UyHiP趣题:用最少的称重次数验证硬币的重量

    这是一个非常有趣的问题,它出自 UyHiP May 2013 的谜题。

    假设你有 n 枚外观完全相同的硬币,它们的重量分别为 1g, 2g, 3g, …, ng 。有意思的是,这一次,你已经知道了各枚硬币的重量,而且你也已经把重量值标在了这些硬币上。但是,由于我不知道各枚硬币的重量,因此我希望你能向我证明,你所标的重量值是正确的(我知道这些硬币的重量是从 1 克到 n 克,我只是不知道哪个硬币对应哪个重量)。

    你唯一能用的工具就是一架天平。每一次,你可以任意选择一枚或多枚硬币,放在天平的左侧,再从剩下的硬币中任意选择一枚或多枚硬币,放在天平的右侧(注意,你只能在天平上放硬币,不能放别的东西)。一个有意思的问题是,为了向我证明你所标的重量值都是对的,你最少需要使用多少次天平?

    显然,为了证明 n 枚硬币的重量标签的正确性,我们最多需要称 n – 1 次。先把硬币 1 放在左边,把硬币 2 放在右边,让对方看到硬币 1 确实比硬币 2 要轻。接下来,向对方验证硬币 2 确实比硬币 3 更轻,硬币 3 确实比硬币 4 更轻,等等。称完 n – 1 次后,我们就相当于给出了 n 枚硬币的轻重顺序,因而它们只有可能分别是 1 克 、 2 克 、 3 克……。

    我们还能做得更好吗?不妨让我们看看 n 比较小的情况。例如,当 n = 4 的时候,利用上述方法可以 3 次完成验证,那么只用 2 次可以完成验证吗?仔细一想,你会发现真的可以!其中一种方法就是,先把硬币 1 和硬币 2 放在左边,把硬币 4 放在右边。由于两枚硬币的重量之和小于第三枚硬币,这只可能是 1 + 2 < 4 ,因此对方会相信,左边两枚硬币分别是 1 和 2 ,右边那枚硬币是 4 ,没放上去的那枚硬币是 3 。对方唯一不知道的就是,在左边两枚硬币中,究竟谁是 1 ,谁是 2 。于是,我们只需要再称一下硬币 1 和硬币 2 ,问题就解决了。

    不妨把证明 n 枚硬币重量标签的正确性最少需要的称重次数记作 B(n) 。我们的问题就是:判断 B(n) 是以什么级别增长的。

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趣题:同时等分三角形周长和面积的直线

    求证:对于任意一个三角形,一定存在一条直线,它把这个三角形的周长和面积同时分成了两等分。

 
 
    大家知道,三角形的三个内角的角平分线一定交于一点,这个点就是三角形的内心,它到三角形三边的距离是相等的。一个令人吃惊的结论是,经过内心的直线如果平分了三角形的面积,就一定平分了三角形的周长!

      

    如图, I 是三角形 ABC 的内心, ID 、 IE 、 IF 是 I 到三角形三边的垂线段,它们的长度是相等的,不妨把这个长度值记作 r 。假设直线 PQ 经过点 I ,并且平分三角形的面积。这说明, PA · r / 2 + AQ · r / 2 = PB · r / 2 + BC · r / 2 + CQ · r / 2 ,也就是 PA + AQ = PB + BC + CQ 。因此,直线 PQ 也平分了三角形 ABC 的周长。

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趣题:一个n位数平均有多少个单调区间?

    考虑这么一个 14 位数 02565413989732 ,如图所示,它的数字先逐渐变大,然后开始变小,再变大,再变小,再变大,再变小。我们就说,它一共包含了 6 个单调区间。我们的问题就是:一个 n 位数平均有多少个单调区间?为了避免歧义,我们假设任意两位相邻的数字都不相同,因而像 77765589911 这样的数我们就不考虑了。另外,大家可能已经注意到了,我们允许这个 n 位数以数字 0 开头。因而,更精确地说,我们的问题是:相邻数字都不相同的、允许以 0 开头的所有 n 位数当中,平均有多少个单调区间?

      

    这个题目来自 1987 年 IMO 候选题。

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