砝碼稱重問題

2022-12-25 21:00:02 字數 2586 閱讀 3786

曾經有人出過這樣一道題:怎樣用四顆砝碼,用天平把直到40磅為止的各個整數磅數的物體稱出來?

法國數學家巴舍·德·梅齊里亞克(bachet de meiziriac)在他的《數學趣題》(2023年)中,提到了這個問題。

這個問題用二進位制砝碼是解決不了的,儘管如今的計算機都要使用二進位制。因為用1磅、2磅、4磅、8磅四塊砝碼最多只能稱出1+2+4+8=15磅的物體。很自然我們會想到二進位制不行,那麼試試三進製看看行不行,1+3+9+27=40磅正好符合我們的要求。

雖然最大我們能夠稱出40磅的物體來,但是 1、3、9、27的各種組合只有1、3、4、9、10、12、13、27、28、30、31、36、37、39、40磅,其中缺少許多整數磅。不過我們有一種巧妙的方法,可以解決這個難題,我們可以把砝碼加在天平上那個稱東西的盤子上,因此,這塊砝碼不是要加在稱出的重量上面,而是要從中減去的數。比如5=9-3-1、6=9-3、7=9+1-3等等。

為了達到這個目的,這裡所用的三進製數碼不是通常的0、1、2,而是-1、0、1。不錯,在用3作為底數時,所用數碼是0、1、2,但是2可以寫成3-1,因此可以化成-1這個數字。下面可以看到這麼處理的方便之處。

為了簡便,我們把-1寫成i,以後只要在三進製中碰到2這個數字,我們就把它改寫成1i(即3-1=2)例如,三進製中的22102這個數,可以用下面的加法表改寫成10i11i。

為了稱出14磅,先將14化成普通三進製112,再改寫成1iii,方法如下:

這就是說,我們應該把27這塊砝碼放進砝碼盤,而把9、3、1三塊砝碼放進稱物盤中:

27-9-3-1=14

再看怎樣稱出35磅來,35=27+6+2=(1022)3=110i,所以應該把27、9這兩塊砝碼放進砝碼盤,而把1磅這塊砝碼放進稱物盤中。

這樣我們完全解決了用四塊砝碼稱出40磅以下所有整數磅物體的問題。

該結論可以推廣到稱量超過40磅的物體上去,這時,我們要再加一塊81磅的砝碼,最大可稱量:

1+3+9+27+81=121磅

顯然,如果有n塊三進製砝碼,則最大可稱量的物品重量為:

1+3+3^2+3^3+...+3^(n-1)=(3^n-1)/2磅

不過用這種三進製的方法還是過於繁瑣,我還是用老一套——遞推方法。首先必須有1磅,不然就無法稱量1磅的物品,所以我們得到了第一塊砝碼:1磅。

現在1磅的物品可以稱量了,再增加一磅,2磅怎樣稱量呢?2=1+1,顯然還需要一塊1磅的砝碼,但是如果我們要求每塊砝碼都盡量大,那麼增加一塊1磅的砝碼就不符合要求了。因為我們也可以增加一塊2磅的砝碼,而能夠直接稱量2磅的物品;還可以大嗎?

增加一塊3磅的,正好滿足要求:1=1,2=3-1,3=3,4=1+3。我們看到:

(1,1);(1,2);(1,3);都可以滿足稱量連續整數磅的物品,而其中(1,3)滿足砝碼盡量大的要求。但是也不能任意大,因為(1,4)不能稱量2磅的物品,所以3磅是可選的第二塊砝碼中最大的乙個,如果不要求盡量大,那麼1,2,3都是可選的第二塊砝碼。現在能稱量的最大重量是1+3=4磅,大於這個數就必須再增加砝碼了,假設增加一塊x磅的砝碼,則稱量 5磅=x-(1+3),求出第三塊砝碼 x=5+4=9磅,現在能稱量從1到(1+3+9)=13磅的所有連續磅數的物品了,稱量 14磅=x-(1+3+9),x=14+13=27磅。

這樣我們得到了4塊砝碼組(1,3,9,27)。

那麼一般情況是怎樣的呢?我們看到,若已經知道前幾塊砝碼重量各是a0,a1,...ak-1磅,則下一塊砝碼的重量 ak 滿足公式:

ak = 1+2(a0+a1+...+ak-1),但是也可以 ak < 1+2(a0+a1+...+ak-1),可是絕對不能大於,因為如果有ak > 1+2(a0+a1+...

+ak-1),那麼最小不可稱量數1+(a0+a1+...+ak-1)就無法稱量了。那麼如何確定a0,a1,...

ak 呢?現要求尋找能夠稱量從1到 n磅的砝碼,

如果a是尋找到的最大一塊砝碼,而 n = a + b,而 b是已經確定好的能夠稱量從1到 b磅的砝碼重量之和,那麼應該滿足:a ≤1+2b =1+2(n-a)=2n+1-2a,所以有:a ≤(2n+1)/3 。

如果用取整符號則有:a = [(2n+1)/3] 。這樣確定了a之後,對 b 繼續應用如上規則,即可確定全部砝碼。

我們來看幾個例子,n=75,[(2*75+1)/3]=50,75-50=25,[(2*25+1)/3]=17,25-17=8,[(2*8+1)/3]=5,8-5=3,[(2*3+1)/3]=2,3-2=1,所以確定出砝碼組是(1,2,5,17,50)。

再看,n=67,[(2*67+1)/3]=45,67-45=22,[(2*22+1)/3]=15,22-15=7,[(2*7+1)/3]=5,7-5=2,[(2*2+1)/3]=1,2-1=1,所以砝碼組為(45,15,5,1,1)。

n=83,[(2*83+1)/3]=55,83-55=28,[(2*28+1)/3]=19,28-19=9,[(2*9+1)/3]=6,9-6=3,[(2*3+1)/3]=2,3-2=1,所以砝碼組為:(55,19,6,2,1)。

我們再看看n=41怎樣確定砝碼組,[(2*41+1)/3]=27,41-27=14,[2*14+1)/3]=9,14-9=5,[(2*5+1)/3]=3,5-3=2,2=1+1,所以砝碼組為:(27,9,3,1,1)。恰好是在40磅的稱量法中再增加一塊1磅的砝碼。

顯然若 3n-1 < 2n+1 ≤ 3n 則需要n塊砝碼.

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