方阵问题是指将元素按一定条件排成正方形(分为实心方阵与空心方阵),研究“每条边上的元素个数”、“层数”、“每层元素总数”以及“方阵元素总数”的关系。以下是方阵问题的核心规律和求解方法:
方阵元素总数
公式:方阵元素总数 = 每条边上的元素个数 × 每条边上的元素个数。
最外层元素总数
公式:最外层元素总数 = (每条边上的元素个数 - 1) × 4。
方阵层间关系
边边差2:方阵每相邻两层边上元素个数相差为2。
层层差8:由内向外每相邻两层总元素数相差为8。特殊情况下,每层边上元素个数为奇数时,实心方阵最中间两层差7。
层数计算
公式:层数 = 最外层边上元素个数 ÷ 2(有余数时,商要 + 1)。
方阵求总和方法
利用层间关系:算出各层,层层相加。
利用等差数列求和:层数为奇数时,元素总数 = 中间层元素个数 × 层数;层数为任意层时,元素总数 = (最外层总数 + 最内层总数) × 层数 ÷ 2。
常见题型及解析
例1:
有绿、白两种颜色且尺寸相同的正方形瓷砖共400块,将这些瓷砖铺在一块正方形的地面上,依次交替铺下去,恰好将所有瓷砖用完。这块正方形地面上的绿色瓷砖共有多少块?
解析:正方形地面上共铺400块瓷砖,400 = 20 × 20,即最外层边长个数为20,层数 = 20 ÷ 2 = 10层(绿色与白色瓷砖交替各5层),最外层绿色瓷砖总数 = (20 - 1) × 4 = 76。
答案:D. 220。
例2:
某次运动会需组织长宽相等的方阵,设男生方阵最外层每边人数为n,则男生总人数为4n - 4。由于女生方阵的人恰好组成新方阵的最外圈,则女生方阵总人数为4n + 4,根据男生方阵比女生方阵多28人可得:4n + 4 = 28,解得n = 8。则男生方阵总人数64,女生方阵总人数64 - 28 = 36,新方阵的总人数为64 + 36 = 100,故选择A项。
解析:已知最外层每边30人,根据规律1,最外层总人数为4 × (30 - 1) = 116人。根据规律3,相邻两层相差为8人,则次外层总人数为116 - 8 = 108人。最外两层共有116 + 108 = 224人。
答案:A. 100。
建议
理解规律:首先要掌握方阵问题的核心规律,包括边长、层数、每层元素总数和元素总数的计算公式。
灵活应用:根据题目条件,灵活运用方阵问题的规律,选择合适的方法进行求解。
注意细节:在计算过程中,要注意边长为奇数时的特殊情况,以及层数计算时的余数处理。
通过以上方法,可以有效地解决方阵问题,提高解题效率和准确率。