给定偶数 $n (n\geqslant 4)$,称 $n$ 为“萌数”,指的是集合 $\{1,2,\cdots,n\}$ 可以分成三个互不相交的集合 $A,B,C$,满足:
① $A$ 中元素均为奇数,$B$ 中元素均为偶数,所有能被 $3$ 整除的数均在 $C$ 中;
② $A,B,C$ 中各元素之和分别记为 $S_A,S_B,S_C$,有 $S_A=S_B=S_C$.则
\((\qquad)\)
A: $8$ 是“萌数”
B: $60$ 是“萌数”
C: $68$ 是“萌数”
D: $80$ 是“萌数”
【难度】
【出处】
2017年清华大学THUSSAT测试题
【标注】
  • 题型
    >
    组合数学
    >
    组合证明
  • 题型
    >
    组合数学
    >
    集合的分划
【答案】
ACD
【解析】
定义集合 $D$ 由集合 $U_n$ 中所有不是 $3$ 的倍数的奇数组成,集合 $E$ 由集合 $U_n$ 中所有不是 $3$ 的倍数的偶数组成,集合 $F$ 由集合 $U_n$ 中所有能被 $3$ 整除的数组成,则 $A\subseteq D$,$B\subseteq E$,$F\subseteq C$.
集合 $D,E,F$ 中各元素之和分别记为 $S_D,S_E,S_F$.
情形一若 $n=6k \left(k\in \mathbb{N}^{*}\right)$,由题意,\[S_A=S_B=S_C=\dfrac{6k(6k+1)}{6}=6k^2+k,\]而\[S_F=\dfrac{2k(6k+3)}{2}=6k^2+3k>6k^2+k,\]这与 $S_C \geqslant S_F$ 矛盾.故 $n\ne 6k \left(k\in \mathbb{N}^{*}\right)$.所以 $60$ 不是“萌数”.
情形二若 $n=6k+4 \left(k\in \mathbb{N}\right)$,由题意,\[S_A=S_B=S_C=\dfrac{(6k+4)(6k+5)}{6}=\dfrac{(3k+2)(6k+5)}{3}=6k^2+9k+3+\dfrac{1}{3}\notin\mathbb{Z},\]矛盾.故 $n\ne 6k+4 \left(k\in \mathbb{N}\right)$.
情形三若 $n=6k+2 \left(k\in \mathbb{N}^{*}\right)$,由题意,\[S_A=S_B=S_C=\dfrac{(6k+2)(6k+3)}{6}=6k^2+5k+1,\]而\[\begin{split}
S_D&=\big(1+3+5+\cdots+(6k+1)\big)-\big(3+9+15+\cdots+(6k-3)\big)=6k^2+6k+1,\\
S_E&=\big(2+4+6+\cdots+(6k+2)\big)-\left(6+12+18+\cdots+6k\right)=6k^2+6k+2,\\
S_F&=3+6+9+\cdots+6k=6k^2+3k,
\end{split}\]接下来只需从集合 $D$ 中取出一些和为 $k$ 的数,剩下的数构成集合 $A$;
从集合 $E$ 中取出一些和为 $k+1$ 的数,剩下的数构成集合 $B$;
所有取出的数与集合 $F$ 中的数一起构成集合 $C$ 即可.
例如,当 $k=1$ 时,$n=8$,此时从集合 $D$ 中取出 $1$;从集合 $E$ 中取出 $2$ 即可,所以 $8$ 是“萌数”.
当 $k=11$ 时,$n=68$,此时从集合 $D$ 中取出 $11$;从集合 $E$ 中取出 $2$,$10$ 即可,所以 $68$ 是“萌数”.
当 $k=13$ 时,$n=80$,此时从集合 $D$ 中取出 $13$;从集合 $E$ 中取出 $14$ 即可,所以 $68$ 是“萌数”.
题目 答案 解析 备注
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