一、基础理论知识
最不利构造问题,也称为抽屉原理或鸽巢原理问题,是解决"至少保证"类最值问题的核心方法。其理论基于抽屉原理:
基本形式:如果 $n$ 个抽屉放 $n+1$ 个苹果,那么至少有一个抽屉放有至少两个苹果。
推广形式:如果 $n$ 个抽屉放 $kn+1$ 个苹果,那么至少有一个抽屉放有至少 $k+1$ 个苹果。
在最不利构造中,我们通过考虑"最坏情况"来找到保证条件发生的最小值。核心思想是:先尽可能避免满足条件,直到无法避免时,再取一个元素必然使条件满足。
二、题型识别
最不利构造问题通常具有以下特征:
题干中出现"至少……保证……"、"一定……"、"最少……才能保证……"等关键词。
问题涉及从集合中抽取元素(如抽牌、取球、选人等),要求保证某种属性(如颜色相同、分数相同等)。
三、解题思路
解决最不利构造问题的四步法:
1.
确定目标:明确要保证的条件是什么。
2.
找出最不利情况:想象如何尽可能避免满足条件,计算在不满足条件时所能取出的最大数量。
3.
计算最不利值:得到最不利情况下的数值。
4.
加一:在最不利值上加一,即为保证条件满足的最小值。
通用公式:
$\text{保证值} = \text{最不利值} + 1 $
四、经典例题讲解
例题1:花卉问题
题目:某会展中心布置会场,从花卉市场购买郁金香、月季花、牡丹花三种花卉各20盆。问至少要搬出多少盆花卉才能保证搬出的鲜花中一定有郁金香?
解题步骤:
目标:保证有郁金香。
最不利情况:先搬出所有非郁金香的花卉,即月季花和牡丹花各20盆,共40盆。此时,没有郁金香。
最不利值:40盆。
加一: $40 + 1 = 41
$盆。
答案:D.41盆
关键点:最不利情况是避免满足条件(没有郁金香),直到取完所有其他花卉。
例题2:小球颜色问题
题目:箱子里装有红、蓝、绿、白、黑五种颜色的小球各20个。如果从箱子里取出若干个小球,且确保其中有10个小球颜色相同,则至少要取出多少个小球?
解题步骤:
目标:保证有10个小球颜色相同。
最不利情况:每种颜色都取出9个小球,这样没有10个相同颜色。五种颜色,所以最不利值 $= 5 \times 9 = 45
$个小球。
加一: $45 + 1 = 46
$个小球。
答案:D.46
关键点:最不利情况是每种颜色都差一个达到10个,从而避免条件满足。
例题3:乒乓球标号问题
题目:箱子内有标号分别为1、2、3……25的25个乒乓球,问至少需要取出多少个乒乓球才能保证有两个的标号之差为6的倍数?
解题步骤:
目标:保证有两个乒乓球标号之差为6的倍数。注意,两个数之差为6的倍数等价于两个数除以6的余数相同。
最不利情况:考虑除以6的余数,有0、1、2、3、4、5共6种余数。最坏情况是取出的乒乓球中每个余数都取一个,这样没有两个相同余数。最不利值 $= 6
$个乒乓球(每个余数一个)。
加一: $6 + 1 = 7
$个乒乓球。
答案:B.7
关键点:将问题转化为"保证有两个乒乓球除以6的余数相同",利用余数分类构造最不利情况。
五、公式总结
最不利构造问题的核心公式为:
$\text{保证值} = \text{最不利值} + 1 $
其中,最不利值需根据具体问题计算,即在避免满足条件的情况下所能取出的最大数量。