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抽屉原理

东西比抽屉多,必有一个抽屉放了不止一件。原理一句话,功夫全在“造抽屉”:同屉的两件恰好就是你要的那一对。

📖 配合《解题方法与策略》第 4 章阅读

一个想法,一张图从 1~20 里挑数,躲开“一个是另一个的倍数”。挑不动了,再试四种造抽屉的办法,哪一种同屉的两个数必定有倍数关系?

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一句话

把 件东西放进 个抽屉,必有一个抽屉里至少有两件。更一般地, 件东西放进 个抽屉,必有一个抽屉里至少有 件。

证明只要一行(反证):每屉至多 件,总共至多 件,放不下。真正的难点是:题目不会把抽屉交给你。你要把对象分划成几类,让“同一类的两个”恰好满足题目要的性质——这就是卷一里集合的分划。

例:从 1, 2, …, 20 中任取 11 个数,必有一个是另一个的倍数

第 1 / 4 步
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  1. 先试着躲开

    取 :任何一个的 倍都超过 ,没有倍数关系。 个数躲得开。

先猜后证

从 中最多能取多少个数,使得其中任何一个都不是另一个的倍数?

先选定答案,才能看到结论。

第 1 站 · 子集族(卷一)

抽屉不一定装数,也可以装子集。

例:{1, 2, …, n} 的 2ⁿ⁻¹ + 1 个不同子集中,必有两个不相交

第 1 / 4 步
  1. 苹果是子集

    元集合共有 个子集,题目从中取了 个——超过一半。

第 2 站 · 周期数列(卷五)

无穷多项,却只有有限种“状态”——抽屉原理保证状态必然重复,而递推让重复变成周期。

例:斐波那契数列除以 m 的余数是周期数列

第 1 / 4 步
  1. 状态

    由前两项决定,所以把相邻两项的余数 看成一个状态。

第 3 站 · 存在性问题(卷五)

“必存在连续若干项之和是 的倍数”——抽屉不放原数,放前缀和。

一题多解

任给 个整数 ,证明:必有连续的若干项(至少一项),其和是 的倍数。

前缀和进余数抽屉

令 ()。若某个 ,已经成立。

否则 个前缀和落在 个非零余数里,必有 (),于是 是 的倍数。

例:(),前缀和 余 ,,所以 。

代价一次抽屉原理,干净利落。

试图直接构造

对具体的数可以试出来,但一般的 个数没有公式告诉你是哪一段。

抽屉原理的价值就在于:不必找到那一段,也能证明它一定存在。

代价说不出该取哪一段,只能一个个试——这正是抽屉原理擅长的“只证存在”。

练一练

练习 1基础

平面上至少取多少个整点(横、纵坐标都是整数的点),才能保证其中有两个点的连线中点也是整点?

练习 2基础

从 中至少取多少个数,才能保证其中有两个数互质?

练习 3提高

的子集组成的族,如果其中任意两个子集都相交,这个族最多有多少个子集?

练习 4挑战

任给 个不同的整数,证明:其中必有两个数,它们的和或差是 的倍数。

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展品

抽屉造了,同屉却不满足要求

错误的做法:从 中取 个数,证明必有一个是另一个的倍数:按“相邻两数”造 个抽屉 , 个数必有两个同屉,所以有倍数关系。
错在哪里?先想一想,再打开

病因 同屉的 和 并没有倍数关系。抽屉个数对了,可“同屉 结论”这一环是断的。相邻抽屉保证的是互质。

正确的做法:按奇数部分造抽屉:,共 个,同屉的两个数只差若干个因数 ,必有倍数关系。

「先检查同屉的两件是不是你要的那一对」

展品

只证了“够”,没说明“少一个不行”

错误的做法:求至少取多少个数才能保证有两数互质: 个数放进 个抽屉 ,所以答案是 。
错在哪里?先想一想,再打开

病因 抽屉原理只证明了 个够了。要说 是“至少”,还得说明 个不够。

正确的做法:补一个例子: 这 个偶数两两不互质。所以 个不够、 个够,答案是 。

「最小值 = 够了 + 少一个不够」

这条线路经过的站

同一个想法,在不同的地方各用一次。

  1. 集合的分划卷一《集合》第 4 章
  2. 子集族卷一《集合》第 5 章
  3. 周期数列卷五《数列与数学归纳法》第 8 章
  4. 数列中的存在性问题卷五《数列与数学归纳法》第 15 章