同學(xué)們要參加運動會入場式,要進行隊列操練,解放軍排著整齊的方隊接受檢閱等,無論是訓(xùn)練或接受檢閱,都要按一定的規(guī)則排成一定的隊形,于是就產(chǎn)生了這一類的數(shù)學(xué)問題,今天我們將共同研究和分析這類問題。
士兵排隊,橫著排叫行,豎著排叫列,若行數(shù)與列數(shù)都相等,正好排成一個正方形,這就是一個方隊,這種方隊也叫做方陣(亦叫乘方問題)。
方陣的基本特點:
(1)方陣不論哪一層,每邊上的人(或物)數(shù)量都相同,每向里一層,每邊上的 人數(shù)就少2。
(2)每邊人(或物)數(shù)和四周人(或物)的關(guān)系;
四周人(或物)數(shù)=[每邊人(或物)數(shù)-1]×4
每邊人(或物)數(shù)=四周人(或物)數(shù)÷4+1
(3)中實方陣的總?cè)藬?shù)(或物)=每邊人(或物)數(shù)×每邊人(或物)數(shù)
(4)空心方陣的總?cè)?或物)數(shù)=（最外層每邊人(或物)數(shù)－空心方陣的層數(shù)）×空心方陣的層數(shù)×4
例1.三年級一班參加運動會入場式,排成一個方陣,最外層一周的人數(shù)為20人,問方陣最外層每邊的人數(shù)是多少?這個方陣共有多少人?
分析:根據(jù)四周人數(shù)與每邊人數(shù)的關(guān)系可知:
每邊人數(shù)=四周人數(shù)÷4+1,可以求出這個方陣最外層每邊的人數(shù),那么這個方陣隊列的總?cè)藬?shù)就可以求了。
解:(1)方陣最外層每邊的人數(shù):20÷4+1=5+1=6(人)
(2)整個方陣共有學(xué)生人數(shù):6×6=36(人)
答:方陣最外層每邊的人數(shù)是6人,這個方陣共有36人。
例2.明明用圍棋子擺成一個三層空心方陣,如果最外層每邊有圍棋子15個,明明擺這個方陣最里層一周共有多少棋子?擺這個三層空心方陣共用了多少個棋子?
分析:(1)方陣每向里面一層,每邊的個數(shù)就減少2個,知道最外面一層,每邊放15個,可以求出最里層每邊的個數(shù),就可以求出最里層一周放棋子的總數(shù)。
(2)根據(jù)最外層每邊放棋子的個數(shù)減去這個空心方陣的層數(shù),再乘以層數(shù),再乘以4,計算出這個空心方陣共用棋子多少個。
解:(1)最里層一周棋子的個數(shù)是:(15-2-2-1)×4=40(個)
(2)這個空心方陣共用的棋子數(shù)是:(15-3)×3×4=144(個)
答:這個方陣最里層一周有40個棋子;擺這個空心方陣共用144個棋子。
例3.玲玲家的花園中,有一個如下圖那樣,由四個大小相同的小等邊三角形組成的一個大三角形花壇,玲玲在這個花壇上種了若干棵雞冠花,已知每個小三角形每邊上種雞冠花5棵,問大三角形的一周有雞冠花多少棵?玲玲一共種雞冠花多少棵?
分析:(1)由圖可知大三角形的一條邊是由兩條小三角形的邊組成的,而在大三角形一條邊的中間那棵花,是兩條小三角形的邊所共用的,所以如果小三角形每邊種花5棵,那么大三角形每邊上種花的棵數(shù)就是5×2-1=9棵了,又由于大三角形三個頂點上的3棵花,都是大三角形的兩條邊所共用的,所以大三角形一周種花的棵數(shù)等于大三角形三邊上種花棵數(shù)的和減去三個頂點上重復(fù)計算的3棵花,即:9×3-3=24,就是大三角形一周種花的棵數(shù)。
(2)三角形各條邊上種雞冠花棵數(shù)的總和,等于里邊小三角形一周上種花的棵數(shù),加上大三角形一周種花的棵數(shù),再減去重復(fù)計算的3棵花(因為里邊小三角形的三個頂點上的三棵花,也分別是外邊大三角形每條邊上的一棵花)。
解:(1)大三角形一周上種花的棵數(shù)是:(5×2-1)×3-3=24(棵)
(2)小三角形一周種雞冠花的棵數(shù)是:(5-1)×3=12(棵)
(3)玲玲一共種雞冠花的棵數(shù)是:24+12-3=33(棵)
答:大三角形一周種雞冠花24棵;玲玲一共種雞冠花33棵。
例4.五年級學(xué)生分成兩隊參加學(xué)校廣播操比賽,他們排成甲乙兩個方陣,其中甲方陣每邊的人數(shù)等于8,如果兩隊合并,可以另排成一個空心的丙方陣,丙方陣每邊的人數(shù)比乙方陣每邊的人數(shù)多4人,甲方陣的人數(shù)正好填滿丙方陣的空心五年級參加廣播操比賽的一共有多少人?
分析:若只排列一個乙方陣,則多余的人數(shù)為(即甲方陣的人數(shù))8×8=64(人),排列一個實心的丙方陣,不足的人數(shù)是:8×8=64(人)假設(shè)丙方陣為實心方陣,則乙多的人數(shù)是:8×8+8×8=128(人),又根據(jù)方陣擴展一層,每邊增加2人,丙方陣比乙方陣的外邊多4人,丙方陣多于乙方陣的層數(shù)是4÷2=2(層),方陣擴展2層,需要增加128人,則方陣最外層的人數(shù)是(128+2×4)÷2=68(人),丙方陣的總?cè)藬?shù)18×18-8×8=260(人)
解:(1)假設(shè)丙方陣為實心方陣,則方陣最外層的人數(shù)是:(8×8+8×8+2×4)÷2=68(人)
(2)丙方陣最外層每邊的人數(shù)是:68÷4+1=18(人)
(3)空心丙方陣的總?cè)藬?shù):18×18-8×8=324-64=260(人)
答:五年級參加廣播操比賽的一共有260人。
例5.有楊樹和柳樹以隔株相間的種法,種成7行7列的方陣,問這個方陣最外一層有楊樹和柳樹各多少棵?方陣中共有楊樹,柳樹各多少棵?
分析:根據(jù)已知條件柳樹和楊樹的種法有如下兩種,假設(shè)黑點表示楊樹,白點表示柳樹觀察圖(1)(2)不管是柳樹種在方陣最外層的角上還是楊樹種在方陣最外層的角上,方陣中除最里邊一層外其它層楊樹和柳樹都是相同的。因而楊樹和柳樹的棵數(shù)相等,即最外層楊,柳樹分別為(7-1)×4÷2=12(棵)。
當(dāng)柳樹種在方陣最外層的角上時,最內(nèi)層的一棵是柳樹;當(dāng)楊樹種在方陣最外層的角上時,最內(nèi)層的一棵是楊樹,即在方陣中,楊樹和柳樹總數(shù)相差1棵。
解:(1)最外層楊柳樹的棵數(shù)分別為:(7-1)×4÷2=12(棵)
(2)當(dāng)楊樹種在最外層角上時,楊樹比柳樹多1棵:
楊樹:(7×7+1)÷2=25(棵)
柳樹:7×7-25=24(棵)
(3)當(dāng)柳樹種在最外層角上時,柳樹比楊樹多1樹
柳樹(7×7+1)÷2=25(棵)
楊樹7×7-25=24(棵)
答:在圖(1)(2)兩種方法中,方陣最外層都有楊樹12棵,柳樹12棵,方陣中總共有楊樹25棵,柳樹12棵,方陣中總共有楊樹25棵,柳樹24棵,或者有楊樹24棵,柳樹25棵。
練 一 練
1.有一隊士兵,排成了一個方陣,最外層一周共有240人,問這個方陣共有多少人?
2.某校少先隊員可以排成一個四層空心方陣如果最外層每邊有20個學(xué)生,問這個空心方陣最里邊一周有多少個學(xué)生?這個四層空心方陣共有多少個學(xué)生?
3.六一兒童節(jié)前夕,在校園雕塑的周圍,用204盆鮮花圍成了一個每邊三層的方陣求最外面一層每邊有鮮花多少盆?
4.三年級(1)班的學(xué)生參加體操表演,排成隊形正好是由每7個人為一邊的6個三角形組成的一個正六邊形,求正六邊形一周共有多少名學(xué)生?三(1)班參加體操表演的共有多少人?
5.現(xiàn)有松樹和柏樹以隔株相間的種法,種成9行9列的方陣,問這個方陣最外層有松樹和柏樹各多少棵?方陣中共有松樹柏樹各多少棵?
練 一 練 答 案
(1)(240÷4)-1=59(人) 59×59=3481(人)
(2)(20-2×3-1)×4=42(個) (20-40×4×4=256(個)
(3)最外層每邊人數(shù)=總數(shù)÷4÷層數(shù)+層數(shù)
204÷4÷3+3=20(盆)
(4)7×6-6=36(人) 7×12-6×2-5=67(人)
(5)最外層松柏各是:(9-1)×4÷2=16(棵)
共有松柏樹是:(9×9+1)÷2=41(棵) 81-41=40(棵)
答:柏樹41棵,松樹40棵,或松樹41棵,柏樹40棵。
