經典趣味數學問題之過河問題

2021-06-25 11:31:55 字數 2283 閱讀 7674

一、問題描述

在漆黑的夜裡,甲乙丙丁共四位旅行者來到了一座狹窄而且沒有護欄的橋邊。如果不借助手電筒的話,大家是無論如何也不敢過橋去的。不幸的是,四個人一共只帶了乙隻手電筒,而橋窄得只夠讓兩個人同時過。如果各自單獨過橋的話,四人所需要的時間分別是1、2、5、8分鐘;而如果兩人同時過橋,所需要的時間就是走得比較慢的那個人單獨行動時所需的時間。問題是,如何設計乙個方案,讓這四人盡快過橋。

二、問題答案

這個問題本身並不太難,即使用簡單的列舉法逐一嘗試也能找到正確答案。

兩人過橋後,需要把手電筒送來,因此最容易想到的是讓那個最快的人擔任來回送電筒的人。因此,這第一種辦法是:先讓甲乙過去(2分鐘),甲回來(1分鐘),甲丙過去(5分鐘),甲回來(1分鐘),甲丁再過去(8分鐘),總共需要17分鐘就可以讓四個人都過去。

而正確答案是第二種方法:先讓甲乙過去(2分鐘),甲回來(1分鐘),丙丁過去(8分鐘),乙回來(2分鐘),甲乙再過去(2分鐘),總共需要15分鐘就可以讓四個人都過去。

這裡的乙個關鍵點,是讓兩個最慢的人同時過橋。

三、簡單擴充套件

如果把四人所需要的時間,改變一下分別,是1、4、5、8分鐘。

第一種方法:先甲乙過去(4分鐘),甲回來(1分鐘),甲丙過去(5分鐘),甲回來(1分鐘),甲丁再過去(8分鐘),總共需要19分鐘就可以讓四個人都過去。

第二種方法:先讓甲乙過去(4分鐘),甲回來(1分鐘),丙丁過去(8分鐘),乙回來(4分鐘),甲乙再過去(4分鐘),總共需要21分鐘就可以讓四個人都過去。

這一次,兩個最慢的人一起過去反而更慢了。

我們比較這兩次方案的差異:次快的人要不要也傳遞一次手電筒。

假定四個人過河時間是t1,t2,t3,t4且t1<t2<t3<t4,如何選擇過橋方案。

第一種過河方法的總時間為:t2+t1+t3+t1+t4

第二種過河方法的總時間為:t2+t1+t4+t2+t2

二者之差為:(t1+t3)-2t2。

結論是:如果(t1+t3)大於2t2,第二種方法優;如果(t1+t3)小於2t2,第一種方法優;如果(t1+t3)等於2t2,兩種方法無差異。

四、問題推廣

現在我們把這個問題推廣:如果有n(n大於等於4)個旅行者,假設他們有各自所需的過橋時間有快有慢,各不相同。在只有乙隻手電筒的情況下,要過上述的一條橋,怎樣才能找到最快的過橋方案?

現在我們假定,n個人單獨過橋的時間分別是t1,t2,t3,……,tn,且滿足t1<t2<t3<…… <tn。

經過分析,要滿足最快過橋,合理的安排包括以下幾點:

(1)讓最快的送手電筒的次數盡可能多些。

(2)某些方案中,次快的也送電筒也可能會電筒。

(3)讓慢的過橋次數盡可能少些;

(4)最快的兩個先過橋,以保證此二人是能來回送電筒的人;

我們借助上述結論,來逐步來分析多人情形。

當n=5人時,第一次先t1、t2兩人過橋,t1把電筒送回,沒過橋的又變成了t1、t3、t4、t5的4人情形。這個時候,需要比較t1+t4與2t3的大小嗎?

第二種方案,讓慢的一起走,但因為送回電筒的不是t3,而是更快一點的t2,則總過橋時間為

t2+t5+t2+t3+t1+t2。

兩種方案兩者之差為t1+t4-2t2,這裡與t3沒有關係。

當n=6人時,第一次先t1、t2兩人過橋,t1把電筒送回,沒過橋的又變成了t1、t3、t4、t5、t6 的5人情形。按照剛才的分析,要比較t1+t5-2t2的大小。

如此類推下去,多人情形的過橋問題,兩種方案的差異,只與最快的人、次快的人和次慢的人的單獨過橋時間有關,而與其他人的快慢無關。

至此,多人過河的最佳方案及其總時間,也就容易解決了。

練習題1:在漆黑的夜裡,甲乙丙丁戊己共六位旅行者來到了一座狹窄而且沒有護欄的橋邊。如果不借助手電筒的話,大家是無論如何也不敢過橋去的。不幸的是,六個人一共只帶了乙隻手電筒,而橋窄得只夠讓兩個人同時過。如果各自單獨過橋的話,六人所需要的時間分別是1、5,6,7,8、9分鐘;而如果兩人同時過橋,所需要的時間就是走得比較慢的那個人單獨行動時所需的時間。問題是,如何設計乙個方案,讓這六人盡快過橋。

五、模仿練習

練習題2:在漆黑的夜裡,甲乙丙丁戊己庚共七位旅行者來到了一座狹窄而且沒有護欄的橋邊。如果不借助手電筒的話,大家是無論如何也不敢過橋去的。不幸的是,七個人一共只帶了乙隻手電筒,而橋窄得只夠讓兩個人同時過。如果各自單獨過橋的話,七四人所需要的時間分別是5、8,9,10、11、12、13分鐘;而如果兩人同時過橋,所需要的時間就是走得比較慢的那個人單獨行動時所需的時間。問題是,如何設計乙個方案,讓這七六人盡快過橋。

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