某乒乓球培训班共有 $n$ 位学员,在班内双打训练赛期间,每两名学员都作为搭档恰好参加过一场双打比赛.试确定 $n$ 的所有可能值并分别给出对应的一种安排比赛的方案.
【难度】
【出处】
无
【标注】
【答案】
$n$ 的所有可能值为 $n = 4k$ 或 $n = 4k + 1$,$k \in {N^ * }$
【解析】
双打比赛总共进行的场次为 $\dfrac{1}{2}{\rm C}_n^2 = \dfrac{{n\left( {n - 1} \right)}}{4}$,因此 $n = 4k$ 或 $n = 4k + 1$,$k \in {\mathbb N^ * }$.
下面证明任意 $n = 4k$ 或 $n = 4k + 1$($k \in {\mathbb N^ * }$)时,都可以构造出满足要求的比赛方案.
将 $n$ 个人看作平面上的 $n$ 个不同的点,则每场双打比赛可以看成是两条无公共端点的线段 ${P_1}{P_2},{P_3}{P_4}$ 形成的线段组 ${P_1}{P_2} - {P_3}{P_4}$,题意即 $\dfrac{{n\left( {n - 1} \right)}}{2}$ 条线段可以组成 $\dfrac{{n\left( {n - 1} \right)}}{4}$ 个无公共端点的线段组.
当 $k = 1$ 时,即 $n = 4$ 或 $n = 5$ 时,可以如图构造出符合题意的线段组:$n = 4$ 时,将 $6$ 条线段分为 $3$ 个线段组:$AB - CD$,$AD - BC$,$BD - AC$;
$n = 5$ 时,将 $10$ 条线段分为 $5$ 个线段组:$AB - CE$,$BC - AD$,$CD - BE$,$DE - AC$,$AE - BD$.
假设当 $n = 4k$ 或 $n = 4k + 1$ 可以构造出符合题意的线段组.
第一种情况 $n = 4k + 4$ 时.
设端点为 $A , B , C , D , {P_1} , {Q_1} , {P_2} , {Q_2} , \cdots , {P_{2k}} , {Q_{2k}}$,则
① 根据 $n = 4$ 的情形,可以安排 $A , B , C , D$ 之间的比赛;
② 根据 $n = 4k$ 的情形,可以安排 ${P_1} , {Q_1} , {P_2} , {Q_2} , \cdots , {P_{2k}} , {Q_{2k}}$ 之间的比赛;
③ 安排组间比赛 ${P_i}A - {Q_i}B , {P_i}C - {Q_i}D , {P_i}B - {Q_i}A , {P_i}D - {Q_i}C$,$i = 1 , 2 , \cdots , 2k$.
此时从每个点出发的线段都在线段组中出现过,且所有线段组都无公共端点.
这就证明了当 $n = 4k + 4$ 时可以构造出符合题意的线段组.
第二种情况 $n = 4k + 5$ 时.
设端点为 $A , B , C , D , E , {P_1} , {Q_1} , {P_2} , {Q_2} , \cdots , {P_{2k}} , {Q_{2k}}$,则
① 根据 $n = 5$ 的情形,可以安排 $A , B , C , D , E$ 之间的比赛;
② 根据 $n = 4k + 1$ 的情形,可以安排 $E , {P_1} , {Q_1} , {P_2} , {Q_2} , \cdots , {P_{2k}} , {Q_{2k}}$ 之间的比赛;
③ 安排组间比赛 ${P_i}A - {Q_i}B , {P_i}C - {Q_i}D , {P_i}B - {Q_i}A , {P_i}D - {Q_i}C$,$i = 1 , 2 , \cdots , 2k$.
此时从每个点出发的线段都在线段组中出现过,且所有线段组都无公共端点.
这就证明了当 $n = 4k + 5$ 时可以构造出符合题意的线段组.
综合两种情况,由归纳法原理,命题得证.
下面证明任意 $n = 4k$ 或 $n = 4k + 1$($k \in {\mathbb N^ * }$)时,都可以构造出满足要求的比赛方案.
将 $n$ 个人看作平面上的 $n$ 个不同的点,则每场双打比赛可以看成是两条无公共端点的线段 ${P_1}{P_2},{P_3}{P_4}$ 形成的线段组 ${P_1}{P_2} - {P_3}{P_4}$,题意即 $\dfrac{{n\left( {n - 1} \right)}}{2}$ 条线段可以组成 $\dfrac{{n\left( {n - 1} \right)}}{4}$ 个无公共端点的线段组.
当 $k = 1$ 时,即 $n = 4$ 或 $n = 5$ 时,可以如图构造出符合题意的线段组:$n = 4$ 时,将 $6$ 条线段分为 $3$ 个线段组:$AB - CD$,$AD - BC$,$BD - AC$;
$n = 5$ 时,将 $10$ 条线段分为 $5$ 个线段组:$AB - CE$,$BC - AD$,$CD - BE$,$DE - AC$,$AE - BD$.
假设当 $n = 4k$ 或 $n = 4k + 1$ 可以构造出符合题意的线段组.
设端点为 $A , B , C , D , {P_1} , {Q_1} , {P_2} , {Q_2} , \cdots , {P_{2k}} , {Q_{2k}}$,则
① 根据 $n = 4$ 的情形,可以安排 $A , B , C , D$ 之间的比赛;
② 根据 $n = 4k$ 的情形,可以安排 ${P_1} , {Q_1} , {P_2} , {Q_2} , \cdots , {P_{2k}} , {Q_{2k}}$ 之间的比赛;
③ 安排组间比赛 ${P_i}A - {Q_i}B , {P_i}C - {Q_i}D , {P_i}B - {Q_i}A , {P_i}D - {Q_i}C$,$i = 1 , 2 , \cdots , 2k$.
此时从每个点出发的线段都在线段组中出现过,且所有线段组都无公共端点.
这就证明了当 $n = 4k + 4$ 时可以构造出符合题意的线段组.
设端点为 $A , B , C , D , E , {P_1} , {Q_1} , {P_2} , {Q_2} , \cdots , {P_{2k}} , {Q_{2k}}$,则
① 根据 $n = 5$ 的情形,可以安排 $A , B , C , D , E$ 之间的比赛;
② 根据 $n = 4k + 1$ 的情形,可以安排 $E , {P_1} , {Q_1} , {P_2} , {Q_2} , \cdots , {P_{2k}} , {Q_{2k}}$ 之间的比赛;
③ 安排组间比赛 ${P_i}A - {Q_i}B , {P_i}C - {Q_i}D , {P_i}B - {Q_i}A , {P_i}D - {Q_i}C$,$i = 1 , 2 , \cdots , 2k$.
此时从每个点出发的线段都在线段组中出现过,且所有线段组都无公共端点.
这就证明了当 $n = 4k + 5$ 时可以构造出符合题意的线段组.
综合两种情况,由归纳法原理,命题得证.
答案
解析
备注