将一个 $n(n\geqslant 3)$ 棱锥的每个顶点染上一种颜色,有 $m(m\geqslant 4)$ 种颜色可供使用,使得同一条棱的两端点异色,问有多少种不同的染色方式?
【难度】
【出处】
无
【标注】
【答案】
$m(m-2)[(m-2)^{n-1}+(-1)^n],n\in\mathbb N^\ast,n>3$
【解析】
记该 $n$ 棱锥为 $S-A_1A_2\cdots A_n$,顶点 $S$ 有 $m$ 种染色方法,且 $A_1,A_2,\cdots,A_n$ 均不能与 $S$ 同色,问题转化为用 $m-1$ 种颜色给多边形 $A_1A_2\cdots A_n$ 的顶点染色,相邻的顶点不同色,设有 $a_n$ 种染法,则$$a_3=(m-1)(m-2)(m-3),$$对 $n>3$,下面考虑求出 $\{a_n\}$ 的递推关系.
若从 $A_1$ 开始染色,则 $A_1$ 有 $(m-1)$ 种染法,继而 $A_2,\cdots,A_{n-1}$ 分别均有 $(m-2)$ 种染法.最后对 $A_n$ 染色,如果仅要求 $A_n$ 与 $A_{n-1}$ 异色(不要求 $A_n$ 与 $A_1$ 异色),则仍有 $(m-2)$ 种染法.于是,总共有 $(m-1)(m-2)^{n-1}$ 种染法.
上述 $(m-1)(m-2)^{n-1}$ 种染法可分为以下两类:
第一类 $A_n$ 与 $A_1$ 不同色,这符合题设要求,有 $a_n$ 种染法;
第二类 $A_n$ 与 $A_1$ 同色,这不符合要求,这时可将 $A_n$ 与 $A_1$ 合并成一点,得出 $a_{n-1}$ 种符合题设的染法.
于是综合以上两类分析有$$a_n+a_{n-1}=(m-1)(m-2)^{n-1},n>3. $$即$$a_n-(m-2)^n=-[a_{n-1}-(m-2)^{n-1}],$$于是可求得$$a_n-(m-2)^n=(-1)^n(m-2).$$即$$a_n=(m-2)[(m-2)^{n-1}+(-1)^n],n\in\mathbb N^\ast,n>3.$$从而,整个棱锥的染法总数为$$N=m(m-2)[(m-2)^{n-1}+(-1)^n],n\in\mathbb N^\ast,n>3.$$
若从 $A_1$ 开始染色,则 $A_1$ 有 $(m-1)$ 种染法,继而 $A_2,\cdots,A_{n-1}$ 分别均有 $(m-2)$ 种染法.最后对 $A_n$ 染色,如果仅要求 $A_n$ 与 $A_{n-1}$ 异色(不要求 $A_n$ 与 $A_1$ 异色),则仍有 $(m-2)$ 种染法.于是,总共有 $(m-1)(m-2)^{n-1}$ 种染法.
上述 $(m-1)(m-2)^{n-1}$ 种染法可分为以下两类:
于是综合以上两类分析有$$a_n+a_{n-1}=(m-1)(m-2)^{n-1},n>3. $$即$$a_n-(m-2)^n=-[a_{n-1}-(m-2)^{n-1}],$$于是可求得$$a_n-(m-2)^n=(-1)^n(m-2).$$即$$a_n=(m-2)[(m-2)^{n-1}+(-1)^n],n\in\mathbb N^\ast,n>3.$$从而,整个棱锥的染法总数为$$N=m(m-2)[(m-2)^{n-1}+(-1)^n],n\in\mathbb N^\ast,n>3.$$
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