔高度相同,則他們之間的公路是水平的;若不同,則他們之間的公路是有坡的。有一個旅遊者開車在這條環形公路上沿順時針方向繞了一圈,發現有坡的公路段數與水平公路段數一樣多。求證:車站的個數 n 是 4 的倍數。,因為:有坡的公路段數與水平公路段數一樣多,表示n為偶數,所以n個路段中一半為水平路段、一半為有坡度路段。但是,有坡

    13、度路段中,一半為上坡、一半為下坡(才回得來啊!),所以,n為4的倍數。,1,2,5,4,3,6,1,2,3,4,5,動動腦 9有 n 個數 1, 2, , n,所有的數只能為1或-1。如果 12+23+n-1n+n1=0求證: n 是 4 的倍數。 提示:跟上一題有關係,把這 n 個數 1, 2, , n想成 n 個車站,海拔10公尺的車站標為1,海拔5公尺的車站標為-1。如此一來,12若為1,表示兩車站同為1或同為-112若為-1,則表示兩車站一為1一為-1,也就是12為1表示該路段為水平路段,12為-1表示該路段為有坡度路段, 12+23+n-1n+n1 = 0表示兩種路段數目相同,而有坡

    14、度的路段繞一圈後上坡下坡各一半 因此, n 是 4 的倍數。,12 , 23 , , n-1n , n1當中1的個數等於-1的個數,所以 n = 2k如果 12 =1 則 1=2 =1 或 1=2 = -1表示從1到2符號沒有發生變化如果 12 =-1 則說明符號有發生變化從1開始,最後回到1,說明這一過程中發生了k次符號變化,但1與本身是同號的,所以k也為偶數。,動動腦 10一百個人排成一列縱隊。從頭到尾報完數之後,凡報奇數的一律出列,只有報偶數的仍依次留在隊列之中,接著從頭至尾再次報數,凡報奇數者一律出列,留下報偶數者,接著第三次從頭到尾報數,如此進行下去,請問最後留在隊列中的那個人,他在

    15、第一次報數時報多少號?,提示:第一次留下誰?第二次之後留下誰? 第三次之後留下誰?第一次留下了:2,4,6,8,10,12,14,16,18,20, 第二次留下了:4,8,12,16,20, 第三次留下了:8,16,也就是說,擁有2最多的數可以留到越後面,那麼1100中,誰有2的次數最多呢?答案是:64 = 26,定理 2,偶數的平方可以被 4 整除。 奇數的平方被 8 除,餘數為 1。因為(2k)2 = 4k2(2h+1)2 = 4h2+4h+1 = 4h(h+1)+1 h與h+1中必有一個為偶數,所以4h(h+1)+1 = 8m+1,動動腦 11求證:x2+1=8yn 沒有整數解。若 x

    16、是偶數明顯有問題!若 x 是奇數,則 x2 被 8 除餘 1所以 x2+1 被 8 除餘 2,但是右式為 8 的倍數,動動腦 12求證:正整數a與b,ab為偶數 若且唯若存在正整數c與d使得 a2+b2+c2 = d2。,試想:若a,b,c皆為奇數,則 a2、b2與c2皆為除8餘1,也就是合起來 除8餘3,此時d為奇數或偶數皆不合。若a,b 為奇數,c為偶數,則左式為(8m+2)+(4k)=4(2m+k)+2為偶數,故d不能是奇數,但是若d為偶數則右式為4的倍數,而左式除4餘2,也不合,也就是說, a2+b2+c2 = d2要成立的話,a,b不能全為奇數。,ab為偶數 若且唯若 存在正整數c與d使得 a2+b2+c2 = d2。,先預祝大家聖誕快樂,

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