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2.2 称量策略优化

数学广角——找次品 · 五年级
讲清楚它是什么

定义 通过调整称量次数或分组数量,在有限次数内确定目标物品的策略优化过程。

从哪来 本知识点建立在 1.3 列举策略 和 2.1 假设策略 之上。

为什么 称量问题的核心是信息获取效率。天平每次称量只有“左重、右重、平衡”三种结果,相当于一次三进制运算。若分组不均(如1:1或1:2),会浪费“平衡”这一状态的信息量,导致需要更多次数。优化策略的本质是将待测物品尽可能平均分为三份,使每次称量后剩余的可能性空间缩小最快,从而用最少次数锁定目标。

讲法
适合逻辑抽象能力强、喜欢数学推导的学生 引入“信息熵”或“三进制”概念。告诉学生:天平不是简单的“比大小”,而是一个三态开关。 1. 问:如果只有2个物品,称1次能找出吗?(能,放两边,重的是坏的;若平衡则没坏,但题目通常隐含有一个坏品)。 2. 问:如果有3个物品,称1次能找出吗?(能,放2个,平衡则第3个坏;不平衡则重的那个坏)。 3. 问:如果有4个物品,称1次能找出吗?(不能。若放2:2,不平衡知道哪边坏,但不知道具体哪个;若放1:1,平衡则剩下2个里有一个,还需再称一次)。 4. 结论:每次称量最多能区分3种情况,所以 $3^n$ 是 $n$ 次称量能解决的最大物品数。优化就是让物品数落在 $3^{n-1} < N \le 3^n$ 的区间内,并尽量接近 $3^n$ 的上限。
讲法
适合形象思维强、喜欢动手操作的学生 使用“天平模拟游戏”。 1. 准备9个球,其中1个重。 2. 错误示范:每次拿1个和1个比。问:最坏情况要称几次?(8次)。 3. 正确示范:分成3组,每组3个。 - 第一次:称两组。若平衡,坏球在第三组;若不平衡,坏球在重的那组。 - 此时范围缩小到3个。 - 第二次:从这3个里拿2个称。若平衡,剩那个是坏的;若不平衡,重的是坏的。 4. 对比:从9个里找,用了2次。强调“分组”比“逐个试”快得多。 5. 优化点:为什么是3组?因为天平只有左、右、平三种结果,分3组正好对应这三种结果,信息利用率最高。
适合需要具体步骤指引、容易混淆的学生** 提供“三步口诀法”。 1. **定次数
看物品总数 $N$。 - $1 \le N \le 3$,需1次。 - $4 \le N \le 9$,需2次。 - $10 \le N \le 27$,需3次。 - 规律:$3^1=3, 3^2=9, 3^3=27$。 2. 均分组:把 $N$ 个物品尽量平均分成3份。 - 若 $N$ 能被3整除,每份 $N/3$。 - 若 $N$ 除以3余1,分成 $(N-1)/3, (N-1)/3, (N-1)/3+1$?不对,应该是让三份数量尽可能接近。例如10个,分成3,3,4。 - 关键原则:天平两边放的物品数量必须相等,剩下的那份数量可以不同,但必须保证“两边相等”且“三份总数=N”。 3. 选称法:每次称量,把其中两份放在天平两边。 - 若平衡,目标在第三份。 - 若不平衡,目标在较重的一份。 - 重复步骤2,直到剩下1个。
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练一道
基础题
有9个外观相同的零件,其中1个是次品(比正品重)。用天平称,最少称几次能保证找出次品?请写出称量过程。
变式
有10个外观相同的零件,其中1个是次品(比正品重)。用天平称,最少称几次能保证找出次品?请写出第一次称量的分组策略。
试试手自己判
检测题
有15个外观相同的硬币,其中1个是假币(比真币重)。用天平称,最少称几次能保证找出假币?请写出第一次称量的分组方案。
看答案和判分标准
答案:最少称3次。 第一次分组方案:5、5、5。
判对标准:
1. 次数回答为“3次”得2分。
2. 分组方案回答为“5、5、5”得2分。
3. 若回答“3次”但分组为“4、4、7”或“6、6、3”等,得1分(因为虽然也能在3次内解决,但不是最优的均衡策略,且4,4,7中7个硬币需2次,4个需2次,最坏3次;6,6,3中6个需2次,3个需1次,最坏3次。但5,5,5是最标准的平均分,符合“优化”要求)。
4. 若回答次数错误(如2次或4次),得0分。
5. 若未写出分组方案,得0分。
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