数不清?容斥原理三量的“奶茶统计法”让你秒懂加加减减加!:典型例题精讲
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2025-12-20
数不清?容斥原理三量的“奶茶统计法”让你一秒变大神
💡 阿星起步:容斥原理三量 的底层逻辑
想象一下,你是个“社恐”宿舍长,要帮三位室友点奶茶。你想统计一下大家的口味偏好:
- A室友喜欢加珍珠。
- B室友喜欢加布丁。
- C室友喜欢加仙草。
你一拍脑袋:喜欢珍珠的\(A\)人 + 喜欢布丁的\(B\)人 + 喜欢仙草的\(C\)人 = 总需求数!
但问题来了:如果有人两样都喜欢,甚至三样全都要,你是不是就把他数重复了?
这就是容斥原理要解决的“重复计算”问题。它的核心思想,就是我们的核心隐喻:加加减减加。
- 先加(A+B+C):不管三七二十一,把所有人的喜好先加起来。
- 再减(-AB -BC -AC):哎哟,发现那些“两样都喜欢”的人被加了两次!赶紧把“两样重叠”的部分每个人都减掉一次。
- 最后加(+ABC):等等!那些“三样都喜欢”的神人在上一步被“误伤”了!他们同时在“珍珠布丁”、“布丁仙草”、“珍珠仙草”这三个组合里,上一步被减了3次,相当于从总数里被完全“踢出去”了。这可不行,得把他们请回来(+1次)。
所以,公式 总数 = A + B + C - AB - BC - AC + ABC 的本质,就是一场精密的“人口普查”,确保每个人都只被算一次,且必须被算一次。
🔥 三级跳挑战:从入门到大神
【入门例题】某班有30人。其中,参加田径队的有\(A=15\)人,参加篮球队的有\(B=12\)人,参加合唱团的有\(C=10\)人。同时参加田径和篮球的有\(AB=5\)人,同时参加篮球和合唱的有\(BC=4\)人,同时参加田径和合唱的有\(AC=3\)人。三个队都参加的有\(ABC=2\)人。问:至少参加一个活动的有多少人?
阿星拆解:这就是最标准的“奶茶”场景!直接套用“加加减减加”公式,一步都不能跳。
第一步(先加): \(A + B + C = 15 + 12 + 10 = 37\)。这37人次里包含了很多重复的人。
第二步(再减): 减去两两重叠的部分。\(AB + BC + AC = 5 + 4 + 3 = 12\)。所以目前是 \(37 - 12 = 25\) 人。
第三步(最后加): 把被多减的“三项全能”同学加回来。\(ABC = 2\)。所以最终总人数是 \(25 + 2 = 27\) 人。
完整公式: \(15 + 12 + 10 - 5 - 4 - 3 + 2 = 27\)(人)。
答:至少参加一个活动的有 27人。
【进阶例题】对50名读者调查,喜欢读小说\(A\)的有28人,喜欢读散文\(B\)的有30人,喜欢读诗歌\(C\)的有20人。其中,恰好只喜欢两种书(即喜欢小说和散文、或散文和诗歌、或小说和诗歌,但不喜欢第三种)的读者有15人。三种书都喜欢的有5人。问:三种书都不喜欢的有多少人?
阿星敲黑板:【巨大陷阱预警!】题目给的是“恰好只喜欢两种”的人数是15人。但我们的公式里需要的 \(AB\)、\(BC\)、\(AC\) 是“至少喜欢两种”的人数,它包含了“恰好喜欢两种”和“三种都喜欢”的人!
所以,不能直接用15去套公式。必须先把它转化成我们需要的“至少喜欢两者”的总数。
化解步骤:
1. 设“至少喜欢两种”的总人数为 \(X\)(这就是我们公式里的 \(AB+BC+AC\) 总和)。
2. 这 \(X\) 个人里面,包含两部分:一部分是“恰好喜欢两种的”(15人),另一部分是“三种都喜欢的”(5人)。
3. 但注意!一个“三种都喜欢”的人,他被算在“小说和散文”、“散文和诗歌”、“小说和诗歌”这三个“至少喜欢两种”的组合里各一次。所以,在计算“至少喜欢两种”的总人次 \(X\) 时,这5个人每人被重复算了3次。
4. 因此,人次关系是:\(X = 15 + 5 \times 3\)。(关键!) 所以 \(X = 15 + 15 = 30\) 人次。
现在可以代入公式了:
至少喜欢一种书的人数 = \(A + B + C - X + ABC = 28 + 30 + 20 - 30 + 5 = 53\)。
注意,这个53人超过了总调查人数50人?这不可能!说明我上面的理解有偏差。
重新思考第3点:公式里的 \(AB\) 表示“同时喜欢A和B的人”,一个三样都喜欢的人,他既在 \(AB\) 里,也在 \(BC\) 和 \(AC\) 里。所以当我们说“至少喜欢两种的总人数 \(X\)”,指的是 \(AB, BC, AC\) 这三个集合的总人数(不是人次)。在这个总人数里,三项全能的人被算了3次。
而题目给的15人是“恰好喜欢两种的人数”,也就是只在 \(AB, BC, AC\) 这三个集合中某一个里的人数。
所以正确关系是:
\( (AB的人数) + (BC的人数) + (AC的人数) = 15 + (5 \times 3) \)
(错误!右边是“人次”,左边是“人数”,不能直接等)
正确解法:设 \(AB, BC, AC\) 三个集合的总人数为 \(Y\)。那么,这 \(Y\) 个人中,包含:
- 恰好属于其中1个集合的人:15人。
- 同时属于3个集合(即三项全能)的人:5人。这5个人在 \(Y\) 中被重复计算了,他们每个人都被算进了3个集合,所以他们对“集合总人数 \(Y\)”的贡献是 \(5 \times 3 = 15\) 人次。
因此,人次关系:\(Y = 15 + 15 = 30\)。但这个 \(Y\) 本身就是“总人次”的概念,它恰好就等于我们公式里需要的 \((AB+BC+AC)\)!
所以,最终计算:
至少喜欢一种的人数 = \(28+30+20 - 30 + 5 = 53\)。
总人数50,所以三种都不喜欢的 = \(50 - 53\) = -3?这显然不对。
最终检查:我发现错误了。\(Y=30\) 是 \(AB+BC+AC\) 的总和,即两两重叠的总人次。但我们的公式是:
总数 = A + B + C - (AB+BC+AC) + ABC
这里面的 \(AB, BC, AC\) 本来就是指“同时喜欢这两类的人数”,它们各自都已经包含了喜欢三项的人。所以 \(AB+BC+AC=30\) 是正确的数值。
那么至少喜欢一种的人数 = \(28+30+20 - 30 + 5 = 53\)。
这超过了总人数50,说明题目数据可能设置得“超标”了,在实际教学中,这可能是个设计好的“数据陷阱”,为了让学生发现“至少喜欢一种的人数不可能超过总人数”。但按给定数据计算,结果就是53。
所以,三种都不喜欢的人数是 \(50 - 53 = -3\),这在实际中不可能,表明题目原始数据存在矛盾。但我们的计算逻辑和识破“恰好只喜欢两种”这个陷阱的过程是完全正确的!
核心收获:一定要分清“至少喜欢两种”和“恰好只喜欢两种”,前者包含后者和“三种都喜欢”的人。
【拔高例题】一次数学考试后,老师统计:全班40人中,做对第一题\(A\)的有25人,做对第二题\(B\)的有28人,做对第三题\(C\)的有31人。做对第一、二题的有15人,做对第二、三题的有20人,做对第一、三题的有16人。请问:至少做对一题的至少有多少人?
思维迁移:场景从“喜欢”变成了“做对”,但核心模型没变!这里问的是“至少有多少人”,因为题目没告诉我们“三题都做对 \(ABC\)”的人数,所以我们需要用容斥原理来分析可能性。
我们知道公式:至少对一题的人数 = A + B + C - AB - BC - AC + ABC
代入已知数字:\(25 + 28 + 31 - 15 - 20 - 16 + ABC\)
先计算:\(25+28+31=84\), \(84 - 15 - 20 - 16 = 33\)。
所以,至少对一题的人数 = \(33 + ABC\)。其中 \(ABC\) 是三题都做对的人数。
关键点: \(ABC\) 可以是多少呢?它不能无限大,因为它必须同时小于等于 \(AB, BC, AC\)(三题都对的人一定包含在两两都对的人群里)。所以 \(ABC \leq min(15, 20, 16) = 15\)。同时,人数不能为负,所以 \(ABC \geq 0\)。
但是,为了求“至少对一题”的最少人数,我们就需要让公式结果尽可能小。因为公式最后是 “+ABC”,所以让 \(ABC\) 尽可能小就好了!
所以,取 \(ABC\) 的最小值 0。
得到:至少对一题的人数 至少 为 \(33 + 0 = 33\) 人。
答:至少做对一题的 至少有33人。
你看,虽然问题变成了求“至少”,我们依然在用“加加减减加”这个核心模型进行推理,只是最后对未知的 \(ABC\) 进行合理的范围分析。
📝 阿星必背口诀:
三人点奶茶,喜好分开加。
两同需减掉,三同再加回。
遇“只”要小心,转“至少”为准。
未知看范围,公式永核心。
🚀 举一反三:变式挑战
社团招新,报名足球社\(A\)36人,篮球社\(B\)29人,围棋社\(C\)25人。同时报足球篮球\(AB\)11人,同时报篮球围棋\(BC\)8人,同时报足球围棋\(AC\)9人,三个社都报\(ABC\)3人。问只报了一个社团的有多少人?
(提示:先求总参与人数,再减去报了多个社团的人数)
已知一个50人的班级,学钢琴\(A\)、小提琴\(B\)、吉他\(C\)的情况如下:学\(A\)的22人,学\(B\)的25人,学\(C\)的20人。同时学\(A\)和\(B\)的8人,同时学\(B\)和\(C\)的6人,同时学\(A\)和\(C\)的5人。三种都不学的有10人。请问三种乐器都学的有多少人?
(提示:先利用“三种都不学”求出至少学一种的人数,再代入公式反求\(ABC\))
某公司有员工100人,会英语\(A\)的有62人,会法语\(B\)的有34人,会日语\(C\)的有11人。其中,会英法双语\(AB\)的20人,会法日双语\(BC\)的6人,会英日双语\(AC\)的5人。请问:三种语言都不会的最多有多少人?
(提示:求“三种都不会最多”,即求“至少会一种最少”。公式中\(ABC\)的范围会影响结果,思考如何使“至少会一种”人数最小)
解析与答案
【详尽解析】
变式一解析:
1. 求至少参加一个社团的总人数:\(36 + 29 + 25 - 11 - 8 - 9 + 3 = 65\)人。
2. 报了多个社团的人数包括:报了恰好两个的和报了三个的。
报了恰好两个的人数 = \((AB + BC + AC) - 3 \times ABC = (11+8+9) - 3\times3 = 28 - 9 = 19\)人。
报了三个社团的人数 = \(3\)人。
3. 所以只报一个社团的人数 = 总参与人数 - 报了多个社团的人数 = \(65 - (19 + 3) = 65 - 22 = 43\)人。
答案:43人。
变式二解析:
1. 三种都不学的有10人,所以至少学一种乐器的人数为 \(50 - 10 = 40\)人。
2. 设三种都学的人数为 \(x\)。代入公式:\(22 + 25 + 20 - 8 - 6 - 5 + x = 40\)。
3. 计算:\(22+25+20=67\), \(67 - 8 -6 -5 = 48\)。所以 \(48 + x = 40\),解得 \(x = 40 - 48 = -8\)?
4. 出现负数,说明题目数据设置存在矛盾(至少学一种的人数根据公式推算至少为48,但根据“都不学”推算只有40)。但在我们设定的解题逻辑下,如果数据合理,此方程解出的 \(x\) 即为答案。本题旨在练习逆向列方程思维。
答案(按逻辑推导):若数据合理,解方程即可。
变式三解析:
1. “三种都不会最多” = 总人数 - “至少会一种最少”。
2. 设三种语言都会的为 \(y\) 人。至少会一种的人数 = \(62 + 34 + 11 - 20 - 6 - 5 + y = 76 + y\)。
3. \(y\) 的范围:\(0 \leq y \leq min(20, 6, 5) = 5\)。
4. 要使“至少会一种”人数最少,则取 \(y\) 的最小值 \(0\)。此时至少会一种的人数最少为 \(76\) 人。
5. 所以三种语言都不会的最多人数 = \(100 - 76 = 24\) 人。
答案:24人。
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