排列组合中涂色问题的常见方法及策略
莫须有-涕泗横流
高三专题讲座
排列组合中涂色问题的常见方法及策略
与涂色问题
有关的试题新颖有趣,其中包含着丰富的数学思想。解决涂色问题方法技巧
性强且灵活多变,故这类问题
的利于培养学生的创新思维能力、分析问题与观察问题的能
力,有利于开发学生的智力。本专题总结涂色
问题的常见类型及求解方法。
一、 区域涂色问题
1、
根据分步计数原理,对各个区域分步涂色,这是处理染色问题的基本方法
。
例1、
用5种不同的颜色给图中标①、②、③、④的各部分涂色,每部分只涂一种
颜色,相邻部分涂不同颜色,
则不同的涂色方法有多少种?
①
③
④
②
分析:先给①号区域涂色有5种方法,再给②号涂色有4
种方法,接着给③号涂色方
法有3种,由于④号与①、②不相邻,因此④号有4种涂法,根据分步计数原
理,不同的
涂色方法有
5434240
2、 根据共用了多少种颜
色讨论,分别计算出各种出各种情形的种数,再用加法
原理求出不同的涂色方法种数。
例2、
(2003江苏卷)四种不同的颜色涂在如图所示的6个区域,且相邻两个区域不
能同色。
分析:依题意只能选用4种颜色,要分四类:
(1)②与⑤同色、④与⑥同色,则有
A
4
;
(2)③与⑤同色、④与⑥同色,则有
A
;
(3)②与⑤同色、③与⑥同色,则有
A
;
4
4
4
4
4
4
⑤
⑥
②
①
④
③
(4)③与⑤同色、② 与④同色,则有
A
4
;(5)②与④同色、③与⑥同色,则有
A
4
;
所以根据加法原理得涂色方法总数为5
A
4
=120
例3、(20
03年全国高考题)如图所示,一个地区分为5个行政区域,现给地图着色,要
求相邻区域不得使用同一
颜色,现有4种颜色可供选择,则不同的着方法共有多少种?
分析:依题意至少要用3种颜色
1) 当先用三种颜色时,区域2与4必须同色,
2
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3
4
4
1
4
5
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2) 区域3与5必须同色,故有
A
4
种;
3)
当用四种颜色时,若区域2与4同色,
4) 则区域3与5不同色,有
A
4
种;若区域3与5同色,则区域2与4不同色,
有
A
4
种,故用四种颜色时共
有2
A
4
种。由加法原理可知满足题意的着色方
法共有
A
4
+2
A
4
=24+2
24=72
3、
根据某两个不相邻区域是否同色分类讨论,从某两个不相邻区域同色与不同
色入手,分别计算出两种情
形的种数,再用加法原理求出不同涂色方法总数
。
例4用红、黄、蓝、白、黑五种颜色涂在如
图所示的四个区域内,每个区域涂一
种颜色,相邻两个区域涂不同的颜色,如果颜色可以反复使用,共有
多少种不同
的涂色方法?
分析:可把问题分为三类:
2 1
4
(1) 四格涂不同的颜色,方法种数为
A
5
;
(2)
有且仅两个区域相同的颜色,即只
有一组对角小方格涂相同的颜色,涂法种数为
12
2C
5
A
4
;
34
44
4
3
3
4
5)
两组对角小方格分别涂相同的颜色,涂法种数为
A
5
,
2122
因
此,所求的涂法种数为
A
5
2C
5
A
4
A5
260
2
4、 根据相间区使用颜色的种类分类
例5如图, 6个扇形区域A、B、C、D、E、F,现给这6个区域着色,要求同一
区域涂同
一种颜色,相邻的两个区域不得使用同一种颜色,现有4种不同的颜色
可供选择
C
解(1)当相间区域A、C、E着同一种颜色时,
B
D
有4种着色方法,此时,B、D、F各有3种着色方法,
A
E
此时,B、D、F各有3种着色方法故有
4333108
F
种方法。
(2)当相间区域A、C、E着色两不同的颜色时,有
C
3<
br>A
4
种着色方法,此时B、
22
D、F有
322
种着色方法,故共有
C
3
A
4
322432
种着色
方法。
22
(3)当相间区域A、C、E着三种不同的颜色时有
A
4
种着色方法,此时B、D、
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3
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F各有2种着色方法。此时共有
A
4
222192
种方法。
故总计有108+432+192=732种方法。
说明:关于扇形区域区域涂色问题还可以用数列中的递推公来解决。
3
二、 点的涂色问题
方法有:(1)可根据共用了多少种颜色分类讨论
(2)根据相对顶点是否同色分类讨论,
(3)将空间问题平面化,转化成区域涂色问题。
例6、将一个四棱锥
SABCD
的每个顶点染上一种颜色,并使同一条棱的两端点异
色,如果只有5种颜色可供使用,那么不同的染色方法的总数是多少?
解法一
:满足题设条件的染色至少要用三种颜色。
(1) 若恰用三种颜色,可先从
五种颜色中任选一种染顶点S,再从余下的
四种颜色中任选两种涂A、B、C、D四点,此时只能A与C
、B与D
12
分别同色,故有
C
5
A
4
60种方法。
(2) 若恰用四种颜色染色,可以先从五种颜色中任选一种颜色染顶点S,
再
从余下的四种颜色中任选两种染A与B,由于A、B颜色可以交换,
故有
A
4
种染法;再从余下的两种颜色中任选一种染D或C,而D与
C,而D与C中另一个只需染与其相对顶点同
色即可,故有
1211
C
5
A
4
C
2
C<
br>2
240
种方法。
5
(3)
若恰用五种颜色染色,有
A
5
120
种染色法
2
综上所知,满足题意的染色方法数为60+240+120=420种。
解法二
:设想染色按S—A—B—C—D的顺序进行,对S、A、B染色,有
5436
0
种染色方法。
由于C点的颜色可能与A同色或不同色,这影响到D点颜色的选取方法数,
故分类讨论:
C与A同色时(此时C对颜色的选取方法唯一),D应与A(C)、S不同色,有3
种选择;C与A不同
色时,C有2种选择的颜色,D也有2种颜色可供选择,从而对C、
D染色有
1322
7
种染色方法。
D
由乘法原理,总的染色方法是
607420
A
解法三
:可把这个问题转化成相邻区域不同色问题:如图,
S
C
对这五个区域用5种颜色涂色,有多少种不同的涂色方法?
B
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解答略。
三、 线段涂色问题
对线段涂色问题,要注意对各条线段依次涂色,
主要方法有:(1)根据共用了多少颜色分类讨论
(2)根据相对线段是否同色分类讨论
。
例7、用红、黃、蓝、白四种颜色涂矩形ABCD的四条边,每条边只涂一种颜色
,且使
相邻两边涂不同的颜色,如果颜色可以反复使用,共有多少种不同的涂色方法?
4
解法一
:(1)使用四颜色共有
A
4
种
(2)
使用三种颜色涂色,则必须将一组对边染成同色,故有
C
4
C
2
A<
br>3
种,
(3)使用二种颜色时,则两组对边必须分别同色,有
A
4
种
41122
因此,所求的染色方法数为
A
4
C
4
C
2
A
3
A
4
84
种
1122
解法二
:涂色按AB-BC-CD-DA的顺序进行,对AB、BC涂色有
4
312
种涂色方
法。
由于CD的颜色可能与AB同色或不同色,这影响到DA颜色的选取方法数,
故分类讨论:
当CD与AB同色时,这时CD对颜色的选取方法唯一,则DA有3种颜色可供选
当CD与A
B不同色时,CD有两种可供选择的颜色,DA也有两种可供选择的颜色,
从而对CD、DA涂色有13227
种涂色方法。
由乘法原理,总的涂色方法数为
12784
种
例8、用六种颜
色给正四面体
ABCD
的每条棱染色,要求每条棱只染一种颜色
且共顶点的棱涂不同
的颜色,问有多少种不同的涂色方法?
解:(1)若恰用三种颜色涂色,则每组对棱必须涂同一颜色,而这三组间的颜色不同,
故有
A
6
种方法。
(2)若恰用四种颜色涂色,则三组对棱中有二
组对棱的组内对棱涂同色,但组与组之间
不同色,故有
C
6
A
6种方法。
(3)若恰用五种颜色涂色,则三组对棱中有一组对棱涂同一种颜色,故有
C<
br>3
A
6
种方法。
(4)若恰用六种颜色涂色,则有
A
6
种不同的方法。
324156
综上,满足题意的总的染色方法数为
A
6
C
3
A
6
C
3
A
6
A
64080
种。
6
15
34
3
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四、 面涂色问题
对线段涂色问题,要注意对各条线段依次涂色,主要方法有:按色数来分
例9、从
给定的六种不同颜色中选用若干种颜色,将一个正方体的6个面涂色,每两
个具有公共棱的面涂成不同的
颜色,则不同的涂色方案共有多少种?
分析:显然,至少需要3三种颜色,由于有多种不同情况,仍应
考虑利用加法
原理分类、乘法原理分步进行讨论
解:根据共用多少种不同的颜色分类讨论 <
br>(1)用了六种颜色,确定某种颜色所涂面为下底面,则上底颜色可有5种选择,
在上、下底已涂
好后,再确定其余4种颜色中的某一种所涂面为左侧面,则其余3个
面有3!种涂色方案,根据乘法原理
n
1
53!30
5
(2)共用五种颜色,选定五种
颜色有
C
6
6
种方法,必有两面同色(必为相对面),
确定为上、
下底面,其颜色可有5种选择,再确定一种颜色为左侧面,此时的方法数
5
取决于右侧面的颜色
,有3种选择(前后面可通过翻转交换)
n
2
C
6
5390
42
(3)共用四种颜色,仿上分析可得
n
3
C
6
C
4
90
3(4)共用三种颜色,
n
4
C
6
20
例
10、四棱锥
PABCD
,用4种不同的颜色涂在四棱锥的各个面上,要求相邻不
同
色,有多少种涂法?
P
1
2
5
3
D
4
C
A
B
解:这种面的涂色问题可转化为区域涂色问题,如右图,区域1、2
、3、4相当于四个
侧面,区域5相当于底面;根据共用颜色多少分类:
(1)
最少要用3种颜色,即1与3同色、2与4同色,此时有
A
4
种;
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3
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(2) 当用4种颜色时,1与3同色、2与4两组
中只能有一组同色,此时有
C
2
A
4
;
314
故
满足题意总的涂色方法总方法交总数为
A
4
C
2
A
472
14
环形问题的解决
如:如图,把一个圆分成<
br>n(n2)
个扇形,每个扇形用红、白、蓝、黑四色之一
染色,要求相邻扇形不同色,
有多少种染色方法?
解:设分成n个扇形时染色方法为
a
n
种
(1) 当n=2时
A
1
、
A
2
有
A=12种,即
a
2
=12
2
4
A
1
A
2
A
3
A
n
A
3
A
4
(2) 当分成n个扇形,如图,
A
1
与
A
2
不同
色,
A
2
与
A
3
不同色,,
A
n1
与
A
n
不同色,共有
43
n1
种染色方法,
但由于
A
n
与
A
1
邻,所以应排除
A
n<
br>与
A
1
同色的情形;
A
n
与
A
1<
br>同色时,可把
A
n
、
A
1
看成一个扇形,与前n2
个扇形加在一起为
n1
个扇形,此时有
a
n1
种染色法,故有如下递推关系:
a
n
43
n1
a
n1
a<
br>n
a
n1
43
n1
(a
n2<
br>43
n2
)43
n1
2a
n2
43
n2
43
n1
an3
43
n3
43
n
43
n1<
br>
4[3
n1
3
n2
nn<
br>(1)
n
3]
(1)33
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