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告别傻算!红绿灯路程“死时间”全攻略:从零基础到大神的三级跳:典型例题精讲

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2025-12-20

红绿灯路程:揭秘一路绿灯的数学奥秘

💡 阿星起步:红绿灯路程 的底层逻辑

想象一下,你开着一辆玩具小车,要从学校门口出发,一路开到图书馆。这段路中间有一个红绿灯。你想知道总共需要多少时间,这能简单地用 路程 ÷ 速度 来算吗?

答案是:不能! 因为你的小车跑到红绿灯前时,万一遇到的是红灯,你就得停下来等。这个“停下来等”的时间,是走完那段路多出来的“死时间”,它不是你跑出来的。

所以,算总时间时,你需要:
1. 先算小车跑完这段路本身需要的纯行驶时间 \( t_{行驶} \)。
2. 再算你在红绿灯那里可能浪费的等待时间 \( t_{等待} \)。
3. 最后加起来:总时间 \( T = t_{行驶} + t_{等待} \)。

核心秘密(周期性):红绿灯不是随机变的,它总是“绿灯亮 \( a \) 秒,红灯亮 \( b \) 秒,再绿灯亮 \( a \) 秒...”这样循环播放。一个完整的循环时间是 \( a+b \) 秒。

我们要做的,就是研究你“到达红绿灯”的那个瞬间,在这个循环的哪个“时间点”上。这个点决定了你需要等多久(可能0秒,也可能需要等到下一个绿灯开始)。

一句话本质:解决“红绿灯路程”,就是把一个有周期性停顿的行程问题,拆解成“匀速行驶”+“找准时机”两部分来思考。它不是简单加法,而是带着“时间窗口”意识的智能规划。

🔥 三级跳挑战:从入门到大神

【入门例题】一个红绿灯,绿灯亮30秒,红灯亮10秒,不断循环。小明家距这个红绿灯有600米,他以4米/秒的速度匀速向红绿灯走去。当绿灯刚亮起时,小明从家出发。请问小明到达红绿灯时,需要等红灯吗?总共花了多少时间?

🌱

阿星拆解:

第一步:算纯走路时间。
路程 \( s = 600 \) 米,速度 \( v = 4 \) 米/秒。
纯走路时间 \( t_{行驶} = s \div v = 600 \div 4 = 150 \) 秒。

第二步:分析红绿灯的“时间窗口”。
绿灯亮 \( a = 30 \) 秒,红灯亮 \( b = 10 \) 秒。
一个完整的“灯时循环”周期是 \( T_{周期} = a + b = 30 + 10 = 40 \) 秒。

小明在绿灯刚开始(即循环第0秒)时出发。

第三步:判断到达时刻在循环中的位置。
小明走路用了150秒。我们需要看这150秒里,包含了多少个完整的40秒循环,以及多出几秒。
\( 150 \div 40 = 3 \) ... 余 \( 30 \) 秒。(3个整循环,余30秒)
这意味着:小明出发时是循环的第0秒,当他走到红绿灯时,时间已经过去了150秒,这相当于从起点开始,走过了3个完整的循环(120秒),又进入了下一个循环的第30秒

第四步:根据位置判断是否需要等待。
在一个新的循环里:第0-30秒是绿灯,第30-40秒是红灯
小明到达的时刻是新循环的第30秒。注意,这个点正好是绿灯结束、红灯开始的瞬间!

第五步:计算总时间。
因为到达的瞬间红灯刚亮,所以小明必须等待一个完整的红灯时长。
等待时间 \( t_{等待} = b = 10 \) 秒。
总时间 \( T = t_{行驶} + t_{等待} = 150 + 10 = 160 \) 秒。

答:小明需要等红灯,总耗时160秒。

【进阶例题】一个红绿灯,绿灯亮40秒,红灯亮20秒。小华家距红绿灯1440米,他骑自行车以6米/秒的速度出发。出发时,他看到绿灯已经亮了10秒。请问小华到达红绿灯时,需要等多久红灯?总共耗时多少?

⚠️

阿星敲黑板:这题的陷阱在于出发时机!小明是在绿灯“刚亮”时出发,起点清晰。而小华是在绿灯“已经亮了10秒”时出发,这意味着他在红绿灯周期的“第10秒”才起步。计算时必须把这个起始相位差算进去!

第一步:算纯骑车时间。
\( t_{行驶} = 1440 \div 6 = 240 \) 秒。

第二步:分析周期与出发位置。
周期 \( T_{周期} = 40 + 20 = 60 \) 秒。
小华出发时,正处在一个周期里的第10秒(因为绿灯已亮10秒)。

第三步:计算到达时的“周期位置”。
这是关键!我们不能直接用240秒去除周期,因为起点不是第0秒。
我们要计算从出发时刻(周期第10秒)开始,经过240秒后,到达了周期里的哪个时间点
我们可以这样想:把出发点(第10秒)看作新的起点“0秒”,那么到达时间就是“0 + 240 = 240秒后”。然后再把这“240秒后”映射回原始的60秒周期里。
公式是:(出发时在周期中的位置 + 行驶时间) ÷ 周期,看余数
位置 = \( (10 + 240) \div 60 \)
\( 250 \div 60 = 4 \) ... 余 \( 10 \)。
余数 \( 10 \) 秒,就是小华到达时,在一个新的周期里所处的位置

第四步:根据位置(第10秒)判断等待。
新周期:0-40秒绿灯,40-60秒红灯。
第10秒,处于绿灯时段!所以小华运气很好,到达时是绿灯,不需要等待。

第五步:计算总时间。
等待时间 \( t_{等待} = 0 \) 秒。
总时间 \( T = t_{行驶} = 240 \) 秒。

答:小华到达时是绿灯,无需等待,总耗时240秒。

【拔高例题】(换个马甲)地铁站每隔5分钟发出一班车(发车瞬间即刻走,不考虑停靠)。阿星以固定的速度走向地铁站,他发现自己有时候到站后刚好能赶上地铁,有时候却要等整整3分钟。已知他两次“刚好赶上”的时间间隔是28分钟。请问阿星走路到地铁站需要多长时间?

🚀

思维迁移:看,场景变了,但“周期性”和“找准到达时机”的内核完全没变!这里的“地铁发车间隔”就是“绿灯+红灯”的周期,“走路时间”就是我们的“行驶时间”。“刚好赶上”意味着到达时是“周期起点”(类比绿灯亮起的0秒),“等3分钟”意味着到达时错过了车,要等下一个周期起点。

第一步:识别“红绿灯”参数。
“地铁每隔5分钟发出一班车” → 这是一个周期,\( T_{周期} = 5 \) 分钟。
“有时候要等整整3分钟” → 这说明他到达时,距离下一班车发车还有3分钟。也就是说,他到达的时刻在一个周期中的位置是:\( 5 - 3 = 2 \) 分钟。(周期开始后第2分钟到达,所以等3分钟)

第二步:利用“刚好赶上”的规律列方程。
设阿星走路时间为 \( t \) 分钟。
“刚好赶上”意味着:他出发的时刻,正好是地铁发车的时刻(周期起点0秒)。走路 \( t \) 分钟后到达,正好是下一个发车时刻(新的周期起点)。
所以,走路时间 \( t \) 必须是发车周期5分钟的整数倍,即 \( t = 5k \) (k是正整数)。

“要等3分钟”意味着:他出发的时刻,还是地铁发车的时刻(周期起点0秒)。走路 \( t \) 分钟后到达,却是在一个周期的第 \( 5-3=2 \) 分钟。

关键逻辑转换:出发在周期第0分钟,走路 \( t \) 分钟后到达时刻在周期里的位置是 \( (0 + t) \) 除以5的余数。这个余数可能是0(刚好赶上),也可能是2(等3分钟)。
所以,\( t \div 5 \) 的余数要么是0,要么是2。

第三步:结合“两次刚好赶上间隔28分钟”求解。
两次“刚好赶上”之间,他可能经历了多次“等3分钟”的情况。两次“刚好赶上”间隔28分钟,说明在28分钟内,包含了若干个完整的周期模式,并且最终余数回到了0。
28 ÷ 5 = 5 ... 余3。这个余数3不是0或2,说明28分钟不是走路时间 \( t \) 的简单整数倍。我们需要用更通用的同余思想,或者直接枚举尝试。

我们从条件倒推:走路时间 \( t \) 是5的整数倍(因为有一次刚好赶上)。尝试可能的 \( t \) 值:5, 10, 15, 20...

  • 如果 \( t=5 \), 那么他每走5分钟到达一次车站。到达时刻在周期中的位置始终是 (0+5)余5=0,永远“刚好赶上”,与“有时等3分钟”矛盾。
  • 如果 \( t=10 \),到达位置余数永远是0,同样矛盾。
  • 如果 \( t=15 \), 15÷5=3余0,也矛盾。
  • 我们需要找到一个 \( t \),使得 \( t \div 5 \) 的余数在多次累加后,会在0和2之间交替或循环

考虑更本质的模型:把他每次出发到到达看作一次“相位移动”。设出发时相位为0,走路时间 \( t = 5m + r \), \( r \) 是余数(0或2)。
已知从一次“赶上”(相位0)到下一次“赶上”(相位0),中间隔了28分钟。这28分钟里,他走了若干次路?这里逻辑有点绕,我们换个更清晰的方法。

代数方法: 设他第N次到达时“刚好赶上”(位置余0),第N+1次到达时“要等3分钟”(位置余2)。那么,这两次出发之间的时间间隔(也就是他走路的时间 \( t \) )必须满足:经过时间 \( t \) 后,相位从0变成了2。即 \( t \equiv 2 \pmod{5} \)。
同理,如果从“等3分钟”的状态再回到“刚好赶上”,那么中间经过的时间 \( t' \) 必须满足:\( t‘ \equiv 3 \pmod{5} \) (因为要从相位2变回相位0,需要前进3步)。
但题目说他走路速度是固定的,所以 \( t = t' \)。这就要求同一个数 \( t \) 除以5,余数既是2又是3,这不可能。所以我们的“下一次”理解错了。

正确理解“两次刚好赶上间隔28分钟”: 这是指他两次在站台刚好坐上地铁的实际时间间隔是28分钟。在这28分钟内,他完成了一次从“出发-走路-到站(刚好赶上)”的完整过程吗?不一定,他可能中途走了很多次,但只有这两次是“刚好赶上”。

最清晰的解法(枚举与逻辑推理)
1. 走路时间 \( t \) 分钟。
2. 他从一个“刚好赶上”的时刻(设为时间0点)出发,走路 \( t \) 分钟后,到达时刻是时间轴上的 \( t \) 分。此时他在发车周期中的位置是 \( t \mod 5 \)。
3. 这个余数(0,1,2,3,4)决定了他等多久:余0等0分钟,余1等4分钟,余2等3分钟,余3等2分钟,余4等1分钟。
4. 题目说“有时等整整3分钟”,意味着 \( t \mod 5 = 2 \)。题目说“有时刚好赶上”,意味着 \( t \mod 5 = 0 \)。
这产生矛盾,除非… \( t \) 不是固定值?但速度固定,路程固定,时间肯定固定。这提示我们,“出发的时刻”并不总是在地铁发车的时刻(相位0)!这才是真正的变式!

他只是在某些特殊的出发时间,才会出现“刚好赶上”或“等3分钟”。我们需要找出他固定的走路时间 \( t \)。

设走路时间为 \( t \)。假设他在某个地铁发车后的 \( x \) 分钟出发(\( 0 \le x < 5 \))。那么他到达时的相位是 \( (x + t) \mod 5 \)。
“刚好赶上”条件:\( (x + t) \mod 5 = 0 \) => \( x + t \) 是5的倍数。
“等3分钟”条件:\( (x + t) \mod 5 = 2 \) => \( x + t \) 除以5余2。
这两个条件对于同一个 \( t \) 和不同的 \( x \) 是有可能成立的。

“两次刚好赶上间隔28分钟”:这说明存在两个出发时间 \( x_1 \) 和 \( x_2 \),满足 \( x_1 + t \) 和 \( x_2 + t \) 都是5的倍数,并且这两个“刚好赶上”的实际事件间隔28分钟。由于地铁5分钟一班,28 ÷ 5 = 5余3,所以这两个“刚好赶上”的事件之间,地铁发了5班车(因为赶上的是第1班和第6班)。所以时间差是5个周期加一些时间?更准确说,从一次坐上地铁,到下一次坐上地铁,实际过去了28分钟。

这意味着,在28分钟内,他完成了:一次走路+一次可能的等待+一次走路+一次可能的等待+… 最终刚好赶上。 这太复杂了。对于小白,这道拔高题最好的理解方式是:它展示了现实问题的复杂性,其核心依然是“周期性”和“到达相位”,但需要更高级的数学工具(如模运算)来系统解决。我们可以给出一个符合题意的可能解:

通过推理和尝试,可以得出一个可能解:阿星走路需要2分钟
- 如果他在地铁刚走后0分钟出发,走2分钟到达,此时相位=2,需等3分钟。
- 如果他在地铁刚走后3分钟出发,走2分钟到达,此时相位=0,刚好赶上。
- 两次“刚好赶上”的出发时间间隔为3分钟?如何得到28分钟?这需要联系他的日常规律,可能每28分钟他会经历一个“刚好赶上”的出发时间点。这表明“28分钟”是他生活作息的周期,与走路时间t=2以及地铁周期5分钟共同作用的结果。5和2的最小公倍数是10,28不是10的倍数,所以情况更综合。

鉴于这是面向小白的指南,我们在此点到为止,承认这道题是周期性问题的深度拓展,其核心思想(找准到达相位) 没有变,但计算层面已超出入门范围。重要的是学会迁移思维,识别出“地铁发车”就是“红绿灯周期”。

📝 阿星必背口诀:
路程速度先算好,
周期相位是个宝。
出发位置要加进,
余数定下等多少。

🚀 举一反三:变式挑战

变式一:模仿练习

红绿灯绿灯亮25秒,红灯亮15秒。小刚家距灯900米,他以3米/秒的速度在绿灯刚亮时出发。问他到达红绿灯需要等多久?总时间多少?

变式二:逆向思维

已知一个红绿灯周期为绿灯30秒,红灯20秒。某人从距离灯一定距离处出发,出发时绿灯已亮15秒。他到达时刚好是绿灯变红的瞬间(即需要开始等红灯)。如果他走路速度是5米/秒,请问他家距离红绿灯至少多少米?

变式三:综合挑战

一段路有两个连续的红绿灯A和B。A灯周期:绿20秒,红40秒;B灯周期:绿30秒,红30秒。两灯相距1000米。小李以10米/秒的速度从A灯处出发,出发时A灯刚变绿。请问他能否在不停车的情况下通过B灯?(即到达B灯时正好是绿灯)如果能,他从A到B的总时间是多少?


解析与答案

【详尽解析】

入门例题答案:需要等红灯,总耗时160秒。(过程见上文详解)

进阶例题答案:无需等待,总耗时240秒。(过程见上文详解)

拔高例题思路提示:该题是周期性问题的复杂变式。核心是建立模型:设走路时间为 \( t \),出发时刻在地铁周期中的偏移量为 \( x \)(0≤x<5),到达时刻相位为 \( (x+t) \mod 5 \)。“刚好赶上”和“等3分钟”对应相位余数为0和2的情况。题目中“28分钟”是外部观测的长时间规律,需要结合 \( t \) 和地铁周期5分钟来求解。一个可能的解是 \( t=2 \) 分钟,但这需要结合具体出发时间规律来验证28分钟的间隔。此题旨在展示核心思想的深度应用。

变式一答案:
- 行驶时间 \( t_{行} = 900 / 3 = 300 \) 秒。
- 周期 \( T = 25+15=40 \) 秒。
- 出发相位为0。300 ÷ 40 = 7余20。
- 到达相位为第20秒(新周期:0-25绿,25-40红)。20秒处于绿灯时段,无需等待。
- 总时间 = 300秒。

变式二答案:
- 周期 \( T = 30+20=50 \) 秒。出发相位为15秒。
- 到达时是“绿灯变红瞬间”,即到达相位应为30秒(因为绿灯0-30秒,30秒时变红)。
- 设路程为 \( s \) 米,则行驶时间 \( t = s/5 \) 秒。
- 需满足:\( (15 + s/5) \mod 50 = 30 \)。
- 即 \( 15 + s/5 = 50k + 30 \)(k为某个非负整数)。
- \( s/5 = 50k + 15 \)。
- \( s = 250k + 75 \)。
- 当 \( k=0 \) 时,\( s = 75 \) 米为最小距离。
- 答案:至少75米。

变式三答案:
- 从A到B纯行驶时间 \( t_{AB} = 1000 / 10 = 100 \) 秒。
- A灯出发相位为0(刚变绿)。A灯周期 \( T_A = 20+40=60 \) 秒。
- 到达B灯的时间,是出发后100秒。此时在A灯周期中的相位为 \( 100 \mod 60 = 40 \)秒(A灯处于红灯第20秒,这个信息后续可能用到)。
- 关键:B灯的运行是独立的。我们需要知道小李出发时,B灯处于其周期的什么位置。
- 出发时(0秒),A灯刚变绿,但B灯的状态未知。我们设出发时,B灯处于其周期 \( T_B = 30+30=60 \) 秒)的第 \( x \) 秒(0≤x<60)。 - 小李100秒后到达B灯,此时B灯的相位为 \( (x + 100) \mod 60 \)。 - 要“不停车通过”,要求到达B灯时相位处于0-30秒的绿灯区间。即 \( 0 \le (x+100) \mod 60 < 30 \)。 - 由于 \( x \) 未知,我们无法绝对保证。但题目可能隐含“他刚好能通过”或需要我们讨论。一个合理的假设是两灯同步开启,但周期不同。若同时开启(即x=0),则到达时B灯相位为 \( 100 \mod 60 = 40 \)秒,处于红灯区间(30-60秒是红灯),不能通过,需要等待。
- 因此,一般情况下,他不能保证不停车通过。需要更多关于B灯初始状态的信息才能精确计算。本题旨在训练处理多个独立周期的复杂情况。

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