2019清華特色測試數學試題與解答

2023-02-07 07:48:08 字數 2235 閱讀 9897

第一部分

1. 求值:(sin10)^4 + (sin40)^4 + (sin70)^4

答案:9/8.

(解答過程略,條條大路通羅馬)

2.長為l(l為整數)的木棒可以鋸成長為整數的兩段,要求任何時刻所有木棒中的最長者長度嚴格小於最短者長度的2倍。例如長為4的木棒可以鋸成2+2兩段,而長為7的木棒第一次可以鋸成3+4,第二次可以再將長為4的木棒鋸成2+2,這時2+2+3三段不能再鋸。

問:長為30的木棒至多可以鋸成多少段?

解:至多可以鋸成6段。

鋸成6段的方案:30=12+18, 18=8+10, 12=6+6, 10=5+5, 8=4+4.

引理1:每次只能鋸當前最長的一段。

引理2:如果當前最長的不少於兩段,則無法再鋸下去。

利用這兩個引理(證略),對各種鋸木棒的方案分類討論。此處略。

3. 將數軸上的每個點用n種顏色之一染色,要求任意距離為1、根號2 或根號5的兩點不同色。求n的最小值。

解:n的最小值為2。

每個實數x可以表示成 a + b*sqrt(2) + c*sqrt(5) + t 的形式,其中a,b,c均為整數,且a,b,c的正負與x的正負相同。由於存在無窮多種表示方法,我們取使得|a|<|x|且|a|最大的,在此前提下取使得|b|<|x|且|b|最大的,在此前提下再取使得|c|<|x|且|c|最大的,這樣實數 t 就隨之確定了。即每個實數x都對應著一組正整數{

如下染色:將 a+b+c 為奇數的實數染為紅色,將 a+b+c 為偶數的實數染成藍色。

假設同色兩點距離為 1,sqrt(2)或sqrt(5),不妨設均為紅色,兩個實數分別為 x= a + b*sqrt(2) + c*sqrt(5),y= i + j*sqrt(2) + k*sqrt(5)。此時 x-y = (a-i) +(b-j)*sqrt(2) + (c-k)*sqrt(5)。由於 x-y = 1或sqrt(2)或sqrt(5),故滿足 a-i=1, b-j=0, c-k=0 或 a-i=0, b-j=1, c-k=0 或 a-i=0, b-j=0, c-k=1。

無論是上述哪種情況,(a+b+c)-(i+j+k)=1,故 a+b+c 與 i+j+k 的奇偶性不同,與兩點同色矛盾。

故這樣的染色方案符合題意。

4. 12個人玩乙個遊戲,遊戲開始後每個人被隨機的戴上紅、黃、藍、綠四種顏色之一的帽子,每個人可以看到其餘11個人帽子的顏色,但不能看到自己帽子的顏色,遊戲開始後12個人不能再交流,並被要求猜出自己帽子的顏色。請為這12個人在遊戲前商定乙個方案,使得他們同時猜對自己頭上帽子顏色的概率盡可能大。

解:將紅、黃、藍、綠四種顏色分別代表數字0、1、2、3,策略是每個人將其餘11個人帽子顏色所代表的數字求和,設為s。s除以4的餘數設為d,(4-d)mod 4對應的顏色即為他所猜的顏色。

例如12個人都戴黃帽子,每個人看到其餘11個人的帽子顏色對應數字和均為11,模4餘3,4-3=1對應黃色,全都猜對。

這樣的策略使得同時猜對頭上帽子顏色的概率為1/4。當且僅當12個人的帽子顏色所代表數字之和為4的倍數時,12個人能夠同時猜對。不然,12個人會同時猜錯。

由於或者同時猜對,或者同時猜錯,這個同時猜對的概率與乙個人隨機猜測正確的概率相等,為1/4。

而多個人猜測時,由於不能由他人的帽子顏色推斷出有關自己帽子顏色的資訊,因此12人同時猜對的概率一定不大於單獨乙個人猜對的概率,即1/4。因此上述方案是最優的。

第四部分

二、用長為 l 的火柴棍(看成線段)完全隨機地投在間距為 d 的互相平行的若干直線上(平行線足夠多)。

1. 求火柴棍與平行線相交的概率。

2. 若使得這個概率趨近於圓周率pi,求 l與d 的比值。

筆者注:原題中用n(cross)/n(all)表示概率,並給了兩個積分表示式。不過我有乙個非常巧妙的辦法:

考慮曲線與平行線的交點個數的期望值。首先證明,任意曲線與平行線交點個數的期望值正比於曲線長度。將曲線分割成長度相等的足夠多份,使每乙份足夠短到可以看成線段,這樣每條長度相同的小線段與平行線交點個數的期望值是一定的。

根據期望的可加性,曲線的期望值等於各條小線段期望值之和,這樣曲線的期望值正比於小線段的條數,亦即曲線的長度。

我們考慮半徑為 d/2 的圓,這個圓無論如何放置都與平行線恰有兩個交點,因此長度為 pi*d 的曲線與平行線交點個數的期望值為 2。因此,根據前面成正比的定理,長為 l 的線段與平行線交點個數的期望值為 2l / (pi*d).

當 l

當 l=d 時,雖然有可能恰有兩個交點,但其概率為零,故有交點的概率為 2 / pi.

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