第五单元 数学广角——鸽巢问题
本单元教材通过几个直观例子,借助实际操作,向学生介绍“鸽巢问题”,使学生在理解“鸽巢问题”这一数学方法的基础上,对一些简单的实际问题加以“模型化”,会用“鸽巢问题”加以解决。
在数学问题中有一类与“存在性”有关的问题。例如,任意13人中,至少有两人的出生月份相同。任意367名学生中,一定存在两名学生,他们在同一天过生日。在这类问题中,只需要确定某个物体(或某个人)的存在就可以了,并不需要指出是哪个物体(或哪个人),也不需要说明是通过什么方式把这个存在的物体(或人)找出来。这类问题依据的理论,我们称之为“鸽巢问题”。
本单元用直观的方式,介绍了“鸽巢问题”的两种形式。例1描述的是最简单的“鸽巢问题”:把m个物体任意分放进n个空抽屉里,那么一定有一个抽屉中放进了至少2个物体。例2描述了“鸽巢问题”更为一般的形式:把多于kn个物体任意分放进n个空抽屉里,那么一定有一个抽屉中放进了至少(k+1)个物体。例3是“鸽巢问题”的具体应用。“做一做”和练习十三中安排了关于“鸽巢问题”的变式练习,帮助学生加深对“鸽巢问题”的理解,并学会利用“鸽巢问题”解决简单的实际问题。
1.经历“鸽巢问题”的探究过程,初步了解“鸽巢问题”,会用“鸽巢问题”解决简单的实际问题。
2.通过“鸽巢问题”的灵活应用感受数学的魅力。
重点:经历“鸽巢问题”的探究过程,初步了解“鸽巢问题”。
难点:理解“鸽巢问题”,并对一些简单实际问题加以“模型化”。
1.应让学生初步经历“数学证明”的过程。
在数学上,一般是用反证法对“鸽巢问题”进行严格证明。在小学阶段,虽然并不需要学生对涉及到“鸽巢问题”的相关现象给出严格的、形式化的证明,但仍可引导学生用直观的方式对某一具体现象进行“就事论事”式的解释。本单元安排了一些需要学生解释原因的题目,可以鼓励学生借助学具、实物操作或画草图的方式进行“说理”。实际上,通过“说理”的方式来理解“鸽巢问题”的过程就是一种数学证明的雏形。通过这样的方式,有助于逐步提高学生的逻辑思维能力,为以后学习较严密的数学证明做准备。
2.应有意识的培养学生的“模型”思想。
“鸽巢问题”的形式很多,应用更具灵活性。当我们面对一个具体问题时,能否将这个具体问题和“鸽巢问题”联系起来,能否找到该问题中的具体情境和“鸽巢问题”的“一般化模型”之间的内在联系,能否找出该问题中什么是“待分的东西”,什么是“鸽巢”,是影响能否解决该问题的关键。教学时,要引导学生先判断某个问题是否属于用“鸽巢问题”可能解决的范畴,如果可以,再思考如何寻找隐藏在其背后的“鸽巢问题”的一般模型。这个过程实际上是学生经历将具体问题“数学化”的过程,能否从纷繁复杂的现实素材中找出最本质的数学模型,是体现学生数学思维和能力的重要方面。
3.要适当把握教学要求。
“鸽巢问题”本身或许并不复杂,但它的应用广泛灵活多变,因此,用“鸽巢问题”来解决实际问题时,经常会遇到一些困难。例如,有时要找到实际问题与”鸽巢问题”之间的联系并不容易,即使找到了,也很难确定用什么作为“抽屉”,要用几个“鸽巢”。因此,教学时,不必过于追求学生“说理”的严密性,只要能结合具体问题把大致意思说出来就可以了,更要允许学生借助实物操作等直观方式进行猜测、验证。
第一课时 鸽巢问题(一)
鸽巢问题(一)(第68、69页,例1、例2)
1.经历“鸽巢问题”的探究过程,初步了解“鸽巢问题”,会用“鸽巢问题”解决简单的实际问题。
2. 通过动手操作,培养学生的推理能力,帮助学生从形象思维向抽象思维过渡。
3. 通过“鸽巢问题”的灵活应用,感受数学的魅力。
重点:经历“鸽巢问题”的探究过程,初步了解“鸽巢问题”。
难点:理解“鸽巢问题”,并对一些简单实际问题加以“模型化”。
每组都有相应数量的盒子、笔、书。
一、情境启发,明确目标
魔术表演:
一副扑克牌,抽出大小王,还剩下52张。请5位学生,每人任意抽一张,老师猜:至少有2张牌是同花色的。
相信吗?
师:老师为什么能做出这样的判断呢?这其中蕴含着一个有趣的数学原理,(板书:鸽巢问题)这节课我们就一起来研究这个原理。
二、合作探究,达成目标
例1:
出示题目:把4支铅笔放进3个笔筒中,不管怎么放,总有一个笔筒里至少有2支铅笔。
1.审题,质疑:
“总有”是什么意思?(一定有)
“至少”是什么意思?(最少,还可以更多,不能更少。)
2.探究,验证:总有一个笔筒里至少有2支铅笔。真的吗?
(1)操作,记录。
同桌两人为一组,准备4支铅笔,3个笔筒(盒子或其他物品替代也可),记录用的纸和笔。
一人操作,摆放,另一人记录摆放情况,教师巡视指导。
(2)汇报,验证。
学生汇报摆放情况,教师板书,如下:
(4,0,0),(3,1,0)
(2,2,0),(2,1,1)
验证:把4支铅笔放进3个笔筒中,不管怎么放,总有一个笔筒里至少有2支铅笔。为什么?
(3)探究,初现规律。
可以这样想:先取3支笔,平均每个笔筒放1支。剩下的1支总要放进其中的一个笔筒。所以总有一个笔筒里至少有2支笔。
师:试试能用我们学过的数学算式表示吗?
4÷3=1……1(商1加上余下的1,至少有2支。)
你有什么发现? (商+余数,得到至少数)
真是这样吗?我们的发现对不对?
(4)应用,初步验证规律。
“做一做”:5只鸽子飞进了3个鸽笼,总有一个鸽笼至少飞进了2只鸽子。为什么?
学生选择自己喜欢的方法解释。可以动手摆放,也可以用除法算式:
5÷3=1……2
验证:至少数不是用商加余数得到的。不管余数是几,都只能用商加1,而不是加余数。所以至少数是1+1=2。
至少数是怎样得到的?到底是商+余数,还是商+1?我们继续探究。
3.优化拓展,建构模型:
出示例2:
把7本书放进3个抽屉,不管怎么放,总有一个抽屉里至少有3本书。为什么?
(1)学生选择自己喜欢的方法,动手摆放,操作验证;或写算式,说理由。
(2)汇报:7÷3=2……1(至少数:2+1=3)
(3)拓展:
之前,我们通过一个一个的例子来解释,一次一次地摆放操作来验证。
如果有8本书呢?10本书呢?更多本书呢?当数目更大时,一一举例就不方便了。怎样更简便?
写算式:
8÷3=2……2(至少数:2+1=3)
10÷3=3……1(至少数:3+1=4)
你有什么发现?
——不管余数是几,至少数都等于商+1,而不是商加余数。
4.小结,应用:
像这样的问题,告诉书的总数和抽屉数,求至少数,我们把它称为“抽屉原理”,也称为“鸽巢原理”。最先是由19世纪的德国数学家狄里克雷(Dirichlet)运用于解决数学问题的,所以又称“狄里克雷原理”。
实际上,“鸽巢原理”相当于有余数的除法。鸽子的总数相当于被除数,鸽巢相当于除数。求至少数的绝招,就是商+1,而不是加余数。
现在,能够解释“魔术”扑克的原理的吧?其实就是“鸽巢原理”。抽出的5张牌相当于5只鸽子,4个花色相当于4个鸽巢,5÷4=1……1,至少数=1+1=2,所以至少有2张同花色的。
明白“鸽巢原理”,可以帮助我们解决很多生活中奇妙的问题。
三、巩固练习,检测目标
1.完成69页“做一做”。
2.完成“做一做”第1题。
3.完成练习十三第1~3题。
四、总结评讲,升华目标
我们学习了鸽巢问题,可以用有余数的除法来解决问题,用商+1来得到至少数。关键是,要找到对应的鸽子数和鸽巢数。
板书设计:
数学广角——鸽巢问题
(4,0,0),(3,1,0)
(2,2,0),(2,1,1)
4÷3=1……1,(至少数:1+1=2)
7÷3=2……1(至少数:2+1=3)
8÷3=2……2(至少数:2+1=3)
10÷3=3……1(至少数:3+1=4)
被除数÷ 除数 =商……余数
↓ ↓
鸽子总数 鸽巢数
至少数 = 商+1
第二课时 鸽巢问题(二)
鸽巢问题(二)(第70页,例3)
1.通过观察、猜测、实验、推理等活动,寻找隐藏在实际问题背后的”鸽巢问题”的一般模型。会用“鸽巢问题”解决实际问题。
2.在经历将具体问题“数学化”的过程中,发展抽象思维能力和解决问题的能力,
3.感受数学的魅力,体会数学与日常生活的联系,了解数学的价值,增强应用数学的意识。
重点:对一些简单的实际问题“模型化”,用“鸽巢问题”加以解决。
难点:将实际问题抽象为数学问题来解决。
一、创设情境,明确目标
师:上节课的“魔术扑克牌”被大家用“鸽巢原理”破解了。
这节课,老师又带来一个“魔术盒子”,(出示:不透明盒子,晃动几下)
里面装着同样大小的红球和蓝球各4个。请同学来摸一个,大家猜猜看:
生1:可能是红球。
生2:可能是蓝球。
师:可能性的知识学得不错。如果想保证摸出的球一定有2个同色的,至少要摸出几个球?
二、合作探究,达成目标
1.独立思考,猜测:
猜测一:只摸出两个球,就能保证是同色的?
猜测二:摸出五个球,肯定有两个是同色的?
猜测三:摸出三个球,肯定有两个是同色的?
究竟至少要摸出几个呢?两个?三个?还是几个?
2.动手操作,验证。
(1)一次摸出2个球,有几种情况?
验证:球的颜色共有( )种,如果只摸出2个球,会出现三种情况:2个红球,1个红球1个蓝球、2个蓝球。因此如果摸出的2个球正好是一红一蓝时就(不符合)条件。
结论:最坏的情况,每种颜色各1个。最好的情况,2个球同色。但不能保证2个球同色。
(2)一次摸出5个球,有几种情况?
验证:把红、蓝两种颜色看成两个“抽屉”,因为 5 ÷ 2 = ( )……( ),所以摸出5个球时,至少有( )个球是同色.
结果:摸出5个球时,不是最少的。
(3)一次摸3个球,有几种情况?
结论:一定能摸出2个同色球,并且数目最少。
3.讨论,发现规律
想一想:要保证至少2个同色,摸出的球的个数与颜色数有什么关系?
解题技巧:从最坏的情况考虑,如果摸出2个球的颜色各1,那么再任意摸出1个球,即摸出的球比它们的颜色数多1,就能保证有两个球同色。
三、变式练习,检测目标
1.完成做一做第2题:至少取5个球。(4+1=5)
2.完成练习十三第4题:
①第一个问题,最少拿4根。从最坏的情况考虑,每色筷子各1根,只需要再任意取1根筷子,就可保证有2根同色的筷子,即3+1=4。
②第二个问题,最少拿10根。
[方法一]从最坏的情况考虑,每色筷子各3根,只需要再任意取一色的筷子1根,就可保证有2双筷子,即3×3+1=10.
[方法二]至少数:2×2=4,商:4-1=3
根据被除数=商×除数+余数,可知3×3+1=10
3.完成练习十三第5题:可以举例说明,也因为奇数+奇数=偶数,偶数+偶数=偶数。
4.完成练习十三第6题:
①如果涂三列,存在以下8种排列情况:红红红,红红蓝,红蓝红,红蓝蓝,蓝蓝蓝,蓝蓝红,蓝红红,蓝红蓝。
把8种排列情况看作8个鸽巢;共有9列,看作鸽子总数。
9÷8=1……1,至少数=1+1=2,所以无论怎么涂,至少有两列的涂法相同。
②如果只涂两列的话,存在以下4种排列情况:红红,红蓝,蓝红,蓝蓝。
把4种排列情况看作4个鸽巢;共有9列,看作鸽子总数。
共有9列,9÷4=2……1,至少数=2+1=3,所以无论怎么涂,至少有三列的涂法相同。
四、总结评讲,升华目标
1.找联系,建模型
(1)把“摸球问题”与”鸽巢问题”联系起来:即把红、蓝两种颜色看作“抽屉”(同种颜色就是同1个抽屉),要摸出数看作是分放的物体总数。
(2)根据“鸽巢问题”中“只要分放的物体个数比抽屉数多,就能保证一定有1个抽屉至少有2个球”,可以推断出“要保证有1个抽屉至少有2个球,分放的物体个数至少比抽屉数多( )。因此,要从两种颜色的球中保证摸出2个同色的,最少要摸出( )个球。
2.教师小结:在解决鸽巢问题实际题时找准“抽屉”和“物体”是关键,只要分的物体个数比抽屉数多,就能保证一定有一个抽屉至少有2个球。
附:鸽巢问题经典练习题及答案
一副扑克牌(除去大小王)52张中有四种花色,每种花色13张。如果要抽得1张红心,至少要抽几张牌呢?为什么?(可能与今天学习的知识有一点区别,要注意实验、思考)
1.木箱里装有红色球3个、黄色球5个、蓝色球7个,若蒙眼去摸,为保证取出的球中有两个球的颜色相同,则最少要取出多少个球?
解:把3种颜色看作3个抽屉,若要符合题意,则小球的数目必须大于3,故至少取出4个小球才能符合要求。
2.一幅扑克牌有54张,最少要抽取几张牌,方能保证其中至少有2张牌有相同的点数?
解:点数为1(A)、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11(J)、12(Q)、13(K)的牌各取1张,再取大王、小王各1张,一共15张,这15张牌中,没有两张的点数相同。这样,如果任意再取1张的话,它的点数必为1~13中的一个,于是有2张点数相同。
3.11名学生到老师家借书,老师是书房中有A、B、C、D四类书,每名学生最多可借两本不同类的书,最少借一本。试证明:必有两个学生所借的书的类型相同。
证明:若学生只借一本书,则不同的类型有A、B、C、D四种,若学生借两本不同类型的书,则不同的类型有AB、AC、AD、BC、BD、CD六种。共有10种类型,把这10种类型看作10个“抽屉”,把11个学生看作11个“苹果”。如果谁借哪种类型的书,就进入哪个抽屉,由鸽巢问题,至少有两个学生,他们所借的书的类型相同。
4.有50名运动员进行某个项目的单循环赛,如果没有平局,也没有全胜,试证明:一定有两个运动员积分相同。
证明:设每胜一局得一分,由于没有平局,也没有全胜,则得分情况只有1、2、3……49,只有49种可能,以这49种可能得分的情况为49个抽屉,现有50名运动员得分,则一定有两名运动员得分相同。
5.体育用品仓库里有许多足球、排球和篮球,某班50名同学来仓库拿球,规定每个人至少拿1个球,至多拿2个球,问至少有几名同学所拿的球种类是一致的?
解题关键:利用鸽巢问题2。
解:根据规定,多有同学拿球的配组方式共有以下9种:﹛足﹜﹛排﹜﹛蓝﹜﹛足足﹜﹛排排﹜﹛蓝蓝﹜﹛足排﹜﹛足蓝﹜﹛排蓝﹜。以这9种配组方式制造9个抽屉,将这50个同学看作苹果50÷9 =5……5
由鸽巢问题2k=[m/n]+1可得,至少有6人,他们所拿的球类是完全一致的。
6.某校有55个同学参加数学竞赛,已知将参赛人任意分成四组,则必有一组的女生多于2人,又知参赛者中任何10人中必有男生,则参赛男生的人生为________人。
解:因为任意分成四组,必有一组的女生多于2人,所以女生至少有4×2+1=9(人);因为任意10人中必有男生,所以女生人数至多有9人。所以女生有9人,男生有55-9=46(人)
7. 证明:从1,3,5,……,99中任选26个数,其中必有两个数的和是100。
解析:将这50个奇数按照和为100,放进25个抽屉:(1,99),(3,97),(5,95),……,(49 ,51)。根据鸽巢问题,从中选出26个数,则必定有两个数来自同一个抽屉,那么这两个数的和即为100。
8. 某旅游车上有47名乘客,每位乘客都只带有一种水果。如果乘客中有人带梨,并且其中任何两位乘客中至少有一个人带苹果,那么乘客中有________人带苹果。
解析:由题意,不带苹果的乘客不多于一名,但又确实有不带苹果的乘客,所以不带苹果的乘客恰有一名,所以带苹果的就有46人。
9.一些苹果和梨混放在一个筐里,小明把这筐水果分成了若干堆,后来发现无论怎么分,总能从这若干堆里找到两堆,把这两堆水果合并在一起后,苹果和梨的个数是偶数,那么小明至少把这些水果分成了________堆。
解析:要求把其中两堆合并在一起后,苹果和梨的个数一定是偶数,那么这两堆水果中,苹果和梨的奇偶性必须相同。对于每一堆苹果和梨,奇偶可能性有4种:(奇,奇),(奇,偶),(偶,奇),(偶,偶),所以根据鸽巢问题可知最少分了4+1=5筐。
10. 有黑色、白色、蓝色手套各5只(不分左右手),至少要拿出________只(拿的时候不许看颜色),才能使拿出的手套中一定有两双是同颜色的。
解析:考虑最坏情况,假设拿了3只黑色、1只白色和1只蓝色,则只有一双同颜色的,但是再多拿一只,不论什么颜色,则一定会有两双同颜色的,所以至少要那6只