【題目】設(shè)n為正整數(shù),稱n×n的方格表Tn的網(wǎng)格線的交點(diǎn)((n+1)2個交點(diǎn))為格點(diǎn).現(xiàn)將數(shù)1,2,……,(n+1)2分配給Tn的所有格點(diǎn),使不同的格點(diǎn)分到不同的數(shù).Tn的一個1×1格子S好方格,如果從2S的某個頂點(diǎn)起按逆時(shí)針方向讀出的4個頂點(diǎn)上的數(shù)依次遞增(如圖是將數(shù)12,,9分配給T2的格點(diǎn)的一種方式,其中B、C是好方格,而A、D不是好方格)設(shè)Tn中好方格個數(shù)的最大值為f(n).

1)求f(2)的值;

2)求f(n)關(guān)于正整數(shù)n的表達(dá)式.

【答案】1f(2)=3.2.

【解析】

(1)如圖①,將T241×1格子(以下簡稱格子”)分別記為A、BC、D,將9個格點(diǎn)上的數(shù)分別記為a、b、c、de、f、g、hi.

當(dāng)a,b,……,i依次取為12,……,9時(shí),易驗(yàn)證B、CD均為好方格,這表明f(2)≥3.

現(xiàn)假設(shè)f(2)=4,即存在一種數(shù)的分配方式,使A、B、C、D均為好方格.

由對稱性,不妨設(shè)邊界上8個數(shù)a,b,……h中的最小數(shù)為ab.此時(shí)由A為好方格知,或者有a<b<i<h,或者有b<i<h<a,故b<i<h總是成立的.進(jìn)而由B、C為好方格知,必有i<f<g<h,b<c<d<i,但這時(shí)d<i<f,與D為好方格矛盾.

綜上可得f(2)=3.

(2)設(shè)Tn的各格點(diǎn)的數(shù)已被分配好,此時(shí)好方格有k個稱格子的一條邊為一段格線我們對Tn的每段格線標(biāo)記一個箭頭若格線連結(jié)了兩個格點(diǎn)U、V,其中U上的數(shù)小于V上的數(shù),則對格線UV標(biāo)上一個指向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°后所得方向的箭頭.

稱一個格子SS的一條邊UV所構(gòu)成的有序?qū)?/span>(S,UV)為一個對子,如果UV上所標(biāo)的箭頭由S內(nèi)指向S外設(shè)對子總數(shù)為N.

一方面,每個格子S至少貢獻(xiàn)1個對子(否則沿逆時(shí)針方向讀S頂點(diǎn)上的數(shù)將永遠(yuǎn)遞減,矛盾),而根據(jù)好方格的定義每個好方格貢獻(xiàn)3個對子,于是.

另一方面,Tn的每段格線至多貢獻(xiàn)1個對子,且Tn邊界上至少有一段格線標(biāo)有向內(nèi)的箭頭(否則,沿逆時(shí)針方向讀n邊界上的數(shù)將永遠(yuǎn)遞增,矛盾),從而不貢獻(xiàn)對子.注意到Tn的格線段數(shù)為2n(n+1),所以又有.

綜合兩方面得,2k+n2≤2n(n+1)1,即好方格的個數(shù).

最后,對n為奇數(shù)和n為偶數(shù)的情況,分別如圖②和圖③,將12,……,(n+1)2按粗線經(jīng)過的次序依次分配給所有格點(diǎn)對圖中標(biāo)有“▲”記號的每個格子,易驗(yàn)證,按被粗線經(jīng)過的先后次序排列其4個頂點(diǎn),恰是一種逆時(shí)針排列,因而這些格子均為好方格.

圖②中好方格數(shù)為.

圖③中好方格數(shù)為.

綜上可得,.

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