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江苏省天一中学高中数学竞赛讲义22几何变换一、 平移变换1 定义 设是一条给定的有向线段，T是平面上的一个变换，它把平面图形F上任一点变到，使得，则T叫做沿有向线段的平移变换。记为，图形 。2 主要性质 在平移变换下，对应线段平行且相等，直线变为直线，三角形变为三角形，圆变为圆。两对应点连线段与给定的有向线段平行（共线）且相等。二、 轴对称变换1 定义 设是一条给定的直线，是平面上的一个变换，它把平面图形F上任一点变到，使得与关于直线对称，则叫做以为对称轴的轴对称变换。记为，图形 。2 主要性质 在轴对称变换下，对应线段相等，对应直线（段）或者平行，或者交于对称轴，且这两条直线的夹角被对称轴平分。三、 旋转变换1 定义 设是一个定角，O是一个定点，R是平面上的一个变换，它把点O仍变到O（不动点），而把平面图形F上任一点变到，使得，且，则R叫做绕中心O，旋转角为的旋转变换。记为，图形 。其中时，表示的始边到终边的旋转方向为顺时针方向；时，为逆时针方向。2 主要性质 在旋转变换下，对应线段相等，对应直线的夹角等于旋转角。四、 位似变换1 定义 设O是一个定点，H是平面上的一个变换，它把平面图形F上任一点变到，使得，则H叫做以O为位似中心，为位似比的位似变换。记为，图形 。其中时，在射线上，此时的位似变换叫做外位似；时, 在射线的反向延长线上，此时的位似变换叫做内位似。2 主要性质 在位似变换下，一对位似对应点与位似中心共线；一条线上的点变到一条线上，且保持顺序，即共线点变为共线点，共点线变为共点线；对应线段的比等于位似比的绝对值，对应图形面积的比等于位似比的平方；不经过位似中心的对应线段平行，即一直线变为与它平行的直线；任何两条直线的平行、相交位置关系保持不变；圆变为圆，且两圆心为对应点；两对应圆相切时切点为位似中心。例题讲解1P是平行四边形内一点，且。求证：2“风平三角形”中，求证：3在两条对角线长度以及夹角一定的所有凸四边形中，试求周长最小的四边形。例题答案【例1】P是平行四边形内一点，且。求证：【例2】“风平三角形”中， 求证：【例3】在两条对角线长度以及夹角一定的所有凸四边形中，试求周长最小的四边形。【评注】当已知条件分散，尤其是相等的条件分散，而又不容易找出证明途径，或题目中有平行条件时，将图形的某一部分施行平移变换，常常十分凑效。 ADRPQRPQADAPAPAPRPQRQPRQPPPPAAAPPAPPARPQRQPRPQRPQAPAPAPQPPQRPRPPPPPACSABS222,1802,90,)()(+=+=+=+=的内部；上或在凸四边形点在线段又则【分析】设Q【评注】如果题设中有角平分线、垂线，或图形是等腰三角形、圆等轴对称图形，可以将图形或其部分进行轴对称变换。此外，也可以适当选择对称轴将一些线段的位置变更，以便于比较它们之间的大小。；且而显然：都是等腰三角形，、则，使到，延长，使到【分析】延长MQMPMQMPBFMQECPMBFECBFECFCBECAFBAECQQFFCQBPPEEBPARAR=DD=,21/,21/;,)90,()90,(23抽屉原理在数学问题中有一类与“存在性”有关的问题，例如：“13个人中至少有两个人出生在相同月份”；“某校400名学生中，一定存在两名学生，他们在同一天过生日”；“2003个人任意分成200个小组，一定存在一组，其成员数不少于11”；“把0，1内的全部有理数放到100个集合中，一定存在一个集合，它里面有无限多个有理数”。这类存在性问题中，“存在”的含义是“至少有一个”。在解决这类问题时，只要求指明存在，一般并不需要指出哪一个，也不需要确定通过什么方式把这个存在的东西找出来。这类问题相对来说涉及到的运算较少，依据的理论也不复杂，我们把这些理论称之为“抽屉原理”。 “抽屉原理”最先是由19世纪的德国数学家迪里赫莱（Dirichlet）运用于解决数学问题的，所以又称“迪里赫莱原理”，也有称“鸽巢原理”的。这个原理可以简单地叙述为“把10个苹果，任意分放在9个抽屉里，则至少有一个抽屉里含有两个或两个以上的苹果”。这个道理是非常明显的，但应用它却可以解决许多有趣的问题，并且常常得到一些令人惊异的结果。抽屉原理是国际国内各级各类数学竞赛中的重要内容，本讲就来学习它的有关知识及其应用。 （一） 抽屉原理的基本形式 定理1、如果把n+1个元素分成n个集合，那么不管怎么分，都存在一个集合，其中至少有两个元素。 证明：（用反证法）若不存在至少有两个元素的集合，则每个集合至多1个元素，从而n个集合至多有n个元素，此与共有n+1个元素矛盾，故命题成立。 在定理1的叙述中，可以把“元素”改为“物件”，把“集合”改成“抽屉”，抽屉原理正是由此得名。 同样，可以把“元素”改成“鸽子”，把“分成n个集合”改成“飞进n个鸽笼中”。“鸽笼原理”由此得名。 例题讲解1 已知在边长为1的等边三角形内（包括边界）有任意五个点（图1）。证明：至少有两个点之间的距离不大于2从1-100的自然数中，任意取出51个数，证明其中一定有两个数，它们中的一个是另一个的整数倍。 3从前25个自然数中任意取出7个数，证明：取出的数中一定有两个数，这两个数中大数不超过小数的1.5倍。4已给一个由10个互不相等的两位十进制正整数组成的集合。求证：这个集合必有两个无公共元素的子集合，各子集合中各数之和相等。5在坐标平面上任取五个整点（该点的横纵坐标都取整数），证明：其中一定存在两个整点，它们的连线中点仍是整点。6在任意给出的100个整数中，都可以找出若干个数来（可以是一个数），它们的和可被100整除。7 17名科学家中每两名科学家都和其他科学家通信，在他们通信时，只讨论三个题目，而且任意两名科学家通信时只讨论一个题目，证明：其中至少有三名科学家，他们相互通信时讨论的是同一个题目。 课后练习1幼儿园买来了不少白兔、熊猫、长颈鹿塑料玩具，每个小朋友任意选择两件，那么不管怎样挑选，在任意七个小朋友中总有两个彼此选的玩具都相同，试说明道理.2正方体各面上涂上红色或蓝色的油漆（每面只涂一种色），证明正方体一定有三个面颜色相同.3把1到10的自然数摆成一个圆圈，证明一定存在在个相邻的数，它们的和数大于17.4有红袜2双，白袜3双，黑袜4双，黄袜5双，蓝袜6双（每双袜子包装在一起）若取出9双，证明其中必有黑袜或黄袜2双.5在边长为1的正方形内，任意给定13个点，试证：其中必有4个点，以此4点为顶点的四边开面积不超过（假定四点在一直线上构成面积为零的四边形）.6在一条笔直的马路旁种树，从起点起，每隔一米种一棵树，如果把三块“爱护树木”的小牌分别挂在三棵树上，那么不管怎样挂，至少有两棵挂牌的树之间的距离是偶数（以米为单位），这是为什么？课后练习答案1.解 从三种玩具中挑选两件，搭配方式只能是下面六种：（兔、兔），（兔、熊猫），（兔、长颈鹿），（熊猫、熊猫），（熊猫、长颈鹿），（长颈鹿、长颈鹿）把每种搭配方式看作一个抽屉，把7个小朋友看作物体，那么根据原则1，至少有两个物体要放进同一个抽屉里，也就是说，至少两人挑选玩具采用同一搭配方式，选的玩具相同.原则2 如果把mn+k(k1)个物体放进n个抽屉，则至少有一个抽屉至多放进m+1个物体.证明同原则相仿.若每个抽屉至多放进m个物体,那么n个抽屉至多放进mn个物体,与题设不符，故不可能.原则1可看作原则2的物例（m=1）2.证明把两种颜色当作两个抽屉，把正方体六个面当作物体，那么6=22+2，根据原则二，至少有三个面涂上相同的颜色.3.证明 如图12-1，设a1，a2，a3，a9，a10分别代表不超过10的十个自然数，它们围成一个圈，三个相邻的数的组成是（a1，a2，a3），（a2，a3，a4），（a3，a4，a5），,（a9，a10，a1）,（a10，a1，a2）共十组.现把它们看作十个抽屉，每个抽屉的物体数是a1+a2+a3，a2+a3+a4，a3+a4+a5，a9+a10+a1，a10+a1+a2,由于（a1+a2+a3）+（a2+a3+a4）+（a9+a10+a1）+（a10+a1+a2）=3(a1+a2+a9+a10)=3(1+2+9+10)根据原则2,至少有一个括号内的三数和不少于17,即至少有三个相邻的数的和不小于17.原则1、原则2可归结到期更一般形式：原则3把m1+m2+mn+k(k1)个物体放入n个抽屉里，那么或在第一个抽屉里至少放入m1+1个物体，或在第二个抽屉里至少放入m2+1个物体，或在第n个抽屉里至少放入mn+1个物体.证明假定第一个抽屉放入物体的数不超过m1个，第二个抽屉放入物体的数不超过m2个，第n个抽屉放入物体的个数不超过mn，那么放入所有抽屉的物体总数不超过m1+m2+mn个，与题设矛盾.4.证明 除可能取出红袜、白袜3双外.还至少从其它三种颜色的袜子里取出4双，根据原理3，必在黑袜或黄袜、蓝袜里取2双.上面数例论证的似乎都是“存在”、“总有”、“至少有”的问题，不错，这正是抽屉原则的主要作用.需要说明的是，运用抽屉原则只是肯定了“存在”、“总有”、“至少有”，却不能确切地指出哪个抽屉里存在多少.制造抽屉是运用原则的一大关键首先要指出的是，对于同一问题，常可依据情况，从不同角度设计抽屉，从而导致不同的制造抽屉的方式.5.证明如图12-2把正方形分成四个相同的小正方形.因13=34+1，根据原则2，总有4点落在同一个小正方形内（或边界上），以此4点为顶点的四边形的面积不超过小正方形的面积，也就不超过整个正方形面积的.事实上，由于解决问题的核心在于将正方形分割成四个面积相等的部分，所以还可以把正方形按图12-3（此处无图）所示的形式分割.合理地制造抽屉必须建立在充分考虑问题自身特点的基础上.6.解如图12-4（设挂牌的三棵树依次为A、B、C.AB=a，BC=b，若a、b中有一为偶数，命题得证.否则a、b均为奇数，则AC=a+b为偶数，命题得证.下面我们换一个角度考虑：给每棵树上编上号，于是两棵树之间的距离就是号码差，由于树的号码只能为奇数和偶数两类，那么挂牌的三棵树号码至少有两个同为奇数或偶数，它们的差必为偶数，问题得证.后一证明十分巧妙，通过编号码，将两树间距离转化为号码差.这种转化的思想方法是一种非常重要的数学方法例题答案：1分析：5个点的分布是任意的。如果要证明“在边长为1的等边三角形内（包括边界）有5个点，那么这5个点中一定有距离不大于的两点”，则顺次连接三角形三边中点，即三角形的三条中位线，可以分原等边三角形为4个全等的边长为的小等边三角形，则5个点中必有2点位于同一个小等边三角形中（包括边界），其距离便不大于。 以上结论要由定理“三角形内（包括边界）任意两点间的距离不大于其最大边长”来保证，下面我们就来证明这个定理。如图2，设BC是ABC的最大边，P，M是ABC内（包括边界）任意两点，连接PM，过P分别作AB、BC边的平行线，过M作AC边的平行线，设各平行线交点为P、Q、N，那么PQN=C，QNP=A 因为BCAB，所以AC，则QNPPQN，而QMPQNPPQN（三角形的外角大于不相邻的内角），所以 PQPM。显然BCPQ，故BCPM。 由此我们可以推知，边长为的等边三角形内（包括边界）两点间的距离不大于。 说明： （1）这里是用等分三角形的方法来构造“抽屉”。类似地，还可以利用等分线段、等分正方形的方法来构造“抽屉”。例如“任取n+1个正数ai，满足0ai1（i=1,2,n+1），试证明：这n+1个数中必存在两个数，其差的绝对值小于”。又如：“在边长为1的正方形内任意放置五个点，求证：其中必有两点，这两点之间的距离不大于。 （2）例1中，如果把条件（包括边界）去掉，则结论可以修改为：至少有两个点之间的距离小于，请读者试证之，并比较证明的差别。 （3）用同样的方法可证明以下结论： i）在边长为1的等边三角形中有n2+1个点，这n2+1个点中一定有距离不大于的两点。 ii）在边长为1的等边三角形内有n2+1个点，这n2+1个点中一定有距离小于的两点。 （4）将（3）中两个命题中的等边三角形换成正方形，相应的结论中的换成，命题仍然成立。 （5）读者还可以考虑相反的问题：一般地，“至少需要多少个点，才能够使得边长为1的正三角形内（包括边界）有两点其距离不超过”。 2分析：本题似乎茫无头绪，从何入手？其关键何在？其实就在“两个数”，其中一个是另一个的整数倍。我们要构造“抽屉”，使得每个抽屉里任取两个数，都有一个是另一个的整数倍，这只有把公比是正整数的整个等比数列都放进去同一个抽屉才行，这里用得到一个自然数分类的基本知识：任何一个正整数都可以表示成一个奇数与2的方幂的积，即若mN+,KN+，nN,则m=(2k-1)2n，并且这种表示方式是唯一的，如1=12，2=121，3=32， 证明：因为任何一个正整数都能表示成一个奇数乘2的方幂，并且这种表示方法是唯一的，所以我们可把1-100的正整数分成如下50个抽屉（因为1-100中共有50个奇数）： （1）1，12，122，123，124，125，126；（2）3，32，322，323，324，325；（3）5，52，522，523，524；（4）7，72，722，723；（5）9，92，922，923；（6）11，112，1122，1123；（25）49，492；（26）51；（50）99。 这样，1-100的正整数就无重复，无遗漏地放进这50个抽屉内了。从这100个数中任取51个数，也即从这50个抽屉内任取51个数，根据抽屉原则，其中必定至少有两个数属于同一个抽屉，即属于（1）-（25）号中的某一个抽屉，显然，在这25个抽屉中的任何同一个抽屉内的两个数中，一个是另一个的整数倍。 说明： （1）从上面的证明中可以看出，本题能够推广到一般情形：从1-2n的自然数中，任意取出n+1个数，则其中必有两个数，它们中的一个是另一个的整数倍。想一想，为什么？因为1-2n中共含1，3，2n-1这n个奇数，因此可以制造n个抽屉，而n+1n，由抽屉原则，结论就是必然的了。给n以具体值，就可以构造出不同的题目。例2中的n取值是50，还可以编制相反的题目，如：“从前30个自然数中最少要（不看这些数而以任意方式地）取出几个数，才能保证取出的数中能找到两个数，其中较大的数是较小的数的倍数？” （2）如下两个问题的结论都是否定的（n均为正整数）想一想，为什么？ 从2，3，4，2n+1中任取n+1个数，是否必有两个数，它们中的一个是另一个的整数倍？ 从1，2，3，2n+1中任取n+1个数，是否必有两个数，它们中的一个是另一个的整数倍？你能举出反例，证明上述两个问题的结论都是否定的吗？ （3）如果将（2）中两个问题中任取的n+1个数增加1个，都改成任取n+2个数，则它们的结论是肯定的还是否定的？你能判断证明吗？ 3证明：把前25个自然数分成下面6组： 1； 2，3； 4，5，6； 7，8，9，10； 11，12，13，14，15，16； 17，18，19，20，21，22，23， 因为从前25个自然数中任意取出7个数，所以至少有两个数取自上面第组到第组中的某同一组，这两个数中大数就不超过小数的1.5倍。 说明： （1）本题可以改变叙述如下：在前25个自然数中任意取出7个数，求证其中存在两个数，它们相互的比值在内。 显然，必须找出一种能把前25个自然数分成6（7-1=6）个集合的方法，不过分类时有一个限制条件：同一集合中任两个数的比值在内，故同一集合中元素的数值差不得过大。这样，我们可以用如上一种特殊的分类法：递推分类法： 从1开始，显然1只能单独作为1个集合1；否则不满足限制条件。 能与2同属于一个集合的数只有3，于是2，3为一集合。 如此依次递推下去，使若干个连续的自然数属于同一集合，其中最大的数不超过最小的数的倍，就可以得到满足条件的六个集合。 （2）如果我们按照（1）中的递推方法依次造“抽屉”，则第7个抽屉为 26，27，28，29，30，31，32，33，34，35，36，37，38，39；第8个抽屉为：40，41，42，60；第9个抽屉为：61，62，63，90，91； 那么我们可以将例3改造为如下一系列题目： （1）从前16个自然数中任取6个自然数；（2）从前39个自然数中任取8个自然数；（3）从前60个自然数中任取9个自然数；（4）从前91个自然数中任取10个自然数；都可以得到同一个结论：其中存在2个数，它们相互的比值在内。 上述第（4）个命题，就是前苏联基辅第49届数学竞赛试题。如果我们改变区间（pq）端点的值，则又可以构造出一系列的新题目来。 4.分析与解答：一个有着10个元素的集合，它共有多少个可能的子集呢？由于在组成一个子集的时候，每一个元素都有被取过来或者不被取过来两种可能，因此，10个元素的集合就有210=1024个不同的构造子集的方法，也就是，它一共有1024个不同的子集，包括空集和全集在内。空集与全集显然不是考虑的对象，所以剩下1024-2=1022个非空真子集。 再来看各个真子集中一切数字之和。用N来记这个和数，很明显： 10N91+92+93+94+95+96+97+98+99=855这表明N至多只有855-9=846种不同的情况。由于非空真子集的个数是1022，1022846，所以一定存在两个子集A与B，使得A中各数之和=B中各数之和。 若AB=，则命题得证，若AB=C，即A与B有公共元素，这时只要剔除A与B中的一切公有元素，得出两个不相交的子集A1与B1，很显然 A1中各元素之和=B1中各元素之和，因此A1与B1就是符合题目要求的子集。 说明：本例能否推广为如下命题： 已给一个由m个互不相等的n位十进制正整数组成的集合。求证：这个集合必有两个无公共元素的子集合，各子集合中各数之和相等。 请读者自己来研究这个问题。 5分析与解答：由中点坐标公式知，坐标平面两点（x1,y1）、（x2,y2）的中点坐标是。欲使都是整数，必须而且只须x1与x2，y1与y2的奇偶性相同。坐标平面上的任意整点按照横纵两个坐标的奇偶性考虑有且只有如下四种：（奇数、奇数），（偶数，偶数），（奇数，偶数），（偶数，奇数）以此构造四个“抽屉”，则在坐标平面上任取五个整点，那么至少有两个整点，属于同一个“抽屉”因此它们连线的中点就必是整点。 说明：我们可以把整点的概念推广：如果（x1,x2,xn）是n维（元）有序数组，且x1,x2,xn中的每一个数都是整数，则称（x1,x2,xn）是一个n维整点（整点又称格点）。如果对所有的n维整点按每一个xi的奇偶性来分类，由于每一个位置上有奇、偶两种可能性，因此共可分为222=2n个类。这是对n维整点的一种分类方法。当n=3时，23=8，此时可以构造命题：“任意给定空间中九个整点，求证它们之中必有两点存在，使连接这两点的直线段的内部含有整点”。这就是1971年的美国普特南数学竞赛题。在n=2的情形，也可以构造如下的命题：“平面上任意给定5个整点”，对“它们连线段中点为整点”的4个命题中，为真命题的是： （A）最少可为0个，最多只能是5个 （B）最少可为0个，最多可取10个（C）最少为1个，最多为5个 （D）最少为1个，最多为10个（正确答案（D） 6分析：本题也似乎是茫无头绪，无从下手，其关键何在？仔细审题，它们的“和”能“被100整除”应是做文章的地方。如果把这100个数排成一个数列，用Sm记其前m项的和，则其可构造S1，S2，S100共100个和数。讨论这些“和数”被100除所得的余数。注意到S1，S2，S100共有100个数，一个数被100除所得的余数有0，1，2，99共100种可能性。“苹果”数与“抽屉”数一样多，如何排除“故障”？ 证明：设已知的整数为a1,a2,a100考察数列a1,a2,a100的前n项和构成的数列S1，S2，S100。 如果S1，S2，S100中有某个数可被100整除，则命题得证。否则，即S1，S2，S100均不能被100整除，这样，它们被100除后余数必是1，2，99中的元素。由抽屉原理I知，S1，S2，S100中必有两个数，它们被100除后具有相同的余数。不妨设这两个数为Si，Sj（ij），则100（Sj-Si），即100。命题得证。 说明：有时候直接对所给对象作某种划分，是很难构造出恰当的抽屉的。这时候，我们需要对所给对象先作一些变换，然后对变换得到的对象进行分类，就可以构造出恰当的抽屉。本题直接对an进行分类是很难奏效的。但由an构造出Sn后，再对Sn进行分类就容易得多。 另外，对Sn按模100的剩余类划分时，只能分成100个集合，而Sn只有100项，似乎不能应用抽屉原则。但注意到余数为0的类恰使结论成立，于是通过分别情况讨论后，就可去掉余数为0的类，从而转化为100个数分配在剩下的99个类中。这种处理问题的方法应当学会，它会助你从“山穷水尽疑无路”时，走入“柳暗花明又一村”中。 最后，本例的结论及证明可以推广到一般情形（而且有加强的环节）： 在任意给定的n个整数中，都可以找出若干个数来（可以是一个数），它们的和可被n整除，而且，在任意给定的排定顺序的n个整数中，都可以找出若干个连续的项（可以是一项），它们的和可被n整除。 将以上一般结论中的n赋以相应的年份的值如1999，2000，2001，就可以编出相应年份的试题来。如果再赋以特殊背景，则可以编出非常有趣的数学智力题来，如下题： 有100只猴子在吃花生，每只猴子至少吃了1粒花生，多者不限。请你证明：一定有若干只猴子（可以是一只），它们所吃的花生的粒数总和恰好是100的倍数。 7证明：视17个科学家为17个点，每两个点之间连一条线表示这两个科学家在讨论同一个问题，若讨论第一个问题则在相应两点连红线，若讨论第2个问题则在相应两点连条黄线，若讨论第3个问题则在相应两点连条蓝线。三名科学家研究同一个问题就转化为找到一个三边同颜色的三角形。 考虑科学家A，他要与另外的16位科学家每人通信讨论一个问题，相应于从A出发引出16条线段，将它们染成3种颜色，而16=35+1，因而必有6=5+1条同色，不妨记为AB1，AB2，AB3，AB4，AB5，AB6同红色，若Bi（i=1，2，6）之间有红线，则出现红色三角线，命题已成立；否则B1，B2，B3，B4，B5，B6之间的连线只染有黄蓝两色。 考虑从B1引出的5条线，B1B2，B1B3，B1B4，B1B5，B1B6，用两种颜色染色，因为5=22+1，故必有3=2+1条线段同色，假设为黄色，并记它们为B1B2，B1B3，B1B4。这时若B2，B3，B4之间有黄线，则有黄色三角形，命题也成立，若B2，B3，B4，之间无黄线，则B2，B3，B4，必为蓝色三角形，命题仍然成立。 说明：（1）本题源于一个古典问题-世界上任意6个人中必有3人互相认识，或互相不认识。（美国普特南数学竞赛题）。 （2）将互相认识用红色表示，将互相不认识用蓝色表示，（1）将化为一个染色问题，成为一个图论问题：空间六个点，任何三点不共线，四点不共面，每两点之间连线都涂上红色或蓝色。求证：存在三点，它们所成的三角形三边同色。 （3）问题（2）可以往两个方向推广：其一是颜色的种数，其二是点数。 本例便是方向一的进展，其证明已知上述。如果继续沿此方向前进，可有下题： 在66个科学家中，每个科学家都和其他科学家通信，在他们的通信中仅仅讨论四个题目，而任何两个科学家之间仅仅讨论一个题目。证明至少有三个科学家，他们互相之间讨论同一个题目。 （4）回顾上面证明过程，对于17点染3色问题可归结为6点染2色问题，又可归结为3点染一色问题。反过来，我们可以继续推广。从以上（3，1）（6，2）（17，3）的过程，易发现6=（3-1）2+2，17=（6-1）3+2，66=（17-1）4+2，同理可得（66-1）5+2=327，（327-1）6+2=1958记为r1=3，r2=6，r3=17，r4=66，r5=327，r6=1958，我们可以得到递推关系式：rn=n(rn-1-1)+2，n=2,3,4这样就可以构造出327点染5色问题，1958点染6色问题，都必出现一个同色三角形。 24容斥原理相对补集：称属于A而不属于B的全体元素，组成的集合为B对A的相对补集或差集，记作A-B。容斥原理：以表示集合A中元素的数目，我们有，其中为n个集合称为A的阶。n阶集合的全部子集数目为。例题讲解1对集合1，2，n及其每一个非空了集，定义一个唯一确定的“交替和”如下：按照递减的次序重新排列该子集，然后交替地减或加后继的数所得的结果，例如，集合的“交替和”是9-6+4-2+1=6.的“交替和”是6-5=1，的交替和是2。那么，对于n=7。求所有子集的“交替和”的总和。2某班对数学、物理、化学三科总评成绩统计如下：优秀的人数：数学21个，物理19个，化学20个，数学物理都优秀9人，物理化学都优秀7人。化学数学都优秀8人。这个班有5人任何一科都不优秀。那么确定这个班人数以及仅有一科优秀的三科分别有多少个人。3计算不超过120的合数的个数41992位科学家，每人至少与1329人合作过，那么，其中一定有四位数学家两两合作过。5把个元素的集合分为若干个两两不交的子集，按照下述规则将某一个子集中某些元素挪到另一个子集：从前一子集挪到后一子集的元素个数等于后一子集的元素个数（前一子集的元素个数应不小于后一子集的元素个数），证明：可以经过有限次挪动，使得到的子集与原集合相重合。6给定1978个集合，每个集合都含有40个元素，已知其中任意两个集合都恰有一个公共元，证明：存在一个元素，它属于全部集合。7在个元素组成的集合中取个不同的三元子集。证明：其中必有两个，它们恰有一个公共元。课后练习1一个集合含有10个互不相同的十进制两位数，证明：这个集合必有两个无公共元素的子集合，这两个子集元素和相等。2是否存在两个以非页整数为元素的集合A、B，使得任一个非负整数都可以被A、B之中各取一数之和唯一表出。3对每个使得在n元集合中，可以取出k个子集，其中任意两个的交非合。4能否把分成两个积相等的不交集合。课后练习答案1我们可以发现对每个数，它出现在个子集之中，因此所有子集中的的和为，那么全部元素在全部子集之中的和为。2利用二进制来考虑此题，小明的前9包分别有钱 1分（2），10分（2），100分（2），1000分（2），10000分（2），100000分（2），1000000分（2），10000000分（2），100000000分（2），剩下一包装剩下的钱（以上数皆为二进制）就可以了。3不能。反证法。设存在合乎题中条件的一种分法，如果和同属于一个子集，则记为，否则记为，对，若分在三个集合中则称为好的。都是好的。，而 ，故在第二组中用代替，故是好的。故。由此 即，但。矛盾！有这样一个结论阶集合的子集若满足且则的最大值为，代入本题得为。例题答案：1分析；n=7时，集合7，6，5，4，3，2，1的非空子集有个，虽然子集数目有限，但是逐一计算各自的“交替和”再相加，计算量仍然巨大，但是，根据“交替和”的定义，容易看到集合1，2，3，4，5，6，7与1，2，3，4，5，6的“交替和”是7；可以想到把一个不含7的集和A与的“交替和”之和应为7。那么，我们也就很容易解决这个问题了。解：集合1，2，3，4，5，6，7的子集中，除去7外还有个非空子集合，把这个非空子集两两结组后分别计算每一组中“交替和”之和，结组原则是设这是把结合为一组，显然，每组中，“交替和”之和应为7，共有组.所以,所有“交替和”之和应该为。说明：我们在这道题的证明过程中用了这类题目最典型的解法。就是“对应”的方法，“对应”的方法在解决相等的问题中应用得更多。2分析：自然地设A=数学总评优秀的人B=物理总评优秀的人C=化学总评优秀的人则已知|A|=21 |B|=19 |C|=20这表明全班人数在41至48人之间。仅数学优秀的人数是可见仅数学优秀的人数在4至11人之间。同理仅物理优秀的人数在3至10人之间。同理仅化学优秀的人数在5至12人之间。解：（略）。说明：先将具体的实际生活中的问题数学化，然后根据数学理论来解决这个问题不仅是竞赛中常见情况，也是在未来学习中数学真正有用的地方。3分析1：用“筛法”找出不超过120的质数(素数)，计算它们的个数，从120中去掉质数，再去掉“1”，剩下的即是合数。解法1：120以内： 既不是素数又不是合数的数有一个，即“1”； 素数有2、3、5、7、11、13、17、19、23、29、31、37、41、43、47、53、59、61、67、71、73、79、83、89、97、101、103、107、109、113、共30个。所以不超过120的合数有12013089(个)(附：筛法：从小到大按顺序写出1120的所有自然数：先划掉1，保留2，然后划掉2的所有倍数4,6，120等；保留3，再划掉所有3的倍数6,9117、120等；保留5，再划掉5的所有倍数10,15，120；保留7，再划掉7的所有倍数，这样，上面数表中剩下的数就是120以内的所有素数，这种方法是最古老的寻找素数的方法，叫做“埃斯托拉筛法”)说明：当n不很大时，计算1n中的合数的个数困难不大；但当n很大时，利用筛法就很困难、很费时了，必须另觅他途。分析2受解法1的启发，如果能找出1n中质数的个数m，则n1m就是不超过n的合数的个数。由初等数论中定理：a是大于1的整数。如果所有不大于a的质数都不能整除a，那么a是质数。因为120121112，12011，所以不超过120的合数必是2或3或5或7的倍数，所以只要分别计算出不超过120的2、3、5、7的倍数，再利用“容斥原理”即可。解法2：设S1a13120,2a；S2b1b120,3b；S3c13120,5c；S4=d1d120,7d，则有：card(S1)120/2=60，card(S2)120/340，card(S3)120/524，card(S4)120/717；(n表示n的整数部分，例如2,42，)card(S1S2)120/2320，card(S1S3)120/2512，card(S1S4)120/278，card(S2S3)120/358，card(S2S4)120/375，card(S3S4)120/573，card(S1S2S3)120/2354，card(S1S2S4)120/2372，card(S1S3S4)120/2571，card(S2S3S4)120/3571，card(S1S2S3S4)120/23570card(S1S2S3S4)card(S1)card(S2)card(S3)card(S4)card(S1S2)card(S1S3)card(S1S4)card(S2S3)card(S2S4)card(S3S4)card(S1S2S3)card(S1S2S4)card(S1S3S4)card(S2S3S4)card(S1S2S3S4)(60402417)-(20+12+8+8+5+3)+(4+2+1+1)-0141-568932，3，5，7是质数93489即不超过120的合数共有89个。4分析：在与一个人A合作的人中我们找到B。再说明一定有人与A和B都合作过为C。最后再说明有人与A、B、C都合作过为D，那么A、B、C、D就是找的人了。 证明：一个人A。不妨设B与之合作。那么。即C与A和B均合作过，分别表示与A、B合作过的人的集合。同样地，。所以存在。则A、B、C、D就是所求，证毕。说明：把一个普通的叙述性问题转化为集合的语言描述的问题通常为解题的关键之处，也是同学们需加强的。5分析：首先考虑到是一个很特殊的数，其次我们发现若两个集合的元素个数除以2的若干次幂后若为奇数，那么，它们之间挪后就应为偶数这一事实，若还不能想到解答就试一下，时的情况，相信解答就不会难找到了。证明：考虑含奇数个元素的子集（如果有这样的子集），因为所有子集所含元素的个数总和是偶数，所以具有奇数个元素的子集个数也是偶数，任意将所有含有奇数个元素的子集配成对，对每对子集按题目要求的规则移动：从较大的子集挪出一些元素，添加到较小的子集，挪出的元素个数为较小子集的元素个数，于是得到的所有子集的元素个数都是偶数，现在考虑元素个数不被4整除的子集，如果，则总共有两个元素，它们在同一个子集，因此设，因为子集的元素个数的总数被4整除，因此这样的子集的个数为偶数，任意将这样的子集配成对，对每一对子集施行满足题目要求的挪动，于是得到的每个子集数均可被4整除，依此做下去，最后得到的每个子集元素个数均可被整除，也就是只能有一个子集，它的元素个数为，证毕。说明：这道题的证明中隐含了一种单一变量在变化时变化方向相同这一性质，就这道题来说，一直在增加的就是各子集元素个数被2的多少次幂整除的这个幂次数，这是一大类问题，除了这种变化量，还要经常考虑变化中的不变量。6分析：我们可以先去找一个属于很多个集合的元素，最好它就是我们要找的那一个。证明：考虑给定的1978个集合中任意一个集合，它和其它1977个集合都相交，因此，存在，使得它至少属于其中50个集合，否则，集合中每个元素至多属于49个集合，而集合恰有40个元素，所以除外至多有1960个集合，不可能，因此设属于集合，下面证明它属于给定的1978个集合中任一个。对于除了，的任一个集合，设，则与，每一个都有至少一个元素的交，它们都与不同，那么，就至少要有51个元素，不可能，因此属于每个集合。说明：这种题目最怕把它想难了，想行太难了，就会觉得无从下手，做数学竞赛题就需要一方面在做题之前选好方向，另一方面就是大胆尝试去做。7分析：证明恰有一个公共元也许挺难。那么证只有两个或零个公共元不可能是否可行呢？如果具有两个公共元的集合与表示为、那么有传递性。是否有用呢？证明：设结论不真。则所给的3元子集要么不交，要么恰有两个公共元，如果子集与恰有两个公共元，则记。设是三个子集。可以证明如果，则，于是所有给定的3元子集可以分类，使得同一类中任意两个不同子集都恰有两个公共元。而不同类的子集不相交。于是对每个子集类，有三种可能：（1）恰含3个元素的类。（2）恰含4个元素的类。（3）至少含5个元素的类。在（1）下，3元子集类恰由一个3元子集组成。在（2）下，子集类中至多有4个子集。考虑（3） 设，则还有一个，由，有。因此对子集类中任意子集，由，它包含与，于是类中子集个数比类中元素个数少2，于是，每个类中子集个数不超过元素个数，但是题中条件子集数大于元素个数，矛盾！说明：此题为1979年美国竞赛题。题目难度较大，应该说是应用了高等代数中的一些思想。25奇数偶数将全体整数分为两类，凡是2的倍数的数称为偶数，否则称为奇数.因此，任一偶数可表为2m（mZ），任一奇数可表为2m+1或2m1的形式.奇、偶数具有如下性质： （1）奇数奇数=偶数；偶数偶数=偶数； 奇数偶数=奇数；偶数偶数=偶数； 奇数偶数=偶数；奇数奇数=奇数； （2）奇数的平方都可表为8m+1形式，偶数的平方都可表为8m或8m+4的形式（mZ）. （3）任何一个正整数n，都可以写成的形式，其中m为非负整数，l为奇数.这些性质既简单又明显，然而它却能解决数学竞赛中一些难题.例题讲解1下列每个算式中，最少有一个奇数，一个偶数，那么这12个整数中，至少有几个偶数？+=，-=，.2已知n是偶数，m是奇数，方程组的解是整数，那么( )（A）p、q都是偶数. （B）p、q都是奇数.（C）p是偶数，q是奇数 （D）p是奇数，q是偶数 3在1，2，3，1992前面任意添上一个正号和负号，它们的代数和是奇数还是偶数.470个数排成一行，除了两头的两个数以外，每个数的3倍都恰好等于它两边两个数的和，这一行最左边的几个数是这样的：0，1，3，8，21，.问最右边的一个数被6除余几？5设a、b是自然数，且有关系式123456789=（11111+a）（11111-b）， 证明a-b是4的倍数.-+-+6在