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。