方法线路 M16 · 什么时候用?为什么用?

算两次

同一个量从两个角度各算一次,两个结果相等,就得到一个等式或不等式。最常用的形式:关联表按行求和等于按列求和。

📖 配合《解题方法与策略》第 16 章阅读

一个想法,一张图先按“按行数”看一遍,再按“按列数”看一遍。两个总数为什么总相等?把 n 拖一拖。

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一句话

一张 表(关联表)里的记号总数,可以按行加,也可以按列加:

这句话简单到像废话,用起来却极有力:选对“行”和“列”,一边好算、另一边就是我们要的量。这就是算两次(富比尼原理)。

先猜后证

表示 的正约数个数。 等于多少?

先选定答案,才能看到结论。

例:Σ d(j) = Σ ⌊n/i⌋

第 1 / 4 步
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  1. 画关联表

    行是 ,列是 ; 时画一个点。我们要的 就是表中点的个数。

第 1 站 · 子集族(卷一)

行 = 元素,列 = 子集,“元素属于子集”画点。按列数是 ,按行数是“每个元素属于几个子集”。

例:{1, 2, 3, 4} 的全部子集的元素个数之和

第 1 / 3 步
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  1. 按列数

    每一列是一个子集 ,列和是 。直接加 个数有点累。

第 2 站 · 人与小组(卷一)

行 = 人,列 = 小组,“某人参加某组”画点。知道每行的和与每列的和,就能互相推算。

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点格子安排 6 个人参加 4 个小组。试着让每人恰参加 2 个组:每组平均几人?两种数法的总数会不会不同?

例:每人恰参加 3 个兴趣小组,每组恰有 6 人;共 40 人,有几个小组?

第 1 / 4 步
  1. 设未知量

    设有 个小组。关联表 行、 列。

第 3 站 · 数列求和与组合恒等式(卷五)

证明恒等式,最漂亮的办法是找一个集合,让等式两边是它的两种数法。

一题多解

证明 。

算两次

数 的 元子集。一方面有 个。另一方面按最大元 ()分类:其余两个元素从 中选,有 种。两边相等。

代价要想到“按最大元分类”,但想到后一行就完。

数学归纳法

时两边都是 。若对 成立,则左边加上 得 (帕斯卡公式),对 成立。

代价机械可靠,但看不出等式“为什么”成立。

第 4 站 · 组合计数估计(卷六)

要估计一个集族最多有多大,就数一种“配对”:一边用条件给出上界,一边用集族的大小表示。

例:{1, …, 7} 的 3 元子集族 𝓕,任两个集合至多有一个公共元素。|𝓕| 最多是多少?

第 1 / 4 步
  1. 数什么

    数“(元素对 ,集合 )”,其中 。

练一练

练习 1基础

求 ,其中 是 的正约数个数。

练习 2基础

一个年级 名同学,每人恰好参加 个社团,每个社团恰好有 名同学。共有多少个社团?

练习 3提高

求 。

练习 4挑战

的 元子集族中,任两个集合至多有一个公共元素。这样的集族最多有几个集合?

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展品

每个对象被数了两次,却忘了除

错误的做法: 个人,每人恰与 人握过手,所以一共握手 次。
错在哪里?先想一想,再打开

病因 按人数,每一次握手被两个人各数了一次。这里的“关联表”是 人 × 握手,每一列(一次握手)里有两个记号。

正确的做法:,所以握手 次。顺便:若 个人每人都握 次, 是奇数,不可能——这就是握手定理。

「先问每一列有几个记号」

展品

算两次得到的界,当成了答案

错误的做法: 的 元子集族,任两个至多一个公共元素。数“(元素对,集合)”:,所以 最多是 。
错在哪里?先想一想,再打开

病因  只是上界。对 ,再按元素数一次:每个元素所在的集合两两只交于它,至多 个,于是 ,——更紧。

正确的做法:得到上界后,要么给出达到它的构造,要么换一种数法把界改进。

「界要配上构造,才是答案」

这条线路经过的站

同一个想法,在不同的地方各用一次。

  1. 子集族卷一《集合》第 5 章
  2. 容斥原理卷一《集合》第 9 章
  3. 数列的通项与求和卷五《数列与数学归纳法》第 4 章
  4. 柯西不等式与组合计数估计卷六《平均值不等式与柯西不等式》§4.4