抽屉原理如何理解-抽屉原理基本理解
抽屉原理,也就是著名的鸽巢原理,别看名字像数学题里的“鸡兔同笼”,实际上早年间在.rooming 房子里搬行李的事儿上就发过火。
那时候有个老话叫“三傻原则”,说三个光棍人要是挤进一个房间,那你肯定要把门拆了才敢进去;要是四个,得把窗户捅破;要是五个,连屋顶都得掀了。
这实际上就是抽屉原理最原始的形态:让你把一堆人放进几个房间里,保证起码有一个房间人满为患,要么反过来,保证起码有一个房间没人。 说白了,这就是一句废话,只要没脑筋,哪位都懂。它的核心逻辑就是:假设所有抽屉都空着的,结局一定不中。你不可能无限填东西,抽屉有底、有顶,你塞到一块儿了,自然就满子了。
这个“满”要么“空”,你是如何定义的,彻底取决于你需求推的事件。
比如你想证明“在任意一天里,总有 3 个自然数模 5 同余”,这时候只需求证明"5 个抽屉分 6 个抽屉”,那结论自然成立;但要是你是要证明“任意 6 个自然数里必有 3 个同余”,那逻辑就得反过来,得假设"6 个抽屉分 5 个”,看看会不会卡住。
这就是为啥它常被称为“抽屉之王”,出于它能应付各种“必能”、“起码”、“起码有一个”这类废话,只要算对抽屉数和元素数就行。 大量人一听到“起码”,第一反应就是凑数,想自然地认定是“正整数”,故此认定“抽屉 3,元素 5"就够分了。
实际上不然。
要是你的抽屉是模数,元素也是模数,那“抽屉 3,元素 5"绝对分得完,出于 5 个东西放进 3 个抽屉,起码有一个抽屉里得站 2 个人。但要是你把抽屉改成模 10,元素改成模 5,那 5 个元素能不能放进 10 个抽屉,就得看如何排。
这时候要是硬凑 2 个,那第 3 个元素第 5 个元素就剩不下了,肯定得塞进第 1 个抽屉里,结局那个抽屉就有 4 个元素了。
故此,有时候你当作能分得开,结局发现实际上分不开,这往往就是结论不成立的根本缘由。 为了把这种抽象的逻辑具象化,我们就得找个真场景。想象你去排队买咖啡,咖啡机有 4 个,你手上有 10 杯要喝。
这时候你能直接说“肯定有 3 个杯子”吗?不能。你只是说“肯定有 3 个杯子被分到同一个机器里”。出于要是每个机器一杯,剩下 6 杯如何办?这就得把 6 杯分给这 4 个机器,有的机器自然得接 2 杯。
这时候你的结论是“起码有一个杯子被放进了 2 个机器”,而不是"2 个杯子被放进了 1 个机器”。 再换个角度,比如你有 10 杯咖啡,4 个机器,你希望让每个机器起码 2 杯,这样机器不空。
显然 2 杯能分到,还剩 6 杯,6 除以 4 不够 2 杯,那肯定有机器会少于 2 杯。
这时候你的结论就是“有的机器少于 2 杯”,而不是“有的机器多于 2 杯”。
这个反例特别扎心,大量人一看到“抽屉原理”就当作那是个“加强”的命题,认定一定要推出“多于”的结论,结局在真世界里时常翻车。 举个更生活化的例子。有 10 个人要坐 4 个沙发,要求每个沙发起码坐 3 个人。
这挺好办,3 个人坐满,还剩 1 个人,随意塞进去,肯定有一个沙发坐 4 个人;要么把 3 个人挤进去,还剩 7 个,7 除以 4 不够 3,那也有沙发坐 5 个人的。但你不能直接说“肯定有一个沙发坐 4 个人”,出于有可能全是 3 个人,但你刚刚的假设里就排除了“全是 3 个人”的选项。
要是你要求“起码有一个沙发坐 4 个人”要么“起码有一个沙发坐 5 个人”,那就要重新定义“坐满”的标准。 还有一个贼经典的例子:有 13 个人去 5 个酒店开会,问“能不能保证起码有一个酒店有 3 个人?”这时候要是算 5 个酒店分 13 个人,13 除以 5 等于 2 余 3,说明每个酒店坐满 2 个人后,还剩 3 个人,这 3 个人务必塞进现有的 5 个酒店里,那肯定有酒店会塞 3 个人。
故此结论是"3 个人”。但要是你问“能不能保证起码有一个酒店有 2 个人?”,答案也是 2 个人。但要是你问“能不能保证起码有一个酒店有 4 个人?”,那就要看能不能把 13 个人分成 5 堆,每堆起码 4 个。13 分成 5 堆,最小的分配方式实际上是 4、4、4、1、2,这时候就有 1 个酒店只有 2 个人,没有人有 4 个人。
故此"4 个人”这个结论是推不出来的。
这个例子彻底打破了大家“抽屉原理=加强号”的刻板印象。 再深入一点,当抽屉和元素本身有某种关系时,情况会更微妙。假设你有一堆数字,它们的总和是 $S$,每个数字都小于 5,问你:能不能保证起码有一个数字模 5 等于 0?这时候你假设了所有数字都不等于 0,也就等于 5, 10, 15...,那它们的总和肯定大于等于 $5 + 5 + 5 + 5 + 5 = 25$。
故此要是总和小于 25,那就不存有模 5 为 0 的数。
这个逻辑里,抽屉的数量实际上是固定的(5),元素的数量是随机的(0 到 4),它们的总和限制了元素的分布上限。 还有一个反例,比如你有 9 个抽屉,放 9 个元素,每个抽屉放 1 个,那每个抽屉的元素数量都一样,没有“起码”的概念。
这时候你没法用这个原理证明啥,出于前提不知足。
反过来,要是有 10 个元素,5 个抽屉,那就得每个抽屉起码 2 个。
这时候你才能说“有的抽屉起码 2 个”,但不能说“有的抽屉起码 3 个”。 实际上,抽屉原理的本质就是“最坏情况”的极致。你一直揪心最坏的情况形成,那就是所有抽屉都尽可能少地分配元素。当你发现“就算最坏地分配,也还是不够人坐”的时候,你就得换个思路,强行挤一下,强行让某个抽屉变多,要么强行让某个元素变少。
这就是为啥它有时候叫“最坏情况分析法”,有时候也叫“极端原理”。 有时候你会认定,数学题里的“抽屉原理”忒无聊了,像是在玩文字游戏。但仔细想想,它之故此被公认定“万能原理”,就是出于它的适用范围忒广了。它不局限于几何图形,不局限于物理房间,就连不局限于人类思维。
只要你能把一个集合分成若干个“抽屉”(比如按某种规则分类,要么按某种数值性质),你总能把剩下的元素“塞”进去。
要是你需求证明“起码有一个抽屉里有 k 个要么更多”,那只需求让每个抽屉里的元素都少于 k,看看能不能装下。
要是装不下,那就证完了。 故此,下次做题要么写文章,遇到“起码”、“必有”、“存有”这些词,别急着往“更强”的方向想。先看看能不能反证,看看“最坏情况”下是不是确实小。大量时候,那个让你绝望的“最坏分配”,恰恰就是让你翻车的根源。理解这个原理,不是要你去记忆一堆定理,而是要学会如何把“不可能”变成“可能”,把“不一定”变成“起码一定”。
这才是它真正的灵魂,也是它历经百年依然能镇住场面的缘由。
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