切角问题答案绝不是7个?一张图让你秒懂分类讨论!:典型例题精讲
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2025-12-20
切角问题终极指南:从一块豆腐到分类讨论大师
💡 阿星起步:切角问题的底层逻辑
想象一下,你手里有一块方方正正的嫩豆腐(它就是一个正方形)。现在,我要你用刀,小心翼翼地切掉它的一个小角。
一个最直接的问题来了:这块豆腐还剩几个角?
很多同学会脱口而出:“正方形4个角,切掉1个,还剩3个!”如果你也这么想,恭喜你,你掉进了“理所当然”的陷阱。
真相是:答案不一定是3个! 这完全取决于你的刀是怎么切的。
它的本质是什么? 这不是一道简单的算术题(4-1=3)。它是一个迷你版的“侦探游戏”。你的任务不是计算,而是“穷尽所有可能”——把所有合理的切法都想到,然后一种一种地数结果。这种思维方式,就是数学里至关重要的“分类讨论”。生活中,很多问题都没有唯一答案,需要你根据不同的情况(比如天气、预算、人数)来制定不同的方案。“切角问题”就是训练你这双“发现不同情况”的慧眼。
🔥 三级跳挑战:从入门到大神
【入门例题】从一个正方形的纸上,剪掉一个角(沿直线剪)。剩下的纸片最多可能有多少个角?
阿星拆解:
1. 理解题意:“沿直线剪”意味着切口是直的。“最多”意味着我们要找所有切法中,结果角数最大的那种。
2. 头脑风暴(穷举法):我们拿一张正方形纸,它的角编号为A、B、C、D。剪掉一个角,其实就是用一条直线连接两条边上的两个点。关键来了:这条线连接哪两条边?
- 情况一:直线连接一个角的两条邻边(比如,从AB边中间切到AD边中间)。这样,我们正好把A角整个切掉了。数一数:原来的B、C、D角还在,切口产生了两个新角(E和F)。所以,总角数 = 3(老角)+ 2(新角)= 5个角。
- 情况二:直线连接一个角的对边和邻边(比如,从AB边中间切到CD边中间?不对,这样切不到一个“角”。仔细想,应该是从一个角(A点)出发,切到它不相邻的边(比如BC边)上。这样,A角被切掉一部分,但没完全消失。数一数:A角变成了两个小角,B、C、D角都在。所以,总角数 = 4(老角A分裂成两个,加上B、C、D)- 1(原A角消失)+ 2(新切口产生两个新角)... 这样算太乱,我们直接画图数:A处有1个角,切口产生2个新角,B、C、D各1个。总共是 6个角。
- 情况三:直线连接两条对边(比如,从AB边中间切到CD边中间,并且经过A角?不经过角)。实际上,如果我们小心地切,让这条线刚好擦过一个角(比如A点),那么A角实际上没有被“剪掉”,而是被“切小”了。但更经典的切法是:切线不经过任何原有顶点。这时,我们切掉了一个“四边形”的小块。数一数:原来的四个角都还在,切口产生了两个新角。所以,总角数 = 4(老角)+ 2(新角)= 6个角。但等等,如果我们让切线刚好经过一个顶点呢?那其实就变回情况一或二了。为了得到“最多”,我们要让切口产生的新角最多。
3. 终极发现:如果我们从一个角的顶点(如A)出发,切到它不相邻的对边(BC边)的中间,神奇的事情发生了!我们来看图形:原来的角A被切掉了,但切口与两条边(AB和AD)相交,产生了两个新角;同时,切口与对边BC相交,又在BC边上产生了一个新角?不对,仔细画图:这样切完之后,图形是一个五边形吗?不,是一个六边形!没错,这就是著名的“一刀变六边形”切法。让我们规范地描述:切线连接一个顶点和这个顶点不相邻的那条边(例如,从A点切到BC边上的某点,不包含B、C点)。这时,原来正方形的四个角中,A角消失,B、C、D角保留。切口与AB、AD、BC三条边相交,产生了三个新的顶点(也就是三个新角)。所以总角数 = 3(老角B、C、D)+ 3(三个新角)= 6个角。
4. 结论:经过分类讨论,我们发现剩下的纸片可能有5个角(三角形)、6个角(五边形?再确认:情况一是五边形,情况三也是五边形?不对,情况三是六边形)。实际上,经典结论是:5个角、6个角、7个角都有可能。但题目问“最多”,那答案就是 \( 5 \) 吗?不对,我们刚才分析出有6个角的情况。让我们更严谨地画图验证三种标准切法:
- 切法1(切线连接两条邻边):剩下五边形,5个角。
- 切法2(切线连接一个顶点和一条对边):剩下六边形,6个角。
- 切法3(切线连接两条对边,且不经过顶点):剩下七边形? 等等,这不对。正方形只有四条边,连接两条对边切掉一角,剩下的图形会变成... 还是一个五边形或六边形。实际上,切一个角,剩下的图形边数(或角数)只可能增加。正方形的4个角,切一刀,最多增加3个新角(因为一刀会产生两个新顶点,但可能让一个旧顶点消失)。所以最多角数 = 4 - 1 + 3 = 6个角。
所以,“最多”是6个角。 这就是分类讨论的威力——不把所有情况摆出来,你永远不知道答案的边界在哪里。
【进阶例题】一块长方体形状的橡皮擦,它有8个顶点(角)。如果我们用一刀切掉它的一个小角(切面是一个三角形),请问剩下的橡皮擦最少可能有多少个顶点?
阿星敲黑板:
陷阱在哪里? 这道题从“正方形”升级到了“长方体”,从“角”变成了“顶点”。很多人会下意识地套用公式:8个顶点 - 切掉1个 = 7个顶点。这又错了!陷阱一:立体图形,切掉一个角(顶点)后,原来的那个顶点消失了,但新的切面会带来新的顶点。陷阱二:问的是“最少”,所以我们得找那种让新顶点增加得最少,甚至不增加的切法。
如何化解? 继续用我们的法宝:分类讨论,基于不同的切法。
1. 理解切割:切掉长方体一个小角,意味着切面是一个三角形。这个三角形的三个顶点,必须落在长方体的棱上。
2. 穷举切法(关键看切面三角形三个顶点的位置):
- 情况一(切得很“浅”):切面三角形的三个点,分别就在我们要切掉的那个顶点引出的三条棱上,而且离这个顶点非常近。这样,原来的那个顶点消失,切面三角形产生了三个全新的顶点。所以,总顶点数 = 8 - 1 + 3 = 10个。这是最多的情况。
- 情况二(切得“擦边”):如果我们让切面三角形的一个点,刚好落在长方体的另一个原有顶点上呢?比如,我们要切掉顶点A,但我们让切面通过顶点B。这样,顶点A消失了,但顶点B还在(没有被切掉)。这个切面三角形只带来了两个全新的顶点(因为第三个点就是已有的B点)。所以,总顶点数 = 8 - 1 + 2 = 9个。
- 情况三(切得“更巧妙”):如果我们让切面三角形的两个点,分别落在长方体的两个原有顶点上(当然,这两个顶点和A点能构成一个面)。这样,A点消失,但B、C两点还在。切面只带来了一个全新的顶点。所以,总顶点数 = 8 - 1 + 1 = 8个。
- 情况四(切得“极致”):有可能让新顶点数为0吗?也就是切面三角形的三个点,刚好都是长方体原有的顶点(除了A点本身)。这能做到吗?假设要切掉顶点A,那么我们需要找到另外三个与A相连的顶点(比如B、D、E),用它们构成一个切面。但是,B、D、E这三个点并不在同一平面上(它们和A构成一个三棱锥)。如果我们用B、D、E三点去切,切掉的不是一个“小角”,而是包含A点的一个四面体了,这符合“切掉一个小角”的描述。在这种切法下,A点消失,但没有产生任何新的顶点(因为切面的三个点B、D、E本来就是老顶点)。所以,总顶点数 = 8 - 1 + 0 = 7个。
3. 得出结论:经过分类讨论,剩下的顶点数可以是10,9,8,7。题目问“最少”,那就是 \( 7 \) 个。
核心教训:无论是平面还是立体,切角问题都不能简单做加减法。必须画图(或空间想象)+ 穷尽所有合理的切割位置。
【拔高例题】一个多边形,剪去一个角后,内角和增加了 \( 180^\circ \)。请问这个多边形原来有多少条边?
思维迁移:
1. 识别“原型”:这道题看起来在问内角和、边数,但它本质上还是一个“切角问题”!只不过它把“角数变化”隐藏在了“内角和变化”这个条件背后。
2. 建立联系:我们知道,一个 \( n \) 边形的内角和公式是 \( (n-2) \times 180^\circ \)。“剪去一个角”后,得到一个新多边形,设其边数为 \( m \),那么它的内角和是 \( (m-2) \times 180^\circ \)。
3. 关键转化:条件“内角和增加了 \( 180^\circ \)”意味着:
新内角和 = 原内角和 + \( 180^\circ \)
即:\( (m-2) \times 180 = [(n-2) \times 180] + 180 \)
两边同时除以 \( 180 \):\( m - 2 = n - 2 + 1 \)
所以:\( m = n + 1 \)
也就是说,切角后,新多边形的边数比原来多1。
4. 回归“切角”分类讨论:对于一个 \( n \) 边形,切掉一个角后,边数(或角数)如何变化?这和我们最开始切豆腐的道理完全一样:
- 切法一:切线连接被切角的两条邻边。这时,原多边形的两条边合成新多边形的一条边。总边数变化:减少1条(两条变一条),再增加0条(切口是原有边的一部分)。所以新边数 \( m = n - 1 \)。
- 切法二:切线连接被切角的一个邻边和另一条非邻边。这时,原多边形的一条边被分成两段(增加1条),切口新增一条边。总边数变化:增加1条。所以 \( m = n + 1 \)。
- 切法三:切线连接两条非邻边(且不经过其他顶点)。这时,切口新增一条边。总边数变化:增加1条。所以 \( m = n + 1 \)?不,仔细分析:这样切,原来那个角对应的两条边都保留了一部分,相当于多边形的两条边界线,加上切口的一条线,总共让边数增加了2条?让我们数一下:原来有n条边,切掉一个角(这个角由两条边构成),我们用一条新的切边连接了这两条边上的点。结果:原来的两条边各自被截短,但仍作为两条边存在,再加上新产生的一条切边。所以总边数 = n (原来的) + 1 (新增的切边) = n + 1。没错,还是 \( m = n + 1 \)。
实际上,经典结论是:切一个角,边数可能变为 \( n-1, n, n+1 \)。对应角数变化也是 \( -1, 0, +1 \)(相对于原角数n)。
5. 解题:从条件我们推出 \( m = n + 1 \)。对照上面的分类,这对应着切法二或三。所以,原来多边形的边数 \( n \) 可以是任意大于等于3的整数吗?等等,我们需要检查。如果 \( m = n+1 \),且内角和增加了 \( 180^\circ \),这个关系对任何n都成立吗?我们已经从公式推导出 \( m = n+1 \),这本身就是一个确定关系,不需要再求n的具体值?不对,题目是问“原来有多少条边”,这说明n应该是一个唯一确定的数。
我们重新审视公式:\( (m-2) \times 180 = (n-2) \times 180 + 180 \) => \( m = n + 1 \)。
这只是一个关系式。我们还需要另一个条件:\( m \) 和 \( n \) 都是整数,且 \( n \ge 3 \),\( m \ge 3 \)。但仅凭这个,n可以是3,4,5,... 无穷多个。所以题目可能有隐含条件,或者我漏掉了什么。
啊!我明白了。陷阱就在这里!“切去一个角”这个操作,对于三角形(n=3)和多边形(n>3)是有区别的。对于一个三角形,切去一个角后,它不可能变成四边形(m=4),因为三角形的角是由两条边直接构成的,切法只有连接两条邻边(相当于切掉整个角),结果会变成一个四边形吗?不,三角形切一个角(沿连接两边的直线),会变成一个四边形?画图:三角形ABC,切掉角A(连接AB、AC边上点),剩下的是一个四边形(四个点:B, C, AB上的新点,AC上的新点)。所以对于三角形,切一个角,边数从3变成了4,即 \( m = n+1 \)。内角和从180变成了360,增加了180度。完美符合条件。
对于一个四边形(n=4),要满足 \( m = n+1 = 5 \),且内角和增加180度。四边形内角和360,五边形内角和540,确实增加了180。那么四边形能不能通过切一个角变成五边形?当然可以(用我们切豆腐的情况二或三)。
对于一个五边形(n=5),切后变成六边形(m=6),内角和从540变720,增加180。也可以。
……看来,任何多边形,只要用特定切法(使边数增加1的切法),都能满足“内角和增加180度”这个条件。所以n可以是任何大于等于3的整数?那这道题岂不是没有唯一答案?
除非,题目的意思是“剪去一个角后,内角和增加了 \( 180^\circ \)”,指的是在所有可能的切法结果中,出现了内角和增加180度的情况。那么问题就变成了:对于怎样的n,存在一种切法使得 \( m = n+1 \)?答案是:对于所有 \( n \ge 3 \) 都成立。但通常,这类题的标准答案是:原来的多边形是三角形。因为只有从三角形开始,切一个角才必然增加一条边(对于三角形,唯一的切法就是连接两条边,结果总是四边形)。对于边数更多的图形,存在其他切法导致边数不变或减少。但题目说“增加了180度”,这是一个确定的结果,意味着切完后边数一定是n+1。那么原边数n可以是任意值。
查阅常见题型,此类题的标准解释是:内角和增加180°,意味着边数增加了1条。所以原来有n条边,后来有n+1条边。而多边形切去一个角,边数可能变为n-1,n,n+1。所以“增加1”是可能情况之一,但无法反推唯一的n。如果题目是“可能原来有多少条边”,那答案是大于等于3的任意整数。如果题目是“原来一定有多少条边”,则无解。
为了符合出题意图,我们假设这是道普通中学题,它期望的答案是:由 \( (m-2)\times180 = (n-2)\times180 + 180 \) 得 \( m = n+1 \)。又因为切一个角边数可能变为 \( n-1, n, n+1 \),所以 \( n+1 \) 是其中一种可能,无法确定唯一n。但若增加的条件是“切完后仍是一个多边形”,且“增加180°”是实际结果,则n可以为任意大于等于3的整数。然而,很多参考书会给出一个具体数字,它们可能默认了“切法”是连接一个顶点和一条对边(对于多边形,对边概念需修正),这时边数增加1。但即便如此,n仍不唯一。
让我们换个思路:也许题目是“一个多边形剪去一个角后,内角和变为 \( 180^\circ \)”之类的。但这里明确是“增加了 \( 180^\circ \)”。
因此,基于分类讨论思想,这道题的答案应该是:原来多边形的边数 \( n \) 可以是任何不小于3的整数(\( n \ge 3 \))。 这恰恰体现了“切角问题”的核心——答案不唯一,取决于操作。但在这个特定条件(内角和增加180°)下,它锁定了一类操作(使边数+1的操作),而这类操作对任何原始多边形都可能实现。
📝 阿星必背口诀:
切角问题像切糕,不数清楚就糟糕。
加减乘除靠不住,分类画图是正道。
邻边对边不同切,角数增减要穷举。
脑中常挂豆腐块,从此讨论不遗漏!
🚀 举一反三:变式挑战
从一个五边形上剪去一个角(直线裁剪),剩下的图形可能有多少条边?请画出所有可能情况的示意图。
一个多边形,剪去一个角后,得到一个恰好有10个角的新图形。请问原来的多边形最少可能有多少条边?最多呢?
一块正六边形的蛋糕,小明想用一刀切下它的一小块(要求切面是直线,且切下部分包含蛋糕的一个顶点)。切完后,剩下的蛋糕纸托(忽略厚度)的外缘轮廓,最多可能有多少个角?最少呢?
解析与答案
【详尽解析】
三级跳挑战答案:
1. 【入门例题】最多剩下 \( 6 \) 个角。(也可能剩下5个角,但“最多”是6)
2. 【进阶例题】最少剩下 \( 7 \) 个顶点。
3. 【拔高例题】原来多边形的边数 \( n \) 可以是任意大于等于 \( 3 \) 的整数(\( n \ge 3 \))。因为满足条件的切法(使边数增加1)对任何多边形都存在。
举一反三答案与提示:
变式一:可能剩下 \( 4 \) 条边(三角形)、\( 5 \) 条边(四边形)或 \( 6 \) 条边(五边形)。核心提示:对应切法:连接被切角的两条邻边(边数-1);连接被切角的一个邻边和一条非邻边(边数不变);连接两条非邻边(边数+1)。
变式二:新图形有10个角,即它有10条边。设原多边形有 \( n \) 条边。根据切角边数变化规律 \( n-1, n, n+1 \) 都可能等于10。所以 \( n \) 最少为 \( 10 - 1 = 9 \)(当边数增加1时),最多为 \( 10 + 1 = 11 \)(当边数减少1时)。原来多边形最少有 \( 9 \) 条边,最多有 \( 11 \) 条边。
变式三:正六边形有6个角(顶点)。切掉包含一个顶点的一小块(直线切)。分析顶点数变化:原顶点A消失。关键看切线与几条边相交。
- 为了剩下角最多:让切线与尽可能多的边相交。从A点出发,切到不与A相邻的边上(例如,从A切到CD边),这样切线与AB、AF、CD三条边相交,产生三个新顶点。总顶点数 = \( 6 - 1 + 3 = 8 \)个。
- 为了剩下角最少:让切线与尽可能少的边相交,且让新顶点尽量与老顶点重合。理想情况是,切线刚好经过另外两个已有的顶点(比如B和F),这样A消失,没有产生新顶点。总顶点数 = \( 6 - 1 + 0 = 5 \)个。但这样切,切下的部分就不是“一小块”而是很大一块了,通常符合题意。所以,最多 \( 8 \) 个角,最少 \( 5 \) 个角。
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