别再傻数了!3步“魔法公式”秒算所有长方形,小白也能成大神 | 阿星数学指南:典型例题精讲
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2025-12-20
阿星的“数长方形”寻宝图:从手忙脚乱到一眼看穿!
💡 阿星起步:数长方形 的底层逻辑
想象一下,你面前有一大块巧克力,它被规规矩矩地划成了很多小格子。现在老板让你数一数,这里面到底有多少个不同大小的长方形巧克力块?你是一个一个去数吗?那太慢啦,而且很容易数晕、数漏。
数学家们发现了一个“魔法公式”,能让我们一秒搞定。它的核心思想就像拼图:
要确定一个长方形,你只需要做两件事:
- 在横着的那排线上,任意选两条不同的线作为长方形的“上边”和“下边”。
- 在竖着的那排线上,任意选两条不同的线作为长方形的“左边”和“右边”。
你看,一个长方形不就唯一确定了吗?所以,问题就变成了:
横边上有多少种不同的“线段选法” × 竖边上有多少种不同的“线段选法” = 总共能拼出多少种不同的长方形。
这就是我们今天的“核心武器”——乘法原理。它不是冷冰冰的公式,而是一个超级高效的“思考脚手架”。下面,我们就用它来通关!
🔥 三级跳挑战:从入门到大神
【入门例题】下图是一个由横竖线组成的网格,横向有3条线,纵向有2条线。请问这个网格图中,一共有多少个不同的长方形?(包括最大的那个和最小的格子)
(想象一个2行1列的网格,或者说,横向被分成2格,纵向被分成1格)
阿星拆解:
第一步:理解“线”和“格”。 题目说“横向有3条线”,我们画出来:| 线1 | 线2 | 线3 |。这3条线形成了2个横向的格子。同理,“纵向有2条线”:线A 和 线B,形成了1个纵向的格子。
第二步:计算横边上的“线段选法”。 我们要从3条横线里,任意选2条不同的线来当长方形的“上、下边”。
- 选线1和线2 → 形成一个长方形(最上面那个格子)
- 选线2和线3 → 形成一个长方形(最下面那个格子)
- 选线1和线3 → 形成一个长方形(跨越上下两格的大长方形)
所以,横边上的选法有 3种。有个速算公式:如果有 \( m \) 条横线,线段选法就是 \( \frac{m \times (m-1)}{2} \)。这里 \( m=3 \),\( \frac{3 \times 2}{2} = 3 \)。
第三步:计算竖边上的“线段选法”。 我们要从2条竖线里,任意选2条不同的线来当长方形的“左、右边”。
- 选线A和线B → 只能形成1个长方形(因为竖向上只有一个格子)。
所以,竖边上的选法有 1种。公式:\( n=2 \) 条竖线,\( \frac{2 \times 1}{2} = 1 \)。
第四步:用乘法原理“拼图”。 横边选法 × 竖边选法 = 总长方形数。
\( 3 \times 1 = 3 \)(个)。
看,是不是和咱们一开始心里数的结果一样?最大长方形、上面小格、下面小格,一共3个。
【进阶例题】一个长方形的桌面,长边被平均分成了4份(画出5条等距的竖线),宽边被平均分成了3份(画出4条等距的横线)。如果每个最小格子都是边长为1厘米的正方形,那么图中包含多少个边长为1分米的正方形?
阿星敲黑板:
陷阱就在这儿!题目第一句在描述网格(5竖4横),但问题问的是边长为1分米的正方形。我们需要把“1分米”和网格的“1厘米”联系起来。
第一步:明确网格基础信息。 根据描述:
竖线:5条 → 竖方向被分成4格 → 每个小格宽 1厘米。
横线:4条 → 横方向被分成3格 → 每个小格高 1厘米。
所以,整个网格是 \( 4 \text{厘米} \times 3 \text{厘米} \)。
第二步:转化问题。 “边长为1分米的正方形”就是边长为10厘米的正方形。在我们的网格里,一个小格是1厘米,那么要找的正方形需要横着占10个小格,竖着也占10个小格。
第三步:发现矛盾,化解陷阱。 我们的网格横向总共才4个小格(4厘米),纵向总共才3个小格(3厘米),根本不可能放下一个需要10×10格(10厘米×10厘米)的大正方形。
因此,符合条件的正方形数量为 0 个。
这道题告诉我们:读完题后,先别急着套公式,一定要看清题目到底问的是什么,单位是否一致,条件是否可能。 这是典型的“条件与问题不符”陷阱。
【拔高例题】平面上有两条平行的直线。在上面那条直线上取了4个不同的点,在下面那条直线上取了5个不同的点。用这些点做顶点,可以组成多少个不同的梯形?(注:梯形的定义是至少有一组对边平行。这里我们只考虑上下底在两条平行线上,腰连接上下点的梯形)
思维迁移:
这道题换了个“马甲”,从数长方形变成了数梯形。但我们拆开来看:
第一步:把新问题映射回原型。
题目描述的场景,本质上是在两条平行线(上边和下边)上分别有一些点。我们要用这些点构成梯形,且上下底就在这两条线上。
这意味着:上底需要从上面那条线的4个点中选2个点来确定一条线段。下底需要从下面那条线的5个点中选2个点来确定一条线段。
上下底一旦选定,连接对应的端点,一个梯形就唯一确定了。
第二步:识别“乘法原理”。
这不就跟我们数长方形一模一样吗?!
把“上面那条线”看成是长方形的“一条长边”,上面的4个点相当于这条边上的4条分线(只不过我们现在选的是点,点之间的线段就是梯形的上底)。
把“下面那条线”看成是长方形的“另一条长边”,下面的5个点相当于这条边上的5条分线(选点得到下底)。
竖边呢? 在这个问题里,梯形的“腰”是自动由上下底端点连接而成的,所以“竖边上的线段选法”在这里是固定的,只有1种(即两条平行线间的距离决定了梯形的高,但对计数没影响)。
第三步:套用逻辑计算。
1. 选择上底:从4个点中选2个。选法数:\( \frac{4 \times 3}{2} = 6 \) 种。
2. 选择下底:从5个点中选2个。选法数:\( \frac{5 \times 4}{2} = 10 \) 种。
3. 上下底搭配:根据乘法原理,总共能组成的梯形数为 \( 6 \times 10 = 60 \) 个。
看,虽然场景从网格变成了点和线,但“从一组东西里选两个确定一条线段,再从另一组东西里选两个确定另一条线段,两者搭配形成一个四边形”的核心逻辑丝毫没变!这就是乘法原理的威力。
📝 阿星必背口诀:
横竖线段挑一挑,相乘总数就来到。
单位陷阱要看清,自己画格是绝招!
🚀 举一反三:变式挑战
一个围棋盘,横向有19条线,纵向也有19条线。请问这个棋盘上,一共有多少个大小不同的正方形?(提示:正方形是特殊的长方形,本题问的是所有长方形中的一个子集,难度升级!先想想一个2×2的正方形需要横竖各选几条线?)
在一个图形中,一共数出了36个长方形。已知这个图形在宽边上(横向)有4条线。请问在长边上(纵向)至少有多少条线?
下图是一个“回”字形图案,由一个大长方形内部挖去一个小长方形组成。大长方形的长和宽分别被均分成了6份和5份(即各有7条和6条线)。小长方形距离大长方形上下左右各有1个格子的边距。请问这个“回”字形图形中,包含多少个完整的长方形?(提示:先算整个大网格里的长方形总数,再减去小长方形所在区域的那个网格里的长方形数,但要注意减多了吗?)
解析与答案
【详尽解析】
三级跳挑战答案:
入门例题:3个。
进阶例题:0个(单位与网格尺寸矛盾)。
拔高例题:60个。
举一反三答案与核心提示:
变式一(正方形): 核心在于,要构成一个 \( k \times k \) 的正方形,需要在横竖方向各选择连续的 \( k+1 \) 条线(即选出边长为k格的区域)。总正方形数 = \( 1^2 + 2^2 + 3^2 + ... + 18^2 \)。答案是 2109个。
变式二(逆向求线): 设纵向有 \( n \) 条线。则横向线段数 = \( \frac{4\times3}{2}=6 \)。公式:\( 6 \times \frac{n(n-1)}{2} = 36 \)。解得 \( n(n-1)=12 \),所以 \( n=4 \)。答案是 4条。
变式三(回字形): 大网格长方形总数:\( C_{7}^{2} \times C_{6}^{2} = 21 \times 15 = 315 \)。小长方形所在区域是一个内部网格(上下左右各去掉1格),横向有5条线,纵向有4条线,其长方形数为 \( C_{5}^{2} \times C_{4}^{2} = 10 \times 6 = 60 \)。注意,这60个长方形是完全包含在小区域内的,它们被挖掉了。而横跨“回”字内外部分的长方形本身就不完整,不应计入。因此,完整长方形数 = \( 315 - 60 = 255 \) 个。
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