初一奥数第19讲 几何图形的计数问题

第十九讲* 几何图形的计数问题 　　在几何中，有许多有趣的计数问题，如计算线段的条数，满足某种条件的三角形的个数，若干个图分平面所成的区域数等等．这类问题看起来似乎没有什么规律可循，但是通过认真，还是可以找到一些处理方法的．常用的方法有枚举法、加法原理和乘法原理法以及递推法等． 　　例1 如图1－65所示，数一数图中有多少条不同的线段？ 　　解 对于两条线段，只要有一个端点不同，就是不同的线段，我们以左端点为标准，将线段分5类分别计数： 　　(1)以A为左端点的线段有AB，AC，AD，AE，AF共5条； 　　(2)以B为左端点的线段有BC，BD，BE，BF共4条； 　　(3)以C为左端点的线段有CD，CE，CF共3条； 　　(4)以D为左端点的线段有DE，DF共2条； 　　(5)以E为左端点的线段只有EF一条． 　　所以，不同的线段一共有5+4+3+2+1=15(条)． 　　一般地，如果一条线段上有n+1个点(包括两个端点)，那么这n+1个点把这条线段一共分成的线段总数为n+(n-1)+…+2+1=n(n+1)/2 　　例2 图1－66中有多少个三角形？ 　　解 以OA为一边的三角形有△OAB，△OAC，△OAD， △OAE，△OAF共5个；以OB为一边的三角形还有4个(前面已计数过的不再数，下同)，它们是△OBC，△OBD，△OBE， △OBF；以OC为一边的三角形有△OCD，△OCE，△OCF共3个；以OD为一边的三角形有△ODE，△ODF共2个；以OE为一边的三角形有△OEF一个．所以，共有三角形5+4+3+2+1=15(个)． 　　说明 其实，不同的三角形数目等于线段AF中不同线段的条数．一般地，当原三角形的一条边上有n+1个点(包括两端点)时，它们与另一顶点的连线所构成的三角形总数为n+(n-1)+…+2+1=n(n+1)/2. 　　例3(1)图1－67中一共有多少个长方形？ 　　(2)所有这些长方形的面积和是多少？ 　　解(1)图中长的一边有5个分点(包括端点)，所以，长的一边上不同的线段共有1+2+3+4=10(条)． 　　同样，宽的一边上不同的线段也有10条． 　　所以，共有长方形10×10=100(个)． 　　(2)因为长的一边上的10条线段长分别为 5，17，25，26，12，20，21，8，9，1， 　　宽的一边上的10条线段长分别为 2，6，13，16，4，11，14，7，10，3． 　　所以，所有长方形面积和为 (5×2+5×6+…+5×3) +(17×2+17×6+…+17×3) +…+(1×2+1×6+…+1×3) =(5+17+…+1)×(2+6+…+3) = 144×86=12384． 　　例4 图1－68中共有多少个三角形？ 　　解 显然三角形可分为尖向上与尖向下两大类，两类中三角形的个数相等．尖向上的三角形又可分为6类：最大的三角形1个(即△ABC)， 　　第二大的三角形有1+2=3(个)， 　　第三大的三角形有1+2+3=6(个)， 　　第四大的三角形有1+2+3+4=10(个)， 　　第五大的三角形有1+2+3+4+5=15(个)， 　　最小的三角形有 1+2+3+4+5+6+3=24(个)． 　　我们的计数是有规律的．当然，要注意在△ABC外面还有三个最小的尖向上的三角形(左、右、下各一个)，所以最小的三角形不是21个而是24个． 　　于是尖向上的三角形共1+3+6+10+15+24=59(个)． 　　图中共有三角形59×2=118(个)． 　　例6(1)图1－70(a)中有多少个三角形？ 　　(2)图1－70(b)中又有多少个三角形？ 　　解(1)图1－70(a)中有6条直线．一般来说，每3条直线能围成一个三角形，但是这3条直线如果相交于同一点，那么，它们就不能围成三角形了． 从6条直线中选3条，有种选法(见说明)，每次选出的3条直线围成一个三角形，但是在图1－70(a)中，每个顶点处有3条直线通过，它们不能围成三角形，因此，共有20-3=17个三角形． 　　(2)图1－70(b)中有7条直线，从7条直线中选3条，有7×6×5/6=35种选法．每不过同一点的3条直线构成一个三角形． 　　图1－70(b)中，有2个顶点处有3条直线通过，它们不能构成三角形，还有一个顶点有4条直线通过，因为4条直线中选3条有4种选法，即能构成4个三角形，现在这4个三角形没有了，所以，图1－70(b)中的三角形个数是35-2-4=29(个)． 　　说明 从6条直线中选2条，第一条有6种选法，第二条有5种选法，共有6×5种选法．但是每一种被重复算了一次， 例如l1l2与l2l1实际上是同一种，所以，不同的选法是6×5÷2=15种． 　　从6条直线中选3条，第一条有6种选法，第二条有5种选法，第三条有4种选法，共有6×5×4种选法．但是每一种被重复计算了6次，例如，111213，111312，121113，121311，131112，131211实际上是同一种，所以，不同的选法应为6×5×4/6=20种． 　　下面我们利用递推的方法来计算一些图形区域问题． 　　例7 问8条直线最多能把平面分成多少部分？ 　　解 1条直线最多将平面分成2个部分；2条直线最多将平面分成4个部分；3条直线最多将平面分成7个部分；现在添上第4条直线．它与前面的3条直线最多有3个交点，这3个交点将第4条直线分成4段，其中每一段将原来所在平面部分一分为二，如图1－71，所以4条直线最多将平面分成7+4=11个部分． 　　完全类似地，5条直线最多将平面分成11+5=16个部分；6条直线最多将平面分成16+6=22个部分；7条直线最多将平面分成22+7=29个部分；8条直线最多将平面分成29+8=37个部分． 　　所以，8条直线最多将平面分成37个部分． 　　说明 一般地，n条直线最多将平面分成 个部分． 　　例8 平面上5个圆最多能把平面分成多少个部分？ 　　解 1个圆最多能把平面分成2个部分；2个圆最多能把平面分成4个部分；3个圆最多能把平面分成8个部分；现在加入第4个圆，为了使分成的部分最多，第4个圆必须与前面3个圆都有两个交点．如图1－72所示．因此得6个交点，这6个交点将第4个圆的圆周分成6段圆弧，而每一段圆弧将原来的部分一分为二，即增加了一个部分，于是，4个圆最多将平面分成8+6=14个部分． 　　同样道理，5个圆最多将平面分成14+8=22个部分． 　　所以，5个圆最多将平面分成22个部分． 　　说明 用上面类似的方法，我们可以计算出n个圆最多分平面的部分数为 2+1×2+2×2+…+(n-1)×2 　 　　　　　　　　　　　　　　　=2+2［1+2+…+(n-1)］ 　 　　　　　　　　　　　　　　　=n2-n+2． 　　例9 平面上5个圆和一条直线，最多能把平面分成多少个部分？ 　　解 首先，由上题可知，平面上5个圆最多能把平面分成22个部分．现在加入一条直线．由于一条直线最多与一个圆有两个交点，所以，一条直线与5个圆最多有10个交点．10个点把这条直线分成了11段，其中9段在圆内，2条射线在圆外．9条在圆内的线段把原来的部分一分为二，这样就增加了9个部分；两条射线把圆外的平面一分为二，圆外只增加了一个部分．所以，总共增加了10个部分． 　　因此，5个圆和1条直线，最多将平面分成22+10=32个部分． 　　例10 平面上5条直线和一个圆，最多能把平面分成多少个部分？ 　　解 首先，由例7知，5条直线最多将平面分成16个部分． 　　现在加入一个圆，它最多与每条直线有两个交点，所以，与5条直线最多有10个交点．这10个交点将圆周分成10段圆弧，每一段圆弧将原来的部分一分为二，所以，10段圆弧又把原来的部分增加了10个部分． 　　因此，5条直线和一个圆，最多能把平面分成16+10=26个部分． 　　例11 三角形ABC内部有1999个点，以顶点A，B，C和这1999个点为顶点能把原三角形分割成多少个小三角形？ 　　解 设△ABC内部的n-1个点能把原三角形分割成an-1个小三角形，我们考虑新增加一个点Pn之后的情况： 　　(1)若点Pn在某个小三角形的内部，如图1－73(a)，则原小三角形的三个顶点连同Pn将这个小三角形一分为三，即增加了两个小三角形； 　　(2)若点Pn在某两个小三角形公共边上，如图1－73(b)．则这两个小三角形的顶点连同点Pn将这两个小三角形分别一分为二，即也增加了两个小三角形． 　　所以，△ABC内部的n个点把原三角形分割成的小三角形个数为 an=an-1+2． 　 易知a0=1，于是 a1=a0+2，a2=a1+2，…，an＝an-1+2． 　 将上面这些式子相加，得 an=2n+1． 　 所以，当n=1999时，三个顶点A，B，C和这1999个内点能把原三角形分割成2×1999+1=3999个小三角形． 十九 　　1．填空： 　　(1)在圆周上有7个点A，B，C，D，E，F和G，连接每两个点的线段共可作出______条． 　　(2)已知5条线段的长分别是3，5，7，9，11，若每次以其中3条线段为边组成三角形，则最多可构成互不全等的三角形_____个． 　　(3)三角形的三边长都是正整数，其中有一边长为4，但它不是最短边，这样不同的三角形共有_____个． 　　(4)以正七边形的7个顶点中的任意3个为顶点的三角形中，锐角三角形的个数是_______． 　　(5)平面上10条直线最多能把平面分成_____个部分． 　　(6)平面上10个圆最多能把平面分成_____个区域． 　　2．有一批长度分别为1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11厘米的细木条，它们的数量足够多，从中适当选取3根木条作为三条边，可围成一个三角形，如果规定底边是11厘米长，你能围成多少个不同的三角形？ 　　3．图1－74中有多少个三角形？ 　　4．图1－75中有多少个梯形？ 　　5．在等边△ABC所在平面上找到这样一点P，使△PAB，△PBC，△PAC都是等腰三角形，具有这样性质的点的个数有多少？ 　　6．平面上有10条直线，其中4条直线交于一点，另有4条直线互相平行，这10条直线最多有几个交点？它们最多能把平面分成多少个部分？ INCLUDEPICTURE "http://res3.pudong-edu.sh.cn/RESOURCE/CZ/CZSX/SXBL/SXTS1018/A46166T2.jpg" \* MERGEFORMATINET