鸽巣原理及其简单应用--毕业论文.doc

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1、 2012届 本科毕业论文鸽巣原理及其简单应用院（系）名称专 业 名 称学 生 姓 名学 号指 导 教 师完 成 时 间鸽巣原理及其简单应用 摘要：鸽巣原理是一个重要而又基本的组合原理, 在解决数学问题时有非常重要的作用.本文叙述了鸽巣原理的简单形式和加强形式并对其进行了证明. 然后, 本文着重介绍了几种常见的构造法以及鸽巣原理在数学方面的一些简单应用. 关键词：鸽巣原理；鸽巣；构造法Pigeonhole Principle and Its Simple Application Abstract: Pigeonhole Principle is an important and basic p

2、rinciple of Combinatorics,which plays an important role useful in solving mathematical problems. This paper describes the simple form and enhanced form of Pigeonhole Principle and carried on the proof. Whats more, this paper introduces several common methods of construction as well as some simple ap

3、plications in mathematical aspects of Pigeonhole Principle.Key words: Pigeonhole Principle; pigeonhole; method of construction 0 引言 鸽巣原理又名抽屉原理或狄利克雷原理, 它由德国数学家狄利克雷(Divichlet，18051855)首先发现. 鸽巣原理在组合学中占据着非常重要的地位, 并且在数论和密码学中也有着广泛的应用. 使用鸽巣原理解题的关键是巧妙构造鸽巣, 即如何找出合乎问题条件的分类原则. 什么是鸽巣原理, 先从一个简单的例子入手, 把3个苹果放在2个盒子

4、里, 共有四种不同的放法, 如下表：放法盒子1盒子2130221312403 无论哪一种放法, 都可以说“必有一个盒子放了两个或两个以上的苹果”. 这个结论是在“任意放法”的情况下, 得出的一个“必然结果”. 类似的, 如果有5只鸽子飞进四个鸽笼里, 那么一定有一个鸽笼飞进了2只或2只以上的鸽子. 如果有6封信, 任意投入5个信箱里, 那么一定有一个信箱至少有2封信. 我们把这些例子中的“苹果”、“鸽子”、“信”看作一种物体，把“盒子”、“鸽笼”、“信箱”看作鸽巣, 可以得到鸽巣原理最简单的表达形式.1.鸽巣原理1.1 鸽巣原理的简单形式 定理1 把个物体放入个盒子里, 则至少有一个盒子里含有

5、两个或两个以上的物体. 证明 假设这个盒子中的每一个都至多含有一个物体, 则物体的总数最多是, 与物体总数是矛盾. 还存在一些与鸽巣原理相关的其他原理, 叙述如下： （1）如果将个物体放入个盒子里并且没有一个是空的, 那么每个盒子恰好包含一个物体. （2）如果将个物体放入个盒子里并且没有一个盒子被放入多于一个的物体, 那么每个盒子包含一个物体.1.2 鸽巣原理的加强形式 定理2 令为正整数如果将个物体放入个盒子, 那么, 或者第一个盒子至少含有个物体, 或者第二个盒子至少含有个物体,或者第个盒子至少含有个物体. 证明 对于假设第个盒子里至多含有个物体, 则个盒子里物体数的总和不超过,与已知条件

6、矛盾. 推论1 只鸽子放入个鸽笼, 则至少有一个鸽笼中有只鸽子. 证明 在定理1.2中令即可. 推论2 设均为正整数, 且满足，则中至少有一个数不小于. 证明 由得.由推论1可知, 存在使得2.鸽巣原理的鸽巣构造法 鸽巣的构造方法大致分为两大类：一类是分割图形构造鸽巣；一类是用分类的概念构造鸽巣.2.1分割图形构造鸽巣 在涉及到一个几何图形内有若干点时, 常常是把图形巧妙的分割成适当的部分, 用分割所得的小图形做鸽巣. 这种分割一般符合一个“分化”的定义, 即鸽巣间的元素既互不重复, 也不遗漏；但有时根据解题需要, 分割也可使鸽巣之间含有公共元素. 例1 在边长为2的正三角形中任意放五个点,

7、证明至少有两个点之间的距离不大于1. 证明 方法一如图（1）所示, 在三角形三条边的中点之间连线, 把整个三角形划分成四个边长为1的小三角形. 由鸽巣原理, 5个点中至少有两个点落如同一个小三角形里, 而这两个点之间的距离一定小于等于1. 方法二如图（2）所示, 以正三角形三顶点为中心, 分别作半径为1的圆弧, 把正三角形划分为四块. 由鸽巣原理, 5个点中至少有两个点落如同一个小三角形里, 两个点之间的距离一定小于等于1. 图（1） 图（2） 例2 如果直径为5的圆内有10个点, 其中有某两个点的距离小于2. 证明 先将圆分成8个全等的扇形, 中间作一个直径的圆（如图（3）, 把已知的圆分成

8、了9个区域（鸽巣）. 由鸽巣原理, 圆内的10个点, 必有两点落在同一区域内, 只需证明每个区域中的两个点距离都小于2. 显然, 小圆内任两点间的距离小于2, 又曲边扇形中, 2, 而任两点距离最大者, 有 图（3）2.2 等分区间构造鸽巣 如果在长度为1的区间内有多于个的点, 可考虑把区间等分成个子区间, 由鸽巣原理知, 一定有两点落在同一子区间, 它们之间的距离不大于. 这种构造法常用于处理一些不等式的证明. 例3 已知11个数,全满足,. 证明必有两个,满足. 证明 如图（1）, 将实数轴上介于0与1那段（连同端点）等分为10小段（亦可称为区间, 即鸽巣）, 每小段长为. 由鸽巣原理,1

9、1个点中至少有个点落在同一条小线段上, 设为, 这两点相应的数之差的绝对值.图（4） 注 表示大于等于的最小整数.2.3 分组构造鸽巣 利用这种构造法解题, 确定分组的“对象”很关键. 确定了“对象”之后, 其个数相对于“球”的个数而言, 又往往显得太多. 只有把这些“对象”分成适当数量的组（即鸽巣）后才能应用鸽巣原理. 例4 由小于100的27个不同的奇数组成的集合中必有两个数, 其和为102. 证 将小于100的所有奇数分为26个组（鸽巣）：因为有27个奇数, , 所以由鸽巣原理, 必有两个奇数落在同一鸽巣里, 这两个数之和恰好等于102. 例5 在个小于等于的不相等的正整数中, 一定存在

10、两个数是互素的. 证明 先证明以下的事实：任何两个相邻的正整数是互素的.用反证法. 假如与有公因子, 则有是整数.因此得, 即, 这与是整数矛盾. 把分成以下组:,. 从中任取个不同的数, 由鸽巣原理可知至少有两个数是取自同一组的, 它们是相邻的数, 所以是互素的.2.4 按余数分类构造鸽巣 涉及自然数的问题, 有时常用对模同余分类法, 构造个鸽巣, 以为模, 可以将全体自然数分为余数为0的自然数,余数为1的自然数,余数为的自然数, 共个鸽巣. 例6 任取4个自然数, 其中必有两个数的差是3的倍数. 证明 任意一个自然数被3除所得的余数只能是三种, 根据所得余数, 可以把所有自然数分为三类:余

11、数为0的自然数，余数为1的自然数，余数为2的自然数，把它们看做3个鸽巣, 余数相同的自然数在同一个鸽巣里. 由鸽巣原理, 任取4个数必有两个数出自同一鸽巣里, 也就是这两个数除以3, 所得余数相同. 所以用大数减去小数, 他们的差就是3的倍数. 一般的, 任给个自然数, 其中必有两个数的差是的倍数.4 证明 任意一个自然数被出所得的余数只能是共种, 根据所得余数, 可以把所有自然数分为类：余数为0的自然数， 余数为1的自然数,余数为的自然数，把它们看做个鸽巣, 余数相同的自然数在同一个鸽巣里. 由鸽巣原理, 任取个数必有两个数出自同一鸽巣, 也就是这两个数除以所得的余数相同. 所以用大数减去小

12、数, 他们的差就是的倍数. 例7 任意给定12个不同的自然数, 证明其中必有两个数的和或差是20的倍数. 证明 将自然数按照除以20所得的余数分类, 得共20类.任意给定的12个不同的自然数, 若有两个数落在同一类（即两个数除以20所得的余数相同）, 那么它们的差是20的倍数, 结论成立. 若任意给定的12个不同的自然数中, 每两个数都不在同一类, 也就是按上面分的20类中每一类至多有一个已知数（也可以没有）. 此时, 将自然数按照除以20所得的余数分类, 则分为11类:,.每一类当作一个鸽巣, 它们的和是20的倍数. 一般的, 任取个不同的自然数, 则必有两个数的和或差是的倍数. 证明 设所

13、给的自然数是,有 ,则个自然数的余数, 分为种情况, 可看作个鸽巣, 必有两个数，属于同一个鸽巣, 即. （1）当时, 是的倍数； （2）当时, 是的倍数.综合（1）、（2）可知, 该命题成立. 例8 设是个正整数, 证明其中存在着连续的若干个数, 其和是的倍数. 证明 设,我们把除以的余数记作,. 如果存在, 使得, 则可以被整除. 如果对于所有的,都有, 那么个只能有共种可能的取值, 由鸽巣原理知, 必存在和满足, .因此有可以被整除.2.5用转化的方法构造鸽巣 用转化的方法构造鸽巣就是通过某种对应方法或变换手段, 把原问题转化为更易求解的新问题, 一旦新为题解决, 原问题随之得解. 例9

14、 在中任取个不同的数, 证明至少有一个数是另一个数的倍数. 证明 任何的正整数都可以表成的形式, 其中是自然数（包括0）, 为奇数. 设选出的个数为, 把它们依次表为, 其中是个奇数, 它们的取值只有种可能, 即.由鸽巣原理, 必存在和使得. 我们考虑和, 不妨设, 则有. 这就证明了是的倍数. 例10 任意六个人中, 必有三人彼此认识, 或有三人彼此不认识. 证明 在平面上用六个点表示六个人, 若两个人彼此认识则在代表他们的两点间连一红边, 否则连一蓝边, 如果把各对点都用红或蓝边连接后, 我们得到一个2色6阶完全图. 于是问题转化为：证明2色6阶完全图中一定存在单色三角形, 即三边皆同色的

15、三角形. 因为点与其余5个点的5条连线只能是红色或蓝色, 因, 由鸽巣原理知, 其中至少有三条同色, 不妨设皆为红色. 如果中有某1条（比如）是红色的, 则有一个红边三角形（如下图(5)）；如果都是蓝色, 则有一个蓝边三角形（如下图(6)）.总之, 至少有一个单色三角形. 图（5） 图（6） 注 对于例10这种关于个对象以及这个对象之间的若干种关系的问题, 可以把这个对象用点来表示, 对象之间的关系用某种边来表示, 从而把问题转化为有关图论的问题, 这种方法也称做图论方法.3.鸽巣原理的简单应用 鸽巣原理的内容简明朴素, 易于接受, 它在数学问题中有重要的作用. 应用鸽巣原理的基本思想是根据不

16、同问题自身特点, 洞察问题本质, 先弄清对哪些元素进行分类, 找出分类的规律, 即构造鸽巣, 这是应用鸽巣原理的关键.3.1 应用鸽巣原理证明不等式 我们知道个苹果放入个鸽巣里, 必然有一个鸽巣里至少有2个苹果. 这是一个鸽巣原理的简单应用. 妙用鸽巣原理, 证明某些不等式, 能起到神奇的效果. 下面给出几个例子. 例11 若为正数，求证：. 证明 设,则原不等式等价于，若正数,满足, 则有不等式，即. 注意到,于是一定在中有两个同时不小于1，或者不大于1, 不妨设和, 则有 下面, 我们采用作差法证明不等式. 事实上, 这说明不等式成立, 故原不等式得证. 例12 对于任意正整数, 均有.

17、证明 原不等式可以变形为 由鸽巣原理, 中必有两个同时不大于1, 或者同时不小于1, 不妨设为和, 则有.从而, 有即. 据此, 并利用二元均值不等式, 得 所以, 不等式成立, 故原不等式得证.3.2 应用鸽巣原理证明三角不等式 上面我们研究了如何应用鸽巣原理证明不等式, 下面我们将讨论一些三角不等式的独特证法, 希望给读者一定的启发. 例13 在中, 求证:. 证明 在中, 一定有两个角同时不小于或同时不大于, 不妨设为, 则有, 即, 所以故有. 例14 在中, 求证：. 证明 在中一定有两个角同时不小于或同时不大于, 不妨设为, 则有, 即, 所以 设, 显然, 函数取得最大值, 只需

18、要考虑为锐角的情况, 求导, 得, 有, 得, 所以. 当时, 函数是增函数, 当时, 函数是减函数.从而, 有. 所以, .3.3 应用鸽巣原理解决代数问题 例15 证明：有限群中的每个元素的阶均有限. 证明 设是阶有限群, 为单位元. 任取, 则由鸽巣原理可知, 中必有相等的. 不妨设, , 于是有, 从而的阶有限. 例16 设是阶方阵，证明：存在, 使. 证明 因为阶方阵的秩只能是这个数之一, 而的个数大于秩, 从而由鸽巣原理知, 在中, 存在,满足, 使得. 但,所以. 除此之外, 鸽巣原理还可用于解决一些数论问题及图论问题. 另外, 在中小学新课改中都有鸽巣原理的简单应用. 鸽巣原理

19、广泛应用于数学各阶段, 若有兴趣, 还可继续研究.4.总结 鸽巣原理的叙述比较简单, 因此本文将重点放在了鸽巣原理的构造及应用上, 尤其是鸽巣的构造, 是灵活运用鸽巣原理的关键. 从上面的例子中, 我们可以看到应用鸽巣原理时, 一般分为三个步骤： （1） 构成分类的对象有个物体； （2） 找出分类的规则, 应用各种鸽巣构造法, 将个元素分成个鸽巣, 并证明每个鸽巣中的元素符合题意； （3） 应用鸽巣原理证明结论成立. 应用的关键在于构造鸽巣的方法, 构造鸽巣主要依赖于做题的经验和解题技巧, 体现了解题思维的灵活性. 参考文献1兰社云,高喜梅.浅谈抽屉原理及抽屉构造J.河南教育学院学报.2003.12（3）.2屈婉玲.组合数学M.北京大学出版社.2007.3刘勇,刘祥生. 组合数学M. 北京大学出版社.2006.4庞国萍.抽屉原理的抽屉构造法J.玉林师范高等专科学校学报（自然科学）.2000：21（3）:12-13.5安振平.妙用抽屉原理证明不等式J.数学通报.2010.49(1):59-60.6安振平.巧用抽屉原理妙证三角不等式J.数学通讯,2010.(11):110.7濮安山. 高等代数中抽屉原理的应用J.哈尔滨师范大学自然科学学报,2001. 17 (6):21-22.13