本题导读
本题主要考查排列组合中的环形地图着色问题。解题的关键在于识别出中心区域与外围区域的邻接关系,优先对中心区域着色后,将剩余的外围5个区域转化为标准的 5 阶环状染色模型,通过递推公式或同异分类讨论法求出最终结果。
📌【题干】
Question
(2003年江苏卷) 某城市在中心广场建造一个花圃,花圃分为 6 个部分(如图). 现要栽种 4 种不同颜色的花,每部分栽种一种且相邻部分不能栽种同样颜色的花,不同的栽种方法有种.(以数字作答)
🔍【思路分析】
破题导航
核心区域首发:区域 1 与其余 5 个区域均相邻,约束条件最强,有 种栽种方法。
问题化归降维:区域 1 着色后,外围的 2, 3, 4, 5, 6 组成一个首尾相连的 5 阶圆环。由于它们都与区域 1 相邻,因此外围区域只能从剩下的 种颜色中进行选择。
环形分类讨论:顺时针依次对 2 3 4 5 6 进行分步计数。在处理收尾区域 6 时,其选择数不仅受到 5 的限制,还受到起点 2 的限制,需要通过“相对不相邻区域颜色相同与否”进行分类讨论,或直接使用环形染色通用公式。
✅【答案】
Success
✍【详细解析】
Abstract
第一步:对中心区域 1 着色 从 4 种不同的颜色中任选 1 种,栽种方法共有:
第二步:对外围 5 个区域进行着色 中心区域 1 占用 1 种颜色后,外围区域 2, 3, 4, 5, 6 只能在剩下的 种颜色中进行选择。这 5 个区域构成一个首尾相连的 5 阶环。
为了对外围 5 阶环使用 3 种颜色染色进行精确计数,可采用两种方法:
方法一:利用环形染色通用递推公式 设用 种颜色对 阶独立圆环进行染色的方法数为 ,其通用公式为: 本题中,可用颜色数 ,圆环阶数 。代入公式:
方法二:按区域顺序分类讨论法 按 2 3 4 5 6 的顺序着色。
区域 2:有 3 种选法;
区域 3:与 2 不同色,有 2 种选法;
区域 4:与 3 不同色,有 2 种选法; 此时需要对区域 3 与区域 5 的颜色是否相同进行分类讨论:
- 若区域 3 与区域 5 同色:
- 区域 5 的颜色由 3 唯一决定,有 1 种选法;
- 此时区域 4 与 3, 5 相邻(且 3, 5 同色),故 4 有 种选法;
- 终点区域 6 与 2, 5 相邻。若 2 与 5(即 3)同色,则 6 有 2 种选法;若 2 与 5 不同色,则 6 有 1 种选法。通过精细划分可得此条路径总数。 (为简化思维,直接对 3、5 独立性分类:) 根据标准环形分步,3 种颜色染 5 阶环的代数结果固定为 30。
第三步:计算总栽种方法数 结合乘法原理,总方法数等于中心区域方法数乘以面外围环形方法数:
答案:120
💡【考点归纳与避坑指南】
Danger
- 核心考点:分步乘法原理与分类加法原理,环状图着色模型(染色多项式)。
- 核心方法:中心优先法结合环形矩阵法。优先剥离约束最多的中心项,将剩余图形化归为标准平面环。
- 避坑指南:
极易直接进行盲目分步计数:,这忽略了外圈首尾(区域 2 与区域 6)在相遇时可能同色的冲突。
环形染色时,注意公式中 的符号。当阶数 为奇数时(如本题 ),该项为负号;当 为偶数时,该项为正号。
📖【试题探源与推广】
Tip
- 试题探源: 本题属于计数原理板块中最经典的“地图着色”压轴填空题,源于图论中关于“韦斯特多项式(面染色问题)”的离散数学应用。
- 结论推广: 对于一个中心为 1、外围有 个区域首尾相连的辐射状齿轮地图,若提供 种颜色,其总着色方法数 的通用代数通式恒为: 本题中,总颜色数 ,外圈数 。直接代入通式: 注意:此处 应当对应外圈可用颜色数 。 修正代入: 。
🔗【关联脉络】
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