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因式分解有妙用（砝碼稱重問題）
點(diǎn)擊次數(shù)：2433 發(fā)布時(shí)間：2012-10-18
因式分解有妙用（砝碼稱重問題）
如果天平兩端都允許放砝碼，并且假定所有的砝碼都是整數(shù)克。為了稱出從 1 克到 40 克 所有整數(shù)克 的物品，zui少需要幾個(gè)砝碼？
感興趣的讀者不妨自己先試著想想，再往下看。
秘密在于 3 的冪
砝碼說起來這個(gè)問題歷史還算是挺悠久的。據(jù)《數(shù)學(xué)游戲與欣賞》（ [英] 勞斯·鮑爾 [加] 考克斯特 ，楊應(yīng)辰等 譯），這個(gè)問題被稱作巴協(xié) （Bachet） 砝碼問題；而據(jù)《數(shù)學(xué)聊齋》（王樹禾），該問題至少可追溯到 17 世紀(jì)法梅齊里亞克 （Meziriac, 1624） 。他們給出的答案是：
zui少需要 4 個(gè)砝碼，規(guī)格分別為 1 克、3 克、9 克和 27 克。
例如，為了稱出 2 克的物品，我們只需在天平端放 3 克砝碼，在另端放上 1 克的砝碼；而要稱出 7 克的物品，則可以在端放上 1 克和 9 克的砝碼，另端放上 3 克的砝碼。
類似地，要稱出 1 克到 4 克中所有整數(shù)克的物品，只需要 2 個(gè)砝碼；要稱出 1 克到 13 克中所有整數(shù)克的物品，則只需要 3 個(gè)砝碼；要稱出 1 克到 121 克中所有整數(shù)克的物品則要 5 個(gè)砝碼，它們分別是 1 克、3 克、9 克、27 克和 81 克，如此等等。
也許有人已經(jīng)心領(lǐng)神會(huì)了，但是如果就此滿足而匆匆離去的話，可能就錯(cuò)失了個(gè)領(lǐng)略數(shù)學(xué)思想的機(jī)會(huì)——問題到這里并未結(jié)束啊！例如，4 個(gè)砝碼究竟是不是zui少的？還有沒有其他的組合？對(duì)這些疑問的個(gè)*的分析和說明，是 19 世紀(jì)由麥克馬洪 （MacMahon） 給出的。下面就來領(lǐng)略下其中的思想吧，或許你會(huì)從中學(xué)到很多。
因式分解的妙用
假設(shè)有個(gè)重為 a 克的砝碼，那么用它自然能夠稱出 0 克和 a 克的物品。不過，如果虛設(shè)天平的某端為正的話，利用此天平和砝碼我們還能稱出 - a 克的物品——不妨規(guī)定把 a 克砝碼放在天平右側(cè)，將物品放在天平左側(cè)，由此可以稱出 a 克的物品；但若把 a 克砝碼放在天平左側(cè)，把物品放在天平右側(cè)，由此稱出的物品重量記作 - a。目前這樣種設(shè)想有點(diǎn)怪異，但這實(shí)際上和人類引入負(fù)數(shù)的思想是相同的。很快家便會(huì)發(fā)現(xiàn)，這種設(shè)定非常精妙地簡化了我們的計(jì)算和推導(dǎo)。現(xiàn)在暫且把該砝碼能夠稱出的重量 - a，0，a 放個(gè)表達(dá)式中：
現(xiàn)在，假設(shè)有兩個(gè)不同規(guī)格的砝碼，分別重 a 克和 b 克（a < b）。按照上面的規(guī)定，我們可以稱出 - a - b ，- b，- a，a - b，0，b - a，a，b，a + b。例如，為了稱出 b - a，只需要把 b 克的砝碼放在右端，物品和 a 克的砝碼放在左端；按照上面的約定，如果天平平衡，物品就是 b - a 克。而要稱出 a - b， 則把 b 克砝碼放在左端，a 克砝碼和物品放在右端，如果平衡則物品是 a - b 克。同樣地，把這些數(shù)塞個(gè)表達(dá)式：
可以看到，它不是別的，正好是
的展開式。
另外，假設(shè)有 m 個(gè)同樣重為 a 克的砝碼，則可以稱出 - ma，- （m - 1）a，…，0，…，（m - 1）a，ma 克的物品。暫且按照上面的辦法，把這些數(shù)也塞個(gè)表達(dá)式中 ：
結(jié)合上面的分析，容易看出，如果有 m 個(gè) a 克的砝碼，n 個(gè) b 克的砝碼，等等，那么可以稱出物品的克數(shù)就是表達(dá)式
展開后出現(xiàn)過的那些 x 的冪數(shù)，而展開式中 x 的 i 次項(xiàng)系數(shù)就表示用給定的這組砝碼稱出 i 克物品的不同方法數(shù)。
如果要稱出 1 到 40 中所有的整克數(shù)，并且要求所用的砝碼盡可能少，我們自然希望這些砝碼能夠“物盡其用”，稱出的克數(shù)正好都是我們需要的克數(shù)，并且稱的方法都是*的。也就是說，上述表達(dá)式展開后應(yīng)該恰好是
反過來，就是要把
還原成
的形式。
對(duì)這個(gè)式子行分解，共有八種不同的方案：
前四個(gè)式子展示了我們實(shí)際上是如何對(duì)原式行逐步分解的。它們的意義依次為：（1） 40 個(gè) 1 克的砝碼；（2） 1 個(gè) 1 克，13 個(gè) 3 克的砝碼 ；（3） 1 個(gè) 1 克，1 個(gè) 3 克以及 4 個(gè) 9 克的砝碼；（4） 1 個(gè) 1 克，1 個(gè) 3 克，1 個(gè) 9 克以及 1 個(gè) 27 克的砝碼。其中，四個(gè)分解式是zui基本的，它就是我們想要的答案。
當(dāng)然我們還要說明，除了上面列舉的 8 種組合之外沒有其他的組合。這是個(gè)多少有些復(fù)雜的討論，不過我們可以就此為止了，因?yàn)樯厦娴姆纸馐娇雌饋響?yīng)該明顯含了所有可能的分解。zui少的那組已經(jīng)明擺著了，無須再說。家可以到 死理性派小組 參與更詳細(xì)的討論。
規(guī)格：1kg
等級(jí)：E2、F1、F2、M1
材質(zhì)：無磁不銹鋼 （磁化率小于0.005 密度 7.94-7.96kg/dm3）
不銹鋼 （磁化率小于0.05 密度 7.9kg/dm3）
結(jié)構(gòu)：實(shí)心整體（調(diào)整腔）
形狀：圓柱型
尺寸：直徑48mm,高度82mm
裝：塑盒
M1級(jí)鍍鉻： 45#鋼鍍硬鉻（非裝飾鉻）
M1級(jí)不銹鋼：不銹鋼2Cr13
F1F2級(jí)不銹鋼：不銹鋼無磁，磁化率≤0.05密度：=7.85g/cm3
OIML砝碼公差表：1kg M1（50mg） F2（16mg） F1（5.0mg）
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