一道方程题

作者: 水田夏木 | 来源:发表于2016-12-27 10:10 被阅读94次

    看到一道研究生入学题,有点意思,就试着玩了一下。
    题目:

    A,B,C…,I代表整数1-9(不一定按照顺序,但不重复),满足如下等式:
    A+B+C+D = 20
    B+C+D+E+F =20
    D+E+F+G+H = 20
    F+G+H+I = 20 
    请给出满足上面约束的A-I的值一共有多少种不同的可能结果,并写明过程。
    

    解题过程中走了一些弯路,还好时间足够,能够搞得定了。
    解法1:

    首先我们需要注意到方程的一些性质。
    1.B+C,G+H总是一起出现的,具有互相替换性,所以一种情况总是推出可交换的2*2=4种。
    (比如B=b1,C=c1满足条件,那么交换后B=c1,C=b1肯定也满足的)
    2. A-I实质上是在方程中的分布是对称的,如A=a1,B=b1,....I=i1满足条件的话,那么A=i1,B=h1,...I=a1也是满足的。
     
    有了上面两个规律就可以减少许多工作量了。
    同时我们可以得出一些等式:
    B+C+D=20-A
    F+G+H=20-I
    E+F=A
    E+D=I
    
    可以论证这4个等式和题目的给定条件是等价的,并且更容易发现A~I的对称性。
    并且我们能得出重要的第五个等式
           5.B+C=G+H
    
    我们将以9这个数字为出发点来考察题目。
    情况1:
    如果9是B,C,D,E,F中的某个数,则设想为1+2+3+4+9=19可以得到B,C,D,E,F必是1,2,3,5,9的组合。
    否则必然出现B+C+D+E+F>20的情况,与题设矛盾。
    因此可以得到A,G,H,I是剩下4个数4,6,7,8的组合.这4个数最小的是4,6.
    G+H=B+C>=10
    则等式5有以下可能性:1+9=4+6,2+9=4+7,5+9=6+8.3+9=4+8
     
    以上3种可能性分别考察.
    可能1:B,C为1,9组合;则G,H为4,6组合;D,E,F为2,3,5的组合;A,I为7,8组合。
    若A=8,I=7,则由等式1推出D=2,继续由等式4推出E=5,F=3.
    这样我们得到了第一组结果:(注:由于性质1,每组结果实质对应4种最终情况,后面不再说明)
    A=8,B=1,C=9,D=2,E=5,F=3,G=4,H=6,I=7
    若A=7,I=8,则由等式1推出D=3,继续由等式4推出E=5,F=2.
    这样得到第二组结果:
    A=7,B=1,C=9,D=3,E=5,F=2,G=4,H=6,I=7
     
    可能2:B,C 为2,9组合,G,H为4,7 组合,D,E,F为1,3,5组合,A,I为6,8组合。
    若A=8,I=6,则由等式1推出D=1,继续由等式4推出E=5,F=3.
    这样得到第三组结果:
    A=8,B=2,C=9,D=1,E=5,F=3,G=4,H=7,I=6
    若A=6,I=8,则由等式1推出D=3,继续由等式4推出E=5,F=1.
    这样得到第四组结果 :
    A=6,B=2,C=9,D=3,E=5,F=1,G=4,H=7,I=8
     
    可能3:B,C为5,9组合,则G,H为6,8组合,D,E,F为1,2,3组合,A,I为4,7组合。
    若A=7,I=4,则B+C+A=5+9+7=21>20,矛盾。
    若A=4,I=7,则由等式1推出D=2,继续由等式4推出E=5,与E为1,2,3之一矛盾,因此舍弃。
    
    可能4:B,C为3,9组合,G,H为4,8组合,D,E,F为1,2,5组合,A,I为6,7组合.
    若A=6,I=7,则由等式1推出D=2,继续由等式4推出E=5,F=1.
    这样得到第五组结果:
    A=6,B=3,C=9,D=2,E=5,F=1,G=4,H=8,I=7
    若A=7,i=6,则有等式1推出D=1,继续由等式4推出E=5,F=2.
    这样得到第6组结果:
    A=7,B=3,C=9,D=1,E=5,F=2,G=4,H=8,I=6.
     
    情况2:如果9是G和H中的某个数,由性质2显然可以得到对应的6组结果。
     
    情况3:如果9是A,即A=9.
    则上面的等式可进一步化为
           6.B+C+D=11
           7.E+F=9
           8.D+G+H=11
           9.D+E=I
    显然B+C=G+H,满足这一等式最小的4个数字为1,4,2,3.所以B+C>=5,D<=6.
    令S=B+C+D+E+F+G+H+I,由于B~I为1~8的组合,可得:S=36.
    另一方面,由等式6,7,8,9得到
    S=11-D+D+9+11-D+D+E=31+E,得到E=5.F=4.
    得到D+5=I. D<=3.
    若D=1,则I=6,B,C,G,H为2,3,7,8的组合。得到两组结果:
    A=9,B=2,C=8,D=1,E=5,F=4,G=7,H=3,I=6
    A=9,B=3,C=7,D=1,E=5,F=4,G=2,H=8,I=6
    若D=2,则I=7,B,C,G,H为1,3,6,8的组合。得到两组结果:
    A=9,B=1,C=8,D=2,E=5,F=4,G=3,H=6,I=7
    A=9,B=3,C=6,D=2,E=5,F=4,G=1,H=8,I=7
    若D=3,则I=6,B,C,G,H为1,2,7,8的组合。得到两组结果:
    A=9,B=1,C=8,D=3,E=5,F=4,G=2,H=7,I=6
    A=9,B=2,C=7,D=3,E=5,F=4,G=1,H=8,I=6
    这种情况共6个结果。
     
    情况4:若I=9,由性质2同样得到6组结果。
    一共有(6+6+6+6)*4 = 96种可能情况.
    

    后来想到总是得出E=5这个结果,显然我在论证中出现了较大偏差,于是反思后得到下面的解法。
    解法2:

    首先我们需要得到E=5这个最重要的结果。
     令S=A+B+C+D+E+F+G+H+I
    则S=45,减去方程1和方程4得E=5.
    则原方程化为:
          1.A+B+C+D=20
          2.B+C+D+F=15
          3.D+F+G+H=15
          4.F+G+H+I=20
    
    这样容易得到三个推导式:
           5.A-F=5
           6.I-D=5
           7.B+C=G+H
    1-9中满足差为5的组合有4种:6-1,7-2,8-3,9-4
    下面我们将论证只要随意从上面4组中取两组作为A-F,I-D的值,而剩下4个数满足B+C=G+H即可得到一种情况.
    显然取值之后A+D=I+F
    B+C=G+H
    则A+B+C+D=I+F+G+H
    而上式左右和为40,显然证明了方程1成立,很容易证明方程2,3,4均成立。
    A-F,I-D的值有4*3=12种。
    剩下4个数化为B,C,G,H有8种。
    所以最后总共有 12*8=96种情况。
    

    最后的最后,我觉得我脑子越来越不好使了,不过多点耐心还能用罢了。

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