原题:六位音乐家在一个音乐节上相聚,在安排的每场音乐会上,有某些音乐家演奏,而另外几位音乐家就作为观众欣赏演出.要使每位音乐家都能够作为观众观看其他任何一位音乐家的表演,这样的音乐会至少要安排几场?为什么?
解:以数值0到5分别表示这六位音乐家。用有序对(x,y)表示音乐家x观看了音乐家y的表演,x,y=0,1,...,5。题设要求就特定一个音乐家而言,以观众身份需要6-1=5个互不相等的有序对。6位音乐家就需要5·6=30个互不相等的有序对。
一场音乐会上,这六位音乐家假设有m位当观众,则另6-m位以表演身份出场,这场演出可以提供m·(6-m)个有序对,当m=3时,m·(6-m)取得最大值9。由于9·3 < 30 < 9·4,可以推断至少需要4场音乐会才可能满足题设要求。
接下来尝试构造符合题设要求的4场音乐会的一个实例。用形式语义符号Ck:abc-def表示第k场音乐会a、b、c为观众,d、e、f为表演者。
于是不妨令:
C1:012-345
C2安排让0观看还没有观看到的1和2,于是就有 C2:0ab-12c。此时a、b、c的位置要填上3、4、5,由对称性,不妨令:
C2:034-125
此时,左数为0的不同有序对已经达到5个,即表示0已经看过其余5人的表演了。
同样地,会有 C3:1de-02f。此时5还不曾作过观众,优先令e=5,于是有:
C3:135-024
同样地,还有 C4:2gh-01i。上述前三场安排中,0、1、3都已经看过其余人的表演了,故有:
C4:245-013
验证4和5,均符合,构造完成。
综上可知,至少要安排4场音乐会。
附言:
此题和 10个学生参加若干小组问题求解与分析 里的那个题不太一样,但解题思路是大致相通的。
扩展分析:
如果把原题里的6位音乐家增加到8位,其它要求不变,情况会怎么样?
此时,要求不同的有序对的数量为7·8=56,而每场演出能提供的不同有序对的数量为4·4=16。由16·3 < 56 < 16·4,可以推断至少要安排4场演出。但在实际构造环节却构造不出满足要求的4场演出的实例来。
比如,令:
C1:0123-4567
C2:0456-1237
C3:1457-0236
C4:2467-0135
上面针对原题的构造实例里,6位音乐家都是在左侧正好出现两次(即做了两次观众),6位音乐家总计做了2·6=12次观众;另一方面,一场演出有3个左侧位置(即为音乐家提供3个观众身份),4场演出则有3·4=12个观众身份。
在扩展情形,同样有8·2=4·4的观众身份对应关系。似乎也可以有每人恰好做两次观众就能看到其余人演出的实例。但上面的构造没能做到,具体分析如下:
C1:0123-4567,第一场0、1、2、3为观众,他们看了4、5、6、7的演出,为使得0、1、2、3分别再当一次观众就可看到其余人的演出,这四人中不能再有两人同为观众的情形出现(反证法)。所以随后的C2、C3、C4里,分别安排0、1、2当观众,而3只能被安排为演出者。即3仅在第一场当观众,只看了4个人的演出。因此,这样的4场演出安排无法满足要求。
那么,不限定每人恰好做2次观众,让有些人做3次甚至4次观众呢?回到上述的观众身份对应关系,4场演出提供共计16个观众身份,8个人中只要其中有一个人占据了3次或更多次观众身份,就必有另一个人的观众身份少于2次,即至多当了一次观众,那他至多只能看到4个人的演出。
综上分析,可知安排4场4对4(4个观众对4个演出者)的演出,没有办法让8个音乐家中的每个人都看到其余人的演出。
上面的构造,再加一场演出,即C5:3567-0124,就可以满足要求了。
下面严格证明:
拓展题:为n(n>6)个音乐家安排m对n-m(m人为观众观看另外n-m人表演)的演出,各场演出之间可以独立选取m。求证:无论怎么安排,4场演出无法满足每个音乐家都能观看到其余音乐家的表演。
证明:以下常直接以“人”称谓“音乐家”。为进一步方便描述,定义一个说法:
为n(n>1)个人安排独立的k场演出,每场演出安排若干人当观众,其余人为表演者。若这k场演出满足每个人都能观看到其余n-1人表演,则称这k场演出满足[k,n]满观演,这样的k场演出也称为满足[k,n]满观演的一个实例。
于是,待证命题就等价于:
若n>6,则不存在满足[4,n]满观演的实例。
n=6的情形,前面已经有一定的分析,并给出了满足[4,6]满观演的一个实例。下面做进一步分析。
假设存在满足[4,6]满观演的这样一个实例,其中有个人在4场演出中只当了1次观众,不妨记为:
C1:0-12345
即第一场演出中,0作为观众观看了其余5人的表演。这一场演出只提供了5个观演有序对,为满足[4,6]满观演,剩余的三场演出不能再有1人观看其余5人的安排(否则5·2+9·2 < 30)。这说明后三场演出中,1、2、3、4、5均至少做了两次观众。另外,后三场演出中至少有一场是3对3的演出(否则5·1+8·3 < 30)。于是,不妨令:
C2:123-045
即第二场演出中,1、2、3为观众,0、4、5为表演者。
不妨令1在第三场演出中继续当观众,则2、3为表演者,即有:
C3:1ab-23c
此时,2和3都只当过一次观众,按上述分析,2和3都要在第四场演出中当观众。即:
C4:23d-efg
这样就会出现2没有观看到3的表演(3也没有观看到2的表演)的问题,这与开始的假设矛盾。这就推导出了如下结论:
满足[4,6]满观演的任意实例中,每个音乐家当观众的次数都大于1。 ①
由此可知,满足[4,6]满观演的一个实例中,6个人当观众的总数不小于12。
任意满足[k,n]满观演的一个实例,由前面的分析可知,会提供如下一个观演有序对集合:
S = {(i,j) | i ≠ j, i,j=0,1,...,n-1}
易知集合S的成员数为P(n,2)=n·(n-1)
对S中的任意一个观演有序对(i,j),可以做反向理解,即j为i提供了表演,即有对应的演观有序对[j,i]。由上述S的表示式的对称性可知:
满足[k,n]满观演的一个实例,必然也满足[k,n]满演观,即这k场演出中每个人都为其余n-1人进行了表演。 ②
于是,就有与①对等的如下结论:
满足[4,6]满观演的任意实例中,每个音乐家当表演者的次数都大于1。 ③
以下的结论是显然的:
一场演出的音乐家总数等该场演出的观众数加上表演者数。 ④
6位音乐家的4场演出至多有6·4=24个音乐家身份。为满足[4,6]满观演:
由①知,4场演出的观众身份总数不小于2·6=12
由③知,4场演出的表演者身份总数不小于2·6=12
再结合④便知,为满足[4,6]满观演:
(1)每场演出中,6位音乐家都以观众或表演者的身份出场,无一人缺席;
(2)4场演出中,每人正好做了两次观众,也正好做了两次表演,6人合计观众身份、表演者身份各12次。
这说明满足[4,6]满观演的一个实例中,有可能存在2对4的演出和4对2的演出,且这两种演出成对出现。实际尝试构造一下。不妨令:
C1:01-2345
再令0和1的第二次观众身份在分别C2和C3中出现,即有:
C2:0...-1...
C3:1...-0...
C4中0和1均为表演者,即有:
C4:...-01...
C2往3对3细化,不失一般性,可令为:
C2:023-145
此时,4和5都已经以表演者身份出场两次了,4和5之间还没有观看到对方的表演,不能满足[4,6]满观演。
C2往2对4细化,不失一般性,可令为:
C2:02-1345
此时,也有同样的问题(4和5都已经以表演者身份出场两次了,4和5之间还没有观看到对方的表演),不能满足[4,6]满观演。
C2只剩下往4对2细化的可能,不失一般性,可令为:
C2:0234-15 (C1:01-2345)
此时,5作为表演者身份已出现了两次,还有两次观众身份分别出现在C3和C4。C3往3对3细化,不失一般性,可令为:
C3:125-034
此时,3和4都已经以表演者身份出场两次了,3和4之间还没有观看到对方的表演,不能满足[4,6]满观演。
C3往2对4细化,只能为:
C3:15-0234
此时,同样由3和4可知,不能满足[4,6]满观演。
C3只剩下往4对2细化的可能,不失一般性,可令为:
C3:1235-04
此时,2和3都已经以观众身份出现了两次,但2和3之间还没有观看到对方的表演,不能满足[4,6]满观演。
以上分析推导出以下结论:
满足[4,6]满观演的实例只能由4场3对3的演出构成。
接下来着手证明:
若n>6,则不存在满足[4,n]满观演的实例。
若n为奇数,则有n = 2m+1, m >= 3,一场演出最大提供m·(m+1)个观演有序对。而要满足[4,n]满观演,需要有(2m+1)·2m个观演有序对。
4·m·(m+1) - (2m+1)·2m = 2m
由此看,满足[4,2m+1]满观演的实例可能是存在的。
假设存在满足[4,2m+1]满观演的实例,且有人只当了一次观众,对应的那场演出,不妨具体化为C1:0-1,...,2m,仅能提供2m个观演有序对。而
2m + 3·m·(m+1) - 2m·(2m+1) = m·(3-m) <= 0
这个差式的值,只有m=3时为0;m>3时均为负数,无法满足[4,2m+1]满观演。
进一步考察m=3的情形,此时C2、C3、C4均是3对4或4对3的演出。考虑音乐家1,在后三场演出中,他不可能3次都当观众(否则2无法看到1的表演);他也不可能只当一次观众(否则他至多只能观看到其他4人的表演)。因此1在后三场演出中恰好当了两次观众。由对称性可知,音乐家2、...、6在后三场演出中也都恰好当了两次观众。
不妨令音乐家1在C2和C3中当观众,在C4中做表演。他在C1中只给音乐家0做了表演,而C4里观众至多有4个(C4必需为4对3或3对4的演出),1+4 < 6,因而还是有人没有观看到他的表演。
再来看n是偶数的情形,即有n = 2m, m >= 4,一场演出最大提供m·m个观演有序对。而要满足[4,n]满观演,需要有2m·(2m-1)个观演有序对。
4·m·m - (2m-1)·2m = 2m
由此看,满足[4,2m]满观演的实例可能是存在的。
假设存在满足[4,2m]满观演的实例,且有人只当了一次观众,对应的那场演出,不妨具体化为C1:0-1,...,2m-1,仅能提供2m-1个观演有序对。而
2m-1 + 3·m·m - 2m·(2m-1) = m·(4-m) - 1< 0
由于m >= 4,这个差式的值总为负数,无法满足[4,2m]满观演。
综上分析,有如下结论:
若存在满足[4,n]满观演(n > 6)的实例,则这个实例中每个音乐家当观众的次数都大于1。 ⑤
同样由②,又有如下对等结论:
若存在满足[4,n]满观演(n > 6)的实例,则这个实例中每个音乐家当表演者的次数都大于1。 ⑥
n位音乐家(n > 6)的4场演出至多有4n个音乐家身份。为满足[4,n]满观演:
由⑤知,4场演出的观众身份总数不小于2n
由⑥知,4场演出的表演者身份总数不小于2n
再结合④便知,为满足[4,n]满观演(n > 6):
(1)每场演出中,n位音乐家都以观众或表演者的身份出场,无一人缺席;
(2)4场演出中,每人正好做了两次观众,也正好做了两次表演,n人合计观众身份、表演者身份各2n次;
(3)4场演出中,至少有一场的观众数不少于4。
最后一个结论是显然的(不然2n<=3·4=12,推出n<=6)。于是不妨令:
C1:0123...-...
为使得0、1、2、3分别再当一次观众就可看到其余人的演出,这四人中不能再有两人同为观众的情形出现(反证法:不妨设0和1在C2中再次同为观众,则0和1彼此没有观看到对方的表演)。所以随后的C2、C3、C4里,分别安排0、1、2当观众,而3只能被安排为演出者。即3仅在第一场当观众,只看了4个人的演出。因此,这样的4场演出安排无法满足[4,n]满观演。证毕。
联系客服