一招“分步涂色”法,让染色问题从入门到精通!零基础必看指南:典型例题精讲
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2025-12-20
给“小白”的染色问题通关指南:像涂色一样搞定所有排列组合!
💡 阿星起步:染色问题 的底层逻辑
想象一下,你拿到一本只有线稿的填色画册,面前摆着一盒彩色笔。老师让你给画上的不同区域涂色,但有个要求:相邻的区域不能用同一种颜色。
你怎么保证自己涂得又快又对,不违反规则?
这时候,“分步涂色”的思维就派上用场了!它的本质就是:把一件复杂的事情,拆成一个个简单的步骤,然后把这些步骤的可能性“相乘”起来。
比如,画上有A、B、C三个区域,它们互不相邻。你有4种颜色的笔。
- 第一步:涂A区。随便选,有 \(4\) 种可能。
- 第二步:涂B区。因为不能和A同色,所以剩下 \(3\) 种可能。
- 第三步:涂C区。不能和A、B同色,所以剩下 \(2\) 种可能。
那么,总共有多少种不同的涂色方案呢?就是 \(4 \times 3 \times 2 = 24\) 种。
看,这就是乘法原理的威力!我们为什么要学它?因为它能帮你把生活中、考试里所有“一步步做选择、最后算总数”的问题,统统变成清晰的“涂色游戏”,逻辑清晰,再也不怕数漏或数重。
🔥 三级跳挑战:从入门到大神
【入门例题】用4种不同的颜色,给下图中的3个区域涂色,要求每个区域一种颜色,且相邻区域颜色不同。共有多少种不同的涂色方法?
(示意图:三个并排的方块,标为A, B, C,其中A与B相邻,B与C相邻,A与C不相邻。)
阿星拆解:
1. 确定涂色顺序:关键看哪个区域受限制最多。B区域同时挨着A和C,限制最多,所以我们先涂它,这样能减少后续思考的复杂度。
2. 第一步 - 涂B区:4种颜色随便选,有 \(4\) 种方法。
3. 第二步 - 涂A区:A不能和B同色,所以可以从剩下的3种颜色里任选,有 \(3\) 种方法。
4. 第三步 - 涂C区:C不能和B同色,但可以和A同色(因为不相邻)。所以,C也是从剩下的3种颜色里任选,有 \(3\) 种方法。
5. 计算总数:把每一步的方法数相乘!
总方法数 = \(4 \times 3 \times 3 = 36\) 种。
【进阶例题】用4种颜色给一个“田”字形地图的四个区域(左上A、右上B、左下C、右下D)涂色,要求相邻区域颜色不同。共有多少种涂法?(相邻指有公共边)
阿星敲黑板:
陷阱提示:这里不能简单地按A->B->C->D的顺序涂!因为“田”字中心(可以理解为B和C相邻,A和C、B和D也相邻)的相邻关系很复杂。如果你先定了A和B的颜色,涂C时就会发现,C同时挨着A和B,限制条件变多了,很容易算错。
化解大法:永远优先涂“邻居最多”、限制最大的区域! 在这个“田”字里,B和C都有3个邻居(B挨着A、C、D;C挨着A、B、D),是限制最大的。我们可以选择先涂B。
1. 第一步 - 涂B区:4种颜色任选,有 \(4\) 种方法。
2. 第二步 - 涂A区:A只与B相邻,所以只要不和B同色即可,有 \(3\) 种方法。
3. 第三步 - 涂C区:C与A、B都相邻。所以颜色必须与A、B都不同。现在已经用了2种颜色(B和A的颜色),所以C有 \(4 - 2 = 2\) 种方法。
4. 第四步 - 涂D区:D与B、C都相邻。所以颜色必须与B、C都不同。现在已经用了3种颜色(B, A, C的颜色),所以D有 \(4 - 3 = 1\) 种方法。
5. 计算总数:
总方法数 = \(4 \times 3 \times 2 \times 1 = 24\) 种。
【拔高例题】一个小组有甲、乙、丙、丁4名同学,现要让他们分别去完成A、B、C、D四项不同的任务,其中甲不能做A任务,乙不能做B任务。一共有多少种不同的分配方案?
思维迁移:
这看起来不是涂色?别慌!我们把它“翻译”成涂色模型:
- “区域”:就是四项不同的任务 A, B, C, D。
- “颜色”:就是四名同学 甲, 乙, 丙, 丁。
- “涂色规则”:每个任务(区域)必须分配一个且唯一一个同学(颜色);同时有特殊限制——“A区域不能涂甲颜色”,“B区域不能涂乙颜色”。
看,原型还是“分步涂色”!现在我们一步步来:
1. 确定顺序:有限制条件的任务(A、B)优先考虑。
2. 第一步 - 分配A任务:不能给甲。所以可以从乙、丙、丁中任选,有 \(3\) 种方法。
3. 第二步 - 分配B任务:不能给乙。但这里要注意!上一步选走的是谁,会影响这一步的剩余人数。
我们分情况讨论(这是避免跳步的关键):
① 如果A任务给了乙,那么B任务不能给乙,但乙已经被选走,所以B任务可以从剩下的甲、丙、丁中任选,有 \(3\) 种方法。
② 如果A任务给了丙或丁(共2种可能),那么乙还在。此时B任务不能给乙,所以只能从剩下的两人(假设A选了丙,则剩下甲、丁,且乙不能用)中选,有 \(2\) 种方法。
哎呀,这样直接想有点乱。我们换个更稳健的思路:先分配限制最少的人或任务。
稳健解法:先安排丙、丁这两个没有特殊限制的同学。
① 第一步,先让丙选任务:4个任务随便挑,有 \(4\) 种选法。
② 第二步,再让丁选任务:剩下3个任务随便挑,有 \(3\) 种选法。
③ 现在剩下两个任务(比如剩下A和B)和两个人(甲和乙)。甲不能做A,乙不能做B。
关键推理:如果剩下的任务正好是A和B,那么只有1种合法分配:甲做B,乙做A。
④ 总方法数 = \(4 \times 3 \times 1 = 12\) 种。
看,虽然场景从“涂地图”变成了“分任务”,但核心的“分步-相乘”思想,以及“优先处理限制条件”的策略,完全一样!
📝 阿星必背口诀:
染色问题莫慌张,分步思考是良方。
限制最多先下手,步步相乘答案响。
场景多变心不乱,核心原型脑中藏!
🚀 举一反三:变式挑战
用5种不同颜色,给一个由三个线性相连的区域(A-B-C)涂色,相邻区域不同色。有多少种方法?
如果用若干种颜色去涂一个由两个相邻区域组成的图形,要求相邻区域不同色,总共有20种涂法。请问至少需要多少种颜色?
用4种颜色给一个“L”形图形(由四个小方格构成,像俄罗斯方块的L块)涂色,要求有公共边的方格颜色不同。有多少种涂法?
解析与答案
【详尽解析】
入门例题:总方法数为 \(36\) 种。过程见上文拆解。
进阶例题:总方法数为 \(24\) 种。关键在于先涂中间限制大的区域。
拔高例题:总方法数为 \(12\) 种。关键在于将“分配任务”问题转化为“限制性涂色”问题,并灵活选择优先分配的对象以简化计算。
变式挑战解析:
1. 变式一:先涂B,有5种;再涂A,有4种;最后涂C,不能与B同色,有4种。总数:\(5 \times 4 \times 4 = 80\) 种。
2. 变式二:设颜色有 \(n\) 种。涂第一块有 \(n\) 种,涂第二块有 \(n-1\) 种。总数为 \(n(n-1)=20\)。解得 \(n=5\)(因为 \(5 \times 4 = 20\))。至少需要5种颜色。
3. 变式三(核心提示):将“L”形四个方格按位置标为A(左上)、B(右上)、C(左中)、D(左下,与C相邻,与A也相邻)。关键顺序:先涂C(邻居有A、D),再涂A(邻居有B、C),然后涂D(邻居有A、C),最后涂B(邻居只有A)。计算:C有4种,A有3种,D有2种(不能同于A、C),B有2种(不能同于A)。总数:\(4 \times 3 \times 2 \times 2 = 48\) 种。
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