定义:称量球:T个球外观,大小相同,其中有且只有一个坏球,好球的质量均相同,坏球的质量与好球的质量不同。
定理:不借助于其他球的帮助,用不带砝码的天平称n次,可以从(3n -1)/2 只不知道坏球重量的称量球中找到坏球(其中n>= 2,n为自然数)。
引理一:不借助于其他球的帮助,用不带砝码的天平称n次,可以从 3n只已经知道坏球重量的称量球中找到坏球(其中n>= 1,n为自然数)。
证明:(数学归纳法)
当n=1时,T =3 , 天平左右两端分别放一只,
·condition 1: 天平平衡,则可以知道,剩下的一只为坏球。
·condition 2: 天平倾斜,则可以根据重量判定坏球。
此时定理成立。
假设n=k时也成立,即,可以通过k次称量判定3k 个球的中的坏球。
则当n=k+1时,有3K+1只球,分成相等的3份,每份3K只球,可以通过一次称量判定坏球在那一份中,在3K个球里根据假设可只通过K次可以确定坏球,如此共K+1次。所以当n=k+1时定理依然成立。
由数学归纳法,可得定理成立。
证明完毕。
引理二:借助与另外3n-1只好球的帮住,可以用不带砝码的天平称n次,可从(3n+1)/2只不知道坏球球的轻重的称量球中找到坏球(其中n>=1,n为自然数)。
证明:(略)
(Hint :(3n+1)/2=3n-1+(3n-1+1)/2)
引理三:不带砝码的天平左右两端分别放3n-1/2个球(所有这些球,可能是称量球,也可能都是好球),发生倾斜,则借助于另外的3n-1直好球的帮助,再称n次,就可以从着2×(3n-1)2只不知坏球轻重的球中找到坏球(其中n>=1, n为自然数)。
证明:(略)
(Hint:3n-1/2=3n-1-1/2+3n-1)
如下证明定理:
证明:共有3n-1/2=2×(3n-1-1)/2+(3n-1+1)/2只不知坏球轻重的称量球(其中n>=2,n为自然数),天平左右分别放(3n-1-1)/2只球。如果发生倾斜,则天平上的2×(3n-1-1)/2只球中有坏球,有引理三,此时借助另外的3n-2只好球的帮助,再称n-1次,就可以从这2×(3n-1-1)/2只不只坏球轻重的球中找到坏球,而3n-1+1/2>3n-2显然可证(其中n>= 2,n为自然数)。如果天平平衡,则剩下的3n-1+1/2.只球是称量球,有引理二,此时借助另外3n-2只好球的帮助,再称n-1次就可以,从这3n-1+1/2只称量球中找到坏球,而2×(3n-1-1)/2>3n-2显然可证(其中n>= 2,n为自然数)。
证明完毕。