本题导读

本题将立体几何模型与组合计数问题相结合,重点考查空间想象能力、逻辑分类能力以及运用对立事件进行“正难则反”的数学运算求解能力。

📌【题干】

Question

(2002年苏豫粤卷) 从正方体的 6 个面中选取 3 个面,其中有 2 个面不相邻的选法共有().

A. 8 种     B. 12 种     C. 16 种     D. 20 种

🔍【思路分析】

破题导航

  1. 总选法数计算:从正方体 6 个面中任意选取 3 个面,属于无序组合,可直接利用组合数 计算出总的方法数。
  2. 分析相对位置关系:正方体的 6 个面中,任意两个面的位置关系只有两种:要么相邻(共一条棱),要么相对(平行且不相邻)。
  3. 理解题意转化:“选取 3 个面,其中有 2 个面不相邻”意味着所选的 3 个面中至少包含一对相对的面。
  4. 利用间接法求解:其对立事件是“选取的 3 个面中两两相邻(即没有任何两个面是不相邻的)”。在正方体中,两两相邻的 3 个面只能是共一个顶点的 3 个面,算出此种情况数后用总数减去即可。

✅【答案】

Success

B

✍【详细解析】

Abstract

解法一(间接法): 从正方体的 6 个面中任意选取 3 个面的总选法数为:

其对立事件为“选取的 3 个面两两均相邻”。 在正方体中,要使 3 个面两两相邻,这 3 个面必须拥有一个公共顶点。 由于正方体一共有 8 个顶点,每一个顶点都唯一确定 3 个两两相邻的面(例如顶点 关联上底面、前面、左侧面)。 因此,3 个面两两相邻的选法数等于正方体的顶点数,即:

根据补集思想,含有 2 个面不相邻(即包含相对面)的选法共有:

解法二(直接分类法): “有 2 个面不相邻”即选出的 3 个面中包含 1 对相对的面(正方体中不可能同时包含 2 对相对的面,因为只有 3 个面)。 正方体共有 3 对相对的面(上下、左右、前后)。

  1. 第一步:从 3 对相对的面中选出 1 对,方法数为 种;

  2. 第二步:从剩下的 4 个面中任选 1 个面,方法数为 种。 根据分步乘法计数原理,符合条件的方法数为:

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:组合计数的实际应用,正方体表面、顶点与棱的几何相对关系。
  2. 核心方法:
  • 间接排除法:当正面分类情况较多时,通过总数减去不合题意的情况数更为快捷;
  • 空间结构向计数模型的转化:将“两两相邻”转化为“共顶点”。
  1. 避坑指南:
  • 极易混淆“有 2 个面不相邻”的文字含义,误以为是指“3 个面两两均不相邻”(正方体中两两不相邻的面最多只有 2 个,不可能有 3 个);

  • 直接法计数时,易出现重复计数或漏计,需要严格按照“先选相对面、再选独立面”的步序进行。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源:本题由教材中排列组合的“摸球”、“选委员”等经典组合模型演变而来,将其置于正方体这一直观的立体几何载体中,是高考考查数形结合与逻辑推理的优秀代表题型。
  2. 结论推广:若将正方体模型推广到常规问题中:
  • 从正方体的 6 个面中任取 2 个面,相交(相邻)的概率为 ,相对(不相邻)的概率为 。
  • 从正方体 6 个面中任取 3 个面,包含相对面的概率为 ,两两相邻的概率为 。

🔗【关联脉络】

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